KR101541695B1 - 자속 집중형 전동기의 회전자 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자속 집중형 전동기의 회전자 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 본 발명에 다른 자속 집중형 전동기의 회전자는 회전축으로부터 방사상으로 뻗어 형성되며, 회전축과 인접한 아랫변과 고정자와 인접한 윗변이 서로 평행하고, 아랫변의 길이가 윗변의 길이보다 상대적으로 긴 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 영구자석, 영구자석과 교번적으로 위치하도록 아랫변과 윗변을 연결하는 사다리꼴 모양의 측변을 따라 회전축 측으로부터 고정자 측으로 방사상으로 뻗은 부채꼴 모양으로 형성되어 영구자석을 고정하는 철심, 및 영구자석 및 철심과 회전축 사이에 위치하여 철심을 고정하는 비자성의 고정체를 포함하며, 이를 통해 회전자가 회전함에 따라 발생하는 응력을 분산하고, 누설 자속을 최소화하면서도 그 제조를 용이하게 할 수 있다.

Description

자속 집중형 전동기의 회전자 및 그 제조방법 {Rotor of spoke type motor and manufacturing method thereof}

본 발명은 전동기와 관련한 것으로, 더욱 상세하게는 전동기 내부에서 회전축을 중심으로 회전하는 회전자의 내구성과 성능을 개선한 자속 집중형 전동기의 회전자 및 그 제조방법과 관련한 것이다.

전동기는 회전축을 중심으로 회전하며 영구자석이 배열된 회전자(rotor)와, 회전자 주위에 위치한 고정자(stator)를 포함하며, 고정자에 전원을 공급하면 회전자가 회전하여 구동력을 발생시킨다.

영구자석을 이용한 자속 집중형 전동기는 회전자의 구조에 따라 그 특성이 바뀌게 되는데, 페라이트 등의 소재로 이루어진 영구자석을 채용하는 경우 회전자의 회전시 해당 영구자석과 해당 영구자석을 지지하는 철심(core)에 응력이 발생하여, 영구자석의 비산, 영구자석이나 철심의 변형, 수명저하 및 파손을 발생시키는 문제가 있다.

이를 개선하기 위해 영구자석을 철심으로 둘러싸 강성을 확보하는 방안이 제안되었으나 누설 자속으로 인해 출력이 저하되는 한계가 있고, 철심의 두께를 두껍게하는 방법 또한 제안되었으나 영구자석의 폭을 감소시켜 전동기의 출력이 저하되는 문제가 있다

