KR102521284B1

KR102521284B1 - 모터

Info

Publication number: KR102521284B1
Application number: KR1020170015376A
Authority: KR
Inventors: 김재호; 감병국; 박치성; 안지현
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2017-02-03
Filing date: 2017-02-03
Publication date: 2023-04-13
Anticipated expiration: 2037-02-03
Also published as: US10727710B2; CN108390482A; CN108390482B; US20180226850A1; KR20180090476A

Abstract

본 발명은 모터에 관한 것으로, 구체적으로 효율이 증진되고 기계적인 강성이 보강된 스포크 타입 영구자석 모터에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 스테이터; 그리고 영구자석이 구비되는 외측 로터 코어, 상기 외측 로터 코어의 반경 방향 내측에 구비되고 축공을 갖는 내측 로터 코어 그리고 상기 영구자석의 원주 방향 중심 방향에 구비되어 상기 외측 로터 코어와 내측 로터 코어를 연결하는 내경 연결부를 포함하는 로터를 포함하고, 상기 내경 연결부는, 상기 내측 로터 코어에서 반경 방향 외측으로 연장되는 반경 리브; 그리고 상기 반경 리브의 반경 방향 외측 말단에서 원주 방향 양측으로 연장되며, 상기 반경 리브와의 각도가 90도 이상으로 연장되는 연장 리브를 포함하는 모터가 제공될 수 있다.

Description

모터{motor}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 구체적으로 효율이 증진되고 기계적인 강성이 보강된 스포크 타입 영구자석 모터에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 로터의 회전력을 회전축(샤프트)으로 전달하여, 상기 회전축이 부하를 구동하게 된다. 예를 들어, 상기 회전축이 세탁기의 드럼에 연결되어 드럼을 구동시킬 수 있으며, 냉장고의 팬과 연결되어 필요한 공간으로 냉기가 공급되도록 팬을 구동시킬 수 있다. 또한, 압축기 내에서 냉매를 압축하기 위하여 모터가 사용되기도 한다.

한편, 이러한 모터에 있어서, 로터는 스테이터와의 전자기적인 상호 작용에 의해서 회전하게 된다. 이를 위해서 상기 스테이터에는 코일이 권선 되며, 상기 코일에 전류가 인가됨에 따라 로터가 스테이터에 대해서 회전하게 된다.

상기 스테이터는 스테이터 코어를 포함하여 이루어지는데, 상기 스테이터 코어는 도체로 이루어진다. 아울러, 스테이터는 일반적으로 대상물에 고정되는 구성이다. 따라서, 이러한 스테이터를 모터 하우징, 모터 브라켓 그리고 세탁기의 터브와 같은 대상물에 고정시키기 위해서는 고정 수단이 필요하게 된다.

로터는 그 형태에 따라서 다양하게 구비될 수 있다. 이러한 로터들 중에서는 영구자석을 배치한 형태가 있다.

일례로, 로터의 외주면에 영구자석을 배치한 SPM(surface permanent magnet) 타입의 로터가 있고, 로터의 내부에 영구자석을 배치한 IPM(interior permanent magnet) 타입의 로터가 있다. SPM의 경우에는 영구자석에 의한 자기 토크(magnetic torque)만을 이용하는 반면, IPM의 경우에는 자기 토크뿐만 아니라 자기 저항의 차이에 의해서 발생되는 릴럭턴스 토크(reluctance torque)를 이용하게 된다. 따라서, IPM의 경우 제조비는 증가하지만 보다 넓은 운전 영역을 가질 수 있다.

이러한 IPM 모터는 스포크 타입 영구자석 모터를 포함한다. 스포크 타입 영구자석 모터는 영구자석이 로터의 한 극의 양 단부에 매입되어 대칭적으로 구비된다. 자극은 영구자석 사이의 로터 코어 표면으로 구성되는 구조를 갖는다. 따라서, 공극 자속밀도가 증가되어 고토크와 고출력을 발생시킬 수 있다. 이러한 장점으로 동일 출력에 대해 모터 소형화 설계가 가능하여 높은 가격 경쟁력을 갖는다.

도 1을 통해서 종래의 스포크 타입 영구자석 모터에 대해서 설명한다.

모터(1)는 스테이터(10)와 로터(20)를 포함한다.

스테이터(10)는 스테이터 코어(11)와 상기 스테이터 코어(11)에서 반경 방향으로 돌출되는 복수 개의 티스(12)를 포함할 수 있다. 상기 스테이터 코어(11)는 환형으로 형성될 수 있다.

상기 티스(12)의 반경 방향 내측 말단에는 원주 방향 양쪽으로 연장되는 폴슈(13)가 구비될 수 있다. 티스와 티스 사이에는 슬롯(14)이 형성된다. 따라서, 상기 티스와 슬롯(14)을 통해서 코일이 권선된다.

로터(20)는 외경부 코어(21), 내경부 코어(22) 그리고 내경 연결부(40)를 갖는 로터 코어를 포함한다. 외경부 코어(21)에는 영구자석 장착부(24)가 형성되며 상기 영구자석 장착부(24)에 반경 방향으로 길게 형성되는 영구자석(25)가 장착된다. 상기 외경부 코어를 외측 코어 그리고 내경부 코어를 내측 코어라 할 수 있다. 왜냐하면 내경부 코어는 외경부 코어의 반경 방향 내측에 위치되기 때문이다.

상기 영구자석(25)은 원주 방향으로 착자되며, 영구자석(25)과 영구자석 사이의 외경부 코어(21)에는 공극(30)이 형성된다. 그리고 서로 원주 방향으로 마주보는 영구자석의 착자 방향은 서로 반대가 된다.

상기 영구자석 장착부(24)의 반경 방향 내측과 외측에는 장착 돌기(31)가 형성되며, 상기 장착 돌기(31)에 의해서 영구자석(25)이 반경 방향 내측과 외측으로 지지된다.

