KR102143723B1 - Mode Controllable Motor - Google Patents

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KR102143723B1
KR102143723B1 KR1020190096962A KR20190096962A KR102143723B1 KR 102143723 B1 KR102143723 B1 KR 102143723B1 KR 1020190096962 A KR1020190096962 A KR 1020190096962A KR 20190096962 A KR20190096962 A KR 20190096962A KR 102143723 B1 KR102143723 B1 KR 102143723B1
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stator
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winding
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권병일
노만발로치
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한양대학교 에리카산학협력단
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Abstract

According to an embodiment of the present invention, provided is a mode variable motor which is easy to control. The mode variable motor comprises: a stator including stator teeth arranged in a circumferential direction, and a stator winding provided in the stator teeth; and a rotor including rotor teeth arranged in a circumferential direction and a rotor winding provided on the rotor teeth and composed of a first rotor winding and a second rotor winding. The rotor rotates with respect to the stator in a low speed mode or a high speed mode, wherein the rotor and the stator conform to the relational expression (1): Zr = Zs ± P, in the case of the low speed mode, and the rotor and the stator and the stator conform to the relational expression (2): Zr = P, in the case of the high speed mode (in the relational expressions 1 and 2, Zr is the number of poles of the rotor, Zs is the number of teeth of the stator, and P is the number of poles of the stator).

Description

모드 가변 전동기{Mode Controllable Motor}Mode Controllable Motor

본 발명은 모드 가변 전동기에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 극을 가변시키되, 권선에 인가되는 전류의 흐름을 통하여 극을 가변시키는 모드 가변 전동기에 관련된 것이다.The present invention relates to a mode-variable motor, and more specifically, to a mode-variable motor that changes the pole, but changes the pole through the flow of current applied to the winding.

동기전동기 (synchronous motor, SM)은 고정자의 회전하는 자기필드에 동기하여 회전자가 일정한 속도로 회전할 수 있는 전동기를 말할 수 있다. Synchronous motor (SM) refers to a motor in which the rotor can rotate at a constant speed in synchronization with the rotating magnetic field of the stator.

이러한 동기전동기에는 영구자석 동기전동기(Permanent magnet synchronous motor, PMSM)와 계자권선형 동기전동기(wound rotor synchronous motor, WRSM)가 있다.Such synchronous motors include a permanent magnet synchronous motor (PMSM) and a wound rotor synchronous motor (WRSM).

이 중 영구자석 동기전동기는 회전자 자계(flux)를 발생시키기 위하여 영구자석을 이용할 수 있다. 높은 효율과 높은 토크 밀도의 우수한 성능을 이유로 다양한 산업 및 가정용 응용 프로그램에 널리 사용되고 있다. Among them, a permanent magnet synchronous motor can use a permanent magnet to generate a rotor magnetic field (flux). Due to its high efficiency and high torque density, it is widely used in a variety of industrial and domestic applications.

그러나, 이러한 동기전동기는 저속 즉, 낮은 rpm에서 효율이 낮다는 문제점이 있다. 이에 본 발명자들은 고속에서의 동기전동기의 우수한 특성을 보유하면서도 저속에서 고 효율을 가지되, 간이한 구성으로 구현 가능한 전동기 및 전동기의 구동방법 개발의 필요성을 인식하게 되었다.However, such a synchronous motor has a problem of low efficiency at a low speed, that is, a low rpm. Accordingly, the present inventors have recognized the necessity of developing a motor and a driving method for a motor that can be implemented with a simple configuration, while maintaining excellent characteristics of a synchronous motor at high speed and having high efficiency at low speed.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는, 극 수를 가변시킴에 있어서, 권선에 흐르는 전류의 방향을 제어함으로써, 극 수를 가변시키는, 모드 가변 전동기를 제공하는 데 있다.One technical problem to be solved by the present invention is to provide a mode variable motor in which the number of poles is varied by controlling the direction of the current flowing through the winding, thereby varying the number of poles.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 제어가 용이한 모드 가변 전동기를 제공하는 데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a mode variable electric motor that is easy to control.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 인버터의 한계 전압을 고려하여 모드를 가변시키는 모드 가변 전동기를 제공하는 데 있다. Another technical problem to be solved by the present invention is to provide a mode variable motor that changes the mode in consideration of the limit voltage of the inverter.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.The technical problem to be solved by the present invention is not limited to the above.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기는, 원주 방향으로 배열된 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련된 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및 원주 방향으로 배열된 회전자 치 및 상기 회전자 치에 마련되고, 제1 회전자 권선과 제2 회전자 권선으로 이루어진 회전자 권선을 포함하는 회전자;를 포함하며, 상기 회전자는 상기 고정자에 대하여, 저속 모드 또는 고속 모드로 회전하며, 상기 저속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (1)에 부합하고, 상기 고속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (2)에 부합할 수 있다.A mode variable motor according to an embodiment of the present invention includes a stator including a stator tooth arranged in a circumferential direction and a stator winding provided on the stator tooth; And a rotor tooth arranged in a circumferential direction and a rotor winding provided on the rotor tooth and comprising a first rotor winding and a second rotor winding, wherein the rotor is attached to the stator. On the other hand, rotating in a low speed mode or a high speed mode, in the case of the low speed mode, the rotor and the stator conform to the relational equation (1), and in the case of the high speed mode, the rotor and the stator correspond to the relational expression (2) Can match.

