KR101193827B1 - 영구자석 매립형 전동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 코일이 권선되는 티스를 가지는 고정자, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자 및 상기 회전자에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 제1자석 및 제2자석을 포함하고,
상기 제1자석의 최대 잔류자속밀도는 제2자석의 최대 잔류자속밀도 보다 크고, 상기 제2자석의 보자력은 제1자석의 보자력 보다 큰 영구자석 매입형 전동기를 제공한다.

Description

영구자석 매립형 전동기{Interior permanent magnet motor}
본 발명은 영구자석을 이용한 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 자석을 회전자의 안쪽에 매립하는 자석 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 매립되어 있는 영구자석은 최대 감자 구동 시에 부분적으로 불가역 감자현상을 일으킬 수 있다. 또한, 영구자석의 온도가 올라가서 굴곡점 자속밀도가 낮아질 경우, 영구자석은 부분 불감역 감자에 더욱 취약해지는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 전동기의 외부자계에 의해 발생되는 영구자석 전동기의 부분 불가역 감자를 줄이는 영구자석 매립형 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 코일이 권선되는 티스를 가지는 고정자, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자 및 상기 회전자에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 제1자석 및 제2자석을 포함하고, 상기 제1자석 및 제2자석은 다음의 두 조건 중 적어도 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기를 제공한다.
<제1조건>
Br1 < Br2
<제2조건>
Hc1 > Hc2
단, 상기 제1조건의 Br1은 제1자석의 최대 잔류자속밀도를 나타내고, Br2는 제2자석의 최대 잔류자속밀도를 나타내며, 상기 제2조건의 Hc1은 제1자석의 보자력을 나타내고, Hc2는 제2자석의 보자력을 나타낸다.
이때, 상기 제1자석은 상기 고정자와 인접하게 설치되며, 상기 제2자석은 상기 제1자석의 후방에 설치될 수 있다.
더불어, 상기 제2자석은 상기 제1자석의 배면과 접하게 설치될 수 있다.
또는, 상기 제2자석은 상기 제1자석과 일정거리 이격되어 설치될 수 있다.
한편, 상기 제1자석 및 제2자석으로 이루어진 복수 개의 자석유닛을 포함하고,
상기 각 자석유닛의 제1자석 및 제2자석은 'V'자 형태로 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은 코일이 권선되는 티스를 가지는 고정자, 상기 고정자의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자 및 상기 회전자에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 복수 개의 센터자석, 상기 회전자에 매입되어 설치되며 상기 복수 개의 센터자석 중 적어도 하나의 센터자석의 양측에 구비되는 사이드자석을 포함하고, 상기 복수 개의 센터자석은 상기 고정자에 가장 인접하게 배치되는 제1센터자석과 상기 제1센터자석의 후방에 배치되는 제2센터자석을 포함하고, 상기 제1센터자석 및 제2센터자석은 다음의 두 조건 중 적어도 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기를 제공한다.
<제1조건>
Br_c1 < Br_c2
<제2조건>
Hc_c1 > Hc_c2
단, 상기 제1조건의 Br_c1은 제1센터자석의 최대 잔류자속밀도를 나타내고, Br_c2는 제2센터자석의 최대 잔류자속밀도를 나타내며, 상기 제2조건의 Hc_c1은 제1센터자석의 보자력을 나타내고, Hc_c2는 제2센터자석의 보자력을 나타낸다.
이때, 상기 제1센터자석과 사이드 자석은 동일한 등급의 자석일 수 있다.
더불어, 상기 제2센터자석은 상기 제1센터자석과 일정간격 이격되어 배치될 수 있다.
또한, 상기 사이드자석은 상기 제2센터자석의 양측에 구비될 수 있다.
또한, 상기 제2센터자석과 사이드자석은 전체적으로 'U'자형으로 배치될 수 있다.
본 발명은 불가역 감자에 취약한 부분에 보자력이 큰 영구자석을 배치하고, 상대적으로 감자영향이 적게 나타나는 부분에 잔류자속밀도가 큰 영구자석을 배치하여 부분 불가역 감자에 의한 전동기의 성능 저하를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.
도 2는 네오디윰 자석의 등급(Grade)를 최대 잔류자속밀도와 보자력의 크기에 따라 그래프로 나타낸 도면이며, 도 3은 등급에 따른 네오디윰 자석을 5개의 그룹으로 분류하고, 각 그룹별 최대 잔류자속밀도와 보자력의 크기를 나타낸 표이다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직할 실시예를 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명의 실시예를 설명하기 전에 용어를 정의한다.
