KR100252392B1 - 영구자석매립형회전자구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모터의 회전자 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자 내부에 영구자석을 배치하는 영구자석 매립형 회전자의 구조적 안정성을 확보하면서 전기적으로 효율을 향상 시키기 위한 구조에 관한 것으로, 회전자의 반경방향에 대하여 소정 각도를 갖으며 경사지게 배치된 일정 길이로 회전중심에 대해서 상호 대칭되는 다수의 홈으로 형성된 제1 영구자석 매립부들, 상기 제1 영구자석 매립부들의 회전중심쪽의 일단부로부터 회전자 외주연쪽으로 소정각도를 갖도록 형성된 제2 영구자석 매립부들에 각각 영구자석을 매립하는 것을 특징으로 한다.

Description

영구자석 매립형 회전자 구조{STRUCTURE OF RECLAIMED MAGNET TYPE ROTOR}
본 발명은 모터의 회전자 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자 내부에 영구자석을 배치하는 영구자석 매립형 회전자의 구조를 안정적으로 하면서 전기적으로 효율을 향상 시키기 위한 구조에 관한 것이다.
모터는 회전력을 얻기위한 필수적인 전기장치로서 다양한 모터가 연구개발되고 있으나, 이들 모터를 응용, 채택하고 있는 전기, 전자장치들이 소형, 경량화 연구가 추진되고 있는 성향에 따라서, 그 전체 부피 및 무게에 비해서 상당한 비중을 차지하는 모터에 대하여 소형, 경량화의 연구가 중점적으로 추진되었다.
고정자에 교류전압을 인가하여 회전자계를 발생시키고, 이 회전자계로부터 유도되는 전류사이에 작용하는 상호 전자기력에 의한 회전력을 얻게되는 교류모터는 여러 가전제품에서 사용되는 일반적인 모터종류라 할 수 있었으나, 이러한 교류모터에 있어서는 회전자에 흐르게 되는 전류때문에 발생하는 여러 가지 전기적손실을 고려해야만하고, 모터 회전자 철심에 전기통로인 코일을 설치해야 하는 공정상의 애로점 때문에 모터의 극소형화에 어려움이 있었다.
또한 정토크특성을 요구하는 기기에 있어서, 직류모터의 요구가 크게 증가 하였고, 이에 대한 연구 및 개발이 이루어졌으나 직류모터에 필수적인 장치인 정류자를 설치하여야 하고, 이 정류자에서 발생하는 기계손을 고려하여야 하고, 정류자와 회전축의 마찰에 의해서 수명이 오래가지 못하였다.
따라서, 정류자 없이도 회전자에 영구자석을 설치하고, 토크를 얻을 수 있는 모터들이 연구, 개발되게 되었다. 이러한 노력의 대표적인 성과물이 정류자 대신에 전자적으로 전류의 흐름방향을 바꾸어 자기장의 방향을 절환시키고, 회전자에 영구자석을 설치하는 브러쉬리스 모터가 개발되었고, 고정자에 각 상의 교류전압을 가하고, 회전자에 영구자석을 설치함으로써, 회전자의 영구자석과 고정자에 설치된 각상의 권선에 흐르는 통전전류를 단속함으로써 발생되는 자기장의 릴럭턴스의 변화에 의해서 회전자가 회전하게 되는 스위치드 릴럭턴스 모터가 개발되게 되었다.
이러한 브러쉬리스 모터나 스위치드 릴럭턴스 모터는 고속 회전으로 동작되기 때문에, 이들 모터에 채택하고 있는 영구자석형 회전자 구조는 고속회전시 전기적 손실과 진동없이 회전하도록 구성되어야 한다.
지금까지 일반적으로 사용되고 있는 회전자는 영구자석 외장형 모터와 영구자석 매립형 모터로 대별할 수 있다.
도 1은 종래의 영구자석 외장형 타입의 회전자의 사시도이다.
또한 도 2는 종래의 영구자석 매립형 타입의 회전자의 횡단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 영구자석 외장형 타입은 얇은 규소강판으로 이루어진 회전자 철판(2)을 적층하여 하나의 몸체를 형성하는 철심(3)과, 상기 코아의 외주면에 접착제(4)에 본딩 장착되는 원형체의 영구자석(5)으로 이루어진다. 미설명 부호 1은 회전자의 회전중심에 형성되는 회전축(도시하지 않았음)이 압입되기 위한 압입홀이다.
이와 같은 외장형의 타입의 회전자는 접착제의 경년변화에 의해서 접착력의 소실과 함께 철심(3)과 영구자석(5)이 분리되어, 고장이 발생하기도하고, 모터의 고속회전시에 영구자석(5)과 철심(3)이 받는 원심력의 차이에 의해서, 영구자석(5)이 철심(3)으로 부터 분리되는 현상이 발생되기도 한다.
따라서, 고속회전용 모터에서는 도 2에 도시된 바와 같은 매립형을 주로 사용하게된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 매립형 회전자는 회전자 철판(2)의 중심으로부터 반경방향에 대하여 직각으로 일정길이의 직선부홈(21)을 대칭되게 형성한다.
