KR20100068971A - 영구자석 매입식 비엘디시 모터 - Google Patents

영구자석 매입식 비엘디시 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석 매입식 비엘디시 모터에 관한 것으로서, 분포권이 가능한 복수의 슬롯을 구비한 고정자; 복수의 극을 형성하는 영구자석이 코어에 삽입되는 회전자를 포함하여 구성되되, 각 영구자석에 의해 형성되는 회전자의 자극 각은, 고정자의 슬롯의 수가 회전자의 자극의 수 및 분포권 전원의 상의 수의 곱의 정수배일 때, 전기각으로 20의 배수 또는 10의 홀수배수 중 어느 하나로 형성된다. 이에 의해, 코깅토크를 저감시켜 진동 및 소음 발생을 억제할 수 있다.
영구자석, 매입식, 비엘디시, 모터, 자극각

Description

영구자석 매입식 비엘디시 모터{INTERIOR PERMANENT MAGNET TYPE BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTOR}
본 발명은 영구자석 매입식 비엘디시 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 코깅토크를 줄여 진동 및 소음 발생을 억제할 수 있도록 한 영구자석 매입식 비엘디시 모터에 관한 것이다.
모터는, 주지된 바와 같이, 그 사용 전원에 따라 직류모터와 교류 모터로 구별될 수 있다. 직류 모터는 정류자와 브러시를 구비하여 정류자와 브러시의 기계적 접촉에 기인하여 신뢰성이 저하되고 수명이 단축되는 단점이 있다.
이러한 기계적 접촉식의 문제점을 고려하여 최근에는 반도체 소자를 이용한 전자 스위칭 방식의 브러시리스 모터(Brushless DC Motor: BLDC 모터)가 널리 이용되고 있다.
이러한 브러시리스 모터는 고정자와 회전자의 배치 구조에 따라 내전형(interior rotor type)과 외전형(exterior rotor type)으로 구별될 수 있다.
내전형 모터에는 원통형의 영구자석의 중심에 회전축을 삽입한 회전자가 이용되거나, 전기강판을 적층한 회전자 코어의 중심에 회전축을 삽입하고 회전자 코 어에 복수의 영구자석을 매입(삽입)한 소위 아이피엠 타입(interior permanent magnet type)이라고 하는 영구자석 매입식 회전자가 이용된다.
한편, 영구자석을 구비한 회전자와 고정자 사이에는 코깅 토크(cogging torque)가 작용하게 되며, 이러한 코깅 토크는 모터의 구동시 진동 및 소음을 유발하게 된다.
이러한 코깅 토크를 줄이기 위한 방법으로 고정자의 티스의 팁(tip)부분에 챔퍼(chamfer)를 주거나 팁부분을 호형상(round)으로 형성하는 방법과, 회전자의 극부분을 호형상으로 가공하는 방법이 이용되고 있다.
그런데, 이러한 종래의 비엘디시 모터에 있어서는, 코깅토크를 줄이기 위해 고정자 티스의 팁부분을 호형상으로 하거나 회전자의 극부분을 호형상을 가공할 경우, 역기전력(Back EMF) 손실을 초래하여 모터 효율을 저감시키게 된다고 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은, 코깅토크를 저감시켜 진동 및 소음 발생을 억제할 수 있는 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 모터 효율이 저하됨이 없이 코깅토크를 저감할 수 있는 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위해, 복수의 슬롯을 구비한 고정자; 복수의 극을 형성하는 영구자석이 회전자코어에 삽입되는 회전자를 포함하여 구성되되, 상기 각 영구자석에 의해 형성되는 상기 회전자의 자극 각은, 10의 배수 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 제공한다.
여기서, 상기 고정자의 슬롯의 수는 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 정수배로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 고정자의 슬롯의 수가 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 3배수일 때, 상기 자극 각은 전기각으로 20의 배수 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 고정자가 36개의 슬롯과, 3상 분포권을 구비하고, 상기 회전자는 4극일 때, 상기 회전자의 자극 각은 전기각으로 160도인 것이 효과적이다.
