KR101633014B1 - 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치와 이를 이용한 영구자석발전기 및 영구자석전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치와 이를 이용한 영구자석발전기및 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 비용이 증가하는 종래의 코깅토르크를 저감하기 위한 여러 가지 방법을 사용하지 않고 단순히 극수와 슬롯의 조합 및 영구자석의 적절한 배열에 의해 전동기 또는 발전기 등에서 사용되는 고정자 및 회전자를 포함하여 구성되는 영구자석 회전장치의 코깅토르크를 최소화하기 위한 것이다.
본 발명을 통해 극수와 슬롯수의 조합 및 슬롯의 치하단폭과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리를 동일하게 하고, 적절한 권선방법과 피치를 적용했을 때 코깅토르크를 최소화하는 효과를 제공하게 된다.

Description

코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치와 이를 이용한 영구자석발전기 및 영구자석전동기 {Permanent Magnet Rotator with minimized Cogging torque and Permanent Magnet generator and motor}

본 발명은 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치와 이를 이용한 발전기와 전동기에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 스큐와 치가공 등 비용이 증가하는 종래의 코깅토르크를 저감하기 위한 여러 가지 방법을 사용하지 않고, 단순히 극수와 슬롯의 조합 및 영구자석간의 적절한 배열, 그리고 위상각과 파형을 고려하여 정현파에 최대한 근접한 파형을 낼 수 있도록 하는 권선 방법에 의해 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전 장치와 이를 이용한 영구자석 발전기와 영구자석 전동기에 관한 것이다.

최근 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 신재생에너지 분야에 많은 연구들이 이루어지고 있다.

특히 바람이 있는 곳이면 어디든지 적은 비용으로 발전기를 설치하여 전기를 얻을 수 있는 풍력발전분야는 지속적인 성장세를 유지하고 있다.

지금까지 육상 대형풍력발전에서는 기어형 유도발전기를 장착한 풍력발전기가 대세를 이루었으나 최근에는 해상풍력발전시장이 급성장하면서 유지보수비가 많이 드는 기어형 동기발전기에서 유지보수비가 적게 드는 기어리스형 영구자석발전기를 장착한 풍력발전기로 시장이 재편되고 있다.

특히 출력 변동이 심한 소형 풍력발전에서는 저RPM, 고TORQUE가 요구되는 영구자석 발전기 사용이 대부분을 차지하고 있다.

그런데 저RPM, 고TORQUE인 영구자석 발전기는 영구자석의 높은 자속밀도 및 코어와 영구자석간의 자계 불균형으로 코깅토르크가 높아 초기 기동이 어려운 단점을 가지고 있다.

따라서 최근 소형풍력발전기에는 기동토르크와 코깅토르크를 최소화하여 낮은 풍속에서도 블레이드의 기동을 가능하게 하기 위하여 철심을 제거한 Coreless형 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 발전기나, 철심은 있으나 슬롯이 없는 Slotless형 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기 사용이 증가하고 있다.

그러나 철심을 제거한 Coreless형 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 발전기나, 철심은 있으나 슬롯이 없는 Slotless형 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기는, 슬롯이 있는 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기에 비해 자속누설이 높아 출력 전압이 떨어지고 효율이 감소하는 단점을 가지고 있다.

또한, 구조가 복잡하고 영구자석 사용 개수가 증가하기 때문에 원가가 상승하며, 발전기 자체의 구조적인 문제로 대용량화가 쉽지 않다.

슬롯이 있는 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기는 구조가 간단하고 출력전압과 효율이 높고, 소형, 경량화가 가능한 장점은 있지만 코깅토르크가 크기 때문에 초기 기동이 어렵고, 정격 운전 시에도 진동이 발생하는 단점이 있다.

최근에는 슬롯이 있는 RFPM 발전기를 풍력발전기에 사용하기 위해서 BLDC 전동기 기술을 RFPM발전기에 응용하여 코깅토르크를 최소화하는 작업들이 이루어지고 있으나, 대부분 고RPM용이기 때문에 동기발전기처럼 증속 기어를 사용해야 하는 문제점을 가지고 있다.

코깅토르크는 회전자 영구자석과 고정자 철심 코어, 공극으로 구성되는 자기회로에서 릴럭턴스가 최소인 방향으로 유지하려고 하는 경향에 의해 발생하는 맥동 토르크라고 정의할 수 있는데, 일반적으로는 영구자석 발전기나 영구자석전동기에 있어 회전자가 구동할 때 자계의 불균형에 의해 발생하는 토르크의 최대치와 최소치의 차이값이라고 할 수 있다.

최근 전동기 분야에서는 영구자석을 이용한 슈퍼프리미엄전동기의 수요가 증가하면서 진동과 소음의 주원인이 되는 코깅토르크를 저감하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있는데, 현재까지 코깅토르크를 저감하기 위한 방법들로 사용하고 있는 방법들을 정리해보면, 공극의 길이 증가, 슬롯수와 극수의 증가, 보조슬롯의 사용, 고정자치의 형상 변화, 고정자나 전기자에 스큐(skew), 분수 슬롯 또는 극 사용, 슬롯 개구폭 감소, 자석의 형상 변화, 자극의 착자 변화, 낮은 자속 밀도의 자석 사용, Arc Fraction 등이다.