잔류자속밀도(Br)란 자석 내부의 자계강도가 '0'이 되었을 때의 자속밀도를 의미한다. 보자력(Hc)란 자석 내부의 자속밀도가 '0'이 되었을 때의 감자계의 세기를 의미한다.
영구자석 매립형(IPM) 전동기에서 매립되어 있는 영구자석은 최대 감자 구동 시에 부분적으로 불가역 감자현상을 일으킬 수 있다.
본 발명은 불가역 감자현상이 상대적으로 많이 발생하는 영역에는 보자력이 큰 영구자석을 배치하고, 불가역 감자현상이 상대적으로 적게 발생하는 영역에는 잔류자속밀도가 큰 영구자석을 배치하여 불가역 감자현상을 효과적으로 억제할 수 있다.
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 재질의 제1자석(30) 및 제2자석(40)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)는 상기 티스(14)의 내측 단부와 소정간격 이격되어 배치된다.
한편, 상기 회전자(20)에는 네오디윰 재질의 제1자석(30) 및 제2자석(40)이 매입되어 설치된다.
상기 회전자(20)에는 상기 제1자석(30) 및 제2자석(40)이 매입되는 매입홈(50)이 형성되어 있으며, 상기 제1자석(30) 및 제2자석(40)은 상기 매입홈(50)에 매입된다. 이때, 제1자석(30)과 제2자석(40)은 하나의 자석유닛을 형성한다. 더불어, 상기 자석유닛은 복수 개가 구비될 수 있으며, 복수 개의 자석유닛은 일정간격을 두고 환형으로 배치될 수 있다.
상기 제1자석(30) 및 제2자석(40)은 보자력 및 잔류자속밀도 중 적어도 하나의 크기가 상이한 자석으로 선택된다. 상기 제1자석(30)은 상기 고정자(10)와 인접하게 배치되며 제2자석(40)은 상기 제1자석(30)의 후방에 배치된다.
본 발명의 제1실시예에 따를 경우 상기 제2자석(40)은 제1자석(30)의 배면과 접하게 설치된다.
상기 제1자석(30) 및 제2자석(40)은 다음의 두 조건 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.
<제1조건>
Br1 < Br2
<제2조건>
Hc1 > Hc2
단, 상기 제1조건의 Br1은 제1자석(30)의 최대 잔류자속밀도를 나타내고, Br2는 제2자석(40)의 최대 잔류자속밀도를 나타내며, 상기 제2조건의 Hc1은 제1자석(30)의 보자력을 나타내고, Hc2는 제2자석(40)의 보자력을 나타낸다.
즉, 제2자석(40)의 최대 잔류자속밀도는 제1자석(30)의 최대 잔류자속밀도 보다 크거나, 제1자석(30)의 보자력은 제2자석(40)의 보자력 보다 큰 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 제2자석(40)의 최대 잔류자속밀도는 제1자석(30)의 최대 잔류자속밀도 보다 크고, 제1자석(30)의 보자력은 제2자석(40)의 보자력 보다 크게 설계될 수 있다.
도 2 및 도 3을 참조하여 제1자석(30) 및 제2자석(40)에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 네오디윰 자석의 등급(Grade)를 최대 잔류자속밀도와 보자력의 크기에 따라 그래프로 나타낸 도면이며, 도 3은 등급에 따른 네오디윰 자석을 5개의 그룹으로 분류하고, 각 그룹별 최대 잔류자속밀도와 보자력의 크기를 나타낸 표이다.
도 2의 그래프에서 세로축은 잔류자속밀도를 나타내며, 가로축은 보자력의 크기를 나타낸다.
본 발명에서는 네오디윰 자석을 총 5개의 그룹으로 분류하였다.
제1그룹은 최대 잔류자속밀도가 1.45 내지 1.48 T이며, 보자력은 최대 955 kA/m이다. 제2그룹은 최대 잔류자속밀도가 1.33 내지 1.45 T이며, 보자력은 955 내지 1990 kA/m이다. 제3그룹은 최대 잔류자속밀도가 1.17 내지 1.29 T이며, 보자력은 955 내지 1990 kA/m이다. 제4그룹은 최대 잔류자속밀도가 1.14 내지 1.26 T이며, 보자력은 최대 2338 kA/m이다. 제5그룹은 최대 잔류자속밀도가 1.08 내지 1.12 T이며, 보자력은 최대 2706 kA/m이다.
