WO2019124950A1 - Ipm bldc 전동기 - Google Patents

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WO2019124950A1
WO2019124950A1 PCT/KR2018/016164 KR2018016164W WO2019124950A1 WO 2019124950 A1 WO2019124950 A1 WO 2019124950A1 KR 2018016164 W KR2018016164 W KR 2018016164W WO 2019124950 A1 WO2019124950 A1 WO 2019124950A1
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WO
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permanent magnet
rotor
permanent magnets
stator
width
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Application number
PCT/KR2018/016164
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English (en)
French (fr)
Inventor
황인철
이동범
최종현
Original Assignee
삼성전자(주)
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Publication date
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Priority to US16/954,638 priority patent/US11677284B2/en
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Definitions

  • the present invention relates to an IPM (Interior Permanent Magnet) BLDC (Brushless Direct Current) electric motor, and more particularly to a shape improvement of a rotor of an IPM BLDC electric motor.
  • IPM Interior Permanent Magnet
  • BLDC Batteryless Direct Current
  • a permanent magnet-embedded synchronous motor includes a cylindrical stator in which a plurality of coils are wound, and a cylindrical rotor disposed so as to have a constant gap concentrically inside the cylindrical stator.
  • the rotor rotates at a constant distance from the inner periphery of the stator.
  • the stator is provided with a plurality of teeth toward its inner periphery, and a stator slot is formed between the teeth and the teeth.
  • a plurality of coils are wound around each of the plurality of teeth.
  • the cylindrical rotor is alternately embedded with permanent magnets having mutually different poles in the circumferential direction at regular intervals. The permanent magnet is inserted into the magnet slot formed in the rotor.
  • the rotor of the permanent magnet-embedded type motor having the above-described configuration is configured such that when a current is sequentially applied to a plurality of coils wound on a plurality of teeth of the stator, the polarities of the coils sequentially change, A rotating magnetic field is generated.
  • the rotor has a magnetic field formed by permanent magnets disposed opposite to teeth of the stator.
  • a repulsive force is generated when the polarity of the rotor system generated from the teeth of the stator is the same as that of the permanent magnet, and a suction force is generated when the polarity is different.
  • the rotor generates a force to rotate by the repulsive force and the attracting force, and as a result, rotates about the rotation axis.
  • a BLDC motor in which a C-shaped permanent magnet having a constant thickness in the radial direction is embedded in the center of a permanent magnet has been widely used in order to concentrate the magnetic flux according to the demand of a high efficiency electric motor.
  • a permanent magnet (slot) of such a structure is applied to a permanent magnet of high quality as a method for increasing the effective magnetic flux amount.
  • a high-quality permanent magnet has a problem that the production cost is greatly increased because the rare earth content is rapidly increased.
  • a method of increasing the total thickness of the permanent magnet can be applied.
  • the method of increasing the total thickness of the permanent magnet increases the absolute magnetic flux amount of the permanent magnet, the iron loss is increased due to the reduction of the path (magnetic path) to the stator, and the magnetic flux in the radial direction The dead zone of the magnetic flux not generated is increased, the cogging torque is increased, the distortion factor THD of the counter electromotive force is increased, and the efficiency and operation performance of the motor are deteriorated.
  • An object of the present invention is to provide a BLDC motor improved in efficiency and operation performance by improving the distortion factor and torque ripple of a counter electromotive force while increasing the effective magnetic flux for reducing the loss .
  • the BLDC motor includes: a cylindrical stator having a plurality of teeth wound with coils for forming an electromagnetic field; an arc-shaped cross-section that is rotatable inside the stator in a cylindrical shape and extends in both directions on the outer peripheral side from the rotation center side And a rotor provided with a plurality of permanent magnets.
  • the plurality of permanent magnets are arranged so that the facing outer surfaces of two neighboring permanent magnets are adjacent to each other.
  • the width Wo of the outer peripheral side of the permanent magnet is smaller than the width Wc of the rotation center side.
  • the permanent magnet has a large central portion at the center of rotation and an increased area of the active region formed by the inner surface portion extending in both directions toward the outer periphery of the rotor to increase the magnetic flux amount, Why can I reduce strain and torque ripple.
  • the inclination of the inner surface of the permanent magnet is preferably smaller than the inclination of the outer surface.
  • stator has a stator slot portion disposed between the adjacent two teeth and provided with a slot opening portion opened toward a rotation center, and a center of the one tooth and a center of rotation center- A point where the extension of the inner surface of the permanent magnet intersects with the outer circumference of the rotor is formed between two lines connecting both ends of the slot opening at both sides of the tooth at the rotation center .
  • the width Wo of both ends of the permanent magnet is equal to the length of the line segment L1 to the point where the extension of the outer surface of the permanent magnet meets the outer circumference of the rotor at the point where the extension of the inner surface of the permanent magnet meets the outer surface of the rotor .
  • the width Wo of both ends of the permanent magnet may be formed so as to satisfy the following expression (1).
  • ⁇ m 360 / P
  • ⁇ t 360 / S
  • R is the rotor radius
  • P is the number of rotor poles
  • S is the number of stator slots.
  • the center-of-rotation-side center width Wc may be formed so as to satisfy the following expression (2).
  • the width Wc of the central portion on the side of the center of rotation may be formed so as to satisfy the following expression (3).
  • the maximum width Sw of the permanent magnets may be formed so as to satisfy the following equation 4 based on an extension line passing through the center of the permanent magnet at the rotation center.
  • the maximum height (Sh) of the permanent magnet may be formed to satisfy the following formula (5) based on an extension line passing through the center of the permanent magnet at the rotation center.
