KR102108169B1 - A rotor structure with auxiliary permanent magnet for improving efficiency of field winding motor generator for isg system - Google Patents

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Abstract

본 발명은 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조로서, 중심에 회전축이 압입될 수 있는 샤프트 공을 형성하고, 회전 중심을 기준으로 방사형으로 배치되는 회전자 코어가 일체로 형성되는 회전자 철심; 상기 회전자 철심에 방사형으로 배치되는 회전자 코어의 사이에 각각 배치되는 복수의 영구자석; 및 상기 복수의 영구자석이 배치되는 상기 회전자 코어들 간의 슬롯 개구부(slot opening)에 배치되는 보조 영구자석을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에서 제안하고 있는 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 따르면, 회전자 철심과 영구자석 및 보조 영구자석을 구비하는 회전자를 구성하되, 회전자 철심의 회전자 슈에 테이퍼링을 구성하고, 폭의 길이를 신장하며, 보조 영구자석이 회전자 슈에 형성되는 슈 각도에 대응하는 형태의 구조를 갖도록 하고, 이러한 개선된 회전자가 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 고정자에 적용되도록 구성함으로써, 계자권선형 모터제너레이터의 효율 향상 및 사이즈 저감의 최적 설계 구현이 가능하고, 이를 통한 모터제너레이터의 출력사양을 만족시키는 동시에 고정자 측 동손 저감을 통한 효율 향상이 가능하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 유한요소해석법을 이용한 전자계 특성 분석의 수행을 통해 ISG 시스템용 모터제너레이터의 고효율, 고출력 밀도 특성을 만족시키는 보조 영구자석 및 회전자 형상의 최적화 설계가 도출되고, 그에 따른 자속집중에 유리한 설계 구조의 적용을 통한 모터링 및 제너레이팅시 동 사이즈 대비 높은 출력밀도를 얻을 수 있도록 할 수 있다.
뿐만 아니라, 사이즈 저감 및 최적화 설계 구현을 통해 비싼 희토류 영구자석을 사용했음에도 불구하고, 기본 모델 대비 제작비용을 낮출 수 있으며, 이를 통한 모터제너레이터의 효율 향상을 통한 차량의 연비 향상이 도모될 수 있도록 할 수 있다.The present invention relates to a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, and more specifically, an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system. A rotor structure comprising: a rotor iron core forming a shaft ball to which a rotation shaft can be pressed into the center, and a rotor core disposed radially based on the rotation center is integrally formed; A plurality of permanent magnets respectively disposed between the rotor cores radially disposed on the rotor core; And an auxiliary permanent magnet disposed in a slot opening between the rotor cores in which the plurality of permanent magnets are disposed.
According to the rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system proposed in the present invention, a rotor having a rotor core and a permanent magnet and an auxiliary permanent magnet is configured, Configure the taper on the rotor shoe of the rotor core, extend the length of the width, make the auxiliary permanent magnet have a structure corresponding to the shoe angle formed on the rotor shoe, and this improved rotor for the ISG system By configuring it to be applied to the stator of the field winding type motor generator, it is possible to realize the optimum design of improving the efficiency and reducing the size of the field winding type motor generator, thereby satisfying the output specification of the motor generator, and at the same time, reducing stator side copper efficiency Enhancements can be made.
In addition, according to the present invention, the optimization design of the auxiliary permanent magnet and the rotor shape satisfying the high efficiency and high power density characteristics of the motor generator for the ISG system is derived through the performance of the electromagnetic field analysis using the finite element analysis method, and the magnetic flux accordingly By applying a design structure that is advantageous for concentration, it is possible to obtain a high power density compared to the size of the motor during motoring and generating.
In addition, despite the use of expensive rare earth permanent magnets through size reduction and optimization design, it is possible to lower the manufacturing cost compared to the basic model, and thereby improve the fuel efficiency of the vehicle by improving the efficiency of the motor generator. Can be.

Description

ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조{A ROTOR STRUCTURE WITH AUXILIARY PERMANENT MAGNET FOR IMPROVING EFFICIENCY OF FIELD WINDING MOTOR GENERATOR FOR ISG SYSTEM}A rotor structure with auxiliary permanent magnets for improving the efficiency of field winding motor generators for ISG systems.

본 발명은 ISG(Integrated Starter & Generator) 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 계자권선형 모터제너레이터의 효율 향상 및 사이즈 저감의 설계를 위한 보조 영구자석을 이용하는 개선된 구조를 갖는 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 관한 것이다.The present invention relates to a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an Integrated Starter & Generator (ISG) system, and more specifically, improving efficiency and reducing size of a field winding type motor generator. It relates to a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system having an improved structure using an auxiliary permanent magnet for the design of the.

일반적으로 ISG 시스템은 기존의 자동차 시스템에서 엔지의 초기 시동을 위해 존재하는 시동모터와, 차량 내 전자장비의 전원공급을 위한 배터리 충전용 발전기를 하나의 전동기로 결합하여 사용하고자 개발된 기술이다. 이러한 ISG 시스템은 Idle Stop & Go 이외에 엔진 토크를 보조하고 회생제동기능을 수행하게 된다.
In general, the ISG system is a technology developed to combine and use a starting motor that exists for the initial starting of the engine in an existing automobile system and a battery charging generator for powering electronic equipment in a vehicle with one electric motor. In addition to Idle Stop & Go, this ISG system assists engine torque and performs regenerative braking.

최근 ISG 시스템용 전동기의 경우, 시동모터와 발전기로서의 기능뿐만 아니라 회생제동의 기능과, 모터 토크 보조 기능을 함께 사용함으로써 기술의 효용성을 높여 적은 비용으로 큰 효과를 낼 수 있도록 개발되고 있다. ISG 시스템은 기존 자동차 시스템에서 일반적으로 발전기의 위치에 대체 배치되어 연비 향상 및 배기가스 배출 저감을 위한 마일드 하이브리드 차량에 적용되고 있다.
In the case of a motor for an ISG system, a function of regenerative braking as well as a function of a starting motor and a generator and a motor torque assist function are used together to increase the efficiency of the technology and to have a great effect at a low cost. The ISG system is generally deployed in the position of a generator in an existing automobile system, and is applied to a mild hybrid vehicle for improving fuel efficiency and reducing exhaust emissions.

최근 자동차 관련 산업에서는 자동차 업체별로 연비 규제 강화에 대응하기 위해서 다양한 방안의 연비 개선을 위한 연구 개발이 진행되고 있으며, 이러한 기술 개발의 일환으로 전기에너지를 사용하는 배터리 EV, Hybrid EV 등의 차량 개발이 적극적으로 검토되고 있다. 특히, ISG 시스템용 계자권선형 모터 발전기의 효율 향상을 위해서는 최적화된 보조 영구자석 및 회전자의 구조 설계를 필요로 하고 있으나, 이에 대한 ISG 시스템용 모터제너레이터의 고효율, 고출력 밀도 특성을 만족시키기 위한 설계에는 제한적인 문제가 있었다. 즉, 종래의 ISG 시스템용 모터제너레이터의 경우, 사이즈 저감에 제한적이며, 모터제너레이터의 출력사양을 만족시키는 동시에 고정자 측 동손 저감을 통한 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
Recently, in the automobile related industry, research and development are being conducted to improve fuel efficiency in various ways in order to respond to the strengthening of fuel economy regulations for each automobile company, and as part of the development of such technologies, development of vehicles such as battery EV and hybrid EV using electric energy It is being actively reviewed. In particular, in order to improve the efficiency of the field winding motor generator for ISG system, it is necessary to design an optimized auxiliary permanent magnet and rotor structure, but it is designed to satisfy the high efficiency and high power density characteristics of the motor generator for the ISG system. There were limited problems. That is, in the case of the conventional ISG system motor generator, it is limited in size reduction, and satisfies the output specification of the motor generator, and at the same time, there is a problem in that efficiency is reduced through reduction of stator side copper loss.

