KR20240040661A - 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터코어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어에 관한 것이다. 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어는 자기베어링의 하부에 영구자석을 포함하는 오프셋부를 적용함으로써, 회전자 샤프트에 가해지는 중력을 상쇄하고, 나아가 회전자가 원활히 자기부상할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Description

자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어{Motor core with magnetically levitated rotor}

본 발명은 모터코어에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어에 관한 것이다.

자기베어링구조는 자기베어링 권선에 전류를 인가하여 발생하는 자속과 회전자 샤프트간의 자기력으로 회전자의 위치를 제어하는 구조이며, 발생 자속은 베어링 권선의 턴수와 인가전류에 비례한다. 기존의 자기베어링구조의 경우, 모터의 외부에서 회전자 샤프트의 위치를 제어하는 구조로 마찰 손실을 줄여 고속 회전에 용이한 구조이다.

기존의 자기베어링을 적용한 모터 회전자 구조의 경우, 회전자 내부공간을 활용하여 자기 베어링이 회전자 샤프트를 회전자 내측에서 제어하는 일체형 방식을 통해 사이즈, 제작비용, 무게에 대한 상승 요인을 최소화 할 수 있다. 그러나, 고기능의 모터 수요가 높아짐에 따라 회전자의 크기가 커졌고, 자연히 회전자에 가해지는 중력의 크기가 커짐에 따라 자기베어링만으로는 회전자 샤프트를 지지하는 것에 한계가 있었다. 이에 회전자를 자기부상 시킬 만큼의 오프셋 전류가 지속적으로 인가될 필요가 있었고, 이로 인해 동손이 자명하게 발생하였다. 또한 전류밀도에 대한 제한으로 인해 한계가 있었다.

종래에는 이러한 문제를 해결하기 위해, 자기베어링에 권선된 코일의 턴수를 높여 회전자를 자기부상시키는 자기력을 높이고자 하였으나, 자기베어링이 회전자의 내부에 포함되는 내전형 구조이기 때문에 권선의 턴수를 늘리는데 한계가 있었다.

대한민국 공개특허 10-2021-0115940 "하중 분산 효과가 개선된 권선계자형 동기 모터의 회전자"

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 자기베어링의 하부에 영구자석을 포함하는 오프셋부를 적용함으로써, 회전자 샤프트에 가해지는 중력을 상쇄하고, 나아가 회전자가 원활히 자기부상할 수 있도록 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어를 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어는 중심이 중공된 원통형상으로 형성되는 고정자의 중심에 내삽되어 회전하는 회전자 샤프트, 및 회전자 샤프트에 구비되어 고정자와의 사이에 자기력을 발생시키는 자기력 발생부를 포함하고, 회전자 샤프트는, 중심이 중공된 원통형상으로 형성되며, 자기력 발생부는, 회전자 샤프트의 중심에 끼워지는 자기 베어링을 포함하고, 자기 베어링은, 회전자 샤프트의 중심을 기준으로 하방에 위치하며, 영구자석이 포함된 오프셋부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 자기베어링은, 회전자 샤프트의 회전축과 동일 방향으로 연장되는 베어링 샤프트와, 베어링 샤프트에 중심이 끼워져 회전하며 코일이 권선되는 베어링 코어를 더 포함하고, 오프셋부는, 베어링 샤프트와 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 베어링 코어는, 베어링 샤프트의 연장방향을 따라 2개 이상 구비되고, 오프셋부는, 베어링 코어의 사이에 끼워져 베어링 샤프트와 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 오프셋부는, 베어링 샤프트와 결합되되, 베어링 코어의 양단에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 오프셋부는, 2개 이상 구비되며, 적어도 한 면이 서로 마주보도록 베어링 샤프트에 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 오프셋부의 영구자석은, 소정의 중심각을 갖는 부채꼴 형상으로 형성되고, 중심각은 90도 이상 180도 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 오프셋부는, 일단이 베어링 샤프트에 고정되며, 자기베어링의 반경 방향으로 연장형성되는 지지대를 더 포함하고, 지지대의 단부에 영구자석이 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 오프셋부는, 2개 이상 구비되며, 서로 반경방향으로 소정 간격 이격배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어는 중심이 중공된 원통형상으로 형성되는 고정자의 중심에 내삽되어 회전하는 회전자 샤프트, 회전자 샤프트의 중심에 끼워지는 베어링 샤프트 및 베어링 샤프트에 중심이 끼워지고 회전자 샤프트의 단부에 구비되는 베어링 코어를 포함하는 자기베어링, 및 베어링 샤프트와 결합되되, 베어링 코어와 회전자 샤프트의 사이에 끼워지고, 영구자석을 포함하는 오프셋부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 오프셋부는, 베어링 샤프트에 결합되어 위상이 고정되며, 베어링 샤프트를 기준으로 하방에 결합되는 것을 특징으로 한다.

