KR100983862B1 - 회전전기기계 - Google Patents

Abstract

각각의 극과 각각의 상마다 두 슬롯을 구비한 분포권모터로 형성되는 회전전기기계(100)에 있어서, 고정자코어(52)는 동상간티스(1, 3, 5)의 선단부와 회전자코어(41)의 외주면 사이의 일정폭 dg1의 에어갭 및 이상간티스(2, 4, 6)의 선단부와 회전자코어(41)의 외주면 사이에 원주방향으로 균일하지 않으면서 최대값으로 dg2(>dg1)의 폭을 갖는 에어갭을 포함한다. 동상간티스(1)보다 큰 자기저항을 갖는 자기회로는 이상간티스(2)에 형성된다. 증가된 자기저항에 의해 감소된 이상간티스(2)에서의 자속수가 동상간티스(1)에서의 자속수와 실질적으로 같게 되도록 에어갭의 폭의 차이를 형성함으로써, 서로 대향하는 방향으로 인가되는 전자기여진력이 서로 상쇄되도록 균형을 이루어, 고정자코어(52)에서의 진동이 억제되도록 할 수 있다.

Description

회전전기기계{DYNAMO-ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 회전전기기계에 관한 것으로, 특히 전자기소음을 줄일 수 있는 회전전기기계에 관한 것이다.

최근, 환경 이슈들을 고려한 자동차로서 하이브리드자동차와 전기자동차가 주목받고 있다. 하이브리드자동차는 종래의 엔진 이외에도, 직류전원, 인버터 및 상기 인버터에 의해 구동되는 회전전기기계(모터)를 동력원으로 포함한다. 엔진을 구동하여 동력원을 얻는 것 이외에도, 직류전원으로부터의 직류전압이 인버터에 의해 교류전압으로 변환되고, 상기 변환된 교류전압이 모터 회전에 사용되어 동력을 얻게 된다.

전기자동차는 직류전원, 인버터 및 상기 인버터에 의해 구동되는 모터를 동력원으로 포함한다.

이러한 하이브리드자동차 또는 전기자동차에 있어서, 모터는 저속에서 고속까지 비교적 넓은 범위의 회전으로 구동된다. 구동 시 발생되는 전자기소음이 매우 커져, 차량의 탑승자에게 불쾌감을 주는 문제점이 있었다. 특히, 엔진회전속도가 낮은 공회전 상태로부터 경제주행영역까지의 범위의 고조파의 전자기소음은 엔진 및 보조기계에 의해 발생되는 지면소음과 주파수가 상이한 사람에게 청각적으로 불 쾌한 소음이다.

최근, 이러한 고조파의 전자기소음은 모터의 운전 시에 발생되는 6f의 전자기여진력에 큰 영향을 받는다는 것이 명백해졌다. 이러한 "6f"는 모터에 공급되는 교류전류의 기본주파수 f의 6배를 의미한다.

일본특허공개공보 제2003-348781호는 이러한 모터의 6f의 전자기여진력을 감소시키는 방법을 개시하고 있다. 각각의 극과 각각의 상마다 두 슬롯을 구비한 고정자철심(고정자코어)과 상기 고정자코어 주위에 권선된 3상고정자코일을 포함하는 고정자 및 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 제공된 회전자로 형성된 차량용 AC회전전기기계가 제공되되, 제1 및 제2고정자코일은 인접한 슬롯군에 권선된 상술된 3상고정자코일을 구성하는 X상코일, Y상코일 및 Z상코일을 각각 구비하여 직렬로 연결되며, 상기 슬롯들은 α°와 (60 - α)°(α≠30°)의 상호 전기각의 불규칙한 피치로 형성된다.

이러한 구성에 따르면, 전기각 30°의 같은 피치로 각각의 극과 각각의 상마다 형성된 두 슬롯을 구비한 종래의 회전전기기계에 있어서 이슈가 되었던 6f의 전자기여진력이 α°를 최적화하여 감소될 수 있다. 그 결과, 6f의 전자기여진력에 의해 야기되는 전자기소음과 진동이 감소되게 된다.

하지만, 일본특허공개공보 제2003-348781호에 개시된 차량용 AC회전전기기계는 권선된 3상고정자코일로의 교류전류의 공급에 응답하여 복수의 고정자 티스 가운데 고정자철심에 발생되는 고르지 않은 자속으로 인하여 6f의 전자기여진력이 확실하게 감소될 수 없다는 문제점에 직면한다.

다시 말해, 일본특허공개공보 제2003-348781호의 AC회전전기기계에서는, 각각의 3상고정자코일이 인접한 슬롯군들에 권선된 직렬-연결된 제1 및 제2고정자코일을 구비한다. 구체적으로는, 회전자의 자극수가 96이면, 4번, 10번, 16번, ... 94번 슬롯이 제1슬롯군을 구성하는 반면, 5번, 11번, 17번, ... 95번 슬롯이 제2슬롯군을 구성한다. 제1슬롯군과 제2슬롯군은 X상코일을 수용한다.

