KR102670967B1 - 자속 집중형 모터 - Google Patents

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KR102670967B1
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Abstract

본 명세서의 일 실시 예에 따른 자속 집중형 모터는, 제1 곡률로 형성되는 내경부와 제2 곡률로 형성되는 외경부 및 상기 내경부의 단부를 상기 외경부의 단부에 연결하는 연결부를 포함하는 아크 타입 영구자석이 복수 개 매립된 자속 집중형 로터; 및 상기 아크 타입 영구자석의 위치를 파악하기 위한 홀 센서(hall sensor)를 구비한 인쇄회로기판을 포함하며, 상기 자속 집중형 로터가 D축 정렬된 상태에서, 상기 홀 센서는 D축으로부터 제1 기계각만큼 시프트된 위치에서 상기 홀 센서의 피시디(PCD: Pitch Circle Diameter) 상에 위치하고, 상기 제1 기계각은 제2 기계각과 제3 기계각의 합으로 이루어진다.
제2 기계각은, 상기 자속 집중형 로터와 서로 동일한 극수 및 피시디를 가지며 복수 개의 바 타입 영구자석이 매립된 자속 집중형 로터를 구비한 자속 집중형 모터에서 기준 전기각을 만족하기 위하여 홀 센서가 이동해야 할 각도이고, 제3 기계각은, 상기 아크 타입 영구자석의 폭방향 중심을 상기 아크 타입 영구자석의 길이 방향으로 연결하는 제1 가상선과 상기 홀 센서의 피시디(PCD)가 서로 교차하는 교차점이 상기 D축과 이루는 각도이다.

Description

자속 집중형 모터{FLUX CONCENTRATE TYPE MOTOR}
본 명세서는 자속 집중형 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에 관한 것이다.
모터(motor)는 전기 에너지로부터 회전력을 얻는 기계로서, 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 구비한다. 로터는 스테이터와 전자기적으로 상호 작용하도록 구성되고, 자기장과 코일에 흐르는 전류 사이에서 작용하는 힘에 의해 회전한다.
자계를 발생시키기 위해 영구자석을 사용하는 모터는 로터 코어에 설치되는 영구자석의 결합 구조에 따라 영구자석 표면 부착형(SPM: Surface Permanent Magnet) 모터와 영구자석 매립형(IPM: Interior Permanent Magnet) 모터로 구분된다.
여기서, 영구자석 표면 부착형 모터는, 로터의 코어 표면에 영구자석을 부착한 구조를 가지며, 상대적으로 소음과 진동이 작으면서 회전력은 좋으나, 고속 회전 시 영구자석의 이탈과 기계적 강성의 저하 및 운전 영역의 다양화를 위한 제어가 용이하지 않다는 단점을 가지고 있다.
그리고 영구자석 매립형 모터는, 로터의 코어에 상하로 관통하여 형성된 매립공에 영구자석을 삽입 고정한 구조를 가지며, 전자기적 토크(magnetic torque)에 더하여 돌극성(sailent pole) 구조에 의한 릴럭턴스 토크(reluctance torque)가 부가되어 영구자석 표면 부착형 모터보다 토크 및 출력이 증가되는 특징이 있다.
한편, 최근에는 영구자석 매립형 모터보다 토크 및 출력을 보다 더 향상시켜 모터의 효율을 향상시킨 자속 집중형 모터(Flux Concentrate Type motor)가 개발되고 있다. 자속 집중형 모터는 스포크 타입 모터(spoke type motor)라 말하기도 한다.
자속 집중형 모터는 구조적으로 자속 집중도가 높기 때문에 고 토크, 고 출력을 발생시킬 수 있으며, 동일 출력에 대해 로터를 소형화할 수 있다는 장점을 가지기 때문에 고 토크, 고 출력 특성이 요구되는 세탁기나 전기자동차 및 에어컨 등의 구동 모터에 적용될 수 있다.
일반적으로, 자속 집중형 모터에 구비되는 자속 집중형 로터(rotor)는 샤프트(shaft)를 중심으로 방사 형태로 배치되는 사각 바(bar) 타입 영구자석(permanent magnet)(이하, "바 타입 영구자석"이라 함)과, 사각 바 타입 영구자석들을 지지하고 자속의 통로를 형성되도록 마련되는 로터 코어(rotor core)를 구비한다.
로터 코어는 각각의 바 타입 영구자석들 사이에 배치되는 요크(yoke)들과, 샤프트와 바 타입 영구자석들 사이에서 위치하고 각 요크들과 연결되는 원통형 베이스(base)를 포함하여 구성될 수 있다.
그런데, 바 타입 영구자석을 적용한 자속 집중형 로터를 오픈 슬롯(open slot) 구조로 형성할 경우, 외경부 코어의 외측단의 양측 가장지리 부분에 형성된 고정돌기 부분에 자석 비산의 힘이 집중되어 기계적 강성이 취약한 문제점이 있다.
그리고, 바 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 로터의 경우, 영구자석 형상으로 인해 자석의 자극호(pole arc)를 증가시키는 데 한계가 있다.
따라서, 동일한 로터 사이즈에서 바 타입 영구자석에 비해 자극호를 증가시킬 수 있는 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 로터가 개발되고 있다.
아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 로터의 한 예가 US Pub. No.2017/0187256A1(이하, "선행특허 1"라 함)에 개시되어 있다.
그런데, 선행특허 1의 경우, 모터의 성능 극대화를 위한 아크 타입 영구자석의 설계 인자별 성능에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않으며, 또한 아크 타입 영구자석의 형상 설계에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다.
한편, 자속 집중형 모터는 로터의 위치, 특히 영구자석의 위치를 파악하기 위한 홀 센서(hall sensor)를 구비한다.
홀 센서가 정상 동작하기 위해선, 모터의 역기전력과 홀 센서 전압의 파형간 위상 차이의 기준 전기각(Reference EAng, A) 값이 필요하다. 기준 전기각은 모터 제어를 위한 IC 소자의 요구 기준값으로, 120도, 150도, 180도와 같이 업체마다 기준 전기각이 서로 다르지만, 일반적으로는 150도를 기준 전기각으로 사용하고 있다.
홀 센서 전압의 경우, 바 타입 영구자석의 축방향 자속(flux) 값을 인지하여 발생하게 되고, 역기전력은 로터의 회전에 따라 스테이터 코일에 유기되는 전압을 이야기 한다.
자속 집중형 모터에서, 홀 센서는 영구자석의 자속(flux)를 체크하기 위해 최적의 위치에 설치해야 한다.
이에, 바 타입 영구자석을 구비한 종래의 자속 집중형 모터에서 홀 센서의 위치를 결정하는 방법에 대해 살펴 보면, 홀 센서의 위치는 D축(D-axis)으로부터 아래의 [표 1]에서 시프트 기계각(C/E) 만큼 이동한 지점으로 선정한다.
[표 1]
상기 [표 1]은 홀 센서의 피시디(PCD)가 46mm인 경우를 한 예로 나타내는 것이다.
상기 [표 1]에서, 기준 전기각(Reference EAng, "A")은 역기전력(Bemf)에서 홀 센서 전압(Vh)를 제한 값이다.
그리고 센싱 전기각(Sensing Eang, "B")은 홀 센서가 D축에 있을 경우 역기전력 파형과의 위상차를 말하며, 자속(flux) 값의 "-" 또는 "+" 를 인식하는 방법에 따라 역기전력 파형과 동상(0deg)이거나, 180도 차이가 발생한다.
그리고 시프트 전기각(Shift Eang, "C")은 기준 전기각(Reference Eang)을 만족하기 위하여 홀 센서가 이동해야 할 위치에 해당하는 각도로, 센싱 전기각(B)에서 기준 전기각(A)을 제한 값이다(C=B-A).
그리고 시프트 기계각(Shift Ang, (C/E))은 시프트 전기각(C)을 기계각으로 환산한 값으로, 시프트 전기각(C)을 자속 집중형 모터의 극쌍수(E)로 나눈 값이다.
