KR101603667B1 - Bldc 모터 - Google Patents

Abstract

BLDC 모터에 관한 것으로, 회전자가 N극(N은 짝수)으로 형성되고, 내주면에 코일이 권선되는 복수의 티스가 마련되는 고정자와 상기 고정자의 내부에 배치되고 상기 N보다 적은 개수의 영구자석이 설치되는 회전자를 포함하는 구성을 마련하여, BLDC 모터에 설치되는 영구자석의 개수를 감소시켜 제작비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

BLDC 모터{BLDC MOTOR}

본 발명은 BLDC 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기적 신호에 의해 구동되는 전동식 BLDC 모터에 관한 것이다.

지구온난화 방지와 같은 지구환경 보호와 화석 에너지원의 고갈에 따른 에너지 절감에 대한 관심이 고조되고 있다.

이를 위해, 세계 각국은 에너지절감뿐만 아니라, 에너지 사용의 효율화에 주력하고 있다. 특히 가정 및 산업 전반에서 에너지 효율을 높이는 방안의 중심에는 모터가 핵심요소임을 인지하고, 고효율 모터 개발 및 사용을 규제화하고 있는 추세이다.

현재, 모터는 국내 전력 사용량의 약 50~60%를 사용함에 따라, 산업전반에 걸쳐서 많이 사용하고 있는 유도모터의 효율을 4% 개선하면, 국가 총 전력을 약 2% 절감할 수 있다. 이는 연간 500MW 원자력 발전소 3.7기를 건설하지 않아도 되는 전력량이다. 따라서 에너지 위기나 지구환경보존의 입장에서 모터의 고효율화는 최고로 중요한 과제가 되고 있다.

한편, 차량의 연료펌프 등에는 높은 효율과 장 수명 및 신뢰성 확보를 위하여 BLDC 모터(Brushless DC Motor)를 이용하며, 특히 센서가 없는(sensorless) BLDC 모터를 사용하는 것이 일반적이다.

본 출원인은 특허문헌 1 등에 BLDC 모터에 관한 기술을 개시하여 출원해서 등록받은 바 있다.

한편, 도 1은 종래기술에 따른 BLDC 모터의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, BLDC 모터(1)는 자계를 발생하는 고정자(stator)(2)와 고정자(2)에서 발생하는 자계에 의해 회전하는 회전자(rotor)(3)를 포함한다.

고정자(2)에는 코일이 감기는 철심(4)이 마련되고, 회전자(3)에는 영구자석(5)이 설치된다.

이와 같이 구성되는 종래기술에 따른 BLDC 모터(1)가 도 1에 도시된 바와 같이 8극으로 마련되는 경우, 회전자(3)에는 극 수에 대응되도록 8개의 영구자석(5)이 설치된다.

이와 같이 BLDC 모터(1)의 회전자에 설치되는 영구자석(5)은 희토류(Rare earth resources) 원소 중에서 네오디뮴(Nd)을 이용한 ND 자석이 적용되는 것이 일반적이다.

상기 ND 자석은 동일한 크기의 다른 자석과 비교하면, 자력이 매우 강해서, 강한 자력을 필요로 하는 대부분의 생활용기기, 산업용기기, 의료용기기 등에 사용된다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1251906호(2013년 4월 8일 공고)

대한전기학회 논문지 제63권 제4호, '펌프용 소형 BLDC 모터의 원가절감을 고려한 회전자 최적화 설계', 김회천, 정태욱, 2013년 4월.

그러나 BLDC 모터에 ND 자석을 적용하는 경우, ND 자석은 페라이트(Ferrite) 자석에 비해 고가이고, 원재료의 가격 편차 및 환율에 따라 가격 등락이 큰 편이다.

이에 따라, 제품의 단가를 절감하기 위해, ND 자석 대신에 페이라트 자석을 적용하는 기술이 개발되고 있다.

상기 비특허문헌 1에는 펌프용 소형 BLDC 모터의 원가절감을 고려한 회전자 최적화 설계 기술이 개시되어 있다.

그러나 비특허문헌 1와 같은 기술을 이용해서 BLDC 모터에 페라이트 자석을 적용하는 경우, 성능 차이 등의 문제가 발생하여 동일 성능을 내기 위해 페라이트 자석의 크기를 증가시켜야 함에 따라, BLDC 모터의 크기가 커지는 문제점이 있었다.

