KR20000009230A - 브리시리스 직류 전동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 브러시리스 직류 전동기에 관한 것으로, 회전자 코아에 영구자석이 매입된 회전자를 포함하는 브러시리스 직류 전동기에 있어서, 상기 회전자의 각극은 외부 영구자석과 내부 영구자석이 2층 구조로 회전자 코아에 매입되어 형성됨으로써, 전동기의 효율이 향상됨과 동시에 진동 및 소음이 저감되는 효과가 있다.

Description

브리시리스 직류 전동기
본 발명은 브러시리스 직류 전동기(BLDC motor; brushless DC motor)에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 회전자(rotor)의 구조를 개선하여 전동기의 효율을 향상시킴과 동시에 진동 및 소음을 저감하는 브러시리스 직류 전동기에 관한 것이다.
일반적으로, 전동기는 높은 효율을 얻기 위해서 높은 토오크(torque)가 발생되도록 설계하여야 하는데 이와 같이 높은 토오크가 발생되도록 하기 위해서 영구자석(megnet)을 사용한 브러시리스 직류 전동기가 개발 사용되고 있다.
즉, 영구자석을 사용한 브러시리스 직류 전동기는 영구자석으로부터 자계가 형성되어 영구자석을 사용하지 않은 전동기에 비해 효율이 높은 것이다.
도 1은 종래 기술의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도로서, 상기 도 1에 도시된 브러시리스 직류 전동기의 회전자(10)는 회전자 코아(12)의 표면에 영구자석(14)에 매입된 구조로 되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기는, 영구자석(14)이 반발 또는 흡입하는 것에 의한 영구자석(14) 토오크만을 사용하여 회전자(10)를 회전시킴에 따라 효율이 극대화되지 못하였다.
도 2는 종래 기술의 2실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도로서, 상기 도 2에 도시된 브러시리스 직류 전동기는 회전자(20)가 공극(26)을 사이로 내측면에 슬롯(32)이 형성된 고정자(30)의 내측에 배설되며, 상기 회전자(20)는 회전자 코아(22)의 내측에 영구자석(24)이 매입된 구조로 되어 있다.
즉, 상기와 같은 종래 기술의 2실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기는, 영구자석(24)이 반발, 흡입하는 것에 의해 발생되는 영구자석(24) 토오크와, 고정자(30)의 코일이 회전자 코아(22)를 끌어 당기는 것에 의해 발생되는 릴럭턴스 토오크(reluctance torque)를 사용하여 회전자(20)를 회전시킴에 따라 종래 기술의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기에 비하여 효율이 높아지는 반면에 효율 향상에 따른 진동 및 소음이 증가하게 되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 진동 및 소음은 전자기적인 토오크의 변동과 부하의 종류 및 특성에 따른 부하의 토오크 변동으로 인해 발생하며, 상기 토오크 변동은, 코아의 포화, 고정자와 회전자의 편심 및 비대칭구조, 고정자 슬롯과 회전자 자극의 형상 등에 의한 공극 투자(permeance)의 불균일한 분포, 영구자석 및 권선의 불균일한 상태등에 의해 발생된다.
특히, 브러시리스 직류 전동기의 속도제어특성에 가장 큰 영향을 미치는 축상의 변동은 고정자 슬롯의 개구폭, 회전자 자극의 형상, 영구자석의 장착상태등으로 인해서 발생되는 공극 자속밀도의 맥동에 의해 주로 발생된다.
즉, 브리시리스 직류 전동기에서는 공극내의 기본파 자속과 고조파 자속에 의해 고정자 코아와 영구자석 간에 상호 전자적인 흡입력이 발생하고, 이 흡입력이 변동함에 따라 진동하게 된다.
그리고, 공극내에서 발생되는 고조파 자속성분은 고정자 코아 및 회전자 코아의 형상에 따라 더욱 복잡한 자기적인 고조파 성분을 발생시키며, 이와 같은 고주파 성분에 의해 적층한 코아 박판간에 흡입력 또는 반발력이 발생하고, 이에 따라 진동 및 소음을 발생시킨다.
