KR100382954B1 - 영구자석과 전기자 돌극을 갖는 모타에서 코깅토크의 저감장치 및 방법 - Google Patents

영구자석과 전기자 돌극을 갖는 모타에서 코깅토크의 저감장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

돌극이 설치된 전기자와 영구자석을 가지는 영구자석 모타는 원천적으로 코깅토크가 발생되며, 이 코깅토크는 모타가 회전함에 따라 토크의 맥동을 유발하여 모타의 원활한 회전을 방해하고 기계적인 진동 및 소음을 야기 시킨다. 본 발명의 목적은 상술한 영구자석 모타에서 영구자석의 형상 또는 영구자석 착자요크의 형상을 변화시켜 전기자 돌극과 영구자석 사이의 자화함수의 특성을 바꿈으로써 코깅토크를 저감시키는 것이다. 본 발명에서는 돌극을 가지는 전기자와 영구자석 계자를 가지는 영구자석 모타에서 주로 전기자 돌극의 수 또는 형상을 변경시켰던 종래의 기술과는 달리 영구자석의 착자요크의 형상을 변화시키거나 또는 영구자석 자체의 형상을 변화시킴으로써 코깅토크를 제거할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 즉, 영구자석에 대하여 코깅토크의 발생에 기여하는 계자함수의 성분이 제거되도록 착자기 돌극의 적당한 위치에 적당한 폭을 갖는 보조구(홈 또는 패인 곳)를 설치한 착자요크를 이용하여 영구자석을 착자시키는 방법 그리고 이와 동일한 효과를 얻기 위한 실시 예로써 영구자석의 1극을 각각 2개의 같은 극으로 나누어 설치하는 방법 그리고 영구자석의 두께를 변화시키는 방법들을 제시하고 있다.

Description

영구자석과 전기자 돌극을 갖는 모타에서 코깅토크의 저감 장치 및 방법{Cogging torque Reduction apparatus and method in the motor comprising permanent magnets and salient armature poles}
돌극이 설치된 전기자와 영구자석을 가지는 영구자석 모타는 최근에 컴퓨터 하드디스크 구동용, 그리고 CD ROM 구동용 등으로 널리 이용되고 있다. 그러나, 돌극이 설치된 전기자와 영구자석을 갖는 영구자석 모타는 원천적으로 코깅토크가 발생되며, 이 코깅토크는 모타가 회전함에 따라 토크의 맥동을 유발하여 모타의 원활한 회전을 방해하고 기계적인 진동 및 소음을 야기 시킨다.
본 발명의 목적은 상술한 영구자석 모타에서 영구자석의 형상, 영구자석 착자요크의 형상 및 영구자석의 잔류자속밀도의 분포 특성을 제시함으로써 코깅토크를 저감시키는 것이다.
돌극이 설치된 전기자와 영구자석을 가지는 모타에서 코깅토크는 그 발생원리가 영구자석과 전기자돌극의 상호작용으로 발생하기 때문에, 코깅토크를 줄이기 위해서는 영구자석과 전기자 모두를 최적으로 설계해야 한다.
전기자의 설계 또는 형상을 변경하여 코깅토크를 저감시키기 위한 종래의 방법은 주로 전기자의 설계를 수정하는 것에 국한되어 왔다. 미국특허 No. 5,105,113에서는 전기자의 돌극 또는 영구자석에 스큐를 줌으로써 코깅토크를 저감시키는 방법을 제시하고 있다. 이 방법은 종래에 유도전동기에서 토크 맥동을 줄이기 위하여 이용되던 기술로 그 효과는 인정되나 대량 생산에 적용하는 경우 어려운 점이 있다. 미국특허 No. 4,833,355에서는 전기자의 돌극 수와 영구자석의 자극 수의 최대공약수가 1이 되도록 하는 방법을 제시하고 있다. 이 방법은 영구자석 모타에서 코깅토크의 주파수가 전기자의 돌극 수와 영구자석 극수의 최소공배수에 비례하고, 코깅토크의 크기는 주파수에 반비례한다는 사실을 이용한 것으로 최소공배수를 크게 함으로써 코깅토크의 크기를 줄이는 방법이다. 이 방법은 매우 효과적이나 코깅토크를 원천적으로 없앨 수는 없다는 단점을 갖는다. 한편, 미국특허 No. 4,280,072, 미국특허 No. 4,672,235 , 그리고 미국특허 No. 4,998,032에서는 전기자의 돌극에 보조구(즉, 패인부분)를 설치하여 전기자 돌극의 형상을 변형시키는 방법을 제시하고 있다. 비 방법은 현재 널리 이용되고 있는 방법이나, 근본적으로 코깅토크를 완전히 제거하지 못할 뿐만 아니라 돌득의 형상이 복잡해지는 경우 생산성이 저하되는 문제점을 갖고 있다.
