KR101584160B1 - 고토크 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고토크 모터에 관한 것으로, 고정자 코일이 감긴 다수의 철심과, 상기 고정자 코일에 다상의 전원이 인가되어 발생되는 이동 자기장에 의해 자화배열이 회전하는 링형의 영구자석부와, 상기 철심과 영구자석부의 사이에 위치하되, 상기 철심과 상기 영구자석부와는 소정거리 이격되어 위치하며, 다수의 극이 형성되어 상기 이동 자기장을 고조파 성분으로 변환하여 상기 영구자석부의 자화배열의 이동을 감속시키는 강유전체 재질의 조절부를 포함한다. 본 발명은 모터의 내부에 감속기능을 포함시킴으로써, 외부에 감속기를 부가하는 종래의 방법에 비하여 설치 공간을 줄일 수 있는 효과가 있으며, 원하는 토크의 기어비를 얻기 위한 감속기의 설계를 변경할 필요가 없는 효과가 있다.

Description

고토크 모터{Electric motor producing high torque}

본 발명은 고토크 모터에 관한 것으로, 더 상세하게는 고정자 코일과 영구자석 배열 사이에 고조파 조절부를 마련하여 고토크 특성을 발현할 수 있는 고토크 모터에 관한 것이다.

일반적으로 전기 구동방식의 모터에서 저속의 고토크 회전을 제공하기 위해서 모터의 회전축에 감속기를 부가하는 방법을 주로 사용하였다. 감속기는 다단의 기어를 포함하며, 그 기어들의 기어비를 이용하여 저속 고토크의 회전력을 얻을 수 있는 구조이다.

이와 같이 감속기를 사용하는 예는 매우 많지만, 등록특허 10-0788745(2007년 12월 18일 등록, 동력전달장치의 시리즈 및 기어드모터의 시리즈)와 같이 다수의 기어세트를 통해 모터의 출력 토크를 가변할 수 있는 구조를 예로 들 수 있다.

그러나 이와 같은 종래의 고토크 모터는, 사용하고자 하는 토크에 따라 감속기의 기어비를 선택하여 별도로 제작해야 하기 때문에 비용이 제작이 쉽지 않으며, 그 비용이 증가하게 되고, 부피 역시 증가하게 되는 문제점이 있었다.

또한 기어들의 기계적인 마찰이 반드시 수반되기 때문에 이물의 발생이 엄격하게 제한되는 요건의 설비에는 적용될 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 모터 외부의 감속기를 사용하지 않고도 높은 토크를 제공할 수 있는 고토크 모터를 제공함에 있다.

또한 본 발명은 기계식 감속이 아닌 비접촉식으로 감속할 수 있는 고토크 모터를 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 고토크 모터는, 고정자 코일이 감긴 다수의 철심과, 상기 고정자 코일에 다상의 전원이 인가되어 발생되는 이동 자기장에 의해 자화배열이 회전하는 링형의 영구자석부와, 상기 철심과 영구자석부의 사이에 위치하되, 상기 철심과 상기 영구자석부와는 소정거리 이격되어 위치하며, 다수의 극이 형성되어 상기 이동 자기장을 고조파 성분으로 변환하여 상기 영구자석부의 자화배열의 이동을 감속시키는 강유전체 재질의 조절부를 포함한다.

본 발명 고토크 모터는, 모터의 내부에 감속기능을 포함시킴으로써, 외부에 감속기를 부가하는 종래의 방법에 비하여 설치 공간을 줄일 수 있는 효과가 있으며, 원하는 토크의 기어비를 얻기 위한 감속기의 설계를 변경할 필요가 없는 효과가 있다.

또한 본 발명 고토크 모터는, 모터의 내부 영구자석의 배열을 이용하여, 자기장의 회전 주파수를 변화시키는 방식으로 토크를 조절함으로써, 이물이 발생되는 것을 방지하여 이물 발생을 엄격하게 제한하는 분야에도 적용이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 사시도이다.
도 2는 도 1의 결합 상태 사시도이다.
도 3은 도 1의 결합상태 평면도이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 동작 설명을 위한 전개도이다.
도 5는 본 발명의 고정자 코일에 인가되는 전원의 파형도이다.
도 6은 이동 자기장의 파형도이다.
도 7은 조절부에 의해 변경된 고조파 파형도이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 고조파 성분 분석도이다.
도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 고정자 코일(41~46)에 의해 발생하는 자기장의 반주기 이동에 따른 필터링 된 자기장의 변화를 설명하는 파형도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고토크 모터의 평면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고토크 모터의 사시도이다.
도 12는 도 11의 분해 사시도이다.

