KR20130067218A - 모터 - Google Patents

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KR20130067218A
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KR
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rotor
stator
motor
permanent magnet
flux
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KR1020120133552A
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켄지 키타지마
후토시 야마네
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삼성전자주식회사
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Abstract

비교적 간단한 구성으로 로터의 회전수에 따라 자속량을 조정할 수 있도록 한다. 로터(25)에는, 둘레 방향으로 간격을 두고 복수의 플럭스 배리어(26)가 형성되어 있다. 플럭스 배리어(26)의 끼움 결합 개구부(26a)에는, 판형의 영구자석(27)이 끼움 결합되어 있다. 로터(25)에서 플럭스 배리어(26)보다 반경 방향 외측의 영역에는, 가변 자기저항 부재(28)가 설치되어 있다. 가변 자기저항 부재(28)는 온도 상승에 수반하여 자기저항이 높아지는 특성을 갖는다.

Description

모터{MOTOR}
본 발명은 모터에 관한 것이다.
종래부터, 예를 들어 일본 특허 공개 2010－154755호 공보에는 복수의 코일을 갖는 링 형상의 고정자와, 고정자의 내측에 배치되고 영구자석이 매입된 회전자를 구비하고, 코일에 발생한 회전 자계와 회전자의 영구자석에 의한 자계와의 상호작용에 의해 회전자를 회전시키도록 한 모터가 알려져 있다.
계자(field)로서 영구자석을 사용한 모터의 경우에는, 계자 자속이 일정하므로 회전수에 비례하여 유기 전압이 증가한다. 그리고, 유기 전압과 인버터 구동 회로의 출력 전압과의 관계에 의해 일정 토크 영역의 최고 회전수가 결정된다. 구체적으로 인버터 구동 회로의 출력 전압 제한에 의해, 모터로 공급되는 전류가 감소하므로 토크가 저하되고 최고 회전수가 낮게 억제된다.
이에, 일본 특허 공개 2010－154755호 공보에 기재된 모터에서는, 자석 이극(異極)간의 플럭스 배리어에 코일을 배치하고, 회전자의 회전수에 따라 코일에 흘리는 전류량과 방향을 제어함으로써 자속량과 자극의 방향을 제어하였다. 이에 의해, 고토크, 고출력을 실현할 수 있다고 기재되어 있다.
일본 특허 공개 2010－154755호 공보
그러나, 일본 특허 공개 2010－154755호 공보에 기재된 모터에서는, 자석 이극간의 플럭스 배리어에 배치한 코일에 흘리는 전류량을 회전자의 회전수에 따라 제어하기 위한 구성이 별도로 필요하고, 제어가 복잡해짐과 아울러 비용이 상승하는 문제가 있었다.
본 발명은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 비교적 간단한 구성으로 로터의 회전수에 따라 자속량을 조정할 수 있도록 하는 것에 있다.
본 발명은, 코일을 갖는 스테이터와, 이 스테이터에 대하여 회전 구동하는 로터를 구비한 모터를 대상으로 하며, 다음과 같은 해결 수단을 강구하였다.
즉, 제1 발명은, 상기 로터에는, 이 로터 내부에서의 자속의 우회를 억제하기 위해 둘레 방향으로 간격을 두고 복수의 플럭스 배리어가 형성되고, 상기 플럭스 배리어에는 영구자석이 끼움 결합되고, 상기 로터에서 상기 플럭스 배리어보다 상기 스테이터측의 영역에는, 온도 상승에 수반하여 자기저항이 높아지는 특성을 갖는 가변 자기저항 부재가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제1 발명에서는, 로터를 고속 회전시키면, 로터의 철손에 의해 로터가 발열한다. 가변 자기저항 부재는 로터의 발열에 의해 온도가 상승함으로써 자기저항이 높아진다. 그 결과, 가변 자기 저항 부재를 통과하는 영구자석의 자속량을 감소시킬 수 있고 유기 전압이 증가하는 것을 억제하여 운전 영역의 확대나 고효율화를 도모할 수 있다. 또한, 영구자석의 자속량을 가변 제어하기 위해 복잡한 제어 회로를 별도로 마련할 필요가 없고 모터의 소형화나 비용을 삭감할 수 있다.
제2 발명은, 제1 발명에 있어서, 상기 스테이터의 코일로 공급하는 전류에 대하여 고조파 성분을 인가하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 것이다.
