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KR20210043079A - 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터 - Google Patents

비대칭 회전자 코어를 갖는 모터 Download PDF

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KR20210043079A
KR20210043079A KR1020190125793A KR20190125793A KR20210043079A KR 20210043079 A KR20210043079 A KR 20210043079A KR 1020190125793 A KR1020190125793 A KR 1020190125793A KR 20190125793 A KR20190125793 A KR 20190125793A KR 20210043079 A KR20210043079 A KR 20210043079A
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rotor core
permanent magnet
motor
asymmetric
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양홍석
도상화
김지연
김경범
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현대자동차주식회사
기아 주식회사
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Abstract

본 발명은 회전자 코어의 영구자석을 매입시키기 위한 제1슬롯과 제2슬롯을 비대칭으로 형성하여 제1영구자석과 제2영구자석이 서로 다른 매입 각도로 배열되도록 하고, 제1슬롯과 제2슬롯 사이에 소정의 각도로 기울어진 격벽을 형성하며, 회전자 코어의 내경부에 응력 저감홈을 형성함으로써, 모터의 고출력 및 고효율화 추세에 따라 보다 효과적으로 모터의 구동 효율을 향상시키는 동시에 NVH 성능을 개선시킬 수 있도록 한 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터를 제공하고자 한 것이다.

Description

비대칭 회전자 코어를 갖는 모터{MOTOR HAVING ASYMMETRY ROTOR CORE}
본 발명은 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터의 구동 효율을 향상시키는 동시에 NVH 성능을 개선시킬 수 있도록 한 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터에 관한 것이다.
일반적으로 하이브리드 자동차 및 전기 자동차 등과 같은 친환경 차량을 위한 구동모터로서 고출력 및 고효율 화의 추세에 맞추어 영구자석이 회전자의 내부에 매입된 형태인 매입형 영구자석 동기모터(IPMSM : Interior Permanent Magnet Synchronous Motor)가 주로 사용되고 있다.
첨부한 도 1은 종래의 I-타입 회전자를 갖는 매입형 영구자석 동기모터를 도시한 일부 확대 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 매입형 영구자석 동기모터는 고정자(10)와, 이 고정자(10)와 일정 공극을 두고 배치되는 회전자(20)와, 이 회전자(30) 내에 설치되는 다수 개의 영구자석(30)을 포함한다.
상기 고정자(10)는 다수 매의 강판들이 적층된 고정자 코어(11)와, 이 고정자 코어(11)에 권선되는 고정자 코일(12)로 구성되고, 상기 회전자(20)는 다수 매의 강판들이 적층된 회전자 코어(21)를 포함하여 구성된다.
상기 회전자 코어(21)는 모터의 샤프트(40)의 외주면에 고정된다.
특히, 상기 회전자 코어(21)에는 원주방향을 따라 다수의 슬롯(23)이 형성되고, 각각의 슬롯(23) 내에 상기 영구자석(30)이 삽입 설치된다.
이때, 상기 회전자 코어(21)의 서로 인접하는 슬롯(23)은 서로 대칭 구조로 형성되고, 그에 따라 서로 인접하는 영구자석(30)도 서로 대칭 배열을 이루게 된다.
이러한 종래의 매입형 영구자석 동기모터에 있어서, 모터 효율과 함께 중요하게 생각해야 할 부분은 소음(Noise), 진동(Vibration), 불쾌감(Harshness)에 대한 NVH 성능이며, 그 이유는 모터의 소음이 심하면 운전자의 귀에 거슬릴 수 있어 상품성이 크게 떨어질 수 있기 때문이다.
그러나, 모터 효율과 NVH 개선은 일반적으로 트레이드 오프 관계에 있기 때문에, 이 두 가지 특성을 동시에 개선하는데 어려움이 있다.
상기 모터 효율을 증대하기 위해서는 전기강판과 영구자석의 재질 변경, 점적률(슬롯 면적 당 코일 면적) 향상, 기계손 최소화를 위한 베어링 개선 등의 방법이 적용되고 있으나, 이러한 방식은 제작 비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.