그러므로, 제1고정자코일이 권선된 제1슬롯군에 대응하는 고정자 티스와 제2고정자코일이 권선된 제2슬롯군에 대응하는 고정자 티스 간의 고정자코일의 권선수에 있어 불균형이 있게 된다. 고정자코일로의 교류전류의 공급에 의하여 티스에 인가되는 전자기여진력은 티스 간에 균형을 벗어날 것이다. 이러한 전자기여진력은 고정자코어를 반경방향으로 진동시키는 성분과 고정자코어를 원주방향으로 진동시키는 성분으로 분할된다. 반경방향으로의 성분의 불균형으로 인한 고정자코어에서 일어나는 반경방향 진동은 고정자코어의 외주면 또는 내주면과 접촉하는 공기를 진동시켜, 큰 전자기소음을 발생시키게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하고자 한다. 본 발명의 목적은 고정자 진동을 억제하여 전자기소음을 저감시킬 수 있는 회전전기기계를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, s(s는 복수)상의 회전전기기계는 n(n은 자연수)개의 자극을 구비한 회전자 및 고정자를 포함한다. 상기 고정자는 상기 n개의 자극 각각에 대한 상기 s상의 2배에 상응하는 2n×s개의 티스와, 인접한 상기 티스 사이에 각각 형성된 2n×s개의 슬롯을 구비한 고정자코어 및 상기 2n×s개의 티스 주위에 권선된 n×s개의 코일을 포함한다. 상기 n×s개의 코일은 상기 n개의 자극 각각에 대한 상마다 단 하나의 슬롯만큼 시프트되는 방식으로 권선된 코일군을 구성한다. 상기 2n×s개의 티스는 상기 회전자의 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 동일 상의 코일을 구비한 동상간티스(same-phase-intermediate tooth) 및 상기 회전자의 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 상이한 상의 코일을 구비한 이상간티스(different-phase-intermediate tooth)를 포함한다. 상기 회전전기기계는, 교류전류가 상기 n×s개의 코일에 공급될 때, 상기 동상간티스와 상기 이상간티스 각각에 형성된 자기회로의 자기저항에 차이를 제공하여, 통과하는 자속수가 상기 자기회로에 대해 서로 균형을 이루도록 하기 위한 자기저항조정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 인가된 전자기여진력이 자기회로의 동일한 자기저항에 의해 야기되는 통과하는 자속수의 차이로 인하여 동상간티스와 이상간티스 간에 균형이 벗어난 종래의 경우에 비해, 상술된 회전전기기계는 반경방향을 따라 반대방향으로 인가되는 동상간티스의 전자기여진력과 이상간티스의 전자기여진력이 그들 간에 자기저항의 차이를 제공한 결과 동상간티스와 이상간티스 간의 자속수의 균형에 의하여 균등하게 된다는 장점이 있다. 이에 따라, 동상간티스의 전자기여진력과 이상간티스의 전자기여진력이 서로 상쇄되어, 고정자로 인가되는 전자기여진력 전체가 실질적으로 0이 될 것이다. 그 결과, 고정자 진동이 억제되어, 전자기소음의 저감을 가능하게 한다.

상기 자기저항조정수단은 상기 이상간티스에 형성된 자기회로의 자기저항을 상기 동상간티스에 형성된 자기회로의 자기저항보다 크게 설정하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

본 실시형태의 회전전기기계의 동상간티스의 자속수와 증가된 자기저항의 결과로 감소된 이상간티스의 자속수 간에 균형을 얻음으로써, 그곳에 인가되는 전자기여진력이 균등하게 된다.

상기 자기저항조정수단은, 상기 이상간티스의 선단부와 상기 회전자의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭을 상기 동상간티스의 선단부와 상기 회전자의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭보다 크게 설정하는 것이 바람직하다.

회전전기기계의 에어갭부의 자기저항을 증가시킴으로써, 이상간티스에 형성되는 자기회로의 자기저항이 동상간티스에 형성되는 자기회로의 자기저항보다 크게 된다. 이에 따라, 동상간티스의 자속수와 증가된 자기저항의 결과로 감소된 이상간티스의 자속수 간에 균형을 획득함으로써, 그곳에 인가되는 전자기여진력이 균등화된다.

상기 자기저항조정수단은, 상기 동상간티스의 선단부와 상기 회전자의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭과 상기 이상간티스의 선단부와 상기 회전자의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭을 상기 슬롯의 개구단부에서 연속적으로 설정하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

상술된 회전전기기계는, 슬롯의 개구단부의 구성이 종래의 회전전기기계와 유사하게 유지되기 때문에 고정자의 제조단계의 디자인 수정이 필요하지 않다는 장점이 있다.

상기 자기저항조정수단은, 상기 이상간티스의 자로단면적을 상기 동상간티스의 자로단면적보다 작게 설정하는 것을 포함하는 것이 바람직하다.

회전전기기계의 티스부의 자기저항을 증가시킴으로써, 이상간티스에 형성된 자기회로의 자기저항이 동상간티스에 형성된 자기회로의 자기저항보다 크게 된다. 이에 따라, 동상간티스의 자속수와 증가된 자기저항의 결과로 감소된 이상간티스의 자속수 간에 균형을 획득함으로써, 그곳에 인가되는 전자기여진력이 균등화된다.

본 발명의 동상간티스와 이상간티스 간에 자속수의 균형을 획득함으로써, 반경방향을 따라 서로 대향하는 방향으로 인가되는 동상간티스의 전자기여진력과 이상간티스의 전자기여진력이 균등화된다. 동상간티스의 전자기여진력과 이상간티스의 전자기여진력은 서로 상쇄되기 때문에, 고정자에 인가되는 전자기여진력 전체는 실질적으로 0이다. 그 결과, 고정자 진동이 억제되어, 전자기소음의 저감을 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전전기기계의 단면도;

도 2는 도 1의 A 방향에서 본 고정자의 평면도;

도 3은 도 1의 A 방향에서 본 회전자 및 고정자의 평면도;

도 4는 도 1의 회전자의 사시도;

도 5는 티스에 인가되는 회전 24차(engine order 24)의 전자기여진력을 설명하기 위한 도면;

도 6은 고정자코어티스와 전자기여진력 간의 관계를 나타낸 도면;

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 고정자코어를 설명하기 위한 도면;

도 8은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전전기기계의 티스에 인가되는 회전 24차의 전자기여진력을 설명하기 위한 도면;

도 9는 본 발명의 회전전기기계의 구동 시에 발생되는 전자기소음을 설명하기 위한 개략도;

도 10은 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 회전전기기계의 고정자코어를 설명하기 위한 도면; 및

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 회전전기기계의 고정자코어를 설명하기 위한 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예들을 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 도면에서, 동일한 참조부호들은 동일하거나 대응하는 요소들을 나타낸다.

