KR101262383B1 - 영구 자석 단상 동기식 전기 모터 - Google Patents

영구 자석 단상 동기식 전기 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세척 기기, 특히 세척 펌프(1)용 영구 자석 단상 동기식 전기 모터(7)에 관한 것으로서, 고정자(4)의 구조가 개선되어 있고 영구 자석 축 로터(2)를 중앙에 포함하고 있으며, 상기 고정자(4)에는 라미네이션 팩 코어(5) 및 로터(2)를 감싸는 단부들(10, 11)을 갖는 한 쌍의 자극 단편들이 구비되어 있으며, 이것은 동일한 축 방향 길이를 가지며 각각의 에어코어에 의해 이격되어 있으며, 상기 라미네이션 팩 코어(5)가 상기 코어 자극의 단부들(10,11)과 비교하여 짧은 축 방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하며, 바람직하게는 고정자(4)의 자극 단편은 자석 분말을 몰딩함에 의해 형성된다.
모터, 펌프, 동기식, 시동, 영구 자석, 로터, 고정자, 자극

Description

영구 자석 단상 동기식 전기 모터{Permanent-Magnets Mono-Phase Synchronous Electric Motor}
도 1은 본 발명에 따른 동기식 전기 모터를 구비한 배출 펌프의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 배출 펌프의 길이 방향 단면을 보여주는 개략적인 단면도이다.
도 3은 도 1의 펌프의 구성 부품을 분해하여 예시한 분해 사시도이다.
도 4a는 본 발명에 따른 전기 모터의 부품을 분해하여 개략적으로 예시한 분해 사시도이며, 도 4b는 본 발명에 따른 전기 모터를 조립하여 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 5a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 모터의 부품을 분해하여 개략적으로 예시한 분해 사시도이며, 도 5b는 도 5a의 전기 모터를 조립하여 개략적으로 예시한 사시도이다.
도 6a는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 전기 모터의 부품을 분해하여 개략적으로 예시한 분해 사시도이며, 도 6b는 도 6a의 전기 모터를 조립하여 개략적으로 예시한 사시도이다.
본 발명은 특히 세척 기기 및 이와 유사한 가정용 전자 제품의 배출(discharge) 펌프에서 사용되는, 개선된 고정자(stator) 구조를 가진 영구 자석 단상 동기식 전기 모터에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 중앙 영구 자석 로터와, 라미네이션 팩 코어(lamination pack core)가 구비된 고정자와, 상기 로터를 둘러싸는 자극 단편(pole pieces)의 쌍을 포함하며, 이들 구성요소가 동일한 축방향 길이를 가지는 상기한 영구 자석 단상 동기식 전기 모터에 관한 것이다.
세척 기기, 예컨대 세탁기, 식기 세척기 및 유사한 가정용 가전기기와 같은 가전용품용 배출 펌프를, 가능한 한 최상의 수력학적(hydraulic) 효율을 갖도록 하기 위해, 펌프에 유효한 수력학적 조건, 예컨대 유체의 유량 또는 압력과 같은 수력학적 조건과, 각각의 펌프에 사용되는 모터에 의해 흡수된 전력 사이의 비가 최상이 되도록 구현하는 것이 필요하다고 알려져 있다.
영구 자석 동기식 모터, 특히 소리굽쇠(diapason) 또는 포크(fork)형 고정자 구조를 가지며 영구 자석 로터를 가지는 단상 모터는, 모터가 정지 상태에서, 그 진동수가 전기 공급 네트워크의 진동수와 같은 위상에 있는 상태로 변화되어 작동될 때, 시동 단계에서 심각한 문제를 갖는다고 알려져 있다.
예를 들어, 전기 공급 네트워크가 50Hz 또는 60Hz의 진동수를 갖는다면, 로터는, 네트워크 파장 주기의 절반과 동일한 시간의 주기에서 동기 속도에 도달될 것이다. 그러나, 특히 모터가 상당한 관성 모멘트를 갖는 경우, 이와 같은 것이 이루어지기 극히 어렵게 되며, 로터에 대한 부하의 토크와 대비를 이루어야만 한다.
