KR20110011459A

KR20110011459A - 커버플레이트를 갖는 회전자 및 그를 이용한 영구자석 동기 전동기

Info

Publication number: KR20110011459A
Application number: KR1020090069122A
Authority: KR
Inventors: 김영균; 정인성; 권순오; 홍정표
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-08
Also published as: KR101040959B1

Abstract

본 발명은 커버플레이트(cover plate)를 갖는 회전자 및 그를 이용한 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Syncronous Motor; PMSM)에 관한 것으로, 브리지(bridge)의 두께를 최소화하여 전동기의 전자기적 성능을 향상시키고, 더불어 회전자의 회전에 따라 브리지에 작용하는 응력을 분산시켜 브리지의 파손을 억제하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 PMSM용 회전자는 회전자 몸체, 복수의 영구자석 및 커버플레이트를 포함한다. 회전자 몸체는 중심 부분에 회전축이 결합되는 결합구멍이 형성되어 있고, 결합구멍을 중심으로 외곽에 복수의 영구자석이 삽입되는 삽입구멍이 복수개가 형성되어 있고, 삽입구멍들 양쪽에 넓게 브리지로 연결된 자속장벽이 형성되어 있다. 복수의 영구자석은 삽입구멍에 일부분이 삽입되며, 삽입구멍이 형성된 회전자 몸체의 상부면과 하부면으로 일부분이 돌출되게 설치된다. 그리고 커버플레이트는 회전자 몸체의 상부면 및 하부면에 체결되며 복수의 영구자석을 고정한다. 이와 같이 복수의 영구자석이 커버플레이트에 의해 고정되기 때문에, 회전자의 회전시 발생되는 응력이 커버플레이트에 삽입된 영구자석을 통하여 커버플레이트로 분산되어 브리지의 두께를 최소화하고 브리지를 얇게 가공할 수 있다.

영구자석, 커버플레이트, 덮개, 브리지, PMSM

Description

커버플레이트를 갖는 회전자 및 그를 이용한 영구자석 동기 전동기{Rotator having cover plate and PMSM using the same}

본 발명은 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Syncronous Motor; PMSM)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자의 회전에 따라 브리지에 작용하는 응력을 분산시켜 회전자의 브리지 두께를 최소화할 수 있는 커버플레이트를 갖는 회전자 및 그를 이용한 PMSM에 관한 것이다.

전동기는 종종 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키거나 그 역으로 변환시키도록 고정자의 중앙 구멍 속에서 회전하는 회전자 속에 위치한 영구자석들을 사용한다. 특히 PMSM은 직류모터와는 반대로 고정자가 권선이고 회전자가 자석으로 되어 있는 전동기로서, 고정자에 교류를 인가하여 회전자계를 만들어주면 회전자가 이를 따라 회전한다.

이와 같이 PMSM의 회전자에는 영구자석들이 삽입되어 설치될 수 있는 삽입구멍들이 형성되어 있으며, 공극을 통하지 않고 브리지를 통하여 누설자속이 발생되는 것을 억제하기 위해서, 삽입구멍의 양쪽에 넓게 자속장벽을 형성한다. 즉 자속장벽은 N극(또는 S극)에 인접하는 S극(또는 N극)으로 영구자석의 자속이 바로 넘어 가지 못하는 못하도록 하는 장벽 역할을 한다. 이와 같은 자속장벽의 설치로 인하여 매우 가는 살부분이 존재하며, 이를 브리지(bridge)라고 한다.

브리지를 통한 누설자속이 발생하는 것을 억제하기 위해서, 브리지는 최대한 얇게 형성하는 것이 바람직하다. 한편 브리지를 너무 얇게 형성할 경우, 회전자의 회전시 응력이 브리지에 집중되어 브리지가 파손되는 문제가 발생될 수 있다. 즉 회전운동을 하는 회전자의 기계적 강성을 확보하기 위해서는 브리지의 두께를 얇게 하는 데는 한계가 있다.

