KR20130103643A - 매립형 영구자석 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자의 내측에 회전자 코어가 배치되며, 회전자 코어에 복수의 영구자석이 매립되는 매립형 영구자석 전동기에 관한 것으로서, 상기 회전자 코어 상에서 N극을 형성하는 제1영구자석과 S극을 형성하는 제2영구자석은 배치 구조가 서로 비대칭인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, N극을 구성하는 영구자석과 S극을 구성하는 영구자석의 배치를 비대칭으로 하여 자속의 경로를 상이하게 함으로써, 영구자석의 재료로 비희토류 자석을 사용하는 경우에도 하이브리드 차량의 전기모터로서 충분한 마그넷 토크 및 자기 저항 토크를 발생시킬 수 있는 효과를 갖는다.

Description

매립형 영구자석 전동기{Interior permanent magnet type motor}

본 발명은 매립형 영구자석 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 N극을 구성하는 영구자석과 S극을 구성하는 영구자석의 배치를 상이하게 하여 비희토류 자석을 사용함에도 견인 전동기로서 충분한 자속 밀도와 흐름을 얻을 수 있는 매립형 영구자석 전동기에 관한 것이다.

최근 들어 하이브리드 차량에 적용되는 전기모터로서 매립형 영구자석 전동기에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 매립형 영구자석(Interior Permanent Magnet) 전동기는 표면실장형 영구자석(Surface Mounted Permanent Magnet) 전동기에 비해, 고속 회전시 발생하는 영구자석의 비산현상을 방지할 수 있어 고속 구동용 모터로서 많이 사용된다.

도 1은 종래 매립형 영구자석 전동기의 일예를 보인 평단면도이다. 도 1을 참조하면, 원통 형상의 고정자(10) 내부에 회전자(20)가 회전 가능하게 수용된다. 고정자(10)는 자성 강판을 복수개 적층하여 형성되며, 내벽에 원주방향으로 코일(12)을 권취하기 위한 복수의 슬롯(14)이 형성된다. 회전자(20)는 코어(22)의 중심부에 회전축에 결합되는 축홀(24)이 형성되며, 원주 방향으로 복수의 영구자석홀(26)을 구비한다. 그리고 이 영구자석홀(26)에 영구자석(28)이 매입 설치된다.

위와 같은 구조에서, 고정자(10)의 코일(12)에 전류를 인가하면, 코일(12)에서의 극성이 순차로 변화되면서 회전자(20)에 매립된 영구자석(28)과 반발력 및 흡인력을 발생시키고, 이에 따른 원심력에 의해 회전 구동력을 발생시킨다.

이때, 매립형 영구자석 전동기는 매립 설치된 복수개의 영구자석에 의한 마그넷 토크(Magnet Torque) 및 자기 저항 토크(Reluctance Torque)를 이용하여 회전자를 구동시킨다. 그리고 종래 하이브리드 차량의 전기모터는 충분한 견인 구동력을 얻기 위하여, 회전자에 희토류 자석을 배치하고 있다.

하지만, 희토류의 가격이 고가이기에 전기 자동차와 같이 상대적으로 크고 대량 생산을 목표로 하는 전동기에는 적용하는 것이 곤란한 문제점이 있었다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 비희토류 자석으로 대체하려는 다양한 시도가 이루어지고 있었으나, 비희토류 자석을 사용하는 경우 견인 전동기로서 충분한 자속 밀도의 흐름을 형성하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 N극을 구성하는 영구자석과 S극을 구성하는 영구자석의 배치를 비대칭 구조로 하여 영구자석의 재료로 비희토류 자석을 사용하는 경우에도 견인 전동기로서 충분한 자속 밀도와 자속 흐름을 발생시킬 수 있는 매립형 영구자석 전동기를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 고정자의 내측에 회전자 코어가 배치되며, 회전자 코어에 복수의 영구자석이 매립되는 매립형 영구자석 전동기에 있어서, 상기 회전자 코어 상에서 N극을 형성하는 제1영구자석과 S극을 형성하는 제2영구자석은 배치 구조가 서로 비대칭이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 비희토류 영구자석이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 각각 회전자 코어의 중심에서 방사방향 외측으로 복수개의 열을 갖도록 배치된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 각각 회전자 코어의 중심에서 방사방향 외측으로 갈수록 작은 크기를 갖도록 배치된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석의 배열 수와 제2영구자석의 배열 수가 상이하다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 서로 다른 열에서 동일한 크기로 배치된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석을 수용하는 제1영구자석홀 및 상기 제2영구자석을 수용하는 제2영구자석홀은 각각 상기 회전자 코어의 중심을 향해 볼록하게 절곡된 절곡부를 가지며, 상기 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀 내부에서 제1영구자석 및 제2영구자석은 각각 좌우 대칭 구조로 매립 설치된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀의 양단부에는 에어갭이 형성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀은 각각 회전자 코어의 중심에서 방사방향 외측으로 복수개의 열을 갖도록 형성되되, 회전자 코어의 방사방향 외측으로 갈수록 상기 에어갭의 각도가 벌어진다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 회전자 코어의 중심으로부터 방사방향 최외각 열에 위치한 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀의 에어갭 각도는 180ㅀ이다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 회전자 코어의 중심으로부터 방사방향 최외각 열에 위치한 에어갭은 다른 에어갭에 비해 에지부 길이가 작다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 매립형 영구자석 전동기는, 상기 회전자 코어의 중심으로부터 방사방향 외측 열로 갈수록 상기 에어갭의 에지부와 회전자 코어의 외경부간 간격이 점차 작아진다.

