KR102136031B1 - 코어드 에이에프피엠 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코어드 에이에프피엠 모터에 관한 것으로서, 특히 철심(코어)의 자속밀도 과집중을 해결하면서도 다양한 특성을 가진 모터를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 분할코어의 장점을 이용하여 생산성을 향상시켜 모터제작비용을 절감할 수 있으며 홀센서의 설치가 용이하도록, 원통 형태를 이루는 하우징; 상기 하우징의 중앙에 회전가능하게 구비되는 회전축; 스테이터코어와 상기 스테이터코어에 권취된 코일을 포함하며 상기 하우징의 내측에서 상기 하우징에 고정되는 스테이터; 및 영구자석이 상기 회전축을 중심으로 회전되도록 상기 하우징의 내측에 구비되는 로터;를 포함하되, 상기 로터는 스테이터의 상측에 제1 공극이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 구비되며, 상기 스테이터의 하측에는 제2 공극이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 소정의 너비를 가지는 링 형태인 백요크가 구비되는 것을 특징으로 하는 코어드 에이에프피엠 모터에 관한 것이다.

Description

코어드 에이에프피엠 모터{Cored AFPM motor}

본 발명은 코어드 에이에프피엠 모터에 관한 것으로서, 특히 자속밀도의 과집중을 해결하고 모터제작비용을 절감할 수 있는 코어드 에이에프피엠 모터에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 자석이 설치된 로터와 코일이 설치된 스테이터가 구비되고, 코일에 전압을 가하면 로터가 회전된다. 이러한 모터는 사용 목적 및 응용 분야에 따라 다양한 구조를 가진다.

현재 소형 모터는 대부분 직류모터가 사용되고 있으며, 현재 BLDC(Brushless DC) 모터는 제어용과 같은 특수한 목적으로 사용되고 있다. 이러한 BLDC 모터는 소형 직류모터에 비해 많은 장점을 가지고 있어 여러 분야에서 사용하고자 활발한 개발이 이루어지고 있다.

영구자석 여자방식을 채용하고 있는 BLDC 모터는 자로(磁路, magnetic circuit) 형성에 따라 알에프피엠 모터(RFPM: Radial Flus Permanent Magnet) 모터와, 에이에프피엠(AFPM: Axial Flux Permanent Magnet) 모터로 나뉠 수 있다. 알에프피엠 모터는 로터의 외측으로 스테이터가 위치하도록 구성되는 반면, 에이에프피엠 모터는 스테이터를 기준으로 상측과 하측에 로터가 위치하도록 구성되고 알에프피엠 모터에 비해 고에너지 밀도를 갖는다.

이러한 에이에프피엠 모터는 코어가 포함하는 코어드 에이에프피엠 모터와, 코어가 없는 코어리스 에이에프피엠 모터로 나뉠 수 있다. 코어리스 에이에프피엠 모터는 코일이 공극에 배치됨에 따라 넓은 공극이 요구되고 이로 인해 손실이 큰바, 코어드 에이에프피엠 모터에 비해 단위부피당 출력이 낮은 문제점이 있다.

코어드 에이에프피엠 모터는 구체적으로 도 1에 도시된 바와 같이 자석이 서로 수직한 방향으로 마주보며 N극에서 S극으로, S극에서 N극으로 수직하게 철심을 통하여 자속이 형성되며, 구조적으로 철심과 자석 간의 공극을 자유롭게 조절할 수 있고, 짧은 축방향 길이를 가지고 있어 슬림한 구조를 형성할 수 있으며, 단위부피당 출력이 높아 동일 출력대비 무게가 가볍고 효율이 높다는 특징이 있다.

그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 구조를 가진 코어드 에이에프피엠 모터는 스테이터의 상측과 하측에 로터가 위치하므로 자속밀도가 스테이터에 과집중되어 스테이터와 로터 사이의 공극이 작을수록 리플특성이 좋지 못하고 모터 제작비용이 증가된다는 문제가 있으며, 홀센서를 설치하기 어렵다는 문제가 있다.