이로 인해 종래의 PMSM은 회전자의 회전운동으로부터 브리지의 파손을 방지하기 위해서, 전동기의 전자기적 성능저하를 감수하고 브리지를 일정 두께 이상으로 제작하고 있다. 또한 브리지를 일정 두께 이상으로 형성하더라도 기본적으로 얇게 가공된 브리지는 파손에 대한 잠재적 위험을 항상 안고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 브리지의 두께를 최소화하여 전동기의 전자기적 성능을 향상시키고, 더불어 회전자의 회전에 따라 브리지에 작용하는 응력을 분산시켜 브리지의 파손을 억제할 수 있는 커버플레이트를 갖는 회전자 및 그를 이용한 PMSM을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 회전자 몸체, 복수의 영구자석 및 커버플레이트를 포함하는 PMSM용 커버플레이트를 갖는 회전자를 제공한다. 상기 회전자 몸체는 중심 부분에 회전축이 결합되는 결합구멍이 형성되어 있고, 상기 결합구멍을 중심으로 외곽에 복수의 영구자석이 삽입되는 삽입구멍이 복수개가 형성되어 있고, 상기 삽입구멍들 양쪽에 넓게 브리지로 연결된 자속장벽이 형성되어 있다. 상기 복수의 영구자석은 상기 삽입구멍에 일부분이 삽입되며, 상기 삽입구멍이 형성된 상기 회전자 몸체의 상부면과 하부면으로 일부분이 돌출되게 설치된다. 그리고 상기 커버플레이트는 상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면에 체결되며 상기 복수의 영구자석을 고정한다.

상기 커버플레이트는 상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면과 마주보는 면에 상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면으로 돌출된 복수의 영구자석 부분이 삽입되는 삽입홈이 형성되어 있다.

상기 커버플레이트에는 상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면으로 돌출된 영 구자석 부분보다는 적어도 깊게 상기 삽입홈이 형성되어 있다.

상기 회전자 몸체에는 상기 결합구멍을 중심으로 방사상에 등간격으로 적어도 하나의 상기 삽입구멍이 각각 형성되어 있다. 이때 상기 회전자 몸체에는 상기 회전자 몸체의 상부면과 하부면을 관통하게 상기 삽입구멍이 형성되어 있다. 또는 상기 회전자 몸체에는 상기 회전자 몸체의 상부면과 하부면에 대해서 일정 깊이로 삽입구멍이 형성되어 있다.

상기 커버플레이트는 비자성체로 제조될 수 있다.

본 발명은 또한 전술한 회전자 및 고정자를 포함하는 PMSM을 제공한다. 상기 고정자는 중심 부분에 배치되는 상기 회전자를 둘러싸는 요크(yoke)와, 상기 요크의 내측면에서 상기 요크의 중심을 향하여 돌출되며, 상기 요크의 중심에 배치된 상기 회전자의 외주면에 근접하게 배치되는 티스(teeth)를 갖는다.

본 발명에 따르면 회전자의 삽입구멍의 깊이보다는 긴 영구자석을 삽입하여 삽입구멍의 양쪽으로 영구자석의 양단을 돌출시키고, 돌출된 영구자석 부분을 커버플레이트에 삽입시켜 고정함으로써, 회전자의 회전시 발생되는 응력이 커버플레이트에 삽입된 영구자석을 통하여 커버플레이트로 분산시킬 수 있기 때문에, 브리지에 작용하는 응력을 분산시켜 브리지의 파손을 억제할 수 있다.

그리고 브리지에 작용하던 응력이 영구자석 및 커버플레이트로 분산되기 때문에, 브리지를 더욱 얇게 형성할 수 있어 전동기의 전자기적 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 커버플레이트가 영구자석을 고정하기 때문에, 표면부착형 PMSM에 적용할 경우 영구자석의 비산을 방지할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 PMSM(100)에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PMSM(100)를 보여주는 평면도이다. 도 2는 도 1의 회전자 몸체(21)에 커버플레이트(50)가 결합되는 상태를 보여주는 결합사시도이다. 그리고 도 3은 도 2의 커버플레이트(50)가 결합된 회전자(20)를 보여주는 사시도이다.

본 실시예에 따른 PMSM(100)은 고정자(10) 및 회전자(20)를 포함하여 구성되며, 회전자(20)는 양면에 커버플레이트(50)가 결합되어 있다. 본 실시예에서는 6슬롯 4극 구조의 PMSM(100)을 예시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.

고정자(10)는 중심 부분이 관통된 원통 형상의 부재로서, 회전자(20)의 외곽을 감싸는 형태로 배치된다. 고정자(10)는 원통형인 요크(12)와, 요크(12)의 내측면에 형성된 티스(14)를 포함하여 구성된다. 티스(14)는 요크(12)의 내측면에서 요크(12)의 중심을 향하여 돌출되며, 요크(12)의 중심에 배치될 회전자(20)의 외주면에 근접하게 배치된다. 티스(14)에 각각 구동코일이 권선되어 외부 전원이 인가되면 자속을 발생시킨다.

