KR100529938B1 - 스위치드 릴럭턴스 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로서, 회전자와, 상기 회전자에 위치하며 회전자 회전 시 그 위치를 검출할 수 있도록 자기장을 발생시키는 링 마그넷과, 상기 회전자를 향해 돌출 형성된 돌극에 권선이 감긴 고정자와, 상기 고정자로 전류 인가 시 고정자로 인하여 발생하는 자기장의 영향이 최소화되도록 인접하는 2개의 돌극으로부터 동일한 거리에 위치하며 상기 링 마그넷에서 발생하는 자속을 측정하는 센서로 구성되어 고정자의 돌극에 감긴 권선에 전류가 인가되어 돌극에 자속이 형성되어도 상기 센서가 고정자의 자속에 영향받지 않고 링마그넷의 위치를 파악할 수 있도록 할 수 있는 효과가 있다.

Description

스위치드 릴럭턴스 모터 {Switched Reluctance Motor}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것으로서, 특히 스위치드 릴럭턴스 모터의 회전자의 위치를 자속을 통해 검출 시 불필요한 자속의 영향을 배제시킬 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터에 관한 것이다.

도 1은 일반적인 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 회로도이고, 도 2는 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제동을 위한 회전자의 구조 단면도이다.

단상 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor, SRM)는 구동부(미도시)와, 상기 구동부로부터 전류를 공급받는 계자 코일(W1내지 W3)이 권선된 고정자(Stator,20)와, 상기 고정자(20)의 내측에서 상기 계자 코일에 전류가 흐르면 상기 고정자(20)와의 사이에서 발생되는 릴럭턴스 토크에 의해 회전되는 회전자(Rotor,10)로 구성된다.

상기 고정자(20)는 상하가 개방된 원통형으로 형성된 요크와, 상기 요크의 내벽에서 원 중앙에 위치하는 상기 회전자(10)를 향해 일정 간격을 두고 돌출 형성된 다수개의 돌극(21)과, 상기 돌극에 권선된 계자 코일(W1내지 W3)로 구성된다.

상기 회전자(10)는 원주의 외측으로 일정 간격을 두고 6개의 돌극이 돌출 형성된 코어가 적층되어 회전자 코어(18)가 형성되며, 상기 회전자(10)의 중앙에는 모터의 구동력을 전달하는 회전축(17)이 상기 회전자(10)와 함께 회전 구동된다. 회전자(10)의 하부지지 및 회전을 위해 상부와 하부에 베어링(19)이 있으며, 상기 회전자의 코어(18)는 상하 베어링(19) 사이에 위치한다.

상기 구동부는 상기 회전자(10)의 위치나 속도를 감지하는 다수개의 광센서 또는 홀센서 등의 센서수단(30)로부터 감지 신호를 전달받아 순차적으로 마주보는 한 쌍의 계자 코일과 연결된 스위치를 온/오프하는 구동 펄스를 생성함에 따라 전류가 도통되게 한다.

단상 스위치드 릴럭턴스 모터는 2개의 스위치 (SW1, SW2)를 가지는데, 상기 스위치는 온/오프가 동시에 이루어져서, 상기 스위치는 마주보는 두 개의 돌극을 연결하는 동시에 상기 돌극 둘레를 감싸는 계자 코일(W1내지 W3)과 연결되어 상기 구동부에서 인가한 전류가 상기 계자 코일에 흐르도록 한다.

상기 계자 코일에 전류가 흐르면 상기 고정자(20)와 회전자(10) 사이에 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)가 발생되어 자기저항이 최소가 되는 방향으로 회전 구동된다.

또한 상기 스위치드 릴럭턴스 모터는 단일의 방향으로 회전 구동될 수 있도록 특정 위치에서 상기 회전자(10)가 구동 대기하도록 자력을 이용하는데, 상기 자력을 유발하는 두 개의 자석은 상기 회전자(10)의 둘레면에 링형으로 형성된 링 마그넷(15)과, 상기 링 마그넷(15)과 상호 자력이 형성되는 파킹 마그넷(16)이 상기 링 마그넷(15)과 평행하는 위치에 고정되어 상기 회전자(10)가 정지 상태일 때 상기 두 마그넷에 작용하는 상호 인력에 의해 상기 회전자(10)가 특정 위치에 고정되도록 한다.

