KR20170116733A

KR20170116733A - 매입형 영구자석 모터

Info

Publication number: KR20170116733A
Application number: KR1020160044672A
Authority: KR
Inventors: 김성일; 이형철; 임성택; 김준석; 윤태호
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2016-04-12
Filing date: 2016-04-12
Publication date: 2017-10-20
Also published as: US10505413B2; EP3242377A1; EP3242377B1; KR102629775B1; US20170294813A1

Abstract

본 발명은 돌극비가 향상된 매입형 영구자석 모터에 관한 것으로서, 본 발명에 의한 매입형 영구자석 모터는, 중공과 상기 중공의 둘레에 설치된 복수의 코일을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 중공에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 마련된 복수의 영구자석을 포함하는 회전자;를 포함하며, 상기 회전자의 상기 복수의 영구자석 각각은, 중앙 영구자석; 상기 중앙 영구자석의 양단에서 상기 회전자의 외주면을 향해 경사지게 설치되는 한 쌍의 측면 영구자석; 및 상기 중앙 영구자석과 상기 한 쌍의 측면 영구자석 사이에 형성되며, 상기 중앙 영구자석의 두께와 동일하거나 더 두꺼운 한 쌍의 배리어;를 포함하며, 상기 중앙 영구자석의 두께는 상기 한 쌍의 측면 영구자석의 두께보다 두껍게 형성된다.

Description

매입형 영구자석 모터{Interior permanent magnet motor}

본 발명은 매입형 영구자석 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 돌극비를 향상시킴으로써 성능이 향상되는 매입형 영구자석 모터에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석 동기 모터(permanent magnet synchronous motor; PMSM)또는 영구자석 모터(permanent magnet motor; PMM)는 고출력 및 고효율 특성이 있어, 산업용으로 널리 사용되고 있다.

이러한 영구자석 모터는 회전자에 영구자석을 설치하는 위치에 따라, 회전자의 표면에 영구자석을 붙인 표면형 영구자석 모터(SPMM : Surface Permanent Magnet Motor)와 회전자의 내부에 영구자석을 내장시킨 매입형 영구자석 모터(Interior Permanent Magnet Motor; IPMM)의 두 종류로 구분된다.

종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터는 가장 빈번하게 운전되는 영역을 고려하지 않고 최대 출력에서의 효율만을 증가시키는데 초점이 맞춰져 있었다. 이를 위해, 동손(copper loss)을 줄이고자 한정된 회전자 공간 내에서 영구자석에 의한 자속을 최대한 확보하기 위해 영구자석의 단면적을 최대화할 수 있는 V자 또는 U자 형상이며 두께가 일정한 복수의 영구자석을 사용하였다. 그러나, 이러한 구조는 고정자 코어의 자속 포화를 심화시켜 돌극비를 감소시키고 철손을 증가시키는 요인이 되었을 뿐만 아니라 높은 역기전력을 발생시켜 운전 영역이 감소하는 결과를 초래하게 되었다.

따라서, 돌극비를 향상시켜 저속 효율 향상, 입력 전류의 저감, 및 운전영역의 확대 등과 같은 성능이 향상된 매입형 영구자석 모터의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안된 것으로서, 돌극비를 향상시켜, 저속 효율 향상, 입력 전류의 저감, 및 운전영역을 확대함으로써 성능이 향상된 매입형 영구자석 모터와 관련된다.

본 발명의 일 측면에 따르는 매입형 영구자석 모터는, 중공과 상기 중공의 둘레에 설치된 복수의 코일을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 중공에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 마련된 복수의 영구자석을 포함하는 회전자;를 포함하며, 상기 회전자의 상기 복수의 영구자석 각각은, 중앙 영구자석; 상기 중앙 영구자석의 양단에서 상기 회전자의 외주면을 향해 경사지게 설치되는 한 쌍의 측면 영구자석; 및 상기 중앙 영구자석과 상기 한 쌍의 측면 영구자석 사이에 형성되며, 상기 중앙 영구자석의 두께와 동일하거나 더 두꺼운 한 쌍의 배리어;를 포함하며, 상기 중앙 영구자석의 두께는 상기 한 쌍의 측면 영구자석의 두께보다 두껍게 형성될 수 있다.

이때, 상기 고정자의 상기 복수의 코일 중 인접한 2개의 코일 사이의 간격은 상기 복수의 영구자석 중 인접한 2개의 영구자석 각각의 한 쌍의 측면 영구자석 중 서로 인접하는 2개의 측면 영구자석의 가장 멀리 떨어진 두 점 사이의 거리보다 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 복수의 영구자석 각각은 다음 조건을 만족하도록 형성되는, 매입형 영구자석 모터.

0.5 x Lm ≤ Lc ≤ Lm

여기서, Lc는 한 쌍의 측면 영구자석 사이의 최단 거리를 나타내며, Lm은 한 쌍의 측면 영구자석의 길이를 나타낸다.

또한, 상기 중앙 영구자석은 d축 방향으로 수직하고 평행하게 배치된 적어도 2개의 중앙 영구자석을 포함할 수 있다.

또한, 상기 복수의 코일 중 인접하는 2개의 코일의 측면은 서로 평행하게 설치될 수 있다.