그리고 회전자(20)는 회전자 몸체(21), 영구자석(30) 및 커버플레이트(50)를 포함하여 구성된다.

회전자 몸체(21)는 원통 형상의 부재로서, 중심 부분에 회전축(40)이 결합되는 결합구멍(22)이 형성되어 있다. 회전자 몸체(21)는 결합구멍(22)을 중심으로 외곽에 복수의 영구자석(30)이 삽입되는 삽입구멍(24)이 복수개가 형성되어 있다. 그리고 회전자 몸체(21)는 삽입구멍(24)들 양쪽에 넓게 브리지(28)로 연결된 자속장벽(26)이 형성되어 있다. 자속장벽(26)은 공극을 통과하지 않고 브리지(28)를 통하여 누설자속이 발생되는 것을 억제한다.

이때 고정자(10)의 티스(14)에 대해서 회전자(20)가 안정적으로 회전할 수 있도록, 회전자 몸체(21)와 티스(14) 간의 간격은 일정한다. 삽입구멍(24)은 체결구멍(22)을 중심으로 방사상으로 등간격으로 배치된다. 본 실시예에서는 4개의 삽입구멍(24)이 형성되며, 삽입구멍(24)은 결합구멍(22)의 중심으로 정사각형을 이루도록 배치될 수 있다.

한편 본 실시예에서는 결합구멍(22)으로 중심으로 방사상에 각각 하나의 삽입구멍(24)이 형성된 예를 개시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 결합구멍(22)을 중심으로 방사상에 각각 삽입구멍(24)이 복수개가 배치될 수 있다. 삽입구멍(24)은 라운드지거나 절곡된 형태로 형성될 수 있다. 이때 삽입구멍(24)은 회전축(40) 쪽으로 볼록하게 형성될 수 있다.

또한 삽입구멍(24)은 회전자 몸체(21)의 상부면과 하부면을 관통하는 형태로 형성될 수도 있고, 일정 깊이로 형성될 수 있다. 후자의 PMSM(100)는 표면부착형 PMSM이라고도 한다.

복수의 영구자석(30)은 각각 삽입구멍(24)에 일부분이 삽입되며, 삽입구멍(24)이 형성된 회전자 몸체(21)의 상부면과 하부면으로 일부분이 돌출되게 설치된다.

그리고 커버플레이트(50)는 회전자 몸체(21)의 상부면과 하부면에 체결되어 복수의 영구자석(30)을 고정한다. 커버플레이트(50)는 회전자 몸체(21)의 상부면 및 하부면과 마주보는 면에 회전자 몸체(21)의 상부면 및 하부면으로 돌출된 복수의 영구자석(30) 부분이 삽입되는 삽입홈(51)이 형성되어 있다. 삽입홈(51)은 돌출된 복수의 영구자석(30) 부분이 삽입될 수 있도록 돌출된 영구자석(30)의 길이보다는 적어도 깊게 형성하는 것이 바람직하다. 커버플레이트(50)는 중심 부분에 회전자 몸체(21)의 결합구멍(22)에 대응되게 결합구멍(52)이 형성되어 있다. 이때 커버플레이트(50)의 소재로는 PMSM(100)에서 발생되는 자속에 영향을 주지 않는 비자성체로 제조될 수 있다.

회전자 몸체(21)와 커버플레이트(50)에 각각 대응되게 형성된 체결구멍(22,54)을 통하여 체결나사(60)로 체결함으로써, 커버플레이트(50)를 회전자 몸체(21)에 고정할 수 있다. 이때 회전자 몸체(21)의 상부면과 하부면으로 돌출된 영구자석(30) 부분은 커버플레이트(50)의 삽입홈(51)에 삽입되어 고정된다. 커버플레이트(50)에 형성된 삽입홈(51)을 통하여 회전자 몸체(21)에 대한 커버플레이트(50)의 체결 위치를 정렬할 수 있다.

따라서 영구자석(30)의 질량에 의해 회전자(20)의 브리지(28)와 회전자(20)의 철심에 전달되는 전자기적 힘을 회전자 몸체(21)에 체결된 커버플레이트(50)가 분산시킴으로써, 브리지(28)의 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 브리지(28)를 더욱 얇게 가공할 수 있다.

