KR101791544B1 - 영구자석 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석 모터에 관한 것으로서, 회전자 자기 섬(magnetic island)에 설치한 다수 개 슬롯으로 각각 3개로 구성되고, 하나의 중간홀 및 상기 중간홀 양측에 위치한 사이드홀이 있고, 상기 중간홀과 각 상기 사이드홀이 특정한 조건을 만족시키도록 함으로써 최적의 코깅(cogging) 저감 효과를 구현한다.

Description

영구자석 모터 {PERMANENT MAGNET MOTOR}

본 발명은 영구자석 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 코깅(cogging)을 저감시키는 영구자석 모터에 관한 것이다.

모터의 코깅(cogging)은 성능에 영향을 미칠 뿐만 아니라 진동과 소음을 발생시켜 모터의 활용을 제한하고 사용하는 데에 불편함을 준다. 따라서 종래 기술에서는 모터의 코깅 토크(Cogging Torque)를 저감하기 위해 다양한 연구와 개발이 진행됐으며, 자석 형상, 크기, 자극 피치, 자화 방식, 자석 전개각도, 편부 깊이, 슬롯과 자극 수 및 보조 슬롯 등 다수 기술수단을 이용해 종래 기술의 코깅을 저감시키고자 노력했다.

더욱 상세하게는 도 1의 종래 기술에서 도시하는 바와 같이, 회전자(1)의 쌍을 이루는 자석(2)의 전개 각도를 변화시킴으로써 코깅 저감 효과를 구현하는 내장형 구조에 있어서, 쌍을 이루는 자석(2)을 V자 모양으로 회전자(1) 내에 매설하고, 더 나아가 도 2에서 도시하는 바와 같이, 각 자극의 자기 섬(magnetic island)(3)에 홀(4)을 더 설치한 구조에 있어서, 홀(4)을 통해 자력선의 진행구역을 제한함으로써 자력선을 더욱 집중시키고, 고정자와의 와인딩 사이에 쇄교가 더욱 효율적으로 진행되도록 만들어 코깅 토크 저감 효과를 실현했다.

종래 기술에서 홀 구조를 통해 회전자 코어의 자속 분포를 변화시키는 방법을 공개하기는 했으나, 홀의 형상, 수량, 크기 및 위치 등이 코깅 토크 저감에 미치는 영향을 상세하게 설명하지 않아 최적화된 기술내용이 부족하므로 이를 개선할 필요가 있다.

본 발명에서는 영구자석 모터를 제안하며, 모터 회전자 자기 섬(magnetic island)에 설치된 홀의 형상, 공경(pore size) 및 공간형태 배치를 최적화하여 코깅 토크(Cogging Torque), 역기전력(back-EMF) 전체 고조파 왜곡(THD), 토크 리플(torque ripple) 저감 효과를 구현하고, 더 나아가 제어 정밀도를 향상시키고 진동과 소음을 줄이고자 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에서 제안하는 영구자석 모터는, 각 자기 섬에 3개의 홀을 각각 설치하고, 각각은 하나의 중간홀과 상기 중간홀 양측에 위치한 두 개의 사이드홀이고, 상기 중간홀과 각 상기 사이드홀이 아래 조건

10°≤θ≤(360°/P)-27°;

0.5g≤ r≤3g;

0.5g≤R≤3g;

S(2/3≤d≤S-(r+1);

S(2/3)≤D≤S-(R+1)

을 만족하도록 해 최적의 코깅 저감 효과를 구현한다.

여기에서,

상기 θ는 각 사이드홀 사이 회전자의 곡률 중심을 원점으로 한 전개각이다.

상기 P는 모터 회전자의 자극 수이다.

상기 r은 각 사이드홀의 반경이다.

상기 R은 상기 중간홀의 반경이다.

상기 g는 모터 회전자와 고정자 간의 에어갭 폭이다.

상기 S는 상기 회전자의 반경이다.

상기 d는 각 사이드홀의 곡률 중심과 회전자의 곡률 중심 간의 깊이 거리이다.

상기 D는 중간홀의 곡률 중심과 회전자의 곡률 중심 간의 깊이 거리이다.

