KR20120030307A - 차량용 전동 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 전동 압축기의 전동모터의 성능을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 차량용 전동 압축기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기에는 회전자(40)의 중심을 지나고 하나의 영구자석의 양끝단에 접하는 두 직선이 이루는 각(α)은 48.7°내지 51°의 범위 내에 포함된다. 이와 같은 본 발명에 의하면 코깅토크 및 토크리플이 최소화되며, 전동모터의 출력이 향상되고 제어가 용이하다는 장점을 가진다.

Description

차량용 전동 압축기{ELECTRIC MOTOR-DRIVEN COMPRESSOR FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 전동 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 전동 압축기의 전동모터의 성능을 향상시킬 수 있는 구조를 갖는 차량용 전동 압축기에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈과 환경 오염 등의 문제로 인한 저공해 고연비 정책에 따라 화석연료와 전기를 모두 구동원으로 하는 하이브리드 자동차나 전기 자동차가 각광을 받고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
하이브리드 자동차나 전기 자동차는 전동모터를 통해 차량의 추진을 위한 동력을 얻는다. 이에 따라 기존의 차량 공조시스템에서 기계식 압축기가 널리 사용되던 것과 달리 최근에는 전동식 압축기를 사용하는 추세로 변화하고 있다.
전동식 압축기는 전기 에너지를 역학적 에너지로 전환하는 전동모터와, 전동모터의 회전을 제어하는 인버터를 포함하여 구성된다. 이와 같은 전동식 압축기의 전동모터는 일반적으로 원통형의 회전자와 그 외주를 둘러싸는 코일이 감긴 고정자를 포함하여 구성되며, 코일의 권선 방법에 따라 분포권과 집중권 등으로 구분된다.
이와 같은 전동식 압축기에서는, 인버터로부터 공급되는 전원에 의해 코일에 전류가 흐름에 따라 전동모터에 구성되는 회전자가 회전하고, 이와 같은 회전자의 회전력은 회전축으로 전달된다. 그리고 회전축으로부터 역학적 에너지를 전달받은 기계적 수단이 왕복 운동을 함으로써 냉매를 압축하게 된다.
기존의 기계식 압축기에 비하여 압축기의 냉매 압축 성능이 떨어진다는 단점이 있었는데, 이는 전동모터에 의한 구동력이 엔진의 회전력을 이용하여 구동되는 기계식 압축기와 비교하여 약하고, 진동이 심하며, 인버터의 제어성능이 높지 않은 문제점 때문이었다.
또한 전동모터의 효율이 낮아 차량에 공급되는 전기가 낭비된다는 문제점이 있었다.
이와 같은 전동모터의 진동을 유발하고 정밀성을 감소시키는 많은 원인들 중의 하나는 영구자석과 슬롯 사이의 상호작용에 의하여 발생되는 코깅토크(cogging torque)와 토크 리플(torque ripple)이며 슬롯이 존재하는 모터에서 코깅토크와 토크 리플은 존재할 수 밖에 없다.
코깅토크는 모터 시스템의 자기에너지가 최소인 위치 즉, 평형인 상태로 이동하려는 반경방향의 힘으로서, 부하전류와는 관계없이, 영구자석의 자극과 슬롯의 상호작용에 의하여 발생하게 되는 비균일 토크이며, 모터의 제어와 정밀도에 큰 영향을 미치는 것이다.
이러한 코깅토크를 감소하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯수를 구조적으로 적절히 조합함에 의하여, 코깅 토크를 저감하는 수법이 알려져 있다.
