KR20120057489A - 세그먼트형 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

Abstract

권선 저항을 감소시킴과 아울러 반드시 다상화하지 않고도 토크리플을 감소시키는 세그먼트형 SR모터에 관한 것으로서, 복수의 자극(21) 및 이 자극(21)간에 형성된 복수의 슬롯(22)을 갖는 고정자(2)와, 상기 고정자(2)에 대향하도록 배치되어 있으며 복수의 자성 세그먼트(32)를 갖는 세그먼트 구조의 회전자(3)와, 상기 고정자(2)의 각 자극(21)에 집중권으로 감아 이루어지는 코일(3)을 구비하고 있으며, 동일상의 코일(3)을 적어도 2개 이상의 인접하는 슬롯(22)에 배치하고 있다.

Description

세그먼트형 스위치드 릴럭턴스 모터{SWITCHED RELUCTANCE MOTOR OF SEGMENT TYPE}

본 발명은, 세그먼트형 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.

스위치드 릴럭턴스 모터(이하, SR모터라 칭함)로서는, 일반적으로 가변 자기저항형 SR모터(이하, VR형 SR모터라 칭함)가 주요한 모터로서 이용되고 있다(특허문헌 1 참조). 이 VR형 SR모터는, 회전자가 구조적으로 견고하여 고속 회전에 적합한 점과, 권선이 집중권(concentrated winding)으로 되어 있어 권선 저항을 작게 할 수 있는 점을 특징으로 들 수 있다.

그러나 이 VR형 SR모터는 토크가 작고 또한 반경방향 힘(radial force)에 기인하는 소음이 큰 문제가 있다.

한편, SR모터로는 회전자의 자극이 서로 자기적으로 독립된 세그먼트로 분할된 SR모터(이하, 세그먼트형 SR모터)가 있다(특허문헌 2 참조). 이 세그먼트형 SR모터는 토크가 크고 반경방향 힘도 작기 때문에 상기 VR형 SR모터의 결점을 극복할 수 있다.

그러나, 고정자에 감겨지는 코일은 전절권(Full-pitch Winding)으로 되어 있어 권선 저항이 커지거나 토크리플이 큰 문제가 있다.

이에 종래에는 권선 저항을 줄이기 위해 다극화함으로써 모터 권선의 코일엔드(coil end) 길이를 감소시키는 것, 또는 토크리플을 줄이기 위해 예를 들면 3상에서 4상 또는 5상으로 다상화함으로써 1상으로 맥동하는 토크를 다상 중첩시켜 평균화하는 것이 고려되고 있다.

특히 토크리플에 대해 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이, 상수를 늘림으로써 시간적으로 위상이 어긋난 전류가 흘러 시간적으로 피크가 어긋난 토크가 발생한다. 모터 전체의 토크는 이것들의 합이 되므로 토크리플은 다상화함으로써 감소시킬 수 있게 된다.

그러나, 상기 다상화는 모터 구조적으로는 간단한 구조를 그대로 유지하지만 모터 제어 회로측에서는 파워 소자(반도체 스위칭 소자)를 늘릴 필요가 있어 비용이 증가하는 과제가 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 일거에 해결하기 위해 이루어진 것으로, 세그먼트형 SR모터에 있어서, 권선 저항을 감소시킴과 아울러 반드시 다상화하지 않고도 토크리플을 감소시키는 것을 주된 소기의 과제로 하는 것이다.

본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터는 복수의 자극 및 해당 자극간에 형성된 복수의 슬롯을 갖는 고정자와, 상기 고정자에 대향하도록 배치되어 있고 복수의 자성 세그먼트를 갖는 세그먼트 구조의 회전자와, 상기 고정자의 각 자극에 권선된 코일을 구비하고 있으며 동일상의 코일이 적어도 2개 이상의 인접하는 슬롯에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

이와 같이 하면, 동일상의 권선이 적어도 2개 이상의 인접하는 슬롯에 배치되어 있으므로 동일상의 권선에 의해 발생하는 자속이 공간적으로 분산되므로 세그먼트형 SR모터에 있어서 토크리플을 감소시킬 수 있다. 또한, 고정자의 각 자극에 권선되는 코일은 집중권이 되므로 종래의 전절권과 비교하여 권선 저항을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 토크리플 감소에 대해 설명하면 동일상의 권선을 적어도 2개 이상의 서로 이웃하는 슬롯에 감음으로써 1상을 여자시켰을 경우에 적어도 2개 이상의 서로 이웃하는 자기회로가 형성된다. 이 2개의 자기회로는 공간적으로 전기각(Electrical angle) 360/S×/2［°］의 위상차를 가지므로 토크의 피크도 전기각 360/S×/2［°］의 위상차를 가지게 되어 모터 전체의 토크는 그 합이 되므로 토크리플이 감소한다. 종래의 기술은 상의 수를 늘려 시간적으로 위상이 어긋난 전류를 흘려 토크리플을 감소시킨 것에 반해, 본 발명은 동일상 내에 공간적으로 위상이 어긋난 자기회로를 구성하여 토크리플을 감소시키고 있다.

