KR20080081415A

KR20080081415A - 극변환식 동기전동기

Info

Publication number: KR20080081415A
Application number: KR1020070021336A
Authority: KR
Inventors: 한만승
Original assignee: 주식회사 대우일렉트로닉스
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2007-03-05
Publication date: 2008-09-10

Abstract

본 발명은 극변환식 동기전동기에 관한 것으로서, 다수로 배열되는 투스에 모터코일이 권선되는 스테이터와, 스테이터로부터 회전하도록 설치되며, 다수의 도체가 설치되는 로터와, 로터에 투스와 공극을 가지도록 설치되며, 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어와, 스테이터의 투스 사이에 각각 설치되되, 로터를 사이에 두고 로터의 직경방향을 따라 대향되게 설치되고, 마그넷 레이어에 인접하도록 위치하여 여자코일이 권선되며, 마그넷 레이어에 양측으로부터 극을 교대로 배열시키기 위한 자화를 동시에 실시하는 제 1 및 제 2 익사이팅 폴을 포함한다. 따라서, 본 발명은 서로 대향되는 익사이팅 폴이 마그넷 레이어를 양측에서 자극을 교대로 형성하도록 동시에 자화시킴으로써 마그넷 레이어의 자화 효율을 증대시키고, 익사이팅 폴에 인가되는 전류의 세기에 비하여 로터를 신속히 동기속도에 도달하도록 하며, 이로 인해 모터의 특성을 향상시키는 효과를 가지고 있다.

극변환식 동기전동기, 익사이팅 폴, 여자코일, 마그넷 레이어

Description

극변환식 동기전동기{POLE CHANGE TYPE SYNCHRONOUS MOTOR}

도 1은 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이고,

도 2는 본 발명에 따른 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 극변환식 동기전동기의 마그넷 레이어 자화상태를 도시한 평단면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 극변환식 동기전동기의 마그넷 레이어 자화상태의 다른 모습을 도시한 평단면도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 스테이터 111 : 투스

112 : 모터코일 120 : 로터

121 : 샤프트홀 122 : 도체

130 : 마그넷 레이어 140 : 제 1 익사이팅 폴

141 : 여자코일 150 : 제 2 익사이팅 폴

151 : 여자코일

본 발명은 극변환식 동기전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 서로 대향되는 익사이팅 폴이 마그넷 레이어를 양측에서 자극을 교대로 형성하도록 동시에 자화시킴으로써 마그넷 레이어의 자화 효율을 증대시키는 극변환식 동기전동기에 관한 것이다.

일반적으로, 모터라 함은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자제품뿐만 아니라 산업용 기기 등에 광범위하게 사용되는데, 크게 직류전동기와 교류전동기로 나뉘어진다.

직류전동기에서 정류자와의 접촉에 의해 코일에 전류를 흐르도록 하는 브러쉬의 마모로 인한 단점을 극복하기 위하여 브러쉬를 사용하지 않는 BLDC(Brushless DC) 모터가 사용되고 있는데, 이러한 BLDC 모터는 토크가 크고 제어성이 우수할 뿐만 아니라 신속성을 도모할 수 있는 반면, 전류의 방향 전환을 위하여 인버터를 사용함으로써 가격이 비싸다는 단점을 가진다.

한편, 교류전동기의 일종인 LSPM 동기모터(Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor)는 BLDC 모터와 달리 인버터를 이용하지 않고, 로터(rotor)의 도체에 유기되는 전압에 의하여 생성되는 2차 전류와 스테이터(stator)의 권선에 의하여 발생되는 자속의 상호작용에 의하여 발생되는 토오크로 구동되며, 이 때, 토오크는 케이지에 의한 토오크선분과 릴럭턴스 토오크 및 마그네트 토오크의 합성토오크에 의하여 기동된다. 또한, 기동되어 정격운전시 로터에 설치된 마그네트의 자속과 스테이터에서 발생되는 자속이 상호 동기화되어 스테이터의 회전자계의 속도로써 운전된다.

