WO2017105147A1 - 영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기 - Google Patents

영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기 Download PDF

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허정길
백찬호
서봉균
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Definitions

  • the present invention relates to a rotor for a permanent magnet embedded motor and an electric motor using the same. More particularly, the present invention relates to a rotor having a permanent magnet embedded in the rotor and a motor including the same.
  • an electronic switching type brushless motor (BLDC motor) using a semiconductor device has been widely used.
  • BLDC motor brushless motor
  • the arrangement structure it may be classified into an interior rotor type and an exterior rotor type.
  • a rotor in which a shaft is inserted in the center of a cylindrical permanent magnet is used, or a so-called IPM type in which a shaft is inserted in the center of a rotor core in which electrical steel is laminated and a plurality of permanent magnets are inserted in the rotor core.
  • Permanent magnet rotor is used.
  • the reluctance torque is a force generated by using the polarity of the d-axis inductance Ld and the q-axis inductance Lq.
  • the permanent magnet is often arranged in a V shape.
  • FIG. 1 An example of a rotor used in such a permanent magnet embedded motor is shown in FIG. 1.
  • the rotor may be used as a driving unit of an electric compressor, and the rotor 10 is disposed inside the stator having a tooth protruding in an inward direction and a coil wound around the tooth, and the rotor 10 is provided in plurality.
  • the rotor core 12 includes a rotor core 12 formed by stacking electrical steel sheets, and a plurality of pairs of permanent magnets arranged to form a substantially 'V' shape adjacent to the outer circumferential side of the rotor core 12. It is fixed in a form embedded in the inside.
  • a driving shaft hole 20 for inserting and fixing a driving shaft is provided at a substantially central portion of the rotor core 12, and a plurality of permanent magnet insertion holes 30 are formed around the driving shaft hole 20. It is formed at regular intervals in the form of a V opening toward.
  • the rotor core portion 12 between the drive shaft hole 20 and the permanent magnet insertion hole 30 serves as a passage through which magnetic flux can pass and at the same time serves to support the rotational force of the drive shaft.
  • the driving shaft hole 20 is press-fitted in a state in which the driving shaft is in close contact
  • the permanent magnet insertion hole 30 is also provided with a plurality of permanent magnets so that the permanent magnet closes the insertion hole, accordingly the rotor 10 ) Has a problem that the motor may be overheated because there is no passage for heat release.
  • the present invention has been made to overcome the disadvantages of the prior art as described above, the technical problem to provide a rotor for a permanent magnet embedded motor that can reduce the cogging torque while minimizing the change of the rotor.
  • Another object of the present invention is to provide a rotor for a permanent magnet-embedded electric motor which can be reduced in weight and reduced in cost, and has improved motor cooling efficiency.
  • Another object of the present invention is to provide an electric motor having a rotor as described above.
  • a rotor shaft is fixed to the center, a plurality of magnet insertion holes are formed spaced apart in the circumferential direction; And a plurality of pairs of permanent magnets each inserted in a V-shape to be spaced apart from each other toward the outer side in the radial direction for each of the plurality of magnet insertion holes, wherein each of the plurality of magnet insertion holes has a pair of inner edges facing each other. And a barrier hole for extending the inner space of each of the magnet insertion holes so as to protrude from the pair of inner sides, respectively.
  • the cogging torque focuses on the fact that the permanent magnet attracts the stator to intermittently rotate the rotor, thereby forming a barrier hole that restricts the magnetic flux at the point where the permanent magnet has the greatest influence on the stator. This makes it possible to reduce the cogging torque as compared with the prior art.
  • the barrier hole may have any shape, but may extend in an arc shape so as to block the magnetic flux more uniformly.
  • each of the magnet insertion holes is formed to have a "V" shape
  • the barrier hole may extend along the circumferential direction toward the center of the magnet insertion hole.
  • an angle formed by two lines connecting both ends of the barrier hole and the center of the rotor core may be 12 ° to 14 °.
  • the barrier hole may have a length of 1.1mm to 1.5mm.
  • the barrier hole may have a thickness of 0.4 mm or more.
  • a plurality of rivet holes penetrated in the circumferential direction between the magnet insertion hole of the rotor core and the rotary shaft hole to which the rotary shaft is fixed, and between the magnet insertion hole of the rotor core and the rotary shaft hole to which the rotary shaft is fixed. It may further include a plurality of fat hole formed through the circumferential direction.
  • the plurality of fat loss holes may be formed to intersect a circle connecting the center of the plurality of rivet holes.
  • Each of the plurality of rivet holes and the plurality of fat loss holes may be formed at a radially outer side from each inner end portion of the plurality of rivet holes than 15.9 mm away from the center of the rotor core.
  • the plurality of rivet holes and the plurality of fat loss holes may be formed at the inner side in the radial direction than each outer end is 20.1mm away from the center of the rotor core.
  • the plurality of rivet holes may have a circular shape and may be positioned such that an extension line of a symmetry axis of each of the magnet insertion holes passes through the center of each of the rivet holes.
  • the plurality of fat hole may be symmetric with respect to a straight line connecting the center of the interval between the adjacent pair of the magnet insertion hole and the center of the rotation shaft hole.
  • Each of the fat hole is formed as a part of the circle with the inner end and the outer end with respect to the center of the rotation shaft hole, both side ends connecting the inner end and the outer end relative to the center of the rivet hole facing each side end It can be formed as a part of the circle.
  • the outer end may have a longer length than the inner end, and both side ends may have the same length.
  • Both side ends of the fat hole may be formed spaced apart by more than 8mm from the center of the rivet hole facing each side end.
  • the magnet insertion hole is characterized in that eight.
  • the housing A stator fixed in the housing; And a rotor rotatably mounted in the stator, wherein the rotor is provided with a permanent magnet embedded motor, which is any one of the above-described rotors.
  • stator may include twelve slots, and the rotor may include eight poles.
  • the barrier hole by forming the barrier hole from the outermost side of the magnet, it is possible to reduce the size of the barrier hole to reduce the cogging torque by about half compared to the conventional while minimizing the influence on the rigidity or efficiency.
  • the weight of the rotor can be reduced in weight and cost can be reduced.
  • the plurality of rivet holes and the plurality of fat loss holes serve as a flow path through which the refrigerant can pass, thereby increasing the efficiency of motor cooling.
  • FIG. 1 is a plan view illustrating a conventional general permanent magnet embedded motor rotor.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing an embodiment of a permanent magnet embedded motor according to the present invention.
  • FIG. 3 is an enlarged plan view of an end portion of the rotor in FIG. 2.
  • Figure 4 is a graph measuring the cogging torque in the conventional rotor for permanent magnet embedded motor.
  • FIG. 5 is a graph measuring cogging torque in the rotor shown in FIG. 3.
  • FIG. 5 is a graph measuring cogging torque in the rotor shown in FIG. 3.
  • FIG. 6 is a graph illustrating changes in cogging torque and torque ripple according to the length of the barrier hole in FIG. 2.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a stress distribution when the rotor shown in FIG. 2 is operated at 15000 rpm with different temperatures.
  • FIG. 8 is a plan view of the rotor separated from FIG. 2.
  • FIG. 9 is an enlarged plan view of portion A of FIG. 8.
  • FIG. 10 is a view showing magnetic flux density according to the position of the rotor shown in FIG. 9.