본 발명에서는 돌극을 가지는 전기자와 영구자석 계자를 가지는 영구자석 모타에서 주로 전기자 돌극의 수 또는 형상을 변경시켰던 종래의 기술과는 달리 영구자석의 착자요크의 형상을 변화시키거나 또는 영구자석 자체의 형상을 변화시킴으로써 코깅토크를 제거할 수 있는 방법을 제시하고 있다. 즉, 영구자석에 대하여 코깅토크의 발생에 기여하는 계자함수의 성분이 제거되도록 착자기 돌극의 적당한 위치에 적당한 폭을 갖는 보조구(홈 또는 패인 곳)를 설치한 착자요크를 이용하여 영구자석을 착자시키는 방법 그리고 이와 동일한 효과를 얻기 위한 실시 예로써 영구자석의 1극을 각각 2개의 같은 극으로 나누어 설치하는 방법 그리고 영구자석의 두께를 변화시키는 방법들을 제시하고 있다.
제 1도는 본 발명의 배경이 되는 종래의 모타를 표시한 도해도,
제 2도는 제 1도에 나타낸 종래의 모타에 사용되는 영구자석을 착자시키기 위한 착자요크의 형상을 나타낸 도해도,
제 3도는 제 2도의 착자요크에서 1개의 돌극을 확대한 도해도,
제 4도는 제 2도의 착자요크를 사용하여 착자시킨 영구자석의 1개의 극에 대한 자화함수를 근사화한 파형도들,
제 5도는 제 2도의 착자요크를 사용하여 착자시킨 영구자석의 1개의 극에 대한 계자함수를 근사화한 파형도들,
제 6도는 본 발명의 실시 예에 있어서 계자 영구자석에서 코깅토크를 발생시키는 성분이 제거되도록 착자하기 위하여 착자요크의 돌극에 보조구(또는 패인 부분)를 설치하여 표시한 도해도,
제 7도는 제 6도의 실시 예에 있어서 1개의 착자요크 돌극을 확대하여 보조구(또는 패인 부분)의 위치와 폭, 그리고 가능한 형상들을 표시한 도해도,
제 8도는 제 7도에 나타낸 본 발명에서 제시한 착자요크를 이용하여 착자시킨 계자 영구자석의 1극에 대하여 자화함수를 근사화한 파형도들,
제 9도는 제 7도에 나타낸 본 발명에서 제시한 착자요크를 이용하여 착자시킨 계자 영구자석의 1극에 대하여 계자함수를 근사화한 파형도들,
제 10도는 본 발명의 또 다른 실시 예로써 영구자석의 1개의 극을 각각 두 개의 극으로 분할하여 사용한 경우의 도해도,
제 11도는 제 10도의 실시 예에 있어서 영구자석의 1개의 극을 확대하여 자석들의 위치를 표시한 도해도,
제 12도는 본 발명의 또 다른 실시 예로써 영구자석에 보조구(패인부분)를 설치하여 표시한 도해도,
제 13도는 제 12도의 실시 예에 있어서 영구자석의 1개의 극을 확대하여 보조구(또는 패인 부분)의 위치와 폭, 그리고 가능한 형상들을 표시한 도해도,
제 14도는 본 발명에서 제안한 방법을 CAE프로그램을 이용하여 검증한 파형도들
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
N : 영구자석의 N극,
S : 영구자석의 S극,
Θ: 고정자의 위치에 대한 회전자의 상대적인 회전위치를 나타내는 각도,
q : 영구자석 착자요크에서 권선을 설치하기 위한 슬롯 폭의 1/2,
B i (ø) : 영구자석의 자화함수,
F(ø) : 영구자석의 계자함수,
α: 영구자석 착자요크에서 N극과 S극의 경계를 기준으로 한 보조구(홈 또는 패인부분)의 중심위치
γ: 영구자석 착자요크에서α를 기준으로 한 보조구(홈 또는 패인부분) 폭의 1/2.