이와 같은 LSPM 동기모터는 마그네트가 항상 자속을 가지고 있기 때문에 초기 기동시 마그네트가 부토오크를 생성시켜서 초기 기동의 성능을 저하시키는 단점을 가지며, 이러한 단점을 극복하기 위하여 WPM(Written Pole Motor)이라고 하는 극변환식 동기전동기가 개발되었다.

종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 극변환식 동기전동기(10)는 모터코일(11a)이 각각 권선되는 다수의 투스(tooth; 11b)가 내주면을 따라 배열되도록 마련되는 스테이터(stator; 11)와, 스테이터(11)의 내측에 회전 가능하게 설치됨과 아울러 가장자리를 따라 다수의 도체(12a)가 삽입되는 로터(rotor; 12)와, 투스(11b)와 공극을 가지도록 로터(12)의 외주면에 설치됨과 아울러 재자화 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어(magnet layer; 13)와, 스테이터(11)의 투스(11b) 사이에서 마그넷 레이어(13)와 마주보게 설치됨과 아울러 여자코일(14a)이 권선되는 익사이팅 폴(exciting pole; 14)을 포함한다.

이러한 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기(10)는 구동을 위하여 모터코일(11a)에 전원을 인가함으로써 스테이터(11)측에 발생하는 1차 유기전압과 이로 인해 로터(12)의 도체(12a)로부터 발생되는 2차 유기전압의 상호작용에 의하여 스타트 토오크를 발생시켜서 로터(12)가 회전하게 되며, 로터(12)의 회전속도가 일정 속도에 도달하면 여자코일(14a)에 교류전원을 인가하여 익사이팅 폴(14)에 의해 마 그넷 레이어(13)에 정해진 수의 N극과 S극이 원주방향을 따라 교대로 형성되도록 마그넷 레이어(13)를 자화시킴으로써 마그넷 레이어(13)에서 발생되는 자속과 스테이터(11)에서 발생되는 자속이 동기화되어 로터(12)가 동기속도에 도달하게 된다.

로터(12)가 동기속도에 도달하면, 여자코일(14a)로 인가되는 교류전원을 차단시키고, 마그넷 레이어(13)는 구동토오크 발생을 위한 자화상태를 유지하게 된다.

그러나, 이와 같은 종래의 기술에 따른 극변환식 동기전동기(10)는 스타트 토오크에 의해 로터(12)가 회전하게 되면, 모터의 특성을 향상시키기 위하여 동기속도에 신속하게 도달하여야 하는데, 마그넷 레이어(13)를 자화시키는 익사이팅 폴(14)에 인가되는 전류의 세기에는 한계가 있을 뿐만 아니라 기존의 익사이팅 폴(14)만으로는 로터(12)가 신속히 동기속도에 도달하도록 마그넷 레이어(13)를 자화시키는 것이 어렵다는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 서로 대향되는 익사이팅 폴이 마그넷 레이어를 양측에서 자극을 교대로 형성하도록 동시에 자화시킴으로써 마그넷 레이어의 자화 효율을 증대시키고, 익사이팅 폴에 인가되는 전류의 세기에 비하여 로터를 신속히 동기속도에 도달하도록 하며, 이로 인해 모터의 특성을 향상시키는 극변환식 동기전동기를 제공하는데 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 극변환식 동기전동기에 있어서, 다수로 배열되는 투스에 모터코일이 권선되는 스테이터와, 스테이터로부터 회전하도록 설치되며, 다수의 도체가 설치되는 로터와, 로터에 투스와 공극을 가지도록 설치되며, 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어와, 스테이터의 투스 사이에 각각 설치되되, 로터를 사이에 두고 로터의 직경방향을 따라 대향되게 설치되고, 마그넷 레이어에 인접하도록 위치하여 여자코일이 권선되며, 마그넷 레이어에 양측으로부터 극을 교대로 배열시키기 위한 자화를 동시에 실시하는 제 1 및 제 2 익사이팅 폴을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 극변환식 동기전동기를 도시한 평단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 극변환식 동기전동기(100)는 다수의 투스(111)에 모터코일(112)이 권선되는 스테이터(stator; 110)와, 스테이터(110)로부터 회전하도록 설치됨과 아울러 다수의 도체(122)가 설치되는 로터(rotor; 120)와, 로터(120)에 설치됨과 아울러 재자화 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어(magnet layer; 130)와, 스테이터(110)의 투스(111) 사이에 설치되되, 로터(120)를 사이에 두고 로터(120)의 직경방향을 따라 대향되게 설치되는 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(exciting pole; 140,150)을 포함한다.