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 자속 집중형 전동기에서 회전자가 회전함에 따라 발생하는 응력을 분산하고, 누설 자속을 최소화하면서도 그 제조를 용이하게 할 수 있는 자속 집중형 전동기의 회전자 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자는, 회전축으로부터 방사상으로 뻗어 형성되며, 회전축과 인접한 아랫변과 고정자와 인접한 윗변이 서로 평행하고, 상기 아랫변의 길이가 상기 윗변의 길이보다 상대적으로 긴 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 영구자석, 상기 영구자석과 교번적으로 위치하도록 상기 아랫변과 상기 윗변을 연결하는 상기 사다리꼴 모양의 측변을 따라 상기 회전축 측으로부터 상기 고정자 측으로 방사상으로 뻗은 부채꼴 모양으로 형성되어 상기 영구자석을 고정하는 철심, 및 상기 영구자석 및 상기 철심과 상기 회전축 사이에 위치하여 상기 철심을 고정하는 비자성의 고정체를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자에 있어서, 상기 영구자석의 측변은, 상기 아랫변의 양끝 꼭지점에서의 내각이 75도 내지 90도 사이의 각도를 갖도록 일정 기울기로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자에 있어서, 상기 철심은 외주면에 복수의 상기 영구자석의 상기 고정자 방향 끝단 꼭지점 측으로 각각 돌출 형성되어 상기 영구자석을 고정하는 복수의 외측돌기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자에 있어서, 상기 철심은 내주면에 상기 회전축 측으로 돌출 형성된 내측돌기를 포함하고, 상기 고정체는 상기 내측돌기를 감싸도록 형성된 고정홈을 이용해 상기 내측돌기와 결합하여 상기 철심을 고정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자에 있어서, 상기 내측돌기는, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 돌기 형상의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성되고, 상기 고정홈은, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 내부 공간의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성되고, 상기 고정체의 외주면에 위치한 상기 고정홈의 개구영역이 상기 회전축의 길이 방향을 따라 점차 좁아지도록 형성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자 제조방법은, 회전축으로부터 방사상으로 뻗어 형성되며, 회전축과 인접한 아랫변과 고정자와 인접한 윗변이 서로 평행하고, 상기 아랫변의 길이가 상기 윗변의 길이보다 상대적으로 긴 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 영구자석을, 상기 영구자석과 교번적으로 위치하도록 상기 아랫변과 상기 윗변을 연결하는 상기 사다리꼴 모양의 측변을 따라 상기 회전축 측으로부터 상기 고정자 측으로 방사상으로 뻗은 부채꼴 모양으로 형성되며 외주면에 복수의 상기 영구자석의 상기 고정자 방향 끝단 꼭지점 측으로 각각 돌출 형성되어 상기 영구자석을 고정하는 복수의 외측돌기를 갖는 철심사이에 위치시키는 단계, 및 상기 철심은 내주면에 상기 회전축 측으로 돌출 형성된 내측돌기를 갖고, 상기 영구자석 및 상기 철심과 상기 회전축 사이에 위치한 고정체는 상기 내측돌기를 감싸도록 형성된 고정홈을 가지며, 상기 철심에 형성된 상기 내측돌기를 상기 고정체에 형성된 상기 고정홈에 삽입 결합하여 상기 철심을 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자 제조방법에 있어서, 상기 영구자석의 측변은, 상기 아랫변의 양끝 꼭지점에서의 내각이 75도 내지 90도 사이의 각도를 갖도록 일정 기울기로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자 제조방법에 있어서, 상기 내측돌기는, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 돌기 형상의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성되고, 상기 고정홈은, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 홈 단면의 면적이 점차 좁아지도록 형성되고, 상기 고정체의 외주면에 위치한 상기 고정홈의 개구영역이 상기 회전축의 길이 방향을 따라 점차 좁아지도록 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 자속 집중형 전동기의 회전자 및 그 제조방법에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 회전자의 회전시 영구자석 및 영구자석을 고정하는 철심에 발생하는 응력이 분산되어, 영구자석의 비산, 영구자석 및 철심의 변형이나 파손을 방지할 수 있고, 회전자의 내구성이 개선된다.

둘째, 자성 재료로 구성된 철심을 통로로 영구자석의 자속이 누설되는 것을 방지할 수 있어 전동기의 출력이 향상된다.

셋째, 철심과 비자성의 고정체를 삽입 결합방식으로 용이하게 결합할 수 있어, 회전자의 제조가 간편해지고 제고 비용이 절감된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자의 단면을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 고정체를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 철심과 고정체를 결합하는 모습을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정체를 나타낸 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철심의 내측돌기를 나타낸 저면도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 전동기 내부에 위치한 회전자와 관련한 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자의 단면을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예의 회전자는 영구자석(10), 철심(20) 및 고정체(30)를 포함하여 구성된다.

영구자석(10)은 강한 자화상태를 오래 보존하는 자석으로 자기장을 형성한다. 영구자석(10)은 회전축(1)으로부터 고정자(2) 방향으로 방사상으로 뻗어 일정 간격을 두고 배치되며, 고정자(2)에 흐르는 전류에 따라 회전축(1)을 중심으로 회전하는 구동력을 전달한다.

본 실시예에서 영구자석(10)은 단면이 사다리꼴 모양을 갖는다. 이때 영구자석(10)은 회전축(1)과 인접한 아랫변(11)과 고정자(2)와 인접한 윗변(12)이 서로 평행하되, 아랫변(11)의 길이가 윗변(12)의 길이보다 상대적으로 긴 사다리꼴 모양을 갖는다.

