WO2022211137A1 - 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진 - Google Patents

왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진 Download PDF

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WO2022211137A1
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salient pole
reciprocating
mover
reluctance motor
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PCT/KR2021/000682
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정영춘
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주식회사 에스엔이노베이션
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    • H02K7/06—Means for converting reciprocating motion into rotary motion or vice versa
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    • H02P25/02—Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/032—Reciprocating, oscillating or vibrating motors

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating switched reluctance motor driven engine that rotates a crankshaft with a switched reluctance motor configured to reciprocate according to the principle of generating a reluctance torque of the switched reluctance motor.
  • Switched Reluctance Motor has winding coils installed only on the salient poles of the stator among the salient poles formed on the stator and the rotor, so that the electromagnetic and mechanical configuration is simple, the durability is excellent, and the production cost is low. It has many advantages, such as being able to lower it.
  • Such a switched reluctance motor is a radial air gap motor, a shaft according to the air gap and the flux path between the stator salient poles and the rotor salient poles arranged in the radial direction and arranged in the circumferential direction.
  • Classified as axial air gap motors and transverse flux motors, whichever type they are, the reluctance (magnetoresistance) with the rotor salient poles when the stator salient poles are excited by the winding coil. ) is the same in that it uses the principle of attracting the rotor salient pole to the position to minimize. That is, the switched reluctance motor is configured to sequentially excite the stator salient poles arranged in the circumferential direction to rotate the rotor by intermittently and repeatedly attracting the rotor salient poles.
  • the engine of the electric vehicle is composed of a high-output electric motor, it is necessary to solve various problems accompanying the use of the switched reluctance motor.
  • Patent Document 1 KR 10-1916814 B1 2018.11.02.
  • Patent Document 2 KR 10-1741006 B1 2017.05.23.
  • an object of the present invention is to provide a reciprocating switched reluctance motor driven engine capable of solving various problems according to the structure of a cylindrical stator and a rotor and obtaining high output while using the principle of generating a reluctance torque.
  • two stator cores 111 having stator salient poles 1111 excited by a winding coil 112 are formed on the inner surface of the stator salient poles ( 1111) a cylindrical stator 11 configured by combining so as to be disposed at intervals according to the thickness of the winding coil 112 along the central axis direction of the stator core 111, and the stator salient pole 1111 with a gap therebetween
  • a crankshaft 21 having a crank arm 211 is connected between the mover 12 and the crank arm 211 to convert the reciprocating motion of the mover 12 into rotational motion of the crankshaft 21 .
  • crank mechanism (2) including a connecting rod (22) to actuate; an encoder (3) for detecting the rotation angle of the crankshaft (21); and a controller 4 for controlling the timing to alternately excite the stator salient poles 1111 of the two stator cores 111 according to the rotation angle detected by the encoder 3 .
  • the mover salient pole 1211 is formed to have a surface 1211b facing the winding coil 112 with an air gap interposed therebetween.
  • the mover salient pole 1211 is formed to extend in the reciprocating motion direction longer than the reciprocating motion direction length of the stator salient pole 1111 .
  • the reciprocating direction length of the mover salient pole 1211 has a length between both ends of the winding coil 112 in the reciprocating motion direction.
  • the mover salient pole 1211 is formed to be expanded in the width direction to have a surface 1211b facing the winding coil 112 with a gap interposed therebetween by the magnetic flux.
  • the stator salient pole 1111 is formed to extend in the reciprocating direction longer than the reciprocating direction.
  • the stator core 111 has an inner surface of a polygonal cross-section, and leaves the stator salient pole 1111 at the center on each surface of the inner surface and forms a slot to form the winding coil 1112.
  • a wound bobbin 1121 is extrapolated to the stator salient pole 1111 .
  • the reciprocating motion of the mover 12 is guided by the guide rails 113 fixed to the corners of the inner surfaces of the two stator cores 111 .
  • the crank arm 211 reaches top dead center when the mover salient pole 1211 is centered on the stator salient pole 1111 of any one stator core 111, and the other When centered on the stator salient pole 1111 of one stator core 111, the bottom dead center is reached.
  • two encoders 3 are provided in a one-to-one correspondence with the stator core 111 , and the attractive force of the stator salient pole 1111 with the mover salient pole 1211 is reduced.
  • the whistle angle of the shutter part 311 of the sensor disk 31 is the rotation range of the crankshaft 21 corresponding to the length in the reciprocating motion direction of the stator salient pole 1111, and the controller 4 has two stators.
  • the two encoders 3 used to determine the excitation timing of the salient pole 1111 can be used interchangeably to rotate the crankshaft 21 forward and backward.
  • the crankshaft 21 is provided with a plurality of crank arms 211 rotatably connected to the connecting rods 22, respectively, facing each other in different radial directions, and the SRM module 1 ) is provided in plurality so that each is connected one-to-one to the crank arm by a connecting rod.
  • crank arms 211 facing the radial direction with a difference of 90 degrees among the plurality of crank arms 211 .
  • crank arms 211 facing the radial direction of the angle difference of 90° and 180° with respect to any one of the plurality of crank arms 211 are present, respectively.
  • crank arms 211 facing the radial direction of 90°, 180°, and 270° angle difference with respect to any one of the plurality of crank arms 211 are present, respectively.
  • the present invention configured as described above is different from a rotary switched reluctance motor in which the stator salient poles and the rotor salient poles are arranged in the circumferential direction.
  • the two-stage faulty salient poles are alternately excited to make reciprocating motion, and the reciprocating motion is converted into rotational motion and output.
  • the occupancy of the winding coil that excites the stator salient pole can be increased, and high output can be obtained.
  • the mover salient pole is expanded in the width direction so that magnetic flux leaking from the winding coil contributes to the rotational force, and by extending in the longitudinal direction, the rotation angle range in which it is difficult to apply the rotational force according to the inner and outer thickness of the winding coil It is possible to reduce it as much as possible and increase the efficiency by smoothing the rotational movement.
  • the reciprocating motion of the mover is guided through the corners between the winding coils, it is easy to install a guide structure for reciprocating while maintaining a constant air gap, and the volume occupied by it can be reduced.
  • the present invention it is easy to combine a plurality of SRM modules to obtain high output, and it is easy to install like an internal combustion engine, so it is suitable for use as a high output engine.
  • FIG. 1 is a perspective view of a reciprocating switched reluctance motor driven engine according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a partially exploded perspective view of the SRM module 1 in which the stator 11 is disassembled.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of a stator core 111 constituting the stator 11;
  • FIG 4 is a plan view of a state in which one SRM module (1) is coupled to the crank mechanism (2).
  • FIG 5 is a partial cross-sectional perspective view of one SRM module (1) coupled to the crank mechanism (2).
  • FIG. 6 is a side view (a) showing two encoders (3: 3-A1, 3-B1) viewed in the axial direction, and the excitation time of two stator cores 111 provided in one SRM module (1).
  • Excitation time chart schematically showing according to the rotation angle of the crankshaft 21 (b).
  • Fig. 7 is a circuit configuration diagram of the controller 4.
  • FIG. 8 is a perspective view of a reciprocating switched reluctance motor driven engine according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a partial cross-sectional perspective view of two SRM modules (1) coupled to a crank mechanism (2).
  • FIG. 10 is a side view (a) showing four encoders (3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2) viewed in the axial direction, and two provided in two SRM modules (1).
  • 11 is a circuit configuration diagram of the controller 4.
  • FIG. 12 is a partial cross-sectional perspective view of a state in which three SRM modules 1 are coupled to a crank mechanism 2 in a reciprocating switched reluctance motor driven engine according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a side view (a) showing a form of six encoders (3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2) viewed in the axial direction, and two provided in three SRM modules (1).
  • FIG. 14 is a partial sectional perspective view of a state in which four SRM modules 1 are coupled to a crank mechanism 2 in a reciprocating switched reluctance motor driven engine according to a fourth embodiment of the present invention.
  • 15 is a side view (a) showing eight encoders (3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2) viewed in the axial direction, and two provided in four SRM modules (1).
  • Excitation time schematically showing the time as a function of the rotation angle of the crankshaft 21 chart.
  • the reciprocating switched reluctance motor driven engine includes a cylinder-shaped stator 11 ) one SRM (Switched Reluctance Motor) module (1) and the mover (12) configured by combining the stator (11) and the mover (12) so that the piston-shaped mover (12) can reciprocate inside A crank mechanism (2) that rotates the crankshaft (21) to output a rotational force with a connecting rod (22) connected to an encoder (3) for detecting the rotation angle of the crankshaft (21) and a controller 4 for controlling the excitation timing of the two stator cores 111 according to the detected rotation angle.
  • SRM Switchched Reluctance Motor
  • the stator 11 of the SRM module 1 combines two stator cores 111 of the same configuration to be disposed in the central axis direction of the stator core 111 (reciprocating movement direction of the mover that will penetrate the stator core). , is configured in a cylindrical shape that can use the inside of the two stator cores 111 connected to each other as a piston movement space of the mover 12 .
  • each of the stator cores 111 has an inner surface forming a polygon when viewed in a flat cross-section, and according to a specific embodiment, a flat cross-sectional shape of an isometric polygon (specifically, a square) It is possible to make the size of the protrusion to be installed on each surface uniform by providing an inner surface having an inner surface.
  • slots 1112 are formed on each surface of the inner surface of the stator core 111 , which can be used as the stator salient pole 1111 by cutting both sides in the central axis direction and using the remaining central portion without cutting.
  • stator salient poles 1111 that can be excited by the winding coil 112 are provided toward the central axis of the stator core 111 .
  • the winding coil 112 is configured to have a thickness such that the stator salient pole 111 slightly protrudes toward the central axis.
  • a plurality of winding coils 112 mounted on one stator core 111 are electrically connected in series or parallel to apply a voltage at the same time, and between adjacent stator salient poles 1111 in the circumferential direction.
  • the magnetic flux path can be made as short as possible. That is, the stator salient pole 1111 magnetized to the N pole and the adjacent stator salient pole may be magnetized to the S pole.
  • the winding coil 112 is partially inserted into the slot 1112 of the stator core 111 and has a portion exposed in the reciprocating direction, when combining the two stator cores 111, at least the exposed The two stator cores 111 should be spaced apart at an interval twice the thickness of the part (the inner and outer thickness in the reciprocating direction).
  • the guide rails 113 are spaced apart so as to have a spacing sufficient to install the guide rails 113 on each edge 1113 of the inner surface of the stator core 111 . Accordingly, a space in which the winding coil 112 can be mounted can be secured as much as possible, and the magnetic force generated by the stator salient pole 1111 can be increased.
  • stator salient poles 1111 are spaced apart from each other at an interval twice the thickness of the winding coil 112 in the central axis direction along the central axis direction of the stator core 111 . That is, a plurality of pairs of two stator salient poles 1111 spaced apart in the central axis direction are provided on the inner surface of the cylindrical stator 11 in the circumferential direction.
