KR102167902B1 - 슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 영구자석 2단 스큐가 적용된 회전자 및 다단의 슬롯오픈 스큐가 적용된 고정자를 갖는 영구자석형 전동기는 상기 고정자의 내측 둘레를 따라 연속적으로 형성되는 복수의 슬롯오픈스큐들 중 인접하는 한쌍의 슬롯 끝단의 스큐 간에는 슬롯오픈스큐 각도 만큼 치우쳐지게 형성한다.

Description

슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기{Permanent magnet type electric motor applying slot open skew and two-stage skew of permanent magnet simultaneously}

본 발명은 슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기 기술에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석 전동기는 자속을 집중시켜 체적당 발생 토크를 증가시키기 위해 영구자석을 회전자 자극의 양쪽에 분할하고, 이를 세로방향으로 배치하여 자극을 형성하는 구조를 갖는 전동기로서, 큰 발생 토크를 갖는 반면에 큰 토크 리플을 가지는 단점이 있다.

최근의 전력전자 기술의 발전과 전동기 제어기술의 발달 및 자기회로 설계기술의 발달은 이러한 단점을 최소화시키는 것이 가능해지면서 영구자석 전동기의 큰 단위체적당 발생 토크가 최근 전동기의 소형화 요구와 부합되어 관심이 증대되고 있다.

이와 같은 영구자석 전동기는 원통 형상의 고정자와, 상기 고정자의 중공에 회전가능하게 수용되는 회전자로 이루어지며, 상기 고정자에는 중공을 형성하는 일정간격으로 슬롯이 형성되어 있고, 각각의 슬롯에는 다수의 코일에 권선된다.

회전자는 원통형의 몸체 및 상기 몸체의 중앙에 형성되어 있는 축홀에 결합되어 몸체와 함께 회전하는 샤프트를 포함하여 이루어지고, 상기 몸체의 중심부 외측에 원주방향을 따라 배치되는 다수의 영구자석이 결합된다.

한편, 기존 영구자석형 전동기의 경우에는 코깅토크(Cogging Torque), 토크리플(Torque Ripple), 역기전력 왜형률(Total Harmonics Distortion) 등의 개선이 필요하여 3단 이상의 회전자 영구자석 스큐를 적용할 경우 스큐 지그를 별도로 만들 필요가 있고, 이로 인해 제작단가가 증가하고 결국 전동기 가격이 상승하는 요인이 된다. 도 1은 기존의 회전자 영구자석 스큐방식을 보여주는 것으로서, 좌측이 영구자석 6단 스큐의 예를 보이고, 우측이 영구자석 4단 스큐의 예를 보인다.

영구자석형 전동기의 코깅토크는 고정자 상에 슬롯오픈이 존재할 경우 필연적으로 발생하는데, 코깅토크는 토크리플에 영향을 주고, 자동차의 파워스티어링 같은 분야에 적용될 경우 핸들감에 악영향을 준다. 또한, 역기전력 왜형률은 고주파 손실을 발생시키고 제어에 문제를 야기한다.

이러한 코깅토크, 토크리플, 역기전력 왜형률 등을 줄이기 위한 기술 중의 하나가 회전자 상에서 영구자석의 단 스큐(Step Skew)를 적용하는 것이며, 스큐 단의 수가 증가할 수록 코깅토크를 줄이는 효과가 크다.

그러나, 영구자석의 단 스큐를 3단 이상 적용할 경우에는 스큐지그(Skew Jig)가 추가로 필요하기 때문에 제작비용이 증가하는 문제가 있다.

(특허문헌 1) KR 10-1018712 B

본 발명은 영구자석 상에 2단 스큐가 적용된 회전자 및 슬롯오픈 스큐가 적용된 고정자를 통해 코깅토크와 토크리플의 개선, 스큐지그의 필요성 제거 및 제작비용 절감 등을 가능하게 하도록 슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기를 제공하는 것이 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영구자석 2단 스큐가 적용된 회전자 및 다단의 슬롯오픈 스큐가 적용된 고정자를 갖는 영구자석형 전동기는 상기 고정자의 내측 둘레를 따라 연속적으로 형성되는 복수의 슬롯오픈스큐들 중 인접하는 한쌍의 슬롯 끝단의 스큐 간에는 슬롯오픈스큐 각도 만큼 치우져지게형성한다.