또한, 오프셋부는, 회전자 샤프트의 양측 단부에 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어는 자기베어링의 하부에 영구자석을 포함하는 오프셋부를 적용함으로써, 회전자 샤프트에 가해지는 중력을 상쇄하고, 나아가 회전자가 원활히 자기부상할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어의 반경방향 단면도이다.
도 2는 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터 코어에 가해지는 자기력의 자로를 도시한 그래프이다.
도 3은 회전자 샤프트의 회전에 따른 본 발명의 오프셋부와 고정자석부의 자기 부상 힘을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 회전자 샤프트 및 자기력 발생부를 도시한 반경방향 단면도이다.
도 5는 본 발명의 자기 베어링의 제 1 실시 예를 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 자기 베어링의 제 2 실시 예를 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 자기 베어링의 제 3 실시 예를 도시한 측면도이다.
도 8은 본 발명의 오프셋부의 제 1 실시 예를 도시한 반경방향 단면도이다.
도 9는은 본 발명의 오프셋부의 제 1 실시 예의 세부 실시 예를 도시한 반경방향 단면도이다.
도 10은 본 발명의 오프셋부의 제 2 실시 ??를 도시한 측면도이다.
도 11은 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어의 변형 실시 예를 도시한 사시도이다.
도 12는 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어의 변형 실시 예의 세부 실시 예를 도시한 사시도이다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하로, 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어(1000)의 기본 구성에 대해 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 중심이 중공된 원통형상으로 형성되는 고정자(S)의 중심에 내삽되어 회전하는 회전자 샤프트(100) 및 회전자 샤프트(100)에 구비되어 고정자(S)와의 사이에 자기력을 발생시키는 자기력 발생부(200)를 포함할 수 있다. 이 때 자기력 발생부(200)는 다수의 영구자석을 포함하며 위치가 회전자 샤프트(100)에 종속되어 고정되는 고정자석부(220)를 포함할 수 있으며, 고정자석부(220)에 포함된 각각의 영구자석은 회전자 샤프트(100)의 측면에 부착되어 원주방향으로 배열될 수 있다.

보다 자세히, 고정자석부(220)에 포함된 영구자석은 할바 배열로 배열될 수 있으며, 이에 따라 회전자 샤프트(100)의 내측의 자속이 상쇄되고, 자기 포화가 풀려 자기회로 역할을 수항하는 기존의 회전자에 형성된 구조인 백요크를 제거하더라도, 즉 중심이 중공된 원통형상으로 형성되더라도, 회전자 샤프트(100)가 고정자(S)와의 사이에서 자기부상 상태로 회전할 수 있다.

이에 더 나아가, 본 발명의 자기력 발생부(200)는 회전자 샤프트(100)의 중심에 끼워지는 자기 베어링을 포함할 수 있다. 이 때 자기 베어링은 영구자석이 포함된 오프셋부(211)를 포함할 수 있다. 오프셋부(211)는 회전자 샤프트(100)의 중심을 기준으로 하방에 위치하는 것이 바랍직하다. 이에 따라, 중력의 반대방향으로 자기력을 발생시킬 수 있고, 회전자 샤프트(100)의 무게에 의한 중력이 상쇄될 수 있다. 궁극적으로, 회전자 샤프트(100)가 고정자(S)의 중심에 내삽된 상태에서 자기부상하며 원활하게 회전할 수 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 오프셋부(211)가 자기베어링(210)에 적용됨에 따라 오프셋부(211)에서 발생한 자기력이 회전자 샤프트(100)의 측면을 따라 이동하면서 고정자석부(220)의 자기력을 보강할 수 있다. 이에 회전자 샤프트(100)에 가해지는 중력의 힘이 상쇄될 수 있다.