그런데, 코깅토르크를 저감하기 위한 상기한 방법들은 영구자석전동기와 영구자석발전기의 출력과 효율을 감소시키거나 제조 원가를 증가시키는 주요 요인이 된다.

따라서, 출력과 효율의 감소를 최소화하면서 제조 원가를 증가시키지 않는 코깅토르크 저감 방법 개발이 시급한 과제로 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 극수와 슬롯수의 조합 및 회전자에 삽입된 영구자석간의 이격 거리를 개선하고, 정편파에 최대한 근접한 파형을 낼 수 있도록 하는 권선방법을 사용하여, 코일 단면적과 코일턴수(권선수)를 적절하게 설계함으로써, 출력과 효율은 최대화시키면서도 제조 원가도 증가하지 않게 코깅토르크를 최소화하여 진동과 소음을 획기적으로 감소시키는 영구자석 회전장치를 제공함을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 코깅토르크에 의한 초기 기동토르크를 감소시켜 영구자석전동기의 초기 기동을 쉽게 함으로써 LSPM(Line-Start Permanent Magnet)동기전동기를 구현함에 그 목적이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명인 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치는

샤프트(110)와;

중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;

복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되,

코깅토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯의 개수는 하기의 계산식1에 의해 정해지는 것을 특징으로 하고,

회전자(200)의 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격거리(a)는 상기 스테이터코어부(300)의 치하단폭(b)의 70% ~130%가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하고,

상기 스테이터코어부(300)의 권선은 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 180°로 마주보게 배열하고, 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 각 상간에는 60° 각도 거리로 균일하게 배열하고 코일피치가 5가 되도록 하는 권선인 것을 특징으로 하고,

권선된 코일의 단면적 1㎟당 정격 전류는 6A인 것을 특징으로 하고.

권선의 턴수는 하기의 계산식2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 회전장치.

[계산식1]

P = S/3 - 2 (P : 극수 , S : 30이상의 슬롯수)

[계산식2]

턴수(권선수)=｛정격전압(Vac)×K｝/｛회전각속도(rad/s)×자속밀도(T)｝

/슬롯수(S)/스테이터코어 적층길이(mm)

( 상기에서 K는 상수로써 0.84 ~ 1.56 범위의 값)

본 발명에 따른 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전 장치를 구비한 발전기와 전동기는 기동토르크가 매우 낮기 때문에 적은 힘으로 기동이 가능한 효과를 제공하게 된다. .

따라서 풍력발전기에 본 발명의 발전기를 장착할 경우 기동 풍속을 1m/s이하로 낮출 수 있고, 영구자석전동기에 적용할 경우 고속에서도 코깅토르크와 토르크리플을 최소화할 수 있으며 드라이버나 인버터를 사용하지 않고도 기동 및 운전이 가능한 LSPM동기 모터 구현이 가능하게 된다.

또한, 본 발명이 제안한 극수와 슬롯수의 조합 및 자석 간 이격거리와 치(Teeth)하단폭의 비율에 의해 개발된 영구자석 회전 장치는 영구자석과 슬롯이 스큐없이 일직선으로 배열되어 있기 때문에 발전기 혹은 전동기의 출력과 효율을 감소시키지 않고도 코깅토르크를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 스큐, 치가공 등의 추가 가공이 필요 없기 때문에 제조 원가 상승 없이 코깅토르크를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 공극과 자속밀도에 상관없이 코깅토르크를 최소화할 수 있기 때문에 두꺼운 영구자석을 사용하거나 공극을 최소화할 수 있어 종래의 영구자석 전동기나 발전기에 비해 소형, 경량화가 가능한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치의 치하단폭과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리를 나타낸 예시도이다.
도 3은 종래의 3상 권선 방법을 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치의 권선 방법을 나타낸 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 삼상 권선법에 의해 권선된 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 180도로 마주보는 예를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 코일피치를 나타낸 예시도이다.

이하 본 발명에 대하여 도면 및 구체적인 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치와 이를 이용한 영구자석 발전기 및 영구자석 전동기는,

샤프트(110)와;

중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;

복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되,

코깅토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯의 개수는 하기의 계산식에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.

[계산식]

P = S/3 - 2

상기 계산식에서, P = 극수 , S = 슬롯수)이다.

일반적으로 영구자석발전기와 영구자석전동기는 크게 여섯 가지 요소에 의해 설계되어 지는데 첫 번째가 슬롯과 극수의 조합이고, 두 번째가 자석간의 이격거리, 세 번째가 권선방법, 네 번째가 코일피치, 다섯 번째가 코일의 단면적, 여섯 번째가 코일 턴수이다.

이 여섯 가지 요소 중에서 어느 것 하나라도 잘못 설계가 된다면 코깅토르크, 출력밀도, 효율, 역률, 진동 등에서 현저한 차이를 보이기 때문에 전체적으로 일관성 있는 설계가 매우 중요하다.

본 발명에 의한 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치 및 이를 이용한 영구자석 전동기 및 영구자석 발전기도 기본적으로는 여섯 가지 요소에 의하여 구성되게 되는데, 영구자석 전동기 및 영구자석 발전기의 용량 등에 상관없이 일관성 있는 설계가 가능하다.

먼저 극수(P)와 슬롯수(S)의 조합을 통하여 코깅토르크를 저감하게 하는 방법이다.

