KR102474760B1 - 영구자석 동기 모터 및 이에 사용되는 로터 - Google Patents

Abstract

영구자석 동기 모터에 사용되는 로터가 제공된다.
상기 로터는, 원통형으로 형성된 로터 몸체와, 상기 로터 몸체로부터 회전축을 따라 연장되는 로터 샤프트와, 상기 로터 몸체의 표면에 매입되면서 상기 로터 몸체의 외주면을 따라 배치되는 적어도 하나의 영구자석과, 상기 로터 몸체 및 상기 영구자석을 둘러싸면서 열박음에 의해 상기 영구자석을 상기 로터 몸체 상에 고정하는 슬리브로 이루어진다.
특히, 상기 슬리브가 열박음에 의해 상기 영구자석을 상기 로터 몸체 상에 고정한 후에는, 상기 슬리브가 상기 영구자석과 접촉하는 위치에서 상기 슬리브의 외주면이 갖는 직경이, 상기 슬리브가 상기 로터 몸체와 접촉하는 위치에서 상기 슬리브의 외주면이 갖는 직경보다 크도록 형성된다.

Description

영구자석 동기 모터 및 이에 사용되는 로터{Permanent magnetic synchronous motor and rotor used in the same}

본 발명은 영구자석 동기 모터(PMSM: Permanent Magnetic Synchronous Motor)에 관한 것으로, 보다 자세하게는 특별한 자석 조립 구조를 갖는 로터 및 상기 로터를 구비하는 영구자석 동기 모터에 관한 것이다.

동기 모터(synchronous motor)란 일정한 속도로 회전하는 모터를 말하는데 모터의 자체 구조만으로는 기동할 수 없기 때문에 가속을 시켜주는 보조 모터가 가 필요하다. 즉, 스테이터 권선에 흐르는 교류전류에 의하여 발생되는 회전 자기장 속에서 직류전류에 의하여 여자(勵磁)된 로터에 작용하는 토크에 의해 회전하게 된다.

일반적으로 동기 모터는 로터로 불리는 로터(Rotor)와, 스테이터로 불리는 스테이터(Stator)로 구성되어 있으며, 스테이터는 유도 모터와 같으나 로터는 자극(Poles)과 여자권선으로 되어 있다. 이 권선에 브러시와 슬립링을 통하여 직류전류를 인가하면 자극에 여자전류(excitation current)가 생기게 된다.

이러한 동기 모터는 항상 동일한 속도를 유지하면서 회전하기 때문에 속도를 가감하는데에 발생하는 슬립현상이 없고 역률은 항상 최대를 유지한다는 특징이 있다. 특히, 영구자석 동기 모터(이하, PMSM이라고 함)는 계자에 영구자석을 사용한 동기모터로서, 영구자석이 로터 표면에 있다. 따라서, 인덕턴스가 작으며 일반적인 유도모터와는 달리 별도의 외부 여자 전원에 의존하지 않고 자속이 발생되어 전력 소모가 적다. 또한, 효율이 높으며 정류자, 브러시, 슬립 링을 제거할 수 있어 보수가 용이하다. 다만, 속도를 변화시키기 위해서는 전용 가변전압 가변주파수 제어(VVVF) 인버터가 요구되며, 기동 및 정지시에 독특한 음이 발생한다.

이러한 PMSM의 종류는 영구자석이 로터의 내부에 배치되는가, 로터의 표면상에 배치되는가에 따라 표면 부착형과 매입형으로 나뉘어진다.

표면형 PMSM(SurfaceMounted Permanent Magnet)은 도 1a에 도시된 바와 같이, 영구자석이 로터 표면에 있기 때문에 인덕턴스가 작고, 일반적으로 영구자석을 표면에 일정두께로 배치하기 때문에 d축과 q축 인덕턴스를 동일하게 갖는다. 반면에, 영구자석이 로터 표면에 부착되어 있으므로 원심력에 의해 자석이 파손 혹은 접착제가 벗겨질 수 있어 고속 운전에 불리하다.

더욱이 표면에 있는 자기저항이 큰 영구자석으로 인해 유효 공극은 실제 물리적인 공극보다 증가된 효과가 있으므로 인덕턴스가 작아져서 고속운전을 위한 자속 제어가 어렵다. 또한, 자석표면에 와전류손이 발생하는 문제도 있다.

