KR20180089173A - 모터 - Google Patents

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KR20180089173A
KR20180089173A KR1020170013935A KR20170013935A KR20180089173A KR 20180089173 A KR20180089173 A KR 20180089173A KR 1020170013935 A KR1020170013935 A KR 1020170013935A KR 20170013935 A KR20170013935 A KR 20170013935A KR 20180089173 A KR20180089173 A KR 20180089173A
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명은 회전축; 상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터; 및 상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터; 상기 스테이터는, 복수 개의 투스를 갖는 스테이터 코어; 및 상기 투스에 권선되는 코일을 포함하며, 상기 투스는, 상기 코일이 권선되는 코일 권선부; 및 상기 코일 권선부에서 연장되게 형성되는 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 상기 회전축 방향으로 형성된 복수 개의 반원형 노치를 포함하며, 상기 노치의 횡단면 중심(C2)은 상기 돌기부의 일측 끝점(P)으로부터 원주 방향으로 일정 각도(θ2) 이격되게 배치되며, 상기 각도(θ2)는 상기 돌기부의 끝점과 인접한 상기 돌기부 끝점이 상기 회전축의 중심과 이루는 각도(θ1)의 0.45 내지 0.55인 모터에 관한 것이다. 이에 따라, 코깅 토크 및 토크 리플을 감소시킴으로써 모터의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

모터{Motor}
실시예는 모터에 관한 것이다.
모터는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 차량, 가정용 전자제품, 산업용 기기 등에 광범위하게 사용된다.
모터는 하우징(housing), 회전축(shaft), 하우징의 내주면에 배치되는 스테이터(stator), 회전축의 외주면에 설치되는 로터(rotor) 등을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 모터의 스테이터는 로터와의 전기적 상호 작용을 유발하여 로터의 회전을 유도한다.
특히, 상기 모터는 자동차의 조향의 안정성을 보장하기 위한 장치에 이용될 수 있다. 예컨데, 상기 모터와 같은 별도의 동력으로 보조하는 조향장치에 사용될 수 있다.
기존에는 이와 같은 보조 조향장치를 유압을 이용한 장치로 사용하였으나, 최근에는 동력의 손실이 적고 정확성이 우수한 전동식 조향장치(Electronic Power Steering System)가 사용된다.
상기 전동식 조향장치(EPS)는 차량의 선회 안정성을 보장하고 신속한 복원력을 제공함으로써 운전자로 하여금 안전한 주행이 가능하게 하는 장치이다. 이러한 전동식 조향장치는 차속센서, 토크 앵글센서 및 토크센서 등에서 감지한 운행조건에 따라 전자제어장치(Electronic Control Unit: ECU)를 통해 상기 모터를 구동하여 차량의 조향축의 구동을 제어한다.
상기 모터는 스테이터와 로터를 포함한다.
스테이터는 복수 개의 슬롯을 형성하는 복수 개의 투스(Tooth)를 포함할 수 있으며, 로터는 투스와 마주보게 배치되는 복수 개의 마그넷을 포함할 수 있다. 여기서, 인접하는 투스는 상호 떨어져 배치되어 슬롯 오픈(slot open)을 형성한다.
즉, 슬롯 오픈은 인접한 투스 간 플럭스(flux)의 누설 방지를 위해 형성될 수 있다.
이에, 로터의 회전시 플럭스는 투자율이 큰 투스쪽을 통해 이동하지만 슬롯 오픈 영역에서 투자율의 차이에 의해 토크 맥동이 발생할 수 있다.
