WO2020138583A1 - 자기부상 회전체를 포함하는 축방향 모터 - Google Patents

자기부상 회전체를 포함하는 축방향 모터 Download PDF

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WO2020138583A1
WO2020138583A1 PCT/KR2019/000886 KR2019000886W WO2020138583A1 WO 2020138583 A1 WO2020138583 A1 WO 2020138583A1 KR 2019000886 W KR2019000886 W KR 2019000886W WO 2020138583 A1 WO2020138583 A1 WO 2020138583A1
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stator
unit
rotating
floating
magnetic levitation
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PCT/KR2019/000886
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이주
장형관
조수영
이강석
채수황
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한양대학교 산학협력단
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Publication date
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts

Definitions

  • the present invention relates to an axial motor comprising a magnetic levitation rotor.
  • the national research and development project that supported the present invention is task assignment number 201700000002520, Ministry of Trade, Industry and Energy, R&D organization, Korea Institute of Energy Technology Evaluation, Research Project Name Industrial Technology Innovation Project / Energy Manpower Development Project / Energy Manpower Development Project (RCMS), Research Project Name High-end 3D printing-based C2R2 manpower fostering track for high-end electric equipment industry
  • the host organization is the Hanyang University Industry-Academy Cooperation Group
  • another national R&D project is task assignment number 2016R1A2A1A05005392, Ministry of Science and ICT (2017Y), Korea Research Foundation (Research Foundation), Korea Research Foundation, research project name Basic research project in the field of science and technology/Support for mid-sized researchers / Leap research (challenge-following research support), research project name Development of core design technology for non-rare earth motors
  • host organization is Hanyang It is a university-industry cooperation group.
  • the axial motor includes a stator forming a magnetic field and a rotor made rotatable relative to the stator.
  • the stator includes a plurality of cores which are arranged at regular intervals along the circumferential direction and protrude at a constant height in the axial direction, and the cores are axially coupled to grooves formed in the stator body.
  • the rotor includes permanent magnets arranged at regular intervals along the circumferential direction, and is made to rotate while forming a constant gap with the stator.
  • the axial motor generates a repulsive force or suction force between the core and the permanent magnet of the rotor by changing the direction of the current flowing through the winding, thereby generating rotational torque.
  • the present invention is to propose an axial motor including a magnetic levitation rotating body that can reduce mechanical loss and improve output characteristics.
  • the stator As an axial motor, the stator; A magnetic levitation rotating body that floats and rotates through a magnetic force with respect to the stator; A first floating unit that floats the magnetic levitation rotating body from the stator; And a first rotating unit that rotates the injured magnetic levitation body, wherein the magnetic levitation body is a rotor, a second floating unit disposed toward the side of the first floating unit, and the first.
  • a second rotating unit is disposed toward the rotating unit side, and the first floating unit and the first rotating unit are coils or permanent magnets in which a magnetic field is formed when a current is applied, and for the second floating unit
  • the axial direction of the unit and the second rotating unit is a permanent magnet if the first floating unit and the first rotating unit are coils, and a coil if the first floating unit and the first rotating unit are permanent magnets.
  • a motor is provided.
  • the stator includes a first stator and a second stator whose central portion is coupled through a shaft, and the magnetic levitation body may be provided in a ring type with respect to the shaft.
  • the magnetic levitation rotating body may include a rotor, a floating magnet attached to one surface of the rotor, and a rotating magnet attached to the other surface of the rotor.
  • the floating coil may have a single conductor or split coil structure.
  • the split coil structure may include a core inside each split coil or may have a coreless structure.
  • the magnetic levitation body includes a cylindrical rotor, the second floating unit is attached to one inner surface of the cylindrical rotor, and the second rotating unit is attached to the other inner surface of the cylindrical rotor. Can be attached.
  • the stator includes a first stator and a second stator having a central portion coupled through a shaft, and the second stator includes a first floating unit on one surface and a first rotating unit on the other surface, and the second stator.
  • the rotating unit may be disposed between the first stator and the second stator, and the second floating unit may be disposed above the second stator.
  • the stator has a cylindrical shape, the first floating unit is disposed below the cylindrical stator, the first rotating unit is disposed above the cylindrical stator, and the center of the magnetic levitation rotor is It can be coupled to the rotating plate through the shaft toward the outside of the cylindrical stator.
  • the magnetic levitation rotating body may be sequentially formed with a second floating unit, a rotor, and a second rotating unit from the outermost.
  • the second floating unit, the rotor, and the second rotating unit may have the same height and be sequentially formed in the center direction.
  • an axial motor comprising: a first stator; A second stator disposed opposite to the first stator; A magnetic levitation rotating body that floats and rotates through a magnetic force between or between the first stator and the second stator; A first floating unit that floats the magnetic levitation rotating body from the stator; And a first rotating unit that rotates the injured magnetic levitation body, wherein the magnetic levitation body is a rotor, a second floating unit disposed toward the side of the first floating unit, and the first.
  • a second rotating unit is disposed toward the rotating unit side, and the first floating unit and the first rotating unit are coils or permanent magnets in which a magnetic field is formed when a current is applied, and for the second floating unit
  • the axial direction of the unit and the second rotating unit is a permanent magnet if the first floating unit and the first rotating unit are coils, and a coil if the first floating unit and the first rotating unit are permanent magnets.
  • a motor is provided.