반면, 상기 NVH 를 개선하기 위한 방법으로는 극/슬롯 수 증대, 고정자/회전자 코어 스큐(회전 적층)를 적용하는 방식 등이 있으나, 이 경우 제작 비용이 증가함은 물론 모터 효율 저하를 동반하는 문제점이 있다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본원 출원인은 회전자 코어의 영구자석 매입 구조 등과 같은 일부 형상 변경만으로 효과적으로 모터의 효율을 향상시키는 동시에 NVH 성능을 개선시킬 수 있는 매입형 영구자석 동기모터 및 이에 포함되는 회전자를 이미 특허 출원(10-2018-0171114(2018.12.27))한 바 있다.
하지만, 모터의 고출력 및 고효율화 추세에 따라 보다 효과적으로 모터의 효율을 높이는 동시에 NVH를 저감하는 방안이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 회전자 코어의 영구자석을 매입시키기 위한 슬롯 및 립 구조 등을 변경하여, 모터의 고출력 및 고효율화 추세에 따라 보다 효과적으로 모터의 구동 효율을 향상시키는 동시에 NVH 성능을 개선시킬 수 있도록 한 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은: 서로 비대칭 배열을 이루는 제1슬롯과 제2슬롯을 포함하는 슬롯 유닛이 원주방향을 따라 연속적으로 형성된 회전자 코어; 상기 제1슬롯과 제2슬롯에 각각 서로 다른 매입각도를 이루며 삽입 설치되는 제1영구자석 및 제2영구자석; 및 링 형상의 요크와, 고정자 코일이 권취되도록 요크로부터 내측으로 연장되는 복수의 치로 구성되어 상기 회전자 코어의 외경부에 이격 배열되는 고정자 코어; 를 포함하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터에 있어서,
상기 회전자 코어의 회전 방향을 기준으로 상기 제1슬롯에 삽입 설치되는 제1영구자석의 매입각도(θ1)가 상기 제2슬롯에 삽입 설치되는 제2영구자석의 매입각도(θ2)에 비하여 더 크게 형성되고, 상기 제1슬롯과 제2슬롯 사이에는 일면에 제2영구자석의 내측면이 밀착되는 동시에 타면에 제1영구자석의 내측면 일부분이 지지되도록 소정의 각도로 기울어진 일정한 두께의 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터를 제공한다.
바람직하게는, 상기 제1슬롯의 내측 벽면 상단부에는 상기 제1영구자석의 내측면의 바깥쪽 모서리 부분이 지지되도록 한 제1지지편이 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1슬롯의 외측 벽면 하단부에는 상기 제1영구자석의 외측면의 안쪽 모서리 부분이 지지되도록 한 제2지지편이 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제2슬롯의 외측 벽면 하단부에는 상기 제2영구자석의 외측면의 안쪽 모서리 부분이 지지되도록 한 제3지지편이 돌출 형성된 것을 특징으로 한다.
특히, 상기 회전자 코어의 내경에서 상기 격벽으로부터 제1슬롯쪽으로 치우친 위치에는 응력 저감홈이 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 응력 저감홈은 회전자 코어의 외경부를 향하여 오목한 원호형 단면을 갖도록 형성된 것임을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1슬롯의 안쪽면에서 제1영구자석의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점까지의 거리는 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점으로부터 상기 회전자 코어의 내경 연장선과 응력 저감홈의 센터가 지나는 선의 교점 위치까지의 거리에 비하여 더 크게 형성된 것을 특징으로 한다.