특히, 현재 사용되고 있는 고속 고출력용 브러시리스 직류 전동기는 슬롯형 브러시리스 직류 전동기이므로 슬롯으로 인해 코깅 토오크(cogging torque : 코아를 사용한 슬롯형 전동기에서 무여자시(無勵磁時) 공극길이의 공간적인 불균일로 인해 발생되는 자기적 맥동토오크)가 발생되며, 상기 코깅 토오크에 의해 진동이 더욱 상승하는 결과를 초래하게 된다.
이때, 상기와 같이 브러시리스 직류 전동기의 소음원으로 동작하는 코깅 토오크는 영구자석과 고정자 티스(teeth) 사이의 공극에 저장되는 자기 에너지가 위치에 따라 다르기 때문에 자성체가 받는 힘이 달라짐으로써 발생하게 된다.
그리고, 코깅 토오크의 주기는 회전자의 자극수와 고정자의 티스(teeth)의 조합에 따라 결정되고, 코깅 토오크의 주기가 작아진다는 것은 공극 에너지를 분산시켜 코깅 토오크의 크기를 줄이는 것과 같다.
따라서, 코깅 토오크를 줄이기 위해서는 고정자 티스 사이의 거리를 조절하면되나, 이와 같이 고정자 티스 사이의 거리를 조절한다는 것은 한계가 있다.
즉, 권선을 삽입하기 위해서는 고장자 티스가 서로 임의의 간격을 가져야만 하고, 권선방식에 따라 임의 간격을 유지해야만 하므로, 고정자 티스 사이의 거리를 조절하는 것은 한계가 있는 것이다.
따라서, 브러시리스 직류 전동기의 효율을 향상시킴과 동시에 진동 및 소음을 저감하기 위해서는 고정자와 회전자 사이에 존재하는 공극의 자속밀도를 크게 함과 동시에 공극의 자속밀도를 균일하게 하여야 하는데, 이와 같이 공극의 자속밀도를 크게 함과 동시에 공극의 자속밀도를 균일하게 하기 위해서는 회전자 코아에 매입되는 영구자석의 형상이 매우 중요하다.
즉, 코아의 투자율은 3000∼4000(H/m) 정도로 공기나 영구자석의 투자율 보다 매우 높은 값을 가지고 있으므로, 고정자에서 유기된 전자력은 회전자의 코아를 당기는 힘을 발생시키는데, 영구자석은 투자율이 공기와 거의 같아 공극의 기능을 하기 때문에 영구자석의 형상을 설계하는 것이 매우 중요하다.
그러나, 종래 기술에 의한 브러시리스 직류 전동기는 공극의 균일한 자속분포보다는 효율을 향상시키는데 초점을 개발됨에 따라 효율이 향상되는 만큼 진동 및 소음이 증가하는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 제 문제점을 해소하기 위한 것으로, 회전자의 구조를 개선하여 전동기의 효율을 향상시킴과 동시에 진동 및 소음을 저감하는 브러시리스 직류 전동기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 브러시리스 직류 전동기는, 회전자 코아에 영구자석이 매입된 회전자를 포함하는 브러시리스 직류 전동기에 있어서, 상기 회전자의 각극은 외부 영구자석과 내부 영구자석이 2층 구조로 회전자 코아에 매입되어 형성된 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래 기술의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도,
도 2는 종래 기술의 2실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도,
도 3은 본 발명의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도,
도 4는 본 발명의 2실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3은 본 발명의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도로서, 본 발명의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자(40)는, 회전자 코아(42)에 외부 영구자석(44)와 내부 영구자석(46)이 2층 구조로 매입되어 형성되어 있다.
상기 외부 영구자석(44)은 그 외측면이 회전자(40)의 외측면 원호와 동일한 원호를 이루도록 형성되고, 상기 내부 영구자석(46)은 그 내측면과 외측면이 서로 다른 원호를 이루면서 회전자(40)의 중심축(48)을 향해 돌출되도록 형성되어 있다.
그리고, 상기 내부 영구자석(46)의 내측면 반경을 r1, 상기 내부 영구자석(46)의 외측면 반경을 r2, 상기 외부 영구자석(44)의 외측면 반경을 r3라 할 때, r2<r3<r1이 되도록 상기 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)이 형성되어 있다.
