KR102448996B1 - 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터 - Google Patents

개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터 Download PDF

Info

Publication number
KR102448996B1
KR102448996B1 KR1020200162456A KR20200162456A KR102448996B1 KR 102448996 B1 KR102448996 B1 KR 102448996B1 KR 1020200162456 A KR1020200162456 A KR 1020200162456A KR 20200162456 A KR20200162456 A KR 20200162456A KR 102448996 B1 KR102448996 B1 KR 102448996B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
permanent magnet
circumferential surface
rotor
spmsm
stator
Prior art date
Application number
KR1020200162456A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20220074218A (ko
Inventor
안진우
정광일
강도현
Original Assignee
경성대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 경성대학교 산학협력단 filed Critical 경성대학교 산학협력단
Priority to KR1020200162456A priority Critical patent/KR102448996B1/ko
Publication of KR20220074218A publication Critical patent/KR20220074218A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102448996B1 publication Critical patent/KR102448996B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K16/00—Machines with more than one rotor or stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14—Stator cores with salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

본 발명은 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전자 및 고정자의 구조를 이중으로 구현하여 토크 성능을 향상시키면서 IEC 국제효율 등급 IE5를 만족하는 고효율 및 고출력밀도를 갖기 위한 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기 모터에 관한 것이다.
본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터는 'T'자 형상의 제1 돌기부가 제1 내주면을 따라 형성된 제1 고정자; 상기 제1 내주면에 대면하여 제1 외주면이 형성된 제1 회전자; 상기 제1 외주면을 따라 배열되는 제1 영구자석; 상기 제1 회전자와 내측으로 대응하면서 일체로 연결되어 제2 내주면이 형성된 제2 회전자; 상기 제2 내주면을 따라 배열되는 제2 영구자석; 및 상기 제2 내주면에 대면하여 형성된 제2 외주면을 따라 'T'자 형상의 제2 돌기부가 형성된 제2 고정자;를 포함하고,
상기 제1 고정자 및 제1 회전자 사이에 소정 공간의 제1 공극부가 형성되고, 상기 제2 고정자 및 제2 회전자 사이에 소정 공간의 제2 공극부가 형성되며, 상기 제1 영구자석은 상기 제1 외주면을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되고, 상기 제2 영구자석은 상기 제2 내주면을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되되 상기 제1 영구자석과 반대 극성으로 배열되며, 상기 제1 돌기부는 상기 제2 돌기부와 동일한 개수가 형성되고, 상기 제1 영구자석은 상기 제2 영구자석과 동일한 개수가 형성되되 상기 제1 돌기부의 개수보다 작은 것을 특징으로 한다.