본 발명의 영구자석 매립형 전동기에 따르면, 회전자 코어의 평단면 상에서 N극을 구성하는 영구자석의 배치와 S극을 구성하는 영구자석의 배치를 서로 비대칭 구조로 하여, 자속 경로를 비대칭으로 함으로써 마그넷 토크와 자기 저항 토크를 크게 할 수 있으며, 비희토류 자석을 사용하는 경우에도 견인 전동기로서 충분한 마그넷 토크와 자기 저항 토크를 발생시키는 효과가 있다.

도 1은 종래 매립형 영구자석 전동기의 일예를 보인 평단면도,
도 2는 본 발명의 매립형 영구자석 전동기의 일실시예를 보인 평단면도, 및
도 3은 본 발명에서의 영구자석홀 구조를 예시한 부분 확대 평단면도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 구체적인 실시예가 설명된다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대하여 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

명세서 전체에 걸쳐 유사한 구성 및 동작을 갖는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. 그리고 본 발명에 첨부된 도면은 설명의 편의를 위한 것으로서, 그 형상과 상대적인 척도는 과장되거나 생략될 수 있다.

실시예를 구체적으로 설명함에 있어서, 중복되는 설명이나 당해 분야에서 자명한 기술에 대한 설명은 생략되었다. 또한, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 기재된 구성요소 외에 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.

본 발명은 매립형 영구자석(Interior Permanent Magnet, IPM) 전동기에 관한 것으로서, 특히 회전자 코어의 평단면 상에서 N극을 구성하는 영구자석과 S극을 구성하는 영구자석을 비대칭 구조로 구성한 매립형 영구자석 전동기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 영구자석의 재료로서 희토류 영구자석을 사용할 수 있지만, 바람직하게는 비희토류 영구자석을 사용하는 경우에도 견인 전동기로서 충분히 높은 견인력을 얻을 수 있는 매립형 영구자석 전동기에 관한 것이다.

여기서, 비대칭 구조라 함은, N극을 구성하는 영구자석과 S극을 구성하는 영구자석이 서로 다른 배치 구조를 갖는 것을 의미한다. 이하에서는 설명의 편의상 N극을 구성하는 영구자석은 "제1영구자석"이라 칭하며, S극을 구성하는 영구자석은 "제2영구자석"이라 칭하기로 한다. 하지만, 이러한 예시는 단지 본 발명의 설명을 위한 예시일 뿐, 본 발명의 기술사상에 따라 N극과 S극의 배치 구조는 서로 바뀔 수 있음은 자명하다.

도 2는 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기의 일실시예를 보인 평단면도이다. 이를 참조하면, 회전자(50)는 회전자 코어(52) 중심부에 전동기의 회전축에 결합되는 축홀(54)이 형성되며, 복수개의 영구자석(64, 84)이 매입 설치되는 영구자석홀(62, 82)이 형성된다.

도시하지 않았지만, 회전자(50)의 외측에는 통상적인 매립형 영구자석 전동기와 마찬가지로 고정자가 배치된다. 고정자는 알려진 바와 같이 자성 강판을 적층하여 형성되며, 내부에 슬롯 및 코일부가 형성된다.

도 2를 참조하면, 회전자(50)는 4개의 N극과 4개의 S극을 갖는다. 그리고 N극을 구성하는 제1영구자석(64)의 배치 구조와 S극을 구성하는 제2영구자석(84)의 배치 구조가 서로 비대칭으로 구성됨을 알 수 있다.

보다 상세하게는, 회전자 코어(52) 상에서 N극을 형성하기 위해 3열의 제1영구자석홀(62)이 배치되고, S극을 형성하기 위해 2열의 제2영구자석홀(82)이 배치된다. 이와 같이 제1영구자석홀(62)과 제2영구자석홀(82)의 배열 수를 달리 함으로써, N극과 S극은 자연히 서로 다른 배치 구조를 갖게 된다.

