KR20220098456A

KR20220098456A - 동기전동기

Info

Publication number: KR20220098456A
Application number: KR1020210000203A
Authority: KR
Inventors: 권병일; 신스타니스라브; 권중우
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-01-04
Publication date: 2022-07-12
Also published as: KR102555421B1

Abstract

동기전동기가 제공된다. 상기 동기전동기는, 제1 코일 세트 및 상기 제1 코일 세트에 대하여 특정 전기 각도(Φ)로 시프트되어 있는 제2 코일 세트로 이루어지는 고정자 권선 및, 상기 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 형성하는 전기 경로를 가변 제어하여, 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드로 모드 전환시키는 복수 개의 스위치를 포함하는 고정자; 및 상기 고정자에 대하여 상기 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드 중 어느 한 작동 모드로 회전하는 회전자를 포함할 수 있다.

Description

동기전동기{Synchronous Motor}

본 발명은 동기전동기에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 누적 / 차등 권선 스위칭 방식(winding switching scheme; WSS)을 통해 4 개의 작동 모드로 모드 변환되는 동기전동기에 관련된 것이다.

전동기(electric motor)는, 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용해 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 그 중에서도 동기전동기(Synchronous Motor, SM)는, 고정자의 회전필드(field)에 동기하여 회전자가 일정한 속도로 회전할 수 있는 전동기를 말한다. 동기전동기의 회전자는 가변하는 전압 환경 속에서도 일정한 회전 속도를 유지할 수 있는 장점이 있다.

이러한 동기전동기에는 영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)와 계자권선형 동기전동기(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM)가 있다.

영구자석 동기전동기는, 회전자 자계(flux)를 발생시키기 위하여 영구자석을 이용할 수 있다. 영구자석 동기전동기는, 부하나 전압의 흔들림에도 불구하고 전력원의 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있으며, 높은 효율과 높은 토크 밀도의 우수한 성능을 이유로 다양한 산업 및 가정용 응용 프로그램에 널리 사용되고 있다. 특히 영구자석 동기전동기는 모터의 설계 사양에 허락하는 범위 내에서 메인 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있는 점에서 유용할 수 있다.

한편, 종래의 와이(wye) / 델타(delta) 권선 스위칭 방식(winding switching scheme; WSS)은 5개의 스위치를 구비하며, 1.73의 상대적으로 낮은 계자 약화 계수(field weakening factor)를 가진다.

이러한 계자 약화 계수를 증가시키기 위해, 와이(wye) / 델타(delta) / 시리즈(series) / 병렬(parallel) 권선 스위칭 방식(WSS)이 제안되었다. 이 방식은 계자 약화 계수를 3.46로 유지했지만 스위치 수는 14개로 증가하였다.

