KR20110032988A

KR20110032988A - 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터, 이를 이용한 고출력 모터 및 워터 펌프

Info

Publication number: KR20110032988A
Application number: KR1020100000152A
Authority: KR
Inventors: 김병수
Original assignee: 주식회사 아모텍
Priority date: 2009-09-24
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2011-03-30
Also published as: KR101122503B1

Abstract

본 발명은 가격이 저렴한 링형상의 등방성 주 자석과 다수의 고자력의 이방석 자석편을 조합함에 의해 전체적으로 저렴하게 고자력의 로터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 고효율, 고출력의 모터를 구성할 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터, 이를 이용한 고출력 모터 및 워터 펌프에 관한 것이다.
본 발명의 로터는 중앙부에 회전축이 결합되며, 외주면에 다수의 요홈이 일정한 간격을 두고 형성되며, 자기회로를 형성하는 원봉 형상의 백 요크와; 상기 백 요크의 외주에 형성된 다수의 요홈에 배치되는 다수의 보조 자석과; 상기 백 요크의 외주부에 내주부가 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 보조 자석의 수와 동일한 수의 자극수를 갖도록 분할 착자된 주 자석을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 인너로터 또는 아우터로터 타입으로 스테이터와 조합하여 고출력 모터를 구성할 수 있으며, 이 모터를 이용하여 워터 펌프를 구성할 수 있다.

Description

하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터, 이를 이용한 고출력 모터 및 워터 펌프{Rotor Having Magnet Structure of Hybrid Type, High Power Motor and Water Pump Using the Same}

본 발명은 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터 및 이를 이용한 고출력 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가격이 저렴한 링형상의 등방성 자석으로 이루어진 주 자석(main magnet)과 다수의 고자력의 이방석 자석편으로 이루어진 보조 자석(sub magnet)을 조합함에 의해 전체적으로 저렴하게 고자력의 로터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 고효율, 고출력의 모터를 구성할 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터, 이를 이용한 고출력 모터 및 워터 펌프에 관한 것이다.

BLDC 모터에는 회전자의 내부에 영구자석이 삽입되는 IPM 타입(Interior Permanent Magnet type) BLDC 모터와, 영구자석이 회전자의 표면에 부착되어 있는 SPM 타입(Surface Permanent Magnet type) BLDC 모터 등이 사용된다.

이 경우 진공청소기용 공기흡입장치의 모터나 워터 펌프용 모터는 고속 회전이 요구되며, 이러한 고속회전용으로는 고속 회전시 원심력에 의한 영구자석의 비산과 Nd 자석이 녹스는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 큰 토크를 발생시킬 수 있는 IPM 타입이 주로 사용된다.

종래의 IPM 타입 BLDC 모터는 중앙측에 공간을 갖는 스테이터와, 이 스테이터의 중앙측 공간에 일정 간격을 두고 회전 가능하게 배치되는 로터로 이루어진다.

상기 스테이터는 외측에 형성되는 스테이터 코어와, 이 스테이터 코어의 중앙측 공간부 둘레방향으로 일정 간격으로 "T" 형상으로 돌출되어 이들 사이에 다수의 슬롯이 형성되는 다수의 티스와, 상기 티스에 권선되는 스테이터 코일로 구성된다.

상기 로터는 중앙측에 회전축이 장착되는 로터 코어와, 상기 로터 코어의 원주방향으로 서로 다른 극을 갖고 균등 간격으로 설치되는 다수의 영구자석으로 구성되며, 이 영구자석은 극성이 각기 다른 양측 끝부분에 일정 공간을 갖는 스페이서가 형성되는 공간에 삽입된다. 여기에서, 스페이서는 영구자석의 양쪽 끝부분에 형성되는 일정 공간으로 자기저항을 크게 하여 자속 누설을 방지한다.

이와 같은 종래의 IPM 타입 BLDC 모터는 스테이터 코일에 전원이 인가되면 토크 리플이 발생되고, 이 토크 리플에 의해 공극 자속밀도의 변화 및 전류의 왜곡이 필연적으로 존재하기 때문에 코킹 토크 및 릴럭턴스 토크 리플이 발생된다. 즉, 로터가 회전될 때 스페이스의 자기저항이 크기 때문에 자기저항이 작은 코어 부분으로 대부분의 자속이 통과하므로 정현파에 가깝지 않은 공극 자속 밀도를 가지게 되고, 회전각 변화에 따라 에너지 변화가 더욱 커지게 되어 코킹 토크가 커지게 된다.

여기에서, 상기 코킹 토크는 스테이터의 비균일 토크로서, 모터 시스템의 자기에너지가 최소인 위치로 이동하려는 접선 방향의 힘을 말하는 데, 부하전류와는 상관없이 로터 외경과 스테이터 내경 간에 에어 갭에 자기 에너지가 변화함으로써 발생하는 릴럭턴스 토크를 말한다. 이러한 코킹토크는 영구자석 타입 모터에서는 필연적으로 발생되며 모터의 진동 소음의 원인이 된다.

하기 문헌 1에는 중앙측에 일정 간격으로 스테이터 슬롯이 형성되는 스테이터와, 상기 스테이터의 내측면에 다른 극을 갖는 복수개의 영구자석이 폴 슈와 링크 및 웨브 사이의 공간에 삽입되는 로터를 포함하며, 폴 슈는 외측으로 에어 갭 공간을 구성하고, 내측으로 영구자석을 통과한 자속의 일부가 스페이스를 통해 누설될 수 있도록 스페이스와 공기 등의 비자성체와 접촉되는 폴 슈 돌기부가 형성된 IPM 타입 BLDC 모터가 제안되어 있다.

상기 IPM 타입 BLDC 모터는 폴 슈의 하단에 스페이스와 접촉되는 폴 슈 돌기부를 형성하여 영구자석으로부터 발생된 자속 중 일부가 스페이스를 통해 누설되도록 하여 정현파에 가까운 공극 자속밀도를 가지도록 함으로써, 코킹 토크를 저감시켜 모터의 진동 및 소음을 저감시키고 있다.

하기 특허문헌 2는 회전자에 매립되는 영구자석의 형상을 개선하여 고정자와 회전자 사이의 공극에서의 자속밀도 분포를 균일하게 함으로써 전동기의 효율을 향 상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 토크 리플을 감소시킬 수 있는 영구자석 매립형 전동기를 제안하고 있다.

특허문헌 2에서는 이를 위하여 복수의 영구자석이 코어에 매립된 회전자에서 영구자석은 상기 코어의 중심을 향해 일정 곡률로 볼록하게 형성된 내주면과, 코어의 외주면을 향해 볼록하게 형성된 외주면으로 형성되며, 외주면은 상기 내주면의 양단으로부터 연장하며 일정 곡률을 가진 제 1 곡면부와, 상기 제 1 곡면부의 양단을 연결하여 형성되되 제 1 곡면부보다 더 큰 곡률을 가진 제 2 곡면부로 이루어져 있다.