제1영구자석홀(62) 및 제2영구자석홀(82)은 도시한 바와 같이, 회전자 코어(52)의 중심을 향해 볼록하게 절곡된 절곡부를 갖는다. 그리고, 제1영구자석홀(62) 내부에서 절곡부를 중심으로 제1영구자석(64a, 64b)이 좌우 대칭 구조로 매립되며, 제2영구자석홀(82) 내부에서도 절곡부를 중심으로 제2영구자석(84a, 84b)이 좌우 대칭 구조로 매립된다. 이와 같이 영구자석홀 내부에서 영구자석을 분산 배치하여 자속 경로를 증가시키는 것이 바람직하다.

도 2를 참조하면, 제1영구자석홀(62) 및 제2영구자석홀(82)은 회전자 코어(52)의 중심에서 방사방향 외측으로 갈수록 크기가 점차 작아진다. 이러한 배치 구조는 회전자 코어(52)의 가용 단면 상에서 가능한 많은 영구자석을 매립할 수 있도록 한다.

또한, 서로 다른 열의 제1영구자석홀(62) 및 제2영구자석홀(82) 내에는 동일한 크기의 영구자석이 배치될 수 있다. 예를 들어, 도시된 예에서 N극의 두 번째 열(회전자 코어의 중심을 기준으로)에 해당하는 제1영구자석홀(62)과 S극의 첫 번째 열(회전자 코어의 중심을 기준으로)에 해당하는 제2영구자석홀(82)은 동일한 크기를 가지며, 그 내부에 수용되는 제1영구자석(64) 및 제2영구자석(84) 역시 동일한 크기를 가진다. 이러한 배열 구조는 영구자석홀 내에 수용되는 영구자석의 크기를 규격화하여, 회전자 코어의 양산성을 향상시킨다.

도 3은 본 발명에서의 영구자석홀 구조를 예시한 부분 확대 평단면도로서, N극의 영구자석홀 구조를 예시한 것이다. 도 3을 참조하면, 제1영구자석홀(62)의 양단부에는 에어갭(66)이 형성된다. 도 2에서와 같이 제2영구자석홀(82)의 양단부에도 에어갭(66)이 형성된다. 이 에어갭(66)은 영구자석의 자속에 영향을 주는 주요 인자로서 역할한다.

도 3을 참조하면, 회전자 코어(52)의 중심을 기준으로 첫 번째 열의 제1영구자석홀(62a)에서 제1영구자석홀(62a)과 에어갭(66a)간 각도를 "θ1"이라 하고, 두 번째 열의 제1영구자석홀(62b)에서 제1영구자석홀(62b)과 에어갭(66b)간 각도를 "θ2"라 하고, 세 번째 열의 제1영구자석홀(62c)에서 제1영구자석홀(62c)과 에어갭(66c)간 각도를 "θ3"이라 하면, "θ1<θ2<θ3"의 부등식이 성립된다. 바람직하게는, 도시한 바와 ??이 θ3은 180ㅀ를 이룬다. 이와 같이 회전자 코어의 방사방향 외측으로 갈수록 에어갭(66)의 각도를 벌어지도록 함으로써, 한정된 공간 안에 많은 영구자석홀을 형성할 수 있으며 영구자석홀간 간격을 적정하게 유지할 수 있다.

여기서, 도 3에서와 같이 각 열에서의 에어갭(66a, 66b, 66c)의 에지부 길이를 각각 "l1", "l2", "l3"라 한다면, 최외곽 열(회전자 코어(52)의 중심으로부터 방사방향으로 최외각에 위치한 열)의 에어갭(66c) 에지부 길이 l3은 다른 두 열의 에지부 길이 l1 및 l2에 비해 작은 길이를 갖는다. 예컨대, l1 및 l2는 2.0mm로 동일하고, l3은 1.4mm로 작게 설계된다. 본 예시는 N극의 제1영구자석홀(62)에 대한 예시이다. S극을 구성하는 제2영구자석홀(82)의 경우, 2열로 구성되며, 첫 번째 열의 에어갭(86) 에지부 길이는 l2와 동일한 2.0mm, 최외각 열인 두 번째 열의 에어갭(86) 에지부 길이는 l3와 동일한 1.4mm로 설계된다.

