KR20210027865A

KR20210027865A - 모터

Info

Publication number: KR20210027865A
Application number: KR1020190108874A
Authority: KR
Inventors: 신현재; 김호연; 이재원; 임호빈; 정경훈; 조성국
Original assignee: 한온시스템 주식회사
Priority date: 2019-09-03
Filing date: 2019-09-03
Publication date: 2021-03-11

Abstract

본 발명은 브러시리스 모터에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 회전자 및 고정자의 형상 설계 최적화를 통하여 회전자의 위치 변화에 따른 자기저항의 변화율을 최소화함으로써 이에 따른 모터의 코깅토크 및 토크리플을 크게 저감시키며, 또한 회전자 및 고정자의 재질을 고려한 형상 설계 최적화를 통하여 중량까지 저감시킬 수 있는 브러시리스 모터를 제공하는 것이다.

Description

모터 {motor}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 회전자가 고정자의 외측에서 회전하고 회전자에 영구자석이 구비된 모터에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 전류가 흐르는 자기장속에서 전기에너지를 기계적인 에너지로 변환하는 장치로, 전원의 종류, 로터와 스테이터의 위치, 영구자석의 적용여부 등 다양한 기준에 따라 분류할 수 있다.

예컨대, 모터는 전원의 종류에 따라 직류(DC)모터와 교류(AC)모터로 구분하고, 직류모터는 다시 브러시 모터와 브러시리스 모터로 구분된다.

직류모터에서 브러시(brush)가 부착된 모터는 정류자와 브러시의 접촉에 의해서 코일에 전류를 흐르게 함과 동시에 전류시키는 기능을 하지만, 기계적, 전기적 노이즈가 발생할 뿐만 아니라 브러시가 마모되는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 브러시를 사용하지 않는 브러시리스 모터(brushless motor)가 널리 사용되고 있다. 브러시리스 직류 모터는 직류 모터에서 브러시와 정류자(commutator)를 없애고 전자적인 정류 기구를 설치한 모터로, 무정류자 모터라고도 한다.

또한, 모터는 회전자와 고정자의 상대적인 위치에 따라 내전형 모터와 브러시리스 모터로 구분할 수도 있다. 도 1 내지 도 2에는 브러시리스 모터의 일예가 도시되어 있다. 도 1 내지 도 2에 도시된 브러시리스 모터는 회전자 코어(111)의 내주면에 영구자석(112)이 구비된 회전자(110), 및 코일(125)이 권선되는 티스(121)의 선단에 폴 슈(122)가 형성된 고정자(120)를 포함하여 구성된다.

한편, 모터의 회전 시에는 회전자(110)의 위치에 따라 자속이 흐르는 것을 방해하는 자기저항의 크기가 다르고 이러한 자기저항의 차이로 인해 토크의 맥동이 발생하게 된다. 이와 같이 영구자석 형 모터에 있어서, 코일에 전원이 인가되기 전에 로터의 회전 시 발생하는 토크를 코깅토크(cogging torque)라 하는데, 이로 인해 모터가 진동과 소음에 대해서 가진원을 갖게 되며, 결국에는 모터 구동 시스템인 쿨링팬 등에 진동과 소음이 야기되는 문제점이 있다.

코깅토크는 로터의 위치 변화에 따른 자기저항의 변화율에 비례하는 것으로 알려져 있다. 이러한 코깅토크를 감소시키기 위해 도 1 내지 도 2에 도시된 종래기술의 티스(122)에는 영구자석(112)과 마주보는 대향면(123)에 노치(124)가 형성되어 있다. 티스(122)는 스테이터(120)의 자속이 로터(110)로 넘어가도록 로터 코어(111)의 원주방향으로 연장되어 형성된 것인데, 노치(124)는 티스(122)의 대향면(123)에 로터 코어(111)의 원주방향을 따라 복수개가 형성되어 있다.

그러나 노치(124)가 형성된 경우에도 회전각에 따른 자기저항의 변화율에 여전히 큰 차이가 있고, 그러 인해 소음과 진동을 크게 저감시키지 못하는 문제점이 있다. 이에 따라 모터의 코깅토크의 변동 폭인 토크리플을 저감시켜 모터의 소음 및 진동 특성을 개선시킬 필요성이 있다.

한편, 일반적으로 상기 고정자(120)는 전기 강판(electrical sheet) 재질로 이루어진다. 전기 강판이란 일반 강판에 비해 규소의 함유량이 많고 전기적, 자기적 성질이 우수한 철강으로 이루어진 판을 말한다. 특히 강판 내부의 결정이 제각각을 향하고 있는 무방향성 전기 강판이 범용 모터, 소형 모터 등 일반 회전기에 널리 사용되고 있다. 그런데 전기 강판 재질은 영구자석 재질에 비해 밀도가 높아서, 상기 고정자(120)의 부피가 커질수록 모터 자체의 중량이 증가하게 되어, 이를 저감하기 위한 설계의 도입이 필요하다.

