KR100611447B1 - 무정류자 직류 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무정류자 직류 모터에 관한 것으로, 네오듐계열의 영구자석이 설치되는 무정류자 직류 모터에서 영구자석의 제작을 용이하게 하며, 영구자석의 배치를 용이하게 하여 코깅 토크를 저감시킬 수 있도록, 회전자의 4분할면에서 역상 원호의 궤적을 따라 형성되는 다수의 선형 삽입부에는 다수의 분편으로 제조된 영구자석이 밀착되어 매설되면서 회전자 외경부에 플럭스 홈이 형성되는 무정류자 직류 모터의 영구자석을 제공하여, 페라이트 계열의 영구자석이 매설되는 경우에서 얻어지는 장점인 비선형 구조의 특성을 유사하게 구성할 수 있어 네오듐 계열의 영구자석이 매설되는 무정류자 직류 모터에서도 코깅 토크를 저감하여 리플을 감소할 수 있는 효과가 있는 것이다.

무정류자, 영구자석, 코깅 토크

Description

무정류자 직류 모터{BRUSHLESS DC MOTOR}

도 1은 종래 무정류자 직류 모터의 개략 단면도.

도 2는 종래 무정류자 직류 모터의 회전자의 개략 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 무정류자 직류 모터의 개략 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 무정류자 직류 모터의 회전자의 개략 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 회전자의 개략 단면도.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전자의 개략 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

21: 고정자 23: 슬롯

30: 회전자 35: 플럭스 홈

40a, 40b: 선형 삽입부 44a, 44b: 영구자석

본 발명은 무정류자 직류 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 무정류자 직류 모터에 설치되는 영구자석이 용이하게 가공되어 비선형으로 설치가능함과 동시에 공극으로부터의 자속 손실을 개선하여 코깅 토크를 개선할 수 있는 무정류자 직류 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 모터는 가전제품에서부터 공장자동화, 교통수단 등에 이르기까지 일상생활에 널리 사용되고 있으며 활용분야가 폭넓게 적용되고 있다.

또한, 모터에는 그 종류가 다양하고, 최근에는 높은 효율의 영구자석이 설치되는 무정류자(Brushless)모터가 많이 사용되고 있는데, 이는 직류 모터에서 브러시, 정류자 등 기계적인 접촉부를 없애고, 전자적인 정류 기구를 설치한 직류 모터를 말하는 것으로 미래형 고효율 모터로서 각광을 받고 있는 모터이다.

이러한 무정류자 모터의 구성은 크게 회전자와 영구자석 및 전기자로 구분되며, 이중 영구자석은 대부분이 성능과 가격면에서 페라이트계열이 주류이지만 최근에는 그보다 한층 더 성능이 좋은 플라스틱 네오듐(Neodium)계열을 사용하여 체적효율(경박 단소화)을 보다 높이고 있다.

상기한 영구자석의 성능은 자화특성곡선을 사용하여 나타내며, 이는 영구자석을 충분히 포화하기까지 자화시킨 경우의 히스테리시스 루프의 제2상한을 나타낸 것이다.

한편, 상기한 모터의 구조가 도 1에 도시되는데, 도 1에서의 무정류자 모터는 고정자 철심(2)과, 고정자 철심(2)의 내주면에 등간격으로 형성된 반폐형 슬롯(3)과, 슬롯(3)에 권선되는 고정자 코일(4)과, 상기 고정자 철심(2)의 내주면 내측에는 공극(5)을 두고 일정간격을 유지하는 원통상의 얇은 강판을 다수개 적층한 회전자(10)와, 그리고 영구자석(14, 15, 16, 17)이 등간격으로 설치되어 있다.

상기 영구자석은 N극과 S극이 마주보도록 설치되며 영구자석(14, 16)의 N극 에서 발생되는 자속은 고정자 코일(4)과 회전자(10) 사이에 있는 공극(5)을 걸쳐서 고정자 철심(2)의 슬롯(3)과 고정자 철심(2)을 통과하고 다시 공극(5)을 걸쳐서 회전자(10)의 S극으로 되돌아 온다. 그에 따라 회전자(10)가 힘을 받아 회전을 하게 된다.

