KR100641123B1 - 착자율을 향상시킨 자기 여자 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 착자(着磁)율을 향상시킨 자기 여자 모터(self-magnetizing motor)에 관한 것으로서, 회전자 몸체와, 회전자 몸체를 축방향으로 관통하여 설치된 하나 이상의 봉도체와, 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자화(磁化)가능한 영구 자석체를 구비하는 회전자와; 회전자의 외경보다 큰 내경을 가지며 회전자가 삽입되도록 형성된 중공부와, 중공부의 내주면으로부터 방사상으로 상호 이격하여 형성되는 다수개의 유도 슬랏과 인접한 2개의 여자(勵磁) 슬랏과, 2개의 여자 슬랏 사이에 형성되고 회전자의 외주면을 향하여 중공부의 내주면보다 돌출된 여자극(勵磁極)을 구비하는 고정자와; 2개의 여자 슬랏을 관통하는 여자 코일과; 다수개의 유도 슬랏을 관통하는 유도 코일을; 포함하여 구성됨으로써, 회전자의 영구 자석체의 착자율을 향상시키고, 회전자의 회전 속도를 회전 자기장의 동기 속도와 같은 속도로 할 수 있으며, 모터의 효율을 일반적인 유도 모터의 효율(88%)보다 높게(91%)할 수 있는 자기 여자 모터를 제공한다.

자기 여자 모터, 착자, 여자

Description

착자율을 향상시킨 자기 여자 모터{SELF-MAGNETIZING MOTOR IMPROVING MAGNETIZATION}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 여자 모터의 구성을 도시한 분해 사시도.

도 2는 도 1의 자기 여자 모터의 구성을 도시한 단면도.

도 3은 도 2의 A를 확대하여 도시한 확대 부분 단면도.

도 4는 도 1의 자기 여자 모터의 성능을 도시한 그래프.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 회전자 11 : 회전축

12 : 회전자 몸체 13 : 봉도체

14 : 영구 자석체 20 : 고정자

21 : 중공부 22 : 메인 유도 슬랏

23 : 서브 유도 슬랏 24 : 여자 슬랏

25 : 여자극 26 : 슬랏 티쓰(teeth)

본 발명은 착자(着磁)율을 향상시킨 자기 여자 모터(self-magnetizing motor)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터의 회전속도가 동기 속도(synchronous speed)에 이르기까지는 유도 모터(induction motor)로서 작동하고 동기 속도에 이르러서는 영구 자석 모터(permanent magnetic motor)로 작동하는 자기 여자 모터의 여자극(勵磁極)을 회전자에 더욱 근접시킴으로써 회전자의 영구 자석체의 착자율을 향상시키는 자기 여자 모터에 관한 것이다.

일반적으로 유도 모터는, 자기장(磁氣場) 속의 도선에 전류를 흘리면 도선에 힘이 발생되는 플레밍의 왼손 법칙으로부터 도출된 것으로, 회전 자기장이 형성될 경우 회전자의 내부에 설치된 봉도체(棒導體)에 전자기 유도 법칙에 의하여 유도 전류가 발생하면, 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 그 봉도체가 힘을 받게 되고, 그 힘을 회전력으로 전환시키는 기기이다.

그러나, 상기와 같은 유도 모터는 회전자의 회전 속도가 회전 자기장의 회전 속도인 동기 속도에 이르게 되면, 회전자의 내부에 설치된 봉도체에 유도 전류가 발생하지 않게 되어 봉도체를 회전시키기 위한 유도 토크(induction torque)가 0이 되므로, 언제나 회전 자기장의 동기 속도 보다 작은 속도로만 회전할 수 있다는 한계가 있다.

즉, 우리나라의 일반적인 교류 주파수인 60Hz의 교류 전류를 사용하고, 2극 전동기를 사용하는 경우에 동기 속도는 120 * (주파수)/(극수)에 의하여 3,600rpm(revolution per minute)이 되는데, 유도 모터의 경우는 3,600rpm에 미치지 못하고 대략 3,000rpm의 속도로 회전한다는 한계가 있다.

