KR101247354B1 - 6/5 C-core Type SRM - Google Patents

Abstract

C 코어형 구조의 6/5극 3상 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor; SRM)에 관한 것으로, 영구자석 없이 회전자와 고정자를 구비하는 스위치도 릴럭턴스 모터로서, 상기 고정자는 6개의 고정자 극을 구비하고, 상기 회전자는 5개의 회전자 극을 구비한 구성을 마련한다.
상기와 같은 스위치드 릴럭턴스 모터를 이용하는 것에 의해, 종래의 SRM 보다 더 높은 토크를 발생시킬 수 있다.6-pole 3-phase switched reluctance motor (SRM) with a C-core structure; a switch with a rotor and stator without permanent magnets is also a reluctance motor, the stator having six stator poles And the rotor provides a configuration having five rotor poles.
By using the switched reluctance motor as described above, it is possible to generate higher torque than the conventional SRM.

Description

6/5극 3상 스위치드 릴럭턴스 모터{6/5 C-core Type SRM}6/5 pole three phase switched reluctance motor {6/5 C-core Type SRM}

본 발명은 C 코어형 구조의 6/5극 3상 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched Reluctance Motor; SRM)에 관한 것으로, 특히 회전자 극과 고정자 극수의 선정에 있어 새로운 접근으로서, 독립적인 C자 형상의 고정자극을 가지며 자속 경로도 짧은 6/5극 3상 SRM에 관한 것이다.
The present invention relates to a 6 / 5-pole three-phase switched reluctance motor (SRM) with a C core structure. The magnetic flux path with a fixed stimulus is also related to a short 6/5 pole three phase SRM.

스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)는 자기저항(magnetic reluctance)의 변화에 따른 릴럭턴스 토크를 이용하여 로터를 회전시키는 것으로, 제조가격이 낮고 유지보수가 거의 필요 없으며 신뢰성이 높아 수명이 거의 영구적인 장점이 있다. Switched reluctance motor (SRM) rotates the rotor by using the reluctance torque according to the change of magnetic reluctance. It has low manufacturing price, little maintenance, high reliability, and long life. have.

이러한 SRM은 이중 돌극형 구조이고 단일 여자방식의 기기이다. This SRM is a double pole structure and a single excitation device.

여기서 고정자에 권선이 감겨있고, 회전자는 규소강판으로 적층된 구조로 권선이 없는 간단한 구조로 만들어진다. 다른 형태의 모터와 비교했을 때, SRM은 낮은 유지보수비 및 내구성이 뛰어나고, 견고한 구조를 가지며, 영구자석을 사용하지 않아, 다른 모터들에 비해 간단한 구조와 넓은 범위의 속도 특성을 갖는 장점들이 있다. Here, the winding is wound on the stator, and the rotor is made of a silicon steel sheet, which is made of a simple structure without a winding. Compared with other types of motors, SRM has the advantages of low maintenance cost and durability, robust structure, no permanent magnet, and simple structure and wide range of speed characteristics compared to other motors.

또한, SRM은 높은 신뢰성과 낮은 히스테리시스 손실과 같은 뛰어난 특징을 갖는다. 이러한 이유로 SRM은 최근 많은 관심을 받고 있으며, 드라이브 응용분야에서 훌륭한 대안으로 논의되어 지고 있다. In addition, SRM has excellent features such as high reliability and low hysteresis losses. For this reason, SRMs have received a lot of attention recently and have been discussed as a good alternative in drive applications.

그러나, SRM은 동작원리와 자계적 구조로 인해 토크 리플이 큰 단점이 있다. 토크 리플은 기계적 마모와 소음을 발생시키는 원인이 된다. 이러한 토크 리플 감소와 SRM의 성능 개선은 설계를 수정하거나 제어방법을 통하여 이루어질 수 있다.However, SRM suffers from a large torque ripple due to its operation principle and magnetic structure. Torque ripple can cause mechanical wear and noise. This reduction in torque ripple and performance improvement of the SRM can be achieved by modifying the design or controlling method.

또, SRM은 어떠한 상이나 권선의 수에도 동작할 수 있다. In addition, the SRM can operate on any phase or number of turns.

예를 들어, 하기 문헌에 기재된 바와 같은 극 수 조합에 대해서는 많은 연구가 이루어지고 있다.
For example, many studies have been made about the pole number combination as described in the following document.

Jin-Woo Ahn; Huynh Khac Minh Khoi; Dong-Hee Lee; , "Design and analysis of high speed 4/2 SRMs for an air-blower," Industrial Jin-Woo Ahn; Huynh Khac Minh Khoi; Dong-Hee Lee; , "Design and analysis of high speed 4/2 SRMs for an air-blower," Industrial Electronics (ISIE), 2010 IEEE International Symposium on , vol., no.,pp.1242-1246, 4-7 July 2010.Electronics (ISIE), 2010 IEEE International Symposium on, vol., No., Pp. 1242-1246, 4-7 July 2010.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 기존의 모터와 비교하였을 때, 출력과 효율면에서 우수한 6/5극 3상 스위치드 릴럭턴스 모터를 제공하는 것이다.
An object of the present invention is to solve the problems described above, and to provide a 6/5 pole three-phase switched reluctance motor excellent in output and efficiency compared to the conventional motor.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터는 영구자석 없이 회전자와 고정자를 구비하는 스위치드 릴럭턴스 모터로서, 상기 고정자는 6개의 고정자 극을 구비하고, 상기 회전자는 5개의 회전자 극을 구비한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, the switched reluctance motor according to the present invention is a switched reluctance motor having a rotor and a stator without a permanent magnet, wherein the stator has six stator poles, and the rotor has five rotor poles. Characterized in that provided.

