KR102627855B1 - 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터 - Google Patents

백요크리스 자기 베어링 일체형 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터에 관한 것으로, 고정자 권선(110)이 감긴 원통형의 고정자 코어(120)를 포함하는 고정자 모듈(100), 내부 공간을 갖는 중공 샤프트(220), 및 상기 중공 샤프트의 외면 측에 구비된 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈(210)을 포함하는 회전자 모듈(200) 및 상기 중공 샤프트(220) 내부에 구비되고, 상기 중공 샤프트(220)을 부상시키는 자기 베어링 모듈(300)을 포함하되, 상기 영구 자석 모듈(210)의 영구 자석은 할박 배열(halbach array)로 배치된 것을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터에 관한 것이다.

Description

백요크리스 자기 베어링 일체형 모터{BACKYOKELESS MOTER INTEGRATED WITH MAGNETIC BEARING}
본 발명은, 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 영구자석 모터에서 백요크를 삭제하고, 회전자 내부에 자기 베어링이 설치되어 자기 베어링과 모터가 일체형인 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터를 제공함에 있다.
모터란, 전기 에너지를 역학적 에너지인 회전 에너지로 변환해주어 역학적인 일을 할 수 있도록 하는 전기기계를 말한다. 이러한 모터에 대한 고출력, 고효율, 소형화, 경량화, 초고속화, 저소음, 저진동, 및 높은 신뢰성에 대한 기술적 요구가 고도화 되어, 활발하게 연구되고 있다.
이러한 모터는 크게 권선이 권취된 고정자, 고정자의 권선에 의해 회전자계가 발생함에 따라 회전하는 회전자, 및 회전자와 결합되어 팬 등의 부하가 가해지는 샤프트로 이루어져 있다. 한편 영구자석 모터(10)는, 모터의 회전자(15)의 표면에 매립되거나 부착된 영구 자석(12)을 사용하여 스스로 자계를 만들어 토크를 형성하는 모터를 말한다. 이러한 영구자석 모터(10)는, 권선이 권취된 고정자(11), 고정자의 권선에 의해 회전자계가 발생함에 따라 회전하는 회전자(15), 및 회전자(15)와 결합되어 팬 등의 부하가 가해지는 샤프트(14)를 포함하고, 상기 회전자(15)는 링 형태로 배열된 영구 자석(12), 영구 자석(12)의 자속 통로가 형성되는 백요크(13)를 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 영구자석 모터(10)는, 영구자석(12)이 고정자의 권선에 의해 발생된 회전 자계에 놓여 자기의 흡인, 반발력이 작용하여 회전축과 함께 회전하게 된다. 영구자석 모터는 고도화되는 기술적 요구를 충족시킬 수 있는 핵심 기술이며 전자계 설계기술과 함께 고속 회전시의 구조적 안정성을 확보하기 위해 베어링에 관한 연구가 활발하다.
이때, 도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 영구자석 모터(10)의 하중을 지지하며 영구자석 모터(10)의 회전을 제어하기 위해 베어링이 회전축에 결합된다. 종래의 베어링은 도 1a에 도시된 바와 같이, 주로 구름 베어링(20)을 사용했다. 구름 베어링(20)은 내부의 강체 볼(21)에 의해 하중 및 마찰을 견디는데, 비교적 큰 하중에 잘 견디고 저렴한 장점이 있지만, 접촉식이므로 윤활 시스템이 필요하며, 큰 소음, 동력 손실, 진동, 수명에 대한 단점이 있었다.
한편, 도 1b에 도시된 바와 같이, 자기 베어링(30)은 자기부상을 이용하여 고정자(11)와 회전자(15) 사이의 마찰을 줄여주고 회전자(15)의 회전을 제어하는 베어링으로, 구름 베어링(20)에 비해 정밀한 제어가 가능하며, 마찰 손실이 적고, 소음이 적으며, 고속 회전이 가능하고, 비접촉식이므로 높은 내구성을 가진다.
그러나, 종래의 자기 베어링(30)은 도 1b에 도시된 바와 같이, 모터의 외측양쪽에서 회전자(15)의 회전을 제어하므로, 크기 증가에 따른 기구적 한계를 가졌다. 또한, 종래의 영구자석 모터(10)는 영구 자석(12)의 내측의 백요크(13)에 의하여 모터의 크기를 줄일 수 없는 기구적 한계가 있었다.
