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KR101905512B1 - 기동 장치가 필요 없는 영구자석 단상 모터 - Google Patents

기동 장치가 필요 없는 영구자석 단상 모터 Download PDF

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KR101905512B1
KR101905512B1 KR1020180025359A KR20180025359A KR101905512B1 KR 101905512 B1 KR101905512 B1 KR 101905512B1 KR 1020180025359 A KR1020180025359 A KR 1020180025359A KR 20180025359 A KR20180025359 A KR 20180025359A KR 101905512 B1 KR101905512 B1 KR 101905512B1
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coil
permanent magnet
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slots
rotor
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노순창
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Abstract

코깅 토크를 감소시킬 수 있고, 유도체를 생략한 영구 자석 회전 장치가 제공된다.
상기 회전 장치는 회전자; 복수 개의 슬롯과 복수 개의 치를 포함하는 고정자; 상기 회전자에 배치되는 복수 개의 영구 자석; 상기 복수 개의 치에 권선되는 코일을 포함하고, 상기 영구 자석의 극수와 상기 슬롯수는 하기의 [계산식 1]에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
[계산식 1]
P = S/3+2(P: 극수, S: 슬롯수, S는 24 이상의 자연수)

Description

기동 장치가 필요 없는 영구자석 단상 모터{PERMANENT MAGNET SINGLE PHASE MOTOR WITHOUT STARTING DEVICE}
본 발명은 고정자(스테이터)의 슬롯수와 회전자 극수의 조합, 그리고 영구자석 사이의 이격거리 최적화에 의해 코깅 토크를 감소시킴으로써, 기동 장치 없이 기동과 운전이 가능한 직입기동 영구자석 단상 모터(Line Start Permanent Magnet Single Phase Motor)에 관한 것이다.
단상 유도 모터와 삼상 유도 모터의 가장 큰 차이점은 기동 장치의 사용 여부이다.
삼상 유도 모터는 회전자계가 발생하기 때문에 기동장치 없이도 기동이 가능하지만, 단상 유도 모터는 자계가 평형을 이루고 있기 때문에 기동 장치 없이는 기동할 수 없다.
단상 유도 모터의 기동방법은 크게 6가지가 있는데, 그 중에서 가장 많이 사용하고 있는 방법이 콘덴서를 사용하여 기동하는 '콘덴서 기동법'이다.
최근에는 단상 유도 모터의 경박단소 및 고효율화를 위하여 단상 유도 모터에 영구자석을 사용하는 LSPM(Line Start Permanent Magnet) 단상 모터가 개발되어 일부 사용하고 있다.
그러나, 지금까지 개발된 대부분의 LSPM 단상 모터들은 기존의 단상유도모터 회전자를 기본으로 하여, 회전자의 유도체 내부에 영구자석을 삽입하는 방식이기 때문에 유도 모터의 기능과 영구자석 모터 기능이 혼합되어 있는 형태라고 할 수 있다. 따라서 단상 모터로서의 효율은 조금 증가되기는 했지만, 영구자석에 의한 저항토크 증가와 유도체와 영구 자석간의 간섭 등으로 여러 문제점들이 발생하고 있어 상용화가 어려운 실정이다.
일반적으로 모터 분야에서의 영구 자석 회전 장치는 영구 자석의 높은 자속밀도와, 치와 슬롯으로 이루어진 스테이터 코어와 영구 자석간의 자계 불균형에 의해 발생하는 코깅 토크 때문에 기동 토크가 커지는 단점이 있다.
코깅 토크는 회전자 영구 자석과 고정자 철심 코어, 공극으로 구성되는 자기회로에서 릴럭턴스가 최소인 방향으로 유지하려고 하는 경향에 의해 발생하는 맥동 토크로 정의할 수 있는데, 일반적으로는 영구자석발전기나 영구 자석모터에 있어 회전자가 구동할 때 자계의 불균형에 의해 발생하는 토크의 최대치와 최소치의 차이값이라고 볼 수 있다.