Description

개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터{Improved double air gap Surface Permanent Magnet Synchronous Motor}
본 발명은 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전자 및 고정자의 구조를 한 쌍씩 이중으로 구현하여 토크 성능을 향상시키면서 IEC 국제효율 등급 IE5를 만족하는 고효율 및 고출력밀도를 갖기 위한 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기 모터에 관한 것이다.
일반적으로, 모터(Motor)라 함은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자제품뿐만 아니라 산업용 기기 등에 광범위하게 사용되는데, 크게 DC 모터와 AC 모터로 나뉘어진다.
즉, 생산성의 향상을 위해 생산 공정의 자동화와 고정밀화가 이루어짐에 따라 AC/DC 모터(motor)가 여러 산업에 많이 이용되고 있다.
영구자석 표면부착형 동기모터(Surface Permanent [Multi-phase] Synchronous Motor : SPMSM)는 회전자(rotor)가 영구자석으로 이루어지고 고정자(stator)가 코어에 권선이 감긴 전기자로 구성되는데, 모터(motor)가 회전하면서 발생하는 역기전력의 모양이 정현파이면 SPMSM, 구형파이면 BLDC(brushless direct current) 모터로 구분한다.
또한, 모터는 로터(rotor)에서 영구자석 배열 형태에 따라 로터코어(rotor core)에 영구자석이 매입되는 매입자석형(Interior Permanent Magnet; IPM) 모터와, 로터코어의 표면에 영구자석이 배열되는 표면부착자석형(Surface Permanent Magnet; SPM) 모터로 나뉘어진다.
종래의 표면부착자석형 모터를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 기술에 따른 표면부착자석형 모터를 도시한 평면도이다.
도시된 바와 같이, 종래의 표면부착자석형 모터(10)는 코일(미도시)이 권선되는 스테이터(12)의 내측에 로터(13)가 공극을 두고서 샤프트(14)에 의해 회전 가능하도록 설치되고, 로터(13)의 외주면에 둘레를 따라 영구자석(15)이 다수로 배열되어 고정된다.
스테이터(12)는 원형의 링형상을 가지는 요크부(12a) 내주면을 따라 일정 간격으로 다수의 투스(12b)가 돌출 형성되며, 투스(12b)마다 코일(미도시)이 권선되어 모터(10)의 하우징(미도시)에 고정된다.
로터(13)는 규소 강판의 다수 적층에 의해 제작되고, 중심에 샤프트(14)가 관통하여 고정되기 위하여 샤프트홀(13a)이 형성되며, 외주면의 둘레를 따라 자석장착홈(13b)이 형성되고, 자석장착홈(13b)마다 영구자석(15)이 압입에 의해 고정된다.
이러한 종래의 표면부착자석형 모터(10)는 코일(미도시)에 교류전원이 인가되면, 샤프트(14)에 수직한 방향으로 자속이 발생하여 회전하게 되고, 이러한 회전 자속이 로터(13) 표면에 위치하는 영구자석(15)의 자속에 의해 로터(13)에 토오크를 발생시킴으로써 로터(13)를 회전시킨다.
한편, 온실가스 과다배출로 인한 기후변화가 심각하게 대두됨에 따라 온실가스 배출 저감을 위한 에너지 절약 및 이용 효율 향상 등 에너지 수요관리 중심으로 에너지 정책의 패러다임이 급격히 전환되고 있다.
모터(전동기)는 전체 전력 소비량의 54% 이상을 차지하고 있다.
모터(전동기) 핵심기술발전에 따라 전동기의 소형, 경량화, 저소음, 저진동화, 고효율 등 성능 향상이 꾸준히 이루어지고 있으며, 에너지 절약 및 신기후협약 발효에 따른 온실가스 배출 저감의 효과적 수단으로 효율 향상이 지속적으로 요구되고 있다.
도 2는 IEC(International Electro-technical Commission, 국제전기기술위원회) 국제효율 등급을 보여주는 것으로, 종래의 기술을 개선하여 IE5 등급을 만족할 수 있는 표면부착자석형 모터가 절실히 필요하다.
한국 등록특허공보 제10-1332523호, 발명의 명칭 "회전자의 영구 자석 배열을 양분하는 구조의 전기 모터" (공고일자 2013.11.22.)
본 발명은 상기한 필요성에 의해서 창출된 것으로, 회전자 및 고정자의 구조를 한 쌍씩 이중으로 구현하여 토크 성능을 향상시키면서 IEC 국제효율 등급 IE5를 만족하는 고효율 및 고출력밀도를 가질 수 있는 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기 모터를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터는 'T'자 형상의 제1 돌기부가 제1 내주면을 따라 형성된 제1 고정자; 상기 제1 내주면에 대면하여 제1 외주면이 형성된 제1 회전자; 상기 제1 외주면을 따라 배열되는 제1 영구자석; 상기 제1 회전자와 내측으로 대응하면서 일체로 연결되어 제2 내주면이 형성된 제2 회전자; 상기 제2 내주면을 따라 배열되는 제2 영구자석; 및 상기 제2 내주면에 대면하여 형성된 제2 외주면을 따라 'T'자 형상의 제2 돌기부가 형성된 제2 고정자;를 포함하고,
상기 제1 고정자 및 제1 회전자 사이에 소정 공간의 제1 공극부가 형성되고, 상기 제2 고정자 및 제2 회전자 사이에 소정 공간의 제2 공극부가 형성되며, 상기 제1 영구자석은 상기 제1 외주면을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되고, 상기 제2 영구자석은 상기 제2 내주면을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되되 상기 제1 영구자석과 반대 극성으로 배열되며, 상기 제1 돌기부는 상기 제2 돌기부와 동일한 개수가 형성되고, 상기 제1 영구자석은 상기 제2 영구자석과 동일한 개수가 형성되되 상기 제1 돌기부의 개수보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 2중 공극형 구조를 가지므로 높은 출력밀도(power density) 및 토크(torque)를 가지는 이점이 있다.
또한, 2중 공극형 구조로 인하여 종래보다 코깅토크(cogging torque)를 낮출 수 있는 이점이 있다.
또한, 동일한 조건에서 2중 공극형 구조의 재질을 개선하여 효율을 높이는 이점이 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 표면부착자석형 모터를 도시한 도면이다.
도 2는 IEC(국제전기기술위원회) 국제효율 등급을 보여주는 도면이다.
도 3은 종래 SPMSM 및 제안된 이중 공극형 SPMSM을 도시한 예시적인 단면도이다.
도 4는 종래 SPMSM 및 제안된 이중 공극형 SPMSM의 역기전력을 나타내는 그래프이다.
도 5는 종래 SPMSM 및 제안된 이중 공극형 SPMSM의 코깅토크를 나타내는 그래프이다.
도 6은 종래 SPMSM 및 제안된 이중 공극형 SPMSM의 코어로스(철손)를 나타내는 그래프이다.
도 7은 종래 SPMSM 및 제안된 이중 공극형 SPMSM의 자속밀도를 나타내는 그래프이다.
도 8은 종래 SPMSM 및 제안된 이중 공극형 SPMSM의 영구자석 손실을 나타내는 그래프이다.
도 9는 종래 SPMSM 및 제안된 이중 공극형 SPMSM의 토크(torque)를 나타내는 그래프이다.
도 10은 종래 SPMSM(Ⅰ)의 사양(spec)을 나타내는 도면이다.
도 11은 종래 SPMSM(Ⅰ)의 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 종래 SPMSM(Ⅱ)의 사양(spec)을 나타내는 도면이다.
도 13은 종래 SPMSM(Ⅱ)의 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 12는 종래 SPMSM(Ⅱ,Ⅲ)의 사양(spec)을 나타내는 도면이다.
도 13은 종래 SPMSM(Ⅱ)의 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 14는 종래 SPMSM(Ⅲ)의 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 15는 제안된 이중 공극형 SPMSM(Ⅳ)의 사양(spec)을 나타내는 도면이다.
도 16은 제안된 이중 공극형 SPMSM(Ⅳ)의 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 17은 제안된 이중 공극형 SPMSM(Ⅴ)의 사양(spec)을 나타내는 도면이다.
도 18은 제안된 이중 공극형 SPMSM(Ⅴ)의 결과값을 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일실시 예에 따른 이중 공극형 SPMSM을 도시한 예시적인 단면도이다.
도 20은 도 19의 "Q" 부분을 확대한 도면이다.
도 21은 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 도시한 예시적인 종단면도이다.
도 22는 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 설명하기 위한 자속방향을 나타내는 도면이다.
도 23은 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 설명하기 위한 3상 중 예시적으로 A상에 대한 권선방향을 나타내는 도면이다.
도 24 및 도 25는 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 설명하기 위한 회로도이다.
도 26은 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM의 격벽부를 도시한 예시적인 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.
여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시 예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련 기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예는 본 발명의 이상적인 실시 예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시 예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 걸치거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다.
