KR20160044760A - 가변 자속 자기 회로 - Google Patents

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KR20160044760A
KR20160044760A KR1020140139632A KR20140139632A KR20160044760A KR 20160044760 A KR20160044760 A KR 20160044760A KR 1020140139632 A KR1020140139632 A KR 1020140139632A KR 20140139632 A KR20140139632 A KR 20140139632A KR 20160044760 A KR20160044760 A KR 20160044760A
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Abstract

자속을 변경할 수 있는 가변 마그넷의 착자 및 감자의 과정을 통해 저속 및 고속의 넓은 회전 영역 모두에서 높은 효율을 구현할 수 있는 마그넷 배치구조를 갖는 가변 자속 자기 회로가 개시된다. 상기 가변 자속 자기 회로는, 일정 간격으로 배열된 복수의 권선부를 갖는 고정자 코어 및 상기 복수의 권선부에 각각 권선된 복수의 코일을 갖는 고정자- 상기 복수의 코일 각각에는 상기 복수의 권선부의 배열 순서에 따라 서로 다른 위상을 갖는 전류가 흐름-; 및 상기 복수의 코일과 자기적인 작용을 하도록 일정 간격으로 배치된 복수의 영구 마그넷을 갖는 이동자를 포함한다. 상기 서로 다른 위상을 갖는 전류가 흐르는 코일 중 일 위상의 전류가 흐르는 코일 또는 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 권선부 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나와, 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일과는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일 또는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일이 권선된 권선부 사이의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나는 그 착자량 변경이 가능한 보자력을 가진 가변 영구 마그넷이다.

Description

가변 자속 자기 회로{MAGNETIC CIRCUIT WITH VARIABLE MAGNETIC FLUX}
본 발명은 가변 자속 자기 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자속을 변경할 수 있는 가변 마그넷의 착자 및 감자의 과정을 통해 저속 및 고속의 넓은 회전 영역 모두에서 높은 효율을 구현할 수 있는 마그넷 배치구조를 갖는 가변 자속 자기 회로에 관한 것이다.
전동기(모터) 또는 발전기와 같이 자기 회로 구조를 갖는 장치들은 영구 마그넷을 구비하고 그 자속을 이용하여 토크나 전력 생산하는 장치이다. 이러한 자기 회로들 중 영구 마그넷(Permanent Magnet)을 적용한 전동기나 발전기는 기존의 유도식(induction) 자기 회로에 비해 여자 전류에 의한 손실이 없어 효율이 높고 소음이 적은 장점이 있다.
그러나 영구 마그넷을 적용한 자기 회로 역시 회전 속도나 토크의 조건에 있어서 운전 범위 전체에서 최적인 특성을 발휘할 수 있는 것은 아니며 효율이 저하되는 문제가 여전히 발생할 수 있다.
이러한 영구 마그넷을 적용한 자기 회로의 단점을 해소하기 위해 영구 마그넷의 자속을 운전 조건에 따라 가변할 수 있는 가변 자속 자기 회로가 제안되었다. 가변 자속 자기 회로는 단시간의 자화 전류에 의해 운전 조건에 적합하게 영구 마그넷의 자속량을 변화시킴으로써 효율을 향상시킬 수 있다.
통상적으로, 자속 변경이 어려운 높은 보자력을 갖는 영구 마그넷(이하, 제1 마그넷이라 함)과 가변 자속 자기회로는 자속을 변경할 수 있는 낮은 보자력을 갖는 영구 마그넷(이하, 제2 마그넷이라 함)을 포함한 회전자 또는 이동자가 적용되는데, 이 제1 마그넷과 제2 마그넷의 배치구조는 단순히 대칭구조나 일정한 배열을 갖는 구조 등이 적용되고 있다. 이러한, 종래의 가변 자속 자기 회로의 단순 마그넷 배치구조는 등록특허 제10-1276016호에 개시된다.