상기한 종래의 IPM 타입 BLDC 모터는 고자력의 Nd 자석으로 이루어진 다수의 N극 및 S극 자석이 교대로 로터 코어에 삽입된 구조를 가지므로 고가의 Nd 자석으로 인하여 원가 부담이 크다.

한편, 산업용 모터의 효율을 증대시키고 모터 사이즈를 줄이기 위한 방법으로 자석의 에너지적(Maximum Energy Product)(BHmax)을 증대시키는 방안이 제시되고 있다. 에너지적은 영구 자석이 만들어 내는 에너지의 지표가 되며, 동작점에 따라 변하고 어떤 점에서 최대값을 나타낸다.

경자성 재료에서는 Br(잔류자속밀도), Hc(보자력), BHmax(에너지적)가 큰 것이 바람직하다. Br(잔류자속밀도)를 크게 하기 위해서는 자발 자화(Ms)를 크게 함으로써 이방성 방향을 일정하게 정돈해 주는 것이 바람직하고, Hc(보자력)을 크게 하기 위해서는 내부 응력이나 불순물을 적당히 넣어 자벽을 움직이지 못하게 하며 단자구 구조로 하고 있다.

가격이 저렴한 페라이트 자석은 4 에너지적(MGOe)이고, 란탄계열의 Co 자석은 페라이트 자석의 5배, Nd 계열 자석은 페라이트 자석의 9배의 값을 나타낸다.

일반적으로 자석은 성형시에 자화 방향으로 자장코일이 상하 금형에 감겨져 있어 자구(磁區)의 방향이 일정한 이방성 자석(anisotropic magnet)과 성형시에 자장을 걸어주지 않고 제조되는 등방성 자석(isotropic magnet)으로 나누어진다.

등방성 자석은 자구의 방향이 정렬되어 있지 않으므로 착자 방향을 어느 방향으로나 착자할 수 있으나 이방성 자석은 이미 배열된 자구 방향으로만 착자해야 하나 에너지적(BHmax)은 이방성 자석에 비해 등방성 자석이 1/2 내지 1/3 배 정도 약하다.

이방성 자석은 자력이 강한 반면에 원형(ring type)의 자성재료를 분할 착자를 실시할 경우 착자 방향이 원주 방향으로 형성할 수 없어 이 자석은 진동 및 소음에 악 영향을 주는 단점이 있다. 따라서, 이러한 소음을 해결하기 위하여 이방성 자석의 모서리에 커브를 주어 해결할 수 있으나, 이 또한 가공비가 높아지는 문제점이 있다.

또한, 이방성 세그먼트 자석을 백요크에 부착하여 사용하는 로터 구조는 N극 자석과 S극 자석 사이에 중성점이 존재하기 때문에 토크 리플에 따른 소음을 줄이도록 스큐(skew) 착자를 실시하는 경우 각각의 세그먼트 자석마다 N극과 S극이 공존하게 되어 정현파 역기전력(EMF: Electromotive Force)을 얻지 못하게 된다.

일반적으로 이방성 자석은 제품 제작시에 금형상에서 자장을 걸어주기 때문에 착자 방향이 결정되어 있게 된다. 따라서, 이방성 자석은 보통 세그먼트(segment) 자석을 사용해서 원하는 극성으로 착자하여 사용하고 있으며, 그 결과 제작의 어려움 때문에 가격이 높게 된다.

이방성 자석은 세그먼트(segment) 자석으로 사용하므로 원심력에 의해 자석이 이탈하는 문제를 고려하여 다수의 세그먼트를 백요크(back yoke)에 접착제를 사용하여 고정시키거나 다른 기구물을 사용하여 이탈을 방지하고 있다.

한편, 등방성 자석은 원형(ring type)의 자성재료를 분할 착자하여도 착자 요크에 따라서 착자 방향을 조절할 수 있으며 원형으로 제작 가능하여 원심력에 의해 이탈될 우려가 없고 제작 공정이 단순하며 가격이 저렴한 장점이 있는 반면에 이방성 자석에 비해 자력이 약해서 로터에 적용할 경우 토크(torque)가 큰 모터를 구현할 수 없는 단점이 있다.

일반적인 SPM 타입(surface permanent magnet type) BLDC 모터는 도 1에 도시된 바와 같이, 백 요크(로터 코어)(1)의 표면에 세그먼트 형태의 이방성 N극 자석(2a)을 및 S극 자석(2b)을 교대로 배치한 구조를 갖는 로터(5)와, 로터(5)의 외주에 환형 몸체(3b)로부터 연장된 다수의 티스(3a)가 형성된 스테이터 코어(3)에 코일(4)이 권선된 스테이터(6)로 이루어져 있으며, 로터(5)의 중앙에 회전축(7)이 결합되어 있다.

상기한 SPM 타입 BLDC 모터는 세그먼트 형태의 자석을 접착제를 사용하여 백 요크의 표면에 부착하고 2차로 자석의 이탈방지를 위한 구조물을 결합시키거나 인서트 몰딩에 의해 수지로 자석과 백요크를 일체화시키는 방법으로 로터의 회전시에 원심력으로 인한 자석의 이탈을 방지한다. 이러한 세그먼트 자석의 이탈을 방지하기 위한 구조는 모터의 소형화와 비용 절감에 장애요소로 작용한다.

또한, 링형상의 등방성 자석을 분할 착자하여 백 요크와 결합시킨 로터 구조에서는 등방성 자석의 자력이 약해서 고출력 모터를 구현할 수 없는 문제가 있다.

한편, 일반적인 IPM 타입(Interior Permanent Magnet type) BLDC 모터는 도 2에 도시된 바와 같이, 백 요크(11)의 내부에 세그먼트 형태의 이방성 N극 자석(12a) 및 S극 자석(12b)이 삽입된 로터(15)와, 로터(15)의 외주에 환형 몸체(13b)로부터 연장된 다수의 티스(13a)가 형성된 스테이터 코어(13)에 코일(14)이 권선된 스테이터(16)로 이루어져 있으며, 로터(15)의 중앙에 회전축(17)이 결합되어 있다.

상기한 IPM 타입 BLDC 모터는 백 요크에 Nd 자석과 같은 강자석을 삽입하여 백 요크를 포화시켜서 사용하는 것으로 고속 회전에 적합하다.

상기한 IPM 타입 BLDC 모터는 백 요크를 포화시켜서 사용하는 방식이므로 고가의 Nd 자석을 많은 양으로 사용하여야 하므로 원가 부담이 크고 삽입된 Nd 자석의 이탈을 방지하기 위한 이탈방지구조가 요구된다.

