KR20220140954A - 파손 방지 구조를 구비한 회전자 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 파손 방지 구조를 구비한 회전자에 관한 것으로, 회전자 철심의 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분을 통해 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하여 공극으로 자속이 원활하게 흐르도록 하는 동시에 회전자 철심의 수직형 매립홈에 매립되는 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지할 수 있도록 한 것이다.

Description

파손 방지 구조를 구비한 회전자{Rotor with structure for preventing breakage}
본 발명은 모터의 회전자 구조에 관련한 것으로, 특히 파손 방지 구조를 구비한 회전자에 관한 것이다.
최근 친환경 자동차에 대한 관심이 날로 커지면서 기존 내연기관의 엔진 대신에 전기로 자동차를 구동할 수 있는 견인용 모터 설계에 대한 중요성도 크게 증가하고 있다. EV(Electric Vehicle)용 견인용 모터 설계의 중요한 가치는 자동차의 연비와 동일한 개념으로 인지되는 1회 충전당 주행거리의 증가이며, 이는 모터의 자체 효율도 중요하지만 모터의 무게 또한 중대한 변수가 된다.
이 때문에 모터의 회전자에 에너지 밀도가 높은 영구자석을 사용하여 고정자 회전자계와 합성하여 토크(Torque)를 발생시키는 영구자석형 동기 모터가 큰 인기를 얻고 있다. 대한민국 공개특허 제10-2005-0069055호(2005.07.05)에 회전자의 회전축을 중심으로 외향하는 하나 이상의 매립홈 쌍이 대칭하여 형성되고, 이 매립홈들에 영구자석들이 매립되는 다층 매립형 영구자석 모터의 로터 구조에 대해 기재되어 있다.
도 1 은 종래의 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조를 예시한 도면이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 회전자(100)의 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112)들에 영구자석(20)들을 삽입하고 이를 통해 발생하는 자속(Flux)의 경로인 자로(Flux path)를 제어하여 고정자(도면 도시 생략)에서 발생하는 회전 자계와 공극에서 합성시키면 토크(Torque)가 발생된다.
이때, 최적의 자로를 형성하기 위해 회전자 철심(110)의 형상을 다양하게 설계할 수 있으며, 특히 토크에 기여하지 못하고 누설되거나 핵심 자로에 자속이 밀집되어 회전자 철심이 포화되는 현상을 회피하여야 원하는 성능을 구현할 수 있다. 이처럼 영구자석을 사용하여 토크를 발생할 때는 회전자 철심의 형상에 항시 유의하여야 하며 영구자석을 매립하는 방법과 구조에 따라 성능이 좌우된다.
회전자 철심에 매립되는 영구자석에서 발생하는 자속(Flux)이 공극(Air-gap)을 지나 고정자 철심으로 흘러가는 것으로 인해 토크를 발생하게 되지만, 고정자 철심과 공기의 투자율 차이가 약 5000배 이상 차이가 남에 따라 대부분의 자속은 회전자 철심 내에서 흘러 다니게 된다.
이를 방지하기 위해 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112)에 얇은 형태의 립(Rib) 부분(112a)을 형성하여 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도함으로써 자속들이 일정량 이상 회전자 철심으로 흐르지 못하고 공극 방향으로 흘러 나가도록 하는 설계 방법을 사용하고 있다.
그런데, 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112)의 립 부분(112a)은 얇게 형성되어 있으므로, 수직형 매립홈(112)에 매립되는 영구자석(120)이 고속 운전에 의한 큰 원심력에 의해 반경 방향으로 비산하려는 힘에 대항하지 못하고 파손 또는 크랙이 생기게 된다.
도 2 는 종래의 영구자석 매립형 모터의 회전자의 파손을 예시한 도면이다. 도 2 를 참조해 보면, 영구자석(120)이 반경 방향으로 비산하려는 힘에 대항하지 못하고 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112)의 립 부분(112a)에 크랙(Crack)이 발생했음을 볼 수 있다.