따라서, 로터가 회전하는 과정에서 금속 재질인 스테이터 코어와 빈 공간인 슬롯 오픈의 공기의 투자율 차이로 인하여 코깅 토크(Cogging Torque)가 발생할 수 있다. 이러한 코깅 토크는 소음과 진동의 원인이 되기 때문에 코깅 토크를 줄이는 것이 모터의 품질을 높이는데 있어서 무엇보다 중요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 코깅 토크(Cogging Torque)와 토크 리플(Torque Ripple)을 감소시켜 품질을 향상시킬 수 있는 모터를 제공한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제는 실시예에 따라, 회전축; 상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터; 및 상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터; 상기 스테이터는, 복수 개의 투스를 갖는 스테이터 코어; 및 상기 투스에 권선되는 코일을 포함하며, 상기 투스는, 상기 코일이 권선되는 코일 권선부; 및 상기 코일 권선부에서 연장되게 형성되는 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 상기 회전축 방향으로 형성된 복수 개의 반원형 노치를 포함하며, 상기 노치의 횡단면 중심(C2)은 상기 돌기부의 일측 끝점(P)으로부터 원주 방향으로 일정 각도(θ2) 이격되게 배치되며, 상기 각도(θ2)는 상기 돌기부의 끝점과 인접한 상기 돌기부 끝점이 상기 회전축의 중심과 이루는 각도(θ1)의 0.45 내지 0.55인 모터에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 각도(θ2)는 상기 각도(θ1)의 0.5일 수 있다.
또한, 상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)의 0.9 내지 1.1일 수 있다.
바람직하게, 상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)과 동일할 수 있다.
바람직하게, 상기 로터는 로터 코어 및 상기 로터 코어의 외주면에 배치되는 마그넷을 포함하며, 상기 반원형 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터의 마그넷 사이의 간격(D)과 동일할 수 있다.
이때, 상기 마그넷은 6개로 제공되고, 상기 투스는 9개로 제공될 수 있다.
한편, 상기 돌기부에 형성된 노치는 2개로 제공될 수 있다.
그리고, 상기 노치는 원주 방향을 기준으로 상기 돌기부의 폭 중심과 상기 스테이터코어의 중심(C1)을 지나는 기준선(L)을 기준으로 대칭되게 배치될 수 있다.
상기 과제는 실시예에 따라, 회전축; 상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터; 및 상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터; 상기 스테이터는, 복수 개의 투스를 갖는 스테이터 코어; 및 상기 투스에 권선되는 코일을 포함하며, 상기 투스는, 상기 코일이 권선되는 코일 권선부; 및 상기 코일 권선부에서 연장되게 형성되는 돌기부를 포함하고, 상기 돌기부는 상기 회전축 방향으로 형성된 복수 개의 반원형 노치를 포함하며, 상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)의 0.9 내지 1.1인 모터에 의해 달성된다.
바람직하게, 상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)과 동일할 수 있다.
바람직하게, 상기 로터는 로터 코어 및 상기 로터 코어의 외주면에 배치되는 마그넷을 포함하며, 상기 반원형 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터의 마그넷 사이의 간격(D)과 동일할 수 있다.
이때, 상기 마그넷은 6개로 제공되고, 상기 투스는 9개로 제공될 수 있다.
한편, 상기 돌기부에 형성된 노치는 2개로 제공될 수 있다.
그리고, 상기 노치는 원주 방향을 기준으로 상기 돌기부의 폭 중심과 상기 스테이터코어의 중심(C1)을 지나는 기준선(L)을 기준으로 대칭되게 배치될 수 있다.
상기와 같은 구성을 갖는 실시예에 따른 모터는 반원형의 노치를 형성하여 코깅 토크 및 토크 리플을 감소시킴으로써 모터의 품질을 향상시킬 수 있다.
