WO2021242006A1 - 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조 - Google Patents

코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조 Download PDF

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WO2021242006A1
WO2021242006A1 PCT/KR2021/006544 KR2021006544W WO2021242006A1 WO 2021242006 A1 WO2021242006 A1 WO 2021242006A1 KR 2021006544 W KR2021006544 W KR 2021006544W WO 2021242006 A1 WO2021242006 A1 WO 2021242006A1
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stator
cogging torque
rotor
stator teeth
slot
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PCT/KR2021/006544
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English (en)
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Inventor
노순창
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노순창
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings

Definitions

  • the present invention relates to a stator structure, and more particularly, to a stator structure that minimizes cogging torque.
  • PM permanent magnet
  • Permanent magnet motors are widely used because of their high efficiency, simplicity, low noise and reliability.
  • the cogging torque is larger in the SPM motor.
  • Cogging torque is a torque generated by the magnetic force between the permanent magnet of the motor's rotor and the slot of the stator.
  • the cogging torque is generated regardless of the flow of current as long as there is a stator or a slot, so-called detent torque.
  • Cogging torque is not only a major cause of torque ripple, but also a cause of vibration and noise, and is also a major cause of reducing efficiency.
  • Cogging torque is generated in a stator having an iron core and a slot, and is generally generated by an imbalance of magnetic flux in an open slot structure. Accordingly, in order to minimize the cogging torque, the iron core may be removed or the slot may be removed.
  • the method of removing the iron core is called the coreless method
  • the method of removing the slot is called the slotless method.
  • the coreless method removes the iron core and winds with only a coil. Although it has the effect of minimizing the cogging torque, there is a disadvantage that the output density and efficiency are lowered due to the limitation of magnetic force transmission. am.
  • the slotless method uses the iron core as it is, it is a method of winding by configuring a slot on the iron core opposite to the rotor.
  • the present applicant came up with a structure that can minimize the cogging torque by filling the slot openings to maximize the efficiency of the generator and the motor by minimizing the cogging torque in various poles and slots.
  • An object of the present invention is to provide a stator structure that minimizes cogging torque and minimizes cogging torque in generators and electric motors of all structures.
  • a stator structure for minimizing cogging torque for solving the above-described problems includes a stator formed in an annular shape, a rotor positioned coaxially and rotatably disposed on the stator, and a coil wound around the stator It may include a stator tooth formed to have a predetermined width and provided with a plurality of protrusions protruding toward the rotor, a slot formed in a space adjacent to the stator tooth, and an insertion member inserted into the slot.
  • stator teeth It is formed at each end of the stator teeth, and may include a pole portion having a narrow portion formed to be stepped with a width smaller than the width of the stator teeth.
  • the pole part may further include an extension part extending from the narrow part toward the rotor, the width of which is gradually greater than that of the narrow part.
  • the maximum width formed by the end of the extension portion may be equal to or smaller than the width of the stator teeth.
  • the insertion member may be inserted into a portion of a slot formed by a narrow portion and an extension portion adjacent to each other of the stator teeth.
  • the insertion member may form a closed slot for closing the entire area projected to the outer circumferential surface of the rotor from the slot formed between the stator teeth adjacent to each other.
  • the number of the insertion members may be provided in a number corresponding to 1:1 to the number of slots.
  • It may include a blocking member formed to surround the narrow portion and the expanded portion of any one of the stator teeth of the stator teeth.
  • the blocking member may be formed to have a trapezoidal cross-section gradually widening toward the rotor, and may have a pair of leg portions bent in a direction adjacent to each other.
  • the number of the blocking members may be provided in a number corresponding to 1:1 to the number of the stator teeth.
  • the stator structure for minimizing cogging torque minimizes the cogging torque to minimize torque ripple, vibration, and noise, thereby improving the efficiency of the generator and the electric motor.
  • the cogging torque can be minimized by not only allowing the bobbin insertion member to be fitted to the lower end of the stator teeth as much as the thickness of the stator, but also contacting the legs of the adjacent blocking members with each other.
  • FIG. 1 is a plan view of a stator structure for minimizing cogging torque according to a first embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a perspective view showing a state in which the insertion member of Figure 1 is coupled.