한편, 종래의 영구자석 모터에 영구자석을 할박 배열을 적용하게 되면, 영구 자석의 링 형상 내측 즉 중심측의 자속 패쓰의 크기를 줄여줄 수 있지만, 반대로 링 형상 외측의 자속 패스의 크기는 증가하게 된다. 그에 따라 회전자가 한 특정 방향으로 회전하려는 것을 방지하려는 비트림 힘인 코깅 토크가 증가하며, 상 선간전압 THD(Total Harmonic Distortion)이 증가하여 모터의 성능에 악영향을 주는 고조파 성분들이 많이 발생하고, 이는 회전시 저항요소가 될 수 있는 문제 또한 있었다.
한국등록특허 제 10-0224533호(“회전축이 함께 회전하는 스핀들 모터의 자기 베어링”, 1999.07.14)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 영구자석 모터에서 백요크를 삭제하고, 회전자 내부에 자기 베어링이 설치되어 자기 베어링과 모터가 일체형으로써 공간 확보가 유리한 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터는 고정자 권선(110)이 감긴 원통형의 고정자 코어(120)를 포함하는 고정자 모듈(100), 고정자 모듈(100)의 내부에 구비되고, 내부 공간을 갖는 중공 샤프트(220), 및 중공 샤프트의 외면 측에 구비된 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈(210)을 포함하는 회전자 모듈(200), 및 중공 샤프트(220) 내부에 구비되고, 중심으로부터 방사방향으로 중공 샤프트(220)을 부상시키는 자기 베어링 모듈(300)을 포함하되, 영구 자석 모듈(210)의 영구 자석은 할박 배열(halbach array)로 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 자기 베어링 모듈(300)은, 고정자 모듈(100)과 같은 축을 가지고, 회전자 모듈을 중심축(314)으로부터 방사방향으로 부상시키는 적어도 하나 이상의 자기 베어링(310)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 자기 베어링(310)은, 고정자 모듈(100)과 동일한 축을 갖는 중심축(314), 중심축(314)과 결합되고, 방사방향으로 형성된 기둥 형상이며, 원주 방향으로 이격되어 배치된 복수개의 베어링 치(311), 베어링 치(311)의 말단 양측에서 원주 방향으로 연장되는 베어링 폴 슈(312), 및 복수개의 베어링 치(311) 각각에 감긴 베어링 권선(313)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 자기 베어링 모듈(300)은, 복수개의 자기 베어링(310)과 중공 샤프트(220) 사이 각각의 거리를 측정하는 복수의 갭 센서를 포함한 거리 측정 수단(330), 복수개의 자기 베어링(310) 각각의 베어링 권선(313)에 인가되는 전류를 측정하는 전류 측정 수단(340), 및 거리 측정 수단(330)이 측정한 거리 정보 및 전류 측정 수단(340)이 측정한 전류 정보에 기초하여 자기 베어링(310) 각각에 흐르는 전류를 제어하는 제어기(350)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 및 2 영구 자석의 내주면이 중공 샤프트 표면인 동일 원주상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 2 영구 자석(212)의 내주면의 적어도 일부는, 중심방향으로 중공 샤프트(220)에 삽입되고, 제 2 영구 자석(212)의 외주면은, 제 1 영구 자석(211)의 외주면과 단차를 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 및 2 영구 자석의 외주면의 단차는, 제 1 영구 자석(211)의 두께의 36% 이하인 것을 특징으로 한다.
또한, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 영구 자석(211)은, 두께가 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 테이퍼 형상 단면을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 제 1 영구 자석(211)의 단면의 가장자리 두께는, 중심 두께의 65% 이상 100% 미만인 것을 특징으로 한다.
또한, 중공 샤프트(220)는, 자기 베어링 모듈(300) 측에 구비된 제 1 레이어(221), 및 제 1 레이어(221)의 상부이자 영구 자석 모듈(210) 측에 구비된 제 2 레이어(222)를 포함하고, 제 2 레이어(222)를 이루는 재질의 비투자율이 제 1 레이어(221)를 이루는 재질의 비투자율 보다 작은 것을 특징으로 한다.
또한, 제 2 레이어(222)의 비투자율은 20 이하인 재질로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전 모터는 고정자 권선(110)이 감긴 원통형의 고정자 코어(120)를 포함하는 고정자 모듈(100), 고정자 모듈(100)을 감싸고, 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈(210) 및 영구 자석 모듈(210)이 내면에 고정된 중공 샤프트(220)를 포함하는 회전자 모듈(200), 및 중공 샤프트(220)를 감싸고, 중심방향으로 회전자 모듈(200)을 부상시키는 자기 베어링 모듈(300)을 포함하되, 영구 자석은 할박 배열(halbach array)로 배치된 것을 특징으로 한다.
