KR20180086974A - 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전축, 상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터 및 상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터를 포함하며, 상기 로터는 회전축을 둘러싸는 로터 코어 및, 상기 로터 코어와 결합하는 복수개의 마그넷을 포함하며, 상기 마그넷은 상기 회전축의 축 방향으로 인접한 마그넷과 일정 간격 이격되어 배치되며, 상기 간격의 합은 상기 스테이터의 축방향 길이의 0.04 내지 0.07인 모터를 제공한다.

Description

모터{MOTOR}

실시예는 로터에 구비되는 복수의 마그넷이 상호 이격되어 배치되는 모터에 관한 것이다.

차량용 모터가 점차 고 토크, 고속사양으로 진화하면서 모터에 적용되는 로터 구조에 대한 강건 설계가 요구되고 있다.

일반적인 모터에 사용되는 로터의 구조는 복수 매의 디스크 형상의 로터 코어부재를 적층하여 형성하는 적층 로터 코어를 구비하고, 이러한 로터 코어의 외측면에 마그넷을 부착하는 구조가 사용되고 있다.

이와 같은 영구자석을 사용하는 모터는 코깅 토크(cogging torque)가 나타난다. 코깅 토크는 영구자석을 사용하는 모터에서 필연적으로 나타나는 스테이터의 비균일 토크로서, 모터의 자기에너지가 최소인 위치 즉, 평형상태로 이동하려는 반경 방향의 토크를 의미한다.

자석의 N극과 S극의 경계 부근에서 자속의 급격한 변화는 코깅 토크를 발생시킨다. 코깅 토크는 소음과 진동의 원인이 되고, 모터의 성능을 떨어뜨리기 때문에 이를 저감시키는 것이 중요하다. 특히 정밀한 위치제어를 위한 엑추에이터에 사용되는 모터는 코깅 토크를 저감시키는 것이 무엇보다 중요하다.

그러나, 복수의 마그넷이 부착되는 로터에서 각 퍽이 붙어있는 상태에서 skew angle을 적용하거나, 3단의 마그넷을 동시 착자 진행함으로 인해, 착자시 서로 이웃하고 있는 퍽 간에 영향을 미치며, 착자 후에도 아래위 반대되는 극으로부터 영향을 받아 코깅 토크 및 역기전력 고조파가 악화되는 문제가 있다.

실시예는 로터 코어에 부착되는 마그넷이 이격 배치되도록 하는 모터를 제공한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 실시예는, 회전축; 상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터; 및 상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터를 포함하며, 상기 로터는 회전축을 둘러싸는 로터 코어 및, 상기 로터 코어와 결합하는 복수개의 마그넷을 포함하며, 상기 마그넷은 상기 회전축의 축 방향으로 인접한 마그넷과 일정 간격 이격되어 배치되며, 상기 간격의 합은 상기 스테이터의 축방향 길이의 0.04 내지 0.07인 모터를 제공한다.

상기 로터와 상기 스테이터를 포함하는 하우징;을 더 포함할 수 있다.

상기 로터 코어는 복수개로 구성되며, 상기 로터 코어는 상기 회전축의 축방향으로 인접한 로터 코어와 일정간격이 이격되어 배치될 수 있다.

상기 로터 코어간 간격의 합은 상기 마그넷의 간격의 합과 동일할 수 있다.

상기 로터 코어간 간격의 합은 상기 스테이터의 축 방향 길이의 0.04 내지 0.07일 수 있다.

상기 로터 코어간 간격의 합은 복수의 상기 로터 코어에 의해 형성되는 제1 간격 및 제2 간격의 합으로 계산되며, 상기 제1 간격 및 상기 제2 간격은 동일할 수 있다.

상기 로터 코어 사이에 배치되어 상기 로터 코어의 간격을 형성하는 스페이서를 포함할 수 있다.

상기 스페이서의 외경은 상기 로터 코어의 외경보다 작게 형성될 수 있다.

복수개의 상기 마그넷이 인접 마그넷과 형성하는 간격은 서로 동일할 수 있다.

상기 스테이터의 상면 및 하면보다 상기 회전축의 축방향으로 마그넷이 돌출될 수 있다.

상기 스테이터의 상면보다 돌출된 마그넷의 높이와 상기 스테이터의 하면보다 돌출된 마그넷의 높이의 합은 상기 마그넷 간격의 합과 동일할 수 있다.

상기 스테이터의 상면보다 돌출된 마그넷의 높이와 상기 스테이터의 하면보다 돌출된 마그넷의 높이는 동일할 수 있다.

상기 간격의 합은 0.05 내지 0.06일 수 있다.

