KR20170133698A - 비균일 자극 길이를 가지는 영구자석 전기기기 - Google Patents

비균일 자극 길이를 가지는 영구자석 전기기기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구 자석 전기기기에 관한 것으로, 특히, 토크 맥동 저감을 위해 비균일한 극호각과 이를 위한 극수 슬롯 조합을 갖는 영구 자석 전기기기에 관한 것이다.
또한, 본 발명에 따르면, 회전자 코어와 교대로 배치되는 제1 자극들 및 제2 자극들을 포함하고 있으며, 상기 제1 자극의 극호각과 제2 자극의 극호각이 상이한 회전자; 및 고정자 코어와, 상기 고정자 코어의 내측에는 그 둘레방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치되어 있는 치형들과 각 치형에 권선되는 상권선들을 가지며, 상기 회전자를 회전가능하게 지지하는 고정자를 포함하는 영구자석 전기기기가 제공되어 비균일한 극호각과 이를 위한 극수 슬롯 조합을 갖고 있어 토크 맥동을 저감시킬 수 있다.

Description

비균일 자극 길이를 가지는 영구자석 전기기기{Permanent magnet electrical machine having non-identical polo length}
본 발명은 영구자석 전기기기에 관한 것으로, 특히, 토크 맥동 저감을 위해 비균일한 극호각과 이를 위한 특별한 극수 슬롯 조합과 권선 배치 방법을 제공하는데 있다.
종래의 영구자석 전기기기는 선형 및 회전형이 있으며, 사용 목적에 따라 자동화 장비, 로봇, 공작기계, 자동차 등과 같이 다양한 응용 분에 적용되고 있다. 일반적인 영구자석 전기기기(이하 선형 및 회전형을 모두 포함하는 것으로 지칭)는 철심으로 구성되는 고정자, 고정자 치에 권선되는 상권선, 그리고 철심으로 구성된 회전자와 이에 부착되는 복수의 영구자석으로 구성된다. 이때 영구자석이 부착되는 형태에 따라 매입 영구자석형, 표면부착 영구자석형 등으로 구분이 가능하며, 회전자 철심에 부착된 영구자석을 통해 자극이 형성되게 된다.
영구자석 전기기기는 무부하시에도 영구자석과 고정자 치간의 자기적 상호작용으로 인해 코깅 토크가 발생하며, 이는 토크 맥동을 발생시키며 진동과 소음의 원인원이며, 제어 성능을 악화시키는 요인이 된다.
종래의 영구자석 전기기기는 회전형의 경우에 도 1a과 같이 서로 반대의 극성(N극, S극)을 가지는 영구자석이 일정한 간격을 두고 반복적인 배열을 가지도록 구성되며, 이때 영구자석의 배치 간격을 극간격이라고 정의하고 전기적으로 180도에 해당한다. 이와 같은 회전형 전기기기에서는 영구자석에 의한 자극이 호(arc) 형상을 가지게 되며, 통상 극호각이라고 호칭한다.
이와 유사하게 도 1b와 같이 선형 전기기기에서는 영구자석에 의한 자극이 직사각형상이므로 일반적으로 영구자석 폭이라고 정의할 수 있으며, 이 경우에도 회전형 전기기기와 동일하게 영구자석의 배치 간격은 극간격이며, 전기적으로는 180도에 해당하게 된다.
종래에는 영구자석의 극호각 또는 영구자석 폭(β)은 영구자석 극성에 관계없이 항상 동일하도록 구성되는 것이 일반적이었다.
공개번호 10-2011-0001465호 공개번호 10-2008-0061415호 공개번호 10-2015-0023141호 공개번호 10-2011-0120156호
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 토크 맥동 저감을 위해 비균일한 극호각 또는 영구자석 폭과 이를 위한 특별한 극수 슬롯 조합과 권선 배치 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 일 측면은 회전자 코어와 교대로 배치되는 제1 자극들 및 제2 자극들을 포함하고 있으며, 상기 제1 자극의 극호각과 제2 자극의 극호각이 상이한 회전자; 및 고정자 코어와, 상기 고정자 코어에는 그 둘레 방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치되어 있는 치형들과 각 치형에 권선되는 상권선들을 가지며, 상기 고정자는 회전자와 상대 운동을 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 비균일한 극호각 또는 영구 자석폭과 이를 위한 극수 슬롯 조합을 갖고 있어 토크 맥동을 저감시킬 수 있다.
도 1a는 종래 기술에 따른 회전형의 균일한 극호각을 갖는 영구자석 전동기의 구성도이며, 도 1b는 종래 기술에 따른 선형형의 균일한 영구 자석폭을 갖는 영구자석 전동기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 토크 맥동 저감 영구 자석 전기기기의 구성도이다.
도 3은 도 2의 고정자의 권선 구조를 보여주는 제1 실시예이다.
도 4는 도 2의 고정자의 권선 구조를 보여주는 제2 실시예이다.
도 5는 14극 12슬롯 형태에서 고정자의 권선 구조를 보여주는 제3 실시예이다.
도 6은 14극 12슬롯 형태에서 고정자의 권선 구조를 보여주는 제4 실시예이다.
도 7은 14극 18슬롯 형태에서 고정자의 권선 구조를 보여주는 제5 실시예이다.
도 8은 22극 24슬롯 형태에서 고정자의 권선 구조를 보여주는 제6 실시예이다.
도 9는 22극 24슬롯 형태에서 고정자의 권선 구조를 보여주는 제7 실시예이다.
도 10은 26극 24슬롯 형태에서 고정자의 권선 구조를 보여주는 제8 실시예이다.
도 11은 26극 24슬롯 형태에서 고정자의 권선 구조를 보여주는 제9 실시예이다.
도 12는 도 2의 회전자의 자극 구조를 보여주는 제1 실시예이다.
도 13은 도 2의 회전자의 자극 구조를 보여주는 제2 실시예이다.
도 14는 도 2의 회전자의 자극 구조를 보여주는 제3 실시예이다.
도 15는 도 2의 회전자의 자극 구조를 보여주는 제4 실시예이다.
도 16은 도 2의 회전자의 자극 구조를 보여주는 제5 실시예이다.
도 17은 도 2의 회전자의 자극 구조를 보여주는 제6 실시예이다.
도 18은 도 2의 회전자의 자극 구조를 보여주는 제7 실시예이다.
도 19a 내지 도 19f는 종래 기술에 따른 전기기기와 본 발명에 따른 전기기기 코킹 토크와 출력 토크의 맥동을 비교하기 위한 도면이다.
도 20a 내지 도 20c는 종래 기술에 따른 전기기기와 본 발명에 따른 전기기기의 상역기전력을 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석 전기기기의 구성도이다.
도 22는 약계자 운전시 구동 전압의 고조파 저감을 보여주는 그래프이다.
도 23은 출력 토크 향상을 보여주는 그래프이다.
도 24는 약계자 운전시 출력 향상을 보여주는 그래프이다.
도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 토크 맥동 저감 영구 자석 전기기기의 구성도이다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 영구자석 선형 전기기기의 구성도이다.
도 27은 도 26의 단층권 구조를 보여주는 영구자석 선형 전기기기의 구성도이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 설명하기 위하여 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 이를 참조하여 살펴본다.
먼저, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니며, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함할 수 있다. 또한 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 영구 자석 전기기기의 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 영구자석 전기기기는 고정자(200)와 그 고정자(200)와 상대 운동하는 회전자(100)로 이루어져 있다.
