KR101182595B1

KR101182595B1 - 영구자석 매입형 전동기

Info

Publication number: KR101182595B1
Application number: KR1020110023800A
Authority: KR
Inventors: 황규윤; 조한삶; 김덕근
Original assignee: (주) 코모텍
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-09-18

Abstract

본 발명은 코일이 권선되는 티스를 가지는 고정자, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자, 상기 회전자에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 메인자석을 포함하고, 상기 회전자는 상기 메인자석의 적어도 일측에 형성되는 공극영역을 가지는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기를 제공한다.

Description

영구자석 매입형 전동기{Interior permanent magnet motor}

본 발명은 영구자석을 이용한 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자석을 회전자의 안쪽에 매립하는 영구자석 매립형 전동기에 관한 것이다.

일반적으로, 영구자석을 이용한 전동기에는 자석이 회전자의 표면에 부착되는 SPM(Surface Permanent Magnet) 전동기와, 자석이 회전자의 안쪽에 매립되는 IPM(Interior Permanent Magnet) 전동기가 있다. SPM 전동기는 고속 회전에서의 자석의 비산 방지 구조가 복잡한 것에 대하여, IPM 전동기에서는 이러한 일이 없기 때문에, 최근에는 IPM 전동기가 주류가 되고 있다.

이러한 영구자석 매립형(IPM) 전동기에서 돌극비는 영구자석을 지나가는 q축의 인덕턴스(Lq)와 영구자석을 지나지 않는 d축의 인덕턴스(Ld) 비로 표현된다.

한편, 전동기의 토크는 T = 3/2×p/2(Ld-Lq)×1/2×Ia²×sin2φ으로 표현된다. (이때, T는 토크, Ia는 고정자 전류, φ는 위상이다) 따라서, Ld와 Lq의 차이가 클수록 전동기의 토크를 증가시킬 수 있다. 즉, 돌극비를 증대시킬수록 전동기의 토크는 증가된다.

통상 돌극비 향상을 위해 두꺼운 자석을 사용해야 하는 경우가 많은데, 이때, 단위체적당 고출력을 내기 위해 높은 잔류자속밀도를 갖는 네오디윰(Nd) 자석을 사용하게 되면 회전자의 d축과 q축에서의 코어자속손실의 증가와 포화현상이 발생되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 영구자석 매입형 전동기에서 네오디윰 자석의 부피를 줄이면서 전동기의 돌극비를 향상시키는 영구자석 매입형 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 코일이 권선되는 티스를 가지는 고정자, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자, 상기 회전자에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 메인 자석을 포함하고, 상기 회전자는 상기 메인자석의 적어도 일측에 형성되는 공극영역을 가지는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기를 제공한다.

이때, 상기 메인자석은 상기 회전자의 회전궤적의 접선과 평행하게 배치될 수 있다.

더불어, 상기 메인자석은 상기 고정자와 인접하게 배치되며, 상기 공극영역은 상기 메인자석의 후측에 형성될 수 있다.

한편, 상기 공극영역에는 페라이트 재질의 보조자석이 매입되어 설치될 수 있다.

또한, 상기 메인자석은 상기 회전자의 회전궤적의 접선과 수직하게 배치될 수 있다.

상기 회전자의 공극영역은 상기 메인자석의 양측에 형성될 수 있다.

상기 공극영역에는 페라이트 재질의 보조자석이 매입되어 설치될 수 있다.

본 발명은 회전자에 매입되는 메인자석의 일측 또는 양측에 공극영역을 형성하거나 페라이트 자석을 배치함으로써 전동기의 돌극비를 향상시키는 이점이 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이며, 도 2는 제1실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기의 자기회로도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이며, 도 4는 제2실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기의 자기회로도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이며, 도 6은 제4실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직할 실시예를 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기는 코일(미도시)이 권선되는 티스(14)를 가지는 고정자(10)를 포함한다. 또한, 고정자(10)의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자(20)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 회전자(20)에 매입되어 설치되는 네오디윰(Nd) 재질의 메인자석(30)을 포함할 수 있다.

고정자(10)는 환형의 프레임(12)과 상기 프레임(12)에 연결된 복수 개의 티스(14)를 포함한다. 상기 티스(14)는 'T'자 형상을 가질 수 있으며, 상기 티스(14)는 상기 프레임(12)의 내측 방향을 향해 배치될 수 있다. 상기 티스(14)에는 전원이 인가되면 전기장을 발생시키는 코일이 권선된다. 상기 복수 개의 티스(14)는 일정간격으로 이격되어 배치될 수 있다. 상기 프레임(12)과 티스(14)는 일체로 형성될 수 있다.

회전자(20)는 상기 고정자(10)의 내측에 회전가능하게 구비된다. 회전자(20)는 원형의 형상을 가지며, 중심에는 회전축(22)이 구비된다. 따라서, 회전자(20)는 상기 회전축(22)을 중심으로 회전할 수 있다. 회전자(20)와 상기 티스(14)의 내측 단부 사이에는 소정간격의 에어갭(air gap)(60)이 형성된다.

한편, 상기 회전자(20)에는 네오디윰 재질의 메인자석(30)이 매입되어 설치된다.

상기 회전자(20)에는 상기 메인자석(30)이 매입되는 매입홈(50)이 형성되어 있으며, 상기 메인자석(30)은 상기 매입홈(50)에 매입된다.

본 발명의 제1실시예에 따를 경우 상기 메인자석(30)은 상기 회전자(20)의 회전궤적의 접선과 평행한 방향으로 배치된다. 즉, 상기 메인자석(30)은 회전축(22)을 중심으로 한 방사선과 수직하게 배치된다.

