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KR101614685B1 - 권선계자형 동기 전동기 및 그의 회전자 - Google Patents

권선계자형 동기 전동기 및 그의 회전자 Download PDF

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KR101614685B1
KR101614685B1 KR1020140098131A KR20140098131A KR101614685B1 KR 101614685 B1 KR101614685 B1 KR 101614685B1 KR 1020140098131 A KR1020140098131 A KR 1020140098131A KR 20140098131 A KR20140098131 A KR 20140098131A KR 101614685 B1 KR101614685 B1 KR 101614685B1
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permanent magnets
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synchronous motor
rotors
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유세현
김영균
서정무
정인성
홍정표
김두영
김해중
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전자부품연구원
한양대학교 산학협력단
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
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Abstract

본 발명은 권선계자형 동기 전동기 및 그의 회전자에 관한 것으로, 무부하 역기전력의 전고조파외율(THD) 및 코깅 토크를 개선하고, 회전자의 관성모멘트를 줄이기 위한 것이다. 본 발명은 관형의 고정자와 회전자를 구비하는 권선계자형 동기 전동기를 제공한다. 관형의 고정자는 중심 부분에 회전자 설치구멍이 형성되며, 내주면을 따라서 형성된 복수의 치에 전기자권선이 형성된다. 회전자는 고정자의 회전자 설치구멍에 설치되며 자속집중타입으로 삽입된 복수의 영구자석을 갖는 단위 회전자들이 축방향으로 적층된다. 이때 단위 회전자들은 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석들의 배열이 서로 상이하고, 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석이 서로 연결되게 적층된다.

Description

권선계자형 동기 전동기 및 그의 회전자{Wound field type synchronous motor and rotor thereof}
본 발명은 동기 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자에 영구자석이 자속집중타입으로 매입되고, 브러시를 사용하지 않는 권선계자형 동기 전동기 및 그의 회전자에 관한 것이다.
동기 전동기는 교류 전동기의 일종으로, 회전자계를 형성하는 고정자와 자극(磁極)을 가진 회전자로 구성된다. 동기 전동기의 회전자는 고정자의 회전자계와의 사이에 생기는 자기력에 의해 흡인되어 회전한다.
이러한 동기 전동기 중에서, 회전자에 영구자석이 자속집중타입으로 삽입되고, 브러시를 사용하지 않는 동기 전동기를 권선계자형 동기 전동기라 한다.
권선계자형 동기 전동기는 영구자석이 축방향으로 방사형의 직선 형태로 배치되기 때문에, 무부하역기전력의 전고조파외율(Total Harmonic Distortion; THD)이 높게 나타난다. 또한 권선계자형 동기 전동기는 코깅 토크(cogging torque) 및 토크 리플(torque ripple)이 커지며, 제어특성이 나빠진다.
또한 권선계자형 동기 전동기는 계자권선에 의해 발생되는 자속이 회전자로 통과할 수 있도록, 고체 타입(solid type) 철심을 회전자에 부착한다. 고체 타입의 철심을 회전자에 추가함으로써 회전자의 무게가 증가하기 때문에, 회전자의 관성모멘트가 높아지고, 이로 인해 전동기의 제어 응답 특성을 저하시킨다.
한국등록특허 제10-1244574호(2013.03.11.)
따라서 본 발명의 목적은 무부하 역기전력의 전고조파외율(THD) 및 코깅 토크를 개선할 수 있는 권선계자형 동기 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고체 타입(solid type) 철심을 회전자에 부착함으로써 발생되는 회전자의 관성모멘트가 높아지고, 이로 인해 전동기의 제어 응답 특성을 저하되는 문제를 해소할 수 있는 권선계자형 동기 전동기를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정자의 회전자 설치구멍에 설치되며 자속집중타입으로 삽입된 복수의 영구자석을 갖는 단위 회전자들이 축방향으로 적층된 권선계자형 동기 전동기의 회전자를 제공한다. 이때 상기 단위 회전자들은, 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석들의 배열이 서로 상이하고, 상기 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석이 서로 연결되게 적층된다.
