KR950008389B1 - 교류 서보 모터의 전기자 권선 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

교류 서보 모터의 전기자 권선 방법

제1도는 종래 교류 서보모터의 종단면도.

제2도는 종래 교류 서보모터의 스테이터 코어 권선도.

제3도는 정현파 구동시 3상의 권선에 공급되는 전류 파형도.

제4도는 제3도의 각 통전구간에서 제2도의 교류 서보모터 스테이터의 여자상태 및 회전자 위치를 나타낸 동작 상태도.

제5도는 본 발명에 의한 교류 서보모터의 권선입체도로서, (a)는 '+'방향 권선을 나타낸 것이고, (b)"-"방향 권선을 나타낸 것이다.

제6도는 본 발명에 의한 교류 서보모터의 권선단면도.

제7도는 제3도의 각 통전 구간에서 본 발명 방법에 의해 제작된 모터의 스테이터 여자상태 및 회전자 위치를 나타낸 동작 상태도.

제8도는 본 발명 방법을 적용한 n극 영구자석 및 스테이터 코어 구조도.

제9도는 본 발명 방법을 적용한 16극 영구자석의 바람직한 권선구성 실시예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 전기자 권선 110 : 영구자석

120 : 스테이터 코어 130 : 돌극

200 : 슬롯 210 : 코일

본 발명은 회전자에 영구자석을 사용하여 정현파 전류로 구동하는 동기 기동형 교류 서보모터의 전기자권선 방법에 관한 것이다. 이에 의한 교류 서보모터는 소형으로 빠른 응답이 요구되며 제어 정밀도가 높은 로보트에 또는 중, 소형의 공장 자동화기기 및 사무자동화기기의 구동원으로 활용된다. 일반적으로 교류 서보모터는 구형파 전류로 구동할 경우에 있어 통전구간 사이에서의 전류자속 변화로 토크리플리 발생되는 관계로 구형파 전류구동에 의존하지 않고 통상 모터의 정숙한 운전을 위해 정현파 전류 구동방식을 채택하고 있다.

이러한 정현파 전류 구동방식은 구형파 전류구동 방식에 비해 같은 전류 용량의 구동용 파워 트랜지스터 또는 전계효과 트랜지스터를 사용할 경우 평균 자속세기가 저하되어 출력이 다소 감소하는 경향이 있으나, 이를 보상하는 방법으로 자속밀도가 큰 영구 자석을 사용하거나 또는 효율적인 권선방법을 적용하는 것으로 해소한다.

그 예로 제1도와 같은 종단면을 갖는 교류 서보모터에 있어서 정현파 구동방식을 채택하는 공장자동화 기기용 교류 서보모터의 권선도를 살펴보면 제2도 또는 제4도에서와 같은 영구자석(110)의 극수를 8개, 스테이터 코어(120)의 돌극(130)수를 9개로서 집중권을 적용하고 정현파 구동방식을 채택하고 있다.

따라서, 1극 한 상 당의 슬롯수가 0.375이고, 한 상(相)으로 공급되는 전류에 의해 전기자 자속을 만드는 돌극이 3개로서 전체중에 1/3(33.3%)를 차지하고 있다.

따라서 U상은 슬롯(#1-#2)사이에 돌극(1), 슬롯(#2-#3)사이에 돌극(2), 슬롯(#3-#4)사이에 돌극(3)을 부며, V상은 슬롯(#7-#8)사이에 돌극(7), 슬롯(#8-#9)사이에 돌극(8), 슬롯(#9-#1)사이에 돌극(9)을 두고, W상은 슬롯(#4-#5)사이에 돌극(4), 슬롯(#5-#6)사이에 돌극(5), 슬롯(#6-#7)사이에 돌극(6)을 두어 직접 권선되어 있다.

이와같은 교류 서보 모터에 제3도와 같은 3상 정현파 전류를 공급할때 영구자석 회전자는 제4도의 (b)에 도시한 화살표 방향으로 회전한다.

이때 제4도의 (a~f)에 걸쳐 나타낸 영구자석의 위치는 각 통전 구간의 중앙부분에 전류공급 상태이며, 이때 최대 토크를 전달하는 상태가 된다.

이때 회전자가 회전하면서 계자 자속이 변화함에 따라 전기자에 공급되는 각상 전류를 정현파로 위상을 맞추어 항상 일정한 토크를 발생시킨다.

