KR101405482B1

KR101405482B1 - 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법

Info

Publication number: KR101405482B1
Application number: KR1020120090052A
Authority: KR
Inventors: 남광희; 정일수
Original assignee: 포항공과대학교 산학협력단; 주식회사 포스코
Priority date: 2012-08-17
Filing date: 2012-08-17
Publication date: 2014-06-11
Also published as: KR20140023718A

Abstract

본 발명은 동기 전동기에 스큐를 주어 토크 리플을 저감하기 위한 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 회전자 코어에 다극 매입형 영구자석이 구비된 동기 전동기에 있어서, 상기 영구자석을 극쌍별로 구획하되, 상기 극쌍을 일정 각도마다 서로 마주보도록 대칭되게 구획하며, 상기 구획된 각각의 극쌍 사이의 간격 거리를 서로 다르게 하여 상기 극쌍을 배치한 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법을 제공한다.

Description

동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법{METHOD OF REALIZING THE SKEW IN THE SYNCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 동기 전동기에 스큐를 주어 토크 리플을 저감하기 위한 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 전동기는 고정자 슬롯 개구부에 의해 토크 리플(torque ripple)이 발생하고, 이것이 역기전력에 전압 리플을 만드는데, 속도가 올라 갈수록 그 크기가 커지는 현상이 있다.

이러한 고정자 슬롯에 의한 역기전력 리플은 토크 리플을 만들어 내어 전동기에 진동을 유발하거나 코깅(cogging) 토크를 만들어 낸다.

또한 고속 운전시 EMF 전압 리플이 상대적으로 커서, 인버터 전압 제한 때문에 전압 마진이 작아 지거나, 아예 없어져서 전류제어가 실패하는 결과가 생길 수도 있다.

이러한 슬롯 효과를 줄이기 위한 방법으로 회전자 혹은 고정자에 스큐를 준다.

상기 회전자에 스텝 스큐를 주는 것을 가장 보편적인 방법으로 이용한다.

그러나, 이것은 자동 적층을 이용하는 양산 공정에 있어 복잡성을 유발할 수 있다.

그리고 상기 고정자에 스큐를 주는 방법이 있는데, 이것 또한 양산 효율을 저하시키고, 슬롯의 코일 점적률을 감소시키는 문제점이 있다.

도 1은 8극 전동기 회전자의 일 예를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 한 극은 2개의 네오듐(Nd) 자석(11,12)이 'V'자 형태로 회전자 코어(core)(1)에 배치되어 있고, 중앙에는 샤프트(shaft)(2)가 설치되어 있으며, 회전자 코어(1)에 에어홀(air hole)(3)이 형성되어 있다.

그리고 고정자 치(20)와 요크(21)가 회전자 코어(1)의 가장자리에 구비되어 있다.

따라서, 자속은 회전자 코어(1)의 자석(N극)(12)으로부터 시작되어 고정자 치(20)를 거치고, 요크(21)를 거친 다음, 다시 회전자 코어(1)의 자석(S극)(11)으로 되돌아온다.

후술하는 본 발명은 상기한 자속의 이동 통로의 변화를 통해 슬롯 개구부 효과를 완화하는 것이다.

한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 점선으로 구획한 한 조로 형성된 자석(11,12)은 각각 N극과 S극을 의미하며, 두 개의 조로 구성된 자석들이 하나의 극쌍(pole pair)(10a,10b,20a,20b)을 형성하고 있다.

그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 극쌍(10a,10b,20a,20b)의 길이는 모두 같다. 즉, δ1=δ2=δ3=δ4이다.

하지만, 종래에는 도 4에서 표현한 극쌍(10a,10b,20a,20b)간의 거리(ℓ1,ℓ2,ℓ3,ℓ4)는 자석(11,12)으로부터 발생되는 자속(flux)의 대칭성을 유지하기 위하여 같게 하였다. 즉, ℓ1=ℓ2=ℓ3=ℓ4이었다.

이러한 종래의 기술의 경우, 슬롯 개구부에 의한 효과를 최소화시키기 위하여 회전자측에 기계적인 스텝 스큐(step skew)를 준다.

이 경우 스큐를 준 회전자와 주지 않은 회전자의 자석에 의해 발생되는 자속의 방향이 서로 다르고, 고정자의 코일에 흐르는 전류에 의한 쇄교 자속의 양이 달라져 토크 리플은 저감되지만, 전동기가 낼 수 있는 토크는 약 10~20%가 감소한다.

특히, 고속영역에서 자속에 대한 슬롯의 효과가 커지고, 그에 따라 역기전력의 리플이 증가하며, 결국 토크 리플이 증가하게 된다.

