KR19980015497A - 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 관한 것으로, 종래와 같이 회전자 케이스 내에 평판형의 자석이 매립된 회전자에서는 자석들간의 자극이 교차하는 부분에서 공극내 자속밀도가 급격한 변화를 보이면서 그 파형이 끊어지게 되어 상기 회전자의 회전시에 코깅토크가 크게 발생되고, 그에 따라 소음도 커지게 되는 문제점이 있었던 바, 본 발명에서는 내주연에 다수개의 치형이 형성된 고정자의 내측에 회전자를 삽입하고, 그 회전자의 내부에 다수개 자석을 매립시키며, 그 자석간 자극이 교차되는 부위에서의 고정자와 회전자 간의 공극을 각 자석 중심부에서의 고정자와 회전자 간의 공급보다 점차적으로 넓게 형성함으로써, 상기 자석의 중심부에서 그 양측면으로 갈수록 발생되는 자속밀도가 점차적으로 낮아지도록 하여 상기 회전자의 회전시 코킹토크와 그에 따른 소음을 저감시키게 되는 효과가 있다.

Description

매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조

본 발명은 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 관한 것으로, 특히 매입형 영구자석의 중심부에서 그 양측면으로 갈수록 발생되는 자속밀도가 점차적으로 낮아지도록 하여 상기 회전자의 회전시 코깅토크와 그에 따른 소음을 저감시키도록 한 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 관한 것이다.

일반적으로 동기전동기는 고정자측에 권선을 하고, 회전자측에는 영구자석을 구비하여 고정자 측에서 발생하는 회전자계를 따라 영구자석을 구비한 회전자가 회전을 하게 된다. 이때, 공극에서의 자속밀도가 사인(sin)파에 가까우면 가까울수록 코깅토크나 토크리플 등이 감소하는 것은 주지의 사실이다.

근래에 급속히 사용영역이 확대된 AC서보 전동기(동기기 형)에서는 토크의 항상성(恒常性), 속도응답성 등이 서보성능의 결정요소인데, 이와같은 요소들은 상기한 코깅토크나 토크리플에 많은 영향을 받는다. 따라서, 전동기의 설계에 있어서, 공극에서의 자속밀도가 사인파에 가깝게 형성되도록 설계하는 것이 주요과제이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 전동기는 내주연에 다수개의 치형이 형성되어 권선(미도시)된 고정자(1)와, 그 고정자(1)의 내측에 소정의 공극을 두고 형성된 회전자(또는 영구자석)(2)로 구성되어 있다.

상기 회전자(2)는, 원통형으로된 회전자 케이스(2a)의 내측 사방에 N극과 S극이 교대로 배치되는 짝수개의 평판형 자석(도면에선 4개)(2b)과, 그 각각의 평판형 자석의 내측 중심에는 상기 회전자의 회전중심이 되는 회전축(2c)이 형성되어 상기 판형 자석(2b)이 회전축(2c)에 본딩, 체결되어 고정자(1)에서 발생되는 회전자계를 따라 회전하게 되는 것이었다. 여기서, 상기 고정자(1)와 회전자(2)의 간격을 공극(3)이라 하고, 이 공극(3)에 자기에너지가 저장된다.

상기와 같은 회전자를 치형의 고정자 내에 삽입하여 조립하게 되면 도 2와 도3에 도시된 바와 같은 파형의 공극자속밀도를 갖게 된다. 즉, 매립된 자석의 중간부위(θ0)(θ3)의 자속밀도가 최고치이고, 상기 자석과 그 다음 자석 사이(θ1~θ2)에서의 공극내 자속밀도는 영(zero)이며, 그 매립된 자석내(θ2~θ4)에서의 공극내 자속밀도는 균일하게 된다.

여기서, 공극(3)에 저장된 자기에너지의 변화에 의해 발생하게 되는 코깅토크는 공극내 자속밀도의 파형을 통해서 그 크기를 알 수 있는데, 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.

[수학식 1]

[수학식 2]

(B는 자속밀도, μ는 자유공간에서의 투자율, r은 회전중심에서 공극중심까지의 거리, L은 회전자의 길이, Tcog는 코깅토크)

다시 말해, 자기에너지(Wg)는 고정자(1)와 회전자(2) 사이(공극)에서의 자속밀도(Bg)의 제곱승에 비례하고, 코깅토크는 상기 자기에너지(Wg)를 편미분한 값이므로, 결국 코깅토크를 줄이기 위하여는 공극내 자속밀도를 얼마나 완만하게 변화시켜야 하는 것이 관건이 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 평판형의 자석(2b)이 매립된 회전자(2)에서는 자석들간의 자극이 교차하는 부분에서 공극내 자속밀도가 급격한 변화를 보이면서 그 파형이 끊어지게 되어 상기 회전자의 회전시에 코깅 토크가 크게 발생되고, 그에 따라 소음도 커지게 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 전동기의 공극에서의 자속밀도파형이 구형파를 이루며, 자극이 서로 교차하는 부분에서 파형의 끊김간격이 축소되도록하여 코킹토크에 의한 소음을 감소시킬 수 있는 전동기용 매입형 영구자석의 회전자를 제공하는데 있다.

도 1은 종래 매입형 영구자석 동기전동기의 구성을 보인 횡단면도.

도 2는 종래 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자를 개략적으로 보인 횡단면도.

