KR20150139219A - 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기 - Google Patents

12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기 Download PDF

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이동희
서진요
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경성대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 원통형 회전자와 상기 회전자를 에워싸는 원통형의 고정자로 이루어지는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기에 있어서, 상기 원통형 고정자는 상기 원통형 고정자의 내주면으로부터 방사상으로 연소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 12개의 고정자 극을 구비하고, 상기 원통형 회전자는 상기 원통형 회전자의 외주면상에서 방사상으로 중심을 향하여 소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 14개의 회전자 극을 구비한다.
본 발명의 경우, 상기 12개의 고정자 극은 90도 간격으로 이격 배치되는 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극과, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극 사이 사이에 한쌍씩 순차 배치되는 한쌍의 제 1 내지 제 4 토그 극으로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극의 호(arc)는 회전자 극의 피치보다 크고, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극과 마주보는 상기 회전자 극간의 상호 중첩 영역은 동일하게 이루어진다.
본 발명의 경우, 반전 자속 없이 짧은 자속 경로를 갖기 때문에 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM과 비교시 본 발명의 경우 출력토크가 상당히 개선할 수 있다.

Description

12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기{12/14 Hybrid Pole Type Bearingless Switched Reluctance Motor}
본 발명은 자속 경로가 짧고 고정자에서 자속 역전이 발생하지 않는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기(BLSRM; BearingLess Switched Reluctance Motor)에 관한 것이다.
초고속 공작 기계, 분자 펌프, 원심 펌프, 압축기, 플라이휠 에너지 저장 및 항공 우주 등과 같은 현대 산업 분야에서는 고속 또는 초고속 기계 장치가 필요하다 [1].
그러나, 전통적인 기계적 베어링으로는 고속 기계 장치의 샤프트를 감당하기에는 많은 문제점이 발생될 수 있다.
이러한 이유로 인하여 고속 또는 초고속 기계 장치에서 초래되는 종래의 기계식 베어링의 문제점을 해결하기 위하여, 베어링이 없는 전동기(베어링리스 전동기)에 대한 관심이 점증하고 있다.
알려진 바와 같이, 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기(BLSRM)는 스위치 릴럭턴스 전동기(SRM)의 뛰어난 성능뿐만 아니라, 베어링리스 전동기의 장점을 구비하고 있으며, 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기(BLSRM)를 사용하는 경우 고속 또는 초고속 동작 수행이 가능하다는 특성을 갖고 있다. [2-3]
이러한 이유로 인하여 최근 들어, 다양한 구조의 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기(BLSRM)가 제안되고 있다.
예를 들어, 법선방향(축방향) 힘 및 토크 제어 구조로, 베어링리스 제어 가능한 12/8 극 SRM이 제안되었는데, 이 방식은 고정자 극에서 법선방향 힘을 발생시키기 위하여 보조 권선을 구비하는 구조이다.[3-4]. 여기서, 보조 권선은 회전자가 부상하도록 법선방향 힘을 공급한다.
또 다른 종래 기술에서는 8/6 타입 BLSRM에 대하여 3개의 권선에 각 정류 주기 동안에 서로 다른 전류를 흘리는 방식을 제안하였다[5-6].
따라서, 3개의 토크와 3개의 법선방향 힘을 발생시킬 수 있다.
모리슨 회전자(Morrison rotor)라 부르는 단일 하이브리드 회전자 구조가 제안되기도 하였다[7-8]. 이 구조의 경우, 회전자는 원형이고 다중 극 적층 세그먼트로 이루어진다. 원형 부분은 부상용에 사용되며 다극 부분은 부상 및 모터링(motoring)용으로 사용된다.
