KR102407352B1 - 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자 및 그를 포함하는 자속집중형 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자 및 그를 포함하는 자속집중형 전동기에 관한 것으로, 분할되지 않은 일체형의 영구자석을 삽입하되 회전자 철심에 스큐를 적용하여 공극자속밀도를 정현적으로 만들어 코깅토크와 유기전압 외형률을 낮추기 위한 것이다. 본 발명에 따른 회전자 철심은 외주면으로 개방된 형태를 갖는 영구자석 삽입구멍들이 형성된 회전자 철판들을 적층하여 형성한다. 회전자 철판들은 각각, 영구자석 삽입구멍의 개방된 부분의 양쪽에 영구자석 삽입구멍에 삽입된 영구자석을 구속하는 제1 및 제2 에지부가 돌출되게 형성된다. 제1 및 제2 에지부는 축 방향으로 돌출된 길이를 달리하여 스큐가 적용된다.

Description

스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자 및 그를 포함하는 자속집중형 전동기{Rotor having a skewed rotor core and motor of flux concentrate type comprising the same}

본 발명은 자속집중형 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자 철심에 스큐를 적용하여 공극자속밀도를 정현적으로 만들어 코깅토크(cogging torque)와 역기전력 외형률(THD; Total Harmonic Distortion)을 낮추는 자속집중형 회전자 및 그를 포함하는 자속집중형 전동기에 관한 것이다.

최근 화석연료의 고갈과, 화석연료의 사용에 따른 환경 문제가 부각됨에 따라 전기자동차에 대한 관심 및 수요가 증가하고 있다. 전기자동차의 상용화를 위해 중요한 기술적 요소는 전기에너지를 공급하는 배터리와, 배터리로부터 공급되는 전기에너지를 구동을 위한 기계적에너지로 전환시키는 전동기가 있다.

전동기를 전기자동차에 사용하기 위해서는 고효률화와 고출력화가 필요하다. 이때 전기자동차의 전동기로는 유도전동기와 함께 영구자석형 전동기가 사용되고 있다.

영구자석형 전동기 중 회전자 내에 영구자석이 삽입(매립)되는 매립형 영구자석 전동기(Interior Permanent Magnet Motor)가 있다. 매립형 영구자석 전동기 중 자속집중형 전동기는 회전축을 중심으로 영구자석이 방사형으로 회전자 철심에 삽입된 구조를 갖는다.

이러한 자속집중형 전동기의 운전 특성을 향상시키기 위해서, 공극자속밀도를 정현적으로 만들기 위한 다양한 구조가 연구 및 소개되고 있다.

공극자속밀도를 정현적으로 만들기 위한 방법으로 회전자에 스큐(skew)를 적용하는 방안이 있다. 회전자에 스큐를 적용하기 위해서는, 회전자 철판의 적층 방향으로 올라가며 영구자석을 포함한 회전자 철심의 각도를 변경해 주어야 한다. 예컨대 3단으로 스탭 스큐가 적용된 회전자를 제조하기 위해서는, 1단 회전자 철심을 적층 후 제1 영구자석을 삽입하고, 1단 회전자 철심 위에 2단 회전자 철심을 적층한 후 제2 영구자석을 삽입하고, 2단 회전자 철심 위에 3단 회전자 철심을 적층한 후 제3 영구자석을 삽입함으로써, 3단 스탭 스큐가 적용된 회전자를 제조할 수 있다. 이때 3단 스탭 스큐가 적용된 회전자는 1단 회전자 철심에 대해서 2단 및 3단 회전자 철심을 일정 각도로 회전된 구조를 갖는다. 이로 인해 1단 내지 3단 회전자 철심에 삽입된 제1 내지 3 영구자석은 회전한 일정 각도에 대응되게 축 방향으로 서로 어긋나게 위치한다.

이와 같은 기존의 스탭 스큐 방식은 회전자에 적용된 단 수에 대응되는 회전자 철심의 적층 및 영구자석의 삽입 공정을 반복적으로 진행해야 하기 때문에, 제조 공정이 복잡하고, 이로 인해 제조 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지는 문제점을 안고 있다. 따라서 기존의 스탭 스큐 방식은 자속집중형 전동기의 제조 비용을 상승시키는 요인으로 작용하고 있다.

또한 회전자의 축 방향에서 일정 각도로 회전시키면서 회전자 철심을 적층해야 하기 때문에, 제조 과정에서 회전각도에 따라 제조 오차가 발생할 수 있다.