이하, 본 발명 고토크 모터에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 사시도이고, 도 2는 도 1의 결합 상태 사시도이며, 도 3은 도 1의 결합상태 평면도이다.

도 1 내지 도 3을 각각 참조하면 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터는, 서로 반대방향의 자화 방향을 갖는 제1자화부(11)와 제2자화부(12)가 교번하여 배치되며, 자기장의 변화에 따라 자화배열이 회전하는 링형의 영구자석부(10)와, 상기 영구자석부(10)의 외면 둘레를 감싸되 소정거리 이격되어 배치되며, 상기 영구자석부(10)를 향하는 안쪽면에 일정한 간격으로 홈(21)이 마련되어, 상기 자기장을 조절하는 강자성체 재질의 조절부(20)와, 상기 조절부(20)의 외측에 다수로 마련되는 철심(30)과, 상기 다수의 철심(30) 외면에서 돌출된 권선돌출부(31)들 각각에 감겨, 전원의 공급에 따라 상기 자기장을 발생시키는 다수의 고정자 코일(41,42,43,44,45,46)을 포함하여 구성된다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 구성과 작용을 보다 상세히 설명한다.

먼저, 상기 도 1 내지 도 3에 도시한 구조는 알려진 고정자 코일과 영구자석을 사용하는 일반적인 모터의 구성에 상기 조절부(20)를 더 포함하는 구성으로 이해될 수 있다. 상기 조절부(20)는 강자성체이다.

조절부(20)의 내경에는 다수의 홈(21)이 등간격으로 마련되어 있다. 상기 홈(21)은 상하방향으로 마련되어 있으며, 그 홈(21)의 사이 영역은 각각 자기장의 극(22)이며, 도면에서는 25개의 극(22)이 마련된 것으로 도시하였다. 이 극(22)의 수는 직접적으로 자기장을 변화시켜 감속 및 고토크를 구현할 수 있는 것이며, 그에 대한 구체적인 내용은 이후에 보다 상세히 설명한다.

상기 조절부(20)의 내측으로는 영구자석부(10)가 소정의 간격(공극)을 두고 이격되어 위치한다. 영구자석부(10)의 형상 역시 링형이며 자화방향이 서로 반대인 제1자화부(11)와 제2자화부(12)가 상호 교번하여 반복 배치되어 있다.

상기 제1자화부(11)와 제2자화부(12)는 링형인 영구자석부(10)의 중심점에서 반지름 방향 또는 그 반대의 방향으로 배치된다.

상기 조절부(20)의 외측으로는 다수의 철심(30)이 그 조절부(20)의 외경면과는 이격된 상태로 마련되어 있다. 상기 철심(30)의 외면에는 권선돌출부(31)가 마련되어 있다.

본 발명은 3상 또는 6상의 전원을 사용하는 것으로 상기 철심(30)은 6이상의 자연수 중 3의 배수인 수로 마련된다. 예를 들어 6, 9, 12개 등으로 배치될 수 있으며, 상호간에는 소정 거리 이격된다.

상기 권선돌출부(31)에는 전원이 인가되는 고정자 코일(41~46)이 감겨 있다.

이와 같은 구조에서 상기 고정자 코일(41, 44)에 U상 전원, 고정자 코일(42,45)에 V상, 고정자 코일(43,46)에 W상의 전원을 공급하면, 고정자 코일(41~46)에 의해 발생되는 자기장은 상기 영구자석부(10)의 제1자화부(11)와 제2자화부(12)의 자화배열을 반시계 방향(도 1 참조)으로 회전시키는 이동 자기장을 발생시키게 된다.

이때 이동 자기장의 극수(pole number)와 조절부(20)의 극(22)의 수의 차에 의한 고조파 성분이 조절부(20)와 영구자석부(10)의 사이에 발생 되며, 영구자석부(10)의 극수를 상기 고조파 성분과 일치하도록 설정하면 영구자석부(10)의 제1자화부(11)와 제2자화부(12)는 반시계방향으로 회전하게 된다. 영구자석부(10)의 극은 상기 제1자화부(11)와 제2자화부(12)가 하나의 극을 이룬다.

상기 영구자석부(10)의 자화배열의 이동은 도면에 도시하지는 않았으나 상기 영구자석부(10)의 중심측에 위치하는 회전자를 회전시킨다.

