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토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기(PMSM for reducing torque ripple)

갈때까지가는거야 2018. 2. 27. 07:25

(19) 대한민국특허청(KR)
(12) 등록특허공보(B1)
(45) 공고일자 2011년08월11일
(11) 등록번호 10-1056341
(24) 등록일자 2011년08월05일
(51) Int. Cl.

H02K 1/12 (2006.01) H02K 1/27 (2006.01)
(21) 출원번호 10-2009-0069120
(22) 출원일자 2009년07월28일
심사청구일자 2009년07월28일
(65) 공개번호 10-2011-0011457
(43) 공개일자 2011년02월08일
(56) 선행기술조사문헌
JP2004328859 A
KR1020020083484 A
KR1020060129846 A
KR1020090080731 A
(73) 특허권자
전자부품연구원
경기도 성남시 분당구 야탑동 68번지
(72) 발명자
김영균
서울특별시 성북구 돈암동 609-1 한신아파트 10
2동 1302호
서정무
서울특별시 은평구 불광동 미성아파트 2동 905호
(뒷면에 계속)
(74) 대리인
박종한
전체 청구항 수 : 총 4 항 심사관 : 김교홍
(54) 토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기
(57) 요 약
본 발명은 토크리플(torque ripple) 저감용 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Syncronous Motor; PMSM)에
관한 것으로, 고정자의 티스(teeth) 단부의 표면 각도와 회전자 표면에 형성된 자속배리어의 유효자극각을 조절
하여 토크리플을 최소화하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 PMSM은 고정자와 회전자를 포함하여 구성된다. 고정자
는 중심 부분이 관통된 원통형의 요크(yoke)와, 요크의 내측면에서 요크의 중심을 향하여 돌출되며, 요크의 중심
에 배치될 회전자의 외주면에 근접하게 배치되는 티스를 포함한다. 특히 회전자의 표면과 티스 표면의 간격이 일
정한 구간의 비(d/c)를 나타내는 0.45≤d/c≤0.55에 대해서 티스의 끝단부의 두께비(b/a)가 0.4≤b/a≤0.5가 되
게 티스를 형성한다. 그리고 회전자의 영구자석의 자극각(e)과 유효자극각(f)의 비(f/e)가 0.9≤f/e＜1이 되게
회전자를 형성한다.
대 표 도 - 도2
등록특허 10-1056341
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(72) 발명자
임승빈
서울특별시 양천구 신정3동 1150-42
류세현
경기도 부천시 소사구 송내동 368 뉴서울 Apt.
105-606
정인성
서울특별시 구로구 고척동 삼환로즈빌 103동 2201
호
이 발명을 지원한 국가연구개발사업
과제고유번호 2006-E-CM02-P-02-0-000-2006
부처명 지식경제부
연구관리전문기관
연구사업명 에너지효율향상사업
연구과제명 premium급 가전기기용 공통핵심 부품모듈 및 시스템 효율향상 기술개발
기여율
주관기관 전자부품연구원
연구기간 2006년 08월 01일 ~ 2009년 07월 31일
등록특허 10-1056341
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특허청구의 범위
청구항 1
중심 부분이 관통된 원통형의 요크(yoke);
상기 요크의 내측면에서 상기 요크의 중심을 향하여 돌출되며, 상기 요크의 중심에 배치될 회전자의 외주면에
근접하게 배치되는 티스(teeth);를 포함하며,
상기 티스는 상기 요크에서 돌출된 티스몸체부, 상기 티스몸체부의 단부에서 티스몸체부보다는 넓게 형성된 티
스연장부를 포함하며,
상기 요크의 중심점(O)과 상기 티스연장부의 양단이 이루는 각도(c)와, 상기 티스연장부 안쪽에 형성되는 각도
(d)의 비(d/c)가 0.45≤d/c≤0.55에 의해 상기 티스연장부의 내측면에 선택되는 선택점(P,Q),
상기 티스연장부의 끝단부의 두께(a)와, 상기 티스연장부의 외측면의 연장선과, 상기 선택점에 연결되며 상기
연장선에 평행한 선과 이루어는 두께(b)의 비(b/a)가 0.4≤b/a≤0.5인 것을 특징으로 하는 토크리플 저감용 영
구자석 동기 전동기의 고정자.