또 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 고정자는 3개의 'C'자 형상의 독립적인 고정자로 이루어지고, 각각의 'C'자 형상의 고정자는 두 개의 연결된 극으로 구성되며, 각각의 고정자 극은 원점으로부터 등거리에 위치하는 것을 특징으로 한다.In the switched reluctance motor according to the present invention, the stator comprises three independent 'C' shaped stators, and each 'C' shaped stator consists of two connected poles, The stator poles are characterized by being located equidistant from the origin.

또 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 3개의 'C'자 고정자 극은 각각 120°의 위상차를 가지고, 상기 5개의 회전자 극은 72°의 위상차를 가지며 위치한 것을 특징으로 한다.In the switched reluctance motor according to the present invention, the three 'C' stator poles each have a phase difference of 120 °, and the five rotor poles are positioned with a phase difference of 72 °.

또 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 3개의 'C'자 형상의 고정자는 얇은 요크로 연결되어 일체화되며, 상기 얇은 요크를 통한 자속의 흐름을 방해하기 위해 각각의 고정자의 양측에는 홀이 마련된 것을 특징으로 한다.In the switched reluctance motor according to the present invention, the three 'C' shaped stators are integrated by connecting with a thin yoke, and holes are provided at both sides of each stator to prevent the flow of magnetic flux through the thin yoke. It is characterized by the provision.

또 본 발명에 따른 스위치드 릴럭턴스 모터에 있어서, 상기 회전자의 적층을 정확한 위치에 안정되게 유지하게 하기 위해 상기 회전자와 고정자 양측에 두 개의 베어링과 함께 로크너트(lock-nut)가 마련된 것을 특징으로 한다.In the switched reluctance motor according to the present invention, a lock-nut is provided with two bearings on both sides of the rotor and the stator to stably maintain the lamination of the rotor in the correct position. It is done.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 6/5극 3상 스위치드 릴럭턴스 모터에 의하면, 종래의 SRM 보다 더 높은 토크를 발생시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.As described above, according to the 6 / 5-pole three-phase switched reluctance motor according to the present invention, the effect of generating higher torque than the conventional SRM is obtained.

또, 본 발명에 따른 6/5극 3상 스위치드 릴럭턴스 모터에 의하면, 회전자 극수를 거의 절반 가까이 줄임으로써 종래의 SRM 보다 재료(철심)의 소모량을 절감할 수 있다는 효과도 얻어진다.
In addition, according to the 6 / 5-pole three-phase switched reluctance motor according to the present invention, by reducing the number of rotor poles to almost half, the effect of reducing the consumption of materials (iron core) can be obtained compared to the conventional SRM.

도 1은 본 발명에 따른 C-코어 구조의 6/5 3상 SRM의 구조를 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 C-코어 SRM의 자속 흐름을 나타내는 도면,
도 3은 얇은 요크로 연결된 고정자 구조와 전동기 조립도,
도 4는 본 발명이 적용된 전동기 조립도,
도 5는 본 발명에 따른 모터의 자속 분포를 나타내는 도면,
도 6은 C-코어 모터에서 여자전류를 인가하였을 때 회전자 위치에 따른 토크 특성을 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 C-코어 모터의 연속적인 토크를 나타낸 도면,
도 8은 다양한 여자 전류를 흘려주었을 때, 회전자 위치에 따른 인덕턴스 특성을 나타낸 도면,
도 9는 다양한 여자 전류를 인가하였을 때 회전자 위치에 따른 자속 쇄교 수의 변화를 나타낸 도면,
도 10은 C-코어 모터의 시뮬레이션 모델을 나타낸 도면,
도 11은 시뮬레이션 결과를 나타낸 도면,
도 12는 C-코어모터와 일반적인 모터의 토크 비교한 결과를 나타낸 도면,
도 13은 E-코어 SRM의 구조와 자속 경로를 나타낸 도면,
도 14는 E-코어 구조의 한 상에 대한 토크 프로파일을 나타낸 도면,
도 15는 토크 특성의 비교FFM 나타내는 도면,
도 16은 본 발명에 따른 C-코어 모터와 E-코어의 철심 사용량에 대한 비교를 나타낸 도면.1 is a view showing the structure of the 6/5 three-phase SRM of the C-core structure according to the present invention,
2 is a view showing a flux flow of a C-core SRM according to the present invention;
3 is an assembly diagram of a motor and a stator structure connected by a thin yoke;
4 is an assembly diagram of the electric motor to which the present invention is applied,
5 is a view showing a magnetic flux distribution of a motor according to the present invention;
6 is a view showing torque characteristics according to rotor position when an excitation current is applied in a C-core motor;
7 shows a continuous torque of a C-core motor according to the present invention;
8 is a view showing the inductance characteristics according to the position of the rotor when various excitation currents are flown;
9 is a view showing the change of the flux linkage depending on the rotor position when various exciting currents are applied,
10 shows a simulation model of a C-core motor,
11 is a diagram showing a simulation result;
12 is a view showing the result of torque comparison of a C-core motor and a general motor,
13 is a view showing a structure and a magnetic flux path of an E-core SRM;
14 shows a torque profile for one phase of an E-core structure,
15 is a view showing a comparison of torque characteristics FFM;
16 is a view showing a comparison of the iron core usage of the C-core motor and the E-core according to the present invention.

