KR20210009475A - 4상 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2개의 2상 모터 유닛을 동축으로 배치하여 4상 모터로 구성되고, 정회전 및 역회전에서 각각 인덕턴스 증가구간의 시작점보다 앞선 시점에 스위칭 각을 연산하여 효율적으로 정역 구동시킬 수 있으며, 기동 초기의 토크를 극대화하고, 샤프트에 편향된 힘을 발생시키지 아니하여 진동 소음을 최소화한 4상 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로서, 8n(n은 정수) 개수의 전기자 돌극(311)를 2상 권선 방식으로 권선한 2개 전기자(301, 302)와, 4n 개수의 회전자 돌극(411)을 구비한 2개 회전자(401, 402)를 동축으로 일대일 대응되게 배치하되, 2개 회전자(401, 402)를 360°/(16n)만큼 차이 나게 하여 4상 모터로 구성되고, 전기자 돌극(311)의 극 갭(βg) 이하의 각도만큼 전기자 돌극(311)의 극호각(βr)보다 큰 센서판(420)을 회전자 돌극(411)의 둘레방향 중심에 맞춰 대칭적으로 고정하고, 각 상의 1개 전기자 돌극(311)에는 양단에 하나씩 센서(340, 341)를 설치하여, 정역 회전시의 턴 온 선행각을 상별 전기자 돌극(311)에 맞춰 최적으로 선정한다.

Description

4상 스위치드 릴럭턴스 모터{4 phase switched reluctance motor}
본 발명은 2개의 2상 모터 유닛을 동축으로 배치하여 4상 모터로 구성되고, 정회전 및 역회전에서 각각 인덕턴스 증가구간의 시작점보다 앞선 시점에 스위칭 각을 연산하여 효율적으로 구동시킬 수 있으며, 기동 초기의 토크를 극대화하고, 샤프트에 편향된 힘을 발생시키지 아니하여 진동 소음을 최소화한 4상 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.
스위치드 릴럭턴스 모터(SRM : Switched Reluctance Motor)는 전기자 및 회전자 중에 전기자에만 코일을 권선하여, 전자기적 구성과 기계적 구조가 간단하고, 내구성도 우수하며, 영구자석을 사용하지 않고서도 고출력 고효율을 얻을 수 있고, 생산단가도 낮출 수 있는 등의 많은 장점을 갖고 있으나, 회전자 돌극이 전기자 돌극과 마주하기 시작하는 시점부터 정렬되는 시점까지의 인덕턴스 증가구간에 전기자 돌극을 여자시켜 얻는 간헐적 토크에 의해 구동되므로, 토크 리플이 심하고, 진도 소음도 다른 종류의 모터에 비해 크며, 기동 불능 문제를 해결하기 위한 별도의 구성도 갖추어야 하는 등의 단점에 의해서 고속 저토크에 적합한 모터로 간주되어, 실질적인 상용화로 이어지지 못하고 있었다.
이에, 출원인은 2개의 단상 모터 유닛을 동축으로 배치하여 연속적인 토크로 구동하고, 저속에서도 안정적으로 고출력을 얻을 수 있고, 정역 회전도 가능하며, 정회전 및 역회전에서 각각 사용하는 센서의 센싱 신호에 따라 간단하게 기동 불능 상태를 벗어날 수 있게 한 2상 스위치드 릴럭턴스 모터를 개발하였고, 특허 출원하여 등록특허 제10-1916814호로 특허 등록받았으며, 팬용으로 제품화하여 판매하여 왔다.
그런데, 각각의 모터 유닛은 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 특성에 따라 토크를 간헐적으로 발생시키므로, 각각의 모터 유닛에서도 토크를 연속으로 발생시켜 체적 대비 최대 출력을 높임으로써, 보다 다양한 용도로 사용할 수 있는 모터의 개발이 요구되었다.
또한, 최대 효율로 구동하기 위해서는 회전자 돌극과 전기자 돌극이 마주하기 시작하는 시점과 실제 여자 시작하는 시점 사이의 회전 각도 차이인 턴 온 선행각을 최적의 값으로 산정하여야 하는데, 이를 위해서 마주하기 시작하는 시점의 회전각과 회전 속도를 검출하여 추정하는 방식을 채택하였다. 그렇지만, 이러한 방식은 순시 회전 속도의 가변에 의해서 각 전기자 돌극의 최적 턴 온 선행각을 정확하게 산정하기 어렵다는 문제점이 있음을 알게 되었다. 더욱이, 정역 모터에서는 정회전뿐만 아니라 역회전에서도 최적의 턴 온 선행각을 얻게 하여야 하는 데, 이럴 경우 회전자 돌극과 전기자 돌극의 상대적 위치를 검출할 센싱 수단이 복잡해지는 문제점이 있다.
또한, 이러한 요구 사항을 충족하고, 문제점을 해결하더라도, 전자기적 구성 및 기계적 구조의 대칭성을 갖추어 비대칭에 따른 진동 소음은 발생시키지 아니하여야 하고, 순시 회전 속도의 변화가 큰 기동 초기의 토크를 최대한 높여, 회전 속도를 신속하게 안정화하게 할 필요도 있다.
KR 10-1916814 B1 2018.11.02.