  • a BLDC motor including: a cylindrical stator having a plurality of teeth with coils wound to form an electromagnetic field; a stator having a cylindrical shape and being rotatable inside the stator, wherein the plurality of permanent magnets are arranged such that respective facing outer surfaces of two neighboring permanent magnets are adjacent to each other, and the maximum height of the permanent magnets (Sh) is 0.45 to 0.55 times the maximum width (Sw) of the permanent magnet.
  • the BLDC motor according to the present invention increases the absolute magnetic flux amount of the permanent magnet and enlarges the path (magnetic path) passing to the rotor as much as possible to reduce the iron loss, reduce the dead zone of the magnetic flux, reduce the cogging torque, (THD) of the motor is improved, thereby improving the efficiency and operation performance of the electric motor.
  • 1 to 4 are a perspective view, an exploded perspective view, a cross-sectional view, and a partially enlarged cross-sectional view, respectively, of an IPM BLDC motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 and 6 are cross-sectional views illustrating a rotor shape of an IPM BLDC motor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph comparing torque ripple for a motor of the present invention with a conventional technique.
  • FIG. 9 is a graph comparing the motor efficiency with respect to the motor of the present invention and the conventional technique.
  • the brushless direct current (BLDC) electric motor 1 is provided to compensate for a reduction in the service life or periodical defects caused by the operation of the conventional DC motor by the mechanical switching operation of the brush and the commutator, Switching has been replaced with electronic switching using semiconductor devices.
  • a BLDC motor 1 includes a stator 10 to which a coil for applying a power is applied and a rotor 12 to be rotatably inserted into the stator 10 with a predetermined gap G therebetween, An electron 20 and a rotation axis 25 connected to the center of the rotor 20 and transmitting the rotational force of the rotor 20.
  • the BLDC motor 1 includes a housing and a housing for protecting the stator 10 and the rotor 20, and a housing (not shown) which is disposed between the housing and the rotary shaft 25 to support the rotary shaft 25 Or more.
  • the stator 10 may include a plurality of winding coils surrounding the rotor 20.
  • the BLDC motor 1 includes a power supply unit and a switching unit (not shown) that receives power from the power supply unit and applies the power to the winding coils.
  • the power supply unit may be a normal three-phase power supply.
  • the three-phase power source converts the rectified DC power through a rectifier circuit composed of a normal rectifier and a smoothing capacitor to a three-phase AC power having a pulse having a variable frequency in order to rectify and smooth the AC power and supply the DC power .
  • the switching unit may comprise a plurality of switching elements.
  • the switching unit applies power supplied from the power supply unit to the stator 10 as the switching device is turned on / off.
  • the BLDC motor 1 may further include a controller (not shown) for driving control as a system.
  • IPM BLDC electric motor 1 1 to 3 are a perspective view, an exploded perspective view, and a cross-sectional view, respectively, of an IPM BLDC electric motor 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the six-pole IPM BLDC electric motor 1 to which the six permanent magnets 22 are applied is illustrated as an example, it is not limited to six poles.
  • the BLDC motor 1 includes a stator 10 for generating an electromagnetic field and a rotor 20 in which a permanent magnet is embedded and rotatably disposed inside the stator 10.
  • the electromagnetic field generated in the stator 10 and the magnetic field of the permanent magnet 22 of the rotor 20 interact with each other to generate a repulsive force or a suction force and as a result the rotor 20 can rotate.
  • the stator 10 is a stator iron core and includes a yoke 11, a plurality of teeth 12 forming a stator slot 14 and a shoe 13 formed at an end of the tooth 12.
  • a plurality of coils (not shown) are wound on the plurality of teeth 12 a plurality of times, and when an electric current is applied to the coils, an electromagnetic field is generated.
  • the yoke 11 has an annular shape in which a plurality of teeth 12 protrude toward the center of rotation O from the inner peripheral surface. As shown in the figure, the yoke 11 has a polygonal outer surface, but is not limited thereto and may have various outer surfaces such as a circular shape.
  • the shoe 13 extends in the circumferential direction from the end of the tooth 12 so as to prevent the coil wound on the tooth 12 from falling out.
  • the stator slot portion 14 is a space for winding the coil on the tooth 12 and a space for winding the wound coil.
  • the stator 10 is formed by two shoe 13 spaced apart from each other and has a slot opening 16 opened toward the rotation center O.
  • the rotor (20) has a cylindrical shape and is disposed concentrically with the stator (10) with a gap (G) inside.
  • the rotor 20 includes a shaft hole 26 into which a rotary shaft is inserted at the center and six magnet slot portions 24 into which six permanent magnets 22 are inserted.
  • the rotor 20 can rotate about the rotation axis.
  • the permanent magnet 22 is made of at least one of Alico magnet, Ferrite magnet, Neodymium magnet or Samarium cobalt magnet.
  • the permanent magnet 22 has an arcuate cross-sectional shape and a convex center portion is disposed toward the rotation center O and inserted into the magnet slot portion 24 of the rotor 20 so as to extend in both directions toward the outer periphery.
  • the magnet slot portion 24 is formed in advance in the rotor 20 so as to correspond to the shape of the permanent magnet 22.
  • the plurality of permanent magnets (22) are arranged such that two facing outer surfaces (27) of two adjacent permanent magnets are adjacent to each other. At this time, the two opposing outer surface portions 27 may contact each other, or an air gap or an adhesive resin may be interposed therebetween. As described above, it is possible to maximize the active region A formed by the inner surface portion 28 of each permanent magnet 22 by bringing the two opposing outer surface portions 27 of the adjacent two permanent magnets close to each other.
  • the permanent magnets 22 arranged as described above are arranged such that the magnetic flux is generated in a direction orthogonal to the inner surface portion 28 and the magnetic field generated by the coils wound on the teeth 12 of the stator 10 And reacts.
  • the magnetic flux formed by the inner surface portion 28 of the permanent magnet 22 passes through the active region A formed by the arcuate inner surface portion and proceeds to the outer periphery of the rotor 20.