철심(20)는 높은 투자율을 갖는 강자성체로 이루어지며, 영구자석(10)으로부터의 자속에 대한 통로로 기능한다. 철심(20)은 철과 같은 강자성 물질이나 아철산염과 같은 강자성 화합물로 만들어질 수 있으며, 높은 투자율을 이용해 철심에 자속이 집중되도록 한다.

본 실시예에서 철심(20)은 영구자석(10)과 교번적으로 위치하도록, 회전축(1) 측으로부터 고정자(2) 측으로 방사상으로 뻗은 부채꼴 모양을 갖게 된다. 이때, 철심(20)은 영구자석(10)의 아랫변(11)과 윗변(12)을 연결하는 사다리꼴 모양의 측변(13)을 따라 방사상으로 뻗어 형성된다. 이에 따라 철심(20)의 측면은 영구자석(10)의 측변(13)과 맞닿게 된다.

철심(20)의 외주면에는, 복수의 영구자석(10)의 고정자(2) 방향 끝단 꼭지점 측으로 각각 돌출 형성된 복수의 외측돌기(21)가 위치한다. 복수의 외측돌기(21)는 회전자의 회전시 영구자석(10)이 원심력에 의해 고정자(2) 방향으로 비산되거나 변형이 일어나는 것을 방지한다.

또한 철심(20)의 내주면에는 회전축(1) 축으로 돌출 형성된 내측돌기(22)가 위치하며, 해당 내측돌기(22)는 고정체(30)와의 결합을 통해 철심(20)을 고정하는 역할을 한다.

고정체(30)는 영구자석(10) 및 철심(20)과 회전축(1) 사이에 위치하여 철심을 고정하며, 비자성의 소재를 채용하여 영구자석(10)으로부터의 자속이 통과하는 자로를 제한하는 역할을 한다.

즉, 영구자석(10)의 자속은 자성체인 철심(20)을 자로로 이용할 수 있지만, 비자성의 고정체(30)는 영구자석(10)의 자속을 제한하여, 영구자석(10)간에 자속이 직접 쇄교하는 것을 방지한다. 이를 통해 영구자석(10)에 누설 자속이 발생하는 것을 방지하여 역기전력을 유지함과 동시에 전동기의 성능을 극대화할 수 있다.

한편 본 실시예의 고정체(30)는 철심(20)의 내측돌기(22)를 감싸도록 형성된 고정홈(31)을 포함한다. 이때, 철심(20)의 내측돌기(22)를 고정체(30)의 고정홈(31)에 삽입 결합함으로써, 철심(20)을 고정체(30)에 안정되게 고정할 수 있다.

이 경우 고정체(30)는 영구자석(10)의 회전축(1) 측 끝단과 맞닿고, 고정홈(31)을 통해 철심(20)의 회전축(1) 끝단과 맞닿게 된다. 이때, 영구자석(10)은 철심(20)의 외측돌기(21)에 의해 고정되고, 철심(20)은 내측돌기(22)와 고정홈(31)과의 결합을 통해 고정체(30)와 결합됨으로써, 회전자의 전체 구성이 안정되게 고정되어 위치할 수 있다.

본 실시예에서는 회전자가 회전축(1)을 중심으로 회전하면, 원심력에 따른 응력이 철심(20)의 측면에 분산된다. 만일 영구자석의 단면이 직사각형 모양을 갖는 경우라면, 회전에 따른 응력은 철심의 고정자 측 끝단에 집중되게 되고, 이는 영구자석 및 철심의 변형이나 파손을 일으킬 수 있다. 반면 본 실시예의 영구자석(10)은 아랫변(11)의 길이가 윗변(12)의 길이보다 상대적으로 긴 사다리꼴 모양을 가지며, 회전자의 회전에 따라 응력이 측변(13)과 맞닿은 철심(20)의 측면에 분산된다. 이는 회전자의 고속 회전시에도 영구자석(10)의 비산, 영구자석(10)이나 철심(20)의 변형 및 파손을 방지할 수 있고, 그 결과 회전자를 포함한 전동기의 내구성을 향상할 수 있음을 의미한다.