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.These and other objects and novel features of the present invention will become more apparent from the description of the present specification and the accompanying drawings.

먼저 본 발명의 개념에 대해 설명한다.First, the concept of the present invention will be described.

본 발명에서는 새로운 6/5극 3상 SRM의 설계와 해석을 하였다. In the present invention, the design and analysis of a new 6 / 5-pole three-phase SRM was performed.

본 발명에 따른 모터는 회전자와 고정자에 영구자석 없이 설계하였으며, 고정자는 짧은 자속 경로를 가지는 C-코어 구조를 사용하였다. 또 설계의 타당성을 검증하기 위해서 같은 크기를 가지는 기존의 모터와 비교 분석하였다. 비교 결과는 본 발명에 따른 6/5 C-코어구조의 3상 SRM이 효율과 토크 발생에 있어 기존의 모터보다 더 나은 특성을 나타내었다. The motor according to the present invention is designed without a permanent magnet in the rotor and the stator, and the stator uses a C-core structure having a short magnetic flux path. In addition, to verify the validity of the design, we compared and analyzed the conventional motor with the same size. The comparison result shows that the three-phase SRM of the 6/5 C-core structure according to the present invention has better characteristics than the conventional motor in terms of efficiency and torque generation.

또한, 유한요소해석(FEA) 및 매트랩 시뮬링크(Matlab/Simulink)를 사용하여 제안된 모터의 성능을 예측하고 해석하였다.
In addition, the finite element analysis (FEA) and Matlab / Simulink were used to predict and analyze the performance of the proposed motor.

이하, 본 발명의 구성을 도 1 내지 도 4에 따라서 설명한다.Hereinafter, the structure of this invention is demonstrated according to FIGS.

도 1은 본 발명에 따른 C-코어 구조의 6/5 3상 SRM의 구조를 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 C-코어 SRM의 자속 흐름을 나타내는 도면이고, 도 3은 얇은 요크로 연결된 고정자 구조와 전동기 조립도 이며, 도 4는 본 발명이 적용된 전동기 조립도 이다. 1 is a view showing the structure of the 6/5 three-phase SRM of the C-core structure according to the present invention, Figure 2 is a view showing the flux flow of the C-core SRM according to the present invention, Figure 3 is a thin yoke Connected stator structure and the motor assembly diagram, Figure 4 is an assembly diagram of the motor to which the present invention is applied.

도 1에 도시된 바와 같이, 6/5 SRM은 3개의 'C'자 형상의 독립적인 고정자(Stator)와 축(Shaft)의 외주에 마련된 회전자(Rotor)로 이루어지고, 상기 고정자는 6개의 고정자 극을 구비하고, 상기 회전자는 5개의 회전자 극을 구비한다.As shown in FIG. 1, the 6/5 SRM is composed of three 'C' shaped independent stators and a rotor provided on the outer periphery of the shaft. It has a stator pole, and the rotor has five rotor poles.

각각의 'C'자 형상의 고정자는 두 개의 연결된 극으로 구성되며, 3개의 고정자는 일반 원통형 모터처럼 연결되어 있지 않다. 'C'자 형상의 그룹으로 된 고정자 극은 원점으로부터 등거리에 위치해 있다. Each 'C' shaped stator consists of two connected poles, and the three stators are not connected like a normal cylindrical motor. The stator poles in groups of 'C' shapes are equidistant from the origin.

또한 본 발명의 모터는 권선(Winding)을 정확한 위치에 유지하게 하기 위하여 작은 극 팁(tip)을 사용하였다. 3개의 'C'자 고정자 극은 각 120°의 위상차를 가지고, 5개의 회전자 극은 72°의 위상차를 가지며 위치해 있다. The motor of the invention also used a small pole tip to keep the winding in the correct position. Three 'C' stator poles are located with a phase difference of 120 ° each and five rotor poles with a phase difference of 72 °.

본 발명에서 고정자의 'C'자 형상이 분리된 것은 누설 자속을 최소화하기 위한 것이다. 그러므로, 모터는 짧은 자속 경로를 가질 수 있는 구조가 가능하다. 짧은 자속 경로는 같은 토크를 생산하기 위해 낮은 EMF를 요구하게 된다. 낮은 EMF를 요구하는 것은 같은 권선 수 일 때 모터가 낮은 여자 전류를 사용한다는 것이다.In the present invention, the 'C' shape of the stator is separated to minimize leakage magnetic flux. Therefore, the motor is possible to have a structure that can have a short magnetic flux path. Short flux paths will require low EMF to produce the same torque. The requirement for a low EMF is that the motor uses a low excitation current for the same number of turns.