이러한 단점을 극복하기 위해서, 전기적 그리고 기계적 특성을 이용한 다양한 해결책이 제시되고 있다.
예를 들어, 본 출원인의 유럽 특허 EP-0574823호에 따르면, 동기식 전기 모터에는, 위상 쉬프트가 적절하게 이루어지게 전류 및 전압 벡터가 고정자 권선에 인가되어 모터가 점진적으로 시동되도록 하는 전기 시동 장치가 장착되어 있다.
또한, 이를 위하여, 정보를 전기 모니터링 장치로 전송하는 위치 센서에 의하여 로터의 위치를 검출하는데, 상기 전기 모니터링 장치는 각각의 처한 순간에 전기 전원의 극성에 따라 파워 스위치를 통하여 전력을 고정자 권선에 인가할지 하지 않을지를 결정하여, 시동 단계에서 가장 적절한 자기 플럭스(flux)를 생성한다. 상기 플럭스는 로터에 의해 생성된 자기 플럭스와 상호 작용하며, 전기 공급원에 따른 동기 속도에 이르러 유지될 때까지 특정 회전 방향으로 로터를 가속할 수 있는 토크를 생성한다.
그럼에도 불구하고, 단상 모터에 적용되는 이러한 전기 시동 장치는 모터를 생산하고 응용하는데 있어서 매우 많은 비용이 소요된다.
이러한 비용적인 면은 에너지 효율을 최적화해야 하는 필요성을 충족시키지 못하고, 경제적인 기기로 분류되는 카테고리에 속해야 하는 가정용 용도의 상기한 타입의 세척 기기에서 사용되는 펌프를 사용하는데 있어서도 실질적으로 장애가 되는 문제를 극복하지 못하고 있다.
이들 장치에서는, 순전한 기계식 타입의 시동 장치가 구비된 단상 동기식 모터를 사용하는 것이 바람직하다. 이들 모터는 일반적으로 조작시 효율이 낮으며 소음이 크다. 이들 타입의 모터의 로터는 영구 자석으로 구현되며, 고정자는 단지 2개의 고정자 극 조각과 후속하는 권선을 가진 라미네이션 팩 코어(lamination pack core)를 포함하고 있다.
이러한 고정자 구조는 구현이 간단하며, 비교적 비용이 낮다는 장점을 갖는다. 그럼에도 불구하고, 단상 동기식 펌프를 이러한 고정자 구조로 구현하는 것은 상당한 비용이 소요되므로, 그 생산 비용을 줄일 필요가 있다.
본 발명은 이러한 기술적 문제를 기초로 하여 개발된 것으로서, 특히 세척 기기의 배출 펌프에서, 종래 기술에서 제안된 해결책보다 생산 비용을 상당히 낮출 수 있도록, 구조가 특히 단순하며 시동이 용이한 것을 특징으로 하는 구조적 및 기능적 특징을 갖는 영구 자석 동기식 전기 모터를 제안한다.
본 발명이 기초로 하는 해결안은, 자극의 대응 단부의 축 단부보다 더 짧은 축 방향 길이를 가진 라미네이션 팩에 의한 고정자 그룹 코어 어셈블리를 제공하는 것이다.
바람직하게는, 상기 자극 단부는 분리될 수 있거나 또는 임의의 경우에는 구조적으로 독립적인 방식으로 라미네이션 팩과 결합된다.
본 발명에 따르면, 자극의 상기 단부는 전기 절연 물질로 마이크로 캡슐 화(microencapsulated)된 자석 파우더를 몰딩하여 형성된다.