한편, 일반적으로 가변 자속 자기회로는 다음과 같은 요건을 만족하여야 한다. 먼저, 각 상의 역기전력(Back EMF) 크기는 상호 동일한 크기를 가져야 하며, 코일에 순간 전류를 인가시 발생되어지는 자계가 제1 마그넷을 착감자 할 수 있는 영역에 있어야 하고, 제2 마그넷은 보자력이 매우 커 착감자 가변이 이루어 지지 않아야 한다. 또한, 제1 마그넷을 착감자하는 경우 전자기 회로가 평행을 이루는 상태여야 하며(슬롯(slot)과 폴(pole)의 조합), 착감자 전류 인가 후 역 기전력의 크기 변화가 발생해야 한다.
따라서, 당 기술 분야에서는 가변 자속 자기회로에 요구되는 여러 가지 조건을 충족시키면서 효율을 극대화할 수 있는 마그넷 배치구조를 갖는 가변 자속 자기 회로가 요구되고 있다.
등록번호 제10-1276016호
따라서, 본 발명은 자속을 변경할 수 있는 가변 마그넷의 착자 및 감자의 과정을 통해 저속 및 고속의 넓은 회전 영역 모두에서 높은 효율을 구현할 수 있는 마그넷 배치구조를 갖는 가변 자속 자기 회로를 제공하는 것을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명은,
일정 간격으로 배열된 복수의 권선부를 갖는 고정자 코어 및 상기 복수의 권선부에 각각 권선된 복수의 코일을 갖는 고정자- 상기 복수의 코일 각각에는 상기 복수의 권선부의 배열 순서에 따라 서로 다른 위상을 갖는 전류가 흐름-; 및
상기 복수의 코일과 자기적인 작용을 하도록 일정 간격으로 배치된 복수의 영구 마그넷을 갖는 이동자를 포함하며,
상기 서로 다른 위상을 갖는 전류가 흐르는 코일 중 일 위상의 전류가 흐르는 코일 또는 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 권선부 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나와, 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일과는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일 또는 상기 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일이 권선된 권선부 사이의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나는 그 착자량 변경이 가능한 보자력을 가진 가변 영구 마그넷인 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로
를 제공한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 가변 영구 마그넷은 AlNiCo 마그넷(60~120 kA/m) 또는 FeCrCo 마그넷(약 60 kA/m) 또는 SmCo 마그넷일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 식 ‘
Figure pat00001
’(Nspp: 매극 매상 당 슬롯수, Nph: 상기 서로 다른 위상의 수, Ns: 가변 자속 자기 회로의 슬롯수, Nm: 복수의 영구 마그넷의 극수)에 의해 정의된 매극 매상 당 슬롯수가 0.25인 경우, 상기 가변 영구 마그넷의 수는 ‘
Figure pat00002
’(
Figure pat00003
, n은 양의 정수)일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매극 매상 당 슬롯수가 0.25인 경우, 상기 가변 영구 마그넷 전체는 상호 동일한 극성을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 식 ‘
Figure pat00004
’(Nspp: 매극 매상 당 슬롯수, Nph: 상기 서로 다른 위상의 수, Ns: 가변 자속 자기 회로의 슬롯수, Nm: 복수의 영구 마그넷의 극수)에 의해 정의된 매극 매상 당 슬롯수가 0.5인 경우, 상기 가변 영구 마그넷의 수는 ‘
Figure pat00005
’(
Figure pat00006
, n은 양의 정수)일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 매극 매상 당 슬롯수가 0.5인 경우, 상기 가변 영구 마그넷은 동일한 개수의 서로 다른 극성을 갖는 가변 영구 마그넷을 포함할 수 있다.
특히, 본 발명은 전동기나 발전기와 같은 회전 운동하는 3상의 가변 자속 자기 회로에 적용될 수 있다. 본 발명에 따른 3상의 가변 자속 자기 회로는,
일정 간격으로 배열된 복수의 티쓰를 갖는 고정자 코어 및 상기 복수의 티쓰에 각각 권선된 복수의 코일을 갖는 고정자- 상기 복수의 코일 각각에는 티쓰 배열 순서에 따라 U상, V상 및 W상의 3상 전류가 번갈아 흐름-; 및
상기 복수의 코일과 자기적인 작용을 하도록 일정 간격으로 배치된 복수의 영구 마그넷을 갖는 회전자를 포함한다.
