KR102497574B1

KR102497574B1 - 영구자석 동기기

Info

Publication number: KR102497574B1
Application number: KR1020200189287A
Authority: KR
Inventors: 권병일; 권중우; 차이원핑; 채진
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2023-02-07
Also published as: KR20220096655A

Abstract

영구자석 동기기가 제공된다. 상기 영구자석 동기기는, 원주 방향으로 배열된 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련된 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 반경 방향 내측에 마련되며, 제1 자극을 가지는 제1 영구자석, 제1 금속 폴, 상기 제1 자극과 반대되는 제2 자극을 가지는 제2 영구자석 및 제2 금속 폴이 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 구비하는 회전자를 포함할 수 있다.

Description

영구자석 동기기{Permanent Magnet Synchronous Machine}

본 발명은 영구자석 동기기에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 영구자석 사용량이 감소된 저가형 영구자석 동기기에 관련된 것이다.

전동기(electric motor)는, 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용해 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 그 중에서도 동기전동기(Synchronous Motor, SM)는, 고정자의 회전필드(field)에 동기하여 회전자가 일정한 속도로 회전할 수 있는 전동기를 말한다. 동기전동기의 회전자는 가변하는 전압 환경 속에서도 일정한 회전 속도를 유지할 수 있는 장점이 있다.

이러한 동기전동기에는 영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)와 계자권선형 동기전동기(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM)가 있다.

영구자석 동기전동기는, 회전자 자계(flux)를 발생시키기 위하여 영구자석을 이용할 수 있다. 영구자석 동기전동기는, 부하나 전압의 흔들림에도 불구하고 전력원의 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있으며, 높은 효율과 높은 토크 밀도의 우수한 성능을 이유로 다양한 산업 및 가정용 응용 프로그램에 널리 사용되고 있다. 특히 영구자석 동기전동기는 모터의 설계 사양에 허락하는 범위 내에서 메인 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있는 점에서 유용할 수 있다. 다만 영구자석 동기전동기에 사용되는 희토류 자석의 단가가 비싸기 때문에 적용상 한계를 가지고 있다.

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대한민국 공개특허공보 제10-2020-0030565호(2020.03.20.)

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 영구자석 사용량이 감소된 저가형 영구자석 동기기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 영구자석 동기기를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 영구자석 동기기는, 원주 방향으로 배열된 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련된 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 반경 방향 내측에 마련되며, 제1 자극을 가지는 제1 영구자석, 제1 금속 폴, 상기 제1 자극과 반대되는 제2 자극을 가지는 제2 영구자석 및 제2 금속 폴이 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 구비하는 회전자를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 영구자석과 제1 금속 폴은 원주 방향으로 서로 밀착되어 제1 폴 세트를 이루고, 상기 제2 영구자석과 제2 금속 폴은 원주 방향으로 서로 밀착되어 제2 폴 세트를 이루되, 상기 제1 폴 세트와 상기 제2 폴 세트는 원주 방향으로 서로 이격될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 에어 갭 플럭스 베리어(air gap flux barrier)를 더 포함하며, 상기 에어 배리어는 상기 제1 폴 세트와 제2 폴 세트 사이에 구비될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제1 금속 폴 및 제2 금속 폴은 동일한 금속 재질로 이루어지되, 철(Iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 회전자는 자성체를 더 포함하며, 상기 자성체는 상기 제1 영구자석과 제1 금속 폴 사이 및 상기 제2 영구자석과 제2 금속 폴 사이에 각각 구비될 수 있다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 자성체는 연성 페라이트(soft ferrite)로 구비될 수 있다.

다른 실시 예에 따르면, 상기 자성체는 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석보다 상대적으로 작은 폭을 가질 수 있다.

실시 예들에 따르면, 상기 제1 금속 폴은 제1 단차부를 포함하며, 상기 제1 단차부는 상기 고정자의 내경과 마주하는 상기 제1 금속 폴의 외경 일측에 마련되어, 상기 제1 영구자석의 장착 공간을 제공하고, 상기 제2 금속 폴은 제2 단차부를 포함하며, 상기 제2 단차부는 상기 고정자의 내경과 마주하는 상기 제2 금속 폴의 외경 일측에 마련되어, 상기 제2 영구자석의 장착 공간을 제공할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 원주 방향으로 배열된 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련된 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 반경 방향 내측에 마련되며, 제1 자극을 가지는 제1 영구자석, 제1 금속 폴, 상기 제1 자극과 반대되는 제2 자극을 가지는 제2 영구자석 및 제2 금속 폴이 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 구비하는 회전자를 포함할 수 있다.

