KR19990038193U - 영구자석 매립형 모터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 영구자석 매립형 브러쉬리스 모터의 회전자 구조에 관한 것으로서, 특히 자석배치와 구조를 자속이 균일하게 분포하도록 하고, 누설자속을 줄임으로써 자속의 유효율을 높이도록 하기 위한 회전자를 채택하는 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조에 관한 것이다.

이를 위한 본 고안은, 슬롯내에 여자코일이 권선된 고정자와, 상기 고정자로부터 발생되는 자기장에 의해서 회전되는 복수의 평면형상의 영구자석이 매립된 회전자로 이루어진 영구자석 매립형 모터에 있어서, 상기 회전자는, 상기 회전자의 반경방향에 대하여 90도 간격으로 수직으로 형성되는 4개의 제1 영구자석 매립홈들과, 상기 제1 영구자석 매립홈 각각의 양끝단에서 소정각도로 상기 회전자의 외주연을 향하여 형성된 8개의 제2 영구자석 매립홈들을 포함하며, 상기 제2 영구자석 매립홈 각각의 측단면과 상기 회전자의 외주연 사이의 거리를 일정두께로 한 것을 특징으로 한다.

Description

영구자석 매립형 모터

본 고안은 영구자석 매립형 브러쉬리스 모터의 회전자 구조에 관한 것으로서, 특히 자석배치와 구조를 자속이 균일하게 분포하도록 하고, 누설자속을 줄임으로써 자속의 유효율을 높이도록 하기 위한 회전자를 채택하는 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조에 관한 것이다.

가전제품이나 산업기기의 고성능화, 경박단소화를 추진하는 과정에서 브러쉬리스 모터의 사용가치는 더욱 커지고 있으며, 반도체 기술을 중심으로 한 부품이나 재료의 진보로 인한 모터의 제어기술은 브러쉬리스 모터의 신뢰도를 향상시킴으로써, 그 사용영역이 점점 넓어지고 있다.

이러한, 브러쉬리스 모터의 일반적인 작동원리를 도 1 및 도 3에 도시하기로한다.

도 1은 브러쉬리스 모터의 작동원리를 나타내기 위한 구조도이고, 도 2는 도 1의 각상에 흐르는 전류의 파형도이고, 도 3a는 이들 각상에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자계방향을 표시한 벡터도이고, 도 3b ∼ 도 3f는 회전자가 회전되는 각도에 따라서, 발생되는 자계를 나타내는 벡터도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 극N, S를 갖는 회전자(1) 주위에는 고정자에 배치된 3개의 상전류가 흐르는 고정자 코일Lu, Lv, Lw이 120°간격으로 배치되어 있다. 또한 각각의 코일의 한 종단은 전압공급원 Vcc에 연결되고, 다른 종단은 스위칭 소자 Qu, Qv, Qw에 연결된다. 스위칭 소자는 구동제어부(2)의 제어에 따라 온/오프됨으로써, 코일에 전류를 통전시킨다.

180°통전방식을 채택한 경우의 일례로 도 2에 도시된 바와 같이 각각의 상에 전류가 흐른다고, 가정할 때 자계의 방향은 이들 권선으로부터 회전자(1)를 향하여 발산되는 방향으로 정하였다. 이들 각 권선은 120°간격으로 배치되어 있기 때문에 도 3a에 도시된 바와 같이, 이들로부터 발산되는 자계 또한 120°간격을 이루게 된다.

