KR101089753B1 - 중공 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내측에 중공의 스테이터가 배치되고 외측에 아우터 로터가 배치되는 모터에 관련된 것으로서 특히 마그네틱을 감싸는 코어를 요홈되게 형성하는 한편 상기 마그네틱 양측에는 빈 공간인 공간부를 형성하여 상기 마그네틱과 스테이터간의 자속 밀도를 향상시켜 모터의 토크를 향상시킬 수 있는 중공 모터에 관한 것이다.
중공 모터, 공간부, 자속 밀도

Description

중공 모터{Hollow motor}
본 발명은 내측에 중공의 스테이터가 배치되고 외측에 아우터 로터가 배치되는 모터에 관련된 것으로서 특히 마그네틱을 감싸는 코어를 요홈되게 형성하는 한편 상기 마그네틱 양측에는 빈 공간인 공간부를 형성하여 상기 마그네틱과 스테이터간의 자속 밀도를 향상시켜 모터의 토크를 향상시킬 수 있는 중공 모터에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 구비한다.
특히 모터의 외측면이 회전하는 아우터 로터 방식의 모터는 내측에 스테이터가 배치되고 외측에 로터가 배치되며, 중공 모터는 상기 스테이터를 중공 형상으로 하여 그 내부에 축이 설치된다.
이와 같은 구성에 의해 모터가 장착되고, 상기 축을 중심으로 모터 외측면이 회전한다.
이와 같은 중공 모터의 개념을 도시한 도 1을 참조하여 상세히 설명한다.
도시된 바와 같이 상기 중공 모터(1)는 내부에 스테이터(3)가 배치되고 그 주위로 아우터 로터(2)가 배치된다.
상기 아우터 로터(2)는 널리 알려진 바와 같이 링 형상의 프레임(2a)와 상기 프레임(2a)에 장치되는 마그네틱(2b)을 포함하며, 상기 마그네틱(2b)는 코어(2c)가 둘러싸고 있게 된다.
이때, 상기 아우터 로터(2)의 프레임(2a)과 코어(2c)는 동일 재질을 사용하며 일체로 형성됨이 일반적이며 다만 상기 아우터 로터(2)를 설명하기 위해 개념적으로 분리한 것이다.
상기 마그네틱(2b)은 일반적으로 사각형 단면 형상이며, 상기 코어(2c)는 중공의 원형 단면을 구비한다.
그런데 이러한 종래의 중공 모터(1)의 경우 도2에 나타난 바와 같이 자속의 손실이 발생한다.
상기 도 2는 종래의 코어(2c) 및 마그네틱(2b)의 일 부분과 스테이터(3) 일부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이 상기 마그네틱(2b)과 스테이터(3) 사이에 자속이 형상되는데 이때 상기 마그네틱(2b)과 스테이터(3)사이에 형성되는 자속(F2)에 의해 모터가 구동된다.
그런데 이러한 종래의 모터 경우 상기 마그네틱(2b)의 양 측면으로 형성되는 자속(F1)은 상기 모터의 구동에 아무런 역할을 하지 않아 결국 모터 출력의 손실을 야기한다.
다시 말해 상기 마그네틱(2b)과 스테이터(3)사이에 자속밀도가 높을수록 모터의 출력이 높게 되는데 상술한 바와 같은 종래의 모터 구조의 경우 자속의 손실 이 있어 모터의 출력이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 상기 마그네틱과 스테이터사이의 자속 손실을 방지하여 모터의 출력을 향상시킬 수 있는 구조를 제공함에 목적이 있다
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내부에 배치되는 스테이터와 상기 스테이터 외측에 배치되어 회전하는 아우터 로터를 포함하는 모터로서, 상기 아우터 로터는 링 형상의 프레임과, 상기 프레임의 내측에 배치되어 상기 스테이터와 대향하는 것으로서 상기 아우터 로터의 원주방향의 직선 형상인 한 쌍의 수평변과 상기 수평변와 직교하는 한 쌍의 수직변을 포함하는 사각형 단면 형상을 구비하는 마그네틱과, 상기 마그네틱을 감싸는 것으로서 상기 마그네틱 양측에 중공의 공간부를 구비하는 코어를 포함하는 중공 모터에 일 특징이 있다.
이때, 상기 코어는 상기 다수개의 마그네틱 사이에 형성되는 것으로서 상기 프레임 방향으로 만곡되어 요홈되는 만곡 요홈부와, 상기 만곡 요홈부사이에 형성되는 것으로서 상기 스테이터 중심방향으로 만곡되어 돌출되는 만곡 돌출부를 포함할 수 있다.