이에 따라, 영구자석 사용량이 감소된 저가형 영구자석 동기기가 제공될 수 있으며, 이를 통해, 제조 비용을 절감할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 컨트롤러를 변경하지 않으면서, 그리고 영구자석을 적게 사용하면서 기존의 표면 영구 자석 동기기를 완전히 대체할 수 있는 영구자석 동기기가 제공될 수 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에 따르면, 영구자석의 사용량을 줄이더라도 기존의 표면 영구 자석 동기기와 거의 동등한 토크(torque) 및 토크 리플(torque ripple)을 얻을 수 있는 영구자석 동기기가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기를 나타낸 일측 단면 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 자기 회로도이다.
도 3은 도 2에서, R_b가 충분히 클 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 단순화된 자기 회로도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기에서, 영구자석(PM) 토크과 릴럭턴스 토크의 d-q 축 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기를 나타낸 일측 단면 모식도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 극 자속 분포 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 극 자속 분포 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 슬롯 없는 자속 밀도 분포를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 슬롯 없는 자속 밀도 분포를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.
도 10은 본 발명의 실시 예 및 비교 예의 회전자 위치에 따른 코깅 토크 변화를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 예 및 비교 예의 회전자 위치에 따른 전자기 토크 변화를 나타낸 그래프이다.
도 12은 본 발명의 비교 예1에 따른 영구자석 동기기를 나타낸 일측 단면 모식도이다.
도 13은 본 발명의 비교 예2에 따른 영구자석 동기기를 나타낸 일측 단면 모식도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기를 나타낸 일측 단면 모식도이이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기(100)는 고정자(stator)(110) 및 회전자(rotor)(120)를 포함하여 형성된다.

고정자(110)는 회전자(120)의 일측, 예컨대, 회전자(120)의 반경 방향 외측에 마련될 수 있다. 고정자(110)는 회전자(120)에 회전력을 제공할 수 있다. 이를 위해, 고정자(110)는, 내측에 중공을 포함하는 원통 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 회전자(120)는 고정자(110)의 중공에 인입된 상태에서 고정자(110)로부터 제공되는 회전력에 의해 회전할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 고정자 치(teeth)(111)를 포함할 수 있다. 고정자 치(111)는 복수 개로 구비되어, 고정자(110)의 내경 측 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 고정자 치(111) 사이는 고정자 슬롯으로 정의될 수 있다.

고정자(110)는 고정자 권선을 더 포함할 수 있다. 고정자 권선은 회전자(120)가 회전할 수 있도록 자계 혹은 고정자 필드를 생성할 수 있다. 이러한 고정자 권선은 각각의 고정자 치(111)에 마련될 수 있다.

상기 고정자 권선은 인가 받는 전류의 상(phase)에 따라 그룹핑될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정자 권선에 2개의 극 쌍수를 가지는 A, B, C의 3 상이 인가되는 경우, 상기 고정자 권선은 제1 고정자 권선(A+, A-), 제2 고정자 권선(B-, B+) 및 제3 고정자 권선(C+, C-)으로 그룹핑될 수 있다.

이때, 특정 고정자 치(111)에는 이종 그룹의 고정자 권선이 형성될 수 있고, 동일한 그룹의 고정자 권선이 형성될 수도 있다.

회전자(120)는, 생성한 회전자 필드와, 고정자(110)가 생성한 고정자 필드에 의하여 고정자(110)에 대하여 회전할 수 있다.

회전자(120)는 고정자(110)의 반경 방향 내측에 마련될 수 있다. 회전자(120)는 고정자(110)의 내부 중공에 인입될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자(120)는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 구비할 수 있다.

컨시퀀트 폴은 제1 영구자석(121), 제1 금속 폴(122), 제2 영구자석(123) 및 제2 금속 폴(124)이 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루어질 수 있다.

여기서, 제1 영구자석(121)은 제1 자극을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 영구자석(121)은 N극을 가질 수 있다. 또한, 제2 영구자석(123)은 제1 자극과 반대되는 제2 자극을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 영구자석(123)은 S극을 가질 수 있다.

