KR20230013910A - Device for Converting Energy - Google Patents

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KR20230013910A
KR20230013910A KR1020210094984A KR20210094984A KR20230013910A KR 20230013910 A KR20230013910 A KR 20230013910A KR 1020210094984 A KR1020210094984 A KR 1020210094984A KR 20210094984 A KR20210094984 A KR 20210094984A KR 20230013910 A KR20230013910 A KR 20230013910A
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Abstract

An energy conversion device is provided. The energy conversion device comprises: a stator including stator teeth arranged in a circumferential direction from an outer diameter side and an armature wire prepared on the stator teeth; and a rotor prepared on the outside in a radial direction of the stator and having a consequent pole on an inner diameter thereof, wherein the consequent pole is made by alternately arranging a first permanent magnet, a metal pole, and a second permanent magnet having a relatively lower coercive force than the first permanent magnet in a circumferential direction.

Description

에너지 변환 장치{Device for Converting Energy}Energy conversion device {Device for Converting Energy}

본 발명은 에너지 변환 장치에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 극 변환 제어가 용이한, 에너지 변환 장치에 관련된 것이다.The present invention relates to an energy conversion device, and more specifically, to an energy conversion device in which pole conversion control is easy.

세탁기용 전동기의 경우 저속(세탁)모드와 고속(탈수)모드, 두 가지의 모드를 필요로 한다. 영구자석 동기전동기는 고속에서 고효율을 가지고 있지만, 저속에서는 저효율을 가지고 있으므로 영구자석 동기전동기로 탈수 모드를 진행하는 것은 바람직하나, 세탁모드를 진행하는 것은 바람직하지 않다. 이에 반하여 버니어 머신의 경우 저속에서 고효율을 가지고 있기 때문에 세탁모드를 진행하기에 적합하다.In the case of a motor for a washing machine, two modes are required: a low speed (washing) mode and a high speed (drying) mode. Since the permanent magnet synchronous motor has high efficiency at high speed but low efficiency at low speed, it is preferable to use the permanent magnet synchronous motor in the spin-drying mode, but not in the washing mode. In contrast, vernier machines are suitable for washing mode because they have high efficiency at low speed.

이에 따라, 두 개의 전동기를 사용하는 효과를 갖는 하나의 전동기 개발 연구가 진행된다. 먼저 개발된 기존의 단 방향 가변 자속기기인 메모리 머신은 자속을 가변시켜 극수를 변경할 수 있어 넓은 속도 영역을 가질 수 있다.Accordingly, research on the development of one motor having the effect of using two motors is being conducted. The memory machine, which is an existing unidirectional variable magnetic flux device developed first, can change the number of poles by varying the magnetic flux, so it can have a wide speed range.

이후, 추가적인 연구들이 진행되어 더 넓은 속도 영역을 가진 하이브리드 메모리 머신이 제안되었다. 하이브리드 메모리 머신은 양방향의 가변자속 기기로, 보자력이 낮은 LCF PM(Low Coercive Force Permanent Magnet)과 HCF PM(High Coercive Force Permanent magnet)을 사용한다.Afterwards, additional studies were conducted to propose a hybrid memory machine with a wider speed range. The hybrid memory machine is a bidirectional variable magnetic flux device, and uses LCF PM (Low Coercive Force Permanent Magnet) and HCF PM (High Coercive Force Permanent Magnet) with low coercive force.

이 기기는 극 변환 전류를 사용하여 LCF PM의 착자 방향을 바꾸어 극수를 바꿀 수 있다. 이에 따라, 기존의 메모리 머신보다 더 넓은 속도 영역을 가질 수 있으나, 기존의 버니어 머신이나 영구자석 동기전동기에 비하여 특정한 속도 영역에서의 성능이 좋지 않다.This device can change the number of poles by changing the magnetization direction of the LCF PM using a pole-changing current. Accordingly, it can have a wider speed range than conventional memory machines, but performance in a specific speed range is not as good as conventional vernier machines or permanent magnet synchronous motors.

이러한 단점들을 보완하기 위해 모드 변경이 가능한 PCVM(Pole Changing Vernier Machine)이 제안되었다. PCVM은 전술한 버니어 머신과 영구자석 동기전동기의 장점을 모두 가지고 있다.In order to compensate for these disadvantages, a PCVM (Pole Changing Vernier Machine) capable of changing modes has been proposed. The PCVM has the advantages of both the vernier machine and the permanent magnet synchronous motor described above.

PCVM은 LCF PM의 착자 방향을 바꾸어 극수를 바꿀 뿐만 아니라 극수가 바뀜에 따라 두 가지의 다른 운전 모드, 즉, 버니어 머신 모드와 영구자석 동기전동기 모드로 동작을 할 수 있다.PCVM not only changes the number of poles by changing the direction of magnetization of the LCF PM, but also can operate in two different operation modes, namely vernier machine mode and permanent magnet synchronous motor mode, according to the change in pole number.

한편, PCVM의 극 변환 제어의 어려움에 대한 개선을 위해, CPCVM(Consequent Pole Changing Vernier Machine)이 제안되었다. CPCVM은 기존의 PCVM에 컨시퀀트 폴을 적용시킨 모델이며, LCF PM과 HCF PM의 절반이 철심으로 대체된 형상을 가지고 있다. 이에, 대체된 철심에 의해 극간의 간격이 멀어지며 극 변환이 용이해진다.On the other hand, in order to improve the difficulty of controlling the pole change of the PCVM, a consequent pole changing vernier machine (CPCVM) has been proposed. The CPCVM is a model in which consequent poles are applied to the existing PCVM, and has a shape in which half of the LCF PM and HCF PM are replaced with an iron core. As a result, the distance between the poles increases due to the replaced iron core, and the pole conversion becomes easy.

하지만, 종래의 CPCVM의 경우, 극이 다른 LCF PM들이 연속적으로 이어져 배치되기 때문에, 서로 상보적인 이들 LCF PM의 자화 방향을 독립적으로 제어하는데 어려움이 있었으며, 자석 사용량의 감소에 따른 토크의 성능 저하가 발생되는 문제가 있었다.However, in the case of the conventional CPCVM, since LCF PMs with different poles are continuously arranged, it is difficult to independently control the magnetization direction of these complementary LCF PMs. There was a problem that occurred.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 극 변환 제어가 용이한, 에너지 변환 장치를 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide an energy conversion device that can easily control polarity conversion.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 4가지 작동 모드로 전환되는, 에너지 변환 장치를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide an energy conversion device that can be switched to four operating modes.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 에너지 변환 장치를 제공한다.In order to solve the above technical problem, the present invention provides an energy conversion device.

일 실시 예에 따르면, 상기 에너지 변환 장치는, 외경 측에서 원주 방향으로 배열되는 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련되는 전기자 권선을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 반경 방향 외측에 마련되며, 제1 영구 자석, 금속 폴 및 상기 제1 영구 자석보다 상대적으로 낮은 보자력을 가지는 제2 영구 자석이 원주 방향으로 교번 배열되어 이루는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 내경 측에 구비하는 회전자를 포함할 수 있다.According to an embodiment, the energy conversion device may include a stator including stator teeth arranged in a circumferential direction from an outer diameter side and armature windings provided on the stator teeth; and a consequent pole provided on a radially outer side of the stator and formed by alternately arranging a first permanent magnet, a metal pole, and a second permanent magnet having a relatively lower coercive force than the first permanent magnet in a circumferential direction. It may include a rotor having an inner diameter side.

