KR20060070941A

KR20060070941A - 이중자석 하이브리드 유도 전동기

Info

Publication number: KR20060070941A
Application number: KR1020040109771A
Authority: KR
Inventors: 안재홍; 신현정; 한승도
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2004-12-21
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2006-06-26
Also published as: JP2006180694A; KR100631551B1; EP1675250B1; US20060131984A1; CN100459375C; US7511395B2; ATE399387T1; CN1794545A; EP1675250A1; DE602005007690D1

Abstract

본 발명은 고정자와 유도회전자에 각각 전자기적으로 결합되어 동기속도로 회전하는 마그네트(이하, 동기회전자)를 구비한 유도 전동기(이하, 하이브리드 유도 전동기)에 관한 것으로, 2상 또는 3상 회전자계를 생성하도록 구동코일을 권선한 고정자와; 고정자의 안쪽에 소정의 공극을 구비하여 회전 가능하게 삽입하고, 그 회전중심에 회전력을 전달하도록 회전축을 구비하는 유도회전자와; 고정자와 유도회전자 사이의 공극에 반경방향으로 착자되어 원주방향으로 복수 개의 극을 가지며, 축방향으로 대향하도록 설치하는 두 개의 동기회전자;를 포함함으로써, 하이브리드 유도전동기의 기동전류를 대폭 낮출 수 있을 뿐만 아니라 인가전압의 변화에 따라 회전자의 회전속도를 용이하게 가변할 수 있으므로 이를 채용한 제품의 신뢰성을 높이고 기능을 다양화할 수 있다.

Description

이중자석 하이브리드 유도 전동기{TWIN MAGNET HYBRIDE INDUCTION MOTOR}

도 1은 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기의 일례를 보인 종단면도,

도 2는 도 1의 'A-A'를 절취한 횡단면도,

도 3은 종래 단일자석 쉐이디드 폴형 하이블리드 유도 전동기의 정면도,

도 4는 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기의 동기회전자를 보인 사시도,

도 5는 도 4의 종단면도,

도 6은 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기의 동기회전자와 유도회전자를 보인 사시도,

도 7은 도 6의 종단면도,

도 8은 본 발명 이중자석 하이브리드 유도 전동기의 동기회전자와 유도회전자를 보인 사시도,

도 9는 도 8의 종단면도,

도 10a 및 도 10b는 본 발명 이중자석 하이브리드 유도 전동기의 기동 및 변속시 동기회전자의 위치를 보인 개략도.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1 : 모터하우징(브라켓) 2 : 고정자

3 : 유도회전자 4 : 축베어링

5 : 회전축 6,7 : 제1,제2 동기회전자

21 : 구동코일 21a : 쉐이딩코일

22 : 슬롯부 31 : 엔드링

32 : 도체바 61,71 : 제1,제2 마그네트

62,72 : 제1,제2 마그네트프레임 63,73 : 제1,제2 베어링

본 발명은 하이브리드 유도 전동기에 관한 것으로서, 특히 기동성능을 개선하고 변속 회전을 용이하게 할 수 있는 하이브리드 유도 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 전동기는 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 장치로서, 사용전원에 따라 직류전동기와 교류전동기로 구분할 수 있다. 그 중 교류전동기에는 유도전동기, 동기전동기, 정류자전동기 등이 있으며, 최근 유도전동기와 동기전동기의 특성을 결합한 동기/유도 전동기가 소개되고 있다.

동기/유도 전동기는 고정자와 회전자 사이의 공극에 동기자인 영구자석을 자유회전 상태로 설치하여 이중공극을 형성하는 것으로, 고정자의 자계가 동기자를 회전시켜 동기자가 동기속도로 회전을 함과 동시에 그 동기자의 영구자석에서 발생하는 자속이 회전자에 대해 회전자계 역할을 하면서 상기한 회전자가 회전을 하도록 하는 원리이다.