종래의 ISG 시스템은 자동차 엔진과 기계적으로 결합되어 스타터와 발전기의 역할을 동시에 하는 장치로서, 사용되는 모터발전기의 구조는 크게 회전자와 고정자로 이루어져 있으며, 회전자는 전기강판을 사용한 코어와 코어에 구비되는 영구자석으로 구성되고, 고정자는 전기강판을 사용한 코어와 권선으로 구성된다. 이때, 회전자는 크랭크축과 기계적으로 연결되어 있어 크랭크축과 함께 회전하기 때문에 엔진이 정지 상태가 아닌 이상 항상 철손이 발생되고 있는 상태가 된다. 이러한 철손은 엔진에 부하로 작용하기 때문에 자동차의 시스템 효율을 저하시키는 문제로 작용하게 된다. 대한민국 등록특허공보 제10-1823076호가 선행기술 문헌으로 개시되고 있다.The conventional ISG system is a device that mechanically combines with an automobile engine to simultaneously act as a starter and a generator. The structure of the motor generator used is largely composed of a rotor and a stator, and the rotor is provided on a core and core using electric steel sheets. It consists of a permanent magnet, and the stator consists of a core and a winding using electrical steel. At this time, since the rotor is mechanically connected to the crankshaft and rotates together with the crankshaft, iron loss is always generated unless the engine is stopped. Since such iron loss acts as a load on the engine, it acts as a problem that degrades the system efficiency of a vehicle. Republic of Korea Patent Publication No. 10-1823076 is disclosed as a prior art document.

본 발명은 기존에 제안된 방법들의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 회전자 철심과 영구자석 및 보조 영구자석을 구비하는 회전자를 구성하되, 회전자 철심의 회전자 슈에 테이퍼링을 구성하고, 폭의 길이를 신장하며, 보조 영구자석이 회전자 슈에 형성되는 슈 각도에 대응하는 형태의 구조를 갖도록 하고, 이러한 개선된 회전자가 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 고정자에 적용되도록 구성함으로써, 계자권선형 모터제너레이터의 효율 향상 및 사이즈 저감의 최적 설계 구현이 가능하고, 이를 통한 동 규격과 비교한 모터제너레이터의 출력사양을 만족시킬 수 있도록 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems of the previously proposed methods, and constitutes a rotor having a rotor core and a permanent magnet and an auxiliary permanent magnet, but tapering the rotor shoe of the rotor core. Configuration, extend the length of the width, and make the auxiliary permanent magnet have a structure corresponding to the shoe angle formed on the rotor shoe, and such an improved rotor is applied to the stator of the field winding motor generator for the ISG system. By constructing, it is possible to realize the optimal design of improving the efficiency and reducing the size of the field winding type motor generator, and through this, the field winding type motor generator for the ISG system that can satisfy the output specifications of the motor generator compared with the standard. An object thereof is to provide a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving efficiency.

또한, 본 발명은, 유한요소해석법을 이용한 전자계 특성 분석의 수행을 통해 ISG 시스템용 모터제너레이터의 고효율, 고출력 밀도 특성을 만족시키는 보조 영구자석 및 회전자 형상의 최적화 설계가 도출되고, 그에 따른 자속집중에 유리한 설계 구조의 적용을 통한 모터링 및 제너레이팅시 동 사이즈 대비 높은 출력밀도를 얻을 수 있도록 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
In addition, according to the present invention, an optimization design of auxiliary permanent magnets and rotor shapes satisfying high efficiency and high power density characteristics of a motor generator for an ISG system is derived through performance of an electromagnetic field analysis using a finite element analysis method, and thus magnetic flux concentration. Providing a rotor structure with an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for ISG system, so that a high power density compared to the same size can be obtained during motoring and generating by applying an advantageous design structure to the To do it for another purpose.

뿐만 아니라, 사이즈 저감 및 최적화 설계 구현을 통해 비싼 희토류 영구자석을 사용했음에도 불구하고, 기본 모델 대비 제작비용을 낮출 수 있으며, 이를 통한 모터제너레이터의 효율 향상을 통한 차량의 연비 향상이 도모될 수 있도록 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.In addition, despite the use of expensive rare earth permanent magnets through size reduction and optimization design, it is possible to lower the manufacturing cost compared to the basic model, and thereby improve the fuel efficiency of the vehicle by improving the efficiency of the motor generator. Another object is to provide a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조는,A rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to a feature of the present invention for achieving the above object,

ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조로서,Rotor structure with auxiliary permanent magnet for improving efficiency of field winding type motor generator for ISG system,

중심에 회전축이 압입될 수 있는 샤프트 공을 형성하고, 회전 중심을 기준으로 방사형으로 배치되는 회전자 코어가 일체로 형성되는 회전자 철심;A rotor iron core which forms a shaft ball into which a rotation axis can be pressed into the center, and a rotor core disposed radially based on the rotation center is integrally formed;

상기 회전자 철심에 방사형으로 배치되는 회전자 코어의 사이에 각각 배치되는 복수의 영구자석; 및A plurality of permanent magnets respectively disposed between the rotor cores radially disposed on the rotor core; And

상기 복수의 영구자석이 배치되는 상기 회전자 코어들 간의 슬롯 개구부(slot opening)에 배치되는 보조 영구자석을 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
It is characterized in that it comprises an auxiliary permanent magnet disposed in a slot opening (slot opening) between the rotor cores in which the plurality of permanent magnets are disposed.

바람직하게는, 상기 회전자 철심은,Preferably, the rotor iron core,

전기강판을 사용한 일체형의 적층 구조로 구성될 수 있다.
It can be composed of a single-layer stacked structure using an electric steel sheet.

더욱 바람직하게는, 상기 회전자 철심의 전기강판은,More preferably, the electric steel sheet of the rotor iron core,

무방향성의 규소 강판 소재로 구성될 수 있다.
It may be made of a non-oriented silicon steel sheet material.

바람직하게는, 상기 회전자 철심은,Preferably, the rotor iron core,

상기 방사형으로 배치되는 회전자 코어의 말단에서 양 측으로 절곡되어 연장되는 일체형의 회전자 슈(rotor shoe)를 더 형성할 수 있다.
An integral rotor shoe that is bent to both sides and extends from the distal end of the radially arranged rotor core may be further formed.

더욱 바람직하게는, 상기 회전자 슈는,More preferably, the rotor shoe,

상기 회전자 코어의 중심을 기준으로 양 측으로 갈수록 테이퍼링(tapering)되는 구조로 구성될 수 있다.
It may be configured to have a tapering (tapering) structure toward the both sides relative to the center of the rotor core.

더욱 더 바람직하게는, 상기 회전자 슈는,Even more preferably, the rotor shoe,

상기 회전자 코어의 중심을 기준으로 양 측으로 갈수록 테이퍼링 되는 구조를 갖되, 최대 0.8㎜의 테이퍼링이 적용되는 설계 구조로 구성될 수 있다.
It has a structure tapered toward both sides based on the center of the rotor core, but may be configured as a design structure to which tapering of up to 0.8 mm is applied.

