KR20100068972A - 영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기 - Google Patents

영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 영구자석 매입식 비엘디시 모터는, 복수의 슬롯을 구비한 고정자; 및 코어, 이 코어에 삽입되는 복수의 영구자석, 이 영구자석의 내측에 형성되는 복수의 통기공, 영구자석의 외측에 형성되는 복수의 체결공을 구비한 회전자를 구비하여 구성된다. 이에 의해, 자속의 누설을 억제할 수 있고 내구성을 증가시킬 수 있다.
영구자석, 비엘디시 모터, 체결공, 통기공, 압축기

Description

영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기{INTERIOR PERMANENT MAGNET TYPE BRUSHLESS DIRECT CURRENT MOTOR AND COMPRESSOR HAVING THE SAME}
본 발명은, 영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 변형을 방지할 수 있고 고속 회전에 적합한 영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기에 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.
이러한 영구자석 매입식 회전자는, 중앙에 회전축이 삽입될 수 있게 축공이 형성되고, 축공의 둘레에 복수의 영구자석이 축선방향을 따라 삽입될 수 있게 영구자석삽입공이 관통된 복수의 원형의 전기강판을 절연 적층한 코어를 구비한다. 이렇게 적층된 코어는 적층상태를 유지할 수 있게 용접되거나, 축선방향으로 각 전기강판을 관통하게 결합되는 체결부재에 의해 고정된다.
한편, 상기 영구자석 매입식 회전자에는 각 영구자석의 자속이 누설되는 것을 방지할 수 있게 각 영구자석의 양 단부영역에 플럭스 배리어(flux barrier)가 형성된다.
그런데, 이러한 종래의 비엘디시 모터에 있어서는, 각 영구자석의 자속이 누설되는 것을 방지하기 위해 영구자석의 단부영역에 플럭스 배리어를 형성하도록 되어 있어, 회전자의 고속 회전 시 원심력에 의해 상대적으로 얇은 살 두께를 가지는 플럭스 배리어 영역에 응력이 집중되어 변형 및 손상이 발생된다고 하는 문제점이 있다. 이에 기인하여 종래의 비엘디시 모터는 고속 회전이 곤란하다고 하는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 고려하여 플럭스 배리어 영역의 살 두께를 증가시킬 경우 자속의 누설이 발생된다고 하는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은, 자속의 누설을 억제할 수 있고 내구성을 증가시킬 수 있는 영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 자속포화를 방지할 수 있고 고속 회전에 적합한 영구자석 매입식 비엘디시 모터 및 이를 구비한 압축기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
본 발명은, 상술한 바와 같은 목적 달성을 위해, 복수의 슬롯을 구비한 고정자; 코어, 상기 코어에 삽입되는 복수의 영구자석, 상기 영구자석의 내측에 형성되는 복수의 통기공, 상기 영구자석의 외측에 형성되는 복수의 체결공을 구비한 회전자;를 포함하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 제공한다.
여기서, 상기 회전자는 4극으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 체결공은 상기 회전자의 자극의 중심선에 대해 전기각으로 -5도 내지 +5도 내에 그 중심이 배치되게 구성될 수 있다.
상기 체결공은 상기 회전자의 자극의 중심선 상에 그 중심이 배치되는 것이 바람직하다.
상기 통기공은 상기 회전자의 자극의 중심선으로부터 전기각으로 80도 내지 100도 범위 내에 그 중심이 배치되게 구성될 수 있다.
상기 각 통기공은 상기 코어의 단면적의 6% 내지 8% 크기의 단면적을 가지게 형성되는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 다른 분야에 따르면, 복수의 슬롯을 구비한 고정자; 코어, 상기 코어의 중심에 배치되는 회전축, 상기 코어에 삽입되는 복수의 영구자석, 상기 영구자석 중 적어도 어느 하나의 외 측에 형성되는 체결공 및 상기 체결공에 결합되는 체결부재를 구비한 회전자;를 포함하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터가 제공된다.
여기서, 상기 체결공은 상기 회전자의 자극의 중심선에 대해 전기각으로 -5도 내지 +5도 이내에 그 중심이 배치되게 구성될 수 있다.
상기 영구자석 보다 내측에 형성되는 적어도 하나의 통기공을 더 포함하여 구성될 수 있다.
이때, 상기 통기공은 상기 코어의 단면적의 6% 내지 8% 크기의 단면적을 가지게 형성될 수 있다.