  • the coupling method of the two stator cores 111 is a hollow spacer 114 having at least twice the length of the inner and outer thickness of the winding coil 112 on the edge side between the two stator cores 111 . It was interposed in the method of installing the long bolts 115 that penetrate the spacer 114 in the middle and continuously penetrate the edge side of the two stator cores 111 . At this time, the end of the long bolt 115 is bolted to the following crank holder 23 to fix the stator 11 to the crank holder 23 .
  • Guide rails 113 for guiding the reciprocating motion of the mover 12 are mounted on each edge 1113 of the inner surfaces of the two stator cores 111 combined.
  • the guide rail 113 is sandwiched between the fixing part 1131 to be fixed to the stator core 111 and the winding coil 112 adjacent to the corner 1113, as can be seen in more detail in the plan view of FIG. 4 , and the stator core A coil engaging portion 1131 that extends the portion exposed to the inside of the winding coil 112 to span the edge side (precisely, the edge of the bobbin) of the winding coil 112, and a portion facing the inside of the stator core 111 A guide portion 1132 for guiding the movable element 12 to reciprocate is provided.
  • the guide rails 113 respectively mounted on the two stator cores 111 are integrated with each other so that those arranged in the reciprocating motion direction are connected to each other.
  • the winding coil 112 is more stably fixed to the stator core 111, and the space occupied by the guide rail 113 is reduced. It is possible to guide the reciprocating motion of the mover 12 while maintaining a constant distance between the mover 12 and the stator 11 while minimizing the increase in the volume of the SRM module 1 according to the guide rail 113 . can be minimized
  • the mover 12 of the SRM module 1 will be described with reference to a partially exploded perspective view of FIG. 2 , a plan view of FIG. 4 , and a partial cross-sectional perspective view of FIG. 5 .
  • the mover 12 penetrates the inside of the cylindrical stator 11 constructed by combining two stator cores 111 and is configured to fit the size of one stator core 111 , and one stator core 111 .
  • the mover salient poles 1211 to face each stator salient pole 1111 of the stator core 111 one-to-one are formed on the outer surface along the circumferential direction, while moving in the shape of penetrating the center along the direction to reciprocate.
  • the outer surfaces of the ruler core 121 and the mover core 121 one is installed at a portion facing each corner 1113 of the inner surface of the stator core 111 and slides along the guide portion 1132 of the guide rail 113 . It includes a sliding block 122 that enables it, and a sleeve 123 in the shape of a hollow tube that is inserted and fixed inside the mover core 121 .
  • the mover core 121 has a tubular shape having an outer surface of an isometric polygonal shape so as to penetrate through the inside of the isometric polygonal shape of the stator core 111, and the magnetic flux passes through the gap between them.
  • the stator salient pole 1111 and the movable stator salient pole 1111 and the mover salient pole 1211 are provided on the pole, and a space for mounting the sliding block 122 is secured by chamfering the edge of the outer surface.
  • the mover salient pole 1211 formed in the mover core 121 is shaved facing the winding coil 112 so that magnetic flux crosses between the winding coil 112 and the winding coil 112 to form an air gap. It is formed to expand in the width direction (direction perpendicular to the reciprocating motion direction and transverse between both edges) so that the magnetic flux leaked from the winding coil 112 contributes to the reciprocating motion, and the reciprocating motion of the movable element 12 . Since it is formed to extend longer than the length of the direction, the section in which the force to reciprocate is not applied is reduced as much as possible.
  • the length of the mover core 121 is the length LP of the stator core 111 and the winding coil ( 112) to have a length that is the sum of two times the inner and outer thickness LC, so that it has a length between the outer surfaces of the winding coil 112 in the reciprocating motion direction.
  • the mover salient pole 1211 formed on the outer surface of the mover core 121 has a relatively greater width than that of the stator salient pole 1111 , and rather than the winding coil 112 .
  • the stator salient pole 1111 which is slightly protruding, forms a groove, which is a passage through which the stator salient pole 1111 passes in the longitudinal direction (reciprocating motion direction) spaced apart by an air gap, so as to face the stator salient pole 1111 with the salient pole facing surface 1211a and the winding
  • a coil facing surface 1211b capable of facing the coil 112 is provided.
  • the air gap between the salient pole facing surface 1211a and the stator salient pole 1111 is generally the gap between the rotor salient pole of the rotary switched reluctance motor and the stator salient pole, so that the magnetic flux is concentrated and passed through, for example.
  • it may be formed at intervals of 0.2 mm. Since the bobbin 1121 for winding the winding coil 112 is intercepted between the coil facing surface 1211b and the winding coil 112, the air gap between the coil facing surface 1211b and the winding coil 112 is formed by the bobbin 1121. and the coil facing surface 1211b to ensure the reciprocating motion of the mover 12 and to have an appropriate gap through which the magnetic flux can be concentrated as much as possible.
  • the mover salient pole 1211 By forming the mover salient pole 1211 in this way, when the stator core 111 is excited by the winding coil 112, the reluctance (reluctance, magnetoresistance) appearing between the mover salient pole 1211 and the salient pole facing surface 1211a is ) to minimize the force. At this time, a force to minimize the reluctance appearing between the coil facing surface 1211b and the winding coil 112 at the initial stage of attracting the mover salient pole 1211 with the force generated may be added.
  • the outer edge of the mover core 121 is filleted to install the guide rail 113 and the sliding block 122 as described above, and between the adjacent mover salient poles 1211 with the edge interposed therebetween. to minimize the magnetic flux path of Accordingly, magnetic loss in the mover core 121 may be minimized.
  • the stator core 111 is constituted by laminating electrical steel sheets of a ferromagnetic material
  • the mover core 121 is a pure iron steel sheet, a silicon steel sheet, a pure iron or silicon-containing alloy steel sheet, an amorphous alloy steel sheet, etc. It is good to reduce the eddy current loss in the core by stacking electrical steel sheets for example.
  • the sleeve 123 is provided with a piston pin 1231 that traverses the inside of a portion as close as possible to the crankshaft 21 to be described later, so that the small end of the connecting rod 22 to be described later is used as a bearing 1232 or a bushing. Make it pivotable.
  • the mover 12 installed to be reciprocally movable inside the stator 11 in which the two stator cores 111 are combined is to alternately excite the stator salient poles 1111 of the two stator cores 111.
  • the stator 11 is attracted by a force attracted in a direction that can minimize the reluctance with the excited stator salient pole 1111, that is, a force attracted in a direction facing and centered with the excited stator salient pole 1111, reciprocating motion along the central axis direction of controlled, so that the reciprocating motion can be repeated.
  • crank mechanism 2 will be described with reference to a partial cross-sectional perspective view of FIG. 5 .
  • the crank mechanism 2 rotatably supports a main journal to the crank holder 23 by a bearing 215 so that the rotation shaft is orthogonal to the reciprocating motion direction of the mover 12, and the reciprocating motion direction and
  • a crankshaft 21 having a crank arm 211 in which a crank pin 212 is installed at an orthogonal position, and a small end can be turned on the piston pin 1231 of the sleeve 123 of the movable element 12 .
  • the piston pin 1231 and the crank pin 212 are parallel to the crank shaft 21 , and the crank arm 211 is provided with the crank pin 212 about the rotation axis of the crank shaft 21 as shown. It may be that the counterweight 214 is formed in the area opposite to the area.
  • the mover 12 reaches top dead center when the mover salient pole 1211 is centered on the stator salient pole 1111 of any one stator core 111, and the other stator core It is connected to the crank mechanism 2 so as to reach the bottom dead center when it is centered on the stator salient pole 1111 of (111).
  • the distance from the rotation shaft of the crankshaft 21 to the crank pin 212 of the crank arm 211 is the stator arranged along the reciprocating direction among the stator salient poles 1111 provided in the two stator cores 111, respectively.
  • the crank arm 211 is configured to have a half value of the distance between the centers of the salient poles 1111 . The reason to reach the top dead center and bottom dead center when centered in this way is to minimize the period of applying the force while maximizing the force applied to the mover 12 .
  • crank holder 23 is used to fix the stator 11 by screwing the end of the long bolt 115 described above.
  • the encoder 3 is fixed to the crankshaft 21, rotates by the crankshaft 21, and includes a sensor disk 31 having a shutter part 311 projecting in a radial direction, and the crankshaft 21. and a sensor 32 for detecting a rotation angle to which an attractive force can be applied by sensing the shutter part 311 of the sensor disk 31 rotating by Two as many as the number is installed, so that the two stator cores 111 and one-to-one correspondence. That is, as will be described later, the signal output from the sensor 32 of the encoder 3 installed in two determines the timing to apply a voltage to the winding coil 112 of the stator core 111 corresponding to the controller 4 .
  • the sensor 32 may be configured to sense the shutter unit 311 using a sensor such as an optical sensor, a magnetic Hall sensor, or a proximity sensor.
  • the shutter part 311 is formed in a sector shape having a predetermined whistle and protrudes in a radial direction with respect to the rotation axis of the crankshaft 21, and the whistle at this time corresponds to the stator of the stator core 111.
  • the whistle in the rotation range of the crankshaft 21 corresponding to the range of motion of the mover salient pole 1211 capable of applying an attractive force between the salient pole 1111 and the mover salient pole 1211 of the mover core 121 . do.
  • stator salient pole 1111 since the attractive force is generated in a direction capable of reducing the reluctance between the stator salient pole 1111 and the mover salient pole 1211, the surface of the mover salient pole 1211 facing the stator salient pole 1111 begins to form.
  • the stator salient pole 1111 is excited by determining the whistle angle of the shutter unit 311 according to the reluctance decrease section (or inductance increase section) corresponding to the range of motion of the mover salient pole 1211 from the start to alignment. can generate attraction.
  • the mover salient pole 1211 here means the salient pole facing surface 1211a, and the reluctance decreasing section (or inductance increasing section) starts from the point at which the salient pole facing surface 1211a starts to face the stator salient pole 1111 . It refers to the section up to the point at which the center of the reciprocating motion direction coincides.
  • the two stator cores 111 are excited with a 180° difference based on the rotation angle to apply a rotational force twice during one rotation.
  • the rotation range corresponding to the inner and outer thickness LC in the movement direction no rotational force is applied.
  • the whistle LP' of the shutter unit 311 is the stator salient pole 1111. It was made to have a whistle in the range of rotational motion corresponding to the reciprocating direction length (LP).
  • Fig. 6(a) shows the shape of two encoders (3: 3-A1, 3-B1) viewed in the axial direction.
  • the two encoders 3: 3-A1 and 3-B1 are a first encoder 3-A1 far from the crank mechanism 2 and a second encoder 3-B1 close to the crank mechanism 2 .
  • the relative positions of the sensor disk 31 and the sensor 32 respectively provided in the first encoder 3-A1 and the second encoder 3-B1 are movable shown in Figs. It is shown according to the position of the ruler (12).