  • FIG. 2 is a plan view schematically showing an embodiment of a permanent magnet embedded motor according to the present invention
  • Figure 3 is a plan view showing an enlarged vicinity of the end of the rotor in Figure 2
  • Figure 4 is a conventional permanent magnet embedded motor 5 is a graph measuring cogging torque in the rotor
  • FIG. 5 is a graph measuring cogging torque in the rotor shown in FIG. 3
  • FIG. 6 is a diagram showing changes in cogging torque and torque ripple according to the length of the barrier hole in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating stress distribution when the rotor shown in FIG. 2 is operated at 15000 rpm at different temperatures
  • FIG. 8 is a plan view of the rotor separated from FIG. 2
  • FIG. 9 is A of FIG. 8.
  • 10 is an enlarged plan view of the portion
  • FIG. 10 is a view showing magnetic flux density according to the position of the rotor shown in FIG. 9.
  • an embodiment of the permanent magnet embedded motor according to the present invention includes a housing (not shown), a stator 50 fixed to the inside of the housing, and a rotor 100 rotatably supported in the stator. ).
  • the stator 50 has a form in which a plurality of plate members having a ring shape penetrating therein is stacked, and may be fixed to the inside of the housing by using a press-fit method.
  • the stator includes a plurality of teeth 52 formed to protrude radially inward and a coil 54 wound around the teeth.
  • the rotor 100 is installed inside the stator 50.
  • the rotor 100 includes a plurality of permanent magnets 110 to rotate by receiving an electromagnetic force generated as a current flows in a coil wound around the stator.
  • the rotation shaft 200 is fixed to the center of the rotor 100 to rotate integrally with the rotor 100.
  • the motor disclosed in the above embodiment is a so-called 8-pole 12-slot motor, but the present invention is not necessarily limited thereto.
  • the rotor 100 includes a rotor core 102 formed by stacking a plurality of electrical steel sheets similarly to the stator.
  • the rotor core 102 not only supports the rotating shaft 220 and the permanent magnet 110 described above, but also constitutes the overall shape of the rotor 100.
  • a rotating shaft hole 200 is inserted into the rotating shaft 220, at least one of the above-described permanent magnet 110 is inserted in the outermost side.
  • the permanent magnet 110 is inserted and fixed inside the permanent magnet insertion hole 103 formed to have a substantially 'V' shape so that the permanent magnet can be inserted.
  • the permanent magnet insertion hole 103 forms a V-shaped spaced apart from each other toward the radially outward, that is, separated toward the side facing the stator 50, the permanent magnet insertion hole of the V-shape A pair of permanent magnets 110 are inserted into 103.
  • восем ⁇ permanent magnet insertion holes 103 are arranged at regular intervals along the outer circumferential direction of the rotor core 102.
  • the permanent magnet insertion hole 103 includes a pair of inner edges 104 that move away from each other toward the radially outer side.
  • the pair of inner sides 104 are disposed to face each other with the rotor core 102 interposed therebetween, and may have a substantially obtuse angle and be disposed in a V shape.
  • the outer fixing protrusion 105 and the inner fixing protrusion 106 are formed on the pair of outer sides facing the inner side 104.
  • the inner and outer fixing protrusions 105 and 106 define a space in which the permanent magnet 110 is inserted therebetween. That is, both ends of the permanent magnet 110 are in contact with the inner and outer fixing projections 105 and 106, respectively, to prevent movement of the permanent magnet in the longitudinal direction of the permanent magnet insertion hole. Through this, the permanent magnet can be stably supported in the permanent magnet insertion hole.
  • the space portion 107 having a substantially triangular cross section is formed on the side away from the inner side 104.
  • the barrier hole 108 is further formed to protrude from the inner side 104 while being connected to the space 107.
  • the space portion 107 and the barrier hole 108 is a space formed integrally with the permanent magnet insertion hole 103. Is named. Since the space 107 and the barrier hole 108 are formed as empty spaces as described above, the magnetic flux generated from the permanent magnets may not be formed. This minimizes the influence of the magnetic flux generated from the end of the permanent magnet on the stator described above.
  • the space 107 is mainly to block the magnetic flux generated from one end of the permanent magnet, the barrier hole 108 to block the magnetic flux generated from the side adjacent to one end of the permanent magnet It is mainly to play a role.
  • the cogging torque can be greatly reduced by forming the space portion 107 and the barrier hole 108 that respectively block the magnetic paths at the end portions and the side surfaces of the permanent magnets 110.
  • the barrier hole 108 may be formed as a space part having an arbitrary shape protruding toward each other from the inner side 104.
  • the barrier hole 108 is formed to have an arc shape extending toward each other in the circumferential direction from the outermost end of the permanent magnet insertion hole 103.
  • the length L, the width d1 of the barrier hole 108 and the distance d2 from the outer end of the rotor core are not only the shape of the barrier hole 108, but also the cogging torque and torque by the barrier hole. This will affect the stiffness of the ripple and rotor core.
  • the minimum value of the width d1 is set to 0.4 mm.
  • the length L of the barrier hole 108 is one of the main factors affecting the rigidity of the rotor, the cogging torque and the torque ripple.
  • the length of the barrier hole 108 is 1.5 mm, and the longer the length of the barrier hole, the cogging torque decreases, while the stiffness decreases and the torque ripple increases.
  • FIG. 6 is a graph showing a change in the cogging torque and the torque ripple according to the change in the length (L).
  • the cogging torque tends to decrease as the length L is longer.
  • the longer the length (L) shows a tendency to increase.
  • the cogging torque is continuously reduced in the section 1.1mm to 1.5mm, but the torque ripple is kept constant. Therefore, according to the graph, it can be seen that when the length L is 1.5 mm, the cogging torque can be greatly reduced while suppressing the increase in the torque ripple to some extent.
  • the length (L) can be expressed in other forms. That is, the length L may also be expressed by the angle ⁇ of two lines connecting both ends of the barrier hole and a distance D (here, 0.98 mm) radially outward from the center of the rotor.
  • the angle ⁇ is preferably in the range of 12 ° to 14 °.
  • the point lies on a straight line connecting the center of the rotor and the center between two permanent magnets.
  • the distance d2 between the radially outer surface of the barrier hole and the outer circumferential surface of the rotor core may be 0.4 mm.
  • the magnet may not be securely fixed. In view of such a point, the distance d2 can be 0.4 mm.
  • FIG. 4 is a graph showing a result of measuring cogging torque in a motor having a rotor without the barrier hole 108
  • FIG. 5 is a result of measuring a cogging torque in a motor having a rotor shown in FIG.
  • the vertical axis represents the magnitude of the cogging torque
  • the horizontal axis represents a value corresponding to the period in which the respective cogging torques are tested. That is, the horizontal axis represents the number of test steps
  • the graphs shown in FIGS. 4 and 5 divide one cycle of the power output during the test into 193 steps, and the cogging output in each step.
  • the torque is displayed.
  • the cogging torque of about 0.80 Nm is generated in the conventional electric motor, while the cogging torque of 0.30 Nm, which is less than half thereof, is generated in the conventional motor. That is, by forming a hole of about 1.5mm in the inner side of the existing permanent magnet insertion hole, the cogging torque can be reduced to less than half.
  • the rotor of FIG. 2 was operated at a rotational speed of 1500 RPM at 25 ° C, 40 ° C, 60 ° C, 100 ° C, 140 ° C, and 180 ° C, respectively. Regardless of the temperature, it can be seen that the stress at the portion where the barrier hole is located is the greatest. However, it can also be seen that there is no significant difference from the stress in the radially outermost part without the barrier hole.