또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것도 아니다.
도면들은 개략적이고 축적에 맞게 도시되지 않았다는 것을 일러둔다. 도면에 있는 부분들의 상대적인 치수 및 비율은 도면에서의 명확성 및 편의를 위해 그 크기에 있어 과장되거나 감소되어 도시되었으며 임의의 치수는 단지 예시적인 것이지 한정적인 것은 아니다. 그리고 둘 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조물, 요소 또는 부품에는 동일한 참조 부호가 다른 실시 예에서 대응하거나 유사한 특징을 나타내기 위해 사용된다.
본 발명은 온실가스 저감의 효과적 수단으로 전력 소비량의 54% 이상을 차지하는 모터(전동기)의 효율 향상이 지속적으로 요구됨에 따라 IEC(International Electro-technical Commission, 국제전기기술위원회) 국제효율 등급 IE5를 만족하는 고효율 및 고출력밀도를 갖는 이중 공극형 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor) 설계를 제안하는 것이다.
종래의 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)은 도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 회전자가 외부 또는 내부에 위치하여 외전형 또는 내전형 구조를 갖는다.
본 발명이 제안하는 구조는 효율 및 출력밀도 향상을 위해, 도 3의 (a)과 같은 종래 SPMSM의 내전형 구조에서, 도 3의 (b)와 같은 회전자 요크를 활용한 이중 공극형 구조를 갖는다.
종래의 구조와 본 발명의 제안된 구조는 FEM(Finite Elements Mehod)을 통해 특성해석을 수행하였으며 그 결과를 다음과 같이 비교하였다.
1. 서 론
온실가스 과다배출로 인한 기후변화가 심각하게 대두됨에 따라 온실가스 배출 저감을 위한 에너지 절약 및 이용 효율 향상 등 에너지 수요관리 중심으로 에너지 정책의 패러다임이 급격히 전환되고 있다.
모터(전동기)는 전체 전력 소비량의 54% 이상을 차지하고 있다.
모터(전동기) 핵심기술발전에 따라 모터(전동기)의 소형, 경량화, 저소음, 저진동화, 고효율 등 성능 향상이 꾸준히 이루어지고 있으며, 에너지 절약 및 신기후협약 발효에 따른 온실가스 배출 저감의 효과적 수단으로 효율 향상이 지속적으로 요구되고 있다.
도 2는 IEC(International Electro-technical Commission, 국제전기기술위원회) 국제효율 등급을 보여주며 IE5 등급을 만족하기 위한 이중 공극형 SPMSM(Surface Permanent Magnet Synchronous Motor)을 설계하여 본 발명을 제안하고자 한다.
본 발명에 따르면, 종래 및 제안된 구조의 효율 및 출력밀도 등을 FEM 기반으로 특성해석을 수행하였으며 그 성능을 비교하였다.
2. 본 론
2.1 종래 및 제안된 SPMSM의 구조 및 특성해석
종래 및 제안된 SPMSM의 경우 고정자 외경 및 적층 길이는 동일하며 각각의 세부 설계구조는 표 1과 같다.
Parameter Value Unit
Number of stator slots 24 slot
Numberof poles 20 pole
Stator outer diameter 200 mm
Shaft outer diameter 20 mm
Air-gap 0.8 mm
PM height 4 mm
Stack length 15 mm
Number of turns per phase 16 turn
Number of parallel paths 2 path
Number of parallel wires
(strands in hand)		 10 turn
도 3은 종래 및 제안된 24 슬롯(slot), 20 극(pole)을 갖는 SPMSM의 구조를 보여준다.
종래 및 제안된 구조의 재질의 경우, 포스코의 35PN380을 적용하여 비교하였다.
또한, 제안된 구조의 경우, 추가로 20PN1500을 적용하였으며 재질에 따라 종래 SPMSM의 재질 35PN380과 제안된 SPMSM의 재질 35PN380 및 20PN1500을 특성해석하고 성능을 비교하였다.
참고로, 35PN380은 기업체(포스코)에서 생산하는 무방향성 전기강판으로, 두께 0.35±0.05mm, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 철손 3.80W/kg 이하, 자속밀도 1.62이상, 점적율 95%이상으로, 표준치수, 자기적 성질 등을 가진다.
또한, 20PN1500은 기업체(포스코)에서 생산하는 무방향성 전기강판으로, 두께 0.20±0.05mm, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 철손 15.0W/kg 이하, 자속밀도 1.62이상, 점적율 93%이상으로, 표준치수, 자기적 성질 등을 가진다.
도 4는 종래 및 제안된 SPMSM의 역기전력을 보여주는 도면으로, 종래의 SPMSM은 최대 전압은 12.01[V]이고, 제안된 SPMSM의 35PN380은 최대전압이 20[V]이며, 20PN1500은 20.32[V]이다.
도 5는 종래 및 제안된 SPMSM의 코깅토크를 보여준다.
종래 SPMSM의 경우 코깅토크가 145.68[mNm]이고, 본 발명이 제안하는 SPMSM의 경우 재질이 35PN380일 때 102.37[mNm], 재질 20PN1500일 때 93.4[mNm]이다.
종래의 경우보다 제안된 SPMSM의 재질 35PN380의 경우 코깅토크가 종래의 SPMSM보다 29.7% 감소하였고 재질 20PN1500의 SPMSM의 경우 코깅토크가 35.9% 감소하였다.
도 6은 종래 및 제안된 SPMSM의 철손을 보여준다.
종래 SPMSM의 경우 철손은 51.52[W]이고, 본 발명이 제안하는 SPMSM의 재질 35PN380의 경우 91.4[W], 20PN1500의 경우 67.8[W]이다.
종래 SPMSM보다 제안된 SPMSM의 재질 35PN380의 경우 철손은 43.6% 증가하였고 20PN1500의 경우 24.01% 증가하였다.
이는 도 7에 도시된 바와 같이, 철손이 종래의 SPMSM[도 7의 (a)]보다 증가된 권선[도 7의 (a), (b)]으로 인해 철심의 높은 자속 밀도 포화로 증가한 것으로 판단된다.
도 8은 종래 및 제안된 SPMSM의 영구자석 손실을 보여준다.
종래의 SPMSM은 영구자석 손실은 9.14[W]이고 제안된 SPMSM의 재질 35PN380은 14.4[W]이고 재질 20PN1500은 17.78[W]이다.
제안된 SPMSM은 종래의 SPMSM보다 1.7배 증가된 영구자석으로 인해 영구자석의 손실이 증가한 것으로 판단된다.
제안된 SPMSM은 재질 35PN380보다 20PN1500이 영구자석 손실이 증가하였다.
이는 철심의 자속밀도 포화 레벨이 낮아 영구자석의 부담이 증가 되어 발생하는 결과이다.
도 9는 종래 및 제안된 SPMSM의 정격토크(Torque)를 보여준다.
종래 SPMSM의 정격토크는 4.42[Nm]이다.
종래의 SPMSM보다 제안된 SPMSM의 재질 35PN380의 정격토크는 7.02Nm로 37% 증가하였고 재질 20PN1500의 정격토크는 6.98Nm로 36.67% 증가하였다.
아래 표 2는 종래 및 제안된 SPMSM의 성능 비교표를 보여준다.
Parameter Conventional
( 35PN380 ) 		Proposed
( 35PN380 ) 		Propoased
( 20PN1500 )
Stator current frequency, Hz 500 ← ←
Rotor speed, rpm 3,000 ← ←
Electromagnetic torque, Nm 4.42 7.02 6.98
Output power, W 1301.96 2058.35 2066.24
Input, power, W 1413.33 2249.65 2237.08
Efficiency, % 92.12 91.45 94.23
Wingding losses, W 24.7 44.25 44.25
Core losses, W 51.52 91.4 67.8
Losses in PMs, W 9.14 14.4 17.78
Mechanical losses, W 25.96 41.24 41.01
Stator current density, A/mm² 4.818 9.636 9.636
Mass of Cu, kg 0.4421 0.7032 0.7032
Mass of Fe, kg 0.1958 4.2376 4.2376
Mass of PM, kg 0.1958 0.4945 0.4945
Total mass, kg 4.4036 5.4353 5.4353
Power density, kW/kg 0.2956 0.3787 0.3801
종래의 경우, 철손 51.52[W] 및 영구자석 손실 9.14[W], 기계손실 25.96[W]로, 손실이 제안된 구조보다 낮은 반면 출력밀도가 0.2956kW/kg으로 제안된 구조보다 낮은 출력밀도를 얻는다.
제안된 SPMSM의 재질 35PN380의 경우, 종래보다 출력밀도가 0.3801kW/kg으로 높은 출력밀도를 얻으나 이중 고정자 구조로 인한 철손이 91.4W이고 영구자석 손실이 14.4W, 기계손실이 41.24W로 효율이 91.45%로 종래의 SPMSM보다 0.72% 약간 낮지만 비슷한 효율을 얻는다.
제안된 SPMSM의 재질 20PN1500의 경우 철손이 67.8%로 종래의 SPMSM보다 크지만 35PN380과 출력이 2066.24W로 동일한 출력을 얻을 수 있으며 종래의 SPMSM보다 37% 증가하였다.
또한, 제안된 SPMSM의 재질 20PN1500 효율은 94.23%로 2.23% 증가하였고 출력밀도는 0.3801kW/kg으로 22.23% 증가하였다.
그럼, 더욱 구체적으로 설명하면 도 10에 도시된 바와 같이, 종래 SPMSM 중 고정자의 내주면에 마주보고 영구자석이 형성된 회전자가 구성된 내전형[종래 SPMSM(Ⅰ)]은 다음과 같다.
SPMSM (Ⅰ) Parameter Value
Stator current frequency, Hz 500
Rotor speed, rpm 3,000
Shaft torque, Nm 4.14
Electromagnetic torque, Nm 4.42
Shaft power(Output Power), W 1301.96

