KR20170072056A - Bldc 모터의 spm 타입 하프마그넷 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2P(P=극쌍수)극의 BLDC 모터 상에 SPM타입의 마그넷을 적용한 구조에 있어서: 스테이터(10) 상에 각각 P*q*m개의 티스(12)와 슬롯(15)을 지닌 전기자철심(22)을 구비하고(여기서, q=상수로서 정수이고, m=매극매상당 슬롯수로서 0.5의 정수배), 상기 전기자철심(22)에 대응하여 로터(30)의 외주면에 P극의 마그넷(35)을 구비하되, 상기 전기자철심(22) 상에 전기자권선을 분포권 패턴으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, SPM 방식의 BLDC 모터에서 하프 수량으로 배치된 자석에 대응하는 권선의 패턴을 조절하여 제조원가를 절감하는 동시에 토크변동 축소에 의한 성능유지를 도모하는 효과가 있다.

Description

BLDC 모터의 SPM 타입 하프마그넷 구조{Half magnet structure for SPM type BLDC motor}

본 발명은 BLDC 모터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 SPM 방식의 BLDC 모터에서 하프 수량으로 배치된 자석에 대응하는 권선의 패턴을 조절하여 토크 변동을 축소하는 BLDC 모터의 SPM 타입 하프마그넷 구조에 관한 것이다.

BLDC 모터의 특성에 영향을 주는 설계변수는 많으나 자석을 탑재한 회전축의 외경, 마그넷의 물성, 공극의 크기, 고정자의 외경 등이 중요하다. 이러한 설계변수가 부조화되면 불균형 자기력 등에 의한 토크리플을 유발한다. 토크리플은 모터의 소음 및 진동과 직결되므로 개선이 필요한 사항이다. 근래에 BLDC 모터에서 원가절감을 위해 마그넷의 수량을 줄이기도 하는데, 이 경우 성능적인 측면에서 동일성은 유지되나 토크리플이 비교적 커지는 경향이 있다.

토크리플 해소와 관련되어 참조할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제0296303호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0570361호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 전류상승시 초기 일정시간동안 PWM 제어를 하지 않고, 스위칭소자를 턴온시켜 상전류가 원하는 값에 빨리 도달하도록 하여 시간지연을 줄이고, 전류하강시 상도통구간이 끝난후에 일정시간동안 작은 듀티비로 전압을 인가하여 정류시 발생하는 토크리플을 저감함을 요지로 한다. 이에, 모터의 토크리플을 저감시켜 진동/소음을 저감하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 코어에 권선된 적어도 한 쌍 이상의 코일을 구비한 슬롯리스 고정자와; 외주면에 적어도 한 쌍 이상의 N극과 S극이 교대로 원주방향으로 배열되도록 착자되고 상기 자극이 상기 슬롯리스 고정자의 내주면과 대향되어 회전가능하도록 상기 슬롯리스 고정자의 내부에 설치된 회전자;를 포함한다. 이에, 슬롯이 없기 때문에 코깅 토크가 감소될 뿐만 아니라, 코일의 권선 및 고정자의 제작이 용이한 장점을 기대한다.

그러나, 선행문헌 1은 스위칭 제어의 소프트웨어적 방식으로 한정되고 선행문헌 2는 슬롯리스에 의한 코깅 토크의 저감에 한정되므로 토크리플을 최적의 범위로 축소하는 설계변수를 도출하기 한계를 보인다. 특히, SPM 타입의 BLDC 모터에 하프 수량의 마그넷을 적용하는 구조에 있어서 상기 선행문헌의 어느 경우에나 토크리플이 심해지는 현상을 방지하기 미흡하다.