매입형 PMSM(Interior PMSM)은 이러한 표면형 PMSM의 문제점을 해결하기 위해, 영구자석을 로터 내부의 삽입구멍에 삽입함에 의해 유효 공극을 작게 하고 기계 강도를 향상시킨다. 또한, 로터의 표면은 적층형 규소강판이기 때문에 와전류손을 저감시킬 수 있고, 릴럭턴스(reluctance) 토크의 발생으로 상대적으로 높은 출력 토크가 발생된다. 매입형 PMSM은 영구자석의 배치 방식에 따라 도 1a와 같은 내부 삽입형과 도 1b와 같은 표면 매입형으로 분류될 수 있으며, 상기 영구자석의 배치 방식에 따라 d축과 q축 인덕턴스가 달라진다.

이와 같이 영구자석 동기 모터의 중요부품인 영구자석을 로터 샤프트(rotor shaft)에 조립하는 방법으로는 열박음 내지 억지끼워맞춤이 이용되고 있다. 이러한 열박음은 조립시 볼트 등의 부품 없이 조립하고자 하는 부품간의 사이즈 차이만을 이용하므로 통상 널리 이용되는 설계, 조립 방법이다.

도 2는 열박음을 통해 로터를 조립하는 구조를 간략히 보여주는 도면이다. 구체적으로, 슬리브(sleeve, 4)에 의해 영구자석(2)과 로터 몸체(1)를 조립할 때에 이러한 열박음이 이용될 수 있다. 상기 로터 몸체(1)의 중심축에 형성된 중공부에는 이후 샤프트가 삽입되어 고정될 수 있다.

이러한 열박음 방법으로는 외부 슬리브(4)만을 가열하거나, 내부 로터 몸체(1)만을 냉각하거나, 외부 슬리브(4)는 가열하고 내부 로터 몸체(1)는 냉각하는 3가지가 사용될 수 있다. 열박음 조립 후 가열하거나, 냉각한 부품의 온도가 상온으로 돌아오면 조립 부품간의 억지끼움 효과로 인해서 큰 열박음력과 그로 인한 마찰력이 두 부품간에 발생한다. 즉, 내부의 영구자석(2) 및 내부의 로터 몸체(1)는 압축을 받고, 외부 슬리브(4)는 인장을 받는 상태에서 조립된다. 이러한 열박음 공차는 가열 전의 외부 슬리브(4)의 내경과, 내부 로터 몸체(1)의 외경 사이의 간격(d)에 의해 결정된다. 이러한 열박음 공차가 클수록 결합되는 두 부품간의 결합력은 증가될 것이다.

PMSM의 로터 조립 시(특히, 표면 매입형)에는 영구자석이 충분한 열박음력으로 조립되는 것이 중요하다. 그 이유는 로터가 고속으로 회전할 때, 원심력에 의해서 영구자석이 로터 몸체에서 이탈하려는 힘이 발생하기 때문이다. 따라서, 충분한 열박음력으로 조립되지 않았을 경우에는 모터 가동 중에, 원심하중에 의해서 자석과 로터 몸체 간의 압착력이 줄어 들어서 그 영향으로 영구자석의 초기 조립 위치가 변형될 가능성이 있다.

이 경우 로터에는 불균형(unbalance)으로 인한 진동이 발생하기 때문에, 로터 동작의 안정성에 악영향을 미치게 된다. 따라서 상당한 원심하중 발생시에도 영구자석에 충분한 압착력이 작용하도록 열박음량을 결정할 필요가 있다 그러나, 열박음량이 증가할수록 슬리브에 발생하는 인장응력도 증가하므로 슬리브의 강도까지 고려하여 열박음량을 설계할 필요가 있다.

한국특허공개공보 2009-0116226호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 영구자석이 원심하중의 영향으로 로터 샤프트와 분리 되지 않도록 슬리브와 영구자석 간에 보다 더 큰 열박음력을 보장하는, 영구자석 동기 모터 및 로터를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 복수의 구성 부품간에 강성의 차이가 큰 경우에, 보다 안정적이고 컴팩트한 구조를 갖는, 영구자석 동기 모터용 모터 및 로터를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 영구자석 동기 모터에 사용되는 로터(rotor)는, 원통형으로 형성된 로터 몸체; 상기 로터 몸체로부터 회전축(rotation axis)을 따라 연장되는 로터 샤프트; 상기 로터 몸체의 표면에 매입되면서 상기 로터 몸체의 외주면을 따라 배치되는 적어도 하나의 영구자석; 및 상기 로터 몸체 및 상기 영구자석을 둘러싸면서 열박음에 의해 상기 영구자석을 상기 로터 몸체 상에 고정하는 슬리브를 포함하되,

상기 슬리브가 열박음에 의해 상기 영구자석을 상기 로터 몸체 상에 고정한 후, 상기 슬리브가 상기 영구자석과 접촉하는 위치에서 상기 슬리브의 외주면이 갖는 직경이, 상기 슬리브가 상기 로터 몸체와 접촉하는 위치에서 상기 슬리브의 외주면이 갖는 직경보다 크도록 형성된다.