상기 U상의 전류가 흐르는 코일 또는 상기 U상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 티쓰의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나와, 상기 V상 및 W상의 전류가 흐르는 코일 또는 상기 V상 및 W상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 티쓰 사이의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나는 그 착자량 변경이 가능한 보자력을 가진 가변 영구 마그넷이다.
본 발명에 따르면, 자기 회로에 사용되는 코일의 위상에 따라 가변 마그넷을 적절하게 배치함으로써 가변 자속 자기 회로에 요구되는 역기전력 조건을 충실하게 만족시키면서 동시에 회전 속도에 따른 운전 구간별 모터 효율을 최대화할 수 있는 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 일례를 간략하게 도시한 분해 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 마그넷 배치 구조의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 마그넷 배치 구조의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 가변 마그넷을 착감자 하는데 적용되는 착감자 회로의 일례를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따라 구현된 다수의 가변 마그넷이 적용된 가변 자속 전동기의 예를 간략히 도시한 사시도이다.
도 6은 도 5에 도시된 가변 자속 전동기의 가변 마그넷 수에 따른 각 상의 역기전력을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따라 구현된 가변 마그넷이 적용된 가변 자속 전동기의 착감자에 따른 역기전력을 도시한 표 및 그래프이다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따라 구현된 가변 마그넷이 적용된 가변 자속 전동기의 착감자에 따른 부하 평가 결과를 나타낸 표 및 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시형태는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 정의되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의 내려진 것으로, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으므로, 본 발명의 기술적 구성요소를 한정하는 의미로 이해되어서는 아니 될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 일례를 간략하게 도시한 분해 사시도이다.
이하의 설명은 가변 자속 자기 회로 중 토크를 생성하는 회전 전동기(모터)에 대한 예를 설명한다. 그러나, 본 발명은 회전 전동기에 한정되는 것은 아니며, 당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이하의 설명을 통해 회전 전동기뿐만 아니라 발전기 또는 선형 모터 등과 같이 영구 마그넷과 코일의 상호 자기적 작용을 통해 운전되는 다양한 자기 회로에 응용할 수 있음은 자명하다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로는 이동자(10)와 고정자(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
고정자(20)는 코일을 권선하기 위한 복수의 권선부를 갖는 고정자 코어(21)를 포함한다. 회전 전동기 또는 발전기에서 고정자 코어가 갖는 권선부는 티쓰(teeth)라고도 한다. 고정자 코어에 포함된 복수의 티쓰는 상호 일정한 간격으로 배열된다.
도 1에 도시하지는 않았지만, 고정자 코어(21)의 복수의 티쓰 각각에는 코일이 권선된다. 모터 구동 또는 후술하는 가변 마그넷의 착감자 시 각 코일에는 서로 다른 위상을 갖는 전류가 코일이 권선된 순서대로 반복하여 흐른다. 예를 들어, 서로 다른 위상을 갖는 전류가 3상인 경우, 코일이 배열된 순서대로 반복하여 ‘제1 상- 제2 상-제3 상-제1 상-제2 상-제3 상-제1 상-…’의 전류가 의 복수의 코일에 각각 흐른다.
이동자(20)는 회전 자기 회로에서 회전자(rotor)라고도 불리는 요소이다. 이동자(20)는 회전자 코어(11) 및 회전자 코어(11)의 내주면에 일정간격으로 배열된 영구 마그넷(12)를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1에 예로서 도시된 가변 자속 전동기는 특히 36 슬롯 48 폴의 외전형 전동기로, 회전자(20)는 스테이터(20)의 외부에 배치되어 회전자(10) 내 마그넷과 스테이터(20)에 권선된 코일의 상호 전자기적 작용을 통해 회전력(토크)를 생산할 수 있다.
마그넷(12)은 자속 변경이 어려운 높은 보자력을 갖는 영구 마그넷(121)(이하, 제1 마그넷이라 함)과 가변 자속 자기회로는 자속을 변경할 수 있는 낮은 보자력을 갖는 제2 마그넷(122)(이하, 제2 마그넷이라 함)을 포함할 수 있다.
