KR101776688B1 - Fspm 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주로 3상 자속 전환 스위칭 영구자석 모터에 있어서 효율 저하의 영향을 최소화하면서 고정자 코어를 보다 쉬운 공정과 저렴한 제조코스트로 제조할 수 있는 구조로 된 FSPM 모터에 관한 것이다.
본 발명의 구성은, n개의 외향치(齒) 자극(142)을 가지는 회전자 코어(14)와, 상기 회전자 코어(14)를 내재하도록 평면상 환형으로 이루어지고 동일 형태의 다수개 고정자 코어 철판(120n)들이 적층되어 구성되는 고정자 코어(120)를 구비하며, 상기 고정자 코어(120)를 이루면서 상기 회전자(14)측 n개 외향치 자극(142)보다 더 많은 수의 다수의 내향치(齒) 자극(SG)을 구비하되, 상기 다수의 내향치 자극(SG)에 판상의 페라이트 자석(132)이 방사상 방향으로 개재되어 상기 내향치 자극(SG)에 권선되는 코일에 3상 정현파 전류의 흐름에 따라 상기 고정자 코어 내향치 자극(SG)과 그 주변에 발생되는 자기력선 흐름 방향이 상기 페라이트 자석(132)의 착자된 극성 배치에 따라 전환 스위칭되어 모터의 회전자계를 형성하되,
상기 고정자 코어(120)를 구성하도록 다층 적층되는 다수의 고정자 코어 철판(120n)들은, 상기 내향치 자극(120a,120b;SG)마다 페라이트 자석(132)이 방사상 방향으로 삽입되는 자석 삽입홈의 최외곽이 평면상 0.2~0.7mm 폭의 원호형 브리지(150)로서 연결되는 구조로 이루어짐으로써, 상기 내향치 자극(SG) 마다 상기 페라이트자석(132)의 삽입에 의한 구조적 분리가 없도록 일체의 고정자 코어 철판(120n) 상태로서 다층 적층하고 상하 다층 적층 간을 접합하여 환상의 고정자 코어(120)를 이루도록 됨을 특징으로 한다.

Description

FSPM 모터{Flux Switching Permanent Magnet Motor}

본 발명은 FSPM(Flux Switching Permanent Magnet) 모터에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 3상 12극(고정자측)/10극(회전자측) 구조로 되어 자속의 방향을 전환 스위칭 하는 자속전환스위칭 영구자석 모터에 있어서 효율 저하의 영향을 최소화하면서 고정자 코어를 보다 쉬운 공정과 저렴한 제조코스트로 제조할 수 있는 구조로 된 FSPM 모터에 관한 것이다.

전기자동차, 엘리베이터를 포함하여 수많은 종류의 자동화시스템이나 작동설비에서 전기모터의 사용은 거의 필수적이다. 이에 따라 전기모터의 수요는 대단히 많음에 불구하고 고효율 모터의 영구자석에 사용되는 희토류계 금속자원이 없거나 부족한 나라, 즉 국내를 포함하여 유수의 세계 각국에서는 희토류계 자석을 사용하지 않는 차세대 모터에 대한 연구 개발의 필요성이 절실히 요구되는 시점이다.

이에 따라 본 발명이 적용되는 자속 전환스위칭 영구자석 모터(FSPM 모터) 역시도 직류모터인 PM 모터와 정류자가 없는 직류 모터인 SRM 모터의 컨셉이 결합된 새로운 차세대 모터로서 본 출원인 등에서 연구 개발되고 있다.

이러한 FSPM 모터는 도 1 및 도 2에 도시된 바를 참조하면, 고정자(스테이터; 2)측 12극 자극(20a,20b: SG)과 회전자(로터; 4)측 10극 자극(42)으로 된 내,외향 치(齒)의 자극 구조로서, 120도 위상차의 정현파 3상 전류에 의해 구동되는 FSPM 모터로 구성되어, 기존 PM 모터에 비해 기계적 내구성 및 구조가 간단한 기존 SRM 모터의 방식도 가지되, 고정자 코어(20)를 구성하는 자극 간의 영구자석(페라이트자석; 32)으로 분리하여 자속이 타 자극(SG)으로 흐르는 것을 차단(Insulation)하도록 구성된다.

이러한 FSPM 모터는 고정자(2)측 코어(20)의 각 세그먼트로 분리된 내향 치 12개 자극(SG)들 간에 페라이트자석(32)으로 이웃하는 자극으로의 자속 흐름을 단 방향으로 제어하는 구조로 됨으로써 고정자 코어(2)의 내향치 자극에 권선된 코일(26)의 전류 흐름에 따라 고정자 코어(2)의 내향 치 자극(SG)과 대향하여 약간 각도 엇갈린 회전자(4)의 외향 치(齒) 자극(42)을 고정자(2)의 자극 측으로 끌어당기는 자기력을 작용하여 회전자를 회전시키게 된다.