여기에서, 상기 회전자(100)는 회전자 코어(110)와 제1 자극들(120) 및 제2 자극들(130)을 포함하고 있으며, 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)의 극수는 10개이다. 여기에서, 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)은 영구자석으로 형성되어 있다.
상기 회전자 코어(110)는 중공 원통형으로 제작되며 중앙부위에 회전축이 고정되게 삽입 설치될 수 있으며, 외주면에 일정간격을 가지고 교대로 배치되는 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)이 결합될 수 있다.
그리고, 상기 제1 자극들(120)은 상기 회전자 코어(110)의 중심에 대하여 제1대칭위치에 위치되어 있으며, 제2 자극들(130)은 중심에 대하여 제2대칭위치에 위치되어 있다.
상기 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)은 회전자 코어(110)의 외주면에 교대로 위치하며 이격되어 있다. 상기 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)은 등간격 배치되어 있다.
다음으로, 상기 고정자(200)는 고정자 코어(210)와, 상기 고정자 코어(210)의 내측에는 그 둘레방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치되어 있는 12개의 치형들(220)과 각 치형(220)에 권선되는 상권선들(222)을 가지고 있다.
또한, 상기 고정자 (200)는 슬롯들(230)을 갖는다. 여기에서 슬롯들(230)은 12개이다. 이처럼 10개의 극수와 12개의 슬롯을 가지고 있으며, 이는 하나의 일예이며 아래 수학식 1을 만족하는 극수와 슬롯 수를 가질 수 있다.
(수학식1)
Q/(m×t)=짝수
여기에서, Q는 슬롯수, t는 슬롯수와 극쌍수의 최대 공약수 그리고 m은 전동기의 상(phase) 수이다.
상기 수학식 1을 만족하는 극수와 슬롯수는 10개의 극수와 12개의 슬롯수 그리고,14개의 극수와 12개의 슬롯수, 14개의 극수와 18개의 슬롯수, 22개의 극수와 24개의 슬롯수, 26개의 극수와 24개의 슬롯 수 등이며, 이러한 조합의 정수배인 확장 조합(20개의 극수와 24개의 슬롯수, 30개의 극수와 36개의 슬롯수, 28개의 극수와 24개의 슬롯수 등)도 가능하다.
이와 같은 극수와 슬롯수의 조합에서 극쌍수(Q/2)와 슬롯쌍수(S/2)의 차이가 1이면 이층권과 단층권의 구성이 가능하고(아래 수학식 1을 만족하면), 그렇지 않으면 이층권의 구성만 가능하다. 이를 수식으로 나타내면 아래와 같다.
(수학식 2)
|Q/2-S/2|=1
여기에서, Q는 극수이고, S는 슬롯수이다.
이와 같은 제1 자극(120)의 극호각(β1 )과 제2 자극(130)의 극호각(β2 )은 서로 다르다. 즉, 고정자 코어(210)의 중심을 기준으로 할 때에 원주상에서 제1 자극(120)의 원주 방향의 길이와 제2 자극(130)의 원주 방향의 길이가 서로 달리하여 코킹 토크 및 토크 맥동을 저감할 수 있다. 이는 달리 표현하면 제1 자극(120)의 고정자 코어(210)의 중심을 향하는 안측 표면의 원주 방향의 폭(또는 길이)과 제2 자극(130)의 고정자 코어(210)의 중심을 향하는 안측 표면의 원주 방향의 폭(또는 길이)이 서로 다르다. 물론, 이는 달리 표현하면 제1 자극(120)의 고정자 코어(210)의 중심을 향하는 외측 표면의 원주 방향의 폭(또는 길이)과 제2 자극(130)의 고정자 코어(210)의 중심을 향하는 외측 표면의 원주 방향의 폭(또는 길이)이 서로 다르다
그러나 집중권의 경우에 제1 자극(120)과 제2 자극(130)의 극호각을 달리할 경우에 상권선에 유기되는 유기전압의 불평형이 발생하며 이로 인해 순환 전류가 발생할 수 있으므로, 이를 해결하기 위하여 위에서 언급한 특별한 극수와 슬롯수의 조합이 필요하며 그에 더해서 상권선의 결선법이 필요하다.
상기 기본 조합의 경우에 각각의 상권선은 모두 직렬 결선이 필요하며, 기본 조합의 정수배인 확장 조합의 경우는 조합되는 기본 조합간에는 병렬 결선 또는 직렬 결선이 가능하다.
한편, 상기 고정자(200)는 소위 집중 권선으로 구성되는 권선구조의 형태를 가지고 있다. 보다 구체적으로,도 3을 참조하면 U상에서의 치형(A1~A4)은 각각 U상 권선(A10~A40)을 수반한다. 유사하게 V상에서의 치형(B1~B4)은 각각 V상 권선(B10~B40)을 수반한다. 또한 W상에서의 치형(C1~C4)은 W상 권선(C10~C40)을 수반한다. 상기 고정자 치형은 각각 슬롯(1~12)을 구비한다.
상기 이웃하는 2개의 치형에 하나의 동일한 상의 권선이 감긴다. 즉, 이웃하는 2개의 치형마다 하나의 동일한 상의 권선이 감긴다. 그리고, 이처럼 이웃하는 2개의 치형에 감기는 동일한 상의 권선은 직렬로 연결된다.
구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A4과 A1)에 모두 U상의 권선(A40, A10)이 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)에 모두 V상의 권선(B10,B20)이 감긴다. 마지막으로 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)에 모두 W상의 권선(C10, C20)이 감긴다. 이러한, U, V, W 상의 권선 패턴이 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
총 12개의 치형(A1~C4)을 갖기 때문에 예를 들어 U상의 권선이 감긴 2개의 치형과 다음으로 U상의 권선이 감긴 2 개의 치형 사이에는 각각 V 상이 권선된 2개의 치형과 W상이 권선된 2 개의 치형이 위치하게 된다.
다시 말하면, U상의 중심들은 서로 180도의 기계각을 갖는다고 할 수 있다. 물론, V상의 중심들도 서로 180도의 기계각을 갖고 W상의 중심들도 서로 180도의 기계각을 갖게 된다.
이와 같은 상황에서, 어느 한 상이 권선되는 이웃하는 2 개의 치형마다 권선 전류 방향은 이웃하는 치형의 권선 전류 방향과 반대일 수 있다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10 내지 A40 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10 내지 B40 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10 내지 C40 권선은 서로 직렬로 연결된다.
한편, 도 3은 슬롯에 2개의 권선이 감기는 형태를 가지고 있으나, 이와 달리 슬롯에 하나의 권선이 감기도록 구현할 수도 있으며, 도 4는 그 실시예를 보여준다.
상기 고정자(200)는 소위 집중 권선으로 구성되는 권선구조의 형태를 가지고 있다. 보다 구체적으로, U상에서의 치형(A1~A4)중 2개는 각각 U상 권선(A10,A20)을 수반한다. 유사하게 V상에서의 치형(B1~B4)중 2개는 각각 V상 권선(B10, B20)을 수반한다. 또한 W상에서의 치형(C1~C4)중 2개는 W상 권선(C10, C20)을 수반한다. 상기 이웃하는 2개의 치형중 하나의 치형에 하나의 상의 권선이 감긴다.
구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A1과 A2)중 하나의 치형(A1)에 U상의 권선(A10)이 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)중 하나의 치형(B1)에 V상의 권선(B10)이 감긴다. 마지막으로 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)중 하나에 W상의 권선(C10)이 감긴다. 이러한, U, V, W 상의 권선 패턴은 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
총 12개의 치형(A1~C4)를 갖기 때문에 예를 들어 U상의 권선이 감긴 1개의 치형과 다음으로 U상의 권선이 감긴 1 개의 치형 사이에는 각각 V 상이 권선된 1개의 치형과 W상이 권선된 1 개의 치형이 위치하게 된다.