도 1은 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기의 일례를 보인 종단면도이고, 도 2는 도 1의 'A-A'를 절취한 횡단면도이며, 도 3은 종래 단일자석 쉐이디드 폴형 하이블리드 유도 전동기의 정면도이고, 도 4는 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기의 동기회전자를 보인 사시도이며, 도 5는 도 4의 종단면도이고, 도 6은 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기의 동기회전자와 유도회전자를 보인 사시도이며, 도 7은 도 6의 종단면도이다.

이에 도시한 바와 같이 종래 한 개의 자석을 가지는 하이브리드 유도 전동기는, 브라켓(1)의 내측에 고정자(2)를 고정 설치하고, 그 고정자(2)의 내측에는 일정 간격을 유지하도록 하여 동기회전자(6)를 회전 가능하게 설치하며, 그 동기회전자(6)의 내측에는 일정 간격을 유지하도록 하여 회전 가능하게 유도회전자(3)를 설치하고, 그 유도회전자(3)의 중심(3b)에는 유도회전자(3)의 회전력을 외부로 출력하기 위한 회전축(4)을 압입하고 있다.

고정자(2)는 규소강판으로 된 적층철심으로, 도 2에서와 같이 그 내주면에 회전자계를 생성하는 구동코일(21)을 권선할 수 있도록 다수 개의 슬롯부(22)를 원주방향으로 형성하고 있다. 구동코일(21)은 분상형, 캐패시터 구동형, 캐패시터 운전형 등의 2상 회전자계를 생성하도록 구성할 수 있고, 3상 회전자계를 생성하도록 구성할 수도 있다.

또, 고정자(2)는 도 3에서와 같이 쉐이딩코일(12a)을 사용하여 회전자계를 생성하는 쉐이디드 폴 형태로 사용할 수도 있다.

동기회전자(6)는 고정자(2)와 유도회전자(3) 각각에 대하여 전자기력으로 결합되는 것으로, 도 4 및 도 5에서와 같이 고정자(2)와 유도회전자(3)의 사이에서 자유롭게 회전할 수 있는 마그네트(61)와, 그 마그네트(61)를 지지하는 마그네트프레임(62)과, 마그네트프레임(62)이 회전축(5) 상을 자유롭게 회전할 수 있도록 하는 베어링(63)으로 이루어져 있다.

유도회전자(3)는 규소강판으로 된 적층철심에 봉도체를 삽입하는 소위 농형의 유도회전자(squirrel cage rotor)로 이루어져 있다. 예컨대, 도 3 내지 도 7에서와 같이 그 적층철심에 일정 간격으로 통공(3a)을 형성하고, 그 통공(3a)에 알루미늄의 봉도체(32)를 삽입하며, 그 봉도체(32)들의 양단부는 엔드링(31)으로 연결하여 이루어져 있다.

상기와 같은 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기는 다음과 같이 동작한다.

즉, 고정자(2)의 구동코일(21)에 1차 전류가 순차적으로 인가되어 회전자계가 형성되면, 이 자계에 동기회전자(6)가 동기되어 동기속도로 회전을 하게 되고, 그 동기회전자(6)의 마그네트(61)에서 내측자속이 유도회전자(3)에 대해 회전자계 역할을 하여 유도회전자(3)가 슬립율을 가지면서 회전을 하며, 이 유도회전자(3)에 결합하는 회전축(5)이 유도회전자(3)와 함께 회전을 하면서 팬과 같은 다른 부품에 회전력을 전달하는 것이었다.

그러나, 상기와 같은 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기에 있어서는, 공극의 자속밀도가 거의 일정하기 때문에 극 수가 작아지면서 동기회전자(6)의 기동토크가 부족해지기 쉬우므로 구동코일(21)에 과도한 전류가 인가되어야 하는 것은 물론 구동코일(21)에 인가되는 전압이 변하여도 공극자속의 밀도 변화가 작기 때문 에 가변속 운전이 어려워 제품이 효율이 저하될 뿐만 아니라 기능을 다양화하는데도 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래 단일자석 하이브리드 유도 전동기가 가지는 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 동기회전자의 기동에 필요한 전류를 낮춰 전동기의 효율을 높일 수 있는 하이브리드 유도 전동기를 제공하려는데 그 목적이 있다.