이에 대한 해결책으로, 미국 특허공보 제 4,600,873호(Synchronous A.C Motor : 이하 "종래 기술"이라 함)에서 봉도체가 설치된 회전자에 자화 가능한 영구 자석체를 구비함으로써, 회전자의 속도가 회전 자기장의 동기 속도에 이르기까지는 유도 모터로서 작동하고, 회전 자기장의 동기 속도에 도달하기 위하여 영구 자석체를 착자(着磁)시켜 영구 자석 모터로 전환시킴으로써 동기 속도에 더욱 근접하도록 하는 노력이 있었다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술은 고정자에 설치되어 영구 자석체를 착자시키는 여자극(exciting pole)의 끝단과 회전자의 내주면 사이의 간격이 나머지 슬랏 티쓰(teeth)와 회전자의 내주면 사이의 간격과 같도록 구성함으로써, 여자극이 영구 자석체를 착자시키는 착자율이 낮게 되어 영구 자석의 자화도(磁化度)가 크지 않아 영구 자석 모터의 기능을 충분히 발휘하지 못하고 회전 속도가 동기 속도보다 낮다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 모터의 회전속도가 동기 속도에 이르기까지는 유도모터로서 작동하고 동기 속도에 이르러서는 영구 자석 모터로 작동하는 자기 여자 모터의 여자극을 회전자에 더욱 근접시킴으로써 회전자의 영구 자석체의 착자율을 향상시키는 자기 여자 모터를 제공함을 그 목적으로 한다.

특히, 회전자의 회전 속도가 회전 자기장의 동기 속도와 같은 속도로 회전하 도록 할 수 있으며, 모터의 효율(

)을 일반적인 유도 모터의 효율(88%)보다 높게(91%)할 수 있는 자기 여자 모터를 제공한다.

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 회전자 몸체와, 회전자 몸체를 축방향으로 관통하여 설치된 하나 이상의 봉도체와, 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자화(磁化)가능한 영구 자석체를 구비하는 회전자와; 회전자의 외경보다 큰 내경을 가지며 회전자가 삽입되도록 형성된 중공부와, 중공부의 내주면으로부터 방사상으로 상호 이격하여 형성되는 다수개의 유도 슬랏과 인접한 2개의 여자(勵磁) 슬랏과, 2개의 여자 슬랏 사이에 형성되고 회전자의 외주면을 향하여 중공부의 내주면보다 돌출된 여자극(勵磁極)을 구비하는 고정자와; 2개의 여자 슬랏을 관통하는 여자 코일과; 다수개의 유도 슬랏을 관통하는 유도 코일을; 포함하여 구성되는 자기 여자 모터를 제공한다.

이는, 모터의 회전속도가 동기 속도에 이르기까지는 유도 모터로서 작동하고 동기 속도에 이르러서는 영구 자석 모터로 작동하는 자기 여자 모터의 여자극을 회전자에 더욱 근접시킴으로써 회전자의 영구 자석체의 착자율을 향상시키기 위함이다.

여기서, 상기 회전자의 외주면에 인접한 여자극의 일단은 테이퍼 형상으로 구성되는 것이 바람직한데, 이는 여자극으로부터 회전자의 영구 자석체에 착자되는 자속(磁束)의 누설을 방지하고 착자의 효율을 높이기 위함이다.

또한, 상기 회전자 몸체와, 상기 여자극은 고투자율의 강자성체(强磁性體)로 형성되는 것이 바람직하다. 이는, 투자율이 높은 재질로 구성함으로써 여자극으로부터 회전자의 영구 자석체에 착자되는 자속의 자기 저항을 감소시키기 위함이며, 강자성체로 구성함으로써 자화율을 높이기 위함이다. 이 경우, 상기 여자극은 실리콘강(silicon steel)으로 구성하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 영구 자석체는 바륨 페라이트(barium ferrite) 또는 바륨 스트론튬 페라이트(barium strontium ferrite)와 같이 자화 가능한 재료로 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 봉도체는 자기장 내에서 전자기 유도 법칙에 의하여 유도 전류가 잘 발생하도록 하기 위하여, 구리, 구리 합금 또는 알루미늄과 같이 전도체로 구성하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명은 회전자 몸체와, 회전자 몸체를 축방향으로 관통하여 설치된 하나 이상의 봉도체와, 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자화(磁化)가능한 영구 자석체를 구비하는 회전자와; 회전자의 외경보다 큰 내경을 가지며 회전자가 삽입되는 중공부가 형성되고, 중공부의 내주면으로부터 방사상으로 상호 이격하여 형성되는 다수개의 메인 유도 슬랏과 다수개의 서브 유도 슬랏과 인접한 2개의 여자(勵磁) 슬랏과, 2개의 여자 슬랏 사이에 형성되고 회전자의 외주면을 향하여 중공부의 내주면보다 돌출된 여자극(勵磁極)을 구비하는 고정자와; 2개의 여자 슬랏을 관통하는 여자 코일과; 다수개의 메인 유도 슬랏을 관통하는 메인 유도 코일과; 다수개의 서브 유도 슬랏을 관통하는 서브 유도 코일을; 포함하여 구성되는 자기 여자 모 터를 제공한다.

