KR20160147343A - 역기전력 가변 모터구조 - Google Patents

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KR20160147343A
KR20160147343A KR1020150083958A KR20150083958A KR20160147343A KR 20160147343 A KR20160147343 A KR 20160147343A KR 1020150083958 A KR1020150083958 A KR 1020150083958A KR 20150083958 A KR20150083958 A KR 20150083958A KR 20160147343 A KR20160147343 A KR 20160147343A
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임정빈
전재화
한대웅
이상규
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 역기전력 가변 모터구조에 관한 것으로, 전동기의 샤프트(100) 외주면에서 반경방향 외측으로 환형으로 동심원적으로 고정되고 영구자석(116)을 구비한 회전자와, 전동기 하우징(140)의 내측에서 상기 회전자의 영구자석(116)과 동심원적 외측에서 대향되며 미리 설정된 간격으로 이격되어 위치하게 코일(125)을 구비한 고정자(120) 및 상기 회전자의 영구자석(116)의 자속이 고정자의 코일(125)을 통과하는 면적을 가변시켜 쇄교자속이 변경되도록 상기 고정자를 샤프트의 축방향으로 이동시키는 구동부를 포함하여 구성됨으로써, 구동부에 의해 고정자 지지부가 모터의 정역회전에 따라 축방향으로 전진 또는 후퇴함으로써 샤프트의 외주면에 고정된 회전자의 영구자석(116)의 자속이 고정자(120)의 코일(125)을 통과하는 면적이 감소됨에 따라 쇄교자속이 감소되고 따라서 전동기의 역기전력 감소가 간편하고 용이하게 제어될 수 있게 되며, 고회전 영역에서의 모터 효율의 향상 및 출력증가 효과가 있다.

Description

역기전력 가변 모터구조{A MOTOR STRUCTURE FOR VARIABLE COUNTER ELECTROMOTIVE FORCE}
본 발명은 역기전력을 가변시킬 수 있는 모터구조에 관한 것으로, 특히 전기자동차에서 모터의 고회전수에서 역기전력을 억제하기 위해 영구자석의 자속이 고정자의 코어에 도달되는 면적을 제어하여 역기전력을 가변시키도록 개선된 구조의 역기전력 가변 모터구조에 관한 것이다.
최근, 대기오염 문제로 인한 환경의 악영향과 화석연료의 고갈로 인하여, 하이브리드 자동차, 전기자동차가 주목을 받고 있다. 하이브리드 자동차는 내연기관을 주 동력원으로 이용하고 전동기를 보조 동력원으로 이용하는 자동차이고, 전기자동차는 전동기만을 주 동력원으로 이용하는 자동차이다.
전기자동차용 전동기의 운전 조건은 오르막길 등판시 저속 고토크가 요구되는 반면, 고속도로 주행과 같이 고속 주행시 고속 저토크가 요구된다. 이를 위하여 회전자에 영구자석을 사용하는 영구자석 동기전동기(permanent magnet synchronous motor)가 많이 사용되고 있다.
그러나, 영구자석을 사용하는 전동기는 영구자석이 가지고 있는 자속으로 인하여 전동기의 회전수에 비례하여 역기전력이 발생되며, 모터를 고회전 영역에서 구동시키기 위해서는 고속 운전 영역에서 전동기의 전압 제한치를 초과할 수 있는 영구자석에 의한 역기전력의 상승을 억제시킬 필요가 있다.
이를 위하여, 일반적으로 영구자석 전동기의 고 회전수 영역에서 역기전력 상승분을 억제하도록 영구자석이 가진 자속을 억제하기 위해 영구자석이 제공된 회전자 자속의 반대방향으로 고정자 자속을 생성시켜 영구자석을 역기전력 상승을 억제하는 방법을 이용하고 있다.
그러나, 이러한 방법은 약자속 제어를 하기 위해 토크와는 무관한 전류를 공급해야 하기 때문에 효율 저하 및 출력 저하가 초래되는 문제가 있다.
영구자석 전동기에서 영구자석의 역기전력 상승을 억제하기 위한 종래 기술의 예로서, 한국 공개특허 제10-2013-0092302호(2013.08.20. 공개)에는 고정자 모듈은, 동축 상으로 배열되고, 원주 방향으로 각각 회전 가능하며, 코일을 각각 권취한 제1,2 고정자; 및 제1,2 고정자를 서로 반대 방향으로 동일 각도로 각각 회전시켜 제1,2 고정자의 회전 각도에 따른 회전자의 쇄교자속량을 제어하는 회전 구동부;를 포함하는 고정자 모듈 및 이를 포함하는 전동기가 개시되어 있다.
다른 예로서, 한국 공개특허 제10-2007-0078541호(2007.08.01 공개)에는
고정자와 주회전자의 사이로 회전 가능한 다수의 보조회전자를 배치하고, 상기 보조회전자는 주 회전자와 같은 회전축을 가지며 상기 회전축은 통상의 베어링에 의하여 원활하게 회전 가능하도록 되고, 주회전자와 보조회전자가 하나의 회전자와 같은 형태로 회전되는 경우 역기전력이 발생하게 되면 이 역기전력에 의하여 보조 회전자는 주회전자와 함께 회전하는 현상이 계속 이루어지지 못하고 보조회전자는 주회전자 사이에서 미끌어짐 현상이 계속 발생하면서 회전을 하게 되고, 이런 미끌어짐 현상이 발생하면서 회전하는 보조회전자는 이에 연동하는 주회전자를 극성 변화에 의하여 계속 가속화 현상으로 주회전자를 빠르게 회전시켜서, 역기전력을 이용한 부하를 줄여 주는 기능을 수행하게 되는 영구 자석의 슬릿 현상으로 인한 역기전력이 감소되는 발전기 및 모터가 개시되어 있다.
그러나, 상기한 종래 특허기술의 모터는 구조가 복잡하여 모터 제조비용의 증가를 초래하는 문제와 제어가 어려운 문제가 있다.
또 다른 예로서, 일본 특허 제4120573호(2008.05.09 등록)에는 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 전기자코일(13)을 구비한 고정자(3)와 영구자석(2)을 구비한 로터(1) 사이의 에어갭 길이(air gap)를 가변으로 할 수 있는 유압공급원(11)을 제어할 모터 컨트롤러(10)를 구비하고, 원반형 회전자가 샤프트(14)에 고정되고, 그 고정자는 유압피스톤(7)에 의해 축방향으로 이동되어 고정자와 회전자 사이의 에어갭 크기를 가변하게 함으로써, 고 rpm 영역에서 에어갭의 크기를 증가시켜 역기전력을 감소시키도록 된 가변 에어갭식 영구자석 모터가 개시되어 있다.
그러나, 상기한 가변 에어갭식 영구자석 모터에서는 고정자와 회전자가 겹치는 구조로써 일반적으로 전기자동차에서 이너로터의 반경방향 외측에 배치되는 이너로터 타입의 모터 구조가 아니며, 전기자동차의 이너로터 타입의 경우 이너로터에 대해 반경방향의 에어갭의 크기를 변경하기가 불가능한 문제점이 있다.
한국 공개특허 제10-2013-0092302(2013.08.20. 공개)호 한국 공개특허 제10-2007-0078541호(2007.08.01 공개) 일본 특허 제4120573호(2008.05.09 등록)
본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 이너로터 구조에서 고정자 지지부를 모터의 축방향으로 이동시켜 고정자의 쇄교자속 통과면적을 감소시켜 역기전력을 감소되게 하여 고회전 영역에서의 모터 효율이 개선된 역기전력 가변 모터구조를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 역기전력 가변 모터구조는,
전동기의 샤프트 외주면에서 반경방향 외측으로 환형으로 동심원적으로 고정되고 영구자석을 구비한 회전자와,
전동기 하우징의 내측에서 상기 회전자의 영구자석과 동심원적 외측에서 대향되며 미리 설정된 간격으로 이격되어 위치하게 코일을 구비한 고정자 및
상기 회전자의 영구자석의 자속이 고정자의 코일을 통과하는 면적을 가변시켜 쇄교자속이 변경되도록 상기 고정자를 샤프트의 축방향으로 이동시키는 구동부를 포함하여 구성된다.
상기 고정자는 하우징 내측면에서 구동부에 의해 상기 샤프트의 축방향으로 슬라이드가능하게 배치된 원통형의 고정자 지지부에 고정된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 구동부는 고정자 지지부를 유압에 의해 슬라이드시키도록 구성될 수 있다.
상기 고정자 지지부는 그 일측 단부가 피스톤으로 형성되고, 제어부에 의해 제어되는 유압펌프로 유압이 상기 하우징에 형성된 실린더부에 공급 및 배출되어 상기 피스톤이 샤프트의 축방향으로 슬라이드될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 상기 구동부는 모터에 의해 고정자 지지부를 슬라이드시키도록 구성될 수 있다.
상기 구동부는 제어부에 의해 제어되는 모터의 출력축에 형성되어 회전하는 기어부가 원통형의 상기 고정자 지지부와 나사결합되어 상기 모터 출력축의 기어부의 정역회전에 따라 나사풀림방향과 나사결합방향으로 회전되어 샤프트의 축방향으로 전진 또는 후퇴하도록 구성된다.
상기 모터(161)의 기어부(162)는 고정자 지지부(130)의 단부 내측면에 형성된 나사부(135)와 나사결합된
상기 구동부에 의한 고정자의 슬라이드거리는 회전수 증가에 대응하여 상기 쇄교 면적이 반비례적으로 감소될 수 있도록 가변제어되는 것이 바람직하다.
상기 모터의 기어부는 고정자 지지부의 단부 내측면에 형성된 나사부와 나사결합된다.
본 발명에 따라 구동부에 의해 고정자 지지부를 모터의 정역회전에 따라 축방향으로 전진 또는 후퇴시킴으로써 샤프트의 외주면에 고정된 회전자의 영구자석의 자속이 고정자의 코일을 통과하는 면적이 감소되게 하여 쇄교자속이 감소되게 하고, 따라서 전동기의 역기전력 감소가 간편하고 용이하게 제어될 수 있게 되며, 고회전 영역에서의 모터 효율의 향상 및 출력증가 효과가 있다.
도 1은 종래 역기전력 감소를 위한 가변 에어갭식 영구자석 모터의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 역기전력 가변 모터구조의 개략적인 구성도.
도 3은 도 2의 모터구조에서 고정자 축방향 이동거리에 대응된 쇄교자속 통과면적 변화를 나타내는 도면.
도 4는 도 3에서 고정 rpm에서 고정자의 축방향 이동거리에 대한 역기전력 변화를 보여주는 그래프.
도 5는 도 2와 다른 실시예의 역기전력 가변 모터구조의 개략적인 구성도.
이하에서는 본 발명의 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
영구자석 전동기는 영구자석이 가지고 있는 자속으로 인하여 회전수에 비례하여 역기전력이 발생된다. 따라서 모터를 고회전 영역에서 구동시키기 위해 이러한 역기전력의 상승분을 막기 위해 고정자 코일에 토크와는 무관한 역기전력 억제 전류를 흘려주어야 한다. 이러한 전류의 사용분은 곧 손실로 이어지고 고회전 영역에서의 모터의 효율 감소로 이어지고, 모터 토크에 사용되는 전류의 양이 저감되어 토크도 줄어들게 된다.
영구자석 전동기에서 발생되는 역기전력은 아래와 같은 식으로 표현된다.
e = k·λf·ωrm
(여기서 e는 역기전력, k는 상수, λf는 쇄교자속, ωrm는 회전각속도이다.)
또한, 쇄교자속과 고정자의 회전자 사이의 간격인 에어갭과의 관계는 아래 식으로 표현된다.
λ∝ A/ℓg
(여기서 λ는 쇄교자속, A는 쇄교자속 통과면적, ℓg는 에어갭)
따라서, 역기전력을 감소시키기 위해서는 회전자의 영구자석의 자속이 고정자에 제공된 코일을 관통하는 쇄교자속을 감소시킴으로써 달성될 수 있고, 또한 쇄교자속의 감소는 쇄교자속이 통과하는 에어갭을 증가시킴으로써 달성될 수 있다.
그런데, 자동차에서 통상적으로 적용되는, 회전자가 샤프트에 환상으로 고정되되고 그 반경방향 외측으로 고정자가 이격되어 환상으로 배치되는 구조인 인너로터 타입의 경우에는 회전자와 고정자 사이의 간격인 에어갭은 변경할 수 없으므로, 본 발명에서는 영구자석 전동기에서의 역기전력 발생을 억제하기 위해 고정자 지지부를 유압을 통해 모터의 축방향으로 이동시켜 고정자의 쇄교자속 통과면적을 줄여 쇄교자속의 크기를 감소시킴으로써 역기전력을 감소시키도록 한다.
이를 위하여, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이, 전동기의 샤프트(100) 외주면에서 반경방향 외측으로 환형으로 동심원적으로 배치되어 고정된 회전자와, 전동기 하우징(140)의 내측에서 상기 회전자와 동심원적으로 배치되어 고정된 고정자(120) 및 쇄교자속을 변경시키도록 상기 고정자를 하우징에 대하여 축방향으로 슬라이드시키기 위한 구동부를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 회전자는 전동기 샤프트의 외주면에서 반경방향 외측으로 고정된 환형의 고정부재(110)와, 상기 샤프트와 동심원을 이루도록 상기 고정부재(110) 상에 고정되는 환형의 회전자코어(115), 상기 회전자코어 상면에 고정된 영구자석(116)을 포함하여 구성된다.
또한, 하우징 내측에서 상기 회전자의 영구자석과 대향되게 동심원적 외측으로 환형으로 고정자(120)가 슬라이드가능하게 장착되고, 상기 고정자에는 코일(125)이 감겨져 있으며 상기 코일에는 도면에 도시되지 않았지만 전원이 연결되어 있다.
이에 따라 상기 고정자의 코일(125)에 전류원이 인가되면, 플레밍의 왼손법칙에 따라 코일에서 발생된 자계에 의해 고정자의 영구자석(116)이 회전함에 따라 결국 샤프트가 회전하게 된다.
본 발명에 따라 상기 샤프트에 고정되어 회전하는 회전자에 대향된 고정자의 대향 위치를 가변시켜서 회전자의 영구자석의 자속이 고정자의 코일을 통과하는 면적을 감소시키도록 함으로써, 쇄교자속의 크기를 감소시키고, 따라서 영구자석이 가지고 있는 자속으로 인하여 회전수에 비례하여 발생되는 역기전력이 감소된다.
이를 위하여, 본 발명의 일실시예에 따라 제공되는 구동부는 고정자(120)를 지지하는 고정자 지지부(130)가 하우징(140) 내측면에서 샤프트의 축방향으로 슬라이드되도록 배치되고, 상기 고정자 지지부(130)의 일단부에 일단부는 피스톤(132)으로서 형성되고, 상기 피스톤은 하우징(140)에 형성된 실린더부(141)에 공급되는 유압에 의해 축방향으로 슬라이드된다.
상기 실린더부(141)에는 제어부(160)에 의해 제어되는 정역구동가능한 오일펌프(150)로 오일이 공급되거나 배출됨으로써, 고정자 지지부(130)가 하우징(140) 내측에서 도면에서 좌우 방향으로 축방향으로 슬라이드된다. 상기 고정자 지지부(130)는 원통형으로 형성된다.
이와 같이 회전자의 영구자석(116)에 대향된 위치에서 코일이 제공된 고정자(120)가 수평방향으로 슬라이드됨에 따라 영구자석의 자속이 고정자의 코일을 관통하는 쇄교자속이 감소될 수 있게 된다. 즉, 회전자의 회전수가 증가함에 따라 회전자의 영구자석에 대향되게 배치된 고정자를 축방향으로 슬라이드시켜 회전자의 영구자석의 자속이 고정자에 감겨진 코일을 통과하는 면적, 즉 원주상의 면적을 도 3에 도시된 바와 같이 감소시킴으로써 쇄교자속이 감소되어 도 4에 개략적으로 도시된 바와 같이 고정자가 축방향으로 이동한 거리에 반비례적으로 감소되어 역기전력이 감소된다.
도 5에는 도 2에서 유압에 의해 고정자를 이동시키는 구동부의 다른 실시예로서, 구동부는 하우징 외부의 제어부(160)에 의해 제어되며 모터(161)의 출력축에 형성되어 회전하는 기어부(162)가 원통형의 상기 고정자 지지부(130)가 나사결합되어 구성된다.
상기 모터(161)는 하우징의 단부 내측에 장착되고, 외부의 제어부(160)에 의해 정역회전된다. 상기 모터의 출력축의 단부에 형성된 기어부(162)는 상기 고정자 지지부(130) 내측면에 형성된 나사부(135)와 나사결합된다.
이로써, 상기 모터(161)의 정방향 회전시 그 출력축의 기어부(162)가 나사 풀림방향으로 회전하게 되어 상기 기어부와 내측면에서 나사부(135)와 나사결합된 상기 고정자 지지부(130)가 모터(161)에서 전진하여 멀어지게 축방향으로 하우징 내측면에서 슬라이드되고, 상기 모터의 역방향 회전시에는 상기 기어부(162)가 나사결합 방향으로 회전함에 따라 고정자 지지부(130)가 후퇴하여 하우징 내측면에서 모터에 접근하는 방향으로 축방향으로 슬라이드된다.