한국등록특허 제10-0263533호(2000.05.17. 등록)

따라서 본 발명의 목적은 회전자 철심에 스큐를 적용하면서 제조 공정을 간소화할 수 있는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자 및 그를 포함하는 자속집중형 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자의 제조 과정에서 회전각도에 따라 제조 오차가 발생하는 문제를 억제할 수 있는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자 및 그를 포함하는 자속집중형 전동기를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중심에 회전축이 삽입되는 회전축 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전축 삽입구멍을 중심으로 둘레에 복수 개의 영구자석이 각각 삽입되는 영구자석 삽입구멍들이 형성되되 외주면으로 개방된 형태로 형성되며, 상기 회전축 삽입구멍의 축 방향으로 적층된 복수 개의 회전자 철판;을 포함하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 제공한다. 이때 상기 복수 개의 회전자 철판은 각각, 상기 영구자석 삽입구멍의 개방된 부분의 양쪽에 상기 영구자석 삽입구멍에 삽입된 영구자석을 구속하는 제1 및 제2 에지부가 돌출되게 형성되어 있다. 그리고 상기 복수 개의 회전자 철판 중 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는 축 방향으로 돌출된 길이를 달리하여 회전자 철심에 스큐를 적용한다.

상기 영구자석 삽입구멍들에 각각 하나의 영구자석을 삽입할 수 있도록, 상기 영구자석 삽입구멍들은 축 방향으로 동일 위치에 배치되게 형성된다.

상기 복수 개의 회전자 철판은 각각, 상기 제1 에지부와 제2 에지부 간의 거리가 동일할 수 있다.

상기 복수 개의 회전자 철판은 축 방향으로, 상기 제1 및 제2 에지부의 길이가 증감할 수 있다.

상기 복수 개의 회전자 철판은 축 방향으로, 상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 감소할 수 있다. 또는 상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 증가할 수 있다.

상기 복수 개의 회전자 철판은 축 방향으로, 상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 감소할 수 있다. 또는 상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 증가할 수 있다.

본 발명은 또한, 회전축; 스큐가 적용된 상기 회전자 철심; 및 상기 회전자 철심의 복수 개의 영구자석 삽입구멍에 각각 삽입된 복수의 영구자석;을 포함하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자를 제공한다.

그리고 본 발명은 중심 부분에 회전축이 삽입 설치되는 스큐가 적용된 상기 회전자 철심을 갖는 상기 회전자; 및 중심 부분에 상기 회전자가 삽입 설치되는 회전자 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전자 삽입구멍의 외주면에 형성된 복수의 투스에 각각 코일이 권선된 고정자;를 포함하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자를 포함하는 자속집중형 전동기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 회전자 철심에 영구자석 삽입구멍을 일자로 형성하되, 영구자석 삽입구멍에 삽입된 영구자석을 구속하는 제1 및 제2 에지부는 축 방향으로 돌출된 길이를 달리하여 스큐를 적용함으로써, 일자로 형성된 영구자석 삽입구멍에 분할되지 않은 일체형의 영구자석을 한번에 삽입할 수 있기 때문에, 회전자 철심에 스큐를 적용하면서 제조 공정을 간소화할 수 있다. 즉 기존의 스큐가 적용된 회전자 철심의 경우, 영구자석을 적층되는 단의 수에 대응되게 분할해서 각 단의 회전자 철심에 각각 삽입해야 하기 때문에 제조 공정이 복잡하다. 하지만 본 발명의 경우 분할되지 않은 영구자석을 한번에 삽입할 수 있기 때문에, 회전자의 제조 공정을 간소화할 수 있다.

기존의 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자의 제조 과정에서는 회전각도에 따라 제조 오차가 발생할 수 있지만, 본 발명에 따르면 회전자 철심을 적층한 이후에 분할되지 않은 일체형의 영구자석을 한번에 삽입할 수 있기 때문에, 기존의 회전각도에 따른 제조 오차가 발생하는 문제를 억제할 수 있다.

그리고 회전자에 스큐를 적용함으로써, 공극자속밀도를 정현적으로 만들어 코깅토크와 역기전력 외형률을 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자속집중형 전동기를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자를 보여주는 분해 사시도이다.
도 3은 도 2의 회전자를 보여주는 사시도이다.
도 4는 도 3의 회전자를 보여주는 평면도이다.
도 5는 도 3의 회전자를 보여주는 측면도이다.
도 6은 비교예 1에 따른 자속집중형 전동기의 회전자를 보여주는 측면도이다.
도 7은 비교예 2에 따른 자속집중형 전동기의 회전자를 보여주는 측면도이다.
도 8은 제1 실시예 및 비교예들에 따른 자속집중형 전동기의 역기전력 외형률을 보여주는 그래프이다.
도 9는 제1 실시예 및 비교예들에 따른 자속집중형 전동기에서 발생되는 코깅토크를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자속집중형 전동기의 회전자를 보여주는 측면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자속집중형 전동기의 회전자를 보여주는 측면도이다.
도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 자속집중형 전동기의 회전자를 보여주는 측면도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

[제1 실시예]

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 자속집중형 전동기를 보여주는 평면도이다.