KR, 10-416771, B1 KR, 10-36147, B1

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 링형상의 등방성 주 자석과 세그먼트 형태의 이방성 보조 자석을 조합하여 SPM 타입과 IPM 타입 로터의 단점을 피하고 장점을 살릴 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터 및 이를 이용한 고출력 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 가격이 저렴한 링형상의 등방성 자석으로 이루어진 주 자석(main magnet)과 다수의 고자력의 이방석 자석편으로 이루어진 보조 자석(sub magnet)을 조합함에 의해 전체적으로 저렴하게 고자력의 로터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 고효율, 고출력의 모터를 구성할 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터 및 이를 이용한 고출력 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 인너로터 타입에 적용하는 경우 백 요크의 표면에 구비된 요홈 또는 링형상의 등방성 주 자석의 내측홈에 다수의 고자력의 이방성 자석편으로 이루어진 보조 자석을 조합하여 조립함에 의해 인너로터의 회전시에 자석편의 이탈방지를 효과적으로 처리할 수 있어 사이즈 축소가 가능한 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터 및 이를 이용한 고출력 모터를 제공하는 데 있다.

마찬가지로 본 발명의 또 다른 목적은 아우터로터 타입에 적용하는 경우 백 요크의 내주면을 따라 구비된 요홈 또는 링형상의 등방성 자석으로 이루어진 주 자석의 외측홈에 다수의 고자력의 이방성 자석편으로 이루어진 보조 자석을 조합하여 조립함에 의해 아우터로터의 회전시에 자석편의 이탈방지를 효과적으로 처리할 수 있어 사이즈 축소가 가능한 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터 및 이를 이용한 고출력 모터를 제공하는 데 있다.

더욱이 본 발명의 또 다른 목적은 인너로터와 아웃터로터의 타입에 제한되지 않아 두가지 타입의 로터에 모두 적용이 가능하여 활용성이 높은 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터 및 이를 이용한 고출력 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 링형 주 자석에 대한 세그먼트형 보조 자석의 결합 위치를 조정하여 정현파 역기전력(EMF: Electromotive Force)이 얻어지도록 함에 의해 토크 리플에 따른 진동에 의해 발생하는 소음을 줄일 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터 및 이를 이용한 고출력 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 링형 주 자석과 세그먼트형 보조 자석의 스큐(skew) 착자를 완벽하게 실시함에 의해 토크 리플에 따른 진동에 의해 발생하는 소음을 줄일 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 고출력 모터를 이용한 워터 펌프를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제1실시예에 따르면, 본 발명은, 중앙부에 회전축이 결합되고, 외주면에 다수의 요홈이 일정한 간격을 두고 형성되며 자기회로를 형성하는 원봉 형상의 백 요크와; 상기 백 요크의 다수의 요홈에 삽입 배치되는 다수의 보조 자석과; 상기 백 요크의 외주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 보조 자석의 수와 동일한 수의 자극수를 갖도록 분할 착자된 주 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 제공한다.

본 발명의 제2실시예에 따르면, 본 발명은, 중앙부에 회전축이 결합되며, 자기회로를 형성하는 원봉 형상의 백 요크와; 상기 백 요크의 외주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 자극으로 분할 착자되며 내주부에 각각의 자극마다 요홈을 구비하는 주 자석과; 상기 주 자석의 분할 착자된 자극수와 동일한 수로 이루어지고 상기 요홈에 삽입되는 다수의 보조 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 제공한다.

본 발명의 제3실시예에 따르면, 본 발명은, 내주면에 다수의 요홈이 일정한 간격을 두고 형성되며 자기회로를 형성하는 원통형 백 요크와; 상기 백 요크의 다수의 요홈에 삽입 배치되는 다수의 보조 자석과; 상기 백 요크의 내주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 보조 자석의 수와 동일한 수의 자극수를 갖도록 분할 착자된 주 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 제공한다.

본 발명의 제4실시예에 따르면, 본 발명은, 자기회로를 형성하는 원통형 백 요크와; 상기 백 요크의 내주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 자극으로 분할 착자되며 외주부에 각각의 자극마다 요홈을 구비하는 주 자석과; 상기 주 자석의 분할 착자된 자극수와 동일한 수로 이루어지고 상기 요홈에 삽입되는 다수의 보조 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 제공한다.

상기 백 요크는 자신의 외주면에 배치된 다수의 보조 자석으로부터 중심방향으로 내측의 동심원을 따라 배치되며 인접한 두개의 보조 자석 사이에 위치된 다수의 스페이서를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 로터에서 다수의 보조 자석은 이방성 자석으로 이루어지고, 상기 주 자석은 등방성 자석으로 이루어지는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 로터는 주 자석의 내주부에 스테이터가 배치되고 중심부에 로터의 회전축이 회전 가능하게 지지된다.

또한, 상기 주 자석과 보조 자석은 스큐 착자되는 것이 바람직하며, 상기 보조 자석은 스큐 착자된 주 자석의 스큐 각도와 동일한 각도로 경사지게 설정되는 것이 바람직하다.

상기 로터는 인너로터 또는 아우터 로터 타입으로 스테이터와 조합되어 모터를 구성할 수 있다. 이 경우 스테이터는 일체형 코어 구조 또는 분할형 코어 구조 모두 적용될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 원통형 코어 몸체의 내주벽에 다수의 슬롯을 형성하도록 돌출된 다수의 티스와 상기 티스에 감겨진 다수의 스테이터 코일을 구비하는 스테이터와, 상기 스테이터의 내주부, 외주부 및 상부면을 둘러싸는 환형상으로 이루어지며, 그의 내주부 하단은 원형 판으로 밀폐되어 방수용 실링 구조를 갖는 스테이터 케이스와, 상기 스테이터의 내부에 일정 간극 이격되어 배치되며, 원봉 형상의 백 요크 외주면에 형성된 다수의 요홈에 다수의 보조 자석이 결합되고, 상기 백 요크의 외주에 링 형상의 주 자석이 결합되는 로터와, 상기 로터의 백 요크 중앙부에 결합되며 하단부가 상기 스테이터 케이스의 원형 판에 회전 가능하게 지지되는 회전축과, 상기 측면부가 스테이터 케이스를 둘러싸며 상부면의 중앙에 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 상부 하우징과, 상기 상부 하우징의 하단부를 실링하는 하부 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터를 제공한다.

상기 스테이터에 대한 실링 구조를 갖는 모터는 워터 펌프에 적용될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 링형상의 주 자석과 세그먼트형 보조 자석을 조합하여 SPM 타입과 IPM 타입의 로터 구조 각각의 단점을 피하고 장점을 살릴 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 제안한다.

본 발명에서는 가격이 저렴한 링형상의 등방성 주 자석과 가격이 비싸나 종래에 비하여 상대적으로 적은 양의 다수의 고자력의 이방석 자석편으로 이루어진 보조 자석을 조합함에 의해 전체적으로 저렴하게 고자력의 로터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 고효율, 고출력의 모터를 구성할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 링형상의 등방성 주 자석의 내측 홈 또는 백 요크의 표면에 구비된 요홈에 다수의 고자력의 이방석 자석편으로 이루어진 보조 자석을 조합하여 조립함에 의해 인너로터의 회전시에 자석편의 이탈방지를 효과적으로 처리할 수 있어 사이즈 축소가 가능하다.