본 발명이 다른 측면에 따르는 매입형 영구자석 모터는, 중공과 상기 중공의 둘레에 설치된 복수의 코일을 포함하는 고정자; 및 상기 고정자의 중공에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 복수의 영구자석이 설치된 회전자;를 포함하며, 상기 회전자의 상기 복수의 영구자석 각각은, 중앙 영구자석; 상기 중앙 영구자석의 양단에서 상기 회전자의 외주면을 향해 경사지게 설치되는 한 쌍의 측면 영구자석; 및 상기 중앙 영구자석과 상기 한 쌍의 측면 영구자석 사이에 형성되는 한 쌍의 배리어;를 포함하며, 상기 고정자의 상기 복수의 코일 중 인접한 2개의 코일 사이의 간격은 상기 복수의 영구자석 중 인접한 2개의 영구자석 각각의 한 쌍의 측면 영구자석 중 서로 인접하는 2개의 측면 영구자석 각각의 상기 회전자의 원주방향으로 가장 멀리 떨어진 두 점 사이의 거리보다 크게 형성될 수 있다.

이때, 상기 중앙 영구자석의 두께는 상기 한 쌍의 측면 영구자석의 두께보다 두껍게 형성된다.

또한, 상기 한 쌍의 배리어의 두께는 상기 중앙 영구자석의 두께와 동일하거나 더 두껍게 형성될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 나타내는 단면도;
도 2는 도 1의 매입형 영구자석 모터의 부분 단면도;
도 3은 도 2의 영구자석을 나타내는 확대 단면도;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 고정자의 다른 예를 나타내는 부분 단면도;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 고정자 치 폭과 영구자석과의 관계를 설명하기 위한 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 회전자의 영구자석 슬롯을 나타내는 도면;
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 배리어가 비자성체로 형성된 경우를 나타낸 도면;
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 영구자석을 지지하는 고정 리브의 일 예를 나타내는 부분 단면도;
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 영구자석을 지지하는 고정 리브의 다른 예를 나타내는 부분 단면도;
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 영구자석을 지지하는 고정 리브의 또 다른 예를 나타내는 부분 단면도;
도 11은 다른 실시예에 의한 영구자석이 사용된 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 나타내는 부분 단면도;
도 12는 도 11의 영구자석을 나타내는 확대 단면도;
도 13은 도 12의 영구자석 슬롯을 나타내는 확대 단면도;
도 14a는 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터의 인덕턴스와 돌극비를 나타내는 그래프;
도 14b는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 인덕턴스와 돌극비를 나타내는 그래프;
도 15는 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터와 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 효율을 비교하는 그래프;
도 16은 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터와 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 입력 전류와 운전 영역을 비교하는 그래프;이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 매입형 영구자석 모터의 실시예들에 대하여 상세하게 설명한다.

이하에서 설명되는 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들과 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 나타내는 단면도이다. 도 2는 도 1의 매입형 영구자석 모터의 부분 단면도이고, 도 3은 도 2의 A부를 나타내는 확대 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터(1)는 고정자(10)와 회전자(30)를 포함한다.

고정자(10)는 고정자 코어(11)와 복수의 코일(13)을 포함한다. 고정자 코어(11)의 내부에는 원통 형상의 중공(15)이 형성되며, 중공(15)의 둘레에는 일정 간격으로 복수의 코일 홈(12)이 마련된다. 복수의 코일 홈(12)에는 각각 코일(13)이 설치된다. 각 코일 홈(12)에는 코일(13)을 고정하기 위한 한 쌍의 고정 돌기(14)가 마련된다. 고정자 코어(11)는 철과 같은 전도성 재질로 형성될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 복수의 코일 홈(12) 중 인접한 2개의 코일 홈(12-1,12-2)은 마주하는 2개의 측면(12-1a,12-2a)이 서로 평행하도록 형성될 수 있다. 이 경우에, 2개의 코일 홈(12-1,12-2)에 삽입된 2개의 코일(13-1,13-2)의 측면도 대략 서로 평행하게 된다. 따라서, 2개의 코일 홈(12-1,12-2) 사이에 위치하는 고정자 코어(11)의 부분(11a)은 고정자(10)의 중심(C)을 향해 돌출되는 직사각형 형상의 치(tooth)를 형성한다, 따라서, 고정자 코어(11)에 형성된 복수의 코일 홈(12)에 의해 복수의 고정자 치(11a)가 형성된다. 이때, 2개의 코일 홈(12-1,12-2)의 서로 마주하는 2개의 측면(12-1a,12-2a) 사이의 거리(Lt)는 고정자 치 폭이라고 할 수 있다.

도 1 및 도 2에는 복수의 코일 홈 중의 인접한 2개의 코일 홈(12-1,12-2)의 측면(12-1a,12-2a)이 서로 평행하게 형성되어 복수의 고정자 치(11a)가 직사각형 형상으로 형성된 경우를 도시하고 있으나, 복수의 코일 홈(12)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다. 인접한 2개의 코일 홈(12-1,12-2)의 측면(12-1a,12-2a)이 도 4 에 도시된 바와 같이 경사지도록 복수의 코일 홈(12)을 형성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 고정자의 다른 예를 나타내는 부분 단면도이다.