보다 명확히, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전자 샤프트(100)에 가해지는 상하방향의 자기력에 대해 분석한 결과, 회전자 샤프트(100)가 회전하는 각도에 관계없이 오프셋부(211)(붉은색)가 일정하게 자기력을 발생시키고 회전자 샤프트(100)의 자기부상에 기여하는 것을 확인할 수 있다.

이하로, 도 4 내지 10을 참조하여 본 발명의 자기 베어링과 그 하위구성인 오프셋부(211)에 대해 보다 자세히 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 자기베어링(210)은, 회전자 샤프트(100)의 회전축과 동일 방향으로 연장되는 베어링 샤프트(212)와, 베어링 샤프트(212)에 중심이 끼워져 회전하며 코일(C)이 권선되는 베어링 코어(213)를 더 포함할 수 있다. 이 때 베어링 코어(213)는 베어링 샤프트(212)를 중심으로 코일(C)이 권선되는 리지드 바가 방사상으로 연장형성될 수 있다. 이 때 오프셋부(211)는, 베어링 샤프트(212)에 결합되어 위상이 고정되며, 상술한 바와 같이 베어링 샤프트(212)를 기준으로 하방에 결합될 수 있다.

이 때, 도 5에 도시된 자기 베어링의 제 1 실시 예에서, 베어링 코어(213)는, 베어링 샤프트(212)의 연장방향을 따라 2개 이상 구비되고, 오프셋부(211)는, 베어링 코어(213)의 사이에 끼워져 베어링 샤프트(212)와 결합되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 오프셋부(211)의 위치가 베어링 코어(213)로 인해 지지될 수 있고, 하나의 오프셋부(211)로 2개의 베어링 코어(213)에 자기력을 보강할 수 있다.

또는, 도 6에 되시된 자기 베어링의 제 2 실시 예에서, 오프셋부(211)는 베어링 샤프트(212)와 결합되되, 베어링 코어(213)의 양단에 각각 구비되는 것이 바람직하다. 이에 따라 회전자 샤프트(100)의 양단에서 오프셋부(211)의 자기력이 가해질 수 있어, 보다 안정적으로 회전자 샤프트(100)가 지지될 수 있다.

또한, 도 7에 되시된 자기 베어링의 제 3 실시 예에서, 오프셋부(211)는, 2개 이상 구비되며, 적어도 한 면이 서로 마주보도록 베어링 샤프트(212)에 결합될 수 있다. 즉, 오프셋부(211)는 평판 형상으로 형성될 수 있고, 2개의 오프셋부(211)가 중첩되어 위치될 수 있다. 즉, 오프셋부(211)를 분할하여 적용할 수 있다. 이 때 각각의 오프셋부(211)는 서로 마주보는 면에서 반발력이 발생하도록 배치될 수 있다. 이에 회전자 샤프트(100)의 상측 방향으로 가해지는 자기력을 높일 수 있다. 또한 각각의 오프셋부(211)의 무게가 경감될 수 있고, 오프셋부(211)의 교체 및 수리가 용이해질 수 있다.

또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 오프셋부(211)의 제 1 실시 예에서, 영구자석은, 소정의 중심각을 갖는 부채꼴 형상을 띠는 평판으로 형성되고, 중심각 2θ는 90도 이상 180도 이하인 것이 바람직하다. 이 때, 상술한 바와 같이, 오프셋부(211)는 회전자 샤프트(100)를 기준으로 하측에 위치할 수 있고, 오프셋부(211)의 중심각이 180도인 경우, 즉 오프셋부(211)가 반원형태로 형성되는 경우, 베어링 코어(213)의 하부 영역 전체를 오프셋부(211)가 덮도록 구비될 수 있다. 이 때, 오프셋부(211)의 반경길이는 베어링 코어(213)의 반경길이보다 같거나 또는 소정 오차범위 이내로 작을 수 있다.