도 3b와 같이 전기각 0°인 순간에는 전류가 u, v상에 흐르게 된다. 즉, 구동제어부(2)의 제어신호에 의해서 Qu, Qv를 온시켜 결국 u, v상에 전류가 흐르게 되면, 자기장Mu, Mv가 발생되게 되고, 이들의 합성자계 MT1이 형성된다. 합성자계MT1의 영향으로 회전자(1)는 도 3b에 도시된 바와 같은 상태로 회전하게 된다. 도 2에 도시된 바와 같이 전기각 60°가 경과되면 v상에 전류를 차단토록하여, 회전자(1)를 반대방향으로 회전시키도록 하는 자계성분 Mv의 발생을 억제한다. 즉, u상에만 전류를 통전시켜 자계Mu만 발생시킨다. 이때 회전자(1)는 도 3c에 도시된 바와 같은 상태로 회전되고, 자계 Mu벡터는 N극의 중앙을 향하게 되어 회전자(1)를 동일방향으로 계속회전시킨다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 전기각 120°경과시에 u상 및 w상에 전류가 공급되게 되어 각각의 자기장을 형성하고, 이들의 합성자계 MT2에 의해서 회전자(1)가 회전을 하게 된다. 도 3e에 도시된 바와 같이 전기각 180°경과시에는 회전자(1)는 원래상태의 반대상태를 유지하게 되고, 이러한 상태에서는 회전반대방향으로 회전력을 발생시키는 자계 Mu, Mw를 발생시키는 전류를 차단시키고, 회전력방향의 자계 Mw을 발생시키기 위해서, w상에만 전류를 공급한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 고정자 권선에 발생되는 자계는 적절히 각상의 전류를 제어함으로써, 회전자계를 형성할 수 있고, 이 회전자계를 따라서 회전자는 회전을 하게 된다.

이와 같은 브러쉬리스 모터의 회전자계는 각각의 상의 자기장들의 합성자계로 이루어지기 때문에 매 순간에 회전자계의 크기는 일정하지 않고, 이러한 회전자계에 의해서 발생되는 토크 또한 일정하지 않아 리플현상이 발생하게 된다. 또한 회전자의 구조에 따라서, 합성자계는 회전자의 영구자석과 상호작용을 하게되나, 회전자내부를 통과하는 합성자계가 특정부분에 밀집되게 되면, 자기저항이 증가하게 되어, 손실이 발생하게 되고, 회전자구조가 적절하지 않은 경우에는 영구자석에서 발생되는 자속이 인접자석으로 누설되어 버리는 누설자속이 증가하게 되어 효율이 저하하게 된다.

도 4a는 종래 브러쉬리스 모터에 사용되는 회전자철판의 일실시예도이고, 도 4b는 도4a 의 회전자 철판을 적층시킨 회전자를 적용한 모터의 단면도이다.

회전자(1)는 회전자에서 발생되는 철손을 줄이기 위해서, 얇은 규소재질의 철판(40)을 적층하여 사용하게 된다. 따라서, 회전자(1)의 단면의 형상은 회전자 철판(40)의 모양과 동일하다. 회전자 철판(40)은 중앙에 회전축을 압입할 수 있도록 회전축 압입홀(41)이 형성되어 있고, 철판(40)을 적층하여 볼트로 고정시킬 수 있는 볼트삽입홀(42)이 형성되어 있고, 회전축을 중심으로 대칭되게 영구자석을 매립할 수 있도록 영구자석 매립홀(44)이 형성되어 있다. 이때 매립홀(44)에 매립된 영구자석으로부터 발생되는 자속은 회전자(1)와 고정자(45) 사이의 공극을 지나 고정자(45)의 이(티스; teeth)(46)를 향하게 된다. 다른 말로 표현하면, 도 4b와 도 5의 자속흐름도(자속분포도)에서와 같이, 고정자(45)에서 발생한 자속이 고정자의 티스(46), 회전자 철심(40) 및 매립홀(44)에 매립된 영구자석을 경유하고 다시 회전자 철심(40), 대칭되게 매립된 영구자석, 회전자 철심(40)를 경유하여 고정자(45)의 티스(46)로 흘러들어가 폐루프를 형성하게 된다.

그런데, 상술한 종래기술에 의한 회전자 철심의 극 분리되는 지점, 즉 회전자 철심의 외주연이 회전자의 축을 중심으로 하여 원형으로 이루어져 있기 때문에 영구자석의 측단부에서 나온 자속의 일부(A)는 도 5에 도시된 바와 같이 상대극 영구자석으로 직접 흐르게 된다. 즉, 매립홀에 매립된 영구자석의 끝단부에서 나온 자속이 고정자로 전부 흐르지 않고 일부(A)는 회전자 측면 주위에서 누설된다. 이는 영구자석의 끝단부 근방의 회전자 철심이 원형으로 되어 있어 자속이 흐르기에 충분한 철심면적을 제공하기 때문이다.