[제1실시예]

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 회전전기기계의 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 회전전기기계(100)는 제어장치(10), 3상케이블(20), 샤프트(30), 회전자(40) 및 고정자(50)를 포함한다.

회전자(40)는 회전자코어(41)와 자석(42)을 포함한다. 고정자(50)는 고정자코일(51) 및 고정자코어(52)를 포함한다.

제어장치(10)는 회전전기기계(100)의 외부에 제공된 ECU(전자제어유닛)로부터 회전전기기계(100)에 의해 출력될 토크제어값 TR을 수신하여 상기 수신된 토크 제어값 TR에 따라 토크를 제공하기 위한 모터제어전류 MCTLI를 생성하고, 상기 생성된 모터제어전류 MCTLI를 3상케이블(20)을 통해 고정자(50)의 고정자코일(51)에 제공한다.

3상케이블(20)은 제어장치(10) 및 고정자코일(51)을 연결시킨다. 3상케이블(20)은 U상케이블(21), V상케이블(22) 및 W상케이블(23)을 포함한다. 샤프트(30)는 회전축방향 DR1으로부터 회전자(40)의 회전자코어(41) 안으로 삽입되어, 회전자코어(41)와 결합된다. 회전자코어(41)는 회전축방향 DR1로 적층되는 복수의 전자기강판으로 형성된다. 자석(42)은 회전축방향 DR1로부터 회전자코어(41) 안으로 삽입된다.

고정자(50)의 고정자코어(52)는 회전축방향 DR1로 적층되는 복수의 전자기강판을 구비하여 구성된다. 고정자코일(51)은 고정자코어(52) 주위에 권선된다. 고정자코일(51)은 그 단자들이 3상케이블(20)에 연결되는 U상코일군, V상코일군 및 W상코일군으로 형성된다.

도 2는 도 1의 A 방향에서 본 고정자(50)의 평면도이다.

도 2를 참조하면, 고정자코어(52)는 내주방향으로 정렬되는 48개의 티스(1)를 포함하는 중공원통형을 취한다. 고정자코어(52)에서는, 하나의 자극 피치에 대응하는 6 슬롯에 의해 서로 이격된 두 슬롯에 코일이 수용된다. 6 슬롯에 의해 서로 이격된 각각의 두 슬롯에 수용된 코일은 고정자코어(52)를 일주하는 단위코일을 구성하도록 직렬로 연결된다. 합계가 6인 이러한 단위코일은 고정자코일(51)을 구성하도록 단 하나의 슬롯에 의해 각각 시프트되는 코일이 수용되는 슬롯을 구비한 고정자코어(52) 주위에 권선된다. 각각의 U상코일군, V상코일군 및 W상코일군은 단 하나의 슬롯에 의해 각각 시프트되는 2개의 단위코일로 형성된다.

상세하게는, 코일(510-517)이 제1U상코일을 구성하고, 코일(520-527)이 제2U상코일을 구성한다. 코일(510-517)은 최외주에 배치된다. 코일(520-527)은 코일(510-517)의 내측에 위치하고, 코일(510-517)에 대하여 원주방향으로 단 하나의 슬롯에 의해 시프트된다. 코일(510-517) 및 코일(520-527)은 U상코일군을 구성한다.

코일(530-537)은 제1V상코일을 구성하고, 코일(540-547)은 제2V상코일을 구성한다. 코일(530-537)은 코일(520-527)의 내측에 배치되고, 코일(520-527)에 대하여 원주방향으로 단 하나의 슬롯에 의해 시프트된다. 코일(540-547)은 코일(530-537)의 내측에 배치되고, 코일(530-537)에 대하여 원주방향으로 단 하나의 슬롯에 의해 시프트된다. 코일(530-537) 및 코일(540-547)은 V상코일군을 구성한다.

코일(550-557)은 제1W상코일을 구성하고, 코일(560-567)은 제2W상코일을 구성한다. 코일(550-557)은 코일(540-547)의 내측에 배치되고, 코일(540-547)에 대하여 원주방향으로 단 하나의 슬롯에 의해 시프트된다. 코일(560-567)은 코일(550-557)의 내측에 배치되고, 코일(550-557)에 대하여 원주방향으로 단 하나의 슬롯에 의해 시프트된다. 코일(550-557) 및 코일(560-567)은 W상코일군을 구성한다.

각각의 코일(510-517, 520-527, 530-537, 540-547, 550-557, 560-567)은 대응하는 복수의 티스 각각에 직렬로 권선된다. 예를 들어, 코일(510)은 전체로서 5개의 연속 티스에서 외주면으로부터 사전설정된 배수로 권선된다. 나머지 코일은 각각 코일(510)과 유사한 방식으로 대응하는 5개의 티스에 권선된다.

코일(510-517)은 일 단부로서 단자 U1 및 타 단자로서 중성점 UN1을 포함하여 직렬로 연결된다. 코일(520-527)은 일 단부로서 단자 U2 및 타 단자로서 중성점 UN2를 포함하여 직렬로 연결된다.

코일(530-537)은 일 단부로서 단자 V1 및 타 단자로서 중성점 VN1을 포함하여 직렬로 연결된다. 코일(540-547)은 일 단부로서 단자 V2 및 타 단자로서 중성점 VN2를 포함하여 직렬로 연결된다.

코일(550-557)은 일 단부로서 단자 W1 및 타 단자로서 중성점 WN1을 포함하여 직렬로 연결된다. 코일(560-567)은 일 단부로서 단자 W2 및 타 단자로서 중성점 WN2를 포함하여 직렬로 연결된다.