더욱 바람직하게는, 상기 제1슬롯의 안쪽면에서 제1영구자석의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점까지의 거리는 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점으로부터 상기 회전자 코어의 내경 연장선과 응력 저감홈의 센터가 지나는 선의 교점 위치까지의 거리에 비하여 2배 더 크게 형성된 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1슬롯의 안쪽면에서 제1영구자석의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점까지의 거리는 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점으로부터 응력 저감홈의 센터까지의 거리는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1영구자석의 매입각도(θ1)와 상기 제2영구자석의 매입각도(θ2)는 5도에서 10도 범위에서 선택되되, 상기 제1영구자석의 매입각도(θ1)가 상기 제2영구자석의 매입각도(θ2)에 비하여 더 큰 각도로 선택되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 회전자 코어의 제1슬롯이 형성된 외경 위치와 제2슬롯이 형성된 외경 위치에 각각 폭과 각도 중 하나가 서로 다른 비대칭의 제1노치와 제2노치가 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 고정자 코어의 각 치의 단부에서 회전자 코어와 마주보는 위치에 폭과 각도 중 하나가 서로 다른 비대칭의 제3노치와 제4노치가 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 과제 해결 수단을 통하여 본 발명은 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 회전자 코어의 제1슬롯과 제2슬롯 사이에 소정의 각도로 기울어진 일정한 두께의 격벽이 형성하여, 격벽의 일면에 제2영구자석의 내측면이 밀착되는 동시에 타면에 제1영구자석의 내측면의 바깥쪽 모서리 부분이 지지되도록 함으로써, 자속 누설을 최소화하는 동시에 제2영구자석이 매입된 제2슬롯에 집중되는 응력을 분산시켜 저감시킬 수 있고, 그에 따라 비대칭 회전자 코어의 강도를 안전율 최소 기준 이상으로 만족시킬 수 있다.
둘째, 회전자 코어의 내경에서 격벽으로부터 제1슬롯쪽으로 치우친 위치에 응력 저감홈을 형성함으로써, 제1영구자석이 매입된 제1슬롯에 집중되는 응력을 저감시킬 수 있고, 그에 따라 비대칭 회전자 코어의 강도를 안전율 최소 기준 이상으로 만족시킬 수 있다.
셋째, 고정자 코어의 치의 단부 위치와 회전자 코어의 슬롯 유닛 외경 위치에 각각 서로 비대칭을 이루는 한 쌍의 노치를 형성하여, 모터 토크 발생 시 릴럭턴스 토크 활용은 극대화하면서 자속 집중 포화영역을 분산시켜 토크 리플을 저감시킬 수 있다.
넷째, 회전자 코어의 제1슬롯에 삽입 설치되는 제1영구자석의 매입각도를 제2슬롯에 삽입 설치되는 제2영구자석의 매입각도에 비하여 더 크게 형성함으로써, 기존의 I-타입 회전자에 비하여 모터 효율을 향상시킬 수 있고, 토크 리플을 저감시켜 NVH 특성을 효과적으로 개선할 수 있다.
도 1은 종래의 I-타입 회전자를 갖는 매입형 영구자석 동기모터를 도시한 일부 확대 단면도,
도 2는 종래의 비대칭 회전자 코어를 갖는 매입형 영구자석 동기모터를 도시한 일부 확대 단면도,
도 3은 본 발명에 따른 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터를 도시한 단면도,
도 4는 도 3에 도시된 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터의 주요부(X)를 확대 도시한 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 비대칭 회전자 코어의 격벽으로 자속이 누설되는 방향을 나타낸 요부 확대 단면도,
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 비대칭 회전자 코어에 응력 저감홈이 형성되는 위치 및 그 구조를 설명하기 위한 요부 확대 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.
첨부한 도 3은 본 발명에 따른 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터를 도시한 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터의 주요부(X)를 확대 도시한 단면도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 구현예에 따른 매입형 영구자석 동기모터는 고정자(10)와, 고정자(10)의 내경부에 일정 공극을 두고 배치되는 회전자(20)와, 회전자 코어(21) 내에 설치되는 다수 개의 영구자석(30)을 포함한다.
상기 고정자(10)는 다수 매로 적층되는 고정자 코어(11)를 포함하고, 상기 회전자(20)는 다수 매로 적층되는 회전자 코어(21)를 포함한다.
참고로, 상기 회전자 코어(21)의 내경부는 모터의 샤프트(40) 외주면에 고정된다.
