KR102526938B1 - 영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 중앙에 회전축이 고정되며, 복수 개의 자석 삽입홀이 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 로터 코어; 및 상기 복수 개의 자석 삽입홀 마다, 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되게 V자 형태로 각각 삽입되는 복수 쌍의 영구자석;을 포함하고, 상기 복수 개의 자석 삽입홀 각각은 서로 대향하는 한 쌍의 내측변을 포함하고, 상기 각각의 자석 삽입홀의 내부 공간을 상기 한 쌍의 내측변으로부터 각각 돌출되도록 확장시키는 배리어 홀이 추가적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터가 제공된다.

Description

영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기{ROTOR FOR AN INTERIOR PERMANENT MAGNET MOTOR AND A MOTOR WITH THE SAME}

본 발명은 영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로터 내부에 영구자석이 매립된 형태의 로터 및 그를 포함하는 전동기에 관한 것이다.

최근에 정류자와 브러시의 기계적 접촉식의 문제점을 고려하여 반도체 소자를 이용한 전자 스위칭 방식의 소위 브러시리스 모터(Brushless DC Motor:BLDC 모터)가 널리 이용되고 있는바, 브러시리스 모터는 고정자와 회전자의 배치 구조에 따라 내전형(interior rotor type)과 외전형(exterior rotor type)으로 구별될 수 있다.

상기 내전형 모터에는 원통형의 영구자석의 중심에 샤프트를 삽입한 회전자가 이용되거나, 전기강판을 적층한 회전자 코어의 중심에 샤프트를 삽입하고 회전자 코어에 복수의 영구자석을 삽입한 소위 IPM 타입의 영구자석 삽입식 회전자가 이용되고 있다.

최근에는 고효율 모터로서 마그넷 토크 외에 릴럭턴스 토크를 이용한 영구자석 매립형 모터(이하, IPM 모터)가 사용되고 있다. 릴럭턴스 토크란, d축 인덕턴스(Ld)와 q축 인덕턴스(Lq)의 돌극성을 이용하여 발생시키는 힘이며 이를 위해 영구자석을 V자 형태로 배치하는 경우가 많다.

이러한 영구자석 매립형 모터에 사용되는 로터의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 상기 로터는 전동압축기의 구동부 등으로 활용될 수 있으며 내측 방향으로 돌출된 티스와 티스에 감긴 코일을 구비하는 고정자의 내측에 배치되는 것으로서, 상기 로터(10)는 복수 매의 전기 강판을 적층하여 형성한 로터 코어(12)를 포함하고, 상기 로터 코어(12)의 외주측에 인접하여 대략 'V'자 형태를 이루도록 배치되는 복수 쌍의 영구자석이 상기 로터 코어(12) 내에 매립된 형태로 고정된다.

그리고, 상기 로터 코어(12)의 대략 중앙부에는 구동축이 삽입 및 고정되기 위한 구동축 홀(20)이 구비되며, 상기 구동축 홀(20)을 중심으로 하여 복수 개의 영구자석 삽입홀(30)이 고정자 측을 향해 벌려져 있는 V의 형태로 일정간격마다 형성되어 있다. 상기 구동축 홀(20)과 상기 영구자석 삽입홀(30) 사이의 로터 코어 부분(12)은 자속이 지나갈 수 있는 통로 역할을 함과 동시에 구동축의 회전력을 지지하는 역할을 한다.

한편, 상기와 같은 전동기에 있어서 토크 및 효율 증가를 위해 자석량을 증가시키거나 고정자 코어와의 공극을 줄이는 과정에서 코깅 토크가 증가하는 문제점이 있었다. 이렇게 코깅 토크가 증가하면 소음이 증가할뿐만 아니라 모터의 제어도 어려워지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 로터의 변경을 최소화하면서도 코깅 토크를 줄일 수 있는 영구자석 매입형 전동기를 위한 로터를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

본 발명은 또한, 상기와 같은 로터를 구비한 전동기를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 중앙에 회전축이 고정되며, 복수 개의 자석 삽입홀이 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 로터 코어; 및 상기 복수 개의 자석 삽입홀 마다, 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되게 V자 형태로 각각 삽입되는 복수 쌍의 영구자석;을 포함하고, 상기 복수 개의 자석 삽입홀 각각은 서로 대향하는 한 쌍의 내측변을 포함하고, 상기 각각의 자석 삽입홀의 내부 공간을 상기 한 쌍의 내측변으로부터 각각 돌출되도록 확장시키는 배리어 홀이 추가적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터가 제공된다.