Input electric power, W		 (2π×(3000/60)×4.42)+(50×50×0.0033×3)
1413.33

Efficiency, %		 (1301.96/1413.33)×100
92.12

Winding losses, W		 (50×50×0.0033×3)
24.75
Core losses, W 51.52
Losses in PMs, W 9.14
Mechanical losses, W 25.96
Stator current, A rms 50

Stator current density, A/mm2 		(50/2)/(0.4064×0.4064×3.14)×10=4.818
4.818
Mass of Cu, kg 0.4421

Mass of Fe, kg		 (Stator_Fe(1.7886)+Rotor_Fe(1.9771))
2.0937
Mass of PM, kg 0.1958
Total mass(Eim components), kg 4.4036

Power density, kW/kg		 (1.30196/4.4036)
0.2956
도 10은 24 슬롯(slot), 20 극(pole)을 갖는 종래 SPMSM(Ⅰ)의 구조를 보여준다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅰ)의 재질은 35PN380이다.
참고로, 35PN380은 기업체(포스코)에서 생산하는 무방향성 전기강판으로, 두께 0.35mm, 밀도 7.65kg/cm2, 철손 3.80W/kg 이하, 자속밀도 1.62이상, 점적율 95%이상으로, 표준치수, 자기적 성질 등을 가진다.
도 11은 종래 SPMSM(Ⅰ)의 역기전력(Back EMF), 철손(core loss), 영구자석 손실 및 정격토크를 보여준다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅰ)은 역기전력이 최대 전압 12.01[V]이고, 철손이 51.52[W]이며, 영구자석 손실은 9.14[W]이고, 코깅토크가 145.68[mNm] 등이며, 정격토크는 4.42[Nm]이다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅰ)은 재질 20PN1500에서도 비슷하거나 낮은 결과가 나왔다.
다음, 도 12에 도시된 바와 같이, 종래 SPMSM 중 고정자의 외주면에 마주보고 영구자석이 형성된 회전자가 구성된 외전형[종래 SPMSM(Ⅱ)]은 다음과 같다.
상기 종래 SPMSM(Ⅱ)은 권선이 나가는 방향 즉, 토크 충돌발생 방향으로 형성된다.
SPMSM (Ⅱ) Parameter Value
Stator current frequency, Hz 500
Rotor speed, rpm 3,000
Shaft torque, Nm 5.27
Electromagnetic torque, Nm 5.69
Shaft power(output power), W 1656.49

Input electric power, W		 (2π×(3000/60)×5.69)+(50×50×0.0026×3)
1,807.06

Efficiency, %		 (1,656.49/1,807.06)×100%
91.66

Winding losses, W		 (50×50×0.0026)×3
19.5
Core losses, W 77.78
Losses in PMs, W 19.87
Mechanical losses, W 33.42
Stator current, A rms 50

Stator current density, A/mm2 		(50/2)/(0.4064×0.4064×3.14)×10=4.818
4.818
Mass of Cu, kg 0.2611
Mass of Fe, kg (Stator_Fe(1.6047)+Rotor_Fe(0.5392))
2.1439
Mass of PM, kg 0.2987
Total mass(Eim components), kg 2.7037

Power density, kW/kg		 (1.65649/2.7037)
0.6126
도 12는 24 슬롯(slot), 20 극(pole)을 갖는 종래 SPMSM(Ⅱ)의 구조를 보여준다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅱ)의 재질은 35PN380이다.
도 13은 종래 SPMSM(Ⅱ)의 역기전력(Back EMF), 철손(core loss), 영구자석 손실 및 정격토크를 보여준다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅱ)은 역기전력이 최대 전압 17.01[V]이고, 철손이 77.78[W]이며, 영구자석 손실은 19.87[W] 등이며, 정격토크는 5.69[Nm]이지만, 실제로 자속과 충돌이 발생하여 상쇄된다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅱ)은 재질 20PN1500에서도 비슷하거나 낮은 결과가 나왔다.
다음, 종래 SPMSM 중 고정자의 외주면에 마주보고 영구자석이 형성된 회전자가 구성된 외전형[종래 SPMSM(Ⅲ)]은 다음과 같다.
상기 종래 SPMSM(Ⅲ)은 권선이 들어가는 방향으로 형성된다.
SPMSM (Ⅲ) Parameter Value
Stator current frequency, Hz 500
Rotor speed, rpm 3,000
Shaft torque, Nm 2.6
Electromagnetic torque, Nm 2.73
Shaft power(output power), W 817.75

