KR102062461B1 - A skew angle derivation method for reduction of cogging torque of a magnetic geared synchronous motor - Google Patents

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KR102062461B1
KR102062461B1 KR1020180088510A KR20180088510A KR102062461B1 KR 102062461 B1 KR102062461 B1 KR 102062461B1 KR 1020180088510 A KR1020180088510 A KR 1020180088510A KR 20180088510 A KR20180088510 A KR 20180088510A KR 102062461 B1 KR102062461 B1 KR 102062461B1
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박찬배
이형우
조익현
정거철
지우영
오형석
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한국교통대학교산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a new method for calculating a skew angle which can easily calculate, by equation, an optimal skew angle and a peak to peak value of cogging torque to be applied to a pole piece, a secondary side low-speed rotor, in order to reduce cogging torque in a magnetic geared synchronous motor. More specifically, in the magnetic geared synchronous motor having a double rotor, the present invention relates to a cogging torque reduction type magnetic geared synchronous motor having a skew structure on a pole piece, which includes: an inner rotor composed of a permanent magnet and magnetic substance; and an outer rotor having a pole piece composed of a magnetic material, wherein the pole piece is composed of a plurality of step skews divided in an axis length direction, and a skew angle of the step skew is calculated by equation 2, θ_skew = [360/LCM (N_p, N_pp)] x 1/S = [360/LCM {N_p, (N_s/m/2 + N_p/2)} x 1/S, when applying the step skew to the pole piece of the outer rotor composed of the magnetic material in the axis direction. In equation 2, θ_skew is an optimal skew angle of a magnetic geared synchronous motor, N_pp is the number of pole pieces, m is constant, N_p is the number of rotor poles, N_s is the number of slots, and the LCM is a least common multiple.

Description

마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크 저감을 위한 스큐각 도출 방법{A skew angle derivation method for reduction of cogging torque of a magnetic geared synchronous motor}Skew angle derivation method for reduction of cogging torque of a magnetic geared synchronous motor

본 발명은 마그네틱 기어드 동기전동기에 있어서 코깅토크 저감을 위하여 2차측 저속회전자인 폴피스에 적용할 최적 스큐각과 코깅토크의 peak to peak값을 수식적으로 쉽게 산출해낼 수 있는 새로운 스큐각 도출법에 관한 것이다. The present invention relates to a new skew angle derivation method which can easily calculate the optimal skew angle and the peak to peak value of the cogging torque to be applied to the pole piece which is the secondary low speed rotor to reduce the cogging torque in the magnetic geared synchronous motor. will be.

일반적으로 영구자석형 동기전동기에 있어서, 코깅 토크는 영구자석이 포함된 회전자와 고정자 사이의 공극의 불균일에 의한 자기 에너지의 불균일(자기저항(릴럭턴스)의 차이)로 인해 발생하는 것으로써, 코깅토크가 커지게 되면 영구자석형 동기전동기의 구동 시 소음과 진동이 커지는 단점이 존재한다. 따라서 영구자석형 동기전동기의 구동 특성 향상을 위하여 코깅토크 저감 기술은 반드시 필요하며 마그네틱 기어드 동기전동기에도 동일하게 적용되는 사항이다. In general, in the permanent magnet synchronous motor, the cogging torque is generated due to the non-uniformity of magnetic energy (difference in magnetic resistance (reluctance)) due to the unevenness of the gap between the rotor and the stator including the permanent magnet. If the cogging torque is increased, there is a disadvantage that the noise and vibration increases when the permanent magnet synchronous motor is driven. Therefore, the cogging torque reduction technique is necessary to improve the driving characteristics of the permanent magnet synchronous motor. The same applies to the magnetic geared synchronous motor.

도 1은 스큐 구조가 적용되지 않은 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기(1)이다. 기본적으로 마그네틱 기어드 동기전동기(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 마그네틱 기어와 동기전동기가 물리적으로 결합된 구조로써, 기어비가 감속비일 경우 내전형, 외전형 모두 고속 회전자(영구자석(11)이 포함됨)(10)와 저속 회전자(20)(자성재료로 구성된 폴피스)로 구성되며, 회전자계를 만드는 1차 측 고정자(30)와 2차 측 고속 회전자(10)로 구성되어 있다. Fig. 1 is a cogging torque reduction type magnetic geared synchronous motor 1 to which a skew structure is not applied. Basically, the magnetic geared synchronous motor 1 has a structure in which a magnetic gear and a synchronous motor are physically coupled as shown in FIG. 1, and the gear ratio is a high speed rotor (permanent magnet 11) when the gear ratio is a reduction ratio. It consists of a 10) and a low-speed rotor 20 (pole piece made of a magnetic material), and consists of a primary side stator 30 and a secondary side high speed rotor 10 to create a magnetic field .