모터 분야에서는 영구 자석을 이용한 슈퍼프리미엄모터의 수요가 증가하면서 진동과 소음의 주원인이 되는 코깅 토크를 저감하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있는데, 공극의 길이 증가, 슬롯수와 극수의 증가, 보조슬롯의 사용, 고정자치의 형상 변화, 고정자나 전기자에 스큐(skew), 분수 슬롯 또는 극 사용, 슬롯 개구폭 감소, 자석의 형상 변화, 자극의 착자 변화, 낮은 자속 밀도의 자석 사용, Arc Fraction 등을 이용하는 것이 일반적이다.
그러나, 상기한 방법들은 영구 자석모터와 영구 자석발전기의 출력과 효율을 감소 시키거나 제조 원가를 증가시키는 주요 요인이 된다. 따라서 출력과 효율의 감소를 최소화하면서 제조 원가를 증가시키지 않는 코깅 토크 저감 방법 개발이 시급한 과제로 요구되고 있다.
만약, 영구 자석 단상 모터에서도 코깅 토크를 획기적으로 저감시키면 알루미늄 바와 같은 유도체 없이 순수한 영구자석으로 이루어진 회전자만으로도 기동과 운전이 가능하게 되며, 나아가 기동 장치 없이 기동과 운전이 가능한 LSPM 단상 모터의 구현이 가능하게 될 것이다.
공개특허공보 제10-2004-0051547호, 2004.06.18 공개
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 코깅 토크를 감소시켜, 기동 장치 없이 기동과 운전이 가능한 직입형 영구 자석 단상모터(LSPM 단상 모터, Line-Start Permanent Magnet Single Phase Motor)를 제공하는 것에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 기동 장치가 필요 없는 영구자석 단상 모터는 회전자; 복수 개의 슬롯과 복수 개의 치(Teath)를 포함하는 고정자; 상기 회전자에 배치되는 복수 개의 영구 자석; 상기 복수 개의 치에 권선되는 코일을 포함하고, 상기 영구 자석의 극수와 상기 슬롯수는 하기의 [계산식 1]에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 1]
P = S/3+2
(P: 극수, S: 슬롯수, S는 24 이상의 자연수)
상기 영구 자석의 이격거리는 상기 치의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이의 70% 이상 130% 이하인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 영구 자석의 이격거리와 상기 치의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이의 비는 1:1인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 코일은 제1코일과 제2코일을 포함하고, 상기 제1코일의 적어도 일부와 상기 제2코일의 적어도 일부는 연이어 권선되고, 연이어 권선되는 제1코일과 연이어 권선되는 제2코일의 각도 차이는 하기의 [계산식 2]에 의해 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
[계산식 2]
R = 360/(S-2×P)
(R: 연이어 권선된 제1코일과 연이어 권선된 제2코일의 각도 차이)
상기 제1코일과 상기 제2코일은 직렬로 연결되거나 병렬로 연결되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1코일과 상기 제2코일에는 동일한 위상의 교류 전류가 흐를 수 있다.
상기 회전자에는 유도체가 배치되는 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 복수 개의 영구 자석 각각은 회전축을 기준으로 경 방향 외측과 경 방향 내측에 서로 다른 극성이 배치되고, 상기 복수 개의 영구 자석 중 이웃하는 영구 자석 간에는 극성의 배치가 서로 다른 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 면에 따른 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상모터는 직입 기동이 가능하며 발전기로도 사용될 수 있다.
본 발명에서는 영구 자석의 극수와 슬롯수의 조합에 의해 코깅 토크를 감소시킬 수 있다([계산식 1] 참조). 이에 따라, 남는 잉여 슬롯은 제1코일과 제2 코일을 연이어 권선함으로써 채우고, 연이어 권선되는 제1코일과 제2코일을 상호 대칭으로 배치하여([계산식 2] 참조) 자계의 평형을 유지하였다(정현파 또는 이와 가까운 파동 구현).