Input electric power, W		 (2π×(3000/60)×2.73)+(50×50×0.0026×3)
877.15

Efficiency, %		 (817.75/877.15)×100%
93.22

Winding losses, W		 (50×50×0.0026)×3
19.5
Core losses, W 26.55
Losses in PMs, W 6.97
Mechanical losses, W 16.4
Stator current, A rms 50

Stator current density, A/mm2 		(50/2)/(0.4064×0.4064×3.14)×10=4.818
4.818
Mass of Cu, kg 0.2611

Mass of Fe, kg		 (Stator_Fe(1.6047)+Rotor_Fe(0.5392))
2.1439
Mass of PM, kg 0.2987
Total mass(Eim components), kg 2.7037

Power density, kW/kg		 (0.81775/2.7037)
0.3024
도 14는 종래 SPMSM(Ⅲ)의 역기전력(Back EMF), 철손(core loss), 영구자석 손실 및 정격토크를 보여준다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅲ)은 역기전력이 최대 전압 8.01[V]이고, 철손이 26.55[W]이며, 영구자석 손실은 6.97[W]이고, 코깅토크가 50.68[mNm] 등이며, 정격토크는 2.73[Nm]이다.
또한, 종래 SPMSM(Ⅲ)은 재질 20PN1500에서도 비슷하거나 낮은 결과가 나왔다.
다음, 도 15에 도시된 바와 같이, 제안된 SPMSM(Ⅳ)은 이중 공극형으로 다음과 같다.
또한, 제안된 SPMSM(Ⅳ)은 한 쌍의 24 슬롯(slot) 및 20 극(pole)을 갖는다.
여기서, 상기 SPMSM(Ⅳ)의 재질은 35PN380이다.
SPMSM (Ⅳ) Parameter Value
Stator current frequency, Hz 500
Rotor speed, rpm 3,000
Shaft torque, Nm 6.55
Electromagnetic torque, Nm 7.02
Shaft power, W 2058.35

Input electric power, W		 (2π×(3000/60)×7.02)+(50×50×(0.0033+0.0026)×3)
2,249.65

Efficiency, %		 (2058.35/2,249.64)×100%
91.45

Winding losses, W		 (50×50×(0.0033+0.0026)×3)
44.25
Core losses, W 91.4
Losses in PMs, W 14.4
Mechanical losses, W 41.24
Stator current, A rms 50

Stator current density, A/mm2 		(50/2)/(0.4064×0.4064×3.14)×10×2=9.636
9.636

Mass of Cu, kg		 Outer_Stator_Cu(0.4421)+Inner_Rotor_Fe(0.2611)
0.7032

Mass of Fe, kg		 (Outer_Stator_Fe(1.7886)+Outer_Rotor_Fe(0.3051)+
Inner_Stator_Fe(1.6047)+Inner_Rotor Fe(0.5392))
2.0937+2.1439 = 4.2376

Mass of PM, kg		 Outer_Stator_PM(0.1958)+Inner_Rotor_PM(0.2987)
0.4945
Total mass(EIm components), kg 5.4353

Power density, kW/kg		 (2.05835/5.4353)
0.3787
도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 SPMSM(Ⅳ)은 최대전압이 20[V]이고, 코깅토크가 102.37[mNm]으로, 종래의 SPMSM(Ⅰ)보다 29.7% 감소하였으며, 철손이 91.4[W]이고, 영구자석 손실이 14.4[W] 등이다.
또한, 본 발명이 제안하는 SPMSM(Ⅳ)은 정격토크(Torque)가 7.02Nm로 종래보다 37% 증가하였다.
또한, 도 17에 도시된 바와 같이, 제안된 SPMSM(Ⅴ)는 이중 공극형으로 다음과 같다.
또한, 제안된 SPMSM(Ⅴ)은 한 쌍의 24 슬롯(slot) 및 20 극(pole)을 갖는다.
여기서, 상기 SPMSM(Ⅴ)의 재질은 20PN1500이다.
SPMSM (Ⅴ) Parameter Value
Stator current frequency, Hz 500
Rotor speed, rpm 3,000
Shaft torque, Nm 6.57
Electromagnetic torque, Nm 6.98
Shaft power(output power), W 2066.24

Input electric power, W		 (2π×(3000/60)×6.98)+(50×50×(0.0033+0.0026)×3)
2237.08

Efficiency, %		 (2066.24/2192.83)×100%
94.23

Winding losses, W		 (50×50×(0.0033+0.0026)×3)
44.25
Core losses, W 67.8
Losses in PMs, W 17.78
Mechanical losses, W 41.01
Stator current, A rms 50

Stator current density, A/mm2 		(50/2)/(0.4064×0.4064×3.14)×10×2=9.636
9.636

Mass of Cu, kg		 Outer_Stator_Cu(0.4421)+Inner_Rotor_Fe(0.2611)
0.7032

Mass of Fe, kg		 (Outer_Stator_Fe(1.7886)+Outer_Rotor_Fe(0.3051)+
Inner_Stator_Fe(1.6047)+Inner_Rotor Fe(0.5392))
2.0937+2.1439 = 4.2376
Mass of PM, kg Outer_Stator_PM(0.1958)+Inner_Rotor_PM(0.2987)
0.4945
Total mass(EIm components), kg 5.4353