일 실시 예에 따르면, 버니어 머신 모드 및 영구자석 동기전동기 모드 중 어느 하나의 작동 모드로 전환되되, 상기 버니어 머신 모드로 작동하는 경우, 상기 제1 영구자석과 제2 영구 자석은 동일한 착자 방향을 가지며, 상기 제2 영구 자석의 착자 방향을 반대 방향으로 변경하면, 상기 버니어 머신 모드에서 상기 영구자석 동기전동기 모드로 전환될 수 있다.According to one embodiment, the operation mode is switched to any one of the vernier machine mode and the permanent magnet synchronous motor mode. When operated in the vernier machine mode, the first permanent magnet and the second permanent magnet have the same magnetization direction. , When the magnetization direction of the second permanent magnet is changed to the opposite direction, the vernier machine mode may be switched to the permanent magnet synchronous motor mode.

일 실시 예에 따르면, 상기 버니어 머신 모드는 자속 강화 모드(Flux Enhancing mode)로 더 전환되고, 상기 영구자석 동기전동기 모드는 자속 약화 모드(Flux Weakening mode)로 더 전환될 수 있다.According to an embodiment, the vernier machine mode may be further converted into a flux enhancing mode, and the permanent magnet synchronous motor mode may be further converted into a flux weakening mode.

일 실시 예에 따르면, 상기 고정자는 상기 제2 영구 자석의 착감자를 가능하게 하는 직류 자화 코일을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, the stator may further include a DC magnetization coil enabling a demagnetization of the second permanent magnet.

일 실시 예에 따르면, 상기 버니어 머신 모드는 상기 직류 자화 코일의 전류 값에 따라 자속이 증가되어 상기 자속 강화 모드로 전환될 수 있다.According to an embodiment, the vernier machine mode may be switched to the magnetic flux enhancement mode by increasing magnetic flux according to a current value of the DC magnetizing coil.

일 실시 예에 따르면, 상기 영구자석 동기전동기 모드는 상기 직류 자화 코일의 전류 값에 따라 자속이 감소되어 상기 자속 약화 모드로 전환될 수 있다.According to an embodiment, the permanent magnet synchronous motor mode may be switched to the magnetic flux weakening mode by reducing magnetic flux according to a current value of the DC magnetizing coil.

일 실시 예에 따르면, 상기 직류 자화 코일은, 상기 컨시퀀트 폴과 마주하는 방향으로 상기 고정자 치의 선단 측에 구비될 수 있다.According to an embodiment, the DC magnetization coil may be provided at a front end side of the stator tooth in a direction facing the consequent pole.

일 실시 예에 따르면, 상기 고정자 치의 선단면에는 상기 직류 자화 코일이 장착되는 장착 홈부가 마련되며, 상기 장착 홈부는 상기 고정자 치의 선단을 양 갈래로 분기시키는 형태로 마련되고, 상기 고정자 치는 상기 장착 홈부에 의해 모듈레이션 폴로 구비될 수 있다.According to an embodiment, a mounting groove portion into which the DC magnetizing coil is mounted is provided on a front end surface of the stator tooth, the mounting groove portion is provided in a form in which the front end of the stator tooth is bifurcated, and the stator tooth is the mounting groove portion. It can be provided as a modulation pole by

일 실시 예에 따르면, 상기 장착 홈부에 장착되는 상기 직류 자화 코일의 상면과 상기 고정자 치의 선단면은 단차 없는 평탄면을 이룰 수 있다.According to an embodiment, an upper surface of the DC magnetization coil mounted in the mounting groove part and a front end surface of the stator tooth may form a flat surface without a step.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 영구 자석은 상기 제1 영구 자석보다 상대적으로 큰 체적을 가질 수 있다.According to one embodiment, the second permanent magnet may have a relatively larger volume than the first permanent magnet.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 폴은 상기 제1 영구 자석 또는 제2 영구 자석의 폭보다 상대적으로 좁은 폭을 가질 수 있다.According to one embodiment, the metal pole may have a relatively narrower width than that of the first permanent magnet or the second permanent magnet.

일 실시 예에 따르면, 상기 금속 폴은 철(iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.According to one embodiment, the metal pole may be made of a metal material containing iron.

본 발명의 실시 예에 따르면, 외경 측에서 원주 방향으로 배열되는 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련되는 전기자 권선을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 반경 방향 외측에 마련되며, 제1 영구 자석, 금속 폴 및 상기 제1 영구 자석보다 상대적으로 낮은 보자력을 가지는 제2 영구 자석이 원주 방향으로 교번 배열되어 이루는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 내경 측에 구비하는 회전자를 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the stator including stator teeth (teeth) arranged in the circumferential direction from the outer diameter side and the armature winding provided on the stator teeth; and a consequent pole provided on a radially outer side of the stator and formed by alternately arranging a first permanent magnet, a metal pole, and a second permanent magnet having a relatively lower coercive force than the first permanent magnet in a circumferential direction. It may include a rotor having an inner diameter side.

이에 따라, 극 변환을 위한 제어가 용이한, 에너지 변환 장치가 제공될 수 있다.Accordingly, an energy conversion device with easy control for polarity conversion can be provided.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 4가지 작동 모드로 전환되는 에너지 변환 장치가 제공될 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, an energy conversion device that is converted into four operating modes may be provided.

즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 저속의 버니어 머신 모드로 작동 시 자속 강화 모드로 더 전환되어, 토크를 증가시킬 수 있고, 고속의 영구자석 동기전동기 모드로 작동 시 자속 약화 모드로 더 전환되어, 상전압을 감소시켜 소비전력을 감소시키거나 더욱 높을 속도를 가질 수 있다.That is, according to an embodiment of the present invention, when operating in the low-speed vernier machine mode, it is further switched to the magnetic flux enhancement mode to increase torque, and when operating in the high-speed permanent magnet synchronous motor mode, it is further switched to the magnetic flux weakening mode , the phase voltage can be reduced to reduce the power consumption or have a higher speed.

이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 버니어 머신 모드와 영구자석 동기전동기 모드를 구현하더라도, 직류 자화 코일을 통하여, 사용 목적에 맞는 우수한 성능을 제공할 수 있는, 에너지 변환 장치가 제공될 수 있다.In this way, according to an embodiment of the present invention, even if the vernier machine mode and the permanent magnet synchronous motor mode are implemented, an energy conversion device capable of providing excellent performance suitable for the purpose of use can be provided through a DC magnetization coil. there is.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 영구자석의 사용량이 감소되어, 제조 비용을 절감할 수 있다.In addition, according to an embodiment of the present invention, the amount of permanent magnets used is reduced, thereby reducing manufacturing costs.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치를 나타낸 단면 모식도이다.
도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대하여 나타낸 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 버니어 머신 모드를 설명하기 위한 참고도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 영구자석 동기전동기 모드를 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치가 자속 강화 모드로 작동하는 경우에 대한 자기등가회로이다.
도 6은 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 강화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 쇄교자속 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 강화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 토크 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치가 자속 약화 모드로 작동하는 경우에 대한 자기등가회로이다.
도 9는 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 약화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 쇄교자속 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 10은 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 약화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 상전압 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.
1 is a schematic cross-sectional view showing an energy conversion device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view showing an enlarged portion "A" in FIG. 1 .
3 is a reference diagram for explaining a vernier machine mode of an energy conversion device according to an embodiment of the present invention.
4 is a reference diagram for explaining a permanent magnet synchronous motor mode of an energy conversion device according to an embodiment of the present invention.
5 is a magnetic equivalent circuit when the energy conversion device according to an embodiment of the present invention operates in a magnetic flux enhancement mode.
6 is a graph showing a comparison of changes in flux linkage depending on whether or not a DC magnetizing coil is used in the magnetic flux enhancement mode of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing a comparison of torque change according to whether a DC magnetizing coil is used in the magnetic flux enhancement mode of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.
8 is a magnetic equivalent circuit when the energy conversion device according to an embodiment of the present invention operates in a magnetic flux weakening mode.
9 is a graph showing a comparison of changes in flux linkage according to whether or not a DC magnetizing coil is used in the magnetic flux weakening mode of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.
10 is a graph illustrating a comparison of phase voltage changes depending on whether or not a DC magnetizing coil is used in a magnetic flux weakening mode of an energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content will be thorough and complete, and the spirit of the present invention will be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

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. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it means that it may be directly formed on the other element or a third element may be interposed therebetween. Also, in the drawings, shapes and sizes are exaggerated for effective description of technical content.

