KR20150023141A

KR20150023141A - 토크 맥동 저감을 위한 비대칭 자극 형상을 가지는 전기기기

Info

Publication number: KR20150023141A
Application number: KR20130100250A
Authority: KR
Inventors: 정시욱; 우병철; 이지영; 전연도; 홍도관
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2013-08-23
Publication date: 2015-03-05
Also published as: US10256683B2; KR101587423B1; US20150054372A1

Abstract

본 발명은 전기기기의 고정자, 이동자(또는 회전자)에 구비되는 자극(magnetic pole)의 형상을 비대칭이 되도록 하여 토크(torque) 맥동을 저감할 수 있는 전기기기에 관한 것이다.

Description

토크 맥동 저감을 위한 비대칭 자극 형상을 가지는 전기기기 {Electric Machine Having Asymmetric Magnetic Pole Shape for Torque Ripple Reduction}

본 발명은 전동기와 같은 전기기기에 관한 것으로서, 특히, 전기기기의 고정자, 이동자(또는 회전자)에 구비되는 자극(magnetic pole)의 형상을 비대칭이 되도록 하여 토크(torque) 맥동을 저감할 수 있는 전기기기에 관한 것이다.

본 발명 관련 선행문헌으로서 대한민국특허공개번호 제10-2011-0001465호 (2011.01.06공개) 등이 참조될 수 있다.

이와 같은 문헌 등 종래 영구자석 선형동기전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor) 등의 일반적인 전기기기에서는, 도1 과 같이 고정자, 이동자, 회전자 등에 많은 영구 자석이 사용되며, 인해 토크(추력) 맥동 등의 발생으로 위치제어가 어려워지고, 진동 및 소음을 발생시키는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 비대칭 형상 및 비대칭 배열을 가지는 자극과 이들의 다양한 배열 형태를 고정자, 이동자(또는 회전자)에 적용하여 전기기기의 토크(torque) 맥동을 저감할 수 있는 전기기기를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 고정자에 대향하여 상대 운동하는 회전자나 이동자를 갖는 전기기기는, 고정자에 소정의 간격으로 주기적으로 복수의 자극이 배치되거나, 회전자나 이동자에 소정의 간격으로 주기적으로 복수의 자극이 배치되고, 토크 맥동 저감을 위해 상기 복수의 자극은 비대칭형 형상으로 제작된 비대칭 자극의 배열을 포함한다. 또한, 상기 복수의 자극은 상기 비대칭 자극의 비대칭적 배열을 포함한다. 상기 복수의 자극은 상기 비대칭적 배열의 반복 구조를 포함할 수 있다.

상기 복수의 자극은 각각 비대칭형 형상의 비대칭 영구자석으로 이루어질 수 있다.

상기 비대칭 영구자석의 모서리들 중 어느 하나 이상이 챔퍼링(chamfering)된 형상, 필렛(fillet) 형상, 1/4 타원 형상, 임의의 볼록 형상, 또는 임의의 오목 형상을 갖고 상기 비대칭형 형상을 이룬다.

상기 복수의 자극은 비대칭형 형상의 비대칭 영구자석과 비대칭 철심의 주기적인 배치로 이루어질 수 있다.

상기 비대칭 철심의 모서리들 중 어느 하나 이상이 챔퍼링(chamfering)된 형상, 필렛(fillet) 형상, 1/4 타원 형상, 임의의 볼록 형상, 또는 임의의 오목 형상을 갖고 상기 비대칭형 형상을 이룬다.

상기 복수의 자극은 비대칭형 형상의 비대칭 철심의 주기적인 배치로 이루어지되, 상기 비대칭 철심의 내부에 하나 이상의 영구자석을 매입한 구조를 포함한다.

상기 비대칭 영구자석은 2층으로 적층된 비대칭 영구자석들을 포함한다.

상기 비대칭 영구자석은 중앙의 비대칭 영구자석을 포함하는 영구자석들의 할박(hallbach) 배열을 포함한다.