청구항 2
제1항에 따른 고정자;
중심 부분에 회전축이 결합되는 결합구멍이 형성되어 있고, 상기 결합구멍을 중심으로 외곽에 복수의 영구자석
이 삽입되는 삽입구멍이 복수개가 형성되어 있고, 상기 삽입구멍들 양쪽에 형성된 자속장벽을 갖는 회전자;를
포함하며,
상기 영구자석의 자극각(e)과 유효자극각(f)의 비(f/e)가 0.9≤f/e＜1인 것을 특징으로 하는 토크리플 저감용
영구자석 동기 전동기.
청구항 3
제2항에 있어서,
상기 자극각은 상기 결합구멍의 중심에서 상기 삽입구멍에 삽입된 영구자석의 양측면의 중심 지점과 이루는 각
이고,
상기 유효자극각은 상기 결합구멍의 중심에서 상기 영구자석의 양측면에 이웃하는 상기 자속장벽의 내측면의 중
심 지점과 이루는 각인 것을 특징으로 하는 토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기.
청구항 4
삭제
청구항 5
제2항에 있어서, 상기 티스연장부의 내측면과 상기 회전자의 표면 간의 간극은 일정한 것을 특징으로 하는 토크
리플 저감용 영구자석 동기 전동기.
명 세 서
발명의 상세한 설명
기 술 분 야
본 발명은 영구자석 동기 전동기(Permanent Magnet Syncronous Motor; PMSM)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는[0001]
토크리플(torque ripple)에 따른 전동기의 소음 및 진동 발생으로 전동기의 효율이 떨어지는 것을 억제할 수 있
는 토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기에 관한 것이다.
배 경 기 술
등록특허 10-1056341
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전동기는 종종 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키거나 그 역으로 변환시키도록 고정자의 중앙 구멍 속[0002]
에서 회전하는 회전자 속에 위치한 영구자석들을 사용한다. 특히 PMSM은 직류모터와는 반대로 고정자가 권선이
고 회전자가 자석으로 되어 있는 전동기로서, 고정자에 교류를 인가하여 회전자계를 만들어주면 회전자가 이를
따라 회전한다.
이때 자력선들은 각각의 영구자석 속에서 그리고 인접부 사이에서 극성이 반대되는 자극들 사이로 연장한다. 이[0003]
러한 자력선들의 통로와 밀도는 회전자의 회전각과 토크의 관계에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 회전자 주
변에 자력선들이 고르게 분포하지 않으면 전동기의 회전자 회전 중에 나타나는 보다 높거나 낮은 토크값을 나타
내는 토크리플로 일컫는 결과를 발생시킬 수 있다. 이러한 토크리플은 예컨대 소음, 효율 저하, 부품의 마모 증
대와 같은 몇 가지 원인으로 작용한다.
발명의 내용
해결 하고자하는 과제
따라서 본 발명의 목적은 토크리플에 따른 전동기의 소음 및 진동 발생으로 전동기의 효율이 떨어지는 것을 억[0004]
제할 수 있는 토크리플 저감용 PMSM을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 고정자의 티스(teeth) 단부의 표면 각도와 회전자 표면에 형성된 자속배리어의 유효자극[0005]
각을 조절하여 토크리플을 최소화할 수 있는 토크리플 저감용 PMSM을 제공하는 데 있다.
과제 해결수단
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 중심 부분이 관통된 원통형의 요크와, 상기 요크의 내측면에서 상기[0006]
요크의 중심을 향하여 돌출되며, 상기 요크의 중심에 배치될 회전자의 외주면에 근접하게 배치되는 티스를 포함
하는 토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기의 고정자를 제공한다. 이때 상기 티스는 상기 요크에서 돌출된 티
스몸체부, 상기 티스몸체부의 단부에서 티스몸체부보다는 넓게 형성된 티스연장부를 포함한다. 상기 요크의 중
심점(O)과 상기 티스연장부의 양단이 이루는 각도(c)와, 상기 티스연장부 안쪽에 형성되는 각도(d)의 비(d/c)가
0.45≤d/c≤0.55에 의해 상기 티스연장부의 내측면에 선택되는 선택점(P,Q)에 대해서, 상기 티스연장부의 끝단
부의 두께(a)와, 상기 티스연장부의 외측면의 연장선과, 상기 선택점에 연결되며 상기 연장선에 평행한 선과 이
루어는 두께(b)의 비(b/a)가 0.4≤b/a≤0.5이다.
