KR100648839B1 - 하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기전동기의회전자 코어 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어구조에 관한 것으로, 동기전동기의 소형화, 경량화, 누설자속의 최소화에 따른 유효자속의 증대를 목적으로 하는 것이다.

이를 위하여 본 발명은 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조에 있어서, 다수 개의 코어블록과, 각 코어블록 사이에 상기 코어블록 수에 대응하는 개수로 영구자석을 조립하여 회전자 코어를 형성하고, 상기 회전자 코어를 형성하는 각 코어블록은 그 외주면에 영구자석을 고정하기 위한 대향돌기를 형성하고 그 내주면에 누설자속의 억제를 위한 공극을 형성하며, 상기 공극은 사다리꼴, 라운드형, 쐐기형 중의 어느 하나로 이루어지고 상기 각 코어블럭 사이에 매입되는 영구자석은 사다리꼴 형상으로 이루어지는 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조를 제공한다.

전동기, 영구자석, 매입형, 회전자 코어, 코어블록, 누설자속, 억제, 공극

Description

하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기전동기의 회전자 코어 구조{Rotor core structure in a permanent magnet insert type motor for hybrid electric vehicle}

도 1a와 도 1b는 종래의 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 및 영구자석 형상을 예시한 단면도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 및 영구자석 형상을 예시한 단면도

도 3은 본 발명에 적용 가능한 회전자 코어의 형상 예시도

도 4는 도 1의 종래 회전자 코어와 도 2에 구현된 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 코어의 형상에 따른 유효자속 그래프

도 5a 내지 도 5c 도 1의 종래 회전자 코어와 도 2에 구현된 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 코어의 형상에 따른 누설자속 분포도

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1,20 : 영구자석 2 : 회전자 코어

21,22,23 : 코어 블록 2a,2c,21a,22a,23a, : 돌기

2b : 몸체 일부 21b,22b,23b : 공극

본 발명은 영구자석 매입형 동기전동기의 회전자 코어 및 영구자석 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자 코어의 형상과 회전자 코어만으로 영구자석을 고정시켜 누설 자속을 최소화시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조는 철손을 줄이기 위하여 적층된 규소강판 회전자 코어에 영구자석을 반경방향으로 매입하는 구조로서, 이러한 매입형 영구자석 동기전동기에서는 영구자석의 이탈 방지 및 제작시 영구자석 고정을 위하여 회전자 코어에 돌기를 형성하거나 몸체 일부로 영구자석을 고정시키는 구조로 되어 있다.

그 일례로서 종래의 영구자석 매입형 동기전동기는 코어 블록에 복수 개의 영구자석(1)을 삽입하여 회전자 코어(2)를 구성하고, 도 1a에 도시된 바와 같이 상기 영구 자석(1)이 회전시 고정자 측으로 밀리는 것을 방지하기 위해 상기 회전자 코어의 외주면에 돌기(2a)를 형성하거나, 또는 도 1a에 도시된 바와 같이 상기 영구 자석(1)이 샤프트 측으로 밀리는 것을 방지하기 위해 상기 회전자 코어의 내주면에 회전자 코어의 몸체 일부(2b)나 도 1b에 도시된 바와 같이 별도의 돌기(2c)를 더 형성하는 구조로 이루어진다.

그러나, 이러한 영구자석 매입형 동기전동기의 경우에는 영구자석 고정용 회전자 코어의 돌기 부분에서 많은 누설자속(φ2,φ3)이 발생하게 되는 문제점이 있으며, 영구자석의 효율적 활용과 전동기의 소형, 경량화를 위하여서는 유효자속을 증가시키고 누설자속을 줄이는 노력이 필요하다.

따라서 상기 도 1a 및 도 1b에 도시된 영구자석 고정용 회전자 코어의 돌기에 대한 형상설계는 전동기 설계에 있어서 누설자속을 줄이기 위한 중요한 설계관점이 되는 것이며, 종래 매입형 영구자석 동기전동기에서 누설자속을 최소화하기 위해 사용되는 방법으로서는 영구자석 고정용 회전자 코어의 몸체 일부(2b)의 두께를 최소화하여 누설 자속을 줄이거나 또는 영구자석 고정용 회전자 코어의 내주면 돌기(2c)를 구성하여 누설 자속을 줄이는 방법 등이 사용되고 있다.