그런데 전술한 종래 구조의 경우, 토크 제어는 법선방향 힘 제어와 연동되어 있고, 토크와 법선방향 힘을 발생시키는 영역을 모두 사용할 수 없는데, 그 이유는 토크와 법선방향 힘을 적절하게 절충할 수 있도록 동작점(operating point)을 선택하여야 하기 때문이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 하이브리드 고정자 극을 가진 BLSRM이 제안되었다.[1] 그러나, 이 구조의 경우, 고정자 극의 절반만 토크에 사용된다. 따라서 전력 밀도가 매우 낮다. 또한, 이 전동기에는 자속 경로가 길고, 자속 역전이 고정자 코어에 존재하기 때문에, MMF(Magneto Motive Force) 충족요건이 증가하고 높은 코어 손실을 초래할 수 있다는 문제점이 있다.
[종래 BLSRM]
도 1은 종래의 BLSRM의 전형적인 구조도이다.
도시된 바와 같이, 이중 권선형 BLSRM은 각 고정자 극에 토크 및 서스펜딩 권선을 가지고 있다.
토크 권선은 직렬로 연결된 4개의 코일로 구성되고, 서스펜션 권선은 2개의코일로 구성된다.
도 2는 일반적인 SRM의 이상적인 인덕턴스, 토크 및 법선방향 힘의 프로파일을 보여준다.
도 2에서, 유효 토크는 θ1에서 θ3까지의 영역에서 발생하고 사용 가능한 법선방향 힘은 θ2에서 θ4 까지의 영역에서 발생되는 것을 알 수 있다.
발생한 토크와 법선방향 힘간의 상호 중첩 영역은 θ2에서 θ3 까지이다.
이상적으로는 이 중첩 영역에서 전동기가 작동하는 것이 가장 바람직하다.
그러나, 일반적인 SRM에서 토크와 법선방향 힘의 내재적 원리로 인하여, 중첩 영역은 매우 좁다. 따라서, 동작점은 토크와 법선방향 힘이 상호 절충되도록 선택하는 것이 바람직하다.
모든 종래의 BLSRM은 일반적인 SRM 구조를 기반으로 하므로, 종래의 BLSRM은 전술한 문제점을 여전히 안고 있다.
[하이브리드 고정자 극을 갖는 8/10 BLSRM]
종래 BLSRM에서의 토크 및 법선방향 힘 성능을 개선하기 위하여, 하이브리드 고정자 극 구조가 연구되고 있다 [1].
도 3은 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM의 구조이다.
일반적인 BLSRM 구조와 달리, 2 종류의 고정자 극이 전동기에 포함되어 있다.
한 종류는 토크 극이며, 다른 종류는 법선방향 힘 극인데, 연속적으로 법선방향 힘을 생성하기 위하여 법선방향 힘 극의 극 호(pole arc)는 회전자 극 피치보다 더 크게 설계하는 것이 바람직하다.
토크와 법선방향 힘 극간의 독립적인 특성으로 인하여 법선방향 힘은 회전자 위치에 따라 우수한 선형성을 가지고 있다.
따라서, 종래의 일반적인 BLSRM과 대비하여 볼 때 공극(air gap)을 제어하기 용이하다.
그러나, 본 전동기의 경우 고정자 극의 절반만 토크용으로 사용하므로 전력 밀도는 매우 낮으며, 자속 경로가 길고 고정자 코어에 자속 역전이 존재하기 때문에 MMF 충족 사항이 증가하고 코어 손실이 더 크다는 문제점이 있다.
