KR102416026B1 - 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기 - Google Patents

Abstract

영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기에 관한 발명이다. 본 발명의 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기는, 전기자의 반경 방향 외측에 배치되되 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작된 영구자석; 상기 영구자석을 슬롯 형태로 삽입할 수 있도록 클러스팅하기 위해 제작된 복수의 영구자석 삽입홀; 및 상기 복수의 영구자석 삽입홀을 일체형으로 구성하면서 상기 영구자석을 지지하되 유효자속량 측정에 의한 예측 관리가 가능한 기능을 수행하는 영구자석 지지모듈을 포함하며, 전동기의 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄이기 위해 상기 영구자석 지지모듈이 중심축을 중심으로 대향하는 면과 0.1도 내지 10도 이내의 범위에서 엇각으로 대향하게 제작되는 것을 특징으로 한다.

Description

영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기{High Efficiency Motor}

본 발명은, 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄일 수 있음은 물론, 유효자속량 제어를 통해 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 자석의 효율적인 로트(lot) 관리가 가능하고, 전동기의 특성을 불안정하게 하는 요인인 로트(lot)에 따라 편차가 발생할 수 있는 자석의 특성 및 잔류자속밀도(Br)의 변화를 용이하게 조절할 수 있으며, 일정한 유효자속량을 예측 관리할 수 있어 전동기의 효율성을 종래보다 월등히 높일 수 있는, 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기에 관한 것이다.

유효자속량(Total flux)이란 자석의 한 극에서 나온 많은 자력선 중에서 전기자의 해당 슬롯에 감겨 있는 코일을 통과해 반대 극으로 돌아가는 자력선의 총합계를 의미한다.

자석에서 방출되는 자속량이 아무리 많아도 전기자의 해당 슬롯 내의 코일을 통과해 반대 극으로 돌아가는 유효자속량이 적으면 나머지 자속량은 손실된다.

따라서, 되도록 자석이 방출하는 모든 자속량을 유효자속량화 하는 것이 모터, 즉 전동기 내에서의 자석을 경제적이며 효율적으로 사용하는 것이다.

한편, 전동기(motor)에 있어서 유효자속량이 미달상태가 되면 무부하 시 전동기 회전수(rpm)가 상승하고 전동기의 회전력(torque)이 떨어지며 전류치(ampere)가 상승하고 전동기의 코일에서 열 발생이 심해진다.

이를 해결하기 위해 종래의 방법으로서 ①자석의 두께를 크게 하는 방법, ②자석의 재질을 현재의 재질보다 잔류자속밀도(Br)를 한 단계 높은 재질로 변경시키는 방법, ③자석의 길이와 폭을 크게 하는 방법을 사용한 바 있다.

하지만, 이들 방법은 금형 비용 등이 추가로 발생한다는 점에서 비경제적인 대안일 수밖에 없다.

이를 해결하기 위한 또 다른 방법으로 외면 착자를 시키거나 포화(Full) 착자를 시킬 수도 있지만, 내면 착자에서 일어날 수 있는 퍼미언스 계수의 일시 하락으로 인한 감자 문제와 착자 전원 및 착자기의 업그레이드(upgrade) 문제가 있어 좋은 대안이 될 수 없다는 점에서 이에 대한 기술 개발이 요구된다.

그뿐만 아니라 통상의 전동기기는 여러 면에서 관리되어야 할 부분이 상당하다. 이에 대해 도 1을 참조하여 설명한다.

도 1은 전동기의 통상적인 구조도이다.

이를 참조하면, 통상의 전동기에서 고정되는 부분을 고정자(Stator)라고 부르고 회전하는 부분을 회전자(Rotor)라고 한다. 계자(10)가 고정자이고 전기자(20)가 회전자인 것이 일반적이다.

전동기의 주요 부분으로서 도 1에 도면 참조부로로 나타낸 것처럼 계자(10), 전기자(20), 정류자(30), 브러시(40, Brush) 등이 있다.

계자(10)는 필드 마그넷(Field Magnet)이라고도 하며, 주 자속의 생성을 담당한다.

계자(10)는 전기자(20)와 상호작용하여 자기회로를 구성하는데 계자(10)가 만들어준 자속을 전기자(20)가 받아 회전력을 얻는다.

계자(10)는 필요한 자속만 생성해주기만 하면 되기에 전기자(20)보다는 전류가 비교적 적게 흐르며 자속을 만들기 위해 영구자석을 이용하거나 전자석을 이용한다. 도 1은 영구자석을 이용한 예이다.

이때, 도 1처럼 영구자석으로 계자(10)를 적용하면 별도의 권선없이 자속을 만들어 낼 수 있는 이점이 있다. 하지만, 자속을 제어하지 못하여 속도 조절이 어렵다는 문제점도 내포한다.

전기자(20)는 아마츄어(Armature)라고도 하며 계자(10)가 만들어낸 자속을 끊어내어 플레밍의 왼손 법칙을 통해 토크를 생성한다.

