KR20050009500A - 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기 또는 발전기 등에서 사용되는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조에 관한 것으로, 고정자의 치 양단부에는 영구자석을 기계적으로 지지하도록 돌출 구조를 형성하고, 회전자의 치에는 자속 장벽을 구성하는 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자의 구조에 관한 것이다.

본 발명에 의한 자석 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조는 자석의 이탈을 막고 유효 자속에 대한 통로를 형성하여 역기전력 및 토크 상수의 증가를 가져오게 하고, 회전자 치의 양쪽 가장자리 부분에 자속 장벽을 구성하여 누설 자속에 대한 자기 저항을 강화하여 토크 상수가 증가하는 효과가 있다.

Description

자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조{The stator and rotor Structure of flux reversal machine}

본 발명은 전동기 또는 발전기 등에서 사용되는 자속 역전식 기기의 고정자및 회전자 구조에 관한 것으로, 영구자석을 포함하는 고정자와, 자속 장벽을 포함하는 회전자로 구성되며,

고정자 치의 양단부에 영구자석을 기계적으로 지지하도록 돌출 구조를 형성하고, 회전자 치에는 자속 장벽을 구성하는 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자의 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 자속 역전식 기기는 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched reluctance motor)의 단점들을 보완하고 영구자석형 기기의 장점을 이용하기 위해, 스위치드 릴럭턴스 전동기의 고정자 치에 영구자석을 부착시킨 형태의 구조를 갖게 되며, 이러한 기기는 전동기(Motor) 및 발전기(Generator)로서 이용된다.

자속 역전식 기기의 일예를 도 1을 참고하여 설명하면, 원통형의 고정자(10)는 내측으로 회전자(20)가 회전가능하게 삽입될 수 있는 공간이 있고, 고정자(10) 내측면에는 일정각도의 간격으로 고정자 치(11)가 돌출되어 형성되어 있으며, 고정자 치(11)의 끝단부에는 영구자석(30)을 구비하고 있고, 그 각각의 고정자 치(11)에는 코일이 권선되어 각각 고정자극을 이루고 있다.

회전자(20)는 중앙에 회전자 축(22)을 구비하고 있으며, 회전자(20)의 외측면에는 일정각도 간격으로 다수의 회전자 치(21)가 돌출 형성되어, 상기 다수의 고정자 치(11)의 단부와 대항하여 공극을 형성하며 회전하도록 되어 있다.

상기의 고정자(10)와 회전자(20)로 이루어진 자속 역전식 기기(100)에서 코일에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 고정자 치(11)와 회전자 치(21) 사이에 반발력 또는 흡인력을 생성하여 회전 토크를 발생시켜 전기적인 에너지를 기계적인에너지로 변환시키는 회전 기기로 사용할 수 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 자속 역전식 기기(100)는 고정자(10) 측의 영구자석(30)과 회전자(20)간의 흡인, 반발력에 의해 발생하는 코깅 토크로 인해 소음과 진동 등이 크게 발생하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 종래에는 자속 역전식 기기(100)에서 코깅 토크를 줄이기 위해 도 2a에서처럼 회전자 치(21)에 보조 슬롯을 구비하거나, 도 2b에서와 같이 고정자 치(11)의 영구자석(30)을 아크 형상으로 영구자석(30)의 형상을 변경하거나, 도 2c에 나타낸 것처럼 회전자 치(21)의 구조를 아크 형상으로 회전자 치(21)의 형상을 변경하는 방법을 사용하였다.

또한 코깅 토크를 줄이는 방법으로 회전자(20)나 고정자(10)에 스큐 적층하여 구성하는 방법도 사용하였다.

그러나, 상기와 같은 방법들을 적용하면 도 3, 4, 5에서와 같이 코깅 토크는 저감되지만, 역기전력 및 토크 상수도 함께 줄어들기 때문에, 자속 역전식 기기에서 발생하는 토크가 초기에 비해 상당히 저하되는 문제점을 가지고 있다.

도 3은 일반적인 자석 역전식 기기와, 7.5도 및 15도 스큐 적층을 사용한 경우와, 회전자에 보조 슬롯을 구성한 경우와, 영구자석 형상 변경을 적용한 경우와, 회전자 치의 형상 변경을 적용한 경우에 코깅 토크의 변화 값을 비교한 그래프이다.