또한, 상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석 동기 모터는, 전술한 로터를 포함하고, 상기 로터를 반경방향으로 둘러싸면서 권선에 의해 회전 자기장을 형성하는 스테이터; 및 상기 스테이터를 고정 수용하고, 상기 로터가 회전 가능하도록 지지하는 하우징을 더 포함한다.

본 발명에 따른 영구자석 동기 모터용 로터에 의하면, 동일한 크기에서 더 높은 회전속도(RPM)을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 영구자석 동기 모터용 로터에 의하면, 동일한 회전속도에서는 슬리브의 두께를 축소할 수 있으므로 전자기적 저항을 감소시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 영구자석 동기 모터용 로터에 의하면, 이러한 전자기적 저항의 감소로 인해, 영구자석의 용량을 줄이더라도 동일한 모터 회전력을 발생시킬 수 있다. 따라서, 장착되는 영구자석의 크기를 감소되므로 보다 컴팩트한 설계가 가능해진다.

도 1a는 표면형 PMSM의 원리를 도시한 도면이다.
도 1b는 매입형 PMSM의 원리를 도시한 도면이다.
도 2는 열박음을 통해 로터를 조립하는 구조를 간략히 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 PMSM의 종단면도이다.
도 4는 도 3의 PMSM에서 로터를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4의 로터를 영구자석이 배치된 위치에서 로터 샤프트에 수직인 방향으로 절취한 횡단면도이다.
도 6은 도 4의 로터(300)에서 로터 샤프트만을 제거하여 도시한 종단면도이다.
도 7a는 도 4 내지 도 6에 도시된 로터에서 열박음 조립시 슬리브의 응력 분포를 나타낸 도면이다.
도 7b는 로터의 작동 중에 슬리브의 응력 분포를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터에서, 로터 몸체가 슬리브에 의해 열박음될 때 로터를 회전축을 따라 절취한 종단면도이다.
도 9는 도 8의 로터를 도시한 사시도이다.
도 10은 도 8의 로터에서 슬리브가 열박음이 완료되어 로터 몸체 및 영구자석을 감싸고 있는 상태를 보여주는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 로터에서, 로터 몸체가 슬리브에 의해 열박음될 때 로터를 회전축을 따라 절취한 종단면도이다.
도 12는 도 11의 로터를 도시한 사시도이다.
도 13은 도 11의 로터에 영구자석이 배치된 위치에서 슬리브를 회전축을 따라 절취한 종단면도이다.
도 14는 도 11의 로터에서 슬리브가 열박음이 완료되어 로터 몸체 및 영구자석을 감싸고 있는 상태를 보여주는 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른, 영구자석이 로터 몸체에 직렬로 배치된 로터를 종방향으로 절취한 종단면도이다.
도 16은 도 15에서 내부 샤프트가 추가된 로터를 종방향으로 절취한 종단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 동기 모터(PMSM, 100)의 종단면도이다. 상기 PMSM(100)는 스테이터(200)와 스테이터(200)에 결합하는 로터(300)로 구성되고, 스테이터(200)에 교류를 인가하여 로터에 자기장계가 형성되면, 이에 따라 로터(300)가 회전한다. 또한, 스테이터(200)는 하우징(210), 권선 리테이너(230) 및 권선(250)으로 구성될 수 있다. 상기 하우징(210)은 PMSM(100)의 외형을 이루는 것으로, 내부 공간을 갖는 박스 형상일 수 있으며, 하우징(210)의 대향하는 양면은 로터(300)가 결합할 수 있도록 개구부(212, 213)가 마련되어 있다.

이때, 상기 하우징(210)의 외형은 원통형, 다각 기둥형 등 다양하게 형성될 수 있다. 상기 권선 리테이너(230)는 하우징(210) 내부에 설치되는 원통형일 수 있다. 이때, 권선 리테이너(230)의 중심은 개구(212, 213)의 중심과 동심이 되도록 설치된다.

한편, 상기 권선(250)은 권선 리테이너(230) 내에 배치되며, 권선(250)이 안정적으로 고정될 수 있도록 권선 리테이너(230)에 권선(250)이 설치될 수 있는 공간이 마련된다. 따라서, 상기 권선 리테이너(230)에는 다수의 홈이 형성되며, 권선 리테이너(230)에 형성된 다수의 홈 내에 권선(250)이 위치할 수 있다.

상기 권선 리테이너(230)는 권선(250)에 발생하는 자기력에 의해 권선(250)이 움직이지 않도록 고정시키고, 권선(250)의 무게를 지탱할 수 있도록 하우징(210) 내에 마련된다. 상기 권선 리테이너(230)는 자속 흐름에 영향을 주지 않기 위해 비자성, 비도체의 재질로 형성될 수 있다.