  • FIG 3 is a plan view of a stator structure for minimizing cogging torque according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a state in which the blocking member of FIG. 3 is coupled.
  • FIG. 1 is a plan view of a stator structure that minimizes cogging torque according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a state in which the insertion member of FIG. 1 is coupled.
  • the stator structure for minimizing cogging torque according to the first embodiment of the present invention is a stator 100, a rotor 101, a stator tooth 102, a slot 100a, and an insertion member. (120) may be included.
  • the stator 100 may be formed in a hollow cylindrical shape.
  • the stator 100 is disposed on the same axis as the rotor 101 , and is disposed in a shape surrounding the outer circumference of the rotor 101 to provide a ring-shaped void that is a space spaced apart from the outer circumferential surface of the rotor 101 .
  • the stator 100 may be protected by an external housing (not shown), and may be fixed to the housing.
  • the stator 100 may be arranged such that a plurality of stator teeth 102 on which a coil is wound, and a plurality of slots 100a, which are spaces in which the coil is located, surround the rotor 101 and form a radial shape. .
  • the stator teeth 102 may be formed to protrude from the inner circumferential surface of the stator 100 toward the central axis C or the rotor 101 in plurality, and a coil may be wound around the stator teeth 102 .
  • the stator 100 may be arranged to connect each stator tooth 102 as a ring shape.
  • a coil is wound around each stator tooth 102 to generate a magnetic flux when an external power is applied.
  • a plurality of permanent magnets may be disposed on the rotor 101 as will be described later.
  • the rotor 101 is a cylindrical member, and a rotating shaft (not shown) is inserted and fixed to the central axis (C), or is formed integrally with the rotating shaft to rotate with respect to an external conventional housing (not shown). can be installed.
  • a plurality of permanent magnets are installed in the rotor 101.
  • the permanent magnets are drawn in from the outermost part of the rotor 101 toward the central axis C by a predetermined distance. can be installed.
  • the permanent magnet has a rectangular cross section, and can be referred to as a linear permanent magnet when compared to a permanent magnet having an arc-shaped cross-sectional shape according to the outer circumferential shape of the rotor 101 .
  • a plurality of such permanent magnets may be provided and disposed at equal radial intervals with respect to the rotor 101 .
  • the permanent magnet may be embedded inside the rotor 101 .
  • an embedded groove (not shown) is provided on the side surface of the rotor 101 so that the permanent magnet is embedded, and the embedded groove may have two embedded grooves arranged in a V-shape or a radial shape.
  • the permanent magnet is coupled to the rotor 101 to provide a driving force for rotating the rotor 101 by reacting with a coil to which power is applied.
  • the stator structure that minimizes the cogging torque is an embedded type (IPMSM: Interior Permanent Magnet Synchronous Motor) in which a permanent magnet having a certain curvature is embedded in the inside of the rotor, a cylindrical embedded type, or a radially embedded type. It may include any one structure.
  • IPMSM Interior Permanent Magnet Synchronous Motor
  • the arrangement structure of the first permanent magnet forming the N pole and the second permanent magnet forming the S pole on the rotor 101 is asymmetric, or the polarity and the S pole forming the N pole on the rotor core
  • the polarities to be formed may be symmetrical to each other.
  • the permanent magnet is a magnet that preserves a strong magnetization state, and since it stably maintains the magnetism even if it is not supplied with electric energy from the outside, it is coupled with the rotor 101 and reacts with the coil to which power is applied to the rotor 101 can be rotated.
  • the permanent magnet provided to react with the coil to which power is applied to rotate the rotor 101 and the insertion member 120 to reduce torque ripple during rotation of the rotor 101 may be included.
  • the insertion member 120 may be made of a material similar to that of the stator 100 , and may be coupled between the adjacent stator teeth 102 one by one to fill the gaps between the adjacent stator teeth 102 .
  • the insertion member 120 has a structure that fills a space for every slot 100a along the inner circumferential surface of the stator 100, and by forming a closed slot, torque ripple can be reduced, thereby suppressing transmission and noise generation of the motor.
  • the cogging torque is generated due to the stator 100 and the slot 100a, to be precise, the cogging torque is generated because the slot 100a is open.