중성점 UN1, UN2, VN1, VN2, WN1, WN2는 한 점에서 공통-연결된다. 단자 U1, U2는 3상케이블(20)의 U상케이블(21)에 연결된다. 단자 V1, V2는 3상케이블(20)의 V상케이블(22)에 연결된다. 단자 W1, W2는 3상케이블(20)의 W상케이블(23)에 연결된다.

도 3은 도 1의 A 방향에서 본 회전자(40) 및 고정자(50)의 평면도이다.

도 3을 참조하면, 회전자(40)는 고정자(50)의 내주면에 배치된다. 8개의 자석(42)이 원주방향 DR2을 따라 배치된다. 자석 42A, 42C, 42E, 42G는 회전자코어(41)의 외주면이 N극으로서의 역할을 하도록 배치된다. 자석 42B, 42D, 42F, 42H는 회전자코어(41)의 외주면이 S극으로서의 역할을 하도록 배치된다. 8개의 자석 42(42A-42H)는 회전자(40)의 반경방향으로 자화되고, 복수의 자석이 인접한 자석들 사이에서 반전되는 것과 같은 원주방향 DR2를 따라 배치된다. 도 2의 코일 510-517, 520-527, 530-537, 540-547, 550-557, 560-567은 8개의 자석 42(42A-42H)에 대응하여 배치된다.

고정자코어(52)는 48개의 티스(1)를 포함한다. 티스(1)의 수는 회전자(40)의 자석 42(42A-42H)의 자극수의 6배(정수배)이도록 정해진다.

도 4는 도 1의 회전자(40)의 사시도이다.

도 4를 참조하면, 회전자(40)의 회전자코어(41)는 실질적으로 원통 모양을 취하고, 원통면(41A)을 포함한다. 자석(42)은 회전축방향 DR1로부터 회전자코어(41)에 매입된다.

단 하나의 슬롯에 의해 시프트되는 슬롯들에 권선된 각각의 상의 제1 및 제2코일의 연결부로 형성되는 고정자코일(51) 및 각각의 극과 상마다 제공되는 두 슬롯을 구비한 고정자코어(52)를 포함하는 회전전기기계는 일반적으로 "극과 상마다 두 슬롯을 구비한 분포권모터(distribution winding motor)"라고 불린다.

도 2를 다시 참조하면, 고정자코어(52)의 원주방향으로 배치된 48개의 티스(1)는 양측에 위치한 두 슬롯에 수용되는 동상의 코일을 구비한 티스(이하, 동상간티스라고도 함) 및 양측에 위치한 두 슬롯에 수용되는 이상의 코일을 구비한 티스(이하, 이상간티스라고도 함)로 분류된다.

구체적으로는, 도 2의 하나의 자극의 관점에서, 원주방향으로 연속적으로 배치되는 6개의 티스(1-6) 가운데 티스(1)는 U상코일(511, 521)이 양측에 위치한 슬롯들에 수용되기 때문에 동상간티스에 대응한다. 이와 유사하게, 티스(3)는 V상코 일(531, 541)이 수용되는 두 슬롯들 사이에 끼워지기 때문에 동상간티스에 대응한다. 또한, 티스(5)는 W상코일(551, 561)이 수용되는 두 슬롯들 사이에 끼워지기 때문에 동상간티스에 대응한다.

이와는 대조적으로, 티스(2)는 U상코일(521) 및 V상코일(531)이 양측에 위치한 슬롯들에 수용되기 때문에 이상간티스에 대응한다. 이와 유사하게, 티스(4)는 V상코일(541) 및 W상코일(551)이 양측에 위치한 슬롯들에 수용되기 때문에 이상간티스에 대응한다. 나아가, 티스(6)는 W상코일(561) 및 U상코일(510)이 양측에 위치한 슬롯들에 수용되기 때문에 이상간티스에 대응한다.

따라서, 도 2의 극과 상마다 두 슬롯을 갖는 분포권모터는 고정자코어(52)에서 원주방향을 따라 교대로 배치된 동상간티스와 이상간티스를 구비한다. 교류전류로 식별되는 모터제어전류 MLTI가 고정자코일(51)에 공급되면, 자속이 고정자코어(52)에 생성된다. 생성된 자속은 동상간티스(예컨대, 티스 1, 3, 5)와 이상간티스(예컨대, 티스 2, 4, 6)를 통과하여, 고정자코어(52)의 내주면과 회전자코어(도시 안됨)의 외주면 사이에 위치한 에어갭을 통해 회전자(40) 안으로 유동하게 된다.

이러한 단계에서, 도 5에 도시된 전자기여진력은 동상간티스와 이상간티스 각각에 발생된다. 이러한 전자기여진력은 고정자(50)의 고정자코일(51)에 공급되는 교류전류의 결과로서 티스(1)에 진동을 발생시키도록 티스(1)에 인가되는 힘이다.

도 5는 티스(1)에 인가되는 전자기여진력을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 회전자(40)가 4쌍의 NS극을 형성하는 8개의 자석(42)을 포 함하기 때문에, 4의 정수배인 회전차수를 갖는 전자기여진력이 회전전기기계(100)에 발생된다. 다시 말해, 회전차수가 4, 8, 12, 16, 20, 24, ...인 전자기여진력이 발생된다. 상술된 차수 가운데 6f(f: 모터제어전류 MTLI의 기본주파수)의 전자기여진력에 대응하는 24차의 전자기여진력(이하, 회전 24차의 전자기여진력이라고도 함)은 모터의 전자기소음과 진동에 극대치의 영향을 준다고 알려져 있다.

24차의 전자기여진력은 도 5에 도시된 바와 같이 각각의 일 티스 1, 2, 3, 4, 5, ...에 인가되는 성분을 가진다. 각각의 일 티스(1)에서의 전자기여진력은 티스(1)의 선단에 집중적으로 인가된다.