상기 로터(300)는 로터 샤프트(310), 로터 몸체(320), 영구자석(330)를 포함하며, 로터 샤프트(310)는 스테이터(200)를 관통하되 하우징(210)의 개구부(212, 213)에 형성된 베어링(380, 390)에 의해 지지될 수 있다.

상기 로터 몸체(320)는 로터 샤프트(310)를 감싸는 형태로 스테이터(200) 내에 마련되고, 로터 몸체(320)에 적어도 하나의 영구자석(330)이 설치된다. 이 때, 상기 영구자석(330)의 형상은 토러스(torus) 형 또는 하프 토러스(half-torus) 형 등으로 형성될 수 있으며, 로터 몸체(320)의 둘레를 따라 소정의 간격으로 복수로 배치될 수 있다.

도 4는 도 3의 PMSM(100)에서 로터(300)를 도시한 사시도이다. 로터 샤프트(310)는 예를 들어, 로터 몸체(320)를 관통하여 형성되는 관통공에 삽입 고정될 수 있으나, 이에 한하지 않고 로터 몸체(320)와 일체로 구성될 수도 있다. 로터 몸체(320)에는 원주 방향으로 적어도 하나의 영구자석(330)이 설치될 수 있다. 상기 영구자석(330)이 표면 매입형으로 로터 몸체(320)에 배치되는 경우에는, 상기 영구자석을 로터 몸체(320)에 고정하기 위한 슬리브(350)가 더 구비될 수 있다. 상기 슬리브(350)는 로터 몸체(320)의 외부면과 상기 영구자석(330)을 모두 감싸도록 열박음 고정될 수 있다. 이 때, 로터 몸체(320)의 단부에는 플랜지(321)가 형성되어, 상기 플랜지(321)와 반대 방향에서 삽입되는 슬리브(350)가 정위치에 고정될 수 있게 해 준다.

도 5는 도 4의 로터(300)를 영구자석(330)이 배치된 위치에서 로터 샤프트(310)에 수직인 방향으로 절취한 횡단면도이다. 로터 몸체(320)에는 영구자석(330)을 수용하고 안착시키기 위해, 영구자석(330)과 대응되는 형상으로 형성된 안착홈(322)이 구비되어 있다. 따라서, 안착홈(322) 및 영구자석(330)은 로터 몸체(320)의 원주 방향을 따라 등간격으로 형성될 수 있다. 도 5에서는 안착홈(322) 및 영구자석(330)의 수는 각각 4개인 것으로 예시되어 있으나 이에 한하지 않고 그 숫자는 설계자의 선택에 따라 자유롭게 변경될 수 있다.

로터 몸체(320)에는 중심축(ax)을 따라 관통공(323)이 형성될 수 있으며, 여기에 로터 샤프트(310)가 열박음 또는 고정 핀 등에 의해 고정될 수 있다. 다만, 이에 한하지 않고 로터 샤프트(310)와 로터 몸체(320)가 일체로 형성될 수도 있을 것이다. 마지막으로, 로터 몸체(320)에 배치된 영구자석(330)은 로터 몸체(320)의 외주면에 열박음 결합되는 슬리브(350)에 의해 로터 몸체(320) 상에 단단히 고정된다.

도 6은 도 4의 로터(300)에서 로터 샤프트(310)만을 제거하여 도시한 종단면도이다. 도 6을 참조하면, 로터 몸체(320)의 외주면에 형성된 안착홈(322)에는 영구자석(330)이 안착된 후, 슬리브(350)가 로터 몸체(320)의 외주면에 삽입된다. 이 때, 슬리브(350)의 단부가 제위치에 배치될 수 있도록, 로터 몸체(320)의 플랜지(321)가 스토퍼 역할을 한다. 슬리브(350)의 열박음 이후에는 슬리브(350)와 로터 몸체(320)의 외주면 및 영구자석(330)을 감싸면서 단단히 고정하게 된다.

이와 같이, PMSM(100)의 로터(300) 조립시에는 영구자석(330)에 충분한 열박음력이 제공되는 것이 중요한데, 그 이유는 로터(300)가 고속으로 회전할 때 원심력에 의해서 영구자석(330)이 로터 샤프트(310)로부터 이탈하려는 힘이 발생하기 때문이다. 충분한 열박음력이 제공되지 않을 경우, 작동 중 원심하중 또는 열발생에 의해서 영구자석(330)과 로터 몸체(320) 간의 압착력이 줄어들고 그 영향으로 자석의 초기 조립 위치가 변경될 가능성이 있다. 이 경우 로터(300)에 불균형에 따른 진동이 발생하여 로터(300)의 작동 안정성에 악영향을 미치게 된다. 따라서 원심하중 발생시에도 영구자석(330)에 충분한 압착력이 인가되도록 열박음량을 결정하여야 한다. 하지만 열박음량이 클수록 슬리브(350)에 발생하는 인장응력도 증가하므로 슬리브(350)의 강도까지 고려할 필요가 있다.

