KR20070063055A

KR20070063055A - 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치

Info

Publication number: KR20070063055A
Application number: KR1020050122818A
Authority: KR
Inventors: 이옥재
Original assignee: 이옥재
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2007-06-19
Also published as: CN101356716B; US20100052451A1; KR100815429B1; US7884580B2; CN101356716A; WO2007069859A1

Abstract

본 발명은 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치에 관한 것으로 특히, 더욱 상세하게는 부하 변동시에도 출력을 안정되게 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 무변출력 무정류자 직류전동기는 각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 권선이 권취되고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각 풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며 n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류 전원에 연결되며 n개의 다 상으로 구성된 고정자와, 여자 영역(exciting area)에 강력 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성되고 중앙에 회전축이 설치된 회전자와, 감지영역과 비감지 영역으로 구분 구성되고 축의 한 끝에 외부(external)형으로 구성된 정류 엔코더와, 각 상에 2개씩 설치되고 각 상의 하프 H 브리지에 연결되어 각 하프 H 브리지의 온/오프(ON/OFF)를 담당하는 광센서를 구비하여 이루어진 전동기를 이용한 발전장치에 있어서,

상기 회전자는 다수의 공극이 형성된 판을 적층하여 구성되데, 적층된 판을 관통하여 다수의 막대형 강력 영구자석이 설치되고, 상기 정류 엔코더는 감지영역의 간격에 따라 n개의 상(相) 중에서 a(1<a≤n-1)개의 상이 여자되도록 a개의 광센서가 감지할 수 있게 감지영역의 간격을 구성되며, 상기 감지영역의 축 각도는 수식 1에 의하여 결정되고, 엔코더상의 감지영역의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정되며, 센서판 상의 각 광센서의 설치 간격은 수식 2에 의해 결정되어 n개의 상중 에서 a 개의 상은 항시 여자되고 b(b=n-a)개의 상은 항시 여자되지 않게 구성하되,

상기 고정자는 권선이 권취되는 권취용 구멍들 사이에 간섭방지홈이 더 형성되고, 상기 권취용 구멍에는 유도 권선과 발전 권선이 교번 권취되게 하여 구성되며,

고정자를 상별, 극별로 병렬 권취함으로써 저전압으로도 고출력을 낼 수 있는 전동기를 구현할 수 있고, 상호 연결이 없는 권취 방식이므로 자동생산이 가능하여 비용이 절감되고, 대량 생산이 가능하며, 이러한 전동기를 이용하여 발전장치를 구성함으로서 출력 효율이 높은 발전장치를 제공할 수 있다.

무변출력 무정류자 직류전동기, 무변출력, 극변경, 감지영역, 광센서, 유도코일, 발전코일, 정류기, 충전기, 충방전제어기, 스위칭부, 집전부

Description

무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치{A constant-power brushless DC motor and the generator thereby}

도 1은 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기의 블록도이고,

도 2는 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기의 일예를 개략적으로 도시한 사시도이고,

도 3은 본 발명에 따른 발전장치에 구성된 회전자와 고정자의 평면도이고,

도 4는 본 발명에 따른 발전장치에 구성된 고정자의 평면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 발전장치에 구성된 회전자의 평면도이고,

도 6은 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기의 고정자 권선의 예를 도시한 구성도이고,

도 7은 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기의 극성 제어 회로도이고,

도 8은 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기에서 3상이 여자되는 경우의 출력 토오크를 도시한 도표이고,

도 9는 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기에서 3상 간격이 어드밴스드 정류되는 것을 나타내는 도표이고,

도 10은 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기에서 5상 간격이 어드밴스드 정류되는 것을 나타내는 도표이고,

도 11은 본 발명에 이용되는 출력 무정류자 직류전동기의 무변 출력 특성을 나타내는 도표이고,

도 12는 본 발명에 따른 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 전동 발전장치의 고정자에 권취된 권선의 배치를 도시한 구성도이고,

도 13은 본 발명에 따른 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 자연동력 발전장치의 일예를 도시한 구성도이며,

도 14는 본 발명에 따른 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 순환동력 발전장치의 일예를 도시한 구성도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : BLDC 전동기 20 : 직류전원부 30 : 전원 스위칭부

