KR20120080951A

KR20120080951A - 스위치드 릴럭턴스 모터

Info

Publication number: KR20120080951A
Application number: KR1020110002436A
Authority: KR
Inventors: 이치우; 배한경; 이기영
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2011-01-10
Publication date: 2012-07-18
Also published as: US20120175997A1; JP2012147652A; CN102594074A; DE102011116382A1

Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터로서, 코일이 권선된 회전자와, 상기 회전자의 양단부에 연결된 정류자와, 상기 회전자의 회전에 의해 정류자와 기계적으로 접촉되는 브러시와, 상기 브러시가 고정되는 고정자극을 갖는 고정자를 포함하고, 상기 브러시는 고정자극의 연결축으로부터 선행각만큼 반시계방향으로 이동되어 되고, 상기 정류자와 브러시의 아크각에 의해 전압인가 구간인 도통각이 조정된다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터{Mechanically Commutated Switched reluctance motor}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.

일반적인 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor)는 고정자와 회전자가 모두 돌극(salient)인 자기구조를 갖는다. 그리고 고정자에 집중권의 코일이 감기고, 회전자는 어떠한 여자장치(권선 또는 영구자석등)도 없이 철심으로만 구성되어 가격 경쟁력이 우수하다. 또한, 속도가변형 스위치드 릴럭턴스 모터는 전력반도체를 이용한 컨버터와 위치센서의 도움으로 연속적인 토크를 안정적으로 발생하고 각 응용분야에서 요구되는 성능에 맞춰 제어가 용이하다는 장점을 지니고 있다.

또한, 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전자의 구조가 간단하여 가격이 저렴하나, 릴럭턴스 토크를 발생하기 위해 반도체 스위치로 이루어진 컨버터를 사용해야 하고, 전체 시스템의 가격이 상승되는 문제점, 고속구동시 적절한 제어를 하기 위해 빠른 연산이 가능한 고가의 제어회로가 구비되어야 하는 문제점을 지니고 있다.

그리고, 청소기, 전동공구등의 분야에서 주로 사용되는 유니버설모터의 경우간단한 기계적구조인 정류자와 브러시의 사용으로 컨버터와 위치센서 없이 토크를발생하며, 제어에 의한 성능향상보다는 저가의 모터구조가 장점으로 인정되어 그분야에서 널리쓰이고 있으나, 코일이 고정자뿐만 아니라 회전자에도 감겨있어 재료비가 높아지고 그로 인해 회전자동손(copperloss)이 발생하여 모터의 효율을 저감하므로 고효율이 요구되는 고급형 모델에 적용하기 어려운 문제점을 지니고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 개략적인 구성도이다. 도시한 바와 같이, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터(100)는 1상만을 도시한 것으로, 회전자(110)와 고정자극(121)이 형성된 고정자(120)와 상기 고정자극(121)에 코일(130)이 감긴다. 그리고 코일에 전류를 인가할 경유 고정자극에 자계가 발생하고, 고정자극(121)과 회전자(110) 사이에 인력이 발생하여 회전한다.

또한, 복수의 상권선이 복수의 고정자극에 감길경우, 고정자극의 상 권선을 하나씩 여자시켜 토크를 발생시켜 회전자를 회전시킨다. 이 경우, 회전자의 위치 피드백이 요구됨에 따라 위치센서가 요구되며, 회전자의 위치에 따라 고정자의 권선에 전류를 인가하기 위해 전력용 반도체로 구성된 컨버터가 요구된다. 이에 더하여 복잡하고 빠른 연산을 위해 DSP(Digital Signal Processor) 또는 MCU(Microcontroller Unit)등이 장착된 제어기가 요구된다.

