KR20050069055A - 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조는, 회전자의 회전축을 중심으로 외향하는 하나 이상의 매립홈 쌍이 대칭하여 형성되되, 상기 매립홈 쌍은 "∨" 형상으로 형성되며, 상기 하나 이상의 "∨" 형상의 매립홈 쌍의 센터 포스트는 외측 매립홈 쌍의 센터 포스트가 내측 매립홈 쌍의 센터 포스트보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조{ROTOR STRUCTURE OF MULTI-LAYER INTERIOR PERMANENT MAGNET MOTOR}
본 발명은 매립형 영구자석 모터(Interior Permanent Magnet Motor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 42V 차량의 일체형 제너레이터 스타터(Integrated Generator Starter)용 다층 매립형 영구자석 모터에 관한 것이다.
교류 전동기는 크게 교류 유도 모터와 교류 동기 모터로 구분된다. 상기 교류 동기 모터 중 스테이터측에 전기자 권선이, 로터측에 계자 권선이 구비되는 회전계자형의 경우, 로터에 배치한 계자 권선을 여자하여 로터가 전자석으로 되고, 스테이터에 3상 교류를 인가하여 회전자계에 동기하여 로터가 회전하게 된다.
이때, 상기 로터의 전자석이 영구자석으로 치환된 형태의 교류 동기 모터를 영구자석 모터라하고, 상기 영구자석이 로터 내부에 묻혀 있는 형태를 매립형 영구 자석 모터(Interior Permanent Magnet Motor)라 한다.
도 1에는 종래 기술에 따른 다층 매립형 영구자석 동기기의 구조가 도시되어 있다.
다층 매입형 영구자석 동기 모터는 약계자 제어 기술과의 조합으로 저속에서 고속 회전까지 광범위하게 출력을 얻는 것이 가능하고, 공극 방향에 대해 인덕턴스의 공간적인 비대칭성, 즉 돌극성을 가지고 있어 토크 밀도를 높일 수 있기 때문에 일체형 스타터 제너레이터(Integrated Starter Generator;ISG)로 활발히 개발 진행 중에 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 차량용 ISG로 사용되는 다층 매입형 영구자석 모터는 q축 자로(magnetic field path)와 d축 자로의 자기 저항 값의 차이로 인해 생기는 릴럭턴스 토크(Reluctance torque) 발생을 높이기 위하여 매립된 자석의 층 수를 늘리고, q축 방향의 자속의 흐름을 원활히 하고 동시에 d축 방향의 자속의 흐름을 방해하는 회전자 구조를 가지고 있다.
그러나, 영구자석 동기 모터의 구동 속도가 매우 높아지는 경우에는 매입형 영구자석 모터의 자석을 지지하는 로터의 부위가 원심력 및 전자기 가진력 등에 의한 응력이 발생하게 된다.
도 1에 도시된 점선영역은 일측 로터 철심의 일측에 다층 매립된 영구자석의 지지부 중 응력이 집중되는 지지부를 예시적으로 도시한 것이다.
그러나, 종래의 다층 매립형 영구자석 모터 로터 철심은 자석의 층수에 관계없이 일정한 두께의 지지부를 이용하고 있으며, 따라서 실제로 원심력에 의한 응력을 가장 크게 받는 부분인 가장 안쪽 영구자석의 지지부가 응력 집중에 의해 파괴될 우려가 있었다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조에 관한 것으로, 회전자의 회전축 압입홀을 중심으로 외향하는 하나 이상의 매립홈 쌍이 대칭하여 형성하되, 상기 매립홈 쌍은 "∨" 형상으로 형성된다.
이때, 상기 하나 이상의 "∨" 형상의 매립홈 쌍의 센터 포스트는 회전자의 회전출 압입홀을 중심으로 외측 매립홈 쌍의 센터 포스트가 내측 매립홈 쌍의 센터 포스트보다 좁게 형성된다.
바람직하게는, 상기 하나 이상의 "∨" 형상의 매립홈 쌍의 브릿지는 외측 매립홈 쌍의 브릿지가 내측 매립홈 쌍의 브릿지보다 좁게 형성된다.
상기 센터 포스트는 상기 "∨" 형상의 매립홈의 중간 연결부로서, 회전자 철심으로 지지되는 부위를 의미하며, 그 길이는 상기 "∨" 형상의 매립홈의 내측 종단 사이의 최단거리로 정의된다.
또한, 상기 브릿지는 상기 "∨" 형상의 매립홈의 외측 종단과 회전자 철심의 외주면 사이로 부위를 의미하며, 그 길이는 상기 "∨" 형상의 매립홈의 양 종단과 회전자 철심의 외주면 사이의 최단 길이로 정의된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 상세히 설명한다.
도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 철판 등으로 형성된 로터 철심(200)의 중심에는 회전축이 압입될 수 있는 회전축 압입홀(210)이 형성되어 있고, 로터 철심(200)의 회전축 압입홀(210)을 중심으로 외향되는 하나 이상의 매립홈 쌍이 브이자(V)자 형상으로 상호 대칭되도록 다수의 홈이 형성된다.