40 : 제어신호입력부 50 : 속도제어부 60 : PWM제어부

70 : 극성제어부 80 : 구동부 100 : 전동기 본체

101 : 본체 하우징 102 : 회전축 110 : 고정자

111 : 권취구멍 112 : 간섭방지홈 120 : 회전자

121 : 영구자석 122 : 공극 130 : 정류 엔코더

131 : 원판 132 : 감지영역 133 : 센서판

AP1~PE2 : 광센서 140 : 제어 엔코더 200 : 발전장치

200' : 전동 발전장치 200'' : 동력부하 200a: 집전부

200b : 변압기 200c: 송/배전기 200d: 고/저압부하

200e : 축전시스템 300 : 동력원 300' : 배터리

310 : 충방전제어기 400 : 교류 부하 500 : 정류기/충전기

600 : 직류 부하 700 : 스위칭부

본 발명은 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하 변동시에도 출력을 안정되게 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치에 관한 것이다.

일반적인 전동기는 고정자 및 회전자 상호간에 회전 자계를 발생시키거나 유도전기를 발생시키는 계자 및 아마추어 중 어느 하나를 선택적으로 대응되게 구비하여, 외부 전원을 인가받아 회전 동력을 얻을 수 있는 장치로서 산업 전반에 걸쳐 동력을 요구하는 곳에 널리 이용되는 장치이다.

이러한 전동기는 전원의 종류에 따라 직류전동기 및 교류전동기로 구분되고 이중에서 직류전동기는 타려, 분권, 복권, 직권 등의 4 종류가 있으며, 교류전동기는 유동전동기, 동기전동기, 정류자전동기 등으로 분류된다.

이러한 직류 전동기 중 무정류자 직류 전동기(Brushless DC motor: BLDC 전동기)는 종래의 브러시(Brush)를 부착한 직류 전동기와 같이 기계적인 접점을 가지지 않으므로 잡음이 발생되지 않고 수명도 길어지는 장점이 있기 때문에 산업용기 기, 가전기기, 운송기기 등의 전동기로서 널리 사용되고 있다.

이러한 무정류자 직류 전동기는 영구자석으로 된 회전자의 자극에 맞춰 고정자 권선에 인가되는 전류의 상을 제어하기 위해 회전자의 위치센서로서 홀(hole) 센서를 사용하고 있다.

한편, 종래의 전동기에서 직류 전동기는 브러쉬와 정류자가 마모되는 문제가 있고 파워(power)형 전동기의 경우 6,000rpm 이상의 고속회전이 불가능하며, 그 구조가 복잡함과 아울러 비용도 비싼 문제점이 있다.

또한, 교류 인버터 전동기(AC invertor motor)는 기동 토오크(start torque)가 약하고, 제어기의 비용이 고가이며, 무변 출력(constant-power)이 되지 않는 문제점이 있으며, 자기저항 전동기(Reluctance motor)는 비용과 크기 및 무게 면에서 다른 전동기에 비하여 열악하고, 제어기의 비용도 고가이며, 무변 출력이 되지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서 구조가 단순하여 제작이 용이하고 제작 비용을 낮출 수 있으며, 균일한 출력을 얻을 수 있어 부하 변동시에도 출력을 안정시킬 수 있는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치를 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기와 같이 균일한 출력을 갖는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용하여 발전장치를 구성함으로서 보다 안정적인 전원을 제공할 수 있는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치를 제공함을 목적으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 고정자에 권선하고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각 풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며 n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류 전원에 연결되며 n개의 다 상으로 구성된 고정자와, 여자 영역(exciting area)에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성된 회전자와, 감지영역과 비감지 영역으로 구분 구성되고 축의 한 끝에 외부(external)형으로 구성된 정류 엔코더와, 각 상에 2개씩 설치되고 각 상의 하프 H 브리지에 연결되어 각 하프 H 브리지의 온/오프(ON/OFF)를 담당하는 광센서를 구비하여 이루어진 전동기에 있어서,

