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KR102652170B1 - 듀얼 모드 전동기 - Google Patents

듀얼 모드 전동기 Download PDF

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KR102652170B1
KR102652170B1 KR1020220060763A KR20220060763A KR102652170B1 KR 102652170 B1 KR102652170 B1 KR 102652170B1 KR 1020220060763 A KR1020220060763 A KR 1020220060763A KR 20220060763 A KR20220060763 A KR 20220060763A KR 102652170 B1 KR102652170 B1 KR 102652170B1
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KR
South Korea
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winding
mode
switch
rotor
stator
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KR1020220060763A
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권병일
이성현
권중우
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

듀얼 모드 전동기가 제공된다. 상기 듀얼 모드 전동기는, 원주 방향으로 고정자 치가 배열되며, 상기 고정자 치에 마련되되 제1 전원과 연결되는 메인 권선 및 제2 전원과 연결되는 서브 권선을 구비하는 고정자; 및 원주 방향으로 회전자 치가 배열되며, 상기 회전자 치에 마련되는 하모닉 권선 및 필드 권선을 구비하는 회전자를 포함하며, 상기 고정자와 회전자는 초기 시동 모드인 제1 모드 및 정상 동작 모드인 제2 모드로 동작하되, 상기 제1 모드는 입력 전압이 변화되는 시점을 기준으로 제1 단계 및 제2 단계로 구분되며, 상기 제1 단계에서, 상기 고정자와 회전자는 상기 제1 모드로 동작하고, 상기 제2 단계에서, 상기 회전자가 상기 제1 모드로 유지될 때, 상기 고정자는 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 선 전환될 수 있다.

Description

듀얼 모드 전동기{Dual Mode Motor}
본 발명은 듀얼 모드 전동기에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 유도기 모드를 통하여 높은 시동 토크를 생성할 수 있는, 듀얼 모드 전동기에 관련된 것이다.
전동기는 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 대표적인 에너지 전환 장치로서 현대 사회에 없어서는 안될 중요한 역할을 수행하고 있다. 특히 전기 자동차 산업의 발전과 함께 전동기의 역할은 더욱 중요해지고 있다.
통상적으로 전동기에는 영구 자석이 사용되어 왔다. 예를 들어, 영구 자석 동기전동기는 회전자 자계(flux)를 발생시키기 위하여 영구 자석을 이용하였다. 영구 자석 동기전동기는 부하나 전압의 흔들림에도 불구하고 전력원의 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있으며, 높은 효율과 높은 토크 밀도의 우수한 성능을 이유로 다양한 산업 및 가정용 응용 프로그램에 널리 사용되고 있다. 특히 영구 자석 동기전동기는 모터의 설계 사양에 허락하는 범위 내에서 메인 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있다는 점에서 유용할 수 있다.
그러나 희토류 금속을 이용하는 영구 자석은 희귀성으로 인하여 가격 경쟁력을 잃어가고 있다. 이에 영구 자석 없이 구동하는 전동기에 대한 연구가 지속되고 있다. 그러나 이러한 영구 자석 없는 타입의 전동기는 브러시나 슬립 링을 항시적으로 요구하기 때문에 유지 관리에 있어서 한계가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 초기 모드인 유도기 모드와 정상적으로 구동되는 모드인 동기기 모드로 동작하는, 듀얼 모드 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는 유도기 모드를 통하여 높은 시동 토크를 생성할 수 있는, 듀얼 모드 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 영구자석 없이 구동하는 듀얼 모드 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 라인스타트 브러시리스 권선형 회전자 동기기로도 사용될 수 있는 듀얼 모드 전동기를 제공하는 데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 듀얼 모드 전동기를 제공한다.
일 실시 예에 따르면, 상기 듀얼 모드 전동기는, 원주 방향으로 고정자 치가 배열되며, 상기 고정자 치에 마련되되 제1 전원과 연결되는 메인 권선 및 제2 전원과 연결되는 서브 권선을 구비하는 고정자; 및 원주 방향으로 회전자 치가 배열되며, 상기 회전자 치에 마련되는 하모닉 권선 및 필드 권선을 구비하는 회전자를 포함하며, 상기 고정자와 회전자는 초기 시동 모드인 제1 모드 및 정상 동작 모드인 제2 모드로 동작하되, 상기 제1 모드는 입력 전압이 변화되는 시점을 기준으로 제1 단계 및 제2 단계로 구분되며, 상기 제1 단계에서, 상기 고정자와 회전자는 상기 제1 모드로 동작하고, 상기 제2 단계에서, 상기 회전자가 상기 제1 모드로 유지될 때, 상기 고정자는 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 선 전환될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 회전자는 상기 하모닉 권선과 필드 권선 사이에 연결되는 정류기를 더 구비하며, 상기 필드 권선은 3상의 제1 필드 권선, 제2 필드 권선 및 제3 필드 권선을 포함하되, 상기 제1 필드 권선에는 제1 저항이 연결되고, 상기 제2 필드 권선에는 제2 저항이 연결되며, 상기 제3 필드 권선에는 제3 저항이 연결될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 회전자는 상기 하모닉 권선과 필드 권선이 형성하는 전기 경로를 가변 제어하는 복수 개의 스위치를 더 구비하되, 상기 복수 개의 스위치는, 상기 제1 필드 권선과 제3 필드 권선을 연결하는 제1 라인에 구비되는 제1 스위치; 상기 제1 저항과 제2 저항을 연결하는 제2 라인에 구비되는 제2 스위치; 상기 제2 저항과 제3 저항을 연결하는 제3 라인에 구비되는 제3 스위치; 상기 정류기와 상기 제1 필드 권선을 연결하는 제4 라인에 구비되는 제4 스위치; 및 상기 제1 필드 권선과 제2 필드 권선을 연결하는 제5 라인에 구비되는 제5 스위치를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제1 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 온(on)되고, 상기 제4 스위치 및 제5 스위치는 스위칭 오프(off)되어, 상기 하모닉 권선이 상기 필드 권선으로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제2 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 오프(off)되고, 상기 제4 스위치 및 제5 스위치는 스위칭 온(on)되어, 상기 하모닉 권선 및 상기 제1 필드 권선 내지 제3 필드 권선이 직렬로 연결되고, 상기 제1 저항 내지 제3 저항은 상기 필드 권선으로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