따라서, 본 발명의 목적은 고출력 정역 회전과, 최적의 턴 온 선행각을 적용한 구동과, 전자기적 대칭성 및 기계적 구조의 대칭성에 의한 진동 소음의 최소화와, 기동 초기의 토크 최대화를 모두 충족하면서, 구조도 단순하고 견고하여 내구성도 보장하는 4상 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 4상 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 샤프트(100); 샤프트(100)를 부분 감싸며 회전 가능하게 지지하는 하우징(200); 등각도로 배치한 8n(n은 정수) 개수의 전기자 돌극(311)에 대해 교호적으로 배치된 전기자 돌극(311)을 동일 여자 코일(320)로 권선하여 2개 여자 코일(320)로 권선되고, 서로 다른 여자 코일(320)로 권선된 2개 전기자 돌극(311)에는 각각 둘레방향 양 단부에 맞춰 하나씩의 센서(340, 341)를 설치하여 정회전용 센서와 역회전용 센서로 사용하게 하며, 2개를 마련하여 샤프트(100)의 축선을 따라 연달아 배치되도록 하우징(100)에 고정하되, 양자의 전기자 돌극(311)이 동일 각도로 배치되게 한 전기자(301, 302); 상기 전기자 돌극(311)과 동일 극호각(βr)을 갖는 4n 개수의 회전자 돌극(411)을 등각도로 구비하고, 각각의 회전자 돌극(411)에는 전기자 돌극(311)의 극 갭(βg) 이하의 범위 내의 각도만큼 전기자 돌극(311)의 극호각(βr)보다 큰 센서판(420)이 회전자 돌극(411)의 둘레방향 중심에 맞춰 대칭적으로 고정되며, 2개로 마련되어 2개의 상기 전기자(301, 302)에 일대일 대응되도록 샤프트(100)에 동축으로 고정되되, 양자의 회전자 돌극(411)이 360°/(16n)만큼 차이 나게 배치된 회전자(401, 402); 및 4개 여자 코일(320)에 권선된 전기자 돌극(311)에 각각 설치한 센서(340, 341) 중에 회전시킬 방향에 대응되는 센서로 센서판(420)을 센싱한 신호에 따라 개별적으로 턴 온 각 및 드웰각을 선정하여 4개 여자 코일(320)에 시차를 두고 전압을 인가함으로써, 4상 모터로 운전시키는 컨트롤러(500);를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨트롤러(500)는 기동시킬 시에, 상기 센서(340, 341) 중에 회전시킬 방향에 대응되는 센서에서만 센서판(420)이 감지되는 전기자 돌극을 여자시킨 후 회전시킬 방향과 반대되는 방향에 대응되는 센서에서 센서판(420)이 감지되는 시점에 소자시킨다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 동일 여자 코일(320)에 의해 권선되는 전기자 돌극(311)은 서로 다른 극성이 둘레방향을 따라 교호적으로 나타나도록 상기 여자 코일(320)을 권선한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 전기자(301, 302)에 각각 구비된 전기자 돌극(311)의 극 갭(βg)은 전기자 돌극(311) 극호각(βr) 미만이면서, 적어도 전기자 돌극(311)과 회전자 돌극(411) 사이의 공극(air gap)의 5배 이상 간격에 해당되는 각도로 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 4개의 여자 코일(320)에 각각 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기(522)를 포함하고, 상기 컨트롤러(500)는 4개 여자 코일(320) 별로 발생하는 토크를 전류로부터 획득하여, 상호 균등하도록 4개 여자 코일(320) 별 여자 전류의 턴 온 각 또는 드웰각을 조절한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 컨트롤러(500)는 회전 방향을 입력할 정역 입력부(511), 회전 속도를 입력할 속도 입력부(512) 및 상기 센서(340, 341)로 검출한 신호에 따라 실측 회전 속도를 얻는 속도 검출용 회로(531)를 포함하고, 입력 회전 방향에 대응되는 센서의 센싱 신호에 따라 선정하는 턴 온 각 및 드웰각을 실측 회전 속도 및 토크에 따라 조절하여 실측 회전 속도가 입력 회전 속도를 추종하게 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 속도 검출용 회로(531)는 Exclusive-OR 게이트로 구성되고, 상기 2개 전기자(301, 302)에서 하나씩 선택된 서로 다른 회전 방향에 대응되는 센서의 센싱 신호를 입력받아 회전 속도를 얻는다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 하나의 전기자와 하나의 회전자로 구성되는 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 유닛을 2개 마련한 후 상호 어긋하도록 동축으로 배치하여 4상 모터로 구성되되, 극호각보다 확장한 센서판을 이용하여, 인덕턴스 증가구간보다 앞선 시점에 전기자 돌극와 회전자 돌극 사이의 상대적 위치를 검출하여 최적의 턴 온 선행각을 갖는 턴 온 각 및 드웰각을 선정할 수 있으므로, 고속 및 저속 운전 모두에서 효율 향상을 기대할 수 있고, 비대칭적 구조를 갖게 하지 않더라도 최적의 턴 온 선행각을 산정할 수 있어, 비대칭 돌극에 의한 진동도 발생시키지 아니하고, 정역 운전에서도 최적의 턴 온 선행각을 산정할 수 있어, 요구하는 회전속도가 서로 다르고 요구하는 회전 방향도 다른 다양한 용도로 범용적으로 활용될 수 있다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 확장시킨 센서판, 정회전용 센서 및 역회전용 센서를 활용함으로써, 회전 속도가 서서히 증가하여 최적의 드웰각을 선정하기 어려운 기동 초기에도 부토크의 발생 없이 정토크만 발생시킬 수 있는 최적의 여자 구간을 갖게 하므로, 기동 초기의 토크를 극대화할 수 있다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 동시 여자시키는 복수의 전기자 돌극의 극성이 대칭을 이루게 하여, 자기 경로의 길이를 최소화하면서 자력선의 비대칭에 따른 진동을 발생시키지 아니한다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 연속적으로 토크를 발생시키면서 자기 누설을 고려하여 적절한 전기자 돌극의 극 갭을 갖게 하고, 극 갭에 따라 센서판의 확장 길이를 정하게 함으로써, 효율, 토크 밀도 및 턴 온 선행각을 모두 고려한 설계가 가능하다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 상별 토크의 균형을 맞추어서, 상별 토크의 불균형에 따른 진동을 방지할 수 있다.
실시 예에 따르면, 본 발명은 실측한 회전 속도 및 토크에 따라 목표로 하는 회전 속도를 추종하게 제어하여, 회전 속도를 보다 신속하게 조절할 수 있고, 정역회전용 센서 모두를 활용하여 회전 속도를 더욱 정확하게 측정함으로써, 회전 속도를 더욱 정확하게 조절할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 결합 사시도.
도 4는 도 3에 도시한 바와 같이 겹합하는 2개 전기자(301, 302) 중에 상부 전기자(301)를 상면 사시도로 도시하고 하부 전기자(302)를 저면 사시도로 도시한 도면(a)과, 2개 회전자(401, 402)가 고정된 샤프트(100)를 상면 사시도로 도시한 도면(b).
도 5는 전기자(301, 302)의 결합 사시도.
도 6은 2개 회전자(401, 402)와 1개 샤프트(100)의 결합 사시도(a) 및 결합 사시도를 각도를 달리하며 도시하고 센서판(420)를 회전자(401, 402)의 회전자 돌극(411)에 설치하기 위한 구조를 도시한 결합 사시도(b).
도 7은 2개 전기자(301, 302) 중에 상부 전기자(301)를 상면도로 도시하고 하부 전기자(302)를 저면도로 도시한 도면(a)과, 2개 회전자(401, 402)를 고정한 샤프트(100)의 상면도와 저면도를 도시한 도면(b).
도 8은 전기자(301, 302)와 회전자(401, 402)를 평면상에 펼쳐놓아 상대적 위치를 보여주는 가상의 도면.
도 9는 하우징(200)을 분리한 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 상면도 및 저면도와, 컨트롤러(500)의 블록 구성도를 도시한 도면.
도 10은 샤프트(100)의 회전각에 따라 발생시킨 토크의 타임 차트.
본 발명의 실시 예를 설명하기에 앞서서 용어를 정의한다.
정렬(align)은 전기자 돌극(311)과 회전자 돌극(411)이 둘레방향 중심이 일치하도록 마주한 상태이다. 비정렬(unalign)은 회전자 돌극(411)이 동시 여자 시킬 전기자 돌극(311) 사이의 중간에 놓여서 전기자 돌극(311)과 방사 방향으로 마주하는 부분이 없는 상태이다.
드웰각(dwell angle)은 전기자 돌극(311)에 권선한 여자 코일(320)에 전기를 투입하여 릴럭턴스 토크를 발생시킬 수 있는 전기자 돌극(311)의 여자구간으로서, 회전자 돌극(411)의 회전각 범위로 나타낸다.
턴 온 각(turn on angle)은 드웰각(dwell angle)이 시작되는 시점의 각도로서, 전기자 돌극(311)을 여자시키는 시점의 회전자 돌극(411)의 회전각으로 나타내며, 점호 각이라 하여도 좋다.
턴 오프 각(turn off angle)은 드웰각(dwell angle)이 끝나는 시점의 각도로서, 전기자 돌극(311)을 여자 종료되는 시점의 회전자 돌극(411)의 회전각으로 나타내며, 소호 각이라 하여도 좋다.
