KR20230172104A

KR20230172104A - 모터의 회전자 및 이를 포함하는 모터

Info

Publication number: KR20230172104A
Application number: KR1020220072512A
Authority: KR
Inventors: 이정민; 김재민; 성원정; 박경재
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2022-06-15
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-12-22

Abstract

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자는 샤프트를 감싸 결합되며, 고정자와 간격을 두고 고정자의 내측에 동일 중심을 이루어 배치되는 회전자 코어, 및 회전자 코어의 외주 면을 둘러 감싸 결합되고, 고정자와 공극을 두고 링 형상으로 배치되는 영구자석을 포함하고, 영구자석은 서로 다른 극을 갖는 복수의 단위자석을 포함하고 복수의 단위자석 각각의 자화 패턴은 할박 패턴(Halbach Pattern) 인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 실시예에 따르면 회전자의 자화패턴이 정현파에 더욱 가까워질 수 있어 역기전력을 향상시킬 수 있다.

Description

모터의 회전자 및 이를 포함하는 모터{ROTOR OF MOTOR AND MOTOR HAVING THE SAME}

본 발명은 모터의 회전자 및 이를 포함하는 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터 효율 향상을 위해 할박 패턴이 적용된 영구자석을 갖는 링 타입 회전자 및 이를 포함하는 모터에 관한 것이다.

모터는 전기에너지를 역학적 에너지로 변환하는 장치로써 각종 기기에서 구동원으로 사용되고 있다.

일반적으로 모터는 고정자와 회전자를 포함하여 구성된다. 고정자는 외관을 형성하는 케이싱의 내측에 코일이 권선된 형태로 설치된다. 회전자는 고정자와 사이에 소정의 공극을 두고서 고정자의 내측에 위치하는데, 회전 가능하게 설치된다. 회전자는 샤프트에 결합되는 코어와, 코어에 설치되는 영구자석을 포함하여 구성된다.

전원은 고정자에 인가될 수 있는데, 전원이 인가되면 회전자의 영구자석과 고정자에 권선된 코일 사이에 전자기력이 발생될 수 있다. 이러한 전자기력에 의해 회전자는 회전하게 된다.

한편, 종래의 링 타입 회전자의 경우 자석 착자 시 자속 배열의 어려움으로 인해 레이디얼 패턴(Radial Pattern)이 주로 적용되어 있다.

따라서, 종래에 비해 모터 효율 및 모터 토크리플을 개선하고, 모터의 형상변경 없이 자속 흐름을 정현적으로 배치할 수 있는 모터의 회전자에 대한 기술 개발이 필요한 실정이다.

본 발명과 관련된 종래기술로서 대한민국 공개특허공보 제20120056623호(2012.06.04. 공개일)(이하, 선행문헌)가 있으며, 상기 선행문헌에는 영구자석형 선형 동기전동기 및 회전형 동기전동기에 관한 기술이 개시되어 있다. 선행문헌에 개시된 영구자석형 동기전동기에 따르면, 회전자의 외경에 극간격 2배의 주기로 환형 철심이 권선되고, 착자방향은 할박 배열을 기본으로 한다.

그런데, 선행문헌과 같이 할박 배열이 상, 하, 좌, 우로만 이루어지게 되면, 자속 형태가 레이디얼 패턴(Radial Pattern)이나 패러럴 패턴(Parallel Pattern)에 비해 좀 더 정현파에 가까운 형상을 가지나, 원호 형의 할박 패턴(Halbach Pattern)보다는 삼각파에 가까운 파형을 가진다. 이 때문에, 모터의 효율을 만족할 수준까지 개선하기에는 어려움이 있다.