전동기에 전원을 공급해주면 전동기가 회전하는데 이때 전원의 전류가 흐르는 곳이 바로 이 전기자(20)인 것이다.

전기자(20)는 공급하는 전류가 직접 흐르는 곳이기 때문에 대용량일수록 선이 굵고 복잡하게 설계된다.

정류자(30)는 코뮤테이터(Commutator)라고도 하며, 외부로부터 들어오는 직류전류를 교류전류로 바꾸어 회전부에 전원을 공급한다.

직류전류를 교류전류로 바꾸어주는 이유는 전동기는 전류의 방향이 수시로 바뀌면서 플레밍의 왼손 법칙에 의한 힘도 수시로 바뀌어야 회전하기 때문이다.

이렇게 바뀐 교류전류를 전기자(20)에 공급한다. 정류자(30)는 전기자(20)와 연결되어 있으므로 전기자(20)가 회전하면 같이 회전한다.

회전하는 정류자(30)는 정지된 상태의 브러시(40)와 접촉한다. 브러시(40)는 정류자(30)와 접촉하여 전동기 내부회로와 외부회로를 연결하는 부분이다.

브러시(40)의 종류에는 탄소 브러시, 흑연 브러시, 전기 흑연 브러시, 금속 흑연 브러시 등이 있다.

한편, 도 1과 같은 전동기에 형성되는 자속량은 유효자속량과 누설자속량을 합한 양을 의미한다. 유효자속량에 의해 계자(10)의 역할을 수행할 수 있다.

앞서 기술한 것처럼 유효자속량은 자석의 한 극에서 나온 많은 자력선 중에서 전기자(20)의 해당 슬롯에 감겨 있는 코일을 통과해 반대 극으로 돌아가는 자력선의 총합계를 의미한다.

계자(10)인 영구자석에서 방출되는 자속량이 아무리 많아도 전기자(20)의 해당 슬롯 내의 코일을 통과해 반대 극으로 돌아가는 유효자속량이 적으면 나머지 자속량은 손실되는데, 되도록 자석이 방출하는 모든 자속량을 유효자속량화 하는 것이 전동기 내에서의 자석을 경제적이며 효율적으로 사용하는 것일 수 있다.

다시 말해, 전동기의 설계효율을 극대화하기 위해서는 기본적으로 전동기 설계 시 유효자속량에 대한 치밀한 계산과 더불어 누설방지를 고려하여 설계가 이루어져야 한다.

특히, 전동기에서 회전력(Torque)이나 회전수(RPM) 또는 전류(Ampere)의 관리가 매우 중요하다.

이러한 각 특성의 관리를 위해서는 자석의 특성 중 잔류자속밀도(Br), 보자력(iHc, bHc), 최대에너지적(BHmax) 등을 자세히 검토하고 관리하여야 하는데, 현존 기술로는 이에 부합하기 어렵다.

특히, 기존 기술 정도로는 그 구조적인 한계로 인해 전동기의 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄이기 어렵다는 점을 고려해볼 때, 이를 해결하기 위한 기술 개발이 필요한 실정이다.

대한민국특허청 출원번호 제10-2011-0025105호

본 발명의 목적은, 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄일 수 있음은 물론, 유효자속량 제어를 통해 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 자석의 효율적인 로트(lot) 관리가 가능하고, 전동기의 특성을 불안정하게 하는 요인인 로트(lot)에 따라 편차가 발생할 수 있는 자석의 특성 및 잔류자속밀도(Br)의 변화를 용이하게 조절할 수 있으며, 일정한 유효자속량을 예측 관리할 수 있어 전동기의 효율성을 종래보다 월등히 높일 수 있는, 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 전기자의 반경 방향 외측에 배치되되 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작된 영구자석; 상기 영구자석을 슬롯 형태로 삽입할 수 있도록 클러스팅하기 위해 제작된 복수의 영구자석 삽입홀; 및 상기 복수의 영구자석 삽입홀을 일체형으로 구성하면서 상기 영구자석을 지지하되 유효자속량 측정에 의한 예측 관리가 가능한 기능을 수행하는 영구자석 지지모듈을 포함하며, 전동기의 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄이기 위해 상기 영구자석 지지모듈이 중심축을 중심으로 대향하는 면과 0.1도 내지 10도 이내의 범위에서 엇각으로 대향하게 제작되는 것을 특징으로 하는, 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기에 의해 달성된다.

상기 영구자석은, 외면 곡면부; 상기 외면 곡면부의 반경 방향 내측에 배치되되 상기 외면 곡면부보다 면적이 작은 내면 곡면부; 상기 외면 곡면부와 상기 내면 곡면부를 양측면에서 연결하는 한 쌍의 측면 연결부; 및 상기 외면 곡면부와 상기 내면 곡면부를 양단부에서 경사지게 연결하는 한 쌍의 경사 단부 연결부를 포함할 수 있다.

