KR810001040B1 - 토오크 제어 모터 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

토오크 제어 모터

제1도는 본 발명을 설명하기 위한 개략도.

제2도는 본 발명의 한 구체형의 개략도.

제3도는 본 발명의 또 다른 구체형의 개략도.

제4도는 모터의 RPM에 반응하는 시스템을 포함한 본 발명의 구체형의 개략도.

제5도는 전류 변화에 반응하는 시스템을 포함한 본 발명의 구체형의 개략도.

본 발명은 선 전압과 부하 그리고 사용조건의 변화에 따라 고정자의 V-sec용량(＂자속＂용량)을 변화시키기 위해서 고정자에 제어 권선을 포함한 모터에 관한 것이다. 제어 자속을 발생시키는 제어 권선의 전류는 외부 전류원에 의해서 공급되거나 혹은 고정자에 감겨 있는 궤환 권선에 의해 공급된다.

본 발명의 모터는 미국특허 제4,063,135의 모터와 관계되는 것으로서, 이미 공고된 모터는 대단히 만족스런 동작을 하지만 선 전압과 부하 그리고 사용 조건의 변화에 따라서 V-sec 용량을 변화시킴으로써 보다 큰 동작 효율을 얻을 수 있다는 것을 알았다.

V-sec의 용량을 변화시킴으로써 종래의 모터의 총 손실 중에서 큰 부분을 차지하며, 제어할 수 없었던 고정자 자기 손실과 고정자 구리 손실을 모터의 용도에 따라 변화시킬 수 있다. 즉 다시 말하면 본 발명의 모터가 무부하시 동작할 경우 V-sec 용량은 대단히 작아져서 고정자 자기 손실과 고정자 구리 손실은 대단히 감소된다. 그러나, 이 경우 V-sec 용량은 무부하시에도 모터를 구동시킬 만큼 충분한 전력(power)를 만들어 낼 수 있다. 모터에 부하가 걸릴 때, V-sec 용량은 충분한 전력을 공급할 수 있는 점까지 증가한다. 물론 부하가 인가되어 있는 동안 모터의 내부 손실은 증가하지만 전 부하 상태의 경우 보다는 작다. 손실은 모터에 인가되는 부하에 따라 변화하고, 동작시간 동안, 전 부하 상태로서만 동작하는 경우는 거의 없기 때문에 평균 내부 손실은 현저히 감소된다. 따라서 효율은 증가한다. 그 결과 어떠한 부하 상태에서도 만족스런 모터가 되면, 손실이 거의 같은 기존의 모터에 비해 전기 에너지 소모가 적다.

본 발명에서 V-sec 용량의 제어는 고정자에 제공되어 있는 제어권선에 의해서 이루어진다. 제어권선이 활성화될 때 고정자 코어는 부분적으로 포화상태가 되어 고정자 코어의 자기단면적(magnetic Cross Sectional area)을 효과적으로 감소시키게 된다. 이러한 자기단면적의 감소는 코어의 V-sec 용량을 감소시키며, 그 결가 권선에 유도되는 역기전력도 감소되기 때문에 캐패시터의 전압강하도 감소하여 캐패시터에 저장되는 에너지는 감소하여 모터의 손실을 감소시킬 수 있다.

제어권선의 전류를 모터의 상태(예를 들면 부하)의 함수로 만듬으로서 모터가 모든 부하 상태에서 대단히 효율적으로 동작하도록 만들 수 있다. 따라서, 무 부하시 제어 전류를 높여서 코어의 유효단면적을 작게 하여 순환 에너지와 그에 상응하는 손실을 감소시킨다. 부하가 증가함에 따라 제어 전류를 감소시켜 모터의 V-sec 용량에 의한 전력(power handling capacity)을 증가한 부하를 구동시키기에 필요한 수준까지 증가시킨다. 물론 제어전류는 선 전압이나 속도 혹은 다른 모터의 상태에 반응하도록 제작할 수 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 대단히 효율적으로 동작하는 전기모터를 제공하는 것이다.

그리고, 또 다른 목적은 모터의 용도에 따라 에너지의 전달을 변화시킬 수 있는(결과적으로 내부 손실을 변화시킬 수 있는) 모터를 제공하는 것이다.

제1도는 본 발명의 간소화된 구체형의 개략도이다.

농형 AC 유도 전동기는 (10)으로 표시되어 있고, 자성체인 고정자 (12)와 농형 회전지(14)가 도해되어 있다. 고정자는 4개의 극편(16), (18), (20), (22)을 가지지만 필요하다면 많이 사용할 수도 있다.

