KR20230005644A - 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의한 사요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는, 원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯을 포함하는 내부 고정자; 공극을 두고 상기 내부 고정자를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 소정 간격으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는 요크리스 회전자; 및 공극을 두고 상기 요크리스 회전자를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯을 포함하는 외부 고정자를 포함하고, 상기 요크리스 회전자는 상기 영구 자석들을 고정시키기 위한 자석 지지부를 포함하며, 상기 자석 지지부는 비자성체 스테인리스강으로 형성된다.

Description

요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기{DUAL AIRGAP RADIAL FLUX PERMANENT MAGNET VERNIER MACHINE WITH YOKELESS ROTOR}

본 발명은 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는 저속에서의 높은 토크 성능을 요구하는 많은 다이렉트 드라이브 운용 분야에서 널리 사용될 수 있다.

일반적으로 이중 공극 영구 자석 버니어 전동기는 구조가 단순하고 다른 기계와 비교했을 때 저속에서 높은 토크 밀도를 가지므로 인기가 있다. 그러나 기존의 이중 공극 방사형 영구 자석 버니어 전동기는 다음과 같은 단점을 가진다.

일반적인 이중 공극 버니어 전동기는 회전자 코어의 양쪽에 표면형 자석을 가지고 있기 때문에 다른 영구 자석 전동기와 비교했을 때 자석 소비량이 많아 전동기 전체의 제조 원가가 높다.

또한, 기존의 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 고정자 간 자속 밀도는 회전자에 철제 요크가 존재하기 때문에 동일하지 않으며, 회전자 코어 양쪽의 표면형 자석으로 인해 회전자의 기계적 구조가 어렵다.

KR 10-2020-0089911 A

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 전동기의 토크 성능을 향상시키고, 이중 공극 영구 자석 버니어 전동기의 자석 사용량을 줄이며, 철제 요크를 사용하는 모델에 비해 내부 고정자와 외부 고정자 간의 쇄교 자속이 개선되고, 자석 층이 한 층으로 되어 있어 회전자의 기계적 구조가 단순하며, 회전자를 양쪽에서 안정적으로 지지하여 진동과 소음에 훨씬 안정적인, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는,

원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯을 포함하는 내부 고정자;

공극을 두고 상기 내부 고정자를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 소정 간격으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는 요크리스 회전자; 및

공극을 두고 상기 요크리스 회전자를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯을 포함하는 외부 고정자를 포함하고,

상기 요크리스 회전자는 상기 영구 자석들을 고정시키기 위한 자석 지지부를 포함하며,

상기 자석 지지부는 비자성체 스테인리스강으로 형성된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 요크리스 회전자는,

상기 자석 지지부의 일단을 지지하기 위한 제1 회전자 지지부; 및

상기 자석 지지부의 타단을 지지하기 위한 제2 회전자 지지부를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는,

상기 외부 고정자를 둘러싸도록 형성된 외부 고정자 지지부;

상기 외부 고정자 지지부의 한쪽의 개방된 면을 닫도록 형성되며, 중앙에 관통공이 형성되어 있는, 제1 외부 고정자 덮개; 및

상기 외부 고정자 지지부의 다른 쪽의 개방된 면을 닫도록 형성되며, 중앙에 상기 내부 고정자를 고정시키기 위한 고정자 연결축을 포함하는 제2 외부 고정자 덮개를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 제2 회전자 지지부의 중앙에는 관통공이 구비되고,

상기 고정자 연결축은 상기 제2 회전자 지지부의 관통공을 통과하도록 형성되며,

상기 내부 고정자는 상기 고정자 연결축에 의해 상기 제2 외부 고정자 덮개에 고정될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 고정자 연결축은 상기 제1 회전자 지지부까지 연장되고,

상기 제1 회전자 지지부는 제1 베어링에 의해 상기 고정자 연결축에 회전가능하게 지지되며,

상기 제2 회전자 지지부는 제2 베어링에 의해 상기 제2 외부 고정자 덮개에 회전가능하게 지지될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 복수의 영구 자석은 표면형 영구 자석을 포함하고,

