KR100876173B1 - 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용회전자 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법에 관한 것으로, 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법에 있어서; 상기 회전자는 자속장벽이 있는 N극과 S극 2극으로 이루어지며, 상기 2극 회전자의 자속 주경로 방향이 방향성 전기강판의 압연방향과 일치되게 하고, 방향성 전기강판의 압연직각방향과 자속장벽의 중심 방향이 일치되게 형성하여서 된 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법을 제공한다.

이에 따라, 본 발명은 일방향 고투자율의 방향성 전기강판을 사용하여 자기저항 차이로 동작되는 릴럭턴스형 모터의 회전자를 제조함으로써 돌극비의 극대화 및 토크 특성향상을 달성하고, 이를 통해 모터의 고효율화, 고출력화, 소형경량화를 가능케 하여 준다.

방향성 전기강판, 회전자, 돌극비, 토크, 자기이방특성

Description

방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법{METHOD FOR MANUFACTURING RELUCTANCE MOTOR ROTOR USING MAGNETIC ANISOTROPIC OF ORIENTED ELECTRICAL STEEL SHEET}

도 1은 전자기 토크를 이용한 일반적인 영구자석 모터의 구조를 보인 개념도,

도 2는 4극을 가지는 릴럭턴스 모터의 구조를 보인 개념도,

도 3은 도 2의 요부 확대도,

도 4는 본 발명에 따라 2극으로 설계된 회전자의 형상 및 그 자속을 보인 예시적인 모식도,

도 5는 본 발명에 따른 회전자의 제조과정을 보인 예시도,

도 6은 본 발명에 따른 회전자의 적층상태를 보인 예시적인 사시도.

♧ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♧

100....N극 110....S극

200....자속 300....루프

본 발명은 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 소재의 자기이방특성을 이용하여 돌극비를 극대화시켜 토크 특성을 향상시킬 수 있도록 한 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 모터는 전원을 공급하는 도체와 도체를 취부할 수 있는 기구에 마련된 철심으로 구성되고, 각 구성요소는 전기에너지와 자기에너지를 전달하는 경로 역할을 하게 된다.

이때, 기구에서 자기회로를 구성하는 자성재료는 모터의 성능을 좌우하게 되며, 이러한 자성재료중 전기강판은 모터의 철손을 최소화할 수 있는 중요한 기능재료로서 대부분의 모터에서 채택되고 있다.

특히, 산업시스템이 다양화되고 에너지 절감에 대한 요구가 높아짐에 따라 각종 전력변환기들은 고출력, 고효율, 고성능화되어 가는 추세에 있으며, 이에 의해 발생되는 발열과 손실은 효율 저하 뿐만 아니라 설계자유도까지 저해하는 요소로 작용하고 있어 최근 3.0~2.0W/kg의 저철손 고급 무방향성 전기강판이 사용되고 있다.

이러한 전기강판을 사용하는 모터들의 토크 발생 원리는 크게 전자기 토크(Magnetic Torque)를 이용하는 방법과, 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque)를 이용하는 방법이 있으며, 근자에는 이들을 병합한 하이브리드 형태가 개발되고 있다.

예컨대, 전자기 토크를 이용하는 모터로는 영구자석형 브러시레스 모터, 유도모터, DC 모터 등이 있고, 릴럭턴스 토크를 이용하는 모터로는 동기형 릴럭턴스 모터, 스위치드 릴럭턴스 모터 등이 있다.

여기에서, 전자기 토크를 이용하는 모터의 경우에는 도 1의 예시와 같이, 고정자(1)는 치(2)와 슬롯(3) 구조로 이루어지며, 주로 전기강판 철심 낱장을 적층하여 사용되고; 회전자는 영구자석(4)과 회전축(5)으로 구성되며, 회전가능하도록 회전축(5) 양단이 베어링 고정되는 형태로 마련된다.

그리하여, 고정자 코일에 전류가 흐르게 되면 생성되는 자극과 영구자석(4)의 N,S극과의 상호작용에 의한 전자기력으로 소정의 구동토크를 발생시키는 형태이다.

아울러, 릴럭턴스 토크를 이용하는 모터의 경우에는 도 2,3의 예시와 같이, 코일을 취부할 수 있는 고정자와 적층양태는 도 1의 예시와 같으나, 회전자가 립(9)에 형성된 자속장벽(8)을 통해 돌극(Saliency)을 갖도록 구성된다. 그리하여, 고정자에 자계가 주어질 때 자기저항(Reluctance)이 최소화(인덕턴스가 최대화)되도록 정렬하려는 릴럭턴스 토크에 의해 회전되게 된다.