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.In addition, although terms such as first, second, and third are used to describe various elements in various embodiments of the present specification, these elements should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another. Therefore, what is referred to as a first element in one embodiment may be referred to as a second element in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiments. In addition, in this specification, 'and/or' is used to mean including at least one of the elements listed before and after.

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.In the specification, expressions in the singular number include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In addition, the terms "comprise" or "having" are intended to designate that the features, numbers, steps, components, or combinations thereof described in the specification exist, but one or more other features, numbers, steps, or components. It should not be construed as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. In addition, in this specification, "connection" is used to mean both indirectly and directly connecting a plurality of components.

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.In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치를 나타낸 단면 모식도이고, 도 2는 도 1의 "A" 부분을 확대하여 나타낸 확대도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 버니어 머신 모드를 설명하기 위한 참고도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 영구자석 동기전동기 모드를 설명하기 위한 참고도이다.1 is a schematic cross-sectional view showing an energy conversion device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view showing an enlarged portion “A” in FIG. 1, and FIG. 3 is an energy conversion device according to an embodiment of the present invention. It is a reference diagram for explaining the vernier machine mode of the conversion device, and FIG. 4 is a reference diagram for explaining the permanent magnet synchronous motor mode of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 고정자(stator)(110) 및 회전자(rotor)(120)를 포함하여 형성될 수 있다.As shown in FIGS. 1 and 2 , the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention may include a stator 110 and a rotor 120 .

고정자(110)는 회전자(120)의 일측에 마련될 수 있다. 고정자(110)는 회전자(120)의 반경 방향 내측에 마련될 수 있다. 이를 위해, 고정자(110)는 회전자(120)의 내경보다 작은 외경을 가지는 원통형으로 구비될 수 있다.The stator 110 may be provided on one side of the rotor 120 . The stator 110 may be provided inside the rotor 120 in the radial direction. To this end, the stator 110 may be provided in a cylindrical shape having an outer diameter smaller than the inner diameter of the rotor 120 .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 고정자 치(teeth)(111)를 포함할 수 있다. 고정자 치(111)는 복수 개로 구비되어, 고정자(110)의 외경 측 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 고정자 치(111) 사이는 고정자 슬롯으로 정의될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the stator 110 may include stator teeth 111. A plurality of stator teeth 111 may be provided and arranged in a circumferential direction on the outer diameter side of the stator 110 . At this time, the stator teeth 111 adjacent to each other may be defined as stator slots.

이때, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자 치(111)는 모듈레이션 폴로 구비될 수 있다. 상기 모듈레이션 폴은 고정자 치(111)의 선단을 양 갈래로 분기시키는 형태로 이루어질 수 있다. 이와 같이, 고정자 치(111)의 선단이 양 갈래로 분기되는 모듈레이션 폴로 구비됨에 따라, 전체적인 슬롯의 수는 증가될 수 있다.At this time, according to an embodiment of the present invention, the stator tooth 111 may be provided as a modulation pole. The modulation pole may be formed in a form in which the front end of the stator tooth 111 is branched into both branches. In this way, as the front end of the stator tooth 111 is provided with a modulation pole branching into both branches, the total number of slots can be increased.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자 치(111)의 선단이 모듈레이션 폴로 구비됨에 따라, 양 갈래로 분기되는 부분 사이의 슬롯은 장착 홈부(111a)로 정의될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, as the front end of the stator tooth 111 is provided as a modulation pole, the slot between the bifurcated parts may be defined as the mounting groove 111a.

장착 홈부(111a)는 후술되는 직류 자화 코일(113)의 장착 공간을 제공할 수 있다. 이때, 장착 홈부(111a)의 깊이는, 이에 장착되는 직류 자화 코일(113)의 두께와 동일할 수 있다.The mounting groove 111a may provide a mounting space for a DC magnetization coil 113 to be described later. In this case, the depth of the mounting groove 111a may be the same as the thickness of the DC magnetization coil 113 mounted thereon.

이에 따라, 장착 홈부(111a)에 직류 자화 코일(113)이 장착되는 경우, 직류 자화 코일(113)의 상면과, 고정자 치(111)의 선단면은 단차 없는 평탄면을 이룰 수 있다.Accordingly, when the DC magnetization coil 113 is mounted in the mounting groove 111a, the upper surface of the DC magnetization coil 113 and the front end surface of the stator tooth 111 can form a flat surface without a step.

고정자(110)는 전기자 권선(112)을 더 포함할 수 있다. 전기자 권선(112)은 회전자(120)가 회전할 수 있도록 고정자 필드, 즉, 회전 운동 자계(magnetic field)를 생성할 수 있다. 이러한 전기자 권선(112)은 각각의 고정자 치(112)에 마련될 수 있다.The stator 110 may further include an armature winding 112 . The armature winding 112 may generate a stator field, that is, a magnetic field for rotating the rotor 120 to rotate. These armature windings 112 may be provided on each stator tooth 112.

상기 전기자 권선(112)은 인가 받은 전류의 상(phase)에 따라 그룹핑될 수 있다.The armature winding 112 may be grouped according to the phase of the applied current.

예를 들어, 상기 전기자 권선(112)에 2개의 극 쌍수를 가지는 A, B, C의 3 상이 인가되는 경우, 상기 전기자 권선(112)은 제1 전기자 권선(A+, A-), 제2 전기자 권선(B+, B-) 및 제3 전기자 권선(C+, C-)으로 그룹핑될 수 있다.For example, when three phases of A, B, and C having two pole pairs are applied to the armature winding 112, the armature winding 112 includes first armature windings A+ and A-, and second armature windings. It may be grouped into windings B+ and B- and third armature windings C+ and C-.

이때, 특정 고정자 치(111)에는 이종 그룹의 전기자 권선(112)이 형성될 수 있다. 또한, 특정 고정자 치(111)에는 동일한 그룹의 전기자 권선(112)이 형성될 수도 있다.At this time, a heterogeneous group of armature windings 112 may be formed in a specific stator tooth 111 . Also, the same group of armature windings 112 may be formed on a specific stator tooth 111 .

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 직류 자화 코일(DC Magnetizing Coil)(113)을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, according to an embodiment of the present invention, the stator 110 may further include a DC magnetizing coil 113.

직류 자화 코일(113)은 회전자(120)에 구비되는 컨시퀀트 폴과 마주하는 방향으로 고정자 치(111)의 선단 측에 구비될 수 있다.The DC magnetization coil 113 may be provided at the front end side of the stator teeth 111 in a direction facing the consequent pole provided on the rotor 120 .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 직류 자화 코일(113)은 고정자 치(111)의 선단면에 마련되는 장착 홈부(111a)에 장착될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the DC magnetization coil 113 may be mounted in the mounting groove 111a provided on the front end surface of the stator tooth 111 .

이와 같이, 장착 홈부(111a)에 장착되는 직류 자화 코일(113)은 고정차 치(111)의 선단면과 단차 없는 평탄면을 이룰 수 있다.In this way, the DC magnetization coil 113 mounted in the mounting groove 111a can form a flat surface without a step with the front end surface of the fixed difference tooth 111 .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이러한 직류 자화 코일(113)은 후술되는 제2 영구 자석(122)의 착감자를 가능하게 할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the DC magnetization coil 113 may enable the demagnetization of the second permanent magnet 122 to be described later.