또한, 비특허문헌 1은 회전자(3)의 표면에 영구자석(5)을 부착하는 SPM(Surface permanent magnet) 타입의 BLDC 모터에만 적용 가능하다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 회전자에 마련되는 영구자석의 수를 절반으로 감소시키면서 성능의 감소를 최소화할 수 있는 BLDC 모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 회전자 내부에 영구자석이 매립되는 IPM(Interior permanent magnet) 타입의 BLDC 모터에 적용되는 영구자석의 개수를 감소시킬 수 있는 BLDC 모터를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 BLDC 모터는 회전자가 N극(N은 짝수)으로 형성되고, 내주면에 코일이 권선되는 복수의 티스가 마련되는 고정자와 상기 고정자의 내부에 배치되고 상기 N보다 적은 개수의 영구자석이 설치되는 회전자를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 영구자석은 N/2의 개수로 마련되고, 동일한 극이 외측을 향하도록 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기 영구자석의 사이에는 자화부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 BLDC 모터는 상기 영구자석이 회전자의 외주부 내측에 매립되는 IPM 타입의 BLDC 모터로 마련되는 것을 특징으로 한다.

상기 BLDC 모터는 상기 N개의 영구자석이 설치된 모터와 동일한 상 인덕턴스를 갖고, 코킹토크가 저감되는 것을 특징으로 한다.

상기 영구자석과 자화부는 각각 서로 대칭이 되도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 BLDC 모터에 의하면, IPM 타입의 BLDC 모터에 극 수보다 적은 개수의 영구자석만을 회전자에 설치할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, BLDC 모터에 설치되는 영구자석의 개수를 감소시켜 제작비용을 절감할 수 있다는 효과가 얻어진다.

특히, 본 발명에 의하면, 모터의 극 수에 대응되는 개수의 영구자석을 설치하는 경우에 비해 성능 저하를 최소화하고, 토크리플 및 코깅토크를 오히려 감소시킬 수 있다는 효과가 더 얻어진다.

도 1은 종래기술에 따른 BLDC 모터의 구성도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 BLDC 모터의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 BLDC 모터의 유기전압 그래프,
도 4는 도 2에 도시된 BLDC 모터의 코킹토크 그래프,
도 5 및 도 6은 각각 도 1 및 도 2에 도시된 BLDC 모터의 자속밀도 벡터도,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 BLDC 모터의 회전자의 예시도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 BLDC 모터를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 BLDC 모터의 구성도이다.

본 실시 예에서는 8극 BLDC 모터를 이용해서 설명하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 10극, 12극 등 극 수에 관계없이 적용될 수 있음에 유의하여야 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 BLDC 모터(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내주면에 코일이 권선되는 복수의 티스(21)가 마련되는 고정자(20)와 고정자(20)의 내부에 배치되고 극 수의 절반에 대응되는 복수의 영구자석(31)이 설치되는 회전자(30)를 포함한다.

고정자(20)는 대략 원통 형상으로 형성되고, 고정자(20)의 내주면에는 자계를 발생하기 위해 슬롯 수에 대응되는 복수의 티스(21)가 마련될 수 있다.

각 티스(21)는 미리 설정된 직경으로 형성되고, 각 티스(21)에는 전원을 공급받아 자계를 형성하도록 코일(도면 미도시)이 복수 회 권선될 수 있다.

회전자(30)는 고정자(20)의 내측에 회전 가능하게 설치되고, 회전자(30)의 중앙에는 회전자계에 의해 발생하는 동력을 출력하는 회전축이 결합될 수 있다.

회전자(30)는 복수의 판을 상하 방향으로 정렬시킨 상태에서 하나의 회전축에 삽입하는 구조로 구성될 수 있다.

이러한 회전자(30)에는 자계를 발생하기 위한 복수의 영구자석(31)이 설치될 수 있다.

영구자석(31)은 희토류 원소 중에서 네오디뮴(Nd)과 철(Fe), 붕소(B)를 일정 비율로 혼합하여 제작해서 강한 자성을 갖는 ND 자석으로 마련될 수 있다.

본 실시 예에서 영구자석(31)은 BLDC 모터(10)의 극 수, 예컨대 8극의 절반에 대응되는 개수, 즉 4개만 마련될 수 있다.