이러한 FSPM 모터는 내부에 영구자석(도면부호 32에 해당)이 들어가는 제어성(토크리플)이 좋은 PM 모터의 장점과 자극에 권선된 코일(도면부호 26에 해당)에 전류 위상과 무관하게 회전방향이 정해지게 작동되는 특성의 SRM(Switch reluctance magnetic) 모터의 장점을 갖는다.

그러나, 도 1을 참조하면 이러한 FSPM 모터는 앞에서도 설명한 바와 같이 모터의 고정자 코어(20)를 이루는 다수개(12개)의 자극(SG)들이 개개마다 각각 페라이트 자석(32)에 의해 완전히 반분(20a,20b)되는 구조이므로, 도 1의 상단 도면에 도시된 바와 같이 고정자 코어(20)를 이루기 위한 얇은 낱개 철판(20n)으로부터 다층 적층 부착한 것들을 같은 옆쪽의 것과 조립하여 고정자 코어로 제조하는 조립 공정의 어려움이 크다.

즉, 고정자 코어(20)를 구성하기 위해 도 1에 보인 다층 적층되는 낱개의 코어 철판(20n)들을 개개로 제작하여 분리된 상태에서 다층 적층 및 적층상태가 분리되지 않도록 용접한 다음, 이렇게 용접된 다층 적층된 12극 24개의 코어 조각(20a,20b)들을 페라이트 자석(32)을 매개로 도 1의 하단 사시도면과 도 2에서 보인 바와 같이 고정자 코어(20)로서 조립하여야 하고, 이렇게 고정자 코어(20)로 조립한 이후에도 그 조립 상태를 안정되게 유지시키면서 코일(26)을 권선하여 고정자(2)를 완성한 다음, 그 안정된 고정상태를 유지하기 위해 미도시한 별도의 고정 수단(모터하우징 내에 고정자를 조립상태의 원형이 유지되게 고정하기 위한 구조)을 필요로 하게 되며, 또한 상술한 바와 같이 고정자를 조립하는 복잡한 작업으로 인해 작업노고와 작업시간이 많이 필요하게 되며 이로 인해 FSPM 모터의 제조 코스트를 상승시키게 되는 문제점이 있었다.

이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은,

FSPM 모터의 전력효율이 크게 손실되지 않도록 페라이트 자석을 사용하여 자극 간 영구자석에 의해 방향성 분리된 자속 흐름 상태를 그대로 유지할 수 있으면서 고정자 코어의 조립을 보다 신속 수월하게 행할 수 있는 구조로 된 FSPM 모터를 제공하려는데 목적을 두고 있다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

임의의 n개 자극의 외향치(齒) 자극을 가지는 회전자 코어와,

상기 회전자 코어를 내재하도록 평면상 환형으로 이루어지고 동일형태의 다수개 고정자 코어 철판들이 적층되어 구성되는 고정자 코어를 구비하며,

상기 고정자 코어를 이루면서 상기 회전자측 n개 외향치 자극 수보다 더 많은 수의 코일이 권선되는 다수의 내향치(齒) 자극을 구비하되, 상기 다수의 내향치 자극에 판상의 페라이트 자석이 방사상 방향으로 개재되어 상기 내향치 자극에 권선된 코일에 흐르는 정현파 전류에 따라 상기 고정자 코어 및 자극에 발생되는 자기력선 흐름방향이 상기 페라이트 자석의 극성 배치에 따라 전환스위칭되어 회전기전력을 발생하도록 구성되는 FSPM 모터로서,

고정자 코어를 구성하도록 다층 적층되는 다수의 고정자 코어 철판들은, 상기 내향치 자극마다 페라이트 자석이 방사상 방향으로 삽입되는 자석 삽입홈의 최외곽이 평면상 0.2~0.7mm 폭의 원호형 브리지로서 연결되는 구조로 이루어짐으로써, 상기 내향치 자극 간에 상기 자석 삽입홈에 의한 구조적 분리가 없도록 낱장의 코어 철판 상태로서 다층 적층하고 상하 적층간을 접합하여 환상의 고정자 코어를 이루는 것을 특징으로 하는 FSPM 모터를 제공한다.

상술한 구성에 있어서, 상기 고정자 코어 철판은 상기 브리지를 포함하여 평면상의 외형이 프레스 타발로 가공되는 것을 특징으로 한다.