또한, 슬롯 오픈을 기준으로 상기 노치의 위치를 한정하고, 에어갭을 기준으로 상기 노치의 반지름을 한정하여 모터의 성능을 유지하면서도 품질을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 모터를 나타내는 종단면도이고,
도 2는 도 1의 A-A을 나타내는 상기 모터의 횡단면도이고,
도 3은 실시예에 따른 모터의 스테이터 코어와 로터의 배치관계를 나타내는 도면이고,
도 4는 도 3의 B영역에서 스테이터와 로터를 나타내는 도면이고,
도 5는 실시예에 따른 모터의 투스 및 노치를 나타내는 도면이고,
도 6은 실시예에 따른 모터와 노치가 형성되지 않은 모터의 토크를 비교하는 도면이고,
도 7은 실시예에 따른 모터에 형성된 노치의 반지름과 에어갭의 간격에 따른 코깅 토크와 토크 리플을 나타내는 도면이고,
도 8은 실시예에 따른 모터에 형성된 노치의 반지름과 에어갭의 간격에 따른 토크를 비교하는 도면이고,
도 9는 실시예에 따른 모터에 형성된 노치의 중심(C2)의 위치에 따른 코깅 토크와 토크 리플을 나타내는 도면이고,
도 10은 노치가 없는 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 표이고,
도 11은 상온에서 노치가 없는 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 도면이고,
도 12는 사각형 노치가 형성된 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 표이고,
도 13은 사각형 노치가 형성된 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 구성요소가 다른 구성요소의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소가 상기 두 구성요소 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 '상(위) 또는 하(아래)(on or under)'로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지게 된다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 모터를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하여 살펴보면, 실시예에 따른 모터(1)는 하우징(100), 브라켓(200), 스테이터(300), 로터(400) 및 회전축(500)을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 브라켓(200)는 하우징(100)의 개방된 상부를 덮도록 배치될 수 있다. 여기서, 로터(400)는 로터 코어(410) 및 로터 코어(410)에 배치되는 복수 개의 마그넷(420)을 포함할 수 있다.
하우징(100)과 브라켓(200)은 상기 모터(1)의 외형을 형성할 수 있다. 여기서, 하우징(100)은 상부에 개구가 형성된 통 형상으로 형성될 수 있다.
따라서, 하우징(100)과 브라켓(200)의 결합에 의해 내부에 수용공간이 형성될 수 있다. 그리고, 상기 수용공간에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 스테이터(300), 로터(400) 및 회전축(500) 등이 배치될 수 있다.
하우징(100)은 원통형으로 형성되어 내주면에 스테이터(300)가 지지되게 배치될 수 있다. 하우징(100)의 하부에는 회전축의 하부를 지지하는 베어링(10)을 수용하는 포켓부가 마련될 수 있다.
또한, 하우징(100)의 상부에 배치되는 브라켓(200)에도 회전축(500)의 상부를 지지하는 포켓부가 마련될 수 있다. 그리고 브라켓(200)은 외부 케이블이 연결된 커넥터가 삽입되는 홀 또는 홈을 포함할 수 있다.
스테이터(300)는 하우징(200)의 내주면에 의해 지지될 수 있다. 그리고, 스테이터(300)는 로터(400)의 외측에 배치된다. 즉, 스테이터(300)의 내측에는 로터(400)가 배치될 수 있다.
도 2를 참조하여 살펴보면, 스테이터(300)는 스테이터 코어(310) 및 코일(320)을 포함할 수 있다. 여기서, 스테이터 코어(310)는 얇은 강판 형태의 복수 개의 플레이트가 상호 적층되어 이루어질 수 있다. 또한, 스테이터 코어(310)는 복수 개의 분할 코어가 상호 결합되거나 연결되어 이루어질 수 있다.
스테이터 코어(310)는 요크(311), 복수 개의 투스(312) 및 투스(312)에 형성된 복수 개의 노치(313)를 포함할 수 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 투스(312) 각각은 코일(320)이 권선되는 코일 권선부(312a) 및 코일 권선부(312a)에서 연장되게 형성되는 돌기부(312b)를 포함할 수 있다.
요크(311)는 원통 형상으로 형성될 수 있다.
복수 개의 투스(312)는 요크(311)에서 중심(C1)을 향하여 돌출되게 배치될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 투스(312)는 요크(311)의 내주면을 따라 일정 간격마다 중심(C1)을 향하여 돌출되게 배치될 수 있다. 즉, 복수 개의 투스(312)는 소정의 간격으로 상호 이격되게 요크(311)의 내주면에 배치될 수 있다.
따라서, 어느 하나의 투스(312)와 인접하게 배치되는 다른 하나의 투스(312) 사이에는 코일(320)이 권선되는 공간이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 공간은 슬롯(S)을 의미한다.
그리고, 상기 돌기부(312b)가 서로 이격되게 배치됨에 따라, 상기 슬롯(S)의 개구부가 형성될 수 있다. 여기서, 상기 개구부는 슬롯 오픈(O)을 의미한다.