  • the two sensor disks 31 are symmetrically fixed about the rotation axis so that the radial directions of the shutter parts 311 are 180° different, and the two sensors 32 are installed in the same radial direction.
  • the rotation angles LC', LC" are the rotation angle LC' corresponding to the inner and outer thickness LC in the adjacent portions of the two winding coils 112 arranged in the reciprocating motion direction, and the inner and outer portions in the outer portion. It is divided by the rotation angle LC′′ corresponding to the thickness LC, and there is an angle difference.
  • crankshaft 21 can be rotated forward and reverse. That is, when rotating the encoder 3 used to determine the excitation timing of the stator salient pole 1111 when rotating in a clockwise (CW) direction, when rotating in a counterclockwise (CCW: counter clockwhise) direction, the stator It can be used to determine the excitation timing of the salient pole 1111 .
  • each stator core 111 is Sections A1 and B1 have a rotation range corresponding to the sum of the length of the stator salient pole 1111 and the thickness LC inside and outside the winding coil 112, and between the excitation sections A1 and B1, inside and outside the winding coil 112 A parallax occurs as much as the rotation angle LC' corresponding to the thickness LC.
  • the facing surface begins to be formed between the salient pole facing surface 1211a and the stator salient pole 1111, and when the stator salient pole 1111 is excited, the coil facing surface 1211b is the length of the winding coil 112 in the reciprocating motion direction. Since they face each other, the magnetic flux that comes out directly from the winding coil 112 without passing through the stator salient pole 1111 is added to the attractive force, so that the initial attractive force can be increased to make it more smoothly driven. In addition, the magnetic flux directly from the winding coil 112 contributes to the attractive force even until it is aligned.
  • Fig. 7 is a circuit configuration diagram of the controller 4 for controlling the excitation times of the two stator cores 111 so as to have the excitation time chart illustrated in Fig. 6(b). It should be noted that in FIG. 7 , the two winding coils 112 are shown in order to show the positions where the two winding coils 112 are electrically connected for convenience. In this case, the illustrated two winding coils 112 is a series or parallel connection of winding coils 112 installed for each stator salient pole 1111 in each stator core 111 .
  • the controller 4 is connected to the power supply unit 43 through a (+) power line and a (-) power line to excite the two stator cores 111 with DC power of the power supply unit 43.
  • the driver circuit unit 41 includes a first circuit for connecting any one of the two winding coils 112 to the (+) power line and the (-) power line through the switching elements S11 and S12, and the two winding coils. (112) including a second circuit for connecting the other one to the (+) power line and the (-) power line through the switching elements (S13, S14), the (+) power line and ( -) A capacitor is connected between the power lines.
  • diodes D11, D12, D13, and D14 are provided in each of the first and second circuits to fly back the self-induced voltage of the winding coil 112 to the capacitor.
  • the changeover switch 42 connects the two sensors 32 of the two encoders 3: 3-A1, 3-B1 to the switching elements S11 and S12 in the first circuit and the switching elements S13 in the second circuit.
  • S14) is connected one-to-one, but as a switch that allows the switching element to be connected to be exchanged, for example, it may be composed of a switch with four.
  • the signal output when the two sensors 32 detect the shutter unit 311 is processed by, for example, a trigger flip-flop circuit, and the switching element S11 of the first circuit is an output signal of the trigger flip-flop circuit.
  • S12) and the switching elements S13 and S14 of the second circuit may be turned on.
  • the switching device (S11, S12) of the first circuit and the switching device of the second circuit (S11, S12) of the first circuit and the switching device of the second circuit By making it possible to reverse S13 and S14, the crankshaft 21 can be operated as an engine capable of forward and reverse rotation.
  • the reciprocating switched reluctance motor driven engine according to the first embodiment of the present invention described above can be made as small as possible on the premise that it has sufficient mechanical strength while using the mover 12 as a magnetic flux path, and the stator core ( The stator 11 can be made as small as possible while increasing the occupancy of 112 as much as possible. Since the stator 11 is substantially composed of a two-phase motor with multipolar salient poles, it can be miniaturized and configured as a high-output engine.
  • the reciprocating switched reluctance motor-driven engine according to the first embodiment of the present invention includes one SRM module 1 , for example, when the mover 12 is at top dead center or bottom dead center, Since it becomes impossible to start, a separate starter (or starter) is required.
  • crankshaft 21 provided with a plurality of crank arms 211 rotatably connected to the connecting rods 22 are oriented in different radial directions, respectively, and cranks through the connecting rods. It will be explained that by configuring the arm 211 to include the SRM modules 1 connected one by one, it is possible to start without a starter (or starter), and the output can be varied according to the number of SRM modules 1 .
  • one SRM module 1 and the crank mechanism 2 combined with each other in the first embodiment of the present invention are used as one engine module, and by combining a plurality of engine modules, A plurality of SRM modules (1) rotate one crankshaft (21).
  • FIG. 8 is a perspective view of a reciprocating switched reluctance motor driven engine according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a partial cross-sectional perspective view of the two SRM modules (1:1-1, 1-2) coupled to the crank mechanism (2).
  • 10 is a side view (a) of four encoders (3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2) viewed in the axial direction and two SRM modules (1: 1-1, 1) It is an excitation time chart (b) schematically showing the excitation times of the two stator cores 111 provided in -2) according to the rotation angle of the crankshaft 21 .
  • 11 is a circuit configuration diagram of the controller 4 .
  • the reciprocating switched reluctance motor driven engine according to the second embodiment of the present invention combines two engine modules.
  • crankshafts 21 of the two engine modules are connected to the coupling 216 and integrated,
  • the two crank holders 23 are fixed to the base plate so that the two SRM modules (1: 1-1, 1-2) rotate the integrated crankshaft 21.
  • four encoders (3:3-A1, 3-B1, 3-A2, 3-B2) are installed on the integrated crankshaft 21 according to the number of two engine modules.
  • the sensor disk 31 of the two encoders 3-A1 and 3-B1 installed for one SRM module 1-1 and the other
  • the sensor disk 31 of the two encoders (3-A2, 3-B2) installed for the SRM module (1-2) of the , the sensors 32 are arranged in the same radial direction, so that they are excited with a difference of 90° corresponding to half the distance between top dead center and bottom dead center according to the excitation time chart shown in FIG. 10(c).
  • the controller 4 for excitation is provided with a driver circuit unit 41 and a changeover switch 42 for each SRM module 1-1 and 1-2.
  • the engine By configuring the engine in this way, as illustrated in FIG. 9 , even if the mover 12 is at the top dead center or the bottom dead center in any one SRM module 1-1, the other SRM module 1-2 In this case, the mover 12 is in the middle between the top dead center and the bottom dead center, so that the mover salient pole 1211 and the stator salient pole 1111 are not aligned but partially face each other. Accordingly, it is possible to start (or start) by exciting the stator core 111 suitable for the rotation direction in any direction during the forward and reverse rotation. In addition, since the two SRM modules 1 are driven, the output can be increased.
  • 13 is a side view (a) showing six encoders (3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2) in an axial direction, and 2 provided in three SRM modules (1). It is an excitation time chart (b) schematically showing the excitation time of the dog stator core 111 according to the rotation angle of the crankshaft 21 .
  • the reciprocating switched reluctance motor driven engine according to the third embodiment of the present invention is configured by combining three engine modules 1 and 2 .
  • the direction in which the crank arm 211 faces with respect to one engine module 1 and 2 has an angle difference of 90 degrees
  • the direction in which the other engine module 1 and 2 and the crank arm 211 faces is 180 degrees different from each other.
  • the difference in angle is to sequentially arrange another engine module (1,2) in a line, connect the crankshaft 21 of each engine module sequentially with a coupling 216 to unify, and each engine module (1) , 2) by fixing the crank holder 23 to the base plate, so that the three SRM modules 1-1, 1-2, 1-3 rotate one crankshaft 21.
  • the integrated crankshaft 21 has encoders 3-A3,3- for the added engine module. B3) is additionally installed, and although not shown, the driver circuit part 41 and the changeover switch 42 for the engine module additionally coupled to the controller 4 are additionally installed.
  • FIG. 14 shows four SRM modules (1: 1-1, 1-2, 1-3, 1-4) of a crank mechanism 2 in a reciprocating switched reluctance motor driven engine according to a fourth embodiment of the present invention. ) is a partial cross-sectional perspective view of the coupled state.
  • 15 is a side view (a) showing eight encoders (3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2) in an axial direction, and 2 provided in four SRM modules (1). It is an excitation time chart (b) schematically showing the excitation time of the dog stator core 111 according to the rotation angle of the crankshaft 21 .
  • the reciprocating switched reluctance motor-driven engine according to the fourth embodiment of the present invention is an engine module in a state in which the crank arm is 270° different from the crank arm of the engine module as a reference in the third embodiment. Accordingly, encoders (3-A4, 3-B4) for the added engine module are additionally installed on the integrated crankshaft 21, and although not shown, the controller 4 has a driver circuit for the additionally coupled engine module. (41) and a changeover switch (42) are additionally installed.
  • the integrated crankshaft 21 has one crank arm 211 facing the 0°, 90°, 180° and 270° radial directions.
  • the sensor disk 311 of the added encoders 3-A4 and 3-B4 is provided with a shutter portion 311 in a 270° radial direction. do.
  • crankshaft 21 may be configured to rotate the crankshaft 21 with a number of SRM modules 1 greater than four, and a plurality of SRM modules 1 having the same direction of the crank arm 211 may exist.
  • stator core 1111 stator salient pole
  • mover core 1211 mover salient pole
  • crankshaft 211 crank arm
  • crank pin 213 bearing
  • driver circuit part 42 changeover switch
  • Fig. 15 (e) is an excitation time chart schematically showing the rotation angle of the excitation type crankshaft 21 of the two stator cores 111 provided in the four SRM modules 1;

Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 릴럭턴스 토오크 발생 원리에 따라 왕복 운동하게 구성한 스위치드 릴럭턴스 모터로 크랭크 샤프트를 회전시키는 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 권선코일(112)에 의해 여자되는 고정자 돌극(1111)을 내면에 조성한 고정자 코어(111)를 2개 결합한 실린더 형상의 고정자(11)와, 가동자 돌극(1211)을 외면에 조성하고 고정자(11) 내부에서 왕복 운동 가능하게 한 가동자(12)로 SRM 모듈(1)을 구성하고, 가동자(12)의 왕복 운동을 회전 운동을 변환하는 크랭크 기구(2)에 결합하며, 2개 고정자 코어(111)를 번갈아가며 여자시켜 왕복 운동하는 가동자(12)에 의해 크랭크 기구(2)에서 회전력을 출력하게 한다.

Description

왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진
본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터의 릴럭턴스 토오크 발생 원리에 따라 왕복 운동하게 구성한 스위치드 릴럭턴스 모터로 크랭크 샤프트를 회전시키는 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진에 관한 것이다.