상기 회전자는 다수의 공극이 형성된 판을 적층하여 구성되데, 적층된 판을 관통하여 다수의 막대형 강력 영구자석이 설치되고, 상기 정류 엔코더는 감지영역의 간격에 따라 n개의 상(相) 중에서 a(1<a≤n-1)개의 상이 여자되도록 a개의 광센서가 감지할 수 있게 감지영역의 간격을 구성되며, 상기 감지영역의 축 각도는 수식 1에 의하여 결정되고, 엔코더상의 감지영역의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정되며, 센서판 상의 각 광센서의 설치 간격은 수식 2에 의해 결정되어 n개의 상중에서 a 개의 상은 항시 여자되고 b(b=n-a)개의 상은 항시 여자되지 않게 구성하되,

상기 고정자는 권선이 권취되는 권취용 구멍들 사이에 간섭방지홈이 더 형성되고, 상기 권취용 구멍에는 유도 권선과 발전 권선이 교번 권취됨을 특징으로 하 는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치에 의해 이루어진다.

수식 1

수식 2

또한 본 발명의 목적은 상기와 같이 구성된 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치에 있어서, 상기 고정자에 감긴 권선 중 발전 권선에 전원 인출선을 설치하고, 상기 회전자의 중심에 설치된 회전축에 동력원을 설치하여 회전자를 회전시킬 수 있도록하여 회전자의 회전에 의해 발생되는 유도 전류가 상기 발전 권선에 연결된 전원 인출선으로 인출되게 구성됨을 특징으로 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치에 의해 이루어진다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 직류 전동기의 전체 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 전동기(10), 직류 전원부(20)와 전원 스위칭부(30), 제어신호입력부(40), 속도제어부(50), PWM제어부(60), 극성제어부(70), 구동부(80)로 구성된다.

상기 직류전원부(20)는 상용 교류전원을 정류하여 직류로 변환하여 사용하거 나 배터리로 구현되어 전원 스위칭부(30)에 직류전원(V+,V-)을 제공하고, 전원 스위칭부(30)는 구동부(80)의 구동신호에 따라 스위칭소자를 온/오프하여 직류전원부(20)의 전원을 BLDC 전동기(10)의 고정자 유도 권선에 전달한다.

상기 전원 스위칭부(30)는 고정자 권선에 직류전원을 인가하기 위한 것이므로, 전동기의 종류 즉, 고정자 권선의 상 수에 따라 구성이 달라질 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 고정자 권선을 5상으로 한 경우를 일예로 도시하고 설명한다.

또한, 하나의 상을 구동하기 위해서는 4개의 스위칭소자(Q1~Q4)가 필요한데, 이들이 'H'자 형태로 연결되므로 'H브리지'라고 하고, 전원 스위칭부(30)는 다수의 H브리지로 이루어지며, 스위칭 소자로는 트랜지스터, IGBT, MOSFET, FET 등이 사용될 수 있다.

상기 입력부(40)는 조작자의 조작에 의해 전동기의 회전속도를 지령하는 지령신호를 제공하고, PWM제어부(60)는 입력부(40)의 지령값과 속도제어부(50)의 제어신호에 따라 전동기의 회전속도를 제어하기 위한 PWM신호를 발생시킨다.

상기 속도제어부(50)는 폐루프 제어시에 BLDC 전동기(10)로부터 제어 엔코더 신호를 입력받아 속도제어신호를 PWM제어부(60)에 제공하고, 극성제어부(70)는 BLDC 전동기(10)로부터 광센서신호를 입력받아 구동부(80)에 제공하며, 구동부(80)는 극성제어부(70)의 광센서신호와 PWM제어부(60)의 PWM신호를 입력받아 전원 스위칭부(30)의 스위칭 소자를 제어하기 위한 구동신호를 제공한다.

본 발명에 따른 BLDC 전동기(10)는 고정자의 상수와 회전자의 극수를 적용대상의 요건에 따라 자유롭게 설계할 수 있으나 고정자가 5상이고, 회전자 극수는 6 극 즉, 3개의 N극과 3개의 S극으로 된 경우를 예로 들어 설명한다.

이러한 본 발명에 이용되는 전동기(10)는 2, 3, 4, 5, 6....n개 상의 다상형의 전동기로서, 여자되는 2, 3, 4, 5, .... a(<1a≤n-1)개의 상과 여자되지 않는 2, 3, 4, 5, ....b(b=n-a)개 상으로 구성하여 1개의 상(相)씩 교번(交番)하여 기동, 회전한다.

