KR20120030344A - 동기 및 유도 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동기 전동기와 유도 전동기로서 작용하고 코일 권선들을 갖는 고정자(100)와 회전자(200)를 포함하는 전동기에 관한 것이며, 상기 회전자는 4개의 자극을 발생시키는 자석들(300,310,320,330)을 가지며, 상기 고정자(100)의 권선들은 자극들의 수를 변화시키기 위해서 스위치될 수 있다. 상기 전동기는 저속회전시에는 동기 전동기로서 작용하고 고속회전시에는 유도 전동기로서 작용한다. 유도 전동기로서 작동하는 동안에, 회전자들(200)은 1에 가까운 프로우튜버런스 비(protuberance ratio)를 가지며, 2개의 자극들을 통해서 양호한 효율 수준에 도달하기에 충분한 플럭스를 발생시키며, 전동기가 작동중에 토크 진동을 갖는 것을 방지하고 경량 작동 및 양호한 성능과 저소음을 제공한다.

Description

동기 및 유도 전동기{A SYNCHRONOUS AND INDUCTION MOTOR}

본 발명은 동기 및 유도 전동기에 관한 것이며, 특히 동기 전동기와 유도 전동기로서 작동하고 두 가지 상황에서 동일한 양호한 성능을 발휘할 수 있는 배열을 보여주는 전동기에 관한 것이다.

요즘에는, 냉각용 압축기 모터들은 이러한 압축기들에서 에너지 소비에 있어서 중요한 기능을 갖는다. 이러한 모터들의 중요한 특징들 중에서, 전기 출력, 시동과정 동안의 강건함, 및 동일한 속도를 변화시키는 가능성을 들 수 있다.

냉각용 압축기에서 이용되는 3가지 타입의 모터는 가정용이나 상업용으로 해당 기술분야에서 발견되는 전체의 90% 이상을 갖추고, 단상 유도 전동기, 영구자석을 갖는 동기 전동기 및 영구자석을 갖는 브러시리스 DC 모터이다.

단상 유도전동기에 있어서, 고정자 필드와 회전자에서 유도된 필드 사이의 상호작용을 통해서 발생하는 토크는 높다. 이러한 타입의 모터의 전기에너지는 합리적이고(평균), 전기에너지의 이용은 필수적이지 않으며 그것의 속도는 일정하다. 이것은 이러한 타입의 모터를 저가 모터로 만든다.

영구자석을 갖는 동기 모터에서 단상유도형 동기전동기(LSPM)가 회전하면, 자기장과 고정자 전류 사이의 상호작용에 의해서 발생된 토크가 낮다. 이러한 타입의 모터에 있어서, 소정 형식의 전자 제어가 불필요하고, 그것의 속도는 일정하다. 그러나, 그것의 효율은 유도 전동기의 효율과 비교했을 때 높다. 이러한 타입의 모터는 중간 비용의 모터이다.

끝으로, 영구자석을 갖는 브러시리스 DC 모터는 다른 것들과는 달리 토크를 생성하는 고정자에서 효과적인 전류 크기를 제어하기 위해서 회전자에 의해서 발생하는 필드와 함께 전자 제어, 인버터를 이용한다. 전자 제어를 갖기 위해서, 트랜지스터들의 유도 시간이 조정될 수 있으므로, 그것의 속도는 제어 가능하다. 그러나, 이러한 종류의 해법은 꽤 복잡한 전자장치를 사용해야 하기 때문에 고가이다.

그러한 타입의 모터는 예를 들어 US 3 978 356, US 4 139 790, US 5 631 512, US 5 825 112, US 6 917 133, US 7 116 030, US 7 183 686 및 US 7 372 183에서 볼 수 있다.

본 발명은 브러시리스 DC 모터에 부수하는 전자장치들을 사용함이 없이 2가지 속도로 작동할 수 있게 허용하여 높은 수준의 효율과 가변 속도 및 경쟁력 있는 가격의 장점이 있는 동기 전동기 및 유도 전동기의 복합 구성을 갖는 모터로 이루어진다.

그러므로, 본 발명의 목적은 전자장치들을 사용함이 없이 속도를 변화시킬 수 있는 모터를 제공하려는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 현행 모터보다 양호한 성능과 가격 경쟁력, 다시 말해서 저가에 양호한 성능을 갖는 모터를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 일정 조건하에서 동기 전동기 및 유도 전동기의 특징들을 갖는 전동기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 일반적인 것보다 낮은 속도하에서 낮은 노이즈 수준으로 동기화 작동하는 전동기를 제공하려는 것이다.

