KR100200228B1 - 매입형 영구자석 동기모터의 회전자 - Google Patents

매입형 영구자석 동기모터의 회전자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 매입형 영구자석 동기모터의 회전자를 개시한다. 본 발명은 몸체적층판이 여러장 적층되어 자기장의 통로가 형성되도록 구성되는 몸체 블록과; 자극면 적층판이 여러장 적층되어 구성되고, 몸체 블록의 반경방향으로 서로 일정 거리 떨어져 자석 스페이스들과 연결 스페이스들이 각각 형성되도록 장착되는 자극면 블록들과; 연결 스페이스들에 자기장의 흐름이 차단되도록 축방향으로 대응되어 설치되며, 자석들의 측면이 지지되도록 그 양쪽측면에 지지면이 각각 형성되는 스페이서들과; 자극면 블록들의 바깥둘레에 씌워지는 원통형의 쉘을 포함한다.
따라서, 몸체 블록과 자극면 블록들이 분할되어 스페이서들에 의해 서로 결합됨으로써, 불필요한 자기손실이 방지되어 제품의 효율이 현저히 향상되는 것이다.
또한, 몸체 블록과 자극면 블록이 분할되어 자석들의 조립 공정이 용이하게 수행됨으로써, 생산설비 비용이 크게 감소되어 제품의 생산비용이 감소되는 것이다.

Description

매입형 영구자석 동기모터의 회전자
제 1도는 일반적인 영구자석 동기모터를 나타낸 단면도.
제 2도의 (a)(b)는 종래 영구자석 동기모터의 회전자를 나타낸 정면도.
제 3도는 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기모터의 회전자를 부분적으로 절단하여 나타낸 사시도.
제 4도는 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기모터의 회전자를 나타낸 정면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
30 : 회전자(rotor) 32 : 몸체 블록(body block)
36 : 안착홈 38 : 고정홈
40 : 자극면 블록(pole face block) 42 : 자극면
44 : 안착홈 46 : 자석 스페이스(magnet space)
48 : 연결 스페이스 50 : 스페이서(spacer)
52 : 고정편 56 : 쉘(shell)
Ma : 자석(magnet)
본 발명은 매입형 영구자석 동기모터(Interior Mounted Permament-Magnet Motor)에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자기손실(磁氣損失)이 방지되어 제품의 효율이 향상되도록 한 매입형 영구자석 동기모터의 회전자(rotor)에 관한 것이다.
일반적으로 영구자석 동기모터는 교류모터(alernating current motor)의 일종으로 일정 주파수(周波數)에서 동기 속도(일정한 속도)로 회전하는 정속도(定速度)모터이다. 이러한 영구자석 동기모터는 최근 전기 자동차의 구동용 모터및 드라이버(driver) 분야에서 개발이 활발히 진행되고 있다.
이와 같은 영구자석 동기모터에 대한 하나의 예를 제 1도에 나타내어 설명한다.
제 1도에 나타낸 바와 같이, 코일(coil:Co)들이 권선되는 고정자(St)의 중앙에 회전자(rotor:Ro)가 일정 공극(air gap)이 유지되도록 설치되고, 회전자(Ro)에는 자석(magnet:Ma)들이 일정 간격 배열되어 장착된다. 그리고, 자석(Ma)들은 N.S.N.S와 같이 자극(磁極)이 교대로 배치된다.
또한 회전자(Ro)의 중앙에 축(shaft:Sh)이 장착되며,축(Sh)의 양쪽 끝은 베어링(bearing: Be)에 의해 각각 지지되고, 고정자(St)의 양쪽 측면에 사이드 프레임(side frame:Sf)이 각각 장착된다.
따라서, 고정자(St)의 코일(Co)들에 전원이 인가되면 자계가 형성되며, 코일(Co)들의 자계와 자석(Ma)들의 자력에 의한 자력작용(磁力作用)에 의해 회전자(Ro)의 회전이 이루어진다.