이러한 본 발명의 BLDC 전동기는 도 2내지 도 5에 도시된 바와 같이, 고정자(110)와 회전자(120)로 된 전동기 본체(100)와, 회전자(120)와 동일한 회전 축(102)상에 연결되는 정류 엔코더(130) 및 제어 엔코더(140)로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서 정류 엔코더(130)와 제어 엔코더(140)는 본체의 뒷면 브래킷 밖의 회전자의 회전축(102) 한쪽에 외부형으로 설치되어 회전자(120)와 함께 회전한다.

또한, 상기 정류 엔코더(130)는 감지영역과 비감지영역을 갖는 원판(131)과 광센서(PA1~PE2)가 설치된 센서판(133)으로 구성되며, 센서판(133)은 브래킷의 원주상에 설치된다.

상기 센서판(133)은 어드밴스드 정류(advanced commutation)가 될 수 있는 위치로 조정하여 설치하는 것이 바람직하다.

상기 제어 엔코더(140)는 원형의 판에 필요한 홈을 파서 광센서들이 펄스를 방출할 수 있도록 구성하는데, 홈의 크기와 분할 각도는 전동기의 속도제어나, 위치제어의 특성에 따라 적절히 구성한다.

또한, 본 발명에 따른 BLDC 전동기의 고정자(110)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 다수의 규소강판을 적층하여 구성되고, 각 판에 권취 구멍(111)이 형성되어 있고, 이와 같은 권취구멍에 도 6에 도시된 바와 같은 고정자 권선이 권취되어 있다.

도 4 및 도 6에 도시한 바와 같이 5상 6극형의 고정자(110)의 권선을 위해 30개의 권취구멍(111) 형성되어 있고, 5상(A~E상)은 각 상별로 독립적으로 병렬로 권취되어 있으며, 권선은 유도 권선과 발전 권선이 필요에 따라 서로 적절히 교대로 권취되어 있다.

즉, 유도 권선과 발전 권선의 권취되는 간격이 1 : 1, 1 : 2, 2 : 1 등 다양한 비율로 권치될 수 있다.

또한 상기 고정자(110)에는 권취되는 권선에 의해 유도되는 자기장이 다른 권선에 영향을 미치지 않게 하기 위해 즉 서로 간섭되는 것을 방지하기 위해 각각의 권취부를 절개하여 간섭방지홈(112)을 형성하였다.

상기 회전자(120)는 다수의 막대형 강력 영구자석(121)이 판면을 관통하여 설치되고 다수의 박판을 적층하여 구성된다.

또한 회전자(120)에는 다수의 공극(122)이 형성되어 있으며, 이렇게 다수의 박판을 적층하여 형성된 회전자(120)를 구성하는 각각의 판은 비자성 허브(hub)의 더브 테일형(dove tail type) 홀더(holder)를 이용하여 서로 결합된다.

상기 정류 엔코더(commutator encoder)(130)는 도 7에 도시된 바와 같이, 감지영역(132)과 비감지영역을 갖는 원판(131)과 광센서들(PA1~PE2)이 부착된 센서판(133)으로 구성된다.

상기 원판(131)의 감지영역(132)과 비감지영역은 고정자 상수와 회전자 극수 및 여자되는 상수에 따라 정해지며, 원판(131)은 회전자의 회전축(102)과 함께 회전하면서 감지영역(132)에서 광센서를 온시켜 해당 고정자 권선이 여자되게 하고, 비감지영역에서는 해당 광센서를 오프시켜 해당 고정자 권선이 여자되지 못하도록 한다.

특히, 본 발명에서는 감지영역의 크기를 적절히 조절하여 n개의 상중에서 a개의 상만이 여자되게 할 수 있다.

또한, 본 발명에서 각 상은 2개가 한쌍을 이루는 광센서쌍(PA1, PA2 ; PB1, PB2; ..; PE1, PE2)을 갖고 정류 엔코더(130)와 연계하여 작동할 수 있도록 구성된다.

한 상이 갖는 한 개의 광센서 쌍과 다른 한 개의 광센서 쌍은 회전자의 극(極)간격 각도 상에 격리하여 배치되고, 각 상의 각 광센서 쌍은 상의 간격 각도 상에 순서대로 배치된다.

