KR101426168B1 - 모터의 회전자 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 전기 모터용 회전자는, 모터 회전축을 중심으로 회전하는 회전자 본체; 상기 회전자 본체의 모터 회전축에 대한 원주 쪽에 매입되는 다수 개의 매입 자석들; 및 상기 매입 자석들과 상기 모터 회전축의 사이의 본체 영역 중 일부가 사다리꼴 또는 호상 띠형으로 형성되는 다수 개의 메인 홀들을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 메인 홀들 사이의 영역에 상기 메인홀 보다 더 원주쪽의 영역에 원주 방향으로 긴 반월 형상으로 형성되는 다수 개의 반월 홀들을 더 포함할 수 있다.

Description

모터의 회전자{ROTATOR IN MOTOR}
본 발명은 모터의 회전자 구조에 관한 것으로, 특히 회전자 내부에 영구자석을 단층 또는 다층으로 배치하여 매립된 영구 자석을 이용하여 보다 많은 자속밀도를 집중시키면서도, 효과적으로 방열을 수행할 수 있는 회전자 구조에 관한 것이다.
자연에 존재하는 에너지인 전자장(電磁場)현상을 이용하여 전기에너지를 회전 또는 직선 운동에너지와 같은 역학적 에너지(Mechanical Energy)로 변환시켜 주는 에너지 변환장치를 전동기(이하 "모터")라 한다.
모터는 회전력을 얻기 위한 필수적인 전기장치로서 다양한 모터가 연구개발되고 있으나, 이들 모터를 응용, 채택하고 있는 전기, 전자장치들이 소형, 경량화 연구가 추진되고 있는 성향에 따라서, 그 전체 부피 및 무게에 비해서 상당한 비중을 차지하는 모터에 대한 소형, 경량화의 연구가 매우 활발히 추진되었다. 그런데, 소형, 경량화된 모터는 회전 운동에 의해 내부에서 발생되는 열을 외부로 방출하는데 어려움이 가중될 수 밖에 없다.
한국 공개특허 제10-1998-083325호에는 종래기술에 따른 영구자석 매립형 타입의 회전자에 대하여 개시되어 있으며, 도 1은 종래의 영구자석 매립형 타입의 회전자를 도시한 것으로, 도시한 영구자석 매립형 회전자는 회전자 철편(2)의 중심으로부터 반경방향에 대하여 직각으로 일정길이의 직선부홈(21)을 대칭되게 형성한다.
이러한 직선부홈(21)들은 회전자 철편(2)이 적층될 때 회전축의 길이방향으로 홈통을 형성하게 된다. 이러한 홈통에 도 2에 도시된 바와 같은 영구자석(30)을 삽입하여 자기장을 발생시킨다. 그러나, 이러한 구조의 매립형에서는 영구자석 단부에서 발생되는 다량의 누설자속이 발생됨으로써 효율이 저하되는 문제점 및 철편(2)들로 적층된 회전자 본체가 회전시 과도한 열이 발생된다는 문제점을 가지고 있었다.
한국 공개특허 제10-1998-083325호
본 발명은 모터를 경량화하면서도 출력을 높일 수 있는 모터용 회전자를 제공하고자 한다.
또는, 본 발명은 모터를 경량화하면서도 내부에서 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있는 구조의 모터용 회전자를 제공하고자 한다.
또는, 본 발명은 모터 제작 기술에 있어, 고출력 고효율 전동기로서 출력밀도 향상 및 소형경량화 구조를 달성할 수 있는 설계 기술을 제공하고자 한다.
삭제
본 발명의 사상에 따른 전기 모터용 회전자는, 모터 회전축을 중심으로 회전하는 회전자 본체; 상기 회전자 본체의 모터 회전축에 대한 원주 쪽에 매입되는 다수 개의 매입 자석들; 및 상기 매입 자석들과 상기 모터 회전축의 사이의 본체 영역 중 일부가 사다리꼴 또는 호상 띠형으로 형성되는 다수 개의 메인 홀들을 포함하되, 상기 메인 홀들 사이의 영역에 상기 메인홀 보다 더 원주쪽의 영역에 원주 방향으로 긴 반월 형상으로 형성되는 다수 개의 반월 홀들을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 반월 홀들은 초승달 형상, 반달 형상, 부채꼴 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 형성될 수 있다.
삭제
여기서, 상기 매입 자석들은, 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 반지름 방향과 직각의 위치로 매입된 직육면체 자석들일 수 있다.