따라서, 슬롯 오픈(O)은 어느 하나의 돌기부(312b)의 끝점(P)과 인접하게 배치되는 다른 하나의 돌기부(312b)의 끝점(P) 사이의 공간을 의미하며, 상기 슬롯 오픈(O)은 회전축(500)의 중심(C1)을 기준으로 소정의 각도(θ1)를 형성한다. 여기서, 상기 각도(θ1)는 회전축(500)의 중심(C1)을 기준으로 4deg.(도)일 수 있다.
즉, 상기 각도(θ1)는 슬롯 오픈(O)의 폭(W)을 나타내며, 상기 폭(W)은 슬롯 오픈(O)의 일측에서 타측까지의 거리를 의미한다.
코일 권선부(312a)에는 코일(320)이 권선될 수 있다. 이때, 상기 코일 권선부(312a)에는 인슐레이터(330)가 배치될 수 있다. 상기 인슐레이터(330)는 코일 권선부(312a)와 코일(320)을 절연시킨다.
그리고, 코일 권선부(312a)는 요크(311)에서 중심(C1)을 향하여 돌출되게 배치될 수 있다.
돌기부(312b)는 코일 권선부(312a)의 단부에서 연장되게 형성될 수 있다. 그리고, 돌기부(312b)는 마그넷(420)을 마주보도록 배치될 수 있다.
그리고, 돌기부(312b)에는 복수 개의 반원형 노치(313)가 배치될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 돌기부(312b)는 마그넷(420)과 마주보게 배치되되 소정의 간격으로 마그넷(420)과 이격되게 배치될 수 있다. 그에 따라, 돌기부(312b)의 내측면과 마그넷(420)의 외측면 사이에는 에어갭(G)이 형성될 수 있다.
이때, 에어갭(G)은 돌기부(312b)와 로터(400) 사이의 간격을 의미할 수 있다. 바람직하게, 에어갭(G)은 돌기부(312b)와 마그넷(420)의 외측면 사이의 간격을 의미할 수 있다. 여기서, 내측이라 함은 중심(C1)을 기준으로 중심(C1)을 향하여 배치되는 방향을 의미하고, 외측이라 함은 내측과 반대되는 방향을 의미한다.
노치(313)는 돌기부(312b)에 2개가 형성될 수 있다. 이때, 2개의 노치(313)는 원주 방향을 기준으로 돌기부(312b)의 폭 중심과 스테이터 코어(310)의 중심(C1)을 지나는 기준선(L)을 기준으로 대칭되게 배치될 수 있다.
노치(313)는 자속밀도의 변화를 야기하는 슬롯 오픈(O)과 대응되는 역할을 함으로써 정자기 에너지 변화(변동량)를 줄이는 역할을 수행한다. 그에 따라, 노치(313)는 단위 주기당 코깅 토크의 파형의 진동수를 늘려 코깅 토크를 크게 줄이는 역할을 한다.
도 6는 실시예에 따른 모터와 노치가 형성되지 않은 모터의 토크를 비교하는 도면으로서, 도 6의 (a)는 노치가 형성되지 않은 모터의 맥동을 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 실시예에 따른 모터의 맥동을 나타내는 도면이다.
도 6을 참조하여 살펴볼 때, 코깅 토크 및 토크 리플에 대한 토크의 맥동(반복 토크 파형)은 극(마그넷 수)과 슬롯의 개수의 최소공배수 값으로 계산될 수 있는바, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 노치(313)가 형성되지 않은 6극 9슬롯의 모터의 경우 최소공배수인 18이 맥동에 해당한다. 여기서, 상기 맥동은 피크를 형성하는 파형의 반복 횟수를 의미할 수 있다.
그리고, 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 모터(1)의 경우 돌기부(312b) 마다 2개의 노치(313)가 형성되어 있기 때문에, 6극 27슬롯의 최소공배수인 54가 맥동에 해당할 수 있다.
따라서, 상기 모터(1)는 맥동의 진동 횟수가 3배로 늘어나기 때문에 코깅 토크를 크게 줄일 수 있다.