상기 복수의 영구 자석은 상기 자석 지지부에 N극과 S극이 교대로 배치되어 있으며,

상기 자석 지지부는 상기 영구 자석들을 삽입하기 위한 상기 회전자 축 방향으로 소정 폭으로 형성된 복수의 관통공을 포함하며,

상기 외부 고정자를 바라보는 상기 임의의 영구 자석의 표면의 극성이 N극인 경우, 상기 내부 고정자를 바라보는 상기 임의의 영구 자석의 반대편 표면의 극성은 S극일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 요크리스 회전자는 상기 제1 회전자 지지부에 연결된 회전자 축을 더 포함하고,

상기 회전자 축은 상기 제1 외부 고정자 덮개의 관통공을 통과하여 제3 베어링에 의해 상기 제1 외부 고정자 덮개에 회전가능하게 지지될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 제1 및 제2 회전자 지지부는, 비자성체 스테인리스강으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 내부 고정자의 슬롯과 상기 외부 고정자의 슬롯에는 각각 분포 권선이 형성되고,

상기 내부 고정자의 권선과 상기 외부 고정자의 권선은 직렬로 연결될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 있어서, 상기 내부 고정자의 슬롯의 수와 상기 외부 고정자의 슬롯의 수는 동일할 수 있다.

기존의 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는 철제 요크가 있으며, 회전자 코어 양쪽에 표면형 자석이 존재하여 총 두 겹의 표면형 자석이 있으나, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는 회전자에 한 층의 자석만 있기 때문에 자석의 양이 절반으로 줄어들고, 철제 요크가 없다. 철제 요크를 사용하는 모델에 비해 내부 고정자와 외부 고정자 간의 쇄교 자속이 개선됐다. 또한, 회전자의 기계적 구조가 기존의 이중 공극 버니어 전동기에 비해 자석 층이 한 층으로 되어 단순하다.

본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 의하면, 회전자를 양쪽에서 안정적으로 지지하여 진동과 소음에 훨씬 안정적이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 의하면, 동일 조건(외부 치수, 구리 부피)에서 작동하면서 비슷한 역기전력, 비슷한 토크, 상당히 개선된 자석 부피당 토크 및 토크 밀도를 제공한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 회전자 구조는 단일 층으로 형성된 자석과 요크의 부재로 단순하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 의하면 자석의 부피가 반으로 준다. 그 결과, 자석 부피당 토크가 크게 향상된다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 의하면, 회전자 부분에 철심(요크)이 없어 토크 리플도 크게 감소한다.

결과적으로 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는 철 요크 회전자 모델을 적절히 대체하여 50%의 자석 부피를 절약하여 동급의 성능과 비용 효율적인 솔루션을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기를 축 방향에 수직한 면을 따라 절단한 단면도.
도 2는 외부 고정자의 권선과 내부 고정자의 권선의 연결을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 어셈블리 레이아웃을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기를 축 방향으로 절단한 단면도.
도 5a는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 외부 고정자를 도시한 도면.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 회전자를 도시한 도면.
도 5c는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 내부 고정자를 도시한 도면.
도 6a는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 자속 경로를 도시한 도면.
도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 자속 경로를 도시한 도면.
도 7a는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에서 공극과 자석 층을 포함하는 하나의 극에 대한 자속 경로의 자기 저항을 도시한 도면.
도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에서 공극과 자석 층을 포함하는 하나의 극에 대한 자속 경로의 자기 저항을 도시한 도면.
도 8은 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상호 인덕턴스를 도시한 도면.
도 9a는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상태에서의 자속 밀도를 도시한 도면.
도 9b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상태에서의 자속 밀도를 도시한 도면.
도 10a는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 부하 상태에서의 자속 밀도를 도시한 도면.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 부하 상태에서의 자속 밀도를 도시한 도면.
도 11a는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상태에서의 쇄교 자속을 도시한 도면.
도 11b는 본 발명의 일 실시예에의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상태에서의 쇄교 자속을 도시한 도면.
도 12a는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 역기전력을 도시한 도면.
도 12b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 역기전력을 도시한 도면.
도 13은 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 토크 리플을 도시한 도면.
도 14는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 토크 파형을 도시한 도면.
도 15는 철 요크 회전자를 사용하는 통상적인 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 구조를 도시한 도면.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 명세서 및 청구항에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

영구 자석 전동기의 다양한 종류 중 저속 영역에서 고토크를 내는 버니어 전동기는 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. 통상적으로 이중 공극 영구 자석 버니어 전동기는 단일 공극 버니어 전동기보다 동일 부피 당 토크가 높아 사용된다.

