KR20170050079A

KR20170050079A - 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기

Info

Publication number: KR20170050079A
Application number: KR1020150151136A
Authority: KR
Inventors: 홍승수; 홍정표
Original assignee: (주)지이엠
Priority date: 2015-10-29
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-05-11
Also published as: WO2017073813A1

Abstract

본 발명은 코깅토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 회전자 철심의 측면 길이방향으로 노치 형태의 홈을 형성하고, 그 홈의 최적 위치와 크기를 결정하여 매립형 영구자석 전동기에서 발생하는 소음과 진동을 감소시키며, 전동기의 성능을 향상시킬 수 있는 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 외주면에 다수의 용접홈이 소정간격 이격되어 형성되고, 중심부에 관통공이 형성되며, 외측 원주면을 따라 소정간격으로 다수의 슬롯이 형성된 원형의 고정자 철심; 내측 중심부에 회전축이 삽입되어 고정될 수 있도록 양측에 대칭되게 복수의 축 고정홈이 구비된 축 삽입공이 형성되고, 일측 단은 상호 인접하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되며 중심부를 기준으로 "V" 자 형태로 상호 대칭되게 쌍으로 원주면 가장자리를 따라 다수의 제1 자성체 홀이 형성되며, 대칭되는 제1 자성체 홀의 중심부의 하방에 다수의 제2 자성체 홀이 형성되고, 일측 단이 제2 자성체 홀의 양측 단에 인접하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되어 제2 자성체 홀을 중심으로 "V" 자 형태로 상호 대칭되게 다수의 제3 자성체 홀이 형성되며, 외주 단에는 측면 길이방향으로 노치 형태의 다수의 홈이 원주방향을 따라 소정간격 이격되어 형성되고, 고정자 철심의 중심부 관통공 내측에 수용되는 원형의 회전자 철심; 및 회전자 철심에 형성된 제1 자성체 홀, 제2 자성체 홀 및 제3 자성체 홀 각각에 매립되는 자성체를 포함하는 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기를 제공한다.

Description

코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기{Motor With Notched Rotor For Cogging Torque Reduction}

본 발명은 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 회전자 철심의 측면 길이방향으로 노치 형태의 홈을 형성하고, 그 홈의 최적 위치와 크기를 결정하여 매립형 영구자석 전동기에서 발생하는 소음과 진동을 감소시키며, 전동기의 성능을 향상시킬 수 있는 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기에 관한 것이다.

영구자석 동기전동기(PMSM-permanent magnet synchronous motors)는 효율과 역률이 좋고 고속운전이 가능하며, 다양한 구조설계가 가능하여 여러 분야에 걸쳐 오래전부터 연구되고 사용되어 왔다.

특히, 최근에는 고에너지 밀도의 영구자석 재질이 개발됨에 따라 고출력의 영구자석 전동기의 설계가 가능해졌다.

그러나, 고성능의 영구자석 동기 전동기가 운전할 때, 필연적으로 진동과 소음의 원인이 되는 큰 코깅 토크(cogging torque)를 수반하게 되며, 이러한 코깅 토크는 전동기가 클수록, 자화량이 많을수록 더욱 심화 된다.

코깅 토크는 회전자의 여러 위치에서 회전자와 고정자의 상대 위치가 변화함에 따라 회전자의 영구자석과 고정자의 슬롯 사이의 상호 작용에 의해 발생하는 것으로, 극/슬롯의 비율, 권선 방법, 자석과 슬롯의 형상, 고정자/회전자의 스큐(skew)의 유무 등에 따라 특성이 달라진다.

코깅 토크로 인한 토크 변동(torque ripple)은 동기기에 소음과 진동을 유발하며, 전동기의 수명을 단축 시킬 수 있으며, 영구자석 동기 전동기의 정밀 위치 및 속도 제어 성능에 직접적으로 영향을 끼치기 때문에 코깅 토크를 저감하기 위해서는 전동기 구성요소의 구조적 변경이 수반하게 된다.