한편, 상기 메인자석(30)은 고정자(10)와 인접하게 배치되며, 상기 메인자석(30)의 후측에는 공극영역(42)이 형성된다. 상기 공극영역(42)은 빈 공간이며, 공기층을 이룬다. 상기 회전자(20)에 형성되는 매입홈(50)의 전방에는 메인자석(30)이 매입되어 설치되며 매입홈(50)의 후방에는 공극영역(42)이 형성된다. 여기서 전방은 고정자(10)와 인접한 방향을 의미하며, 후방은 회전축(22) 방향을 의미한다.

한편, 도 1에서는 공극영역(42)이 메인자석(30)과 인접하여 메인자석(30)의 후방에 형성되는 것을 도시하였으나, 공극영역(42)은 메인자석(30)과 일정거리 이격되어 형성될 수 있다. 더불어, 공극영역(42)은 메인자석(30)의 양측에 형성될 수도 있다.

도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 경로 P에 해당하는 영구자석 매입형 전동기의 자기회로를 나타낸 도면이다.

여기서 φrem은 자기회로에 흐르는 자력선속, Rg는 에어갭(60)의 자기저항, Rex1은 공극영역(42)의 자기저항, Rm은 메인자석(30)의 내부 자기저항을 의미한다.

한편, 돌극비(ξ)는 메인자석(30)을 지나가는 q축의 인덕턴스(Lq)와 메인자석(30)을 지나지 않는 d축의 인덕턴스(Ld) 비로 표현된다. 이는 다음의 식으로 표현될 수 있다.

(수학식 1)

여기서, p는 회전자(20)에 매입되는 총 자석 수를 2로 나눈 값, g는 에어갭(60)의 두께, μ_r은 메인자석(30)의 투자율, h_m은 메인자석(30)의 높이, D는 회전자(20)의 직경, t_m은 메인자석(30)과 공극영역(42)의 두께의 합을 의미한다.

상기 수학식 1에서 보듯이 돌극비(ξ)는 t_m에 비례한다. 따라서, 메인자석(30)과 공극영역(42)의 두께를 증가시킬수록 돌극비(ξ)는 증가하게 된다. 본 발명에서는 메인자석(30)의 후방에 공극영역(42)을 추가하여, 고가인 네오디윰 재질의 메인자석(30)의 부피를 감소함과 동시에 돌극비(ξ)를 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기의 단면을 나타낸 도면이며, 도 4는 제2실시예에 따른 경로 P에 해당하는 영구자석 매입형 전동기의 자기회로를 나타낸 도면이다.

제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며, 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

제2실시예에서는 제1실시예와 달리 공극영역(42)에 페라이트(Ferrite) 재질의 보조자석(44)을 매입한 구조를 개시한다.

도 4에서 φ_rem은 자기회로에 흐르는 자력선속, kφ_additional은 보조자석(44)에 의한 추가적인 자력선속, R_g는 에어갭(60)의 자기저항, R_ex2은 보조자석(44)의 내부 자기저항, R_m은 메인자석(30)의 내부 자기저항을 의미한다.

제2실시예에서는 메인자석(30)의 후방에 형성된 공극영역(42)에 의해 발생하는 자기손실값을 보상하기 위해 공극영역(42)에 보조자석(44)을 매입하였다. 제2실시예에서는 보조자석(44)을 메인자석(30)의 후방에 배치함으로써 전체 자석의 두께(t_m)을 증가시켜 돌극비(ξ)를 증대시킨다. 더불어, 메인자석(30)의 후방에 공극영역(42)만이 존재하는 경우에 발생할 수 있는 자기손실값을 보조자석(44)을 추가함으로써 보상할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기의 단면을 나타낸 도면이다.

제3실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기는 메인자석(30)이 회전자(20)의 회전궤적과 수직하게 배치된다. 즉, 상기 메인자석(30)은 회전축(22)을 중심으로 한 방사선 방향으로 배치된다.

더불어, 상기 메인자석(30)은 회전자(20)의 회전궤적과 수직하게 배치되며, 상기 메인자석(30)의 양측에는 공극영역(42)이 형성된다.

도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기의 단면을 나타낸 도면이다.

제3실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며, 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.

제4실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기는 제3실시예와 달리 공극영역(42)에 페라이트 재질의 보조자석(44)을 매입한 구조를 개시한다. 따라서, 제3실시예에서의 공극영역(42)에 의한 자기손실값을 공극영역(42)에 보조자석(44)을 매입함을써 보상할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 고정자 12 프레임
14 티스 20 회전자
22 회전축 30 메인자석
42 공극영역 44 보조자석
50 매입홈 60 에어갭

Claims

코일이 권선되는 티스를 가지는 고정자;
상기 고정자의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자; 및
상기 회전자에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 메인자석;을 포함하고,
상기 회전자는 상기 메인자석의 적어도 일측에 형성되는 공극영역을 가지며,
상기 공극영역에는 페라이트 재질의 보조자석이 매입되어 설치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
제1항에 있어서,
상기 메인자석은 상기 회전자의 회전궤적의 접선과 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
제2항에 있어서,
상기 메인자석은 상기 고정자와 인접하게 배치되며, 상기 공극영역은 상기 메인자석의 후측면에 접하여 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
삭제
제1항에 있어서,
상기 메인자석은 상기 회전자의 회전궤적의 접선과 수직하게 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
제5항에 있어서,
상기 회전자의 공극영역은 상기 메인자석의 양측에 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 공극영역에는 페라이트 재질의 보조자석이 매입되어 설치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.