1. 대한민국 등록특허 제10-0870738호 '에이에프피엠 코어리스형 멀티 발전기 및 모터' 2. 대한민국 등록특허 제10-1230054호 '슬롯이 있는 소형 풍력발전기용 종축자속형 영구자석 동기발전기'

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서 철심(코어)의 자속밀도 과집중을 해결하고 다양한 특성을 가진 모터를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 분할코어의 장점을 이용하여 생산성을 향상시켜 모터제작비용을 절감할 수 있으며 홀센서의 설치가 용이한 코어드 에이에프피엠 모터를 제공함에 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명인 코어드 에이에프피엠 모터는 원통 형태를 이루는 하우징; 상기 하우징의 중앙에 회전가능하게 구비되는 회전축; 스테이터코어와 상기 스테이터코어에 권취된 코일을 포함하며 상기 하우징의 내측에서 상기 하우징에 고정되는 스테이터; 및 영구자석이 상기 회전축을 중심으로 회전되도록 상기 하우징의 내측에 구비되는 로터;를 포함하되, 상기 로터는 스테이터의 상측에 제1 공극이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 구비되며, 상기 스테이터의 하측에는 제2 공극이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 소정의 너비를 가지는 링 형태인 백요크가 구비된다.

또한, 상기 로터는 원판 형태를 이루고 중앙을 관통한 회전축에 결합되어 회전축과 함께 회전하는 로터요크와, 상기 로터요크의 저면에 제1 극성과 제2 극성이 번갈아 배치되도록 구비되는 영구자석을 포함하며, 상기 백요크는 하우징에 고정될 수 있다.

또한, 상기 제1 공극과 제2 공극의 크기를 이루는 간격을 달리형성할 수 있다.

또한, 상기 스테이터는 소정의 형태로 이루어진 복수 개의 스테이터코어가 상호 일정 간격 이격되도록 회전축을 중심으로 방사상으로 배치되며, 각 스테이터코어의 상단부와 하단부를 제외한 나머지 부분에 코일이 권취되되, 소정의 너비를 가지며 링 형태로 형성된 플랜지가 복수 개의 스테이터코어의 상단부과 복수 개의 스테이터코어의 하단부를 둘러싸도록 각각 구비되어, 상기 플랜지에 의해 스테이터가 하우징에 고정될 수 있다.

또한, 상기 하우징은 로터의 외측을 감싸는 제1 하우징과, 스테이터의 외측을 감싸며 스테이터가 고정되는 제2 하우징과, 백요크의 외측을 감싸는 제3 하우징을 포함하되, 상기 플랜지는 스테이터코어의 내측에서 삽입되어 스테이터코어의 외측으로 돌출되는 제1 볼트에 의해 스테이터코어와 결합되며, 각각의 플랜지는 가장자리가 제2 하우징 상단과 하단에 맞닿아 제2 볼트에 의해 제2 하우징과 결합될 수 있다.

본 발명에 따르면, 스테이터를 중심으로 영구자석이 상측에만 존재하므로 철심(코어)에 자속밀도가 과집중되는 현상을 방지할 수 있으며, 약계자 제어를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 분할코어의 장점을 이용하여 생산성을 향상시켜 모터제작비용을 절감할 수 있다.

또한, 홀센서를 설치하기가 용이하며 제1 공극과 제2 공극의 크기를 이루는 간격을 조절할 수 있어 다양한 특성을 가진 모터를 제작할 수 있다.

도 1은 종래 코어드 에이에프피엠 모터에 적용되는 스테이터와 로터의 구조를 보여주는 도면,
도 2는 본 발명에 의한 코어드 에이에프피엠 모터의 구조를 보여주는 단면도,
도 3은 본 발명에 의한 코어드 에이에프피엠 모터의 외부 구조를 보여주는 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 코어드 에이에프피엠 모터의 내부 구조를 보여주는 도면,
도 6 및 도 7은 본 발명에 의한 코어드 에이에프피엠 모터에 적용되는 플랜지, 백요크, 로터요크의 구조를 보여주는 도면,
도 8은 본 발명에 의한 코어드 에이에프피엠 모터에 적용되는 하우징의 구조를 보여주는 도면,
도 9는 본 발명에 의한 코어드 에이에프피엠 모터에 적용되는 스테이터가 플랜지와 결합되는 구조를 보여주는 도면.