스위치드 릴럭턴스 모터(SRM : Switched Reluctance Motor)는 고정자 및 회전자에 각각 형성한 돌극 중에 고정자의 돌극에만 권선코일을 설치하여, 전자기적 구성과 기계적 구성이 간단하고, 내구성도 우수하며, 생산단가도 낮출 수 있는 등의 많은 장점을 갖고 있다.
이러한 스위치드 릴럭턴스 모터는 반경방향으로 마주하며 원주방향으로 배열한 고정자 돌극과 회전자 돌극 사이의 공극(air gap)과 자속 경로(flux path)에 따라 방사방향 공극 모터(Radial Air Gap Motor), 축방향 공극 모터(Axial Air Gap Motor) 및 횡단 자속 모터(Transverse Flux Motor)로 분류되며, 어느 유형으로 분류되든 고정자 돌극이 권선 코일에 의해 여자될 시에 회전자 돌극과의 릴럭턴스(reluctance, 자기 저항)를 최소화하려는 위치로 회전자 돌극을 유인하는 원리를 이용한 점에서 동일하다. 즉, 스위치드 릴럭턴스 모터는 원주방향으로 배열된 고정자 돌극을 순차적으로 여자시켜서 회전자 돌극을 간헐적으로 반복 유인함에 따라 회전자를 회전시키게 구성된다.
그리고, 릴럭턴스 토크를 동시에 발생시키는 돌극을 복수개 갖게 하는 구조, 릴럭턴스 토크를 연속적으로 발생시키게 하는 다상 구조, 또는 본 발명의 출원인의 등록특허 제10-1916814호 및 등록특허 제10-1741006호에서 보여준 바와 같이 하나의 회전자에 복수의 고정자를 결합한 구조로 구성하여서 출력을 높일 수 있다.
그런데, 고출력을 얻기 위해서는 어느 구조로 구성하든 권선코일의 코일 권회수를 많게 하거나 또는 코일을 굵게 하여 대전류를 흐릴 수 있게 하여야 하므로 그만큼 권선코일의 점유 공간을 크게 확보하여야 한다. 결국, 고정자 및 회전자의 직경을 크게 할 수 밖에 없어서 부피가 증가하면서 권선코일의 점유율이 낮아지게 되고, 기계적 강도도 저하되고, 자기적 손실도 증가하고, 폐쇄된 공간의 특성 상 냉각 효율을 높이기 어렵게 되는 등의 문제점을 수반하게 된다.
특히, 전기자동차의 엔진은 고출력 전기 모터로 구성되므로, 스위치드 릴럭턴스 모터를 사용할 시에 수반되는 제반 문제점을 해결할 필요가 있다.
또한, 출력이 상이한 전기 모터는 구조 전체를 변형하여 재구성하여야 하므로, 설계 및 제조 비용의 문제도 수반되고, 설치할 공간 상의 제약도 수반된다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) KR 10-1916814 B1 2018.11.02.
(특허문헌 2) KR 10-1741006 B1 2017.05.23.
따라서, 본 발명은 릴럭턴스 토오크의 발생 원리를 이용하면서 원통형 고정자와 회전자의 구조에 따른 제반 문제점을 해결하고 고출력을 얻을 수 있는 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진을 제공하는 데 목적을 둔다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진에 있어서, 권선코일(112)에 의해 여자되는 고정자 돌극(1111)이 내면에 조성된 2개의 고정자 코어(111)를 고정자 돌극(1111)이 고정자 코어(111)의 중심축 방향을 따라 권선코일(112)의 두께에 의한 간격을 두고 배치되도록 결합하여 구성한 실린더 형상의 고정자(11)와, 공극을 사이에 두고 고정자 돌극(1111)과 마주하게 할 가동자 돌극(1211)이 외면에 조성되며 고정자(11)를 관통하여 2개의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)을 번갈아가며 여자시킬 때에 여자된 고정자 돌극(1111)으로 유인되는 힘에 의해 고정자(11)의 중심축 방향을 따라 왕복 운동하게 한 피스톤 형상의 가동자(12)를 포함한 SRM 모듈(1); 크랭크 암(211)을 구비한 크랭크 샤프트(21)와, 상기 가동자(12)와 크랭크 암(211) 사이을 연결하여 상기 가동자(12)의 왕복 운동을 크랭크 샤프트(21)의 회전 운동으로 변환시키는 커넥팅 로드(22)를 포함한 크랭크 기구(2); 상기 크랭크 샤프트(21)의 회전각을 검출하는 엔코더(3); 및 2개의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)을 번갈아가며 여자시킬 타이밍을 엔코더(3)에서 검출한 회전각에 따라 제어하는 컨트롤러(4);를 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가동자 돌극(1211)은 자속이 가로지를 공극을 사이에 두고 상기 권선코일(112)과 마주하는 면(1211b)을 구비하도록 확장 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가동자 돌극(1211)은 상기 고정자 돌극(1111)의 왕복 운동 방향 길이보다 길게 왕복 운동 방향으로 연장 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가동자 돌극(1211)의 왕복 방향 길이는 상기 권선코일(112)의 왕복 운동 방향 양단 사이의 길이를 갖춘다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 가동자 돌극(1211)은 자속이 가로지를 공극을 사이에 두고 상기 권선코일(112)과 마주하는 면(1211b)을 구비하도록 폭방향으로 확장 형성된 상태에서, 상기 고정자 돌극(1111)의 왕복 방향 길이보다 길게 왕복 방향으로도 연장 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 고정자 코어(111)는 다각형 단면의 내면을 구비하고, 내면의 각 면에 중심의 상기 고정자 돌극(1111)을 남기고 슬롯을 형성하여 상기 권선코일(1112)을 감은 보빈(1121)을 상기 고정자 돌극(1111)에 외삽하게 구성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 2개의 상기 고정자 코어(111)의 내면의 모서리에 고정한 가이드 레일(113)에 의해서, 상기 가동자(12)의 왕복 운동을 가이드하게 구성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 크랭크 암(211)은 상기 가동자 돌극(1211)이 어느 하나의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)에 중심 맞췄을 시에 상사점에 이르고, 다른 하나의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)에 중심 맞췄을 시에 하사점에 이르게 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 엔코더(3)는 상기 고정자 코어(111)에 일대일 대응되게 2개 구비되며, 고정자 돌극(1111)이 가동자 돌극(1211)과의 릴럭턴스를 감소시키려는 유인력을 가할 수 있는 가동자 돌극(1211)의 운동 범위에 대응되는 상기 크랭크 샤프트(21)의 회전 범위의 호각을 갖는 셔터부(311)를 구비한 센서 디스크(31)와, 상기 크랭크 샤프트(21)에 의해 회전하는 센서 디스크(31)의 셔터부(311)를 감지하여 유인력를 가할 수 있는 회전각을 검출하는 센서(32)를 포함하며, 상기 컨트롤러(4)는 2개의 고정자 코어(111)에 대해서 대응되는 엔코더(3)에서 셔터부(311)를 감지하는 동안 고정자 돌극(1111)을 여자시켜, 가동자(12)를 왕복 운동시킨다.
상기 센서 디스크(31)의 셔터부(311)의 호각은 상기 고정자 돌극(1111)의 왕복 운동 방향 길이에 대응되는 상기 크랭크 샤프트(21)의 회전 범위로 하고, 상기 컨트롤러(4)는 2개 고정자 돌극(1111)의 여자 타이밍을 결정하는 데 사용하는 2개 엔코더(3)를 교환 사용하여 크랭크 샤프트(21)를 정역 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 크랭크 샤프트(21)는 각각 커넥팅 로드(22)를 회전 가능하게 연결한 복수의 크랭크 암(211)을 서로 다른 방사 방향을 향하게 구비하고, 상기 SRM 모듈(1)은 복수 개로 마련되어 각각 커넥팅 로드에 의해 크랭크 암에 일대일 연결되게 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수의 크랭크 암(211) 중에 90°각도 차이의 방사 방향을 향한 2개의 크랭크 암(211)이 존재한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수의 크랭크 암(211) 중에 어느 하나를 기준으로 90°및 180°각도 차이의 방사 방향을 향한 크랭크 암(211)이 각각 존재한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 복수의 크랭크 암(211) 중에 어느 하나를 기준으로 90°, 180°및 270°각도 차이의 방사 방향을 향한 크랭크 암(211)이 각각 존재한다.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 고정자 돌극 및 회전자 돌극을 원주 방향으로 배열하는 회전식 스위치드 릴럭턴스 모터와는 상이하게 고정자 돌극을 직선상에 2단 배치한 고정자의 내부에서 돌극을 구비한 가동자가 왕복 운동 가능하게 하고, 릴런턴스 토오크의 발생 원리에 따라 2단 고장자 돌극을 번갈아가며 여자시켜 왕복 운동시키고, 왕복 운동을 회전 운동으로 변환하여 출력하므로, 다극 2상 모터로 구성하면서 소형화할 수 있고, 고정자 돌극을 여자시키는 권선코일의 점유율을 높일 수 있어, 고출력을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 가동자 돌극을 폭방향으로 확장하여 권선코일에서 누설되는 자속이 회전력에 기여하게 하고, 길이방향으로 확장하여 권선코일의 내외 두께에 따라 회전력을 가하기 어려운 회전각 범위를 최대한 줄이고, 회전 운동을 원활하게 하여 효율을 높일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 권선코일 사이의 모서리를 통해 가동자의 왕복 운동을 가이드하므로, 공극을 일정하게 유지하며 왕복 운동시키기 위한 가이드 구성을 설치하기 용이하고 차지하는 부피도 줄일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고정자 코어별로 엔코더를 설치 운용함으로써, 회전 각속도가 순간적으로 변동하더라도 유연하게 대처하며 정확한 타이밍에 회전력을 발생시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 고출력을 얻기 위해 복수 개의 SRM 모듈을 결합하는 데 용이하고, 내연 기관처럼 설치하기에 용이하여, 고출력 엔진으로 사용하는 데 적합하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진의 사시도.
도 2는 고정자(11)를 분해한 SRM 모듈(1)의 부분 분해 사시도.
도 3은 고정자(11)를 구성하는 고정자 코어(111)의 분해 사시도.
도 4은 1개 SRM 모듈(1)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 평면도.
도 5는 1개 SRM 모듈(1)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 부분 단면 사시도.
도 6은 2개 엔코더(3 : 3-A1, 3-B1)를 축방향으로 본 형태를 보여준 측면도(a) 및 1개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트(b).
도 7은 컨트롤러(4)의 회로 구성도.
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진의 사시도.
도 9는 2개 SRM 모듈(1)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 부분 단면 사시도.
도 10은 4개 엔코더(3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2)를 축방향으로 본 형태를 보여준 측면도(a) 및 2개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트(b).