이와 같은 상황에서, 상이 권선되는 치형마다 권선 전류 방향은 이웃하는 치형의 권선 전류 방향과 반대일 수 있다. 도 4를 참조하면, U상이 권선되는 1개의 치형(A4)에는 반시계방향, 다음의 치형(B1)은 시계 방향으로 권선되고, 그 다음의 치형(C1)에는 다시 반시계방향으로 권선된다. 이와 반대 방향으로 권선될 수도 있다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10와 A20 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10와 B20 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10과 C20 권선은 서로 직렬로 연결된다.
한편, 도 5는 극수가 다른 경우에 권선을 보여주고 있는데, 극수가 14극이고 슬롯이 12개인 경우를 보여준다.
다만, 도 3과 달리, 치형이 U상 권선이 감기는 A1과 A2가 연속되고, 다음으로 V상 권선이 감기는 B1과 B2가 연속되며, 다음으로 W상 권선이 감기는 C1과 C2가 연속된다. 이러한 상태가 권선 전류 방향이 반대가 된 상태에서 반복된다.
상기 고정자(200)는 소위 집중 권선으로 구성되는 권선구조의 형태를 가지고 있다. 보다 구체적으로, U상에서의 치형(A1~A4)은 각각 U상 권선(A10~A40)을 수반한다. 유사하게 V상에서의 치형(B1~B4)은 각각 V상 권선(B10~B40)을 수반한다. 또한 W상에서의 치형(C1~C4)은 W상 권선(C10~C40)을 수반한다.
상기 이웃하는 2개의 치형에 하나의 동일한 상의 권선이 감긴다. 즉, 이웃하는 2개의 치형마다 하나의 동일한 상의 권선이 감긴다.
구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A1과 A2)에 모두 U상의 권선(A10, A20)이 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)에 모두 V상의 권선(B10, B20)이 감긴다. 마지막으로 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)에 모두 W상의 권선(C10, C20)이 감긴다. 이러한, U, V, W 상의 권선 패턴이 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
총 12개의 치형(A1~C4)를 갖기 때문에 예를 들어 U상의 권선이 감긴 2개의 치형과 다음으로 U상의 권선이 감긴 2 개의 치형 사이에는 순서대로 각각 V 상이 권선된 2개의 치형과 W상이 권선된 2 개의 치형이 위치하게 된다.
다시 말하면, U상의 중심들은 서로 180도의 기계각을 갖는다고 할 수 있다. 물론, V상의 중심들도 서로 180도의 기계각을 갖고 W상의 중심들도 서로 180도의 기계각을 갖게 된다.
이와 같은 상황에서, 어느 한 상이 권선되는 이웃하는 2 개의 치형마다 권선 전류 방향은 이웃하는 치형의 권선 전류 방향과 반대일 수 있다. 도 5를 참조하면, U상이 권선되는 2개의 치형(A1과 A2)에서, 처음의 치형(A1)은 반시계방향, 다음의 치형(A2)은 시계 방향으로 권선 전류 방향을 갖는 것이 바람직하다. 물론, 처음의 치형은 시계 방향, 다음의 치형은 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 될 수도 있다.
또한, V상이 권선되는 2개의 치형(B1과 B2)에서, 처음의 치형(B1)은 시계방향, 다음의 치형(B2)은 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 됨이 바람직하다. 물론, 처음의 치형은 반시계 방향, 다음의 치형은 시계 방향으로 권선 전류 방향이 될 수도 있다.
또한, W상이 권선되는 2개의 치형(C1과 C2)에서, 처음의 치형(C1)은 반시계방향, 다음의 치형(C2)은 시계 방향으로 권선 전류 방향이 됨이 바람직하다. 물론, 처음의 치형은 시계 방향, 다음의 치형은 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 될 수도 있다. 이러한 구성이 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10 내지 A40 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10 내지 B40 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10 내지 C40 권선은 서로 직렬로 연결된다.
한편, 도 5는 슬롯에 2개의 권선이 감기는 형태를 가지고 있으나, 이와 달리 슬롯에 하나의 권선이 감기도록 구현할 수도 있으며, 도 6은 그 실시예를 보여주며 권선 구조는 도 4와 동일하다.
상기 고정자(200)는 소위 집중 권선으로 구성되는 권선구조의 형태를 가지있다. 보다 구체적으로, U상에서의 치형(A1~A4)중 2개는 각각 U상 권선(A10, A20)을 수반한다. 유사하게 V상에서의 치형(B1~B4)중 2개는 각각 V상 권선(B10, B20)을 수반한다. 또한 W상에서의 치형(C1~C4)중 2개는 W상 권선(C10, C20)을 수반한다. 상기 이웃하는 2개의 치형중 하나의 치형에 하나의 상의 권선이 감긴다.
구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A1과 A2)중 하나의 치형(A1)에 U상의 권선(A10)이 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)중 하나의 치형(B1)에 V상의 권선(B10)이 감긴다. 마지막으로 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)중 하나에 W상의 권선(C10)이 감긴다. 이러한, U, V, W 상의 권선 패턴이 권선 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
총 12개의 치형(A1~C4)을 갖기 때문에 예를 들어 U상의 권선이 감긴 1개의 치형과 다음으로 U상의 권선이 감긴 1 개의 치형 사이에는 각각 V 상이 권선된 1개의 치형과 W상이 권선된 1 개의 치형이 위치하게 된다.
이와 같은 상황에서, 상이 권선되는 치형마다 권선 전류 방향은 이웃하는 치형의 권선 전류 방향과 반대일 수 있다. 도 6을 참조하면, U상이 권선되는 1개의 치형(A1)에는 반시계 방향, 다음의 치형(B1)은 시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음의 치형(C1)에는 다시 반시계방향으로 권선 전류 방향이 된다. 이와 반대 방향으로 권선 전류 방향이 될 수도 있다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10와 A20 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10와 B20 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10과 C20 권선은 서로 직렬로 연결된다.
한편, 도 3 내지 도 6은 12 슬롯에 대한 권선 배치를 보여주고 있는바, 이와 달리 슬롯이 증가되는 경우에도 동일한 방식으로 권선을 배치할 수 있다.
이와 관련하여 도 7은 14극에 18슬롯인 경우에 권선 배치를 보여주며, 첫번째 치형에는 U상이 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 다음 치형에는 V상이 반시계 방향을 권선 전류 방향이 되며, 그 다음 치형에는 W상이 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 된다.
그리고, 계속해서 다음 치형에는 W상이 시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음 치형에는 U상이 시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음 치형에는 V상이 시계 방향을 권선 전류 방향이 된다.
계속해서 다음 치형에는 V상이 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음 치형에는 W상이 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음 치형에는 U상이 반시계 방향을 권선 전류 방향이 된다. 그 다음 부터는 위에서 설명한 권선 배치가 권선 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10 내지 A60 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10 내지 B60 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10 내지 C60 권선은 서로 직렬로 연결된다.
한편, 도 8은 22극 24 슬롯의 권선 배치를 보여주는데, 첫번째 치형(A1)에는 U상이 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 다음 치형(A2)에는 U상이 시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음 치형(A3)에는 U상이 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음 치형(A4)에는 U상이 시계 방향으로 권선 전류 방향이 된다. 그리고, 그 다음 치형부터 이웃하는 4개의 치형(B1~B4)에는 V상이 시계 방향-반시계 방향-시계 방향-반시계 방향으로 권선 전류 방향이 되며, 그 다음 치형에서부터 이웃하는 4개의 치형(C1~C4)에는 W상이 반시계 방향-시계 방향-반시계 방향-시계 방향으로 권선 전류 방향이 된다.
