KR102232732B1 - 액셜갭 모터 - Google Patents

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Abstract

(과제) 본 발명은, 액셜갭 모터의 회전자의 지지부재에 있어서의 와전류 손실을 감소시켜서 모터의 효율을 높인다.
(해결수단) 본 발명의 액셜갭 모터는, 복수의 영구자석 세그먼트(11)가 부착된 원반모양의 지지부재(12)를 갖는 회전자(10)와, 이 회전자(10)에 대향하여 위치되고 회전자계를 발생시키기 위한 복수의 계자권선 슬롯이 배치된 고정자(20, 22)를 구비한 액셜갭 모터에 있어서, 상기 복수의 영구자석 세그먼트(11)의 각각이 장착된 상기 지지부재(12)의 부착구멍(16)과 상기 지지체(12)의 외주 가장자리부(17)의 사이에 지름방향으로 연장되는 노치부분(18)이 형성되어 있다.

Description

액셜갭 모터{AXIAL GAP MOTOR}
본 발명은 전동모터(電動motor)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 차량(車輛)의 휠(wheel) 내에 설치할 수 있고 축방향의 치수가 작은 액셜갭 모터(axial gap motor)에 관한 것이다.
화석연료의 앙등(昻騰)에 따라 하이브리드 자동차(hybrid 自動車) 및 전기자동차가 주목받고 있다. 특히 인휠형 액셜갭 모터(in-wheel型 axial gap motor)를 차륜(車輪) 내에 조립한 EV 차량(Electric Vehicle 車輛)은, 복잡하고 중량이 큰 변속기(變速機)를 필요로 하지 않기 때문에, 스페이스(space)의 유효한 활용, 비용의 감소 및 경량화(輕量化)가 가능하게 된다. 상기 인휠형 액셜갭 모터를 사용할 수 있는 차량으로서, 근거리 이동을 목적으로 하고, 1인승 또는 2인승의 소위 시티 커뮤터(city commuter)라고 부르는 소형차량이 주목받고 있다. 시티 커뮤터를 포함하는 EV차에 사용되는 인휠형 구동모터에는, 높은 성능이 요구되기 때문에 고가의 레어 어스(rare earth)를 사용하는 희토류 자석(希土類 磁石)이 지금까지 사용되고 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) : 일본국 공개특허 특개2011―055577호 공보(2011.3.17.)
(특허문헌 2) : 일본국 공개특허 특개2009―207293호 공보(2009.9.10.)
(특허문헌 3) : 일본국 공개특허 특개2006―174554호 공보(2006.6.29.)
그러나 최근 레어 어스의 가격이 앙등하여 그 입수가 곤란하게 되었기 때문에, 희토류 자석을 대신하여 저렴하고 입수가 용이한 페라이트 자석(ferrite 磁石)을 사용한 EV용 인휠 모터를 사용하는 것이 검토되고 있다. 페라이트 자석의 잔류자속밀도(殘留磁束密度)는, 희토류 자석과 비교하여 30% 정도 낮기 때문에 토크(torque)의 저하가 문제가 된다. 이 때문에, (1)토크의 증가와 축방향의 박형화(薄型化)를 기대할 수 있는 액셜갭 모터형 구조를 채용함과 아울러, (2)회전자(回轉子) 내부에 영구자석(永久磁石)을 실장한 타입(SPM type)으로 함으로써 토크를 최대로 함과 아울러 고정자 코어(固定子 core) 내에서의 철손(鐵損)을 감소시키고, (3)모터 내부의 공간을 유효하게 활용하기 위하여 고정자 내부에 감속기어(減速gear)를 장착한 5kW 사이즈의 모터 구조를 시험제작하고, 그 작동특성에 대하여 예의 실험연구를 거듭하였다. 또한 출력을 증대시키기 위하여 10kW 사이즈의 모터(16극 18슬롯(16極 18slot))를 시험제작하고, 작동특성을 측정한 결과 5kW에서는 나타나지 않았던, 회전자 내부에서의 와전류 손실(渦電流 損失)이 커지게 된다는 문제가 발생하는 것이 밝혀졌다.
따라서 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 와전류 손실이 적은 전동모터 특히 액셜갭 모터를 제공하는 것에 있다.