폴피스(저속 회전자)(21)는 1차 측 고정자(30)와 2차 측 고속 회전자(10) 사이의 공극에 위치되어 있으며, 공극에서의 자계를 변조시키는 역할을 하며, 고속 회전자와 같이 같은 방향의 토크를 발생시킨다. 폴피스(저속 회전자)의 속도와 토크는 기어비에 따라 상이하며, 감속비일 때에는 저속/고회전력(고토크)의 특성을 갖는다. The pole piece (low speed rotor) 21 is located in the air gap between the primary stator 30 and the secondary high speed rotor 10, and serves to modulate the magnetic field in the air gap, and the high speed rotor To generate the torque in the same direction as shown. The speed and torque of the pole piece (low speed rotor) differ depending on the gear ratio, and at the reduction ratio, they have characteristics of low speed and high rotational power (high torque).

따라서 자동차, 철도차량 등 감속비를 갖는 추진시스템에 적용할 시 폴피스(저속 회전자)가 휠에 직접 연결되어 구동하게 되며, 폴피스(저속 회전자)의 재질은 steel, iron과 같은 강자성체를 사용한다. 일반적으로 영구자석형 동기전동기의 경우 코깅토크 저감을 위하여 영구자석이 포함되어 있는 2차측 고속 회전자에 스큐를 적용한다. Therefore, when applied to propulsion systems with reduction ratios such as automobiles and railway vehicles, the pole piece (low speed rotor) is directly connected to the wheel and driven. The material of the pole piece (low speed rotor) uses ferromagnetic materials such as steel and iron. do. Generally, in case of permanent magnet synchronous motor, skew is applied to the secondary high speed rotor including permanent magnet to reduce cogging torque.

이 방법은 오랫동안 연구가 진행되어왔으며 수식을 통해 최적의 스큐각과 코깅토크를 쉽게 도출해낼 수 있다. 하지만 마그네틱 기어드 동기전동기의 경우, 영구자석이 포함되어 있는 2차측 고속회전자에 스큐를 줄 경우 제작 공정에 있어 복잡성을 유발시킬 수 있는 단점이 있기 때문에 저속 회전자인 폴피스에 스큐를 적용하는 방식이 유리하다.This method has been studied for a long time, and the formula can easily derive the optimal skew angle and cogging torque. However, in the case of magnetic geared synchronous motors, skewing the secondary high speed rotor with permanent magnets may cause complexity in the manufacturing process. It is advantageous.

일반적으로, 자동차 또는 철도차량 추진을 위한 견인전동기에 적용이 되는 영구자석형 동기전동기의 경우 대용량의 시스템이므로 3상 교류전원이 공급되는 1차측 고정자의 슬롯 구조는 오픈 구조를 갖게 되며, 이로 인해 공극의 불균일이 커지게 되어 큰 코깅토크가 수반되게 된다. 이는 마그네틱 기어드 동기전동기에서도 동일하게 나타나는 현상이다. In general, the permanent magnet synchronous motor that is applied to the traction motor for the propulsion of automobiles or railway vehicles is a large-capacity system, so the slot structure of the primary stator to which the three-phase AC power is supplied has an open structure. The nonuniformity of becomes large and is accompanied by large cogging torque. The same is true for magnetic geared synchronous motors.

도 2는 영구자석이 포함된 회전자에 스큐를 적용한 모델을 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 문제를 해결하기 위해 영구자석이 포함된 회전자에 축 길이 방향으로 영구자석을 일정 개수로 분할하여 스텝 스큐를 주는 방법이 가장 보편적인 방법이지만, 2차측 회전자 코어 및 영구자석을 스텝으로 분할하면 제작 공정의 어려움이 수반될 수 있는 단점이 있다. 추가적으로 2차측 회전자에 포함된 영구자석에 스큐를 주게 되면 코깅토크와 함께 운전 토크도 같이 줄어들게 되기 때문에 적정 스큐각의 선택이 필요하게 된다. 2 illustrates a model in which skew is applied to a rotor including a permanent magnet. As shown in FIG. 2, in order to solve such a problem, a method of giving a step skew by dividing the permanent magnet in a predetermined number in the axial length direction to the rotor including the permanent magnet is the most common method, but the secondary rotor Dividing the core and the permanent magnet into steps has a disadvantage that the manufacturing process may be accompanied by difficulties. In addition, if the skew is applied to the permanent magnet included in the secondary rotor, the operating torque is also reduced along with the cogging torque, so it is necessary to select an appropriate skew angle.