  • FIG. 1 is a view showing the structure of an axial motor according to a first preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing a principle of generating a magnetic repulsive force according to a first embodiment of the present invention and an arrangement shape of a floating coil.
  • Figure 3 shows the coreless structure and the core structure of the floating coil.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a permanent magnet to which the Halbach array is applied.
  • FIG. 5 is a view showing the structure of an axial motor according to a second preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a structure in which a magnetic levitation rotating body floats through a magnetic suction force.
  • FIG. 7 is a view showing the structure of an axial motor according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing the structure of an axial motor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing the structure of an axial motor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a view showing a state before and after the magnetic levitation of the magnetic levitation rotating body using a magnetic repulsion force.
  • FIG. 11 is a view showing the structure of an axial motor according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to an axial motor
  • the axial motor according to the present invention is a magnetic levitation rotating body that floats through a magnetic force with respect to the stator and the stator, a first floating unit that floats the magnetic levitation rotating body from the stator, and It may include a first rotating unit for rotating the floating magnetic levitation body.
  • the first floating unit and the first rotating unit may be a permanent magnet or a coil in which a magnetic field is formed according to current application.
  • the magnetic levitation rotating body may include a rotor, a second floating unit disposed toward the first floating unit side, and a second rotating unit disposed toward the first rotating unit side.
  • the second floating unit and the second rotating unit may be permanent magnets or coils.
  • the second floating unit and the second rotating unit are permanent magnets when the first floating unit and the first rotating unit are coils, and the coils when the first floating unit and the first rotating unit are permanent magnets.
  • the stator according to the present embodiment may include a first stator and a second stator whose central portion is coupled through a shaft, wherein the magnetic levitation body may be provided in a ring type with respect to the shaft.
  • the magnetic levitation rotating body according to the present exemplary embodiment may have a structure in which the second floating unit and the second rotating unit are integrally formed to face the rotor.
  • the rotor may have a cylindrical shape, a second floating unit is attached to one inner surface of the cylindrical rotor, and a second rotating unit is attached to the other inner surface of the cylindrical rotor.
  • the rotor may have a cylindrical shape, a second floating unit is attached to one inner surface of the cylindrical rotor, and a second rotating unit is attached to the other inner surface of the cylindrical rotor.
  • the stator may also have a cylindrical shape, wherein the first floating unit may be disposed under the cylindrical stator, and the first rotating unit may be disposed above the cylindrical stator. .
  • the center of the magnetic levitation rotor may be coupled to the rotating plate through a shaft facing outward of the cylindrical stator.
  • the second floating unit, the rotor, and the second rotating unit may be sequentially formed from the outermost, and at this time, the second floating unit, the rotor, and the second rotating unit The units may be formed sequentially in the center direction while having the same height.
  • FIG. 1 is a view showing the structure of an axial motor according to a first preferred embodiment of the present invention.
  • the axial motor according to the first embodiment is coupled to the upper surfaces of the first stator 100 and the second stator 102 and the first stator 100 that are disposed to face each other.
  • the floating coil 104, the floating magnet 106 disposed on the floating coil 104, the rotor 108 integrally combined with the floating magnet 106, and the rotor 108 are centered around the floating
  • first stator 100 and the second stator 102 may have a circular shape, and the shaft 120 is axially coupled to each central portion.
  • the floating magnet 106, the rotor 108, and the rotating magnet 110 are integrally coupled and rotated, they are defined as a magnetic levitation rotating body, and the magnetic levitation rotating body rotates about the shaft 102 as an axis. do.
  • the stator 100, 102 and the rotor 108 may be both magnetic (eg, silicon steel, iron, etc.) and non-magnetic (stainless steel, plastic, epoxy, etc.).
  • the floating magnet 106 and the rotating magnet 110 are permanent magnets, and NdFeB, SmCo, Ferrite, etc. may be used.
  • a conductor such as copper or aluminum may be used.
  • 1A and 1B show states before and after the floating of the magnetic levitation body.
  • the first embodiment of the present invention is to arrange the floating coil 104 and the floating magnet 106 on the lower side of the axial motor, the rotor 108 using a magnetic repulsive force It is a structure that floats the magnetic levitation rotating body comprising a.
  • FIG. 2 is a view showing a principle of generating a magnetic repulsive force according to a first embodiment of the present invention and an arrangement shape of a floating coil.
  • the floating coil 104 disposed on the top of the first stator 100 may be composed of one conductor, or may be divided into a divided coil, as shown in FIG. 2B. .
  • Figure 3 shows the coreless structure and the core structure of the floating coil.
  • a coreless structure may be used to eliminate cogging torque, but a core 300 structure may also be used.
  • the magnetic field arrangement torque is generated by the rotating magnetic field generated by the rotating coil 112 and the permanent magnet of the rotor 108 so that the magnetic levitation rotating body rotates, where the rotating coil 112 is single-phase, 3-phase, 4-phase, etc. It is possible to design.
  • FIG. 4 is a view showing the structure of a permanent magnet to which the Halbach array is applied.
  • a Halbach arrangement may be applied to the rotating magnet 110 coupled to the rotor 108 to obtain high power density.
  • the rotating magnet 110 and the floating magnet 106 have a ring type structure, and are disposed opposite to the rotor 108. As such, as the rotor 108 is positioned between the floating magnet 106 and the rotating magnet 110, the influence of mutual magnetic flux between the floating magnet 106 and the rotating magnet 110 is minimized.
