KR100548716B1 - 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자속장벽(flux barrier)을 갖는 스포크형(spoke type) 영구자석 전동기의 회전자 구조에 관한 것으로, 보다 자세하게는 자속장벽에 의해 자속의 경로를 짧고 집중되도록 하며 감자특성을 개선시켜 동일 체적당 토오크의 증대를 이룸으로써 동일출력에 대해 전동기의 소형화를 이룰 수 있는 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 관한 것이다.

본 발명의 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조는, 회전축 외부를 둘러싸며 내부에는 회전축을 중심으로 고정자 방향으로 방사형태로 뻗으며 일정 간격을 갖고 배치되는 다수의 영구자석을 갖는 회전자 및 상기 회전자 외부를 둘러싸며 내부에는 다수의 슬롯을 갖는 고정자를 포함하여 이루어지는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 있어서, 상기 영구자석들의 양 측변들 사이에 자속장벽이 형성됨에 그 기술적 특징이 있다.

따라서, 본 발명의 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자에 자속장벽인 에어홀을 삽입하여 종래 전동기에 비해 동일 체적 당 토오크의 증대를 이룰 수 있으며, 이는 단지 기존의 회전자 형상에 자성체 부분을 일정부분 제거하여 공기영역으로 하게 함으로써 재료의 추가 없이 특성을 개선하여 전체 제작비용을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 전동기를 경량화시킬 수 있다. 또한, 기존에 스포크형 영구자석 전동기가 큰 발생토크에도 불구하고 SPM 및 IPM 전동기에 비해 상대적으로 나쁜 영구자석의 감자특성 때문 에 적용이 어려웠던 단점을 보완하는 자속장벽에 의해 영구자석의 감자특성을 개선함으로써 동일출력에 대해 전동기의 소형화를 이룰 수 있는 장점을 갖는다.

스포크형, 전동기, 자속장벽, 에어홀, 영구자석.

Description

자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조{Rotor structure having a flux barrier for flux concentration in a spoke type permanent magnet motor}

도 1은 종래의 영구자석 전동기의 회전자 구조.

도 2는 종래의 SPM 전동기의 일예.

도 3은 종래의 IPM 전동기의 일예.

도 4는 종래의 IPM 전동기와 스포크형 전동기의 자속경로.

도 5는 종래의 스포크형 전동기의 극수변화에 따른 공극자속밀도.

도 6은 종래의 SPM 전동기와 스포크형 전동기의 발생토크.

도 7은 종래의 SPM, IPM 및 스포크형 영구자석 전동기의 감자특성.

도 8은 종래의 스포크형 영구자석 전동기의 자속선도.

도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 스포크형 영구자석 전동기의 구조 및 자속선도.

도 12는 본 발명에 따른 스포크형 영구자석 전동기의 각 구조에 의한 발생토크.

도 13은 본 발명에 따른 스포크형 영구자석 전동기의 각 구조에 의한 평균토 크.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전축 20 : 회전자

21 : 영구자석 22 : 공극

23 : 에어홀 30 : 고정자

31 : 슬롯

본 발명은 자속장벽(flux barrier)을 갖는 스포크형(spoke type) 영구자석 전동기의 회전자 구조에 관한 것으로, 보다 자세하게는 자속장벽에 의해 자속의 경로를 짧고 집중되도록 하며 감자특성을 개선시켜 동일 체적당 토오크의 증대를 이룸으로써 동일출력에 대해 전동기의 소형화를 이룰 수 있는 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 스포크형 영구자석 전동기는 자속을 집중시켜 체적당 발생토크를 증가시키기 위해 영구자석을 회전자 자극의 양쪽에 분할하고, 이를 세로방향으로 배치하여 자극을 형성하는 구조를 갖는 전동기로서 큰 발생토크를 갖는 반면에 큰 토크리플을 가지는 단점을 가지고 있다. 그러나, 최근의 전력전자 기술의 발전 과 전동기 제어기술의 발달 및 자기회로 설계기술의 발달은 이와 같은 단점을 최소화시키는 것이 가능해지면서 스포크형 영구자석 전동기의 큰 단위체적당 발생토크가 최근 전동기의 소형화 요구와 부합되어 관심이 증대되고 있다.