  • the generator and the electric motor are conventionally used in generators and motors. Since the cogging torque is minimized while using the same), most of the disadvantages of the split core can be eliminated.
  • a typical stator tooth 102 in a generator and an electric motor has a pole part 110 at the end.
  • the pole part 110 is to prevent the winding from flowing down after winding, and is mostly present in all generators and stators used in electric motors that do round winding.
  • the width d2 of the pole part 110 is formed to be larger than the width d0 of the fixed vehicle teeth 100 , it is impossible to wind the pole part 110 and insert it into the stator teeth 102 .
  • the length of the insertion member 120 at the lower end of the stator teeth 102 can be inserted as much as the thickness of the stator teeth 100 .
  • the pole part 110 may include a narrow part 111 and an extension part 112 .
  • the width of the stator 102 is formed to be stepped with a width d1 smaller than the minimum width d2 that gradually decreases from the maximum width d0 to the rotor 101 side, so that the width of the narrow portion 111 is stepped.
  • (d1) may be formed to be smaller than the minimum width (d2) of the stator teeth (102).
  • the width d2 of the extension 112 may be equal to or smaller than the width d2 of the stator teeth 102 .
  • the width d1 of the narrow portion 111 and the width d2 of the expanded portion 112 secure the insertion groove 100b into which the insertion member 120 can be inserted and at the same time minimize the gap between the slots 100a. It can be designed to the extent possible.
  • the insertion member 120 may be inserted into each space 100b provided between the adjacent stator teeth 102 . That is, the number of insertion members 120 may be provided to correspond to the number of slots 100a 1:1.
  • the stator structure for minimizing cogging torque according to the first embodiment of the present invention is implemented as follows.
  • each stator tooth 102 is formed in a straight shape so that a bobbin can be inserted from the inner diameter (outer diameter in the case of an outer rotor) of the stator 100, and adjacent pole parts 110 of each stator tooth 100 An insertion groove (100b) provided therebetween is formed to couple the insertion member (120).
  • the insertion groove 100b may have various shapes, but it is preferable to design a tolerance in advance so that no play is generated so that vibration does not occur after assembling the insertion member 120 .
  • FIG. 3 is a plan view of a stator structure for minimizing cogging torque according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating a state in which the blocking member of FIG. 3 is coupled.
  • the insertion member 120 is inserted, whereas the blocking member 220 surrounding the pole part 110 of the stator tooth 102 of the stator 100 of FIG. Duplicate descriptions of the components are omitted.
  • the stator for minimizing the cogging torque includes the narrowed portion 111 and the expanded portion 112 of any one of the stator teeth 102 of the stator 100 . It may include a blocking member 220 formed to surround.
  • the blocking member 220 may have a pair of leg portions 221 that are formed in a trapezoidal shape in which an area is gradually increased toward the rotor 101 and are bent in a direction adjacent to each other.
  • the blocking member 220 is configured so that the leg portions 221 of the blocking members 220 adjacent to each other can contact each other so as not to form a gap between the stator teeth 102 adjacent to each other to form a closed slot.
  • both the stator for minimizing cogging torque according to the first embodiment of the present invention and the stator structure for minimizing cogging torque according to the second embodiment of the present invention may have increased durability due to vibration.
  • stator structure for minimizing the cogging torque according to the second embodiment of the present invention can minimize the cogging torque regardless of the combination of the number of poles and the number of slots of the electric motor.
  • the combination with the highest LCM of the number of poles and the number of slots has the smallest cogging torque. Since the cogging torque can be minimized by being combined, the cogging torque can be minimized in all poles from 2-pole to multi-pole regardless of the number of poles.
  • the cogging torque can be minimized by not only allowing the bobbin insertion member to be inserted into the lower end of the stator teeth by the thickness of the stator, but also contacting the legs of the adjacent blocking members with each other.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조가 제공된다. 상기 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 환형으로 형성되는 고정자, 상기 고정자의 동축 상에 위치하고 회전 가능하게 배치되는 회전자, 상기 고정자에 코일이 권취되도록 소정의 폭으로 형성되고, 상기 회전자 측으로 돌출 형성되는 복수의 돌기가 구비되는 고정자 치, 상기 고정자 치의 상호 인접하는 공간에 형성되는 슬롯 및 상기 슬롯에 삽입되는 삽입 부재를 포함한다.