도 4는 일반적인 자석 역전식 기기, 7.5도 및 15도 스큐 적층을 사용한 경우, 회전자에 보조 슬롯을 구비하거나, 회전자 치의 형상 변경을 적용한 경우, 영구자석의 형상 변경을 적용하는 경우의 역기전력의 크기의 값을 나타낸 도면이다.

도 5는 상기와 같은 경우에 발생하는 토크 값을 그래프로 나타낸 도면이다.

상기의 그래프를 자세히 설명하면, 종래 초기 모델의 경우 코깅 토크가 큰 값을 가지게 될 때 역기전력의 값과 토크의 값도 큰 값을 가지게 되나, 코깅 토크가 크게 되면, 소음과 진동이 많이 발생하게 되는 문제점을 가지고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 15도 스큐 적층을 사용한 경우를 보면, 도 3에서의 코깅 토크의 값은 현저하게 줄어들었으나, 도 4에서의 역기전력 값 또한 종래 초기 모델에 비해 현저하게 줄었음을 볼 수 있으며, 출력되는 토크의 값 역시 종래 초기 모델에 비해 줄어들어 토크가 약해진 것을 볼 수 있다.

따라서 본 발명은 상기에서 서술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 코깅 토크의 값은 줄어들면서 역기전력 및 토크 상수의 값은 줄지 않도록하는 자속 역전식 기기를 발명하는 것이다.

본 발명은 자속 역전식 기기의 고정자 치의 원주 방향 끝단부에는 영구자석을 결합할 수 있도록 요홈부를 구성하여 영구자석을 기계적으로 지지하고, 유효 자속분에 대한 통로 역할을 할 수 있도록 고정자 치 슈(shoe)의 가장자리를 돌출 구조로 형성하고,

회전자 치의 양측 벽면에는 누설 자속분을 억제시키기 위해 자속 장벽을 갖도록 구성하여, 소음과 진동을 발생하는 코깅 토크를 최소화하는 반면에 역기전력 및 토크 상수는 최대화하여 자속 역전식 기기의 출력밀도를 높이는 것을 목적으로한다.

도 1은 통상적으로 사용되는 자속 역전식 기기의 구조를 나타낸 도면.

도 2a는 종래의 자속 역전식 기기에서 회전자 치에 보조 슬롯을 구비한 구조를 나타낸 부분확대도.

도 2b는 종래 자속 역전식 기기에서 고정자 치의 영구자석의 형상 변경을 적용한 구조를 나타낸 부분확대도.

도 2c는 종래 자속역전식 기기에서 회전자 치의 형상 변경을 적용한 구조를 나타낸 부분확대도.

도 3은 종래 기술을 사용하였을 경우, 코깅 토크 값의 변화를 그린 그래프를 나타낸 도면.

도 4는 종래 기술을 사용하였을 경우, 역기전력 값의 변화를 부분 확대하여 나타낸 그래프를 그린 도면.

도 5는 종래 기술을 사용하였을 경우, 토크의 값을 그린 그래프를 나타낸 도면.

도 6a는 본 발명에서 제안한, 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자의 구조를 나타낸 도면.

도 6b는 본 발명에 있어서, 고정자 및 회전자 구조의 부분 확대도.

도 7은 본 발명에 있어서, 다른 실시예를 나타낸 도면.

도 8a, 도 8b, 도 8c, 도 8d는 자속 역전식 기기의 동작 원리를 나타낸 도면.

도 9는 본 발명을 적용하였을 경우, 발생하는 등포텐셜도를 나타낸 도면.

도 10은 본 발명을 적용하였을 경우, 발생하는 코깅 토크의 값을 종래 기술과 비교하여 그린 그래프를 나타낸 도면.

도 11은 본 발명을 적용하였을 경우, 발생하는 역기전력의 값을 종래 기술과 비교하여 그린 그래프를 나타낸 도면.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ※

10 : 고정자 11 : 고정자 치

12 : 고정자 치 슈 13 : 요홈부

20 : 회전자 21 : 회전자 치

22 : 회전자 축 23 : 회전자 자속 장벽

24 : 회전자 치 슈 30 : 영구자석

100 : 자속 역전식 기기

상기에 서술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 자속 역전식 기기에서 사용하는 고정자와 회전자의 구조에 관한 것으로,

본 발명에 의한 고정자는 고정자 치의 원주 방향 끝단부에는 영구자석을 결합할 수 있도록 요홈부를 구성하여 영구자석을 지지할 수 있도록 감쌀 수 있도록 구성하고, 회전자는 회전자 치의 공극 방향 양쪽 가장자리 부분에 자속 장벽을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 6a는 본 발명에서 제안한 자속 역전식 기기(100)의 고정자(10) 및 회전자(20)의 구조를 나타낸 도면이다.

