KR20140037375A - 모터의 회전자와 이를 포함하는 동기 모터 및 권선형 회전자 동기 모터 - Google Patents

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KR20140037375A
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Abstract

본 발명은 회전자에 있어서, 상기 회전자의 회전 중심이 되는 회전축과, 상기 회전축에 설치되며 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 티스(Teeth)를 포함하는 코어와, 상기 티스에 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시키는 코일 및 상기 티스의 양측에 설치되는 한 쌍의 영구자석을 포함하는 회전자와 이를 포함하는 동기 모터 및 권선형 회전자 동기 모터에 관한 것이다.

Description

모터의 회전자와 이를 포함하는 동기 모터 및 권선형 회전자 동기 모터{ROTOR AND SYNCHRONOUS MOTOR HAVING THE SAME AND WOUND ROTOR SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 코일이 권선되어 있는 모터의 회전자와 이를 포함하는 동기식 모터 및 권선형 회전자 동기 모터에 관한 것이다.
적합한 전력 변환기에 연결된 상이한 구성을 갖는 직류 전류 모터, 유도 모터, 영구자석 동기 모터에 바탕을 둔 구동기를 사용하는 전기 자동차가 알려져 있다. 이 중에서도 넓은 속도 영역에 대하여 일정한 전력 동작을 획득할 수 있는 내부 영구 자석(Internal Permanent Magnet, IPM) 타입의 모터가 전기자동차(Electric Vehicle, EV) 및 하이브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV)에 주로 사용되고 있다.
그런데, 상기와 같은 IPM 모터에는 통상적으로 희토류 영구자석이 회전자 내부에 매립되는데, 이로 인해 역률을 1로 제어할 수 없는 문제가 있으며, 희토류 영구자석의 가격이 비싸기 때문에 IPM 모터의 원가가 상승하는 문제가 있었다. 따라서, 최근에는 희토류 영구자석을 사용하지 않는 모터의 개발이 진행되고 있으며, 그 대안으로 영구자석을 사용하지 않는 SRM(Switched Reluctance Motor), SynRM(Synchronous Reluctance Motor), 권선형 회전자 동기 모터(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM) 등이 개발되고 있다.
이 중에서도 특히 권선형 회전자 동기 모터(WRSM)는 IPM 모터와 유사한 토크밀도와 출력밀도를 가지면서도 크기를 최소화시킬 수 있는 모터이다. 이러한 권선형 회전자 동기 모터(WRSM)의 경우 희토류 영구자석을 사용하지 않기 때문에 원가를 절감할 수도 있다.
그러나, 상기와 같은 권선형 회전자 동기 모터(WRSM)의 경우 영구자석 대신 회전자에 권선을 감아 추가적으로 많은 전류를 흘려주어야 하기 때문에 이 전류에 의해 회전자의 권선에서 동손(Copper Loss)이 발생하게 됨으로써 효율이 저하되는 문제가 있었다.
본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 하이브리드 전기자동차나 전기자동차에 적용되는 IPM 모터를 대체하여 원가를 절감할 수 있으면서도 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 모터의 회전자와 이를 포함하는 동기 모터 및 권선형 회전자 동기 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위한 수단으로서 본 발명의 실시예에서는 모터의 회전자를 제공한다. 몇몇 실시예에서, 상기 모터의 회전자는 상기 회전자의 회전 중심이 되는 회전축; 상기 회전축에 설치되며 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 티스(Teeth)를 포함하는 코어; 상기 티스에 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시키는 코일; 및 상기 티스의 양측에 설치되는 한 쌍의 영구자석;을 포함할 수 있다.
상기 티스는 상기 모터의 고정자의 내경면에 대응되도록 끝단에서 양측으로 연장된 연장부를 포함할 수 있다.
상기 한 쌍의 영구자석은 상기 연장부와 상기 코일 사이에 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 연장부에는 상기 티스의 양측으로 한 쌍의 홈이 형성되며, 상기 한 쌍의 영구자석은 상기 한 쌍의 홈에 삽입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 영구자석은 페라이트(ferrite)자석인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 동기 모터를 제공한다. 몇몇 실시예에서 상기 동기 모터는 외부 전원에 의해 자기장을 형성하는 원통형의 고정자; 및 상기 고정자 내부에서 회전되는 회전자;를 포함하고, 상기 회전자는 상기 회전자인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 고정자는 외측에 형성되는 스테이터 코어와, 상기 스테이터 코어의 내측으로 반경 방향을 따라 일정 간격마다 돌출되는 복수의 스테이터 티스 및 상기 스테이터 티스에 권선되어 자기장을 발생시키는 스테이터 코일을 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 회전자에 코일을 권선한 권선형 회전자 동기 모터(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM)를 제공한다. 몇몇 실시예에서 상기 권선형 회전자 동기 모터의 회전자는 상기 회전자인 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터.