더욱 바람직하게는, 상기 회전자 슈는,More preferably, the rotor shoe,

상기 회전자 코어의 중심을 기준으로 회전자 슈의 폭(Width) 길이가 동 규격에 비해 신장되는 구조로 구성될 수 있다.
The length of the rotor shoe (Width) relative to the center of the rotor core may be configured to extend compared to the standard.

더욱 더 바람직하게는, 상기 회전자 슈는,Even more preferably, the rotor shoe,

상기 회전자 코어의 중심을 기준으로 회전자 슈의 폭 길이가 동 규격에 비해 신장되는 길이를 갖되, 최대 0.5㎜의 길이가 신장 적용되는 구조로 설계 구성될 수 있다.
The width of the rotor shoe, based on the center of the rotor core, has a length that extends compared to the same specification, and may be designed and constructed in a structure in which a length of up to 0.5 mm is extended.

바람직하게는, 상기 보조 영구자석은,Preferably, the auxiliary permanent magnet,

상기 복수의 영구자석이 배치되는 상기 회전자 코어들 간의 슬롯 개구부(slot opening)에 배치하되, 상기 회전자 코어들 간의 슬롯 개구부를 형성하는 회전자 슈(rotor shoe) 사이의 형상에 대응하는 형상으로 설계 구성될 수 있다.
Arranged in a slot opening between the rotor cores in which the plurality of permanent magnets are disposed, in a shape corresponding to a shape between rotor shoes forming a slot opening between the rotor cores Design can be configured.

더욱 바람직하게는, 상기 회전자 슈는,More preferably, the rotor shoe,

상기 보조 영구자석이 배치되는 회전자 슈의 양측으로 절곡되어 연장된 각 면이 소정 각도로 경사진 슈 각도(shoe angle)를 갖는 형태로 구성될 수 있다.
Each side bent to both sides of the rotor shoe on which the auxiliary permanent magnet is disposed may be configured to have a shoe angle inclined at a predetermined angle.

더욱 바람직하게는, 상기 회전자 슈는,More preferably, the rotor shoe,

상기 보조 영구자석이 배치되는 회전자 슈의 양측으로 절곡되어 연장된 각 면이 소정 각도로 경사진 슈 각도를 갖는 형태로 구성하되, 상기 슈 각도는 회전자 철심의 회전 중심 내측을 향하는 사선으로 구성될 수 있다.
Each side of the rotor shoe in which the auxiliary permanent magnet is disposed is bent to both sides and is formed in a shape having a shoe angle inclined at a predetermined angle, wherein the shoe angle is composed of a diagonal line toward the inside of the rotation center of the rotor core. Can be.

더욱 바람직하게는, 상기 보조 영구자석은,More preferably, the auxiliary permanent magnet,

상기 회전자 슈의 경사진 슈 각도에 대응하여 상기 회전자 슈 간에 배치되는 마름모 형태로 구성될 수 있다.
It may be configured in a rhombus shape disposed between the rotor shoes in correspondence to the inclined shoe angle of the rotor shoe.

더욱 더 바람직하게는, 상기 보조 영구자석은,Even more preferably, the auxiliary permanent magnet,

상기 회전자 슈의 경사진 슈 각도에 대응하여 상기 회전자 슈 간에 배치되는 마름모 형태로 구성하되, 25도의 각도를 갖도록 형성될 수 있다.
In the form of a rhombus disposed between the rotor shoes in correspondence to the inclined shoe angle of the rotor shoe, it may be formed to have an angle of 25 degrees.

더욱 바람직하게는, 상기 복수의 영구자석은,More preferably, the plurality of permanent magnets,

희토류 영구자석으로 구성할 수 있다.
It can be composed of rare earth permanent magnets.

더욱 더 바람직하게는, 상기 복수의 영구자석은,Even more preferably, the plurality of permanent magnets,

희토류 영구자석으로 구성하되, 네오디뮴(NdFeB) 자석 소재, 페라이트 자석 소재, 및 희토류 자석 소재를 포함하여 구성할 수 있다.
It is composed of a rare earth permanent magnet, but may be composed of a neodymium (NdFeB) magnet material, a ferrite magnet material, and a rare earth magnet material.

더욱 바람직하게는, 상기 보조 영구자석은,More preferably, the auxiliary permanent magnet,

희토류 영구자석으로 구성할 수 있다.
It can be composed of rare earth permanent magnets.

더욱 더 바람직하게는, 상기 보조 영구자석은, Even more preferably, the auxiliary permanent magnet,

희토류 영구자석으로 구성하되, 네오디뮴(NdFeB) 자석 소재, 페라이트 자석 소재, 및 희토류 자석 소재를 포함하여 구성할 수 있다.
It is composed of a rare earth permanent magnet, but may be composed of a neodymium (NdFeB) magnet material, a ferrite magnet material, and a rare earth magnet material.

더욱 바람직하게는, 상기 회전자는,More preferably, the rotor,

모터 하우징 내에 고정 설치되는 고정자의 내측 중심에 배치되어 설치될 수 있다.
It may be disposed and installed in the inner center of the stator fixedly installed in the motor housing.

더욱 더 바람직하게는, 상기 고정자는,Even more preferably, the stator,

원통형의 고정자 바디에 코일이 권선되는 고정자 코어로 구성될 수 있다.
It may be composed of a stator core in which a coil is wound on a cylindrical stator body.

더더욱 바람직하게는, 상기 고정자는,Even more preferably, the stator is

상기 고정자 코어가 전기강판을 사용한 일체형의 적층 구조로서, 무방향성의 규소 강판 소재로 구성될 수 있다.
The stator core is an integrally stacked structure using an electric steel sheet, and may be made of a non-oriented silicon steel sheet material.

더더욱 더 바람직하게는, 상기 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기는,Even more preferably, the field winding motor generator for the ISG system,

상기 회전자와 고정자를 포함하는 2.4㎾급 기계식 토크 컨버터 일체형 모터제너레이터의 설계에 적용하여 구현될 수 있다.It may be implemented by applying to the design of a motor generator integrated with a 2.4 kW class mechanical torque converter including the rotor and the stator.

본 발명에서 제안하고 있는 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 따르면, 회전자 철심과 영구자석 및 보조 영구자석을 구비하는 회전자를 구성하되, 회전자 철심의 회전자 슈에 테이퍼링을 구성하고, 폭의 길이를 신장하며, 보조 영구자석이 회전자 슈에 형성되는 슈 각도에 대응하는 형태의 구조를 갖도록 하고, 이러한 개선된 회전자가 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 고정자에 적용되도록 구성함으로써, 계자권선형 모터제너레이터의 효율 향상 및 사이즈 저감의 최적 설계 구현이 가능하고, 이를 통한 모터제너레이터의 출력사양을 만족시키는 동시에 고정자 측 동손 저감을 통한 효율 향상이 가능하도록 할 수 있다.
According to the rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system proposed in the present invention, a rotor having a rotor core and a permanent magnet and an auxiliary permanent magnet is configured, Configure the taper on the rotor shoe of the rotor core, extend the length of the width, make the auxiliary permanent magnet have a structure corresponding to the shoe angle formed on the rotor shoe, and this improved rotor for the ISG system By configuring it to be applied to the stator of the field winding type motor generator, it is possible to realize the optimum design of improving the efficiency and reducing the size of the field winding type motor generator, thereby satisfying the output specification of the motor generator, and at the same time, reducing stator side copper efficiency Enhancements can be made.