또한, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 및 2 영구 자석의 외주면이 중공 샤프트 표면인 동일 원주상에 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 2 영구 자석(212)은, 외주면이 중공 샤프트(220)의 내부로 삽입되어, 삽입되지 않은 내주면이 제 1 영구 자석(211)의 내주면과 단차를 이루는 것을 특징으로 한다.
또한, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 영구 자석(211)은, 두께가 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 테이퍼 형상 단면을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 중공 샤프트(220)는, 자기 베어링 모듈(300) 측에 구비된 제 1 레이어(221), 및 제 1 레이어(221)의 하부이자 영구 자석 모듈(210) 측에 구비된 제 2 레이어(222)를 포함하고, 제 2 레이어(222)를 이루는 재질의 비투자율이 제 1 레이어(221)를 이루는 재질의 비투자율 보다 작은 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따른 본 발명은,
이러한 구성으로, 영구 자석에 의한 자기장이 링 형태의 내측, 즉 중심 쪽으로 인가되지 않아서, 종래의 자속 통로였던 백요크를 삭제할 수 있으며, 백요크를 삭제함으로써 자기 베어링 모듈(300)을 회전자 모듈(200) 내부에 포함시켜, 자기 베어링 일체형 모터의 사이즈를 줄일 수 있는 큰 효과가 있다.
이러한 구성으로, 자기 베어링(310)이 중공 샤프트(220) 내측에서 회전자 모듈(200)을 제어할 수 있어 자기 베어링 일체형 영구자석 모터를 구현할 수 있다.
이러한 구성으로 인하여 자기력선이 시계 또는 반시계 방향의 제 2 영구 자석(212)을 중공 샤프트(220)의 내측으로 넣어주면, 영구 자석이 공극 측에 작용하게 되는 자계를 감소시킬 수 있어 기존의 제 1 실시예의 영구 자석 모듈(210)과 중공 샤프트(220)내의 자속 밀도는 유지하면서 코깅 토크 및 상 선간전압 THD을 줄일 수 있는 효과가 있다.
이러한 구성으로, 비투자율이 20 이하 즉 비자성체에 가까운 물질로 이루어진 제 2 레이어에 의하여, 고정자 모듈(100)의 고정자 권선(110)이 발생한 자속 및 영구 자석 모듈(210)이 발생한 자속과 자기 베어링(310)이 발생한 자속 사이의 상호 작용을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 영구자석 모터와 베어링의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터의 평면도이다.
도 4는 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터의 일부평면도이다.
도 5는 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터의 분해사시도이다.
도 6 내지 11은 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터의 제 1 내지 6 실시예에 따른 일부확대도이다.
도 12는 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터의 사시도이다.
도 13는 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터의 평면도이다.
도 14는 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터의 분해사시도이다.
도 15 및 16은 본 발명의 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터의 유한요소해석 시뮬레이션 결과이다.
상술한 본 발명의 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 실시예를 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1 및 /또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 한정되지는 않는다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소들로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소는 제1 구성 요소로도 명명될 수 있다. 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성 요소가 다른 구성 요소에 직접 연결되어 있다거나 또는 직접 접속되어 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 ～사이에와 바로 ～사이에 또는 ～에 인접하는과 ～에 직접 인접하는 등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 포함하다 또는 가지다 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 바람직한 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터는, 영구자석을 이용한 내전형 전동기로써, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 고정자 권선(110)이 감긴 원통형의 고정자 코어(120)를 포함하는 고정자 모듈(100), 고정자 모듈(100)의 내부에 구비되고, 내부 공간을 갖는 중공 샤프트(220), 및 중공 샤프트의 외면 측에 구비된 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈(210)을 포함하는 회전자 모듈(200), 및 중공 샤프트(220) 내부에 구비되고, 중심으로부터 방사방향으로 중공 샤프트(220)을 부상시키는 자기 베어링 모듈(300)을 포함하되, 영구 자석 모듈(210)의 영구 자석은 할박 배열(halbach array)로 배치된 것이 바람직하다.