도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 자속집중형 전동기(100)는 회전자(20)와, 회전자(20)가 회전 가능하게 삽입 설치되는 고정자(10)를 포함한다. 고정자(10)는 중심 부분에 회전자 삽입구멍(18)이 형성되어 있으며, 회전자 삽입구멍(18)의 외주면에 형성된 복수의 투스(14)에 각각 코일(16)이 권선되어 있다. 그리고 회전자(20)는 고정자(10)의 회전자 삽입구멍(18)에 삽입되어 회전 가능하게 설치된다.

고정자(10)는 회전자 삽입구멍(18)이 형성된 고정자 철심(11)과, 고정자 철심(11)의 회전자 삽입구멍(18)의 내주면을 따라서 권선된 코일(16)을 포함한다. 이때 회전자 삽입구멍(18)의 내경은 회전자(20)의 외경보다는 크게 형성되며, 회전자 삽입구멍(18)의 내경과 회전자(20)의 외경의 차이가 공극을 형성한다.

고정자 철심(11)은 동일한 형상의 고정자 철판(12) 복수 개를 축방향으로 적층하여 형성할 수 있다. 고정자 철심(11)은 내측에 회전자(20)가 삽입되어 위치할 수 있는 회전자 삽입구멍(18)이 형성되어 있다. 고정자 철심(11)은 내주면을 따라서 일정 간격으로 복수의 투스(14)가 형성되어 있다. 복수의 투스(14)는 고정자 철심(11)의 내주면에서 고정자 철심(11)의 중심축을 향하여 돌출되며, 회전자 삽입구멍(18)에 삽입되어 설치되는 회전자(20)의 외주면에 근접하게 배치된다. 이때 고정자 철판(12)으로는 규소 철판이 사용될 수 있다. 고정자 철심(11)의 안쪽의 투스(14)의 끝단이 형성하는 가상면 안쪽이 회전자 삽입구멍(18)을 형성한다.

그리고 코일(16)은 복수의 투스(14)에 각각 권선됨으로써, 교류 전원이 인가되면 고정자(10)의 구조로 인해 회전 자속을 발생시킨다.

한편 도시하진 않았지만, 회전축(30)은 자속집중형 전동기(100)의 케이스를 이루는 케이싱(casing)이나 쉘(shell)에 베어링을 매개로 회전 가능하게 설치된다.

회전자(20)는 고정자(10)의 회전자 삽입구멍(18)에 삽입되어 회전 가능하게 설치되는 자속집중형 전동기(100)의 회전자(20)로서, 회전축(30), 회전자 철심(21) 및 회전자 철심(21)에 삽입된 복수의 영구자석(22)을 포함한다.

회전자 철심(21)은 중심 부분에 회전축(30)이 삽입 설치되는 회전축 삽입구멍(25)이 형성되어 있고, 회전축 삽입구멍(25)의 둘레에 외주면으로 개방된 형태의 복수의 영구자석 삽입구멍(26)이 형성되어 있다.

회전자 철심(21)은 회전자 철판(24) 복수 개를 축방향으로 적층하여 형성한다. 회전자 철심(21)은 중심 부분에 회전축(30)이 삽입되는 회전축 삽입구멍(25)이 형성되어 있다. 회전자 철심(21)은 회전축 삽입구멍(25)의 외곽에 복수의 영구자석 삽입구멍(26)이 형성되어 있다.

이때 회전자 철판(24)으로는 규소 강판이 사용될 수 있다. 회전축 삽입구멍(25) 및 영구자석 삽입구멍(26)은 회전자 철심(21)의 상부면에 대해서 수직 방향으로 형성될 수 있다. 즉 복수 개의 영구자석 삽입구멍(26)에는 각각 분할되지 않은 일체형의 영구자석(22)이 하나씩 삽입된다.

영구자석 삽입구멍(26)은 회전자 철심(21)의 외주면으로 개방된 형태로 형성된다. 이때 도면부호 27은 영구자석 삽입구멍(26)의 개방부를 나타낸다.

복수 개의 회전자 철판(24)은 각각, 영구자석 삽입구멍(26)의 개방부(27)의 양쪽에 영구자석 삽입구멍(26)에 삽입된 영구자석(22)을 구속하는 제1 및 제2 에지부(28,29)가 돌출되게 형성되어 있다. 복수 개의 회전자 철판(24) 중 일부의 제1 및 제2 에지부(28,29)는 축 방향으로 돌출된 길이를 달리하여 스큐가 적용되어 회전자 철심(21)을 형성한다. 스큐가 적용된 회전자 철심(21)에 대해서는 후술하도록 하겠습니다.