이러한 직선부홈(21)들은 회전자 철판(2)이 적층될 때 회전축의 길이방향으로 홈통을 형성하게 된다. 이러한 홈통에 도 3에 도시된 바와 같은 영구자석(30)을 삽입하여 자기장을 발생시킨다.
그러나, 이러한 회전자 구조는 각각의 직선부홈(21)들의 길이방향의 끝부분(22)에는 다른 부위보다 많은 응력이 작용하게 되어 손상될 염려가 있고, 이러한 불균일한 응력분포는 모터의 고속회전시 진동에 의한 회전자 파손의 염려가 있다.
이러한 점을 개선하기 위한 여러 가지 연구, 개발이 진행되어온 바, 일본 공개특허공보 특개평 5 - 236685호( 공개일: 1993. 9. 10)는 이러한 노력의 결과이다.
상기 공보에 기재된 내용은 상기 매립형 회전자의 응력분포를 균일화하기 위하여 회전자의 반경방향에 대하여 직각방향으로 일정길이를 갖는 자석매립용 홈부의 끝을 회전자의 반경방향으로 일정길이만큼 연장함으로써 균일한 응력분포를 얻고자 하였다.
도 4는 종래의 반경방향으로 연장된 홈부를 갖는 매립형 회전자의 철판의 평면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이 영구자석 매립형 회전자 철판(2)에는 회전자의 반경방향에 대하여 직각방향으로 일정길이를 갖는 자석매립용 직선부홈(21)들이 대칭적으로 형성되어 있고, 이 직선부홈(21)의 끝은 회전자의 반경방향으로 일정길이만큼 외향되게 연장된 연장부홈(42)을 형성한다. 이와 같이 형성된 연장부홈(42)은 다른 자석매립용 직선부홈(21)의 연장부홈(42')들에 평행하게 형성되어 있다. 이와 같은 연장부홈(42, 42')들이 회전자 철판(2)에 배치됨으로써, 응력분포가 균일하게 되고, 이러한 응력분포는 모터의 진동을 방지하게 된다.
그러나, 이러한 회전자 철판(2)의 연장부홈(42)의 배치는 응력분포를 균일하게는 할수 있으나, 자속의 흐름에 대하여 대략 직각방향으로 공극이 형성되기 때문에 자속의 손실을 가져와 에너지의 비효율적인 사용이 되고 있다.
도 5(a)는 고정자에 의해서 발생되는 자속분포를 도시하기 위한 회전자 철심의 자속분포도 평면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 A부분에 대한 확대도이다.
고정자(51)에 권선된 코일에 통전됨으로써, 여자되는 자속은 회전자(52)와 고정자(51)사이의 공극을 지나 회전자(52)에 흐르게 되나, 회전자(52)의 연장부홈(42)의 공극에 의해서 자속은 원활한 흐름이 방해를 받게된다. 도 5(b)에 도시된 바와 같이 연장부홈(42)은 투자율이 낮은 공극을 형성하므로 자속은 연장부홈(42)를 따라서 밀집되게 되고, 이것은 결국 에너지 손실로 이어진다.
본 발명은 이러한 문제점에 착안하여 안출된 것으로, 연장부홈의 자속 흐름방향을 조정함으로써 자속의 원활한 흐름을 유지토록하여 자속손실을 방지하고 결과적으로 에너지의 손실을 방지토록하는 데 목적이 있다.
도 1은 종래의 영구자석 외장형 타입의 회전자의 사시도이다.
도 2는 종래의 영구자석 매립형 타입의 회전자의 횡단면도이다.
도 3은 종래의 도 2에 도시된 매립홈에 매립되는 영구자석의 사시도이다.
도 4는 종래의 반경방향으로 연장된 홈부를 갖는 매립형 회전자의 철판의 평면도이다.
도 5(a)는 고정자에 의해서 발생되는 자속분포를 도시하기 위한 회전자 철심의 평면도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 A부분에 대한 확대도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 사용되는 회전자 철판의 평면도이다.
도 7은 본 발명의 고정자와 회전자를 통과하는 자속분포도이다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 대한 토크를 측정한 그래프이고, 도 8b는 종래기술인 도 2의 실시예에 대한 토크를 측정한 그래프이다.