코깅토크 및 토크리플 성능을 개선하기 위해 다양한 연구가 이루어져 오고 있는데, 그러한 한 예가 한국특허공개 제2017-0044934호("W타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터", 2017.04.26, 이하 선행문헌 1)와 같은 것이다. 선행문헌 1에서는 영구자석을 W형태가 되게 배치함으로써 코깅토크 및 토크리플을 개선하는 구성을 개시하고 있다. 그러나 선행문헌 1로도 코깅토크 및 토크리플을 개선하는 성능을 충분히 필요로 하는 만큼 얻기 어렵고, 또한 중량 저감에 대한 고려가 전혀 없다는 한계가 있다.

더불어, 종래의 모터는 회전자에 구비되는 영구자석이 8개, 고정자에 구비되는 슬롯(인접한 폴 슈들 사이의 공간) 12개로서 8극 12슬롯 사양으로 생산되었다. 그런데 최근 회전자에 구비되는 영구자석이 10개, 슬롯이 12개인 10극 12슬롯 사양 모터의 생산이 이루어지고 있다. 이에 따라 10극 12슬롯 모터에 최적화된 설계 규격을 새롭게 도출할 필요가 있다.

1. 한국특허공개 제2017-0044934호("W타입 영구자석 배치를 갖는 회전자 및 모터", 2017.04.26)

본 발명은 상술한 바와 같이 종래의 모터가 가지는 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 특히 10극 12슬롯 모터에 있어서, 회전자 및 고정자의 형상 설계 최적화를 통하여 회전자의 위치 변화에 따른 자기저항의 변화율을 최소화함으로써 이에 따른 모터의 코깅토크 및 토크리플을 크게 저감시킬 수 있는 브러시리스 모터를 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 다른 목적은, 회전자 및 고정자의 재질을 고려한 형상 설계 최적화를 통하여 중량까지 저감시킬 수 있는 브러시리스 모터를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모터는, 회전자 코어(11)의 내주면에 배치된 복수의 영구자석(12)을 구비한 회전자(10); 및 고정자 코어의 둘레방향을 따라 배치된 복수 개의 티스(21)와 상기 영구자석(12)과 마주하는 상기 티스(21)의 끝단에 형성된 폴 슈(22)를 구비한 고정자(20);를 포함하며, 10개의 상기 영구자석(12) 및 12개의 상기 폴 슈(22)를 구비하되, 상기 회전자(10)의 회전 시, 상기 영구자석(12)은 상기 폴 슈(22) 중앙부의 외주면(23)과 거리가 점차 가까워진 후, 상기 폴 슈(22) 중앙부의 외주면(23) 통과 후 거리가 점차 멀어지는 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)은 일정 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성되고, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 폴 슈(22)의 외주면과의 거리가 멀어지도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 영구자석(12)의 내주면과의 거리가 멀어지도록 형성될 수 있다.

즉 본 발명의 모터는, 회전자 코어(11)와 상기 회전자 코어(11)의 내주면에 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수 개의 영구자석(12)을 구비한 회전자(10); 및 상기 회전자(10)의 내측에 배치되며, 고정자 코어의 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수 개의 티스(21)와 상기 영구자석(12)과 마주하는 상기 티스(21)의 끝단에 형성된 폴 슈(22)를 구비한 고정자(20);를 포함하되, 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)은 일정 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성되고, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 폴 슈(22)의 외주면과의 거리가 멀어지도록 형성되거나, 또는 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 영구자석(12)의 내주면과의 거리가 멀어지도록 형성될 수 있다.

이 때 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 평면 형상을 가질 수 있다.

이 때 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 접선에 대하여 일정 각도(α)를 이루며 형성될 수 있다.

이 때 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)이 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 접선과 이루는 각도(α)가 9° ≤ α ≤ 20° 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 동일 평면에 위치할 수 있다.

이 때 상기 영구자석(12)의 내주면은 상기 영구자석(12)의 중심선(CL)을 기준으로 대칭이 되도록 형성될 수 있다.

이 때 상기 회전자(10)의 회전중심(C)에서 상기 폴 슈(22)의 중심 끝단까지의 거리를 D2라고 하고, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)에서 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)까지의 거리를 D1이라고 할 때, D1 < D2 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 끝단 사이의 각도를 θ1, 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ2라 할 때, 0.65 ≤ θ2/θ1 ≤ 0.67 또는 0.84 ≤ θ2/θ1 ≤ 0.86 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

이 때 상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 폴 슈(22)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ3라 할 때, θ2 < θ3 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)은 일정 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성될 수 있다.