여기서, 자기 베어링 모듈(300)과 고정자 모듈(100)은 기구적으로 상대적인 위치가 고정될 수 있다. 또한, 상기 자기 베어링 모듈(300)과 고정자 모듈(100)은 같은 축을 가질 수 있다. 본 발명은, 고정자 코어(120)에 감긴 고정자 권선(110)이 발생시키는 자기장에 의하여 영구 자석 모듈(210)로부터 회전자계가 발생하여 회전하게 된다. 이러한 영구 자석 모듈(210)이 회전함에 따라 영구 자석 모듈(210)에 결합된 중공 샤프트(220)도 함께 회전하고, 중공 샤프트(220)의 일단에 결합된 팬 등의 부하가 회전하며 역학적 에너지를 발생시킬 수 있다.
한편, 상술한바와 같이, 종래의 영구자석 모터에는 영구 자석의 자속 통로가 형성되는 백요크를 포함하여야 했다. 그러나, 모터의 백요크의 구성으로 인하여 모터 크기를 감소시킬 수 없는 기구적인 한계가 있었다. 그러나 본 발명에 의하면, 영구 자석 모듈(210)에 포함된 복수의 영구 자석이 할박 구조로 배치될 수 있다. 할박 구조로 배치하게 되면, 자석을 같은 방향으로 배치하는 것과 비교했을 때 링 형상의 영구 자석 배열의 내측으로 형성되는 자계에 비해 외측으로 형성되는 자계가 매우 크게 형성된다.
이러한 구성으로, 영구 자석에 의한 자기장이 링 형태의 내측, 즉 중심 쪽으로 인가되지 않아서, 종래의 자속 통로였던 백요크를 삭제할 수 있으며, 백요크를 삭제함으로써 자기 베어링 모듈(300)을 회전자 모듈(200) 내부에 포함시켜, 자기 베어링 일체형 모터의 사이즈를 줄일 수 있는 큰 효과가 있다.
또한, 자기 베어링 모듈(300)은, 도 3 내지 5에 도시된 바와 같이, 고정자 모듈(100)과 같은 축을 가지고, 회전자 모듈을 중심축(314)으로부터 방사방향으로 부상시키는 적어도 하나 이상의 자기 베어링(310)을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 자기 베어링(310)은, 도 3 및 4에 도시된 바와 같이, 고정자 모듈(100)과 동일한 축을 갖는 중심축(314), 중심축(314)과 결합되고, 방사방향으로 형성된 기둥 형상이며, 원주 방향으로 이격되어 배치된 복수개의 베어링 치(311), 베어링 치(311)의 말단 양측에서 원주 방향으로 연장되는 베어링 폴 슈(312), 및 복수개의 베어링 치(311) 각각에 감긴 베어링 권선(313)을 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로, 자기 베어링(310)이 중공 샤프트(220) 내측에서 회전자 모듈(200)을 제어할 수 있어 자기 베어링 일체형 영구자석 모터를 구현할 수 있다.
한편, 더욱 바람직하게, 도 5에 도시된 바와 같이, 자기 베어링(310)은 두 개일 수 있으며, 축 방향으로 서로 이격되어 배치될 수 있다. 각각의 자기 베어링(310)은 중심축(314)을 서로 다른 방향으로 끌어당겨 중공 샤프트(220)의 일단에 결합된 팬 등의 부하의 무게를 안정적으로 지지할 수 있다.
또한, 자기 베어링 모듈(300)은, 복수개의 자기 베어링(310)과 중공 샤프트(220) 사이 각각의 거리를 측정하는 복수의 갭 센서를 포함한 거리 측정 수단, 복수개의 자기 베어링(310) 각각의 베어링 권선(313)에 인가되는 전류를 측정하는 전류 측정 수단, 및 거리 측정 수단(330)이 측정한 거리 정보 및 전류 측정 수단(340)이 측정한 전류 정보에 기초하여 자기 베어링(310) 각각에 흐르는 전류를 제어하는 제어기를 포함하는 것이 바람직하다.
중공 샤프트(220)의 일단에는 팬 등과 같은 부하가 결합되기 때문에, 부하의 무게에 의하여 중공 샤프트(220)의 축이 중심을 벗어날 수 있다. 따라서, 제어기(350)는, 상기 거리 측정 수단이 측정한 거리 정보 및 전류 측정 수단이 측정한 전류 정보에 기초하여, 중공 샤프트(220)가 중심으로부터 일측으로 치우친 경우, 자기 베어링(310) 각각의 복수개의 베어링 치(311) 각각에 감긴 베어링 권선(313)에 흐르는 전류를 제어함으로써 중공 샤프트(220)의 축을 중심으로 유지시킬 수 있다.