또 짧은 자속 경로는 한 자계 회로에서 이웃하는 고정자 극들의 조합에 의해 발생되어지게 된다. 이러한 자속 경로(Flux Path)의 배치는 다른 권선 배치를 필요로 하며, 권선 배치는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같다.Short magnetic flux paths are also generated by a combination of neighboring stator poles in a magnetic field circuit. This arrangement of flux paths requires different winding arrangements, as shown in FIGS. 1 and 2.

도 2는 각 상에 대한 자속 경로를 나타낸다. 각 상과 권선이 독립적인 구조로 되어있기 때문에 여자된 극을 통해서만 자속이 흐를 수 있고, 다른 극으로 자속이 흐를 수 없게 된다. 2 shows the flux path for each phase. Since each phase and the winding are independent, the magnetic flux can only flow through the excited poles, and the magnetic flux cannot flow to other poles.

이러한 구조는 일반적인 SRM보다 높은 소음을 유발할 수 있다. 균형이 잡히지 않은 축 방향 지지력은 얇은 요크(Thin-Yoke)로 고정자를 연결하는 구조로 3개의 C형 고정자를 일체화하고 베어링 등 기구적 구조를 사용하여 보완할 수 있다. Such a structure may cause higher noise than a general SRM. The unbalanced axial bearing capacity is a structure that connects the stators with thin yokes, which can be complemented by integrating three C-type stators and using mechanical structures such as bearings.

그러나 이러한 얇은 요크를 통한 고정자의 연결은 자속 경로를 형성하므로, 자속의 흐름을 방해하기 위해 도 3과 같이 홀(Hole)을 위치시킨다. 도 3은 얇은 요크를 추가한 C-코어 모터의 구조를 나타낸다. However, since the connection of the stator through the thin yoke forms a magnetic flux path, a hole (Hole) is positioned as shown in FIG. 3 to disturb the flow of the magnetic flux. 3 shows the structure of a C-core motor with the addition of a thin yoke.

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 회전자의 적층을 정확한 위치에 안정되게 유지하게 하기 위해서 회전자와 고정자 양측에 두 개의 베어링(Bearing)과 함께 로크너트(lock-nut) 및 키링(key ring)이 사용된다. 고정자와 회전자의 모든 구조는 하우징에 4개의 볼트로 결합된다. 도 4는 C-코어 모터의 전체 조립도를 나타낸다.
In addition, as shown in Fig. 4, in order to keep the lamination of the rotor stable in the correct position, the lock-nut and key ring together with two bearings on both sides of the rotor and the stator. This is used. All structures of the stator and rotor are joined by four bolts to the housing. 4 shows an overall assembly view of a C-core motor.

다음에 본 발명에 따른 6/5극 3상 SRM의 시뮬레이션 및 해석을 기술한다.Next, the simulation and analysis of the 6/5 pole three phase SRM according to the present invention will be described.

SRM은 매우 비선형적인 자계 특성을 가지고 있다. 유한요소해석은 이러한 비선형적 자계 데이터를 사용하였다. 전자계의 2D유한요소해석은 전부하 5A를 여자시켰을 때를 나타낸다. 여자 상전류에서 유한 요소해석의 타당성은 도 5에서 나타난 바와 같이, 자속이 여자되는 상의 극을 통해서만 흐르고 다른 극으로는 흐르지 않는다는 것으로 확인할 수 있다. SRM has very nonlinear magnetic properties. Finite element analysis used this nonlinear magnetic field data. The 2D finite element analysis of the electromagnetic field shows when the full load 5A is excited. The validity of the finite element analysis in the exciting phase current can be confirmed as shown in FIG. 5 that the magnetic flux flows only through the pole of the excited phase and does not flow to the other pole.

도 5는 본 발명에 따른 모터의 자속 분포를 나타내는 도면이다. 5 is a diagram showing a magnetic flux distribution of a motor according to the present invention.

도 5(a)-(c)는 각각 A상, B상, C상의 자속 분포를 나타내고, 도 5(d)는 회전자 극이 고정자 극과 정렬되지 않았을 때의 자속 분포를 나타낸다.
5 (a)-(c) show the magnetic flux distributions of the A phase, B phase, and C phase, respectively, and FIG. 5 (d) shows the magnetic flux distribution when the rotor poles are not aligned with the stator poles.

SRM은 일반적으로 에너지 포화구간에서 동작하도록 설계된다. SRMs are generally designed to operate in energy saturation intervals.

SRM은 포화와 밀접한 관계를 가지므로, 유한요소해석은 SRM의 토크, 쇄교 자속, 인덕턴스를 계산하기 위해 자주 사용된다. SRM의 토크는 릴럭턴스 원리에 따라 회전자 극이 여자되는 고정자 상으로 당기는 힘에 의해 발생한다. 고정자 상에 전압을 인가하였을 때, 가장 근접하여 있는 2개의 회전자극은 자계 경로의 릴럭턴스를 최소화하기 위해 전압이 인가되는 고정자 쪽으로 끌어 당겨지게 되는데, 이때 토크가 생산된다. Since SRM is closely related to saturation, finite element analysis is often used to calculate torque, linkage flux, and inductance of SRM. The torque of the SRM is generated by the pulling force onto the stator where the rotor poles are excited according to the reluctance principle. When voltage is applied on the stator, the two closest rotary stimuli are pulled toward the stator to which the voltage is applied to minimize the reluctance of the magnetic path, where torque is produced.