본 발명에 따른 극변환식 동기전동기(100)는 이너 로터(inner rotor) 방식뿐만 아니라 아웃터 로터(outer rotor) 방식으로 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 이너 로터 방식을 예로 들어 설명하기로 하겠다.

스테이터(110)는 내주면을 따라 투스(111)가 다수로 배열되도록 마련되고, 투스(111) 각각에 모터코일(112)이 권선되며, 내측에 로터(120)가 설치된다.

로터(120)는 중심에 형성되는 샤프트홀(121)에 샤프트(미도시)가 고정되고, 샤프트(미도시)가 하우징이나 쉘 등의 케이스에 베어링을 매개로 결합됨으로써 스테이터(110)로부터 회전 가능하도록 설치되며, 샤프트홀(121)의 주위로 가장자리를 따라 알루미늄(Al)이나 구리(Cu) 등과 같은 도체(122)가 다수로 삽입되며, 외주면에 마그넷 레이어(130)가 설치된다.

마그넷 레이어(130)는 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는데, 경질 자성체는 물론 연질 자성체로도 이루어질 수 있고, 링 형상을 가지고서 로터(120)의 외주면에 끼워져서 투스(111)와 공극을 가지도록 설치된다.

제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)은 스테이터(110)의 투스(111) 사이에 설치되되, 로터(120)를 사이에 두고 로터(120)의 직경방향을 따라 대향되게 설치됨으로써 서로 180도의 각도를 이루며, 마그넷 레이어(130)에 인접하도록 위치함과 아울러 각각 여자코일(141,151)이 권선된다.

제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)은 마그넷 레이어(130)의 자화를 위하여 여자코일(141,151)에 폭, 상 및 진폭 중 어느 하나 또는 이들의 조합을 변하도록 하는 프로그램된 파형의 교류가 공급됨으로써 마그넷 레이어(130)에 양측으로부터 원하는 수만큼의 극을 교대로 배열시키기 위한 자화를 동시에 실시한다.

한편, 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)은 마그넷 레이어(130)를 자화시 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150) 사이에 위치하는 마그넷 레이어(130)의 180도 범위내에서 짝수개, 예컨대 2개의 자극을 가지도록 할 경우 서로 동일한 자극을 교대로 배열시키도록 자화시킨다. 즉, 마그넷 레이어(130)의 180도 범위내에서 짝수개의 자극을 가지도록 할 경우 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)에 의해 자화되어 형성되는 자극이 서로 동일한 극이며 이로 인해 마그넷 레이어(130)에 원주방향을 따라 자극을 교대로 배열되도록 한다.

또한, 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)은 도 4에 도시된 바와 같이, 마그넷 레이어(130)의 180도 범위내에서 홀수개, 예컨대 3개의 자극을 가지고자 할 경우 서로 반대되는 자극을 교대로 배열시키도록 자화시킨다. 즉, 마그넷 레이어(130)의 180도 범위내에서 홀수개의 자극을 가지도록 할 경우 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)에 의해 자화되어 형성되는 자극이 서로 반대되는 극을 가지도록 함으로써 마그넷 레이어(130)에 원주방향을 따라 자극을 교대로 배열되도록 한다.

이와 같은 구조로 이루어진 극변환식 동기전동기의 동작은 다음과 같이 이루어진다.

본 발명에 따른 극변환식 동기전동기(100)의 구동을 위하여 투스(111)에 권선된 모터코일(112)에 전원을 인가하여 회전 자속을 발생시킴으로써 스테이터(110)측에 발생하는 1차 유기전압과, 이로 인해 로터(120)의 도체(122)로부터 발생되는 2차 유기전압의 상호작용에 의하여 발생되는 스타트 토오크에 의해 로터(120)는 회전하며, 이 때, 마그넷 레이어(130)가 감자 내지 탈자된 상태로 인해 초기 기동시 마그넷 레이어(130)에 의한 부토오크가 발생하지 않게 됨으로써 초기 기동 성능의 저하를 방지할 수 있다.