제1 금속 폴(122)은 제1 영구자석(121)의 형성 개수에 대응하는 개수를 가질 수 있다. 제1 금속 폴(122)은 회전자(120)의 중심에서 반경 반향 외측으로 갈수록 폭이 증가하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 폴(122)은, 단면이 부채꼴 형상을 이룰 수 있다.

제1 금속 폴(122)은 제1 영구자석(121)과 원주 방향으로 서로 밀착될 수 있다. 이때, 제1 금속 폴(122)은 제1 영구자석(121)을 지지할 수 있다. 이를 위해, 제1 금속 폴(122)은 제1 단차부(122a)를 포함할 수 있다.

제1 단차부(122a)는 고정자(110)의 내경과 마주하는 제1 금속 폴(122)의 외경 일측에 마련될 수 있다. 구체적으로, 제1 단차부(122a)는 제1 금속 폴(122)의 외경에서 폭 방향 가장자리 일측에 마련될 수 있다.

예를 들어, 제1 단차부(122a)는 제1 금속 폴(122)의 외경 폭 방향 가장자리 일측에서 반경 방향 내측으로 오목한 홈 형상으로 구비될 수 있다. 이를 통해, 제1 단차부(122a)는 제1 영구자석(121)의 장착 공간을 제공할 수 있다.

제1 영구자석(121)은 이러한 제1 단차부(122a)에 끼워지는 형태로 장착됨으로써, 제1 금속 폴(122)과 원주 방향으로 서로 밀착된 구조를 이룰 수 있다. 그리고 이를 통해, 제1 영구자석(121)은 반경 방향으로 고정자(110)의 내경과 마주하게 된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 이와 같이, 원주 방향으로 서로 밀착된 제1 영구자석(121)과 제1 금속 폴(122)은 제1 폴 세트(PS1)를 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 금속 폴(122)은 금속 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 금속 폴(122)은 철(Iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.

제2 금속 폴(124)은 제2 영구자석(123)의 형성 개수에 대응하는 개수를 가질 수 있다. 제2 금속 폴(124)은 제1 금속 폴(122)과 동일한 형상을 가질 수 있다. 즉, 제2 금속 폴(124)은 회전자(120)의 중심에서 반경 반향 외측으로 갈수록 폭이 증가하는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제2 금속 폴(124)은, 단면이 부채꼴 형상을 이룰 수 있다.

제2 금속 폴(124)은 제2 영구자석(123)과 원주 방향으로 서로 밀착될 수 있다. 이때, 제2 금속 폴(124)은 제2 영구자석(123)을 지지할 수 있다. 이를 위해, 제2 금속 폴(124)은 제2 단차부(124a)를 포함할 수 있다.

제2 단차부(124a)는 고정자(110)의 내경과 마주하는 제2 금속 폴(124)의 외경 일측에 마련될 수 있다. 구체적으로, 제2 단차부(124a)는 제2 금속 폴(124)의 외경에서 폭 방향 가장자리 일측에 마련될 수 있다.

예를 들어, 제2 단차부(124a)는 제2 금속 폴(124)의 외경 폭 방향 가장자리 일측에서 반경 방향 내측으로 오목한 홈 형상으로 구비될 수 있다. 이를 통해, 제2 단차부(124a)는 제2 영구자석(123)의 장착 공간을 제공할 수 있다.

제2 영구자석(123)은 이러한 제2 단차부(124a)에 끼워지는 형태로 장착됨으로써, 제2 금속 폴(124)과 원주 방향으로 서로 밀착된 구조를 이룰 수 있다. 그리고 이를 통해, 제2 영구자석(123)은 반경 방향으로 고정자(110)의 내경과 마주하게 된다.