더욱이, 본 발명에서는 백 요크의 내주면을 따라 구비된 요홈 또는 링형상의 등방성 주 자석의 외측홈에 다수의 고자력의 이방성 자석편으로 이루어진 보조 자석을 조합하여 조립함에 의해 아우터로터의 회전시에 자석편의 이탈방지를 효과적으로 처리할 수 있어 사이즈 축소가 가능하다.

따라서, 본 발명에서는 인너로터 또는 아웃터로터 등의 로터 타입에 제한적이지 않아 모든 로터에 원형의 등방석 주 자석과 고자력의 이방성 자석편으로 이루어진 보조 자석을 조합하여 조립 적용이 가능하여 활용성을 높일 수 있고, 상기 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 고출력 모터를 이용하면 소형, 고출력 워터 펌프를 제작할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같이 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터를 콤팩트한 구조로 구현하면서도 BLDC 방식으로 고속, 대출력을 실현할 수 있게 되어 워터 펌프, 진공청소기, 전기자동차 등에 응용 가능하다.

도 1은 일반적인 SPM 타입 모터를 나타낸 개략 단면도,
도 2는 일반적인 IPM 타입 모터를 나타낸 개략 단면도,
도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 인너로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 인너로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도,
도 5는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 모터를 워터 펌프 구동용으로 설계한 축방향 단면도,
도 6은 도 5의 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 모터를 이용한 워터 펌프의 축방향 단면도,
도 7은 본 발명의 바랍직한 제3실시예에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 아우터로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도,
도 8은 본 발명의 바랍직한 제4실시예에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 아우터로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도
도 9a 및 도 9b는 각각 종래의 세그먼트 형태의 이방성 자석을 구비하는 로터의 스큐 착자 결과를 나타내는 설명도 및 본 발명에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터의 스큐 착자 결과를 나타내는 설명도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 바람직한 제1실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 인너로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도, 도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 인너로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터는 로터(25) 및 스테이터(26)로 구성되어 있고, 로터(25)의 중앙에는 회전축(27)이 결합되어 있다.

도 3에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터는 예를 들어, 8극/12슬롯 구조로 설계되어 있으며, 모터의 출력을 증가시키기 위하여 사이즈가 증가되는 경우 이에 대응하여 극수와 슬롯수는 증가될 수 있어, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

상기 스테이터(26)는 다수의 자성 강판을 적층하여 실린더 형상의 몸체(23b) 내주벽에 12개의 슬롯을 형성하도록 대략 "T" 형상으로 돌출된 12개의 티스(23a)를 구비하는 일체형 스테이터 코어(23)에 자기적으로 12상의 N극과 S극을 발생시키도록 상기 티스의 상/하부면과 몸체의 내주면과 상/하부면을 커버하도록 결합된 절연성 수지로 이루어진 보빈(도시되지 않음)에 감겨진 스테이터 코일(24)을 구비하고 있으며, 상기 로터(25)는 스테이터(26)와 마찬가지로 다수의 자성 강판을 적층하여 형성되며, 상기 스테이터(26)의 내부에 일정 간극 이격되어 회전가능하게 배치되어 있다.

이 경우, 상기 일체형 스테이터 코어(23)는 필요에 따라 분할 코어 구조로 형성될 수 있다.

또한, 상기 로터(25)는 적층된 자성 강판으로 이루어지며 중앙에 회전축(27)이 결합되는 관통구멍이 형성되어 있는 백 요크(즉, 로터 코어)(21)를 구비하고 있으며, 백 요크(21)의 외주면에는 미리 설정된 각도마다 8개의 요홈이 형성되어 세그먼트 형상의 8개의 매입형 영구자석으로 이루어진 보조 자석(22b)이 삽입되어 있다.

매입형 영구자석으로 이루어진 보조 자석(22b)은 강자석, 예를 들어, SmCo₅계, Sm₂Co₁₇계, Nd₂Fe₁₄B계, Sm₂Fe₁₇N₃계의 희토류 합금으로 이루어진 경자성 재료를 사용하며, 특히, 에너지적(BHmax)이 큰 Nd계 합금은 예를 들어, Nd-Fe-B(이방성 자석)가 바람직하다.

더욱이, 상기 백 요크(21)의 외주에는 예를 들어, 저가로 구입이 가능한 페라이트(Ferrite)계 재료로 제작되며 링 형상의 등방성 자석으로 이루어진 주 자석(22a)이 결합되어 있다. 상기 링 형상의 등방성 주 자석(22a)은 세그먼트 형상의 8개의 매입형 보조 자석(22b)과 동일한 극수로 N극 및 S극이 교대로 형성되도록 분할 착자 처리된 것을 사용한다.

상기한 구조를 가지는 경우, 즉, 백 요크(21)의 외주에 링 형상으로 이루어진 등방성 주 자석(22a)이 결합되는 경우 백 요크(21)의 외주면에 형성된 요홈에 삽입된 세그먼트 형상의 매입형 보조 자석(22b)은 자연스럽게 로터(25)의 회전시에도 이탈 방지가 이루어질 수 있어 별도의 이탈방지구조가 필요 없게 된다.

상기 보조 자석(22b)은 로터(25)의 반경방향으로 착자되어 양극을 형성함으로써 보조 자석(22b)에 의한 자속과 스테이터(26)의 코일(24)에 흐르는 전류에 의하여 형성되는 회전 자장 사이의 상호 작용에 의해 영구자석 토크를 발생시키게 된다.

이 경우, 본 발명의 로터(25)는 8극의 자극 구조를 갖도록 4개의 보조 자석(22b)은 직경방향으로 원주면이 N극, 내측면이 S극이 설정되도록 착자하고, 나머지 4개의 보조 자석(22b)은 상기 4개의 보조 자석(22b)과 반대로 원주면이 S극, 내측면이 N극이 설정되도록 착자한 것을 사용하고 있다. 8개의 매입형 보조 자석(22b)은 원주면이 N극으로 착자된 것과 S극으로 착자된 것을 교대로 배치하여 사용한다.

또한, 상기 링 형상의 등방성 주 자석(22a)은 8극으로 N극 및 S극이 교대로 형성되도록 분할 착자 처리된 것이므로, 그의 내측에 배치되는 매입형 보조 자석(22b)은 원주면이 대응하는 등방성 주 자석(22a)의 내측면과 서로 다른 극성의 자극이 되도록 착자된 것을 사용하여야 한다.