Power density, kW/kg		 (2.06624/5.4353)
0.3801
도 18에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 SPMSM(Ⅴ)은 최대전압이 20.32[V]이고, 코깅토크가 93.4[mNm]으로, 종래의 SPMSM(Ⅰ)보다 35.9% 감소하였으며, 철손이 67.8[W]이고, 영구자석 손실이 17.78[W] 등이다.
또한, 본 발명이 제안하는 SPMSM(Ⅴ)은 정격토크(Torque)가 6.98Nm로 종래보다 36.67% 증가하였다.
3. 결 론
종래 SPMSM의 경우, 철손 및 영구자석 손실, 기계손실 등이 낮지만 출력밀도, 토크 등이 또한 낮은 결과를 얻는다.
반면 제안된 모터(전동기)의 경우, 종래 SPMSM과 동일 재질인 35PN380을 사용할 경우 이중 고정자 구조로 인해 철손이 크고 영구자석 손실이 증가하지만 높은 출력밀도를 얻으면서도 종래와 비슷한 효율을 얻는다.
또한, 철손을 줄이기 위해 20PN1500을 적용한 결과 철손이 감소한 결과를 얻었으나 영구자석의 손실은 증가하지만, 효율 및 출력밀도를 비교하면 종래 SPMSM보다 효율의 경우 2.23%증가하였고 출력밀도의 경우 22.23% 증가한 결과를 얻을 수 있다.
도 19는 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 도시한 예시적인 단면도이고, 도 20은 도 19의 "Q" 부분을 확대한 도면이며, 도 21은 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 도시한 예시적인 종단면도이고, 도 22는 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 설명하기 위한 자속방향을 나타내는 도면이다.
또한, 도 23은 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 설명하기 위한 3상 중 예시적으로 A상에 대한 권선방향을 나타내는 도면이고, 도 24 및 도 25는 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM을 설명하기 위한 회로도이며, 도 26은 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 SPMSM의 격벽부를 도시한 예시적인 도면이다.
한편, 상기 도면들은 이해하기 쉽게 설명하기 위해서, 도 21과 같이 과장되게 표현된 부분이 있다.
이와 같이, 상기한 실험 결과를 토대로 본 발명을 다음과 같이 제안한다.
도 19에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터(100)는 제1 고정자(110), 제1 회전자(120), 제1 영구자석(130), 제2 회전자(140), 제2 영구자석(150), 및 제2 고정자(160) 등을 포함한다.
제1 고정자(110)는 도 19 및 도 20에 도시된 바와 같이, 제1 돌기부(110p)가 제1 내주면(110s)을 따라 형성된다.
여기서, 제1 돌기부(110p)는 'T'자 형상의 돌기로 제1 내주면(110s)을 따라 소정 간격 이격되게 형성된다.
또한, 제1 회전자(120)는 제1 내주면(110s)에 대면하여 제1 외주면(120s)이 형성된다.
한편, 제1 회전자(120)는 규소강판의 다수 적층에 의해 제작되거나, 35PN380와 같이 기업체(포스코)에서 생산하는 무방향성 전기강판으로, 두께 0.35±0.05mm, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 철손(core loss) 3.80W/kg 이하, 자속밀도 1.62이상, 점적율 95%이상으로, 표준치수, 자기적 성질 등을 가진다.
또한, 제1 영구자석(130)은 제1 외주면(120s)을 따라 복수 개 배열된다.
특히, 제1 영구자석(130)은 제1 외주면(120s)을 따라 N극(파란색) 및 S극(빨간색)이 교대로 등간격 배열된다.
또한, 제2 회전자(140)는 제1 회전자(120)와 내측으로 대응하면서 일체로 연결되어 제2 내주면(140s)이 형성된다.
한편, 제2 회전자(140)는 규소강판의 다수 적층에 의해 제작되거나, 35PN380와 같이 기업체(포스코)에서 생산하는 무방향성 전기강판으로, 두께 0.35±0.05mm, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 철손(core loss) 3.80W/kg 이하, 자속밀도 1.62이상, 점적율 95%이상으로, 표준치수, 자기적 성질 등을 가진다.
또한, 제2 영구자석(150)은 제2 내주면(140s)을 따라 복수 개 배열된다.
특히, 제2 영구자석(150)은 제2 내주면(140s)을 따라 N극(파란색) 및 S극(빨간색)이 교대로 등간격 배열되되 제1 영구자석(130)과 반대 극성으로 배열된다.
또한, 제2 영구자석(150)은 제1 영구자석(130)과 동일한 개수가 형성되되 제1 돌기부(110p) 또는 제2 돌기부(160p)의 개수보다 작다.
또한, 본 발명이 제안하는 극(pole)의 수는 제1 영구자석(130) 또는 제2 영구자석(150)의 개수가 된다.
또한, 제2 고정자(160)는 제2 내주면(140s)에 대면하여 형성된 제2 외주면(160s)을 따라 제2 돌기부(160p)가 형성된다.
여기서, 제2 돌기부(160p)는 'T'자 형상의 돌기로 제2 외주면(160s)을 따라 소정 간격 이격된다.
또한, 제2 돌기부(160p)는 제1 돌기부(110p)와 동일한 개수가 형성된다.
한편, 본 발명은 제1 돌기부(110p)가 24개이고 제2 돌기부(160p)가 24개이며, 제1 영구자석(130)이 20개이고 제2 영구자석(150)이 20개로 구성하여 실시하였고, 필요에 따라 수량이 변경될 수도 있다.
도 20에 도시된 바와 같이, 제1 공극부(t01)는 제1 고정자(110) 및 제1 회전자(120) 사이에 소정 공극(air gap)이 형성되는 데, 0.8±0.1mm의 공극을 가진다.
또한, 제2 공극부(t02)는 제2 고정자(160) 및 제2 회전자(140) 사이에 소정 공극(air gap)이 형성되는 데, 0.8±0.1mm의 공극을 가진다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 제1 및 제2 회전자(120, 140)는 두께 0.20±0.05mm로 적층되는 전기강판으로, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 코어손실 15.0W/kg 이하, 자속밀도 1.62 이상, 점적율 93% 이상의 재질이다.
즉, 제1 및 제2 회전자(120, 140)는 20PN1500와 같이 기업체(포스코)에서 생산하는 무방향성 전기강판으로, 두께 0.20±0.05mm, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 코어손실(철손) 15.0W/kg 이하, 자속밀도 1.62이상, 점적율 93%이상으로, 표준치수, 자기적 성질 등을 가진다.
도 21에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 회전자(120, 140)는 일측에 회전축(170r)이 형성된 원형판부재(170)에 고정되어 회전한다.
즉, 본 발명은 제1 및 제2 고정자(110, 160)의 권선(110w, 160w)에서 인가된 전류에 의해서 제1 및 제2 회전자(120, 140)가 회전하는 힘이 원형판부재(170)에 전달하여 회전하게 한다.
특히, 도 22에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 격벽부(180)가 제1 회전자 및 제2 회전자(120, 140)의 경계에 형성되므로, 제1 및 제2 영구자석(130, 150)으로부터 발생한 상호 자속(magnetic flux)을 차단하여 상호 충돌을 방지하면서 출력밀도(power density) 등과 같은 성능을 향상시킨다.