인덕턴스 증가구간은 회전자 돌극(411)이 전기자 돌극(311)과 마주하기 시작하는 시점부터 정렬(align)되기 직전까지의 각도로서, 전기자 돌극(311)을 여자시켜 정토크를 발생시킬 수 있는 범위에 해당된다.
극호각(βr, arc angle)은 전기자 돌극(311) 및 회전자 돌극(411)의 둘레방향 길이를 회전축인 샤프트(100)를 중심으로 한 각도로 표현한 것이다.
극 갭(pole gap)은 샤프트(100)를 중심축으로 등각도로 배치한 전기자 돌극(311) 사이의 간격으로서, 샤프트(100)를 중심으로 한 각도로 표현한 것이다. 공극(air gap)은 마주한 전기자 돌극(311)과 회전자 돌극(411) 사이의 간격이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 사시도이며, 상부 커버(210) 및 하부 커버(220)로 상하 개구를 막아놓은 하우징(200)으로 샤프트(100)를 부분 감싸게 하여, 샤프트(100)의 노출 부위를 통해 샤프트(100)의 회전력을 외부로 전달할 수 있음을 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면도이며, 하우징(200)의 내부에 부분 수용된 샤프트(100)가 베어링(211, 221)에 의해 회전 가능하고, 샤프트(100)에 외삽 고정한 2개의 회전자(401, 402)를 각각 하우징(200)에 고정된 2개의 전기자(301, 302)로 둘러싸도록 배치됨을 보여준다. 즉, 1개 회전자(401, 402)와 1개 전기자(301, 302)로 구성되는 모터 유닛이 2개 마련되어 동축으로 설치되어 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 결합 사시도이며, 2개 전기자(301, 302)를 하우징(200)에 고정하기 위해서 장볼트(230)를 이용하였음을 보여준다. 또한, 도 3은 2개 전기자(301, 302) 중에 하부 전기자(302)의 저면 사시도가 추가되어 있어서, 2개 전기자(301, 302)가 동일하게 구성됨을 보여준다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 4상 스위치드 릴럭턴스 모터는 1개의 샤프트(100)를 동축으로 하는 2개의 회전자(401, 402)를 하우징(200)의 내주면에 샤프프(100)의 축선을 따라 연달아 배치한 2개 전기자(301, 302)에 일대일 대응되도록 배치하고, 2개 전기자(301, 302)에 전기 신호적으로 연결된 컨트롤러(500)에서 제어하게 되어 있다.
도 3에 도시한 결합 사시도를 참조하면, 하우징(200)의 상하 개구를 통해 전기자(301, 302)를 하나씩 내삽하는 과정, 2개 회전자(401, 402)를 동축으로 고정한 샤프트(100)를 내삽하여 각각의 회전자(401, 402)가 하나의 전기자(301, 302)에 의해 에워싸이게 하는 과정, 및 하우징(200)의 상하 개구를 상부 커버(210) 및 하부 커버(220)로 막는 과정에 의해 조립된다.
하우징(200)의 내주면에는 길이 방향의 중간에 둘레방향을 따라 돌출시킨 환형의 돌출부(201)가 조성되어 있어서, 상하 개구를 통해 하나씩 삽입되는 전기자(301, 302)가 돌출부(201)에 걸려 상호간에 소정의 간격을 유지하게 하고, 상부 커버(210) 및 하부 커버(220)의 테두리 측에 각각 조성한 결합홀(212, 222)에 장볼트(230)를 관통시킨 후 너트(231)를 체결하여서, 상부 커버(210) 및 하부 커버(220)를 하우징(200)에 견고하게 결합되게 한다.
장볼트(230)는 하우징(200)의 내주면을 따라 관통하되, 전기자(301, 302)의 전기자 코어(310)의 외주면에 조성한 장요홈(312)과 하우징(201)의 내주면 측 돌출부(201)에 조성한 장요홈(202)에 순차적으로 끼워지게 하여서, 전기자(301, 302)를 하우징(200)에 견고하게 고정되게 한다. 여기서, 하우징(200)의 내주면에 조성하였던 돌출부(110)를 대신하여 링 형태의 스페이스를 2개 전기자(301, 302) 사이의 배치하고, 상부 커버(210) 및 하부 커버(220)를 하우징(200)에 견고하게 고정하여도 좋다.
하부 커버(220)의 중심에는 샤프트(100)의 하단을 회전 가능하게 지지하는 베어링(221)이 장착되고, 상부 커버(210)의 중심에는 샤프트(100)의 상단을 관통시키는 샤프트 관통홀(213)이 조성되고 샤프트 관통홀(213)을 에워싸는 베어링(211)이 장착되어 있다. 이에, 상부 커버(210) 및 하부 커버(220)를 구비한 하우징(200)은 샤프트(100)에서 부분 감싸는 부위의 상하를 베어링(211, 221)에 관통시켜, 샤프트(100)를 회전시킬 수 있게 한다.
도 4는 도 3에 도시한 바와 같이 겹합하는 2개 전기자(301, 302) 중에 상부 전기자(301)를 상면 사시도로 도시하고 하부 전기자(302)를 저면 사시도로 도시한 도면(a)과, 2개 회전자(401, 402)가 고정된 샤프트(100)를 상면 사시도로 도시한 도면(b)이며, 2개 전기자(301, 302)에 구비된 전기자 돌극(311)의 상대적 위치와, 2개 회전자(401, 402)에 구비된 회전자 돌극(411)의 상대적 위치를 보여준다.
즉, 2개 전기자(301, 302)에 각각 구비된 전기자 돌극(311)을 샤프트(100)의 축선을 따라 일렬로 배치하여 샤프트(100)를 중심으로 동일 각도에 배치되게 하고, 2개 회전자(401, 402)에 각각 구비된 회전자 돌극(411)은 샤프트(100)를 중심으로 소정 각도 차이를 갖게 배치되게 한다.
도 5는 전기자(301, 302)의 결합 사시도이며, 센서 회로 기판(342)를 이용하여 정회전용 센서(340) 및 역회전용 센서(341)를 설치하였음을 보여준다.
도 6은 2개 회전자(401, 402)와 1개 샤프트(100)의 결합 사시도(a) 및 결합 사시도(a)를 각도를 달리하며 도시하고 센서판(420)를 회전자(401, 402)의 회전자 돌극(411)에 설치하기 위한 구조를 도시한 결합 사시도(b)이며, 동일하게 제작한 2개 회전자(401, 402)를 서로 다른 각도로 샤프트(100)에 외삽하고, 센서플레이트(421)를 이용하여 센서판(420)을 설치함을 보여준다.
도 4(a) 및 도 5를 참조하면, 2개 전기자(301, 302)는 원통형의 전기자 코어(310), 전기자 코어(310)의 내주면을 둘레방향을 균등하게 분할한 위치에 돌출되게 조성하여 등각도로 배치되는 8n(n은 정수) 개수의 전기자 돌극(311), 각각의 전기자 돌극(311)에 권선한 여자 코일(320), 전기자 돌극(311)에서 여자 코일(320)을 권선하는 부위를 덮어 전기적으로 절연시키는 보빈(330), 및 상호 인접한 2개 전기자 돌극(311)에 각각 설치되되 전기자 돌극(311)의 둘레방향 양 단부에 맞춰 각각 하나씩 설치되어 어느 하나는 정회전용 센서(340)로 사용되게 하고 다른 하나는 역회전용 센서(341)로 사용되게 한 센서(340, 341)를 포함한다.