본 발명은 또한, 중심 부분에 회전축이 결합되는 결합구멍이 형성되어 있고, 상기 결합구멍을 중심으로 외곽에[0007]
복수의 영구자석이 삽입되는 삽입구멍이 복수개가 형성되어 있고, 상기 삽입구멍들 양쪽에 자속장벽이 형성된
회전자에 있어서, 상기 영구자석의 자극각(e)과 유효자극각(f)의 비(f/e)가 0.9≤f/e＜1인 것을 특징으로 하는
토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기의 회전자를 제공한다.
본 발명에 따른 회전자에 있어서, 상기 자극각은 상기 결합구멍의 중심에서 상기 삽입구멍에 삽입된 영구자석의[0008]
양측면의 중심 지점과 이루는 각이다. 상기 유효자극각은 상기 결합구멍의 중심에서 상기 영구자석의 양측면에
이웃하는 상기 자속장벽의 내측면의 중심 지점과 이루는 각이다.
본 발명은 또한 전술된 고정자 및 회전자를 포함하는 토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기를 제공한다. 이때[0009]
상기 티스연장부의 내측면과 상기 회전자의 표면 간의 간극은 일정하다.
효 과
본 발명의 구조를 따르면, 고정자의 티스 단부의 표면 각도와 회전자 표면에 형성된 자속배리어의 유효자극각을[0010]
조절함으로써, 토크리플의 발생을 최소화할 수 있다. 즉 회전자와 티스 간극이 일정한 구간의 비(d/c)가 0.45≤
d/c≤0.55일 때, 티스연장부의 두께비(b/a)가 0.4≤b/a≤0.5가 되게 형성하고, 회전자의 자극각(e)과 유효자극
각(f)의 비(f/e)가 0.9≤f/e＜1이 되게 형성함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이, 토크리플의 발생을 최소화할
수 있다.
발명의 실시를 위한 구체적인 내용
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.[0011]
본 실시예에 따른 토크리플 저감용 PMSM(100)에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기[0012]
서 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토크리플 저감용 PMSM(100)을 보여주는 평면도이다. 도 2는 도 1의 고정자
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의 티스(14)를 확대하여 보여주는 도면이다. 그리고 도 3은 도 1의 회전자(20)를 확대하여 보여주는 도면이다.
본 실시예에 따른 PMSM(100)은 고정자(10) 및 회전자(20)를 포함하여 구성된다. 본 실시예에서는 6슬롯 4극 구[0013]
조의 PMSM(100)을 예시하였지만 이에 한정되는 것은 아니다.
고정자(10)는 중심 부분이 관통된 원통 형상의 부재로서, 회전자(20)의 외곽을 감싸는 형태로 배치된다. 고정자[0014]
(10)는 원통형인 요크(12) 및 요크(12)의 내측면에 형성된 티스(14)를 포함하여 구성된다. 티스(14)는 요크(1
2)의 내측면에서 요크(12)의 중심을 향하여 돌출되며, 요크(12)의 중심에 배치될 회전자(20)의 외주면에 근접하
게 배치된다. 티스(14)에 각각 구동코일이 권선되어 외부 전원이 인가되면 자속을 발생시킨다.