따라서, 바 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 시프트 기계각(C/E)만큼 이동한 위치를 홀 센서의 위치로 선정한다.
즉, 바 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서는 홀 센서의 피시디(PCD: Pitch Circle Diameter) 상에서 D축으로부터 시프트 기계각(C/E)만큼 이동한 지점으로 홀 센서의 위치를 선정한다.
여기에서, D축은 A상 코일에 DC 전류를 인가할 때 로터가 정렬되는 위치를 말하며, 자속 집중형 모터의 극수/슬롯수에 따라 정의된다.
바 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서는 D축과 바 타입 영구자석이 정렬되어 있다.
여기에서, D축과 바 타입 영구자석이 정렬되어 있다는 것은 바 타입 영구자석의 폭방향 중심을 바 타입 영구자석의 길이 방향으로 연결하는 가상선이 D축과 일치하는 것을 의미한다.
따라서, [표 1]을 참조하면, 기준 전기각(A)이 120도인 케이스 1에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 12도만큼 이동한 위치에 홀 센서를 설치하고, 기준 전기각(A)이 150도인 케이스 2에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 6도만큼 이동한 위치에 홀 센서를 설치하며, 기준 전기각(A)이 180도인 케이스 3에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 0도만큼 이동한 위치에 홀 센서를 설치한다.
도 1은 바 타입 영구자석(10)을 구비한 10극 자속 집중형 모터에서 홀 센서(20)가 설치되는 위치를 도시한 것이다.
바 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서 홀 센서의 위치/각도와 홀 센서 간의 상대적 위치(전기각(electrical angle)/기계각(mechanical angle))를 설계하는 기술이 CN Pub. No. 209283062U(이하, "선행특허 2"라 함)에 개시되어 있다.
그런데, 선행특허 2의 경우, 3상의 자속 집중형 모터에서 일반적으로 사용되는 전기각 120도를 자속 집중형 모터의 극수에 한정하여 홀 센서의 위치를 설계하고 있을 뿐이다.
따라서, 바 타입 영구자석이 아닌 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서 홀 센서를 정확한 위치/각도에 설치하기 위한 연구가 진행되고 있다.
선행특허 1: US Pub. No.2017/0187256A1 선행특허 2: CN Pub. No. 209283062U
본 명세서가 해결하고자 하는 기술적 과제는, 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서 홀 센서의 피시디(PCD), 아크 타입 영구자석의 형상, 아크 타입 영구자석의 매립 각도 등의 변수에 맞추어 홀 센서를 정확한 위치에 설치하는 것이 가능한 자속 집중형 모터를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서 홀 센서를 정확한 위치에 설치하여 자속 집중형 모터의 성능을 극대화하는 것이다.
본 명세서가 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 동일한 로터 사이즈에서 자석 사용량 대비 역기전력을 효과적으로 상승시킬 수 있는 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터를 제공하는 것이다.
본 명세서가 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 역기전력을 극대화할 수 있는 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터를 제공하는 것이다.
본 명세서가 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 오픈 슬롯 구조를 채용하면서도 자석 비산의 힘이 효과적으로 분산되도록 하여 기계적 강성을 증가시킨 자속 집중형 로터를 구비한 자속 집중형 모터를 제공하는 것이다.
본 명세서에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서의 일 양상에 따른 자속 집중형 모터는, 제1 곡률로 형성되는 내경부와 제2 곡률로 형성되는 외경부 및 상기 내경부의 단부를 상기 외경부의 단부에 연결하는 연결부를 포함하는 아크 타입 영구자석이 복수 개 매립된 자속 집중형 로터; 및 상기 아크 타입 영구자석의 위치를 파악하기 위한 홀 센서(hall sensor)를 구비한 인쇄회로기판을 포함하며, 상기 자속 집중형 로터가 D축 정렬된 상태에서, 상기 홀 센서는 D축으로부터 제1 기계각만큼 시프트된 위치에서 상기 홀 센서의 피시디(PCD: Pitch Circle Diameter) 상에 위치하고, 상기 제1 기계각은 제2 기계각과 제3 기계각의 합으로 이루어진다.
상기 제2 기계각은, 상기 자속 집중형 로터와 서로 동일한 극수 및 피시디를 가지며 복수 개의 바 타입 영구자석이 매립된 자속 집중형 로터를 구비한 자속 집중형 모터에서 기준 전기각을 만족하기 위하여 홀 센서가 이동해야 할 각도이고, 상기 제3 기계각은, 아크 타입 영구자석의 폭방향 중심을 상기 아크 타입 영구자석의 길이 방향으로 연결하는 제1 가상선과 상기 홀 센서의 피시디(PCD)가 서로 교차하는 교차점이 상기 D축과 이루는 각도이다.
상기 제3 기계각은 상기 홀 센서의 피시디, 상기 아크 타입 영구자석의 형상 및 상기 아크 타입 영구자석의 매립 각도에 근거하여 결정할 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 홀 센서의 피시디(PCD)와 아크 타입 영구자석의 형상 및 아크 타입 영구자석의 매립 각도에 근거하여 결정한 상기 제3 기계각을 반영하여 홀 센서의 위치를 결정하므로, 홀 센서를 정확한 위치에 설치할 수 있다.
상기 제3 기계각은 하기의 식 (1)에 근거하여 산출할 수 있으며, 하기 식 (1)에서 A'은 제3 기계각을 말하고, k는 D축과 상기 교차점 간의 수직 거리를 말한다.
(1) A'=sin-1{k/(PCD/2)}
상기 식 (1)에 근거하여 상기 제3 기계각을 산출하면, 극수, 극쌍수, 홀 센서의 피시디, 상기 아크 타입 영구자석의 형상 및 상기 아크 타입 영구자석의 매립 각도가 각기 다른 다양한 종류의 자속 집중형 모터에서 홀 센서의 위치를 용이하게 설정할 수 있다.
자속 집중형 로터는, 샤프트; 로터 코어; 및 상기 복수 개의 아크 타입 영구자석을 포함할 수 있다.
상기 로터 코어는, 상기 샤프트가 삽입되는 샤프트 관통홀을 구비한 환형의 링 형상의 내경부 코어; 상기 내경부 코어의 외주면에서 상기 내경부 코어의 원주방향을 따라 복수 개가 배열되며, 상기 복수 개의 아크 타입 영구자석을 수용하기 위한 영구자석 삽입부들을 형성하도록 서로 이격하여 배치되는 외경부 코어; 및 상기 외경부 코어 각각에 대응하여 상기 내경부 코어의 원주방향을 따라 복수 개가 배열되며, 상기 외경부 코어 각각을 상기 내경부 코어에 연결하는 브릿지를 포함할 수 있다.
이때, 상기 외경부 코어는 하단부에 위치하는 제1 절개부를 구비할 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 제1 절개부로 인해 자속이 꺾여서 흐르게 되므로, 자속의 누설 경로가 상대적으로 증가하여 자기저항이 증가하고, 브릿지를 통한 누설 자속량이 감소한다.
따라서, 모터의 역기전력을 상승시킬 수 있고, 모터의 성능을 향상시킬 수 있으며, 모터의 출력 밀도를 증가시킬 수 있다.
복수 개의 아크 타입 영구자석은 각각 하기의 5개의 식 중에서 적어도 어느 하나를 만족할 수 있다.
(2) A1=k1×C1 (k1은 0.31 내지 0.37)
(3) B1=k2×A1 (k2는 2.9 내지 3.75)
(4) B1=k3×E1 (k3는 1.8 내지 2.7)
(5) D1=k4×C1 (k4는 0.62 내지 0.98)
(6) M1=(C1/D1)×A1/(C1-D1) (M1은 2.5 이상)
상기 식 (2) 내지 (6)에서, A1은 아크 타입 영구자석의 두께, B1은 아크 타입 영구자석의 폭, C1은 내경부의 제1 곡률, D1은 외경부의 제2 곡률, E1은 자화 중심점을 말한다.