도 5를 참조하면, 전기자 돌극(311)은 T자 형태로 형성되어, 인접하는 전기자 돌극(311)과의 사이에 슬롯(313)이 조성되게 하며, 슬롯(313)을 향하는 양 측면과 샤프트(100) 축선 방향의 상하면을 따라 여자 코일(320)을 권선한다. 이에, 보빈(330)은 전기자 돌극(311) 중에 전기자 돌극(311) 사이의 슬롯(313)을 향하는 양 측면과, 샤프트(100) 축선 방향의 상하면을 덮게 형성되고, 상하면을 덮는 부위에는 내측 안내벽(331)과 외측 안내벽(342)를 조성하여서, 여자 코일(320)이 내측 안내벽(331)과 외측 안내벽(342)의 사이를 지나가며 권선되게 한다.
또한, 보빈(330)은 전기자 돌극(311)에서 회전자 돌극(411)과 마주하게 될 면을 제외한 테두리도 덮게 되어 있는 데, 테두리를 덮는 부위 중에 상하의 부위에는 돌기(343)를 조성하여서 내측 안내벽(331)과 마주하게 하였다. 이와 같이 구성한 보빈(330)은 상하 부위로 나눠 분리 제작하되, 상하 부위를 동일하게 제작하여서, 전기자 돌극(311)에 상하로 끼워지게 되어 있다.
각각 보빈(330)이 끼워 고정된 8n(n은 정수) 개수의 전기자 돌극(311) 중에 인접한 2개 전기자 돌극(311)을 선택하고, 선택한 2개 전기자 돌극(311)에 고정되는 보빈(330)에는 각각 센서 회로 기판(342)를 설치하였다. 후술하는 바와 같이 교호적으로 배치된 전기자 돌극(311)을 동시 여자시도록 권선하여 2상 권선을 채택하므로, 각 상별로 센서 회로 기판(342)이 설치된다.
센서 회로 기판(342)은 돌기(343)와 내측 안내벽(331) 사이에 끼워 고정하되, 전기자 돌극(311)의 둘레방향 길이 또는 둘레방향 양단 사이의 거리에 맞춰 제작되었고, 양단에 각각 센서(340, 341)가 실장되어 있다. 이에, 2개의 센서(340, 341)는 전기자 돌극(311)의 둘레방향 양단에 맞춰진다.
도 5에 도시한 바와 같이 조립한 2개 전기자(301, 302)는 도 3에 도시한 바와 같이 하우징(200)에 수용되어서, 2개 전기자(301, 302)에 각각 구비된 전기자 돌극(311)이 샤프트(100)의 축선을 따라 연달라 배치되게 한다. 즉, 샤프트(100)를 중심으로 동일 각도의 위치에 상하로 하나씩 배치된 전기자 돌극(311)이 둘레방향을 따라 등각도로 배치된다. 본 발명의 실시 예에 따르면, 상부 전기자(301)는 센서(340, 341)가 상부를 향하게 하고, 하부 전기자(302)는 센서(340, 341)가 하부를 향하게 하여서, 후술하는 회전자(401, 402)의 센서판(420) 높이에 맞췄다.
회전자(401, 402)는 도 4(b) 및 도 6에 도시한 바와 같이 샤프트 관통홀(412)이 중심을 관통하게 구비한 중공의 회전자 코어(410), 회전자 코어(410)의 외주면을 둘레방향을 균등하게 분할한 위치에 돌출되게 조성하여 등각도로 배치되는 4n(n은 정수) 개수의 회전자 돌극(411), 회전자 돌극(411)이 조성된 회전자 코어(410)의 샤프트(100) 축선 방향의 양면 중에 어느 하나의 면(상면 아니면 저면)을 덮도록 설치된 센서플레이트(421)를 포함한다.
센서플레이트(421)는 회전자 돌극(411)의 단부를 덮는 부위에 돌출되게 형성한 센서판(420)을 구비하므로, 회전자 코어(410)에 고정되면, 센서판(420)을 각각의 회전자 돌극(411)에 하나씩 축선 방향을 따라 연장 배치되게 한다.
이와 같이 형성된 센서플레이트(421)는 볼트(423)를 센서플레이트(421)에 형성한 볼트 관통홀(422) 및 회전자 코어(410)에 축선 방향을 따라 형성한 결합홀(414)에 순차적으로 관통시킨 후 너트(424)를 체결하여서, 회전자 코어(410)에 견고하게 고정되게 하였다.
그리고, 샤프트 관통홀(412)에는 축선 방향을 따라 길게 돌출시킨 키(413)가 구비되어서, 후술하는 샤프트(100)의 키홈(120)에 끼움 결합되게 한다.
센서플레이트(421)를 고정한 회전자(401, 402)는 샤프트 관통홀(412)을 중심으로 대칭적 구조를 갖게 되어, 회전시에 편심되지 아니하게 하며, 2개로 마련되어, 샤프트(100)의 상하에 하나씩 외삽 고정되게 한다.
샤프트(100)는 하우징(200) 내부로 수용되는 부위의 중간 외주면에 돌출부(110)를 구비한다. 돌출부(110)를 중심으로 구분한 상하 부위는 회전자(401, 402)를 외삽 고정하고도 여분의 베어링 외삽부(130, 131)를 갖고 있어 상부 커버(210)의 베어링(211) 및 하부 커버(220)의 베어링(221)에 관통시킬 수 있으며, 축선을 따라 길게 조성한 키홈(120, 121)도 조성되어 있다.
샤프트(100)의 상하에 조성된 2개의 키홈(120, 121)은 샤프트(100) 축선을 기준으로 둔각의 각도 차이를 갖게 조성되어 있어서, 동일하게 제조한 2개의 회전자(401, 402)를 상하에서 하나씩 외삽하여 돌출부(110)에 걸쳐지게 하고 키(413)와 키홈(120, 121) 사이를 끼움 결합되게 하면, 2개의 회전자(401, 402)에 각각 구비된 전기자 돌극(311)은 샤프트(100)를 중심으로 소정 각도만큼 차이 난 위치에 배치된다. 이때의 소정 각도에 대해서는 하기에서 도 7을 참조하며 설명한다.
2개의 회전자(401, 402)를 동축으로 고정되게 한 샤프트(100)는 도 3에 도시한 바와 같이 2개 전기자(301, 302)를 내주면에 고정한 하우징(200)에 수용되어서, 2개 전기자(301, 302)에 둘러싸이게 한다. 이에, 2개 회전자(401, 402)와 2개 전기자(301, 302)는 일대일 대응되게 배치되어서, 회전자와 전기자로 구성되는 모터 유닛이 2개 형성된다.
또한, 상부 전기자(301)에서 2개 전기자 돌극(311)에 장착된 센서(340, 341)는 상부 회전자(401)에서 회전자 돌극(411)마다 장착한 센서판(420)을 감지할 수 있고, 하부 전기자(302)에서 2개 전기자 돌극(311)에 장착된 센서(340, 341)는 하부 회전자(402)에서 회전자 돌극(411)마다 장착한 센서판(420)을 감지할 수 있게 된다.
여기서, 센서(340, 341)는 각각 센서판(420)과 마주할 때와 마주하지 아니할 때에 서로 다른 신호를 발생시키는 센서이다.
도 3 내지 도 6에 도시한 결합 방식으로 상호 일대일 대응되게 배치된 2개 회전자(401, 402) 및 2개 전기자(301, 302)의 상대적 위치에 대해 보다 상세하게 설명한다.