그러나 이러한 구조적 변경은 전동기의 생산성과 경제성을 저하할 우려있어 전동기를 구성하는 각 구성요소의 설계 단계에서 생산성과 경제성을 고려한 구조적 변경을 통해 코깅 토크를 최소화할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.

선행기술문헌 : KR등록특허공보 제10-0992738호(2010.11.05 공고)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 회전자 철심의 측면 길이방향으로 노치 형태의 홈을 형성하고, 그 홈의 최적 위치와 크기를 결정하여 매립형 영구자석 전동기에서 발생하는 소음과 진동을 감소시키며, 전동기의 성능을 향상시킬 수 있는 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기는 외주면에 다수의 용접홈이 소정간격 이격되어 형성되고, 중심부에 관통공이 형성되며, 외측 원주면을 따라 소정간격으로 다수의 슬롯이 형성된 원형의 고정자 철심; 내측 중심부에 회전축이 삽입되어 고정될 수 있도록 양측에 대칭되게 복수의 축 고정홈이 구비된 축 삽입공이 형성되고, 일측 단은 상호 인접하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되며 중심부를 기준으로 "V" 자 형태로 상호 대칭되게 쌍으로 원주면 가장자리를 따라 다수의 제1 자성체 홀이 형성되며, 대칭되는 제1 자성체 홀의 중심부의 하방에 다수의 제2 자성체 홀이 형성되고, 일측 단이 제2 자성체 홀의 양측 단에 인접하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되어 제2 자성체 홀을 중심으로 "V" 자 형태로 상호 대칭되게 다수의 제3 자성체 홀이 형성되며, 외주 단에는 측면 길이방향으로 노치 형태의 다수의 홈이 원주방향을 따라 소정간격 이격되어 형성되고, 고정자 철심의 중심부 관통공 내측에 수용되는 원형의 회전자 철심; 및 회전자 철심에 형성된 제1 자성체 홀, 제2 자성체 홀 및 제3 자성체 홀 각각에 매립되는 자성체를 포함한다.

또한, 회전자 철심의 외주단에서 측면 길이방향의 노치 형태로 형성된 홈은 회전자 철심의 중심점을 기준으로 홈의 중심부와 제1 자성체 홀의 중심부 사이의 홈 각도가 21.5˚가 되는 곳에 위치하고, 회전자 철심의 중심점에서 홈의 중심부까지의 거리는 95 mm이며, 홈의 반경이 6 mm인 것을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면 매립형 영구자석 전동기에서 발생하는 코깅 토크를 감소시켜 소음과 진동을 감소시킬 수 있고, 전동기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

특히, 전동기의 회전자 철심의 구조적 변경을 최소화할 수 있어 전동기의 생산성과 경제성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기의 전체 구성도,
도 2는 고정자 철심의 평면도,
도 3은 회전자 철심의 평면도,
도 4는 회전자 철심에 형성된 홈의 위치와 크기를 도시한 도면,
도 5는 홈이 형성된 회전자의 회전각에 따른 코깅 토크 변화를 도시한 그래프,
도 6는 회전자 철심에 형성된 홈의 각도에 따른 토크 실효 값을 도시한 도면,
도 7는 회전자의 중심점에서 회전자 철심에 형성된 홈의 중심까지 거리에 따른 토크 실효 값을 도시한 도면,
도 8은 회전자 철심에 형성된 홈의 반경에 따른 토크 실효 값을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 따른 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기는 고정자 철심의 슬롯에 권취된 코일에 전류를 인가하면, 코일에서의 극성이 순차로 변화되면서 회전자 철심에 매립된 다수 개의 영구자석을 포함한 자성체에 의한 마그넷 토크(Magnet Torque) 및 자기저항 토크(Reluctance Torque)를 이용하여 회전자 철심을 구동시키는 매립형 영구자석 전동기의 일종이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기는, 도 1 내지 도 4를 참조하면, 고정자 철심(10)(Stator Core), 회전자 철심(40)(Rotor Core), 자성체(50)(Magnet)를 포함하여 이루어진다.