또한, 본 발명에 따르면, 유한요소해석법을 이용한 전자계 특성 분석의 수행을 통해 ISG 시스템용 모터제너레이터의 고효율, 고출력 밀도 특성을 만족시키는 보조 영구자석 및 회전자 형상의 최적화 설계가 도출되고, 그에 따른 자속집중에 유리한 설계 구조의 적용을 통한 모터링 및 제너레이팅시 동 사이즈 대비 높은 출력밀도를 얻을 수 있도록 할 수 있다.
In addition, according to the present invention, the optimization design of the auxiliary permanent magnet and the rotor shape satisfying the high efficiency and high power density characteristics of the motor generator for the ISG system is derived through the performance of the electromagnetic field analysis using the finite element analysis method, and the magnetic flux accordingly By applying a design structure that is advantageous for concentration, it is possible to obtain a high power density compared to the size of the motor during motoring and generating.

뿐만 아니라, 사이즈 저감 및 최적화 설계 구현을 통해 비싼 희토류 영구자석을 사용했음에도 불구하고, 기본 모델 대비 제작비용을 낮출 수 있으며, 이를 통한 모터제너레이터의 효율 향상을 통한 차량의 연비 향상이 도모될 수 있도록 할 수 있다.In addition, despite the use of expensive rare earth permanent magnets through size reduction and optimization design, it is possible to lower the manufacturing cost compared to the basic model, and thereby improve the fuel efficiency of the vehicle by improving the efficiency of the motor generator. Can be.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조의 평면 구성을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 적용되는 로터 슈 테이퍼링 적용의 비교 구성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 적용되는 로터 슈 폭 길이가 신장된 적용의 비교 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 보조 영구자석이 미설치된 상태의 요부 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 보조 영구자석이 설치된 상태의 요부 구성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 보조 영구자석이 미 테이퍼링 구조의 구성을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 적용되는 보조 영구자석의 슈 각도 적용 일례를 도시한 도면.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조의 최적 설계를 위한 실험 분석을 도시한 도면.1 is a view showing a planar configuration of a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a view showing a comparative configuration of a rotor shoe tapering application applied to a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows a comparative configuration of the application of the rotor shoe width length is applied to the rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system according to an embodiment of the present invention drawing.
Figure 4 is a view showing the configuration of the main part of the auxiliary permanent magnet is not installed in the rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 is a view showing the configuration of the main part of the auxiliary permanent magnet is installed in the rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system according to an embodiment of the present invention.
6 is a view showing the configuration of an auxiliary permanent magnet not tapered structure in a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment of the present invention.
7 is a view showing an example of applying the shoe angle of the auxiliary permanent magnet applied to the rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system according to an embodiment of the present invention.
8 to 10 are diagrams showing an experimental analysis for optimal design of a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment of the present invention.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
Hereinafter, preferred embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art to which the present invention pertains can easily implement the present invention. However, in the detailed description of a preferred embodiment of the present invention, when it is determined that a detailed description of related known functions or configurations may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted. In addition, the same reference numerals are used throughout the drawings for parts having similar functions and functions.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
In addition, in the entire specification, when a part is said to be 'connected' to another part, it is not only 'directly connected', but also 'indirectly connected' with other elements in between. Includes. In addition, "including" a component means that other components may be further included instead of excluding other components, unless otherwise stated.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조의 평면 구성을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 적용되는 로터 슈 테이퍼링 적용의 비교 구성을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 적용되는 로터 슈 폭 길이가 신장된 적용의 비교 구성을 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 보조 영구자석이 미설치된 상태의 요부 구성을 도시한 도면이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 보조 영구자석이 설치된 상태의 요부 구성을 도시한 도면이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 보조 영구자석이 미 테이퍼링 구조의 구성을 도시한 도면이며, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조에 적용되는 보조 영구자석의 슈 각도 적용 일례를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 7에 각각 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자(100) 구조는, 회전자 철심(110), 복수의 영구자석(120), 및 보조 영구자석(130)을 포함하여 구성될 수 있다.
1 is a view showing a plane configuration of a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an embodiment of the present invention FIG. 3 is a view showing a comparative configuration of a rotor shoe tapering application applied to a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an example, and FIG. 3 is an embodiment of the present invention. FIG. 4 is a view showing a comparative configuration of an extended rotor shoe width applied to a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to FIG. 4. FIG. 5 is a view showing a configuration of a main part in a state in which an auxiliary permanent magnet is not installed in a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment. FIG. 6 is a view showing a configuration of a main part in a state where an auxiliary permanent magnet is installed in a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment. FIG. 7 is a view showing the configuration of a non-tapered structure with an auxiliary permanent magnet in a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment. It is a view showing an example of the application of the shoe angle of the auxiliary permanent magnet applied to the rotor structure having the auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for an ISG system according to an example. 1 to 7, respectively, the rotor 100 structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system according to an embodiment of the present invention, the rotor core It may be configured to include 110, a plurality of permanent magnets 120, and auxiliary permanent magnets 130.

회전자 철심(110)은, 중심에 회전축이 압입될 수 있는 샤프트 공(111)을 형성하고, 회전 중심을 기준으로 방사형으로 배치되는 회전자 코어(112)가 일체로 형성되는 철심의 구성이다. 이러한 회전자 철심(110)은 전기강판을 사용한 일체형의 적층 구조로 구성될 수 있다. 여기서, 회전자 철심(110)의 전기강판은 무방향성의 규소 강판 소재로 구성될 수 있다.
The rotor core 110 is a configuration of an iron core in which a shaft ball 111 in which a rotation axis can be press-fitted in the center, and a rotor core 112 disposed radially based on the rotation center are integrally formed. The rotor iron core 110 may be configured as an integral stacked structure using an electric steel sheet. Here, the electric steel sheet of the rotor iron core 110 may be made of a non-oriented silicon steel sheet material.

또한, 회전자(100)의 회전자 철심(110)은 도 1 내지 도 7에 각각 도시된 바와 같이, 방사형으로 배치되는 회전자 코어(112)의 말단에서 양 측으로 절곡되어 연장되는 일체형의 회전자 슈(rotor shoe)(114)를 더 형성할 수 있다. 이때, 회전자 철심(110)의 회전자 슈(114)는 회전자 코어(112)의 중심을 기준으로 양 측으로 갈수록 테이퍼링(tapering)되는 구조로 구성될 수 있다. 여기서, 회전자 슈(114)는 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 회전자 코어(112)의 중심을 기준으로 양 측으로 갈수록 테이퍼링 되는 구조를 갖되, 최대 0.8㎜의 테이퍼링이 적용되는 설계 구조로 구성될 수 있다.
In addition, the rotor iron core 110 of the rotor 100, as shown in Figs. 1 to 7, respectively, is an integral rotor that is bent to both sides and extends from the ends of the rotor core 112 that are radially disposed. A rotor shoe 114 may be further formed. At this time, the rotor shoe 114 of the rotor core 110 may be configured to have a tapering (tapering) structure toward the two sides relative to the center of the rotor core 112. Here, the rotor shoe 114, as shown in Figure 2 (b), has a structure that tapers toward both sides with respect to the center of the rotor core 112, the design is applied to the tapering of up to 0.8 mm It can be structured.