상기 비대칭 철심은, 모서리들 중 어느 하나 이상이 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)의 좌우에 영구자석을 부착한 자속 집중기 구조를 포함한다. 상기 비대칭 철심은, 단부가 슈(shoe) 형상으로 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)에 코일을 권선한 전자석 구조를 포함한다.

상기 비대칭 철심은, 단부가 슈(shoe) 형상으로 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)의 좌우에 영구자석을 부착한 자속 집중기 구조를 포함한다. 상기 비대칭 철심은, 단부가 슈(shoe) 형상으로 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)에 코일을 권선한 전자석 구조를 포함한다.

상기 회전자의 철심 코어가 비대칭 형상의 주기적 비대칭 철심 부분을 포함하고, 각각의 비대칭 철심 부분에 영구자석을 매입한 구조를 포함한다. 상기 영구자석을 매입한 구조를 갖는 상기 회전자의 철심 코어 구조가 회전하는 방향과 수직한 방향으로 2이상 적층된 구조를 포함한다.

상기 비대칭 영구자석이 이격되어 있는 제1철심 코어와 제2 철심 코어 각각에 배치될 수 있다.

상기 비대칭 영구자석이 해당 철심 코어 내부에 매입되거나 돌출되도록 부착될 수 있다.

상기 제1철심 코어에 배치된 영구자석들과 상기 제2철심 코어에 배치된 영구자석들의 대향 부분의 형상이 서로 동일 하거나 서로 반대일 수 있다.

상기 비대칭 영구자석이 하나의 철심 코어 제1측과 제2측에 각각 배치될 수도 있다.

상기 비대칭 영구자석은 상기 하나의 철심 코어 내부에 매입되거나 돌출되도록 부착될 수 있다.

상기 제1측에 배치된 영구자석들과 상기 제2측에 배치된 영구자석들의 대향 부분의 형상이 서로 동일하거나 서로 반대일 수 있다.

상기 비대칭 영구자석이 하나의 철심 코어의 일측에만 배치될 수 있다.

상기 비대칭 영구자석은 상기 하나의 철심 코어 상에 돌출되도록 부착되거나, 상기 하나의 철심 코어에 소정의 간격으로 주기적으로 형성된 철심들에 각각 매입된 형태일 수 있다.

상기 비대칭 영구자석은 동일한 모서리 형상이 동일방향을 향하도록 배치되거나, 동일한 모서리 형상이 교번적으로 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 전기기기에 따르면, 고정자, 이동자(또는 회전자)에 자극의 비대칭 형상 및 비대칭 배열, 즉, 비대칭성 영구자석, 영구자석을 철심에 매입한 형태, N 또는 S극을 철심으로 대체한 consequent pole 형태, 자속 집중구조, 할박(hallbach) 배열 등으로 구현하여, 적용함으로써 토크 맥동 발생을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

도 1은 종래 영구자석 선형동기전동기의 구조의 예시이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 토크에 의한 맥동 저감의 원리를 설명하기 위한 비대칭형 형상의 자극의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 2층 구조의 자극에서의 토크 맥동 저감을 설명하기 위한 토크에 대한 예시 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 일례이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다.
도 11은 본 발명의 자극 구조의 다른 예시들이다.
도 12는 본 발명의 자극 구조의 또 다른 예시들이다.
도 13은 본 발명의 자극 구조의 또 다른 예시들이다.
도 14는 본 발명의 자극 구조의 또 다른 예시이다.
도 15는 본 발명의 자극 구조의 또 다른 예시이다.
도 16은 본 발명의 자극 구조로서 비대칭 철심에 영구자석이 매입된 회전자의 실시예이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