상기 영구자석형 전동기는, 8극을 갖는 회전자 및 36슬롯을 갖는 고정자를 포함하며, 상기 고정자의 내측 둘레를 따라 연속적으로 형성되는 복수의 슬롯 중 제1 슬롯 다음에 이어지는 제2 슬롯 간에는 1.25 deg 만큼의 슬롯오픈스큐 각도가 유지된다.

상기 영구자석형 전동기는, 6극을 갖는 회전자 및 9슬롯을 갖는 고정자를 포함하며, 상기 고정자의 내측 둘레를 따라 연속적으로 형성되는 복수의 슬롯 중 제1 슬롯 다음에 이어지는 제2 슬롯 간에는 3.33 deg 만큼의 슬롯오픈스큐 각도가 유지된다.

회전자를 구성하는 2단의 영구자석 스큐 단 상에서, 상하 방향을 따라서 스큐 단 중 층간 자석이 겹치는 부분에 대해 자석의 끝단을 제거하여 겹침을 방지한다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따라 고정자 상의 슬롯오픈 스큐와 회전자 상의 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기는 스큐 단의 수를 증가시키지 않고, 4단 스큐, 6단 스큐, 8단 스큐 등 2단을 넘는 스큐를 갖는 효과를 창출한다.

본 발명은 제작비용을 낮추기 위해 스큐지그가 필요하지 않는 영구자석 2단 스큐를 적용함으로써 제작의 용이성을 높인다.

본 발명은 영구자석 상에 2단 스큐가 적용된 회전자 및 슬롯오픈 스큐가 적용된 고정자를 통해 코깅토크와 토크리플의 개선, 스큐지그의 필요성 제거 및 제작비용 절감 등을 가능하게 한다.

도 1은 기존 스큐 방식을 보이는 것으로서 회전자 영구자석 6단 및 4단 스큐 방식을 보이는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 8극 36슬롯 분포권의 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기의 적용방식을 보인다.
도 3은 슬롯오픈스큐의 적용 전후의 구조 변경을 보인다.
도 4는 회전자 상에 영구자석 2단 스큐를 적용한 경우에 볼트 구멍과 샤프트 키홈의 형성 구조를 보인다.
도 5는 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기의 고정자 및 회전자를 보인다.
도 6은 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 4단 스큐 벡터도를 보여준다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 6극 9슬롯 분포권의 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기의 적용방식을 보인다.
도 8은 6극 9슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 6단 스큐 벡터도를 보여준다.
도 9는 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈 스큐 동시적용하여 4단 스큐효과를 갖는 코깅토크파형을 보인다.
도 10은 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈 스큐 동시적용하여 4단 스큐효과를 갖는 토크리플파형을 보인다.
도 11은 영구자석 2단 스큐 상에서 층간 자석이 겹치는 부분에 대해 자석의 끝단을 제거하여 층간 자석이 겹치지 않게 하는 구조를 보인다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면 상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.

각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 8극 36슬롯 분포권의 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기의 적용방식을 보인다.

8극 36슬롯은 총 4단의 스큐를 적용하기 위해 고정자 상에서 슬롯오픈 스큐가 2단 적용되고, 회전자 상에서 영구자석 2단 스큐가 적용된다.

도 2의 좌측 그림 상에서는 8극을 갖는 회전자의 영구자석 스큐를 2 단으로 쌓은 상태를 보인다.

도 2의 우측 그림 상에서 적색 점선의 원은 슬롯오픈 스큐 0deg.에 해당하는 것으로서 0deg의 tooth tip을 보이고, 청색 점선의 원은 슬롯오픈 스큐 1.25deg.에 해당하는 것으로서 1.25deg의 tooth tip을 보인다.

도 3은 슬롯오픈스큐의 적용 전후의 구조 변경을 보이는 것으로서, 고정자에 형성된 복수의 슬롯 중 일부에 대한 확대도를 보인다.

슬롯오픈스큐 적용 전에는 연속적으로 형성되는 슬롯 끝단의 형상이 일률적으로 동일하게 형성되었지만, 슬롯오픈스큐 적용 후에는 임의의 슬롯 끝단의 스큐를 +0.625deg 만큼 치우쳐진 상태로 형성하고, 다음에 이어지는 슬롯 끝단의 스큐를 -0.625deg 만큼 치우쳐진 상태로 형성한다.

도 4는 회전자 상에 영구자석 2단 스큐를 적용한 경우에 볼트 구멍과 샤프트 키홈의 형성 구조를 보인다. 도 5는 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기의 고정자 및 회전자를 보인다.