관계식 (1) : Zr=Zs±PRelational Formula (1): Zr=Zs±P

관계식 (2) : Zr=PRelationship (2): Zr=P

(Zr는 회전자의 극 쌍수, Zs는 고정자의 치 수, P는 고정자의 극 쌍수)(Zr is the number of poles of the rotor, Zs is the number of poles of the stator, P is the number of poles of the stator)

일 실시 예에 따르면, 상기 회전자 치는, 상기 제1 회전자 권선과 상기 제2 회전자 권선이 교번하여 배치되는 교번 영역들과 상기 제1 및 제2 회전자 권선 중 어느 하나의 회전자 권선이 인접하여 배치되는 고정 영역들을 가질 수 있다.According to an embodiment, the rotor tooth includes alternating regions in which the first and second rotor windings are alternately arranged, and any one of the first and second rotor windings It may have fixed areas disposed adjacent to each other.

일 실시 예에 따르면, 상기 저속 모드의 경우, 상기 고정 영역들 사이에서 복수 개의 회전자의 극 쌍수가 제공되고, 상기 고속 모드의 경우, 상기 고정 영역들 사이에서 단일 개의 회전자의 극 쌍수가 제공될 수 있다.According to an embodiment, in the low-speed mode, a pair of poles of a plurality of rotors are provided between the fixed regions, and in the high-speed mode, a pair of poles of a single rotor are provided between the fixed regions. Can be.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 회전자 권선과 상기 제2 회전자 권선에 전류를 공급하는 전류 컨버터를 더 포함하며, 상기 전류 컨버터는, 상기 제1 회전자 권선에 공급되는 전류의 방향을 전환하는, 적어도 하나의 스위치들을 포함할 수 있다.According to one embodiment, further comprising a current converter for supplying current to the first rotor winding and the second rotor winding, the current converter, the direction of the current supplied to the first rotor winding It may include at least one switch.

일 실시 예에 따르면, 상기 전류 컨버터는, 상기 제1 회전자 권선의 일 단에 전기적으로 연결되는 제1 스위치, 상기 제1 회전자 권선의 일 단에 전기적으로 연결되되, 상기 제1 스위치와 직렬로 연결되는 제2 스위치, 상기 제1 회전자 권선의 타 단에 전기적으로 연결되는 제3 스위치, 상기 제1 회전자 권선의 타 단에 전기적으로 연결되되, 상기 제3 스위치와 직렬로 연결되는 제4 스위치, 상기 제2 회전자 권선의 일 단에 연결되는 제5 스위치, 및 상기 제2 회전자 권선의 타 단에 연결되는 제6 스위치를 포함하며, 상기 저속 모드에서는, 상기 제2, 제3, 제5, 제6 스위치가 온 상태로 제어되고, 상기 고속 모드에서는, 상기 제1, 제4, 제5, 제6 스위치가 온 상태로 제어될 수 있다.According to an embodiment, the current converter is a first switch electrically connected to one end of the first rotor winding, and electrically connected to one end of the first rotor winding, in series with the first switch. A second switch connected to, a third switch electrically connected to the other end of the first rotor winding, and a second switch electrically connected to the other end of the first rotor winding, and connected in series with the third switch. 4 switches, a fifth switch connected to one end of the second rotor winding, and a sixth switch connected to the other end of the second rotor winding, and in the low speed mode, the second and third , The fifth and sixth switches are controlled to be on, and in the high-speed mode, the first, fourth, fifth, and sixth switches may be controlled to be on.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 내지 제6 스위치에 각각 병렬로 연결되는 제1 내지 제6 환류 다이오드(free wheeling diode)를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment, it may further include first to sixth free wheeling diodes connected in parallel to the first to sixth switches, respectively.

일 실시 예에 따르면, 상기 저속 모드와 상기 고속 모드 간의 모드 변경은, 상기 전류 컨버터로 전류를 공급하는 인버터의 한계 전압을 고려하여 제어될 수 있다.According to an embodiment, a mode change between the low speed mode and the high speed mode may be controlled in consideration of a limit voltage of an inverter that supplies current to the current converter.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기는, 원주 방향으로 배열된 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련된 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및 원주 방향으로 배열된 회전자 치 및 상기 회전자 치에 마련되고, 제1 회전자 권선과 제2 회전자 권선으로 이루어진 회전자 권선을 포함하는 회전자;를 포함하며, 상기 회전자는 상기 고정자에 대하여, 저속 모드 또는 고속 모드로 회전하며, 상기 저속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (1)에 부합하고, 상기 고속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (2)에 부합할 수 있다.A mode variable motor according to an embodiment of the present invention includes a stator including a stator tooth arranged in a circumferential direction and a stator winding provided on the stator tooth; And a rotor tooth arranged in a circumferential direction and a rotor winding provided on the rotor tooth and comprising a first rotor winding and a second rotor winding, wherein the rotor is attached to the stator. On the other hand, rotating in a low speed mode or a high speed mode, in the case of the low speed mode, the rotor and the stator conform to the relational equation (1), and in the case of the high speed mode, the rotor and the stator correspond to the relational expression (2) Can match.