그 다음 부터는 위에서 설명한 권선 배치가 권선 전류 방향이 반대가 된 상태에서 반복된다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10 내지 A80 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10 내지 B80 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10 내지 C80 권선은 서로 직렬로 연결된다.
도 9는 22극 24 슬롯에서 슬롯에 권선이 1층으로 권선되는 경우에 권선 배치를 보여주는데, 구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A1과 A2)중 하나의 치형(A1)에 U상의 권선(A10)이 반시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)중 하나의 치형(B1)에 V상의 권선(B10)이 시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다. 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B3과 B4)중 하나의 치형(B3)에 V상의 권선(B20)이 시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다. 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)중 하나의 치형(C2)에 W상의 권선(C10)이 반시계 방향으로 권선 전류 방향이 가지며 감긴다. 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C3과 C4)중 하나의 치형(C3)에 W상의 권선(C20)이 반시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다. 그 다음에 이웃하는 2개의 치형(A3와 A4) 중 하나의 치형(A3)에 U상의 권선(A20)이 시계 방향으로 권전 전류 방향을 가지며 감긴다. 이후에는 이러한 패턴이 권선 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10 내지 A40 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10 내지 B40 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10 내지 C40 권선은 서로 직렬로 연결된다.
한편, 도 10은 26극 24 슬롯의 권선 배치를 보여주는데, 첫번째 치형에서부터 4개의 이웃하는 치형에는 U상이 반시계 방향-시계 방향-반시계 방향-시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 다음 치형부터 이웃하는 4개의 치형에는 V상이 시계 방향-반시계 방향-시계 방향-반시계 방향으로 권선 전류 방향이 되며, 그 다음 치형에서부터 이웃하는 4개의 치형에는 W상이 반시계 방향-시계 방향-반시계 방향-시계 방향으로 권선 전류 방향이 된다. 그 다음 부터는 위에서 설명한 권선 배치가 권선 전류 방향이 반대로 되어 반복된다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10 내지 A80 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10 내지 B80 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10 내지 C80 권선은 서로 직렬로 연결된다.
도 11은 26극 24 슬롯에서 슬롯에 권선이 1층으로 권선되는 경우에 권선 배치를 보여주는데, 구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A1과 A2)중 하나의 치형(A1)에 U상의 권선(A10)이 반시계 방향으로 권전 전류 방향을 가지며 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(A3과 A4)중 하나의 치형(A3)에 U상의 권선(A20)이 반시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다. 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)중 하나의 치형(B1)에 V상의 권선(B10)이 시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다. 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B3과 B4)중 하나의 치형(B3)에 V상의 권선(B20)이 시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다.
그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)중 하나의 치형(C1)에 W상의 권선(C10)이 반시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감기고, 다음의 이웃하는 2개의 치형(C3와 C4)중 하나의 치형(C3)에는 W상의 권선(C20)가 반시계 방향으로 권선 전류 방향을 가지며 감긴다. 그 다음 부터는 위에서 설명한 권선 배치가 권선 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복된다.
그리고, 이와 같은 구성에서 각 상의 모든 권선은 서로 직렬로 연결되어 있다. 즉, A10 내지 A40 권선은 서로 직렬로 연결되어 있고, B10 내지 B40 권선은 서로 직렬로 연결되며, C10 내지 C40 권선은 서로 직렬로 연결된다.
한편, 도 12는 도 2의 회전자의 제1 실시예를 보여주는 도면이다.
도 12를 참조하면, 도 2의 회전자는 상기 회전 샤프트가 고정되는 내주면에 실질적으로 회전자 코어(110)를 포함한다.
상기 회전자는, 예를 들어 네오디뮴(neodymium) 및 디스프로슘(dysprosium)을 함유하는 희토류 자석으로 구성되는 5개의 영구자석들로 이루어진 제1 자극들(120)을 포함한다. 5개의 영구자석들로 이루어진 제1 자극들(120)은 N극 또는 S극과 같은 동일한 자석 극성을 가지고, 상기 코어(110)의 외주면에 장착된다.
상기 5개의 영구자석들로 이루어진 제1 자극들(120)은 그 사이에서 일정한 간격으로 원주방향에 배열된다.
상기 각각의 영구 자석들의 외부면은 상기 회전 샤프트의 중심축 둘레에 일정한 곡률 반경으로 굴곡된다.
상기 코어(110)에는 5개의 영구자석들로 이루어진 제1 자극들 사이에서 개별적으로 배치되고 일정한 피치로 원주방향에 배열되는 반경 외측방향으로 돌출된 5개의 돌출부로 이루어진 제2 자극들(130)이 구비된다.
상기 회전자(110)의 구성에서, 상기 5개의 영구자석들의 자석 극성은 5개의 돌출부가 5개의 영구 자석들의 자석 극성에 반대되는 동일한 자석 극성으로 결과적으로 자화되도록 하는데, 이러한 돌출부로 이루어진 제2 자극은 이하에서 '컨시퀀트 폴(consequent pole)'로 언급될 수 있다.
상기 코어(110)는 영구자석들로 이루어진 제1 자극들(120)과 컨시퀀트 폴로 이루어진 제2 자극(130) 사이에서 공간(140)을 포함하고, 이러한 공간(140)은 상기 영구자석들로 이루어진 제1 자극(120)과 컨시퀀트 폴로 이루어진 제2 자극(130) 사이에서 자성 장벽을 제공한다. 각각의 컨시퀀트 폴로 이루어진 제2 자극(130)의 외부면은 상기 회전 샤프트의 중심 축 둘레에 일정한 곡률 반경을 가지고 굴곡된다. 상기 회전자(110)의 각각의 극(영구자석들로 이루어진 제1 자극(120) 및 컨시퀀트 폴로 이루어진 제2 자극(130)) 사이에서의 자기적인 상호 작용은 회전자(110)를 회전시키는 토크를 생성한다. 상기 제1 자극(120)의 극호각과 제2 자극(130)의 극호각은 상이하다.
한편, 도 13은 영구 자석으로 이루어진 제1 자극(120)을 회전자 코어(110)에 표면 부착한 실시예이다.
다음으로, 도 14는 10개의 영구 자석들로 이루어진 제1 자극(120)과 제2 자극(130)이 회전자 코어(110)에 매입되어 있는 형태를 나타낸다.
도 14를 참조하면, 회전자는 회전자 코어(110)와, 회전자 코어(110)의 주위에 설치되는 10개의 영구 자석으로 이루어진 제1 자극들(120)과 제2 자극(130)을 가진다.
상기 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)은 교대로 형성되어 있으며 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130) 사이에는 홈(140)이 형성되어 있다. 여기에서, 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)의 극호각은 상이하다.
한편, 도 15는 영구자석으로 이루어진 제1 자극들(120)이 회전자 코어(110)에 매입되어 있지 않고 표면에 부착되어 있는 다른 실시예를 나타낸다.
다음으로, 도 16은 회전자의 또 다른 실시예를 나타낸다.
도 16을 참조하면, 회전자의 또 다른 실시예는 회전자 코어(110)와, 회전자 코어(110)의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제1 치형들(120-1)과 상기 제1 치형들(120-1)에 감겨 있는 제1 권선들(120-2)로 이루어진 제1 자극(120) 및 회전자 코어(110)의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제2 치형들(130-1)과 상기 제2 치형들(130-1)에 감겨 있는 제2 권선들(130-2)로 이루어진 제2 자극(130)을 포함한다. 제1 치형들(120-1)과 제2 치형들(130-1)은 교대로 형성되어 있다.