Description

코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조
본 발명은 고정자 구조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조에 관한 것이다.
최근, 영구자석(permanent magnet, PM) 모터는 견인 장치, 승강 장치, 냉장고 등, 다양한 종류의 장치에 사용되고 있다.
영구자석 모터는 고효율, 단순함, 저노이즈 및 신뢰도를 갖고 있기 때문에 널리 사용되고 있다.
하지만, 영구자석 모터의 코깅 토크로 인하여 높은 토크 리플(torque ripple)이 발생된다는 단점이 있다.
회전자에 장착되는 영구자석과 고정자의 치 간에 발생되는 자력(인력)때문에 SPM 모터에서 코깅 토크(cogging torque)는 더 크게 발생된다.
코깅 토크는 모터의 회전자의 영구자석과 고정자의 슬롯 사이의 자기력에 의해 발생하는 토크로서, 전기를 연결하지 않은 모터를 손으로 돌리면 일정 각도마다 힘을 받는 지점이 있는데 이것이 코깅 토크이다.
다시 말해, 코깅 토크는 고정자가 있거나, 슬롯이 있는 한 전류의 흐름에 상관없이 발생되는 것으로 소위 detent torque라 불려진다.
코깅 토크는 토크리플의 주요 요인이 될 뿐만 아니라, 진동과 소음의 원인이 되기도 하며, 효율을 감소시키는 주요 원인이 되기도 한다.
코깅 토크는 철심과 슬롯이 존재하는 고정자에서 발생하는데, 일반적으로 슬롯이 오픈되어 있는 구조에서 자속의 불균형에 의하여 발생한다. 따라서, 코깅 토크를 최소화하기 위해서는 철심을 제거하거나, 슬롯을 제거하면 된다.
현재까지 개발된 코깅 토크를 최소화하는 기술 중에 철심을 제거하는 방식을 Coreless 방식이라 하고, 슬롯을 제거하는 방식을 Slotless 방식이라고 부른다.
Coreless 방식은 철심을 제거하고 코일만으로 권선을 하는 방식인데, 코깅 토크를 최소화하는 효과는 있으나, 자력 전달의 한계 때문에 출력밀도와 효율이 떨어지는 단점이 있어, 현재는 소형풍력발전 분야에서 일부 사용되고 있는 실정이다.
Slotless방식은 철심은 그대로 사용하기는 하나 회전자 반대편 철심에 슬롯을 구성하여 권선하는 방식인데, 이 방식 역시 여러 가지 단점들이 있어 대중화되지 못하고 있다.
최근에는 분할코어 방식을 활용하여 점적율을 높이면서 코깅 토크를 최소화하려는 방법들이 시도되고 있으나, 조립이후 진동 등의 내구성 등에서 문제점들이 많아 일부 분야에서만 한정적으로 사용되고 있는 실정이다.
이에, 본 출원인은 다양한 극수와 슬롯에서 코깅 토크를 최소화하여 발전기와 모터의 효율을 극대화할 있도록 슬롯 개구부를 메꿈으로써 코깅 토크를 최소화할 수 있는 구조를 착안하기에 이르렀다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 모든 구조의 발전기와 전동기에서 코깅 토크를 최소화하는 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급된 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 환형으로 형성되는 고정자, 상기 고정자의 동축 상에 위치하고 회전 가능하게 배치되는 회전자, 상기 고정자에 코일이 권취되도록 소정의 폭으로 형성되고, 상기 회전자 측으로 돌출 형성되는 복수의 돌기가 구비되는 고정자 치, 상기 고정자 치의 상호 인접하는 공간에 형성되는 슬롯 및 상기 슬롯에 삽입되는 삽입 부재를 포함할 수 있다.
상기 고정자 치의 각각의 단부에 형성되고, 상기 고정자 치의 폭보다 작은 폭으로 단턱지게 형성되는 협소부를 갖는 폴부를 포함할 수 있다.
상기 폴부는, 협소부로부터 상기 회전자 측으로 연장되되, 상기 협소부보다 폭이 점진적으로 커지는 확장부를 더 포함할 수 있다.
상기 확장부의 단부가 이루는 최대폭은 상기 고정자 치의 폭과 동일하거나 작게 형성될 수 있다.
