KR20170044934A - W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터 - Google Patents

W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터에 관한 것으로, 중앙부에 중공홀이 형성된 회전자코어 및 상기 회전자코어의 원주방향을 따라 W 형태를 이루며 배치되는 자력부재를 포함하여 구성될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 회전자에 장착되는 영구자석의 특징적인 배치를 통해 모터의 작동시 발생될 수 있는 코깅토크 및 토크리플을 개선하고 동시에 역기전력 감소를 최소화시켜 모터의 출력은 유지되도록 하는 효과를 기대할 수 있다.

Description

W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터{Rotor of having W type's magnet and motor having this}
본 발명은 회전자 및 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 특징적인 영구자석의 배치를 통해 코깅토크 및 토크리플을 개선하고, 동시에 역기전력 감소는 최소화시켜 모터의 출력은 유지되도록 하는 회전자 및 모터에 관한 것이다.
일반적으로 공작기계용 주축 모터(Spindle Motor)는 벨트 연결 타입(주축과 모터가 벨트로 연결된 구조), 기어 결속 타입(주축과 모터가 기어로 결속된 구조), 커플링 직결 타입(주축과 모터가 커플링으로 직결된 구조), 빌트 인 타입(주축 내부에 모터가 삽입된 구조) 등이 있다.
도 1에는 이러한 주축 모터 중 빌트 인 타입(built in type)이 도시되어 있다. 도 1를 살펴보면, 모터하우징(1)의 내부 둘레를 따라 고정자(4)가 배치되며, 고정자(4)에는 복수회에 걸쳐 코일(5)이 원주방향으로 감겨져 있다. 회전자(6)는 고정자의(4) 중앙부에 배치되며, 전자기장에 의해 고정자(4)와의 상호작용으로 회전자(6)는 회전하게 된다. 회전자(6)도 역시 복수회에 걸쳐 코일이 원주방향으로 감겨져 있다.
이때 회전자(6)의 중앙부는 주축 샤프트(3)와 연결되어 있어, 회전자(6)의 회전시 주축 샤프트(3)가 회전하게 되고, 주축 샤프트(3)의 일단부에 연결된 금속 가공 장비가 사용자가 원하는 형상으로 금속을 가공하는 구조를 가진다. 주축 샤프트(3)의 회전이 원활하도록 다수의 베어링(2)이 주축 샤프트 주변부에 배치될 수 있다.
이러한 빌트 인 타입형 주축 모터는 유도전동기와 같은 비동기식, 영구자석전동기와 같은 동기식이 적용될 수 있으며, 동기식 중에서는 IPMSM가 주로 채택된다.
여기서 IPMSM(Interior Permanent Magnet Spindle Motor)의 경우에는 전기강판을 적층한 회전자코어의 중심에 주축 샤프트를 삽입하고 회전자코어의 원주방향을 따라 복수의 영구자석을 삽입하여 구성된 회전자를 이용한다.
상기 영구자석 삽입식 회전자는 중앙부에 주축 샤프트가 삽입될 수 있도록 중공홀이 형성되고, 중공홀의 원주방향으로 복수의 영구자석이 축방향으로 삽입될 수 있도록 복수의 관통홀이 형성된 전기강판을 회전자코어로 사용하게 된다. 물론 영구자석의 양 단부영역에서 자속이 누설되는 것을 방지하기 위해 플럭스 배리어(flux barrior)가 각각의 영구자석의 단부마다 배치될 수 있다.
그런데, 영구자석 삽입식 회전자의 경우 코깅토크 및 토크리플이 상대적으로 크게 나타나, 모터 작동시 큰 진동 및 소음을 발생시키고, 모터 출력의 안정성을 저해한다.
여기서 코깅토크(cogging torque)란, 주축 스핀들을 돌렸을 때 토크 변화량 중 가장 클 때와 가장 작을 때의 차이를 의미하고, 토크리플(torque ripple)이란, 토크의 변동폭, 불균형을 의미한다. 일반적으로 코깅이 크면 모터를 구동할 때 토크리플이 커져 모터를 제어하기 어렵게 된다.
따라서 영구자석 삽입식 회전자를 사용하는 모터의 경우 코깅토크 및 토크리플을 최소화시키는 것이 모터 출력의 안정화를 위해 요구된다.