또한, 영구 자석의 이격거리와 코어의 치의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 비를 이용하여 코깅 토크를 감소시킬 수 있다.
상술한 바를 종합하면, 본 발명에서는 영구 자석과 슬롯이 스큐(Skew) 없이 일직선으로 배열되기 때문에, 출력과 효율을 감소시키지 않고 코킹 토크를 최소화할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 회전 장치에서는 영구 자석 단상 모터임에도 불구하고 기동 장치 없이 기동과 운전이 가능하며, 스큐(Skew) 등의 추가 가공이 필요 없어 제조 원가가 줄어 들어 경제적이다.
나아가 공극과 자속밀도에 관계없이 코깅 토크를 최소화할 수 있기 때문에 공극을 최소화할 수 있어 소형 및 경량화에 유리하다.
나아가 본 발명에 의한 기동장치가 필요 없는 영구자석 단상모터는 영구자석 단상 발전기로도 사용이 가능하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일반적인 유도기동형 영구 자석 동기 모터의 회전자를 회전축에 수직한 단면을 기준으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 모터를 회전축에 수직한 단면을 기준으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 일반적인 단상 모터에서 제1코일과 제2코일이 권선되는 것을 나타낸 표이다.
도 4는 본 발명의 모터에서 제1코일과 제2코일이 권선되는 것을 나타낸 표이다.
도 5는 본 발명의 모터에서 제1코일과 제2코일이 권선되는 것을 전개하여 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 모터에서 연이어 권선되는 제1코일과 연이어 권선되는 제2코일의 각도 차이를 나타낸 개념도이다.
도 7은 본 발명의 모터에서 이웃하는 영구 자석의 이격 거리와 이웃하는 치의 경방향 내측 단부의 이격 거리를 나타낸 개념도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "위(upper)"등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
먼저, 일반적인 "유도기동형 영구 자석 동기 모터"에 대해 설명한다. 유도 모터는 출력 밀도 및 효율, 역률 등이 영구 자석 동기 모터보다 낮지만 널리 사용되는 이유는 상대적으로 저렴한 가격과 직입기동 때문이다. 한편, 영구 자석 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor)는 출력밀도 및 효율, 역률 등은 높지만 널리 사용되지 못하는 이유는 상대적으로 비싼 가격 때문이데, 가격이 비싼 이유 중 가장 큰 요소가 직입기동이 불가능하기 때문에 기동 및 운전에 필요한 장치를 추가로 구매해야 하기 때문이다.
최근, 직입기동이 가능한 영구 자석 동기 모터를 개발하기 위한 선행 연구들이 활발히 진행되고 있는데, 대표적인 기술이 유도기동형 영구 자석 동기 모터이다. 유도기동형 영구 자석 동기 모터는 직입기동이 불가능한 영구 자석 동기 모터에 유도 모터의 기동 기술을 접목한 것으로, 기동은 유도 모터 방식으로 하고, 운전은 영구 자석 동기 모터 방식으로 한다.
도 1은 일반적인 유도기동형 영구 자석 단상 모터의 회전자를 회전축에 수직한 단면을 기준으로 나타낸 단면도이다.
도 1에서 나타내는 바와 같이, 일반적인 유도기동형 영구 자석 단상 모터의 회전자(20)는 외측에 회전축(21)과 경방향으로 이격되어 원주방향으로 배열되는 복수 개의 유도체(23)가 배치될 수 있다. 또한, 회전축(21)과 복수 개의 유도체(23) 사이에는 복수 개의 영구 자석(22)이 배치된다.
따라서 구조가 복잡하고 회전자에 삽입된 유도 기동을 위한 유도체(23, 알루미늄 바(Bar) 혹은 동 바(Bar)) 들이 영구 자석의 자기장을 방해하는 등의 문제점들이 발생하여 대중화되지 못하고 있는 실정이다.