도 3은 종래 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷 및 파킹 마그넷의 구성도인데, 도시된 바와 같이 N극 및 S극의 개수는 각각 돌극수(6개)와 같다. 또한 파킹 마그넷(16)은 상기 링 마그넷(15)의 극과 너비가 동일한 단일개의 N극 및 S극이 상기 링 마그넷과 대향하여 위치한다.

이 때, 도 3에 도시된 바와 같이 고정자(20)에 형성된 돌극(21)의 권선으로 전류가 인가되면 자속이 발생한다. 따라서 상기 센서(30)는 상기 링 마그넷(15) 회전에 의해 발생하는 자속이 아닌 상기 돌극(21)에 의해 발생하는 자기장의 영향을 받게 되므로 회전자의 위치를 파악 시 오차가 발생한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 링 마그넷의 위치를 파악하기 위한 센서의 위치를 고정자에 형성된 돌극 사이에 둠으로서 돌극에 전류 인가 시 발생하는 자기장의 영향을 최소화할 수 있는 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는데 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 스위치드 릴럭턴스 모터의 특징에 따르면, 회전자와, 상기 회전자에 위치하며 회전자 회전 시 그 위치를 검출할 수 있도록 자기장을 발생시키는 링 마그넷과, 상기 회전자를 향해 돌출 형성된 돌극에 전류가 흐르는 고정자와, 상기 고정자로 전류 인가 시 고정자로 인하여 발생하는 자기장의 영향이 최소화되도록 인접하는 2개의 돌극으로부터 동일한 거리에 위치하며 상기 링 마그넷에서 발생하는 자속을 측정하는 센서로 구성된다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 고정자에 전류가 흐를 경우 발생하는 자속을 가상으로 표시한 단면도이다.

즉, 고정자의 6개의 돌극(21a~21f)의 권선으로 전류 인가 시 상기 돌극(21a~21f)에서는 자속이 발생하게 되는 바, 상기 자속은 N-S-N-S-N-S로 표현 가능하다.

한편, 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전자의 위치를 감지하기 위하여 회전되는 링 마그넷(45)과 파킹 마그넷(46) 및 링 마그넷(45) 회전 시 발생하는 자속을 측정하기 위한 센서(40)를 포함하여 구성된다. 이 때, 상기 센서(40)는 도시된 바와 같이, 상기 6개의 돌극(21a~21f)에서 발생하는 자속의 영향을 최소화하며 상기 링 마그넷(45)의 자속을 오차 없이 측정할 수 있도록 인접하는 2개의 돌극(21a,21b)으로부터 동일한 거리에 위치한다.

이 때, 상기 센서(40)는 기동 중 상기 링 마그넷(45)의 위치를 감지하는 기동센서(41)와, 운전 중 상기 링 마그넷(45)의 위치를 감지하는 운전센서(42)로 구성되며, 상기 기동센서(41)와 상기 운전센서(42) 모두 홀(Hall) 소자로 이루어지는 센서이다.

홀 소자는 반도체의 다수캐리어의 이동도를 측정할 때 많이 사용되는 소자로서 움직이는 전하가 자기장으로부터 힘을 받는 다는 원리를 이용한다. 상기 기동센서(41)와 운전센서(42)는 이러한 특성을 이용해서 자기장을 재게 되며 보통 InP같은 이동도가 큰 화합물반도체를 많이 이용한다.

특히, 모터 기동 시 상기 돌극(21a~21f)의 권선으로 인가되는 전류보다 운전 시 상기 돌극(21a~21f)의 권선으로 인가되는 전류가 증가하며 그로 인해 센서(40)에 미치는 자속의 영향도 커진다.

따라서 본발명의 스위치드 릴럭턴스 모터에서는 상기 센서(40) 중 운전센서(42)를 인접하는 두 개의 돌극(21a,21b)으로부터 동일 거리인 N-S의 중립지역에 위치하도록 함으로서 운전센서(42)에 대한 N극과 S극의 영향을 상쇄시킨다.