실시예에 따르면, 마그넷을 이격배치하여 코깅 토크 및 역기전력 고조파를 개선할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 기본 구조를 나타내는 도면이고,
도 2는 본 발명의 구성요소인 로터의 제1 실시예를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 구성요소인 로터의 제2 실시예를 나타내는 도면이고,
도 4는 본 발명의 구성요소인 로터의 제3 실시예를 나타내는 도면이고,
도 5는 도 4의 구성요소인 스페이서의 형상을 나타내는 도면이고,
도 6은 도 1의 내부구조를 확대한 도면이고,
도 7은 본 발명의 마그넷의 갭 비율에 따른 코깅토크의 변화량을 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예를 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명 실시 예를 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시 예의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 실시 예의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 2 구성 요소는 제 1 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 1 구성 요소도 제 2 구성 요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명 실시 예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 element가 다른 element의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 7는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터(1)는 회전축(100), 로터(200), 스테이터(300) 및 하우징(400)을 포함할 수 있다.

회전축(100)은 로터(200)에 결합될 수 있다. 전류 공급을 통해 로터(200)와 스테이터(300)에 전자기적 상호 작용이 발생하면 로터(200)가 회전하고 이에 연동하여 회전축(100)이 회전한다. 회전축(100)은 베어링에 의해 지지될 수 있다.

로터(200)는 스테이터(300) 조립체의 내측에 배치된다. 로터(200)는 로터 코어(210)와 로터 코어에 결합하는 마그넷을 포함할 수 있다. 로터(200)는 로터 코어와 마그넷의 결합 방식에 따라 다음과 같이 형태로 구분될 수 있다.

로터(200)는 마그넷이 로터 코어의 외주면에 결합되는 타입으로 구현될 수 있다. 이러한 타입의 로터(200)는 마그넷의 이탈을 방지하고 결합력을 높이기 위하여 별도의 캔부재가 로터 코어에 결합될 수 있다. 또는 마그넷과 로터 코어가 이중 사출되어 일체로 형성될 수 있다.

로터(200)는 마그넷이 로터 코어의 내부에 결합되는 타입으로 구현될 수 있다. 이러한 타입의 로터(200)는 로터 코어 내부에 마그넷이 삽입되는 포켓이 마련될 수 있다.

한편, 로터 코어는 크게 두가지 형태일 수 있다.

첫째, 로터 코어는 얇은 강판 형태의 복수 개의 플레이트가 상호 적층되어 이루어질 수 있다. 이때, 로터 코어는 스큐(skew)각을 형성하지 않는 단일품으로 형성되거나, 스큐각을 형성하는 복수 개의 단위 코어(Puck)들이 결합되는 형태로 이루어질 수 있다.

둘째, 로터 코어는 하나의 통 형태로 이루어질 수 있다. 이때, 로터 코어는 스큐(skew)각을 형성하지 않는 단일품으로 형성되거나, 스큐(skew)각을 형성하는 복수 개의 단위 코어(Puck)들이 결합되는 형태로 이루어질 수 있다.

한편, 단위 코어들은 외부 또는 내부에 마그넷을 각각 포함할 수 있다.

스테이터(300)는 로터(200)와의 전기적 상호 작용을 유발하여 로터(200)의 회전을 유도한다. 로터(200)와 상호 작용을 유발하기 위해 스테이터(300)에 코일이 감길 수 있다. 코일을 감긴 위한 스테이터(300)의 구체적인 구성은 다음과 같다

스테이터(300)는 복수 개의 티스를 포함하는 스테이터(300) 코어를 포함할 있다. 스테이터(300) 코어는 환형의 요크가 마련되고, 요크에서 중심을 향하는 티스가 마련될 수 있다. 티스는 요크의 둘레를 따라 일정한 간격으로 마련될 수 있다. 한편, 스테이터(300) 코어는 얇은 강판 형태의 복수 개의 플레이트가 상호 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 스테이터(300) 코어는 복수 개의 분할 코어가 상호 결합되거나 연결되어 이루어질 수 있다.

하우징(400)은 원통형으로 형성되어 내벽에 스테이터(300) 조립체가 결합될 수 있다. 하우징(400)의 상부는 열린 상태로 실시될 수 있으며, 하우징(400)의 하부는 닫힌 상태로 실시될 수 있다. 하우징(400)의 하부에는 회전축(100)의 하부를 지지하는 베어링을 수용하는 베어링의 장착 공간이 마련될 수 있다. 개방된 하우징(400)의 상부에는 커버가 결합될 수 있다.

도 2는 본 발명의 구성요소인 로터의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 구성요소인 로터(200)는 회전축(100)을 둘러싸는 로터 코어(210) 및 로터 코어(210)와 결합하는 복수개의 마그넷(230)을 포함하며, 마그넷(230)은 회전축(100)의 축 방향으로 인접한 마그넷(230)과 일정 간격으로 이격되어 배치되며, 마그넷(230)의 이격되는 간격의 합은 스테이터(300)의 축 방향 길이의 0.04 내지 0.07의 비를 가지도록 마련될 수 있다.