<도면의 주요부분 설명>
1 : 종래 모타의 전기자 돌극 2 : 종래 모타의 전기자
3 : 종래 모타의 영구자석 4 : 종래 모타의 계자
5 : 종래 착자요크의 돌극 6 : 영구자석 시료
7 : 종래 착자요크의 리턴 요크 8 : 종래 착자요크의 돌극치 끝부분
9 (9 1∼9 8) : 본 발명에서 제안한 착자요크의 돌극
10 (10 1∼10 8) : 본 발명에서 제안한 착자요크의 돌극에 설치한 보조구(홈 또는 패인 부분)
11 : 본 발명에서 제안한 착자요크에서 권선을 하기 위한 슬롯과 코일
12 : 본 발명의 실시 예에 있어서 영구자석 시료
13 : 본 발명의 실시 예에 있어서 착자요크의 리턴 요크
14 : 본 발명의 실시 예에 있어서 모타의 계자
15 (15 1∼15 8) : 본 발명의 실시 예에 있어서 모타의 분할된 영구자석
16 : 본 발명의 실시 예에 있어서 모타의 리턴 요크
17 : 본 발명의 실시 예에 있어서 모타의 영구자석
18 (18 1∼18 8) : 본 발명에서 제안한 모타의 영구자석에 설치한 보조구(홈 또는 패인 부분)
본 발명에서 제시된 코깅토크가 저감된 영구자석 모타는 제 6도와 같이 돌극에 보조구(홈 또는 패인 부분)를 갖는 착자요크에 의하여 착자된 영구자석을 채용함을 특징으로 하며, 착자요크의 돌극에 설치되는 보조구(홈 또는 패인 부분)의 형상과 폭 그리고 깊이는 제 7도에서와 같이 다양하게 변형하여 설치할 수 있다. 본 발명에서 제시한 돌극에 보조구가 설치된 착자요크에 의하여 착자된 영구자석을 채용한 영구자석 모타의 자화함수는 제 8도에서와 같이 N극과 S극의 경계가 아닌 곳에서 자속밀도가 국부적으로 작아지는 부분이 있음을 특징으로 한다.
본 발명의 또다른 실시 예는 제 10도와 같이 종래의 영구자석 모타에서 영구자석 1극을 동일한 극성을 갖는 2개 이상의 영구자석으로 분할하여 설치하는 것을 특징으로 한다. 이때 분할된 영구자석의 크기와 분할된 영구자석간의 간격은 제 11도와 같이 변화될 수 있다.
본 발명의 또다른 실시 예는 종래의 영구자석 모타에서 제 12도에서와 같이 영구자석의 두께를 변화시켜 영구자석의 두께가 N극과 S극의 경계가 아닌 곳에서 얇아지는 부분이 있도록 하는 것을 특징으로 한다. 이때 영구자석의 두께가 얇아지는 부분의 형상은 제 13도에서와 같이 다양한 형상으로 변화될 수 있다.
제 1도는 종래 모타의 일 예로써 전기자 권선이 설치된 돌극(1)을 갖는 전기자(2)와 영구자석 계자(3)를 갖는 모타이다. 종래 모타에 사용되는 영구자석(3)은 제 2도에서와 같이 영구자석 시료의 안쪽 혹은 바깥쪽에 착자요크(5)를 설치하고, 그 반대쪽에는 자성체로 된 리턴 요크(7)를 설치하고 착자요크의 권선에 큰 전류를 흘림으로써 N극과 S극이 서로 교번하여 반복되도록 착자한 것이다.
