KR870000402B1 - 직류 전동기 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

직류 전동기

제1도는 본 발명의 제1실시예를 설명하기 위한 직류전동기의 구성과 파형도이다.

제2도는 본 발명의 제1실시예에 있어서, 주계자 기자력의 자속과 전기자 기자력의 자속 변화도이다.

제3도는 본 발명의 제1실시예에 있어서, 전압, 전류 및 기자력의 벡터도이다.

제4도는 본 발명의 제1실시예에 있어서, 동작후 벡터도이다.

제5도는 본 발명의 제2실시예를 설명하기 위한 직류전동기의 구성과 파형도이다.

제6도는 종래에 있어서 보상선륜형 진류전동기의 구성과 파형도이다.

본 발명은, 회전전동기에 N극과 S극의 고정자와 전기자 양 스로트(Slot)의 상대위치에서 조합이 권선의 자기상수, 철심의 자기상수, 기계적 구조의 철심을 동일하게 함과 동시, 주계자 기자력에 의곡이 없도록 하기 위한 직류전동기에 관한 것으로, 특히, 고정자의 N극과 S극의 자기중성축과 전기자의 N극과 S극의 자기 중성축이 부하가 변화하여도 변화가 적고 전동기의 파형 및 위상 변화를 적게하고, 또한 전동기에 있어서도 고정자의 기계적 중심축과 전기자의 자기적 중심축이 부하에 관계없이 일치하게 하며, 공급에 자속분포를 균일하게 하여 변형이 없도록 하므로서 모든 정류자 전동기의 균압선과 보극(補極)을 두지 않아도 정류작용에 합리성을 기하도록 하는 것이다. 뿐만 아니라, 공극에 고주파를 완전히 제거하여 스큐(Skek)를 두지 않아도 자기 소음이 없도록 하며, 이상 가동 현상이 없고, 기동특성에 합리화를 기하는 전동기를 제공하고자 하는 것이다.

일반적으로 회전 전동기의 선륜은 고정자나 전기자양 스로트의 치부분(齒部分)의 고주파 맥동자속, 정류자편의 전류단속으로 인한 고주파 맥동전류, 다이리스터(thyristor)전원으로 인한 맥동전류, 고정자나 전기자 양 스로트의 조합관계에 의한 크로우팅(Crowling)현상등이 있어 스로트 권선에 악영향을 가져오게 된다. 또한 전동기나 발전기는 자기 증폭기와 같은데, 만약 두주파수 이상의 공극이 있게되면, 자기증폭 변조기 또는 주파수 변조기의 변조 작용으로 더욱 큰 고주파가 발생 증폭되어 자기 소음이 발생하게 된다. 즉, 변조 작용으로 2배, 3배, 5배나 되는 복잡한 고주파가 발생하여 손실도 증가하여 고장도 발생하게 되는 것이다. 이러한 자기소음은 사람이 들을 수 있을 정도로 크게 들리게 되며, 저주파맥동, 고주파 맥동전류등으로 리액턴스전압이 증가하고, 따라서 정류 작용에 방해가 된다.

종전에는 이와같은 자기 소음을 방지하기 위하여 스큐 즉, 도체의 경사를 조정하여 자기 소음이 나오지 않도록 스큐를 크게하여 왔었다.

그러나 스큐가 있으면 도체가 경사되어 도체가 길어지고, 도체의 유효면적이 적어져 저항과 리액턴스가 증가되어 손실과 위상변화가 커져서 성능이 저하됨과 동시, 스큐의 경사진 만큼 유효자속이 감소되어 유기기자력이 감소되고, 따라서 출력이 저하된다.