원형의 고정자 철심(10)은 도 1 및 도 2를 참조하면, 외주면에 길이방향으로 전동기의 하우징 내측과 용접하여 고정하기 위한 다수의 용접홈(12)이 소정간격 이격되어 형성된다.

또한, 통상적인 전동기와 같이 중심부에 아래의 회전자 철심(40)이 삽입되기 위한 관통공(14)이 형성되며, 외측 원주면을 따라 소정간격으로 다수의 슬롯(16)이 형성된다.

원형의 회전자 철심(40)은 도 3을 참조하면, 고정자 철심(10)의 중심부 관통공(14) 내측에서 회전이 가능하게 수용된다.

회전자 철심(20)에는 내측 중심부에 전동기의 회전축이 삽입되어 고정될 수 있도록 양측에 대칭되게 복수의 축 고정홈(22)이 구비된 축 삽입공(24)이 형성된다.

한편, 회전자 철심(20)에는 아래의 영구자석을 포함한 자성체(50)가 매립될 수 있도록 다수의 자성체 홀이 형성된다.

도 3을 참조하면, 제1 자성체 홀(28)은 일측 단이 상호 간에 인접하여 위치하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되며, 중심부를 기준으로 "V" 자 형태로 상호 좌측 및 우측이 대칭되게 쌍으로 형성되며, 이 쌍은 원주면 가장자리를 따라 다수 개가 형성된다.

회전자 철심(40)의 제2 자성체 홀(30)은 대칭되는 제1 자성체 홀(28)의 중심부의 하방에 위치하며 원주 방향을 따라 제1 자성체 홀(28)이 형성된 위치마다 각 하나씩 다수 개가 형성된다.

회전자 철심의 제3 자성체 홀(32)은 일측 단이 제2 자성체 홀(28)의 양측 단에 인접하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되고, 제2 자성체 홀을 중심으로 "V" 자 형태로 상호 좌측 및 우측이 대칭되게 형성되며, 제2 자성체 홀을 따라 원주방향으로 다수 개가 형성된다.

회전자 철심(40)의 각 자성체 홀은 영구자석을 포함한 자성체가 분산되도록 배치하여 자속 경로를 분산시키는 효과가 있으며, 회전자 철심의 한정된 공간에 많은 자성체가 수용될 수 있도록 한다.

한편, 제1 자성체 홀과 제3 자성체 홀에 형성된 에어갭은 자성체의 자속에 영향을 주는 역할을 수행한다.

또한, 도 3 및 도 4를 참조하면, 전동기의 코깅 토크를 감소시키기 위해 회전자 철심(40)의 외주 단에는 측면 길이방향으로 노치 형태의 다수의 홈(34)이 원주방향을 따라 소정간격 이격되어 형성된다.

이 노치 형태의 홈(34)은 도 5를 참조하면, 회전자 철심(40)에 형성되는 그 위치와 크기에 따라 코깅 토크의 실효값에 영향을 미친다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 회전자 철심(40)에 형성된 노치 형태의 홈의 위치와 크기는 도 4를 참조하면, 회전자의 외주단에 노치 형태로 형성된 홈은 회전자의 중심점을 기준으로 홈의 중심부와 제1 자성체 홀의 중심부 사이의 홈 각도가 21.5˚가 되는 곳에 위치하고, 회전자의 중심점에서 홈의 중심까지의 거리는 95 mm이며, 홈의 반경이 6 mm인 일 때 전동기가 최소한의 코깅토크 실효 값을 가진다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 회전자 철심(40)에 형성된 노치 형태의 홈의 위치와 크기는 아래에 서술된 실험에 의한 데이터의 획득을 통해 확인할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전동기의 크기는, 고정자 철심(10)의 외경은 306.50mm, 내경은 182.0mm 이고, 회전자 철심(40)의 외경은 81.5mm, 내경은 90.0mm로 하여 실험을 수행하였다.

먼저, 회전자 철심의 외주단에서 측면 길이방향으로 노치 형태로 형성된 홈(34)의 위치를 설정하기 위한 홈의 각도는 도 4를 참조하면, 회전자 철심(40)의 중심점(원점)을 기준으로 홈의 중심부와 제1 자성체 홀의 중심부 사이에 형성된 각도로 표현된다.