본 발명의 실시예에 따른 영구자석을 포함하는 권선형 회전자와 이를 포함하는 동기 모터에 의하면 페라이트 자석과 권선형 회전자를 함께 사용하여 IPM 모터를 적절하게 대체하면서도 원가를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 영구자석을 포함하는 권선형 회전자와 이를 포함하는 동기 모터에 의하면 종래의 권선형 회전자 동기 모터에 비해 동손(Copper Loss)을 36% 감소 되어 효율이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 동기 모터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 동기 모터의 A1 부분의 확대도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 동기 모터의 일부분의 확대도이다.
도 4는 영구자석이 설치되지 않은 권선형 회전자 동기모터의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석이 설치된 권선형 회전자 동기 모터의 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 동기 모터(10)의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 동기 모터(10)의 A1 부분의 확대도이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 동기 모터(10)는 고정자(100) 및 회전자(200)를 포함하여 구성된다. 동기 모터(synchronous motor)는 외측과 내측의 자극이 다른 극을 대립시켜 외측의 자극을 회전시키면 내측의 자극은 같은 방향, 같은 속도로 회전하도록 하는 모터로서 동기 전동기라고도 한다. 동기 모터는 여자의 변화에 의해 역률을 조정할 수 있고, 부하가 변화해도 동기 속도로 회전을 계속하고, 효율이 좋으므로 대용량 모터로 사용될 수 있다.
상기 고정자(100)는 동기 모터(10)의 하우징 내부에 고정적으로 장착될 수 있으며, 외부 전원에 의해 자기장을 형성한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 고정자(100)는 외측에 형성되는 스테이터 코어(110)와, 상기 스테이터 코어(110)의 내측으로 반경 방향을 따라 일정 간격마다 돌출되는 복수의 스테이터 티스(120) 및 상기 스테이터 티스(120)에 권선되어 자기장을 발생시키는 스테이터 코일(130)을 포함할 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서, 상기 스테이터 코어(110)는 회전자계를 충분히 형성할 수 있도록 동심원 즉, 원형의 링 형상으로 형성될 수 있으며, 금속 재질로 형성될 수 있다.
상기 스테이터 티스(120)는 상기 스테이터 코어(110)에 일체로 형성될 수 있으며, 상기 스테이터 코어(110)의 내측에서 일정 간격 유격되어 배치될 수 있다. 따라서, 인접한 스테이터 티스(120)와 스테이터 티스(120) 사이에는 상기 스테이터 코일(130)이 감겨지는 공간인 슬롯을 형성하게 된다. 상기 스테이터 티스(120)의 수량은 본 발명의 실시예에 한정되지 않으며 모터의 안정된 구동 특성을 위하여 스테이터 티스(120)의 수량을 적절하게 조절할 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 상기 스테이터 티스(120)는 내측으로 돌출되는 끝부분이 상기 회전자(200)의 형상에 대응되도록 원주 방향을 따라 양측으로 확장 형성될 수 있다.
상기 회전자(200)는 상기 고정자(100) 내부에 설치되어 상기 고정자(100)와 자기적 작용에 의해 회전하며, 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 회전축(210)과 코어(220)와 코일(230) 및 영구자석(240)을 포함할 수 있다.
상기 회전축(210)은 회전자(200)의 회전 중심이 되는 축으로서, 원형의 단면을 가지도록 형성될 수 있다.
상기 코어(220)는 회전자(200)의 본체가 되는 부분으로서, 도 1에 도시된 바와 같이 상기 회전축(210)의 외경면에 밀착되어 설치될 수 있으며, 상기 회전축(210)을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 티스(Teeth)(221)를 포함할 수 있다. 상기 티스(221)의 개수는 본 발명의 실시예에 한정되지 않으며 모터의 안정된 구동 특성을 위하여 티스(221)의 개수는 적절하게 조절될 수 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 티스(221)는 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 상기 고정자(100)의 내경면에 대응되도록 그 끝단이 원주 방향을 따라 연장된 연장부(222)를 포함할 수 있다.
