KR100292492B1 - 이형공극을가지는모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이형공극(deformed air-gap)을 가지는 가변릴럭턴모터에 관한 것으로, 종래에 반경방향으로만 형성되던 공극을 갖는 경우의 토오크 증대 한계와 진동문제를 해결하는 것이다. 본 발명에 의하여 이형공극을 가지는 가변릴럭턴스모터는 고정자(10)와 회전자(20)의 돌극(11,21)에 상호 대응하는 돌출부(12,22)와 요홈부(13,23)로 반복되는 기복부를 형성하여 그 돌출부(12,22)와 요홈부(13,23)가 대향하여 되는 축방향과 반경방향으로 이어지는 이형공극(30)을 가진다. 이형공극(30)에 대향하는 양측 돌극(11,21) 사이에 작용하는 자기적 힘은 반경방향 성분(Fr)에 축방향 성분(Fa)이 추가되어 더욱 큰 토오크를 발생하며, 그 전체성분중 상당부분이 축방향으로 작용함으로써 그만큼 진동이 감소된다. 따라서 모터의 부피를 증대시키거나 권선수를 늘리지 않고 돌극의 대향면적을 늘릴 수 있어, 소형으로서 큰 토오크를 발생하고 또한 진동과 소음이 적은 모터를 제공할 수 있는 것이다.

Description

이형공극을 가지는 모터{MOTOR HAVING DEFORMED AIR-GAP}

본 발명은 예를 들면 가변릴럭턴스모터(switched reluctance motor)와 같이 고정자와 회전자를 그 사이의 공극에 자기흡인력을 작용시켜 상대적으로 움직이게 하는 구조에 잘 적용될 수 있는 이형공극(deformed air-gap)을 가지는 모터에 관한 것으로서, 구체적으로는 고정자와 회전자 사이의 공극이 반경방향이나 축방향의 어느 일방향이 아닌 적어도 두방향으로 연속하게 형성되어진 이형공극을 가지는 모터에 관한 것이다.

모터는 고정자와 회전자의 배치에 따라 축에 대해 원주면으로 대향하여 반경방향의 공극을 형성하는 원주대향형과 축에 수직한 평면으로 대향하여 축방향의 공극을 형성하는 평면대향형으로 나뉠 수 있으며, 일반적으로는 반경방향과 축방향중 일 방향으로 균등하게 형성되는 공극을 가지고 있다.

도 1은 종래 예로서 가변릴럭턴스모터의 구조를 도시한다. 가변릴럭턴스모터는 도시된 바와 같이 고정자(1)와 회전자(2) 모두 돌극(3,4)을 가진 일종의 쌍돌극형이다. 또한 원주대향형으로서 고정자(1)와 회전자(2)의 돌극(3,4)이 상호 반경방향으로 미소거리 이격되어 되는 공극(5)을 가진다. 고정자(1)는 돌극(3)에 각각 감기는 권선(6a,6a',6b,6b',6c,6c')을 포함하는데, 회전자(2)는 권선이나 영구자석이 없이 단지 자계내에서 자화될 수 있는 자기이방성 연자성체인 철심으로 제작된 것이다. 이와 같은 가변릴럭턴스모터는 구조적으로 회전자의 위치에 따라 각 권선에 의한 자기회로의 저항이 주기적으로 바뀌게 되어 있다. 따라서 고정자(1)의 돌극(3)에 감긴 권선(6a,6a',6b,6b',6c,6c')을 차례로 여자시키면 여자된 권선을 감고 있는 고정자측 돌극(3)이 각 권선을 흐르는 전류의 방향(권선방향)에 따라 자극(N극 또는 S극)을 띠고, 자극을 띠는 고정자측 돌극(3)이 회전자측 돌극(4)중 가장 인접해 있는 것을 자화하여 끌어당김으로써 그 회전자(2)가 한 스텝(step)씩 회전하게 된다.

구체적으로 예를 들어 설명하면, 도 1은 A상 권선(6a,6a')과 C상 권선(6c,6c')이 동시에 여자된 상태이다. 이 상태에서 A상 권선(6a,6a')만을 여자시키면 회전자는 반시계방향으로 15°회전하게 된다. 이어, A상 권선(6a,6a') 및 B상 권선(6b,6b')을 여자시키고, 다음으로 B상 권선(6b,6b')을, 그 다음으로 B상 권선(6b,6b')과 C상 권선(6c,6c')을, 그 다음으로 C상 권선(6c,6c')을 순차적으로 여자시킴으로써 회전자(2)를 연속적으로 회전시킬 수 있는 것이다.