듀얼 인버터의 누적(cumulative) / 차등(differential) 권선 스위칭 방식(WSS)은 필드 플럭스를 3.73배 이상 감소시킬 수 있다. 그러나 듀얼 인버터는 VSD(variable-speed drive)의 비용을 증가시킨다. 또한, 듀얼 인버터는 순환 전류를 제거하기 위해 2개의 독립된 전원 공급 장치를 필요로 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 누적 / 차등 권선 스위칭 방식(WSS)을 통해 4 개의 작동 모드로 모드 변환되는 동기전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 단일 인버터로 구동 가능한 동기전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 동기전동기를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 동기전동기는, 제1 코일 세트 및 상기 제1 코일 세트에 대하여 특정 전기 각도(Φ)로 시프트되어 있는 제2 코일 세트로 이루어지는 고정자 권선 및, 상기 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 형성하는 전기 경로를 가변 제어하여, 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드로 모드 전환시키는 복수 개의 스위치를 포함하는 고정자; 및 상기 고정자에 대하여 상기 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드 중 어느 한 작동 모드로 회전하는 회전자를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 코일 세트는 서로 동일한 전기 각도로 시프트되어 있는 제1 코일, 제2 코일 및 제3 코일로 이루어지며, 상기 제2 코일 세트는 서로 동일한 전기 각도로 시프트되어 있는 제4 코일, 제5 코일 및 제6 코일로 이루어지되, 상기 제1 코일과 제4 코일, 상기 제2 코일과 제5 코일 및 상기 제3 코일과 제6 코일 사이는 상기 특정 전기 각도(Φ)를 이룰 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 복수 개의 스위치는, 상기 제1 코일과 상기 제4 코일을 연결하는 제1 라인에 구비되는 제1 스위치; 상기 제2 코일과 상기 제5 코일을 연결하는 제2 라인에 구비되는 제2 스위치; 상기 제3 코일과 상기 제6 코일을 연결하는 제3 라인에 구비되는 제3 스위치; 상기 제1 코일과 상기 제6 코일을 연결하는 제4 라인에 구비되는 제4 스위치; 상기 제2 코일과 상기 제4 코일을 연결하는 제5 라인에 구비되는 제5 스위치; 상기 제3 코일과 상기 제5 코일을 연결하는 제6 라인에 구비되는 제6 스위치; 상기 제4 코일, 제5 코일 및 제6 코일을 연결하는 제7 라인과 상기 제4 코일을 연결하는 제1 분기 라인에 구비되는 제7 스위치; 상기 제7 라인과 상기 제5 코일을 연결하는 제2 분기 라인에 구비되는 제8 스위치; 상기 제7 라인과 상기 제6 코일을 연결하는 제3 분기 라인에 구비되는 제9 스위치; 인버터 및 상기 제3 코일을 연결하는 제3 인버터 라인과 상기 제4 코일을 연결하는 제8 라인에 구비되는 제10 스위치; 상기 인버터 및 상기 제1 코일을 연결하는 제1 인버터 라인과 상기 제5 코일을 연결하는 제9 라인에 구비되는 제11 스위치; 및 상기 인버터 및 상기 제2 코일을 연결하는 제2 인버터 라인과 상기 제6 코일을 연결하는 제10 라인에 구비되는 제12 스위치를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 작동 모드는, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치, 상기 제7 스위치 내지 제9 스위치가 스위칭 온(on)되어, 누적 와이(cumulative wye) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 작동 모드는, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치, 상기 제10 스위치 내지 제12 스위치가 스위칭 온(on)되어, 누적 델타(cumulative delta) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제3 작동 모드는, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치, 상기 제7 스위치 내지 제9 스위치가 스위칭 온(on)되어, 차등 와이(differential wye) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제4 작동 모드는, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치, 상기 제10 스위치 내지 제12 스위치가 스위칭 온(on)되어, 차등 델타(differential delta) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 제1 코일 세트 및 상기 제1 코일 세트에 대하여 특정 전기 각도(Φ)로 시프트되어 있는 제2 코일 세트로 이루어지는 고정자 권선 및, 상기 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 형성하는 전기 경로를 가변 제어하여, 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드로 모드 전환시키는 복수 개의 스위치를 포함하는 고정자; 및 상기 고정자에 대하여 상기 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드 중 어느 한 작동 모드로 회전하는 회전자를 포함할 수 있다.

이에 따라, 4 개의 작동 모드로 모드 변환되는 동기전동기가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 필드 약화 작동에서 인덕턱스 병목 문제를 해결할 수 있는 동기전동기가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 복수 개의 스위치를 통해 두 개의 권선 세트의 상호 연결 상태를 전환함으로써, 단일 인버터 드라이브를 구현할 수 있는 동기전동기가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 누적 / 차등 권선 스위칭 방식(WSS)과 와이 / 델타 권선 스위칭 방식(WSS)을 결합함으로써, 계자 약화 계수를 대략 1.73배 증가시킬 수 있는 동기전동기가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기를 나타낸 부분 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기에서 고정자 권선을 이루는 복수 개의 코일을 나타낸 배치도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 회로도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제1 작동 모드를 나타낸 회로도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제2 작동 모드를 나타낸 회로도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제3 작동 모드를 나타낸 회로도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제4 작동 모드를 나타낸 회로도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기가 제1 작동 모드로 작동 시 역기전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기가 제2 작동 모드로 작동 시 역기전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기가 제3 작동 모드로 작동 시 역기전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기가 제4 작동 모드로 작동 시 역기전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 작동 모드 별 속도 대비 토크 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기가 제1 작동 모드에서 제2 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기가 제3 작동 모드에서 제4 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이다.
도 15 내지 도 18은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기전동기의 작동 모드 별 역기전력 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기전동기의 작동 모드 별 속도 대비 토크 측정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 20은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기전동기가 제1 작동 모드에서 제2 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이다.
도 21은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기전동기가 제3 작동 모드에서 제4 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기를 나타낸 부분 단면 모식도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기에서 고정자 권선을 이루는 복수 개의 코일을 나타낸 배치도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기(10)는 고정자(stator)(100) 및 회전자(rotor)(200)를 포함하여 형성된다.