관계식 (1) : Zr=Zs±PRelational Formula (1): Zr=Zs±P

관계식 (2) : Zr=PRelationship (2): Zr=P

(Zr는 회전자의 극 쌍수, Zs는 고정자의 치 수, P는 고정자의 극 쌍수)(Zr is the number of poles of the rotor, Zs is the number of poles of the stator, P is the number of poles of the stator)

이에 따라, 저속에서는 높은 토크를 제공하는 버니어 모드로 동작하고, 고속에서는 효율이 우수한 동기 모드로 동작할 수 있다.Accordingly, it is possible to operate in a vernier mode that provides high torque at a low speed and a synchronous mode with excellent efficiency at a high speed.

또한, 회전자의 극 쌍 수가, 회전자 권선에 공급되는 전류의 방향 제어만으로도 가능케 되므로, 제어가 용이해 질 수 있다. In addition, since the number of pole pairs of the rotor can be controlled only by controlling the direction of the current supplied to the rotor winding, control can be facilitated.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 저속 모드 및 고속 모드 시 각각의 극의 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변을 위한 회로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어갭 플럭스 밀도 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 각 모드에서의 토크 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스큐 각(skew angle)을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 일 실시 예의 스큐 각이 토크와 토크 리플에 미치는 영향을 보여주는 시뮬레이션 결과를 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 변환 전압을 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a mode variable electric motor according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining the direction of each pole in a low speed mode and a high speed mode according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a circuit for mode variable according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 show results of air gap flux density simulation according to an embodiment of the present invention.
6 shows torque simulation results in each mode according to an embodiment of the present invention.
7 is a view for explaining a skew angle according to an embodiment of the present invention.
8 shows simulation results showing the effect of the skew angle on torque and torque ripple according to an embodiment.
9 is a diagram illustrating a mode conversion voltage according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosed content may be thorough and complete, and the spirit of the present invention may be sufficiently conveyed to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. In the present specification, when a component is referred to as being on another component, it means that it may be formed directly on another component, or a third component may be interposed between them. In addition, in the drawings, the shape and size are exaggerated for effective description of technical content.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.Further, in various embodiments of the present specification, terms such as first, second, and third are used to describe various components, but these components should not be limited by these terms. These terms are only used to distinguish one component from another component. Therefore, what is referred to as the first component in one embodiment may be referred to as the second component in another embodiment. Each embodiment described and illustrated herein also includes its complementary embodiment. In addition, in the present specification,'and/or' is used to include at least one of the elements listed before and after.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다. In the specification, expressions in the singular include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In addition, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, elements, or a combination of the features described in the specification, and one or more other features, numbers, steps, and configurations It is not to be understood as excluding the possibility of the presence or addition of elements or combinations thereof. In addition, in this specification, "connecting" is used in a sense to include both indirectly connecting a plurality of components, and directly connecting.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.In addition, in the following description of the present invention, when it is determined that detailed descriptions of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, detailed descriptions thereof will be omitted.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 저속 모드 및 고속 모드 시 각각의 극의 방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변을 위한 회로를 설명하기 위한 도면이다.1 is a view for explaining a mode variable electric motor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a view for explaining the direction of each pole in a low speed mode and a high speed mode according to an embodiment of the present invention, 3 is a diagram illustrating a circuit for mode variable according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기(100)는, 고정자(110) 및 상기 고정자(110)에 대하여 상대 회동하는 회전자(130)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 고정자(110) 및 상기 회전자(130) 중 적어도 하나는, 자속 경로 제공 특성이 우수하고 기계적 강도가 높은 물질 예를 들어, 규소 및 강철 중 적어도 하나의 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 도시하지는 않았으나, 제어부가 더 포함될 수 있다. 제어부는, 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기(100)의 구동 전반 예를 들어, 모드 전환 등을 제어할 수 있다.The mode variable electric motor 100 according to an embodiment of the present invention may include a stator 110 and a rotor 130 that rotates relative to the stator 110. At least one of the stator 110 and the rotor 130 may include a material having excellent magnetic flux path providing characteristics and high mechanical strength, for example, at least one of silicon and steel. Also, although not shown, a control unit may be further included. The controller may control overall driving of the mode variable electric motor 100 according to an embodiment, for example, mode switching.