각 상기 홀은 원형 홀이다.

상기 모터의 자극 수는 다수 개의 쌍을 이루는 자석이 각각 상기 회전자 내에 설치되어 구성된다.

상기 각 쌍을 이루는 자석은 V자 모양으로 각각 상기 회전자 내에 내장된다.

더 나아가 각 자극의 자기 섬에 설치된 상기 홀의 수량을 4개로 추가하고, 추가한 하나의 바닥홀은 쌍을 이루는 자석 V자 모양 수렴단 내에 위치시킨다.

본 발명의 하나의 실시예에 있어서, 상기 P의 수량이 8인 경우, 각 상기 사이드홀의 공경은 상기 중간홀의 공경보다 작고, 각 상기 홀과 모터 회전자의 곡률 중심 사이 및 각 상기 홀 상호간의 상대적인 위치를 특정하고, 상기 θ는 12°이고, 상기 r은 0.9mm이고, 상기 R은 1.3mm이고,

상기 d는 S(2/3)이고,

상기 D는 S(2/3)일 때, 상대적으로 최적의 코깅 토크 저감 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 상기 P의 수량이 6인 경우, 각 상기 사이드홀의 공경은 상기 중간홀의 공경보다 크고, 상기 θ는 12°이고, 상기 r은 1.2mm이고, 상기 R은 0.5mm이고, 상기 d와 D가 모두 39mm일 때, 상대적으로 최적의 코깅 토크 저감 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 종래에 있어서 영구자석 모터의 평면도이고;
도 2는 종래에 있어서 다른 영구자석 모터의 평면도이고;
도 3은 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터의 평면도이고;
도 4는 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터의 단일 자극 구간의 평면도이고;
도 5는 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터의 전개각과 코깅 토크 변화 관계도이고;
도 6은 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터의 홀 반경과 코깅 토크 변화 관계도이고, 여기에서 상기 중간홀과 각 상기 사이드홀의 반경은 동일하고;
도 7은 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터의 중간홀 반경과 코깅 토크 변화 관계도이고;
도 8은 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터의 깊이 거리와 코깅 토크 변화 관계도이고;
도 9는 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터의 홀 수량과 코깅 토크 변화 관계도이고;
도 10은 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터와 도 1에서 도시하는 영구자석 모터의 코깅 토크 비교도이고;
도 11은 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터와 도 1에서 도시하는 영구자석 모터의 역기전력(back-EMF) 전체 고조파 왜곡(THD) 비교도이고;
도 12는 본 발명 실시예에 있어서 영구자석 모터와 도 1에서 도시하는 영구자석 모터의 토크 리플 비교도이다.

아래에서 도면과 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다.

먼저, 도 3 및 4에서 도시하는 바와 같이 본 발명 실시예에서 제안하는 영구자석 모터(10)는 주로 고정자(20), 회전자(30), 에어갭(40), 다수개 자석(50) 및 다수개 홀(60)을 포함한다.

고정자(20)는 적절한 두께의 원형관 모양이다.

회전자(30)는 원주형으로 동일 축을 가지고 고정자(20) 내를 관통하며 설치된다.

에어갭(40)은 고리형으로 회전자(30)의 외주 고리면과 고정자(20)의 내주 고리면 사이에 위치하고, 고정자(20)의 내주 고리면과 회전자(30)의 외주 고리면을 서로 격리시켜 직접 접촉되지 않도록 한다.

각 자석(50)은 쌍을 이루는 V자 모양으로 각각 회전자(30) 내에 매설되고, V자 모양의 수렴단은 회전자(30)의 원 중심을 향하고, 회전자(30)의 원 중심을 원점으로 삼고, 각 쌍을 이루는 자석은 회전자(30)의 가장자리 측에서 8개의 45도 각도를 이루는 자극 구역(70)을 형성한다.

각 홀(60)은 각 자극 구역(70) 중 회전자(30) 가장자리 측과 대응하는 쌍을 이루는 자석(50) 사이의 자기 섬(80) 내에 각각 설치되고, 홀 축을 회전자(30)의 기둥축에 평행하도록 한다.