상기 회전자 코어(21)는 서로 비대칭 배열을 이루는 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-1)을 포함하는 다수의 슬롯 유닛(22)이 원주방향을 따라 연속적으로 형성된 구조로 구비된다.
바람직하게는, 상기 다수의 슬롯 유닛(22)은 회전자 코어(21)의 원주방향을 따라 서로 교대로 형성되는 N극용 슬롯 유닛(22)과 S극용 슬롯 유닛(22)을 포함한다.
이에, 상기 N극용 슬롯 유닛(22)을 구성하는 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-2)에는 각각 N극의 단일 자기극을 형성하도록 동일 극성의 제1 및 제2영구자석(31,32)이 삽입 설치되고, 반면 S극용 슬롯 유닛(22)을 구성하는 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-2)에는 S극의 단일 자기극을 형성하도록 동일 극성의 제1 및 제2영구자석(31,32)이 삽입 설치된다.
특히, 상기 회전자 코어(21)의 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-2)은 제1슬롯(22-1)에 삽입 설치되는 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)와 제2슬롯(22-2)에 삽입 설치되는 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)가 서로 다르게 형성되도록 서로 비대칭의 기울기로 형성된다.
바람직하게는, 상기 제1슬롯(22-1)에 삽입 설치되는 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)가 상기 제2슬롯(22-2)에 삽입 설치되는 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)에 비하여 더 크게 형성되도록 상기 제1슬롯(22-1)의 기울기가 상기 제2슬롯(22-2)의 기울기보다 더 크게 형성된다.
여기서, 상기 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)와 상기 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)는 제1영구자석(31)과 제2영구자석(32)이 각각 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-2) 내에 삽입 설치되었을 때의 매입 각도를 의미한다.
예를 들어, 도 4의 도시된 방위를 기준으로 볼 때, 상기 제1슬롯(22-1)의 최상단 지점(최외곽 지점)과 상기 제2슬롯(22-2)의 최상단 지점(최외곽 지점)을 직선의 가성선으로 연결한 상태에서, 상기 가상선과 제1슬롯(22-1)의 상면 간의 각도(θ1)가 상기 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)로 설정될 수 있고, 상기 가상선과 제2슬롯(22-2)의 상면 간의 각도(θ2)가 상기 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)로 설정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)와 상기 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)를 5도에서 10도 범위에서 설정하되, 상기 회전자 코어(21)의 회전 방향을 기준으로 상기 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)가 상기 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)에 비하여 더 큰 각도로 설정되도록 한다.
예를 들어, 상기 회전자 코어(21)의 회전 방향을 기준으로 상기 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)는 10도로 설정되고, 상기 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)는 7.5도로 설정될 수 있다.
또는, 상기 회전자 코어(10)의 회전 방향을 기준으로 상기 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)는 7도로 설정되고, 상기 제2영구자석(32)의 매입각도(θ2)는 5도로 설정될 수 있다.
이때, 상기 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-2) 사이에는 소정의 각도로 기울어진 일정한 두께의 격벽(24)이 형성된다.
바람직하게는, 상기 격벽(24)은 그 일면에 제2슬롯(22-2)에 매입된 제2영구자석(32)의 내측면이 밀착되는 동시에 타면에 제1슬롯(22-1)에 매입된 제1영구자석(31)의 내측면의 바깥쪽 모서리 부분이 지지되도록 한 각도로 배열된다.
더욱 바람직하게는, N극의 영구자석과 S극의 영구자석 간에 자속이 형성될 때, 도 5에서 보듯이 회전자 코어(21)의 격벽(24)을 통하여 자속 누설 현상이 발생될 소지가 있으므로, 상기 격벽(24)의 두께를 일정하게 형성하는 동시에 자속 누설을 최소화할 수 있는 두께(예를 들어, 0.7mm)로 형성하는 것이 유리하다.