따라서, 본 발명자는 회전자 철심의 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분을 통해 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하여 공극으로 자속이 원활하게 흐르도록 하는 동시에 회전자 철심의 수직형 매립홈에 매립되는 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지할 수 있는 개선된 회전자 구조에 대한 연구를 하였다.
대한민국 공개특허 제10-2005-0069055호(2005.07.05)
본 발명은 회전자 철심의 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분을 통해 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하여 공극으로 자속이 원활하게 흐르도록 하는 동시에 회전자 철심의 수직형 매립홈에 매립되는 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지할 수 있는 파손 방지 구조를 구비한 회전자를 제공함을 그 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 파손 방지 구조를 구비한 회전자가 중앙 부위에 회전축이 삽입되는 회전축 삽입홈이 형성되고, 외연 주변을 따라 다수의 수직형 매립홈들이 형성되는 회전자 철심과; 회전자 철심에 형성되는 수직형 매립홈들에 매립되는 다수의 영구자석들과; 회전자 철심에 형성되는 수직형 매립홈들에서 영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되어 영구자석의 수평방향 미끄럼을 방지하는 한쌍의 영구자석 고정돌기와; 회전자 철심에 형성되는 수직형 매립홈들의 적어도 일측 종단 주변에 적어도 하나 형성되어 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하는 동시에 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지하는 변형 방지홈을 포함한다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 변형 방지홈과 이웃하는 수직형 매립홈 사이의 격벽이 교량(Bridge) 역할을 수행하여 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분에 작용하는 스트레스(Stress)를 분산함으로써 수직형 매립홈의 립 부분 변형을 방지하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파손 방지 구조를 구비한 회전자가 수직형 매립홈들에서 영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되는 한쌍의 영구자석 고정돌기 사이의 수직형 매립홈들에서 각각 수직 방향으로 절개되어 영구 자석을 접착하는 접착제의 잉여분을 수집하여 수납하는 한쌍의 접착제 수집홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 한쌍의 접착제 수집홀이 한쌍의 영구자석 고정돌기와 연하여 형성되어, 한쌍의 영구자석 고정돌기에 의해 억류되는 접착제의 잉여분을 효율적으로 수집하도록 구현될 수 있다.
본 발명은 회전자 철심의 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분을 통해 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하여 공극으로 자속이 원활하게 흐르도록 하는 동시에 회전자 철심의 수직형 매립홈에 매립되는 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지할 수 있으므로, 모터를 안정적으로 고속 운전할 수 있으면서도, 모터 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래의 영구자석 매립형 모터의 회전자 구조를 예시한 도면이다.
도 2 는 종래의 영구자석 매립형 모터의 회전자의 파손을 예시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자의 일 실시예의 구성을 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자의 일부를 확대한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자에 작용하는 스트레스 해석도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있으나, 이는 본 발명의 다양한 실시예들을 특정한 형태로 한정하려는 것은 아니다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.
도 3 은 본 발명에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자의 일 실시예의 구성을 도시한 도면, 도 4 는 본 발명에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자의 일부를 확대한 도면이다.
도 3 및 도 4 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자(100)는 회전자 철심(110)과, 다수의 영구자석(120)들과, 한쌍의 영구자석 고정돌기(130)와, 변형 방지홈(140)을 포함한다.
회전자 철심(110)은 중앙 부위에 회전축(도면 도시 생략)이 삽입되는 회전축 삽입홈(111)이 형성되고, 외연 주변을 따라 다수의 수직형 매립홈(112)들이 형성된다. 예컨대, 다수의 수직형 매립홈(112)들이 회전자 철심(110) 외연 주변을 따라 2층 V타입 형태로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
다수의 영구자석(120)들은 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112)들에 매립된다. 예컨대, 영구자석(120)들의 크기는 동일할 수도 있고, 상이할 수도 있다. 한편, 영구자석(120)들의 형상은 직육면체 형상일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
한쌍의 영구자석 고정돌기(130)는 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112)들에서 영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되어 영구자석의 수평방향 미끄럼을 방지한다.