상기 삽입 부재는 상기 고정자 치의 상호 인접하는 협소부와 확장부가 이루는 슬롯의 일부에 삽입될 수 있다.
상기 삽입 부재는 상호 인접하는 고정자 치의 사이에 형성되는 슬롯으로부터 상기 회전자의 외주면으로 투영되는 전면적을 폐쇄하는 폐슬롯을 형성할 수 있다.
상기 삽입 부재의 개수는 상기 슬롯의 개수에 1:1 대응되는 개수로 구비될 수 있다.
상기 고정자 치 중 어느 1개의 고정자 치의 협소부와 확장부를 감싸도록 형성되는 차단 부재를 포함할 수 있다.
상기 차단 부재는 상기 회전자 측으로 갈수록 점진적으로 넓어지는 사다리꼴 형상의 횡단면을 갖도록 형성되고, 상호 근접하는 방향으로 절곡되는 1쌍의 다리부를 가질 수 있다.
상기 차단 부재의 개수는 상기 고정자 치의 개수에 1:1 대응되는 개수로 구비될 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
전술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 코깅 토크를 최소화하여 토크리플 및 진동, 소음을 최소화함으로써 발전기와 전동기의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 전동기의 극수와 슬롯수의 조합에 상관없이 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
또한, 고정자 치 하단에 보빈 삽입 부재를 고정자의 두께만큼 끼워 넣을 수 있게 할 뿐만 아니라, 인접하는 차단 부재의 다리부를 서로 접촉시킴으로써 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
또한, 보빈 권선이 완료된 상태로 각각의 고정자 치에 결합 가능하기 때문에 자동화가 가능하므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조의 평면도이다.
도 2는 도 1의 삽입 부재가 결합되는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조의 평면도이다.
도 4는 도 3의 차단 부재가 결합되는 상태를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 제한되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 도면 부호는 동일한 구성 요소를 지칭하며, "및/또는"은 언급된 구성요소들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 비록 "제1", "제2" 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 구성요소와 다른 구성요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 구성요소들의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들어, 도면에 도시되어 있는 구성요소를 뒤집을 경우, 다른 구성요소의 "아래(below)"또는 "아래(beneath)"로 기술된 구성요소는 다른 구성요소의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 구성요소는 다른 방향으로도 배향될 수 있으며, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조의 평면도이고, 도 2는 도 1의 삽입 부재가 결합되는 상태를 나타낸 사시도이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 고정자(100), 회전자(101), 고정자 치(102), 슬롯(100a) 및 삽입 부재(120)를 포함할 수 있다.
고정자(100)는 중공의 원통 형상으로 형성될 수 있다. 또한, 고정자(100)는 회전자(101)와 동축 상에 배치되고, 회전자(101)의 외주면으로부터 이격되는 공간인 링 형상의 공극이 마련되도록 회전자(101)의 외곽을 감싸는 형태로 배치될 수 있다.
고정자(100)는 외부의 하우징(미도시)으로 보호될 수 있으며, 상기 하우징에 고정될 수 있다.
고정자(100)는 코일이 권선되는 복수의 고정자 치(102), 상기 코일이 위치되는 공간인 복수의 슬롯(100a)이 회전자(101)를 둘러싸며 방사상(radial)을 형성하도록 배치될 수 있다.
고정자 치(102)는 고정자(100)의 내주면에서 중심축(C) 또는 회전자(101)를 향하여 복수개로 돌출되도록 형성될 수 있고, 이러한 고정자 치(102)에는 코일이 권취될 수 있도록 한다.
고정자(100)는 링 형상으로서 각각의 고정자 치(102)를 연결하도록 배치될 수 있다. 각각의 고정자 치(102)에는 코일이 권선되어 외부 전원이 인가되면 자속을 발생시키도록 한다. 이를 위해서, 후술하는 바와 같이 회전자(101)에 복수의 영구자석이 배치될 수 있다.
회전자(101)는 원통 형상의 부재로서, 중심축(C)에 회전축(미도시)이 삽입되어 고정되거나, 상기 회전축과 일체로 형성되어 외부의 통상적인 하우징(미도시)에 대해 축회전 하도록 설치될 수 있다.