그리고 복수의 영구자석(22)은 복수의 영구자석 삽입구멍(26)에 각각 삽입되어 N극과 S극을 형성한다.

이때 복수의 영구자석(22)은 회전축(30)을 중심으로 방사형으로 회전자 철심(21)에 삽입되되, 회전축(30)의 축 방향에 대해서 비스듬하게 회전자 철심(21)에 삽입될 수 있다. 복수의 영구자석(22)은 각각 단면이 사다리꼴 형태를 가질 수 있다. 이때 단면은 회전축(30)의 축 방향에 대해서 수직한 면을 의미한다. 즉 영구자석(22)은 아랫변, 윗변, 및 아랫변과 윗변을 잇는 양측변을 포함한다. 영구자석(22)의 양측변은 회전축(30)에 근접한 일측면과, 회전자 철심(21)의 원주면에 근접한 타측면에 대응된다.

복수의 영구자석(22)은 각각, 회전축(30)에 근접한 일측면이 이웃하는 영구자석(22)의 장변 즉, 아랫변에 평행하게 위치하며, 타측면이 회전자 철심(21)의 원주면에 근접하게 위치한다. 이와 같이 복수의 영구자석(22)을 회전자 철심(21)에 삽입하는 이유는, 회전자 철심(21)에서 복수의 영구자석(22)이 차지하는 단면적을 극대화하기 위해서이다.

이와 같이 회전자 철심(21)에서 복수의 영구자석(22)이 차지하는 단면적을 극대화할 수 있기 때문에, 영구자석(22)의 소재는 일반적으로 사용되는 희토류 대신에 페라이트 소재로 대체할 수 있다. 물론 영구자석(22)으로 희토류 영구자석을 사용할 수 있다.

예컨대 영구자석(22)은 회전축(30)의 축 방향에 대해서 0 내지 90도 사이의 각도로 비스듬하게 회전자 철심(21)에 삽입될 수 있다. 바람직하게는 영구자석(22)은 60 내지 80도 사이의 각도로 비스듬하게 회전자 철심(21)에 삽입하는 것이다.

한편 복수의 영구자석을 직사각형 형태로 형성하고, 회전축의 축 방향에 대해서 비스듬하게 삽입할 수 있지만, 이 경우 회전자 철심에서 복수의 영구자석이 차지하는 단면적을 증가시키는 데 한계가 있다. 즉 회전자의 중심에서 회전자의 외곽으로 갈수록 영구자석들 사이의 간격이 멀어지기 때문에, 회전자 철심에서 복수의 영구자석이 차지하는 단면적이 줄어들게 된다.

반면에 제1 실시예에서와 같이 사다리꼴 형태의 영구자석(22)을 사용할 경우, 회전자(20)의 중심에서 회전자(20)의 외곽으로 갈수록 영구자석(22)들 사이의 간격이 일부 멀어지기는 하지만, 직사각형 형태에 비해서 영구자석(22)들이 차지하는 단면적을 넓힐 수 있다.

이와 같이 제1 실시예에 따르면, 사다리꼴 형태의 영구자석(22)을 회전축(30)의 축 방향에 대해서 비스듬하게 회전자 철심(21)에 삽입함으로써, 회전자 철심(21)에 삽입되는 영구자석(22)의 두께와 길이를 증가시켜 토크밀도를 향상시킬 수 있다.

이로 인해 제한된 회전자(20) 크기에서 회전자(20)의 자속량 증가를 통해서 토크밀도를 향상시킬 수 있다.

또한 제1 실시예에 따른 자속집중형 회전자(20)의 영구자석(22)은 회전축(30)에 근접한 일측면이 이웃하는 영구자석(22)의 아랫변에 평행하게 위치하고, 타측면이 회전자 철심(21)의 원주면에 근접하게 위치하기 때문에, 회전자 철심(21)에 삽입되는 영구자석(22)의 두께와 길이를 최대화할 수 있다.

이와 같은 제1 실시예에 따른 스큐가 적용된 회전자 철심(21)을 갖는 회전자(20)에 대해서, 도 2 내지 도 5를 참조하면 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 스큐가 적용된 회전자 철심(21)을 갖는 회전자(20)를 보여주는 분해 사시도이다. 도 3은 도 2의 회전자(20)를 보여주는 사시도이다. 도 4는 도 3의 회전자(20)를 보여주는 평면도이다. 그리고 도 5는 도 3의 회전자(20)를 보여주는 측면도이다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 제1 실시예에 따른 회전자(20)는 제1 및 제2 에지부(28,29)를 활용하여 스탭 스큐가 적용된 예를 개시하였다.