이에 따라, 제2 영구 자석(122)의 착자 방향이 변경될 수 있다.Accordingly, the magnetization direction of the second permanent magnet 122 may be changed.

본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 이러한 직류 자화 코일(113)을 구비함으로써, 기존의 복잡한 3상 교류 전류의 제어를 피할 수 있으며, 직류 자화 코일(113)에 DC 펄스 전류를 흘려 낮은 보자력을 가지는 영구 자석(LCF PM)으로 이루어지는 제2 영구 자석(122)의 극 변환을 진행할 수 있다.The energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention is equipped with such a DC magnetizing coil 113, thereby avoiding the conventional complex three-phase AC current control, and the DC pulse current in the DC magnetizing coil 113. , the polarity of the second permanent magnet 122 made of a permanent magnet (LCF PM) having a low coercive force may be performed.

본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)에서는 직류 자화 코일(113)에 의하여 제2 영구 자석(122)의 착자 방향이 변경되어, 버니어 머신 모드 및 영구자석 동기전동기 모드 중 어느 하나의 작동 모드로 전환되어 작동될 수 있다.In the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention, the direction of magnetization of the second permanent magnet 122 is changed by the DC magnetization coil 113, so that any one of the vernier machine mode and the permanent magnet synchronous motor mode is selected. It can be switched to operating mode and operated.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 이러한 직류 자화 코일(113)을 구비함으로써, 작동 모드 별 성능을 최적화 혹은 향상시킬 수 있다.That is, the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention may optimize or improve performance for each operation mode by including the DC magnetization coil 113 .

이때, 구조적으로 고정자 치(111), 보다 상세하게는 고정자 치(111)의 선단에 마련되는 장착 홈부(111a)에 장착되는 직류 자화 코일(113)은 고정자 치(111)에 흐르는 제2 영구 자석(122)의 자속을 감소시키거나 증가시킨다.At this time, the stator tooth 111 structurally, more specifically, the DC magnetization coil 113 mounted in the mounting groove 111a provided at the front end of the stator tooth 111 is a second permanent magnet flowing through the stator tooth 111. Decrease or increase the magnetic flux of (122).

이를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 버니어 머신 모드에서 후술되는 자속 강화 모드(Flux Enhancing mode)로 쉽게 전환될 수 있으며, 영구자석 동기전동기 모드에서 후술되는 자속 약화 모드(Flux Weakening mode)로 쉽게 전환될 수 있는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.Through this, the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention can easily switch from a vernier machine mode to a flux enhancing mode described later, and from a permanent magnet synchronous motor mode to a flux weakening mode described later. (Flux Weakening mode), which will be described in more detail below.

회전자(120)는 생성한 회전자 필드와, 고정자(110)가 생성한 고정자 필드에 의하여 고정자(110)에 대하여 회전할 수 있다.The rotor 120 may rotate with respect to the stator 110 by the generated rotor field and the stator field generated by the stator 110 .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 이러한 회전자(120)는 고정자(110)의 일측에 마련될 수 있다. 회전자(120)는 고정자(110)의 반경 방향 외측에 마련될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, such a rotor 120 may be provided on one side of the stator 110. The rotor 120 may be provided outside the stator 110 in a radial direction.

회전자(120)는 내측에 중공이 형성된 원통 형상으로 구비될 수 있다. 이때, 회전자(120)의 내경은 고정자(110)의 외경보다 크게 구비될 수 있다.The rotor 120 may have a cylindrical shape with a hollow inside. In this case, the inner diameter of the rotor 120 may be larger than the outer diameter of the stator 110 .

이에 따라, 회전자(120)의 내측에 형성되어 있는 중공에는 고정자(110)가 인입될 수 있다.Accordingly, the stator 110 may be inserted into the hollow formed inside the rotor 120 .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자(120)는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 구비할 수 있다. 구체적으로, 회전자(120)는 상기 컨시퀀트 폴을 고정자(110)와 마주하는 내경 측에 구비할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the rotor 120 may include a consequent pole. Specifically, the rotor 120 may have the consequent pole on an inner diameter side facing the stator 110 .

컨시퀀트 폴은 제1 영구 자석(121), 금속 폴(123) 및 제2 영구 자석(122)이 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루어질 수 있다.The consequent pole may be formed by alternately arranging the first permanent magnet 121, the metal pole 123, and the second permanent magnet 122 in the circumferential direction.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 영구 자석(121)은 높은 보자력을 가지는 영구 자석(High Coercive Force Permanent Magnet; HCF PM)으로 구비될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the first permanent magnet 121 may include a high coercive force permanent magnet (HCF PM) having a high coercive force.

예를 들어, 제1 영구 자석(121)은 Nd-Fe-B 성분을 포함하는 영구 자석으로 이루어질 수 있다.For example, the first permanent magnet 121 may be made of a permanent magnet containing Nd-Fe-B components.

이때, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 높은 보자력을 가지는 영구 자석(HCF PM)으로 이루어지는 제1 영구 자석(121)과, 상대적으로 낮은 보자력을 가지는 영구 자석((Low Coercive Force Permanent Magnet; LCF PM)으로 이루어지는 제2 영구 자석(122) 간의 커플링 효과를 줄이기 위하여, 제1 영구 자석(121)과 제2 영구 자석(122)은 서로 다른 크기로 구비될 수 있다.At this time, according to an embodiment of the present invention, the first permanent magnet 121 made of a permanent magnet (HCF PM) having a high coercive force, and a permanent magnet (Low Coercive Force Permanent Magnet (LCF PM) having a relatively low coercive force) In order to reduce the coupling effect between the second permanent magnets 122 made of ), the first permanent magnet 121 and the second permanent magnet 122 may be provided with different sizes.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 영구 자석(121)은 제2 영구 자석(122)보다 상대적으로 작은 체적을 가질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the first permanent magnet 121 may have a relatively smaller volume than the second permanent magnet 122 .

예를 들어, 제1 영구 자석(121)은 제2 영구 자석(122)과 동일한 폭을 가질 수 있으며, 제2 영구 자석(122)보다 상대적으로 얇은 두께를 가질 수 있다.For example, the first permanent magnet 121 may have the same width as the second permanent magnet 122 and may have a relatively smaller thickness than the second permanent magnet 122 .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 영구 자석(121)의 폭은 금속 폴(123)의 폭보다 상대적으로 넓은 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 영구 자석(121)의 폭은 금속 폴(123)의 폭의 2배일 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the width of the first permanent magnet 121 may have a relatively wider width than that of the metal pole 123 . For example, the width of the first permanent magnet 121 may be twice the width of the metal pole 123 .

금속 폴(123)은 제1 영구 자석(121)과 제2 영구 자석(122) 사이에 구비될 수 있다. 금속 폴(123)의 폭 방향 양단은 제1 영구 자석(121) 및 제2 영구 자석(122)에 각각 밀착될 수 있다.The metal pole 123 may be provided between the first permanent magnet 121 and the second permanent magnet 122 . Both ends of the metal pole 123 in the width direction may be in close contact with the first permanent magnet 121 and the second permanent magnet 122 , respectively.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수 개의 제1 영구 자석(121), 복수 개의 금속 폴(123) 및 복수 개의 제2 영구 자석(122)이 원주 방향으로 서로 밀착되어 컨시퀀트 폴을 이룰 수 있다.That is, according to an embodiment of the present invention, the plurality of first permanent magnets 121, the plurality of metal poles 123, and the plurality of second permanent magnets 122 are in close contact with each other in the circumferential direction to form consequent poles. can

한편, 금속 폴(123)은 서로 동일한 폭을 가지는 제1 영구 자석(121) 및 제2 영구 자석(122)의 폭보다 상대적으로 좁은 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 금속 폴(123)의 폭은 제1 영구 자석(121)의 폭의 1/2일 수 있다.Meanwhile, the metal pole 123 may have a relatively smaller width than the widths of the first permanent magnet 121 and the second permanent magnet 122 having the same width. For example, the width of the metal pole 123 may be 1/2 of the width of the first permanent magnet 121 .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 금속 폴(123)은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 금속 폴(123)은 철(iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the metal pole 123 may be made of a metal material. For example, the metal pole 123 may be made of a metal material including iron.

