KR101896714B1

KR101896714B1 - 매입형 영구자석 모터의 회전자

Info

Publication number: KR101896714B1
Application number: KR1020120118265A
Authority: KR
Inventors: 김명규; 김연호
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2018-09-07
Also published as: KR20140052300A

Abstract

본 발명은 유압 제어를 통해 회전자 내 매입된 영구자석의 위치(혹은 자세)를 변경 제어할 수 있도록 하여 회전방향 전자기력을 유지하는 동시에 반경방향 전자기력을 최소화함으로써 하이브리드 자동차 및 전기자동차 등의 친환경 자동차용 구동모터의 소음을 저감하는 매입형 영구자석 모터의 회전자를 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명은, 영구자석과 이 영구자석이 매입되는 자석매입공간부를 포함하고, 상기 자석매입공간부는 유압을 공급받기 위해 제1유입구와 제2유입구를 가지며, 상기 영구자석은 자석매입공간부에 그 중앙부를 기준으로 회전가능하게 구성됨으로써 상기 유입구로 공급되는 유압 제어를 통한 영구자석의 위치 변경이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 모터의 회전자를 제공한다.

Description

매입형 영구자석 모터의 회전자 {Rotor for interior permanent magnet motor}

본 발명은 전자기 소음을 개선하기 위한 매입형 영구자석 모터의 회전자에 관한 것이다.

일반적으로 매입형 영구자석(Interior permanent magnet, IPM) 모터는 영구자석을 회전자에 매립하여 고정하는 구조로 이루어져, 정토크 및 역토크 구동, 그리고 엔진 클러치와 빈번한 결합 등 일반 모터에 비해 가혹한 조건에서 구동가능하고, 넓은 가변속 영역과 우수한 토크 특성으로 HEV(Hybrid Electric Vehicle)용 구동모터로 그 이용도가 높다.

이러한 매입형 영구자석 모터의 토크 발생을 구현하기 위해서는 회전방향의 전자기력을 발생시켜야 하는데, 그 순간 반경방향 전자기력이 필연적으로 발생하게 된다.

도 1은 종래기술에 따른 매입형 영구자석 모터의 고정자 치(齒)에서의 반경방향 자기력 분포를 보여주는 개략도로서, 매입형 영구자석 모터에서 발생하는 반경방향 전자기력 분포를 도 1을 참조하여 국부적인 측면에서 살펴보면, 동일한 고정자(1)의 치(2)에서 반경방향 전자기력의 크기가 회전자의 회전방향을 따라 점차적으로 증가하고 있다.

그러나, 상기 고정자(1)의 치(2)마다 회전방향을 따라 점차적인 증가를 보이는 반경방향 전자기력(도 1에서 화살표로 표시됨)은 모터의 성능을 저해하는 불필요한 요소이며, 이러한 반경방향 자기력은 전체적인 측면에서 볼 때 도 2에 도시한 바와 같이 고정자를 가진시켜 고정자의 진동을 야기함에 따라 매입형 영구자석 모터에서 전자기 소음의 주요 원인이 된다.

도 2에서 가운데 그림은 고정자의 고유모드에서 고정자가 반경방향의 전자기력을 받아 그 형상이 일그러진 모습을 보여주며, 도 2의 우측 그래프는 전자기 소음 FRF(Frequency Response Function)로서 대략 400Hz의 주파수 영역과 2800Hz의 주파수 영역에서 고정자에 작용하는 반경방향 전자기력을 보여준다.

도 2의 우측 그래프에서 8X로 나타낸 직선의 경우 대략 400Hz의 주파수 영역에서 반경방향 전자기력에 의해 고정자 진동이 8배로 발생하였고, 48X로 나타낸 직선의 경우 대략 2800Hz의 주파수 영역에서 반경방향 전자기력에 의해 고정자의 진동이 48배로 발생하였다.

이와 같이, 특유의 전자기 소음을 가지는 매입형 영구자석 모터를 하이브리드 자동차 및 전기자동차에 탑재할 경우에 운전자는 기존의 엔진 탑재 차량에서 발생하지 않던 전자기 소음을 이음(異音)으로 간주하여 불만을 나타낼 수밖에 없다.