한편, 노치(313)는 회전축(500)의 방향으로 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 노치(313)는 스테이터 코어(310)의 상단에서 하단까지 높이 방향(축 방향)을 따라 길게 배치될 수 있다. 이때, 노치(313)는 반원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
따라서, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 노치(313)의 횡단면은 반원형 형상으로 형성될 수 있다. 그에 따라, 노치(313)는 노치(313)의 중심(C2)을 기준으로 소정의 반지름(R)을 갖게 형성될 수 있다.
이에, 반원형 노치(313)는 자로 길이가 횡방향에서 동일하기 때문에, 코깅 토크를 감소시키는데 유리하다.
도 7은 실시예에 따른 모터에 형성된 노치의 반지름과 에어갭의 간격에 따른 코깅 토크와 토크 리플을 나타내는 도면으로서, 도 7의 (a)는 노치의 반지름과 에어갭의 간격에 따른 코깅 토크를 나타내는 도면이고, 도 7의 (b)는 노치의 반지름과 에어갭의 간격에 따른 토크 리플을 나타내는 도면이다.
도 8은 실시예에 따른 모터에 형성된 노치의 반지름과 에어갭의 간격에 따른 토크를 비교하는 도면으로서, 도 8의 (a)는 노치의 반지름과 에어갭의 간격이 다른 경우에 따른 모터의 토크를 나타내는 도면이고, 도 8의 (b)는 노치의 반지름과 에어갭의 간격이 동일한 경우에 따른 모터의 토크를 나타내는 도면이다.
한편, 노치(313)의 반지름(R)은 에어갭(G)의 간격(D)에 대응하여 형성될 수 있다. 여기서, 에어갭(G)의 간격(D)은 마그넷(420)의 폭 중심과 돌기부(321b)와의 간격일 수 있다.
노치(313)의 반지름(R)은 에어갭(G)의 간격(D) 대비 0.9 내지 1.1에서 형성될 수 있다. 즉, 노치(313)의 반지름(R)은 에어갭(G)의 간격(D)±10% 범위 내에서 결정될 수 있다. 바람직하게, 노치(313)의 반지름(R)은 에어갭(G)의 간격(D)과 동일하게 형성될 수 있다.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 코깅 토크의 경우 노치(313)의 반지름(R)이 0.45mm에서 급격히 하락하다가 에어갭(G)의 간격(D)과 동일한 0.5mm일 때 최저의 위치에 위치하게 된다. 그리고 나서, 노치(313)의 반지름(R)이 0.55mm까지 증가하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 코깅 토크의 경우 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D) 대비 0.9에서 급격히 하락하다가 에어갭(G)의 간격(D)과 동일할 때 최저의 위치에 위치하게 된다. 그리고 나서, 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D) 대비 1.1까지 증가하는 것을 확인할 수 있다.
이에, 상기 코깅 토크는 노치(313)의 반지름(R)과 에어갭(G)의 간격(D)이 동일할 때 최저값을 갖게 된다.
도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 토크 리플의 경우 노치(313)의 반지름(R)이 0.45mm~0.55mm에서 낮은 값을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 토크 리플의 경우 노치(313)의 반지름(R)이 0.4mm에서 급격히 하락하다가 노치(313)의 반지름(R)이 0.45mm~0.55mm에서 완만하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
이때, 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D) 동일할 때 토크 리플은 최저의 위치에 위치하게 된다. 즉, 상기 토크 리플은 노치(313)의 반지름(R)과 에어갭(G)의 간격(D)이 0.5mm로 동일할 때 최저값을 갖게 된다.
따라서, 토크 리플의 경우 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D) 대비 0.9~1.1에서 낮은 값을 유지하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 상기 토크 리플의 경우 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D) 대비 0.8에서 급격히 하락하다가 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D) 대비 0.9~1.1에서 완만하게 유지되는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 상기 토크 리플은 노치(313)의 반지름(R)과 에어갭(G)의 간격(D)이 동일할 때 최저값을 갖게 된다.
도 8을 참조하여 살펴보면, 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D)과 다른 경우에 비해 노치(313)의 반지름(R)이 에어갭(G)의 간격(D)과 동일한 경우 상기 모터(1)의 토크는 22% 개선된 것을 확인할 수 있다.
즉, 노치(313)의 반지름(R)을 에어갭(G)의 간격(D)과 동일하게 설계함으로써, 코깅 토크를 저감할 수 있다.