이때, 격벽부(180)는 스텐레스(stainless)와 같은 비자성 재질로 형성되어 제1 영구자석(130)의 자속(magnetic flux)이 제2 회전자(140)로 침범하는 것을 방지하고, 제2 영구자석(150)의 자속(magnetic flux)이 제1 회전자(120)로 침범하는 것을 방지한다.
도 21 및 도 23 내지 도 25에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제안하는 제1 및 제2 제어장치(210, 220)를 더 포함한다.
또한, 제1 제어장치(210)는 제1 권선(110w)과 연결되고, 제2 제어장치(220)는 제2 권선(160w)과 연결된다.
여기서, 도 23은 3상 중 A상일 때 권속을 개략적으로 도시하였고, 이에 따른 회로도가 도 24 및 도 25에 도시되었다.(B상 및 C상도 A상과 같은 패턴으로 적용되므로 설명을 생략한다.)
종래에는 하나의 제어장치로 전류 흐름 전체를 제어하므로 여러 개 복합적으로 연결된 모터에서 일부가 손상이나 파손으로 문제가 되면 전체가 동작하지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명에서는 2개의 제어장치를 포함하는 데, 제1 제어장치(210)가 제1 돌기부(110p)에 감겨진 제1 권선(110w)을 제어하고, 제2 제어장치(220)가 제2 돌기부(160p)에 감겨진 제2 권선(160w)을 제어하므로, 제1 및 제2 제어장치(210, 220) 중 어느 하나가 고장 나더라도 나머지 하나가 일체(一體)로 형성된 제1 및 제2 회전자(120, 140)의 회전을 제어할 수 있다.
도 26에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 슬리브(sleeve)부(190)를 더 포함하여 외곽에 있는 제1 영구자석(130)이 원심력에 의해 쉽게 빠지거나 회전시 부딪혀 손상이 되는 종래의 문제점, 또는 내곽에 있는 제2 영구자석(150)이 구심력에 의해 회전 방향이 벗어나거나 주위와 부딪혀 손상이 되는 종래의 문제점 등을 해결하였다.
즉, 본 발명이 제안하는 슬리브(sleeve)부(190)는 제1 슬리브부(190a) 및 제2 슬리브부(190b)를 포함한다.
또한, 제1 슬리브부(190a)는 전후방이 개방된 중공의 원통 형상으로 제1 영구자석(130)의 외곽을 감싸 빠짐을 방지하면서 제1 영구자석(130)을 보호하는 소정 두께를 가지는 금속재로, 소정의 인장력이 있어 견고히 제1 영구자석(130)을 커버할 수 있다.
또한, 제2 슬리브부(190b)는 전후방이 개방된 중공의 원통 형상으로 제2 영구자석(150)의 내곽을 감싸 지지하여 빠짐을 방지하면서 제2 영구자석(150)을 보호하는 소정 두께를 가지는 금속재로, 소정의 인장력이 있어 견고히 제2 영구자석(150)을 커버(cover) 지지할 수 있다.
종합하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터(100)는 'T'자 형상의 제1 돌기부(110p)가 제1 내주면(110s)을 따라 형성된 제1 고정자(110); 상기 제1 내주면(110s)에 대면하여 제1 외주면(120s)이 형성된 제1 회전자(120); 상기 제1 외주면(120s)을 따라 배열되는 제1 영구자석(130); 상기 제1 회전자(120)와 내측으로 대응하면서 일체로 연결되어 제2 내주면(140s)이 형성된 제2 회전자(140); 상기 제2 내주면(140s)을 따라 배열되는 제2 영구자석(150); 및 상기 제2 내주면(140s)에 대면하여 형성된 제2 외주면(160s)을 따라 'T'자 형상의 제2 돌기부(160p)가 형성된 제2 고정자(160);를 포함한다.
또한, 상기 제1 고정자(110) 및 제1 회전자(120) 사이에 소정 공간의 제1 공극부(t01)가 형성되고, 상기 제2 고정자(160) 및 제2 회전자(140) 사이에 소정 공간의 제2 공극부(t02)가 형성된다.
또한, 상기 제1 영구자석(130)은 상기 제1 외주면(120s)을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되고, 상기 제2 영구자석(150)은 상기 제2 내주면(140s)을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되되 상기 제1 영구자석(130)과 반대 극성으로 배열된다.
또한, 상기 제1 돌기부(110p)는 상기 제2 돌기부(160p)와 동일한 개수가 형성되고, 상기 제1 영구자석(130)은 상기 제2 영구자석(150)과 동일한 개수가 형성되되 상기 제1 돌기부(110p)의 개수보다 작다.
또한, 상기 제1 돌기부(110p)는 'T'자 형상의 돌기로 상기 제1 내주면(110s)을 따라 상기 소정 간격 이격되고, 상기 제2 돌기부(160p)는 'T'자 형상의 돌기로 상기 제2 외주면(160s)을 따라 소정 간격 이격된다.
또한, 상기 제1 돌기부(110p)는 24개이고, 상기 제1 영구자석(130)은 20개이다.
또한, 상기 제1 및 제2 회전자(120, 140)는 두께 0.20±0.05mm로 적층되는 전기강판으로, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 코어손실 15.0W/kg 이하, 자속밀도 1.62 이상, 점적율 93% 이상의 재질이다.
또한, 상기 제1 및 제2 회전자(120, 140)는 일측에 회전축(170r)이 형성된 원형판부재(170)에 고정되어 회전한다.
또한, 상기 제1 회전자 및 제2 회전자(120, 140)의 경계에 형성되는 격벽부(180)를 더 포함한다.
또한, 상기 격벽부(180)는 상기 제1 및 제2 영구자석(130, 150)으로부터 발생한 상호 자속을 차단한다.
또한, 상기 격벽부(180)는 비자성 재질로 형성된다.
또한, 상기 제1 돌기부(110p)에 감겨진 제1 권선(110w)을 전기로 제어하는 제1 제어장치(210); 및 상기 제2 돌기부(160p)에 감겨진 제2 권선(160w)을 전기로 제어하는 제2 제어장치(220);를 더 포함하여 상기 제1 및 제2 제어장치(210, 220) 중 어느 하나가 고장(故障) 나면 나머지 하나가 일체(一體)로 형성된 상기 제1 및 제2 회전자(120, 140)의 회전을 제어한다.
또한, 전후방이 개방된 중공의 원통 형상으로 상기 제1 영구자석(130)의 외곽을 감싸 빠짐을 방지하고 보호하는 소정 두께의 제1 슬리브(sleeve)부(190a) 및 전후방이 개방된 중공의 원통 형상으로 상기 제2 영구자석(150)의 내곽을 감싸 지지하여 빠짐을 방지하고 보호하는 소정 두께의 제2 슬리브(sleeve)부(190b)를 더 포함한다.
또한, 상기 제1 및 제2 슬리브부(190a, 190b)는 금속재이다.
따라서, 본 발명의 일실시 예에 따른 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터(100)는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.
본 발명에 따르면, 2중 공극형 구조를 가지므로 높은 출력밀도(power density) 및 토크(torque)를 가지는 이점이 있다.
또한, 2중 공극형 구조로 인하여 종래보다 코깅토크(cogging torque)를 낮출 수 있는 이점이 있다.
또한, 동일한 조건에서 2중 공극형 구조의 재질을 개선하여 효율을 높이는 이점이 있다.
또한, 제1 및 제2 영구자석으로부터 발생한 상호 자속을 격벽부(180)가 차단하므로 높은 토크를 생성시킬 수 있는 이점이 있다.
또한, 이중으로 제어장치를 구비하여 2중 하나가 고장 나도 나머지 하나가 제어할 수 있는 이점이 있다.
또한, 원통 형상의 슬리브부(190)를 통하여 제1 및 제2 영구자석(130, 150)이 빠지는 것을 방지하는 이점이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 본 발명이 제안하는 모터
110 : 제1 고정자
120 : 제1 회전자
130 : 제1 영구자석
140 : 제2 회전자
150 : 제2 영구자석
160 : 제2 고정자
170 : 원형판부재
180 : 격벽부
190 : 슬리브(sleeve)부
210 : 제1 제어장치
220 : 제2 제어장치