본 발명에 따른 권선계자형 동기 전동기의 회전자에 있어서, 상기 단위 회전자들은 상기 단위 회전자들의 외주면을 따라서 영구자석들이 삼각파형 형태를 형성하도록 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 권선계자형 동기 전동기의 회전자에 있어서, 상기 단위 회전자는 회전자 철심과 복수의 영구자석을 포함한다. 상기 회전자 철심은 중심 부분에 회전축이 삽입되어 설치되는 회전축 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전축 삽입구멍을 중심으로 방사형으로 복수의 영구자석 매입구멍이 형성된다. 상기 복수의 영구자석은 상기 복수의 영구자석 매입구멍에 각각 삽입된다.
본 발명에 따른 권선계자형 동기 전동기의 회전자에 있어서, 상기 단위 회전자 중 최상부 단위 회전자와 최하부 단위 회전자는 동일한 영구자석의 배열 형태를 가지며, 상기 최상부 단위 회전자의 영구자석들과 상기 최하부 단위 회전자의 영구자석들이 축방향으로 서로 어긋나게 위치하도록 적층될 수 있다.
본 발명에 따른 권선계자형 동기 전동기의 회전자에 있어서, 상기 단위 회전자들 중 중심에 위치하는 중심 단위 회전자에 매입된 영구자석 간의 간격이 가장 멀고, 상기 중심 단위 회전자를 중심으로 상하로 갈수록 영구자석 간의 간격이 점차적으로 줄어들 수 있다.
본 발명에 따른 권선계자형 동기 전동기의 회전자에 있어서, 상기 단위 회전자의 개수는 3개 이상의 홀수개이고, 중심에 위치하는 단위 회전자를 중심으로 상하로 대칭되게 영구자석이 배열될 수 있다.
본 발명은 또한, 관형의 고정자 및 회전자를 포함하는 권선계자형 동기 전동기를 제공한다. 상기 관형의 고정자는 중심 부분에 회전자 설치구멍이 형성되며, 내주면을 따라서 형성된 복수의 치에 전기자권선이 형성된다. 상기 회전자는 상기 고정자의 회전자 설치구멍에 설치되며 자속집중타입으로 삽입된 복수의 영구자석을 갖는 단위 회전자들이 축방향으로 적층된다. 이때 상기 단위 회전자들은, 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석들의 배열이 서로 상이하고, 상기 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석이 서로 연결되게 적층된다.
그리고 본 발명에 따른 권선계자형 동기 전동기는 하우징과 한 쌍의 계자권선을 더 포함할 수 있다. 상기 하우징은 상기 고정자의 외주면을 둘러싸는 양쪽이 개방된 관형의 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 양쪽의 개방된 부분을 막는 한 쌍의 하우징 엔드 캡으로, 중심부분에 상기 회전자를 향하여 돌출된 지지블록을 갖는 상기 한 쌍의 하우징 엔드 캡을 구비한다. 그리고 상기 한 쌍의 계자권선은 상기 한 쌍의 하우징 엔드 캡의 지지블록의 외주면에 각각 권선되어 계자를 형성한다.
본 발명에 따르면, 영구자석들이 축 방향으로 단을 주어 회전자 철심에 삽입함으로써, 무부하 역기전력의 전고조파왜율(THD) 및 코깅 토크를 개선할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 권선계자형 동기 전동기는 회전자에서 고체 타입의 철심이 제거되고, 하우징 엔드 캡에 계자권선을 지지하는 지지블록을 형성함으로써, 회전자의 무게를 줄여 관성모멘트를 낮추고, 이로 인해 제어 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 지지블록에 계자권선을 형성함으로써, 하우징 엔드 캡의 내측면에 계자권선을 형성하는 것에 비해서 계자권선을 안정적으로 형성할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기를 보여주는 분해 사시도이다.
도 2는 도 1의 권선계자형 동기 전동기의 일부 절개 사시도이다.
도 3는 도 1의 회전자의 분해 사시도이다.
도 4는 도 1의 회전자를 보여주는 사시도이다.
도 5 내지 도 9는 제1 내지 제5 단위 회전자를 보여주는 평면도이다.
도 10은 도 1의 하우징 엔드 캡을 보여주는 사시도이다.