도 1은 영구자석 전동기의 회전자 구조를 나타낸 것이다. 도 1b의 매입형 영구자석 전동기(Interior type Permanentmagnet Motor, 이하 IPM)는 도 1a의 표면 부착형 영구자석 전동기(Surface mounted Permanent magnet Motor, 이하 SPM)와는 달리 영구자석이 회전자 내부에 삽입된 구조로서 회전자 자극과 고정자 자극의 상대적 위치에 따라 자기저항의 차가 발생하는 돌극 구조를 가진다. 즉 자기저항의 차로부터 발생하는 릴럭턴스 토크(reluctance torque)가 전자기적 토크(magnetic torque)에 중첩되므로 단위전류당 토크 및 출력은 표면부착형 전동기에 비해 증가한다.

도 2는 종래의 SPM 전동기의 일예로서, 대한민국 등록실용신안 20-0201095호에 나타난 구조이다. 회전자(1)의 표면에 자석(2)이 구비된 것을 볼 수 있다.

도 3은 종래의 IPM 전동기의 일예로서, 일본 공개특허 JP2001-333553호에 나타난 구조이다. 회전자(3) 내부에 스포크형과 유사하게 영구자석(4, 5)이 구비된 것을 볼 수 있으며, 영구자석(4)과 고정자(6) 사이 및 영구자석(4, 5)간의 접촉부분에 공극(7, 8)을 갖는 것을 볼 수 있다. 상기 일본 공개특허는 스포크형으로 형성된 제1영구자석(4)들 및 IPM형으로 매입된 제2영구자석(5)들로 구성되고, 상기 각 제1영구자석(4)들의 양단에 자속장벽 역할을 하는 공극(7, 8)을 구비한다.

상기 공극은 자속장벽의 역할을 하는 것으로, 영구자석이 배치된 구조에 따 라 가장 적합한 위치와 크기를 갖추어야 한다. 즉, 상기 공극과 같은 자속장벽은 토크발생을 위한 유효자속을 증대시키고 영구자석의 감자특성을 개선시킬 수 있는 바, 영구자석이 배치된 구조에 따라 상기 자속장벽의 위치와 크기 등을 적절하게 해야 하는 것이다.

일반적으로 고출력 전동기에서 많이 사용되고 있는 IPM 전동기와 비교해 스포크형(spoke type) 전동기는 보다 큰 발생토크를 갖는 반면에 그에 따른 보다 큰 토크리플로 인하여 그 사용이 IPM 전동기에 비해 관심이 적었다.

즉, 영구자석에 의한 자속이 고정자 측과 쇄교할 때 도 4에서와 같이 IPM 전동기는 발생자속의 경로가 영구자석을 두 번 지나감에 따라 자속경로가 길어지는 데 반해(도 4a), 스포크형 전동기의 경우 영구자석으로부터 발생한 자속의 경로가 영구자석을 한번만 지나므로(도 4b) 자기저항은 감소하고 자속밀도는 더욱 증가한다.

도 5는 기존의 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 직경과 영구자석의 기계적 제원을 일정하게 유지하며 극수를 변화시키면서 공극자속밀도의 특성을 살펴본 결과값이다. 8극에서는 공극자속밀도가 영구자석의 잔류자속밀도인 0.4T와 같아지며 10극에서는 0.5T로서 잔류자속밀도보다 증가함을 알 수 있다. 상기와 같은 결과값은 영구자석 제원이 일정한 경우 극수가 증가할수록 공극자속밀도는 증가하는 것을 알 수 있게 해 준다.

즉, 스포크형 영구자석 전동기는 영구자석이 직접 고정자와 대향하여 자극표면을 형성하지 않고 회전자 철심이 자극표면을 이루는 형태를 가지므로 각 영구자 석에 의해 발생되는 자속을 모아주는 구조를 가지게 되어 극수의 증가는 공극자속밀도의 더 많은 증가의 결과를 가져오는 것이다.

