KR20120093251A

KR20120093251A - 브러시없는 동기식 모터

Info

Publication number: KR20120093251A
Application number: KR1020127011344A
Authority: KR
Inventors: 야섹 쥬나크; 그레제고르즈 옴바흐
Original assignee: 브로제 파르초이크타일레 게엠베하 운트 코. 카게, 뷔르츠부르크
Priority date: 2009-10-02
Filing date: 2010-07-09
Publication date: 2012-08-22
Also published as: KR101730525B1; CN102577028B; EP2483991A1; CN102577028A; US8841813B2; EP2483991B1; WO2011038796A1; DE102009048116A1; US20120256514A1

Abstract

본 발명은 에어 간극(air gap)(11)을 형성하면서 3-상 고정자 와인딩(10)이 제공된 다수의 고정자 톱니(8)를 포함하는 고정자(2)에 대하여 회전될 수 있고 다수(n)의 내장된 영구 자석들(5)을 갖는 회전자(4)를 갖는 브러시없는 동기식 모터(brushless synchronous motor; 1)에 관한 것이며, 2개의 인접한 영구 자석들(5) 간의 각도(α)는 360°/n(n>8)이고, 2개의 인접한 고정자 톱니(8) 간의 각도(β)는 360°/n + 2이고, 회전자(4)에 마주하는 고정자(2)의 내부 윤곽(13)은 고정자 톱니(8)의 단부들에 제공되는 만곡 밸리(curvature valley)들(14)을 갖는 곡선 구조를 갖다.

Description

브러시없는 동기식 모터{BRUSHLESS SYNCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 3-상 고정자 와인딩이 제공되는 다수의 고정자 톱니를 포함하는 고정자 및 다수(n)의 내장된 영구 자석들을 갖는 회전자를 갖는 영구적으로 여기되는 브러시없는 동기식 모터에 관한 것이다.

이러한 종류의 동기식 모터, 특히 전자적으로 정류되는 다중-폴 3-상 모터는 고정자와 전기자(armature) 또는 회전자로서 흔히 기술되는 회전부를 갖는다. 고정자는 보통 다수의 개별적인 적층물들(laminations)로 구성되는 적층된 고정자 코어를 포함하고, 고정자 톱니를 가지며 고정자 슬롯들이 고정자 톱니들 사이에 제공된다. 고정자 와인딩(권선의 와이어 턴(wire trun))은 고정자 슬롯들에 맞춰진다.

방사형으로 진척되는 고정자 톱니는 원주 측 상의 요크에서 함께 접합되고 고정자와 회전자 사이의 에어 간극에 마주하는 슬롯-엔트리-측 톱니 단부에서 원주 방향으로 포인팅(pointing)되는 양 측면들 상에 러그(lug)들(폴 러그(pole lug))을 갖는다. 그 결과, 요크에 대향되는 자유단들에서, 스포크(spoke)들의 방식으로 회전자를 향해 내향으로 포인팅하는 고정자 톱니는 원형-세그먼트-형상의 폴 슈즈(circular-segment-shaped pole shoes)를 형성하며, 원형-세그먼트-형상의 폴 슈즈는 보통 매우 서로 근접하고 회전자 상의 원형-세그먼트 형상으로 알맞게 자기적 여기장(magnetic excitation field)을 분포시킨다.

보통 3-상인 고정자(고정자 와인딩)의 와인딩 시스템의 상 와인딩들(phase winding)(보통 구리로 이루어짐)은 정의된 수의 턴들을 갖는 특정된 와인딩 방식에 따라 고정자 톱니 주변에 공급된다. 모터가 동작중일 때, 전류는 이들 상 또는 고정자 와인딩들을 통해 흐른다. 회전자를 구동하는 토크를 생성하기 위해 상기 회전자의 여기장과의 상호작용의 결과로서 회전하는 고정자 장(field)가 생성된다.

단일-톱니 고정자 와인딩에서 유도되는 전자기력(EMF)(백(back) EMF로서도 또한 지칭됨)이 사다리꼴의 특성을 갖는 방식으로 그의 회전자 외부 윤곽이 형성되는 영구적으로 여기되는 브러시없는 동기식 머신이 EP 1 746 707 A1에 개시된다.

구체적으로, 블록-형상 단자 전압이 인버터의 유사한 블록-형상 출력 전류로부터 초래되는 경우에서, 사다리꼴의 EMF와 함께 직류 전압이 모터에 공급됨으로써 모터 전력은 DE 10 2007 038 904 A1에 개시된 것과 같은 회전자 외부 윤곽의 대칭적 곡선 구조에 의해 생성되는 것과 같은 사인형 EMF를 갖는 모터에 비해 12% 초과만큼 증가될 수 있다. 그러나 이 전력의 증가는 이전에는 대응적으로 8개의 영구 자석들이 회전자에 내장된 8-폴 모터들에 의해서만 성공적이었다.

