KR101276016B1 - 가변 자속 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 가변 자속 모터는 로터와 상기 로터의 내측에 위치하는 스테이터로 이루어지는 가변 자속 모터에 있어서, 상기 로터는 로터 하우징, 및 상기 로터 하우징의 내측 벽면에 부착되는 복수 개의 단위 로터 코어 및 마그네트로 이루어지고, 상기 단위 로터 코어는 마그네트와 교대로 위치하고 있으며; 상기 스테이터는 스테이터 코어 베이스, 및 상기 스테이터 코어 베이스의 외경면에 방사상으로 등간격을 가지며 형성된 복수 개의 티스로 이루어지며 상기 티스의 말단 양쪽에는 티스 이어가 형상되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

가변 자속 모터{Motor with Variable Magnet Flux}

본 발명은 모터에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 로터에 적용되어 있는 마그네트 중의 일부를 감자 또는 착자시킴으로써 전체 모터의 가변속 운전이 가능하고 자속량을 집중시켜 고효율을 얻을 수 있는 새로운 구조의 모터에 관한 것이다.

일반적으로 모터의 가변속 운전과 고효율을 동시에 얻기 위하여 다양한 구조 및 형태를 갖는 모터가 제안되어 왔다. 대표적으로 가변 자속 메모리 모터(Variable Flux Memory Motor: VFMM)(이하 "선행기술 1" 이라 함)와 일본공개특허공보 제2009-112454호에 개시되어 있는 형태의 모터(이하 "선행기술 2"라 함)가 있다.

선행기술 1에 따른 VFMM 모터의 회전자는 기본적으로 스포크 타입(spoke type)의 BLDC 모터와 유사하다. 이 모터는 고정자의 자속 발생축인 d축에 음의 d축 전류를 흘려주게 되면, 영구자석의 두께의 차이로 인하여 영구자석의 폭이 좁은 부분부터 영구자석이 감자되는 형태의 모터이다. 이와 같은 원리로 영구자석을 감자 및 착자를 시켜 가변 자속 운전을 하게 된다.

선행기술 2에 따른 모터의 경우, 회전자의 형태는 기본적으로 돌극 집중권 구조의 외전형 BLDC 모터와 유사하다. 이 모터의 특징은 보자력이 상이한 2종의 자석을 로터 코어에 매립하는데, 매입할 때 서로 다른 극을 형성하도록 둘레 방향으로 번갈아 배치되어 있다. 즉, 로터 코어에는 제1 자석과 제2 자석의 매립을 위한 구멍을 형성해야 하고, 또한 로터 코어의 내측부로 돌출부를 형성해야 하기 때문에 로터 코어의 구조가 복잡하고 제조 비용이 상승하는 문제점이 있다. 특히, 제1 마그네트로 네오듐(Nd) 마그네트를 사용하는데, 이 또한 제조 비용 상승의 요인이 되고 있다.

이에 본 발명자들은 상술한 문제점을 해결하기 위하여, 로터의 구조는 스포크 타입의 구조를 가지며, 고정자는 돌극 집중권 구조를 가지도록 변형된 형태의 새로운 구조를 제안함으로써 자속량을 집중시킬 수 있고 높은 성능향상 및 제조 비용을 줄일 수 있는 가변 자속 모터를 개발하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 새로운 구조의 가변 자속 모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적 및 기타 내재되어 있는 목적들은 아래 설명하는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 가변 자속 모터는 로터와 상기 로터의 내측에 위치하는 스테이터로 이루어지는 가변 자속 모터에 있어서,

상기 로터는 로터 하우징, 및 상기 로터 하우징의 내측 벽면에 부착되는 복수 개의 단위 로터 코어 및 마그네트로 이루어지고, 상기 단위 로터 코어는 마그네트와 교대로 위치하고 있으며;

상기 스테이터는 스테이터 코어 베이스, 및 상기 스테이터 코어 베이스의 외경면에 방사상으로 등간격을 가지며 형성된 복수 개의 티스로 이루어지며 상기 티스의 말단 양쪽에는 티스 이어가 형상되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서, 상기 마그네트는 제1 마그네트와 제2 마그네트로 이루어지고, 상기 제2 마그네트는 상기 단위 로터 코어 중 마주보는 한 쌍의 단위 로터 코어의 양측에 위치하는 마그네트와 상기 한 쌍의 단위 로터 코어를 연결하는 선과 직교하는 선이 만나는 한 쌍의 단위 로터 코어의 양쪽에 위치하는 마그네트이고, 상기 제1 마그네트는 제2 마그네트를 제외한 나머지 마그네트인 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 제1 마그네트는 페라이트 마그네트이고 상기 제2 마그네트는 알니코 마그네트인 것이 바람직하다.