또, 유도회전자의 회전속도를 용이하게 가변할 수 있는 하이브리드 유도 전동기를 제공하려는데도 그 목적이 있다.

본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 2상 또는 3상 회전자계를 생성하도록 구동코일을 권선하는 고정자와, 고정자의 안쪽에 소정의 공극을 구비하여 회전 가능하게 삽입하고 가장자리를 따라 상하 방향으로 관통된 슬롯부에 도체인 봉도체를 형성함과 아울러 양단부를 엔드링으로 연결하는 유도회전자와, 유도회전자의 중심에 압입하여 그 유도회전자의 회전력을 외부로 전달하는 회전축과, 고정자와 유도회전자의 각각에 대해 전자기적으로 결합하여 자유 회전하도록 반경방향으로 착자하고 원주방향으로 복수 개의 극을 갖는 마그네트를 축방향으로 대향 설치하여 상기한 고정자와 유도회전자 사이에 회전 가능하게 설치하는 복수 개의 동기회전자를 포함한 이중자석 하이브리드 유도 전동기를 제공한다.

이하, 본 발명에 의한 이중자석 하이브리드 유도 전동기를 첨부도면에 도시한 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 8은 본 발명 이중자석 하이브리드 유도 전동기의 동기회전자와 유도회전자를 보인 사시도이고, 도 9는 도 8의 종단면도이며, 도 10a 및 도 10b는 본 발명 이중자석 하이브리드 유도 전동기의 기동 및 변속시 동기회전자의 위치를 보인 개략도이다.

이에 도시한 바와 같이 본 발명에 의한 이중자석 하이브리드 유도 전동기는, 케이싱(미도시)의 내부에 고정 설치하는 고정자(2)와, 고정자(2)의 안쪽에 회전 가능하게 설치하고 그 중앙에 회전축(5)을 결합하는 유도회전자(3)와, 고정자(2)와 유도회전자(3)의 사이에 회전 자유 상태로 개재하여 상기한 유도회전자(3)를 동기시키는 복수 개의 동기회전자(편의상, 도면의 우측을 제1, 좌측을 제2 동기회전자로 구분함)(6)(7)로 구성한다.

고정자(2)는 상기한 회전자계를 생성하기 위해 도 2에서와 같이 적층철심의 내주면에 메인코일과 서브코일을 사용한 구동코일을 권선할 수도 있으나, 경우에 따라서는 메인코일과 쉐이딩코일을 사용할 수도 있고 3상 권선을 사용할 수도 있다.

여기서, 모터의 변속성능을 구현하기 위해 전압가변장치를 사용하되, 전압가변장치는 위상제어를 이용하는 것이 바람직하다.

또, 모터의 변속성능을 구현하기 위해 상기 고정자(2)에 탭권선을 사용할 수도 있다.

유도회전자(3)는 도 6에서와 같이 규소강판으로 된 적층철심에 봉도체를 삽입하는 농형의 유도회전자로 이루어진다.

제1 동기회전자(6)와 제2 동기회전자(7)는 고정자와 유도회전자 사이에 회전 가능하게 개재하여 회전자계를 형성하는 제1 마그네트(61) 및 제2 마그네트(71)와, 각 마그네트(61)(71)를 지지하여 상기한 회전축(5) 상을 자유롭게 회전 가능하게 결합하는 제1 마그네트프레임(62) 및 제2 마그네트프레임(72)로 이루어진다.

제1 마그네트(61)와 제2 마그네트(71)는 도 8에서와 같이 모두 원통 모양의 영구자석으로 형성하되, 각각 원주방향을 따라 N극과 S극이 번갈아 나타나도록 착자하여 이루어진다. 또, 각 마그네트(61)(71)는 동일한 재질과 동일한 두께로 형성하되 유도회전자(3)의 변속범위를 확대하기 위하여 양쪽 마그네트(61)(71)의 축방향 길이를 상이하게 형성하거나 또는 유도회전자(3)의 기동토크를 줄이기 위하여 양쪽 마그네트(61)(71)의 축방향 길이를 동일하게 형성할 수 있다.

