KR20110078263A - 스큐형 로터를 구비하는 브러시리스 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 브러시리스 모터에 관한 것이다. 본 발명의 모터는, 방사상으로 복수개의 권선치(310)를 구비하여 코일에 의한 자계를 형성하는 스테이터(300)와; 회전축(110) 상에 로터 코어(120)가 형성되어 상기 스테이터(300)의 내부에 배치되어 회전하는 로터(100)를 포함하며, 상기 로터(100)는, 상기 로터 코어(120)의 둘레에 복수의 제1단 영구자석(200a)이 방사상으로 매입되고, 상기 제1단 영구자석(200a)에 대해 원주 방향으로 위상차를 가지고 제2단 영구자석(200b)이 매입되며, 상기 제1단 영구자석(200a)에 대해 상기 제2단 영구자석(200b)의 스큐 각도는 1/4 슬롯 피치로 이루어진다. 이러한 본 발명은, 코깅 토크를 최소화하면서 역기전력의 감소를 최소화할 수 있도록 로터의 영구자석의 기하학적 정렬을 최적화한 것이다.
모터, 로터, 영구자석, 매입, 스큐, 코깅, 토크

Description

스큐형 로터를 구비하는 브러시리스 모터{BRUSHLESS MOTOR WITH SKEWED ROTOR}
본 발명은 브러시리스 모터에 관한 것으로서, 특히 코깅 토크를 최소화하면서 역기전력의 감소를 최소화할 수 있도록 로터의 영구자석의 기하학적 정렬을 최적화하여 모터의 성능을 극대화할 수 있도록 한 브러시리스 모터에 관한 것이다.
일반적으로 브러시리스 모터는 회전축 둘레에 복수개의 영구자석을 가진 로터와, 이의 로터를 수용하는 형태로서 복수의 권선치(winding tooth)마다 코일이 권선되어 로터와 공극을 유지하는 대략 원통 모양의 스테이터로 이루어진다.
이와 같은 모터의 주요한 특징은 정확한 속도 제어가 가능한 것에 있는데, 이를 위해서는 속도의 맥동을 악화시키는 주원인인 토크 리플(Torque Ripple)을 감소시킬 필요가 있다.
토크 리플의 원인 주의 하나로서는, 코깅 토크(Cogging Torque)를 들 수 있는데, 이의 코깅 토크는 로터와 스테이터 사이의 공극에서 자기 에너지의 불균일로 인해 발생하는 것으로서, 코깅 토크를 감소시키는 것이 곧 브러시리스 모터의 구동 특성을 향상시키는 것이 된다.
요컨대, 코깅 토크는, 로터의 영구자석과 전기자 철심 사이의 공극에 축적된 자기 에너지가 영구자석과 전기자 철심의 상대 위치가 변동함에 따라 변화함으로써 코일에 전류가 흐르지 않는 경우라도 영구자석과 전기자 철심 사이의 공극에 축적된 자기 에너지가 변화하게 되어 발생되는 반작용 토크이다.
이러한 코깅 토크는 토크 변동률을 크게 하여 토크 리플을 증가시키고, 진동, 소음에도 좋지 않은 영향을 미친다. 예를 들어, 코깅 토크가 큰 모터를 자동차의 파워스티어링 모터로서 사용하게 되면, 코깅 토크에 의한 떨림이 스티어링 휠로 전달되고 정밀 제어를 어렵게 하는 문제가 발생하게 된다.
최근 들어 코깅 토크를 감소시키기 위해 사용하는 방법의 예로서는, 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0263533호 공보, 등록특허 제10-0655994호 공보, 공개특허 제10-2005-0004286호 공보, 등록특허 제10-0847879호 공보, 공개특허 제10-2008-0048596호 공보, 등록특허 제10-0917366호 공보, 공개특허 제10-2009-0019627호 공보 등에 개시된 바와 같이, 영구자석의 배열에 스큐(skew)를 주는 방식이 있다. 이러한 스큐 방식은 복수개의 영구자석을 로터에 배열함에 있어서, 영구자석들을 축방향으로 복수개의 층으로 나누어 적층한 다음 각층마다 영구자석들의 배열 각도를 달리함으로써 축방향으로 영구자석이 일정한 경사각도를 유지하여 배열되도록 하여 자기저항의 변동을 줄여 코깅 토크를 감소시키도록 한 것이다.