고정자(10)는 자속 역전식 기기(100)에서 일반적으로 사용되는 원통형의 형상을 가지며, 내측으로는 회전자(20)가 삽입될 수 있는 공간이 마련되어 있고, 내측면에는 일정 각도의 간격으로 6개의 고정자 치(11)가 돌출되어 형성되며, 고정자 치(11)의 끝단부에는 영구자석(30)을 포함하고 있다.

도 6b의 부분확대도를 참고하여 설명하면, 고정자 치(11)의 끝단부는 고정자 치 슈(12, Shoe)의 형태로 구성하며, 고정자 치 슈(12)의 길이는 영구자석(30)의 크기보다 약간 길게 구성하며, 영구자석(30)의 크기와 대응하는 크기의 요홈부(13)를 가지고 있다.

상기의 요홈부(13)에 영구자석(30)을 결합하여 영구자(30)석이 고정자 치(11)에서 이탈하는 것을 방지하며, 영구자석(30)이 결합된 후 양 옆에 나머지 부분은 유효 자속분에 대한 통로 역할을 할 수 있도록 구성되어 있다.

본 발명의 회전자(20)는 회전자(20)의 중앙에는 회전자 축(22)을 구비하고, 상기 고정자(10)의 내측에 마련된 공간에 삽입되며, 회전자(20)의 외측면에는 일정각도의 간격으로 회전자 치(21)가 돌출되어 형성되고, 상기 고정자 치(11)의 단부와 공극을 형성하며 회전할 수 있도록 구성된다.

상기 회전자의 치(21)의 폭은 종래의 자속 역전식 기기(100)에서는 고정자(10)에 고정되어 있는 영구자석(30)의 한 극의 폭과 1:1의 관계를 가지고 있으나, 본 발명의 회전자 치(21)의 폭은 영구자석(30)의 한 극의 폭과 1:0.5 에서부터 1:1.0 사이의 크기 비례가 되도록 구성되어 있다.

상기 회전자(20)는 얇은 철판(규소강판과 같은 철판)을 적층하여 구성되며, 회전자 치(21)의 공극과 만나는 양쪽 가장자리 부분에 일정한 크기의 구멍을 뚫어 자속 장벽(23)을 추가로 구성하여, 누설 자속에 대한 자기 저항을 강화함으로서 토크 상수의 증가를 가져올 수 있도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기의 자속 장벽(23)은 토크 값이 큰 기기의 경우와 토크 값이 작은 기기, 각각의 경우에 따라서 다른 크기로 만들어질 수 있다.

또한 상기의 회전자(20)는 회전자 치(21)의 부분이 도 7에서처럼 회전자 치 슈(24)를 가지는 구조로 구성될 수 있으며, 이 경우 회전자 치 슈(24) 아래쪽의 치 폭이 좁아짐으로서 자속 장벽(23)과 같은 역할을 하므로 추가로 자속 장벽(23)을구비하지 않아도 된다.

그리고, 상기의 회전자(20)는 종래의 자속 역전식 기기에도 적용할 수 있으며, 본 발명의 자속 역전식 기기의 고정자(10)와 같이 사용할 수도 있다.

자속 역전식 기기(100)에서의 동작을, 도 6에서 A상 권선의 회전자(20) 위치에서 회전자(20)가 회전하면서 일어나는 자속의 변화를 통하여 설명하면 다음과 같다.

상기의 고정자(10)의 각각 고정자 치(11)에는 코일이 권선되어 각각 고정자 극을 이루고 있으며, 그 고정자 극들은 서로 대각선 방향의 고정자 극들끼리 서로 전기적으로 연결되어 동일한 극성이 발생하도록 이루어져 있다.