상기 회전자 코어(110)은 회전자의 회전 중심이 되는 축으로서, 원형의 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 코어(110)는 회전자의 본체가 되는 부분으로서, 상기 회전축의 외경면에 밀착되어 설치될 수 있으며, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 치형(120-1, 130-1)를 포함할 수 있다.
상기 치형(120-1, 130-1)의 개수는 본 발명의 실시예에 한정되지 않으며 모터의 안정된 구동 특성을 위하여 적절하게 조절될 수 있다.
실시예에서 상기 치형(120-1, 130-1)는 상기 고정자의 내경면에 대응되도록 그 끝단이 원주 방향을 따라 연장된 연장부(120-3, 130-3)를 포함할 수 있다.
상기 권선들(120-2, 130-2)은 상기 치형들(120-1, 130-1)에 각각 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시킨다. 회전자의 내부에 영구자석이 삽입되는 모터와 달리 본 발명의 실시예에서는 회전자에 권선된 코일(120-2, 130-2)에 전류를 공급하여 자기장을 발생시킨다.
한편, 도 17은 회전자의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 17을 참조하면, 회전자의 또 다른 실시예는 회전자 코어(110)와, 회전자 코어(110)의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제1 치형들(120-1)과 상기 제1 치형들(120-1)에 감겨 있는 제1 권선들(120-2)로 이루어진 제1 자극(120) 및 회전자 코어(110)의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제2 치형들(130-1)과 상기 제2 치형들(130-1)에 매입되어 있는 영구자석들(130-2)로 이루어진 제2 자극(130)을 포함한다. 제1 치형(120-1)과 제2 치형들(130-1)은 교대로 형성되어 있다.
상기 회전자 코어(110)은 회전자의 회전 중심이 되는 축으로서, 원형의 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 코어(110)는 회전자의 본체가 되는 부분으로서, 상기 회전축의 외경면에 밀착되어 설치될 수 있으며, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 치형(120-1, 130-1)를 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 치형들(120-1, 130-1)중에서 하나의 치형(120-1)에는 권선(120-2)가 감겨져 있으며, 다른 치형(130-1)에는 영구 자석(130-2)이 매입되어 있다.
여기에서, 권선(120-2)이 감겨 있는 치형(120-1)은 상기 고정자의 내경면에 대응되도록 그 끝단이 원주 방향을 따라 연장된 연장부(120-3)를 포함할 수 있다.
상기 권선(120-2)은 상기 치형(120-1)에 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시킨다. 상기 실시예에서는 회전자에 권선된 권선(120-2)에 전류를 공급하여 영구 자석과 함께 자기장을 발생시킨다.
한편, 도 18은 회전자의 또 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 18을 참조하면, 회전자의 또 다른 실시예는 회전자 코어(110)와, 회전자 코어(110)의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제1 치형들(120-1)과 상기 제1 치형들(120-1)에 감겨 있는 제1 권선들(120-2)로 이루어진 제1 자극(120) 및 회전자 코어(110)의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제2 치형들(130-1)과 상기 제2 치형들(130-1)의 표면에 형성되어 있는 영구자석들(130-2)로 이루어진 제2 자극(130)을 포함한다. 제1 치형(120-1)과 제2 치형들(130-1)은 교대로 형성되어 있다.
상기 회전자 코어(110)는 회전자의 회전 중심이 되는 축으로서, 원형의 단면을 가지도록 형성될 수 있다. 상기 코어(110)는 회전자의 본체가 되는 부분으로서, 상기 회전축의 외경면에 밀착되어 설치될 수 있으며, 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 치형(120-1, 130-1)를 포함할 수 있다.
실시예에서 상기 치형들(120-1, 130-1)중에서 하나의 치형(120-1)에는 권선(120-2)가 감겨져 있으며, 다른 치형(130-1)에는 영구 자석(130-2)이 형성되어 있다.
여기에서, 권선(120-2)이 감겨 있는 치형(120-1)은 상기 고정자의 내경면에 대응되도록 그 끝단이 원주 방향을 따라 연장된 연장부(120-3)를 포함할 수 있다.
상기 권선(120-2)은 상기 치형(120-1)에 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시킨다. 상기 실시예에서는 회전자에 권선된 권선(120-2)에 전류를 공급하여 영구 자석과 함께 자기장을 발생시킨다.
한편, 도 19a 내지 도 19f는 종래 기술에 따른 전기기기와 본 발명에 따른 전기기기의 코킹 토크와 출력 토크의 맥동을 비교하기 위한 도면이다.
도 19a는 종래 기술에 따른 전기기기로 균일한 극호각을 가지고 있으며, 도 19b는 본 발명에 따른 전기기기를 나타내며 극호각이 균일하지 않다. 즉, 도 19a는 극호각이 145도로 일정하고, 도 19b는 130도와 160도가 반복되어 상이하다.
이와 같은 종래 기술과 본 발명에 따른 회전자의 위치(즉, 전기각)에 따른 역기전력을 도 19c와 도 19d가 보여주고 있으며, 도 19c와 도 19d에서 노란색의 선이 종래 기술에 따른 역기전력을 나타내며 파란색의 선이 본 발명에 다른 역기전력을 나타낸다.
이때, 코킹 토크가 도 19e에 도시되어 있는데 코킹 토크가 비 균일 극호각이 균일 극호각 대비 97%가 저감되어 있다.
또한, 도 19f는 출력 토크 파형을 보여주는데 비균일 극호각이 균일 극호각 대비 67% 저감되어 있다.
다음으로, 도 20a 내지 도 20c는 종래 기술에 따른 전기기기와 본 발명에 따른 전기기기의 상역기전력을 나타내는 도면이다.
도 20a는 종래 기술에 따른 전기기기로 균일한 극호각을 가지고 있으며, 도 20b는 본 발명에 따른 전기기기를 나타내며 극호각이 균일하지 않다. 즉, 도 20a는 극호각이 145도로 일정하고, 도 20b는 130도와 160도가 반복되어 상이하다.
이와 같은 상황에서 상역기전력은 도 20c를 보면 알 수 있는 바와 같이 영구자석 총량이 동일하다는 전제하에서 동일한 특성을 갖는다.
일반적으로 토크는 역기전력과 상전류의 곱으로 표현되므로, 토크의 손실없이 토크 맥동 저감이 가능하다.
한편, 도 21은 본 발명의 다른 실시예에 따른 컨시퀀트 폴 구조의 외전형 영구 자석 전기기기의 부분 구성도이다.
먼저, 고정자(1100)가 회전자(2100)에 대향하여 운동하며, 고정자(1100)는 N(전원 위상의 수)의 배수 개의 치형들(1110)과 각 치형에 권선되는 상권선들(미도시)을 가지고, 회전자(2100)는 내측에 형성되어 있는 제1 자극들(2110)과 제2 자극들(2120)을 포함한다. 상기 제1 자극들(2110)과 제2 자극들(2120)은 교대로 배치되어 있다.
여기서, 제1 자극들(2110)은 영구자석들로 이루어져 있으며 동일 극성으로서 모두 N극 또는 모두 S극으로 배치될 수 있다. 그리고, 제2 자극들(2120)은 컨시퀀트 폴로 이루어진다.
