KR102420918B1 - 토크 리플 저감을 위한 릴럭턴스 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토크 리플 저감을 위한 릴럭턴스 모터에 관한 것으로, 내부에 수용공간이 형성되는 고정자, 상기 수용공간에서 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비되며, 상기 고정자와 자기적 상호 작용에 의해 회전하는 회전자 및 상기 회전자가 회전하도록 상기 회전자의 중심을 관통하도록 삽입되는 회전축을 포함하고, 상기 고정자와 회전자는 각각 복수개 구비되며, 복수의 고정자와 복수의 회전자는 상기 회전축의 축 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

토크 리플 저감을 위한 릴럭턴스 모터{RELUCTANCE MOTOR TO REDUCE TORQUE RIPPLE}

본 발명은 토크 리플을 저감시키기 위한 릴럭턴스 모터에 관한 것으로, 특히 토크 리플을 저감시킬 수 있는 구조를 갖는 모터에 관한 것이다.

최근, 에너지 고갈과 환경 오염 문제로 전기자동차 및 하이브리드 자동차와 같은 친환경 자동차가 주목받고 있다. 친환경 자동차는 배터리에 저장된 전기를 이용하여 구동 동력을 발생시키는 모터를 포함하는데, 일반적으로 DC 모터(또는, 스위치드 릴럭턴스 모터, Switched Reluctance Motor)를 사용한다.

일반적으로 DC 모터는 자석으로 이루어진 고정자와 계자권선으로 이루어진 회전자로 이루어진다. 회전자의 계자권선은 브러쉬를 통해 외부의 직류전원과 연결이 되는데, 회전자가 회전함에 따라 이 브러쉬와 외부의 전원이 연결되는 극성이 계속 바뀌고, 회전자에 발생하는 자장도 방향이 계속 바뀌게 된다. 즉, 회전자의 자장은 고정자의 자장에 대해 항상 일정한 극성으로 유지가 되어 모터의 회전력이 발생하게 된다.

한편, 전기자동차 또는 하이브리드 자동차에 사용되는 DC 모터의 경우, 높은 출력밀도와 고효율 및 저소음(저진동)을 달성하여 모터의 신뢰성을 확보하는 것이 중요하다. 이를 위해, 모터의 동작중에 소음/진동의 주원인이 되는 토크리플을 저감 내지 상쇄시키는 것이 중요하다.

종래의 모터의 회전자 구조에서는, 회전자가 일 방향으로 회전함에 따라, 회전 방향과 반대되는 방향으로 자계 경로(flux path)가 치우치게 된다. 이 경우에, 자속이 어느 일 영역에서 집중됨에 따라 모터의 구동에 따른 토크 리플이 증가하며, 모터의 효율이 저감되는 문제가 발생하였다.

또한, 자속 밀도가 불균형하게 되며, 이에 기인하여 회전자 코어에 흐르는 자속이 상쇄될 수 있다. 이러한 경우에, 설계한 모터의 출력보다 저감되는 문제가 발생할 수 있다.

(선행문헌) 일본공개특허공보 특개2016-13050(2016.01.21.)

본 발명의 토크리플을 저감시키기 위한 최적화된 스위치드 릴럭턴스 모터의 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모터는, 내부에 수용공간이 형성되는 고정자, 상기 수용공간에서 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비되며, 상기 고정자와 자기적 상호 작용에 의해 회전하는 회전자 및 상기 회전자가 회전하도록 상기 회전자의 중심을 관통하도록 삽입되는 회전축을 포함하고, 상기 고정자와 회전자는 각각 복수개 구비되며, 복수의 고정자와 복수의 회전자는 상기 회전축의 축 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 복수의 고정자는 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함하고, 상기 복수의 회전자는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하며, 상기 제1 고정자 및 상기 제1 회전자는, 상기 회전축의 제1 지점을 중심으로 배치되고, 상기 제2 고정자 및 상기 제2 회전자는, 상기 제1 지점으로부터 소정거리만큼 이격된 상기 회전축의 제2 지점을 중심으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 제1 고정자 및 상기 제1 회전자는, 상기 회전축의 제1 지점에서 상기 회전축의 축 방향과 수직한 방향으로 배치되고, 상기 제2 고정자 및 상기 제2 회전자는, 상기 회전축의 제2 지점에서 상기 회전축의 축 방향과 수직한 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 제1 고정자 및 상기 제1 회전자는 제1 구동부이고, 상기 제2 고정자 및 상기 제2 회전자는 제2 구동부이며, 상기 제1 구동부와 상기 제2 구동부는, 토크 파형의 반주기만큼 원주 방향으로 위상 배치되는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 복수의 고정자 및 상기 복수의 회전자의 개수는 각각 두 개 이상인 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 복수의 고정자는 상기 회전축의 축 방향으로 동일한 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