한편, 다른 실시 예에 따르면, 상기 듀얼 모드 전동기는, 원주 방향으로 고정자 치가 배열되며, 상기 고정자 치에 마련되는 메인 권선 및 상기 메인 권선과 직렬로 연결되는 서브 권선을 구비하는 고정자; 및 원주 방향으로 회전자 치가 배열되며, 상기 회전자 치에 마련되는 하모닉 권선 및 필드 권선을 구비하는 회전자를 포함하며, 상기 고정자와 회전자는 초기 시동 모드인 제1 모드 및 정상 동작 모드인 제2 모드로 동작하되, 상기 제1 모드는 권선 수가 변화되는 시점을 기준으로 제1 단계 및 제2 단계로 구분되며, 상기 제1 단계에서, 상기 고정자와 회전자는 상기 제1 모드로 동작하고, 상기 제2 단계에서, 상기 회전자가 상기 제1 모드로 유지될 때, 상기 고정자는 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 선 전환될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 메인 권선은 제1 상을 인가 받는 제1 메인 권선, 제2 상을 인가 받는 제2 메인 권선 및 제3 상을 인가 받는 제3 메인 권선을 포함하고, 상기 서브 권선은 상기 제1 메인 권선과 직렬 연결되는 제1 서브 권선, 상기 제2 메인 권선과 직렬 연결되는 제2 서브 권선 및 상기 제3 메인 권선과 직렬 연결되는 제3 서브 권선을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 고정자는, 상기 제1 서브 권선과 제2 서브 권선을 연결하는 제1 라인에서 상기 제1 서브 권선 측에 구비되는 제1 스위치; 상기 제1 라인에서 상기 제2 서브 권선 측에 구비되는 제2 스위치; 상기 제2 서브 권선과 제3 서브 권선을 연결하는 제2 라인에서 상기 제3 서브 권선 측에 구비되는 제3 스위치; 상기 제1 서브 권선과 상기 제1 라인을 연결하는 제1 분기 라인에 구비되는 제4 스위치; 상기 제2 서브 권선과 상기 제1 라인을 연결하는 제2 분기 라인에 구비되는 제5 스위치; 및 상기 제3 서브 권선과 상기 제2 라인을 연결하는 제3 분기 라인에 구비되는 제6 스위치를 더 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 온(on)되고, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치는 스위칭 오프(off)되며, 상기 제2 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 오프(off)되고, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치는 스위칭 온(on)될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 회전자는 상기 하모닉 권선과 필드 권선 사이에 연결되는 정류기를 더 구비하며, 상기 필드 권선은 3상의 제1 필드 권선, 제2 필드 권선 및 제3 필드 권선을 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 회전자는, 상기 제1 필드 권선과 상기 제2 필드 권선을 연결하는 제3 라인에 구비되는 제7 스위치; 및 상기 제2 필드 권선과 제3 필드 권선을 연결하는 제4 라인에 구비되는 제8 스위치를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 모드에서, 상기 제7 스위치 및 제8 스위치는 스위칭 온(on)되고, 상기 제2 모드에서, 상기 제7 스위치 및 제8 스위치는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 원주 방향으로 고정자 치가 배열되며, 상기 고정자 치에 마련되되 제1 전원과 연결되는 메인 권선 및 제2 전원과 연결되는 서브 권선을 구비하는 고정자; 및 원주 방향으로 회전자 치가 배열되며, 상기 회전자 치에 마련되는 하모닉 권선 및 필드 권선을 구비하는 회전자를 포함하며, 상기 고정자와 회전자는 초기 시동 모드인 제1 모드 및 정상 동작 모드인 제2 모드로 동작하되, 상기 제1 모드는 입력 전압이 변화되는 시점을 기준으로 제1 단계 및 제2 단계로 구분되며, 상기 제1 단계에서, 상기 고정자와 회전자는 상기 제1 모드로 동작하고, 상기 제2 단계에서, 상기 회전자가 상기 제1 모드로 유지될 때, 상기 고정자는 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 선 전환될 수 있다.
이에 따라, 초기 시동 모드인 유도기 모드를 통하여 높은 시동 토크를 생성할 수 있는, 듀얼 모드 전동기가 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 영구자석 없이 구동하는 듀얼 모드 전동기가 제공될 수 있으며, 이에 따라, 비용을 저감할 수 있으며, 유연한 제어가 가능할 수 있다.
아울러, 본 발명의 실시 예에 따르면, 라인스타트 브러시리스 권선형 회전자 동기기로도 사용 가능한 듀얼 모드 전동기가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 고정자를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 회전자를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 유도기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 동기기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 고정자의 각 권선에 의한 합성 기자력 파형을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 의하여 생성된 전자기 토크를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 대한 속도-시간 해석 결과를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 고정자를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 회전자를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고정자의 유도기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전자의 유도기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고정자의 동기기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전자의 동기기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 의하여 생성된 전자기 토크를 보여주는 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 대한 속도-시간 해석 결과를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.
명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.
또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 고정자를 설명하기 위한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 회전자를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 유도기 모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 동기기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기(100)는 고정자(stator)(110) 및 회전자(rotor)(120)를 포함하여 형성될 수 있다.