이와 같이, 상기 회전자 코어(21)의 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-1) 사이에 소정의 각도로 기울어진 일정한 두께의 격벽(24)이 형성하여, 격벽(24)의 일면에 제2영구자석(32)의 내측면이 밀착되도록 함으로써, 자속 누설을 최소화시킬 수 있고, 특히 제2영구자석(32)이 매입된 제2슬롯(22-2)에 집중되는 응력을 격벽(24)과 제2영구자석(32) 간의 상호 밀착된 부분에서 분산시켜 저감시킬 수 있고, 그에 따라 비대칭 회전자 코어의 강도를 안전율 최소 기준 이상으로 만족시킬 수 있다.
한편, 상기 격벽(24)의 일면에 제2영구자석(32)의 내측면이 밀착되고, 그 타면에 제1영구자석(31)의 제1영구자석(31)의 내측면의 바깥쪽 모서리 부분이 지지되는 상태를 보장하기 위하여, 그리고 상기 제1슬롯(22-1) 내에 삽입 설치되는 제1영구자석(31) 및 상기 제2슬롯(22-2) 내에 삽입 설치되는 제2영구자석(32)의 고정 상태를 보장하기 위하여, 상기 제1슬롯(22-1)에는 제1지지편(25-1)과 제2지지편(25-2)이 형성되고, 상기 제2슬롯(22-2)에는 제3지지편(25-3)이 형성된다.
상기 제1지지편(25-1)은 제1슬롯(22-1)의 내측 벽면(도 4 기준 우측면) 상단부에 일체로 돌출 형성되어 상기 제1영구자석(31)의 내측면의 바깥쪽 모서리 부분을 지지하게 되고, 이와 함께 상기 제2지지편(25-2)은 제1슬롯(22-1)의 외측 벽면(도 4 기준 좌측면) 하단부에 일체로 돌출 형성되어 상기 제1영구자석(31)의 외측면의 안쪽 모서리 부분을 지지하게 됨으로써, 상기 제1슬롯(22-1) 내에 삽입 설치된 제1영구자석(31)이 흔들리지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다.
또한, 상기 제3지지편(25-3)은 제2슬롯(22-2)의 외측 벽면(도 4 기준 우측면) 하단부에 일체로 돌출 형성되어 상기 제2영구자석(32)의 외측면의 안쪽 모서리 부분을 지지하게 됨으로써, 상기 제2슬롯(22-2) 내에 삽입 설치된 제2영구자석(32)의 내측면이 상기 격벽(24)의 일면에 밀착되는 동시에 흔들리지 않고 고정된 상태로 유지될 수 있다.
한편, 상기 제2영구자석(32)이 매입된 제2슬롯(22-2)에 집중되는 응력은 상기 격벽(24)과 제2영구자석(32) 간의 상호 밀착된 부분에서 분산시켜 저감시킬 수 있지만, 상기 제1영구자석(31)의 내측면(도 6 기준 우측면)은 제1영구자석(31)의 매입각도(θ1)로 인하여 격벽(24)의 타면과 이격된 상태가 되어, 결국 도 6에서 보듯이 제1슬롯(22-1)의 내측 벽면(도 6 기준 우측면) 하단끝부 및 제1영구자석(31)의 내측면의 안쪽 모서리 부분으로 응력이 집중될 수 있다.
이에, 상기 제1슬롯(22-1)의 내측 벽면(도 6 기준 우측면) 하단끝부 및 제1영구자석(31)의 내측면의 안쪽 모서리 부분으로 집중되는 응력을 저감시켜야만 비대칭 회전자 코어의 강도를 안전율 최소 기준 이상으로 만족시킬 수 있다.
이를 위해, 도 6 및 도 7에서 보듯이 상기 회전자 코어(21)의 내경에서 상기 격벽(24)으로부터 제1슬롯(22-1) 쪽으로 치우친 위치에는 응력 저감홈(26)이 형성된다.