대한민국 공개특허공보 제20120056623호

본 발명의 목적은 모터 효율 향상을 위한 연속적인 원호 형태의 할박 패턴(Halbach Pattern)이 적용된 영구자석을 갖는 링 타입 회전자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 영구자석의 착자시 연속적인 원호 형태의 할박 패턴(Halbach Pattern)을 적용하여 링 타입 회전자의 자화패턴이 정현파에 더욱 가까워지도록 하여 역기전력을 향상시킬 수 있는 모터의 회전자를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 연속적인 원호 형태의 할박 패턴이 적용된 영구자석을 갖는 링 타입 회전자를 포함하는 모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면 모터 효율 향상을 위한 할박 자화패턴을 갖는 모터의 회전자를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면 자석 착자 시 할박 패턴(Halbach Pattern)을 적용하여 링 타입 회전자의 자화패턴이 정현파에 가까워지도록 함으로써, 모터 효율을 향상시키고, 모터 토크리플을 개선하며, 모터의 형상변경 없이 자속 흐름을 더 정현적으로 배치할 수 있는 모터의 회전자를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자는, 회전자 코어, 및 영구자석을 포함한다. 회전자 코어는 샤프트를 감싸 결합되며, 고정자와 간격을 두고 상기 고정자의 내측에 동일 중심을 이루어 배치될 수 있다. 영구자석은 상기 회전자 코어의 외주 면을 둘러 감싸도록 형성되며, 상기 고정자와 소정의 공극을 두고 링 형상으로 배치될 수 있다.

영구자석은 서로 다른 극을 갖는 복수의 단위자석을 포함한다. 복수의 단위자석 각각의 자화 패턴은, 할박 패턴(Halbach Pattern) 일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 할박패턴은 연속적인 호 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 할박패턴은 패러럴 패턴(Parallel Pattern), 레이디얼 패턴(Radial Pattern)에 비해 정현파에 가까운 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 할박패턴의 반지름은 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 사이에서 정해질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은 상기 회전자의 반경(ROD)과 동일할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출될 수 있다.

[수학식 1]

Maximum Halbach R = ROD*sec(360/(pole*2))

(여기서, ROD는 회전자의 반경, pole은 극수임)

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 영구자석의 착자 전 분말 정렬 시 연속적인 호 형상을 갖는 할박패턴(Halbach Pattern)으로 정렬한 후 착자 할 수 있다. 이에 따라, 자속 배열의 어려움 없이 영구자석 내에 소정의 할박패턴의 형성이 가능해질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자는, 내전형 링 타입 모터의 회전자로서, 회전자 코어와 영구자석을 포함한다.

회전자 코어는 샤프트를 감싸 결합되며, 고정자와 간격을 두고 상기 고정자의 내측에 동일 중심을 이루어 배치될 수 있다. 영구자석은 상기 회전자 코어의 외주 면을 둘러 감싸도록 형성되며, 상기 고정자와 소정의 공극을 두고 링 형상으로 배치될 수 있다.

영구자석은, N극을 갖는 원호 형상의 제1 단위자석, 및 상기 제1 단위자석과 동일한 형상 및 크기를 가지고, 상기 제1 단위자석과 교대로 원주 방향으로 연결되며, S극을 갖는 원호 형상의 제2 단위자석을 포함한다. 제1, 2 단위자석 각각의 자화패턴은 할박 패턴(Halbach Pattern) 일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 할박패턴은, 패러럴 패턴(Parallel Pattern), 레이디얼 패턴(Radial Pattern)에 비해 정현파에 가까운 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 할박패턴의 반지름은 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 내에서 정해질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은 상기 회전자의 반경(ROD)과 동일할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르는 모터의 회전자에서, 상기 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출될 수 있다.

[수학식 1]

Maximum Halbach R = ROD*sec(360/(pole*2))

(여기서, ROD는 회전자의 반경, pole은 극수임)

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면 모터 효율 향상을 위한 할박 자화패턴을 갖는 링 타입 회전자를 포함하는 모터를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터는, 내전형 링 타입 모터로서, 샤프트, 고정자, 회전자를 포함한다. 샤프트는 중심에 배치될 수 있다. 고정자는 상기 샤프트의 외측을 둘러싸도록 배치될 수 있다. 회전자는 회전자 코어와 영구자석을 포함한다.