도 15에 도시된 바와 같이, 통상적으로 이중 공극 버니어 전동기는 고정자 극 수보다 회전자 극 수가 많고, 회전자 요크의 바깥쪽과 안쪽에 방사형 기계 토폴로지를 위한 이중 자석 층을 포함하기 때문에 다른 모델에 비해 자석의 부피가 더 많이 소비되고, 제조 비용이 증가한다.

또한, 도 15에 도시된 바와 같이, 일반적인 철 회전자 요크가 있는 이중 공극 버니어 전동기는 회전자 요크(철심)로 인해, 내부 고정자와 외부 고정자 사이의 자속 경로가 커지게 되고, 따라서 회전자 요크(철심)가 있는 회전자를 포함하는 일반적인 이중 공극 버니어 전동기는 내부 고정자와 외부 고정자 간의 상호 인덕턴스를 감소시키는 기계의 전반적인 자기 저항이 증가한다.

또한, 일반적인 이중 공극 버니어 전동기의 외부 고정자 및 내부 고정자의 쇄교 자속과 역기전력은 내부 공극 및 외부 공극 측에서 자석의 간격이 일정하지 않기 때문에 균일하지 않다. 이는 차례로 기계의 전반적인 토크 성능에 영향을 미친다.

본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는 동일한 정격 속도, 치수, 권선 구성 및 동일 조건에서 철제 요크 회전자를 사용하는 전동기에 비해 토크 밀도, 평균 토크, 토크 리플 및 자석 부피당 토크가 더욱 좋으며, 동시에 일반적인 이중 공극 버니어 전동기에 비해 자석의 부피를 절반으로 줄일 수 있다.

일반적으로 버니어 전동기는 자속 변조 효과를 기반으로 작동한다. 고정자 권선은 낮은 차수의 고조파를 생성하며, 회전자 극은 고정자에서 생성된 자계와 결합하는 고차 고조파 자계를 생성하며, 자기 기어링 효과로 인해 유용한 토크를 생성한다. 고정자 극 수, 회전자 극 수 및 고정자 슬롯의 수 간의 관계는 수학식 1과 같다.

Ps, Pr, Ss는 각각 고정자 극 수, 회전자 극 수, 고정자 슬롯 수이다. +와 - 부호는 모두 유사한 고정자 기자력을 생성한다. 시간 주파수 영역에서는 회전자 기자력과 고정자 기자력이 + 기준에 대해 동일한 방향으로, - 기준에 대해 반대 방향으로 회전한다.

본 발명은 자석 부피당 토크가 향상되고 평균 토크가 향상될 수 있도록 요크 없는 회전자를 사용하는 새로운 이중 공극 자속 방사형 버니어 전동기를 제안한다.

요크리스 회전자의 장점은 두 개의 고정자 사이에 효과적인 쇄교 자속을 제공하고 기계의 자석 부피를 줄이는 것이다. 회전자 요크가 없으면 기계의 자속 경로가 줄어들어 두 고정자 간의 상호 인덕턴스가 개선된다.

외부 공극 및 내부 공극 측에서 회전자의 자석 사이 공극이 비슷해 외부 고정자와 내부 고정자의 두 고정자의 쇄교 자속 차이가 줄어 외부 고정자와 내부 고정자에서 거의 균형 잡힌 역기전력이 유도된다. 이러한 방식으로 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 전반적인 토크 성능이 향상되며 자석의 총 부피를 절반으로 줄일 수 있다.

다시 도 15를 참조하면, 도 15는 일반적인 이중 공극 자속 방사형(DARF: Dual Airgap Radial Flux) 영구 자석 버니어 전동기(PMVM: Permanent Magnet Vernier Machine) 토폴로지를 보여준다.

도 15는 내부 고정자와 외부 고정자 사이에 철 요크 회전자가 끼워진 전동기의 기본 구조를 보여주고 각 위치에서 동일한 극성을 가진 두 층의 표면 타입 NdFeB 자석을 앞뒤로 위치한다.