일반적으로 영구 마그넷은 외부로부터 전류 등을 흘리지 않는 상태에서 자화된 상태를 지속적으로 유지하는 마그넷을 뜻하나 엄밀하게 말하면 주변 조건에 따라 그 자속밀도가 전혀 변화하지 않는 것은 아니다. 영구 마그넷이란, 그 자속량이 불변인 것이 아니라 통상의 정격 운전 조건에서는 인버터 등으로부터 공급되는 전류에 의해 자속밀도가 대체로 변화하지 않는 것을 의미한다. 본 발명의 실시형태에 적용되는 가변 마그넷은 이러한 인버터 등으로 제공될 수 있는 전류에 의해 자속밀도가 변화하는 마그넷을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 제1 마그넷은 약 1000 kA/m의 높은 보자력을 갖는 네오디뮴 마그넷을 적용할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시형태에서, 제2 마그넷은 보자력이 낮은 AlNiCo 마그넷(60~120 kA/m) 또는 FeCrCo 마그넷(약 60 kA/m) 또는 SmCo 마그넷이 적용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 마그넷 배치 구조의 일례를 도시한 도면이다. 특히, 도 2는 회전형 전동기의 마그넷 배치구조를 이해하기 쉽도록 직선형으로 변형한 도면이다.
도 2는 매극 매상 당 슬롯수(Nspp)가 0.25 인 가변자속 자기회로에 적용되는 마그넷 배치 방법의 일례를 도시한다. 매극 매상 당 슬롯수는 하기 식 1과 같이 정의될 수 있다.
[식 1]
Figure pat00007
상기 식 1에서 Nph는 자기회로의 상(phase), 즉 각 코일에 제공되는 전류의 상의 개수이고, Ns는 슬롯수이고 Nm은 마그넷 극수이다.
0.25의 매극 매상 당 슬롯수(Nspp)를 갖는 자기회로는 통상적으로 많이 사용되는 ‘슬롯수/폴수’가 3/4, 9/12, 12/16, 15/20, 18/24, 21/28, 36/48인 3상(U상, V상, W상) 전동기일 수 있다. 이 경우 가변 마그넷의 수는 ‘
Figure pat00008
’(
Figure pat00009
, n은 양의 정수)로 결정될 수 있다.
도 2의 (a) 및 (b)에 나타난 바와 같이, 본 발명의 일 실시형태에서는, 일 위상의 전류가 흐르는 코일 또는 일 위상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 권선부의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나와, 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일과는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일 또는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일이 권선된 티쓰 사이의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나를 착자량이 변경 가능한 보자력을 가진 가변 영구 마그넷, 즉 제2 마그넷으로 배치시킬 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 2의 (a)에서 U상의 코일(22-u) 또는 U상의 코일(22-u)이 권선된 티쓰의 중앙에 하나의 제2 마그넷(122)이 정렬되어 배치되는 경우, 나머지 하나의 제2 마그넷(121)은 하나의 제2 마그넷(122)이 정렬된 U상의 코일(22-u)에 바로 인접한 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w) 또는 바로 인접한 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w)이 권선된 티쓰 사이의 중앙에 정렬되어 배치될 수 있다.
이와 마찬가지로, 도 2의 (b)에 나타난 바와 같이, U상의 코일(22-u) 또는 U상의 코일(22-u)이 권선된 티쓰의 중앙에 하나의 제2 마그넷(122)이 정렬되어 배치되는 경우, 나머지 하나의 제2 마그넷(122)은 하나의 제2 마그넷(121)이 정렬된 U상의 코일(22-u)에서 이격된 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w) 사이 또는 이격된 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w)이 권선된 티쓰 사이의 중앙에 정렬되어 배치될 수 있다. 두 개의 제2 마그넷이 이격된 거리는 크게 중요하지 않으며, 3상인 경우 하나의 상에 하나의 제2 마그넷이 정렬되는 경우 나머지 두 상의 사이에 나머지 제2 마그넷이 정렬되도록 제2 마그넷이 배치될 수 있다.
도 2의 예에서, 가변 마그넷(122)의 극성은 동일하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 마그넷 배치 구조의 다른 예를 도시한 도면이다.