[1] H. J. Wang, D. H. Lee and J. W. Ahn, "Novel Bearingless Switched Reluctance Motor with Hybrid Stator Poles: Concept, Analysis, Design and Experimental Verification," The Eleventh International Conference on Electrical Machines and Systems, 2008: 3358-3363. [2] Dong-Hee Lee, Jin-Woo Ahn, "Design and Analysis of Hybrid Stator Bearingless SRM", Journal of Electrical Engineering & Technology, 2011, 6(1): 94-103. [3] M. Takemoto, A. Chiba, H. Akagi and T. Fukao, "Radial Force and Torque of a Bearingless Switched Reluctance Motor Operating in a Region of Magnetic Saturation"in Conf. Record IEEE-IAS Annual Meeting, 2002: 35-42. [4] M. Takemoto, K. Shimada, A. Chiba and T. Fukao, "A Design and Characteristics of Switched Reluctance Type Bearingless Motors", in Proc. 4th Int. Symp. Magnetic Suspension Technology, vol. NASA/CP-1998-207654, May 1998: 49-63. [5] Li Chen, Wilfried Hofmann, "Analytically Computing Winding Currents to Generate Torque and Levitation Force of a New Bearingless Switched Reluctance Motor", in Proc.12th EPE-PEMC, Aug, 2006: 1058-1063. [6] L. Chen and W. Hofman, "Performance Characteristics of One Novel Switched Reluctance Bearingless Motor Drive," in Power Conversion Conference 2007 (PCC '07), Nagoya, 2007:608-613. [7] Carlos R. Morrison. Bearingless Switched Reluctance Motor. U.S. Patent 6,727,618, 2004. [8] Carlos R. Morrison, Mark W. Siebert, Eric J Ho, "Electromagnetic Forces in a Hybrid Magnetic-Bearing Switched-Reluctance Motor," IEEE Trans. on Magnetics, Vol.44, No.12, December 2008.
본 발명은 전술한 정래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 자속 경로가 짧고 고정자에서 자속 역전이 없는 새로운 구조의 12/14 하이브리드 극 타입 BLSRM를 제공하고자 한다.
본 발명에서 제안하는 BLSRM은 종래의 BLSRM과 달리 2 종류의 고정자 극, 즉 토크 극과 법선방향 힘 극을 갖는다.
본 발명은 원통형 회전자와 상기 회전자를 에워싸는 원통형의 고정자로 이루어지는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기에 있어서, 상기 원통형 고정자는 상기 원통형 고정자의 내주면으로부터 방사상으로 소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 12개의 고정자 극을 구비하고, 상기 원통형 회전자는 상기 원통형 회전자의 외주면상에서 방사상으로 중심을 향하여 소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 14개의 회전자 극을 구비한다.
본 발명의 경우, 상기 12개의 고정자 극은 90도 간격으로 이격 배치되는 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극과, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극 사이 사이에 한쌍씩 순차 배치되는 한쌍의 제 1 내지 제 4 토그 극으로 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극의 호(arc)는 회전자 극의 피치보다 크고, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극과 마주보는 상기 회전자 극간의 상호 중첩 영역은 동일하게 이루어진다.
본 발명에 있어서, 상기 한쌍의 제 1 및 제 3 토크 극과 상기 한쌍의 제 2 및 제 4 토크 극은 상호 대향하며 배치되며, 상기 제 1 및 제 3 토크 극의 권선은 직렬로 연결되고, 기 제 2 및 제 4 토그 극의 권선은 직렬 연결된다.
본 발명에 있어서, 상기 제 2 및 제 4 법선 방향 극은 x방향의 법선 방향 힘을 발생시키고, 상기 제 1 및 제 3 법선 방향 극은 y방향의 법선 방향 힘을 발생시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기의 구조적 특징을 검증하기 위하여, 유한 요소법 (FEM)을 사용하여 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 구조의 특성과 상호 비교 분석하였다.
본 발명에서는 BLSRM은 회전 토크와 법선방향 힘 극을 분리하였다.
본 발명의 경우, 토크 및 법선방향 힘(radial force) 극간의 독립적 특성으로 인하여, 회전자 위치와 토크의 독립적인 특성에 따라 법선방향 힘은 우수한 선형성을 갖는다는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 본 발명의 경우, 반전 자속 없이 짧은 자속 경로를 갖기 때문에 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM과 비교시 본 발명의 경우 출력토크가 상당히 개선할 수 있다.
도 1은 종래의 BLSRM의 전형적인 구조도이다.