상술한 구성에 있어서, 상기 고정자 코어는 규소철로 된 코어 철판을 적층하여 구성하고, 상기 회전자 코어는 몸체 중 적어도 외향치 자극이 순철이나 규소철로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상술한 본 발명에 있어서, 상기 고정자 코어는 상기 내향치 자극의 수가 짝수개이고, 이웃하는 자극의 페라이트 자석은 서로 극성이 반대로 배치되게 착자(着磁)된 것을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명은 기존에 모터 내부 영구자석으로 사용되던 고가의 희토류계 자석 대신에 저가의 페라이트 자석을 이용하면서도 제어특성이 뛰어나며 페라이트 자기력선 흐름의 방향성을 가지게 되므로 페라이트 자석 주변에 권선된 코일에 인가하는 정현파 펄스파형의 정부 전위를 고려하지 않아도 되며 3상의 정현파로 전류를 인가함으로써 동작 특성이 우수한 FSPM 모터를 저가로 제조할 수 있으며, 특히 고정자측 코어를 제조함에 있어서 코어 철판을 하나의 몸체로 제작하여 이 코어철판들을 적층 부착하여 고정자 코어 몸체를 마련하고, 이 고정자 코어에 자석 삽입홈에 페라이트 자석을 끼워넣어 조립하는 구조이므로 고정자 코어의 제조과정이 수월해짐과 아울러 조립 속도가 빨라져서 생산성을 크게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 각각 본 발명이 적용되는 FSPM 모터에서 회전자 및 고정자 코어의 구조 및 작동관계를 설명하기 위해 보인 모터의 사시도 및 평단면도,
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 실시 예에 의한 브리지로 일체화된 고정자 코어를 구비하는 모터의 구조 및 작동관계를 설명하기 위해 보인 모터의 사시도 및 평단면도,
도 5 는 본 발명의 FSPM모터의 작동을 이해할 수 있도록 페라이트자석의 자기력선 흐름 방향을 보인 도면,
도 6은 본 발명에서 고정자 코어의 자속밀도를 시뮬레이션 하여 보인 도면,
도 7는 본 발명에서 전류 흐름, 페라이트 자석(영구자석)의 자속 흐름방향, 코일에 의해 여자된 자극의 자기력선의 흐름 방향의 개념으로서 회전자의 각도 포지션에 따라 다수 자극에서 시프트됨으로써 회전자의 회전 원리를 보인 도면,

이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면에 의한 실시예로서 더욱 구체적으로 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바를 참조하면, 본 발명의 실시예가 적용되는 FSPM 모터는,

10개 극의 외향치(齒) 자극(142)을 가지는 회전자 코어(14)와, 상기 회전자 코어(14)를 내재하도록 평면상 환형으로 이루어지고 동일형태의 다수개 고정자 코어 철판(120n)들이 적층되어 구성되는 고정자 코어(120)를 구비하며,

상기 고정자 코어(120)를 이루면서 상기 회전자 코어(14)측 12개 외향치 자극(142) 수보다 더 많은 수의 다수의 내향치(齒) 자극(SG)을 구비하되, 상기 다수의 내향치 자극(SG)에 판상의 페라이트 자석(132)이 방사상 방향으로 개재되어 상기 내향치 자극(SG)에 권선되는 코일(126)에 3상 정현파 전류의 흐름에 따라 상기 고정자 코어 내향치 자극(SG)과 그 주변에 발생되는 자기력선(자속) 흐름 방향이 상기 페라이트 자석(132)의 극성 배치에 따라 전환 스위칭되어 회전 기전력을 발생하도록 구성되는 FSPM 모터이다. 상기 전환 스위칭은 정현파 전류가 흐를 때 전위의 정,부에 따라 코일(126)에 전류가 흐르는 방향이 바뀌어 자기력선(자속) 방향이 전환되는 것에 대하여 자기력선의 통과 여부를 미리 착자에 의해 극성이 상정된 페라이트자석(132)에서 제한하여 자기력선(자속)의 흐름 방향을 위상에 따라 달리 전환 스위칭하는 것을 의미한다. 이는 페라이트자석의 자속 흐름 방향을 노란 색상으로 묘사한 도 5의 도면을 통해서 참조될 수 있을 것이다. 도 5에서 코일 부분의 색상은 3상 12/10극 FSPM 모터에서 전류가 3상 전류로 코일에 인가할 때 코일의 자성을 보여준 것으로서, 적색계열은 N극 청색계열은 S극, 색도는 자속밀도 수준을 암시하도록 표현한 것이다.

