KR20120014883A - 브러시리스 모터 - Google Patents

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KR20120014883A
KR20120014883A KR1020110079644A KR20110079644A KR20120014883A KR 20120014883 A KR20120014883 A KR 20120014883A KR 1020110079644 A KR1020110079644 A KR 1020110079644A KR 20110079644 A KR20110079644 A KR 20110079644A KR 20120014883 A KR20120014883 A KR 20120014883A
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야 밍 장
얀 홍 슈에
마오 시옹 장
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존슨 일렉트릭 에스.에이.
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Abstract

브러시리스 모터는 고정자와 회전자를 갖는다. 고정자는 고정자 코어와 고정자 권선을 갖는다. 고정자 코어는 고정자 요크와 이 고정자 요크로부터 방사상 안쪽으로 연장하는 티쓰(teeth)를 갖는다. 고정자 권선은 티쓰 상에 감긴 집중 코일(concentrated coils)에 의해 형성된다. 회전자는 회전자 축, 회전자 축에 고정된 회전자 코어, 및 회전자 코어에 형성한 슬롯에 고정된 자석을 갖는다. 각각의 자석은 판 형상이고 회전자의 축 방향 및 방사 방향 모두로 연장되고, 그 두께를 가로질러 자기적으로 대전되어 회전자 극이 두 개의 인접한 자석에 의해 형성된다. 고정자 요크의 방사상 두께(Y)와 티쓰 본체의 폭(T)의 비는 0.4 내지 0.7이다.

Description

브러시리스 모터{BRUSHLESS MOTOR}
본 발명은 전기 모터, 더 상세하게는, 내부 영구 자석 회전자를 갖는 브러시리스 모터에 관한 것이다.
통상의 IPM(Internal Permanent Magnet) 타입의 브러시리스 모터는 고정자와 고정자에 회전 가능하게 장착된 회전자를 포함한다. 고정자는 고정자 코어와 고정자 코어의 티쓰(teeth) 주위에 감긴 고정자 권선을 포함한다. 회전자는 회전자 축, 회전자 축 상에 고정된 회전자 코어 및 회전자 코어의 슬롯에 삽입된 영구 자석을 포함한다.
자기 누설(magnetic leakage)이 IPM 브러시 리스 모터의 문제점이며, 그 이유는 영구 자석이 자기 전도성 회전자 코어에 삽입되기 때문이다. 더 나아가, 고정자 코어는, 모터 제어를 어렵게 하는 자기 포화의 위험이 있다.
그러므로 개선된 IPM 타입의 브러시리스 모터가 요구된다.
따라서, 본 발명은, 그 한 구성으로, 고정자 요크(york)와 고정자 요크로부터 방사상 안쪽으로 연장하는 티쓰를 포함하는 고정자 코어와, 티쓰 상에 감긴 집중 코일인 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및 고정자에 회전 가능하게 장착되고, 회전자 축, 회전자 축에 고정된 회전자 코어 및 회전자 코어에 형성된 슬롯에 고정된 자석을 포함하는 회전자를 포함하고, 각각의 자석은 판 형상이고 회전자의 축 방향 및 방사 방향 모두로 연장되고; 그 두께를 가로질러 자기적으로 대전되어 회전자 극이 두 개의 인접한 자석에 의해 형성되며, 고정자 요크의 방사상 두께(Y)와 티쓰 본체 폭(T)의 비가 0.4 내지 0.7인, 브러시리스 모터를 제공한다.
바람직하게도, 권선 슬롯이 인접한 티쓰 사이에 형성되고, 권선 슬롯의 개구 폭(S)은 자석 두께(M)보다 작다.
바람직하게도, 회전자 코어는: 회전자 축에 고정된 링 형상 내부 부분; 내부 부분 주위의 링 형상 외부 부분으로서, 자석이 삽입된 슬롯에 의해 복수의 극 세그먼트(pole segment)로 나눠지는 링 형상 외부 부분; 및 내부 부분을 외부 부분에 연결하는 리브 형상 연결 부분을 포함한다.
바람직하게도, 회전자 코어는 복수의 구멍을 포함하고, 구멍 각각은 두 개의 인접한 자석 사이에 형성된다.