그런데, 상기 영구자석에서 발산되는 자속은 고정자 철심(2)의 슬롯(3)에서 공간자속밀도의 고조파 성분과의 상호작용에 의하여 코깅토크가 발생한다. 즉, 영구자석과 코어간의 흡인, 반발력에 의한 토크로서 모터 속도 변동에 기인하여 코깅 토크가 발생한다.

이러한 코깅 토크를 억제하기 위하여, 도 2에 도시된 바와 같이 페라이트계열의 영구자석(14, 15, 16, 17)을 반원형 분편으로 각각 4분할 배치하므로 코깅 토크를 현저하게 억제할 수 있었다.

그러나, 상기한 영구자석(14, 15, 16, 17)의 설치시, 페라이트계열보다 우수한 네오듐계열의 영구자석을 배치하는 경우, 영구자석의 제조가 반원형 분편으로 제작하는 과정에서 상당량의 원재료가 낭비됨과 동시에 반원형 절삭이 난해하며, 특히 완전 원형의 회전자(10)에 매설된 영구자석(14, 15, 16, 17)의 단부와 상기 공극(5)의 거리로부터 자속의 소멸이 상당하여 성능 저하를 가져오게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하고 발명된 것으로, 본 발명의 목적은 영구자석이 설치되는 무정류자 직류 모터에서 영구자석의 제작을 용이하게 하며, 영구자석의 배치가 비선형으로 배치됨과 동시에 공극의 자속 손실이 방지되어 코깅 토크의 저감과 성능 향상이 가능한 무정류자 직류 모터를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 고정자 철심과, 슬롯과, 회전자를 포함하는 무정류자 직류 모터에 있어서, 회전자의 4분할면에서 역상 원호의 궤적을 따라 형성되는 다수의 선형 삽입부에는 다수의 분편으로 제조된 영구자석이 밀착되어 매설되고, 회전자의 외경부에는 선형 삽입부와 최근접되는 위치에서 자속 손실을 최소화하기 위한 플럭스 홈이 형성되며, 영구자석의 분편은 회전자 각각의 분할면에 3개로 분편되어 매설되면서 3개의 매설 영구자석중 가운데 매설되는 영구자석은 양측의 영구자석보다 길이가 작게 형성되는 무정류자 직류 모터를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라, 영구자석의 분편은 회전자에서 각각의 분할면에 3개로 분편되어 매설되면서 3개의 매설 영구자석중 양측으로 매설되는 영구자석은 꼭지점이 외경을 향하는 삼각뿔 형상으로 매설되며, 영구자석이 매설된 선형 삽입부는 플럭스 홈과 연통되어 회전자 외경부로 개방되는 무정류자 직류 모터를 제공한다.

이하, 첨부된 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 무정류자 직류 모터의 개략적인 단면도이다.

본 발명의 모터는, 환상의 고정자(21)를 구비하는데, 고정자(21)는 고정자 철심(22)과 고정자 코일(24)로 구성된다.

상기 고정자(21)의 고정자 철심(22)은 대체로 원통형으로 형성되고 그 고정자 철심(22)의 내주면측에는 개구된 반폐형 슬롯(23)이 형성되어 있다.

그리고, 고정자 철심(22)의 내주면측에 형성된 슬롯(23)에는 고정자 코일(24)이 권선된다.

또한, 고정자(21)의 동심원 내주부에는 고정자(21)의 내주면과의 사이에 약간의 공극(26)이 형성되며, 도 4에 도시된 바와 같이 회전자 철심(31)과, 회전축(37), 그리고 영구자석(44a, 44b)으로 구성된 회전자(30)가 배치된다.

전술한 회전자(30)의 회전자 철심(31)은 박판상의 규소강판을 원통상으로 다수 적층하여 형성되고, 전술한 바와 같이 고정자(21)의 내주면과의 사이에 약간의 공극(26)이 균일하게 존재하도록 배치된다.

그리고 회전자 철심(31)은 중심 위치에 회전축(37)이 축설되고, 회전자 철심(31)의 외주면에서 4분할면에는 쌍곡선 형상으로 형성되는 역상 원호의 궤적을 따라 다수의 선형 삽입부(40)가 형성된다.