도 3은 상기 식 1에 의해 정의된 매극 매상 당 슬롯수(Nspp)가 0.5 인 가변자속 자기회로에 적용되는 마그넷 배치 방법의 일례를 도시한다.
0.5의 매극 매상 당 슬롯수(Nspp)를 갖는 자기회로는 통상적으로 많이 사용되는 ‘슬롯수/폴수’가 3/2, 9/6, 12/8, 15/10, 18/12, 21/14, 36/24인 3상(U상, V상, W상) 전동기일 수 있다. 이 경우 가변 마그넷의 수는 ‘
Figure pat00010
’(
Figure pat00011
, n은 양의 정수)로 결정될 수 있다.
전술한 도 2에 도시된 예와 마찬가지로, 도 3의 (a) 및 (b) 도시된 본 발명의 일 실시형태에서는, 일 위상의 전류가 흐르는 코일 또는 일 위상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 권선부의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나와, 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일과는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일 또는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일이 권선된 권선부 사이의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나를 착자량이 변경 가능한 보자력을 가진 가변 영구 마그넷, 즉 제2 마그넷으로 배치시킬 수 있다.
더욱 구체적으로, 도 3의 (a)에서 U상의 코일(22-u) 또는 U상의 코일(22-u)이 권선된 티쓰의 중앙에 하나의 제2 마그넷(122)이 정렬되어 배치되는 경우, 나머지 하나의 제2 마그넷(121)은 하나의 제2 마그넷(122)이 정렬된 U상의 코일(22-u)에 바로 인접한 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w) 또는 바로 인접한 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w)이 권선된 티쓰 사이의 중앙에 정렬되어 배치될 수 있다.
이와 마찬가지로, 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이, U상의 코일(22-u) 또는 U상의 코일(22-u)이 권선된 티쓰의 중앙에 하나의 제2 마그넷(122)이 정렬되어 배치되는 경우, 나머지 하나의 제2 마그넷(122)은 하나의 제2 마그넷(121)이 정렬된 U상의 코일(22-u)에서 이격된 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w) 또는 이격된 V상의 코일(22-v) 및 W상의 코일(22-w)이 권선된 티스 사이의 중앙에 정렬되어 배치될 수 있다.
도 2의 예와 마찬가지로, 도 3의 예에서도, 두 개의 제2 마그넷이 이격된 거리는 크게 중요하지 않으며, 3상인 경우 하나의 상에 하나의 제2 마그넷이 정렬되는 경우 나머지 두 상의 사이에 나머지 제2 마그넷이 정렬되도록 제2 마그넷이 배치될 수 있다.
도 2의 예와는 달리, 도 3에 도시된 예는 가변 마그넷(122)의 극성은 서로 상이하다.
도 2 및 도 3에 도시된 가변 마그넷의 착자 및 감자는 도 4에 도시된 것과 같은 착감자 회로를 이용하여 구현될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 따른 가변 자속 자기 회로의 가변 마그넷을 착감자 하는데 적용되는 착감자 회로의 일례를 도시한다.
도 4를 참조하면, 착감자 회로는 스위칭을 통해 극성을 변경하여 전력을 제공하는 직류 전원부(41)와 직류 전원부에서 제공되는 전력을 스위칭을 통해 3상의 교류 전력으로 변환하는 인버터부(42)를 포함하여 구성될 수 있다. 인버터부(42)의 각 상의 출력은 모터(43)의 각 상의 코일로 제공될 수 있다.
도 4에 도시된 예에서, 가변 마그넷의 착자 및 감자는 U상 코일에 제공되는 전류에 의해 이루어질 수 있다. 도 4와 같이 착감자 대상이 되는 가변 마그넷을 착자/감자 시킬지 여부를 결정하고, 가변 마그넷을 하나의 상(도 4의 예에서는 U상)의 코일 또는 하나의 상의 코일이 권선된 티쓰의 중앙에 정렬한 후 가변 마그넷의 극성과 착자/감자 여부에 따라 적절한 방향의 전원 극성을 선택하여 해당 상의 코일에 일시적으로 강한 전류를 제공함으로써 이루어질 수 있다. 하나의 가변 마그넷의 착감자가 이루어진 후 다른 가변 마그넷도 착감자가 이루어지는 상의 코일 또는 해당 코일이 권선된 티쓰의 중앙에 정렬한 후 가변 마그넷의 극성과 착자/감자 여부에 따라 적절한 극성의 전원이 인가되도록 함으로써 착감자가 이루어질 수 있다.
