KR20110000010A

KR20110000010A - 매립형 영구자석 전동기

Info

Publication number: KR20110000010A
Application number: KR1020090057336A
Authority: KR
Inventors: 니시무라 히로시
Original assignee: 현대자동차일본기술연구소; 기아자동차주식회사; 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-06-26
Filing date: 2009-06-26
Publication date: 2011-01-03

Abstract

본 발명은 매립형 영구자석(IPM) 전동기에 관한 것으로서, 집중권 고정자 치 선단의 돌출부 형상과 2분할된 영구자석의 배치를 개선하여 토크 발생을 극대화시킨 집중권 매립형 영구자석 전동기에 관한 것이다. 상기한 본 발명은, 코일이 권선되는 치들이 고정자 코어에 원주방향으로 배열되어 형성되는 집중권 고정자와, 1극에 대해 2분할된 구조의 영구자석들이 회전자 코어의 내부에 원주방향으로 배열되도록 매립된 회전자를 가지는 매립형 영구자석 전동기에 있어서, 상기 각 치의 선단에서 양방향으로 돌출된 두 돌출부가 치의 중심선을 중심으로 비대칭 구조로 돌출 형성되고, 상기 회전자 코어의 내부에 매립된 각 2분할 영구자석이 회전자 코어의 극 중심선을 중심으로 비대칭 구조로 형성되어, 고정자와 회전자 간의 자속 경로가 비대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 한다.

매립형, 영구자석, 전동기, IPM, 동기, 모터, 집중권, 치, 슬롯, 돌출부, 비대칭, 자속 경로, 2분할

Description

매립형 영구자석 전동기{Interior Permanent Magnet Motor}

본 발명은 매립형 영구자석 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 영구자석이 원주방향으로 배열되도록 회전자 코어에 매립 설치된 매립형 영구자석 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료(가솔린 등 화석연료)를 연소시켜 회전력을 얻는 엔진과 배터리 전력으로 회전력을 얻는 전기모터에 의해 구동하는 차량을 의미하며, 이를 통상 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.

하이브리드 차량은 엔진뿐만 아니라 전기모터(구동모터)를 보조동력원으로 채택하여 연비 향상 및 배기가스 저감을 도모할 수 있는 미래형 차량으로, 연비를 개선하고 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 더욱 활발한 연구가 진행되고 있다.

한편, 하이브리드 차량에 있어서 구동모터는 높은 효율과 출력밀도를 요구하기 때문에 대부분 매립형 영구자석 동기 전동기(Synchronous Motor)를 적용하고 있다.

회전자에 영구자석이 구비되어 회전 구동력을 발생시키는 전동기는 회전자 코어에 설치되는 영구자석의 결합구조에 따라 표면부착형 영구자석(Surface Mounted Permanent Magnet) 전동기와 매립형 영구자석(Interior Permanent Magnet, IPM) 전동기로 구분된다.

이 중 매립형 영구자석 전동기에는 회전자 코어에 복수개의 영구자석이 매립 설치되며, 마그넷 토크(Magnet Torque)뿐만이 아니라 자기 저항 토크(Reluctance Torque)를 이용하게 된다.

매립형 영구자석 전동기는, 회전자 코어의 표면에 자석을 부착하여 자장을 형성하는 표면부착형 영구자석 전동기와 달리, 회전자 속에 자석이 내장되어 있어 고속회전시 발생하는 영구자석의 분리현상(비산현상)이 구조적으로 방지되고, 따라서 표면부착형 영구자석 전동기에 비해 효율이 우수하여 고속구동용으로 많이 사용된다.

매립형 영구자석 전동기의 경우도 일반 전동기와 마찬가지로 고정자와, 고정자 내부에 회전 가능하게 수용되는 회전자와, 회전자 중심을 관통하여 설치되는 회전축을 포함하여 구성된다.

여기서, 고정자는 다수개의 자성 강판을 대략 원통 형상이 되도록 적층하여 만들어진 고정자 코어와, 고정자 코어에 원주방향으로 배열된 복수개의 슬롯에 감 겨져 있는 코일을 포함하여 구성된다.

여기서, 고정자는 다수개의 자성 강판을 적층하여 만들어진 고정자 코어와, 고정자 코어에 배열된 치(Teeth) 및 치 사이에 존재하는 슬롯에 집중 코일을 감아 만들어진 코일을 포함하여 구성된다.