  • the permanent magnets 22 can secure the active area A larger by making the both end width Wo on the outer peripheral side smaller than the center-side width Wc on the rotation center side.
  • the permanent magnet 22 has the inclination S1 of the inner surface portion 28 smaller than the inclination S2 of the outer surface portion 27.
  • the outer surface portion 27 is disposed as close as possible to the adjacent permanent magnet side, and the outer peripheral side width Wo is made smaller than the width Wc of the rotation center side, so that the active region A can be secured have.
  • the curvature of the inner surface portion 28 is made different from the curvature of the outer surface portion 27 so as to secure the active region A as much as possible if the outer surface portion 27 and the inner surface portion 28 extend without a straight line You may.
  • the electric motor 1 and the electric motor system of the present invention exhibit higher efficiency than the conventional electric motor using a permanent magnet having a larger magnetic flux even though a permanent magnet having a small magnetic flux is applied I have.
  • FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view of a portion enlarged at a boundary portion between the stator 10 and the rotor 20 according to an embodiment of the present invention.
  • 3 shows a state in which the center of the teeth 12 of the stator 11 and the central portion on the rotational center O side of the permanent magnet 20 coincide with each other.
  • the point P1 at which the extension line of the inner surface portion 28 of the permanent magnet 22 toward the outer periphery of the rotor 20 and the outer circumference of the rotor 20 intersect is located at the rotation center O Between the two lines OS1 and OS2 connecting both ends of the slot opening 16 of the tooth 12.
  • the permanent magnets 22 can be rounded at the edges during manufacture. Assuming that the two outer surface portions 27 of the neighboring permanent magnets 22 contact each other, the six magnets correspond to the nine stator teeth 12. At this time, the width Wo of both ends of the permanent magnet 22 is equal to the distance between the two points P2 and P3 of the outer periphery of the rotor 20 where the extension line of the outer surface portion 27 of the permanent magnet 22 and the extension line of the inner surface portion 28 meet The length of the connecting line or the distance therebetween.
  • the angle? W constituting the width Wo of both ends of the permanent magnet 22 is 10 degrees.
  • the length Wo of the line segment connecting the two points P2 and P3 on the outer periphery of the rotor 20 is formed so as to satisfy the following expression.
  • ⁇ m 360 / P
  • ⁇ t 360 / S
  • R the rotor radius
  • P the number of rotor poles
  • S the number of stator slots.
  • the outer peripheral side width Wo and the center width Wc of the permanent magnet 22 are formed so as to satisfy the following equations.
  • Equation 3 if the central portion width Wc is larger than the both end portion width Wo X 1.6, since the two outer surface portions 27 of the adjacent permanent magnets are in contact with each other, the both end width Wo becomes too small. As a result, the active region A is widened, but the effective magnetic flux at both ends is lowered and the efficiency is reduced.
  • the maximum width Sw of the permanent magnet 22 is the length of the line segment L3 connecting the two outer points P4 and P5 that meet the extension of the both side outer surface portions 28. [ The maximum width Sw of the permanent magnet 22 is calculated by the following equation [4].
  • ⁇ m 360 / P
  • P is the number of poles
  • R is the rotor radius
  • the maximum width Sw of the permanent magnet 22 varies in accordance with the rotor radius R as? 2R 2 (1-cos (60)).
  • the maximum width Sh of the permanent magnet 22 is defined as the maximum width Sw of the permanent magnet 22 when the extension line passing through the first position P1 from the rotation center O is taken as a reference. .
  • Equation 5 the maximum width Sw of the permanent magnet is almost fixed because the two outer surface portions 27 of the neighboring permanent magnets are in contact with or close to each other. Therefore, if the height Sh of the permanent magnet is smaller than the maximum width Sw 0.45, the center portion Wc of the permanent magnet is substantially reduced or the active region A is reduced, thereby decreasing the efficiency.
  • the height (Sh) of the permanent magnet is made large, but there is a structural limitation. If the height Sh of the permanent magnets is greater than the maximum width Sw 0.55, the maximum width Sw of the permanent magnets must be reduced by separating the two outer surfaces 27 of the adjacent permanent magnets, (A) decreases and the efficiency decreases.
  • FIG. 7 is a graph illustrating a comparison of a counter electromotive force between a BLDC motor according to an embodiment of the present invention and a conventional BLDC motor.
  • a permanent magnet 22 having a relatively low magnetic flux density of 4300 Gauss is used as a permanent magnet, and a permanent magnet having a relatively high magnetic flux density of 4500 GHz is applied to a conventional BLDC motor.
  • the back electromotive force of the motor according to the present invention was found to be 73.2 V which is somewhat higher than that of the conventional technology of 68.7 V, though it is a relatively low quality permanent magnet.
  • FIG. 8 is a graph illustrating a comparison of torque between a BLDC motor and a conventional BLDC motor according to an embodiment of the present invention.
  • a permanent magnet 22 having a relatively low magnetic flux density of 4300 Gauss is used as a permanent magnet, and a permanent magnet having a relatively high magnetic flux density of 4500 GHz is applied to a conventional BLDC motor.
  • the average torque of the electric motor according to the present invention is a relatively low quality permanent magnet
  • the average torque of the prior art was 40.4 kgcm higher than 38.0 kgcm, and the torque ripple rate was 41 %, Which is lower than 18%.
  • This low torque ripple rate has the effect of reducing the vibration and noise of the IPM BLDC motor.
  • FIG. 9 is a graph illustrating the efficiency of a BLDC motor according to an embodiment of the present invention compared with that of a conventional BLDC motor.
  • a permanent magnet 22 having a relatively low magnetic flux density of 4300 Gauss is used as a permanent magnet, and a permanent magnet having a relatively high magnetic flux density of 4500 GHz is applied to a conventional BLDC motor.