이 경우 영구자석(10)의 측변(13)은 아랫변(11)의 양끝 꼭지점에서의 내각이 75도 내지 90도 사이의 각도를 갖도록 일정 기울기로 형성될 수 있다. 이때, 측변(13)의 기울기가 커질수록 영구자석(10) 및 철심(20)의 측면에 발생하는 응력을 저감할 수 있으나, 영구자석(10)에 의한 자속이 함께 줄어들어 출력이 저하될 수 있으므로, 응력과 출력을 함께 고려하여 적절한 기울기를 설정할 수 있다.

본 발명에 따라 철심(20)과 고정체(30)가 결합되는 방식에 대해서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 좀 더 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 고정체(30)를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 철심(20)과 고정체(30)를 결합하는 모습을 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정체(30)를 나타낸 정면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 철심(20)의 내측돌기(22)를 나타낸 저면도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 회전축(1)을 중심으로 복수의 고정체(30)가 내부 공간을 이용해 순차적으로 끼움결합된다. 이 경우 영구자석(10)과 교번적으로 위치하는 철심(20)을 단일 고정체(30)와 결합한 후, 고정체(30)의 내부 공간을 이용해 복수의 고정체(30)를 회전축(1)에 순차적으로 결합하여 회전자를 구성할 수 있다.

이때, 철심(20)은 내주면에 회전축 측으로 돌출 형성된 내측돌기(22)를 포함하고, 고정체(30)는 해당 내측돌기(22)를 감싸도록 형성된 고정홈(31)을 이용해 내측돌기(22)와 결합하여 철심(20)을 고정한다.

한편 철심(20)의 내주면에 위치한 내측돌기(22)는 회전축(1)의 길이 방향을 따라 돌기 형상의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성된다. 또한 고정체(30)에 형성된 고정홈(31)은 회전축(1)의 길이 방향을 따라 내부 공간의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성되고, 고정체(30)의 외주면에 위치한 고정홈(31)의 개구영역(32) 또한 회전축(1)의 길이 방향을 따라 점차 좁아지도록 형성된다.

이를 통해, 철심(20)의 내측돌기(22) 중 돌기 형상의 단면 면적이 상대적으로 좁은 끝단을, 고정체(30)의 고정홈(31) 중 내부 공간의 단면 면적이 상대적으로 넓은 끝단으로 밀어넣어 삽입 결합시킴으로서, 철심(20)과 고정체(30)를 용이하게 결합할 수 있다. 실시예에 따라서는 내측돌기(22) 및 고정홈(31)의 형상이 다양하게 변형 채용될 수 있으며, 이러한 실시예 모두는 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

이러한 방식으로 결합이 이루어지면, 영구자석(10)은 철심(20)의 외측돌기(21)와 고정체(30)의 외주면을 이용해 안정적으로 고정되고, 철심(20)은 고정홈(31)에 삽입 결합된 내측돌기(22)를 이용해 안정적으로 고정된다. 그리고 영구자석(10), 철심(20) 및 고정체(30)가 결합된 상태에서, 고정체(30)의 내부공간을 이용해 회전축(1)에 순차적으로 결합시킴으로써, 전체 회전자가 안정되게 고정 결합되도록 할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다. 또한, 본 명세서와 도면에서 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

1: 회전축 2: 고정자
10: 영구자석 11: 아랫변
12: 윗변 13: 측변
20: 철심 21: 외측돌기
22: 내측돌기 30: 고정체
31: 고정홈 32: 개구영역

Claims (8)