이때, 상기 마그네틱의 수평변 길이(M1)와 수직변 길이(M2)의 비는 3<M1/M2<8인 것이 바람직하다.
또한, 공간부 수평변과 공간부 경사변이 만나는 모서리의 곡률(ε)과 상기 공간부 경사변의 길이(δ)는 1< δ/ ε<5인 것이 바람직하다.
또한, 상기 마그네틱의 수직변의 길이(M2)와 상기 공간부 경사변의 길이(δ)는 1< M2/δ<5인 것이 바람직하다.
또한, 상기 마그네틱 중 상기 프레임 방향의 수평변의 길이와 상기 수평변양측 단부에서 연장되는 한 쌍의 공간부 수평변의 길이를 더한 길이(β)와 코어 중 상기 마그네틱 사이에 형성되는 것으로서 상기 프레임 방향으로 만곡되어 요홈되는 만곡 요홈부의 깊이(L)은 1 < β / L < 15인 것이 바람직하다.
또한, 상기 프레임의 곡률(R1)과 상기 만곡 돌출부의 곡률(R3)은 0.8 < R1/R3 < 1인 것이 바람직하다.
또한, 상기 만곡 요홈부 중 상기 프레임에 제일 근접한 지점의 곡률(R2)과 상기 프레임의 곡률(R1)은 0.85 < R1/R2 < 0.95인 것이 바람직하다.
또한, 상기 만곡 요홈부 중 상기 프레임에 제일 근접한 지점의 곡률(R2)과 상기 만곡 돌출부의 곡률(R3)은 0.9 < R2/R3 < 1인 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같은 본 발명의 중공 모터에 의해 마그네틱과 스테이터사이의 자속 손실을 방지하여 모터의 출력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이하에서는 첨부된 도면과 실시예를 참고하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 모터 구조의 개념을 도시한 개념도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 코어 및 스테이터 일부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
실시예
본 발명은 종래의 중공 모터에서 코어의 형상을 변경하여 자속의 손실을 방지하는 것이다.
즉, 본 발명의 중공 모터(10)는 내부에 배치되는 스테이터(100)와 상기 스테이터(100) 외측에 배치되어 회전하는 아우터 로터(200)를 포함하되, 상기 아우터 로터(200)는 링 형상의 프레임(210)과, 상기 프레임(210)의 내측에 배치되는 마그네틱(220)과 상기 마그네틱(220)을 감싸는 코어(230)를 구비하는 점은 같다.
상기 마그네틱(220)은 상기 아우터 로터(200)의 원주방향의 직선 형상인 한 쌍의 수평변(221a,221b)과 상기 수평변(221a,221b)와 직교하는 한 쌍의 수직변(221c,221d)을 포함하는 사각형 단면 형상을 구비한다.
이때, 본 발명의 코어(230)는 상기 마그네틱(220)을 감싸는 것으로서 상기 마그네틱(220) 양측에 중공의 공간부(240)를 구비하는 점이 상이하다.
이와 같은 공간부(240)는 내부가 빈 공간으로 형성되는데, 이러한 공간부(240)에 의해 자속의 손실이 방지된다.
도 4에 나타난 바와 같이 상기 공간부(240)측으로는 자속이 통과하지 못한다.
따라서 상기 스테이터(100)측으로 자속이 집중되어 자속 밀도가 향상되며 이 는 모터(10)의 출력 향상으로 이어지게 된다.
한편 상기 공간부(240)는 도 4에 나타난 바와 같이 상기 마그네틱(220)의 양측(도면상 좌우측)에 배치되는 것이 바람직하다.
한편 상기 마그네틱(220)은 상기 아우터 로터(200)의 원주방향(방향I)의 직선 형상인 한 쌍의 수평변(221a,221b)과 상기 수평변(221a,221b)와 직교(방향II)하는 한 쌍의 수직변(221c,221d)을 포함하는 사각형 단면 형상을 구비할 수 있다.
한편 상기 코어(230)는 만곡 요홈부(231)와 만곡 돌출부(232)를 포함할 수 있다.
상기 만곡 요홈부(231)는 상기 다수개의 마그네틱(220) 사이에 형성되는 것으로서 상기 프레임(210) 방향(방향II)으로 만곡되어 요홈된다.
또한 상기 만곡 돌출부(232)는 상기 만곡 요홈부(231)사이에 형성되는 것으로서 상기 스테이터 중심방향(방향III)으로 만곡되어 돌출된다.