앞서 설명한 바와 같이 조절부(20)의 극(22)의 수에 따라 이동 자기장의 고조파 성분을 변경할 수 있으며, 이를 아래에서 좀 더 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 동작을 설명하기 위한 전개 모식도이고, 도 5는 상기 고정자 코일(41~46)에 인가되는 전원의 파형도이며, 도 6은 이동 자기장의 파형도이며, 도 7은 조절부(20)에 의해 변경된 고조파 파형도이다.

도 4 내지 도 7을 각각 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이 고정자 코일(41~46)에 각각 도 5와 같은 3상 전류를 각각 공급하면 철심(30)과 조절부(20) 사이의 공간에는 도 6과 같은 이동 자기장이 발생하게 된다.

이 이동 자기장은 강유전체인 조절부(20)를 통해 필터링되어, 도 7과 같은 고조파의 형태가 된다. 이 고조파는 상기 조절부(20)와 영구자석부(10)의 사이 공간에서 나타나게 된다.

이처럼 조절부(20)를 통해 2극의 이동 자기장이 다극의 고조파로 변경되는 이유는 상기 25개의 극(22)을 가진 조절부(20)의 극(22) 성분이 이동 자기장에 중첩되어 나타나기 때문이다.

즉, 2극 자기장 성분이 조절부(20)를 통과하면서 25극과 2극의 차인 23극 성분이 중첩되어 도 7과 같은 고조파 파형이 된다.

이와 같은 구성에서 23극의 고조파 성분에 동기되도록 영구자석부(10)의 제1자화부(11)와 제2자화부(12)의 총 수를 23개로 일치시키면 결국 2극 자기장의 이동에 따라 영구자석부(10)의 배열도 이동하게 된다. 이때 2극 성분이 한 주기 움직일 때 23극 성분 역시 한 주기 움직이므로 결국 2극 성분 속도의 1/11.5 배의 비율로 영구자석부(10)의 배열이 감속되어 이동하게 되며, 따라서 저속 고토크의 출력을 낼 수 있게 된다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 고조파 성분 분석도이며, 고정자 코일(41~46)에 3상 전원을 인가하면 상기 철심(30)과 조절부(20) 사이의 공간에 생성된 2극 이동 자기장 성분은 다시 조절부(20)를 지나면서 2극의 성분(91)과 23극의 성분(92)으로 중첩되어 나타나며, 이 외에도 2극의 고조파인 6극성분(93) 및 10극 성분(94)가 나타나며, 또한 25극의 조절부(20) 극의 수와 상기 6극과 10극 성분(93,94)의 차에 해당하는 19극 성분(95)과 15극 성분(96)도 나타나게 된다.

또한 더욱 차수가 높은 고조파 성분 역시 존재하지만 그 강도는 미약하다. 위의 고조파 성분 분석의 의미는 2극 성분(91)을 기준인 1로 하여 다른 극 성분의 상대비를 나타낼 수 있으며, 이러한 상대비는 조절부(20)의 형상이나 영구자석부(10)와의 간격의 크기에 따라 약간씩 변화된다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고토크 모터의 고정자 코일(41~46)에 의해 발생하는 자기장의 반주기 이동에 따른 필터링 된 자기장의 변화를 설명하는 파형도이다.

이에 도시한 바와 같이 2극 성분이 A상태에서 B상태로 반주기 이동하면 23극의 고조파 역시 반주기만큼 이동하기 때문에 고정자 코일(41~46)에 의해 발생한 이동 자기장의 이동 속도가 2극과 23극간의 상대비만큼 감소되어 이동하게 된다.

이처럼 이동속도가 감소되는 만큼 동일한 비율로 영구자석부(10)의 토크 비는 파워량 보존에 따라 증가하게 된다. 결국 코일 전류에 의한 자기장이 이동함에 따라 조절부(20)를 통해 다극의 자기장 성분이 생성되고, 이와 연동되는 영구자석부(10)는 저속으로 이동하지만 고토크를 갖게 된다.

상기 영구자석부(10)의 속도는 이동 자기장의 이동속도를 가감시켜 변경할 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고토크 모터의 평면 구성도이다.

도 10을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 고토크 모터는, 고정자 코일(41~46)이 감긴 철심(30)이 안쪽에 위치하고, 영구자석부(10)가 외측에 위치하는 예이다.