상기 외경부 코어(21)와 내경부 코어(22) 사이에는 연결부 공극(27, 29)이 형성된다. 상기 로터 코어는 일체로 형성되기 때문에 상기 연결부 공극(27, 29)을 반경 방향으로 가로질러 상기 외경부 코어(21)와 내경부 코어(22)를 연결하는 반경 리브(26)가 형성된다. 상기 반경 리브(26)의 강성을 보강하기 위하여 상기 반경 리브(26)의 중간 부분에는 원주 리브(28)가 형성된다. 따라서, 상기 내경 연결부(40)는 상기 반경 리브(26)와 원주 리브(28)를 포함한다.

상기 원주 리브(28)는 연결부 공극을 반경 방향으로 구획하며, 따라서 반경 방향 외측 연결부 공극(27)과 반경 방향 내측 연결부 공극(29)가 형성된다.

상기 내경부 코어(22)의 중심에는 샤프트가 삽입되는 축공(23)이 형성된다.

스포크 타입의 모터에서는 u, v, w 상 즉 3상으로 표현되는 좌표계를 d-q 축 직교 좌표로 변환함으로써 2개의 변수를 통해 모터의 물리량을 표현할 수 있으며, 순시적인 제어를 할 수 있다.

d축은 통상 모터의 자속이 발생하는 축으로 고정자 u상 권선에서 발생한 자속의 방향으로 선정된다. 따라서 d축은 벡터 제어에서 기준이 되는 축이라 할 수 있다.

q축은 d축과 직교를 이루는 축으로 벡터 제어에서 토크를 발생시키는 전류의 축이 된다. 따라서, 전류 제어를 하는 경우 q축을 제어하게 된다.

따라서, 스포크 타입의 모터에서는 로터를 기준으로 하면 로터 코어의 중심축(로터의 중심에서 로터 코어의 원주 방향 중심을 잇는 축)이 d축이며, 영구자석의 중심축(로터의 중심에서 영구 자석의 원주 방향 중심을 잇는 축)이 q축이라 할 수 있다.

따라서, 도 1에 도시된 스포크 타입의 모터에서는 내경 연결부(40) 특히 반경 리브(26)는 d축에 위치하게 된다. 그러므로 반경 리브(26)의 두께에 따라 자속 누설과 기계적 강성에 영향을 주게 된다. 즉, 반경 리브(26)의 두께(원주 방향 폭)가 커질수록 모터의 성능과는 무관한 자속 누설이 발생하여 효율 저하가 발생된다. 반면에 외경부 코어(21)와 내경부 코어(22)를 연결하는 기계적 강성이 증가한다. 따라서, 비틀림에 의해서 로터가 손상되거나 파손되는 것을 방지할 수 있다.

도 2와 도 3은 도 1에 도시된 로터에 내경 연결부(40)에서의 자속 선도와 포화도를 각각 보여주고 있다.

반경 리브(26)를 기준으로 양쪽에 위치한 영구자석에서 발생한 누설 자속이 반경 리브를 통해 이동하고 있음을 알 수 있다. 따라서, 두 개의 영구자석(25)에 의한 누설 자석 모두 하나의 반경 리브(26)를 통해 이동하므로 반경 리브에서의 자속 포화가 심화됨을 알 수 있다. 그리고 원주 리브(28)와 내경부 코어(22) 부분에서는 누설 자속이 양쪽으로 분배되어 코어의 자속 포화가 완화됨을 알 수 있다.

이러한 자속 선도와 포화도를 통해서, 반경 리브(26)의 두께에 따라 누설 자속량이 달라짐을 알 수 있다. 즉, 반경 리브(26)의 두께가 커짐에 따라 누설 자속량이 커짐을 알 수 있다. 반면에 반경 리브(26)의 두께가 작아짐에 따라 누설 자속량이 작아짐을 알 수 있다. 그러나 반경 리브(26)의 두께가 작아짐에 따라 기계적 강성은 현저히 낮아질 수밖에 없다. 따라서, 누설 자속량과 기계적 강성은 서로 반비례 관계임을 알 수 있다.

또한, 반경 리브(26)에서는 자속 포화가 발생되더라도 원주 리브(28), 반경 리브(26) 중 원주 리브(28)와 내경부 코어(22) 사이 부분 그리고 내경부 코어(22)에는 자속 포화가 발생되지 않는다. 즉, 누설 자속 이동 경로 전체가 포화된 상태가 아니다. 따라서, 누설 자속은 지속적으로 발생될 수 있으므로 누설 자속량 최소화에 한계가 있게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 내경 연결부 특히 반경 리브(26)를 d축이 아닌 q축에 형성한 모터가 제시된 바 있다.

대한민국 공개특허공보 10-2013-0027417(이하 "선행기술1"이라 한다)에서는 반경 리브의 양측에 연결 브리지가 서로 연결되어 있는 형태의 스포크 타입 모터를 제시하고 있다. 따라서, 기계적 강성은 어느 정도 보강되지만 이는 또 하나의 누설 자속 경로를 형성하게 된다. 또한, 영구자석 하단부에 위치한 반경 리브의 두께가 커지면 기계적 강성이 보강되지만, 누설 자속 경로가 커지므로 누설 자속량이 증대하게 된다.

도 4와 도 5는 선행기술1에 개시된 내경 연결부에서의 자속 선도와 포화도를 각각 보여주고 있다.

도시된 바와 같이, 내경 연결부는 반경 리브(326)가 영구자석(325)의 중앙 부분을 지지하도록 반경 방향 외측으로 연장되며, 상기 반경 리브(326)의 좌우에 각각 연장 리브(327)가 형성된다. 상기 연장 리브(327)는 곡선 형태로 형성되어 자기 회로를 길게 형성하게 된다. 즉, 자기 저항을 증가시키게 된다.

상기 반경 리브(326)는 상기 영구자석(325)의 반경 방향 내측면과 접하도록 연장되며, 따라서 반경 리브(326)의 일부는 상기 연장 리브(327) 보다 반경 방향 외측에 위치하게 된다.

상기 반경 리브(326)의 두께에 따라 누설 자속 이동 경로의 자속 포화도가 달라지게 된다.