본 발명의 목적들은 동기 및 유도 전동기로서, 코일 권선들을 갖는 고정자; 자석들을 갖는 회전자; n개 자극을 발생하는 자석들을 가지며, 저속회전시에는 동기 전동기로서 작동하고 고속 회전시에는 유도 전동기로서 작동하기 위해서, 스위치를 통해서 고정자의 n개 자극들을 변화시킬 수 있게 배열된 코일 권선들을 갖는 고정자;를 추가적으로 포함하며, 여기에서 유도 전동기로서의 작동과정 동안에 회전자는 1에 가까운 프로우튜버런스 비(protuberance ratio)(Xd/Xq)(다이렉트 샤프트와 횡 샤프트 리액턴스 사이의 비)로서 사용되는 동기 및 유도 전동기에 의해서 달성된다.

본 발명은 브러시리스 DC 모터에 부수하는 전자장치들을 사용함이 없이 2가지 속도로 작동할 수 있게 허용하여 높은 수준의 효율과 가변 속도 및 경쟁력이 있고, 가격의 장점이 있는 동기 전동기 및 유도 전동기의 복합 구성을 갖는 모터를 제공할 수 있다.

본 발명은 첨부 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 상세하게 설명될 것이다. 2개 내지 4개의 자극 구성을 사용하는 예들은 이해를 돕기 위한 것이며, 해법은 이러한 조합으로 한정되지 않고, 자극들의 수의 다른 조합들이 필요에 따라서 사용 가능하다.
도 1A는 본 발명의 전동기 고정자의 2개 자극 구성을 전류 방향으로 나타낸 도면;
도 1B는 도 1A의 전동기 고정자의 2개 자극 구성을 자기 플럭스 방향으로 나타낸 도면;
도 1C는 본 발명의 전동기 고정자의 4개 자극 구성을 전류 방향으로 나타낸 도면;
도 1D는 도 1C의 전동기 고정자의 4개 자극 구성을 자기 플럭스 방향으로 나타낸 도면;
도 1E는 본 발명의 전동기 고정자의 대안적인 2개 자극 구성을 전류 방향으로 나타낸 도면;
도 1F는 본 발명의 전동기 고정자의 대안적인 4개 자극 구성을 전류 방향으로 나타낸 도면;
도 2는 본 발명에 따른 자석들을 갖는 회전자의 4개 자극 구성을 자기장 방향으로 나타낸 도면;
도 3A는 고정자 메인 코일의 축과 정렬된 회전자 다이렉트 샤프트를 갖는 바람직한 전동기의 필드 챠트를 나타낸 도면;
도 3B는 고정자 메인 코일의 축으로부터 90도 각도를 이루는 회전자 다이렉트 샤프트를 갖는 도 3A의 상기 전동기의 필드 챠트를 나타낸 도면;
도 4A는 본 발명에 따른 회전자 구성의 대안적인 토폴로지(topology)를 나타낸 도면; 그리고
도 4B는 본 발명에 따른 회전자 구성의 대안적인 토폴로지를 나타낸 도면이다.

도 1A와 1B는 2개의 자극을 발생시키는 구성에서 권선들을 갖는 고정자(100)를 나타낸다.

도 1A에 도시된 바와 같이, 상부와 하부에서의 전류는 이러한 구성에 있어서 동일한 방향(좌측으로부터 우측으로)이며, 이 전류들은 화살표 1과 2로 나타낸다.

도 1B는 도 1A에 나타낸 구성의 자기 플럭스 방향을 나타낸다.

도 1C와 1D는 도 1A 및 1B와는 달리, 4개의 자극들을 발생시키는 구성에서 권선들을 갖는 고정자(100)를 나타낸다.

도 1C는 고정자(100)의 권선의 4개 자극 구성을 나타내는데, 여기에서 화살표 3과 4는 상부와 하부에서 서로 반대방향으로(상부-좌측으로부터 우측으로, 하부-우측으로부터 좌측으로) 진행하는 전류를 보여준다.

도 1D는 4개 자극을 형성하는, 도 1C에 도시된 구성의 자기 플럭스를 나타낸다.

도 1A와 1D에서 설명하고 있는 구성들은 2개 자극 권선의 고정자(100)를 4개 자극 권선의 고정자(100)로 변화시킨 단지 다수의 구성의 예이다.

2개와 4개 자극을 갖는 고정자(100)의 권선 구성은 전자 및/또는 전자-기계 스위치의 구동을 통해서 대체된다.

