KR20200056016A - 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법 - Google Patents

동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법 Download PDF

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Abstract

동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법이 개시된다. 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자에 있어서, 다수의 베리어들이 형성되되, 상기 다수의 베리어 중 어느 하나는 최외곽 베리어를 포함한다.

Description

동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법{Rotor of synchronous reluctance motor and design method thereof}
본 발명은 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법에 관한 것이다.
기존의 SynRM의 구조에서는 일정한 베리어와 세그먼트를 이용하여 자속장벽을 설계하였다. 그러므로 최외곽 부분에는 코어가 남아있게 되어 자속누설이 발생한다. 본 발명에서는 남아있는 코어부분에 추가적인 자속장벽을 배치하여 상대적으로 기존의 SynRM 구조 보다 향상된 돌극비를 가지는 회전자 구조를 설계하였다.
기존의 회전자의 경우 일반적으로 베리어와 세그먼트의 수학적 모델링을 통해 두께와 각도 등을 최적 설계한다. 기계적 안정성 면에서도 안전하면서 구동 특성을 향상시키기 위한 다양한 회전자 형상이 연구되었다.
종래기술의 경우 일정한 베리어의 형상을 유지시킨 회전자 구조를 가짐으로써 최외곽 부분에 코어가 남아있게 된다. 결과적으로 남아있는 코어 부분으로 누설자속 및 철손 등이 발생하여 출력과 효율을 저하시키는 문제점이 있다.
본 발명은 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 코어의 최외곽에 베리어를 형성함으로써 누설 자속 및 철손 발생으로 인한 출력과 효율 저하를 방지하여 최대 출력을 가지도록 할 수 있어 효율을 극대화할 수 있는 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자에 있어서, 다수의 베리어들이 형성되되, 상기 다수의 베리어 중 어느 하나는 최외곽 베리어인 것을 특징으로 하는 회전자가 제공될 수 있다.
상기 최외곽 베리어는, 상기 회전자 코어의 최외곽 세그먼트의 내주연을 따라 형성될 수 있다.
상기 최외곽 세그먼트와 상기 최외곽 베리어의 면적 비율이 30 내지 40%가 되도록 상기 최외곽 베리어가 형성될 수 있다.
상기 최외곽 베리어는 나머지 베리어와 형상이 상이할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 구조 설계 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 구조 설계 방법에 있어서, 다수의 베리어들이 형성되도록 설계하되, 상기 다수의 베리어들 중 어느 하나는 최외곽 베리어이되, 상기 최외곽 베리어는 최외곽 세그먼트의 내주연을 따라 형성되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 회전자 구조 설계 방법이 제공될 수 있다.
상기 최외곽 세그먼트와 상기 최외곽 베리어의 면적 비율이 30 내지 40%가 되도록 상기 최외곽 베리어가 설계될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 및 이의 설계 방법을 제공함으로써, 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 코어의 최외곽에 베리어를 형성함으로써 누설 자속 및 철손 발생으로 인한 출력과 효율 저하를 방지하여 최대 출력을 가지도록 할 수 있어 효율을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 일부를 도시한 도면.
도 2는 유한요소 해석 기법을 이용하여 5.5kW와 15kW 두가지 용량과 BAR 타입과 ARC 타입 두가지 형상에 대해 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자 구조에 대한 해석 결과를 비교한 결과를 나타낸 도면.
도 3 및 도 4는 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자에서의 5.5kW에 대한 모델 해석 결과를 나타낸 결과를 비교한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 5.5kW에서 최외곽 세그먼트와 최외곽 베리어의 면적 비율에 따른 출력 특성을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 15kW에서 최외곽 세그먼트와 최외곽 베리어의 면적 비율에 따른 출력 특성을 나타낸 그래프.
본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 일부를 도시한 도면이고, 도 2는 유한요소 해석 기법을 이용하여 5.5kW와 15kW 두가지 용량과 BAR 타입과 ARC 타입 두가지 형상에 대해 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자 구조에 대한 해석 결과를 비교한 결과를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자(100)는 중심에 샤프트가 결합되는 샤프트 홀이 형성되며, 코어에 복수의 자속 베리어(110)가 형성된다.
회전자(100) 코어에 형성되는 복수의 베리어(110)는 각각 세그먼트의 간격이 일정하도록 각각 형성될 수 있다. 이러한, 회전자(100) 코어에 형성되는 복수의 베리어(110)는 q축 방향으로 각각 대칭을 이루도록 형성될 수 있다.
여기서, q축 방향은 베리어(110)를 가로지르는 방향을 지칭하며, d축은 베리어와 베리어 사이의 방향을 지칭한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회전자(100)는 최외곽 베리어(120)를 포함할 수 있다. 여기서, 최외곽 베리어(120)는 최외곽 세그먼트(115)의 외측 내주연을 따라 형성될 수 있다.
이러한 최외곽 베리어(120)는 회전자(100) 코어의 다른 베리어(110)와는 그 형상이 상이하게 형성될 수 있다.