이와 같이 n상일 경우 두개가 한쌍을 이루는 광센서의 쌍이 n개, 2n개의 광센서가 회전자의 위치를 감지하고, 광센서의 감지신호는 전원 스위칭부(30)에 전달되어 고정자 권선에 흐르는 전류의 방향과 간격을 지시하여 전동기를 기동하고 회전하게 한다.

한편, 본 발명에서 전원 스위칭부(30)는 도 7에 도시된 바와 같이, 5개의 풀 H 브리지(full H bridge)로 구성되어 정류 엔코더(130)의 광센서 신호에 따라 해당 스위칭 소자(Q 1 ~Q 20 )를 온/오프한다.

도 7를 참조하여 보다 상세하게 설명하면, A상의 H브리지는 PA1 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 1 ,Q 4 )와 PA2 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 2 ,Q 3 )로 이루어지고, 그 사이에는 A상의 고정자 권선이 연결되어 있다. B상의 H브리지는 PB1 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 5 ,Q 8 )와 PB2 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q 6 ,Q 7 )로 이루어지고, 그 사이에는 B상의 고정자 권선이 연결되어 있으며, 동일한 방식으로 C상 내지 E상의 H브리지가 연결되어 있다.

그리고 정류 엔코더(130)의 센서판(133)에는 A상에 대응하는 한쌍의 광센서 PA1과 PA2가 소정의 방식으로 정해진 간격을 두고 설치되어 있고, B상에 대응하는 한쌍의 광센서 PB1과 PB2가 PA1과 PA2에 이어 설치되어 있으며, 동일한 방식으로 광센서 PC1, PD1, PE1, .. PC2, PD2, PE2가 연결되어 있다.

이때 한쌍의 광센서는 회전자의 극을 감지하기 위한 것으로서, PA1이 회전자의 N극을 감지할 때 PA2는 회전자의 S극을 감지하도록 배치되어야 하고, 동일한 방식으로 광센서들이 배치되어 한쌍의 광센서가 동시에 온되는 경우가 발생되지 않도록 해야 한다. 특히, 본 발명에서는 n개의 상 중에서 여자되는 상수를 n-1 이하로 하고, 어드밴스드 정류를 위해 광센서의 위치를 적절히 조절하여 성능을 개선하였다.

도 7에 도시된 본 발명의 실시예에서는 5상 중에서 3상이 여자되는 경우를 보여주는 것으로서 PA1과 PE1으로 순차 배열된 N극을 감지하는 광센서 중에서 PA1, PB1, PC1 광센서가 감지영역에서 온되어 A상 H브리지의 스위칭소자(Q1 ,Q4), B상 H 브리지의 스위칭소자(Q5 ,Q8 ), C상 H브리지의 스위칭 소자(Q9 ,Q12)를 온시키고 나머지 스위칭소자는 오프되어 있다.

따라서, A상 내지 C상의 고정자 권선에는 화살표 방향으로 전류가 흐르게 된다.

다른 한편, 본 발명에 따라 정류 엔코더(130)를 구현함에 있어서 감지영역(132)에 위치하는 광센서의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정되고, 감지영역의 간격 즉, 축의 각은 다음의 수식 1에 의해 결정된다.

수식 1

따라서, 5상 6극 전동기에서는 3상만 여자되는 전동기를 구성하므로 감지영역의 축의 각은 36°이다.

도 7에서 한 상이 여자되는 경우 한 상의 하프 H 브리지 Q1과 Q4에 연결된 광센서(PA1)와 한 상의 다른 하프H 브리지 Q2와 Q3에 연결된 광센서(PA2)는 각각 다른 극의 같은 위치에 설치되며 이에 따라서 회로에 통전이 되면 한쌍의 광센서(PA1)는 감지영역 안에 위치하고 있으므로 정(+) 펄스를 송출하게 되고, H 브리지의 Q1과 Q4를 온(on)하게 되어 고정자 권선이 통전되어 Q1과 Q4가 루프(loop)시킨 해당 고정자 권선이 여자된다.

한편, 회전자(120)가 회전을 하는 동안, 하프 H 브리지 Q1과 Q4의 온(on)되는 간격은 정류 엔코더(130)의 감지영역의 폭과 같게 된다.