지금까지 발표된 종래의 기술들을 보면 극수와 슬롯수의 다양한 조합을 통해 코깅토르크를 저감하게 하는 방법들이 제시되어 있는데 일정한 공식 없이 극수와 슬롯수를 많게 하거나, 극수와 슬롯수의 최소공배수가 클수록 코깅토르크가 저감된다고만 설명하고 있다.

코깅토르크는 극수와 슬롯수가 동일하거나, 영구자석의 중심과 치의 중심이 일치하거나, 슬롯수가 극수의 배수가 되어 슬롯이 영구자석의 중심으로부터 좌우로 대칭으로 위치할 때 가장 최대가 되는데, 이때 영구자석과 슬롯의 인력이 가장 안정적으로 위치하고 있기 때문이다.

따라서, 코깅토르크를 최소하하기 위해서는 영구자석과 슬롯 간 인력의 안정적인 배열을 비안정적인 배열로 바꿔, 치의 중심이 영구자석의 중심으로부터 좌우 대칭의 위치에 놓이지 않게 하면 된다.

극수와 슬롯수의 다양한 조합 중에서 코깅토르크가 가장 낮은 조합은 극수와 슬롯수의 최소공배수가 가장 높은 조합이다.

그런데 극수와 슬롯수의 최소공배수가 가장 높다고 하더라도 대부분의 발전기 혹은 전동기에서 채택하고 있는 3상 권선이 어렵거나 불가능한 경우에는 올바른 조합이라고 할 수 없다.

따라서, 코깅토르크를 최소화하기 위해서는 3상 권선도 가능하면서 동시에 최소공배수가 가장 높은 극수와 슬롯수의 조합이 요구된다고 할 수 있다.

3상 권선이 가능하고 자계 불균형을 최소화하기 위해서는 슬롯 수가 3의 배수가 되어야 하고 짝수이어야 한다.

3의 배수이면서 짝수인 슬롯수를 S라고 할 때 3상 권선도 가능하면서 동시에 최소공배수가 가장 높아 코깅토르크를 최소화할 수 있는 극수 P는 상기 계산식과 같이 S/3 - 2(S는 슬롯 수)가 되는 것이다.

이때, 최소공배수가 큰 조합일 수록 코깅토르크는 더욱 최소화된다.

본 발명의 도 1은 슬롯수가 72개인 회전장치를 예시한 것으로 계산식 P=S/3-2에 의하여 극수는 22개가 되는 것이다. 한편, 극수와 슬롯수의 최소공배수가 높으면서도 3상 권선이 가능한 극수와 슬롯수의 조합 P(S/3 - 2) : S가 만들어졌지만 이 조합만으로는 코깅토르크를 완전히 없앨 수 없다.

즉, 종래에는 영구자석 혹은 고정자 철심 코어를 일정 각도로 비스듬하게 배열하는 스큐(Skew), 자석폭과 자석 피치간의 비율인 Arc Fraction 등의 기법을 사용하여 코깅토르크를 저감하는데, 이런 방법들 역시 출력과 효율은 감소시키고 원가는 상승시키는 요인으로 작용한다.

따라서, 본 발명에서는 출력과 효율은 그대로 유지하면서 원가 상승은 없는 방법으로 코깅토르크를 최소화하기 위하여 슬롯(310)과 슬롯(310) 사이에 있는 치(Teeth)의 하단폭(b)과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)를 이용하여 이 문제를 해결하였다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이,

영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)를 스테이터코어부(300) 치의 하단폭(b)의 70% ~ 130%가 되도록 형성하며, 더욱 바람직하게는 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)와 스테이터코어부(300) 치의 하단폭(b)이 1 :1 이 되도록 형성하는 것이다.

구체적으로 스테이터코어부(300)에는 치(320)가 형성되게 되며, 치의 하단은 도 2와 과 같이 하단폭(b)이 구성되게 된다.

치의 하단폭(b)이 회전자를 구성하는 영구자석과 영구자석의 사이에 위치하게 되면 치하단과 회전자 사이에는 척력이 발생하여 회전자가 일방향으로 스스로 움직이게 된다.

따라서, 코깅토크 최소화는 회전자 위치에 관계없이 척력이 발생하는 구간을 많게 하면 된다.

다시 말하면, 회전자 위치에 관계없이 자석과 자석사이가 치의 하단폭 아래 부분에 위치하는 숫자가 많아야 한다.

본 발명이 제안하는 극수와 슬롯수의 조합에서 치의 하단폭과 자석사이의 이격거리를 동일하게 하면, 척력이 발생하는 구간이 최대화되고, 반대로 코깅토크는 최소화하게 되는 것이다.

이 때 척력이 발생하는 구간은 극수에 비례하게 되는데, 극수가 많으면 척력이 발생하는 구간이 증가하여, 코깅토르크를 최소화하는 효과가 커지며, 되고, 극수가 작으면 척력이 발생하는 구간이 감소하여, 코깅토르크를 최소화하는 효과가 미미하게 된다.

따라서, 계산식 P = S/3 ― 2에서 코깅토르크를 최소화하기 위해서는 S를 30이상으로 하는 것이 바람직하나, 발전기 혹은 전동기의 크기, 출력 등에 따라서 S를 30미만으로 설계해도 코깅토르크를 최소화하는 효과는 발생한다.