제 1도에 나타난 종래 모타의 예에서와 같이 N극과 S극이 서로 교번하는 계자 영구자석과 돌극을 갖는 전기자로 구성되는 모타에서 코깅토크(T c )는 고정자와 회전자의 상대적인 위치가 변함에 따라 주로 영구자석과 전기자 사이의 공극에 저장되는 자기에너지(E g )가 변하기 때문에 발생한다. 제 1도에서 볼 수 있듯이 고정자의 위치를 기준으로 하여 회전자의 상대적인 위치가θ에 있을 때 발생되는 코깅토크는 전기자 코아, 리턴 요크 그리고 영구자석 내부에 저장되는 자기에너지의 변화를 무시하면 식(1)으로 주어진다.
영구자석의 착자특성을 표현하기 위하여 영구자석의 자화함수(B i (ø))를 제 1도와 같이 영구자석과 전기자가 조립된 후 전기자에 슬롯이 없다고 가정했을 때 공극에서 자속밀도의 분포로써 정의한다. 즉, 영구자석의 자화함수는 전기자와 동일한 직경을 가지며 슬롯을 갖지 않는 가상의 전기자를 설치하고 공극에서 반경방향의 자속밀도를 측정함으로써 구해진다. 제 2도는 종래의 모타에 사용되는 영구자석을 착자시키기 위한 착자요크이며, 제 3도는 1개의 돌극을 확대하여 나타내고 있다. 이때 착자요크의 형상은 제 3-b도와 같이 끝 부분을 둥글게 설계하기도 한다.이와 같은 종래의 착자요크를 이용하여 착자시킨 영구자석을 사용하는 종래의 모타에서 계자함수는 실험을 통하지 않고 정확히 추정하기는 어려우나, 통상적으로, 착자요크의 돌극의 형상(8)과 착자요크의 돌극간의 간격 등에 따라 영구자석의 1극을 주기 2π로 할 때 제 4도에서와 같이 단위함수 분포, 사다리꼴 분포 등 다양한 분포로 근사화된다. 이때, N극과 S극의 경계에서 착자가 안된(또는 덜된)영역에서 자화함수의 형태는 주로 착자요크의 돌극간의 간격과 돌극의 형상에 따라 달라진다. 그러나, 종래 모타에 사용되는 영구자석의 자화함수는 영구자석 1극의 양 끝 부분은 제 4도에서와 같이 다양한 형태를 가지나 그 외의 부분은(특히 영구자석 1극의 중앙부분) 거의 일정하거나 볼록한 분포를 갖는 것을 특징으로 한다.
계자함수(F(ø))는 자화함수를 이용하여 식 (2)과 같이 전기자가 슬롯을 갖지 않은 경우 공극에 저장되는 자기에너지의 밀도로 정의된다.
여기서,는 공기중의 자기 투자율이다. 제 4도에 나타낸 자화함수들을 갖는 종래의 모타에 대하여 영구자석의 계자함수는 제 5도와 같이 되며 푸리에 급수를 이용하면 식(3)으로 표현된다.
여기서,X o 는 계자함수의 직류성분,X k 는 각 고조파의 성분이고이다.
전기자 함수(A(ø))는 공극에서의 체적함수(v(ø))와 퍼미언스함수(w(ø))의곱으로 정의된다. 체적함수(v(ø))는 단위 각도 당 공극의 체적을 의미하며, 퍼미언스함수(w(ø))는 전기자의 슬롯에 의하여 공극에서 자계 분포가 달라지는 것을 표현하는 것으로 식(4)으로 정의된다.
여기서,B g (ø)는 전기자에 슬롯이 있을 때 공극에서의 자속밀도를 나타낸다. 따라서, 체적함수(v(ø))를 상수로 가정하고 퍼미언스함수(w(ø))를 단위함수로 가정하여 푸리에 급수로 전개하면 전기자함수(A(ø))는 식(5)과 같이 표현할 수 있다.
여기서,Y o 는 전기자함수의 직류성분,Y k 는 각 고조파의 성분이고이다.
회전자가 제 1도에서와 같이 고정자의 위치를 기준으로 상대 위치θ에 있을 때 공극에 저장되는 자기에너지는 식 (3)과 식 (5)을 이용하여 식(6)으로 주어진다.
그리고, 코깅토크는 공극에 저장된 자기 에너지를 회전자의 위치θ에 대하여 미분함으로써 식(7)과 같이 구해진다.