한편, 도 3 및 도 4를 참조하여 살펴보면, 노치(313)의 중심(C2)은 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 원주 방향으로 일정 각도(θ2)만큼 이격되게 배치될 수 있다. 여기서, 상기 각도(θ2)는 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 노치(313)의 중심(C2)까지의 거리를 의미한다. 나아가, 상기 각도(θ2)는 슬롯 오픈(O)의 상기 각도(θ1)에 대한 관계에 있어서 노치(313)의 중심(C2)의 위치를 나타낸다.
상기 각도(θ2)는 상기 각도(θ1) 대비 0.45 내지 0.55에서 형성될 수 있다. 예컨데, 상기 각도(θ1)가 4deg.인 경우 상기 각도(θ2)는 1.8deg. 내지 2.2deg.의 범위에서 형성될 수 있다. 바람직하게, 상기 각도(θ2)는 2.0deg.로 형성될 수 있다.
따라서, 노치(313)의 중심(C2)은 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 상기 각도(θ1) 대비 0.45 내지 0.55에서 형성될 수 있다. 바람직하게, 노치(313)의 중심(C2)은 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 상기 각도(θ1) 대비 0.5에서 형성될 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 모터에 형성된 노치의 중심(C2)의 위치에 따른 코깅 토크와 토크 리플을 나타내는 도면이다. 이때, 노치(313)의 갯수는 2개이며, 노치(313)의 반지름(R)과 에어갭(G)의 간격(D)은 0.5mm로 동일하고, 슬롯 오픈(O)의 각도(θ1)는 4deg.이다.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 노치의 중심(C2)의 위치가 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 2.0deg.에 위치할 때를 변곡점으로 하여 코깅 토크는 증가한다.
따라서, 노치의 중심(C2)의 위치가 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 1.8deg. 내지 2.2deg.의 범위에 존재할 때 상기 모터(1)는 효과적인 성능을 발휘할 수 있다. 바람직하게, 노치의 중심(C2)의 위치가 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 2.0deg.에 위치할 때 코깅 토크는 최저값을 갖게 되는바, 상기 모터(1)는 최적의 성능을 발휘할 수 있다.
도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 노치의 중심(C2)의 위치가 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 1.8deg. 내지 2.5deg.의 범위에서 대략 100mNm의 토크 리플값을 유지한다.
따라서, 상기 모터(1)의 코킹 토크와 토크 리플을 고려할 때, 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 1.8deg. 내지 2.2deg.에 위치하는 노치의 중심(C2)의 범위는 최적 범위로 확인될 수 있다. 특히, 노치의 중심(C2)의 위치가 돌기부(312b)의 일측 끝점(P)으로부터 2.0deg.에 위치할 때 코깅 토크는 최저값을 갖게 되는바, 상기 모터(1)는 최적의 성능을 발휘할 수 있다.
코일(320)에는 전류가 인가될 수 있다. 그에 따라, 로터(400)의 마그넷(420)과 전기적 상호작용이 유발되어 로터(400)가 회전할 수 있다. 로터(400)가 회전하는 경우 회전축(500)도 같이 회전한다. 이때, 회전축(500)은 베어링(10)에 의해 지지될 수 있다.
로터(400)는 스테이터(300)의 내측에 배치된다. 중심부에 회전축(500)이 결합될 수 있다.
로터(400)는 로터 코어(410)와 로터 코어(410)에 결합하는 마그넷(420)을 포함할 수 있다. 로터(400)는 로터 코어(410)와 마그넷(420)의 결합 방식에 따라 다음과 같이 형태로 구분될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 로터(400)는 마그넷(420)이 로터 코어(410)의 외주면에 결합되는 타입으로 구현될 수 있다. 이러한 타입의 로터(400)는 마그넷(420)의 이탈을 방지하고 결합력을 높이기 위하여 별도의 캔부재(미도시)가 로터 코어(410)에 결합될 수 있다. 또는 마그넷(420)과 로터 코어(410)가 이중 사출되어 일체로 형성될 수 있다.