구체적인 실시 형태로서는, 자성 세그먼트수를 P, 슬롯수를 S로 했을 경우에, 120°＜360/S×/2＜210°, 360/S×/2≠180°의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성한 본 발명에 의하면, 세그먼트형 SR모터에 있어서 권선 저항을 감소시킴과 아울러 반드시 다상화하지 않고도 토크리플을 감소시킬 수 있다.

도 1은 본 실시형태에 따른 세그먼트형 SR모터의 구성을 보인 모식도이고,
도 2는 상기 실시형태의 세그먼트형 SR모터의 구성을 보인 도면이고,
도 3은 상기 실시형태의 세그먼트형 SR모터의 자기회로를 보인 도면이고,
도 4는 상기 실시형태의 토크 파형의 모식도이고,
도 5는 상기 실시형태의 세그먼트형 SR모터의 토크 파형의 해석 결과를 보인 도면이고,
도 6은 종래의 세그먼트형 SR모터의 토크 파형의 해석 결과를 보인 도면이고,
도 7은 종래의 다상화에 의한 토크리플 감소를 나타낸 모식도이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

본 실시형태에 따른 세그먼트형 스위치드 릴럭턴스 모터(세그먼트형 SR모터)(100)는 회전자(3)가 고정자(2)의 둘레를 회전하는 아우터 로터형의 3상 여자형 모터이다.

구체적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 복수의 자극(21) 및 이 자극(21)간에 형성된 복수의 슬롯(22)을 갖는 고정자(2)와, 고정자(2)의 외주면에 대향하도록 배치되고 있고 복수의 자성 세그먼트(32)를 갖는 세그먼트 구조의 회전자(3)와, 고정자(2)의 각 자극(21)에 권선되는 3상 코일(4)을 구비하고 있다.

고정자(2)는 대략 원통 형상 또는 대략 원기둥 형상을 이루는 자성체로서, 그 외주면에 있어서 축방향을 따라 둘레 방향으로 거의 등간격으로 설치된 복수의 자극(21)을 갖는다. 이 자극(21)은 고정자(2)의 외주면에 있어서 반경 방향 외측으로 돌출된 돌극이며, 자성 세그먼트(32)와 대향하는 말단부의 폭이 확장되어 대략 T자형의 단면 형상을 이루는 것이다.

회전자(3)는 고정자(2)의 자극(21) 말단부에 대하여 소정의 틈을 형성하는 내주면을 갖는 대략 원통 형상을 이루는 것이다. 이 회전자(3)는 고정자(2)에 대하여 동축상에 배치되어 고정자(2)의 주위를 회전한다. 이 회전자(3)는 대략 원통 형상을 이루는 비자성체로 이루어지는 회전자 본체(31)와, 이 회전자 본체(31)의 내주면에 있어서 축방향을 따라 둘레 방향으로 거의 등간격으로 마련된 복수의 자성 세그먼트(32)를 갖는다. 각 자성 세그먼트(32)는 서로 자기적으로 독립되어 있다.

코일(4)은 고정자(2)의 각 자극(21)에 집중권으로 감겨 있다.

그러나 본 실시형태의 세그먼트형 SR모터(100)는, 자성 세그먼트(32)의 수(극수)를 P, 슬롯(22)의 수를 S로 했을 때, 극수와 슬롯수가 120°＜360/S×/2＜210°, 360/S×/2≠180°의 관계를 만족함과 아울러, 동일상의 권선 코일(4)이 적어도 2개 이상의 서로 이웃하는 슬롯(22)에 배치되도록 집중권으로 감겨 있다.