본 발명의 상기 측면에서는 자석 삽입홀의 공간을 확장하여 영구자석에 의해 발생된 자속이 고정자에 전달되는 것을 제한하여 코깅 토크가 발생되는 것을 최소화할 수 있도록 하고 있다. 즉, 코깅 토크는 영구자석이 고정자를 끌어당기면서 로터의 회전을 단속적이게 하는 것인 점에 착안하여, 영구자석 중 고정자에 미치는 영향이 가장 큰 지점에 자속을 제한하는 배리어 홀을 형성한 것이다. 이를 통해서, 코깅 토크를 종래에 비해 줄이는 것이 가능해 진다.

여기서, 상기 배리어 홀은 임의의 형상을 가질 수 있으나, 자속을 보다 균일하게 차단할 수 있도록 원호 형상으로 연장될 수 있다.

또한, 상기 자석 삽입홀 각각은 "V"자 형태를 갖도록 형성되고, 상기 배리어 홀은 자석 삽입홀의 중심을 향하여 원주 방향을 따라서 연장될 수 있다.

또한, 상기 배리어 홀의 양단부와 상기 로터 코어의 중심을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도가 12 내지 14°일 수 있다.

또한, 상기 배리어 홀은 1.1 내지 1.5mm의 길이를 가질 수 있다.

또한, 상기 배리어 홀은 0.4mm 이상의 두께를 가질 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 하우징; 상기 하우징 내에 고정되는 고정자; 및 상기 고정자 내에 회전 가능하게 장착되는 로터;를 포함하고, 상기 로터는 상술한 로터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기가 제공된다.

여기서, 상기 고정자는 12개의 슬롯을 포함하고, 상기 로터는 8개의 극을 포함할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 자석 삽입홀의 내측벽면에 배리어 홀을 형성하는 것만으로 종래에 비해 코깅 토크를 줄일 수 있게 된다.

또한, 자석의 최외곽측으로부터 배리어 홀을 형성하는 것을 통해서, 배리어 홀의 크기를 작게 하여 강성이나 효율 등에 영향을 최소화하면서도 종래에 비해 절반 정도로 코깅 토크를 줄일 수 있게 된다.

도 1은 종래의 일반적인 영구자석 매입형 전동기용 로터를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기의 일 실시예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 상기 도 2에 도시된 실시예 중 로터의 단부 부근을 확대하여 도시한 평면도이다.
도 4는 종래의 영구자석 매입형 전동기용 로터에서의 코깅 토크를 측정한 그래프이다.
도 5는 도 3에 도시된 로터에서의 코깅 토크를 측정한 그래프이다.
도 6은 도 2에서 배리어 홀의 길이에 따른 코깅 토크와 토크 리플의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시된 로터를 온도를 달리하여 15000rpm으로 작동시켰을 경우의 응력 분포를 도시한 그래프이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기용 로터의 실시예에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기의 일 실시예는 도시되지 않은 하우징과 상기 하우징의 내부에 고정되는 고정자(50), 그리고 상기 고정자 내에서 회전 가능하게 지지되는 로터(100)를 포함한다.

상기 고정자(50)는 내부가 관통되는 링 형태를 갖는 복수 개의 판재를 적층한 형태를 가지며, 압입 등의 방식을 이용하여 상기 하우징의 내부에 고정될 수 있다. 상기 고정자는 반경 방향 내측으로 돌출되도록 형성되는 복수 개의 티스(52)와 상기 티스에 감긴 코일(54)을 구비한다.

상기 고정자(50)의 내부에 로터(100)가 설치된다. 상기 로터(100)는 고정자에 권취된 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 전자기력을 받아 회전할 수 있도록 복수의 영구자석을 포함하고 있다. 아울러, 도시되지는 않았으나 상기 로터(100)의 대략 중앙에는 구동축이 로터와 함께 일체로 회전하도록 고정되게 된다.