도 6은 C-코어 모터에서 여자전류를 인가하였을 때 회전자 위치에 따른 토크 특성을 나타낸다. 각 모터의 상에 대한 전자계 특성은 인접하는 두 상 사이의 자계 상호작용이 매우 작거나 무시되어질 수 있기 때문에 일반적으로 독립적으로 해석 된다. 그러나, 평균 토크 값을 해석하기 위해서 제안된 모터의 연속적 토크를 요구하게 된다. 도 7은 본 발명에 따른 C-코어 모터의 연속적인 토크를 나타낸다.Figure 6 shows the torque characteristics according to the rotor position when the excitation current is applied in the C-core motor. The electromagnetic properties of each motor's phases are generally interpreted independently because the magnetic field interactions between two adjacent phases can be very small or neglected. However, in order to interpret the average torque value, the proposed continuous torque of the motor is required. 7 shows the continuous torque of the C-core motor according to the invention.

여자전류가 5A일 때 최대 토크를 생산할 수 있고, 도 7에서 보여지는 것과 같이 고정자와 회전자가 오버랩되지 않을 때 연속적인 토크는 중립적 전류각(기계적으로 36°의 위상차를 가짐)에 근거하는 것을 알 수 있다. It can be seen that the maximum torque can be produced when the excitation current is 5A, and the continuous torque is based on the neutral current angle (mechanically having a phase difference of 36 °) when the stator and the rotor do not overlap as shown in FIG. Can be.

그러나, 토크 리플을 최소화하기 위하여, 보통 각상 사이에 오버랩 구간이 존재하는데, 이는 양쪽 상에서 토크를 발생하기 때문이다. 오버랩 각이 없는 C-코어 모터에 의해 생산되는 평균 토크는 0.48Nm이다. However, in order to minimize torque ripple, there is usually an overlap section between each phase because it generates torque on both sides. The average torque produced by a C-core motor without overlap angle is 0.48 Nm.

다음 특성으로는 회전자 위치에 따른 인덕턴스 곡선이다. 인덕턴스는 모터의 동작에 아주 많은 영향을 끼치며, 토크의 발생과도 관계되어있다. SRM의 인덕턴스에서 중요한 부분은 포화되지 않는 정렬된 인덕턴스와 비정렬된 인덕턴스인데, 이는 상 권선의 인덕턴스는 회전자가 고정자와 정렬되었을 때 최대가 되고, 정렬되지 않았을 때 최소가 되기 때문이다. The next characteristic is the inductance curve according to the rotor position. Inductance has a great influence on the operation of the motor and is also related to the generation of torque. Important parts of the SRM's inductance are unsaturated aligned and unaligned inductance, since the inductance of the phase windings is maximum when the rotor is aligned with the stator and minimum when not aligned.

여기서 상이 정렬되는 것은 상의 회전자 극이 고정자 극과 완전히 정렬된 위치일 때로 정의되고, 이때 최소 릴럭턴스를 얻게 된다. 이 위치에서 포화되지 않은 상 인덕턴스는 최대가 된다. The phase alignment here is defined as when the phase rotor poles are in full alignment with the stator poles, whereby a minimum reluctance is obtained. At this position, the unsaturated phase inductance is maximum.

상 인덕턴스는 회전자의 극이 정렬된 위치로부터 멀어지게 될 때 차츰 줄어들게 된다. 회전자 극이 대칭적으로 상의 고정자 극과 정렬되지 않았을 때를 정렬되지 않았다고 정의하고, 이때 인덕턴스는 최소값을 가지게 된다. 도 8은 다양한 여자 전류를 흘려주었을 때, 회전자 위치에 따른 인덕턴스 특성을 나타낸다.
The phase inductance gradually decreases as the pole of the rotor moves away from the aligned position. When the rotor poles are not symmetrically aligned with the stator poles of the phase, they are defined as not aligned, where the inductance has a minimum value. 8 shows inductance characteristics according to the rotor position when various exciting currents are applied.