그러나 자속은 일측의 연장 리브(327)에서 반경 리브(326)를 지나서 타측의 연장 리브(327)로 흐르게 된다. 도시된 바와 같이 연장 리브(327)에서만 자속 포화가 발생될뿐 연장 리브(327)와 연장 리브(327) 사이의 반경 리브(326)에서는 자속 포화가 발생되지 않는다. 따라서, 누설 자속 이동 경로 전체가 포화된 상태가 아니므로 누설 자속량은 지속적으로 발생되며 이의 최소화에 한계가 있게 된다.

한편, 도 6과 도 7은 선행기술2에 개시된 내경 연결부에서의 자속 선도와 포화도를 각각 보여주고 있다. 선행기술2는 선행기술1에서 내경 연결부의 강도 보강을 위하여 반경 리브(326)의 양측에 지지리브(328)를 추가로 형성한 것이라 할 수 있다.

선행기술2에서도 마찬가지로 반경 리브(326)의 두께에 따라 누설 자속 이동 경로의 자속 포화도가 달라지게 된다.

그러나, 자속은 일측의 연장 리브(327)에서 반경 리브(326)를 지나서 타측의 연장 리브(327)로 흐르게 된다. 또한, 자속은 일측의 지지 리브(328)에서 반경 리브(326)를 지나서 타측의 지지 리브(328)로 흐르게 된다.

도시된 바와 같이, 연장 리브(327)와 지지리브(328)에서만 자속 포화가 발생될 뿐 이들 사이의 반경 리브(326)에는 자속 포화가 발생되지 않는다. 따라서, 누설 자속 이동 경로 전체가 포화된 상태가 아니므로 누설 자속량은 지속적으로 발생되며 이의 최소화에 한계가 있게 된다.

따라서, 누설 자속을 최소화하여 모터의 효율을 증진시키고 아울러 기계적 강성을 보강할 수 있는 모터, 특히 스포크 타입 모터를 제공할 필요가 있다.

본 발명을 통해서 기본적으로 전술한 종래 모터의 문제를 해결하고자 함을 목적으로 한다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 영구자석을 지지하는 새로운 구조를 제시하여 누설 경로의 최소화, 국부적 자속 포화로 인한 누설 자속 감소가 구현될 수 있는 모터를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 영구자석을 지지하는 새로운 구조를 제시하여 자속 누설 경로로 이용되지 않으면서 영구자석을 견고히 지지할 수 있는 모터를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예를 통해서, 외측 로터 코어와 내측 로터 코어를 연결하는 내경 연결부의 기계적 강성을 확보하여, 원심력에 의한 로터의 변형 및 파손을 방지할 수 있는 모터를 제공하고자 한다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 스테이터; 그리고 영구자석이 구비되는 외측 로터 코어, 상기 외측 로터 코어의 반경 방향 내측에 구비되고 축공을 갖는 내측 로터 코어 그리고 상기 영구자석의 원주 방향 중심 방향에 구비되어 상기 외측 로터 코어와 내측 로터 코어를 연결하는 내경 연결부를 포함하는 로터를 포함하고, 상기 내경 연결부는, 상기 내측 로터 코어에서 반경 방향 외측으로 연장되는 반경 리브; 그리고 상기 반경 리브의 반경 방향 외측 말단에서 원주 방향 양측으로 연장되며, 상기 반경 리브와의 각도가 90도 이상으로 연장되는 연장 리브를 포함하는 모터가 제공될 수 있다.

상기 내경 연결부는, 상기 외측 코어에서 연장되는 연장 리브와 상기 연장 리브의 말단에서 상기 내측 로터 코어로 연장되는 반경 리브를 포함한다고 할 수 있다.

상기 반경 리브는 상기 연장 리브에 비해서 반경 방향 내측에 위치됨이 바람직하다.

상기 반경 리브 전체가 상기 연장 리브 전체에 비해서 반경 방향 내측에 위치되며, 반경 방향을 따라 상기 외측 로터 코어, 상기 연장 리브, 상기 반경 리브 그리고 내측 로터 코어가 순차적으로 위치됨이 바람직하다.

상기 외측 로터 코어, 상기 연장 리브, 상기 반경 리브 그리고 상기 내측 로터 코어는 단일 재질로 일체로 형성됨이 바람직하다. 일례로, 전기 강판을 타발하여 상기 구성들이 일체로 형성됨이 바람직하다.

상기 반경 리브의 두께는 상기 연장 리브의 두께보다 큰 것이 바람직하다.

상기 연장 리브는 상기 반경 리브의 반경 방향 외측 말단에서 양쪽으로 연장되어, 상기 내경 연결부는 Y자 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 중심축은 반경 리브 그리고 양쪽으로 갈라진 가지 부분은 연장 리브라 할 수 있다.

상기 연장 리브의 반경 방향 외측 말단에는 상기 영구자석을 지지하기 위한 지지돌기가 형성됨이 바람직하다.

상기 지지돌기는 상기 영구자석의 반경 방향 내측 말단의 양측에 각각 독립적으로 구비되며, 상기 영구자석의 반경 방향 내측면, 상기 지지돌기 그리고 상기 연장 리브 사이에는 중간 공극이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 지지돌기와 지지돌기 사이에는 상기 중간 공극이 형성되어 양자 사이에는 간격이 형성됨이 바람직하다. 따라서, 지지돌기와 지지돌기 사이에는 자속 경로가 형성되지 않을 수 있다.

상기 반경 리브의 두께는 반경 방향 내측에서 증가되도록 형성됨이 바람직하다. 따라서, 구조적으로 더욱 안정적인 반경 리브를 형성할 수 있다.

상기 내경 연결부와 내경 연결부 사이에는 연결부 공극이 형성되며, 상기 연결부 공극의 반경 방향 내측의 양쪽에는 상기 반경 리브의 두께를 증가시키기 위한 라운드 또는 챔퍼가 형성됨이 바람직하다.

상기 외측 로터 코어에는 상기 영구자석이 장착되는 장착 슬롯이 형성됨이 바람직하다.