이 때 상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ4라 할 때, 0° ≤ θ4 ≤ 1.5° 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 평면 형상을 가질 수 있다.

이 때 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)이 상기 폴 슈(22)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 접선과 이루는 각도를 β라 할 때, 7° ≤ β ≤ 9° 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

또한 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 평면 형상을 가지며, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 중앙부의 내주면의 접선에 대하여 일정 각도(α)를 이루며 형성되고, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 평면 형상을 가지며, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24) 끝단부는 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 연장선상으로부터 반경 방향으로 일정 거리(L2)를 이루며 형성되되, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)이 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 접선과 이루는 각도(α)와, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)이 상기 폴 슈(22)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 접선과 이루는 각도(β)가, α > β 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

본 발명의 모터는, 특히 10극 12슬롯 모터에 있어서, 회전자의 회전에 따른 자기저항의 변화를 최소화함으로써 코깅토크를 크게 저감시키고, 모터의 소음 및 진동을 크게 저감시킬 수 있는 효과가 있다. 보다 구체적으로는, 본 발명의 브러시리스 모터는, 먼저 영구자석의 내주면 형상에 있어서, 중심부는 원주형을 형성하되 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어짐으로써, 영구자석의 한 극 끝에서 다음 극으로 회전 시 자기저항의 변화를 점진적으로 감소시켰다가 다시 점진적으로 증가시키도록 하며, 이에 따라 코깅토크를 크게 저감하는 효과를 얻을 수 있다. 더불어 본 발명의 브러시리스 모터는, 고정자 폴 슈의 외주면 또한 양측 끝단이 챔퍼링된 형상을 가짐으로써 상술한 바와 같은 효과를 더욱 증대시켜 코깅토크를 더욱 저감하는 효과를 얻을 수 있다.

뿐만 아니라 본 발명의 브러시리스 모터는, 전기 강판 재질로 이루어져 영구자석보다 상대적으로 밀도가 높은 고정자 폴 슈가 챔퍼링된 형상으로 이루어지게 함으로써, 밀도가 높은 재질로 된 부품의 중량을 보다 효과적으로 저감시키며, 나아가 궁극적으로 모터 자체의 중량을 크게 저감할 수 있는 효과 또한 얻을 수 있다.

도 1은 종래의 브러시리스 모터를 나타낸 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 브러시리스 모터의 부분 확대도.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터를 나타낸 단면도.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 부분 확대도(회전자 상세 구성).
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 부분 확대도(고정자 상세 구성).
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 부분 확대도(고정자 다른 실시예).
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 θ2/θ1에 따른 코깅토크를 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 L1에 따른 코깅토크를 나타낸 그래프.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 고정자 및 회전자 형태 및 여러 비교예.
도 10은 종래의 8극 모터 및 본 발명의 10극 모터의 자계신호 그래프 비교예.

도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터를 나타낸 개략도이다. 먼저 도 3을 통해 상기 브러시리스 모터의 기본 구성을 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이 본 발명의 브러시리스 모터(100)는, 회전자 코어(11)와 상기 회전자 코어(11)의 내주면에 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수 개의 영구자석(12)을 구비한 회전자(10) 및 상기 회전자(10)의 내측에 배치되며, 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수 개의 고정자 코어(21)와 상기 영구자석(12)과 마주하는 상기 고정자 코어(21)의 끝단에 형성된 폴 슈(22)를 구비한 고정자(20);를 포함하여 구성된다.

회전자(10)는 회전 가능하도록 형성되고, 원통 형상의 회전자 코어(11)에 복수 개의 영구자석(12)이 결합되어 형성될 수 있다. 이 때, 영구자석(12)들은 회전자 코어(11)의 내주면에 둘레방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 영구자석(12)은 N극과 S극을 가지며, 하나의 영구자석(12)의 내주면에 N극이 위치하도록 배치하고 이웃하는 영구자석(12)의 내주면에는 S극이 위치하도록 배치하여, 복수 개의 영구자석들이 둘레방향을 따라 N극과 S극의 위치가 교번되도록 배치될 수 있다.