이러한 구성으로, 자기 베어링(310)이 모터의 내측에서 회전자 모듈(200)을 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제 1 실시예에 따르면, 도 6에 도시된 바와 같이, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 및 2 영구 자석의 내주면이 중공 샤프트 표면인 동일 원주상에 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 할박 배열은, 영구 자석 모듈(210)의 링 형상 내측 즉 중심측의 자속 패쓰의 크기를 줄여줄 수 있지만, 반대로 링 형상 외측의 자속 패스의 크기는 증가하게 된다. 그에 따라 회전자 모듈(200)이 한 특정 방향으로 회전하려는 것을 방지하려는 비트림 힘인 코깅 토크가 증가하며, 상 선간전압 THD(Total Harmonic Distortion)이 증가하여 회전시 저항요소가 될 수 있다. THD가 높을수록 모터의 성능에 악영향을 주는 고조파 성분들이 많이 발생하기 때문이다. 따라서, 본 발명에서 코깅 토크 및 상 선간전압 THD을 저감할 수 있는 영구 자석의 배열이 개시된다.
본 발명의 바람직한 제 2 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 2 영구 자석(212)의 내주면의 적어도 일부는, 중심방향으로 중공 샤프트(220)에 삽입되고, 제 2 영구 자석(212)의 외주면은, 제 1 영구 자석(211)의 외주면과 단차를 이루는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로 인하여 자기력선이 시계 또는 반시계 방향의 제 2 영구 자석(212)을 중공 샤프트(220)의 내측으로 넣어주면, 영구 자석이 공극 측에 작용하게 되는 자계를 감소시킬 수 있어 제 1 실시예의 영구 자석 모듈(210)과 중공 샤프트(220)내의 자속 밀도는 유지하면서 코깅 토크 및 상 선간전압 THD을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 제 1 및 2 영구 자석의 외주면의 단차는, 제 1 영구 자석(211)의 두께의 36% 이하인 것이 바람직하다.
도 15 는 유한 요소 해석 시뮬레이션 결과이다. 도 15a는 분석할 모델의 사양이 도시되어 있고, 도 15b는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 확대도가 도시되어 있으며, 도 15c는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 확대도가 도시되어 있고, 도 15d는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 자속밀도에 따른 유한요소해석 시뮬레이션 결과가 도시되어 있으며, 도 15e에는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 자속밀도에 따른 유한요소해석 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 도 15c에 도시된 바와 같이, 제 1 및 2 영구 자석(212)의 단차를 X1, 제 1 영구 자석(211)의 두께를 T_Magnet이라고 하자. X1 의 변화에 따른 유한 요소 해석(Finite Element Analysis, FEA)을 진행한 결과, X1/T_Magnet의 크기가 36%인 지점까지는 제 1 실시예와 동일한 B-Plot을 갖는다. B-Plot은 구조체의 자속밀도 B의 값을 등고선의 형태로 표현한 그래프이다. 보통 자속밀도가 1.8T 이상인 경우 포화 상태로 간주한다. 만일, 영구 자석 모듈(210)의 내측의 중공 샤프트(220)에서 자속밀도의 값이 너무 커져 포화 상태가 되면, 영구 자석 모듈(210) 및 고정자 모듈(100)에서 발생하는 자속이 회전자 모듈(200)의 내측의 자기 베어링(310)에 영향을 미칠 수 있으므로, 포화 상태가 되지 않도록 설계하는 것이 매우 중요하다. 따라서, 본 발명에 따르면, 제 1 및 2 영구 자석의 외주면의 단차가 36% 이상인 경우 중공 샤프트(220)의 자속밀도가 포화상태가 될 가능성이 높으므로, 단차가 제 1 영구 자석(211)의 두께의 36% 이하인 것이 바람직하다.
이러한 구성으로 인하여 중공 샤프트(220) 내의 자속 밀도는 유지하면서 효율적으로 코깅 토크 및 상 선간전압 THD을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제 3 실시예에 따르면, 도 8에 도시된 바와 같이, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 영구 자석(211)은, 두께가 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 테이퍼 형상 단면을 가지는 것이 바람직하다.
여기서, 테이퍼 형상이란 중심부로부터 원주방향 양단으로 갈수록 두께가 얇아지는 형상을 말한다.
