WO2016006937A1 - 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치 - Google Patents

코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치 Download PDF

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WO2016006937A1
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permanent magnet
cogging torque
slots
minimize
generator
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노순창
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노순창
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/26—Rotor cores with slots for windings
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets

Definitions

  • the present invention relates to a permanent magnet rotating device that minimizes cogging torque, and more particularly, does not use various methods for reducing the cost of conventional cogging torque that increases cost, such as skew and tooth processing,
  • the present invention relates to a permanent magnet rotating device that minimizes cogging torque by proper arrangement between a combination and a permanent magnet.
  • the wind power generation sector where electricity can be obtained by installing a generator at low cost wherever there is wind is maintaining a continuous growth.
  • the low RPM, high torque permanent magnet generator has a disadvantage in that initial starting is difficult due to high cogging torque due to high magnetic flux density of the permanent magnet and magnetic field imbalance between the core and the permanent magnet.
  • AFPM Axial Flux Permanent Magnet
  • AFPM axial Flux Permanent Magnet
  • RFPM Random Flux Permanent Magnet
  • the slotted Radial Flux Permanent Magnet (RFPM) generator has the advantages of simple structure, high output voltage and efficiency, small size and light weight, but it is difficult to start due to the large cogging torque and vibration occurs even at rated operation. There is this.
  • Cogging torque can be defined as pulsating torque caused by the tendency to keep the reluctance in the minimum direction in the magnetic circuit composed of rotor permanent magnet, stator core core and air gap.
  • PM motor magnet motor
  • Permanent magnet rotating device to minimize the cogging torque of the present invention to solve the problems caused in the prior art, by improving the separation distance between the number of poles and the number of slots and the rotor permanent magnet, output and efficiency Its purpose is to dramatically reduce vibration and noise by minimizing cogging torque so as not to increase manufacturing costs while maintaining the same.
  • Another object of the present invention is to reduce the initial starting torque by the cogging torque to facilitate the initial starting of the permanent magnet generator or permanent magnet motor (PM motor).
  • the permanent magnet rotating device to minimize the cogging torque of the present invention is a shaft (110); A rotor 200 coupled to the center and having a plurality of permanent magnets 210 formed at predetermined intervals;
  • the generator and the motor having a permanent magnet rotating device to minimize the cogging torque according to the present invention provides an effect that can be started with a small force because the starting torque is very low.
  • the starting wind speed can be lowered to 1 m / s or less, and when applied to a permanent magnet electric motor, cogging torque and torque ripple are minimized even at high speed. It can do this without the need for a driver or butter.
  • the permanent magnet rotating device developed by the combination of the number of poles and the number of slots and the ratio of the separation distance between the magnets and the width of the lower end of the slot of the present invention has a permanent arrangement of the permanent magnets and the slots. It provides the effect of minimizing cogging torque without reducing it.
  • the cogging torque can be minimized regardless of the void and the magnetic flux density, it is possible to use a thick permanent magnet or to minimize the void, thereby providing a compact and lightweight effect compared to a conventional permanent magnet motor or generator.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a permanent magnet rotating device to minimize cogging torque according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exemplary view showing the distance between the bottom width and the permanent magnet and the permanent magnet of the permanent magnet rotating device to minimize the cogging torque according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an exemplary view showing an air gap between the permanent magnet and the bottom width of the permanent magnet rotating device to minimize the cogging torque according to an embodiment of the present invention.
  • a rotor 200 coupled to the center and having a plurality of permanent magnets 210 formed at predetermined intervals;
  • a plurality of slots 310 are formed at predetermined intervals, each of the stator core unit 300 is wound around the coil coil;
  • the number of poles of the permanent magnet and the number of slots are determined by the following equation.
  • the permanent magnet rotating device to minimize the cogging torque of the present invention
  • a rotor 200 coupled to the center and having a plurality of permanent magnets 210 formed at predetermined intervals;
  • a plurality of slots 310 are formed at predetermined intervals, each of the stator core unit 300 is wound around the coil coil;
  • the number of poles of the permanent magnet and the number of slots are determined by the following equation.