즉, Q1과 Q4의 하프 H 브리지의 여자되는 간격은 축각도 36°이고, 다음 축각도 24°(60°∼36°) 동안은 광센서(PA1) 및 광센서(PA2)도 비감지 영역 상에 있게 되어 한 상의 H 브리지의 Q1, Q4, Q2, Q3는 모두 오프(off) 상태에 있게 된다.

다음에 광센서(PA2)가 광센서(PA1)와 같이 정류 엔코더(130)의 회전에 따라 Q2, Q3를 온(on)하게 되어 한 상은 독립적으로 회전자(120)를 기동 회전하도록 통전된다.

도 7의 센서판(133) 상에 광센서의 설치간격(°)은 수식 2에 의해 결정된다.

수식2

따라서, 도 7의 광센서는 10개이고, 설치간격은 12°이다. 각 상의 두 광센서의 간격은 360。/회전자의 극수이며, 광센서(PA1)과 광센서(PA2)의 간격은 60°이다.

도시한 바와 같이 5상 6극 전동기에서 3상은 항상 여자되고, 2상은 항상 비여자 상태가 되어 각 상의 여자되는 간격은 수식 3에 의하여 결정되며, 각 상의 비여자되는 간격은 수식 4에 의하여 결정된다.

수식 3

수식 4

따라서, 각 상의 여자되는 전기 각은 108°이고, 비여자되는 전기 각은 72°이다.

도 8은 본 발명에 따른 5상 6극 전동기의 각 광센서의 송출펄스와, 전류의 입력방향과 토오크의 간격과 윤곽을 도시한 것이다.

상기 정류 엔코더(130)의 감지영역(132)의 간격에 따라 각 광센서가 송출하는 펄스와 같은 간격의 전류가 코일에 통전되고, 토오크가 생성되며, 부분 구형파(partial wave)의 전류가 입력되고, 구형 토오크의 파워가 출력된다.

따라서, 5상 6극 전동기가 3상은 항상 여자되어 있으며, 2상은 항상 비여자 상태인 것을 알 수 있으며, 토오크의 합계는 직선 토오크 스킴(scheme)이 된다.

다상 다극의 전동기를 몇 상이 항상 여자되게 할 것인가의 설계는 정류 엔코더의 감지영역의 간격을 얼마로 할 것인가에 의하여 결정되는 것이다.

따라서, 본 발명의 전동기는 극 변경 영역(pole changing area)에서 발생하는 모든 문제를 해결하고, 또한 고속회전이 원활히 되기 위해서는 어드밴스드 정류(Advanced Commutation)가 필요하여 다상 중 하나의 상 이상의 비여자상이 존재하도록 고안된 것이다.

여기서, 전동기가 전기에너지를 기계에너지로 전환하는 과정에서 고정자의 코일에 통전하여 여자되어서 액티브(active) 자속이 기자력(magnetic motive force)을 발생시키는 타이밍과 고속 회전하는 회전자의 패시브(passive) 자속이 작용되는 타이밍은 액티브 자속이 패시브 자속보다 지연되기 마련이고, 타이밍을 맞게 하기 위하여 어드밴스드 정류가 필요하게 된다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에서 8상 6극 전동기에서 5상만 여자되게 한 경우이고, 도 10는 같은 8상 6극 전동기에서 3상만 여자되게 한 경우이다.

도 9의 전동기는 도 10의 전동기보다 더 고속으로 회전시킬 수가 있으며, 이에 따라 초고속 전동기를 구성할 때에는 극성 제어부(70)에서 마이크로프로세서 장치에 의거 각 광센서를 전진 배치시킨 상기 각 광센서와 전자결합 변경하여서 속도에 맞게 점진적으로 어드밴스드 정류(advanced commutation)할 수가 있다.

도 11은 무변출력 무정류자 직류전동기의 토오크와 속도의 관계를 나타내는 도면이다.

도면에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 직류전동기는 토오크와 속도의 관계가 변하지 않는 출력 특성을 가진다.

또한, 본 발명의 직류전동기는 순방향(CW) 및 역방향(CCW) 회전 능력을 가지므로 양방향성 작용(bi-directional operation)을 제공한다.