이러한 구성에 따르면, 5가지의 변수(자석 두께, 자석 폭, 내경부의 제1 곡률, 외경부의 제2 곡률, 자화중심점 갭)를 사용하여 아크 타입 영구자석을 설계함으로써, 자석 사용량 대비 역기전력이 높은 아크 타입 영구자석을 제조할 수 있고, 역기전력이 극대화된 아크 타입 영구자석을 제조할 수 있다.
상기 아크 타입 영구자석의 상기 제2 곡률은 상기 제1 곡률보다 크게 형성될 수 있다.
하지만, 상기 아크 타입 영구자석의 상기 제2 곡률은, 상기 제1 곡률과 동일하게 형성되거나, 상기 제1 곡률보다 작게 형성될 수도 있다.
상기 아크 타입 영구자석의 상기 연결부는, 상기 외경부의 단부에 연결되는 제1 직선부와, 상기 제1 직선부의 단부와 상기 내경부의 단부를 연결하는 제2 직선부를 포함할 수 있다.
상기 로터 코어에는 10개의 상기 아크 타입 영구자석이 매립될 수 있다. 즉, 본 명세서의 자속 집중형 모터는 10극 모터일 수 있다.
상기 아크 타입 영구자석은, 상기 내경부 코어의 중심으로부터 상기 아크 타입 영구자석의 한쪽 단부에 형성된 제1 직선부의 중심을 연결한 제1 연결선과 상기 내경부 코어의 중심으로부터 상기 아크 타입 영구자석의 다른 쪽 단부에 형성된 제1 직선부의 중심을 연결한 제2 연결선 사이에 5도 내지 20도의 사이각이 유지되도록 상기 영구자석 삽입부에 삽입될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 아크 타입의 영구자석의 배치 각도 또는 매립 각도를 최적화함으로써 역기전력을 더욱 상승시킬 수 있다.
상기 외경부 코어는 서로 이웃한 2개의 아크 타입 영구자석 중 제1 아크 타입 영구자석의 내경부와 접촉하는 제1 측면과, 상기 2개의 아크 타입 영구자석 중 상기 제1 측면의 반대쪽에 위치하는 제2 아크 타입 영구자석의 외경부와 접촉하는 제2 측면을 구비할 수 있고, 상기 제1 절개부는 상기 외경부 코어의 제2 측면의 단부로부터 상기 제1 측면 쪽으로 연장되어 형성될 수 있다.
상기 브릿지는 상기 외경부 코어의 제1 측면의 단부로부터 연장되어 상기 내경부 코어에 연결되는 제1 측면과, 상기 브릿지의 제1 측면의 반대쪽에 위치하며 상기 내경부 코어에 연결되는 제2 측면을 포함할 수 있다.
상기 브릿지의 제2 측면은 상기 제2 아크 타입 영구자석의 외경부의 단부로부터 상기 외경부 코어의 제1 측면 쪽으로 이격하여 위치할 수 있다.
상기 브릿지의 제1 측면 중 일부는 상기 제1 아크 타입 영구자석의 연결부의 적어도 일부와 접촉할 수 있다.
상기 제1 절개부는 상기 제1 아크 타입 영구자석의 제1 직선부와 상기 외경부 코어의 제2 측면의 하단부가 연결되는 지점으로부터 상기 외경부 코어의 제1 측면 쪽으로 연장될 수 있다.
상기 브릿지의 제2 측면은 상기 제1 절개부의 단부로부터 연장되어 상기 내경부 코어에 연결될 수 있다.
상기 브릿지의 제2 측면과 상기 제1 절개부의 단부가 연결되는 부분은 상기 제1 아크 타입 영구자석의 제1 직선부보다 방사방향으로 외측에 위치할 수 있다.
상기 제1 절개부와 상기 브릿지의 제2 측면은 예각을 형성할 수 있다.
상기 제1 절개부는 상기 외경부 코어의 상기 제2 측면과 접촉하는 상기 제2 아크 타입 영구자석의 연결부의 적어도 일부와 평행할 수 있다.
상기 외경부 코어는 상기 제1 절개부의 단부로부터 방사방향 외측으로 연장되는 제2 절개부를 더 포함할 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 제1 절개부만 구비한 경우에 비하여, 제2 절개부로 인해 자속이 더 꺾여서 흐르게 되므로, 자속의 누설 경로가 상대적으로 더 증가하여 자기저항이 더 증가하고, 브릿지를 통한 누설 자속량이 더 감소할 수 있다.
상기 브릿지의 제2 측면은 상기 제2 절개부의 단부로부터 연장되어 상기 내경부 코어에 연결될 수 있다.
상기 브릿지의 제2 측면과 상기 제2 절개부의 단부가 연결되는 부분은 상기 제1 아크 타입 영구자석의 제1 직선부보다 방사방향으로 외측에 위치할 수 있다.
상기 제2 절개부와 상기 브릿지의 제2 측면은 예각을 형성할 수 있다.
상기 제1 절개부는 상기 외경부 코어의 상기 제2 측면과 접촉하는 상기 제2 아크 타입 영구자석의 연결부의 적어도 일부와 평행하게 형성될 수 있다.
본 명세서에 따르면, 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서 홀 센서를 정확한 위치에 설치하는 것이 가능하므로, 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터의 성능을 극대화하는 것이 가능하다.
5가지의 변수(자석 두께, 자석 폭, 내경부의 제1 곡률, 외경부의 제2 곡률, 자화중심점 갭)를 사용하여 아크 타입 영구자석을 설계함으로써, 자석 사용량 대비 역기전력이 높은 아크 타입 영구자석을 제조할 수 있고, 역기전력이 극대화된 아크 타입 영구자석을 제조할 수 있다.
그리고 제1 절개부로 인해 자속이 꺾여서 흐르게 되므로, 자속의 누설 경로가 상대적으로 증가하여 자기저항이 증가하고, 브릿지를 통한 누설 자속량이 감소한다.
따라서, 자속 집중형 모터의 역기전력을 상승시킬 수 있고, 자속 집중형 모터의 성능을 향상시킬 수 있으며, 자속 집중형 모터의 출력 밀도를 증가시킬 수 있다.
그리고 아크 타입 영구자석의 배치 각도를 최적화함으로써 자속 집중형 모터의 역기전력을 더욱 상승시킬 수 있다.
그리고 아크 타입 영구자석을 사용하므로, 오픈 슬롯 구조를 채용하더라도 바 타입 영구자석에 비해 자석 비산의 힘이 효과적으로 분산되어 로터 코어의 기계적 강성이 증가한다.
본 명세서에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 명세서가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 명세서에 대한 실시 예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 명세서의 기술적 특징을 설명한다.
도 1은 바 타입 영구자석을 구비한 10극 자속 집중형 모터에서 홀 센서가 설치된 상태를 나타내는 도면이다.
도 2는 10극 모터에 사용되는 아크 타입 영구자석의 최적화 사이즈를 기준으로 자석 사용량을 극대화한 아크 타입 영구자석을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 두께와 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 외경부의 제2 곡률과 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
도 5는 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률과 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 폭과 외경부의 제2 곡률 및 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 두께와 내경부의 제1 곡률을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
도 8은 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률과 외경부의 제2 곡률의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 9는 아크 타입 영구자석의 두께와 폭의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 10은 아크 타입 영구자석의 자화중심점 갭과 폭의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 11은 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률과 두께의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 12는 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률, 외경부의 제2 곡률, 두께에 따른 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 명세서의 실시 예에 따른 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 로터 및 이 로터를 구비한 자속 집중형 모터의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 14는 도 13에 도시한 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 15는 도 13에 도시한 자속 집중형 로터에서 발생하는 누설 자속을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 17은 본 명세서의 제3 실시 예에 따른 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 18은 본 명세서의 제4 실시 예에 따른 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 19는 아크 타입 영구자석의 배치 각도에 따른 역기전력의 개선율을 나타내는 그래프이다.
