KR20120131003A - 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 회로 구성을 간단히 하여 가격과 크기를 최소화하여 저가형 어플리케이션 분야에 적용하기에 적합한 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로에 관한 것이다.
이 발명에 따른 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로는, 입력교류전원(AC)의 일단에 애노드단이 연결되고 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제1상 권선의 양극에 캐소드단이 연결된 제1다이오드와, 상기 입력교류전원(AC)의 일단에 캐소드단이 연결되고 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제2상 권선의 음극에 애노드단이 연결된 제2다이오드를 포함하고, 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제1상 권선의 음극과 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제2상 권선의 양극은 상기 입력교류전원(AC)의 타단에 공통으로 연결되어 구성된다.

Description

2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로 {drive circle of two-phase SRM}

이 발명은 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회로 구성을 간단히 하여 가격과 크기를 최소화하여 저가형 어플리케이션 분야에 적합한 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로에 관한 것이다.

최근 직류전동기가 주로 사용되어 왔던 모든 분야에서 브러시(brush)가 없는 브러시리스(brushless) 타입의 전동기로 대체되고 있다. 이 브러시리스 타입의 전동기로서, BLDC(Brushless DC electric motor)와 같은 영구자석형 전동기와, 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)와 같은 릴럭턴스 토크를 이용한 전동기가 연구되고 있다. 이 중, 스위치드 릴럭턴스 모터(SRM)는 고정자에만 권선이 감겨져 있고 영구자석이나 권선이 없는 회전자를 포함한 간단한 자기적 구조로서, 견고하고 다른 전동기보다 생산단가를 낮출 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 일반적인 2상 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동회로를 도시한 회로 구성도이다. 도 1의 2상 SRM 구동회로는 일반적으로 가장 많이 사용되는 구조로서, 비대칭 브리지 컨버터라고 한다.

2상 SRM은 두 개의 마주보는 고정자 극을 포함하며, 이 고정자 극에 각각 코일이 감겨있고, 두 코일이 직렬연결되어 하나의 상 권선을 이룬다. 도 1에 도시된 SRM은 2개의 상 권선 즉, A상 권선과 B상 권선으로 이루어지며, 각 상 권선을 구동하기 위해 각 상 권선당 2개의 스위칭 소자와 2개의 다이오드가 연결된다. 즉, A상 권선에는 2개의 스위칭 소자(T1, T2)가 직렬 연결되며 2개의 다이오드(D1, D2)가 연결되고, B상 권선에는 2개의 스위칭 소자(T3, T4) 및 2개의 다이오드(D3, D4)가 연결된다.

도 1에 도시된 2상 SRM 구동회로의 동작을 설명하면, 입력교류전원은 브릿지다이오드에서 전파정류되고 평활커패시터(Cdc)에 의해 평활되어 직류전원으로 변환된다. 이 직류전원을 이용하여 2상 SRM의 A상 권선과 B상 권선이 번갈아 여자되도록 하여, SRM의 내부의 회전자가 자기적 영향으로 회전되도록 한다.

스위칭 소자(T1)와 스위칭 소자(T2)를 턴온하면, 스위칭 소자(T1), SRM의 A상 권선, 스위칭 소자(T2)로 전류가 흘러 A상 권선이 여자된다. 스위칭 소자(T3)와 스위칭 소자(T4)를 턴온하면, 스위칭소자(T3), SRM의 B상 권선, 스위칭 소자(T4)가 연결되어 전류가 흐르기 때문에 B상 권선이 여자된다.

도 2는 도 1에 도시된 2상 SRM 구동회로의 한 상의 인덕턴스와 이상적인 전류 및 토크 파형을 도시한 그래프이다.

도 2의 (a)와 같이 임의의 한 상의 고정자 극과 회전자 극의 겹쳐지는 정도에 따라 인덕턴스(Inductance)가 변하는데, 고정자 극과 회전자 극이 서로 겹치기 시작하면서 인덕턱스는 증가하고 완전히 겹쳤을 때는 인덕턴스는 최대치에 이른다. 이 후 고정자 극과 회전자 극이 멀어지기 시작하면 인덕턴스는 감소하게 되며 서로 완전히 어긋나 있는 상태가 되면 인덕턱스가 최소치가 된다.