상기 과제는, 원반모양의 지지부재 및 이 지지부재의 허브부와 외주부의 사이에서 소정의 동일한 피치각으로 원주방향으로 떨어져서 배치된 상태로 상기 지지부재에 부착된 복수의 영구자석 세그먼트를 갖고 출력 샤프트와 함께 회전할 수 있도록 이 출력 샤프트에 고정된 회전자와, 상기 회전자의 적어도 일방의 측에서 상기 회전자에 대하여 소정의 갭을 두고 상기 회전자에 대하여 대향적으로 배치된 고정자를 구비하고, 상기 고정자의 외주부에는 회전자계를 발생시키기 위한 복수의 계자권선 슬롯이 원주방향으로 동일한 피치로 떨어져서 배치된 액셜갭 모터로서, 상기 복수의 영구자석 세그먼트의 각각이 장착된 상기 지지부재의 부착구멍과 상기 지지체의 외주 가장자리부의 사이에 지름방향으로 연장되는 노치부분이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터에 의하여 해결된다.
상기 노치부분의 각각을, 상기 지지부재의 적어도 일방의 측을 두께방향으로 얇게 한 오목부로 할 수 있다.
상기 노치부분의 각각을, 상기 지지부재의 두께방향 및 지름방향으로 관통하는 관통구멍으로 할 수 있다.
상기 노치부분의 각각을, 지름방향 외측을 향하여 폭이 점차로 좁아지게 되도록 할 수 있다.
상기 지지부재의 외주부에 절연성 고강도 재료로 구성된 림부재를 감을 수 있다.
상기 절연성 고강도 재료를, 유리섬유 또는 카본파이버 또는 고강도 고분자 섬유에 의하여 보강된 플라스틱으로 할 수 있다.
상기 노치부분의 각각에는 비도전성 재료를 충전할 수 있다.
상기 비도전성 재료를, 페놀수지, 에폭시 수지, 멜라민 수지를 포함하는 군으로부터 선택된 열가소성 수지로 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 고정자의 사이에 배치된 회전자의 지지부재에서 발생된 와전류 손실을 감소시킬 수 있어, 액셜갭 모터의 전기적 효율을 높일 수 있다.
도1은, 본 발명의 액셜갭 모터의 1실시형태를 나타내는 분해 사시 개략도이다.
도2는, 복수의 영구자석 세그먼트가 부착되고 부착구멍이 형성된 지지부재를 나타내는 사시 개략도이다.
도3은, 지지부재에 형성된 노치부분의 배치를 나타내는 지지부재의 부분 확대 평면도이다.
도4는, 본 발명에 관한 액셜갭 모터의 실시예와 지지부재에 노치부분을 형성하지 않은 종래의 액셜갭 모터(비교예)의 성능 차이를 나타내는 실험결과를 나타내는 도면이다.
도5는, 회전속도 및 토크를 동일한 조건으로 하였을 때의 비교예(노치부분 없음)와 실시예(노치부분 있음)의 각각의 효율을 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명 1실시형태에 대하여 설명하지만, 이 실시예는 단지 발명을 설명하기 위한 것에 지나지 않으며, 본 발명은 이 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
우선 도1을 참조한다. 여기에는 본 발명에 관한 액셜갭 모터(axial gap motor)가 나타나 있다. 이 액셜갭 모터는, 도면에 나타내지 않고 있는 출력 샤프트(出力 shaft)와 함께 회전하도록 고정된 회전자(回轉子)(10)와, 이 회전자(10)의 양측에서 소정의 갭(gap)을 두고 회전자(10)에 대향(對向)하여 배치된 고정자(固定子)(20, 22)로 주로 하여 구성되어 있다.
도1에서는, 도면에 나타내지 않은 출력 샤프트가 접속된 감속기(減速機)(30)가 고정자(20)의 내측공간에 배치되고, 타방(他方)의 고정자(22)의 내측공간에 리졸버(resolver)(40)가 배치되어, 회전자(10)의 회전위치를 검출할 수 있도록 되어 있다. 고정자(20, 22)는, 적절한 수단을 통하여 본 액셜갭 모터의 하우징(housing)(도면에는 나타내지 않는다)에 부착되어 있다. 이러한 배치에 의하여, 축방향의 치수가 작아지게 되어 액셜갭 모터를 EV용 차륜(Electric Vehicle用 車輪) 내에 인휠 모터(in-wheel motor)로서 설치하는 것이 더 용이하게 되어 있다.
다음에 도2를 참고한다. 도2에 나타낸 액셜갭 모터는, 하기와 같이 회전자(10)가 종래의 액셜갭 모터의 회전자와 다르게 되어 있다. 회전자(10)는, 출력 샤프트(도면에는 나타내지 않는다)와 함께 회전하도록 고정된 원반모양의 지지부재(支持部材)(12)를 포함하고, 이 지지부재(12)는, 중심의 허브부(hub部)(13)와, 복수의 영구자석 세그먼트(永久磁石 segment)(11)가 부착된 외주부(外周部)(14)로 이루어진 소위 코어리스 회전자(coreless 回轉子) 형상으로 되어 있으며, 비자성체(非磁性體) 예를 들면 스테인리스 스틸(stainless steel)로 구성되어 있다.