고정자(110)는 회전자(120)의 일측에 마련될 수 있다. 예를 들어, 고정자(110)는 회전자(120)의 반경 방향 외측에 마련될 수 있다. 이러한 고정자(110)는 회전자(120)에 회전력을 제공할 수 있다.
이를 위하여, 고정자(110)는, 내측에 중공이 형성되어 있는 원통 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 회전자(120)는 고정자(110)의 중공에 인입된 상태에서 고정자(110)로부터 제공되는 회전력에 의하여 회전할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 고정자 치(teeth)(111)를 포함할 수 있다. 상기 고정자 치(111)는 복수 개로 구비되며, 고정자(110)의 내경 측에 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 고정자 치(111) 사이는 고정자 슬롯으로 정의될 수 있다.
상기 고정자(110)는 메인 권선(main winding)(112)을 구비할 수 있다. 상기 메인 권선(112)은 고정자 치(111)에 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 이러한 메인 권선(112)은 3상 권선으로 구비될 수 있다. 즉, 상기 메인 권선(112)은 제1 상(A phase)을 인가 받는 제1 메인 권선(112a), 제2 상(B phase)을 인가 받는 제2 메인 권선(112b) 및 제3 상(C phase)을 인가 받는 제3 메인 권선(112c)으로 이루어질 수 있다.
또한, 고정자(110)는 서브 권선(sub winding)(113)을 구비할 수 있다. 상기 서브 권선(113)은 고정자 치(111)에 마련될 수 있다. 상기 서브 권선(113)은 메인 권선(112)과 복수 개의 고정자 치(111)를 따라 원주 방향으로 배열될 수 있다.
이러한 서브 권선(113)은 제1 상(X phase)을 인가 받는 제1 서브 권선(113a), 제2 상(Y phase)을 인가 받는 제2 서브 권선(113b) 및 제3 상(Z phase)을 인가 받는 제3 서브 권선(113c)으로 이루어질 수 있다.
이때, 메인 권선(112)과 서브 권선(113)은 고정자 치(111)에 적층될 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 고정자 치(111)를 기준으로 볼 때, 고정자 치(111)에는 메인 권선(112)이 이중으로 적층될 수 있고, 서브 권선(113)이 이중으로 적층될 수 있으며, 이와 달리, 메인 권선(112)과 서브 권선(113)이 이중으로 적층될 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 메인 권선(112)은 제1 전원과 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 메인 권선(112a)에는 상기 제1 전원과 연결되어 있는 제1 인버터(PWM Inverter-1)를 통하여 제1 상(A phase)이 인가되고, 상기 제2 메인 권선(112b)에는 상기 제1 인버터를 통하여 제2 상(B phase)이 인가되며, 상기 제3 메인 권선(112c)에는 상기 제1 인버터를 통하여 제3 상(C phase)이 인가될 수 있다.
반면, 서브 권선(113)은 제2 전원과 연결될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 서브 권선(113a)에는 상기 제2 전원과 연결되어 있는 제2 인버터(PWM Inverter-2)를 통하여 제1 상(X phase)이 인가되고, 상기 제2 서브 권선(113b)에는 상기 제2 인버터를 통하여 제2 상(Y phase)이 인가되며, 상기 제3 서브 권선(113c)에는 상기 제2 인버터를 통하여 제3 상(Z phase)이 인가될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 3상의 고정자 권선은 하나의 고정자(110)에서 메인 권선(112)과 서브 권선(113)으로 나뉘어 작동할 수 있다.
상기 회전자(120)는 고정자(110)에 의하여 생성된 고정자 필드에 대응하여 회전할 수 있다. 이러한 회전자(120)는 고정자(110)의 반경 방향 내측에 마련될 수 있다. 즉, 회전자(120)는 고정자(110)의 내부 중공에 인입될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자(120)는 회전자 치(121)를 포함할 수 있다. 상기 회전자 치(121)는 복수 개로 구비되며, 회전자(120)의 외경 측에 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 회전자 치(121) 사이는 회전자 슬롯으로 정의될 수 있다.
상기 회전자(120)는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123)을 구비할 수 있다. 상기 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123)은 상기 회전자 치(121)에 마련될 수 있다. 상기 하모닉 권선(122)은 서브 고조파를 이용하여 브러시리스 작동을 위해 구비되며, 상기 필드 권선(123)은 회전자 자속을 생성하여 토크를 생성하기 위해 구비된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 필드 권선(123)은 3상 권선으로 구비될 수 있다.
즉, 상기 필드 권선(123)은 제1 상을 인가 받는 제1 필드 권선(123a), 제2 상을 인가 받는 제2 필드 권선(123b) 및 제3 상을 인가 받는 제3 필드 권선(123c)으로 이루어질 수 있다.
이때, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 필드 권선(123a)에는 제1 저항(125a)이 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 상기 제2 필드 권선(123b)에는 제2 저항(125b)이 직렬로 연결될 수 있다. 그리고 상기 제3 필드 권선(123c)에는 제3 저항(125c)이 직렬로 연결될 수 있다.
한편, 상기 회전자(120)는 정류기(124)를 더 구비할 수 있다. 상기 정류기(124)는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123) 사이에는 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자(120)는 복수 개의 스위치를 더 구비할 수 있다. 상기 복수 개의 스위치는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123)이 형성하는 전기 경로를 가변 제어할 수 있다.