  • the lower end width (b) of the slot 310 and the separation distance (a) between the permanent magnet 210 and the permanent magnet 210 of the rotor 200 is characterized in that forming a 1: 1.
  • the separation distance (a) between the permanent magnet 210 and the permanent magnet 210 of the rotor 200 is formed within the range of 70% ⁇ 130% of the lower width (b) of the stator core 300 It is characterized by.
  • Permanent magnet generator characterized in that applied to any one of the permanent magnet motor.
  • the thickness of the permanent magnet 210 is the thickness of the permanent magnet 210
  • It is characterized by being in the range of 1 mm to 50 mm.
  • the air gap c between the permanent magnet 210 of the rotor 200 and the lower end width b of the stator core 300 is,
  • a rotor 200 coupled to the center and having a plurality of permanent magnets 210 formed at predetermined intervals;
  • a plurality of slots 310 are formed at predetermined intervals, each of the stator core unit 300 is wound around the coil coil;
  • the number of poles of the permanent magnet and the number of slots are determined by the following equation.
  • the permanent magnet rotating device that minimizes cogging torque is configured by two methods.
  • the cogging torque can be reduced by combining the number of poles (P) and the number of slots (S).
  • the cogging torque is the maximum when the number of poles and slots is the same, the center of the permanent magnet and the center of the tooth coincide, or the slots are multiples of the number of poles so that the slots are located symmetrically from the center of the permanent magnet. This is because the attraction of the and slots is most stable.
  • the stable arrangement of the attraction force between the permanent magnet and the slot may be changed to an unstable arrangement so that the slot is not placed in the symmetrical position from the center of the permanent magnet.
  • the lowest cogging torque is the combination with the highest common multiple of the poles and slots.
  • the number of slots must be a multiple of three and even.
  • the cogging torque is reduced by using a technique such as skew for arranging the permanent magnet or stator core core at an angle at an angle, and Arc Fraction which is the ratio between the magnet width and the magnet pitch. Oversupply reduces costs and raises costs.
  • the lower end width (b) of the slot 310 and the separation distance (a) between the permanent magnet and the permanent magnet I solved this problem.
  • the tooth 320 is formed in the slot, the lower end of the tooth is configured as the lower tooth width (b) as shown.
  • the repulsive force continuously causes the slot to push the rotor in which the permanent magnets are arranged regardless of the position of the rotor.
  • the cogging torque is minimized.
  • the distance between the permanent magnet and the permanent magnet (a) and the lower slot width (b) is ideally composed of 1: 1, but if the design is not suitable, the distance between the permanent magnet (a) and the lower slot width It is preferable to form the ratio of (b) within the range of 70%-130%.
  • the separation distance (a) between the permanent magnet and the permanent magnet should be set within a range of 7mm to 13mm, but if it is out of this range, the cogging torque reduction effect is reduced.
  • the thickness of the permanent magnet 210 of the present invention should be selected within the range of 1 mm to 50 mm.
  • the thicker the permanent magnet the higher the magnetic flux density, resulting in higher output and efficiency.
  • the cogging torque increases, thereby limiting the thickness.
  • the cogging torque is minimized due to the combination of the minimum common multiple of the number of poles and the slot and the separation distance (a) between the lower end width b of the slot 310 and the permanent magnet and the permanent magnet. Since repulsive force is generated between the electrons and the stator core portion 300, the cogging torque is minimized regardless of the thickness and air gap of the permanent magnet.
  • the air gap (c) between the permanent magnet of the rotor 200 and the lower width (b) of the stator core portion 300 should be set within the range of 0.1 mm ⁇ 2 mm If the range is out of the above range, the output and efficiency may be degraded.
  • the size and weight of the rotating device can be greatly reduced than that of the conventional generator or the motor having the same capacity.