본 발명에서는 철심(코어)의 자속밀도 과집중을 해결하면서도 다양한 특성을 가진 모터를 제작할 수 있을 뿐만 아니라 분할코어의 장점을 이용하여 생산성을 향상시켜 모터제작비용을 절감할 수 있으며 홀센서의 설치가 용이하도록, 원통 형태를 이루는 하우징; 상기 하우징의 중앙에 회전가능하게 구비되는 회전축; 스테이터코어와 상기 스테이터코어에 권취된 코일을 포함하며 상기 하우징의 내측에서 상기 하우징에 고정되는 스테이터; 및 영구자석이 상기 회전축을 중심으로 회전되도록 상기 하우징의 내측에 구비되는 로터;를 포함하되, 상기 로터는 스테이터의 상측에 제1 공극이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 구비되며, 상기 스테이터의 하측에는 제2 공극이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 소정의 너비를 가지는 링 형태인 백요크가 구비되는 것을 특징으로 하는 코어드 에이에프피엠 모터를 제안한다.

본 발명의 권리범위는 이하에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진자에 의하여 다양하게 변형 실시될 수 있다.

이하, 본 발명인 코어드 에이에프피엠 모터는 첨부된 도 2 내지 도 9를 참고로 상세하게 설명한다.

본 발명인 코어드 에이에프피엠 모터는 도 2 내지 도 9에 도시된 바와 같이 하우징(100), 회전축(200), 스테이터(300) 및 로터(400)를 포함한다. 하우징(100)은 도 3에 도시된 바와 같이 내부가 빈 통 형태로 형성되며, 횡단면이 다각형 또는 원형을 이루도록 형성될 수 있으나, 횡단면이 원형을 이루도록 형성됨이 바람직하다. 이하에서는 하우징(100)이 내부가 빈 원통 형태로 이루어진 것을 전제로 설명한다.

회전축(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 하우징(100)을 중앙을 관통하면서 회전가능하게 구비된다. 회전축(200)은 일 예로, 봉 형태를 이루되 스테이터(300) 부근에서 스테이터(300)와 인접할 수 있도록 나머지 부분보다 큰 직경을 가지도록 형성될 수 있다. 또한, 회전축(200)이 하우징(100)을 관통하는 부분에는 제1 베어링(50)과 제2 베어링(60)이 구비될 수 있다.

스테이터(300)는 도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이 스테이터코어(310)와, 스테이터코어(310)에 권취되는 코일(320)을 포함하며, 하우징(100)의 내측에서 하우징(100)에 고정되도록 구비된다. 소정의 형태로 이루어진 스테이터코어(310)는 일 예로, 복수 개가 상호 일정 간격 이격되도록 회전축(200)을 중심으로 방사상으로 배치될 수 있으며, 이때 스테이터코어(310)는 횡단면이 사다리꼴 형태를 이루도록 형성될 수 있으며, 상단부와 하단부가 나머지 부분보다 더 큰 크기를 가지도록 형성될 수 있다. 이 경우 코일(320)은 스테이터코어(310)의 상단부와 하단부를 제외한 나머지 부분을 감싸도록 권취될 수 있으며, 스테이터코어(310)의 상단부와 하단부 중 코일(320)과 인접한 부분에는 인슐레이터(70)가 구비될 수 있다.

로터(400)는 도 2 및 도 5에 도시된 바와 같이 영구자석(410)이 상기 회전축(200)을 중심으로 회전되도록 상기 하우징(100)의 내측에 구비된다. 본 발명에서의 로터(400)는 스테이터(300)의 상측에만 구비되며, 스테이터(300)의 상측에 구비됨에 있어 제1 공극(10)이 형성되도록 스테이터(300)의 상면으로부터 소정의 간격 이격되어 구비된다.

이처럼 본 발명은 로터(400)가 스테이터(300)의 상측에만 구비됨에 따라 스테이터(300)의 하측에는 도 2, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 소정의 너비를 가지며 링 형태를 이루는 백요크(500)가 구비된다. 이때, 백요크(500)는 제2 공극(20)이 형성되도록 스테이터(300)의 저면으로부터 소정의 간격 이격되어 구비된다.

본 발명인 코어드 에이에프피엠 모터는 스테이터(300)를 중심으로 영구자석(410)이 상측에만 존재하므로, 영구자석(410)이 스테이터(300)의 상측과 하측 모두에 구비될 경우에 발생되는 자속밀도의 과집중 현상을 방지할 수 있으며, 약계자 제어를 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라 모터제작비용을 절감할 수 있다.

