KR102242638B1 - 슬롯리스 전동기의 공극 자속 최대화를 위한 회전자 및 이를 포함하는 슬롯리스 전동기 - Google Patents

슬롯리스 전동기의 공극 자속 최대화를 위한 회전자 및 이를 포함하는 슬롯리스 전동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 슬롯리스 전동기의 공극 자속 최대화를 위한 회전자 및 이를 포함하는 슬롯리스 전동기를 개시한다. 본 발명에 따르면, 회전축이 삽입되는 코어부, 상기 코어부로부터 소정 거리 이격되어 외주면을 형성하는 리브 및 상기 코어부에서 상기 리브로 연장되는 복수의 웨지를 포함하는 자석 수용부, 상기 코어부, 리브 및 상기 웨지에 의해 형성되는 복수의 구획된 공간에 배치되는 영구자석을 포함하되, 상기 영구자석은 상기 복수의 구획된 공간의 일부에 배치되는 N극 영구자석, 상기 복수의 구획된 공간 중 나머지에 배치되는 S극 영구자석 및 상기 N극 영구자석과 상기 S극 영구자석 사이에 배치되는 복수의 할바흐 배열 영구자석을 포함하는 슬롯리스 전동기의 회전자가 제공된다.

Description

슬롯리스 전동기의 공극 자속 최대화를 위한 회전자 및 이를 포함하는 슬롯리스 전동기{Rotor for maximizing air-gap magnetic flux in slotless motor and slotless motor including the same}
본 발명은 슬롯리스 전동기의 공극 자속 최대화를 위한 회전자 및 이를 포함하는 슬롯리스 전동기에 관한 것이다.
전동기는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계적에너지로 바꾸는 장치로서, 일반적으로 모터(motor)를 말한다.
일반적인 전동기에서 고정자는 전기자 코일을 감기 위한 치 구조와 슬롯오프닝 구조를 가지고 있으며 치는 자속의 통로 역할을 하도록 철심으로 이루어져 있다.
철심으로 이루어진 치 구조는 퍼미언스(permeance)가 공기에 비해 커서 높은 공극 자속 밀도를 얻게 해주지만 슬롯오프닝에 의한 코깅토크의 발생이 불가피하다.
이에, 근래에는 슬롯이 없는 슬롯리스 전동기가 코깅토크 및 토크리플이 거의 없다는 장점 때문에 널리 사용되고 있다.
슬롯리스 전동기는 진동, 소음이 적어 고정밀 제어를 필요로 하는 다양한 산업분야에서 서보 및 구동 전동기로 사용되고 있다.
현재 상용화되고 있는 슬롯리스 전동기의 경우, 치 및 슈 구조가 존재하지 않고 고정자 권선을 고정자 요크측에 본딩하거나 고정자 비자성체 요크에 감는 구조이다.
따라서 공극 자속밀도의 향상을 위해 회전자의 구조 및 영구자석의 배치 설계가 중요하다. 종래에는 표면부착형 영구자석 또는 매입형 영구자석이 주로 이용된다.
도 1은 종래기술에 다른 표면부착형 또는 매입형 영구자석 슬롯리스 전동기의 유효자속 및 누설자속을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 표면부착형 또는 매입형 영구자석 회전자의 경우, 영구자석의 착자 방향은 평행방향 또한 원통방사방향이다. 이에 따라 공극 사이의 자속밀도가 한정적이며 누설자속이 많이 발생하는 단점이 있다.
한국공개특허공보 제10-2011-0048935호
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 공극 사이에서 발생하는 누설자속을 감소시키고 출력을 높일 수 있는 슬롯리스 전동기의 공극 자속 최대화를 위한 회전자 및 이를 포함하는 슬롯리스 전동기를 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 슬롯리스 전동기의 회전자에 있어서, 회전축이 삽입되는 코어부, 상기 코어부로부터 소정 거리 이격되어 외주면을 형성하는 리브 및 상기 코어부에서 상기 리브로 연장되는 복수의 웨지를 포함하는 자석 수용부; 상기 코어부, 리브 및 상기 웨지에 의해 형성되는 복수의 구획된 공간에 배치되는 영구자석을 포함하되, 상기 영구자석은 상기 복수의 구획된 공간의 일부에 배치되는 N극 영구자석, 상기 복수의 구획된 공간 중 나머지에 배치되는 S극 영구자석 및 상기 N극 영구자석과 상기 S극 영구자석 사이에 배치되는 복수의 할바흐 배열 영구자석을 포함하는 슬롯리스 전동기의 회전자가 제공된다.
상기 자석 수용부는 절연 재질로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 할바흐 배열 영구자석은 상기 복수의 웨지 각각을 기준으로 N극 영구자석 측에 인접하게 배치되는 제1 영구자석 및 상기 S극 영구자석 측에 배치되는 제2 영구자석을 포함하고, 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석은 동일한 착자 각도를 가질 수 있다.