상기 고정자(110)에는 원주 방향을 따라 배열된 복수의 고정자 치(112)가 마련될 수 있다. 고정자 치와 인접하는 고정자 치의 사이는 고정자 슬롯으로 정의될 수 있다. 이 때, 고정자 슬롯은, 고정자 치(112)가 반경 방향 안쪽으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상을 가지므로, 반 닫혀진(semiclosed) 상태를 가질 수 있다. 상기 고정자 슬롯이 반 닫혀진 상태를 가지므로, 후술할 동기 모드에서의 토크 리플을 감소시킬 수 있다. The stator 110 may be provided with a plurality of stator teeth 112 arranged along the circumferential direction. Between the stator teeth and the adjacent stator teeth may be defined as a stator slot. At this time, since the stator slot has a shape in which the width of the stator teeth 112 becomes wider as the stator teeth 112 go inward in the radial direction, the stator slot may have a semi-closed state. Since the stator slot has a semi-closed state, torque ripple in a synchronous mode to be described later can be reduced.

상기 고정자 치(112)에는 고정자 권선(114)이 형성될 수 있다. A stator winding 114 may be formed on the stator teeth 112.

일 예에 따르면, 고정자 치(112)의 개수는 12개이고, 고정자 권선(114)은 2개의 극 쌍수를 가지는 3상 전류가 인가될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여, 이와 같은 구성을 상정하기로 한다. 다만 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐 본 발명의 기술적 사상을 제한하는 것은 아니다.According to an example, the number of stator teeth 112 is 12, and a three-phase current having two pole pairs may be applied to the stator winding 114. Hereinafter, for convenience of description, such a configuration is assumed. However, this is for convenience of description and does not limit the technical idea of the present invention.

상기 회전자(130)는 상기 고정자(110)에 상대 회동할 수 있도록 상기 고정자(110)의 반경 방향 일 측 예를 들어, 내측에 마련될 수 있다.The rotor 130 may be provided on one side of the stator 110 in the radial direction, for example, inside the stator 110 to rotate relative to the stator 110.

상기 회전자(130)에는 원주 방향으로 따라 배열된 복수의 회전자 치(132)가 마련될 수 있다. 일 예에 따르면 회전자 치(132)는 20개 일 수 있다.The rotor 130 may be provided with a plurality of rotor teeth 132 arranged in a circumferential direction. According to an example, the number of rotor teeth 132 may be 20.

상기 복수의 회전자 치(132)에는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 회전자 권선(134)와 제2 회전자 권선(136)이 마련될 수 있다. 상기 회전자 치(132)는 제1 회전자 권선(134)와 제2 회전자 권선(136)이 교번하여 배치되는 교번 영역(C1, C2)와 특정 회전자 권선 예를 들어, 제2 회전자 권선(136)이 인접하여 배치된 고정 영역(F1, F2, F3)으로 구획될 수 있다.In the plurality of rotor teeth 132, as shown in FIGS. 1 and 2, a first rotor winding 134 and a second rotor winding 136 may be provided. The rotor teeth 132 are alternate regions C1 and C2 in which the first rotor windings 134 and the second rotor windings 136 are alternately arranged and a specific rotor winding, for example, a second rotor. The winding 136 may be divided into fixed regions F1, F2, and F3 disposed adjacent to each other.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기는 저속 모드와 고속 모드에서 각각 서로 다른 구동 방식에 따라 구동될 수 있다. 예를 들어, 저속 모드에는 버니어 모드(Vernier mode)로 구동하고, 고속 모드에서는 동기 모드(synchronous mode)로 구동할 수 있다.The mode variable motor according to an embodiment of the present invention may be driven according to different driving methods in a low speed mode and a high speed mode. For example, the low speed mode may be driven in a Vernier mode, and the high speed mode may be driven in a synchronous mode.

상기 저속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (1)에 부합하고, 상기 고속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (2)에 부합할 수 있다.In the low-speed mode, the rotor and the stator may conform to the relational expression (1), and in the high-speed mode, the rotor and the stator may conform to the relational expression (2).

관계식 (1) : Zr=Zs±PRelational Formula (1): Zr=Zs±P

관계식 (2) : Zr=PRelationship (2): Zr=P

(Zr는 회전자의 극 쌍수, Zs는 고정자의 치 수, P는 고정자의 극 쌍수)(Zr is the number of poles of the rotor, Zs is the number of poles of the stator, P is the number of poles of the stator)

즉, 저속 모드의 경우, Zr=10, Zs=12, P=2이고, 고속 모드의 경우, Zr=2, P=2가 될 수 있다. That is, in the case of the low speed mode, Zr=10, Zs=12, and P=2, and in the case of the high speed mode, Zr=2 and P=2.