본 발명이 해결하고자 하는 문제는, 특허청구범위의 청구항 1에 정의된 모터에 의하여 해결된다. 즉, 세척 기기 및 유사한 가정용 가전제품에서 사용되는 배출 펌프에서 사용되는, 고정자 구조가 개선된 영구 자석 단상 동기식 전기 모터로서, 영구 자석 로터와 고정자를 중앙에 포함하고 있으며, 상기 고정자에는 라미네이션 팩 코어 및 로터를 에워싸는 한 쌍의 단부들을 갖는 자극 단부가 구비되어 있으며, 상기 자극 단부는 동일한 축 방향 길이를 가지며 각각의 에어코어에 의해 이격되어 있으며, 상기 라미네이션 팩 코어는 상기 코어 자극 단부들에 비하여 짧은 축 방향 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터에 의하여 해결된다.
본 발명에 따른 단상 모터의 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조로 하여 지시된 방법으로 기술한 다음 실시 예에 의해 더욱 명백해 질 것이며, 이 실시 예에 제한되지 않는다.
참조 도면에서, 세척 기기, 예컨대 세탁기 및 식기 세척기에 설치되는 동기식 배출 펌프(1)의 작동을 위한 본 발명에 따른 단상 동기식 전기 모터는, 부재번호 7로 표시하였다. 상기 세척 기기는 통상적인 타입이기 때문에 도면에 예시하지는 않았다.
상기 모터(7)는 영구 자석 중앙 로터(2) 및 고정자(4)로 이루어지며, 상기 고정자(4)는, 상기 로터(2)를 둘러싸며 각각 에어코어(aircore)에 의해 이격되어 있는 한 쌍의 자극 단부(ends of pole pieces)(10,11)와 함께 라미네이션 팩 코 어(5)를 포함하고 있다.
상기 로터(2)는, 서로 반대 방향에 위치하는 베어링(13,14)에 의해 지지되는 회전 샤프트(3)의 축과 일치하는 길이방향의 축 X-X를 가진다.
상기 로터(2)는, 플랜지형태의 부분(플랜지부)(flange-like portion)(6)이 일체식으로 형성된 튜브형상의 외피(envelope)(17)에 의해 고정자(4)에 대해 완전하게 절연되어 있으며, 일반적인 것이기 때문에 나타내지는 않았지만, 한 측면은 펌프(1)의 볼류트(volute)와 커플링 되며, 다른 측면은 펌프(1)의 고정자(4)를 덮는 외피부재(12)와 커플링 된다.
당해 기술분야에서의 숙련된 자에게 공지된 바와 같이, 모터(7)는 작동 기어, 예컨대, 펌프(1)의 코일 내에 삽입된 임펠러(9)를 작동시킨다.
상기 임펠러와 회전 샤프트(3)의 단부 사이의 커플링은, 예를 들어 본 출원인의 유럽 특허 제0 287 984호 및 제0 983 630호에 기술된 바와 같은 동적 조인트(kinematic joint)를 사용하여 만들 수 있다.
이미 언급한 바와 같이, 상기 모터(1)는, 라미네이션 팩 코어(5) 및 고정자 권선(18,19) 뿐만 아니라 고정자 자극 단부(10,11)가 결합된 고정자(4)를 포함하고 있다.
상기 고정자(4)는, 라미네이션 팩 코어(5) 및 고정자 권선(18,19)을 서로 인접하게 형성할 수 있도록 하는 팩(pack)으로 정렬되어 있으며 터미널 단부를 가지고 있는 복수개의 금속 라미네이션을 가지고 있는데, 상기 터미널 단부는 로터(2)의 주위에 소리굽쇠(diapason)형태로 배열되는 두 개의 자극 단부(10,11)를 형성한 다.
특히 상기 코어(5)는, 평면에서 볼 때 U자형태를 이루는 커트(cut) 라미네이션의 팩으로 이루어진다. 이러한 라미네이션들은 생산성 손실을 감소시키기 위해서 동일한 플레이트 밴드(plate band)로부터 만들어지며, 이들은 U자 형태의 육중한 코어(5) 상에서 차례로 적층된다.