따라서, 열박음량의 범위를 결정할 때 그 최소값은 영구자석(330)이 로터 몸체(320)의 외주면에서 이탈되지 않는 최소의 열박음력을 감안하여야 하고, 그 최대값은 슬리브(350)의 강도가 기준이 될 수 있다.

슬리브(350)에 의해서 압착되는 부분은 영구자석(330)과 로터 몸체(320)인데, 영구자석(330)의 강성(stiffness)은 통상의 금속 소재와 차이가 크다. 주로 많이 이용되는 자석인 sm2Co17의 경우 그 영률(Young's modulus)이 110Gpa 수준이고, 일반적인 금속은 그 영률이 200Gpa 수준으로 알려져 있다. 즉, 슬리브(350)와 열박음되는 내부 부품인 영구자석(330)과 로터 몸체(320)는 강성차이가 2배 수준이다. 따라서, 슬리브(350)와 영구자석(330) 사이, 그리고 슬리브(350)와 로터 몸체(320) 사이에 동일한 억지끼움량(열박음량)이 적용된다면, 슬리브(350)와 로터 몸체(320) 간의 억지끼움력(열박음력)이, 슬리브(350)와 영구자석(330) 간의 억지끼움력보다 매우 크게 된다. 실제로, 슬리브(350)의 응력(stress)를 검토하면 슬리브(350) 중에서 로터 몸체(320)와 접하는 위치에서 더 큰 응력이 발생함을 확인할 수 있다.

도 7a는 도 4 내지 도 6에 도시된 로터(300)에서 열박음 조립시 슬리브(350)의 응력 분포를 나타낸 도면이고, 도 7b는 로터(300)의 작동(고속 회전) 중에 슬리브(350)의 응력 분포를 나타낸 도면이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하여 슬리브(350)에 발생된 응력을 살펴보면, 영구자석(330)과 조립되는 위치에서는 응력 여유가 있기 때문에 열박음량을 더 늘릴수 있으나, 로터 몸체(320)와 접하는 위치에서는 응력이 크기 때문에 보다 큰 열박음량을 부여할 수 없음을 알 수 있다. 따라서, 도 4 내지 도 6과 같이 로터 몸체(320)의 외주면과, 로터 몸체(320)의 안착홈(322)에 안착된 영구자석(330)의 외주면이 일치하는 로터(300) 구조에서는 이와 같은 열박음량의 여유에 차이가 발생할 수 밖에 없다. 일반적으로 로터(300)의 구조적 안정성은 슬리브(350)의 압착력이 클수록 유리하다. 따라서, 슬리브(350)가 영구자석(330)과 접촉하는 위치에서의 제1 응력이, 슬리브(350)가 로터 몸체(320)와 접하는 위치에서의 제2 응력보다 작으므로, 제1 응력이 증가시켜 제2 응력과 동일하게 될 수 있도록 열박음량을 조절할 필요가 있다. 이와 같이 열박음량을 조절하면 슬리브(350) 전체적으로 슬리브(350)의 압착력을 최대화할 수 있을 것이다.

따라서, 슬리브(350)와 조립되는 상대 부품의 특성을 감안하여, 상대 부품별로 열박음량에 차이를 줄 수 있는 로터(300)의 구조를 제시하고자 한다. 이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여 본 발명에 따른 로터 구조의 다른 실시예를 설명하고, 도 11 내지 도 14를 참조하여 상기 로터 구조의 또다른 실시예를 설명할 것이다.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터(400)에서, 로터 몸체(320)가 슬리브(350)에 의해 열박음될 때 로터(400)를 회전축(ax)을 따라 절취한 종단면도이다. 여기서, 로터(400)의 전체적인 구조가 회전축(ax)을 따라 상하 대칭을 이루므로 상기 회전축(ax) 위쪽의 구성만 도시되어 있다. 이 때, 로터 몸체(320)의 안착홈(322)에 안착되는 영구자석(430)의 외주면이 로터 몸체(320)의 외주면에 비해 소정의 단차값(t1)만큼 반경방향으로(radially) 돌출되어 있다.