DARF 전동기에 자기 회전자 코어가 있으면 추가 손실이 발생한다. 외부 고정자 및 내부 고정자는 자속 변조 효과를 실현하기 위한 기존 톱니형 구조이며 권선은 기존 분산형이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기를 축 방향에 수직한 면을 따라 절단한 단면도로서, 요크리스 회전자가 있는 발명된 이중 공극 영구 자석 버니어 전동기의 구조를 보여준다.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는 철심(요크)이 없는 회전자(102, 104)가 하나의 자석 층(102)을 가지고 있다. 요크리스 회전자(102, 104)의 표면형 영구 자석(102)은 비자성체인 자석 지지부(104)에 고정된다. 요크없는 회전자 모델에 철심이 없으면 회전자 손실이 일어나지 않는다.

도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는, 원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯(110)을 포함하는 내부 고정자(100), 공극을 두고 상기 내부 고정자(100)를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 자석 지지부(104)에 소정 간격으로 배치된 복수의 영구 자석(102)을 포함하는 요크리스 회전자(106), 및 공극을 두고 상기 요크리스 회전자(106)를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯(112)을 포함하는 외부 고정자(108)를 포함한다.

상기 자석 지지부(104)는 상기 영구 자석들(102)을 고정시키기 위한 것이고, 상기 자석 지지부(104)는 비자성체인 스테인리스강으로 형성된다.

도 1을 참조하면, 상기 내부 고정자(100)의 슬롯(110)과 상기 외부 고정자(108)의 슬롯(112)에는 각각 분포 권선(114, 116)이 형성되어 있다.

또한, 상기 내부 고정자(100)의 슬롯(110)의 수와 상기 외부 고정자(108)의 슬롯(112)의 수는 동일하다.

본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 의하면, 상기 내부 고정자(100)의 권선(114)과 상기 외부 고정자(108)의 권선(116)은 도 2에 도시된 바와 같이, 직렬로 연결되어 있어, 회전자 자석(102)에서 나오는 자계를 이용하여 내부 고정자(100)와 외부 고정자(108)가 동시에 상호작용을 하여 토크를 발생시키는 방식으로 동작한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 어셈블리 레이아웃을 도시한 도면이다.

참조번호 300은 내부 고정자이고, 참조번호 302는 복수의 표면형 영구 자석(304)을 고정시키기 위한 비자성체 스테인리스강으로 형성된 자석 지지부이며, 참조번호 305는 복수의 표면형 영구 자석(304) 및 자석 지지부(302)를 포함하는 요크리스 회전자이고, 참조번호 312는 외부 고정자이다.

상기 요크리스 회전자(305)는, 상기 자석 지지부(302)의 일단을 지지하기 위한 제1 회전자 지지부(306) 및 상기 자석 지지부(302)의 타단을 지지하기 위한 제2 회전자 지지부(310)를 더 포함한다.

상기 자석 지지부(302)와, 상기 제1 회전자 지지부(306), 및 상기 제2 회전자 지지부(310)는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 서로 결합되어 고정된다.

상기 요크리스 회전자(305)는 상기 제1 회전자 지지부(306)의 중앙에 연결된 회전자 축(308)을 더 포함한다.

또한, 도 3에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는, 상기 외부 고정자(312)를 둘러싸도록 형성된 외부 고정자 지지부(314), 상기 외부 고정자 지지부(314)의 한쪽의 개방된 면을 닫도록 형성되며, 중앙에 관통공(322)이 형성되어 있는, 제1 외부 고정자 덮개(316), 및 상기 외부 고정자 지지부(314)의 다른 쪽의 개방된 면을 닫도록 형성되며, 중앙에 상기 내부 고정자(300)를 고정시키기 위한 고정자 연결축(320)을 포함하는 제2 외부 고정자 덮개(318)를 더 포함한다.

도 5a에 실제 제작된 외부 고정자(312) 및 관련 구조를 도시하였고, 도 5b에 실제 제작된 회전자(305)를 도시하였으며, 도 5c에 실제 제작된 내부 고정자(300) 및 관련 구조를 도시하였다.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 표면형 영구 자석(304)은 상기 자석 지지부(302)에 N극과 S극이 교대로 배치되어 있으며, 상기 자석 지지부(302)는 상기 영구 자석들(304)을 삽입하기 위한 상기 회전자 축(308) 방향으로 소정 폭으로 형성된 복수의 관통공(미도시)을 포함한다.