한편, 8개 매입형 보조 자석(22b)의 원주방향 내측을 따라 원형배치되며 두개의 보조 자석(22b) 사이마다 매입형 보조자석(22b)의 길이에 대응하는 길이로 일정 간격을 두고 8개의 누설방지구멍, 즉 스페이서(28)가 형성되어 있으며, 상기 스페이서(28)는 자기저항을 크게 하여 자속 누설을 방지한다. 그 결과, 8개 매입형 보조 자석(22b)은 각각 측면(즉, 원주)방향으로 N극에서 S극으로 자기회로가 형성된다.

그 결과 상기한 구조를 갖는 본 발명의 로터(25)는 8개의 매입형 이방성 보조 자석(22b)과 8극으로 착자된 링 형상의 등방성 주 자석(22a)은 상호 조합되어 전체적으로 8극의 자극을 갖는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖게 되며, 이방성 배향된 매입형 보조 자석(22b)으로 인하여 하이브리드 자석 전체적으로는 이방성 보조 자석과 동등 이상의 자력을 유지할 수 있게 된다.

이 때 사용되는 8개의 매입형 영구자석(22b)의 사용량은 도 2에 도시된 일반적인 IPM 타입의 모터에 비하여 상대적으로 적은 양을 사용하여도 되기 때문에 링 형상의 등방성 주 자석(22a)을 추가할지라도 전체적인 재료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터는 로터가 이방성 보조 자석(22b)과 등방성 주 자석(22a)의 조합에 의해 높은 자력을 확보하여 모터의 효율을 증가시키면서도 저렴한 비용으로 구현될 수 있고, 세그먼트형 이방성 영구자석의 이탈방지구조를 비교적 간단하게 처리할 수 있어, 사이즈를 축소할 수 있게 된다.

도 4는 본 발명의 바람직한 제2실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터를 나타낸 개략 단면도로서, 도 3에 도시된 제1실시예와 동일한 구성소자에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터는 로터(25) 및 스테이터(26)로 구성되어 있고, 로터(25)의 중앙에는 회전축(27)이 결합되어 있다.

상기 스테이터(26)는 제1실시예와 동일한 구조를 가지고 있는 것을 사용하며, 상기 로터(25)는 스테이터(26)와 마찬가지로 다수의 자성 강판을 적층하여 형성되며, 상기 스테이터(26)의 내부에 일정 간극 이격되어 회전가능하게 배치되어 있다. 이 경우, 상기 일체형 스테이터 코어(23)는 필요에 따라 특허출원 제2007-53367호, 제2008-132124호 및 특허 제663641호 등에 개시된 바와 같이 다수의 분할 코어에 코일이 권선된 후 열경화성 수지를 사용하여 일체화시킨 구조로 형성될 수 있다.

또한, 상기 로터(25)는 적층된 자성 강판으로 이루어지며 중앙에 회전축(27)이 결합되는 관통구멍이 형성되어 있는 백 요크(즉, 로터 코어)(21)를 구비하고 있으며, 상기 백 요크(21)의 외주에는 예를 들어, 페라이트(Ferrite)계 재료로 제작되며 링 형상으로 이루어진 등방성 주 자석(22c)이 결합되어 있다. 상기 링 형상의 등방성 주 자석(22c)은 제1실시예의 등방성 주 자석(22a)과 동일하게 8극으로 N극 및 S극이 교대로 형성되도록 분할 착자 처리된 것을 사용하며, 각각의 자극에는 내주면에 원주방향을 따른 8개의 요홈이 형성되어 세그먼트 형상의 8개의 매입형 보조 자석(22b)이 삽입되어 있다.

이 경우, 본 발명의 로터(25)는 8극의 자극 구조를 갖도록 4개의 보조 자석(22b)은 직경방향으로 원주면이 N극, 내측면이 S극이 설정되도록 착자하고, 나머지 4개의 보조 자석(22b)은 상기 4개의 보조 자석(22b)과 반대로 원주면이 S극, 내측면이 N극이 설정되도록 착자한 것을 사용한다. 8개의 매입형 보조 자석(22b)은 원주면이 N극으로 착자된 것과 S극으로 착자된 것을 교대로 배치하여 사용한다.

상기 매입형 보조 자석(22b)은 원주면이 대응하는 등방성 주 자석(22a)의 내측면과 서로 다른 극성의 자극이 되도록 착자된 것을 사용하여야 한다.

상기 매입형 보조 자석(22b)은 제1실시예와 동일하게 강자석, 예를 들어, 희토류 합금으로 이루어진 경자성 재료를 사용하며, 특히, 에너지적(BHmax)이 큰 Nd계 합금은 예를 들어, Nd-Fe-B(이방성 자석)가 바람직하다.

상기한 구조를 가지는 경우, 즉, 백 요크(21)의 외주에 링 형상으로 이루어진 등방성 주 자석(22c)이 결합되는 경우 등방성 주 자석(22c)의 내주면에 형성된 요홈에 삽입된 세그먼트 형상의 매입형 보조 자석(22b)은 백 요크(21)의 외주면에 의해 자연스럽게 이탈이 방지되기 때문에 로터(25)의 회전시에도 이탈 방지가 이루어질 수 있어 별도의 이탈방지구조가 필요 없게 된다.

8개의 매입형 이방성 보조 자석(22b)과 8극으로 착자된 링 형상의 등방성 주 자석(22c)이 상호 조합된 본 발명의 로터(25)에서는 이방성 보조 자석(22b)이 링 형상의 등방성 주 자석(22c)에 비하여 상대적으로 강한 자력을 가지고 있기 때문에 이방성 보조 자석(22b)으로부터 각각 배면의 백 요크(21)를 통하여 인접한 다른 보조 자석(22b)을 향하여 N극에서 S극으로 자기회로가 형성된다.

그 결과 상기한 구조를 갖는 본 발명의 로터(25)는 8개의 매입형 이방성 보조 자석(22b)과 8극으로 착자된 링 형상의 등방성 주 자석(22c)은 상호 조합되어 전체적으로 8극의 자극을 갖는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖게 되며, 이방성 배향된 매입형 보조 자석(22b)으로 인하여 하이브리드 자석 전체적으로는 이방성 자석과 동등 이상의 자력을 유지할 수 있게 된다.

이 때 사용되는 8개의 매입형 보조 자석(22b)의 사용량은 도 2에 도시된 일반적인 IPM 타입의 모터에 비하여 상대적으로 적은 양을 사용하여도 되기 때문에 링 형상의 등방성 주 자석(22c)을 추가할지라도 전체적인 재료비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 제2실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터는 로터가 이방성 보조 자석(22b)과 등방성 주 자석(22c)의 조합에 의해 높은 자력을 확보하여 모터의 효율을 증가시키면서도 저렴한 비용으로 구현될 수 있고, 세그먼트형 이방성 보조 자석의 이탈방지구조를 비교적 간단하게 처리할 수 있어, 사이즈를 축소할 수 있게 된다.

