KR101021120B1 - 고속모터용 회전자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고속모터용 회전자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기블로워용 IPM 고속모터의 회전자 구조를 개선하여, 자속누설을 감소시키는 동시에 돌극비를 최대화시켜 모터의 성능 향상을 도모할 수 있도록 한 고속모터용 회전자에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 회전자 코어의 원주방향을 따라 배열되는 다층 삽입되는 N극 및 S극용 영구자석과, 상기 N극 및 S극용 영구자석 사이의 회전자 코어내에 형성되는 플럭스 베리어를 포함하되, 상기 N극 및 S극용 영구자석은 회전자 중심축에서 외경방향으로 둔각을 이루며 3열 이상 등간격으로 배열되는 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자를 제공한다.

고속모터, IPM, 영구자석, 회전자, 플럭스 베리어, 자속, 립, 돌극비

Description

고속모터용 회전자{Rotator of interior permanent magnet synchronous motor}

본 발명은 고속모터용 회전자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 공기블로워용 IPM 고속모터의 회전자 구조를 개선하여, 자속누설을 감소시키는 동시에 돌극비를 최대화시켜 모터의 성능 향상을 도모할 수 있도록 한 고속모터용 회전자에 관한 것이다.

통상적인 전동기의 회전자 구조는 영구자석의 부착위치에 따라 표면부착형 영구자석(Surface-mounted Permanent Magnet: SPM) 타입과, 매입형 영구자석(Interior Permanent Magnet: IPM) 타입으로 분류된다.

대부분의 고속전동기(회전자 외경 주속이 80m/s 이상)에서는 표면부착형 영구자석(SPM) 타입을 적용하며, 첨부한 7에 도시된 바와 같이 영구자석 비산 방지 및 기계적인 안전성 확보를 위하여 영구자석(1) 표면에 비자성체인 리태이닝 캔(2: retaining can(= sleeve))을 씌우고 있다.

하지만, 리태이닝 캔이 씌워진 표면부착형 영구자석 타입이 적용된 고속전동기의 경우, 자기적인 공극을 증가시키는 효과를 초래함에 따라 전동기의 요구 출력을 만족시키기 위해서는 영구자석 혹은 코일의 사용량이 많아지거나 전동기 크기가 커져야 하는 문제점이 발생한다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근 회전자 내부에 영구자석을 다층으로 삽입하는 형태의 다층 매입형 영구자석(Multi-layer Interior Permanent Magnet) 전동기가 다양하게 연구되고 있으나, 표면부착형 만큼 고속전동기에 적용된 사례는 매우 드물며, 그 가장 큰 이유중 하나는 고속모터에서는 극수가 4극 이하로 제한되기 때문에 매입형 영구자석(IPM)구조를 만들기 위한 공간 활용도가 매우 떨어지게 되고, 이로 인해 코어에서의 자속 누설이 많아지고 모터의 효율도 떨어지게 되며, 또한 회전력에 의해 회전자 코어에 작용하는 응력에 대한 기계적 강성 확보도 쉽지 않기 때문이다.

종래 기술로서, 일반적인 다층 매입형 영구자석(IPM) 타입의 회전자를 고속회전기에 적용할 경우, 립(rib)와 같은 기계적인 안전성 확보를 위해 필요한 영역이 확대되어 회전자내의 공간 활용이 떨어지고, 자속의 누설 또한 커지게 되어 전동기의 성능 확보가 어렵게 된다.

즉, 첨부한 도 6에 도시된 종래의 고속전동기용 4극 매입형 영구자석 타입 회전자 구조에서 보는 바와 같이, 플럭스 베리어(3: flux barrier) 영역 전체를 영구자석(1)으로 채울 수 없어 공간 활용에 한계가 있으며, 고속회전시 기계적인 안전성을 확보하기 위해서는 각 플러스 베리어(3)간의 이격구간 및 플럭스 베리어(3) 와 회전자 코어(10)의 외끝단간의 이격구간인 립(rib) 영역(4,5)이 확대되어야 하고, 립 영역(4,5)의 확대에 따라 립 영역(4,5)을 통해 빠져 나가는 자속의 누설이 많아지게 되고, 결국 전동기 성능 확보가 여의치 않게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 영구자석을 회전자 코어 내부에 원주방향을 따라 다층 삽입함으로써, 고속회전시 회전자 코어에 작용하는 힘을 최소화시켜 한정된 영역내에서 영구자석이 차지할 수 있는 공간을 최대한 확보할 수 있고, 원주방향으로 배열되는 영구자석 사이공간에 플럭스 베리어를 두어 자속 누설을 최소화할 수 있으며, 돌극비를 최적 수준까지 증대시킬 수 있도록 한 고속모터용 회전자를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 회전자 코어의 원주방향을 따라 다층 삽입된 구조로 서로 마부보게 배열되는 N극 및 S극용 영구자석과, 상기 N극 및 S극용 영구자석 사이의 회전자 코어내에 형성되는 플럭스 베리어를 포함하되, 상기 N극 및 S극용 영구자석은 회전자 중심축에서 외경방향으로 둔각을 이루며 다수열 로 배열되는 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자를 제공한다.

바람직한 일 구현예로서, 상기 플럭스 베리어는 다수열로 배열된 N극 및 S극 용 영구자석중 가장 안쪽과 중간쪽 영구자석의 양단으로부터 회전자의 외경쪽으로 절곡되는 제1 및 제2플럭스 베리어와, 가장 바깥쪽 영구자석의 양단으로부터 원주방향으로 연장되어 제2플럭스 베리어에 인접되는 제3플럭스 베리어로 구성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 일 구현예로서, 상기 제1 및 제2플럭스 베리어의 외끝단부와 상기 회전자 코어의 외끝단 사이에 보조 플럭스 베리어가 더 형성된 것을 특징으로 한다.

바람직한 다른 구현예로서, 상기 N극 및 S극용 영구자석의 중앙부위에는 N극 및 S극을 2등분으로 분리시키면서 회전자 코어와 동일 평면을 이루는 제1립이 형성된 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 다른 구현예로서, 상기 N극 및 S극용 영구자석의 양끝단과 상기 제1 내지 제3플럭스 베리어의 사이에도 회전자 코어와 동일 평면을 이루는 제2립이 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 보조 플럭스 베리어의 내끝단과 제2 및 제3플럭스 베리어의 외끝단 사이, 보조 플럭스 베리어의 외끝단과 회전자 코어의 외끝단 사이에도 회전자 코어와 동일 평면을 이루는 제3립이 형성된 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 N극 및 S극용 영구자석중 가장 바깥쪽 것과 회전자 코어의 외끝단 사이에 일정한 간격의 회전자 코어면을 잔존시켜, 상기 N극 및 S극용 영구자석 보호를 위한 리태이닝 캔 역할을 하도록 한 것을 특징으로 한다.

상기한 과제 해결 수단을 통하여, 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.

본 발명에 따르면, 영구자석을 회전자 코어 내부에 원주방향을 따라 다층 삽입하여, 고속회전시 회전자 코어에 작용하는 힘을 최소화시켜 한정된 영역내에서 영구자석이 차지할 수 있는 공간을 최대한 확보할 수 있고, 원주방향으로 배열되는 영구자석 사이공간에 플럭스 베리어를 배열하여 자속 누설을 최소화할 수 있으며, 영구자석 사이 및 플럭스 베리어 사이에 여러개의 립을 분산 형성하여 회전자 형상 유지를 위한 강성을 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 매입형 영구자석 고속모터의 회전자 구조를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1의 확대도이다.

본 발명은 고속모터의 회전자 코어 내부에 영구자석을 원주방향을 따라 다층 삽입함으로써, 회전자 코어의 응력을 줄이는 동시에 립 영역을 최소화하여 자속 누설을 감소시키고, 공간 활용도를 높이며 돌극비를 최대화하여 전동기의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 점에 주안점이 있다.

즉, 본 발명은 회전자 코어내의 영구자석 배치와 플럭스 베리어 배치 구조를 영구자석 사용량을 최소화시키면서 최대응력을 낮출 수 있고, 구조적인 안정성을 확보하여 모터 성능을 극대화시킬 수 있는 구조로 최적화시켜 개선한 점에 특징이 있다.

이를 위해, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 회전자 코어(10)내에 원주방향을 따라 3열 이상 다층을 이루는 N극 및 S극용 영구자석(12,14)을 서로 마주보는 위치에 삽입하고, 상기 N극 및 S극용 영구자석(12,14) 사이의 회전자 코어(10)면에는 플럭스 베리어(20)를 형성하게 된다.

보다 상세하게는, 상기 N극 및 S극용 영구자석(12,14)을 회전자 중심축에서 외경방향으로 둔각을 이루며 3열 이상 등간격으로 배열시킴으로써, 회전자 코어(10)의 전면에 영구자석의 힘이 고르게 분산됨으로 인해 응력 집중을 줄일 수 있다.

상기 플럭스 베리어(20: flux barrier)는 제1,2,3플럭스 베리어(21,22,23)로 나누어지는데, 제1 및 제2플럭스 베리어(21,22)는 3열 이상 배열된 N극 및 S극용 영구자석(12,14)들중 가장 안쪽과 중간쪽 영구자석의 양단으로부터 회전자 코어(10)의 외경쪽으로 절곡된 형상으로 형성되고, 상기 제3플럭스 베리어(23)는 가장 바깥쪽 영구자석의 양단으로부터 원주방향을 따라 제2플럭스 베리어(22)에 인접하는 위치까지 연장된 구간으로 형성된다.

또한, 상기 제1 및 제2플럭스 베리어(21,22)의 외끝단부와 상기 회전자 코어(10)의 외끝단 사이에는 회전자 코어(10)의 원주방향을 따라 길다랗게 절개된 형태인 보조 플럭스 베리어(24)가 더 형성된다.

상기와 같이, 본 발명의 회전자 코어(10)내에 제1,2,3플럭스 베리 어(21,22,23)를 형섬함에 따라 자속의 누설을 막을 수 있고, 특히 제1,2,3플럭스 베리어(21,22,23)가 형성된 자리는 필요시 영구자석 확보공간으로 대체 활용할 수 있다.

또한, 상기 보조 플럭스 베리어(24)를 추가적으로 더 형성함에 따라, 응력집중을 분산시키고 자속 누설을 더욱 최소화시킬 수 있다.

즉, 상기 플럭스 베리어(24)들은 q축 자속을 제한하고, d축 자속의 통로 역할을 하게 되므로, 개수 증가에 따라 돌극비가 증가하고, 기계적 강성 문제를 야기시키지만, 본 발명에서는 플럭스 베리어(20)들을 상기와 같이 제1,2,3플럭스 베리어(21,22,23)와 보조 플럭스 베리어(24)로 구분하여 그 배열을 최적화시킴으로써, 돌극비가 한계 수준까지 증가되는 것을 막고, 기계적 강성도 일정 수준으로 유지시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 N극 및 S극용 영구자석(12,14)의 중앙부위를 반경방향을 따라 2등분으로 분리시키게 되며, 분리된 자리면은 회전자 코어(10)와 동일 평면을 이루는 제1립(31)으로 형성된다.

이렇게 제1립(31)에 의하여 회전자 코어(10)의 원주방향에 있는 영구자석(12,14)이 2등분됨에 따라, 하나의 몸체로 된 영구자석이 받게 되는 최대응력을 분산시키며 저감시킬 수 있다.

바람직하게는, 상기 N극 및 S극용 영구자석(12,14)의 양끝단과 상기 제1 내지 제3플럭스 베리어(21,22,23)간의 사이 공간에도 회전자 코어(10)와 동일 평면을 이루는 제2립(32)이 형성되며, 이에 제2립(32)에 의하여 상기 N극 및 S극용 영구자 석(12,14)의 양끝단과 상기 제1 내지 제3플럭스 베리어(21,22,23)는 상호 분리된 상태가 된다.

더욱 바람직하게는, 상기 보조 플럭스 베리어(24)의 내끝단과 제2 및 제3플럭스 베리어(22,23)의 외끝단 사이, 그리고 보조 플럭스 베리어(24)의 외끝단과 회전자 코어(10)의 외끝단 사이에도 회전자 코어(10)와 동일 평면을 이루는 제3립(33)이 더 형성된다.

이와 같이 형성된 제1 내지 제3립(31,32,33)들은 전동기 설계인자중 하나로서 회전자의 형상을 유지시키는 기능을 하면서 그 두께를 최소화시킴에 따라 돌극비를 증가시키는 것을 알려져 있다.

따라서, 본 발명에 따른 회전자 코어(10)내에 제1 내지 제3립(31,32,33)의 형성 영역을 최소화시킴으로써, 자속 누설을 줄이고, 돌극비를 향상시켜, 전동기 성능 향상을 도모할 수 있다.

한편, 상기 N극 및 S극용 영구자석(12,14)중 가장 바깥쪽 것과 회전자 코어(10)의 외끝단 사이에 일정한 간격의 잔존 회전자 코어면(16)이 존재하도록 함으로써, 상기 N극 및 S극용 영구자석(12,14)의 보호를 위한 리태이닝 캔 역할을 하도록 한다.

본 발명의 실험예로서, N극 및 S극용 영구자석이 원주방향을 따라 배열된 상태를 모델링하여, 최대응력, 영구자석 사용량, 한 상의 쇄교자속, 돌극비, 발생토크를 비교 조건을 하면서 소정의 프로그램을 이용하여 해석 실험을 실시하였다.