이는, 메인 유도 코일과 서브 유도 코일을 별도로 구성함으로써 위상(phase)이 서로 다른 교류 전원을 인가하여 위상차를 발생시키고, 그에 따라 회전 자기장의 발생을 용이하게 하도록 하기 위함이다. 이 경우, 교류 전원으로부터 메인 유도 코일로 인가되는 전류를 그대로 인가시키고, 교류 전원으로부터 서브 유도 코일로 인가되는 전류는 커패시터를 거쳐서 인가되도록 구성하면, 서브 유도 코일로 인가되는 전류의 위상이 메인 유도 코일로 인가되는 전류의 위상보다 90도 이상 앞서게 되므로 위상차가 발생하게 된다.

이 때, 메인 유도 코일로 인가되는 전류와 서브 유도 코일로 인가되는 전류의 위상차가 발생하면 그 차이만큼 회전 자기장의 발생이 용이해지는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 2상 전류를 이용하여 3상 전동기의 효과를 극대화할 수 있도록 하기 위함이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 여자 모터의 구성 및 작용 원리를 상세히 설명하면 다음과 같다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 여자 모터의 구성을 도시한 분해 사시도이고, 도 2는 도 1의 자기 여자 모터의 구성을 도시한 단면도이고, 도 3은 도 2의 A를 확대하여 도시한 확대 부분 단면도이고, 도 4는 도 1의 자기 여자 모터의 성능을 도시한 그래프이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 여자 모터(1)는, 원통형상의 회전자(10)와, 회전자(10)의 외주면(14a)으로부터 소정 거리 이격하여 회전자(10)의 외주면(14a)을 둘러싸도록 설치된 고정자(20)로 구성된다.

여기서, 상기 회전자(10)는, 중심부에 회전축(11)이 관통되는 원통 형상의 회전자 몸체(12)와, 회전축(11)과 평행하게 회전자 몸체(12)의 외주면에 인접한 지점을 관통하여 설치된 다수개의 봉도체(13)와, 회전자 몸체(12)의 외주면을 둘러싸도록 설치되는 영구 자석체(14)로 구성된다.

그리고, 상기 고정자(20)는, 회전자(10)의 외경보다 소정 크기 큰 내경을 가지고 회전자(10)가 삽입되도록 형성된 중공부(21)와, 중공부(21)의 내주면(21a)으로부터 방사상으로 상호 이격하여 고정자(20)의 상측과 하측에 형성되는 다수개의 메인 유도 슬랏(22)과, 상측과 하측의 메인 유도 슬랏(22) 사이 일측에 형성되고 메인 유도 슬랏(22)보다 작은 크기로 형성된 서브 유도 슬랏(23)과, 상측과 하측의 메인 유도 슬랏(22) 사이 타측에 형성되어 서브 유도 슬랏(23)과 대향하도록 형성된 2개의 여자 슬랏(24)으로 구성된다.

이 경우, 상기 2개의 여자 슬랏(24) 사이에는 고투자율의 강자성체인 실리콘강으로 형성되고 끝단(25a)이 테이퍼 형상이며 회전자(10)의 외주면(14a)을 향하여 돌출된 여자극(25)이 설치되고, 나머지 슬랏(22, 23) 사이에는 끝단이 평평한 슬랏 티쓰(teeth)(26)가 구비된다.