도 7은 2개 전기자(301, 302) 중에 상부 전기자(301)를 상면도로 도시하고 하부 전기자(302)를 저면도로 도시한 도면(a)과, 2개 회전자(401, 402)를 고정한 샤프트(100)의 상면도와 저면도를 도시한 도면(b)이다.
도 7(a)에서는 각각의 전기자(301, 302)를 2개 여자 코일(320a, 320b)로 권선함을 보여준다. 즉, 2개 여자 코일(320a, 320b)은 실선과 파선으로 구분하여 도시하여서, 권선되는 전기자 돌극(311)도 구분되게 하였다.
편의상, 동일 여자 코일(320a, 320b)에 의해서 전기자 돌극(311)에 권선되는 여자 코일은 직렬로 연결되는 것으로 하였으나, 병렬로 연결되는 것으로 하여도 좋다. 즉, 동일한 여자 코일이라 함은 직렬 연결된 코일 아니면 병렬 연결된 코일을 의미하며, 둘레방향을 따라 교호적으로 배치된 전기자 돌극(311)을 동시에 여자시킬 수 있으면 된다.
도 7(b)에서는 센서플레이트(421)로 덮여 가려진 회전자 돌극(411)를 점선으로 도시하여, 센서판(420)과 회전자 돌극(411)의 상대적 크기를 보여준다.
도 8은 전기자(301, 302)와 회전자(401, 402)를 평면상에 펼쳐놓아 상대적 위치를 보여주는 가상의 도면이며, 각 전기자(301, 302)의 2개 전기자 돌극(311) 양단에 맞춰 설치한 센서(340, 341)과, 각 회전자(401, 402)의 회전자 돌극(411)에 맞춰 설치하되 회전자 돌극(411)보다 큰 원호각을 갖는 센서판(402)의 상대적 위치도 보여준다.
먼저, 도 7(a)를 참조하면, 2개 전기자(301, 302)는 동일하게 구성된다. 구체적으로, 전기자 코어(310)의 내주면 측에 조성된 8n(n은 정수) 개수의 전기자 돌극(311) 중에 어느 하나에서 시작하여 하나 걸러 하나씩 선택한 4n 개수의 전기자 돌극은 연속으로 이어진 동일 여자 코일(320a, 320b)로 권선되어, 여자 코일(320a, 320b)에 전류를 흘려주면 동시에 여자된다. 이때, 둘레방향을 따라 하나 걸러 하나씩 배치된 4n 개수의 전기자 돌극들은 N극과 S극이 교호적으로 발현되도록 여자되게 하였다. 즉, 동시 여자되는 전기자 돌극들은 각각 둘레방향의 양측 전기자 돌극과 반대 극성으로 여자되게 하여서, 둘레방향의 양측 전기자 돌극과 자기 회로를 형성하게 한다. 이에 따라, 전기자(301, 302)를 에워싸지는 회전자(401, 402)를 통해 형성되는 자기 회로의 길이를 최대한 줄이면서, 자기 경로도 샤프트(100)를 중심으로 대칭을 이루므로, 회전자(401, 402)에 편심력을 가하지 아니하고, 결국, 자기 경로의 비대칭에 따른 진동이 발생하지 아니한다.
마찬가지로, 하나 걸러 하나씩 배치되어 있는 나머지 4n 개수의 전기자 돌극도 연속으로 이어진 다른 하나의 동일 여자 코일(320c, 320d)로 권선되어 있어서, 동시에 여자되고, 여자되어 발현되는 극성도 둘레방향을 따라 교호적으로 발현되게 권선되어 있다.
상부 전기자(301) 및 하부 전기자(302)에 각각 2개씩 권선되어 총 4개가 되는 여자코일(320:320a, 320b, 320c, 320d)은 후술하는 바와 같이 컨트롤러(500)에 의해서, 전기각 90°간격의 여자 전류를 흘려주므로, a상 여자 코일(320a), b상 여자 코일(320b), c상 여자 코일(320c) 및 d상 여자 코일(320d)로 구분하며 설명한다.
즉, 상부 전기자(301)에는 a상 여자 코일(320a)과 c상 여자 코일(320c)이 권선되고, 하부 전기자(302)에는 b상 여자 코일(320b)과 d상 여자 코일(320d)이 권선된다.
또한, 편의상 전기자 돌극(311)도 권선된 여자 코일에 따라 a상 전기자 돌극, b상 전기자 돌극, c상 전기자 돌극 및 d상 전기자 돌극으로 구분하여, 도 8에 표시하였다.
한편, 전기자 돌극(311) 사이의 극 갭(βg)은 전기자 돌극(311)의 극호각(βr)에 비해 상대적으로 매우 작게 하여서, 토크를 발생시킬 수 있는 드웰각을 극대화하였다. 이때의 극 갭(βg)은 인접한 전기자 돌극(311) 사이의 공기 중을 통해 누설되는 자속을 충분히 작게 할 정도이면 충분하므로, 전기자 돌극(311)과 회전자 돌극(411) 사이의 공극(air gap)보다 상대적으로 매우 작게 하면 좋다. 극 갭(βg)은 전기자 돌극(311) 극호각(βr)보다 작고, 또한 작으면 작을수록 좋다.
이에, 본 발명의 실시 예에서는 극 갭(βg)이 전기자 돌극(311) 극호각(βr) 미만이면서, 자기 누설량을 고려하여 적어도 전기자 돌극(311)과 회전자 돌극(411) 사이의 공극(air gap)의 5배 이상으로 하였다.
다음으로, 도 7(b)를 참조하면, 2개 회전자(401, 402)의 회전자 돌극(411) 개수는 전기자(301, 302)의 전기자 돌극(311) 개수의 절반이고, 회전자 돌극(411)은 전기자 돌극(311)과 동일한 극호각(βr)을 갖는다.
그리고, 4상 모터로 구성하기 위해서, 2개 회전자(401, 402)에 구비된 회전자 돌극(411) 사이는 소정의 각도차(△β)만큼 차이나게 배치되어 있다. 하나의 전기자(301, 302)가 8n(n은 정수) 개수의 전기자 돌극(311)를 갖고 있으므로, 상기한 소정의 각도차(△β)는
Figure pat00001
이 된다.
이에 따라, 샤프트(100)에 조성한 2개 키홈(120, 121)은
Figure pat00002
으로 산정되는 둔각만큼 차이 나게 조성된다. 도면에 도시한 바와 같이, 각각의 전기자(301, 302)에 구비된 전기자 돌극(311)이 8개이면, 전기자(301, 302) 사이의 각도차(△β)는 22.5°이다.
회전자 돌극(411) 별로 하나씩 설치되는 센서판(420)은 전기자 돌극(311)의 극 갭(βg) 이하의 범위 내의 각도만큼 회전자 돌극(411)의 극호각(βr)보다 큰 호 각도는 갖는 호형의 판재로 형성되고, 회전자 돌극(411)의 둘레방향 중심에 중심을 맞추어서, 회전자 돌극(411)의 둘레방향을 따라 대칭을 이룬다. 즉, 센서판(420)의 호 각도(βs)는 0을 초과하고 극 갭(βg) 이하인 범위 내에서 선정한 호각를 극호각(βr)에 합산한 크기를 갖는다.
