KR20140068677A

KR20140068677A - 매입형 동기모터의 회전자

Info

Publication number: KR20140068677A
Application number: KR1020120136466A
Authority: KR
Inventors: 김정식; 조형준; 문상훈; 김경범
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-11-28
Filing date: 2012-11-28
Publication date: 2014-06-09

Abstract

매입형 동기모터의 회전자가 개시된다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 매입형 동기모터의 회전자는 코일들이 감겨진 고정자의 내측에 환형바디를 배치하고, 상기 환형바디에 외주측 표면이 교대로 N,S 극이 되도록 복수의 영구자석부들을 매입하고, 상기 영구자석부는 몰딩홈을 사이에 두고 복수 개의 영구자석으로 형성되며, 상기 몰딩홈에는 비자성체로 형성된 몰딩재를 충전한다.

Description

매입형 동기모터의 회전자{ROTOR OF INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 매입형 동기모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자에 매입되는 영구자석의 구조가 개선된 매입형 동기모터의 회전자에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석 동기모터(permanent magnet synchronous motor; PMSM)는 고출력 및 고효율 특성을 가진 모터로서, 산업용 및 하이브리드 전기 자동차(hybrid electric vehicle)용 등으로 광범위하게 사용되고 있다.

이러한 영구자석 동기모터는 영구자석을 붙이는 방법에 따라, 회전자 표면에 영구자석을 붙인 표면형 동기모터(SPMM : Surface Permanent Magnet Motor)와 회전자 안에 영구자석을 내장시킨 매입형 동기모터(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor; IPMSM)의 두 종류가 있다.

상기 영구자석 동기모터들 중 표면형 동기모터는 D축과 Q축의 인덕턴스 차이인 돌극비가 0(D축, Q축 인덕턴스가 동일)이므로 릴럭턴스 토크를 발생시키지 않지만, 매입형 동기모터는 돌극비에 의한 릴럭턴스 토크를 발생하는 장점으로 인해, 높은 효율과 출력밀도를 요구하는 하이브리드 전기 자동차나 엘리베이터의 구동모터로 보다 많이 적용된다.

이와 같은 매입형 동기모터에서는 역기전압 파형이 효율 및 모터 전체 성능에 많은 영향을 미치므로, 역기전압의 THD(전고조파 외형률)을 낮게 한 정현적인 역기전압 파형을 갖도록 설계하는게 중요하다.

설계시 역기전압 THD를 낮추는 방식으로는 영구자석 극 사이에 홈을 배치하는데, 이로 인해 극과 극 사이로 누설되는 자속량을 감소시켜 역기전압 파형을 정현적으로 만들며, 동시에 영구자석 끝단부의 자속변화량을 감소시켜 영구자석 내 와전류 손을 저감하는 작용을 한다.

그러나, 상기와 같이 영구자석에 형성된 홈은 영구자석의 기계적 강성을 취약하게 만드는 문제점도 있다.

따라서, 최근에는 도 1에 도시된 바와 같이, 코일(4)이 감긴 고정자(3)의 내측에 회전자(5)를 배치하고, 회전자(5)에 복수의 영구자석(6)을 매입하고, 영구자석(6)들의 1극에 홈(7)을 형성하여 복수 개의 영구자석(6a)(6b)(6c)으로 분할하되, 영구자석(6)에 형성된 홈(7) 사이에 대각선으로 리브(8)를 더 배치하여 기계적 강성을 확보하고, 영구자석(6)의 사용량을 절감시켜 최근 희토류로 형성된 영구자석(6)의 원자재 가격 상승 부담을 덜어주기 위한 기술이 연구되고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 따른 매입형 동기모터(2)의 회전자(5)는 리브(8)의 폭이 넓지 못해 응력이 집중되고, 또한 리브(8)를 통해 영구자석(6)의 자속이 누설되고, 자속의 누설분만큼 자석량이 추가적으로 더 요구된다는 문제점이 있다.

본 발명의 실시 예는 자속의 누설분만큼 추가되는 자석량을 절감하면서도 기계적 강성을 확보할 수 있고, D축 자속 누설 경로를 차단하여 마그네틱 토크의 증대뿐만 아니라 릴럭턴스 토크까지 증대시킬 수 있는 매입형 동기모터의 회전자를 제공하고자 한다.