실시 예에 있어서, 상기 복수의 고정자는 상기 회전축의 축 방향으로 서로 다른 길이를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 복수의 고정자와 복수의 회전자, 즉 복수의 구동부를 구비함으로써, 어느 하나의 구동부가 고장나더나도 나머지 구동부로 모터를 동작시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 구동부의 토크 파형의 반주기만큼 원주 방향으로 복수의 구동부를 위상 배치시켜, 복수의 토크 파형을 상쇄시켜, 리플을 저감시킬 수 있는 새로운 모터를 제안할 수 있다.

도 1은 본 발명의 대표적인 모터를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 복수의 구동부가 배치된 상태를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 모터에 따른 토크를 저감시키는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 모터를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위해, 본 발명의 실시 예가 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 이하에서는, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 전기차량용 모터 제어 장치 및 이를 이용한 토크 리플 저감 방법에 대하여 상세하게 기술한다.

하지만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통해 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

도 1은 본 발명의 대표적인 모터를 설명하기 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터(100)는, 회전축(샤프트)(110), 하우징(또는, 메인 하우징)(120), 전면 커버(Front Lidit)(또는 전면 하우징)(130), 후면 커버(Rear Lidit)(또는 후면 하우징)(140), 호스 니플(Hose Nipple)(150), 고정자(Stator)(160), 회전자(Rotor)(170) 및 리졸버(Resolver, 각도센서)(190)를 포함할 수 있다.

상기 고정자(160)와 회전자(170)는, 구동부(Motor)(또는 구동 모듈)(180)로 명명될 수 있다.

구동부(180)는 고정자와 회전자를 포함한다.

고정자(160)는 메인 하우징(120)의 내주면을 따라 설치되며, 상기 메인 하우징(120)의 내주면에 고정된다.

고정자(160)는 메인 하우징(120)에 열박음(또는 열간압입)으로 삽입 및 고정된다. 따라서 메인 하우징(120)에 삽입되는 고정자(160)의 삽입 깊이를 작게(또는 얕게) 설정하는 것이 고정자(160)의 조립 작업 용이성 확보에 유리하다. 나아가 고정자(160)의 삽입 깊이를 작게 설정하는 것이 열박음 과정에서 고정자(160)의 동심도를 유지하는데 유리하다.

회전자(170)는 고정자에 의해 감싸이는 영역에 설치된다. 회전자는 고정자와의 전자기적 상호 작용에 의해 회전된다.

회전축(110)은 회전자(170)의 중앙에 결합된다. 회전축(110)은 샤프트(Shaft)로 명명될 수도 있다.

회전축(110)은, 회전자(170)와 함게 회전하면서 모터에서 발생하는 회전력을 모터(또는 샤프트)에 연결된 외부 장치로 전달한다. 회전축(110)은 열박음(또는 열간압입)으로 회전자에 삽입 및 고정될 수 있다.

도 1의 (a)를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터(100)는, 내부에 수용공간이 형성되는 고정자(160), 상기 수용공간에서 회전축(110)을 중심으로 회전 가능하게 구비되며, 상기 고정자(160)와 자기적 상호 작용에 의해 회전하는 회전자(170) 및 상기 회전자(170)가 회전하도록 상기 회전자의 중심을 관통하도록 삽입되는 회전축(110)을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 모터는, 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 고정자(160)와 회전자(170)는 각각 복수개 구비될 수 있다.

즉, 복수의 고정자(Stator 1, Stator 2)(160a, 160b)와 복수의 회전자(Rotor 1, Rotor 2)(170a, 170b)는 회전축(110)의 축방향을 따라 배치될 수 있다.

일 예로, 복수의 고정자는, 제1 고정자(Stator 1)(160a)와 제2 고정자(Stator 2)(160b)를 포함할 수 있다.

또한, 복수의 회전자는, 제1 회전자(Rotor 1)(170a) 및 제2 회전자(Rotor 2)(170b)를 포함할 수 있다.

상기 제1 고정자(160a) 및 제1 회전자(170a)는, 회전축(110)의 제1 지점을 중심으로 배치될 수 있다.

상기 제2 고정자(160b) 및 제2 회전자(170b)는, 상기 제1 지점으로부터 소정거리만큼 이격된 상기 회전축의 제2 지점을 중심으로 배치될 수 있다.

