KR100256989B1 - 영구자석 회전자 및 모터 - Google Patents

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그린 데니스 제이.
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Abstract

전기 모터용 영구자석 회전자는 길이방향으로 연장하는 주회전자 필드부 및 센서필드부를 포함하는데, 상기 센서 필드부는 상기 주회전자 필드부 보다 짧으며 상기 주회전자 필드부의 한 단부에 배치된다. 상기 센서 필드부는 상기 회전자 둘레를 교류 자기 극성의 병렬 스트립이 원주상에 배치되어 자화된다. 상기 주회전자 필드부는 사전 결정된 패턴으로 경사화된 교류 자기 극성의 길이방향 연장 스트립을 갖는다. 상기 사전 결정된 패턴은 각각의 길이 방향 연장 스트립이 상기 회전자의 길이방향 축에 대해 제1사전 결정된 비제로 각에서 경계를 갖는 제1부분과, 각각의 길이방향 연장 스트립이 상기 길이방향 축에 대해 제2사전 결정된 비제로 각에서 경계를 갖는 제2부분 및 각각의 길이방향 연장 스트립이 상기길이방향 축 에 대해 상기 제1사전 결정된 비제로 각에서 경계를 갖는 제3부분을 포함한다. 상기 제1 및 제2사전 결정된 비제로 각은 서로 대향하는 각을 갖는다.

Description

영구 자석 회전자 및 모터
제1도는 간결성을 위해 몇몇 부품들이 제거된 본 발명에 따른 영구 자석 회전자 및 모터의 사시도.
제1a도는 제1도의 회전자의 다른 스케일의 단면도.
제2도는 비 스큐를 갖는 종래 기술의 회전자의 개략 입면도.
제3도는 직선 스큐를 갖는 종래 기술의 회전자의 개략 입면도.
제4도는 헤링본 스큐를 갖는 종래 기술의 회전자의 개략 입면도.
제5도는 중립 위치에 센서를 갖는 본 발명에 따른 회전자의 개략 입면도.
제6도는 중립 위치를 지연하는 센서를 갖는 본 발명에 따른 회전자의 개략 입면도.
제7도는 중립 위치를 선행하는 센서를 갖는 본 발명에 따른 회전자의 개략 입면도.
제8도는 중립 센서 위치를 나타내는 본 발명에 따른 회전자의 스큐에 대한 그래프도.
제9도는 선행/지연 센서 위치를 나타내는 본 발명에 따른 회전자의 스큐에 대한 그래프도.
제10도는 제1도의 회전자와 관련된 각도를 예시하는 개략 입면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11 : 모터 13 : 고정자
15 : 회전자 17 : 센서
19 : 메인 회전자 자계부 21 : 센서 자계부
31 : 비 스큐 회전자 33 : 직선 스큐 회전자
35 : 헤링본 스큐 회전자
본 발명은 영구 자석 모터에 관한 것으로서, 특히 코깅을 최소화하고 회전자의 위치 감지를 용이하게 하기 위한 영구 자석 모터에 관한 것이다.
영구 자속 회전자를 갖는 전기 모터에는 "코킹(cogging)"이라 불리는 상태가 발생하게 된다. 코깅은 회전자의 다양한 위치에서 회전자와 고정자 톱니의 배열에 기인한 자속의 변화에 의해 발생하게 되는 모터 토오크(torque)의 변동이다. 이러한 결과는 상기 모터의 성능 및 신뢰성을 저하시킬 수 있다. 과거에는 코깅 문제를 극복하기 위한 여러 가지의 방법이 시도되고 있었다. 이들 방법 중에서 회전자의 자석을 직선(straight) 또는 헤링본(herringbone) 패턴 중의 하나로 스큐시키는 방법이 있다. 그너라, 이러한 방법으로 자석을 스큐시키는 방법은 부가의 문제점을 발생시킨다. 일반적으로, 회전자의 회전 위치는 호올 효과(Hall effect) 센서와 같은 분리형 센서에 의해 감지된다. 모터에 있어서 제어 시스템의 복잡성을 감소시키기 위해서 센서는 고정자에 대하여 특정 위치에 배치되는 것이 좋다. 그러나, 이러한 위치는 회전자 자석의 스큐가 고려되었을 때에는 최상의 상태가 반드시 되지 않는다.