제2 발명에서는, 로터의 온도가 비교적 낮은 경우에, 고조파 성분이 인가된 전류를 스테이터의 코일로 공급함으로써 로터의 철손(iron loss)에 의해 로터의 발열을 촉진할 수 있다. 이에 의해, 가변 자기저항 부재의 자기저항을 높여 자속량을 조정할 수 있고 모터 성능을 향상시킬 수 있다. 아울러 고조파 성분을 인가하기 위한 제어장치는, 인버터 회로의 스위칭 동작을 제어하기 위한 기존의 인버터 구동 시스템을 유용할 수 있으므로 추가 비용이 들지 않는다.
제3 발명은, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 플럭스 배리어는, 직사각형 모양의 끼움 결합 개구부와, 이 끼움 결합 개구부에 연속하여 그 양단부로부터 상기 스테이터 측을 향하여 각각 외측으로 경사지도록 연장되는 경사 개구부를 가지며, 적어도 상기 끼움 결합 개구부에는 판형의 상기 영구자석이 끼움 결합되고, 상기 가변 자기저항 부재는, 적어도 상기 영구자석의 판면을 상기 스테이터 측에 투영시킨 영역 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제3 발명에서는, 영구자석의 자속량을 감소시키는 데에 필요한 영역에만 가변 자기저항 부재를 설치하도록 하였으므로, 가변 자기저항 부재의 사용량을 줄여 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 로터의 외주부에 절결을 형성해 두고, 이 절결 부분에 가변 자기저항 부재를 끼워 넣는 것만으로도 가변 자기저항 부재를 로터에 대하여 용이하게 조립할 수 있어 조립 작업성이 향상된다.
제4 발명은, 제1 또는 제2 발명에 있어서, 상기 플럭스 배리어는, 상기 영구자석이 끼움 결합되는 직사각형 모양으로 각각 형성되고 아울러 서로 직각 또는 둔각을 이루도록 배치된 한 쌍의 끼움 결합 개구부를 가지며, 상기 가변 자기저항 부재는, 적어도 상기 영구자석의 각각의 판면을 상기 스테이터 측에 각각 투영시킨 영역 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.
제4 발명에서는, 한 쌍의 끼움 결합 개구부에 각각 끼움 결합된 영구자석의 자속량을 각각 감소시키는 데에 필요한 영역에만 가변 자기저항 부재를 설치하도록 하였으므로 가변 자기저항 부재의 사용량을 줄여 비용을 삭감할 수 있다.
본 발명에 의하면, 로터를 고속 회전시키면 로터의 철손에 의해 로터가 발열한다. 가변 자기저항 부재는, 로터의 발열에 의해 온도가 상승함으로써 자기저항이 높아진다. 그 결과 가변 자속 저항 부재를 통과하는 영구자석의 자속량을 감소시킬 수 있고 유기 전압이 증가하는 것을 억제하여 운전 영역의 확대나 고효율화를 도모할 수 있다. 또한, 영구자석의 자속량을 가변 제어하기 위해 복잡한 제어 회로를 별도 마련할 필요가 없어 모터의 소형화나 비용을 삭감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이고,
도 2는 모터에 접속된 제어장치의 구성을 나타낸 블럭도이고,
도 3은 모터의 회전수와 토크 및 효율과의 관계를 나타낸 그래프이고,
도 4는 본 실시형태 2에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이고,
도 5는 본 실시형태 3에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이고,
도 6은 기타 실시형태에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이고,
도 7은 기타 실시형태에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 설명한다. 아울러 이하의 바람직한 실시형태의 설명은 본질적으로 예시에 불과한 것으로, 본 발명, 그 적용물 또는 그 용도를 제한하기 위한 것은 아니다.
《실시형태 1》
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 이 모터(20)는, 링 형상의 스테이터(21)와, 스테이터(21)의 내측에 회전 가능하게 설치된 로터(25)를 구비한 이너 로터형의 모터이다.
스테이터(21)는 도넛 모양으로 형성된 전자(電磁) 강판을 적층한 원통형으로 구성되어 있다. 스테이터(21)의 내주측에는, 둘레 방향으로 간격을 두고 반경 방향 내측으로 돌출되고 아울러 축방향으로 연장되는 복수의 티스(22)가 마련되어 있다. 티스(22)에는, 회전 자계를 발생시키기 위한 코일(23)이 감겨져 있다.