회전자(100)가 회전하면, 회전자(100)의 회전 방향인 수평 방향으로 토크가 발생하여, 수직형 매립홈(112)들에 매립된 영구자석(120)들이 수평 방향으로 미끄러진다.
그러나, 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112)들에서 영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되는 한쌍의 영구자석 고정돌기(130)가 스토퍼(Stopper) 역할을 하여 수직형 매립홈(112)들에 매립된 영구자석(120)들이 수평 방향으로 미끄러지는 것을 방지한다.
변형 방지홈(140)은 회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112))들의 적어도 일측 종단 주변에 적어도 하나 형성되어 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하는 동시에 영구자석(120)에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈(112)의 립(Rib) 부분(112a) 변형을 방지한다.
회전자 철심(110)에 형성되는 수직형 매립홈(112))들에 매설되는 영구자석(120)들은 특정의 질량을 가지므로, 회전자 철심(110) 회전시 반경 방향으로 작용하는 원심력(Centrifugal Force)을 가진다.
원심력은 질량과 반경에 비례하고, 각속도의 자승에 비례하는 힘이므로, 변형 방지홈(140)이 형성되지 않은 경우 영구자석(120)이 질량에 의한 원심력이 반경 반향으로 발생하여 영구자석(120)이 반경 방향으로 비산하려는 힘으로 작용한다.
영구자석(120)이 반경 방향으로 비산하려는 힘은 수직형 매립홈(112)의 립(Rib) 부분(112a)에 스트레스(Stress)로 작용하여 수직형 매립홈(112)의 립 부분(112a)을 변형시켜 파손 또는 크랙이 발생된다.
그러나, 변형 방지홈(140)이 형성되는 본 발명은 변형 방지홈(140)과 이웃하는 수직형 매립홈(112) 사이의 격벽(140a)이 교량(Bridge) 역할을 수행하여 수직형 매립홈(112)의 립(Rib) 부분(112a)에 작용하는 스트레스(Stress)를 분산함으로써 수직형 매립홈(112)의 립 부분(112a) 변형을 방지한다.
도 5 는 본 발명에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자에 작용하는 스트레스 해석도이다. 회전자가 20,000 rpm의 회전 속도로 회전할 때, 594 MPa 이상의 스트레스를 받으면 수직형 매립홈(112)의 립 부분(112a)이 변형된다.
그러나, 도 5 를 참조해 보면, 본 발명에 따른 파손 방지 구조를 구비한 회전자가 20,000 rpm의 회전 속도로 회전할 때, 최소 0.767 MPa 내지 최대 548 MPa 정도의 스트레스가 작용하고 있음을 볼 수 있으므로, 수직형 매립홈(112)의 립 부분(112a)에 변형이 발생하지 않는다.
이와 같이 구현함에 의해, 본 발명은 회전자 철심의 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분을 통해 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하여 공극으로 자속이 원활하게 흐르도록 하는 동시에 회전자 철심의 수직형 매립홈에 매립되는 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지할 수 있으므로, 모터를 안정적으로 고속 운전할 수 있으면서도, 모터 수명을 연장할 수 있다.
한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 파손 방지 구조를 구비한 회전자(100)가 한쌍의 접착제 수집홀(150)을 더 포함할 수 있다. 한쌍의 접착제 수집홀(150)은 수직형 매립홈(112)들에서 영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되는 한쌍의 영구자석 고정돌기(130) 사이의 수직형 매립홈(112)들에서 각각 수직 방향으로 절개되어 영구자석(120)을 접착하는 접착제의 잉여분을 수집하여 수납한다.
