KR100531090B1 - 영구자석형 모터 - Google Patents

Abstract

영구자석형 모터를 개시한다. 본 발명에 따른 영구자석형 모터는 기존 대비 성능 저하를 초래하지 않으면서도 영구 자석형 모터의 토크리플을 감소시켜 모터의 소음과 진동을 억제하는데 그 목적이 있다. 이와 같은 목적의 본 발명에 따른 영구자석형 모터는 고정자와 회전자를 구비한다. 이 가운데 고정자는 내주면측에 개구부를 가진 슬롯이 마련되는 고정자철심과 슬롯에 수납되는 고정자코일을 구비한다. 회전자는 고정자철심의 내주면으로부터 이격되어 그 사이에 공간부가 형성되도록 설치되는 회전자철심과 회전자철심에 매설되는 영구자석을 구비한다. 또한 영구자석은 그 외측이 회전자철심의 외주면을 따라 반경 방향으로 안쪽에 위치하도록 매설되고, 영구자석의 내측은 회전자의 회전축을 향하여 볼록하게 형성된다.

Description

영구자석형 모터{Permanent magnet motor}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 특히 영구자석을 이용하여 회전력을 발생시키는 영구자석형 모터에 관한 것이다.

모터는 매우 광범위한 산업 분야에서 매우 다양한 형태로 이용되는 장치 가운데 하나이다. 일례로, 냉장고나 공기조화기와 같은 냉각 장치 등에서는 냉매를 압축하기 위해 압축기를 사용하는데, 이 압축기는 교류 모터나 브러시리스모터 등에 의해 구동된다. 최근에는 보다 더 높은 효율을 얻기 위하여 영구자석을 이용한 브러시리스모터가 많이 사용된다.

도 1은 종래의 영구자석형 모터의 단면도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 영구자석형 모터(1)는 고정자를 가지는데, 이 고정자에는 고정자 철심(2)과, 고정자코일(4)로 이루어져 있다. 고정자 철심(2)은 대체로 환상으로 이루어져 있으며, 내주면에는 등간격으로 반폐형 슬롯(3)이 형성된다. 그리고 그 슬롯(3)에는 고정자코일(4)이 권선되며 수납배치되어 있다. 그리고 고정자철심(2)의 내주면의 내측에는 고정자철심(2)의 내주면과 공간부(5)를 두고 일정간격을 유지하는 원통상의 회전자(10)가 마련된다.도 2는 종래의 영구자석형 모터 회전자의 단면도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 회전자(10)는 얇은 강판을 다수개 적층한 형태이며, 그 외주면에는 영구자석(14, 15, 16, 17)이 등간격으로 설치되되, N극과 S극이 교대로 서로 마주보도록 설치되어 있다.

전술한 회전자(10)에 설치된 N극의 영구자석(14, 16)에서 발생되는 자속은 고정자철심(2)의 선단과 회전자(10) 사이에 있는 공간부(5)를 거쳐 고정자철심(2)의 슬롯(3)과 고정자 철심(2)을 통과하고 다시 공간부(5)를 거쳐 회전자(10)의 S극으로 되돌아 온다. 이 자속에 의해 회전자(10)가 힘을 받아 회전을 하게 된다.

그런데, 영구자석(14, 15, 16, 17)에서 고정자철심(2)쪽으로 발산되는 자속은 고정자철심(2)의 슬롯(3)에서 공간자속밀도의 고조파성분과의 상호작용에 의하여 코깅토크가 발생하며, 이 코깅토크에 의하여 고정자 철심(2)과 회전자(10)의 영구자석 사이에는 상호 전자적인 흡입력이 발생한다. 이 코깅토크는 모터(1)에 전원이 공급될 때 회전자(10)를 회전시키는 구동 토크와 그 크기는 같지만 방향이 반대이기 때문에 상호간에 반작용이 발생한다. 이 반작용은 모터(1)의 구동시에 소음과 진동이 발생하는 원인이 되고, 이 진동은 모터(1)의 피로 현상을 초래하여 모터(1)의 수명을 단축시킨다.