본 발명의 일 실시 예에서, 이와 같이, 원주 방향으로 서로 밀착된 제2 영구자석(123)과 제2 금속 폴(124)은 제2 폴 세트(PS2)를 이룰 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 금속 폴(124)은 제1 금속 폴(122)과 동일한 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제2 금속 폴(124)은 제1 금속 폴(122)과 마찬가지로, 철(Iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자(120)는 원주 방향으로 교번하여 배열되는 제1 영구자석(121), 제1 금속 폴(122), 제2 영구자석(123) 및 제2 금속 폴(124)로 이루어진 컨시퀀트 폴을 구비할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 영구자석(121)과 제2 영구자석(123) 사이에 제1 금속 폴(122)이 구비되고, 제2 영구자석(123)과 제1 영구자석(121) 사이에 제2 금속 폴(124)이 구비됨에 따라, 제1 영구자석(121) 및 제2 영구자석(123)의 사용량이 줄어들게 된다. 이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제조 비용이 줄어든 저가형 영구자석 동기기(100)가 제공될 수 있다.

이때, 본 발명의 일 실시 예에서는 영구자석(121, 123)의 사용량이 줄어들더라도 기존의 표면 영구 자석 동기기와 거의 동등한 토크(torque) 및 토크 리플(torque ripple)을 얻을 수 있는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기(100)는 에어 갭 플럭스 베리어(air gap flux barrier)(130)를 더 포함할 수 있다.

에어 갭 플럭스 베리어(130)은 제1 영구자석(121) 및 제1 금속 폴(122)이 밀착되어 이루는 제1 폴 세트(PS1)와, 제2 영구자석(123) 및 제2 금속 폴(124)이 밀착되어 이루는 제2 폴 세트(PS2)가 원주 방향으로 서로 이격되어 이루는 사이 공간에 구비될 수 있다. 이러한 에어 갭 플럭스 베리어(130)는 예를 들어, N극을 가지는 제1 영구자석(121)에서 S극을 가지는 제2 영구자석(123)으로 자속(flux)이 흐르는 것을 방지하는 역할을 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기(100)는 이러한 에어 갭 플럭스 베리어를 구비함으로써, 컨시퀀트 폴에 의해 발생되는 큰 토크 리플을 감소시킬 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 특성에 대해 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 자기 회로도이며, 도 3은 도 2에서, R_b가 충분히 클 때, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 단순화된 자기 회로도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기에서, 영구자석(PM) 토크과 릴럭턴스 토크의 d-q 축 다이어그램이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, R_b는 에어 갭 플럭스 베리어의 릴럭턱스를 나타내며, Φ_pm과 Φ_ip는 각각, 제1 영구자석(121) 및 제1 금속 폴(122) 상에 위치하는 에어 갭 플럭스, Φ'_pm과 Φ'_ip는 각각, 제2 영구자석(123) 및 제2 금속 폴(124) 상에 위치하는 에어 갭 플럭스를 나타낸다.

R_b가 충분히 클 때,Φ_pm, Φ_ip, Φ'_pm 및 Φ'_ip는 동일하며, 하기의 방정식 1로 표현될 수 있다.

[방정식 1]

에어 갭 플럭스 베리어의 자기 릴럭턴스는 하기의 방정식 2를 통하여 계산될 수 있다.

[방정식 2]

여기서, μ₀는 진공의 투자율(magnetic permeability)이고, μ_r은 공기의 상대 투자율이며, A_b는 에어 갭 플럭스 베어리의 단면적이고, l_b는 에어 갭 플럭스 베리어의 폭이다.

그러므로, 에어 갭 플럭스 베리어가 충분히 넓은 경우, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 에어 갭 플럭스는 기존의 영구자석 동기기의 에어 갭 플러스와 일치할 수 있다. 이는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 영구자석 토크가 기존의 영구자석 동기기의 영구자석 토크와 동일함을 나타낸다.

하지만, 에어 갭 플럭스 베리어가 너무 넓으면, 동등한 작동 에어 갭 길이가 증가하여, 출력 토크가 감소된다.

이러한 관점에서, 키 파라미터로서, 에어 갭 플럭스 베리어의 폭이 설정되어야 한다.

일반적으로, 영구자석(PM) 토크의 경우, d 축은 전체 회전자의 자속 방향에 따라 회전자 자속 연결 페이저(rotor flux linkage phasor)와 정렬된다. q 축은 d 축에 대해 시계 반대 방향으로 수직하다.

도 4를 참조하면, 릴럭턴스 토크의 d-q 축은 이중 돌출 강자성 철 극으로 인해 dr-qr 축으로 변경되어야 한다. d-q 축과 dr-qr 축 사이의 각도 차이는 45도 이지만, 일반 토크 방정식에서는 90도 이어야 한다.