도 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 권선계자형 동기 전동기의 무부하 역기전력 파형 및 전고조파외율(THD)을 보여주는 그래프이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기를 보여주는 분해 사시도이다. 도 2는 도 1의 권선계자형 동기 전동기의 일부 절개 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)는 회전자(20)에 영구자석(29)이 자속집중타입으로 매입되고, 브러시를 사용하지 않는 동기 전동기로서, 영구자석(29)들이 축 방향으로 단을 주어 회전자 철심(25)에 삽입되고, 회전자(20)에서 고체 타입의 철심이 제거되고, 하우징 엔드 캡(33)에 계자권선(19)을 지지하는 지지블록(35)이 형성된 구조를 갖는다.
이러한 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)는 관형의 고정자(10) 및 회전자(20)를 포함하며, 하우징(30) 및 한 쌍의 계자권선(19)을 더 포함할 수 있다.
관형의 고정자(10)는 중심 부분에 회전자 삽입구멍(13)이 형성되며, 내주면을 따라서 형성된 복수의 치(15)에 전기자권선(17)이 형성되어 있다.
회전자(20)는 고정자(10)의 회전자 삽입구멍(13)에 설치되며, 자속집중타입으로 삽입된 복수의 영구자석(29)을 갖는 단위 회전자(21)들이 축방향으로 적층된다. 이때 단위 회전자(21)들은 상하로 이웃하는 단위 회전자(21)의 영구자석(29)들의 배열이 서로 상이하고, 상하로 이웃하는 단위 회전자(21)의 영구자석(29)이 서로 연결되게 적층된다.
하우징(30)은 고정자(10)와 회전자(20)를 둘러싸며, 외부 환경으로부터 고정자(10)와 회전자(20)를 보호한다. 하우징(30)은 양쪽의 회전자 삽입구멍(13)으로 노출되는 회전자(20)의 상하부면을 막는 한 쌍의 하우징 엔드 캡(33)을 포함하며, 한 쌍의 하우징 엔드 캡(33)의 내측면에는 회전자(20)를 향하여 돌출된 지지블록(35)을 갖는다.
그리고 한 쌍의 계자권선(19)은 한 쌍의 하우징 엔드 캡(33)의 지지블록(35)의 외주면에 각각 권선되어 계자를 형성한다.
이와 같이 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)는 영구자석(29)들이 축 방향으로 단(step)을 주어 회전자(20)에 매입됨으로써, 무부하역기전력의 전고조파왜율(THD) 및 코깅 토크를 개선할 수 있다.
또한 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)는 회전자(20)에서 고체 타입의 철심이 제거되고, 하우징 엔드 캡(33)에 계자권선(19)을 지지하는 지지블록(35)을 형성함으로써, 회전자(20)의 무게를 줄여 관성모멘트를 낮추고, 이로 인해 제어 응답 특성을 향상시킬 수 있다.
또한 지지블록(35)에 계자권선(19)을 형성함으로써, 하우징 엔드 캡(33)의 내측면에 계자권선(19)을 형성하는 것에 비해서 계자권선(19)을 안정적으로 형성할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)에 대해서, 도 1 내지 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
고정자(10)는, 도 1 및 도 2를 참조하면, 고정자 철심(11)과 전기자권선(17)을 포함하며, 관형으로 형성된다. 즉 고정자(10)는 회전자 삽입구멍(13)이 형성된 고정자 철심(11)과, 고정자 철심(11)의 회전자 삽입구멍(13)의 내주면을 따라서 권선된 전기자권선(17)을 포함한다. 이때 회전자 삽입구멍(13)의 내경은 회전자(20)의 외경보다는 크게 형성되며, 회전자 삽입구멍(13)의 내경과 회전자(20)의 외경의 차이가 종방향 공극을 형성한다.