본 발명에 따른 영구자석형 모터는기존 대비 성능 저하를 초래하지 않으면서도 영구 자석형 모터의 토크리플을 감소시켜 모터의 소음과 진동을 억제하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적의 본 발명에 따른 영구자석형 모터는 고정자와 회전자를 구비한다. 이 가운데 고정자는 내주면측에 개구부를 가진 슬롯이 마련되는 고정자철심과 슬롯에 수납되는 고정자코일을 구비한다. 회전자는 고정자철심의 내주면으로부터 이격되어 그 사이에 공간부가 형성되도록 설치되는 회전자철심과 회전자철심에 매설되는 영구자석을 구비한다. 또한 영구자석은 그 외측이 회전자철심의 외주면을 따라 반경 방향으로 안쪽에 위치하도록 매설되고, 영구자석의 내측은 회전자의 회전축을 향하여 볼록하게 형성된다.이와 같이 이루어지는 본 발명의 바람직한 실시예를 도 3 내지 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 먼저 도 3은 본 발명에 따른 영구자석형 모터의 단면도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 영구자석형 모터는, 고리 형상의 고정자(21)를 구비하는데, 고정자(21)는 고정자철심(22)과 고정자코일(24)에 의하여 구성된다.

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고정자(21)의 고정자철심(22)은 대체로 원통형으로 형성되고 그 고정자 철심(22)의 내주면측에는 개공부를 구비하는 반폐형 슬롯(23)이 형성된다(예를 들면 12개의 슬롯(23)이 등간격으로 고정자철심(22)의 내주면 원주상에 형성된다.). 그리고 고정자철심(22)의 내주면측에 형성된 슬롯(23)에는 3상, 즉 u상, v상, w상의 고정자코일(24)이 권선되어 수납배치된다. 고정자코일(24)은 후술하는 도 5에 도시된 제어회로의 인버터부(50)로부터 3상전원을 공급받는다. 고정자(21)의 동심원 내주부에는 고정자(21)의 내주면과의 사이에 약간의 공간부(26)가 생기도록 회전자 철심과 회전축(37) 그리고 영구자석으로 이루어진 회전자(30)가 배치된다.

도 4는 본 발명에 따른 영구자석형 모터 회전자의 단면도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 회전자(30)의 회전자철심(31)은 얇은 규소강판이 다수 적층되어 전체적으로 원통 형상을 이루며, 고정자(21)의 내주면과의 사이에 약간의 공간부(26)가 균일하게 존재하도록 배치된다.

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그리고 회전자철심(31)은 그 중심위치에 회전축(37)이 축설되고 회전자철심(31)의 외주면보다 경방향측으로 약간 들어간 위치에는 중심각이 약 90°정도로 형성된 4개의 페라이트제영구자석(33, 34, 35, 36)이 서로 등간격을 이루도록 설치된다.

회전자철심(31)에 설치되는 4개의 영구자석(33, 34, 35, 36)중에서 서로 마주보는 영구자석은 같은극으로 착자되는데, 한쪽의 마주보는 영구자석은 N극으로 착자되고, 나머지 마주보는 영구자석은 S극으로 착자되며, N극과 S극은 교대로 배치된다. 그리고 영구자석(33, 34, 35, 36)과 공간부(26) 사이에 존재하는 회전자철심(32)의 두께는 각 영구자석(33, 34, 35, 36)의 중심부로부터 양 단까지, 즉 각각의 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면 전체에 걸쳐 모두 균일한데, 그 두께는 0.5㎜이내이다.

또한, 회전자(30)에는 회전자철심(31)을 고정시키기 위한 리벳홀(41, 42, 43, 44)과 회전자(30)를 냉각시키기 위한 냉각홀 겸 오일홀(51, 52, 53, 54)이 형성된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터 제어회로의 블록도이다. 도 5에 나타낸 바와 같이, 제어회로는, 통상 외부로부터 입력되는 교류전원(60)을 직류로 변환하는 컨버터부(70)와, 직류를 원하는 주파수대의 3상전원으로 변환하는 인버터부(80)와, 외부신호를 해독 및 연산하여 결정된 실제 운전주파수를 다시 구동신호로 변경하여 인버터부(80)에 제공하는 제어부(100)로 구성된다.