더 나아가, 오프셋부(211)는, 2개 이상 구비되며, 서로 반경방향으로 소정 간격 이격배치되는 것이 바람직하다. 이는 도 9에 도시되어 있다. 이 때 각각의 오프셋부(211)는 부채꼴 형상의 평판으로 형성되며, 각 오프셋부(211)의 중심각 및 오프셋부(211) 간의 간격에 해당하는 중심각의 합이 180도를 넘지 않도록 설계될 수 있다. 이 때 각각의 오프셋부(211)는 서로 마주보는 면에서 반발력이 발생하도록 배치될 수 있다. 이에 회전자 샤프트(100)의 상측 방향으로 가해지는 자기력을 높일 수 있다. 또한 각각의 오프셋부(211)의 무게가 경감될 수 있고, 오프셋부(211)의 교체 및 수리가 용이해질 수 있다.

또한, 도 10에 도시된 오프셋부(211)의 제 2 실시 예에서, 오프셋부(211)는 일단이 베어링 샤프트(212)에 고정되며, 자기베어링(210)의 반경 방향으로 연장 형성되는 지지대(211a)를 더 포함하고, 지지대(211a)의 단부에 영구자석(211b)이 결합될 수 있다. 여기서 지지부는 연성이 높은 재질로 이루어질 수 있다. 이에 따라 모터가 회전함에 따라 지지부가 진동하는 것을 최소화 할 수 있다. 이에 따라 오프셋부(211)에 포함되는 영구자석(211b)의 중량을 경감함과 동시에 회전자 샤프트(100)의 측면에 영구자석(211b)이 접하도록 함으로써, 회전자 샤프트(100)에 자기력이 효율적으로 작용하도록 할 수 있다.

이하로, 도 11 내지 12을 참조하여 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어(1000)의 변형 실시 예에 대해 설명한다.

도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명은 중심이 중공된 원통형상으로 형성되는 고정자(S)의 중심에 내삽되어 회전하는 회전자 샤프트(100), 회전자 샤프트(100)의 중심에 끼워지는 베어링 샤프트(212) 및 베어링 샤프트(212)에 중심이 끼워지고 회전자 샤프트(100) 및 고정자(S)의 양 단부에 구비되는 베어링 코어(213)를 포함하는 자기베어링(210), 및 베어링 샤프트(212)와 결합되되, 베어링 코어(213)와 회전자 샤프트(100)의 사이에 끼워지고, 영구자석을 포함하는 오프셋부(211)를 포함하는 것이 바람직하다.

즉, 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어(1000)의 변형 실시 예에서, 자기 베어링은 회전자 샤프트(100)의 중심에 내삽되지 않고, 회전자 샤프트(100)의 양단에 구비될 수 있다. 즉, 종래의 자기베어링(210) 구조를 따를 수 있다. 이 때 도 11에 도시된 바와 같이, 회전자 샤프트(100)와 베어링 코어(213)의 사이에 오프셋부(211)를 내삽 함으로써 오프셋부(211)가 베어링 코어(213) 및 회전자 샤프트(100)의 측면에 고정된 고정자석부(220)의 자기력을 보강할 수 있고, 회전자 샤프트(100)가 고정자(S)의 중심에서 용이하게 자기부상하도록 할 수 있다.

이 때, 오프셋부(211)는, 베어링 샤프트(212)에 결합되어 위상이 고정되며, 베어링 샤프트(212) 및 회전자 샤프트(100)를 기준으로 하방에 결합되는 것이 바람직하다. 이에 회전자 샤프트(100)에 가해지는 중력을 상쇄할 수 있다. 또한, 오프셋부(211)는, 회전자 샤프트(100)의 양측 단부에 구비되어 회전자 샤프트(100)가 보다 안정적으로 자기부상하도록 양측에서 자기력을 발생시킬 수 있다.