영구자석 삽입구멍(26)들에 각각 분할되지 않은 하나의 영구자석(22)을 삽입할 수 있도록, 영구자석 삽입구멍(26)들은 축 방향으로 동일 위치에 배치되게 형성된다.

복수 개의 회전자 철판(24)은 각각, 제1 에지부(28)와 제2 에지부(29) 간의 거리(a)가 동일하게 형성된다. 물론 제1 및 제2 에지부(28,29) 간의 거리(b)는 영구자석 삽입구멍(26)의 폭(b)보다는 좁다.

복수 개의 회전자 철판(24)은 축 방향으로 제1 및 제2 에지부(28,29)의 길이(t1,t2)가 증감하게 형성된다. 이때 제1 및 제2 에지부(28,29)의 길이(t1,t2)는 영구자석 삽입구멍(26)의 내측면에서 개방부(27) 쪽으로 돌출된 길이를 의미한다.

복수 개의 회전자 철판(24)은 축 방향으로, 제1 에지부(28)의 길이(t1)가 단계적으로 증가하면, 제2 에지부(29)의 길이(t2)가 단계적으로 감소하게 형성될 수 있다. 반대로 제1 에지부(28)의 길이(t1)가 단계적으로 감소하면, 제2 에지부(29)의 길이(t2)가 단계적으로 증가하게 형성될 수 있다.

예컨대 제1 실시예에 따른 회전자 철심(21)은 3단 스탭 스큐가 적용된 예를 개시하였다. 제1 실시예에 따른 회전자 철심(21)은 제1 단위 회전자 철심(21a), 제1 단위 회전자 철심(21a) 위에 적층된 제2 단위 회전자 철심(21b), 및 제2 단위 회전자 철심 (21b)위에 적층된 제3 단위 회전자 철심(21c)을 포함한다.

이때 제1 내지 제3 단위 회전자 철심(21a,21b,21c)은 각각 동일한 형상을 갖는 복수의 회전자 철판(24)을 포함하며, 제1 실시예에서는 동일 개수를 포함하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다.

제1 단위 회전자 철심(21a)의 제1 에지부(28)가 제2 에지부(29)보다는 길게 형성된다. 제1 에지부(28)의 길이(t1)는 제1 단위 회전자 철심(21a), 제2 단위 회전자 철심(21b) 및 제3 단위 회전자 철심(21c)으로 갈수록 짧아진다. 반대로 제2 에지부(29)의 길이(t2)는 제1 단위 회전자 철심(21a), 제2 단위 회전자 철심(21b) 및 제3 단위 회전자 철심(21c)으로 갈수록 길어진다.

그리고 제1 내지 제3 단위 회전자 철심(21a,21b,21c)의 회전자 철판(24)은 회전된 각도가 다른 3가지 타입으로 구성되지만, 폴-아크(pole-arc)는 동일하다. 따라서 제1 내지 제3 단위 회전자 철심(21a,21b,21c)을 적층하였을 때, 영구자석 삽입구멍(26)은 축 방향으로 일직선 상에 위치하게 된다.

따라서 제1 내지 제3 단위 회전자 철심(21a,21b,21c)이 형성하는 영구자석 삽입구멍(26)은 일자 형태로 형성된다. 이로 인해 제1 실시예에 따른 회전자 철심(21)에 분할되지 않은 일체형의 영구자석(22)을 한번에 삽입할 수 있다.

그리고 제1 및 제2 에지부(28,29)의 길이(t1,t2) 증감을 통하여 회전자 철심(21)에 스큐를 적용하였다.

이와 같이 제1 실시예에 따른 회전자 철심(21)은 스큐를 적용하면서 영구자석 삽입구멍(26)이 일자로 형성되기 때문에, 영구자석 삽입구멍(26)에 분할되지 않은 일체형의 영구자석(22)을 한번에 삽입할 수 있다. 이로 인해 기존의 스큐 방식에 비해서, 제1 실시예에 따르면 스큐가 적용된 회전자(20)의 제조 공정을 간소화할 수 있다.

이와 같이 제1 실시예에 따른 스큐가 적용된 회전자 철심(21)을 갖는 회전자(20)를 포함하는 자속집중형 전동기(100)의 특성을 알아보기 위해서, 비교예 1 및 2에 따른 자속집중형 전동기와 비교 실험을 수행하였다.