한편, 로터(400)는 도 5 및 도 7에 도시된 바와 같이 원판 형태를 이루고 중앙을 관통한 회전축(200)에 결합되어 회전축(200)과 함께 회전하는 로터요크(420)를 포함할 수 있다. 로터요크(420)는 도 2에 도시된 바와 같이 회전축(200)에서 상대적으로 큰 직경을 가지는 부분의 상면과 볼트로 체결되어 고정될 수 있다. 영구자석(410)은 판 형태, 일 예로는 사다리꼴의 판 형태를 이루도록 형성될 수 있으며, 로터요크(420)의 저면에 제1 극성과 제2 극성이 번갈아 배치되도록 구비될 수 있다. 이때, 제2 극성은 제1 극성과 반대의 극성을 가지는 것을 의미한다.

그리고, 본 발명에서의 백요크(500)는 로터(400)와 마찬가지로 회전축(200)에 결합되어 회전축(200)과 함께 회전하도록 구비될 수 있으나, 홀센서(Hall Sensor)를 용이하게 할 수 있도록 하우징(100)에 고정되도록 구비됨이 보다 바람직하다.

본 발명에서는 제1 공극(10)과 제2 공극(20)의 크기를 이루는 간격을 동일하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 달리 형성할 수도 있다. 종래와 같이 스테이터의 상측과 하측에 영구자석이 구비되는 경우 리플값의 영향을 많이 받게 되어 상측과 하측에 구비되는 영구자석과 스테이터 간의 공극을 동일하게 형성하여야 하는 반면, 본 발명은 스테이터(300)를 기준으로 상측에만 영구자석(410)이 구비되므로 리플값의 영향이 적어 제1 공극(10)과 제2 공극(20)의 크기를 달리 형성하여 다양한 특성을 가진 모터를 제작할 수 있다. 일 예로, 제1 공극(10)과 제2 공극(20)의 크기를 이루는 간격은 1~4mm 범위 내에서 조절될 수 있다.

한편, 스테이터(300)를 하우징(100)에 고정시킴에 있어 구조적 안정성과 전기적 안정성을 확보하고자 본 발명은 도 2, 도 4, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 소정의 너비를 가지며 링 형태로 형성된 플랜지(600)를 이용하여 스테이터(300)를 하우징(100)에 고정시킬 수 있다. 플랜지(600)는 두 개가 구비되어 각각 내측 가장자리가 복수 개의 스테이터코어(310)의 상단부와 복수 개의 스테이터코어(310)의 하단부를 둘러싸도록 설치되어 스테이터코어(310)와 플랜지(600)가 결합될 수 있으며, 플랜지(600)의 외측 가장자리는 하우징(100)과 맞닿도록 형성되어 플랜지(600)와 하우징(100)이 결합될 수 있다.

따라서, 플랜지(600)는 일 예로, 내측 가장자리가 각 스테이터코어(310)의 상단부와 하단부 외측에 대응되도록 다각형 형태로 형성되고, 외측 가장자리가 하우징(100)의 내주면에 대응되도록 원 형태로 형성될 수 있다.

이와 같이 플랜지(600)를 이용하여 스테이터(300)를 하우징(100)에 고정함으로써, 스테이터(300)가 처짐이나 쏠림 없이 안정적으로 고정될 수 있고, 제1 공극(10)과 제2 공극(20)의 크기를 이루는 간격이 원주방향으로 일정하게 형성될 수 있어 진동과 소음이 저감되는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 하우징(100)은 조립의 편의를 위해 분할된 형태로 형성될 수 있으며, 일 예로 도 8에 도시된 바와 같이 로터(400)의 외측을 감싸는 제1 하우징(110)과, 스테이터(300)의 외측을 감싸며 스테이터(300)가 고정되는 제2 하우징(120)과, 백요크(500)의 외측을 감싸는 제3 하우징(130)을 포함하도록 분할형성될 수 있다.

이때, 플랜지(600)는 도 2, 도 4 및 도 9에 도시된 바와 같이 스테이터코어(310)의 내측에서 삽입되어 스테이터코어(310)의 외측으로 돌출되는 제1 볼트(30)에 의해 스테이터코어(310)와 결합될 수 있으며, 스테이터코어(310)와 결합된 각각의 플랜지(600)는 가장자리가 제2 하우징(120)의 상단과 하단에 맞닿아 제2 볼트(40)에 의해 제2 하우징(120)과 결합될 수 있다. 또한, 제1 볼트(30)가 스테이터코어(310)의 상단부와 하단부를 관통함에 있어, 그 중앙을 관통하도록 함이 바람직하며, 제2 볼트(40)는 제2 하우징(120)의 원주 방향을 따라 소정의 간격 이격되도록 구비되어, 플랜지(600)와 제2 하우징(120)이 안정적이면서도 견고히 결합되도록 함이 바람직하다.