도 2의 (b)와 같이 회전자의 위치가 인덕턴스 증가 구간에 위치할 때 전류펄스를 인가하면 양(+)의 토크가 발생하고, 도 2의 (c)와 같이 회전자의 위치가 인덕턴스 감소 구간에 위치할 때 전류펄스를 인가하면 음(-)의 토크가 발생한다. 또한, 회전자가 인덕턴스 최대 구간 또는 최소 구간에 위치할 경우에는, 전류펄스를 인가하여도 토크가 발생하지 않는다. 이와 같이 SRM은 회전자의 위치에 따라 인덕턴스가 달라지므로 도시되지 않은 위치 검출기를 통해 회전자 위치를 파악하고, 회전자의 위치에 따라 각 상 권선에 필요한 전류펄스를 인가해야 한다.

한편, SRM의 속도 및 토크 제어는 각 상에 인가되는 전류의 크기 및 스위칭각을 조절하여 제어할 수 있는데, 도 3은 인덕턴스 변화에 따라 각 상에 인가되는 실제 전류파형을 도시한 도면이다. 실제 SRM 구동시 각 상에 전류가 인가되더라도 도 2의 이상적인 파형과 같이 순시적으로 증가하거나 감소될 수는 없으며, 도 3에 도시된 바와 같이 일정 정도의 상승시간과 하강시간이 소요되며 지연된다. 즉, 상승시간과 하강시간동안 지연이 불가피하다. 따라서 이 SRM의 속도 및 토크 제어의 핵심은 전류제어로써 전류의 크기는 비선형 히스테르시스 제어 또는 선형 PI 제어 기법을 통하여 제어하였다.

이상에서 살펴본 바와 같이 종래의 2상 SRM 구동회로는 교류입력전원을 직류전원으로 변환하기 위한 브릿지다이오드와 평활커패시터, 각 상 권선을 여자하기 위한 4개의 스위칭소자와 4개의 다이오드 등 많은 구성요소들이 필요하고, 그외에 부수적으로 스위칭 소자의 발열을 위한 방열판, 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치 검출기 등의 구성요소가 필요하다.

따라서, 이러한 종래의 2상 SRM 회로는 회로 구성이 복잡하고, 회로 사이즈가 크며, 생산 단가가 고가이기 때문에, 저가형 어플리케이션 분야에는 적합하지 않는 문제점이 있다.

상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 이 발명의 목적은, 회로 구성을 간단히 하여 가격과 크기를 최소화하며 저가형 어플리케이션 분야에 적합한 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로를 제공하기 위한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로는, 입력교류전원(AC)의 일단에 애노드단이 연결되고 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제1상 권선의 양극에 캐소드단이 연결된 제1다이오드와,

상기 입력교류전원(AC)의 일단에 캐소드단이 연결되고 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제2상 권선의 음극에 애노드단이 연결된 제2다이오드를 포함하고,

상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제1상 권선의 음극과 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제2상 권선의 양극은 상기 입력교류전원(AC)의 타단에 공통으로 연결되어 구성된 것을 특징으로 한다.

이 발명에 따르면 최소한의 회로 구성으로 2상 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동할 수 있기 때문에, 저가형 어플리케이션 분야에 적합한 SRM 구동회로를 제공할 수 있는 잇점이 있다.

도 1은 일반적인 2상 스위치드 릴럭턴스 모터를 구동하는 구동회로를 도시한 회로 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 2상 SRM 구동회로의 한 상의 인덕턴스와 이상적인 전류 및 토크 파형을 도시한 그래프이다.
도 3은 인덕턴스 변화에 따라 각 상에 인가되는 실제 전류파형을 도시한 도면이다.
도 4는 이 발명에 따른 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로를 도시한 회로구성도이다.
도 5 내지 도 7은 이 발명이 적용되는 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 예시도이다.
도 8은 이 발명에 따른 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로의 동작 파형도이다.

도 4는 이 발명에 따른 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로를 도시한 회로구성도이다.