  • FIG. 5 is a view showing the structure of an axial motor according to a second preferred embodiment of the present invention.
  • the axial motor according to the second embodiment is coupled to the upper surfaces of the first stator 500 and the second stator 502 disposed opposite to each other and the first stator 500 at the lower side.
  • the first stator 500 and the second stator 502 according to the second embodiment may have a circular shape, and a shaft 520 is axially coupled to each central portion.
  • the axial motor according to the second embodiment, as shown in FIG. 6, is a magnet 510 and a coil 512 for floating on the upper side of the axial motor, and a rotor using magnetic suction force ( 508).
  • the floating coil 512 according to the second embodiment may be composed of one conductor or may be divided into divided coils.
  • DC current is applied to the floating coil 512, and the winding coil 512 is wound so that the floating magnet 510 and the other pole face each other, and the floating coil 512 is opposite to the floating magnet 510 as shown in FIG. To generate a magnetic attraction force.
  • the floating coil 512 may have a core and a coreless structure, and the rotating magnet 506 may be applied to a Halbach arrangement.
  • the floating height of the rotor 508 can be adjusted by using the floating coil 512 and the floating magnet 510, and accordingly, it is possible to prevent the back electromotive force from being generated during high-speed rotation.
  • FIG. 7 is a view showing the structure of an axial motor according to a third embodiment of the present invention.
  • the axial motor according to the third embodiment includes a first stator 700 located on the lower side, a rotating magnet 702 disposed on the first stator 700, and a rotating magnet 702 ), the rotating coil 704 disposed on the upper portion, the second stator 706 integrally combined with the rotating coil 704, and the second stator 706 in the opposite direction of the rotating coil 704 It may include a combined floating coil 708, a floating magnet 710 disposed on the floating coil 708.
  • the first stator 700 and the second stator 706 of the axial motor according to the third embodiment of the present invention have a circular shape and a shaft 720 is coupled to each central portion in the axial direction.
  • the axial motor according to the third embodiment includes a cylindrical first housing 730 and a second housing 732.
  • the first housing 730 has a rotating magnet 702 attached to one inner surface (lower side), and a floating magnet 710 attached to the other inner surface (upper side). Further, the first housing 730 accommodates the second housing 732 therein.
  • the rotating coil 704, the second stator 706, and the floating coil 708 are accommodated.
  • a rotating magnet 702 and a floating magnet 708 are provided inside the first housing 730 according to the present embodiment, and a second stator (between the rotating magnet 702 and the floating magnet 708)
  • the second housing 732 including the 706 is accommodated, and when a current is applied to the coil, the second housing 732 is rotated with the center as the center. That is, according to the third embodiment of the present invention, the first housing 730 is defined as a rotor.
  • FIG. 8 is a view showing the structure of an axial motor according to a fourth embodiment of the present invention.
  • the axial motor according to the fourth embodiment includes a first stator 800 positioned at a lower side, a floating magnet 802 disposed on an upper portion of the first stator 800, and a floating magnet ( The floating coil 804 disposed on the upper portion of the 802, the second stator 806 integrally combined with the floating coil 804, and the second stator 806, the opposite direction of the floating coil 804 It may include a rotating coil 808 coupled to, a rotating magnet 810 disposed on the top of the rotating coil 808.
  • the first stator 800 and the second stator 806 of the axial motor according to the fourth embodiment of the present invention have a circular shape and a shaft 820 is axially coupled to each central portion.
  • the axial motor according to the fourth embodiment includes a first housing 830 and a second housing 832.
  • the first housing 830 accommodates the floating magnet 802 on the lower side and the rotating magnet 810 on the upper side, and accommodates the second housing 832 therein.
  • the floating coil 804, the second stator 806, and the rotating coil 808 are accommodated.
  • the first housing 830 is defined as a rotor that rotates for the suction force of the upper floating magnet 802 and the floating coil 804.
  • FIG. 9 is a view showing the structure of an axial motor according to a fifth embodiment of the present invention.
  • the axial motor includes a stator 900 in a housing shape, a floating coil 902 disposed under the stator 900, and a floating coil ( 902) a magnetic levitation rotating body 904 located above, a rotating coil 906 positioned above the magnetic levitation rotating body 904, and a rotating plate 908 located above the rotating coil 906.
  • a stator 900 in a housing shape
  • a floating coil 902 disposed under the stator 900
  • a floating coil 902
  • a floating coil 902
  • a floating coil 902
  • a magnetic levitation rotating body 904 located above
  • a rotating coil 906 positioned above the magnetic levitation rotating body 904
  • a rotating plate 908 located above the rotating coil 906.
  • the axial motor includes two housings, the outer housing becomes the stator 900, and a floating/rotating magnet and a magnetic levitation rotor are disposed in the inner housing.
  • the floating magnet 910, the rotor 912, and the rotating magnet 914 are sequentially formed from the outermost.
  • the central portion of the magnetic levitation rotating body 904 and the central portion of the rotating plate 908 are coupled through the shaft 920.
  • the magnetic levitation rotating body 904 according to the fifth embodiment is sequentially formed in the center direction while the floating magnet 910, the rotor 912, and the rotating magnet 914 have the same height.
  • FIG 9 is a structure in which the floating coil 902 is positioned on the lower side to float the magnetic levitation rotating body using a magnetic repulsive force.
  • FIG. 10 is a view showing a state before and after the magnetic levitation of the magnetic levitation rotating body using a magnetic repulsion force.