도 9는 도 8의 로터(400)를 도시한 사시도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 복수의 영구자석(430)은 로터 몸체(320)의 외주면을 따라 등간격으로 배치될 수 있으며, 로터 몸체(320)의 외주면에 대해 반경방향으로 t1만큼 돌출된다. 이러한 단차값(t1)은 슬리브(350)의 열박음이 완료되어 로터 몸체(320) 및 영구자석(430)을 감쌀 때 로터 몸체(320)에 작용하는 응력과 영구자석(430)에 작용하는 응력이 균일화됨으로써 슬리브(350)의 압착력을 최대화하는 데에 기여한다.

도 10은 도 8의 로터(400)에서 슬리브(350)가 열박음이 완료되어 로터 몸체(320) 및 영구자석(430)을 감싸고 있는 상태를 보여주는 도면이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 슬리브(350)가 로터 몸체(320) 및 영구자석(430)을 감쌀 때, 슬리브(350) 중에서 영구자석(430)을 감싸는 부분의 직경(D1)이 로터 몸체(320)를 감싸는 부분의 직경(D2)에 비해 다소 크도록 결합되어 있다. 따라서, 로터 몸체(320)에 비해 강성이 낮은 영구자석(430)이 다소 돌출되어 있기 때문에, 슬리브(350)의 내면에 작용하는 응력의 분포를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 도 4 내지 도 6에 도시된 로터(300)에 비해, 영구자석과 슬리브간에 작용하는 응력을 크기를 보다 높일 수 있는 것이다.

이 때, 영구자석(430)은 압착력을 받아 그 두께가 축소되고, 슬리브(350)는 다소 인장되어 응력의 균형을 이루게 된다. 따라서, 슬리브(350)를 결합하기 전의 단차값(도 8의 t1)에 비해 슬리브(350)를 결합한 이후의 단차값(t3)이 다소 감소된다(t3<t1).

이상의 도 8 내지 도 10의 실시예에서는, 로터 몸체에 대해 영구자석에 돌출량을 부여함으로써 응력 분포의 균일성을 확보하였다. 하지만 이에 한하지 않고, 로터 몸체와 영구자석 간에는 돌출량을 부여하지 않는 대신에, 슬리브 내경의 크기를 위치에 따라 다르게 하는 구성으로도 같은 목적을 달성할 수 있다. 이하에서는 도 11 내지 도 14를 참조하여 이러한 또다른 실시예에 따른 로터의 구조에 대해 설명한다.

도 11은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 로터(500)에서, 로터 몸체(320)가 슬리브(450)에 의해 열박음될 때 로터(500)를 회전축(ax)을 따라 절취한 종단면도이다. 여기서, 로터(500)의 전체적인 구조가 회전축(ax)을 따라 상하 대칭을 이루므로 상기 회전축(ax) 위쪽의 구성만 도시되어 있다. 이 때, 로터 몸체(320)의 안착홈(322)에 안착되는 영구자석(330)의 외주면 로터 몸체(320)의 외주면은 동일한 높이를 유지하고 있는 반면에, 슬리브(450)의 내주면에는 내측으로 소정의 단차값(t2)만큼 돌출된 단턱부(451)가 형성되어 있다. 이러한 단턱부(451)는 영구자석(330)의 종방향 길이에 대응되는 크기를 갖는 것이 바람직하지만 반드시 이에 한하는 것은 아니고 상기 종방향 길이보다 약간 크거나 작을 수도 있음은 물론이다.

도 12는 도 11의 로터(500)를 도시한 사시도이다. 도 12에 도시된 바와 같이, 복수의 영구자석(330)은 로터 몸체(320)의 외주면을 따라 등간격으로 배치될 수 있으며, 그 외주면이 로터 몸체(320)의 외주면과 일치하도록 형성된다. 다만, 도 13에 도시된 바와 같이, 슬리브(450)의 내주면에 형성된 단턱부(451)가 상기 단차값(t2)만큼 로터 몸체(320)의 내측으로 돌출되어 있다. 따라서, 슬리브(450)의 열박음이 완료되어 로터 몸체(320) 및 영구자석(530)을 감쌀 때 로터 몸체(320)에 작용하는 응력과 영구자석(530)에 작용하는 응력이 균일화됨으로써 슬리브(450)의 압착력을 최대화하는 데에 기여한다.

도 14는 도 11의 로터(500)에서 슬리브(450)가 열박음이 완료되어 로터 몸체(320) 및 영구자석(530)을 감싸고 있는 상태를 보여주는 도면이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 슬리브(450)가 로터 몸체(320) 및 영구자석(530)을 감쌀 때, 슬리브(450) 중에서 영구자석(530)을 감싸는 부분의 직경(D3)은 단턱부(451)로 인하여, 로터 몸체(320)를 감싸는 부분의 직경(D4)에 비해 다소 크도록 결합되어 있다. 따라서, 로터 몸체(320)에 비해 강성이 낮은 영구자석(530)이 단턱부(451)에 접촉하기 때문에, 슬리브(450)의 내면에 작용하는 응력의 분포를 균일하게 유지할 수 있다. 따라서, 도 4 내지 도 6에 도시된 로터(300)에 비해, 영구자석과 슬리브간에 작용하는 응력을 크기를 보다 높일 수 있는 것이다.