제1 마그네트프레임(62)과 제2 마그네트프레임(72)은 도 9에서와 같이 원판모양으로 형성하되 그 중앙부에는 상기 회전축(5)에 회전 가능하게 결합하도록 상기한 베어링(63)(73)을 각각 설치하고, 테두리부는 축방향으로 절곡하여 그 끝단에 상기한 제1 마그네트(61)와 제2 마그네트(71)를 고정 설치한다.

또, 제1 마그네트프레임(62)과 제2 마그네트프레임(72)은 모두 비자성체로 제작하여 상기한 마그네트(61)(71)를 각각 후조립하거나, 각각의 마그네트(61)(71) 일측에 사출성형에 의해 각 마그네트프레임(62)(72)을 일체로 형성할 수도 있다. 또, 마그네트(61)(71)와 마그네트프레임(62)(72)을 자성재질로 일체 성형한 후 마그네트 부위만 착화할 수도 있다.

베어링(63)(73)은 볼베어링 또는 오일리스 베어링으로 이루어진다.

도면중 종래와 동일한 부분에 대하여는 동일한 부호를 부여하였다.

상기와 같은 본 발명 이중자석 하이브리드 유도 전동기는 다음과 같은 작용 효과를 갖는다.

즉, 고정자(2)의 구동코일(도 1에 도시)(21)에 전원이 인가되어 회전자계가 형성되면, 이 자계를 따라 제1 동기회전자(6)와 제2 동기회전자(7)가 동기되어 회전을 하고, 제1 마그네트(61)와 제2 마그네트(71)의 자속이 회전자계 역할을 하여 유도회전자(3)가 슬립을 가지면서 회전을 하며, 이 유도회전자(3)에 결합한 회전축(5)이 유도회전자(3)의 회전력을 팬 등의 부하에 전달한다.

이때, 제1,제2 동기회전자(6)(7)가 동기되기 전의 상태에서는 나자석시 제1,제2 동기회전자(6)(7)는 도 10a에서와 같이 같은 극으로 정렬되어 동기속도로 회전을 한다. 이후 도 10a에서 도 10b로 전환되는 과정에서 구동코일(21)에서 생성되는 회전자계의 세기가 약할 경우에는 제1 동기회전자(6)와 제2 동기회전자(7)가 구동코일(21)의 회전자계에 번갈아 가며 동기하는 현상이 발생하는데, 이로 인해 동기회전자의 극수가 대략 2배로 증가하는 효과를 가져와서 동기회전자의 동기인입에 필요한 회전자계 세기를 대폭 낮출 수 있다. 여기서, 제1,제2 동기회전자(6)(7)가 번갈아 동기하는 과정에서 동기회전자의 축방향 진동이 발생할 수 있으나 그 진동의 크기는 동기회전자의 질량관성이나 극수 등에 따라 상이하다.

다음, 제1,제2 동기회전자(6)(7)가 동기된 후의 상태에서는 구동코일(21)에 인가되는 전압이 충분히 큰 경우에는 제1,제2 동기회전자(6)(7)가 도 10b에서와 같이 같은 극으로 모여서 동기 속도로 회전을 하게 되고, 이 과정에서 제1,제2 동기 회전자(6)(7)의 내측면에 형성되는 회전자계의 세기는 최대가 되어 유도회전자(3)의 회전속도 역시 최대가 된다. 또, 구동코일(21)에 인가되는 전압이 작아지면 제1,제2 동기회전자(6)(7)는 같은 극이 조금만 겹쳐진 상태를 유지하면서 동기 속도로 회전을 하게 되며, 이 과정에서 제1,제2 동기회전자(6)(7)의 내측면에 형성되는 회전자계의 세기가 약해져서 유도회전자(3)의 회전속도가 감소하게 된다.