도 4를 참조하면, 복수의 코일 홈(12) 중 인접한 2개의 코일 홈(12-1,12-2)의 측면(12-1a,12-2a)은 q축에 평행한 2개의 직선(L1,L2)에 대해 일정 각도(θ) 경사지도록 형성된다. 여기서, q축은 고정자 코어(11)의 중심(C)에서 인접한 2개의 코일 홈(12-1,12-2)의 중간을 통과하는 직선을 말한다. 따라서, 복수의 코일 홈(12)에 의해 형성되는 복수의 고정자 치(11a)는 사다리꼴 형상으로 형성되게 된다. 이때, 고정자 치 폭(Lt)은 인접한 2개의 코일 홈(12-1,12-2)의 측면(12-1a,12-2a)의 중심(R1,R2) 사이의 거리를 말한다.

회전자(30)는 고정자(10)의 중공(15)에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 설치되는 복수의 영구자석(40)을 포함한다. 구체적으로, 회전자(30)는 회전자 코어(31)와 회전자 코어(31) 내부에 설치되는 복수의 영구자석(40)을 포함할 수 있다. 복수의 영구자석(40)은 인접한 2개의 영구자석(40-1,40-2)이 자기회로를 형성하도록 인접한 2개의 영구자석(40-1,40-2)은 다른 자극을 갖도록 배치된다. 일 예로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 영구자석(40-1)은 화살표 M1과 같이 자속이 회전자(30)의 중심(C)에서 바깥쪽으로 흐르도록 배치되면, 제1 영구자석(40-2)에 인접한 제2 영구자석(40-2)은 화살표 M2와 같이 자속이 회전자의 바깥쪽에서 중심으로 흐르도록 배치된다.

또한, 도시하지는 않았지만 회전자(30)의 중심에는 샤프트가 고정될 수 있다. 따라서, 회전자(30)가 회전하면, 샤프트가 회전자(30)와 일체로 회전할 수 있다.

복수의 영구자석(40)의 각각은 중앙 영구자석(41)과 중앙 영구자석(41)의 양단에 설치되는 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)을 포함한다. 중앙 영구자석(41)은 회전자(30)의 중심(C)을 지나는 d축에 수직하게 설치되며, 중앙 영구자석(41)의 중심은 d축 상에 위치한다. 또한, 중앙 영구자석(41)의 두께(Tc)는 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)의 두께(Tm)보다 두껍게 형성된다. 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)은 중앙 영구자석(41)의 양단에서 회전자(30)의 외주면을 향해 경사지게 설치된다. 즉, 측면 영구자석(42,43)은 중앙 영구자석(41)에 대해 상향 경사지게 설치된다.

중앙 영구자석(41)과 한 쌍의 측면 영구자석(42,43) 사이에는 한 쌍의 배리어(50)가 마련된다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이, 중앙 영구자석(41)의 좌측에 설치되는 제1 측면 영구자석(42)과 중앙 영구자석(41)의 좌측단 사이에는 제1 배리어(50-1)가 마련되며, 중앙 영구자석(41)의 우측에 설치되는 제2 측면 영구자석(43)과 중앙 영구자석(41)의 우측단 사이에는 제2 배리어(50-2)가 마련된다. 이때, 한 쌍의 배리어(50)의 두께(또는, 높이)(Tb)는 중앙 영구자석(41)의 두께(Tc)와 동일하거나 더 두껍도록 형성될 수 있다. 한 쌍의 배리어(50)는 공기 또는 비자성체로 형성할 수 있다.

또한, 영구자석(40)은 다음 조건을 만족하도록 형성된다.

0.5 x Lm ≤ Lc ≤ Lm

여기서, Lc는 한 쌍의 측면 영구자석(42,43) 사이의 최단 거리를 나타내며, Lm은 측면 영구자석(42,43)의 길이를 나타낸다. 구체적으로, 도 3을 참조하면, Lc는 d축에 가장 근접한 제1 측면 영구자석(41)의 한점(P1)과 제2 측면 영구자석(42)의 한점(P2) 사이의 거리를 말한다. 따라서, Lc는 중앙 영구자석(41)과 한 쌍의 배리어(50)의 일부를 포함하는 길이이다.

또한, 인접한 2개의 영구자석(40-1,40-2)은 고정자 치(11a)의 폭(Lt)과 일정한 관계를 만족하도록 배치된다. 구체적으로, 고정자(10)의 복수의 코일 홈(12) 중 인접한 2개의 코일 홈(12-1,12-2) 사이의 간격(Lt), 즉 복수의 코일 홈(12)에 설치된 복수의 코일(13) 중 인접한 2개의 코일 사이의 간격인 고정자 치 폭이 복수의 영구자석(40) 중 인접한 2개의 영구자석(40-1,40-2) 각각의 한 쌍의 측면 영구자석 중 인접하는 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)의 가장 멀리 떨어진 2개의 점(P3,P4) 사이의 거리(Ls)보다 크거나 같도록 배치된다. 이때, 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)의 두 점(P3,P4)은 회전자(30)의 원주방향(도 5의 화살표 H 방향)으로 가장 멀리 떨어진 점들을 말한다.

