KR20120018661A - 코깅 토크 저감 구조를 가진 ｅｐｓ모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 센싱 마그네트와 플레이트 간에 기계적인 결합력을 가할 수 있는 구조를 구비함으로써 안정적으로 축방향 및 회전방향으로의 센싱 마그네트의 이탈을 방지할 수 있는 EPS모터의 센싱 마그네트와 플레이트 결합구조에 관한 것으로, 플레이트의 하면으로 돌출되도록 형성되는 절곡부, 상기 센싱 마그네트의 상기 절곡부와 대응하는 부위에 형성되는 홈 형상의 홈부를 포함하며, 상기 절곡부는 상기 홈부에 밀착하여 상기 센싱 마그네트와 상기 플레이트의 축방향 및 회전방향으로의 결합력을 강화하는 EPS모터의 센싱 마그네트와 플레이트의 결합구조를 제공한다. 따라서, 접착제의 접착력에 더하여 축방향 및 회전방향으로의 결합력이 강화되므로 구조적인 안정성과 작동 신뢰성이 제공된다.

Description

코깅 토크 저감 구조를 가진 ＥＰＳ모터{EPS MOTOR FOR REDUCING COGGING TORQUE}

본 발명은 코깅 토크 저감 구조를 가진 EPS모터에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 로터에 착자되는 마그네트의 형상을 변경하여 코깅 토크가 저감되면서도 경제성과 생산성이 향상될 수 있는 코깅 토크 저감 구조를 가진 EPS모터에 관한 것이다.

일반적으로 자동차의 조향의 안정성을 보장하기 위한 장치로 별도의 동력으로 보조하는 조향장치가 사용된다. 기존에는 이와 같은 보조 조향장치를 유압을 이용한 장치로 사용하였으나, 최근에는 동력의 손실이 적고 정확성이 우수한 전동식 조향장치(Electronic Power Streeing System}가 사용된다.

상기와 같은 전동식 조향장치(EPS)는 차속센서, 토크 앵글센서 및 토크센서 등에서 감지한 운행조건에 따라 전자제어장치(Electronic Control Unit)에서 모터를 구동하여 선회 안정성을 보장하고 신속한 복원력을 제공함으로써 운전자로 하여금 안전한 주행이 가능하도록 한다.

이러한 EPS시스템은 운전자가 조향을 하기 위해 핸들을 조작하는 토크를 모터가 보조하여 줌으로써, 보다 적은 힘으로 조향작업을 할 수 있도록 하는데, 상기 모터로는 BLDC모터가 사용된다.

BLDC모터(Brushless DC 모터)란 직류 모터에서 브러쉬, 정류자 등의 기계적인 접촉부를 제외하고 전자적인 정류 기구를 설치한 직류모터를 의미한다. 모터의 주요부위는 고정자와 회전자로 구성되는데, 고정자는 전기자로, 회전자는 영구자석으로 각각 구성된다.

도 1은 종래기술에 따른 EPS모터의 회전자를 나타내는 사시도이다.

상기 회전자(10)는 외부로 동력을 전달할 수 있도록 길이방향으로 연장된 회전축(11)과 상기 회전축(11)의 외주면에 고정되며 고정자(도 5의 30)에 내삽되는 마그네트(20)로 이루어진다.

도 2는 종래기술에 따른 EPS모터의 회전자의 횡단면의 일부분을 나타내는 단면도이며, 도 3은 마그네트만을 도시한 단면도이다.

상기 마그네트(20)는 다수의 마그네트들이 회전축(11)에 대해 요크(13)의 외측에 원주방향을 따라 형성된 다수의 매입홈(14)에 매입된 구조를 가진다. 상기 마그네트(20)는 호(arc) 형상으로 이루어져 요크(13)에 고정되며, 함께 회전하게 된다.

이와 같이 구성된 종래의 모터에서는 상기 고정자(30)에 내삽되어 회전하는 회전자(10) 간에는 이격된 공간이 형성된다. 이때, 방사상의 구조를 갖는 고정자(30)의 구조상의 특징으로 인하여 이러한 이격된 공간 사이에서 자기저항의 차이가 발생하고 이로 인해 모터에서는 필연적으로 코깅토크(Cogging Torque)가 발생된다.

코깅토크란 회전형 기기에서 회전자의 진행방향으로 작용하는 힘을 말하며, 크게 단부 디텐트력(end detent force)과 치 디텐트력(teeth detent force)에 기인하여 발생한다.

여기서, 단부 디텐트력이란 고정자와 회전자의 길이차이에 의하여 발생하는 것이며, 치 디텐트력이란 고정자의 치와 이동자의 마그네트 사이의 인력에 의해 발생하는 것을 말한다.