그러므로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 토크 방정식은 아래와 같이 표현될 수 있다.

[방정식 3]

상(phase) 전류가 0 이면, 자기 및 릴럭턴스 토크를 완전히 사용하여 출력 토크를 최대화할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기가 id = 0 제어를 사용하는 경우, 상기 토크 방정식 3은 영구자석 및 릴럭턴스 토크를 최대한 활용할 수 있음을 보여준다.

이하, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기에 대하여, 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기를 나타낸 일측 단면 모식도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기(200)는 고정자(110) 및 회전자(220)를 포함하여 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예는 본 발명의 일 실시 예와 비교하여, 회전자가 자성체를 더 구비하는 것에만 차이가 있을 뿐이므로, 나머지 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면 부호를 부여하고 이들에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 회전자(220)는 자성체(225)를 더 포함할 수 있다.

이때, 어느 하나의 자성체(225)는 원주 방향을 기준으로, 제1 영구자석(121)과 제1 금속 폴(122) 사이에 구비될 수 있다. 자성체(225)는 제1 영구자석(121)과 마찬가지로, 제1 금속 폴(122)의 외경 일측에 구비되는 제1 단차부(122a)에 장착되어, 제1 금속 폴(122)에 의해 지지될 수 있다.

또한, 다른 하나의 자성체(225)는 원주 방향을 기준으로, 제2 영구자석(123)과 제2 금속 폴(124) 사이에 구비될 수 있다. 자성체(225)는 제2 영구자석(123)과 마찬가지로, 제2 금속 폴(124)의 외경 일측에 구비되는 제2 단차부(124a)에 장착되어, 제2 금속 폴(124)에 의해 지지될 수 있다.

이러한 자성체(225)는 제1 영구자석(121) 및 제2 영구자석(123)보다 상대적으로 작은 폭을 가질 수 있다. 또한, 자성체(225)는 자기 포화점이 낮은 연성 페라이트(soft ferrite)로 구비될 수 있다.

이하, 도 6 내지 도 9를 참조하여, 본 발명의 실시 예들에 따른 영구자석 동기기의 특성에 대하여 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 극 자속 분포 다이어그램이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 극 자속 분포 다이어그램이며, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 슬롯 없는 자속 밀도 분포를 나타낸 시뮬레이션 이미지이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 슬롯 없는 자속 밀도 분포를 나타낸 시뮬레이션 이미지이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기는 기존 영구자석 동기기와 동일한 자기 불균형 문제를 겪는다.

자속(flux)은 재료의 포화점에 도달할 때 더 이상 증가할 수 없다

도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기의 경우, 컨시퀀트 폴에서, 철(iron)의 일부가 연성 페라이트로 대체됨에 따라, 영구자석에 가까운 자속은 연성 페라이트의 자기 포화점으로 제한되고, 여분의 자속은 영구자석에서 먼쪽으로 분산되어 자속 밀도 분포를 균일하게 만들 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기보다 자기 불균형을 완화시킬 수 있고, 이를 통해 출력 성능을 보다 향상시킬 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 연성 페라이트를 구비하는, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 영구자석 동기기가, 연성 페라이트를 구비하지 않는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 동기기보다 비대칭 공극 자속 밀도를 효과적으로 억제하는 것으로 확인되었다.

한편, 도 10은 본 발명의 일 실시 예(ICP-PMSM), 다른 실시 예(ISCP-PMSM), 비교 예1(SPMSM) 및 비교 예2(CP-PMSM)의 회전자 위치에 따른 코깅 토크(cogging torque) 변화를 나타낸 그래프이다.

여기서, 도 12에 도시된 바와 같이, 비교 예1(SPMSM)에 따른 영구자석 동기기는 극성이 서로 다른 영구자석(PM)들이 원주 방향으로 밀착된 회전자 구조를 가진다.

또한, 도 13에 도시된 바와 같이, 비교 예2(CP-PMSM)에 따른 영구자석 동기기는 에어 갭 플럭스 베리어가 없는 컨시퀀트 폴을 구비하는 회전자 구조를 가진다.

도 10을 참조하면, 비교 예2의 코깅 토크의 peak-to-peak value가 가장 큰 반면, 본 발명의 일 실시 예(ICP-PMSM)와 다른 실시 예(ISCP-PMSM)에 따른 영구자석 동기기의 코깅 토크의 peak-to-peak value는 훨씬 작은 것으로 측정되었다.