일반적인 영구자석형 동기전동기의 회전자에 스텝으로 스큐를 적용할 경우 코깅토크 값이 가장 최저가 되는 최적의 스큐각과 그에 대한 코깅토크 peak to peak값을 산출해내는 도출 방법이 존재한다. 하지만 마그네틱 기어드 동기전동기의 경우, 각기 다른 속도로 회전하는 2개의 회전자가 존재하며, 저속으로 회전하는 폴피스에 스텝으로 스큐를 적용함에 있어서 수학적 수식으로 최적 스큐각을 산정하고, 이때 발생되는 코깅토크 peak to peak값을 예측할 수 있는 계산식에 대한 연구가 없었다. When skew is applied to the rotor of a general permanent magnet type synchronous motor, there is a derivation method of calculating the optimum skew angle with the lowest cogging torque value and the cogging torque peak to peak value. However, in the case of magnetic geared synchronous motors, there are two rotors rotating at different speeds, and the optimum skew angle is calculated by mathematical formula in applying skew to the polepiece rotating at low speed. There was no study on the formula to predict peak to peak value.

한국등록특허 제10-1426169호Korea Patent Registration No. 10-1426169 한국등록특허 제10-1525222호Korea Patent Registration No. 10-1525222 한국등록특허 제10-1600835호Korea Patent Registration No. 10-1600835

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면 마그네틱 기어드 동기전동기의 발생 토크 저하를 최소화하면서 구조적으로도 간단하게 코깅 토크를 줄일 수 있는 방법으로써 폴피스에 스큐를 적용하는 방식을 제공하는데 그 목적이 있다. Therefore, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, according to an embodiment of the present invention as a method that can reduce the cogging torque in a simple structure structurally while minimizing the reduction of the generated torque of the magnetic geared synchronous motor The purpose is to provide a way of applying skew to the piece.

본 발명의 실시예에 따르면, 마그네틱 기어드의 폴피스에 축 길이방향으로 스텝 스큐를 적용한 모델에 대해 최적의 스큐각을 도출하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다. According to an embodiment of the present invention, it is an object of the present invention to provide a method for deriving an optimal skew angle for a model in which step skew is applied in an axial longitudinal direction to a pole piece of a magnetic geared.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따르면, 마그네틱 기어드 동기전동기에 대하여, 저속으로 회전하는 폴피스에 스텝으로 스큐를 적용함에 있어서 수학적 수식으로 최적 스큐각을 산정하고, 이때 발생되는 코깅토크 peak to peak값을 예측할 수 있는 방법을 도출하는데 그 목적이 있다. In addition, according to an embodiment of the present invention, the optimum skew angle is calculated by a mathematical formula in applying the skew in steps to the pole piece rotating at a low speed with respect to the magnetic geared synchronous motor, and the cogging torque peak to peak generated at this time. The goal is to derive a way to predict the value.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the technical problems to be achieved in the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned are clearly to those skilled in the art from the following description. It can be understood.

본 발명의 목적은, 2중 회전자를 갖는 마크네틱 기어드 동기전동기에 있어서, 영구자석과 자성체로 구성된 내측회전자; 및 자성재료로 구성된 폴피스를 갖는 외측회전자를 포함하고, 상기 폴피스는 축 길이방향으로 분할된 복수의 스텝스큐로 구성되는 것을 특징으로 하는 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기로서 달성될 수 있다. An object of the present invention, in the magnetic geared synchronous motor having a dual rotor, the inner rotor consisting of a permanent magnet and a magnetic body; And an outer rotor having a pole piece made of a magnetic material, wherein the pole piece is composed of a plurality of step skews divided in the axial longitudinal direction. It can be achieved as a synchronous motor.

그리고 자성재료로 구성된 외측회전자의 폴피스를 축길이방향으로 스텝스큐를 적용하였을 때, 상기 스텝 스큐의 스큐각은 하기의 수학식 2에 의해 도출되는 것을 특징으로 할 수 있다. When the step skew is applied to the pole piece of the outer rotor made of magnetic material in the axial length direction, the skew angle of the step skew may be derived by Equation 2 below.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018075115316-pat00001
Figure 112018075115316-pat00001

상기 수학식 2에서, θskew는 마그네틱 기어드 동기전동기의 최적 스큐각, Npp는 폴피스의 개수, m은 상수, Np는 회전자 극수, Ns는 슬롯수, LCM은 최소공배수이다. In Equation 2, θ skew is the optimal skew angle of the magnetic geared synchronous motor, N pp is the number of pole pieces, m is a constant, N p is the number of rotor poles, N s is the number of slots, LCM is the least common multiple.

그리고 상기 자성재료로 구성된 외측회전자의 폴피스를 축길이방향으로 스텝스큐를 적용하였을 때, 코깅토크 함수는 하기의 수학식 4로 도출되는 것을 특징으로 하는 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기:And when step skew is applied to the pole piece of the outer rotor made of the magnetic material in the axial length direction, the cogging torque function is derived by the following equation (4) reduced cogging torque having a skew structure on the pole piece Type Magnetic Geared Synchronous Motor:

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018075115316-pat00002
Figure 112018075115316-pat00002

상기 수학식 4에서, TTotal-cog는 코깅토크 함수, A는 진폭이다. In Equation 4, T Total-cog is the cogging torque function, A is the amplitude.

