KR20070032415A - 외전형 영구자석 동기 전동기 - Google Patents

외전형 영구자석 동기 전동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 외전형 영구자석 동기 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자와 고정자의 사이의 공극을 고정자의 티스헤드 및 회전자의 내주면의 형상을 통해 적절히 조절하고 코어에 매입된 영구자석사이의 누설자속을 방지하여 코깅토크를 저감시키는 영구자석 동기 전동기에 관한 것이다. 본 발명의 외전형 영구자석 동기 전동기는 자극형성용 영구자석과; 상기 영구자석이 매립되는 자석매립홈을 가지고 있고 내주면에 일정한 길이(B)를 가진 복수의 돌출부를 형성하는 회전자 코어를 포함하는 회전자와; 티스헤드에 상기 회전자의 내주면으로 일정한 길이(A)의 돌출부가 형성되고 상기 회전자의 내주면과 공극을 두고 대향 배치되는 고정자를 포함한다.

Description

외전형 영구자석 동기 전동기{External rotor―type permanent magnet synchronous electromotor}
도 1은 종래의 외전형 표면부착형 영구자석 동기 전동기의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 단면도.
도 3는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 회전자와 고정자의 Shape Ratio인자를 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 코깅토크 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 Shape Ratio에 따른 토크상수의 그래프.
*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*
200 : 회전자 230 : 고정자
237 : 티스헤드 220 : 영구자석
270 : 누설자속 방지용 홈 260 : 브릿지
250 : 공극 225 : 극 돌출부
210 : 회전자 코어
본 발명은 외전형 영구자석 동기 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자와 고정자의 사이의 공극을 고정자의 티스헤드 및 회전자의 내주면의 형상을 통해 적절히 조절하고 코어에 매입된 영구자석사이의 누설자속을 방지하여 코깅토크를 저감시키는 영구자석 동기 전동기에 관한 것이다.
일반적으로, 외전형 영구자석 동기 전동기는 코일이 권취된 티스부가 마련되어 인가되는 전원에 의해 회전자계를 발생시키는 고정자와 고정자의 외주부와 공극을 두고 대향배치된 회전자로 구성되어 있다. 회전자의 내주면에는 영구자석이 마련되어 고정자의 회전자계와의 쇄교를 통해 회전력이 발생된다.
도 1은 종래의 외전형 표면부착형 영구자석 동기 전동기의 단면도이다. 도 1의 표면부착형 영구자석 동기 전동기의 고정자(130)는 기본적으로 환형을 이루는 요크에 방사상으로 돌출된 다수의 티스부(135)가 설치된다. 각 티스에는 복수의 노치(139)가 형성된 티스헤드(137)가 마련되어 있다. 티스부(135)에는 코일(140)이 권취되어 있어 인가되는 전원에 의해 공극(150)에 회전자계를 형성한다. 회전자(100)는 고정자(130)의 티스헤드(137)와 마주하는 위치에 다수개의 영구자석(120)을 일정간격으로 내주면(110)에 부착시키고 고정자(130)에 형성된 회전자계에 의하여 회전한다.
종래의 영구자석 동기 전동기는 정현적인 역기전력 파형을 얻기 위해 고정자(130)의 티스헤드(137)와 마주하는 영구자석(120)의 면은 공극(150)이 균일하지 않도록 가운데 배부분(125)이 불룩하게 튀어나온 형상을 갖도록 구성한다. 하지만 이 로 인해 임의의 영구자석과 인접 영구자석으로 바로 누설되는 자속이 생기게 되고 이로 인하여 단위전류당 발생토크의 값이 작아지게 되는 문제점이 있다.
또한, 누설자속 등으로 큰 코깅토크가 발생하여 전동기의 구동시 소음 및 진동이 커지는 문제점이 있다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 인접하는 영구자석 사이의 누설자속을 방지하고 회전자와 고정자 사이의 공극을 조절하여 코깅토크의 발생을 억제하여 진동과 소음을 저감시킨 외전형 영구자석 동기 전동기를 제공함에 있다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 외전형 영구자석 동기 전동기는 자극형성용 영구자석과; 상기 영구자석이 매립되는 자석매립홈을 가지고 있고 내주면에 일정한 길이(B)를 가진 복수의 돌출부를 형성하는 회전자 코어를 포함하는 회전자와; 티스헤드에 상기 회전자의 내주면으로 일정한 길이(A)의 돌출부가 형성되고 상기 회전자의 내주면과 공극을 두고 대향 배치되는 고정자를 포함한다.