여기서, 상기 고정자에 형성된 티스(52)는 총 12개가 형성되고, 그에 따라 상기 티스(52) 사이에 형성되는 슬롯 또한 12개가 형성된다. 또한, 상기 로터(100)에는 후술할 자석 삽입홀이 총 8개가 형성되어 있다. 즉, 상기 실시예에 개시된 전동기는 소위 8극 12슬롯 전동기이지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

이제 도 3을 참조하여, 상기 로터에 대해서 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 로터(100)는 상기 고정자와 마찬가지로 복수 매의 전기 강판이 적층되어 형성되는 로터 코어(102)를 구비한다. 상기 로터 코어(102)는 상술한 구동축 및 영구자석을 지지할 뿐만 아니라 로터의 전체적인 형태를 구성하게 된다.

상기 로터 코어의 대략 중앙에는 상술한 구동축이 삽입되는 구동축 삽입홀이 형성되고, 최외곽측에는 상술한 영구자석(110)이 삽입되어 있다. 여기서, 상기 영구자석(110)은 영구자석이 삽입될 수 있도록 대략 ‘V'자 형태를 갖도록 형성되는 영구자석 삽입홀(103)의 내부에 삽입되어 고정된다.

이때, 상기 영구자석 삽입홀(103)은 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 멀어지는 한 쌍의 내측변(104)을 포함한다. 상기 한 쌍의 내측변(104)들은 로터 코어(102)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되며, 대략 둔각의 각도를 갖고 V자 형태로 배치될 수 있다.

상기 내측변(104)과 대향하는 한 쌍의 외측변에는 외측 고정돌기(105) 및 내측 고정돌기(106)가 형성된다. 상기 내측 및 외측 고정돌기(105, 106)들은 그들 사이에서 상기 영구자석(110)이 삽입되는 공간을 정의한다. 즉, 상기 영구자석(110)의 양단부는 각각 상기 내측 및 외측 고정돌기(105, 106)와 접하여 상기 영구자석 삽입홀의 길이방향에 대한 영구자석의 이동이 저지되게 된다. 이를 통해서, 상기 영구자석은 상기 영구자석 삽입홀 내에서 안정적으로 지지될 수 있다.

한편, 상기 영구자석(110)의 반경 방향 외측 단부에는 두 개의 공간이 형성되는데, 상기 내측변(104)와 먼쪽에는 대략 삼각형의 단면을 갖는 공간부(107)가 형성된다. 그리고, 상기 공간부(107)와 연결되면서, 상기 내측변(104)으로부터 돌출되는 배리어 홀(108)이 추가적으로 형성된다.

상기 공간부(107) 및 상기 배리어 홀(108)은 상기 영구자석 삽입홀(103)과 일체로 형성되는 공간으로서, 상기 영구자석(110)이 삽입된 상태에서 영구자석의 반경 방향 외측 단부를 기준으로 명명한 것이다. 상기 공간부(107)와 배리어 홀(108)은 설명한 바와 같이, 빈 공간으로 이루어져 있으므로, 영구자석으로부터 발생되는 자속이 전달되는 자로를 형성하지 못하게 된다. 이로 인해서, 영구자석의 단부로부터 생성된 자속이 상술한 고정자에 영향을 미치는 것을 최소화하게 된다.

구체적으로, 상기 공간부(107)는 영구자석의 일측 단부로부터 발생되는 자속을 차단하는 역할을 주로 하게 되고, 상기 배리어 홀(108)은 영구자석의 일측 단부와 인접한 측면으로부터 발생되는 자속을 차단하는 역할을 주로 하게 된다.

본 발명자들의 연구 결과, 코깅 토크를 야기하는 중요 인자 중 하나가 영구자석의 단부로부터 발생된 자속이 고정자에 영향을 미쳐, 로터의 회전을 방해하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 상기와 같이, 영구자석(110)의 끝단부와 그 측면에 각각 자로를 차단하는 공간부(107) 및 배리어 홀(108)을 형성함으로써 코깅 토크를 크게 줄일 수 있게 된다.

한편, 상기 배리어 홀(108)은 상기 내측변(104)으로부터 서로를 향하여 돌출되는 임의의 형상을 갖는 공간부로서 형성될 수 있다. 도시된 예에서, 상기 배리어 홀(108)은 상기 영구자석 삽입홀(103)의 최외곽측 단부로부터 원주 방향을 따라서 서로를 향하여 연장되는 원호 형태를 갖도록 형성된다.