상기와 같이 자속이 회전자 내부에서 순환하는 누설자속(도 5; 'A')은 회전자의 회전에 영향을 주지 못하는 무효한 자속이기 때문에 모터의 효율은 그 만큼 떨어지게 된다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 회전자 철심에서 누설되는 자속이 최소화되도록 회전자 철심을 구조변경함으로써 모터의 효율을 증가시키고 회전자 철심의 재료비도 절감할 수 있도록 한 영구자석 매립형 브러쉬리스 모터의 회전자 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 다른 극성의 영구자석이 인접하는 회전자 철심의 외주연에 凹부를 형성하여 이것에 의해 누설자속을 최소화시킴으로써 동일 소비전력으로 높은 출력을 얻을 수 있고, 토크 리플 현상도 감소시켜 소음진동이 최소화되도록 한 영구자석 매립형 브러쉬리스 모터의 회전자 구조를 제공하는데 있다.

도 1은 브러쉬리스 모터의 작동원리를 나타내기 위한 구조도이다.

도 2는 도 1의 각상에 흐르는 전류의 파형도이다.

도 3a는 도 1의 모터 각상에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자계방향을 표시한 백터도이고, 도 3b ∼ 도 3f는 회전자가 회전되는 각도에 따라서, 발생되는 자계를 나타내는 백터도이다.

도 4a는 종래기술에 의한 일실시예의 브러쉬리스 모터에 사용되는 회전자 철판이고, 도 4b는 도 4a의 회전자 철판을 적용한 모터의 단면도이다.

도 5는 도 4에 도시된 모터의 영구자석으로부터 발생되는 자속분포의 상세도이다.

도 6a는 본 고안의 일실시예인 회전자 철판의 평면도이다.

도 6b는 도 6a의 'D' 부분의 확대도이다.

도 7a는 본 고안의 영구자석을 배치한 경우의 자속분포도이고, 도 7b는 도 7a에 도시한 자속분포의 상세도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

41 : 회전축 압입홀 50 : 회전자 철판

51 ∼ 54 : 제1 영구자석 매립홈 61 ∼ 68 : 제2 영구자석 매립홈

100 : 회전자 110 : 자속누설방지 홈

상기 목적을 달성하기 위하여 본 고안에 따른 영구자석 매립형 브러쉬리스 모터의 회전자 구조는,

슬롯내에 여자코일이 권선된 고정자와, 상기 고정자로부터 발생되는 자기장에 의해서 회전되는 복수의 평면형상의 영구자석이 매립된 회전자로 이루어진 영구자석 매립형 모터에 있어서,

상기 회전자는,

상기 회전자의 반경방향에 대하여 90도 간격으로 수직으로 형성되는 4개의 제1 영구자석 매립홈들과, 상기 제1 영구자석 매립홈 각각의 양끝단에서 소정각도로 상기 회전자의 외주연을 향하여 형성된 8개의 제2 영구자석 매립홈들을 포함하며,

상기 제2 영구자석 매립홈 각각의 측단면과 상기 회전자의 외주연 사이의 거리를 일정두께로 한 점에 그 특징이 있다.

본 고안의 바람직한 실시예에 있어서, 극성이 다른 영구자석이 인접하여 매립되는 상기 제2 영구자석 매립홈들에 대응되는 외주연에 凹 형상의 홈부가 마련되되, 이 凹 형상의 홈부의 벽부는 상기 제2 영구자석 매립홈들과 평행한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 고안에 따른 영구자석 매립형 브러쉬리스 모터의 회전자 구조의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 설명의 편의를 위해 종래기술에서 사용하였던 구성부재와 동일한 작용을 하는 구성부재에 대해서는 같은 도면부호를 사용한다.

