KR102168628B1 - 전동식 압축기 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징의 내부에 환형으로 배치된 고정자와, 원통형으로 고정자의 내측에 공극을 두고 회전 가능하게 위치하고 원주방향으로 외곽을 따라 서로 이격되게 복수개의 영구자석들이 삽입되는 회전자를 포함하는 전동식 압축기 모터에 있어서, 회전자는 외주면을 따라 복수개가 이격 배치된 코깅토크 저감수단을 형성하고, 코깅토크 저감수단은, 영구자석 사이에 위치하고 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 형성되며, 평편한 형상으로 공극의 릴럭턴스를 변화시키는 한 쌍의 커트면부과, 커트면부 사이의 외주면에 길이방향을 따라 형성되고, 오목한 형상으로 누설자속을 저감시키는 하나 또는 복수개의 홈부를 포함하는 전동식 압축기 모터를 제공한다.
따라서 코깅 토크를 저감하여 제어성 저하를 방지하고, 초기 구동에 민감한 모터의 경우 코깅 토크 저감으로 인하여 모터 제어를 용이하게 할 수 있으며, 코깅 토크를 저감하여 코깅 토크 주파수 대역에서 진동이 커지는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인한 소음을 줄일 수 있다.

Description

전동식 압축기 모터 {Electromotive compressor motor}

본 발명은 전동식 압축기 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 공기조화시스템에 적용되는 전동식 압축기 모터의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 전동식압축기의 구동부는, 전동식압축기의 회전력을 발생시키는 부분으로서, 전동식압축기 하우징의 내부에 위치하고 코일이 권선되며 환형으로 형성된 고정자와, 상기 고정자의 내측에 위치하고 영구자석을 구비하는 회전자를 포함하며, 상기 회전자의 중심부에는 상기 회전자와 일체로 연동되면서 회전하는 구동축이 축결합되어 있다. 이러한 전동식압축기 구동부에 대한 기술의 예로 대한민국공개특허 제10-2011-012680호의 전동식스크롤압축기 구동부의 구조가 개시된 바 있다.

한편, 상기한 종래의 전동식압축기의 구동부는 IPM타입의 릴럭턴스 토크를 사용하는 모터로서 코깅토크를 가지고 있으며, 상기 코깅토크는 모터의 비균일 토크로서 자기에너지가 최소인 평형상태로 이동하려는 반경방향의 힘으로서, 고정자가 슬롯(Slot)과 회전자의 자극의 상호작용에 의해 발생한다.

그런데, 상기한 종래의 전동식압축기는 IPM타입의 모터로서 높은 공극 자속밀도로 인하여 코깅 토크가 크고, 이러한 코깅 토크로 인하여 기동 시 제어성이 떨어질 뿐만 아니라 코깅 토크 주파수 대역에서 진동이 커지는 문제점이 있었다.

본 발명은, 코깅토크를 저감하여 기동 시 제어성의 저하를 방지하고, 코깅 토크 주파수 대역에서 진동이 커지는 것을 방지할 수 있는 전동식 압축기 모터를 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징의 내부에 환형으로 배치된 고정자와, 원통형으로 상기 고정자의 내측에 공극을 두고 회전 가능하게 위치하고 원주방향으로 외곽을 따라 서로 이격되게 복수개의 영구자석들이 삽입되는 회전자를 포함하는 전동식 압축기 모터에 있어서, 상기 회전자는 외주면을 따라 복수개가 이격 배치된 코깅토크 저감수단을 형성하고, 상기 코깅토크 저감수단은, 상기 영구자석 사이에 위치하고 상기 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 형성되며, 평편한 형상으로 상기 공극의 릴럭턴스를 변화시키는 한 쌍의 커트면부과, 상기 커트면부 사이의 상기 외주면에 길이방향을 따라 형성되고, 오목한 형상으로 누설자속을 저감시키는 하나 또는 복수개의 홈부를 포함하는 전동식 압축기 모터를 제공한다.

여기서, 상기 홈부는, 상기 한 쌍의 커트면부과 연결되는 한 쌍의 제1홈부와, 상기 한 쌍의 제1홈부 사이에 배치되는 제2홈부를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 회전자의 중심(O)으로부터의 반경을 R1, 상기 회전자의 중심으로부터 상기 커트면부까지의 반경을 R2, 상기 회전자의 중심으로부터 상기 제2홈부의 최저면까지의 반경을 R3라고 하며, 상기 R1, R2 및 R3는 하기의 수학식1과 수학식2를 만족하는 것이 바람직하다.