먼저 교류전원(60)을 직류로 변환시키는 컨버터부(70)는 다이오드(미도시)를 이용하여 교류를 정류하여 직류로 변환시킨다. 그리고 컨버터부(70)에는 컨버터부(70)가 변환시킨 직류를 3상전원으로 변환하기 위한 인버터부(80)가 접속되는데, 인버터부(80)는 6개의 전력소자(Q1~Q6)로 이루어 지며, 이 6개의 전력소자(Q1~Q6)를 스위칭 제어하여 3상 전원을 발생시킨다(도 8 참조). 이때 전력소자(Q1~Q6)는 금속산화막 반도체 전계효과 트랜지스터(MOSFET, Metal-Oxide Semi-conductor Field Effect Transistor) 혹은 절연게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT, Insulated Gate Bipolar Transistor)로 용이하게 구현이 가능하다.

그리고 인버터부(80)의 3상전원 출력은 전술한 영구자석형 모터(20)의 고정자코일(24)의 각 상과 각각 접속된다. 또한 영구자석형 모터(20)의 회전자(30) 위치를 감지하기 위하여 각 상의 역기전력을 감지하는 역기전력감지부(90)가 후술하는 제어부(100)에 접속되어 각 상이 역기전력에 대한 정보(이하 상전압신호라 칭함)를 출력한다.

한편 제어부(100)는 역기전력감지부(90)가 출력하는 각 상의 상전압신호에 따라서 영구자석형 모터(20)의 회전자(30)의 위치를 판단하는데, 그 판단결과에 따라서 제어부(60)는 출력포트를 통하여 인버터부(80)에 마련된 6개의 전력소자에 대한 제어신호를 출력한다. 그리고 제어부(100)는 구동신호를 펄스폭변조 하기위한 펄스폭변조신호를 포트(PWM)를 통하여 출력한다.

또한 제어부(100)의 출력포트는 게이트부(110)의 입력포트와 접속되며, 제어부(100)의 포트(PWM)는 게이트부(110) 일측 입력포트로 접속된다. 게이트부(110)는 제어부(100)로부터 출력되는 전력소자 제어신호와 펄스폭변조신호를 입력받아 펄스폭변조신호에 따라서 전력소자 제어신호의 듀티비를 변환시켜 출력한다. 그리고 게이트부(110)의 출력단에는 인버터부(80)에 있는 6개의 전력소자의 베이스가 접속되어 있는데, 전력소자는 게이트부(110)로부터 출력되는 신호에 의하여 스위칭된다.

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도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 기동 제어 흐름도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 기동 그래프이다. 도 6과 도 7에 나타낸 바와 같이, 먼저 영구자석형 모터(20)를 기동하기 위하여 얼라인단계(S10)를 실시하는데, 이 얼라인단계(S10)는 기동토크를 최소화하기 위하여 압축기모터(40)의 회전자(30)가 어느 특정 방향을 향하도록 회전시키기 위해 3상 중 어는 한 상에 전원을 인가하는 단계이다. 그러기 위해서 제어부(110)는 출력포트(P1~P6)를 통하여 전원을 인가하고자 하는 상에 해당하는 인버터부(80)의 전력소자를 제어하는 제어신호를 출력한다.

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제어부(100)가 출력포트(P1~P6)를 통하여 전력소자의 제어신호를 출력하면 그 제어신호는 게이트부(110)를 거쳐서 인버터부(80)의 각 전력소자 베이스에 인가된다. 그에 따라서 해당 전력소자는 동작을 하게 되는 것이다. 얼라인단계를 시행한 후에는 회전자(30)의 위치에 관계없이 영구자석형 모터(20)의 회전자(30)를 회전시키는 스텝단계를 실시한다(S20).