상기 회전자는 고정자와 마찬가지로 다수개의 자성 강판을 대략 원통 형상이 되도록 적층하여 만들어지는 회전자 코어와, 상기 회전자 코어에 원주방향으로 배열된 복수개의 설치홈과, 상기 각 설치홈에 끼워지는 복수개의 영구자석을 포함하여 구성된다.

상기 회전축은 회전자 코어의 중심에 형성된 중공부에 압입되어 회전자와 함께 고정자와의 사이에 일정 간격을 유지하면서 회전하게 된다.

고정자의 치 및 슬롯에 감긴 복수개의 코일에 교류 전류가 인가되면, 각 코일의 극성이 순차적으로 변하면서 고정자 내주에 교번자계가 형성되어, 상기 치에 대향되어 있는 회전자 외주에는 영구자석에 의한 자계가 형성된다.

그리고, 고정자의 치에서 형성된 교번자계의 극성과 영구자석에 의한 극성이 동일한 경우에 발생하는 척력과, 극성이 상이한 경우에 발생하는 인력에 의해 회전자에 회전력이 인가되며, 이에 회전자는 회전축을 중심으로 회전하게 된다.

한편, 차량 용도, 특히 하이브리드 차량을 구동시키기 위한 전동기는 중량이 상당히 크기 때문에 전동기의 중량을 저감시키는 것이 필요하며, 전동기의 중량 저감은 차량 용도 이외에 항공기 용도 등 여러 가지 용도에 대해 본질적으로 중요한 과제이다. 전동기의 중량 저감을 위해서는 동일 중량에서 토크 및 출력 발생을 극대화시키는 것이 중요하다.

첨부한 도 1은 종래의 매립형 영구자석 전동기의 구조를 도시한 단면도로서, 도면부호 12는 고정자 코어(11)의 요크(Yoke)를 나타내며, 도면부호 13은 치를, 도면부호 14는 슬롯을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 고정자 코어(11)에서 원주방향으로 배열되는 치(13) 및 슬롯(14)에 코일(17)이 감겨져 있고, 회전자 코어(21)의 내부에는 원주방향으로 배열되는 복수개의 영구자석(22a,22b)이 매립되어 있다.

또한 고정자 코어(11)의 치(13) 선단에는 치의 중심선(코일의 중심선)(C1)를 중심으로 아크부(15)에서 양방향으로 대칭되게 돌출된 돌출부(16a,16b)가 형성되어 있다.

회전자 코어(21)의 내부에 매립되는 영구자석(22a,22b)의 경우, 도시된 바와 같이 1극에 대해 2분할된 구조가 적용될 수 있는 바, 이 경우 2분할된 2개의 영구자석(22a,22b)이 회전자 코어(21)의 극 중심선(C2)을 중심으로 대칭되게 배치되는 구조로 되어 있다.

그러나, 상기와 같이 이루어진 대칭형 구조의 치 및 영구자석을 가지는 전동기에서는 토크 발생을 좀더 극대화하는 방안이 필요하다.

보다 상세히 설명하면, 도 1에 도시된 일반적 구조(대칭 구조)의 매립형 영구자석 전동기에서는, 마그넷 토크의 최대치를 발생시키는 전류 위상을 0°로 했을 경우, 자기 저항 토크의 최대치를 발생시키는 전류 위상이 45°지연되는 것으로 알려져 있다.

또한 합성 토크(마그넷 토크와 자기 저항 토크의 합성 토크)의 최대치를 발생시키는 전류 위상은 통상 20°~ 35°가 되며, 이에 마그넷 토크를 최대한 활용하고 있다고 장담하기가 어렵다.

이에 따라, 자기 저항 토크의 최대치를 발생시키는 전류 위상을 앞당겨, 마그넷 토크를 보다 크게 활용할 수 있도록 하고, 궁극적으로 합성 토크의 최대치를 보다 증가시킬 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 발명한 것으로서, 원주방향으로 배열된 집중권 고정자의 치와 회전자에 매립된 영구자석의 구조 및 배치를 개선하여 토크 발생이 극대화되는 매립형 영구자석 전동기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 코일이 권선되는 치들이 고정자 코어에 원주방향으로 배열되어 형성되는 집중권 고정자와, 1극에 대해 2분할된 구조의 영구자석들이 회전자 코어의 내부에 원주방향으로 배열되도록 매립된 회전자를 가지는 매립형 영구자석 전동기에 있어서, 상기 각 치의 선단에서 양방향으로 돌출된 두 돌출부가 치의 중심선을 중심으로 비대칭 구조로 돌출 형성되고, 상기 회전자 코어의 내부에 매립된 각 2분할 영구자석이 회전자 코어의 극 중심선을 중심으로 비대칭 구조로 형성되어, 자속 경로가 비대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기를 제공한다.