도 2는 일반적인 SRM의 이상적인 인덕턴스, 토크 및 법선방향 힘의 프로파일을 보여준다.
도 3은 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM의 구조이다.
도 4는 자속 경로가 짧고 자속 역전이 없는 새로운 구조의 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기의 구조도이다.
도 5a 와 도 5b는 종래의 8/10과 본 발명의 BLSRM의 토크 권선의 인덕턴스 프로파일을 보여준다.
도 6a와 도 6b는 종래의 8/10과 본 발명의 BLSRM의 법선방향 힘의 인덕턴스 프로파일을 나타낸다.
도 7a와 도 7b는 종래의 8/10과 본 발명의 BLSRM의 토크 권선의 토크 프로파일을 보여준다.
도 8은 본 발명의 BLSRM의 평균 토크와 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 구조의 평균 토크 비교도이다.
도 9a와 도 9b는 토크 전류 (iA = 2A)를 고정시키고 법선방향 힘 전류를 변화시킨 경우의 토크 프로파일이다.
도 10a~10c는 법선방향 힘 권선의 법선방향 힘 프로파일이다.
도 11a, 도 11b는 법선방향 힘 전류를 2A로 고정하고 토크 전류를 변화시킨 경우의 법선방향 힘 프로파일이다.
도 12a와 12b와 도 12c는 본 발명에서 제안하는 BLSRM의 시제품 사진이다.
도 13은 위상 권선 인덕턴스 측정을 위한 실험 시스템을 설명하는 사진이다.
도 14a~14d는 회전자 위치 변화에 따른 실험적으로 측정된 인덕턴스와 FEM에서 얻은 인덕턴스의 결과이다.
도 15a는 회전자가 정지한 상태일 때 회전자 힘 제어의 실험 결과를 나타내고, 도 15b는 전동기가 1500rpm으로 회전할 때 법선방향 힘 제어의 실험 결과를 나타낸다.
이하, 본 발명에서 제안하는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기에 대하여 설명하기로 한다.
[본 발명에 따른 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기(이하에서 본 발명의 BLSRM이라고도 한다)]
도 4는 자속 경로가 짧고 자속 역전이 없는 새로운 구조의 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기의 구조도이다.
도 4에 도시된 BLSRM 구조는 도 3에 도시된 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM의 구조와 일부 유사하다.
도시된 바와 같이, 원통형 고정자는 원통형 고정자의 내주면으로부터 방사상으로 소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 12개의 고정자 극을 구비하고, 원통형 회전자는 원통형 회전자의 외주면상에서 방사상으로 중심을 향하여 소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 14개의 회전자 극을 구비한다.
본 발명에서, 12개의 고정자 극은 90도 간격으로 이격 배치되는 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극(Pxp 와 Pxn, Pyp 와 Pyn)과, 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극 극(Pxp 와 Pxn, Pyp 와 Pyn)사이 사이에 한쌍씩 순차 배치되는 한쌍의 제 1 내지 제 4 토그 극(PB1, PB2; PA3 , PA4; PB3 , PB4; PA1, PA2)으로 이루어진다. 본 발명에서, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극의 호(arc)는 하나의 회전자 극의 피치보다 크게 설계된다.
도시된 바와 같이 본 발명의 경우 2 종류의 고정자 극 즉, 토크 극(PA1, PA2, PA3 , PA4, PB1, PB2, PB3 , PB4)과 법선방향 힘(축방향 지지력이라고도 함) 극(Pxp 와 Pxn)을 구비한다.
토크 극 PA1, PA2, PA3 및 PA4의 권선은 직렬로 연결되어 위상 A를 형성하고, 토크 극 PB1, PB2, PB3 및 PB4의 권선은 직렬로 연결되어 위상 B를 형성한다.
x-축 방향의 법선방향 힘은 법선방향 힘 극 Pxp 와 Pxn에서 x-축 방향으로 흐르는 전류에 의해 발생된다.