한편, 기동센서(41)의 경우 상기 운전센서(42)보다 좀 더 N극을 띄고 있는 돌극(21a)에 가깝게 위치하나 기동센서(41)는 모터로 초기 구동전류 인가시에만 상기 링 마그넷(45)의 위치를 감지하게 되므로 그 감지값에 별로 오차가 발생하지 않는다.

도 5와 도 6은 각각 종래와 본 발명의 운전센서(42)에서 출력되는 센서신호(펄스신호)와 그로 인해 발생하는 전류(사인파)의 크기가 도시된 도이다.

즉, 도 5에 도시된 종래 스위치드 릴럭턴스 모터의 운전센서에서 발생하는 센서신호의 펄스신호를 보면 그 온/오프 비율(Duty 비)이 0.6:0.4 정도이다. 따라서, 온 시간이 커짐에 따라 모터로 인가되는 전류의 크기가 도시된 바와 같이 증가하게 되며, 증가한 전류가 다시 각을 왜곡시키는 포지티브 피드백(Positive feedback)이 발생한다.

그러나, 도 6에 도시된 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터의 운전센서에서 발생하는 센서신호의 펄스신호를 보면 그 온/오프 비욜(Duty 비)이 0.5:0.5이며 돌극에 형성되는 자속으로 인한 영향이 상쇄되어 정확한 온/오프 비율이 나타나고 있는 것을 볼 수 있다. 따라서, 온 시간이 증가함으로서 전류의 크기가 증가하게 되면 그로 인해 다시 각이 왜곡되는 포지티브 피드백을 방지할 수 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 스위치드 릴럭턴스 모터는 회전자와, 상기 회전자에 위치하며 회전자 회전 시 그 위치를 검출할 수 있도록 자기장을 발생시키는 링 마그넷과, 상기 회전자를 향해 돌출 형성된 돌극에 권선이 감긴 고정자와, 상기 고정자로 전류 인가 시 고정자로 인하여 발생하는 자기장의 영향이 최소화되도록 인접하는 2개의 돌극으로부터 동일한 거리에 위치하며 상기 링 마그넷에서 발생하는 자속을 측정하는 센서로 구성되어 고정자의 돌극에 감긴 권선에 전류가 인가되어 돌극에 자속이 형성되어도 상기 센서가 고정자의 자속에 영향받지 않고 링마그넷의 위치를 파악할 수 있도록 할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 일반적인 스위치드 릴럭턴스 모터의 구조를 도시한 단면도,

도 2는 단상 스위치드 릴럭턴스 모터의 구동 회로를 도시한 도면,

도 3은 스위치드 릴럭턴스 모터의 링 마그넷과 파킹 마그넷이 도시된 평면도,

도 4는 본 발명에 의한 스위치드 릴럭턴스 모터의 단면이 도시된 도,

도 5는 종래 스위치드 릴럭턴스 모터에서 발생하는 펄스신호가 도시된 그래프,

도 6는 본발명의 스위치드 릴럭턴스 모터에서 발생하는 펄스신호가 도시된 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>

10 : 회전자 20 : 고정자

21 : 돌극 40 : 센서

45 : 링 마그넷 46 : 파킹 마그넷

Claims (4)

1. 회전자와, 상기 회전자에 위치하며 회전자 회전 시 그 위치를 검출할 수 있도록 자기장을 발생시키는 링 마그넷과, 상기 회전자를 향해 돌출 형성된 돌극에 권선이 감긴 고정자와, 상기 고정자로 전류 인가 시 고정자로 인하여 발생하는 자기장의 영향이 최소화되도록 인접하는 2개의 돌극으로부터 동일한 거리에 위치하며 상기 링 마그넷에서 발생하는 자속을 측정하는 센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 센서는 상기 링 마그넷 화전 시 변화하는 자속을 측정할 수 있도록 홀(Hall) 소자를 이용하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 센서는 모터 기동 시 회전자의 위치를 파악하기 위한 기동센서와, 모터 운전 시 회전자의 위치를 파악하기 위한 운전센서로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 센서는 상기 운전센서가 인접한 2개의 돌극에서 동일한 거리에 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.