로터(25)는 전자 강판을 적층하여 구성된다. 로터(25)의 축 중심에는, 축 홀(25a)이 형성되어 있다. 축 홀(25a)에는 회전축(15)이 끼움 결합되어 있다. 로터(25)는 스테이터(21) 내를 회전축(15)와 함께 회전한다.
로터(25)에서 축 홀(25a)의 외측 둘레에는, 둘레 방향으로 간격을 두고 복수의 플럭스 배리어(26)가 형성되어 있다. 플럭스 배리어(26)는 직사각형 모양의 끼움 결합 개구부(26a)와, 끼움 결합 개구부(26a)의 양단부로부터 스테이터(21) 측을 향해 외측으로 경사지도록 연장되는 경사 개구부(26b)를 갖는다.
끼움 결합 개구부(26a)에는 판형의 영구자석(27)이 끼움 결합되어 있다. 경사 개구부(26b)는 에어 갭을 구성하여, 인접하는 플럭스 배리어(26)를 향해 자속이 우회하지 않도록 하고 있다.
이와 같이 구성된 모터(20)에서는, 스테이터(21)의 코일(23)에 차례로 전류를 공급함으로써, 코일(23)에 발생한 회전 자계와 로터(25)의 영구자석(27)에 의한 자계와의 상호작용에 의해 로터(25)를 회전시키고 있다. 그리고, 전류를 흘리는 코일(23)을 차례로 바꾸어 가는 속도에 따라 회전수를 제어하도록 하고 있다.
여기서, 영구자석(27)을 갖는 로터(25)의 회전에 의해, 스테이터(21)에는 로터(25)의 회전수에 따른 유도 기전력이 발생한다. 이 유도 기전력은, 스테이터(21)의 코일(23)에 외부로부터 인가되는 전압을 상쇄하는 방향으로 발생한다. 이 때문에, 모터(20)의 최대 회전수는, 유기 전압이 외부로부터 코일(23)에 인가되는 전압 이하가 되도록 제한된다.
이에, 본 실시형태에 따른 모터(20)에서는, 로터(25)를 고속 회전시킬 때 영구자석(27)의 자속량을 감소시켜 유기 전압이 증가하는 것을 억제할 수 있는 구성을 채용하고 있다.
구체적으로, 로터(25)에서 플럭스 배리어(26)보다 반경 방향 외측의 영역에는 가변 자기저항 부재(28)가 설치되어 있다. 가변 자기저항 부재(28), 온도 상승에 수반하여 자기저항이 높아지는 특성을 갖는다.
여기서, 로터(25)를 고속 회전시키면, 로터(25)의 철손(iron loss)이나 코일(23)의 주울손(joule loss) 등에 의해 로터(25)가 발열한다. 가변 자기저항 부재(28)는, 로터(25)의 발열에 의해 온도가 상승함으로써 자기저항이 높아진다. 그 결과, 가변 자기저항 부재(28)를 통과하는 영구자석(27)의 자속량을 감소시킬 수 있고 유기 전압이 증가하는 것을 억제하여 운전 영역의 확대나 고효율화를 도모할 수 있다. 이와 같이 구성하면, 영구자석(27)의 자속량을 가변 제어하기 위해 복잡한 제어 회로를 별도로 마련할 필요가 없어 모터(20)의 소형화나 비용을 삭감할 수 있다.
여기서, 모터(20)의 운전 개시 시와 같이, 로터(25)의 온도가 비교적 낮은 경우에는, 스테이터(21)의 코일(23)로 공급하는 전류에 대하여 고조파 성분을 인가하는 것이 바람직하다. 이하, 도 2를 이용하여, 고조파 성분을 인가하기 위한 제어장치(50)의 구성에 대하여 설명한다.
도 2는 모터에 접속된 제어장치의 구성을 나타낸 블럭도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이 제어장치(50)는, 인버터 회로(54)의 스위칭 동작을 제어하도록 구성되어 있다. 속도 제어부(51)는, 모터(20)의 회전각주파수와 속도 지령에 기초하여 전류 지령을 출력한다. 고조파 인가부(52)는 속도 제어부(51)로부터 출력된 전류 지령에 대하여 고조파 성분을 인가한다. 전류 제어부(53)는, d축 전류 및 q축 전류에 기초하여 전압 지령을 출력한다.