한편, 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)와 치하단폭(b)은 1 :1 로 구성하는 것이 가장 이상적이나 설계상 여의치 않을 경우는 영구자석간의 이격거리(a)를 치하단폭(b)의 70% ~ 130% 범위 내에서 형성하는 것이 바람직하다.

영구자석간의 이격거리(a)가 치하단폭(b)의 70% ~ 130% 범위를 벗어나게 되면 코깅토르크 저감 효과가 현저히 떨어지게 된다.

예를 들어, 치하단폭(b)이 10mm일 경우에 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)는 7mm ~ 13mm 범위 내에서 설정해야 하는데, 이 범위을 벗어나게 되면 코깅토르크 저감 효과가 떨어지게 되는 것이다.

한편, 모터와 발전기는 회전자와 스테이터코어가 적절하게 설계되었다고 해도 권선이 올바르지 않으면 기동 및 운전이 불가능하거나, 출력과 효율이 현저하게 감소하게 된다.

지금까지 살펴본 극수와 슬롯의 조합, 자석사이의 이격거리 등은 발전기와 전동기에서 구조를 결정하는 하드웨어적 개념이다.

반면에 발전기와 전동기를 설계함에 있어 권선방법, 코일 피치, 코일 단면적 및 코일 턴수(권선수)는 소프크웨어적 개념으로 출력밀도와 효율, 역률, 진동 등을 결정하는데 매우 중요하다.

특히, 위상각 120°를 구현하는 슬롯과 극수의 조합이 아닌 변형된 슬롯과 극수의 조합일 경우는 권선 방법이 매우 중요하다.

권선은 동일한 슬롯과 극수의 조합일지라도 모터와 발전기 제조사마다 조금씩 차이를 보이고 있는데, 이것은 권선방법에 일정한 규칙이 정해져있는 것이 아니고 대부분 경험적인 노하우에 의해서 권선이 이루어지기 때문이다.

일반적으로 영구자석발전기 혹은 영구자석전동기는 특수한 경우를 제외하면 3상 권선을 기본으로 한다.

도3은 종래의 3상권선법을 나타낸 것으로 36슬롯 12극의 권선방법을 예시한 것이다.

종래의 3상 권선은 각 상의 위상각이 120°로 일정하기 때문에 자계가 평형상태를 이루고 대칭이 이루어져 출력과 효율이 최고가 되고 진동과 소음이 최소화된다.

각 상의 위상각이 120°로 일정하기 위해서는 정확하게 극수가 슬롯수의 1/3이 되는 것이 이상적이다.

따라서, 슬롯이 36이면 12개의 극수로 권선하며, 슬롯이 48이면 16개의 극수로 권선하며, 슬롯이 72이면 24개의 극수로 권선한다.

또한, 3상 권선은 슬롯 개수의 1/3에 해당하는 극수가 위상각 120도의 기본 삼상 권선을 위한 극수이지만, 이 기본 극수를 2 혹은 3으로 나누어 짝수가 나오면 그 극수 역시 3상 권선이 가능하다.

예를 들어, 슬롯이 24개이면 위상각 120도를 갖는 삼상 권선이 가능한 기본 극수는 슬롯의 1/3인 8극이 되고, 기본 극수인 8극을 2로 나누면 4극이 되고, 4극을 2로 나누면 2극이 되므로 24슬롯에서 삼상 권선이 가능한 극수는 8극, 4극, 2극이 된다. 이 때, 4극의 위상각은 60도가 되고, 2극의 위상각은 30도가 되어 동일한 주파수에서 RPM이 각각 2배, 4배 증가하게 된다.

동일한 원리로 36슬롯을 계산하면 삼상 권선이 가능한 극수는 12극, 6극, 2극이 된다.

대부분의 유도전동기는 12슬롯, 24슬롯, 36슬롯, 48슬롯 등을 사용하기 때문에 삼상 권선이 가능한 극수는 2극, 4극, 6극, 8극 등으로 이루어져 있다.

도3에 도시된 바와 같이, 36슬롯일 경우에 권선을 해보면, 3상 권선을 위해서는 12극이 필요하므로 도3과 같이, 피치가 4일 경우에 1상의 1코일, 2상의 1코일, 3상의 1코일을 1조로 하여 1슬롯에 1상의 1코일을 시작으로 4슬롯까지 권선하게 되며, 2슬롯에 2상의 1코일을 시작으로 5슬롯까지 권선하게 되며, 3슬롯에 3상의 1코일을 시작으로 6슬롯까지 권선하는 식으로 12조까지 권선하면 위상각 120도를 갖는 삼상 권선이 완결되는 것이다.

이러한 삼상 권선법은 일반적으로 알려진 기술이므로 상기한 정도의 설명으로도 충분히 이해할 수 있을 것이다.

그런데 본 발명에서 제시하고 있는 코깅토크를 최소화하는 극수와 슬롯수의 여러 가지 조합들을 위한 권선에 있어 종래의 3상 권선법을 그대로 적용하여 권선하게 되면 극수가 틀리기 때문에 120°위상각을 만들어 낼 수 없다.

따라서 자계 불균형에 의해 발전기 및 전동기의 기동 및 운전이 불가능하거나 출력과 효율이 급격히 감소하고 소음과 진동이 증가하게 된다.