또한, 회전자 코어(112)에 형성되는 회전자 슈(114)는 회전자 코어(112)의 중심을 기준으로 회전자 슈(114)의 폭(Width) 길이가 동 규격에 비해 신장되는 구조로 구성될 수 있다. 여기서, 회전자 슈(114)는 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 회전자 코어(112)의 중심을 기준으로 회전자 슈(114)의 폭 길이가 동 규격에 비해 신장되는 길이를 갖되, 최대 0.5㎜의 길이가 신장 적용되는 구조로 설계 구성될 수 있다.
In addition, the rotor shoe 114 formed on the rotor core 112 has a structure in which the length of the width of the rotor shoe 114 is extended compared to the standard, based on the center of the rotor core 112. Can be configured. Here, the rotor shoe 114, as shown in Figure 3 (b), the length of the width of the rotor shoe 114 relative to the center of the rotor core 112 extends compared to the standard However, it may be designed and constructed in a structure in which a length of up to 0.5 mm is extended.

또한, 회전자 코어(112)에 형성되는 회전자 슈(114)는 보조 영구자석(130)이 배치되는 회전자 슈(114)의 양측으로 절곡되어 연장된 각 면이 소정 각도로 경사진 슈 각도(shoe angle)를 갖는 형태로 구성될 수 있다. 이때, 회전자 슈(114)는 보조 영구자석(130)이 배치되는 회전자 슈(114)의 양측으로 절곡되어 연장된 각 면이 소정 각도로 경사진 슈 각도를 갖는 형태로 구성하되, 슈 각도는 회전자 철심(110)의 회전 중심 내측을 향하는 사선으로 구성될 수 있다. 여기서, 사선 형태로 구성되는 회전자 슈(114)의 슈 각도는 25도의 각도를 갖도록 형성됨이 바람직하다.
In addition, the rotor shoe 114 formed on the rotor core 112 is bent to both sides of the rotor shoe 114 in which the auxiliary permanent magnet 130 is disposed, and each extended surface is inclined at a predetermined angle. (shoe angle) may be configured. At this time, the rotor shoe 114 is configured in a form having a shoe angle in which each side bent and extended to both sides of the rotor shoe 114 in which the auxiliary permanent magnet 130 is disposed has an inclined angle at a predetermined angle. May be composed of a diagonal line toward the inside of the rotation center of the rotor core 110. Here, the shoe angle of the rotor shoe 114 configured in a diagonal shape is preferably formed to have an angle of 25 degrees.

복수의 영구자석(120)은, 회전자 철심(110)에 방사형으로 배치되는 회전자 코어(112)의 사이에 각각 배치되는 자석의 구성이다. 이러한 복수의 영구자석(120)은 희토류 영구자석으로 구성할 수 있다. 여기서, 복수의 영구자석(120)은 희토류 영구자석으로 구성하되, 네오디뮴(NdFeB) 자석 소재, 페라이트 자석 소재, 및 희토류 자석 소재 등의 다양한 영구자석 소재로 구성되는 것으로 이해될 수 있다. 이러한 복수의 영구자석은 모터를 구성하는 회전자(100)에 구비되는 통상의 구성에 해당하므로 불필요한 설명은 생략하기로 한다.
The plurality of permanent magnets 120 is a configuration of magnets that are respectively disposed between the rotor cores 112 that are radially disposed on the rotor iron core 110. The plurality of permanent magnets 120 may be composed of rare earth permanent magnets. Here, the plurality of permanent magnets 120 is composed of rare earth permanent magnets, but can be understood to be composed of various permanent magnet materials such as neodymium (NdFeB) magnet material, ferrite magnet material, and rare earth magnet material. Since the plurality of permanent magnets corresponds to a normal configuration provided in the rotor 100 constituting the motor, unnecessary description will be omitted.

보조 영구자석(130)은, 복수의 영구자석(120)이 배치되는 회전자 코어(112)들 간의 슬롯 개구부(slot opening)(113)에 배치되는 구성이다. 이러한 보조 영구자석(130)은 복수의 영구자석(120)이 배치되는 회전자 코어(112)들 간의 슬롯 개구부(slot opening)(113)에 배치하되, 회전자 코어(112)들 간의 슬롯 개구부(113)를 형성하는 회전자 슈(rotor shoe)(114) 사이의 형상에 대응하는 형상으로 설계 구성될 수 있다.
The auxiliary permanent magnet 130 is configured to be disposed in a slot opening 113 between the rotor cores 112 in which a plurality of permanent magnets 120 are disposed. The auxiliary permanent magnet 130 is disposed in a slot opening 113 between the rotor cores 112 in which a plurality of permanent magnets 120 are disposed, but a slot opening between the rotor cores 112 ( It may be designed and configured to a shape corresponding to the shape between the rotor shoe (rotor shoe) 114 forming the (113).

또한, 보조 영구자석(130)은 회전자 슈(114)의 경사진 슈 각도에 대응하여 회전자 슈(114) 간에 배치되는 마름모 형태로 구성될 수 있다. 즉, 보조 영구자석(130)은 회전자 슈(114)의 경사진 슈 각도에 대응하여 회전자 슈(114) 간에 배치되는 마름모 형태로 구성하되, 25도의 각도를 갖도록 형성될 수 있다.
In addition, the auxiliary permanent magnet 130 may be configured in a rhombus shape disposed between the rotor shoes 114 corresponding to the inclined shoe angle of the rotor shoes 114. That is, the auxiliary permanent magnet 130 is configured in a rhombus shape disposed between the rotor shoes 114 in response to the inclined shoe angle of the rotor shoe 114, but may be formed to have an angle of 25 degrees.

또한, 보조 영구자석(130)은 희토류 영구자석으로 구성할 수 있다. 여기서, 보조 영구자석(130)은 희토류 영구자석으로 구성하되, 네오디뮴(NdFeB) 자석 소재, 페라이트 자석 소재, 및 희토류 자석 소재 등의 다양한 영구자석 소재로 구성되는 것으로 이해될 수 있다.
In addition, the auxiliary permanent magnet 130 may be composed of a rare earth permanent magnet. Here, the auxiliary permanent magnet 130 is composed of a rare earth permanent magnet, but can be understood to be composed of various permanent magnet materials such as a neodymium (NdFeB) magnet material, a ferrite magnet material, and a rare earth magnet material.

이와 같이 회전자 철심(110)과 영구자석(120)과 보조 영구자석(130)을 구비하는 회전자(100)는 모터 하우징 내에 고정 설치되는 고정자(200)의 내측 중심에 배치되어 설치될 수 있다. 이러한, 고정자(200)는 도 1에 도시된 바와 같이, 회전자(100)를 내부에 배치되도록 하는 원통형의 고정자 바디(201)에 코일(202)이 권선되는 고정자 코어(203)로 구성될 수 있다. 여기서, 고정자(200)는 고정자 코어(203)가 전기강판을 사용한 일체형의 적층 구조로서, 무방향성의 규소 강판 소재로 구성될 수 있다.
As described above, the rotor 100 having the rotor iron core 110, the permanent magnet 120, and the auxiliary permanent magnet 130 may be disposed and installed at the inner center of the stator 200 fixedly installed in the motor housing. . 1, the stator 200 may be composed of a stator core 203 in which a coil 202 is wound on a cylindrical stator body 201 that allows the rotor 100 to be disposed therein, as illustrated in FIG. 1. have. Here, the stator 200 has a stator core 203 as an integral layered structure using an electric steel sheet, and may be made of a non-oriented silicon steel sheet material.

