KR101801610B1

KR101801610B1 - 마그네틱 기어드 모터

Info

Publication number: KR101801610B1
Application number: KR1020170019890A
Authority: KR
Inventors: 신경훈; 최장영; 안병권
Original assignee: 충남대학교산학협력단
Priority date: 2017-02-14
Filing date: 2017-02-14
Publication date: 2017-11-27

Abstract

일 실시예에 따르면, 중심을 축으로 원판 형태로 형성되는 고정자; 상기 고정자의 외주면을 이격된 상태로 둘러싸며, 상호 일정하게 이격되어 배치되는 복수의 자속 변조 철심; 상기 복수의 자속 변조 철심을 상호 연결시키도록 구성되는 브릿지; 상기 복수의 자속 변조 철심의 외주면을 감싸도록 형성되는 영구 자석; 및 상기 영구 자석 외주면을 감싸도록 형성되는 회전자를 포함하는, 마그네틱 기어드 모터가 제공된다.

Description

마그네틱 기어드 모터{MAGNETIC GEARED MOTOR}

본 발명의 마그네틱 기어드 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 간소화된 방법으로 고정된 자속 변조 철심을 포함하는 마그네틱 기어드 모터에 관한 것이다.

최근 풍력 발전 시스템, 전기 자동차, 가전 기기 등에서 저속, 고토크의 전기 기기가 요구되고 있다. 이에 따라, 감속기 - 유도 전동기를 결합한 구조와 직접 구동용 다극 영구자석 전동기가 일반적으로 활용되고 있다. 기계식 기어로 이루어진 감속기는 기계적인 접촉으로 인한 소음과 진동을 발생시키고, 효율이 낮아 시스템 수명과 신뢰성을 감소시킬 수 있다. 또한, 다극의 영구자석 전동기는 기존 많은 논문들을 통해 간단한 구조와 가벼운 무게, 고효율 달성하였으나 포화 및 온도에 취약한 단점들이 제시되고 있다.

이러한 문제점들에 대한 대안으로 마그네틱 기어와 영구자석 전동기가 일체화된 마그네틱 기어드 모터에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 마그네틱 기어는 입력과 출력 축(shaft)이 물리적으로 분리되어 기계적인 접촉이 없기 때문에 마모가 없고, 윤활이 불필요하다. 또한, 기계적인 기어에 비해 효율이 높고, 과부하 토크 인가 시 과부하 방지 기능(토크 퓨즈)을 포함하고 있어 안전한 기어 재결합을 가능하게 하고 이에 따라 소음과 진동에 따른 영향이 적다는 장점을 갖는다. 마그네틱 기어의 장점 및 제한적인 상황을 극복하기 위해 마그네틱 기어드 모터는 기존 전기 기기와 다른 구조를 갖고 있으며 이는 모터와 기어 일체형으로서 높은 토크 밀도를 가지고 있다. 또한, 축방향으로 차지하는 부피 또한 현저하게 줄일 수 있다는 장점을 갖는다. 마그네틱 기어드 모터는 마그네틱 기어와 다르게 한쪽 영구자석 동력축이 회전자계를 형성하는 고정자로 대체되며, 자속 변조 철심에 의해 회전자와 고정자에서 발생된 자계가 변조되고 각각의 자계가 동기화되어 자계의 분포가 형성된다.

마그네틱 기어드 모터는 3개의 동력축을 가지며, 두 개의 동력 축을 고정시킴으로써 움직음을 얻을 수 있다. 마그네틱 기어드 모터에 대한 제작이 어렵고 노하우가 확보되지 않았기 때문에, 많은 논문들에서 이와 같은 마그네틱 기어드 모터의 동작 원리 및 유한요소법을 이용한 해석을 하고 있다.

마그네틱 기어드 모터는 고정자, 고정자의 자계 분포를 변조시키는 자속 변조 철심을 포함한다.

자속 변조 철심은 고정자의 외주면을 감싸도록 형성되는 복수개의 철심으로 이루어지는데 이러한 복수개의 철심을 일정 위치에 고정시키기 위한 기술은 아직까지 다양하게 개발되고 있지 않다.

종래에는 몰딩 또는 보빈 등을 이용하여 고정하였으나, 제작 및 설치의 어려움, 공극의 증가로 인한 출력 밀도 감소 등의 문제점이 존재하였다.