고정자(20)는 모터의 하우징 등에 고정되는 부분이며, 회전자(10)의 내측 중앙의 비어있는 부분에 배치될 수 있으며, 영구자석(12)들에 의해 둘러싸인 내측에 영구자석(12)들과 일정간격 이격되어 배치될 수 있다. 그리고 고정자 코어의 외주면에서 중심으로부터 바깥쪽으로 복수 개의 티스(21)가 연장 형성되되, 티스(21)들은 고정자 코어의 둘레방향을 따라 서로 이격되어 배치될 수 있다. 또한, 티스(21)들의 외측 단부에는 각각 폴 슈(22)가 연장 형성되며, 폴 슈(22)는 둘레방향 양단이 티스(21)에서 돌출된 형태로 형성되어, 도시된 바와 같이 티스(21) 및 폴 슈(22)가 "T"자 형태로 형성될 수 있다. 또한, 서로 이웃하는 티스(21)에 형성되어 마주보는 폴 슈(22)들은 일정 간격 이격되어 형성될 수 있다. 또한, 티스(21)들에는 코일(25)이 권취될 수 있으며, 권취되는 코일(25)은 고정자 코어의 외주면과 폴 슈(22) 사이에 배치될 수 있다.

도 3에서, 회전자(10)는 10개의 영구자석(12)이 구비되어 있으며, 고정자(20)는 12개의 티스(21)가 구비되어 있다. 본 발명에서는 이와 같은 10극 12슬롯 모터에서의 최적 설계를 제시하고자 한다.

아래의 수식 1에서와 같이 자속(Φ)이 변하지 않는 상태에서, 회전자의 회전각도의 변화(dθ)에 대한 자기저항의 변화(dR)가 줄어들게 되면, 코깅토크가 줄어드는 것을 알 수 있다.

[수식 1]

종래 도 2에 도시된 폴 슈(122)는 대향면과 영구자석(112)과의 거리가 일정하므로 영구자석(112) 구간에서 자기저항의 변화가 전혀 없다가 영구자석(112)이 없는 구간에서 자기저항이 급감하게 되므로 자기저항의 변화율이 클 수밖에 없다.

본 발명에서는, 회전자(10) 및 고정자(20)의 형상, 보다 구체적으로는 영구자석(12) 및 폴 슈(22)의 형상을 개선함으로써, 상술한 바와 같은 코깅토크 및 토크리플 문제점을 개선한다. 이하에서는, 영구자석(12)의 형상 개선 설계에 대하여 먼저 설명하고, 다음으로 폴 슈(22)의 형상 개선 설계에 대하여 설명한다.

영구자석 형상 개선 설계

도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터를 나타낸 부분확대도로서, 특히 영구자석(12)의 형상 개선 설계 사항을 상세히 나타내고 있다.

도 3 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서, 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)은 일정 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성되고, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 폴 슈(22)의 외주면과의 거리가 멀어지도록 형성될 수 있다.

이에 따라 영구자석(12)의 중앙부에서 양측 단부로 가면서 자기저항이 점진적으로 감소하게 되고, 영구자석(12)의 단부에서의 자기저항과 영구자석(12)이 없는 구간에서의 자기저항의 차이가 줄어들게 된다. 다시 말하면, 폴 슈(22)가 영구자석(12)이 없는 구간을 통과하기 전에 영구자석(12)의 단부에서 미리 자기저항을 감소시키게 된다. 따라서 폴 슈(12)의 형상에 관계없이 전 회전구간에서 자기저항의 변화율을 감소시킬 수 있게 되고, 결국 코깅토크가 현저하게 저감되어 모터의 진동과 소음을 저감시킬 수 있게 된다.

상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 평면 형상으로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 평면인 내주면(14)은 상기 영구자석의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 중앙부의 내주면의 접선에 대하여 일정 각도(α)를 이루며 형성될 수 있다. 이를 통해, 회전자가 회전하면서 자기저항의 변화를 점진적으로 감소시켰다가 다시 점진적으로 증가시키는 효과를 줄 수 있다. 그리고 도시하지는 않았지만, 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 폴 슈(22)의 외주면과의 거리가 멀어지는 조건을 만족한다면 평면 형상이 아닌 곡면 형상으로 형성될 수도 있다.

상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면이 상기 중앙부의 내주면의 접선과 이루는 각도(α)가 9° ≤ α ≤ 20°를 만족시키는 것이 바람직하다. 각도(α)가 9° 미만인 경우에는 자기저항의 감소량이 지나치게 작아 영구자석(12)이 없는 구간에서의 자기저항과 비교하면 큰 차이가 나게 되고, 결국 자기저항의 변화량이 크게 감소하지 못하게 된다. 또한, 각도(α)가 20° 초과인 경우에는 영구자석이 없는 구간에서의 자기저항 값과의 차이는 작지만, 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부에서의 자기저항에 큰 차이가 나기 때문에 영구자석(12) 자체에서의 자기저항의 변화량이 지나치게 커지게 된다. 각도(α)가 9° 이상이고 20° 이하인 경우에는, 영구자석(12)이 없는 구간에서의 자기저항과의 차이도 크게 줄고, 영구자석의 중앙부와 양측 단부에서의 자기저항의 차이도 크지 않아, 결국 전체 자기저항의 변화율을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 서로 동일한 평면에 위치할 수 있다. 또한, 상기 영구자석(12)의 내주면(13, 14)은 영구자석의 중심선(CL)을 기준으로 대칭이 되도록 형성될 수 있다. 이를 통해 영구자석의 중심선을 기준으로 자기저항의 변화가 일정하게 대칭으로 일어나게 되어 불규칙한 자기저항의 변화를 방지할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)에서 상기 폴 슈(22)의 중심 끝단까지의 거리를 D2라고 하고, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)에서 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)까지의 거리를 D1이라고 하고, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)에서 상기 영구자석(12)의 중앙부 내주면(13)까지의 거리를 D3라고 할 때, D1 < D2 의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