도 5에는 도 3에 도시된 본 발명에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터를 워터 펌프 구동용으로 설계한 축방향 단면도가 도시되어 있고, 도 6에는 도 5의 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터를 이용한 워터 펌프의 축방향 단면도가 도시되어 있다.

도 5에 도시된 워터 펌프 구동용 모터는 하부 원형 하부 케이스(31)에 반전된 컵 형상의 상부 케이스(32)가 결합되어 있으며, 그 내부 공간에 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터가 내장되어 있다.

상기 모터는 도 3에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 모터와 동일한 구조를 가지는 것으로, 로터(25)의 중앙부에 회전축(27)이 결합되어 있고, 로터(25)의 외측에 스테이터(26)가 설치되어 있다.

먼저, 상기 스테이터(26)는 콘트롤 PCB(36)의 상부면에 하단부가 지지되며 일체형 코어(23)의 티스에 절연성 보빈(23c)이 결합되어 보빈의 외주에 코일이 권선되어 있고, 스테이터(26)에는 방수용 실링 구조를 갖는 스테이터 케이스(29)가 결합되어 있다. 스테이터 케이스(29)는 스테이터의 내주부, 외주부 및 상부면을 둘러싸는 환형상으로 이루어지며, 그의 내주부 하단은 하부 케이스(31)의 상측에 일체로 형성되어 콘트롤 PCB(36)를 지지하는 원통형 받침부(31a)에 의해 밀폐되어 있다.

또한, 상기 스테이터 케이스(29)의 내주부 하단에 위치한 원형 판의 중앙에는 요홈이 구비되어 있으며, 상기 요홈에는 회전축(27)의 하단이 회전 가능하게 지지되도록 슬리브 베어링으로 이루어진 하부 베어링(35b)이 설치되어 있다.

더욱이, 상기 스테이터 케이스(29)의 내주부 상측에는 원형 판형상으로 이루어진 미들 케이스(33)가 결합되어 스테이터 케이스(29)의 내주부에 배치되는 로터(25)를 실링상태로 커버하도록 결합되어 있으며, 미들 케이스(33)의 중앙에는 회전축(27)의 상단이 회전 가능하게 지지되도록 플라스틱으로 이루어진 상부 베어링(35a)이 설치되어 있다.

상기 스테이터 케이스(29)의 상부면과 상부 케이스(32)의 대응하는 부분에는 실링용 O-링이 배치되어 있으며, 상부 케이스(32)의 중앙부에는 회전축(27)이 관통하여 외부로 연장되어 있다.

이 경우 필요에 따라 미들 케이스(33)를 제거하고 상부 베어링(35a)을 상부 케이스(32)의 중앙부에 설치하여 회전축(27)을 지지하도록 설계하는 것도 가능하다.

상기한 스테이터 케이스(29)는 스테이터와 그 하측에 배치된 콘트롤 PCB(36)를 완전하게 차단시킴에 의해 모터를 워터 펌프와 같이 습기가 많은 환경에서 사용할 때 내부에 위치한 소자들을 실링시키는 데 유효하다.

상기 콘트롤 PCB(36)에는 스테이터(26)의 코일에 대한 구동신호를 인가하기 위한 제어소자들이 실장되어 있으며, 하부 케이스(31)로부터 연장된 원통형 받침부(31a)에 의해 바닥으로부터 공간을 두고 지지되어 있다. 상기 공간에는 콘트롤 PCB(36)의 하부면에 실장되는 제어소자들이 위치된다.

상기 로터는 중앙부에 회전축(27)이 결합 지지되어 있는 백요크(21)의 외주부에 형성된 요홈에 세그먼트 형상의 8개의 매입형 보조 자석(22b)이 삽입되어 있고, 백요크(21)의 외측면에는 링 형상으로 이루어진 등방성 주 자석(22a)이 결합되어 있다. 이 경우 백요크(21)와 등방성 주 자석(22a)의 상하부면에는 인서트 몰딩방식으로 수지를 사용하여 로터 지지체(26a)를 일체로 형성하는 것이 바람직하다. 로터 지지체(26a)는 스페이서(28)에도 삽입되어 상부와 하부의 로터 지지체가 상호 연결되어 있다.

이러한 로터 지지체(26a)는 모터를 워터 펌프와 같이 습기가 많은 환경에서 사용할 때 내부에 위치한 소자들을 실링시키는 데 유효하다.

상기 로터(25) 및 스테이터(26)의 구조는 도 3에 도시된 모터와 동일한 것이므로 더 이상의 상세한 사항은 생략한다.

한편, 상기한 도 5에 도시된 모터를 이용하여 워터 펌프를 구성하는 경우 도 6에 도시된 바와 같이, 우선 상부 케이스(32)의 상부면과 거리를 두고 상기 회전축(27)의 상단부에 임펠러(37)의 중앙부가 고정된다.

또한, 상부 케이스(32)의 상부면에 내부에 임펠러(37)를 수용하며, 상측으로부터 도입되는 물을 측면으로 배출하기 위한 가이드 역할을 하는 펌프 드레인 하우징(38)이 착탈 가능하게 결합되어 있다.

펌프 드레인 하우징(38)은 상부 케이스(32)의 상부면에 내부에 형성된 다수의 요홈에, 펌프 드레인 하우징(38)의 하단부에 외측으로 연장된 다수의 걸림돌기를 결합하여 회전시킴에 의해 상호 고정이 이루어지는 결합 고정구조를 가지고 있다.

상기 임펠러(37)는 회전축(27)의 상단에 결합 고정되어 상기 로터(25)의 회전에 따라 회전축(27)이 회전할 때 펌프 드레인 하우징(38)의 입구로부터 유입되는 물과 같은 유체를 측면에 배치된 출구를 통하여 배출하는 역할을 한다.

한편, 전술한 제1 및 제2 실시예에서 설명한 하이브리드방식의 자석구조를 갖는 모터는 로터가 스테이터의 내측에 배치되는 인너로터 방식을 채용한 예로 설명하였으나, 로터가 스테이터의 외측에 배치되는 아우터로터 방식을 채용하여도 구현이 가능하다.

하기 도 7 및 도 8을 참고하여 아우터로터 방식을 채용한 실시예들을 설명한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 제3실시예에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 아우터로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도이다.

도 7을 참고하면, 제3실시예는 아우터로터를 채용하는 모터에 하이브리드방식의 자석 구조를 채용한 것으로, 도 3에 도시된 제1실시예와 동일한 구성소자에 대하여는 동일한 부재번호를 부여하고 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

본 발명의 제3실시예에 따른 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 모터는 스테이터(26) 및 스테이터(26)의 외측에 회전가능하도록 형성된 로터(25)로 구성되며, 로터(25)는 스테이터(26)의 중앙에 베어링(35c)을 통하여 회전 가능하게 배치되는 회전축(27)의 일단이 연결되어 있다.

