KR101405973B1 - 모터 - Google Patents

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본 발명은 토크 리플을 줄임으로써 소음 및 진동을 감소시키고 효율을 증가시킬 수 있는 모터를 제공한다.
본 발명에 따른 모터는 하우징과, 상기 하우징 내부에 안착되며 고정자 코일이 권선되는 복수개의 티스를 구비하는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 수용되며 상기 티스와 자력 플럭스에 의하여 회전력을 발생시키는 영구자석이 삽입 고정되는 복수개의 V자형 자석 삽입공을 가지는 회전자를 구비하고, 상기 회전자의 중심에서 상기 자석 삽입공의 양단에 각각 연장된 2개의 직선이 이루는 각을 θ1이라고 할 때, 77°≤θ1≤ 81°를 만족한다.
모터, 고정자, 회전자, 영구자석, 토크 리플

Description

모터{MOTOR}
본 발명은 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자의 구조를 변경하여 토크 리플을 줄여 소음 및 진동을 감소시키고 효율을 증가시킬 수 있는 모터에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 장치로서, 냉장고, 압축기 등과 같이 다양한 기계에 사용된다.
이러한 모터의 종류 중 하나로 브러쉬리스 모터가 있다.
브러쉬리스 모터는 모터에서 브러쉬와 정류자를 없애고 전자적인 정류 기구를 설치하여 기계적 또는 전기적인 노이즈를 발생시키지 않을 뿐만 아니라 저속부터 고속까지 다양한 속도로 모터의 제어가 가능하다. 또한, 다극으로 회전토크가 안정적이며, 긴 수명을 가지는 장점을 가진다.
도 1 및 도 2는 종래의 브러쉬리스 모터를 도시한 것으로서, 도 1은 종래의 브러쉬리스 모터의 종단면도이고, 도 2는 종래의 브러쉬리스 모터의 횡단면도를 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 종래의 브러쉬리스 모터는 소정의 내부 공간을 갖 는 하우징(10)과 상기 하우징(10)의 내부에 고정 결합되는 고정자(20)와, 상기 고정자(20)의 내부에 회전 가능하도록 삽입되는 회전자(30)와, 상기 회전자(30)의 내부에 압입 고정됨과 아울러 각 베어링(41)에 회전 가능하게 고정되는 회전축(40)을 구비한다.
도 2에 도시된 바와 같이 상기 고정자(20)는 내주면에 돌출 형성된 복수개의 티스(21)를 구비하고, 각 티스(21) 사이에 요홈지게 형성된 슬롯(22)이 형성되며, 상기 티스(21)의 내측 양단에 돌출 형성된 폴슈(23) 사이에 슬롯 개구부(24)가 형성된 고정자 코어(25)와, 상기 고정자 코어의 티스(21)에 권선되는 고정자 코일(26)로 구성된다.
상기 회전자(30)는 중심부에 회전축을 압입 고정하기 위한 축공(31)이 형성되며, 상기 축공(31) 외측에 영구자석(50)을 고정하기 위한 자석 삽입공(32)이 원주 방향으로 4개가 형성된 회전자 코어(35)를 적층시켜 결합한다.
마주보는 자석 삽입공(32)에 고정된 영구자석(50)끼리는 서로 동일 극성을 갖도록 안착되고, 인접한 자석 삽입공(32)에 고정된 영구자석(50)끼리는 서로 다른 극성을 갖도록 안착된다.
이와 같은 구성에 있어서, 종래의 모터의 작동은 상기 고정자(20)의 각 티스(21)에 권선된 고정자 코일(26)에 전류가 인가되면, 각 티스(21)가 N극과 S극의 교번 극성을 갖게 되고 상기 고정자(20)의 티스(21)에 인접한 회전자(30)의 영구자석(50)과의 자력 플럭스에 의하여 회전자(30)가 회전한다.
이때 N극의 극성을 갖는 영구자석(50)과 N극의 극성을 갖는 티스(21)가 접하 는 부분에서는 자력이 반발하여 서로 미는 힘인 척력이 발생하게 되고, 인접한 N극의 영구자석(50)과 S극의 극성을 띄는 티스(21)가 접하는 부분에서는 활발한 자력 플럭스가 형성되어 자속 밀도가 집중되어 서로 잡아당기려는 인력이 작용하게 된다.
그러나, 상기와 같은 모터에서 회전자(30)가 회전하여 극이 변할 때 코깅 토크(cogging torque)나 토크 리플(torque ripple)이 크게 발생하여 소음과 진동이 발생하고, 모터의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전자의 구조를 변경하여 토크 리플을 줄여 소음과 진동을 줄이고, 효율을 높일 수 있는 모터를 제공한다.
본 발명에 따른 모터는 하우징과, 상기 하우징 내부에 안착되며 고정자 코일이 권선되는 복수개의 티스를 구비하는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 수용되며 상기 티스와 자력 플럭스에 의하여 회전력을 발생시키는 영구자석이 삽입 고정되는 복수개의 V자형 자석 삽입공을 구비하는 회전자를 구비하고, 상기 회전자의 중심에서 상기 자석 삽입공의 양단에 각각 연장된 2개의 직선이 이루는 각을 θ1이라고 할 때, 77°≤θ1≤ 81°를 만족한다.