그러나 본 발명에서 제안하는 코깅 토크를 최소화하는 모터의 구조와, 본 발명에서 제안하는 권선법 등을 동시에 만족시켜 제작하게 되면 출력 밀도가 높아지고, 효율이 증가하며, 진동과 소음이 감소하는 효과를 가져올 뿐만 아니라, 종래의 영구 자석 동기 모터에서는 구현이 불가능한 새로운 현상이 발생한다.
그 중 가장 대표적인 현상이 유도기동 기능이 없는 순수 영구 자석 단상 모터에서는 불가능하다고 알려져 있는 직입기동(Line-Start)이 본 발명에서 제안하는 영구 자석 단상 모터에서는 가능해진다. 또한, 본 발명의 모터(1)는 기동 장치가 필요 없이 상용전원만으로 기동 및 운전이 가능하다.
이것은 본 발명에서 제안하는 여러 가지 요소들에 의해 영구 자석(220)과 치(120) 사이에 척력이 발생하고, 이 척력이 코일에 의해 형성되는 자계만으로도 회전자(200)의 기동을 가능하게 하기 때문이다.
따라서 본 발명의 모터(1)의 의의는 직입기동이 가능(유도 모터의 장점)하면서도 영구 자석 동기 모터의 출력밀도와 효율, 역률이 가능(영구 자석 동기 모터의 장점)한 모터를 개발한 것에 있다.
한편, 영구 자석을 회전자에 고정하시키는 방법으로는 표면부착형(SPM)과 매입형(IPM)이 있는데 코깅 토크를 최소화하는 방법은 표면부착형이든, 매입형이든 본 발명에서 제시하는 방법과 동일하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 모터(1)를 설명한다. 도 2는 본 발명의 모터를 회전축에 수직한 단면을 기준으로 나타낸 단면도이고, 도 3은 일반적인 단상 모터에서 제1코일과 제2코일이 권선되는 것을 나타낸 표이고, 도 4는 본 발명의 모터에서 제1코일과 제2코일이 권선되는 것을 나타낸 표이고, 도 5는 본 발명의 모터에서 제1코일과 제2코일이 권선되는 것을 전개하여 나타낸 단면도이고, 도 6은 본 발명의 모터에서 연이어 권선되는 제1코일과 연이어 권선되는 제2코일의 각도 차이를 나타낸 개념도이고, 도 7은 본 발명의 모터에서 이웃하는 영구 자석의 이격 거리와 이웃하는 치의 경방향 내측 단부의 이격 거리를 나타낸 개념도이다.
본 발명의 모터(1)는 고정자(100)와 회전자(200)를 포함할 수 있다. 고정자(100)에는 코일이 권선될 수 있고, 회전자(200)에는 복수 개의 영구 자석(220)이 배치될 수 있다. 복수 개의 영구 자석(220)은 각각 N극과 S극을 포함할 수 있다. 이 경우, 영구 자석(220)의 N극과 S극은 상호 이웃하여 모두 고정자(100)와 직접 대향하도록 배열될 수 있다. 그 결과, 원주 방향을 따라 N극과 S극이 교번하여 나타날 수 있다. 코일과 복수 개의 영구 자석(220)은 상호 대향하여 배치될 수 있다. 회전자(200)는 코일과 영구 자석(220)의 전자기적 상호작용에 의해 회전할 수 있다). 또한, 회전자(200)를 회전시킴으로써 운동 에너지를 전기 에너지로 변환할 수 있다(발전기로 사용).
고정자(100)는 회전자(200)의 외측에 배치될 수 있다. 고정자(100)는 회전자(200)를 감싸는 본체(110)와, 본체(110)의 내주면을 따라 원주 방향으로 배열된 복수 개의 치(120)와 복수 개의 슬롯(130)을 포함할 수 있다. 복수 개의 치(120)와 복수 개의 슬롯(130)에 의해, 본체(110)의 내주면에 치형상(Tooth Shape)이 형성될 수 있다. 복수 개의 치(120)와 복수 개의 슬롯(130)은 회전자(200)와 대향하여 배치될 수 있다. 코일은 슬롯(130)을 통과하여 치(120)에 감겨 권선될 수 있다. 본 발명에서는 하나의 코일 뭉치가 일정한 피치(pitch)를 가지고 복수 개의 치(120)에 권선되는 이층권 방식이 적용될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명에서도 설계적 요청에 의해 하나의 코일 뭉치가 하나의 치(120)에 권선되는 단층권 방식이 사용될 수도 있다.