상기 지지돌기의 폭, 상기 연장 리브의 두께 그리고 상기 영구자석의 반경 방향 내측 말단이 위치하는 상기 장착 슬롯과 상기 연결부 공극 사이의 원주 방향 폭은 서로 동일한 것이 바람직하다. 이들의 두께 또는 폭은 전기 강판을 타발하여 로터 코어를 형성하는 경우, 허용되는 최소 두께를 가지도록 형성됨이 바람직하다.

상기 연장 리브는 상기 반경 리브의 반경 방향 외측 말단에서 양쪽으로 연장되어, 상기 내경 연결부는 T자 형상을 갖도록 형성될 수 있다. 중심축 부분은 반경 리브 그리고 양쪽으로 갈라진 지붕 부분은 연장 리브에 의해서 형성될 수 있다.

상기 연장 리브는 상기 영구자석의 반경 반향 내측을 감싸서 상기 영구자석이 장착되는 장착 슬롯을 형성함이 바람직하다. 따라서, 연장 리브와 연장 리브가 서로 연결되는 부분에서 반경 방향 외측은 장착 슬롯 또는 영구자석에 의해서 자속 경로가 형성되지 않게 된다.

상기 반경 리브의 두께는 반경 방향 내측에서 증가되도록 형성됨이 바람직하다.

상기 연장 리브의 두께 그리고 상기 영구자석의 반경 방향 내측 말단이 위치하는 상기 장착 슬롯과 상기 연결부 공극 사이의 원주 방향 폭은 서로 동일한 것이 바람직하다. 마찬가지로, 이들의 두께 또는 폭은 전기 강판 타발 시 허용될 수 있는 최소 두께인 것이 바람직하다.

전술한 목적을 구현하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따르면, 복수 개의 영구자석이 구비되는 외측 로터 코어; 상기 외측 로터 코어의 반경 방향 내측에 구비되는 내측 로터 코어; 상기 복수 개의 영구자석 각각의 원주 방향 중심 방향에 구비되어 상기 외측 로터 코어와 내측 로터 코어를 연결하는 내경 연결부; 그리고 상기 외측 로터 코어와 상기 내측 로터 코어 사이에 형성되고, 상기 내경 연결부와 내경 연결부 사이에 형성되는 공극을 갖고, 상기 내경 연결부는, 상기 내측 로터 코어에서 반경 방향 외측으로 연장되는 반경 리브; 그리고 상기 반경 리브의 반경 방향 외측 말단에서 원주 방향 양측으로 연장되어 상기 외측 로터 코어와 연결되고, 상기 반경 리브의 반경 방향 외측에 구비되는 연장 리브를 갖는 로터를 포함하는 모터가 제공될 수 있다.

상기 반경 리브와 상기 연장 리브 사이의 각도는 90도 이상인 것이 바람직하다. 따라서, 상기 연장 리브와 연장 리브를 연결하는 각도는 180도 이하인 것이 바람직하다.

반경 리브와 연장 리브들이 T 형상을 이루는 경우, 양자의 각도는 90도이다. 반경 리브와 연장 리브들이 Y 형상을 이루는 경우, 양자의 각도는 90보다 크게 된다. 물론, 상기 연장 리브와 연장 리브 사이의 각도 그리고 연장 리브와 반경 리브의 각도는 위치에 따라 달라질 수 있다.

상기 연장 리브와 연장 리브 사이의 각도는 반경 방향 외측에서의 각도이다. T 형상에서 Y 형상으로 갈수록 상기 각도는 180도에서 점차 작아지게 된다. 또한, 연장 리브와 반경 리브 사이의 각도는 반경 방향 내측에서의 각도이다. T 형상에서 Y 형상으로 갈수록 상기 각도는 90에서 점차 커지게 된다. 반면 반경 방향 외측에서의 각도는 90도에서 점차 작아지게 된다.

자속은 어느 하나의 연장 리브에서 다른 하나의 연장 리브로 흐르게 된다. 이때, 두 개의 연장 리브에는 자속 포화가 발생될 수 있다. 그러나 연장 리브들을 잇는 부분에서는 자속 포화가 발생되지 않을 수 있다. 왜냐하면 이 부분에서의 폭 내지는 두께가 증가될 수 있기 때문이다. 연장 리브의 중앙 부분을 잇는 선을 기준으로 연장 리브들의 연결 부분에서의 폭 즉 자속 경로의 폭은 좁을수록 좋다. 왜냐하면, 자속이 흐르는 경로의 폭이 좁을 수록 자속 저항이 크기 때문에 자속 포화가 발생될 수 있기 때문이다.

본 실시예들에서는 연장 리브들의 연결 부분에서 반경 방향 외측으로의 확장은 배제하고 반경 방향 내측으로의 확장만 허용할 수 있다. 즉, 반경 방향 외측으로의 경로 폭은 확장되지 않도록 하고 반경 방향 내측으로의 경로 폭은 반경 리브들을 통해서만 확장이 허용될 수 있다. 따라서, 자속 경로 상 반경 방향 외측은 막혀 있고 반경 방향 내측만 확장되어 있다고 할 수 있다. 그러므로, 경로 상 많은 부분에서 자속 포화가 발생된다. 반면에, 선행기술들에서는 자속 경로 상 반경 방향 외측과 내측이 모두 확장되어 있다고 할 수 있다. 그러므로 경로 상 전체에서 자속 포화가 발생되지 않는다.

결국, 본 실시예들을 통해서 내경 연결부를 통해서 발생되는 누설 자속을 최소화할 수 있게 된다. 아울러, 보다 견고한 지지구조를 제공하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 일실시예를 통해서, 영구자석을 지지하는 새로운 구조를 제시하여 누설 경로의 최소화, 국부적 자속 포화로 인한 누설 자속 감소가 구현될 수 있는 모터를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 영구자석을 지지하는 새로운 구조를 제시하여 자속 누설 경로로 이용되지 않으면서 영구자석을 견고히 지지할 수 있는 모터를 제공할 수 있다.