  • FIG. 11 is a view showing the structure of an axial motor according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the axial motor according to the sixth embodiment of the present invention includes a housing-shaped stator 1100, a rotating coil 1102 disposed under a stator 1100, and a rotating coil ( 1102)
  • the magnetic levitation rotating body 1104 located on the upper portion, the magnetic levitation rotating body 1104 located on the top of the floating coil 1106 and the floating coil 1106, the rotating plate 1108 located on top Can.
  • 11 is a structure in which the floating coil 1106 is positioned on the upper side to float the magnetic levitation rotating body using a magnetic suction force.
  • the axial motor includes two housings, the outer housing becomes a stator 1100, and a floating/rotating magnet and a magnetic levitation rotating body are disposed in the inner housing.
  • the magnetic levitation rotating body 1104 is sequentially formed with the floating magnet 1110, the rotor 1112, and the rotating magnet 1114 from the outermost.
  • the center of the magnetic levitation rotating body 1104 and the central portion of the rotating plate 1108 are coupled through the shaft 1120.
  • the magnetic levitation rotating body 1104 according to the sixth embodiment is sequentially formed in the center direction while the floating magnet 1110, the rotor 1112, and the rotating magnet 1114 have the same height.

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  • Power Engineering (AREA)
  • Connection Of Motors, Electrical Generators, Mechanical Devices, And The Like (AREA)
  • Magnetic Bearings And Hydrostatic Bearings (AREA)
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Abstract

본 발명은 자기부상 회전체를 포함하는 축방향 모터를 개시한다. 본 발명에 따르면, 고정자; 상기 고정자에 대해 자기력을 통해 부상하여 회전하는 자기부상 회전체; 상기 고정자로부터 상기 자기부상 회전체를 부상시키는 제1 부상용 유닛; 및 상기 부상된 상기 자기부상 회전체를 회전시키는 제1 회전용 유닛을 포함하되, 상기 자기부상 회전체는 회전자, 상기 제1 부상용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 회전용 유닛을 포함하고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛은 전류가 인가되면 자계가 형성되는 코일 또는 영구자석이고, 상기 제2 부상용 유닛 및 상기 제2 회전용 유닛은 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 코일이면 영구자석이고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 영구자석이면 코일인 축방향 모터가 제공된다.

Description

자기부상 회전체를 포함하는 축방향 모터
본 발명은 자기부상 회전체를 포함하는 축방향 모터에 관한 것이다.
본 발명을 지원한 국가연구개발사업은 과제고유번호 201700000002520, 부처명 산업통상자원부, 연구관리 전문기관 한국에너지기술평가원, 연구사업명 산업기술혁신사업 / 에너지인력양성사업 / 에너지인력양성 사업(RCMS), 연구과제명 High-end 전기기기 산업을 위한 3D 프린팅 기반 C2R2형 인력양성 고급트랙, 주관기관은 한양대학교 산학협력단이며, 또 다른 국가연구개발사업은 과제고유번호 2016R1A2A1A05005392, 부처명과학기술정보통신부(2017Y), 연구관리 전문기관 (재)한국연구재단, 연구사업명 이공분야기초연구사업 / 중견연구자지원사업 / 도약연구(도전-후속연구지원), 연구과제명 비희토류 전동기의 핵심 설계 기술 개발, 주관기관은 한양대학교 산학협력단이다.
축방향 모터는 자기장을 형성하는 고정자 및 고정자에 대하여 회전 가능하게 이루어지는 회전자를 포함한다. 고정자는 원주방향을 따라 일정 간격으로 배치되는 동시에 축방향으로 일정 높이로 돌출되는 다수의 코어를 포함하며, 코어는 고정자 바디에 형성된 홈에 축 방향으로 결합된다. 회전자는 원주방향을 따라 일정간격으로 배열된 영구 자석을 포함하며, 고정자와 일정한 공극(gap)을 형성하면서 회전하도록 이루어진다. 축방향 모터는 권선에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 코어와 회전자의 영구자석 사이에 반발력 또는 흡인력을 생성하여 회전 토크를 발생시키게 된다.
그러나 종래의 축방향 모터는 회전축과 베어링으로 인해 기계손실이 발생하고 소음이 심한 문제점이 있다.
상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 기계적 손실을 줄이고 출력 특성을 개선할 수 있는 자기부상 회전체를 포함하는 축방향 모터를 제안하고자 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 축방향 모터로서, 고정자; 상기 고정자에 대해 자기력을 통해 부상하여 회전하는 자기부상 회전체; 상기 고정자로부터 상기 자기부상 회전체를 부상시키는 제1 부상용 유닛; 및 상기 부상된 상기 자기부상 회전체를 회전시키는 제1 회전용 유닛을 포함하되, 상기 자기부상 회전체는 회전자, 상기 제1 부상용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 회전용 유닛을 포함하고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛은 전류가 인가되면 자계가 형성되는 코일 또는 영구자석이고, 상기 제2 부상용 유닛 및 상기 제2 회전용 유닛은 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 코일이면 영구자석이고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 영구자석이면 코일인 축방향 모터가 제공된다.
상기 고정자는 중심 부분이 샤프트를 통해 결합되는 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함하며, 상기 자기부상 회전체는 상기 샤프트에 대해 링 타입으로 제공될 수 있다.
상기 자기부상 회전체는 회전자, 상기 회전자의 일면에 부착된 부상용 자석, 상기 회전자의 타면에 부착된 회전용 자석을 포함할 수 있다.
상기 부상용 코일은 하나의 도체 또는 분할 코일 구조를 가질 수 있다.
상기 분할 코일 구조는 각 분할 코일 내부에 코어를 포함하거나 코어리스 구조를 가질 수 있다.
상기 자기부상 회전체는 원통 형상의 회전자를 포함하며, 상기 제2 부상용 유닛은 상기 원통 형상 회전자의 내부 일면에 부착되고, 상기 제2 회전용 유닛은 상기 원통 형상 회전자의 내부 타면에 부착될 수 있다.
상기 고정자는 중심 부분이 샤프트를 통해 결합되는 제1 고정자와 상기 제2 고정자를 포함하고, 상기 제2 고정자는 일면에 제1 부상용 유닛, 타면에 제1 회전용 유닛이 부착되고, 상기 제2 회전용 유닛은 상기 상기 제1 고정자와 상기 제2 고정자 사이에 배치되고, 상기 제2 부상용 유닛은 상기 제2 고정자의 상측에 배치될 수 있다.
상기 고정자는 원통 형상을 가지며, 상기 제1 부상용 유닛은 상기 원통 형상 고정자의 하측에 배치되고, 상기 제1 회전용 유닛은 상기 원통 형상 고정자의 상측에 배치되며, 상기 자기부상 회전체의 중심은 상기 원통 형상 고정자의 외부를 향하는 샤프트를 통해 회전판과 결합될 수 있다.
상기 자기부상 회전체는 최외각에서부터 제2 부상용 유닛, 회전자 및 제2 회전용 유닛이 순차적으로 형성될 수 있다.
상기 자기부상 회전체는 상기 제2 부상용 유닛, 회전자 및 제2 회전용 유닛이 동일한 높이를 가지며 중심 방향으로 순차적으로 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 축방향 모터로서, 제1 고정자; 상기 제1 고정자에 대향 배치되는 제2 고정자; 상기 제1 고정자 및 제2 고정자의 사이 또는 외측에서 자기력을 통해 부상하여 회전하는 자기부상 회전체; 상기 고정자로부터 상기 자기부상 회전체를 부상시키는 제1 부상용 유닛; 및 상기 부상된 상기 자기부상 회전체를 회전시키는 제1 회전용 유닛을 포함하되, 상기 자기부상 회전체는 회전자, 상기 제1 부상용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 회전용 유닛을 포함하고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛은 전류가 인가되면 자계가 형성되는 코일 또는 영구자석이고, 상기 제2 부상용 유닛 및 상기 제2 회전용 유닛은 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 코일이면 영구자석이고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 영구자석이면 코일인 축방향 모터가 제공된다.
본 발명에 따르면, 자기적 부상력을 이용하여 회전자를 회전시키기 때문에 베어링을 생략할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 자기적 부상력을 이용하여 회전자와 고정자의 에어갭을 조절할 수 있어 출력 특성을 개선할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 다른 자기적 반발력의 발생 원리와 부상용 코일의 배열 형상을 도시한 것이다.
도 3은 부상용 코일의 코어리스 구조와 코어 구조를 도시한 것이다.
도 4는 Halbach 배열이 적용된 영구자석의 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 자기적 흡입력을 통해 자기부상 회전체를 부상시키는 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 10은 자기적 반발력을 이용하여 자기부상 회전체의 자기부상 전 후의 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.
그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 축방향 모터에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 축방향 모터는 고정자 및 고정자에 대해 자기력을 통해 부상하여 회전하는 자기부상 회전체, 고정자로부터 자기부상 회전체를 부상시키는 제1 부상용 유닛 및 부상된 자기부상 회전체를 회전시키는 제1 회전용 유닛을 포함할 수 있다.
여기서, 제1 부상용 유닛 및 제1 회전용 유닛은 영구자석 또는 전류 인가에 따라 자계가 형성되는 코일일 수 있다.
또한, 자기부상 회전체는 회전자, 제1 부상용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 부상용 유닛, 제1 회전용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 회전용 유닛을 포함할 수 있다.
여기서, 제2 부상용 유닛 및 제2 회전용 유닛은 영구자석 또는 코일일 수 있다.
바람직하게, 제2 부상용 유닛 및 상기 제2 회전용 유닛은 제1 부상용 유닛 및 제1 회전용 유닛이 코일이면 영구자석이고, 제1 부상용 유닛 및 제1 회전용 유닛이 영구자석이면 코일일 수 있다.
본 실시예에 따른 고정자는 중심 부분이 샤프트를 통해 결합되는 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함할 수 있고, 이때, 자기부상 회전체는 샤프트에 대해 링 타입으로 제공될 수 있다.
본 실시예에 따른 자기부상 회전체는 회전자를 중심으로 제2 부상용 유닛 및 제2 회전용 유닛이 대향하여 일체로 형성된 구조를 가질 수 있다.
이에 한정됨이 없이 자기부상 회전체에서 회전자는 원통 형상을 가질 수 있고, 원통 형상 회전자의 내부 일면에 제2 부상용 유닛이 부착되고, 원통 형상 회전자의 내부 타면에 제2 회전용 유닛이 부착될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 고정자도 원통 형상을 가질 수 있고, 이때 제1 부상용 유닛은 원통 형상 고정자의 하측에 배치되고, 제1 회전용 유닛은 원통 형상 고정자의 상측에 배치될 수 있다.