또한, 상기 하나의 자석 삽입공에는 2개의 영구자석이 삽입되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 2개의 영구자석이 서로 이루는 각을 θ2라고 할 때, 136°≤θ2≤ 144°를 만족하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 회전자가 4개의 극을 갖도록 상기 회전자는 4개의 자석 삽입공을 구비되는 것이 바람직하다.
상기 고정자 코일은 분산권으로 권선되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 모터에 의하면 회전자의 구조, 특히 영구자석의 위치를 변경함으로써 토크 리플을 줄일 수 있으며, 이에 따라 모터의 소음 및 진동을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 모터의 효율을 증가시킬 수 있다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 모터에 대해 설명한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모터는 하우징(100)과, 상기 하우징(100)의 내부에 고정 결합되는 고정자(200)와, 상기 고정자(200)의 내부에 회전 가능하도록 삽입되는 회전자(300)와, 상기 회전자(300)의 내부에 압입 고정됨과 아울러 회전자(300)의 회전력을 외부로 전달하는 회전축(미도시)을 구비한다.
고정자(200)는 고정자 코어(210)와 티스(211)를 포함하여 이루어진다.
상기 고정자 코어(210)는 도시된 바와 같이 환형으로 이루어질 수 있으며, 자로를 형성하게 된다. 그리고, 상기 티스(211)는 상기 고정자 코어(210)의 반경 방향으로 돌출되며, 상기 티스(211)에 고정자 코일(220)이 권선된다. 도시된 모터는 일례로 고정자 코어(210)의 내부에 회전자(300)가 위치하는 타입의 모터이므로, 상기 티스(211)는 상기 고정자 코어(210)의 반경 방향 내측으로 돌출되어 형성된다.
상기 고정자 코어(210)는 단위 고정자 코어를 적층하여 형성될 수 있다. 얇은 단위 고정자 코어를 복수 개 적층하여 소정 높이를 갖는 고정자 코어(210)를 형성할 수 있다.
이러한 적층 형태로 고정자 코어(210)를 형성하는 경우 상기 단위 고정자 코어들을 일체로 결합시킬 필요가 있다. 일체로 형성된 하나의 고정자 코어(210)를 형성할 필요가 있다. 따라서, 이러한 단위 고정자 코어들을 결합시키기 위한 코킹(caulking)부가 필요하다. 이러한 코킹부는 고정자 코어(210)의 상, 하부를 관통하여 형성되는 것이 바람직하다.
상기 고정자 코일(220)은 상기 티스(211)에 분산권으로 권선된다. 이때 고정자(200)는 4개의 극을 가져 4개의 자속 경로를 형성하도록 권선된다. 즉, 환형을 이루는 복수개의 티스(211)를 4등분하여 하나의 등분이 하나의 극을 가지도록 고정자 코일(220)이 권선된다.
상기 티스(211)에 권선되는 고정자 코일(220)에 전원이 인가되면, 하나의 극과 이웃하는 극에는 각각 N극과 S극의 자극이 교대로 형성된다. 이때, 티스(211)를 중심으로 자극이 형성되는데, 상기 티스(211)와 티스(211) 사이의 거리가 멀어질수록 누설되는 자속이 증가한다. 따라서, 누설 자속을 최소화하기 위하여 상기 티스(211)의 선단부에는 마주보는 회전자(300)의 외주면과 부합되도록 양측 원주 방향으로 일정 길이 연장되도록 폴슈(212)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 통해 이웃하는 티스(211) 사이에 발생하는 누설 자속을 최소화할 수 있다.
상기와 같이 형성된 고정자(200)를 하우징(100)에 고정시키기 위해 상기 고정자(200)는 복수개의 고정부(250)를 구비한다. 상기 각 고정부(250)는 서로 90° 간격을 가지도록 형성될 수 있다. 그리고 각 고정부(250) 사이에는 냉매와 같은 유체가 순환할 수 있도록 에어갭(260)이 형성된다.
도 4는 도 3에서 회전자를 확대하여 도시한 도면이다.
상기 회전자(300)는 중심부에 회전축을 압입 고정하기 위한 축공(301) 및 상기 축공(301) 외측에 각각 2개의 영구자석(350)이 삽입되는 4개의 'V'자 형상의 자석 삽입공(302)이 원주 방향을 따라 마련된 회전자 코어(303)를 적층하여 형성된다.
서로 이웃하는 자석 삽입공(302)에 삽입되는 영구자석(350)은 서로 다른 극성을 갖고, 서로 마주보는 자석 삽입공(302)에 삽입되는 영구자석(350)은 서로 동일한 극성을 갖는다.
그리고, 도 4에 도시된 바와 같이 자석 삽입공(302)에 삽입되는 영구자석(350)의 외측 단부에 대응하는 부분에 형성된 호를 제 1곡선부(310)라하고, 자석 삽입공(302)에 삽입되는 영구자석(350)의 내측 단부에 대응하는 부분에 형성된 호를 제 2곡선부(320)라고 정의한다.
이때, 제 1곡선부(310)의 곡률 반경은 제 2곡선부(320)의 곡률 반경보다 크게 형성된다. 그리고, 제 1곡선부(310)의 길이는 제 2곡선부(320)의 길이보다 길게 형성된다.