상기 필드 권선(123)은 이러한 복수 개의 스위치를 통하여, 3상으로 작동하거나 단상으로 작동할 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기(100)는 이러한 복수 개의 스위치를 구비하는 회전자(120)를 통하여, 초기 시동 시에는 제1 모드 예를 들어, 유도기 모드로 동작하고, 안정화된 후에는 정상 동작되는 제2 모드 예를 들어, 동기기 모드로 동작할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 복수 개의 스위치는 제1 스위치(126a), 제2 스위치(126b), 제3 스위치(126c), 제4 스위치(126d) 및 제5 스위치(126e)를 포함할 수 있다. 이러한 복수 개의 스위치는 제어 단자를 통해 흐르는 전류에 따라 접점을 밀거나 당기는 전자석으로 구비될 수 있다.
상기 제1 스위치(126a)는 제1 필드 권선(123a)과 제3 필드 권선(123c)을 연결하는 제1 라인(L1)에 구비될 수 있다. 이러한 제1 스위치(126a)는 예를 들어, 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
상기 제2 스위치(126b)는, 제1 필드 권선(123a)과 직렬 연결되어 있는 제1 저항(125a)과, 제2 필드 권선(123b)과 직렬 연결되어 있는 제2 저항(125b)을 연결하는 제2 라인(L2)에 구비될 수 있다. 이러한 제2 스위치(126b)는 상기 제1 스위치(126a)와 마찬가지로, 예를 들어, 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
상기 제3 스위치(126c)는, 제2 필드 권선(123b)과 직렬 연결되어 있는 제2 저항(125b)과, 제3 필드 권선(123c)과 직렬 연결되어 있는 제3 저항(125c)을 연결하는 제3 라인(L3)에 구비될 수 있다.
이러한 제3 스위치(126c)는 제1 스위치(126a) 및 제2 스위치(126b)의 스위칭 동작에 연동될 수 있다.
즉, 제3 스위치(126c)는 제1 스위치(126a) 및 제2 스위치(126b)와 마찬가지로, 예를 들어, 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
상기 제4 스위치(126d)는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123)을 연결하는 제4 라인(L4)에 구비될 수 있다. 구체적으로, 제4 스위치(126d)는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123) 사이에 구비되는 정류기(124)와 제1 필드 권선(123a)을 연결하는 제4 라인(L4)에 구비될 수 있다.
이러한 제4 스위치(126d)는 제1 스위치 내지 제3 스위치(126a, 126b, 126c)와 반대로 스위칭될 수 있다. 즉, 제4 스위치(126d)는 예를 들어, 유도기 모드 시에는 스위칭 오프(off)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 온(on)될 수 있다.
상기 제5 스위치(126e)는 제1 필드 권선(123a)과 제2 필드 권선(123b)을 연결하는 제5 라인(L5)에 구비될 수 있다. 이러한 제5 스위치(126e)은 제4 스위치(126d)와 마찬가지로, 제1 스위치 내지 제3 스위치(126a, 126b, 126c)와 반대로 스위칭될 수 있다.
즉, 상기 제5 스위치(126e)는 예를 들어, 유도기 모드 시에는 스위칭 오프(off)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 온(on)될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자(110)와 회전자(120)는 초기 시동 시 높은 시동 토크를 생성하기 위하여, 제1 모드 예를 들어, 유도기 모드(induction mode)로 동작할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 고정자(110)와 회전자(120)는 상기 유도기 모드를 통하여 듀얼 모드 전동기(100)가 안정화된 후, 정상 동작되는 제2 모드 예를 들어, 동기기 모드(synchronous mode)로 전환될 수 있다.
여기서, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 유도기 모드는 제1 단계(STEP-1) 및 제2 단계(STEP-2)로 구분될 수 있다.
상기 제1 단계(STEP-1)는 시동 과정의 단계로 정의될 수 있다. 또한, 상기 제2 단계(STEP-2)는, 듀얼 모드 전동기(100)가 브러시리스 동기기 모드로 전환될 수 있도록 준비하는 단계로 정의될 수 있다. 이러한 제1 단계(STEP-1)와 제2 단계(STEP-2)는 입력 전압이 변화되는 시점을 기준으로 구분될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 단계(STEP-1)에서는 메인 권선(112)과 서브 권선(113)에 입력되는 전압이 동일할 수 있다.
이때, 상기 제1 단계(STEP-1)에서, 상기 회전자(120)는, 하모닉 권선(122)이 연결되지 않은 3상 권선으로 작동할 수 있다.
즉, 도 4를 참조하면, 상기 제1 단계(STEP-1)인 경우, 제1 스위치(126a), 제2 스위치(126b) 및 제3 스위치(126c)는 스위칭 온(on)될 수 있다. 이때, 제4 스위치(126d)와 제5 스위치(126e)는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
이에 따라, 제1 단계(STEP-1)인 경우, 회전자(120)에서, 하모닉 권선(122)과 정류기(124)는 필드 권선(123)으로부터 전기적으로 분리되고, 3상의 필드 권선(123a, 123b, 123c) 및 저항(125a, 126b, 126c)만이 사용될 수 있다.
그러므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기(100)의 회전자(120)는 유도기로 작동할 수 있다. 이때, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 3상의 필드 권선(123a, 123b, 123c)에 직렬 연결되는 저항(125a, 126b, 126c)을 통하여 높은 시동 토크를 생성할 수 있다.
상기 제1 단계(STEP-1)에서, 메인 권선(112)에 3상을 인가하는 제1 인버터 및 서브 권선(113)에 3상을 인가하는 제2 인버터는 고정자(110)에 평행 전류를 유도하기 위하여, 동일한 진폭을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 유도기 모드에서는 상기 제1 단계(STEP-1)를 통하여, 고정자(110)와 회전자(120)의 구동이 안정화된 후, 서브 권선(113)에 입력되는 전압 값을 절반으로 감소시킬 수 있다. 이에 따라, 유도기 모드의 제1 단계(STEP-1)가 종료되고, 유도기 모드의 제2 단계(STEP-2)가 개시될 수 있다.