비교예 1에 따른 자속집중형 전동기는, 도 6에 도시된 바와 같이, 회전자 철심(21)에 스큐를 적용하지 않은 회전자(820)를 구비한다. 제1 및 제2 에지부(28,29)의 길이(t1,t2)는 동일하다. 영구자석 삽입구멍(26)은 일자형으로 형성되기 때문에, 분할되지 않은 일체형의 영구자석(22)이 영구자석 삽입구멍(26)에 삽입된다.

비교예 2에 따른 자속집중형 전동기는, 도 7에 도시된 바와 같이, 회전자 철심(21) 및 영구자석(22)에 3단 스탭 스큐를 적용한 회전자(920)를 구비한다. 즉 3단 스탭 스큐 회전자(920)는 1단 회전자 철심(21a)을 적층 후 제1 영구자석(22a)을 삽입하고, 1단 회전자 철심(21a) 위에 2단 회전자 철심(21b)을 적층한 후 제2 영구자석(22b)을 삽입하고, 2단 회전자 철심(21b) 위에 3단 회전자 철심(21c)을 적층한 후 제3 영구자석(22c)을 삽입하여 제조하였다. 이때 3단 스탭 스큐가 적용된 회전자(920)는 1단 회전자 철심(21a)에 대해서 2단 및 3단 회전자 철심(21b,21c)을 일정 각도로 회전된 구조를 갖는다.

이때 제1 및 제2 에지부(28,29)의 길이(t1,t2)는 동일하다. 하지만 1단 내지 3단 회전자 철심(21a,21b,21c)이 서로 일정 각도로 회전되어 있기 때문에, 영구자석 삽입구멍(26)은 일자로 형성되지 못하고 회전된 각도에 따라서 틀어지게 형성된다. 이로 인해 영구자석(22)은 3단으로 분할되어 있으며, 3단으로 분할된 영구자석(22a,22b,22c)이 각각 1단 회전자 철심(21a), 2단 회전자 철심(21b) 및 3단 회전자 철심(21c)에 삽입된다.

도 8은 제1 실시예 및 비교예들에 따른 자속집중형 전동기의 역기전력 외형률을 보여주는 그래프이다. 그리고 도 9는 제1 실시예 및 비교예들에 따른 자속집중형 전동기에서 발생되는 코깅토크를 보여주는 그래프이다. 여기서 도 8 및 도 9에 도시된 그래프는 FEA(Finite Element Analysis; 유한 요소 분석법)를 이용한 해석 결과이다. Non_skew가 비교예 1을 나타내고, Core_3step_skew가 제1 실시예를 나타내고, Conventional_3step_skew가 비교예 2를 나타낸다.

표 1은 제1 실시예, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 자속집중형 전동기의 역기전력 및 코깅토크이다.

	비교예 1	비교예 2	제1 실시예
상역기전력 기본파 [Vrms]	32.4	32.1	32.2
역기전력 THD [%]	7.5	5.4	5.3
코깅토크 pk-pk [Nm]	1.35	0.40	0.39

도 8을 참조하면, 스큐를 적용한 제1 실시예 및 비교예 2가 스큐를 적용하지 않은 비교예 1에 비해서 역기전력 외형률이 개선된 것을 확인할 수 있다.

도 9를 참조하면, 스큐를 적용한 제1 실시예 및 비교예 2가 스큐를 적용하지 않은 비교예 1에 비해서 코깅토크가 감소된 것을 확인할 수 있다.

또한 제1 실시예에 따른 자속집중형 전동기가 비교예 2에 따른 자속집중형 전동기와 유사한 역기전력 외형률의 개선 및 코깅토크가 감소한 것을 확인할 수 있다.

하지만 제1 실시예에 따른 회전자는 회전자 철심을 적층한 이후에 분할되지 않은 일체형의 영구자석을 한번에 삽입하는 제조 방식을 갖기 때문에, 비교예 2에 따른 회전자에 비해서 제조 공정을 간소화할 수 있다.

비교예 2의 경우 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자의 제조 과정에서 회전각도에 따라 제조 오차가 발생할 수 있지만, 제1 실시예에 따르면 회전자 철심을 적층한 이후에 분할되지 않은 일체형의 영구자석을 한번에 삽입할 수 있기 때문에, 비교예 2와 같이 회전각도에 따른 제조 오차가 발생하는 문제를 억제할 수 있다.

[제2 실시예]

한편 제1 실시예에 따른 스큐가 적용된 회전자(20)는 단계적으로 증가하거나 감소하는 형태로 제1 및 제2 에지부(28,29)가 형성된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.

도 10은 본 발명의 제2 실시예에 따른 자속집중형 전동기의 회전자(120)를 보여주는 측면도이다.