이러한 구성으로 인하여, 테이퍼 형상을 적용함으로써 기존의 구형파나 사다리꼴에 가까운 공극 자속밀도의 파형을 정현적으로 생성할 수 있다. 따라서, 전압에 대한 파형도 정현적으로 생성할 수 있어, 기존의 제 1 및 2 실시예에 비해 코깅 토크 및 상 선간전압 THD을 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 제 1 영구 자석(211)의 단면의 가장자리 두께는, 중심 두께의 65% 이상 100% 미만인 것이 바람직하다.
도 16은 유한 요소 해석 시뮬레이션 결과이다. 도 16a는 본 발명의 바람직한 제 2 실시예의 확대도가 도시되어 있고, 도 16b 및 16c는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 확대도가 도시되어 있으며, 도 16d는 중심 두께 대비 가장자리 두께에 따른 코깅 토크의 그래프가 도시되어 있고, 도 16e는 중심 두께 대비 가장자리 두께에 따른 무부하 역기전력의 그래프가 도시되어 있으며, 도 16f는 본 발명의 바람직한 제 1 실시예의 자속밀도에 따른 유한요소해석 시뮬레이션 결과가 도시되어 있으며, 도 16g에는 본 발명의 바람직한 제 3 실시예의 자속밀도에 따른 유한요소해석 시뮬레이션 결과가 도시되어 있다. 도 16c에 도시된 바와 같이, 제 1 영구 자석(211)의 단면의 가장자리 두께를 X2, 중심 두께를 T_Magnet이라고 하자. X2 의 변화에 따른 유한 요소 해석(Finite Element Analysis, FEA)을 진행한 결과, 도 16d에 도시된 바와 같이, 코깅 토크는 X1/T_Magnet의 크기가 72%인 지점에서 가장 작은 값을 가진다. 따라서, 본 발명에 의하면 제 1 영구 자석(211)의 단면의 가장자리 두께가 중심 두께의 65% 이상 100% 미만인 것이 바람직하다.
이러한 구성으로 인하여 중공 샤프트(220) 내의 자속 밀도는 유지하면서 효율적으로 코깅 토크 및 상 선간전압 THD을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 중공 샤프트(220)는, 도 9 내지 11에 도시된 바와 같이, 자기 베어링 모듈(300) 측에 구비된 제 1 레이어(221), 및 제 1 레이어(221)의 상부이자 영구 자석 모듈(210) 측에 구비된 제 2 레이어(222)를 포함하고, 제 2 레이어(222)를 이루는 재질의 비투자율이 제 1 레이어(221)를 이루는 재질의 비투자율 보다 작은 것이 바람직하다.
바람직하게, 본 발명의 바람직한 제 4 실시예에 따르면, 도 9에 도시된 바와 같이, 제 1 및 2 레이어는 제 1 및 2 영구 자석의 외주면이 중공 샤프트 표면인 동일 원주상에 배치된 구조에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제 5 실시예에 따르면, 도 10에 도시된 바와 같이, 제 1 및 2 레이어는 제 2 영구 자석(212)의 외주면이 중공 샤프트(220)의 내부로 삽입되어 삽입되지 않은 내주면이 제 1 영구 자석(211)의 내주면과 단차를 이루는 구조에도 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 제 6 실시예에 따르면, 도 11에 도시된 바와 같이, 제 1 및 2 레이어는 제 1 영구 자석(211)의 두께가 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 테이퍼 형상 단면을 가진 구조에도 적용될 수 있다.
또한, 제 2 레이어(222)의 비투자율은 20 이하인 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로, 비투자율이 20 이하 즉 비자성체에 가까운 물질로 이루어진 제 2 레이어에 의하여, 고정자 모듈(100)의 고정자 권선(110)이 발생한 자속 및 영구 자석 모듈(210)이 발생한 자속과 자기 베어링(310)이 발생한 자속 사이의 상호 작용을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 바람직한 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터는, 영구자석을 이용한 외전형 전동기로써, 도 12 내지 14에 도시된 바와 같이, 고정자 권선(110)이 감긴 원통형의 고정자 코어(120)를 포함하는 고정자 모듈(100), 고정자 모듈(100)을 감싸고, 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈(210) 및 영구 자석 모듈(210)이 내면에 고정된 중공 샤프트(220)를 포함하는 회전자 모듈(200), 및 중공 샤프트(220)를 감싸고, 중심방향으로 회전자 모듈(200)을 부상시키는 자기 베어링 모듈(300)을 포함하되, 영구 자석은 할박 배열(halbach array)로 배치된 것이 바람직하다.