상술한 바와 같이, 종래기술에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터는 구동을 위해 컨버터, 제어기, 위치센서를 필수적으로 구비해야 함에따라, 저가형으로 구현될 수 없을 뿐만 아니라, 복잡한 기술구성으로 설계자유도가 저하되고, 고장 또는 오류의 발생가능성이 높은 문제점을 지고 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 고정자 대신 회전자에 코일을 권취하고 1상권선 만으로 연속토크 발생이 가능에 따라 권선이 절감되어 생산비용이 절감되고, 고정자극 주위로 공간부가 형성되어 여유공간의 확대로 인해 공기흐름이 증가되어 청소기 성능이 향상될 뿐만 아니라, 컨버터 및 위치센서를 구비하지 않고, 정류자와 브러시를 사용하여 기계적인 상전환하는 토크를 발생함으로써, 저가형의 간단한 기계구조로 구현가능한 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 모터의 성능에 직접영향을 주는 선행각(AdvanceAngle)과 도통각(DwellAngle)을 정류자와 브러시의 위치 및 아크각(ArcAngle)을 변경하며 조정함으로써, 최적운전점(최대효율, 최대토크등)에 맞춘설계가 가능할 뿐만 아니라, 이의 설계기법을 이용하여 두 쌍의 고정자극에서 발생하는 각각의 정토크영역을 조정하여 중첩토크를 가변할 수 있어 토크리플 저감설계가 가능한 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하기 위한 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터는 코일이 권선된 회전자와, 상기 회전자의 양단부에 연결된 정류자와, 상기 회전자의 회전에 의해 정류자와 기계적으로 접촉되는 브러시와, 상기 브러시가 고정되고, 고정자극을 갖는 고정자를 포함하고, 상기 브러시는 고정자극의 연결축으로부터 선행각만큼 이동되어 장착된다.

또한, 상기 회전자가 시계방향으로 회전될 경우, 상기 브러시는 서로 대향하는 고정자극의 연결축으로부터 반시계방향으로 선행각만큼 이동되어 장착되고, 상기 선행각은 전압인가 후 인덕턴스 상승전까지의 영역이다.

또한, 상기 정류자와 브러시의 아크각에 의해 전압인가 구간인 도통각이 조정된다.

또한, 상기 도통각인 d=X+2Y 이고, 여기서, X는 브러시의 아크각이고, Y는 정류자의 아크각이다.

또한, 상기 도통각은 부토크 발생전에 전압이 OFF 되도록 설정된다.

또한, 상기 정류자의 양단에 회전자에 권선된 코일이 연결된다.

또한, 상기 브러시는 서로 대향되는 두쌍이 구비되고, 한 쌍의 브러시 단부에는 전원이 연결되고, 다른 한 쌍의 브러시 단부에는 다이오드가 연결된다.

또한, 상기 고정자극은 영구자석으로 구현될 수도 있다.

또한, 상기 고정자와 회전자는 돌극형이다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 고정자 대신 회전자에 코일을 권취하고 1상권선 만으로 연속토크 발생이 가능에 따라 권선이 절감되어 생산비용이 절감되고, 고정자극 주위로 공간부가 형성되어 여유공간의 확대로 인해 공기흐름이 증가되어 청소기 성능이 향상될 뿐만 아니라, 컨버터 및 위치센서를 구비하지 않고, 정류자와 브러시를 사용하여 기계적인 상전환하는 토크를 발생함으로써, 저가형의 간단한 기계구조로 구현가능하고, 모터의 성능에 직접영향을 주는 선행각(AdvanceAngle)과 도통각(DwellAngle)을 정류자와 브러시의 위치 및 아크각(ArcAngle)을 변경하며 조정함으로써, 최적운전점(최대효율, 최대토크등)에 맞춘설계가 가능할 뿐만 아니라, 이의 설계기법을 이용하여 두 짝의 고정자극에서 발생하는 각각의 정토크영역을 조정하여 중첩토크를 가변할 수 있어 토크리플 저감설계가 가능한 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는 효과를 갖는다.

