(57)【要約】【課題】本発明はスイッチトリラクタンスモータに関する。【解決手段】本発明によるスイッチトリラクタンスモータは、回転子と、前記回転子の両端部に連結された整流子と、前記回転子の回転によって整流子と機械的に接触されるブラシと、前記ブラシが固定され、コイルが巻取された固定磁極を有する固定子と、を含み、前記ブラシは互いに対向する固定磁極の連結軸から進み角だけ反時計回り方向に移動されて装着され、前記進み角は電圧印加後のインダクタンス上昇前までの領域であり、前記整流子とブラシのアーク角によって電圧印加区間である導通角が調整される。【選択図】図２
2012147653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転子と、
前記回転子の両端部に連結された整流子と、
前記回転子の回転によって整流子と機械的に接触されるブラシと、
前記ブラシが固定され、コイルが巻取された固定磁極を有する固定子と、を含み、
前記ブラシは互いに対向する固定磁極の連結軸から進み角だけ反時計回り方向に移動されて装着されることを特徴とするスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項２】
前記進み角は電圧印加後のインダクタンス上昇前までの領域であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項３】
前記整流子とブラシのアーク角によって電圧印加区間である導通角が調整されることを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項４】
前記固定磁極に夫々巻取されたコイルはＡ相巻線及びＢ相巻線となることを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項５】
前記Ａ相巻線及びＢ相巻線の両端に夫々連結されたＴＶＳをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項６】
前記Ａ相巻線及びＢ相巻線に夫々連結された二対のブラシは、一つは電源に連結され、他の一つはコイルに連結されることを特徴とする請求項４に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項７】
前記導通角はｄ＝Ｘ＋２Ｙに定義され、
ここで、Ｘはブラシのアーク角、Ｙは整流子のアーク角であることを特徴とする請求項３に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【請求項８】
前記固定子と回転子は突極型であることを特徴とする請求項１に記載のスイッチトリラクタンスモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はスイッチトリラクタンスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なスイッチトリラクタンスモータ（Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  Ｍｏｔｏｒ）は、固定子と回転子が全て突極（ｓａｌｉｅｎｔ）である磁気構造を有する。そして、固定子に集中巻のコイルが巻かれ、回転子は如何なる励磁装置（巻線または永久磁石等）も有さずに鉄心のみで構成されるため、価格競争力に優れる。また、速度可変型スイッチトリラクタンスモータは、電力半導体を利用したコンバータと位置センサーによって連続的なトルクを安定的に発生させ、各応用分野で求められる性能に応じて容易に制御することができるという長所を有する。
【０００３】
また、スイッチトリラクタンスモータは回転子の構造が簡単であり安価であるが、リラクタンストルクを発生させるためには半導体スイッチからなるコンバータを用いなければならないため、全体システムの価格が上昇するという問題点があり、高速駆動時の適切な制御のためには早い演算が可能な高価の制御回路を備えなければならないという問題点を有する。
【０００４】
そして、掃除機、電動工具等の分野で主に用いられるユニバーサルモータの場合、簡単な機械的構造である整流子とブラシを用いることにより、コンバータと位置センサーを用いずにトルクを発生させ、制御による性能向上よりは安価のモータ構造が長所として認められ、その分野で広く用いられている。しかし、コイルが固定子だけでなく回転子にも巻かれているため、材料費が高くなり、回転子銅損（ｃｏｐｐｅｒｌｏｓｓ）が発生し、モータの効率を低減させるため、高効率が求められる高級型モデルに適用することが困難であるという問題点を有する。
【０００５】
図１は従来技術によるスイッチトリラクタンスモータの概略的な構成図である。図１に一相のみが図示された前記スイッチトリラクタンスモータ１００は、回転子１１０と、固定磁極１２１が形成された固定子１２０と、前記固定磁極１２１に巻かれたコイル１３０とを備える。そして、コイルに電流が印加されると、固定磁極に磁界が発生し、固定磁極１２１と回転子１１０との間に引力が発生して回転される。
【０００６】