도 20은 아크 타입 영구자석을 구비한 10극 자속 집중형 모터에서 홀 센서가 설치되는 위치를 나타내는 도면이다.
도 21은 아크 타입 영구자석을 구비한 10극 자속 집중형 모터에 구비되는 인쇄회로기판의 저면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "어셈블리" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 명세서의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "결합되어" 있다거나 "접촉하고" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 결합되어 있거나 또는 직접적으로 접촉하고 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 결합되어" 있다거나 "직접 접촉하고" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 2는 10극 모터에 사용되는 아크 타입 영구자석의 최적화 사이즈를 기준으로 자석 사용량을 극대화한 아크 타입 영구자석을 나타내는 단면도이다.
그리고 도 3 내지 도 7은 5가지의 설계 요소 중 적어도 2개의 요소를 변경한 경우의 실시 예들에 따른 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
먼저, 도 2를 참조하면, 아크 타입 영구자석(230)은 제1 곡률(C1)로 형성되는 내경부(231)와, 제2 곡률(D1)로 형성되는 외경부(233)를 구비하는 아크 타입 영구자석이다.
본 명세서에서, 외경부(233)의 제2 곡률(D1)과 내경부(231)의 제1 곡률(C1)은 서로 다르다.
즉, 외경부(233)의 제2 곡률(D1)이 내경부(231)의 제1 곡률(C1)보다 클 수도 있고, 내경부(231)의 제1 곡률(C1)이 외경부(233)의 제2 곡률(D1)보다 클 수도 있다.
아크 타입 영구자석(230)은 내경부(231)의 단부와 외경부(233)의 단부를 연결하는 연결부(235)를 더 포함하고, 연결부(235)는 외경부(233)의 단부에 연결되는 제1 직선부(235a)와, 제1 직선부(235a)의 단부와 내경부(231)의 단부를 연결하는 제2 직선부(235b)를 포함한다.
그리고 제1 직선부(235a)와 제2 직선부(235b)는 90도의 내각(A2)을 갖도록 형성될 수 있다.
도 2는 내경부(231)의 제1 곡률(C1)이 R12.5이고, 외경부(233)의 제2 곡률(D1)이 R8.0이며, 자화 중심점 갭(E1)이 10.0인 아크 타입 영구자석(230)을 도시하고 있다.
여기에서, 자화 중심점 갭(E1)은 제1 곡률(C1)의 중심점과 제2 곡률(D1)의 중심점 간의 거리를 의미한다.
그리고 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석(230)은 5.5의 두께(A1)와 15.1의 폭(B1)을 갖는다.
도 3은 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 두께와 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
본 실시 예의 아크 타입 영구자석에서, 두께(A1)와 자화 중심점 갭(E1)을 제외한 나머지 설계 인자, 즉, 폭(B1)과 내경부의 제1 곡률(C1) 및 외경부의 제2 곡률(D1)은 도 2의 아크 타입 영구자석과 동일한 값을 갖는다.
도 3에 도시한 아크 타입 영구자석의 두께(A1)는 4.5이고, 자화 중심점 갭(E1)은 9이다.
도 4는 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 외경부의 제2 곡률과 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
본 실시 예의 아크 타입 영구자석에서, 외경부의 제2 곡률(D1)과 자화 중심점 갭(E1)을 제외한 나머지 설계 인자, 즉, 폭(B1)과 내경부의 제1 곡률(C1) 및 두께(A1)는 도 2의 아크 타입 영구자석과 동일한 값을 갖는다.
도 4에 도시한 아크 타입 영구자석의 외경부의 제2 곡률(D1)은 R10.0이고, 자화 중심점 갭(E1)은 7이다.
도 5는 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률과 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
본 실시 예의 아크 타입 영구자석에서, 내경부의 제1 곡률(C1)과 자화 중심점 갭(E1)을 제외한 나머지 설계 인자, 즉, 두께(A1)와 폭(B1) 및 외경부의 제2 곡률(D1)은 도 2의 아크 타입 영구자석과 동일한 값을 갖는다.
도 5에 도시한 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률(C1)은 R10.5이고, 자화 중심점 갭(E1)은 5이다.
도 6은 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 폭과 외경부의 제2 곡률 및 자화 중심점 갭을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
본 실시 예의 아크 타입 영구자석에서, 폭(B1)과 외경부의 제2 곡률(D1) 및 자화 중심점 갭(E1)을 제외한 나머지 설계 인자, 즉, 두께(A1)와 내경부의 제1 곡률(C1)은 도 2의 아크 타입 영구자석과 동일한 값을 갖는다.
도 6에 도시한 아크 타입 영구자석의 폭(B1)은 13이고, 외경부의 제2 곡률(D1)은 R14.0이며, 자화 중심점 갭(E1)은 3이다.
도 7은 도 2에 도시한 아크 타입 영구자석의 두께와 내경부의 제1 곡률을 변경한 아크 타입 영구자석을 나타내는 도면이다.
본 실시 예의 아크 타입 영구자석에서, 두께(A1)와 내경부의 제1 곡률(C1)을 제외한 나머지 설계 인자, 즉, 폭(B1)과 외경부의 제2 곡률(D1) 및 자화 중심점 갭(E1)은 도 2의 아크 타입 영구자석과 동일한 값을 갖는다.
도 7에 도시한 아크 타입 영구자석의 두께(A1)는 4이고, 내경부의 제1 곡률(C1)은 R13이며, 자화 중심점 갭(E1)는 7이다.
아래의 [표 2]는 도 2 내지 도 7에 도시한 각각의 아크 타입 영구자석의 자석 사용량, 역기전력(Bemf), 자석 사용량 대비 역기전력을 기재하고 있다.
[표 2]
상기 [표 2]를 참조하면, 5가지의 설계 인자, 즉, 두께(A1), 폭(B1), 내경부의 제1 곡률(C1), 외경부의 제2 곡률(D1), 자화 중심점 갭(E1)을 적절히 변경하면서 해당 모터에 필요한 성능을 최적화하는 것이 가능하다.
한 예로, 센서의 간격을 유지하기 위해 자석 오버행이 필수인 에어컨 모터의 경우, 도 5에 도시한 아크 타입 영구자석을 사용하는 것이 바람직하다.
그리고, 자석 사용량 대비 역기전력 상승 효과가 큰 아크 타입 영구자석으로는 도 7에 도시한 아크 타입 영구자석을 사용하는 것이 바람직하다.
바 타입 영구자석은 영구자석의 폭과 두께가 설계 인자로 사용된다.
그런데, 상기 2개의 설계 인자로는 영구자석의 형상 설계의 다변화가 어려우며, 적용 제품군에 따라 샤프트의 외경이 정해져 있는 경우에는 그 범위가 더 제한된다.
또한, 바 타입 영구자석의 경우, 영구자석의 두께는 모터의 감자내력과 연관성이 높고, 모터의 역기전력 향상에는 영구자석의 길이가 더 많은 기여를 한다.
하지만, 자속 집중형 로터에서는 바 타입 영구자석의 길이가 길수록 바 타입 영구자석의 하단부가 내경부 코어 쪽으로 깊게 위치하고 있으므로 바 타입 영구자석의 착자성이 떨어지는 문제도 발생한다.
하지만, 본 명세서의 아크 타입 영구자석의 경우, 바 타입과 동일한 자석 체적을 가질 때, 아크 타입 영구자석의 길이(아크 타입 영구자석의 폭)을 짧게 설계하는 것이 가능하고, 아크 타입 영구자석의 양 끝단의 두께도 얇게 설계하는 것이 가능하기 때문에 착자성 측면에서도 바 타입 영구자석에 비해 유리하다.
또한, 본 명세서에 따르면, 본 명세서에서 정의된 5가지의 설계 인자(두께, 폭, 내경부의 제1 곡률, 외경부의 제2 곡률, 자화 중심점 갭)에 따른 모터의 역기전력 상승 효과를 분석하는 것이 가능하고, 각 인자별 비율을 특정지어 모터의 효과를 극대화하는 것이 가능하다.