대부분의 SRM에서, 비선형 인덕턴스와 누설 자속으로 인해 포화가 발생한다(도 8 및 도 9 참조). 본 발명에 따른 SRM은 5개의 회전자 극을 가지기 때문에 정렬이 되었을 때부터 정렬이 되지 않았을 때의 위치가 36°의 위상차를 가지고 있으므로, 전기적인 한 주기에서 자속 쇄교 특성을 얻기에 충분하다. 모터의 초기 구동조건에서 회전자 위치는 완전히 정렬된 위치로 간주하고, 회전자는 반시계 방향으로 회전하게 된다. 회전자와 고정자가 완전히 정렬될 때(0°와 72°일 때), 자속은 가장 높고, 자속의 자계 릴럭턴스는 최소화된다. 고정자와 회전자가 완전히 정렬되지 않을 때(36°일 때), 자속의 최소가 되는데 이는 짧은 자속 경로를 통한 이웃한 회전자 극 사이로 자계 자속이 흐르기 때문에, 최대 또는 최적화된 자속 쇄교가 이루어지게 된다. 도 9는 다양한 여자 전류를 인가하였을 때 회전자 위치에 따른 자속 쇄교 수의 변화를 나타낸다.
In most SRMs, saturation occurs due to nonlinear inductance and leakage flux (see Figures 8 and 9). Since the SRM according to the present invention has five rotor poles, since the position from the alignment to the alignment has a phase difference of 36 °, it is sufficient to obtain the magnetic flux linkage characteristic in one electrical cycle. In the initial driving condition of the motor, the rotor position is regarded as a perfectly aligned position, and the rotor rotates counterclockwise. When the rotor and stator are perfectly aligned (at 0 ° and 72 °), the magnetic flux is highest and the magnetic field reluctance of the magnetic flux is minimized. When the stator and the rotor are not perfectly aligned (36 °), the minimum of the magnetic flux is achieved because magnetic flux flows between neighboring rotor poles through a short magnetic flux path, resulting in maximum or optimized flux linkage. 9 shows the change of the flux linkage depending on the rotor position when various exciting currents are applied.

다음에 매트랩 시뮬레이션에 대해 기술한다.Next, the matlab simulation will be described.

본 발명에 따른 모터의 특성을 해석하기 위해 간단한 매트랩 시뮬레이션을 수행하였다. 모터는 일정한 속도에서 운전 되어지기 위해 모터의 회전에 있어 가변 저항은 무시되어 졌다. 모터 속도는 어떤 회전자 위치에서도 일정한 속도를 가진다. 도 10은 C-코어 모터의 시뮬레이션 모델을 나타낸다. 최대 속도에서의 모터의 성능을 예측하기 위해 2,700rpm에서 시뮬레이션이 수행되었다. 2,700rpm일 때 역기전력으로 인하여 일정한 전류인가는 불가능하다. 역기전력은 상 전류에 많은 영향을 끼치는데 이는 기계적인 속도가 증가하기 시작할 때 역기전력도 같이 증가되어지기 때문이다. 이 시뮬레이션은 최적화되지 않은 제어 방법을 적용하였다.
A simple matlab simulation was performed to analyze the characteristics of the motor according to the present invention. In order to keep the motor running at constant speed, the variable resistor in the motor's rotation was ignored. The motor speed is constant at any rotor position. 10 shows a simulation model of a C-core motor. Simulations were performed at 2,700 rpm to predict the performance of the motor at full speed. At 2,700 rpm, constant current cannot be applied due to back EMF. Back EMF has a significant effect on the phase current because the back EMF increases as the mechanical speed starts to increase. This simulation applied an unoptimized control method.

토크, 상전류, 자속권선에 대한 시뮬레이션 결과는 도 11에 나타내었다.The simulation results for the torque, phase current, and magnetic flux winding are shown in FIG. 11.

도 11은 시뮬레이션 결과로서 도 11(a)는 토크 생성, 도 11(b)는 상전류, 도 11(c)는 자속을 나타낸다.Fig. 11 shows simulation results, and Fig. 11 (a) shows torque generation, Fig. 11 (b) shows a phase current, and Fig. 11 (c) shows magnetic flux.

시뮬레이션 결과에서 본 발명에 따른 모터의 출력 토크는 0.83Nm, 토크 리플은 2%보다 작다. 작은 토크 리플은 각 상의 오버랩되는 전류각 때문으로 이러한 오버랩 각은 도 11(b)의 상 여자 전류로부터 알 수 있다. 5A의 전류를 여자 시켰을 때 최대 자속 쇄교수는 0.34mWb인데, 이는 유한요소해석을 했을 때와 약간 차이를 보이나 수용 가능한 범위이다.
In the simulation results, the output torque of the motor according to the present invention is less than 0.83Nm, the torque ripple is less than 2%. The small torque ripple is due to the overlapping current angles of each phase and this overlap angle can be seen from the phase excitation current of Fig. 11 (b). The maximum flux linkage when the current of 5A is excited is 0.34mWb, which is slightly different from that of the finite element analysis, but is an acceptable range.

다음에 본 발명에 따른 SRM과 종래의 SRM의 특성을 비교 기술한다. Next, the characteristics of the SRM according to the present invention and the conventional SRM will be compared.

본 발명에 따른 3상 6/5 SRM은 많은 장점과 단점을 가지고 있다. 본 발명에 따른 모터의 최대 단점은 균형이 잡히지 않은 축방향 지지력이다. 이로 인해 소음을 야기시킬 수 있다. 그러나 본 발명에 따른 모터는 일반적인 모델보다 높은 토크 생성을 할 수 있다는 장점이 있다. 본 발명에 따른 모터의 토크 성능을 검증하기 위해 일반적인 모터 (6/4, 12/8, 6/8)과 함께 유한요소해석으로 비교 분석하였다. 비교된 모터는 같은 크기와 볼륨을 가지며, 전류 밀도 10A/㎠와 자속밀도 1.8T를 유지하기 위해 각각 다른 권선수를 지정하였다. 모터의 비교 분석에 있어 상의 수가 같지 않기 때문에, 한 상을 여자 하였을 때의 결과를 비교하였다. 도 12는 C-코어모터와 일반적인 모터의 토크 비교한 결과를 나타낸 것이다.
Three phase 6/5 SRM according to the present invention has many advantages and disadvantages. The biggest disadvantage of the motor according to the invention is the unbalanced axial bearing capacity. This can cause noise. However, the motor according to the present invention has an advantage of generating higher torque than a general model. In order to verify the torque performance of the motor according to the present invention, a comparative analysis with finite element analysis was performed with general motors (6/4, 12/8, 6/8). The compared motors have the same size and volume, and different winding numbers were specified to maintain a current density of 10 A / cm 2 and a magnetic flux density of 1.8T. Since the number of phases was not the same in the comparative analysis of the motors, the results when one phase was excited were compared. 12 shows a result of torque comparison between a C-core motor and a general motor.