상기 자성재료로 구성된 외측회전자의 폴피스를 축길이방향으로 스텝스큐를 적용하였을 때, 코깅토크의 peak to peak 값은 하기의 수학식 5로 도출되는 것을 특징으로 할 수 있다. When step skew is applied to the pole piece of the outer rotor made of the magnetic material in the axial length direction, the peak to peak value of the cogging torque may be derived from Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112018075115316-pat00003
Figure 112018075115316-pat00003

상기 수학식 5에서, Tpk2pk는 마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크 함수의 peak to peak값이다. In Equation 5, T pk2pk is a peak to peak value of the cogging torque function of the magnetic geared synchronous motor.

본 발명의 실시예에 따르면, 마그네틱 기어드 동기전동기에 있어서, 영구자석이 포함된 내측 회전자가 아닌, 자성재료로 구성된 외측 회전자의 폴피스에 스텝 스큐 구조를 적용한 마그네틱 기어드 동기전동기의 스큐각 도출법을 제시할 수 있고, 제시된 수식을 통하여 마그네틱 기어드 동기전동기의 폴피스 스큐 구조에 관한 최적의 스큐 각도를 예측할 수 있으며, 폴피스 스큐각에 따른 코깅토크의 peak to peak 값을 예측할 수 있고, 본 발명의 실시예에서 제시하는 수학적 수식을 이용하면 마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크값을 보다 쉽고 빠르게 예측하는 것이 가능한 효과를 갖는다. According to an embodiment of the present invention, in a magnetic geared synchronous motor, a skew angle derivation method of a magnetic geared synchronous motor using a step skew structure is applied to a pole piece of an outer rotor made of a magnetic material rather than an inner rotor including a permanent magnet. It is possible to estimate the optimum skew angle of the pole piece skew structure of the magnetic geared synchronous motor through the presented equation, and to predict the peak to peak value of the cogging torque according to the pole piece skew angle, the present invention By using the mathematical equations presented in the embodiments of the present invention, it is possible to more easily and quickly predict the cogging torque value of the magnetic geared synchronous motor.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.On the other hand, the effects that can be obtained in the present invention is not limited to the above-mentioned effects, other effects that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description. Could be.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 스큐 구조가 적용되지 않은 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기,
도 2는 영구자석이 포함된 회전자에 스큐를 적용한 모델,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기의 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 내외측 회전자의 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 내외측 회전자의 사시도,
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 스큐각에 따른 외측회전자의 코깅토크의 peak to peak값 변화 특성 그래프(4극 30슬롯),
도 6은 본 발명의 실험예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 스큐각에 따른 외측회전자의 코깅토크의 peak to peak값 변화 특성 그래프(4극 42슬롯)를 도시한 것이다.
The following drawings, which are attached to this specification, illustrate one preferred embodiment of the present invention, and together with the detailed description thereof, serve to further understand the technical idea of the present invention. It should not be construed as limited.
1 is a cogging torque reduction type magnetic geared synchronous motor without a skew structure,
2 is a model of applying a skew to a rotor including a permanent magnet,
3 is a perspective view of a cogging torque reduction type magnetic geared synchronous motor having a skew structure in a pole piece according to an embodiment of the present invention;
4 is a cross-sectional view of the inner and outer rotors of the magnetic geared synchronous motor according to the embodiment of the present invention;
5 is a perspective view of the inner and outer rotors of the magnetic geared synchronous motor according to the embodiment of the present invention;
6 is a graph showing the peak to peak value variation characteristic of the cogging torque of the outer rotor according to the skew angle of the magnetic geared synchronous motor according to the experimental example of the present invention (4 poles 30 slots),
FIG. 6 is a graph illustrating peak to peak value change characteristics (4 poles and 42 slots) of the cogging torque of the outer rotor according to the skew angle of the magnetic geared synchronous motor according to the experimental example of the present invention.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.Objects, other objects, features and advantages of the present invention will be readily understood through the following preferred embodiments associated with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments described herein and may be embodied in other forms. Rather, the embodiments introduced herein are provided so that the disclosure may be made thorough and complete, and to fully convey the spirit of the invention to those skilled in the art.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.In the present specification, when a component is mentioned as being on another component, it means that it may be formed directly on the other component or a third component may be interposed therebetween. In addition, in the drawings, the thickness of the components are exaggerated for the effective description of the technical content.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.Embodiments described herein will be described with reference to cross-sectional and / or plan views, which are ideal exemplary views of the present invention. In the drawings, the thicknesses of films and regions are exaggerated for effective explanation of technical content. Therefore, the shape of the exemplary diagram may be modified by manufacturing techniques and / or tolerances. Accordingly, the embodiments of the present invention are not limited to the specific forms shown, but also include changes in forms generated by the manufacturing process. For example, the region shown at right angles may be round or have a predetermined curvature. Thus, the regions illustrated in the figures have properties, and the shape of the regions illustrated in the figures is intended to illustrate a particular form of region of the device and is not intended to limit the scope of the invention. Although terms such as first and second are used to describe various components in various embodiments of the present specification, these components should not be limited by such terms. These terms are only used to distinguish one component from another. The embodiments described and illustrated herein also include complementary embodiments thereof.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting of the invention. In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, the words 'comprises' and / or 'comprising' do not exclude the presence or addition of one or more other components.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.In describing the specific embodiments below, various specific details are set forth in order to explain the invention more specifically and to help understand. However, one of ordinary skill in the art can understand that the present invention can be used without these various specific details. In some cases, it is mentioned in advance that parts of the invention which are commonly known in the description of the invention and which are not highly related to the invention are not described in order to prevent confusion in explaining the invention without cause.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기의 사시도를 도시한 것이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 내외측 회전자의 단면도를 도시한 것이다. 또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 내외측 회전자의 사시도를 도시한 것이다. Hereinafter, the configuration and function of the cogging torque reduction type magnetic geared synchronous motor 100 having a skew structure on the pole piece according to an embodiment of the present invention will be described. 3 is a perspective view of a cogging torque reducing magnetic geared synchronous motor having a skew structure in a pole piece according to an exemplary embodiment of the present invention. 4 is a cross-sectional view of the inner and outer rotors of the magnetic geared synchronous motor according to the embodiment of the present invention. In addition, Figure 5 shows a perspective view of the inner and outer rotor of the magnetic geared synchronous motor according to an embodiment of the present invention.