  • the combination of the number of poles and slots and the ratio of the separation distance (a) between the magnets and the lower width of the slot (b) in a ratio of 1: 1 can minimize cogging torque. Can be.
  • the device of the present invention can be widely used in permanent magnet motors or generators because it minimizes cogging torque and facilitates initial start-up.
  • Cogging torque is a very important factor in the small wind power generation field where maneuvering from low wind speed and generating power in the middle wind speed range.
  • the coreless AFPM generator with the core removed without iron core is minimized to minimize the cogging torque.
  • Most slotless RFPM generators are used.
  • the coreless AFPM generator since the coreless AFPM generator has no core in the stator and has a large flux leakage, the coreless AFPM generator reduces the output voltage and efficiency of the generator.
  • the coreless AFPM generator has a disadvantage in that the output is hardly output due to the severe voltage reduction at low RPM lower than the rated RPM.
  • the permanent magnet generator manufactured through the combination according to the present invention minimizes cogging torque like the coreless AFPM or the slotless RFPM generator despite the core-based RFPM generator, the output and efficiency are higher than that of the coreless AFPM generator.
  • the small wind power generator equipped with the permanent magnet generator according to the present invention has an advantage of generating electricity even at a wind speed of 6-7 m / s.
  • the thickness of the magnet cannot be increased by more than a certain size, and the air gap must be kept above a certain size, thereby limiting the size and weight of the generator.
  • the permanent magnet generator according to the present invention does not require additional processing such as skew to reduce cogging torque, thereby greatly reducing the manufacturing cost. Because it can reduce the size and weight of the generator is an advantage.
  • the permanent magnet motor equipped with a rotating device to minimize the cogging torque according to the present invention will be able to provide a solution that can solve the cogging torque and torque creep problem facing the permanent magnet motor.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

본 발명은 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스큐와 치가공 등 비용이 증가하는 종래의 코깅 토르크를 저감하기 위한 여러 가지 방법을 사용하지 않고, 단순히 극수와 슬롯의 조합 및 영구자석간의 적절한 배열에 의해 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치에 관한 것이다.

Description

코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치
본 발명은 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스큐와 치가공 등 비용이 증가하는 종래의 코깅 토르크를 저감하기 위한 여러 가지 방법을 사용하지 않고, 단순히 극수와 슬롯의 조합 및 영구자석간의 적절한 배열에 의해 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치에 관한 것이다.
최근 지구온난화의 주범인 이산화탄소 배출을 줄이기 위해 신재생에너지 분야에 많은 연구들이 이루어지고 있다.
특히, 바람이 있는 곳이면 어디든지 적은 비용으로 발전기를 설치하여 전기를 얻을 수 있는 풍력발전분야는 지속적인 성장세를 유지하고 있다.
지금까지 육상 대형 풍력 발전에서는 기어형 유도발전기를 장착한 풍력발전기가 대세를 이루었으나, 최근에는 해상 풍력 발전시장이 급성장하면서 유지보수비가 많이 드는 기어형 동기발전기에서 유지보수비가 적게 드는 기어리스형 영구자석발전기를 장착한 풍력발전기로 시장이 재편되고 있다.
특히, 출력 변동이 심한 소형 풍력발전에서는 저 RPM, 고 TORQUE가 요구되는 영구자석 발전기 사용이 대부분을 차지하고 있다.
그런데, 저 RPM, 고 TORQUE 인 영구자석 발전기는 영구자석의 높은 자속밀도 및 코어와 영구자석간의 자계 불균형으로 코깅 토르크가 높아 초기 기동이 어려운 단점을 가지고 있다.
따라서, 최근 소형 풍력 발전기에는 기동 토르크와 코깅 토르크를 최소화하여 낮은 풍속에서도 블레이드의 기동을 가능하게 하기 위하여 철심을 제거한 Coreless형 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 발전기나 철심은 있으나 슬롯이 없는 Slotless형 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기 사용이 증가하고 있다.