도 4는 8극 36슬롯의 회전자의 영구자석 스큐 한 단을 나타낸다.

8극 36슬롯의 코깅 주기는 기계각 5deg.이다. 상기의 경우 2단 스큐를 적용하기 위해 2.5deg.의 스큐각을 적용해야 하며, 볼트홀과 키홈을 영구자석 사이의 중심에서 1.25deg.만큼 이동시키고, 1단과 2단 중 하나를 뒤집으면 2.5deg.의 스큐가 적용된다. 이때 1단과 2단의 볼트홀과 키홈은 일치하게 된다.

즉, 영구자석 스큐 한 단에 대해서 볼트 구멍과 키홈이 1.25 deg. 기울어져 있는데 상기의 스큐 한 단을 뒤집으면 다른 형상을 갖는 스큐 한 단이 된다. 뒤집기 전의 스큐 한 단과 뒤집은 후의 다른 스큐 한 단을 상하로 겹친 상태에서, 영구자석 상의 스큐를 주어 조립하면 볼트 구멍과 키홈은 서로 일치하게 된다.

이를 통해, 스큐 지그 없이 2단 스큐를 적용할 수 있고, 영구자석 2단 스큐를 적용할 경우 스큐지그가 필요 없는 이유를 보여준다.

도 6은 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 4단 스큐 벡터도를 보여준다.

도 6은 본 발명에서 제시하는 회전자의 영구자석 2단 스큐와 고정자의 슬롯오픈 스큐 동시 적용에 대한 스큐 벡터도를 보여주는 것으로서, 8극 36슬롯의 4단 스큐 벡터도를 나타낸다.

8극 36슬롯 상에서, 영구자석 스큐 한 단에 대해서 볼트 구멍과 키홈이 1.25 deg. 기울어져 있는바, 4단을 적용할 경우 벡터와 벡터사이의 각도는 1.25 deg.이다. 그림에서, 청색 벡터는 영구자석 단 스큐 중 한 단을 나타내고, 흑색 벡터는 다른 한 단을 나타낸다. 2 개의 흑색 벡터들은 다른 한단에서의 슬롯오픈 스큐를 나타낸다.

구체적으로, 4단 스큐 벡터도에서 상부 우측 상의 파란색 두 개의 벡터도는 1단에 대한 벡터도이며, 0deg.의 벡터와 1.25deg.의 벡터는 tooth tip의 비대칭에 의해 나타난다. 검정색의 두 개의 벡터도 마찬가지로 tooth tip의 비대칭에 의해 나타난다. 파란색 벡터와 검정색 벡터는 적층스큐에 의해 나뉘게 된다. 파란색은 첫 번째 단이고 점정색은 두 번째 단을 의미한다. 이렇게 함으로서 2단의 적층스큐와 tooth tip의 1.25deg. 비대칭으로 4단 적층스큐와 동일한 효과를 낼 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 6극 9슬롯 분포권의 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기의 적용방식을 보인다.

6극 9슬롯은 총 6단 스큐를 적용하기 위해 고정자의 슬롯오픈 스큐가 3단이 적용되고, 회전자의 영구자석 2단 스큐가 적용된다. 그림에서 청색 원은 슬롯오픈 스큐 0deg.에 해당하고, 적색 원은 슬롯오픈 스큐 3.33deg.에 해당하고, 녹색 원은 슬롯오픈 스큐 6.67deg.에 해당한다.

도 8은 6극 9슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 6단 스큐 벡터도를 보여준다.

6극 9슬롯의 코깅토크 한주기는 기계각 20deg.이므로 6단을 적용할 경우 벡터와 벡터사이의 각도는 3.333 deg.이다. 그림에서 청색 벡터는 영구자석 단 스큐 중 한 단을 나타내고, 흑색 벡터는 다른 한 단을 나타낸다. 청색인 세 개의 벡터들은 한 단에서 슬롯오픈 스큐를 나타낸다. 세 개의 흑색 벡터들은 다른 한단에서의 슬롯오픈 스큐를 나타낸다.

도 9는 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈 스큐 동시적용하여 4단 스큐효과를 갖는 코깅토크파형을 보인다.

Tooth tip 비대칭모델에 2단 적층 스큐를 적용할 경우 코깅토크가 매우 작아짐을 알 수 있다.

도 10은 8극 36슬롯 분포권을 갖는 영구자석형 전동기 상에서 영구자석 2단 스큐 및 슬롯오픈 스큐 동시적용하여 4단 스큐효과를 갖는 토크리플파형을 보인다.