  • the efficiency of the motor according to the present invention is about 1% higher than that of the conventional motor, even though it is a relatively low-quality permanent magnet.
  • FIG. 10 is a graph illustrating the efficiency of a BLDC motor system according to an embodiment of the present invention compared with a conventional BLDC motor system.
  • the motor system refers to a state in which a controller is added to an electric motor.
  • a permanent magnet 22 having a relatively low magnetic flux density of 4300 Gauss is used as a permanent magnet and a permanent magnet having a relatively high magnetic flux density of 4500 Gauss is applied to a BLDC motor system of the prior art.
  • the efficiency of the motor system according to the present invention is about 1% higher than that of the prior art motor system even though it is a relatively low-quality permanent magnet.

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Abstract

BLDC 전동기가 개시된다. BLDC 전동기는 전자계를 형성하기 위하여 코일이 권선된 복수의 치(齒) 가진 원통 형상의 고정자와, 원기둥 형상으로 상기 고정자의 내측에서 회전 가능하며, 회전중심 측에서 외주 측을 양방향으로 연장하는 아치형 단면의 복수 영구자석이 마련된 회전자를 포함하며, 상기 복수의 영구자석은, 이웃하는 두 영구자석의 마주보는 각 외면부가 상호 인접하게 배치되며, 상기 영구자석의 외주 측의 폭(Wo)이 회전중심 측의 폭(Wc)보다 작게 마련된다. 본 발명의 BLDC 전동기는 전도익의 효율을 증가시키면서 소음과 진동을 줄어든다.

Description

IPM BLDC 전동기
본 발명은 IPM(Interior Permanent Magnet) BLDC(Brushless Direct Current) 전동기, 더욱 상세하게는 IPM BLDC 전동기의 회전자의 형상 개선에 관한 것이다.
일반적으로 영구자석 매립형 동기 전동기는 복수의 코일이 권선되어 있는 원통형 고정자와 이 원통형 고정자의 내측에 동심으로 일정한 공극을 갖도록 배치된 원기둥형 회전자를 포함한다. 회전자는 고정자의 내주로부터 일정한 간격을 유지하며 회전한다. 고정자는 내주를 향해 복수의 치(齒)가 설치되어 있고, 치(齒) 와 치(齒) 사이에는 고정자슬롯부가 형성되어 있다. 복수의 치(齒)들 각각에는 다수의 코일이 감겨져 있다. 원기둥형의 회전자는 내부에 원주방향으로 서로 다른 극을 갖는 영구자석이 일정한 간격으로 교대로 매립되어 있다. 영구자석은 회전자에 형성된 자석슬롯에 삽입된다.
상기와 같이 구성된 영구자석 매립형 전동기의 회전자는 고정자의 복수 치(齒)에 감겨진 복수개의 코일에 전류가 순차적으로 인가되면 각 코일의 극성이 순차적으로 변화면서 고정자슬롯 사이에 형성된 고정자 치(齒)에 회전자계가 발생된다. 한편, 회전자는 고정자의 치(齒)에 대향 배치되어 있는 영구자석에 의해 자계가 형성된다. 고정자의 치에서 발생되는 회전자계의 극성과 영구자석에 의한 극성이 동일하면 반발력이 발생하고, 극성이 상이하면 흡인력이 발생한다. 회전자는 이러한 반발력과 흡인력에 의해 회전하려고 하는 힘이 발생하고, 결과적으로 회전축을 중심으로 회전하게 된다.
최근 고효율 전동기의 요구에 따라, 자속을 집중할 수 있도록 영구자석 중심점에 대해 반경방향으로 일정한 두께를 갖는 C형상 영구자석이 매립된 BLDC 전동기가 많이 사용되고 있다.
이러한 구조의 영구자석(슬롯)은 유효 자속량을 증대하기 위한 방법으로 고급재질의 영구자석을 적용하고 있다. 그러나, 이러한 고급재질의 영구자석은 희토류 함량이 급격히 증가하기 때문에 제조원가를 크게 증가시키는 문제점이 있다.
또한 유효 자속량을 증대하기 위해, 영구자석의 전체 두께를 증가시키는 방법이 적용될 수 있다. 그러나, 영구자석의 전체 두께를 증가시키는 방법은 영구자석의 절대 자속량을 증가시키지만, 고정자로 넘어가는 경로(자로)의 축소로 인해 철손이 증가되고, 회전자의 공극 중 반경 방향으로의 자속을 발생시키지 않은 자속 데드 존(dead zone)이 증가되고, 코깅 토크가 증가되고, 역기전력의 왜형률(THD)이 높아져, 전동기의 효율 및 운전 성능이 저하되는 문제를 초래한다.
본 발명의 목적은 상술한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 동손 저감을 위한 유효 자속량을 증대시키면서도 역기전력의 왜형률 및 토크 리플을 개선시켜 효율 및 운전성능이 향상된 BLDC 전동기를 제공하는 데에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기가 개시된다. BLDC전동기는 전자계를 형성하기 위하여 코일이 권선된 복수의 치(齒) 가진 원통 형상의 고정자와, 원기둥 형상으로 상기 고정자의 내측에서 회전 가능하며, 회전중심 측에서 외주 측 양방향으로 연장하는 아치형 단면의 복수 영구자석이 마련된 회전자를 포함한다. 상기 복수의 영구자석은, 이웃하는 두 영구자석의 마주보는 각 외면부가 상호 인접하게 배치된다. 상기 영구자석의 외주 측의 폭(Wo)은 회전중심 측의 폭(Wc)보다 작게 마련된다. 본 발명의 BLDC 전동기에 영구자석은 회전중심 측 중앙부를 두껍게 하고, 회전자의 외주를 향해 양방향으로 연장하는 내면부에 의해 형성되는 활성영역의 면적을 넓게 하여 크게 하여 자속량을 증가시키고, 역기전력의 왜형률 및 토크 리플을 줄일 수 있다.