더욱이, 각각의 티스 1, 2, 3, 4, 5, 6...에 인가되는 전자기여진력은 인접한 티스 간의 방향에 대향한다. 구체적으로는, 각각의 티스 1, 3, 5에 인가되는 전자기여진력 F1은 도면에 실선 화살표로 표시된 바와 같이 외향방향으로의 반경방향성분과 일 방향을 따르는 원주방향성분으로 표현된다. 이와는 대조적으로, 각각의 티스 2, 4, 6에 인가되는 전자기여진력 F2는 도면에 오픈 화살표로 표시된 바와 같이 내향방향으로의 반경방향성분과 타 방향을 따르는 원주방향성분으로 표현된다. 그러므로, 원주방향으로 교대로 배치되는 동상간티스 1, 3, 5, ... 및 이상간티스 2, 4, 6, ...은 서로 방향이 반대인 전자기여진력으로 인가될 것이다.

따라서, 전자기여진력은 티스(1)의 선단에서 반경방향으로 인가되는 성분과 원주방향으로 인가되는 성분으로 표현되되, 상기 반경방향으로의 성분은 원주방향으로의 성분보다 상대적으로 크다. 즉, 반경방향으로의 진동과 원주방향으로의 진동의 복합 진동이 회전 24차의 전자기여진력에 의해 모터에 유도된다. 반경방향으 로의 진동은 전자기소음의 발생에 기인할 수 있는 모터 진동을 좌우한다. 본 발명의 전자기소음을 감소시키는 관점에서 볼 때 티스(1)의 선단영역에서 반경방향으로 인가되는 전자기여진력에 주목한다.

티스(1) 각각에 인가되는 전자기여진력은 그 자체로 교류전류인 모터제어전류 MTLI에 따라 시간이 경과함에 따라 크기와 방향의 천이가 나타난다. 인접한 티스 간에 서로 반대방향으로 가해지는 전자기여진력의 관계는 항상 유지된다.

도 6은 고정자코어(52)의 티스 1, 2, 3, 4, 5, 6, ...과 회전 24차의 전자기여진력 간의 관계를 나타낸다. 도 6에서, 티스는 전개도로 표현되어 있다.

도 6을 참조하면, 회전 24차의 전자기여진력은 동상간티스 1, 3, 5에 대해 플러스 방향으로 전자기여진력 F1과 이상간티스 2, 4, 6에 대해 마이너스 방향으로 전자기여진력 F2를 가하는 것을 포함한다. 각각의 일 티스(1)에 인가되는 전자기여진력의 원주방향으로의 성분에 관해서는, 상술된 바와 같이 전자기소음에 대한 영향이 작다. 그러므로, 그 예시와 설명을 여기에서 설명하지는 않기로 한다.

동상간티스 1, 3, 5 및 이상간티스 2, 4, 6에 인가되는 전자기여진력의 레벨의 차이가 있을 것이다. 즉, 이상간티스 2, 4, 6에 인가되는 전자기여진력이 동상간티스 1, 3, 5에 인가되는 전자기여진력보다 크다는 관계가 성립된다. 그러므로, 고정자코어(52)에서 인접한 티스(1) 간에 반대방향으로 인가되는 전자기여진력의 불균형이 있게 된다. 그들 간에 전자기여진력의 차이에 대응하는 성분은 전체로서 고정자코어(52)에 대해 반경방향으로 작용할 것이다. 그 결과, 고정자코어(52)가 반경방향으로 진동하여 전자기소음을 발생시키게 될 것이다.

동상간티스와 이상간티스 사이의 티스를 통과하는 자속수 Φ의 차이는 동상간티스의 전자기여진력과 이상간티스의 전자기여진력 간의 레벨의 차이를 발생시키는 한 가지 요인으로 인용될 수 있다. 동상간티스를 통과하는 자속수 Φ가 이상간티스를 통과하는 자속수와 같게 설정될 수 있다면, 인가되는 전자기여진력의 레벨이 서로 같게 될 수 있어, 그들 간의 어떠한 차이도 소거할 수 있게 된다. 서로 같은 전자기여진력은 동상간티스와 이상간티스 간에 반대방향으로 인가되는 전자기여진력을 상쇄할 것이므로, 고정자코어(52)에 인가되는 회전 24차의 전자기여진력 전체가 실질적으로 0이 될 수 있게 된다. 그 결과, 고정자코어(52)의 진동이 억제될 수 있게 된다.

동상간티스와 이상간티스를 통과하는 자속수를 균등화하는 한 가지 방법으로서, 본 실시예의 회전전기기계(100)는 각각의 티스에 대해 형성되는 자기회로의 자기저항에 있어서 동상간티스와 이상간티스 간의 차이를 수립하도록 구성된다. 고정자코일(51)의 권선수와 모터제어전류 MTLI를 토대로 사전설정된 값으로 고정된 기자력을 고려하면, 두 티스 간에 자기저항의 차이를 제공하여 자속수가 균등하도록 설정되어야 한다.

상세하게는, 모터제어전류 MTLI로 형성되는 자기회로의 자기저항은 티스영역에서의 자기저항과 에어갭영역에서의 자기저항의 합으로 표현된다. 자기저항은 "자기저항 = 평균자로길이/(투자율 × 자로단면적)"으로 표현되는 것으로 잘 알려져 있다. 본 실시예에서는, 자기저항의 차이가 후술하는 바와 같이 동상간티스와 이상간티스 간의 (상술된 평균자로길이에 대응하는) 에어갭의 폭을 다르게 하여 수립된 다.

본 실시예에서는, 동상간티스와 이상간티스 간의 에어갭폭을 다르게 하는 구성이 "자기저항조정수단"으로 구현된다.

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 고정자코어(52)를 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 고정자코어(52)는 (도면에서 화살표 dg1에 대응하는) 폭이 실질적으로 원주방향으로 균일하도록 설정되는 회전자코어(41)의 외주면과 동상간티스 1(또는 3, 5)의 선단 간의 에어갭을 포함한다.