상기 통기공은 상기 회전자의 자극의 중심선에 대해 전기각으로 80도 내지 100도 이내에 그 중심이 배치될 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 분야에 따르면, 상술한 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 구비한 압축기가 제공된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전자코어의 반경방향을 따라 영구자석의 외측에 체결공을 형성하여 회전자코어를 체결함으로써, 플럭스배 리어를 변경하지 아니하여 자속의 누설이 발생됨이 없이 플럭스배리어영역에 응력이 집중되는 것을 억제할 수 있어 원심력에 의한 변형 및 손상을 방지할 수 있다. 이에 의해 고속회전이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 영구자석의 외측에 체결공을 형성하고 영구자석의 내측에 회전자코어의 단면적의 6% 내지 8%크기의 단면적을 가지는 통기공을 마련함으로써 영구자석에 의한 회전자코어의 포화를 방지할 수 있다. 또한, 이 통기공을 통해 냉매가 원활하게 유동할 수 있다.
또한, 상기 통기공은 영구자석의 중심선에 대해 전기각으로 80도 내지 100도 내에 통기공의 중심을 배치함으로써 영구자석에 의한 회전자코어이 자기포화를 더 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 원심력에 의한 손상 및 변형을 억제할 수 있고, 자기포화를 방지할 수 있어 모터 효율 및 압축기의 운전효율을 제고시킬 수 있으며, 모터 및 압축기의 콤팩트 한 구성이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 구비한 압축기의 종단면도이고, 도 2는 도 1의 회전자의 평단면도이며, 도 3은 도 1의 회전자의 통기공의 위치별 역기전력의 변화를 도시한 도면이고, 도 4는 도 1의 회전자의 회전시 응력집중을 설명하기 위한 참고 도면이며, 도 5는 도 1의 회전자의 회전시 회전자의 변형량을 설명하기 위한 참고 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같 이, 본 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 구비한 압축기는, 내부에 수용공간이 형성되는 케이스(110)와, 상기 케이스(110)의 내부에 배치되어 냉매를 압축하는 압축부(120)와, 상기 케이스(110)의 내부에 배치되어 상기 압축부(120)에 구동력을 제공하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터(130)를 포함하여 구성된다.
상기 케이스(110)의 일 측에는 내부로 냉매가 흡입되는 흡입관(113)과, 압축된 냉매가 토출되는 토출관(115)이 구비된다.
상기 압축부(120)는, 인벌류트(involute) 형상의 고정랩(123)을 구비하여 고정배치되는 고정스크롤(121)과, 인벌류트 형상의 선회랩(127)을 구비하여 상기 고정스크롤(121)에 상대 운동 가능하게 결합되는 선회스크롤(125)을 구비한다.
상기 케이스(110)의 내부 상부영역에는 상기 압축부(120)를 지지할 수 있게 메인프레임(117)이 구비되며, 상기 케이스(110)의 하부영역에는 상기 영구자석 매입식 비엘디시 모터(130)의 회전축(142)을 지지할 수 있게 서브프레임(119)이 마련되어 있다.
한편, 상기 영구자석 매입식 비엘디시 모터(130)는, 상기 케이스(110)의 내부에 고정배치되는 고정자(131)와, 상기 회전축(142)을 중심으로 상기 고정자(131)에 대해 회전가능하게 배치되는 회전자(141)를 구비한다. 상기 회전축(142)의 상단에는 상기 선회스크롤(125)을 편심운동시킬 수 있게 편심부(144)가 형성되어 있다.
상기 고정자(131)는, 중앙에 상기 회전자(141)가 수용될 수 있게 회전자수용공(135)이 형성되고 상기 회전자수용공(135)의 원주방향을 따라 형성되는 복수의 슬롯(136)을 구비한 고정자코어(133)와, 상기 슬롯(136)에 권선되는 고정자코일(138)을 구비한다. 상기 고정자코일(138)은 2개 이상의 슬롯(136)에 권선되는 분포권으로 구성될 수 있다.
상기 회전자(141)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 중앙에 회전축(142)이 수용될 수 있게 축공(145)이 형성되고 상기 축공(145)의 둘레에 관통 형성된 영구자석삽입부(147)와, 상기 영구자석삽입부(147)의 외측에 체결공(151)이 형성된 회전자코어(143)와; 상기 영구자석삽입부(147)에 삽입되는 영구자석(161)과; 상기 체결공(151)에 삽입되는 체결부재(163)를 포함하여 구성된다.
상기 회전자코어(143)는, 상기 축공(145)과, 영구자석삽입부(147) 및 체결공(151)이 관통 형성된 복수의 전기강판을 구비한다. 상기 전기강판은 절연 적층된 후 상기 체결부재(163)에 의해 일체로 고정결합된다.