상기 영구자석의 내면부의 경사도는 외면부의 경사도보다 작게 하는 것이 바람직하다.
상기 고정자는 상기 인접하는 2개의 치(齒) 사이에 배치되며, 회전중심을 향해 개방된 슬롯개방부가 마련된 고정자슬롯부를 가지며, 상기 하나의 치(齒)의 중심과 상기 영구자석의 회전중심 측 중앙부를 일치시킨 상태에서, 상기 영구자석의 내면부 연장선과 상기 회전자의 외주가 교차하는 지점은 상기 회전중심에서 상기 치(齒)의 양 옆에 위치한 상기 슬롯개방부 양단을 연결하는 두 선 사이에 위치하도록 마련될 수 있다.
상기 영구자석의 양단부 폭(Wo)은 상기 영구자석의 내면부 연장선과 상기 회전자의 외주가 만나는 점에서 상기 영구자석의 외면부 연장선과 상기 회전자의 외주가 만나는 점까지 선분길이(L1)로 형성될 수 있다.
상기 영구자석의 양단부 폭(Wo)은 다음의 식1을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000001
여기서, θm = 360/P, θt= 360/S, R은 회전자 반경, P는 회전자 극수, S는 고정자 슬롯수이다.
상기 회전중심 측 중앙부 폭(Wc)은 다음의 식2를 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000002
상기 회전중심 측 중앙부 폭(Wc)은 다음의 식3을 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000003
상기 회전중심에서 상기 영구자석의 중앙부를 통과하는 연장선을 기준으로, 상기 영구자석의 최대너비(Sw)는 다음 식4를 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000004
여기서, θm 은 360/P, R은 회전자 반경이다.
상기 회전중심에서 상기 영구자석의 중앙부를 통과하는 연장선을 기준으로, 상기 영구자석의 최대높이(Sh)는 다음 식5를 만족하도록 형성될 수 있다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000005
본 발명의 다른 형태에 따른 BLDC 전동기는, 전자계를 형성하기 위하여 코일이 권선된 복수의 치(齒) 가진 원통 형상의 고정자와, 원기둥 형상으로 상기 고정자의 내측에서 회전 가능하며, 회전중심 측에서 외주 측을 양방향으로 연장하는 아치형 단면의 복수 영구자석이 마련된 회전자를 포함하며, 상기 복수의 영구자석은, 이웃하는 두 영구자석의 마주보는 각 외면부가 상호 인접하게 배치되며, 상기 영구자석의 최대 높이(Sh)가 상기 영구자석의 최대 너비(Sw)에 0.45~0.55배인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 BLDC 전동기는 영구자석의 절대 자속량을 증가시키면서, 회전자로 넘어가는 경로(자로)를 최대한 확대하여 철손이 줄어들고, 자속 데드 존(dead zone)이 적고, 코깅 토크가 적고, 역기전력의 왜형률(THD)이 개선됨으로써, 전동기의 효율 및 운전 성능이 향상된다.
도 1 내지 4는 각각 본 발명의 실시예에 따른 IPM BLDC 전동기의 사시도, 분해사시도, 단면도, 부분확대단면도이다.
도 5 및 6은 본 발명의 실시예에 따른 IPM BLDC 전동기의 회전자 형상을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7은 종래의 기술과 본 발명의 전동기에 대한 역기전력을 비교한 그래프이다.
도 8은 종래의 기술과 본 발명의 전동기에 대한 토크리플을 비교한 그래프이다.
도 9는 종래의 기술과 본 발명의 전동기에 대한 모터효율을 비교한 그래프이다.
도 10은 종래의 기술과 본 발명의 전동기에 대한 시스템효율을 비교한 그래프이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 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 실시예들에 한정되지 않는다. 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙이도록 한다.
이하 도면을 참조하여 본원 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기(1)의 구조를 설명한다.
BLDC(Brush Less Direct Current) 전동기(1)는, 종래의 DC 전동기가 브러시와 정류자의 기계적 스위칭 동작에 의해 동작함에 따른 수명감소나 정기적인 결함을 보완하기 위한 것으로써, 브러시와 정류자 등의 기계적인 스위칭을 반도체 소자를 이용하여 전자적인 스위칭으로 바꾼 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기(1)는, 전원을 인가를 위한 코일이 인가되는 고정자(10)와, 상기 고정자(10)의 내부에 일정공극(G)을 두고 회전 가능하게 삽입되는 회전자(20)와, 상기 회전자(20)의 중심에 연결되어 회전자(20)의 회전력을 전달하는 회전축(25)을 포함한다. 또한, BLDC 전동기(1)는 도 1과 2에 도시하지 않았지만, 고정자(10) 및 회전자(20)를 보호하는 하우징 및 하우징과 회전축(25) 사이에 배치되어 회전축(25)을 지지하는 하나 이상의 베어링을 포함할 수 있다. 고정자(10)는 회전자(20) 주위를 감싸는 다수의 권선코일을 포함할 수 있다. BLDC 전동기(1)는 전원부, 및 전원부로부터 전원을 받아 권선코일에 인가하는 스위칭부(미도시)를 포함한다.
전원부는 통상의 3상 전원일 수 있다. 3상 전원은 AC전원을 정류 및 평활시켜 DC전원을 공급하기 위하여 통상의 정류기 및 평활콘덴서로 구성된 정류회로를 거쳐서 정류된 DC 전원을 임의의 가변주파수를 가진 펄스 형태의 3상 교류전원으로 변환한다.