본 발명은 이러한 종래문제점을 해소하고, 스큐를 없이하여 성능을 더욱 증가케 하는 방법이다. 즉, 스큐가 없어 도체의 면적이 커지고, 도체의 길이가 짧아 저항과 리액턴스가 감소되며, 코일의 경사가 없어 전자속을 유효있게 쇄교하므로 유도되는 기자력이 증가하여 출력을 증가하게 되는 것이다. 또한 고정자나 전기자 양측 스로트에 고상권선(드럼코일)에 환상 선륜을 두어 서로 유기되는 기자력의 파형과 위상의 변화가 반대가 되도록 한다. 즉, 부하로 인하여 공극에 자기 중성축의 이동과 양철심 내부의 자기 중성축의 이동은 반대현상이 일어나 공극에 권선한 고상 권선과 철심에 권선한 환상 권선에 유기되는 기자력에 모든 현상(파형의 변화, 위상변화, 리액턴스변화, 맥동의 변화, 진동변화의 자계현상등)은 반대가 되어 제거된다. 그러므로 전기적으로, 자기적으로, 기계적으로, 균형된 현상이 전동기 내부에서 조정되어 안정된 상태로 출력을 얻게 된다. 또한 보통철판을 열처리하면 탈탄작용으로 탄소가 0.06%에서 0.01%로 감소되고, 보통 사용되는 자속밀도에서 철손이 10w/kg에서 4.2w/kg으로 배이상 감소되며, 기자력은 8.2AT/cm에서 2.2AT/cm로 3배이상 감소됨과 동시, 이를 본 발명에 응용할 경우 다시 철손이 1/2감소(철손 2.1w/kg기자력 1.1AT/cm)되어 스로트권선에 모든 고주파를 제거할 수 있으며, 스로트가 없는 상태로 되어 고정자나 전기자의 유효면적이 증가하는 상태로 되므로서 규소 강판 S-23이상의 특성을 얻을 수 있게 된다. 따라서 제작이 용이하고, 가격이 저렴하며, 부하표유손이 65%, 동선 15%, 철손이 20%의 감소로 인하여 손실감소량이 35-55%의 고효율 전동기를 얻을 수 있고 또한 200%부하에도 사용할 수 있는 원자재가 25-35% 절감되는 전동기를 얻을 수 있어 각종 전동기에 소요되는 철과 동의 총소비량을 감소할 수 있고, 전력 소비량도 감소되어 발전량이 감소된다.

이상의 본 발명을 종래와 비교하면서, 도면에 따라 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

제6도는 종래직류전동기로서, ㄱ)과 같은 주자극면(51)에 보상권선(52)을 두어 전기자반작용을 제거하고, 주계자 기자력에 변형이 적고 정류작용을 개선코저 하는 것이다. 그러나, 고정자(53)의 자극면(51)에 보상권선(52)에서 발생하는 역반작용의 가자력(제6도 ㄹ)의 ④의 곡선)은 전 전기가(54)의 전주변에 작용하지 않고 자극면(51)에서 작용하므로 전기자 반작용을 전부 소거하지 못한다. 따라서 이 경우에는 합성 기자력의 곡선(제6도 ㅁ)의 ⑤의 곡선)과 같이 정류 코일의 리액턴스 전압을 제거할 수 있는 보극(55)의 기자력으로 정류전압을 가하여 보충하게 된다.

도면중 ㄴ)의 ① 곡선은 주계자 기자력이고, ㄷ)의 ②의 곡선은 보극(55)에서 발생하는 기자력이며) ㄹ)의 ③의 곡선은 전기자(54)권선에서 발생한 전기자의기자력이 주계자 기자력에 변형하는 기자력이다. 반면에 제1도는 본 발명의 제1실시예로서 직류 전동기의 a)와 같이 원통형 고정자(A)에 주계자 선륜(M')을 각 스로트에 권선하고, 단락환성선륜(L')도 동일한 각 스로트와 비자성체(D')를 거쳐서 균일하게 권선한 다음, 주계자 선륜(M')에 여자하면 주계자 기자력곡선(b)의 ①의 곡선)과 같이 되고 전기자(c)에도 고상선륜의 주선륜(M)을 각 스로트에 권선하고 또한 동일한 각 스로트와 비자성체(D)를 거쳐서 단락 환상선륜(L)을 권선하면 주선륜(M)의 전기자 전류에 의한 공극(B) 자계곡선 C의 ②의 곡선과 같이되고, 이는 자극에 실제작용하는 자계이다. d)의 ③의 곡선은 상기 ①과 ②곡선의 합성자계이고, 전기자(c) 기자력에 의하여 주계자 곡선 ①의 변형으로 ③의 곡선과 같이 자기 중성축에 위상변화(e)가 발생한다. 전기자(C)의 주선륜(M)은 공극의 자속으로 유도되고, 단락 환상선륜(L)은 철심내부의 자속변화로 유기된다. 즉, 공극의 자속변화와는 파형과 위상 변화가 반대이다. 바꾸어 말하면, ④의 자속 곡선이 발생하고, 또한 고정자(A)의 단락환상선륜(L')에서도 철심내부의 역 위상의 자속변화로 ⑤의 자계곡선이 발생한다.