그러나, 철심을 제거한 Coreless형 AFPM(Axial Flux Permanent Magnet) 발전기나, 철심은 있으나 슬롯이 없는 Slotless형 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기는, 슬롯이 있는 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기에 비해 자속누설이 높아 출력 전압이 떨어지고 효율이 감소하는 단점을 가지고 있다.
또한, 구조가 복잡하고 영구자석 사용 개수가 증가하기 때문에 원가가 상승하며, 발전기 자체의 구조적인 문제로 대용량화가 쉽지 않다.
슬롯이 있는 RFPM(Radial Flux Permanent Magnet)발전기는 구조가 간단하고 출력전압과 효율이 높고, 소형, 경량화가 가능한 장점은 있지만 코깅토르크가 크기 때문에 초기 기동이 어렵고, 정격 운전 시에도 진동이 발생하는 단점이 있다.
최근에는 슬롯이 있는 RFPM 발전기를 풍력발전기에 사용하기 위해서 BLDC 전동기 기술을 RFPM발전기에 응용하여 코깅토르크를 최소화하는 작업들이 이루어지고 있으나, 대부분 고RPM용이기 때문에 동기발전기처럼 증속 기어를 사용해야 하는 문제점을 가지고 있다.
코깅 토르크는 회전자 영구자석과 고정자 철심 코어, 공극으로 구성되는 자기회로에서 릴럭턴스가 최소인 방향으로 유지하려고 하는 경향에 의해 발생하는 맥동 토르크라고 정의할 수 있는데, 일반적으로는 영구자석 발전기나 영구자석 전동기(PM 전동기)에 있어 회전자가 구동할 때 자계의 불균형에 의해 발생하는 토르크의 최대치와 최소치의 차이값이라고 할 수 있다.
최근 전동기 분야에서는 영구자석을 이용한 프리미엄 전동기의 수요가 증가하면서 진동과 소음의 주원인이 되는 코깅 토르크를 저감하기 위한 다양한 방법들이 제시되고 있는데, 현재까지 코깅 토르크를 저감하기 위한 방법들로 사용하고 있는 방법들을 정리해보면, 공극의 길이 증가, 슬롯수와 극수의 증가, 보조슬롯의 사용, 고정자치의 형상 변화, 고정자나 전기자에 스큐(skew), 분수 슬롯 또는 극 사용, 슬롯 개구폭 감소, 자석의 형상 변화, 자극의 착자 변화, 낮은 자속 밀도의 자석 사용, Arc Fraction 등이다.
그런데, 코깅 토르크를 저감하기 위한 상기한 방법들은 영구 자석 전동기와 영구 자석 발전기의 출력과 효율을 감소시키거나 제조 원가를 증가시키는 주요 요인이 된다.
따라서, 출력과 효율의 감소를 최소화하면서 제조 원가를 증가시키지 않는 코깅 토르크 저감 방법 개발이 시급한 과제로 요구되고 있다.
본 발명의 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치는 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 극수와 슬롯수의 조합 및 회전자 영구자석 간의 이격 거리를 개선함으로써, 출력과 효율은 그대로 유지하면서 제조 원가도 증가하지 않게 코깅 토르크를 최소화하여 진동과 소음을 획기적으로 감소시키는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 코깅토르크에 의한 초기 기동 토르크를 감소시켜 영구자석 발전기 혹은 영구자석 전동기(PM 전동기)의 초기 기동을 쉽게 하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위하여 본 발명인 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치는 샤프트(110)와; 중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;
복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되, 코깅토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수 P = S/3 - 2(P = 극수 , S = 슬롯수)의 계산식을 이용하여 조합하고, 이때, 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격 거리(a)와 스테이터코어부(300)의 슬롯 하단치폭(b)을 1 : 1로 구성하여야 한다.