인버터 회로(54)는, 정류된 직류를 3상 교류로 변환하여 모터(20)로 공급한다. 회전 좌표 변환부(55)는, 모터 전류를 3상/2축 변환하여 얻어진 고정 좌표 전류를 좌표 변환하여 d축 및 q축 전류를 출력한다. 인코더(56)는, 로터(25)의 위치 검출을 수행한다. 디지털 변환기(57)는 인코더(56)의 검출 결과에 기초하여 회전각주파수를 구한다. 이 회전각주파수는 속도 제어부(51)로 입력된다.
이와 같이 하면, 모터(20)로 공급되는 전류에 인가된 고조파 성분에 의해, 로터(25)의 철손에 의한 로터(25)의 발열이 촉진된다. 아울러 고조파 성분을 인가하기 위한 제어장치(50)는, 인버터 회로(54)의 스위칭 동작을 제어하기 위한 기존의 인버터 구동 시스템을 유용할 수 있으므로, 추가 비용이 들지 않는다.
도 3은, 모터의 회전수와 토크 및 효율과의 관계를 나타낸 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 가변 자기저항 부재(28)를 구비한 본 실시형태에 따른 모터(20)가, 가변 자기저항 부재(28)를 구비하지 않은 종래의 모터에 비하여, 최대 회전수가 커져 운전 영역을 확대할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 모터 효율에 대해서도, 본 실시형태에 따른 모터(20)가 종래의 모터에 비하여 효율이 높기 때문에 소비 전력을 줄이는데 유리함을 알 수 있다.
《실시형태 2》
도 4는 본 실시형태 2에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이다. 상기 실시형태 1과는 가변 자기저항 부재(28)의 형상이 다르므로, 이하, 실시형태 1과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 사용하고 차이점에 대해서만 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 로터(25)에서 축 홀(25a)의 외측 둘레에는, 둘레 방향으로 간격을 두고 복수의 플럭스 배리어(26)가 형성되어 있다. 플럭스 배리어(26)는 직사각형 모양의 끼움 결합 개구부(26a)와, 끼움 결합 개구부(26a)의 양단부로부터 스테이터(21) 측을 향하여 외측으로 경사지도록 연장되는 경사 개구부(26b)를 갖는다.
끼움 결합 개구부(26a)에는 판형의 영구자석(27)이 끼움 결합되어 있다. 경사 개구부(26b)는 에어 갭을 구성하여, 인접하는 플럭스 배리어(26)를 향하여 자속이 우회하지 않도록 하고 있다.
로터(25)에서 플럭스 배리어(26)보다 반경 방향 외측의 영역에는, 가변 자기저항 부재(28)가 설치되어 있다. 구체적으로, 가변 자기저항 부재(28)는, 영구자석(27)의 판면을 스테이터(21) 측에 투영시킨 영역 내에 설치되어 있다. 가변 자기저항 부재(28)는 온도 상승에 수반하여 자기저항이 높아지는 특성을 갖는다.
이와 같이 구성함으로써, 영구자석(27)의 자속량을 감소시키는 데에 필요한 영역에만 가변 자기저항 부재(28)을 설치함으로써, 가변 자기저항 부재(28)의 사용량을 줄여 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 로터(25)의 외주부에 절결을 형성하고, 이 절결 부분에 가변 자기저항 부재(28)을 끼워 넣는 것만으로도 가변 자기저항 부재(28)를 로터(25)에 대하여 용이하게 조립할 수 있어 조립 작업성이 향상된다.
《실시형태 3》
도 5는 본 실시형태 3에 따른 모터의 구성을 나타낸 평면도이다. 상기 실시형태 1과는 플럭스 배리어(26)의 형상이 다르므로, 이하, 실시형태 1과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 사용하고 차이점에 대해서만 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 로터(25)에서 축 홀(25a)의 외측 둘레에는, 둘레 방향으로 간격을 두고 복수의 플럭스 배리어(26)가 형성되어 있다. 플럭스 배리어(26)는 직사각형 모양으로 각각 형성되고 아울러 서로 직각을 이루도록 배치된 한 쌍의 끼움 결합 개구부(26a)를 가지고 있다. 끼움 결합 개구부(26a)에는 판형의 영구자석(27)이 끼움 결합되어 있다.