바람직하게도, 각각의 구멍은 두 개의 인접한 자석 사이의 회전자 코어의 각각의 부분에 형성되고, 그러한 자석 사이의 중간의 방사 라인 상에 배치된다.
바람직하게도, 연결 부분은 각각의 구멍과 방사상으로 정렬된다.
바람직하게도, 연결 부분의 최소 폭과 회전자 코어의 외경의 비는 0.1 내지 0.15이다.
바람직하게도, 회전자 코어의 외경과 고정자 코어의 외경의 비는 0.55 내지 0.75이다.
바람직하게도, 고정자 요크의 방사상 두께(Y)와 티쓰 본체 폭(T)의 비는 0.51 내지 0.57이다.
바람직하게도, 고정자는 12개의 티쓰를 포함하고, 회전자는 10개의 자석을 포함한다.
바람직하게도, 고정자 권선은 3개의 위상으로 나뉘며, 각각의 위상은 복수의 코일 쌍을 포함하고, 각각의 코일 쌍은 인접한 티쓰 상에서 반대 방향으로 감긴 두 개의 집중 코일을 포함한다.
바람직한 실시예의 브러시리스 모터는, 고정자 요크와 이 요크로부터 연장하는 복수의 티쓰를 갖는 고정자 코어를 포함한다. 고정자 요크의 방사상 두께와 티쓰 본체의 폭의 비는 자기 포화 위험을 낮추도록 특수하게 설계된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 첨부 도면의 도면들을 참조하여 예시로서만 이제 기술될 것이다. 도면에 있어서, 하나보다 많은 도면에 나타나 있는 동일한 구조, 요소 또는 부분들은 일반적으로 그것들이 나타나 있는 모든 도면들내에서 동일한 참조 번호가 부여되어 있다. 도면들에 나타내어진 부품들 및 피쳐들의 치수는 일반적으로 표현의 편의 및 명확성을 위해 선택되었고 반드시 규모를 나타내는 것은 아니다. 도면들은 하기에 목록화되어 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 브러시리스 모터의 등각도이다.
도 2는 단부 캡이 제거되어 있는, 도 1의 브러시리스 모터의 부분 평면도이다.
도 3은 커버 판이 제거되어 있는, 도 1의 브러시리스 모터의 회전자의 평면도이다.
도 4는 도 1의 브러시리스 모터의 고정자 코어 및 권선의 부분 평면도이다.
도 5는 도 1의 브러시리스 모터의 고정자 권선의 개략적 권선도이다.
도 6은 도 1의 브러시리스 모터의 자계 분포도이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 브러시리스 모터를 예시한다. 모터는 IPM 타입의 영구 자석 회전자(20) 및 권선형 고정자를 포함한다. 고정자는 모터용 하우징을 형성하는 2개의 단부 캡(15, 16)을 포함한다. 도 2는 상측 단부 캡이 제거되어 있고 회전자의 커버 판이 생략되어 있는 모터를 나타낸다. 고정자는 단부 캡에 의해 홀드되는 고정자 코어(10), 및 고정자 코어(10)의 티스(teeth) 주위로 감겨 있는 고정자 권선(14)을 포함한다. 회전자(20)는 단부 캡에 들어맞아 있는 베어링에 의해 회전 가능하게 지지된다.
도 3은 회전자 코어의 구조를 나타내기 위해 커버 판이 생략되어 있는 회전자(20)의 평면도이다. 회전자(20)는, 회전자 축(21), 회전자 축(21)에 고정된 회전자 코어(22), 회전자 코어(22)에 끼워 넣어진 영구 자석(35), 및 회전자 축(21)에 고정되고 회전자 코어(22)의 개개의 단부에 배치된 2개의 커버 판(도시되지 않음)을 포함한다. 커버 판은 회전자 코어의 축방향 단부를 덮고 회전자의 밸런싱(balancing)에 또한 사용된다. 자석(35)은 판 형상을 이루고 축 방향으로 회전자 코어(22)의 슬롯(29)내로 삽입되어 있다. 각각의 자석(35)의 방사상의 중심선은 회전자 축(21) 또는 모터 축을 통과한다.