다시 말해서, 상기 제1슬롯(22-1)의 내측 벽면(도 6 기준 우측면) 하단끝부 및 제1영구자석(31)의 내측면의 안쪽 모서리 부분, 즉 응력이 집중되는 부분과 상하로 일치하는 회전자 코어(21)의 내경 위치에는 회전자 코어(21)의 외경부를 향하여 오목한 원호형 단면을 갖는 응력 저감홈(26)이 형성된다.
예를 들어, 도 7에서 보듯이 상기 회전자 코어(21)의 외경부에서 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-1)을 포함하는 슬롯 유닛(22) 사이에는 V자형 홈(27)이 형성되는 바, 한쪽 V자형 홈(27)으로부터 시계방향으로 약 10.7도 위치이면서 다른 한쪽 V자형 홈(27)으로부터 시계반대방향으로 약 11.8도 위치인 회전자 코어(21)의 내경에 상기 응력 저감홈(26)이 형성될 수 있다.
특히, 상기 응력 저감홈(26)은 자속의 흐름에 영향을 미치지 않는 위치 및 사이즈로 설정해야 한다.
이를 위해, 상기 제1슬롯(22-1)의 안쪽면에서 제1영구자석(31)의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈(26)의 최대 깊이 지점까지의 거리(①)는 상기 응력 저감홈(26)의 최대 깊이 지점으로부터 상기 회전자 코어(21)의 내경 연장선과 응력 저감홈(26)의 센터가 지나는 선의 교점 위치까지의 거리(③)에 비하여 더 크게 형성되도록 한다.
바람직하게는, 도 6에서 보듯이 상기 제1슬롯(22-1)의 안쪽면에서 제1영구자석(31)의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈(26)의 최대 깊이 지점까지의 거리(①)는 상기 응력 저감홈(26)의 최대 깊이 지점으로부터 상기 회전자 코어(21)의 내경 연장선과 응력 저감홈(26)의 센터가 지나는 선의 교점 위치까지의 거리(③)에 비하여 2배 더 크게 형성되도록 한다.
이때, 상기 제1슬롯(22-1)의 안쪽면에서 제1영구자석(31)의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈(26)의 최대 깊이 지점까지의 거리(①)는 상기 응력 저감홈(26)의 최대 깊이 지점으로부터 응력 저감홈(26)의 센터까지의 거리(②)는 동일하게 형성된다.
예를 들어, 도 7에서 보듯이 상기 응력 저감홈(26)의 직경을 φ 6.2로 정한 경우, 상기 회전자 코어(21)의 내경 연장선과 상기 응력 저감홈(26)의 센터 간의 거리를 1.8mm로 설정하여, 응력 저감홈(26)이 반원 보다 작은 원호를 갖도록 한다.
이와 같이, 상기 제1슬롯(22-1)의 내측 벽면(도 6 기준 우측면) 하단끝부 및 제1영구자석(31)의 내측면의 안쪽 모서리 부분, 즉 응력이 집중되는 부분과 상하로 일치하는 회전자 코어(21)의 내경 위치에는 응력 저감홈(26)을 형성함으로써, 제1영구자석(31)이 매입된 제1슬롯(22-1)에 집중되는 응력을 저감시킬 수 있고, 그에 따라 비대칭 회전자 코어의 강도를 안전율 최소 기준 이상으로 만족시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 응력 저감홈(26)의 형성 위치 및 사이즈를 상기와 같이 자속의 흐름에 영향을 미치지 않는 범위로 설정함으로써, 모터 성능 저하를 방지할 수 있다.
한편, 상기 고정자(10)는 다수 매가 적층되어 회전자 코어(21)의 외경부에 이격 배열되는 고정자 코어(11)와 이 고정자 코어(11)에 권선되는 고정자 코일(12)로 구성되고, 상기 고정자 코어(11)는 링 형상의 요크(11-1)와 고정자 코일(12)이 권취되도록 요크(11-1)로부터 내측으로 연장되는 복수의 치(11-2)로 구분된다.
이때, 상기 고정자 코어(11)의 각 치(11-2)의 단부에서 회전자 코어(21)와 마주보는 위치에 폭과 각도 중 하나가 서로 다른 비대칭의 제3노치(11-3)와 제4노치(11-4)가 형성된다.