본 발명에 따른 코깅 토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치를 구비한 발전기와 전동기는 기동 토르크가 매우 낮기 때문에 적은 힘으로 기동이 가능한 효과를 제공하게 된다.
따라서, 풍력발전기에 본 발명의 영구자석 회전장치가 포함된 발전기를 장착할 경우에 기동 풍속을 1m/s이하로 낮출 수 있고, 영구 자석 전동기에 적용할 경우에 고속에서도 코깅 토르크와 토르크 리플을 최소화할 수 있으며, 드라이버나 버터를 사용하지 않고도 구동이 가능한 효과를 제공하게 된다.
또한, 본 발명이 개시한 극수와 슬롯수의 조합 및 자석간 이격거리와 슬롯 하단 치폭의 비율에 의해 개발된 영구자석 회전 장치는 영구자석과 슬롯이 정배열되어 있기 때문에 발전기 혹은 전동기의 출력과 효율을 감소시키지 않고도 코깅 토르크를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 스큐, 치가공 등의 추가 가공이 필요 없기 때문에 제조 원가의 상승없이 코깅 토르크를 최소화할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 공극과 자속 밀도에 상관없이 코깅 토르크를 최소화할 수 있기 때문에 두꺼운 영구자석을 사용하거나 공극을 최소화할 수 있어 종래의 영구자석 전동기나 발전기에 비해 소형, 경량화가 가능한 효과를 제공한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치의 하단치폭과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치의 영구자석과 하단치폭 간의 에어갭을 나타낸 예시도이다.
본 발명인 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치는,
샤프트(110)와;
중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;
복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되,
코깅 토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯의 개수는 하기의 계산식에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
[계산식]
P = S/3 - 2
상기 계산식에서, P = 극수 , S = 슬롯수.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.
다만, 본 발명의 권리범위는 실시예들에만 한정되지 않고 특허청구범위와 균등수준의 발명의 범위를 포함한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명인 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치는,
샤프트(110)와;
중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;
복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되,
코깅토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯의 개수는 하기의 계산식에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
[계산식]
P = S/3 - 2
상기 계산식에서, P = 극수 , S = 슬롯수.
이때, 상기 슬롯(310)의 하단치폭(b)과 회전자(200)의 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격거리(a)를 1:1로 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 회전자(200)의 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격거리(a)는 스테이터코어부(300) 하단치폭(b)의 70% ~ 130% 범위 내에서 형성하는 것을 특징으로 한다.
이때, 본 발명의 영구자석 회전장치는,
영구자석 발전기, 영구자석 전동기 중 어느 하나에 적용되는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기 영구자석(210)의 두께는,
1 mm ~ 50 mm 범위 이내인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 회전자(200)의 영구자석(210)과 스테이터코어부(300)의 하단치폭(b) 간의 에어갭(c)은,
0.1 mm ~ 2 mm 범위 이내인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명인 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명인 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치는,
샤프트(110)와;
중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;
복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되,
코깅토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯의 개수는 하기의 계산식에 의해 정해지는 것을 특징으로 한다.
[계산식]
P = S/3 - 2
상기 계산식에서, P = 극수 , S = 슬롯수이다.
구체적으로 설명하자면, 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치는 두 가지 방법에 의하여 구성되게 된다.
먼저 극수(P)와 슬롯수(S)의 조합을 통하여 코깅토르크를 저감하게 하는 방법이다.
지금까지 발표된 종래의 기술들을 보면 극수와 슬롯수의 다양한 조합을 통해 코깅토르크를 저감하게 하는 방법들이 제시되어 있는데 일정한 공식 없이 극수와 슬롯수를 많게 하거나, 극수와 슬롯수의 최소공배수가 클수록 코깅토르크가 저감된다고만 설명하고 있다.
코깅 토르크는 극수와 슬롯수가 동일하거나, 영구자석의 중심과 치의 중심이 일치하거나, 슬롯수가 극수의 배수가 되어 슬롯이 영구자석의 중심으로부터 좌우로 대칭으로 위치할 때 가장 최대가 되는데, 이때 영구자석과 슬롯의 인력이 가장 안정적으로 위치하고 있기 때문이다.
