KR20070059306A - 영구자석 매입형 고속 모터 - Google Patents

Abstract

리테이너 링의 두께를 감소시키면서도 고속 회전에 따른 회전축의 벤딩 현상 및 리테이너 링의 크랙 발생을 방지할 수 있는 영구자석 매입형 모터를 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터는 회전축에 결합되는 영구자석들을 복수개로 구성하고, 영구자석들의 사이공간에 복수의 지지판들을 배치하며, 상기 영구자석들과 지지판들을 리테이너 링의 내부에 삽입하여 형성한 회전자를 구비한다. 그리고, 본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터는 컵형 리테이너 링들의 컵형 공간부에 영구자석들을 각각 삽입하고, 상기 리테이너 링들을 회전축에 결합하여 형성한 회전자를 구비할 수도 있다.

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Description

영구자석 매입형 고속 모터{A HIGH SPEED MOTOR WITH EMBEDDED PERMANENT MAGNETS}

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터의 개략적인 단면도이다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터의 개략적인 단면도이다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터의 개략적인 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시한 영구자석의 정면도이다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터의 개략적인 단면도이다.

도 6은 도 5에 도시한 리테이너 링과 영구자석의 결합 상태를 나타내는 단면도이다.

도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터의 개략적인 단면도이다.

도 8은 도 7에 도시한 리테이너 링과 영구자석의 결합 상태를 나타내는 단면도이다.

본 발명은 영구자석 매입형 고속 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 영구자석을 지지하는 리테이너 링(retainer ring)의 내부에 하나 이상의 지지판이 구비된 영구자석 매입형 고속 모터에 관한 것이다.

고속 모터는 유도 전동기와는 달리 수만 rpm의 고속 회전이 가능하도록 제작된 특수 모터로서, 통상적으로는 전류를 공급받아 자기력을 발생시키는 고정자 및 상기 고정자의 내부에 회전 가능하게 설치되는 회전자를 구비하며, 고정자에서 발생된 자기력에 의해 회전하는 상기 회전자는 회전축 및 상기 회전축에 결합되는 영구자석을 포함한다.

이러한 구성의 고속 모터는 영구자석의 결합 방식에 따라 크게 영구자석 부착형 고속 모터 및 영구자석 매입형 고속 모터로 구분할 수 있는데, 고속 모터에는 원심력으로 인해 발생하는 문제점을 억제하기 위해 주로 영구자석 매입형 고속 모터가 사용된다.

여기에서, 상기 영구자석 부착형 고속 모터는 회전축(또는 회전자)의 외경에 영구자석을 부착하여 구성한 고속 모터를 말하며, 영구자석 매입형 고속 모터는 중공형 실린더 형태의 리테이너 링 내부에 영구자석을 삽입하여 구성한 고속 모터를 말한다.

또한, 상기한 고속 모터는 용량에 따라 중소 용량의 고속 모터와 대용량의 고속 모터로도 구분하는 것이 가능한데, 통상적으로 중소 용량의 고속 모터는 100㎾ 이하의 고속 모터를 말한다.

이 중에서 상기한 중소 용량의 고속 모터는 현재 상용화가 진행되고 있지만, 대용량의 고속 모터는 여러 가지 기술적인 문제점으로 인해 현재까지 상용화에 어려움을 겪고 있다.

이에, 대용량 고속 모터의 상용화에 걸림돌이 되고 있는 기술적인 문제점들에 설명하면 다음과 같다.

상기한 기술적인 문제점들 중 해결하기 가장 어려운 문제는 고속 모터를 대용량으로 제조하기 위해서는 회전자의 직경이 커져야 한다는 것인데, 회전자의 직경이 커지면 회전자에서 받는 원심력이 급격히 증가하게 된다.

그런데, 종래에는 리테이너 링의 내부에 영구자석을 배치하고, 영구자석의 양쪽에 회전축을 배치하거나, 상기한 구성의 모터에서 회전축을 원주방향을 따라 리테이너 링에 용접 고정하여 형성한 영구자석 매입형 모터를 제조하고 있으므로, 회전자의 길이방향 중심으로 갈수록 응력에 대한 지지가 약화되고, 이로 인해 회전자에 벤딩이 발생하며, 리테이너 링에 크랙이 발생하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 억제하기 위해서는 리테이너 링이나 영구자석 등이 원심력으로 인해 반경방향으로 늘어나더라도 충분한 압축력을 유지할 수 있도록 상기한 리테이너 링을 설계해야 한다.