고정자(100)는 회전자(200)의 일측, 예컨대, 회전자(200)의 반경 방향 외측에 마련될 수 있다. 고정자(100)는 회전자(200)에 회전력을 제공할 수 있다. 이를 위해, 고정자(100)는, 내측에 중공을 포함하는 원통 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 회전자(200)는 고정자(100)의 중공에 인입된 상태에서 고정자(100)로부터 제공되는 회전력에 의해 회전할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 고정자(100)는 고정자 치(teeth)(111)를 포함할 수 있다. 고정자 치(111)는 복수 개로 구비되어, 고정자(100)의 내경 측 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 고정자 치(111) 사이는 고정자 슬롯(112)으로 정의될 수 있다.

고정자(100)는 고정자 권선을 더 포함할 수 있다. 고정자 권선은 회전자(200)가 회전할 수 있도록 고정자 필드를 생성할 수 있다. 이러한 고정자 권선은 고정자 치(111)에 마련될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 고정자 권선은 제1 코일(A), 제2 코일(B), 제3 코일(C), 제4 코일(X), 제5 코일(Y) 및 제6 코일(Z)을 포함할 수 있다.

도 2를 참조하면, 고정자 권선은 제1 코일(A), 제2 코일(B) 및 제3 코일(C)로 이루어진 제1 코일 세트와, 제4 코일(X), 제5 코일(Y) 및 제6 코일(Z)로 이루어진 제2 코일 세트로 구분될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서, 제2 코일 세트는 제1 코일 세트에 대하여 특정 전기 각도(Φ)로 시프트될 수 있다.

구체적으로, 제1 코일 세트를 이루는 제1 코일(A), 제2 코일(B) 및 제3 코일(C)은 서로 동일한 전기 각도로 시프트되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 코일(A), 제2 코일(B) 및 제3 코일(C)는 서로 120° 전기각으로 시프트될 수 있다.

마찬가지로, 제2 코일 세트를 이루는 제4 코일(X), 제5 코일(Y) 및 제6 코일(Z) 또한, 서로 동일한 전기 각도, 예컨대, 120° 전기각으로 시프트될 수 있다.

이때, 제2 코일 세트가 제1 코일 세트에 대하여 특정 전기 각도(Φ)로 시프트됨에 따라, 제1 코일(A)과 제4 코일(X) 사이, 제2 코일(B)과 제5 코일(Y) 사이 및 제3 코일(C)과 제6 코일(Z) 사이는 상기 특정 전기 각도(Φ)를 이룰 수 있다. 예를 들어, 제1 코일(A)과 제4 코일(X) 사이, 제2 코일(B)과 제5 코일(Y) 사이 및 제3 코일(C)과 제6 코일(Z) 사이는 30° 전기 각도를 이룰 수 있다.

다른 관점에서, 제1 코일(A)과 제6 코일(Z) 사이, 제2 코일(B)과 제4 코일(X) 사이 및 제3 코일(C)과 제5 코일(Y) 사이는 150° 전기 각도를 이룰 수 있다.

한편, 고정자(100)는 복수 개의 스위치를 더 포함할 수 있다. 복수 개의 스위치는 전술한 바와 같이 배치되는 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 형성하는 전기 경로를 가변 제어할 수 있다.

이를 통해, 복수 개의 스위치는 동기전동기(10)를 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드로 모드 전환시킬 수 있는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

회전자(200)는, 생성한 회전자 필드와, 고정자(100)가 생성한 고정자 필드에 의하여 고정자(100)에 대하여 회전할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자(200)는 고정자(100)에 대하여, 상기 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드 중 어느 하나의 작동 모드로 회전할 수 있다.

이러한 회전자(200)는 회전자 필드를 생성하기 위해 영구자석(210)을 구비할 수 있다. 이러한 영구자석(210)은 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 영구자석(210)은, 서로 반대 극성이 원주 방향으로 교번되는 형태로 배열될 수 있다.