여기서, 상기 배리어 홀(108)의 길이(L), 폭(d1) 및 로터 코어의 외측 단부로부터의 거리(d2)는 상기 배리어 홀(108)의 형상뿐만 아니라, 배리어 홀에 의한 코깅 토크, 토크 리플 및 로터 코어의 강성에 영향을 미치게 된다.

먼저, 상기 배리어 홀(108)의 폭(d1)은 가급적 작을수록 좋다. 상기 폭(d1)이 작을수록 강성 저하량이 최소화될 수 있기 때문이지만, 가공의 한계로 인해서 상기 폭(d1)의 최소치는 0.4mm로 한다.

상기 배리어 홀(108)의 길이(L)는 로터의 강성, 코깅 토크 및 토크 리플 등에 영향을 미치는 주요인자 중 하나이다. 도시된 예에서 상기 배리어 홀(108)의 길이는 1.5mm이며, 배리어 홀의 길이가 길수록 코깅 토크는 감소하지만, 반면에 강성이 저하되고 토크 리플이 증가하는 양상을 보인다.

도 6은 상기 길이(L) 변화에 따른 코깅 토크와 토크 리플의 크기 변화를 도시한 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 코깅 토크는 상기 길이(L)가 길수록 감소하는 경향을 보인다. 다만, 토크 리플의 경우 반대로 상기 길이(L)가 길수록 증가하는 경향을 보인다. 여기서, 구간 1.1 내지 1.5에서는 코깅 토크는 지속적으로 감소하지만 토크 리플은 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 상기 그래프에 의하면, 상기 길이(L)가 1.5mm인 경우에 토크 리플의 증가를 어느 정도 억제하면서도 코깅 토크는 크게 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있다.

한편, 상기 길이(L)는 다른 형태로도 표현할 수 있다. 즉, 상기 배리어 홀의 양끝단부와, 상기 로터의 중심으로부터 반경 방향 외측으로 거리(D, 여기서는 0.98mm) 떨어진 지점을 잇는 두 선의 각도(θ)에 의해서도 상기 길이(L)를 표현할 수 있으며, 도시된 예에서 상기 각도(θ)는 12 내지 14°의 범위에 있는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 지점은 상기 로터의 중심과 두 개의 영구자석 사이의 중심을 연결한 직선상에 놓여 있다.

그리고, 상기 배리어 홀의 반경 방향 외측면과 상기 로터 코어의 외주면 사이의 거리(d2)는 0.4mm로 할 수 있다. 상기 거리(d2) 역시 작을수록 좋지만, 상기 배리어 홀의 반경 방향 외측면과 상기 로터 코어의 외주면 사이 부분은 로터가 고속으로 회전하는 과정에서 상기 자석에 가해지는 원심력을 지지하는 부분이므로, 지나치게 작을 경우 영구자석을 안정적으로 고정하지 못할 수 있다. 이러한 점을 감안하여, 상기 거리(d2)는 0.4mm로 할 수 있다.

도 4는 상기 배리어 홀(108)이 없는 로터를 갖는 전동기에서의 코깅 토크를 측정한 결과를 도시한 그래프이고, 도 5는 도 2에 도시된 로터를 갖는 전동기에서의 코깅 토크를 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 도 4 및 도 5에 있어서, 세로축은 코깅 토크의 크기를 나타내고, 가로축은 각각의 코깅 토크를 테스트한 주기에 대응되는 값이다. 즉, 가로축은 테스트 스텝(step)수를 나타낸 것으로서, 상기 도 4 및 도 5에 도시된 그래프는, 테스트 시에 출력되는 전력의 1주기를 193개의 스텝으로 쪼개고, 각각의 스템에 있어서 출력되는 코깅 토크를 표시한 것이다.

도시된 바와 같이, 종래의 전동기에서는 대략 0.80Nm 정도의 코깅 토크가 발생하고 있음에 비해서, 상기 실시예에서는 그 절반 이하인 0.30Nm의 코깅 토크가 발생되고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 기존의 영구자석 삽입홀의 내측변에 1.5mm 정도의 홀을 형성한 것에 의해서 코깅 토크를 절반 이하로 줄일 수 있는 것이다.