즉, 극성제어부(70)에서 각 상이 보유하고 있는 이중 광센서(dual photo sensor)를 전자결합변경하면 전동기는 정방향에서 역방향으로 또는 역방향에서 정방향으로 원활히 기동하고 회전할 수 있다. 광센서의 전자결합 변경을 5/1000(sec) 이내로 빈번히 하면 양방향성 작용이 원활히 된다. 그리고 본 발명의 전동기는 리니어(linear)형으로도 구현될 수 있다.

상기와 같이 구성된 전동기를 이용하여 구성된 발전장치는 도 12, 도 13 및 도 14에 도시한 바와 같이 구성된다.

도 12는 본 발명에 따른 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치로서, 상기 고정자에 감긴 권선을 발전 권선으로 하여 전원 인출선을 설치하고, 유도 권선에 전원 공급 수단을 설치하여 전동 발전장치를 구성한다.

도 13은 본 발명이 이용된 1개 또는 다수의 무변출력 무정류자 직류전동기의 고정자(110)에 감긴 권선을 발전 권선으로 하여 전원 인출선을 설치하여 부하들(400, 600)에 연결하고, 상기 회전자(120)의 중심에 설치된 회전축(102)에 동력원(300)을 설치하여 구성된다.

상기와 같이 회전자의 회전축(102)에 설치된 동력원(300)의 구동에 의해 회전자(120)가 회전하면 자력이 유도되고, 유도된 자력에 의해 고정자의 발전 권선에 전류가 유도되며 이 전류는 전원 인출선을 통해 부하 또는 집전부(200a), 정류/충전기(500), 변압기(200b)로 제공된다.

상기 동력원으로는 풍력이나 수력 등을 이용될 수 있으며, 이들 풍력이나 수력에 의해 회전하는 양방향 프로펠러 등이 사용되어 지므로 자연동력 발전장치를 구성한다.

도 14는 전동 발전장치의 유도 권선에 1개 또는 다수의 전원 공급 수단 즉, 배터리(300')를 연결하여 전원을 공급함으로서 유도 권선에 회전 자기장이 발생되게 하여 이 회전 자기장에 의해 회전자(120)가 회전되며, 회전자(120)의 회전에 의해 발생되는 유도 전류가 고정자(110)에 권취된 발전 권선으로 유도되게 하여 전원 인출선으로 인출되게 한다.

인출된 전류는 정류기나 증폭기 등을 이용해 정류 또는 증폭하여 원하는 부하에 공급할 수 있으며, 그 일부는 상기 동력원의 역할을 하는 전원 공급 수단 즉, 배터리(300')에 공급하여 축전시켜서 다시 유도 권선을 여자 시키는 역할을 하게 함으로서 순환동력 발전장치를 구성한다.

본 순환동력 발전장치는 교류·직류부하(400, 600)는 물론 동력부하(200")도 사용할 수 있는 것이 특징이다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 이용되는 무변출력 무정류자 직류전동기는 고정자를 상별, 극별로 병렬 권취함으로써 저전압으로도 고출력을 낼 수 있는 전동기를 구현할 수 있고, 상호 연결이 없는 권취 방식이므로 자동생산이 가능하여 비용이 절감되고, 대량 생산을 할 수 있으며, 회전자의 영역에 자속이 집중되게 구성하여 고정자의 액티브 자속에 상응하는 회전자의 패시브 자속이 되게 하므로써 강력 영구자석으로 된 회전자로 대출력의 전동기를 가능하게 하고, 회전자의 극수, 크기, 모양을 제약 없이 구성할 수 있으므로 길이방향 전동기나 팬케이크형 전동기 등 용도에 맞게 자유로이 설계할 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 풀 사인파나 풀 구형파를 사용하는 종래의 전동기는 극 변경영역에서 제동 토오크, 역기전력(back EMF), 리액턴스(인덕티브 리액턴스와 캐패시티브 리액턴스), 고조파 등이 발생하여 전동기에 철손이나 동손을 유발시키고, 제어기에 충격을 주며, 전동기에 열을 발생시키므로 냉각시스템이 필요하게 되고 효율이 나빠지는 문제점이 있으나, 본 발명의 전동기는 극변경 영역에 위치한 상에는 전류를 입력하지 아니하므로 상기한 모든 문제를 해결하여 냉각시스템이 필요 없고, 전동기의 효율이 향상되는 효과가 있다.