이러한 코깅토크 및 토크리플을 개선하기 위해 종래부터 회전자 또는 고정자에 스큐(skew)기법을 적용하고 있다. 이는 전동기(모터)의 고정자에 권선을 시행하기 위해 설계되는 치-슬롯 구조 및 영구자석과의 힘의 불균형을 원주방향으로 고정자 또는 회전자를 비틀어 제작하여 힘의 균형을 이루는 기법을 말한다.
그런데 이러한 스큐기법은 코깅토크 및 토크리플은 개선하나, 모터의 역기전력을 발생을 낮추어 모터의 출력을 감소시키는 주 원인이 된다. 이는 공작기계의 가공능력 저하로 이어지는 문제가 있다.
상기와 같은 IPM(Interior Permanent Magnet) 방식의 모터의 코깅토크 및 토크리플 개선에 관한 종래기술로는 국내특허 공개번호:2012-0068497호가 있다. 도 2를 참고하면, 회전자코어의 외주면을 정원부(181)와 비정원부(185)로 나눠 형성하고 영구자석(190)간의 일정한 내각을 형성한 상태로 배치하여 코깅토크 및 토크리플 개선하고 있다.
본 발명은 상기와 같이 종래기술의 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 회전자에 장착되는 영구자석의 특징적인 배치, 스큐각 조절, 길이변화 등을 통해 모터의 작동시 발생될 수 있는 코깅토크 및 토크리플을 개선하고, 더불어 역기전력의 감소는 최소화하여 모터의 출력은 유지시킬 수 있는 장치를 제공하는데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터에 관한 것으로, 우선 본 발명의 회전자는 중앙부에 중공홀이 형성된 회전자코어 및 상기 회전자코어의 원주방향을 따라 W 형태를 이루며 배치되는 자력부재를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 자력부재는, 상기 회전자코어상에 서로 일단부가 접하도록 배치되는 한 쌍의 제1 영구자석 및 상기 회전자코어상에 상기 한 쌍의 제1 영구자석의 타단부에 접하도록 배치되는 한 쌍의 제2 영구자석를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 제1 영구자석은 서로 접하여 ∧ 형태를 이루도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 한 쌍의 제1 영구자석은 스큐각 145~155°를 이루며 서로 접하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 영구자석은 상기 제1 영구자석과 접하며 ∨ 형태를 이루도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 영구자석의 길이는 상기 제2 영구자석의 길이보다 길도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 제1 영구자석의 길이는 22~24mm으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 제2 영구자석의 길이는 6.4~8.4mm으로 구성될 수 있다.
또한, 상기 자력부재는, 상기 회전자코어의 원주방향을 따라 복수개로 배치되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 자력부재는, 상기 회전자코어의 원주방향을 따라 90°간격을 이루며 4개의 유닛으로 배치되도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 회전자코어는, 복수의 회전자블록이 적층되어 형성되되, 상기 회전자블록의 적층수는 5 스텝, 적층된 상기 회전자블록들간의 코일슬롯이 이루는 전체 스큐각은 24°으로 구성될 수 있다.
또한, 각각의 상기 회전자블록사이에 상기 코일슬롯이 이루는 스큐각은 6°로 동일하도록 구성될 수 있다.
다음 본 발명의 모터는 모터하우징과 상기 모터하우징의 내부 둘레를 따라 배치되며, 원주방향으로 복수의 코일이 감겨 제공되는 고정자와 상기 고정자의 중심에 배치되는 상기 회전자 중 하나 및 상기 회전자의 중공홀에 장착되는 샤프트를 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 회전자에 장착되는 영구자석의 특징적인 배치, 스큐각 조절, 각 영구자석의 길이 조절 등을 통해 역기전력 강하 현상을 최소화시키면서, 동시에 모터의 회전시 발생될 수 있는 코깅토크 및 토크리플를 감소시킬 수 있다.
이는, 모터의 출력을 안정화시키므로 모터에 투입되는 전력의 낭비를 방지할 수 있어 에너지 절약을 도모할 수 있다.
그리고, 역기전력 강하 현상이 적어 모터의 출력이 유지되므로, 주축 샤프트 회전량 변화에 따른 공작기계의 가공능력 저하를 방지할 수 있다.