도 11은 컨트롤러(4)의 회로 구성도.
도 12 본 발명의 제3 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진에서, 3개 SRM 모듈(1)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 부분 단면 사시도.
도 13은 6개 엔코더(3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2)를 축방향으로 본 형태를 보여준 측면도(a) 및 3개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트(b).
도 14 본 발명의 제4 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진에서, 4개 SRM 모듈(1)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 부분 단면 사시도.
도 15은 8개 엔코더(3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2)를 축방향으로 본 형태를 보여준 측면도(a) 및 4개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트(b).

도 15(이는 4개 으· 모듈 (1)에 구비된 2개 고정자 코어 (111)의 여자
타임을 크랭크 샤프트 (21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임
차트.
이하, 본 발명의 실시 예들에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 구체적이고 다양한 예시들을 보여주며 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경이나 수정을 통해 실시될 수 있음도 분명하므로, 설명하는 실시 예들에 한정되지는 않는다. 그리고, 본 발명의 실시 예들은 잘 알려진 부품, 회로, 기능, 방법, 전형적인 상세한 내용에 대해서는 본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 추가하여 실시할 수 있으므로, 자세히 기술하지 않기로 한다.
<본 발명의 제1 실시 예>
도 1에 도시한 전체 사시도와 도 2에 도시한 SRM 모듈(1)의 부분 분해 사시도를 참조하면, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진은 실린더 형상의 고정자(11)의 내부에서 피스톤 형상의 가동자(12)가 왕복 운동 가능하게 고정자(11)와 가동자(12)를 결합하여 구성한 1개의 SRM(Switched Reluctance Motor) 모듈(1)과, 가동자(12)에 연결시킨 커넥팅 로드(22)로 크랭크 샤프트(21)를 회전시켜 회전력을 출력하게 한 크랭크 기구(2)와, 크랭크 샤프트(21)의 회전각을 검출하는 엔코더(3)와, 엔코더(3)에서 검출한 회전각에 따라 2개 고정자 코어(111)의 여자 타이밍을 제어하는 컨트롤러(4)를 포함한다.
상기 SRM 모듈(1)의 고정자(11)는 동일하게 구성한 2개 고정자 코어(111)를 고정자 코어(111)의 중심축 방향(고정자 코어를 관통하게 할 가동자의 왕복 운동 방향)으로 배치되도록 결합하여서, 상호 이어진 2개 고정자 코어(111)의 내부를 가동자(12)의 피스톤 운동 공간으로 사용할 수 있는 실린더 형상으로 구성된다.
도 3의 분해 사시도를 참조하면, 각각의 상기 고정자 코어(111)는 평단면으로 볼 시에 다각형을 이루는 내면을 구비하며, 구체적인 실시 예에 따르면, 등각 다각형(구체적으로 정사각형)의 평단면 형상을 갖는 내면을 구비하여 각 면에 설치할 돌극 크기를 균일하게 할 수 있다. 그리고, 상기 고정자 코어(111)의 내면의 각 면에는 양측을 중심축 방향으로 절개하여서 절개하지 않고 남은 중심 부분을 고정자 돌극(1111)으로 사용할 수 있는 슬롯(1112)이 형성된다. 권선코일(112)을 감은 보빈(1121)은 슬롯(1112)에 삽입하여 고정자 돌극(1111)에 외삽하게 함으로써, 권선코일(1112)에 전압을 인가하여 전류를 흘려줄 시에 고정자 돌극(1111)이 여자되게 한다. 즉, 상기 고정자 코어(111)의 방사 방향 각 면에는 권선코일(112)에 의해 여자시킬 수 있는 고정자 돌극(1111)이 고정자 코어(111)의 중심축을 향하게 구비된다.
물론, 권선코일(112)은 고정자 돌극(111)이 중심축을 향해 약간 돌출되게 하는 두께를 갖도록 구성된다. 도면에는 표시하지 아니하였지만, 1개 고정자 코어(111)에 장착한 복수의 권선코일(112)은 동시에 전압을 인가하도록 전기적으로 직렬 또는 병렬 연결되고, 둘레방향으로 인접하는 고정자 돌극(1111) 사이를 경유하는 자속(magnetic flux)을 형성하게 하여서, 자속 경로를 가능하면 짧게 할 수 있다. 즉, N극으로 자화된 고정자 돌극(1111)과 인접하는 고정자 돌극은 S극으로 자화되게 할 수 있다.
여기서, 상기 권선코일(112)은 고정자 코어(111)의 슬롯(1112)에 부분 삽입되고 왕복 운동 방향으로 노출되는 부분을 갖게 되므로, 2개 고정자 코어(111)을 결합할 시에, 적어도 노출된 부분의 두께(왕복 운동 방향의 내외 두께)의 2배 간격으로 2개 고정자 코어(111) 사이를 이격시켜야 한다.
둘레방향으로 인접한 권선코일(112)의 사이는 가이드 레일(113)을 고정자 코어(111)의 내면의 각 모서리(1113)에 설치할 정도의 간격을 갖도록 이격되게 한다. 이에 따라, 권선코일(112)을 장착할 수 있는 공간을 최대한 확보하여서, 고정자 돌극(1111)에 의한 자기력을 크게 할 수 있다.
이와 같이 구성되는 2개의 고정자 코어(111)는 고정자 돌극(1111)이 고정자 코어(111)의 중심축 방향을 따라 권선코일(112)의 중심축 방향 두께의 2배 간격으로 이격 배치된다. 즉, 실린더 형상의 고정자(11)의 내면에는 중심축 방향으로 이격된 2개 고정자 돌극(1111)의 쌍이 둘레 방향을 따라 복수 개 구비된다.
구체적인 실시 예에 따르면, 2개 고정자 코어(111)의 결합 방식은 적어도 권선코일(112)의 내외 두께의 2배 길이를 갖는 중공의 스페이서(114)를 2개 고정자 코어(111) 사이의 테두리측에 개재하고, 중간에 스페이서(114)를 관통하며 2개 고정자 코어(111)의 테두리측을 연속 관통하는 장볼트(115)를 설치하는 방식으로 하였다. 이때, 장볼트(115)의 단부는 하기의 크랭크 홀더(23)에 볼트 체결하여서, 고정자(11)를 크랭트 홀더(23)에 고정한다.
결합한 2개 고정자 코어(111)의 내면의 각 모서리(1113)에는 가동자(12)의 왕복 운동을 가이드할 가이드 레일(113)이 하나씩 장착된다.
상기 가이드 레일(113)은 도 4의 평면도에서 보다 자세하게 볼 수 있듯이 고정자 코어(111)에 고정할 고정부(1131)와, 모서리(1113)에 인접하는 권선코일(112) 사이에 끼워지며 고정자 코어(111)의 내부로 노출되는 부분을 확장시켜 권선코일(112)의 테두리측(정확하게는 보빈의 테두리)을 걸쳐지게 한 코일 걸림부(1131)와, 고정자 코어(111)의 내부를 향하는 부위로서 가동자(12)을 왕복 운동할 수 있게 가이드할 가이드부(1132)를 구비한다. 그리고, 2개 고정자 코어(111)에 각각 장착한 상기 가이드 레일(113)은 왕복 운동 방향으로 배열된 것끼리 상호 이어지게 하여서 일체화한다.
이와 같이 가이드 레일(113)를 장착함으로써, 권선코일(112)의 점유율을 최대한 확보하면서, 권선코일(112)을 보다 안정적으로 고정자 코어(111)에 고정하고, 가이드 레일(113)이 차지하는 공간을 최소화하면서 가동자(12)와 고정자(11) 사이의 간격을 일정하게 유지하며 가동자(12)의 왕복 운동을 가이드할 수 있어서, 가이드 레일(113)에 따른 SRM 모듈(1)의 부피 증가도 최소화할 수 있다.
상기 SRM 모듈(1)의 가동자(12)는 도 2의 부분 분해 사시도, 도 4의 평면도 및 도 5의 부분 단면 사시도를 참조하며 설명한다.
상기 가동자(12)는 2개 고정자 코어(111)를 결합하여 구성한 실린더 형상의 고정자(11)의 내부를 관통하되 하나의 고정자 코어(111) 크기에 맞춰 구성되며, 하나의 고정자 코어(111) 내부에 놓일 때에 고정자 코어(111)의 각 고정자 돌극(1111)과 일대일 마주하게 할 가동자 돌극(1211)을 외면에 둘레방향을 따라 조성하는 한편 왕복 운동시킬 방향을 따라 중심을 관통시킨 형상의 가동자 코어(121)와, 가동자 코어(121)의 외면 중에 고정자 코어(111)의 내면의 각 모서리(1113)를 향하는 부위에 하나씩 설치하여 가이드 레일(113)의 가이드부(1132)를 따라 슬라이딩 가능하게 한 슬라이딩 블록(122)과, 가동자 코어(121)의 내부에 삽입 고정되는 중공관 형상의 슬리브(123)를 포함한다.
도면에서 보여준 구체적인 실시 예에 따르면, 상기 가동자 코어(121)는 고정자 코어(111)의 등각 다각형 형상의 내부를 관통하도록 등각 다각형 형상의 외면을 갖는 관 형태를 갖추고, 자속이 가로지를 공극을 사이에 두고 고정자 돌극(1111)과 일대일 대향하게 할 가동자 돌극(1211)을 구비하고, 외면의 모서리를 모깎기하여 상기 슬라이딩 블록(122)을 장착할 공간이 확보되게 한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 상기 가동자 코어(121)에 조성한 가동자 돌극(1211)은 자속이 권선코일(112)과의 사이를 가로지를 공극을 형성하도록 권선코일(112)과 마주하는 면도 구비하도록 폭방향(왕복 운동 방향과 직교하며 양측 모서리 사이를 횡단하는 방향)으로 확장 형성되어서, 권선코일(112)에서 누설되던 자속이 왕복 운동에 기여하게 하고, 상기 가동자(12)의 왕복 운동 방향의 길이보다 길게 연장 형성되어서, 왕복 운동시킬 힘을 가하지 못하는 구간을 최대한 줄인다.
도 5에서 보여준 구체적인 실시 예에 따라 상기 가동자(12)의 왕복 운동 방향의 길이를 기준으로 설명하면, 상기 가동자 코어(121)의 길이는 고정자 코어(111) 길이(LP)와 권선코일(112)의 내외 두께(LC)의 2배를 합한 길이를 갖게 하여, 권선코일(112)에서 왕복 운동 방향의 외면 사이의 길이를 갖게 한다.
그리고, 도 4에서 보여준 바와 같이, 상기 가동자 코어(121)의 외면에 조성하는 상기 가동자 돌극(1211)은 고정자 돌극(1111)의 폭보다는 상대적으로 큰 폭을 갖고, 권선코일(112)보다는 약간 돌출된 고정자 돌극(1111)이 공극 간격으로 이격된 상태로 길이 방향(왕복 운동 방향)으로 지나가는 통로인 홈을 조성하여서, 고정자 돌극(1111)과 마주할 수 있는 돌극 대향면(1211a)과 권선코일(112)과 마주할 수 있는 코일 대향면(1211b)를 구비한다.