이하, 각 인자별 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 상승 효과에 대해 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명한다.
도 8은 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률과 외경부의 제2 곡률의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이고, 도 9는 아크 타입 영구자석의 두께와 폭의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
그리고 도 10은 아크 타입 영구자석의 자화중심점 갭과 폭의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이고, 도 11은 아크 타입 영구자석의 내경부의 제1 곡률과 두께의 비율에 따른 자석 사용량 대비 역기전력의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 8 내지 도 11을 참조하면, 아크 타입 영구자석은 아래의 식 (2) 내지 (5) 중에서 적어도 하나를 만족하도록 설계될 수 있다.
(2) A1=k1×C1 (k1은 0.31 내지 0.37)
(3) B1=k2×A1 (k2는 2.9 내지 3.75)
(4) B1=k3×E1 (k3는 1.8 내지 2.7)
(5) D1=k4×C1 (k4는 0.62 내지 0.98)
상기 식 (2) 내지 (5)에서, 아크 타입 영구자석의 두께(A1), 폭(B1), 자화 중심점 갭(E1)의 단위는 서로 동일할 수 있다.
한 예로, 아크 타입 영구자석의 두께(A1), 폭(B1), 자화 중심점 갭(E1)의 단위는 mm 또는 cm일 수 있다.
상기 식 (2) 내지 (5)에서, k1 내지 k4가 각각 상기 값을 만족하면, 아크 타입 영구자석의 자석 사용량 대비 역기전력(역기전력/자석 사용량)은 대략 0.5 이상이 된다.
한편, 자석 사용량 대비 역기전력 성능이 우수한 것보다 단지 역기전력이 우수한 모터를 설계하고자 할 경우에는 아래의 식 (6)을 참조할 수 있다.
(6) M1=(C1/D1)×A1/(C1-D1) (M1은 2.5 이상)
도 12를 참조하면, 역기전력은 설계 변수 "M1"이 2를 초과하면서 급격히 상승하며, 이후, 기울기가 완만해지는 것을 알 수 있다.
따라서, 역기전력을 극대화한 아크 타입 영구자석을 설계할 경우에는 설계 변수 "M1"을 2.5 이상으로 설정하는 것이 바람직하다.
이상에서 설명한 바에 따르면, 모터의 요구되는 성능 또는 조건에 따라, 상기 식 (2) 내지 (6) 중에서 적어도 하나를 만족하도록 아크 타입 영구자석을 설계하는 것이 가능하다.
이하에서는 본 명세서에 따른 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 로터 및 이 로터를 구비한 10극 자속 집중형 모터에 대해 설명한다.
도 13은 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 로터 및 이 로터를 구비한 10극 모터의 개략적인 구성을 나타내는 도면이고, 도 14는 도 13에 도시한 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이며, 도 15는 도 13에 도시한 자속 집중형 로터에서 발생하는 누설 자속을 설명하기 위한 도면이다.
본 명세서의 제1 실시 예에 따른 자속 집중형 로터를 구비한 모터는 스테이터(100)와 자속 집중형 로터(200)를 포함한다.
스테이터(100)는 스테이터 코어(110)와, 상기 스테이터 코어(110)에서 반경 방향으로 돌출되는 복수 개의 티스(120)를 포함할 수 있다. 상기 스테이터 코어(110)는 환형으로 형성될 수 있다.
상기 티스(120)의 반경 방향 내측 말단에는 원주 방향 양쪽으로 연장되는 폴슈(130)가 구비될 수 있다. 티스와 티스 사이에는 슬롯(140)이 형성된다. 따라서, 상기 티스(120)와 슬롯(140)을 통해서 코일(150)이 권선된다.
자속 집중형 로터(200)는 샤프트(210), 로터 코어(220), 및 아크 타입 영구자석(230)을 구비한다.
도 2에 도시한 바와 같이, 아크 타입 영구자석(230)은 제1 곡률(C1)로 형성되는 내경부(231)와, 제2 곡률(D1)로 형성되는 외경부(233)를 구비한다.
외경부(233)의 제2 곡률(D1)은 내경부(231)의 제1 곡률(C1)은 서로 다른 크기로 형성되며, 외경부(233)의 제2 곡률(D1)은 내경부(231)의 제1 곡률(C1)보다 크게 형성될 수도 있고, 이와 반대로 작게 형성될 수도 있다.
아크 타입 영구자석(230) 각각의 자화 방향은 접선 방향(T)으로 진행되며, 외경부(233) 쪽이 강한 자속면으로 형성되고, 내경부(231) 쪽이 약한 자속면으로 형성된다.
아크 타입 영구자석(230)은 내경부(231)의 단부와 외경부(233)의 단부를 연결하는 연결부(235)를 더 포함할 수 있고, 연결부(235)는 외경부(233)의 단부에 연결되는 제1 직선부(235a)와, 제1 직선부(235a)의 단부와 내경부(231)의 단부를 연결하는 제2 직선부(235b)를 포함할 수 있다.
그리고 제1 직선부(235a)와 제2 직선부(235b)는 90도의 내각(A2)을 갖도록 형성될 수 있다.
로터 코어(220)는 내경부 코어(221)와 외경부 코어(223) 및 브릿지(225)를 포함한다.
내경부 코어(221)는 샤프트(210)가 삽입되는 샤프트 관통홀(221a)을 구비한 환형의 링 형상으로 형성된다.
외경부 코어(223)는 내경부 코어(221)의 외주면에서 내경부 코어(221)의 원주방향(또는 접선방향)을 따라 복수 개가 배열되며, 아크 타입 영구자석(230)을 수용하기 위한 영구자석 삽입부(223a)들을 형성하도록 서로 이격하여 배치된다.
외경부 코어(223)의 외측단의 양측 가장자리 부분에는 원호 방향으로 돌출되어 있는 제1 고정돌기(223b) 및 제2 고정돌기(223c)가 형성될 수 있다. 제1 및 제2 고정돌기(223b)(223c)는 아크 타입 영구자석(230)이 영구자석 삽입부(223a)에 삽입되어 있을 때, 아크 타입 영구자석(230)의 위치를 고정시켜 주며, 로터(200)의 회전시 아크 타입 영구자석(230)의 비산을 방지하는 역할을 한다.
즉, 외경부 코어(223)는 오픈 슬롯 구조를 갖는다.
브릿지(225)는 외경부 코어(223) 각각에 대응하여 내경부 코어(221)의 원주방향을 따라 복수 개가 배열되며, 외경부 코어(223) 각각을 내경부 코어(221)에 연결한다.
상기 외경부 코어(223)를 외측 코어라 할 수 있고, 내경부 코어(221)를 내측 코어라 할 수 있다. 왜냐하면 내경부 코어(221)는 외경부 코어(223)의 반경 방향 내측에 위치하기 때문이다. 그리고 상기 외경부 코어(223)를 요크(yoke)라 할 수도 있다.
영구자석 삽입부(223a)에는 약한 자속면을 갖는 내경부(231)와 강한 자속면을 갖는 외경부(233)를 구비한 아크 타입 영구자석(230)이 서로 이웃한 것과는 서로 다른 면이 향하게 배치된다. 따라서, 자속을 보상할 수 있고, 토크 리플을 저감할 수 있다.
아크 타입 영구자석(230)의 하단부, 즉 아크 타입 영구자석(230)의 제1 직선부(235a)와 내경부 코어(221) 사이에는 내경부 코어(221)의 원주방향으로 서로 이웃한 2개의 브릿지(225)에 의해 구획되는 공극(H1)이 형성된다.
외경부 코어(223)는, 서로 이웃한 2개의 아크 타입 영구자석 중 제1 아크 타입 영구자석(230A)의 내경부(231)와 접촉하는 제1 측면(223d)과, 2개의 아크 타입 영구자석 중 제2 아크 타입 영구자석(230B)의 외경부(233)와 접촉하는 제2 측면(223e)을 구비하며, 하단부에 위치하는 제1 절개부(223f)를 더 구비한다.