따라서, 본 발명에서 설명하고 있는 극수와 슬롯수의 조합에 알맞은 권선법이 필요한데, 위상각을 120°에 가깝게 구현하면서 출력과 효율, 진동과 소음이 종래의 3상 권선법과 동일한 수준으로 유지하는 것이 본원 발명의 권선법의 핵심이다.

본 발명의 코깅토크를 최소화하는 극수와 슬롯수의 조합에 알맞는 권선법은 기본적으로 코일피치가 자극피치보다 큰 장절권이며, 코일이 2개 이상의 슬롯에 감기는 분포권이며, 코일 갯수가 슬롯 수와 동일한 이층권이다.

도4와 도5는 본 발명의 권선법을 도시하고 있는 예시도이다.

구체적으로 도 4를 참조하여 설명한다.

코일 피치가 5일 경우에 1조는 1상의 1코일을 1슬롯부터 시작하여 5슬롯까지 권선하며, 1상의 2코일을 2슬롯부터 시작하여 6슬롯까지 권선하며, 2상의 1코일을 3슬롯부터 시작하여 7슬롯까지 권선하며, 3상의 1코일을 4슬롯부터 시작하여 8슬롯까지 권선하여 1조 권선을 마무리한다.

이후, 2조는 1상의 3코일을 5슬롯부터 시작하여 9슬롯까지 권선하며, 2상의 2코일을 6슬롯부터 시작하여 10슬롯까지 권선하며, 3상의 2코일을 7슬롯부터 시작하여 11슬롯까지 권선하며, 3상의 3코일을 8슬롯부터 시작하여 12슬롯까지 권선하여 2조 권선을 마무리하는 것이다. 3조는 1상의 4코일을 9슬롯부터 시작하여 13슬롯까지 권선하며, 2상의 3코일을 10슬롯부터 시작하여 14슬롯까지 권선하며, 3상의 4코일을 11슬롯부터 시작하여 15슬롯까지 권선하여 3조의 권선을 마무리한다. 4조는 1상의 5코일을 12슬롯부터 시작하여 16슬롯까지 권선하며, 2상의 4코일을 13슬롯부터 시작하여 17슬롯까지 권선하며, 2상의 5코일을 14슬롯부터 시작하여 18슬롯까지 권선하며, 3상의 5코일을 15슬롯부터 시작하여 19슬롯까지 권선하여 4조의 권선을 마무리한다. 5조는 1상의 6코일을 16슬롯부터 시작하여 20슬롯까지 권선하며, 2상의 6코일을 17슬롯부터 시작하여 21슬롯까지 권선하며, 3상의 6코일을 18슬롯부터 시작하여 22슬롯까지 권선하여 5조의 권선을 마무리한다.

이렇게 순차적으로 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분의 간격을 동일하게 권선하게 되면, 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 각도는 60도를 이루게 되고 동일한 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹은 반드시 180도로 대칭이 이루어진다. 이 때 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹의 권선 순서는 1상, 3상, 2상의 순서로 일정한 간격을 두고 배치되게 되는 것이다.

이때, 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹 수는 6개로 항상 일정하고, 그 순서는 슬롯과 극수의 조합에 따라서 달라지게 된다. 예들 들면 슬롯대 극수가 36 : 10의 조합에서는 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹의 수는 6개조가 되고, 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 순서는 1상, 3상, 2상의 순서가 되며, 극수가 48 : 14의 조합에서는 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹의 수는 6개조이지만, 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 순서는 1상, 2상, 3상의 순서가 되는데, 이것은 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹을 60° 각도로 유지하기 위해서이다. 결국, 상기한 권선 방법을 이용하여 권선함으로써, 본 발명의 권선 방법은 완성되는 것이다.

도 5을 설명하면, 0도와 마주보는 180도에 각각 1상에서 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분을 배치시키게 되며, 60도와 마주보는 240도에 각각 3상에서 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분을 배치시키게 되며, 120도에 마주보는 300도에 각각 2상에서 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분을 배치시키게 되는 것이다. 그리고, 각 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분을 배치시키는 조는 도 5와 같이, 1상, 3상, 2상의 순서로 배열되게 되는 것이다.

여기서, 슬롯수 대 극수가 36 : 10의 조합을 갖는 영구자석전동기의 권선 방법을 다시 한번 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 삼상 권선을 이용하되, 1상 ~ 3상을 한 그룹으로 하여 10개조를 이루는 것을 특징으로 하며, 1조는 1상의 1~2코일, 2상의 1코일, 3상의 1코일을 순서대로 권선하며, 2조는 1상의 3코일, 2상의 2코일, 3상의 2~3코일을 순서대로 권선하며, 3조는 1상의 4코일, 2상의 3코일, 3상의 4코일을 순서대로 권선하며, 4조는 1상의 5코일, 2상의 4~5코일, 3상의 5코일을 순서대로 권선하며, 5조는 1상의 6코일, 2상의 6코일, 3상의 6코일을 순서대로 권선하며, 6조는 1상의 7~8코일, 2상의 7코일, 3상의 7코일을 순서대로 권선하며, 7조는 1상의 9코일, 2상의 8코일, 3상의 8~9코일을 순서대로 권선하며, 8조는 1상의 10코일, 2상의 9코일, 3상의 10코일을 순서대로 권선하며, 9조는 1상의 11코일, 2상의 10~11코일, 3상의 11코일을 순서대로 권선하며, 10조는 1상의 12코일, 2상의 12코일, 3상의 12코일을 순서대로 권선하는 것을 특징으로 한다.