예컨대, 한쌍의 접착제 수집홀(150)이 한쌍의 영구자석 고정돌기(130)와 연하여 형성되어, 한쌍의 영구자석 고정돌기(130)에 의해 억류되는 접착제의 잉여분을 효율적으로 수집하도록 구현될 수 있다. 이 때, 한쌍의 접착제 수집홀(150)의 형상이 음각된 반원 형태일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되는 한쌍의 영구자석 고정돌기(130) 사이의 수직형 매립홈(112)에 에폭시(Epoxy) 또는 본드(Bond) 등과 같은 접착제를 도포한 후 영구자석(120)을 부착하면, 접착면에 특정한 두께의 물리적인 접착제층이 형성되면서 잉여분의 접착제는 접착면 이외로 밀려나 누출되고, 누출되는 잉여분의 접착제에 의해 오염 물질이 부착되어 자로(Flux path)에 영향을 주게 된다.
그런데, 본 발명의 경우 접착면 이외로 밀려나 누출되는 잉여분의 접착제가 한쌍의 영구자석 고정돌기(130)에 의해 억류되면서, 한쌍의 접착제 수집홀(150)로 잉여분의 접착제가 유입되어 수집되면서 수납되고, 한쌍의 접착제 수집홀(150)에 수납되는 접착제가 굳으면서 주변의 오염없이 영구자석(120)의 모서리 부분에 부가적인 접착력을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 회전자 철심의 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분을 통해 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하여 공극으로 자속이 원활하게 흐르도록 하는 동시에 회전자 철심의 수직형 매립홈에 매립되는 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지할 수 있으므로, 모터를 안정적으로 고속 운전할 수 있으면서도, 모터 수명을 연장할 수 있다.
본 명세서 및 도면에 개시된 다양한 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위는 여기에서 설명된 실시예들 이외에도 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 다양한 실시예들의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 발명은 영구자석 매립형 모터 관련 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.
100 : 회전자
110 : 회전자 철심
111 : 회전축 삽입홈
112 : 수직형 매립홈
112a : 립 부분
120 : 영구자석
130 : 영구자석 고정돌기
140 : 변형 방지홈
140a : 격벽
150 : 접착제 수집홀

Claims (4)

  1. 중앙 부위에 회전축이 삽입되는 회전축 삽입홈이 형성되고, 외연 주변을 따라 다수의 수직형 매립홈들이 형성되는 회전자 철심과;
    회전자 철심에 형성되는 수직형 매립홈들에 매립되는 다수의 영구자석들과;
    회전자 철심에 형성되는 수직형 매립홈들에서 영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되어 영구자석의 수평방향 미끄럼을 방지하는 한쌍의 영구자석 고정돌기와;
    회전자 철심에 형성되는 수직형 매립홈들의 적어도 일측 종단 주변에 적어도 하나 형성되어 자속 포화(Flux Saturation)를 회피하도록 유도하는 동시에 영구자석에 작용하는 원심력에 의한 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분 변형을 방지하는 변형 방지홈을;
    포함하는 파손 방지 구조를 구비한 회전자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    변형 방지홈과 이웃하는 수직형 매립홈 사이의 격벽이 교량(Bridge) 역할을 수행하여 수직형 매립홈의 립(Rib) 부분에 작용하는 스트레스(Stress)를 분산함으로써 수직형 매립홈의 립 부분 변형을 방지하는 파손 방지 구조를 구비한 회전자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    파손 방지 구조를 구비한 회전자가:
    수직형 매립홈들에서 영구자석 넓이 간격으로 각각 수직 방향으로 돌출되는 한쌍의 영구자석 고정돌기 사이의 수직형 매립홈들에서 각각 수직 방향으로 절개되어 영구 자석을 접착하는 접착제의 잉여분을 수집하여 수납하는 한쌍의 접착제 수집홀을;
    더 포함하는 파손 방지 구조를 구비한 회전자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    한쌍의 접착제 수집홀이:
    한쌍의 영구자석 고정돌기와 연하여 형성되어, 한쌍의 영구자석 고정돌기에 의해 억류되는 접착제의 잉여분을 효율적으로 수집하는 파손 방지 구조를 구비한 회전자.
KR1020210046874A 2021-04-12 2021-04-12 파손 방지 구조를 구비한 회전자 KR20220140954A (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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