  • the plurality of rivet holes 400 and the fat loss hole 500 are disposed between the permanent magnet insertion hole 103 and the rotation shaft hole 200 of the rotor core 102 along the circumferential direction. This can be formed through.
  • the plurality of rivet holes 400 are formed in the circumferential direction between the permanent magnet insertion hole 103 and the rotary shaft hole 200, the same as the number of the permanent magnet insertion hole 103 It is preferred that the dogs are arranged at regular intervals.
  • the rotor is formed by stacking a plurality of thin disk-shaped rotor core members, and the plurality of rivets 420 coupled through the plurality of rivet holes 400 form a single rotor of the stacked rotor core members. It serves to combine so that it can be easily assembled.
  • the plurality of rivet holes 400 may be circular in shape, and may be rectangular or trapezoidal in addition to circular.
  • the rivet holes 400 are positioned such that the extension line a of the axis of symmetry of each permanent magnet insertion hole 103 passes through the center of each of the rivet holes 400.
  • a rivet hole should be formed in a portion where the magnetic core of the rotor core space portion is not formed between the rotation shaft hole 200 and the permanent magnet insertion hole 103.
  • the plurality of rivet holes 400 has an inner end portion formed at a radially outer side than a center of the rotor core 102, that is, 15.9 mm away from the center of the rotation shaft hole 200. It is formed in the radially inner side than 20.1 mm away from the center of the rotation shaft hole 200.
  • the magnetic flux density corresponds to a section having a low magnetic flux density with reference to FIG. 10 showing the magnetic flux density according to the position of the rotor.
  • a section having the lowest magnetic flux density is shown around the rotation shaft hole 200, and a section having the lowest magnetic flux density is the rotor core portion between the rotation shaft hole 200 and the permanent magnet insertion hole 103. It can be seen that the magnetic flux density is high around the permanent magnet insertion hole (103).
  • the supporting force for supporting the rotating shaft is weakened, so that the rotation of the rotor becomes unstable. Therefore, as the range of the inner and outer end portions of the plurality of rivet holes 400 is limited, it is preferable to form the rivet holes where the magnetic flux density is low enough to support the rotating shaft without disturbing the passage of the magnetic flux. Therefore, the loss of performance and efficiency of the rotor does not occur due to the formation of the rivet hole.
  • the plurality of rivet holes 400 of the permanent magnet embedded rotor according to an embodiment of the present invention are located at a distance of 18 mm in the radial direction from the center of the rotating shaft hole 200. 400 is located, and is formed in a circular shape having a diameter of 4.15mm.
  • the plurality of fat loss holes 500 are formed to penetrate in the circumferential direction between the permanent magnet insertion hole 103 and the rotary shaft hole 200, and are formed to intersect a circle connecting the centers of the plurality of rivet holes 400. do.
  • the plurality of fat loss holes 500 are formed between each of the rivet holes 400, and are formed in the same number as the plurality of rivet holes 400. Therefore, it is preferable that eight fat loss holes are formed at regular intervals.
  • the plurality of fat loss holes 500 are disposed to be symmetrical with respect to a straight line b connecting the center of the interval between the adjacent pair of permanent magnet insertion holes 103 and the center of the rotation shaft hole 200. desirable.
  • the plurality of fat hole 500 is formed in the outer end in the radial direction than the inner end portion 15.9mm away from the center of the rotor core 102, that is, the center of the rotation shaft hole 200, the outer end is It is formed in the radially inner side than 20.1 mm away from the center of the rotation shaft hole 200.
  • FIG. 10 showing the magnetic flux density according to the position of the rotor, the magnetic flux density corresponds to a low section.
  • a section having the lowest magnetic flux density is shown around the rotation shaft hole 200, and a section having the lowest magnetic flux density is the rotor core portion between the rotation shaft hole 200 and the permanent magnet insertion hole 103. It can be seen that the magnetic flux density is high around the permanent magnet insertion hole (103).
  • the plurality of fat hole 500 is formed around the rotating shaft hole 200 having the lowest magnetic flux density, the supporting force of the rotating shaft is weakened, and the rotation of the rotor becomes unstable. Therefore, as the range of the inner end and the outer end of the plurality of fat hole 500 is limited, the magnetic flux density is low, and it is preferable to form the fat hole in a place capable of sufficiently supporting the rotating shaft without disturbing the passage of the magnetic flux. Therefore, loss of performance and efficiency of the rotor does not occur due to the formation of the fat loss hole.
  • the weight of the rotor can be reduced due to the formation of the plurality of fat loss holes 500, and each of the fat loss holes serves as a flow path through which the refrigerant can pass, thereby improving the efficiency of motor cooling.
  • a plurality of fat hole 500 of the permanent magnet embedded motor rotor according to an embodiment of the present invention, each of the fat hole at a distance of 18mm in the radial direction from the center of the rotating shaft hole 200 ( The center of 500 is located, and the detailed shape will be described below.
  • Each of the fat loss hole 500 is preferably a trapezoidal shape consisting of a portion of all sides of the circle. According to such a configuration, it is possible to reduce the weight by making the most of the section that does not interfere with the gyro while maintaining the rigidity of the rotor.
  • the present invention is not limited thereto and may be changed to any shape, such as a circle, a rectangle, and a triangle, depending on the shape and size of the rotor.
  • Each of the fat loss holes 500 has an inner end 502 and an outer end 501 formed as part of a circle based on the center of the rotation shaft hole 200, and the inner end 502 and the outer end 501. Both side end portions 503 and 504 connecting the end portions are formed as part of a circle based on the center of the rivet hole facing each side end portion.
  • the outer end 501, the inner end 502, and the rotation shaft hole 200 of each of the fat hole is located on the concentric circles.
  • the interval between the inner end portion 502 of each of the fat hole and the rotation shaft hole 200 can be kept constant at any part, thereby maintaining the rigidity of the rotor is constant.
  • the outer end 501 has a longer length than the inner end 502, and both side ends 503 and 504 may have the same length.
  • both side ends 503 and 504 of the fat hole are located at least 8 mm in the radial direction from the center of the rivet hole 400 facing each side end. This means that the rotor between each of the rivet holes 400 and the fattening hole 500 when both side ends 503 and 504 are located within 8 mm in the radial direction from the center of the rivet hole 400 facing each side end. This is because the thickness of the core portion becomes thinner, so that the magnetic flux cannot pass and the overall bearing capacity and durability become weak.
  • each of the plurality of fat loss holes 500 of the permanent magnet embedded motor rotor has an inner end portion 502 having a diameter based on the center of the rotation shaft hole 200. It is formed as part of a circle of 31.85mm, the outer end 501 is formed as a part of a circle having a diameter of 40.15mm with respect to the center of the rotation shaft hole 200. Further, both side ends 503 and 504 are formed as a part of a circle having a diameter of 8 mm with respect to the center of the rivet hole facing each side end, and are spaced apart by 8 mm.
  • the present invention relates to a rotor for a permanent magnet embedded motor and an electric motor using the same. More particularly, the present invention relates to a rotor having a permanent magnet embedded in the rotor and a motor including the same.

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Abstract

본 발명은 영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 중앙에 회전축이 고정되며, 복수 개의 자석 삽입홀이 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 로터 코어; 및 상기 복수 개의 자석 삽입홀 마다, 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되게 V자 형태로 각각 삽입되는 복수 쌍의 영구자석;을 포함하고, 상기 복수 개의 자석 삽입홀 각각은 서로 대향하는 한 쌍의 내측변을 포함하고, 상기 각각의 자석 삽입홀의 내부 공간을 상기 한 쌍의 내측변으로부터 각각 돌출되도록 확장시키는 배리어 홀이 추가적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터가 제공된다.