수학식1

수학식2

또한, 상기 회전자의 중심으로부터 상기 영구자석의 중심축선을 L2라고 하고, 자극 중심축 양 끝단의 점 G를 지나는 선을 L1이라고 하며, L2와 L1이 서로 이루는 각을 θ1이라고 하고, 상기 L2와 상기 회전자의 중심으로부터 상기 커트면부의 시작점을 지나는 선까지 이루는 각을 θ2라 할 때, 상기 θ1과 θ2는 하기의 수학식3과 수학식4를 만족하는 것이 바람직하다.

수학식3

이며,

수학식4

한편, 상기 고정자는, 중앙부에 상기 회전자가 배치되도록 환형으로 이루어지며, 상기 회전자의 외주면과 대면하는 복수개의 슈(Stator shoe)를 갖는 고정자슬롯을 포함하며, 상기 회전자의 중심으로부터 상기 영구자석의 중심축선을 L2라고 하고, 상기 L2에서 자극 공극부 끝까지의 길이를 B라하고, 상기 L2에서 상기 고정자슬롯의 슈 말단까지의 길이를 A라 할 때, 상기 A는 상기 B 보다 작게 형성(A<B)되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 전동식 압축기 모터는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 코깅 토크를 저감하여 제어성 저하를 방지하고, 초기 구동에 민감한 모터의 경우 코깅 토크 저감으로 인하여 모터 제어를 용이하게 할 수 있다.

둘째, 코깅 토크를 저감하여 코깅 토크 주파수 대역에서 진동이 커지는 것을 방지할 수 있으며, 이로 인한 소음을 줄일 수 있다.

셋째, 코깅 토크를 저감하여 모터 성능을 향상시킬 수 있다.

넷째, 경부하 운전 시 토크 리플에 영향을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전동식 압축기 모터의 고정자와 회전자의 구조를 개략적으로나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 커트면부와 홈부를 나타내는 확대도이다.
도 3은 전동식 압축기 모터의 비교예에 따른 코깅토크의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 4는 도 1의 전동식 압축기 모터의 코깅토크의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 5는 도 1의 전동식 압축기 모터의 코깅토크 추이를 나타내는 그래프이다.
도 6 내지 도 8은 도 1의 전동식 압축기 모터의 각 실시예에 따른 코깅토크의 파형을 나타내는 그래프이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전동식 압축기 모터(400)는, 냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징(미도시)의 내부에 배치되며, 고정자(100)와, 상기 고정자(100)의 내측에 회전 가능하게 배치되는 회전자(200)와, 코깅토크(Cogging torque)를 저감시키기 위한 코깅토크 저감수단(300)을 포함한다.

여기서, 상기 고정자(100)는, 집중권 방식의 스테이터(Stator)로서 내측 중앙부에 공간을 두고 환형으로 이루어져 있으며, 중앙부에 공간을 갖는 환형의 고정자슬롯(110)과, 상기 고정자슬롯(110)에 권선되는 코일(118)을 포함한다. 상세하게, 상기 고정자슬롯(110)은, 일측면이 상기 회전자(200)의 외주면과 대면하는 복수개의 슈(Shoe;112)와, 상기 슈(112)의 타측면으로부터 반경 방향으로 일체로 돌출 연장되고 외측으로 상기 코일이 권선되는 복수개의 치(Teeth;114)와, 내측면이 상기 치들의 외측에 일체로 형성되고 호형상의 외주면은 상기 하우징의 내주면과 대면하는 헤드부(116)를 포함한다.

한편, 상기 고정자(100)는 도시된 바와 같이 환형의 하나의 몸체로 이루어진 고정자슬롯(110)을 예로 하였지만, 이 외 용량대비 사이즈를 축소할 수 있으며 출력향상을 도모할 수 있는, 복수 개의 분할코어를 환형으로 배열 결합한 고정자를 적용할 수도 있다. 또한, 상기 고정자(100)에 대한 상세한 설명은 공지의 고정자의 구성과 대응되므로 생략하기로 한다.

상기 회전자(200)는, IPM타입(Interior permanent magnet type)의 로터(Rotor)로서 원통형으로 상기 고정자(100)의 내측에 일정 공극(201)을 두고 회전 가능하게 배치되며, 중심부에 구동축(202)이 결합되어 있다.

상기 회전자(200)는 영구자석(210)들이 삽입되는 로터코어와, 상기 로터코어의 원주방향으로 외곽을 따라 서로 다른 극을 갖고 등간격으로 서로 이격되게 배열 삽입된 복수개의 영구자석(210)들을 포함한다. 이때, 상기 영구자석(210)의 양쪽 끝부분에는 일정공간의 스페이서(212)를 형성하여, 자기저항을 크게 하여 자속 누설을 방지할 수 있도록 한다.

이하에서는, 본원 발명의 전동식 압축기 모터(400)의 코깅토크를 저감시킬 수 있는 코깅토크 저감수단(300)에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.