이와같은 종래 영구자석 동기모터의 회전자를 제 2도의(가)(나)에 나타내어 설명한다.
먼저, 제 2도의(a)에 나타낸 바와 같이, 회전자(10)는 투자율(透磁率)이 높은 재료, 예를 들어 규소강판(silicon steel plate)등이 프레스(press)가공에 의해 하나의 적층판(10A)으로 제작되고, 적층판(10A)이 여러장 적층되어 볼트(bolt)등에 의해 고정되도록 구성된다.
또한, 회전자(10)의 중앙에 축(Sh)이 끼워져 장착되는 축구멍(12)이 형성되고, 축구멍(12)의 반경방향으로 사각형상체의 자석(Ma)들이 대응되어 장착되도록 자석 구멍(14)들이 사각형태로 각각 형성된다.
그리고, 회전자(10)는 자석구멍(14)들의 바깥쪽으로 자극면(pole face:16)들을 가지며, 자극면(16)들은 브리지(bridge:18)들에 의해 서로 연결된다. 또한, 자극면(16)들과 브리지(18)들에 의해 서로 연결된다.
즉, 회전자(10)는 자극면(16)들을 유지하기 위하여 브리지(18)들과 연결부(20)들이 반드시 필요한 것이며, 이것들은 회전자(10)의 회전에 의한 원심력을 견디어야 하므로 어느 정도의 넓이를 가지게 된다.
그런데, 회전자(10)의 자석(Ma)에서 발생하는 자속을 자극면(16)을 통과하는 부분과, 브리지(18)들과 연결부(20)들을 통과하는 부분으로 구분하여 보면, 실제 토크(torque)의 발생에 역할을 수행하는 것은 자극면(16)을 통과하는 자속이고, 브리지(18)들과 연결부(20)들을 통과하는 자속은 모두 손실로 남게 된다.
이로 인하여 회전자(10)는 브리지(18)들과 연결부(20)들에 의해 어느 정도의 자기손실(磁氣損失)이 발생되는 문제점이 있었다.
한편, 제 2도의(b)에 나타낸 바와 같이, 회전자(10)의 자기손실을 줄이고자 제 2도의(a)에서 앞서 설명된 브리지(18)들과 연결부(20)들이 비자성 금속체(22)들로 용접(welding)에 의해 구성한 것이다.
이러한 회전자(10)는 각 적층판(10A)의 적층 공정시 용접이 필요하나 와전류(eddy current)의 손실을 줄이기 위하여 적층판(10A)의 두께가 얇아지게 되므로, 고가의 자동 용접기가 필요할 뿐만 아니라, 불필요한 제조공정이 추가되어 제품의 생산비용을 크게 상승시키는 문제점이 제기되었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 몸체 블록과 자극면 블록들이 분할되어 스페이서들에 의해 서로 결합됨으로써, 불필요한 자기손실이 방지되어 제품의 효율이 현저히 향상될 뿐만 아니라, 자석들이 조립이 용이하게 수행되어 제품의 생산비용이 감소되도록한 매입형 영구자석 동기모터의 회전자를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 코일들이 권선되는 고정자와, 상기 고정자의 중앙에 설치되고 자석들이 장착되는 회전자를 구비하는 영구자석 동기모터에 있어서, 몸체 적층판이 여러장 적층되어 자기장의 통로가 형성되도록 구성되는 몸체 블록과; 자극면 적층판이 여러장 적층되어 구성되고, 상기 몸체 블록의 반경방향으로 서로 일정 거리 떨어져 자석 스페이스들과 연결스페이스들이 각각 형성되도록 장착되는 자극면 블록들과; 상기 연결 스페이스들에 자기장의 흐름이 차단되도록 축방향으로 대응되어 설치되며, 상기 자석들의 측면이 지지되도록 그 양쪽측면에 지지면이 각각 형성되는 스페이서들과; 상기 자극면 블록들의 바깥둘레에 씌워지는 원통형의 쉘을 포함하는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자에 있다.