상기 각 치의 선단에서 양방향으로 돌출된 두 돌출부가 치의 중심선을 중심으로 비대칭 구조로 형성되고, 상기 회전자 코어의 내부에 매립된 각 2분할 영구자석이 회전자 코어의 극 중심선을 중심으로 비대칭 구조로 배치되어, 고정자와 회전자 간의 자속 경로가 비대칭 구조를 가지는 것을 특징

바람직한 실시예에서, 상기 각 치의 선단에서 회전자의 회전방향을 기준으로 회전방향 전방에 위치되는 돌출부가 상대적으로 짧게 돌출되고, 회전방향 후방에 위치되는 돌출부가 상대적으로 길게 돌출되어 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 2분할 영구자석 중 회전자의 회전방향을 기준으로 회전방향 후방의 영구자석이 회전방향 전방의 영구자석에 비해 길게 배치되고, 상기 2분할 영구자석이 회전자 코어의 극 중심선에 대해 회전방향 전방으로 치우치게 배치된 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기에 의하면, 고정자 치 선단의 양방향 돌출부와 2분할된 두 영구자석이 비대칭 구조를 가지도록 구성됨으로써, 자기 저항 토크의 최대치를 발생시키는 전류 위상이 마그넷 토크의 최대치를 발생시키는 전류 위상에 근접될 수 있고, 결국 합성 토크의 최대치가 증가하게 되면서 동일한 전동기 중량에 대해 최대 토크를 증가시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 매립형 영구자석(IPM) 전동기에 관한 것으로서, 집중권 고정자 치 선단의 돌출부 형상과 2분할된 영구자석의 배치를 비대칭 구조로 개선하여 토크 발 생을 극대화시킨 비대칭 구조의 자속 경로를 갖는 매립형 영구자석 전동기에 관한 것이다.

첨부한 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기의 구조를 도시한 단면도로서, 도면부호 12는 고정자 코어(11)의 요크(Yoke)를 나타내며, 도면부호 13은 치를, 도면부호 14는 슬롯을 나타낸다.

도시된 바와 같이, 집중권 고정자(10)는 고정자 코어(11)와 코일(12)을 포함하는데, 고정자 코어(11)에서 원주방향으로 배열된 각각의 치(13) 및 슬롯(14)에 코일(12)이 감겨져 구성된다.

고정자 코어(11)의 치(13) 선단에는 아크부(15)에서 양방향으로 돌출된 돌출부(16a,16b)가 형성되어 있다.

회전자(20)는 회전자 코어(11)와 영구자석(22a,22b)을 포함하는데, 회전자 코어(11)의 내부에 원주방향으로 배열되도록 복수개의 영구자석(22a,22b)들이 매립되어 구성된다.

회전자 코어(21)의 내부에 매립되는 영구자석(22a,22b)들은 도시된 바와 같이 1극에 대해 2분할된 구조가 적용된다.

한편, 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기에서는 고정자 치(13) 선단의 돌출부(16a,16b) 형상과 2분할된 영구자석(22a,22b)의 구조 및 배치가 비대칭 구조가 되도록 하여, 집중권 고정자(10)와 회전자(20) 간의 자속 경로가 비대칭 구조를 가지도록 구성된다.

우선, 집중권 고정자(10)에 형성된 각각의 치(13)에서 양방향으로 돌출된 치 선단의 두 돌출부(16a,16b)가 치(13)의 중심선(고정자 코일의 중심선)(C1)을 중심으로 비대칭 구조로 형성된다. 요컨대, 한쪽의 돌출부(16a)는 작게 돌출된 형상을, 다른 쪽의 돌출부(16b)는 길게 돌출된 형상을 가지도록 형성되는 것이다.