여기서, 상기 매입 자석들은, 일단이 상기 메인 홀의 변 중심 부근에 위치하고 타단이 메인 홀들 사이의 영역의 원주 쪽에 위치하여, 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 그 단면이 V자 형으로 배치된 직육면체 자석들일 수 있다.
여기서, 상기 매입 자석들은, 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 반지름 방향과 직각의 위치로 매입된 직육면체 자석들과, 일단이 상기 메인 홀의 변 중심 부근에 위치하고 타단이 메인 홀들 사이의 영역의 원주 쪽에 위치하여, 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 그 단면이 V자 형으로 배치된 직육면체 자석들일 수 있다.
여기서, 상기 반월 홀들은 상기 회전자를 고정하기 위한 수단이 연결되는 고정 홀의 반지름 방향 전후에 형성될 수 있다.
상기 구성에 따른 본 발명의 모터용 회전자를 실시하면, 모터용 회전자를 경량화하면서도 자속밀도를 높일 수 있는 이점이 있다.
상기 이점의 모터용 회전자로 모터를 제작하면, 모터를 경량화하면서도 출력을 높일 수 있는 이점을 유발할 수 있다.
또는, 본 발명의 모터용 회전자는, 모터를 경량화하면서도 내부에서 발생되는 열을 효과적으로 외부로 방출할 수 있는 구조를 가지는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 모터용 회전자는, 자석 사용량을 늘리지 않고 출력밀도를 상승시킬 수 있어 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 모터용 회전자는, 회전자의 외경 사이즈를 줄이지 않고도 발열을 효과적으로 억제할 수 있는 이점이 있다.
또는, 본 발명의 모터용 회전자는, 출력 전동기 대비 소형 경량화를 가능하게 하는 이점이 있다.
도 1은 종래의 영구자석 매립형 타입의 회전자의 횡단면을 이루는 회전자 철판의 평면도.
도 2는 영구자석의 매립부에 매립되는 영구자석의 사시도.
도 3에 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터용 회전자를 도시한 횡단면 평면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 모터용 회전자를 도시한 횡단면 평면도.
도 5는 도 3에 도시한 회전자를 고정자에 대하여 회전시키는 중의 자속 밀도(flux density) 및 자속 분포를 나타낸 패턴.
도 6는 도 4에 도시한 회전자를 고정자에 대하여 회전시키는 중의 자속 밀도(flux density) 및 자속 분포를 나타낸 패턴.
도 7은 도 3에 도시한 회전자 및 도 4에 도시한 회전자의 토크 특성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 모터용 회전자를 도시한 횡단면 평면도.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기 모터용 회전자를 도시한 횡단면 평면도.
도 3에 도시한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터용 회전자(120)는, 모터 회전축을 중심으로 회전하는 회전자 본체(122); 상기 회전자 본체(122)의 모터 회전축에 대한 원주 쪽에 매입되는 다수 개의 매입 자석들(127, 128, 129); 및 상기 매입 자석들(127, 128, 129)과 상기 모터 회전축의 사이의 본체 영역 중 일부가 사다리꼴 또는 호상 띠형으로 형성되는 다수 개의 메인 홀(124)들을 포함한다.
상기 회전자 본체(122)는, 모터의 회전축에 연결되어, 상기 모터 회전축과 외부의 고정자 사이의 환형 공간에서 회전 운동한다. 상기 회전자 본체(122)는 전체적으로 관찰하면, 상기 매입 자석을 매입하기 위한 매입 슬롯들 및 상기 홀들(124)이 형성된 하나의 단일 프레임을 이루고 있으나, 실제 제작 방법에 있어서는 다수 매의 철편들이 적층된 형태나 다수개의 세그먼트들이 조립된 형태를 가질 수 있다.
상기 다수 개의 매입 자석들(127, 128, 129)은, 그 단면이 도시한 바와 같이 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 반지름 방향에 대하여 수직이거나 수직에 가까운 직육면체 판자석 형태를 가질 수 있으며, 고정자로부터의 자속 흐름을 이어주기 위한 역할을 수행할 수 있다.
도면에서는 하나의 자극에 대하여 3개의 매입 자석들(127, 128, 129)이 배치되는 바, 각 자극에 대하여, 상기 각 메인 홀(124)과 원주 사이의 영역에 반지름 방향과 직각의 위치로 매입된 직육면체 판자석(129)과, 일단이 상기 메인 홀의 변 중심 부근에 위치하고 타단이 메인 홀들 사이의 영역의 원주 쪽에 위치하여, 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 그 단면이 V자 형으로 배치된 2개의 직육면체 판자석들(127, 129)이 배치될 수 있다.