이하, 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기모터의 회전자에 대한 하나의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명한다.
제 3도 및 제 4도는 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기모터의 회전자를 설명하기 위하여 나타낸 도면이다.
먼저,제 3도에 나타낸 바와 같이, 회전자(30)의 안쪽부분은 육면체형 구조물인 몸체 블록(body block:32)에 의해 구성된다. 몸체 블록(32)은 사각형상체의 자석(Ma)들에서 발생하는 자기장의 통로를 형성하게 된다.
그리고, 몸체 블록(32)은 프레스 가공에 의해 제작되는 하나의 몸체 적층판(32A)이 여러장 적층되어 구성되고, 몸체 블록(32)의 중앙에 축(Sh)이 끼워져 장착되는 축구멍(34)이 형성된다.
몸체 블록(32)의 바깥쪽 면에 자석(Ma)들의 안쪽면이 축방향으로 지지되어 장착되도록 안착홈(36)들이 각각 형성되며, 몸체 블록(32)의 각 모서리에 고정홈(38)들이 각각 형성된다. 이때, 자석(Ma)들은 자극의 착자가 완료된 것이 사용된다.
한편, 회전자(30)의 바깥부분은 자극면 블록(pole face block:40)들에 의해 구성되는 것으로, 자극면 블록(40)들은 프레스 가공에 의해 제작되는 하나의 자극면 적층판(40A)이 여러장 적층되어 구성된다.
자극면 블록(40)들은 바깥둘레에 원호형 자극면(42)을 가지며,자극면 블록(40)들의 안쪽면에는 자석(Ma)들의 바깥쪽면이 축방향으로 지지되어 장착되도록 안착홈(44)이 형성된다.
여기에서, 몸체 블록(32)의 몸체 적층판(32A)과 자극면 블록(40)들의 자극면 적층판(40A)은 와전류에 의한 손실이 감소되도록 가능한 얇게 제작한다.
그리고, 몸체 적층판(32A)과 자극면 적층판(40A)들은 투자율이 높고, 포화 자속 밀도(砲火 磁束 密度)및 기계적 강도가 크며, 열전도도(熱傳導度)가 높은 재료를 사용한다.
상기한 자극면 블록(40)들은 몸체 블록(32)의 반경방향으로 배열되어 서로 일정 거리 떨어지도록 장착된다. 따라서, 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)들 사이에 자석(Ma)들이 장착되는 자석스페이스(space:46)가 형성됨과 동시에, 자극면 블록(40)들 사이에 연결 스페이스(48)들이 각각 형성된다.
여기에서, 자석(Ma)들과 6개가 장착된 것으로 나타냈으나, 자석(Ma)들의 숫자에 따라 몸체 블록(32)의 형태및 자극편 블록(40)의 숫자는 적절하게 변경될 수 있다.
그리고, 자석(Ma)의 안쪽및 바깥쪽면은 필요에 따라 선택적으로 접착제(bond:B)에 의해 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)들에 접착시킬 수도 있다.
한편, 자극면 블록(40)들사이에 형성되는 연결 스페이스(48)에 축방향으로 연장되는 스페이서(spacer:50)들이 각각 끼워져 설치된다.
스페이서(50)들의 한쪽에 몸체 블록(32)의 고정홈(38)에 끼워져 고정되도록 고정편(52)이 형성되고, 스페이서(52)들의 양쪽 측면에는 자석(Ma)들의 측면이 지지되도록 지지면(54)이 각각 형성된다.
여기에서, 스페이서(50)들은 연결 스페이스(48)에 꼭 맞는 형상으로 제작되며, 스페이서(50)들은 여러가지 형상으로 제작할 수 있다.
또한, 스페이서(50)들은 자지장에 대하여 큰 저항을 나타내면서 가공이 용이하고, 자극면 블록(40)을 정확한 위치에 고정시킬 수 있을 정도의 충분한 강도를 지닌 재료로 구성되는 것이 바람직하다.