도 10을 참조하면, 제2 실시예에 따른 회전자(120)는 제1 에지부(28)의 길이(t1)가 단계적으로 증가했다가 감소하고, 제2 에지부(29)의 길이(t2)가 단계적으로 감소했다가 증가하는 예를 개시하였다. 물론 제1 및 제2 에지부(28,29) 간의 거리(a)는 동일하다.

[제3 및 제4 실시예]

한편 제1 및 제2 실시예에 따른 회전자(20,120)는 스탭 스큐가 적용된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 아니다. 예컨대 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 제3 및 제4 실시예에 따른 회전자(220,320)는 선형 스큐가 적용될 수 있다.

여기서 선형 스큐는 제1 에지부(28)의 길이(t1)가 선형적으로 증가하면 제2 에지부(29)의 길이(t2)가 선형적으로 감소하거나, 반대로 제1 에지부(28)의 길이(t1)가 선형적으로 감소하면 제2 에지부(29)의 길이(t2)가 선형적으로 증가하는 것을 의미한다. 물론 제1 및 제2 에지부(28,29) 간의 거리(a)는 동일하다.

선형적으로 증가 또는 감소한다는 것은 회전자 철판(24)의 적층에 따라 연속적으로 제1 및 제2 에지부(28,29)의 길이(t1,t2)가 변화하는 것을 의미한다.

도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 자속집중형 전동기의 회전자(220)를 보여주는 측면도이다.

도 11을 참조하면, 제3 실시예에 따른 회전자(220)는 제1 에지부(28)의 길이(t1)가 선형적으로 감소하고, 제2 에지부(29)의 길이(t2)가 선형적으로 증가하는 예를 개시하였다. 물론 제1 및 제2 에지부(28,29) 간의 거리(a)는 동일하다.

도 12는 본 발명의 제4 실시예에 따른 자속집중형 전동기의 회전자(320)를 보여주는 측면도이다.

도 12를 참조하면, 제4 실시예에 따른 회전자(320)는 제1 에지부(28)의 길이(t1)가 선형적으로 증가했다가 감소하고, 제2 에지부(29)의 길이(t2)가 선형적으로 감소했다가 증가하는 예를 개시하였다. 물론 제1 및 제2 에지부(28,29) 간의 거리(a)는 동일하다.

한편 도 11 및 도 12에서는, 제1 및 제2 에지부(28,29)의 끝부분을 경사면으로 형성하여 제1 및 제2 에지부(28,29)의 끝부분이 서로 연결되어 사선으로 형성되는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 제1 및 제2 에지부(28,29)의 끝부분은 사각의 단으로 형성될 수 있다.

제1 및 제2 실시예에서는 회전자(20,120)에 스탭 스큐가 적용된 예를 개시하였고, 제3 및 제4 실시예에서는 회전자(220,320)에 선형 스큐가 적용된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 스탭 스큐와 선형 스큐가 혼합된 형태로 회전자에 적용될 수 있음은 물론이다.

그리고 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10 : 고정자
11 : 고정자 철심
12 : 고정자 철판
14 : 투스
16 : 코일
18 : 회전자 삽입구멍
20, 120, 220, 320 : 회전자
21 : 회전자 철심
21a : 제1 단위 회전자 철심
21b : 제2 단위 회전자 철심
21c : 제3 단위 회전자 철심
22 : 영구자석
24 : 회전자 철판
25 : 회전축 삽입구멍
26 : 영구자석 삽입구멍
27 : 개방부
28 : 제1 에지부
29 : 제2 에지부
30 : 회전축
100 : 자속집중형 전동기

Claims (14)