도 2를 참조하면, 상기 코깅토크 저감수단(300)은, 상기 영구자석(210) 사이에 상기 회전자(200)의 외주면을 따라 복수개가 이격 배치되며, 상기 회전자(200)의 외주면에 형성된 한 쌍의 커트면부(310)와, 하나 또는 복수개의 홈부를 포함한다.

먼저, 상기 커트면부(310)는, 한 쌍으로 상기 영구자석(210)들 사이에 위치하되 각각은 영구자석(210)의 말단부와 즉 스페이서(212)에 대응되는 부분에 위치하고, 상기 회전자(200)의 외주면에 길이방향을 따라 형성되어, 상기 공극(201)의 릴럭턴스(자기저항)를 변화시켜 코깅토크를 저감시키는 역할을 한다.

상기 커트면부(310)는 측면 형상이 평편하게 되어 있으며, 한 쌍에 대하여 외측에서 서로가 만나는 내측으로 커트된 것과 같이 평편하게 형성되어 있다.

다음으로, 상기 홈부는, 상기 한 쌍의 커트면부(310) 사이에 위치하고 상기 회전자(200)의 상기 외주면에 길이방향을 따라 오목한 형상으로 형성되어, 누설자속을 저감시키는 역할을 한다.

상세하게, 상기 홈부는, 일측이 상기 커트면부(310)와 연결되는 한 쌍의 제1홈부(320)와, 상기 한 쌍의 제1홈부(320) 사이에 위치하는 하나의 제2홈부(330)를 포함한다.

이하에서는, 상기 커트면부(310)와 상기 홈부의 구성상의 특징에 대하여 상세하게 살펴보기로 한다.

먼저, 상기 고정자(100)는 상기 회전자(200)의 중심(O)로부터 SR의 반지름을 이루고 있으며, 상기 회전자(200)의 중심으로부터의 반경을 R1이라 하고, 상기 회전자(200)의 중심으로부터 상기 커트면부(310)까지의 반경을 R2라고 하며, 상기 회전자(200)의 중심으로부터 상기 제2홈부(330)의 최저면까지의 반경을 R3라고 한다.

여기서, 상기 R2와 R3는 상기 회전자(200)의 최대 외경 R1의 내부에 있으며, 상기 R1, R2 및 R3는 하기의 수학식1과 수학식2를 만족한다.

또한, 상기 전동식 압축기 모터(400)는, 상기 회전자(200)의 중심으로부터 상기 영구자석(210)의 중심축선을 L2라고 하고, 자극 중심축 양 끝단의 점 G를 지나는 선을 L1이라고 하며, L2와 L1이 서로 이루는 각을 θ1이라고 하고, 상기 L2와 상기 회전자(200)의 중심으로부터 상기 커트면부(310)의 시작점을 지나는 선까지 이루는 각을 θ2라 할 때, 상기 θ1과 θ2는 하기의 수학식3과 수학식4를 만족한다.

나아가, 상기 고정자(100)는, 중앙부에 상기 회전자(200)가 배치되도록 환형으로 이루어지며, 상기 회전자(200)의 외주면과 대면하는 복수개의 슈(112)를 갖는 고정자슬롯(110)을 포함하며, 상기 회전자(200)의 중심으로부터 상기 영구자석(210)의 중심축선을 L2라고 하고, 상기 L2에서 자극 공극부 끝까지의 길이를 B라하고, 상기 L2에서 상기 고정자슬롯(110)의 슈(112) 말단까지의 길이를 A라 할 때, 상기 A는 상기 B 보다 작게 형성(A<B)되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 회전자(200)의 외주면에 위치하는 점D, F, H는 R1선상의 점이고, 상기 회전자(200)의 외주면에 위치하는 점G는 θ3의 각도로 오목 형상부를 갖는다. 또한, 상기 R2는 선분 DEF 선상 내에 위치하고 있다.

상기한 커트면부(310)와 홈부의 구성에 대한 본원 발명의 각 실시예와 비교예에 대한 코깅토크의 실험결과를 도 3 내지 8을 참조하여 살펴보기로 한다.

먼저, 아래의 표1은 비교예와 본원 발명의 각 실시예에 대한 조건들을 나타낸다.

이를 토대로 상기한 기존의 비교예(MI)와 본원 발명의 실시예 중 M22의 코깅토크의 파형을 나타낸 그래프인 도 3 및 도 4를 참조하면, 본원 발명의 전동식 압축기 모터(400)의 코깅토크가 기존의 종래의 전동식 압축기 모터와 비교하여 코깅토크가 현저하게 감소함을 확인할 수 있으며, 데이터상으로는 65%가량의 코깅토크 저감을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같이, 본원 발명의 전동식 압축기 모터(400)는, 회전자(200) 외주면에 커트면부(310)과 홈부로 이루어진 코깅토크 저감수단(300)을 통하여, 공극(201)의 릴럭턴스(자기저항)를 변경함으로써 상기 회전자(200)의 위치에 따른 자기적 에너지 변화를 최소화하여 코깅 토크를 저감할 수 있으며, 이를 통하여 모터의 성능 향상은 물론 초기구동에 민감한 경우 제어가 용이하고, 코깅 토크 주파수 대역의 진동이 감소되고, 경부하 운전 시 토크 리플에 영향을 줄일 수 있다.