영구자석(210)은 고정자(100)의 내경과 마주하는 방향으로 마련되어, 고정자(100)의 고정자 권선에 의해 생성되는 고정자 필드와 상호 연동할 수 있다.

이하, 도 3 내지 도 7를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기를 통해 구현되는 4개의 작동 모드에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 회로도이고, 도 4은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제1 작동 모드를 나타낸 회로도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제2 작동 모드를 나타낸 회로도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제3 작동 모드를 나타낸 회로도이며, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 제4 작동 모드를 나타낸 회로도이다.

도 3을 참조하면, 단일 인버터(inverter)로부터 고정자 권선에 U, V, W의 3상이 인가될 수 있다. U 상은 제1 인버터 라인(IL1)을 통해, 제1 코일(A) 측으로 인가될 수 있다. V 상은 제2 인버터 라인(IL2)을 통해, 제2 코일(B) 측으로 인가될 수 있다. 그리고 W 상은 제3 인버터 라인(IL3)을 통해, 제3 코일(C) 측으로 인가될 수 있다.

또한, 제1 코일 세트의 제1 코일(A)과 제2 코일 세트의 제4 코일(X)은 제1 라인(L1)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제1 라인(L1)에는 제1 코일(A)과 제4 코일(X)의 연결을 제어하는 제1 스위치(S1)가 설치될 수 있다.

제1 코일 세트의 제2 코일(B)과 제2 코일 세트의 제5 코일(Y)은 제2 라인(L2)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제2 라인(L2)에는 제2 코일(B)과 제5 코일(Y)의 연결을 제어하는 제2 스위치(S2)가 설치될 수 있다.

제1 코일 세트의 제3 코일(C)과 제2 코일 세트의 제6 코일(Z)은 제3 라인(L3)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제3 라인(L3)에는 제3 코일(C)과 제6 코일(Z)의 연결을 제어하는 제3 스위치(S3)가 설치될 수 있다.

한편, 제1 코일 세트의 제1 코일(A)과 제2 코일 세트의 제6 코일(Z)은 제4 라인(L4)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제4 라인(L4)에는 제1 코일(A)과 제6 코일(Z)의 연결을 제어하는 제4 스위치(S4)가 설치될 수 있다.

제1 코일 세트의 제2 코일(B)과 제2 코일 세트의 제4 코일(X)은 제5 라인(L5)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제5 라인(L5)에는 제2 코일(B)과 제4 코일(X)의 연결을 제어하는 제5 스위치(S5)가 설치될 수 있다.

제1 코일 세트의 제3 코일(C)과 제2 코일 세트의 제5 코일(Y)은 제6 라인(L5)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제6 라인(L6)에는 제3 코일(C)과 제5 코일(Y)의 연결을 제어하는 제6 스위치(S6)가 설치될 수 있다.

한편, 제2 코일 세트를 이루는 제4 코일(X), 제5 코일(Y) 및 제6 코일(Z)은 제7 라인(L7)을 통해 연결될 수 있다.

제4 코일(X)은 제1 분기 라인(DL1)을 통해 제7 라인(L7)과 연결될 수 있다. 이때, 제1 분기 라인(DL1)에는 제4 코일(X)과 제7 라인(L7)의 연결을 제어하는 제7 스위치(S6)가 설치될 수 있다.

제5 코일(Y)는 제2 분기 라인(DL2)을 통해 제7 라인(L7)과 연결될 수 있다. 이때, 제2 분기 라인(DL2)에는 제5 코일(Y)과 제7 라인(L7)의 연결을 제어하는 제8 스위치(S8)가 설치될 수 있다.

제6 코일(Z)은 제3 분기 라인(DL3)을 통해 제7 라인(L7)과 연결될 수 있다. 이때, 제3 분기 라인(DL3)에는 제6 코일(Z)과 제8 라인(L7) 간의 연결을 제어하는 제9 스위치(S9)가 설치될 수 있다.

또한, 제3 인버터 라인(IL3)과 제4 코일(X)은 제8 라인(L8)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제8 라인(L8)에는 제4 코일(X)과 제3 인버터 라인(IL3)의 연결을 제어하는 제10 스위치(S10)가 설치될 수 있다.