도 6을 참조하면, 이 홈의 각도에 따라 토크 실효 값이 달라지며, 그 홈의 각도가 21.5˚일 때 될 때 토크 실효 값이 1.09 Nm로 최소가 됨을 알 수 있다.

또한, 회전자 철심의 중심점(원점)에서 홈의 중심부까지의 거리는 도 4에 도시한 바와 같이 표현된다.

도 7을 참조하면, 회전자 철심의 중심점에서 홈의 중심부까지의 거리가 95 mm 일 때 토크 실효 값이 1.09 Nm로 최소가 됨을 알 수 있다.

또한, 홈의 반경은 도 4에 도시한 바와 같이 회전자 철심의 중심점(원점)에서 홈의 중심부까지의 거리에서 형성된 원의 반경으로 표현된다.

도 8을 참조하면, 회전자 철심의 중심점에서 홈의 중심부까지의 거리에서 형성된 홈의 반경이 6 mm 일 때 토크 실효 값이 1.09 Nm로 최소가 됨을 알 수 있다.

한편, 자성체(50)는 회전자 철심(40)에 형성된 제1 자성체 홀, 제2 자성체 홀 및 제3 자성체 홀 각각에 매립되어 고정자 철심의 코일(미도시)에 전류를 인가하면, 코일에서의 극성이 순차로 변화되면서 회전자 철심에 매립된 영구자석 등을 포함한 자성체와 반발력 및 흡인력을 발생시키고, 이에 따른 원심력에 의해 회전 구동력을 발생시킨다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10 - 고정자 철심 12 - 용접홈
14 - 관통공 16 - 슬롯
22 - 고정홈 24 - 삽입공
26 - 에어갭 28 - 제1 자성체 홀
30 - 제2 자성체 홀 32 - 제3 자성체 홀
34 - 홈 40 - 회전자 철심
50 - 자성체

Claims

외주면에 다수의 용접홈이 소정간격 이격되어 형성되고, 중심부에 관통공이 형성되며, 외측 원주면을 따라 소정간격으로 다수의 슬롯이 형성된 원형의 고정자 철심;
내측 중심부에 회전축이 삽입되어 고정될 수 있도록 양측에 대칭되게 복수의 축 고정홈이 구비된 축 삽입공이 형성되고,
일측 단은 상호 인접하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되며 중심부를 기준으로 "V" 자 형태로 상호 대칭되게 쌍으로 원주면 가장자리를 따라 다수의 제1 자성체 홀이 형성되며,
대칭되는 제1 자성체 홀의 중심부의 하방에 다수의 제2 자성체 홀이 형성되고,
일측 단이 제2 자성체 홀의 양측 단에 인접하고, 타측 단에는 돌출된 에어갭이 형성되어 제2 자성체 홀을 중심으로 "V" 자 형태로 상호 대칭되게 다수의 제3 자성체 홀이 형성되며,
외주 단에는 측면 길이방향으로 노치 형태의 다수의 홈이 원주방향을 따라 소정간격 이격되어 형성되고,
고정자 철심의 중심부 관통공 내측에 수용되는 원형의 회전자 철심; 및
회전자 철심에 형성된 제1 자성체 홀, 제2 자성체 홀 및 제3 자성체 홀 각각에 매립되는 자성체
를 포함하는, 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기.
제1항에 있어서,
회전자 철심의 외주단에서 측면 길이방향의 노치 형태로 형성된 홈은 회전자 철심의 중심점을 기준으로 홈의 중심부와 제1 자성체 홀의 중심부 사이의 홈 각도가 21.5˚가 되는 곳에 위치하고,
회전자 철심의 중심점에서 홈의 중심부까지의 거리는 95 mm이며,
홈의 반경이 6 mm인 것
을 특징으로 하는, 코깅 토크 저감을 위한 홈이 형성된 회전자를 구비한 전동기.