실시 예를 설명하기 위해 첨부한 도면에는 센서판(420)의 호 각도를 최대한 크게 하여서, 극호각(βr)보다 극 갭(βg)만큼 큰 호 각도(βs=βr+βg)를 갖는 것으로 도시되어 있다.
즉, 센서판(420)은 회전자 돌극(411)의 양단에서 극 갭(βg)의 절반만큼 각각 둘레방향으로 연장된 형태를 갖는다.
이에 따라, 도 8에 도시한 바와 같이 상부 전기자(301)에는 a상 전기자 돌극과 c상 전기자 돌극이 번갈아가며 배치되고, 하부 전기자(302)에는 b상 전기자 돌극과 d상 전기자 돌극이 번갈아가며 배치되되, a상 전기자 돌극와 b상 전기자 돌극이 동일 각도에 배치되고, c상 전기자 돌극과 d상 전기자 돌극이 동일 각도에 배치된다.
그리고, a상 전기자 돌극, b상 전기자 돌극, c상 전기자 돌극 및 d상 전기자 돌극은 각각 복수 개 중에 어느 하나의 양단에 맞춰 정회전용 센서(340) 및 역회전용 센서(341)이 배치된다.
또한, 각 회전자 돌극(411)에 배치되는 센서판(420)은 인접한 전기자 돌극(311) 사이의 피치에 해당되는 각도(βs=βr+βg)로 회전자 돌극(411)의 중심에 맞추어 있다.
상부 전기자(401)와 하부 전기자(402)의 회전자 돌극(411)은 앞서 언급한 각도차(△β)만큼 차이나게 배치된다.
이에, 정회전(CW)시킬 시에 a상 전기자 돌극, b상 전기자 돌극, c상 전기자 돌극 및 d상 전기자 돌극은 자신에게 배치된 정회전용 센서(340)로 센서판(420)이 감지되는 시점에서 개별적으로 선정한 턴 온 각 및 드웰각으로 여자시키면, 전기각 90° 차이에 대응되는 시차를 두고 순차 여자되어 4상 모터로 운전되게 한다.
역회전(CCW)시킬 시에는 역회전용 센서(341)를 센서판(420)이 감지되는 시점에서 턴 온 각 및 드웰각을 선정하여, 역회전용 센서(341)가 배치된 전기자 돌극을 여자시킨다.
여기서, 센서(340, 341)로 센서판(420)을 감지하기 시작하는 시점은 전기자 돌극(311)과 회전자 돌극(411)이 마주하기 시작하는 시점(즉 인덕턴스 증가구간의 시작점)보다 전기자 돌극(311)의 극 갭(βg)의 절반만큼 앞서므로, 최적의 턴 온 선행 각을 선정하는 데 충분한 시간적 여유를 갖게 된다.
부연 설명하면, 회전자 돌극(411)이 전기자 돌극(311)과 마주하기 시작하는 시점에 여자시키면 여자 코일의 인덕턴스에 의해서 여자 전류가 점진적으로 증가하게 되고, 결국 여자 초기의 토크가 감소되며, 결국 얻으려는 토크를 위해 드웰각을 늘려야만 하여서, 전력 손실도 증가한다. 이에 따라, 여자 시작 시점에 해당되는 턴 온 각을 회전자 돌극(411)이 전기자 돌극(311)과 마주하기 시작하는 시점보다 앞서게 하는 턴 온 선행 각을 회전 속도, 토크 등을 고려하여 적절하게 선정하는 것이 바람직하다.
본 발명은 이와 같은 턴 온 선행 각을 적절하게 선정할 수 있게 한다.
즉, 회전자 돌극(411)이 전기자 돌극(311)에 마주하기 시작하는 시점 이전에 미리 감지하여, 최적의 턴 온 선행 각을 선정할 수 있는 시간적 여유를 갖게 되고, 또한, 각각의 전기자 돌극(311)을 회전자 돌극(411)의 근접 상황을 감지하여 최적의 턴 온 선행 각을 갖는 턴 온 각 및 드웰각을 선정하여 개별 제어하므로, 회전 속도 및 토크를 더욱 정밀하게 제어할 수 있다.
이하, 제어부(500)에 대해 설명한다.
도 9는 하우징(200)을 분리한 4상 스위치드 릴럭턴스 모터의 상면도 및 저면도와, 컨트롤러(500)의 블록 구성도를 도시한 도면이다.
도 10은 샤프트(100)의 회전각에 따라 발생시킨 토크의 타임 차트이며, 인턱턴스 증가구간 전체에 대해 여자 전류를 흘려줄 때의 타임 차트를 보여준다.
상기에서 설명하였듯이, 2개 회전자 돌극(401, 402)은 각각 4배수의 회전자 돌극(411)를 구비하되 샤프트(100)를 중심으로 360°/(16n) 차이로 어긋나게 구비하고, 각각의 회전자 돌극(411) 상에는 전기자 돌극(311)의 극 갭만큼 큰 각도의 센서판(420)이 설치된다.
이와 같이 구성된 2개 회전자(401, 402)를 둘러싸는 2개 전기자(301, 302)는 각각 8배수의 전기자 돌극(311)를 구비하되, 샤프트(100)를 중심으로 동일하게 배치되게 구비한다.
또한, a상 여자 코일(320a)로 권선한 복수의 전기자 돌극(311) 중에 어느 하나와, b상 여자 코일(320b)로 권선한 복수의 전기자 돌극(311) 중에 어느 하나와, c상 여자 코일(320c)로 권선한 복수의 전기자 돌극(311) 중에 어느 하나와, d상 여자 코일(320d)로 권선한 복수의 전기자 돌극(311) 중에 어느 하나에는 둘레방향의 양 단부에 맞춰 샤프트 축선 방향의 일면에 고정한 센서(340, 341)가 구비된다. 즉, 각 a,b,c,d상 별로 정회전용 센서(340)와 역회전용 센서(341)를 구비한다.
컨트롤러(500)는 상기한 a,b,c,d상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)과 각 상별 센서(340, 341)에 연결되어, 4상 모터로 운전하도록 제어한다.
이를 위한 컨트롤러(500)는 교류 전기를 외부로부터 공급받아 직류 전기로 변환하는 전원(521), 스위칭 동작하여 a,b,c,d상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)에 직류 전기를 공급하는 스위칭 회로(520), 각각의 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)에 공급되는 전류를 검출하는 전류 검출기(522), 상별 센서(340, 341)에서 검출되는 신호를 안정화하는 센서신호 입력부(530), 상별 센서(340, 341) 중에 하나의 정회전용 센서(340)와 하나의 역회전용 센서(341)의 검출신호를 받아 정회전 주기와 역회전 주기를 검출하는 속도 검출용 회로(531), 정회전 및 역회전 중에 어느 회전 방향으로 운전할 것인지 선택하게 한 정역 입력부(511), 회전 속도를 입력하게 한 속도 입력부(512), 및 상별 센서(340, 341)의 센싱 신호와 회전 속도와 검출 여자 전류에 따라 상별 턴 온 각과 드웰각을 선정하여 스위칭 회로(520)를 제어함으로써 사용자가 입력한 회전 방향 및 회전 속도에 맞춰 운전시키는 마이크로 프로세서(510)를 포함한다.
상기 스위칭 회로(520)는 a,b,c,d 상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)에 개별적으로 직류 전압을 인가하는 스위치 소자로 구성되어서, 마이크로 프로세서(510)에서 a,b,c,d 상 전기자 돌극(311)을 개별적으로 여자시킬 수 있게 한다.