먼저, 본 발명에서 언급하는 전기기기는, 직접구동 분야나, 발전기, 압축기, 가공기, 전기자동차, 산업용 전기기기 등 회전 또는 선형 운동이 요구되는 전동기를 포함하는 다양한 응용기기를 의미한다. 본 발명의 전기기기는, 이와 같은 다양한 기기에서 고정자와 고정자에 대향하여 선형 또는 곡선 운동하는 이동자를 갖는 구조가 될 수도 있으며, 고정자와 고정자에 대향하여 회전하는 회전자를 갖는 구조가 될 수도 있다. 여기서 이와 같은 고정자와 이동자, 또는 고정자와 회전자 간의 상대 운동은 그 중 어느 한 쪽에 권취된 상권선과 대향된 다른 쪽에 배치된 영구자석들 사이에 발생하는 전자기력에 의해 이루어질 수 있으며, 이와 같은 고정자, 이동자, 또는 회전자 등에 많은 영구 자석이 사용된다. 다만, 영구자석과 치슬롯의 전자기적 상호작용에 의해 토크(추력) 맥동 등의 발생으로 위치제어가 어려워 지고, 진동 소음이 발생하는 문제점이 있으므로, 본 발명에서는 하기하는 바와 같이 비대칭 자극의 형상이나 자극의 비대칭성 배열 또는 이들의 결합을 고정자, 이동자, 또는 회전자 등에 적용함으로써 토크 맥동을 효과적으로 감소시킬 수 있는 구조를 제안한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 토크에 의한 맥동 저감의 원리를 설명하기 위한 비대칭형 형상의 자극(예, 영구자석)의 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 2와 같이 수평 단면 상 비대칭적인 형상을 갖는 비대칭형 형상의 비대칭 자극들(PM(A), PM(B))을 2층 이상으로 비대칭적으로 적층 또는 배열하여, 고정자, 이동자, 또는 회전자 등에 적용함으로써, 도 3과 같이, PM(A)에 의한 토크(110)와 PM(B)에 의한 토크(120)가 거의 유사한 크기로 발생하고 다만 위상이 서로 180도 차이가 나도록 설계될 수 있으므로, 결과적으로 토크(130)가 효과적으로 감소될 수 있다.

여기서, 비대칭 자극들(PM(A), PM(B)) 각각의 어느 한 모서리가 챔퍼링(chamfering)된 형상을 예시하였으나, 이에 한정되지 않으며, 그 모서리들 중 어느 하나 이상을 챔퍼링(chamfering)된 형상 이외에도 필렛(fillet) 형상, 1/4 타원 형상, 임의의 볼록 형상이나 오목 형상(도 11의 볼록 또는 오목 형상 참조) 등으로 제작하여, 비대칭 자극들(PM(A), PM(B)) 각각이 비대칭이 되도록 할 수 있으며, 동일 형상을 갖는 모서리 부분(예, 챔퍼링 부분)이 서로 반대 방향(경우에 따라서는 같은 방향 가능)을 향하도록 비대칭적으로 배치할 수 있다. 여기서 PM(A)의 위와 같은 비대칭을 위한 챔퍼링 등 모서리 처리 부분이 PM(B)의 위와 같은 비대칭을 위한 챔퍼링 등 모서리 처리 부분이 동일 형상을 의미하는 것은 아니며, 예를 들어, 해당 챔퍼링 각도가 달라서 챔퍼링된 부분의 가로 길이와 세로 길이가 달라 W1, W2가 다를 수 있으며, 또한, 적층되는 비대칭 자극들(PM(A), PM(B))의 폭과 높이(큰쪽 H1, H2/작은 쪽 L1, L2) 등도 동일하지 않을 수 있다. 이와 같은 비대칭 자극들(PM(A), PM(B))은 토크 맥동 저감을 위하여 목적에 맞게, 폭, 길이, 두께, 챔퍼링된 부분의 가로 길이와 세로 길이 등이 적절히 설계될 수 있다.

또한, 본 발명의 이와 같은 자극의 비대칭성에 의한 맥동 토크 저감의 원리는, 위와 같은 비대칭성 영구자석, 즉, 비대칭 자극의 비대칭적 배열(2개가 상하 비대칭적 배열, 경우에 따라 2개가 좌우 비대칭적 배열, 또는 이와 같은 비대칭적 배열의 반복 구조 등 가능)에 의해 실현될 수 있으며, 이외에도 하기하는 바와 같이 영구자석을 철심에 매입한 형태, N 또는 S극을 철심으로 대체한 consequent pole 형태, 자속 집중구조, 할박(hallbach) 배열, 전자석 구조 등과 같이 비대칭 자극의 선형, 환형 배열, 하나의 철심 양측에 배열하거나 두개의 철심에 각각 배열하는 구조 등 다양한 실시가 가능하다.