이러한 구성으로 인하여 영구 자석이 할박 구조로 배치됨으로써, 영구 자석에 의한 자기장이 중심쪽으로 인가되지 않아서, 백요크를 삭제할 수 있으며, 백요크를 삭제함으로써 자기 베어링 모듈(300)을 회전자 모듈(200) 내부에 포함시켜, 자기 베어링 일체형 모터의 사이즈를 줄일 수 있다.
또한, 자기 베어링 모듈(300)은, 도 12 내지 14에 도시된 바와 같이, 고정자 모듈(100)과 같은 축을 가지고, 회전자 모듈을 중심축(314)으로부터 방사방향으로 부상시키는 적어도 하나 이상의 자기 베어링(310)을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 자기 베어링(310)은, 고정자 모듈(100)과 방사방향으로 형성된 기둥 형상이며, 원주 방향으로 이격되어 배치된 복수개의 베어링 치(311), 베어링 치(311)의 말단 양측에서 원주 방향으로 연장되는 베어링 폴 슈(312), 및 복수개의 베어링 치(311) 각각에 감긴 베어링 권선(313)을 포함하는 것이 바람직하다.
이러한 구성으로, 자기 베어링(310)이 중공 샤프트(220)를 둘러감싸는 외측에서 회전자 모듈(200)을 제어할 수 있어 자기 베어링 일체형 영구자석 모터를 구현할 수 있다.
한편, 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터의 제 1 실시예에 따르면, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 및 2 영구 자석의 외주면이 중공 샤프트 표면인 동일 원주상에 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터의 제 2 실시예에 따르면, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 2 영구 자석(212)은, 외주면이 중공 샤프트(220)의 내부로 삽입되어, 삽입되지 않은 내주면이 제 1 영구 자석(211)의 내주면과 단차를 이루는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 및 2 영구 자석의 내주면의 단차는, 제 1 영구 자석(211)의 두께의 36% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터의 제 3 실시예에 따르면, 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은, 자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되, 제 1 영구 자석(211)은, 두께가 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 테이퍼 형상 단면을 가지는 것이 바람직하다.
또한, 제 1 영구 자석(211)의 단면의 가장자리 두께는, 중심 두께의 65% 이상 100% 미만인 것이 바람직하다.
이러한 제 2 및 3 실시예의 구성으로 인하여 중공 샤프트(220) 내의 자속 밀도는 유지하면서 효율적으로 코깅 토크 및 상 선간전압 THD을 저감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 중공 샤프트(220)는, 자기 베어링 모듈(300) 측에 구비된 제 1 레이어(221), 및 제 1 레이어(221)의 하부이자 영구 자석 모듈(210) 측에 구비된 제 2 레이어(222)를 포함하고, 제 2 레이어(222)를 이루는 재질의 비투자율이 제 1 레이어(221)를 이루는 재질의 비투자율 보다 작은 것이 바람직하다.
이러한 구성으로, 비투자율이 20 이하 즉 비자성체에 가까운 물질로 이루어진 제 2 레이어에 의하여, 고정자 모듈(100)의 고정자 권선(110)이 발생한 자속 및 영구 자석 모듈(210)이 발생한 자속과 자기 베어링(310)이 발생한 자속 사이의 상호 작용을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.
