KR101736808B1 - Bldc 모터의 ipm타입 하프마그넷 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BLDC 모터 상에 IPM타입의 하프마그넷을 적용한 구조에 있어서: 스테이터 코어(10)의 내부에 회전 가능하게 수용된 코어 플레이트(20) 상에 하프 수량의 마그넷(25)과 더불어 그 측단부(27)에 공극부(23)를 배치하되, 상기 마그넷(25)의 측단부(27)에 지지수단을 긴밀하게 밀착시켜 공극부(23) 상으로 마그넷(25)의 유동을 구속하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 하프 수량의 자석을 배치한 IPM 방식의 BLDC 모터에서 자석 브리지를 사용하여 자석의 조립 위치를 더욱 정확하게 하고, 극간 브리지의 두께를 감소시켜 공극의 설계 자유도를 높이는 효과가 있다.

Description

BLDC 모터의 IPM타입 하프마그넷 구조{Half magnet structure for IPM type BLDC motor}

본 발명은 BLDC 모터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 IPM 방식의 BLDC 모터에서 하프 수량으로 배치된 자석의 위치를 정확하게 유지하여 토크 변동을 축소하는 BLDC 모터의 IPM 타입 하프마그넷 구조에 관한 것이다.

BLDC 모터의 특성에 영향을 주는 설계변수는 많으나 자석을 탑재한 회전축의 외경, 마그넷의 물성, 공극의 크기, 고정자의 외경 등이 중요하다. 이러한 설계변수가 부조화되면 불균형 자기력 등에 의한 토크리플을 유발한다. 토크리플은 모터의 소음 및 진동과 직결되므로 개선이 필요한 사항이다. 근래에 BLDC 모터에서 원가절감을 위해 마그넷의 수량을 줄이기도 하는데, 이 경우 성능적인 측면에서 동일성은 유지되나 토크리플이 비교적 커지는 경향이 있다.

토크리플 해소와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제0296303호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0570361호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 전류상승시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고, 스위칭소자를 턴온시켜 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하여 시간지연을 줄이고, 전류하강시 상도통구간이 끝난후에 일정시간동안 작은 듀티비로 전압을 인가하여 정류시 발생하는 토크리플을 저감함을 요지로 한다. 이에, 모터의 토크리플을 저감시켜 진동/소음을 저감하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 서로 이웃하는 자극 단부 사이에 대응하여 브리지가 형성되어 있는 영구 자석 매설형 회전 전자기계에 있어서, 서로 이웃하는 1 쌍의 오목형부가 회전자의 둘레 방향으로 떨어져 있고, 오목형부 사이의 볼록형부는 오목형부의 각각의 최심부보다 반경 방향의 외측에 있고, 오목형부는 회전자의 둘레 방향으로 상기 브리지보다 영구 자석의 자극 중심부측에 있다. 이에, 영구 자석 매설형 회전 전자기계에 있어서의 토크 리플을 억제하는 효과를 기대한다.

그러나, 선행문헌 1은 스위칭 제어의 소프트웨어 방식에 한정되고 선행문헌 2는 오목형부의 배치를 요지로 하므로 토크리플을 비롯한 최적의 설계변수 도출에 한계를 보인다. 어느 경우에나 IPM 타입의 BLDC 모터에 하프 수량의 마그넷을 적용하는 구조에 있어서 토크리플이 심해지는 현상을 방지하기 미흡하다.

더구나, IPM 타입 하프마그넷 모터의 양산 적용에 있어서 구조적 특성상 자석을 정확한 위치에 조립하기가 까다롭기 때문에 고속으로 회전하는 모터의 경우 원심력에 의해 극간 브리지 파손을 유발할 수도 있다.