그러나, 하이브리드 자동차용 압축기에 사용되는 전동모터분야에 있어서는, 자극과 슬롯수의 최적의 비, 혹은 코깅토크 및 토크리플을 저감할 수 있는 구조 및 설계 등에 관한 구체적인 연구성과는 아직 그리 많지 않은 상태이다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하이브리드 차량용 압축기에 사용되는 전동모터에 있어서, 코깅토크 및 토크리플을 최소화 할 수 있는 영구자석과 슬롯의 구조 및 회전자와 고정자의 설계수치를 제시함으로써, 출력이 강하고 제어가 용이하며, 에너지 효율이 높은 전동모터를 구비한 차량용 전동 압축기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기에는 원통 형상으로 형성되고, 내부가 축방향으로 관통되며, 그 내주면에는 축방향에 평행하게 연장되어 내부에 코일이 권선되는 복수의 권선슬롯이 형성되는 고정자와, 원통 형상으로 형성되고 상기 고정자 내부에 동축으로 설치되는 회전자를 포함하여 구성되는 전동모터가 구비되며, 상기 회전자에는 6개의 영구자석이 축방향으로 삽입되고, 상기 회전자의 중심을 지나고 하나의 영구자석의 양끝단에 접하는 두 직선이 이루는 각이 48.7°내지 51°의 범위 내에 포함된다.
상기 전동모터에는 상기 고정자의 내주면을 따라 일정한 간격으로 27개의 권선슬롯이 구비될 수 있다.
나아가 상기 회전자의 반경과 상기 고정자의 반경 사이의 비는 0.48 내지 0.51의 범위 내의 값을 가질 수 있다.
또한 상기 회전자의 중심으로부터 상기 영구자석에 이르는 최단거리와 상기 회전자의 반경 사이의 비는 0.74 내지 0.78의 범위 내의 값을 가질 수 있다.
그리고 상기 전동모터는 분포권 방식의 모터로 구비될 수 있다.
본 발명에 의한 차량용 전동 압축기에 의하면, 다음과 같은 효과가 있다.
전동모터에 있어서, 코깅토크 및 토크리플을 최소화 할 수 있으므로, 전동모터의 출력이 향상되고 그 제어가 용이하며, 그에 따라 공조 성능이 향상된다.
나아가 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기에 의하면 전동모터의 출력이 향상되고, 에너지 효율이 높아지므로, 차량 연비의 향상에 도움이 된다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 개략적인 구성을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 횡단면을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각의 크기에 따른 코깅 토크의 변화를 나타낸 그래프.
도 4는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각의 크기에 따른 토크 리플의 변화를 나타낸 그래프.
도 5는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각과, 회전자의 반경(Rr)과 고정자의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)에 따른 코깅토크의 특성을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각과, 회전자의 반경(Rr)과 고정자의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)에 따른 토크 리플의 특성을 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각과, 회전자의 중심으로부터 영구자석까지의 최단거리(Rm)과 회전자의 반경(Rr) 사이의 비(Rm/Rr)에 따른 코깅토크의 특성을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각과, 회전자의 중심으로부터 영구자석까지의 최단거리(Rm)과 회전자의 반경(Rr) 사이의 비(Rm/Rr)에 따른 토크리플의 특성을 나타낸 그래프.
이하, 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기의 바람직한 실시예의 구성을 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
차량용 전동 압축기는 일반적으로 냉매가 기계 구성의 왕복 운동에 의하여 압축되는 압축부와, 상기 압축부에 역학적 에너지를 전달하는 전동모터, 그리고 전동모터에 전기 에너지를 공급하는 인버터를 포함하여 구성된다.
그러나 본 발명의 요부는 전동모터의 구조에 있고, 나머지 압축기의 구성은 일반적인 차량용 전동 압축기의 구성과 크게 다르지 않으므로, 이하에서는 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기의 전동모터를 중심으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 횡단면을 도시한 단면도이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터(100)는 대략 원통 형상의 고정자(10)를 포함하여 구성된다. 상기 고정자(10)는 도 2에 도시된 횡단면에서 확인되는 바와 같이, 그 내부가 원통형으로 관통되는 링 형상의 단면을 갖는다.
상기 고정자(10)의 내주면에는 상기 고정자(10)의 관통방향으로 연장되는 복수의 권선슬롯(15)이 형성된다. 상기 권선슬롯(15)에는 코일이 상기 권선슬롯(15)을 따라 그 연장방향으로 권선된다. 상기 권선슬롯(15)의 수는 상기 전동모터(100)의 설계에 따라 달라질 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 27개의 권선슬롯(15)이 일정한 간격으로 구비되는 것으로 한다. 즉, 각각의 권선슬롯(15)은 인접한 권선슬롯(15)과 약 13.3도의 각도를 형성한다.