돌극 대향면(1211a)과 고정자 돌극(1111) 사이의 공극(air gap)은 일반적으로 회전식 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자 돌극과 고정자 돌극 사이의 공극 간격으로 하여서, 자속이 집중되어 통과하게 하며, 예를 들어, 0.2mm 간격으로 형성되게 할 수 있다. 코일 대향면(1211b)과 권선코일(112) 사이는 권선코일(112)을 감아놓는 보빈(1121)이 가로막고 있으므로, 코일 대향면(1211b)과 권선코일(112) 사이의 공극은 보빈(1121)과 코일 대향면(1211b) 사이를 이격시켜 가동자(12)의 왕복 운동을 보장하면서 자속이 최대한 집중하여 통과할 수 있는 적절한 간격을 갖게 한다.
이와 같이 가동자 돌극(1211)을 형성함으로써, 고정자 코어(111)를 권선코일(112)로 여자시키면, 가동자 돌극(1211)과 돌극 대향면(1211a) 사이에 나타나는 릴럭턴스(reluctance, 자기 저항)를 최소화하려는 힘이 발생한다. 이때 발생하는 힘으로 가동자 돌극(1211)을 유인하는 초기에 코일 대향면(1211b)과 권선코일(112) 사이에 나타나는 릴럭턴스를 최소화하려는 힘이 부가되게 할 수 있다.
여기서, 가동자 코어(121)의 외면 모서리는 상술한 바와 같이 상기 가이드 레일(113)과 슬라이딩 블록(122)을 설치하기 위해 모깎기하여서, 모서리를 사이에 두고 인접하는 가동자 돌극(1211) 사이의 자속 경로를 최소화한다. 이에, 가동자 코어(121) 내에서의 자기 손실을 최소화할 수 있다.
한편, 상기 고정자 코어(111)는 강자성체의 전기 강판을 적층하여 구성하고, 상기 가동자 코어(121)는 순철 강판, 규소 강판, 순철 또는 규소를 포함한 합금 강판, 아몰퍼스(amorphous) 합금 강판 등을 예를 들수 있는 전기 강판을 적층하여 구성함으로써, 코어에서의 와전류 손실을 줄이는 것이 좋다.
상기 슬리브(123)는 후술하는 크랭크 샤프트(21)에 가능하면 가까운 부위의 내부를 횡단하는 피스톤 핀(1231)이 설치되어서, 후술하는 커넥팅 로드(22)의 소단부를 베어링(1232) 또는 부싱으로 선회 가능하게 연결하게 한다.
상기한 바와 같이 2개 고정자 코어(111)를 결합한 고정자(11)의 내부에 왕복 운동 가능하게 설치한 가동자(12)는 2개 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)을 번갈아가며 여자시킬 때에 여자된 고정자 돌극(1111)과의 릴럭턴스를 최소화할 수 있는 방향으로 유인되는 힘, 즉, 여자된 고정자 돌극(1111)과 중심 맞추며 마주하게 되는 방향으로 유인되는 힘에 의해서, 고정자(11)의 중심축 방향을 따라 왕복 운동하게 되며, 이때 2개 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)의 여자 타이밍은 후술하는 엔코더(3)에서 검출한 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 적절하게 제어되어서, 왕복 운동을 반복할 수 있게 된다.
상기 크랭크 기구(2)는 도 5의 부분 단면 사시도를 참조하며 설명한다.
상기 크랭크 기구(2)는 회전축을 상기 가동자(12)의 왕복 운동 방향과 직교하도록 메인 저널(main journal)을 베어링(215)에 의해 크랭크 홀더(23)에 회전 가능하게 지지하고 왕복 운동 방향과 직교하는 부위에 크랭크 핀(212)을 설치한 크랭크 암(211)을 구비하는 크랭크 샤프트(21)와, 소단부를 상기 가동자(12)의 슬리브(123)의 피스톤 핀(1231)에 선회 가능하게 연결하고 대단부를 크랭크 암(211)의 크랭크 핀(212)에 회동 가능하게 베어링(213)을 이용하여 연결함으로써 상기 가동자(12)의 왕복 운동을 크랭크 샤프트(21)의 회전 운동으로 변환시키는 커넥팅 로드(22)를 포함한다. 물론, 피스톤 핀(1231) 및 크랭크 핀(212)은 크랭크 샤프트(21)와 평행하고, 도시한 바와 같이 크랭크 암(211)은 크랭크 샤프트(21)의 회전축을 중심으로 크랭크 핀(212)이 설치된 부위와 반대되는 부위에 평형추(214)를 조성한 것일 수 있다.
여기서, 가동자(12)는 상기 가동자 돌극(1211)이 어느 하나의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)에 중심 맞췄을 시에 상사점(top dead center)에 이르고 다른 하나의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)에 중심 맞췄을 시에 하사점에 이르도록 크랭크 기구(2)에 연결된다. 이를 위해서, 크랭크 샤프트(21)의 회전축에서 크랭크 암(211)의 크랭크 핀(212)까지의 거리는 2개 고정자 코어(111)에 각각 구비된 고정자 돌극(1111) 중에서 왕복 운동 방향을 따라 배열된 고정자 돌극(1111)의 중심 사이 거리의 절반값을 갖도록 크랭크 암(211)을 구성한다. 이와 같이 중심 맞췄을 시에 상사점 및 하사점에 이르게 하는 것은 가동자(12)에 가해는 힘을 최대로 하면서 힘을 가하는 주기를 최소화하기 위함이다.
한편, 크랭크 홀더(23)는 상기에서 설명한 장볼트(115)의 단부를 나사체결하여 상기 고정자(11)를 고정하는 데 사용된다.
상기 엔코더(3)는 크랭크 샤프트(21)에 고정하여서 크랭크 샤프트(21)에 의해 회전하며 방사방향으로 돌출되는 셔터부(311)를 구비한 센서 디스크(31)와, 상기 크랭크 샤프트(21)에 의해 회전하는 센서 디스크(31)의 셔터부(311)를 감지하여 유인력를 가할 수 있는 회전각을 검출하는 센서(32)를 포함하며, 상기 고정자(11)에 포함된 2개 고정자 코어(111)의 개수만큼 2개 설치되어, 2개 고정자 코어(111)와 일대일 대응되게 한다. 즉, 후술하는 바와 같이 2개 설치된 상기 엔코더(3)의 센서(32)에서 출력하는 신호는 상기 컨트롤러(4)에서 대응되는 고정자 코어(111)의 권선코일(112)에 전압 인가할 타이밍을 결정하는 데 사용된다. 상기 센서(32)는 광 센서, 자기 홀 센서, 근접 센서 등의 센서를 이용하여 셔터부(311)를 감지하게 구성할 수 있다.
여기서, 상기 셔터부(311)는 소정의 호각을 갖는 부채꼴 형태로 형성하여서 크랭크 샤프트(21)의 회전축을 중심으로 한 방사방향으로 돌출되는 데, 이때의 호각은 대응되는 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)과 가동자 코어(121)의 가동자 돌극(1211) 사이에 유인력을 가할 수 있는 가동자 돌극(1211)의 운동 범위에 대응되는 상기 크랭크 샤프트(21)의 회전 범위의 호각을 갖게 한다.
스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 원리에 따르면, 고정자 돌극(1111)을 여자시킬 시에 가동자 돌극(1211)의 중심이 고정자 돌극(1111)의 중심에 일치하는 정렬(align) 상태로 되도록 가동자 돌극(1211)을 유인한다.
즉, 고정자 돌극(1111)과 가동자 돌극(1211) 사이의 릴럭턴스를 감소시킬 수 있는 방향으로 유인력이 발생하므로, 가동자 돌극(1211)이 고정자 돌극(1111)과 마주하는 면이 생기기 시작하는 시점부터 정렬될 때까지의 가동자 돌극(1211)의 운동 범위에 해당되는 릴럭턴스 감소구간(또는 인덕턴스 증가구간)에 맞춰 상기 셔터부(311)의 호각을 정함으로써, 고정자 돌극(1111)를 여자시켜 유인력을 발생시킬 수 있다. 물론, 여기서의 가동자 돌극(1211)은 돌극 대향면(1211a)을 의미하고, 릴럭턴스 감소구간(또는 인덕턴스 증가구간)은 돌극 대향면(1211a)이 고정자 돌극(1111)과 마주하기 시작한 시점부터 왕복 운동 방향의 중심을 일치시킨 시점까지의 구간을 의미한다.
이에 따라, 2개 고정자 코어(111)를 회전각 기준으로 180°차이를 갖게 여자시켜 1회전 중에 2회 회전력을 가하게 되되, 여자시킬 고정자 코어(111)를 변경할 시에 권선코일(112)의 왕복 운동 방향의 내외 두께(LC)에 해당되는 회전 범위에서는 회전력을 가하지 않게 된다.
도 5 및 도 6을 참조하며 구체적인 실시 예를 설명하면, 크랭크 샤프트(21)를 SRM 모듈(1)로 정역 회전시키기 위해서, 셔터부(311)의 호각(LP')이 고정자 돌극(1111)의 왕복 운동 방향 길이(LP)에 해당되는 회전 운동 범위의 호각을 갖게 하였다.
도 6(a)은 2개 엔코더(3 : 3-A1, 3-B1)를 축방향으로 본 형상을 보여준다.
2개 엔코더(3 : 3-A1, 3-B1)는 크랭크 기구(2)에서 멀리 떨어진 제1 엔코더(3-A1)와 크랭크 기구(2)에 가깝게 있는 제2 엔코더(3-B1)이다. 도 6(a)에는 제1 엔코더(3-A1) 및 제2 엔코더(3-B1)에 각각 구비된 센서 디스크(31)와 센서(32)의 상대적 위치를 도 1 및 도 5에 도시한 가동자(12)의 위치에 맞춰 도시되어 있다. 그리고, 대칭성을 위해서 2개 센서 디스크(31)는 셔터부(311)가 향하는 방사 방향이 180°차이 나도록 회전축을 중심으로 대칭적으로 고정되고, 2개 센서(32)는 동일한 방사 방향 상에 설치하여서, 가동자 돌극(1211)이 고정자 돌극(1111)과 마주하기 시작하는 시점부터 고정자 돌극(1111)의 길이만큼 이동한 시점까지 감지할 수 있게 하였다.
즉, 권선코일(112)의 왕복 운동 방향의 내외 두께(LC)에 해당되는 회전각(LC', LC")에 의해서, 셔터부(311)의 호각(LP')은 180°-(LC'+LC")의 호각을 갖게 된다. 이때의 회전각(LC', LC")은 왕복 운동 방향으로 배치된 2개 권선코일(112)의 인접 부분에서 내외 두께(LC)에 대응되는 회전각(LC')과, 외곽측 부분에서 내외 두께(LC)에 대응되는 회전각(LC")으로 구분되며, 각도 차이가 있게 된다.