이러한 코어(230)의 형상에 의해 상기 스테이터(100)측으로 향하는 자속(F)의 밀도를 향상시켜 모터(10)의 출력을 향상시킬 수 있게 된다.
한편 도 5에 나타난 바와 같이 상기 마그네틱(220)의 수평변(221a,221b) 길이(M1)와 수직변(221c,221d) 길이(M2)의 비는 다음의 수학식1을 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식1]
3<M1/M2<8
이는 마그네틱(220)의 수평변 길이(M1)가 수직변 길이(M2)보다 길수록 상기 스테이터(100)측으로 향하는 자속밀도가 향상되기 때문이다.
그러나, 상기 수평변 길이(M1)가 수직변 길이(M2)보다 지나치게 긴 경우 즉 M1/M2의 비가 8보다 큰 경우 마그네틱(220) 자체가 지나치게 얇아지게 되어 발생되는 자속자체가 적어지기 때문에 바람직하지 않다.
한편, 상기 공간부(240)는 상기 마그네틱(220) 양측에 배치되되 삼각형 형상을 구비할 수 있다.
즉, 상기 공간부(240)는 공간부 수직변(241)과 공간수 수평변(242) 및 공간부 경사변(243)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 공간부 수직변(241)은 상기 마그네틱(220)의 수직변(221c,221d)과 접하는 직선 형상을 구비한다.
상기 공간부 수평변(242)는 상기 마그네틱(220)의 수평변(221a,221b)중 상기 프레임(210) 방향(방향II)의 수평변(221b)의 양측단부에서 직선형상으로 연장된다.
한편 상기 공간부 경사변(243)은 상기 공간부 수직변(241)과 공간부 수평변(242)을 연결하는 직선 형상을 구비한다.
이때, 공간부 수평변(242)과 공간부 경사변(243)이 만나는 모서리(240a)의 곡률(ε)과 상기 공간부 경사변(243)의 길이(δ)의 비는 다음의 수학식2를 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식2]
1 < δ/ ε< 5
이는 상기 모서리(240a)의 곡률(ε)과 상기 공간부 경사변(243)의 길이(δ)의 비가 상기 수학식2의 범위에 속할 때 자속 밀도가 최대로 향상되기 때문이다.
이때, 상기 공간부 경사변(243)의 길이(δ)는 엄밀하게는 상기 공간부 수직변(241c)과 공간부 경사변(243)이 만나는 지점(240b)로부터 상기 곡률(ε)이 시작되는 지점까지의 직선 거리이다.
한편, 상기 마그네틱(220)의 수직변(221c,221d)의 길이(M2)와 상기 공간부 경사변(243) 의 길이(δ)의 비는 다음의 수학식3을 만족하는 것이 자속 밀도 향상에 유리하다.
[수학식3]
1< M2/δ<5
한편 상기 공간부 수직변(241)과 공간부 경사변(243)이 이루는 각도(θ1)(즉, 모서리 240b의 각도)의 비는 다음의 수학식4를 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식4]
0도 < θ1 < 90도
또한, 상기 마그네틱(220) 중 상기 프레임(210) 방향의 수평변(221b)의 길이와 상기 수평변(221b)양측 단부에서 연장되는 한 쌍의 공간부 수평변(242)의 길이를 더한 길이(β)와 코어(230) 중 상기 마그네틱(220) 사이에 형성되는 것으로서 상기 프레임(210) 방향으로 만곡되어 요홈되는 만곡 요홈부(231)의 깊이(L)의 비는 다음의 수학식5를 만족하는 것이 바람직하다.
엄밀하게는 상기 길이(β)를 구하기 위한 공간부 수평부(242)의 길이는 지점(240b)로부터 상기 모서리의 곡률(ε)이 시작되는 지점까지의 직선 거리이다.
[수학식5]
1 < β / L < 15
다만, 상기 만곡 요홈부(231)의 깊이(L)은 상기 마그네틱(220)을 감싸는 다수개의 만곡 돌출부(232)에 내접하는 원과 상기 만곡 요홈부(231) 중 상기 프레임(210)에 제일 근접한 지점과의 법선 방향의 직선 거리이다.