예를 들어, 도 5를 참조하면, 인접한 2개의 영구자석(40-1,40-2)은 측면 영구자석(43-1,42-2)이 인접한다. 즉, 제1 영구자석(40-1)의 우측 측면 영구자석(43-1)과 제2 영구자석(40-2)의 좌측 측면 영구자석(42-2)이 인접한다. 이때, 제1 영구자석(40-1)의 우측 측면 영구자석(43-1)과 제2 영구자석(40-2)의 좌측 측면 영구자석(42-2)에서 회전자(30)의 원주방향으로 가장 멀리 떨어진 두 점을 각각 P3,P4라 하면, 2개의 점, 즉 P3와 P4 사이의 거리(Ls)를 제1코일(13-1)과 제2코일(13-2) 사이에 마련된 고정자 치(11a)의 폭(Lt) 이하가 되도록 형성할 수 있다. 다시 말하면, 고정자 치 폭(Lt) 내에 인접한 2개의 영구자석(40-1,40-2)의 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)이 위치하도록 복수의 영구자석(40)을 배치할 수 있다. 따라서, 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)의 어느 부분도 고정자 치(11a)의 투영 영역에서 벗어나지 않고, 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)의 모든 부분이 고정차 치(11a)의 투영 영역 내에 위치하게 된다. 예를 들면, 도 5에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)에서 가장 멀리 떨어진 2개의 점, 즉 P3와 P4가 고정자 치(11a)의 양 측면에서 연장된 2개의 직선(L1,L2)을 벗어나지 않도록 2개의 영구자석(40-1,40-2)이 설치된다.

회전자 코어(31)는 자성체로 형성되며, 회전자 코어(31)에는 복수의 영구자석(40)이 각각 설치되는 복수의 영구자석 슬롯(34)과 샤프트(미도시)가 설치되는 샤프트 구멍(33)이 마련된다. 복수의 영구자석 슬롯(34)은 샤프트 구멍(33)을 중심으로 원주 방향으로 일정 간격으로 형성된다. 복수의 영구자석(40)은 복수의 영구자석 슬롯(34) 각각에 설치된다. 도 6에는 영구자석(40)이 설치되지 않은 영구자석 슬롯(34)이 개시되어 있다.

도 6을 참조하면, 영구자석 슬롯(34)은 중앙 영구자석(41)이 설치되는 중앙 슬롯(35), 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)이 설치되는 한 쌍의 측면 슬롯(36,37), 및 배리어(50)가 설치되는 한 쌍의 배리어 슬롯(38,39)을 포함한다. 중앙 슬롯(35)과 한 쌍의 배리어 슬롯(36,37)은 고정 리브(61)에 의해 구획될 수 있다. 또한, 한 쌍의 배리어(38,39)와 한 쌍의 측면 슬롯(36,37)도 고정 리브(63)에 의해 구획될 수 있다.

다시, 도 3을 참조하면, 중앙 영구자석(41)과 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)은 회전자 코어(31)에 마련된 고정 리브(61,63,64)에 의해 고정된다. 예를 들면, 중앙 영구자석(41)의 양단은 영구자석 슬롯(34)에 마련된 한 쌍의 중앙 고정 리브(61)에 의해 지지 및 고정된다. 또한, 측면 영구자석(42,43)의 양단은 영구자석 슬롯(34)의 중앙 고정 리브(61)의 일측에 형성된 내측 고정 리브(63)와 회전자 코어(31)의 외주면에 마련된 외측 고정 리브(64)에 의해 지지 및 고정된다.

한 쌍의 배리어 슬롯(38,39)은 중앙 슬롯(35)의 양단에 마련된다. 배리어(50)의 두께(Tb)는 배리어 슬롯(38,39)의 두께로 결정된다. 배리어 슬롯(38,39)의 두께(Tb)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 중앙 슬롯(35)의 양측변(35a,35b)에 평행한 배리어 슬롯(38,39)의 양 측면(38a,38b) 사이의 거리를 말한다. 배리어 슬롯(38,39)은 도 3에 도시된 바와 같이 내부가 빈 상태로 유지할 수 있다. 이 경우는 배리어 슬롯(38,39) 내부의 공기가 배리어(50)의 역할을 수행한다. 다른 실시예로는, 도 7에 도시된 바와 같이 배리어 슬롯(38,39)의 내부에 비자성체(70)를 채울 수 있다. 비자성체(70)로는 플라스틱과 같이 자계에 영향을 받지 않는 물질이 사용될 수 있다. 이 경우에는 배리어 슬롯(38,39)에 채워진 비자성체(70)가 배리어(50)의 기능을 수행한다. 이와 같이 배리어(50)는 중앙 영구자석(41)을 지지하는 중앙 고정 리브(61)와 측면 영구자석(42,43)의 내측단을 지지하는 내측 고정 리브(63) 사이에 형성된다.

상술한 바와 같이 중앙 영구자석(41)과 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)이 회전자 코어(31)에 형성된 고정 리브(61,63,64)에 의해 고정되므로 회전자(30)의 강성을 높일 수 있다.

이상에서는 한 쌍의 중앙 고정 리브(61)가 중앙 슬롯(35)의 양측변을 연결하는 형태로 형성된 경우를 설명하였으나, 중앙 고정 리브(61)의 형상이 이에 한정되는 것은 아니다. 이하, 도 8 내지 도 10을 참조하여 한 쌍의 중앙 고정 리브의 다양한 형상에 대해 설명한다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 영구자석을 지지하는 고정 리브의 일 예를 나타내는 부분 단면도이다.

