KR102423928B1 - 스포크 타입의 모터 구조 - Google Patents

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Abstract

스포크 타입의 모터구조가 개시된다. 본 발명에 따른 스포크 타입의 모터구조는, 회전자 코어, 회전자 코어의 중심 축으로부터 방사형으로 설치된 복수의 영구자석, 회전자 코어의 외측에 설치되는 제1 고정자 코어, 및 제1 고정자 코어에 감겨지는 제1 코일을 포함하는 스포크 타입의 모터구조에 있어서, 회전자 코어의 축 방향의 상면 및 하면 중의 적어도 한 면에 설치되는 복수의 제2 고정자 코어; 및 각각의 제2 고정자 코어에 감겨지는 제2 코일;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

스포크 타입의 모터 구조{SPOKE TYPE MOTOR STRUCTURE}
본 발명은 스포크 타입의 모터 구조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 역기전력의 가변이 가능하며, 고속 및 저속의 넓은 운전구간에서 고효율의 운전이 가능한 스포크 타입의 모터 구조에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 전기에너지를 이용하여 회전력을 발생시키는 장치로서, 모터는 산업 전반에 걸쳐 다양한 장치에 사용되고 있다.
모터는 코일이 권선된 고정자(stator), 및 고정자의 중공에 배치되며 영구 자석을 포함하는 회전자(rotor)를 포함한다.
모터의 회전자는 영구자석의 배치에 따라 SPM(Surface Permanent Magnet) 방식 로터, IPM(Interior Permanent Magnet) 방식 로터, 및 스포크(spoke) 방식 로터로 구분된다.
SPM 방식 로터는 로터의 코어 표면에 영구자석이 부착된 형태로서, 상대적으로 소음과 진동이 작으면서 회전력은 좋으나 고속 회전 시 영구자석의 이탈과 기계적 강성의 저하, 및 운전영역의 다양화를 위한 제어가 용이하지 않다는 단점을 갖는다.
IPM 방식 로터의 경우, 코어의 상하를 관통하는 홀 내에 영구자석이 삽입되어 고정된 형태로서 SPM 방식 로터보다 토크 및 출력이 증가되는 장점을 갖는다.
스포크 타입의 로터는 IPM 타입의 로터보다 큰 토크를 갖고, 모터 효율이 향상되며, 고출력 특성을 갖는다.
그런데, 일반적인 스포크 타입의 로터는 축 방향으로 자속의 누설이 많기 때문에 이로 인해 출력이 저감되는 문제점이 있다.
공개실용신안공보 제20-2015-0003587호 (공개일자: 2015.10.02)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 축 방향으로 생성되는 누설 자속에 대하여 반대방향 또는 동일방향으로 자속을 추가 생성함으로써, 반경방향으로 생성되는 자속을 증가 또는 감소시켜 결과적으로 역기전력을 가변시키며, 고속 및 저속의 넓은 운전구간에서 고효율의 운전이 가능한 스포크 타입의 모터구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 스포크 타입의 모터구조는, 회전자 코어, 상기 회전자 코어의 중심 축으로부터 방사형으로 설치된 복수의 영구자석, 상기 회전자 코어의 외측에 설치되는 제1 고정자 코어, 및 상기 제1 고정자 코어에 감겨지는 제1 코일을 포함하는 스포크 타입(spoke type)의 모터구조에 있어서, 상기 회전자 코어의 축 방향의 상면 및 하면 중의 적어도 한 면에 설치되는 복수의 제2 고정자 코어; 및 각각의 상기 제2 고정자 코어에 감겨지는 제2 코일;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 각각의 상기 제2 고정자 코어는 각각의 상기 영구자석에 대응하도록, 상기 영구자석의 수와 동일한 수로 마련된다.
전술한 스포크 타입의 모터구조는, 상기 회전자 코어의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 반대 방향으로 자속이 생성되도록, 상기 제2 코일에 상기 회전자 코어의 동기속도와 동일한 주파수의 전원이 인가된다.
또한, 전술한 스포크 타입의 모터구조는, 상기 회전자 코어의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 동일 방향으로 자속이 생성되도록, 상기 제2 코일에 상기 회전자 코어의 동기속도와 동일한 주파수의 전원이 인가될 수도 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 스포크 타입의 모터구조는, 회전자 코어, 상기 회전자 코어의 중심 축으로부터 방사형으로 설치된 복수의 영구자석, 상기 회전자 코어의 외측에 설치되는 제1 고정자 코어, 및 상기 제1 고정자 코어에 감겨지는 제1 코일을 포함하는 스포크 타입의 모터에 있어서, 상기 회전자 코어의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 동일 또는 반대 방향으로 추가 자속을 생성하는 복수의 추가자속 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 각각의 상기 추가자속 생성부는 각각의 상기 영구자석에 대응하도록, 상기 영구자석의 수와 동일한 수로 마련될 수 있다.
전술한 스포크 타입의 모터구조는, 각각의 상기 추가자속 생성부에 상기 회전자 코어의 동기속도와 동일한 주파수의 전원이 인가된다.
또한, 전술한 스포크 타입의 모터구조는, 상기 추가자속 생성부에 인가되는 전원을 제어하여 역기전력을 증가 또는 감소시킨다.
본 발명에 따르면, 축 방향으로 생성되는 누설 자속에 대하여 반대방향 또는 동일방향으로 자속을 추가 생성함으로써, 반경방향으로 생성되는 자속을 증가 또는 감소시켜 결과적으로 역기전력을 가변시키며, 고속 및 저속의 넓은 운전구간에서 고효율의 운전이 가능하게 된다.
도 1은 스포크 타입의 모터구조에서 축 방향으로 생성되는 누설 자속을 예시한 도면이다.
도 2는 일반적인 스포크 타입의 모터구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스포크 타입의 모터구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 기재함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표시한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 스포크 타입의 모터구조에서 축 방향으로 생성되는 누설 자속을 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 스포크 타입의 모터구조는 회전자 코어(10)와 영구자석(20)을, 릴럭턴스(reluctance) 력을 많이 사용할 수 있는 형태로 배치한 구조로서, 회전자의 영구자석 자속 밀도를 집중시켜 고출력을 낼 수 있다. 스포크 타입의 모터는 고토크, 고속 운전이 요구되는 세탁기 등의 장치에 이용될 수 있다.