추가적인 구성들이 도 1E 및 1F에 도시되어 있다. 도 1E는 고정자의 권선의 대안적인 2개 자극 구성을 설명하고 있는데, 여기에서 화살표 5 내지 8은 상기 권선 구성에서 전류들의 방향을 보여주며, 이때 상부와 하부에서의 전류는 동일방향(우측에서 좌측으로)을 가지며 우측부와 좌측부에서 동일 방향(상부로부터 바닥으로)을 갖는다.

4개 자극 권선 구성을 갖는 고정자(100)의 예에 있어서, 도 1F에 도시된 바와 같이, 화살표 9 내지 12로 나타낸 바와 같이, 상부와 하부에서의 전류는 반대방향(상부-좌측으로부터 우측으로, 하부-우측으로부터 좌측으로)을 가지며, 우측과 좌측에서의 전류는 반대방향(우측부-바닥으로부터 상부로, 좌측부-상부로부터 바닥으로)을 갖는다.

첨부된 도면들에서 나타낸 구성들과는 달리, 그러한 구성을 사용하기 위한 추가적인 효율 이득과 같은 다른 특징들을 갖는 2개 및 4개 자극 독립 권선들과 같은 셀 수 없는 다른 권선 구성들이 이용될 수 있다.

상기한 바와 같이, 2개 또는 4개 자극들을 갖는 고정자(100)의 권선 구성들은 저속 혹은 고속 회전으로 전동기를 사용할 필요성을 평가하는 근거가 되는 외부 제어장치에 의해서 제어되는 예를 들어 트랜지스터와 같은 전자 스위치들 및/또는 릴레이와 같은 전자-기계 스위치들의 구동을 통해서 변화될 수 있으며, 따라서 전압 및/또는 전류 신호에 의해서 권선 구성들 사이의 스위칭이 가능해진다.

도 2를 참조하면, 회전자(200)는 예를 들어 4개 자극을 형성하는 자석들(300,310,320,330)을 갖는 것으로 도시되어 있는데, 여기에서 자석들(300,310,320,330)은 저속 조건하에서 전동기의 동기화를 가능하게 할 것이다.

영구자석을 갖는 네트워크(LSPM)에서 직접 기동하게될 영구자석을 갖는 모터로서 모터의 작동은 이러한 모터로 하여금 낮은 속도 조건하에서 고효율로 작동할 수 있게 한다. 도 2에 있어서, 화살표는 자석들(300,310,320,330)의 자기장방향을 나타내며, 명백한 바와 같이, 반대 위치들에 있는 자석들은 필드 반대방향을 갖는다. 예로서, 상기 도면으로부터, 상부 좌측과 하부 우측 사분면(300,330)의 자석들은 서로에 대하여 역 필드 방향을 가지며, 동일한 것이 상부 우측과 하부 좌측 자석들(310,320)에서도 일어난다. 이러한 구성은 회전자에 4개의 자극들을 발생시키나, 많은 수의 자극들이 저속 구성에 대항 원하는 회전방향에 따라서 사용될 것이다. 예로서, 2개 자극(고속 회전), 4개 자극(저속 회전), 심지어 4개 자극(고속 회전) 및 6개 자극(저속 회전) 구성들 또는 다른 조합은 전동기의 응용에 있어서 특별한 장점들을 제공한다.

회전자(200)로서, 스위칭이 없고, 4개의 회전자가 되며, 항상 4개의 자극들을 갖게 되고, 구성은 2개의 자극(유도 전동기) 및 4개의 자극(동기 전동기)에 대하여 만족할만한 작동을 가능하게 한다. 이러한 특별한 구성을 제공하기 위해서, 몇몇 구성 조건들을 충족시키는 것이 필요하다. 이것들은 (a) 자석들(300,310,320,330)에 의해서 발생된 플럭스는 4개의 자극(동기) 전동기로서 작동하는 동안에 합리적인 토크와 효율 수준을 발생시키기에 충분할 정도로 높아야 한다; (b) 회전자(200)의 2개 자극 작동과정 동안에 릴럭턴스 토크를 제로(0)에 가깝게 하고 합리적인 효율 수준에 도달할 수 있게 하면서 정상적인 속도하에서 토크 진동을 회피할 수 있게 하기 위하여, 2개의 자극 권선에 의해서 볼 수 있는 바와 같이 다이렉트 샤프트(Xd) 및 횡 샤프트(Xq) 사이의 릴럭턴스 비(Xd/Xq)는 1에 가까워야 한다; 이다. 릴럭턴스 비 또는 프로우튜버런스 비(protuberance ratio)는 직류의 릴럭턴스와 회전자의 횡 샤프트 사이의 관계이다. 그러므로, 관계가 커지면, 큰 릴럭턴스 토크는 동기 회전에 가까워질 컷이다.

