KR20060025729A - 자속 집중형 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자속 집중형 모터는, 링형 구조로 형성되어 방사형상으로 배치된 복수의 티스에 코일이 권선된 스테이터와; 상기 스테이터의 중심에 위치되고 원주방향으로 착자된 마그네트를 동일 극성이 서로 마주보는 방향으로 배치하여 상기 스테이터와의 작용으로 회전하는 로터를 포함하여 구성됨으로써, 종래 표면부착형 영구자석 모터와 비교하여 동일 체적 대비 토크를 향상시킬 수 있고, 동일한 토크로 생산할 경우에는 비용 절감은 물론 제품의 소형화를 실현할 수 있는 효과가 있다.

스테이터, 코어, 로터, 티스, 스파이어럴, 자속 장벽, 자속 집중

Description

자속 집중형 모터{Flux concentration type motor}

도 1은 종래 표면부착형 영구자석 모터가 도시된 분해 사시도,

도 2는 종래 표면부착형 영구자석 모터가 도시된 평면 구성도,

도 3은 종래 표면부착형 영구자석 모터에서 로터의 상대적인 위치에 따른 자속 분포가 도시된 상세도,

도 4는 종래 표면부착형 영구자석 모터에서 오버행 길이에 따른 자속 밀도가 도시된 그래프,

도 5는 본 발명에 따른 자속 집중형 모터가 도시된 평면 구성도,

도 6a, 도 6b, 도 6c는 본 발명에 따른 자속 집중형 모터에서 자속 장벽 형성의 여러 실시예가 도시된 주요부 상세도들,

도 7은 본 발명과 종래 마그네트의 자화 방향이 도시된 참고도,

도 8은 본 발명에 따른 자속 집중형 모터에서 로터의 브리지 두께에 따른 특성 변화가 도시된 그래프,

도 9는 종래 모터와 본 발명의 모터의 회전수에 따른 토크 비교가 도시된 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 스테이터 51 : 코어

53 : 티스 55 : 코일

60 : 로터 61 : 코어

61a : 가이드 홀 61b : 브리지

61c : 브리지 홀 63 : 티스

63a : 배리어 홀 65 : 마그네트

본 발명은 세탁기 등을 구동하는 모터에 관한 것으로서, 특히 내전형 모터 구조로 이루어진 자속 집중형 모터에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석형 모터는 자기회로 구성에 따라서 표면부착형(Surface Mounted Magnet)과 매입형(Interior Permanent Magnet)으로 분류된다.

여기서, 통상 세탁기 구동용 직결 모터에는 아우터 로터 타입의 표면부착형 영구자석 모터가 사용되고 있다.

도 1과 도 2는 세탁기 구동용 모터로서, 종래 기술의 표면부착형 영구자석 모터의 일종인 외전형 모터가 도시된 분해 사시도 및 평면 구성도이다.

상기 표면부착형 영구자석 모터는 로터(20)가 스테이터(10) 외측에 설치된 구조로서, 크게 스테이터(10)와, 상기 스테이터(10)의 외측에 반경방향으로 소정의 에어 갭을 두고 회전 가능하게 설치된 로터(20)로 구성된다.

상기 스테이터(10)는 링형의 코어(12)와, 상기 링형의 코어(12) 외주면에 소정의 슬롯(14)을 사이에 두고 원주방향으로 상호 이격된 복수개의 티스(15)와, 상기 티스(15)에 각각 집중권 방식으로 권선되어 외부 전원과 연결된 코일(17)로 구성된다.

상기 로터(20)는 자속 통로인 백 요크(Back Yoke)를 형성하는 원반형상의 로터 프레임(22)과, 이 로터 프레임(22)의 내주면에 상기 코일(17)에 전류가 흐르면 전자기적으로 상호 작용하여 회전하도록 N극과 S극이 교번되어 반경 방향으로 착자되고 복수의 조각으로 이루어진 마그네트(25)로 구성된다.

이와 같은 표면부착형 영구자석 모터는 상기 스테이터(10)가 코어(12)에 형성된 취부홀(13)을 통해 세탁기의 외조에 부착되고, 상기 로터(20)가 로터 프레임(22)의 중앙부에서 세탁기의 내조 또는 펄세이터에 샤프트로 연결되어 조립된다.

상기 표면부착형 영구자석 모터는 스테이터(10) 자속이 이루는 자극과 로터(20) 자속이 이루는 상대적인 위치에 따라서 자기저항의 차이가 없으므로 비돌극성의 로터 구조를 이루어진다. 도 3은 상기 로터(20)의 상대적인 위치에 따른 자속 분포를 나타낸 도면이다.

한편, 상기와 같은 종래 표면부착형 영구자석 모터는 역기전력을 증가시키기 위하여 로터(20)를 스테이터(10) 적층 길이에 비하여 크게 설치한다. 이를 오버행(Overhang)이라 하는데, 이는 스테이터(10) 권선과 쇄교하는 마그네트의 자속을 일정량만큼 증가시켜서 역기전력을 향상시키는 역할을 한다.