따라서, 코깅토르크를 최소하하기 위해서는 영구자석과 슬롯 간 인력의 안정적인 배열을 비안정적인 배열로 바꿔, 슬롯이 영구자석의 중심으로부터 좌우 대칭의 위치에 놓이지 않게 하면 된다.
극수와 슬롯수의 다양한 조합 중에서 코깅토르크가 가장 낮은 조합은 극수와 슬롯의 최소공배수가 가장 높은 조합이다.
그런데, 극수와 슬롯수의 최소공배수가 가장 높다고 하더라도 대부분의 발전기 혹은 전동기에서 채택하고 있는 3상 권선이 어렵거나 불가능한 경우에는 올바른 조합이라고 할 수 없다.
따라서, 코깅 토르크를 최소화하기 위해서는 3상 권선도 가능하면서 동시에 최소공배수가 가장 높은 극수와 슬롯수의 조합이 요구된다고 할 수 있다.
3상 권선이 가능하고 자계 불균형을 최소화하기 위해서는 슬롯 수가 3의 배수가 되어야 하고 짝수이어야 한다.
3의 배수이면서 짝수인 슬롯수를 S라고 할 때, 3상 권선도 가능하면서 동시에 최소공배수가 가장 높아 코깅토르크를 최소화할 수 있는 극수 P는 상기 계산식과 같이 S/3 - 2(S는 슬롯 수)이 되는 것이다.
이때, 최소공배수가 큰 조합일수록 코깅 토르크는 더욱 최소화된다.
본 발명의 도 1은 슬롯수가 72개 이므로 극수는 22개가 되는 것이다.
한편, 극수와 슬롯수의 최소공배수가 높으면서도 3상 권선이 가능한 극수와 슬롯수의 조합 P(S/3 - 2) : S가 만들어졌지만 이 조합만으로는 코깅 토르크를 완전히 없앨 수 없다.
즉, 종래에는 영구자석 혹은 고정자 철심 코어를 일정 각도로 비스듬하게 배열하는 스큐(Skew), 자석폭과 자석 피치간의 비율인 Arc Fraction 등의 기법을 사용하여 코깅 토르크를 저감하는데, 이런 방법들 역시 출력과 효율은 감소시키고 원가는 상승시키는 요인으로 작용한다.
따라서, 본 발명에서는 출력과 효율은 그대로 유지하면서 원가 상승은 없는 방법으로 코깅 토르크를 최소화하기 위하여 슬롯(310)의 하단치폭(b)과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)를 이용하여 이 문제를 해결하였다.
즉, 도 2에 도시한 바와 같이, 슬롯(310)의 하단치폭(b)과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)를 1 :1 로 형성하는 것이다.
구체적으로 슬롯에는 치(320)가 형성되게 되며, 치의 하단은 도면과 같이 하단치폭(b)이 구성되게 된다.
영구 자석 사이의 이격거리(a)와 슬롯 하단에 형성된 하단치폭(b)의 비율을 이용하여 회전자의 위치에 상관없이 슬롯이 영구자석이 배열된 회전자를 밀어내게 하는 척력이 지속적으로 발생하게 하는 방법을 이용하여 코깅 토르크를 최소화하는 것이다.
한편, 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)와 슬롯 하단치폭(b)은 1 :1 로 구성하는 것이 가장 이상적이나 설계상 여의치 않을 경우는 영구자석간의 이격거리(a)와 슬롯 하단치폭(b)의 비율을 70% ~ 130% 범위 내에서 형성하는 것이 바람직하다.
영구자석간의 이격거리(a)와 슬롯 하단치폭(b)의 비율이 70% ~ 130% 범위를 벗어나게 되면, 코깅 토르크 저감 효과가 현저히 떨어지게 된다.