본 발명의 여러 가지의 목적 중 하나는 코깅을 최소화하는 동시에 비교적 간단한 구성의 개선된 회전자 및 모터를 제공하는 것으로서, 즉, 일반적인 센서를 이용하고 센서를 물리적으로 조절할 필요가 없이 모터의 최대 성능을 위한 최적의 센서 위치를 유지시키는 데에 있는 것이다.
회전자와 모터는 센서 자계가 스큐 각도로 소정 위치에 있도록 하는 표준 스큐를 갖는 회전자의 동작과 동일한 동작을 가져야만 한다.
이러한 목적은 청구항 1항에 따른 회전자의 청구항 12항에 따른 모터에 의해 달성된다. 본 발명의 실시예는 종속 청구항에 설명되어 있다.
본 발명의 특징 및 다른 목적은 이하에 기술되는 부분에서 명백히 알 수 있을 것이다.
본 발명의 기술적 사상에 따라서 간단히 말하면, 본 발명의 영구 자석 회전자는 회전자를 따라 길이 방향으로 각기 연장하는 메인 회전자 자계부 및 센서 자계부를 갖는다. 센서 자계부는 메인 회전자 자계부보다 대략 짧으며, 메인 회전자 자계부의 일단에 배치된다. 센서 자계부는 회전자 둘레를 연장하는 원주상으로 배치된 교번 자극의 병렬 스트립에 자화된다. 메인 회전자 자계부는 미리 설정된 패턴으로 스큐되어 있는 길이 방향으로 각기 연장하는 교번 자극 스트립들을 구성하는 데, 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립들은 모두 미리 설정된 동일한 패턴으로 스큐되어 있다. 미리 설정된 패턴은 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립이 회전자의 길이 방향 축에 대해서 제1의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어있는 제1부분과 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립이 회전자의 길이 방향 축에 대해서 제2의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어있는 제2 부분과, 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립이 회전자의 길이 방향 축에 대해서 일반적으로 제1의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어 있는 제3부분을 포함한다. 상기 제1 및 제2의 미리 설정된 비 제로 각도는 서로 반대의 부호를 갖고 있다.
본 발명이 이하에 첨부된 도면을 참조한 설명을 통해 더욱 명백해 질 것이다.
도면을 참조하면, 특히 제1도 및 제1a도에는 본 발명에 따른 영구 자석 모터(11)가 나타나 있다. 모터(11)는 회전을 위해 영구 자석 회전자(15)가 장착된 중앙 개구를 갖는 고정자(13)를 구비한다. 호올 효과 센서(17)는 회전자(15)의 상대적인 회전 위치를 감지하기 위해 회전자의 일단에 인접 배치된다. 고정자 및 호올 효과 센서는 종래의 기술이다.
그러나, 회전자(15)는 종래의 것이 아니다. 회전자는 메인 회전자 자계부(19)와 센서 자계부(21)의 2개의 부분으로 구분되는데, 이것은 모두 회전자를 따라 길이 방향으로 각기 연장한다. 센서 자계부(21)는 메인 회전자 자계부보다 대략 짧으며, 메인 회전자 자계부(19)의 일단에 배치된다. 또한, 회전자(15)에 고착된 모터 샤프트(23)가 도시되어 있다.
센서 자계부는 스트립(21A, 21B, 21C, 21D)을 포함하는 원주상으로 배치된 교번 자극의 병렬 스트립에 자화되는 데, 이 스트립들은 회전자의 길이 방향 축에 일반적으로 병렬로 배치되어 있다. 센서 자계부의 인접 스트립 사이의 경계는 회전자(15)의 회전 위치가 결정되도록 호올 효과 센서에 의해 검출된다.
또한, 메인 회전자 자계부(19)는 부호 '19A', '19B', '19C', '19D' 로 병기된 길이 방향으로 각기 연장하는 교번 자극 스트립을 갖는다. 제1도에 도시된 바와 같은 스트립을 길이 방향으로 연장하는 메인 자계부는 센서 자계부의 스트립과 일체로 되어 있다. 메인 회전자 자계부의 스트립은 회전자의 길이 방향 축에 대해서 일반적으로 제1의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어있는 제1부분(25)과, 회전자의 길이 방향 축에 대해서 일반적으로 제2의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어있는 제2 부분(27)과, 회전자의 길이 방향 축에 대해서 일반적으로 제1의 미리 설정된 비제로 각도로 뻗어있는 제3부분(29)의 미리 설정된 패턴으로 스큐되어 있다. 제1 및 제2의 미리 설정된 비 제로 각도는 반대의 부호이며 일반적으로 동일한 크기의 값을 갖는다.