따라서 각상에 공급되는 전류가 정현파이므로 각 통전구간에서 전기자자속을 만드는데 전체 돌극이 이용되며 주회전력의 전달은 각 통전구간에서 정현파의 피크값을 나타내는 상에 의해 이루어진다.

그러나 상기한 권선방법에 의한 교류 서보모터는 전기자 자속을 만들수 있는 스테이터 코아의 전체 공간을 효율적으로 이용할 수가 없고, 전기자에 공급되는 전류파형의 정현파의 연속적인 변화를 갖게 되므로 구형파 구동과 같이 통전구간 사이에서 발생하는 급격한 자속변화로 인한 토크리플을 제거한다 해도 돌극의 피치가 크기 때문에 토크리플의 충분한 감소를 기대하기 어렵다.

따라서 본 발명은 상기한 종래방법의 문제점을 감안하여 1상에 공급되는 전류로 만드는 전기자 자속의 분포를 개선하기 위해 스테이터 코어의 돌극을 증가시키고 집중권을 도입하여 각 전류 통전 구간에서 주회전력을 전달할 수 있는 돌극수를 증가시켜 효율적으로 계자 자속과 작용하도록 한 새로운 전기자 권선 방법을 제공하여 서보모터의 토크 정수 및 역기전력 정수를 증가시키고 토크, 속도리플 및 소음등을 충분히 제거하여 출력향상과 함께 보다 안정된 동작을 행할 수 있도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은 정현파 자속을 만들기 위한 각상의 기본 권선을 돌극 2개씩 걸쳐 홀수번째 슬롯에 삽입하고, 비어 있는 짝수번째 슬롯에 돌극 2개씩에 걸쳐 각상의 보조권선을 삽입하는 것으로, 이를 만족하기 위한 돌극수(슬롯구)는 3상 ×3(정현파 자속을 만들기 위한 단위권선구)×2(각 단위 권선의 돌극수 2개로 구성) = 18의 배수가 되고, 18개의 돌극에 3강의 전류자 속에 의해 회전력을 전달할 수 있는 영구자석의 최소극수는 8개로서 적용되며 스테이터 코어의 돌극수가 9n/4( n : 영구자석 극수)개인 조건을 만족시켜서 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 제5도는 본 발명 방법에 의해 실시되는 교류 서보모터의 권선입체도를 나타낸 것으로, (a)는 '+' 방향 권선을 나타낸 것이고, (b)는 '-' 방향 권선을 나타낸 것이다.

즉 제5도의 (a)에서와 같이 '+'방향 권선실시는 처음 표시한 슬롯(200)에 코일(210)이 지면을 뚫고 진가는 방향으로 들어가 턴하여 두번째 표시한 슬롯(200)으로 지면을 뚫고 나오는 방향으로 권선 배치하고, '-' 방향 권선 실시는 제5도의 (b)에서와 같이 두번째 표시한 슬롯(200)에 코일(210)이 지면을 뚫고 지나가는 방향으로 들어가 턴하고 처음 표시한 슬롯(200)으로 지면을 뚫고 나오는 방향으로 권선 배치한다.

이 원칙은 영구자석(110)을 회전자로 사용하는 동기 기동형 교류 서보모터에서 정현파 전류 구동방식을 적용할 경우 영구자석(110)의 극수(n)가 8개의 배수이고, 3상으로 구동할때 9n/4개의 돌극(130)수를 갖는 스테이터 코어(120)의 권선법으로 이용된다.

이 방법의 실시예로 영구자석을 8극으로 구성하고 3상 구동원으로 U.V.W상으로 표시하면 각상 권선을 각 슬롯(200)중 아래와 같은 식에 의해 위치하게 된다.