도 3에 나타내어진 바와 같이, 각각의 자석(35)은 그 두께를 가로질러 자기적으로 충전되어 있다. 예를 들면, 표면(35a)은 N극이고 표면(35b)은 S극이다. 인접한 자석들(35)의 인접한 표면들은 그것들 간에 회전자극(rotor pole)을 형성하도록 동일한 극성을 갖는다. 바람직한 실시예에 있어서, 회전자는 원주 방향으로 분포되고 10개의 회전자극(30)을 형성하는 10개의 자석(35)을 갖는다.
회전자 코어(22)는, 링 형상의 내측 부분(23), 링 형상의 외측 부분(27) 및 내측 부분(23)과 외측 부분(27)의 사이에 연결된 연결부(26)를 포함한다. 각각의 적층물에 있어서, 내측 부분(23), 연결부(26) 및 외측 부분(27)은 하나의 단일 피스로 일체 형성되어 있다. 내측 부분은 회전자 축(21)에 고정되어 있다. 외측 부분(27)은, 원주 방향으로 연장하는 핑거(finger)들(31) 사이의 방사상의 외측 단부들에서 개방되어 있는 방사상의 연장 슬롯들(29)에 의해 분할되어 있다. 자석(35)이 슬롯(29)내로 축방향으로 삽입되고 핑거(31)가 자석이 슬롯으로부터 방사상으로 이탈하는 것을 방지한다. 내측 부분(23)은 외측 에지에 형성되고 원주 방향으로 이격된 10개의 돌기(24)를 포함한다. 돌기(24)는 개개의 자석(35)을 접촉하거나 강요하도록 슬롯(29)내로 연장한다. 돌기(24)는 슬롯내에서 자석이 방사상으로 내향하여 이동하는 것을 방지하고, 돌기가 탄력적으로 변형되면, 그것들이 자석을 핑거와 접촉하도록 강요하고, 그에 의해 슬롯내의 자석의 방사상 위치를 고정한다. 외측 부분(27)은, 각각이, 대응하는 2개의 인접한 자석(35) 사이에 형성되어 있는, 10개의 구멍(28)을 갖는다. 구멍(28)은 회전자 코어(22)의 무게를 감소시킨다. 구멍(28)은, 자기 포화 영역을 생성하는 것에 의해 내측 부분(23)에 대한 자기 누설을 감소시키는 것에 의해 모터 성능을 향상시키도록 브릿지 부분(bridge portion)(26)과 협력한다.
도 3 및 도 6에 도시된 것같이, 바람직하게, 각각의 회전자 극(30)은 구멍(28)이 형성되어 있다. 구멍(28)은 회전자 극을 형성하는 인접한 자석들 사이에서 중앙에 떨어져 있는 방사상의 직선 위에 바람직하게 형성된다. 즉, 구멍(28)은 회전자 극(30)을 형성하는 회전자 코어의 각 부분의 원주의 중앙에 형성된다. 그래서, 구멍(28)은 회전자 극(30)에 형성된 자계를 자석(35)으로 균등하게 나누어 안내한다. 바람직하게, 각각의 연결부(26)는 각각의 구멍(28)과 방사상으로 정렬되어 자기 누설을 감소시킨다. 연결부(26)와 돌기(24)는 교대로 배열된다. 더 작은 구멍(25)이 각각의 연결부(26), 각각의 자석(35)의 내측 단, 내측 부분(23), 외측 부분(27) 및 돌기(24)에 의해 형성된다. 내측 부분(23)으로의 자기 누설이 작은 구멍(25)의 큰 자기 저항으로 인해 또한 감소한다. 바람직하게, 연결부(26)는 리브 형상 또는 스트립 형상이며, 방사상으로 연장된다. 바람직한 실시예에서, 연결부(26)의 길이는 그 방사상 치수에 의해 규정되며, 연결부(26)의 폭은 그 원주상 치수에 의해 규정되고, 연결부(26)의 높이는 그 축상 치수에 의해 규정된다. 바람직하게, 회전자 코어(22)의 외부 지름에 대한 연결부(26)의 폭의 비는 대략 0.1 ~ 0.15이다. 이 구성에서, 연결부(26)는 변형을 막기에 충분한 강도를 가지며, 연결부(26)에서 자기 포화가 쉽게 이루어져 자기 누설을 감소시킨다. 이 구성을 갖는 회전자는 3,000 RPM ~ 20,000 RPM의 범위의 속도를 갖는 모터를 필요로 하는 응용 분야에 특히 유익하다.