본원 발명은 로터 코어(210)에 배치되는 복수의 마그넷(230)이 회전축(100)방향으로 이격되도록 배치되어 코깅토크를 감소하는 것을 목적으로 한다.

로터 코어(210)가 일체형으로 구성되는 경우, 곡면형상으로 마련되는 복수의 마그넷(230)이 로터 코어(210)의 외측면에 층상구조를 가지도록 배치될 수 있다. 이 경우, 마그넷(230)은 회전축(100)의 축 방향으로 인접한 마그넷(230)과 일정 간격으로 이격되도록 배치될 수 있으며, 이때, 복수의 층상구조로부터 형성되는 마그넷(230)의 간격의 합은 스테이터(300) 축방향 길이의 0.04 내지 0.07의 비를 가지도록 배치될 수 있다.

이때, 층상구조를 가지는 마그넷(230)이 인접 층상구조를 가지는 마그넷(230)과 형성하는 간격은 서로 동일하도록 배치될 수 있다.

또한, 로터 코어(210)가 복수로 구성되는 경우 각각의 로터 코어(210)의 높이는 마그넷(230)의 높이보다 높게 마련되어, 복수의 로터 코어(210)가 밀착하여 결합하는 경우에도 회전축(100)의 축 방향으로 인접한 마그넷(230) 사이가 일정 간격 이격 배치될 수 있다.

도 3은 본 발명의 구성요소인 로터(200)의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 로터 코어(210)는 복수개로 구비될 수 있으며, 회전축(100)의 축방향으로 인접한 로터 코어(210)와 일정간격이 이격되도록 배치될 수 있다. 이 경우, 로터 코어(210)는 압입 설비에 의해 이격 간격이 조절될 수 있다.

로터 코어(210)와 마그넷(230)은 동일 높이를 가지도록 구비될 수 있다. 복수의 로터 코어(210)가 이격되도록 배치되는 경우, 로터 코어(210)간 간격의 합은 마그넷(230)의 간격의 합과 동일해질 수 있다.

또한, 로터 코어(210)간 간격의 합은 복수의 로터 코어(210)에 의해 형성되는 제1 간격돠 제2 간격의 합으로 계산되며, 제1 간격과 제2 간격은 동일한 간격으로 형성될 수 있다.

로터 코어(210)간 간격의 합은 스테이터(300)의 축 방향 길이의 0.04 내지 0.07의 비를 가지도록 배치될 수 있다.

도 4는 본 발명의 구성요소인 로터(200)의 제3 실시예를 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명의 구성요소인 스페이서(250)의 형상을 나타내는 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 복수의 로터 코어(210) 사이에는 로터 코어(210)의 간격을 형성하는 스페이서(250)를 포함할 수 있다.

스페이서(250)는 로터 코어(210)가 배치되는 경우 인접하는 로터 코어(210)가 일정간격을 형성할 수 있도록 할 수 있다. 스페이서(250)는 로터 코어(210)와 로터 코어(210) 사이에 배치되어 로터 코어(210)의 간격을 일정하게 하는 것을 도울 수 있다. 스페이서(250)는 로터 코어(210)의 외경보다 작게 형성되어 스페이서(250)가 마그넷(230)에 작용하는 간섭을 최소화할 수 있다.

일실시예로, 스페이서(250)는 원형의 고리 형상으로 마련되어 회전축(100)에 삽입될 수 있다. 일정 두께를 가지는 원형의 스페이서(250)는 로터(200)가 회전시 스페이서(250)에 의해 형성되는 간격을 안정적으로 지지할 수 있다. 도 5에서는 원형 고리 형상의 스페이서(250)가 나타나고 있으나, 스페이서(250)의 형상은 제한이 없으며 다양한 형상으로 변형 실시가 가능하다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 모터(1)의 내부구조를 확대한 도면이다.

도 6을 참고하면, 스테이터(300)는 로터(200)의 외측에 인접하여 배치될 수 있다.

복수의 로터 코어(210)가 결합하는 구조에서, 로터 코어(210)에 부착되는 마그넷(230)은 스테이터(300)의 상면 및 하면보다 회전축(100)의 축 방향으로 돌출되도록 마련될 수 있다. 다시 말하면, 스테이터(300) 측면에서 바라볼 때, 마그넷(230)이 스테이터(300) 상부 및 하부로 돌출되도록 배치될 수 있음을 의미한다.