이 두 단락환상선륜의 자계곡선④와 ⑤의 합성자계 ⑥의 곡선은 전기자주선륜(M)에서 발생하는 전기자 기자력곡선 ②를 제거하고 남은 자계를 기계적 중심축에서 R의 자계를 남아있게 설계하고, 이 R이라는 자계를 보극에서 나오는 자계와 같이하면 보극없는 정류자 전동기가 된다.

이는 보극 코일만으로 정류 코일만 리액턴스 전압을 제거하는 것보다 전기자 전주변 각 코일의 리액턴스를 제거하는 f의 ⑦의 곡선으로 효과가 크다. 즉, 저항 정류 작용에 접근하게 되어 정류대의 폭이 커서 정류작용이 매우 크게 개선된다.

또한 보극이 없어 주자극을 크게할 수 있어 회전자 도체의 활용수가 커서 출력도 증가하게 된다. 종래에 있어서는(제6조 참조) 보극으로 인하여 기계적 중심축 전기자 기자력으로 곡선변화가 심하여 즉 리액턴스 변화가 커서 정류작용에 해가되는 점이었으나, 본 발명은 보극이 없어 보극 자속으로 인한 주계자 자속의 불균형 마저 없어져 공극의 자속 분포가 더욱 균등화되고 따라서 균압선이 필요없게 된다. 또한 공극의 불균형, 회전자의 회전에 부정등의 저주파맥동과 스로트 치부분의 고주파 맥동자속과 정류자편의 전류의 단속등의 고주파 맥동자속과 정류자편의 전류의 단속등의 고주파맥동으로 제1도의 g의 ⑧. 저주파 맥동과 같이 고주파 맥동 전류(⑧')가 고상선륜에서 발생하면 한 스로트내에 있는 단락환상선륜에서도 (의 ⑨의 저주파 맥동과 같이 고주파 맥동 전류 ⑨')의 반대가 유기되며 한 스로트내에서 서로 상쇄되어 없어져 손실도 감소되고, 철손, 동손, 표유부하손, 보극의 손실, 균압선등의 손실이 감소되며, 또한 더블링코일(DR)을 두어 방해파(②)제거와 정류작용 개선에 완벽을 기할수 있어 전기적으로, 자기적으로, 기계적으로, 균형화 작용을 전동기 내부에서 안정된 상태조정을 할수 있고, 품질이 균일한 제품을 생산할 수 있어 품질관리가 용이하다.

본 발명의 전동기는 원통형 고정자로 보극과 균압선 없이 정류자에 스파크나 플래쉬오버(Flash Over)가 없고, 출력이 종전의 200%가 되는 이상적이 전동기를 얻을 수 있다.

도면중 K는 부러쉬이다.

제2도는 회전 전동기계의 고정자 철심(A)외부와 틀(21)사이 또는 전기자 철심(C)내부와 샤프트(22)사이에 비자성체(D)(D')를 배치하였을 때 고정자(A), 공극(B), 전기자(C) 철심내부의 주계자 기자력의 자속(ΦM)과 전기자기자력의 자속(ΦA)의 두자속의 자로변화를 도시한 것이다. 주계자자속(ΦM)과 조정자의 고상선륜의 기자력의 자속(ΦA)과 고정자 철심(A)과 공극(B), 회전자 철심(C)의 자로의 상태를 먼저 알아본다. 즉 철심을 4등분(α, β, α', β')으로 나누어 보면, 공극(B)의 α, α'에서는 주계계자 자속(ΦM)과 전기자의 고상선륜의 기자력 자속(이하전기자 자속이라함)의 양자로 동일방향이므로 증가하고, β,β'의 공극(B)에서는 주계자 자속(M)과 전기자자속(ΦA)이 서로 반대방향이므로 감소되어 자속이 "0"의 상태로 되고, 공극(B)의 무부하자기 중성축 a, b에서 전기자 기자력으로 a', b' 축으로 이동하고, 고정나 사회전자의 철심 내부에서는 α, α'부분에서 양자로가 서로 반대방향이라 감소되어 자속이 "0"의 상태로 되고 양철심내부에서는 자기중성축이 a, b에서 a", b"로 이동하면, β,β'부분의 철심내부에서는 양자로가 동방향이라 증가한다. 즉, 철심내부에서는 a,b에서 a",b"로 이동하는 서로 반대현상이 일어난다. 일반적으로 공극에서는 무부하축의 극성(N), (S)가 부하축의 극성(N'), (S')으로, 고정자철심내부에서는 무부하축의 극성 N, S가 부하축 극성 N', S'로 회전자 철심내부에서는 무부하축극성 Sθ,Nθ에서 부하축의 극성Sθ,Nθ의 위치로 이동하는 일대변화가 발생하여 자속의 증감이 되고, 자속의 포화현상으로 철손이 증가하고 표유부하손이 증가하게 된다.