1. 회전축으로부터 방사상으로 뻗어 형성되며, 회전축과 인접한 아랫변과 고정자와 인접한 윗변이 서로 평행한 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 영구자석;
   상기 영구자석과 교번적으로 위치하도록 상기 아랫변과 상기 윗변을 연결하는 상기 사다리꼴 모양의 측변을 따라 상기 회전축 측으로부터 상기 고정자 측으로 방사상으로 뻗은 부채꼴 모양으로 형성되어 상기 영구자석을 고정하는 철심; 및
   상기 영구자석 및 상기 철심과 상기 회전축 사이에 위치하여 상기 철심을 고정하는 비자성의 고정체를 포함하며,
   상기 영구자석 및 상기 철심의 측면에서 발생되는 응력을 저감시키기 위해 상기 영구자석은 상기 아랫변의 길이가 상기 윗변의 길이보다 상대적으로 길게 형성되고,
   상기 영구자석의 측변은 상기 아랫변의 양끝 꼭지점에서의 내각이 75도 내지 90도 사이의 각도를 갖도록 일정 기울기로 형성된 것을 특징으로 하는 자속 집중형 전동기의 회전자.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 철심은 외주면에 복수의 상기 영구자석의 상기 고정자 방향 끝단 꼭지점 측으로 각각 돌출 형성되어 상기 영구자석을 고정하는 복수의 외측돌기를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 집중형 전동기의 회전자.
4. 제1항에 있어서,
   상기 철심은 내주면에 상기 회전축 측으로 돌출 형성된 내측돌기를 포함하고,
   상기 고정체는 상기 내측돌기를 감싸도록 형성된 고정홈을 이용해 상기 내측돌기와 결합하여 상기 철심을 고정하는 것을 특징으로 하는 자속 집중형 전동기의 회전자.
5. 제4항에 있어서,
   상기 내측돌기는, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 돌기 형상의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성되고,
   상기 고정홈은, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 내부 공간의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성되고, 상기 고정체의 외주면에 위치한 상기 고정홈의 개구영역이 상기 회전축의 길이 방향을 따라 점차 좁아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 자속 집중형 전동기의 회전자.
6. 회전축으로부터 방사상으로 뻗어 형성되며, 회전축과 인접한 아랫변과 고정자와 인접한 윗변이 서로 평행하고, 상기 아랫변의 길이가 상기 윗변의 길이보다 상대적으로 긴 사다리꼴 모양의 단면을 갖는 영구자석을, 상기 영구자석과 교번적으로 위치하도록 상기 아랫변과 상기 윗변을 연결하는 상기 사다리꼴 모양의 측변을 따라 상기 회전축 측으로부터 상기 고정자 측으로 방사상으로 뻗은 부채꼴 모양으로 형성되며 외주면에 복수의 상기 영구자석의 상기 고정자 방향 끝단 꼭지점 측으로 각각 돌출 형성되어 상기 영구자석을 고정하는 복수의 외측돌기를 갖는 철심사이에 위치시키는 단계; 및
   상기 철심은 내주면에 상기 회전축 측으로 돌출 형성된 내측돌기를 갖고, 상기 영구자석 및 상기 철심과 상기 회전축 사이에 위치한 고정체는 상기 내측돌기를 감싸도록 형성된 고정홈을 가지며, 상기 철심에 형성된 상기 내측돌기를 상기 고정체에 형성된 상기 고정홈에 삽입 결합하여 상기 철심을 고정하는 단계를 포함하며,
   상기 영구자석의 측변은 상기 아랫변의 양끝 꼭지점에서의 내각이 75도 내지 90도 사이의 각도를 갖도록 일정 기울기로 형성된 것을 특징으로 하는 자속 집중형 전동기의 회전자 제조방법.
7. 삭제
8. 제6항에 있어서,
   상기 내측돌기는, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 돌기 형상의 단면 면적이 점차 좁아지도록 형성되고,
   상기 고정홈은, 상기 회전축의 길이 방향을 따라 홈 단면의 면적이 점차 좁아지도록 형성되고, 상기 고정체의 외주면에 위치한 상기 고정홈의 개구영역이 상기 회전축의 길이 방향을 따라 점차 좁아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 자속 집중형 전동기의 회전자 제조방법.
   

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