이와 같이 제 1곡선부(310)를 형성하는 이유는 회전자(300)가 회전할 때 자극이 바뀌는 부분에서 극격한 자극의 변화로 인해 회전자(300)와 회전축에서 발생하는 코깅 토크나 토크 리플을 감소시키기 위함이다.
도 5는 도 4에 도시된 회전자를 채용한 모터에서 발생하는 자기 플럭스를 나타낸 것이다.
도 5에 도시된 바와 같이 제 1곡선부(310)와 고정자(200) 사이의 공간(A)에 형성된 자기 플럭스의 밀도는 제 2곡선부(320)와 고정자(200) 사이의 공간(B)에 형성된 자기 플럭스의 밀도보다 낮은 것을 알 수 있다.
또한, 상기 자기 플럭스는 각 자석 삽입공(302)에 삽입된 영구자석(350) 내부에서는 영구자석(350)에 수직방향으로 발생하는 것을 알 수 있다.
따라서, 자기 플럭스는 하나의 자석 삽입공(302)과 이웃하는 자석 삽입공(302) 사이의 거리 및 하나의 자석 삽입공(302)에 삽입되는 2개의 영구자석(350)이 이루는 각도에 따라 변화될 수 있음을 알 수 있다.
도 4에서 상기 회전자(300)의 중심(O)에서 하나의 자석 삽입공(302)의 양단에 각각 연장된 2개의 직선(L1,L2)이 이루는 각을 θ1이라고 하고, 상기 하나의 자석 삽입공(302)에 삽입되는 2개의 영구자석(350)이 서로 이루는 각을 θ2라고 하였다.
그리고 본 발명인은 θ1 및 θ2의 변화에 따라 토크 리플이 어떻게 변하는지에 대해 실험하였다.
도 6은 θ1의 변화에 따른 토크 리플의 변화를 나타낸 실험 데이터이다.
도 6에 도시된 바와 같이 θ1이 79°일 때까지 토크 리플이 감소하지만, 79°를 넘어서면 다시 증가하는 것을 볼 수 있다. 토크 리플의 허용 임계치를 14%로 설정하였을 때, 상기 허용 임계치를 만족하는 θ1의 값은 77°이상, 81°이하인 것을 알 수 있다. 따라서, 토크 리플을 감소시키기 위해 77°≤θ1≤ 81°를 만족하도록 자속 삽입공(302)을 설계하는 바람직하다는 것을 알 수 있다.
도 7은 θ2의 변화에 따른 토크 리플의 변화를 나타낸 실험 데이터이다.
도 7에 도시된 바와 같이 θ2가 대략 140°일때 까지 토크 리플이 감소하지만 140°를 넘어서면 다시 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 토크 리플의 허용 임계치를 14%로 설정하였을 때, 상기 허용 임계치를 만족하는 θ2의 값은 136°이상, 144°이하인 것을 알 수 있다.
따라서, 토크 리플을 감소시키기 위해 136°≤θ2≤ 144°를 만족하도록 영구 자석(320)의 설치 위치를 설계하는 바람직하다는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 모터에 의하면 자석 삽입공 및 자석 삽입공에 삽입되는 영구자석의 적합한 배치를 통해 토크 리플을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 모터의 종단면도.
도 2는 도 1에 도시된 모터의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 횡단면도.
도 4는 도 3에서 회전자를 확대하여 도시한 확대도.
도 5는 도 3에 도시된 모터에 발생하는 자기 플럭스를 나타낸 도면.
도 6은 θ1의 변화에 따른 토크 리플의 변화를 나타낸 실험 데이터.
도 7은 θ2의 변화에 따른 토크 리플의 변화를 나타낸 실험 데이터.
** 도면의 주요 부분에 대한 설명 **
100: 하우징 200: 고정자
300: 회전자 302: 자석 삽입공
303: 회전자 코어 320: 회전자

Claims (5)

  1. 하우징과,
    상기 하우징 내부에 안착되며 고정자 코일이 권선되는 복수개의 티스를 구비하는 고정자와,
    상기 고정자의 내부에 수용되며 상기 티스와 자력 플럭스에 의하여 회전력을 발생시키는 영구자석이 삽입 고정되는 복수개의 V자형 자석 삽입공을 가지는 회전자를 구비하고,
    상기 회전자의 중심에서 상기 자석 삽입공의 양단에 각각 연장되는 2개의 직선이 이루는 각을 θ1이라고 할 때,
    77°≤θ1≤ 81°를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 하나의 자석 삽입공에는 2개의 영구자석이 삽입되는 것을 특징으로 하는 모터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 2개의 영구자석이 서로 이루는 각을 θ2라고 할 때,
    136°≤θ2≤ 144°를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 회전자가 4개의 극을 갖도록 상기 회전자는 4개의 자석 삽입공을 구비되는 것을 특징으로 하는 모터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자 코일은 분산권으로 권선되는 것을 특징으로 하는 모터.
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