그리고 극편의 배열은 이해하기 쉽게 하기 위해서 다이아 그람으로 그린 것이지 실지로 가능하지 않다.

주 고정자 권선(24)은 극편(16), (20)에 감겨져 있으며, 직렬 캐패시터(28)에 의해서 입력단자(26)와 연결되어 있다. 캐패시터는 특정치를 가질 필요는 없지만 캐패시턴스는 모터의 정상 동작 상태동안 캐패시터와 권선 (24)로 구성된 직렬회로에서 용량성 역률(권선의 전류가 전압을 앞서는 경우)을 유지하도록 충분히 커야한다. 보조권선(30)은 극편(18)과 (22)에 감겨져 있으며, 권선 (24)와 캐패시터(28)과는 병렬로 연결되어 있다. 권선(30)은 권선(24)보다 인덕턴스와 임피던스가 큰 것이 바람직하다. 즉, 권선수가 더 많아야 한다. 시동 캐패시터(32)는 원심스위치(34)에 의해서 캐패시터 (28)과 병렬 연결되어 있다.

제어권선(36)은 고정자 코어에 감져져 있고 단자(38)을 통해 제어 전류원과 연결된다. 제어권선(36)은 고정자 코어(12)에 감겨져서 모터 권선에 의해 발생되는 자속은 서로 상쇄되어 제어 권선(36)에는 어떠한 AC전압도 유도되지 않는다. 도면에서의 권선(36)의 위치는 도면상으로 가능할 뿐이며, 실지로는 적절한 권선 기술을 사용하여 실행할 수 있다.

제1도의 모터의 기본적인 동작 모드는 다음과 같다.

AC 전압이 단자 (26)에 인가되면 캐패시터(28)는 충전하기 시작하고 전류가 권선 (24)를 통해 흐른다. 권선 (30)에도 전류가 흐르는데 권선 (24)의 전류와는 위상이 천이 되어 있기 때문에 회전 자계가 형성되어 회전자(14)는 회전하기 시작한다. 이 때 구동력의 실질적인 양은 주권선 (24)와 캐패시터(28)가 정상적인 동작상태에 돌입할 때까지 권선(30)에 의해 생성된다. 회전자의 속도와 역 기전력이 증가함에 따라 권선(24)의 유효 인덕턴스는 권선(24)의 자속용량이 증가하여 권선(24)에 유도되는 기전력이 증가하도록 되고, 이에 상응하여 캐패시터의 전압강하도 증가한다. 따라서, 캐패시터에 저장되는 에너지는 증가하여 동작상태로 돌입하게 된다. 다시 말하면 권선(24)의 유효 자속 용량과 고정자의 자화 상태가 충분히 커져서 장치의 동작이 동작상태로 돌입하게 된다. 즉 캐패시터 (28)이 주기적으로 충전, 방전되고 또 반대방향으로 재충전되어 권선 (24)와 관련된 고정자의 자화상태가 평균 자속밀도를 크게 유지하면서 비포화 상태에서 포화상태로 전환되도록 한다.

권선 (36)은 권선 (24)와 관련된 고정자의 자화 영역의 유효단면적을 제어하며 고정자의 자속용량을 제어하기 위해 사용한다. 쉽게 알 수 있듯이 비교적 큰 직류 전류가 단자 (38)을 통해 권선 (36)에 인가될 때 비교적 자속이 코어(12)에서 발생된다. 이렇게 발생된 자속은 코어(12)의 자화영역을 물리적으로 감소시키는 것과 같은 효과를 갖는다. 즉, 고정자의 자속용량이 감소되고 따라서 권선(24)의 인덕턴스와 거기에 저장할 수 있는 에너지도 감소하게 된다. 이것은 코어(12)의 히스테리시스루프를 기울이게 되어 그 면적이 감소하게 되는 것이며 따라서 권선이 인덕턴스가 감소하게 된다.

캐패시터의 전압강하는 권선(24)에서 감소된 인덕턴스에 해당하는 전압강하만큼 보상하도록 자동적으로 조절된다. 왜냐하면 입력 전압과 전선(24)의 전압강하 및 캐패시터(28)의 전압강하 그리고, 회로상에 내재하는 저항의 전압강하의 합이 0이 되어야 하기 때문이다(KVL).

따라서, 권선(24)에 전압이 인가되면 캐패시터(28)의 전압강하는 루프의 전압 강하의 합이 0이 되어야 하기 때문에 그에 해당하는 전압만큼 감소하게 된다. 물론 캐패시터는 전류의 흐름을 제한하여 권선(24)가 타버리는 것을 방지한다. 캐패시터와 인덕터에서 전압의 감소는 그 시스템에서의 에너지의 감소를 의미하기 때문에 그 결과 전류의 흐름이 감소하게 된다. 따라서, 고정자의 구리손실은 감소하게 된다.