하기하는 바와 같이 2이상 코어가 있을 때의 각 코어에 배치된 비대칭 자극간의 토크 맥동 저감(도 4, 5 참조), 단일 코어의 양측에 배치된 비대칭 자극간의 토크 맥동 저감(도 6, 7 참조), 단일 코어의 일측에만 배치된 비대칭 자극간의 토크 맥동 저감(도 8, 9 참조), 단일 코어의 일측에 배치된 비대칭 자극과 비대칭 철심 간의 토크 맥동 저감(도 10 참조) 등으로 확장할 수 있고, 도 11 내지 도 14와 같은 자속 집중구조, 할박(hallbach) 배열 등 다양한 비대칭형 자극 구조를 적용해, 고정자, 이동자, 또는 회전자 등에서의 토크 발생에 의한 맥동을 효과적으로 저감시키고자 한다.

먼저, 본 발명의 도 4 ~ 도 10의 실시예에서의 전기기기는, 고정자에 대향하여 상대 운동하는 회전자나 이동자를 갖는 전기기기에 있어서, 토크 맥동 저감을 위해 도 2와 같이 비대칭형 형상으로 제작된 비대칭 자극을 소정의 간격(예, 극 간격)으로 주기적으로 배치한 복수의 자극이 포함된 구조로서, 이러한 복수의 자극은 해당 고정자, 회전자, 또는 이동자의 코어(대상 코어)에 배치될 수 있다.

이하에서, 해당 전기기기의 고정자, 회전자, 또는 이동자 등의 대상 코어에 비대칭 영구자석이나 철심이 배치되는 것을 설명할 때, 대상 코어가 선형이고 이동자가 직선운동 하는 것을 예로 들어 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 대상 코어를 곡선으로 하여 이동자가 곡선운동이 가능하도록 할 수 있고, 또는 대상 코어를 원형으로 제작하여 회전자가 원형 운동할 수도 있는 것을 의미한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기의 일례이다. 도 4는 해당 전기기기의 고정자, 회전자, 또는 이동자 등의 대상 코어가 마주보는 두개의 철심 코어, 즉, 제1철심 코어와 제2 철심 코어로 이루어진 경우의 일례이다. 여기서, 두개의 철심 코어가 고정자가 되어 그 사이에 놓인 이동자 또는 회전자가 상대 운동할 수도 있고, 두개의 철심 코어가 그 사이에 놓인 고정자에 대향하여 이동자 또는 회전자로서 상대 운동할 수도 있다. 또한, 자극의 극성(화살표)이 교번적으로 바뀌게 배치된 것으로 예시하였으나 자극의 극성은 설계 목적에 따라 다른 방식의 극성 배열도 가능하다.

여기서는, 제1철심 코어와 제2 철심 코어에 각각 비대칭 자극을 소정의 간격으로 주기적으로 배치한 복수의 자극이 포함된 구조를 나타내며, 특히 제1철심 코어에 배치된 자극들과 제2철심 코어에 배치된 자극들의 대향 부분의 형상이 서로 동일한 형상을 갖도록 배치한 구조이다. 즉, 상부의 제1철심 코어의 자극의 챔퍼링 부분과 하부의 제2철심 코어의 자극의 챔퍼링 부분이 서로 마주본다.

도 5는 다른 실시예로서, 도 4와 같은 구조에서, 다만, 상부의 제1철심 코어에 배치된 자극들과 하부의 제2철심 코어에 배치된 자극들의 대향 부분의 형상이 서로 반대 형상을 갖도록 배치한 구조이다. 즉, 상부의 제1철심 코어의 자극의 챔퍼링 부분과 하부의 제2철심 코어의 자극의 챔퍼링이 안된 부분이 서로 마주보며, 상부의 제1철심 코어의 자극의 챔퍼링이 안된 부분과 하부의 제2철심 코어의 자극의 챔퍼링 부분이 서로 마주본다.