이 발명에 따른 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로는 입력교류전원(AC)의 일단에 애노드단이 연결되고 SRM의 A상 권선의 양극(A+)에 캐소드단이 연결된 제1다이오드(D21)와, 입력교류전원(AC)의 일단에 캐소드단이 연결되고 상기 SRM의 B상 권선의 음극(B-)에 애노드단이 연결이 제2다이오드(D22)를 포함하고, 상기 SRM의 A상 권선의 음극(A-)과 상기 SRM의 B상 권선의 양극(B+)은 상기 입력교류전원(AC)의 타단에 공통으로 연결되어 구성된다.

도 4에 도시된 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로의 동작을 설명하면, 입력교류전원(AC)의 양(+)의 반주기동안 제1다이오드(D21)가 통전되어 A상 권선으로 전류가 흐르게 되어 A상 권선이 여자된다. 한편, 입력교류전원(AC)의 음(-)의 반주기동안에는 제2다이오드(D22)가 통전되어 B상 권선으로 전류가 흐르게 되어 B상 권선이 여자된다. 그러면, 입력교류전원(AC)의 양(+)의 반주기 동안은 A상의 인덕턴스가 상승하므로 A상 권선이 감겨진 고정자에 양(+)의 토크가 발생하며, 입력교류전원(AC)의 음(-)의 반주기 동안은 B상의 인덕턴스가 상승하므로 B상 권선이 감겨진 고장자에 양(+)의 토크가 발생하게 된다.

이 발명은 위치 검출기를 사용하지 않기 때문에 회전자의 초기 위치를 검출할 수 없으며, 이럴 경우 회전자의 위치와 A상, B상의 토크 발생 동기가 맞지 않아서 회전자가 정상적으로 회전하지 못할 우려가 있다. 이 발명은 이러한 문제를 해결하기 위해, SRM 회전자를 관성이 작고, 기동부하가 적게 설계하고, 고정자의 회전자의 극수를 많게 설계한다. 또는, 기동 능력을 향상시키기 위해 파킹자석을 사용할 수도 있다.

도 5 내지 도 7은 이 발명이 적용되는 스위치드 릴럭턴스 모터의 예시도로서, 도 5의 (a)는 고정자 극수가 6개이고 회전자 극수가 4개인 2상 SRM 구조도이고, (b)는 고정자 극수가 4개이고 회전자 극수가 2개인 2상 SRM 구조도이다. 도 6은 고정자 극수가 8개이고 회전자 극수가 4개인 2상 SRM 구조도이고, 도 7은 고정자 극수가 12개이고 회전자 극수가 6개인 2상 SRM 구조도이다. 이 발명은 회전자 극수와 고정자 극수를 다양하게 변형하여 적용할 수 있다.

도 8은 이 발명에 따른 2상 SRM 구동회로의 동작 파형도로서, 입력교류전원이 양(+) 주기 동안에는 A상 권선에 전류가 공급되어 A상의 인덕턴스가 상승하고, 입력교류전원의 음(-) 주기 동안에는 B상 권선에 전류가 공급되어 B상의 인덕턴스가 상승한다.

일반적으로 팬(pan)은 기동토크가 크지 않고, 토크의 급격한 변화가 없으며 정상 상태에서 일정 속도로 회전하므로 가변 속도 운전이 거의 필요하지 않는 부하이다. 이 발명은 팬 부하와 같이 정밀한 속도 제어나 토크 제어가 필요없는 저가, 저성능의 어플리케이션에 저렴하고 용이하게 적용할 수 있다.

Claims (3)

1. 입력교류전원(AC)의 일단에 애노드단이 연결되고 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제1상 권선의 양극에 캐소드단이 연결된 제1다이오드와,
   상기 입력교류전원(AC)의 일단에 캐소드단이 연결되고 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제2상 권선의 음극에 애노드단이 연결된 제2다이오드를 포함하고,
   상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제1상 권선의 음극과 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터의 제2상 권선의 양극은 상기 입력교류전원(AC)의 타단에 공통으로 연결되어 구성된 것을 특징으로 하는 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터는 고정자 극수가 8개이고 회전자 극수가 4개인 것을 특징으로 하는 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 2상 스위치드 릴럭턴스 모터는 고정자 극수가 12개이고 회전자 극수가 6개인 것을 특징으로 하는 2상 스위치드 릴럭턴스 모터 구동회로.
   

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