이러한 특정한 스큐 구성은 종래의 스큐 패턴 및 비 스큐 회전자에 비하여 여러 가지의 장점을 갖는다. 예컨대, 제2도에서 부호 '31'로 병기된 비 스큐 회전자는 자화된 인접 스트립들 사이의 경계에 회전자에 대한 중립 위치가 대응한다는 장점을 갖는다. 그러나, 이러한 설계는 코깅(cogging)이 쉽게 발생한다. 또한, 선행 또는 지연의 스위칭을 통합하기가 어렵다.
제3도에서 부호 '33' 으로 병기된 직선 스큐 회전자는 코깅 문제를 해결할 수 있으나, 센서가 경계를 감지하는 위치에 중립 위치가 더 이상 대응하지 않게 되는 문제가 발생한다. 제3도에 도시된 시스템은 화살표로 나타낸 회전 방향을 갖는 본질적으로 지연 응답(lagging respond)을 갖게 된다. 이러한 지연량이 바람직하지 않은 경우에 요구되는 지연(또는 선행)을 제공하는 것이 매우 복잡해질 수 있다.
제4도에서 부호 '35'로 병기된 헤링본(herringbone) 스큐 회전자는 전술한 바 있는 직선 스큐 회전자의 관련하여 동일한 장점및 단점을 갖는다.
제5도에 도시한 본 발명에 따른 회전자(15)는 코깅 문제와, 제3도 및 제4도의 회전자와 관련한 문제점을 동시에 해결하고 있다. 독특한 구조의 회전자이 스큐 때문에, 회전자의 중립 위치는 센서 자계부의 스트립 사이의 경계선 상에 정확히 떨어진다. 결국, 센서 위치에 대한 보상은 필요하지 않게 된다.
또한, 이러한 특별한 구조는 센서 위치에서의 변화 또는 다른 보상이 없이도, 회전자로 통합하기 위한 선행 또는 지연을 가능하게 한다. 예컨대, 제6도는 본 발명에 따른 스큐 패턴이 지연을 제공하기 위하여 어떻게 변화될 수 있는지를 나타내고 있어 아울러, 제7도는 선행을 제공하기 위하여 어떻게 변화되는지를 나타내고 있다.
이러한 기능을 제공하는 본 발명의 특징은 제8도 및 제9도에 더욱 상세히 설명되어 있다. 제8도는 선행 또는 지연 없이 , 회전자에 대한 인접한 스트립 사이의 경계를 설명하고 있다. 이러한 실시예에 있어서, 부호'41'로 병기된 센서 자계스트립 사이의 경계는 중립위치(43)에 놓여져 있다. 제8도에 도시된 바와 같이, 중립위치를 메인 회전자 자계 길이에 대해 측정된 평균 자화가 제로인 라인이다.
제로 선행 또는 지연에 있어서, 부호 'H1' 및 'H2'로 병기된 메인 회전자 자계 경계 및 센서 자계 경계(41) 사이의 최대 원주 거리는 동일하다. 메인 회전자 자계 경계는 중립 위치에 대하여 대칭적이기 때문에, 이러한 요구는 중립 위치(43)에 따라서 상기 센서 자계 경계(41) 라인을 가짐으로써 보장된다.
다시, 제9도를 참조하면, 선행 또는 지연은 센서 자계 경계의 위치를 원하는 만큼 움직이게 하는 한편, 메인 회전자 자계 경계를 센서 자계 경계의 새로운 위치에 맞도록 도시된 방향으로 이동시킴으로써 회전자(15)에 쉽게 통합된다. 예컨대,제9도에서 화살표로 나타낸 방향의 회전을 가정할 경우, 회전자(15)는 선행 응답을 갖게 된다. 제8도의 곡선은 이러한 새로운 센서 자계 경계 위치에 대응하도록 왼쪽으로 이동한다. 이러한 이동은 중립 위치와 경계부(27)가 변화하지 않도록 한다는 것을 주목해야 한다. 이것은 단순히 부분(25)의 일부를 취하고 이를 부분(29)의 일단에 부가하는 것이다.