이하에서는, 상기한 본원 발명 중 각 세부조건에 따른 코킹토크에 대하여 살펴보기로 한다.

먼저, 도 5는 본원 발명의 각 실시예에 따른 코깅토크의 추이를 나타낸 그래프이다. 이를 살펴보면, M22에서 코깅토크가 가장 낮은 것을 확인 할 수 있으며, 이러한 조건이 구성상 가장 우수함을 알 수 있다.

또한 상기한 결과는, 상기한 조건 중 M11,M21,M31에서의 코깅토크의 파형을 나타내는 도 6과, M12,M22,M32에서의 코깅토크의 파형을 나타내는 도 7과, M1,M23,M33에서의 코깅토크의 파형을 나타내는 도 8에서도 확인할 수 있는데, 그래프를 살펴보면, 마찬가지로 도 7의 M12,M22,M32의 코깅토크가 적음을 알 수 있으며, 이중 M22에서의 코깅토크가 가장 적다는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

100... 고정자 110... 고정자슬롯
112... 슈 114... 치
116... 헤드부 200... 회전자
201... 공극 202... 구동축
210... 영구자석 212... 스페이서
300... 코깅토크 저감수단 310... 커트면부
320... 제1홈부 330... 제2홈부
400... 전동식 압축기 모터

Claims (5)

1. 냉매가 흡입되고 흡입된 냉매가 압축되어 배출되는 하우징의 내부에 환형으로 배치된 고정자와, 원통형으로 상기 고정자의 내측에 공극을 두고 회전 가능하게 위치하고 원주방향으로 외곽을 따라 서로 이격되게 복수개의 영구자석들이 삽입되는 회전자를 포함하는 전동식 압축기 모터에 있어서,
   상기 회전자는 외주면을 따라 복수개가 이격 배치된 코깅토크 저감수단을 형성하고,
   상기 코깅토크 저감수단은,
   상기 영구자석 사이에 위치하고 상기 회전자의 외주면에 길이방향을 따라 형성되며, 평편한 형상으로 상기 공극의 릴럭턴스를 변화시키는 한 쌍의 커트면부과,
   상기 커트면부 사이의 상기 외주면에 길이방향을 따라 형성되고, 오목한 형상으로 누설자속을 저감시키는 하나 또는 복수개의 홈부를 포함하되,
   상기 홈부는, 상기 한 쌍의 커트면부과 연결되는 한 쌍의 제1홈부와, 상기 한 쌍의 제1홈부 사이에 배치되는 제2홈부를 포함하는 전동식 압축기 모터.
   
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전자의 중심(O)으로부터의 반경을 R1, 상기 회전자의 중심으로부터 상기 커트면부까지의 반경을 R2, 상기 회전자의 중심으로부터 상기 제2홈부의 최저면까지의 반경을 R3라고 하며,
   상기 R1, R2 및 R3는 하기의 수학식1과 수학식2를 만족하는 전동식 압축기 모터.
   수학식1
   

   

   
   수학식2
   

   

   
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전자의 중심으로부터 상기 영구자석의 중심축선을 L2라고 하고, 자극 중심축 양 끝단의 점 G를 지나는 선을 L1이라고 하며, L2와 L1이 서로 이루는 각을 θ1이라고 하고, 상기 L2와 상기 회전자의 중심으로부터 상기 커트면부의 시작점을 지나는 선까지 이루는 각을 θ2라 할 때,
   상기 θ1과 θ2는 하기의 수학식3과 수학식4를 만족하는 전동식 압축기 모터.
   수학식3
   

   

   이며,
   수학식4
   

   

   
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정자는, 중앙부에 상기 회전자가 배치되도록 환형으로 이루어지며, 상기 회전자의 외주면과 대면하는 복수개의 슈(Stator shoe)를 갖는 고정자슬롯을 포함하며,
   상기 회전자의 중심으로부터 상기 영구자석의 중심축선을 L2라고 하고, 상기 L2에서 자극 공극부 끝까지의 길이를 B라하고, 상기 L2에서 상기 고정자슬롯의 슈 말단까지의 길이를 A라 할 때, 상기 A는 상기 B 보다 작게 형성(A<B)되는 전동식 압축기 모터.

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