여기서, G는 계자 영구자석의 극수(P)와 전기자의 돌극 수(S)의 최소공배수(LCM)이고,P'과S'은 각각G/P와G/S을 나타낸다. 식 (7)으로부터 코깅토크의 주파수(f cog )들은 문헌 등에서 이미 알려져 있듯이 전기자의 돌극 수(S)(또는 슬롯 수)와 계자 영구자석의 극수(P)의 최소공배수(LCM)의 정수배로 식(8)과 같이 주어진다.
또한 식 (8)으로부터 코깅토크의 (nG)차 고조파 성분은 영구자석 계자함수의 (nP')차 고조파 성분(X nP' )과 전기자함수의 (nS')차 고조파성분(Y nS' )의 곱에 비례하는 것을 알 수 있다. 그러므로, 영구자석의 1극에서 코깅토크를 발생시키는 계자함수의 고조파(f P )들은 식 (7)과 식 (8)으로부터 식 (9)과 같이 주어지며
또한 1개의 전기자 돌극에서 코깅토크 발생에 기여하는 전기자함수의 고조파(f S )들은 식 (10)으로 주어진다.
별표 1에서 계자 영구자석과 돌극이 있는 전기자를 갖는 모타를 영구자석의극수(P)와 전기자 돌극의 극수(S)의 비(S/P)에 따라 분류하고 있으며, 각각의 모타에 대하여 회전자의 1회전 당 발생되는 코깅토크의 주파수(f cog )와, 계자함수와 전기자함수에서 코깅토크를 발생시키는 고조파 성분들을 나열하였다. 이로부터, 제 1도의 종래 모타에 대하여는 4극, 3슬롯인 모타와 마찬가지로 계자 영구자석과 전기자 돌극의 비가 0.75인 모타로 회전자의 1회전당 발생하는 코깅토크의 주파수는 24n(n=1,2,3,‥‥‥)이 되며, 계자 영구자석에서 코깅토크 발생에 기여하는 고조파성분(f P )은 3n(n=1,2,3,‥‥‥)차이고 전기자 돌극에서 코깅토크 발생에 기여하는 고조파성분(f S )은 4n(n=1,2,3,‥‥‥)차이다. 따라서, 계자함수의 (3n,n=1,2,3,‥‥‥)차 고조파 성분을 제거하거나, 또는 전기자함수의 (4n,n=1,2,3,‥‥‥)차 고조파 성분을 제거하면 코깅토크가 모두 제거됨을 알 수 있다.
본 발명은 계자함수에 코깅토크를 발생시키는 고조파 성분이 포함되지 않도록 계자 영구자석을 착자시킴으로써 코깅토크가 발생되지 않도록 하는 것이다. 제 1도에 나타낸 종래의 모타를 예로 하여 계자함수에 코깅토크를 발생시키는 고조파성분들 즉, (3n, n=1,2,3,‥‥‥)차 고조파 성분이 포함되지 않도록 영구자석을 착자시키는 방법을 제시한다. 제 6도는 본 발명의 실시 예로써 영구자석의 착자요크에 보조구(또는 패인 부분)(10)를 설치한 도해도이며, 제 7도는 제 6도에서 보조구(또는 패인부분)가 설치된 1개의 착자요크 돌극을 확대하여 보조구(또는 패인부분)의 형상, 위치(α) 및 폭(γ) 등을 나타낸 도해도로서, 보조구(또는 패인부분)의 변형 가능한 형상들을 나타내고 있다. 제 6도에 나타낸 착자요크에 의하여착자된 계자 영구자석은 자화함수의 분포가 제 4도에 나타난 종래의 영구자석의 자화함수와는 달리 제 8도와 같은 파형을 갖는다. 즉, 본 발명에서 제시한 영구자석의 자화함수는 영구자석 1극의 양 끝 부분에서는 종래의 계자 영구자석과 동일하거나 유사한 파형이나, 그 외의 부분에(영구자석 1극의 가운데 부분에) 착자되지 않은 부분(또는 덜 착자된 부분)이 존재하는 것을 특징으로 한다. 이때, 착자되지 않은 부분(또는 덜 착자된 부분)에서의 자화함수의 파형은 착자요크의 돌극(9)에 설치한 보조구(또는 패인 부분)(10)의 위치와 형상에 따라 달라지는 것으로 제 8도에 여러 가지 변형된 보조구의 형상들에 의한 자화함수의 파형들을 나타내었다. 이러한 자화함수를 갖는 본 발명에서 제안한 영구자석의 계자함수는 영구자석의 1극에 대하여 제 9도와 같은 파형을 갖는다. 제 6도에서는 착자요크를 영구자석 시료의 안쪽에 설치한 경우의 착자요크 돌극의 형상들을 나타내며 영구자석 시료의 바깥쪽에 착자요크를 설치한 경우에도 동일한 방법이 적용된다.