상기 전류 검출기(522)는 a,b,c,d 상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)에 개별적으로 직류 전압을 인가할 시에 흐르는 전류를 검출하는 구성요소로서, 예를 둘어 CT(current transformer)로 구성할 수 있다.
상기 센서신호 입력부(530)는 상별 정회전용 센서(340) 및 역회전용 센서(341)에서 검출한 센서신호를 개별적으로 안정화하여 상기 마이크로 프로세서(510)에 전달하는 구성요소로서, 예를 들어 버퍼 회로로 구성할 수 있다.
상기 속도 검출용 회로(531)는 1개 샤프트(100)에 동축으로 고정한 회전자(401, 402)의 회전 속도를 측정하기 위한 구성요소로서, 설치된 센서(340, 341) 중에 미리 정한 센서의 센싱 신호를 입력받아 전기각의 주기를 얻게 하였다.
상별로 2개씩 설치된 복수의 센서 중에 어느 하나에서 검출되는 신호를 입력받아 전기각의 주기를 얻어도 좋으나, 본 발명의 실시 예에서는 정역 운전할 수 있게 구성되므로, 정회전용 센서(340) 1개와 역회전용 센서(341) 1개의 검출신호를 입력받아 입력 레벨의 일치 여부에 따라 출력을 달리하는 Exclusive-OR 게이트로 구성하였다.
더욱이, 어느 하나의 전기자 돌극에 설치한 역회전용 센서와 그 어느 하나의 전기자 돌극에 비해 전기각 90° 이후 여자되는 전기자 돌극에 설치한 정회전용 센서를 Exclusive-OR 게이트로 하여서, 좀 더 세분화하여 얻는 주기적 신호에 따라 회전 속도를 얻을 수 있게 하였다. 예를 들어 도면에 도시한 바와 같이, b상 돌극의 역회전용 센서와 c상 정회전용 센서의 센싱 신호를 Exclusive-OR 게이트에 입력하게 하고, Exclusive-OR 게이트에서 출력되는 신호로 회전 속도를 얻게 하였다.
상기 마이크로 프로세서(510)는 a,b,c,d 상별로 구비된 정회전용 센서(340) 및 역회전용 센서(341)의 검출신호와, 전류 검출기(522)로 검출한 a,b,c,d 상별 여자 전류와, 속도 검출용 회로(531)를 통해 측정한 실측 회전 속도에 기초하여, 정역 입력부(511) 및 속도 입력부(512)로 입력받은 회전 방향 및 회전 속도로 운전할 수 있는 a,b,c,d상의 턴 온 각 및 드웰각을 선정하여, 선정한 턴 온 각 및 드웰각에 따라 a,b,c,d상의 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)에 개별적으로 전압을 인가하도록 스위칭 회로(520)를 제어한다.
구체적으로 설명하면, 상기 마이크로 프로세서(510)는 상기 센서신호 입력부(530)로부터 전달받는 센서의 신호 중에 상기 정역 입력부(511)로 입력받은 회전 방향에 대응되는 상별 센서의 검출신호를 시차를 두고 취하게 되므로, 상기 속도 입력부(512)로 입력받은 회전 속도로 운전하기 위한 턴 온 각 및 드웰각을 a,b,c,d상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d) 별로 선정하고, 선정한 턴 온 각 및 드웰각에 맞춰 a,b,c,d상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)에 시차를 두고 개별적으로 전압을 인가하게 한다.
이에 따라, 도 10에 도시한 바와 같이 a,b,c,d 상에 의한 토크가 전기각 90°차이로 순차적으로 발생하고, 상별 토크 발생 구간은 상호 겹치는 구간이 존재하여, 연속적인 토크가 발생하는 4상 모터로 구동된다.
상기에서 설명하였듯이, 센서(340, 341)는 전기자 돌극(311)의 둘레방향 양단에 맞추어 배치하고, 센서판(420)은 전기자 돌극(311)과 동일한 극호각을 갖는 회전자 돌극(411)보다 큰 호 각도를 갖게 구성되어서, 회전자 돌극(411)이 전기자 돌극(311)과 마주하기 시작하는 시점(즉, 정토크를 발생시킬 수 있는 인덕턴스 증가구간의 시작점)보다 앞서 센서(340, 341)로 센서판(420)을 감지한다. 이에 따라, 최적의 턴 온 선행 각을 연산할 충분한 시간을 확보하여, 효율적으로 구동시킬 수 있는 턴 온 각 및 드웰각을 정확하게 얻을 수 있다. 즉, 회전 속도가 매순간 조금씩 차이 나더라도, 각 전기자 돌극(311)을 여자시켜야 할 시점에 얻는 회전 위치에서 턴 온 각 및 드웰각을 얻으므로, 정확하게 얻는 턴 온 각 및 드웰각에 따라 구동시킬 수 있다.
도 10은 8극 전기자(301, 302) 2개와 4극 회전자(401, 402)를 적용한 실시 예이므로, 전기각 90°는 기계각 22.5°가 된다. 또한, 도 10은 인덕턴스 증가구간 전체에서 토크를 발생시키도록 드웰각을 선정한 예이므로, 상별 토크 발생 구간은 전기자 돌극(311)의 극호각(βr)으로 나타나지만, 드웰각을 조절하여 극호각(βr)보다 작아지게 할 수도 있다.
또한, 상기 마이크로 프로세서(510)는 상기 속도 검출용 회로(531)를 통해 얻는 실측 회전 속도 또는 상기 전류 검출기(522)를 통해 검출한 상별 여자 전류에 따라 얻는 상별 토크에 따라 턴 온 각 및 드웰각을 가감하는 적응 알고리즘을 적용하여 실측 회전 속도가 입력 회전 속도를 추종하도록 제어한다.
여기서, 상별 토크는 a,b,c,d 상별로 검출한 전류 중에 정토크를 발생시키는 인덕턴스 증가구간의 여자 전류를 취하여 얻는다.
아울러, 본 발명의 실시 예에서는, 상별 토크의 밸런스를 맞추기 위해서, 상별 토크를 상호 균등하게 되도록 상별 턴 온 각 또는 드웰각을 조절한다.
a,b,c,d 상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)은 현실적으로 동일한 리액턴스를 갖도록 권선하기 어렵고, 각 전기자 돌극(311)에 동일하게 권선하기도 현실적으로 어려우므로, 동일 크기의 여자 전류를 a,b,c,d 상별로 흘려주더라도 상별 토크를 동일하게 발생시키지 아니한다. 이에 따라 a,b,c,d 상 여자 코일(320a, 320b, 320c, 320d)별로 발생시킨 토크는 균등하지 아니하여, 토크 리플의 증가, 모터의 진동 및 소음을 유발한다.
이에, 본 발명에서는 a,b,c,d 상의 여자 전류로부터 얻는 상별 토크가 동일하게 되도록 상별 턴 온 각 또는 드웰각을 조절한다. 즉, 입력받는 회전 속도로 회전시키기 위해 선정하는 상별 턴 온 각 또는 드웰각을 개별적으로 가감하여 전체 토크는 유지하면서, 상별 토크는 균등하게 한다.
한편, 상기 마이크로 프로세서(510)는 샤프트(100)가 정지된 상태에서 기동할 때에는 정회전용 센서(320)와 역회전용 센서(321)를 모두 활용하여, 인턱던스 증가구간에 속한 전기자 돌극을 여자시킨다.