첨부한 도 3은 비교예1로서 일반적인 사각형의 영구자석을 이용한 IPM 타입 의 기본구조를 적용한 형상이고, 첨부한 도 4는 비교예2로서 기본구조의 영구자석을 여러 조각으로 나누어 개선한 형상이며, 첨부한 도 5는 본 발명의 실시예로서 고속모터용 회전자의 영구자석 배열 상태를 나타낸다.

이러한 비교예1,2 및 실시예에 따른 최대응력, 영구자석 사용량, 한 상의 쇄교자속, 돌극비, 발생토크 결과는 하기의 표 1에 기재된 바와 같다.

위의 표 1에 기재된 바와 같이, 비교예1의 경우 쇄교자속량이나 토크가 매우 낮음을 알 수 있었고, 비교예2의 경우는 영구자석을 여러개로 분할하여 최대응력을 많이 감소시킬 수 있으나, 영구자석 사용량이 증가하는 단점이 있을 알 수 있었으며, 본 발명의 실시예는 영구자석 사용량을 줄이면서도 쇄교자속 및 돌극비를 증가시킬 수 있고, 추가적인 토크 증대를 통해 모터 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.

도 1은 본 발명에 따른 매입형 영구자석 고속모터의 회전자 구조를 나타내는 단면도이고,

도 2는 도 1의 확대도,

도 3은 비교예1로서 일반적인 사각형의 영구자석을 이용한 IPM 타입의 기본구조를 적용한 모델링도,

도 4는 비교예2로서 기본구조의 영구자석을 여러 조각으로 나누어 개선한 모델링도,

도 5는첨부한 도 5는 본 발명의 실시예로서 고속모터용 회전자의 영구자석에 대한 모델링도,

도 6은 종래의 고속전동기용 4극 매입형 영구자석 타입 회전자 구조도,

도 7은 종래의 표면부착형 영구자석(SPM) 타입을 나타내는 구조도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전자 코어 12 : N극용 영구자석

14 : S극용 영구자석 16 : 잔존 회전자 코어면

20 : 플럭스 베리어 21 : 제1플럭스 베리어

22 : 제2플럭스 베리어 23 : 제3플럭스 베리어

24 : 보조 플럭스 베리어 31 : 제1립

32 : 제2립 33 : 제3립

Claims (7)

1. 회전자 코어의 원주방향을 따라 다층 삽입된 구조로 서로 마주보게 배열되는 N극 및 S극용 영구자석과, 상기 N극 및 S극용 영구자석 사이의 회전자 코어내에 형성되는 플럭스 베리어를 포함하되, 상기 N극 및 S극용 영구자석은 회전자 중심축에서 외경방향으로 둔각을 이루며 다수열로 배열되는 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 플럭스 베리어는 다수열로 배열된 N극 및 S극용 영구자석중 가장 안쪽과 중간쪽 영구자석의 양단으로부터 회전자의 외경쪽으로 절곡되는 제1 및 제2플럭스 베리어와, 가장 바깥쪽 영구자석의 양단으로부터 원주방향으로 연장되어 제2플럭스 베리어에 인접되는 제3플럭스 베리어로 구성된 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 제1 및 제2플럭스 베리어의 외끝단부와 회전자 코어의 외끝단 사이에 보조 플럭스 베리어가 더 형성된 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 N극 및 S극용 영구자석의 중앙부위에는 N극 및 S극을 2등분으로 분리시키면서 회전자 코어와 동일 평면을 이루는 제1립이 형성된 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자.
5. 청구항 2에 있어서,

   상기 N극 및 S극용 영구자석의 양끝단과 상기 제1 내지 제3플럭스 베리어의 사이에도 회전자 코어와 동일 평면을 이루는 제2립이 형성된 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자.
6. 청구항 3에 있어서, 상기 보조 플럭스 베리어의 내끝단과 제2 및 제3플럭스 베리어의 외끝단 사이, 보조 플럭스 베리어의 외끝단과 회전자 코어의 외끝단 사이에도 회전자 코어와 동일 평면을 이루는 제3립이 형성된 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 N극 및 S극용 영구자석중 가장 바깥쪽 것과 회전자 코어의 외끝단 사이에 일정한 간격의 회전자 코어면을 잔존시켜, 상기 N극 및 S극용 영구자석 보호를 위한 리태이닝 캔 역할을 하도록 한 것을 특징으로 하는 고속모터용 회전자.

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