상기 코일(230)은 상기 티스(221)에 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시킨다. 회전자의 내부에 영구자석이 삽입되는 종래의 IPM(Internal Permanent Magnet) 모터와 달리 본 발명의 실시예에 따른 동기 모터(10)의 경우에는 회전자(200)에 권선된 코일(230)에 전류를 공급하여 자기장을 발생시킨다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 동기 모터(10)는 권선형 회전자 동기 모터(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM)가 될 수 있다. 종래 IPM 모터의 경우 고속 영역 동작을 위해서는 회전자에서 영구자석에 의해 발생되는 자속을 감소시키기 위하여 추가 전류를 인가해 주어야 하므로 고정자에 많은 전류를 인가해야 하는 문제가 있었으나, 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 권선형 회전자 동기 모터(10) (WRSM)는 고속 영역에서 회전자(200)의 티스(221)에 권선된 코일(230)에 흐르는 전류를 제어함으로써 회전자(200)의 자속을 조절할 수 있으므로 약계자전류를 흘려주지 않아도 되는 이점이 있다. 또한, 종래 IPM 모터의 경우에는 역률을 높이기 위하여 DC Link단 쪽에 큰 커패시터가 필요하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 권선형 회전자 동기 모터의 경우에는 회전자(200)에 권선된 코일(230)에 흐르는 전류를 조절함으로써 역률을 1로 제어할 수 있으므로, DC Link단의 커패시터 사이즈를 감소시킬 수 있다.
상기 영구자석(240)은 상기 티스(221)의 양측에 설치되어 자기장을 발생시킨다. 즉, 본 발명의 실시예에 따르면 권선형 회전자 동기 모터(WRSM)의 회전자(200) 양측에 한 쌍의 영구자석(240)을 추가적으로 설치함으로써 모터의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다. 회전자(200)에 설치된 한 쌍의 영구자석(240)에 의해 지속적으로 자속이 발생되므로 동기 모터(10)의 회전자(200)에 인가되는 전류를 줄일 수 있고, 이로 인해 회전자(200)에 권선된 코일(230)의 동손(Copper Loss)을 감소시킬 수 있으므로 권선형 회전자 동기 모터(WRSM)의 효율이 더욱 향상되는 것이다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 제1실시예에 따르면 상기 회전자(200)의 티스(221) 양측에 형성된 연장부(222)와 상기 코일(230)은 서로 이격되도록 형성됨으로써 그 사이에 소정 공간을 형성할 수 있으며, 이 공간에 상기 한 쌍의 영구자석(240)을 각각 설치할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제1실시예에 따른 동기 모터(10)의 경우 도 2에 도시된 바와 같이 회전자(200)의 티스(221)에 권선된 코일(230)에 의해 B1 방향으로 자속이 발생하게 된다. 그리고, 상기 티스(221) 양측의 영구자석(240)에 의해 C1 방향으로 자속이 발생하게 된다. 따라서, 상기 회전자(200)의 코일(230)에 의해 발생되는 자속(B1)은 상기 영구자석(240)에 의해 방해 받지 않고 고정자(100)로 전달될 수 있다. 일반적으로 영구자석(240)은 공기와 같은 자기저항을 가지므로 만약 상기 코일(230)에 의한 자속이 발생되는 방향(B1)과 일직선 상에 상기 영구자석(240)이 설치되면 코일(230)에 의한 자속(B1)을 막음으로써 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 그러나 본 발명의 제1실시예에 따르면 상기 티스(221)의 양측에 공간을 형성하여 영구자석(240)을 각각 설치하였으므로 상기 코일(230)에 의한 자속(B1)을 방해하지 않고, 영구자석(240)의 자속(C1)이 추가될 수 있는 효과가 있다.
하나 또는 다수의 실시예에서 상기 영구자석(240)은 페라이트(ferrite)자석이 될 수 있다. 일반적으로 페라이트(ferrite)자석은 희토류 자석에 비하여 가격이 저렴하므로 동기 모터(10)의 원가를 절감할 수 있다. 페라이트(ferrite)는 산화철을 포함하는 자성체 세라믹을 총칭한다. 다만, 이는 일 실시예일뿐이므로 영구자석(240)의 종류가 페라이트(ferrite)자석으로 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라서는 희토류 자석 등이 사용될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 동기 모터(20)를 도시한 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 동기 모터(20)도 제1실시예와 같이 고정자(400)와 회전자(300)를 포함한다. 즉, 본 발명의 제2실시예에 따른 동기 모터(20)의 기본적인 구성은 제1실시예에 따른 동기 모터(10)와 실질적으로 동일하므로 이하에서는 차별화되는 구성에 대해서 구체적으로 설명한다.
본 발명의 제2실시예에 따른 동기 모터(20)의 회전자(300)는 회전 중심이 되는 회전축(310)과, 상기 회전축(310)에 설치되며 상기 회전축(310)을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 티스(Teeth)(321)를 포함하는 코어(320)와, 상기 티스(321)에 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시키는 코일(330) 및 상기 티스(321)의 양측에 설치되는 한 쌍의 영구자석(340)을 포함할 수 있고, 상기 티스(321)는 상기 고정자(400)의 내경면에 대응되도록 티스(321)의 끝단이 양측으로 연장된 연장부(322)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따르면 도 3에 도시된 바와 같이 상기 티스(321)의 연장부(322)는 상기 코일(330)의 상부와 밀착되도록 설치되며, 상기 연장부(322)의 양측 하부에 한 쌍의 홈(323)이 형성된다. 상기 홈(323)에 상기 영구자석(340)이 각각 삽입된다.