그리고, 상기 외부 영구자석(44)은 그 두께(d2)가 상기 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)간의 거리와 같거나 이 보다 크도록 형성되는 한편, 상기 외부 영구자석(44) 및 내부 영구자석(46)은 페라이트 자석 또는 회토류계 자석으로 형성되어 있다.
또한, 회전자(40)가 고속회전시 원심력에 의해 상기 외부 영구자석(44) 및 내부 영구자석(46)이 비산하는 것을 방지하기 위해, 외부 영구자석(44) 및 내부 영구자석(46)이 고정리벳(49)에 의해 회전자 코아(42)에 체결되어 있다.
도 4은 본 발명의 2실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자 구조도로서, 본 발명의 2실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 회전자(50)는, 회전자 코아(52)에 외부 영구자석(54)와 내부 영구자석(56)이 2층 구조로 매입되어 형성되어 있다.
상기 외부 영구자석(54)은 그 외측면이 회전자(50)의 외측면 원호와 동일한 원호를 이루도록 형성되고, 상기 내부 영구자석(46)은 사다리꼴 형상을 이루면서 회전자(50)의 중심축(58)을 향해 돌출되도록 형성되어 있다.
그리고, 상기 외부 영구자석(54)은 그 두께(d2)가 상기 외부 영구자석(54)과 내부 영구자석(56)간의 거리와 같거나 이 보다 크도록 형성되는 한편, 상기 외부 영구자석(54) 및 내부 영구자석(56)은 페라이트 자석 또는 회토류계 자석으로 형성되어 있다.
또한, 회전자(50)가 고속회전시 원심력에 의해 상기 외부 영구자석(54) 및 내부 영구자석(56)이 비산하는 것을 방지하기 위해, 외부 영구자석(54) 및 내부 영구자석(56)이 고정리벳(59)에 의해 회전자 코아(52)에 체결되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 브러시리스 직류 전동기의 작용 및 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.
브러시리스 직류 전동기는 외부로부터 인가된 전류에 의해 토오크를 발생시키는데, 이때 토오크 정수( KT )는 다음의 수학식 1에 의해 얻어진다.
KT=4NphΦgm(θ)
상기에서 Nph 는 직렬권선수, Φgm(θ) 는 공극자속분포의 최대치이다.
이때, 상기 수학식 1에서 알 수 있듯이, 토오크 정수( KT )는 회전각의 함수이며, 구동방식에 의해 주기를 갖는다.
따라서, 브러시리스 직류 전동기에서 회전자를 회전시키는 전체 토오크는 브러시리스 직류 전동기에 전류가 인가됨에 따라 발생되는 토오크와, 브러시리스 직류 전동기로 인가되는 전류와 무관하게 전자기적 위치에너지의 변동으로 인해 발생되는 코깅 토오크를 포함한다.
이때, 브러시리스 직류 전동기에서 발생되는 진동 및 소음을 저감하기 위해서는 공극을 증대시키면 되나, 이와 같이 공극을 증대시키면 누설자속이 커지고 유효자속이 감소하므로 효율이 떨어지게 된다.
따라서, 본 발명의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기에서는, 회전자 코아(42)에 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)을 2층으로 매입함으로써, 브러시리스 직류 전동기의 효율을 향상시킴과 동시에 진동 및 소음을 감소시킨 것이다.
즉, 회전자 코아(42)의 표면에 외부 영구자석(44)을 매입함으로써, 공극 자속밀도를 높게 하고, 고정자 코일에서 발생되는 자속이 상기 외부 영구자석(44)에서 발생되는 자속의 반대 방향으로 걸리면 상기 외부 영구자석(44)이 감자되어 수명이 짧아지므로, 이러한 감자 특성을 방지하기 위해 외부 영구자석(44)의 길이를 짧게 하였다.
그리고, 상기와 같이 외부 영구자석(44)의 길이를 짧게 하면 회전자(40)의 극과 극 사이의 거리가 멀어져서 공극 자속밀도가 불균일하게 됨에 따라, 이러한 점을 보완하기 위해 회전자(40)의 내부에 매입되는 내부 영구자석(46)을 회전자(40)의 극과 극이 서로 접하는 지역까지 연장하였다.