상기 영구자석이 페라이트 자석, Sm-Co계 자석, Nd-Fe-B계 자석, Sm2Fe17Nx계 자석 등에서 선택될 수 있다.

상기 영구자석 삽입홀은 상기 영구자석을 슬롯 형태로 삽입하기 용이한 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작되며, 상기 영구자석 삽입홀은 상기 영구자석을 클러스팅하고 이탈되는 것을 방지할 수 있는 구조로 형성될 수 있다.

상기 영구자석 지지모듈이 2극형 이상의 다극형으로 제작될 수 있다.

본 발명에 따르면, 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄일 수 있음은 물론, 유효자속량 제어를 통해 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 자석의 효율적인 로트(lot) 관리가 가능하고, 전동기의 특성을 불안정하게 하는 요인인 로트(lot)에 따라 편차가 발생할 수 있는 자석의 특성 및 잔류자속밀도(Br)의 변화를 용이하게 조절할 수 있으며, 일정한 유효자속량을 예측 관리할 수 있어 전동기의 효율성을 종래보다 월등히 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 전동기의 통상적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기의 요부 구조도이다.
도 3은 영구자석과 영구자석 지지모듈의 설명을 위한 도면이다.
도 4는 영구자석의 확대도이다.
도 5는 자석의 내면을 부위별로 나누어 가우스 메타(gauss meter)로써 표면자속량을 측정한 데이터이다.
도 6은 2개의 자석을 시료로 하여 각각 N극과 S극의 9개 지점(a,b,c,d,e,f,g,h,i)의 표면자속량을 측정한 것이다.
도 7은 퍼미언스 계수를 산출하기 위한 B-H 곡선과 측정 부위이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 지지모듈의 배치도이다.
도 9a 내지 도 14는 본 발명의 다양한 변형예를 도시한 도면들이다.
도 15 내지 도 19는 영구자석, 영구자석 지지모듈 및 영구자석 삽입홀의 다양한 변형예들이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적이나 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

예컨대, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있어서 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 명세서에서, 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하여지도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

따라서 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하려고 구체적으로 설명되지 않는다.

한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 사전적 의미에 제한되지 않으며, 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 같은 의미가 있다.

일반적으로 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 실시예의 설명 중 같은 구성에 대해서는 같은 참조부호를 부여하도록 하며, 때에 따라 같은 참조부호에 대한 설명은 생략하도록 한다.

(일 실시예)

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기의 요부 구조도, 도 3은 영구자석과 영구자석 지지모듈의 설명을 위한 도면, 도 4는 영구자석의 확대도, 도 5는 자석의 내면을 부위별로 나누어 가우스 메타(gauss meter)로써 표면자속량을 측정한 데이터, 도 6은 2개의 자석을 시료로 하여 각각 N극과 S극의 9개 지점(a,b,c,d,e,f,g,h,i)의 표면자속량을 측정한 것, 도 7은 퍼미언스 계수를 산출하기 위한 B-H 곡선과 측정 부위, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 지지모듈의 배치도이다.

이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따르면, 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄일 수 있음은 물론, 유효자속량 제어를 통해 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 자석의 효율적인 로트(lot) 관리가 가능하고, 전동기의 특성을 불안정하게 하는 요인인 로트(lot)에 따라 편차가 발생할 수 있는 자석의 특성 및 잔류자속밀도(Br)의 변화를 용이하게 조절할 수 있으며, 일정한 유효자속량을 예측 관리할 수 있어 전동기의 효율성을 종래보다 월등히 높일 수 있다.

도 2 내지 도 4를 먼저 참조하면, 본 실시예의 전동기는 전기자(20)의 반경 방향 외측에 배치되되 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작된 영구자석(100)과, 영구자석(100)을 슬롯 형태로 삽입할 수 있도록 클러스팅하기 위해 제작된 복수의 영구자석 삽입홀(200)과, 복수의 영구자석 삽입홀(200)을 일체형으로 구성하면서 영구자석(100)을 지지하되 유효자속량 측정에 의한 예측 관리가 가능한 기능을 수행하는 영구자석 지지모듈(300)을 포함할 수 있다.

도 2에서 전기자(20), 정류자(30) 및 브러시(40)의 구성, 설명은 도 1의 설명으로 대체한다.

이러한 구성을 갖는 본 실시예의 전동기에서 영구자석(100)은 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작될 수 있다.

즉 본 실시예에서 영구자석(100)은 테두리 부분의 퍼미언스 계수는 높고 중앙부위는 상대적으로 퍼미언스 계수가 낮은 구조라서 유효자속량을 확보할 수 있는 구조의 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작된다.