또한, 상기 회전자 코어(21)의 제1슬롯(22-1)이 형성된 외경 위치와 제2슬롯(22-2)이 형성된 외경 위치에 각각 폭과 각도 중 하나가 서로 다른 비대칭의 제1노치(21-1)와 제2노치(21-2)가 형성된다.
이렇게 상기 고정자 코어(11)의 각 치(11-2)에 비대칭의 제3노치(11-3)와 제4노치(11-4)를 형성하고, 상기 회전자 코어(21)에도 비대칭의 제1노치(21-1)와 제2노치(21-2)를 형성하는 이유는 모터의 토크 리플 및 코깅토크 저감을 유도하기 위함에 있다.
실험예
비교예 1(종래)로서, 도 1을 참조로 전술한 I-타입 회전자를 갖는 매입형 영구자석 동기모터를 채택하였다.
비교예 2(종래)로서, 도 2에 도시된 바와 같이 비대칭의 제1슬롯(22-1)과 제2슬롯(22-2)을 갖는 회전자 코어(21)가 적용되고, 상기 제1영구자석(31)의 매입각도가 10도로 설정됨과 함께 제2영구자석(32)의 매입각도가 7.7도로 설정되며, 격벽(24)이 수직 기립된 형상으로 형성된 매입형 영구자석 동기모터를 채택하였다.
실시예(본 발명)로서, 상기와 같이 도 3 내지 도 7을 참조로 설명된 본 발명의 매입형 영구자석 동기모터를 채택하였다.
이와 같이 채택된 비교예 1(종래) 및 비교예 2(종래), 그리고 실시예(본 발명)에 따른 매입형 영구자석 동기모터에 대하여 최대 응력(안전율), 모터 효율(%), NVH 성능을 판단하기 위하여 토크 리플 및 코팅 토크를 통상의 방법에 의하여 측정하였는 바, 그 결과는 아래의 표 1에 기재된 바와 같다.
Figure pat00001
위의 표 1에서 보듯이, 비교예 2의 경우 제1영구자석의 매입각도가 제2영구자석의 매입각도에 비하여 더 큰 비대칭 배열을 갖지만, 최대응력(안전율)이 기준치인 1.2 미만인 0.77로 측정되어 비대칭 회전자 코어의 강도가 기준치 미만으로 떨어지는 단점이 있음을 알 수 있었다.
반면, 본 발명의 경우에는 최대응력(안전율)이 기준치인 1.2 보다 큰 1.36으로 측정되어 비대칭 회전자 코어의 강도가 기준치 이상으로 충족됨을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 경우 모터 효율이 비교예 1의 효율 기준으로 +0.07% 향상됨을 알 수 있었다.
또한, 본 발명의 경우 NVH 성능을 판단하기 위한 토크 리플이 비교예 1 및 2에 비하여 감소함을 알 수 있었고, 코팅 토크가 비교예 1에 비하여 감소함을 알 수 있었으며, 이는 상기와 같이 고정자 코어(11)의 각 치(11-2)에 비대칭의 제3노치(11-3)와 제4노치(11-4)를 형성하고, 상기 회전자 코어(21)에도 비대칭의 제1노치(21-1)와 제2노치(21-2)를 형성함에 따른 결과로 확인되었다.
이상에서 본 발명을 하나의 바람직한 실시예로서 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 요소들에 대한 수정 및 변경의 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명의 필수적인 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 특별한 상황들이나 재료에 대하여 많은 변경이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 상기한 하나의 실시예에 대한 상세한 설명으로 제한되지 않고, 첨부된 특허청구범위 내에서 모든 실시예들이 포함된다 할 것이다.