이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 기존의 영구 자석의 한 극을 철심인 금속 폴(123)로 대체한 형상을 가질 수 있다.In this way, according to an embodiment of the present invention, one pole of an existing permanent magnet may have a shape in which a metal pole 123 serving as an iron core is replaced.

이와 같이 기존의 한 극이 제거되었기 때문에 제1 영구 자석(121)과 제2 영구 자석(122) 간의 간격이 멀어지게 되며, 이를 통하여, 극 변환을 위한 제2 영구 자석(122)의 자화 방향을 통일 시킬 수 있다. 이는, 극 변환의 위한 제어가 용이해진다는 것을 의미하는데, 이러한 극 변환을 위한 제어는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.Since one existing pole is removed in this way, the distance between the first permanent magnet 121 and the second permanent magnet 122 becomes farther, and through this, the magnetization direction of the second permanent magnet 122 for pole conversion is changed. can be unified. This means that the control for the polarity change becomes easy, and the control for the polarity change will be described in more detail below.

이때, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자(120)는 금속 폴(123)에 의하여 돌극형 형상을 가지게 되고, 이를 통하여, 릴럭턴스 토크를 추가적으로 얻을 수 있다.At this time, according to an embodiment of the present invention, the rotor 120 has a salient pole shape by the metal pole 123, and through this, reluctance torque can be additionally obtained.

하지만, 이는, 비용 대비 토크 특성이 증가하나 컨시퀀트 폴을 적용하지 않을 때보다 낮은 토크를 가지게 된다.However, this increases the cost-to-torque characteristics but has a lower torque than when the consequent pole is not applied.

본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 이러한 단점을 보완하기 위해, 직류 자화 코일(113)을 구비하며, 이를 위한 공간 활용을 위하여 하나의 고정자 치(111)에서 두 개의 갈라진 치가 나오는 형태의 모듈레이션 폴을 구비하는 것이다.The energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention includes a DC magnetizing coil 113 to compensate for this disadvantage, and two teeth split from one stator tooth 111 to utilize space for this. It is to have a modulation pole in the form of coming out.

제2 영구 자석(122)은 제1 영구 자석(121)보다 상대적으로 낮은 보자력을 가지는 영구 자석(Low Coercive Force Permanent Magnet; LCF PM)으로 구비될 수 있다.The second permanent magnet 122 may be provided as a low coercive force permanent magnet (LCF PM) having a relatively lower coercive force than the first permanent magnet 121 .

예를 들어, 제2 영구 자석(122)은 AlNiCo을 베이스로 한 영구 자석으로 이루어질 수 있다.For example, the second permanent magnet 122 may be made of a permanent magnet based on AlNiCo.

이때, 전술한 바와 같이, 제2 영구 자석(122)은 제1 영구 자석(121)과의 커플링 효과를 줄이기 위하여, 제1 영구 자석(121)과 서로 다른 크기로 구비될 수 있다.At this time, as described above, the second permanent magnet 122 may have a different size from the first permanent magnet 121 in order to reduce a coupling effect with the first permanent magnet 121 .

이에, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 영구 자석(122)은 제1 영구 자석(121)보다 상대적으로 큰 체적을 가질 수 있다.Accordingly, according to an embodiment of the present invention, the second permanent magnet 122 may have a relatively larger volume than the first permanent magnet 121 .

예를 들어, 제2 영구 자석(122)은 제1 영구 자석(121)과 동일한 폭을 가질 수 있으며, 제1 영구 자석(121)보다 상대적으로 두꺼운 두께를 가질 수 있다.For example, the second permanent magnet 122 may have the same width as the first permanent magnet 121 and may have a relatively thicker thickness than the first permanent magnet 121 .

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 영구 자석(122)의 폭은 금속 폴(123)의 폭보다 상대적으로 넓은 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 영구 자석(122)의 폭은 금속 폴(123)의 폭의 2배일 수 있다.Also, according to an embodiment of the present invention, the width of the second permanent magnet 122 may have a relatively wider width than that of the metal pole 123 . For example, the width of the second permanent magnet 122 may be twice the width of the metal pole 123 .

이와 같이, 직류 자화 코일(113)을 구비하는 고정자(110) 및 제1 영구 자석(121), 금속 폴(123) 및 제2 영구 자석(121)으로 이루어진 컨시퀀트 폴을 구비하는 회전자(120)를 포함하는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 버니어 머신 모드(Vernier machine mode; VM mode) 및 영구자석 동기전동기 모드(permanent magnet synchronous machine mode; PMSM mode) 중 어느 하나의 작동 모드로 전환될 수 있다.As such, the stator 110 including the DC magnetization coil 113 and the rotor 120 including the consequent poles composed of the first permanent magnet 121, the metal pole 123, and the second permanent magnet 121 ), the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention includes any one of a Vernier machine mode (VM mode) and a permanent magnet synchronous machine mode (PMSM mode) can be switched to the operating mode of

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 작동 모드인 버니어 머신 모드 및 영구자석 동기전동기 모드에 대하여 도 3 및 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, the vernier machine mode and the permanent magnet synchronous motor mode, which are operating modes of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 3 and 4 .

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 버니어 머신 모드를 설명하기 위한 참고도이다.3 is a reference diagram for explaining a vernier machine mode of an energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)가 버니어 머신 모드로 작동하는 경우, 제2 영구 자석(122)은 직류 자화 코일(113)에 의하여, 제1 영구 자석(121)과 동일한 착자 방향을 가질 수 있다.Referring to FIG. 3 , when the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention operates in the vernier machine mode, the second permanent magnet 122 is formed by the DC magnetization coil 113, and the first permanent magnet It may have the same magnetization direction as (121).

이때, 컨시퀀트 폴에 적용되는, 철심으로 이루어진 금속 폴(123)은 영구 자석의 역할을 하게 된다. 이에 따라, 자속 선도는 컨시퀀트 폴 부분에서 흐를 수 있다.At this time, the metal pole 123 made of an iron core applied to the consequent pole serves as a permanent magnet. Accordingly, the magnetic flux curve may flow in the consequent pole portion.

이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 하기의 수식 1로 정의되는 버니어 머신 모드의 설계 조건을 만족하여 해당 모드로 작동할 수 있다.Accordingly, the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention satisfies the design condition of the vernier machine mode defined by Equation 1 below and can operate in the corresponding mode.

[수식 1][Equation 1]

±Zr = Zs - p±Z r = Z s - p

여기서, 상기 Zr, Zs 및 p는 각각, 회전자(120)의 극 쌍수, 고정자(110)의 극 쌍수, 및 전기자 권선(112)의 극 쌍수 이며, 이때, 각 설계 값은 Zr = 24, Zs = 36 및 p = 12이다.Here, Z r , Z s and p are the number of pole pairs of the rotor 120, the number of pole pairs of the stator 110, and the number of pole pairs of the armature winding 112, respectively. At this time, each design value is Z r = 24, Z s = 36 and p = 12.