1. 중심에 회전축이 삽입되는 회전축 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전축 삽입구멍을 중심으로 둘레에 복수 개의 영구자석이 각각 삽입되는 영구자석 삽입구멍들이 형성되되 외주면으로 개방된 형태로 형성되며, 상기 회전축 삽입구멍의 축 방향으로 적층된 복수 개의 회전자 철판;을 포함하며,
   상기 복수 개의 회전자 철판은 각각, 상기 영구자석 삽입구멍의 개방된 부분의 양쪽에 상기 영구자석 삽입구멍에 삽입된 영구자석을 구속하는 제1 및 제2 에지부가 돌출되게 형성되어 있고,
   상기 복수 개의 회전자 철판 중 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는 축 방향으로 돌출된 길이를 달리하여 스큐가 적용되되, 상기 축 방향으로 상기 제1 에지부의 길이는 증가했다가 감소하고, 상기 제2 에지부의 길이는 감소했다가 증가하고,
   상기 복수 개의 회전자 철판 중 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는,
   상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 감소하고,
   상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심.
2. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석 삽입구멍들에 각각 하나의 영구자석을 삽입할 수 있도록, 상기 영구자석 삽입구멍들은 축 방향으로 동일 위치에 배치되게 형성된 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심.
3. 제2항에 있어서, 상기 복수 개의 회전자 철판은 각각,
   상기 제1 에지부와 제2 에지부 간의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심.
4. 삭제
5. 삭제
6. 제3항에 있어서,
   상기 복수 개의 회전자 철판 중 다른 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는,
   상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 감소하고,
   상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심.
7. 회전축;
   중심에 상기 회전축이 삽입되는 회전축 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전축 삽입구멍을 중심으로 둘레에 복수 개의 영구자석이 각각 삽입되는 영구자석 삽입구멍들이 형성되되 외주면으로 개방된 형태로 형성되며, 상기 회전축 삽입구멍의 축 방향으로 적층된 복수 개의 회전자 철판을 포함하는 회전자 철심; 및
   상기 회전자 철심의 복수 개의 영구자석 삽입구멍에 각각 삽입된 복수의 영구자석;을 포함하며,
   상기 복수 개의 회전자 철판은 각각, 상기 영구자석 삽입구멍의 개방된 부분의 양쪽에 상기 영구자석 삽입구멍에 삽입된 영구자석을 구속하는 제1 및 제2 에지부가 돌출되게 형성되어 있고,
   상기 복수 개의 회전자 철판 중 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는 축 방향으로 돌출된 길이를 달리하여 스큐가 적용되되, 상기 축 방향으로 상기 제1 에지부의 길이는 증가했다가 감소하고, 상기 제2 에지부의 길이는 감소했다가 증가하고,
   상기 복수 개의 회전자 철판 중 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는,
   상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 감소하고,
   상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자.
8. 제7항에 있어서,
   상기 영구자석 삽입구멍들에 각각 하나의 영구자석을 삽입할 수 있도록, 상기 영구자석 삽입구멍들은 축 방향으로 동일 위치에 배치되게 형성된 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자.
9. 제8항에 있어서, 상기 복수 개의 회전자 철판은 각각,
   상기 제1 에지부와 제2 에지부 간의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자.
10. 제9항에 있어서,
    상기 복수 개의 회전자 철판 중 다른 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는,
    상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 감소하고,
    상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자.
11. 중심 부분에 회전축이 삽입 설치되는 회전자; 및
    중심 부분에 상기 회전자가 삽입 설치되는 회전자 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전자 삽입구멍의 외주면에 형성된 복수의 투스에 각각 코일이 권선된 고정자;를 포함하고,
    상기 회전자는,
    상기 회전축;
    중심에 상기 회전축이 삽입되는 회전축 삽입구멍이 형성되어 있고, 상기 회전축 삽입구멍을 중심으로 둘레에 복수 개의 영구자석이 각각 삽입되는 영구자석 삽입구멍들이 형성되되 외주면으로 개방된 형태로 형성되며, 상기 회전축 삽입구멍의 축 방향으로 적층된 복수 개의 회전자 철판을 포함하는 회전자 철심; 및
    상기 회전자 철심의 복수 개의 영구자석 삽입구멍에 각각 삽입된 복수의 영구자석;을 포함하며,
    상기 복수 개의 회전자 철판은 각각, 상기 영구자석 삽입구멍의 개방된 부분의 양쪽에 상기 영구자석 삽입구멍에 삽입된 영구자석을 구속하는 제1 및 제2 에지부가 돌출되게 형성되어 있고,
    상기 복수 개의 회전자 철판 중 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는 축 방향으로 돌출된 길이를 달리하여 스큐가 적용되되, 상기 축 방향으로 상기 제1 에지부의 길이는 증가했다가 감소하고, 상기 제2 에지부의 길이는 감소했다가 증가하고,
    상기 복수 개의 회전자 철판 중 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는,
    상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 감소하고,
    상기 제1 에지부의 길이가 선형적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자를 포함하는 자속집중형 전동기.
12. 제11항에 있어서,
    상기 영구자석 삽입구멍들에 각각 하나의 영구자석을 삽입할 수 있도록, 상기 영구자석 삽입구멍들은 축 방향으로 동일 위치에 배치되게 형성된 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자를 포함하는 자속집중형 전동기.
13. 제12항에 있어서, 상기 복수 개의 회전자 철판은 각각,
    상기 제1 에지부와 제2 에지부 간의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자를 포함하는 자속집중형 전동기.
14. 제13항에 있어서,
    상기 복수 개의 회전자 철판 중 다른 일부의 상기 제1 및 제2 에지부는,
    상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 증가하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 감소하고,
    상기 제1 에지부의 길이가 단계적으로 감소하면, 상기 제2 에지부의 길이가 단계적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 스큐가 적용된 회전자 철심을 갖는 회전자를 포함하는 자속집중형 전동기.

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