제1 절개부(223f)는 외경부 코어(223)의 제2 측면(223e)의 단부로부터 제1 측면(223d) 쪽으로 연장되어 형성된다.
그리고 브릿지(225)는 외경부 코어(223)의 제1 측면(223d)의 단부로부터 연장되어 내경부 코어(221)에 연결되는 제1 측면(225a)과, 제1 측면(225a)의 반대쪽에 위치하며 내경부 코어(221)에 연결되는 제2 측면(225b)을 포함한다.
브릿지(225)의 제2 측면(225b)은 제2 아크 타입 영구자석(230B)의 외경부(233)의 단부로부터 외경부 코어(223)의 제1 측면(223d) 쪽으로 이격하여 위치한다.
여기에서, 제2 아크 타입 영구자석(230B)의 하단부는 제1 직선부(235a)일 수 있다.
브릿지(225)의 제2 측면(225b)의 이격 거리(D2)는 다양한 값으로 설정될 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 브릿지(225)의 제1 측면(225a) 중 일부는 제1 아크 타입 영구자석(230A)의 연결부(235)의 적어도 일부, 예를 들면, 제2 직선부(235b)와 접촉할 수 있다.
제1 절개부(223f)는 아크 타입 영구자석(230)의 제1 직선부(235a)와 외경부 코어(223)의 제2 측면(223e)의 하단부가 연결되는 지점(P1)으로부터 외경부 코어(223)의 제1 측면(223d) 쪽으로 연장될 수 있다.
도 13 내지 도 15의 실시 예에 도시한 바와 같이, 제1 절개부(223f)는 외경부 코어(223)의 제2 측면(223e)과 접촉하는 제2 아크 타입 영구자석(230B)의 제1 직선부(235a)와 외경부 코어(223)의 제2 측면(223e)의 하단부가 연결되는 지점(P1)으로부터 외경부 코어(223)의 제1 측면(223d) 쪽으로 연장되되, 제2 아크 타입 영구자석(230B)의 연결부(235)의 적어도 일부, 예를 들면, 제1 직선부(235a)와 평행하게 연장될 수 있다.
그리고 브릿지(225)의 제2 측면(225b)은 제1 절개부(223f)의 단부로부터 연장되어 내경부 코어(221)에 연결된다.
브릿지(225)의 제2 측면(225b)의 이격 거리(D2)는 제1 절개부(223f)의 길이(L3)보다 짧을 수 있다.
또한, 브릿지(225)의 제2 측면(225b)과 제1 절개부(223f)의 단부가 연결되는 부분(P2)은 아크 타입 영구자석(230)의 제1 직선부(235a)보다 방사방향으로 외측에 위치할 수 있다.
그리고 브릿지(225)의 최대 폭(W1)은 외경부 코어(223)의 하단부의 폭(W2)보다 작게 형성된다.
누설 자속량을 효과적으로 감소시키기 위해, 제1 절개부(223f)와 브릿지(225)의 제2 측면(225b)은 직각 또는 예각의 각도(A3)을 형성하는 것이 바람직하다.
도 13 내지 도 15에 도시한 실시 예에서는 제1 절개부(223f)와 브릿지(225)의 제2 측면(225b)이 예각을 형성하고 있다.
이러한 구성에 따르면, 도 15에 도시한 바와 같이, 외경부 코어(223)의 하단부에 구비된 제1 절개부(223f)로 인해 브릿지(225)의 제2 측면(225b)이 제2 영구자석(230B)의 외경부(233)로부터 외경부 코어(223)의 제1 측면(223d) 쪽으로 이격하여 위치한다.
따라서, 제1 절개부(223f)를 구비하지 않은 자속 집중형 로터에 비해 누설 경로가 상대적으로 증가하므로 자기저항이 증가하고, 제1 절개부(223f)로 인해 자속이 꺾여서 흐르게 되므로, 브릿지(225)를 통한 누설 자속량이 감소한다.
그리고 아크 타입 영구자석을 사용하므로, 바 타입 영구자석에 비해 자속 및 효율이 증가하고, 오픈 슬롯 구조를 채용하더라도 바 타입 영구자석에 비해 자석 비산의 힘이 효과적으로 분산되어 로터 코어의 기계적 강성이 증가한다.
이하, 본 명세서의 다른 실시 예에 따른 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어에 대해 설명한다.
이하의 실시 예를 설명함에 있어서, 전술한 제1 실시 예와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 16은 본 명세서의 제2 실시 예에 따른 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
도 16에 도시한 실시 예에 있어서, 제1 절개부(223f)는 전술한 제1 실시 예에 비해 내경부 코어(221) 쪽으로 꺾여서 형성된다.
즉, 전술한 제1 실시 예에서는 제1 절개부(223f)가 제2 아크 타입 영구자석(230B)의 제1 직선부(235a)로부터 연장되되, 상기 제2 아크 타입 영구자석(230B)의 연결부(235)의 적어도 일부, 예를 들면, 제1 직선부(235a)와 평행하게 연장된 구성을 채용하고 있다.
하지만, 본 실시 예에서와 같이, 제1 절개부(223f)가 전술한 제1 실시 예에 비해 내경부 코어(221) 쪽으로 꺾여서 형성될 수도 있다.
그리고, 본 실시 예의 경우, 제1 절개부(223f)와 브릿지(225)의 제2 측면(225b) 사이의 각도(A3)는 대략 직각을 형성하고 있다.
본 발명인이 실험한 바에 따르면, 역기전력을 효과적으로 향상시키기 위해서는 누설 경로를 증가시키는 것이 바람직하므로, 제1 절개부(223f)와 브릿지(225)의 제2 측면(225d)이 형성하는 각도(A3)를 작게 형성하는 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.
도 17은 본 명세서의 제3 실시 예에 따른 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
본 실시 예의 자속 집중형 로터에 구비된 외경부 코어는 아크 타입 영구자석(230)의 연결부(235)의 적어도 일부, 예를 들면, 제1 직선부(235a)와 평행하게 연장된 제1 절개부(223f)의 단부로부터 방사방향 외측으로 연장되는 제2 절개부(223g)를 더 포함하고, 브릿지(225)의 제2 측면(225b)은 제2 절개부(223g)의 단부로부터 연장되어 내경부 코어(221)에 연결된다.
그리고 제2 절개부(223g)와 브릿지(225)의 제2 측면(225b) 사이의 각도(A3)는 예각을 형성하며, 브릿지(225)의 제2 측면(225b)과 제2 절개부(223g)의 단부가 연결되는 부분(P3)은 아크 타입 영구자석(230)의 제1 직선부(235a)보다 방사방향으로 외측에 위치한다.
따라서, 본 실시 예의 자속 집중형 로터는 본 명세서의 제1, 2 실시 예에 비해 누설 경로가 상대적으로 증가하므로, 역기전력을 더 크게 향상시킬 수 있다.
도 18은 본 명세서의 제4 실시 예에 따른 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
본 실시 예의 자속 집중형 로터에 구비된 로터 코어는 전술한 제1 실시 예의 로터 코어의 외경부 코어(223)에 홀(223h)을 형성하여 외경부 코어(223)의 하단부 부분에서 국부적 포화를 발생시키는 구성을 개시하고 있다.
외경부 코어(223)의 누설 경로 상에서의 국부적 포화를 효과적으로 발생시키기 위해, 외경부 코어(223)의 제1 측면(223d)과 홀(223h) 사이의 간격(D3)은 0.5mm 정도를 유지하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 홀(223h)은 전술한 다른 실시 예들에 구비된 외경부 코어에도 적용이 가능하다.
그리고 아크 타입 영구자석이 적용된 자속 집중형 로터의 경우, 아크 타입 영구자석의 형상 설계도 중요하지만, 아크 타입 영구자석을 로터 코어에 어떻게 배치하는 가도 중요한 설계 인자이다.