U_3X-2상 ; 슬롯(9X-8)에서 슬롯(9X-6)으로 '+'방향권선…………………(1)

U_3X-1상 ; 슬롯(9X-6)에서 슬롯(9X-4)으로 '-'방향권선…………………(2)

U_3X상 ; 슬롯(9X-4)에서 슬롯(9X-2)으로 '+'방향권선……………………(3)

U_3X-2상 ; 슬롯(9X-2)에서 슬롯(9X)으로 '+'방향권선………………………(4)

U_3X-1상 ; 슬롯(9X)에서 슬롯(9X+2)으로 '-'방향권선………………………(5)

U_3X상 ; 슬롯(9X-2)에서 슬롯(9X+4)으로 '+'방향권선……………………(6)

U_3X-2상 ; 슬롯(9X-4)에서 슬롯(9X+6)으로 '+'방향권선…………………(7)

U_3X-1상 ; 슬롯(9X-6)에서 슬롯(9X-8)으로 '-'방향권선…………………(8)

U_3X상 ; 슬롯(9X-8)에서 슬롯(9X-10)으로 '+'방향권선……………………(9)

단 슬롯번호가 9n/4보다 큰 경우는 슬롯번호 = 슬롯번호

1≤X≤n/4, X = 자연수………………………………………………………… (10)

상기 (1)식 내지 (10)식에 의해 8극의 회전자를 사용하고 이를 정현파 전류로 구동할때 적용되는 스테이터 코어의 18개 슬롯에 대한 3상의 권성구성은 제6도에 도시한 바와같다.

즉, U상의 권선은 슬롯 #1-#3(돌극 1,2), 슬롯 #3-#5(돌극 3,4), 슬롯 #5-7(돌극 5,6), 슬롯 #10-#12(돌극 10,11), 슬롯 #12 #14(돌극 12,13), 슬롯 #14-#16(돌극 14,15)에 위치하고, V상 권선은 슬롯 #13-#15(돌극 13,14), 슬롯 #15-#17(돌극 15,16), 슬롯 #17-#1(돌극 17,18), 슬롯 #4-#6(돌극 4,5), 슬롯 #6-#8(돌극 6,7), 슬롯 #8-#10(돌극 8,9), 에 위치하며, W상권선은 슬롯 #7-#9(돌극 7,8), 슬롯 #9-#11(돌극 9,10), 슬롯 #11-#13(돌극 11,12), 슬롯 #16-#18(돌극 16,17), 슬롯 #18-#2(돌극 18,1), 슬롯 #2-#4(돌극 2,3) 에 각각 위치한다.

이때 각상의 권선에 제3도에서와 같이 정현파 전류를 공급하게 되면 스테이터 코어 각 돌극을 제7도의 (a)-(f)순으로 여자된다.

여기서 일례로 제7도(a)의 각 돌극의 여자상태 및 로터위치를 살펴보면 각 통전 구간에 중심 부분에서 나타나는 상태로서 제3도의 (a)의 구간에서는 V상 전류(Iv)가 '-I피크'가 되고, U상(Iu) 및 W상(Iw)은 피크가 되어 V상 전류(Iv)에 의해 제7도에서와 같이 돌극 4, 5, 8, 9, 13, 14, 17, 18은 N극으로 여자되며, 돌극6, 7, 15, 16은S극으로 여자되어 주회전력을 전달하는 전기자 자속을 만들게 된다.

이와동시에 U상 W상에 공급되는 전류에 의해 돌극 1, 3, 4, 9, 10, 12, 13, 18은 N극이고, 돌극 1, 2, 3, 5, 6, 7, 8, 10, 11, 12, 14, 15, 16, 17은 S극으로 여자되어 계자 자속과 관계하여 회전력을 전달하게 된다.

이에 따라 제7도의 (a)와 같은 상태로 동작된다.

한편 여자되는 각 돌극은 기존의 슬롯 집중권 방법과는 달리 주회전력을 전달하는 상(相)의 전기자 자속의 180°대향 위치에도 발생되어 전체 18돌극중 12돌극에 형성되며, 나머지 상(相)에 의한 전기자 자속도 자속 세기를 증가시키는 방향으로 발생되어 회전력을 증가시킨다.

이때 자속이 상쇄되는 돌극이 4개 정도 형성되나 그 돌극과 작용하는 영구자석의 상대 위치가 회전력에 영향을 주지 않는 부분이 되어 이에 의한 토크 감소는 무시해도 무방하다.

따라서, 제7도의 (a)와 같이 18개의 돌극 전체에 걸쳐 자속이 형성되고 이는 영구자석이 만드는 자속과 상호 작용으로 회전력을 발생하게 되며, 또 각 돌극에 만들어지는 자속이 상쇄되는 부분이 제한적이어서 교류 서보모터의 효율면에 있어 성능이 우수하게 된다.