일 예로서, 도 8에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 중앙 고정 리브는 중앙 슬롯(35)의 양측변에서 돌출되는 돌기 형상으로 형성할 수 있다. 구체적으로, 중앙 영구자석(41)의 외측 변(41a)을 지지하는 중앙 슬롯(35)의 일 측변에 형성된 2개의 돌기(61a)는 중앙 영구자석(41)의 외측 변(41a)의 양단을 지지할 수 있도록 형성된다. 또한, 중앙 영구자석(41)의 내측 변(41b)을 지지하는 중앙 슬롯(35)의 타 측변에 형성된 2개의 돌기(61b)는 중앙 영구자석(41)의 내측 변(41b)의 양단을 지지할 수 있도록 형성된다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 영구자석을 지지하는 고정 리브의 다른 예를 나타내는 부분 단면도이다.

도 9를 참조하면, 한 쌍의 중앙 고정 리브는 중앙 영구자석(41)의 내측 변(41b)을 지지하는 중앙 슬롯(35)의 일 측변에서 돌출되는 돌기 형상으로 형성할 수 있다. 즉, 중앙 영구자석(41)의 내측 변(41b)을 지지하는 중앙 슬롯(35)의 일 측변에 형성된 2개의 돌기(61b)는 중앙 영구자석(41)의 내측 변(41b)의 양단을 지지할 수 있도록 형성된다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 영구자석을 지지하는 고정 리브의 또 다른 예를 나타내는 부분 단면도이다.

도 10을 참조하면, 한 쌍의 중앙 고정 리브는 중앙 영구자석(41)의 외측 변(41a)을 지지하는 중앙 슬롯(35)의 일 측변에서 돌출되는 돌기 형상으로 형성할 수 있다. 즉, 중앙 영구자석(41)의 외측 변(41a)을 지지하는 중앙 슬롯(35)의 일 측변에 형성된 2개의 돌기(61a)는 중앙 영구자석(41)의 외측 변(41a)의 양단을 지지할 수 있도록 형성된다.

도시하지는 않았지만, 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)을 지지하는 내측 고정 리브(63)도 중앙 고정 리브와 동일하게 돌기 형상으로 형성할 수 있다.

자기 회로에서 영구자석(40)과 배리어(50)는 자기 저항의 역할을 하기 때문에, 그 두께를 두껍게 하면 영구자석(41)과 배리어(50)를 통과하는 자속의 양이 줄어들어 인덕턴스가 감소하게 된다. 따라서, 상술한 바와 같이 d축 방향의 자기 회로 통로에 놓인 영구자석(40)과 배리어(50)의 두께(Tc,Tb)를 두껍게 하면 자속의 d축 인덕턴스가 감소하게 된다. 또한, 고정자 치 폭(Lt)과 인접한 2개의 영구자석(40)의 측면 영구자석 사이의 관계를 상술한 바와 같이 형성하면, q축 인덕턴스에는 변화가 없다. 따라서, q축 인덕턴스와 d축 인덕턴스의 비로 계산되는 돌극비(S), 즉 S = Lq/Ld가 향상된다.

이상에서는 영구자석(40)이 한 개의 중앙 영구자석(41)을 포함하는 경우에 대해 설명하였으나, 중앙 영구자석(41)의 형상은 이에 한정되는 것은 아니다. 중앙 영구자석은 d축 방향으로 배치된 2개 이상의 중앙 영구자석으로 형성할 수 있다.

이하, 도 11 및 도 12를 참조하여, 영구자석이 2개 이상의 중앙 영구자석을 포함하는 매입형 영구자석 모터에 대해 설명한다.

도 11은 다른 실시예에 의한 영구자석이 사용된 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 나타내는 부분 단면도이고, 도 12는 도 11의 B부를 나타내는 확대 단면도이다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터(1')는 고정자(10)와 회전자(30)를 포함한다.

고정자(10)는 고정자 코어(11)와 복수의 코일(13)을 포함한다. 고정자 코어(11)와 복수의 코일(13)은 상술한 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터(1)의 고정자(10)와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

회전자(30)는 고정자(10)의 중공에 회전 가능하게 설치되며, 회전자 코어(31)와 회전자 코어(31)의 내부에 설치되는 복수의 영구자석(40')을 포함한다. 도시하지는 않았지만, 회전자(30)의 중심에는 샤프트가 고정된다. 따라서, 회전자(30)가 회전하면, 샤프트가 회전자(30)와 일체로 회전하게 된다.

도 12를 참조하면, 영구자석(40')은 중앙 영구자석(410)과 중앙 영구자석(410)의 양단에 설치되는 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)을 포함한다.

중앙 영구자석(410)은 회전자(30)의 중심(C)을 지나는 d축에 수직하게 설치되며, 중앙 영구자석(410)의 중심은 d축 상에 위치한다. 중앙 영구자석(410)은 상술한 실시예와 달리 2개 이상의 중앙 영구자석(411,412)으로 구성될 수 있다. 일 예로서, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 중앙 영구자석(410)은 서로 평행하게 배치되는 제1 중앙 영구자석(411)과 제2 중앙 영구자석(412)으로 구성될 수 있다. 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)은 d축 방향으로 서로 이격되어 있다. 제1 중앙 영구자석(411)과 제2 중앙 영구자석(412)의 사이에는 중간 리브(62)가 설치될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)의 전체 두께(Tc), 즉 제1 중앙 영구자석(411)의 두께, 중간 리브(62)의 두께, 및 제2 중앙 영구자석(412)의 두께의 합이 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)의 두께(Tm)보다 두껍게 형성된다.