그러나, 이와 같은 영구자석 고정용 회전자 코어의 내주면 돌기나 외주면 돌기를 사용하는 한 여전히 많은 누설자속이 존재하며 보다 적극적으로 누설 자속을 최소화시킬 수 있는 방법이 요구되고 있었다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 영구자석 매입형 동기 전동기를 소형화, 경량화할 수 있으면서도 누설자속을 최소화하여 유효자속을 증가시킬 수 있도록 회전자 코어의 형상을 개선한 하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조에 있어서, 다수 개의 코어블록과, 각 코어블록 사이에 상기 코어블록 수에 대응하는 개수로 영구자석을 조립하여 회전자 코어를 형성하고, 상기 회전자 코어를 형성하는 각 코어블록은 그 외주면에 영구자석을 고정하기 위한 대향 돌기를 형성하고 그 내주면에 누설자속의 억제를 위한 공극을 형성한 하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조를 제공한다.

상기 본 발명에서 각 코어블록의 내주면에 형성되는 공극은 사다리꼴, 라운드형, 쐐기형 중의 어느 하나로 이루어질 수 있을 것이며, 상기 각 코어블럭 사이에 매입되는 영구자석은 사다리꼴 형상으로서 상기 회전자 코어의 반경 방향으로 매입 및 압착되어 상기 코어블록의 내주면 돌기가 없이도 상기 코어블록 외주면의 대향 돌기만으로 고정되는 것이 바람직할 것이다.

상기 본 발명의 목적과 특징 및 장점은 첨부도면 및 다음의 상세한 설명을 참조함으로서 더욱 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조 및 영구자석 형상을 예시한 단면도로서, 다수 개의 코어블록(21)과, 각 코어블록 사이에 상기 코어블록 수에 대응하는 개수로 영구자석(20)을 조립하여 회전자 코어를 형성한다. 상기 본 발명에 의한 회전자 코어를 형성하는 각 코어블록은 그 외주면 가장자리에 상기 영구자석의 이탈 방지를 위한 대향 돌기(21a)를 형성하고 그 내주면은 누설자속(φ1)의 억제를 위한 공극(21b)을 형성하여 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조를 구성하는 특징을 갖는다. 또 본 발명의 다른 특징으로서 상기 각 코어블럭 사이에 매입되는 영구자석(20)은 그 확대도에 도시된 바와 같이 사다리꼴 형상으로서 상기 회전자 코어의 반경 방향으로 매입 및 압착되고 상기 코어블록 외주면의 대향 돌기(21a)에 의해 고정되는 구조를 갖는다.

도 3은 본 발명에 적용 가능한 회전자 코어의 형상을 예시한 상세도로서, 라운드형 공극(21b)을 형성한 코어블록(21)과, 사다리꼴 공극(22b)을 형성한 코어블록(22)과, 쐐기형 공극(23b)을 형성한 코어블록(23)을 예시하고 있다. 상기 각 코어블록(21,22,23)은 그 내주면에 각각 사다리꼴, 라운드형, 쐐기형 중의 어느 하나로 된 공극(21b,22b,23b)을 형성하고, 그 코어블록(21,22,23)의 외주면 가장자리에는 상기 영구자석의 이탈 방지를 위한 대향 돌기(21a,22a,23a)를 각각 형성하여 구성한다. 이들 각 형상의 코어블록(21,22,23)은 상기 도 2에 예시된 라운드형 코어블록(21)과 동일한 방법으로 적용될 수 있음은 물론이며, 자기저항을 증가시킬 수 있는 다른 어떤 형상의 공극으로도 대체가 가능할 것이다.

도 4는 도 1a와 도 1b의 종래 회전자 코어와 도 2의 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 코어의 형상에 따른 유효 자속을 비교하여 도시한 그래프로서, 그래프 "가"와 "나"는 도 1a와 도 1b의 종래 회전자 코어에서의 유효자속을 보이고 있으며, "다"는 본 발명에서 제안한 도 2의 라운드 형태의 코어블록(21)에 의한 회전자 코어에서 가장 큰 유효자속을 보이고 있으며, 이는 도 2의 라운드 형상에서 자속의 누설량이 가장 작음을 의미한다.

도 5a와 도 5b는 도 1a와 도 1b의 종래 회전자 코어에 의한 각각의 누설자속 측정 분포도이고 도 5c는 도 2에 구현된 본 발명의 일 실시예에 의한 회전자 코어의 형상에 따른 각각의 누설자속 측정 분포도로서, 원 A 내지 원 B의 내부에 존재하는 누설자속을 보면, 종래의 회전자 코어에서 발생되는 도 5a 및 도 5b의 누설자 속 분포도에서보다 원 C 내부의 본 발명에 의한 도 5c의 라운드 형상의 코어블록에 의한 회전자 코어에서 가장 적은 누설자속이 발생됨을 볼 수 있다. 이러한 누설자속은 실제 토크를 낼 수 있는 고정자와 회전자 사이의 공극을 쇄교하지 못하고 영구자석에서만 자속이 생성되므로 누설 자속이 적을수록 유효자속이 증가됨을 의미한다.