도 4, 도 5와 같은 구조에서, 제1철심 코어와 제2 철심 코어의 마주보는 자극들 간에 도 3과 같은 원리에 따라 토크 맥동 저감이 가능할 수 있으며, 이때, 제1철심 코어와 제2 철심 코어에 배치된 각각의 자극을 도 2와 같이 비대칭 자극의 2이상 적층 구조(예, 그림에서 하나의 자극 대신에, 챔퍼링 등 비대칭 처리된 부분의 형상이 서로 반대 방향을 향하는 비대칭 자극을 2개의 적층 구조)로 할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다. 도 6은 해당 전기기기의 고정자, 회전자, 또는 이동자 등의 대상 코어가 하나의 철심 코어로 이루어진 경우의 일례이다. 여기서, 하나의 대상 코어가 고정자가 되어 그 상부와 하부에 놓인 이동자 또는 회전자가 상대 운동할 수도 있고, 하나의 대상 코어가 그 상부와 하부에 놓인 고정자에 대향하여 이동자 또는 회전자로서 상대 운동할 수도 있다. 또한, 자극의 극성(화살표)이 교번적으로 바뀌게 배치된 것으로 예시하였으나 그 극성은 설계 목적에 따라 다른 방식의 극성 배열도 가능하다.

여기서는, 그 상부와 하부 중 제1측에 배치된 자극들과 다른 제2측에 배치된 자극들의 대향 부분의 형상이 서로 동일한 형상을 갖도록 배치한 구조이다. 즉, 상부의 제1측의 자극의 챔퍼링 부분과 하부의 제2측의 자극의 챔퍼링 부분이 서로 마주본다.

도 7은 또 다른 실시예로서, 도 6과 같은 구조에서, 다만, 상부의 제1측에 배치된 자극들과 하부의 제2측에 배치된 자극들의 대향 부분의 형상이 서로 반대 형상을 갖도록 배치한 구조이다. 즉, 상부의 제1측의 자극의 챔퍼링 부분과 하부의 제2측의 자극의 챔퍼링이 안된 부분이 서로 마주보며, 상부의 제1측의 자극의 챔퍼링이 안된 부분과 하부의 제2측의 자극의 챔퍼링 부분이 서로 마주본다.

도 6, 도 7과 같은 구조에서, 상부 제1측과 하부 제2측의 마주보는 자극들 간에 도 3과 같은 원리에 따라 토크 맥동 저감이 가능할 수 있으며, 이때, 제1측과 제2 측에 배치된 각각의 자극을 도 2와 같이 비대칭 자극의 2이상 적층 구조(예, 그림에서 하나의 자극 대신에, 챔퍼링 등 비대칭 처리된 부분의 형상이 서로 반대 방향을 향하는 비대칭 자극2개의 적층 구조)로 할 수도 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다. 도 8은 해당 전기기기의 고정자, 회전자, 또는 이동자 등의 대상 코어가 하나의 철심 코어로 이루어진 경우로서, 여기서, 하나의 대상 코어가 고정자가 되어 그 상부에 놓인 이동자 또는 회전자가 상대 운동할 수도 있고, 하나의 대상 코어가 그 상부에 놓인 고정자에 대향하여 이동자 또는 회전자로서 상대 운동할 수도 있다. 또한, 자극의 극성(화살표)이 교번적으로 바뀌게 배치된 것으로 예시하였으나 극성은 설계 목적에 따라 다른 방식의 극성 배열도 가능하다.

여기서는, 동일한 모서리 형상(비대칭을 위해 챔퍼링 등 처리된 부분) 부분이 교번적으로 배치된다.