다시 말해, 제1 회전자 권선(134)이 인가되는 전류의 방향이 저속 모드와 고속 모드 각각에서 가변될 수 있다. 이를 위하여, 도 3에 도시된 전류 컨버터를 통하여, 제1 및 제2 회전자 권선(134, 136)에 전류가 인가될 수 있다.In other words, the direction of the current to which the first rotor winding 134 is applied may be varied in each of the low speed mode and the high speed mode. To this end, current may be applied to the first and second rotor windings 134 and 136 through the current converter shown in FIG. 3.

도 3을 참조하면, 상기 전류 컨버터는, 제1 회전자 권선(134)에 전류를 인가하는 제1 내지 제4 스위치(150, 152, 154, 156)과 제2 회전자 권선(136)에 전류를 인가하는 제5 및 제6 스위치(158, 160)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 3, the current converter, the first to fourth switches (150, 152, 154, 156) applying a current to the first rotor winding 134 and the second rotor winding 136 It may include fifth and sixth switches (158, 160) for applying.

상기 제1 내지 제4 스위치(150, 152, 154, 156)는 제1 회전자 권선(134)을 사이에 두고, H-bridge 형상으로 배치될 수 있다. 즉, 제1 및 제2 스위치(150, 152)가 서로 직렬로 배치되되 제1 회전자 권선(134)의 일 단에 연결되고, 제3 및 제4 스위치(154, 156)가 서로 직렬로 배치되되, 제1 회전자 권선(134)의 타 단에 연결될 수 있다.The first to fourth switches 150, 152, 154, and 156 may be disposed in an H-bridge shape with the first rotor winding 134 therebetween. That is, the first and second switches 150 and 152 are arranged in series with each other, but connected to one end of the first rotor winding 134, and the third and fourth switches 154 and 156 are arranged in series with each other. However, it may be connected to the other end of the first rotor winding 134.

또한, 제5 및 제6 스위치(158, 160)은 상기 제2 회전자 권선(136)에 일정한 방향으로 전류가 인가되도록 배치될 수 있다.In addition, the fifth and sixth switches 158 and 160 may be arranged so that current is applied to the second rotor winding 136 in a predetermined direction.

상기 저속 모드의 경우, 상기 제2, 제3, 제5, 제6 스위치(152, 154, 158, 160)가 온 상태로 제어되고, 나머지 스위치들은 오프 상태로 제어될 수 있다. 이 경우, 도 2(a)에 도시된 바와 같이, 인접하는 회전자 치 (132) 간에는 서로 다른 방향으로 자화가 생성될 수 있다. 즉, 고정 영역들 사이에 복수 개의 회전자 극 쌍수가 생성되므로, 앞서 설명한 관계식(1)에 부합할 수 있다.In the low-speed mode, the second, third, fifth, and sixth switches 152, 154, 158, and 160 may be controlled in an ON state, and the remaining switches may be controlled in an OFF state. In this case, magnetization may be generated in different directions between adjacent rotor teeth 132, as shown in FIG. 2(a). That is, since a plurality of pairs of rotor poles are generated between the fixed regions, the relational expression (1) described above may be met.

이와 달리, 고속 모드의 경우, 상기 제1, 제4, 제5, 제6 스위치(150, 156, 158, 160)가 온 상태로 제어되고, 나머지 스위치들은 오프 상태로 제어될 수 있다. 이 경우, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 고정 영역들 사이에서 단일 개의 회전자 극 쌍 수가 생성되므로, 앞서 설명한 관계식(2)에 부합할 수 있다. 즉, F1과 F2의 고정 영역 사이 (녹색 동그라미 표시)에서 단일 개의 극 쌍 수가 형성될 수 있다.In contrast, in the high-speed mode, the first, fourth, fifth, and sixth switches 150, 156, 158, and 160 may be controlled in an on state, and the remaining switches may be controlled in an off state. In this case, as shown in FIG. 2(b), since a single number of rotor pole pairs is generated between the fixed regions, it may conform to the aforementioned relational expression (2). That is, a single number of pole pairs can be formed between the fixed regions of F1 and F2 (marked by a green circle).

일 실시 예에 따르면, 제1 내지 제6 스위치(150, 152, 154, 156, 158, 160) 중 적어도 하나의 스위치에는 환류 다이오드가 병렬로 연결될 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제6 스위치(150, 152, 154, 156, 158, 160) 각각에는 제1 내지 제6 환류 다이오드(170, 172, 174, 176, 178, 180)이 연결될 수 있다. 이로써, 전기적 안정성이 도모될 수 있다.According to an embodiment, a freewheeling diode may be connected in parallel to at least one of the first to sixth switches 150, 152, 154, 156, 158, and 160. For example, first to sixth freewheeling diodes 170, 172, 174, 176, 178, 180 may be connected to each of the first to sixth switches 150, 152, 154, 156, 158, and 160. Thus, electrical stability can be achieved.

이상 설명한 일 실시 예에 따른 모드 가변 전동기(100)의 성능 실험을 위하여 아래 표 1에 도시된 파라미터에 따라 모드 가변 전동기를 제조하였다.For the performance experiment of the mode variable motor 100 according to the exemplary embodiment described above, a mode variable motor was manufactured according to the parameters shown in Table 1 below.