이렇게 하여, 두 개의 동기회전자를 가진 하이브리드 유도 전동기의 경우 기동전류를 대폭 낮춤으로써 전동기의 소음은 낮추고 효율은 높일 수 있을 뿐만 아니라, 인가 전압의 변화에 따라 동기회전의 자속이 변화하므로 하이브리드 유도 전동기의 회전속도 변경이 용이하고 이를 채용한 제품의 기능을 다양화할 수 있다.

본 발명에 의한 이중자석 하이브리드 유도 전동기는, 두 개의 동기회전자가 축상에서 상호 독립적으로 회전할 수 있도록 서로 대향되게 설치함으로써, 인가전압의 변화에 따라 유도회전자의 회전속도를 용이하게 가변하여 이를 채용한 제품의 기능을 다양화할 수 있을 뿐만 아니라 고정자 회전자계의 출력이 회전자계와 동일한 극수의 동기회전자를 동기시키기 부족할 경우에 동기회전자의 극 수가 증가하는 효과를 보임으로써 단일자석 하이브리드 유도전동기에 비해 기동에 필요한 전류를 대폭 감소시켜 전동기가 저소음 고효율 운전을 할 수 있다.

Claims

2상 또는 3상 회전자계를 생성하도록 구동코일을 권선하는 고정자와,

고정자의 안쪽에 소정의 공극을 구비하여 회전 가능하게 삽입하고 가장자리를 따라 상하 방향으로 관통된 슬롯부에 도체인 봉도체를 형성함과 아울러 양단부를 엔드링으로 연결하는 유도회전자와,

유도회전자의 중심에 압입하여 그 유도회전자의 회전력을 외부로 전달하는 회전축과,

고정자와 유도회전자의 각각에 대해 전자기적으로 결합하여 자유 회전하도록 반경방향으로 착자하고 원주방향으로 복수 개의 극을 갖는 마그네트를 축방향으로 대향 설치하여 상기한 고정자와 유도회전자 사이에 회전 가능하게 설치하는 복수 개의 동기회전자를 포함한 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제1항에 있어서,

변속성능을 구현하기 위해 전압가변장치를 사용한 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제2항에 있어서,

전압가변장치는 위상제어를 이용하는 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제1항에 있어서,

변속성능을 구현하기 위해 고정자에 탭권선을 사용한 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제1항 또는 제2항 또는 제4항에 있어서,

고정자는 회전자계를 생성하기 위해 메인코일과 서브코일을 사용한 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제1항 또는 제2항 또는 제4항에 있어서,

고정자는 회전자계를 생성하기 위해 메인코일과 쉐이딩코일을 사용한 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제1항 또는 제2항 또는 제4항에 있어서,

고정자는 회전자계를 생성하기 위해 3상 권선을 사용한 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제1항 또는 제2항 또는 제4항에 있어서,

동기회전자는 고정자와 유도회전자 사이에 위치하는 복수 개의 마그네트와, 그 마그네트 각각의 일측에 결합하는 복수 개의 마그네트프레임과, 복수 개의 마그 네트에 각각 결합함과 아울러 상기한 회전축에 회전 가능하게 결합하는 복수 개의 베어링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제8항에 있어서,

마그네트는 각각 상기 고정자와 유도회전자 사이에 소정 간격의 공극을 두고 회전 가능하게 배치하는 원통형의 영구자석인 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제8항에 있어서,

마그네트프레임은 비자성체인 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제8항 또는 제10항에 있어서,

마그네트프레임은 각각의 마그네트 일측에 사출성형에 의해 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제8항 또는 제10항에 있어서,

마그네트와 마그네트프레임이 일체로 된 자성재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제8항에 있어서,

베어링은 볼베어링인 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.
제8항에 있어서,

베어링은 오일리스 베어링인 것을 특징으로 하는 이중자석 하이브리드 유도 전동기.