또한, 상기 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)의 사이에 회전자코아(42)가 존재함에 따라 고정자 코일에 의해 발생되는 자속이 상기 회전자코아(42)를 따라서 흘러 외부 영구자석(44)과 외부 영구자석(46)을 피해 지나가므로 감자되는 방향으로 흐르지 않아 최적으로 계자를 걸 수 있는 것이다.
또, 상기와 같이 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)의 사이에 존재하는 회전자 코어(42)를 따라 고정자 코일에 의해 발생되는 자속이 흐르므로, 릴럭턴스 토오크가 발생한다.
즉, 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)의 투자율은 진공의 투자율과 거의 같기 때문에 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)이 존재하는 부분을 자기적으로 공극으로 보아도 되므로, 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)의 사이의 회전자 코어(42)로 고정자 코일에 의해 발생되는 자속이 흘러 릴럭턴스 토오크가 발생한다.
이때, 전체 토오크중 상기 릴럭턴스 토오크가 10∼30%가 되도록 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)의 형상을 최적화시킨다.
또한, 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)이 가지고 있는 보자력(coercive force)을 사용하는 방법과 회전자코아(42)에 의해 회전자(40)의 극간부를 결합하고 이 극간부를 자기적으로 포화시키는 방법에 의해 외부 영구자석(44)을 지지하는 기계적 강도를 향상시킴과 동시에 약계자제어시의 특성을 개선할 수 있다.
이때, 상기 회전자(40)의 극간부가 자기적으로 포화되었기 때문에 릴럭턴스 토오크보다는 영구자석 토오크의 기능을 발휘하게 되는 것이다.
그리고, 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)이 매입된 회전자(40)가 고속으로 회전시 회전속도의 곱에 비례하여 발생되는 원심력에 의해 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)이 비산하는 것을 방지하기 위해 고정 리벳(49)을 이용하여 외부 영구자석(44)과 내부 영구자석(46)을 회전자코아(42)에 단단히 체결한다.
한편, 본 발명의 2실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 작용 효과는 본 발명의 1실시예와 동일한 작용효과를 가지며, 단지 내부 영구자석(56)의 형상이 본 발명의 1실시예에 의한 브러시리스 직류 전동기의 내부 영구자석(46)과 다른데, 이는 각진형상을 채용함으로써, 제조공정의 단순화하기 위한 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 외부 영구자석과 내부 영구자석이 2층 구조로 코아에 매입하여 회전자극을 형성함에 따라, 전동기의 효율이 향상됨과 동시에 진동 및 소음이 저감되는 효과가 있다.

Claims (9)

  1. 회전자 코아에 영구자석이 매입된 회전자를 포함하는 브러시리스 직류 전동기에 있어서,
    상기 회전자의 각극은 외부 영구자석과 내부 영구자석이 2층 구조로 회전자 코아에 매입되어 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 영구자석은 그 외측면이 회전자의 외측면 원호와 동일한 원호를 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 영구자석은 그 내측면과 외측면이 서로 다른 원호를 이루면서 회전자의 중심축을 향해 돌출되고, 그 양단이 회전자의 각극들이 서로 접하는 지역까지 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 내부 영구자석의 내측면 반경을 r1, 상기 내부 영구자석의 외측면 반경을 r2, 상기 외부 영구자석의 외측면 반경을 r3라 할 때, r2<r3<r1가 되도록 상기 외부 영구자석과 내부 영구자석이 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 영구자석은 사다리꼴 형상을 이루면서 회전자의 중심축을 향해 돌출되도록 형성되고, 그 양단이 회전자의 각극들이 서로 접하는 지역까지 연장되어 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 영구자석 및 내부 영구자석은 고정리벳에 의해 회전자 코아에 체결된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 영구자석은 그 두께가 상기 외부 영구자석과 내부 영구자석간의 거리와 같거나 이 보다 크도록 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 영구자석 및 내부 영구자석은 페라이트 자석으로 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 영구자석 및 내부 영구자석은 회토류계 자석으로 형성된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류 전동기.
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