상기 복수의 할바흐 배열 영구자석은 상기 복수의 웨지 각각을 기준으로 N극 영구자석 측에 인접하게 배치되는 제3 영구자석 및 제4 영구자석과 상기 S극 영구자석 측에 배치되는 제5 영구자석 및 제6 영구자석을 포함하고, 상기 제3 영구자석 내지 제6 영구자석은 착자 각도가 45도 차이를 가질 수 있다.
상기 리브와 상기 영구자석의 두께비는 1: 16 내지 1:17 범위를 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기한 회전자를 갖는 슬롯리스 전동기가 제공된다.
본 실시예에 따르면, 슬롯리스 전동기에 할바흐 배열을 적용하여 자속밀도를 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 다른 표면부착형 또는 매입형 영구자석 슬롯리스 전동기의 유효자속 및 누설자속을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 할바흐 자석 배열을 갖는 슬롯리스 전동기의 구조를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 4는 본 실시예에 따른 자석 수용부의 구성을 도시한 도면이다.
도 5 내지 도 6은 본 실시예에 따른 슬롯리스 전동기에 할바흐 배열 영구자석을 배치한 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 리브의 두께(d1)와 영구자석의 두께(d2)를 나타낸 도면이다.
도 8은 서로 다른 RPM에서 리브와 영구자석의 두께비를 달리하여 실험한 결과를 나타낸 것이다.
도 9는 종래의 표면부착형 영구자석 슬롯리스 전동기의 회전자와 본 실시예에 따른 슬롯리스 전동기의 회전자를 적용한 경우의 무부하 역기전력 파형을 비교한 것이다.
도 10a는 기존 모델을 도시한 도면이고, 도 10b는 본 실시예에 따른 회전가 구성을 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 할바흐 자석 배열을 갖는 슬롯리스 전동기의 구조를 도시한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 슬롯리스 전동기는 자석 수용부(200), N극 영구자석(202), S극 영구자석(204), 할바흐 배열 영구자석(206), 권선(208) 및 고정자(210)를 포함할 수 있다.
도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 자석 수용부(200)는 중심에 회전축이 삽입되는 코어부(300), 코어부(300)로부터 외주면 방향으로 연장되는 웨지(wedge, 302), 외주면을 형성하는 리브(Rib, 304)를 포함할 수 있다.
코어부(300), 웨지(302) 및 리브(304)에 의해 형성된 복수의 구획된 공간에 본 실시예에 따른 N극 영구자석(202), S극 영구자석(204) 및 복수의 할바흐 배열 영구자석(206)이 수용되며, 복수의 영구자석이 수용된 절연 재질의 자석 수용부(200)가 회전자로 정의될 수 있다.
보다 상세하게, 본원발명에 따른 영구자석은 복수의 구회된 공간의 일부에 배치되는 N극 영구자석(202), 복수의 구획된 공간 중 나머지에 배치되는 S극 영구자석과, N극 영구자석(202)과 S극 영구자석 사이에 배치되는 복수의 할바흐 배열 영구자석(206)을 포함할 수 있다.
자석 수용부(200)는 PVC와 같은 절연 재질로 이루어진다.
일반적으로 슬롯리스 전동기는 서로 대향 배치되는 N극 영구자석 및 S극 영구자석만을 포함하는데 비해, 본원발명에 따른 슬롯리스 전동기는 웨지 및 리브를 갖는 자석 수용부(200) 내에 복수의 N극 영구자석(202), S극 영구자석(204) 및 할바흐 배열 영구자석(206)를 배치한다.
바람직하게, 할바흐 배열 영구자석(206)은 웨지(302)를 기준으로 N극 영구자석(202) 측에 적어도 하나가 배치되고, S극 영구자석(204) 측에 적어도 하나가 배치된다.
도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 할바흐 배열 영구자석(206)은 2n개(n은 1이상의 자연수)가 제공될 수 있다.
도 5는 웨지(302)를 기준으로 2개의 할바흐 배열 영구자석(206)이 배치된 상태를 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 복수의 할바흐 배열 영구자석은 복수의 웨지(302) 각각을 기준으로 N극 영구자석(202) 측에 인접하게 배치되는 제1 영구자석(206-1) 및 S극 영구자석(204) 측에 배치되는 제2 영구자석(206-2)을 포함할 수 있다.
2개의 제1 영구자석(206-1) 및 제2 영구자석(206-2)은 N극 영구자석(202)과 S극 영구자석(204) 사이에 자속을 한쪽 방향으로 강화시키기 위한 자화 방향을 갖도록 배치된다.