도 1은 종래기술에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 개략적인 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 회전자 위치에 따른 인덕턴스를 도시한 그래프.
도 4는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 회전자 위치에 따른 전압인가를 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 정류자와 브러시의 위치에 따른 선행각 및 도통각의 설정을 나타낸 사용상태도.
도 6은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 코일여자에 따른 개략적인 사용상태도.
도 7은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 코일여자에 따른 개략적인 사용상태도.
도 8은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상전환되는 개략적인 사용상태도.
도 9는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 코일여자에 따른 개략적인 사용상태도.
도 10은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 코일여자에 따른 개략적인 사용상태도.
도 11은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상전환되는 개략적인 사용상태도.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 대하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 개략적인 구성도이다. 도시한 바와 같이, 상기 스위치드 릴럭턴스 모터(200)는 회전자(210), 정류자(220a,220b), 브러시(230a,230b,230c,230d), 코일(240) 및 고정자(250)를 포함한다.

보다 구체적으로, 상기 회전자(210)에는 코일이 권선되고, 상기 회전자의 양단부에는 정류자(220a,220b)가 연결되고, 상기 정류자(220a,220b)에는 회전자(210)에 권선된 코일(240)이 연결된다. 이때, 상기 회전자의 중심축이 두 정류자(220a,220b)의 중심축과 일치하도록 연결된다. 그리고 상기 고정자(250)와 회전자(210)는 돌극형이다.

또한, 상기 브러시(230a,230b,230c,230d)는 서로 대향되는 두 쌍이 구비되고, 고정자(250)에 고정되고, 상기 고정자(250)는 서로 대향되는 2쌍의 고정자극(251)을 구비한다. 상기 회전자(210)의 회전에 의해 정류자(220)와 기계적으로 접촉된다. 그리고, 상기 회전자가 시계방향으로 회전될 경우, 상기 브러시는 서로 대향하는 고정자극(251)의 연결축으로부터 반시계방향으로 선행각(a)만큼 이동되어 장착된다.

그리고, 한 쌍의 브러시(230a, 230b)는 전원(미도시)이 연결되고, 다른 한 쌍의 브러시(230c, 230d)는 다이오드(260)가 연결된다.

본 발명에 따른 상기 고정자극(251)은 토크강화를 위해 영구자석으로 이루어질 수도 있다.

이와 같이 이루어짐에 따라, 회전자(210)의 회전에 의해 동축의 정류자(220a, 220b)는 함께 회전하고 브러시와 기계적 접촉되어 전압이 on/off된다.

이하, 상기한 바와 같이 이루어진 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 구도 및 작동원리에 대하여 보다 자세히 기술한다.

도 3은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 회전자 위치에 따른 인덕턴스를 도시한 그래프이고, 도 4는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 회전자 위치에 따른 전압인가를 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 정류자와 브러시의 위치에 따른 선행각 및 도통각의 설정을 나타낸 사용상태도이다.

도시한 바와 같이, 인덕턴스의 특성상 전압의 인가시에 원하는 전류값에 즉시 도달하지 않고, 전압의 오프시에 전류가 바로 소멸되지 않는다. 따라서, 최소 인덕턴스 구간에서 전류형성(build-up)을 위한 선행각(a)와 부토크 발생전에 오프되는 도통각의 설계가 중요하다. 그리고 이를통해 종래기술에 따른 위치센서 및 컨버터의 역할을 구현할 수 있게된다.

보다 구체적으로,

이고,

(T: 토크, θ: 회전자위치, i: 상전류, L:인덕턴스)

상기의 식에서 알 수 있듯이, 발생된 전류와 인덕턴스의 변화율에 의해 토크가 결정된다.

따라서, 상기 선행각은 전압인가 후 인덕턴스 상승전까지의 영역이고, 선행각(a) 만큼 전압이 인가되고, 이후 인덕턴스는 상승하여 정토크 영역이 형성되고, 도통각(d)인 전압인가구간은 상기 브러시의 아크각(X)과 정류자의 아크각(Y)에 의해 조정된다. 결국, 도통각인 d=X+2Y 이고, 여기서, X는 브러시의 아크각이고, Y는 정류자의 아크각이다.

그리고 상기 도통각(d)은 부토크 발생전에 전압이 OFF 되도록 설정된다.