한 쌍의 측면 영구자석(42,43)은 중앙 영구자석(410)의 양단에서 회전자(30)의 외주면을 향해 경사지게 설치된다. 즉, 측면 영구자석(42,43)은 중앙 영구자석(410)에 대해 상향 경사지게 설치된다. 측면 영구자석(42,43)의 두께(Tm)는 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)의 전체 두께(Tc)보다 얇게 형성된다.

제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)과 한 쌍의 측면 영구자석(42,43) 사이에는 한 쌍의 배리어(50)가 마련된다. 예를 들면, 도 12에 도시된 바와 같이, 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)의 좌측에 설치되는 좌측 측면 영구자석(42)과 제1 및 제2중앙 영구자석(411,412)의 좌측단 사이에는 제1 배리어(50)가 마련되며, 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)의 우측에 설치되는 우측 측면 영구자석(43)과 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)의 우측단 사이에는 제2 배리어(50)가 마련된다. 이때, 한 쌍의 배리어(50)의 두께(또는, 높이)(Tb)는 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)의 전체 두께(Tc)와 동일하거나 더 두껍게 형성될 수 있다. 한 쌍의 배리어(50)는 회전자 코어(31)에 형성된 한 쌍의 배리어 슬롯에 채워진 공기 또는 비자성체로 형성될 수 있다.

또한, 본 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터(1')의 복수의 영구자석(40')은 상술한 실시예의 매입형 영구자석 모터(1)의 영구자석(40)과 동일하게 다음 조건을 만족하도록 형성된다.

0.5 x Lm ≤ Lc ≤ Lm

여기서, Lc는 한 쌍의 측면 영구자석(42,43) 사이의 최단 거리를 나타내며, Lm은 측면 영구자석(42,43)의 길이를 나타낸다. 구체적으로, 도 12를 참조하면, Lc는 d축에 가장 근접한 제1 측면 영구자석(42)의 한점(P1)과 제2 측면 영구자석(43)의 한점(P2) 사이의 거리를 말한다. 따라서, Lc는 중앙 영구자석(410)과 한 쌍의 배리어(50)의 일부를 포함하는 길이이다.

또한, 상술한 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터(1)의 복수의 영구자석(40)과 동일하게 본 실시예에 의한 복수의 영구자석(40')도 인접한 2개의 영구자석(40')은 고정자 치 폭(Lt)과 일정한 관계를 만족하도록 배치된다. 구체적으로, 고정자(10)의 복수의 코일 홈(12) 중 인접한 2개의 코일 홈(12) 사이의 간격, 즉 복수의 코일 홈(12)에 설치된 복수의 코일(13) 중 인접한 2개의 코일(13) 사이의 간격인 고정자 치 폭(Lt)이 복수의 영구자석(40') 중 인접한 2개의 영구자석(40') 각각의 한 쌍의 측면 영구자석(42,43) 중 서로 인접하는 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)의 회전자(30)의 원주방향(도 11의 화살표 H 참조)으로 가장 멀리 떨어진 두 점(P3,P4) 사이의 거리(Ls)보다 크도록 배치된다.

즉, 도 11에서 고정자 치(11a) 내에 인접한 2개의 영구자석(40')의 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)이 위치하도록 복수의 영구자석(40')을 배치할 수 있다. 따라서, 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)의 어느 부분도 고정자 치(11a)의 투영 영역에서 벗어나지 않고, 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)의 모든 부분은 고정자 치(11a)의 투영 영역 내에 위치한다. 예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이, 인접한 2개의 영구자석(40')의 인접한 2개의 측면 영구자석(43-1,42-2)에서 q축으로부터 가장 멀리 떨어진 2개의 점, 즉 P3와 P4가 고정자 치(11a)의 양 측면에서 연장된 2개의 직선(L1,L2)을 벗어나지 않도록 복수의 영구자석(40')이 설치된다.

회전자 코어(31)는 자성체로 형성되며, 회전자 코어(31)에는 복수의 영구자석(40') 각각이 설치되는 복수의 영구자석 슬롯과 샤프트가 설치되는 샤프트 구멍이 마련된다. 복수의 영구자석 슬롯은 샤프트 구멍을 중심으로 원주 방향으로 일정 간격으로 형성된다. 복수의 영구자석은 복수의 영구자석 슬롯 각각에 설치된다.

도 13을 참조하면, 영구자석 슬롯(34')은 중앙 영구자석(410)이 설치되는 중앙 슬롯(350), 한 쌍의 측면 영구자석(42,43)이 설치되는 한 쌍의 측면 슬롯(36,37), 및 배리어(50)가 설치되는 한 쌍의 배리어 슬롯(38,39)을 포함한다.

중앙 슬롯(350)은 중간 리브(62)에 의해 d축 방향으로 중첩된 2개의 슬롯(351,352)으로 구성된다. 즉, 중앙 슬롯(350)은 서로 평행한 제1중앙 슬롯(351)과 제2중앙 슬롯(352)을 포함한다. 중앙 슬롯(350)과 한 쌍의 배리어 슬롯(38,39)은 한 쌍의 중앙 고정 리브(61)에 의해 구획될 수 있다. 또한, 한 쌍의 배리어 슬롯(38,39)과 한 쌍의 측면 슬롯(36,37)도 내측 고정 리브(63)에 의해 구획될 수 있다.