도 5는 다수의 가변 마그넷이 적용된 가변 자속 전동기의 예를 간략히 도시한 사시도이다.
도 5에 도시된 예는 36개의 슬롯과 48개의 폴을 갖는 외전형 전동기의 예로서 가변 마그넷(제2 마그넷)이 2개, 4개 6개, 8개, 10개, 12개, 16개, 20개 및 24개인 경우의 마그넷 배치구조를 도시한다. 도 5에 도시되지는 않았지만, 가변 마그넷의 수를 14, 18, 및 22 개가 되도록 구현할 수도 있다. 본 발명에서 가변 마그넷의 짝수 개로 구현되고 한쌍의 가변 마그넷 중 하나는 U상 코일 또는 U상의 코일이 권선된 티쓰의 중앙에 정렬되면 나머지 하나는 V상과 W상의 코일 또는 V상과 W상의 코일 사이의 중앙에 정렬되므로, 다수의 가변 마그넷 중 절반이 U상 코일의 중앙에 정렬되면 나머지 절반은 V상과 W상의 사이의 중앙에 정렬된 배치구조를 갖게 된다.
도 6은 도 5에 도시된 가변 자속 전동기의 가변 마그넷 수에 따른 각 상의 역기전력을 도시한 그래프이다.
도 6에 나타난 것과 같이, 다양한 개수의 가변 마그넷이 적용된 경우에 각 상의 역기전력을 살펴보면, 각 상의 역기전력이 거의 동일한 크기로 유지됨을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따라 구현된 가변 마그넷이 적용된 가변 자속 전동기의 착감자에 따른 역기전력을 도시한 표 및 그래프이다.
도 7의 (a)에 나타난 것과 같이, 가변 자속 전동기의 회전수별로 감자량(감자를 위해 코일에 제공되는 전류의 크기)에 따른 역기전력을 비교할 때, 각 회전수별로 감자량에 따른 역기전력 크기가 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
또한, 도 7의 (b)에 나타난 것과 같이, 가변 자속 전동기의 회전수별로 착자량(착자를 위해 코일에 제공되는 전류의 크기)에 따른 역기전력을 비교할 때, 각 회전수별로 착자량에 따른 역기전력 크기가 거의 일정하게 유지됨을 확인할 수 있다.
도 7의 (c)는 가변 자속 전동기의 회전 속도가 47 rpm인 경우 착감자에 따른 역기전력의 변동폭을 나타낸 것으로 자속의 변경이 이루어지는 경우에도 약 0.408 V 정도의 미소한 역기전력 변동을 나타내었음을 확인할 수 있다.
도 8 및 도 9는 본 발명에 따라 구현된 가변 마그넷이 적용된 가변 자속 전동기의 착감자에 따른 부하 평가 결과를 나타낸 표 및 그래프이다.
도 8의 (a)는 착자시 회전자 속도에 따른 부하토크, 모터 효율 및 인버터 효율을 나타내며, (b)는 감자시 회전자 속도에 따른 부하토크, 모터 효율 및 인버터 효율을 나타낸다. 또한, 도 9는 도 8의 (a) 및 (b)에 나타난 수치들 중 모터 효율에 대한 값을 회전자 속도에 따라 도시하였다.
도 8의 (a) 및 (b) 및 도 9에 나타난 바와 같이, 저속 운전시에는 착자한 경우 모터 효율이 더 향상되고 고속 운전시에는 감자한 경우 효율이 더욱 향상됨을 알 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일 실시형태에 따른 자기 회로가 적용되는 세탁기용 전동기의 경우, 저속 운전하는 세탁 운전 구간에서는 가변 마그넷을 착자하여 구동하고, 고속 운전하는 탈수 운전 구간에서는 가변 마그넷을 감자하여 구동함으로써 전체적인 운전 구간에서 모터 효율의 향상을 도모할 수 있다.