영구자석은, N극을 갖는 원호 형상의 제1 단위자석, 및 상기 제1 단위자석과 동일한 형상 및 크기를 가지고, 상기 제1 단위자석과 교대로 원주 방향으로 연결되며, S극을 갖는 원호 형상의 제2 단위자석을 포함한다.

제1, 2 단위자석 각각의 자화패턴은 할박 패턴(Halbach Pattern) 일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터에서, 상기 할박패턴은, 연속적인 호 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터에서, 상기 할박패턴은, 패러럴 패턴(Parallel Pattern), 레이디얼 패턴(Radial Pattern)에 비해 정현파에 가까운 형태를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터에서, 상기 할박패턴의 반지름은, 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 내에서 정해질 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터에서, 상기 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은, 상기 회전자의 반경(ROD)과 동일할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터에서, 상기 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출될 수 있다.

[수학식 1]

Maximum Halbach R = ROD*sec(360/(pole*2))

(여기서, ROD는 회전자의 반경, pole은 극수임)

본 발명의 실시예에 의하면, 링 타입 회전자의 영구자석에 할박 패턴(Halbach Pattern)을 적용하여 모터 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 링 타입 회전자의 영구자석에 할박 패턴(Halbach Pattern)을 적용하여 모터 토크리플을 개선할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 의하면, 영구자석 착자 시 할박 패턴(Halbach Pattern)을 적용하여 링 타입 회전자의 자화패턴이 정현파에 가까워지도록 할 수 있다. 이에 따라, 모터의 형상을 변경하지 않으면서도 자속 흐름을 더욱 정현적으로 형성할 수 있다. 그 결과, 할박 패턴을 적용할 경우 모터의 역기전력을 대략 10% 내외로 상승시킬 수 있는 장점이 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터를 간략히 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 회전자를 구성하는 영구자석을 간략히 도시한 개념도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 회전자를 구성하는 영구자석의 할박 패턴을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.
도 5a는 도 4의 "A" 영역을 확대한 것으로 패러럴 패턴이 적용된 영구자석의 자속 방향을 간략히 나타낸 도면이다.
도 5b는 도 4의 "A" 영역을 확대한 것으로 레이디얼 패턴이 적용된 영구자석의 자속 방향을 간략히 나타낸 도면이다.
도 5c는 도 4의 "A" 영역을 확대한 것으로 할박 패턴이 적용된 영구자석의 자속 방향을 간략히 나타낸 도면이다.
도 6은 영구자석에 적용된 패러럴 패턴, 레이디얼 패턴, 할박 패턴 별 자속밀도 파형을 보여주는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자에서 영구자석에 적용된 할박 패턴의 최소값과 최대값의 정의를 설명하기 위해 보여주는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자에서 영구자석에 적용된 할박 패턴의 할박 반지름(R)에 따른 Normalized Back EMF을 보여주는 그래프이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 또한, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다.

본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 다른 구성 요소가 "개재"되거나, 각 구성 요소가 다른 구성 요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 발명을 구현함에 있어서 설명의 편의를 위하여 구성요소를 세분화하여 설명할 수 있으나, 이들 구성요소가 하나의 장치 또는 모듈 내에 구현될 수도 있고, 혹은 하나의 구성요소가 다수의 장치 또는 모듈들에 나뉘어져서 구현될 수도 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자 및 이를 포함하는 모터에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터를 간략히 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르는 모터(1)는 내전형 링 타입 모터일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터(1)는 샤프트(300), 고정자(200), 및 회전자(100)를 포함한다.

샤프트(300)는 원형 단면을 가지며 모터(1)의 중심에 배치되는 부재이다.

고정자(200)는 샤프트(300)의 외측에서 샤프트(300)를 둘러싸는 형태로 배치될 수 환형으로 배치될 수 있다.