영구자석(100)은 외면 곡면부(111)와, 외면 곡면부(111)의 반경 방향 내측에 배치되되 외면 곡면부(111)보다 면적이 작은 내면 곡면부(112)와, 외면 곡면부(111)와 내면 곡면부(112)를 양측면에서 연결하는 한 쌍의 측면 연결부(113)와, 외면 곡면부(111)와 내면 곡면부(112)를 양단부에서 경사지게 연결하는 한 쌍의 경사 단부 연결부(114)를 포함할 수 있다.

본 실시예에서 영구자석(100)은 페라이트 자석, Sm-Co계 자석, Nd-Fe-B계 자석, Sm2Fe17Nx계 자석 등에서 선택될 수 있는데, 잔류자속 밀도가 높은 Nd-Fe-B계 자석 등을 사용하여 영구자석(100)을 제작할 수 있다.

여기서, 퍼미언스 계수는 자속량과 유사한 의미로서, 자석의 중앙보다 주변 측의 자속량이 높다는 것을 의미한다.

이러한 퍼미언스 계수를 높이기 위한 종래의 방법으로는 전동기 내의 에어 갭(air gap)을 최대한 줄이거나, 전동기의 전기자 및 하우징의 재질을 되도록 자기저항이 적은 재질을 사용하거나, 하우징(yoke)의 두께를 증가시켜 누설자속을 없애거나, 자석 길이의 80%까지 전기자의 적층 길이를 늘이는 방법이다.

영구자석 지지모듈(300)은 영구자석(100)을 지지한다. 이러한 영구자석 지지모듈(300)은 통상의 고정자 혹은 회전자와 같은 원통 형상으로 형성될 수 있다.

영구자석 지지모듈(300)은 영구자석(100)의 누설자속을 막기 위해 영구자석 지지모듈(300) 밖으로 누설자속이 발생하지 않도록 자기저항이 적은 순철(純鐵)에 가까운 재질 또는 비자성 재질로 제작되거나 자체 두께를 조절하는 방식으로 제작될 수 있다.

영구자석 지지모듈(300)에 복수 개의 영구자석 삽입홀(200)이 형성된다. 영구자석 삽입홀(200)에 영구자석(100)이 삽입된다.

영구자석 삽입홀(200)은 영구자석(100)을 슬롯 형태로 삽입하기 용이한 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작된다.

그뿐만 아니라 영구자석 삽입홀(200)은 복수의 영구자석(100)을 클러스팅하고 이탈되는 것을 방지할 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 예컨대, 영구자석(100)이 삽입되는 방향으로 빠지지 않는 구조로 영구자석 삽입홀(200)이 형성될 수 있다.

복수의 영구자석(100)이 삽입된 영구자석 지지모듈(300)은 유효자속량 측정에 의한 예측 관리가 가능한 기능을 수행할 수 있다. 영구자석 지지모듈(300)이 2극형 이상의 다극형으로 제작될 수 있다.

다시 요약하면, 본 실시예의 전동기는 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작된 영구자석(100), 영구자석(100)을 슬롯 형태로 삽입할 수 있도록 클러스팅하기 위해 제작된 복수의 영구자석 삽입홀(200), 복수의 영구자석 삽입홀(200)을 일체형으로 구성하는 영구자석 지지모듈(300)을 포함할 수 있다.

유효자속량 측정에 의한 예측 관리는 자석 사용자나 자석 공급자에게 모두 매우 편리한 방법이다. 전동기의 특성이 안정되면 자석의 효율적인 로트(lot) 관리가 가능해지기 때문이다.

참고로, 자석의 특성은 로트(lot)에 따라 편차가 발생할 수 있으며, 잔류자속밀도(Br)의 경우 3∼4% 정도의 특성 변화가 있을 수 있는데 수축률의 변화까지 생각하면 유효자속량을 타이트하게 관리할 때 유효자속량의 편차는 매우 크므로 결과적으로 전동기의 특성을 불안정하게 하는 요인으로 작용한다.

이러한 상황에서 전동기의 제반 특성을 안정적으로 관리하려면 항상 일정한 유효자속량이 나올 수 있도록 관리하여야 하는데 자속량과 전기자(20)와의 간섭을 일으키지 않는 범위 내에서 될 수 있으면 여유 있게 규정해야만 유효자속량의 예측 관리가 가능하게 된다.

따라서, 복수의 영구자석(100)이 삽입된 영구자석 지지모듈(300)은 전동기 설계시부터 수리 또는 유지 시 플러스 메타(flux meter)를 통해 유용하게 활용될 수 있다.

일례로 만일 자속량 공차를 0.10과 같이 타이트하게 관리하면 유효자속량에 의한 전동기 성능 관리는 포기하는 것이나 다름없다. 이렇게 타이트한 공차 범위 안에서 자석 공급업체가 두께(에어 갭(air gap)에 의한 퍼미언스 계수)를 변화시켜 유효자속량을 맞추기란 쉽지 않기 때문이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 자석의 중앙보다 주변 측의 자속량이 더 높게 나오는 것을 볼 수 있다.