이러한 배경기술을 전제로 하여, 본 발명의 가장 큰 기술적 특징은, 상술한 구성에 있어서, 상기 고정자 코어(120)를 구성하도록 다층 적층되는 다수의 고정자 코어 철판(120n)들은, 상기 내향치 자극(120a,120b;SG)마다 페라이트 자석(132)이 방사상 방향으로 삽입되는 자석 삽입홈의 최외곽이 평면상 0.2~0.7mm 폭의 원호형 브리지(150)로서 연결되는 구조로 이루어짐으로써, 상기 내향치 자극(SG) 마다 상기 페라이트자석(132)의 삽입에 의한 구조적 분리가 없도록 일체의 고정자 코어 철판(120n) 상태로서 다층 적층하고 상하 다층 적층 간을 접합하여 환상의 고정자 코어(120)를 이루도록 구성되는 것에 있다.

이때, 상기 고정자 코어 철판(120n)은 상기 브리지(150)를 포함하여 평면상의 외형이 프레스 타발에 의해서 외형 가공되는 것이 바람직하다. 아울러 도 6에 도시된 바와같이 브리지 부분을 통과하는 자기력선 수가 가장 낮도록 됨이 바람직한데, 이는 고정자 코어(120) 및 자극(SG)을 구성하는 고정자 코어 철판(120n)의 자재 특성으로서 규소,철 등의 함유량을 조정하거나, 열처리 정도에 의해 달라지게 조정할 수 있지만, 도 6은 본원 발명자가 브리지 부분의 자속밀도를 고의로 포화 시켜 유한 요소법을 이용하여 시뮬레이션 한 고정자 코어(120)의 평면상 자속밀도의 분포를 보여주고 있는데, 이를 확인하면 브리지(150) 부분에서는 코일보다 외곽측에 위치하고 페라이트자석(132)에 의해 분할된 자극(SG) 치의 양측(120a-120b) 간에 코일의 전류 흐름에 따라 양측(120a-120b)에서 발생된 자기장의 자속의 양이 브리지(150)에 이르러 약화되고 페라이트자석(132)의 자속 방향이 원주방향으로 되도록 극성이 미리 상정되어 착자됨으로 의해 자속의 흐름이 대부분 페라이트자석(132)을 통해 흘러 전류에 따른 자속에 관계하는 브리지(150)의 영향이 매우 미약함을 시사해주고 있음을 알 수 있을 것이다.

따라서, 시뮬레이션 결과, 본 발명의 브리지(150) 구조에 의한 FSPM 모터의 효율성 저하도 1% 내외로 예측할 수 있다.

이때, 상기 고정자 코어(120)는 규소철로 된 고정자 코어 철판(120n)을 다층 적층하여 구성하고, 상기 회전자 코어(14)는 그 몸체 중 적어도 외향치 자극(142)이 순철이나 규소철로 이루어진 것을 특징으로 한다.

상기 고정자 코어(120)는 상기 내향치 자극(SG)의 수가 짝수 개이고, 이웃하는 자극(SG)의 페라이트 자석(132)은 도 5에서 노란 색상으로 표시한 페라이트자석(132)에 의한 자속흐름과 같이 서로 극성을 반대로 배치되게 착자된 것의 구조로 한정함이 바람직하다.

위와 같이 구성함에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이 3상 정현파 전류 위상이 흐름에 따라 고정자 코어(120)측과 회전자 코어(14)측 간 자극(SG)에서의 자속 흐름이 이루어지게 됨으로써 인력 및 척력에 의한 회전자 자극을 당겨 회전자를 회전시키고 연속해서 옆에 위치한 자극으로 시프트(Shift) 되어지는 모터 회전 원리를 보여주고 있다. 즉, 정현파 위상에 따라 회전자의 포지션 각도 및 자속 흐름이 달라지게 되는 것을 예시하여 보여주는 것이다. 3상 코일 결선 구조이면 120도 위상차를 가진다.

이와 같이 본 발명에 의한 FSPM 모터는 브리지(150)를 갖게 되더라도 여전히 고정자(12)의 자극들마다 양측(120a-120b) 간을 반분하여 페라이트 자석(132)에 의해 자속흐름을 방향성을 두고 절연하는 구조이므로 고정자(12)의 자극들(SG)의 권선된 코일(126)의 전류 흐름 방향에 따라 고정자측 자극과 일치하지 않고 엇갈려 위치한 회전자 코어(14)의 외향치 자극(142)를 당겨 회전자를 회전시키게 되는 것이다.