Description

영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기
본 발명은 영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로터 내부에 영구자석이 매립된 형태의 로터 및 그를 포함하는 전동기에 관한 것이다.
최근에 정류자와 브러시의 기계적 접촉식의 문제점을 고려하여 반도체 소자를 이용한 전자 스위칭 방식의 소위 브러시리스 모터(Brushless DC Motor:BLDC 모터)가 널리 이용되고 있는바, 브러시리스 모터는 고정자와 회전자의 배치 구조에 따라 내전형(interior rotor type)과 외전형(exterior rotor type)으로 구별될 수 있다.
상기 내전형 모터에는 원통형의 영구자석의 중심에 샤프트를 삽입한 회전자가 이용되거나, 전기강판을 적층한 회전자 코어의 중심에 샤프트를 삽입하고 회전자 코어에 복수의 영구자석을 삽입한 소위 IPM 타입의 영구자석 삽입식 회전자가 이용되고 있다.
최근에는 고효율 모터로서 마그넷 토크 외에 릴럭턴스 토크를 이용한 영구자석 매립형 모터(이하, IPM 모터)가 사용되고 있다. 릴럭턴스 토크란, d축 인덕턴스(Ld)와 q축 인덕턴스(Lq)의 돌극성을 이용하여 발생시키는 힘이며 이를 위해 영구자석을 V자 형태로 배치하는 경우가 많다.
이러한 영구자석 매립형 모터에 사용되는 로터의 일 예가 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 상기 로터는 전동압축기의 구동부 등으로 활용될 수 있으며 내측 방향으로 돌출된 티스와 티스에 감긴 코일을 구비하는 고정자의 내측에 배치되는 것으로서, 상기 로터(10)는 복수 매의 전기 강판을 적층하여 형성한 로터 코어(12)를 포함하고, 상기 로터 코어(12)의 외주측에 인접하여 대략 'V'자 형태를 이루도록 배치되는 복수 쌍의 영구자석이 상기 로터 코어(12) 내에 매립된 형태로 고정된다.
그리고, 상기 로터 코어(12)의 대략 중앙부에는 구동축이 삽입 및 고정되기 위한 구동축 홀(20)이 구비되며, 상기 구동축 홀(20)을 중심으로 하여 복수 개의 영구자석 삽입홀(30)이 고정자 측을 향해 벌려져 있는 V의 형태로 일정간격마다 형성되어 있다. 상기 구동축 홀(20)과 상기 영구자석 삽입홀(30) 사이의 로터 코어 부분(12)은 자속이 지나갈 수 있는 통로 역할을 함과 동시에 구동축의 회전력을 지지하는 역할을 한다.
한편, 상기와 같은 전동기에 있어서 토크 및 효율 증가를 위해 자석량을 증가시키거나 고정자 코어와의 공극을 줄이는 과정에서 코깅 토크가 증가하는 문제점이 있었다. 이렇게 코깅 토크가 증가하면 소음이 증가할뿐만 아니라 모터의 제어도 어려워지는 문제점이 있다.
또한, 상기 구동축 홀(20)에는 구동축이 밀착된 상태로 압입 결합되고, 상기 영구자석 삽입홀(30)에도 영구자석이 삽입홀을 폐쇄하도록 복수의 영구자석이 설치되며, 이에 따라 상기 로터(10)에는 열이 방출되기 위한 통로가 없어 모터가 과열될 수 있다는 문제점이 있다.
더욱이, 근래에는 원가를 절감하고 회전력을 향상시키기 위해 상기 로터(10)의 무게를 경량화할 필요성이 생겨났다.
하지만, 이에 따라 상기 로터 코어 부분(12)의 아무 곳에나 통공을 형성하면 상기 구동축을 지지하기 위한 지지력이 감소되어 회전이 불안정해지며, 자속이 지나가는 것을 방해해 자속이 약해질 수 있는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 로터의 변경을 최소화하면서도 코깅 토크를 줄일 수 있는 영구자석 매입형 전동기를 위한 로터를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
본 발명은 또한, 경량화 및 원가절감이 가능하고, 모터 냉각의 효율이 향상된 영구자석 매입형 전동기를 위한 로터를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.
본 발명은 또한, 상기와 같은 로터를 구비한 전동기를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 삼고 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의하면, 중앙에 회전축이 고정되며, 복수 개의 자석 삽입홀이 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 로터 코어; 및 상기 복수 개의 자석 삽입홀 마다, 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되게 V자 형태로 각각 삽입되는 복수 쌍의 영구자석;을 포함하고, 상기 복수 개의 자석 삽입홀 각각은 서로 대향하는 한 쌍의 내측변을 포함하고, 상기 각각의 자석 삽입홀의 내부 공간을 상기 한 쌍의 내측변으로부터 각각 돌출되도록 확장시키는 배리어 홀이 추가적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터가 제공된다.
본 발명의 상기 측면에서는 자석 삽입홀의 공간을 확장하여 영구자석에 의해 발생된 자속이 고정자에 전달되는 것을 제한하여 코깅 토크가 발생되는 것을 최소화할 수 있도록 하고 있다. 즉, 코깅 토크는 영구자석이 고정자를 끌어당기면서 로터의 회전을 단속적이게 하는 것인 점에 착안하여, 영구자석 중 고정자에 미치는 영향이 가장 큰 지점에 자속을 제한하는 배리어 홀을 형성한 것이다. 이를 통해서, 코깅 토크를 종래에 비해 줄이는 것이 가능해진다.
여기서, 상기 배리어 홀은 임의의 형상을 가질 수 있으나, 자속을 보다 균일하게 차단할 수 있도록 원호 형상으로 연장될 수 있다.
또한, 상기 자석 삽입홀 각각은 "V"자 형태를 갖도록 형성되고, 상기 배리어 홀은 자석 삽입홀의 중심을 향하여 원주 방향을 따라서 연장될 수 있다.
또한, 상기 배리어 홀의 양단부와 상기 로터 코어의 중심을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도가 12° 내지 14°일 수 있다.
또한, 상기 배리어 홀은 1.1mm 내지 1.5mm의 길이를 가질 수 있다.
또한, 상기 배리어 홀은 0.4mm 이상의 두께를 가질 수 있다.
또한, 상기 로터 코어의 상기 자석 삽입홀과 상기 회전축이 고정되는 회전축 홀 사이에 원주 방향을 따라 관통 형성되는 복수의 리벳홀 및 상기 로터 코어의 상기 자석 삽입홀과 상기 회전축이 고정되는 회전축 홀 사이에 원주 방향을 따라 관통 형성되는 복수의 살빼기홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 측면에서는 로터 코어의 중앙에 형성되는 회전축 홀과 로터 코어의 원주 방향을 따라 형성되는 자석 삽입홀 사이에, 적층 형성되는 로터 코어들을 결합하는 리벳이 관통하기 위한 리벳홀 및/또는 불필요한 로터 코어의 살 부분을 없애기 위한 살빼기홀을 형성함으로써, 상기 리벳홀과 상기 살빼기홀이 냉매가 지나갈 수 있는 유로의 역할을 하여 모터 냉각의 효율성이 증대될 수 있으며, 경량화 및 원가절감이 가능해진다.
상기 복수의 살빼기홀은 상기 복수의 리벳홀의 중심을 이은 원과 교차되도록 형성될 수 있다.