종전의 전동기는 회전자의 외부 스로트에 권선한 고상선륜의 전기자 기자력으로 공극의 자기중성축이 a, b에서 a', b'로 이동하는 현상 그대로를 이용하므로서 전기자 반작용에 있어 주계자 기자력의 파형과 복잡한 저주파 맥동과 고주파맥동이 발생하여 철손이 증가하고 성능이 저하하였다.

그러나 본 발명의 전동기는 고정자(A)나 전기자(C)의 철심 각 스로트와 비자성체(D)(D')를 거쳐서 환상선륜(L)(L')을 두어 코어내부의 자기 중성축 a, b에서 a", b"로 공극(B)과는 반대로 변화하는 기자력으로 한 스로트에 설치된 환상선륜에 유도되는 자속 변화와 자속 변화와 고상선륜에 유기되는 자속변화가 반대가 되어 반작용과는 모든 방해파가 없어져 주계자 자속의 원형 그대로 보호하고 스큐를 없이하며, 정류자 전동기에서 균압선과 보극을 없이하여 최대로 손실을 감소하고, 최대로 기능을 개선하여 보통철판을 사용하여 고 효율 고성능 전동기를 얻을 수 있다.

제3도는 직류 전동기의 전압, 전류, 기자력의 벡터 다이아그램이다. 무부하로 회전하면 주계자 기자력 ATP(자속 ΦM)으로 주선륜(M)에는 a, b축방향으로 E의 기전력이 발생한다. 또한 주선륜(M)에 부하전류 I가 흐르면 전기자 기자력 ATa는 감자 기자력 ATd 이와 교화 기자력 ATc 로 ATa=ATd+ATc가 되고 ATa가 ATP와의 합성기자력 ATR의 자속 ΦMa가 공극에서 발생한 자속으로 전기자의 주선륜(M)에는 90

뒤진 Ei의 내부 전압이 발생 E(a, b방향)에서 전기자 반작용 강하 Ea=EXa(Xa는 리액턴스(만큼 a', b축까지 드롭(drop)한다. E+Ea=Ei가 되며 전기자의 저항을 r, 리케지 리액턴스(leakage reactance)를 Xe이라하면 터미널 볼테지 V는 다음과 같다.

공극에서의 자속은 N극에서 S극으로 흐르지만, 철심내부에서는 S극에서 N극으로 흐르므로 양철심 내부의 기자력 AT'P(자속 ΦM')는 ATP와 반대가 AT'P의 기자력으로 단락환상선륜에 V에 발전 전압이 발생하여 I'의 전류가 전기자 기자력 ATa'가 감자 기자력 AT'd와 교차기자력 ATC'가 되어 ATa'=ATd+ATC'로 된다. 이 두 감자 기자력 ATd와 AT'd는 반대가 되고 교차 기자력 ATC'와 ATC는 동일방향이라 증가하여 즉, AT'C+ATC=AT"C로 된다.

ATd'와 ATd를 잘 설계하여 양 리액손 리액손드롭 Ea≒E'a가 되면 전기자 반작용이 제거된다. 즉, 양 리케지 리액턴스 Xe, Xe'도 반대로 감소되어 리액턴스를 무시할 수 있는 전동기를 얻을 수 있다.

즉, ① 식은 V=E+Ir이다.

또한 AT'P의 기자력과 AT'a의 합성 기자력 AT'R으로 환상선륜에는 90

뒤진 내부 전압 E'i가 발생하고 E에는 E'a=IXa'만큼 드롭하여 자기 중성축 a, b에서 a", b"쪽으로 이동하고, 공극에서는 자기중성축이 a, b에서 a', b'로 이동하게 된다. 이 이동각은 부하가 증가할수록 커지고 감자 기자력(전기자 반작용)도 커지나 서로 반대가 되어 합성된 자기 중성축은 a, b로 고정되도록 설계한다.

제4도는 본 발명의 직류전동기의 동작후에 벡터 다이아그램이다. 즉, 주선륜(M)의 고상선륜에 주계자 기자력(APT)가 동작하고 양단락환상선륜에 철심내부 기자력 APT'가 동작하였을때 양자가 중성축 a', b'와 a", b"가 a, b축으로 집중하도록 하면, 전류 기자력 V, E, V전기자 기자력과 교차기자력의 합성 AT"C만 남아있게 된다.