더 나아가, 도 12에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어(1000)는 오프셋부(211)가 적용된 회전자 샤프트(100)와 베어링 코어(213) 사이의 공간을 덮으며, 전도성 물질을 포함하는 전도부(214)를 포함할 수 있다. 이에 다라 오프셋부(211)와 베어링 코어(213)에서 발생하는 자기력이 회전자 샤프트(100)의 측면 측으로 용이하게 이동할 수 있다. 이에 회전자 샤프트(100)에 가해지는 중력을 보다 원활하게 상쇄할 수 있다.

본 발명의 상기한 실시 예에 한정하여 기술적 사상을 해석해서는 안된다. 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당업자의 수준에서 다양한 변형 실시가 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 당업자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

1000 : 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어
100 : 회전자 샤프트
200 : 자기력 발생부
210 : 자기 베어링
220 : 고정자석부
211 : 오프셋부
211a : 지지대
211b : 영구자석
212 : 베어링 샤프트
213 : 베어링 코어
214 : 전도부
S : 고정자
C : 코일

Claims (11)

1. 중심이 중공된 원통형상으로 형성되는 고정자의 중심에 내삽되어 회전하는 회전자 샤프트; 및
   상기 회전자 샤프트에 구비되어 상기 고정자와의 사이에 자기력을 발생시키는 자기력 발생부;를 포함하고,
   상기 회전자 샤프트는,
   중심이 중공된 원통형상으로 형성되며,
   상기 자기력 발생부는,
   상기 회전자 샤프트의 중심에 끼워지는 자기 베어링을 포함하고,
   상기 자기 베어링은,
   상기 회전자 샤프트의 중심을 기준으로 하방에 위치하며, 영구자석이 포함된 오프셋부를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 자기베어링은,
   상기 회전자 샤프트의 회전축과 동일 방향으로 연장되는 베어링 샤프트와,
   상기 베어링 샤프트에 중심이 끼워져 회전하며 코일이 권선되는 베어링 코어를 더 포함하고,
   상기 오프셋부는,
   상기 베어링 샤프트와 결합되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 베어링 코어는,
   상기 베어링 샤프트의 연장방향을 따라 2개 이상 구비되고,
   상기 오프셋부는,
   상기 베어링 코어의 사이에 끼워져 상기 베어링 샤프트와 결합되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 오프셋부는,
   상기 베어링 샤프트와 결합되되, 상기 베어링 코어의 양단에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 오프셋부는,
   2개 이상 구비되며, 적어도 한 면이 서로 마주보도록 상기 베어링 샤프트에 결합되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
6. 제 2항에 있어서,
   상기 오프셋부의 상기 영구자석은,
   소정의 중심각을 갖는 부채꼴 형상으로 형성되고,
   상기 중심각은 90도 이상 180도 이하인 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
7. 제 2항에 있어서,
   상기 오프셋부는,
   일단이 상기 베어링 샤프트에 고정되며, 상기 자기베어링의 반경 방향으로 연장형성되는 지지대를 더 포함하고,
   상기 지지대의 단부에 상기 영구자석이 결합되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 오프셋부는,
   2개 이상 구비되며,
   서로 반경방향으로 소정 간격 이격배치되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
9. 중심이 중공된 원통형상으로 형성되는 고정자의 중심에 내삽되어 회전하는 회전자 샤프트;
   상기 회전자 샤프트의 중심에 끼워지는 베어링 샤프트 및 상기 베어링 샤프트에 중심이 끼워지고 상기 회전자 샤프트의 단부에 구비되는 베어링 코어를 포함하는 자기베어링; 및
   상기 베어링 샤프트와 결합되되, 상기 베어링 코어와 상기 회전자 샤프트의 사이에 끼워지고, 영구자석을 포함하는 오프셋부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 오프셋부는,
    상기 베어링 샤프트에 결합되어 위상이 고정되며,
    상기 베어링 샤프트를 기준으로 하방에 결합되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 오프셋부는,
    상기 회전자 샤프트의 양측 단부에 구비되는 것을 특징으로 하는 자기부상형 회전자를 포함하는 모터코어.

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