이러한 현상은 측정 부위에서 반대 극까지의 최단거리가 짧을수록 높게 나타나는 것이다.

이것은 퍼미언스 계수의 차이에서 오는 현상으로 퍼미언스 계수가 큰 부위에서는 더 많은 자속량이 나오게 되며, 퍼미언스 계수는 측정 부위에서 반대 극까지의 최단거리가 짧을수록 크다는 것을 알 수 있다.

퍼미언스 계수는 자석의 재질, 형상, 크기, 자장 방향에 따라서 결정되는 값으로 같은 자석이라도 자석 표면의 위치에 따라 표면가우스는 일정하지 않은데 이것은 반대 극과의 최단거리의 차 때문에 발생한다.

퍼미언스 계수가 큰 부위에서는 더 많은 자속량이 나오게 되며, 퍼미언스 계수는 측정 부위에서 반대극까지의 최단거리가 짧을수록 크다.

본 발명에 따른 복수의 영구자석(100)은 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작되어 퍼미언스 계수를 극대화할 수 있는 기능을 수행할 수 있다.

한편, 퍼미언스 계수는 자속밀도 B를 보자력 Hc로 나눈 값을 말한다. 퍼미언스 계수는 매우 중요한 팩터(Factor)로, 자석의 재질, 형상, 크기, 자장 방향에 따라서 결정되는 값이다.

이 수치는 동작점을 산출해서 동작점 자속밀도(Bd)를 구하고, 자속량(Φ : Maxwell)을 산출한다.

동작점(퍼미언스 계수)은 Pc = √π . √S/2 x Lm/Am로 그 값을 구하며, 동작점 표면자속밀도는 Bd = Br x Pc/ ( Pc + μr ) (Gauss)로 그 값을 구한다. 총자속량은 Φo = Bd x Am(Maxwell)로 그 값을 구한다.

여기서, S는 전 표면적을, Am은 자화방향에 직교한 자석단면적을, Lm은 자화 방향의 길이를, μr 은 가역 투자율을 말한다. 즉, 퍼미언스 계수가 높을수록 총 자속량은 증가한다.

도 7을 참조하면, (가)의 a처럼 착자된 자석에서 가우스 메타(gauss meter)를 이용하여 측정한 결과, 점 A에서는 1,200gauss, 점 B에서는 1300gauss였다고 가정하면, 실제로 점 B에서 나온 자력선이 점 A에서 나온 자력선보다 반대편 S극으로 돌아가는 에어 갭(air gap)의 최단거리가 L1만큼 짧기 때문에 당연히 가우스 측정치는 반대 극이 가까운 점 B가 점 A보다 크게 나온다.

이때, 점 A의 퍼미언스 계수(자속밀도 B / 보자력 Hc)는 (나)에서 B-H곡선이 1,200gauss와 만나는 점 A의 B/Hc가 된다.

원점과 A점을 연결한 직선이 자석 점 A에서의 퍼미언스선이 되며, A점에서 수직으로 내려 만난 Hc값이 2750oe였다면, 이때의 퍼미언스 계수는 B/Hc이므로 1,200 gauss / 2,750 oe＝0.436이 된다. 동일한 방법으로 자석 점 B에서의 퍼미언스 계수도 계산해보면 1,300gauss / 2,600oe＝0.50이 된다.

도 7의 (가)와 같이 서로 면이 평행하게 마주 보도록 아주 가깝게 하면 점 A나 점 B에서 반대 극까지의 거리(air gap)가 동일하게 된다(L3).

그뿐만 아니라 아주 짧기 때문에 점 A나 점 B의 표면가우스는 동일하면서도 크게 나타나게 된다.

두 점에서의 측정치가 모두 2,500G로 되었다고 하면 이때의 점 A 및 점 B의 퍼미언스(B/Hc) PA와 PB는 같게 나타나며, 그 값은 2,500 G / 1,450 oe로 1.72가 된다.

같은 자석이라도 자석 표면의 위치에 따라 표면가우스는 일정하지 않은데 이것은 반대 극과의 최단거리의 차 때문에 발생한다. 바꾸어 말하면 퍼미언스 계수를 끌어올리기 위해서는 단순히 반대 극과의 극간거리(air gap)를 줄이는 것으로도 가능하게 되는 것이다.

본 발명의 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작되는 영구자석(100)은 퍼미언스 계수를 높이기 위한 구조로써, 복수의 영구자석(100)을 적층 등의 방법을 사용하지 않고 클러스팅 하여 전동기의 부피 또는 구조 등에 영향을 미치지 않고서도 퍼미언스 계수를 높일 수 있다.

한편, 도 8을 참조하면, 본 실시예에서 영구자석 지지모듈(300)은 중심축을 중심으로 대향하는 면과 0.1도 내지 10도 이내의 범위에서 엇각으로 대향하게 제작될 수 있다. 참고로, 도 2 및 도 3의 영구자석 지지모듈(300)의 형태가 도 8과는 상이하게 도시되었는데, 도 2 및 도 3의 영구자석 지지모듈(300)의 형태가 도 8과 같은 것으로 간주한다.