또한, 고정자코어(52)는 상기 폭이 원주방향으로 균일하지 않도록 설정되는 회전자코어(41)의 외주면과 이상간티스 2(또는 4, 6)의 선단 간의 에어갭을 구비한다.

구체적으로, 이상간티스(2)는 반경방향으로 외향측을 향하여 오목하도록 선단에 형성된 아크형 리세스를 구비한다. 이 리세스는 양측에 위치한 동상간티스 1 및 3 사이에 형성된 (도면에서 영역 RGN에 대응하는) 슬롯의 개구단부를 피하면서 형성된다. 다시 말해, 아크가 실질적으로 티스(2)의 선단영역의 중앙에 위치하고, 원주방향으로는 어떤 단부영역도 배제시킨다. 가장 오목한 영역에서의 에어갭의 폭은 상술된 폭 dg1보다 넓은 폭 dg2로 설정된다.

이러한 구성에 의하면, 동상간티스(1)와 이상간티스(2) 간에 에어갭에서의 자기저항의 차이가 있다. 그 폭에 비례하는 에어갭에서의 자기저항을 고려하면, 이상간티스(2)는 동상간티스(1)에 비해 상대적으로 큰 에어갭폭으로 인하여 에어갭에 서의 자기저항이 더 높다. 에어갭영역에서의 자기저항을 증가시킴으로써, 이상간티스(2)에서의 자기회로의 자기저항은 동상간티스(1)에서의 자기회로의 자기저항보다 높게 된다.

이상간티스(2)에서는, 통과하는 자속수가 증가된 자기저항만큼 감소된다. 이러한 자속의 감소는 이상간티스(2)에 인가될 전자기여진력을 더욱 저하시킬 것이다. 감소 이후의 이상간티스(2)의 자속수가 실질적으로 동상간티스(1)의 자속수와 같도록 에어갭폭의 차이를 제공함으로써, 이상간티스(2)에 인가되는 전자기여진력과 동상간티스(1)에 인가되는 전자기여진력의 레벨이 서로 같게 된다. 이에 따라, 서로 반대방향으로 인가되는 전자기여진력 F1과 전자기여진력 F2가 서로 상쇄되어, 고정자코어(52)에 인가되는 회전 24차의 전자기여진력 전체가 실질적으로 0이 된다. 그 결과, 고정자코어(52)에서의 진동이 억제되어, 회전전기기계(100)의 전자기소음의 저감이 가능하게 된다.

도 7을 참조하여 상술된 바와 같이, 슬롯의 개구단부에서의 에어갭폭이 인접한 동상간티스(1 및 3) 간에 연속적이도록 이상간티스(2)의 리세스를 제공함으로써, 고정자(50)의 제조단계에서의 디자인 수정이 필요하지 않게 된다. 예를 들어, 절연지와 같은 전기절연부재가 일반적으로 슬롯 개구단부에 삽입되어, 고정자코일(51)과 티스(1) 간의 전기절연을 보장하게 된다. 본 발명에 의하면, 슬롯의 개구단부의 구성이 종래의 경우에서와 같이 유지되기 때문에, 절연지에 대한 디자인이 수정될 필요가 없게 된다.

도 9는 본 발명의 회전전기기계(100)의 구동 시에 발생되는 전자기소음을 설 명하기 위한 개략도이다.

도 9를 참조하면, 종래의 회전전기기계는 모터회전속도가 비교적 느린 저주파수와 고주파수범위에서 비교적 높은 음압 레벨에 기인할 수 있는 두드러진 전자기소음을 나타내었다. 이는 상술된 회전 24차의 전자기여진력에 기인한다.

이와는 대조적으로, 본 발명의 회전전기기계(100)는 회전 24차의 전자기여진력이 실질적으로 0으로 억제되어, 저주파수범위와 중주파수범위에서의 음압 레벨의 증가가 억제됨으로써, 전자기소음을 현저하게 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 회전전기기계(100)는 철 손실을 감소시키는 장점을 제공한다. 상세하게는, 자속밀도가 증가함에 따라 철 손실이 더 커지고, 이는 모터 효율을 저하시키는 한 요인이다. 종래의 회전전기기계에 있어서, 이상간티스는 동상간티스보다 상대적으로 많은 자속수와 고자속밀도(= 자속수/단면적)를 가지기 때문에, 상기 이상간티스가 동상간티스보다 상대적으로 많은 철 손실을 나타내었다.

본 발명의 회전전기기계(100)는 그들 간에 자속수를 같게 설정하여 이상간티스와 동상간티스 간에 자속밀도가 실질적으로 0이 되도록 조정된다. 그러므로, 이상간티스에서 발생되는 철 손실이 동상간티스의 철 손실과 실질적으로 같은 레벨로 감소된다. 이에 따라, 고정자코어(52)에서 발생되는 철 손실 전체가 종래의 회전전기기계에서보다 감소된다. 그 결과, 모터 효율이 개선된다.

[변형예]

도 10은 본 발명의 제1실시예의 변형예에 따른 회전전기기계의 고정자코어를 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 고정자코어(52A)는 (도면에서 화살표 dg1에 대응하는) 폭이 원주방향으로 실질적으로 균일하도록 설정되는 회전자코어(41)의 외주면과 동상간티스 1(또는 3, 5)의 선단 사이에 에어갭을 구비한다. 동상간티스 1, 3, 5의 선단은 회전전기기계의 회전축을 중심으로 R1-반경원의 동일한 원주 상에 위치한다.

또한, 고정자코어(52)는 (도면에서 화살표 dg2A에 대응하는) 폭이 원주방향으로 실질적으로 균일하도록 설정되는 회전자코어(41)의 외주면과 이상간티스 2(또는 4, 6)의 선단 사이에 에어갭을 추가로 구비한다. 이상간티스(2, 4, 6)의 선단은 회전전기기계의 회전축을 중심으로 R2-반경(R2 > R1)원의 동일한 원주 상에 위치한다.