표 1Table 1

Figure 112019081558348-pat00001
Figure 112019081558348-pat00001

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어갭 플럭스 밀도 시뮬레이션 결과를 도시한다.4 and 5 show results of air gap flux density simulation according to an embodiment of the present invention.

도 4는 저속 모드 즉, 버니어 모드에서의 에어갭 플럭스 밀도 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 4를 참조하면, 회전자 극 쌍 수가 10 개이므로, 에어갭 또한 10 개의 극 쌍 수를 가짐을 확인할 수 있다. 다만 이 경우, 고정자 권선에 의한 극 쌍 수는 2 개이므로, 플럭스 변조 효과(flux modulation effect)에 의하여 토크가 생성될 수 있다.4 shows the results of air gap flux density simulation in a low speed mode, that is, a vernier mode. Referring to FIG. 4, since the number of rotor pole pairs is 10, it can be seen that the air gap also has the number of pole pairs. However, in this case, since the number of pole pairs by the stator winding is two, torque may be generated by a flux modulation effect.

도 5는 고속 모드 즉, 동기 모드에서의 에어갭 플럭스 밀도 시뮬레이션 결과를 도시한다. 도 5를 참조하면, 회전자 극 쌍 수가 저속 모드의 10개에서 2개로 가변되므로, 에어갭 또한 2개의 극 쌍수를 가짐을 확인할 수 있다.5 shows the results of air gap flux density simulation in a high speed mode, that is, a synchronous mode. Referring to FIG. 5, since the number of pairs of rotor poles is varied from 10 to two in the low speed mode, it can be seen that the air gap also has two pole pairs.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 각 모드에서의 토크 시뮬레이션 결과를 도시한다.6 shows torque simulation results in each mode according to an embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 저속 모드인 버니어 모드에서 평균 6.8Nm로 고속 모드인 동기 모드에서의 평균 4.68Nm 보다 높은 토크가 생성됨을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, it can be seen that a torque higher than the average of 4.68 Nm in the synchronous mode, which is a high speed mode, is generated with an average of 6.8 Nm in the vernier mode which is a low speed mode.

이는, 본 실시 예에 따른 모드 가변 전동기(100)가 저속에서는 상대적으로 높은 토크가 생성되는 버니어 모드로 동작함으로써, 동기 모드 전동기의 저속 낮은 토크 단점을 해결할 수 있는 것을 의미한다.This means that the mode variable motor 100 according to the present embodiment operates in a vernier mode in which a relatively high torque is generated at a low speed, thereby solving the low-speed low torque disadvantage of the synchronous mode motor.

또한, 고속 모드에서 동기 모드로 동작하는 경우, 토크 리플이 발생할 수 있는 바, 이하에서는 동기 모드에서의 토크 리플을 최소화하는 구성에 대하여 설명하기로 한다.In addition, when operating in the synchronous mode in the high-speed mode, torque ripple may occur. Hereinafter, a configuration for minimizing the torque ripple in the synchronous mode will be described.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 스큐 각(skew angle)을 설명하기 위한 도면이다.7 is a view for explaining a skew angle according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 고정자(110)는 다층의 강판으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고정자(110)는 제1 내지 제3 고정자 강판(110a, 110b, 110c)가 적층된 구조를 가질 수 있다. 이 때, 제1 내지 제3 고정자 강판(110a, 110b, 110c)은 서로 적층되되, 소정 각도 틀어져 적층될 수 있다. 여기서, 틀어진 각도는 스큐 각(skw angle)으로 정의될 수 있다.Referring to FIG. 7, the stator 110 may be formed of a multi-layered steel plate. For example, the stator 110 may have a structure in which first to third stator steel plates 110a, 110b, and 110c are stacked. In this case, the first to third stator steel plates 110a, 110b, and 110c are stacked on each other, but may be stacked at a predetermined angle. Here, the twisted angle may be defined as a skw angle.

고정자 강판의 적층 시 스큐 각이 도입되는 경우, 토크 변화는 최소화하면서도 토크 리플을 최소로 줄일 수 있는 바, 이에 대한 시뮬레이션 결과를 도 8을 참조하여 설명하기로 한다.When a skew angle is introduced when the stator steel plates are stacked, a torque change can be minimized while a torque ripple can be reduced to a minimum, and a simulation result for this will be described with reference to FIG. 8.

도 8은 일 실시 예의 스큐 각이 토크와 토크 리플에 미치는 영향을 보여주는 시뮬레이션 결과를 도시한다.8 shows simulation results showing the effect of the skew angle on torque and torque ripple according to an embodiment.