이와 같이, 고정자 극 Pxp에서의 전류 ixp는 양의 x 방향 법선방향 힘을 발생시키고 고정자 극 Pxn 에서의 전류 ixn는 음의 x 방향 법선방향 힘을 발생시킨다.
이와 비슷하게, y 방향으로의 법선방향 힘은 법선방향 힘 극 Pyp 와 Pyn를 흐르는 전류 iyp와 iyn에 의해서 발생된다.
연속적인 법선방향 힘을 얻기 위하여, 법선방향 힘 극 호는 하나의 회전자 극 피치보다 크게 설계하는 것이 바람직하다. 따라서, 법선방향 힘 극과 회전자 극의 중첩 영역은 동일하게 된다.
토크와 법선방향 힘 극간의 독립적 특성으로 인하여, 종래의 BLSRM과 비교시, 생성된 법선방향 힘은 회전자 위치에 따른 선형성이 우수하다. 따라서, 본 발명의 경우, 토크 제어와 법선방향 힘 제어를 분리할 수 있다는 것을 알 수 있다.
본 발명의 경우 반전 자속없이 짧은 자속 경로를 형성할 수 있기 때문에, 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM와 비교하면, 출력 토크가 크게 개선된다.
[본 발명에 따른 BLSRM의 성능 분석]
본 발명에서 제안하는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기의 구조적 특성은 위치와 전류 대비 인덕턴스, 토크, 및 법선방향 힘의 관계를 분석하였다.
한편, 본 발명의 구조 특성을 명확히 하기 위하여 종래의 8/10 하이브리드 고정자 구조와 비교 분석하였다.
표 1은 전술한 두 가지 유형의 전동기 사양이다.
파라미터 8/10
BLSRM		 본 발명
12/14 BLSRM
고정자 극의 수 8 12
회전자 극의 수 10 14
토크 극 호(deg) 18 12.85
법선방향 힘 극 호(deg) 36 25.7
회전자 극 호(deg) 18 12.85
축 스택 길이(mm) 40 40
고정자의 외경(mm) 112 112
고정자의 내경(mm) 62 60.2
고정자 요크 두께(mm) 10 7.7
에어갭 길이(mm) 0.3 0.3
사프트 지름(mm) 18 18
회전자의 요크두께(mm) 9.7 9.7
극당 토크 권수 85 80
극당 법선방향 힘 회전 권수 110 100
[인덕턴스 특성]
도 5a, 5b는 양 BLSRM에 있어서, 토크 권선의 인덕턴스 프로파일을 보여준다.
도면으로부터 알 수 있듯이, 양 BLSRM에 있어서, 회전자 위치 따라서 인덕턴스의 변화에 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 토크 극과 회전자 극 사이의 중첩 영역이 회전자 위치의 함수이기 때문이다.
그러나, 본 발명에 따른 BLSRM에 있어서, 토크 권선 인덕턴스의 기울기는 8/10의 하이브리드 고정자 극 BLSRM보다 더 큰 것을 알 수 있는, 이것은 표 1에 표시된 바와 같이 양 구조의 토크 권선 수와 토크 극 호가 상이하기 때문이다.
도 6와 도 6b는 양 BLSRM에 있어서, 법선방향 힘의 인덕턴스 프로파일을 나타낸다.
도 6ㅁ, 6b에 도시된 바와 같이, 양 BLSRM 모두에서, 위상 전류가 동일한 경우 회전자의 위치에 차이가 있을지라도 법선방향 힘 권선의 인덕턴스 특성 변화는 매우 작다는 것을 알 수 있는데, 이는 법선방향 힘 극의 극 호(arc)가 하나의 회전자 극 피치보다 크기 때문이다. 따라서, 법선방향 힘과 회전자 극 사이의 중첩 영역은 일정하다.
그러나, 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM에서 발생되는 인덕턴스는 본 발명에서 제안하는 BLSRM에서 발생되는 인덕턴스보다 더 크다. 그 이유는 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM의 법선방향 힘 권선과 극 호(arc)가 본 발명에서 제안된 것보다 더 크고 더 넓기 때문이다.