도1에 명료하게 나타내는 바와 같이 회전자(10)에 있어서 지지부재(12)의 외주부(14)에는 복수의 영구자석 세그먼트(11)가 원주방향으로 동일한 회전각으로 떨어져서 배치되어 있다. 이 영구자석 세그먼트(11)는, 고가인 희토류(希土類)를 포함하지 않는 페라이트 자석(ferrite 磁石)으로 구성되어 있다. 이들 영구자석 세그먼트(11)는, 영구자석 세그먼트(11)와 동일한 형상이 되도록 지지부재(12)에 형성된 부착구멍(16)에 결합되어 고정되어 있다. 고정방법으로서, 수축 끼워맞춤(shrinkage fit(燒き嵌め)), 접착제를 사용한 접착방법, 전기스폿용접(電氣spot鎔接) 등을 사용할 수 있다.
토크리플(torque ripple) 및 코깅토크(cogging torque)를 감소시키기 위하여 영구자석 세그먼트(11)의 측면에는, 소정의 스큐각(skew angle, 斜角)(중심축으로부터 연장되는 방사상축(放射狀軸)에 대한 영구자석 세그먼트(11)의 측면의 각도)이 형성되어, 평면형상이 대략 사다리꼴로 되어 있다. 이들 영구자석 세그먼트(11)의 사이에는 스포크모양 부분(spoke狀 部分)(15)이 형성되고, 이들 스포크모양 부분(15)은 허브부(13)로부터 지지부재(12)의 외주 가장자리부(17)까지 지름방향으로 연장되어 있다.
도1부터 도3에 나타내는 바와 같이 영구자석 세그먼트 관통구멍(18)의 외측의 중심으로부터 지지부재(12)의 외주 가장자리부(17)까지 지름방향으로 노치부분(notch部分)(18)이 연장되어 있다. 이 노치부분(18)은, 지지부재(12)의 두께방향으로 완전하게 관통하는 구멍이더라도 좋고, 지지부재(12)에서 와전류(渦電流)가 발생하지 않을 정도로 재료를 제거한 비관통구멍이더라도 좋다. 이 때문에, 영구자석 세그먼트(11)와 동일한 수의 관통구멍(18)이 지지부재(12)의 외주 가장자리부(17)에 동일한 간격으로 위치한다. 이들 노치부분(18)을 형성한 것에 의한 지지부재(12)의 강도저하 및 지지부재(12)의 주변에 있어서의 난류(亂流) 발생을 방지하기 위하여, 이들 노치부분(18)에 비도전성(非導電性) 및 내열성(耐熱性)을 갖는 수지(樹脂), 예를 들면 페놀 수지(phenol 樹脂), 에폭시 수지(epoxy 樹脂), 멜라민 수지(melamine 樹脂)를 충전(充塡)하고, 충전면과 지지부재(12)의 표면을 하나의 면으로 하는 것이 바람직하다.
도3에 과장된 상태로 나타내는 바와 같이 부착구멍(16)으로부터 지지부재(12)의 외주 가장자리부(17)까지 지름방향 외측을 향하여 폭이 점차로 좁아지도록 노치부분(18)을 형성하더라도 좋다. 이러한 형상으로 함으로써, 지지부재(12) 즉 회전자(10)가 고속회전할 때에 발생하는 원심력(遠心力)에 의하여 충전재료가 튀어나가는 것을 억제할 수 있다.
또한 지지부재(12)의 외주 가장자리부(17)의 주위에 절연성 고강도 재료(絶緣性 高强度 材料)로 구성된 림부재(rim部材)(19)를 감아도 좋다. 이 절연성 고강도 재료를, 유리섬유(glass纖維) 또는 카본파이버(carbon fiber)에 의하여 보강된 플라스틱(plastic)으로 할 수 있다. 이러한 림부재(19)를 형성함으로써 지지부재(12)의 강도저하를 보상함과 아울러 충전재료가 튀어나가는 것을 억제할 수 있다. 이와 같이 림부재(19)를 형성함으로써 실제로 고속회전(10000rpm) 버스트 시험(burst 試驗)(안전율 2배)에 견디는 것을 알았다.