상기 선형 삽입부(40)는 회전자 철심(31)에 매설되는 영구자석(44a, 44b)의 분편의 갯수에 따라 형성되는 것으로, 바람직하게는 하나의 4분면상에 3개의 분편으로 형성되며, 영구자석(44a, 44b)의 갯수를 조절하기 위하여 2개로 형성가능하다.

그리고, 상기 선형 삽입부(40)에는 네오듐 계열의 영구자석이 다수의 분편으로 제조되어 매설된다. 매설시, 영구자석(44a, 44b)은 상호 간격이 없이 밀착되어 원호 형상을 따라서 비선형 궤적상에 배치시켜 매설시킨다.

또한, 상기 회전자(30)의 외경부에는 상기 선형 삽입부(40)와 최근접되는 위치에서 자속 손실을 최소화하기 위한 플럭스 홈(35)이 형성된다. 상기 플럭스 홈(35)은 회전자(30) 외경부에서 일부가 함몰된 형상으로 상기 고정자(22)와의 자속 흐름에 대한 손실을 최소화하기 위하여 형성되는 것이다.

또한, 상기 영구자석(44a, 44b)은 각각 상이한 극성을 가지는 자석이 상호 교차되어 배치됨으로써 동일한 극성은 마주보도록 매설된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 모터에서, 고정자(21)에서 발생되는 기자력과 회전자(21)에 매설된 영구자석(44a, 44b)에서 발산되는 자속이 서로 상호작용을 하면서 동작하게 된다.

상기 매설된 영구자석(44a, 44b)은 전술한 바와 같이 네오듐계열의 자석으로서, 이는 회토류 금속인 네오듐(Neodymium: Nd)과 보론(boron: B)을 주성분으로 하여 분말야금 성형후 진공 성형하여 연마한 영구자석으로, 자기 특성이 강력하며 저렴한 가격으로 인하여 본 발명의 모터에서 그 자기적 특성이 극대화되며 비선형으로 배치되기 어려운 난점을 위해 분편으로 제작된다.

이로써, 상기 네오듐 영구자석(44a, 44b)은 반원호 형상의 포물선 궤적을 따라 형성되는 선형 삽입부(40)에 매설되므로 페라이트 계열의 영구자석이 반원호 형상으로 매설되는 경우에 달성되는 효과에 근접한 효과를 가지게 된다.

이를 보다 상세히 설명하면, 본 발명에 따른 모터에서 영구자석(44a, 44b)의 착자패턴은 4분원상에서 교대로 상이한 극성으로 배열되고, 각각의 4분원상에서는 선형 삽입부(40)에서 비선형 효과를 가지도록 배치되므로 영구자석(44a, 44b)의 교차 배열된 극성에 따른 N극과 S극의 급격한 전환에 따른 코깅 토크에 의한 펄스의 리플이 저감될 수 있다.

여기서, 코깅 토크는 모터의 회전자(30)와 고정자(21) 사이가 부드럽게 움직이지 않아 발생하는 현상으로서, 영구자석(44a, 44b)의 착자패턴의 N극과 S극의 4분원면의 접경면에서 발생하는 자력의 변화는 구동 코일(미도시)에 의해 발생되는 펄스신호의 리플이 크게 나타나지 않도록, 상기 회전자(30)의 4분할면에서 역상 원호의 궤적을 따라서 형성된 선형 삽입부(40)에 다수의 분편으로 형성되는 네오듐 계열의 영구자석(44a, 44b)을 밀착 매설시킨다. 이로써, 코깅 토크에 의한 펄스의 리플이 저감될 수 있게 된다.

또한, 상기 회전자(30)에 형성된 플럭스 홈(35)은 각각의 영구자석(44a, 44b)으로부터 상기 공극으로 향하는 자속이 손실되는 것을 현저하게 억제하여 자속 밀도를 증가시켜 기동력을 향상시키게 된다.

이러한 자속 손실을 보다 억제하기 위하여, 상기 플럭스 홈(35)은 보다 깊게 형성되어 상기 영구자석(44a, 44b)이 매설된 선형 삽입부(40)와 연통되는 것이 바람직한 바, 이를 위한 실시예가 도 5에 도시된다.