도 6a는 본 고안의 일실시예인 회전자 철판의 평면도이다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 본 고안의 일실예인 4극 구조를 갖는 회전자(100)의 회전자 철판(50)은 중앙에 회전축(미도시)을 압입할 수 있도록 회전축 압입홀(41)이 형성되어 있고, 회전중심의 반경반향에 대하여 수직인 일정길이의 상호대칭되는 영구자석과, 이 영구자석의 양 끝단부에서 소정각도로 회전자 철판(50)의 외주연 방향으로 8개의 영구자석이 사다리꼴 형상으로 배치될 수 있도록 제1 영구자석 매립홈(51∼54)과 제2 영구자석 매립홈(61∼68)들이 형성되어 있어, 이 매립홈(51∼54)(61∼68)들에는 평면형 영구자석이 압입, 고정된다. 여기서, 3개의 자석으로 이루어진 사다리꼴 형상의 모서리부의 두 영구자석이 상호 이루는 각은 회전자 내부에 자속이 원만하게 흐를 수 있도록 120°∼ 170°가 적절하고, 바람직하기로는 150°로 설정할 수 있다.

또한, 영구자석의 두께는 실험적으로 회전자 외주경의 2∼8%가 바람직하며, 동일한 극끼리는 회전축을 중심으로 180°대칭되도록 배치된다.

그리고, 다른 극들의 영구자석, 예를들어 제2 영구자석 매립홀(67)(68)들은 중심에서 반경방향으로 멀어질수록 서로 인접되도록 한다. 즉, 회전자 외주면을 향하게 될수록 서로 가까워지도록 한다.

더욱이, 회전자 외주연에는 자속의 누설을 방지하기 위한 凹 형상의 홈(110)이 형성되는데, 이 홈(110)은 서로 다른 극들의 영구자석이 인접하는 경계부분의 회전자 외주연에 형성된다. 즉, 예를 들어 서로다른 극성의 제2 영구자석 매립홈(67)(68)의 이격거리의 중심선과 회전자 외주연이 교차하는 곳에 자속누설 방지 홈(110)의 중심이 중심이 위치하게 된다.

도 6b는 자속누설방지 홈(110)인 도 6a의 'D'부분의 확대도이다.

회전자 외주연에 형성되는 凹 형상의 자속누설방지 홈(110)은 영구자석의 측단부와 일정두께를 갖는 a부(a), a부(a)들에 연설되며 제2 영구자석 매립홈(67)(68)과 평행하는 내부벽인 b부(b), 및 홈(110)의 저면인 c부로 이루어진다. 여기서, a부(a)의 두께(L1)와 b부(b)의 두께(L2) 및 a부의 두께를 뺀 홈의 깊이(L3)는 각각 0.3 ∼ 0.5mm로 한다. 상기한 자속누설방지 홈(110), 실질적으로 홈(110)의 깊이(L3)는 고정자와 회전자와의 공극(air gap)보다 크게 되어, 종래기술에서 언급한 원형의 외주연에 의한 무효자속, 즉 누설자속을 방지시켜 준다.

경우에 따라서는, 자석누설방지 홈(100)의 깊이(L3)는 영구자석들의 두께를 초과하지 않는 범위로 하고, 홈(110)의 폭은 영구자석의 두께의 1.2배를 초과하지 않도록 함으로써, 자석단부에서 발생되는 자속들이 홈(110)를 통과하지 못하고, 인접되는 고정자(45)의 티스(teeth;46)를 통과하도록 한다.

상기와 같이 구성된 본 고안의 동작 및 작용효과를 도 6 및 도 7를 참조하여 설명하기로 한다.

도 7은 본 고안에 따라 영구자석을 배치한 경우의 자속분포도이다.

회전자 내부의 영구자석으로 발산되는 자속선은 회전자와 고정자 사이의 공극을 지나, 고정자 티스(teeth;47)를 통과하여 회전자(100) 몸통을 경과한 후 인접되는 반대극성의 영구자석에 수렴된다. 발산되는 자속은 투자율이 좋은 매질을 통하여 흐르려고 하고, 자속의 통과 경로, 즉, 자로의 길이가 짧을수록 자기저항이 작아지게 되므로 동일 자기량에 많은 자속수가 발생되므로, 가능한 자로가 짧도록 자기회로를 구성하여야 한다. 또한 자속의 분포가 어느 특정부분에 밀집되게 되면, 자기저항이 증가하게 되어 손실이 크게 되므로 가능한 자성체에서는 균일한 자기장의 분포를 이루도록 하여야 한다.