상기 고정자의 슬롯의 수가 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 2배수일 때, 상기 자극 각은 전기각으로 10의 홀수배수 중 어느 하나로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 고정자가 24개의 슬롯과, 3상 분포권을 구비하고, 상기 회전자는 4극일 때, 상기 회전자의 자극 각은 전기각으로 140도로 형성되는 것이 효과적이다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 분포권이 가능한 복수의 슬롯을 구비한 고정자; 복수의 극을 형성하는 영구자석이 회전자코어에 삽입되는 회전자를 포함하여 구성되되, 상기 각 영구자석에 의해 형성되는 상기 회전자의 자극 각은, 상기 고정자의 슬롯의 수가 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 정수배일 때, 전기각으로 20의 배수 또는 10의 홀수배수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터가 제공된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 고정자의 슬롯의 수가 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 정수배일 때, 회전자의 자극 각이 전기각으로 20의 배수 또는 10의 홀수배수 중 어느 하나로 형성되도록 함으로써, 자속 누설을 억제할 수 있어 모터의 효율이 저감됨이 없이 코깅 토크를 극소화할 수 있다. 이에 의해, 모터의 진동 및 소음을 저감할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 고정자가 36개의 슬롯과 3상 분포권을 구비하고, 회전자는 4극일 때 회전자의 자극각이 전기각으로 160도(또는 160도를 중심값으로하는 소정 범위(158이상 162미만))를 가지도록 형성함으로써, 모터의 효율이 저감됨이 없이 코깅 토크를 극소화할 수 있어 진동 및 소음 발생을 억제할 수 있는 영 구자석 매입식 비엘디시 모터가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 고정자가 24개의 슬롯과 3상 분포권을 구비하고, 회전자는 4극일 때 회전자의 자극각이 전기각으로 140도(또는 140도를 중심값으로하는 소정 범위(138이상 142미만))를 가지도록 형성함으로써 모터의 효율이 저감됨이 없이 코깅 토크를 극소화할 수 있어 진동 및 소음 발생을 억제할 수 있는 영구자석 매입식 비엘디시 모터가 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 매입식 비엘디시 모터의 평단면도이고, 도 2는 도 1의 요부확대도이며, 도 3은 도 1의 자극각의 변화에 따른 코깅토크를 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 자극각의 변화에 따른 역기전력의 변화를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 영구자석 매입식 비엘디시 모터는, 복수의 슬롯(114)을 구비한 고정자(110)와, 복수의 자극을 형성하는 영구자석(131)이 회전자코어(121)에 삽입되는 회전자(120)를 포함하여 구성된다.
상기 고정자(110)는, 내부에 상기 회전자(120)가 수용될 수 있게 회전자수용공(112)이 형성되고, 상기 회전자수용공(112)의 둘레를 따라 형성되는 복수의 슬롯(114)을 구비한 고정자코어(111)와, 상기 슬롯(114)에 권선되는 고정자코일(미도시)을 구비한다. 상기 슬롯(114)은 24개,36개,48개 등 다양하게 형성될 수 있다. 이하에서는 상기 슬롯(114)이 36개로 형성되고, 상기 고정자코일은 2개 이상의 슬롯(114)에 코일이 권선되는 분포권인 경우를 예를 들어 설명한다.
상기 회전자(120)는, 중앙에 회전축(125)이 삽입되는 원통형상의 회전자코어(121)와, 상기 회전자코어(121)에 축선방향으로 삽입되는 복수의 영구자석(131)을 구비하여 구성된다. 여기서, 상기 영구자석(131)은 서로 다른 자극(N,S)이 외측으로 배치되게 교번적으로 배치된다.
상기 회전자코어(121)는, 중앙에 상기 회전축(125)이 삽입될 수 있게 관통 형성되는 축공(122)과, 상기 축공(122)의 둘레에 영구자석삽입부(124)가 형성된 원형의 복수의 전기강판을 절연적층하여 형성된다. 상기 회전자(120)는 복수의 자극을 구비할 수 있으며, 이하에서는 4극으로 형성된 경우를 예를 들어 설명한다.
상기 회전자코어(121)에는 4개의 영구자석(131)이 삽입될 수 있게 4개의 영구자석삽입부(124)가 형성되어 있다. 상기 영구자석삽입부(124)는 직사각 판상의 영구자석(131)이 축선방향으로 삽입될 수 있게 직사각 단면 형상을 가지게 축선방향으로 관통 형성된다. 상기 영구자석삽입부(124)들은 상기 회전자코어(121)의 원주방향을 따라 거의 90도 간격으로 이격배치되어 있다.
상기 각 영구자석삽입부(124)의 양 단부영역에는 자속(flux)의 누설이 억제될 수 있도록 플럭스배리어(flux barrier)(126)가 각각 형성되어 있다. 상기 각 플럭스배리어(126)는 상기 영구자석삽입부(124)로부터 상기 회전자코어(121)의 원주측으로 연장되게 형성된다. 상기 각 플럭스배리어(126)는 상기 영구자석삽입부(124)와 상호 연통되게 형성될 수 있다.