따라서, 종래에는 20,000rpm이 넘는 고속 회전, 특히 50,000rpm이 넘는 초고속 회전에서 리테이너 링이 독립적으로 회전하는 경우의 원심력에 의한 응력과 영 구자석이 독립적으로 회전하는 경우의 응력을 함께 고려하여 상기 리테이너 링의 강도 및 두께를 설계하고 있으며, 구체적으로는 리테이너 링의 두께를 증가시켜 리테이너 링의 강도를 증가시키고 있다.

그런데, 동일한 직경의 회전자를 기준으로 할 때 상기 리테이너 링의 두께를 증가시키는 경우에는 리테이너 링의 내부에 삽입할 수 있는 영구자석의 부피가 줄어들게 되므로 자력이 감소하는 문제점이 있다.

또한, 고정자와 영구자석간의 거리가 리테이너 링의 두께 증가분만큼 증가되어 자력이 줄어들게 된다. 특히 상기 자력은 고정자와 영구자석간의 거리의 제곱에 반비례하므로, 리테이너 링의 두께 증가로 인해 감소되는 자력의 세기는 상당히 커지게 된다.

한편, 근래에는 상기한 리테이너 링의 두께를 증가시킴과 아울러, 영구자석을 리테이너 링에 열박음 조립 방식에 의해 조립하기도 한다.

여기에서, 상기 열박음 조립 방식은 영구자석을 가열된 리테이너 링의 내부에 압입하는 방식을 말하는 것으로, 상기한 열박음 조립 방식에 의하면 가열된 리테이너 링으로 인해 상기 영구자석에 프리스트레스(pre stress)가 가해지게 되므로, 영구자석이 압축 응력 상태가 된다. 따라서, 고속 회전에서도 영구자석의 파손이 억제될 수 있다.

그러나, 상기 열박음 조립 방식을 이용하여 영구자석을 리테이너 링에 조립할 때, 상기 영구자석이 착자된 상태이면 열박음 조립시에 영구자석에도 열이 전달되어 감자를 일으키게 된다.

따라서, 일반적으로는 착자가 되지 않은 상태의 영구자석 재질을 가열된 상태의 리테이너 링 내부에 열박음 조립한 후, 그 상태에서 회전자 전체를 착자시키는 방식으로 영구자석과 리테이너 링을 조립하고 있다.

그러나, 이 경우에는 리테이너 링의 두께가 증가할수록 착자 효율이 저하되는 문제점이 있으며, 상기한 착자 효율 저하의 문제점은 고속 모터가 대용량화 될 수록 더욱 크게 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 리테이너 링의 두께를 감소시키면서도 고속 회전에 따른 회전축의 벤딩 현상 및 리테이너 링의 크랙 발생을 방지할 수 있는 영구자석 매입형 모터를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 영구자석 매입형 모터는 회전축에 결합되는 영구자석들을 복수개로 구성하고, 영구자석들의 사이공간에 복수의 지지판들을 배치하며, 상기 영구자석들과 지지판들을 리테이너 링의 내부에 삽입하여 형성한 회전자를 구비한다.

그리고, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터는 복수의 컵형 리테이너 링들의 컵형 공간부에 영구자석들을 각각 삽입하고, 상기 리테이너 링들을 회전축에 결합하여 형성한 회전자를 구비한다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예의 영구자석 매입형 모터(100)는 전류를 공급받아 자기력을 발생시키는 고정자(110)와, 상기 고정자(110)의 내부에 회전 가능하게 설치되어 상기 자기력에 의해 회전하는 회전자(120)를 포함하며, 상기 회전자(120)는 원통형상의 리테이너 링(122)을 구비한다.

리테이너 링(122)의 내부에는 원판형상의 영구자석(124)들이 열박음 방식 등에 의해 복수개 조립되고, 영구자석(124)들의 사이공간에는 원판형상의 지지판(126)이 복수개 배치된다.

상기 지지판(126)은 회전자의 회전시에 발생하는 원심력 등의 응력에 대해 상기 영구자석(124)들을 지지하는 지지력을 증가시키기 위한 것으로, 용접 포인트(P)에서 원주방향을 따라 상기 리테이너 링(122)에 용접 고정된다.

그리고, 리테이너 링(122)의 양 단부쪽에는 상기한 영구자석(124)들 및 지지판(126)들을 지지하기 위한 한쌍의 회전축(128)들이 리테이너 링(122)의 내부에 삽입되며, 이 회전축(128)들도 원주방향을 따라 상기 리테이너 링(122)에 용접 고정된다.

이러한 구성에 의하면, 지지판(126)들이 리테이너 링(122) 및 영구자석(124)들을 지지하고 있으므로, 대용량의 모터를 구성하는 경우 리테이너 링(122)의 두께를 감소시키면서 리테이너 링(122)에 작용하는 원심력 등의 응력에 대한 지지력을 증가시킬 수 있다.