또한, 상기 회전자 코어에 마련된 자석매립홈은 V의 형상으로 양 단부가 상기 회전자의 내주측에 위치하도록 반복 연결되어 마련되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 각 V형상의 자석매립홈에는 극을 형성하도록 동일 극성의 영구자석이 매립되고, 인접하는 V형상의 자석매립홈간에는 서로 반대의 극이 되도록 매립 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전자 코어에 매립된 상기 각 영구자석의 양끝 단부에는 단락방지용 홈이 마련되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전자의 돌출부는 상기 매입된 영구자석에 의해 형성된 극에 해당하는 부분이 돌출된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정자의 티스 헤드의 돌출부의 길이(A)와 상기 회전자의 극 돌출부(B)의 길이의 비(B/A)가 1.8에 내지 2.5인 것을 특징으로 한다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 본 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 회전자(200)의 코어(210) 내측에는 종래의 부착된 영구자석(120)에 해당하는 한 극당 2개의 영구자석(220)이 V 형상으로 매입되어 있다. 인접하는 영구자석(220) 사이에 직접 누설되는 자속을 방지하기 위해 누설자속 방지용 홈(270)이 영구자석이 양단부에 마련되어 있다. 회전자의 내주면은 V 형상의 영구자석(222)(224)에 의한 극부분이 돌출되는 극 돌출부(225)가 마련된다. 누설자속 방지용 홈(270)과 회전자 코어(210)의 극간의 홈 사이에 브리지(260)가 형성되어 있다.
고정자(230)는 기본적으로 환형을 이루는 요크에 방사상으로 돌출된 코일(240)이 권취된 복수의 티스부(235)가 설치됨은 종래와 같다. 복수의 티스부(235)의 티스 헤드(237)는 회전자의 내주면을 향하는 원호형상의 돌출부(239)가 마련된 다. 회전자의 극 돌출부(225)와 티스 헤드(237)의 돌출부(239)로 인하여 회전자(200)와 고정자(230) 사이의 공극(250)이 불균일해진다. 공기는 자기저항체로서 작용하므로 불균일한 공극(250)은 불균일한 자속밀도를 형성하여 유기되는 역기전력도 불균일하게 된다.
이상이 구성에 의한 본 발명의 외전형 영구자석 동기 전동기의 동작을 설명하면 고정자(230)의 티스부(235)에 권취된 코일(240)에 전류가 흐르면 회전자와 고정자 사이의 공극(250)에 회전자계가 형성된다. 도 3의 도시된 바를 참고하면 회전자 코어(210)에는 V형상으로 매립된 두 개의 영구자석(220)은 같은 극성을 띠고 있다. 즉, 브릿지(260)를 경계로 2개의 N극 영구자석과 2개의 S극 영구자석이 교번하여 회전자의 코어(210)에 매립된다. 짝을 이루는 2개의 영구자석(220)은 종래 회전자에 부착된 영구자석 1개 즉 하나의 극을 형성한다. 회전자의 코어(210)에 매립된 영구자석(220)의 자속과 고정자(230)의 회전자계가 쇄교하면서 회전자(200)에 회전력이 발생한다.