또한, 앞서 설명한 바와 같은 회전자(100)와 고정자(200)를 구비하는 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기(10)는 2.4㎾급 기계식 토크 컨버터 일체형 모터제너레이터의 설계에 적용하여 구현될 수 있다.
In addition, the field winding type motor generator 10 for the ISG system having the rotor 100 and the stator 200 as described above may be implemented by applying to the design of the 2.4 kW class mechanical torque converter integrated motor generator.

도 2의 (a)는 회전자 슈(114)에 테이퍼링이 미 적용된 기본 모델 구조를 나타내고 있으며, 도 2의 (b)는 회전자 슈(114)에 테이퍼링이 0.8㎜ 적용된 최적 설계 모델링 구조를 나타내고 있다. 또한, 도 3의 (a)는 회전자 슈(114)의 폭 길이가 미 적용된 기본 모델 구조를 나타내고 있으며, 도 3의 (b)는 회전자 슈(114)의 폭 길이가 0.5㎜ 적용된 최적 설계 모델링 구조를 나타내고 있다.
2 (a) shows a basic model structure in which tapering is not applied to the rotor shoe 114, and FIG. 2 (b) shows an optimal design modeling structure in which tapering 0.8 mm is applied to the rotor shoe 114 have. In addition, FIG. 3 (a) shows a basic model structure in which the width length of the rotor shoe 114 is not applied, and FIG. 3 (b) is an optimal design in which the width length of the rotor shoe 114 is applied 0.5 mm. It shows the modeling structure.

또한, 도 4는 회전자 구조에 보조 영구자석이 미설치된 상태의 요부 구성을 나타내고 있으며, 도 5는 회전자 구조에 보조 영구자석이 설치된 상태의 요부 구성을 나타내고 있으며, 도 6은 회전자 구조에 보조 영구자석이 미 테이퍼링 구조의 구성을 나타내고 있다. 또한, 도 7의 (a)는 슈 각도가 미 적용된 구조를 나타내고 있으며, 도 7의 (b)는 슈 각도가 20도 적용된 구조를 나타내고 있으며, 도 7의 (c)는 슈 각도가 45도 적용된 구조를 나타내고 있다.
In addition, Figure 4 shows the configuration of the main portion of the auxiliary permanent magnet is not installed in the rotor structure, Figure 5 shows the configuration of the main portion of the auxiliary permanent magnet is installed in the rotor structure, Figure 6 is in the rotor structure The auxiliary permanent magnet shows the structure of the non-tapered structure. In addition, FIG. 7 (a) shows a structure in which a shoe angle is not applied, FIG. 7 (b) shows a structure in which a shoe angle is applied 20 degrees, and FIG. 7 (c) shows a shoe angle of 45 degrees applied. It shows the structure.

도 8 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조의 최적 설계를 위한 실험 분석을 도시한 도면이다. 도 8은 동 규격의 오리지널 모델과 회전자(100)에 형성되는 회전자 슈(114)의 테이퍼링을 비 테이퍼링(Non-Tapering)한 구조에 슈 폭의 가변 길이의 구조가 적용된 분석 데이터 결과를 나타내고 있다. 즉, 도 8은 슬롯 개구부(113) 구조에 보조 영구자석(130)이 삽입된 상태로 출력이 증가하고, 계자 전류가 감소되는 실험 결과 데이터를 나타내고 있다. 또한, Non-Tapering 구조에 따른 리플이 증가되고, 적층 길이의 감소에 따른 특성 분석 진행 결과를 나타내고 있다. 이와 같이 본 발명의 회전자(100) 구조는 기존보다 적층 사이즈를 50mm에서 40mm로 저감한 효과가 발생되고, 사이즈 대비 유사출력을 발생시킴에 따른 출력밀도가 개선된 모델이라 할 수 있다. 즉, 본 발명은 출력밀도 개선, 계자 전류 저감 및 영구자석 사용에 따른 계자 자속의 가변에 의한 출력 특성(토크 증대 및 운전범위 확대)이 개선될 수 있다.8 to 10 are diagrams showing an experimental analysis for optimal design of a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment of the present invention. FIG. 8 shows the results of the analysis data in which a variable length structure of the shoe width is applied to a non-tapered structure of the original model of the same standard and the tapering of the rotor shoe 114 formed on the rotor 100. have. That is, FIG. 8 shows experimental result data in which the output increases while the auxiliary permanent magnet 130 is inserted into the slot opening 113 structure and the field current decreases. In addition, the ripple according to the non-tapping structure is increased, and the results of the characteristic analysis according to the decrease in the stacking length are shown. As described above, the structure of the rotor 100 of the present invention has an effect of reducing the stacking size from 50 mm to 40 mm, and it can be said that the output density is improved by generating a similar power compared to the size. That is, the present invention can improve the output characteristics (torque increase and operation range expansion) by varying the field flux according to the improvement of output density, reduction of field current, and use of permanent magnets.

또한, 도 9는 동 규격의 오리지널 모델과 회전자(100)에 형성되는 회전자 슈(114)의 테이퍼링을 0.8㎜로 설정하고, 슈 폭의 길이를 0.5㎜로 설정한 구조의 분석 데이터 결과를 나타내고 있다. 즉, 도 9는 Non-Tapering 구조에 따른 리플이 증가되고, Tapering 0.8㎜ 적용 후에 슬롯 개구부(113)의 구조 재설계를 통해 동 규격의 오리지널 모델과 유사한 수준의 토크 리플이 나타나는 분석 결과를 나타내고 있다. 이와 같이 본 발명은 동등 수준의 리플 값을 가짐에도 불구하고 사이즈를 줄일 수 있으며, 이는 기기를 사용하는 시스템의 입장에서 제품을 경량화 시킬 수 있는 장점으로 유사 출력 특성을 갖더라도 사이즈를 작게 설계할 수 있게 된다.In addition, FIG. 9 shows the analysis data results of the structure in which the original model of the same standard and the tapering of the rotor shoe 114 formed on the rotor 100 are set to 0.8 mm, and the length of the shoe width is set to 0.5 mm. Is showing. That is, FIG. 9 shows an analysis result in which the ripple according to the non-tapping structure is increased, and the torque ripple of the level similar to the original model of the same standard is obtained through the redesign of the slot opening 113 after applying the tapering 0.8 mm. . As described above, the present invention can reduce the size despite having an equal level of ripple value, which is an advantage that the product can be made lighter from the standpoint of a system using a device, and can be designed to have a small size even if it has similar output characteristics. There will be.