또한, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 영구자석 동기전동기 모드를 설명하기 위한 참고도이다.4 is a reference diagram for explaining the permanent magnet synchronous motor mode of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)가 영구자석 동기전동기 모드로 작동하는 경우, 제2 영구 자석(122)은 직류 자화 코일(113)에 의하여, 제1 영구 자석(121)과 반대 방향의 착자 방향을 가질 수 있다. 이때, 모든 제2 영구 자석(122)은 동일한 착자 방향을 가질 수 있다.Referring to FIG. 4 , when the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention operates in the permanent magnet synchronous motor mode, the second permanent magnet 122 is driven by the DC magnetization coil 113, It may have a magnetization direction opposite to that of the permanent magnet 121 . At this time, all the second permanent magnets 122 may have the same magnetization direction.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 직류 자화 코일(113)에 DC 전류를 인가하여, 제2 영구 자석(122)의 착자 방향을, 버니어 머신 모드일 때의 착자 방향과 반대되는 방향으로 변경하면, 에너지 변환 장치(100)는 버니어 머신 모드에서 영구자석 동기전동기 모드로 쉽게 전환될 수 있다. That is, according to an embodiment of the present invention, DC current is applied to the DC magnetization coil 113 to change the magnetization direction of the second permanent magnet 122 to a direction opposite to the magnetization direction in the vernier machine mode. If so, the energy conversion device 100 can be easily switched from the vernier machine mode to the permanent magnet synchronous motor mode.

본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 하기의 수식 2로 정의되는 영구자석 동기전동기 모드의 설계 조건을 만족하여 해당 모드로 작동할 수 있다.The energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention satisfies the design condition of the permanent magnet synchronous motor mode defined by Equation 2 below and can operate in the corresponding mode.

[수식 2][Equation 2]

Zr = pZ r = p

여기서, 제2 영구 자석(122)의 착자 방향을 변경하여 극 변환이 되면, Zr은 12가 되며, 이는, 전기자 권선(112)의 극 쌍수 12와 동일하다.Here, when the polarity is changed by changing the magnetization direction of the second permanent magnet 122 , Z r becomes 12, which is the same as the number of pole pairs of the armature winding 112 12 .

이하, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 작동 모드인 자속 강화 모드 및 자속 약화 모드에 대하여, 도 5 내지 도 10을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, a magnetic flux enhancement mode and a magnetic flux weakening mode, which are operating modes of an energy conversion device according to an embodiment of the present invention, will be described with reference to FIGS. 5 to 10 .

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 버니어 머신 모드는 자속 강화 모드(Flux Enhancing mode)로 더 전환될 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the vernier machine mode may be further converted to a flux enhancing mode.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치가 자속 강화 모드로 작동하는 경우에 대한 자기등가회로이다.5 is a magnetic equivalent circuit when the energy conversion device according to an embodiment of the present invention operates in a magnetic flux enhancement mode.

도 5를 참조하면, 자속 강화 모드에서는 버니어 머신 모드에서의 자속 선도에 맞춰, 직류 자화 코일(113)에 자속의 흐름에 맞춰 DC 전류를 흐르게 하여 자속을 높일 수 있다. 이에 따라, 더 높은 토크를 얻을 수 있다.Referring to FIG. 5 , in the magnetic flux enhancement mode, the magnetic flux may be increased by allowing a DC current to flow in the DC magnetizing coil 113 according to the magnetic flux flow according to the magnetic flux curve in the vernier machine mode. Accordingly, higher torque can be obtained.

하지만, 직류 자화 코일(113)에 높은 전류를 흘릴수록 자속 밀도가 높아지고 이에 따라, 고정자(110)의 고정자 치(111) 및 모듈레이션 폴 부분에서 자속 포화가 일어나 성능이 감소될 수 있다.However, as a high current flows through the DC magnetizing coil 113, the magnetic flux density increases, and accordingly, magnetic flux saturation occurs in the stator teeth 111 and the modulation pole portion of the stator 110, which may reduce performance.

따라서, 평균 토크 등을 고려하여 구동을 위한 3상 AC 전류와 자속 강화를 위한 DC 전류의 이상적인 전류 값을 직류 자화 코일(113)에 흘려야 한다.Therefore, ideal current values of the three-phase AC current for driving and the DC current for magnetic flux enhancement should flow to the DC magnetizing coil 113 in consideration of the average torque and the like.

여기서, 도 5의 자기등가회로에 표시되어 있는 FHm과 RHm은 각각 제1 영구 자석(121)의 기자력과 자기 저항이며, FLm과 RLm은 각각 제2 영구 자석(122)의 기자력과 자기등가회로이고, Rr, Rs, Rg는 각각 회전자(120), 고정자(110) 및 공극의 자기 저항이다.Here, F Hm and R Hm shown in the magnetic equivalent circuit of FIG. 5 are the magnetomotive force and magnetic resistance of the first permanent magnet 121, respectively, and F Lm and R Lm are the magnetomotive force of the second permanent magnet 122 and It is a magnetic equivalent circuit, and R r , R s , and R g are the magnetic resistances of the rotor 120, the stator 110, and the air gap, respectively.

도 6은 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 강화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 쇄교자속 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.6 is a graph showing a comparison of changes in flux linkage depending on whether or not a DC magnetizing coil is used in the magnetic flux enhancement mode of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 자속 강화 모드에서는 쇄교자속이 일정한 구간에서만 증가하는 것을 확인할 수 있다. 강화 전류의 인가 시에는 에너지 변환 장치(100)의 자속이 증가하게 되지만, 증가된 자속은 LCF PM으로 이루어지는 제2 영구 자석(122)을 감자시킨다.Referring to FIG. 6 , it can be seen that in the magnetic flux enhancement mode, the flux linkage increases only in a certain section. When the strengthening current is applied, the magnetic flux of the energy conversion device 100 increases, but the increased magnetic flux demagnetizes the second permanent magnet 122 made of LCF PM.

자속 강화 전류로 인한 자속이 회전자(120)로 향할 때, 제2 영구 자석(122)의 감자 효과가 크게 발생되며, 고정자(110) 내부 방향으로 흐를 때 감자 효과가 작게 발생된다. 이는, 자속 강화 전류를 인가하여도 제2 영구 자석(122)의 감자로 인하여 성능이 오히려 더 감소되는 상황이 발생된다.When the magnetic flux due to the magnetic flux enhancement current is directed to the rotor 120, a large demagnetization effect of the second permanent magnet 122 is generated, and a small demagnetization effect is generated when the magnetic flux flows toward the inside of the stator 110. This causes a situation in which performance is rather reduced due to demagnetization of the second permanent magnet 122 even when a magnetic flux enhancing current is applied.

이러한 성능 저하를 방지하기 위해, 제2 영구 자석(122)에 감자 영향을 가장 적게 주는 고정자(120) 내부 방향에 일시적으로 자속 강화 전류를 인가하여 제2 영구 자석(122)의 감자를 최소화시키면서 성능을 증가시키게 된다. 하지만, 이러한 방법으로는 에너지 변환 장치(100)의 성능이 크게 증가되지 않는다.In order to prevent such performance deterioration, magnetic flux enhancement current is temporarily applied to the inner direction of the stator 120 having the least demagnetization effect on the second permanent magnet 122, thereby minimizing the demagnetization of the second permanent magnet 122 while minimizing performance. will increase However, in this method, performance of the energy conversion device 100 is not significantly increased.