더 나아가 본 실시예에서 모터 코깅 토크 저감을 위해 사용한 주요 기술 특징에 있어서, 각 자기 섬(80)에 설치된 홀(60)의 수량은 적어도 3개이고, 각각 대응하는 자극 구역(70) 중간에 위치하고, 원형의 중간홀(61), 두 개의 중간홀(61) 양측에 위치하고 원형인 사이드홀(62)을 포함한다. 또한, 더욱 바람직한 코깅 저감 효과를 구현하기 위해 상기 중간홀(61), 각 사이드홀(62) 이외에, 각 자기 섬(80) 중의 홀 수량을 4개까지 추가할 수 있고, 상기 추가한 바닥홀(63)은 쌍을 이루는 자석의 V자 모양 수렴단 내에 위치시킨다.

본 실시예에 있어서, 중간홀(61)과 각 사이드홀(62)의 크기와 공간형태는 아래의 조건

10°≤θ≤(360°/P)-27°;

0.5g≤ r≤3g;

0.5g≤R≤3g;

S(2/3≤d≤S-(r+1);

S(2/3)≤D≤S-(R+1)

를 만족시켜야 한다.

여기에서,

θ는 각 사이드홀(62) 사이 회전자(30)의 곡률 중심을 원점으로 한 전개각이다.

P는 모터 회전자(30)의 자극 수이고, 본 실시예에서는 8이다.

r은 각 사이드홀(62)의 반경이다.

R은 중간홀(61)의 반경이다.

g는 에어갭(40)의 폭이다.

S는 회전자(30)의 반경이다.

d는 각 사이드홀(62)의 곡률 중심과 회전자(30)의 곡률 중심 간의 깊이 거리이다.

D는 중간홀(61)의 곡률 중심과 회전자(30)의 곡률 중심 간의 깊이 거리이다.

본 실시예에서 공개한 8자극 모터 구조에 있어서, θ값의 전개 각도 크기와 코깅 토크 간의 관계는 도 5에서 도시하는 바와 같으며, θ가 12°일 때 코깅 토크는 0.1Nm보다 작다.

더 나아가 θ가 12°이고 중간홀(61)과 각 사이드홀(62)의 반경이 동일할 때, 상기 R값과 상기 r값의 코깅 토크에 상대적인 관계는 도 6에서 도시하는 바와 같으며, R=r=0.9mm일 때 코깅 토크는 더욱 저감되어 0.04Nm보다 작다.

상기 내용을 기반으로, 중간홀(61)의 R값만 증가할 경우, 도 7에서 도시하는 바와 같으며, 중간홀(61)의 R값이 1.3mm까지 증가할 경우, 코깅 토크는 도 6에서 도시하는 상태에서 약 0.024Nm까지 더욱 저감된다.

여기에서 알 수 있듯이, 중간홀(61)과 각 사이드홀(62) 각자의 크기에 있어서, 중간홀(61)의 반경이 각 사이드홀(62)의 반경보다 클 경우, 비교적 바람직한 코깅 토크 저감 효과를 구현할 수 있다.

도 8에서 도시하는 바와 같이, 중간홀(61)과 각 사이드홀(62)의 상대 위치를 변경할 경우, d값 및 D값과 코깅 토크 간의 관계도에서 알 수 있듯이, d=D=39mm일 때 가장 낮은 코깅 토크를 가지게 된다.

도 9에서는 더 나아가 중간홀(61)과 각 사이드홀(62)이 상호 병존할 때 코깅 토크를 현저하게 저감시킬 수 있다는 것을 증명했다.

도 5 내지 9의 데이터 설명에서 알 수 있듯이, 본 실시예에 있어서 중간홀(61)과 각 사이드홀(62)이 P=8, θ=12°, r=0.9mm, R=1.3mm, d=D=39mm일 때, 상대적으로 최적의 코깅 토크 저감 효과를 얻을 수 있었다.