이처럼 원통 형상의 고정자가 제공되는 경우 자기부상 회전체의 중심은 상기 원통 형상 고정자의 외부를 향하는 샤프트를 통해 회전판과 결합될 수 있다.
본 실시예에 따른 자기부상 회전체는 최외각에서부터 제2 부상용 유닛, 회전자 및 제2 회전용 유닛이 순차적으로 형성될 수 있고, 이때, 제2 부상용 유닛, 회전자 및 제2 회전용 유닛은 동일한 높이를 가지면서 중심 방향으로 순차적으로 형성될 수 있다.
이하에서는 본 실시예에 따른 축방향 모터의 다양한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 1a 내지 1b에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 축방향 모터는 서로 대향 배치되는 제1 고정자(100) 및 제2 고정자(102), 제1 고정자(100)의 상부면에 결합되는 부상용 코일(104), 부상용 코일(104) 상부에 배치되는 부상용 자석(106), 부상용 자석(106)과 일체로 결합된 회전자(108), 회전자(108)를 중심으로 부상용 자석(106)의 반대 방향에 결합된 회전용 자석(110), 회전용 자석(110)의 상부에 배치되며 상기한 제2 고정자(102)의 하부면에 결합되는 회전용 코일(112)을 포함할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 제1 고정자(100) 및 제2 고정자(102)는 원 형상을 가질 수 있고, 각각의 중심 부분에 샤프트(120)가 축방향으로 결합된다.
또한, 부상용 자석(106), 회전자(108) 및 회전용 자석(110)은 일체로 결합되어 회전하므로 자기부상 회전체로 정의되고, 자기부상 회전체는 샤프트(102)를 축으로 하여 회전한다.
본 실시예에 따른 고정자(100,102) 및 회전자(108)는 자성체(예를 들어, 규소강판, 철 등) 및 비자성체(스테인리스 스틸, 플라스틱, 에폭시 등)이 모두 사용될 수 있다.
여기서, 부상용 자석(106) 및 회전용 자석(110)은 영구자석이고, NdFeB, SmCo, Ferrite 등이 사용될 수 있다.
부상용 코일(104) 및 회전용 코일(112)은 구리 또는 알루미늄과 같은 도체가 사용될 수 있다.
도 1a 및 1b는 자기부상 회전체의 부상 전후의 상태를 도시한 것이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예는 축방향 모터의 하측에 부상용 코일(104) 및 부상용 자석(106)을 배치한 것으로 자기적 반발력을 이용하여 회전자(108)를 포함하는 자기부상 회전체를 부상시키는 구조이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 다른 자기적 반발력의 발생 원리와 부상용 코일의 배열 형상을 도시한 것이다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 제1 고정자(100)의 상부에 배치되는 부상용 코일(104)은 하나의 도체로 구성될 수도 있고, 도 2b에 도시된 바와 같이, 분할 코일로 나뉘어질 수도 있다.
도 3은 부상용 코일의 코어리스 구조와 코어 구조를 도시한 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 분할 코일의 경우 코깅 토크를 없애기 위해 코어리스 구조를 사용할 수 있으나, 코어(300) 구조도 사용될 수 있다.
회전용 코일(112)에서 발생되는 회전자계와 회전자(108)의 영구자석으로 자기배열토크가 발생하여 자기부상 회전체가 회전하고 여기서 회전용 코일(112)은 단상, 3상, 4상 등으로 설계 가능하다.
도 4는 Halbach 배열이 적용된 영구자석의 구조를 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 고출력밀도를 얻기 위해 회전자(108)에 결합되는 회전용 자석(110)은 Halbach 배열이 적용될 수 있다.
본 실시예에 따른 자기부상 회전체에서, 회전용 자석(110)과 부상용 자석(106)은 링 타입 구조를 가지며, 회전자(108)를 중심으로 대향 배치된다. 이처럼 부상용 자석(106)과 회전용 자석(110) 사이에 회전자(108)가 위치함에 따라 부상용 자석(106)과 회전용 자석(110) 사이에는 상호간 자속 영향이 최소화된다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제2 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제2 실시예에 따른 축방향 모터는 서로 대향 배치되는 제1 고정자(500) 및 제2 고정자(502), 하측의 제1 고정자(500)의 상부면에 결합되는 회전용 코일(504), 회전용 코일(504) 상부에 배치되는 회전용 자석(506)과 일체로 결합된 회전자(508), 회전자(508)를 중심으로 회전용 자석(506)의 반대 방향에 결합된 부상용 자석(510), 부상용 자석(510)의 상부에 배치되며 상기한 제2 고정자(502)의 하부면에 결합되는 부상용 코일(512)을 포함할 수 있다.
제2 실시예에 따른 제1 고정자(500) 및 제2 고정자(502)는 원 형상을 가질 수 있고, 각각의 중심 부분에 샤프트(520)가 축방향으로 결합된다.
제2 실시예에 따른 축방향 모터는 도 6에 도시된 바와 같이, 축방향 모터의 상측에 부상용 자석(510) 및 부상용 코일(512)을 배치한 것으로 자기적 흡인력을 이용하여 회전자(508)를 부상시키는 구조이다.
도 6을 참조하면 제2 실시예에 따른 부상용 코일(512)은 하나의 도체로 구성될 수도 있고, 분할 코일로 나뉘어질 수도 있다.