이 때, 회전자의 자속 주경로 방향을 d축, 자속장벽(8)의 중심 방향을 q축이라 정의하며, 자속장벽(8)은 q축으로 지나가는 자속을 최소화하기 위해 공기로 되어 있다.

즉, 상기 d축은 철심만으로 자기회로가 구성되어 있어 자기저항이 작고 인덕턴스가 큰 반면, q축은 회전자의 자속장벽(8) 때문에 d축에 비하여 자기저항이 매우 커 인덕턴스가 작다. 결국, 인덕턴스는 자기저항과 반비례관계를 가진다는 점을 감안하면 돌극비, 즉 하기한 식 1의 Ld와 Lq의 차이가 클수록 토크를 증가시킬 수 있음을 알 수 있다.

(식 1)

T = 3/2×p/2(Ld-Lq)×1/2×Ia²×sin2φ

(이때, T는 토크, Ld는 d축 인덕턴스, Lq는 q축 인덕턴스, Ia는 고정자 전류, φ는 위상이다)

따라서, 돌극비는 중요한 모터 설계변수로서, 이를 크게 하기 위해 자속장벽(8)의 수, 폭, 형상 등을 조정하여 설계하게 된다. 하지만, 회전자 철심 코아의 형상 설계만으로 립(9)에서의 기계적 강도의 한계와, 가공상의 한계를 가진다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 한계점을 감안하여 이를 해결하고자 창출한 것으로, 방향성 전기강판이 갖는 자기이방특성에 착안하여 이 소재를 통해 회전자를 설계함으로써 회전자의 형상에 관계없이 돌극비를 극대화시켜 릴럭턴스 모터의 토크를 향상시킬 수 있도록 한 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법에 있어서; 상기 회전자는 자속장벽이 있는 N극과 S극 2극으로 이루어지며, 상기 2극 회전자의 자속 주경로 방향이 방향성 전기강판의 압연방향과 일치되게 하고, 방향성 전기강판의 압연직각방향과 자속장벽의 중심 방향이 일치되게 형성하여서 된 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법을 제공한다.

이때, 상기 회전자를 슬리팅된 루프에서 절단, 타발할 때 회전자의 자속 주경로 방향을 압연방향과 일치시킨 상태에서 행하도록 하고, 각 낱장을 적층시킬 때에도 회전없이 자속 주경로 방향이 동일하게 적층되도록 하여 축방향으로 쌓이도록 한 것에도 그 특징이 있다.

이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따라 2극으로 설계된 회전자의 형상 및 그 자속을 보인 예시적인 모식도이고, 도 5는 본 발명에 따른 회전자의 제조과정을 보인 예시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 회전자의 적층상태를 보인 예시적인 사시도이다.

주지된 바와 같이, 전기강판은 방향성 전기강판과 무방향성 전기강판으로 구분되며, 방향성 전기강판은 압연방향으로 자화가 용이하도록 한쪽 방향으로 자구를 배열한 강판을 말하며 주로 변압기, 리액터 등의 정지기에 사용되고; 무방향성 전기강판은 모든 방향으로 자화가 용이하도록 만든 강판을 말하며 주로 모터 등의 회전기에 사용된다.

따라서, 방향성 전기강판의 압연방향은 자화가 용이하여 자기적 투자율이 매우 높으나 압연직각방향은 자화가 곤란하여 압연방향에 비하여 투자율이 상대적으로 매우 낮다. 즉, 두 방향의 자기저항 차이가 일반적으로 모터에 사용되는 무방향성 전기강판보다 매우 크다.

결국, 이러한 자기이방특성을 릴럭턴스 모터에 적용할 경우 회전자 코어의 형상에 관계없이 손쉽게 돌극비를 향상시킬 수 있다.

본 발명은 이와 같은 돌극비 향상을 극대화하기 위해, 회전자는 N극과 S극으로 된 2극을 갖도록 자기회로를 구성하고, 자속 주경로 방향으로 정의된 회전자의 d축 자로를 전기강판의 자화가 용이한 방향, 즉 압연방향으로 하며, 자속장벽의 중심 방향으로 정의된 q축은 전기강판의 자화 곤란방향, 즉 압연방향과 수직한 방향으로 설정하는 것으로 한다.

이때, 회전자의 철심 형상은 특별히 국한되지 않는 바, 예컨대 자속장벽의 형상 및 치수, 립의 형상 및 치수, 자속장벽 및 립의 수에 관계없이 모두 적용할 수 있음은 물론이다.