여기서 고정자 철심(11)은 동일한 형상의 고정자 철판 복수 개를 축방향으로 적층하여 형성할 수 있다. 고정자 철심(11)은 내측에 회전자(20)가 삽입되어 위치할 수 있는 회전자 삽입구멍(13)이 형성되어 있다. 고정자 철심(11)은 내주면을 따라서 일정 간격으로 복수의 치(15)가 형성되어 있다. 복수의 치(15)는 고정자 철심(11)의 내주면에서 고정자 철심(11)의 중심축을 향하여 돌출되며, 회전자 삽입구멍(13)에 삽입되어 설치되는 회전자(20)의 외주면에 근접하게 배치되어 종방향 공극을 형성한다. 이때 고정자 철판으로는 규소 철판이 사용될 수 있다. 고정자 철심(11)의 안쪽의 치(15)의 끝단이 형성하는 가상면 안쪽이 회전자 삽입구멍(13)을 형성한다.
그리고 전기자권선(17)은 복수의 치(15)에 각각 권선됨으로써, 교류 전원이 인가되면 고정자(10)의 구조로 인해 회전 자속을 발생시킨다.
회전자(20)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 고정자(10)의 회전자 삽입구멍(13)에 삽입되어 회전 가능하게 설치되는 권선계자형 동기 전동기(100)의 회전자로서, 자속집중타입으로 삽입된 복수의 영구자석(29)을 갖는 단위 회전자(21)들이 축방향으로 적층된 구조를 갖는다.
단위 회전자(21)들은 각각, 회전자 철심(25)과, 회전자 철심(25)에 자속집중타입으로 매입된 복수의 영구자석(29)을 포함한다.
회전자 철심(25)은 중심 부분에 회전축(40)이 삽입 설치되는 회전축 삽입구멍(23)이 형성되어 있고, 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 방사형으로 복수의 영구자석 매입구멍(27)이 형성되어 있다. 회전자 철심(25)에는 축 방향으로 영구자석 매입구멍(27)이 형성된다. 복수의 영구자석(29)은 복수의 영구자석 매입구멍(27)에 각각 삽입되어 자극을 형성한다.
본 실시예에서는 회전자(20)의 상부면에서 보았을 때, 영구자석 매입구멍(27)은 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 직선형으로 형성되고, 직선형의 영구자석 매입구멍(27)에 직선형의 영구자석(29)이 매입된 예를 개시하였다. 여기서 직선형은 폭이 좁은 부채꼴 형태를 포함한다. 즉 영구자석(29)은 두께가 얇은 부채꼴 판 형태를 가질 수 있다.
회전축 삽입구멍(23)은 회전자 철심(25)의 중심 부분을 관통시켜 형성할 수도 있고, 비자성체를 이용하여 형성할 수도 있다. 예컨대 회전자(20)는 관 형태의 비자성체를 이용하여 회전축 삽입구멍(23)을 구비하는 회전축 삽입관을 구비하고, 회전축 삽입관의 둘레에 회전자 철심(25)과 영구자석(29)이 교대로 형성된 구조를 갖는다. 회전축 삽입관의 외주면에는 회전자 철심(25)을 결합할 수 있는 결합 홈이 형성될 수 있다. 회전자 철심(25)에는 회전축 삽입관의 결합 홈에 대응되게 결합 돌기가 형성되어 있다. 반대로 회전축 삽입관에 결합 돌기를 형성하고, 회전자 철심(25)에 결합 홈을 형성할 수도 있다. 영구자석(29)은 회전자 철심(25) 사이에 형성된 영구자석 매입구멍(27)에 삽입된다.
단위 회전자(21)들은 외주면을 따라서 영구자석(29)들이 삼각파형 형태를 형성하도록 상하로 연결된다.
즉 단위 회전자(21) 중 최상부 단위 회전자(21a)와 최하부 단위 회전자(21e)는 동일한 영구자석(29)의 배열 형태를 가지며, 최상부 단위 회전자(21a)의 영구자석(29)들과 최하부 단위 회전자(21e)의 영구자석(29)들이 축방향으로 서로 어긋나게 위치하도록 적층된다.
단위 회전자(21)들 중 중심에 위치하는 중심 단위 회전자(21c)에 매입된 영구자석(29) 간의 간격이 가장 멀다. 중심 단위 회전자(21c)를 중심으로 상하로 갈수록, 영구자석(29) 간의 간격이 점차적으로 줄어든다. 이때 최상부 단위 회전자(21a)와 최하부 단위 회전자(21e)는 두 개의 영구자석(29)씩 쌍으로 서로 근접하게 회전자 철심(25)에 매입되며, 다른 단위 회전자(21b,21c,21d)에 비해서 영구자석(29) 간의 간격이 가장 좁다.