따라서, 2개의 중앙 영구자석(411,412)은 제1중앙 슬롯(351)과 제2중앙 슬롯(352)에 삽입되어 고정된다. 즉, 제1 및 제2 중앙 영구자석(411,412)은 영구자석 슬롯(34')에 마련된 한 쌍의 중앙 고정 리브(61)와 한 쌍의 중앙 고정 리브(61)를 연결하는 중간 리브(62)에 의해 지지 및 고정된다. 또한, 측면 영구자석(42,43)의 양단은 영구자석 슬롯(34')의 중앙 고정 리브(61)의 일측에 형성된 내측 고정 리브(63)와 회전자 코어(31)의 외주면에 마련된 외측 고정 리브(64)에 의해 지지 및 고정된다.

한 쌍의 배리어 슬롯(38,39)은 중앙 슬롯(350)의 양단에 마련된다. 공기가 배리어 기능을 하도록, 도 12에 도시된 바와 같이, 배리어 슬롯(38,39)은 빈 상태로 유지할 수 있다. 또는, 비자성체가 배리어의 기능을 하도록 배리어 슬롯(38,39)의 내부에 비자성체를 채울 수 있다. 비자성체로는 플라스틱과 같이 자계에 영향을 받지 않는 물질이 사용될 수 있다.

상술한 복수의 영구자석(40')은 인접한 2개의 영구자석(40')의 자력선 방향이 서로 반대가 되도록 설치된다. 따라서, 인접한 2개의 영구자석(40')은 자기 회로를 구성한다.

도 11 및 도 12에서는 중앙 영구자석(410)이 2개의 중앙 영구자석(411,412)을 포함하는 경우를 도시하고 있으나, 중앙 영구자석(410)의 구조는 이에 한정되는 것은 아니다. 중앙 영구자석(410)은 3개 이상의 중앙 영구자석이 d축 방향으로 평행하게 중첩되도록 설치할 수 있다.

이하, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 성능을 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터와 비교하여 설명한다.

도 14a는 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터의 인덕턴스와 돌극비를 나타내는 그래프이고, 도 14b는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 인덕턴스와 돌극비를 나타내는 그래프이다.

도 14a 및 도 14b에서, 수평축은 전류각을 나타내며, 수직축은 인덕턴스와 돌극비를 나타낸다. 선①은 q축 인덕턴스를 나타내며, 선②는 d축 인덕턴스를 나타낸다. 또한, 6개의 막대는 여러 전류각에서의 돌극비를 나타낸다.

도 14a와 도 14b를 참조하면, 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터의 돌극비보다 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 돌극비가 크다는 것을 알 수 있다. 예를 들어, 전류각이 60도 일때, 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터의 돌극비는 약 1.52이나, 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 돌극비는 약 1.83으로, 돌극비가 향상된 것을 알 수 있다. 특히, 도 14a 및 도 14b로부터 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터의 d축 인덕턴스가 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터의 d축 인덕턴스보다 줄어든 것을 알 수 있다.

도 15는 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터와 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 효율을 비교하는 그래프이다. 이때, 매입형 영구자석 모터는 압축기를 구동하는 구동원으로서 사용된다.

도 15에서 수평축은 매입형 영구자석 모터의 RPS(Revolutions per second), 즉 초당 회전수를 나타내며, 수직축은 압축기의 효율을 나타낸다.

도 15를 참조하면, 매입형 영구자석 모터의 초당 회전수가 30 RPS일 때, 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 효율은 10.28이나, 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 효율은 10.51로 압축기의 효율이 향상된 것을 알 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터는 저속 효율이 향상된 것을 알 수 있다.

도 16은 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터와 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 입력 전류와 최대 운전 영역을 비교하는 그래프이다.

도 16에서 수평축은 매입형 영구자석 모터의 RPS를 나타내며, 수직축은 압축기의 입력 전류를 나타낸다. 또한, 선①은 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기를 나타내고, 선②는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기를 나타낸다.

도 16을 참조하면, 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 운전 영역은 약 100 RPS 내지 약 146 RPS의 범위이나, 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 운전 영역은 약 100 RPS 내지 176 RPS의 범위로 운전 영역이 넓어진 것을 알 수 있다. 또한, 동일한 운전 영역에서 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 입력전류가 낮아진 것을 알 수 있다. 예를 들면, 매입형 영구자석 모터의 초당 회전수가 140 RPS일 때, 종래 기술에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 입력 전류는 약 41A이나, 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터를 사용하는 압축기의 입력 전류는 약 37A로서 압축기의 입력 전류가 낮아진 것을 알 수 있다.

상술한 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터는 d축 인덕턴스를 감소시켜 돌극비를 향상시킬 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 의한 매입형 영구자석 모터는 저속 효율이 향상되고, 입력 전류가 저감되며, 운전 영역을 확대할 수 있다.

이상에서 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며, 한정의 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명은 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있다. 따라서 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실시될 수 있을 것이다.