본 발명에서, 상기 티스 말단의 외경 면에는 내측으로 패인 형상인 티스 홈부가 형성되어 있어도 좋다.

본 발명에서, 상기 티스 이어의 외경 면에는 내측으로 패인 형상인 티스 이어 홈부가 형성되어 있어도 좋다.

본 발명은 구조가 보다 간단하여 제조 비용을 낮출 수 있고 자속량을 집중시키기에 유리하여 높은 성능 향상을 이룰 수 있는 새로운 구조의 가변 자속 모터를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 구조를 나타낸 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 로터 구조를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 로터에 사용되는 단위 로터 코어를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 스테이터를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 스테이터를 나타낸 평면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 자속 변화를 설명하기 위한 개념도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 무부하 운전시 착자 상태의 역기전력을 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 무부하 운전시 탈자 상태의 역기전력을 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 저속 운전에서 정격 운전시 전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 저속 운전에서 정격 운전시 토크 특성을 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 저속 운전에서 최대 출력시 전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 저속 운전에서 최대 출력시 운전 토크 특성을 나타낸 그래프이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 고속 운전에서 정격 운전시 전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 고속 운전에서 정격 운전시 토크 특성을 나타낸 그래프이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 고속 운전에서 최대 출력시 전류 특성을 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 가변 자속 모터의 고속 운전에서 최대 출력시 운전 토크 특성을 나타낸 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 구조를 나타낸 평면도이고, 도 2는 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 로터(1) 구조를 나타낸 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 가변 자속 모터는 로터(1)와 스테이터(2)로 이루어진다.

본 발명에서 로터(1)는 스테이터(2)의 외경면에 위치하는 다수의 단위 로터 코어(10), 제1 마그네트(11) 및 제2 마그네트(12)를 포함하여 이루어지며, 도 2에서와 같이, 단위 로터 코어(10), 제1 마그네트(11) 및 제2 마그네트(12)는 로터 하우징(13)의 내측벽면에 위치한다.

본 발명에서 스테이터(2)는, 스테이터 코어 베이스(21)와 이 스테이터 코어 베이스(21)의 외경면에 방사상으로 형성되어 있는 다수의 티스(22)로 이루어진다.

코일(3)은 스테이터(2)의 티스(22)에 권선되어 있으며, 인접하는 두 개의 티스(22) 사이에 형성되는 슬롯에 어느 정도의 공간을 차지하고 있다.

본 발명에 따른 가변 자속 모터는 도 1 및 도 2에서와 같이 24 극 18 슬롯 모델을 예시하여 설명하고 있지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 극수와 슬롯 수를 변형하여 적용할 수 있다.

24 극 18 슬롯 모터의 경우 도 1에서와 같이 24개의 단위 로터 코어(10)가 24개의 마그네트(11, 12)와 교대로 위치하고 있다. 24개의 마그네트 중 16개는 제1 마그네트(11)이고 8개는 제2 마그네트(12)이다. 도 1에서와 같이, 인접하는 마그네트 사이에는 단위 로터 코어(10)가 위치하며, 제2 마그네트(12)는 로터의 12시 방향, 3시 방향, 6시 방향 및 9시 방향에 2개씩 총 8개를 사용한다. 즉, 인접하는 제2 마그네트(12) 사이에 위치하는 단위 로터 코어(10)와 마주보는 위치의 단위 로터 코어의 양측에 제2 마그네트가 설치되고(도 1의 A 부분 참조), 이들 마주보는 두 단위 로터 코어를 연결하는 선과 직교하는 선이 만나는 두 개의 단위 로터 코어의 양측에 각각 제2 마그네트가 설치된다(도 1의 B 부분 참조). 따라서, 총 8개의 제2 마그네트가 적용된다.