도 8, 도 9와 같은 구조에서, 좌우 자극들 간에 도 3과 같은 원리에 따라 토크 맥동 저감이 가능할 수 있으며, 이때, 배치된 각각의 자극을 도 2와 같이 비대칭 자극의 2이상 적층 구조(예, 그림에서 하나의 영구자석 대신에, 챔퍼링 등 비대칭 처리된 부분의 형상이 서로 반대 방향을 향하는 비대칭 자극들 2개의 적층 구조)로 할 수도 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 전기기기의 일례이다. 도 10은 해당 전기기기의 고정자, 회전자, 또는 이동자 등의 대상 코어가 하나의 철심 코어로 이루어진 경우로서, 여기서, 하나의 대상 코어가 고정자가 되어 그 상부에 놓인 이동자 또는 회전자가 상대 운동할 수도 있고, 하나의 대상 코어가 그 상부에 놓인 고정자에 대향하여 이동자 또는 회전자로서 상대 운동할 수도 있다. 또한, 자극의 극성(화살표)이 모두 동일한 것으로 예시하였으나 자극의 극성은 설계 목적에 따라 교번적으로 바뀌게 배치되는 등 다르게 배치될 수도 있다.

여기서는, 하나의 대상 코어의 일측에 자극(도 2 참조)과 비대칭 돌출 철심의 쌍을 소정의 간격(예, 극 간격의 2배)으로 주기적으로 배치한 복수의 영구자석이 포함된 구조를 나타내며, 자극과 돌출 철심의 동일한 모서리 형상(비대칭을 위해 챔퍼링 등 처리된 부분) 부분은 동일 방향을 향할 수도 있고 서로 교번적으로 배치될 수도 있다. 비대칭 돌출 철심은 철심 코어에 일체형으로 형성될 수도 있고, 분리형으로 제작되어 해당 부착되도록 배치할 수도 있다. 또한, 여기서, 비대칭 자극(도 2 참조)과 비대칭 돌출 철심의 쌍으로 구현한 consequent pole 형태를 나타내었으나, 이에 한정되지 않으며 비대칭형 자극이 되는 비대칭 돌출 철심을 영구자석 2개, 3개,.. 등 복수개 배치후 한번씩 배치하는 형태가 될 수도 있다.

여기서, 비대칭 돌출 철심의 그 모서리들 중 어느 하나 이상을 챔퍼링(chamfering)한 형상, 필렛(fillet) 형상, 1/4 타원 형상, 임의의 볼록 형상이나 오목 형상(도 11의 볼록 또는 오목 형상 참조) 등으로 제작하여, 각 돌출 철심이 비대칭 형상을 이루도록 할 수 있다.

도 11과 같이, 비대칭 자극을 위하여 그 모서리들 중 어느 하나 이상을 임의의 볼록 형상이나 오목 형상으로 처리하는 경우에, 예를 들어, 해당 볼록 또는 오목으로 처리되는 부분의 가로 길이와 세로 길이가 다른 영역에서 이루어져 W1이 달라질 수 있으며, 또한, 비대칭 자극의 폭과 높이들(큰쪽H, 작은쪽L1) 등도 다양하게 제작될 수 있다. 즉, 이와 같은 비대칭 자극은 토크에 의한 맥동 저감을 위하여 목적에 맞게, 폭, 길이, 두께, 비대칭 처리된 부분의 가로 길이와 세로 길이 등이 적절히 설계될 수 있다.

또한, 비대칭 자극은, 도 12와 같이, 다양한 자속 집중기 구조에서도 유사하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 12의 좌측 그림과 같이, 비대칭 자극의 모서리들 중 어느 하나 이상이 위와 같은 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)의 좌우에 영구자석을 부착한 자속 집중기 구조가 되도록 할 수 있다. 또한, 도 12의 가운데 및 우측 그림과 같이, 위와 같은 비대칭 자극은, 단부가 슈(shoe) 형상으로 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)의 좌우에 영구자석을 부착한 자속 집중기 구조가 되도록 할 수도 있다. 단부가 슈(shoe) 형상으로 비대칭형 형상을 이루는 폴피스는, 폴피스 부분에서 연장되어 단부의 형상이 신발 형상과 같이 한쪽은 다른쪽 보다 더 넓게/크게 연장되는 형상으로서 단부의 좌우 끝이 챔퍼링 등 처리되지 않아도 비대칭을 이룰 수 있다. 도 12의 우측 그림과 같이, 단부가 슈(shoe) 형상으로 비대칭형 형상을 이루는 폴피스는 단부의 좌우 끝 중 어느 한 부분 이상이 도 2/11와 같은 챔퍼링 등 비대칭 처리될 수도 있다. 자극에 해당하는 이와 같은 폴피스(pole piece)는 해당 철심 코어에 일체형으로 형성될 수도 있고, 분리형으로 제작되어 영구자석을 부착후 해당 코어에 배치할 수도 있다. 영구 자석의 극성이 서로 마주 보는 방향인 것을 예시하였으나 극성 방향은 목적에 따라 다양한 방향이 될 수 있다.