따라서, 매입형 영구자석 모터의 전자기 소음원은 하이브리드 자동차 및 전기자동차에 탑재하는 구동모터 설계 시 차량 NVH 성능에 큰 영향을 미치며, 모터의 전자기 소음을 개선하는 설계 기술이 요구되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, 유압 제어를 통해 회전자 내 매입된 영구자석의 위치(혹은 자세)를 변경 제어할 수 있도록 하여 회전방향 전자기력을 유지하는 동시에 반경방향 전자기력을 최소화함으로써 하이브리드 자동차 및 전기자동차 등의 친환경 자동차용 구동모터의 소음을 저감하는 매입형 영구자석 모터의 회전자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 영구자석과 이 영구자석이 매입되는 자석매입공간부를 포함하고, 상기 자석매입공간부는 유압을 공급받기 위해 제1유입구와 제2유입구를 가지며, 상기 영구자석은 자석매입공간부에 그 중앙부를 기준으로 회전가능하게 구성됨으로써 상기 유입구로 공급되는 유압 제어를 통한 영구자석의 위치 변경이 가능하도록 된 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 모터의 회전자를 제공한다.

이때, 상기 자석매입공간부는 고정자의 치마다 각각 대응하여 회전자의 둘레를 따라 복수 개로 배치되며, 회전자의 회전방향을 기준으로 그 전단부에 회전자의 테두리 측으로 돌출되게 형성되고 영구자석의 위치 변경시 이 영구자석의 일단부가 진입할 수 있는 자석진입공간부를 가진다. 상기 자석진입공간부는 유압 제어를 통한 영구자석의 위치 변경시 영구자석의 위치 가변량을 제한할 수 있다.

또한, 상기 자석매입공간부는 위치 변경시 영구자석을 지지할 수 있도록 영구자석의 중앙부 표면을 밀착 지지하는 구조를 가진다.

아울러, 상기 영구자석의 위치 가변량은 0.3 * l * a/2 이하이며, 상기 l은 회전자와 고정자 사이의 공극이고 a는 고정자의 치 폭이다.

본 발명에 의하면 매입형 영구자석 모터의 토크 발생을 위한 회전방향 전자기력을 유지하면서 반경방향 전자기력을 최소화할 수 있고, 이에 종래 대비 고정자를 가진하는 가진력을 저감시킬 수 있으며 모터의 전자기 소음을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면 매입형 영구자석 모터를 탑재한 하이브리드 자동차 및 전기자동차의 NVH 성능을 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 매입형 영구자석 모터의 고정자 치(齒)에서의 반경방향 자기력 분포를 보여주는 개략도
도 2는 종래기술에 따른 매입형 영구자석 모터에서 전자기 소음의 발생원인을 설명하기 위한 도면
도 3은 본 발명에 따른 매입형 영구자석 모터의 회전자 구조를 보여주는 개략도
도 4는 본 발명에 따른 매입형 영구자석 모터의 회전자 내 영구자석의 위치 변경 형태를 나타낸 개략도
도 5는 본 발명에 따른 회전자를 채택한 매입형 영구자석 모터에서 회전자 내 영구자석의 위치 변경시 반경방향 전자기력의 해석결과를 나타낸 그래프

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.

본 발명은 하이브리드 자동차 및 전기자동차 등의 친환경 차량에 사용되는 매입형 영구자석 모터의 전자기 소음을 저감하기 위한 회전자 구조에 관한 것으로, 회전자 내에 매입되는 영구자석을 유압 제어를 통한 위치(혹은 자세) 변경이 가능하도록 구성하여 매입형 영구자석 모터가 가지는 특유의 전자기 소음을 최소화할 수 있도록 한다.

도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 회전자(10)는 영구자석(11)을 수용 및 매입하기 위해 내부에 자석매입공간부(12)를 가지며, 상기 자석매입공간부(12)는 고정자(20)에 구비되는 각각의 치(21)마다 대응할 수 있도록 고정자 치(21)를 마주하는 위치마다 회전자(10)의 둘레를 따라 복수 개로 배치되어 구비된다.

회전자(10)에 매입되는 영구자석(11)은 고정자(20)의 단일 치(21)에 상응하는 국부적인(local) 측면에서 볼 때 회전자(10)의 회전방향과 수평을 이루며 상기 자석매입공간부(12)에 삽입 배치된다.

상기 자석매입공간부(12)는 영구자석(11)을 수용할 수 있는 용적의 공간과 더불어, 영구자석(11)의 위치 변경을 위한 이동공간으로 자석진입공간부(13) 및, 영구자석(11)의 위치 변경을 위한 유압유입공간으로 제1공간부(14)와 제2공간부(15)를 가진다.

상기 자석진입공간부(13)는 영구자석(11)이 자석매입공간부(12)에서 그 중앙부를 기준으로 회전하여 위치 변경할 수 있도록 회전자(10)의 테두리 측으로 돌출되어 형성되고, 제1공간부(14)와 제2공간부(15)는 회전자(10)의 중심 측으로 돌출되어 형성된다.