상기와 같이, 서브 권선(113)에 입력되는 전압 값을 절반으로 감소시키게 되면, 메인 권선(112)과 서브 권선(113)의 각 부분에서 고정자 전류의 크기 차이가 발생하여 각 부분의 기자력(magneto-motive force; MMF)이 달라진다. 전류가 더 높은 부분은 전류가 낮은 부분에 비해 더 큰 기자력을 발생시킨다.
따라서, 고정자 기자력의 추가적인 서브 고조파가 생성될 수 있다. 이때, 생성된 서브 고조파의 주파수는 기본 고조파의 절반일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 단계(STEP-2)에서, 회전자(120)가 유도기 모드로 유지될 때, 고정자(110)는 동기기 모드로 선 전환될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 유도기 모드에서 동기기 모드로 전환되는 시점에서, 회전자(120)보다 먼저, 고정자(110)가 동기기 모드로 선 전환됨으로써, 회전자(120)가 동기기 모드로 전환될 준비 시간을 확보할 수 있으며, 이를 통하여, 회전자(120)가 동기기 모드로 전환되는 경우, 토크 손실을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기(100)는 상기 유도기 모드를 통하여 안정화된 후, 정상 동작되는 동기기 모드(synchronous mode)로 전환될 수 있다.
도 5를 참조하면, 동기기 모드에서, 제1 스위치(126a), 제2 스위치(126b) 및 제3 스위치(126c)는 스위칭 오프(off)될 수 있다. 또한, 동기기 모드에서, 제4 스위치(126d)와 제5 스위치(126e)는 스위칭 온(on)될 수 있다.
이를 통하여, 회전자(120)는 4극(pole)을 가지는 하모닉 권선(122)과 8극을 가지는 필드 권선(123)을 가질 수 있다. 동기기 모드에서, 하모닉 권선(122)은 정류기(124)를 통하여 필드 권선(123)과 연결될 수 있다.
즉, 동기기 모드에서, 하모닉 권선(122)과, 제1 필드 권선(123a), 제2 필드 권선(123b) 및 제3 필드 권선(123c)이 직렬로 연결될 수 있다. 이에 따라, 필드 권선(123)은 3상 권선에서 단상 권선으로 변경될 수 있다. 이때, 이들 필드 권선(123a, 123b, 124c)과 각각 직렬 연결되어 있는 제1 저항(125a), 제2 저항(125b) 및 제3 저항(125c)은 이들 필드 권선(123a, 123b, 124c)으로부터 전기적으로 분리될 수 있다.
이러한 동기기 모드에서는 하모닉 권선(122)의 극수가 서브 고조파의 극수와 같기 때문에 서브 고조파를 이용하여 하모닉 권선(122)으로 전류가 유도될 수 있다. 이와 같이, 하모닉 권선(122)으로 유도된 전류는 정류기(124)에서 정류되어 필드 권선(123)에 공급될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기(100)는 브러시리스 동기기로 동작하게 될 수 있다.
한편, 도 6은 고정자의 각 권선에 의한 합성 기자력 파형을 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 결합된 기자력 파형은 기본 고조파 성분 및 서브 고조파 성분을 반영한다.
또한, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 의하여 생성된 전자기 토크를 보여주는 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에서, 회전자 필드 전류는 토크를 발생시키는 역할을 한다, 시뮬레이션에서는 7.15Nm의 부하를 일정 부하로 가하여, 듀얼 모드 전동기의 전자기 토크를 측정하였다.
도 7을 참조하면, 유도기 모드에서 발생된 토크는 시동 과정에서 정격 토크보다 높으며, 안정화된 후에는 발생된 토크가 정격 토크와 동일한 것으로 확인되었다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기는 높은 시동 토크를 가지며, 안정적인 모드 전환이 이루어지는 것을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 대한 속도-시간 해석 결과를 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기는 높은 시동 토크와 안정적인 동기화를 수행하는 것을 확인할 수 있으며, 듀얼 모드로 동작됨을 명확하게 확인할 수 있다.
이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 대하여, 도 9 내지 도 14를 참조하여 설명하기로 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 고정자를 설명하기 위한 도면이고, 도 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기의 회전자를 설명하기 위한 도면이며, 도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고정자의 유도기 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 12는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전자의 유도기 모드를 설명하기 위한 도면이며, 도 13은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 고정자의 동기기 모드를 설명하기 위한 도면이고, 도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 회전자의 동기기 모드를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기(200)는 라인 스타트 브러시리스 권선형 회전자 동기기로 동작될 수 있다. 이러한 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기(200)는 고정자(110) 및 회전자(120)를 포함할 수 있다.
상기 고정자(110)와 회전자(120)의 기본 구조는 본 발명의 일 실시 예와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 메인 권선(main winding)을 구비할 수 있다. 상기 메인 권선은 제1 상(A phase)을 인가 받는 제1 메인 권선(112a), 제2 상(B phase)을 인가 받는 제2 메인 권선(112b) 및 제3 상(C phase)을 인가 받는 제3 메인 권선(112c)으로 이루어질 수 있다.
이때, 메인 권선은 3상 그리드 서플라이(three-phase grid supply)와 직접 연결될 수 있다.
또한, 고정자(110)는 서브 권선(sub winding)을 구비할 수 있다. 상기 서브 권선은 제1 상(X phase)을 인가 받는 제1 서브 권선(113a), 제2 상(Y phase)을 인가 받는 제2 서브 권선(113b) 및 제3 상(Z phase)을 인가 받는 제3 서브 권선(113c)으로 이루어질 수 있다.