상기 도면을 참고하여 본 발명의 작용 효과를 설명하면 다음과 같다.

일반적인 자기회로에서, 기자력(F)은 자기저항(R)과 자속(φ)의 곱으로 나타낼 수 있으며, φ= F/R로 표현된다. 그런데 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조의 경우 동일한 영구자석을 각 코어블록 사이에 매입하는 구조로 구성되어 있다. 따라서 각 영구자석으로부터 발생되는 기자력(F)은 같으므로, 누설자속(φ)를 최소화시키키 위해서는 자기저항(R)을 최대화하는 방법이 사용될 수 있다. 이때 자기저항을 증가시키는 방법으로는 도 3에 도시된 바와 같이 자속의 경로에 공극을 증가시키는 여러 가지 형태의 코어형상이 적용 가능하게 될 것이다.

이러한 점을 감안하여, 본 발명에서는 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이 여러 가지 형태, 즉, 라운드형 또는 사다리꼴 또는 쐐기형 중의 어느 하나의 형상으로 된 공극(21b,22b,23b)을 내주면에 형성한 코어 블록(21,22,23)을 개발하고, 그것을 적용하여 회전자 코어를 형성함으로써, 자기저항을 최대화시킬 수 있게 된다. 이로써 도 5a와 도 5b에 예시된 바와 같이 내주면이 단순한 형상으로 이루어져 공극이 형성되지 않은 종래의 코어블록에 비해서, 도 5c에 예시된 바와 같이 라운드 형상(또는 도 3의 사다리꼴이나 쐐기형)으로 이루어진 본 발명의 코어블록(21)에서 누설자속을 감소시키는 효과를 기대할 수 있게 되며, 따라서 도 4에 예시된 바와 같이 유효 자속이 증대된 회전자 코어구조를 제공할 수 있게 된다.

한편, 상기 각 코어블럭 사이에 매입되는 영구자석은, 사다리꼴 형상으로 이루어지고, 전동기의 샤프트 쪽으로 사다리꼴 형상 중 길이가 짧은 윗변 부분이 전동기의 샤프트 쪽으로 위치되도록 상기 회전자 코어의 반경방향으로 매입 및 압착하여 조립한다. 이러한 매입 및 압착 결과로 상기 영구자석(20)은 사다리꼴 형태로 형성하여 종래와 같은 영구자석 고정용 회전자 코어의 내주면에 돌기가 없이도 회전자 코어의 블록(21,22,23)이 가진 형상 만으로 영구자석(20)이 안착 및 고정될 수 있게 되며, 상기 영구자석(20) 접착시 영구자석(20)이 샤프트 측으로 밀려나오는 현상을 방지할 수 있게 된다.

이상의 본 발명에 의하면, 라운드형 또는 사다리꼴 또는 쐐기 형태의 회전자 코어 형상으로 공극을 증대시켜 자기저항을 최대화할 수 있게 됨에 따라 영구자석에 의한 누설자속을 대폭 감소시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 또한 동기 전동기의 소형, 경량화가 가능하게 되는 이점을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 사다리꼴 형태의 영구자석을 적용하여 영구자석 고정용 회전자 코어의 내주면 돌기가 없이도 회전자 코어만으로 영구자석이 고정될 수 있도록 함으로써, 영구자석 접착시 영구자석이 샤프트 쪽으로 더 이상 밀려나오는 현상을 방지하는 이점을 얻을 수 있게 된다.

Claims (3)

1. 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조에 있어서,

   다수 개의 코어블록과, 각 코어블록 사이에 상기 코어블록 수에 대응하는 개수로 영구자석을 조립하여 회전자 코어를 형성하고,

   상기 회전자 코어를 형성하는 각 코어블록은 그 외주면에 영구자석을 고정하기 위한 대향돌기를 형성하고 그 내주면에 누설자속의 억제를 위한 공극을 형성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 코어블록의 내주면에 형성되는 공극은,

   사다리꼴, 라운드형, 쐐기형 중의 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조.
3. 제1항에 있어서,

   상기 각 코어블럭 사이에 매입되는 영구자석은 사다리꼴 형상으로 이루어지며 상기 회전자 코어의 반경 방향으로 매입 및 압착되어 상기 코어블록의 내주면 돌기가 없이도, 상기 코어블록의 몸체 형상과 상기 코어블록 외주면의 대향 돌기만으로 압착 고정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 전기자동차용 영구자석 매입형 동기 전동기의 회전자 코어 구조.

Images