그리고 단위 회전자(21)의 개수는 3개 이상의 홀수개이고, 중심에 위치하는 중심 단위 회전자(21c)를 중심으로 상하로 대칭되게 영구자석(29)이 배열된다.
본 실시예에서는 단위 회전자(21) 5개가 축 방향으로 적층되어 회전자(20)를 형성하는 예를 개시하였다.
단위 회전자(21) 5개는 상부에서 하부로 제1 내지 제5 단위 회전자(21a,21b,21c,21d,21e)라 한다. 도 5 내지 도 9는 각각 제1 내지 제5 단위 회전자(21a,21b,21c,21d,21e)를 각각 보여주는 평면도이다.
먼저 단위 회전자(21)들은 각각 회전자 철심(25)에 8개의 영구자석(29)이 매입된 구조를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 8개의 영구자석(29)은 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 방사형으로 배치된다.
단위 회전자(21)들 중 최상부 및 최하부에 위치하는 제1 및 제5 단위 회전자(21a,21e)는, 도 4, 도 5 및 도 9에 도시된 바와 같이, 두 개의 영구자석(29)씩 쌍으로 서로 근접하게 회전자 철심(25)에 매입되며, 두 개의 영구자석(29) 4쌍이 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 방사형으로 배치된 구조를 갖는다. 이때 쌍을 이루는 두 개의 영구자석(29)은 도면부호 a1 및 a5와 같이 서로 접촉되게 회전자 철심(25)에 매입된다. 두 개의 영구자석(29)을 쌍으로 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 등간격(b1,b5)으로 배치된다.
제1 단위 회전자(21a)의 영구자석(29)들과 제5 단위 회전자(21e)의 영구자석(29)들이 축방향으로 서로 어긋나게 위치하도록 적층된다.
제1 및 제5 단위 영구자석(29)은 N극을 만드는 계자권선(19)과, S극을 만드는 계자권선(19)의 자속이 누설되는 것을 막아준다.
제2 및 제4 단위 회전자(21b,21d)는, 도 4, 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 두 개의 영구자석(29)씩 쌍으로 서로 근접하게 회전자 철심(25)에 매입되며, 두 개의 영구자석(29) 4쌍이 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 방사형으로 배치된 구조를 갖는다. 이때 쌍을 이루는 두 개의 영구자석(29)은 서로 일정 간격(a2,a4) 이격되게 회전자 철심(25)에 매입된다. 두 개의 영구자석(29)을 쌍으로 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 등간격(b2,b4)으로 배치된다. 쌍을 이루는 두 개의 영구자석(29) 간의 간격(a2,a4)이 쌍을 이루는 두 개의 영구자석(29) 그룹 간의 간격(b2,b4)보다는 좁게 형성된다.
제2 단위 회전자(21b)의 영구자석(29)들과 제4 단위 회전자(21d)의 영구자석(29)들이 축방향으로 서로 어긋나게 위치하도록 적층된다. 제2 및 제4 단위 회전자(21b,21d)의 영구자석(29)들은 이웃하는 제1 및 제5 단위 회전자(21a,21e)의 영구자석(29)들과 서로 연결된다.
제3 단위 회전자(21c)는, 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 영구자석(29)씩 쌍으로 서로 근접하게 회전자 철심(25)에 매입되며, 두 개의 영구자석(29) 4쌍이 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 방사형으로 배치된 구조를 갖는다. 이때 쌍을 이루는 두 개의 영구자석(29)은 서로 일정 간격(a3) 이격되게 회전자 철심(25)에 매입된다. 제3 단위 회전자(21c)의 쌍을 이루는 두 개의 영구자석(29) 간의 간격(a3)이 제2 및 제4 단위 회전자(21)의 쌍을 이루는 두 개의 영구자석(29) 간의 간격 보다는 넓게 형성된다. 두 개의 영구자석(29)을 쌍으로 회전축 삽입구멍(23)을 중심으로 등간격(b3)으로 배치된다. 바람직하게는 제3 단위 회전자(21)는 8개의 영구자석(29)이 서로 등간격(a3=b3)으로 회전자 철심(25)에 매입될 수 있다.