여기서, 쇄교자속(Flux linkage)은 전기자 권선(112)을 관통하는 자속의 합을 의미하며, 인덕턴스는 단위 전류 당 쇄교하는 자속을 의미한다. 인덕턴스는 자기인덕턴스(self-inductance), 상호인덕턴스(mutual-inductance)로 나뉘어지고, 자기인덕턴스는 코일을 직접 통과하며 발생되는 자속의 양을 의미하며, 상호인덕턴스는 코일이 통과될 때, 다른 코일에 쇄교하는 자속의 양을 의미한다.Here, flux linkage means the sum of magnetic flux passing through the armature winding 112, and inductance means magnetic flux linkage per unit current. Inductance is divided into self-inductance and mutual-inductance. Self-inductance refers to the amount of magnetic flux generated by directly passing through a coil. It means the amount of magnetic flux linkage.

참고로, 도 6에 도시한 그래프의 실선은 직류 자화 코일(113)을 사용하지 않은 쇄교자속이며, 그래프의 점선은 직류 자화 코일(113)을 사용했을 때의 쇄교자속이다.For reference, the solid line in the graph shown in FIG. 6 is the flux linkage without using the DC magnetizing coil 113, and the dotted line in the graph is the flux linkage when the DC magnetizing coil 113 is used.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 강화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 토크 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.7 is a graph showing a comparison of torque change according to whether a DC magnetizing coil is used in the magnetic flux enhancement mode of the energy conversion device according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 그래프의 실선은 직류 자화 코일(113)을 사용하지 않은, 즉, 자속 강화 전류를 인가하지 않은 경우의 토크 변화이며, 그래프의 점선은 직류 자화 코일(113)을 사용한, 즉, 자속 강화 전류를 인가하는 경우의 토크 변화이다.Referring to FIG. 7 , the solid line in the graph is the torque change when the DC magnetizing coil 113 is not used, that is, when the magnetic flux enhancement current is not applied, and the dotted line in the graph is the torque change when the DC magnetizing coil 113 is used, that is, , is the torque change when applying the magnetic flux enhancing current.

자속 강화 모드에서는 자속 강화 전류를 인가하는 경우, 증가된 쇄교자속에 따라, 토크가 증가하는 것을 알 수 있다. 이때, 토크는 인가되는 자속 강화 전류에 따라 증가하다가 특정 전류에 도달하면, 오히려 감소될 수 있다.It can be seen that in the magnetic flux enhancing mode, when a magnetic flux enhancing current is applied, the torque increases according to the increased flux linkage. At this time, the torque may increase according to the applied magnetic flux enhancement current, and may rather decrease when a specific current is reached.

예를 들어, 토크는 1A부터 3A의 자속 강화 전류를 흘릴 때 증가하다가 4A부터는 오히려 감소될 수 있다.For example, the torque may increase when a flux enhancement current of 1A to 3A flows, but may rather decrease from 4A.

한편, 모든 기기는 구동을 위해 인버터를 사용하며, 인버터의 크기와 성능에 따라 속도와 성능의 제한이 있다. 즉, 상전압 값이 낮을수록 인버터에 따른 속도와 성능의 제한을 피할 수 있다.On the other hand, all devices use an inverter for driving, and there are limitations in speed and performance depending on the size and performance of the inverter. That is, as the value of the phase voltage is lowered, limitations in speed and performance due to the inverter can be avoided.

이에, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 영구자석 동기전동기 모드는 자속 약화 모드(Flux Weakening mode)로 더 전환될 수 있다.Accordingly, according to an embodiment of the present invention, the permanent magnet synchronous motor mode may be further converted into a flux weakening mode.

도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치가 자속 약화 모드로 작동하는 경우에 대한 자기등가회로이다.8 is a magnetic equivalent circuit for a case where the energy conversion device according to an embodiment of the present invention operates in a magnetic flux weakening mode.

도 8을 참조하면, 자속 약화 모드에서는 영구자속 동기전동기 모드에서의 자속 선도에 맞춰, 직류 자화 코일(113)에 자속의 흐름에 반하는 DC 전류를 흐르게 하여 자속을 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 영구자석 동기전동기 모드에 비해 역기전력과 토크 값이 줄어들게 된다.Referring to FIG. 8 , in the magnetic flux weakening mode, the magnetic flux may be reduced by flowing a DC current that opposes the flow of magnetic flux to the DC magnetizing coil 113 according to the magnetic flux curve in the permanent flux synchronous motor mode. Accordingly, counter electromotive force and torque values are reduced compared to the permanent magnet synchronous motor mode.

고속 운전을 위한 영구자석 동기전동기 모드에서는 상전압이 높아 인버터에 제한이 있는 문제가 있다. 자속 약화 모드는 자속을 낮춰 상전압을 낮출 수 있고, 이에 따라, 인버터의 문제를 피할 수 있으며, 더 넓은 속도 영역을 가질 수 있게 된다.In the permanent magnet synchronous motor mode for high-speed operation, there is a problem that the inverter is limited due to high phase voltage. In the flux weakening mode, the phase voltage can be lowered by lowering the magnetic flux, and thus, problems in the inverter can be avoided and a wider speed range can be obtained.

여기서, 도 8의 자기등가회로에 표시되어 있는 FHm과 RHm은 각각 제1 영구 자석(121)의 기자력과 자기 저항이며, FLm과 RLm은 각각 제2 영구 자석(122)의 기자력과 자기등가회로이고, Rr, Rs, Rg는 각각 회전자(120), 고정자(110) 및 공극의 자기 저항이다.Here, F Hm and R Hm shown in the magnetic equivalent circuit of FIG. 8 are the magnetomotive force and magnetic resistance of the first permanent magnet 121, respectively, and F Lm and R Lm are the magnetomotive force of the second permanent magnet 122 and It is a magnetic equivalent circuit, and R r , R s , and R g are the magnetic resistances of the rotor 120, the stator 110, and the air gap, respectively.

도 9는 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 약화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 쇄교자속 변화를 비교하여 나타낸 그래프이고, 도 10은 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치의 자속 약화 모드 시, 직류 자화 코일 사용 여부에 따른 상전압 변화를 비교하여 나타낸 그래프이다.9 is a graph showing a comparison of flux linkage changes depending on whether or not a DC magnetizing coil is used in a magnetic flux weakening mode of an energy conversion device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 10 is an energy conversion device according to an embodiment of the present invention It is a graph showing the phase voltage change according to whether DC magnetizing coil is used or not in the magnetic flux weakening mode.

여기서, 도 9에 도시된 그래프의 실선은 직류 자화 코일을 사용하지 않은 경우의 쇄교자속 변화를 나타내며, 점선은 직류 자화 코일을 사용했을 때의 쇄교자속 변화를 나타낸다.Here, the solid line in the graph shown in FIG. 9 represents the change in flux linkage when the DC magnetizing coil is not used, and the dotted line represents the change in flux linkage when the DC magnetization coil is used.

또한, 도 10에 도시된 그래프의 실선은 직류 자화 코일을 사용하지 않은 경우의 상전압 변화를 나타내며, 점선은 직류 자화 코일을 사용했을 때의 상전압 변화를 나타낸다.In the graph shown in FIG. 10 , a solid line indicates a phase voltage change when a DC magnetizing coil is not used, and a dotted line indicates a phase voltage change when a DC magnetizing coil is used.

도 9 및 도 10을 참조하면, 자속 약화 모드에서는 감소된 쇄교자속에 따라 상전압이 약 32.5% 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이는, 동일한 상용 인버터 사용 시 소비전력을 낮추거나 높은 속도로 작동 가능함을 의미한다.Referring to FIGS. 9 and 10 , it can be seen that the phase voltage is reduced by about 32.5% in the flux weakening mode according to the reduced flux linkage. This means that power consumption can be lowered or operated at high speed when using the same commercial inverter.