회전자(200)는 내측에 배치된 회전축(210, Shaft)과 회전축(210)을 따라 일정 간격으로 배치된 복수 개의 영구 자석(220)을 포함할 수 있다. 본 발명의 모터(1)는 상술한 바와 같이 코깅 토크가 감소되었기 때문에 기동력을 위한 별도의 "기동 장치"가 필요치 않다. 따라서 회전자(200)에는 영구 자석(220)만 배치될 뿐, 별도의 "유도체"가 배치되지 않을 수 있고, 직입 기동이 가능할 수 있다.
복수 개의 영구 자석(220)은 설계적 요청에 의해 다양한 극성 배치를 가질 수 있다.
일 예로, 복수 개의 영구 자석(220) 각각은 회전축(210)을 기준으로 경 방향 외측과 경 방향 내측에 서로 다른 극성이 배치될 수 있다. 즉, 복수 개의 영구 자석(220) 각각은 외측에 N극이 배치되고 내측에 S극이 배치되거나, 이와 역으로 외측에 S극이 배치되고 내측에 N극이 배치될 수 있다.
이 경우, 복수 개의 영구 자석(220) 중 이웃하는 영구 자석 간에는 극성의 배치가 서로 다를 수 있다. 즉, 외측에 N극이 배치되고 내측에 S극이 배치되는 영구 자석의 이웃에는 외측에 S극이 배치되고 내측에 N극이 배치되는 영구 자석이 위치할 수 있다(이의 역도 성립).
코일은 제1코일과 제2코일을 포함할 수 있으며, 제1코일과 제2코일은 동일한 사양일 수 있다. 또한, 제1코일과 제2코일은 직렬 또는 병렬로 연결될 수 있다. 따라서 제1코일과 제2코일에 흐르는 교류 전류의 위상은 동일할 수 있다.
먼저, 극수(P, 영구 자석의 극수)와 슬롯수(S)의 조합에 의해 코깅 토크를 감소시키는 것에 대해 설명한다.
지금까지 발표된 종래의 기술들을 보면 극수와 슬롯수의 다양한 조합을 통해 코깅 토크를 저감하게 하는 방법들이 제시되어 있는데 일정한 공식 없이 극수와 슬롯수를 많게 하거나, 극수와 슬롯수의 최소공배수가 클수록 코깅 토크가 저감된다고만 설명하고 있다.
일반적으로, 단상 모터에서는 자계의 평형(정현파 구현)을 위해, 영구 자석과 치(슬롯)를 1:1로 대응시키는데, 이러한 배치 방식은 코깅 토크를 증가시키는 단점이 있다.
코깅 토크는 극수와 슬롯수가 동일하여 영구 자석의 중심과 치의 중심이 일치할 때 최대가 되는데, 영구 자석의 중심과 치의 중심이 일직선 상에 배치되어 영구 자석과 치 사이의 인력이 최대가 되기 때문이다.
따라서 코깅 토크를 감소시키기 위해서는 영구 자석의 중심과 치의 중심을 불일치시켜야 한다. 이 경우, 치의 중심이 영구 자석의 중심으로부터 좌우 대칭으로 높이지 않아, 영구 자석과 치 사이의 인력이 감소되기 때문이다.
이에 따라, 극수와 슬롯수의 다양한 조합 중에서 코깅 토크가 가장 낮은 조합은 극수와 슬롯수의 최소공배수가 가장 높은 조합이다. 그런데 극수와 슬롯수의 최소공배수가 높다고 하더라도 권선이 어렵거나 불가능한 경우에는 올바른 조합이라고 할 수 없다.