본 발명의 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 마그네틱 기어드 모터에서의 자속 변조 철심을 용이한 방법으로 고정함과 동시에, 브릿지가 없는 경우와 유사한 출력 특성, 토크 특성을 나타내는 기술을 제안한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 중심을 축으로 원판 형태로 형성되는 고정자; 상기 고정자의 외주면을 이격된 상태로 둘러싸며, 상호 일정하게 이격되어 배치되는 복수의 자속 변조 철심; 상기 복수의 자속 변조 철심을 상호 연결시키도록 구성되는 브릿지; 상기 복수의 자속 변조 철심의 외주면을 감싸도록 형성되는 영구 자석; 및 상기 영구 자석 외주면을 감싸도록 형성되는 회전자를 포함하는, 마그네틱 기어드 모터가 제공된다.

상기 브릿지는, 상기 복수의 자속 변조 철심의 내주면, 외주면, 중심을 상호 연결시키도록 형성될 수 있다.

상기 브릿지는, 상기 자속 변조 철심과 동일한 재질로 이루어질 수 있다.

상기 브릿지와 자속 변조 철심은 실리콘 스틸로 이루어질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 마그네틱 기어드 모터에서의 자속 변조 철심을 용이한 방법으로 고정함과 동시에, 브릿지가 없는 경우와 유사한 출력 특성, 토크 특성을 나타낼 수 있다.

도 1은 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 자속 변조 철심의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터에서 브릿지 구조에 따른 역기전력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터에서 정격 부하 시 토크 특성을 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터에서 철손의 정도를 나타내는 그래프이다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 그리고 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 시스템을 두고 연결되어 있는 경우도 포함한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터의 구조를 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 마그네틱 기어드 모터는 원판 형태로 형성되는 고정자(110), 상기 고정자(110)의 외주면을 이격되도록 둘러싸는 복수개의 자속 변조 철심(120), 상기 자속 변조 철심(120)의 외주면을 감싸도록 링 형상으로 형성되는 영구 자석(130), 상기 영구 자석(130)의 외주면을 감싸도록 형성되는 회전자(140)로 구성된다.

고정자는 중심으로부터 방사상으로 연장되는 복수개의 고정자 철심(111)으로 구성되며, 각각의 철심(111)에는 코일(150)이 감겨진다.

고정자 철심(111)에 감겨진 코일(150)에 의해 자계가 형성되는데, 자속 변조 철심(120)은 이러한 코일(150)에 의한 자계와 회전자(140)의 영구 자석(130)에 의한 자계를 변조하여, 작동하기에 알맞은 극을 형성한다.

도 1에 도시되는 마그네틱 기어드 모터에서의 자속 변조 철심(120)의 수(Nm)는 내측과 외측의 자기적 극쌍수에 의해 결정되며 이를 수식으로 나타내면 수학식 1과 같다.

여기서, p_s, p_r은 각각 고정자(110)와 회전자(140)의 자기적 극쌍수를 나타낸다.

회전자(140)의 기계적 회전 주파수를 f_r이라 한다면, 고정자(110)에 유기되는 주파수(f_s)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

도 1의 마그네틱 기어드 모터의 구동 영역은 고정자(110), 자속 변조 철심(120), 회전자(140)로 나눌 수 있다. 이 때의 속도 관계식은 아래의 수학식 3과 같다.

여기서, ω_r, ω_s와 ω_m은 각각 고정자(110)의 회전자계 동기속도, 회전자(140) 속도, 자속 변조 철심(120)의 속도를 나타낸다.

자속 변조 철심(120)을 고정시키면 마그네틱 기어드 모터의 기어비 G는 수학식 4와 같아진다.

여기서, m=1, 3, 4, ..., ∞, k=0,±1,±2,±3, ..., ∞ 이다. 외측과 내측의 다른 속도 조건에서 토크를 전달하기 위해서는 회전자(140)의 극쌍수가 공간고조파의 극쌍수와 동일해야 하며, 이때 k≠0이다.

m=1, k=-1의 조합에서 비동기 공간고조파가 가장 크므로 기어비는 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따라 마그네틱 기어드 모터에서 자속 변조 철심에 브릿지를 형성시킨 형상을 나타내는 도면이다.

먼저, 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터에서는 상호 이격된 상태로 링 형상을 이루도록 배치되는 복수개의 자속 변조 철심(120)의 외주면에 브릿지(121)가 형성된 것을 알 수 있다. 브릿지(121)는 복수개의 자속 변조 철심(120)을 상호 연결시키는 구성요소로서, 자속 변조 철심(120)과 일체로 이루어질 수 있으며, 동일한 재질로 이루어진다. 예를 들면, 실리콘 스틸 등으로 이루어질 수 있다.

다음으로, 도 3을 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 브릿지(122)는 복수개의 자속 변조 철심(120)의 중심부를 상호 연결시키도록 형성될 수도 있으며, 도 4를 참조하면, 본 발명의 제3 실시예에 따른 브릿지(123)는 복수개의 자속 변조 철심(120)의 내주면에 형성될 수도 있다.