앞서 언급한 도 1은 2차측 내측 회전자와 외측 회전자에 스큐 구조가 적용되지 않은 마그네틱 기어드 동기전동기를 보여주며, 이러한 구조를 갖는 마그네틱 기어드 동기전동기의 경우는 코깅토크를 줄이는데 한계가 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 코깅토크를 저감하기 위해서 2차측 저속 회전자 폴피스(21)에 스텝 스큐를 적용한 도 3의 구조를 채택하였다.FIG. 1 mentioned above shows a magnetic geared synchronous motor having no skew structure applied to the secondary inner rotor and the outer rotor. In the case of the magnetic geared synchronous motor having such a structure, there is a limit in reducing cogging torque. Therefore, the embodiment of the present invention adopts the structure of FIG. 3 in which step skew is applied to the secondary side low speed rotor pole piece 21 to reduce cogging torque.

도 4는 마그네틱 기어드 동기전동기(100)의 2차측 영구자석(11)과 자성체(12)로 구성된 내측 회전자 및 외측 회전자(20)의 폴피스(21)의 단면도를 보여주며, 저속회전자 폴피스(21)를 축 길이 방향으로 3분할하여 스큐를 적용한 구조로써, 공극에서 자속의 분포를 균등하게 만들어 코깅토크의 저감이 가능한 구조이다. 4 shows a cross-sectional view of the pole piece 21 of the inner rotor and outer rotor 20 composed of the secondary permanent magnet 11 and the magnetic body 12 of the magnetic geared synchronous motor 100, and the low speed rotor. It is a structure in which the pole piece 21 is divided into three in the axial length direction and skew is applied. The structure of the magnetic flux is uniformly distributed in the air gap, thereby reducing the cogging torque.

도 4에 도시된 바와 같이, 폴피스(21) 부분을 축 방향으로 3등분하여 가운데 폴피스(②)의 0°를 기준으로 축 방향의 ①, ③번의 폴피스(21)를 도 4와 같이 θ, -θ로 중심축을 기준으로 비틀어 주는 구조이다. 여기서 폴피스(21)는 축 길이 방향으로 3분할 이상도 가능하다.As shown in FIG. 4, the pole pieces 21 are divided into three equal parts in the axial direction, and the pole pieces 21 in the axial directions ① and ③ are stiffened with respect to 0 ° of the center pole piece ② as shown in FIG. 4. It is a structure that twists θ, -θ about the central axis. The pole piece 21 can be divided into three or more in the axial length direction.