도 5의 좌측 도면에서 확인되는 바와 같이 고정자(30)의 치(31)와 회전자(10)의 마그네트(20) 사이에는 이격된 공간과 자기장의 차이가 발생하고, 이로 인해 회전방향으로의 코깅토크가 필연적으로 발생하게 된다. 이러한 코깅토크는 모터가 클 수록, 자화량이 많을 수록 더욱 심화된다.

상기 코깅토크를 저감하기 위해 종래에는 고장자의 치(31)의 형상을 조정하거나, 치(31)의 배열을 스큐(skew)하는 방법들을 사용하기도 하였다. 그러나, 여전히 코깅토크는 완전히 해결되지 못하였으며, 특히 사람의 감성 및 주행안전과 직결되는 EPS모터의 코깅토크를 해결하기 위한 요청이 있어왔다.

또한, 코깅토크를 저감하기 위해 구조적인 변경이 있어야 하는바 이러한 경우 생산성 및 경제성의 저하로 이어지는 문제가 있었다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 마그네트의 형상을 조정하여 코깅토크를 감소하면서도 생산성이 향상되는 코깅 토크 저감 구조를 가진 EPS모터를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명에 따른 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터는 마그네트, 요크로 이루어진 회전자 및 고정자를 포함하는 EPS모터로서, 상기 마그네트는 단면의 형상이 중심에서 양측으로 갈수록 두께가 작아지는 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터는, 상기 마그네트는 상면이 곡면 형상이고 하면이 평평한 형상으로 형성된 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터를 제공한다.

또한, 본 발명에 따른 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터는, 상기 요크는 상기 마그네트를 고정결합하도록 원주방향으로 등간격으로 배치되는 매입홈을 더 포함하고, 상기 매입홈의 상기 마그네트의 하면과 접촉하는 면은 평평한 형상으로 이루어진 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터를 제공한다.

전술한 내용과 같이 구성된 본 발명에 따른 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터는 마그네트간에 인접한 부위의 두께가 작아지게 되므로 간단한 구조적인 변경에 의해서도 코깅토크가 현저히 저감될 수 있고, 종래기술에 비해 낮은 자속 등급을 가진 마그네트로도 동일한 능력을 가진 모터를 제공할 수 있으므로 생산성과 경제상이 동시에 향상되는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 EPS모터의 회전자를 나타내는 사시도.
도 2는 종래기술에 따른 EPS모터의 요크와 마그네트를 나타내는 단면도.
도 3은 종래기술에 따른 EPS모터의 마그네트를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 EPS모터의 마그네트를 나타내는 단면도.
도 5는 종래기술과 본 발명에 따른 EPS모터의 회전자와 고정자의 자화량의 차이를 시각적으로 나타내는 평단면도.
도 6은 종래기술과 본 발명에 따른 EPS모터의 코깅토크, 정상토크 및 사용된 마그네트의 등급을 비교한 표.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코깅 토크 저감 구조를 가진 EPS모터를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 코깅 토크 저감 구조를 가진 EPS모터의 마그네트의 횡단면을 도시한 도면이고, 도 5는 종래기술과 본 발명에 따른 EPS모터의 회전자와 고정자의 자화량의 차이를 시각적으로 나타내는 평단면도이다.

본 발명의 개념에 따라, 마그네트(120)는 단면의 형상이 양측으로 갈수록 얇아지는 형상을 하게 된다. 바람직하게는 상기 마그네트(120)는 대략 볼록렌즈의 형상을 하게 되는데, 상면이 호 형상으로 이루어지고 하면이 평평한 형상으로 형성된다.

참고적으로, 단면이란 축방향에서 수직으로 자른 횡단면을 의미하며, 좌측 및 우측은 축방향으로 상측에서 바라볼 때 원주방향으로 왼쪽 및 오른쪽을 의미한다. 또한, 상면은 단면상 외주방향을, 하면은 내주방향을 의미한다.

상기와 같은 마그네트(120)의 형상에 따라 중심부위에서 가장 두꺼우며 좌측 및 우측으로 갈수록 그 두께는 얇아지는 형상으로 이루어진다. 따라서, 각각의 마그네트에서 외주방향으로의 자속은 중심부위에서 가장 크며, 양측 단부에서 가장 작다.

이와 같은 형상을 이루는 경우, 종래의 마그네트 형상과 비교하여 마그네트(120)의 하면의 가공이 이루어지지 않을 수 있으므로 생산공정이 더욱 간소화되어 생산성의 향상이 있음에 유의하여야 한다.