본 실시예와 같을 경우, 전동기의 코깅(Cogging) 현상과 전동기의 노이즈(Noise) 현상을 줄이는 기능을 수행할 수 있다.

여기서, 코깅(Cogging) 현상은 전동기 내부의 비균일 토크이다. 즉 자기에너지가 최소인 위치로 이동하는 접선 방향의 힘으로 전기자가 자석의 끌리는 힘으로 부드럽게 돌지 못하고 턱턱 걸리는 듯 돌아가는 현상을 말한다.

이러한 코깅 현상으로 인하여 기계적인 소음과 진동이 발생하게 되는데, 고품질 전동기에서는 반드시 이 코깅 현상을 없애야만 정숙한 회전으로 소음을 줄일 수 있다.

코깅 현상을 줄이기 위해 종래기술에서는 전기자의 슬롯(Slot)을 비틀리게 설계하거나, 석을 동심이 아니 편심으로 설계하는 방법을 사용하여 왔다. 하지만, 이는 구조적으로 비용 발생을 초래하게 된다.

노이즈(Noise) 현상은 기계적 노이즈와, 전기적 노이즈로 분류할 수 있다.

기계적 노이즈는 전동기에서 발생하는 노이즈 중에서 직접 사람의 귀를 통하여 전달되는 소음을 말하며, 측정단위는 흔히 dB(데시벨)을 사용한다.

기계적 노이즈의 원인으로는 전동기의 진동에 의한 것, 자석과 전기자 사이의 에어 갭(air gap)의 공진 및 공명에 의한 것, 전기자 축의 휨 또는 밸런스의 불균형에 의한 것, 베어링의 마모나 깨짐에 의한 것 등을 예로 들 수 있다.

전기적 노이즈의 특징은 중간 매개물 없이는 사람이 직접 귀를 통해 들을 수 없다는 것에 있으며, 어느 일정한 주파수대에서만 소음을 발생시킨다든지 전자파의 파형을 볼 수 있는 오실로스코프 등을 통해서만 감지되는 소음을 말한다.

전기적 노이즈의 원인으로는 코깅(Cogging) 현상에 의한 것, 자석의 각도와 전기자의 슬롯 각도와의 불균형에 의한 것, 브러시 불량에 의한 전류의 스파크에 의한 것 등을 들 수 있다.

본 발명에 의한 영구자석 지지모듈(300)의 중심축을 중심으로 대향하는 면과 0.1도 내지 10도 이내의 범위에서 엇각으로 대향하게 제작하는 단순한 공정으로 종래의 코깅현상 및 노이즈 현상을 줄일 수 있는 수단으로 작용할 수 있다.

이상 설명한 바와 같은 구조를 기반으로 작용을 하는 본 실시예에 따르면, 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄일 수 있음은 물론, 유효자속량 제어를 통해 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 자석의 효율적인 로트(lot) 관리가 가능하고, 전동기의 특성을 불안정하게 하는 요인인 로트(lot)에 따라 편차가 발생할 수 있는 자석의 특성 및 잔류자속밀도(Br)의 변화를 용이하게 조절할 수 있으며, 일정한 유효자속량을 예측 관리할 수 있어 전동기의 효율성을 종래보다 월등히 높일 수 있다.

(변형예)

도 9a 내지 도 14는 본 발명의 다양한 변형예를 도시한 도면들이다.

우선, 도 9a 및 도 9b의 실시예를 참조하면, 본 실시예의 경우에도 영구자석 지지모듈(600)의 영구자석 삽입홀(700)에 영구자석(500)이 삽입되어 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 하는 역할을 수행한다.

영구자석(500)의 구조와 기능, 역할은 전술한 실시예와 동일할 수 있다.

다만, 본 실시예에서 영구자석(500)에는 이탈 방지용 슬롯(510)이 형성된다. 그리고, 영구자석(500)의 이탈 방지용 슬롯(510)에 대응하게 영구자석 삽입홀(700)의 내벽에 이탈 방지용 돌기(710)가 형성된다.

이에, 도면처럼 영구자석(500)을 해당 위치에 끼우면서 삽입하면 영구자석(500)의 이탈 방지용 슬롯(510)이 영구자석 삽입홀(700)의 내벽에 형성되는 이탈 방지용 돌기(710)에 끼워 맞춤될 수 있고, 이의 작용으로 영구자석(500)이 임의로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

다음, 도 10a 및 도 10b의 실시예를 참조하면, 본 실시예의 경우에도 영구자석 지지모듈(600a)의 영구자석 삽입홀(700a)에 영구자석(500a)이 삽입되어 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 하는 역할을 수행한다.