제3 단위 회전자(21c)의 영구자석(29)들은 상하에 위치하는 제2 및 제4 단위 회전자(21b,21d)의 영구자석(29)들과 서로 연결된다.
이와 같이 제1 내지 제5 단위 회전자(21a,21b,21c,21d,21e)는 매입된 영구자석(29)들의 간격을 조절함으로써, 회전자(20)의 외측면에서 보았을 때 영구자석(29)들이 상하로 연결되어 삼각파형으로 서로 연결되는 것을 확인할 수 있다.
제1 내지 제5 단위 회전자(21a,21b,21c,21d,21e)는 매입된 영구자석(29)들의 간격을 조절하는 이유는, 역기전력의 전고조파왜율(THD) 및 코깅 토크를 개선하기 위해서이다. 즉 회전자(20)의 외측면에서 보았을 때, 단위 회전자(21)들의 영구자석(29)들을 상하로 서로 연결되게 형성함으로써, 무부하역기전력 파형을 사인파에 가깝게 변화시킬 수 있기 때문에, 역기전력의 전고조파왜율(THD) 및 코깅 토크를 개선할 수 있는 것이다.
즉 기존과 같이 회전자 철심(25)에 직선 형태의 영구자석(29)을 매입하는 경우, 영구자석(29) 사이에 회전자 철심(25)으로만 이루어진 구간이 존재하기 때문에, 무부하역기전력 파형이 사인파에서 왜곡된 형태를 갖는다. 이로 인해 기존의 권선계자형 동기 전동기(100)는 역기전력의 전고조파왜율(THD)이 높게 나타나고, 코깅 토크가 커지는 문제가 발생된다.
그리고 하우징(30)은, 도 1, 도 2 및 도 10에 도시된 바와 같이, 고정자(10)와 회전자(20)를 둘러싸며, 외부 환경으로부터 고정자(10)와 회전자(20)를 보호한다. 회전자(20)의 회전축(40)은 하우징(30)의 일측 또는 마주보는 양측으로 돌출될 수 있다.
이러한 하우징(30)은 하우징 몸체(31)와 한 쌍의 하우징 엔드 캡(33)을 포함한다. 하우징 몸체(31)는 양쪽이 개방된 관형으로, 고정자(10)의 외주면을 둘러싼다. 한 쌍의 하우징 엔드 캡(33)은 하우징 몸체(31)의 양쪽의 개방된 부분을 막는다. 한 쌍의 하우징 엔드 캡(33) 중에 적어도 한 쪽으로 회전자(20)의 회전축(40)이 돌출될 수 있는 회전축 돌출구멍(37)이 형성되어 있다. 하우징 엔드 캡(33)은 내측면의 중심부분에 회전자(20)를 향하여 돌출된 지지블록(35)을 구비하며, 지지블록(35)의 외주면에 계자권선(19)이 권선된다.
이와 같은 점은 도 11의 실시예 및 비교예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)의 무부하역기전력의 측정을 통해서 확인할 수 있다. 여기서 도 11은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)의 무부하 역기전력 파형 및 전고조파외율(THD)을 보여주는 그래프이다.
도 11을 참조하면, 파란색 파형은 비교예의 권선계자형 동기 전동기의 무부하역기전력을 보여준다. 빨간색 파형은 본 실시예의 권선계자형 동기 전동기(100)의 무부하역기전력을 보여준다.
비교예에 따른 권선계자형 동기 전동기는 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)와 비교할 때, 영구자석(29)이 축방향으로 단을 나누지 않고 배치되고, 회전자(20)의 양단에 고체 타입의 철심이 부착되어 있는 구조를 갖는다.
두 개의 파형을 비교하면, 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)의 무부하역기전력의 파형이 비교예에 따른 권선계자형 동기 전동기의 무부하역기전력의 파형에 비해서 사인파에 가까운 것을 확인할 수 있다.