하지만, 상기한 공보에 개시된 모터를 포함하여 아직까지 만족할만한 코깅 토크 감소 구조를 제시하지 못하였을 뿐만 아니라, 코깅 토크를 감소시키기 위해 스큐를 주면 모터의 성능이 저하되는 것을 감수하여야만 하는데 모터의 성능 감소를 최소화하면서 코깅 토크를 최대한 줄일 수 있는 방법을 찾지 못하였다.
이러한 배경 하에서, 본 발명은 코깅 토크를 극소화할 수 있는 배열을 가지는 로터와 스테이터의 조합을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 모터는, 방사상으로 복수개의 권선치를 구비하여 코일에 의한 자계를 형성하는 스테이터와; 회전축 상에 로터 코어가 형성되어 상기 스테이터의 내부에 배치되어 회전하는 로터를 포함하며, 상기 로터는, 상기 로터 코어의 둘레에 복수의 제1단 영구자석이 방사상으로 매입되고, 상기 제1단 영구자석에 대해 원주 방향으로 위상차를 가지고 제2단 영구자석이 매입되며, 상기 제1단 영구자석에 대해 상기 제2단 영구자석의 스큐 각도는 1/4 슬롯 피치로 구성한다.
또한, 본 발명의 모터는, 코일에 의한 자계를 형성하는 스테이터와; 회전축 상에 로터 코어가 형성되어 상기 스테이터의 내부에 배치되어 회전하는 로터를 포함하며, 상기 스테이터는, 방사상으로 12개의 권선 치를 구비하여 슬롯 피치가 30도 각도를 이루는 12슬롯 스테이터로 이루어지고; 상기 로터는, 8개의 영구자석이 방사상으로 배치되는 8극 로터로 이루어지며; 상기 로터의 로터 코어의 둘레에 8개의 제1단 영구자석이 방사상으로 매입되고, 상기 제1단 영구자석에 대해 원주 방향으로 위상차를 가지고 제2단 영구자석이 매입되며, 상기 제1단 영구자석에 대해 상 기 제2단 영구자석의 스큐 각도는 1/4 슬롯 피치로 구성한다.
상기한 본 발명의 모터에 있어서, 상기 각 영구자석에 대응하여, 상기 로터 코어의 외주 부분은, 중심축으로부터 영구자석의 중앙을 연결하는 부분의 로터 코어 부분이 반경방향 외측으로 가장 크게 돌출하는 원호(R)를 이루는 호형 돌출부가 형성되고, 상기 호형 돌출부의 원호(R)의 중심은 상기 호형 돌출부의 최대 반경(r)의 2/5 ~ 3/5 지점 안의 임의의 지점에 정해진다.
본 발명에 의한 브러시리스 모터는, 영구자석을 2단으로 구성하며, 2단의 영구자석의 스큐 각도를 1/4 슬롯피치로 구성하는 것에 의해 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
또한, 로터와 스테이터를 8극 12슬롯으로 구성하고, 영구자석을 2단으로 구성하며, 2단의 영구자석의 스큐 각도를 1/4 슬롯피치인 7.5도로 구성할 경우 코깅 토크가 거의 0(zero0에 가까울 정도로 감소된다.
이에 더하여, 로터 코어를 호형 돌출부를 가지는 형상으로 구성하여 조화시키는 것에 의해 코깅 토크를 더욱 효과적으로 줄일 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예를 구체적으로 설명하다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 영구자석 매입형 로터를 보여주는 것으로서, 도 1에는 사시도가 도시되어 있고, 도 2에는 측면도가 도 3에는 정면도가 도시되어 있으며, 도 4에는 본 발명의 영구자석 매입형 로터와 스테이터의 설치상태를 나타내는 도면이 도시되어 있다.
우선 도 4에서, 본 발명의 모터에서 로터(100)와 영구자석(200a) 및 스테이터(300)의 조합은, 8극 12슬롯으로 이루어진다.
즉, 로터(100)에는 그의 중심축을 중심으로 8개의 영구자석(200)이 방사상으로 배치된다. 스테이터(300)는, 12개의 권선치(Winding tooth)(310)를 가지고, 로터(100)의 중심축을 기준으로 마주보는 권선치(310)에 U-상, V-상, W-상 권선이 행해진다. 따라서 스테이터(300)의 슬롯 피치는 30도 각도를 이루게 된다.