한편, 제1그룹에 해당하는 네오디윰 자석은 N52 및 N50을 포함한다. 제2그룹에 해당하는 네오디윰 자석은 N48, N45, N42, N50M, N48M, N45M, N42M, N48H, N45H, N42H, N45SH, N42SH 및 N42UH을 포함한다. 제3그룹에 해당하는 네오디윰 자석은 N40, N38, N35, N40M, N38H, N35M, N40H, N38H, N35H, N40SH, N38SH, N35SH, N33SH, N40UH, N38UH, N35UH 및 N33UH를 포함한다. 제4그룹에 해당하는 네오디윰 자석은 N38EH, N35EH, N33EH, N30EH를 포함한다. 제5그룹에 해당하는 네오디윰 자석은 N30AH, N28AH를 포함한다.
상기 회전자(20)에 매입되는 제1자석(30) 및 제2자석(40)은 상기 제1그룹 내지 제5그룹 중 적어도 2개의 그룹에서 선택될 수 있다. 즉, 제2자석에 비해 보자력이 큰 제1자석(30)을 제5그룹에서 선택하였다면, 제2자석(40)은 제5그룹 보다 보자력이 작은 제1그룹 내지 제4그룹 중 어느 하나에서 선택되는 것이 바람직하다. 이때, 제2자석(40)은 제1자석(30)보다 최대 잔류자속밀도가 더 큰 자석인 것이 바람직하다. 따라서, 제2자석(40)을 상기 제4그룹에서 선택한다면, N30EH 보다 최대 잔류자속밀도가 더 큰 N38EH을 선택하는 것이 바람직하다.
그러나, 제1자석(30) 및 제2자석(40)이 반드시 서로 다른 그룹에서 선택될 필요는 없으며, 하나의 그룹에서 제1자석 및 제2자석이 선택될 수 있다. 그러나, 이 경우에도 제2자석에 비해 회전자와 인접하여 설치되는 제1자석(30)은, 제2자석(40) 보다 보자력이 더 큰 등급의 자석으로 선택되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 그룹 3의 N35SH를 제1자석(30)으로 선택하였다면, 제2자석(40)은 N35SH 보다 최대 잔류자속밀도가 더 큰 N40SH로 선택할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.
제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며, 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
제2실시예에서는 하나의 자석유닛에서 제1자석(30)과 제2자석(40)은 'V'자 형태로 배치된다. 즉, 제2자석(40)은 제1자석(30)의 배면과 접하도록 설치되되, 제1자석(30)과 제2자석(40)은 각각 'V'자 형태로 배치된다. 이때, 'V'자의 양 끝단부는 회전자를 향하도록 배치된다.
도 5는 본 발명의 제3실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.
제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며, 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
제3실시예에서는 제2자석(40)은 제1자석(30)의 후방에 배치되되, 제2자석(40)은 제1자석(30)과 일정거리가 이격된 상태로 배치된다.
도 5에서는 하나의 자석유닛에서 제1자석(30)과 제2자석(40)이 'V'자 형태를 이루어서 배치되는 것을 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것이 아니며 제1자석과 제2자석이 일(ㅡ)자로 배치될 수도 있다.
도 6은 본 발명의 제4실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기를 나타낸 단면도이다.
제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하였으며, 중복되는 구성에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 제4실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기는 코일(미도시)이 권선되는 티스(14)를 가지는 고정자(10)를 포함한다. 또한, 상기 고정자(10)의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자(20)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 회전자(20)에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 복수 개의 센터자석(62)(63)(64)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 회전자에 매입되어 설치되며 상기 복수 개의 센터자석(62)(63)(64) 중 적어도 하나의 센터자석(62)(63)(64)의 양측에 구비되는 사이드 자석(65)(67)을 포함할 수 있다.
더불어, 상기 복수 개의 센터자석(62)(63)(64)은 상기 회전자(20)에 가장 인접하게 배치되는 제1센터자석(63)과 상기 제1센터자석(63)의 후방에 배치되는 제2센터자석(62)(64)을 포함할 수 있다.
이때, 상기 제1센터자석(63)과 제2센터자석(62)(64)은 다음의 두 조건 중 적어도 하나를 만족하는 것이 바람직하다.
<제1조건>
Br_c1 < Br_c2
<제2조건>
Hc_c1 > Hc_c2
단, 상기 제1조건의 Br_c1은 제1센터자석(63)의 최대 잔류자속밀도를 나타내고, Br_c2는 제2센터자석(62)(64)의 최대 잔류자속밀도를 나타내며, 상기 제2조건의 Hc_c1은 제1센터자석(63)의 보자력을 나타내고, Hc_c2는 제2센터자석(62)(64)의 보자력을 나타낸다.