한편 상기 권선슬롯(15)에 권선된 코일다발은 상기 고정자(10)의 양단에서 외부로 노출되어 엔드턴(20)을 형성한다. 상기 엔드턴(20)은 상기 고정자(10)의 양단에서 상기 고정자(10)로부터 소정길이만큼 노출된다.
그리고 상기 고정자(10)의 외주면에는 커넥터(30)가 고정될 수도 있다. 상기 커넥터(30)는 상기 코일 엔드턴(20)으로부터 연장되는 코일의 말단에 구비되는 복수의 단자들을 감싸 고정하는 역할을 한다.
상기 커넥터(30)는 그 내부에 복수의 단자를 구비하는 열가소성 수지 등의 소재로 구성된 하나의 몸체로 형성될 수 있으며 상기 고정자(10)의 외주면에 고정되기 위하여 몸체에서 일체로 연장 형성되는 하나 이상의 돌기를 포함할 수도 있다. 나아가 상기 커넥터(30)는 상기 엔드턴(20)을 간섭하지 않기 위하여 대략 'ㄱ'자 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이 상기 커넥터(30)가 상기 고정자(10)에 고정됨으로써 상기 커넥터(30)가 상기 고정자(10)에 대해 축방향으로 지지되도록 할 수 있다.
이를 위하여 상기 고정자(10)의 외주면 일측에는 상기 커넥터(30)의 몸체를 상기 고정자(10)에 직접 고정시키기 위한 고정슬롯(11)이 형성될 수도 있다. 상기 고정슬롯(11)은 상기 고정자(10)의 외주면으로부터 소정 깊이 요입되어 형성될 수 있으며 도 2에 도시된 바와 같이 상기 고정자(10)의 중심방향에 가까워질수록 그 폭이 증가하는 형상으로 형성되어 상기 고정슬롯(11)에 끼워지는 커넥터(30)가 쉽게 빠지지 않도록 할 수 있다.
한편 상기 고정자(10)의 외주면에는 또한 복수의 홈(13)이 요입 형성되어, 냉매 유로를 형성함으로써 냉매가 받는 저항을 감소시킴으로써 압축기 성능 향상을 도모할 수도 있다.
한편 도 2에 도시된 것처럼 원통형으로 관통된 상기 고정자(10)의 내부에는 회전자(40)가 설치된다. 이때 도 2에는 코일이 권선되지 않은 전동모터(100)의 단면이 도시되어 있다.
상기 회전자(40)는 상기 고정자(10)가 관통된 공간에 설치되는 원통형 부재로서, 상기 고정자(10)에 권취된 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 전자기력을 받아 회전할 수 있도록 복수의 영구자석을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 회전자(40)에는 회전축(도면 미도시) 등이 연결되어 압축기 내부에 구비되는 압축부로 회전력을 전달하게 된다.
상기 회전자(40)에는 영구자석(M)이 삽입될 수 있도록 상기 회전자(40)의 회전축에 나란하게 관통 형성되는 복수의 삽입공(41)이 형성된다. 상기 삽입공(41)에는 각각 영구자석(M)이 상기 회전자(40)의 회전축 방향으로 삽입되는데, 인접한 삽입공(41)에는 서로 다른 극을 갖는 영구자석(M)을 삽입한다. 이와 같이 영구자석(M)이 상기 회전자(40)의 표면이 아닌 내부에 삽입되도록 하면 마그네틱 토크(Magnetic Torque: 자기장의 배열성과 자기장 세기에 따른 토크)와 더불어 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque: 자기저항 변화에 따른 토크)를 이용할 수 있기 때문에 좀 더 적은 전류를 이용하여 동일한 토크를 발생시킬 수 있어 상기 전동모터(100)의 효율이 높아질 수 있다.
상기 삽입공(41)과 상기 영구자석(M)은 각각 상기 회전자(40)에 6개씩 형성된다. 즉, 인접한 두 개의 삽입공(41)은 서로 120도의 각도를 이룬다.
한편 상기 회전자(40)에는 또한 필요에 따라 복수의 리벳홀(43)이 관통 형성될 수 있다. 상기 리벳홀(43)에는 리벳(도면 미도시)이 끼워질 수 있다. 나아가 상기 회전자(40)에는 상기 회전자(40)를 회전축 방향으로 관통하는 수 개의 통공(45)이 형성될 수 있다.