도 6은 6극인 경우 SPM 전동기와 스포크형 영구자석 전동기의 토크를 비교한 것이다. 도 6에서 보는 바와 같이, 발생토크면에서는 스포크형 전동기가 SPM 전동기에 비해 훨씬 커지나, 평균토크면에서는 발생토크의 차이보다 작은 20% 가량 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

그러나 스포크형 영구자석 전동기는 SPM 전동기, IPM 전동기에 비해 상대적으로 큰 토크를 갖는 장점에도 불구하고 영구자석의 감자특성에 있어 SPM 전동기, IPM 전동기에 비해 상대적으로 나쁜 동작특성을 가짐에 따라 고토크의 적용을 위한 전동기설계에서 IPM 전동기가 상대적으로 많이 적용되어 왔다. 도 7은 각각 SPM(도 7a), IPM(도 7b), 스포크형(도 7c) 영구자석 전동기의 감자특성을 나타내고 있다. 도 7d의 각 색깔별로 나타낸 영구자석의 감자특성을 참조하면, 도 7a, 도 7b, 도 7c에서 주황색의 0.4T를 나타내는 영구자석의 잔류자속 밀도가 외부 자계에 의해 노란색의 0.3T 정도로 그 특성이 저하되는 부분을 볼 수 있다. 상기 0.3T 정도로 그 특성이 저하되는 비가역 감자(regional irreversible demagnetization) 부분(9)을 도 7에 각각 표시하였다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 제반 단점과 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전자 내부에 자속장벽인 에어홀(Air hole)을 삽입하여 자속의 집중 을 더욱 증가시켜 발생자속을 증가시키고, 상대적으로 영구자석의 감자특성이 나쁜 기존의 스포크형 전동기에 비해 감자특성을 크게 향상시킴으로써 단위체적당 토크의 발생을 증대시켜 동일 출력에 대한 전동기의 소형화 및 동일 체적에 대한 고출력화가 가능하도록 함으로써, 추가적인 비용의 증가 없이 전동기의 특성을 개선하기 위한 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조를 제공함에 본 발명의 목적이 있다.

본 발명의 상기 목적은, 회전축 외부를 둘러싸며 내부에는 회전축을 중심으로 고정자 방향으로 방사형태로 뻗으며 일정 간격을 갖고 배치되는 다수의 영구자석을 갖는 회전자 및 상기 회전자 외부를 둘러싸며 내부에는 다수의 슬롯을 갖는 고정자를 포함하여 이루어지는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 있어서, 상기 영구자석들의 양 측변들 사이에 자속장벽이 형성되는 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 의해 달성된다.

본 발명의 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조는 평균토크의 측면에서 기존의 SPM 전동기와 IPM 전동기보다 우수한 특성을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 발생토크를 더욱 증가시켜 전동기의 단위체적당 출력을 증가시키고 감자특성에서 열악한 단점도 보완하기 위하여, 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 일정부분에 자성체 부분을 제거함으로써 자속을 집중, 분포시킬 수 있도록 하는 독특한 자속장벽구조를 갖는다.

본 발명의 자속장벽은 에어홀을 삽입하여 토크발생을 위한 유효자속을 증대시키는 구조를 가지고 감자특성을 개선함으로서 동일 체적 내에 발생 출력을 증가시켜 특성개선을 이룰 뿐만 아니라 전동기의 소형경량화를 가능하게 한다.

본 발명의 상기 목적과 기술적 구성 및 그에 따른 작용효과에 관한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 있는 도면을 참조한 이하 상세한 설명에 의해 보다 명확하게 이해될 것이다.

도 8은 일반적인 스포크형 영구자석 전동기의 자속선도(magnetic flux line)를 나타내고 있으며, 도 9는 본 발명에 따른 자속장벽인 에어홀을 회전자 중심부에 삽입한 구조에서의 자속선도이고, 도 10은 본 발명에 따른 자속장벽인 에어홀을 두 개의 영구자석 사이에 길게 삽입한 구조에서의 자속선도를 나타내고 있으며, 도 11은 본 발명에 따른 자속장벽인 에어홀을 영구자석의 중심부에 위치시킨 경우의 자속선도이다.