また、複数の相巻線が複数の固定磁極に巻かれる場合、固定磁極の上巻線を一つずつ励磁させてトルクを発生させることにより、回転子を回転させる。この場合、回転子の位置フィードバックのために位置センサーが必要であり、回転子の位置に応じて固定子の巻線に電流を印加するために電力用半導体で構成されたコンバータが必要である。さらに、複雑で早い演算のために、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）またはＭＣＵ（Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ  Ｕｎｉｔ）などが装着された制御機が必要である。
【０００７】
上述したように、従来技術によるスイッチトリラクタンスモータは、駆動のためにコンバータ、制御機、位置センサーが必須であるため、安価で具現することが困難であるだけでなく、複雑な技術構成により設計自由度が低下し、故障またはエラーの発生可能性が高いという問題点がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上述のような問題点を解決するために、コンバータ及び位置センサーを備えず、整流子とブラシを用いて機械的な相転換を遂行するトルクを発生させることにより、安価で簡単な機械構造を具現することができるスイッチトリラクタンスモータを提供することを目的とする。
【０００９】
また、本発明は、モータの性能に直接影響を与える進み角（ＡｄｖａｎｃｅＡｎｇｌｅ）と導通角（ＤｗｅｌｌＡｎｇｌｅ）を、整流子とブラシの位置及びアーク角（ＡｒｃＡｎｇｌｅ）を変更して調整することにより、最適運転点（最大効率、最大トルク）に応じた設計が可能であるだけでなく、その設計技法を利用して二対の固定磁極から発生する夫々の正トルク領域を調整して重畳トルクを可変することができるため、トルクリプルの低減設計が可能であるスイッチトリラクタンスモータを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、各相のコイルに連結されるＴＶＳ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）を備え、インダクタンスに保存されるエネルギーがＴＶＳによって熱として消滅されることにより、負トルクの発生が防止され、強制相転換されるスイッチトリラクタンスモータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した本発明の目的を果たすために、本発明によるスイッチトリラクタンスモータは、回転子と、前記回転子の両端部に連結された整流子と、前記回転子の回転によって整流子と機械的に接触されるブラシと、前記ブラシが固定され、コイルが巻取された固定磁極を有する固定子と、を含み、前記ブラシは互いに対向する固定磁極の連結軸から進み角だけ反時計回り方向に移動されて装着される。
【００１２】
また、前記進み角は電圧印加後のインダクタンス上昇前までの領域であり、前記整流子とブラシのアーク角によって電圧印加区間である導通角が調整される。
そして、前記固定磁極に夫々巻取されたコイルはＡ相巻線及びＢ相巻線となる。
また、本発明によるスイッチトリラクタンスモータは、前記Ａ相巻線及びＢ相巻線の両端に夫々連結されたＴＶＳをさらに含む。
【００１３】
そして、前記Ａ相巻線及びＢ相巻線に夫々連結された二対のブラシは、一つは電源に連結され、他の一つはコイルに連結される。
また、前記導通角はｄ＝Ｘ＋２Ｙに定義され、ここで、Ｘはブラシのアーク角、Ｙは整流子のアーク角である。
そして、前記固定子と回転子は突極型である。
【００１４】
本発明の特徴及び利点は添付図面に基づいた以下の詳細な説明によってさらに明らかになるであろう。
本発明の詳細な説明に先立ち、本明細書及び請求範囲に用いられた用語や単語は通常的かつ辞書的な意味に解釈されてはならず、発明者が自らの発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則にしたがって本発明の技術的思想にかなう意味と概念に解釈されるべきである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、コンバータ及び位置センサーを備えず、整流子とブラシを用いて機械的な相転換を遂行するトルクを発生させることにより、安価で簡単な機械構造を具現することができる。また、モータの性能に直接影響を与える進み角（Ａｄｖａｎｃｅ  Ａｎｇｌｅ）と導通角（Ｄｗｅｌｌ  Ａｎｇｌｅ）を、整流子とブラシの位置及びアーク角（Ａｒｃ  Ａｎｇｌｅ）を変更して調整することにより、最適運転点（最大効率、最大トルク）に応じた設計が可能であるだけでなく、その設計技法を利用して二対の固定磁極から発生する夫々の正トルク領域を調整して重畳トルクを可変することができるため、トルクリプルの低減設計が可能である。さらに、各相のコイルに連結されるＴＶＳ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）を備え、インダクタンスに保存されるエネルギーがＴＶＳによって熱として消滅されることにより、負トルクの発生が防止され、強制に相転換されるスイッチトリラクタンスモータを提供することができる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の目的、特定の長所及び新規の特徴は添付図面に係る以下の詳細な説明および好ましい実施例によってさらに明らかになるであろう。本明細書において、各図面の構成要素に参照番号を付け加えるに際し、同一の構成要素に限っては、たとえ異なる図面に示されてもできるだけ同一の番号を付けるようにしていることに留意しなければならない。また、本発明の説明において、係わる公知技術に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明瞭にする可能性があると判断される場合は、その詳細な説明を省略する。