본 발명의 실시예를 통해서, 외측 로터 코어와 내측 로터 코어를 연결하는 내경 연결부의 기계적 강성을 확보하여, 원심력에 의한 로터의 변형 및 파손을 방지할 수 있는 모터를 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 스포크 타입 영구자석 모터를 도시하고,
도 2는 도 1에 도시된 모터에서의 자속 선도를 도시하고,
도 3은 도 1에 도시된 모터에서의 자속 포화도를 도시하고,
도 4는 선행기술1에 개시된 모터에서의 자속 선도를 도시하고,
도 5는 선행기술1에 개시된 모터에서의 자속 포화도를 도시하고,
도 6은 선행기술2에 개시된 모터에서의 자속 선도를 도시하고,
도 7은 선행기술2에 개시된 모터에서의 자속 포화도를 도시하고,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 모터를 도시하고,
도 9는 도 8에 도시된 로터를 확대하여 도시하고,
도 10은 도 8에 도시된 모터에서의 자속 선도를 도시하고,
도 11은 도 8에 도시된 모터에서의 자속 포화도를 도시하고,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터에서 로터를 확대하여 도시하고,
도 13은 도 12에 도시된 모터에서의 자속 선도를 도시하고,
도 14는 도 12에 도시된 모터에서의 자속 포화도를 도시하고 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 모터에 대해서 상세히 설명한다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 모터의 간략한 평면도 그리고 도 9는 도 8의 "A" 부분을 확대한 확대도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 모터는 스테이터(110)와 로터(120)를 포함하여 이루어진다. 로터(120)는 스테이터(110)의 반경 방향 내측에 위치하여 스테이터(110)에 대하여 회전 가능하게 구비된다.

스테이터(110)는 스테이터 코어를 포함하며, 스테이터 코어는 환형의 요크(111), 상기 요크(111)에서 반경 방향 내측으로 돌출되는 복수 개의 티스(112) 그리고 상기 티스의 말단에 구비되는 폴슈(113)를 포함할 수 있다. 티스와 티스 사이에는 슬롯(114)이 형성된다.

로터(120)는 스포크 타입으로 영구자석(125)이 장착될 수 있다. 따라서, 이러한 로터(120)를 포함하는 모터를 스포크 타입 영구자석 모터라 할 수 있다.

로터(120)는 반경 방향 외측에 구비되는 외측 로터 코어(121)와 반경 방향 내측에 구비되는 내측 로터 코어(122)를 포함하여 이루어질 수 있다.

상기 외측 로터 코어(121)에는 영구자석(125)이 장착되며, 상기 내측 로터 코어(122)에는 샤프트가 장착되도록 구비될 수 있다. 상기 내측 로터 코어(122)의 중심에는 샤프트가 장착되기 위한 축공(123)이 형성될 수 있다.

상기 외측 로터 코어(121)에는 영구자석(125)이 장착되는 장착 슬롯(124)이형성된다. 상기 장착 슬롯(124)은 직사각형 형상으로 갖도록 형성되며, 상기 장착 슬롯(124) 내부에 직사각형 형상의 영구자석이 삽입될 수 있다.

상기 장착 슬롯(124)은 반경 방향 외측으로는 개구된 형태이며 반경 방향 내측으로는 폐쇄된 형태이다.

영구자석(125)에서 발생되는 자속은 원주 방향으로 흐르다가 반경 방향으로 흐르도록 함이 바람직하다. 따라서, 장착 슬롯(124)의 반경 방향 외측을 개구시킴으로써 자속을 원주 방향으로 집중시킬 수 있다.

그리고 외측 코어(121)에는 공극(130)이 형성됨이 바람직하다. 즉, 원주 방향으로 흐르는 자속이 공극(130)이라는 자기 저항에 의해서 반경 방향으로 흐르도록 함이 바람직하다. 따라서, 상기 공극(130)은 장착 슬롯(124)과 장착 슬롯(124) 사이에 구비됨이 바람직하다. 실질적으로, 상기 공극(130)은 장착 슬롯(124)과 장착 슬롯(124)의 중간 부분에 형성됨이 바람직하다.

모터의 성능을 높이기 위해서는 자속 경로가 스테이터(110)와 외측 로터 코어(121) 사이에서 발생되어야 한다. 즉, 반경 방향 내측에 위치되는 내측 로터 코어(122)에 발생되는 자속은 모터의 성능을 저하시키는 요인이다. 따라서, 외측 코어(121)와 내측 코어(122) 사이에는 자속 경로가 최소화되어야 한다. 물론, 자속 경로가 없는 것이 바람직하지만, 내측 코어(122)도 외측 코어(121)와 함께 회전하여야 하기 때문에 이들을 연결하기 위한 구조가 필요하다.

이를 위해서, 상기 외측 코어(121)와 내측 코어(122)를 연결하는 내경 연결부(140)가 형성되어야 한다. 따라서, 상기 내경 연결부(140)를 통해서 외측 코어(121)와 내측 코어(122)가 견고히 연결되어야 하며, 아울러 이를 통해서 누설 자속이 발생되는 것을 최소화해야 한다.

로터 코어(121, 122)는 전기 강판을 타발하여 생성될 수 있다. 따라서, 로터 코어는 도시된 평면을 갖는 강판들이 적층되어서 형성될 수 있다. 그러므로 내경 연결부(140)도 상기 외측 코어(121) 및 내측 코어(122)와 일체로 형성된다. 이러한 이유로 상기 내경 연결부(140)도 자속이 흐를 수 있는 자성체라 할 수 있다.

실질적으로 상기 외측 코어(121)와 내측 코어(122)는 반경 방향으로 서로 이격되어 있다. 즉, 내경 연결부(140)를 제외하고는 상기 외측 코어(121)와 내측 코어(122)는 서로 연결되지 않는다. 이러한 이유로 내경 연결부(140)는 영구자석(125) 개수와 동일하게 형성되며, 내경 연결부(140)와 내경 연결부(140) 사이에는 연결부 공극(131)이 형성된다.

상기 내경 연결부(140)는 영구자석(125)의 원주 방향 중심과 일치하도록 구비됨이 바람직하다. 즉, q축에 내경 연결부(140)가 형성됨이 바람직하다.