상기 도 8의 일반적인 스포크형 영구자석 전동기의 구조를 살펴보면, 회전축(10) 외부를 둘러싸는 회전자(20)와, 상기 회전자(20) 외부를 둘러싸며 내부에는 다수의 슬롯(31)을 갖는 고정자(30)를 볼 수 있다. 상기 회전자(20) 내부에는 회전축(10)을 중심으로 고정자(30) 방향으로 방사형태로 뻗으며 일정 간격을 갖고 배치되는 다수의 영구자석(21)을 볼 수 있다. 상기 영구자석(21)의 양 끝단을 보면, 회전축(10)과 인접하는 하부 끝단과 고정자(30)와 인접하는 상부 끝단에는 소정의 공극을 추가적으로 구비할 수 있으며, 도 8에 도시된 구조에서는 고정자(30)와 인접하는 영구자석(21)의 상부 끝단에 추가적인 공극(22)이 구비된 것을 볼 수 있다.

상기한 도 8과 같은 일반적인 스포크형 영구자석 전동기의 구조(original)에서는 일반적인 IPM 전동기에 비해 보다 큰 발생토크를 갖는 반면에, 그에 따른 보다 큰 토크리플로 인하여 결과적으로 크게 두드러진 특성을 갖지 못한다. 또한, IPM 전동기 등과 비교해 상대적으로 영구자석의 감자특성이 나쁜 단점도 극복하지 못한다.

상기 도 9 내지 도 11의 본 발명에 따른 스포크형 영구자석 전동기의 구조를 살펴보면, 도 8에 도시한 일반적인 스포크형 영구자석 전동기와 동일한 구조에서 상기 영구자석(21)들의 양 측변들 사이에 자속장벽 역할을 하는 에어홀(air hole, 23)이 구비된 것을 볼 수 있다. 이러한 구조는 도 8과 같은 기존의 회전자(20) 구조에 별도의 재료 추가 없이 에어홀(23)을 삽입함으로써, 전체 제작비용을 절감시키며 전동기를 경량화시킬 수 있다.

상기 에어홀(23)은 자속장벽 역할을 함으로써 토크발생을 위한 유효자속을 증대시킬 뿐만 아니라, 영구자석(21)의 감자특성을 개선시킨다. 상기 영구자석(21)들의 양 측변들 사이에 구비되는 에어홀(23)의 형태는 매우 다양하게 나타날 수 있다. 상기 다양하게 나타낼 수 있는 에어홀(23) 형태의 몇가지 실시예로서, 도 9 내지 도 11에 도시된 형태를 살펴본다.

도 9를 보면, 상기 영구자석(21)들의 하부 끝단 부분에서 양 측변들 사이에 에어홀(23)이 형성된 것을 볼 수 있으며, 상기 회전축(10)과 인접한 부분으로부터 상기 영구자석 측변길이의 30% 이하 지점까지 형성되고, 상기 에어홀은 상기 회전 축과 인접한 부분으로부터 상기 영구자석 측변을 따라 폭이 넓어짐을 볼 수 있다.(Type Ⅰ) 도 10을 보면, 상기 영구자석들의 양 측변들 사이에 에어홀(23)이 형성된 것을 볼 수 있으며, 상기 회전축(10)과 인접한 부분으로부터 상기 영구자석(21) 측변길이의 70% 이상 지점까지 에어홀(23)이 형성되고, 상기 에어홀은 상기 회전축과 인접한 부분으로부터 상기 영구자석 측변을 따라 폭이 좁아짐을 볼 수 있다.(Type Ⅱ) 상기 도 11을 보면, 상기 영구자석(21) 양 측변의 중앙부분과 인접한 지점으로부터 상기 고정자(30)와 인접한 지점까지 소정의 각도를 갖고 형성된 것을 볼 수 있으며, 상기 영구자석(21) 양 측변의 중앙부분과 인접한 지점은 상기 영구자석(21) 측변길이의 40% 내지 80% 사이의 지점이고, 상기 고정자와 인접한 지점은 상기 영구자석(21)들 사이의 중앙부분을 연장시켜 고정자(30)와 인접하는 지점이며, 상기 소정의 각도는 상기 영구자석(21)으로부터 상기 고정자(30)와 인접하는 지점까지의 각도로서 바람직하게는 30˚ 내지 60˚ 이다.(Type Ⅲ)

상기 도 9 내지 도 11과 같은 구조를 도 8의 일반적인 스포크형 영구자석(21) 전동기의 자속선도와 비교해 보면, 자속장벽의 역할을 하는 에어홀(23)로 인해 자속의 경로가 짧아지고 집중된다. 특히, 도 10과 같은 에어홀(23)을 삽입한 구조가 자속의 집중과 자석의 감자특성 개선에 가장 바람직한 효과를 낸다.