스텝단계가 실행되면 처음부터 회전자(30)의 위치를 알수가 없으므로 역기전력에 의하여 회전자(30)의 위치를 감지할 수 있도록, 제어부(60)는 위치감지신호에 의존하지 않고 영구자석형 모터(20)의 회전자(30)를 회전시킨다. 그리하여 일정 회전수 이상으로 회전자(30)가 회전하게 되면 역기전력이 발생하게 되는데, 이때 역기전력감지부(90)는 각 상의 역기전력을 감지하여 상전압신호를 제어부(100)로 출력한다. 그러면 제어부(100)에서는 역기전력감지부(90)로부터 출력되는 상전압신호를 근거로 하여 회전자(30)의 위치를 파악하게 된다.

회전자(30)의 위치를 파악하여 스텝단계를 종료한 후에는, 가속단계가 수행(S30)되는데, 가속단계는 오일급유를 위하여 압축기의 회전수를 가속하여 일정한 회전수까지 상승시키는 단계이다. 그리고 가속단계에서 일정 회전수까지 상승된 후에는 오일급유를 위하여 가속단계에서 상승된 회전수를 일정시간동안 유지하는 오일급유단계를 수행한다(S40). 그리고 오일급유단계가 종료하면 설정된 회전수로 영구자석형 모터(20)를 작동시킨다(S50).

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이와 같이 기동하는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터(20)의 회전자(30)에 설치되는 각 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면은 곡면을 이루며, 이 곡면은 각 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면과 공간부(26) 사이의 회전자철심(32)의 두께(A)가 0.5㎜이내의 균일한 두께를 유지하는 원호 형상이 된다. 이처럼 영구자석(33, 34, 35, 36)과 공간부(26) 사이의 회전자철심(32)의 두께(A)를 0.5㎜이내의 균일한 두께로 하는 이유는, 영구자석(33, 34, 35, 36)과 공간부(26)사이의 회전자철심(32)의 두께(A)가 0.5㎜이상이 되면 영구자석(33, 34, 35, 36)에서 발산되는 자속이 회전자(30) 내부로 누설되게 되고, 그에 따라 회전자(30)가 회전하기 위하여 이용되는 유효한 자속이 감소되어 영구자석형 모터(20)의 효율이 저하되기 때문이다. 따라서 영구자석(33, 34, 35, 36)에서 발산되는 자속이 회전자(30) 내부로 누설되지 않도록 하기 위해서 영구자석(33, 34, 35, 36)과 공간부(26) 사이의 회전자철심(32)의 두께(A)를 0.5㎜이내의 균일한 두께로 한다. 각 영구자석(33, 34, 35, 36)의 내측은 볼록한 형상을 가지며, 그 볼록한 부분이 회전자(30)의 회전축(37)을 향하도록 되어 있는데, 이는 릴럭턴스토크를 용이하게 이용하기 위해서이다. 릴럭턴스토크를 이용하면 모터의 효율을 높일 수 있는데, 이 릴럭턴스 토크는 고정자철심(21)에 대향하는 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면이 '凸' 모양의 돌극을 가질 때 보다 큰 값을 얻을 수 있다. 도 3과 도 4에 나타낸 본원발명의 실시예와 같이, 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면과 공간부(26) 사이의 거리가 일정하면 소음은 감소하는 대신 릴럭턴스토크가 감소하므로, 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면 대신 내측면을 볼록하게 형성시켜 릴럭턴스토크의 감소를 최소화시킨다.

이 때, 영구자석(33, 34, 35, 36) 중심부의 가장 두꺼운 부분(B)과 양 단의 가장 얇은부분(C)은 영구자석(33, 34, 35, 36)이 가지고 있는 에너지를 효율적으로 이용하기 위하여 'B〉2C'의 관계를 갖도록 한다.