예를 들어, 하단치폭(b)이 10mm일 경우에 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)는 7mm ~ 13mm 범위 내에서 설정해야 하는데, 이 범위을 벗어나게 되면 코깅 토르크 저감 효과가 떨어지게 되는 것이다.
*또한, 본 발명의 영구자석(210)의 두께는 1 mm ~ 50 mm 범위 이내에서 선정해야 한다.
*즉, 영구자석이 두꺼울수록 자속밀도가 높기 때문에 출력과 효율이 높아지지만, 종래에는 영구자석이 두꺼워지면 코 깅토르크가 증가하므로 두께에 대한 한계가 있었다.
그러나, 본 발명의 경우에는 극수와 슬롯의 최소공배수 조합과, 슬롯(310)의 하단치폭(b)과 영구자석과 영구자석 사이의 이격거리(a)로 코깅 토르크를 최소화하기 때문에 일정 부분에서 회전자와 스테이터코어부(300) 사이에 척력이 발생하기 때문에, 영구자석의 두께와 에어갭에 상관없이 코깅 토르크는 최소화된다.
따라서, 적절한 두께를 갖는 영구자석 회전자를 먼저 설계하고, 회전자의 자속밀도에 알맞은 스테이터코어부를 설계하게 되면 발전기와 전동기의 소형, 경량화를 극대화시킬 수 있다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 상기 회전자(200)의 영구자석과 스테이터코어부(300)의 하단치폭(b) 간의 에어갭(c)은 0.1 mm ~ 2 mm 범위 이내에서 설정하여야 하며, 상기 범위를 벗어나게 되면 출력과 효율이 떨어지는 문제점이 발생하게 된다.
상기와 같이 회전 장치를 구성하게 되면, 동일한 용량의 종래 발전기 혹은 전동기보다 크기와 무게를 대폭 축소할 수 있는 효과가 발생하게 된다.
영구자석을 회전자에 고정시키는 방법으로는 표면부착형(SPM)과 매입형(IPM)이 있는데 코깅 토르크를 최소화하는 방법은, 본 발명에서 제시하는 것과 동일하다.
표면부착형이든, 매입형이든 본 발명에서 제시하는 극수와 슬롯의 조합, 그리고 자석사이의 이격 거리(a)와 슬롯 하단 치폭(b)의 비율을 1:1로 구성하게 되면 코깅 토르크를 최소화할 수 있다.
따라서, 본 발명의 장치는 코깅 토르크를 최소화하여 초기 기동을 쉽게 하기 때문에 영구자석 전동기 혹은 발전기에 널리 활용할 수 있다.
특히, 발전기 분야에서는 풍력발전 분야와 소수력 및 마이크로수력 발전 분야에 광범위하게 활용될 수 있다.
저풍속대에서 기동하고 중간 풍속대에서 발전이 이루어져야 하는 소형 풍력발전 분야에서 코깅 토르크는 매우 중요한 요소로 작용하는데, 최근 소형 풍력발전기 분야에서는 코깅 토르크를 최소하하기 위하여 철심을 제거한 코어리스 AFPM 발전기와 슬롯이 없는 RFPM 발전기를 대부분 사용하고 있다.
그런데, 코어리스 AFPM 발전기는 고정자에 철심이 없어 자속 누설이 크기 때문에 발전기의 출력전압과 효율을 감소시키는 결과를 초래한다.
특히, 코어리스 AFPM 발전기는 정격RPM보다 낮은 저RPM에서는 전압 감소가 더욱 심하여 출력이 거의 나오지 않는 단점이 있다.
따라서, 코어리스 AFPM발전기를 부착한 소형풍력발전기에서는 풍속 10m/s이하에서는 발전이 거의 이루어지지 않는 것이 현실이다.
그러나, 본 발명에 의한 조합을 통해 제조된 영구자석 발전기는 코어가 있는 RFPM 발전기임에도 불구하고 코어리스 AFPM이나 슬롯리스 RFPM발전기처럼 코깅토르크를 최소화하였기 때문에 출력과 효율은 코어리스 AFPM발전기보다 높다.