일반적인 동기전동기의 코깅토크 최적 스큐각 식은 이하의 수학식 1과 같다.The cogging torque optimum skew angle equation of a general synchronous motor is shown in Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112018075115316-pat00004
Figure 112018075115316-pat00004

O-skew : 기존 동기전동기의 최적 스큐각, Np : 회전자 극수, Ns : 슬롯 수, LCM : 최소공배수, S : 회전자(영구자석)의 축 길이 방향으로 분할 수,

Figure 112018075115316-pat00005
: 코깅토크의 1주기)(θ O-skew : Optimal skew angle of conventional synchronous motor, N p : Number of rotor poles, N s : Number of slots, LCM: Minimum common multiple, S: Number of divisions in the longitudinal direction of the rotor (permanent magnet),
Figure 112018075115316-pat00005
: 1 cycle of cogging torque)

코깅토크는 동기전동기의 경우 영구자석이 포함된 회전자와 슬롯이 포함된 고정자 사이 공극에서 자기저항(릴럭턴스)의 차이로 인해 발생한다. Cogging torque occurs in the case of synchronous motors due to the difference in magnetoresistance (reluctance) in the gap between the rotor with permanent magnets and the stator with slots.

하지만, 마그네틱 기어드 동기전동기(100)의 경우 폴피스(21)로 구성된 저속 회전자(20)가 영구자석(11)이 포함된 고속 회전자(10)와 고정자(30) 슬롯 사이에 위치하기 때문에 전반적으로 공극 길이가 기존 동기전동기에 비해 매우 크다. However, in the case of the magnetic geared synchronous motor 100, the low speed rotor 20 composed of the pole pieces 21 is positioned between the high speed rotor 10 including the permanent magnet 11 and the slot of the stator 30. Overall, the air gap is much larger than conventional synchronous motors.

따라서 공극에서의 자기저항(릴럭턴스)의 불균일성이 기존 동기전동기와 달리 고정자(30)와 폴피스(21) 사이의 외측 공극에서 보다 폴피스(21)와 영구자석(11)이 포함된 고속 회전자(10) 사이의 내측 공극에서 크게 나타나기 때문에, 기존 동기전동기의 최적 스큐각 도출 수식에서 고정자(30)의 슬롯 수에 의한 영향은 고려하지 않아도 무방함을 확인할 수 있다. Therefore, the nonuniformity of the magnetoresistance (reluctance) in the air gap is different from the conventional synchronous motor, and the high speed rotation in which the pole piece 21 and the permanent magnet 11 are included in the outer air gap between the stator 30 and the pole piece 21. Since it appears large in the inner gap between the electron 10, it can be confirmed that the influence of the number of slots of the stator 30 in the equation of deriving the optimal skew angle of the conventional synchronous motor does not need to be considered.

따라서 본 발명의 실시예에서는 마그네틱 기어드 동기전동기(100)의 2차측 저속회전자(20)의 폴피스(21)와 고속회전자(10)의 영구자석(11) 사이의 공극에서의 자기저항차를 이용하여 최적의 폴피스 스큐각을 도출해낼 수 있는 이하의 수학식 2를 제안한다.Therefore, in the embodiment of the present invention, the magnetoresistance difference in the air gap between the pole piece 21 of the secondary low speed rotor 20 of the magnetic geared synchronous motor 100 and the permanent magnet 11 of the high speed rotor 10. The following Equation 2 is proposed to derive the optimal pole piece skew angle.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112018075115316-pat00006
Figure 112018075115316-pat00006

수학식 2에서, θskew는 마그네틱 기어드 동기전동기의 최적 스큐각, Npp는 폴피스의 개수, m은 상수, Np는 회전자 극수, Ns는 슬롯수, LCM은 최소공배수이다. In Equation 2, θ skew is the optimal skew angle of the magnetic geared synchronous motor, N pp is the number of pole pieces, m is a constant, N p is the number of rotor poles, N s is the number of slots, LCM is the least common multiple.

마그네틱 기어드 동기전동기(100)의 폴피스(21) 개수는 고정자(30) 극 쌍수와 회전자 극 쌍수의 합으로 나타낼 수 있으며, 고정자(30) 극수는 슬롯수에 상수를 나눈 것과 같다. The number of pole pieces 21 of the magnetic geared synchronous motor 100 may be represented by the sum of the number of pole pairs of the stator 30 and the number of rotor poles, and the number of poles of the stator 30 is equal to the number of slots divided by a constant.

일반적인 코깅토크의 식을 시간에 따른 코사인함수로서 표현할 수 있으며, 이를 각도의 함수로 변환하면 다음의 수학식 3과 같다.A general cogging torque equation may be expressed as a cosine function over time, and when converted into a function of angle, it is expressed as Equation 3 below.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112018075115316-pat00007
Figure 112018075115316-pat00007

(Tcog : 코깅토크 함수, ω : 각속도, t : 시간, T : 주기, θ : 위상각)(Tcog: cogging torque function, ω: angular velocity, t: time, T: period, θ: phase angle)