이하, 도 5의 자속량을 시각적으로 나타낸 도면을 기초로 본 발명의 개념에 따른 마그네트의 배치에 따라 코깅토크가 저감되는 구조 및 효과를 중심으로 살펴본다.

도 5의 좌측 도면은 종래기술에 따른 EPS모터의 회전자와 고정자의 단면을 나타내며, 우측 도면은 본 발명에 따른 마그네트가 적용된 EPS모터의 회전자와 고정자의 단면을 나타낸다.

도 5의 우측도면과 같이 본 발명의 개념에 따라 요크(113)의 외주면에 등간격으로 복수의 마그네트(120)가 배치되고, 그 외주면에 이격되어 고정자(130)가 배치된다. 상기 고정자(130)에는 치(131)가 내주방향으로 연장되어 마그네트(120)의 상면과 인접하여 배치된다.

상기 치(131)는 마그네트(120)의 수와 동일하게 배치되며, 마그네트(120)와의 전자기적 상호작용에 의하여 회전자를 회전시키게 된다. 도면에서 1시 방향의 치(131)는 코깅토크가 가장 커지는 부위를 나타내는데, 이는 마그네트(120) 간의 사이에 위치하기 때문이다. 따라서, 고정자(130)의 치(131)들은 회전에 따라 마그네트(120)의 배열 사이에 위치하게 되면서 코깅토크를 발생하는 것이다.

이러한 코깅토크는 상기한 마그네트(120)의 형상에 의해 낮아질 수 있는데, 마그네트(120) 간에 인접하는 부위인 양측의 두께가 줄어들게 되므로 치(131)와의 사이에서 발생하는 코깅토크가 최소화될 수 있는 것이다.

이러한 코깅토크의 변화는 도 6에 나타난 표를 기초로 더욱 구체적으로 살펴본다. 도 6은 종래기술과 본 발명에 따른 EPS모터의 코깅토크, 정상 토크 및 마그네트의 자속등급을 실험적으로 나타낸 표이다.

종래의 호(arc) 타입의 마그네트가 배치된 EPS모터의 경우 코깅토크는 0.00062Nm이며, 본 발명에 따른 볼록렌즈 타입의 마그네트가 배치된 경우 0.00028Nm로, 코깅토크가 종래기술에 비해 약 55%정도 현저하게 감소함을 확인할 수 있다.

추가적으로, 정상 토크(Static Torque)는 종래기술에서는 5.53Nm인데 본 발명의 실시예에서도 동일한 값을 나타낸다. 그런데, 마그네트의 자속 등급이 종래기술에서는 42SH값을, 본 발명에서는 38SH값을 나타낸다. 참고로, 상기 마그네트의 등급은 높을수록 자화량이 큼을 의미하며 그만큼 비용이 상승하는 것을 의미한다.

따라서, 상기의 표를 토대로 검토하면 본 발명의 개념에 따르는 경우 더 낮은 등급의 마그네트를 적용하면서도 원하는 정상토크를 발생하는 회전자가 제시되므로, 이는 생산성과 경제성이 동시에 향상됨을 의미한다.

또한, 상기한 마그네트(120)의 형상에 따라 요크의 매입홈(114)의 형상도 마그네트(120)의 하면의 형상에 대응되도록 변경된다. 즉, 마그네트(120)의 하면이 평평한 형상으로 이루어지기 때문에 요크(113)의 매입홈(114)의 저면 또한 평평한 형상으로 이루어지게 된다. 이러한 경우 요크(113)를 가공하는데 공정이 종래기술에 비해 용이해진다.

상기한 본 발명에 따른 마그네트 형상을 적용한 EPS모터는 간단한 마그네트의 형상 변경을 통해 코깅토크가 현저히 저감되면서도 모터의 생산성과 경제성이 향상되는 이점이 있다.

이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나, 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

113...요크 114...매입홈
120...마그네트 121...외면
122...내면 130...고정자
131...치

Claims (3)

1. 마그네트, 요크로 이루어진 회전자 및 고정자를 포함하는 EPS모터로서,
   상기 마그네트는 단면의 형상이 중심에서 양측으로 갈수록 두께가 얇아지는 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 마그네트는 상면이 곡면 형상이고 하면이 평평한 형상으로 형성된 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 요크는 상기 마그네트를 고정결합하도록 원주방향으로 등간격으로 배치되는 매입홈을 포함하고,
   상기 매입홈의 상기 마그네트의 하면과 접촉하는 면은 평평한 형상으로 이루어진 코깅토크 저감구조를 가진 EPS모터.
   

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