따라서 코깅 토크를 최소화하기 위해서는 권선도 가능하면서 동시에 최소공배수가 높은 극수와 슬롯수의 조합이 요구된다고 할 수 있다.
본 발명에서는 권선이 가능하고 자계 불균형을 최소화하기 위해, 슬롯수(S)는 24 이상이고, 3의 배수이며, 짝수인 것을 특징으로 할 수 있다. 또한, 슬롯수(S)에 의해 영구 자석(220)의 극수(P)는 하기의 [계산식 1]을 만족할 수 있다.
[계산식 1]
P = S/3+2
즉, 도 2에서 도시하는 바와 같이, 슬롯수(S)가 24이면 극수(P)는 10일 수 있다. 이하, 복수 개의 슬롯(130)의 개수(슬롯수, S)가 24이고, 복수 개의 영구 자석(220)의 극수(P)가 10인 경우를 예를 들어 설명하나, 본 발명의 슬롯수(S)와 극수(P)가 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 [계산식 1]을 만족하는 모든 회전 장치를 포함할 수 있다(일 예로, 48 슬롯, 18극).
상술한 바와 같이, 일반적인 단상 모터에서 영구 자석의 극수가 10인 경우에는 슬롯수를 20개 마련하여 권선된 코일 뭉치와 영구 자석을 대응시킨다. 이는, 도 3에서 나타내는 바와 같이, 제1코일과 제2코일을 서로 교번하며 권선함으로써 구현될 수 있다. 이 경우, 제1코일은 "교번 자계"를 발생시키는 "주코일"이며, 제2코일은 초기 기동을 위해 "회전 자계"를 발생시키는 "보조 코일"일 수 있다. 그러나 이와 같은 극수와 슬롯수의 조합은 상술한 이유로 코깅 토크가 최대가 된다.
이에 반해, 본원 발명의 [계산식 1]에 따르면, 극수(P)와 슬롯수(S)의 조합에 의해, 영구 자석(220)의 중심과 치(120)의 중심이 불일치하여 코깅 토크가 감소될 수 있다.
다만, 본원 발명에 따른 모터(1)는 일반적인 단상 모터와 비교하여 잉여 슬롯이 발생하게 되는데, 이러한 잉여 슬롯에 제1코일과 제2코일을 잘못 권선하면, 자계의 불균형이 발생하여 모터(1)의 효율이 떨어질 수 있다.
따라서 잉여 슬롯에 제1코일과 제2코일을 어떻게 권선해야 하는지 문제된다.
본 발명에서는 제1코일의 적어도 일부와 제2코일의 적어도 일부를 2회 연이어 권선하여 잉여 슬롯을 채우는데, 자계의 평형을 위해 서로 다른 위상을 가지는 제1코일과 제2코일이 대칭을 이루도록 권선한 것을 특징으로 한다. 그 결과, 코깅 토크를 감소시키면서도 자계의 평형을 유지할 수 있다.
이를 위해, 제1코일과 제2코일을 교번하며 연이어 권선할 수 있고, 연이어 권선되는 제1코일과 연이어 권선되는 제2코일의 각도 차이(회전 각도 차이)는 하기의 [계산식 2]를 만족할 수 있다.
[계산식 2]
R = 360/(S-2×P)
(R: 연이어 권선되는 제1코일과 연이어 권선되는 제2코일의 각도 차이)
즉, 도 4에서 나타내는 바와 같이, 제1 및 제2슬롯에서 제1코일을 2회 연이어 권선하고, 이와 90도(= 360/(24-2×10))의 차이를 가지는 제7 및 제8슬롯에서 제2코일을 2회 연이어 권선하고, 이와 180도 차이를 가지는 제13 및 제14슬롯에서 다시 제1코일을 2회 연이어 권선하고, 이와 270도 차이를 가지는 제19 및 제20슬롯에서 다시 제2코일을 2회 연이어 권선할 수 있다.