또한, 도 13과 같이, 비대칭 자극은, 그 내부에 하나 이상의 영구자석을 매입한 구조가 되도록 할 수도 있다. 도 13의 좌측 그림과 같이, 자속 방향이 단부면의 수직 방향과 비스듬한 2개의 영구 자석이 이루는 자속 벡터의 합에 의해 하나의 자극 역할을 하도록 할 수 있으며, 도 13의 우측 그림과 같이, 자속 방향이 단부면에 수직으로 향하는 영구 자석과 자속 방향이 그에 비스듬한 복수의 영구자석이 이루는 자속 벡터의 합이 하나의 자극 역할을 하도록 할 수도 있다. 물론 비대칭 돌출 철심 내에는 하나의 영구 자석만이 매입될 수도 있다.

또한, 비대칭 돌출 철심은, 도 14와 같이, 영구자석 대신에 여자(magnetization) 권선(winding)을 폴피스(pole piece)에 적용한 구조에서도 유사하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 14와 같이, 단부가 슈(shoe) 형상으로 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)에 코일을 권선하여 전원을 인가해 전자석이 되게하는 구조가 되도록 할 수 있다.

이외에도, 위에서 언급된 주기적으로 배치되는 각 자극을 위한 영구자석을 도 15와 같이 할박(hallbach) 배열로 실현할 수도 있다. 즉, 비대칭형 자극이 될 수 있도록 중앙의 영구자석은 위와 같은 비대칭 형상의 비대칭 영구자석을 배치하고 좌우에 영구 자석을 배치하는 등의 할박(hallbach) 배열로 배치하되, 좌우 영구자석 등 각 자극을 이루는 영구자석들의 극성은 목적에 따라 다양한 방향이 될 수 있다.

도 16은 본 발명의 자극 구조로서 비대칭 철심에 영구자석이 매입된 회전자의 실시예이다.

도 16과 같이, 고정자 내에서 그에 대향하여 회전하는 회전자가, 각각의 자석이 매입되는 주기적인 부분을 갖도록 하고, 해당 각 주기적 부분의 철심을 위와 같은 원리에 따른 비대칭 형상의 비대칭 철심 형상으로 형성하여, 각 주기적 부분 내에 영구자석을 하나 이상 매입하는 구조가 되도록 할 수 있다. 이와 같은 구조는 비대칭 돌출 철심과 영구자석 매입 부분이 반복되는 구조로도 가능하며, 또한 이와 같이 구조를 갖는 회전자의 철심 코어 구조가 회전하는 방향과 수직한 방향으로 2이상 적층된 구조가 되도록 하는 것도 가능하다. 이때 이웃하는 층 간의 자극의 비대칭적 배열(예, 비대칭 처리 부분이 엇갈려 배치)도 가능하다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