여기서, 상기 내경 연결부(140)는 반경 리브(126)와 상기 반경 리브(126)의 말단에서 좌우로 연장되어 구비되는 연장 리브(127)를 포함하여 이루어질 수 있다. 즉, 외측 코어(121)와 내측 코어(122)는 연장 리브(127)와 반경 리브(126)를 통해서 서로 연결될 수 있다.

구체적으로, 상기 양쪽 두 개의 연장 리브(127)가 연장되어 서로 만나게 되며, 서로 만난 지점으로부터 반경 리브(126)가 더욱 연장되어 형성될 수 있다. 상기 반경 리브(126)는 반경 방향 내측을 향해 연장되어 내측 코어와 연결될 수 있다. 따라서, 상기 반경 리브(126)는 q축과 일치하도록 구비될 수 있다.

반대로, 내측 코어에서 반경 리브(126)가 반경 방향 외측으로 연장될 수 있다. 반경 리브(126)의 반경 방향 말단에서 양쪽으로 갈라져 연장 리브(127)가 형성될 수 있으며, 상기 연장 리브(127)는 외측 코어(121)와 연결될 수 있다. 따라서, 상기 연장 리브(127)의 반경 방향 내측에 상기 반경 리브(126)가 형성된다고 할 수 있다.

상기 반경 리브(126)의 원주 방향 중심은 상기 영구자석(125)의 원주 방향 중심과 일치하도록 형성됨이 바람직하다. 즉, q축과 일치하도록 반경 리브(126)가 형성됨이 바람직하다. 그리고 상기 반경 리브(126)에서 원주 방향 양쪽으로 상기 연장 리브(127)가 형성됨이 바람직하다.

상기 반경 리브(126)의 원주 방향 폭 즉 두께(I)는 상기 연장 리브(127)의 두께(H)보다 큰 것이 바람직하다. 왜냐하면, 하나의 반경 리브(126)를 통해서 외측 코어(121)와 내측 코어(122)를 연결하여 지지하고, 두 개의 연장 리브(127)를 통해서 외측 코어(121)와 내측 코어(122)를 연결하여 지지하기 때문이다. 여기서, 상기 반경 리브(126)와 연장 리브(127)의 형상 및 두께의 차이로 인해서 기계적 강성을 확보할 수 있고 누설 자속을 최소화할 수 있다.

한편, 상기 반경 리브(126)는 내측 코어(122)를 향할수록 두께가 증가하도록 구비될 수 있다. 즉, 반경 리브(126)의 양측에는 라운드(123) 또는 챔퍼가 형성될 수 있다. 따라서, 상기 라운드(123) 또는 챔퍼에 의해서 상기 반경 리브(126)의 원주 방향 폭은 증가하게 된다. 그러므로 비틀림을 받는 위치인 반경 리브(126)와 내측 코어(122)의 연결 부분의 두께가 더욱 두꺼워져 기계적 강성을 더욱 높일 수 있다. 마찬가지로, 비틀림을 받는 위치인 외측 코어(121)와 연장 리브(127) 사이에는 하나의 연장 리브(127)가 아닌 두 개의 연장 리브(127)가 구비되므로, 비틀림에 의한 응력이 분산될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 연장 리브(127)와 반경 리브(126)는 "Y"자 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 하나의 반경 리브(126)에서 좌우로 연장 리브(127)가 형성될 수 있다. 이러한 연장 리브(127)의 형상으로 인해서 연장 리브(127)와 연장 리브(127) 사이에는 중간 공극(128)이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 연장 리브(127)와 반경 리브(126) 사이의 각도는 90도보다 크게 된다. 그리고 상기 반경 리브(126)의 반경 방향 외측에 연장리브(127)가 구비된다. 아울러 상기 반경 리브(126)는 영구자석을 장착하는 장착 슬롯과 이격되며 따라서 영구자석과 접하지 않게 된다.

상기 연장 리브(127)의 말단, 즉 반경 방향 외측 말단에는 지지돌기(129)가 형성될 수 있다. 여기서, 상기 지지돌기(129)는 영구자석(125)의 반경 방향 내측 말단을 지지하도록 구비될 수 있다. 상기 지지돌기(129)는 영구자석(125)의 좌우 양측을 지지하도록 형성되며, 두 개의 지지돌기(129)는 서로 연결되지 않도록 구비됨이 바람직하다. 즉 서로 독립적으로 구비됨이 바람직하다. 따라서, 지지돌기(129)와 지지돌기(129) 사이에 개구가 형성되지만 연장 리브(127)와 연장 리브(127)에 의해서 형성되는 중간 공극(128)에 의해서 영구자석(125)의 반경 방향 내측은 폐쇄된 공간을 형성하게 된다.

상기 지지돌기(129)와 연장 리브(127)는 하나의 영구자석(125)의 양측에 각각 위치하며, 일측에 형성된 지지돌기와 연장 리브는 타측에 형성된 지지돌기와 연장 리브와는 독립적으로 위치한다. 즉, 영구자석을 지지하는 지지돌기(129)와 연장 리브(127)는 직접 연결되지 않고 서로 간격을 갖게 된다. 이러한 간격을 전술한 중간 공극(128)라 할 수 있다.

따라서, 최단 거리의 자속 누설 경로가 차단되는 효과가 있으며, 누설되는 자속의 이동 경로를 더욱 길게 설계할 수 있다. 이로 인해 자기 저항이 증가하며 로터 코어의 국부적 자속 포화를 발생시켜 누설 자속량을 저감시킬 수 있다.

이는 자속 누설에 의한 로터 코어에서의 손실을 방지하고 모터의 역기전력을 상승시키는 효과를 가져오게 한다. 결국, 동일 출력에서 보다 컴팩트한 모터의 설계가 가능하게 된다. 이를 통해서, 출력 밀도의 증가, 손실 감소 그리고 제조 비용을 절감시킬 수 있는 모터를 제공할 수 있다.