본 발명에서 제1 마그네트(11)는 페라이트 마그네트이고 제2 마그네트(12)는 알니코 마그네트를 사용한다. 이 두 종류의 자석이 갖는 보자력의 차이를 이용하여 제2 마그네트의 자속량을 조절할 수 있도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 로터(1)에 사용되는 단위 로터 코어(10)를 나타낸 사시도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 단위 로터 코어(10)는 그 양쪽 측면에 마그네트가 부착될 수 있는 구조를 가지며, 다수의 마그네트와 단위 로터 코어(10)가 반복적으로 부착되면 전체적으로 원의 형상을 갖게 된다. 인접하는 마그네트와의 부착을 위하여, 단위 로터 코어(10)의 양측면에 용접선(10a)를 형성하여도 좋다. 이 용접선(10a)을 따라 레이저 용접을 하여 마그네트와 단위 로터 코어와의 결속을 이루게 한다. 물론, 부착 방법은 이러한 레이저 용접에 한정되지 않고 다양한 부착 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 코킹(caulking)이나 기타의 용접 방법을 적용하여도 좋다.

도 4는 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 스테이터(2)를 나타낸 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 스테이터(2)를 나타낸 평면도이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스테이터(2)는 원형의 스테이터 코어 베이스(21)와, 이 스테이터 코어 베이스(21)의 외주면에 방사상으로 등간격을 가지며 형성되어 있는 티스(22)로 이루어진다. 이 티스(22)의 말단에는 티스 이어(23)가 양측으로 형성되어 있다. 이 스테이터(2)는 낱장으로 된 코어 강판을 반복적으로 적층하여 형성한다. 스테이터 코어 베이스(21)의 내주면에는 복수 개의 베이스 용접홈(21a)이 형성되어 있는데, 이 베이스 용접홈(21a)을 따라 레이저 용접을 하여 다수개의 코어 강판이 잘 고정되도록 한다. 물론 레이저 용접 이외의 코킹 등의 방법을 적용하여도 좋다.

인접하는 두 티스(22) 사이에는 형성된 공간은 슬롯(25)을 이루게 된다. 티스(22)에는 코일이 권선된다. 티스 말단 부분의 외경면은 내측으로 약간 패인 형상인 티스 홈부(22a)가 형성되어 있으며, 티스 말단 양측의 티스 이어(23)에도 유사하게 내측으로 약간 패인 형상인 티스 이어 홈부(23a)가 형성되어 있다. 이와 같은 티스 홈부(22a) 및 티스 이어 홈부(23a)는 자속량이 집중되어 발생할 수 있는 코깅 토크(cogging torque)를 감소해 주는 역할을 한다.

티스 홈부(22a)에는 티스 용접홈(22b)이 형성되어 있는데, 이 티스 용접홈(22b)은 앞서 설명한 베이스 용접홈(21a)과 마찬가지로 용접 등의 방법을 통해 스테이터 코어 낱장들을 서로 결합시키는 역할을 한다.

도 6은 본 발명에 따른 가변 자속 모터의 자속 변화를 설명하기 위한 개념도이다.

도 6을 참조하면, 도 6에서 스테이터의 A상이 알니코 자석인 제2 마그네트(12) 사이의 단위 로터 코어(10)에 배열하게 되면, 기자력의 방향과 반대 방향으로 음(-)의 d-축 전류를 흘려 제2 마그네트를 감자시킬 수 있다. 또한, 도 1의 A 부분과 B 부분을 동시에 감자하는 것은 불가능하므로, A 부분의 두 쌍을 한 번에 감자시킨 다음 B 부분의 두 쌍을 감자시키는 두 번의 과정을 거칠 수 있다.

실시예

본 발명에 따른 가변 자속 모터의 감자 특성을 해석하기 위하여 유한 요소 해석법(Finite Element Analysis: FEA)을 적용하여 해석하였다. 24 극 18 슬롯 형태의 모터를 제작하여 다양한 해석 조건 하에서 FEA를 적용하였다. 적용된 모터의 로터 외경은 272 mm, 스테이터의 스택 높이는 25 mm 였다. 권선경은 1.25 φ, 권선수는 120 [turn] 이었다. 페라이트 마그네트는 모델명 pmf-7BE를 사용하였고, 알니코 마그네트는 PMC-9B를 적용하였다. 마그네트의 길이는 20 mm, 두께는 16 mm 였다. 권선저항은 1.87 Ω, d-축 인덕턴스는 38.9 mH, q-축 인덕턴스는 50.2 mH 이었다.