고정자 권선(18, 19)은 라미네이션 팩 코어(5)의 2개의 U형 분지들(prongs) 상에 배치된 각각의 코일 보빈(bobbin)에 형성되며, 이에 따라 만들어지는 자극 단부들은 서로 접합되어, 상기 자극 단부(10, 11)와 함께 도 4b, 도 5b 및 도 6b에 도시된 바와 같은 소리굽쇠 형태의 로터(2)를 에워싸는 구조를 한다.
본 발명에서, 고정자 그룹의 코어(5)의 어셈블리는 대응되는 자극 단부(10, 11)의 축 방향 길이보다 짧은 축 방향 길이를 가지는 라미네이션 팩에 의해 만들어지는 것이 바람직하다.
더욱 바람직하게는, 자극 단부(10, 11)는 분리가능한 방법으로 또는 구조적으로 독립적이 될 수 있는 어떠한 방법으로도 라미네이션 팩 코어(5)가 결합될 수 있다.
즉, 자극 단부(10, 11)는 U자형 라미네이션 팩 코어의 분지의 각각의 대응 단부와 실질적으로 장부(tenon)/장붓구멍(mortise) 커플링으로 결합된다.
이것은 상기 자극 단부(10,11)가, 반자성 또는 전기 절연 물질에 의해 절연되고 마이크로 캡슐화된 자석 분말로부터 성형되어 제조된다는 사실에 의해 이루어진다. 아래에서는 이와 같이 만들어진 자극 단부(10,11)를 "SMC(Soft Magnetic Composite; 연성 자기 복합물)부재"라고 명명한다.
실질적으로, 고정자 권선(18,19)이 구비되어 있는 코어(5)의 크기는 로터(2)의 영구 자석에 면하는 자극 단부(10,11)의 크기에 의해 제한되지 않는다.
상기 라미네이션 팩 코어(5)의 짧은 축 방향의 길이는 자극 단부(10,11)의 길이의 약 25% 내지 50%이며, 바람직하게는 대략 40% 이하이다.
놀랍게도, 본 발명의 이러한 특징은 동기식 모터의 안정한 성능을 악화시키지 않으며, 이후에 더 상세하게 설명되겠지만 이러한 타입의 모터가 가장 임계적 상황에 있는 시동 단계와 같은, 브레이크어웨이(breakaway)에서도 성능을 악화시키지 않는다.
전체적으로, 본 발명의 출원인에 의해 수행된 실험 테스트에 의하면, 동일한 브레이크어웨이 전압으로, 본 발명에 따라 시동되는 모터의 시간 및 모드가 통상적인 구조의 고정자를 갖는 동기식 모터의 사양에 대응되더라도, 고정자 구조에서 상당한 비용 절감이 된다는 것이 밝혀졌다.
도 4a, 도 5a 및 도 6a는 몰딩에 의해 얻어진 고정자 자극 단부들(10,11)과 U자형 라미네이션 팩 코어(5)의 분지의 대응 단부들 사이에서의 커플링 모드를 예시한 것이다.
예를 들어, 도 5a는 U자형 라미네이션 팩 코어(5)의 2개로 된 분지의 단부(21,22)들이 각각 장붓구멍형 슬롯(mortise slots)(25, 26) 또는 도브테일형 슬롯(dovetailed slot)을 구비하여, 각각의 SMC 부재(27 또는 28)에 일체식으로 형성된 대응 장부(tenon)(29)를 수납할 수 있도록 구성된 실시예를 예시한 것이다.
도 5a의 실시예에서, 자극 단편의 단부(10 및 11)를 형성하는 SMC 부재의 형상은, 로터(2)를 부분적으로 둘러싸는 중공 부분 및 장부(29)를 형성하는 측면 부가 부속부재(appendage)를 얻을 수 있도록 상술한 자기 분말을 몰딩함으로서 형성할 수 있다.
명백하게는, 커플링 형태를 이루는 모드가 상기 매칭되는 단부들 중의 하나 또는 다른 것에서 이형 또는 이중 타입을 이루는데 어떠한 장애도 없다.