그리고 상기 회전자(40)의 중앙에는 압축기의 압축부로 상기 회전자(40)의 회전력을 전달하기 위한 회전축이 설치되는 축공(47)이 관통 형성된다.
이와 같은 구성의 전동모터(100)에서는, 영구자석(M) 6개를 구성하여 상기 전동모터(100)의 효율을 극대화함과 동시에 인버터의 스위칭 주파수를 고려한 최적의 극수를 제공하며, 6개의 영구자석(M)에 대응하여 무부하 역기전력의 왜율(Total Harmonic Distortion)을 최소화할 수 있는 수인 27개의 권선슬롯(15)이 구비되도록 할 수 있다.
나아가 상기 회전자(40)의 중심으로부터 상기 삽입공(41)에 삽입된 영구자석(M)의 양끝단을 잇는 두 직선 사이의 원호각을 α라고 하면, 위와 같은 27개의 권선슬롯(15)과 6개의 영구자석(M)을 갖는 전동모터에서 상기 원호각 α는 대략 48.7°내지 51°의 범위 내에 형성되도록 함이 바람직하다.
압축기용 전동모터의 코깅토크가 그 정격 토크의 3% 이하이면 코깅토크에 의한 전동모터의 진동소음을 최소화할 수 있다. 따라서, 코깅토크가 정격토크의 3% 이하의 값을 갖는 것이 바람직하며, 이와 같은 조건을 만족시킬 수 있는 원호각 α의 범위를 찾기 위하여 본 발명자등은 다양한 실험을 행하였으며, 이하 동 실험결과를 참조하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각의 크기에 따른 코깅 토크의 변화를 나타낸 그래프로서, 동 그래프에 의하면, 원호각 α가 48.7°내지 51°의 범위에서 3% 이하의 낮은 코깅 토크(Cogging Torque)를 가짐을 알 수 있다.
코깅 토크는 상기 전동모터(100)에 전원인가되지 않은 상태에서 상기 회전자(40)가 회전될 때 상기 고정자(10)의 슬롯에 권취된 코일과 상기 회전자(40)의 영구자석(M) 사이의 상호작용에 기인한 것으로서, 이는 전원을 인가하여 상기 회전자(40)에 가하고자 하는 토크 성분이 아니므로 그 수치가 낮을수록 상기 회전자(40)의 회전을 제어하기 용이하다. 따라서 도 3의 그래프로부터 상기 코깅 토크가 낮게 측정된 원호각 α의 범위를 도출하였다.
나아가 위와 같이 코깅 토크를 최소화하면 전원 인가 시에 발생되는 토크 리플(Torque Ripple: 토크의 진동)도 감소하여 무부하 역기전력이 정현파에 가까워지며, 그에 따라 인버터의 상기 전동모터(100)에 대한 제어성능이 향상되고, 상기 전동모터(100)에서 발생되는 진동이나 소음도 감소하게 된다.
도 4는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각의 크기에 따른 토크 리플의 변화를 나타낸 그래프로서, 동 그래프에 의하면, 상기 원호각 α가 상술한 바와 같이 대략 48.7°내지 51°의 범위 내에 형성된 경우에는 대략 9% 이내의 토크리플만이 존재함을 알 수 있으며, 따라서, 상기와 같은 원호각의 범위가 코깅토그를 최소화함과 동시에 토크리플을 최소화 할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 2에 있어서, 상기 회전자(40)의 반경을 Rr이라고 하고, 상기 회전자(40)의 중심으로부터의 상기 고정자(10)의 반경을 Rs라고 할 때, 두 반경 사이의 비 Rr/Rs는 상기 원호각 α의 범위에 대하여 0.48 내지 0.51의 값을 갖는 것이 바람직하다.
도 5는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각 α와, 회전자의 반경(Rr)과 고정자의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)에 따른 코깅토크의 특성을 나타낸 그래프이다.
즉, 상술한 바와 같이, 코깅토크가 3% 이하의 값을 갖는 영역에서, 원호각 α가 상술한 48.7°내지 51°의 범위를 가질 수 있는 회전자의 반경(Rr)과 고정자의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)는 0.48 내지 0.51로 됨을 알 수 있다.