상기 복수의 리벳홀과 상기 복수의 살빼기홀은 각 내측단부가 상기 로터 코어의 중심으로부터 15.9mm 떨어진 곳보다 반경방향의 외측에 형성될 수 있다.
상기 복수의 리벳홀과 상기 복수의 살빼기홀은 각 외측단부가 상기 로터 코어의 중심으로부터 20.1mm 떨어진 곳보다 반경방향의 내측에 형성될 수 있다.
상기 복수의 리벳홀은 원형의 형상으로, 상기 각 자석 삽입홀의 대칭축의 연장선이 상기 각 리벳홀의 중심을 지나도록 위치할 수 있다.
상기 복수의 살빼기홀은 인접한 한 쌍의 상기 자석 삽입홀 사이 간격의 중심과 상기 회전축 홀의 중심을 연결하는 직선을 기준으로 대칭일 수 있다.
상기 각 살빼기홀은 내측단부와 외측단부가 상기 회전축 홀의 중심을 기준으로 하는 원의 일부로 형성되며, 상기 내측단부와 외측단부를 연결하는 양 측단부는 각 측단부가 대향하는 상기 리벳홀의 중심을 기준으로 하는 원의 일부로 형성될 수 있다.
상기 외측단부는 상기 내측단부보다 보다 길이가 길게 형성되며, 상기 양 측단부는 길이가 동일할 수 있다.
상기 살빼기홀의 양 측단부는 각 측단부가 대향하는 상기 리벳홀의 중심으로부터 8mm이상 이격되어 형성될 수 있다.
상기 자석 삽입홀은 8개인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 하우징; 상기 하우징 내에 고정되는 고정자; 및 상기 고정자 내에 회전 가능하게 장착되는 로터;를 포함하고, 상기 로터는 상술한 로터 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기가 제공된다.
여기서, 상기 고정자는 12개의 슬롯을 포함하고, 상기 로터는 8개의 극을 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 자석 삽입홀의 내측벽면에 배리어 홀을 형성하는 것만으로 종래에 비해 코깅 토크를 줄일 수 있게 된다.
또한, 자석의 최외곽측으로부터 배리어 홀을 형성하는 것을 통해서, 배리어 홀의 크기를 작게 하여 강성이나 효율 등에 영향을 최소화하면서도 종래에 비해 절반 정도로 코깅 토크를 줄일 수 있게 된다.
더욱이, 로터 코어의 자석 삽입홀과 회전축 홀 사이에 원주 방향으로 관통 형성되는 복수의 리벳홀 및 복수의 살빼기홀을 포함함으로써, 로터의 중량을 경량화할 수 있으며 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 복수의 리벳홀과 상기 복수의 살빼기홀이 냉매가 지나갈 수 있는 유로의 역할을 하여 모터 냉각의 효율성이 증대될 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 일반적인 영구자석 매입형 전동기용 로터를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기의 일 실시예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3은 도 2에서 로터의 단부 부근을 확대하여 도시한 평면도이다.
도 4는 종래의 영구자석 매입형 전동기용 로터에서의 코깅 토크를 측정한 그래프이다.
도 5는 도 3에 도시된 로터에서의 코깅 토크를 측정한 그래프이다.
도 6은 도 2에서 배리어 홀의 길이에 따른 코깅 토크와 토크 리플의 변화를 도시한 그래프이다.
도 7은 도 2에 도시된 로터를 온도를 달리하여 15000rpm으로 작동시켰을 경우의 응력 분포를 도시한 도면이다.
도 8은 도 2에서 로터를 분리하여 도시한 평면도이다.
도 9는 도 8의 A부분을 확대하여 도시한 평면도이다.
도 10은 도 9에 도시된 로터의 위치에 따른 자속밀도를 나타낸 도면이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 매립형 영구자석 전동기용 로터의 실시예에 대해 상세하게 설명하도록 한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으며, 아래의 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아니라 본 발명의 청구범위에 제시된 구성요소의 예시적인 사항에 불과하다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기의 일 실시예를 개략적으로 도시한 평면도, 도 3은 도 2에서 로터의 단부 부근을 확대하여 도시한 평면도, 도 4는 종래의 영구자석 매입형 전동기용 로터에서의 코깅 토크를 측정한 그래프, 도 5는 도 3에 도시된 로터에서의 코깅 토크를 측정한 그래프, 도 6은 도 2에서 배리어 홀의 길이에 따른 코깅 토크와 토크 리플의 변화를 도시한 그래프, 도 7은 도 2에 도시된 로터를 온도를 달리하여 15000rpm으로 작동시켰을 경우의 응력 분포를 도시한 도면, 도 8은 도 2에서 로터를 분리하여 도시한 평면도, 도 9는 도 8의 A부분을 확대하여 도시한 평면도이며, 도 10은 도 9에 도시된 로터의 위치에 따른 자속밀도를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 영구자석 매입형 전동기의 일 실시예는 도시되지 않은 하우징과 상기 하우징의 내부에 고정되는 고정자(50), 그리고 상기 고정자 내에서 회전 가능하게 지지되는 로터(100)를 포함한다.
상기 고정자(50)는 내부가 관통되는 링 형태를 갖는 복수 개의 판재를 적층한 형태를 가지며, 압입 등의 방식을 이용하여 상기 하우징의 내부에 고정될 수 있다. 상기 고정자는 반경 방향 내측으로 돌출되도록 형성되는 복수 개의 티스(52)와 상기 티스에 감긴 코일(54)을 구비한다.
상기 고정자(50)의 내부에 로터(100)가 설치된다. 상기 로터(100)는 고정자에 권취된 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 전자기력을 받아 회전할 수 있도록 복수의 영구자석(110)을 포함하고 있다. 또한, 상기 로터(100)의 중앙에는 회전축(200)이 로터(100)와 함께 일체로 회전하도록 고정되게 된다.
여기서, 상기 고정자에 형성된 티스(52)는 총 12개가 형성되고, 그에 따라 상기 티스(52) 사이에 형성되는 슬롯 또한 12개가 형성된다. 또한, 상기 로터(100)에는 후술할 자석 삽입홀이 총 8개가 형성되어 있다. 즉, 상기 실시예에 개시된 전동기는 소위 8극 12슬롯 전동기이지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
다음으로, 도 3을 참조하여 상기 로터에 대해서 보다 상세하게 설명하도록 한다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 상기 로터(100)는 상기 고정자와 마찬가지로 복수 매의 전기 강판이 적층되어 형성되는 로터 코어(102)를 구비한다. 상기 로터 코어(102)는 상술한 회전축(220) 및 영구자석(110)을 지지할 뿐만 아니라 로터(100)의 전체적인 형태를 구성하게 된다.
상기 로터 코어(102)의 대략 중앙에는 상기 회전축(220)이 삽입 결합되는 회전축 홀(200)이 형성되고, 최외곽측에는 상술한 영구자석(110)이 적어도 하나 이상 삽입되어 있다. 여기서, 상기 영구자석(110)은 영구자석이 삽입될 수 있도록 대략 ‘V'자 형태를 갖도록 형성되는 영구자석 삽입홀(103)의 내부에 삽입되어 고정된다. 구체적으로, 상기 영구자석 삽입홀(103)은 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되는, 즉 상기 고정자(50)와 대향하는 측을 향해 별려진 V자의 형태를 이루며, 상기 V자 형태의 영구자석 삽입홀(103)에는 한 쌍의 영구자석(110)이 삽입된다.