한편 상기 프레임(210)의 곡률(R1)과 상기 만곡 돌출부(232)의 곡률(R3)의 비는 다음의 수학식6을 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식6]
0.8 < R1/R3 < 1
또한, 상기 만곡 요홈부(231) 중 상기 프레임(210)에 제일 근접한 지점의 곡률(R2)과 상기 프레임(210)의 곡률(R1)의 비는 다음 수학식7을 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식7]
0.85 < R1/R2 < 0.95
또한, 상기 만곡 요홈부(231) 중 상기 프레임(210)에 제일 근접한 지점(231a)의 곡률(R2)과 상기 만곡 돌출부(232)의 곡률(R3)의 비는 다음의 수학식8을 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식8]
0.9 < R2/R3 < 1
또한, 상기 마그네틱(220) 중 스테이터(100) 방향의 수평변(221a)와 상기 마그네틱(221)을 감싸는 코어(230)와의 최대 이격 거리(α)와 상기 만곡 요홈부(231)의 깊이(L)은 다음의 수학식9를 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식9]
0 < L/ α < 8
이상 설명한 본 발명과 종래의 모터의 성능을 다음의 표1을 참조하여 설명한다.
[표1]
비교 항목 종래의 모터 본 발명의 모터
정격 출력(W) 73.37 101.8
정격 토크(Nm) 0.701 0.948
효율(%) 85.10 87.90
코깅 토크(Nm) 0.121 0.0515
상기 종래의 모터는 도 2에 나타난 바와 같은 구조를 가지고 있으며 상기 마그네틱등의 기본 구조와 치수는 본 발명의 모터와 동일하다.
다만 상기 표1은 입력 전원을 48V/2A를 사용하였으며, 회전 속도는 1,000rpm으로 하였다.
또한 종래 모터의 스테이터(3)와 본 발명의 스테이터(100)의 직경은 84mm로 동일하다.
또한 상기 종래 모터의 아우터 로터(2)와 본 발명의 모터의 아우터 로터(200)의 경우 직경 100mm로서 동일하다.
한편 본 발명은 상기 수학식에서 나타난 바와 같이 형상에 대한 조건이 있으나 상기 [표1]에 나타난 본 발명의 성능 지료는 상기 각 조건에 따라 실험한 결과 평균값이다.
상기 [표1]에 나타난 바와 같이 본 발명에 의한 경우 정격 출력이나 정격 토크가 대략 20% 내지 30%의 향상을 확인할 수 있다.
이는 상술한 바와 같이 본 발명의 중공 모터의 경우 마그네틱과 스테이터사이의 자속 손실을 방지할 수 있어 상술한 바와 같은 모터의 정격 출력이나 정격 토크를 향상시킬 수 있다.
또한 상기 [표1]에 나탄난 바와 같이 본 발명의 모터의 효율이 종래 모터의 효율보다 대략 4% 내지 5% 정도 향상된 것을 확인할 수 있다.
모터의 효율이라고 하는 것은 널리 알려진 바와 같이 모터에 의한 소모된 에너지와 모터에 의해 올려진 질량의 위치에너지의 비로 정의된다.
본 발명의 모터의 경우 상술한 바와 같이 자속의 손실을 방지할 수 있어 출력이 향상되므로 이에 의해 효율 또한 향상됨을 확인할 수 있다.
또한 상기 [표1]에 나타난 바와 같이 본 발명의 코깅 토크가 종래 모터의 코깅 토크보다 대략 40%내외의 저감 효과를 확인할 수 있다.
상기 코깅 토크라고 하는 것은 널리 알려진 바와 같이 모터를 외부에서 1~4 rpm으로 돌리면서 이 동안 느껴지는 토크의 변화량 중 가장 클때와 가장 작을때의 차이를 코깅토크로 정의된다.
이와 같은 코깅 토크가 크면 모터를 제어하기가 어려워 상기 코깅 토크를 줄이는 것이 중요하다.
본 발명의 모터의 경우 상술한 바와 같이 자속의 손실을 방지하는 효과에 의해 상술한 바와 같은 코깅 토크를 저감할 수 있게 된다.
도 1은 중공 모터의 개념을 도시한 개념도이다.