10 : 영구자석 모터
11 : 고정자
12 : 영구자석
13 : 백요크
14 : 샤프트
15 : 회전자
20 : 구름 베어링
21 : 강체 볼
30 : 자기 베어링
31 : 자기 베어링 치
32 : 자기 베어링 권선
100 : 고정자 모듈
110 : 고정자 권선
120 : 고정자 코어
200 : 회전자 모듈
210 : 영구 자석 모듈
211 : 제 1 영구 자석
212 : 제 2 영구 자석
220 : 중공 샤프트
221 : 제 1 레이어
222 : 제 2 레이어
300 : 자기 베어링 모듈
310 : 자기 베어링
311 : 베어링 치
312 : 베어링 폴슈
313 : 베어링 권선

Claims (15)

  1. 고정자 권선(110)이 감긴 원통형의 고정자 코어(120)를 포함하는 고정자 모듈(100);
    상기 고정자 모듈(100)의 내부에 구비되고, 내부 공간을 갖는 중공 샤프트(220), 및 상기 중공 샤프트의 외면 측에 구비된 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈(210)을 포함하는 회전자 모듈(200); 및
    상기 중공 샤프트(220) 내부에 구비되고, 중심으로부터 방사방향으로 상기 중공 샤프트(220)을 부상시키는 자기 베어링 모듈(300);을 포함하되,
    상기 영구 자석 모듈(210)의 영구 자석은 할박 배열(halbach array)로 배치되고,
    상기 중공 샤프트(220)는,
    상기 자기 베어링 모듈(300) 측에 구비된 제 1 레이어(221); 및
    상기 제 1 레이어(221)의 상부이자 상기 영구 자석 모듈(210) 측에 구비된 제 2 레이어(222);를 포함하고,
    상기 제 2 레이어(222)를 이루는 재질의 비투자율이 상기 제 1 레이어(221)를 이루는 재질의 비투자율 보다 작으며,
    상기 제 2 레이어(222)의 비투자율은 20 이하인 재질로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 베어링 모듈(300)은, 상기 고정자 모듈(100)과 같은 축을 가지고, 상기 회전자 모듈을 축으로부터 방사방향으로 부상시키는 적어도 하나 이상의 자기 베어링(310);을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기 베어링(310)은,
    상기 고정자 모듈(100)과 동일한 축을 갖는 중심축(314);
    상기 중심축(314)과 결합되고, 방사방향으로 형성된 기둥 형상이며, 원주 방향으로 이격되어 배치된 복수개의 베어링 치(311),
    상기 베어링 치(311)의 말단 양측에서 원주 방향으로 연장되는 베어링 폴 슈(312), 및
    복수개의 상기 베어링 치(311) 각각에 감긴 베어링 권선(313)을 포함하는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은,
    자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되,
    상기 제 1 및 2 영구 자석의 내주면이 상기 중공 샤프트(220)의 표면인 동일 원주상에 배치되는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은,
    자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되,
    상기 제 2 영구 자석(212)의 내주면의 적어도 일부는, 중심방향으로 상기 중공 샤프트(220)에 삽입되고,
    상기 제 2 영구 자석(212)의 외주면은, 상기 제 1 영구 자석(211)의 외주면과 단차를 이루는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 및 2 영구 자석의 외주면의 단차는, 상기 제 1 영구 자석(211)의 두께의 36% 이하인 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은,
    자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되,
    상기 제 1 영구 자석(211)은, 두께가 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 테이퍼 형상 단면을 가지는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 1 영구 자석(211)의 단면의 가장자리 두께는, 중심 두께의 65% 이상 100% 미만인 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 모터.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 고정자 권선(110)이 감긴 원통형의 고정자 코어(120)를 포함하는 고정자 모듈(100);
    상기 고정자 모듈(100)을 감싸고, 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈(210) 및 영구 자석 모듈(210)이 내면에 고정된 중공 샤프트(220)를 포함하는 회전자 모듈(200); 및
    상기 중공 샤프트(220)를 감싸고, 중심방향으로 상기 회전자 모듈(200)을 부상시키는 자기 베어링 모듈(300);을 포함하되,
    상기 영구 자석은 할박 배열(halbach array)로 배치되고,
    상기 중공 샤프트(220)는,
    상기 자기 베어링 모듈(300) 측에 구비된 제 1 레이어(221); 및
    상기 제 1 레이어(221)의 하부이자 상기 영구 자석 모듈(210) 측에 구비된 제 2 레이어(222);를 포함하고,
    상기 제 2 레이어(222)를 이루는 재질의 비투자율이 상기 제 1 레이어(221)를 이루는 재질의 비투자율 보다 작으며,
    상기 제 2 레이어(222)의 비투자율은 20 이하인 재질로 이루어지는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은,
    자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되,
    상기 제 1 및 2 영구 자석의 외주면이 상기 중공 샤프트(220)의 표면인 동일 원주상에 배치되는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은,
    자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되,
    상기 제 2 영구 자석(212)은, 외주면이 상기 중공 샤프트(220)의 내부로 삽입되어, 삽입되지 않은 내주면이 상기 제 1 영구 자석(211)의 내주면과 단차를 이루는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 회전자 모듈(200)의 영구 자석 모듈(210)은,
    자기력선이 내부 또는 외부 방사 방향인 복수의 제 1 영구 자석(211) 및 자기력선이 원주방향이되 시계 또는 반시계 방향인 복수의 제 2 영구 자석(212)이 링 형상으로 할박 배열을 형성하되,
    상기 제 1 영구 자석(211)은, 두께가 중심에서 가장자리로 갈수록 점진적으로 감소하는 테이퍼 형상 단면을 가지는 것
    을 특징으로 하는 백요크리스 자기 베어링 일체형 외전형 모터.
  15. 삭제
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