KR20090072209A - 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전자의 d축 뿐만 아니라 q축의 자속량을 충분히 형성할 수 있도록 하여, 전동기의 출력이 마그네틱 토크는 물론 릴럭턴스 토크에 의해서도 충분히 크게 발생될 수 있어서, 상대적으로 적은 양의 영구자석을 사용하면서도, 원하는 수준의 출력토크를 얻어낼 수 있도록 한 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조를 제공한다.

회전자, 릴럭턴스, 매립, 영구자석

Description

매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조{Rotor Structure in a Permanent Magnet Insert Type Motor}

본 발명은 영구자석이 회전자에 매립되는 매립형 영구자석 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영구자석의 소요량을 상대적으로 적게 하면서도 동등 이상의 전동기 출력특성을 확보할 수 있도록 하는 회전자의 구조에 관한 기술이다.

영구자석 전동기는 직류모터의 브러시와 정류자에 의한 기계적 정류작용을 반도체의 스위칭 작용으로 대체한 모터를 말한다. 매립형 영구자석 전동기는 기계적 정류작용을 반도체의 스위칭 작용이 대신하므로 영구자석을 회전자에, 전기자 권선을 고정자에 설치하는 구조가 된다.

종래의 매립형 영구자석 전동기는 도 1에 도시된 바와 같이 회전자철심(500) 내에 영구자석(502)이 매립되고, 각 영구자석(502)의 단부에는 플럭스배리어(504)가 구비되어 있는 구조로서, 영구자석(502)의 형상과 배치의 자유도가 큰 장점이 있으며, 회전자의 d축 자속은 물론 q축 자속이 형성되기 때문에 영구자석(502)에 의한 마그네틱 토크와 함께 추가적으로 릴럭턴스 토크도 얻을 수 있어서 고 토크화가 가능한 장점이 있다.

그런데, 도 1과 같은 회전자 형상을 보면, 영구자석 매립형 전동기의 회전자임에도 불구하고, q축 자속의 양이 크게 형성될 수 없는 구조를 가지고 있어서, 릴럭턴스 토크 성분이 거의 발생하지 않아, 전동기 출력토크의 대부분이 영구자석(502)에 의한 마그네틱 토크 성분에 의해 발생되는 구조이다.

따라서, 상기한 바와 같은 구조의 회전자 구조를 가진 전동기에서는 원하는 출력을 얻기 위해, 상기 마그네틱 토크를 충분히 확보해야 하기 때문에 결과적으로 영구자석의 소요량이 크게 증가되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 회전자의 d축 뿐만 아니라 q축의 자속량을 충분히 형성할 수 있도록 하여, 전동기의 출력이 마그네틱 토크는 물론 릴럭턴스 토크에 의해서도 충분히 크게 발생될 수 있어서, 상대적으로 적은 양의 영구자석을 사용하면서도, 원하는 수준의 출력토크를 얻어낼 수 있도록 한 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명 매립형 영구자 석 전동기의 회전자 구조는

원형단면의 회전자 내부에 영구자석이 매립되는 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 있어서,

길이방향이 상기 회전자의 반경방향에 수직하게 배치되면서 상기 회전자의 원주방향을 따라 서로 소정간격 이격되어 자속유도영역을 형성하도록 배치된 다수의 영구자석과;

상기 영구자석의 양단에 서로 인접한 영구자석의 것과 마주보도록 형성되어 상기 자속유도영역을 형성하는 경사면과;

상기 영구자석의 회전자 반경방향 외측면 양단부에 구비되되, 상기 영구자석의 경사면들에 의해 형성되는 자속유도영역의 외측에 구비되는 플럭스배리어;

를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 영구자석은 그 길이방향을 따라 일정한 단면 구조를 가지며,

상기 경사면은 상기 회전자의 반경방향을 따라 형성되어, 상기 영구자석의 단면형상이 상기 회전자의 중심을 향하여 좁아지는 사다리꼴을 형성하도록 될 수 있다.

상기 플럭스배리어는 상기 영구자석의 회전자 반경방향 외측면을 기준으로 상기 경사면에 대칭되는 형상으로 형성되도록 할 수 있다.

상기 서로 인접한 영구자석이 상기 자속유도영역을 형성하도록 서로 이격된 소정간격은 상기 영구자석의 상기 회전자의 반경방향 두께의 1 내지 2배의 범위 이내로 하는 것이 바람직하다.