부상용 코일(512)에는 직류 전류가 인가되고, 부상용 자석(510)과 다른 극이 서로 마주보도록 권선을 감아 도 6과 같이 부상용 코일(512)이 부상용 자석(510)과 서로 반대 극성을 가지도록 하여 자기적 흡인력을 발생시킨다.
자기적 반발력을 이용하는 경우와 마찬가지로 부상용 코일(512)은 코어 및 코어리스 구조를 가질 수 있고, 회전용 자석(506)은 Halbach 배열 적용이 가능하다.
본 실시예에 따르면, 부상용 코일(512)과 부상용 자석(510)을 이용하여 회전자(508)의 부상 높이를 조절할 수 있고, 이에 따라 고속 회전 시 역기전력이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제3 실시예에 따른 축방향 모터는 하측에 위치한 제1 고정자(700), 제1 고정자(700) 상에 배치되는 회전용 자석(702), 회전용 자석(702)의 상부에 배치되는 회전용 코일(704), 회전용 코일(704)과 일체로 결합된 제2 고정자(706), 제2 고정자(706)를 중심으로 회전용 코일(704)의 반대 방향에 결합된 부상용 코일(708), 부상용 코일(708)의 상부에 배치되는 부상용 자석(710)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제3 실시예에 따른 축방향 모터의 제1 고정자(700) 및 제2 고정자(706)는 원 형상을 가지며 각각의 중심 부분에 샤프트(720)가 축방향으로 결합된다.
제3 실시예에 따른 축방향 모터는 원통 형상의 제1 하우징(730) 및 제2 하우징(732)을 포함한다.
제1 하우징(730)은 내부 일면(하측)에 회전용 자석(702)이 부착되고, 내부 타면(상측)에 부상용 자석(710)이 부착된다. 또한, 제1 하우징(730)은 내부에 제2 하우징(732)을 수용한다.
본 실시예에 따른 제2 하우징(732)에는 회전용 코일(704), 제2 고정자(706) 및 부상용 코일(708)이 수용된다.
본 실시예에 따른 제1 하우징(730)의 내부에 회전용 자석(702) 및 부상용 자석(708)이 제공되고, 회전용 자석(702) 및 부상용 자석(708) 사이에 제2 고정자(706)를 포함하는 제2 하우징(732)을 수용하고 있어, 코일에 전류가 인가되는 경우 제2 하우징(732)를 중심에 두고 회전하게 된다. 즉, 본 발명의 제3 실시예에 따르면, 제1 하우징(730)이 회전자로 정의된다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 제4 실시예에 따른 축방향 모터는 하측에 위치한 제1 고정자(800), 제1 고정자(800)의 상부에 배치되는 부상용 자석(802), 부상용 자석(802)의 상부에 배치되는 부상용 코일(804), 부상용 코일(804)과 일체로 결합된 제2 고정자(806), 제2 고정자(806)를 중심으로 부상용 코일(804)의 반대 방향에 결합된 회전용 코일(808), 회전용 코일(808)의 상부에 배치되는 회전용 자석(810)을 포함할 수 있다.
본 발명의 제4 실시예에 따른 축방향 모터의 제1 고정자(800) 및 제2 고정자(806)는 원 형상을 가지며 각각의 중심 부분에 샤프트(820)가 축방향으로 결합된다.
제4 실시예에 따른 축방향 모터는 제1 하우징(830) 및 제2 하우징(832)을 포함한다.
제1 하우징(830)은 하측에 부상용 자석(802), 상측에 회전용 자석(810)을 수용하며, 내부에 제2 하우징(832)을 수용한다.
본 실시예에 따른 제2 하우징(832)에는 부상용 코일(804), 제2 고정자(806) 및 회전용 코일(808)이 수용된다.
본 실시예에 따른 제1 하우징(830)은 상측의 부상용 자석(802) 및 부상용 코일(804)의 흡인력에 위해 회전하는 회전자로 정의된다.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제5 실시예에 따른 축방향 모터는 하우징 형상의 고정자(900), 고정자(900) 내부의 하측에 배치되는 부상용 코일(902), 부상용 코일(902) 상부에 위치하는 자기부상 회전체(904), 자기부상 회전체(904)의 상부에 위치하는 회전용 코일(906) 및 회전용 코일(906) 상부에 위치하는 회전판(908)을 포함할 수 있다.
제5 실시예에 따르면, 축방향 모터는 2개의 하우징을 포함하고, 외측 하우징은 고정자(900)가 되고, 내측 하우징에 부상용/회전용 자석 및 자기부상 회전체가 배치된다.
도 9에 도시된 바와 같이, 제5 실시예에 따른 자기부상 회전체(904)는 최외각에서부터 부상용 자석(910), 회전자(912) 및 회전용 자석(914)이 순차적으로 형성된다.
자기부상 회전체(904)의 중앙과 회전판(908)의 중앙 부분은 샤프트(920)를 통해 결합된다.
제5 실시예에 따른 자기부상 회전체(904)는 부상용 자석(910), 회전자(912) 및 회전용 자석(914)이 동일한 높이를 가지면서 중심 방향으로 순차적으로 형성된다.
도 9는 부상용 코일(902)이 하측에 위치하여 자기적 반발력을 이용하여 자기부상 회전체를 부상시키는 구조이다.