이미 자화된 영구자석인 상기 판자석들(127, 128, 129)은 그 자체가 자속장벽 역할도 하지만, 여기서 생긴 자력선이 자기도전 웹을 포화시켜 자속장벽을 제한하면서도 기계적으로 적절하도록 설계해야 한다.
상기 3개의 매입 자석들 중 보다 회전축 쪽에 그 단면이 V자형으로 위치하는 2개의 V형 자석들(127, 128)은, 영구 자석 매입식 회전자의 주된 기능을 위한 것으로, 종래기술의 영구 자석 매입식 회전자에 매입된 영구 자석과 동일한 역할을 수행한다.
반지름 방향과 직각의 위치로 매입된 직육면체 판자석인 평행 자석(129)은, 상기 V형 자석들(127, 128) 및 외부의 고정자(160)에 의한 자속을 강화하면서도, 바람직한 방향으로 상기 자속의 흐름을 조정하는 역할을 수행한다.
상기 도면에서, 하나의 자극 영역의 중심축 부근 영역에는, 회전자 본체 영역 중 일부가 사다리꼴 또는 호상 띠형으로 형성되는 메인 홀(124)이 하나 형성되어 있다. 상기 메인 홀(124)은 회전자의 무게 및/또는 회전질량을 절감하고, 상기 회전자로부터의 열방출을 용이하게 하는데 주된 목적이 있다.
도 4에 도시한 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기 모터용 회전자(220)는, 모터 회전축을 중심으로 회전하는 회전자 본체(222); 상기 회전자 본체(222)의 모터 회전축에 대한 원주 쪽에 매입되는 다수 개의 매입 자석들(227, 228, 229); 및 상기 매입 자석들(227, 228, 229)과 상기 모터 회전축의 사이의 본체 영역 중 일부가 사다리꼴 또는 호상 띠형으로 형성되는 다수 개의 메인 홀들(224)을 포함한다.
상기 회전자 본체(222)는, 모터의 회전축에 연결되어, 상기 모터 회전축과 외부의 고정자 사이의 환형 공간에서 회전 운동하는 외관상 단일 프레임 구조이나, 실제 제작 방법에 있어서는 다수 매의 철편들이 적층된 형태나 다수개의 세그먼트들이 조립된 형태를 가질 수 있다.
상기 다수 개의 매입 자석들(227, 228, 229)은, 그 단면이 도시한 바와 같이 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 반지름 방향에 대하여 수직이거나 수직에 가까운 직육면체 판자석 형태를 가질 수 있으며, 고정자로부터의 자속 흐름을 이어주기 위한 역할을 수행할 수 있는 등 상기 도 3의 경우와 동일하다.
상기 도면에서, 하나의 자극 영역의 중심축 부근 영역에는, 회전자 본체 영역 중 일부가 사다리꼴 또는 호상 띠형으로 형성되는 메인 홀(224)이 하나 형성되어 있다. 상기 메인 홀(224)은 회전자의 무게 및/또는 회전질량을 절감하고, 상기 회전자로부터의 열방출을 용이하게 하는데 주된 목적이 있다.
더불어, 상기 메인 홀(224)들 사이의 영역 즉, 자극의 경계상에 상기 메인 홀(224) 보다 더 원주쪽의 영역에 원주 방향으로 긴 반월 형상으로 형성되는 다수 개의 반월 홀들(225)이 형성된 것을 알 수 있다. 이때, 반월 홀(225)의 형상은 도 4에 나타낸 바와 같은 초승달 형상에 한정되는 것은 아니며, 초승달 형상 뿐만 아니라 반달 형상, 부채꼴 형상으로 형성할 수 있다.
상기 도면에서, 상기 반월 홀들(225)은 상기 회전자(220)를 고정하기 위한 수단이 연결되는 고정 홀(226)의 반지름 방향 전후에 형성된 것을 알 수 있다. 이는 회전자 전체를 결합하기 위한 리벳이나 나사 등을 통과시키기 위한 홀(226)을 형성할 필요가 있는 경우, 상기 반월 홀들(225)의 사이에 배치함으로써, 상기 고정 홀(226)이 반월 홀(225)의 역할을 일부 수행토록 구성할 수 있다.