도 8(a)를 참조하면, 스큐 각에 따른 토크 변화를 확인할 수 있다. 특히, 저속에서의 토크가 상대적으로 적은 동기 모드의 경우라 하더라도 스큐 각에 따른 토크 변화는 거의 없음을 확인할 수 있다.Referring to Fig. 8(a), it is possible to check the torque change according to the skew angle. In particular, it can be seen that even in the case of the synchronous mode where the torque at low speed is relatively small, there is little change in torque according to the skew angle.

도 8(b)를 참조하면, 스큐 각에 따른 토크 리플 감소를 확인할 수 있다. 토크 리플은 버니어 모드 보다는 동기 모드에서 특히 문제될 수 있는데, 스큐 각의 도입에 따라 동기 모드에서의 토크 리플이 113%에서 53%로 현저하게 감소함을 확인할 수 있다. 또한, 스큐 각이 3도 내지 9도 사이에서 토크 리플 감소가 더 현저함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 8(b), it can be seen that the torque ripple decreases according to the skew angle. Torque ripple can be particularly problematic in synchronous mode rather than vernier mode, and it can be seen that with the introduction of skew angle, torque ripple in synchronous mode is significantly reduced from 113% to 53%. In addition, it can be seen that torque ripple reduction is more remarkable between 3 degrees and 9 degrees of skew angle.

도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 모드 변환 전압을 설명하기 위한 도면이다.9 is a diagram illustrating a mode conversion voltage according to an embodiment of the present invention.

일 실시 예에 따르면, 저속 모드인 버니어 모드와 고속 모드인 동기 모드 간의 모드 변환은 전류 컨버터로 직류를 제공하는 인버터의 한계 전압을 고려하여 설정될 수 있다. According to an embodiment, a mode conversion between a vernier mode as a low speed mode and a synchronous mode as a high speed mode may be set in consideration of a limit voltage of an inverter that provides direct current to the current converter.

전류 컨버터의 양 단에 인가되는 터미널 전압은, 버니어 모드 및 동기 모드 모두에서, 인버터의 한계 전압 아래로 인가되도록 제어될 수 있는 것이다. 즉, 인버터 한계 전압이 130 볼트인 경우, 버니어 모드에서, 터미널 전압이 회전자 rpm에 따라 증가하게 되는데, 한계 전압에 이르는 경우, 버니어 모드에서 동기 모드로 모드 변환이 이루어짐으로써, 터미널 전압이 낮추어질 수 있다. The terminal voltage applied to both ends of the current converter can be controlled to be applied below the limit voltage of the inverter, in both vernier mode and synchronous mode. That is, when the inverter limit voltage is 130 volts, in vernier mode, the terminal voltage increases according to the rotor rpm. When the limit voltage is reached, the terminal voltage is lowered by mode conversion from vernier mode to synchronous mode. I can.

이에 따라, 인버터의 동작 전압까지도 고려한 모드 전압이 가능케될 수 있는 것이다.Accordingly, the mode voltage considering even the operating voltage of the inverter can be enabled.

또한, 스큐 각이 있는 경우(도 9에서는 스큐 각 9도), 동기 모드에서의 터미널 전압을 낮출 수 있음도 확인할 수 있다.In addition, when there is a skew angle (a skew angle of 9 degrees in FIG. 9), it can be seen that the terminal voltage in the synchronous mode can be lowered.

이상 본 발명의 일 실시 예를 설명함에 있어서, 모드 가변 전동기가 distributed winding으로 구성된 경우를 상정하였으나, 본 발명의 기술적 사상은, fractional slot concentrated winding으로 구성된 경우에 적용될 수 있음은 물론이다. 이 경우, 관계식 (1)은 Zr=24, Zs=36, P=12으로 부합되고, 관계식 (2)는 Zr=12, P=12으로 부합될 수 있다.In the above description of the exemplary embodiment of the present invention, it is assumed that the mode variable motor is configured with distributed winding, but the technical idea of the present invention can be applied to the case of fractional slot concentrated winding. In this case, relational expression (1) may be met as Zr=24, Zs=36, and P=12, and relational expression (2) may be met as Zr=12 and P=12.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.As described above, the present invention has been described in detail using preferred embodiments, but the scope of the present invention is not limited to specific embodiments, and should be interpreted by the appended claims. In addition, those skilled in the art will have to understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

100: 모드 가변 전동기
110: 고정자
112: 고정자 치
130 : 회전자
132: 회전자 치
134: 제1 회전자 권선
136: 제2 회전자 권선100: mode variable motor
110: stator
112: stator value
130: rotor
132: rotor tooth
134: first rotor winding
136: second rotor winding

Claims (7)