상기 고정자의 슬라이드거리는 회전수 증가에 대응하여 상기 쇄교 면적을 감소시켜 역기전력 발생이 반비례적으로 감소되게 가변제어될 수 있다.
이와 같이, 모터의 출력축의 기어부(162)와 나사식으로 맞물린 고정자 지지부(130)가 모터의 정역회전에 따라 축방향으로 전진 또는 후퇴함으로써 샤프트의 외주면에 고정된 회전자의 영구자석(116)의 자속이 고정자(120)의 코일(125)을 통과하는 면적이 감소됨에 따라 쇄교자속이 감소되고 따라서 전동기의 역기전력 감소가 간편하고 용이하게 제어될 수 있게 된다.
본 발명은 상기한 실시예들의 구성에 한정되지 않으며, 상기한 실시예들에서의 구성요소들은 당업계의 기술자들에 의해 실질적으로 동일한 기능을 수행하도록 변경 또는 변형가능함은 자명하고, 또한 본 발명의 모터 구조는 자동차용으로 한정되는 것 또한 아니고, 본 발명은 첨부한 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
본 발명은 자동차등에서 사용되는 모터에서 쇄교자속이 코일을 통과하는 면적을 변경시켜 역기전력을 간편하고, 효율적으로 가변시키도록 이용될 수 있다.
100 : 샤프트 110 : 고정부재
115 : 회전자 코어 116 : 영구자석
120 : 고정자 125 : 코일
130 ; 고정자 지지부 132 : 피스톤
135 : 나사부 140 : 하우징
141 : 실린더부 150 ; 유압펌프
160 : 제어부 161 : 모터
162 : 기어부

Claims (8)

  1. 전동기의 샤프트(100) 외주면에서 반경방향 외측으로 환형으로 동심원적으로 고정되고 영구자석(116)을 구비한 회전자와,
    전동기 하우징(140)의 내측에서 상기 회전자의 영구자석(116)과 동심원적 외측에서 대향되며 미리 설정된 간격으로 이격되어 위치하게 코일(125)을 구비한 고정자(120) 및
    상기 회전자의 영구자석(116)의 자속이 고정자의 코일(125)을 통과하는 면적을 가변시켜 쇄교자속이 변경되도록 상기 고정자를 샤프트의 축방향으로 이동시키는 구동부를 포함하는 역기전력 가변 모터구조.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 고정자는 하우징 내측면에서 구동부에 의해 상기 샤프트의 축방향으로 슬라이드가능하게 배치된 원통형의 고정자 지지부(130)에 고정된 것을 특징으로 하는 역기전력 가변 모터구조.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 구동부는 고정자 지지부(130)를 유압에 의해 슬라이드시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 역기전력 가변 모터구조.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 고정자 지지부(130)는 그 일측 단부가 피스톤(132)으로 형성되고, 제어부(160)에 의해 제어되는 유압펌프(150)로 유압이 상기 하우징(140)에 형성된 실린더부(141)에 공급 및 배출되어 상기 피스톤(132)이 샤프트의 축방향으로 슬라이드되는 것을 특징으로 하는 역기전력 가변 모터구조.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 구동부는 모터(161)에 의해 고정자 지지부(130)를 슬라이드시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 역기전력 가변 모터구조.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 구동부는 제어부(160)에 의해 제어되는 모터(161)의 출력축에 형성되어 회전하는 기어부(162)가 원통형의 상기 고정자 지지부(130)와 나사결합되어 상기 모터 출력축의 기어부(162)의 정역회전에 따라 나사풀림방향과 나사결합방향으로 회전되어 샤프트의 축방향으로 전진 또는 후퇴하도록 구성된 것을 특징으로 하는 역기전력 가변 모터구조.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 모터(161)의 기어부(162)는 고정자 지지부(130)의 단부 내측면에 형성된 나사부(135)와 나사결합된 것을 특징으로 하는 역기전력 가변 모터구조.
  8. 제 3항 또는 5항에 있어서, 상기 구동부에 의한 고정자의 슬라이드거리는 회전수 증가에 대응하여 상기 쇄교 면적이 반비례적으로 감소될 수 있도록 가변제어되는 것을 특징으로 하는 역기전력 가변 모터구조.
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