그리고, 2개 고정자 돌극(1111)의 여자 타이밍을 결정하는 데 사용하는 2개 엔코더(3 : 3-A1, 3-B1)를 교환 사용하면, 크랭크 샤프트(21)를 정역 회전시킬 수 있다. 즉, 시계방향(CW : clockwise)으로 회전시킬 시에 고정자 돌극(1111)의 여자 타이밍을 결정하는 데 사용하던 엔코더(3)를 반시계방향(CCW : counter clockwhise)으로 회전시킬 시에 교환하여 고정자 돌극(1111)의 여자 타이밍을 결정하는 데 사용할 수 있다.
도 6(b)은 1개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트로서, 셔터부(311) 감지 신호가 끊긴 이후 정렬 상태에 이를 때까지의 회전 범위(LC")를 회전 속도에 따라 추정하여서, 정렬 상태에 이를 때까지 여자시키게 할 수 있다. 이에 따라, 각 고정자 코어(111)의 여자 구간(A1, B1)은 고정자 돌극(1111) 길이와 권선코일(112) 내외 두께(LC)의 합에 해당되는 회전 범위를 갖게 되고, 여자 구간(A1, B1) 사이에는 권선코일(112) 내외 두께(LC)에 해당되는 회전각(LC')만큼 시차가 생긴다.
여기서, 돌극 대향면(1211a)과 고정자 돌극(1111) 사이에 마주하는 면이 생기기 시작하여 고정자 돌극(1111)을 여자한 시점에는 코일 대향면(1211b)이 권선코일(112)의 왕복 운동 방향 길이만큼 마주한 상태이므로, 고정자 돌극(1111)을 경유하지 아니하고 권선코일(112)에서 직접 나오는 자속이 유인력에 부가되어서, 초기 유인력을 증가시켜 보다 원활하게 구동시킬 수 있다. 또한, 정렬될 때까지도 권선코일(112)에서 직접 나오는 자속이 유인력에 기여하게 된다.
한편, 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 다양한 이유에 의해 정렬 시점보다 소정 시간 앞선 시점까지만 여자시키기도 하고, 돌극 대향면(1211a)과 고정자 돌극(1111) 사이의 대향 면적이 증가하지 않게 되면 권선코일(112)에 누설되는 자속이 기여하더라도 유인력이 약해지므로, 정렬 직전에 권선코일(112)의 내외 두께(LC)에 해당되는 회전각(LC")에는 여자시키지 않거나 아니면, 여자시간을 단축할 수도 있다.
도 7은 도 6(b)에 예시한 여자 타임 차트를 갖도록 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 제어하는 컨트롤러(4)의 회로 구성도이다. 도 7에서는 편의상 2개 권선코일(112)이 전기적으로 연결되는 위치를 보여주기 위해서 2개 권선코일(112)이 도시되어 있음에 유의해야 한다. 이때 도시한 2개 권선코일(112)은 각각의 고정자 코어(111)에서 고정자 돌극(1111)별로 설치된 권선코일(112)을 직렬 또는 병렬 연결한 것이다.
상기 컨트롤러(4)는 (+)전원라인과 (-)전원라인을 통해 전원부(43)에 연결하여 전원부(43)의 DC 전력으로 2개 고정자 코어(111)를 여자시키기 위한 드라이버 회로부(41)와, 정역제어를 위한 전환 스위치(42)를 포함한다.
상기 드라이버 회로부(41)는 2개 권선 코일(112) 중에 어느 하나를 스위칭 소자(S11, S12)를 통해 (+)전원라인과 (-)전원라인에 연결하는 제1 회로와, 2개 권선 코일(112) 중에 다른 하나를 스위칭 소자(S13, S14)를 통해 (+)전원라인과 (-)전원라인에 연결하는 제2 회로를 포함하고, 전원부(43) 측의 (+)전원라인과 (-)전원라인 사이에는 커패시터가 연결되어 있다. 또한, 제1,2 회로에는 각각 권선코일(112)의 자기 유도 전압을 커패시터로 플라이 백(Fly Back)시키기 위한 다이오드(D11, D12, D13, D14)가 구비되어 있다.
상기 전환 스위치(42)는 2개 엔코더(3 : 3-A1, 3-B1)의 2개 센서(32)를 제1 회로의 스위칭 소자(S11, S12) 및 제2 회로의 스위칭 소자(S13, S14)에 일대일 연결하되, 연결할 스위칭 소자를 교환할 수 있게 한 스위치로서, 예를 들어 4로 스위치로 구성될 수 있다. 물론, 2개 센서(32)에서 셔터부(311)를 검출할 시에 출력하는 신호를 예를 들어 트리거 플립플롭 회로로 처리하여 트리거 플립플롭 회로의 출력신호로 제1 회로의 스위칭 소자(S11, S12) 및 제2 회로의 스위칭 소자(S13, S14)를 턴온시키게 할 수 있다.
이와 같이 구성되는 상기 전환 스위치(42)를 사용자 조작하거나 제어신호에 따라 스위칭 동작시켜서, 2개 센서(32)를 일대일 연결할 제1 회로의 스위칭 소자(S11, S12) 및 제2 회로의 스위칭 소자(S13, S14)를 뒤바꿀수 있게 함으로써, 크랭크 샤프트(21)를 정역회전할 수 있는 엔진으로 운용할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진은 가동자(12)를 자속 경로로 사용하면서 충분한 기계적 강도를 갖게 한다는 전제하여 가능하면 작게 할 수 있고, 고정자 코어(112)의 점유율을 최대한 크게 하면서 고정자(11)를 가능하면 작게 할 수 있으며, 돌극을 다극화하면서 실질적으로 2상 모터로 구성되므로, 소형화하면서 고출력의 엔진으로 구성할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진은 1대의 SRM 모듈(1)를 구비하므로, 예를 들어, 가동자(12)가 상사점 아니면 하사점에 있을 시에 기동 불능 상태가 되므로, 별도의 기동기(또는 시동기)를 필요로 한다.
이하의 본 발명의 실시 예에서는, 각각 커넥팅 로드(22)를 회전 가능하게 연결한 복수의 크랭크 암(211)을 서로 다른 방사 방향으로 향하게 구비한 크랭크 샤프트(21)와, 각각 커넥팅 로드를 통해 크랭크 암(211)에 하나씩 연결한 SRM 모듈(1)을 포함하게 구성하여서, 기동기(또는 시동기) 없이도 기동 가능하고, SRM 모듈(1)의 개수에 따라 출력을 다르게 할 수 있음을 설명한다.
이를 위한 구체적인 본 발명의 실시 예에 따르면, 본 발명의 제1 실시 예에서 상호 결합한 1개 SRM 모듈(1)과 크랭크 기구(2)를 하나의 엔진 모듈로 하고, 복수 개의 엔진 모듈을 결합하여서, 복수 개의 SRM 모듈(1)로 하나의 크랭크 샤프트(21)를 회전시키게 한다.
<본 발명의 제2 실시 예>
도 8은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진의 사시도이다.
도 9는 2개 SRM 모듈(1 : 1-1, 1-2)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 부분 단면 사시도이다.
도 10은 4개 엔코더(3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2)를 축방향으로 본 형태를 보여준 측면도(a) 및 2개 SRM 모듈(1 : 1-1, 1-2)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트(b)이다.
도 11은 컨트롤러(4)의 회로 구성도이다.
본 발명의 제2 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진은 2개 엔진 모듈을 결합한 것이다.
즉, 2개 엔진 모듈에 하나씩 구비된 크랭크 암(211)이 90°각도 차이의 방사 방향을 향하게 한 상태에서 2개 엔진 모듈의 크랭크 샤프트(21)를 커플링(216)으로 연결하여 일체화하고, 2개 크랭크 홀더(23)는 베이스판에 고정하여서, 2개 SRM 모듈(1 : 1-1, 1-2)이 일체화된 크랭크 샤프트(21)를 회전시키게 한다. 그리고, 일체화된 크랭크 샤프트(21)에는 2개 엔진 모듈의 개수에 맞게 4개의 엔코더(3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2)를 설치한다.
즉, 일체화된 크랭크 샤프트(21)에 구비되는 2개 크랭크 암(211)은 커넥팅 로드(22)의 대단부를 회전 가능하게 연결하는 크랭크 핀(212)이 향하는 방향이 90°각도 차이로 어긋나 있다.
또한, 도 10(a,b)에 도시한 바와 같이 어느 하나의 SRM 모듈(1-1)을 위해 설치한 2개 엔코더(3-A1, 3-B1)의 센서 디스크(31)와, 다른 하나의 SRM 모듈(1-2)을 위해 설치한 2개 엔코더(3-A2, 3-B2)의 센서 디스크(31)는 셔터부(311)가 향하는 방향이 회전축을 기준으로 90°각도 차이를 갖고, 센서(32)는 동일 방사방향에 배치되어서, 도 10(c)에 도시한 여자 타임 차트에 따라 상사점과 하사점 사이 거리의 절반에 대응되는 90°차이로 여자되게 한다.
이와 같이 여자시키기 위한 컨트롤러(4)는 도 11에 도시한 바와 같이 SRM 모듈(1-1, 1-2) 별로 드라이버 회로부(41) 및 전환 스위치(42)를 구비한다.
이와 같이 엔진을 구성함으로써, 도 9에 예시한 바와 같이 어느 하나의 SRM 모듈(1-1)에서 가동자(12)가 상사점이나 아니면 하사점에 있더라도, 다른 하나의 SRM 모듈(1-2)에서 가동자(12)가 상사점과 하사점 사이의 중간에 있게 되어 가동자 돌극(1211)과 고정자 돌극(1111)이 정렬 상태는 아니고 부분적으로 마주한 상태로 있게 된다. 이에 따라, 정역회전 중에 어느 방향의 회전이든 회전 방향에 맞는 고정자 코어(111)를 여자시켜 기동(또는 시동)시킬 수 있다. 또한, 2개 SRM 모듈(1)를 구동하므로 출력을 높일 수 있다.
<본 발명의 제3 실시 예>
도 12는 본 발명의 제3 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진에서, 3개 SRM 모듈(1 : 1-1, 1-2, 1-3)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 부분 단면 사시도이다.
도 13은 6개 엔코더(3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2)를 축방향으로 본 형상으로 도시한 측면도(a) 및 3개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트(b)이다.
본 발명의 제3 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진은 3개의 엔진 모듈(1,2)를 결합하여 구성된다.