이와같이, 본 발명의 코깅토르크를 최소화하는 회전 장치 및 이를 이용한 영구자석 발전기 및 영구자석 전동기의 권선법은 각 상의 위상각이 비슷하게 유지되고 자계의 불평형이 최소화될 수 있도록 일정한 간격을 두고 극수의 감소로 인해 남아있는 여분의 코일을 적절하게 배열해 주는 것이 바람직하다.

종래의 3상 권선은 각 상마다 S(슬롯)/3개의 코일 갯수가 있다.

즉, 1상의 코일 갯수가 S/3개, 2상의 코일갯수가 S/3개, 3상의 코일 개수는 S/3개로, 1상, 2상, 3상의 코일갯수를 모두 합하면 슬롯(S)수가 되어 1상, 2상, 3상 순서대로 권선하게 되면 슬롯에 고르게 권선된다.

그런데 본 발명이 제안하는 계산식에 의해 다양하게 도출된 극수는 종래의 3상 권선이 가능한 극수보다 항상 2극이 작다. 따라서 종래의 3상 권선 방법으로 권선을 하게 되면 회전자의 극수는 S/3-2인데, 스테이터코어의 권선 극수는 S/3이 되어 자계 불균형으로 모터 및 발전기의 기동 및 운전이 불가능하거나 출력과 효율이 떨어지는 원인이 되는 것이다.

따라서 스테이터 코어의 극수를 S/3-2로 만들어야 하는데, 극수를 S/3-2로 만들기 위해서 각 상의 코일 개수를 S/3-2으로 만들 수는 없다.

만약 각 상의 코일 개수를 S/3-2으로 하게 되면 전체 코일뭉치 갯수가 (S/3-2)*3이 되어 스테이터코어 슬롯 갯수보다 항상 여섯 개가 모자라게 되어 코일이 불균형적으로 권선되기 때문이다.

본 발명의 코깅토르크를 최소화하는 슬롯수와 극수 조합비인 S : P(=S/3-2)에서의 권선 역시 각 상의 코일 갯수는 S(슬롯)/3이다.

각 상의 코일 개수 S/3을 S/3-2극수로 권선하기 위해서는 동일한 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹을 적절한 각도로 분배해야 하는데 도5에 도시된 바와 같이 가장 이상적인 각도가 180°로 마주보게 배치하는 것이다.

즉, 1상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹을 180°로 마주보게 각각 배치하고

2상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹을 180°로 마주보게 각각 배치하고

3상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹을 180°로 마주보게 각각 배치하고

이 때 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹의 각도는 60°를 유지하면 되는데

순서는 1상-2상-3상이 되거나, 1상-3상-2상이 될 수도 있다.

도 4는 상기에서 설명한 본 발명의 권선법 예시도이고, 도5는 동일한 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹을 180도 마주보게 배치하고 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 배치되는 그룹의 각도가 60°로 배열되어 있는 예시도이다.

도4에서는 슬롯수와 극수의 조합 72 : 14에 적용된 권선 예시를 나타낸 것으로, 상기 설명 중 1, 2극에 대한 권선법인 1극 : 1상, 1상, 2상, 3상 과 2극 : 1상, 2상, 3상만을 도시하였고 3~14극에 대한 권선법은 도시하지 않았다.

본 발명에 의한 슬롯, 극수의 조합에서는 이와 같은 원리의 권선 방법이 동일하게 적용된다.

상기와 같은 권선법에 의해 출력과 효율을 최대화하고 자계의 균형을 이루어 진동을 최소화할 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 코깅토르크를 최소화하는 장치는 슬롯수 및 극수의 조합에 관계없이 코일 피치가 5일 때 코깅토르크가 가장 최소가 된다.

도6은 코일피치가 5인 권선 예시도이다.

코일 피치는 코일을 권선함에 있어서 권선과 다음 권선사이의 거리를 일컫는 말로 일반적으로 슬롯의 개수로 나타낸다.

코일 피치 역시 일정한 법칙이 있는 것이 아니고, 슬롯수와 극수, 스테이터 코어의 내경 등에 의해 조금씩 다르게 설계된다.

본 발명에서 제안하는 계산식에 의해 도출된 극수 및 슬롯수의 조합에서도 슬롯수와 극수, 스테이터 코어의 내경을 고려하여 다양한 코일피치를 설계할 수는 있다.

그러나, 본 발명에서 제안하는 계산식에 의해 도출된 극수 및 슬롯수의 조합에서는 슬롯수와 극수, 스테이터코어의 내경에 관계없이 코일 피치를 항상 5로 설계할 때 출력과 효율을 극대화할 수 있다.

따라서 본 발명에서 제안하는 극수와 슬롯수의 계산식 P =S/3-2에 의해 도출된 극수 및 슬롯의 조합과 코일 피치 5는 일정한 규칙성이 있다고 볼 수 있다.

발전기와 전동기를 설계함에 있어 코일의 단면적 및 코일 턴수(권선수) 역시 전동기 및 발전기의 성능을 결정하는데 매우 중요한 요소이다. .

최근에는 발전기와 전동기 설계프로그램들이 다양하게 출시되어 있어, 여러 파라미터들만 입력하면 코일의 단면적과 코일 턴수를 간단하게 구할 수 있다.