또한 고속영역에서 전압 제한에 의해 전동기 터미널 전압이 제한을 받게 되는데, 토크 리플이 클 경우 제어의 불안정성을 야기하고, 심지어 제어 불가능 혹은 구동 불가능의 결과를 초래한다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 스텝 스큐를 주지 않고 회전자에 삽입된 자석의 위치를 변경시켜 각 극쌍간의 거리를 변경하여 고정자 슬롯 개구부에 의한 효과를 줄여 토크 리플이 저감되도록 한 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법은, 회전자 코어에 다극 매입형 영구자석이 구비된 동기 전동기에 있어서, 상기 영구자석을 극쌍별로 구획하되, 상기 극쌍을 일정 각도마다 서로 마주보도록 대칭되게 구획하며, 상기 구획된 각각의 극쌍 사이의 간격 거리를 서로 다르게 하여 상기 극쌍을 배치하되,
상기 회전자의 12시 지점을 기준으로 하여, 12시에서 3시 사이에 구획된 제1극쌍, 3시에서 6시 사이에 구획된 제2극쌍, 6시에서 9시 사이에 구획된 제3극쌍 및 9시에서 12시까지 구획된 제4극쌍을 배치하고,
상기 제1극쌍과 상기 제2극쌍과의 사이에 형성된 제1거리와 상기 제3극쌍과 상기 제4극쌍과의 사이에 형성된 제3거리는 서로 동일한 거리로 형성하고, 상기 제2거리와 상기 제4거리는 동일한 거리로 형성하되,
상기 제4극쌍과 상기 제1극쌍과의 사이에 형성된 제2거리와 상기 제3거리는 서로 다른 거리로 형성하고,
상기 제2극쌍과 상기 제3극쌍과의 사이에 형성된 제4거리와 상기 제3거리는 서로 다른 거리로 형성하며,
상기 제1거리와 상기 제2거리는 서로 다른 거리로 형성하며,
또한, 상기 제1,3극쌍은 반시계 방향으로 회전시키고, 상기 제2,4극쌍은 시계 방향으로 회전시킨 것을 그 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 상기 구획된 극쌍의 길이는 모두 동일하게 형성한다.
본 발명에 있어서, 상기 제1,3극쌍은 반시계 방향으로 1도 회전시키고, 상기 제2,4극쌍은 시계 방향으로 1도 회전시킨다.

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본 발명의 실시예에 따르면, 기계적인 스텝 스큐를 사용하지 않고 회전자에 영구자석을 착자시킬 때, 영구자석들을 일정 각도로 회전시켜 영구자석이 형성하는 극쌍간의 거리를 다르게 함으로써, 회전자와 고정자 사이의 자기저항을 다르게 하여 슬롯 개구부에 의한 토크 리플을 저감할 수 있다.

이를 통해 토크 리플뿐만 아니라 역기전력의 고조파도 감소되는 효과를 기대 할 수 있으며, 특히 전기자동차용 전동기에 적용하게 되면 고속에서 사용할 수 있는 전압의 여유가 증가하는 장점이 있어 전기자동차용 동력 추진 전동기에 적용할 수 있다.

또한 상기한 바와 같이 극쌍간의 거리를 다르게 하면 자속의 대칭성을 확보할 수 있기 때문에 감소되는 토크의 양이 크지 않고(약 3% 이내), 고정자 슬롯에 의한 토크 리플이 저감된다.

도 1은 일반적인 매립형 영구자석 동기 전동기의 고정자 및 회전자의 구성도.
도 2는 회전자 코어에 배치된 영구자석(Nd-Fe자석)의 배치 및 영구자석이 형성하는 극을 설명하는 도면.
도 3은 회전자 코어에 매립된 자석 극쌍의 거리를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에 따라 극쌍을 이루는 영구자석 두 조들 사이의 거리를 나타낸 도면.
도 5는 10,000rpm에서 스큐 각(angle)에 따른 토크 리플을 나타낸 도면.
도 6(a)는 300rpm에서 토크의 순시파형을 나타낸 도면.
도 6(b)는 10,000rpm에서 토크의 순시파형을 나타낸 도면.
도 7은 스큐에 따른 역기전력의 고조파를 비교한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4에는 본 발명에 따른 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법을 설명하기 위한 동기 전동기의 회전자 및 고정자의 구성도가 도시되어 있다.