도 12는 상기 도 8 내지 도 11의 네 가지 각각의 구조에 대해 발생토크를 전기각에 따라 나타낸 것이다. 도 12에서 보는 바와 같이 자속장벽인 에어홀(23)의 삽입에 따라 발생토크의 특성이 크게 개선되고 있음을 볼 수 있다.

특히, 도 10에서 볼 수 있는 구조의 경우 발생토크가 기존의 구조에 비해 20% 정도 증가된 특성개선을 얻을 수 있음을 볼 수 있다. 또한, 이와 같이 기존의 발생토크에 비해 상대적으로 평균토크에서 많은 개선점을 얻음으로써 적절한 스위칭에 의한 제어시 큰 전동기 특성개선을 얻을 수 있다.

도 13은 도 9 내지 도 11의 각각의 구조에 대한 평균토크를 나타내고 있다. 이와 같이 자속장벽으로서, 각각의 형태에 따라 에어홀(23)의 적절한 삽입은 자속을 일정부분에만 균일하게 분포하도록 함으로서 전동기의 출력인 평균토크의 상승뿐만 아니라, 동일 조건에서 상대적으로 감자특성을 개선시킬 수 있다.

본 발명의 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조에서 자속장벽으로 에어홀(23)을 삽입하는 바, 상기 에어홀(23) 대신 영구자석을 삽입하여도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 이때 삽입되는 추가적인 영구자석은 에어홀과 마찬가지로 영구자석의 측변 사이에 형성되는 바, 자화방향이 회전축에 대해서 방사형으로 형성된다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 목적, 구성 및 효과를 유지하는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

따라서, 본 발명의 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자에 자속장벽인 에어홀을 삽입하여 종래 전 동기에 비해 동일 체적 당 토오크의 증대를 이룰 수 있으며, 이는 단지 기존의 회전자 형상에 자성체 부분을 일정부분 제거하여 공기영역으로 하게 함으로써 재료의 추가 없이 특성을 개선하여 전체 제작비용을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 전동기를 경량화시킬 수 있다. 또한, 기존에 스포크형 영구자석 전동기가 큰 발생토크에도 불구하고 SPM 및 IPM 전동기에 비해 상대적으로 나쁜 영구자석의 감자특성 때문에 적용이 어려웠던 단점을 보완하는 자속장벽에 의해 영구자석의 감자특성을 개선함으로써 동일출력에 대해 전동기의 소형화를 이룰 수 있는 장점을 갖는다.

Claims (10)

1. 회전축 외부를 둘러싸며 내부에는 회전축을 중심으로 고정자 방향으로 방사형태로 뻗으며 일정 간격을 갖고 배치되는 다수의 영구자석을 갖는 회전자, 상기 회전자 외부를 둘러싸며 내부에는 다수의 슬롯을 갖는 고정자 및 상기 다수의 영구자석 양 측변들 사이에 형성된 자속장벽을 포함하여 이루어지는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 있어서,

   상기 자속장벽은 상기 다수의 영구자석 양 측변들 사이에 구비된 보조영구자석에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 보조영구자석은 상기 다수의 영구자석 양 측변의 중앙부분과 인접한 지점으로부터 상기 고정자와 인접한 지점까지 30° 내지 60°를 갖고 형성됨을 특징으로 하는 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 다수의 영구자석 양 측변의 중앙부분과 인접한 지점은 상기 회전축으로부터 상기 다수의 영구자석 측변길이의 40% 내지 80% 사이의 지점임을 특징으로 하는 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조.
10. 제 8 항에 있어서,

    상기 고정자와 인접한 지점은 상기 다수의 영구자석 사이의 중앙부분을 연장시켜 고정자와 인접하는 지점임을 특징으로 하는 자속장벽을 갖는 스포크형 영구자석 전동기의 회전자 구조.

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