본 발명은 상기 8자극의 영구자석 모터 실시예에 의해 제한되지 않으며, 6자극의 영구자석 모터 실시예에 있어서, P=6, θ=12°, r=1.2mm, R=0.5mm, d=D=39mm일 때, 상대적으로 최적의 코깅 토크 저감 효과를 얻을 수 있었다.

상기 기술을 통해 본 발명에서 제안하는 영구자석 모터(10)는 도 1에서 도시한 영구자석 모터에 비해 도 10의 비교도에서 도시하는 바와 같이 현저한 코깅 토크 저감 효과를 가지고 있으며, 또한, 도 11 및 12에서 도시하는 바와 같이 역전기력(back-EMF) 전체 고조파 왜곡(THD)과 토크 리플을 줄임으로써 제어 정밀도를 높이고 소음을 감소시킬 수도 있다.

1: 회전자 2: 자석
3: 자기 섬(magnetic island) 4: 홀
10: 영구자석 모터 20: 고정자
30: 회전자 40: 에어갭
50: 자석 60: 홀
61: 중간홀 62: 사이드홀
63: 바닥홀 70: 자극 구역
80: 자기 섬(magnetic island)
θ: 전개각 P: 자극 수
R: 중간홀 반경 r: 사이드홀 반경
g: 에어갭 폭 S: 회전자 반경
d: 사이드홀과 회전자 원심 간의 거리
D: 중간홀과 회전자 원심 간의 거리

Claims (10)

1. 영구자석 모터에 있어서,
   고리형으로 이루어진 하나의 고정자;
   원형으로 이루어지고 동일 축을 가지고 상기 고정자에 위치한 하나의 회전자;
   상기 회전자의 외주 고리면과 상기 고정자의 내주 고리면 사이에 위치하는 에어갭;
   상기 회전자 내에 설치되고, 상기 회전자의 곡률 중심을 원점으로 다수개의 동일 각도의 자극 구간을 형성하는 다수개 자석;
   각 상기 자극 구간에서 상기 회전자 가장자리 측과 대응하는 자석 사이의 자기 섬 내에 각각 설치되는 다수개 홀을 포함하고;
   각 상기 자기 섬에 3개의 홀이 각각 설치되고, 각각은 하나의 중간홀과 상기 중간홀 양측에 위치한 두 개의 사이드홀이고, 만족시키는 조건은
   10°≤θ≤(360°/P)-27°;
   0.5g≤ r≤3g;
   0.5g≤R≤3g;
   S(2/3≤d≤S-(r+1);
   S(2/3)≤D≤S-(R+1)
   이고,
   여기에서,
   상기 θ는 상기 두 개의 사이드홀 사이 상기 회전자의 곡률 중심을 원점으로 한 전개각;
   상기 P는 상기 자극 구역의 수량;
   상기 r은 각 상기 사이드홀의 반경;
   상기 R은 상기 중간홀의 반경;
   상기 g는 상기 에어갭의 폭;
   상기 S는 상기 회전자의 반경;
   상기 d는 각 상기 사이드홀의 곡률 중심과 상기 회전자의 곡률 중심 간의 깊이 거리;
   상기 D는 상기 중간홀의 곡률 중심과 상기 회전자의 곡률 중심 간의 깊이 거리인 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 홀이 각각 원형 홀인 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
3. 제 1항에 있어서,
   각 상기 자극 구간 중의 자석은 각각 쌍을 이루는 V자 모양이고, 수렴단이 상기 회전자 곡률 중심을 향해 상기 회전자 내에 내장되는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
4. 제 3항에 있어서,
   각 상기 자기 섬 중에 설치된 홀은 하나의 바닥홀을 더 포함하고, 쌍을 이루는 자석의 V자 모양 수렴단 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 P의 수량이 8인 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 중간홀의 반경이 각 상기 사이드홀의 반경보다 큰 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
7. 제 5항에 있어서,
   상기 r은 0.9mm이고, 상기 R은 1.3mm인 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 P의 수량이 6인 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 중간홀이 반경이 각 상기 사이드홀의 반경보다 작은 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.
10. 제 8항에 있어서,
    상기 r은 1.2mm이고, 상기 R은 0.5mm인 것을 특징으로 하는 영구자석 모터.

Images