도 19는 아크 타입 영구자석의 배치 각도 또는 매립 각도에 따른 역기전력의 개선율을 나타내는 그래프이다.
도 13 및 도 19를 참조하면, 10극 모터의 경우, 아크 타입 영구자석(230)은 제1 연결선(L4)과 제2 연결선(L5) 사이에 5도 내지 20도의 사이각(A4)이 유지되도록 영구자석 삽입부에 삽입하는 경우, 역기전력 개선율이 우수한 것을 알 수 있다.
여기에서, 제1 연결선(L4)은 내경부 코어(221)의 중심으로부터 아크 타입 영구자석(230)의 한쪽 단부에 형성된 제1 직선부(235a)의 중심을 연결한 선을 말하고, 제2 연결선(L5)은 내경부 코어(221)의 중심으로부터 아크 타입 영구자석(230)의 다른 쪽 단부에 형성된 제1 직선부(235a)의 중심을 연결한 선을 말한다.
이하에서, 전술한 본 명세서의 자속 집중형 모터에 구비되는 홀 센서의 정확한 위치를 선정하는 방법에 대해 설명한다.
도 20은 아크 타입 영구자석을 구비한 10극 자속 집중형 모터에서 홀 센서가 설치되는 위치를 나타내는 도면이고, 고, 도 21은 아크 타입 영구자석을 구비한 10극 자속 집중형 모터에 구비되는 인쇄회로기판의 저면도이다.
아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서, 홀 센서의 위치는 D축으로부터 아래의 [표 3]에서 시프트 기계각(C'/E), 즉 제1 기계각(C'/E)만큼 이동한 지점으로 선정한다.
[표 3]
상기 [표 3]은 홀 센서의 피시디(PCD)가 46mm인 경우를 한 예로 나타낸 것이다.
상기 [표 3]에서, 기준 전기각(Reference EAng, "A")은 역기전력(Bemf)에서 홀 센서 전압(Vh)를 제한 값이다.
그리고 제3 기계각(A')은 홀 센서의 피시디(PCD), 아크 타입 영구자석의 형상, 및 아크 타입 영구자석의 매립 각도에 근거하여 결정되는 값으로, 아크 타입 영구자석의 폭방향 중심을 상기 아크 타입 영구자석의 길이 방향으로 연결하는 제1 가상선(IL1)과 상기 홀 센서의 피시디(PCD)가 서로 교차하는 교차점(①)이 상기 D축과 이루는 각도(A')를 말한다.
여기에서, 제1 가상선(IL1)은 마그네틱 센터 라인(magnetic center line)이라고 말할 수도 있다.
제3 기계각(A')은 아래의 식 (1)을 이용하여 계산할 수 있다.
(1) A'=sin-1{k/(PCD/2)}
상기 식 (1)에서, A'은 제3 기계각, k는 D축과 상기 교차점 간의 수직 거리이다.
도 20은 홀 센서의 피시디(PCD)가 각각 42mm, 44mm, 46mm인 경우의 마그네틱 센터 라인(IL1) 상의 홀 센서의 위치(①)와, 홀 센서의 피시디(PCD)가 46mm인 경우의 홀 센서의 최종 위치(②)를 도시하고 있다.
그리고 센싱 전기각(Sensing Eang, "B'")은 제3 기계각(A')과 극쌍수(E)를 곱한 값(A'×E)에 바 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서의 센싱 전기각(B), 즉 제2 전기각(B)을 더한 값이다{B'=B+(A'×E)}.
그리고 시프트 전기각(Shift Eang, "C'")은 기준 전기각(Reference Eang)을 만족하기 위하여 홀 센서가 이동해야 할 위치에 해당하는 각도로, 센싱 전기각(B')에서 기준 전기각(A)을 제한 값이다(C'=B'-A).
그리고 시프트 기계각(Shift Ang, (C'/E))은 시프트 전기각(C')을 기계각으로 환산한 값으로, 시프트 전기각(C')을 자속 집중형 모터의 극쌍수(E)로 나눈 값이다.
따라서, 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 시프트 기계각(C'/E)만큼 이동한 위치(②)를 홀 센서의 최종 위치로 선정한다.
즉, 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서는 홀 센서의 피시디(PCD: Pitch Circle Diameter) 상에서 D축으로부터 시프트 기계각(C'/E)만큼 이동한 위치(②)를 홀 센서의 최종 위치로 선정한다.
여기에서, D축은 A상 코일에 DC 전류를 인가할 때 로터가 정렬되는 위치를 말하며, 자속 집중형 모터의 극수/슬롯수에 따라 정의된다.
아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터에서는 D축과 아크 타입 영구자석이 정렬되어 있지 않다.
여기에서, D축과 아크 타입 영구자석이 정렬되어 있지 않다는 것은 아크 타입 영구자석의 마그네틱 센터 라인(IL1)이 D축과 일치하지 않는 것을 의미한다.
따라서, [표 3]을 참조하면, 기준 전기각(A)이 120도인 케이스 1에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 15.5도만큼 이동한 위치에 홀 센서를 설치하고, 기준 전기각(A)이 150도인 케이스 2에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 9.05도만큼 이동한 위치에 홀 센서를 설치하며, 기준 전기각(A)이 180도인 케이스 3에서는 로터가 D축 정렬된 상태에서 3.05도만큼 이동한 위치에 홀 센서를 설치한다.
이에 따르면, [표 1] 및 [표 3]을 비교해 볼 때, 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 모터의 경우, 서로 동일한 극수 및 피시디를 가지며 복수 개의 바 타입 영구자석이 매립된 자속 집중형 로터를 구비한 자속 집중형 모터에서 기준 전기각(A)을 만족하기 위하여 홀 센서가 이동해야 할 각도인 제2 기계각(B)에 제3 기계각(A')을 더한 지점에 홀 센서(20)를 설치하는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.
이상에서는 전술한 실시 예들에 기재된 형상 및 구조의 아크 타입 영구자석(230)을 구비한 자속 집중형 모터에서 홀 센서의 정확한 설치 위치를 결정하기 위한 방법에 대해 설명하였으나, 선행특허 1에 개시된 바와 같이 내경부의 제1 곡률과 외경부의 제2 곡률은 서로 동일하게 형성된 아크 타입 영구자석을 구비한 자속 집중형 로터를 구비한 경우에도 홀 센서의 정확한 설치 위치를 결정하기 위한 상기 방법에 적용될 수 있음은 자명하다.
즉, 제3 기계각(A')은 홀 센서의 피시디(PCD), 아크 타입 영구자석의 형상 및 아크 타입 영구자석의 매립 각도에 근거하여 계산되므로, 홀 센서의 정확한 설치 위치를 결정하기 위한 상기 방법은 홀 센서의 피시디(PCD), 아크 타입 영구자석의 형상 및 아크 타입 영구자석의 매립 각도와 무관하게 적용될 수 있다.
도 21은 인쇄회로기판(300)의 저면에 홀 센서(20)가 설치된 상태를 나타낸다.
본 명세서는 본 명세서의 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 따라서, 상술한 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 명세서의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 명세서의 범위에 포함된다.
