KR20000046769A - 무정류자 직류전동기의 회전자 - Google Patents

무정류자 직류전동기의 회전자 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전자 철심에 매입되는 영구자석의 외경쪽 모서리 부분을 면취하여 회전자의 극(pole) 경계점의 자속밀도를 낮춤으로써 코깅토오크를 줄여서 세탁기에 적용되는 경우에 탈수시 약계자 운전을 할 경우 전류 및 소음을 줄일 수 있는 무정류자 직류전동기의 회전자( Rotor of BLDC motor )에 관한 것으로서,
회전자 철심 및 그에 결합되는 영구자석을 포함하되, 상기 회전자 철심에는 영구자석이 매입되는 관통홀이 사각형의 형태로 배치되어 형성되고, 상기 영구자석은 극(pole) 경계점의 자속밀도를 낮출 수 있도록 회전자 철심의 관통홀에 매입되는 경우에 외경쪽에 해당되는 모서리가 면취된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 영구자석의 면취치수는 전기각으로 2.5도 내지 25도의 범위에 속하는 것이 바람직하다.

Description

무정류자 직류전동기의 회전자
본 발명은 무정류자 직류전동기의 회전자에 관한 것으로서 특히, 영구자석 모서리 부분에서의 자계집중을 해소할 수 있도록 구조를 개선한 무정류자 직류전동기의 회전자에 관한 것이다.
일반적으로, 매입형 영구자석을 적용하는 무정류자(BLDC) 전동기를 구동부로 사용하는 세탁기에서는 제작시 회전자 철심(core)에 영구자석을 삽입한 후 착자를 하면 자계구조상 영구자석의 모서리 부분에 강한 자계가 형성되고, 이와 고정자의 슬롯에 의해서 공극 자속밀도가 불균일하게 되어 코깅토오크(cogging torque)가 발생하게 된다. 특히, 약계자 운전시는 모서리 부분의 특성을 모두 활용하게 되므로 더욱 자속 불균일이 심하게 발생될수 있어 운전특성에 악영향을 미친다.
상기 코깅토오크는 전동기의 고정자에 전류가 인가되지 않아도 고정자의 치(teeth)와 슬롯(slot) 형상에 따라서 영구자석에서 발생하는 자속의 자기저항 변화에 의해 발생하는 토오크를 말하는데, 코깅토오크가 큰 경우에는 다음과 같은 문제점이 발생한다. 첫 번째, 소음이 커지는데 특히, 고속운전시 불쾌한 고주파의 전자소음이 발생한다. 두 번째, 토오크리플 및 진동이 소음으로 작용하여 전동기의 손실이 커진다. 세 번째, 고속 약계자 운전시 그 부근의 자속밀도가 높아져 전기적 시정수가 증가하여 가속특성이 저하되고 전류가 많이 소모된다.
도 1은 일반적인 무정류자 직류전동기의 회전자 구조를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 매입형 무정류자 직류전동기에서는 영구자석(1)을 직육면체 형태가 되도록 설계한다. 또한, 회전자 철심(2)에는 4개의 영구자석 매입부(2a)가 사각형의 형태로 배치되는데, 각각의 영구자석 매입부(2a)는 각진상태로 형성하기 때문에 영구자석(1)의 고정이 쉽고 영구자석(1)의 가공비가 저렴하게 되는 장점이 있다.
한편, 상기와 같은 무정류자 직류전동기가 구동부로 적용된 세탁기에서 일반적으로 세탁모드와 탈수모드의 기준속도는 20배 정도의 차이가 발생한다. 즉, 세탁모드시 일반운전을 하는 경우는 고토오크 및 저속도 특성이 요구되므로 도 2의 (A)에 도시된 바와 같이 역기전력이 큰 구간에서 상권선에 스위칭 기자력을 인가하여 운전한다.
또한, 탈수모드시 약계자 운전을 하는 경우는 저토오크 및 고속도 특성이 요구되므로 도 2의 (B)에 도시된 바와 같이 역기전력이 작은 구간에서 상권선에 스위칭 기자력을 인가하여 운전함으로써 인가전압에 비하여 높은 고속운전 영역을 확보한다.
상기와 같은 종래 기술에 의한 무정류자 직류전동기는 영구자석의 모서리 부분(도 1의 A 부분 참조)에 자계집중에 의해 착자가 많이 되기 때문에 세탁기에 적용되는 경우에 약계자 운전 즉, 탈수모드시 탈수전류가 25% 정도 증가하게 되고, 초기 탈수소음이 크게 나타나는 문제점이 발생한다.
또한, 상기와 같은 소음문제와 탈수전류에 의한 고조파(harmonics) 규격을 만족하기 위해 리액터와 커패시터의 용량을 크게 설계하여야 하기 때문에 제품의 가격을 상승시키는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 회전자 철심에 매입되는 영구자석의 외경쪽 모서리 부분을 면취하여 회전자의 극(pole) 경계점의 자속밀도를 낮춤으로써 코깅토오크를 줄여서 세탁기에 적용되는 경우에 약계자 운전시 전류 및 소음을 줄일 수 있는 무정류자 직류전동기의 회전자를 제공하는데 있다.
도 1은 일반적인 무정류자 직류전동기의 회전자 구조를 나타내는 도면.
도 2는 세탁기에서의 운전동작을 설명하기 위한 도면으로서, (A)는 일반운전모드(세탁운전시)에서 역기전력 및 스위칭 기자력을 인가하는 구간을 나타내고, (B)는 약계자 운전모드(탈수운전시)에서 역기전력 및 스위칭 기자력을 인가하는 구간을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 무정류자 직류전동기의 회전자 구조를 나타내는 도면.