스테이터(26)는 환형 몸체(23b)로부터 연장된 다수의 티스(23a)가 방사상으로 형성된 스테이터 코어(23)에 코일(24)이 권선되어 이루어져 있다. 즉, 스테이터는 다수의 자성 강판을 적층하여 환형의 몸체(23b) 외주벽에 6개의 슬롯을 형성하도록 대략 "T" 형상으로 돌출된 6개의 티스(23a)를 구비하는 일체형 스테이터 코어(23)에 자기적으로 6상의 N극과 S극을 발생시키도록 상기 티스의 상/하부면과 몸체의 외주면과 상/하부면을 커버하도록 결합된 절연성 수지로 이루어진 보빈(도시되지 않음)이 결합된 후 보빈에 감겨진 스테이터 코일(24)을 구비하고 있다.

상기 로터(25)는 스테이터(26)와 마찬가지로 다수의 자성 강판을 적층하여 형성되며, 상기 스테이터(26)의 외부에 일정 간극 이격되어 회전가능하게 배치되어 있다.

상기 로터(25)는 스테이터(26)의 외측에 링 형상으로 이루어지며 8극으로 분할착자된 등방성 주 자석(22c)과, 상기 등방성 주 자석(22c)의 외주에 결합되며 내주면에 8개의 영구자석 매입용 요홈(21a)이 형성된 백요크(21)와, 등방성 주 자석(22c)과 인접하는 백요크(21)의 내주면에 형성된 영구자석 매입용 요홈(21a)에 매입된 8개의 매입형 보조 자석(22b)을 포함하고 있다.

따라서, 백요크(21)의 내주면에 삽입된 매입형 보조 자석(22b)은 로터(25)가 회전하더라도 자연스럽게 이탈을 방지할 수 있다.

여기서, 상기 링 형상의 등방성 주 자석(22c)은 제1실시예의 등방성 주 자석(22a)과 동일하게 8극의 N극 및 S극이 교대로 형성되도록 분할 착자 처리된 것을 사용하며, 그의 외측에 배치되는 매입형 보조 자석(22b)은 원주면이 대응하는 등방성 주 자석(22c)의 외측면과 서로 다른 극성의 자극이 되도록 착자된 것을 사용하여야 한다.

도 8은 본 발명의 바랍직한 제4실시예에 따른 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 아우터로터 타입의 모터를 나타낸 개략 단면도이다.

도 8을 참고하면, 제4실시예는 상기 제3실시예와 동일한 아우터로터타입에 하이브리드방식의 자석 구조를 채용한 것이다.

제4실시예의 모터는 제3실시예와 마찬가지로, 스테이터(26) 및 스테이터(26)의 외측에 형성된 로터(25)로 구성되며, 스테이터(26)의 중앙에 베어링(35c)을 통하여 회전축(27)이 회전 가능하게 결합되어 있다.

제 4실시예에서 제3실시예와의 차이점은 로터(25)의 등방성 주 자석(22a)의 외측에 매입형 보조 자석(22b)이 삽입될 수 있는 8개의 요홈이 형성되어 있다. 등방성 주 자석(22a)에 각각의 자극에는 외주면에 원주방향을 따른 8개의 요홈이 형성되어 세그먼트 형상의 8개의 매입형 보조 자석(22b)이 삽입되어 있다.

상기 모터의 최외측에 원주방향을 따라 백요크(21)가 형성되어 있으므로, 매입형 보조 자석(22b)은 백 요크(21)의 내주면에 의해 자연스럽게 이탈이 방지되기 때문에 로터(25)의 회전시에도 이탈 방지가 이루어질 수 있어 별도의 이탈방지구조가 필요 없게 된다.

전술한 제1 내지 제4 실시예에서 사용되는 매입형 보조 자석과 등방성 주 자석의 착자 및 조합방법을 살펴보면, 첫째, 매입형 보조 자석과 등방성 주 자석을 각각 먼저 착자한 후 인서트 몰딩 방법으로 사출되는 사출물이나 에폭시로 이루어진 접착제를 사용하여 등방성 주 자석에 대한 매입형 보조 자석의 위치를 고정할 수 있다.

또한, 다른 착자방법은 매입형 보조 자석의 위치를 정한 후 매입형 보조 자석과 등방성 주 자석을 동시에 착자하는 방법을 사용하거나, 또는 보조 자석을 먼저 착자하고 주 자석에 대한 보조 자석의 위치를 정한 후 주 자석을 착자하는 방법을 사용할 수 있다.

더욱이, 상기 매입형 보조 자석과 등방성 주 자석을 조합할 때 보조 자석의 위치를 상/하, 좌/우로 이동시킴에 의해 쉽게 토크 리플을 최소화할 수 있는 정현파 역기전력(EMF)을 실현할 수 있게 된다. 그 결과 토크 리플을 줄여서 진동에 의한 소음 발생을 줄일 수 있다.

한편, 다수의 세그먼트 형태의 이방성 자석(2c,2d)이 백 요크(1)에 부착되어 있는 종래의 로터에서는 도 9a와 같이 경사지게 N극 및 S극 자극을 형성하는 스큐(skew) 착자를 실시하는 경우 각각의 세그먼트 자석(2c,2d)마다 N극과 S극이 공존하게 되어 정현파 역기전력(EMF: Electromotive Force)을 얻기 어려운 문제가 있다.

그러나, 본 발명에서는 도 9b와 같이 링형상의 등방성 주 자석(22a 또는 22c)을 착자 요크에 따라 경사지게 N극 및 S극을 형성하는 스큐(skew) 착자할 때 등방성 주 자석(22a 또는 22c)은 스큐 착자된 각각의 자석(22a 또는 22c)마다 N극과 S극이 공존하지 않고 N극과 S극이 단독으로 존재하는 완벽한 스큐(skew) 착자가 이루어질 수 있어 정현파 역기전력(EMF: Electromotive Force)을 얻을 수 있다.

따라서, 스큐 착자된 등방성 주 자석(22a 또는 22c)에 매입형 보조 자석(22b)을 경사지게 배치하여 조합하면 완벽한 정현파 역기전력(EMF: Electromotive Force)을 얻을 수 있게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 제1 내지 제4 실시예에서 사용되는 매입형 보조 자석의 삽입위치에 따라 EMF(electromotive force)파형을 조절할 수 있으며, 매입형 보조 자석의 사용량에 따라 완벽한 정현파의 구현이 가능하여 저소음을 유지하면서도 자력을 키울 수 있어 고출력 모터를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 로터는 링형 주 자석과 세그먼트형 보조 자석을 조합하여 구성함에 의해 SPM 타입과 IPM 타입의 로터 구조 각각의 단점을 피하고 장점을 살릴 수 있는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는다.