고정자(1100)에는 N(전원 위상의 수)상 각각을 위한 상권선들 및 N상 각각과 180도 위상 차이를 갖는 상권선들이 포함된다.
즉, 3상인 경우(N=3)에, 회전자(1100)는 3상 U, V, W 각각을 위한 상권선들 및 3상 각각과 180도 위상 차이(/U, /V, /W)를 갖는 상권선들을 포함할 수 있다.
이때, 어느 하나의 상과 그의 /상(180도 위상 차이가 나는 상)이 인접하여 반복되도록 배치되는 치형과 상권선의 각 그룹에는, 그 치형과 상권선의 수가 홀수개 또는 짝수개 포함될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석 전기기기에서 고정자의 치형들간의 가장 짧은 거리를 SO라하고, 가장 먼거리를 SWID라 하며, 회전자의 영구자석의 두께를 LM이라고 하면 도 22는 약계자 운전시 구동 전압의 고조파 저감을 보여주며, 도 23은 출력 토크 향상을 보여주며, 도 24는 약계자 운전시 출력 향상을 보여 준다.
즉, 도 22에서 (a)는 균일 극호각에서 SO가 7이고, SWID가 11이며, LM이 6일때 고조파를 보여주며, (b)는 비균일 극호각에서 SO가 7이고, SWID가 11이며, 극호간이 하나는 170도이고 다른 하나는 95도이며 LM이 6일때 고조파 특성을 보여주는데 본 발명의 전기기기가 종래 기술의 전기기기보다 고조파가 저감되어 있는 것을 보여준다.
그리고, 도 23은 전류 위상각 변화에 따른 출력 토크를 보여주는데 본 발명의 전기기기가 종래 기술인 균일 극호각을 가지는 경우 보다 출력 토크가 향상된 것을 보여준다.
다음으로, 도 24는 속도에 따른 출력을 보여주는데, 본 발명의 전기기기가 종래 기술의 전기기기보다 출력이 향상됨을 알 수 있다.
한편, 도 25는 본 발명의 다른 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 영구자석 전기기기의 구성도이다.
도 25를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 영구자석 전기기기는 회전자(100)와 그 회전자(100)를 회전가능하게 지지하는 고정자(200)로 이루어져 있다.
여기에서, 상기 회전자(100)는 회전자 코어(110)와 제1 자극들(120) 및 제2 자극들(130)을 포함하고 있으며, 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)의 극수는 10개이다. 여기에서, 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)은 영구자석으로 형성되어 있다.
상기 회전자 코어(110)는 중공 원통형으로 제작되며 중앙부위에 회전축이 고정되게 삽입 설치될 수 있으며, 외주면에 일정간격을 가지고 교대로 배치되는 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)이 결합될 수 있다.
그리고, 상기 제1 자극들(120)은 상기 회전자 코어(110)의 중심에 대하여 제1대칭위치에 위치되어 있으며, 제2 자극들(130)은 중심에 대하여 제2대칭위치에 위치되어 있다.
상기 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)은 회전자 코어(110)의 외주면에 교대로 위치하며 이격되어 있다. 상기 제1 자극들(120)과 제2 자극들(130)은 등간격 배치되어 있다.
다음으로, 상기 고정자(200)는 고정자 코어(210)와, 상기 고정자 코어(210)의 내측에 그 둘레방향을 따라 일정한 간격을 두고 배치되어 있는 상권선들(222)을 가지고 있다. 이와 같은 도 25의 다른 실시예에 따른 영구 자석 전기기기는 도 2와 달리 치형들이 없는 공심형으로 구성되어 있어 도 2와 차이가 있다. 하지만 이러한 구조 이외의 다른 부분에서는 도 2의 구조와 동일하게 형성할 수 있으며, 10개의 극수와 12개의 슬롯을 가지고 있다. 이러한 극수와 슬롯은 하나의 일예이며 수학식 1을 만족하는 극수와 슬롯 수를 가질 수 있다.
이와 같은 제1 자극(120)의 극호각(β1 )과 제2 자극(130)의 극호각(β2 )은 서로 다르며 이에 따라 코킹 토크 및 토크 맥동을 저감할 수 있다.
그러나 집중권의 경우에 제1 자극(120)과 제2 자극(130)의 극호각을 달리할 경우에 상권선에 유기되는 유기전압의 불평형이 발생하며 이로 인해 순환 전류가 발생할 수 있으므로, 이를 해결하기 위하여 위에서 언급한 특별한 극수와 슬롯수의 조합이 필요하며 그에 더해서 상권선의 결선법이 필요하다.
상기 기본 조합의 경우에 각각의 상권선은 모두 직렬 결선이 필요하며, 기본 조합의 정수배인 확장 조합의 경우는 조합되는 기본 조합간에는 병렬 결선 또는 직렬 결선이 가능하다. 이러한 상권선의 결선법은 위에서 설명한 내용이 서로 모순되지 않는다면 사용가능하다. 이처럼 본 발명에서 제안하는 극수/슬롯 조합과 그에 따른 권선법과 회전자 자극의 구조를 적용하는 경우, 고정자는 철심형 이든 공심형이든 모두 포함될 수 있다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 영구자석 선형 전기기기의 구성도이다.
도 26과 같이, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 10극 12 슬롯 방식에서 영구자석 선형 전기기기는 이동자(300)가 고정자(400)에 대향하여 운동한다.
상기 이동자(300)는 이동자 코어(310)와 이동자 코어(310)에 형성된 다수개의 치형들(320)과 각 치형에 권선되는 상권선들을 가지고, 고정자(400)는 고정자 코어(410)와 고정자 코어(410)에 형성된 제1 자극들(420) 및 제2 자극들(430)을 포함하고 있으며, 제1 자극들(420)과 제2 자극들(430)의 극수는 10개이다. 여기에서, 제1 자극들(420)과 제2 자극들(430)은 영구자석으로 형성되어 있다.
상기 제1 자극들(420)과 제2 자극들(430)은 고정자 코어(410)의 외주면에 교대로 위치하며 이격되어 있다. 상기 제1 자극들(420)과 제2 자극들(430)은 등간격 배치되어 있다.
이와 같은 도 26의 또 다른 실시예에 따른 영구자석 선형 전기기기는 도 2와 달리 회전형이 아니고 선형으로 구성되어 있어 도 2와 차이가 있다. 하지만 이러한 구조 이외의 다른 부분에서는 도 2의 구조와 동일하게 형성할 수 있으며, 10개의 극수와 12개의 슬롯을 가지고 있다. 이러한 극수와 슬롯은 하나의 일예이며 수학식 1을 만족하는 극수와 슬롯 수를 가질 수 있다.
이와 같은 제1 자극(420)의 폭(β1 )과 제2 자극(430)의 폭(β2 )은 서로 다르며 이에 따라 코킹 토크 및 토크 맥동을 저감할 수 있다.
그러나 집중권의 경우에 제1 자극(420)과 제2 자극(430)의 폭을 달리할 경우에 상권선에 유기되는 유기전압의 불평형이 발생하며 이로 인해 순환 전류가 발생할 수 있으므로, 이를 해결하기 위하여 위에서 언급한 특별한 극수와 슬롯수의 조합이 필요하며 그에 더해서 상권선의 결선법이 필요하다.
상기 기본 조합의 경우에 각각의 상권선은 모두 직렬 결선이 필요하며, 기본 조합의 정수배인 확장 조합의 경우는 조합되는 기본 조합간에는 병렬 결선 또는 직렬 결선이 가능하다. 이러한 상권선의 결선법은 위에서 설명한 내용이 서로 모순되지 않는다면 사용가능하다.