스위칭부는 다수의 스위칭소자로 이루어질 수 있다. 스위칭부는 스위칭소자가 온/오프 동작함에 따라 고정자(10)로 전원부로부터 공급되는 전원을 인가한다.
BLDC 전동기(1)는 시스템으로써 구동제어를 위한 제어기(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 1 내지 3은 각각 본 발명의 실시예에 따른 IPM BLDC 전동기(1)의 사시도, 분해사시도, 및 단면도이다. 도시된 바와 같이 6개의 영구자석(22)을 적용한 6극 IPM BLDC 전동기(1)를 예로 들어 설명하였지만 6극으로만 한정되지 않는다.
BLDC 전동기(1)는 전자계를 발생하는 고정자(10)와 영구자석이 매립되고 고정자(10)에 대해 회전 가능하게 내측에 배치된 회전자(20)를 포함한다. 고정자(10)에서 발생된 전자계와 회전자(20)의 영구자석(22)의 자계는 상호 작용하여 반발력 또는 흡인력이 발생하고, 그 결과 회전자(20)가 회전할 수 있다.
고정자(10)는 고정자 철심으로, 요크(11), 고정자슬롯부(14)를 형성하는 다수의 치(齒)(12), 및 치(12)의 단부에 형성된 슈(13)를 포함한다. 다수의 치(12)에는 코일(미도시)이 다수 회 감겨지며, 이 코일에 전류를 인가하면 전자계가 발생된다.
요크(11)는 환형상으로 내주면에서 다수의 치(12)들이 회전중심(O)을 향해 돌출되어 있다. 요크(11)는 도시한 바와 같이 외면이 다각 형상을 가지나 이에 한정되지 않고 원형 등의 다양한 외면을 가질 수 있다.
슈(13)는 치(12)의 단부로부터 원주 방향으로 돌출 연장하여 치(12)에 감겨진 코일이 빠지지 않게 한다. 고정자슬롯부(14)는 치(12)에 코일을 감기 위한 공간, 그리고 감겨진 코일이 자리잡기 위한 공간이다. 고정자(10)는 서로 마주보는 이격된 2개의 슈(13)에 의해 형성되며, 회전중심(O)을 향해 개방된 슬롯개방부(16)를 가진다.
회전자(20)는 원기둥 형상으로 고정자(10)와 동심으로 내측에 공극(G)을 두고 배치된다. 회전자(20)는 중심에 회전축이 삽입되는 축공(26) 및 6개의 영구자석(22)이 삽입되는 6개의 자석슬롯부(24)를 포함한다. 회전자(20)는 회전축을 중심으로 회전할 수 있다.
영구자석(22)은, 알리코 자석, 훼라이트 자석, 네오디움 자석 또는 사마륨 코발트 자석 중 적어도 하나로 제조된다. 영구자석(22)은 아치형 단면 형상으로, 볼록한 중앙부가 회전중심(O)을 향해 배치되고, 외주를 향해 양방향으로 연장하도록 회전자(20)의 자석슬롯부(24)에 삽입된다. 자석슬롯부(24)는 영구자석(22)의 형상에 대응하도록 회전자(20)에 사전 형성된다. 복수의 영구자석(22)은 이웃하는 두 영구자석의 마주보는 두 외면부(27)가 상호 인접하게 배치된다. 이때 마주보는 두 외면부(27)는 서로 접촉하거나, 사이에 에어갭 또는 접착 수지가 개재될 수도 있다. 이와 같이, 이웃하는 두 영구자석의 마주보는 두 외면부(27)를 서로 근접시킴으로써 각 영구자석(22)의 내면부(28)에 의해 형성되는 활성영역(A)을 최대한 확보할 수 있다.
상술한 바와 같이 배치된 영구자석(22)은 자속은 내면부(28)에 대해 직교하는 하는 방향으로 자속이 발생하여 고정자(10)의 치(12)에 감겨진 코일에 의해 발생된 전자계와 상호 반응한다. 영구자석(22)의 내면부(28)에 의해 형성된 자속은 아치형 내면부에 의해 형성되는 활성영역(A)을 통과해 회전자(20)의 외주로 진행한다.
특히, 영구자석(22)은 외주 측의 양단부 폭(Wo)을 회전중심 측 중앙부 폭(Wc)보다 작게 함으로써 활성영역(A)을 보다 크게 확보할 수 있다. 이를 위해, 영구자석(22)은 내면부(28)의 경사도(S1)가 외면부(27) 경사도(S2)보다 작게 한다. 결과적으로, 외면부(27)를 이웃하는 영구자석 측에 최대한 가깝게 배치하고, 외주 측 양단부 폭(Wo)은 회전중심 측의 폭(Wc)보다 작게 하여, 활성영역(A)을 최대한 확보할 수 있다. 만일 외면부(27) 및 내면부(28)가 직선상으로 연장하지 않고 곡률을 갖고 연장하면, 내면부(28)의 곡률을 외면부(27) 곡률과 다르게 하여 활성영역(A)을 최대한 확보할 수도 있다.