도 3을 참조하면, 각 열에서의 에어갭(66a, 66b, 66c) 에지부와 회전자 코어(52)의 외경부간 간격(예를 들어, 에어갭 에지부의 중심점에서 회전자 코어 외경부에 이르는 법선 길이)은 최외각 열로 갈수록 작아진다. 도 3에서와 같이 각 열에서의 에어갭(66a, 66b, 66c) 에지부와 회전자 코어(52)의 외경부간 간격을 각각 "d1", "d2", "d3"라 한다면, "d1>d2>d3"의 부등식이 성립된다. 예컨대, d1은 2.5mm, d2는 2.0mm, d3은 1.5mm로 점차 작아진다. 본 예시는 N극의 제1영구자석홀(62)에 대한 예시이다. S극을 구성하는 제2영구자석홀(82)의 경우, 첫 번째 열의 에어갭(86) 에지부와 회전자 코어(52)의 외경부간 간격이 d2와 동일한 2.0mm이고, 최외각 열인 두 번째 열의 에어갭(86) 에지부와 회전자 코어(52)의 외경부간 간격은 d3와 동일한 1.5mm로 설계되어, 역시 최외각 열로 갈수록 점차 작아진다.

위와 같이 에어갭을 구성하는 경우, 토크 리플과 진동을 저감시켜 전동기의 출력을 더욱 안정화시킬 수 있게 된다. 물론, 위와 같은 부등식 "d1>d2>d3"는 단지 바람직한 실시예 중 하나이며, 제1영구자석 및 제2영구자석의 배치 구조가 변경되거나, 전동기의 사용용도가 달라지는 경우 등에 위와 다른 부등식 또는 등식의 설계가 가능할 수도 있다.

전술한 실시예에 따르면, 본 발명의 매립형 영구자석 전동기는 N극과 S극의 영구자석 배치 구조를 비대칭으로 하여 자속 경로를 상이하게 함으로써, 영구자석의 재료로 비희토류 자석을 사용하는 경우에도 충분한 마그넷 토크 및 자기 저항 토크를 발생시킬 수 있다. 또한, 제한된 회전자 코어 내에서 영구자석의 매립 크기를 줄이면서 가능한 많은 영구자석을 배치하고, 또한 영구자석의 크기를 규격화할 수 있어, 전동기의 사이즈가 증가하여도 회전자 코어의 양산성을 확보할 수 있게 된다. 또한, 토크 리플과 회전축에서의 진동을 저감시켜 전동기의 출력을 더욱 안정화시킬 수 있게 된다.

위에서 개시된 발명은 기본적인 사상을 훼손하지 않는 범위 내에서 다양한 변형예가 가능하다. 즉, 위의 실시예들은 모두 예시적으로 해석되어야 하며, 한정적으로 해석되지 않는다. 따라서 본 발명의 보호범위는 상술한 실시예가 아니라 첨부된 청구항에 따라 정해져야 하며, 첨부된 청구항에 한정된 구성요소를 균등물로 치환한 경우 이는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

50 : 회전자 52 : 회전자 코어
54 : 축홀 62 : 제1영구자석홀
64 : 제1영구자석 66 : 에어갭
82 : 제2영구자석홀 84 : 제2영구자석
86 : 에어갭

Claims (12)

1. 고정자의 내측에 회전자 코어가 배치되며, 회전자 코어에 복수의 영구자석이 매립되는 매립형 영구자석 전동기에 있어서,
   상기 회전자 코어 상에서 N극을 형성하는 제1영구자석과 S극을 형성하는 제2영구자석은 배치 구조가 서로 비대칭인 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 비희토류 영구자석인 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 각각 회전자 코어의 중심에서 방사방향 외측으로 복수개의 열을 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 각각 회전자 코어의 중심에서 방사방향 외측으로 갈수록 작은 크기를 갖도록 배치되는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
5. 제3항에 있어서,
   상기 제1영구자석의 배열 수와 제2영구자석의 배열 수가 상이한 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 제1영구자석 및 제2영구자석은 서로 다른 열에서 동일한 크기로 배치되는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1영구자석을 수용하는 제1영구자석홀 및 상기 제2영구자석을 수용하는 제2영구자석홀은 각각 상기 회전자 코어의 중심을 향해 볼록하게 절곡된 절곡부를 가지며,
   상기 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀 내부에서 제1영구자석 및 제2영구자석은 각각 좌우 대칭 구조로 매립 설치되는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀의 양단부에는 에어갭이 형성된 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀은 각각 회전자 코어의 중심에서 방사방향 외측으로 복수개의 열을 갖도록 형성되되, 회전자 코어의 방사방향 외측으로 갈수록 상기 에어갭의 각도가 벌어지는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 회전자 코어의 중심으로부터 방사방향 최외각 열에 위치한 제1영구자석홀 및 제2영구자석홀의 에어갭 각도는 180ㅀ인 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 회전자 코어의 중심으로부터 방사방향 최외각 열에 위치한 에어갭은 다른 에어갭에 비해 에지부 길이가 작은 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.
12. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 회전자 코어의 중심으로부터 방사방향 외측 열로 갈수록 상기 에어갭의 에지부와 회전자 코어의 외경부간 간격이 점차 작아지는 것을 특징으로 하는 매립형 영구자석 전동기.

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