10 : 제1 공극 20 : 제2 공극
30 : 제1 볼트 40 : 제2 볼트
50 : 제1 베어링 60 : 제2 베어링
70 : 인슐레이터
100 : 하우징 110 : 제1 하우징
120 : 제2 하우징 130 : 제3 하우징
200 : 회전축
300 : 스테이터 310 : 스테이터코어
320 : 코일
400 : 로터 410 : 영구자석
420 : 로터요크
500 : 백요크
600 : 플랜지

Claims (6)

1. 원통 형태를 이루는 하우징(100);
   상기 하우징(100)의 중앙에 회전가능하게 구비되는 회전축(200);
   상기 회전축(200)이 상기 하우징(200)을 관통하는 부분에 마련되는 제1 베어링(50) 및 제2 베어링(60);
   스테이터코어(310)와 상기 스테이터코어(310)에 권취된 코일(320)을 포함하며 상기 하우징(100)의 내측에서 상기 하우징(100)에 고정되는 스테이터(300);
   상기 스테이터코어(310)의 상단부 하면 및 상기 스테이터코어(310)의 하단부 상면에 마련되는 인슐레이터(70); 및
   영구자석(410)이 상기 회전축(200)을 중심으로 회전되도록 상기 하우징(100)의 내측에 구비되는 로터(400);를 포함하되,
   상기 로터(400)는 스테이터(300)의 상측에 제1 공극(10)이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 구비되며,
   상기 스테이터(300)의 하측에는 제2 공극(20)이 형성되도록 소정의 간격 이격되어 소정의 너비를 가지는 링 형태인 백요크(500)가 구비되고,
   상기 로터(400)는 원판 형태를 이루고 중앙을 관통한 회전축(200)에 결합되어 회전축(200)과 함께 회전하는 로터요크(420)와, 상기 로터요크(420)의 저면에 제1 극성과 제2 극성이 번갈아 배치되도록 구비되는 영구자석(410)을 포함하며,
   상기 백요크(500)는 하우징(100)에 고정되며,
   상기 제1 공극(10)과 제2 공극(20)은 1mm 내지 4mm로 형성하되, 상기 제1 공극(10)과 제2 공극(20)의 크기를 이루는 간격을 서로 달리형성하고,
   상기 스테이터(300)는 소정의 형태로 이루어진 복수 개의 스테이터코어(310)가 상호 일정 간격 이격되도록 회전축(200)을 중심으로 방사상으로 배치되며, 각 스테이터코어(310)의 상단부와 하단부를 제외한 나머지 부분에 코일(320)이 권취되되,
   소정의 너비를 가지며 링 형태로 형성된 플랜지(600)가 복수 개의 스테이터코어(310)의 상단부와 복수 개의 스테이터코어(310)의 하단부를 둘러싸도록 각각 구비되어, 상기 플랜지(600)에 의해 스테이터(300)가 하우징(100)에 고정되며,
   상기 하우징(100)은 로터(400)의 외측을 감싸는 제1 하우징(110)과, 스테이터(300)의 외측을 감싸며 스테이터(300)가 고정되는 제2 하우징(120)과, 백요크(500)의 외측을 감싸는 제3 하우징(130)으로 각각 구성하되,
   상기 플랜지(600)는 스테이터코어(310)의 내측에서 삽입되어 스테이터코어(310)의 중앙부를 관통하여 외측으로 돌출되는 제1 볼트(30)에 의해 스테이터코어(310)와 결합되며,
   각각의 플랜지(600)는 가장자리가 제2 하우징(120) 상단과 하단에 맞닿아 제2 볼트(40)에 의해 제2 하우징(120)과 결합되고,
   상기 플랜지(600)는 내측 가장자리가 각 스테이터코어(310)의 상단부와 하단부 외측에 대응되도록 다각형 형태로 형성되고, 외측 가장자리가 하우징(100)의 내주면에 대응되도록 원 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 코어드 에어에프피엠 모터.
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