회전축 압입홀(210)을 중심으로 일측의 매립홈 쌍에 관하여 살펴본다.
도 2에 도시된 바와 같이, 회전축 압입홀(210)을 중심으로 내측으로부터 외측으로 제1 매립홈 쌍(221a, 221b), 제2 매립홈 쌍(231a, 231b), 제3 매립홈 쌍(241a, 241b), 및 제4 매립홈 쌍(251a, 251b)이 형성되며, 이와 대칭의 형태로 로터 철심(200)의 나머지 부분에 다수의 매립홈 쌍이 형성된다.
상기 제1 매립홈 쌍(221a, 221b)에는 제1 영구자석(222a,222b)이, 상기 제2 매립홈 쌍(231a, 231b)에는 제2 영구자석(232a,232b)이, 상기 제3 매립홈 쌍(241a, 241b)에는 제3 영구자석(242a,242b)이, 상기 제4 매립홈 쌍(251a, 251b)에는 제4 영구자석(252a,252b)이 삽입 고정된다.
상기 복수의 영구자석은 회전축 압입홀(210)을 중심으로 내측에서 외측으로 갈수록 그 크기가 커지도록 형성되며, 따라서 상기 로터 철심(200)이 회전축 압입홀(210)을 중심으로 회전하는 경우, 철판 등으로 형성된 상기 로터 철심(200)은 영구자석에 의한 원심력, 가진력에 기인한 응력을 받게된다.
상기 로터 철심(200)이 받는 영구자석에 의한 원심력, 가진력에 기인한 응력은 각각의 매립홈 쌍의 센터 포스트와 브릿지로 집중되며, 상기 매립홈 쌍의 센터 포스트와 브릿지에 작용하는 응력은 매립되는 영구자석의 크기가 커질수록 증가한다.
따라서, 상기 제1 매립홈 쌍(221a,221b)의 센터 포스트(223) 거리 및 브릿지(224a,224b) 거리는 상기 제2 매립홈 쌍(231a, 231b)의 센터 포스트(233) 거리 및 브릿지(234a,234b) 길이보다 크게 형성된다.
나아가, 제3 매립홈 쌍(241a,241b)의 센터 포스트(243) 길이 및 브릿지(244a,244b) 길이, 제4 매립홈 쌍(251a, 251b)의 센터 포스트(253) 거리와 브릿지(254a,254b) 길이는 점진적으로 감소하여 형성된다.
즉, 회전축 압입홀(210)을 중심으로 내측에서 외측으로 나아갈수록 매립되는 영구자석의 크기와 비례하여 센터 포스트 거리 및 브릿지 거리가 감소하여 형성된다.
도 3에는 종래의 다층 매립형 영구자석 모터의 로터에 대한 응력 해석 결과가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명에 따른 다층 매립형 영구자석 모터의 로터에 대한 응력 해석 결과가 도시되어 있다.
도 3을 참조하여 보면, 각각의 매립홈 쌍의 센터 포스트 및 브릿지에 응력이 집중된 것을 알 수 있으며, 나아가 회전축 압입홀, 즉 로터 철심을 중심으로 내측으로 진행할수록 매립홈 쌍의 센터 포스트 및 브릿지에 응력이 집중되는 것을 알 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 철심은 도 4에 도시된 바와 같이 응력이 집중되는 내측 매립홈 쌍의 센터 포스트 및 브릿지를 외측 매립홈 쌍의 센터 포스트 및 브릿지보다 두껍게 형성한다.
결과적으로, 상기의 구조에 따르면 로터 철심이 회전하는 경우 영구자석에 의한 원심력 및 가진력에 의한 집중 응력에 의해 로터의 센터 포스트 및 브릿지가 파손되는 것을 방지할 수 있으며, 기계적 강도가 향상된다.
본 발명에 따른 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조에 의하면, 모터의 성능에 영향을 미치는 기계적 특성 중 하나인 고속에서의 응력 파괴 문제를 해결할 수 있다.
도 1은 종래의 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 종래의 다층 매립형 영구자석 모터의 로터에 대한 응력해석 결과를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 매립형 영구자석 모터의 로터에 대한 응력해석 결과를 도시한 도면이다.

Claims (2)

  1. 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조에서,
    회전자의 회전축을 중심으로 외향하는 하나 이상의 매립홈 쌍이 대칭하여 형성되되, 상기 매립홈 쌍은 "∨" 형상으로 형성되되,
    상기 하나 이상의 "∨" 형상의 매립홈 쌍의 센터 포스트는 외측 매립홈 쌍의 센터 포스트가 내측 매립홈 쌍의 센터 포스트보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조.
  2. 제1항에서,
    상기 하나 이상의 "∨" 형상의 매립홈 쌍의 브릿지는 외측 매립홈 쌍의 브릿지가 내측 매립홈 쌍의 브릿지보다 좁게 형성되는 것을 특징으로 하는 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조.
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