본 발명의 하나 또는 다수의 실시 예에서는 매입형 동기모터의 회전자에 있어서, 코일들이 감겨진 고정자의 내측에 환형바디를 배치하고, 상기 환형바디에 외주측 표면이 교대로 N,S 극이 되도록 복수의 영구자석부들을 매입하고, 상기 영구자석부는 몰딩홈을 사이에 두고 복수 개의 영구자석으로 형성되며, 상기 몰딩홈에는 비자성체로 형성된 몰딩재를 충전함을 특징으로 하는 매입형 동기모터의 회전자를 제공할 수 있다.

또한, 상기 몰딩홈은 상기 영구자석부의 D축 자속 누설 경로의 방향으로 형성할 수 있다.

또한, 상기 영구자석부는 2개의 상기 몰딩홈을 사이에 두고 중앙의 센터 자석과 양단의 사이드 자석으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 센터 자석은 상기 사이드 자석보다 넓은 폭으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 몰딩홈은 상기 영구자석부의 N,S 극 사이로 U자 단면홈의 형태로 배치될 수 있다.

본 발명의 실시 예는 자속의 누설분만큼 추가되는 자석량을 절감할 수 있으며, 자석량의 상승분으로 인해 발생되는 역기전력을 절감하여 최대전류 사양을 낮출 수 있고 인버터의 설계를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 자속이 누설되는 D축 자속 누설 경로를 차단하여 마그네틱 토크의 증대뿐만 아니라 릴럭턴스 토크까지 증대시킬 수 있고, 회전자의 기계적 강성을 확보할 수 있는 효과도 있다.

도 1은 종래의 매입형 동기모터의 회전자의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 매입형 동기모터의 단면도이다.
도 3은 도 2의 매입형 동기모터의 회전자의 부분 상세도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 영구자석의 자석 경로를 나타낸 구성도이다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 매입형 동기모터의 단면도이고, 도 3은 도 2의 매입형 동기모터의 회전자의 부분 상세도이며, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 영구자석의 자석 경로를 나타낸 구성도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 매입형 동기모터의 회전자(14)는 매입형 동기모터(10)의 회전자(14)에 매입된 영구자석부(22)를 몰딩홈(24)을 사이로 두고 복수 개의 영구자석(22a)(22b)(22c)으로 형성하되, 몰딩홈(24)에는 비자성체로 된 몰딩재(26)를 충전하여 영구자석 사용량을 절감하면서도 기계적 강성을 확보할 수 있도록 한 것이다.

도 2에 도시된 본 발명의 실시 예에 따른 매입형 동기모터(10)는 외측의 고정자(12)와, 고정자(12)의 내측에 배치된 회전자(14)로 구성된다.

매입형 동기모터(10)의 고정자(12)는 코일(18)들이 감겨져서 구성된다.

고정자(12)의 내측에는 일정 공극을 두고 회전자(14)가 회전가능하도록 배치된다.

고정자(12)의 코일(18)에 전원이 인가되면 자계가 형성되며, 코일(18)들과 영구자석부(22)들 사이에 발생되는 자기적 작용에 의해 회전자(14)의 회전이 이루어진다.

도 3에 도시된 바와 같이, 매입형 동기모터(10)의 회전자(14)는 고정자(12)의 내측에 배치된 환형바디(20)와, 환형바디(20)에 매입된 복수의 영구자석부(22)들로 구성된다.

회전자(14)의 환형바디(20)는 중앙이 빈 환형 형태로 형성되어 외주면과 내주면을 갖는다.

환형바디(20)의 내부에는 판 형상의 영구자석부(22)를 매입할 수 있도록 원주 방향을 따라 자석 삽입공(28)이 등간격으로 형성된다.

자석 삽입공(28)에는 환형바디(20)의 외주측 표면이 교대로 N극, S극이 되도록 복수의 영구자석부(22)들이 매입된다.

자석 삽입공(28)에 삽입되는 영구자석부(22)는 몰딩홈(24)을 사이에 두고 복수 개의 영구자석(22a)(22b)(22c)으로 형성될 수 있다.