Claims (4)

  1. 'T'자 형상의 제1 돌기부가 제1 내주면을 따라 형성된 제1 고정자;
    상기 제1 내주면에 대면하여 제1 외주면이 형성된 제1 회전자;
    상기 제1 외주면을 따라 배열되는 제1 영구자석;
    상기 제1 회전자와 내측으로 대응하면서 일체로 연결되어 제2 내주면이 형성된 제2 회전자;
    상기 제2 내주면을 따라 배열되는 제2 영구자석; 및
    상기 제2 내주면에 대면하여 형성된 제2 외주면을 따라 'T'자 형상의 제2 돌기부가 형성된 제2 고정자;를 포함하고,
    상기 제1 고정자 및 제1 회전자 사이에 소정 공간의 제1 공극부가 형성되고,
    상기 제2 고정자 및 제2 회전자 사이에 소정 공간의 제2 공극부가 형성되며,
    상기 제1 영구자석은 상기 제1 외주면을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되고,
    상기 제2 영구자석은 상기 제2 내주면을 따라 N극 및 S극이 교대로 등간격 배열되되 상기 제1 영구자석과 반대 극성으로 배열되며,
    상기 제1 돌기부는 상기 제2 돌기부와 동일한 개수가 형성되고,
    상기 제1 영구자석은 상기 제2 영구자석과 동일한 개수가 형성되되 상기 제1 돌기부의 개수보다 작으며,
    상기 제1 및 제2 회전자는 두께 0.20±0.05mm로 적층되는 전기강판으로, 밀도 7.65±0.1kg/cm2, 코어손실 15.0W/kg 이하, 자속밀도 1.62 이상, 점적율 93% 이상의 재질인 것을 특징으로 하는 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 돌기부는 24개이고,
    상기 제1 영구자석은 20개인 것을 특징으로 하는 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 회전자는 일측에 회전축이 형성된 원형판부재에 고정되어 회전하는 것을 특징으로 하는 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터.
KR1020200162456A 2020-11-27 2020-11-27 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터 KR102448996B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200162456A KR102448996B1 (ko) 2020-11-27 2020-11-27 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200162456A KR102448996B1 (ko) 2020-11-27 2020-11-27 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20220074218A KR20220074218A (ko) 2022-06-03
KR102448996B1 true KR102448996B1 (ko) 2022-09-28

Family

ID=81982939

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200162456A KR102448996B1 (ko) 2020-11-27 2020-11-27 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102448996B1 (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TW201108564A (en) * 2009-08-19 2011-03-01 Wen-Hong Huang Magnetic double electric motor
KR101131743B1 (ko) * 2010-06-23 2012-04-05 주식회사 아모텍 드럼세탁기의 직결형 구동장치
KR101173107B1 (ko) * 2010-11-25 2012-08-14 소진대 발전기
KR101332523B1 (ko) 2013-07-02 2013-11-22 김인숙 회전자의 영구 자석 배열을 양분하는 구조의 전기 모터
KR20160049617A (ko) * 2014-10-27 2016-05-10 대한에너지기술(주) 풍력발전용 듀얼 발전기

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220074218A (ko) 2022-06-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7605514B2 (en) Electric machine
JP4311643B2 (ja) 永久磁石型回転電機の製造方法および風力発電用永久磁石型同期発電機の製造方法
US20070252447A1 (en) Electric motor having a stator
KR101826126B1 (ko) 3상 전자 모터
Ajamloo et al. Multi-objective optimization of an outer rotor BLDC motor based on Taguchi method for propulsion applications
CN113437849B (zh) 一种双转子单定子轴向磁通混合励磁电机
CN110838779B (zh) 一种混合励磁绕线转子及混合励磁绕线式同步电机
CN110572001B (zh) 多相永磁磁阻电机
Kai et al. Design of novel spiral magnetic poles and axial-cooling structure of outer-rotor PM torque motor
JP2004500789A (ja) 階段形スキューを利用した回転子
Xu et al. Novel synchronous machine with permanent magnet in stator yoke
CN117081282B (zh) 一种并联磁路混合励磁型盘式横向磁通电机
Baka et al. Design and optimization of a two-pole line-start ferrite assisted synchronous reluctance motor
WO2017031178A1 (en) Low profile axial flux permanent magnet synchronous motor
US20170271930A1 (en) Rotor having flux filtering function and synchronous motor comprising same
KR102448996B1 (ko) 개선된 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터
KR102449014B1 (ko) 비자성 차단부재를 구비한 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터
KR102442263B1 (ko) 영구자석 빠짐 방지 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터
KR102504872B1 (ko) 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터
KR102504873B1 (ko) 복식 제어장치를 구비한 이중 공극형 표면 영구자석 동기모터
JP4166929B2 (ja) 電動機の回転子の製造方法
CN112615509A (zh) 双永磁体内嵌式永磁同步电机结构
KR20120129162A (ko) 길이가 다른 도체바를 갖는 회전자 및 그를 포함하는 ｌｓｐｍ 모터
WO2016182952A1 (en) Magnetically isolated electrical machines
Tanaka et al. Comparison of IPMSMs using bonded and sintered rare-earth magnets with different magnet arrangements

Legal Events

Date Code Title Description
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant