KR20160043383A - 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기는 프레임 내부에 축 결합되어 회전되는 회전자와, 상기 회전자의 외측과 인접하게 원주를 따라 음극과 양극이 교대로 배치되는 영구자석 및 상기 회전자 외측에 형성된 고정자로 구성된 영구자석전동기에 있어서, 상기 프레임에는, 유입구와 배출구가 각각 형성되고, 상기 음극과 상기 양극은 각각 분할되어 한 쌍으로 형성되되, 분할된 동일극끼리는 상기 회전자의 외주측에서 내주측 방향으로 사이각이 형성되게 배치되고, 상기 회전자에는 상기 사이각 범위에서 일측에서 타측으로 관통된 에어유동홀이 형성되어 외부의 에어가 상기 유입구, 상기 에어유동홀 및 상기 배출구를 거쳐 배출되어 영구자석전동기의 내부가 냉각되는 것을 특징으로 한다.

Description

강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기{IPMSM(Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) with forced air cooling structure for}

본 발명은 영구자석전동기의 공랭식 방열 구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 영구자석전동기 내부의 코어에서 발생하여 고정자 및 회전자에 전도된 고온의 열을 강제로 형성한 에어 흐름을 통해 냉각하기 위한 구조에 관한 기술이다.

기존의 영구자석전동기의 경우, 그 크기가 작거나 출력이 낮아 별도의 방열 장치가 필요하지 않았다.

하이브리드 자동차 등 대용량 영구자석전동기인 필요에 의해 방열 기술이 필요하게 되었고, 특히 방열 기술로는 냉각수(유)를 이용한 방식이 널리 사용되어 왔다.

하지만, 전기추진선박 등과 같은 초대형 영구자석전동기의 경우 모터 외각 하우징의 프레임에 형성된 수로를 따라 냉각하는 방식으로는 모터 내부를 충분히 내부에 부품을 냉각하기에는 한계가 있어왔다.

왜냐하면, 영구자석전동기의 대형화는 그 크기가 원통의 지름이 증가하기에 외각 프레임의 냉각 효과가 내부 중심 깊숙이 위치한 코어, 고정자, 회전자, 영구자석 등의 부품에서 미치지 못하기 때문이다.

도 1은 종래의 영구자석전동기의 열 분포도를 나타낸 것으로, 도 1을 참조하면, 특히, 영구자석전동기의 작동에 따라 내부의 고정자(50)와 회전자(30) 부근에 열이 약 96 ~ 105°정도 고열인 상태가 되게 된다.

그래서, 영구자석전동기 내부의 부품에서 고열이 형성되는 고정자와 회전자 부분을 집중적으로 방열하여 제품의 출력과 성능을 향상시키기 위한 별도 솔루션이 필요한 실정이다.

KR 10-0907937 B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 영구자석전동기 내부를 강제 에어 유동에 의해 냉각할 수 있는 구조를 가진 영구자석전동기를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기는 프레임 내부에 축 결합되어 회전되는 회전자와, 상기 회전자의 외측과 인접하게 원주를 따라 음극과 양극이 교대로 배치되는 영구자석 및 상기 회전자 외측에 형성된 고정자로 구성된 영구자석전동기에 있어서, 상기 프레임에는, 유입구와 배출구가 각각 형성되고, 상기 음극과 상기 양극은 각각 분할되어 한 쌍으로 형성되되, 분할된 동일극끼리는 상기 회전자의 외주측에서 내주측 방향으로 사이각이 형성되게 배치되고, 상기 회전자에는 상기 사이각 범위에서 일측에서 타측으로 관통된 에어유동홀이 형성되어 외부의 에어가 상기 유입구, 상기 에어유동홀 및 상기 배출구를 거쳐 배출되어 영구자석전동기의 내부가 냉각되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성의 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.

먼저, 회전자에 에어유동홀이 형성되어 외부의 찬에어가 영구자석전동기의 내부로 유입되어 회전자의 에어유동홀을 통해 외부로 배출되는 구조에서, 에어유동홀이 자력선에 영향을 받지 않는 위치에 형성되어 영구자석전동기의 성능을 떨어뜨리지 않으면서 냉각할 수 있는 장점이 있다.

또한, 회전자뿐만 아니라 고정자 및 영구자석 측에도 에어가 유동할 수 있어 영구자석전동기의 방열 효율이 높다.

도 1은 종래의 영구자석전동기의 열 분포도.
도 2(a)는 본 발명의 실시예에 따른 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기의 단면구성도.
도 2(b)는 도 2(a)의 측 단면 구성도.
도 3은 도 2(b)의 요부 확대도.
도 4는 자력선 분포도.
도 5(a)는 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기에 팬이 구비된 단면구성도.
도 5(b)는 도 5(a)의 측 단면구성도.
도 6(a)는 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기에 에어유도플레이트가 구비된 사시도.
도 6(b)은 도 6(a)의 요부 확대도.
도 7은 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조의 에어흐름을 나타낸 도.

이하, 첨부된 도면을 참고로 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기의 단면구성도이고, 도 2(b)는 도 2(a)의 측 단면 구성도를 나타낸 것이다. 그리고, 도 3은 도 2(b)의 요부 확대도이고, 도 4는 자력선 분포도이며, 도 5(a)는 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기에 팬이 구비된 단면구성도이며, 도 5(b)는 도 5(a)의 측 단면구성도이다. 도 6(a)는 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기에 에어유도플레이트가 구비된 사시도이며, 도 6(b)은 도 6(a)의 요부 확대도이다. 도 7은 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조의 에어흐름을 나타낸 도이다.

먼저, 도 2(a),(b)를 참조하면, 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기는 크게, 프레임(10), 축(20), 회전자(30), 영구자석(40), 고정자(50)이 포함하여 이루어지고, 모터 내부를 냉각할 수 있도록 에어가 지나가는 관로인 상기 회전자(30)에 에어유동홀(32)이 형성된 것을 특징으로 하는 것이다.

먼저, 상기 프레임(10)은 영구자석전동기의 외부 케이스로, 내부에는 축(20), 회전자(30), 영구자석(40), 고정자(50)를 수용하게 되며, 일측과 타측에 각각 에어가 유입되어 배출할 수 있는 유입구(12)와, 배출구(14)가 형성되게 된다.

여기서, 상기 유입구(12)와, 상기 배출구(14)에는 각각 에어필터가 장착되도록 하여 외부의 이물질(먼지)을 걸러내도록 하는 것이 바람직하다.

상기 회전자(30)는 영구자석(40)과 일체로 회전되도록 구성되는 것으로, 프레임(10) 내부에서 축(20)에 결합되어 회전할 수 있는 것이다.

상기 영구자석(40)은 상기 회전자(30)에 내장되어 자기 유도를 하는 것으로, 상기 회전자(30)의 외측과 인접하게 원주를 따라 음극과 양극이 교대로 배치되게 된다.

여기서, 상기 영구자석(40)은 상기 음극과 상기 양극은 각각 분할되어 한 쌍으로 형성되게 된다.

상기 영구자석(40)이 음극과 양극으로 한 쌍식 분할된 것을 도 3에 도시하였다.

도 3은 도 2(b)의 요부 확대도이다.

도 3을 참조하면, 분할된 동일극(양극과 양극 및 음극과 음극)끼리 상기 회전자(30)의 외주측에서 내주측 방향으로 갈수록 이격되는 사이각(α)이 형성되게 배치되고, 상기 회전자(30)에는 상기 사이각(α) 범위에서 일측에서 타측으로 관통된 에어유동홀(32)이 형성되어 외부의 에어가 상기 유입구, 상기 에어유동홀(32) 및 상기 배출구를 거쳐 배출되어 영구자석전동기의 내부가 냉각되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 사이각(α)은 동일극끼리 상호 벌어진 공간에 의해 형성된 각도를 의미하는 것이고, 사이각(α) 범위에서는 상기 영구자석(40)의 다른극상 발생되는 자력선의 간섭이 배제되어 자력밀도를 떨어뜨리지 않는 위치이다.

더 바람직하게는, 축 중심으로 연장된 선을 기준으로 상기 분할된 동일극은 상호 대향되게 형성되며, 사이각(α) 범위에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 영구자석(40)이 상기 회전자(30)에 고정되게 위하여, 상기 회전자의 원주방향으로 일정간격마다 일측에서 타측으로 관통 형성되는 안착홀(34)이 형성되게 된다. 상기 안착홀(34)은 양측이 상기 회전자의 외주측을 향하도록 상향 경사지게 형성되어 분할된 동일극이 각각 양측으로 빈 공간을 두고 삽입되게 된다.

여기서, 빈 공간은 에어가 유동되는 공간이어서 영구자석의 외면을 냉각할 수 있게 된다.

또한, 상기 고정자(50)에는 일측에서 타측으로 관통되되, 원주방향을 따라 일정간격으로 형성되어 코어가 장착 가능한 코어안착홀(52)이 형성되고, 상기 코어안착홀(52)은 상기 고정자(50) 내주면과 연통되어 에어 유동이 가능한 것을 특징으로 한다.

상기 고정자(50)에는 일측에서 타측으로 관통되되, 상기 코어안착홀 사이에서 직경방향으로 길이가 길게 형성된 고정자유동홀(54)이 더 형성되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 고정자와 내주와 상기 회전자 외주를 각각 관통하여 원형의 홀(56)이 형성되되, 상기 홀(56)은 상기 고정자유동홀(54)과 연통되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 회전자는 고정자 내측으로 회전하기 위해 일정 간격 이격되게 되는데, 이러한 이격된 공간사이에 홀(56)이 더 형성됨으로써 에어가 더 많은 양이 통과할 수 있는 이점이 있는 것이다.

한편, 상기 영구자석(40)에는 일측에서 타측으로 관통된 영구자석홀이 더 형성되게 하여 에어가 통과되어 영구자석(40)의 내부를 냉각할 수 있다.

도 4는 자력선 분포도를 나타낸 것이다.

즉, 도 4를 참조하면, 상기 에어유동홀이 형성된 부분은 자력선이 미치지 않는 부분에 형성되게 되는 것이다.

즉, 영구자석은 음극 한 쌍과 양극 한쌍이 교대로 배치되고, 인접한 음극과 양극 사이에는 상호 자력선이 발생하게 되지만, 동일 극상에서는 자력선이 분포가 적어지며, 더 상세하게는 동일 극상 중 자력선 밀도가 최소가 되는 사이각 부분에 에어유동홀이 형성됨으로써 영구자석전동기의 성능을 떨어뜨리지 않으면서 냉각할 수 있는 이점이 있게 된다.

도 5(a)는 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기에 팬이 구비된 단면구성도이고, 도 5(b)는 도 5(a)의 측 단면구성도이다.

도 5(a),(b)를 참조하면, 상기 축(20)에는, 상기 축에 회전 연동되게 결합되고, 외주면을 따라 돌출된 곡선형 날개(62)가 포함되어 상기 에어유동홀(32)의 에어를 흡입하여 상기 배출구로 유동되게 하는 팬(60)이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 팬(60)은 축에 결합되되, 상기 회전자의 단부 중 배출구와 근접한 위치에 장착되어 에어를 흡입하여 배출하도록 하는 것이다. 그리고, 상기 날개(62)는 상기 에어유동홀에서 상기 배출구 방향으로 곡선지게 형성되도록 하여 에어유동홀에서 배기된 에어가 배출구로 유동되게 하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 팬(60)이 축의 회전에 연동되어 회전하게 되면 케이스 내의 배출구측 내부공간은 저압 상태가 되고, 유입구측의 내부공간은 상대적으로 배출구 측보다 고압이 되어 에어 흡입이 원활하게 이루어질 수 있게 된다.

도 6(a)는 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기에 에어유도플레이트가 구비된 사시도이고, 도 6(b)은 도 6(a)의 요부 확대도이다.