본 발명에서 제안하는 영구자석 착자요크의 돌극에 설치될 보조구(또는 패인 부분)의 적절한 위치(α)와 폭(γ)의 결정 방법을 제 9-a도의 계자함수를 예로 하여 이하에서 설명한다.
제 9-a도와 같은 영구자석의 계자함수는 푸리에 급수를 이용하면 다음과 같이 표현된다.
여기서,q는 착자기의 돌극에 권선을 설치하기 위한 슬롯 폭의 1/2이다. 따라서, 특정한 고조파 성분들을 제거하기 위해서는 보조구(또는 패인 부분)의 위치(α)와 폭(γ)을 적절히 선정하여 해당 고조파 성분이 제거되도록 하면 된다. 예를 들어 제 1도에 나타낸 종래의 모타에 대하여는 계자 영구자석에서 코깅토크를 발생시키는 고조파 성분이 3n(n=1,2,3,‥‥‥)차이므로, 이들 고조파 성분이 제거되도록 보조구(또는 패인 부분)의 위치(α)와 폭(γ)을 결정한다. 특히, 계자함수의 3n(n=1,2,3,‥‥‥)차 고조파 성분을 영이 되도록 하면 모든 영구자석 모 별표 1에서 알 수 있듯이 타의 코깅토크를 제거할 수 있다. 즉, (11)식으로부터α와γ을 다음식을 만족하도록 선정하면 영구자석 모타의 코깅토크를 없앨 수 있게 된다.
모든n(n=1,2,3,‥‥‥)에 대하여 식 (12)을 만족하는 위치(α)와 폭(γ)은 경우에 따라서는 여러 개가 존재할 수 있으며 그 중에서 설치가 용이한 위치와 폭을 선택할 수 있다. 물론, 위치와 폭을 선택하는 과정에서 모든 n이 아닌 일부의 n에 대해서만 식 (12)을 만족하는 위치(α)와 폭(γ)을 선택할 수 도 있다. 그러나, 이는 상술한 바와 같이 코깅토크를 발생시키는 모든 고조파성분을 제거하지 못하기 때문에 그 효과는 작아지게 된다. 또한 보조구(또는 패인부분)의 폭(γ)을 너무 크게 하면 정격토크의 손실이 커져 효과적이지 못하므로 가능하면 작은 것으로 선택하는 것이 좋다. 식 (12)의 가능한 해로는 각각의 n에 대하여 다음 식으로 주어지는 위치(α)와 폭(γ)을 들 수 있다.
따라서, 3n(n=1,2,3,‥‥‥)차 고조파 성분들을 모두 제거하는 최종적인 보조구(또는 패인 부분)의 위치(α)와 폭(γ)은 식 (13)과 식 (14)의 해들로 이루이지는 위치와 폭의 쌍 (α,γ)중에서 모든 n에 대하여 공통인 쌍을 택하여 선택하면 된다. 예를 들어, 착자기에 권선을 실시하기 위한 슬롯으로 인하여 영구자석이 착자되지 않은 구간이(또는 완전히 착자가 되지 않는 부분, 제9도에 표시한 (q)) 영구자석의 1극을 360 o 으로 하는 전기각으로 36˚인 경우에 보조구(또는 패인부분)의 위치(α)와 폭(γ)을 구해보면, 보조구(또는 패인부분)의 위치(α)는 식 (13)에 의하여 60˚, 180˚, 300˚중에서 설치가 용이한 180 o 을 선택할 수 있고, 또한, 그 폭(γ)은 식 (14)으로부터 24˚을 선택할 수 있다. 이때, 착자기 돌극(91)의 간격은 영구자석의 1극을 2π로 하는 전기각으로 2π(360˚)이며, 보조구(또는 패인부분)의 위치(α)는 권선을 설치하기 위한 슬롯의 중심을 기준으로 하고 보조구(또는 패인부분)의 폭(γ)은α을 기준으로 한다. 별표 2에서는 착자기에 권선을 실시하기 위한 슬롯으로 인하여 영구자석이 착자되지 않은 구간(q)에 따른 보조구(또는 패인부분)의 적정한 위치(α)와 폭(γ)을 나타내고 있다.