고정자에 대향하여 상대 운동하는 회전자나 이동자를 갖는 전기기기에 있어서,
고정자에 소정의 간격으로 주기적으로 복수의 자극이 배치되거나, 회전자나 이동자에 소정의 간격으로 주기적으로 복수의 자극이 배치되고,
토크 맥동 저감을 위해 상기 복수의 자극은 비대칭형 형상으로 제작된 비대칭 자극의 배열인 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자극은 상기 비대칭 자극의 비대칭적 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제2항에 있어서,
상기 복수의 자극은 상기 비대칭적 배열의 반복 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자극은 각각 비대칭형 형상의 비대칭 영구자석으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자극은 비대칭형 형상의 비대칭 영구자석과 비대칭 철심의 주기적인 배치로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제4항 또는 제5항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석의 모서리들 중 어느 하나 이상이 챔퍼링(chamfering)된 형상, 필렛(fillet) 형상, 1/4 타원 형상, 임의의 볼록 형상, 또는 임의의 오목 형상을 갖고 상기 비대칭형 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제5항에 있어서,
상기 비대칭 철심의 모서리들 중 어느 하나 이상이 챔퍼링(chamfering)된 형상, 필렛(fillet) 형상, 1/4 타원 형상, 임의의 볼록 형상, 또는 임의의 오목 형상을 갖고 상기 비대칭형 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제1항에 있어서,
상기 복수의 자극은 비대칭형 형상의 비대칭 철심의 주기적인 배치로 이루어지되, 상기 비대칭 철심의 내부에 하나 이상의 영구자석을 매입한 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제4항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석은 2층으로 적층된 비대칭 영구자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제4항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석은 중앙의 비대칭 영구자석을 포함하는 영구자석들의 할박(hallbach) 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제5항 또는 제8항에 있어서,
상기 비대칭 철심은, 모서리들 중 어느 하나 이상이 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)의 좌우에 영구자석을 부착한 자속 집중기 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제5항 또는 제8항에 있어서,
상기 비대칭 철심은, 단부가 슈(shoe) 형상으로 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)의 좌우에 영구자석을 부착한 자속 집중기 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제11항에 있어서,
상기 비대칭 철심은, 단부가 슈(shoe) 형상으로 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)에 코일을 권선한 전자석 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제12항에 있어서,
상기 비대칭 철심은, 단부가 슈(shoe) 형상으로 상기 비대칭형 형상을 이루는 폴피스(pole piece)에 코일을 권선한 전자석 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제5항 또는 제8항에 있어서,
상기 회전자의 철심 코어가 비대칭 형상의 주기적 비대칭 철심 부분을 포함하고, 각각의 비대칭 철심 부분에 영구자석을 매입한 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제15항에 있어서,
상기 영구자석을 매입한 구조를 갖는 상기 회전자의 철심 코어 구조가 회전하는 방향과 수직한 방향으로 2이상 적층된 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
제4항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석이 이격되어 있는 제1철심 코어와 제2 철심 코어 각각에 배치된 것을 특징으로 하는 전기기기.
제17항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석이 해당 철심 코어 내부에 매입되거나 돌출되도록 부착된 것을 특징으로 하는 전기기기.
제17항에 있어서,
상기 제1철심 코어에 배치된 영구자석들과 상기 제2철심 코어에 배치된 영구자석들의 대향 부분의 형상이 서로 동일 하거나 서로 반대인 것 것을 특징으로 하는 전기기기.
제4항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석이 하나의 철심 코어 제1측과 제2측에 각각 배치된 것을 특징으로 하는 전기기기.
제20항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석은 상기 하나의 철심 코어 내부에 매입되거나 돌출되도록 부착된 것을 특징으로 하는 전기기기.
제20항에 있어서,
상기 제1측에 배치된 영구자석들과 상기 제2측에 배치된 영구자석들의 대향 부분의 형상이 서로 동일하거나 서로 반대인 것을 특징으로 하는 전기기기.
제4항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석이 하나의 철심 코어의 일측에만 배치된 것을 특징으로 하는 전기기기.
제23항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석은 상기 하나의 철심 코어 상에 돌출되도록 부착되거나, 상기 하나의 철심 코어에 소정의 간격으로 주기적으로 형성된 철심들에 각각 매입된 형태인 것을 특징으로 하는 전기기기.
제23항에 있어서,
상기 비대칭 영구자석은 동일한 모서리 형상이 동일방향을 향하도록 배치되거나, 동일한 모서리 형상이 교번적으로 배치된 것을 특징으로 하는 전기기기.