도 6(a),(b)를 참조하면, 상기 회전자(30)에는 상기 에어유동홀(32)의 상,하 외측을 따라 각각 돌출된 형태로 형성된 링형 외곽플레이트(72)와, 링형 내곽플레이트(74)와, 상기 외곽플레이트(72)와 상기 내곽플레이트(74)를 연결하되 상기 에어유동홀에 대하여 상향 경사지게 돌출 형성되어 에어를 상기 에어유동홀로 가이드 하는 경사플레이트(76)로 구성되는 에어유도플레이트(70)가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

도 7은 본 발명인 강제 공랭식 방열 구조의 에어흐름을 나타낸 도로써, 도 7을 참조하면, 프레임의 유입구측에서 유입되어 영구자석전동기의 내부에 설치된 회전자 고정자에 에어가 통과하여 내부의 열을 흡수하여 배출구로 배출하는 에어흐름을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명은 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기를 제공하는 것을 기본적인 기술적인 사상으로 하고 있음을 알 수 있으며, 이와 같은 본 발명의 기본적인 사상의 범주내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이다.

10: 프레임 12: 유입구
14: 배출구 20: 축
30: 회전자 32: 에어유동홀
40: 영구자석 50: 고정자
60: 팬 70: 에어유도플레이트
72: 외곽플레이트 74: 내곽플레이트
76: 경사플레이트

Claims (8)

1. 프레임 내부에 축 결합되어 회전되는 회전자와, 상기 회전자의 외측과 인접하게 원주를 따라 음극과 양극이 교대로 배치되는 영구자석 및 상기 회전자 외측에 형성된 고정자로 구성된 영구자석전동기에 있어서,
   상기 프레임에는, 유입구와 배출구가 각각 형성되고,
   상기 음극과 상기 양극은 각각 분할되어 한 쌍으로 형성되되, 분할된 동일극끼리는 상기 회전자의 외주측에서 내주측 방향으로 사이각이 형성되게 배치되고,
   상기 회전자에는 상기 사이각 범위에서 일측에서 타측으로 관통된 에어유동홀이 형성되어 외부의 에어가 상기 유입구, 상기 에어유동홀 및 상기 배출구를 거쳐 배출되어 영구자석전동기의 내부가 냉각되는 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전자에는,
   일측에서 타측으로 관통 형성되고, 양측이 상기 회전자의 외주측을 향하도록 경사지게 형성되어 분할된 동일극이 각각 양측으로 빈 공간을 두고 삽입되는 안착홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 고정자에는,
   일측에서 타측으로 관통되되, 원주방향을 따라 일정간격으로 형성되어 코어가 장착 가능한 코어안착홀이 형성되고, 상기 코어안착홀은 상기 고정자 내주면과 연통되어 에어 유동이 가능한 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석 전동기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 고정자에는,
   일측에서 타측으로 관통되되, 상기 코어안착홀 사이에서 직경방향으로 길이가 길게 형성된 고정자유동홀이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석 전동기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 고정자와 내주와 상기 회전자 외주를 각각 관통하여 원형의 홀이 형성되되, 상기 홀은 상기 고정자유동홀과 연통되는 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열구조를 포함하는 영구자석 전동기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석에는,
   일측에서 타측으로 관통된 영구자석홀이 더 형성되는 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 축에는,
   상기 축 회전에 연동되게 결합되고, 외주면을 따라 돌출된 곡선형 날개가 형성되어 회전에 의해 상기 에어유동홀의 에어를 흡입하여 상기 배출구로 유동되게 하는 팬이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 회전자에는,
   상기 에어유동홀의 상,하 외측을 따라 각각 돌출된 형태로 형성된 링형 상, 내곽플레이트와, 상기 외곽플레이트와 상기 내곽플레이트를 연결하되 상기 에어유동홀에 대하여 상향 경사지게 돌출 형성되어 에어를 상기 에어유동홀로 가이드 하는 경사플레이트로 구성되는 에어유도플레이트가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 강제 공랭식 방열 구조를 포함하는 영구자석전동기.
   
   

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