그런데, 스포크 타입의 모터구조는 축 방향으로 누설 자속이 많이 생성되기 때문에, 스포크 타입의 모터 설계에 있어서 누설 자속을 감소시키기 위한 방안이 꾸준히 연구되어 왔다. 이러한 방안으로, 영구 자석과 샤프트 사이의 배리어 부분의 크기를 크게 하거나 립의 두께를 얇게 설계하는 방법과, 희토류 계열 영구자석을 사용하거나 자석의 양을 증가시킴으로써 자속 밀도의 절대적인 양을 증가시키는 방법 등이 있다.
하지만, 배리어의 크기를 크게 하는 경우에 고정자로 전달되는 자속량이 감소하여 모터의 출력이 감소되는 문제점이 있으며, 립의 두께를 얇게 변경할 경우에 고속 운전하는 모터의 강성이 부족하게 되는 문제점이 있다. 또한, 희토류 계열의 영구자석을 이용하거나 자석의 수를 증가시키는 경우에 제품의 단가가 상승하여 대량 생산이 어렵다는 문제점이 있다.
한편, 일반적인 스포크 타입의 모터구조는 도 2에 도시한 바와 같이, 고정자 코어(30)가 회전자 코어(10)와, 회전자 코어(10)의 중심 축으로부터 방사형으로 설치된 복수의 영구자석(20)을 둘러싼다. 이때, 고정자 코어(30)에 감겨지는 고정자 코일(40)은 일반적으로 고정자 코어(30)의 축 방향의 상측 또는 하측으로 돌출되며, 이로 인해 회전자 코어(10) 및 영구자석(20)의 축 방향에는 고정자 코일(40)의 돌출부로 인한 공간이 형성된다. 본 발명에 따른 스포크 타입의 모터구조는 이와 같이 고정자 코일(40)의 돌출부에 의해 형성되는 여유 공간을 이용하여, 축 방향으로 생성되는 누설 자속에 대하여 반대방향 또는 동일방향으로 자속을 추가 생성함으로써, 반경방향으로 생성되는 자속을 증가 또는 감소시켜 결과적으로 역기전력을 가변시키며, 고속 및 저속의 넓은 운전구간에서 고효율의 운전이 가능하도록 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 스포크 타입의 모터구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 스포크 타입의 모터구조는 도 2에 도시한 바와 같은, 고정자 코일(40)의 돌출부에 의해 형성되는 여유 공간에 추가자속 생성부(45)를 포함한다.
여기서, 추가자속 생성부(45)는 회전자 코어(10)의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 동일 또는 반대 방향으로 추가 자속을 생성한다. 이때, 추가자속 생성부(45)는 회전자 코어(10)의 축 방향의 상면 및 하면 중의 적어도 한 면에 설치되는 추가 고정자 코어(50), 및 추가 고정자 코어(50)에 감겨지는 추가 고정자 코일(60)을 포함한다.
추가 고정자 코어(50)는 스포크 타입 모터의 축 방향의 상면 및 하면 중의 적어도 한 면을 덮는 원형의 덮개판(도시하지 않음)의 내면에 설치되며, 도 4에 도시한 바와 같이, 사다리꼴 형상으로 이루어질 수 있다. 이때, 추가 고정자 코어(50)의 두께는 고정자 코어(30)의 상측 또는 하측으로 돌출되는 고정자 코어(30)의 두께 이하로 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 추가 고정자 코어(50)는 사다리꼴 형상의 폭이 좁은 측이 덮개판의 중심을 향하도록 방사형으로 설치된다. 이 경우, 추가 고정자 코어(50)는 영구자석(20)의 수와 동일한 수로 마련되는 것이 바람직하다.
추가 고정자 코일(60)은 도 5에 도시한 바와 같이, 추가 고정자 코어(50)의 외측면을 따라 감겨진다.
이때, 추가 고정자 코어(50)에 감긴 추가 고정자 코일(60)에는 회전자 코어(10)의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 반대 방향으로 자속이 생성되도록, 회전자 코어(10)의 동기속도와 동일한 주파수의 전원이 인가될 수 있다. 즉, 추가 고정자 코일(60)에는 고정자 코일(40)에 인가되는 전원과 동일한 주파수의 전원이 인가되며, 전류방향을 조절하여 생성되는 추가 자속의 방향을 누설 자속의 방향과 반대 방향으로 결정할 수 있다.
이로써, 회전자 코어(10)의 축 방향으로 생성되는 누설 자속은 추가 고정자 코일(60)에 의해 생성되는 추가 자속에 의해 상쇄되며, 그에 따라 스포크 타입 모터의 반경 방향으로 생성되는 자속이 증가되어 결과적으로 역기전력을 증가시킬 수 있게 된다.
한편, 추가 고정자 코어(50)에 감긴 추가 고정자 코일(60)에는 회전자 코어(10)의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 동일 방향으로 자속이 생성되도록, 회전자 코어(10)의 동기속도와 동일한 주파수의 전원이 인가될 수 있다. 즉, 추가 고정자 코일(60)에는 고정자 코일(40)에 인가되는 전원과 동일한 주파수의 전원이 인가되며, 전류방향을 조절하여 생성되는 추가 자속의 방향을 누설 자속의 방향과 동일한 방향으로 결정할 수 있다.
이로써, 회전자 코어(10)의 축 방향으로 생성되는 누설 자속은 추가 고정자 코일(60)에 의해 생성되는 추가 자속에 의해 증가되며, 그에 따라 스포크 타입 모터의 반경 방향으로 생성되는 자속이 감소되어 결과적으로 역기전력을 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 회전자 코어의 축 방향에 추가 고정자 코어 및 추가 고정자 코일을 설치하고, 축 방향으로 생성되는 누설 자속에 대하여 반대방향 또는 동일방향으로 자속을 추가 생성함으로써, 반경방향으로 생성되는 자속을 증가 또는 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 본 발명에 따르면, 반경방향으로 생성되는 자속을 증가 또는 감소 시킴으로써, 결과적으로 역기전력을 가변시키며, 고속 및 저속의 넓은 운전구간에서 고효율의 운전이 가능하게 된다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 다음의 특허청구범위뿐만 아니라 이와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10: 회전자 코어 20: 영구자석
22: 축 방향의 누설자속 30: 고정자 코어
40: 고정자 코일 45: 추가자속 생성부
50: 추가 고정자 코어 60: 추가 고정자 코일