상기 외부 고정자(312)를 바라보는 임의의 영구 자석의 표면의 극성이 N극인 경우, 상기 내부 고정자(300)를 바라보는 상기 임의의 영구 자석의 반대편 표면의 극성은 S극이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기를 축 방향으로 절단한 단면도이다.

참조번호 400은 내부 고정자이고, 참조번호 402는 복수의 표면형 영구 자석(404)을 고정시키기 위한 비자성체 스테인리스강으로 형성된 자석 지지부이며, 참조번호 405는 복수의 표면형 영구 자석(404) 및 자석 지지부(402)를 포함하는 요크리스 회전자이고, 참조번호 412는 외부 고정자이다.

제2 회전자 지지부(410)의 중앙에는 관통공(미도시)이 구비되고, 고정자 연결축(420)은 제2 회전자 지지부(410)의 관통공을 통과하도록 형성되며, 내부 고정자(400)는 상기 고정자 연결축(420)에 의해 제2 외부 고정자 덮개(418)에 고정된다.

상기 고정자 연결축(420)은 제1 회전자 지지부(406)까지 연장되고, 상기 제1 회전자 지지부(406)는 제1 베어링(422)에 의해 상기 고정자 연결축(420)에 회전가능하게 지지되며, 상기 제2 회전자 지지부(410)는 제2 베어링(424)에 의해 상기 제2 외부 고정자 덮개(418)에 회전가능하게 지지된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 의하면, 회전자(305)의 지지대 구조(306, 310, 406, 410)가 닫힌 구조로 되어 있고 회전자(305, 405)를 양쪽에서 지지하기 때문에, 진동과 소음에 훨씬 안정적이다.

상기 요크리스 회전자(405)는 상기 제1 회전자 지지부(406)에 연결된 회전자 축(408)을 더 포함하고, 상기 회전자 축(408)은 제1 외부 고정자 덮개(416)의 관통공(미도시)을 통과하여 제3 베어링(426)에 의해 상기 제1 외부 고정자 덮개(416)에 회전가능하게 지지된다.

상기 제1 및 제2 회전자 지지부(406, 410)는, 비자성체 스테인리스강으로 형성된다.

기존의 회전자 요크(철심)를 갖는 이중 공극 버니어 전동기는 철심으로 인하여, 내부 고정자와 외부 고정자 사이의 자속 경로가 커지게 되고, 따라서 회전자 요크(철심)가 있는 회전자를 포함하는 일반적인 이중 공극 버니어 전동기는 내부 고정자와 외부 고정자 간의 상호 인덕턴스를 감소시키는 기계의 전반적인 자기 저항이 증가한다.

이에 반하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에 의하면, 회전자에 철심으로 된 요크가 없기 때문에, 내부 고정자와 외부 고정자 사이의 자속 경로가 짧아지게 되어, 외부 고정자와 외부 고정자 간의 상호 인덕턴스를 증가시킨다. 또한, 자석 지지부(302, 402)가 비자성체로 되어 있기 때문에, 회전자 손실이 발생하지 않는다.

표 1은 철 코어(요크) 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기의 설계 매개 변수와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 설계 매개 변수를 비교한 표이다. 표 1을 참조하면, 대부분의 매개 변수들은 기존과 동일하며, 자석의 부피가 절반으로 줄어든 것을 확인할 수 있다. 즉, 자석의 부피가 절반으로 줄어도 유사한 성능을 갖고 있음을 확인할 수 있다.

도 6a는 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기의 자속 경로를 도시한 것이고, 도 6b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 자속 경로를 도시한 것이다.

도 6b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 자속 경로는 회전자 요크가 없고 오직 하나의 자석 층이 존재하기 때문에, 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기보다 더 짧은 경로를 따른다는 것을 알 수 있다. 자속 경로의 단축은 자기 저항에 영향을 끼친다.