2개의 할바흐 배열 영구자석(206)이 제공되는 경우 이들의 자화 방향은 동일할 수 있다. 즉, 착자 각도가 동일할 수 있다.
또한, 도 6은 웨지(302)를 기준으로 4개의 할바흐 배열 영구자석(206)이 배치된 상태를 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에 따른 복수의 할바흐 배열 영구자석은 복수의 웨지(302) 각각을 기준으로 N극 영구자석(202) 측에 인접하게 배치되는 제3 영구자석(206-3) 및 제4 영구자석(206-4)과 S극 영구자석(204) 측에 배치되는 제5 영구자석(206-5) 및 제6 영구자석(206-6)을 포함하고, 제3 영구자석(206-3) 내지 제6 영구자석(206-6)은 착자 각도가 45도 차이를 가질 수 있다.
할바흐 배열을 갖는 제3 영구자석(206-3) 내지 제6 영구자석(206-6)은 N극 영구자석(202)과 S극 영구자석(204) 사이에 자속을 한쪽 방향으로 강화시키기 위한 자화 방향을 갖도록 배치된다.
4개의 할바흐 배열 영구자석(206)이 제공되는 경우, 웨지(302)를 기준으로 서로 인접한 적어도 2개는 동일한 자화방향을 갖고, 나머지는 이들과 45도 차이를 가질 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, 리브(304)와 영구자석(202 내지 206)의 두께비에 따라 출력을 높이면서도 안정성 및 상당응력(Equivalent Stress)가 달라질 수 있다.
도 7은 리브의 두께(d1)와 영구자석의 두께(d2)를 나타낸 것이고, 도 8은 서로 다른 RPM에서 리브와 영구자석의 두께비를 달리하여 실험한 결과를 나타낸 것이다.
도 7 내지 도 8을 참조하면, 안전율은 1.5 이상이 바람직한 것을 고려할 때, 정격 회전속도가 12000RPM 및 20000RPM인 경우에는 리브와 영구자석의 두께비가 1:16 내지 1:17인 것이 바람직하다.
도 8에 나타난 바와 같이, 리브와 영구자석의 두께비가 1:18 이상인 경우에는 안전율이 1.5 보다 작아지기 때문에 바람직하지 않다.
또한, 상당응력도 1:17인 경우가 1:18인 경우보다 양호하다는 것을 확인할 수 있다.
도 9와 아래의 표 1은 종래의 표면부착형 영구자석 슬롯리스 전동기의 회전자와 본 실시예에 따른 슬롯리스 전동기의 회전자를 적용한 경우의 무부하 역기전력 파형을 비교한 것이다.
도 10a는 기존 모델을 도시한 도면이고, 도 10b는 본 실시예에 따른 회전가 구성을 도시한 도면이다.
No-load voltage(Vrms) Load torque (mNm)
기존 모델
(표면부착형 영구자석 회전자)		 12.93 51.3
개선 모델
(할바흐 배열 회전자)		 18.80 74.8
도 9 및 표 1을 참조하면, 기존 모델의 무부하역기전력 및 부하시 출력토크를 비교하면, 본 실시예에 따른 모델이 기존 모델 대비 무부하 역기전력은 45.7%가 증가하고, 부하시 출력토크는 45.8% 증가하는 것을 확인할 수 있다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 슬롯리스 전동기의 회전자에 있어서,
    회전축이 삽입되는 코어부, 상기 코어부로부터 소정 거리 이격되어 외주면을 형성하는 리브 및 상기 코어부에서 상기 리브로 연장되는 복수의 웨지를 포함하는 자석 수용부;
    상기 코어부, 리브 및 상기 웨지에 의해 형성되는 복수의 구획된 공간에 배치되는 영구자석을 포함하되,
    상기 영구자석은 상기 복수의 구획된 공간의 일부에 배치되는 N극 영구자석, 상기 복수의 구획된 공간 중 나머지에 배치되는 S극 영구자석 및 상기 N극 영구자석과 상기 S극 영구자석 사이에 배치되는 복수의 할바흐 배열 영구자석을 포함하되,
    상기 복수의 할바흐 배열 영구자석은 상기 복수의 웨지 각각을 기준으로 N극 영구자석 측에 인접하게 배치되는 제3 영구자석 및 제4 영구자석과 상기 S극 영구자석 측에 배치되는 제5 영구자석 및 제6 영구자석을 포함하고, 상기 제3 영구자석 내지 제6 영구자석은 착자 각도가 45도 차이를 가지며,
    상기 리브와 상기 영구자석의 두께비는 1: 16 내지 1:17 범위를 갖는 슬롯리스 전동기의 회전자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자석 수용부는 절연 재질로 이루어지는 슬롯리스 전동기의 회전자.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 따른 회전자를 갖는 슬롯리스 전동기.


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