한편, 그래프 상에서 확인할 수 있듯이 코깅토크 및 토크리플이 상당히 개선된 것을 확인할 수 있다.

도 11은 영구자석 2단 스큐 상에서 층간 자석이 겹치는 부분에 대해 자석의 끝단을 제거하여 층간 자석이 겹치지 않게 하는 구조를 보인다.

영구자석 2단 스큐가 적용될 경우 때때로 층간 영구자석 간 자속누설이 발생할 수 있다. 이러한 층간 자속누설을 해결하기 위해 도 11과 같이 영구자석의 끝단을 제거할 수 있다. 즉, 층간 자석이 겹치는 부분에 대해 자석의 끝단을 제거하여 층간 자석이 겹치지 않도록 한다.

하기의 표 1은 적층 스큐를 적용하지 않은 tooth tip 대칭모델과 2단 적층스큐를 적용한 tooth top 비대칭모델의 해석결과를 비교 정리한 것이다.

2단 적층스큐를 적용한 tooth top 비대칭모델의 코깅토크가 4.4Nm에서 0.1Nm로 크게 감소하였다. 또한, 토크리플은 7.9%에서 4.9%로 감소하였다. 적층스큐 및 tooth tip 비대칭을 적용하였음에도 무부하역기전력 기본파는 거의 감소하지 않았다. 무부하역기전력 THD는 15.1%에서 14.8%로 약간 감소하였다.

구분	Symmetric tooth top + Non skew	Asymmetric tooth top + 2step skew
코깅토크(peak to peak) [Nm]	4.4	0.1
무부하역기전력(1st peak) [V]	121.7	121.4
무부하역기전력 THD [%]	15.1	14.8
평균토크 [Nm]	134.8	133.4
토크리플 [%]	7.9	4.9

상술한 바와 같이 본 발명에 따라 고정자 상의 슬롯오픈 스큐와 회전자 상의 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기는 스큐 단의 수를 증가시키지 않고, 4단 스큐, 6단 스큐, 8단 스큐 등 2단을 넘는 스큐를 갖는 효과를 창출한다.

본 발명은 제작비용을 낮추기 위해 스큐지그가 필요하지 않는 영구자석 2단 스큐를 적용함으로써 제작의 용이성을 높인다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (4)

1. 영구자석 2단 스큐가 적용된 회전자 및 다단의 슬롯오픈 스큐가 적용된 고정자를 갖는 영구자석형 전동기에 있어서,
   상기 고정자에 형성된 복수개의 슬롯은 좌우 대칭 형상을 갖는 복수의 정형 슬롯오픈 스큐, 상기 정형 슬롯오픈 스큐의 일측으로 치우치도록 비대칭 형상을 갖는 제1 비정형 슬롯오픈 스큐 및 상기 정형 슬롯오픈 스큐의 타측으로 치우치도록 비대칭 형상을 갖는 제2 비정형 슬롯오픈 스큐를 포함하고,
   상기 고정자의 중심을 기준으로 상기 정형 슬롯오픈 스큐가 동일한 이격각으로 배치된 상태에서, 상기 정형 슬롯오픈 스큐를 기준으로 양측 상에 상기 제1 비정형 슬롯오픈 스큐 및 제2 비정형 슬롯오픈 스큐가 대칭적으로 형성되는,
   슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 영구자석형 전동기는,
   8극을 갖는 회전자 및 36슬롯을 갖는 고정자를 포함하며,
   상기 고정자의 내측 둘레를 따라 연속적으로 형성되는 복수의 슬롯 중 제1 슬롯 다음에 이어지는 제2 슬롯 간에는 1.25 deg 만큼의 슬롯오픈스큐 각도가 유지되는,
   슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 영구자석형 전동기는,
   6극을 갖는 회전자 및 9슬롯을 갖는 고정자를 포함하며,
   상기 고정자의 내측 둘레를 따라 연속적으로 형성되는 복수의 슬롯 중 제1 슬롯 다음에 이어지는 제2 슬롯 간에는 3.33 deg 만큼의 슬롯오픈스큐 각도가 유지되는,
   슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   회전자를 구성하는 2단의 영구자석 스큐 단 상에서,
   상하 방향을 따라서 스큐 단 중 층간 자석이 겹치는 부분에 대해 자석의 끝단을 제거하여 겹침을 방지하는,
   슬롯오픈 스큐와 영구자석 2단 스큐를 동시 적용한 영구자석형 전동기.

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