고정자(200)는 고정자 코어(210)를 포함하고, 고정자 코어(210)에 복수의 코일(미도시)이 장착될 수 있다.

고정자 코어(210)는 요크부(211), 티스부(213), 및 폴부(215)를 포함한다.

요크부(211)는 고정자(200)의 반경방향 외측에 위치할 수 있다.

티스부(213)는 요크부(211) 내측에서 고정자(200)의 반경방향으로 길게 형성되며, 코일(미도시)이 장착될 수 있다.

폴부(215)는 티스부(213)의 내측 단부에 구비되며, 회전자(100)의 영구자석(120)가 공극을 사이에 두고 마주보도록 위치할 수 있다.

회전자(100)는 샤프트(300)와 고정자(200)의 사이에 위치할 수 있다.

구체적으로 설명하면, 회전자(100)는 회전자 코어(110)와 영구자석(120)을 포함한다.

회전자 코어(110)는 모터(1)의 중심에 배치되는 샤프트(300)의 외주 면을 감싸 결합될 수 있다.

이때, 회전자 코어(110)는 고정자(200)와 간격을 두고 배치될 수 있다. 이 간격을 통해 영구자석(120)이 링 형상으로 위치할 수 있다.

또한, 회전자 코어(110)는 고정자(200)의 내측에서 고정자(200)와 동일 중심을 이루어 배치될 수 있다.

영구자석(120)은 회전자 코어(110)의 외주 면을 둘러 감싸 결합될 수 있다. 영구자석(120)과 고정자(200)의 사이에는 소정의 공극(air gap)이 형성될 수 있다.

이와 같이, 영구자석(120)은 고정자(200)와 소정의 공극(air gap)을 사이에 두고 서로 이격한 형태로 구비되어, 회전자(100)는 고정자(200)의 내부에서 회전이 가능해 질 수 있다.

예를 들어, 영구자석(120)은 서로 극성이 다른 복수의 단위자석(121, 123)을 포함한다.

일 예로서, 영구자석(120)은 복수의 제1 단위자석(121)과 복수의 제2 단위자석(123)을 포함할 수 있다.

복수의 제1 단위자석(121)은 N극을 갖는 원호 형상의 자석으로서, 링 형상의 영구자석(120)을 복수 개로 분할한 것 중 하나의 원호 형상을 가질 수 있다.

복수의 제2 단위자석(123)은 S극을 갖는 원호 형상의 자석으로서, 링 형상의 영구자석(120)을 복수 개로 분할한 것 중 하나의 원호 형상을 가질 수 있다.

복수의 제2 단위자석(123) 각각은 복수의 제1 단위자석(121) 각각과 동일한 형상 및 크기를 가질 수 있다.

복수의 제1 단위자석(121)과 복수의 제2 단위자석(123)은 서로 교대로 원주 방향으로 연결되어 전체적으로 하나의 링 형상 영구자석(120)을 형성한다.

이때, 각각의 제1 단위자석(121)과 제2 단위자석(123)의 자화패턴은 연속적인 호(즉, 원호) 형상을 갖는 할박 패턴(Halbach Pattern)(122, 124)으로 이루어질 수 있다.

각각의 제1 단위자석(121)과 제2 단위자석(123)이 갖는 할박패턴(Halbach Pattern)(122, 124)는 연속적인 호 형상을 갖는 서로 동일한 패턴으로서, 기존의 패러럴 패턴(Parallel Pattern), 레이디얼 패턴(Radial Pattern)에 비해 정현파에 가까운 형태를 가질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 회전자를 구성하는 영구자석을 간략히 도시한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 도시된 영구자석(120)은 서로 극성이 다른 12 개의 단위자석(121, 123)을 포함한다.

도시된 바와 같이, 하나의 링 형상의 영구자석(120)은 6개의 제1 단위자석(121)과 6개의 제2 단위자석(123)을 포함할 수 있다.