한편, 본 실시예의 경우, 영구자석(500a)에 이탈 방지용 돌기(510a)가 형성된다. 이때, 이탈 방지용 돌기(510a)는 경사진 경사면(511)을 구비함으로써, 영구자석(500a)이 영구자석 삽입홀(700a) 쪽으로 잘 들어갈 수 있게끔 한다.

그리고, 영구자석(500a)의 이탈 방지용 돌기(510a)에 대응하게 영구자석 삽입홀(700a)의 내벽에 이탈 방지용 슬롯(710a)이 형성된다. 이탈 방지용 슬롯(710a)의 단면 형상이 이탈 방지용 돌기(510a)의 단면 형상과 동일할 수 있다.

이에, 도면처럼 영구자석(500a)을 해당 위치에 끼우면서 삽입하면 영구자석(500a)의 이탈 방지용 돌기(510a)가 영구자석 삽입홀(700a)의 내벽에 형성되는 이탈 방지용 슬롯(710a)에 끼워 맞춤될 수 있고, 이의 작용으로 영구자석(500a)이 임의로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

다음, 도 11a 및 도 11b의 실시예를 참조하면, 본 실시예의 경우에도 영구자석 지지모듈(600b)의 영구자석 삽입홀(700b)에 영구자석(500b)이 삽입되어 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 하는 역할을 수행한다.

한편, 본 실시예의 경우, 영구자석(500b)에는 이탈 방지용 슬롯(510b)이 형성된다. 그리고, 영구자석(500b)의 이탈 방지용 슬롯(510b)에 대응하게 영구자석 삽입홀(700b)의 내벽에 이탈 방지용 돌기(710b)가 형성된다.

이때, 이탈 방지용 슬롯(510b)을 구비하는 영구자석(500b)은 후단부(520)에서 전단부(530)로 갈수록 폭이 점진적으로 좁아지는 형태를 취한다. 다시 말해, 후단부(520)의 면적보다 전단부(530)의 면적이 좁다. 따라서, 영구자석(500b)의 조립이 매우 수월해진다.

이에, 도면처럼 영구자석(500b)을 해당 위치에 끼우면서 삽입하면 영구자석(500b)의 이탈 방지용 슬롯(510b)이 영구자석 삽입홀(700b)의 내벽에 형성되는 이탈 방지용 돌기(710b)에 끼워 맞춤될 수 있고, 이의 작용으로 영구자석(500b)이 임의로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

다음, 도 12a 내지 도 12c의 실시예를 참조하면, 본 실시예의 경우에도 영구자석 지지모듈(600c)의 영구자석 삽입홀(700c)에 영구자석(500c)이 삽입되어 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 하는 역할을 수행한다.

한편, 본 실시예에서 영구자석(500c)은 후단부(520c)에서 전단부(530c)로 갈수록 폭이 점진적으로 좁아지는 형태를 취한다. 다시 말해, 후단부(520c)의 면적보다 전단부(530c)의 면적이 좁다. 따라서, 영구자석(500c)의 조립이 매우 수월해진다.

이러한 영구자석(500c)에 맞대응할 수 있도록 영구자석 삽입홀(700c)이 가공되는데, 영구자석 삽입홀(700c)이 위치하는 영구자석 지지모듈(600c)의 단부에 스토퍼(620)가 형성된다. 따라서, 영구자석(500c)의 전단부(530c)는 스토퍼(620)까지만 삽입될 수 있다.

그리고, 영구자석 삽입홀(700c)에 삽입된 영구자석(500c)의 후단 이탈을 방지하기 위해 별도의 자석 이탈 방지커버(640)가 영구자석 지지모듈(600c)에 추가로 결합한다.

이에, 도면처럼 영구자석(500c)을 해당 위치에 끼우면서 삽입하면 영구자석(500c)의 전단부(530c)가 스토퍼(620)에 접하여 정지되며, 이후에 자석 이탈 방지커버(640)를 영구자석 지지모듈(600c)에 결합함으로써 영구자석(500c)의 고정작업을 마무리할 수 있다.

다음, 도 13 및 도 14의 실시예를 참조하면, 본 실시예의 경우에도 영구자석 지지모듈(600d)의 영구자석 삽입홀(700d)에 영구자석(500,500d)이 삽입되어 전동기(motor)의 특성이 안정되도록 하는 역할을 수행한다.

이때, 본 실시예의 경우, 영구자석 삽입홀(700d)의 폭(L)이 전술한 실시예들보다 크다. 즉 본 실시예에 마련되는 영구자석 삽입홀(700d)은 전술한 실시예들과 같은 폭을 갖는 것도 있고, 본 실시예처럼 큰 폭(L)을 갖는 것도 존재한다.

이처럼 영구자석 삽입홀(700d)의 폭(L)이 크면 전술한 실시예들처럼 영구자석 삽입홀(700d)에 1개가 아닌 여러 개, 예컨대, 2개의 제1 및 제2 영구자석(500,500d)를 조립 연결해서 삽입하면 된다.