한편, 로터(400)는 마그넷(420)이 로터 코어(410)의 내부에 결합되는 타입으로 구현될 수도 있다. 이러한 타입의 로터(400)는 로터 코어(410) 내부에 마그넷(420)이 삽입되는 포켓이 마련될 수 있다.
로터 코어(410)는 얇은 강판 형태의 복수 개의 플레이트가 상호 적층되어 이루어질 수 있다. 물론, 로터 코어(410)는 하나의 통으로 구성되는 단일 코어 형태로 제작될 수도 있다.
또한, 로터 코어(410)는 스큐(skew)각을 형성하는 복수 개의 퍽(Puck)(단위 코어)이 적층되는 형태로 이루어질 수도 있다.
회전축(500)은 로터(400)에 결합될 수 있다. 전류 공급을 통해 로터(400)와 스테이터(300)에 전자기적 상호 작용이 발생하면 로터(400)가 회전하고 이에 연동하여 회전축(500)이 회전한다. 회전축(500)은 차량의 조향축(미도시)과 연결되어 조향축에 동력을 전달할 수 있다. 이때, 회전축(500)은 베어링(10)에 의해 지지될 수 있다.
한편, 상기 모터(1)는 로터(400)의 위치를 검출하기 위해 센싱 마그넷 조립체(600)를 더 포함할 수 있다.
센싱 마그넷 조립체(600)는 센싱 마그넷과 센싱 플레이트를 포함할 수 있다. 센싱 마그넷과 센싱 플레이트는 동축을 갖도록 결합될 수 있다.
상기 센싱 마그넷은 내주면을 형성하는 홀에 인접하여 원주방향으로 배치되는 메인 마그넷과 가장자리에 형성되는 서브 마그넷을 포함할 수 있다. 메인 마그넷은 모터의 로터(400)에 삽입된 드라이브 마그넷과 동일하게 배열될 수 있다. 서브 마그넷은 메인 마그넷 보다 세분화되어 많은 극으로 이루어진다. 이에 따라, 회전 각도를 더욱 세밀하게 분할하여 측정하는 것이 가능하며, 모터의 구동을 더 부드럽게 할 수 있다.
상기 센싱 플레이트는 원판 형태의 금속 재질로 형성될 수 있다. 센싱 플레이트의 상면에는 센싱 마그넷이 결합될 수 있다. 그리고 센싱 플레이트는 회전축(500)에 결합될 수 있다. 여기서, 상기 센싱 플레이트에는 회전축(500)이 관통하는 홀이 형성된다.
또한, 상기 모터(1)는 상기 센싱 마그넷의 자기력을 감지하는 센서가 배치되는 인쇄회로기판(700)을 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 센서는 홀 IC(Hall IC)일 수 있다. 상기 센서는 메인 마그넷 또는 서브 마그넷의 N극과 S극의 변화를 감지하여 센싱 시그널을 생성한다. 3상 브러시리스(brushless) 모터의 경우, U,V,W 상의 정보를 얻는 적어도 3개의 센싱 시그널이 필요하기 때문에 적어도 3개의 센서가 배치될 수 있다.
인쇄회로기판(700)은 브라켓(200)의 하면에 결합되어 상기 센서가 상기 센싱 마그넷을 마주 보도록 센싱 마그넷 조립체(600) 위에 설치될 수 있다.
도 10은 노치가 없는 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 표이고, 도 11은 상온에서 노치가 없는 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 도면이고, 도 12는 사각형 노치가 형성된 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 표이고, 도 13은 사각형 노치가 형성된 모터와 실시예에 따른 모터의 성능을 나타내는 도면이다.
이하, 도 10 내지 도 13을 참조하여, 상기 모터(1)의 성능에 대해 살펴보기로 한다.
도 10 및 도 11을 참조하여 살펴보면, 노치가 없는 모터와 비교할 때, 상기 모터(1)와 같이 노치(313)가 구비된 경우 코깅 토크는 79% 감소하고 토크 리플은 39.7% 감소된 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 코깅 토크 및 토크 리플 이외의 값의 변화량은 미비한 것을 확인할 수 있다.
따라서, 상기 모터(1)는 노치가 없는 모터에 비해 성능상에는 차이가 없으면서도 코깅 토크(Cogging Torque)와 토크 리플(Torque Ripple)을 감소시켜 품질을 향상시킬 수 있다.