이때, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 제1 메인 권선(112a)은 상기 제1 서브 권선(113a)과 직렬로 연결될 수 있다. 또한, 제2 메인 권선(112a)은 상기 제2 서브 권선(113b)과 직렬로 연결될 수 있다. 그리고 제3 메인 권선(112c)은 상기 제3 서브 권선(113c)과 직렬로 연결될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 복수 개의 스위치를 더 구비할 수 있다. 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 이러한 복수 개의 스위치를 이용하여 고정자(110)의 권선 수를 변경할 수 있다.
상기 복수 개의 스위치는 제1 스위치(214a), 제2 스위치(214b), 제3 스위치(214c), 제4 스위치(214d), 제5 스위치(214e) 및 제6 스위치(214f)를 포함할 수 있다. 이러한 복수 개의 스위치는 제어 단자를 통해 흐르는 전류에 따라 접점을 밀거나 당기는 전자석으로 구비될 수 있다.
상기 제1 스위치(214a)는 제1 서브 권선(113a)과 제2 서브 권선(113b)을 연결하는 제1 라인(L1)에서 제1 서브 권선(113a) 측에 구비될 수 있다. 이러한 제1 스위치(214a)는 초기 시동 모드인 제1 모드 예를 들어, 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 정상 동작 모드인 제2 모드 예를 들어, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
상기 제2 스위치(214b)는 상기 제1 라인(L1)에서 제2 서브 권선(113b) 측에 구비될 수 있다. 이러한 제2 스위치(214b)는 제1 스위치(214a)와 연동될 수 있다. 즉, 제2 스위치(214b)는 제1 스위치(214a)와 마찬가지로, 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
상기 제3 스위치(214c)는 제2 서브 권선(113b)과 제3 서브 권선(113c)을 연결하는 제2 라인(L2)에서 제3 서브 권선(113c) 측에 구비될 수 있다. 이러한 제3 스위치(214c)는 제1 스위치(214a) 및 제2 스위치(214b)와 연동될 수 있다.
즉, 제3 스위치(214c)는 제1 스위치(214a) 및 제2 스위치(214b)와 마찬가지로, 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
상기 제4 스위치(214d)는 제1 서브 권선(113a)과 제1 라인(L1)을 연결하는 제1 분기 라인(DL1)에 구비될 수 있다. 이러한 제4 스위치(214d)는 제1 스위치 내지 제3 스위치(214a, 214b, 214c)와 반대로 스위칭될 수 있다.
즉, 제4 스위치(214d)는 유도기 모드 시에는 스위칭 오프(off)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 온(on)될 수 있다.
상기 제5 스위치(214e)는 제2 서브 권선(113b)과 제1 라인(L1)을 연결하는 제2 분기 라인(DL2)에 구비될 수 있다. 이러한 제5 스위치(214e)는 제4 스위치(214d)와 연동될 수 있다.
이에 따라, 제5 스위치(214e)는 제1 스위치 내지 제3 스위치(214a, 214b, 214c)와 반대로 스위칭될 수 있다. 즉, 제5 스위치(214e)는 제4 스위치(214d)와 마찬가지로, 유도기 모드 시에는 스위칭 오프(off)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 온(on)될 수 있다.
상기 제6 스위치(214f)는 제3 서브 권선(113c)과 제2 라인(L2)을 연결하는 제3 분기 라인(DL3)에 구비될 수 있다. 이러한 제6 스위치(214f)는 제4 스위치(214d) 및 제5 스위치(214e)와 연동될 수 있다.
이에 따라, 제6 스위치(214f)는 제1 스위치 내지 제3 스위치(214a, 214b, 214c)와 반대로 스위칭될 수 있다. 즉, 제6 스위치(214f)는 제4 스위치(214d) 및 제5 스위치(214e)와 마찬가지로, 유도기 모드 시에는 스위칭 오프(off)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 온(on)될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 제1 스위치 내지 제3 스위치(214a, 214b, 214c)가 하나의 스위치 세트를 이루고, 제4 스위치 내지 제6 스위치(214d, 214e, 214f)가 다른 하나의 스위치 세트를 이룰 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 서로 직렬로 연결되는 메인 권선(112)과 서브 권선(113)은 상기 복수 개의 스위치를 이용한 권선 수 변경을 통하여 서브 고조파를 생성할 수 있다.
상기 회전자(120)는 고정자(110)에 의하여 생성된 고정자 필드에 대응하여 회전할 수 있다. 이러한 회전자(120)는 고정자(110)의 반경 방향 내측에 마련될 수 있다.
상기 회전자(120)는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(도 1의 123)을 구비할 수 있다. 상기 하모닉 권선(122)과 필드 권선(도 1의 123)은 상기 회전자 치(도 1의 121)에 마련될 수 있다.
상기 필드 권선(도 1의 123)은 3상 권선으로 구비될 수 있다. 즉, 상기 필드 권선(도 1의 123)은 제1 상을 인가 받는 제1 필드 권선(123a), 제2 상을 인가 받는 제2 필드 권선(123b) 및 제3 상을 인가 받는 제3 필드 권선(123c)으로 이루어질 수 있다.
상기 회전자(120)는 정류기(124)를 더 구비할 수 있다. 상기 정류기(124)는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123a, 123b, 123c) 사이에는 마련될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 회전자(120)는 복수 개의 스위치를 더 구비할 수 있다. 상기 복수 개의 스위치는 하모닉 권선(122)과 필드 권선(123a, 123b, 123c)이 형성하는 전기 경로를 가변 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 복수 개의 스위치는 제7 스위치(227a) 및 제8 스위치(227b)를 포함할 수 있다. 이러한 복수 개의 스위치는 제어 단자를 통해 흐르는 전류에 따라 접점을 밀거나 당기는 전자석으로 구비될 수 있다.