【００１７】
以下、添付された図面を参照して本発明の好ましい実施例によるスイッチトリラクタンスモータについて詳細に説明する。
図２は本発明によるスイッチトリラクタンスモータの概略的な構成図である。図示したように、前記スイッチトリラクタンスモータ２００は、回転子２１０と、整流子２２０ａ、２２０ｂと、ブラシ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄと、コイル２４０ａ、２４０ｂと、固定子２５０と、を含む。
より具体的には、前記回転子２１０の両端部に整流子２２０ａ、２２０ｂが連結され、前記整流子２２０ａ、２２０ｂは互いに短絡される。
この際、前記回転子の中心軸が二つの整流子２２０ａ、２２０ｂの中心軸と一致するように連結される。そして、前記固定子２５０と回転子２１０は突極型である。
【００１８】
また、前記ブラシ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄは互いに対向する二対が備えられ、固定子２５０に固定される。前記固定子２５０は互いに対向する二対の固定磁極２５１を備え、前記二相のコイル２４０ａ、２４０ｂが前記固定磁極に夫々巻取される。
前記ブラシは前記回転子２１０の回転によって整流子２２０と機械的に接触される。そして、前記ブラシ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄは互いに対向する固定磁極２５１の連結軸から進み角ａだけ反時計回り方向に移動されて装着される。
このように構成されることにより、回転子２１０の回転によって同軸の整流子２２０ａ、２２０ｂがともに回転し、コイル２４０ａで図示したＡ相巻線を励磁すべきの位置に前記整流子２２０ａ、２２０ｂが位置する場合、前記ブラシ２３０ａ、２３０ｂと夫々機械的接触されて電流が流れ、コイル２４０ｂで図示したＢ相巻線を励磁すべきの位置に前記整流子２２０ａ、２２０ｂが位置する場合、前記ブラシ２３０ｃ、２３０ｄと夫々機械的接触されて電流が流れる。
【００１９】
図３は本発明によるスイッチトリラクタンスモータの概略的な回路図である。図示したように、本発明によるスイッチトリラクタンスモータは、整流子とブラシの電気的連結によって動作するスイッチＳと、巻取された各相のコイル２４０ａ、２４０ｂの間に連結されたＴＶＳ（Ｔｒａｎｓｉｅｎｔ  Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ）２６０ａ、２６０ｂと、を備える。そして、前記インダクタンスに保存されるエネルギーは、ＴＶＳ２６０ａ、２６０ｂによって熱として消滅されることにより、負トルクの発生が防止され、強制相転換される。
【００２０】
以下、上述のような本発明によるスイッチトリラクタンスモータの構造及び作動原理についてより詳細に説明する。
【００２１】
図４は本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、回転子の位置によるインダクタンスを図示したグラフであり、図５は本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、回転子の位置による電圧印加を図示したグラフであり、図６は本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、整流子とブラシの位置による進み角及び導通角の設定を示した使用状態図である。図示したように、インダクタンスの特性上、電圧の印加時に所望の電流値に直ちに到逹せず、電圧のオフ時に電流が直ちに消滅されない。従って、最小インダクタンス区間で電流形成（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）のための進み角ａと負トルク発生前に電圧をオフさせる導通角の設計が重要である。これにより、従来技術による位置センサー及びコンバータの役割を具現することができるようになる。
より具体的には、
【００２２】
【数１】
2012147653.tif 000003
【００２３】
であり、
（Ｔ：トルク、θ：回転子の位置、ｉ：相電流、Ｌ：インダクタンス）
前記式から分かるように、発生された電流とインダクタンスの変化率によってトルクが決められる。
【００２４】
従って、前記進み角は電圧印加後のインダクタンス上昇前までの領域であり、進み角ａだけ電圧が印加され、その後、インダクタンスが上昇して正トルク領域が形成されて、導通角ｄである電圧印加区間は前記ブラシのアーク角Ｘと整流子のアーク角Ｙによって調整される。結局、導通角はｄ＝Ｘ＋２Ｙに定義され、ここで、Ｘはブラシのアーク角、Ｙは整流子のアーク角である。
【００２５】
以下、本発明によるスイッチトリラクタンスモータのトルク発生及び相転換について詳細に説明する。
図７は本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、Ａ相コイル励磁による概略的な使用状態図であり、図８は本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、Ａ相及びＢ相コイル励磁による概略的な使用状態図であり、図９は本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、Ａ相の相転換後のＢ相コイル励磁による概略的な使用状態図である。