구체적으로, 도 1의 (b)에 도시된 것과 같이, 상기 제1 고정자(160a) 및 상기 제1 회전자(170a)는 회전축(110)의 제1 지점에서 상기 회전축의 축 방향과 수직한 방향으로 배치될 수 있다.

상기 제2 고정자(160b) 및 상기 제2 회전자(170b)는 삭이 회전축의 제2 지점에서 상기 회전축의 축 방향과 수직한 방향으로 배치될 수 있다.

즉, 상기 제1 고정자(160a) 및 상기 제1 회전자(170a)는, 제1 구동부(180a)(또는, 제1 구동 모듈)로 명명될 수 있으며, 하나의 모터 역할을 수행할 수 있다.

또한, 상기 제2 고정자(160b) 및 상기 제2 회전자(170b)는, 제2 구동부(180b)(또는 제2 구동 모듈)로 명명될 수 있으며, 제1 구동부와 독립된 하나의 모터 역할을 수행할 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 모터는, 고정자와 회전자를 포함하는 구동부가 복수개 구비될 수 있으며, 각 구동부는 하나의 회전축(샤프트) 상에 장착될 수 있다.

복수의 구동부는 상기 회전축에 소정간격을 갖도록 배치될 수 있다.

한편, 이러한 복수의 구동부는 리플 저감을 위해 고정자(또는 회전자)의 원주 방향으로 소정각도 틀어져서 배치(장착)될 수 있다.

도 2는 본 발명의 복수의 구동부가 배치된 상태를 설명하기 위한 개념도이고, 도 3은 본 발명의 모터에 따른 토크를 저감시키는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 구동부(180)는, 소정 주기를 갖도록 토크 파형이 형성될 수 있다.

예를 들어, 구동부(180)의 슬롯 조합이 10극 12 슬롯인 것으로 예를 들면, 토크 파향은 6도마다 1 주기를 가질 수 있다(회전자 1회전 360도동안 60개의 산을 갖는 토크 파형이 나타나는 경우, 360/60=6도의 주기를 가짐).

본 발명에서, 복수의 구동부(예를 들어, 제1 및 제2 구동부(180a, 180b))를 구비하는 경우, 도 3에 도시된 것과 같이, 각 구동부에서 발생되는 토크 파형의 산과 골이 중첩되도록 복수의 구동부를 위상 배치시킬 수 있다.

예를 들어, 제1 구동부와 제2 구동부가 6도의 주기를 갖는 경우, 본 발명의 모터에 구비된 제1 구동부(180a)와 제2 구동부(180b)는 토크 파형의 반주기(6/2=3도)만큼 원주 방향으로 위상 배치될 수 있다.

즉, 도 2에 도시된 것과 같이, 제1 구동부(180a)와 제2 구동부(180b)를 회전축에 장착시킬 때, 제1 구동부와 제2 구동부가, 해당 토크 파향의 주기에 반에 해당하는 반주기만큼 틀어지도록 회전축에 장착될 수 있다.

이 경우, 도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 것과 같이, 제1 구동부와 제2 회전부는, 토크 파형의 반주기(토크 파형의 주기가 6도인 경우, 그것의 반주기인 3도)만큼 위상 차이가 나도록 회전축에 배치될 수 있다.

이에 따라, 제1 구동부(180a)와 제2 구동부(180b)는, 동일한 위상을 갖지 않고, 토크 파형의 반주기만큼 틀어지도록 회전축에 배치될 수 있다.

이 경우, 도 3에 도시된 것과 같이, 제1 구동부(180a)에서 발생된 토크의 산과 제2 구동부(180b)에서 발생된 토크의 골이 합성되어, 서로 상쇄를 일으키게 되고, 이에 따라, 총 모터(100)에서 발생되는 토크의 맥동을 억제할 수 있다.

이 때, 제1 구동부와 제2 구동부가 토크 파형의 반주기만큼 위상차이가 나도록 배치되는 것은, 고정자 및 회전자가 함께 반주기만큼 원주 방향으로 위상 배치된다는 것을 의미할 수 있다.

이러한 구조를 통해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터는, 복수의 구동부를 구비하고, 각 구동부에서 발생되는 토크 파형이 상쇄되도록 복수의 구동부를 원주 방향으로 소정 각도만큼 회전시켜 장착(위상 배치)함으로써, 토크 리플을 현저히 저감시킬 수 있다.