상기 각 영구자석(131)에 의해 형성되는 상기 회전자(120)의 자극은 소정의 자극각을 가지게 된다. 즉, 상기 영구자석(131)의 자속은 양 단부의 플럭스배리 어(126)에 의해 누설이 차단되므로, 상기 자극각은 플럭스배리어(126)의 내측 모서리와 상기 회전자(120)의 중심을 연결한 두 선분의 내각이 된다.
한편, 본 발명자들은 상기 회전자(120)의 자극각은, 상기 회전자(120)의 극수, 상기 고정자(110)의 슬롯(114)의 수 및 상기 고정자코일에 인가되는 전원의 상(phase)의 수와 관련하여 적절히 변화됨으로써 자속 누설을 억제할 수 있어 모터의 효율을 크게 저하시킴이 없이 코깅 토크(cogging torque)를 극소화할 수 있어 진동 및 소음을 줄일 수 있음을 규명하였다.
상기 회전자(120)의 자극각(αF)은 상기 고정자(110)의 슬롯(114)의 수(Sn)가 상기 회전자(120)의 자극의 극수(P) 및 상기 고정자코일, 즉 분포권 전원의 상의 수(m)의 곱의 정수배일 때, 전기각으로 20의 배수 또는 10의 홀수배수 중 어느 하나로 형성된다. 여기서, 상기 전기각은 상기 회전자(120)의 서로 다른 자극이 각각 한 번씩 거칠 때 360도로 정의한다.
보다 구체적으로, 상기 고정자(110)의 슬롯(114)의 수(Sn)가 상기 회전자(120)의 자극의 극수(P) 및 상기 고정자코일, 즉 분포권 전원의 상의 수(m)의 곱의 3의 배수(3n)인 경우(Sn/(P×m)=3n(n = 1,2,3...)), 자극각(αF)은, 전기각으로 20의 배수(θ=20×n(n= 1,2,3...))중 어느 하나로 형성된다. 또한, 상기 자극각(αF)은 소정의 범위((θ-2)〈αF〈(θ-2))를 가질 수 있다.
본 실시예의 경우를 예를 들면, 상기 고정자(110)의 슬롯(114)의 수(Sn)는 36이고, 상기 회전자(120)의 자극의 극수(P)는 4이고, 상기 고정자코일의 전원의 상수(m)은 3이므로, 36/(4×3)은 3의 배수가 된다. 따라서, 본 실시예의 영구자석 매입식 비엘디시 모터의 자극각(αF)은 전기각으로 20의 배수 중 어느 하나가 된다. 그런데, 상기 회전자(120)는 4극이므로, 상기 영구자석삽입부(124) 및 플럭스배리어(126)의 크기를 고려하면, 상기 회전자(120)의 자극각(αF)은 전기각으로 대략 120도 이상 170도 이하에서 형성될 수 있음을 알 수 있다. 여기서, 상기 회전자(120)의 자극각이 120도 이하인 경우 자속의 누설이 크고 170도 이상인 경우 기계적 강도가 취약하여 실제 구성이 곤란하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 영구자석 매입식 비엘디시 모터의 코깅 토크는 상기 자극각(αF)이 전기각으로 125도일 때 매우 높으며, 140도인 경우까지 감소하는 것을 알 수 있다. 코깅 토크는 상기 회전자(120)의 자극각(αF)이 전기각으로 140도를 넘어선 145도에서는 다시 급격하게 증가한 후, 다시 감소하기 시작하여 자극각(αF)이 160도에서 최저로 되고, 자극각(αF)이 165도에서 다시 급격하게 증가됨을 알 수 있다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 영구자석 매입식 비엘디시 모터의 역기전력은 상기 회전자(120)의 자극각(αF)이 전기각으로 125도인 경우 상대적으로 낮고, 자극각(αF)이 135도까지 증가한 후 점진적으로 감소하고, 자극각(αF)이 160도까지 일정 수준을 유지한 후, 다시 감소하게 된다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 실시예의 영구자석 매입식 비엘디시 모터는 상기 회전자의 자극각(αF)이 전기각으로 158보다 크고 162보다 작은 범위(바람직하게는 160도)에서 모터의 효율이 크게 저하됨이 없이 코깅 토크를 극소화할 수 있음을 알 수 있다. 이에 의해 구동시 진동 및 소음을 현저하게 저감할 수 있는 영구자석 매입식 비엘디시 모터가 제공된다.