Claims (8)

  1. 회전자 코어, 상기 회전자 코어의 중심 축으로부터 방사형으로 설치된 복수의 영구자석, 상기 회전자 코어의 외측에 설치되는 제1 고정자 코어, 및 상기 제1 고정자 코어에 감겨지는 제1 코일을 포함하는 스포크 타입(spoke type)의 모터구조에 있어서,
    상기 회전자 코어의 축 방향의 상면 및 하면 중의 적어도 한 면에 설치되는 복수의 제2 고정자 코어; 및
    각각의 상기 제2 고정자 코어에 감겨지는 제2 코일;
    을 포함하며,
    복수의 상기 제2 고정자 코어는 사다리꼴 형상으로 형성되고, 각각의 상기 제2 고정자 코어의 두께는 상기 제1 고정자 코어가 상기 회전자 코어의 상측 또는 하측으로 돌출되는 두께 이하로 설정되며,
    상기 제2 코일은 상기 제2 고정자 코어의 외측면을 따라 감싸 감겨지는 것을 특징으로 하는 스포크 타입의 모터구조.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 제2 고정자 코어는 각각의 상기 영구자석에 대응하도록, 상기 영구자석의 수와 동일한 수로 마련되는 것을 특징으로 하는 스포크 타입의 모터구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 회전자 코어의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 반대 방향으로 자속이 생성되도록, 상기 제2 코일에 상기 회전자 코어의 동기속도와 동일한 주파수의 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 스포크 타입의 모터구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전자 코어의 축 방향으로 생성되는 누설 자속과 동일 방향으로 자속이 생성되도록, 상기 제2 코일에 상기 회전자 코어의 동기속도와 동일한 주파수의 전원이 인가되는 것을 특징으로 하는 스포크 타입의 모터구조.
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