이때, 상기 영구자석 삽입홀(103)은 상기 로터 코어(102)의 외측 원주방향을 따라 8개가 일정한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 영구자석 삽입홀(103)은 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 멀어지는 한 쌍의 내측변(104)을 포함한다. 상기 한 쌍의 내측변(104)들은 로터 코어(102)를 사이에 두고 서로 대향하도록 배치되며, 대략 둔각의 각도를 갖고 V자 형태로 배치될 수 있다.
상기 내측변(104)과 대향하는 한 쌍의 외측변에는 외측 고정돌기(105) 및 내측 고정돌기(106)가 형성된다. 상기 내측 및 외측 고정돌기(105, 106)들은 그들 사이에서 상기 영구자석(110)이 삽입되는 공간을 정의한다. 즉, 상기 영구자석(110)의 양단부는 각각 상기 내측 및 외측 고정돌기(105, 106)와 접하여 상기 영구자석 삽입홀의 길이방향에 대한 영구자석의 이동이 저지되게 된다. 이를 통해서, 상기 영구자석은 상기 영구자석 삽입홀 내에서 안정적으로 지지될 수 있다.
한편, 상기 영구자석(110)의 반경 방향 외측 단부에는 두 개의 공간이 형성되는데, 상기 내측변(104)과 먼 쪽에는 대략 삼각형의 단면을 갖는 공간부(107)가 형성된다. 그리고, 상기 공간부(107)와 연결되면서 상기 내측변(104)으로부터 돌출되는 배리어 홀(108)이 추가적으로 형성된다.
상기 공간부(107) 및 상기 배리어 홀(108)은 상기 영구자석 삽입홀(103)과 일체로 형성되는 공간으로서, 상기 영구자석(110)이 삽입된 상태에서 영구자석의 반경 방향 외측 단부를 기준으로 명명한 것이다. 상기 공간부(107)와 배리어 홀(108)은 설명한 바와 같이 빈 공간으로 이루어져 있으므로, 영구자석으로부터 발생되는 자속이 전달되는 자로를 형성하지 못하게 된다. 이로 인해서, 영구자석의 단부로부터 생성된 자속이 상술한 고정자에 영향을 미치는 것을 최소화하게 된다.
구체적으로, 상기 공간부(107)는 영구자석의 일측 단부로부터 발생되는 자속을 차단하는 역할을 주로 하게 되고, 상기 배리어 홀(108)은 영구자석의 일측 단부와 인접한 측면으로부터 발생되는 자속을 차단하는 역할을 주로 하게 된다.
본 발명자들의 연구 결과, 코깅 토크를 야기하는 중요 인자 중 하나가 영구자석의 단부로부터 발생된 자속이 고정자에 영향을 미쳐, 로터의 회전을 방해하는 것을 알 수 있었다. 따라서, 상기와 같이, 영구자석(110)의 끝단부와 그 측면에 각각 자로를 차단하는 공간부(107) 및 배리어 홀(108)을 형성함으로써 코깅 토크를 크게 줄일 수 있게 된다.
한편, 상기 배리어 홀(108)은 상기 내측변(104)으로부터 서로를 향하여 돌출되는 임의의 형상을 갖는 공간부로서 형성될 수 있다. 도시된 예에서, 상기 배리어 홀(108)은 상기 영구자석 삽입홀(103)의 최외곽측 단부로부터 원주 방향을 따라서 서로를 향하여 연장되는 원호 형태를 갖도록 형성된다.
여기서, 상기 배리어 홀(108)의 길이(L), 폭(d1) 및 로터 코어의 외측 단부로부터의 거리(d2)는 상기 배리어 홀(108)의 형상뿐만 아니라, 배리어 홀에 의한 코깅 토크, 토크 리플 및 로터 코어의 강성에 영향을 미치게 된다.
먼저, 상기 배리어 홀(108)의 폭(d1)은 가급적 작을수록 좋다. 상기 폭(d1)이 작을수록 강성 저하량이 최소화될 수 있기 때문이지만, 가공의 한계로 인해서 상기 폭(d1)의 최소치는 0.4mm로 한다.
상기 배리어 홀(108)의 길이(L)는 로터의 강성, 코깅 토크 및 토크 리플 등에 영향을 미치는 주요인자 중 하나이다. 도시된 예에서 상기 배리어 홀(108)의 길이는 1.5mm이며, 배리어 홀의 길이가 길수록 코깅 토크는 감소하지만, 반면에 강성이 저하되고 토크 리플이 증가하는 양상을 보인다.
도 6은 상기 길이(L) 변화에 따른 코깅 토크와 토크 리플의 크기 변화를 도시한 그래프이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 코깅 토크는 상기 길이(L)가 길수록 감소하는 경향을 보인다. 다만, 토크 리플의 경우 반대로 상기 길이(L)가 길수록 증가하는 경향을 보인다. 여기서, 구간 1.1mm 내지 1.5mm에서는 코깅 토크가 지속적으로 감소하지만 토크 리플은 일정하게 유지되는 것을 볼 수 있다. 따라서, 상기 그래프에 의하면, 상기 길이(L)가 1.5mm인 경우에 토크 리플의 증가를 어느 정도 억제하면서도 코깅 토크는 크게 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있다.
한편, 상기 길이(L)는 다른 형태로도 표현할 수 있다. 즉, 상기 배리어 홀의 양끝단부와, 상기 로터의 중심으로부터 반경 방향 외측으로 거리(D, 여기서는 0.98mm) 떨어진 지점을 잇는 두 선의 각도(θ)에 의해서도 상기 길이(L)를 표현할 수 있으며, 도시된 예에서 상기 각도(θ)는 12° 내지 14°의 범위에 있는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 지점은 상기 로터의 중심과 두 개의 영구자석 사이의 중심을 연결한 직선상에 놓여 있다.
그리고, 상기 배리어 홀의 반경 방향 외측면과 상기 로터 코어의 외주면 사이의 거리(d2)는 0.4mm로 할 수 있다. 상기 거리(d2) 역시 작을수록 좋지만, 상기 배리어 홀의 반경 방향 외측면과 상기 로터 코어의 외주면 사이 부분은 로터가 고속으로 회전하는 과정에서 상기 자석에 가해지는 원심력을 지지하는 부분이므로, 지나치게 작을 경우 영구자석을 안정적으로 고정하지 못할 수 있다. 이러한 점을 감안하여, 상기 거리(d2)는 0.4mm로 할 수 있다.
도 4는 상기 배리어 홀(108)이 없는 로터를 갖는 전동기에서의 코깅 토크를 측정한 결과를 도시한 그래프이고, 도 5는 도 2에 도시된 로터를 갖는 전동기에서의 코깅 토크를 측정한 결과를 도시한 그래프이다. 도 4 및 도 5에 있어서, 세로축은 코깅 토크의 크기를 나타내고, 가로축은 각각의 코깅 토크를 테스트한 주기에 대응되는 값이다. 즉, 가로축은 테스트 스텝(step)수를 나타낸 것으로서, 상기 도 4 및 도 5에 도시된 그래프는, 테스트 시에 출력되는 전력의 1주기를 193개의 스텝으로 쪼개고, 각각의 스텝에 있어서 출력되는 코깅 토크를 표시한 것이다.
도시된 바와 같이, 종래의 전동기에서는 대략 0.80Nm 정도의 코깅 토크가 발생하고 있음에 비해서, 상기 실시예에서는 그 절반 이하인 0.30Nm의 코깅 토크가 발생되고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 기존의 영구자석 삽입홀의 내측변에 1.5mm 정도의 홀을 형성한 것에 의해서 코깅 토크를 절반 이하로 줄일 수 있는 것이다.