물론 제어 전류가 큰 상태에서도 모터에 의해 전송할 수 있는 에너지는 무부하시에도 모터를 구동할 수 있도록 충분하다. 모터의 손실은 이러한 동작상태에서 최소가 될 것이다. 모터가 부하를 구동시킬 필요가 있을 때 제어권선(36)의 전류는 감소하여 코어(12)의 자화 영역의 유효 단면적을 증가시켜 자속용량이 증가하고, 모터의 에너지 전송용량이 증가하게 된다. 물론 내부 손실도 증가하지만 증가된 손실은 단지모터의 크기(Size)가 증가된 부하를 이겨내기 위해 증가하는 시간 동안에만 지배적이다. 모터의 평균 손실은 무부하시에도 최대 에너지 전송용량을 갖도록 하여 부하시에도 최대 손실을 갖는 기존 모터의 손실보다는 현저히 감소한 것이다.

제어 전류는 여러가지 방법으로 단자(38)에 제공된다. 나머지 도면은 이러한 여러가지 방식을 도해한 것이다.

제2도는 권선(36)에 제어전류를 공급하는 가장 간단하면서도 가장 효과적인 방식을 도해한 것이다. 제1도의 같은 소자를 표시하기 위해서 같은 번호를 사용하였다. 궤환 권선(30)이 고정자에 첨가되어 모터에 의해 발생하는 역 기전력에 비례하는 전압을 발생시킨다. 궤환 권선(40)은 다이오드(42)에 의해 제어권선(36)에 연결되어 있고, 이 회로는 원심 스위치(34)와 함께 동작하는 스위치(44)에 의해서 입력단자(20)에 연결되어 있다. 스위치(44)는 필요없지만 모터가 시동된 후 속도를 얻을 때까지 제어회로의 동작을 지연시키는데 유용하다. 이러한 이유 때문에 스위치(34)가 닫혀 있는 동안 스위치(44)는 개방의 위치에 있도록 도해되어 있다. 일단 모터가 속력을 얻게 되면 스위치(34)는 개방되고, 스위치(44)는 닫혀진다.

모터가 정격속도와 무부하에서 동작하고 있다고 가정하면 권선(40)에서 발생되는 전압은 입력전압을 능가하여 직류 전류가 제어권선(36)에 흐르고 따라서 고정자 코어에서 DC 자속이 발생된다.

전술하였듯이 이렇게 발생된 제어 자속은 코어의 자속용량을 감소시키고, 그 결과 모터의 내부 손실을 감소시킨다. 모터에 약간의 부하가 인가되었다고 가정하자, 그 결과 모터의 속도와 역 기전력도 감소하게 된다. 따라서 권선(40)에 유도되는 전압도 감소하여 다이오드(42)와 권선(36)에 흐르는 전류도 감소하게 된다. 이어서 고정자 코어에서 제어 자속의 감소를 초래하여 코어의 자화 영역이 증가되고, 코어의 자속용량이 증가하여 모터에 의해 전송되는 에너지가 증가하며 그 결과 부하는 소기의 속도로 구동된다. 부하가 전 부하로 증가함에 따라 제어 전류는 0으로 감소하여 고정자 코어의 전체가 자화 상태로 되어 모터의 전송에너지가 증가하게 된다.

모터의 크기가 다양하기 때문에 제2도에서 제어회로에 대한 특정변수를 일일히 열거할 수가 없다. 그러나 일반적으로 제거권선의 권선수는 발진하지 않고 안정된 궤환동작을 제공하도록 되어야 한다.

제3도는 완만한 DC 전류를 제어권선(36)을 통해 제공하기 위해서 전파 정류기가 사용된 본 발명의 한 구체형이다. 제1도와 제2도에서와 같은 소자는 같은 번호로 표시하였다. 전파전류기(46)은 입력단자(26)에 연결되어 궤환 권선(40)의 출력과 결합되어 있는 또 다른 전파 정류기에 의해 생성된 전압과 반대 극성의 전압을 제공한다.

후자의 전파 정류기는 다이오드(48)과 (50) 및 중간탭(52)으로 구성되어 있다. 필요하다면 필터링 캐패시터(54)와 (56)을 사용할 수 있다. 저항 (58)과 (60)은 필터링 캐패시터(54) 및 (56)과 작용하여 리플을 형성한다. 그 결과 더욱 완만한 직류 전압을 제공하게 된다.