다시 말해서, a,b,c,d 상 전기자 돌극(311) 중에 여자 시킬 상의 전기자 돌극(311)은 설치된 정회전용 센서 및 역회전용 센서 중에 회전시킬 방향에 대응되는 센서에서만 센서판(420)이 감지되는 것으로 한다. 그리고, 선택한 전기자 돌극(311)에 권선된 여자 코일(320)에 전압을 인가하여 여자시키고, 이후 반대 방향에 대응되는 센서에서 센서판(420)이 감지되면 전압 인가를 멈추어 해당 전기자 돌극(311)을 소자시킨다.
이때의 소자 시점은 정회전용 센서와 역회전용 센서가 모두 센서판(420)을 감지하는 시점으로서, 해당 전기자 돌극(311)에 회전자 돌극(411)이 정렬되는 시점보다 앞선 시점이 된다. 이에 따라, 기동할 시에 회전 속도가 서서히 증가하여 소자시점을 회전 속도에 따라 선정하기 어려운 상황에서도 인덕턴스 증가구간 내에서만 여자시겨 정토크를 발생시킬 수 있고, 역토크가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
정회시킬 때를 예를 들어 설명하면, 정회전용 센서(340) 및 역회전용 센서(341) 중에 정회전용 센서(340)만 센서판(420)과 마주하여 센싱하는 전기자 돌극(311)을 여자시키고, 이후 여자시킨 전기자 돌극(311)에 대해서는 역회전용 센서(341)로 센서판(420)를 감지할 시에 소자시킨다.
이에 따라, 회전 속도를 서서히 올리게 되는 기동 초기에도 토크를 최대화하여서, 목표로 하는 회전 속도에 신속하게 도달할 수 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
100 : 샤프트
110 : 돌출부 120, 121 : 키홈
200 : 하우징
201 : 돌출부 202 : 장요홈
210 : 상부 커버 211 : 베어링 212 : 결합홀
213 :샤프트 관통홀
220 : 하부 커버 221 : 베어링 222 : 결합홀
230 : 장볼트 231 : 너트
301, 302 : 전기자
310 : 전기자 코어 311 : 전기자 돌극 312 : 장요홈
313 : 슬롯
320,320a,320b,320c,320d : 여자 코일
330 : 보빈 331 : 내측 안내벽 332 : 외측 안내벽
333 : 돌기
340 : 정회전용 센서 341 : 역회전용 센서 342 : 센서 회로 기판
401, 402 : 회전자
410 : 회전자 코어 411 : 회전자 돌극 412 : 샤프트 관통홀
413 : 키 414 : 결합홀
420 : 센서판 421 : 센서플레이트 422 : 볼트 관통홀
423 : 볼트 424 : 너트
500 : 컨트롤러
510 : 마이크로프로세서 511 : 정역 입력부 512 : 속도 입력부
520 : 스위칭 회로 521 : 전원 522 : 전류 검출기
530 : 센서신호 입력부 531 : 속도 검출용 회로

Claims (7)

  1. 샤프트(100);
    샤프트(100)를 부분 감싸며 회전 가능하게 지지하는 하우징(200);
    등각도로 배치한 8n(n은 정수) 개수의 전기자 돌극(311)에 대해 교호적으로 배치된 전기자 돌극(311)을 동일 여자 코일(320)로 권선하여 2개 여자 코일(320)로 권선되고, 서로 다른 여자 코일(320)로 권선된 2개 전기자 돌극(311)에는 각각 둘레방향 양 단부에 맞춰 하나씩의 센서(340, 341)를 설치하여 정회전용 센서와 역회전용 센서로 사용하게 하며, 2개를 마련하여 샤프트(100)의 축선을 따라 연달아 배치되도록 하우징(100)에 고정하되, 양자의 전기자 돌극(311)이 동일 각도로 배치되게 한 전기자(301, 302);
    상기 전기자 돌극(311)과 동일 극호각(βr)을 갖는 4n 개수의 회전자 돌극(411)을 등각도로 구비하고, 각각의 회전자 돌극(411)에는 전기자 돌극(311)의 극 갭(βg) 이하의 범위 내의 각도만큼 전기자 돌극(311)의 극호각(βr)보다 큰 센서판(420)이 회전자 돌극(411)의 둘레방향 중심에 맞춰 대칭적으로 고정되며, 2개로 마련되어 2개의 상기 전기자(301, 302)에 일대일 대응되도록 샤프트(100)에 동축으로 고정되되, 양자의 회전자 돌극(411)이 360°/(16n)만큼 차이 나게 배치된 회전자(401, 402); 및
    4개 여자 코일(320)에 권선된 전기자 돌극(311)에 각각 설치한 센서(340, 341) 중에 회전시킬 방향에 대응되는 센서로 센서판(420)을 센싱한 신호에 따라 개별적으로 턴 온 각 및 드웰각을 선정하여 4개 여자 코일(320)에 시차를 두고 전압을 인가함으로써, 4상 모터로 운전시키는 컨트롤러(500);
    를 포함하는
    4상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 컨트롤러(500)는
    기동시킬 시에, 상기 센서(340, 341) 중에 회전시킬 방향에 대응되는 센서에서만 센서판(420)이 감지되는 전기자 돌극을 여자시킨 후 회전시킬 방향과 반대되는 방향에 대응되는 센서에서 센서판(420)이 감지되는 시점에 소자시키는
    4상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  3. 제 1항에 있어서,
    동일 여자 코일(320)에 의해 권선되는 전기자 돌극(311)은
    서로 다른 극성이 둘레방향을 따라 교호적으로 나타나도록 상기 여자 코일(320)을 권선하는
    4상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 전기자(301, 302)에 각각 구비된 전기자 돌극(311)의 극 갭(βg)은
    전기자 돌극(311) 극호각(βr) 미만이면서, 적어도 전기자 돌극(311)과 회전자 돌극(411) 사이의 공극(air gap)의 5배 이상 간격에 해당되는 각도로 하는
    4상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  5. 제 1항에 있어서,
    4개의 여자 코일(320)에 각각 흐르는 전류를 검출하는 전류 검출기(522)를 포함하고,
    상기 컨트롤러(500)는
    4개 여자 코일(320) 별로 발생하는 토크를 전류로부터 획득하여, 상호 균등하도록 4개 여자 코일(320) 별 여자 전류의 턴 온 각 또는 드웰각을 조절하는
    4상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 컨트롤러(500)는
    회전 방향을 입력할 정역 입력부(511), 회전 속도를 입력할 속도 입력부(512) 및 상기 센서(340, 341)로 검출한 신호에 따라 실측 회전 속도를 얻는 속도 검출용 회로(531)를 포함하고,
    입력 회전 방향에 대응되는 센서의 센싱 신호에 따라 선정하는 턴 온 각 및 드웰각을 실측 회전 속도 및 토크에 따라 조절하여 실측 회전 속도가 입력 회전 속도를 추종하게 하는
    4상 스위치드 릴럭턴스 모터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 속도 검출용 회로(531)는
    Exclusive-OR 게이트로 구성되고, 상기 2개 전기자(301, 302)에서 하나씩 선택된 서로 다른 회전 방향에 대응되는 센서의 센싱 신호를 입력받아 회전 속도를 얻는
    4상 스위치드 릴럭턴스 모터.
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