1. 한국 등록특허공보 제0296303호 "비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법" (공개일자 : 2000.08.05.) 2. 한국 등록특허공보 제1133489호 "영구 자석 매설형 회전 전자기계" (공개일자 : 2011.03.22.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, IPM 방식의 BLDC 모터에서 하프 수량으로 배치된 자석의 위치를 정확하게 유지하여 토크 변동을 축소하고 설계 자유도를 높이는 BLDC 모터의 IPM 타입 하프마그넷 구조를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 BLDC 모터 상에 IPM타입의 하프마그넷을 적용한 구조에 있어서: 스테이터 코어의 내부에 회전 가능하게 수용된 코어 플레이트 상에 하프 수량의 마그넷과 더불어 그 측단부에 공극부를 배치하되, 상기 마그넷의 측단부에 지지수단을 긴밀하게 밀착시켜 공극부 상으로 마그넷의 유동을 구속하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1실시예로서, 상기 지지수단은 코어 플레이트의 프레스 소성가공 과정에서 공극부의 일측에 형성된 자석 브리지를 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단의 자석 브리지는 변부에 적어도 하나의 곡률을 지닌 곡면을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2실시예로서, 상기 지지수단은 공극부의 일측에 맞물리는 지지판을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단의 지지판은 공극부에 형성된 요홈부를 이용하여 긴밀하게 맞물리는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 하프 수량의 자석을 배치한 IPM 방식의 BLDC 모터에서 자석 브리지를 사용하여 자석의 조립 위치를 더욱 정확하게 하고, 극간 브리지의 두께를 감소시켜 공극의 설계 자유도를 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 모터의 주요부를 나타내는 구성도,
도 2 및 도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 모터의 주요부를 나타내는 구성도이다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 BLDC 모터 상에 IPM타입의 하프마그넷을 적용한 구조에 관하여 제안한다. IPM타입의 BLDC 모터는 회전자의 외주면에 마그넷을 매립된 상태로 탑재한다. 하프마그넷 구조는 회전자 상에 N/2개의 마그넷을 구비하는 방식으로 정의된다. 예컨대 6극의 BLDC 모터에서 3개의 마그넷을 탑재하는 구조를 적용하면 희토류를 사용하는 고가의 마그넷 수량을 축소할 수 있다.

본 발명에 따르면 스테이터 코어(10)의 내부에 회전 가능하게 수용된 코어 플레이트(20) 상에 하프 수량의 마그넷(25)과 더불어 그 측단부(27)에 공극부(23)를 배치한다. 도 1에서 고정자의 스테이터 코어(10)는 각각 12개의 티스(12)와 슬롯(15)을 구비하고 회전자의 코어 플레이트(20)는 4개의 마그넷(25)을 구비한 상태를 예시한다. 이 경우 마그넷(25)은 N - X - N - X - N - X - N - X극이 외측을 향하도록 배치될 수 있다. 여기서, X는 마그넷(25)이 장착되지 않은 자화부로서 스테이터 코어(10)를 부분적으로 자화시켜 형성한다. 공극부(23)는 코어 플레이트(20) 상에서 각각의 마그넷(25)의 측단부(27)에 인접하게 형성되고 방열냉각 기능과 자속장벽 기능을 수행한다.

한편, 코어 플레이트(20) 상에서 각각의 마그넷(25)의 외주측으로 형성되는 돌극부(21)는 마그넷(25)의 측단부(27)보다 중심부(26)에서 두께(폭)가 증가하는 형태이다. 도 1에서 N - X극으로 반복되는 부분에 모두 각각의 돌극부(21)를 구비하고, 이웃하는 돌극부(21)는 극간 브리지(40)에 의하여 연결된 상태를 유지한다.

또, 본 발명에 따르면 상기 마그넷(25)의 측단부(27)에 지지수단을 긴밀하게 밀착시켜 공극부(23) 상으로 마그넷(25)의 유동을 구속하는 것을 특징으로 한다. 지지수단은 회전자의 구동 상태에서 마그넷(25)이 공극부(23)로 유동하는 현상을 차단하여 이에 의하여 유발되는 토크리플, 진동, 소음 저감에 기여한다. 지지수단에 의하여 작용하는 밀착력은 마그넷(25)의 중량, 코어 플레이트(20)의 소재, 회전자의 정격 속도 등에 의하여 결정된다.

본 발명의 제1실시예로서, 상기 지지수단은 코어 플레이트(20)의 프레스 소성가공 과정에서 공극부(23)의 일측에 형성된 자석 브리지(30)를 사용하는 것을 특징으로 한다. 코어 플레이트(20)는 전기강판을 사용하여 프레스 상에서 블랭킹, 펀칭 등의 소성가공으로 생성된다. 자석 브리지(30)는 마그넷(25)을 수용하는 통공부 및 공극부(23) 사이에 블랭킹 공정으로 형성된다. 소성가공이 완료된 후에 코어 플레이트(20)를 적층하고 통공부에 마그넷(25)을 결합하면 자석 브리지(30)가 마그넷(25)을 밀착 상태로 지지한다.

이와 같은 자석 브리지(30)에 의해 마그넷(25)의 지지 강도가 증가하고, 그에 따라 극간 브리지(40)의 폭을 더욱 축소할 수 있다. 극간 브리지(40)의 치수가 축소됨에 따라 공극의 설계 자유도를 한층 높이는 동시에 토크리플을 축소하는 설계 유연성도 기대된다.