공극(250)이 균일한 경우 고정자(230)에 유기되는 역기전력의 파형이 구형파의 형태를 갖게 된다. 이러한 구형파의 역기전력의 파형은 코깅토크가 커지는 특성이 있다. 전동기의 진동과 소음의 저감을 위해 코깅토크를 줄이고 제어의 편의성을 위해서는 정현적인 파형 즉 사인파 역기전력을 얻을 필요성이 있다. 이를 위해 본 발명의 회전자(200)의 내주면에 극 돌출부(225)와 고정자(230)의 티스헤드(237)에 원호형상의 돌출부(239)를 마련하여 회전자(200)의 회전에 따라 공극(250)이 원주방향으로 불균일한 변화를 보이도록 하고 있다. 이러한 불균일한 공극(250)의 변화 는 사인파 역기전력을 얻을 수 있도록 한다. 하지만 불균일한 공극(250)의 변화는 회전자(200)와 고정자(230) 사이에 발생하는 누설자속의 원인이 되기도 하여 동일한 전류에 의해 발생하는 토크가 작아지는 문제가 발생한다. 이 때문에 공극(250)의 변화율을 조절할 필요성이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 회전자와 고정자의 Shape Ratio인자를 나타내는 도면이다. 앞서 언급한 누설자속을 최소화하기 위하여 회전자(200)의 내주면에 극 돌출부(225)와 고정자(230)의 티스헤드(237)에 원호형상의 돌출부(239)의 비를 조절한다. 즉 회전자의 코어 내주면의 극 돌출부의 길이(B)와 고정자의 티스헤드의 돌출길이(A)의 비(B/A)를 조절한다. 이는 극 돌출부(225)와 티스헤드(237)의 돌출부(239)가 회전자의 회전시 교차하면서 공극이 최소에서 최대를 반복하는데 그 변화를 매끄럽게 하도록 하여 정현적이 역기전력 파형을 발생시키기 위함이다. V형상의 자석매립홈에 티스헤드(237)쪽으로 동일 극성의 자속이 발생하도록 매립된 영구자석(222)(224)에 의해 회전자(200)의 내주면에 N극(222)과 S극(224)이 교번하여 형성된다. 각 극의 자속은 인가된 전원에 의해 발생한 회전자계와 쇄교하여 회전력을 형성한다.
도 5는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 Shape Ratio에 따른 토크상수의 그래프이다. 회전자의 코어 내주면의 극 돌출부의 길이(B)와 고정자의 티스헤드의 돌출길이(A)의 비(B/A)를 조절됨에 따라 토크상수의 변화가 도시되어 있다. 대략 비(B/A)가 2.14에서 토크상수가 피크를 이루고 비(B/A)가 작아지거나 커짐에 따라 토크상수가 작아지는 형태를 띤다. 따라서 비(B/A)를 1.8에서 2.5사이 로 조절하는 것이 코깅토크를 줄이면서 발생하는 역기전력은 정현적으로 구현할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 외전형 영구자석 동기 전동기의 코깅토크 그래프이다.도 1의 종래 외전형 표면부착형 영구자석 동기 전동기에 비해 본 발명에 의한 전동기의 발생 코깅토크가 크게 감소한 수준임을 확인할 수 있다. 이는 앞서 언급한 바와 같이 회전시 회전자(200)와 고정자(230)사이의 공극(250)의 변화가 Shape Ratio를 조절함으로써 매끄럽게 변화하였기 때문이다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 영구자석의 양끝 단부에 누설자속 방지용 홈을 두어 인접하는 영구자석간의 누설자속을 최소화하고 회전자의 코어 내주면의 극 돌출부의 길이(B)와 고정자의 티스헤드의 돌출길이(A)의 비(B/A)를 조절하여 역기전력의 파형을 정현적으로 구현하여 발생하는 코깅토크를 크게 감소시켜 전동기의 소음 및 진동을 개선하는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 자극형성용 영구자석과;
    상기 영구자석이 매립되는 자석매립홈을 가지고 있고 내주면에 일정한 길이(B)를 가진 복수의 돌출부를 형성하는 회전자 코어를 포함하는 회전자와;
    티스헤드에 상기 회전자의 내주면으로 일정한 길이(A)의 돌출부가 형성되고 상기 회전자의 내주면과 공극을 두고 대향 배치되는 고정자를 포함하는 외전형 영구자석 전동기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 코어에 마련된 자석매립홈은 V의 형상으로 양 단부가 상기 회전자의 내주측에 위치하도록 반복 연결되어 마련되는 것이 특징인 외전형 영구자석 전동기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 각 V형상의 자석매립홈에는 극을 형성하도록 동일 극성의 영구자석이 매립되고,
    인접하는 V형상의 자석매립홈간에는 서로 반대의 극이 되도록 매립되는 것이 특징인 외전형 영구자석 전동기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 코어에 매립된 상기 각 영구자석의 양끝 단부에는 단락방지용 홈이 마련되어 있는 것이 특징인 외전형 영구자석 전동기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 회전자의 돌출부는 상기 매입된 영구자석에 의해 형성된 극에 해당하는 부분이 돌출된 것이 특징인 외전형 영구자석 전동기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자의 티스 헤드의 돌출부의 길이(A)와 상기 회전자의 극 돌출부(B)의 길이의 비(B/A)가 1.8에 내지 2.5인 것이 특징인 외전형 영구자석 전동기.
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