이때, 회전자(20)의 회전방향을 기준으로 회전방향 전방에 위치되는 돌출부(16a)의 경우 집중권 고정자 치(13) 선단 표면으로부터 상대적으로 짧게 돌출되어 형성되고, 회전방향 후방에 위치되는 돌출부(16b)의 경우 고정자 치(13) 선단 표면으로부터 상대적으로 길게 돌출 연장되어 형성된다.

이와 같이 본 발명에서는 치 선단의 돌출부 구조에 있어서 치(13)의 중심선, 즉 고정자 코일(17)의 중심선(C1)을 중심으로 좌우 비대칭 형상을 가지도록 좌우 양방향의 돌출부(16a,16b)가 형성된다.

도 2를 참조하면, 회전자(20)의 회전방향이 도면상 반 시계방향이라 할 때, 회전방향을 기준으로 전방에 위치되는 각 치(13)의 도면상 좌측의 돌출부(16a)가 상대적으로 짧게 돌출된 구조이고, 회전방향을 기준으로 후방에 위치되는 각 치(13)의 도면상 우측의 돌출부(16b)는 상대적으로 길게 돌출 연장된 구조이다.

이와 함께 회전자(20) 내에 매립된 각 2분할 영구자석(22a,22b) 역시 회전자 코어(21)의 극 중심선(C2)을 중심으로 비대칭 구조가 되게 배치된다.

즉, 2분할된 두 영구자석(22a,22b) 중 회전자(20)의 회전방향을 기준으로 회전방향 후방에 배치되는 영구자석(22b)을 회전방향 전방에 배치되는 영구자석(22a)에 비해 길게 배치하여, 2분할된 두 영구자석(22a,22b)이 회전자 코어(21)의 극 중심선(C2)에 대해 회전방향 전방으로 치우치도록 한다.

도 2를 참조하면, 기존 극 중심선(C2)에 대해 두 영구자석(22a,22b)이 회전방향 전방으로 치우치게 배치되어 극 중심선을 중심으로 비대칭 구조임을 볼 수 있으며, 회전자(20)의 회전방향이 도면상 반 시계방향일 때, 2분할된 두 영구자석(22a,22b)에서 회전방향을 기준으로 후방에 위치되는 도면상 우측의 영구자석(22b)이 전방에 위치되는 도면상 좌측의 영구자석(22a)에 비해 상대적으로 길게 배치되어 있음을 볼 수 있다.

또한 분할된 두 영구자석(22a,22b)은 회전방향 전방이 되는 도면상 좌측으로 치우치게 배치되어 극 중심선(C2)을 중심으로 비대칭 구조로 되어 있음을 볼 수 있다.

상기와 같은 고정자의 치 선단 돌출부 구조 및 회전자의 영구자석 구조에 따르면, 치(13) 선단의 양방향 두 돌출부(16a,16b)와 2분할된 두 영구자석(22a,22b)이 도 2에 도시된 바와 같이 비대칭 구조를 가짐으로써, 자석 경로가 비대칭 구조를 가지게 되며, 특히 자기 저항 토크(고정자 코일이 회전자 코어를 흡인해 발생함)의 최대치를 발생시키는 전류 위상이, 종래의 대칭 구조를 갖는 전동기에 비해 앞당겨지기 때문에, 마그넷 토크(고정자 코일이 자석을 흡인, 반발해 발생함)의 최대치를 발생시키는 전류 위상에 접근하게 된다.

결국, 매립형 영구자석 전동기의 전체 발생 토크의 최대치, 즉 마그넷 토크와 자기 저항 토크의 합성 토크의 최대치가 증가하게 되고, 동일한 전동기 중량에 대해서 구조를 크게 변경시키지 않고도 발생 가능한 최대 토크를 증가시킬 수 있게 된다(합성 토크의 최대치를 확대하는 것이 가능해짐).

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기에서 합성 토크(마그넷 토크와 자기 저항 토크의 합성 토크)의 최대치가 증가함을 보여주는 전류 위상 대(vs.) 토크 곡선으로, 본 발명에 따른 비대칭 자속 경로 구조와 종래의 대칭 구조를 비교하여 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 마그넷 토크의 경우 본 발명에 따른 비대칭 자속 경로 구조와 종래의 대칭 구조에서 변화가 없으나, 자기 저항 토크의 경우에는 최대치가 발생하는 전류 위상이, 본 발명의 비대칭 자속 경로 구조에서 종래의 대칭 구조에 비해 앞당겨지면서, 마그넷 토크의 최대치를 발생시키는 전류 위상에 좀더 가까워지게 된다.