예를 들어, ARC 타입으로 최외곽 베리어(120)를 최외곽 세그먼트(115)에 형성함에 있어, 잔여 세그먼트의 면적이 최외곽 베리어(120)의 면적보다 작도록 최외곽 베리어(120)를 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 잔여 세그먼트는 최외곽 세그먼트(115)에서 최외곽 베리어(120) 영역을 제외한 나머지 세그먼트 영역을 지칭하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 최외곽 베리어(120)는 최외곽 세그먼트(115)의 내주연을 따라 형성될 수 있다. 따라서, 최외곽 베리어(120)의 형상은 회전자(100) 코어에 형성되는 다른 베리어들의 형상과 달리 최외곽 세그먼트(115)의 형상과 동일한 형상으로 형성될 수 있다.
물론, 최외곽 베리어(120) 또한, q축 방향을 중심으로 대칭이 되도록 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예와 같이 회전자(100) 코어의 최외곽에 추가적인 최외곽 베리어(120)를 형성함으로써 출력 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 회전자(100) 코어의 최외곽에 추가적인 최외곽 베리어(120)를 형성함으로써 누설자속을 최소화할 수 있는 이점도 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 최외곽 베리어(120)가 ARC 타입으로 형성되는 것을 가정하여 이를 중심으로 설명하나, 최외곽 베리어(120)는 ARC 타입 이외에도 다른 형상(예를 들어, BAR 타입)으로 형성될 수도 있다. 물론, 최외곽 베리어(120)가 BAR 타입으로 형성되는 경우에도 최외곽 베리어(120)의 최외측은 최외곽 세그먼트(115)의 내주연을 따라 형성될 수 있다. 최외곽 베리어(120)의 최외측을 제외한 나머지 부분이 BAR 타입으로 형성됨에 따라 내측과 대면하는 최외측의 형상이 서로 상이하도록 형성될 수 있다. 물론, BAR 타입으로 최외곽 베리어(120)가 형성되는 경우에도 최외곽 베리어(120)는 q축을 중심으로 대칭이 되도록 형성될 수 있다.
도 2는 유한요소 해석 기법을 이용하여 5.5kW와 15kW 두가지 용량과 BAR 타입과 ARC 타입 두가지 형상에 대해 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자 구조에 대한 해석 결과를 비교한 결과가 도시되어 있다.
5.5kW와 15kW 두가지 용량 및 BAR 타입과 ARC 타입 모두에서 종래에 비해 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자 구조에서 출력, 효율 및 THD 모두 개선되는 경향을 보이는 것을 알 수 있다.
또한, 종래에 비해, 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자 구조에서 토크 리플에서 영향을 미치고 센서리스 제어시 중요한 특성으로 여겨지는 유기기전력의 전고조파왜율(THD)이 감소되는 것을 알 수 있다.
도 3 및 도 4는 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자에서의 5.5kW에 대한 모델 해석 결과를 나타낸 결과를 비교한 도면이다.
도 3의 (a)는 종래의 일반적인 회전자를 도시한 것이며, 도 3의 (b)는 종래의 노치 구조를 가지는 회전자를 도시한 것이며, 도 3의 (c)는 본 발명의 일 실시예에 따른 최외곽 베리어를 포함하는 회전자의 전자계 해석을 진행한 결과를 정리한 도면이다.
도 4에서 보여지는 바와 같이, 종래와 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자에 대한 전자계 해석을 수행하여 출력 특성을 비교한 결과 노치 구조를 가지는 회전자의 출력 특성이 저하되는 것을 알 수 있으며, 본 발명의 일 실시예와 같이 최외곽 베리어를 포함하는 회전자의 출력 특성이 향상되는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 5.5kW에서 최외곽 세그먼트와 최외곽 베리어의 면적 비율에 따른 출력 특성을 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 15kW에서 최외곽 세그먼트와 최외곽 베리어의 면적 비율에 따른 출력 특성을 나타낸 그래프이다.
도 5 및 도 6에서 보여지는 바와 같이, 15kW의 경우 최외곽 세그먼트와 최외곽 베리어의 면적 비율이 34.2%일 때 최대 출력을 보이며, 그 이후부터는 출력이 감소되는 것을 알 수 있다.
또한, 5.5kW의 경우 최외곽 세그먼트와 최외곽 베리어의 면적 비율 32%일 때 최대 출력이 확인되며, 40%를 초과하는 경우에는 출력 특성이 현저하게 감소되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서는 최외곽 세그먼트와 최외곽 베리어의 면적 비율이 30 ~ 40%가 되도록 최외곽 베리어(120)를 형성함으로써 출력 성능을 향상시키고 누설 자속을 최소화할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 회전자
110: 복수의 베리어
115: 최외곽 세그먼트
120: 최외곽 베리어

Claims (6)

  1. 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자에 있어서,
    다수의 베리어들이 형성되되,
    상기 다수의 베리어 중 어느 하나는 최외곽 베리어인 것을 특징으로 하는 회전자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 최외곽 베리어는,
    상기 회전자 코어의 최외곽 세그먼트의 내주연을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 회전자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 최외곽 세그먼트와 상기 최외곽 베리어의 면적 비율이 30 내지 40%가 되도록 상기 최외곽 베리어가 형성되는 것을 특징으로 하는 회전자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 최외곽 베리어는 나머지 베리어와 형상이 상이한 것을 특징으로 하는 회전자.
  5. 동기형 릴럭턴스 전동기의 회전자 구조 설계 방법에 있어서,
    다수의 베리어들이 형성되도록 설계하되,
    상기 다수의 베리어들 중 어느 하나는 최외곽 베리어이되, 상기 최외곽 베리어는 최외곽 세그먼트의 내주연을 따라 형성되도록 설계되는 것을 특징으로 하는 회전자 구조 설계 방법.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 최외곽 세그먼트와 상기 최외곽 베리어의 면적 비율이 30 내지 40%가 되도록 상기 최외곽 베리어가 설계되는 것을 특징으로 하는 회전자 구조 설계 방법.

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