권선(40)에 유도된 전압과 입력전압이 같으면, 제어권선(36)에는 전류가 흐르지 않는다. 그러나, 이 두 전압이 균형을 이루지 못하면 제어권선(36)에 전류가 흘러서 제어 자속이 고정자 코어에서 발생한다. 이 제어 시스템은 궤환 권선에 유도된 전압이 선 전압과 부하의 변화와는 무관하게 입력 전압과 같게 유지시킨다.

그러므로 모터가 전 부하에서 이러한 균형을 유지하도록 제작되면, 선 전압과 부하의 상태의 변화는 제어 권선(36)에 제어 전류가 흐르도록 하여 시스템을 다시 균형상태로 이르게 한다. 예를 들어 부하가 모터로부터 제거되면 회전자의 속도는 증가하여 궤환전압이 증가한다. 따라서 제어권선에 전류가 흘러서 고정자 코어의 자속 용량이 감소되고 시스템의 에너지도 감소하여 내부 손실은 전술한 방식대로 감소된다.

필요하다면 다이오드(42)와 같은 다이오드를 제3도에서도 사용할 수 있다. 전류의 방향이 권선(40)으로부터 전파 정류기(46)으로 되도록 연결하면 제어회로는 제2도에서와 같은 방법으로 부하의 변화에 반응할 것이다. 그와 반대로 다이오드를 연결하면 제어회로는 선 전압의 변화에 반응할 것이다.

제4도는 본 발명의 변형된 구체형이다. 제어 전류 발생기(62)에 의해 전류가 제어 권선(36)에 공급되고 제어 전류 발생기는 회전자(14)에 의해 구동되는 축(64)에 의해 활성화 된다. 따라서, 시스템은 모터의 RPM에 반응하여 제어전류 발생기(62)는 모터의 RPM이 감소함에 따라 감소된 전류를 공급한다.

제5도는 본 발명의 변형체로서 전류의 변화에 반응한다. 본 구체형에서는 제어권선(36)이 보조권선(30)과 직렬로 연결되어 있다. 제어권선(36)과는 반대 방향 극성으로 연결된 제2권선(66)은 저항(68)에 의해 입력단자와 연결되어 있다. 권선(66)을 통한 전류는 고정자 코어에 제1자속 성분을 발생시키고 반면에 권선(36)을 통한 전류는 반대방향의 자속성분을 발생시킨다. 무부하시에는 권선(66)에 의해 발생된 자속성분이 지배적이며, 실질적인 AC제어 자속이 고정자 코어내에 존재하여 코어의 자속 용량은 낮다. 모터에 부하가 인가됨에 따라 모터의 속도는 감소하기 시작하고 더 많은 전류가 보조권선(30)에 의해 인가되어 그 결과 권선(30)에 의해 발생된 자속 성분은 증가하여 코어 내부의 총 제어 자속은 감소하게 되며 더 많은 에너지를 전송할 수 있다. 부하가 정격치에 도달함에 따라 권선(66)과 (36)에 의해 발생된 자속 성분은 거의 같아지게 되어 총 제어자속이 0가 되면, 그 결과 모터는 최대 에너지 전송상태에 도달하게 된다.

전술한 방법과 같이 제어 전류를 유도하는 여러가지 방식을 사용할 수 있다. 단상에 대해서만 설명하였지만 다상의 경우에도 사용할 수 있다.

본 발명이 농형 유도 전동기에 관해서만 설명하였지만 여기에 한정되는 것은 아니다. 그리고 제어 전류는 직류전류 뿐만 아니라 교류 전류도 사용할 수 있으며, 펄스 폭을 변조시키는 방식으로도 제어할 수 있다. 본 명세서에 도해된 회로는 단지 예시적인 것이지 본 발명에 한정되는 것은 아니다.

Claims (1)

1. 고정자 코어는 다수의 극편을 이루는 자성체이며, 코어에 감겨져 있는 주 고정자 권선장치는 자속을 발생시켜 회전자를 링크(link)시키고, 입력단은 AC 전압원과 연결되어 있으며, 캐패시터 장치는 주 고정자 권선과 입력단을 직렬로 연결시킨 토오크 제어 전동기에 있어서, 제어 자속을 고정자에 인가시켜 주 고정자 권선에 둘러싸여 있는 고정자의 자속 용량을 변화시키는 제어장치를 포함하는 것을 특징으로 하며, 제어장치는 고정자에 감겨져 있는 제어권선과 제어권선에 제어 전류를 제공하는 장치를 포함하는 토오크 제어모터.

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