이때, 자석진입공간부(13)와 제1공간부(14) 및 제2공간부(15)는 각각 자석매입공간부(12)의 중앙부(혹은 자석매입공간부(12)에 매입된 영구자석(11)의 중앙부)를 향해 점차 좁아지는 형태로 경사지게 형성되며, 이에 자석매입공간부(12)는 대략 모래시계 모양과 같이 중앙부를 기준으로 하여 양측으로 점차 넓어지는 구조를 가지게 된다.

이러한 자석매입공간부(12)에 삽입된 영구자석(11)은 자석매입공간부(12)로 유압 공급시 제1공간부(14)와 제2공간부(15) 사이의 위치에서 자석매입공간부(12)의 내벽면에 지지된 형태로 회전가능하게 된다.

즉, 자석매입공간부(12)는 유압 제어를 통한 영구자석(11)의 위치 변경을 지지할 수 있도록 영구자석(11)의 중앙부 표면에 밀착되는 구조를 가진다.

그리고, 유압 제어를 통한 영구자석(11)의 위치 변경을 구현하기 위하여, 상기 자석매입공간부(12)에는 제1공간부(14)와 제2공간부(15)에 각각 이웃하도록 제1유입구(16)와 제2유입구(17)가 형성되며, 제1 및 제2공간부(14,15)는 각각 자석매입공간부(12)의 양단부에 형성되어 영구자석(11)의 양단에 근접하는 위치에 배치된다.

이때, 제1 및 제2공간부(14,15)는 각각 제1유입구(16)와 제2유입구(17)로부터 외부 유압을 공급받아 자석매입공간부(12)로 유입가능하게 한다.

아울러, 도 3 및 도 4와 같이 고정자(20)의 단일 치(21)에 상응하는 국부적인(local) 측면에서 볼 때, 제2유입구(17)가 회전자(10)의 회전방향을 기준으로 자석매입공간부(12)의 전단에 위치하고 제1유입구(16)는 자석매입공간부(12)의 후단에 위치하게 되며, 자석진입공간부(13)는 자석매입공간부(12)의 전단부에 형성되어 제2공간부(15)의 맞은편에 배치된다.

이에, 도 4와 같이 제2유입구(17)로 유입되는 유압을 제1유입구(16)로 유입되는 유압보다 높게 공급하면, 영구자석(11)의 전단부(11a)에 후단부(11b)보다 높은 압력이 작용함에 따라 영구자석(11)의 전단부(11a)가 자석 센터를 기준으로 밀림 이동되어 자석진입공간부(13)로 진입하게 되고 이에 영구자석(11)이 반시계방향(도 4 기준)으로 회전하여 영구자석(11)의 위치 변경이 이루어진다.

이때 제1공간부(14)는 영구자석(11)의 위치 변경을 위한 유압유입공간으로 사용되는 동시에 영구자석(11)의 후단부(11b)가 진입하는 이동공간으로도 사용된다.

이와 같이 상기의 회전자(10)는 그 내부의 영구자석(11)이 초기에는 도 3과 같이 회전자(10)의 회전방향에 수평을 이루도록 자세를 하고 있다가, 제1 및 제2유입구(16,17)로 유입되는 유압 제어를 통해 회전되어 도 4와 같이 위치를 변경함으로써 반경방향 전자기력이 점차적으로 증가하는 것을 억제시킬 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 매입형 영구자석 모터의 회전자(10)는 전자기 소음이 발생할 시 유압 제어를 이용하여 회전자(10) 내 영구자석(11)의 위치를 가변시켜 회전자의 회전방향에 따라 반경방향 전자기력이 점차적으로 증가하는 것을 억제시킴으로써 반경방향 전자기력을 최소화할 수 있다.

전술한 바와 같이, 상기의 회전자(10)는 매입형 영구자석 모터의 소음을 개선하기 위하여 전자기 소음이 발생하는 토크 및 속도 동작 구간에서 유압 제어를 통한 영구자석(11)의 위치 제어를 하게 되는데, 아래 식 (1)을 이용하여 회전자(10) 내 자석매입공간부(12)를 설계하고 영구자석(11)의 위치 변경을 위한 가변량을 조절할 수 있다. 즉, 전자기 소음 발생시 유압 제어를 통한 영구자석(11)의 위치 변경을 위한 가변량 d1, d2는 다음 관계식 (1)을 따른다.

상기 식 (1)에서 l은 고정자(20)와 회전자(10) 사이의 공극이며, d1은 영구자석(11)의 위치 변경을 위한 영구자석(11)의 후단부(11b)의 가변량(이동량)이고, d2는 영구자석(11)의 위치 변경을 위한 영구자석(11)의 전단부(11a)의 가변량(이동량)이며, a는 고정자(20)의 치(21) 폭이다.