회전자(101)에는 복수의 영구자석이 설치되는데, 특히 영구자석 매입형 브러시리스 모터의 경우에는 상기 영구자석들이 회전자(101)의 최외곽으로부터 중심축(C)을 향해 소정 거리만큼 인입되도록 설치될 수 있다.
상기 영구자석은 그 횡방향 단면이 장방형으로서, 회전자(101)의 외주면 형상에 맞추어 호형의 단면 형상을 가진 영구자석에 대비할 때, 직선형 영구자석이라 할 수 있다. 이와 같은 영구자석은 복수개로 구비되어 회전자(101)에 대해 방사상 등간격으로 배치될 수 있다.
또한, 회전자(101)의 외주면에 상기 영구자석이 부착되는 방식 대신, 상기 영구자석이 회전자(101)의 내측에 매입될 수 있다.
이에 더하여, 회전자(101)의 측면에는 상기 영구자석이 매입되도록 매입홈(미도시)이 구비되고, 상기 매입홈은 2개의 매입홈이 V자 형상 또는 방사형으로 배치되도록 할 수도 있다.
상기 영구자석은 회전자(101)와 결합되어 전력이 인가된 코일과 반응하여 회전자(101)를 회전시키는 구동력을 제공하게 된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 일정 곡률을 갖는 영구자석이 회전자의 내부에 매입되는 매입형(IPMSM: Interior　Permanent Magnet Synchronous Motor), 원주매입형 또는 방사매입형 중 어느 하나의 구조를 포함할 수 있다.
일 예로, 회전자(101) 상에서 N극을 형성하는 제1 영구자석과 S극을 형성하는 제2 영구자석은 배치 구조가 서로 비대칭이거나, 회전자 코어 상에서 N극을 형성하는 극성과 S극을 형성하는 극성이 서로 대칭인 구조일 수 있다.
상기 영구자석은 강한 자화상태를 보존하는 자석으로서, 외부로부터 전기에너지를 공급받지 않아도 자성을 안정적으로 유지하므로, 회전자(101)와 결합되고, 전력이 인가된 코일과 반응하여 회전자(101)를 회전시킬 수 있는 것이다.
회전자(101)를 회전시키도록 전력이 인가된 코일과 반응하도록 구비된 상기 영구자석 및 회전자(101)의 회전 시 토크리플을 감소시키도록 삽입 부재(120)가 포함될 수 있다.
삽입 부재(120)는 고정자(100)와 유사한 재질로 이루어질 수 있고, 인접하는 고정자 치(102)의 사이에 1개씩 결합됨으로써 인접하는 고정자 치(102)의 사이를 메꿀 수 있다.
즉, 삽입 부재(120)는 고정자(100)의 내주면을 따라 매 슬롯(100a)마다 공간을 채우는 구조로서, 폐슬롯을 형성함으로써 토크 리플을 감소시켜 전동기의 전동 및 소음 발생을 억제할 수 있다.
코깅 토크는 고정자(100)와 슬롯(100a)이 존재하기 때문에 발생하게 되는 바, 고정자(100)와 슬롯을 제거하는 방식으로 코깅 토크 최소화 기술이 연구되고 있다.
그런데, 고정자(100)와 슬롯(100a)을 제거하게 되면 자력의 전달력이 약하고, 고정자(100) 구조가 약하게 되어 출력 밀도 및 효율이 감소하게 되고, 내구성이 떨어지는 단점이 생기는 것이다.
코깅 토크는 고정자(100)와 슬롯(100a)으로 인하여 발생하기는 하지만 정확하게 말하면 슬롯(100a)이 오픈(open)되어 있기 때문에 발생한다.
슬롯(100a)이 오픈되어 있지 않는 폐슬롯(closed slot)에서는 코깅 토크가 없다.
따라서, 그동안 분할 코어 방식의 폐슬롯 구조를 구현하기 위한 연구가 진행되어 왔는데, 분할 코어 방식 등은 분할 코어 고정 장치의 내구성 등에서 여러가지 문제점이 있어 대중화되어 있지 못하고 있는 실정이다.