이 때, 영구자석(530)은 압착력을 받아 그 두께가 감소되어 로터 몸체(320)의 외주면의 내측으로 축소되고, 슬리브(450)는 다소 인장되어 응력의 균형을 이루게 된다. 따라서, 슬리브(450)를 결합하기 전의 단차값(도 11의 t2)에 비해 슬리브(450)를 결합한 이후의 단차값(t4)이 다소 감소된다(t4<t2).

이상의 도 8 내지 도 10에 따른 실시예와, 도 11 내지 도 14에 따른 실시예에서는 영구자석의 외주면으로 돌출되거나, 슬리브에서 영구자석과 대응되는 부분이 내부로 돌출되는 경우를 예시하였다. 그러나 이에 한하지 않고 영구자석을 외주면으로 돌출함과 동시에 슬리브를 내부로 돌출할 수도 있다. 다만, 이 경우에는 각각의 돌출량은, 양자중 하나만 돌출된 경우의 돌출량보다 작은 범위에서 적절히 조절되어야 할 것이다. 예를 들어, 양자의 돌출량의 합계가 전술한 단차값(t1 또는 t2)과 동일하도록 설계할 수 있을 것이다.

이상의 실시예들에 따른 로터(300, 400, 500)에서는 로터 몸체(320)의 외주면에 형성된 안착홈(322)에 영구자석(330, 430, 530)이 매입되는 구조로 되어 있었다. 다음의 도 15 및 도 16에 도시된, 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터(600, 700)는 이와 달리 로터 몸체가 2개의 부분으로 완전히 분리되어 제공되고, 영구자석과 상기 2개의 부분의 로터 몸체가 슬리브에 의해서 함께 체결되는 구조를 갖는다.

도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로터(600)를 종방향으로 절취한 종단면도이다. 여기서는 로터 몸체(620a, 620b) 이외에 별도의 내부 샤프트는 사용되지 않는 것으로 도시되어 있다.

도 15를 참조하면, 제1 로터 몸체(620a)와 제2 로터 몸체(620b)는 별개의 분리된 요소이며, 각각의 종방향 단부가 원통형 영구자석(630)과 축방향(ax)으로 접촉하도록 배치된다. 이후 슬리브(650)가 제1 및 제2 로터 몸체(620a, 620b)의 일부와 영구자석(630)의 외주면을 완전히 감싸도록 열박음에 의해 조립되고, 이러한 슬리브(650)의 조립에 의해 제1 및 제2 로터 몸체(620a, 620b)와 영구자석(630) 모두가 완전히 고정될 수 있다. 이 때, 제1 로터 몸체(620a)에는 반경 방향으로(radially) 다소 돌출된 플랜지(621)가 형성되어 있을 수 있으며, 이러한 플랜지(621)는 슬리브(650)가 열박음 조립될 때 조립 위치를 이탈하는 것을 방지해 준다.

이러한 도 15의 실시예에 따른 로터(600)에서도 도 10 또는 도 14와 같은 열박음 방식이 사용될 수 있다.

예를 들어 도 10과 마찬가지로, 슬리브(650) 조립전에, 원통형 영구자석(630)의 외주면이 로터 몸체(620a, 620b)의 외주면에 비해 크도록 형성될 수 있다. 이 경우에는 슬리브(650)의 조립 후에 원통형 영구자석(630)의 외경이 슬리브(650)의 조립전보다 다소 축소되면서 슬리브(650)와 영구자석(630) 간에 응력의 균형을 이루게 된다.

또한, 도 14와 마찬가지로, 슬리브(650) 조립전에 영구자석(630)의 외주면과 로터 몸체(620a, 620b)의 외주면을 동일하게 맞추되, 슬리브(650)의 내주면에 단턱부(도 14의 451 참고)를 형성할 수도 있다. 이 경우에는 슬리브(650)의 조립 후에 원통형 영구자석(630)의 외경이 로터 몸체(620a, 620b)의 외주면보다 내측으로 축소되면서, 슬리브(650)의 단턱부와 영구자석(630) 간에 응력의 균형을 이루게 된다.