또한, 도 11은 본 발명의 일 실시 예(ICP-PMSM), 다른 실시 예(ISCP-PMSM), 비교 예1(SPMSM) 및 비교 예2(CP-PMSM)의 회전자 위치에 따른 전자기 토크(electromagnetic torque) 변화를 나타낸 그래프이다.

도 11을 참조하면, 다른 실시 예(ISCP-PMSM)는 비교 예1(SPMSM)과 유사한 평균 출력 토크 및 토크 리플을 달성할 수 있는 반면, 비교 예2(CP-PMSM)는 비교 예1(SPMSM)과 유사한 평균 출력 토크 및 토크 리플 달성이 불가능하고, 일 실시 예(ICP-PMSM)는 비교 예1(SPMSM)과 유사한 평균 출력 토크만 달성하고 토크 리플은 더 높은 것으로 확인되었다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100, 200; 영구자석 동기기
110; 고정자
111; 고정자 치
120, 220; 회전자
121; 제1 영구자석
122; 제1 금속 폴
122a; 제1 단차부
123; 제2 영구자석
124; 제2 금속 폴
124a; 제2 단차부
130; 에어 갭 플럭스 베리어
225; 자성체

Claims

원주 방향으로 배열된 고정자 치(teeth) 및 상기 고정자 치에 마련된 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및
상기 고정자의 반경 방향 내측에 마련되며, 제1 자극을 가지는 제1 영구자석, 제1 금속 폴, 상기 제1 자극과 반대되는 제2 자극을 가지는 제2 영구자석 및 제2 금속 폴이 원주 방향으로 교번하여 배열되어 이루는 컨시퀀트 폴(Consequent pole)을 구비하는 회전자;를 포함하며,
상기 제1 금속 폴 및 제2 금속 폴은 동일한 금속 재질로 이루어지되, 철(Iron)을 포함하는 금속 재질로 이루어지고,
상기 회전자는 연성 페라이트(soft ferrite)로 구비되는 자성체를 더 포함하며,
상기 자성체는 상기 제1 영구자석과 제1 금속 폴 사이 및 상기 제2 영구자석과 제2 금속 폴 사이에 상기 제1 금속 폴 및 제2 금속 폴의 일부를 대체하는 형태로 각각 구비되되, 상기 제1 영구자석과 제1 금속 폴 사이에 구비되는 자성체는 상기 제1 영구자석 및 제1 금속 폴과 폭 방향으로 서로 접하면서 반경 방향으로 상기 고정자의 내경과 마주하고, 상기 제2 영구자석과 제2 금속 폴 사이에 구비되는 자성체는 상기 제2 영구자석 및 제2 금속 폴과 폭 방향으로 서로 접하면서 반경 방향으로 상기 고정자의 내경과 마주하며,
상기 자성체는 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석과 동일한 두께를 가지되, 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석보다 상대적으로 작은 폭을 가지는, 영구자석 동기기.
제1 항에 있어서,
상기 제1 영구자석과 제1 금속 폴은 원주 방향으로 서로 밀착되어 제1 폴 세트를 이루고, 상기 제2 영구자석과 제2 금속 폴은 원주 방향으로 서로 밀착되어 제2 폴 세트를 이루되,
상기 제1 폴 세트와 상기 제2 폴 세트는 원주 방향으로 서로 이격되는, 영구자석 동기기.
제2 항에 있어서,
에어 갭 플럭스 베리어(air gap flux barrier)를 더 포함하며,
상기 에어 갭 플럭스 베리어는 상기 제1 폴 세트와 제2 폴 세트 사이에 구비되는, 영구자석 동기기.
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제1 항에 있어서,
상기 제1 금속 폴은 제1 단차부를 포함하며,
상기 제1 단차부는 상기 고정자의 내경과 마주하는 상기 제1 금속 폴의 외경 일측에 마련되어, 상기 제1 영구자석의 장착 공간을 제공하고,
상기 제2 금속 폴은 제2 단차부를 포함하며,
상기 제2 단차부는 상기 고정자의 내경과 마주하는 상기 제2 금속 폴의 외경 일측에 마련되어, 상기 제2 영구자석의 장착 공간을 제공하는, 영구자석 동기기.