또한, 상기 메인 유도 슬랏(22)에는 교류 전원으로부터 전류가 인가되는 메 인 유도 코일(22a)이 관통되며, 상기 서브 유도 슬랏(23)에는 커패시터(미도시)를 경유한 전류가 인가되는 서브 유도 코일(23a)이 관통되고, 상기 2개의 여자 슬랏(24)에는 여자 코일(24a)이 관통된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 여자 모터(1)의 작용 원리를 설명하면 다음과 같다.

자기 여자 모터(1)의 회전자(10)를 회전시키고자 하는 경우에는, 커패시터를 경유하여 위상이 빠른 전류를 서브 유도 코일(23a)에 인가하면, 전자기 유도 법칙에 의하여 회전자(10)의 봉도체(13)에 유도 전류가 발생하고, 플레밍의 왼손 법칙에 의하여 봉도체(13)는 서브 유도 코일(23a)에 의하여 발생한 자기장 속에서 힘을 받게 되어 회전을 시작하게 된다.

그 다음으로, 메인 유도 코일(22a)에 서브 유도 코일(23a)을 흐르는 전류보다 위상이 90도 이상 느린 전류를 인가하면 고정자(20)에 회전 자기장이 발생하게 되므로, 회전자(10)의 봉도체(13)는 계속해서 힘을 받으며 회전을 하게 된다.

그런데, 회전자 몸체(12)는 고투자율의 강자성체로 이루어져 있으므로, 메인 유도 코일(22a)과 서브 유도 코일(23a)에 의하여 발생한 자기장이 회전자 몸체(12)를 자화(磁化)시키게 되고, 그에 따라 회전자 몸체(12)는 히스테리시스 효과(Hysteresis Effect)에 의하여 히스테리시스 토크(H)를 받게 되어 회전을 하게 된다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자 몸체(12)와 봉도체(13)가 각각 히스테리시스 토크(H)와 유도 토크(I)를 받고, 그 합성 토크(히스테리시스 토크 + 유도 토크)에 의하여 회전을 하게 된다.

이 경우, 만약 회전자(10)의 속도가 회전 자기장의 동기속도(3,600rpm)와 같아지게 되면 봉도체(13)에 발생하는 유도 토크(I)가 0이 되므로 회전자(10)는 언제나 회전 자기장의 동기 속도보다 느리게 된다. 즉, 슬립(slip) 현상이 발생하게 되는 것이다.

따라서, 회전자(10)의 회전 속도가 동기 속도의 70 내지 80%인 2,520 내지 2,880rpm이 될 때, 여자 코일(24a)에 강한 전류를 걸어주면 여자 코일(24a)에 의하여 발생되는 강력한 자속이 여자극(25)의 테이퍼 끝단(25a)을 통하여 회전자 몸체(12)의 외주면을 둘러싸는 영구 자석체(14)에 전해지게 되어 영구 자석체(14)를 착자시킨다.

이 경우, 여자극(25)은 고투자율의 강자성체로 이루어져 있고 그 끝단(25a)이 테이퍼 형상으로 이루어져 있으므로, 강력한 자속을 큰 손실 없이 회전자(10)의 영구 자석체(14)로 전달하여 영구 자석체(14)를 착자시키게 된다.

특히, 도 3에 확대되어 도시된 바와 같이, 여자극(25)과 회전자(10)의 외주면(14a) 사이의 간격(x)을 나머지 슬랏 티쓰(26)와 회전자(10)의 외주면(14a) 사이의 간격(y)보다 작게 구성함으로써, 즉, 여자극(25)을 회전자(10)의 영구 자석체(14)에 더욱 근접시킴으로써 영구 자석체(14)의 착자율을 향상시키게 되는 것이다.

왜냐하면, 공기의 투자율은 여자극(25)의 투자율의 1/3000 배로 매우 작고 그에 따라 자기 저항이 매우 크므로, 여자극(25)의 끝단(25a)과 영구 자석체(14) 사이의 간격(x)이 작을수록 착자율이 증가되기 때문이다.

그러면, 영구 자석체(14)는 자화되어 영구 자석이 되므로 고정자(20)에 이미 발생한 회전 자기장을 따라 회전하게 된다.

이 경우, 회전자(10)의 회전 속도가 점차 증가하게 되어 회전 자기장의 동기 속도(3,600rpm)와 같아진다고 하더라도, 영구 자석은 끊임없이 회전 자기장을 따라 회전할 수 있기 때문에 회전자(10)의 회전력이 감소되지 않는 것이다.