상기 영구자석(12)의 중앙부 내주면(13)은 D3의 곡률반경을 가지는 면이고, 상기 폴 슈(22)는 상기 중앙부 내주면(13)과 일정 간격(D3-D2)을 유지하면서 회전한다. 모터 효율의 손실을 줄이기 위해 상기 간격(D3-D2)은 1mm 이하로 작게 형성될 수 있다. 또한, D1이 D3에 가까울수록 상기 영구자석(12)의 중앙부의 길이가 줄어들고 양측 단부의 길이가 커져, 영구자석의 양측 단부와 영구자석이 없는 구간에서의 자기저항의 변화량이 줄어들게 되지만, 영구자석의 자력이 약해지기 때문에 모터 성능을 감소시킬 수 있다. 이를 극복하기 위해, D1이 D2보다 작도록 형성하여 상기 영구자석(12)의 중앙부의 길이를 충분히 형성하여, 모터의 성능을 유지할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 끝단 사이의 각도를 θ1, 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ2라 할 때, 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 양측 끝단 사이의 각도(θ2)에 따라 상기 영구자석의 중앙부의 길이가 달라지고, 그에 따라 모터의 코깅토크가 달라진다.

도 7은 θ2/θ1에 따른 코깅토크의 변화를 나타낸 그래프가 도시되어 있다. θ2/θ1값이 0.6 미만인 경우에는 위에서 언급한 대로 영구자석(12) 대비 중앙부의 길이가 줄어듦에 따라 모터의 성능을 유지하기 어렵게 된다. 따라서 도 5에는 θ2/θ1값이 0.6 이상인 경우에 θ2/θ1값에 따른 코깅토크의 변화를 반복적인 시험을 통해 도출한 결과물이 도시되어 있다.

도시된 바와 같이 기본적으로 θ2/θ1값이 증가할수록 코깅토크가 증가하게 된다. 다만 θ2/θ1값이 약 0.66인 구간과 약 0.85인 구간에서는 코깅토크가 인접한 구간에 비해 감소되는 것을 알 수 있다. 따라서 모터의 구동 성능을 감안하면서도 코깅토크의 감소 효과가 극대화될 수 있도록 본 발명의 브러시리스 모터는 θ2/θ1값이 약 0.66 또는 약 0.85 일 수 있다.

보다 바람직하게 본 발명의 브러시리스 모터의 θ2/θ1값은 코깅토크의 감소 효율 대비 모터의 구성 성능이 보다 우수한 약 0.85로 결정될 수 있다.

또한, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 폴 슈(22)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ3라 할 때, θ2 < θ3 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다. 상기 폴 슈(22)의 길이가 최소한 상기 영구자석(12)의 중앙부를 모두 커버할 만큼 길어야 모터의 성능을 유지할 수 있기 때문이다.

폴 슈 형상 개선 설계

도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터를 나타낸 부분확대도로서, 특히 폴 슈(22)의 형상 개선 설계 사항을 상세히 나타내고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 브러시리스 모터에서는, 영구자석(12)의 중심부는 원주형을 형성하되 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어짐으로써, 영구자석의 한 극 끝에서 다음 극으로 회전 시 자기저항의 변화를 점진적으로 감소시켰다가 다시 점진적으로 증가시키도록 한다. 앞서 수식 1에서 보인 바와 같이 회전자의 회전각도의 변화(dθ)에 대한 자기저항의 변화(dR)가 줄어들게 되면 코깅토크가 줄어든다는 점이 알려져 있는 바, 상기 영구자석(12)의 형상 개선으로 인하여 코깅토크를 확실히 저감시킬 수 있음을 이론적으로도 확인할 수 있다. 폴 슈(22)의 형상 개선 역시 이와 마찬가지의 관점에서 이루어진다.

즉 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에서, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 영구자석(12)의 내주면과의 거리가 멀어지도록 형성될 수 있다.