6개의 제1 단위자석(121)은 N극을 가지며, 6개의 제2 단위자석(123)은 S극을 가질 수 있다.

6개의 제1 단위자석(즉, N극 자석)(121)과 제2 단위자석(즉, S극 자석)(123) 각각은 동일한 원호 형상 및 크기를 가질 수 있다.

6개의 제1 단위자석(즉, N극 자석)(121)과 제2 단위자석(즉, S극 자석)(123)은 서로 교대로 원주 방향으로 연결되어 전체적으로 하나의 링 형상 영구자석(120)을 형성할 수 있다.

6개의 제1 단위자석(즉, N극 자석)(121)과 제2 단위자석(즉, S극 자석)(123) 각각의 자화패턴은 연속적인 호(즉, 원호) 형상을 갖는 할박 패턴(Halbach Pattern)(122, 124)으로 이루어진다.

이들 할박패턴(Halbach Pattern)(122, 124)는 기존의 패러럴 패턴(Parallel Pattern), 레이디얼 패턴(Radial Pattern)에 비해 정현파에 가까운 형태를 가진다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터의 회전자를 구성하는 영구자석의 할박 패턴을 설명하기 위해 도시한 개념도이다.

본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자(100)는 영구자석(120)을 구성하는 복수의 제1, 2 단위자석(121, 123)의 자화패턴이 연속적인 호 형상을 갖는 할박패턴(122, 124)로 이루어진다.

이에 따라, 역기전력이 향상되어 모터 효율이 향상되는 효과를 가져올 수 있다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자(100)는 자석 착자 전 분말 정렬 시 정현파에 가까운, 즉 연속적인 호 형상을 갖는 할박패턴(Halbach Pattern)으로 정렬 후 착자할 수 있다.

이로써, 링 타입 영구자석(120)을 구성하는 복수의 제1, 2 단위자석(121, 123)의 자화패턴이 정현파에 가까워질 수 있으며, 그 결과 모터 효율의 향상 및 모터 토크리플의 개선 효과를 가질 수 있다.

게다가, 모터의 형상을 변경하지 않고서도 자속 흐름을 더욱 정현적으로 구현할 수 있다.

도 4를 참조하면, R은 할박 반지름(Halbach R)이고, 제1, 2 단위자석(121, 123) 각각의 중심각은 360/pole°이다.

도 5a는 도 4의 A 영역을 확대한 것으로, 영구자석을 구성하는 제1, 2 단위자석(121, 123)의 자화패턴이 기존의 패러럴 패턴(Parallel Pattern)으로 적용된 예를 보여준다.

도 5a를 참조하면, 제1, 2 단위자석(121, 123)의 자화패턴이 패러럴 패턴(Parallel Pattern)으로 적용되어 있어, 자속 밀도가 정현파(도 6의 점선 파형)와 가깝지 않아 모터의 효율을 개선하기에 어려움이 있다.

도 5b는 도 4의 A 영역을 확대한 것으로, 영구자석을 구성하는 제1, 2 단위자석(121, 123)의 자화패턴이 자속 배열의 어려움으로 인해 레이디얼 패턴(Radial Pattern)으로 적용된 예를 보여준다.

도 5b를 참조하면, 제1, 2 단위자석(121, 123)의 자화패턴이 레이디얼 패턴(Radial Pattern)으로 적용되어 있어, 자속 밀도가 정현파(도 6의 점선 파형)와 가깝지 않아 모터의 효율을 개선하기에 어려움이 있다.

도 5c는 도 4의 A 영역을 확대한 것으로, 본 발명의 실시예에 따라 영구자석을 구성하는 제1, 2 단위자석(121, 123)의 자화패턴을 연속적인 호 형상을 갖는 할박패턴(Halbach Pattern)으로 적용시킨 예를 보여준다.