이 때, 도 3의 폴피스 ②를 중심으로 폴피스 ①과 폴피스 ③이 각각 폴피스 ②를 기준으로 -θskew, θskew 만큼 스큐각이 이동했다고 가정했을 때, 마그네틱 기어드 동기전동기(100)의 스큐각에 따른 코깅토크는 폴피스 ②, ①과 ③ 각각의 코깅토크 식의 합의 평균으로써 다음의 수학식 4와 같이 계산할 수 있다.At this time, the pole piece 3 ② center to the pole piece and the pole piece ③ ① ② each pole piece relative to the skew -θ, θ skew by the skew when it is assumed that each of the movement, the geared magnetic synchronous motor (100) The cogging torque according to the skew angle of is the average of the sum of the cogging torque equations of pole pieces ②, ① and ③ can be calculated as shown in Equation 4 below.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112018075115316-pat00008
Figure 112018075115316-pat00008

상기 수학식 4에서, TTotal-cog는 코깅토크 함수, A는 진폭이다. In Equation 4, T Total-cog is the cogging torque function, A is the amplitude.

위 수학식 4는 θ와 θskew가 변수인 일차방정식이며, 스큐각 θskew 일 때의 코깅토크 함수를 의미한다. 스큐각 θskew가 주어진다면, 코깅토크 함수가 결정되기 때문에 위 수학식 4에서의

Figure 112018075115316-pat00009
을 상수 취급할 수 있다. Equation 4 is a linear equation in which θ and θ skew are variables, and means a cogging torque function when the skew angle θ skew is used. Given the skew angle θ skew , the cogging torque function is determined.
Figure 112018075115316-pat00009
Can be treated as a constant.

그러므로 위 식의 코깅토크 함수는 완전한 정현파로 가정하였기 때문에 위상각 인 지점에서 코깅토크 값이 최소 또는 최대가 되는 지점이다. 따라서, 마그네틱 기어드 동기전동기(100)의 스큐각에 따른 코깅토크의 최대 peak to peak값은 다음의 수학식 5와 같다.Therefore, the cogging torque function in the above equation is assumed to be a perfect sine wave, so the cogging torque value is the minimum or maximum point at the phase angle. Therefore, the maximum peak to peak value of the cogging torque according to the skew angle of the magnetic geared synchronous motor 100 is expressed by Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112018075115316-pat00010
Figure 112018075115316-pat00010

상기 수학식 5에서, Tpk2pk는 마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크 함수의 peak to peak값이다. In Equation 5, T pk2pk is a peak to peak value of the cogging torque function of the magnetic geared synchronous motor.

이하에서는 앞서 언급한 본 발명의 실시예에 따른 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기의 실험예에 대해 설명하도록 한다. 도 6은 본 발명의 실험예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 스큐각에 따른 외측회전자의 코깅토크의 peak to peak값 변화 특성 그래프(4극 30슬롯)를 도시한 것이고, 도 7은 본 발명의 실험예에 따른 마그네틱 기어드 동기전동기의 스큐각에 따른 외측회전자의 코깅토크의 peak to peak값 변화 특성 그래프(4극 42슬롯)를 도시한 것이다. Hereinafter, an experimental example of a cogging torque reduction type magnetic geared synchronous motor having a skew structure in a pole piece according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a graph illustrating peak to peak value change characteristics (30 poles of 4 poles) of the cogging torque of the outer rotor according to the skew angle of the magnetic geared synchronous motor according to the experimental example of the present invention, and FIG. Fig. 4 shows a graph of peak-to-peak variation of the cogging torque of the outer rotor according to the skew angle of the magnetic geared synchronous motor according to the experimental example (4 poles and 42 slots).

앞서 언급한 식들에 대한 검토를 위해 표면부착 영구자석형(Surface Permanent Magnet, 이하 SPM) 타입의 4극 30슬롯과 4극 42슬롯의 마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크를 분석하였다. The cogging torques of magnetic pole geared synchronous motors of 4 poles 30 slots and 4 poles 42 slots of Surface Permanent Magnet (SPM) type were analyzed for the above mentioned equations.

도 6은 4극 30슬롯 모델에서의 스큐각 변화에 따른 코깅토크의 peak to peak값을 수치해석적 방법(Finite Element Method, 이하 FEM)과 수학적 수식으로 얻어낸 결과를 나타낸 그래프이며, 도 7은 4극 42슬롯 모델에서의 스큐각 변화에 따른 코깅토크의 peak to peak값을 FEM과 수학적 수식으로 얻어낸 결과를 나타낸 그래프이다. 6 is a graph showing the results obtained by numerical analysis (Finite Element Method, hereinafter FEM) and mathematical formula of the peak to peak value of the cogging torque according to the skew angle change in the 4-pole 30 slot model, FIG. This is a graph showing the results obtained by FEM and mathematical equations of peak to peak of cogging torque according to skew angle change in 42-pole model.