도 7a는 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기에서 공극과 자석 층을 포함하는 하나의 극에 대한 자속 경로의 자기 저항을 도시한 것이고, 도 7b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에서 공극과 자석 층을 포함하는 하나의 극에 대한 자속 경로의 자기 저항을 도시한 것이다. 여기서 R_g1. R_m1. R_g2. R_m2는 각각 내부 공극, 자석의 내부 층, 외부 공극 및 자석의 외부 층에 대한 자기 저항을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 회전자에는 철심으로 된 요크가 존재하지 않고 단지 한 층의 자석만 존재하기 때문에, 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기에 비해 한 겹의 자기 저항은 존재하지 않으며, 이는 도 6b에 도시된 바와 같이 본 발명의 모델에서 자속 경로의 전체 길이를 감소시킨다.

도 8은 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상호 유도성(인덕턴스)을 도시한 것이다. 요크리스 회전자 모델의 상호 인덕턴스가 철 요크 회전자 모델에 비해 훨씬 높다는 것을 알 수 있다.

도 9a 및 도 9b는 각각 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상태에서의 자속 밀도를 도시한 것이고, 도 10a 및 도 10b는 각각 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 부하 상태에서의 자속 밀도를 도시한 것이다.

무부하 자속 밀도는 철 요크 회전자 모델에 사용되는 자석의 부피가 크기 때문에 기존 모델이 더 크다. 하지만 요크리스 모델의 자속 밀도는 상호 인덕턴스가 증가하여 철 요크 회전자가 있는 모델에 비해 부하 상태에서 더 높다.

도 11a는 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상태에서의 쇄교 자속을 도시한 것이고, 도 11b는 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 무부하 상태에서의 쇄교 자속을 도시한 것이다.

도 11a를 참조하면, 철 요크 회전자가 있는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기의 외부 고정자의 쇄교 자속은 내부 고정자의 쇄교 자속보다 높다. 두 고정자에서 쇄교 자속의 차이는 외부 공극 및 내부 공극의 자속 밀도가 다르기 때문이다. 이는 내부 공극의 반경이 외부 공극의 반경보다 상대적으로 작기 때문에 공극이 작을 때 자석 사이의 거리가 줄어들기 때문이다.

이에 반하여, 도 11b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 외부 고정자의 쇄교 자속과 내부 고정자의 쇄교 자속은 유사하다.

도 12a 및 도 12b는 각각 철 요크 회전자가 있는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기의 외부 고정자와 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 역기전력을 도시한 것이다.

도 12a에 도시된 바와 같이, 기존의 철 요크 회전자 모델에서는 외부 고정자와 내부 고정자의 역기전력은 두 고정자의 쇄교 자속이 동일하지 않기 때문에 역기전력 역시 동일하지 않다.

하지만, 도 12b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기에서는 내부 고정자의 쇄교 자속과 외부 고정자의 쇄교 자속이 유사하기 때문에 역기전력 역시 유시하다.

도 13은 유사한 작동 조건에서 기존 모델과 본 발명에 의한 모델의 토크 리플을 비교한 것이다. 결과에 따르면 요크리스 회전자를 사용하는 본 발명의 모델이 기존 모델에 비해 토크 리플이 크게 감소했음을 알 수 있다.

도 14는 기존 모델과 본 발명에 의한 모델의 토크 파형을 도시한 것이다. 요크리스 회전자를 사용하는 본 발명의 모델의 평균 토크는 표 1에서 언급한 기존 모델에 비해 약간 낮다. 또한, 요크리스 회전자를 사용하는 본 발명의 모델에 사용된 자석의 부피는 기존 모델에 비해 절반이다. 토크가 개선된 이유는 요크리스 회전자를 사용하는 본 발명의 모델에서 두 고정자 간의 쇄교 자속과 상호 인덕턴스가 증가했기 때문이다.

표 2는 유사한 작동 조건과 동일한 외부 치수의 기존 모델과 본 발명에 의한 모델의 성능을 비교한 것이다.

권선 구성과 코어 및 자석의 재료도 기존 모델과 동일하게 유지했다.

표 2에 기재된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기는 영구 자석의 부피가 절반으로 줄어들었음에도 불구하고, 성능은 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기와 유사하거나 더 능가한다는 것을 알 수 있다.

더욱이, 본 발명의 일 실시예에 의한 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기의 토크 리플은 철 요크 회전자를 사용하는 기존의 이중 공극 자속 방사형 영구 자석 버니어 전동기의 토크 리플보다 크게 감소했다는 것을 알 수 있다.

본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.