상의 수와 회전자 극 수는 정류각에 영향을 미친다. 12/8 SRM은 8개의 회전자극을 가지는 3상 모터이다. 이때 정류각은 회전자 극에 의해 22.5°가 된다. 상의 수와 회전자 극 수, 정류각에 상관관계는 하기 식(1)로 정의 되어질 수 있다. The number of phases and the number of rotor poles affect the commutation angle. The 12/8 SRM is a three-phase motor with eight rotary stimuli. At this time, the commutation angle is 22.5 ° by the rotor pole. The correlation between the number of phases, the number of rotor poles and the commutation angle can be defined by the following equation (1).

: 정류,

: 회전자 극 수

: Rectification,

: Number of rotor poles

도 12에서 보여지는 것과 같이 본 발명에 따른 모터의 최대 출력토크는 0.8Nm로 같은 크기의 일반적인 6/4 모터가 0.76Nm를 내는 것에 비해 8% 높게 나타난다. 고정자와 회전자 극의 수는 스위칭 주파수에 영향을 미친다. 고정자 극과 회전자 극의 수가 늘어날수록 스위칭 주파수도 커지게 된다. 스위칭 주파수는 컨버터의 스위칭 손실과 비례한다. 스위치 주파수

와 고정자 상의 수

, 회전자 극의 수

, 회전자 속도

에 대한 상관관계는 하기 식(2)에 나타내고 있다.As shown in FIG. 12, the maximum output torque of the motor according to the present invention is 0.8 Nm, which is 8% higher than that of a general 6/4 motor having the same size of 0.76 Nm. The number of stator and rotor poles affects the switching frequency. As the number of stator and rotor poles increases, so does the switching frequency. The switching frequency is proportional to the switching loss of the converter. Switch frequency

And the number of stator phases

Number of rotor poles

Rotor speed

The correlation for is shown in the following equation (2).

다음에 본 발명에 따른 모터와 토크 특성을 비교하기 위해 E-코어 구조를 해석하였다. 이때, E-코어 구조는 짧은 자속 경로를 가지는 2상 모터를 사용하였다. 도 13은 E-코어 SRM의 구조와 자속 경로를 나타낸다.Next, the E-core structure was analyzed to compare the motor and torque characteristics according to the present invention. At this time, the E-core structure used a two-phase motor having a short magnetic flux path. 13 shows a structure and a magnetic flux path of an E-core SRM.

E-코어 모터는 짧은 자속경로를 사용하였는데, 이를 본 발명에 따른 모터에 적용하였다. 본 발명에 따른 모터와 E-코어 모터의 가장 다른 점은, 본 발명에 따른 모터가 불안정한 축방향 지지력을 가지는데 반해 E-코어모터는 안정된 축방향 지지력을 가진다는 것이다. 그러나 식(2)에서 보여지는 것과 같이 E-코어모터는 많은 회전자 극수를 선정함으로 스위칭 손실이 많다는 단점이 있다. 도 14는 E-코어 구조의 한 상에 대한 토크 프로파일을 나타낸다.The E-core motor used a short flux path, which was applied to the motor according to the present invention. The main difference between the motor according to the invention and the E-core motor is that the motor according to the invention has an unstable axial bearing force, whereas the E-core motor has a stable axial bearing force. However, as shown in Eq. (2), the E-core motor has a disadvantage in that switching losses are large by selecting a large number of rotor poles. 14 shows the torque profile for one phase of an E-core structure.

하기 표 1에서 보여지는 것과 같이 본 발명에 따른 모터는 정확한 비교분석을 위해 E-코어와 같은 파라미터를 사용하였다. As shown in Table 1 below, the motor according to the present invention used parameters such as an E-core for accurate comparative analysis.

표 1은 본 발명에 따른 C-코어와 종래의 E-코어 SRM의 비교를 나타낸다.Table 1 shows a comparison between the C-core and the conventional E-core SRM according to the present invention.

본 발명에 따른 C-코어 SRM은 더 높은 토크를 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 각 5A의 여자 전류를 흘려주었을 때, 본 발명에 따른 모터는 0.83Nm를, E-코어 모터는 0.68Nm의 토크를 발생하였다. 도 15에서 보여지는 것과 같이 본 발명에 따른 모터는 E-코어모터에 비해 22.1%의 토크 향상을 가져왔다. The C-core SRM according to the present invention was confirmed to generate higher torque. When an excitation current of 5 A was applied, the motor according to the present invention generated a torque of 0.83 Nm and an E-core motor of 0.68 Nm. As shown in FIG. 15, the motor according to the present invention has a torque improvement of 22.1% over the E-core motor.