즉, 상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기 여자 모터(1)는 저속 단계에서는 유도 토크(I)와 히스테리시스 토크(H)에 의하여 회전하다가, 고속 단계(동기 속도 : 3,600rpm)로 진입하기 위하여 여자극(25)이 영구 자석체(14)를 착자시킴으로써 영구 자석 토크(P)에 의하여 회전하게 되는 2단계의 회전 과정을 거치게 된다.

이 경우, 영구 자석체(14)를 착자시키는 순간에만 여자 코일(24a)을 통하여 강력한 전류를 인가하면 되므로, 코일에 지속적으로 큰 전류를 인가함으로써 코일에 발생하는 열 손실 등이 감소하여 모터의 효율(

)이 증대된다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 모터의 회전 속도가 동기 속도에 이르기까지는 유도모터로서 작동하고 동기 속도에 이르러서는 영구 자석 모터로 작동하는 자기 여자 모터의 여자극(勵磁極)을 회전자에 더욱 근접시킴으로써 회전자의 영구 자석체의 착자율을 향상시키는 자기 여자 모터를 제공한다.

특히, 회전자의 회전 속도는 회전 자기장의 동기 속도와 같은 속도로 회전할 수 있으며, 모터의 효율(

)을 일반적인 유도 모터의 효율(88%)보다 높게(91%)할 수 있는 자기 여자 모터를 제공한다.

다만, 상술한 효과를 모두 발휘해야 본 발명이 성립하는 것은 아니다.

Claims (4)

1. 회전자 몸체와, 상기 회전자 몸체를 축방향으로 관통하여 설치된 하나 이상의 봉도체와, 상기 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자화(磁化)가능한 영구 자석체를 구비하는 회전자와;

   상기 회전자의 외경보다 큰 내경을 가지며 상기 회전자가 삽입되는 중공부가 형성되고, 상기 중공부의 내주면으로부터 방사상으로 상호 이격하여 형성되는 다수개의 유도 슬랏과 인접한 2개의 여자(勵磁) 슬랏과, 상기 2개의 여자 슬랏 사이에 형성되고 상기 회전자의 외주면을 향하여 상기 중공부의 내주면보다 돌출된 여자극(勵磁極)을 구비하는 고정자와;

   상기 2개의 여자 슬랏을 관통하는 여자 코일과;

   상기 다수개의 유도 슬랏을 관통하는 유도 코일을;

   포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 착자율을 향상시킨 자기 여자 모터.
2. 회전자 몸체와, 상기 회전자 몸체를 축방향으로 관통하여 설치된 하나 이상의 봉도체와, 상기 회전자 몸체의 외주면을 둘러싸는 자화(磁化)가능한 영구 자석체를 구비하는 회전자와;

   상기 회전자의 외경보다 큰 내경을 가지며 상기 회전자가 삽입되는 중공부가 형성되고, 상기 중공부의 내주면으로부터 방사상으로 상호 이격하여 형성되는 다수개의 메인 유도 슬랏과 다수개의 서브 유도 슬랏과 인접한 2개의 여자(勵磁) 슬랏 과, 상기 2개의 여자 슬랏 사이에 형성되고 상기 회전자의 외주면을 향하여 상기 중공부의 내주면보다 돌출된 여자극(勵磁極)을 구비하는 고정자와;

   상기 2개의 여자 슬랏을 관통하는 여자 코일과;

   상기 다수개의 메인 유도 슬랏을 관통하는 메인 유도 코일과;

   상기 다수개의 서브 유도 슬랏을 관통하고, 상기 메인 유도 코일에 인가되는 교류 전류의 위상 보다 빠른 위상을 가지는 교류 전류가 인가되는 서브 유도 코일을;

   포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 착자율을 향항시킨 자기 여자 모터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 회전자의 외주면에 인접한 상기 여자극의 일단은 테이퍼 형상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 착자율을 향상시킨 자기 여자 모터.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 회전자 몸체는 고투자율의 강자성체(强磁性體)로 형성되는 것을 특징으로 하는 착자율을 향상시킨 자기 여자 모터.

Images