이와 같이 보조구(또는 패인부분)가 설치된 착자요크는 돌극(91-98)에 권선된코일(11)에 전류가 인가되면 자석의 극이 결정되며, 코일(11)에 흐르는 전류에 의해 발생된 자속은 착자요크의 돌극(91-98)을 통해 영구자석 시료(12)를 통과하여 리턴 요크(13)를 거쳐 착자요크의 이웃한 돌극으로 돌아온다. 영구자석 시료(12)는 보조구(또는 패인부분)(101-108)와 접하고 있는 영역에서는 착자가 완전히 되지 않아, 영구자석에서 발생하는 자화함수는 제 8도에 나타낸 것과 유사한 파형을 갖는다. 또한 이때 얻어지는 계자함수는 제 9도와 유사한 파형을 갖는다.
제 10도는 본 발명의 또 다른 실시 예로써 분할된 영구자석(segmented permanent magnet)을 계자 영구자석(4)으로 사용하는 경우에 적용한 예이다. 이 경우에는 코깅토크를 발생시키는 계자함수의 고조파 성분들이 제거되도록 하기 위하여, 종래의 영구자석 1극을 2개의 동일한 극성을 갖는 영구자석으로 나누어 사용하는 것이다. 종래의 영구자석 1극을 2개의 동일한 극성을 갖는 영구자석으로 분할하는 경우 2개의 동일한 극성을 갖는 영구자석으로 나누어지는 위치는 상술한 보조구(또는 패인부분)의 위치와 동일한 방법으로 결정되고 또한 동일한 극성의 영구자석 사이의 거리는 상술한 보조구(또는 패인부분)의 폭의 결정 방법과 동일하다. 즉, 상술한 착자요크의 돌극에서 보조구(또는 패인부분)가 설치될 위치에 해당하는 곳에는 영구자석을 설치하지 않는 것이다. 따라서, 제 10도의 실시 예에서 각각의 계자 영구자석은 N극과 S극이 두 개씩 교번하여 위치하고, (3n, n=1,2,3,‥‥‥)차 고조파가 제거되도록 극성이 서로 다른 영구자석은 (2q)만큼 떨어져서 위치하고, 극성이 서로 같은 영구자석은 (2γ)만큼 떨어져서 위치한다. 제 11도는 제10도의 실시 예에서 계자 영구자석의 1극에 해당하는 부분(151,152)을 확대하여 표시한 도해도로써 표시한 2개의 자석(151,152)은 동일한 극성이고 자석의 위치는 제 6도의 보조구(또는 패인부분)(101)의 위치(α)이고, 폭은 위치(α)를 기준으로 (γ)만큼 떨어져 배치되어 있다. 이때, 자석의 길이는 제 11-b도에서와 같이 N극과 S극 사이의 착자가 안된 부분(또는 착자가 덜된 부분)의 길이에 따라 달라질 수 있음을 나타내고 있다.
제 12도는 본 발명의 또 다른 실시 예로 영구자석의 착자기는 종래의 것을 사용하면서 영구자석(17)의 형상(두께)을 변형시킴으로써 동일한 효과를 얻는 것이다. 본 발명에서 제시한 착자요크의 보조구(또는 패인부분)에 해당하는 위치에는 영구자석의 두께를 제 12도와 같이 변형시켜 동일한 효과를 얻는 것이다. 이때, 영구자석(17)의 두께를 변형시키는 위치는 전적으로 본 발명에서 제시한 보조구(또는 패인부분)의 위치와 동일하며 그 폭도 동일하다. 제 13도에서는 제 12도의 실시 예에서 1개의 영구자석을 확대한 것으로 보조구의 위치는 극과 극 사이를 기준으로 제 6도의 보조구(또는 패인부분)(101)의 위치(α)이고, 폭은 위치(α)를 기준으로 (γ)만큼 떨어져 배치되며, 여러 가능한 보조구의 형상을 나타내고 있다.