도 7에 도시된 바와 같이, 자속은 특정부위에 집중되지 않는 균일한 분포를 이루고 있다. 특히, 회전자 내부에서, 자석내부의 자속선의 형상이 수렴되거나, 발산되는 자속선의 방향과 연속되고 있다.

또한, 영구자석의 단부에서 발생되는 자속선이 인접되는 영구자석을 직접 통과해버리는 누설자속들, 즉 무효자속들은 자속누설방지 홈(110)가 존재하고, 자속누설방지 홈(110)의 형상이 영구자석과 고정자 티스(46)사이의 자기저항보다, 영구자석의 단부와 인접되는 영구자석의 단부사이의 자기저항보다 작도록 설계됨으로써, 누설자속수를 줄여 영구자석의 단부에서 발생되는 자속들을 고정자 티스(46)를 통과하게 되고, 이것은 결국 모터 효율을 높인다.

이로써, 본 고안에 따르면, 같은 코일 턴수와 같은 전류를 소비하는 경우에 고정자의 기자력에서 발생하는 토크량이 종래기술에 의한 경우 보다 훨씬 크며, 토크의 리플도 종래의 것보다 훨씬 개선되게 된다.

상기한 바의 본 고안의 구성, 작용에 의하면, 회전자의 자석배치를 개량하고, 회전자 외주연에 적절한 크기의 자속누설방지 홈을 형성함으로써, 회전자 내부에서 발생되는 누설자속수를 감소시켜 회전자내부에서 발생되는 철손을 감소시킴으로서, 모터 운전시 과열을 방지하고, 유효자속수를 증가시킴에 따라서, 동일전류 입력에서 보다 큰 토크를 얻을 수 있기 때문에 고효율로 모터를 동작시킬 수 있으며, 동일 토크를 얻기 위해서는 모터를 소형화할 수 있다. 또한 회전자 내부의 자속이 흐르는 경로를 최단 거리화하여 자기 저항을 감소시킴으로써, 동일 고정자 전류에서 최대의 토크를 얻을 수 있도록 하는 이점이 있다.

즉, 본 고안은 다른 극성의 영구자석이 인접하는 회전자 철심의 외주연에 凹부 형상의 홈을 형성하여 이것에 의해 누설자속을 최소화시킴으로써 동일 소비전력으로 높은 출력을 얻을 수 있고, 토크 리플 현상도 감소시켜 소음진동이 최소화되도록 하는 효과를 제공한다.

한편, 상술한 바와 같은 본 고안 영구자석 매립형 브러쉬리스 모터의 회전자 구조는 상기 실시예에 한정되지 않고 본원 고안의 정신과 범위를 이탈하지 아니하고 많은 제조변형을 가하여 실시할 수 있음은 물론이다.

Claims (4)

1. 슬롯내에 여자코일이 권선된 고정자와, 상기 고정자로부터 발생되는 자기장에 의해서 회전되는 복수의 평면형상의 영구자석이 매립된 회전자로 이루어진 영구자석 매립형 모터에 있어서,

   상기 회전자는,

   상기 회전자의 반경방향에 대하여 90도 간격으로 수직으로 형성되는 4개의 제1 영구자석 매립홈들과, 상기 제1 영구자석 매립홈 각각의 양끝단에서 소정각도로 상기 회전자의 외주연을 향하여 형성된 8개의 제2 영구자석 매립홈들을 포함하며,

   상기 제2 영구자석 매립홈 각각의 측단면과 상기 회전자의 외주연 사이의 거리를 일정두께로 한 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조.
2. 제 1 항에 있어서, 극성이 다른 영구자석이 인접하여 매립되는 상기 제2 영구자석 매립홈들에 대응되는 외주연에 凹 형상의 홈부가 마련되되, 이 凹 형상의 홈부의 벽부는 상기 제2 영구자석 매립홈들과 평행하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제2 영구자석 매립홈 각각의 측단면과 상기 회전자의 외주연 사이의 일정 거리두께는 0.3 ∼ 0.5mm인 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 凹 형상의 홈부의 벽부와 상기 제2 영구자석 매립홈들과의 평행 거리두께는 0.3 ∼ 0.5mm인 것을 특징으로 하는 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조.