먼저, 무부하 운전을 하는데 150 rpm에서 완전 착자시 역기전력을 측정하였고, 150 rpm에서 알니코 마그네트를 탈자시킨 상태에서 운전하여 역기전력을 측정하였다. 측정 결과는 도 7 및 도 8에 도시하였다. 도 7은 완전착자시의, 도 8은 알니코 마그네트 탈자시의 결과이다.

도 7 및 도 8에서와 같이, 완전 착자시와 탈자시의 역기전력을 비교하여 가변자속이 가능한지 예측하였다. 그 결과 약 52.6 %의 자속 가변이 가능함을 알 수 있었다.

다음으로, 저속 운전 시의 운전 특성을 해석하기 위하여, 45 rpm 에서 정격 운전 시와 최대 출력 시의 전류 및 토크를 예측하였다. 정격 운전 시의 해석 조건은 상전압 피크값 Vph[peak] = 43.58 [V]였고, 최대 출력 운전 시는 상전압 피크값 Vph[peak] = 46.7 [V] 였다.

도 9 및 도 10에 저속 운전에서 정격 운전시에서 전류 특성 및 토크 특성을 나타내었다. 최대 출력 운전 시의 전류 특성 및 토크 특성은 도 11 및 도 12에 도시하였다.

다음으로, 고속 운전 시의 운전 특성을 해석하기 위하여, 1400 rpm 에서 정격 운전 시와 최대 출력 시의 전류 및 토크를 예측하였다. 정격 운전 시의 해석 조건은 상전압 피크값 Vph[peak] = 147 [V]였고, 최대 출력 운전 시에도 상전압 피크값 Vph[peak] = 147 [V] 였다.

도 13 및 도 14에 고속 운전에서 정격 운전시에서 전류 특성 및 토크 특성을 나타내었다. 최대 출력 운전 시의 전류 특성 및 토크 특성은 도 15 및 도 16에 도시하였다.

이상에서 설명한 본 발명의 구체적인 설명 및 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 설명에 불과 할 뿐, 본 발명의 범위를 정하고자 하는 것이 아님을 주의하여야 한다. 본 발명의 범위는 아래 첨부된 특허청구범위에 의하여 정하여지며, 이 범위 내에서의 단순한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

1: 로터 2: 스테이터
3: 코일 10: 단위 로터 코어
11: 제1 마그네트 12: 제2 마그네트
21: 스테이터 코어 베이스 21a: 베이스 용접홈
22: 티스 22a: 티스 홈부
22b: 티스 용접홈 23: 티스 이어
23a: 티스 이어 홈부 25: 슬롯

Claims (5)

1. 로터와 상기 로터의 내측에 위치하는 스테이터로 이루어지는 가변 자속 모터에 있어서,
   상기 로터는 로터 하우징, 및 상기 로터 하우징의 내측 벽면에 부착되는 복수 개의 단위 로터 코어 및 마그네트로 이루어지고, 상기 단위 로터 코어는 마그네트와 교대로 위치하고 있으며;
   상기 스테이터는 스테이터 코어 베이스, 및 상기 스테이터 코어 베이스의 외경면에 방사상으로 등간격을 가지며 형성된 복수 개의 티스로 이루어지며 상기 티스의 말단 양쪽에는 티스 이어가 형성되어 있고,
   상기 마그네트는 제1 마그네트와 제2 마그네트로 이루어지고, 상기 제2 마그네트는
   상기 단위 로터 코어 중 마주보는 한 쌍의 단위 로터 코어의 양측에 위치하는 마그네트와 상기 한 쌍의 단위 로터 코어를 연결하는 선과 직교하는 선이 만나는 한 쌍의 단위 로터 코어의 양쪽에 위치하는 마그네트이며,
   상기 제1 마그네트는 제2 마그네트를 제외한 나머지 마그네트인 것을 특징으로 하는 가변 자속 모터.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 마그네트는 페라이트 마그네트이고 상기 제2 마그네트는 알니코 마그네트인 것을 특징으로 하는 가변 자속 모터.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 티스 말단의 외경 면에는 내측으로 패인 형상인 티스 홈부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 자속 모터.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 티스 이어의 외경 면에는 내측으로 패인 형상인 티스 이어 홈부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가변 자속 모터.
   
   

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