한편, 도 4에서 나타내는 바와 같이, 제1코일을 먼저 연이어 권선할 수도 있고, 이와 반대로, 제2코일을 먼저 연이어 권선할 수도 있다.
본 발명의 모터(1)는 이층권 방식으로 권선될 때 효율이 높을 수 있다. 일 예로, 도 5에서와 같이, 코일 피치(Coil Pitch)가 3인 이층권 방식으로 권선할 수도 있다. 이 경우, 코일 피치(Coil Pitch)는 다양한 설계적 요청에 의해 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 모터(1)의 권선 방식이 이층권 방식에 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 상술한 [계산식 1]과 [계산식 2]을 만족하기만 하면, 본 발명의 모터(1)는 단층권 방식으로도 권선될 수 있다.
한편, 도 6에서 나타내는 바와 같이, 연이어 권선되는 제1코일 뭉치와 연이어 권선되는 제2코일 뭉치를 회전축(210)을 기준으로 대칭으로 배치시키면, 자계의 평형이 유지되어 정현파 또는 이와 가까운 파형을 구현할 수 있다. 그 결과, 본 발명의 모터(1)에서는 출력과 효율이 최대화되고 진동과 소음이 최소화된다.
이상, 슬롯수(S)가 24인 경우를 예를 들어 설명하였으나, 상술한 바와 같이, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고, [계산식 1]과 [계산식 2]를 만족하는 다양한 회전 장치에 적용된다.
일 예로, 36슬롯 14극 회전 장치에서는 연이어 권선되는 주코일과 연이어 권선되는 보조코일의 각도 차이는 45도(= 360/(36-2×14))이며, 4개 뭉치의 연이어 권선된 주코일과 4개 뭉치의 연이어 권선된 보조코일이 존재한다.
또한, 48슬롯 18극 회전 장치에서는 연이어 권선되는 주코일과 연이어 권선되는 보조코일의 각도 차이는 30도(= 360/(48-2×18))이며, 6개 뭉치의 연이어 권선된 주코일과 6개 뭉치의 연이어 권선된 보조코일이 존재한다.
이하, 영구 자석(220)의 이격거리(a)와 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)에 의해 코깅 토크를 감소시키는 것에 대해 설명한다(도 7 참조).
종래에는 영구 자석 혹은 고정자 철심 코어를 일정 각도로 비스듬하게 배열하는 스큐(Skew), 자석폭과 자석 피치간의 비율인 Arc Fraction 등의 기법을 사용하여 코깅 토크를 저감하는데, 이런 방법들 역시 출력과 효율은 감소시키고 원가는 상승시키는 요인으로 작용한다.
따라서 본 발명에서는 출력과 효율은 그대로 유지하면서 원가 상승은 없는 방법으로 코깅 토크를 최소화하기 위하여, 이웃하는 영구 자석(220) 사이의 이격거리(a)와 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)에 의해 코깅 토크를 감소시켰다.
즉, 복수 개의 영구 자석(220) 사이의 이격거리(a)를 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)의 70% ~ 130%가 되도록 형성할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 영구 자석(220) 사이의 이격거리(a)와 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)의 비가 실질적으로 1:1이 되도록 형성할 수도 있다.
치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)가 회전자(200)를 구성하는 영구 자석(220)과 영구 자석(220)의 사이에 위치하게 되면 치(120)의 하단(경방향 내측 단부)과 회전자(200) 사이에는 척력이 발생하여 회전자(200)가 일방향으로 스스로 움직이게 된다.
따라서 코깅 토크 최소화는 회전자(200) 위치에 관계없이 척력이 발생하는 구간을 많게 하면 된다.
다시 말하면, 회전자(200) 위치에 관계없이 영구 자석(220)과 영구 자석(220) 사이가 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)에 위치하는 숫자가 많아야 한다.