상기 체결부재(163)는 리벳으로 형성될 수 있다. 상기 체결부재(163)는 상기 체결공(151)에 삽입되어 단부가 외부에 노출되는 고정볼트(미도시)와 상기 고정볼트의 노출 단부에 나사결합되는 너트(미도시)로 구성될 수도 있다.
상기 회전자(141)는 4극으로 구성되며, 상기 회전자코어(143)에는 4개의 영구자석(161)이 삽입될 수 있게 4개의 영구자석삽입부(147)가 형성된다. 상기 영구자석삽입부(147)는 직사각 판상의 영구자석(161)이 축선방향을 따라 삽입될 수 있게 직사각 단면 형상을 가지게 관통 형성된다. 상기 영구자석삽입부(147)들은 서로 수직하게 배치되어 있다.
상기 영구자석삽입부(147)의 양 단부영역에는 상기 영구자석(161)의 자속이 누설되는 것을 억제할 수 있게 플럭스배리어(flux barrier)(149)가 각각 형성된다. 상기 각 플럭스배리어(149)들은 상기 회전자코어(143)의 원주에 근접되게 연장형성된다. 상기 각 플럭스배리어(149)들은 상기 영구자석삽입부(147)와 연통되게 형성될 수 있다.
상기 각 체결공(151)은 상기 각 영구자석(161)의 중심(선)(LCM)에 대해 전기각으로 -5도와 +5도 사이에 그 중심(O1)이 배치되게 형성될 수 있다. 여기서, 전기각은 회전자(141)의 회전시 영구자석(161)의 서로 다른 자극(N,S)을 한 번씩 거치는 것을 전기각 360도로 한다. 즉, 4극 회전자의 경우, 360도 1회전 할 때, 전기각으로는 720도 회전하게 된다. 상기 각 체결공(151)은 그 중심(O1)이 상기 영구자석(161)의 중심선(LCM) 상에 배치되는 것이 바람직하다.
한편, 상기 회전자(141)는 회전자코어(143)를 관통하여 통기공(171)이 형성될 수 있다. 이에 의해 상기 케이스(110)의 내부의 냉매가 상하방향을 따라 유동이 용이하게 될 수 있다.
상기 각 통기공(171)은 상기 영구자석(161)의 중심선(LCM)에 대해 전기각으로 80도와 100도 사이에 그 중심(선)(LCV)이 배치되게 형성될 수 있다. 상기 통기공(171)은 그 중심선(LCV)이 상기 영구자석(161)의 중심선(LCM)에 대해 전기각으로 90도 이격되게 형성되는 것이 바람직하다. 이는 상기 영구자석(161)의 자속에 의한 회전자코어(143)의 포화를 억제하여 모터의 역기전력(back EMF: back Electromotive Force)의 저감을 방지하기 위함이다. 이에 의해 모터 효율을 증대시킬 수 있으며 압축기의 운전효율(EER)을 향상시킬 수 있다. 이에 따라 압축기의 콤팩트 한 구성이 가능하다.
상기 각 통기공(171)은 상기 회전자코어(143)의 단면적의 6% 내지 8%크기의 단면적을 각각 가지게 형성되는 것이 바람직하다. 이에 의해 자기 저항을 더욱 감소할 수 있고 냉매의 흐름을 원활하게 할 수 있다.
이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 영구자석 매입식 비엘디시 모터의 작용효과에 대해 설명하기로 한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 통기공(171)의 중심선(LCV)이 상기 영구자석(161)의 중심선(LCM)에 대해 전기각으로 10도 및 170도 각각 이격되게 배치된 경우, 모터(130)의 역기전력이 매우 낮음을 알 수 있다. 역기전력은 상기 통기공(171)의 중심선이 상기 영구자석(161)의 중심선으로부터 멀리 이격될수록 점진적으로 증가되고 그 중심선이 전기각으로 80도와 100도 사이에 배치될 때 최고 수준에 도달되며, 전기각으로 90도(기계각으로 45도)이격된 때 최고값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 상기 각 통기공(171)이 영구자석(161)의 중심선(LCM)에 근접할수록 자기포화가 증가되어 역기전력이 저감되고, 이격 될수록 역기전력이 증가함을 알 수 있다. 여기서, 상기 통기공(171)의 중심선(LCV)이 영구자석(161)의 중심선(LCM)에 대해 전기각으로 90도를 넘게 되면 다른 영구자석(161)의 중심으로 접근하게 되고 이에 의해 자기포화가 증가되는 것을 의미한다.