상세하게 설명하면, 일반적인 BLDC 모터(1)에서는 도 1에 도시된 바와 같이, 극 수에 대응되는 개수의 영구자석(5)이 극성이 서로 반대가 되도록 배치된다.

예를 들어, 8극 구조의 일반적인 BLDC 모터인 경우, 8개의 영구자석(5)은 각각 N-S-N-S-N-S-N-S극이 외측을 향하도록 교번적으로 배치된다.

반면, 본 실시 예에서는 도 2에 도시된 바와 같이 8극 구조의 모터인 경우, 4개의 영구자석(31)이 각각 N극이 외측을 향하도록 순차적으로 배치될 수 있다.

그래서 BLDC 모터(10)의 극 수에 대응되는 8개의 영구자석 중에서 4개의 영구자석(31)만을 설치하는 경우, 회전자(30)는 N-X-N-X-N-X-N-X극이 외측을 향하도록 배치된 상태가 된다. 여기서, X는 영구자석(31)이 장착되지 않은 자화부(33)이다.

즉, 각 영구자석(31) 사이에는 영구자석(31)에 대응되는 공간의 자화부(33)가 형성된다.

여기서, 자화부(33)의 형상은 영구자석(31)의 형상에 대응되는 형상으로 형성될 수도 있고, BLDC 모터(10)의 특성을 고려하여 영구자석(31)의 형상과 달리 다양한 형상으로 변경될 수도 있다.

이와 같이, 자화부(33)는 회전자(30)에 설치된 각 영구자석(31) 사이에 마련되어 코어의 철심을 자화시킨 부분으로서, 각각의 자화부(33)는 영구자석(31)이 설치된 상태와 비슷한 효과를 발생시킨다.

즉, 자화부(33) 주변에 배치되는 철심은 이웃하는 영구자석(31)의 N극과 S극의 자력에 의해 자화되어 각각 S극 및 N극의 반대 극성을 갖게 된다.

이와 같이, 본 발명은 모터 극 수의 절반에 대응되는 영구자석만을 회전자에 설치하여 모터의 극 수에 대응되는 개수의 영구자석이 설치된 모터와 동일한 성능을 수행해야 한다.

이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 BLDC 모터의 성능 실험 결과를 상세하게 설명한다.

도 3은 도 2에 도시된 BLDC 모터의 유기전압 그래프이다.

도 3에 도시된 바와 같이, BLDC 모터의 U상 기전력(Electromotive Force)을 이용하여 설명하면, 유기전압에서 짝수시에 고조파 성분이 발생함에 따라, 절반의 영구자석(31)을 설치하는 경우의 유기전압(B)은 BLDC 모터의 극 수에 대응되는 영구자석(31)을 설치하는 경우의 유기전압(A)에 비해 소폭 감소함을 알 수 있었다.

도 4는 도 2에 도시된 BLDC 모터의 코킹토크 그래프이다.

일반적으로, BLDC 모터는 회전자의 표면에 영구자석을 설치하는 SPM(Surface permanent magnet) 타입과 회전자의 외주부 내측에 영구자석을 매립하는 IPM (Interior permanent magnet) 타입으로 구분된다.

도 4에는 IPM 타입의 BLDC 모터에 극 수의 절반에 대응되는 개수의 영구자석을 설치한 상태에서의 코킹토크를 측정한 것이다.

코깅토크(Cogging Torque)는 모터의 회전자와 고정자 사이가 부드럽게 돌아가지 못하도록 발생하는 일종의 모터 토크 변동을 말한다.

즉, 모터의 회전축을 강제로 회전시키는 경우, 모터의 코깅토크가 클수록 회전축은 돌아가지 않고, 코깅토크가 작을수록 부드럽게 돌아간다.

여기서, 영구자석이 적용되는 모터는 다른 전동기와 달리 회전자의 자석과 고정자 슬롯 구조 간의 자기저항 차에 의한 코깅토크를 갖는다. 이러한 코깅토크는 모터의 소음 및 진동 발생에 큰 영향을 미치므로, 설계시 이를 최대한 저감시켜야 한다.

이와 함께, 역기전력의 고조파와 관련된 토크리플(torque ripple) 또한 모터의 소음 및 진동 발생에 영향을 주기 때문에, 이들 모두 최소화하는 설계가 필요하다.