아울러, 전동모터의 영구자석의 원호각과, 회전자의 반경(Rr)과 고정자의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)에 따른 토크 리플의 특성을 나타낸 그래프인 도 6을 참조하면, 원호각 α가 상술한 48.7°내지 51°의 범위일 때, 토크 리플이 9% 이하로 되는 영역에 대응하는 회전자의 반경(Rr)과 고정자의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)는 도 5에서와 마찬가지로 0.48 내지 0.51로 됨을 알 수 있다.
종합적으로 언급하면, 코깅토크가 3% 이하의 값을 갖고, 토크리플이 9% 이하로 되는 영역에 대응하여 원호각 α이 48.7°내지 51°의 범위를 가질 수 있는 회전자의 반경(Rr)과 고정자의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)는 0.48 내지 0.51로 되는 것이 바람직하다.
더 나아가서, 상술한 바와 같이 코깅토크의 비율이 정격토크의 3% 이하인 값을 가지고, 토크리플이 9% 이하로 되는 조건을 만족하는 설계상의 항목으로서, 상기 회전자(40)의 반경과 상기 회전자(40)의 중심으로부터 상기 영구자석(M)까지의 최단거리(Rm) 사이의 비 Rm/Rr은 0.74 내지 0.78의 범위 내에 있는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각과, 회전자의 중심으로부터 영구자석까지의 최단거리(Rm)과 회전자의 반경(Rr) 사이의 비(Rm/Rr)에 따른 코깅토크의 특성을 나타낸 그래프이며, 도 8은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량압축기용 전동모터의 영구자석의 원호각과, 회전자의 중심으로부터 영구자석까지의 최단거리(Rm)과 회전자의 반경(Rr) 사이의 비(Rm/Rr)에 따른 토크리플의 특성을 나타낸 그래프이다.
동 도면에서 보는 바와 같이, 도 7에 있어서, 코깅토크가 3% 이하의 값을 갖는 영역에서, 원호각 α가 상술한 48.7°내지 51°의 범위를 가질 수 있는 회전자의 중심으로부터 영구자석까지의 최단거리(Rm)와 회전자의 반경(Rr) 사이의 비(Rm/Rr)는 0.74 내지 0.78의 범위 내에 있는 것을 알 수 있다.
또한, 도 8에 있어서도, 토크리플이 9% 이하로 되는 영역에 대응하여 원호각 α이 48.7°내지 51°의 범위를 가질 수 있는 비(Rm/Rr)는 0.74 내지 0.78의 범위 내에 있는 것을 알 수 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (5)

  1. 원통 형상으로 형성되고, 내부가 축방향으로 관통되며, 그 내주면에는 축방향에 평행하게 연장되어 내부에 코일이 권선되는 복수의 권선슬롯(15)이 형성되는 고정자(10)와, 원통 형상으로 형성되고 상기 고정자(10) 내부에 동축으로 설치되는 회전자(40)를 포함하여 구성되는 전동모터(100)가 구비되는 차량용 전동 압축기에 있어서,
    상기 회전자(40)에는 6개의 영구자석이 축방향으로 삽입되며, 상기 회전자(40)의 중심을 지나고 하나의 영구자석의 양끝단에 접하는 두 직선이 이루는 각(α)은 48.7°내지 51°의 범위 내에 포함되는 것을 특징으로 하는 차량용 전동 압축기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 권선슬롯(15)은
    상기 고정자(10)의 내주면을 따라 일정한 간격으로 27개 구비됨을 특징으로 하는 차량용 전동 압축기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전자(40)의 반경(Rr)과 상기 고정자(10)의 반경(Rs) 사이의 비(Rr/Rs)는 0.48 내지 0.51의 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 전동 압축기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 회전자(40)의 중심으로부터 상기 영구자석(M)에 이르는 최단거리(Rm)와 상기 회전자(40)의 반경(Rr) 사이의 비(Rm/Rr)는 0.74 내지 0.78의 범위 내의 값을 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 전동 압축기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전동모터(100)는 분포권 방식임을 특징으로 하는 차량용 전동 압축기.
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