또한 제3도의 나머지 각 통전구간(b-f)에서도 상기한 바와 마찬가지로 제7도의 (b-f)와 같은 상태로 각 돌극이 여자되어 로터를 회전시키게 된다.

한편 상기한 8극수의 다른 실시예로서 전술 설명의 권선법 이용으로 영구자석의 극수(n)를 8의 배수 즉 16극수로 구성할 경우 스테이터 코어의 돌극수는 제8도 또는 제9도에서와 같이개를 갖는 교류 서보모터를 구성할 수가 있다.

이 방법의 실시예에 의해 기존의 슬롯 집중권 방식으로 하는 교류 서보 모터를 3상 정현파 전류로 구동시켰을 때의 성능 비교 및 시험해 본 결과 정격토크, 정수 및 순시 최대토크가 증가되어 적용되는 기계장치의 가시간(Tack time)을 결정하는데 중요한 기계적 시정수를 감소시킬 수가 있었으며, 또한 토크리플, 속도 리플 및 전류리플의 감소로 모터 회전 동작을 안정화 시킬 수가 있었음은 물론 인덕턴스 증가로 고속회전시 발생되는 저자 소음이 감소효과를 얻을 수가 있었다.

Claims (6)

1. 영구자석을 회전자로 사용하는 동기 기동형 교류서보 모터의 전기자 권선함에 있어서, 정현파 자속을 생성하는 각상의 기본권선(슬롯이 홀수번째 위치의 각상 권선)을 돌극 2개조에 걸쳐 홀수번째 술롯을 삽입하여 '+','-', '+'방향으로 권선하고, 상기 정현파 자속에 여자되어 전기자 자속으로 주회전력을 전달하는 각상의 보조권선(슬롯이 짝수번째 위치의 각상 권선)을 이역시 돌극 2개조에 걸쳐 비어있는 짝수번째 슬롯에 삽입하여 '+', "-', '+'방향으로 권선하는 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교류서보모터의 전기자 권선방법.
2. 1항에 있어서, 돌극 또는 슬롯수는 교류 3상(U,V,W)과, 정현파자속을 생성하기 위한 3개의 단위 권선수와, 상기 각 단위 권선당 2개조의 돌극수를 곱한 수로 설정되어 18 또는 18의 배수로 이루어짐을 특징으로 하는 교류 서보모터의 전기자 권선방법,
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 설정된 돌극수에 의해 회전자인 영구자석의 최소극수가 적어도 8 또는 8의 배수로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교류 서보모터의 전기자 권선방법.
4. 제1항에 있어서, 정현파 자속에 여자되는 다수의 돌극에서 주회전력을 전달하는 상(相)의 전기자 자속이 180°대향 위치에도 발생하게 됨을 특징으로 하는 교류 서보모터의 전기자 권선방법.
5. 제4항에 있어서, 전기자 자속이 180°대향 위치에서 발생되는 돌극수가 전체 돌극수의 2/로 형성되며 나머지 상에 의한 전기자 자속도 자속세기를 증가시키는 방향으로 발생되게 함을 특징으로 하는 교류 서보모터의 전기자 권선방법.
6. 제1항에 있어서, 교류 3상(U,V,W)에 대한 각상 권선은 각 슬롯위치에 대하여,

   U_3X-2상 ; 슬롯(aX-8)에서 슬롯(aX-6)으로 '+'방향권선

   U_3X-1상 ; 슬롯(aX-6)에서 슬롯(aX-4)으로 '-'방향권선

   U_3X상 ; 슬롯(aX-4)에서 슬롯(aX-2)으로 '+'방향권선

   U_3X-2상 ; 슬롯(aX-2)에서 슬롯(aX)으로 '+'방향권선

   U_3X-1상 ; 슬롯(aX)에서 슬롯(aX+2)으로 '-'방향권선

   U_3X상 ; 슬롯(aX-2)에서 슬롯(aX+4)으로 '+'방향권선

   U_3X-2상 ; 슬롯(aX-4)에서 슬롯(aX+6)으로 '+'방향권선

   U_3X-1상 ; 슬롯(aX-6)에서 슬롯(aX-8)으로 '-'방향권선

   U_3X상 ; 슬롯(aX-8)에서 슬롯(aX-10)으로 '+'방향권선)

   조건으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교류 서보모터의 전기자 권선방법.

   (단, x = 자연수이며, 1≤X≤n/4이다, n=영구자석의 극수)