이와 같은 가변릴럭턴스모터의 회전 토오크는 상기한 고정자 및 회전자 돌극 상호간에 작용하는 자기 흡인력에 의하여 발생된다. 따라서 발생 토오크는 돌극(3,4) 사이의 공극(5)에 분포하는 자속밀도의 제곱 또는 자화력(자계강도)의 제곱에 비례하고 또한 공극(5)을 사이에 둔 돌극(3,4)의 대향 면적에 비례하여 강해진다. 따라서 토오크 성능을 증대시키기 위하여는 자속밀도 또는 자화력이 증강되도록 권선수를 늘리고 돌극의 대향 면적을 넓게 할 필요가 있다. 그런데, 이 경우에 고정자 및 회전자철심의 직경을 크게 하여야 하므로 모터의 전체 부피가 커지는 문제점이 있다.

또한 종래의 가변릴럭턴스모터는 도 2에 도시된 바와 같이 고정자(1) 돌극(3)과 회전자(2) 돌극(4) 사이의 공극(5)이 반경방향으로만 형성되어 있는데, 회전 토오크를 발생시키는 성분이 공극(5)내 돌극 사이에서 반경방향으로 작용하는 자기 흡인력에만 의존하므로 양측 돌극(3,4)이 일치하는 지점에서는 그 반경방향의 힘이 회전자 축을 반경방향으로 당기게 되므로 이에 의한 진동 및 소음이 크게 발생되는 문제점도 가지고 있다.

본 발명의 목적은 모터의 부피를 증가시키거나 권선수를 증가시키지 않고 동일부피에서 고정자와 회전자의 대향면적을 보다 넓게 확보함으로써 토오크 성능을 향상시킨 이형공극을 가지는 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 고정자와 회전자 상호간의 자화력에 의한 반경방향 또는 축방향의 어느 일방향으로 작용하는 힘을 다른 방향으로 분산시켜 발생 토오크를 증가시키는 동시에 진동과 소음을 줄일 수 있는 이형공극을 가지는 모터를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 가변릴럭턴스모터의 구조를 나타낸 평면도.

도 2는 도 1의 부분 종단면도.

도 3은 본 발명에 의하여 축과 반경방향으로 이어지는 이형공극을 가지는 가변릴럭턴스모터의 구조를 보인 평면도.

도 4는 도 3의 부분 종단면도.

도 5는 도 4에 표시된 원내의 확대 단면도.

도 6은 본 발명의 실시예에 의하여 톱니형으로 형성된 이형공극을 가지는 모터의 일부를 나타낸 개요 단면도.

도 7은 본 발명의 실시예에 의하여 파형으로 형성된 이형공극을 가지는 모터의 일부를 나타낸 개요 단면도.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 의하여 축에 경사지는 이형공극을 가지는 모터의 일부를 나타낸 개요 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 축과 반경방향으로 이어지는 이형공극을 가지는 가변릴럭턴모터의 조립성 향상을 위해 사용되는 반할철심을 보인 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 고정자 20 : 회전자

11,21 : 돌극 30 : 이형공극

40,40' : 반할철심

상기한 목적들은, 본 발명에 따라, 고정자와 회전자로 이루어지고, 그 고정자와 회전자가 공극을 사이에 두고 대향되는 자극면을 가지고 있으며, 각 자극면 상호간에 자기적 힘을 작용시켜 고정자와 회전자를 상대적으로 움직이는 토오크를 발생하는 모터에 있어서,

상기한 고정자와 회전자의 각 자극면이 상호 대응하여 항상 정해진 간격을 유지하면서 축방향 이동이 불가능한 상태로 맞물리게 형성된 적어도 하나 이상씩의 기복부를 가지고 있고, 상기한 공극이 서로 대향하는 자극면의 기복부에 의하여 둘 이상의 방향으로 이어지게 형성되어 고정자와 회전자 상호간의 자화력에 의한 반경방향 또는 축방향의 어느 일방향으로 작용하는 힘을 다른 방향으로 분산시켜 발생 토오크를 증가시키는 동시에 진동과 소음을 줄일 수 있도록 함과 아울러 상기 고정자가 양측으로 분리되는 2개의 반할철심으로 이루어져 고정자와 회전자의 조립이 가능하도록 구성한 것을 특징으로 하는 이형공극을 가지는 모터에 의해 달성된다.

여기서 본 발명은 바람직한 형상으로서 상기한 자극면의 기복부가 동일선상에 반복되는 요철형으로 형성하여 축과 반경방향으로 이어지는 이형의 공극을 갖도록 구성하거나, 또는 그 자극면을 톱니형이나 파형으로 형성하여 그 이형의 공극이 축과 반경방향뿐 아니라 방향이 주기적으로 변화하는 여러 방향에 형성하는 것이다.