활성영역(A)는 자속이 통과하는 경로로서 충분한 공간을 확보하지 못하면 자속이 크더라도 포화에 의해 그 효과가 감소한다. 도 9 및 10에 나타낸 효율 비교와 같이, 본 발명의 전동기(1) 및 전동기 시스템은 작은 자속을 가진 영구자석을 적용하였음에도 불구하고 더 큰 자속을 가진 영구자석을 적용한 종래의 전동기보다 더 높은 효율을 가진다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 고정자(10)와 회전자(20)의 경계부분을 확대한 부분의 확대단면도이다. 도 3은, 고정자(11)의 치(齒)(12)의 중심과 영구자석(20)의 회전중심(O) 측 중앙부를 서로 일치시킨 상태를 도시한다. 이때, 도 4에 나타낸 바와 같이, 회전자(20)의 외주를 향한 영구자석(22)의 내면부(28) 연장선과 회전자(20)의 외주가 교차하는 지점(P1)은 회전중심(O)에서 치(齒)(12)의 슬롯개방부(16) 양단을 연결하는 두 선(OS1, OS2) 사이에 위치한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 회전자(20)의 형상을 설명하기 위한 도이다. 영구자석(22)은 제조 시 모서리를 라운딩 처리할 수 있다. 이웃하는 영구자석(22)의 두 외면부(27)는 서로 접촉한다고 가정하면, 6개의 자석은 9개의 고정자 치(12)에 대응한다. 이때, 영구자석(22)의 양단부 폭(Wo)은 영구자석(22)의 외면부(27) 연장선과 내면부(28) 연장선이 만나는 회전자(20) 외주의 두 점(P2, P3)을 잇는 선분의 길이 혹은 이들 간의 거리에 해당하게 형성한다.
상술한 바와 같이, 이웃하는 영구자석(22)의 두 외면부(27)는 서로 접촉하는 것으로 가정하였으나 두 외면부(27) 사이에 갭이 존재할 경우 이 갭이 고려된다. 회전중심(O)에서 회전자(20) 외주 두 점(P2, P3)을 연결하는 선으로 이루어지는 각도(θw)는 고정자(10)의 이웃하는 치(12)의 중심선으로 이루어지는 각도(θt)에 영구자석(22)의 최대폭으로 이루어지는 각도(θm)의 반을 제한 값이 된다. 이를 수식으로 표현하면 θw=(θt-θm/2)이다. 여기서, θm는 360/P, θt는 360/S, R은 회전자 반경, P는 회전자 극수, S는 고정자 슬롯 수이다.
구체적으로 예를 들어 설명하면, 6극의 회전자와 9개의 고정자슬롯부를 가진 고정자를 가정할 때, 영구자석(22)의 양단부 폭 Wo을 구성하는 각(θw)은 10도이다.
θw=(360/9(고정자 슬롯수))-(360/6(극수)/2)
= 10
따라서, 회전자(20) 외주의 두 점(P2, P3)을 잇는 선분의 길이(Wo)는 다음의 식을 만족하도록 형성된다. 결과적으로, 고정자슬롯 수와 회전자 극수가 결정되면 회전자(20)의 반경에 따라 영구자석(22)의 양단부 폭 Wo이 변화한다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000006
여기서, θm는 360/P, θt는 360/S, R은 회전자 반경, P는 회전자 극수, S는 고정자 슬롯 수이다.
예를 들어, 6극의 회전자와 9개의 고정자슬롯부를 가진 고정자를 가정할 때, Wo는 √2R2(1-cos(10)로서 회전자의 반경(R)에 따라 변화한다.
영구자석(22)의 외주 측 양단부 폭(Wo)과 중앙부 폭(Wc)은 다음 식들을 만족하도록 형성된다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000007
Figure PCTKR2018016164-appb-I000008
식 2에서, 중앙부 폭(Wc)이 양단부 폭(Wo) X 1.0 보다 작으면, 이웃하는 영구자석의 두 외면부(27)가 접촉하고 있으므로, 양단부 폭(Wo)은 실질적으로 커진다. 결과적으로 활성영역(A)은 좁아지고, 자속 포화에 의한 효율이 감소한다.
식 3에서, 중앙부 폭(Wc)이 양단부 폭(Wo) X 1.6 보다 크면, 이웃하는 영구자석의 두 외면부(27)가 접촉하고 있으므로, 양단부 폭(Wo)은 지나치게 작아진다. 결과적으로 활성영역(A)은 넓어지나, 양단부 측의 실질 자속이 낮아져 효율이 감소한다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 회전자(20)의 형상을 설명하기 위한 도이다. 영구자석(22)의 최대 너비(Sw)는 양 측 외면부(28)의 연장선과 만나는 외주의 두 지점(P4, P5)를 연결하는 선분(L3)의 길이이다. 영구자석(22)의 최대 너비(Sw)는 다음 식 [4]으로 계산된다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000009
여기서, θm 은 360/P, P는 극수, R은 회전자 반경이다.
예를 들어, 6극의 회전자라 가정할 때, θm 은 60도이다. 따라서, 영구자석(22)의 최대 너비(Sw)는 √(2R2(1- cos(60))로서 회전자 반경(R)에 따라 변한다.
회전중심(O)에서 제1위치(P1)를 통과하는 연장선을 기준으로 할 때, 영구자석(22)의 최대높이(Sh)는 영구자석(22)의 최대 너비(Sw)는 다음 식 5를 만족하도록 형성된다.