원주 방향으로 배열된 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련된 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및
원주 방향으로 배열된 회전자 치 및 상기 회전자 치에 마련되고, 제1 회전자 권선과 제2 회전자 권선으로 이루어진 회전자 권선을 포함하는 회전자;를 포함하며,
상기 회전자는 상기 고정자에 대하여, 저속 모드 또는 고속 모드로 회전하며,
상기 저속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (1)에 부합하고,
상기 고속 모드의 경우, 상기 회전자와 상기 고정자는 관계식 (2)에 부합하는, 모드 가변 전동기.
관계식 (1) : Zr=Zs±P
관계식 (2) : Zr=P
(Zr는 회전자의 극 쌍수, Zs는 고정자의 치 수, P는 고정자의 극 쌍수)A stator including stator teeth arranged in a circumferential direction and a stator winding provided on the stator teeth; And
Includes; a rotor teeth arranged in a circumferential direction and a rotor provided on the rotor teeth and including a rotor winding composed of a first rotor winding and a second rotor winding,
The rotor rotates in a low speed mode or a high speed mode with respect to the stator,
In the case of the low speed mode, the rotor and the stator conform to the relational expression (1),
In the case of the high-speed mode, the rotor and the stator conform to the relational expression (2).
Relational Formula (1): Zr=Zs±P
Relationship (2): Zr=P
(Zr is the number of poles of the rotor, Zs is the number of poles of the stator, P is the number of poles of the stator) 제1 항에 있어서,
상기 회전자 치는, 상기 제1 회전자 권선과 상기 제2 회전자 권선이 교번하여 배치되는 교번 영역들과 상기 제1 및 제2 회전자 권선 중 어느 하나의 회전자 권선이 인접하여 배치되는 고정 영역들을 가지는, 모드 가변 전동기.According to claim 1,
The rotor tooth includes alternating regions in which the first and second rotor windings are alternately arranged, and a fixed region in which any one of the first and second rotor windings is arranged adjacent to each other. With the, mode variable electric motor. 제2 항에 있어서,
상기 저속 모드의 경우, 상기 고정 영역들 사이에서 복수 개의 회전자의 극 쌍수가 제공되고,
상기 고속 모드의 경우, 상기 고정 영역들 사이에서 단일 개의 회전자의 극 쌍수가 제공되는, 모드 가변 전동기.The method of claim 2,
In the case of the low speed mode, a pair of poles of a plurality of rotors are provided between the fixed regions,
In the case of the high speed mode, a single rotor pole pair number is provided between the fixed regions. 제1 항에 있어서,
상기 제1 회전자 권선과 상기 제2 회전자 권선에 전류를 공급하는 전류 컨버터를 더 포함하며,
상기 전류 컨버터는, 상기 제1 회전자 권선에 공급되는 전류의 방향을 전환하는, 적어도 하나의 스위치들을 포함하는, 모드 가변 전동기.According to claim 1,
Further comprising a current converter supplying current to the first rotor winding and the second rotor winding,
The current converter includes at least one switch for switching a direction of a current supplied to the first rotor winding. 제4 항에 있어서,
상기 전류 컨버터는,
상기 제1 회전자 권선의 일 단에 전기적으로 연결되는 제1 스위치,
상기 제1 회전자 권선의 일 단에 전기적으로 연결되되, 상기 제1 스위치와 직렬로 연결되는 제2 스위치,
상기 제1 회전자 권선의 타 단에 전기적으로 연결되는 제3 스위치,
상기 제1 회전자 권선의 타 단에 전기적으로 연결되되, 상기 제3 스위치와 직렬로 연결되는 제4 스위치,
상기 제2 회전자 권선의 일 단에 연결되는 제5 스위치, 및
상기 제2 회전자 권선의 타 단에 연결되는 제6 스위치를 포함하며,
상기 저속 모드에서는, 상기 제2, 제3, 제5, 제6 스위치가 온 상태로 제어되고,
상기 고속 모드에서는, 상기 제1, 제4, 제5, 제6 스위치가 온 상태로 제어되는, 모드 가변 전동기.The method of claim 4,
The current converter,
A first switch electrically connected to one end of the first rotor winding,
A second switch electrically connected to one end of the first rotor winding and connected in series with the first switch,
A third switch electrically connected to the other end of the first rotor winding,
A fourth switch electrically connected to the other end of the first rotor winding, and connected in series with the third switch,
A fifth switch connected to one end of the second rotor winding, and
And a sixth switch connected to the other end of the second rotor winding,
In the low speed mode, the second, third, fifth, and sixth switches are controlled to be turned on,
In the high speed mode, the first, fourth, fifth, and sixth switches are controlled to be turned on. 제5 항에 있어서,
상기 제1 내지 제6 스위치에 각각 병렬로 연결되는 제1 내지 제6 환류 다이오드(free wheeling diode)를 더 포함하는, 모드 가변 전동기.The method of claim 5,
Further comprising first to sixth free wheeling diodes connected in parallel to the first to sixth switches, respectively. 제4 항에 있어서,
상기 저속 모드와 상기 고속 모드 간의 모드 변경은, 상기 전류 컨버터로 전류를 공급하는 인버터의 한계 전압을 고려하여 제어되는, 모드 가변 전동기.The method of claim 4,
The mode change between the low speed mode and the high speed mode is controlled in consideration of a limit voltage of an inverter that supplies current to the current converter.
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