또한, 저RPM에서도 전압이 정비례로 출력되기 때문에 본 발명에 의한 영구자석 발전기를 장착한 소형풍력발전기의 경우는 풍속 6~7m/s에서도 전기를 생산할 수 있는 장점이 있다.
최근 해상풍력시장이 급성장하면서 기어리스형 직접 구동 영구자석 발전기 시장이 증가하고 있는데, 영구자석 발전기의 크기가 커질수록 코깅 토르크를 저감하기 위한 스큐 등의 기술 적용을 위한 비용이 기하급수적으로 증가하게 되어 제조 원가를 상승시키는 주요 요인이 된다.
그리고, 코깅토르크를 최소화하기 위하여 자석의 두께를 일정 크기 이상 늘릴 수 없으며, 공극도 일정 크기 이상을 유지해야 하기 때문에 발전기의 크기와 무게를 줄이는데 한계가 있을 수 밖에 없다.
그러나, 본 발명에 의한 영구자석 발전기는 코깅 토르크를 줄이기 위한 스큐 등의 추가 가공이 필요 없어 제조원가를 크게 낮출 수 있으며, 무엇보다도 자석의 두께를 늘리고 공극을 1 mm 이하로 설계해도 코깅 토르크를 최소화할 수 있기 때문에 발전기의 크기와 무게를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 2015년부터 프리미엄 전동기 생산이 의무화되면서 영구자석을 이용한 전동기 시장이 확대되고 있는데, 종래의 영구자석 전동기는 고효율이면서, 소형, 경량화가 가능하지만, 코깅 토르크 및 토르 크리플 문제를 완전히 해결하지 못하고 있다.
따라서, 본 발명에 의한 코깅 토르크를 최소화하는 회전장치를 장착한 영구자석전동기는 현재 영구자석 전동기가 직면해 있는 코깅 토르크와 토르 크리플 문제를 해결할 수 있는 해답을 제공할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 발명의 상세한 설명, 사용예 및 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.
영구자석과 슬롯이 정배열되어 있기 때문에 발전기 혹은 전동기의 출력과 효율을 감소시키지 않고도 코깅 토르크를 최소화할 수 있는 효과를 제공할 수 있으므로 발전기 분야 및 전동기 분야에 널리 활용될 수 있을 것이다.

Claims (6)

  1. 영구자석 회전장치에 있어서,
    샤프트(110)와;
    중앙에 샤프트가 결합되어 있으며, 복수 개의 영구자석(210)이 일정 간격으로 형성되어 있는 회전자(200)와;
    복수 개의 슬롯(310)이 일정 간격으로 형성되어 있으며, 각각의 슬롯에 코일이 권선되는 스테이터코어부(300);를 포함하여 구성되되,
    코깅토르크를 최소화하기 위하여 영구자석의 극수와 슬롯의 개수는 하기의 계산식에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치.
    [계산식]
    P = S/3 - 2
    상기 계산식에서, P = 극수 , S = 슬롯수.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 슬롯(310)의 하단치폭(b)과 회전자(200)의 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격거리(a)를 1:1로 형성하는 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 회전자(200)의 영구자석(210)과 영구자석(210) 사이의 이격거리(a)는 스테이터코어부(300) 하단치폭(b)의 70% ~ 130% 범위 내에서 형성하는 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석 회전장치는,
    영구자석 발전기, 영구자석 전동기 중 어느 하나에 적용되는 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 영구자석(210)의 두께는,
    1 mm ~ 50 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 회전자(200)의 영구자석(210)과 스테이터코어부(300)의 하단치폭(b) 간의 에어갭(c)은,
    0.1 mm ~ 2 mm 범위 이내인 것을 특징으로 하는 코깅토르크를 최소화하는 영구자석 회전장치.
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