종래의 설계 프로그램들은 이전까지 알려져 있던 파라미터들을 고려하여 설계한 프로그램이기 때문에, 척력을 발생시키는 구조를 갖는 본 발명에서 제안하는 영구자석발전기와 영구자석전동기 설계프로그램으로는 적절치 않다.

본 발명에서 제안하는 회전 장치 및 이를 이용한 영구자석 전동기 및 영구자석 발전기에서 코일의 단면적과 코일턴수를 다양하게 실험해본 결과 출력 및 효율에서 큰 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있었다.

따라서 본 발명이 제안하는 회전 장치 및 이를 이용한 영구자석 전동기 및 영구자석 발전기에는 다음과 같은 방법으로 코일의 단면적과 코일 턴수를 결정하는 것이 바람직하다.

코일의 단면적은 전류의 크기를 결정하는 파라미터인데, 일반적으로 ㎟ 단위로 표시하고, 1㎟당 전류량을 설계한다.

본 발명에서는 1㎟당 정격 전류량을 6A로 설계할 때 출력과 효율이 가장 높다.

즉, 영구자석발전기 혹은 영구자석전동기에서 정격전류가 6A이면, 1상, 2상, 3상의 코일 단면적을 1㎟로 설계하면 되는 것이다.

이 때 코일 턴수(권선수)는 다음의 계산 공식에 의해 결정된다.

턴수(권선수)=｛정격전압(Vac)×K｝/｛회전각속도(rad/s)×자속밀도(T)｝

/슬롯수(S)/스테이터코어 적층길이(mm)

여기서, K는 상수, ｛정격전압(Vac)×상수｝/｛회전각속도(rad/s)×자속밀도(T)｝는 코일 길이를 나타내는데, 상수K를 제외한 모든 파라미터들은 발전기 혹은 전동기를 설계하는데 있어 기본적으로 제공되는 것이라 특별한 노하우가 필요한 것은 아니다.

다만, 상수K에 해당하는 부분이 발전기나 전동기 제조사들이 보유하고 있는 고유 설계 파라미터에 해당한다.

상수 K값은 무부하 전압과 정격부하 시 전압을 결정하는 중요한 요소가 된다. 일반적으로 모든 발전기들은 부하를 인가하게 되면 전압 강하가 발생하는데, 기본적으로 전압강하가 작은 발전기일 수록 효율이 높다.

따라서 전압강하를 최소화하기 위한 여러 가지 연구들이 진행되고 있는데, 본 발명에서는 코일 단면적 1㎟당 6A를 기준으로 상수 K값을 1.2로 설계할 때 출력과 효율을 최대화할 수 있다.

여기서, 상수 K가 1.2에서 아래위로 멀어질 수록 출력과 효율은 점점 감소하기 때문에 가능하면 상수를 1.2로 정하여 설계하는 것이 유리하나 상수 K를 1.2의 70% ~ 130%의 값 범위인 0.84 ~ 1.56 내에서 사용해도 무방하다.

또한, 본 발명의 영구자석(210)의 두께는 1mm ~ 50 mm 범위 이내에서 선정할 수 있다.

즉, 영구자석이 두꺼울수록 자속밀도가 높기 때문에 출력과 효율이 높아지지만, 종래에는 영구자석이 두꺼워지면 코깅토르크가 증가하므로 두께에 대한 한계가 있었다.

그러나, 본 발명의 경우에는 극수와 슬롯의 최소공배수 조합과, 치(320)의 하단폭(b)과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)로 코깅토르크를 최소화하기 때문에 일정 부분에서 회전자와 스테이터코어부(300) 사이에 척력이 발생하기 때문에, 영구자석의 두께와 에어갭에 상관없이 코깅토르크는 최소화된다.

따라서, 적절한 두께를 갖는 영구자석 회전자를 먼저 설계하고, 회전자의 자속밀도에 알맞은 스테이터코어부를 설계하게 되면 발전기와 전동기의 소형, 경량화를 극대화시킬 수 있다.

또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 회전자(200)의 영구자석과 스테이터코어부(300)의 치의 하단폭(b) 간의 에어갭(c)은 0.1mm ~ 2mm 범위 이내에서 설정하여야 하며, 상기 범위를 벗어나게 되면 출력과 효율이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.

상기와 같이 회전 장치를 구성하게 되면 동일한 용량의 종래 발전기 혹은 전동기보다 크기와 무게를 대폭 감소할 수 있는 효과가 발생하게 된다.

영구자석을 회전자에 고정시키는 방법으로는 표면부착형(SPM)과 매입형(IPM)이 있는데 코깅토르크를 최소화하는 방법은 표면부착형이든, 매입형이든 본 발명에서 제시하는 방법과 동일하다.

본 발명에서 제안하는 코깅토르크를 최소화하는 회전 장치와, 본 발명에서 제안하는 피치, 권선법, 권선 사양 등을 동시에 만족시키는 영구자석 전동기 및 영구자석 발전기를 제작하게 되면 출력 밀도가 높아지고, 효율이 증가하며, 진동과 소음이 감소하는 효과를 가져올 뿐만 아니라, 종래의 영구자석 동기 전동기에서는 구현이 불가능한 새로운 현상이 발생한다.