이로 인해 본 실시예에 따른 권선계자형 동기 전동기(100)가 비교예의 권선계자형 동기 전동기와 비교하여 전고조파왜율(THD)이 개선된 것을 확인할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 고정자 11 : 고정자 철심
13 : 회전자 삽입구멍 15 : 치
17 : 전기자권선 19 : 계자권선
20 : 회전자 21 : 단위 회전자
21a, 21b, 21c, 21d, 21e : 제1 내지 제5 단위 회전자
23 : 회전축 삽입구멍 25 : 회전자 철심
27 : 영구자석 매입구멍 29 : 영구자석
30 : 하우징 31 : 하우징 몸체
33 : 하우징 엔드 캡 35 : 지지블록
37 : 회전축 돌출구멍 100 : 권선계자형 동기 전동기

Claims (8)

  1. 고정자의 회전자 설치구멍에 설치되며 자속집중타입으로 삽입된 복수의 영구자석을 갖는 단위 회전자들이 축방향으로 적층된 권선계자형 동기 전동기의 회전자로서,
    상기 단위 회전자들은,
    상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석들의 배열이 서로 상이하고, 상기 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석이 서로 연결되게 적층되고,
    상기 단위 회전자 중 최상부 단위 회전자와 최하부 단위 회전자는 동일한 영구자석의 배열 형태를 가지며, 상기 최상부 단위 회전자의 영구자석들과 상기 최하부 단위 회전자의 영구자석들이 축방향으로 서로 어긋나게 위치하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 권선계자형 동기 전동기의 회전자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단위 회전자들은,
    상기 단위 회전자들의 외주면을 따라서 영구자석들이 삼각파형 형태를 형성하도록 연결되는 것을 특징으로 하는 권선계자형 동기 전동기의 회전자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 단위 회전자는,
    중심 부분에 회전축이 삽입되어 설치되는 회전축 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전축 삽입구멍을 중심으로 방사형으로 복수의 영구자석 매입구멍이 형성된 회전자 철심;
    상기 복수의 영구자석 매입구멍에 각각 삽입되는 복수의 영구자석;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 권선계자형 동기 전동기의 회전자.
  4. 삭제
  5. 제3항에 있어서,
    상기 단위 회전자들 중 중심에 위치하는 중심 단위 회전자에 매입된 영구자석 간의 간격이 가장 멀고, 상기 중심 단위 회전자를 중심으로 상하로 갈수록 영구자석 간의 간격이 점차적으로 줄어드는 것을 특징으로 하는 권선계자형 동기 전동기의 회전자.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 단위 회전자의 개수는 3개 이상의 홀수개이고, 중심에 위치하는 단위 회전자를 중심으로 상하로 대칭되게 영구자석이 배열된 것을 특징으로 하는 권선계자형 동기 전동기의 회전자.
  7. 중심 부분에 회전자 설치구멍이 형성되며, 내주면을 따라서 형성된 복수의 치에 전기자권선이 형성된 관형의 고정자;
    상기 고정자의 회전자 설치구멍에 설치되며 자속집중타입으로 삽입된 복수의 영구자석을 갖는 단위 회전자들이 축방향으로 적층된 회전자;를 포함하며,
    상기 단위 회전자들은,
    상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석들의 배열이 서로 상이하고, 상기 상하로 이웃하는 단위 회전자의 영구자석이 서로 연결되게 적층되고,
    상기 단위 회전자 중 최상부 단위 회전자와 최하부 단위 회전자는 동일한 영구자석의 배열 형태를 가지며, 상기 최상부 단위 회전자의 영구자석들과 상기 최하부 단위 회전자의 영구자석들이 축방향으로 서로 어긋나게 위치하도록 적층되는 것을 특징으로 하는 권선계자형 동기 전동기.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고정자의 외주면을 둘러싸는 양쪽이 개방된 관형의 하우징 몸체와, 상기 하우징 몸체의 양쪽의 개방된 부분을 막는 한 쌍의 하우징 엔드 캡으로, 중심부분에 상기 회전자를 향하여 돌출된 지지블록을 갖는 상기 한 쌍의 하우징 엔드 캡을 구비하는 하우징;
    상기 한 쌍의 하우징 엔드 캡의 지지블록의 외주면에 각각 권선되어 계자를 형성하는 한 쌍의 계자권선;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 권선계자형 동기 전동기.
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