로터(25)에서 플럭스 배리어(26)보다 반경 방향 외측의 영역에는, 가변 자기저항 부재(28)가 설치되어 있다. 구체적으로, 가변 자기저항 부재(28)는, 한 쌍의 끼움 결합 개구부(26a)에 각각 끼움 결합된 영구자석(27)의 판면을 스테이터(21) 측에 각각 투영 시킨 영역 내에 설치되어 있다. 가변 자기저항 부재(28)는 온도 상승에 수반하여 자기저항이 높아지는 특성을 갖는다.
이와 같이 구성함으로써, 영구자석(27)의 자속량을 감소시키는 데에 필요한 영역에만 가변 자기저항 부재(28)를 설치함으로써 가변 자기저항 부재(28)의 사용량을 줄여 비용을 삭감할 수 있다.
《기타 실시형태》
상기한 실시형태는 이하와 같이 구성할 수도 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 직사각형 모양의 끼움 결합 개구부(26a)와, 끼움 결합 개구부(26a)의 양단부로부터 스테이터(21) 측을 향하여 외측으로 경사지도록 연장되는 경사 개구부(26b)를 갖는 플럭스 배리어(26)에 있어서, 끼움 결합 개구부(26a) 및 경사 개구부(26b)의 각각에 영구자석(27)을 끼움 결합시킬 수도 있다.
또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 플럭스 배리어(26)를 구부러진 모양의 끼움 결합 개구부(26a)로 형성하고, 끼움 결합 개구부(26a)에 구부러진 판형의 영구자석(27)을 끼움 결합시킬 수도 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 스테이터(21)의 내주측에 로터(25)가 배치된 이너 로터형의 모터(20)에 대하여 설명했으나, 스테이터(21)의 외주측에서 로터(25)가 회전하는 아우터 로터형의 모터(20)에 대해서도 동일하게 적용 가능하다.
또한, 본 실시형태 3에서는, 플럭스 배리어(26)를 구성하는 한 쌍의 끼움 결합 개구부(26a)를 서로 직각을 이루도록 배치하였으나, 둔각을 이루도록 배치할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명은, 비교적 간단한 구성으로 로터의 회전수에 따라 자속량을 조정할 수 있는 실용성 높은 효과를 얻을 수 있는 점에서 극히 유용하고 산업상의 이용 가능성은 높다.
20 모터
21 스테이터
23 코일
25 로터
26 플럭스 배리어
26a 끼움 결합 개구부
26b 경사 개구부
27 영구자석
28 가변 자기저항 부재
50 제어장치

Claims (4)

  1. 코일을 갖는 스테이터와, 상기 스테이터에 대하여 회전 구동하는 로터를 구비한 모터로서,
    상기 로터에는, 상기 로터 내부에서 자속의 우회를 억제하기 위해 둘레 방향으로 간격을 두고 복수의 플럭스 배리어가 형성되고,
    상기 플럭스 배리어에는 영구자석이 끼움 결합되고,
    상기 로터에서 상기 플럭스 배리어보다 상기 스테이터측의 영역에는, 온도 상승에 수반하여 자기저항이 높아지는 특성을 갖는 가변 자기저항 부재가 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 모터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 스테이터의 코일로 공급하는 전류에 대하여 고조파 성분을 인가하는 제어장치를 구비한 것을 특징으로 하는 모터.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 플럭스 배리어는, 직사각형 모양의 끼움 결합 개구부와, 이 끼움 결합 개구부에 연속하여 그 양단부로부터 상기 스테이터 측을 향하여 각각 외측으로 경사지도록 연장되는 경사 개구부를 가지며,
    적어도 상기 끼움 결합 개구부에는 판형의 상기 영구자석이 끼움 결합되고,
    상기 가변 자기저항 부재는, 적어도 상기 영구자석의 판면을 상기 스테이터 측에 투영시킨 영역 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 모터.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 플럭스 배리어는, 판형의 상기 영구자석이 끼움 결합되는 직사각형 모양으로 각각 형성되고 아울러 서로 직각 또는 둔각을 이루도록 배치된 한 쌍의 끼움 결합 개구부를 가지며,
    상기 가변 자기저항 부재는, 적어도 상기 영구자석의 각각의 판면을 상기 스테이터 측에 각각 투영시킨 영역 내에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 모터.
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