본 발명에 따르면, 고정자와 회전자가 축 또는 반경방향의 일방향으로만 이격되어 있는 경우에 비하여 그 축과 반경방향을 포함하는 적어도 두방향으로 이어지는 공극에 자기적 힘을 작용시킬 경우 동일한 철심두께에 비하여 공극에 대향하는 자극면의 면적을 넓게 확보할 수 있어서 보다 큰 토오크를 발생시킬 수 있다.

본 발명은 특히 전술한 이형공극에 의하여 큰 토오크를 발생하는 동시에 반경방향으로 작용하는 자기적 힘을 상당부분 축방향으로 이동시킬 수 있어서 축에 대한 횡방향으로 작용하는 진동발생요소를 줄일 수 있는 것이다.

이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명이 적용된 축과 반경방향의 이형공극을 가지는 가변릴럭턴스모터를 도시한다. 본 발명에 따른 가변릴럭턴스모터는 도시된 바와 같이 고정자(10)와 회전자(20)가 반경방향을 이격된 원주대향형으로서, 이형공극(30)을 사이에 두고 대향하는 양측에 형성된 돌극(11,21)을 가진다. 양측에 돌극(11,21)의 각 자극면은 돌출부(12,22)와 요홈부(13,23)가 반복되는 기복형상으로 되어 있다. 축방향에서 볼 때 양측 돌극(11,21)의 돌출부(12,22)가 중첩되는데, 도 4에 나타난 바와 같이, 고정자(10)측 돌극(11)의 돌출부(12)가 회전자(20)측 돌극(21)의 요홈부(23)에 수용되고, 회전자(20)측 돌극(21)의 돌출부(22)가 고정자(10)측 돌극(11)의 요홈부(13)에 수용된다.

즉, 상기 돌출부(12,22)와 요홈부(13,23)는 항상 정해진 간격을 두고 서로 맞물리게 형성되는 것이다.

따라서 그 양측의 돌출부(12,22)와 요홈부(13,23)에 의한 이형공극(30)은 축과 반경방향으로 연속하여 형성되어진 것이다. 즉, 동일한 철심두께에 대하여 반경방향으로만 이격되는 공극을 가지는 경우(도 2)에 비하여 축과 반경방향으로 이어지는 이형공극(30)에 대향되는 돌극(11,21)의 자극면을 훨씬 넓게 확보되어지는 것이다.

이와 같이 축과 반경방향으로 이어지는 이형공극(30)을 가지는 가변릴럭턴스모터에 있어서 전술한 고정자측 돌극에 감긴 권선을 여자시키면, 양측 돌극 사이에 작용하게 되는 자기 흡인력은 도 5에 도시된 바와 같이 고정자측 돌극(11)의 돌출부(12)와 회전자측 돌극(21)의 요홈부(23) 사이 및 고정자측 돌극(11)의 요홈부(13)와 회전자측 돌극(21)의 돌출부(22) 사이에 작용하는 반경방향 성분(Fr)에 양측 돌극(11,21)의 돌출부(12,22) 사이에 작용하는 축방향의 성분(Fa)을 더 가지게 된다. 따라서 기존의 반경방향 성분(Fr)뿐 아니라 추가되는 축방향의 성분(Fa)에 의하여 더욱 증대된 토오크를 발생하는 것이다.

또한 토오크를 발생시키는 자기 흡입력의 전체 성분중 반경방향의 성분(Fr)만이 진동을 야기하고 축방향의 성분(Fa)은 그 진동에 실질적인 영향을 미치지 아니한다. 즉, 축에 대한 반경방향으로 작용하는 진동발생요소의 상당부분이 축방향으로 이동하므로 전체의 진동과 소음이 그만큼 줄어드는 것이다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 다른 실시예들을 보인다. 도 6은 고정자(10A)와 회전자(20A)가 톱니형의 자극(11A,21A)면을 가짐으로써 그 사이에 톱니형으로 형성되는 이형공극(30A)을 보이고, 도 7은 고정자(10B)와 회전자(20B)가 파형의 자극면(11B,21B)을 가짐으로써 그 사이에 파형으로 형성되는 이형공극(30B)을 보인다.

다음 도 8은 전술한 이형공극(30,30A,30B)을 위해 각 자극면이 기복부를 갖고 대향된 것과는 것과 달리, 고정자(10C)와 회전자(20C)가 기복이 없고 단지 축에 대해 비스듬한 각도로 대향되어 그 사이에 단일방향의 경사진 이형공극(30C)을 가지게 된 것이다.