제1 인버터 라인(IL1)과 제5 코일(Y)은 제9 라인(L9)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제9 라인(L9)에는 제5 코일(Y)과 제1 인버터 라인(IL1)의 연결을 제어하는 제11 스위치(S11)가 설치될 수 있다.

제2 인버터 라인(IL2)과 제6 코일(Z)은 제10 라인(L10)을 통해 연결될 수 있다. 이때, 제10 라인(L10)에는 제6 코일(Z)과 제2 인버터 라인(IL2)의 연결을 제어하는 제12 스위치(S12)가 설치될 수 있다.

도 4를 참조하면, 제1 작동 모드는 누적 와이(cumulative wye) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다. 제1 작동 모드에서, 동기전동기는 U, V, W의 3 상(phase)을 포함할 수 있다. 여기서, U 상은 직렬 연결되는 제1 코일(A)과 제4 코일(X)을 포함할 수 있다. V 상은 직렬 연결되는 제2 코일(B)과 제5 코일(Y)을 포함할 수 있다. 그리고 W 상은 직렬 연결되는 제3 코일(C)과 제6 코일(Z)을 포함할 수 있다.

이러한 세 개의 상은 와이(wye) 연결을 이룬다. 이때, 두 개의 상은 두 개의 라인 사이에 연결된다. 그러므로, 일측 라인과 타측 라인 사이의 역 기전력(back EMF)은 하기의 수학식 1을 통하여 계산될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, 상기 E는 역 기전력이고, 상기 ll1은 라인 파라미터를 나타내고, 상기 E_A와 E_X는 제1 코일(A)과 제4 코일(X)의 역 기전력이다.

이러한 제1 작동 모드로 전환시키기 위해, 제1 코일(A)과 제4 코일(X)을 연결하는 제1 라인(L1)에 설치되어 있는 제1 스위치(S1), 제2 코일(B)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제2 라인(L2)에 설치되어 있는 제2 스위치(S2) 및 제3 코일(C)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제3 라인(L3)에 설치되어 있는 제3 스위치(S3)는 스위칭 ON될 수 있다.

또한, 제4 코일(X)과 제7 라인(L7)을 연결하는 제1 분기 라인(DL1)에 설치되어 있는 제7 스위치(S7), 제5 코일(Y)과 제7 라인(L7)을 연결하는 제2 분기 라인(DL2)에 설치되어 있는 제8 스위치(S8) 및 제6 코일(Z)과 제 7 라인(L7)을 연결하는 제3 분기 라인(DL3)에 설치되어 있는 제 9 스위치(S9)도 스위칭 ON될 수 있다.

반면, 제1 코일(A)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제4 라인(L4)에 설치되어 있는 제4 스위치(S4), 제2 코일(B)과 제4 코일(X)을 연결하는 제5 라인(L5)에 설치되어 있는 제5 스위치(S5) 및 제3 코일(C)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제6 라인(L6)에 설치되어 있는 제6 스위치(S6)는 스위칭 OFF될 수 있다.

또한, 제3 인버터 라인(IL3)과 제4 코일(X)을 연결하는 제8 라인(L8)에 설치되어 있는 제10 스위치(S10), 제1 인버터 라인(IL1)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제9 라인(L9)에 설치되어 있는 제11 스위치(S11) 및 제2 인버터 라인(IL2)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제10 라인(L10)에 설치되어 있는 제12 스위치(S12)도 스위칭 OFF될 수 있다.

이러한 스위칭 전환을 통해, 누적 와이(cumulative wye) 형태의 전기 경로를 이루는 제1 작동 모드가 실행될 수 있다.

도 5를 참조하면, 제2 작동 모드는 누적 델타(cumulative delta) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다. 제2 작동 모드에서, 세 개의 상은 델타(delta) 연결을 이룬다. 이때, 오직 하나의 상이 두 개의 라인 사이에 연결된다. 그러므로, 라인 역 기전력(back EMF)은 하기의 수학식 2를 통하여 계산될 수 있다.

[수학식 2]

이러한 제2 작동 모드로 전환시키기 위해, 제1 코일(A)과 제4 코일(X)을 연결하는 제1 라인(L1)에 설치되어 있는 제1 스위치(S1), 제2 코일(B)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제2 라인(L2)에 설치되어 있는 제2 스위치(S2) 및 제3 코일(C)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제3 라인(L3)에 설치되어 있는 제3 스위치(S3)는 스위칭 ON될 수 있다.