한편, q 축에 위치되고 "Y" 형태의 내경 연결부를 통해서 극성을 띄는 로터 코어가 서로 연결되어 있다. 따라서, 모터 구동 시 원심력에 의한 기계적 강승이 강화되므로, 로터의 변형 및 파손을 방지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 로터 코어는 전체가 전기 강판을 타발하여 형성될 수 있다. 따라서 두께를 줄이는 데에는 한계가 있다. 일례로, 자속 저항을 증가시키기 위한 연장 리브(127)을 두께를 줄이는 데에는 한계가 있다. 왜냐하면 두께가 매우 작은 경우 타발 시 파손될 수 있기 때문이다. 따라서 구되는 최소 두께가 정해지게 된다.

상기 연장 리브(127)의 두께(H)는 Y 형상으로 두 개소에서 내측 코어와 외측 코어를 연결하기 때문에 최소 두께로 정해질 수 있다. 같은 이유로, 지지돌기(129)의 두께(F)도 최소 두께로 정해질 수 있다. 아울러, 상기 영구자석(125)의 반경 방향 내측 말단이 위치하는 장착 슬롯과 내측 공극 사이의 원주 방향 폭(E)도 최소 두께로 정해질 수 있다. 따라서, 상기 H, F 그리고 E는 모두 동일한 값을 가지는 것이 바람직하며, 이들 값은 로터 코어의 제작을 위해서 필요한 최소 두께 값을 가지는 것이 더욱 바람직하다.

도 10과 도 11은 도 9에 도시된 로터의 내경 연결부에서의 자속 선도와 포화도를 각각 보여주고 있다.

내경 연결부(140) 특히 반경 리브가 q축에 위치함을 알 수 있다. 그리고 반경 리브(126)의 양측에 Y자 형태의 연장 리브(127)의 말단에 지지돌기(129)가 구비됨을 알 수 있다. 상기 영구자석(125)의 반경 방향 내측 말단 양측에 각각 지지돌기가 구비되는데 양자는 서로 독립적으로 존재하여 이들 사이의 누설 자속 이동 경로가 차단됨을 알 수 있다. 그리고 반경 리브(126)보다 두께가 작은 연장 리브(127)를 통해서 자속 이동 면적을 줄임으로 하여 자기 저항을 증가시켜 누설 자속 이동 경로 대부분이 자속 포화가 발생됨을 알 수 있다. 따라서, 자속 포화 발생으로 인해 누설 자속량이 저감될 수 있음을 알 수 있다.

구체적으로, 내경 연결부(140)에서의 자속은 일측의 연장 리브(127)를 따라서 반경 방향 내측으로 이동한 후 타측의 연장 리브(127)를 따라서 반경 방향 외측으로 이동한다. 도 11에 도시된 바와 같이, 자속 경로에 대해서 매우 좁은 부분을 제외하고 전체적으로 자속 포화가 발생됨을 알 수 있다. 즉, 반경 리브(126)의 일부분을 제외하고는 자속 경로에서 전체적으로 자속이 포화됨을 알 수 있다. 따라서, 이를 통해서 누설되는 자속을 최소화할 수 있다.

이하에서는 도 12를 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 모터에 대해서 상세히 설명한다.

본 실시예에 따른 모터는 도 9에 도시된 모터와 다른 부분은 모두 동일하지만 내경 연결부의 형상 및 구조가 상이할 수 있다. 따라서 중복되는 특징에 대해서는 설명을 생략한다. 즉, 영구자석(225), 장착 슬롯(224), 외측 코어(221), 내측 코어(222), 축공(223) 등에 대해서는 전술한 실시예와 동일하거나 유사할 것이다.

본 실시예에서도 마찬가지로 내경 연결부(240)는 반경 리브(226)와 연장 리브(227)를 포함한다. 그러나 상기 연장 리브(227)는 원주 방향으로 연장되어 형성될 뿐, 전술한 실시예에 달리 원주 방향과 반경 방향으로 연장되어 형성되지 않는다. 다시 말하면, 상기 연장 리브(227)는 반경 리브(226)의 반경 방향 외측 말단에서 원주 방향 양측으로 연장된다. 즉, 상기 반경 리브(226)에 대해서 수직으로 양쪽으로 연장된다.

상기 연장 리브(227)는 상기 영구자석의 반경 방향 말단을 지지하게 된다. 즉, 영구자석의 반경 방향 말단의 일부가 아닌 전체를 지지하도록 구비될 수 있다. 따라서, 상기 연장 리브(227)는 영구자석을 장착하는 장착 슬롯(224)을 형성하게 된다. 그러므로 본 실시예에서는 중간 공극이 생략될 수 있다. 그리고 본 실시예에서의 연장 리브(227)는 전술한 실시예에서 지지돌기가 서로 이어진 형태라고 할 수 있다.

상기 연장 리브(227)의 반경 방향 폭 즉 두께는 상기 반경 리브(226)의 두께보다는 작은 것이 바람직하다. 그리고 상기 연장 리브(227)는 반경 방향과 수직 형태가 되도록 형성될 수 있다. 즉, 연장 리브와 반경 리브는 서로 수직이 되도록 위치됨이 바람직하다. 따라서, 선행기술들과 전술한 실시예에서와는 달리 자기 회로가 짧아지게 된다.

여기서, 반경 리브(226)와 연장 리브(227)은 T 형상을 갖는다. 가운데 기둥 부분은 반경 리브 그리고 상부 지붕 부분은 연장 리브라 할 수 있다. 따라서, 반경 리브는 영구자석까지 연장되지 않는다. 그리고 반경 리브는 연장 리브의 반경 방향 외측에 위치하게 된다.

도 13과 도 14는 도 12에 도시된 로터의 내경 연결부에서의 자속 선도와 포화도를 각각 보여주고 있다.

도시된 바와 같이 자기 회로의 길이가 짧아짐에도 불구하고 누설 자속 이동 경로의 대부분에서 자속 포화가 발생하게 된다. 즉, 자속은 일측의 연장 리브(227)에서 반경 리브(226)를 거쳐 타측의 연장 리브(227)로 흐르는데, 연장 리브에서 전체적으로 자속 포화가 발생된다. 그리고, 연장 리브와 연장 리브 사이의 반경 리브(226)에서도 많은 부분에서 자속 포화가 발생된다. 이는 연장 리브와 연장 리브가 우회하지 않고 직선으로 연결된 것에 기인한 것이라 할 수 있다.