상기 표면부착형 영구자석 모터는 로터(20)의 오버행 길이에 따라서 발생되는 역기전력은 증가하지만, 오버행의 길이가 일정량 이상이 되면 더 이상 증가하지 않고 동등한 수준으로 유지된다. 이는 표면부착형 모터의 구조적인 원인에 의한 것으로서 오버행 길이가 증가하면서 권선과 쇄교하지 않고 기타의 부분으로 누설되는 자속의 양이 증가하기 때문이다.

참고로 도 4는 종래 표면부착형 영구자석 모터에서 오버행 길이에 따른 스테이터 티스 부분의 자속밀도를 나타낸 그래프로서, 티스 부분의 자속밀도는 오버행 길이가 증가함에 따라서 어느 정도 증가하지만, 오버행 길이가 약 6mm 이상이면 더 이상 증가하지 않고 포화되는 현상을 나타낸다. 이는 오버행의 길이가 증가하면서 티스 부분을 통과하는 유효 자속 이외에 기타부분으로 누설되는 자속의 양이 증가했기 때문이다.

따라서, 상기한 바와 같은 종래의 표면부착형 영구자석 모터는, 스테이터(10) 권선과 쇄교하는 마그네트의 자속을 일정량만큼 증가시켜서 역기전력을 향상시키기 위해 오버행을 구성하지만, 오버행이 일정길이 이상에서는 오버행 효과가 상실되어 역기전력의 증가가 한계에 도달하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 원주방향으로 착자된 영구자석을 동일극성이 서로 마주보는 방향으로 배치시키는 자속집중형 구조로 구성함으로써 표면부착형 모터에 비하여 자속의 누설을 줄이는 동시에 동일 체적의 표면부착형 모터에 비해 토오크를 향상시킬 수 있는 자속 집중형 모터를 제공하는 데 목적이 있다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 자속 집중형 모터는, 링형 구조로 형성되어 방사형상으로 배치된 복수의 티스에 코일이 권선된 스테이터와; 상기 스테이터의 중심에 위치되고 원주방향으로 착자된 마그네트를 동일 극성이 서로 마주보는 방향으로 배치하여 상기 스테이터와의 작용으로 회전하는 로터를 포함한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

도 5는 본 발명에 따른 자속 집중형 모터가 도시된 평면 구성도이다.

본 발명에 따른 자속 집중형 모터는, 도 5에 도시된 바와 같이 링형 구조로 형성되어 방사형상으로 배치된 복수의 티스(53)에 코일(55)이 권선된 스테이터(50)와, 상기 스테이터(50)의 중심에 위치되고 원주방향으로 착자된 마그네트(65)를 동일 극성이 서로 마주보는 방향으로 배치하여 상기 스테이터(50)의 코일과의 작용으로 회전하는 로터(60)로 구성된다.

상기 스테이터(50)는 외곽을 형성하는 링형의 코어(51)와, 상기 링형의 코어(51)의 내주면에서 상기 로터(60) 방향으로 방사형 구조로 돌출된 복수개의 티스(53)와, 상기 티스(53)에 권선되어 외부 전원과 연결된 코일(55)을 포함하여 구성 된다.

상기 코어(51)에는 외주면에 후방으로 개방된 구조를 갖는 스테이터 취부용 홀(51a)이 형성된다.

상기 로터(60)는 링형상의 코어(61)와, 상기 코어(61)에서 상기 스테이터(50) 쪽으로 방사형 구조로 돌출된 복수개의 티스(63)와, 상기 티스(63) 사이에 배치되는 복수개의 마그네트(65)를 포함하여 구성된다.

상기 코어(61)는 로터(60)의 중심에서 회전 샤프트가 고정되는 로터 프레임(66)에 결합되어 고정된다.

여기서, 상기 로터에는 자속이 상기 스테이터 방향이 아닌 중심 방향으로 누설되는 것을 방지하여 자속의 누설로 인하여 급격히 토크가 저하되는 것을 막기 위해서, 상기 코어(61) 또는 코어(61)에서 티스(63)로 연결되는 부분에 자속장벽(Flux Barrier)이 구비된다.

즉, 도 6a, 도 6b, 도 6c는 본 발명에 따른 자속 집중형 모터에서 자속 장벽 형성의 여러 실시예가 도시된 주요부 상세도들로서, 도 6a는 상기 자속 장벽이 상기 코어(61)에서 상기 티스(63)가 연결되는 부분에 형성된 원형상의 가이드 홀(61a)과, 상기 티스(63)에서 상기 코어(61) 쪽 부분에 형성된 사각형상의 배리어 홀(63a)과, 상기 베리어 홀(63a)의 양쪽에서 코어(61)와 티스(63)를 연결하는 브리지(61b)로 이루어지는 것을 나타낸다.

도 6b는 상기 자속 장벽이 상기 코어(61)에서 상기 티스(63)가 연결되는 부분에 형성된 원형상의 가이드 홀(61a)로 형성된 것을 나타낸다.