한편, 상기 고정자(110)의 슬롯(114)의 수(Sn)가 상기 회전자(120)의 자극의 극수(P) 및 상기 고정자코일, 즉 분포권 전원의 상의 수(m)의 곱의 2의 배수(2n)인 경우(Sn/(P×m)=2n(n = 1,2,3...)), 자극각(αF)은, 전기각으로 10의 홀수배수(θ=5×n(n= 2,6,10,...))중 어느 하나로 형성된다. 또한, 상기 자극각(αF)은 소정의 범위((θ-2)〈αF〈(θ-2))를 가질 수 있다.
예를 들면, 상기 고정자(110)의 슬롯(114)의 수(Sn)가 24개이고, 상기 회전자(120)의 자극의 극수(P)는 4이고, 상기 고정자코일의 전원의 상수(m)은 3이므로, 24/(4×3)은 2의 배수가 된다. 따라서, 이 영구자석 매입식 비엘디시 모터의 자극각(αF)은 전기각으로 10의 홀수배수 중 어느 하나가 된다. 그런데, 상기 회전자(120)는 4극이므로, 상기 영구자석삽입부(124) 및 플럭스배리어(126)의 크기를 고려하면, 상기 자극각(αF)은 전기각으로 대략 120도 이상 170도 이하에서 형성될 수 있다. 상기 회전자(120)의 자극각(αF)을 전기각으로 125도에서 165도로 변화시 켜 코깅 토크 및 역기전력을 변화를 실험하여 살핀 결과, 상기 회전자(120)의 자극각(αF)이 전기각으로 140도(138이상 142미만 범위)에서 모터의 효율이 크게 저하됨이 없이 코깅 토크가 극소화됨을 확인할 수 있었다. 이에 의해 구동시 진동 및 소음을 현저하게 저감할 수 있는 영구자석 매입식 비엘디시 모터가 제공된다.
이상에서, 본 발명의 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었다. 그러나, 본 발명은, 그 사상 또는 본질적인 특징에서 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 형태로 실시될 수 있으므로, 위에서 설명된 실시예는 그 상세한 설명의 내용에 의해 제한되지 않아야 하며,
또한, 앞서 기술한 상세한 설명에서 일일이 나열되지 않은 실시예라 하더라도 첨부된 특허청구범위에서 정의된 그 기술 사상의 범위 내에서 넓게 해석되어야 할 것이다. 그리고, 상기 특허청구범위의 기술적 범위와 그 균등범위 내에 포함되는 모든 변경 및 변형은 첨부된 특허청구범위에 의해 포섭되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 매입식 비엘디시 모터의 평단면도,
도 2는 도 1의 요부확대도,
도 3은 도 1의 자극각의 변화에 따른 코깅토크를 도시한 도면,
도 4는 도 1의 자극각의 변화에 따른 역기전력의 변화를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 고정자 111 : 고정자코어
114 : 슬롯 120 : 회전자
121 : 회전자코어 122 : 축공
124 : 영구자석삽입부 125 : 회전축
126 : 플럭스배리어 131 : 영구자석

Claims (7)

  1. 복수의 슬롯을 구비한 고정자;
    복수의 자극을 형성하는 영구자석이 회전자코어에 삽입되는 회전자를 포함하여 구성되되,
    상기 각 영구자석에 의해 형성되는 상기 회전자의 자극 각은, 10의 배수 중 어느 하나로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자의 슬롯의 수는 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 정수배인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 고정자의 슬롯의 수가 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 3배수일 때, 상기 자극 각은 전기각으로 20의 배수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고정자가 36개의 슬롯과, 3상 분포권을 구비하고, 상기 회전자는 4극일 때, 상기 회전자의 자극 각은 전기각으로 160도인 것을 특징으로 하는 영구자석 매 입식 비엘디시 모터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자의 슬롯의 수가 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 2배수일 때, 상기 자극 각은 전기각으로 10의 홀수배수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 고정자가 24개의 슬롯과, 3상 분포권을 구비하고, 상기 회전자는 4극일 때, 상기 회전자의 자극 각은 전기각으로 140도인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  7. 분포권이 가능한 복수의 슬롯을 구비한 고정자;
    복수의 극을 형성하는 영구자석이 회전자코어에 삽입되는 회전자를 포함하여 구성되되,
    상기 각 영구자석에 의해 형성되는 상기 회전자의 자극 각은, 상기 고정자의 슬롯의 수가 상기 회전자의 자극의 수 및 상기 분포권 전원의 상의 수의 곱의 정수배일 때, 전기각으로 20의 배수 또는 10의 홀수배수 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
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