이하, 상기 관계식을 만족하는 극수 25개, 슬롯수 30개의 세그먼트형 SR모터(100)를 예로 들어 설명한다. 또한 이하에 있어서, 코일(4)의 권선 방법이 서로 다른 실시예 1과 실시예 2 각각 대해 설명한다. 실시예 1은 도 2 상단에 도시된 바와 같이, 인접하는 고정자(2)의 자극(21)(돌극) 각각에 동일상의 코일(4)을 감아, 동일 슬롯(22)내에 배치된 코일(4)을 흐르는 전류의 방향이 같아지도록, 인접하는 슬롯(22)에 권선 코일(4)을 배치한 예이다. 또한 실시예 2는 도 2 하단에 도시된 바와 같이, 고정자(2)의 자극(21)(돌극)이 굵은 극과 가는 극이 둘레 방향으로 번갈아 가며 형성되어 있고 권선 코일(4)을 굵은 극에 감음으로써 이 굵은 극의 양측으로 인접하는 슬롯(22)에 권선 코일(4)을 배치한 예이다.

이와 같이 극수를 25, 슬롯수를 30으로 했을 경우, 서로 이웃하는 슬롯(22)간의 전기각은 360/S×/2=150°가 된다. 이 세그먼트형 SR모터(100)의 어느 한 상에 전류를 흘리면, 도 3에 도시된 바와 같이 적어도 2개 이상의 서로 이웃하는 자기회로가 형성된다. 이 2개의 자기회로는 공간적으로 전기각 360/S×/2［°］=150°의 위상차를 갖는다. 이 2개의 자기회로가 형성된 상태에서 회전자(3)가 회전하면 토크 파형은 360/S×/2［°］=150°의 위상차를 갖는 복수개의 피크를 갖는 파형이 되고(도 4, 도 5 참조), 토탈 토크는 그 합이 되므로 토크리플이 감소한다. 아울러 SR모터(100)는 180°로 대칭인 토크 파형을 가지므로 상기와 같은 150°의 위상차를 갖는 자기회로에서는 30°의 위상차를 갖는 토크가 발생한다.

이와 같이 구성한 세그먼트형 SR모터(100)의 토크리플율(="순시토크의 최대값 - 최소값(T_{p －p})"/"순시토크의 평균값(T_{a ｖe})")은 실시예 1에서는 0.78, 실시예 2에서는 0.62이며, 종래의 극수 20, 슬롯수 30의 세그먼트형 SR모터의 토크리플율 1.55(도 6)와 비교하여 절반 이하가 되어 소음 및 진동의 개선 효과를 확인할 수 있다.

＜본 실시형태의 효과＞

이와 같이 구성한 본 실시형태에 따른 세그먼트형 스위치드 릴럭턴스 모터(100)에 의하면, 동일상의 코일(4)이 적어도 2개 이상의 인접하는 슬롯(22)에 배치됨으로써 동일상의 권선에 의해 발생하는 자속이 공간적으로 분산되므로 세그먼트형 SR모터(100)에 있어서 토크리플을 감소시킬 수 있다. 따라서 세그먼트형 SR모터(100)에서 소음 및 진동을 개선할 수 있다. 또한, 고정자(2)의 각 자극(21)에 권선되는 코일(4)을 집중권으로 하고 있으므로 종래의 전절권과 비교하여 권선 저항을 감소시킬 수 있을 뿐 아니라, 사용하는 권선 중량을 감소시킬 수 있어 비용절감 효과를 갖는다.

＜기타 변형 실시형태＞

아울러 본 발명은 상기 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 상기 실시형태에서는 아우터 로터형의 것을 예로 들었으나 이너 로터형의 SR모터에 적용할 수도 있다.

또한, 상기 실시형태에서는 3상 모터였으나, 2상 모터나 4상 이상의 모터일 수도 있다.

그 밖에 본 발명은 상기 실시형태에 한정되지 않고 그 취지를 벗어나지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.

100 : 세그먼트형 SR모터
2 : 고정자
21 : 자극
22 : 슬롯
3 : 회전자
31 : 자성 세그먼트
4 : 코일

Claims (2)

1. 복수의 자극 및 이 자극간에 형성된 복수의 슬롯을 갖는 고정자와, 상기 고정자에 대향하도록 배치되어 있고 복수의 자성 세그먼트를 갖는 세그먼트 구조의 회전자와, 상기 고정자의 각 자극에 권선되는 코일을 구비하고 있으며,
   동일상의 권선이 적어도 2개 이상의 인접하는 슬롯에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
2. 제1항에 있어서,
   자성 세그먼트수를 P, 슬롯수를 S로 했을 경우, 120°＜360/S×/2＜210°의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.

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