이에, 본 발명의 제1 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 발전기 및 전동기는 발전기와 전동기에서 종래 통상적으로 사용하는 통철심(‘분할코어’에 대비되는 말로 철심이 일체형으로 제작된 것을 칭함)을 그대로 사용하면서 코깅 토크를 최소화하기 때문에 분할 코어가 가진 단점들을 대부분 해소할 수 있다.
한편, 발전기와 전동기에 있어 통상적인 고정자 치(102)는 끝단에 폴부(110)를 갖는다.
폴부(110)는 권선 이후에 권선이 흘러내리는 것을 방지하기 위한 것으로 환권선을 하는 모든 발전기와 전동기에 사용되는 고정자에는 대부분 존재하게 된다.
만약, 폴부(110)의 폭(d2)이 고정차 치(100)의 폭(d0)보다 크게 형성되어 있는 경우에는 보빈에 권선하여 고정자 치(102)에 삽입하는 방법이 불가능하다.
최근 권선 자동화를 위하여 폴부(110)를 제거하고, 권선된 보빈을 삽입하고, 삽입된 보빈을 고정하는 방법들이 연구되고 있는데, 삽입된 보빈들을 내구성을 충분히 확보하면서 고정하는 것이 쉽지 않다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자는 고정자 치(102) 하단에 삽입 부재(120)의 길이는 고정자 치(100)의 두께만큼 끼워 넣을 수 있도록 한다.
폴부(110)는 협소부(111) 및 확장부(112)를 포함할 수 있다. 여기서, 고정자치(102)의 폭은 최대폭(d0)으로부터 회전자(101) 측으로 갈수록 점진적으로 작아지는 최소폭(d2)보다 작은 폭(d1)으로 단턱지게 형성됨으로써, 협소부(111)의 폭(d1)은 고정자 치(102)의 최소폭(d2)보다 작게 형성될 수 있다.
확장부(112)의 폭(d2)은 고정자 치(102)의 폭(d2)과 동일하거나 작게 형성될 수 있다.
협소부(111)의 폭(d1) 및 확장부(112)의 폭(d2)은 삽입 부재(120)가 삽입될 수 있는 삽입홈(100b)을 확보함과 동시에 슬롯(100a)의 틈새를 최소화할 수 있는 범위 내에서 설계될 수 있다.
삽입 부재(120)는 인접하는 고정자 치(102)의 사이에 마련되는 공간(100b) 1개마다 삽입될 수 있다. 즉, 삽입 부재(120)의 개수는 슬롯(100a)의 개수와 1:1 대응되도록 구비될 수 있다.
이로 인해, 극수와 슬롯수의 조합에 상관없이 적용 가능한 것으로, 극수에 상관없이 2극부터 다극까지 모든 극수에서 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 코깅 토크를 죄소화하는 고정자 구조는 다음과 같이 구현된다
우선, 고정자(100)의 내경(아우터 로터일 경우 외경)에서 보빈을 삽입할 수 있도록 각각의 고정자 치(102)를 직선 형상으로 형성하고, 각각의 고정자 치(100)의 인접하는 폴부(110) 사이에 마련되는 삽입홈(100b)을 형성하여 삽입 부재(120)를 결합한다.
삽입홈(100b)은 다양한 형태가 가능하나 삽입 부재(120)를 조립한 이후에 진동이 생기지 않도록 유격이 발생되지 않는 허용공차를 미리 설계하는 것이 바람직하다.
전술한 바에 따르면 1개의 삽입 부재(120) 당 인접하는 고정자 치(102) 사이에 결합됨으로써 1개의 삽입 부재(120)로 보빈 2개를 동시에 고정하는 방식이 가능해진다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조의 평면도이고, 도 4는 도 3의 차단 부재가 결합되는 상태를 나타낸 사시도이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조를 살펴보면, 도 1의 경우에는 고정자(100)의 상호 인접하는 고정자 치(102)의 폴부(110) 사이에 마련되는 삽입홈(100b)에 삽입 부재(120)가 삽입되는 구조인 반면, 도 1의 고정자(100)의 고정자 치(102)의 폴부(110)를 감싸는 차단 부재(220)가 구비되는 점에서 상이한 바, 동일한 기능을 갖는 구성요소에 관한 중복되는 설명은 생략한다.
즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자는 고정자(100)의 고정자 치(102) 중 어느 1개의 고정자 치(102)의 협소부(111)와 확장부(112)를 감싸도록 형성되는 차단 부재(220)를 포함할 수 있다.
차단 부재(220)는 회전자(101) 측으로 갈수록 면적이 점진적으로 넓어지는 사다리꼴 형상으로 형성되고, 상호 근접하는 방향으로 절곡되는 1쌍의 다리부(221)를 가질 수 있다.
상호 인접하는 차단 부재(220)의 다리부(221)를 서로 붙임으로써 상호 인접하는 고정자 치(102)의 사이에 형성되는 슬롯(100a)으로부터 회전자(101)의 외주면으로부터 투영되는 전면적을 폐쇄할 수 있게 된다.
다시 말해, 차단 부재(220)는 상호 인접하는 고정자 치(102)의 사이에 틈이 생기지 않도록 상호 인접하는 차단 부재(220)의 다리부(221)가 서로 맞닿을 수 있도록 구성하여 폐슬롯을 이룰 수 있다.
이로 인해, 본 발명의 제1 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 및 본 발명의 제2 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조 모두 진동에 의한 내구성이 증대될 수 있다.
아울러, 본 발명의 제2 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 전동기의 극수와 슬롯수의 조합에 상관없이 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
한편, 극수와 슬롯수의 최소공배수가 가장 높은 조합이 코깅 토크가 가장 작다고 알려져 있지만, 본 발명의 제2 실시예에 따른 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조는 다양한 발전기 및 전동기의 고정자 치(102)마다 결합되어 코깅 토크를 최소화할 수 있으므로 극수에 상관없이 2극부터 다극까지 모든 극수에서 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
슬롯수 역시 다양한 슬롯에서 코깅 토크를 최소화할 수 있기 때문에 소형 및 대형 발전기와 전동기 분야에 코깅 토크 최소화 기술 적용이 가능해진다.
또한, 보빈 권선이 완료된 상태로 각각의 고정자 치에 결합 가능하기 때문에 자동화가 가능하므로 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 고정자 치 하단에 보빈 삽입 부재를 고정자의 두께만큼 끼워 넣을 수 있게 할 뿐만 아니라, 인접하는 차단 부재의 다리부를 서로 접촉시킴으로써 코깅 토크를 최소화할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 제한적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 환형으로 형성되는 고정자;
    상기 고정자의 동축 상에 위치하고 회전 가능하게 배치되는 회전자;
    상기 고정자에 코일이 권취되도록 소정의 폭으로 형성되고, 상기 회전자 측으로 돌출 형성되는 복수의 돌기가 구비되는 고정자 치;
    상기 고정자 치의 상호 인접하는 공간에 형성되는 슬롯; 및
    상기 슬롯에 삽입되는 삽입 부재를 포함하는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 치의 각각의 단부에 형성되고, 상기 고정자 치의 폭보다 작은 폭으로 단턱지게 형성되는 협소부를 갖는 폴부를 포함하는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 폴부는,
    협소부로부터 상기 회전자 측으로 연장되되, 상기 협소부보다 폭이 점진적으로 커지는 확장부를 더 포함하는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 확장부의 단부가 이루는 최대폭은 상기 고정자 치의 폭과 동일하거나 작게 형성되는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 삽입 부재는 상기 고정자 치의 상호 인접하는 협소부와 확장부가 이루는 슬롯의 일부에 삽입되는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 삽입 부재는 상호 인접하는 고정자 치의 사이에 형성되는 슬롯으로부터 상기 회전자의 외주면으로 투영되는 전면적을 폐쇄하는 폐슬롯을 형성하는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 삽입 부재의 개수는 상기 슬롯의 개수에 1:1 대응되는 개수로 구비되는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 고정자 치 중 어느 1개의 고정자 치의 협소부와 확장부를 감싸도록 형성되는 차단 부재를 포함하는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 차단 부재는 상기 회전자 측으로 갈수록 점진적으로 넓어지는 사다리꼴 형상의 횡단면을 갖도록 형성되고, 상호 근접하는 방향으로 절곡되는 1쌍의 다리부를 갖는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 차단 부재의 개수는 상기 고정자 치의 개수에 1:1 대응되는 개수로 구비되는, 코깅 토크를 최소화하는 고정자 구조.
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