스페이서(50)들은 자극면 블록(40)들의 기계적인 결합의 역할이외에 인접한 자극면 블록(40)들 사이를 지나는 자기장의 흐름 또는 자극면 블록(40)들을 통과하지않고 회전자(30)의 안쪽으로부터 바깥쪽을 향하는 자기장의 흐름을 차단하는 역할을 한다. 즉, 스페이서(50)들은 불필요한 자기손실을 방지하게 되는 것이다.
한편, 자극면 블록(40)들의 바깥둘레에 원통형의 쉘(shell:56)이 씌워지는 것으로, 쉘(56)은 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)들, 그리고 스페이서(50)들로 구성된 회전자(30)의 형태를 유지해주는 기계적인 조임쇠 역할을 하게 된다.
쉘(56)은 자기장의 흐름에 가능한 한 영향을 주지않도록 비자성 재료, 예를 들어 알루미늄, 스테인레스 스틸 또한 에폭시 수지(epoxy resin)를 먹인 유리섬유등을 사용하여 구성한다.
그리고, 쉘(56)은 원심력에 의한 기계적인 힘을 견디어 낼 수 있도록 충분한 강도를 지닌 구조로 제작됨과 동시에, 쉘(56)의 바깥면은 고정자와 공극을 유지하는 데 방해가 되지 않도록 가능한한 얇게 제작한다. 또한, 쉘(56)의 바깥면은 고속회전시 공기 저항에 의한 손실이 방지되도록 가능한 한 매끄럽게 가공한다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기모터의 회전자에 대한 조립 순서를 설명하면 다음과 같다.
제 4도에 나타낸 바와 같이, 몸체 블록(32)의 고정홈(32)들에 스페이서(50)들의 고정편(52)을 서로 대응되도록 끼운 후에, 몸체 블록(32)의 안착홈(36)들에 자석(Ma)들의 안쪽면이 지지되도록 각각 장착시킨다.
이때, 자석(Ma)들의 조립이 용이하게 수행되므로, 작업시간이 단축되어 제품의 수율이 향상된다. 즉, 자석(Ma)들은 그 길이 방향으로 끼워넣지 않고서도 몸체 블록(32)의 안착홈(36)들에 용이하게 장착시킬 수 있는 것이다.
또한, 자석(Ma)의 바깥쪽면에 안착홈(44)이 지지되도록 자극면 블록(40)들을 장착시킨다. 즉, 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)들사이에 형성되는 자석 스페이스(46)들에 자석(Ma)들이 장착되고, 자극면 블록(40)들사이에 형성되는 연결 스페이스(48)들에 스페이서(50)들이 장착된 형태로 구성되는 것이다.
여기에서, 자석(Ma)의 안쪽및 바깥쪽면은 필요에 따라 접착제에 의해 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)들에 접착시켜 결합력을 보다 강화시킬수 있다.
이러한 상태에서 자극면 블록(40)들의 바깥둘레에 쉘(56)이 씌워지면, 쉘(56)은 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)들, 그리고 스페이서(50)들로 구성된 회전자(30)의 형태를 견고하게 유지한다.
따라서, 본 발명에 따른 회전자(30)는 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)들이 분할된 상태에서, 이것들이 스페이서(50)들에 의해 서로 결합됨으로써, 불필요한 자기손실이 방지되어 제품의 효율이 현저히 향상된다.
예컨대, 스페이서(50)들의 작용으로 인접한 자극면 블록(40)들 사이를 지나는 자기장의 흐름 또는 자극면 블록(40)들을 통과하지 않고 회전자(30)의 안쪽으로부터 바깥쪽을 향하는 자기장의 흐름이 차단되어 자기손실이 효과적으로 방지되는 것이다.