만약, SPM 타입 모터에 극 수의 절반에 대응되는 개수의 영구자석(31)을 설치하는 경우, 유기전압에 고조파 성분이 발생하여 토크가 크게 저하되고, 토크리플 및 코깅토크도 증가한다.

반면, IPM 타입 모터에 극 수의 절반에 대응되는 개수의 영구자석(31)을 설치하는 경우, 고조파 성분이 발생하긴 하지만, SPM 타입에 적용하는 경우에 비해 매우 작은 양이므로, 토크 저하는 소폭으로 발생한다.

그리고 토크리플 및 코깅토크(D)는 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 극 수에 대응되는 개수의 영구자석을 설치하는 경우의 코깅토크(C)에 비해 오히려 저감되는 효과를 볼 수 있었다.

따라서 본 발명은 회전자의 외주부 내측에 영구자석을 매립하는 IPM 형태의 BLDC 모터에 적용하는 것이 바람직하다.

도 5 및 도 6은 각각 도 1 및 도 2에 도시된 BLDC 모터의 자속밀도 벡터도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 자속밀도 벡터도를 해석한 결과, 모터의 극 수에 대응되는 개수의 영구자석을 설치한 경우의 모터의 상 인덕턴스(E)와 극 수의 절반에 대응되는 개수의 영구자석을 설치한 BLDC 모터의 상 인덕턴스(F)는 동일함을 알 수 있었다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 IPM 타입의 BLDC 모터에 극 수의 절반에 대응되는 개수의 영구자석만을 설치하여 제작비용을 절감하고, 극 수에 대응되는 개수의 영구자석을 설치하는 경우와 유사한 수준의 성능을 발휘할 수 있다.

한편, 본 실시 예에서는 모터의 극 수의 절반에 대응되는 개수의 영구자석을 설치하는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

예를 들어, 도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 BLDC 모터의 회전자의 예시도이다.

즉, 본 발명은 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 모터 극 수, 예컨대 10극의 절반에 대응되는 개수, 즉 5개 뿐만 아니라, 8개(도 7의 (b))나 6개(도 7의 (c))의 영구자석(31)을 설치하도록 변경될 수도 있다.

다만, 본 발명은 모터 극 수의 기본차수, 예컨대 8극인 경우 4차수, 10극인 경우 5차수를 발생시킬 수 있어야 하고, 기본차수를 맞추는 경우에도 토크리플 상승 등의 요인을 감안하여 영구자석이 대칭이 되도록 모터 극 수의 절반에 대응되는 영구자석을 설치하는 것이 바람직하다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

상기의 실시 예에서는 8극 BLDC 모터를 이용해서 설명하였으나, 본 발명은 10극, 12극 등 모터의 극 수에 관계없이 적용되도록 변경될 수 있다.

본 발명은 IPM 타입의 BLDC 모터에 극 수의 절반에 대응되는 개수의 영구자석만을 설치하여 제작비용을 절감하고, 극 수에 대응되는 개수의 영구자석을 설치하는 경우에 비해 성능 저하를 최소화하는 BLDC 모터 기술에 적용된다.

10: BLDC 모터
20: 고정자 21: 티스
30: 회전자 31: 영구자석
33: 자화부

Claims (6)

1. 회전자가 N극(N은 짝수)으로 형성된 BLDC 모터로서,
   내주면에 코일이 권선되는 복수의 티스가 마련되는 고정자와
   상기 고정자의 내부에 배치되고 상기 N보다 적은 개수의 영구자석이 설치되는 회전자를 포함하며,
   상기 영구자석의 사이에는 미설치된 영구자석에 대응되는 공간의 자화부가 형성되고,
   상기 자화부는 상기 영구자석과 대칭이 되도록 배치되어
   상기 N개의 영구자석이 설치된 모터와 동일한 상 인덕턴스를 갖고, 코깅토크가 저감되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 영구자석은 N/2의 개수로 마련되고, 동일한 극이 외측을 향하도록 순차적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
3. 삭제
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 BLDC 모터는 상기 영구자석이 회전자의 외주부 내측에 매립되는 IPM 타입의 BLDC 모터로 마련되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
5. 삭제
6. 삭제

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