본 발명은 회전자의 d축 뿐만 아니라 q축의 자속량을 충분히 형성할 수 있도록 하여, 전동기의 출력이 마그네틱 토크는 물론 릴럭턴스 토크에 의해서도 충분히 크게 발생될 수 있어서, 상대적으로 적은 양의 영구자석을 사용하면서도, 원하는 수준의 출력토크를 얻어낼 수 있도록 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명 실시예는 원형단면의 회전자 내부에 영구자석이 매립되는 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 있어서, 길이방향이 상기 회전자(1)의 반경방향에 수직하게 배치되면서 상기 회전자(1)의 원주방향을 따라 서로 소정간격 이격되어 자속유도영역(3)을 형성하도록 배치된 다수의 영구자석(5)과; 상기 영구자석(5)의 양단에 서로 인접한 영구자석(3)의 것과 마주보도록 형성되어 상기 자속유도영역(3)을 형성하는 경사면(7)과; 상기 영구자석(5)의 회전자(1) 반경방향 외측면 양단부에 구비되되, 상기 영구자석(5)의 경사면(7)들에 의해 형성되는 자속유도영역(3)의 외측에 구비되는 플럭스배리어(9)를 포함하여 구성된다.

즉, 도 2의 구체적 실시예에서, 상기 영구자석(5)은 상기 회전자(1)의 원주방향을 따라 4개가 서로 자속유도영역(3)을 사이에 형성하면서 대칭되게 배치되어 있고, 상기 자속유도영역(3)은 각 영구자석(5)에 형성된 경사면(7)들이 서로 마주 보는 영역으로 설정되는 구조이다.

상기 영구자석(5)은 그 길이방향을 따라 일정한 단면 구조를 가지며, 상기 경사면(7)은 상기 회전자(1)의 반경방향을 따라 형성되어, 상기 영구자석(5)의 단면형상이 상기 회전자(1)의 중심을 향하여 좁아지는 사다리꼴을 형성하도록 된 구조이다.

즉, 상기 사다리꼴의 영구자석(5)들 사이에 상기 경사면(7)들에 의해 형성되는 상기 자속유도영역(3)으로 q축이 형성되는 상태이다. 여기서 상기 서로 인접한 영구자석(5)이 상기 자속유도영역(3)을 형성하도록 서로 이격된 소정간격은 상기 영구자석(5)의 상기 회전자(1)의 반경방향 두께의 1 내지 2배의 범위 이내의 간격을 말한다.

상기 플럭스배리어(9)는 상기 영구자석의 회전자(1) 반경방향 외측면을 기준으로 상기 경사면(7)에 대칭되는 형상으로 형성되는 구조이다.

따라서, 상기 영구자석(5)은 상기 양쪽의 플럭스배리어(9)에 의해 영구자석(5)의 중앙부위로 자속이 집중되는 효과가 생김과 아울러 상기 플럭스배리어(9) 자체가 상기 자속유도영역(3)의 경계부분에 위치하면서 상기 자속유도영역(3)으로 누설되는 자속이 집중되어 상기 q축의 자속 밀도를 향상시키도록 하는 역할을 하게 된다.

상기한 바와 같은 구조의 회전자(1)를 사용하는 전동기에서는 그 전체 출력토크 중에서 상기 회전자(1)의 q축 방향의 자속에 의한 릴럭턴스 토크가 회전자(1)의 d축 방향의 자속에 의한 마그네틱 토크와 유사한 수준으로 큰 비중을 차지하게 된다.

따라서, 상기한 바와 같이 구성된 매립형 영구자석 전동기의 회전자(1) 구조는 상기 언급된 영구자석(5)과 플럭스배리어(9)의 구조 이외의 조건은 모두 동일한 도 1과 같은 종래의 전동기 회전자(1)의 경우와 비교할 때, 회전자(1)의 회전각도에 따른 유기전압의 그래프가 도 3과 같이 비교되어 도시되는 출력특성을 가지며, 시간에 따른 출력토크의 특성은 도 4와 같이 비교되어 도시되는 결과를 가져온다.