이때, 제1 및 제2 영구자석(500,500d) 중 하나에는 적어도 하나의 이탈 방지용 슬롯(510)이 형성되고 다른 하나에는 이곳에 끼워지는 슬롯 돌기부(515)가 형성되기 때문에 이탈 방지용 슬롯(510)과 슬롯 돌기부(515)를 이용해서 제1 및 제2 영구자석(500,500d)을 한 몸체로 연결해 둔 상태에서 이들을 영구자석 삽입홀(700d)에 삽입 결합하면 된다. 영구자석 삽입홀(700d)의 내벽에는 이탈 방지용 슬롯(510)에 대응하게 이탈 방지용 돌기(710)가 형성된다.

이에, 도면처럼 제1 및 제2 영구자석(500,500d)을 조립해서 한 몸체로 만든 후에, 제1 및 제2 영구자석(500,500d)의 이탈 방지용 슬롯(510)이 영구자석 삽입홀(700d)의 내벽에 형성되는 이탈 방지용 돌기(710)에 끼워 맞춤될 수 있고, 이의 작용으로 제1 및 제2 영구자석(500,500d)이 임의로 이탈되는 것을 방지할 수 있다.

도 15 내지 도 19는 영구자석, 영구자석 지지모듈 및 영구자석 삽입홀의 다양한 변형예들이다.

전술한 실시예의 경우, 영구자석(100)은 그 대부분이 사각형의 단면 구조로 제작되었다.

하지만, 도 15 내지 도 19에 도시된 바와 같이, 영구자석(900a~900e)은 마름모, 삼각, 오각, 육각 또는 팔각 등 다양하게 변형될 수 있으며, 이에 대응하게 영구자석 지지모듈(800a~800e)의 영구자석 삽입홀(700a~700e) 역시, 마름모, 삼각, 오각, 육각 또는 팔각 등 다양하게 변형될 수 있다.

물론, 도시되지 않은 다양한 다각 형상으로 제작될 수도 있는데, 이러한 사항 모두가 본 발명의 권리범위에 속하다고 하여야 할 것이다.

이처럼 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 청구범위에 속한다고 하여야 할 것이다.

20 : 전기자 30 : 정류자
40 : 브러시 100 : 영구자석
200 : 영구자석 삽입홀 300 : 영구자석 지지모듈

Claims (5)

1. 전기자의 반경 방향 외측에 배치되되 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작된 영구자석;
   상기 영구자석을 슬롯 형태로 삽입할 수 있도록 클러스팅하기 위해 제작된 복수의 영구자석 삽입홀; 및
   상기 복수의 영구자석 삽입홀을 일체형으로 구성하면서 상기 영구자석을 지지하되 유효자속량 측정에 의한 예측 관리가 가능한 기능을 수행하는 영구자석 지지모듈을 포함하며,
   전동기의 코깅(Cogging) 현상과 노이즈(Noise) 현상을 줄이기 위해 상기 영구자석 지지모듈이 중심축을 중심으로 대향하는 면과 0.1도 내지 10도 이내의 범위에서 엇각으로 대향하게 제작되고,
   상기 영구자석 삽입홀은 상기 영구자석을 슬롯 형태로 삽입하기 용이한 환형 섹터 플레이트(Annular sector plate)로 제작되며,
   상기 영구자석 삽입홀은 상기 영구자석을 클러스팅하고 이탈되는 것을 방지할 수 있는 구조로 형성되며,
   상기 영구자석 지지모듈이 2극형 이상의 다극형으로 제작되되,
   상기 영구자석에 이탈 방지용 슬롯이 형성되고, 상기 영구자석 삽입홀의 내벽에 상기 영구자석의 이탈 방지용 슬롯에 대응하게 이탈 방지용 돌기가 형성되거나, 상기 영구자석에 이탈 방지용 돌기가 형성되고, 상기 영구자석 삽입홀의 내벽에 상기 영구자석의 상기 이탈 방지용 돌기에 대응하게 이탈 방지용 슬롯이 형성되며,
   상기 이탈 방지용 돌기는 경사진 경사면을 구비하는 것을 특징으로 하는, 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석은,
   외면 곡면부;
   상기 외면 곡면부의 반경 방향 내측에 배치되되 상기 외면 곡면부보다 면적이 작은 내면 곡면부;
   상기 외면 곡면부와 상기 내면 곡면부를 양측면에서 연결하는 한 쌍의 측면 연결부; 및
   상기 외면 곡면부와 상기 내면 곡면부를 양단부에서 경사지게 연결하는 한 쌍의 경사 단부 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는, 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석이 페라이트 자석, Sm-Co계 자석, Nd-Fe-B계 자석, Sm2Fe17Nx계 자석 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 영구자석의 클러스팅을 통한 유효자속량 제어가 가능한 고효율 전동기.
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