상기한 ①식은 전동기의 인가전압 V=E+Ir…②가 되고 환상선륜의 발전 전압 V'=E-I'r'…③이 되어 모든 리액턴스는 제거되고 저항만 남아있어 저항 정류작용으로 전류대의 폭이 커지고 정류 작용이 크게 개선된다.

전동기의 토르크의식, 종전 전동기는 t₁=ATa×ATP×sin(90≒θ)에서 sin(90+θ)＜1이 되는 바, θ는 부하가 증가하면 할수록 증가하고 sin(90+θ)는 저하하여 θ는 결국 120%까지 증가하다가 감소하게 된다(제3도 참조).

그러나 본 발명의 전동기는 제4도에서 도시한 바와같이 T₂=K₂=ATPsin90

=K₂×ATC"×ATP가 되는바, T₂는 부하가 증가하여 AT"C가 증가하고, ATP와 AT"C의 각이 항상 90

이므로 200%까지 증가할 수 있다.

한편, 제5도 역시 본 발명의 제2실시예로서, 본 발명의 凸극형고정자(A)를 가지는 직류 전동기인데, 극에 주계자 권선(M)의 여자 기자력 곡선은 ①과 같고, 보극에서 발생하는 기자력은 ②의 곡선과 같고, 전기자(C)의 주선륜(M)을 권선한 스로트에 단락환상선륜(L)(DR)을 비자성체(D)를 거쳐서 전기자 주변에 균일하게 설치하면, 유도되는 전합성 기자력의 곡선은 ④가 되어 전기자전류로 인한 주선륜(M)의 전기자기자력의 곡선③의 파형과 위상이 반대가 되어 한 스로트내에서 유도작용하므로 반작용이 제거되고, 전기자 주변에 확대되어 반작용제거 작용을 하므로 종전의 외부에서 전류를 공급하는 제6도의 보상선륜보다 효과가 크다. 그리고 환상선륜에 효과를 더욱 크게 하기 위하여 더블링 코일(DR)을 두어 반작용 제거 기자력과 고주파의 맥동 제거 기자력을 크게한다.

즉, 더블링코일(DR)에서 발생한 역 반작용 기자력 곡선(④')을 추가하게 된다. ④는 ㄴ에서 발생한 기자력 곡선이다. 그러므로 ④+④'=④"는 모든 방해를 제거함은 물론 기기부품의 간소화를 가져와 더욱 안전화를 기한다. e)에 ⑤의 곡선은 합성 기자력 곡선으로 ①의 곡선이 거의 점근하게 되는 주계자 기자력에 변형이 없게 된다. 또한 스로트로 인한 고주파 맥동 자고를 제거하여 스로트가 없는 상태와 같은 우수한 특성을 가져와 공극에 자속분포가 균등화되어 균압선이 필요없게 된다.

또한 스로트에스큐가 없어도 자기소음이 없고, 출력이 증가하며 보극의 기자력도 반으로 감소하게 되므로 보극도 적게할 수 있고, 정류작용이 잘되어 브러쉬(K)와 정류자 등의 기기의 작용도 안정되어 수명이 배로 연장되어진다.

이상과 같이 본 발명은 철손, 동손, 표유 부하손이 반작용제거와 고주파제거로 감소되고, 스큐가 없어도 자기소음이 없고, 출력도 증가하며 균압선과 보극이 없어 기계가 간소화되므로서 기계의 성능이 더욱 안전하고, 저항 정류작용을 할 수 있는 정류대폭을 크게 하는 이상적인 전동기를 제공함에 그 특징이 있는 것이다.

Claims (2)

1. 전기자(C)내에 균압선과 스큐를 두지 않고 보극을 설치하지 않은 원통형 고정자(A)에 주계자선륜(M')을 각 스로트에 권선하고 단락환상선륜(C)도 동일한 각 스로트와 비자성체(D')를 거쳐서 균일하게 권선함과 동시, 전기자(C)에도 고상선륜의 (M)을 각 스로트에 권선하고 동일한 각 스로트와 비자성체(D)를 거쳐서 단락환상선륜(L)을 권선하여서 됨을 특징으로 하는 직류전동기.
2. 전기자(C)내에 균압선과 스큐를 두지 않으며, 凸형 고정자(A)를 가지는 직류 전동기 전기자(C)의 주선륜(M)의 각 스로트에 단락환상선륜(L) 및 더블링코알(DR)을 비자성체(D)를 거쳐서 전 전기자 주변에 설치하여서 됨을 특징으로 하는 직류전동기.

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