구체적으로, 하나의 엔진 모듈(1,2)을 기준으로 크랭크 암(211)이 향하는 방향이 90°각도 차이는 다른 하나의 엔진 모듈(1,2)과 크랭크 암(211)이 향하는 방향이 180°각도 차이는 또다른 하나의 엔진 모듈(1,2)을 순차적으로 일렬 배치하고, 각 엔진 모듈의 크랭크 샤프트(21)를 순차적으로 커플링(216)으로 연결하여 일체화하고, 각 엔진 모듈(1,2)의 크랭크 홀더(23)를 베이스판에 고정하여서, 3개 SRM 모듈(1-1, 1-2, 1-3)이 하나의 크랭크 샤프트(21)를 회전시키게 한다.
즉, 크랭크 암이 향하는 방향이 180°차이나게 한 상태의 엔진 모듈을 제2 실시 예의 엔진에 추가 결합한 것이므로, 일체화된 크랭크 샤프트(21)에는 추가한 엔진 모듈을 위한 엔코더(3-A3,3-B3)를 추가 설치하고, 도시하지는 아니하였지만, 컨트롤러(4)에는 추가 결합한 엔진 모듈을 위한 드라이버 회로부(41) 및 전환 스위치(42)를 추가 설치된다.
물론, 도 13(a,b,c)에 도시한 바와 같이 추가 설치한 엔코더(3-A3, 3-B3)에서 센서 디스크(31)만 180°차이나게 고정되고, 센서(32)는 동일 방사 방향에 설치된다.
이와 같이 구성되는 엔진에서는 도 13(d)에 도시한 바와 같이 동시에 회전력을 가하는 2대의 SRM 모듈(1-1, 1-3)과, 90°회전각 차이로 회전력을 가하는 1대의 SRM 모듈(1-2)을 구비한다.
<본 발명의 제4 실시 예>
도 14는 본 발명의 제4 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진에서, 4개 SRM 모듈(1 : 1-1, 1-2, 1-3, 1-4)을 크랭크 기구(2)에 결합한 상태의 부분 단면 사시도이다.
도 15은 8개 엔코더(3:3-A1,3-B1,3-A2,3-B2)를 축방향으로 본 형상으로 도시한 측면도(a) 및 4개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타임을 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트(b)이다.
본 발명의 제4 실시 예에 따른 왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진은 제3 실시 예에서 크랭크 암이 기준이 되는 엔진 모듈의 크랭크 암과 270°각도 차이나게 한 상태의 엔진 모듈을 추가 결합한 것이다. 이에 따라, 일체화된 크랭크 샤프트(21)에는 추가한 엔진 모듈을 위한 엔코더(3-A4, 3-B4)를 추가 설치하고, 도시하지는 아니하였지만, 컨트롤러(4)에는 추가 결합한 엔진 모듈을 위한 드라이버 회로부(41) 및 전환 스위치(42)를 추가 설치한다.
즉, 도 14에 도시한 바와 같이, 일체화된 크랭크 샤프트(21)에는 0°, 90°, 180°및 270°방사 방향을 향하는 크랭크 암(211)이 하나씩 존재한다. 그리고, 도 15(a,b,c,d)에 도시한 바와 같이 추가된 엔코더(3-A4, 3-B4)의 센서 디스크(311)는 270°방사 방향의 셔터부(311)를 구비하게 된다.
이와 같이 구성되는 엔진에서는, 180°회전각 차이로 회전력을 가하게 구성되는 4대의 SRM 모듈(1-1, 1-2, 1-3, 1-4)이 0°, 90°, 180°및 270°의 회전각 차이로 회전력을 가하게 된다.
한편, 4대보다 많은 수의 SRM 모듈(1)로 크랭크 샤프트(21)를 회전시키게 구성할 수도 있고, 크랭크 암(211)의 방향이 동일한 복수의 SRM 모듈(1)이 존재하게도 할 수 있다.
다른 한편으로, 크랭크 샤프트(21)에 플라이휠을 장착하여, 동요를 방지하며 회전을 원활하게 할 수도 있다.
이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위해 구체적인 실시 예로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기와 같이 구체적인 실시 예와 동일한 구성 및 작용에만 국한되지 않고, 여러가지 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 실시될 수 있다. 따라서, 그와 같은 변형도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주해야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의해 결정되어야 한다.
[부호의 설명]
1 : SRM(Switched Reluctance Motor) 모듈
11 : 고정자
111 : 고정자 코어 1111 : 고정자 돌극
1112 : 슬롯 1113 : 모서리
112 : 권선코일 1121 : 보빈
113 : 가이드 레일 1131 : 고정부
1132 : 가이드부 1133 : 코일 걸림부
114 : 스페이서
115 : 장볼트
12 : 가동자
121 : 가동자 코어 1211 : 가동자 돌극
1211a : 돌극 대향면 1211b : 코일 대향면
122 : 슬라이딩 블록
123 : 슬리브 1231 : 피스톤 핀
1232 : 베어링
2 : 크랭크 기구
21 : 크랭크 샤프트 211 : 크랭크 암
212 : 크랭크 핀 213 : 베어링
214 : 평형추 215 : 베어링
216 : 커플링
22 : 커넥팅 로드
23 : 크랭크 홀더
3 : 엔코더
31 : 센서 디스크 311 : 셔터부
32 : 센서
4 : 컨트롤러
41 : 드라이버 회로부 42 : 전환 스위치
43 : 전원부

도 15(e)는 4개 SRM 모듈(1)에 구비된 2개 고정자 코어(111)의 여자 타입 크랭크 샤프트(21)의 회전각에 따라 개략적으로 도시한 여자 타임 차트.

Claims (14)

  1. 권선코일(112)에 의해 여자되는 고정자 돌극(1111)이 내면에 조성된 2개의 고정자 코어(111)를 고정자 돌극(1111)이 고정자 코어(111)의 중심축 방향을 따라 권선코일(112)의 두께에 의한 간격을 두고 배치되도록 결합하여 구성한 실린더 형상의 고정자(11)와, 공극을 사이에 두고 고정자 돌극(1111)과 마주하게 할 가동자 돌극(1211)이 외면에 조성되며 고정자(11)를 관통하여 2개의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)을 번갈아가며 여자시킬 때에 여자된 고정자 돌극(1111)으로 유인되는 힘에 의해 고정자(11)의 중심축 방향을 따라 왕복 운동하게 한 피스톤 형상의 가동자(12)를 포함한 SRM 모듈(1);
    크랭크 암(211)을 구비한 크랭크 샤프트(21)와, 상기 가동자(12)와 크랭크 암(211) 사이을 연결하여 상기 가동자(12)의 왕복 운동을 크랭크 샤프트(21)의 회전 운동으로 변환시키는 커넥팅 로드(22)를 포함한 크랭크 기구(2);
    상기 크랭크 샤프트(21)의 회전각을 검출하는 엔코더(3); 및
    2개의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)을 번갈아가며 여자시킬 타이밍을 엔코더(3)에서 검출한 회전각에 따라 제어하는 컨트롤러(4);
    를 포함한
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자 돌극(1211)은
    자속이 가로지를 공극을 사이에 두고 상기 권선코일(112)과 마주하는 면(1211b)을 구비하도록 확장 형성되는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자 돌극(1211)은
    상기 고정자 돌극(1111)의 왕복 운동 방향 길이보다 길게 왕복 운동 방향으로 연장 형성되는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가동자 돌극(1211)의 왕복 방향 길이는
    상기 권선코일(112)의 왕복 운동 방향 양단 사이의 길이로 하는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자 돌극(1211)은
    자속이 가로지를 공극을 사이에 두고 상기 권선코일(112)과 마주하는 면(1211b)을 구비하도록 폭방향으로 확장 형성된 상태에서, 상기 고정자 돌극(1111)의 왕복 방향 길이보다 길게 왕복 방향으로도 연장 형성되는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자 코어(111)는
    다각형 단면의 내면을 구비하고, 내면의 각 면에 중심의 상기 고정자 돌극(1111)을 남기고 슬롯을 형성하여 상기 권선코일(112)을 감은 보빈(1121)을 상기 고정자 돌극(1111)에 외삽하게 구성한
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  7. 제 6항에 있어서,
    2개의 상기 고정자 코어(111)의 내면의 모서리에 고정한 가이드 레일(113)에 의해서, 상기 가동자(12)의 왕복 운동을 가이드하게 구성한
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 크랭크 암(211)은
    상기 가동자 돌극(1211)이 어느 하나의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)에 중심 맞췄을 시에 상사점에 이르고, 다른 하나의 고정자 코어(111)의 고정자 돌극(1111)에 중심 맞췄을 시에 하사점에 이르게 하는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 엔코더(3)는
    상기 고정자 코어(111)에 일대일 대응되게 2개 구비되며, 고정자 돌극(1111)이 가동자 돌극(1211)과의 릴럭턴스를 감소시키려는 유인력을 가할 수 있는 가동자 돌극(1211)의 운동 범위에 대응되는 상기 크랭크 샤프트(21)의 회전 범위의 호각을 갖는 셔터부(311)를 구비한 센서 디스크(31)와, 상기 크랭크 샤프트(21)에 의해 회전하는 센서 디스크(31)의 셔터부(311)를 감지하여 유인력를 가할 수 있는 회전각을 검출하는 센서(32)를 포함하며,
    상기 컨트롤러(4)는
    2개의 고정자 코어(111)에 대해서 대응되는 엔코더(3)에서 셔터부(311)를 감지하는 동안 고정자 돌극(1111)을 여자시켜, 가동자(12)를 왕복 운동시키는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 센서 디스크(31)의 셔터부(311)의 호각은
    상기 고정자 돌극(1111)의 왕복 운동 방향 길이에 대응되는 상기 크랭크 샤프트(21)의 회전 범위로 하고,
    상기 컨트롤러(4)는
    2개 고정자 돌극(1111)의 여자 타이밍을 결정하는 데 사용하는 2개 엔코더(3)를 교환 사용하여 크랭크 샤프트(21)를 정역 회전시킬 수 있는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 크랭크 샤프트(21)는
    각각 커넥팅 로드(22)를 회전 가능하게 연결한 복수의 크랭크 암(211)을 서로 다른 방사 방향을 향하게 구비하고,
    상기 SRM 모듈(1)은
    복수 개로 마련되어 각각 커넥팅 로드에 의해 크랭크 암에 일대일 연결되게 한
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  12. 제 11항에 있어서,
    복수의 크랭크 암(211) 중에 90°각도 차이의 방사 방향을 향한 2개의 크랭크 암(211)이 존재하는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  13. 제 11항에 있어서,
    복수의 크랭크 암(211) 중에 어느 하나를 기준으로 90°및 180°각도 차이의 방사 방향을 향한 크랭크 암(211)이 각각 존재하는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
  14. 제 11항에 있어서,
    복수의 크랭크 암(211) 중에 어느 하나를 기준으로 90°, 180°및 270°각도 차이의 방사 방향을 향한 크랭크 암(211)이 각각 존재하는
    왕복동 스위치드 릴럭턴스 모터 구동식 엔진.
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