10 : 고정자 11 : 고정자 코어
11-1 : 요크 11-2 : 치
11-3 : 제3노치 11-4 : 제4노치
12 : 고정자 코일 20 : 회전자
21 : 회전자 코어 21-1 : 제1노치
21-2 : 제2노치 22 : 슬롯 유닛
22-1 : 제1슬롯 22-2 : 제2슬롯
23 : 슬롯 24 : 격벽
25-1 : 제1지지편 25-2 : 제2지지편
25-3 : 제3지지편 26 : 응력 저감홈
27 : V자형 홈 30 : 영구자석
31 : 제1영구자석 32 : 제2영구자석
40 : 샤프트

Claims (12)

  1. 서로 비대칭 배열을 이루는 제1슬롯과 제2슬롯을 포함하는 슬롯 유닛이 원주방향을 따라 연속적으로 형성된 회전자 코어; 상기 제1슬롯과 제2슬롯에 각각 서로 다른 매입각도를 이루며 삽입 설치되는 제1영구자석 및 제2영구자석; 및 링 형상의 요크와, 고정자 코일이 권취되도록 요크로부터 내측으로 연장되는 복수의 치로 구성되어 상기 회전자 코어의 외경부에 이격 배열되는 고정자 코어; 를 포함하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터에 있어서,
    상기 회전자 코어의 회전 방향을 기준으로 상기 제1슬롯에 삽입 설치되는 제1영구자석의 매입각도(θ1)가 상기 제2슬롯에 삽입 설치되는 제2영구자석의 매입각도(θ2)에 비하여 더 크게 형성되고,
    상기 제1슬롯과 제2슬롯 사이에는 일면에 제2영구자석의 내측면이 밀착되는 동시에 타면에 제1영구자석의 내측면 일부분이 지지되도록 소정의 각도로 기울어진 일정한 두께의 격벽이 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1슬롯의 내측 벽면 상단부에는 상기 제1영구자석의 내측면의 바깥쪽 모서리 부분이 지지되도록 한 제1지지편이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1슬롯의 외측 벽면 하단부에는 상기 제1영구자석의 외측면의 안쪽 모서리 부분이 지지되도록 한 제2지지편이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2슬롯의 외측 벽면 하단부에는 상기 제2영구자석의 외측면의 안쪽 모서리 부분이 지지되도록 한 제3지지편이 돌출 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자 코어의 내경에서 상기 격벽으로부터 제1슬롯쪽으로 치우친 위치에는 응력 저감홈이 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 응력 저감홈은 회전자 코어의 외경부를 향하여 오목한 원호형 단면을 갖도록 형성된 것임을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1슬롯의 안쪽면에서 제1영구자석의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점까지의 거리는 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점으로부터 상기 회전자 코어의 내경 연장선과 응력 저감홈의 센터가 지나는 선의 교점 위치까지의 거리에 비하여 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1슬롯의 안쪽면에서 제1영구자석의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점까지의 거리는 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점으로부터 상기 회전자 코어의 내경 연장선과 응력 저감홈의 센터가 지나는 선의 교점 위치까지의 거리에 비하여 2배 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  9. 청구항 5에 있어서,
    상기 제1슬롯의 안쪽면에서 제1영구자석의 내측면의 안쪽 모서리가 닿는 위치로부터 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점까지의 거리는 상기 응력 저감홈의 최대 깊이 지점으로부터 응력 저감홈의 센터까지의 거리는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1영구자석의 매입각도(θ1)와 상기 제2영구자석의 매입각도(θ2)는 5도에서 10도 범위에서 선택되되, 상기 제1영구자석의 매입각도(θ1)가 상기 제2영구자석의 매입각도(θ2)에 비하여 더 큰 각도로 선택되는 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자 코어의 제1슬롯이 형성된 외경 위치와 제2슬롯이 형성된 외경 위치에 각각 폭과 각도 중 하나가 서로 다른 비대칭의 제1노치와 제2노치가 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정자 코어의 각 치의 단부에서 회전자 코어와 마주보는 위치에 폭과 각도 중 하나가 서로 다른 비대칭의 제3노치와 제4노치가 형성된 것을 특징으로 하는 비대칭 회전자 코어를 갖는 모터.
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