도 12 및 도 13를 참조하여 살펴보면, 사각형 노치(Square Notch)가 형성된 모터와 비교할 때, 상기 모터(1)와 같이 상술 된 노치(313)가 구비된 경우 코깅 토크는 67.4% 감소하고 토크 리플은 2.5% 증가된 것을 확인할 수 있다. 또한, 상기 코깅 토크 및 토크 리플 이외의 값의 변화량은 미비한 것을 확인할 수 있다.
여기서, 사각형 노치는 한변의 길이와 대각선 길이에서 차이가 있다. 특히 반지름 방향의 변의 길이와 대각선 길이에서 차이가 있다.
즉, 사각형 노치는 자로 길이가 방향별로 차이가 있기 때문에, 상기 모터의 반원형 노치(313)가 코킹 토크의 측면에서 더욱 효과가 있다.
따라서, 상기 모터(1)는 사각형 노치가 형성된 모터에 비해 성능상에는 차이가 없으면서도 코깅 토크(Cogging Torque)를 감소시켜 품질을 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 수정과 변경에 관계된 차이점들을 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 모터 10: 베어링
100: 샤프트 고정부
200: 브라켓
300: 스테이터
310: 스테이터 코어 311: 요크
312: 투스 312a: 코일 권선부
312b: 돌기부 313: 노치
320: 코일
400: 로터 410: 로터 코어
420: 마그넷
500: 회전축
600: 센싱 마그넷 조립체
700: 인쇄회로기판

Claims (11)

  1. 회전축;
    상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터; 및
    상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터;
    상기 스테이터는,
    복수 개의 투스를 갖는 스테이터 코어; 및
    상기 투스에 권선되는 코일을 포함하며,
    상기 투스는,
    상기 코일이 권선되는 코일 권선부; 및
    상기 코일 권선부에서 연장되게 형성되는 돌기부를 포함하고,
    상기 돌기부는 상기 회전축 방향으로 형성된 복수 개의 반원형 노치를 포함하며,
    상기 노치의 횡단면 중심(C2)은 상기 돌기부의 일측 끝점(P)으로부터 원주 방향으로 일정 각도(θ2) 이격되게 배치되며,
    상기 각도(θ2)는 상기 돌기부의 끝점과 인접한 상기 돌기부 끝점이 상기 회전축의 중심과 이루는 각도(θ1)의 0.45 내지 0.55인 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 각도(θ2)는 상기 각도(θ1)의 0.5인 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)의 0.9 내지 1.1인 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)과 동일한 모터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 로터는 로터 코어 및 상기 로터 코어의 외주면에 배치되는 마그넷을 포함하며,
    상기 반원형 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터의 마그넷 사이의 간격(D)과 동일한 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 마그넷은 6개로 제공되고, 상기 투스는 9개로 제공되는 모터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 돌기부에 형성된 상기 노치는 2개인 모터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 노치는 원주 방향을 기준으로 상기 돌기부의 폭 중심과 상기 스테이터코어의 중심(C1)을 지나는 기준선(L)을 기준으로 대칭되게 배치되는 모터.
  9. 회전축;
    상기 회전축이 삽입되는 홀을 포함하는 로터; 및
    상기 로터의 외측에 배치되는 스테이터;
    상기 스테이터는,
    복수 개의 투스를 갖는 스테이터 코어; 및
    상기 투스에 권선되는 코일을 포함하며,
    상기 투스는,
    상기 코일이 권선되는 코일 권선부; 및
    상기 코일 권선부에서 연장되게 형성되는 돌기부를 포함하고,
    상기 돌기부는 상기 회전축 방향으로 형성된 복수 개의 반원형 노치를 포함하며,
    상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)의 0.9 내지 1.1인 모터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터 사이의 간격(D)과 동일한 모터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 로터는 로터 코어 및 상기 로터 코어의 외주면에 배치되는 마그넷을 포함하며,
    상기 반원형 노치의 반지름(R)은 상기 스테이터의 돌기부와 상기 로터의 마그넷 사이의 간격(D)과 동일한 모터.
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