한편, 상기 이동자(300)는 소위 집중 권선으로 구성되는 권선구조의 형태를 가지고 있다. 보다 구체적으로, U상에서의 치형(A1~A4)은 각각 U상 권선(A10~A40)을 수반한다. 유사하게 V상에서의 치형(B1~B4)은 각각 V상 권선(B10~B40)을 수반한다. 또한 W상에서의 치형(C1~C4)은 W상 권선(C10~C40)을 수반한다. 상기 이동자 치형은 각각 슬롯(1~12)을 구비한다.
상기 이웃하는 2개의 치형에 하나의 동일한 상의 권선이 감긴다. 즉, 이웃하는 2개의 치형마다 하나의 동일한 상의 권선이 감긴다.
구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A4과 A1)에 모두 U상의 권선(A40, A10)이 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)에 모두 V상의 권선(B10,B20)이 감긴다. 마지막으로 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)에 모두 W상의 권선(C10, C20)이 감긴다. 이러한, U, V, W 상의 권선 패턴이 권선 전류 방향이 반대로 되면서 반복된다.
총 12개의 치형(A1~C4)을 갖기 때문에 예를 들어 U상의 권선이 감긴 2개의 치형과 다음으로 U상의 권선이 감긴 2 개의 치형 사이에는 각각 V 상이 권선된 2개의 치형과 W상이 권선된 2 개의 치형이 위치하게 된다.
다시 말하면, U상의 중심들은 서로 180도의 전기각을 갖는다고 할 수 있다. 물론, V상의 중심들도 서로 180도의 전기각을 갖고 W상의 중심들도 서로 180도의 전기각을 갖게 된다.
이와 같은 상황에서, 어느 한 상이 권선되는 이웃하는 2 개의 치형마다 권선 전류 방향은 이웃하는 치형의 권선 전류 방향과 반대일 수 있다.
한편, 도 26은 슬롯에 2개의 권선이 감기는 형태를 가지고 있으나, 이와 달리 슬롯에 하나의 권선이 감기도록 구현할 수도 있으며, 도 27은 그 실시예를 보여준다.
상기 이동자(300)는 소위 집중 권선으로 구성되는 권선구조의 형태를 가지고 있다. 보다 구체적으로, U상에서의 치형(A1~A4)중 2개는 각각 U상 권선(A10.A20)을 수반한다. 유사하게 V상에서의 치형(B1~B4)중 2개는 각각 V상 권선(B10, B20)을 수반한다. 또한 W상에서의 치형(C1~C4)중 2개는 W상 권선(C10, C20)을 수반한다. 상기 이웃하는 2개의 치형중 하나의 치형에 하나의 상의 권선이 감긴다.
구체적으로, 이웃하는 2 개의 치형(A4과 A1)중 하나의 치형(A4)에 U상의 권선(A10)이 감긴다. 그리고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형(B1과 B2)중 하나의 치형(B1)에 V상의 권선(B10)이 감긴다. 마지막으로 다음의 이웃하는 2 개의 치형(C1과 C2)중 하나에 W상의 권선(C10)이 감긴다. 이러한, U, V, W 상의 권선 패턴이 전류 방향이 반대로 되면서 반복된다.
총 12개의 치형(A1~C4)를 갖기 때문에 예를 들어 U상의 권선이 감긴 1개의 치형과 다음으로 U상의 권선이 감긴 1 개의 치형 사이에는 각각 V 상이 권선된 1개의 치형과 W상이 권선된 1 개의 치형이 위치하게 된다.
이와 같은 상황에서, 상이 권선되는 치형마다 권선 전류 방향은 이웃하는 치형의 권선 전류 방향과 반대일 수 있다. U상이 권선되는 1개의 치형(A4)에는 반시계방향, 다음의 치형(B1)은 시계 방향으로 권선 전류 방향이 되고, 그 다음의 치형(C1)에는 다시 반시계방향으로 권선 전류 방향이 된다. 이와 반대 방향으로 권선 전류 방향이 될 수도 있다. 이러한 상권선의 결선법은 위에서 설명한 내용이 서로 모순되지 않는다면 사용 가능하다.
이처럼 본 발명에서 제안하는 극수/슬롯 조합과 그에 따른 권선법과 회전자 자극의 구조를 적용하는 경우, 고정자 대신 이동자를 회전자 대신 고정자를 적용하면 모두 포함될 수 있다.
한편, 본 발명에서 제시하고 있는 기본적인 극수 슬롯수 조합(10극 12슬롯, 14극 12슬롯, 14극 18슬롯, 22극 24슬롯, 26극 24슬롯)에서 특징적인 것으로는, 임의 어떠한 상권선이라도 그것과 기계적으로 180도 반대편에 있는 상권선은 항상 전류의 방향이 반대로 구성되게 된다는 것이다.
즉 다시 말해서 앞서 설명한 기본적인 극수 슬롯수 조합을 다시 살펴보면, 모두 2로 나누어 지는 조합으로 되어 있다. 10극 12슬롯의 경우, 5극 6슬롯이 2개가 붙어 있는 조합인데, 처음의 5극 6슬롯에서의 상권선(A, /A, /B, B, C, /C)과 다음의 5극 6슬롯에서의 상권선 배치(/A, A, B, /B, /C, C)는 서로 전기적으로 180도 위상을 가지는 것을 특징으로 한다.
이를 극수를 Q라 하고, 슬롯수를 S라 할 때 처음 Q/2의 극과 S/2의 슬롯의 상권선의 권선 전류 방향과 나머지 Q/2의 극과 S/2의 슬롯의 상권선의 권선 전류 방향은 전기적으로 180도 위상을 가지는 것을 특징으로 한다.
이러한 방법으로 나머지 조합들도 분석해 보면 항상 동일한 양상을 가지게 되어 있으며, 전술한 모든 기본 조합들에서는 각 상권선이 모두 직렬로 연결되어야만 자기적 불평형을 제거할 수 있다.
하지만, 기본 조합의 확장 조합인, 예를 들어 20극 24슬롯의 경우는 10극 12슬롯이 2개가 있는 것이므로 처음의 10극 12슬롯과 다음의 10극 12슬롯은 동일한 위상을 가지는 상권선의 반복이므로, 이러한 경우에는 직렬 또는 병렬을 하더라도 무방하다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100 : 회전자 110 : 회전자 코어
120 : 제1 자극 130 : 제2 자극
200 : 고정자 210 : 고정자 코어
220 : 치형 222 : 권선
230 : 슬롯 300 : 이동자
310 : 이동자 코어 320 : 치형
330 : 권선 400 : 고정자
410 : 고정자 코어 420, 430 : 자극
1100 : 권선 1110 : 치형
2100 : 회전자 2110 : 제1 자극
2120 : 제 2 자극

Claims (20)

  1. 서로 다른 극성을 가지는 제1 자극들 및 제2 자극들을 포함하고 있으며, 상기 제1 자극의 극호각과 제2 자극의 극호각이 상이한 회전자; 및
    상기 회전자와 대향하며 복수의 치형과 각 치형에 권선되는 상권선들을 가지는 고정자를 포함하는 영구자석 전기기기.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 극수와 상기 고정자의 슬롯수는 다음 수학식 1을 만족하는 영구자석 전기기기.
    (수학식1)
    Q/(m×t)=짝수
    여기에서, Q는 슬롯수, t는 슬롯수와 극쌍수의 최대 공약수 그리고 m은 전동기의 상(phase) 수이다.