여기서, 가변량 d1, d2는 도 4에 나타낸 바와 같이 영구자석(11)의 후단부(11b)와 전단부(11a)의 이동량으로서, 고정자(20)의 치(21) 폭에 상응하는 국부적인 측면에서 볼 때 회전자(10)의 회전방향에 대해 직각방향으로의 이동량이다.

영구자석(11)의 위치 가변시에는 상기 식 (1)과 같이 (d1+d2)/a를 공극(l)의 30% 이하로 해야 하며, 30%를 초과하여 가변할 경우 모터 토크의 저하를 초래하게 된다.

영구자석(11)의 위치 변경시 가변량 d1, d2는 동일크기를 가지므로 상기 식 (1)은 아래와 같이 정리할 수 있다.

d2 ≤ 0.3 * l * a/2 (2)

상기 식 (2)에 의하면 유압 제어를 통한 영구자석의 위치 변경시 영구자석(11)의 위치 가변량은 0.3 * l * a/2 이하가 된다.

따라서, 본 발명에 따른 회전자(10)는 자석진입공간부(13)와 제1공간부(14)를 상기 식 (2)에 의해 형성함으로써 자석진입공간부(13) 및 제1공간부(14)의 내벽면이 영구자석의 최대 가변량을 제한하는 스토퍼 역할을 할 수 있게 되며 상기 식 (1)의 범위를 벗어나는 영구자석(11)의 위치 과변경에 의한 토크 저하를 방지할 수 있다.

본 발명의 회전자(10)는 영구자석(11)의 위치를 변경함에 의해 회전자(10)의 회전방향을 따라 영구자석(11)과 고정자(20)의 치(21) 간 간격이 넓어지게 되어 반경방향 전자기력이 회전자(10)의 회전방향을 따라 점차적으로 증가하는 것을 억제시킬 수 있어 반경방향 전자기력을 최소화할 수 있다.

따라서, 본 발명은 고정자 진동을 야기하는 반경방향 전자기력을 저감시켜 매입형 영구자석 모터의 전자기 소음을 개선할 수 있게 된다.

도 5는 본 발명에 따른 회전자를 채택한 매입형 영구자석 모터에서 회전자 내 영구자석의 위치 변경시 반경방향 전자기력의 해석결과를 나타낸 그래프이다.

도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 회전자를 적용한 매입형 영구자석 모터에서 발생하는 반경방향 전자기력을 2800Hz의 고주파 영역에서 살펴보면, (d1+d2)/a를 0.1로 하여 영구자석의 위치를 변경하는 경우 종래(Original로 표시) 대비 반경방향 전자기력이 5% 감소하였고, (d1+d2)/a를 0.2로 하여 영구자석의 위치를 변경하는 경우 종래 대비 반경방향 전자기력이 11% 감소함을 확인하였다.

이와 같이 본 발명에 의하면 반경방향 전자기력을 저감하여 반경방향 전자기력에 의해 야기되는 고정자 진동을 최소화하고 매입형 영구자석 모터의 전자기 소음을 개선할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

10 : 회전자
11 : 영구자석
12 : 자석매입공간부
13 : 자석진입공간부
14 : 제1공간부
15 : 제2공간부
16 : 제1유입구
17 : 제2유입구
20 : 고정자
21 : 고정자의 치

Claims

영구자석과 이 영구자석이 매입되는 자석매입공간부를 포함하고, 상기 자석매입공간부는 유압을 공급받기 위해 제1유입구와 제2유입구를 가지며, 상기 영구자석은 자석매입공간부에 그 중앙부를 기준으로 회전가능하게 구성됨으로써 상기 유입구로 공급되는 유압 제어를 통해 영구자석의 중앙부를 기준으로 회전하여 영구자석의 위치 변경이 가능하게 되며,
상기 영구자석의 위치 가변량은 0.3 * l * a/2 이하이고, 상기 l은 회전자와 고정자 사이의 공극이고 a는 고정자의 치 폭인 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 모터의 회전자.
청구항 1에 있어서,
상기 자석매입공간부는 고정자의 치마다 각각 대응하여 회전자의 둘레를 따라 복수 개로 배치되는 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 모터의 회전자.
청구항 1에 있어서,
상기 자석매입공간부는 회전자의 회전방향을 기준으로 그 전단부에 회전자의 테두리 측으로 돌출되게 형성되고 영구자석의 위치 변경시 이 영구자석의 일단부가 진입할 수 있는 자석진입공간부를 가지는 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 모터의 회전자.
청구항 1에 있어서,
상기 자석매입공간부는 위치 변경시 영구자석을 지지할 수 있도록 영구자석의 중앙부 표면을 밀착 지지하는 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 모터의 회전자.
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