이에 따라 (영구자석(12)에서와 유사하게) 한 극 끝에서 다음 극으로 회전 시 폴 슈(22)의 형상에 의하여 자기저항의 변화가 점진적으로 감소되다가 다시 점진적으로 증가하게 된다. 즉 도 5에서와 같이 폴 슈(22)의 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어져 있음으로써, 영구자석(12)의 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어짐으로써 얻는 코깅토크 저감 효과를 마찬가지로 얻을 수 있다. 폴 슈(22)가 이와 같이 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어질 경우, 영구자석(12)의 내주면이 챔퍼링되지 않은 형상으로 이루어지더라도 코깅토크 저감 효과를 얻을 수 있으며, 영구자석(12) 역시 양측 단부가 챔퍼링될 경우 코깅토크 저감 효과를 극대화할 수 있다.

상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)은, 도 5에 도시된 바와 같이 일정 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ4라 하며, 이 때 θ4에 해당하는 부분은 일정 길이(L1)를 이루며 형성될 수 있다. 또는 도 6에 도시된 바와 같이, 폴 슈(22)의 양측 단부가 완전히 챔퍼링됨으로써 상기 폴 슈(22)의 중앙부가 꼭지점 형태로 형성될 수도 있다. 즉 도 5는 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 길이(L1)가 0보다 큰 값을 갖는 경우를 도시하고 있으며, 도 6은 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 길이(L1)가 0인 경우, 즉 실질적으로는 상기 폴 슈(22)의 중앙부가 꼭지점 형태로 형성되는 경우를 각각 도시하고 있다. 이 때 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 길이(L1)가 길수록 챔퍼링된 부분의 영역이 줄어들기 때문에 자기저항 변화량이 좀더 급격해지기 때문에 코깅토크 저감 효과가 작아지며, 상기 길이(L1)가 짧을수록 반대로 코깅토크 저감 효과가 커진다.

도 8은 L1에 따른 코깅토크의 변화를 나타낸 그래프로서, 상기 길이(L1)가 짧을수록 코깅토크가 작아지고, 상기 길이(L1)가 길수록 코깅토크가 커지는 경향이 도 8에 잘 나타나고 있다. 이 때 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 길이(L1)가 0mm ≤ L1 ≤ 2mm 인 범위에서 코깅토크가 0.06 근처로 작게 형성되다가, L1이 2mm인 지점을 기점으로 코깅토크가 상당히 큰 폭으로 커지는 경향을 확인할 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 길이(L1)가 0mm ≤ L1 ≤ 2mm 의 관계를 만족할 수 있다. 이 때 장치 자체의 전체적인 크기가 달라지는 경우 L1의 크기도 그에 맞게 달라질 수 있음을 감안하여, 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23) 규격을 θ4로 나타내는 것이 보다 바람직하다. 구체적으로는, 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 양측 끝단 사이의 각도(θ4)가 0° ≤ θ4 ≤ 1.5° 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 평면 형상으로 형성될 수 있다. 이 때, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24) 끝단은 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 연장선상으로부터 반경 방향으로 일정 거리(L2)를 이루며 형성될 수 있다. 이를 통해, (영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14) 형상에 따른 현상과 유사하게) 회전자가 회전하면서 자기저항의 변화를 점진적으로 감소시켰다가 다시 점진적으로 증가시키는 효과를 줄 수 있다. 이 경우에도 역시 도시하지는 않았지만, 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 영구자석(12)의 내주면과의 거리가 멀어지는 조건을 만족한다면 평면 형상이 아닌 곡면 형상으로 형성될 수도 있다.

이 경우에도 앞서와 마찬가지로, 장치 자체의 전체적인 크기가 달라지는 경우 L2의 크기도 그에 맞게 달라질 수 있음을 감안하여, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24) 규격을 어떠한 각도로 나타내는 것이 보다 바람직하다. 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)이 상기 폴 슈(22)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 접선과 이루는 각도를 β라 할 때, 이러한 각도 β가 7° ≤ β ≤ 9°의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

영구자석 및 폴 슈 형상 연관 설계

상술한 바와 같이 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)이 챔퍼링된 형상을 가지거나, 또는 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)이 챔퍼링된 형상을 가짐으로써, 한 극 끝에서 다음 극으로 회전 시 자기저항의 변화가 점진적으로 감소되다가 다시 점진적으로 증가하게 되어, 코깅토크를 효과적으로 저감할 수 있다. 이 때, 영구자석(12)만 챔퍼링 형상을 가져도 되고, 폴 슈(22)만 챔퍼링 형상을 가져도 되고, 또는 영구자석(12) 및 폴 슈(22) 둘 다 챔퍼링 형상을 가지도록 할 수 있다.