도 5a, 도 5b 및 도 6a, 도 6b에서 알 수 있듯이, 코어 포화 효과로 인하여, 두 가지 유형의 BLSRM의 권선의 최대 인덕턴스는 전류 증가에 따라 감소하지만, 포화 효과는 토크 권선이나 법선방향 힘 권선이 도전되더라도 그리 크지 않다. 그 이유는 토크 권선 과 법선방향 힘 권선이 BLSRM에서 항상 도전되기 때문이다.
[토크 특성]
토크는 회전자 위치에 따른 인덕턴스의 변화율과 전류의 제곱에 비례한다. 따라서, 토크 프로파일은 인덕턴스 프로파일에 의해 결정된다.
도 7와 도 7b는 양 BLSRM에서 토크 권선의 토크 프로파일을 보여준다.
도 7a, 도 7b에 도시 된 바와 같이, 토크 전류가 동일할 때, 본 발명의 BLSRM 의해 발생된 토크는 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM 의해 생성된 토크보다 더 크다. 그 이유는 본 발명에 따른 BLSRM의 토크 권선 인덕턴스의 기울기가 8/10의 하이브리드 고정자 극 BLSRM보다 더 크기 때문이다.
본 발명에서 제안된 BLSRM 구조의 장점을 보다 명확하게 설명하기 위해, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 BLSRM 구조의 평균 토크와 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 구조의 평균 토크를 비교하였다.
도 9a와 도 9b는 토크 전류 (iA = 2A)를 고정시키고 법선방향 힘 전류를 변화시킨 경우의 토크 프로파일이다.
도 9a, 9b에서 알 수 있듯이, 토크에 대한 법선방향 힘 전류 영향이 양 BLSRM 모두매우 작다는 것을 알 수 있다. 그 이유는 법선방향 힘 권선의 인덕턴스 프로파일이 회전자 위치에 대하여 거의 일정하기 때문이다. 따라서, 회전자 위치에 대한 인덕턴스의 변화율이 매우 작다. 이는 법선방향 힘 전류가 토크에 미치는 영향이 거의 없다는 것을 의미한다. 따라서, 양 BLSRM 모두에서 토크 제어를 법선방향 힘 제어로부터 분리할 수 있다는 것을 알 수 있다.
[법선방향 힘 특성]
도 10a~10c는 법선방향 힘 권선의 법선방향 힘 프로파일을 보여 준다.
양 BLSRM 구조 모두에서, 법선방향 힘은 법선방향 힘 극 Pyp 권선에 의해 생성된다. 도 10a~10c에 도시 된 바와 같이, x 축 및 y 축 방향으로의 법선방향 힘은 전류에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
그리고 양 BLSRM 구조에서 동일한 전류가 흐를 때, 회전자 위치의 변화에 따라 x-방향으로의 법선방향 힘은 조금 변화하지만, y 축으로의 법선방향 힘은 거의 일정하다는 것을 알 수 있다.
종래의 8/10 타입 BLSRM과 비교하면, 본 발명의 BLSRM의 경우, 생성된 법선방향 힘의 값은 더 작지만, 정상 서스펜선으로는 충분하다.
도 11a, 도 11b는 법선방향 힘 전류를 2A로 고정하고 토크 전류를 변화시킨 경우의 법선방향 힘 프로파일이다.
도 11a, 11b에 도시된 바와 같이, 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM의 경우 법선방향 힘에 대한 토크 전류의 영향이 매우 큰 반면, 본 발명에 따른 BLSRM 구조의 경우, 법선방향 힘 권선에 의해 생성된 법선방향 힘과 비교하여 볼 때 무시할 정도로 매우 작다는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 BLSRM의 제어가 종래의 8/10 BLSRM의 제어보다 더 용이하다는 것을 알 수 있다.