1. 한국 등록특허공보 제0296303호 "비엘디씨 모터의 토크리플 저감방법" (공개일자 : 2000.08.05.) 2. 한국 등록특허공보 제0570361호 "슬롯리스 고정자를 갖는 브러시리스 직류 모터" (공개일자 : 2004.07.22.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, SPM 방식의 BLDC 모터에서 고가의 자석을 1/2 수량으로 배치하면서 이에 대응하는 권선의 패턴을 조절하여 토크변동 축소에 의한 성능유지를 도모하는 BLDC 모터의 SPM 타입 하프마그넷 구조를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 2P(P=극쌍수)극의 BLDC 모터 상에 SPM타입의 마그넷을 적용한 구조에 있어서: 스테이터 상에 각각 P*q*m개의 티스와 슬롯을 지닌 전기자철심을 구비하고(여기서, q=상수로서 정수이고, m=매극매상당 슬롯수로서 0.5의 정수배), 상기 전기자철심에 대응하여 로터의 외주면에 P극의 마그넷을 구비하되, 상기 전기자철심 상에 전기자권선을 분포권 패턴으로 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 스테이터의 티스와 슬롯이 각각 12개인 경우 3상의 전기자권선이 제1티스, 제3티스, 제5티스에서 각각 최대 5개의 슬롯에 걸치도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 로터는 설정된 티스와 슬롯의 수량에 대응하여 고조파 성분의 상호작용을 최소화하는 극수(2P)의 1/2 수량(P)에 해당하는 마그넷을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전기자권선은 각 티스를 반경방향의 복층 영역으로 구분하고 일측의 영역에 집중권 패턴을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, SPM 방식의 BLDC 모터에서 하프 수량으로 배치된 자석에 대응하는 권선의 패턴을 조절하여 제조원가를 절감하는 동시에 토크변동 축소에 의한 성능유지를 도모하는 효과가 있다.

도 1은 종래 및 본 발명에 따른 BLDC 모터의 주요부를 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 권선패턴을 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 유기전압을 정현파로 나타내는 도표

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 2P(P=극쌍수)극의 BLDC 모터 상에 SPM타입의 마그넷을 적용한 구조에 관하여 제안한다. 도 1(a)는 종래의 BLDC 모터의 로터(30)에 6개의 마그넷(35)으로 6극을 형성함을 예시하고, 도 1(b)는 본 발명의 BLDC 모터의 로터(30)에 3개의 마그넷(35)으로 3극을 형성함을 예시한다. 다만, 도 1은 모델링 해석을 위해 임의로 설정된 예시 모델에 불과하다.

본 발명에 따르면 스테이터(10) 상에 각각 P*q*m개의 티스(12)와 슬롯(15)을 지닌 전기자철심(22)을 구비한다. 여기서, q=상수로서 정수이고, m=매극매상당 슬롯수로서 0.5의 정수배이다. 스테이터(10)의 극수를 P(정수), 상수를 m(정수), 매극매상 당의 슬롯수를 q(0.5, 1, 1.5, 2, 2.5 … 로 0.5 단위로 증가), 전기자철심(22)의 슬롯(15) 수를 K로 설정하는 경우, 하기 관계식이 성립된다.

K = P * q * m

또, 본 발명에 따르면 상기 전기자철심(22)에 대응하여 로터(30)의 외주면에 P극의 마그넷(35)을 구비한다. 예를 들어, 6극 구조의 영구자석 배열을 갖는 로터(30)의 경우 N-S-N-S-N-S 로 6개의 마그넷(35)으로 구성되지만, 본 발명의 하프마그넷 구조는 N-X-N-X-N-X 로 구성하여 마그넷(35)이 3개로 축소된다. X는 마그넷(35)이 없는 부분으로서 각 N극이 이웃하는 전기자철심(22)을 자화시켜 마그넷(35)이 있을 때와 비슷한 효과를 유도한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 로터(30)는 설정된 티스(12)와 슬롯(15)의 수량에 대응하여 고조파 성분의 상호작용을 최소화하는 극수(2P)의 1/2 수량(P)에 해당하는 마그넷(35)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 고가의 ND 자석을 사용하는 마그넷(35)의 양의 절반으로 축소하여 비용을 절감하는 동시에 성능의 감소를 최소화하기 위한 구조가 바람직하다. 즉, 본 발명은 6극 12슬롯의 모터에 대해 도시하고 설명하지만, 8극, 10극, 12극 등 극수에 상관없이 적용될 수 있으며, 이는 BLDC 모터의 실제적용에서 부하 특성을 고려하여 절충적으로 결정된다.

전기자동차에 대한 실험예에 의하면, 8극 12슬롯 모델이 10극 12슬롯 모델에 비하여 효율이 높고 토크리플이 축소되는 것으로 나타난다.

한편, BLDC 모터의 토크 리플은 다양한 원인으로 발생하지만 회전자와 고정자 기자력(MMF)의 고조파 성분의 상호 작용을 배제할 수 없다. 공급전압의 파형과 동일하지 않은 파형의 전류가 흐르는 비선형 부하로 유발되는 고조파는 가전기기나 변압기 등과 같이 자기포화가 일어나는 전력기기에서 발생하기 쉽다.