이때, 자석 브리지(30)는 자속 단락에 의한 소폭의 성능감소를 방지하도록 일측으로 절개부(31)를 구비하는 것이 바람직하다. 물론 절개부(31)의 크기는 자석 브리지(30)의 강성을 유지하는 한도 내에서 설정한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단의 자석 브리지(30)는 변부에 적어도 하나의 곡률을 지닌 곡면을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 자석 브리지(30)는 마그넷(25)에 접하는 내측 변부와 공극부(23)에 접하는 외측 변부를 구비한다. 곡면은 내측 변부보다 외측 변부에 형성하는 것이 기능적이나 성형성 측면에서 유리하다. 자석 브리지(30)의 중앙보다 양단에서 폭이 증가하는 곡면으로 형성하면 동일한 밀착력에 대응하는 내구성 향상에 유리하다.

본 발명의 제2실시예로서, 상기 지지수단은 공극부(23)의 일측에 맞물리는 지지판(35)을 사용하는 것을 특징으로 한다. 지지판(35)은 전술한 자석 브리지(30)를 대체하여 동일한 기능을 수행한다. 도 2에서 공극부(23)의 모서리가 예각으로 형성되고 지지판(35)이 2개의 모서리에 맞물려 결합된 상태를 예시한다. 코어 플레이트(20) 상에 마그넷(25)을 수용하는 통공부 및 공극부(23)를 블랭킹 공정으로 동시에 형성한 다음 마그넷(25)과 지지판(35)을 선택적 순서로 결합한다.

한편, 통상 BLDC 모터에서 이웃하는 한 쌍의 마그넷 사이는 자극 전환부로서 급격한 자속 밀도 변동이 발생하고, 이에 의하여 토크리플 유발하는 동시에 진동과 소음을 증대시킨다. 반면, 하프마그넷 구조의 BLDC 모터에서 공극부(23) 또는 지지판(35)의 자속장벽 기능이 약화된 설계를 적용할 수 있다. 다만, 자속장벽 기능의 필요성에 따라 비자성체인 지지판(35)의 물성(절연성)을 조절할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 지지수단의 지지판(35)은 공극부(23)에 형성된 요홈부(33)를 이용하여 긴밀하게 맞물리는 것을 특징으로 한다. 도 3(a)는 공극부(23)의 일측 모서리에 요홈부(33)를 형성한 상태를 예시한다. 이 경우 코어 플레이트(20) 상에 마그넷(25)을 수용하는 통공부, 공극부(23), 요홈부(33)를 블랭킹 공정으로 동시에 형성한다. 도 3(b)에서 마그넷(25)과 지지판(35)을 선택적 순서로 결합하며, 지지판(35)은 요홈부(33)에 맞물려 지지력을 증대한다.

한편, BLDC 모터의 소형화 설계에서 자석 브리지(30)의 성형성이 저하되어 제2실시예가 선호되고, BLDC 모터의 대형화 설계에서 지지판(35)의 동밸런싱이 저하되어 제1실시예가 선호된다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 스테이터 코어 12: 티스
15: 슬롯 20: 코어 플레이트
21: 돌극부 23: 공극부
25: 마그넷 26: 중심부
27: 측단부 30: 자석 브리지
31: 절개부 33: 요홈부
35: 지지판 40: 극간 브리지

Claims (5)

1. BLDC 모터 상에 IPM타입의 하프마그넷을 적용한 구조에 있어서:
   스테이터 코어(10)의 내부에 회전 가능하게 수용된 코어 플레이트(20) 상에 하프 수량의 마그넷(25)과 더불어 그 측단부(27)에 폐쇄형 공극부(23)를 배치하고,
   상기 마그넷(25)의 측단부(27)에 지지수단을 긴밀하게 밀착시켜 공극부(23) 상으로 마그넷(25)의 유동을 구속하되,
   상기 지지수단은 코어 플레이트(20)의 프레스 소성가공 과정에서 공극부(23)의 일측에 형성된 자석 브리지(30)를 사용하고,
   상기 지지수단의 자석 브리지(30)는 변부에 적어도 하나의 곡률을 지닌 곡면을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 IPM타입 하프마그넷 구조.
2. 삭제
3. 삭제
4. BLDC 모터 상에 IPM타입의 하프마그넷을 적용한 구조에 있어서:
   스테이터 코어(10)의 내부에 회전 가능하게 수용된 코어 플레이트(20) 상에 하프 수량의 마그넷(25)과 더불어 그 측단부(27)에 폐쇄형 공극부(23)를 배치하고,
   상기 마그넷(25)의 측단부(27)에 지지수단을 긴밀하게 밀착시켜 공극부(23) 상으로 마그넷(25)의 유동을 구속하되,
   상기 지지수단은 공극부(23)의 일측에 맞물리는 지지판(35)을 사용하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 IPM타입 하프마그넷 구조.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 지지수단의 지지판(35)은 공극부(23)에 형성된 요홈부(33)를 이용하여 긴밀하게 맞물리는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 IPM타입 하프마그넷 구조.

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