즉 회전자(20)의 삽입구멍(24)의 깊이보다는 긴 영구자석(30)을 삽입하여 삽입구멍(24)의 양쪽으로 영구자석(30)의 양단을 돌출시키고, 돌출된 영구자석(30) 부분을 커버플레이트(50)에 삽입시켜 고정함으로써, 회전자(20)의 회전시 발생되는 응력이 커버플레이트(50)에 삽입된 영구자석(30)을 통하여 커버플레이트(50)로 분산되기 때문에, 브리지(28)에 작용하는 응력을 분산시켜 브리지(28)의 파손을 억제할 수 있다.

그리고 브리지(28)에 작용하던 응력이 영구자석(30)을 통하여 커버플레이트(50)로 분산되기 때문에, 브리지(28)를 더욱 얇게 형성할 수 있어 PMSM(100)의 전자기적 성능, 예컨대 출력밀도, 역율 등을 향상시킬 수 있다.

또한 커버플레이트(50)가 영구자석(30)을 고정하기 때문에, 표면부착형 PMSM에 적용할 경우 영구자석(30)의 비산을 방지하는 역할을 수행할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영구자석 동기 전동기를 보여주는 평면도이다.

도 2는 도 1의 회전자 몸체에 커버플레이트가 결합되는 상태를 보여주는 결합사시도이다.

도 3은 도 2의 커버플레이트가 결합된 회전자를 보여주는 사시도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *

10 : 고정자 12 : 요크

14 : 티스 20 : 회전자

21 : 회전자 몸체 22,54 : 결합구멍

24 : 삽입구멍 26 : 자속장벽

28 : 브리지 29,56 : 체결구멍

30 : 영구자석 40 : 회전축

50 : 커버플레이트 51 : 삽입홈

60 : 체결나사 100 : 영구자석 동기 전동기(PMSM)

Claims

중심 부분에 회전축이 결합되는 결합구멍이 형성되어 있고, 상기 결합구멍을 중심으로 외곽에 복수의 영구자석이 삽입되는 삽입구멍이 복수개가 형성되어 있고, 상기 삽입구멍들 양쪽에 넓게 브리지로 연결된 자속장벽이 형성된 회전자 몸체;

상기 삽입구멍에 일부분이 삽입되며, 상기 삽입구멍이 형성된 상기 회전자 몸체의 상부면과 하부면으로 일부분이 돌출되게 설치되는 복수의 영구자석;

상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면에 체결되며 상기 복수의 영구자석을 고정하는 커버플레이트;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기용 커버플레이트를 갖는 회전자.
제1항에 있어서, 상기 커버플레이트는,

상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면과 마주보는 면에 상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면으로 돌출된 복수의 영구자석 부분이 삽입되는 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기용 커버플레이트를 갖는 회전자.
제2항에 있어서, 상기 커버플레이트에는,

상기 회전자 몸체의 상부면 및 하부면으로 돌출된 영구자석 부분보다는 적어도 깊게 상기 삽입홈이 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기용 커버플 레이트를 갖는 회전자.
제2항에 있어서, 상기 회전자 몸체에는,

상기 결합구멍을 중심으로 방사상에 등간격으로 적어도 하나의 상기 삽입구멍이 각각 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기용 커버플레이트를 갖는 회전자.
항4항에 있어서, 상기 회전자 몸체에는,

상기 회전자 몸체의 상부면과 하부면을 관통하게 상기 삽입구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기용 커버플레이트를 갖는 회전자.
제4항에 있어서, 상기 회전자 몸체에는,

상기 회전자 몸체의 상부면과 하부면에 대해서 일정 깊이로 삽입구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기용 커버플레이트를 갖는 회전자.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 커버플레이트는 비자성체인 것을 특징으로 하는 영구자석 동기 전동기용 커버플레이트를 갖는 회전자.
제7항에 따른 회전자;

중심 부분에 배치되는 상기 회전자를 둘러싸는 요크(yoke)와, 상기 요크의 내측면에서 상기 요크의 중심을 향하여 돌출되며, 상기 요크의 중심에 배치된 상기 회전자의 외주면에 근접하게 배치되는 티스(teeth)를 갖는 고정자;

를 포함하는 영구자석 동기 전동기.