이 경사진 이형공극(30C)은 기복이 있는 전술한 이형공극(30,30A,30B)에 비하여 다소 효과는 떨어지나 기존의 축 또는 반경방향으로 형성된 것에 비하여 넓은 면적으로 토오크 증대는 꾀하는 것은 물론 양쪽 성분을 동시에 갖는 비스듬한 방향의 자기적 힘이 작용하여 진동과 소음의 감소효과도 제공되는 것이다.

즉, 본 발명은 축과 반경방향은 물론 그 양방향을 포함하는 기복이 있는 형태의 이형공극은 물론 기복이 없고 축에 대해 경사진 이형공극으로 고정자와 회전자를 대향시켜 철심의 부피를 증가시키거나 권선수를 늘리지 않고 동일 부피 및 동일 권선수에 대하여 토오크를 증대시키고, 동시에 진동의 상당부분을 축방향으로 이동시켜 진동과 소음을 줄일 수 있게 하는 것이다.

한편, 본 발명의 실시에 따라 축과 반경향으로 이어지는 이형공극을 갖도록 고정자와 회전자의 자극면이 전술한 요철형이나 톱니형 또는 파형 등의 기복형태로 되어 대향되는 모터, 특히 원주대향형 모터에 있어서는 회전자를 고정자에 대해 축방향으로 삽입시키기 곤란한 문제가 발생될 수 있다. 예를 들면, 가변릴럭턴스모터에 있어서, 회전자 돌극수에 대한 고정자 돌극수의 비(比)가 정수배(6/6, 4/4, 4/2 등)를 갖는 경우에는 그 조립성에 별 어려움이 없으나, 6/4 등의 비정수배의 비를 갖는 경우에는 그 축방향의 조립이 불가능하게 된다. 이러한 조립성 문제는 도 9에 도시된 바와 같이 고정자 철심으로서 양측으로 분리되게 형성되는 2개의 반할철심(40,40')을 사용함으로써 간단히 해결될 수 있음은 물론이다.

이상에 설명한 바와 같이 본 발명은 모터를 구성함에 있어서, 고정자와 회전자를 축방향 또는 반경방향의 어느 일측 방향뿐 아니라 그 양방향을 포함하는 둘 이상의 방향으로 기복이 있는 이형공극을 형성하거나, 또는 축에 대해 경사진 이형공극을 형성함으로써 동일 부피와 동일 권선수에 대하여 대향하는 자극면을 넓게 확보하여 토오크 증대는 물론 진동을 감소시킬 수 있게 한다. 따라서 본 발명은 소형으로서 큰 토오크를 발생하는 동시에 진동과 소음이 적은 고성능의 모터를 제공하는 효과를 발휘한다. 또한 본 발명은 동일 토오크를 발생시키는 모터를 구성함에 있어서 권선수를 줄일 수 있게 하므로, 권선의 저항을 줄여 모터의 효율을 높이는 효과도 발휘하는 것이다.

Claims (4)

1. 고정자와 회전자로 이루어지고, 그 고정자와 회전자가 공극을 사이에 두고 대향되는 자극면을 가지고 있으며, 각 자극면 상호간에 자기적 힘을 작용시켜 고정자와 회전자를 상대적으로 움직이는 토오크를 발생하는 모터에 있어서,

   상기한 고정자와 회전자의 각 자극면이 상호 대응하여 항상 정해진 간격을 유지하면서 축방향 이동이 불가능한 상태로 맞물리게 형성된 적어도 하나 이상씩의 기복부를 가지고 있고, 상기한 공극이 서로 대향하는 자극면의 기복부에 의하여 둘 이상의 방향으로 이어지게 형성되어 고정자와 회전자 상호간의 자화력에 의한 반경방향 또는 축방향의 어느 일방향으로 작용하는 힘을 다른 방향으로 분산시켜 발생 토오크를 증가시키는 동시에 진동과 소음을 줄일 수 있도록 함과 아울러 상기 고정자가 양측으로 분리되는 2개의 반할철심으로 이루어져 고정자와 회전자의 조립이 가능하도록 구성한 것을 특징으로 하는 이형공극을 가지는 모터.
2. 제1항에 있어서, 상기한 고정자와 회전자의 각 자극면의 기복부가 상호 대응하는 돌출부와 요홈부로 되어 상기한 공극이 축방향과 반경방향으로 이격되는 요철형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이형공극을 가지는 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기한 고정자와 회전자의 각 자극면의 기복부가 상호 대응하는 톱니형으로 되어 상기한 공극이 톱니형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이형공극을 가지는 모터.
4. 제1항에 있어서, 상기한 고정자와 회전자의 각 자극면의 기복부가 상호 대응하는 파형으로 되어 상기한 공극이 파형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 이형공극을 가지는 모터.