아울러, 모터의 부가적 기능 향상을 위한 회전자 내부에 영구자석을 부착한다든지 혹은 삽입하거나 도전성 도체바를 가지거나 모터 제어를 위한 인버터를 채용하는 등의 경우에도 모두 본 발명을 적용할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 회전자는 N극 및 S극으로 된 2극으로 이루어지며, 고정자의 전류에 의해 생성된 자속(200)은 투자율이 높은 장벽과 장벽 사이를 지나가게 된다.

즉, 도 4에서 q축 방향으로 진행되게 된다.

이러한 회전자는 도 5 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 슬리팅된 루프(300)로부터 절단하여 형성하게 되는데, 이와 같은 절단시 강판의 압연방향으로는 회전자의 d축을 일치시키고, 압연 직각방향으로는 q축을 일치시켜 철심을 타발 또는 절단하도록 함이 바람직하다.

이후, 절단된 낱장을 자속 주경로 방향이 동일하게 적층되도록 하여 축 방향으로 쌓아 올린다.

여기에서, 철심 제작시 타발방법은 금형 또는 와이어이팅 등의 방법이 가능하고, 적층방법으로는 코킹, 인터라킹, 클립, 용접, 볼팅 등이 가능하며, 적층 회 전 유무에 관계없이 적용할 수 있다.

그러나, 본 발명의 핵심적인 특징인 방향성 전기강판의 자기이방특성을 최대한 활용하기 위해서는 낱장 적층시 회전적층 보다는 회전없는 적층방식이 특히 바람직하다.

이하, 실시예에 대하여 설명한다.

[실시예]

방향성 전기강판을 이용하여 본 발명에 따른 방법으로 릴럭턴스 모터용 회전자를 제조하였다.

이때, 고정자는 일반적인 무방향성 전기강판을 사용하였으며, 회전자에 사용될 방향성 전기강판의 압연방향과 압연직각방향에서의 자성을 측정하여 표 1에 나타내었다.

여기에서, 자성 측정 시편의 크기는 500 × 500mm를 사용하였고, 단방향 측정장치를 사용하여 자속밀도 1.5 테슬라에서 투자율을 계측하였다.

이후, 자기이방특성을 이용하여 돌극비를 계산하였고, d축과 q축의 인덕턴스 차이로부터 토크를 산출하였으며, 이는 표 2에 나타내었다.

구분		압연방향 투자율(Rmu)	압연직각방향 투자율(Cmu)	투자율비 (Rmu/Cmu)
무방향성 전기강판		-	-	1.07
방향성 전기강판	A	31,396	306	102
	B	21,104	281	75

상기 표 1에서와 같이, 측정된 방향별 투자율로서 압연방향과 압연직각방향의 투자율이 백배 가량 차이남을 알 수 있으며, 이는 기존 무방향성 전기강판에 비해 매우 높은 수치이다.

또한, 이를 통해 측정한 돌극비와 그로 인한 토크를 대비하여 보면, 방향성 전기강판 적용시가 기존 무방향성 전기강판 소재 사용시 보다 돌극비는 대략 5% 이상, 토크 특성도 5% 이상 개선되었음을 확인할 수 있다.

구분		돌극비 (Ld/Lq)	돌극비 개선율(%)	토크 개선율 (%)
종래재		13.766	1	1
발명재	A	14.556	5.74	5.35
	B	14.560	5.77	5.00

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 일방향 고투자율의 방향성 전기강판을 사용하여 자기저항 차이로 동작되는 릴럭턴스형 모터의 회전자를 제조함으로써 돌극비의 극대화 및 토크 특성향상을 달성하고, 이를 통해 모터의 고효율화, 고출력화, 소형경량화를 가능케 하여 준다.

Claims (2)

1. 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법에 있어서;

   상기 회전자는 자속장벽이 있는 N극과 S극 2극으로 이루어지며, 방향성 전기강판으로 이루어지되,

   상기 2극 회전자의 자속 주경로 방향이 방향성 전기강판의 압연방향과 일치되게 하고,

   방향성 전기강판의 압연직각방향과 자속장벽의 중심 방향이 일치되게 형성하여서 된 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법.
2. 청구항 1에 있어서;

   상기 회전자를 슬리팅된 루프에서 절단, 타발할 때 회전자의 자속 주경로 방향을 압연방향과 일치시킨 상태에서 행하도록 하고, 각 낱장을 적층시킬 때에도 회전없이 자속 주경로 방향이 동일하게 적층되도록 하여 축방향으로 쌓이도록 한 것을 특징으로 하는 방향성 전기강판의 자기이방특성을 이용한 릴럭턴스 모터용 회전자 제조방법.

Images