상기 반월 홀들(225)은 인접하는 2개의 자극들 사이의 경계선에 절반이 하나의 자극의 영역에 속하고, 나머지 절반이 다른 하나의 자극의 영역에 속하는 형태로 2개가 반지름 방향으로 배열되어 있다. 도시하지 않은 다른 구현에서, 상기 반월 홀들은 상기 인접하는 2개의 자극들 사이의 경계선의 반지름 방향으로 3개 이상 형성될 수 있다.
도 4에 도시한 모터용 회전자는, 회전자에 영구자석이 삽입되고 축과 끼워맞춤으로 이루어져 회전을 하는 회전체로써 회전자 본체에, 경량화 도모 및 방열면적 확보/출력밀도 향상을 이루도록 형성된 사각 형태(구체적으로, 사다리꼴 또는 호상 띠형)의 홀과, 자속의 집중도를 높일 수 있도록 자속의 경로가 촘촘히 형성된 초승달 형태의 홀을 구비한다. 즉, 인접한 플럭스 배리어부의 사이로 회전자의 극 경계상에 회전자의 중심방향으로 초승달 형태의 플럭스 배리어 홈을 추가로 형성하여, 고정자에서 발생된 자속의 흐름이 극 경계면 상에서 손실되지 않고 자로로 더 집중하여 흐르게 되므로, 자속이 누설되는 현상을 방지하여 모터의 출력이 향상시켰다.
여기서, 로터의 회전력에 대한 원활한 방열을 도모하기 위해 추가된 사각형 태의 메인 홀을 추가함에 있어, 모터의 출력특성에 영향을 끼치지 않는 Back iron의 깊이를 만족시키는 것이 바람직하다.
살펴본 바와 같이 도 3 및 도 4에 도시한 본 빌명의 모터용 회전자에는 그 회전자 본체의 일부 영역이 절개된 형태로 형성된 홀들이 포함될 수 있는데, 회전자 본체에 형성된 홀들의 역할을 다음과 같다.
고정자에서 발생된 유기 기전력에 의해 회전자에서 유기 기전력이 흐르게 될때 극 경계면 상에서 간섭되어 손실되지 않도록 상기 홀들에 의해 유기 기전력을 원하는 방향으로 유도하여 유기 기전력을 보전하므로 모터 출력의 손실을 억제할 수 있다. 특히, 인접한 극 경계면 주위로 자속이 흐르는 것이 차단되어 주로 손실이 저감된다.
상기 반월형 홀이 형성된 회전자는 자속의 원활한 흐름을 만들어 주어 일
정한 전압을 인가하는 경우에 상기 반월형 홈이 없는 회전자 보다 좋은 효율을 나타내게 되고, 균일한 자속 분포로 자속이 편중되게 될 때보다 진동을 억제하는 효과를 나타낸다. 또한 동일 자기량에서 높은 토크를 얻을 수 있어, 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다.
다음, 본 발명이 사상에 따른 모터용 회전자를 사용할 때의 효과에 대한 실험 결과를 살펴보겠다.
도 5는 도 3에 도시한 회전자를 고정자에 대하여 회전시키는 중의 자속 밀도(flux density) 및 자속 분포를 나타낸 것이다. 도시한 자속 분포에서, 상기 회전자에 형성된 메인 홀에 의해 회전 운동을 위한 자속의 약화가 없음을 알 수 있다. 즉, 상기 메인 홀의 형성이 모터의 출력에 영향을 주지 않으면서도 효과적으로 방열을 수행하며, 회전자의 중량을 절감할 수 있음을 알 수 있다.
도 6는 도 4에 도시한 회전자를 고정자에 대하여 회전시키는 중의 자속 밀도(flux density) 및 자속 분포를 나타낸 것이다. 도 6의 자속 분포를 도 5의 자속 분포와 비교하면, 자극들 사이에서 발생하는 누설 자속을 효과적으로 방지하고 있음을 알 수 있다. 또한, 도 5의 자속 밀도는 2.873 tesla 인 반면, 도 6의 자속 밀도는 2.880 tesla로 향상되었음을 알 수 있다.
더불어, 회전자의 중량 변화를 살펴보면, 홀들이 없을 때 중량은 13.87kg이었는데, 메인 홀을 형성하여 11.19kg으로 경량화하였고, 다시 반월 홀을 형성하여 11.05로 다시 절감 효과를 달성하였음을 알 수 있다.