또한, 제3 인버터 라인(IL3)과 제4 코일(X)을 연결하는 제8 라인(L8)에 설치되어 있는 제10 스위치(S10), 제1 인버터 라인(IL1)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제9 라인(L9)에 설치되어 있는 제11 스위치(S11) 및 제2 인버터 라인(IL2)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제10 라인(L10)에 설치되어 있는 제12 스위치(S12)도 스위칭 ON될 수 있다.

또한, 제4 코일(X)과 제7 라인(L7)을 연결하는 제1 분기 라인(DL1)에 설치되어 있는 제7 스위치(S7), 제5 코일(Y)과 제7 라인(L7)을 연결하는 제2 분기 라인(DL2)에 설치되어 있는 제8 스위치(S8) 및 제6 코일(Z)과 제 7 라인(L7)을 연결하는 제3 분기 라인(DL3)에 설치되어 있는 제 9 스위치(S9)도 스위칭 OFF될 수 있다.

이러한 스위칭 전환을 통해, 누적 델타(cumulative delta) 형태의 전기 경로를 이루는 제2 작동 모드가 실행될 수 있다.

도 6을 참조하면, 제3 작동 모드는 차등 와이(differential wye) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다. 제2 작동 모드에서, 제1 코일 세트와 제2 코일 세트의 연결은 시프트 업(shift up)될 수 있다. 이에 따라, U 상은 직렬 연결되는 제1 코일(A)과 제6 코일(Z을 포함할 수 있다. V 상은 직렬 연결되는 제2 코일(B)과 제4 코일(X)을 포함할 수 있다. 그리고 W 상은 직렬 연결되는 제3 코일(C)과 제5 코일(Y)을 포함할 수 있다.

이러한 세 개의 상은 다시 와이(wye) 방식으로 연결되며, 일측 라인과 타측 라인 사이의 역 기전력(back EMF)은 하기의 수학식 3을 통하여 계산될 수 있다.

[수학식 3]

이러한 제3 작동 모드로 전환시키기 위해, 제1 코일(A)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제4 라인(L4)에 설치되어 있는 제4 스위치(S4), 제2 코일(B)과 제4 코일(X)을 연결하는 제5 라인(L5)에 설치되어 있는 제5 스위치(S5) 및 제3 코일(C)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제6 라인(L6)에 설치되어 있는 제6 스위치(S6)는 스위칭 ON될 수 있다.

반면, 제1 코일(A)과 제4 코일(X)을 연결하는 제1 라인(L1)에 설치되어 있는 제1 스위치(S1), 제2 코일(B)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제2 라인(L2)에 설치되어 있는 제2 스위치(S2) 및 제3 코일(C)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제3 라인(L3)에 설치되어 있는 제3 스위치(S3)는 스위칭 OFF될 수 있다.

이러한 스위칭 전환을 통해, 차등 와이(differential wye) 형태의 전기 경로를 이루는 제3 작동 모드가 실행될 수 있다.

도 7를 참조하면, 제4 작동 모드는 차등 델타(differential delta) 형태의 전기 경로를 이룰 수 있다. 제4 작동 모드에서, 라인 역 기전력(back EMF)은 하기의 수학식 4를 통하여 계산될 수 있다.

[수학식 4]

이러한 제4 작동 모드로 전환시키기 위해, 제1 코일(A)과 제6 코일(Z)을 연결하는 제4 라인(L4)에 설치되어 있는 제4 스위치(S4), 제2 코일(B)과 제4 코일(X)을 연결하는 제5 라인(L5)에 설치되어 있는 제5 스위치(S5) 및 제3 코일(C)과 제5 코일(Y)을 연결하는 제6 라인(L6)에 설치되어 있는 제6 스위치(S6)는 스위칭 ON될 수 있다.

이러한 스위칭 전환을 통해, 차등 델타(differential delta) 형태의 전기 경로를 이루는 제4 작동 모드가 실행될 수 있다.

상기 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드 별로 상기 방정식 1 내지 방정식 4를 통해 역 기전력을 계산한 결과, 역 기전력은 제1 코일 세트와 제2 코일 세트 사이의 시프트된 전기 각도(Φ)에 의존하는 것으로 확인되었다.