본 발명에서 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위하여 유한요소법을 이용한 CAE프로그램을 이용하여 시뮬레이션 하였고, 그 결과가 제 14도에 나타나 있다. 제 6도에 나타난 본 발명에서 제안한 착자요크를 이용하여 착자된 영구자석의 자화함수를 여러 가지로 근사화하고 이를 입력으로 유한요소법을 이용하여 코깅토크를 계산한 결과이다. 제 14-a도에서는 착자요크에 설치된 보조구에 의하여 착자가 1/2 정도 된 경우와 전혀 착자가 되지 않은 경우에 대하여 계산한 코깅토크 파형을 나타내었다. 제 14-b도에서는 보조구의 폭의 변화에 대하여 계산된 코깅토크의 파형을 나타내고 있다. 그리고, 제 14-c도에서는 보조구의 위치를 변화시키면서 계산된 코깅토크의 파형을 보이고 있다. 결과로부터 영구자석의 착자가 덜된 부분, 즉 착자요크의 돌극에 설치된 보조구(또는 패인부분)의 영향으로 완전히 착자가 안된 부분의 모양은 코깅토크에 큰 영향을 주지 않음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에서 제안한 착자요크의 보조구(또는 패인부분)의 형상 또는 깊이와 폭은 다소 변하더라도 코깅토크의 저감에 별 문제가 없음을 뜻한다. 그러나, 보조구(또는 패인부분)의 위치는 매우 중요하여 본 발명에서 제시한 위치에 설치해야만 함을 알 수 있다.

Claims (6)

  1. 영구자석과 동일한 축을 갖고 영구자석 쪽으로 배향하고 있는 전기자 돌극을 구비하는 영구자석모터에 있어서, 상기 영구자석의 착자수단으로 영구자석의 N극과 S극의 경계가 아닌 부분에서 자화함수를 국부적으로 감소시키기 위한 수단으로 영구자석 시료에 대향하는 착자요크 돌극면에 보조구가 형성되어 있는 영구자석 착자요크를 사용하는 것을 특징으로 하는 영구자석모터
  2. 삭제
  3. 영구자석과 동일한 축을 갖고 영구자석 쪽으로 배향하는 전기자 돌극을 구비하는 모터에 있어서, 상기 영구자석의 N극과 S극의 경계가 아닌 부분에서 영구자석과 전기자 돌극사이의 자화함수를 감소시키기 위한 수단으로 영구자석 1개의 N극(또는 S극)을 2개 또는 그 이상으로 분할하여 사용하는 것을 특징으로 하는 영구자석모터
  4. 영구자석과 동일한 축을 갖고 영구자석 쪽으로 배향하는 전기자 돌극을 구비하는 모터에 있어서, 상기 영구자석과 전기자 돌극 사이의 자화함수를 감소시키기 위한 수단으로 영구자석 일부의 두께가 얇아지는 것을 사용하고 상기 영구자석 두께가 얇아지는 부분의 중심위치(α)는 영구자석 1극을 2π로 할 때
    인 것을 특징으로 하는 영구자석모터
  5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 영구자석의 자화함수가 감소하는 부분의 중심위치(α)는 영구자석 1극을 2π로 할 때
    인 것을 특징으로 하는 영구자석모터
  6. 영구자석모터에 사용되는 영구자석의 착자요크에 있어서, 영구자석의 N극과 S극의 경계가 아닌 부분에서 자화함수를 국부적으로 감소시키기 위하여 영구자석 시료에 대향하는 착자요크 돌극 면에 보조구가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 착자요크
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KR920022247U (ko) * 1991-05-01 1992-12-19 삼성전기 주식회사 직류 전동기

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