한편 일반적으로 제작되는 브러시리스 모터의 경우, 영구자석(12)이 폴 슈(22)에 비해 높이가 높은 반면, (전기강판으로 이루어지는) 폴 슈(22)가 영구자석(12)에 비해 밀도가 크다. 영구자석(12) 및 폴 슈(22)의 재질, 높이 등을 표로 정리하면 아래와 같다.

상기 표에서 보이는 바와 같이, 성능 개선을 위한 2D 단면 설계에 있어서, 단면 상에서 면적이 변화함에 따라 중량이 영향받는 정도는 영구자석에 비해 (전기강판으로 이루어지는) 폴 슈 쪽이 크게 나타나게 된다.

도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 고정자 및 회전자 형태 및 여러 비교예와, 각 경우에 대한 중량 및 코깅토크를 나타낸 것이다. 도 9(A)가 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시리스 모터의 고정자 및 회전자 형태로서, 영구자석(12) 및 폴 슈(22) 둘 다 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어지는 경우이다. 이 경우 물론 당연히 중량도 0.840g으로 가장 작게 나타나고, 코깅토크도 0.045Nm으로 가장 작게 나타난다. 한편 도 9(B)는 폴 슈(22)만 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어지는 경우로서, 이 때 중량은 0.851g, 코깅토크는 0.152Nm으로 나타난다. 도 9(C)는 영구자석(12)만 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어지는 경우로서, 이 때 중량은 0.852g, 코깅토크는 0.179Nm으로 나타나게 된다.

도 9(A)에서와 같이 영구자석(12) 및 폴 슈(11) 둘 다 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어지게 하는 경우가 물론 가장 최선이겠으나, 둘 중 하나만 챔퍼링되게 해야 하는 경우가 있을 수 있다. 이 때 도 9(B) 및 도 9(C)의 비교로 알 수 있는 바와 같이, 폴 슈(11)만 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어지게 하는 경우에는 중량 저감 효과는 상대적으로 크게 나타나는 반면 코깅토크 저감 효과는 상대적으로 작게 나타난다. 반대로 영구자석(12)만 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어지게 하는 경우에는 코깅토크 저감 효과는 상대적으로 작게 나타나는 반면 중량 저감 효과는 상대적으로 크게 나타난다.

이러한 관점에서 볼 때, 도 9(A)에서와 같이 영구자석(12) 및 폴 슈(11) 둘 다 양측 단부가 챔퍼링된 형상으로 이루어지게 하는 경우라 하더라도, 각 부품들에서의 챔퍼링 정도를 어떻게 결정하느냐에 따라 중량 저감 효과 및 코깅토크 저감 효과가 다르게 나타날 수 있다. 한편 챔퍼링 정도가 지나치게 커질 경우, 앞서 (특히 α 범위와 관련하여) 설명한 바와 같이 각 부품 안에서 중앙부 - 양측 단부 간 자기저항 변화가 지나치게 커지는 문제가 생길 수 있다. 이러한 관점에서, 중량 저감 효과 및 코깅토크 저감 효과를 모두 적절하게 향상하면서도 불필요한 지점에서 자기저항 변화가 지나치게 커지지 않도록 최적화하는 것이 필요하다.

이러한 여러 가지 사항을 고려하였을 때, 상기 영구자석(12) 및 상기 폴 슈(11)의 형상은 다음과 같은 연관관계를 가지는 것이 바람직하다. 먼저 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 평면 형상을 가지며, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 중앙부의 내주면의 접선에 대하여 일정 각도(α)를 이루며 형성된다고 가정한다. 또한 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 평면 형상을 가지며, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24) 끝단부는 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 연장선상으로부터 반경 방향으로 일정 거리(L2)를 이루며 형성된다고 가정한다. 이 때, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)이 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 접선과 이루는 각도(α)와, 상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)이 상기 폴 슈(22)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 접선과 이루는 각도(β)가, α > β 의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.

도 10은 종래의 8극 모터 및 본 발명의 10극 모터의 자계신호 그래프 비교예를 도시한 것으로, 보다 상세하게는 회전자가 1바퀴 회전하는 동안 영구자석에 의하여 발생되는 자계신호 그래프이다(도 10에서 점선으로 표시된 지점이 회전자가 1회전한 지점임).

도 10(A)는 종래의 8극 모터에서의 자계신호 그래프로서, 도시된 바와 같이 회전자 1회전 시 4주기의 파형이 나오는 것을 알 수 있다. 한편 도 10(B)는 본 발명의 10극 모터의 자계신호 그래프로서, 8극 모터에서와는 달리 회전자 1회전 시 5주기의 파형이 나온다.