회전자(20)가 도 8a에서와 같은 위치에 있을 때, 영구자석(30)에 의한 자속은 고정자 치(11)와 회전자 치(21)에서만 순환하게 되므로 A상 권선에는 쇄교 자속이 존재하지 않게 되나, 회전자(20)가 현재의 상태에서 시계 반대 방향으로 회전하게 되면 자속은 점차 고정자 요크를 통해 흐르게 되므로 A상 권선에 쇄교하는 자속은 역의 방향으로 증가하게 되고 고정자(10)에 고정되어 있는 영구자석(30)의 한 극과 회전자 치(21)가 완전히 일치하게 되면 A상의 쇄교 자속은 최대가 된다.

또한, 상기의 상태에서 회전자(20)가 다시 시계 반대 방향으로 회전하여 도 8b의 위치로 이동하게 되면, 쇄교 자속의 양은 점점 감소하게 되고 회전자(20)의 돌출되지 않은 부분의 중심부가 영구자석(30)의 극과 극 사이에 위치하게 되면 쇄교 자속은 0이 된다.

회전이 시계 반대 방향으로 더 진행되어 도 8c의 위치로 이동하게 되면 자속의 극성은 바뀌게 되고, 영구자석(30)의 한 쪽 극과 회전자 치(21)가 일치하면 쇄교 자속은 최대 값을 갖게 되고,

회전자(20)가 시계 반대 방향으로 회전하여 도 8d의 위치로 이동하게 되면 회전자 치(21)의 중심부와 영구자석(30)의 극과 극 사이에 위치하게 되면 권선의 쇄교 자속 량은 다시 0으로 된다.

도 9는 본 발명에서 제안한 구조로 구성된 자속 역전식 기기를 동작시켰을 경우 발생하는 자속의 등포텐셜도를 나타낸 것으로, 종래의 기술보다 유효 자속분이 많이 생성되어 토크가 크게 나오는 것을 알 수 있다.

도 10은 본 발명을 적용하였을 경우에 발생하는 코깅 토크의 크기를 종래의 기술과 비교하여 그린 그래프로, 종래 기술에 비해 코깅 토크가 현저하게 감소한 것을 볼 수 있다.

도 11은 본 발명을 적용하였을 경우에 발생하는 역기전력을 나타낸 그래프로, 도 10에서 본 것처럼 코깅 토크가 저감되었음에도 불구하고 오히려 역기전력은 증가하고 있음을 볼 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 자석 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조는 자석의 이탈을 막고 유효 자속에 대한 통로를 형성하여 역기전력 및 토크 상수의 증가를 가져오게 하고, 회전자 치의 양쪽 가장자리 부분에 자속 장벽을 구성하여 누설 자속에 대한 자기 저항을 강화하여 토크 상수가 증가하는 효과가 있다.

또한, 공극에 대한 자기저항의 변화도 적기 때문에 코깅 토크는 저감되며, 코깅 토크를 완전히 제거하기 위해 추가로 스큐나 영구자석의 형상 변경을 적용할 수 있어 추가적으로 코깅 토크가 저감되고, 역기전력 및 토크 상수가 최대화 되므로, 기기의 출력 밀도를 높이는 효과를 볼 수 있다.

Claims (6)

1. 고정자와 회전자를 포함하는 자속 역전식 기기에 있어서, 상기 고정자는 고정자 치의 부분에 영구자석이 안착되는 요홈부가 구비되고, 중심축 방향 끝단부의 길이가 영구자석의 길이보다 긴 형태의 고정자 치 슈가 형성되는 고정자 치를 포함하며, 상기 요홈부에는 영구자석이 안칙되는 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 회전자는 공극과 마주하는 양쪽 회전자 치의 가장자리 부분에 자속 장벽을 형성한 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조.
3. 제 1항에 있어서, 상기 회전자 치는 회전자 치 슈의 형태로 양쪽 끝단부가 원주방향 양 옆쪽으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조.
4. 고정자와 회전자를 포함하는 자속 역전식 기기에 있어서, 회전자 치의 폭과 고정자 치에 결합된 영구자석의 한 극의 폭의 비율은 0.5에서 1.0 사이를 가지는 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조.
5. 고정자와 회전자를 포함하는 자속 역전식 기기에 있어서, 상기 회전자는 공극과 마주하는 양쪽 회전자 치의 가장자리 부분에 자속 장벽을 형성하는 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조.
6. 제 5항에 있어서, 상기 자속 장벽은 공극과 마주하는 양쪽 회전자 치의 가장자리 부분에 위치하며, 빈 공간으로 공극을 형성한 것을 특징으로 하는 자속 역전식 기기의 고정자 및 회전자 구조.