구멍(28)의 측벽으로부터 대응하는 자석(35)까지의 가장 작은 거리는 연결부(26)의 폭의 대략 1.1 배 ~ 3배이다. 자석(35)의 방사상 길이는 가능한 한 길기 때문에, 대부분의 자계는 자석(35)을 통과한다. 자석(35)의 방사상 외측 에지를 노출하는 슬롯(29)의 개방 단에 의해 자기 누설이 또한 감소된다.
도 4는 고정자 코어(10)와 고정자 권선을 나타내며, 고정자 코어의 구조를 나타내기 위해 고정자 권선의 3개의 코일 형성 부분이 생략되었다 고정자 코어(10)는 축 방향으로 라미네이션을 적층함으로써 형성된다. 고정자 코어(10)는 링 형상의 고정자 요크(11) 및 고정자 요크(11)로부터 방사상 및 안으로 연장하는 복수의 티쓰(12)를 포함한다. 고정자 권선은 집중 권선이며, 이것은 권선이 다수의 코일에 의해 형성되고, 각각의 코일은 단일 티쓰 주위에 감겨진 것을 의미한다. 그래서, 고정자 권선은 12개의 코일(14)을 포함하며, 각각의 권선이 각각의 티쓰(12) 주위에 감겨져 있다. 각각의 티쓰(12)는 방사상으로 연장하는 티쓰 본체(13)와 티쓰 본체의 말단에 형성된 크라운 부분(17)을 포함한다. 자계 분포를 최적화하고 자기 누설을 감소시키기 위해, 고정자 요크(11)의 방사상 두께(Y)는 티쓰 본체의 원주상 폭(T)의 대략 40 % ~ 70%이다. 바람직하게, 티쓰 본체 폭(T)에 대한 요크 두께(Y)의 비는 0.51 ~ 0.57이다. 바람직한 실시예에서, 요크 두께(Y)는 대략 5mm이고, 티쓰 본체 폭(T)은 대략 9mm이고, 티쓰 폭(T)에 대한 요크 두께(Y)의 비는 대략 0.56이다.
고정자 코일(14)을 수용하기 위해 인접한 티쓰(12) 사이에 권선 슬롯이 형성된다. 인접한 티쓰 크라운(17) 사이에서 개방하는 권선 슬롯의 폭(S)은 바람직하게 자석(35)의 두께(M) 보다 작다.
도 5의 개략 권선도를 참조하면, 고정자 권선은 각각의 티쓰(12a ~ 12l) 주위에 감겨진 12개의 집중 코일(14)을 포함한다. 12개의 코일은 3상, 즉, U상, V상, W상으로 분할된다. 각각의 상은 2쌍의 코일을 포함하며, 각 쌍은 반대 방향으로 2개의 인접 티쓰 주위에 감겨진 2개의 집중 코일(14)을 포함한다. 2쌍의 코일은 정반대로 배열된다. 예를 들면, U상은 티쓰(12a와 12b, 12g와 12h)에 감겨진 2쌍의 코일을 포함한다. 티쓰(12a, 12b)의 쌍과 티쓰(12g, 12h)의 쌍은 회전자 코어(22)의 정반대의 위치에 배치된다. 티쓰(12a)의 코일은 시계 방향으로 감겨지고, 인접한 티쓰(12b)의 코일은 시계 반대 방향으로 감겨진다. 유사하게, V상은 티쓰(12c와 12d, 12i와 12j)에 감겨진 2쌍의 코일을 포함한다. W상은 티쓰(12e와 12f, 12k와 12l)에 감겨진 2쌍의 코일을 포함한다. 3상은 별 형상의 구성으로 연결되며, U상, V상 및 W상의 일단이 중립 점(neutral point)(No)에서 서로 연결되어 있다.