본 변형예에 있어서, 이상간티스(2)는 동상간티스(1, 3, 5)의 에어갭의 폭 dg1보다 크게 설정된 폭 dg2A의 에어갭을 구비한다. 이에 따라, 이상간티스(2, 4, 6)로 형성된 자기회로의 자기저항이 동상간티스(1, 3, 5)의 자기회로의 자기저항보다 높은 값을 나타낸다. 이상간티스(2)의 자속수가 동상간티스(1)의 자속수와 실질적으로 같게 되도록 에어갭폭 dg2A를 설정함으로써, 이상간티스(2)로 인가되는 여진력이 동상간티스(1)로 인가되는 여진력과 실질적으로 같게 설정될 수 있다. 동상간티스(1)와 이상간티스(2) 간에 서로 반대방향으로 인가되는 전자기여진력 F1, F2를 상쇄시킴으로써, 고정자코어(52)에 인가되는 회전 24차의 전자기여진력이 실질적으로 0으로 설정된다. 그 결과, 고정자코어(52)에서의 진동이 억제되어, 회전전기기계(100)의 전자기소음의 저감이 가능하게 된다.

본 발명의 제1실시예에 따르면, 회전전기기계의 고정자코어에 인가되는 6f의 전자기여진력이 실질적으로 0으로 설정될 수 있다. 그 결과, 고정자코어의 진동이 억제되어, 전자기소음의 저감을 가능하게 한다.

[제2실시예]

도 11은 본 발명의 제2실시예에 따른 회전전기기계의 고정자코어를 설명하기 위한 도면이다.

도 11을 참조하면, 고정자코어(52B)는 원주방향으로의 티스 길이가 동상간티스 1(또는 3, 5)과 이상간티스 2(또는 4, 6) 간에 상이하도록 구성된다. 구체적으로, 상기 티스는 (도면에서 12에 대응하는) 원주방향으로의 이상간티스(2)의 길이가 (도면에서 11에 대응하는) 원주방향으로의 동상간티스(1)의 길이보다 길도록 형성된다. 회전축의 방향으로의 각각의 티스의 길이는 같기 때문에, 이상간티스(2)의 단면적은 동상간티스(1)의 단면적보다 작다.

티스의 단면적에 반비례하는 티스영역의 자기저항을 고려하면, 이상간티스(2)의 티스영역의 자기저항이 동상간티스(1)의 티스영역의 자기저항보다 크게 된다.

이에 따라, 동상간티스(1)보다 높은 티스영역에서의 자기저항으로 인하여 동상간티스(1)보다 큰 자기저항을 갖는 자기회로가 이상간티스(2)에 형성된다.

이상간티스(2)에서는, 통과하는 자속수가 증가된 자기저항만큼 감소된다. 이러한 자속의 감소는 이상간티스(2)로 인가되는 전자기여진력을 감소시킬 것이다. 감소 이후 이상간티스(2)의 자속수가 실질적으로 동상간티스(1)의 자속수와 같게 되도록 원주방향으로의 티스 길이의 차이를 형성함으로써, 이상간티스(2)로 인가되 는 전자기여진력과 동상간티스(1)로 인가되는 전자기여진력이 실질적으로 서로 같게 된다. 이는 그들 간에 반대방향으로 인가되는 전자기여진력 간의 상쇄를 초래하여, 고정자코어(52)로 인가되는 회전 24차의 전자기여진력 전체가 실질적으로 0으로 설정되게 된다. 그 결과, 고정자코어(52)의 진동이 억제되어, 회전전기기계(100)의 전자기소음의 저감이 가능하게 된다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 회전전기기계의 고정자코어로 인가되는 6f의 전자기여진력이 실질적으로 0으로 설정될 수 있다. 그 결과, 고정자코어의 진동이 억제되어, 전자기소음의 저감을 가능하게 한다.

본 실시예에 있어서, 동상간티스와 이상간티스 간에 단면적을 다르게 하는 구성은 "자기저항조정수단"에 의해 구현된다.

본 명세서에 개시된 실시예들은 모든 실시형태에 있어서 제한적인 것이 아니라 예시적인 것임에 유의해야 한다. 본 발명의 범위는 상술된 상세한 설명에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위에 의해 한정되며, 청구범위의 한계와 경계 내에 있는 모든 변경들도 청구범위에 포함되도록 의도하고 있다.

본 발명은 각각의 극과 상마다 형성된 두 슬롯을 구비한 고정자코어를 포함하는 회전전기기계에 적용가능하다.

Claims (12)

1. 삭제
2. 삭제
3. s(s는 복수)상의 회전전기기계(100)에 있어서,

   n(n은 자연수)개의 자극을 포함하는 회전자(40), 및

   상기 n개의 자극 각각에 대한 상기 s상의 2배에 상응하는 2n×s개의 티스(1)와 인접한 상기 티스(1) 사이에 각각 형성된 2n×s개의 슬롯을 구비한 고정자코어(52) 및 상기 2n×s개의 티스(1) 주위에 권선된 n×s개의 코일(51)을 포함하는 고정자(50)를 포함하여 이루어지고,

   상기 n×s개의 코일(51)은 상기 n개의 자극 각각에 대한 상마다 단 하나의 슬롯만큼 시프트되는 방식으로 권선된 코일군을 구성하며,

   상기 2n×s개의 티스(1)는 상기 회전자의 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 동일 상의 코일을 구비한 동상간티스(same-phase-intermediate tooth) 및 상기 회전자의 상기 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 상이한 상의 코일을 구비한 이상간티스(different-phase-intermediate tooth)를 포함하고,