그리고 고정자나 회전자를 같은 규소강판으로 적층하였으므로 자속밀도나 투자율을 동일하게 하여 전류와 토오크의 특성이 양호하고, 전류와 속도의 관계 특성도 양호하므로 불변 출력 특성을 갖게 되며, 모든 속도영역에 걸쳐 효율이 유사하게 된다.

한편, 각 상의 권취 코일에 부분 구형파를 입력하므로서 각 상은 구형 토오크 설계를 구현하더라도 합계 토오크는 리니어 토오크가 되므로 토오크 리플이 없으며, 이에 따라 원활하게 기동하고, 원활히 회전하는 전동기를 제공할 수 있는 효과가 있다.

따라서, 본 발명에 따른 발전장치는 상기의 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용하여 영구자석을 사용함으로써 효율이 높고 안정된 전원을 공급할 수 있는 효과가 있다.

Claims

각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 권선이 권취되고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각 풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며 n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류 전원에 연결되며 n개의 다 상으로 구성된 고정자와, 여자 영역(exciting area)에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성되고 중앙에 회전축이 설치된 회전자와, 감지영역과 비감지 영역으로 구분 구성되고 축의 한 끝에 외부(external)형으로 구성된 정류 엔코더와, 각 상에 2개씩 설치되고 각 상의 하프 H 브리지에 연결되어 각 하프 H 브리지의 온/오프(ON/OFF)를 담당하는 광센서를 구비하여 이루어진 전동기를 이용한 발전장치에 있어서,

상기 회전자는 다수의 공극이 형성된 판을 적층하여 구성되데, 적층된 판을 관통하여 다수의 막대형 강력 영구자석이 설치되고, 상기 정류 엔코더는 감지영역의 간격에 따라 n개의 상(相) 중에서 a(1<a≤n-1)개의 상이 여자되도록 a개의 광센서가 감지할 수 있게 감지영역의 간격을 구성되며, 상기 감지영역의 축 각도는 수식 1에 의하여 결정되고, 엔코더상의 감지영역의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정되며, 센서판 상의 각 광센서의 설치 간격은 수식 2에 의해 결정되어 n개의 상중에서 a 개의 상은 항시 여자되고 b(b=n-a)개의 상은 항시 여자되지 않게 구성하되,

상기 고정자는 권선이 권취되는 권취용 구멍들 사이에는 간섭방지홈이 더 형성되고, 상기 권취용 구멍에는 유도 권선과 발전 권선이 교번 권취됨을 특징으로 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치.

수식 1

,

수식 2
제 1 항에 있어서, 상기 고정자에 감긴 권선을 발전 권선으로 하여 전원 인출선을 설치하고, 상기 회전자의 중심에 설치된 회전축에 동력원을 설치하여 회전자를 회전시킬 수 있도록하여 회전자의 회전에 의해 발생되는 유도 전류가 상기 발전 권선에 연결된 전원 인출선으로 인출되게 구성됨을 특징으로 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치.
제 1 항에 있어서, 상기 고정자에 감긴 권선 중 발전 권선에 전원 인출선을 설치하고, 유도 권선에 1개 또는 다수의 전원 공급 수단을 설치하여 전원을 공급하여 회전자기장이 발생되게 하여 회전자를 회전시키고 회전자의 회전에 의해 발생되는 유도 전류가 고정자에 권취된 발전 권선으로 인출되게 구성하며,

출력되는 전기를 직류로 정류하는 정류기, 전기가 충전되는 하나 이상의 충전기, 상기 충전기들의 충전 및 방전을 제어하는 충방전제어기, 상기 충전기와 전원공급수단과의 회로 연결을 단속하는 스위칭부를 더 구비하여 동력부하, 교류부하 및 직류부하에 사용함을 특징으로 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치.
제 2 항에 있어서, 상기 동력원은 바람이나 수류에 의해 회전하는 양 방향 프로펠러임을 특징으로 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치.
제 1 항내지 4항 중 어느 한항에 있어서, 상기 강력 영구자석은 2,000가우스내지 6,000가우스임을 특징으로 하는 무변출력 무정류자 직류전동기를 이용한 발전장치.