전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 극 변환을 위한 제어가 용이한 에너지 변환 장치(100)가 제공될 수 있다.As described above, according to an embodiment of the present invention, the energy conversion device 100 that can be easily controlled for polarity conversion can be provided.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에너지 변환 장치(100)는 직류 자화 코일(113)을 구비함으로써, 총 4가지의 작동 모드로 쉽게 전환될 수 있다.That is, since the energy conversion device 100 according to an embodiment of the present invention includes the DC magnetizing coil 113, it can be easily switched to a total of four operating modes.

에너지 변환 장치(100)는 영구자석 동기전동기 모드에서 자속 약화 모드로 더 전환될 수 있으며, 이를 통하여, DC 전류 값에 따라 쉽게 자속을 줄일 수 있으며, 이는, 상전압을 낮춰 인버터의 용량을 낮추거나 더 넓은 속도 영역을 갖게 한다.The energy conversion device 100 may further switch from the permanent magnet synchronous motor mode to the magnetic flux weakening mode, and through this, the magnetic flux can be easily reduced according to the DC current value, which lowers the capacity of the inverter by lowering the phase voltage or It has a wider speed range.

또한, 에너지 변환 장치(100)는 버니어 머신 모드에서 자속 강화 모드로 더 전환될 수 있으며, 이에 따라, 자속이 더 증가시켜 더 높은 토크를 얻을 수 있다.In addition, the energy conversion device 100 may further switch from the vernier machine mode to the magnetic flux enhancement mode, and thus, the magnetic flux may be further increased to obtain higher torque.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 4가지 작동 모드를 통하여, 사용 목적에 맞는 우수한 성능을 제공할 수 있는 에너지 변환 장치(100)가 제공될 수 있다.That is, according to an embodiment of the present invention, the energy conversion device 100 capable of providing excellent performance suitable for the purpose of use can be provided through the above four operating modes.

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.In the above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted according to the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

100; 에너지 변환 장치
110; 고정자
111; 고정자 치
111a; 장착 홈부
112; 전기자 권선
113; 직류 자화 코일
120; 회전자
121; 제1 영구 자석
122; 제2 영구 자석
123; 금속 폴
100; energy conversion device
110; stator
111; stator teeth
111a; mounting groove
112; armature winding
113; DC magnetizing coil
120; rotor
121; First permanent magnet
122; Second permanent magnet
123; metal pole

Claims (12)

외경 측에서 원주 방향으로 배열되는 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련되는 전기자 권선을 포함하는 고정자; 및
상기 고정자의 반경 방향 외측에 마련되며, 제1 영구 자석, 금속 폴 및 상기 제1 영구 자석보다 상대적으로 낮은 보자력을 가지는 제2 영구 자석이 원주 방향으로 교번 배열되어 이루는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 내경 측에 구비하는 회전자;를 포함하는, 에너지 변환 장치.
a stator including stator teeth arranged in a circumferential direction from an outer diameter side and armature windings provided on the stator teeth; and
A consequent pole provided on the outer side of the stator in the radial direction and formed by alternately arranging a first permanent magnet, a metal pole, and a second permanent magnet having a relatively lower coercive force than the first permanent magnet in a circumferential direction A rotor provided on the inner diameter side; including, an energy conversion device.
제1 항에 있어서,
버니어 머신 모드 및 영구자석 동기전동기 모드 중 어느 하나의 작동 모드로 전환되되,
상기 버니어 머신 모드로 작동하는 경우, 상기 제1 영구 자석과 제2 영구 자석은 동일한 착자 방향을 가지며,
상기 제2 영구 자석의 착자 방향을 반대 방향으로 변경하면, 상기 버니어 머신 모드에서 상기 영구자석 동기전동기 모드로 전환되는, 에너지 변환 장치.
According to claim 1,
Converted to one of the operating modes of vernier machine mode and permanent magnet synchronous motor mode,
When operating in the vernier machine mode, the first permanent magnet and the second permanent magnet have the same magnetization direction,
When the magnetization direction of the second permanent magnet is changed to the opposite direction, the vernier machine mode is switched to the permanent magnet synchronous motor mode.
제2 항에 있어서,
상기 버니어 머신 모드는 자속 강화 모드(Flux Enhancing mode)로 더 전환되고, 상기 영구자석 동기전동기 모드는 자속 약화 모드(Flux Weakening mode)로 더 전환되는, 에너지 변환 장치.
According to claim 2,
The vernier machine mode is further converted to a flux enhancing mode (Flux Enhancing mode), and the permanent magnet synchronous motor mode is further converted to a flux weakening mode (Flux Weakening mode).
제3 항에 있어서,
상기 고정자는 상기 제2 영구 자석의 착감자를 가능하게 하는 직류 자화 코일을 더 포함하는, 에너지 변환 장치.
According to claim 3,
The energy conversion device of claim 1, wherein the stator further includes a DC magnetization coil enabling demagnetization of the second permanent magnet.
제4 항에 있어서,
상기 버니어 머신 모드는 상기 직류 자화 코일의 전류 값에 따라 자속이 증가되어 상기 자속 강화 모드로 전환되는, 에너지 변환 장치.
According to claim 4,
The energy conversion device, wherein the vernier machine mode is switched to the magnetic flux enhancement mode by increasing magnetic flux according to the current value of the DC magnetizing coil.
제4 항에 있어서,
상기 영구자석 동기전동기 모드는 상기 직류 자화 코일의 전류 값에 따라 자속이 감소되어 상기 자속 약화 모드로 전환되는, 에너지 변환 장치.
According to claim 4,
The permanent magnet synchronous motor mode is converted to the magnetic flux weakening mode by reducing magnetic flux according to the current value of the DC magnetizing coil.
제4 항에 있어서,
상기 직류 자화 코일은, 상기 컨시퀀트 폴과 마주하는 방향으로 상기 고정자 치의 선단 측에 구비되는, 에너지 변환 장치.
According to claim 4,
The energy conversion device of claim 1 , wherein the DC magnetizing coil is provided at a front end side of the stator teeth in a direction facing the consequent poles.
제7 항에 있어서,
상기 고정자 치의 선단면에는 상기 직류 자화 코일이 장착되는 장착 홈부가 마련되며,
상기 장착 홈부는 상기 고정자 치의 선단을 양 갈래로 분기시키는 형태로 마련되고, 상기 고정자 치는 상기 장착 홈부에 의해 모듈레이션 폴로 구비되는, 에너지 변환 장치.
According to claim 7,
A mounting groove in which the DC magnetizing coil is mounted is provided on the front end surface of the stator tooth,
The energy conversion device of claim 1 , wherein the mounting groove portion is provided in a form in which the tip of the stator tooth is bifurcated, and the stator tooth is provided as a modulation pole by the mounting groove portion.
제8 항에 있어서,
상기 장착 홈부에 장착되는 상기 직류 자화 코일의 상면과 상기 고정자 치의 선단면은 단차 없는 평탄면을 이루는, 에너지 변환 장치.
According to claim 8,
The energy conversion device of claim 1 , wherein an upper surface of the DC magnetization coil mounted in the mounting groove part and a front end surface of the stator teeth form a flat surface without a step difference.
제1 항에 있어서,
상기 제2 영구자석은 상기 제1 영구 자석보다 상대적으로 큰 체적을 가지는, 에너지 변환 장치.
According to claim 1,
The second permanent magnet has a relatively larger volume than the first permanent magnet.
제1 항에 있어서,
상기 금속 폴은 상기 제1 영구 자석 또는 제2 영구 자석의 폭보다 상대적으로 좁은 폭을 가지는, 에너지 변환 장치.
According to claim 1,
The energy conversion device, wherein the metal pole has a relatively narrower width than that of the first permanent magnet or the second permanent magnet.
제1 항에 있어서,
상기 금속 폴은 철(iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어지는, 에너지 변환 장치.
According to claim 1,
The metal pole is made of a metal material containing iron (iron), energy conversion device.
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