더하여, 모터의 작동시 코깅토크 및 토크리플에 따른 전력 손실이 최소화되므로, 사용자가 모터의 출력 예측값을 보다 정확하게 도출할 수 있게 된다.
도 1은, 종래 모터의 측단면도.
도 2는, 종래 회전자의 영구자석의 배치를 나타낸 부분단면도.
도 3은, 본 발명인 회전자의 영구자석의 배치를 나타낸 단면도.
도 4a 및 도 4b는, 본 발명인 회전자의 각 영구자석간에 스큐각 변경에 따른 코깅토크 및 역기전력 비교를 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는, 본 발명인 회전자의 각 영구자석 모델에 따른 코깅토크 및 역기전력 비교를 나타낸 그래프.
도 6a 및 도 6b는, 본 발명인 회전자의 각 회전자블록간에 스큐각 및 적층 step를 나타낸 부분사시도.
도 6c 및 도 6d는, 본 발명인 회전자의 각 회전자블록간에 스큐각 및 적층 step에 따른 코깅토크 및 토크리플 비교를 나타낸 그래프.
도 7은, 본 발명인 회전자와 고정자간의 적층 step 및 스큐각에 따른 관련 데이터의 수치 비교를 나타낸 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
도 3은, 본 발명인 회전자의 영구자석의 배치를 나타낸 단면도이다. 도 3를 참고하여 먼저 본 발명인 회전자(200)의 구성을 살펴보면, 회전자코어(240) 및 자력부재(300)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 회전자코어(240)는 중앙부에 샤프트(shaft) 또는 스핀들(spindle)이 결합되는 중공홀(210)이 형성되어 있을 수 있으며, 도 6a 및 도 6b를 참고하면, 원통형으로 제공되고 원주방향을 따라 복수개의 코일슬롯(230)이 형성되어 있을 수 있다.
상기 자력부재(300)는 상기 회전자코어(240)의 원주방향을 따라 W 형태를 이루며 배치될 수 있으며, 복수개의 영구자석 형태로 구현될 수 있다. 구체적으로 상기 자력부재(300)는 제1 영구자석(310) 및 제2 영구자석(320)으로 구성될 수 있다.
상기 제1 영구자석(310)은 한 쌍으로 제공될 수 있으며, 상기 회전자코어(240)상에 서로 일단부가 접하도록 배치될 수 있다. 이때 상기 한 쌍의 제1 영구자석(310)은 ∧ 형태를 이룰 수 있다.
그리고 상기 제2 영구자석(320)은 상기 회전자코어(240)상에 상기 한 쌍의 제1 영구자석(310)의 타단부에 접하도록 배치될 수 있다. 이때 상기 제2 영구자석(320)은 상기 제1 영구자석(310)과 접하면서 ∨ 형태를 이룰 수 있다.
이에 따라 전체적으로 상기 자력부재(300)는 도 3에 도시된 바와 같이, W 타입 형태를 이룰 수 있다.
본 발명에서 사용하는 용어인 스큐각(skew angle;A, S, ST)이란 ①모터의 고정자 또는 회전자의 권선을 수행하기 위해 설계되는 코일슬롯 구조 및 영구자석과의 힘의 불균형 해소를 위해 고정자 또는 회전자를 비틀어 제작할 때 고정자 또는 회전자에 배치된 각 코일슬롯이 이루게 되는 각도(도면 부호 S, ST), 또는 ②회전자에 배치된 한 쌍의 상기 제1 영구자석(310)이 중심을 향해 이루게 되는 각도(도면 부호 A)라는 두 가지 의미로 정의될 수 있다.
여기서 상기 한 쌍의 제1 영구자석(310)간에는 일정한 스큐각(A)을 형성하며 배치될 수 있으며, 이때 상기 한 쌍의 제1 영구자석(310)이 이루는 스큐각(A)은 상기 스큐각 정의 중 ②의 의미를 가진다. 이하 도 5a 및 도 5b를 검토할 때 설명하겠으나, 바람직한 실시예에서는 상기 스큐각(A)는 145~155°범위를 형성할 수 있다. 보다 정확하게는 150°일 수 있다.
다음, 다시 도 3를 참고하면, 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B)는 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C)보다 길도록 구성될 수 있다. 이는 코깅토크를 감소시키고 역기전력의 감소를 최소화하기 위함이다.
이하 도 5a 및 도 5b를 검토할 때 설명하겠으나, 바람직한 실시예에서는 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B)는 22~24mm 범위를 형성할 수 있으며, 보다 정확하게는 23mm 일 수 있다. 그리고 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C)는 6.4~8.4mm 범위를 형성할 수 있으며, 보다 정확하게는 7.4mm 일 수 있다.
이러한 상기 자력부재(300)는 상기 회전자코어(240)의 원주방향을 따라 복수개로 배치될 수 있으며, 바람직한 실시예에서는 90°간격을 이루며 4개의 유닛으로 배치될 수 있다.
그리고 도 6a 및 도 6b를 참고하면, 상기 회전자코어(240)는 복수개의 회전자블록(220)이 적층된 구조로 형성될 수 있으며, 바람직한 실시예에서는 상기 회전자블록(220)의 적층수는 5 스텝(step), 적층된 상기 회전자블록(220)간의 코일슬롯(230)이 이루는 전체 스큐각(ST)은 24°일 수 있다. 상기 수치에 대한 사항은 도 6c 및 도 도 6d를 검토할 때 자세히 설명하도록 한다. 여기서 상기 스큐각(ST)은 상기 스큐각 정의 중 ①의 의미를 갖는다. 이때 상기 각각의 상기 회전자블록(220)사이에서 상기 코일슬롯(230)이 이루는 스큐각(S)은 6°로 동일할 수 있다.
이하에서는 실험결과를 참고하여, 각 실험결과에 따라 도출된 본 발명인 회전자(200)의 최적의 스큐각(A, S, ST), 제1 영구자석(310)의 길이(B), 제2 영구자석(320)의 길이(C)에 대해 살펴보도록 한다.
본 실험에 사용된 모터의 사양은 다음과 같다.
구분
 사양 구분 사양
정격출력
 26kW 정격전류 60A
정격속도
 3300rpm 고정자외경 181mm
최대속도
 16000rpm 회전자외경 80mm
정격토크
 75Nm 적층길이 150mm
[모터의 사양]
도 4a 및 도 4b는, 본 발명인 회전자의 각 영구자석간에 스큐각 변경에 따른 코깅토크 및 역기전력 비교를 나타낸 도면이다.
우선 도 4a를 참고하면, 도면(a)-type1에서는 스큐각(A)를 150°로 형성하였고, 도면(b)-type2에서는 스큐각(A)를 140°로 형성하였으며, 도면(c)-type3에 스큐각(A)를 130°로 형성하였다.
각 type별 코깅토크(cogging torque)값 및 역기전력(induced voltage)값은 도 4b에 도시되어 있다. 도 4b를 참고하면, 스큐각(A)만을 변경하였을 경우에는 type3에서 코깅토크값이 가장 적게 발생되었으며, type1에서 역기전력값의 감소가 가장 적었다.
코깅토크의 감소만을 고려한다면, type3의 130°이 가장 적합한 스큐각(A)으로 판단될 수도 있으나, type3의 경우 역기전력이 type1, type2에 비해 지나치게 많이 감소되는 문제가 있었다.
따라서, 역기전력의 적정성 유지를 함께 고려한다면, type3의 130°보다는 type1의 150°이 스큐각(A)으로서 가장 적합하다.
즉 type1에서는 type2, type3에 비해 코깅토크의 발생율은 가장 높으나, 그래프에서 확인할 수 있듯이 type2, type3에 비해 상대적인 차이는 크지 않다. 그런데 역기전력의 변화율 측면에서는 type2, type3에서의 스큐각(A)에서 type1에서의 스큐각(A)보다 큰 폭으로 감소하여 상대적인 차이가 크다.
이는 모터 운용에 있어 출력의 불안정, 출력 강하 등의 문제를 발생시킬 수 있으므로, 최적의 스큐각(A)은 type1의 150°이 된다. 여기서 상기 제1 영구자석(310)간의 회전자(200) 배치에 대한 제작 오차, 간격 편차 등을 고려한다면, 상기 스큐각(A)은 145~155°범위를 형성할 수 있으며, 이 경우에도 150°와는 유사한 코깅토크의 감소 및 역기전력 감소 최소화를 달성할 수 있다.
다음으로는, 스큐각(A)과 함께 영구자석의 길이(B,C)도 고려하여 본 발명인 회전자(200)의 가장 최적화된 모델을 살펴보도록 한다. 도 5a 및 도 5b는, 본 발명인 회전자의 각 영구자석 모델에 따른 코깅토크 및 역기전력 비교를 나타낸 도면이다.
본 실험에 사용된 모델은 다음 표와 같다.
Model
 스큐각(A; °) 제1 영구자석(B;mm) 제2 영구자석(C;mm)
1
 150 23 7.4
2
 140 23 7.4
3
 130 23 7.4
4
 150 21 9.4
5
 140 21 9.4
6
 130 21 9.4
7
 150 19 11.4
8
 140 19 11.4
9
 130 19 11.4
[각 모델별 스큐각(A), 영구자석(B,C)의 길이의 비교]
도 5a를 참고하면, 각 모델별로 코깅토크의 값이 그래프로 도시되어 있다. 모델 1, 2, 3에서는 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B) 23mm, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C) 7.4mm로 고정한 상태에서 스큐각(A)만을 변경하였다. 실험결과 모델 1에서 가장 낮은 코깅토크값이 나타났다.
모델 4, 5, 6에서는 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B) 21mm, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C) 9.4mm로 고정한 상태에서 스큐각(A)을 변경하였다. 이 경우에는 모델1, 2, 3에 비해 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B)를 조금 짧게 하고, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C)를 조금 길게 구성하였다. 실험결과 모델 6에서 가장 낮은 코깅토크값이 나타났다.
모델 7, 8, 9에서는 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B) 19mm, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C) 11.4mm로 고정한 상태에서 스큐각(A)을 변경하였다. 이 경우에도 모델 4, 5, 6에 비해 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B)를 조금 짧게 하고, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C)를 조금 길게 하였다. 실험결과 모델 8에서 가장 낮은 코깅토크값이 나타났다.
상기 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 스큐각(A)뿐만 아니라 각 영구자석의 길이 변경도 코깅토크에 영향을 주고 있다.
상기 결과를 종합하자면, 모델1, 6, 8에서 낮은 코깅토크값을 형성하였고, 이중 모델 1의 조건, 즉 스큐각(A) 150°, 제1 영구자석(310)의 길이(B) 23mm, 제 영구자석의 길이(C) 7.4mm에서 코깅토크가 가장 최소값을 형성하였다.
도 5b를 참고하면, 각 모델별로 무부하 역기전력의 값이 그래프로 도시되어 있다. 상기 코깅토크값 검출과 마찬가지로, 모델 1, 2, 3에서는 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B) 23mm, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C) 7.4mm로 고정한 상태에서 스큐각(A)만을 변경하였으며, 실험결과 모델 1에서 역기전력의 감소가 가장 적었다.
그리고 모델 4, 5, 6에서는 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B) 21mm, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C) 9.4mm로 고정한 상태에서 스큐각(A)을 변경하였고, 실험결과 모델 4에서 역기전력의 감소가 가장 적었다.
또한 모델 7, 8, 9에서는 상기 제1 영구자석(310)의 길이(B) 19mm, 상기 제2 영구자석(320)의 길이(C) 11.4mm로 고정한 상태에서 스큐각(A)을 변경하였으며, 실험결과 모델 7에서 역기전력의 감소가 가장 적게 나타났다.
상기 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 스큐각(A)뿐만 아니라 각 영구자석의 길이 변경도 코깅토크와 함께 역기전력에 영향을 주고 있으며, 스큐각(A)이 150°로 형성되는 모델 1, 4, 7에서 다른 모델에 비해 역기전력이 비교적 높게 유지되었다.
이상의 결과를 종합하여 가장 적합한 모델을 선정한다면, 코깅토크의 감소폭이 뚜렷하면서, 동시에 역기전력의 감소가 적은 모델 1이 채택될 수 있다.
역기전력만을 고려한다면 모델 7이 적합할 수도 있으나, 모델 7은 모델 1에 비해 코깅토크의 발생비율이 크며, 이에 비해 모델 1은 모델 7에 비해 역기전력의 차이는 크지 않으나, 코깅토크를 확실하게 감소시키므로, 더 최적화된 것은 모델 1이 될 수 있다.
결론적으로는 모델1의 조건, 즉 스큐각(A) 150°, 제1 영구자석(310)의 길이(B) 23mm, 제 영구자석의 길이(C) 7.4mm에서 코깅토크값이 가장 최소값을 형성하고, 역기전력의 감소폭은 적었다.
더하여, 스큐각(A)의 범위와 마찬가지로, 상기 제1 영구자석(310) 및 상기 제2 영구자석(320)간의 회전자(200) 배치에 대한 제작 오차를 고려한다면, 상기 제1 영구자석(310)은 22~24mm, 상기 제2 영구자석(320)은 6.4~8.4mm 범위를 형성할 수 있으며, 이 경우에도 유사한 코깅토크의 감소 및 역기전력 감소 최소화를 달성할 수 있다.
다음으로는, 회전자블록(220)의 스큐각(S,ST) 및 적층수(step)에 따른 본 발명인 회전자의 가장 최적화된 모델을 살펴보도록 한다. 도 6a 및 도 6b는, 본 발명인 회전자의 각 회전자블록간에 스큐각 및 적층 step를 나타낸 부분사시도이고, 도 6c 및 도 6d는, 본 발명인 회전자의 각 회전자블록간에 스큐각 및 적층수(step)에 따른 코깅토크 및 토크리플 비교를 나타낸 도면이다.
먼저 도 6a 및 도 6b를 참고하면, 상기 회전자블록(220)의 둘레를 따라 상기 코일슬롯(230)이 형성되어 있고, 각각의 상기 회전자블록들(220a, 220b, 220c, 220d, 220e)간에 각각의 상기 코일슬롯들(230a, 230b, 230c, 230d, 230e)을 기준으로 일정각도로 스큐각(S,ST)를 형성하며 배치된 것을 볼 수 있다.
도 6c를 살펴보면, 각각의 상기 회전자블록(220)의 적층수(step)와 전체 스큐각(ST)에 따라 코깅토크의 변화를 나타내고 있는데, 적층수 5 step 및 전체 스큐각(ST) 24°에서 가장 낮은 코깅토크값을 형성하는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 도 6d를 살펴보면, 적층수(step)이 증가할수록 상대적으로 최대속도에서의 토크피플값을 형성하고 있으며, 전체 스큐각(ST)이 24°까지는 증가할수록 토크리플값이 계속 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 24°이후부터는 다시 토크리플값이 오히려 증가하고 있다.
따라서 코깅토크값과 최대속도에서의 토크리플값을 모두 고려한다면, 적층수 5 step, 전체스큐각(ST) 24°를 갖는 회전자가 가장 적합한 모델로 선정될 수 있다.
이상 도 5a 및 도 5b, 도 6c 및 도 6d에 도시된 그래프의 실험결과를 종합한다면, 스큐각(A):150°, 제1 영구자석(310)의 길이(B):23mm, 제2 영구자석(320)의 길이(C):7.4mm, 적층수 5 step, 전체스큐각(ST):24°의 회전자 모델에서 가장 이상적인 역기전력, 코깅토크 및 토크리플의 값이 검출되었다.
참고적으로, 본 발명인 회전자 모델과 고정자간의 적층수(step) 및 스큐각(ST)에 따른 역기전력, 코깅토크, 3300rpm에서의 토크리플 및 16000rpm에서의 토크리플을 비교분석하여 살펴보도록 한다.
도 7은, 본 발명인 회전자(200)와 고정자간의 적층 step 및 스큐각에 따른 관련 데이터의 수치 비교를 나타낸 그래프이다. 여기서 고정자의 적층수(Step)은 고려하지 않으며, 전체 스큐각(ST)만을 고려하도록 한다.
우선, 도 7(a)를 살펴보면, 역기전력값 측면에서는 전체 스큐각(ST) 24°를 형성하는 경우 본 발명인 회전자(200)보다는 고정자에서 상대적으로 약간 높게 나타났다. 즉 역기전력 발생 측면에서는 회전자(200)에 스큐각(ST)를 주는 것보다는 고정자에 스큐각(ST)를 주는 것이 더 효과적임을 알 수 있다.
다만, 도 7(b)를 살펴보면, 코깅토크값은 전체 스큐각(ST) 24°를 형성하는 경우 고정자보다는 본 발명인 회전자(200)에서 상대적으로 낮게 나타났다.