본 발명은 더 많은 수의 폴들을 갖는 브러시없는 동기식 모터를 이용하여 대응하는 전력의 증가를 또한 달성하는 목적에 기초한다.

본 발명에 따라, 이 목적은 청구항 1의 특성들에 의해 달성된다. 유리한 실시예들 및 개발들은 종속 청구항들의 대상이다.

이 목적을 위해, 회전자에 마주하는 고정자의 내부 윤곽(inner contour)은 고정자 톱니의 톱니 단부들에 제공되는 만곡 밸리들을 갖는 곡선 구조를 갖는다. n > 8 수의 영구 자석들에 있어서, 2개의 인접한 영구 자석들 간의 각도는 360°/n인 반면에, 2개의 인접한 고정자 톱니 간의 각도는 360°/n + 2이다.

12개의 고정자 톱니를 갖는 감겨진 고정자(wound stator) 및 10개의 영구 자석들이 제공되는 회전자를 갖는 전기 머신은 EP 0 872 943 B1(DE 698 34 695 T2)에 개되지만, 이것은 고정자와 같이, 종래의 원형의 만곡-없는 윤곽을 갖는다. 본 발명에 따른 서보 모터의 바람직한 실시예에서, 에어 간극에 마주하는 고정자의 내부 윤곽은 바람직하게는 비대칭적인 곡선 구조가 제공되고, 에어 간극에 마주하는 그의 외부 윤곽 상에서, 회전자는 곡선 구조가 제공되지만, 이 곡선 구조는 적절히 대칭적이다. 여기서, 고정자 곡선 구조의 비대칭성은 고정자 톱니의 대칭성의 반경 축들에 관련되는 반면에, 회전자의 대칭성은 영구 자석들의 대칭성의 반경축으로 지칭된다.

고정자 측 상의 곡선 구조는 바람직하게는, 회전자와 상기 회전자에 마주하는 고정자 톱니 간의 에어 간극이 회전자가 고정자 톱니를 지나칠 때 최대 및 최소 사이에서 주기적으로 변하게 되는 방식으로 형성된다. 이 목적을 위해, 고정자 측의 곡선 구조는 각 고정자 톱니의 톱니 단부에서 만곡 밸리에 의해 적절히 형성된다. 여기에서 - 고정자 톱니의 대칭성의 반경 축으로 지칭됨 - 만곡 밸리는 그의 한 측 상에만 제공된다.

알려진 바와 같이, 특히 강력한 토크들은 2개의 인접한 고정자 톱니의 만곡 밸리들이 서로 마주할 때 달성될 수 있다. 그 다음 고정자 톱니는 다른 측 상의 고정자 톱니들과 마주하며 그 측은 마찬가지로 만곡 밸리를 갖지 않는다. 이는 에어 간극과 마주하는 고정자의 내부 윤곽의 바람직한 비대칭적인 곡선 구조를 형성한다.

적절한 실시예에서, 에어 간극과 마주하는 그의 외부 윤곽 상의 회전자의 적절한 대칭적인 곡선 구조는 각각의 영구 자석의 중앙 영역에서, 즉 대칭성의 그의 반경축의 영역에서 최대에 도달한다. 회전자 측 상의 곡선 구조는 각 경우에서 2개의 인접한 영구 자석들 사이에서 최소에 도달한다. 이러한 구조에 있어서, 회전자와 상기 회전자와 마주하는 고정자 톱니 간의 적절한 에어 간극은, 회전자 측 상의 곡선 구조의 최대가 고정자 톱니의 만곡 밸리들 바깥쪽에 고정자 측 상의 곡선 구조에 대향되게 놓일 때 최소에 도달한다. 회전자 측 상의 곡선 구조의 최소가 고정자 측 상의 곡선 구조의 만곡 밸리에 대향되게 놓이면 에어 간극은 이 지점에서 최대이다.

영구적으로 여기되는 브러시없는 동기식 모터의 적합한 실시예에서, 내장된 영구 자석들의 수는 10개(n = 10)인 반면에, 고정자 톱니의 수는 이에 따라 12개(m = n + 2 = 12)이다. 적절하게는, 이에 따라 인접한 영구 자석들 간의 각도는 각 경우에 36°인 반면에, 인접한 고정자 톱니 간의 각도는 단지 30°이다.