도 6c는 상기 자속 장벽이 상기 코어(61)에서 상기 티스(63)가 연결되는 부분에 형성된 원형상의 가이드 홀(61a)과, 상기 코어(61)에서 티스(63)와 티스(63)를 연결하는 브리지(61b) 부분에 형성된 소형 사각 모양의 브리지 홀(61c)로 형성된 것을 나타낸다.

한편, 상기 도 6a, 도 6b, 도 6c에서 참조 번호 61a와 63b는 상기 코어(61)를 스파이어럴 코어(Spiral Core) 공법으로 제조할 때 적층을 용이하게 하기 위해 가이드 핀 등이 삽입되는 가이드 홀이다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 자속 집중형 모터의 작용을 설명하면 다음과 같다.

종래 표면부착형 영구자석 모터가 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 마그네트가 반경방향(A)으로 착자된 구조를 갖는 반면, 본 발명에 따른 자속 집중형 모터는 도 7의 (b)에서와 같이 마그네트가 원주방향(B)으로 착자된 동일극성이 서로 마주보는 방향으로 배치된 자속집중형 로터 구조를 갖는다.

한편, 도 8은 본 발명에서 마그네트(65) 하부를 잇는 코어 브리지(61b)의 두께에 따른 토크 및 토크 리플 특성을 나타낸 도면으로서, 브리지(61b)의 두께를 0.5mm에서 3.0mm로 증가시킨 경우 토크는 약 50%정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 본 발명에서는 마그네트(65)의 자속 누설을 최소화하기 위하여 도 6a, 도 6b, 도 6c에서 설명한 바와 같이 가이드 홀(61a), 브리지 홀(61c), 배리어 홀(63a) 등을 적절하게 형성하여 최적의 자속 장벽의 설계가 가능하도록 하고 있다.

도 9는 종래 모터와 본 발명의 모터의 회전수에 따른 토크 비교가 도시된 그 래프로서, 본 발명의 모터가 동일한 적층 및 체적의 종래 표면부착형 영구자석 모터와 대비하여 토크가 전체적으로 향상되었음을 확인할 수 있다. 즉, 종래 모터는 초기 회전시에 314 [㎏·㎝] 인 반면, 본 발명의 모터는 346 [㎏·㎝]로서, 토크가 향상된 것을 알 수 있다.

따라서, 상기와 같이 본 발명의 모터가 동일한 토크의 부하에 적용될 경우 모터의 적층 감소 및 권선량 저감 등을 통하여 전체적인 모터 제작 비용을 절감할 수 있게 된다. 또한, 동일 토크 발생시 적층 감소 등을 통한 소형화가 가능하므로 본 발명의 모터가 사용되는 드럼 세탁기 등의 설계 자유도가 높아지고, 용량 확대도 용이해질 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 자속 집중형 모터는, 원주방향으로 착자된 마그네트를 동일극성이 서로 마주보는 방향으로 배치되는 자속집중형 로터가 구성되기 때문에 자속이 누설되는 것을 줄일 수 있게 되어, 종래 표면부착형 영구자석 모터와 비교하여 동일 체적 대비 토크를 향상시킬 수 있고, 동일한 토크로 생산할 경우에는 비용 절감은 물론 제품의 소형화를 실현할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명은 마그네트의 자속 누설을 최대한 방지할 수 있도록 로터 코어에 자속 장벽(Flux Barrier)이 설치되기 때문에 모터의 토크 향상에 따른 전체적인 성능 향상을 도모할 수 있는 이점도 있다.

Claims (10)

1. 링형 구조로 형성되어 방사형상으로 배치된 복수의 티스에 코일이 권선된 스테이터와;

   상기 스테이터의 중심에 위치되고 원주방향으로 착자된 마그네트를 동일 극성이 서로 마주보는 방향으로 배치하여 상기 스테이터와의 작용으로 회전하는 로터를 포함한 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 스테이터는 링형의 코어와, 상기 링형의 코어의 내주면에서 방사형 구조로 돌출된 복수개의 티스와, 상기 티스에 권선되어 외부 전원과 연결된 코일을 포함한 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 코어에는 외주면에 스테이터 취부용 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 로터는 링형상의 코어와, 상기 코어에서 상기 스테이터 쪽으로 방사형 구조로 돌출된 복수개의 티스와, 상기 티스 사이에 배치되는 복수개의 마그네트를 포함한 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 코어 또는 코어에서 티스로 연결되는 부분에는 상기 마그네트의 자속이 외부로 누설되는 것을 차단하기 위해 자속 장벽(Flux barrier)이 구비된 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 자속 장벽은 상기 코어에서 상기 티스가 연결되는 부분에 형성된 핀 홀인 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 자속 장벽은 상기 티스에서 상기 코어 쪽 부분에 형성된 배리어 홀인 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 자속 장벽은 상기 코어의 티스와 티스를 연결하는 부분에 형성된 브리지 홀인 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
9. 제 4 항에 있어서,

   상기 코어는 스파이어럴 코어(Spiral Core) 공법으로 제조된 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 코어는 철심 적층을 위한 가이드 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 자속 집중형 모터.

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