더불어, 복수의 구동부를 구비하므로, 하나의 구동부에 문제가 발생하거나 고장이 발생하더라도, 나머지 구동부를 통해 모터를 작동시킬 수 있는 추가 효과도 발휘할 수 있다.

도 2 및 도 3에서는, 두 개의 구동부가 구비된 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않는다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 모터를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명에 따른 모터는, 복수의 고정자 및 복수의 회전자의 개수가 각각 두 개 이상일 수 있다.

또한, 복수의 고정자는 회전축의 축 방향으로 동일한 길이를 가질 수도 있고, 서로 다른 길이를 가질 수도 있다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 모터는, 고정자와 회전자를 복수개로 분할하는 것으로 이해될 수 있으며, 이 때, 도 2 및 3에서 도시된 것과 같이, 동일한 길이를 갖도록 고정자와 회전자를 분할할 수 있다.

그러나, 이에 한정되지 않고, 본 발명의 모터는, 두 개 이상의 고정자와 두 개의 이상의 회전자로 분할할 수 있으며, 이 때, 분할된 고정자와 회전자의 길이는 서로 동일할 수도 있고 다를 수도 있다.

또한, 분할된 복수의 고정자와 복수의 회전자에 의해 형성되는 토크 파형에 근거하여, 각 구동부가 배치되는 위상각도 달라질 수 있다.

즉, 본 발명의 모터는, 각 구동부에서 발생되는 토크 파형을 합성했을 때, 가장 많은 상쇄가 일어날 수 있도록 각 구동부를 원주 방향으로 위상 배치(즉, 원주 방향으로 소정 각도 틀어서 배치)할 수 있다.

여기서 상기 소정 각도는, 파형의 주기에 근거하여 결정되거나, 세 개 이상의 구동부인 경우 각 구동부의 파형들의 상쇄가 가장 많이 발생되도록 결정될 수 있다.

본 발명에 따르면, 본 발명의 복수의 고정자와 복수의 회전자, 즉 복수의 구동부를 구비함으로써, 어느 하나의 구동부가 고장나더나도 나머지 구동부로 모터를 동작시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 복수의 구동부의 토크 파형의 반주기만큼 원주 방향으로 복수의 구동부를 위상 배치시켜, 복수의 토크 파형을 상쇄시켜, 리플을 저감시킬 수 있는 새로운 모터를 제안할 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims (7)

1. 내부에 수용공간이 형성되는 고정자;
   상기 수용공간에서 회전축을 중심으로 회전 가능하게 구비되며, 상기 고정자와 자기적 상호 작용에 의해 회전하는 회전자; 및
   상기 회전자가 회전하도록 상기 회전자의 중심을 관통하도록 삽입되는 회전축을 포함하고,
   상기 고정자와 회전자는 각각 복수개 구비되며,
   복수의 고정자와 복수의 회전자는 상기 회전축의 축 방향을 따라 배치되는 것을 특징으로 하고,
   상기 복수의 고정자와 상기 복수의 회전자는 각각 서로 다른 길이를 갖도록 형성되며,
   상기 복수의 고정자는 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함하고,
   상기 복수의 회전자는 제1 회전자 및 제2 회전자를 포함하며,
   상기 제1 고정자 및 상기 제1 회전자는 제1 구동부이고,
   상기 제2 고정자 및 상기 제2 회전자는 제2 구동부이며,
   각 구동부가 배치되는 위상각은, 상기 복수의 고정자와 복수의 회전자에 의해 형성되는 토크 파형에 근거하여 달라지고,
   각 구동부가 배치되는 위상각은, 각 구동부에서 발생되는 토크 파형을 합성했을 때, 가장 많은 상쇄가 일어날 수 있도록 원주 방향으로 위상 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 고정자 및 상기 제1 회전자는, 상기 회전축의 제1 지점을 중심으로 배치되고,
   상기 제2 고정자 및 상기 제2 회전자는, 상기 제1 지점으로부터 소정거리만큼 이격된 상기 회전축의 제2 지점을 중심으로 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 고정자 및 상기 제1 회전자는, 상기 회전축의 제1 지점에서 상기 회전축의 축 방향과 수직한 방향으로 배치되고,
   상기 제2 고정자 및 상기 제2 회전자는, 상기 회전축의 제2 지점에서 상기 회전축의 축 방향과 수직한 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
   
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제1 구동부와 상기 제2 구동부는, 토크 파형의 반주기만큼 원주 방향으로 위상 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수의 고정자 및 상기 복수의 회전자의 개수는 각각 두 개 이상인 것을 특징으로 하는 모터.
   
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