따라서, 대용량의 고속 모터에서도 회전자(120)의 벤딩 현상 및 리테이너 링의 크랙 발생을 방지할 수 있고, 리테이너 링(122)의 두께 증가로 인한 자력 세기 감소를 최소화할 수 있다.

도 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터를 개략적으로 도시한 단면도이다.

본 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터(200)의 회전자(220)가 전술한 도 1의 제1 실시예와 다른 점은 리테이너 링(222)의 내부에 열박음 조립되는 영구자석(224)들 및 지지판(226)들이 중심공을 구비하는 링형상으로 형성되고, 회전축(228)들 사이에는 영구자석(224)들 및 지지판(226)들의 중심공에 삽입되는 중심축(228a)이 배치되며, 중심축(228a)의 양 단부가 회전축(228)들에 결합된다는 점이다.

이러한 구성의 회전자(220)를 구비하는 영구자석 매입형 모터(200)는 중심축(228a)을 구비함으로써, 전술한 도 1의 제1 실시예에 비해 기계구조적 측면에서 유리한 장점이 있다.

도 3은 본 발명의 제3 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시한 영구자석의 정면도이다.

본 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터(300)의 회전자(320)가 전술한 도 2의 제2 실시예와 다른 점은 중심축(328a)을 어느 한쪽의 회전축(328)과 일체로 가공하여 제조하고, 중심축(328a)에 지지판(326)을 일체로 가공하여 제조하며, 리테이너 링(322)의 내부에 열박음 조립하는 영구자석(324)을 반분할형 링형상으로 형성하였다는 점이다.

물론, 도 2의 제2 실시예와 마찬가지로 상기 중심축(328a)은 회전축(328)과 별도로 제작되어 결합하는 것도 가능하다.

이러한 구성의 회전자(320)를 구비하는 영구자석 매입형 모터(300)는 지지판(326)이 중심축(328a)과 일체로 제조되므로, 지지판(326)의 지지력을 전술한 실시예들에 비해 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

도 5는 본 발명의 제4 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터를 개략적으로 도시한 단면도이고, 도 6은 도 5에 도시한 리테이너 링 및 영구자석의 결합 상태를 나타내는 단면도이다.

본 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터(400)의 회전자(420)는 중심공이 형성된 복수의 컵형 리테이너 링(422)들과, 상기 리테이너 링(422)의 컵형 공간부에 삽입되는 링형상의 영구자석(424)을 구비한다.

상기 영구자석(424)은 컵형 공간부에 열박음 방식에 의해 조립되며, 영구자석(424)이 삽입된 상기 리테이너 링(422)들은 중심축(428a) 및 회전축(428)에 결합된다.

그리고, 상기 리테이너 링(422)들은 서로 이웃하는 리테이너 링(422)과 용접 포인트(P)에서 원주방향을 따라 용접 고정되며, 또한 상기 회전축(428)과도 용접 포인트(P)에서 원주방향을 따라 용접 고정된다.

이러한 구성의 회전자(420)에서는 리테이너 링(422)의 밑면부가 지지판으로 작용하게 되므로, 별도의 지지판을 사용하지 않으면서도 지지력을 증가시킬 수 있다.

또한, 리테이너 링들을 복수개로 형성함으로써, 영구자석의 열박음시 삽입이 용이하다는 장점도 있다.

도 7은 본 발명의 제5 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터의 개략적인 단면도이고, 도 8은 도 7에 도시한 리테이너 링과 영구자석의 결합 상태를 나타내는 단면도이다.

본 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터(500)의 회전자(520)가 전술한 제4 실시예와 다른 점은 컵형 리테이너 링(522)의 컵형 공간부에 삽입된 영구자석(524) 위에 별도의 지지판(526)을 용접 고정하여 리테이너 링(522)의 개방부를 폐쇄하고, 지지판(526)과 일체로 내경쪽 벽체를 형성한다는 것이다.

여기에서, 상기 내경쪽 벽체는 중심축이 삽입되는 벽체를 말한다.

상기 영구자석(524)은 컵형 공간부에 열박음 방식에 의해 조립되며, 영구자석(524)이 조립된 상기 리테이너 링(522)들은 중심축(528a) 및 회전축(528)에 결합된다.

그리고, 상기 리테이너 링(522)들 및 지지판(526)들은 서로 이웃하는 리테이너 링(522)과 용접 포인트(P)에서 원주방향을 따라 용접 고정되며, 또한 상기 회전축(528)과도 용접 포인트(P)에서 원주방향을 따라 용접 고정된다.