결과적으로, 본 발명의 비대칭 자속 경로 구조에서는 전동기의 최대 발생 토크(합성 토크)가 종래의 대칭 구조에 비해 상대적으로 커지게 되며, 합성 토크(마그넷 토크와 자기 저항 토크의 합성 토크)의 최대치가 보다 확대될 수 있게 된다.

첨부한 도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 비대칭 구조에서 종래의 대칭 구조에 비해 최대 토크가 증가함을 보여주는 FEM 해석 결과 도면으로서, 도 4a는 종래의 대칭 구조에 대한 해석 결과를, 도 4b는 본 발명에 따른 비대칭 구조에 대한 해석 결과를 나타낸 것이다. 해석시 양자의 통전 전류는 모두 동일하게 142.8Arms로 하였다.

그 결과를 살펴보면, 마그넷 토크의 발생 경향에 대해서는 비대칭 구조 및 대칭 구조에서 차이가 없어 변화가 없으나, 2분할된 자석의 배치 및 고정자 치 선단의 돌출부 형상을 비대칭 구조로 하는 본 발명에 따른 구조에서는, 자기 저항 토 크(Reluctance Torque)의 최대치가 발생하는 전류 위상이, 마그넷 토크(Magnet Torque)의 최대치가 발생하는 전류 위상인 0°에 보다 가까워짐을 알 수 있었다.

또한 해석 결과에서 마그넷 토크와 자기 저항의 합성 토크(Total Torque)가 약 2.2Nm 정도 증가하였으며(110.4Nm→112.6Nm), 이러한 결과를 통해 본 발명에 따른 비대칭 구조의 전동기에서 발생 토크(합성 토크)의 최대치가 대칭 구조를 갖는 종래의 전동기에 비해 증가하는 효과가 있음을 확인할 수 있었다.

도 1은 종래의 매립형 영구자석 전동기의 구조를 도시한 단면도,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기의 구조를 도시한 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기에서 합성 토크의 최대치가 증가함을 보여주는 전류 위상 대(vs.) 토크 곡선,

도 4a와 도 4b는 본 발명에 따른 비대칭 구조에서 종래의 대칭 구조에 비해 최대 토크가 증가함을 보여주는 FEM 해석 결과 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 집중권 고정자 11 : 고정자 코어

12 : 요크 13 : 치

14 : 슬롯 15 : 아크부

16a, 16b : 돌출부 17 : 코일

20 : 회전자 21 : 회전자 코어

22a, 22b : 영구자석 C1 : 치의 중심선(코일의 중심선)

C2 : 극 중심선

Claims

코일이 권선되는 치(13)들이 고정자 코어(11)에 원주방향으로 배열되어 형성되는 집중권 고정자와, 1극에 대해 2분할된 구조의 영구자석(22a,22b)들이 회전자 코어(21)의 내부에 원주방향으로 배열되도록 매립된 회전자를 가지는 매립형 영구자석 전동기에 있어서,

상기 각 치(13)의 선단에서 양방향으로 돌출된 두 돌출부(16a,16b)가 치(13)의 중심선(C1)을 중심으로 비대칭 구조로 형성되고, 상기 회전자 코어(21)의 내부에 매립된 각 2분할 영구자석(22a,22b)이 회전자 코어(21)의 극 중심선(C2)을 중심으로 비대칭 구조로 배치되어, 자속 경로가 비대칭 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
청구항 1에 있어서,

상기 각 치(13)의 선단에서 회전자(20)의 회전방향을 기준으로 회전방향 전방에 위치되는 돌출부(16a)가 상대적으로 짧게 돌출되고, 회전방향 후방에 위치되는 돌출부(16b)가 상대적으로 길게 돌출되어 형성된 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
청구항 1에 있어서,

상기 2분할 영구자석(22a,22b) 중 회전자(20)의 회전방향을 기준으로 회전방향 후방의 영구자석(22b)이 회전방향 전방의 영구자석(22a)에 비해 길게 배치되고, 상기 2분할 영구자석(22a,22b)이 회전자 코어(21)의 극 중심선(C2)에 대해 회전방향 전방으로 치우치게 배치된 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.