〈도면의주요부분에대한 부호의설명〉
100: 회전자 철판 121 ― 124: 제1 영구자석 매립부
131 ― 134: 제2 영구자석 매립부 180, 190: 영구자석
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전자 내부에 영구자석을 매립하는 매립형 회전자 구조에 있어서, 회전자의 반경방향에 대하여 소정 각도를 갖으며 경사지게 배치된 일정 길이로 회전중심에 대해서 상호 대칭되는 다수의 홈으로 형성된 제 1 영구자석 매립부들, 상기 제 1 영구자석 매립부들의 회전중심쪽의 일단부로부터 회전자 외주연쪽으로 소정각도를 갖도록 형성된 제2 영구자석 매립부들에 각각 영구자석을 매립하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 상기 목적 및 특징을 첨부된 도면에 따라서 상세히 기술하기로 한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 사용되는 회전자 철판의 평면도이다. 또한 도 7은 본 발명에 의한 고정자와 회전자를 통과하는 자속분포도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 회전자(170)의 회전자 철판(100)에는, 중심에 회전축이 압입될 수 있는 회전축 압입홀(110)이 형성되어 있고, 회전자 철판(100)의 반경방향에 대하여 소정 각도의 길이로 상호 대칭되는 제 1 영구자석 매립부(121, 122, 123, 124)들이 형성되어 있다. 이 매립부들은 금형에 의해서 회전자 철판(100)으로부터 천공되어 형성될 수 있다. 또한 제 1 영구자석 매립부(121, 122, 123, 124)들의 일단에는 제 2 영구자석 매립부(131, 132, 133, 134)들이 형성된다. 이때 제 2 영구자석 매립부(131, 132, 133, 134)들은 다른 제 1 영구자석 매립부들의 끝단에서 외주연으로 갈수록 근접되도록 경사지게 형성된다. 즉, 도면부호 121의 제1 영구자석 매립부에서 연장되는 131의 제2 영구자석 매립부에 대향되는 124의 제1 영구자석과는 회전자 외연부로 갈수록 점점 둘사이의 간격이 점점 가까워 진다.
이때, 제 1 영구자석 매립부(121, 122, 123, 124)들과 제 2 영구자석 매립부(131, 132, 133, 134)들의 연결부(140)가 형성되어, 제 1, 제 2 영구자석의 매립부들에 자석이 매립될 때 유동을 방지하도록 한다. 미설명 부호 150은 회전자 철판(100)들을 적층시키기 위한 체결공을 나타낸다.
도 7에 도시된 바와 같이, 고정자(160)의 고정자 권선의 각상에 순차적으로 통전을 하게되면 회전자(170)는 고정자(160) 권선으로부터 발생된 자속선과 회전자(170) 영구자석(180),(190)으로부터 발생된 자속선들의 경로를 원활히 하는 배치를 위하여 회전자(170)는 회전을 하게 된다. 그러나, 이때 고정자(160) 권선에 의해서 발생되는 자속선이 회전자(170) 내부에 흐를 때, 회전자(170)를 형성하는 재료의 투자율 차이로 제 1, 제 2 영구자석 매립부에 의해서 유도되어, 자속의 급격한 굴절이 일어나지 않게 된다. 즉, 자속선이 통과하는 회전자(170) 내부의 특정부분에 자속선이 집중되지 않으므로 손실을 감소시킨다.
또한, 제 1 영구자석 매립부(121)에 고정된 영구자석(180)에서 발생되는 자속과, 제 2 영구자석 매립부(131)에 고정된 영구자석(190)에서 발생되는 자속이 고정자(160)로 집중되어 누설자속이 감소하게 됨으로써 회전자(170)의 회전력이 증가된다.
도 8a는 본 발명의 실시예에 대한 토크를 측정한 그래프이고, 도 8b는 종래기술인 도 2의 실시예에 대한 토크를 측정한 그래프이다.
도 8b에 도시된 바와 같이, 모터의 회전방향에 대한 기계각을 기준으로 볼 때, 토크의 최대값과 최저값의 차이가 심하고, 최대값과 최저값사이에 진동을 유발할 수 있는 리플이 급격하게 형성되고 있어, 기계적 진동 및 소음이 발생하고, 단위 적층당 평균 토크가 대략 3kg-cm임을 알 수 있다.
그러나, 도 8b와 동일한 소비전력 및 자기량에서 측정된 본 발명의 일실시예의 토크는 도 8a에 도시된 바와 같이 리플형성이 매우 적게되어 있고, 최대값과 최저값의 차이도 크지않기 때문에 진동과 소음을 줄일 수 있다. 또한, 단위 적층당 평균 토크가 대략 7kg-cm정도로 종래의 평균 토크보다 2배 이상의 토크를 얻을 수 있다. 따라서, 작은 소비전력에서도 높은 출력을 얻을 수 있다.
상기한 바의 본 발명의 목적과 구성에 의하면, 본 발명의 회전자는 자속의 원활한 흐름을 만들어 주어 일정한 전압을 인가하는 경우에 타 구조의 회전자 보다 좋은 효율을 나타내게 되고, 균일한 자속 분포로 자속이 편중되게 될 때보다 진동을 억제하는 효과를 나타낸다. 또한 동일 자기량에서 높은 토크를 얻을 수 있어,에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.

Claims (1)

  1. 회전자 내부에 영구자석을 매립하는 매립형 회전자 구조에 있어서, 회전자의 반경방향에 대하여 소정 각도를 갖으며 경사지게 배치된 일정 길이로 회전중심에 대해서 상호 대칭되는 다수의 홈으로 형성된 제1 영구자석 매립부들, 상기 제 1 영구자석 매립부들의 회전중심쪽의 일단부로부터 회전자 외주연쪽으로 소정각도를 갖도록 형성된 제 2 영구자석 매립부들에 각각 영구자석을 매립하되, 상기 제 1 영구자석 매립부와 제 2 영구자석 매립부의 길이는 서로 다르게 형성하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 회전자 구조.
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