따라서, 상기 본 발명의 제2실시예에 따른 동기 모터(20)는 제1실시예에 따른 동기 모터(10)와 영구자석의 설치 구조에 있어서 다소 차이가 있을 뿐 실질적인 작용, 효과는 제1실시예의 동기 모터(10)와 동일하다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 제2실시예에 따른 동기 모터(20)의 경우에도 회전자(300)의 코일(330)에 의해 발생되는 자속(B2)가 상기 영구자석(340)에 의해 방해 받지 않으며, 상기 영구자석(340)에 의해 발생되는 자속(C2)이 추가됨으로써 동기 모터(20)의 효율이 더욱 향상될 수 있다.
본 발명의 제2실시예에 따른 동기 모터(20)의 경우에도 상기 영구자석(340)으로서 페라이트(ferrite)자석을 사용할 수 있으나 영구자석의 종류가 페라이트 자석으로 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서는 희토류 자석 등이 사용될 수도 있다.
도 4는 영구자석이 설치되지 않은 권선형 회전자 동기 모터의 특성을 도시한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 영구자석(240)이 설치된 권선형 회전자 동기 모터(10)의 특성을 도시한 그래프이다.
도 4 및 도 5를 대비하면 동일한 속도(RPM)에서 동일한 토크(torque)를 발생시킴에 있어서, 도 4의 영구자석이 설치되지 않은 권선형 회전자 동기 모터의 경우 회전자에 인가되는 전류가 100A가 되나, 영구자석이 설치된 도 5의 본 발명의 실시예에 따른 권선형 회전자 동기 모터(10)의 회전자에 인가되는 전류는 80A가 됨을 알 수 있다. 그리고, 도 4와 도 5의 동기 모터의 단면도에 도시된 바와 같이 자속밀도의 특성 역시 유사한 형상으로 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 동기 모터(10, 20)는 도 4와 동일한 효과를 나타내면서도 인가되는 전류를 줄일 수 있음을 알 수 있다.
그리고, 동손(Copper Loss)은 전류의 제곱에 저항을 곱하여 계산되므로, 동손은 전류의 제곱에 비례한다. 따라서, 80A의 전류가 흐르는 도 5의 본 발명의 실시예에 따른 권선형 회전자 동기 모터(10)의 회전자의 경우 100A의 전류가 흐르는 도 4의 경우에 비해 동손(Copper Loss)도 36% 감소하게 되어 효율이 향상되는 효과가 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
10, 20: 동기 모터 100, 400: 고정자
200, 300: 회전자 110, 410: 스테이터 코어
120, 420: 스테이터 티스 130, 430: 스테이터 코일
210: 310: 회전축 220, 320: 코어
221, 321: 티스 222, 322: 연장부
323: 홈 230, 330: 코일
240, 340: 영구자석

Claims (8)

  1. 모터의 회전자에 있어서,
    상기 회전자의 회전 중심이 되는 회전축;
    상기 회전축에 설치되며 상기 회전축을 중심으로 방사상으로 돌출된 복수의 티스(Teeth)를 포함하는 코어;
    상기 티스에 권선되어 외부 전원에 의해 자기장을 발생시키는 코일; 및
    상기 티스의 양측에 설치되는 한 쌍의 영구자석;을 포함하는 모터의 회전자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 티스는 상기 모터의 고정자의 내경면에 대응되도록 끝단에서 양측으로 연장된 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 영구자석은 상기 연장부와 상기 코일 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 연장부에는 상기 티스의 양측으로 한 쌍의 홈이 형성되며, 상기 한 쌍의 영구자석은 상기 한 쌍의 홈에 삽입되는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석은 페라이트(ferrite)자석인 것을 특징으로 하는 모터의 회전자.
  6. 동기 모터에 있어서,
    외부 전원에 의해 자기장을 형성하는 원통형의 고정자; 및
    상기 고정자 내부에서 회전되는 회전자;를 포함하고,
    상기 회전자는 상기 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 따른 회전자인 것을 특징으로 하는 동기 모터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 고정자는 외측에 형성되는 스테이터 코어와, 상기 스테이터 코어의 내측으로 반경 방향을 따라 일정 간격마다 돌출되는 복수의 스테이터 티스 및 상기 스테이터 티스에 권선되어 자기장을 발생시키는 스테이터 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 동기 모터.
  8. 회전자에 코일을 권선한 권선형 회전자 동기 모터(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM)에 있어서,
    상기 회전자는 상기 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 따른 회전자인 것을 특징으로 하는 권선형 회전자 동기 모터.
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