강성의 측면에서도, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 도 2의 로터를 각각 25℃, 40℃, 60℃, 100℃, 140℃ 및 180℃에서 1500RPM의 회전속도로 운전한 결과. 온도에 관계없이 상기 배리어 홀이 위치한 부분에서의 응력이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 다만, 상기 배리어 홀이 없는 반경 방향 최외곽 부분의 응력과는 큰 차이가 나지 않음도 확인할 수 있다.

즉, 상기와 같이 배리어 홀을 추가로 형성하더라도, 로터 코어의 강성에 미치는 영향은 미미함을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 실시예에 의하면 기존의 영구자석 삽입홀의 내측변에 1.5mm 정도의 홀을 형성한 것에 의해서, 코깅 토크를 절반 이하로 감소시키는 것이 가능할 뿐더러, 전동기의 소음을 개선하는 효과도 제공할 수 있다.

50 : 고정자, 100 : 로터,
102 : 로터 코어, 103 : 영구자석 삽입홀,
105, 106 : 고정 돌기, 107 : 공간부,
108 : 배리어 홀.

Claims (8)

1. 중앙에 회전축이 고정되며, 복수 개의 자석 삽입홀이 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 로터 코어; 및
   상기 복수 개의 자석 삽입홀 마다, 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되게 V자 형태로 각각 삽입되는 복수 쌍의 영구자석;을 포함하고,
   상기 복수 개의 자석 삽입홀 각각은 서로 대향하는 한 쌍의 내측변을 포함하고,
   상기 각각의 자석 삽입홀의 내부 공간을 상기 한 쌍의 내측변으로부터 서로를 향하여 각각 돌출되도록 확장시키는 배리어 홀이 추가적으로 형성되며,
   상기 각각의 영구자석의 반경 방향 외측 단부를 기준으로 상기 배리어 홀의 반대편에 공간부가 형성되고,
   상기 공간부를 형성하는 일 변은 상기 자석 삽입홀의 내측변과 대향하는 외측변으로부터 나란하게 연장되며,
   상기 자석 삽입홀 각각은 "V"자 형태를 갖도록 형성되고,
   상기 배리어 홀은 원호 형상으로 연장되되, 상기 자석 삽입홀의 중심을 향하여 원주 방향을 따라서 연장되며,
   상기 배리어 홀의 양단부와 상기 로터 코어의 중심을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도가 12 내지 14°인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 중앙에 회전축이 고정되며, 복수 개의 자석 삽입홀이 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 로터 코어; 및
   상기 복수 개의 자석 삽입홀 마다, 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되게 V자 형태로 각각 삽입되는 복수 쌍의 영구자석;을 포함하고,
   상기 복수 개의 자석 삽입홀 각각은 서로 대향하는 한 쌍의 내측변을 포함하고,
   상기 각각의 자석 삽입홀의 내부 공간을 상기 한 쌍의 내측변으로부터 서로를 향하여 각각 돌출되도록 확장시키는 배리어 홀이 추가적으로 형성되며,
   상기 각각의 영구자석의 반경 방향 외측 단부를 기준으로 상기 배리어 홀의 반대편에 공간부가 형성되고,
   상기 공간부를 형성하는 일 변은 상기 자석 삽입홀의 내측변과 대향하는 외측변으로부터 나란하게 연장되며,
   상기 자석 삽입홀 각각은 "V"자 형태를 갖도록 형성되고,
   상기 배리어 홀은 원호 형상으로 연장되되, 상기 자석 삽입홀의 중심을 향하여 원주 방향을 따라서 연장되며,
   상기 배리어 홀은 1.1 내지 1.5mm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 배리어 홀은 0.4mm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
7. 하우징;
   상기 하우징 내에 고정되는 고정자; 및
   상기 고정자 내에 회전 가능하게 장착되는 로터;를 포함하고,
   상기 로터는 제1항, 제5항 및 제6항 중 어느 한 항에 따른 영구자석 매입형 전동기용 로터인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 고정자는 12개의 슬롯을 포함하고, 상기 로터는 8개의 극을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.

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