이와 같은 방법으로서, 메인 회전자 자계부의 미리 설정된 한쌍의 길이 방향으로 연장하는 스트립에 대응하는 센서 자계부의 2개의 스트립 사이의 경계는 소정의 선행 또는 지연을 제공하기 위해 미리 설정된 한쌍의 길이 방향으로 연장 스트립과 결합된 중랍 라인으로부터 원주상으로 오프셋된다. 결국, 어떤 소정의 선행 또는 지연은 센서 위치가 변화하는 일 없이 회전자로 쉽게 통합될 수 있다.
본 발명의 다양한 스큐 패턴 사이의 여러 가지의 기하학적 관계가 제8도 및 제9도에서 쉽게 설명되어져 있다. 제2부분(27)은 제1부분(25)과 제3부분(29)사이에 배치되는 데, 제2부분은 제1부분의 일단에서 출발하여 제3부분의 일단에서 마감한다.
제2부분(27)은 메인 회전자 자계 길이의 1/2로 구성되고 있고, 한편 제1부분(25) 및 제3부분(29)은 그 나머지의 반으로 구성되고 있다. 따라서, 제2부분(27)은 제1부분 및 제3부분의 어느 한쪽 길이보다 더 길며 그들의 합과 대략 동일하다. 또한, 제2부분(27)의 원주상의 연장 길이 H1+ H2는 회전자의 스큐각도와 동일하다.
제10도에 도시된 바와 같이, 회전자(15)에 대한 스큐 치수를 아래와 같이 계산한다.
즉, 1) 소정 부분의 스큐 각도를 결정한다(제10도의 그리스 분자 β로 병기 되어 있음). 한 개의 슬롯 피치는 코깅을 감소시키는 데 필요하다.
따라서, 예컨대 고정자가 36개의 슬롯을 갖는 경우, 부분 스큐 각도 β는 360°를 슬롯의 수로 나눈 것과 동일하기 때문에, 부분 스큐 각도는 10°가 된다.
2) 스큐 각도를 결정한다(제10도의 그리스 문자 α로 병기되어 있음).
스큐 각도 α는 (OD2×PI×β(베타))/(180×L2)의 역탄젠트와 동일하다.
이 때, OD2는 회전자(15)의 직경이고, β는 단계 1에서 결정된 부분 스큐 각도(°)이며, L2는 메인 회전자 자계(19)이 길이이다
3) 중립 위치의 센서 자계에 있어서, H1은 H2(제8도를 보라)와 동일하고, 각각 (OD2×PI×β)/720과 동일하다.
4) 선행 또는 지연에 있어서는 이하와 같은 편차를 갖는다.
즉, 선행에 있어서, H1은 H2보다 크고, 지연에 있어서, H2는 H1보다 크다. 전도(electrical degree)의 소정의 이동 ED에 있어서, 오프셋은 (2×PI×OD2×ED)/P×360이며, 이 때, P는 극(pole)의 수와 동일하다. H1및 H2는 다음과 같은 오프셋으로부터 계산된다.
선행 H1= ((OD2×β)/4) + 오프셋
H2= ((OD2×β)/4) + 오프셋
지연 H1= ((OD2×β)/4) + 오프셋
H2= ((OD2×β)/4) + 오프셋
이 때, β(베타)는 라이안(radians)이다.
전술한 내용에서, 본 발명의 여러 가지의 목적과 특성이 달성되었으며, 그 밖의 유익한 결과를 얻게 됨을 알 수 있었다. 본 발명의 범위를 이탈함이 없이 상기 구성에 있어서의 여러 가지 변화가 가능하며 도면에 도시되거나 설명에 포함된 사항들은 단순한 예로서만 기술된 것으로 이해하여야 한다.