[시제품 전동기]
상기 분석에 기초하여, 본 발명에서 제안하는 BLSRM의 시제품을 제작하였으며 이를 도 12a, 12b, 12c에 도시하였다. 본 발명에 따른 시제품 전동기의 주요 변수(parameter)는 전술한 표 1과 같다.
본 발명에서 제안한 BLSRM 구조의 유효성을 검증하기 위해, 몇 가지 실험을 수행하였다.
도 13은 위상 권선 인덕턴스 측정을 위한 실험 시스템을 보여 준다.
회전자 위치 변화에 따른 실험적으로 측정된 인덕턴스와 FEM에서 얻은 인덕턴스의 결과는 도 14a~14d에 도시되어 있다. 도 14a~14d에서, 토크 권선 전류는 1A, 3A이다.
도 14a~14d에서 알 수 있듯이, 본 발명의 BLSRM 구조의 유효성을 확인하는 측정 결과와 FEM 분석 결과를 확인할 수 있었다.
도 15a는 회전자가 정지한 상태일 때 회전자 힘 제어의 실험 결과를 나타내고, 도 15b는 전동기가 1500rpm으로 회전할 때 법선방향 힘 제어의 실험 결과를 나타낸다. 두개의 2N 하중은 동시에 X 축과 Y 축 방향으로 샤프트에 동일하게 인가하였다.
도 15a, 15b로부터 알 수 있듯이, 법선방향 힘 제어를 적용한 경우, 회전자가 즉시 평형 위치로 이동하는 것을 알 수 있는데, 이는 본 발명에서 제안하는 BLSRM 구조가 더 효율적이라는 것을 반증한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 자속 경로가 짧고 고정자에서 자속 역전 현상이 발생하지 않는 새로운 구조의 12/14 하이브리드 극 타입 BLSRM을 제안하였다.
또한, 본 발명에서는 본 발명에 따른 BLSRM의 인덕턴스, 토크 및 법선방향 힘과 같은 특성을 분석하였으며, 종래의 8/10 하이브리드 고정자 극 BLSRM과 비교시 종래 BLSRM의 장점을 그대로 계승할 뿐만 아니라 동일 조건하에서 출력 토크가 증가되는 것을 실험 결과로부터 알 수 있었다.

Claims (3)

  1. 원통형 회전자와 상기 회전자를 에워싸는 원통형의 고정자로 이루어지는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기로서,
    상기 원통형 고정자는 상기 원통형 고정자의 내주면으로부터 방사상으로 소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 12개의 고정자 극을 구비하고,
    상기 원통형 회전자는 상기 원통형 회전자의 외주면상에서 방사상으로 중심을 향하여 소정 길이 연장되며 상호 등간격을 유지하는 14개의 회전자 극을 구비하며,
    상기 12개의 고정자 극은 90도 간격으로 이격 배치되는 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극과, 상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극 사이 사이에 한쌍씩 순차 배치되는 한쌍의 제 1 내지 제 4 토그 극으로 이루어지며,
    상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극의 호(arc)는 회전자 극의 피치보다 크고,
    상기 제 1 내지 제 4의 법선 방향 극과 마주보는 상기 회전자 극간의 상호 중첩 영역은 동일한 것을 특징으로 하는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 한쌍의 제 1 및 제 3 토크 극과 상기 한쌍의 제 2 및 제 4 토크 극은 상호 대향하며 배치되며,
    상기 제 1 및 제 3 토크 극의 권선은 직렬로 연결되고,
    상기 제 2 및 제 4 토그 극의 권선은 직렬은 연결되는 것을 특징으로 하는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 2 및 제 4 법선 방향 극은 x방향의 법선 방향 힘을 발생시키고,
    상기 제 1 및 제 3 법선 방향 극은 y방향의 법선 방향 힘을 발생시키는 것을 특징으로 하는 12/14 하이브리드 극 타입 베어링리스 스위치 릴럭턴스 전동기.
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