도 4는 영구자석의 면취정도에 따른 코깅토오크의 변화를 나타내는 그래프.
도 5는 본 발명 및 종래 기술에서 속도와 토오크의 관계를 나타내는 그래프.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 회전자 철심 및 그에 결합되는 영구자석을 포함하는 무정류자 직류전동기의 회전자에 있어서,
상기 회전자 철심에는 영구자석이 매입되는 관통홀이 사각형의 형태로 배치되어 형성되고, 상기 영구자석은 극(pole) 경계점의 자속밀도를 낮출 수 있도록 회전자 철심의 관통홀에 매입되는 경우에 외경쪽에 해당되는 모서리가 면취된 것을 특징으로 하는 무정류자 직류전동기의 회전자를 제공한다.
이때, 본 발명의 부가적인 특징에 따르면, 상기 영구자석의 면취치수는 전기각으로 2.5도 내지 25도의 범위에 속하는 것이 바람직하다.
여기서, 전기각 = 기계각 × ( 자극수 / 2 )
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 무정류자 직류전동기의 회전자 및 영구자석의 구조를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 영구자석(10)의 회전자 외경방향 모서리(11 참조)를 축방향으로 면취한다. 이때, 상기 영구자석(10)의 면취치수는 전기각으로 2.5도 내지 25도의 범위에 속하도록 한다. 이로 인해, 착자요크에서 영구자석의 착자를 수행할 때 영구자석(10)의 면취된 부분(11)은 공극이 커져 릴럭턴스가 증가하므로 면취가 이루어지지 않은 경우에 비하여 자속밀도가 감소하게 된다. 도 4에는 영구자석(10)의 면취정도에 따른 코깅토오크의 변화가 도시되어 있다. 결국, 면취치수가 클수록 코깅토오크가 감소하기 때문에 코깅토오크에 의한 진동 및 소음이 감소한다.
한편, 세탁기에 적용되어 탈수모드를 수행하기 위하여 약계자 운전시 영구자석(10)의 모서리 부분에서 상권선에 스위칭 기자력을 인가하여 운전하기 때문에 역기전력이 낮을수록 고속에서의 토오크 능력이 커진다. 도 5에 본 발명 및 종래 기술이 적용된 전동기에서 속도와 토오크의 관계를 도시하였다. 도 5에서와 같이 본 발명(B)은 약계자 운전영역의 자속감소로 인해 역기전력이 상대적으로 감소하기 때문에 종래 기술(A)에 비하여 고속에서의 토오크능력과 가속능력이 향상되어 탈수전류가 감소하게 된다.
상기와 같은 이유로 인해 본 발명에서는 EMI 규격을 만족하기 위해 필요한 직류링크단의 리액터와 커패시터를 소형화할 수 있게 된다.
상기에서 영구자석(10)의 면취치수는 코깅토오크의 감소와 함께 약계자 운전시에는 자속벡터상으로 고정자에 의해 감자자계가 증가하는데 이때 영구자석의 모서리 부분의 감자를 방지하기 위해 적당한 설계치수를 가져야 한다. 즉, 자계집중 정도와 약계자 제어방법, 권선방법과 고정자 슬롯치수에 관련되는 치수로서, 자계집중이 심하고 약계자 제어시 진상각이 크고 슬롯의 개구부가 클수록 면취각도는 커져야 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 무정류자 직류전동기의 회전자는 영구자석의 외경쪽 모서리를 면취함으로써 모서리 부분의 자계집중을 방지할 수 있기 때문에 종래 기술에서 발생하는 탈수전류 증가 및 소음의 문제를 해결할 수 있게 되는 효과가 있다.

Claims (3)

  1. 영구자석을 삽입하는 관통홀을 갖는 회전자 철심 및 그에 결합되는 영구자석을 포함하는 무정류자 직류전동기의 회전자에 있어서,
    상기 영구자석은 모서리가 면취된 것을 특징으로 하는 무정류자 직류전동기의 회전자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구자석은 회전자 외경쪽 모서리부분을 면취한 것을 특징으로 하는 무정류자 직류전동기의 회전자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구자석의 면취치수는 전기각으로 2.5도 내지 25도의 범위에 속하는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류전동기의 회전자.
KR1019980063492A 1998-12-31 1998-12-31 무정류자 직류전동기의 회전자 KR20000046769A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20030050707A (ko) * 2001-12-19 2003-06-25 삼성전자주식회사 매립형 영구자석 전동기
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CN109660099A (zh) * 2018-12-10 2019-04-19 陕西法士特齿轮有限责任公司 一种混合励磁同步电机
CN117353488A (zh) * 2022-06-29 2024-01-05 比亚迪股份有限公司 电机的转子结构、电机和车辆
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