도 10은 회전자 슈(114)의 다양한 슈 각도(0도에서 45도)를 적용한 분석 데이터 결과를 나타내고 있다. 즉, 도 10은 슈 각도의 구조에 따른 보조 영구자석(130)의 삽입 구조 최적 설계를 위한 슈 각도를 알 수 있도록 한다. 즉, 기본 모델 0도를 기준으로, 20 내지 45도를 분석하고, 슈 각도의 제작 가능한 각도를 고려하여 설계할 수 있도록 함으로써, 모터링(Motorign) 및 제너레이팅(Generating)의 성능이 개선될 수 있도록 할 수 있다. 또한, 고속 운전 시에 자석의 이탈 방지를 위한 제작이 가능하고, 구조적으로 안전한 형상이 고려될 수 있도록 한다. 이와 같이 본 발명은 슈 각도의 변화에 따른 토크 리플과 출력에 영향이 발생될 수 있으나, 슈의 각도가 0deg인 경우에는 보조 영구자석(130)을 회전자 슈(114) 사이에 부착하기 어려워 양산성을 고려한 슈 각도가 필요하게 된다. 이때, 슈의 각도가 증가되는 과정에서 토크리플이 증가되지만, 출력도 동시에 증가하게 된다. 즉, 본 발명은 출력밀도 개선, 계자 전류 저감 및 영구자석 사용에 따른 계자 자속의 가변에 의한 출력 특성(토크 증대 및 운전범위 확대)이 개선될 수 있는 사이즈 대비 유사출력을 발생시켜 출력밀도가 개선되는 모델로 이해될 수 있다.10 shows the results of the analysis data applying various shoe angles (0 to 45 degrees) of the rotor shoe 114. That is, FIG. 10 allows the shoe angle for optimal design of the insertion structure of the auxiliary permanent magnet 130 according to the structure of the shoe angle. That is, by analyzing 20 to 45 degrees based on the basic model 0 degrees, and allowing designing in consideration of the production angle of the shoe angle, the performance of motoring and generator can be improved. I can make it. In addition, it is possible to manufacture to prevent the magnet from falling off during high-speed operation, and to allow structurally safe shapes to be considered. As described above, the present invention may have an effect on torque ripple and output according to a change in the shoe angle, but when the shoe angle is 0 deg, it is difficult to mass-produce the auxiliary permanent magnet 130 between the rotor shoes 114 A shoe angle considering gender is required. At this time, the torque ripple increases in the process of increasing the angle of the shoe, but the output increases simultaneously. That is, the present invention improves the output density by generating a similar output power compared to a size in which the output characteristics (torque increase and operation range expansion) can be improved by improving the output density, reducing the field current, and varying the field flux according to the use of permanent magnets. It can be understood as a model.

상술한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조는, 회전자 철심과 영구자석 및 보조 영구자석을 구비하는 회전자를 구성하되, 회전자 철심의 회전자 슈에 테이퍼링을 구성하고, 폭의 길이를 신장하며, 보조 영구자석이 회전자 슈에 형성되는 슈 각도에 대응하는 형태의 구조를 갖도록 하고, 이러한 개선된 회전자가 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 고정자에 적용되도록 구성함으로써, 계자권선형 모터제너레이터의 효율 향상 및 사이즈 저감의 최적 설계 구현이 가능하고, 이를 통한 모터제너레이터의 출력사양을 만족시키는 동시에 고정자 측 동손 저감을 통한 효율 향상이 가능하도록 할 수 있게 된다. 또한, 유한요소해석법을 이용한 전자계 특성 분석의 수행을 통해 ISG 시스템용 모터제너레이터의 고효율, 고출력 밀도 특성을 만족시키는 보조 영구자석 및 회전자 형상의 최적화 설계가 도출되고, 그에 따른 자속집중에 유리한 설계 구조의 적용을 통한 모터링 및 제너레이팅시 동 사이즈 대비 높은 출력밀도를 얻을 수 있도록 할 수 있으며, 특히, 사이즈 저감 및 최적화 설계 구현을 통해 비싼 희토류 영구자석을 사용했음에도 불구하고, 기본 모델 대비 제작비용을 낮출 수 있으며, 이를 통한 모터제너레이터의 효율 향상을 통한 차량의 연비 향상이 도모될 수 있도록 할 수 있게 된다.
As described above, a rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system according to an embodiment of the present invention includes a rotor iron core, a permanent magnet, and an auxiliary permanent magnet. Constructing a rotor, forming a tapering on the rotor shoe of the rotor core, extending the length of the width, and making the auxiliary permanent magnet have a structure corresponding to the shoe angle formed on the rotor shoe, such an improvement By configuring the rotor to be applied to the stator of the field winding type motor generator for the ISG system, it is possible to realize the optimal design of improving the efficiency and reducing the size of the field winding type motor generator, thereby satisfying the output specifications of the motor generator and stator. It will be possible to improve the efficiency by reducing the side loss. In addition, the optimization design of auxiliary permanent magnet and rotor shape that satisfies the high efficiency and high power density characteristics of the motor generator for the ISG system is derived through the performance of the electromagnetic field analysis using the finite element analysis method. It is possible to obtain a higher power density compared to the same size when motoring and generating through the application of, and, in particular, despite the use of expensive rare earth permanent magnets through reduction in size and implementation of an optimized design, the production cost compared to the basic model is reduced. It can be lowered, thereby improving the fuel efficiency of the vehicle by improving the efficiency of the motor generator.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.The present invention described above can be variously modified or applied by a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention belongs, and the scope of the technical idea according to the present invention should be defined by the following claims.

10: ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기
100: 회전자(rotor)
110: 회전자 철심
111: 샤프트 공
112: 회전자 코어
113: 슬롯 개구부(slot opening)
114: 회전자 슈(rotor shoe)
120: 영구자석
130: 보조 영구자석
200: 고정자(stator)
201: 고정자 바디
202: 코일
203: 고정자 코어10: Field winding type motor generator for ISG system
100: rotor
110: rotor core
111: shaft ball
112: rotor core
113: slot opening
114: rotor shoe
120: permanent magnet
130: auxiliary permanent magnet
200: stator
201: stator body
202: coil
203: stator core

Claims (21)

ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기(10)의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자(100) 구조로서,
중심에 회전축이 압입될 수 있는 샤프트 공(111)을 형성하고, 회전 중심을 기준으로 방사형으로 배치되는 회전자 코어(112)가 일체로 형성되는 회전자 철심(110);
상기 회전자 철심(110)에 방사형으로 배치되는 회전자 코어(112)의 사이에 각각 배치되는 복수의 영구자석(120); 및
상기 복수의 영구자석(120)이 배치되는 상기 회전자 코어(112)들 간의 슬롯 개구부(slot opening)(113)에 배치되는 보조 영구자석(130)을 포함하되,
상기 회전자 철심(110)은,
상기 방사형으로 배치되는 회전자 코어(112)의 말단에서 양 측으로 절곡되어 연장되는 일체형의 회전자 슈(rotor shoe)(114)를 더 형성하고,
상기 회전자 슈(114)는,
상기 회전자 코어(112)의 중심을 기준으로 양 측으로 갈수록 테이퍼링(tapering)되는 구조로 구성하는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
As a structure of the rotor 100 having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator 10 for the ISG system,
A rotor iron core 110 in which a shaft ball 111 in which a rotational shaft can be press-fitted in the center, and a rotor core 112 disposed radially based on a rotational center are integrally formed;
A plurality of permanent magnets 120 disposed between the rotor cores 112 disposed radially on the rotor core 110; And
The auxiliary permanent magnet 130 is disposed in a slot opening (slot opening) 113 between the rotor core 112, the plurality of permanent magnets 120 are disposed,
The rotor iron core 110,
Further forming an integral rotor shoe 114 that extends by being bent to both sides at the ends of the radially disposed rotor core 112,
The rotor shoe 114,
A rotor having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, characterized in that it has a structure tapering toward both sides based on the center of the rotor core 112. rescue.
제1항에 있어서, 상기 회전자 철심(110)은,
전기강판을 사용한 일체형의 적층 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
According to claim 1, wherein the rotor iron core 110,
A rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, characterized in that it is composed of an integral stacked structure using electrical steel.
제2항에 있어서, 상기 회전자 철심(110)의 전기강판은,
무방향성의 규소 강판 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method according to claim 2, wherein the electric steel sheet of the rotor core (110),
A rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, which is made of a non-oriented silicon steel sheet material.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 회전자 슈(114)는,
상기 회전자 코어(112)의 중심을 기준으로 양 측으로 갈수록 테이퍼링 되는 구조를 갖되, 최대 0.8㎜의 테이퍼링이 적용되는 설계 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 1, wherein the rotor shoe 114,
It has a structure tapered toward both sides based on the center of the rotor core 112, and is characterized by being composed of a design structure to which tapering of up to 0.8 mm is applied, improving the efficiency of a field winding motor generator for an ISG system. Rotor structure having an auxiliary permanent magnet for.
삭제delete 삭제delete 제1항 내지 제3항, 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 영구자석(130)은,
상기 복수의 영구자석(120)이 배치되는 상기 회전자 코어(112)들 간의 슬롯 개구부(slot opening)(113)에 배치하되, 상기 회전자 코어(112)들 간의 슬롯 개구부(113)를 형성하는 회전자 슈(rotor shoe)(114) 사이의 형상에 대응하는 형상으로 설계 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method according to any one of claims 1 to 3, and 6, wherein the auxiliary permanent magnet 130,
Arranged in a slot opening 113 between the rotor cores 112 in which the plurality of permanent magnets 120 are disposed, forming a slot opening 113 between the rotor cores 112. A rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, characterized in that it is designed and configured in a shape corresponding to a shape between the rotor shoes (114).
제9항에 있어서, 상기 회전자 슈(114)는,
상기 보조 영구자석(130)이 배치되는 회전자 슈(114)의 양측으로 절곡되어 연장된 각 면이 소정 각도로 경사진 슈 각도(shoe angle)를 갖는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
10. The method of claim 9, The rotor shoe (114),
The ISG system, characterized in that each side bent and extended to both sides of the rotor shoe 114 in which the auxiliary permanent magnet 130 is disposed is configured to have a shoe angle inclined at a predetermined angle. Rotor structure with auxiliary permanent magnet to improve the efficiency of the field winding type motor generator.
제9항에 있어서, 상기 회전자 슈(114)는,
상기 보조 영구자석(130)이 배치되는 회전자 슈(114)의 양측으로 절곡되어 연장된 각 면이 소정 각도로 경사진 슈 각도를 갖는 형태로 구성하되, 상기 슈 각도는 회전자 철심(110)의 회전 중심 내측을 향하는 사선으로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
10. The method of claim 9, The rotor shoe (114),
Each surface of the auxiliary permanent magnet 130 is bent to both sides of the rotor shoe 114 is disposed to extend is configured in a form having a shoe angle inclined at a predetermined angle, the shoe angle is the rotor iron core 110 Rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of the field winding type motor generator for ISG system, characterized in that it consists of a diagonal line toward the inside of the rotation center of the.
제9항에 있어서, 상기 보조 영구자석(130)은,
상기 회전자 슈(114)의 경사진 슈 각도에 대응하여 상기 회전자 슈(114) 간에 배치되는 사다리꼴 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 9, wherein the auxiliary permanent magnet 130,
Secondary permanent for improving the efficiency of the field winding motor generator for ISG system, characterized in that it is configured in a trapezoidal shape disposed between the rotor shoes 114 in response to the inclined shoe angle of the rotor shoes 114. Rotor structure with magnet.
제12항에 있어서, 상기 보조 영구자석(130)은,
상기 회전자 슈(114)의 경사진 슈 각도에 대응하여 상기 회전자 슈(114) 간에 배치되는 사다리꼴 형태로 구성하되, 25도의 각도를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 12, wherein the auxiliary permanent magnet 130,
In response to the inclined shoe angle of the rotor shoe 114 is configured in a trapezoidal shape disposed between the rotor shoes 114, characterized in that it is formed to have an angle of 25 degrees, field winding motor for ISG system Rotor structure with auxiliary permanent magnet for improving efficiency of generator.
제9항에 있어서, 상기 복수의 영구자석(120)은,
희토류 영구자석으로 구성하는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 9, The plurality of permanent magnets 120,
A rotor structure comprising an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, characterized by comprising a rare earth permanent magnet.
제14항에 있어서, 상기 복수의 영구자석(120)은,
희토류 영구자석으로 구성하되, 네오디뮴(NdFeB) 자석 소재, 페라이트 자석 소재, 및 희토류 자석 소재를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 14, The plurality of permanent magnets 120,
It is composed of a rare earth permanent magnet, characterized in that it comprises a neodymium (NdFeB) magnet material, a ferrite magnet material, and a rare earth magnet material. Rotor structure.
제9항에 있어서, 상기 보조 영구자석(130)은,
희토류 영구자석으로 구성하는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 9, wherein the auxiliary permanent magnet 130,
A rotor structure comprising an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, characterized by comprising a rare earth permanent magnet.
제16항에 있어서, 상기 보조 영구자석(130)은,
희토류 영구자석으로 구성하되, 네오디뮴(NdFeB) 자석 소재, 페라이트 자석 소재, 및 희토류 자석 소재를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 16, wherein the auxiliary permanent magnet 130,
It is composed of a rare earth permanent magnet, characterized in that it comprises a neodymium (NdFeB) magnet material, a ferrite magnet material, and a rare earth magnet material. Rotor structure.
제9항에 있어서, 상기 회전자(100)는,
모터 하우징 내에 고정 설치되는 고정자(200)의 내측 중심에 배치되어 설치되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 9, The rotor 100,
A rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, characterized in that it is disposed and installed at an inner center of the stator 200 fixedly installed in the motor housing.
제18항에 있어서, 상기 고정자(200)는,
원통형의 고정자 바디(201)에 코일(202)이 권선되는 고정자 코어(203)로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The stator (200) of claim 18,
A rotor structure having an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system, characterized by comprising a stator core (203) in which a coil (202) is wound on a cylindrical stator body (201). .
제19항에 있어서, 상기 고정자(200)는,
상기 고정자 코어(203)가 전기강판을 사용한 일체형의 적층 구조로서, 무방향성의 규소 강판 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.
The method of claim 19, wherein the stator (200),
The stator core 203 is an integral stacked structure using an electric steel sheet, characterized in that it is made of a non-oriented silicon steel sheet material, and has an auxiliary permanent magnet for improving the efficiency of a field winding type motor generator for an ISG system. Rotor structure.
제20항에 있어서, 상기 ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기(10)는,
상기 회전자(100)와 고정자(200)를 포함하는 2.4㎾급 기계식 토크 컨버터 일체형 모터제너레이터의 설계에 적용하여 구현되는 것을 특징으로 하는, ISG 시스템용 계자권선형 모터발전기의 효율 향상을 위한 보조 영구자석을 구비하는 회전자 구조.21. The method of claim 20, The field winding type motor generator (10) for the ISG system,
Secondary permanent for improving the efficiency of the field winding winding motor generator for ISG system, characterized in that it is implemented by applying to the design of a 2.4 kW class mechanical torque converter integrated motor generator including the rotor 100 and the stator 200. Rotor structure with magnet.
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