100, 300, 400 : 내부 고정자 102, 304, 404 : 표면형 영구 자석
104, 302, 402 : 자석 지지부 106, 305, 405 : 회전자
108, 312, 412 : 외부 고정자 110, 112 : 슬롯
114, 116 : 분포 권선 306, 406 : 제1 회전자 지지부
308, 408 : 회전자 축 310, 410 : 제2 회전자 지지부
314, 414 : 외부 고정자 지지부 316, 416 : 제1 외부 고정자 덮개
318, 418 : 제2 외부 고정자 덮개 320, 420 : 고정자 연결축
322 : 관통공 422 : 제1 베어링
424 : 제2 베어링 426 : 제3 베어링

Claims (10)

1. 원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯을 포함하는 내부 고정자;
   공극을 두고 상기 내부 고정자를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 소정 간격으로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는 요크리스 회전자; 및
   공극을 두고 상기 요크리스 회전자를 둘러싸도록 원주 방향을 따라 형성된 복수의 슬롯을 포함하는 외부 고정자를 포함하고,
   상기 요크리스 회전자는 상기 영구 자석들을 고정시키기 위한 자석 지지부를 포함하며,
   상기 자석 지지부는 비자성체 스테인리스강으로 형성되는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 요크리스 회전자는,
   상기 자석 지지부의 일단을 지지하기 위한 제1 회전자 지지부; 및
   상기 자석 지지부의 타단을 지지하기 위한 제2 회전자 지지부를 더 포함하는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 외부 고정자를 둘러싸도록 형성된 외부 고정자 지지부;
   상기 외부 고정자 지지부의 한쪽의 개방된 면을 닫도록 형성되며, 중앙에 관통공이 형성되어 있는, 제1 외부 고정자 덮개; 및
   상기 외부 고정자 지지부의 다른 쪽의 개방된 면을 닫도록 형성되며, 중앙에 상기 내부 고정자를 고정시키기 위한 고정자 연결축을 포함하는 제2 외부 고정자 덮개를 더 포함하는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제2 회전자 지지부의 중앙에는 관통공이 구비되고,
   상기 고정자 연결축은 상기 제2 회전자 지지부의 관통공을 통과하도록 형성되며,
   상기 내부 고정자는 상기 고정자 연결축에 의해 상기 제2 외부 고정자 덮개에 고정되는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 고정자 연결축은 상기 제1 회전자 지지부까지 연장되고,
   상기 제1 회전자 지지부는 제1 베어링에 의해 상기 고정자 연결축에 회전가능하게 지지되며,
   상기 제2 회전자 지지부는 제2 베어링에 의해 상기 제2 외부 고정자 덮개에 회전가능하게 지지되는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
6. 청구항 2에 있어서,
   상기 복수의 영구 자석은 표면형 영구 자석을 포함하고,
   상기 복수의 영구 자석은 상기 자석 지지부에 N극과 S극이 교대로 배치되어 있으며,
   상기 자석 지지부는 상기 영구 자석들을 삽입하기 위한 상기 회전자 축 방향으로 소정 폭으로 형성된 복수의 관통공을 포함하며,
   상기 외부 고정자를 바라보는 상기 임의의 영구 자석의 표면의 극성이 N극인 경우, 상기 내부 고정자를 바라보는 상기 임의의 영구 자석의 반대편 표면의 극성은 S극인, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
7. 청구항 3에 있어서,
   상기 요크리스 회전자는 상기 제1 회전자 지지부에 연결된 회전자 축을 더 포함하고,
   상기 회전자 축은 상기 제1 외부 고정자 덮개의 관통공을 통과하여 제3 베어링에 의해 상기 제1 외부 고정자 덮개에 회전가능하게 지지되는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 및 제2 회전자 지지부는, 비자성체 스테인리스강으로 형성되는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 내부 고정자의 슬롯과 상기 외부 고정자의 슬롯에는 각각 분포 권선이 형성되고,
   상기 내부 고정자의 권선과 상기 외부 고정자의 권선은 직렬로 연결되는, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 내부 고정자의 슬롯의 수와 상기 외부 고정자의 슬롯의 수는 동일한, 요크리스 회전자를 이용한 이중 공극 방사형 자속 영구 자석 버니어 전동기.

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