릴럭턴스 비(Xd/Xq)가 1에 가까워지면, 높은 회전 토크 진동이 회피된다(언급한 예에서 2개 자극).

다른 중요한 필요조건은 자석들이 대칭적으로 배열되어야 하고 동일한 포맷 및 자기 특성을 가져야 한다는 것이다. 이 사실은 2개 자극에서 자기 플럭스에 의해서 발생된 평균 토크가 무효인 것을 보장하게될 것이다.

상기에서 언급한 이러한 필요조건들을 충족하면, 2개의 자극 작동과정 동안에 전동기가 토크 진동을 갖는 것을 방지한다. 토크 진동, 전동기 출력 토크에서의 조화로운 변화는 진동, 소음 및 기계에서 회전의 변화에 기여한다. 그러므로, 본 발명에 의해서 설명된 구성은 경량 작동, 저소음 및 양호한 성능의 전동기를 발생시킨다.

도 3A와 3B는 예시적인 릴럭턴스 비를 나타내는데, 여기에서 도 3A는 높은 릴럭턴스와 낮은 플럭스를 갖는 다이렉트 전기 축을 나타내는 반면, 도 3B는 낮은 릴럭턴스와 높은 플럭스를 갖는 다이렉트 전기 축을 나타낸다. 도 3A에 도시한 화살표는 매우 높은 릴럭턴스를 갖는 축을 나타내는 반면, 도 3B에 도시한 화살표는 매우 낮은 릴럭턴스를 갖는 축을 나타낸다.

1 다음의 릴럭턴스 비를 갖는데 대한 필요성에 기초하여, 다수의 구성의 회전자(200)가 이용될 것이며, 회전자(200)의 적정한 작동에 대하여 충분히 높은 플럭스를 발생시킨다. 이러한 방식에 있어서, 도 4A와 4B에 나타낸 구성들은 2개의 자극과 4개의 자극을 갖는 회전자(200)의 작동에 대한 필요조건들을 충족시킨다.

도 4A는 평평한 자석들을 나타내는 반면, 도 4B는 만곡된 자석들(오목한 형상)을 나타낸다. 도 4A와 4B에 나타낸 2개의 구성들은 단순한 예이며, 최적 작동을 위한 필요조건들이 맞추어진다면, 회전자 자석들(300,310,320,330)의 다른 구성들이 제공될 수도 있다.

비록 상기한 설명은 바람직한 실시 예를 언급하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명이 그러한 설명으로 한정되지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.

첨부된 특허청구의 범위 및 그 등가물에 의해서 포괄할 수 있는 바와 같이 본 발명 및 그 등가물의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 다양한 수정 및 변경이 이루어질 수 있음을 해당 기술분야의 숙련된 당업자에게는 명백하다.

Claims (7)

1. 동기 및 유도 전동기로서,
   코일 권선들을 갖는 고정자(100); 및
   자석들을 갖는 회전자(200);를 포함하며,
   상기 회전자는 n개 자극들을 발생하는 자석들을 구비하고, 저속 회전시에는 동기 전동기로서 작동하고 고속 회전시에는 유도 전동기로서 작동하기 위해서, 상기 고정자에 있는 자극들의 수가 스위치를 통해서 선택될 수 있게 배열된 코일 권선들을 갖는 고정자를 추가적으로 포함하고,
   저속회전시에 동기 전동기로서 작동하기 위한 상기 고정자(100) 권선에 있는 자극들의 수는 상기 회전자에 있는 자극의 수 n과 같고,
   고속회전시에 유도 전동기로서 작동하기 위한 상기 고정자(100) 권선에 있는 자극들의 수는 짝수 및 2와 n-2 사이의 정수이고,
   유도 전동기로서의 작동과정 동안에 상기 회전자(200)는 1에 가까운 프로우튜버런스 비(protuberance ratio)(Xd/Xq)를 갖도록 이용되는 동기 및 유도 전동기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치는 전기 스위치인 동기 및 유도 전동기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스위치는 전자-기계적 스위치인 동기 및 유도 전동기.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 항에 있어서, 외부 제어장치는 고속회전이나 저속회전 작동에 대한 필요를 평가하는 동기 및 유도 전동기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자(200)의 상기 자석들(300,310,320,330)은 평평한 자석인 동기 및 유도 전동기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자(200)의 상기 자석들(300,310,320,330)은 오목한 자석인 동기 및 유도 전동기.
7. 제 1 항에 있어서, 고속회전과 저속회전에 대한 상기 고정자 권선은 독립적인 동기 및 유도 전동기.

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