몰딩홈(24)은 영구자석부(22)의 N,S 극 사이로 U자 단면홈의 형태로 배치되어서 구성될 수 있다.

몰딩홈(24)은 복수 개로 형성될 수 있으나, 본 발명의 실시예에서는 2개로 형성하여 영구자석부(22)가 중앙부의 센터 자석(22b)과 양단의 사이드 자석(22a)(22c)으로 형성되도록 구성할 수 있다.

이 경우, 센터 자석(22b)의 폭이 양단의 사이드 자석(22a)(22c)보다 넓게 형성되도록 구성할 수 있다. 그리고, 영구자석부(22)의 센터 자석(22b)과 사이드 자석(22a)(22c)들은 환형바디(20)의 외주측 표면을 향해 동일한 극을 형성한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 일반적으로 영구자석의 N,S 극 방향을 가로지르는 중심축을 D축이라 하며, D축으로 전기각 90°만큼 떨어져 있는 영구자석의 N극과 S극의 사이에 형성된 방향을 Q축으로 정의한다.

D축 자속 누설 경로는 마그네틱 토크와 연관되고, Q축 자속 누설 경로는 릴럭턴스 토크와 연관된다.

본 발명의 실시예에서는 영구자석부(22)의 D축 자속 누설 경로를 따라 몰딩홈(24)을 형성한다. 그리고, 몰딩홈(24)에는 비자성체로 형성된 몰딩재(26)를 충전한다.

몰딩재(26)로는 플라스틱, 에폭시 수지 등의 고분자 물질로 형성된 비자성체를 사용할 수 있다.

몰딩재(26)는 회전자(14)의 영구자석 사용량을 절감하여 최근 희토류 성분의 영구자석부(22)의 원자재 가격 상승에 대한 부담을 덜어줌과 동시에 센터 자석(22b) 및 사이드 자석(22a)(22c)들을 상호 연결하여 기계적 강성을 확보하는 역할을 한다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명의 실시 예에 따른 매입형 동기모터(10)의 회전자(14)는 Q축 자속 누설 경로를 그대로 유지한 상태에서 누설되는 D축 자속 누설 경로를 차단함으로써, 마그네틱 토크의 증대뿐만 아니라 릴럭턴스 토크까지 증대시킬 수 있다.

또한, 자속의 누설분만큼 추가되는 자석량을 절감할 수 있으며, 자석량의 상승분으로 인해 발생되는 역기전력을 절감하여 최대전류 사양을 낮출 수 있고 인버터의 설계를 용이하게 할 수 있다.

이상으로 본 발명의 하나의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시 예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

10 : 동기모터 12 : 고정자
14 : 회전자 18 : 코일
20 : 환형바디 22 : 영구자석부
24 : 몰딩홈 26 : 몰딩재

Claims

매입형 동기모터의 회전자에 있어서,
코일들이 감겨진 고정자의 내측에 환형바디를 배치하고, 상기 환형바디에 외주측 표면이 교대로 N,S 극이 되도록 복수의 영구자석부들을 매입하고, 상기 영구자석부는 몰딩홈을 사이에 두고 복수 개의 영구자석으로 형성되며, 상기 몰딩홈에는 비자성체로 형성된 몰딩재를 충전함을 특징으로 하는 매입형 동기모터의 회전자.
제1항에 있어서,
상기 몰딩홈은 상기 영구자석부의 D축 자속 누설 경로의 방향으로 형성함을 특징으로 하는 매입형 동기모터의 회전자.
제1항에 있어서,
상기 영구자석부는 2개의 상기 몰딩홈을 사이에 두고 중앙의 센터 자석과 양단의 사이드 자석으로 형성됨을 특징으로 하는 매입형 동기모터의 회전자.
제3항에 있어서,
상기 센터 자석은 상기 사이드 자석보다 넓은 폭으로 형성됨을 특징으로 하는 매입형 동기모터의 회전자.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 몰딩홈은 상기 영구자석부의 N,S 극 사이로 U자 단면홈의 형태로 배치됨을 특징으로 하는 매입형 동기모터의 회전자.