그리고, 도 7(c) 및 도 7(d)를 살펴보면, 3300rpm에서의 토크리플은 본 발명인 회전자(200)와 고정자에서 비교적 비슷하게 낮은 값을 형성하였으며, 16000rpm에서의 토크리플은 고정자보다는 본 발명인 회전자(200)에서 상대적으로 낮은 값을 나타내었다.
따라서, 역기전력 발생 측면에서는 다소 불리한 점은 있으나, 모터의 안정적인 출력을 발생시키기 위한 코깅토크 및 토크리플 감소 측면에서는 본 발명인 회전자(200) 모델에 스큐각(ST)를 형성하는 것이 더 효과적임을 알 수 있다.
다음으로, 본 발명인 모터는 모터하우징(미도시), 고정자(미도시), 상기 회전자(200), 샤프트(미도시)를 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 모터하우징, 상기 고정자, 상기 샤프트는 모터에 사용되는 일반적인 형태로 제공될 수 있다.
즉 상기 모터하우징 내부 둘레를 따라 코일이 원주방향으로 감겨진 상기 고정자가 배치되며, 상기 고정자의 중앙부에 역시 코일이 감겨 제공되는 본 발명의 회전자(200)가 중공홀(210)에 상기 샤프트가 결합되어 회전 가능하게 배치되는 통상적인 모터 구조를 이룰 수 있다. 이때 상기 샤프트의 회전이 원활토록 베어링(미도시)이 상기 샤프트의 주변부에 배치될 수 있다.
이러한 본 발명의 회전자(200)가 장착된 본 발명의 모터는 도 1과 같은 통상적인 모터 형태를 이루므로, 구체적인 도면은 생략하도록 한다.
본 발명은 회전자 및 모터는 상기와 같은 구성 및 실험결과를 통해 알 수 있듯이, 코깅토크 및 토크리플을 감소시킴으로써, 궁극적으로 모터 출력의 안정화를 도모하여 에너지 손실을 방지하는 효과를 발휘하는 것이다.
200:회전자 210:중공홀
220:회전자블록 230:코일슬롯
240:회전자코어 300:자력부재
310:제1 영구자석 320:제2 영구자석
A:제1 영구자석간의 스큐각 B:제1 영구자석의 길이
C:제2 영구자석의 길이 S:회전자블록간의 스큐각
ST:전체 회전자블록간의 스큐각

Claims (13)

  1. 중앙부에 중공홀이 형성된 회전자코어; 및
    상기 회전자코어의 원주방향을 따라 W 형태를 이루며 배치되는 자력부재;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 자력부재는,
    상기 회전자코어상에 서로 일단부가 접하도록 배치되는 한 쌍의 제1 영구자석; 및
    상기 회전자코어상에 상기 한 쌍의 제1 영구자석의 타단부에 접하도록 배치되는 한 쌍의 제2 영구자석;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제1 영구자석은 서로 접하여 ∧ 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한 쌍의 제1 영구자석은 스큐각 145~155°를 이루며 서로 접하는 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제2 영구자석은 상기 제1 영구자석과 접하며 ∨ 형태를 이루는 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영구자석의 길이는 상기 제2 영구자석의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 영구자석의 길이는 22~24mm인 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제2 영구자석의 길이는 6.4~8.4mm인 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 자력부재는, 상기 회전자코어의 원주방향을 따라 복수개로 배치되는 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자력부재는, 상기 회전자코어의 원주방향을 따라 90°간격을 이루며 4개의 유닛으로 배치되는 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 회전자코어는, 복수의 회전자블록이 적층되어 형성되되,
    상기 회전자블록의 적층수는 5 스텝, 적층된 상기 회전자블록들간의 코일슬롯이 이루는 전체 스큐각은 24°인 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  12. 제11항에 있어서,
    각각의 상기 회전자블록사이에 상기 코일슬롯이 이루는 스큐각은 6°로 동일한 것을 특징으로 하는 W 타입 영구자석 배치를 갖는 회전자.
  13. 모터하우징;
    상기 모터하우징의 내부 둘레를 따라 배치되며, 원주방향으로 복수의 코일이 감겨 제공되는 고정자;
    상기 고정자의 중심에 배치되는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 회전자; 및
    상기 회전자의 중공홀에 장착되는 샤프트;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.

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