그 중 가장 대표적인 현상이 영구자석 동기 전동기에서는 불가능하다고 알려져 있는 직입기동(Line-Start)이 본 발명에서 제안하는 영구자석 동기전동기에서는 가능해진다.

직입기동 전동기는 상용전원으로 기동 및 운전이 가능한 전동기를 말하는데, 대표적인 전동기가 유도전동기이다.

반면에 영구자석 동기전동기는 직입기동이 불가능하기 때문에 기동 및 운전을 위해서는 드라이버 혹은 센서리스 벡터제어 인버터 등을 사용하여야 한다.

그런데, 본 발명에서 제안하는 코깅토르크를 최소화하는 회전 장치 및 피치, 권선법, 권선 사양 등을 동시에 만족시키는 영구자석 전동기는 드라이버 혹은 센서리스 벡터제어 인버터 등을 사용하지 않고도 유도 전동기 처럼 상용전원만으로 기동 및 운전이 가능하다.

이것은 본 발명에서 제안하는 여러 가지 요소들에 의해 회전자와 스테이터 코어 사이에 척력이 발생하고, 이 척력이 스테이터 코어에서 발생하는 회전자계만으로도 회전자의 기동을 가능하게 하기 때문이다.

유도 전동기가 출력밀도 및 효율, 역률 등이 영구자석동기전동기보다 낮지만 널리 사용되는 이유는 상대적으로 저렴한 가격과 직입기동 때문이다.

반면에, 영구자석동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor)는 출력밀도 및 효율, 역률 등은 높지만 널리 사용되지 못하는 이유는 상대적으로 비싼 가격 때문이데, 가격이 비싼 이유 중 가장 큰 요소가 직입기동이 불가능하기 때문에 기동 및 운전에 필요한 장치를 추가로 구매해야 하기 때문이다.

따라서, 직입기동이 가능하면서도 영구자석동기전동기의 출력밀도와 효율, 역률이 가능한 전동기를 개발하는 것은 매우 의미가 크다고 할 수 있다.

최근, 직입기동이 가능한 영구자석동기전동기(LSPMSM)를 개발하기 위한 선행 연구들이 활발히 진행되고 있는데, 대표적인 기술이 유도기동형 영구자석동기전동기이다.

유도기동형 영구자석동기전동기는 직입기동이 불가능한 영구자석동기전동기에 유도전동기의 기동 기술을 접목한 것으로, 기동은 유도전동기 방식으로 하고, 운전은 영구자석동기전동기 방식으로 하는 전동기이다.

그런데, 구조가 복잡하고 회전자에 삽입된 유도기동을 위한 장치(알루미늄 바(Bar) 혹은 동 바(Bar)) 들이 영구자석의 자기장을 방해하는 등의 문제점들이 발생하여 대중화되지 못하고 있는 실정이다.

그러나, 본 발명에서 제안하는 코깅토르크를 최소화하는 회전 장치와, 본 발명에서 제안하는 피치, 권선법, 권선 사양 등을 동시에 만족시키는 영구자석 전동기는, 영구자석동기전동기와 동일한 구조에서 유도전동기의 직입기동 장점과 영구자석동기전동기의 고출력밀도, 고효율, 고역률의 장점을 동시에 구현할 수 있다,

따라서, 본 발명에서 제안하는 영구자석전동기는 유도전동기 분야와 영구자석동기전동기 분야에서 폭넓게 활용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 발명의 상세한 설명, 사용예 및 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

110 : 샤프트
200 : 회전자
210 : 영구자석
300 : 스테이터코어부
310 : 슬롯
320 : 치
a : 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리
b : 슬롯 하단 치폭
c : 회전자와 슬롯 사이의 에어갭

Claims (5)

1. 영구자석 회전장치에 있어서,
   샤프트(110)와;
   중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;
   복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되,
   코깅토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯의 개수는 하기의 계산식1에 의해 정해지는 것을 특징으로 하고,
   회전자(200)의 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격거리(a)는 상기 스테이터코어부(300)의 치하단폭(b)의 70% ~130%가 되도록 형성하는 것을 특징으로 하고,
   상기 스테이터코어부(300)의 권선은 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 180°로 마주보게 배열하고, 각 상의 코일 중 코일 두 개가 연이어 권선되는 부분이 각 상간에는 60° 각도 거리로 균일하게 배열하고 코일피치가 5가 되도록 하는 권선인 것을 특징으로 하고,
   권선된 코일의 단면적 1㎟당 정격 전류는 6A인 것을 특징으로 하고.
   권선의 턴수는 하기 계산식2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 회전장치.
   [계산식1]
   P = S/3 - 2 (P : 극수 , S : 슬롯수)
   [계산식2]
   턴수(권선수)=｛정격전압(Vac)×K｝/｛회전각속도(rad/s)×자속밀도(T)｝
   /슬롯수(S)/스테이터코어 적층길이(mm)
   ( 상기에서 K는 상수로써 0.84 ~ 1.56 범위의 값)
2. 제 1항에 있어서,
   상기 회전자(200)의 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격거리(a)와 스테이터코어부(300) 치하단폭(b)의 비가 1:1이 되도록 형성하는 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치.
3. 제1항에 있어서
   상수 K의 값이 1.2인 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전 장치
4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 영구자석 회전장치를 구비한 영구자석발전기.
5. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항의 영구자석 회전장치를 구비한 영구자석전동기.
   

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