여기서, 상기 유기전압은 회전자(1)를 회전시킬 때 고정자측으로 유기되어 출력되는 전압을 말하는 바, 도 3을 보면 본 발명에 의한 회전자(1)의 경우 유기전압의 파형은 종래에 비하여 다소 좁고 높으며, 상단부에 마그네틱 토크와 릴럭턴스 토크에 의한 굴곡이 종래에 비하여 심화된 현상을 보이고 있다.

이는 본 발명에 따른 회전자(1)에서는 회전자(1)의 d축 방향의 자속은 물론 상기 자속유도영역(3)으로 유도되는 q축 방향의 자속에 의해 유기전압이 발생되는 것을 의미하며, 유기전압의 최대치는 증가하지만 유기전압의 유효치는 다소 감소하는 특성을 나타낸다.

도 1의 회전자(1)와 도 2의 회전자(1)의 특성 해석을 비교하면 다음 표 1과 같은 결과를 가져온다.

항 목	비 교
영구자석 체적	16.2% 감소
유기전압 유효치	2.7% 감소
유기전압 최대치	4.5% 증가
유기전압 고조파 왜곡성분	7.5% 감소

종래의 회전자(1)에 비하여 유기전압의 최대치는 4.5% 증가하지만, 그 유효치는 2.7%가 감소하며, 고조파 왜곡성분도 감소하여, 영구자석(5)의 체적이 16.2%나 감소한 것에 비하면 상대적으로 우수한 회전자(1)의 특성을 나타냄을 알 수 있는 바, 이는 종전 회전자(1)의 경우에 비하여 본 발명에 의한 회전자(1)의 유기전압의 파형이 개선되었기 때문이다.

상기한 바와 같이 영구자석(5)의 체적이 대폭적으로 감소된 데에 비하여, 도 4의 출력특성의 그래프로부터 계산된 출력토크의 해석결과를 산출해 보면, 본 발명의 회전자(1)가 사용되는 경우 출력은 약 1.2%가 저감되어 나타나는데, 이는 상대적으로 적은 양의 영구자석(5)을 사용하여 동등 수준의 전동기의 출력토크를 얻어낼 수 있으며, 그만큼 코깅토크가 감소하였다는 것을 의미한다.

한편, 상기한 바와 같은 구조에 의하여 q축 방향으로의 자속밀도 향상으로 릴럭턴스 토크가 전동기의 출력토크 중에 차지하는 비중을 증대시키게 되면, 릴럭턴스 토크의 제어에 의해 전동기의 제어 융통성이 더욱 확대되는 결과를 가져올 수도 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조를 설명한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조를 설명한 도면,

도 3은 종래기술과 본 발명을 비교한 회전자의 회전각도에 따른 유기전압의 비교 그래프,

도 4는 종래기술과 본 발명을 비교한 시간경과에 따른 전동기의 출력토크의 비교 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

1; 회전자 3; 자속유도영역

5; 영구자석 7; 경사면

9; 플럭스배리어

Claims (4)

1. 원형단면의 회전자 내부에 영구자석이 매립되는 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조에 있어서,

   길이방향이 상기 회전자의 반경방향에 수직하게 배치되면서 상기 회전자의 원주방향을 따라 서로 소정간격 이격되어 자속유도영역을 형성하도록 배치된 다수의 영구자석과;

   상기 영구자석의 양단에 서로 인접한 영구자석의 것과 마주보도록 형성되어 상기 자속유도영역을 형성하는 경사면과;

   상기 영구자석의 회전자 반경방향 외측면 양단부에 구비되되, 상기 영구자석의 경사면들에 의해 형성되는 자속유도영역의 외측에 구비되는 플럭스배리어;

   를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 영구자석은 그 길이방향을 따라 일정한 단면 구조를 가지며,

   상기 경사면은 상기 회전자의 반경방향을 따라 형성되어, 상기 영구자석의 단면형상이 상기 회전자의 중심을 향하여 좁아지는 사다리꼴을 형성하도록 된 것

   을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 플럭스배리어는 상기 영구자석의 회전자 반경방향 외측면을 기준으로 상기 경사면에 대칭되는 형상으로 형성되는 것

   을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 서로 인접한 영구자석이 상기 자속유도영역을 형성하도록 서로 이격된 소정간격은 상기 영구자석의 상기 회전자의 반경방향 두께의 1 내지 2배의 범위 이내인 것

   을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기의 회전자 구조.

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