100: 스테이터 200: 자속 집중형 로터
210: 샤프트 220: 로터 코어
221: 내경부 코어 223: 외경부 코어
225: 브릿지 230: 아크 타입 영구자석

Claims (23)

  1. 제1 곡률로 형성되는 내경부와 제2 곡률로 형성되는 외경부 및 상기 내경부의 단부를 상기 외경부의 단부에 연결하는 연결부를 포함하는 아크 타입 영구자석이 복수 개 매립된 자속 집중형 로터; 및
    상기 아크 타입 영구자석의 위치를 파악하기 위한 홀 센서(hall sensor)를 구비한 인쇄회로기판
    을 포함하며,
    상기 자속 집중형 로터가 D축 정렬된 상태에서, 상기 홀 센서는 D축으로부터 제1 기계각만큼 시프트된 위치에서 상기 홀 센서의 피시디(PCD: Pitch Circle Diameter) 상에 위치하며,
    상기 제1 기계각은 제2 기계각과 제3 기계각의 합으로 이루어지며,
    상기 제2 기계각은, 상기 자속 집중형 로터와 서로 동일한 극수 및 피시디를 가지며 복수 개의 바 타입 영구자석이 매립된 자속 집중형 로터를 구비한 자속 집중형 모터에서 기준 전기각을 만족하기 위하여 홀 센서가 이동해야 할 각도이고,
    상기 제3 기계각은, 아크 타입 영구자석의 폭방향 중심을 상기 아크 타입 영구자석의 길이 방향으로 연결하는 제1 가상선과 상기 홀 센서의 피시디(PCD)가 서로 교차하는 교차점이 상기 D축과 이루는 각도인 자속 집중형 모터.
  2. 제1항에서,
    상기 제3 기계각은 상기 홀 센서의 피시디, 상기 아크 타입 영구자석의 형상 및 상기 아크 타입 영구자석의 매립 각도에 근거하여 결정되는 자속 집중형 모터.
  3. 제2항에서,
    상기 제3 기계각은 하기의 식 (1)에 근거하여 산출되는 자속 집중형 모터.
    (1) A'=sin-1{k/(PCD/2)}
    상기 식 (1)에서, A'은 제3 기계각, k는 D축과 상기 교차점 간의 수직 거리임.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 자속 집중형 로터는,
    샤프트;
    로터 코어; 및
    상기 복수 개의 아크 타입 영구자석
    을 포함하고,
    상기 로터 코어는,
    상기 샤프트가 삽입되는 샤프트 관통홀을 구비한 환형의 링 형상의 내경부 코어와,
    상기 내경부 코어의 외주면에서 상기 내경부 코어의 원주방향을 따라 복수 개가 배열되며, 상기 복수 개의 아크 타입 영구자석을 수용하기 위한 영구자석 삽입부들을 형성하도록 서로 이격하여 배치되는 외경부 코어와,
    상기 외경부 코어 각각에 대응하여 상기 내경부 코어의 원주방향을 따라 복수 개가 배열되며, 상기 외경부 코어 각각을 상기 내경부 코어에 연결하는 브릿지
    를 포함하며,
    상기 외경부 코어는 하단부에 위치하는 제1 절개부를 구비하는 자속 집중형 모터.
  5. 제4항에서,
    상기 복수 개의 아크 타입 영구자석은 각각 하기의 5개의 식 중에서 적어도 어느 하나를 만족하는 자속 집중형 모터.
    (2) A1=k1×C1 (k1은 0.31 내지 0.37)
    (3) B1=k2×A1 (k2는 2.9 내지 3.75)
    (4) B1=k3×E1 (k3는 1.8 내지 2.7)
    (5) D1=k4×C1 (k4는 0.62 내지 0.98)
    (6) M1=(C1/D1)×A1/(C1-D1) (M1은 2.5 이상)
    상기 식 (2) 내지 (6)에서,
    A1은 아크 타입 영구자석의 두께, B1은 아크 타입 영구자석의 폭, C1은 내경부의 제1 곡률, D1은 외경부의 제2 곡률, E1은 자화 중심점임.
  6. 제5항에서,
    상기 아크 타입 영구자석의 상기 제2 곡률은 상기 제1 곡률보다 크게 형성되는 자속 집중형 모터.
  7. 제6항에서,
    상기 아크 타입 영구자석의 상기 연결부는, 상기 외경부의 단부에 연결되는 제1 직선부와, 상기 제1 직선부의 단부와 상기 내경부의 단부를 연결하는 제2 직선부를 포함하는 자속 집중형 모터.
  8. 제7항에서,
    상기 로터 코어에는 10개의 상기 아크 타입 영구자석이 매립되는 자속 집중형 모터.
  9. 제8항에서,
    상기 아크 타입 영구자석은 상기 내경부 코어의 중심으로부터 상기 아크 타입 영구자석의 한쪽 단부에 형성된 제1 직선부의 중심을 연결한 제1 연결선과 상기 내경부 코어의 중심으로부터 상기 아크 타입 영구자석의 다른 쪽 단부에 형성된 제1 직선부의 중심을 연결한 제2 연결선 사이에 5도 내지 20도의 사이각이 유지되도록 상기 영구자석 삽입부에 삽입되는 자속 집중형 모터.
  10. 제4항에서,
    상기 외경부 코어는 서로 이웃한 2개의 아크 타입 영구자석 중 제1 아크 타입 영구자석의 내경부와 접촉하는 제1 측면과, 상기 2개의 아크 타입 영구자석 중 상기 제1 측면의 반대쪽에 위치하는 제2 아크 타입 영구자석의 외경부와 접촉하는 제2 측면을 구비하며,
    상기 제1 절개부는 상기 외경부 코어의 제2 측면의 단부로부터 상기 제1 측면 쪽으로 연장되어 형성되는 자속 집중형 모터.
  11. 제10항에서,
    상기 브릿지는 상기 외경부 코어의 제1 측면의 단부로부터 연장되어 상기 내경부 코어에 연결되는 제1 측면과, 상기 브릿지의 제1 측면의 반대쪽에 위치하며 상기 내경부 코어에 연결되는 제2 측면을 포함하는 자속 집중형 모터.
  12. 제11항에서,
    상기 브릿지의 제2 측면은 상기 제2 아크 타입 영구자석의 외경부의 단부로부터 상기 외경부 코어의 제1 측면 쪽으로 이격하여 위치하는 자속 집중형 모터.
  13. 제12항에서,
    상기 브릿지의 제1 측면 중 일부는 상기 제1 아크 타입 영구자석의 연결부의 적어도 일부와 접촉하는 자속 집중형 모터.
  14. 제13항에서,
    상기 제1 절개부는 상기 제2 아크 타입 영구자석의 제1 직선부와 상기 외경부 코어의 제2 측면의 하단부가 연결되는 지점으로부터 상기 외경부 코어의 제1 측면 쪽으로 연장되는 자속 집중형 모터.
  15. 제14항에서,
    상기 브릿지의 제2 측면은 상기 제1 절개부의 단부로부터 연장되어 상기 내경부 코어에 연결되는 자속 집중형 모터.
  16. 제15항에서,
    상기 브릿지의 제2 측면과 상기 제1 절개부의 단부가 연결되는 부분은 상기 제1 아크 타입 영구자석의 제1 직선부보다 방사방향으로 외측에 위치하는 자속 집중형 모터.
  17. 제15항에서,
    상기 제1 절개부와 상기 브릿지의 제2 측면은 예각을 형성하는 자속 집중형 모터.
  18. 제15항에서,
    상기 제1 절개부는 상기 제2 아크 타입 영구자석의 연결부의 적어도 일부와 평행한 자속 집중형 모터.
  19. 제14항에서,
    상기 외경부 코어는 상기 제1 절개부의 단부로부터 방사방향 외측으로 연장되는 제2 절개부를 더 포함하는 자속 집중형 모터.
  20. 제19항에서,
    상기 브릿지의 제2 측면은 상기 제2 절개부의 단부로부터 연장되어 상기 내경부 코어에 연결되는 자속 집중형 모터.
  21. 제20항에서,
    상기 브릿지의 제2 측면과 상기 제2 절개부의 단부가 연결되는 부분은 상기 제1 아크 타입 영구자석의 제1 직선부보다 방사방향으로 외측에 위치하는 자속 집중형 모터.
  22. 제20항에서,
    상기 제2 절개부와 상기 브릿지의 제2 측면은 예각을 형성하는 자속 집중형 모터.
  23. 제20항에서,
    상기 제1 절개부는 상기 제2 아크 타입 영구자석의 연결부의 적어도 일부와 평행하게 형성되는 자속 집중형 모터.
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