이때, 스테이터(300)의 상면보다 돌출되는 마그넷(230)의 높이(h2)와 스테이터(300)의 하면보다 돌출되는 마그넷(230) 높이(h1)의 합은 마그넷(230) 간격의 합(D1+D2)과 동일할 수 있다. 다시 말하면, 스테이터(300)의 높이(h)와 복수의 층상 구조를 가지는 마그넷(230) 높이의 총합이 같아짐을 의미한다.

또한, 스테이터(300)의 상면보다 돌출되는 마그넷(230)의 높이(h2)와 스테이터(300)의 하면보다 돌출되는 마그넷(230) 높이(h1)는 동일하도록 배치될 수 있다.

상기와 같은 마그넷(230)의 배치는 스테이터(300)의 중심에 마그넷(230)이 배치되도록 하여, 마그넷(230)의 간격이 스테이터(300)에 미치는 영향을 최소화하기 위함이다.

도 7는 본 발명의 마그넷의 갭 비율에 따른 코깅토크의 변화량을 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 마그넷(230)의 간격의 변화에 따른 코깅토크와 역기전력 고조파의 변화를 나타내는 그래프이다.

간격비율(gas/stator stack)	0.0%	2.0%	3.0%	4.0%	5.0%	6.0%	7.0%	8.0%
cogging torque	15.8	15.0	14.6	12.6	10.2	9.7	12.36	15.0

표 1은 도 7의 그래프의 정량적인 수치를 확인할 수 있다.

마그넷(230)이 형성하는 간격의 비율이 감소할수록 일정 범위까지는 코깅토크가 감소함을 확인할 수 있다.

간격 비율이 0~3%까지 증가할 때는 코깅토크가 완만하게 감소함을 확인할 수 있다.

이후 3~6%의 구간에서는 급격하게 코깅토크가 감소하다가, 6%의 근방에서 간격비율의 증가함에 따라 코깅토크가 다시 증가함을 확인할 수 있다.

따라서, 본원 발명의 간격 비율은 4~7%의 범위에서 배치되는 것이 코깅토크를 감소시키는 범위임을 확인할 수 있으며, 바람직하게는 5~6%의 범위에서 간격비율을 가지는 것이 코깅토크 감소에 더욱 효과가 있음을 확인할 수 있다.

이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.

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.

1 : 모터
100 : 회전축
200 : 로터
210 : 로터 코어
230 : 마그넷
250 : 스페이서
300 : 스테이터
400 : 하우징

Claims (13)

1. 회전축;
   상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터; 및
   상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터를 포함하며,
   상기 로터는 회전축을 둘러싸는 로터 코어 및,
   상기 로터 코어와 결합하는 복수개의 마그넷을 포함하며,
   상기 마그넷은 상기 회전축의 축 방향으로 인접한 마그넷과 일정 간격 이격되어 배치되며,
   상기 간격의 합은 상기 스테이터의 축방향 길이의 0.04 내지 0.07인 모터.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 로터와 상기 스테이터를 포함하는 하우징;
   을 더 포함하는 모터.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 로터 코어는 복수개로 구성되며,
   상기 로터 코어는 상기 회전축의 축방향으로 인접한 로터 코어와 일정간격이 이격되어 배치되는 모터.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 로터 코어간 간격의 합은 상기 마그넷의 간격의 합과 동일한 모터.
5. 제3 항에 있어서,
   상기 로터 코어간 간격의 합은 상기 스테이터의 축 방향 길이의 0.04 내지 0.07인 모터.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 로터 코어간 간격의 합은 복수의 상기 로터 코어에 의해 형성되는 제1 간격 및 제2 간격의 합으로 계산되며,
   상기 제1 간격 및 상기 제2 간격은 동일한 모터.
7. 제3 항에 있어서,
   상기 로터 코어 사이에 배치되어 상기 로터 코어의 간격을 형성하는 스페이서를 포함하는 모터
8. 제7 항에 있어서,
   상기 스페이서의 외경은 상기 로터 코어의 외경보다 작게 형성되는 모터.
9. 제1 항에 있어서,
   복수개의 상기 마그넷이 인접 마그넷과 형성하는 간격은 서로 동일한 모터.
10. 제3 항에 있어서,
    상기 스테이터의 상면 및 하면보다 상기 회전축의 축방향으로 마그넷이 돌출된 모터.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 스테이터의 상면보다 돌출된 마그넷의 높이와 상기 스테이터의 하면보다 돌출된 마그넷의 높이의 합은 상기 마그넷 간격의 합과 동일한 모터.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 스테이터의 상면보다 돌출된 마그넷의 높이와 상기 스테이터의 하면보다 돌출된 마그넷의 높이는 동일한 모터.
13. 제1 항에 있어서,
    상기 간격의 합은 0.05 내지 0.06인 모터.

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