또한, 몸체 블록(32)과 자극면 블록(40)이 분할되어 구성됨으로써, 이들의 몸체및 자극면 적층면(32A)(40A)을 제작할 경우에 전체를 한번에 프레스 가공에 의해 제작하는 경우보다 소용량의 프레스를 사용할 수 있게 된다. 이에 따라 제품의 생산설비비용이 크게 감소되어 제품의 생산비용이 감소된다.
그리고, 자석(Ma)들은 몸체 블록(32)의 안착홈(36)들에 용이하게 조립되므로, 회전자(30)가 완전히 구성되지 않은 상태에서도 자석(Ma)들의 착자가 가능해 진다.
이를 구체적으로 설명하면, 자석(Ma)들의 자극은 별도의 착자 공정에 의해 수행한 상태에서, 자극의 착자가 완료된 자석(Ma)들을 몸체 블록(32)의 안착홈(36)들에 장착시키는 것이다.
이와 같이 본 발명에 따른 회전자(30)는 자석(Ma)들의 착자 공정이 별도로 수행되므로, 종래 회전자(10)의 자석구멍(14)들에 자석(Ma)들이 장착된 상태에서 착자 공정이 수행되는 것보다 착자기의 용량이 상당히 줄어드는 동시에 착자 요크의 설계가 간단해지고, 결과적으로 제품의 생산비용이 현저히 감소된다.
한편, 상기한 실시예는 본 발명의 바람직한 하나의 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 적용범위는 위와 같은 것에 한정되는 것은 아니며 동일사상의 범주내에서 적절하게 변경가능한 것으로, 예를 들면 교류 발전기(alternating current generator)등에 널리 적용할 수 있는 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 매입형 영구자석 동기모터의 회전자에 의하면, 몸체 블록과 자극면 블록들이 분할되어 스페이서들에 의해 서로 결합됨으로써, 불필요한 자기손실이 방지되어 제품의 효율이 현저히 향상되는 것이다.
또한, 몸체 블록과 자극면 블록이 분할되어 자석들의 조립 공정이 용이하게 수행됨으로써, 생산설비 비용이 크게 감소되어 제품의 생산비용이 감소되는 것이다.

Claims (7)

  1. 코일들이 권선되는 고정자와, 상기 고정자의 중앙에 설치되고 자석들이 장착되는 회전자를 구비하는 영구자석 동기모터에 있어서, 몸체 적층판(32A)이 여러장 적층되어 자기장의 통로가 형성되도록 구성되는 몸체 블록(32)과; 자극면 적층판(40A)이 여러장 적층되어 구성되고, 상기 몸체 블록(32)의 반경방향으로 서로 일정 거리 떨어져 자석 스페이스(46)들과 연결 스페이스(48)들이 각각 형성되도록 장착되는 자극면 블록(40)들과; 상기 연결 스페이스(48)들에 자기장의 흐름이 차단되도록 축방향으로 대응되어 설치되며, 상기 자석(Ma)들의 측면이 지지되도록 그 양쪽측면에 지지면(54)이 각각 형성되는 스페이서(50)들과; 상기 자극면 블록(40)들의 바깥둘레에 씌워지는 원통형의 쉘(56)을 포함하는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 몸체 블록(32)의 바깥쪽면에 상기 자석(Ma)들의 안쪽면이 축방향으로 지지되어 장착되도록 안착홈(36)들이 각각 형성되는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 몸체 블록(32)의 각 모서리에 고정홈(38)들이 각각 형성되고, 상기 고정홈(38)들에 상기 스페이서(50)들의 한쪽에 형성되는 고정편(52)이 끼워져 고정되는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 자극면 블록(40)들의 안쪽면에 상기 자석(Ma)들의 바깥쪽면이 축방향으로 지지되어 장착되도록 안착홈(44)이 형성되는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 쉘(56)은 비자성 재료로 이루어지는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자.
  6. 제 1항, 제 2항 또는 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자석(Ma)들은 그 자극의 착자가 완료된 것이 장착되는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 자석(Ma)들은 접착제(B)에 의해 선택적으로 접착되는 매입형 영구자석 동기모터의 회전자.
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