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한편 영구자석형 모터(20)는, 고정자(21)에서 발생되는 기자력과 회전자(30)에 설치되어 있는 영구자석(33, 34, 35, 36)에서 발산되는 자속이 서로 상호작용을 하면서 동작된다. 그런데, 회전자(30)에 설치되어 있는 영구자석(33, 34, 35, 36) 사이의 간격이 너무 크면 영구자석(33, 34, 35, 36) 각각의 종단에서 발산하는 자속이 고정자(21)에 영향을 미치지 못하고 영구자석(33, 34, 35, 36) 자체에서 손실되어 모터(20)의 효율이 저감된다. 따라서 영구자석(33, 34, 35, 36)에서의 자속의 손실을 줄이기 위해 영구자석(33, 34, 35, 36) 사이의 간격(D)을 영구자석(33, 34, 35, 36)과 공간부(26)사이의 회전자철심(32)의 두께(A)보다 작은 0.5mm 이내가 되도록 한다.

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도 8은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 3상 전원 인가 파형도이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터와 종래의 영구자석형 모터의 토크리플 비교도이다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터(20)의 회전자(30)에 설치되는 각 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면은 곡면을 이루며, 이 곡면은 각 영구자석(33, 34, 35, 36)의 외측면과 공간부(26) 사이의 회전자철심(32)의 두께(A)가 0.5㎜이내의 균일한 두께를 유지하는 원호 형상을 갖기 때문에, 종래의 영구자석형 모터의 토크 리플(가)보다 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 토크 리플(나)이 상대적으로 더 작은 것을 알 수 있다.

본 발명에 따른 영구자석형 모터는 영구자석의 내측을 볼록하게 형성시켜 기존 대비 릴럭턴스 토크의 손실이 발생하지 않도록 함으로써 기존 대비 성능 저하를 초래하지 않으면서, 영구자석의 외측에서 회전자와 고정자 사이의 공간부까지의 거리를 일정하게 함으로써 영구 자석형 모터의 토크 리플을 감소시켜 모터의 소음과 진동을 크게 억제한다.

도 1은 종래의 영구자석형 모터의 단면도이다.

도 2는 종래의 영구자석형 모터 회전자의 단면도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 단면도이다.

도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터 회전자의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터 제어회로의 블럭도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 기동 제어 흐름도이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 기동 그래프이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터의 3상 전원 인가 파형도이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석형 모터와 종래의 영구자석형 모터의 토크리플 비교도이다

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20:영구자석형 모터 21:고정자

22:고정자철심 23:슬롯

24:고정자코일 25:치

26:공간부 30:회전자

31:회전자철심 33,34,35,36:영구자석

41,42,43,44:리벳홀 51,52,53,54:오일홀

60:교류전원 70:컨버터부

80:인버터부 90:역기전력감지부

100:제어부 110:게이트부

Claims (4)

1. 고정자와 회전자를 구비하고, 상기 고정자는 내주면측에 개구부를 가진 슬롯이 마련되는 고정자철심과 상기 슬롯에 수납되는 고정자코일을 구비하고, 상기 회전자는 상기 고정자철심의 내주면으로부터 이격되어 그 사이에 공간부가 형성되도록 설치되는 회전자철심과 상기 회전자철심에 매설되는 영구자석을 구비하는 영구자석형 모터에 있어서,

   상기 영구자석은 그 외측이 상기 회전자철심의 외주면을 따라 반경 방향으로 안쪽에 위치하도록 매설되고, 상기 영구자석의 내측은 상기 회전자의 회전축을 향하여 볼록하게 형성되는 영구자석형 모터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석의 외측과 상기 회전자철심의 외주면 사이의 두께가 0.5mm 이하인 영구자석형 모터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석은, 상기 영구자석의 가장 두꺼운 부분의 두께가 상기 영구자석의 가장 얇은부분의 두께의 2배 이상인 영구자석형 모터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석이 복수 개 설치되고;

   이웃한 상기 두 개의 영구자석 사이의 거리가 상기 영구자석의 외측과 상기 회전자철심의 외주면 사이의 두께보다 작은 영구자석형 모터.