특히, 도 2는 회전자 코어에 배치된 영구자석(Nd-Fe자석)의 배치 및 영구자석이 형성하는 극을 설명하는 도면이고, 도 3은 회전자 코어에 매립된 영구자석의 극쌍 거리를 나타낸 도면이며, 도 4는 본 발명에 따라 극쌍을 이루는 영구자석 두 조들 사이의 거리를 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법은, 회전자 코어(1)에 다극 매입형 영구자석(11,12)이 구비된 동기 전동기에 있어서, 도 2에서 점선 타원으로 나타낸 바와 같이, 상기 영구자석(11,12)을 극쌍(10a,10b,20a,20b)별로 구획하되, 상기 극쌍(10a,10b,20a,20b)을 일정 각도마다 서로 마주보도록 대칭되게 구획하며, 이렇게 구획된 각각의 극쌍(10a,10b,20a,20b) 사이의 간격 거리(또는 길이)(ℓ1,ℓ2,ℓ3,ℓ4)를 서로 다르게 하여 상기 극쌍(10a,10b,20a,20b)을 배치한다.

구체적으로는, 상기 극쌍(10a,10b,20a,20b) 두 개를 하나의 그룹으로 하여 2개의 그룹으로 나누되, 한 그룹의 극쌍은 등간격으로 배치(ℓ1=ℓ3, ℓ2=ℓ4)되게 하고, 다른 한 그룹의 극쌍은 서로 다른 간격으로 배치(ℓ1=ℓ3≠ℓ4)되게 한다.

즉, 한 조의 극쌍의 대칭성은 유지하되 각각의 극쌍의 위치를 다르게 하여 고정자에 대한 슬롯 효과를 줄여 역기전력 및 토크 리플이 줄어들도록 한다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 우선, 전술한 바 있는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 회전자 코어(1)의 12시 지점을 기준으로 하여 시계방향으로, 12시에서 3시 사이에 구획된 제1극쌍(10a), 3시에서 6시 사이에 구획된 제2극쌍(10b), 6시에서 9시 사이에 구획된 제3극쌍(20a) 및 9시에서 12시까지 구획된 제4극쌍(20b)을 배치한다.

여기서, 각각의 제1 내지 제4극쌍(10a,10b,20a,20b)은, 도 2를 들어 이미 설명한 바와 같이, 각각 'V'자 형태로 배치된 N극과 S극의 영구자석(11,12) 한 쌍을 도 2에 도시된 바와 같이 점선으로 구획한 것을 말한다.

또한 도 2와 같이 배치된 극쌍의 경우, 일 실시예로, 상기 제1극쌍(10a)과 제2극쌍(10b)과의 사이에 형성된 제1거리(ℓ1)와 상기 제3극쌍(20a)과 제4극쌍(20b)과의 사이에 형성된 제3거리(ℓ3)는 서로 동일한 거리(ℓ1=ℓ3)로 형성한다.

반면, 상기 제4극쌍(20b)과 제1극쌍(10a)과의 사이에 형성된 제2거리(ℓ2)와 제3거리(ℓ3)는 서로 다른 거리(ℓ2≠ℓ3)로 형성한다.

또한 다른 실시예로, 상기 제1거리(ℓ1)와 제3거리(ℓ3)는 서로 동일한 거리(ℓ1=ℓ3)로 형성하고, 상기 제2극쌍(10b)과 제3극쌍(20a)과의 사이에 형성된 제4거리(ℓ4)와 제3거리(ℓ3)는 서로 다른 거리(ℓ4≠ℓ3)로 형성한다.

반면, 상기 제1거리(ℓ1)와 제3거리(ℓ3)는 동일한 거리로 형성하고, 상기 제2거리(ℓ2)와 제4거리(ℓ4)는 동일한 거리(ℓ2=ℓ4)로 형성한다.

그리고 상기 제1거리(ℓ1)와 제2거리(ℓ2)는 서로 다른 거리(ℓ1≠ℓ2)로 형성한다.

상기 구획된 영구자석(11,12)의 극쌍 길이(δ1,δ2,δ3,δ4)는 모두 동일(δ1=δ2=δ3=δ4)하게 형성되고, 상기 극쌍(10a,10b,20a,20b)의 대칭성은 기존과 마찬가지로 변화가 없다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 극쌍(10a,10b,20a,20b)간의 거리(ℓ1,ℓ2,ℓ3,ℓ4)를 다르게 하기 위해 본 발명에서는 각각의 극쌍(10a,10b,20a,20b)을 일정 각도로 회전시켰다.

구체적으로는, 제1,2,3거리(ℓ1,ℓ2,ℓ3)가 ℓ1=ℓ3≠ℓ2가 되도록 하기 위해, 극쌍(10a,20b)을 각각 반시계방향 또는 시계방향으로 일정한 각도를 주어 회전시켜 배치하였다.