도 5에서는 상기 회전자(30)의 선형 삽입부(40a, 40b)중에서 회전자(30) 외경에 근접한 선형 삽입부(40a)가 상기 플럭스 홈(35)과 연통되는 것인데, 즉 상기 선형 삽입부(40a)는 실제로 외측으로 개방된 것이다. 이러한 개방형 선형 삽입부(40a)에 매설되는 영구자석이 이탈되는 것을 방지하도록, 상기 3개의 매설 영구자 석(44a, 44b)중 양측으로 매설되는 영구자석(44a)은 꼭지점이 외경을 향하는 삼각뿔 형상으로 형성되어 매설되어 영구자석(44a)의 이탈을 방지하여, 자속의 밀도가 증가되는 효과가 발생한다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 본 출원인의 실험에 의하여 코깅 토크의 저감과 동시에 토크 리플을 저감시킨 착자구조가 도 6에 도시된다.

도 6에 도시된 실시예에서, 상기 영구자석(44a, 44b)의 분편은 상기 회전자(30) 각각의 분할면에 3개로 분편되어 매설되면서, 상기 3개의 매설 영구자석(44a, 44b)중 가운데 매설되는 영구자석(44b)은 양측의 영구자석(44a)보다 길이가 작게 형성되어 매설된다. 이러한 경우의 도 6에 도시된 매설 자석의 치수인 경우 코깅 토크는 0.84051[Nm]이며, 토크 리플은 1.05[Nm]로서, 당업자가 인식할 수 있는 바와 같이 향상된 효과를 가져오게 되었다.

이와같이, 본 발명에 의하여 네오듐 계열의 영구자석(44a, 44b)을 선형 삽입부(40)에 삽입함과 동시에 그 배치가 비선형의 궤적을 따라 배치되므로 페라이트 영구자석에서 얻을 수 있는 자성의 특성을 유사하게 얻을 수 있는 특징으로 인하여 네오듐 계열의 영구자석(44a, 44b)을 사용하여 자성 특성을 극대화하면서 그에 따른 부수적인 오동작 효과를 감쇄할 수 있게 된다.

본 발명의 무정류자 직류 모터의 영구자석 설치 구조는, 고정자 철심과, 슬롯과, 회전자를 포함하는 무정류자 직류 모터에 있어서, 회전자의 4분할면에서 역상 원호의 궤적을 따라 형성되는 다수의 선형 삽입부에 다수의 분편으로 제조된 네 오듐 계열의 영구자석이 밀착되어 매설되므로, 페라이트 계열의 영구자석이 매설되는 경우에서 얻어지는 장점인 비선형 구조의 특성을 유사하게 구성할 수 있어 네오듐 계열의 영구자석이 매설되는 무정류자 직류 모터에서도 코깅 토크를 저감하여 리플을 감소할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (3)

1. 고정자(21)와, 슬롯(23)과, 회전자(30)를 포함하는 무정류자 직류 모터에 있어서,

   상기 회전자(30)의 4분할면에서 역상 원호의 궤적을 따라 형성되는 다수의 선형 삽입부(40)와,

   상기 선형 삽입부(40)에 밀착되어 매설되도록 다수의 분편으로 제조된 영구자석(44a, 44b)과,

   상기 선형 삽입부(40)와 최근접되는 위치에서 자속 손실을 최소화하기 위해 상기 회전자(30)의 외경부에 형성된 플럭스 홈(35)을 포함하되,

   상기 영구자석(44a, 44b)의 분편은 상기 회전자(30)의 각각의 분할면에 3개로 분편되어 매설되도록 가운데에 영구자석(44b)이 위치되고, 그 양측으로 영구자석(44a)이 하나씩 매설되고, 인접하여 매설된 각 영구자석(44a)의 꼭지점이 상기 회전자(30)의 외경부를 향하는 삼각뿔 형상으로 매설되고,

   상기 영구자석(44a)이 매설된 상기 선형 삽입부(40)는 상기 플럭스 홈(35)과 연통되어 상기 회전자(30)의 외경부로 개방되는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 가운데에 매설된 영구자석(44b)은 양측의 영구자석(44a)보다 길이가 작게 형성되어 매설되는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 모터.
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