예를 들어, 제1 코일 세트와 제2 코일 세트 사이의 시프트된 전기 각도가 30°인 경우, 제1 작동 모드에서의 역 기전력은 3.346pu, 제2 작동 모드에서의 역 기전력은 1.932pu, 제3 작동 모드에서의 역 기전력은 0.897pu 및 제4 작동 모드에서의 역 기전력은 0.518pu로 계산되었다.

즉, 제2 작동 모드 내지 제4 작동 모드의 역 기전력은 제1 작동 모드 대비 각각, 1.732배, 3.730배 및 6.459배 감소된다.

다른 예로, 제1 코일 세트와 제2 코일 세트 사이의 시프트된 전기 각도가 0°인 경우, 제1 작동 모드에서의 역 기전력은 3.464pu, 제2 작동 모드에서의 역 기전력은 2pu, 제3 작동 모드에서의 역 기전력은 1.732pu 및 제4 작동 모드에서의 역 기전력은 1pu로 계산되었다.

즉, 제2 작동 모드 내지 제4 작동 모드의 역 기전력은 제1 작동 모드 대비 각각, 1.732배, 2배 및 3.464배 감소된다.

만약, 제1 코일 세트와 제2 코일 세트 사이의 시프트된 전기 각도가 60°인 경우, 각 작동 모드의 역 기전력은 0으로 계산되며, 이에 따라, 출력 토크 또한 0이 된다.

이하, 도 8 내지 도 14를 참조하여, 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 30°로 시프트된 본 발명의 일 실시 예에 따른 동기전동기의 각 작동 모드 별 특성에 대하여 설명하기로 한다.

도 8 내지 도 11은 작동 모드 별 역기전력 측정 결과를 보여준다. 도 8 내지 도 11은 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 30°로 시프트된 동기전동기의, 300rpm에서의 역 기전력을 측정한 결과이다.

도 8 내지 도 11을 참조하면, 방정식 1 내지 방정식 4를 통해 계산한 바 대로, 역기전력이 감소했음을 알 수 있다.

도 12는 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 30°로 시프트된 동기전동기의 작동 모드 별 속도 대비 토크를 보여준다.

도 13은 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 30°로 시프트된 동기전동기가 제1 작동 모드에서 제2 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이고, 도 14는 제3 작동 모드에서 제4 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이다.

도 13 및 도 14를 참조하면, 1 작동 모드에서 제2 작동 모드로 전환될 때 및 제3 작동 모드에서 제4 작동 모드로 전환될 때 전류 스파이크가 발생되지 않는 것으로 확인되었다.

이하, 도 15 내지 도 21을 참조하여, 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 0°로 시프트된 본 발명의 다른 실시 예에 따른 동기전동기의 각 작동 모드 별 특성에 대하여 설명하기로 한다.

도 15 내지 도 18은 다른 실시 예에 작동 모드 별 역기전력 측정 결과를 보여준다. 도 15 내지 도 18은 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 0°로 시프트된 동기전동기의, 300rpm에서의 역 기전력을 측정한 결과이다.

도 15 내지 도 18을 참조하면, 필드 감소 계수는 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 30°로 시프트된 동기전동기보다 작은 것으로 확인되었다.

도 19는 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 0°로 시프트된 동기전동기의 작동 모드 별 속도 대비 토크 측정 결과를 나타낸 그래프이다.

도 19를 참조하면, 상 전류를 동일한 레벨로 유지하기 위해, 제2 작동 모드와 제4 작동 모드의 라인 전류가 1.732배 증가한 것을 확인할 수 있다.

도 20는 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 0°로 시프트된 동기전동기가 제1 작동 모드에서 제2 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이고, 도 21은 제3 작동 모드에서 제4 작동 모드로 전환될 때의 과도 현상을 나타낸 그래프이다.