예를 들어, 도 4a 및 도 4b는, U 형 라미네이션 팩 코어(5)의 분지 단부들(45,46)과 본 실시예에서 참조부호 47과 48로 지시되어 있는 SMC 부재들 사이의 다른 커플링 형상을 예시한 것이다.
분지 단부(45, 46)에는, 서로 마주하며 로터(2)를 향해 뒤집힌 형태의 각각 장붓구멍 또는 도브테일형 슬롯(41, 42)이 구비되어 있다.
각각의 SMC 부재(47, 48)에는 로터(2)를 향해 뒤집힌 형태의 함몰부와 관련하여 대향 측면에서 일체식으로 몰딩하여 형성된 각각의 장부 부속부재(tenon appendage)(43, 44)가 구비되어 있다.
유사한 방법으로, 도 6a 및 도 6b의 실시예는 U형 라미네이션 팩 코어(5)의 분지 단부(35, 36)에는 대향면이 로터 축을 따라 적절하게 연장되고 서로로부터 2개의 권선(18, 19)을 분리하면서, 경사져서 플레어(flared) 형태를 이루고 있는 다른 실시예를 예시하고 있다.
또한 이 경우에 이러한 단부(35, 36)에는 로터(2)를 향해 뒤집힌 장붓구멍 또는 도브테일형 슬롯(33, 34)이 구비되어 있다.
도 6a 및 도 6b의 실시예에서 나타낸 바와 같이, 각각의 장부 부속부재(31, 32)는 고정자 자극 단부(10, 11)를 나타내는 참조번호(37,38)로 지시된 SMC 부재에 일체식으로 몰딩함에 의해 형성되어 구비된다.
모든 전술한 실시예에 있어서, 라미네이션 팩 코어(5)의 축 방향 길이는 본질적으로 SMC 부재의 장부 부속부재(29,31,32,43,44)의 축 방향 길이와 일치하고, 다른 한편으로 모든 SMC 부재는 축 방향이 더 긴 프리즘형(prismatic) 몸체를 이룬다.
또한, 주목하여야 할 것은 결과적으로 라미네이션 팩 코어(5)의 축 방향 길이가 짧다는 것은 권선(18,19)의 지지 보빈의 섹션이 작다는 것을 의미한다. 이에 따라, 구리(copper)가 동일하게 마모되면서, 각각의 회전에 대한 둘레가 작기 때문에, 회전수가 증가될 가능성이 있다.
정교한 이론적인 처리를 하지 않고서도, 동일한 손실 하에서도, 본 발명에 따른 모터를 사용하여 더욱 큰 파워를 얻을 수 있다는 가치를 주목 할만 하다. 또한, 특히 전통적인 구조의 동기식 모터와 본 발명의 모터를 비교한다면, 네트워크 공급 진동수, 전달된 토오크 및 고정자 및 코일의 형태가 동일할 때, 실험 테스트로부터, 전류 및 손실은 V/N(공급 전압/회전수) 비에 종속되고 대략적으로 2차 함수에 비례한다는 것으로 밝혀졌다.
공급 전압은 후술할 설명에 잘 정의되어 있고, 일반적으로 1.1 보다 큰 비율에 따른 브레이크어웨이에 의존된다. 일반적으로, 입력 터미널에 인가되는 전압은 코일(Ra)의 저항에 대한 강하 △Vr과, 예컨대, 로터(2)와 연결되지 않은 전체 자기 플럭스에 연결된, 분산 인덕턴스(dispersion inductance)(Ld)에 대한 강하 △Vd와, 자석을 연결하고 토크를 생성하는데 유용한 자기 플럭스에 관련된 아마츄어(armature) 반응 인덕턴스(Li)에 대한 기전력(Vi)으로 분배된다.
다음의 수학식 1은 복소수의 필드의 벡터 관계식이다.