마지막으로 도 16은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 로터(700)를 종방향으로 절취한 종단면도이다. 도 16의 로터(700)는 도 15의 로터(600)와 달리 로터 몸체(720a, 720b)와 별도로 내부 샤프트(710)가 구비되어 있다. 상기 내부 샤프트(710)는 영구자석(730)의 중앙부를 완전히 관통하므로 영구자석(730)은 토러스(torus) 또는 하프 토러스(half torus) 형상을 가질 수 있다. 또한, 내부 샤프트(710)는 로터 몸체(720a, 720b)의 내측 일부에 삽입되어 있는 것으로 도시되어 있지만 이에 한하지 않고, 로터 몸체(720a, 720b)를 축방향(ax)을 따라 완전히 관통하도록 설계될 수도 있음은 물론이다.

따라서 상기 로터 몸체(720a, 720b)와 영구자석(730)은 슬리브(750)에 의해 조립되기 이전에도 서로 결합되어 있을 수 있다. 이와 같이 도 16의 로터(700)가 내부 샤프트(710)를 더 구비하고 있는 점 이외에는 도 15의 로터(600)와 마찬가지이므로 중복된 설명은 생략하기로 한다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.

100: 영구자석 동기 모터 200: 스테이터
210: 하우징 212, 213: 개구부
230: 권선 리테이너 250: 권선
300, 400, 500, 600, 700: 로터
310: 로터 샤프트
320, 620a, 620b, 720a, 720b: 로터 몸체
321, 621: 플랜지
322: 안착홈 323: 관통공
330, 430, 530, 630, 730: 영구자석
350, 450, 650, 750: 슬리브
380, 390: 베어링 451: 단턱부
710: 내부 샤프트

Claims (6)

1. 영구자석 동기 모터에 사용되는 로터(rotor)에 있어서,
   원통형으로 형성된 로터 몸체;
   상기 로터 몸체로부터 회전축(rotation axis)을 따라 연장되는 로터 샤프트;
   상기 로터 몸체의 표면에 매입되면서 상기 로터 몸체의 외주면을 따라 배치되거나, 상기 로터 몸체와 상기 회전축 방향으로 인접하여 배치되는 적어도 하나의 영구자석; 및
   상기 로터 몸체 및 상기 영구자석을 둘러싸면서 열박음에 의해 상기 영구자석을 상기 로터 몸체 상에 고정하는 슬리브를 포함하되,
   상기 슬리브가 열박음에 의해 상기 영구자석을 상기 로터 몸체 상에 고정한 후, 상기 슬리브가 상기 영구자석과 접촉하는 위치에서 상기 슬리브의 외주면이 갖는 직경이, 상기 슬리브가 상기 로터 몸체와 접촉하는 위치에서 상기 슬리브의 외주면이 갖는 직경보다 크도록 형성되며,
   상기 슬리브가 상기 영구자석과 접촉하는 위치의 제1 응력이 상기 슬리브가 상기 로터 몸체와 접촉하는 위치에서의 제2 응력보다 작아 상기 제1 응력을 상기 제2 응력에 대응되게 증가시키도록,
   상기 적어도 하나의 영구자석의 외주면이 상기 로터 몸체의 외주면에 비해 반경방향으로 돌출되어 상기 슬리브와 접촉되어 열박음되거나
   상기 슬리브의 내주면에는 내측으로 돌출된 단턱부가 상기 영구자석에 대응되는 위치에 형성되어 상기 단턱부가 상기 영구자석과 접촉되어 열박음되거나,
   상기 적어도 하나의 영구자석의 외주면이 상기 로터 몸체의 외주면에 비해 반경방향으로 돌출되면서 상기 슬리브의 내주면에는 내측으로 돌출된 단턱부가 상기 영구자석에 대응되는 위치에 형성되되 이들의 돌출량 합계는 하나만 돌출되는 경우의 돌출량보다 작은 범위를 가지며, 상기 영구자석의 돌출면과 상기 단턱부가 접촉되어 열박음되며,
   상기 슬리브의 열박음 시, 상기 영구자석은 축소되고 상기 영구자석과 접촉되는 상기 슬리브는 소정 인장되어 결합 후 단차값이 결합 전 단차값보다 작아지는, 로터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 영구자석은 상기 로터 몸체의 외주면을 따라 형성된 적어도 하나의 안착홈 내에 안착되는, 로터.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 로터 몸체의 일단부에는 상기 일단부와 반대 방향에서 삽입되는 슬리브를 정위치에 고정하기 위한 플랜지가 형성되는, 로터.
6. 제1항에 기재된 로터를 포함하고,
   상기 로터를 반경방향으로 둘러싸면서 권선에 의해 회전 자기장을 형성하는 스테이터; 및
   상기 스테이터를 고정 수용하고, 상기 로터가 회전 가능하도록 지지하는 하우징을 더 포함하는, 영구자석 동기 모터.

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