도 3은 종래 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 의한 공극자속밀도 파형을 보인 그래프.

도 4는 본 발명에 의한 매입형 영구자석 동기전동기의 구성을 보인 횡단면도.

도 5는 본 발명 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자를 개략적으로 보인 횡단면도.

도 6은 본 발명의 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 의한 공극자속밀도 파형을 보인 그래프.

도 7은 본 발명에 의한 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자에 대한 다른 실시예를 개략적으로 보인 종단면도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:고정자20:회전자

21,21′:회전자 케이스22,22′:영구자석

23,23′:회전축

이와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 내주연에 다수개의 치형이 형성된 고정자의 내측에 케이스가 삽입되고, 그 케이스의 내부에 다수개의 자석이 매립되며, 그 자석간 자극이 교차되는 부위의 공극이 각 자석 중심부의 공극보다 점차적으로 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 동기전동기의 회전자가 제공된다.

이하, 본 발명에 의한 전동기용 영구자석의 회전자를 첨부된 도면에 도시된 일실시예에 의거하여 상세하게 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 회전자 구조는, 내주에 다수개의 치형으로 형성되는 원통형의 고정자(10)와, 그 고정자(10)의 내측에 회전자 케이스(21)가 매입되며 그 내부에 서로 다른 극으로 사방에 평판형 자석(도면에선 4개)(22)이 고정되고 그 각각의 평판형 자석(22)의 중심에 회전축(23)이 본딩, 체결되는 회전자(20)로 구성된다. 여기서, 상기 회전자 케이스(21)는 평판형자석(22) 간의 자극 교차부위를 자석(22)방향으로 요곡형성된다.

즉, 상기 평판형 자석(22)과 회전축(23)을 포함하는 회전자 케이스(21)를 각각의 자석이 대응하는 양끝단부를 내측으로 움푹 들어가게 형성하여 각각의 자극교차부위에 형성되는 공극이 그 외의 부위에서 형성되는 공극보다 그 폭이 넓게 형성되게 하는 것이다.

이로써, 도 5와 도 6에 도시된 바와 같이, 고정자(10)와 회전자(20)와의 공극폭이 가장 좁은부위(θ0)에서의 자속밀도가 가장 높은 수치를 나타내게 되고, 그 밀도는 상기 공극의 폭이 넓어지면서 점점 낮아져 두 자석의 사이(θ1′~θ2′)에서 영(zero)이 되며, 그 두번째 자석의 시작부위(θ2′)에서 다시 밀도가 높아지다가 중간부위(θ3′)에 다다라 먼저번 자석의 중간(θ0′)부위와 같은 수치의 자속밀도를 기록하고는 점차로 낮아져 끝부위(θ4′)에 이르러 다시 영(zero)이 되는 것이다. 이러한 공극내의 자속밀도의 변화는 각 자석(22)마다 동일하게 일어나면서 공극내의 자속밀도파형이 구형파를 이루게 되어 결국 코깅토크가 급격하게 변하는 것이 방지되는 것이다.

본 발명에 의한 다른 실시예가 있는 경우는 다음과 같다.

전술한 실시예에서는 상기 자석(22)을 감싸고 있는 회전자 케이스(21)의 일부분, 즉 각 자석(22)의 중심부보다 각 자극이 교차하는 부위로 갈수록 공극의 폭을 넓게 형성하여 공극내 자속밀도의 파형을 구형파로 하고, 그 각 자극교차부위의 파형간격도 좁게 함으로써, 코깅토크를 감소시키는 것이었으나, 본 실시예에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 회전자 케이스(21′)를 변화시키지 않고 대신에 각 자석(22′)의 두께를 변형하는 것으로, 즉 각 자석의 외측 중간부위(22a′)를 두툼하게 하고 양끝단부(22b′)를 얇게하여 공극내 자속밀도의 파형을 구형파로 개선하는 것으로써, 그 목적과 효과가 전술한 실시예와 대동소이 하게 된다.

본 발명의 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자는, 내주연에 다수개의 치형이 형성된 고정자의 내측에 케이스를 삽입하고, 그 케이스의 내부에 다수개의 자석을 매립시키며, 그 자석간 자극이 교차되는 부위의 공극을 각 자석 중심부의 공극보다 점차적으로 넓게 형성함으로써, 상기 자석의 중심부에서 그 양측면으로 갈수록 발생되는 자속밀도가 점차적으로 낮아지도록 하여 상기 회전자의 회전시 코깅토크와 그에 따른 소음을 저감시키게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

1. 내주연에 치형이 다수개 형성된 고정자의 내측에 회전자가 삽입되고, 그 회전자의 내부에 자석이 다수개 매입되며, 그 매입된각 자석 간의 자극이 교차되는 부위에 대한 고정자와 회전자 간의 공극이 각 자석 중심부에 대한고정자와 회전자 간의 공극보다 점차적으로 넓게 형성되는 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조.
2. 제 1항에 있어서, 상기 자석간 자극이 교차되는부위의 케이스가 움푹하게 요곡, 형성되는 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조.
3. 고정자와, 그 고정자의 내측에 삽입된 회전자의 내부에 매입되는 각 자석의 외측면 중심부가 그 양끝단부의 외측면 보다 두툼하게 형성되는 것을 특징으로 하는 매입형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조.