브러시없는 모터의 추가의 실시예에서, 고정자 와인딩은 각각이 적어도 4개의 코일들을 갖는 3개의 와인딩 레그들을 가지며, 적어도 4개의 코일들 중 2개의 코일들은 각각의 경우에 코일 쌍으로서 2개의 인접한 고정자 톱니에 의해 소지된다. 동일한 와인딩 레그의 2개의 코일 쌍들은 고정자 원주 상에서 서로 대향되게 직경으로 적절히 배열되는데, 즉 거기에 제공된 각각의 인접한 고정자 톱니 상에 감겨진다. 코일 절연물은 동일한 코일 쌍의 인접한 코일들 사이의 그리고/또는 인접한 코일 쌍들의 인접한 코일들 사이의 적절한 고정자 슬롯들 내에 배치될 수 있다.

결국, 다른 2개의 코일들은 그 다음 2개의 인접하고 직경으로 대향되는 고정자 톱니 상에 위치한다. 3개의 와인딩 레그들이 각각의 경우에, 인접한 고정자 톱니 상에 위치하는 2개의 코일 쌍들에 의해 마찬가지로 각각의 경우에 형성되기 때문에, 각각의 와인딩 레그의 연속적인 코일 쌍들을 갖는 코일 또는 와인딩 패턴은 절반의 원주 상에 고정자의 원주 방향으로 생성되는 반면에, 동일한 코일 쌍 패턴이 그 후에 남은 절반의 원주에 이어진다.

이 목적을 위해, 각각의 와인딩 레그의 2개의 코일들은 코일 쌍을 형성하기 위해 연속적으로 즉, 부가적인 연결들 또는 연결 엘리먼트들 없이 감겨질 수 있다. 그렇게 행함에 있어서, 코일 쌍들에는 단지 2개의 와인딩 단부들(코일 쌍 단부들)만 제공되는 경우, 인접한 고정자 톱니와 함께 배열되는 3-상 고정자 와인딩의 레그의 2개의 코일들은 연결될 2개의 와인딩 단부들만을 갖는다. 이는 요구되는 연결 엘리먼트들의 수를 감소시키고 고정자의 와인딩을 단순하게 한다. 그러므로 총 6개의 코일 쌍들을 갖는 3-상 고정자 와인딩은 12개의 개별 코일들을 갖는 3-상 고정자 와인딩에 비교해서 6개의 와인딩 단부들만을 갖는다. 이 와인딩 단부들은 그 후 비교적 적은 노력으로 스타(star) 또는 델타 형태로 서로 연결될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예는 도면을 참조하여 아래에서 보다 상세히 설명된다.

도 1은 외부 원주 상에 구성된 회전자 및 내부 원주 상에 유사하게 구성된 고정자를 갖는, 본 발명에 따른 전기 모터를 평면도로 개략적으로 도시하는 도면.
도 2는 최소 에어 간극을 형성하기 위해 회전자에 대향되게 놓이는 2개의 고정자 톱니들을, 도 1의 섹션 2를 더 큰 크기로 도시하는 도면.
도 3은 도 1에 따른 관점에서 개별적인 위상 와인딩들의 대향하는 코일 쌍들을 갖는 3-상 고정자 와인딩을 갖는 모터를 도시하는 도면.

대응하는 부분들은 양 도면들에서 동일한 참조부호들이 주어진다.

도 1은 예를 들어, 반-자동 변속장치를 돕기 위한 서보 모터(servo motor) 등으로서 자동차(motor vehicle)에서 이용되는 것과 같은 브러시없는 전기 또는 동기식 모터(1)를 개략적으로 도시한다.

동기식 모터(1)는 모터 샤프트 또는 회전자 축(3) 상에 위치한 회전자(4)를 동축으로 둘러싸는 고정자(2)를 포함한다. 회전자(4)는 적층된 코어로 구성되며, 외부 원주 측 상에 10(n=10)개의 영구 자석들(5)을 갖는다. 회전자(4) 내에, 서로 상에 적층되는 적층된 코어의 개별적인 적층물들은 영구 자석들(5)을 수용하기 위한 다수의 포켓(pocket)들(6)을 형성한다.

서로 상에 적층된 개별적인 적층물들을 갖는 적층된 코어로 또한 구성될 수 있는 고정자(2)는 원주 측 상에 요크(yoke)(7) 및 고정자 슬롯들(9)이 그 사이에 위치한 짝수개의 고정자 톱니(8)를 갖는다. 매 두 번째의 고정자 톱니(8)는 고정자 와인딩(winding)(10)(도 3)을 소지한다.