1,1'; 매입형 영구자석 모터 10; 고정자
11; 고정자 코어 12; 코일 홈
13; 코일 30; 회전자
31; 회전자 코어 33; 샤프트 구멍
34; 영구자석 슬롯 35; 중앙 슬롯
36,37; 측면 슬롯 38,39; 배리어 슬롯
40,40'; 영구자석 41,410; 중앙 영구자석
42,43; 측면 영구자석 50; 배리어
61; 중앙 고정 리브 62; 중간 리브
63; 내측 고정 리브 64; 외측 고정 리브

Claims

중공과 상기 중공의 둘레에 설치된 복수의 코일을 포함하는 고정자; 및
상기 고정자의 중공에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 마련된 복수의 영구자석을 포함하는 회전자;를 포함하며,
상기 회전자의 상기 복수의 영구자석 각각은,
중앙 영구자석;
상기 중앙 영구자석의 양단에서 상기 회전자의 외주면을 향해 경사지게 설치되는 한 쌍의 측면 영구자석; 및
상기 중앙 영구자석과 상기 한 쌍의 측면 영구자석 사이에 형성되며, 상기 중앙 영구자석의 두께와 동일하거나 더 두꺼운 한 쌍의 배리어;를 포함하며,
상기 중앙 영구자석의 두께는 상기 한 쌍의 측면 영구자석의 두께보다 두꺼운, 매입형 영구자석 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자의 상기 복수의 코일 중 인접한 2개의 코일 사이의 간격은 상기 복수의 영구자석 중 인접한 2개의 영구자석 각각의 한 쌍의 측면 영구자석 중 서로 인접하는 2개의 측면 영구자석의 가장 멀리 떨어진 두 점 사이의 거리보다 큰, 매입형 영구자석 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 영구자석 각각은 다음 조건을 만족하도록 형성되는, 매입형 영구자석 모터.
0.5 x Lm ≤ Lc ≤ Lm
여기서, Lc는 한 쌍의 측면 영구자석 사이의 최단 거리를 나타내며, Lm은 한 쌍의 측면 영구자석의 길이를 나타낸다.
제 1 항에 있어서,
상기 중앙 영구자석은 d축 방향으로 수직하고 평행하게 배치된 적어도 2개의 중앙 영구자석을 포함하는, 매입형 영구자석 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 배리어는 비자성체로 형성되는, 매입형 영구자석 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 영구자석은 인접한 2개의 영구자석의 자력선 방향이 서로 반대가 되도록 설치되는, 매입형 영구자석 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 중앙 영구자석은 상기 회전자에 마련되는 한 쌍의 중앙 고정 리브에 의해 고정되는, 매입형 영구자석 모터.
제 7 항에 있어서,
상기 한 쌍의 중앙 고정 리브는 상기 중앙 영구자석의 내측 변과 외측 변 중의 어느 한 변의 양단을 지지할 수 있는 돌기로 형성되는, 매입형 영구자석 모터.
제 7 항에 있어서,
상기 한 쌍의 측면 영구자석의 내측단은 상기 회전자에 마련되는 내측 고정 리브에 의해 고정되는, 매입형 영구자석 모터.
제 9 항에 있어서,
상기 배리어는 상기 중앙 고정 리브와 상기 내측 고정 리브 사이에 형성되는, 매입형 영구자석 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 코일 중 인접하는 2개의 코일의 측면은 서로 평행하게 설치되는, 매입형 영구자석 모터.
중공과 상기 중공의 둘레에 설치된 복수의 코일을 포함하는 고정자; 및
상기 고정자의 중공에 회전 가능하게 설치되며, 내부에 복수의 영구자석이 설치된 회전자;를 포함하며,
상기 회전자의 상기 복수의 영구자석 각각은,
중앙 영구자석;
상기 중앙 영구자석의 양단에서 상기 회전자의 외주면을 향해 경사지게 설치되는 한 쌍의 측면 영구자석; 및
상기 중앙 영구자석과 상기 한 쌍의 측면 영구자석 사이에 형성되는 한 쌍의 배리어;를 포함하며,
상기 고정자의 상기 복수의 코일 중 인접한 2개의 코일 사이의 간격은 상기 복수의 영구자석 중 인접한 2개의 영구자석 각각의 한 쌍의 측면 영구자석 중 서로 인접하는 2개의 측면 영구자석 각각의 상기 회전자의 원주방향으로 가장 멀리 떨어진 두 점 사이의 거리보다 큰, 매입형 영구자석 모터.
제 12 항에 있어서,
상기 중앙 영구자석의 두께는 상기 한 쌍의 측면 영구자석의 두께보다 두꺼운, 매입형 영구자석 모터.
제 13 항에 있어서,
상기 한 쌍의 배리어의 두께는 상기 중앙 영구자석의 두께와 동일하거나 더 두껍게 형성되는, 매입형 영구자석 모터.
제 12 항에 있어서,
상기 복수의 영구자석 각각은 다음 조건을 만족하도록 형성되는, 매입형 영구자석 모터.
0.5 x Lm ≤ Lc ≤ Lm
여기서, Lc는 한 쌍의 측면 영구자석 사이의 최단 거리를 나타내며, Lm은 한 쌍의 측면 영구자석의 길이를 나타낸다.
제 12 항에 있어서,
상기 중앙 영구자석은 d축 방향으로 수직하고 평행하게 배치된 적어도 2개의 중앙 영구자석을 포함하는, 매입형 영구자석 모터.
제 12 항에 있어서,
상기 중앙 영구자석은 상기 회전자에 마련되는 한 쌍의 중앙 고정 리브에 의해 고정되는, 매입형 영구자석 모터.
제 17 항에 있어서,
상기 한 쌍의 측면 영구자석의 내측단은 상기 회전자에 마련되는 내측 고정 리브에 의해 고정되는, 매입형 영구자석 모터.
제 18 항에 있어서,
상기 배리어는 상기 중앙 고정 리브와 상기 내측 고정 리브 사이에 형성되는, 매입형 영구자석 모터.