Va = △Vr + △Vd + Vi
최대 회전수는 의도한 브레이크어웨이 전압을 보장할 수 있도록 적절하게 낮아야만 한다. 그러나 손실이 V/N 비에 종속되기 때문에, 이에 따라, 공급 전압이 브레이크어웨이에 의존되지 않고 모터가 최대의 전기 효율로 최적화된다면 손실 및 공칭 전압 가열은 통상적으로 구현될 수 있는 것보다 상당히 크게 된다.
상술한 수학식1로부터, 성분 △Vr 및 △Vd 은 과도적인 브레이크어웨이 동안에 동기식 조건하에서, 토크를 생성하는데 실제적으로 유효한 전압을 감소시킨다는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따른 모터에 있어서, 전압 강하의 효과는 각각의 파라메터 Ra 및 Ld의 감소를 통하여 실질적으로 최소화되며, 브레이크어웨이 전압 값을 일정하게 유지하면서 회전수를 증가시킬 수 있다.
V/N 비로 인해서, 권선(18,19)의 최대 회전수가 결정되고 동시에 섹션이 감소되어 회전 당 낮은 전압을 유도하고 이에 따라 규칙적으로 작동되는 동안 손실을 낮춘다.
본 발명에 따른 모터는 공지된 기술분야의 현재의 다른 해결책보다 작은 생 성 비용과 조합하여 구조적으로 상당히 단순하게 구현된다는 가장 큰 장점을 갖는다.
또 다른 장점은 고정자 자극 단편의 크기 및 형태는 이들이 결합되는 라미네이션 팩 코어의 크기에 제한되지 않는다는 사실이다.
최종적으로, 주목할 것은 감소된 연결 수가 설치 및 신뢰성을 우수하게 하며 전체적인 효율을 개선시킨다는 것이다.

Claims (9)

  1. 세척 기기를 포함하는 가정용 가전제품에서 사용되는 배출 펌프(1)에서 사용되는, 고정자(4) 구조가 개선된 영구 자석 단상 동기식 전기 모터(7)로서,
    영구 자석 로터(2)와 고정자(4)를 중앙에 포함하고 있으며,
    상기 고정자(4)에는 라미네이션 팩 코어(5), 고정자 권선(18, 19) 및 로터(2)를 에워싸는 한 쌍의 단부들(10,11)을 갖는 자극 단부들이 구비되어 있으며,
    상기 자극 단부들은 동일한 축 방향 길이를 가지며 각각의 에어코어에 의해 이격되어 있으며,
    상기 라미네이션 팩 코어(5)는 상기 자극 단부들(10, 11)에 비하여 짧은 축 방향 길이를 갖고,
    상기 고정자 권선(18, 19)은 상기 자극 단부들(10, 11)보다 축 방향 길이가 짧은 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자(4)의 자극 단부들(10,11)은, 자석 파우더를 몰딩하여 형성되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자석 파우더가, 반자성체 재료로 절연되고 마이크로 캡슐화된 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 자극 단부들(10,11)은, 구조적으로 독립되어 있으며 상기 라미네이션 팩 코어(5)에 분리될 수 있게 커플링되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 라미네이션 팩 코어(5)는, 로터(2)를 향해 U자 형태의 분지들이 뻗어있는 U자 형태로 이루어진 라미네이션 부품의 그룹을 적층 함으로써 형성되고,
    고정자 권선(18, 19)용 지지 보빈들은 상기 분지들 상에 배치되어 상기 고정자(4) 자극 단부들을 형성하고, 상기 분지들의 단부들이 상기 고정자(4) 자극 단부들(10,11)에 조인트형으로 커플링되는 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 분지들의 단부들과 대응하는 상기 고정자(4)의 자극 단부들(10, 11)사이의 조인트형 커플링은 간단한 장부(tenon) 및 장붓구멍(mortise) 형태의 커플링에 의하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 짧은 축 방향 길이의 범위가 25% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 짧은 축 방향 길이의 범위가 40%인 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 장부 부재가 하나의 부품으로 상기 단부들(10, 11)의 몰딩 내에 일체식으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 단상 동기식 전기 모터.
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