도 2 내지 도 4에서는 브릿지(121, 122, 123)가 하나로 형성되는 경우, 즉, 원 레이어(One Layer)로 형성되는 경우를 예로 들었으나, 브릿지(121, 122, 123)는 복수개로 형성될 수도 있다. 예를 들면, 도 2 및 도 4에 도시된 실시예를 조합하여, 자속 변조 철심(120)의 외주면과 내주면에 각각 브릿지가 동시에 형성될 수도 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터에서 브릿지 구조에 따른 역기전력을 나타내는 그래프이다.

도 5에서 녹색 실선, 흑색 실선, 적색 실선은 각각 도 2, 도 3, 도 4에 도시된 제1 내지 제3 실시예에 따른 브릿지를 형성시켰을 때의 역기전력 측정 결과를 나타내며, 청색 실선은 브릿지가 없는 경우의 역기전력 측정 결과를 나타낸다.

역기전력 측정은, 전류의 공급을 차단한 상태에서 회전자(140)가 회전할 때 발생하는 기전력을 측정함으로써 수행되었다.

도 5의 그래프를 참조하면, 브릿지가 자속 변조 철심(120)의 내주면에 형성되는 경우 상대적으로 누설 성분이 적어 역기전력이 가장 크게 나옴을 알 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터에서 정격 부하 시 토크 특성을 나타내는 그래프이다.

도 6에서 녹색 실선, 흑색 실선, 적색 실선은 각각 도 2, 도 3, 도 4에 도시된 제1 내지 제3 실시예에 따른 브릿지를 형성시켰을 때의 토크 특성을 나타내며, 청색 실선은 브릿지가 없는 경우의 토크 특성을 나타낸다.

도 6을 참조하면, 브릿지가 있는 경우 공극 자계에 왜곡 성분이 상대적으로 증가되어 브릿지가 없는 경우에 비해 토크 리플은 크게 발생하고 누설 성분으로 인해 평균 토크의 크기는 낮음을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 마그네틱 기어드 모터에서 철손의 정도를 나타내는 그래프이다.

도 7에서 녹색 실선, 흑색 실선, 적색 실선은 각각 도 2, 도 3, 도 4에 도시된 제1 내지 제3 실시예에 따른 브릿지를 형성시켰을 때의 토크 특성을 나타내며, 청색 실선은 브릿지가 없는 경우의 토크 특성을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 브릿지가 있는 경우 브릿지에서 자속의 포화가 발생하여 철손이 상대적으로 크게 나타남을 알 수 있다.

표 1은 브릿지 형성 위치별 특성 해석 결과를 나타낸다.

	제1 실시예	제2 실시예	제3 실시예	브릿지 없음
역기전력 [V]	2.72	3.12	3.52	4.21
THD [%]	0.468	1.486	0.998	0.126
코깅토크 [mN.m]	34.061	20.429	58.373	22.475
토크 [N.m]	10.562	13.542	15.942	16.280
토크리플 [N.m]	0.3834	0.3808	0.537	0.1813
철손 [W]	11.462	12.680	14.664	8.997

표 1을 통해서 알 수 있는 바와 같이, 브릿지가 자속 변조 철심(120)의 내주면에 형성될수록 자기 누설 성분이 감소됨으로 출력 특성이 향상된다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 복수개의 자속 변조 철심을 브릿지를 통해 고정시킴에 따라 종래 보빈 또는 몰딩을 통해 고정시킬 때에 비해 간소한 방법으로 고정이 가능하며, 브릿지가 없는 경우와 유사한 특성을 얻을 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 고정자
111: 고정자 철심
120: 자속 변조 철심
121, 122, 123: 브릿지
130: 영구 자석
140: 회전자
150: 코일

Claims

중심을 축으로 원판 형태로 형성되는 고정자;
상기 고정자의 외주면을 이격된 상태로 둘러싸며, 상호 일정하게 이격되어 배치되는 복수의 자속 변조 철심;
상기 복수의 자속 변조 철심의 중심을 상호 연결시키도록 구성되는 브릿지;
상기 복수의 자속 변조 철심의 외주면을 감싸도록 형성되는 영구 자석; 및
상기 영구 자석 외주면을 감싸도록 형성되는 회전자를 포함하는, 마그네틱 기어드 모터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 브릿지는, 상기 자속 변조 철심과 동일한 재질로 이루어지는, 마그네틱 기어드 모터.
제3항에 있어서,
상기 브릿지와 자속 변조 철심은 실리콘 스틸로 이루어지는, 마그네틱 기어드 모터.