도 2는 종래의 코어(2c) 및 마그네틱(2b)의 일 부분과 스테이터(3) 일부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 모터 구조의 개념을 도시한 개념도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 코어 및 스테이터 일부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 스테이터 200 : 아우터 로터
210 : 프레임 220 : 마그네틱
230 : 코어 231 : 만곡 요홈부
232 : 만곡 돌출부 240 : 공간부

Claims (11)

  1. 내부에 배치되는 스테이터(100)와 상기 스테이터(100) 외측에 배치되어 회전하는 아우터 로터(200)를 포함하는 모터(10)로서,
    상기 아우터 로터(200)는 링 형상의 프레임(210)과,
    상기 프레임(210)의 내측에 배치되어 상기 스테이터(100)와 대향하는 것으로서 상기 아우터 로터(200)의 원주방향의 직선 형상인 한 쌍의 수평변(221a,221b)과 상기 수평변(221a,221b)와 직교하는 한 쌍의 수직변(221c,221d)을 포함하는 사각형 단면 형상을 구비하는 마그네틱(220)과,
    상기 마그네틱(220)을 감싸는 것으로서 상기 마그네틱(220) 양측에 중공의 공간부(240)를 구비하는 코어(230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어(230)는 상기 다수개의 마그네틱(220) 사이에 형성되는 것으로서 상기 프레임(210) 방향으로 만곡되어 요홈되는 만곡 요홈부(231)와,
    상기 만곡 요홈부(231)사이에 형성되는 것으로서 상기 스테이터 중심방향으로 만곡되어 돌출되는 만곡 돌출부(232)를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 마그네틱(220)의 수평변(221a,221b) 길이(M1)와 수직변(221c,221d) 길이(M2)의 비는 다음의 수학식1을 만족하는 것을 특징으로 하는 중공모터
    [수학식1]
    3<M1/M2<8
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공간부(240)는 상기 마그네틱(220)의 수직변(221c,221d)과 접하는 직선 형상의 공간부 수직변(241)과, 상기 마그네틱(220)의 수평변(221a,221b)중 상기 프레임(210) 방향의 수평변(221b)의 양측단부에서 직선형상으로 연장되는 공간부 수평변(242)과,
    상기 공간부 수직변(241)과 공간부 수평변(242)을 연결하는 공간부 경사변(243)을 포함하되,
    상기 공간부 수평변(242)과 공간부 경사변(243)이 만나는 모서리의 곡률(ε)과 상기 공간부 경사변(243)의 길이(δ)의 비는 다음의 수학식2를 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 모터
    [수학식2]
    1< δ/ ε<5
  5. 제4항에 있어서,
    상기 마그네틱(220)의 수직변(221c,221d)의 길이(M2)와 상기 공간부 경사 변(243) 의 길이(δ)의 비는 다음의 수학식3을 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
    [수학식3]
    1< M2/δ<5
  6. 제4항에 있어서,
    상기 공간부 수직변(241)과 공간부 경사변(243)이 이루는 각도(θ1)의 비는 다음의 수학식4를 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
    [수학식4]
    0도 < θ1 < 90도
  7. 제4항에 있어서,
    상기 마그네틱(220) 중 상기 프레임(210) 방향의 수평변(221b)의 길이와 상기 수평변(221b)양측 단부에서 연장되는 한 쌍의 공간부 수평변(242)의 길이를 더한 길이(β)와
    코어(230) 중 상기 마그네틱(220) 사이에 형성되는 것으로서 상기 프레임(210) 방향으로 만곡되어 요홈되는 만곡 요홈부(231)의 깊이(L)의 비는 다음의 수학식5를 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
    [수학식5]
    1 < β / L < 15
    단 상기 만곡 요홈부(231)의 깊이(L)은 상기 마그네틱(220)을 감싸는 다수개의 만곡 돌출부(232)에 내접하는 원과 상기 만곡 요홈부(231) 중 상기 프레임(210)에 제일 근접한 지점과의 직선 거리임.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 프레임(210)의 곡률(R1)과 상기 만곡 돌출부(232)의 곡률(R3)의 비는 다음의 수학식6을 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
    [수학식6]
    0.8 < R1/R3 < 1
  9. 제2항에 있어서,
    상기 만곡 요홈부(231) 중 상기 프레임(210)에 제일 근접한 지점의 곡률(R2)과 상기 프레임(210)의 곡률(R1)의 비는 다음 수학식7을 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
    [수학식7]
    0.85 < R1/R2 < 0.95
  10. 제2항에 있어서,
    상기 만곡 요홈부(231) 중 상기 프레임(210)에 제일 근접한 지점의 곡률(R2)과 상기 만곡 돌출부(232)의 곡률(R3)의 비는 다음의 수학식8을 만족하는 것을 특 징으로 하는 중공 모터.
    [수학식8]
    0.9 < R2/R3 < 1
  11. 제2항에 있어서,
    상기 마그네틱(220) 중 스테이터(100) 방향의 수평변(221a)와 상기 마그네틱(220)을 감싸는 코어(230)와의 최대 이격 거리(α)와 상기 만곡 요홈부(231)의 깊이(L)은 다음의 수학식9를 만족하는 것을 특징으로 하는 중공 모터.
    [수학식9]
    0 < L/ α < 8
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