본 실시예는 전술한 실시예와 비교하면 원심력에 의한 기계적 강성은 상대적으로 낮다. 그러나, 비틀림에 의한 기계적 강성은 오히려 더욱 강화될 수 있다. 왜냐하면, 비틀림 응력이 가해지는 면적은 실질적으로 반경 리브(226)의 두께 부분에 발생되기 때문이다. 따라서, 반경 리브(226)의 두께를 더욱 키울 수 있고 연장 리브의 두께를 줄일 수 있다.

전술한 실시예들에서, 연장 리브와 반경 리브 사이의 각도는 매우 중요하다. 즉, 양자의 각도는 90도 이상인 것이 바람직하다. 각도가 90도인 경우는 두 번째 실시예이며, 각도가 90도 보다 큰 경우는 첫 번째 실시예일 것이다.

또한, 반경 리브는 연장 리브보다 반경 방향 내측에 위치됨이 바람직하다. 왜냐하면 반경 리브의 적어도 일부가 반경 방향 외측에 위치하는 경우, 이 부분을 통해서 자속이 흐르게 되며, 따라서 자속 포화가 발생되지 않기 때문이다. 즉, 반경 리브 자체를 자속 경로로 배제시키거나 자속 경로에 포함되더라도 최대한 자속 포화가 발생되도록 하는 것이 바람직하기 때문이다.

한편, 도 1에 도시된 모터와 도 12에 도시된 모터의 성능을 비교하면 다음과 같다.

종래에는 역기전력이 대략 42.9 였으나, 본 실시예에서는 대략 46.32로 약 8% 증가하는 역기전력을 얻을 수 있었다. 따라서, 모터의 성능이 더욱 우수해짐을 알 수 있다.

또한, 반경 리브의 두께는 종래에는 0.8mm 였으나, 본 실시예에서는 1.2mm로 더욱 안정적인 구조를 갖게 됨을 알 수 있다.

비틀림 토크를 3.5Nm로 하중을 작용시켰을 때, 종래에는 최대 응력이 17.4Mpa로 안전율이 15.9 였으나, 본 실시예에서는 최대 응력이 4.8Mpa로 안전율이 57.9임을 알 수 있다.

결과적으로 다른 조건들은 동등하나 내경 연결부의 구조, 형상 그리고 위치를 변경함으로써 성능을 향상시킬 수 있고 구조적인 안정성을 높일 수 있는 모터가 제공될 수 있게 된다.

110 : 스테이터 120, 220 : 로터
121, 221 : 외측 로터 코어 122, 222 : 내측 로터 코어
124, 224 : 장착 슬롯 125, 225 : 영구자석
126, 226 : 반경 리브 127, 227 : 연장 리브
140, 240 : 내경 연결부

Claims

스테이터; 및
복수 개의 영구자석이 원주 방향을 따라 구비되는 외측 로터 코어, 상기 외측 로터 코어의 반경 방향 내측에 구비되고 축공을 갖는 내측 로터 코어, 및 상기 복수 개의 영구자석 각각의 원주 방향 중심 방향(q축 방향)에 구비되어 상기 외측 로터 코어와 내측 로터 코어를 연결하는 내경 연결부를 포함하는 로터를 포함하고,
상기 내경 연결부는,
상기 내측 로터 코어에서 반경 방향 외측으로 연장되는 반경 리브; 및
상기 반경 리브의 반경 방향 외측 말단에서 원주 방향 양측으로 연장되며, 상기 반경 리브와의 각도가 90도 이상으로 연장되는 연장 리브;를 포함하고,
상기 연장 리브는 상기 반경 리브의 반경 방향 외측 말단에서 양쪽으로 연장되어 상기 내경 연결부가 Y형상을 갖도록 형성되며,
상기 연장 리브의 반경 방향 외측 말단에는 상기 영구자석을 지지하기 위한 지지돌기가 형성되되,
상기 지지돌기는 상기 영구자석의 반경 방향 내측 말단의 양측에 각각 독립적으로 구비되며, 상기 영구자석의 반경 방향 내측면, 상기 지지돌기 그리고 상기 연장 리브 사이에는 중간 공극이 형성됨을 특징으로 하는 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 반경 리브는 상기 연장 리브에 비해서 반경 방향 내측에 위치됨을 특징으로 하는 모터.
제 2 항에 있어서,
상기 반경 리브의 전체가 상기 연장 리브의 전체에 비해서 반경 방향 내측에 위치되며, 반경 방향을 따라 상기 외측 로터 코어, 상기 연장 리브, 상기 반경 리브 그리고 내측 로터 코어가 순차적으로 위치됨을 특징으로 하는 모터.
제 3 항에 있어서,
상기 외측 로터 코어, 상기 연장 리브, 상기 반경 리브 그리고 상기 내측 로터 코어는 단일 재질로 일체로 형성됨을 특징으로 하는 모터.
제 4 항에 있어서,
상기 반경 리브의 두께는 상기 연장 리브의 두께보다 큰 것을 특징으로 하는 모터.
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제 1 항에 있어서, 상기 반경 리브는,
반경 방향의 양측에 라운드 또는 챔퍼가 형성되어 반경 방향 내측으로 갈수록 두께가 증가하는 것을 특징으로 하는 모터.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 내경 연결부와 내경 연결부 사이에는 연결부 공극이 형성되며, 상기 연결부 공극의 반경 방향 내측의 양쪽에는 상기 반경 리브의 라운드 또는 챔퍼와 대응되는 형상으로 라운드 또는 챔퍼가 형성되는 것을 특징으로 하는 모터.
제 10 항에 있어서,
상기 외측 로터 코어에는 상기 영구자석이 장착되는 장착 슬롯이 형성됨을 특징으로 하는 모터.
제 11 항에 있어서,
상기 지지돌기의 폭, 상기 연장 리브의 두께 그리고 상기 영구자석의 반경 방향 내측 말단이 위치하는 상기 장착 슬롯과 상기 연결부 공극 사이의 원주 방향 폭은 서로 동일한 것을 특징으로 하는 모터.
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