   상기 회전전기기계(100)는, 교류전류가 상기 n×s개의 코일(51)에 공급될 때, 상기 동상간티스와 상기 이상간티스 각각에 형성된 자기회로의 자기저항에 차이를 형성하여, 통과하는 자속수가 상기 자기회로에 대해 서로 균형을 이루도록 하며,

   상기 회전전기기계(100)는 상기 이상간티스에 형성된 상기 자기회로의 상기 자기저항이 상기 동상간티스에 형성된 상기 자기회로의 상기 자기저항보다 크게 설정되되,

   상기 회전전기기계(100)는 상기 이상간티스의 선단부와 상기 회전자(40)의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭이 상기 동상간티스의 선단부와 상기 회전자의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭보다 크게 설정되는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
4. 제3항에 있어서,

   상기 회전전기기계(100)는 상기 이상간티스의 상기 선단부와 상기 회전자(40)의 상기 외주면 사이에 형성된 상기 에어갭의 폭과 상기 동상간티스의 상기 선단부와 상기 회전자(40)의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭이 상기 슬롯의 개구단부에서 연속적으로 설정되는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
5. s(s는 복수)상의 회전전기기계(100)에 있어서,

   n(n은 자연수)개의 자극을 포함하는 회전자(40), 및

   상기 n개의 자극 각각에 대한 상기 s상의 2배에 상응하는 2n×s개의 티스(1)와 인접한 상기 티스(1) 사이에 각각 형성된 2n×s개의 슬롯을 구비한 고정자코어(52) 및 상기 2n×s개의 티스(1) 주위에 권선된 n×s개의 코일(51)을 포함하는 고정자(50)를 포함하여 이루어지고,

   상기 n×s개의 코일(51)은 상기 n개의 자극 각각에 대한 상마다 단 하나의 슬롯만큼 시프트되는 방식으로 권선된 코일군을 구성하며,

   상기 2n×s개의 티스(1)는 상기 회전자의 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 동일 상의 코일을 구비한 동상간티스(same-phase-intermediate tooth) 및 상기 회전자의 상기 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 상이한 상의 코일을 구비한 이상간티스(different-phase-intermediate tooth)를 포함하고,

   상기 회전전기기계(100)는, 교류전류가 상기 n×s개의 코일(51)에 공급될 때, 상기 동상간티스와 상기 이상간티스 각각에 형성된 자기회로의 자기저항에 차이를 형성하여, 통과하는 자속수가 상기 자기회로에 대해 서로 균형을 이루도록 하며,

   상기 회전전기기계(100)는 상기 이상간티스에 형성된 상기 자기회로의 상기 자기저항이 상기 동상간티스에 형성된 상기 자기회로의 상기 자기저항보다 크게 설정되되,

   상기 회전전기기계(100)는 상기 이상간티스의 자로단면적이 상기 동상간티스의 자로단면적보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
6. s(s는 복수)상의 회전전기기계(100)에 있어서,

   n(n은 자연수)개의 자극을 포함하는 회전자(40), 및

   상기 n개의 자극 각각에 대한 상기 s상의 2배에 상응하는 2n×s개의 티스(1)와, 인접한 상기 티스(1) 사이에 각각 형성된 2n×s개의 슬롯을 구비한 고정자코어(52) 및 상기 2n×s개의 티스(1) 주위에 권선된 n×s개의 코일(51)을 포함하는 고정자(50)를 포함하여 이루어지고,

   상기 n×s개의 코일(51)은 상기 n개의 자극 각각에 대한 상마다 단 하나의 슬롯만큼 시프트되는 방식으로 권선된 코일군을 구성하며,

   상기 2n×s개의 티스(1)는 상기 회전자(40)의 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 동일 상의 코일을 구비한 동상간티스 및 상기 회전자의 상기 회전축 방향으로 양쪽에 형성된 두 슬롯에 삽입되는 상이한 상의 코일을 구비한 이상간티스를 포함하고,

   상기 회전전기기계(100)는, 교류전류가 상기 n×s개의 코일(51)에 공급될 때, 상기 동상간티스와 상기 이상간티스 각각에 형성된 자기회로의 자기저항에 차이를 형성하여, 통과하는 자속수가 상기 자기회로에 대해 서로 균형을 이루도록 하기 위한 자기저항조정수단을 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
7. 제6항에 있어서,

   상기 자기저항조정수단은 상기 이상간티스에 형성된 상기 자기회로의 상기 자기저항을 상기 동상간티스에 형성된 상기 자기회로의 상기 자기저항보다 크게 설정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
8. 제7항에 있어서,

   상기 자기저항조정수단은, 상기 이상간티스의 선단부와 상기 회전자(40)의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭을 상기 동상간티스의 선단부와 상기 회전자(40)의 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭보다 크게 설정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
9. 제8항에 있어서,

   상기 자기저항조정수단은, 상기 동상간티스의 상기 선단부와 상기 회전자(40)의 상기 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭과 상기 이상간티스의 상기 선단부와 상기 회전자(40)의 상기 외주면 사이에 형성된 에어갭의 폭을 상기 슬롯의 개구단부에서 연속적으로 설정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
10. 제7항에 있어서,

    상기 자기저항조정수단은, 상기 이상간티스의 자로단면적을 상기 동상간티스의 자로단면적보다 작게 설정하는 것을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
11. 제3항에 있어서,

    상기 이상간티스는 상기 선단부에, 실질적으로는 상기 선단부의 중앙영역에, 반경방향 바깥쪽으로 오목하도록 형성되고, 원주방향으로 단부영역을 배제시키는 아크형 리세스를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.
12. 제8항에 있어서,

    상기 이상간티스는 상기 선단부에, 실질적으로는 상기 선단부의 중앙영역에, 반경방향 바깥쪽으로 오목하도록 형성되고, 원주방향으로 단부영역을 배제시키는 아크형 리세스를 구비하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계.

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