Claims (13)

  1. 발전기용 영구 자석 회전자에 있어서, 상기 회전자를 따라서 길이 방향으로 각기 연장하는 메인 회전자 자계부(19)와 센서 자계부(21)를 구비하며, 상기 센서 자계부(21)는 상기 메인 회전자 자계부(19)보다 짧으며 상기 메인 회전자 자계부(19)의 일단에 배치되고; 상기 센서 자계부(21)는 원주상으로 배치된 교번 자극의 병렬 스트립(21A, 21B, 21C, 21D)에 자화되며; 상기 메인 회전자 자계부(19)는 길이 방향으로 연장하는 교번 자극의 스트립(19A, 19B, 19C, 19D)을 가지며, 상기 길이 방향으로 연장하는 스트립(19A, 19B, 19C, 19D)은 미리 설정된 패턴으로 스큐되고, 상기 길이 방향으로 연장하는 스트립은 모두 미리 설정된 동일한 패턴으로 스튜되며, 상기 미리 설정된 패턴은 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립이 상기 회전자의 길이 방향 축에 대해 제1의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어있는 제1부분(25)과, 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립이 상기 회전자의 길이 방향 축에 대해 제2의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어있는 상기 제1부분과 반대 부호인 제2부분(27)과, 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립(19A, 19B, 19C, 19D)이 상기 회전자의 길이 방향 축에 대해 상기 제1의 미리 설정된 비 제로 각도로 뻗어있는 제3부분(29)을 포함하는 것을 특징으로 하는 발전기용 영구 자석 회전자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2부분(27)은 상기 제1부분(25)과 제3부분(29) 사이에 배치되며, 상기 제1부분(25)의 일단에서 출발하여 상기 제3부분(29)의 일단에서 마감하는 것이 발전기용 영구 자석 회전자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제2부분(27)은 상기 제1부분(25)과 상기 제3부분(29)의 길이보다 더 긴 것이 발전기용 영구 자석 회전자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 부분(27)의 길이는 상기 제1부분(25) 및 제3부분(29)의 길이의 합과 대략 동일한 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립(21A, 21B, 21C, 21D)의 제2부분(27)의 길이는 상기 메인 회전자 자계부(29) 길이의 대략 1/2 인 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2의 미리 설정된 각도는 대략 동일한 크기인 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서 자계부(21)의 각 스트립은 상기 메인 회전자 자계부(29)의 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립과 결합되고, 상기 회전자의 길이 방향 축에 일반적으로 병렬로 구성된 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 길이 방향으로 각기 연장하는 교번 자극의 각 쌍의 스트립의 평균 자화는 그들 사이에 결합된 중립 라인을 생성시키며, 이 중립 라인은 상기 회전자의 길이 방향 축에 병렬로 구성되고 제로인 평균 자화를 갖는 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  9. 제7항에 있어서, 상기 길이 방향으로 각기 연장하는 교번 자극의 각 쌍의 스트립의 평균 자화는 그들 사이에 결합된 중립 라인을 생성시키며, 이 중립 라인은 상기 회전자의 길이 방향 축에 병렬로 구성되고 제로인 평균 자화를 갖는 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  10. 제8항에 있어서, 상기 센서 자계부(21)의 인접한 스트립들 사이의 경계는 한 개의 상기 중립라인을 따라 배치된 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  11. 제9항에 있어서, 상기 미리 설정된 길이 방향으로 연장하는 메인 회전자의 자계부의 한쌍의 스트립에 대응하는 상기 센서 자계부(21)의 2개의 스트립 사이의 경계는 상기 미리 설정된 한쌍의 길이 방향으로 연장하는 스트립과 결합된 상기 중립라인으로부터 원주상으로 오프셋되는 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  12. 제1항에 있어서, 상기 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립(21A, 21B, 21C, 21D)의 제2 부분(27)은 상기 회전자(15) 둘레의 최소 부분에서 원주상 연장부를 갖기 위해 원주상으로 연장하고, 상기 회전자(15)는 스큐 각도를 가지며, 상기 길이 방향으로 각기 연장하는 스트립(21A, 21B, 21C, 21D)에 대한 상기 제2부분(27)의 상기 원주상 연장부는 상기 회전자(15)의 스큐 각도와 일반적으로 동일한 것인 발전기용 영구 자석 회전자.
  13. 회전자(15)와, 상기 회전자(15)가 회전하도록 배치된 중앙 개구를 갖는 고정자(13)와, 상기 회전자(15)의 회전 위치를 감지하여, 하부에서 회전자가 회전하도록 상기 고정자(13)에 대하여 상기 회전자의 일단에 장착되는 호올효과 센서 수단(17)을 구비하는 무부러시 영구 자석 모터에 있어서, 상기 회전자(15)는 청구항 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 회전자를 포함하며, 상기 메인 회전자 자계부(19)의 일단에 배치된 상기 센서 자계부(21)는 상기 홀 효과 센서 수단(17)에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 무부러시 영구 자석 모터.
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