회전자 1회전에 포함되는 자계신호 주기의 개수가 많아질수록 자계신호 진폭은 줄어들게 된다는 점이 잘 알려져 있다. 이처럼 자계신호의 진폭이 작아지게 되면 결과적으로 코깅토크도 작아지게 된다. 다시 말해 코깅토크를 저감하기 위해서는 8극 모터보다 10극 모터가 더욱 유리하다는 것을 알 수 있다. 본 발명은 바로 이처럼 코깅토크 저감에 상대적으로 유리한 10극 모터에 대하여, 코깅토크를 더욱 저감할 수 있는 최적화 형상을 제공하고 있다.

본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능한 것은 물론이다.

10, 110 : 회전자
11, 111 : 회전자 코어
12, 112 : 영구자석
13 : 영구자석의 중앙부의 내주면
14 : 영구자석의 양측 단부의 내주면
20, 120 : 고정자
21, 121 : 고정자 티스
22, 122 : 폴 슈
23 : 폴 슈의 중앙부의 외주면
24 : 폴 슈의 양측 단부의 외주면
25, 125 : 코일
C : 회전자의 회전중심
CL : 영구자석의 중심선

Claims

회전자 코어(11)의 내주면에 배치된 복수의 영구자석(12)을 구비한 회전자(10); 및
고정자 코어의 둘레방향을 따라 배치된 복수 개의 티스(21)와 상기 영구자석(12)과 마주하는 상기 티스(21)의 끝단에 형성된 폴 슈(22)를 구비한 고정자(20);를 포함하며, 10개의 상기 영구자석(12) 및 12개의 상기 폴 슈(22)를 구비하되,
상기 회전자(10)의 회전 시, 상기 영구자석(12)은 상기 폴 슈(22) 중앙부의 외주면(23)과 거리가 점차 가까워진 후, 상기 폴 슈(22) 중앙부의 외주면(23) 통과 후 거리가 점차 멀어지는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)은 일정 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성되고, 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 폴 슈(22)의 외주면과의 거리가 멀어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 모터.
제2항에 있어서,
상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 상기 중앙부에서 멀어질수록 상기 영구자석(12)의 내주면과의 거리가 멀어지도록 형성된 것을 특징으로 하는 모터.
제2항에 있어서,
상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 모터.
제4항에 있어서,
상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 접선에 대하여 일정 각도(α)를 이루며 형성되는 것을 특징으로 하는 모터.
제5항에 있어서,
상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)이 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 접선과 이루는 각도(α)가 9° ≤ α ≤ 20° 의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
제4항에 있어서,
상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 동일 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 모터.
제7항에 있어서,
상기 영구자석(12)의 내주면은 상기 영구자석(12)의 중심선(CL)을 기준으로 대칭이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 모터.
제 8항에 있어서,
상기 회전자(10)의 회전중심(C)에서 상기 폴 슈(22)의 중심 끝단까지의 거리를 D2라고 하고, 상기 회전자(10)의 회전중심(C)에서 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)까지의 거리를 D1이라고 할 때,
D1 < D2
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
제2항에 있어서,
상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 영구자석(12)의 양측 단부의 끝단 사이의 각도를 θ1, 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ2라 할 때,
0.65 ≤ θ2/θ1 ≤ 0.67 또는 0.84 ≤ θ2/θ1 ≤ 0.86
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
제10항에 있어서,
상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 폴 슈(22)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ3라 할 때,
θ2 < θ3
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
제3항에 있어서,
상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)은 일정 곡률을 갖는 곡면 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 모터.
제12항에 있어서,
상기 회전자(10)의 회전중심(C)을 기준으로 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 양측 끝단 사이의 각도를 θ4라 할 때,
0° ≤ θ4 ≤ 1.5°
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
제3항에 있어서,
상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 평면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 모터.
제 14항에 있어서,
상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)이 상기 폴 슈(22)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 접선과 이루는 각도를 β라 할 때,
7° ≤ β ≤ 9°
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.
제3항에 있어서,
상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 평면 형상을 가지며,
상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)은 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 중앙부의 내주면의 접선에 대하여 일정 각도(α)를 이루며 형성되고,
상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)은 평면 형상을 가지며,
상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24) 끝단부는 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 연장선상으로부터 반경 방향으로 일정 거리(L2)를 이루며 형성되되,
상기 영구자석(12)의 양측 단부의 내주면(14)이 상기 영구자석(12)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 영구자석(12)의 중앙부의 내주면(13)의 접선과 이루는 각도(α)와,
상기 폴 슈(22)의 양측 단부의 외주면(24)이 상기 폴 슈(22)의 중앙부와 양측 단부가 만나는 점에서 상기 폴 슈(22)의 중앙부의 외주면(23)의 접선과 이루는 각도(β)가,
α > β
의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 모터.