즉, 제2센터자석(62)(64)의 최대 잔류자속밀도는 제1센터자석(63)의 최대 잔류자속밀도 보다 크거나, 제1센터자석(63)의 보자력은 제2센터자석(62)(64)의 보자력 보다 큰 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 제2센터자석(62)(64)의 최대 잔류자속밀도는 제1센터자석(63)의 최대 잔류자속밀도 보다 크고, 제1센터자석(63)의 보자력은 제2센터자석(62)(64)의 보자력 보다 크게 설계될 수 있다.
본 발명의 제4실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기는 복수 개의 센터자석(62)(63)(64)이 회전자(20)에 매입되어 설치된다. 복수 개의 센터자석(62)(63)(64)은 고정자에 가장 인접하게 배치되는 제1센터자석(63)과 제1센터자석(63)의 후방에 배치되는 제2센터자석(62)(64)을 포함한다. 제2센터자석(62)(64)은 적어도 하나 이상일 수 있으며, 본 실시예에서는 제2센터자석(62)(64)은 2개가 구비된다. 제1센터자석(63)의 후방으로 제2센터자석(62)(64)이 일정거리 이격되어 배치되며, 복수 개의 제2센터자석(62)(64) 또한 일정거리 이격되어 배치된다.
한편, 센터자석의 양측에는 사이드 자석(65)(67)이 구비된다. 바람직하게는 제2센터자석(62)(64)의 양측으로 사이드 자석(65)(67)이 구비된다. 따라서, 제2센터자석(62)(64)과 사이드 자석(65)(67)은 전체적으로 'U'자형으로 배치된다. 더불어, 각 사이드 자석(65)(67)의 양단은 고정자 방향을 향하도록 배치된다.
이때, 상기 사이드 자석(65)(67)은 제1센터자석(63)과 동일한 등급의 영구자석인 것이 바람직하다. 즉, 제2센터자석(62)(64)의 최대 잔류자속밀도는 사이드 자석(65)(67)의 최대 잔류자속밀도보다 크거나, 사이드 자석(65)(67)의 보자력은 제2센터자석(62)(64)의 보자력보다 큰 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는 제2센터자석(62)(64)의 최대 잔류자속밀도는 사이드 자석(65)(67)의 최대 잔류자속밀도보다 크고, 사이드 자석(65)(67)의 보자력은 제2센터자석(62)(64)의 보자력 보다 크게 설계될 수 있다.
한편, 제1센터자석(63)과 사이드 자석(65)(67), 제2센터자석(62)(64)을 선택하는 방법은 제1실시예와 동일한다.
즉, 제1센터자석(63)과 사이드 자석(65)(67)은 제1실시예의 제1자석(30)에 대응되며, 제2센터자석(62)(64)은 제1실시예의 제2자석(40)과 대응된다.
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 제1자석
40 제2자석 50 매입홈
63 제1센터자석 62, 64 제2센터자석
65, 67 사이드 자석

Claims (10)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 코일이 권선되는 티스를 가지는 고정자;
    상기 고정자의 내측에 회전가능하게 구비되는 회전자; 및
    상기 회전자에 매입되어 설치되는 네오디윰 재질의 복수 개의 센터자석;
    상기 회전자에 매입되어 설치되며 상기 복수 개의 센터자석 중 적어도 하나의 센터자석의 양측에 구비되는 사이드자석;을 포함하고,
    상기 복수 개의 센터자석은 상기 고정자에 가장 인접하게 배치되는 제1센터자석과 상기 제1센터자석의 후방에 배치되는 제2센터자석을 포함하고,
    상기 제1센터자석 및 제2센터자석은 다음의 두 조건 중 적어도 하나를 만족하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
    <제1조건>
    Br_c1 < Br_c2
    <제2조건>
    Hc_c1 > Hc_c2
    단, 상기 제1조건의 Br_c1은 제1센터자석의 최대 잔류자속밀도를 나타내고, Br_c2는 제2센터자석의 최대 잔류자속밀도를 나타내며, 상기 제2조건의 Hc_c1은 제1센터자석의 보자력을 나타내고, Hc_c2는 제2센터자석의 보자력을 나타낸다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1센터자석과 사이드 자석은 동일한 등급의 자석인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2센터자석은 상기 제1센터자석과 일정간격 이격되어 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 사이드자석은 상기 제2센터자석의 양측에 구비되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2센터자석과 사이드자석은 전체적으로 'U'자형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
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