그리고 극쌍(10b,20a)을 -Y축 방향으로 동일한 각도로 회전시켜 제1,3,4거리(ℓ1,ℓ3,ℓ4)가 ℓ1=ℓ3≠ℓ4의 조건을 만들었다. 이때 제1,2,3,4거리(ℓ1,ℓ2,ℓ3,ℓ4)는 ℓ1=ℓ3, ℓ2=ℓ4이다.

상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법의 작용을 설명하면 다음과 같다.

도 2 내지 도 4를 다시 참조하면, 본 발명을 설명하기 앞서, 회전자 코어(1)에 삽입된 영구자석(11,12)으로부터 발생되는 자속이 슬롯 개구부를 만나게 되면 토크를 만들어내지 못하여 순차적으로 토크가 감소하고, 그 후 회전자의 회전에 의해 자속이 고정자의 치와 만날 순간부터 순차적으로 토크가 상승한다.

이러한 고정자를 비롯한 회전자의 구조적인 자기저항 차이에 의해 토크 리플이 발생되는데, 기존에는 전술한 바와 같이, 극쌍간의 거리(ℓ1,ℓ2,ℓ3,ℓ4)를 동일하게 하여 순차적인 토크 감소 및 증가 구간이 일정하게 나타나 고속에서 토크 리플이 커지는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 종래에는 기계적인 스텝 스큐를 회전자에 주어 토크 리플을 줄였다.

하지만, 상기한 방법은 가공비용이 많아지고, 또한 스텝 스큐의 각만큼 전류의 위상각이 틀어지므로 평균 토크가 떨어지는 문제점이 있었다.

이에 따라 본 발명에서는 전술한 바와 같이, 회전자의 극쌍(10a,10b,20a,20b)을 각각 이동시켜 도 4에 나타내 보인 바와 같이, 극쌍(10a,10b,20a,20b)간의 거리(ℓ1,ℓ2,ℓ3,ℓ4)를 다르게 하여 슬롯 개구부 효과로 인한 토크 리플을 줄였다.

이렇게 극쌍(10a,10b,20a,20b) 사이의 거리(ℓ1,ℓ2,ℓ3,ℓ4)를 서로 다르게 하면, 각각의 자석(11,12)과 마주하는 슬롯 개구부, 고정자의 치(20)가 달라져 각각의 극쌍(10a,10b,20a,20b)의 자기저항 크기에 의해 순차적으로 토크의 리플을 줄 일수 있다.

이를 위해 본 발명에서는 회전자 극쌍(10a,10b,20a,20b)을 일정한 각도로 회전시켜 착자하는 방식을 채택하였다.

도 2에 나타낸 각 극쌍(10a,10b,20a,20b)을 형성하는 한 조의 자석(11,12)을 각각 시계방향과 반시계방향으로 회전시킨다.

본 발명에서는 도 2에서 상기한 한 조의 영구자석(11,12) 중 서로 마주보는 일측의 한 조의 자석의 극쌍(10a,20a)은 반시계 방향으로 약 1도 회전시켰으며, 상기한 일측의 한 조의 자석(11,12)의 극쌍(10a,20a)과 직교되는 방향의 타측의 한 조의 자석(11,12)의 극쌍(10b,20b)은 시계 방향으로 약 1도를 회전시켰다.

그러면, 전술한 실시예와 같은 극쌍(10a,10b,20a,20b)간의 거리가 형성된다.

이와 같이 본 발명은, 종래의 기술과는 달리 회전자 코어(1)에서 자속의 집중도가 일정하지 않기 때문에 자속 포화에 따른 토크의 감소가 발생한다. 이때 발생되는 토크의 감소량은 기계적인 스텝 스큐를 사용한 종래의 기술보다 작다.

하지만, 도 4에서 나타낸 제1거리(ℓ1) 혹은 제3거리(ℓ3), 제2거리(ℓ2) 혹은 제4거리(ℓ4)의 길이 차이가 크면 회전자 코어(1)의 포화도가 커지며, 자속의 이동 통로인 고정자의 치(20) 부분도 포화가 발생한다. 따라서 제1거리(ℓ1) 혹은 제3거리(ℓ3), 제2거리(ℓ2) 혹은 제4거리(ℓ4)의 길이 차이는 크게 하지 않는다.

도 5는 회전자에 설치된 영구자석의 스큐 각(angle)에 따른 토크 리플을 나타낸 것이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기한 스큐 각이 줄어들수록 토크 리플이 줄어드는 현상을 관찰 할 수 있다.

하지만, 특정 각(angle) 이상에서는 오히려 토크 리플이 다시 증가한다. 본 출원인의 시험에서는 1도를 줄일 경우 토크리플의 감소량이 가장 컸다.