【００２６】
図示したように、整流子２２０ａ、２２０ｂがブラシ２３０ａ、２３０ｂと夫々接触されることにより電圧が印加され、前記Ａ相のコイル２４０ａに電流が流れる。この場合、印加電圧が交流電圧であるため、整流子２２０ａ、２２０ｂの両端に掛かる電圧は、整流子２２０ａは（＋）電圧、整流子２２０ｂは（−）電圧からなるか、または、整流子２２０ａは（−）電圧、整流子２２０ｂは（＋）電圧からなるなど、極性が相違することができる。また、本発明によるスイッチトリラクタンスモータは、交流電圧に代えて、直流電圧を印加して用いてもよい。
【００２７】
そして、時計回り方向に整流子２２０ａ、２２０ｂが回転して、上／下、左／右のブラシ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄに全て接触され、Ａ相コイル２４０ａとＢ相コイル２４０ｂに同時に励磁された後、相転換が発生される。また、整流子２２０ａ、２２０ｂが回転し、上／下、左／右のブラシ２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄと離れる瞬間、Ａ相の磁気回路に保存されたエネルギーはＴＶＳ２６０ａによって熱として消滅されることにより、Ａ相の負トルク領域前に相転換される。従って、電流の励磁と環流（Ｆｒｅｅｗｈｅｅｌｉｎｇ）を統制することにより、負トルクを発生させることなく連続的な正トルクを発生させることができるようになり、二つの相の固定磁極から発生する夫々の正トルク領域を調整して重畳トルクを可変することができるため、トルクリプルの低減設計が可能となる。
【００２８】
そして、図９に図示したように、前記整流子２２０ａ、２２０ｂが上／下のブロシ２３０ｃ、２３０ｄにのみ接する場合、Ａ相及びＢ相が全て励磁され、Ｂ相の相転換が起こる。即ち、整流子２２０ａ、２２０ｂは上／下のブロシ２３０ｃ、２３０ｄと離れる瞬間、Ｂ相磁気回路に保存されたエネルギーはＴＶＳ２６０ｂによって熱として消滅されることにより、Ｂ相の負トルク領域前に相転換される。
【００２９】
図７から図９は回転子の０〜１８０゜回転区間での工程を図示したものであり、図７から図９を参照して上述した工程と同一の工程が回転子の１８０〜３６０゜回転区間で繰り返される。
これにより、本発明によるスイッチトリラクタンスモータは整流子及びブラシのアーク角によって進み角及び導通角を調整し、ＴＶＳによってインダクタンスに保存されたエネルギーを熱として消滅させることにより、負トルクの発生を防止することができる。
【００３０】
本発明の単純な変形乃至変更はいずれも本発明の領域に属するものであり、本発明の具体的な保護範囲は添付の特許請求の範囲により明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来技術によるスイッチトリラクタンスモータの概略的な構成図である。
【図２】本発明によるスイッチトリラクタンスモータの概略的な構成図である。
【図３】本発明によるスイッチトリラクタンスモータの概略的な回路図である。
【図４】本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、回転子の位置によるインダクタンスを図示したグラフである。
【図５】本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、回転子の位置による電圧印加を図示したグラフである。
【図６】本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、整流子とブラシの位置による進み角及び導通角の設定を示した使用状態図である。
【図７】本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、Ａ相コイル励磁による概略的な使用状態図である。
【図８】本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、Ａ上及びＢ相コイル励磁による概略的な使用状態図である。
【図９】本発明によるスイッチトリラクタンスモータにおいて、Ａ上相転換後のＢ相コイル励磁による概略的な使用状態図である。
【符号の説明】
【００３２】
１００  スイッチトリラクタンスモータ
１１０  回転子
１２０  固定子
１２１  固定磁極
１３０  コイル
２００  スイッチトリラクタンスモータ
２１０  回転子
２２０ａ、２２０ｂ  整流子
２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ、２３０ｄ  ブラシ
２４０ａ、２４０ｂ  コイル
２５０  固定子
２５１  固定磁極
２６０ａ、２６０ｂ  ＴＶＳ
【図１】
2012147653.tif 000004
【図２】
2012147653.tif 000005
【図３】
2012147653.tif 000006
【図４】
2012147653.tif 000007
【図５】
2012147653.tif 000008
【図６】
2012147653.tif 000009
【図７】
2012147653.tif 000010
【図８】
2012147653.tif 000011
【図９】
2012147653.tif 000012