도 6 및 도 7의 그래프에서 나타난 것과 같이, 본 발명에 따른 실시예에서 제시한 수학적 수식에 의한 스큐각 변화에 따른 코깅토크 예측값은 FEM을 이용하여 얻은 결과와 유사함을 확인할 수 있으며, 이를 토대로 마그네틱 기어드 동기전동기의 폴피스 스큐각 변화에 따른 코깅토크의 peak to peak 값을 거의 유사하게 추측할 수 있으며, 코깅토크의 peak to peak 값이 가장 작아지는 최적의 스큐각을 도출해낼 수 있음을 알 수 있다. As shown in the graphs of Figs. 6 and 7, it can be seen that the cogging torque prediction value according to the skew angle change by the mathematical equation presented in the embodiment according to the present invention is similar to the result obtained using the FEM. It can be estimated that the peak to peak value of the cogging torque according to the change of the pole piece skew angle of the magnetic geared synchronous motor can be estimated similarly, and the optimum skew angle of the smallest peak to peak value of the cogging torque can be derived. Can be.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.In addition, the above-described apparatus and method may not be limitedly applied to the configuration and method of the above-described embodiments, the embodiments may be a combination of all or part of each embodiment selectively so that various modifications may be made It may be configured.

1:종래 마그네틱 기어드 동기전동기
10:내측회전자
11:영구자석
12:자성체
20:외측회전자
21:폴피스
30:고정자
100:폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기
1: Conventional Magnetic Geared Synchronous Motor
10: inner rotor
11: Permanent magnet
12: Magnetic material
20: Outer rotor
21: pole piece
30: stator
100: Cogging torque reduction type magnetic geared synchronous motor with skew structure on pole piece

Claims (4)

2중 회전자를 갖는 마크네틱 기어드 동기전동기에 있어서,
영구자석과 자성체로 구성된 내측회전자; 및
자성재료로 구성된 폴피스를 갖는 외측회전자를 포함하고, 상기 폴피스는 축 길이방향으로 분할된 복수의 스텝스큐로 구성되고,
상기 자성재료로 구성된 외측회전자의 폴피스를 축길이방향으로 스텝스큐를 적용하였을 때, 상기 스텝 스큐의 스큐각은 하기의 수학식 2에 의해 도출되는 것을 특징으로 하는 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기:
[수학식 2]
Figure 112019078136188-pat00011

상기 수학식 2에서, θskew는 마그네틱 기어드 동기전동기의 최적 스큐각, Npp는 폴피스의 개수, m은 상수, Np는 회전자 극수, Ns는 슬롯수, LCM은 최소공배수이다.
In a Makine Geared Synchronous Motor with a double rotor,
An inner rotor composed of a permanent magnet and a magnetic body; And
An outer rotor having a pole piece made of a magnetic material, the pole piece is composed of a plurality of step skew divided in the axial longitudinal direction,
When the step skew is applied to the pole piece of the outer rotor made of the magnetic material in the axial length direction, the skew angle of the step skew is derived by Equation 2 below. Cogging Torque Reduced Magnetic Geared Synchronous Motor:
[Equation 2]
Figure 112019078136188-pat00011

In Equation 2, θ skew is the optimal skew angle of the magnetic geared synchronous motor, N pp is the number of pole pieces, m is a constant, N p is the number of rotor poles, N s is the number of slots, LCM is the least common multiple.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 자성재료로 구성된 외측회전자의 폴피스를 축길이방향으로 스텝스큐를 적용하였을 때, 코깅토크 함수는 하기의 수학식 4로 도출되는 것을 특징으로 하는 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기:
[수학식 4]
Figure 112020500322457-pat00012

상기 수학식 4에서, TTotal-cog는 코깅토크 함수, A는 진폭이다.
The method of claim 1,
When step skew is applied to the pole piece of the outer rotor made of the magnetic material in the axial length direction, the cogging torque function is derived from Equation 4 below. Magnetic Geared Synchronous Motor:
[Equation 4]
Figure 112020500322457-pat00012

In Equation 4, T Total-cog is the cogging torque function, A is the amplitude.
제 3항에 있어서,
상기 자성재료로 구성된 외측회전자의 폴피스를 축길이방향으로 스텝스큐를 적용하였을 때, 코깅토크의 peak to peak 값은 하기의 수학식 5로 도출되는 것을 특징으로 하는 폴피스에 스큐구조를 갖는 코깅토크 저감형 마그네틱 기어드 동기전동기:
[수학식 5]
Figure 112018075115316-pat00013

상기 수학식 5에서, Tpk2pk는 마그네틱 기어드 동기전동기의 코깅토크 함수의 peak to peak값이다.

The method of claim 3, wherein
When step skew is applied to the pole piece of the outer rotor made of the magnetic material in the axial length direction, the peak to peak value of the cogging torque is derived from Equation 5 below. Cogging Torque Reduced Magnetic Geared Synchronous Motor:
[Equation 5]
Figure 112018075115316-pat00013

In Equation 5, T pk2pk is a peak to peak value of the cogging torque function of the magnetic geared synchronous motor.

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