노치부분(18)을 형성하지 않은 비교예인 모터와, 노치부분(18)을 형성한 실시예인 액셜갭 모터(10kW)에 대하여 실시한 특성비교시험의 결과가 도4에 나타나 있다. 이 표에서 알 수 있는 바와 같이 비교예의 모터를 1600rpm으로 회전시켰을 때의 와전류 손실은 169.98W인 것에 대하여, 노치부분을 형성한 실시예의 모터를 동일한 1600rpm으로 회전시켰을 때의 와전류 손실은 9.90W이고, 비교예의 모터를 2800rpm으로 회전시켰을 때의 와전류 손실은 47.75W인 것에 대하여, 노치부분을 형성한 실시예의 모터를 동일한 2800rpm으로 회전시켰을 때의 와전류 손실은 6.06W이며, 또한 비교예의 모터를 5000rpm으로 회전시켰을 때의 와전류 손실은 778.96W인 것에 대하여, 노치부분을 형성한 실시예의 모터를 동일한 5000rpm으로 회전시켰을 때의 와전류 손실은 62.52W가 되었다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하여, 회전자(10)를 구성하는 지지부재(12)의 외주 가장자리부(17)의 노치부분(18)을 형성함으로써, 노치부분(18)을 형성하지 않았을 경우에 흐르고 있었던 와전류가 차단 또는 감소되어 모터에서 발생하고 있었던 와전류 손실이 저하된다.
또한 도5에 나타내는 바와 같이 그래프상의 Ａ점, B점, C점의 각각에 있어서, 노치부분을 형성한 실시예의 모터와 노치부분을 형성하지 않은 비교예의 모터의 회전속도와 토크를 동일하게 한 상태에서 각각의 모터의 효율을 측정하였다. 그래프로부터, 노치부분을 형성한 실시예인 모터의 쪽이 모두 효율이 높은 것을 알 수 있다.
회전자(10)의 양측에 소정의 갭을 두고 배치되는 각 고정자(20, 22)에는, 영구자석 세그먼트(11)와 대향하도록 복수의 슬롯(slot) 및 그들 사이의 슬롯이 원주방향으로 동일한 피치각(pitch角)으로 떨어져서 배치되어 있지만, 액셜갭 모터의 고정자의 구조는 당업자에게는 주지이기 때문에 그에 대한 설명은 생략한다.
10 : 회전자
11 : 영구자석 세그먼트
12 : 지지부재
13 : 허브부
14 : 외주부
15 : 스포크모양 부분
16 : 부착구멍
17 : 외주 가장자리부
18 : 노치부분(관통구멍)
19 : 림부재
20, 22 : 고정자

Claims (8)

  1. 회전자(回轉子)와,
    상기 회전자의 적어도 일방(一方)의 측에서 상기 회전자에 대하여 소정의 갭(gap)을 두고 상기 회전자에 대하여 대향적(對向的)으로 배치된 고정자(固定子)를
    구비하고,
    상기 회전자는,
    원반모양의 지지부재와,
    이 지지부재의 허브부(hub部)와 외주부(外周部)의 사이에서 동일한 피치각(pitch角)으로 원주방향으로 떨어져서 배치된 상태로 상기 지지부재에 부착된 복수의 영구자석 세그먼트(永久磁石 segment)를
    갖고, 출력 샤프트(出力 shaft)와 함께 회전할 수 있도록 이 출력 샤프트에 고정되고,
    상기 고정자의 외주부에는 회전자계(回轉磁界)를 발생시키기 위한 복수의 계자권선 슬롯(界磁捲線 slot)이 원주방향으로 동일한 피치각으로 떨어져서 배치되어 있는 액셜갭 모터(axial gap motor)에 있어서,
    상기 복수의 영구자석 세그먼트의 각각이 부착된 상기 지지부재의 부착구멍과 상기 지지부재의 외주 가장자리부의 사이에 지름방향으로 연장되는 노치부분(notch 部分)이 형성되고,
    상기 노치부분의 각각에는, 비도전성 재료(非導電性 材料)가 충전(充塡)되어 있는 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노치부분의 각각은, 상기 지지부재의 적어도 일방의 측을 두께방향으로 얇게 한 오목부인 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노치부분의 각각은, 상기 지지부재의 두께방향 및 지름방향으로 관통하는 관통구멍인 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 노치부분의 각각은, 지름방향 외측을 향하여 폭이 점차로 좁아지게 되어 있는 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 지지부재의 외주부에 절연성 고강도 재료(絶緣性 高强度 材料)로 구성된 림부재(rim 部材)가 감겨 있는 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 절연성 고강도 재료는, 유리섬유(glass纖維) 또는 카본파이버(carbon fiber) 또는 고강도 고분자 섬유(高强度 高分子 纖維)에 의하여 보강된 플라스틱(plastic)인 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 비도전성 재료는, 페놀 수지(phenol 樹脂), 에폭시 수지(epoxy 樹脂), 멜라민 수지(melamine 樹脂)를 포함하는 군(群)으로부터 선택된 열가소성 수지(熱可塑性 樹脂)인 것을 특징으로 하는 액셜갭 모터.
  8. 삭제
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