이하, 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터의 토크발생 및 상전환에 관하여 자세히 기술한다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 코일여자에 따른 개략적인 사용상태도이고, 도 8은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상전환되는 개략적인 사용상태도이다. 도시한 바와 같이, 브러시(230a)에 (+) 전압이 인가되고 브러시(230b)에 (-)전압이 인가되어, 상기 코일(240)에 전류가 흐를경우, 정류자(220a, 220b)는 브러시(230a, 230b)와 접촉된 상태로 시계방향으로 회전된다.

그리고 도 7에 도시한 바와 같이, 상기 정류자(220a, 22b)는 상/하,좌/우 브러시(230a, 230b, 230c, 230d)에 모두 접하게 된다. 이때 다이오드(260)에 역전압이 인가되어 도통되지 않는다.

그리고 도 8에 도시한 바와 같이, 상기 정류자(220a, 22b)는 상/하브러시(230c, 230d)에만 접하게 된 경우, 좌/우 브러시(230a, 230b)에의한 외부전압의 인가가 발생되지 않고, 코일의 인덕턴스 성질에 의해 전압이 역전된다. 또한, 코일에 같은 방향 전류가 흐르고 다이오드에 정전압이 인가된다.

도 9 및 도 10은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 코일여자에 따른 개략적인 사용상태도이고, 도 11은 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상전환되는 개략적인 사용상태도이다. 도시한 바와 같이, 브러시(230b)에 (+) 전압이 인가되고 브러시(230a)에 (-)전압이 인가되어, 상기 코일(240)에 전류가 흐를경우, 정류자(220a, 220b)는 브러시(230a, 230b)와 접촉된 상태로 시계방향으로 회전된다.

또한, 도 10에 도시한 바와 같이, 상기 정류자(220a, 22b)는 상/하,좌/우 브러시(230a, 230b, 230c, 230d)에 모두 접하게 된다. 이때 다이오드(260)에 역전압이 인가되어 도통되지 않는다.

또한, 도 11에 도시한 바와 같이, 상기 정류자(220a, 22b)는 상/하브러시(230c, 230d)에만 접하게 된 경우, 좌/우 브러시(230a, 230b)에 의한 외부전압의 인가가 발생되지 않고, 코일의 인덕턴스 성질에 의해 전압이 역전된다. 또한, 코일에 같은 방향 전류가 흐르고 다이오드에 정전압이 인가된다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함은 명백하다고 할 것이다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

100 : 스위치드 릴럭턴스 모터 110 : 회전자
120 : 고정자 121 : 고정자극
130 : 코일
200 : 스위치드 릴럭턴스 모터 210 : 회전자
220a,220b : 정류자 230a,230b,230c,230d : 브러시
240 : 코일 250 : 고정자
251 : 고정자극

Claims

코일이 권선된 회전자;
상기 회전자의 양단부에 연결된 정류자;
상기 회전자의 회전에 의해 정류자와 기계적으로 접촉되는 브러시; 및
상기 브러시가 고정되고, 고정자극을 갖는 고정자를 포함하고, 상기 브러시는 서로 대향하는 고정자극의 연결축으로부터 선행각만큼 이동되어 장착된 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 회전자가 시계방향으로 회전될 경우, 상기 브러시는 서로 대향하는 고정자극의 연결축으로부터 반시계방향으로 선행각만큼 이동되어 장착고, 상기 선행각은 전압인가 후 인덕턴스 상승전까지의 영역인 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 정류자와 브러시의 아크각에 의해 전압 인가구간인 도통각이 조정되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 3에 있어서,
상기 도통각인 d=X+2Y 이고,
여기서, X는 브러시의 아크각이고, Y는 정류자의 아크각인 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 도통각은 부토크 발생전에 전압이 OFF 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 정류자에는 회전자에 권선된 코일이 연결된 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 1에 있어서,
싱기 브러시는 서로 대향되는 두 쌍이 구비되고, 한 쌍의 브러시는 전원이 연결되고, 다른 한 쌍의 브러시는 다이오드가 연결된 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 고정자극은 영구자석인 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 고정자와 회전자는 돌극형인 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.