도 20 및 도 21을 참조하면, 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 30°로 시프트된 동기전동기와 마찬가지로, 제1 작동 모드에서 제2 작동 모드로 전환될 때 및 제3 작동 모드에서 제4 작동 모드로 전환될 때 전류 스파이크가 발생되지 않는 것으로 확인되었다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100; 고정자
111; 고정자 치
112; 고정자 슬롯
200; 회전자
210; 영구자석
A; 제1 코일
B; 제2 코일
C; 제3 코일
X; 제4 코일
Y; 제5 코일
Z; 제6 코일
S1 내지 S12; 제1 스위치 내지 제12 스위치
L1 내지 L10; 제1 라인 내지 제10 라인
BL1 내지 BL3; 제1 분기 라인 내지 제3 분기 라인
IL1 내지 IL3; 제1 인버터 라인 내지 제3 인버터 라인

Claims

제1 코일 세트 및 상기 제1 코일 세트에 대하여 특정 전기 각도(Φ)로 시프트되어 있는 제2 코일 세트로 이루어지는 고정자 권선 및, 상기 제1 코일 세트와 제2 코일 세트가 형성하는 전기 경로를 가변 제어하여, 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드로 모드 전환시키는 복수 개의 스위치를 포함하는 고정자; 및
상기 고정자에 대하여 상기 제1 작동 모드 내지 제4 작동 모드 중 어느 한 작동 모드로 회전하는 회전자;를 포함하는, 동기전동기.
제1 항에 있어서,
상기 제1 코일 세트는 서로 동일한 전기 각도로 시프트되어 있는 제1 코일, 제2 코일 및 제3 코일로 이루어지며,
상기 제2 코일 세트는 서로 동일한 전기 각도로 시프트되어 있는 제4 코일, 제5 코일 및 제6 코일로 이루어지되,
상기 제1 코일과 제4 코일, 상기 제2 코일과 제5 코일 및 상기 제3 코일과 제6 코일 사이는 상기 특정 전기 각도(Φ)를 이루는, 동기전동기.
제2 항에 있어서,
상기 복수 개의 스위치는,
상기 제1 코일과 상기 제4 코일을 연결하는 제1 라인에 구비되는 제1 스위치;
상기 제2 코일과 상기 제5 코일을 연결하는 제2 라인에 구비되는 제2 스위치;
상기 제3 코일과 상기 제6 코일을 연결하는 제3 라인에 구비되는 제3 스위치;
상기 제1 코일과 상기 제6 코일을 연결하는 제4 라인에 구비되는 제4 스위치;
상기 제2 코일과 상기 제4 코일을 연결하는 제5 라인에 구비되는 제5 스위치;
상기 제3 코일과 상기 제5 코일을 연결하는 제6 라인에 구비되는 제6 스위치;
상기 제4 코일, 제5 코일 및 제6 코일을 연결하는 제7 라인과 상기 제4 코일을 연결하는 제1 분기 라인에 구비되는 제7 스위치;
상기 제7 라인과 상기 제5 코일을 연결하는 제2 분기 라인에 구비되는 제8 스위치;
상기 제7 라인과 상기 제6 코일을 연결하는 제3 분기 라인에 구비되는 제9 스위치;
인버터 및 상기 제3 코일을 연결하는 제3 인버터 라인과 상기 제4 코일을 연결하는 제8 라인에 구비되는 제10 스위치;
상기 인버터 및 상기 제1 코일을 연결하는 제1 인버터 라인과 상기 제5 코일을 연결하는 제9 라인에 구비되는 제11 스위치; 및
상기 인버터 및 상기 제2 코일을 연결하는 제2 인버터 라인과 상기 제6 코일을 연결하는 제10 라인에 구비되는 제12 스위치를 포함하는, 동기전동기.
제3 항에 있어서,
상기 제1 작동 모드는, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치, 상기 제7 스위치 내지 제9 스위치가 스위칭 온(on)되어, 누적 와이(cumulative wye) 형태의 전기 경로를 이루는, 동기전동기.
제3 항에 있어서,
상기 제2 작동 모드는, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치, 상기 제10 스위치 내지 제12 스위치가 스위칭 온(on)되어, 누적 델타(cumulative delta) 형태의 전기 경로를 이루는, 동기전동기.
제3 항에 있어서,
상기 제3 작동 모드는, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치, 상기 제7 스위치 내지 제9 스위치가 스위칭 온(on)되어, 차등 와이(differential wye) 형태의 전기 경로를 이루는, 동기전동기.
제3 항에 있어서,
상기 제4 작동 모드는, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치, 상기 제10 스위치 내지 제12 스위치가 스위칭 온(on)되어, 차등 델타(differential delta) 형태의 전기 경로를 이루는, 동기전동기.