본 발명이 제안하는 극수(P)와 슬롯수(S)의 조합에서 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)와 영구 자석(220) 사이의 이격거리(a)를 동일하게 하면, 척력이 발생하는 구간이 최대화되고, 반대로 코깅 토크는 최소화하게 되는 것이다.
이 때 척력이 발생하는 구간은 극수(P)에 비례하게 되는데, 극수(P)가 많으면 척력이 발생하는 구간이 증가하여, 코깅 토크를 최소화하는 효과가 커지며, 되고, 극수(P)가 작으면 척력이 발생하는 구간이 감소하여, 코깅 토크를 최소화하는 효과가 미미하게 된다.
한편, 영구 자석과 영구 자석 사이의 이격거리(a)와 치(120)의 폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)는 실질적으로 1:1로 구성하는 것이 가장 이상적일 수 있다. 다만, 설계상 요청에 의해, 영구 자석(220)간의 이격거리(a)를 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)의 70% 이상 130% 이하의 범위 내에서 형성할 수도 있다.
영구 자석(220)간의 이격거리(a)가 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)의 70% ~ 130% 범위를 벗어나게 되면 코깅 토크 저감 효과가 현저히 떨어지게 된다.
예를 들어, 치(120)의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이(b)가 10mm일 경우에 영구 자석(220)과 영구 자석(220) 사이의 이격거리(a)는 7mm 이상 13mm 이하의 범위 내에서 설정해야 하는데, 이 범위을 벗어나게 되면 코깅 토크 저감 효과가 떨어지게 되는 것이다.
이상, 본 발명에서 제안하는 코깅 토크를 최소화하는 모터와 본 발명에서 제안하는 권선법 등을 동시에 만족시키는 영구 자석 모터는, 영구 자석 동기 모터와 동일한 구조에서 유도 모터의 직입기동 장점과 영구 자석 동기 모터의 고출력밀도, 고효율, 고역률의 장점을 동시에 구현할 수 있다,
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
1: 회전 장치
100: 고정자
200: 회전자

Claims (10)

  1. 회전자;
    복수 개의 슬롯과 복수 개의 치를 포함하는 고정자;
    상기 회전자에 배치되는 복수 개의 영구 자석; 및
    상기 복수 개의 치에 권선되고, 제1코일과 제2코일을 포함하는 코일을 포함하고,
    상기 영구 자석의 극수와 상기 슬롯의 수는 하기의 [계산식 1]에 의해 결정되고,
    상기 제1코일의 적어도 일부와 상기 제2코일의 적어도 일부는 연이어 권선되고, 연이어 권선되는 상기 제1코일과 연이어 권선되는 상기 제2코일의 각도 차이는 하기의 [계산식 2]에 의해 결정되고,
    상기 제1코일과 상기 제2코일에는 동일한 위상을 가지는 교류 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
    [계산식 1]
    P = S/3+2
    (P: 극수, S: 슬롯의 수, S는 24 이상의 자연수)
    [계산식 2]
    R = 360/(S-2×P)
    (R: 연이어 권선된 제1코일과 연이어 권선된 제2코일의 각도 차이)
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석의 이격거리는 상기 치의 하단폭(경방향 내측 단부의 폭)의 길이의 70% 이상 130% 이하인 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영구 자석의 이격거리와 상기 치의 하단폭의 길이의 비는 1:1인 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1코일과 상기 제2코일은 직렬로 연결되거나 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 회전자에는 유도체가 배치되지 않는 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수 개의 영구 자석 각각은 회전축을 기준으로 경 방향 외측과 경 방향 내측에 서로 다른 극성이 배치되고, 상기 복수 개의 영구 자석 중 이웃하는 영구 자석 간에는 극성의 배치가 서로 다른 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
  9. 제1항에 있어서,
    직입 기동하는 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 모터는 발전기로 사용되는 것을 특징으로 하는 기동 장치가 필요 없는 영구 자석 단상 모터.
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