그러므로 회전자 측 상의 10개의 영구 자석들(5)에 맞춰지는 모터(1)는 12(m = n + 2 = 12)개의 고정자 톱니들(8) 및 12개의 고정자 슬롯들(9)을 갖는 바람직한 10-폴 전지 모터(1)를 구성한다. 모터(1)는 또한 예를 들어, 12(n=12)개의 영구 자석들 - 즉, 12-폴 - 및 14(m = 14)개의 고정자 톱니(8)로 설계될 수 있다.

회전자 측 상에 n = 10 영구 자석들(10) 및 고정자 측 상에 m = 12 고정자 톱니(8)를 갖는, 바람직한 영구적으로 여기되는 브러시없는 동기식 모터(1)는 회전자 측 상의 인접한 영구 자석들(5) 사이에서 각도 α = 360°/n = 36 ° 및 고정자 측 상의 인접한 톱니(8) 사이에서 각도 β = 360°/n + 2 = 30°를 갖는다. 여기서, 각각의 각도 α, β는 영구 자석들(5)의 대칭성 S(α)의 반경축들(radial axes) 사이에서, 그리고 고정자 톱니(8)의 대칭성 S(β)의 포착된 반경축들 사이에서 측정된다.

도 2로부터 비교적 명시적으로 알 수 있는 바와 같이, 고정자(2)와 회전자(4) 사이의 에어 간극(air gap)(11)에 마주하는(facing) 그의 외부 윤곽(12)에서, 회전자(4)는 원주 측 상의 최대(Lmax) 및 최소(Lmin)를 주기적으로 교번하는 곡선 구조로 설계된다. 최대(Lmax)는 고정자(2)의 고정자 톱니(8)와 에어 간극(11)을 향해서 배향되는 곡선들에 의해 형성된다. 회전자 측 상의 곡선 구조의 최대(Lmax)는 영역 A 위에서 대칭적으로 연장하고, 영역 A는 대략 영구 자석들(5)의 접선 범위(tangential extent)의 절반이다.

각각의 고정자 톱니(8)는 결국 에어 간극(11)에 마주하는 고정자 톱니의 내부 구조(13) 상에 만곡 밸리(curvature valley)(14)를 갖는다. 톱니 단부에서, 즉 각자의 고정자 톱니(8)의 폴 슈(pole shoe)의 영역에서 만곡 밸리(14)에 연결되는 곡선 구조의 구조적인 영역은 균일하게 원형 방식으로 설계되고, 그 외주 방향의 접선 확장은 곡선 구조의 영역(A)와 중첩한다. 회전자-측 및 고정자-측 곡선 구조의 이들 영역들(A))이 서로 대향되면, 반경 에어 간극(11)은 최소이다.

고정자(2)에 대한 회전자(4)의 이 위치에서, 에어 간극(11), 즉 그의 반경 확장 또는 인접한 고정자 톱니(8)의 2개의 서로 마주하는 만곡 밸리들(14)의 영역의 폭은, 회전자(4)의 곡선 구조의 최소(Lmin)가 이들 2개의 만곡 밸리들(14)에 인접한 고정자 톱니(8)에 대향되게 놓일 때 최대이다. 상대적인 이동이 회전자(4)와 고정자(2) 사이에서 발생할 때, 에어 간극(11)의 반경 확장은 이에 따라 고정자 톱니(8)의 2개의 영역들(A)과 회전자 외부 윤곽(12)의 최대(Lmax)가 서로 대향되게 놓일 때의 최대값과 고정자 측 상의 곡선 구조의 만곡 밸리들(14) 및 회전자 측 상의 곡선 구조의 최소(Lmin)가 서로 대향되게 놓일때의 최소값 사이에서 주기적으로 변한다.

이러한 10-폴 동기식 모터(1)에서, 특히 회전자 측 상의 곡선 구조와 함께 회전자 측 상의 곡선 구조는 사다리꼴의 EMF를 가능하게 하고, 이에 따라 결국 12개의 고정자 톱니와 12개의 고정자 슬롯들이 제공되는 종래의 10-폴 동기식 모터들에 비해 전력이 증가한다. 사인형 EMF와 비교하여 토크 및 그에 따른 6%를 초과하는 전력의 증가가 가능하다.

특히, 회전자 측 상의 대칭적 곡선 구조와 함께 고정자 측 상의 비대칭적 곡선 구조는 각각 상(phase) u, v, w 마다 2개의 코일 쌍들(10a, 10b 및 10c)을 갖는, 도 3에 도시된 3-상 고정자 와인딩(10)에 특히 적합하며, 2개의 코일 쌍들(10a, 10b 및 10c)은 이 예에서 고정자(2)의 고정자 톱니(8) 상에 감겨진다. 여기서, 각가의 상(u, v 및 w)의 각 코일 쌍(10a, 10b, 10c)은 각각 인접한 고정자 톱니(8) 상에 감겨진다. 동시에, 동일한 상(u, v 및 w)의 2개의 코일 쌍들(10a, 10b, 10c)은 각각 직경으로 대향되는 고정자 톱니(8) 상에 배열된다.