하기 표 2는 각 모터의 비교 결과이다. 도 15의 토크 특성비교에서도 볼 수 있듯이, E-코어구조의 회전자 극수가 본 발명에 따른 C-코어구조에 비해 2배나 많기 때문에 토크 생산의 최소화로, C-코어모터는 E-코어모터에 비해 높은 토크를 생산할 수 있다. 토크의 최저점을 낮춤으로, 본 발명에 따른 C-코어모터는 E-코어모터에 비해 낮은 토크 리플을 가진다.Table 2 is a comparison result of each motor. As can be seen from the torque characteristics comparison of FIG. 15, since the number of rotor poles of the E-core structure is twice as large as that of the C-core structure according to the present invention, the torque production is minimized, and the C-core motor is connected to the E-core motor. High torque can be produced. By lowering the lowest point of torque, the C-core motor according to the invention has a lower torque ripple compared to the E-core motor.

표 2는 본 발명에 따른 C-코어와 종래의 E-코어의 SRM 성능을 비교한 것이다.Table 2 compares the SRM performance of the C-core and the conventional E-core according to the present invention.

본 발명에 따른 C-코어모터는 회전자 극수를 거의 절반 가까이 줄임으로, E-코어모터에 비해 4.8%정도의 스틸을 적게 사용한다.The C-core motor according to the present invention reduces the number of rotor poles by almost half, and uses about 4.8% less steel than the E-core motor.

도 16은 본 발명에 따른 C-코어 모터와 E-코어의 철심 사용량에 대한 비교를 나타낸다. 240W의 같은 입력전압에서 E-코어는 출력 142.4W, 효율 59.3%인데, 본 발명에 따른 C-코어는 출력 173.8W. 효율 72.4%로 해석되어져 출력과 효율면에서 20%이상 우수한 것으로 평가된다.
16 shows a comparison of iron core usage of a C-core motor and an E-core according to the present invention. At the same input voltage of 240W, the E-core has an output of 142.4W and an efficiency of 59.3%. The C-core according to the invention has an output of 173.8W. It is interpreted as an efficiency of 72.4% and is estimated to be over 20% in terms of power and efficiency.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 6/5 SRM은 회전자 극과 고정자 극수의 선정에 있어 새로운 접근으로서, 본 발명에 따른 6/5는 독립적인 'C' 형상의 고정자극을 가지며 자속 경로도 짧다. C-코어 모터와 기존의 모터와 비교하였으며 출력과 효율면에서 우수한 것으로 평가되었다.
As described above, the 6/5 SRM according to the present invention is a new approach in the selection of the number of rotor poles and stator poles. The 6/5 according to the present invention has an independent 'C' shaped stator pole and a magnetic flux path diagram. short. Compared with C-core motors and conventional motors, it is rated as superior in power and efficiency.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
Although the present invention has been described in detail with reference to the above embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications may be made without departing from the spirit of the present invention.

본 발명에 따른 6/5극 3상 스위치드 릴럭턴스 모터는 전동기 분야에 적용된다.The 6/5 pole three phase switched reluctance motor according to the invention is applied in the field of electric motors.

Claims (5)

영구자석 없이 회전자와 고정자를 구비하는 스위치드 릴럭턴스 모터로서,
상기 고정자는 6개의 고정자 극을 구비하고,
상기 회전자는 5개의 회전자 극을 구비하며,
상기 고정자는 3개의 'C'자 형상의 독립적인 고정자로 이루어지고,
각각의 'C'자 형상의 고정자는 두 개의 연결된 극으로 구성되며,
각각의 고정자 극은 원점으로부터 등거리에 위치하며,
상기 3개의 'C'자 형상의 고정자는 얇은 요크로 연결되어 일체화되며,
상기 얇은 요크를 통한 자속의 흐름을 방해하기 위해 각각의 고정자의 양측에는 홀이 마련된 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.A switched reluctance motor with rotor and stator without permanent magnets,
The stator has six stator poles,
The rotor has five rotor poles,
The stator consists of three 'C' shaped independent stators,
Each 'C' shaped stator consists of two connected poles,
Each stator pole is equidistant from the origin,
The three 'C' shaped stators are integrated by connecting with a thin yoke,
Switched reluctance motor, characterized in that holes are provided on both sides of each stator to prevent the flow of magnetic flux through the thin yoke. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 3개의 'C'자 고정자 극은 각각 120°의 위상차를 가지고,
상기 5개의 회전자 극은 72°의 위상차를 가지며 위치한 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.The method of claim 1,
The three 'C' stator poles each have a phase difference of 120 °,
And said five rotor poles are positioned with a phase difference of 72 °. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 회전자의 적층을 정확한 위치에 안정되게 유지하게 하기 위해 상기 회전자와 고정자 양측에 두 개의 베어링과 함께 로크너트(lock-nut)가 마련된 것을 특징으로 하는 스위치드 릴럭턴스 모터.
The method of claim 1,
Switched reluctance motor, characterized in that the lock-nut is provided with two bearings on both sides of the rotor and the stator in order to keep the stack of the rotor stable in the correct position.

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