Figure PCTKR2018016164-appb-I000010
식 5에서, 이웃하는 영구자석의 두 외면부(27)가 접촉 또는 근접하므로 영구자석의 최대 너비(Sw)는 거의 고정이다. 따라서, 영구자석의 높이(Sh)가 최대 너비(Sw) X 0.45보다 작아지면 영구자석의 중앙부(Wc)이 실질적으로 줄어들거나 활성영역(A)이 줄어들어 효율이 감소한다. 영구자석의 높이(Sh)는 크게 하는 것에 구조상 한계가 있다. 만일, 영구자석의 높이(Sh)가 최대 너비(Sw) X 0.55보다 커지면, 이웃하는 영구자석의 두 외면부(27)를 이격시켜 영구자석의 최대 너비(Sw)를 줄여야 하고, 결과적으로 활성영역(A)이 줄어들어 효율이 감소한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기와 종래의 BLDC전동기의 역기전력을 비교하여 나타낸 그래프이다. 본 발명의 BLDC 전동기는 영구자석을 상대적으로 낮은 4300 Gauss자속밀도를 가진 영구자석(22)을 적용하였고, 종래기술의 BLDC 전동기는 상대적으로 높은 4500 Gauss 자속밀도를 가진 영구자석을 적용하였다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기의 역기전력은 상대적으로 낮은 품질의 영구자석임에도 불구하고 종래기술의 68.7V 보다 다소 높은 73.2V를 나타냄을 알 수 있었다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기와 종래의 BLDC전동기의 토크를 비교하여 나타낸 그래프이다. 본 발명의 BLDC 전동기는 영구자석을 상대적으로 낮은 4300 Gauss자속밀도를 가진 영구자석(22)을 적용하였고, 종래기술의 BLDC 전동기는 상대적으로 높은 4500 Gauss 자속밀도를 가진 영구자석을 적용하였다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기의 평균 토크는 상대적으로 낮은 품질의 영구자석임에도 불구하고 종래기술의 평균 토크는 38.0kgcm보다 높은 40.4kgcm를 나타냈고, 토크 리플율은 종래기술의 41% 보다 낮은 18%를 나타냈다. 이와 같이 낮은 토크 리플율은 IPM BLDC 전동기의 진동과 소음을 줄이는 효과가 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기와 종래의 BLDC전동기의 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다. 본 발명의 BLDC 전동기는 영구자석을 상대적으로 낮은 4300 Gauss자속밀도를 가진 영구자석(22)을 적용하였고, 종래기술의 BLDC 전동기는 상대적으로 높은 4500 Gauss 자속밀도를 가진 영구자석을 적용하였다. 도 9에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기의 효율은 상대적으로 낮은 품질의 영구자석임에도 불구하고 종래기술 전동기보다 약 1% 정도 높게 나타났다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 BLDC 전동기 시스템과 종래의 BLDC전동기 시스템의 효율을 비교하여 나타낸 그래프이다. 여기서, 전동기 시스템은 전동기에 제어기를 추가한 상태를 말한다. 본 발명의 BLDC 전동기 시스템은 영구자석을 상대적으로 낮은 4300 Gauss자속밀도를 가진 영구자석(22)을 적용하였고, 종래기술의 BLDC 전동기 시스템은 상대적으로 높은 4500 Gauss 자속밀도를 가진 영구자석을 적용하였다. 도 10에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 전동기 시스템의 효율은 상대적으로 낮은 품질의 영구자석임에도 불구하고 종래기술 전동기 시스템보다 약 1% 정도 높게 나타났다.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.

Claims (10)

  1. 전자계를 형성하기 위하여 코일이 권선된 복수의 치(齒) 가진 원통 형상의 고정자와;
    원기둥 형상으로 상기 고정자의 내측에서 회전 가능하며, 회전중심 측에서 외주 측을 양방향으로 연장하는 아치형 단면의 복수 영구자석이 마련된 회전자를 포함하며,
    상기 복수의 영구자석은, 이웃하는 두 영구자석의 마주보는 각 외면부가 상호 인접하게 배치되며,
    상기 영구자석의 외주 측의 폭(Wo)이 회전중심 측의 폭(Wc)보다 작게 마련되는 BLDC 전동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석의 내면부 경사도는 외면부 경사도보다 작은 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고정자는 인접하는 2개의 상기 치(齒)에 의해 형성되며, 상기 회전중심을 향해 개방된 슬롯개방부를 가지며,
    상기 영구자석의 회전중심 측 중앙부와 상기 하나의 치(齒)의 중심을 일치시킨 상태에서, 상기 영구자석의 내면부 연장선과 상기 회전자의 외주가 교차하는 지점은, 상기 슬롯개방부의 범위 내에 위치하도록 마련되는 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석의 외주 측 양단부의 폭(Wo)은 상기 영구자석의 내면부 연장선과 상기 회전자의 외주가 만나는 점에서 상기 영구자석의 외면부 연장선과 상기 회전자의 외주가 만나는 점까지 거리인 BLDC 전동기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석의 외주 측 양단부의 폭(Wo)은 다음 식을 만족하도록 형성되는 BLDC 전동기.
    Figure PCTKR2018016164-appb-I000011
    여기서, θm = 360/P, θt= 360/S, R은 회전자 반경, P는 회전자 극수, S는 고정자 슬롯수이다.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 영구자석의 회전중심 측 중앙부 폭(Wc)은 다음의 식을 만족하도록 형성되는 BLDC 전동기.
    Figure PCTKR2018016164-appb-I000012
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 영구자석의 회전중심 측 중앙부 폭(Wc)은 다음의 식을 만족하도록 형성되는 BLDC 전동기.
    Figure PCTKR2018016164-appb-I000013
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 회전중심(O)에서 상기 영구자석의 중앙부를 통과하는 연장선을 기준으로, 상기 영구자석 최대너비(Sw)는 다음 식을 만족하도록 형성되는 BLDC 전동기.
    Figure PCTKR2018016164-appb-I000014
    여기서, θm 은 360/P, R은 회전자 반경이다.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 영구자석 최대높이(Sh)는 다음 식을 만족하도록 형성되는 BLDC 전동기.
    Figure PCTKR2018016164-appb-I000015
  10. 전자계를 형성하기 위하여 코일이 권선된 복수의 치(齒) 가진 원통 형상의 고정자와;
    원기둥 형상으로 상기 고정자의 내측에서 회전 가능하며, 회전중심 측에서 외주 측을 양방향으로 연장하는 아치형 단면의 복수 영구자석이 마련된 회전자를 포함하며,
    상기 복수의 영구자석은, 이웃하는 두 영구자석의 마주보는 각 외면부가 상호 인접하게 배치되며,
    상기 영구자석의 최대 높이(Sh)가 상기 영구자석의 최대 너비(Sw)에 0.45~0.55배인 것을 특징으로 하는 BLDC 전동기.
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