이상에서 설명한 것과 같이, 본 발명의 일 실시형태에 따른 자기 회로의 마그넷 배치구조는 가변 자속 자기 회로에 요구되는 역기전력 조건을 충실하게 만족시키면서 동시에 회전 속도에 따른 운전 구간별 모터 효율을 최대화할 수 있다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관하여 설명하였으나 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위 및 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 회전자(이동자) 11: 회전자 코어
12: 마그넷 121: 고정 마그넷
122: 가변 마그넷 20: 고정자
21: 고정자 코어 22-u, 22-v, 22-w: 코일

Claims (7)

  1. 일정 간격으로 배열된 복수의 권선부를 갖는 고정자 코어 및 상기 복수의 권선부에 각각 권선된 복수의 코일을 갖는 고정자- 상기 복수의 코일 각각에는 상기 복수의 권선부의 배열 순서에 따라 서로 다른 위상을 갖는 전류가 흐름-; 및
    상기 복수의 코일과 자기적인 작용을 하도록 일정 간격으로 배치된 복수의 영구 마그넷을 갖는 이동자를 포함하며,
    상기 서로 다른 위상을 갖는 전류가 흐르는 코일 중 일 위상의 전류가 흐르는 코일 또는 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 권선부 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나와, 상기 일 위상의 전류가 흐르는 코일과는 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일 사이 또는 상기 다른 두 위상의 전류가 흐르는 상호 이웃한 코일이 권선된 권선부 사이의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나는 그 착자량 변경이 가능한 보자력을 가진 가변 영구 마그넷인 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가변 영구 마그넷은 AlNiCo 마그넷(60~120 kA/m) 또는 FeCrCo 마그넷(약 60 kA/m) 또는 SmCo 마그넷인 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    식 ‘
    Figure pat00012
    ’(Nspp: 매극 매상 당 슬롯수, Nph: 상기 서로 다른 위상의 수, Ns: 가변 자속 자기 회로의 슬롯수, Nm: 복수의 영구 마그넷의 극수)에 의해 정의된 매극 매상 당 슬롯수가 0.25인 경우, 상기 가변 영구 마그넷의 수는 ‘
    Figure pat00013
    ’(
    Figure pat00014
    , n은 양의 정수)인 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 매극 매상 당 슬롯수가 0.25인 경우, 상기 가변 영구 마그넷 전체는 상호 동일한 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로.
  5. 제1항에 있어서,
    식 ‘
    Figure pat00015
    ’(Nspp: 매극 매상 당 슬롯수, Nph: 상기 서로 다른 위상의 수, Ns: 가변 자속 자기 회로의 슬롯수, Nm: 복수의 영구 마그넷의 극수)에 의해 정의된 매극 매상 당 슬롯수가 0.5인 경우, 상기 가변 영구 마그넷의 수는 ‘
    Figure pat00016
    ’(
    Figure pat00017
    , n은 양의 정수)인 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 매극 매상 당 슬롯수가 0.5인 경우, 상기 가변 영구 마그넷은 동일한 개수의 서로 다른 극성을 갖는 가변 영구 마그넷을 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로.
  7. 일정 간격으로 배열된 복수의 티쓰를 갖는 고정자 코어 및 상기 복수의 티쓰에 각각 권선된 복수의 코일을 갖는 고정자- 상기 복수의 코일 각각에는 티쓰 배열 순서에 따라 U상, V상 및 W상의 3상 전류가 번갈아 흐름-; 및
    상기 복수의 코일과 자기적인 작용을 하도록 일정 간격으로 배치된 복수의 영구 마그넷을 갖는 회전자를 포함하며,
    상기 U상의 전류가 흐르는 코일 또는 상기 U상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 티쓰의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나와, 상기 V상 및 W상의 전류가 흐르는 코일 또는 상기 V상 및 W상의 전류가 흐르는 코일이 권선된 티쓰 사이의 중앙에 정렬된 영구 마그넷 중 적어도 하나는 그 착자량 변경이 가능한 보자력을 가진 가변 영구 마그넷인 것을 특징으로 하는 가변 자속 자기 회로.
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