1 동기식/전기 모터
2 회전자
3 고정자 축/모터 샤프트
4 회전자
5 영구 자석
6 포켓
7 요크
8 고정자 톱니
9 고정자 슬롯
10 고정자 와인딩
10a 상 u의 코일 쌍
10b 상 v의 코일 쌍
10c 상 w의 코일 쌍
11 에어 간극
12 외국 윤곽
13 내부 윤곽
14 만곡 밸리
αβ 각도
Lmax 곡률 최대
Lmin 곡률 최소
S(α) 대칭축
S(β) 대칭축

Claims

에어 간극(air gap)(11)을 형성하면서 3-상 고정자 와인딩(10)이 제공된 다수의 고정자 톱니(8)를 포함하는 고정자(2)에 대하여 회전될 수 있고 다수(n개)의 내장된 영구 자석들(5)을 갖는 회전자(4)를 갖는 브러시없는 동기식 모터(brushless synchronous motor; 1)에 있어서,
2개의 인접한 영구 자석들(5) 간의 각도(α)는 360°/n, 여기서 n>8이고,
2개의 인접한 고정자 톱니(8) 간의 각도(β)는 360°/n + 2이고,
상기 회전자(4)에 마주하는 상기 고정자(2)의 내부 윤곽(13)은 상기 고정자 톱니(8)의 단부들에 제공되는 만곡 밸리(curvature valley)들(14)을 갖는 곡선 구조를 갖는,
브러시없는 동기식 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 회전자(4)와 상기 회전자에 마주하는 상기 고정자 톱니(8) 간의 에어 간극(11)은 상기 회전자(4)가 상기 고정자 톱니(8)를 지나칠 때 최대값과 최소값 사이에서 주기적으로 변하는,
브러시없는 동기식 모터.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
인접한 고정자 톱니(8)의 상기 만곡 밸리들(14)은 서로 마주하는,
브러시없는 동기식 모터.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정자(2)에 마주하는 상기 회전자(4)의 외부 윤곽(12)은 고정자 톱니(8)를 향해서 배향되는 주기적 곡선 구조를 갖는,
브러시없는 동기식 모터.
제 4 항에 있어서,
상기 회전자 측(side) 상의 상기 곡선 구조는 각각의 영구 자석(5)의 중앙 영역에서 최대(Lmax)에 도달하고 2개의 인접한 영구 자석들(5) 사이에서 최소(Lmin)에 도달하는,
브러시없는 동기식 모터.
제 5 항에 있어서,
상기 회전자(4)와 상기 회전자에 마주하는 상기 고정자 톱니(8) 간의 에어 간극(11)은, 상기 회전자 측 상의 곡선 구조의 최대(Lmax)가 상기 고정자 톱니(8)의 만곡 밸리들(14) 바깥쪽의 고정자 측 상의 곡선 구조에 대향되게 놓일 때 최소값에 도달하는,
브러시없는 동기식 모터.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정자(2)의 내부 윤곽(13)은 비대칭적 곡선 구조를 갖고, 상기 고정자(2)에 마주하는 상기 회전자(4)의 외부 윤곽(12)은 대칭적인 곡선 구조를 갖는,
브러시없는 동기식 모터.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
내장된 영구 자석들(5)의 수는 n= 10이고, 고정자 톱니(8)의 수는 m = n + 2 = 12이고,
인접한 영구 자석들(5) 간의 각도(α)는 α = 36°이고, 인접한 고정자 톱니(8) 간의 각도(β)는 β = 30°인,
브러시없는 동기식 모터.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
고정자 와인딩(10)은 각각이 적어도 4개의 코일들(10a, 10b, 10c)을 갖는 3개의 와인딩 레그들(winding legs)을 갖고, 각각의 와인딩 레그의 4개의 코일들(10a, 10b, 10c) 중 2개의 코일들은 각각의 경우에 2개의 인접한 고정자 톱니(8)에 의해 소지되는(carried),
브러시없는 동기식 모터.
제 9 항에 있어서,
상기 2개의 코일들(10a, 10b, 10c)은 각각의 경우에 상기 와인딩 레그의 다른 2개의 코일들(10a, 10b, 10c)에 대향되게 배열되는,
브러시없는 동기식 모터.