도 10은 자기적 반발력을 이용하여 자기부상 회전체의 자기부상 전 후의 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 제6 실시예에 따른 축방향 모터의 구조를 도시한 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제6 실시예에 따른 축방향 모터는 하우징 형상의 고정자(1100), 고정자(1100) 내부의 하측에 배치되는 회전용 코일(1102), 회전용 코일(1102) 상부에 위치하는 자기부상 회전체(1104), 자기부상 회전체(1104)의 상부에 위치하는 부상용 코일(1106) 및 부상용 코일(1106) 상부에 위치하는 회전판(1108)을 포함할 수 있다.
도 11은 부상용 코일(1106)이 상측에 위치하여 자기적 흡인력을 이용하여 자기부상 회전체를 부상시키는 구조이다.
제6 실시예에 따르면, 축방향 모터는 2개의 하우징을 포함하고, 외측 하우징은 고정자(1100)가 되고, 내측 하우징에 부상용/회전용 자석 및 자기부상 회전체가 배치된다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제6 실시예에 따른 자기부상 회전체(1104)는 최외각에서부터 부상용 자석1110), 회전자(1112) 및 회전용 자석(1114)이 순차적으로 형성된다.
자기부상 회전체(1104)의 중앙과 회전판(1108)의 중앙 부분은 샤프트(1120)를 통해 결합된다.
제6 실시예에 따른 자기부상 회전체(1104)는 부상용 자석(1110), 회전자(1112) 및 회전용 자석(1114)이 동일한 높이를 가지면서 중심 방향으로 순차적으로 형성된다.
상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 축방향 모터로서,
    고정자;
    상기 고정자에 대해 자기력을 통해 부상하여 회전하는 자기부상 회전체;
    상기 고정자로부터 상기 자기부상 회전체를 부상시키는 제1 부상용 유닛; 및
    상기 부상된 상기 자기부상 회전체를 회전시키는 제1 회전용 유닛을 포함하되,
    상기 자기부상 회전체는 회전자, 상기 제1 부상용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 회전용 유닛을 포함하고,
    상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛은 전류가 인가되면 자계가 형성되는 코일 또는 영구자석이고, 상기 제2 부상용 유닛 및 상기 제2 회전용 유닛은 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 코일이면 영구자석이고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 영구자석이면 코일인 축방향 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 중심 부분이 샤프트를 통해 결합되는 제1 고정자 및 제2 고정자를 포함하며,
    상기 자기부상 회전체는 상기 샤프트에 대해 링 타입으로 제공되는 축방향 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기부상 회전체는 회전자, 상기 회전자의 일면에 부착된 부상용 자석, 상기 회전자의 타면에 부착된 회전용 자석을 포함하는 축방향 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부상용 코일은 하나의 도체 또는 분할 코일 구조를 갖는 축방향 모터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 분할 코일 구조는 각 분할 코일 내부에 코어를 포함하거나 코어리스 구조를 갖는 축방향 모터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 자기부상 회전체는 원통 형상의 회전자를 포함하며,
    상기 제2 부상용 유닛은 상기 원통 형상 회전자의 내부 일면에 부착되고,
    상기 제2 회전용 유닛은 상기 원통 형상 회전자의 내부 타면에 부착되는 축방향 모터.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 고정자는 중심 부분이 샤프트를 통해 결합되는 제1 고정자와 상기 제2 고정자를 포함하고,
    상기 제2 고정자는 일면에 제1 부상용 유닛, 타면에 제1 회전용 유닛이 부착되고,
    상기 제2 회전용 유닛은 상기 상기 제1 고정자와 상기 제2 고정자 사이에 배치되고,
    상기 제2 부상용 유닛은 상기 제2 고정자의 상측에 배치되는 축방향 모터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 원통 형상을 가지며,
    상기 제1 부상용 유닛은 상기 원통 형상 고정자의 하측에 배치되고, 상기 제1 회전용 유닛은 상기 원통 형상 고정자의 상측에 배치되며,
    상기 자기부상 회전체의 중심은 상기 고정자의 외부를 향하는 샤프트를 통해 회전판과 결합되는 축방향 모터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 자기부상 회전체는 최외각에서부터 제2 부상용 유닛, 회전자 및 제2 회전용 유닛이 순차적으로 형성되는 축방향 모터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 자기부상 회전체는 상기 제2 부상용 유닛, 회전자 및 제2 회전용 유닛이 동일한 높이를 가지며 중심 방향으로 순차적으로 형성되는 축방향 모터.
  11. 축방향 모터로서,
    제1 고정자;
    상기 제1 고정자에 대향 배치되는 제2 고정자;
    상기 제1 고정자 및 제2 고정자의 사이 또는 외측에서 자기력을 통해 부상하여 회전하는 자기부상 회전체;
    상기 고정자로부터 상기 자기부상 회전체를 부상시키는 제1 부상용 유닛; 및
    상기 부상된 상기 자기부상 회전체를 회전시키는 제1 회전용 유닛을 포함하되,
    상기 자기부상 회전체는 회전자, 상기 제1 부상용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛 측을 향하게 배치되는 제2 회전용 유닛을 포함하고,
    상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛은 전류가 인가되면 자계가 형성되는 코일 또는 영구자석이고, 상기 제2 부상용 유닛 및 상기 제2 회전용 유닛은 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 코일이면 영구자석이고, 상기 제1 부상용 유닛 및 상기 제1 회전용 유닛이 영구자석이면 코일인 축방향 모터.
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