본 발명에서 코어는 규소 등의 산화물과 철이 결합되어 제조된 가격이 저렴하기에 보급률이 높으며, 약품에 강하고, 녹이 잘 슬지 않는 장점이 있습니다만 경도가 높아 잘 깨질 수 있다는 단점이 있으므로 타발에 의한 브리지 형성에 적당한 수준의 열처리가 필요할 것이다. 브리지의 평면상 두께는 깨지기 쉬울수록 두껍게, 열처리 수준에 따른 연성 정도에 따라 얇게 형성할 수 있을 것이며, 필요에 따라 레이저 가공으로 행할 수도 있을 것이나, 고정자 코어 철판(120n)을 다층 적층하는 고정자 코어 조립과정에서 사용자가 고정자 코어 철판(120n)을 다루다가 브리지(150) 부분이 부러지지 않을 정도의 강도를 유지하면 될 것이며, 이러한 철판은 얇은 강판으로 제조되어 출시되는 것 중에서 채택하면 되는데, 일예로 수회 소둔 처리된 방향성 전기강판이나 비방향성 전기강판 등도 사용 가능할 것이다. 본 발명에서 브리지의 0.2~0.7mm 폭 두께는 이를 감안하여 본 발명자가 오랜기간 반복하여 실험한 결과에 의해 정한 것이다(도 6에서는 0.5mm로 실시하였음).

자극(SG) 간의 간격은 슬롯의 간격치로 결정되는데 본 발명에서는 코일(126)의 권선되는 량에 슬롯의 간격치가 관계될 것이므로 본 발명과 연관성은 적다고 할 것이나, 페라이트자석(132)의 두께 및 삽입되는 홈의 간격에 대해서는 그 두께 및 간격이 보다 큰 것이 본 발명의 브리지 채용구조에서는 모터 효율이 좋게 영향 받을 수 있을 것이다.

12 - 고정자(코일 권선된 상태의 고정자)
120 - 고정자 코어
120n - 고정자 코어 철판
120a,120b - 고정자 내향치 자극 양측
SG - 고정자 내향치 자극
126 - 코일
132 - 페라이트자석
14 - 회전자 코어
142 - 회전자 외향치 자극
150 - 브리지

Claims (4)

1. 미리 설정된 임의의 n개의 외향치(齒) 자극(142)을 가지는 회전자 코어(14)와, 상기 회전자 코어(14)를 내재하도록 평면상 환형으로 이루어지고 동일 형태의 다수개 고정자 코어 철판(120n)들이 적층되어 구성되는 고정자 코어(120)를 구비하며, 상기 고정자 코어(120)를 이루면서 상기 회전자 코어(14)측 n개 외향치 자극(142)보다 더 많은 수의 다수의 내향치(齒) 자극(SG)을 구비하되, 상기 다수의 내향치 자극(SG)에 판상의 페라이트 자석(132)이 방사상 방향으로 개재되어 상기 내향치 자극(SG)에 권선되는 코일에 3상 정현파 전류의 흐름에 따라 상기 고정자 코어 내향치 자극(SG)과 그 주변에 발생되는 자기력선 흐름 방향이 상기 페라이트 자석(132)의 착자된 극성 배치에 따라 전환 스위칭되어 모터의 회전 기전력을 발생하도록 구성되는 FSPM(Flux Switching Permanent Magnet) 모터로서,
   상기 고정자 코어(120)를 구성하도록 다층 적층되는 다수의 고정자 코어 철판(120n)들은, 상기 내향치 자극(120a,120b;SG)마다 페라이트 자석(132)이 방사상 방향으로 삽입되는 자석 삽입홈의 최외곽이 평면상 0.2~0.7mm 폭의 원호형 브리지(150)로서 연결되는 구조로 이루어짐으로써, 상기 내향치 자극(SG) 마다 상기 페라이트자석(132)의 삽입에 의한 구조적 분리가 없도록 일체의 고정자 코어 철판(120n) 상태로서 다층 적층하고 상하 다층 적층 간을 접합하여 환상의 고정자 코어(120)를 이루도록 구성되고,
   상기 고정자 코어 철판은 상기 브리지를 포함하여 평면상의 외형이 프레스 타발로 가공되며,
   상기 고정자 코어는 규소철로 된 코어 철판을 적층하여 구성하고, 상기 회전자 코어는 몸체 중 적어도 외향치 자극이 순철이나 규소철로 이루어지고,
   상기 고정자 코어는 상기 내향치 자극의 수가 짝수개이고, 상기 고정자 코어 측 다수 자극의 페라이트 자석들은 서로 이웃하는 페라이트자석의 극성이 서로 반대로 배치되게 착자된 것으로서 구성됨을 특징으로 하는 FSPM 모터.
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