또한, 본 발명에서는 가격이 저렴한 링형상의 등방성 자석과 가격이 비싸나 종래에 비하여 상대적으로 적은 양의 다수의 고자력의 이방석 자석편을 조합함에 의해 전체적으로 저렴하게 고자력의 로터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 고효율, 고출력의 모터를 구성할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 링형상의 등방성 자석의 내측 홈 또는 백 요크의 표면에 구비된 요홈에 다수의 고자력의 이방석 자석편을 조합하여 조립함에 의해 로터의 회전시에 자석편의 이탈방지를 효과적으로 처리할 수 있어 사이즈 축소가 가능한 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 제공할 수 있다.

본 발명에서는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터를 이용하여 저렴한 비용으로 콤팩트한 구조로 모터를 구현하면서도 BLDC 방식으로 고속의 대출력을 실현할 수 있고, 스테이터에 대한 완벽한 방수구조를 구비하여 워터 펌프, 진공청소기 등에 응용 가능하다.

21: 백 요크 22a,22c: 등방성 주 자석
22b: 이방성 보조 자석 23: 스테이터 코어
23a: 티스 23b: 몸체
24: 코일 25: 로터
26: 스테이터 27: 회전축
28: 스페이서

Claims

중앙부에 회전축이 결합되고, 외주면에 다수의 요홈이 일정한 간격을 두고 형성되며 자기회로를 형성하는 원봉 형상의 백 요크와;
상기 백 요크의 다수의 요홈에 삽입 배치되는 다수의 보조 자석과;
상기 백 요크의 외주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 보조 자석의 수와 동일한 수의 자극수를 갖도록 분할 착자된 주 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
중앙부에 회전축이 결합되며, 자기회로를 형성하는 원봉 형상의 백 요크와;
상기 백 요크의 외주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 자극으로 분할 착자되며 내주부에 각각의 자극마다 요홈을 구비하는 주 자석과;
상기 주 자석의 분할 착자된 자극수와 동일한 수로 이루어지고 상기 요홈에 삽입되는 다수의 보조 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
내주면에 다수의 요홈이 일정한 간격을 두고 형성되며 자기회로를 형성하는 원통형 백 요크와;
상기 백 요크의 다수의 요홈에 삽입 배치되는 다수의 보조 자석과;
상기 백 요크의 내주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 보조 자석의 수와 동일한 수의 자극수를 갖도록 분할 착자된 주 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
자기회로를 형성하는 원통형 백 요크와;
상기 백 요크의 내주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 자극으로 분할 착자되며 외주부에 각각의 자극마다 요홈을 구비하는 주 자석과;
상기 주 자석의 분할 착자된 자극수와 동일한 수로 이루어지고 상기 요홈에 삽입되는 다수의 보조 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드(hybrid) 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
제1항에 있어서, 상기 백 요크는 자신의 외주면에 배치된 다수의 보조 자석으로부터 중심방향으로 내측의 동심원을 따라 배치되며 인접한 두개의 보조 자석 사이에 위치된 다수의 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 보조 자석은 이방성 자석으로 이루어지고,
상기 주 자석은 등방성 자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 로터는 주 자석의 내주부에 스테이터가 배치되고 중심부에 로터의 회전축이 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 자석과 보조 자석은 스큐 착자되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보조 자석은 스큐 착자된 주 자석의 스큐 각도와 동일한 각도로 경사지게 설정되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 방식의 자석 구조를 갖는 로터.
로터가 스테이터의 내부에 배치된 인너로터 타입의 모터에 있어서,
상기 로터는 중앙부에 회전축이 결합되고, 외주면에 다수의 요홈이 일정한 간격을 두고 형성되며 자기회로를 형성하는 원봉 형상의 백 요크와;
상기 백 요크의 다수의 요홈에 삽입 배치되는 다수의 보조 자석과;
상기 백 요크의 외주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 보조 자석의 수와 동일한 수의 자극수를 갖도록 분할 착자된 주 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
로터가 스테이터의 내부에 배치된 인너로터 타입의 모터에 있어서,
상기 로터는 중앙부에 회전축이 결합되며, 자기회로를 형성하는 원봉 형상의 백 요크와;
상기 백 요크의 외주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 자극으로 분할 착자되며 내주부에 각각의 자극마다 요홈을 구비하는 주 자석과;
상기 주 자석의 분할 착자된 자극수와 동일한 수로 이루어지고 상기 요홈에 삽입되는 다수의 보조 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
로터가 스테이터의 외부에 배치된 아우터로터 타입의 모터에 있어서,
상기 로터는 내주면에 다수의 요홈이 일정한 간격을 두고 형성되며 자기회로를 형성하는 원통형 백 요크와;
상기 백 요크의 다수의 요홈에 삽입 배치되는 다수의 보조 자석과;
상기 백 요크의 내주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 보조 자석의 수와 동일한 수의 자극수를 갖도록 분할 착자된 주 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
로터가 스테이터의 외부에 배치된 아우터로터 타입의 모터에 있어서,
상기 로터는 자기회로를 형성하는 원통형 백 요크와;
상기 백 요크의 내주부에 결합되는 링형상으로 이루어지고 다수의 자극으로 분할 착자되며 외주부에 각각의 자극마다 요홈을 구비하는 주 자석과;
상기 주 자석의 분할 착자된 자극수와 동일한 수로 이루어지고 상기 요홈에 삽입되는 다수의 보조 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 다수의 보조 자석은 이방성 자석으로 이루어지고,
상기 주 자석은 등방성 자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 모터.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주 자석과 보조 자석은 스큐 착자되는 것을 특징으로 하는 모터.
제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 보조 자석은 스큐 착자된 주 자석의 스큐 각도와 동일한 각도로 경사지게 설정되는 것을 특징으로 하는 모터.
원통형 코어 몸체의 내주벽에 다수의 슬롯을 형성하도록 돌출된 다수의 티스와 상기 티스에 감겨진 다수의 스테이터 코일을 구비하는 스테이터와,
상기 스테이터의 내주부, 외주부 및 상부면을 둘러싸는 환형상으로 이루어지며, 그의 내주부 하단은 원형 판으로 밀폐되어 방수용 실링 구조를 갖는 스테이터 케이스와,
상기 스테이터의 내부에 일정 간극 이격되어 배치되며, 원봉 형상의 백 요크 외주면에 형성된 다수의 요홈에 다수의 보조 자석이 결합되고, 상기 백 요크의 외주에 링 형상의 주 자석이 결합되는 로터와,
상기 로터의 백 요크 중앙부에 결합되며 하단부가 상기 스테이터 케이스의 원형 판에 회전 가능하게 지지되는 회전축과,
상기 측면부가 스테이터 케이스를 둘러싸며 상부면의 중앙에 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 상부 하우징과,
상기 상부 하우징의 하단부를 실링하는 하부 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
제17항에 따른 모터와;
상기 상부 하우징의 상부로 연장된 회전축에 결합되는 임펠러와;
내부에 상기 임펠러를 수용하며 하단부가 상부 하우징에 결합되고 상부로부터 측면으로 유체 흐름 경로를 안내하는 펌프 드레인 하우징을 포함하는 워터 펌프.