또, 본 발명에 따르면 상기 전기자철심(22) 상에 전기자권선을 분포권 패턴으로 구비한다. SPM타입에서는 집중권을 사용하면 토크리플이 크게 증가하여 하프마그넷 구조를 적용할 수 없기 때문에 분포권을 사용하여 토크리플을 감소하는 것이 바람직하다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 스테이터(10)의 티스(12)와 슬롯(15)이 각각 12개인 경우 3상의 전기자권선이 제1티스, 제3티스, 제5티스에서 각각 최대 5개의 슬롯(15)에 걸치도록 배치되는 것을 특징으로 한다. 도 2의 BLDC 모터 모델을 기준으로 하면 3상의 전기자권선(25U)(25V)(25W)이 스테이터(10)에 각각 2분할 코일뭉치를 형성하도록 권취된다. 도 2의 좌측에서 우측으로 진행하면서 순차적으로 제1 내지 제12의 부호를 부여하면, 부호 25U의 전기자권선은 제1의 티스에서 제5의 티스까지 및 제7의 티스에서 제11의 티스까지 각각 감기고, 부호 25V의 전기자권선은 제5의 티스에서 제9의 티스까지 및 제11의 티스에서 제3의 티스까지 각각 감기고, 부호 25W의 전기자권선은 제9의 티스에서 제1의 티스까지 및 제3의 티스에서 제7의 티스까지 각각 감긴다.

물론, 도 5에서 슬롯(15)이 12개인 경우 3상의 전기자권선(25U)(25V)(25W)이 최대 5개의 슬롯(15)에 걸치는 것을 예시하지만, 2개 내지 4개의 슬롯(15)에 걸치도록 권선하는 구성도 포함한다.

한편, 전기자권선(25U)(25V)(25W)에 유기되는 전압은 엄격하게 말해서 정현파가 아니며 구형파이거나 고조파분을 많이 포함하고 있다. 분포권을 사용하면 고조파를 제거하여 파형을 개선할 수 있으며, 권선의 누설리액턴스가 감소하며, 열을 고르게 분포시켜 과열을 방지한다.

도 3에서, 본 발명의 분포권을 적용한 BLDC 모터는 유기전압을 정현파로 나타나는 것처럼 토크리플 축소 성능을 유지할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 전기자권선은 각 티스(12)를 반경방향의 복층 영역으로 구분하고 일측의 영역에 집중권 패턴을 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 로터(30)의 회전 중심에서 일정한 반경의 원주를 기준으로 내측영역과 외측영역으로 구분하고, 집중권과 분포권을 상호 다른 영역에 배치한 복층 구조로 하여 동손을 축소하고 양산의 생산성을 높일 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 스테이터 12: 티스
15: 슬롯 22: 전기자철심
25U, 25V, 25W: 전기자권선 30: 로터
35: 마그넷

Claims (4)

1. 2P(P=극쌍수)극의 BLDC 모터 상에 SPM타입의 마그넷을 적용한 구조에 있어서:
   스테이터(10) 상에 각각 P*q*m개의 티스(12)와 슬롯(15)을 지닌 전기자철심(22)을 구비하고(여기서, q=상수로서 정수이고, m=매극매상당 슬롯수로서 0.5의 정수배),
   상기 전기자철심(22)에 대응하여 로터(30)의 외주면에 P극의 마그넷(35)을 구비하되,
   상기 전기자철심(22) 상에 전기자권선을 분포권 패턴으로 구비하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 SPM 타입 하프마그넷 구조.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 스테이터(10)의 티스(12)와 슬롯(15)이 각각 12개인 경우 3상의 전기자권선이 제1티스, 제3티스, 제5티스에서 각각 최대 5개의 슬롯(15)에 걸치도록 배치되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 SPM 타입 하프마그넷 구조.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 로터(30)는 설정된 티스(12)와 슬롯(15)의 수량에 대응하여 고조파 성분의 상호작용을 최소화하는 극수(2P)의 1/2 수량(P)에 해당하는 마그넷(35)을 구비하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 SPM 타입 하프마그넷 구조.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 전기자권선은 각 티스(12)를 반경방향의 복층 영역으로 구분하고 일측의 영역에 집중권 패턴을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터의 SPM 타입 하프마그넷 구조.

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