한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 각 체결공(151)은 그 중심(O1)이 상기 영구자석(161)의 외측에서 영구자석(161)의 중심선(LCM) 상에 배치될 때, 상기 회전자(141)의 회전시 원심력에 의해 각 플럭스배리어(149)에 집중되는 응력의 최대값이 현저하게 낮아지게 된다.
예를 들면, 각 체결공(151)이 영구자석(161)의 내측에서 영구자석(161)의 중심선(LCM) 상에 배치될 때, 각 플럭스배리어(149)영역에 집중된 응력의 최대값은 256.0 MPa인데 반해, 각 체결공(151)의 중심이 영구자석(161)의 외측에서 영구자석(161)의 중심선상에 배치될 때 각 플럭스배리어(149)영역에 집중된 응력의 최대값은 도 4에 도시된 바와 같이, 46.8MPa로 현저하게 낮아짐을 알 수 있다.
또한, 상기 회전자(141)의 회전시 상기 회전자코어(143)의 반경방향 외곽 변형량은, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 각 체결공(151)의 중심(O1)이 상기 영구자석(161)의 외측에서 상기 영구자석(161)의 중심선(LCM) 상에 배치될 때 현저하게 작아지게 된다. 예를 들면, 각 체결공(151)이 영구자석(161)의 내측에서 영구자석(161)의 중심선 상에 배치될 때, 상기 회전자(141)의 회전시 상기 회전자코어(143)의 반경방향 변형량의 최대값이 13.1㎛인 반면, 각 체결공(151)의 중심이 영구자석(161)의 외측에서 영구자석(161)의 중심선상에 배치될 때는, 도 5에 도시된 바와 같이, 1㎛로 현저하게 작아짐을 알 수 있다.
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 모터를 구비한 압축기의 종단면도,
도 2는 도 1의 회전자의 평단면도,
도 3은 도 1의 회전자의 통기공의 위치별 역기전력의 변화를 도시한 도면,
도 4는 도 1의 회전자의 회전시 플럭스배리어 영역의 응력 집중을 설명하기 위한 참고 도면,
도 5는 도 1의 회전자의 회전시 회전자의 외곽 변형량을 설명하기 위한 참고 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 케이스 113 : 흡입관
115 : 토출관 120 : 압축부
121 : 고정스크롤 125 : 선회스크롤
131 : 고정자 133 : 고정자코어
138 : 고정자코일 141 : 회전자
142 : 회전축 143 : 회전자코어
147 : 영구자석삽입부 149 : 플럭스배리어
151 : 체결공 161 : 영구자석
163 : 체결부재 171 : 통기공

Claims (13)

  1. 복수의 슬롯을 구비한 고정자;
    코어, 상기 코어에 삽입되는 복수의 영구자석, 상기 영구자석의 내측에 형성되는 복수의 통기공, 상기 영구자석의 외측에 형성되는 복수의 체결공을 구비한 회전자;
    를 포함하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는 4극으로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 체결공은 상기 회전자의 자극의 중심선에 대해 전기각으로 -5도 내지 +5도 내에 그 중심이 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 체결공은 상기 회전자의 자극의 중심선 상에 그 중심이 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통기공은 상기 회전자의 자극의 중심선으로부터 전기각으로 80도 내지 100도 범위 내에 그 중심이 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 각 통기공은 상기 코어의 단면적의 6% 내지 8% 크기의 단면적을 가지게 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  7. 복수의 슬롯을 구비한 고정자;
    코어, 상기 코어의 중심에 배치되는 회전축, 상기 코어에 삽입되는 복수의 영구자석, 상기 영구자석 중 적어도 어느 하나의 외 측에 형성되는 체결공 및 상기 체결공에 결합되는 체결부재를 구비한 회전자;
    를 포함하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 체결공은 상기 회전자의 자극의 중심선에 대해 전기각으로 -5도 내지 +5도 이내에 그 중심이 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 영구자석 보다 내측에 형성되는 적어도 하나의 통기공을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 통기공은 상기 코어의 단면적의 6% 내지 8% 크기의 단면적을 가지는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 통기공은 상기 회전자의 자극의 중심선에 대해 전기각으로 80도 내지 100도 이내에 그 중심이 배치되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입식 비엘디시 모터.
  12. 제1항의 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 구비한 압축기.
  13. 제7항의 영구자석 매입식 비엘디시 모터를 구비한 압축기.
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