조절부(20)는 상기 철심(30)과 영구자석부(10)의 사이에 위치하되 철심(30)과 영구자석부(10)와는 소정의 거리로 이격되어 있으며, 조절부(20)의 극(22)은 상기 영구자석부(10)를 향하도록 구성되어 있다.

이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 고토크 모터는 철심(30)에 감긴 고정자 코일(41~46) 각각에 3상 전원을 공급하면, 그 철심(30)과 조절부(20) 사이에 이동 자기장이 형성되고, 그 이동 자기장은 상기 조절부(20)를 지나면서 그 극(22)의 수와 이동 자기장의 극수의 차만큼의 고조파 성분이 상기 이동 자기장에 중첩된 형태의 자기장으로 조절되어 영구자석부(10)의 배열의 이동을 감속시키게 된다.

이와 같은 동작은 위의 실시예에서 상세히 설명하였으므로 더 상세한 설명은 생략한다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고토크 모터의 사시도이고, 도 12는 도 11의 분해 사시도이다.

도 11과 도 12를 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 고토크 모터는 고정자 코일(400)이 감긴 철심(300)과 링형의 영구자석(100)이 상하로 배치되며, 그 사이에 다수의 극(220)이 형성된 강유전체 소재의 조절부(200)가 배치된다.

이때 영구자석(100)은 역시 자화방향이 서로 반대인 제1자화부(110)와 제2자화부(120)가 마련되어 있으며, 제1자화부(110)의 자화방향은 아래에서 위, 제2자화부(120)의 자화방향은 위에서 아래를 향하도록 형성되어 있다.

이와 같은 구조에서 상기 조절부(200)의 극(220)은 상기 영구자석부(100)를 향하도록 배치되며, 그 조절부(200)는 철심(300)과의 사이에서 발생된 이동 자기장을 그 극(220)의 수에서 상기 이동 자기장의 극의 수를 감한 수의 파형 성분은 이동 자기장에 중첩시킨 고조파 성분을 상기 영구자석부(100)의 사이에 제공하게 된다.

도 11과 도 12에서는 9개의 철심(300)을 사용하며, 이러한 구조에서 발생되는 이동 자기장은 3극이 된다. 상기 극(220)의 수가 25개일 때 극(220)의 수와 이동 자기장의 극수의 차인 22만큼 상기 영구자석부(100)의 배열 극 수를 설정하면 영구자석부(100)는 이동 자기장에 비하여 3/22의 비로 감속되고, 22/3의 비로 토크가 증가하게 된다.

이처럼 본 발명은 기계적인 감속기를 사용하지 않고도 모터의 내측에 일체로 삽입되는 강유전체 조절부를 사용하여 회전 속도를 감속시켜 고토크를 구현할 수 있게 된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

10:영구자석부 11:제1자화부
12:제2자화부 20:조절부
21:홈 22:극
30:철심 31:권선돌출부
41,42,43,44,45,46:고정자 코일

Claims (6)

1. 고정자 코일이 감긴 다수의 철심;
   상기 고정자 코일에 다상의 전원이 인가되어 발생되는 이동 자기장에 의해 자화배열이 회전하는 링형의 영구자석부; 및
   상기 철심과 영구자석부의 사이에 위치하되, 상기 철심과 상기 영구자석부와는 소정거리 이격되어 위치하며, 다수의 극이 형성되어 상기 이동 자기장을 고조파 성분으로 변환하여 상기 영구자석부의 자화배열의 이동을 감속시키는 강유전체 재질의 조절부를 포함하되,
   상기 조절부의 상기 극은,
   상기 영구자석부를 향하는 면에 소정의 간격으로 마련된 홈에 의해 분할되는 면인 것을 특징으로 하고,
   상기 영구자석부의 극의 수는,
   상기 조절부의 상기 극의 수에서 상기 이동 자기장의 극 수의 차와 동일한 것을 특징으로 하는 고토크 모터.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석부의 외측에 상기 조절부가 배치되고, 상기 조절부의 외측에 상기 다수의 철심이 배치되는 것을 특징으로 하는 고토크 모터.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석부의 내측에 상기 조절부가 배치되고, 상기 조절부의 내측에 상기 다수의 철심이 배치되는 것을 특징으로 하는 고토크 모터.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석부와 상기 철심들은 상하로 배치되고,
   상하로 배치되는 상기 영구자석부와 상기 철심들의 사이에 상기 조절부가 배치되는 것을 특징으로 하는 고토크 모터.

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