강성의 측면에서도, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 도 2의 로터를 각각 25℃, 40℃, 60℃, 100℃, 140℃ 및 180℃에서 1500RPM의 회전속도로 운전한 결과. 온도에 관계없이 상기 배리어 홀이 위치한 부분에서의 응력이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 다만, 상기 배리어 홀이 없는 반경 방향 최외곽 부분의 응력과는 큰 차이가 나지 않음도 확인할 수 있다.
즉, 상기와 같이 배리어 홀을 추가로 형성하더라도, 로터 코어의 강성에 미치는 영향은 미미함을 알 수 있다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이 상기 로터 코어(102)의 상기 영구자석 삽입홀(103)과 상기 회전축 홀(200) 사이에는 원주 방향을 따라 복수의 리벳홀(400) 및 살빼기홀(500)이 관통 형성될 수 있다.
구체적으로, 상기 복수의 리벳홀(400)은 상기 영구자석 삽입홀(103)과 상기 회전축 홀(200) 사이에 둘레방향으로 관통 형성되며, 상기 영구자석 삽입홀(103)의 갯수와 동일하게 8개가 일정한 간격으로 배치된 것이 바람직하다.
로터는 복수 개의 얇은 디스크 형태의 로터 코어 부재들이 적층되어 형성되며, 상기 복수의 리벳홀(400)에 관통하여 결합되는 복수의 리벳(420)은 상기 적층된 로터 코어 부재들이 하나의 로터를 형성할 수 있도록 결합하는 역할을 하여 용이하게 조립할 수 있도록 한다.
상기 복수의 리벳홀(400)의 형상은 원형인 것이 바람직하며, 원형 이외에 사각형, 사다리 꼴일 수도 있다. 상기 각 리벳홀(400)은 상기 각 영구자석 삽입홀(103)의 대칭축의 연장선(a)이 상기 각 리벳홀(400)의 중심을 지나도록 위치한다.
V자 형태의 영구자석 사이의 로터 코어 부분은 자속이 흐르는 통로 역할을 하기 때문에 리벳홀을 형성하게 되면 자속에 저항이 걸리게 된다. 그러므로 상기 회전축 홀(200)과 상기 영구자석 삽입홀(103) 사이 로터 코어 공간부의 자로가 형성되지 않는 부분에 리벳홀을 형성해야 한다.
따라서, 상기 복수의 리벳홀(400)은 내측단부가 상기 로터 코어(102)의 중심, 즉 상기 회전축 홀(200)의 중심으로부터 15.9mm 떨어진 곳보다 반경방향의 외측에 형성되며, 외측단부가 상기 회전축 홀(200)의 중심으로부터 20.1mm 떨어진 곳보다 반경방향의 내측에 형성된다.
이는, 로터의 위치에 따른 자속밀도를 나타낸 도 10을 참고하면 자속밀도가 낮은 구간에 해당하기 때문이다. 도 10을 살펴보면, 자속밀도가 가장 낮은 구간은 상기 회전축 홀(200) 주변에 나타나고 있으며, 다음으로 자속밀도가 낮은 구간은 상기 회전축 홀(200)과 영구자석 삽입홀(103) 사이의 로터 코어 부분에 나타나고 있고, 상기 영구자석 삽입홀(103) 주변에서는 자속밀도가 높게 나타나고 있는 것을 볼 수 있다.
하지만 자속밀도가 가장 낮게 형성되는 상기 회전축 홀(200) 주변에 복수의 리벳홀을 형성할 경우, 회전축을 지지하는 지지력이 약해져 로터의 회전이 불안정해지게 된다. 따라서, 상기 복수의 리벳홀(400)의 내측단부와 외측단부의 범위가 한정된 것과 같이 자속밀도가 낮아 자속이 지나가는 것을 방해하지 않으면서도 회전축을 충분하게 지지 가능한 곳에 리벳홀을 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 리벳홀의 형성으로 인해 로터의 성능 및 효율의 손실이 발생되지 않는다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기용 로터의 복수의 리벳홀(400)은 상기 회전축 홀(200)의 중심으로부터 반경방향으로 18mm만큼 떨어진 곳에 각 리벳홀(400)의 중심이 위치하고 있으며, 4.15mm의 지름을 갖는 원형으로 형성되어 있다.
상기 복수의 살빼기홀(500)은 상기 영구자석 삽입홀(103)과 상기 회전축 홀(200) 사이에 둘레방향으로 관통 형성되며, 상기 복수의 리벳홀(400)의 중심을 이은 원과 교차되도록 형성된다. 상기 복수의 살빼기홀(500)은 상기 각 리벳홀(400)의 사이마다 형성되며, 상기 복수의 리벳홀(400)과 같은 갯수로 형성된다. 따라서, 8개의 살빼기홀이 일정한 간격으로 형성되는 것이 바람직하다.
상기 복수의 살빼기홀(500)은 인접한 한 쌍의 상기 영구자석 삽입홀(103) 사이 간격의 중심과 상기 회전축 홀(200)의 중심을 연결하는 직선(b)을 기준으로 대칭이 되도록 배치되는 것이 바람직하다.
이는, V자 형태의 영구자석 사이의 로터 코어 부분은 자속이 흐르는 통로 역할을 하기 때문에 살빼기홀을 형성하면 자속에 저항이 걸리기 때문이다. 그러므로 상기 복수의 리벳홀 사이사이의 공간부의 자로가 형성되지 않는 부분에 살빼기홀을 형성해야 한다.
따라서, 상기 복수의 살빼기홀(500)은 내측단부가 상기 로터 코어(102)의중심, 즉 상기 회전축 홀(200)의 중심으로부터 15.9mm 떨어진 곳보다 반경방향의 외측에 형성되며, 외측단부가 상기 회전축 홀(200)의 중심으로부터 20.1mm 떨어진 곳보다 반경방향의 내측에 형성된다.
이는, 마찬가지로 로터의 위치에 따른 자속밀도를 나타낸 도 10을 참고하면 자속밀도가 낮은 구간에 해당하기 때문이다. 도 10을 살펴보면, 자속밀도가 가장 낮은 구간은 상기 회전축 홀(200) 주변에 나타나고 있으며, 다음으로 자속밀도가 낮은 구간은 상기 회전축 홀(200)과 영구자석 삽입홀(103) 사이의 로터 코어 부분에 나타나고 있고, 상기 영구자석 삽입홀(103) 주변에서는 자속밀도가 높게 나타나고 있는 것을 볼 수 있다.
하지만 자속밀도가 가장 낮게 형성되는 상기 회전축 홀(200) 주변에 복수의 살빼기홀(500)을 형성할 경우, 회전축을 지지하는 지지력이 약해져 로터의 회전이 불안정해지게 된다. 따라서, 상기 복수의 살빼기홀(500)의 내측단부와 외측단부의 범위가 한정된 것과 같이 자속밀도가 낮아 자속이 지나가는 것을 방해하지 않으면서도 회전축을 충분하게 지지 가능한 곳에 살빼기홀을 형성하는 것이 바람직하다. 따라서, 살빼기홀의 형성으로 인해 로터의 성능 및 효율의 손실이 발생되지 않는다.