상기 제7 스위치(227a)는 제1 필드 권선(123a)과 제2 필드 권선(123b)을 연결하는 제3 라인(L3)에 구비될 수 있다. 이러한 제7 스위치(227a)는 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
상기 제8 스위치(227b)는 제2 필드 권선(123b)과 제3 필드 권선(123c)을 연결하는 제4 라인(L4)에 구비될 수 있다. 이러한 제8 스위치(227b)는 제 7 스위치(227a)와 연동될 수 있다.
즉, 제8 스위치(227b)는 제7 스위치(227a)와 마찬가지로, 유도기 모드 시에는 스위칭 온(on)되고, 동기기 모드 시에는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 고정자(110)와 회전자(120)는 초기 시동 시에는 유도기 모드로 동작할 수 있으며, 유도기 모드를 통하여 듀얼 모드 전동기(200)가 안정화된 후에는 정상 동작되는 동기기 모드로 전환될 수 있다.
여기서, 상기 유도기 모드는 제1 단계(STEP-1) 및 제2 단계(STEP-2)로 구분될 수 있다.
상기 제1 단계(STEP-1)는 시동 과정의 단계로 정의될 수 있다. 또한, 상기 제2 단계(STEP-2)는, 듀얼 모드 전동기(100)가 브러시리스 동기기 모드로 전환될 수 있도록 준비하는 단계로 정의될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 이러한 제1 단계(STEP-1)과 제2 단계(STEP-2)는 권선 수가 변화 혹은 변경되는 시점을 기준으로 구분될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 상기 제1 단계(STEP-1)에서, 고정자(110)와 회전자(120)는 유도기 모드로 동작할 수 있다. 이때, 상기 제2 단계(STEP-2)에서, 고정자(110)는, 회전자(120)가 유도기 모드로 유지될 때, 유도기 모드에서 동기기 모드로 선 전환될 수 있다.
한편, 도 11을 참조하면, 유도기 모드에서, 제1 스위치(214a), 제2 스위치(214b) 및 제3 스위치(214c)는 스위칭 온(on)되고, 제4 스위치(214d), 제5 스위치(214e) 및 제6 스위치(214f)는 스위칭 오프(off)될 수 있다.
이때, 도 12를 참조하면, 유도기 모드에서, 제7 스위치(227a)와 제8 스위치(227b)는 스위칭 온(on)될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 유도기 모드에서는 제1 스위치(214a), 제2 스위치(214b), 제3 스위치(214c), 제7 스위치(227a)와 제8 스위치(227b)가 스위칭 온(on)될 수 있다.
도 13을 참조하면, 동기기 모드에서, 제1 스위치(214a), 제2 스위치(214b) 및 제3 스위치(214c)는 스위칭 오프(off)되고, 제4 스위치(214d), 제5 스위치(214e) 및 제6 스위치(214f)는 스위칭 온(on)될 수 있다.
이때, 도 14를 참조하면, 동기기 모드에서, 제7 스위치(227a)와 제8 스위치(227b)는 스위칭 오프(off)될 수 있다. 이에 따라, 하모닉 권선(122)과, 제1 필드 권선(123a), 제2 필드 권선(123b) 및 제3 필드 권선(123c)이 직렬로 연결되어, 필드 권선은 3상 권선에서 단상 권선으로 변경될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 동기기 모드에서는 제4 스위치(214d), 제5 스위치(214e) 및 제6 스위치(214f)가 스위칭 온(on)될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동(200)는 브러시리스 동기기로 작동할 수 있다.
한편, 도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 의하여 생성된 전자기 토크를 보여주는 도면이다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기는 상용 전압에 대해 안정적으로 구동되고, 안정적인 모드 변환이 진행되는 것으로 확인되었다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기에 대한 속도-시간 해석 결과를 보여주는 도면이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 듀얼 모드 전동기는 사용 전압에 대해 안정적인 구동 및 동기화가 진행되는 것으로 확인되었다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100, 200; 듀얼 모드 전동기 110; 고정자
111; 고정자 치 112; 메인 권선
112a; 제1 메인 권선 112b; 제2 메인 권선
112c; 제3 메인 권선 113; 서브 권선
113a; 제1 서브 권선 113b; 제2 서브 권선
113c; 제3 서브 권선 120; 회전자
121; 회전자 치 122; 하모닉 권선
123; 필드 권선 123a; 제1 필드 권선
123b; 제2 필드 권선 123c; 제3 필드 권선
124; 정류기 125a; 제1 저항
125b; 제2 저항 125c; 제3 저항
126a, 214a; 제1 스위치 126b, 214b; 제2 스위치
126c, 214c; 제3 스위치 126d, 214d; 제4 스위치
126e, 214e; 제5 스위치 214f; 제6 스위치
227a; 제7 스위치 227b; 제8 스위치
L1; 제1 라인 L2; 제2 라인
L3; 제3 라인 L4; 제4 라인
L5; 제5 라인 DL1; 제1 분기 라인
DL2; 제2 분기 라인 DL3; 제3 분기 라인

Claims (12)

  1. 원주 방향으로 고정자 치가 배열되며, 상기 고정자 치에 마련되되 제1 전원과 연결되는 메인 권선 및 제2 전원과 연결되는 서브 권선을 구비하는 고정자; 및
    원주 방향으로 회전자 치가 배열되며, 상기 회전자 치에 마련되는 하모닉 권선 및 필드 권선을 구비하는 회전자;를 포함하며,
    상기 고정자와 회전자는 초기 시동 모드인 제1 모드 및 정상 동작 모드인 제2 모드로 동작하되,
    상기 제1 모드는 입력 전압이 변화되는 시점을 기준으로 제1 단계 및 제2 단계로 구분되며,
    상기 제1 단계에서, 상기 고정자와 회전자는 상기 제1 모드로 동작하고,
    상기 제2 단계에서, 상기 회전자가 상기 제1 모드로 유지될 때, 상기 고정자는 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 선 전환되되,
    상기 회전자는 상기 하모닉 권선과 필드 권선 사이에 연결되는 정류기를 더 구비하며,
    상기 필드 권선은 3상의 제1 필드 권선, 제2 필드 권선 및 제3 필드 권선을 포함하되, 상기 제1 필드 권선에는 제1 저항이 연결되고, 상기 제2 필드 권선에는 제2 저항이 연결되며, 상기 제3 필드 권선에는 제3 저항이 연결되는, 듀얼 모드 전동기.