도 7은 도 3에 도시한 회전자 및 도 4에 도시한 회전자의 토크 특성을 나타낸 그래프이다. 도시한 바와 같이, 도 3의 회전자의 토크 특성은 140.81Nm이고, 도 4의 회전자의 토크 특성은 140.87Nm인 바, 근소하지만 반월 홀들을 추가한 도 4의 회전자의 토크 특성이 보다 우수한 것을 알 수 있다.
하기 표 1은 회전자 본체에 메인 홀로서 원형 홀을 구비한 비교예와, 사다리꼴 메인 홀을 구비한 도 3의 실시예와, 사다리꼴 메인 홀 및 반월 홀을 구비한 도 4의 실시예의 동일한 속도 및 각도에서의 토크를 비교하기 위한 것이다.
Figure 112012109451568-pat00001
상기 표 1에서, 원형 메인 홀만을 구비한 비교예 보다 사다리꼴 메인 홀을 구비한 도 3의 실시예에서 토크가 138.2Nm에서 140.81Nm으로 상당한 개선을 달성하였고, 사다리꼴 메인 홀 및 반월 홀을 구비한 도 4의 실시예에서 토크가 다시 140.87Nm으로 약간의 개선을 추가한 것을 알 수 있다.
도 8은 도 4의 구조와 유사하나 하나의 자극에 대한 매입 자석을 그 단면이 회전축 반지름에 수직인 판자석 하나로만 구비한 구조의 또 다른 실시예에 따른 모터용 회전자를 도시한다.
또한, 도 9는 도 4의 구조와 유사하나 하나의 자극에 대한 매입 자석을 일단이 메인 홀의 변 중심 부근에 위치하고 타단이 메인 홀들 사이의 영역의 원주 쪽에 위치하여 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 그 단면이 V자 형으로 배치된 2개이 판자석으로 구비한 구조의 또 다른 실시예에 따른 모터용 회전자를 도시한다.
도 8 및 도 9에 도시한 모터용 회전자의 경우에도, 매입 자석들의 구성만이 차이가 있을 뿐 다른 구성 요소 및 그 기능은 상기 도 4에 도시한 실시예의 경우와 유사하다. 특히, 본 발명의 사상에 따른 사다리꼴 메인 홀 및 반월 홀의 기능 및 효과에 대해서는 더욱 그러하며, 이에 따라 중복되는 설명은 생략하겠다.
상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며, 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술분야의 통상의 전문가라면 본 발명의 기술사상의 범위에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
120, 220 : 전기 모터용 회전자
122, 222 : 회전자 본체
127, 128, 129, 227, 228, 229 : 매입 자석들
124, 224 : 메인 홀
225 : 반월 홀
226 : 고정 홀

Claims (7)

  1. 모터 회전축을 중심으로 회전하는 회전자 본체
    상기 회전자 본체의 모터 회전축에 대한 원주 쪽에 매입되는 다수 개의 매입 자석들; 및
    상기 매입 자석들과 상기 모터 회전축의 사이의 본체 영역 중 일부가 사다리꼴 또는 호상 띠형으로 형성되는 다수 개의 메인 홀들을 포함하되,
    상기 메인 홀들 사이의 영역에 상기 메인홀 보다 더 원주쪽의 영역에 원주 방향으로 긴 반월 형상으로 형성되는 다수 개의 반월 홀들을 더 포함하는 전기 모터용 회전자.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 반월 홀들은 초승달 형상, 반달 형상, 부채꼴 형상 중 적어도 어느 하나의 형상으로 형성되는 전기 모터용 회전자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 매입 자석들은,
    상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 반지름 방향과 직각의 위치로 매입된 직육면체 자석들인 전기 모터용 회전자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 매입 자석들은,
    일단이 상기 메인 홀의 변 중심 부근에 위치하고 타단이 메인 홀들 사이의 영역의 원주 쪽에 위치하여, 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 그 단면이 V자 형으로 배치된 직육면체 자석들인 전기 모터용 회전자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 매입 자석들은,
    상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 반지름 방향과 직각의 위치로 매입된 직육면체 자석들과,
    일단이 상기 메인 홀의 변 중심 부근에 위치하고 타단이 메인 홀들 사이의 영역의 원주 쪽에 위치하여, 상기 각 메인 홀과 원주 사이의 영역에 그 단면이 V자 형으로 배치된 직육면체 자석들인 전기 모터용 회전자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반월 홀들은 상기 회전자를 고정하기 위한 수단이 연결되는 고정 홀의 반지름 방향 전후에 형성되는 전기 모터용 회전자.
KR1020120157643A 2012-12-28 2012-12-28 모터의 회전자 KR101426168B1 (ko)

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