또한, 상기 복수의 살빼기홀(500)의 형성으로 인해 로터의 경량화가 가능하며, 상기 각 살빼기홀이 냉매가 지나갈 수 있는 유로의 역할을 하여 모터 냉각의 효율성도 좋아진다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기용 로터의 복수의 살빼기홀(500)은 상기 회전축 홀(200)의 중심으로부터 반경방향으로 18mm만큼 떨어진 곳에 각 살빼기홀(500)의 중심이 위치하고 있으며, 자세한 형상은 아래에서 설명하도록 한다.
상기 각 살빼기홀(500)은 모든 변이 원의 일부로 구성된 사다리꼴의 형상인 것이 바람직하다. 이와 같은 구성에 따르면, 로터의 강성을 유지한 상태로 자로에 방해가 되지 않는 구간을 최대한 이용하여 경량화 할 수 있기 때문이다. 하지만 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 로터의 형상 및 크기에 따라 원형, 사각형, 삼각형 등 어떤 모양으로든 변경 가능하다.
상기 각 살빼기홀(500)은 내측단부(502)와 외측단부(501)가 상기 회전축 홀(200)의 중심을 기준으로 하는 원의 일부로 형성되며, 상기 내측단부(502)와 외측단부(501)를 연결하는 양 측단부(503, 504)는 각 측단부가 대향하는 리벳홀의 중심을 기준으로 하는 원의 일부로 형성된다.
이로써, 상기 각 살빼기홀의 외측단부(501), 내측단부(502), 그리고 회전축 홀(200)은 모두 동심원 상에 위치하게 된다. 상기 각 살빼기홀의 내측단부(502)와 상기 회전축 홀(200) 사이의 간격은 어느 부분에서든 일정하게 유지될 수 있으며, 이로 인해 로터의 강성이 일정하게 유지된다.
또한, 상기 각 살빼기홀의 양 측단부(503, 504)와 각 측단부가 대향하는 리벳홀(400) 사이의 간격이 어느 부분에서든 일정하게 유지되므로 로터의 강성이 일정하게 유지될 수 있다.
상기 외측단부(501)는 상기 내측단부(502)보다 길이가 길게 형성되며, 상기 양 측단부(503, 504)는 길이가 동일하게 형성될 수 있다. 또한, 상기 살빼기홀의 양 측단부(503, 504)는 각 측단부가 대향하는 리벳홀(400)의 중심으로부터 반경방향으로 8mm이상 이격되어 위치하는 것이 바람직하다. 이는, 상기 양 측단부(503, 504)가 각 측단부가 대향하는 리벳홀(400)의 중심으로부터 반경방향으로 8mm 이내에 위치하게 되면, 각 리벳홀(400)과 살빼기홀(500) 사이의 로터 코어 부분의 두께가 얇아져서 자속이 지나갈 수 없으며 전체적인 지지력 및 내구성이 약해지기 때문이다.
도 9를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구자석 매입형 전동기용 로터의 복수의 각 살빼기홀(500)은 내측단부(502)가 상기 회전축 홀(200)의 중심을 기준으로 지름이 31.85mm인 원의 일부로 형성되며, 외측단부(501)는 상기 회전축 홀(200)의 중심을 기준으로 지름이 40.15mm인 원의 일부로 형성된다. 또한, 양 측단부(503, 504)는 각 측단부가 대향하는 리벳홀의 중심을 기준으로 지름이 8mm인 원의 일부로 형성되어 8mm만큼 이격되어 형성된다.
이상과 같이, 본 발명의 실시예에 의하면 기존의 영구자석 삽입홀의 내측변에 1.5mm 정도의 홀을 형성한 것에 의해서, 코깅 토크를 절반 이하로 감소시키는 것이 가능할 뿐더러, 전동기의 소음을 개선하는 효과도 제공할 수 있다.
더욱이, 로터 코어 상의 일정 영역에 복수의 홀을 형성함에 따라 경량화 및 원가절감이 가능할 뿐만 아니라, 냉매가 지나갈 수 있는 유로 역할을 하여 냉각 효율이 향상되는 효과도 제공할 수 있다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
본 발명은 영구자석 매립형 전동기를 위한 로터 및 그를 이용한 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 로터 내부에 영구자석이 매립된 형태의 로터 및 그를 포함하는 전동기에 관한 것이다.

Claims (18)

  1. 중앙에 회전축이 고정되며, 복수 개의 자석 삽입홀이 원주 방향을 따라 이격되어 형성되는 로터 코어; 및
    상기 복수 개의 자석 삽입홀 마다, 반경 방향 외측으로 갈수록 서로 이격되게 V자 형태로 각각 삽입되는 복수 쌍의 영구자석;을 포함하고,
    상기 복수 개의 자석 삽입홀 각각은 서로 대향하는 한 쌍의 내측변을 포함하고,
    상기 각각의 자석 삽입홀의 내부 공간을 상기 한 쌍의 내측변으로부터 서로를 향하여 각각 돌출되도록 확장시키는 배리어 홀이 추가적으로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배리어 홀은 원호 형상으로 연장되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 자석 삽입홀 각각은 "V"자 형태를 갖도록 형성되고,
    상기 배리어 홀은 자석 삽입홀의 중심을 향하여 원주 방향을 따라서 연장되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배리어 홀의 양단부와 상기 로터 코어의 중심을 각각 연결한 두 개의 선이 이루는 각도가 12° 내지 14°인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 배리어 홀은 1.1mm 내지 1.5mm의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배리어 홀은 0.4mm 이상의 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 로터 코어의 상기 자석 삽입홀과 상기 회전축이 고정되는 회전축 홀 사이에 원주 방향을 따라 관통 형성되는 복수의 리벳홀; 및
    상기 로터 코어의 상기 자석 삽입홀과 상기 회전축이 고정되는 회전축 홀 사이에 원주 방향을 따라 관통 형성되는 복수의 살빼기홀;
    을 더 포함하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 살빼기홀은 상기 복수의 리벳홀의 중심을 이은 원과 교차되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 리벳홀과 상기 복수의 살빼기홀은 각 내측단부가 상기 로터 코어의 중심으로부터 15.9mm 떨어진 곳보다 반경방향의 외측에 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 복수의 리벳홀과 상기 복수의 살빼기홀은 각 외측단부가 상기 로터 코어의 중심으로부터 20.1mm 떨어진 곳보다 반경방향의 내측에 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 리벳홀은 원형의 형상으로, 상기 각 자석 삽입홀의 대칭축의 연장선이 상기 각 리벳홀의 중심을 지나도록 위치하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 살빼기홀은 인접한 한 쌍의 상기 자석 삽입홀 사이 간격의 중심과 상기 회전축 홀의 중심을 연결하는 직선을 기준으로 대칭인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 각 살빼기홀은 내측단부와 외측단부가 상기 회전축 홀의 중심을 기준으로 하는 원의 일부로 형성되며, 상기 내측단부와 외측단부를 연결하는 양 측단부는 각 측단부가 대향하는 상기 리벳홀의 중심을 기준으로 하는 원의 일부로 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 외측단부는 상기 내측단부보다 보다 길이가 길게 형성되며, 상기 양 측단부는 길이가 동일한 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 살빼기홀의 양 측단부는 각 측단부가 대향하는 상기 리벳홀의 중심으로부터 8mm이상 이격되어 형성되는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 자석 삽입홀은 8개인 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기용 로터.
  17. 하우징;
    상기 하우징 내에 고정되는 고정자; 및
    상기 고정자 내에 회전 가능하게 장착되는 로터;를 포함하고,
    상기 로터는 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 고정자는 12개의 슬롯을 포함하고, 상기 로터는 8개의 극을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 매입형 전동기.
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