도 6(a)는 300rpm에서 스큐를 주지 않았을 때와, 스큐를 1도 줄 때 발생되는 토크를 순차적으로 나타낸 것이다.

도 6(a)에 도시된 바와 같이, 저속에서 토크의 평균값은 209Nm이며, 토크 리플은 20.2%이다.

하지만, 1도의 스큐를 주게 되면 평균 토크값은 208Nm이고, 토크 리플은 4%가 감소한 16.2%이다.

도 6(b)는 10,000rpm 에서 순시 토크를 나타낸 것이다.

도 6(b)에 도시된 바와 같이, 스큐를 주지 않은 경우 평균 토크 값과 토크 리플은 각각 52Nm, 64.4%이지만, 1도 스큐를 주게 되면 토크 평균값은 변화가 없고 토크 리플은 33.6%로 절반 가량 줄어들었다.

도 7은 10,000rpm에서의 역기전력 고조파를 나타낸 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 스큐를 주지 않았을 경우 대부분의 고조파가 크고 기본파 성분이 작았다.

이와 반대로, 1도 스큐를 주게 되면 기본파 성분은 증가하지만 대부분의 고조파는 감소하였다. 역기전력의 고조파도 토크 리플과 마찬가지로 슬롯 개구부 효과에 영향을 받기 때문에 본 발명에서 제안된 구조로 변경을 하게 되면 고조파가 줄어들게 된다.

한편, 상기한 바와 같은 본 발명은, 8극이 아닌 다극 회전자 구조를 갖는 경우에도 적용이 가능하며, 이때 극쌍의 등간격은 도 4에서 예시한 것(ℓ1=ℓ3, ℓ2=ℓ4, ℓ1=ℓ3≠ℓ4)과 다르게 구성하여 각각 자기저항을 다르게 설계할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

1: 회전자 코어
2: 샤프트
3: 에어홀
10a, 10b, 20a, 20B: 극쌍
11, 12: 영구자석
20: 고정자의 치
21: 요크

Claims

회전자 코어에 다극 매입형 영구자석이 구비된 동기 전동기에 있어서,
상기 영구자석을 극쌍별로 구획하되, 상기 극쌍을 일정 각도마다 서로 마주보도록 대칭되게 구획하며,
상기 구획된 각각의 극쌍 사이의 간격 거리를 서로 다르게 하여 상기 극쌍을 배치하되,
상기 회전자의 12시 지점을 기준으로 하여, 12시에서 3시 사이에 구획된 제1극쌍(10a), 3시에서 6시 사이에 구획된 제2극쌍(10b), 6시에서 9시 사이에 구획된 제3극쌍(20a) 및 9시에서 12시까지 구획된 제4극쌍(20b)을 배치하고,
상기 제1극쌍(10a)과 상기 제2극쌍(10b)과의 사이에 형성된 제1거리(ℓ1)와 상기 제3극쌍(20a)과 상기 제4극쌍(20b)과의 사이에 형성된 제3거리(ℓ3)는 서로 동일한 거리(ℓ1=ℓ3)로 형성하고, 상기 제2거리(ℓ2)와 상기 제4거리(ℓ4)는 동일한 거리(ℓ2=ℓ4)로 형성하되,
상기 제4극쌍(20b)과 상기 제1극쌍(10a)과의 사이에 형성된 제2거리(ℓ2)와 상기 제3거리(ℓ3)는 서로 다른 거리(ℓ2≠ℓ3)로 형성하고,
상기 제2극쌍(10b)과 상기 제3극쌍(20a)과의 사이에 형성된 제4거리(ℓ4)와 상기 제3거리(ℓ3)는 서로 다른 거리(ℓ4≠ℓ3)로 형성하며,
상기 제1거리(ℓ1)와 상기 제2거리(ℓ2)는 서로 다른 거리(ℓ1≠ℓ2)로 형성하며,
또한, 상기 제1,3극쌍(10a,20a)은 반시계 방향으로 회전시키고, 상기 제2,4극쌍(10b,20b)은 시계 방향으로 회전시킨 것을 특징으로 하는 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법.
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제1항에 있어서,
상기 구획된 극쌍의 길이(δ1,δ2,δ3,δ4)는 모두 동일(δ1=δ2=δ3=δ4)하게 형성한 것을 특징으로 하는 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1,3극쌍(10a,20a)은 반시계 방향으로 1도 회전시키고, 상기 제2,4극쌍(10b,20b)은 시계 방향으로 1도 회전시킨 것을 특징으로 하는 동기 전동기에서 스큐를 만드는 방법.