상기 서술된 실시예에서, 고정자 코어의 외부 지름에 대한 회전자 코어(22)의 외부 지름의 비는 대략 0.55 ~ 0.75이며, 바람직하게는 0.65이다. 브러시리스 모터는 특히 물 추출기 또는 드라이어(dryer) 장비에서 사용하기에 특히 적합하다.
본 출원의 상세한 설명과 청구항에서, 동사, "포함하다(comprise, include, contain)" 및 "갖는다, 구비하다(have)" 각각과 그 파생어는 언급한 항목의 존재를 명시하지만, 추가 항목의 존재를 배제하지 않도록 포괄적인 의미로 사용된다.
본 발명은 하나 이상의 바람직한 실시예를 참조하여 설명될지라도, 여러 가지 변형이 가능함을 당업자는 이해해야 한다. 그러므로 본 발명의 범위는 다음의 청구범위를 참조하여 결정해야 한다.
10: 고정자 코어
12: 티쓰
14: 고정자 권선
15, 16: 단부 캡
20: 회전자
21: 회전자 축

Claims (11)

  1. 고정자 요크와 상기 고정자 요크로부터 방사상 안쪽으로 연장하는 티쓰(teeth)를 포함하는 고정자 코어와, 상기 티쓰 상에 감긴 집중 코일인 고정자 권선을 포함하는 고정자; 및
    상기 고정자에 회전 가능하게 장착되고, 회전자 축, 상기 회전자 축에 고정된 회전자 코어 및 상기 회전자 코어에 형성된 슬롯에 고정된 자석을 포함하는 회전자를 포함하는 회전자를 포함하고,
    각각의 자석은 판 형상이고 상기 회전자의 축 방향 및 방사 방향 모두로 연장되고; 그 두께를 가로질러 자기적으로 대전되어 회전자 극이 두 개의 인접한 자석에 의해 형성되며,
    상기 고정자 요크의 방사상 두께(Y)와 상기 티쓰 본체 폭(T)의 비가 0.4 내지 0.7인, 브러시리스 모터.
  2. 청구항 1에 있어서, 권선 슬롯이 인접한 티쓰 사이에 형성되고, 상기 권선 슬롯의 개구 폭(S)이 상기 자석 두께(M)보다 작은, 브러시리스 모터.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 회전자 코어는:
    상기 회전자 축에 고정된 링 형상 내부 부분;
    상기 내부 부분 주위의 링 형상 외부 부분으로서, 상기 자석이 삽입된 슬롯에 의해 복수의 극 세그먼트(pole segment)로 나눠지는 링 형상 외부 부분; 및
    상기 내부 부분을 상기 외부 부분에 연결하는 리브 형상 연결 부분을 포함하는, 브러시리스 모터.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 회전자 코어는 복수의 구멍을 포함하고, 상기 구멍 각각은 두 개의 인접한 자석 사이에 형성되는, 브러시리스 모터.
  5. 청구항 4에 있어서, 각각의 구멍은 두 개의 인접한 자석 사이의 상기 회전자 코어의 각각의 부분에 형성되고, 상기 자석 사이의 중간의 방사 라인 상에 배치되는, 브러시리스 모터.
  6. 청구항 4에 있어서, 상기 연결 부분은 각각의 구멍과 방사상으로 정렬되는, 브러시리스 모터.
  7. 청구항 3에 있어서, 상기 연결 부분의 최소 폭과 상기 회전자 코어의 외경의 비가 0.1 내지 0.15인, 브러시리스 모터.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 회전자 코어의 외경과 상기 고정자 코어의 외경의 비가 0.55 내지 0.75인, 브러시리스 모터.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자 요크의 방사상 두께(Y)와 상기 티쓰 본체 폭(T)의 비가 0.51 내지 0.57인, 브러시리스 모터.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자는 12개의 티쓰를 포함하고, 상기 회전자는 10개의 자석을 포함하는, 브러시리스 모터.
  11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 권선은 3개의 위상으로 나뉘며, 각각의 위상은 복수의 코일 쌍을 포함하고, 각각의 코일 쌍은 인접한 티쓰 상에서 반대 방향으로 감긴 두 개의 집중 코일을 포함하는, 브러시리스 모터.
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