도 1 내지 도 3에 도시된 본 발명의 로터(100)는, 8극 12슬롯 영구자석 매입형 모터에 최적으로 구성한 로터이다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로터(100)는, 회전축(110) 상에 로터 코어(120)가 형성되고, 상기 로터 코어(120)의 둘레에 8개의 제1단 영구자석(200a)이 방사상으로 매입되며, 상기 제1단 영구자석(200a)에 대해 1/4 슬롯 피치의 스큐 각도를 유지하여 제2단 영구자석(200b)이 매입된다. 상기 영구자석(200a)(200b)들의 매입을 위해 로터 코어(120)의 둘레부분에는 매입 홀(121)이 형성된다.
제2단 영구자석(200a)과 제2단 영구자석(200b)의 스큐 각도는, 도 4에서 설명한 슬롯 피치의 1/4 각도 이루어진다. 즉, 1/4 슬롯피치로 이루어진다.
종래의 일반적인 스큐 각도는, 극수와 슬롯수의 최소공배수에 의해 결정되었다. 즉, 스큐 각도 = 360/최소공배수(극수, 슬롯수)로 결정되어, 8극 12슬롯의 경우 스큐 각도를 15도로 설정하였다.
그러나 본 발명에는 여러 단계의 실험계획법을 통해 검증하여 스큐 각도를 1/4 슬롯피치로 구성하여 코깅 토크를 최소화한다. 즉, 8극 12슬롯의 경우, 1/4 슬롯피치는 7.5도(7도30분)이다.
이와 같이 본 발명은, 로터와 스테이터를 8극 12슬롯으로 구성하고, 영구자석을 2단으로 구성하며, 2단의 영구자석의 스큐 각도를 1/4 슬롯피치로 구성하여 코깅 토크를 최소화하면서 역기전력의 감소량을 최소화 한 것이다.
또한, 로터(100)의 로터 코어(120) 형상은 꽃무늬와 유사한 형상으로 구성하여, 전술한 구성과 조화시킴으로써 코깅 토크를 더욱 줄일 수 있도록 하였다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 로터(100)의 중심축으로부터 영구자석(200)의 중앙을 연결하는 부분의 로터 코어(120) 부분이 반경방향 외측으로 가장 크게 돌출하는 원호(R)로 이루어지는 호형 돌출부(122)를 형성하며, 그 호형 돌출부(122)의 원호(R)의 중심은 호형 돌출부(122)의 최대 반경(r)의 2/5 ~ 3/5 지점 안의 임의의 지점으로 정한 형태이다. 이러한 로터 코어(120)의 형상에 의하면 영구자석(200)의 원주방향 중심 부분에서 두께가 가장 두껍고 중심에서 멀어질수록 깊이 파여 얇아지기 때문에, 가장 얇은 부분이 인접한 두 권선 치(310) 사이의 슬럿 부분에 위치할 때 스테이터와 로터 사이에 형성되는 공극이 커지게 되고 누설 자속이 줄어들게 된다.
도 4에서, 8극 12슬롯의 모터는 15도(종래의 스큐 각도)마다 자기 변동이 발생하는데, 제1단 영구자석(200a)에 의해 발생하는 자지 저항의 변동이 15도의 1/2인 7.5도 각도의 위상차를 갖는 제2단 영구자석(200b)에 의해 상쇄되게 된다.
도 5 내지 도 8에는 스큐 각도에 따른 코깅 토크를 보여주는 시험 결과 그래프가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 4를 병행 참조한다.
도 5는 8극 12슬롯의 영구자석 매입형 로터 코어에서 스큐 각도를 주지 않았을 때의 실험 데이터이다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 이때의 코깅 토크의 변동 폭은 0.135Nm로 매우 크게 나타난다. 도 5의 그래프에서 Friction은 코킹 토크의 평균값을 나타낸다.
도 6는 로터를 2단으로 구성하면서 스큐 각도를 1/2 슬롯 피치인 15도로 주었을 때의 코깅 토크 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 8극 12슬롯의 영구자석 매입형 로터 코어에서 영구자석을 2단으로 구성하면서 스큐 각도를 1/2 슬롯피치(15도)로 준 경우에는, 코깅 토크의 변동 폭은 0.109Nm로 크게 나타난다.