이러한 구성의 회전자(520)는 리테이너 링(522)의 밑면부와 지지판(526)이 지지 작용을 하게 되므로, 전술한 제4 실시예에 비해 지지력을 더욱 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

도시하지는 않았지만, 상기 도 5 내지 도 8의 제4 및 제5 실시예를 구성함에 있어서, 중심축을 어느 한쪽의 회전축과 일체로 가공하여 제조하는 것도 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 매입형 모터는 영구자석을 복수개로 분할하여 형성하고, 영구자석들의 사이공간에 지지판을 배치하여 회전자를 구성하고 있다.

따라서, 리테이너 링에 작용하는 원심력 등의 응력에 대한 지지력을 증가시킬 수 있으며, 이로 인해 회전자의 벤딩 현상 및 리테이너 링의 크랙 발생을 억제할 수 있다.

그리고, 대용량의 영구자석 매입형 모터를 제작함에 있어서 리테이너 링의 두께를 감소시킬 수 있으므로, 동일한 직경의 회전자를 기준으로 할 때 리테이너 링의 내부에 삽입할 수 있는 영구자석의 부피를 증가시킬 수 있어 자력을 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 모터의 고정자와 영구자석간의 거리를 축소할 수 있으므로, 상대적으로 작은 자기장으로도 모터를 효율적으로 구동할 수 있다.

또한, 리테이너 링의 내부에 영구자석을 매입한 상태에서 착자를 실시할 때, 상기 리테이너 링의 두께 감소로 인해 착자시의 저항이 상대적으로 감소되므로, 착자 효율을 향상시킬 수 있는 등의 효과가 있다.

Claims (15)

1. 전류를 공급받아 자기력을 발생시키는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 회전 가능하게 설치되어 상기 자기력에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 영구자석 매입형 모터로서, 상기 회전자는,

   회전축;

   상기 회전축에 결합되는 복수의 영구자석들;

   상기 영구자석들의 사이공간에 배치되는 지지판들; 및

   상기 영구자석들과 지지판들을 내부에 삽입하는 리테이너 링

   을 포함하는 영구자석 매입형 모터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 회전축은 상기 영구자석들 및 지지판들을 지지하도록 상기 리테이너 링의 양 단부쪽에 각각 삽입되는 영구자석 매입형 모터.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 영구자석들 및 지지판들이 원판형상으로 형성되는 영구자석 매입형 모터.
4. 제 2항에 있어서,

   상기 회전축들에는 중심축의 단부가 결합되는 영구자석 매입형 모터.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 영구자석들 및 지지판들은 상기 중심축이 삽입되는 중심공을 구비하는 링형상으로 형성되는 영구자석 매입형 모터.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 중심축과 상기 지지판이 일체로 형성되는 영구자석 매입형 모터.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 영구자석들은 상기 중심축이 삽입되는 중심공을 구비하는 반분할형 링형상으로 각각 형성되는 영구자석 매입형 모터.
8. 제 2항 내지 제 7에 있어서,

   상기 지지판들과 회전축은 상기 리테이너 링에 용접 고정되는 영구자석 매입형 모터.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 영구자석이 상기 리테이너 링에 열박음 방식에 의해 삽입되는 영구자석 매입형 모터.
10. 전류를 공급받아 자기력을 발생시키는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 회전 가능하게 설치되어 상기 자기력에 의해 회전하는 회전자를 포함하는 영구자석 매입형 모터로서, 상기 회전자는,

    회전축;

    상기 회전축에 결합되는 복수의 컵형 리테이너 링들; 및

    상기 리테이너 링들의 컵형 공간부에 삽입되는 복수의 영구자석들

    을 포함하는 영구자석 매입형 모터.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 회전축은 상기 리테이너 링들을 지지하도록 한쌍이 구비되며, 상기 회전축들에는 중심축의 단부가 결합되는 영구자석 매입형 모터.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 컵형 리테이너 링들 및 영구자석들은 상기 중심축이 삽입되는 중심공을 구비하는 영구자석 매입형 모터.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 컵형 리테이너 링들의 개방부에는 지지판이 용접되고, 지지판에는 상기 중심축이 삽입되는 내경쪽 벽체가 일체로 구비되는 영구자석 매입형 모터.
14. 제 10항 내지 제 13항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 리테이너 링들은 서로 이웃하는 리테이너 링 및 상기 회전축과 용접되는 영구자석 매입형 모터.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 영구자석이 상기 리테이너 링에 열박음 방식에 의해 삽입되는 영구자석 매입형 모터.

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