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 회전자는 상기 하모닉 권선과 필드 권선이 형성하는 전기 경로를 가변 제어하는 복수 개의 스위치를 더 구비하되,
    상기 복수 개의 스위치는,
    상기 제1 필드 권선과 제3 필드 권선을 연결하는 제1 라인에 구비되는 제1 스위치;
    상기 제1 저항과 제2 저항을 연결하는 제2 라인에 구비되는 제2 스위치;
    상기 제2 저항과 제3 저항을 연결하는 제3 라인에 구비되는 제3 스위치;
    상기 정류기와 상기 제1 필드 권선을 연결하는 제4 라인에 구비되는 제4 스위치; 및
    상기 제1 필드 권선과 제2 필드 권선을 연결하는 제5 라인에 구비되는 제5 스위치를 포함하는, 듀얼 모드 전동기.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 온(on)되고, 상기 제4 스위치 및 제5 스위치는 스위칭 오프(off)되어, 상기 하모닉 권선이 상기 필드 권선으로부터 전기적으로 분리되는, 듀얼 모드 전동기.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제2 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 오프(off)되고, 상기 제4 스위치 및 제5 스위치는 스위칭 온(on)되어, 상기 하모닉 권선 및 상기 제1 필드 권선 내지 제3 필드 권선이 직렬로 연결되고, 상기 제1 저항 내지 제3 저항은 상기 필드 권선으로부터 전기적으로 분리되는, 듀얼 모드 전동기.
  6. 원주 방향으로 고정자 치가 배열되며, 상기 고정자 치에 마련되는 메인 권선 및 상기 메인 권선과 직렬로 연결되는 서브 권선을 구비하는 고정자; 및
    원주 방향으로 회전자 치가 배열되며, 상기 회전자 치에 마련되는 하모닉 권선 및 필드 권선을 구비하는 회전자;를 포함하며,
    상기 고정자와 회전자는 초기 시동 모드인 제1 모드 및 정상 동작 모드인 제2 모드로 동작하되,
    상기 제1 모드는 권선 수가 변화되는 시점을 기준으로 제1 단계 및 제2 단계로 구분되며,
    상기 제1 단계에서, 상기 고정자와 회전자는 상기 제1 모드로 동작하고,
    상기 제2 단계에서, 상기 회전자가 상기 제1 모드로 유지될 때, 상기 고정자는 상기 제1 모드에서 상기 제2 모드로 선 전환되되,
    상기 회전자는 상기 하모닉 권선과 필드 권선 사이에 연결되는 정류기를 더 구비하며,
    상기 필드 권선은 3상의 제1 필드 권선, 제2 필드 권선 및 제3 필드 권선을 포함하는, 듀얼 모드 전동기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 메인 권선은 제1 상을 인가 받는 제1 메인 권선, 제2 상을 인가 받는 제2 메인 권선 및 제3 상을 인가 받는 제3 메인 권선을 포함하고,
    상기 서브 권선은 상기 제1 메인 권선과 직렬 연결되는 제1 서브 권선, 상기 제2 메인 권선과 직렬 연결되는 제2 서브 권선 및 상기 제3 메인 권선과 직렬 연결되는 제3 서브 권선을 포함하는, 듀얼 모드 전동기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 고정자는,
    상기 제1 서브 권선과 제2 서브 권선을 연결하는 제1 라인에서 상기 제1 서브 권선 측에 구비되는 제1 스위치;
    상기 제1 라인에서 상기 제2 서브 권선 측에 구비되는 제2 스위치;
    상기 제2 서브 권선과 제3 서브 권선을 연결하는 제2 라인에서 상기 제3 서브 권선 측에 구비되는 제3 스위치;
    상기 제1 서브 권선과 상기 제1 라인을 연결하는 제1 분기 라인에 구비되는 제4 스위치;
    상기 제2 서브 권선과 상기 제1 라인을 연결하는 제2 분기 라인에 구비되는 제5 스위치; 및
    상기 제3 서브 권선과 상기 제2 라인을 연결하는 제3 분기 라인에 구비되는 제6 스위치를 더 포함하는, 듀얼 모드 전동기.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 온(on)되고, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치는 스위칭 오프(off)되며,
    상기 제2 모드에서, 상기 제1 스위치 내지 제3 스위치는 스위칭 오프(off)되고, 상기 제4 스위치 내지 제6 스위치는 스위칭 온(on)되는, 듀얼 모드 전동기.
  10. 삭제
  11. 제6 항에 있어서,
    상기 회전자는,
    상기 제1 필드 권선과 상기 제2 필드 권선을 연결하는 제3 라인에 구비되는 제7 스위치; 및
    상기 제2 필드 권선과 제3 필드 권선을 연결하는 제4 라인에 구비되는 제8 스위치를 포함하는, 듀얼 모드 전동기.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 모드에서, 상기 제7 스위치 및 제8 스위치는 스위칭 온(on)되고, 상기 제2 모드에서, 상기 제7 스위치 및 제8 스위치는 스위칭 오프(off)되는, 듀얼 모드 전동기.
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