도 5c를 참조하면, 도 5a의 패러럴 패턴(Parallel Pattern)과 도 5b의 레이디얼 패턴(Radial Pattern)과 비교하여 제1, 2 단위자석(121, 123)이 할박패턴(Halbach Pattern)을 갖는 경우 자속 밀도가 정현파(도 6의 점선 파형)에 가까워져, 모터의 효율을 개선할 수 있음을 확인할 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자에서 영구자석에 적용된 할박 패턴의 최소값과 최대값의 정의를 설명하기 위해 보여주는 개념도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자(100)에서, 할박패턴의 반지름, 즉 할박 반지름(Halbach R)은 설정된 범위, 즉 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 사이에서 정해진다.

구체적인 예로서, 본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자(100)에서, 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은 상기 회전자(100)의 반경(ROD)과 동일한 값으로 정해지는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자(100)에서, 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출될 수 있다.

[수학식 1]

Maximum Halbach R = ROD*sec(360/(pole*2))

(여기서, ROD는 회전자의 반경, pole은 극수임)

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따르는 모터의 회전자(100)에서 영구자석(120), 즉 제1, 2 단위자석(121, 123)에 적용된 할박패턴(122, 124)은 할박 반지름(Halbach R)이 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)의 범위 내에서 정해지는 것이 바람직하다.

최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은 회전자(100)의 반경(ROD) 이상인 것이 바람직하며, 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 영구자석 내 N극, S극의 기준점, 즉 서로 다른 자화 방향이 접점이 되는 지점에서 교차하는 것이 바람직하다.

이러한 할박 반지름(Halbach R)의 범위, 즉 할박 반지름(Halbach R)이 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R) 이상이며 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 이하일 경우 역기전력의 향상 효과는 도 8을 참조하여 확인할 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자에서 영구자석에 적용된 할박 패턴의 할박 반지름(R)에 따른 Normalized Back EMF을 보여주는 그래프이다.

도 8을 참조하면, 할박 반지름(Halbach R)과 회전자(100)의 반경(ROD)에 따른 Normalized Back EMF 결과를 확인할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 모터의 회전자의 경우, 영구자석 착자 시 연속적인 호 형상의 할박패턴(Halbach Pattern)을 적용하여, 회전자의 자화패턴이 정현파에 가까워지도록 할 수 있다.

이에 따라, 모터의 형상을 변경하지 않으면서도 자속 흐름을 더욱 정현적으로 형성할 수 있는데, 그 결과, 모터의 역기전력을 대략 10% 내외로 상승시킬 수 있는 장점이 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 링 타입 회전자의 영구자석에 할박 패턴(Halbach Pattern)을 적용할 수 있다.

이에 따라, 기존의 링 타입 영구자석에 적용되었던 레이디얼 패턴(Radial Pattern) 또는 패러럴 패턴(Parallel Pattern)에 비해 모터 효율을 향상시키고, 모터 토크리플을 개선할 수 있다.

특히, 본 발명의 구성 및 작용에 따르면, 영구자석 착자 시 할박 패턴(Halbach Pattern)을 적용하여 링 타입 회전자의 자화패턴이 정현파에 가까워지도록 할 수 있다.

이에 따라, 모터의 형상을 변경하지 않으면서도 자속 흐름을 더욱 정현적으로 형성할 수 있다. 이에 따라, 모터의 역기전력을 대폭 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

1: 모터
100: 회전자
110: 회전자 코어
120: 영구자석
121: 제1 단위자석
122: 할박패턴
123: 제2 단위자석
124: 할박패턴
200: 고정자
210: 고정자 코어
211: 요크부
213: 티스부
215: 폴부
300: 샤프트