  3. 청구항 1항 또는 청구항 2항에 있어서,
    상기 고정자에 있어서 이웃하는 2개의 치형에 하나의 동일한 상의 권선이 서로 전류의 방향이 반대로 흐르도록 권선된 영구자석 전기기기.
  4. 청구항 1항 또는 청구항 2항에 있어서,
    극수를 Q라 하고, 슬롯수를 S라 할 때 처음 Q/2의 극과 S/2의 슬롯의 상권선의 권선 전류 방향과 나머지 Q/2의 극과 S/2의 슬롯의 상권선의 권선 전류 방향은 전기적으로 180도 위상을 가지는 것을 특징으로 하는 영구자석 전기기기.
  5. 청구항 1항에 있어서,
    상기 고정자에 있어서 이웃하는 2개의 치형중 하나의 치형에 U상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기고 다른 하나의 치형에 U상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기며, 다음의 이웃하는 2 개의 치형 중 상기 U상이 권선된 다른 하나의 치형에 인접한 하나의 치형에 V상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기며 다른 하나의 치형에 V상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 상기 V상이 권선된 다른 하나의 치형에 인접한 하나에 W상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기고 다른 하나의 치형에 W상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기며 이와 같은 패턴이 권선 전류 방향을 반대로 된 상태에서 반복되고 제1 권선 전류 방향과 제2 권선 전류 방향은 권선 전류 방향이 반대이며, 각 상의 권선은 모두 직렬로 연결되고, 12개의 슬롯을 가지고 이층권으로 권선된 영구자석 전기기기.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 고정자에 있어서 이웃하는 2 개의 치형중 하나의 치형에만 U상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형 중 하나의 치형에만 V상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 하나에만 W상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 하나의 치형에만 U상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기고, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형 중 하나의 치형에만 V상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 하나에만 W상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기며, 제1 권선 전류 방향과 제2 권선 전류 방향은 권선 전류 방향이 반대이며, 각상의 권선은 모두 직렬로 연결되며, 12개의 슬롯을 구비하며 단층권으로 권선된 영구자석 전기기기.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 고정자의 제1 치형에는 U상이 제1 권선 전류 방향으로 권선되고, 제2 치형에는 V상이 제1 권선 전류 방향을 권선되며, 제3 치형에는 W상이 제1 권선 전류 방향으로 권선되고, 제4 치형에는 W상이 제2 권선 전류 방향으로 권선되며, 제5 치형에는 U상이 제2 권선 전류 방향으로 권선되고, 제6 치형에는 V상이 제2 권선 전류 방향으로 권선되며, 제7 치형에는 V상이 제1 권선 전류 방향으로 권선되며, 제8 치형에는 W상이 제1 권선 전류 방향으로 권선되고, 제9 치형에는 U상이 제1 권선 전류 방향을 권선되며, 이와 같은 패턴이 권선 전류 방향을 반대로 된 상태에서 반복되고, 각상의 권선은 모두 직렬로 연결되며, 14개의 극과 18개의 슬롯을 가지며 이층권으로 권선되는 영구자석 전기기기.
  8. 청구항 1항에 있어서,
    상기 고정자의 제1 치형에서부터 4개의 이웃하는 제4 치형에는 U상이 제1 권선 전류 방향-제2 권선 전류 방향-제1 권선 전류 방향-제2 권선 전류 방향으로 권선되고, 다음 제5 치형부터 이웃하는 4개의 제8 치형에는 V상이 제2 권선 전류 방향-제1 권선 전류 방향-제2 권선 전류 방향-제1 권선 전류 방향으로 권선되며, 그 다음 제9 치형에서부터 이웃하는 4개의 제12 치형에는 W상이 제1 권선 전류 방향-제2 권선 전류 방향-제1 권선 전류 방향-제2 권선 전류 방향으로 권선되고, 이러한 패턴이 권선 전류 방향이 반대로 된 상태에서 반복되고, 각상의 권선은 모두 직렬로 연결되며, 24개의 슬롯을 가지고 이층권으로 권선되는 영구자석 전기기기.
  9. 청구항 1항에 있어서,
    상기 고정자의 이웃하는 2 개의 치형중 하나의 치형에 U상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기고, 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 하나의 치형에 U상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 하나의 치형에 V상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 하나의 치형에 V상의 권선이 제2 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음의 이웃하는 2 개의 치형중 하나의 치형에 W상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기며, 그 다음에 이웃하는 2개의 치형 중 하나의 치형에 W상의 권선이 제1 권선 전류 방향으로 감기며, 이후에는 이러한 패턴이 권선 전류 방향이 반대로 되어 반복되며, 각상의 권선은 모두 직렬로 연결되며 24개의 슬롯을 가지고 단층권으로 권선되는 영구자석 전기기기.
  10. 청구항 5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 극수 슬롯 조합의 정수배로 이루어지는 극수 슬롯비 구성으로 이루지는 것을 특징으로 하는 영구자석 전기기기.
  11. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 제1 자극과 제2 자극은 영구자석으로 이루어진 회전자를 가지는 영구자석 전기기기.
  12. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 제1 자극과 제2 자극은 회전자 코어에 매입되어 있는 영구자석으로 이루어진 회전자를 가지는 영구자석 전기기기.
  13. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 제1 자극은 회전자 코어의 표면에 부착되어 있고, 제2 자극은 회전자 코어에 매입되어 있는 영구자석으로 이루어진 회전자를 가지는 영구자석 전기기기.
  14. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 제1 자극은 회전자 코어에 매입된 영구 자석으로 이루어져 있으며, 제2 자극은 컨시퀀트 폴로 이루어진 회전자를 가지는 영구자석 전기기기.
  15. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 제1 자극은 회전자 코어의 표면에 부착된 영구 자석으로 이루어져 있으며, 제2 자극은 컨스퀀트 폴로 이루어진 회전자를 가지는 영구자석 전기기기.
  16. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 제1 자극들은 회전자 코어의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제1 치형들과 상기 제1 치형들에 감겨 있는 제1 권선들로 이루어지며,
    상기 제2 자극들은 회전자 코어의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제2 치형들과 상기 제2 치형들에 감겨 있는 제2 권선들로 이루어진 회전자를 가지는 영구자석 전기기기.
  17. 청구항 1항에 있어서,
    상기 회전자의 제1 자극은 회전자 코어의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제1 치형들과 상기 제1 치형들에 감겨 있는 제1 권선들로 이루어지며,
    상기 제2 자극은 회전자 코어의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 제2 치형들과 상기 제2 치형들에 매입되어 있는 영구자석들로 이루어진 회전자를 가지는 영구자석 전기기기.
  18. 청구항 1항에 있어서
    상기 제 1 자극은 회전자 코어의 표면에 부착된 영구 자석으로 이루어지며,
    상기 회전자의 제 2 자극은 회전자 코어의 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 치형들과 상기 치형들에 감겨 있는 권선들로 이루어지는 회전자를 영구자석 가지는 전기기기.
  19. 서로 다른 극성을 가지는 제1 자극들 및 제2 자극들을 포함하고 있으며, 상기 제1 자극의 극호각과 제2 자극의 극호각이 상이한 회전자; 및
    상기 회전자와 대향하며 복수의 상권선들을 가지는 고정자를 포함하는 영구자석 전기기기.
  20. 서로 다른 극성을 가지는 제1 자극들 및 제2 자극들을 포함하고 있으며, 상기 제1 자극의 폭과 제2 자극의 폭이 상이한 고정자; 및
    상기 고정자와 대향하며 복수의 치형과 각 치형에 권선되는 상권선들을 가지는 이동자를 포함하는 영구자석 전기기기.
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