로터(120)가 회전하여 일정한 회전 속도, 예컨대 동기속도의 75%∼80%에 도달하게 되면 여자코일(141,151)에 미리 프로그램된 파형의 펄스들을 발생시키기 위한 교류 전원을 인가함으로써 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)에 의해 마그넷 레이어(130)의 양측에서 정해진 수의 N극과 S극이 원주방향을 따라 교대로 배열되도록 동시에 자극을 형성시키며, 이로 인해 마그넷 레이어(130)에서 발생되는 자속과 스테이터(110)에서 발생되는 자속이 동기화되어 로터(120)의 회전속도가 동기 속도에 도달하게 된다. 로터(120)가 동기속도에 도달하면, 여자코일(141,151)로 인가되는 교류전원을 차단하고, 마그넷 레이어(130)는 자화된 상태를 유지하게 됨으로써 계속적인 구동토오크를 발생시킨다.

한편, 마그넷 레이어(130)에 N극과 S극이 원주방향을 따라 교대로 배열시키기 위해서 자화를 실시할 때 로터(120)의 직경방향을 따라 대향되게 위치하는 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)이 마그넷 레이어(130)의 양측에서 자화를 동시에 실시하여 종래에 비하여 두 배의 속도로 마그넷 레이어(130)에 원하는 개수의 자극을 교대로 형성하게 된다.

또한, 제 1 및 제 2 익사이팅 폴(140,150)이 마그넷 레이어(130)를 자화시 도 3에 도시된 바와 같이, 마그넷 레이어(130)의 180도 범위내에서 짝수개의 자극을 가지도록 할 경우 서로 동일한 자극을 교대로 배열시키도록 자화시키며, 도 4에 도시된 바와 같이, 마그넷 레이어(130)의 180도 범위내에서 홀수개의 자극을 가지도록 할 경우 서로 반대되는 자극을 교대로 배열시키도록 자화시킨다. 따라서, 마 그넷 레이어(130)에 N극과 S극을 교대로 배열시키기 위한 제어가 용이할 뿐만 아니라 자극의 영역을 동일한 간격으로 항상 유지하도록 하는데 유리해진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 극변환식 동기전동기는 서로 대향되는 익사이팅 폴이 마그넷 레이어를 양측에서 자극을 교대로 형성하도록 동시에 자화시킴으로써 마그넷 레이어의 자화 효율을 증대시키고, 익사이팅 폴에 인가되는 전류의 세기에 비하여 로터를 신속히 동기속도에 도달하도록 하며, 이로 인해 모터의 특성을 향상시키는 효과를 가지고 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 극변환식 동기전동기를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims

극변환식 동기전동기에 있어서,

다수로 배열되는 투스에 모터코일이 권선되는 스테이터와,

상기 스테이터로부터 회전하도록 설치되며, 다수의 도체가 설치되는 로터와,

상기 로터에 상기 투스와 공극을 가지도록 설치되며, 재자화가 가능한 자성체로 이루어지는 마그넷 레이어와,

상기 스테이터의 투스 사이에 각각 설치되되, 상기 로터를 사이에 두고 상기 로터의 직경방향을 따라 대향되게 설치되고, 상기 마그넷 레이어에 인접하도록 위치하여 여자코일이 권선되며, 상기 마그넷 레이어에 양측으로부터 극을 교대로 배열시키기 위한 자화를 동시에 실시하는 제 1 및 제 2 익사이팅 폴

을 포함하는 극변환식 동기전동기.
제 1 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 익사이팅 폴은,

상기 마그넷 레이어를 자화시 상기 마그넷 레이어의 180도 범위내에서 짝수개의 자극을 가지도록 할 경우 서로 동일한 자극을 교대로 배열시키도록 자화시키며, 상기 마그넷 레이어의 180도 범위내에서 홀수개의 자극을 가지도록 할 경우 서로 반대되는 자극을 교대로 배열시키도록 자화시키는 것

을 특징으로 하는 극변환식 동기전동기.