Claims

샤프트를 감싸 결합되며, 고정자와 간격을 두고 상기 고정자의 내측에 동일 중심을 이루어 배치되는 회전자 코어; 및
상기 회전자 코어의 외주 면을 둘러 감싸 결합되고, 상기 고정자와 공극을 두고 링 형상으로 배치되는 영구자석;을 포함하고,
상기 영구자석은 서로 다른 극을 갖는 복수의 단위자석을 포함하고,
상기 복수의 단위자석 각각의 자화 패턴은 할박 패턴(Halbach Pattern)으로 형성되는
모터의 회전자.
제1항에 있어서,
상기 할박패턴은,
연속적인 호 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는
모터의 회전자.
제2항에 있어서,
상기 할박패턴의 반지름은,
최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 사이에서 정해지는 것을 특징으로 하는
모터의 회전자.
제3항에 있어서,
상기 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은 상기 회전자의 반경(ROD)과 동일한 것을 특징으로 하는
모터의 회전자.
제3항에 있어서,
상기 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는
모터의 회전자.
[수학식 1]
Maximum Halbach R = ROD*sec(360/(pole*2))
(여기서, ROD는 회전자의 반경, pole은 극수임)
샤프트를 감싸 결합되며, 고정자와 간격을 두고 상기 고정자의 내측에 동일 중심을 이루어 배치되는 회전자 코어; 및
상기 회전자 코어의 외주 면을 둘러 감싸 결합되고, 상기 고정자와 공극을 두고 링 형상으로 배치되는 영구자석;을 포함하고,
상기 영구자석은,
N극을 갖는 원호 형상의 제1 단위자석; 및
상기 제1 단위자석과 동일한 형상 및 크기를 가지고, 상기 제1 단위자석과 교대로 원주 방향으로 연결되며, S극을 갖는 원호 형상의 제2 단위자석;을 포함하고,
상기 제1, 2 단위자석 각각의 자화패턴은 할박 패턴(Halbach Pattern)으로 형성되는
모터의 회전자.
제7항에 있어서,
상기 할박패턴은,
연속적인 호 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는
모터의 회전자.
제7항에 있어서,
상기 할박패턴의 반지름은,
최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는
모터의 회전자.
제8항에 있어서,
상기 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은,
상기 회전자의 반경(ROD)과 동일한 것을 특징으로 하는
모터의 회전자.
제8항에 있어서,
상기 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 모터의 회전자.
[수학식 1]
Maximum Halbach R = ROD*sec(360/(pole*2))
(여기서, ROD는 회전자의 반경, pole은 극수임)
내전형 링 타입 모터로서,
상기 모터의 중심에 배치되는 샤프트;
상기 샤프트의 외측을 둘러싸도록 배치되는 고정자;
상기 샤프트와 상기 고정자의 사이에서 상기 샤프트를 감싸 결합되며, 상기 고정자와 간격을 두고 상기 고정자의 내측에 동일 중심을 이루어 배치되는 회전자 코어와, 상기 회전자 코어의 외주 면을 둘러 감싸 결합되고, 상기 고정자와 공극을 두고 링 형상으로 배치되는 영구자석을 포함하는 회전자;를 포함하고,
상기 영구자석은,
N극을 갖는 원호 형상의 제1 단위자석; 및
상기 제1 단위자석과 동일한 형상 및 크기를 가지고, 상기 제1 단위자석과 교대로 원주 방향으로 연결되며, S극을 갖는 원호 형상의 제2 단위자석;을 포함하고,
상기 제1, 2 단위자석 각각의 자화패턴은 할박 패턴(Halbach Pattern)으로 형성되는
모터.
제11항에 있어서,
상기 할박패턴은,
연속적인 호 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는
모터.
제12항에 있어서,
상기 할박패턴의 반지름은,
최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)과 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R) 내에서 정해지는 것을 특징으로 하는
모터.
제13항에 있어서,
상기 최소 할박 반지름(Minimum Halbach R)은,
상기 회전자의 반경(ROD)과 동일한 것을 특징으로 하는
모터.
제13항에 있어서,
상기 최대 할박 반지름(Maximum Halbach R)은 하기의 [수학식 1]에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 모터.
[수학식 1]
Maximum Halbach R = ROD*sec(360/(pole*2))
(여기서, ROD는 회전자의 반경, pole은 극수임)