또한, 스큐 각도가 클수록 역기전력이 줄어들어 모터 성능이 저하되는데, 스큐각이 1/2 슬롯피치인 경우에는 스큐 각을 주지 않을 때에 비해 역기전력이 약20%줄어들게 된다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라, 8극 12슬롯의 영구자석 매입형 로터 코어에서 영구자석을 2단으로 구성하면서 스큐 각도를 1/4 슬롯피치(7.5도)로 준 경우의 코깅 토크 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 의하면, 코깅 토크의 변동 폭이 0.014Nm로 크게 낮아졌다는 것을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 모터를 이론적으로 해석하면 코깅 토크는 거의 0(zero)에 가깝게 나오지만, 실제 제품은 미세한 제작 오차들로 인해 0보다 약간 크게 나타난 것이다.
한편, 스큐 각을 1/4 슬롯피치로 준 경우에는 스큐 각을 주지 않을 때에 비해 역기전력이 약8%만 줄어들게 되어, 역기전력의 감소를 최소화하면서도 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
이상에서는 첨부 도면에 도시된 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명하였으나, 이는 본 발명의 바람직한 형태에 대한 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 보호 범위가 이들에 한정되는 것은 아니다. 또한, 이상과 같은 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 및 균등한 다른 실시가 가능한 것이며, 이러한 변형 및 균등한 다른 실시예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위에 속한다.
도 1은 본 발명에 따른 영구자석 매입형 로터를 보여주는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 영구자석 매입형 로터의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 영구자석 매입형 로터의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 영구자석 매입형 로터와 스테이터의 설치상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 로터에서 스큐 각도를 주지 않았을 때의 코깅 토크 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명에 따른 로터에서 스큐 각도를 15도로 주었을 때의 코깅 토크 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 로터에서 스큐 각도를 7.5도로 주었을 때의 코깅 토크 시험 결과를 나타내는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 로터 110 : 회전축
120 : 로터 코어 121 : 매입 홈
200 : 영구자석 200a : 제1단 영구자석
200b : 제2단 영구자석 300 : 스테이터
310 : 권선 치

Claims (3)

  1. 방사상으로 복수개의 권선치(310)를 구비하여 코일에 의한 자계를 형성하는 스테이터(300)와;
    회전축(110) 상에 로터 코어(120)가 형성되어 상기 스테이터(300)의 내부에 배치되어 회전하는 로터(100)를 포함하며,
    상기 로터(100)는, 상기 로터 코어(120)의 둘레에 복수의 제1단 영구자석(200a)이 방사상으로 매입되고, 상기 제1단 영구자석(200a)에 대해 원주 방향으로 위상차를 가지고 제2단 영구자석(200b)이 매입되며, 상기 제1단 영구자석(200a)에 대해 상기 제2단 영구자석(200b)의 스큐 각도는 1/4 슬롯 피치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
  2. 코일에 의한 자계를 형성하는 스테이터(300)와;
    회전축(110) 상에 로터 코어(120)가 형성되어 상기 스테이터(300)의 내부에 배치되어 회전하는 로터(100)를 포함하며,
    상기 스테이터(300)는, 방사상으로 12개의 권선치(310)를 구비하여 슬롯 피치가 30도 각도를 이루는 12슬롯 스테이터로 이루어지고,
    상기 로터(100)는, 8개의 영구자석이 방사상으로 배치되는 8극 로터로 이루어지며,
    상기 로터(100)의 로터 코어(120)의 둘레에 8개의 제1단 영구자석(200a)이 방사상으로 매입되고, 상기 제1단 영구자석(200a)에 대해 원주 방향으로 위상차를 가지고 제2단 영구자석(200b)이 매입되며, 상기 제1단 영구자석(200a)에 대해 상기 제2단 영구자석(200b)의 스큐 각도는 1/4 슬롯 피치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 각 영구자석(200a)(200b)에 대응하여, 상기 로터 코어(120)의 외주 부분은, 중심축으로부터 영구자석(200)의 중앙을 연결하는 부분의 로터 코어(120) 부분이 반경방향 외측으로 가장 크게 돌출하는 원호(R)를 이루는 호형 돌출부(122)가 형성되고, 상기 호형 돌출부(122)의 원호(R)의 중심은 상기 호형 돌출부(122)의 최대 반경(r)의 2/5 ~ 3/5 지점 안의 임의의 지점에 정해지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
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