그리고 회전자(20)는 원통 형상의 부재로서, 중심 부분에 회전축이 결합되는 결합구멍(22)이 형성되어 있다. 회[0015]
전자(20)는 결합구멍(22)을 중심으로 외곽에 복수의 영구자석이 삽입되는 삽입구멍(24)이 복수개가 형성되어 있
다. 그리고 회전자(20)는 삽입구멍(24)들 양쪽에 자속장벽(26)이 형성되어 있다. 자속장벽(26)은 공극을 통과하
지 않고 브리지(bridge)를 통하여 누설자속이 발생되는 것을 억제한다. 이때 고정자(10)의 티스(14)에 대해서
회전자(20)가 안정적으로 회전할 수 있도록, 회전자(20)와 티스(14) 간의 간격은 일정한다. 삽입구멍(24)은 체
결구멍(22)을 중심으로 방사상으로 등간격으로 배치된다. 본 실시예에서는 4개의 삽입구멍(24)이 형성되며, 삽
입구멍(24)은 체결구멍(22)의 중심으로 정사각형을 이루도록 배치될 수 있다.
특히 고정자(10)의 티스(14)는 티스몸체부(16)와 티스연장부(18)를 포함한다. 티스몸체부(16)는 요크(12)의 내[0016]
측면에서 연장되어 요크(12)의 중심을 향하여 돌출되어 있다. 티스연장부(18)는 티스몸체부(16)의 단부에서 티
스몸체부(16)보다는 넓게 형성되어 있으며, 내측면이 회전자(20)의 외주면에 근접하게 된다. 티스연장부(18)는
내측면이 회전자(20)의 외주면과 등간격을 이루도록 형성된다. 티스연장부(18)의 티스몸체부(16)에서 연장된 부
분이 끝단으로 갈수록 두께가 얇게 형성된다.
티스연장부(18)의 끝단의 두께는 얇을수록 좋지만, 너무 얇을 경우 고정자(10)의 성형성이 떨어지고, PMSM(100)[0017]
구동시 파손될 우려가 있기 때문에, 너무 얇게 형성하는 것은 바람직하지 못한다.
특히 토크리플의 발생을 최소화하기 위해서 티스연장부(18)는 다음과 같이 형성될 수 있다. 즉 요크(12)의 중심[0018]
점(O)과 티스연장부(18)의 양단이 이루는 각도(c)와, 티스연장부(18) 안쪽에 형성되는 각도(d)의 비(d/c)가
0.45≤d/c≤0.55에 의해 티스연장부(18)의 내측면에 선택되는 선택점을 P,Q라고 하자. 티스연장부(18)의 끝단부
의 두께(a)와, 티스연장부(18)의 외측면의 연장선과, 선택점에 연결되며 연장선에 평행한 선과 이루어는 두께
(b)의 비(b/a)가 0.4≤b/a≤0.5가 되게 티스연장부(18)를 형성하는 것이 바람직하다.
더불어 토크리플의 발생을 최소화하기 위해서 회전자(20)는 다음과 같이 형성될 수 있다. 즉 삽입구멍(24)에 삽[0019]
입될 영구자석의 자극각(e)과 유효자극각(f)의 비(f/e)가 0.9≤f/e＜1이 되게 회전자(20)를 형성하는 것이 바람
직하다. 여기서 자극각(e)은 결합구멍(22)의 중심에서 삽입구멍(24)에 삽입된 영구자석의 양측면의 중심 지점과
이루는 각이다. 유효자극각(f)은 결합구멍(22)의 중심에서 영구자석의 양측면에 이웃하는 자속장벽(26)의 내측
면의 중심 지점과 이루는 각이다.
이와 같이 고정자(10)와 회전자(20)를 형성함으로써, 도 4에 개시된 바와 같이, 토크리플의 발생이 최소화되는[0020]
것을 확인할 수 있다. 반면에 0.45≤d/c≤0.55의 범위를 벗어나 티스연장부(18)를 형성하거나, 0.9≤f/e＜1의
범위를 벗어나 회전자(20)를 형성할 경우, 본 실시예에 따른 PMSM(100)에 비해서 토크리플이 많이 발생되는 것
을 확인할 수 있다.
여기서 도 4는 d/c에 대한 b/a 및 f/e에 대한 토크리플을 시뮬레이션한 결과를 나타낸 그래프이다. 도 4의 그래[0021]
프에서 파형의 진폭이 토크리플의 크기를 나타내며, 본 발명에서 파형의 진폭이 최소가 되는 것을 확인할 수 있
다. 즉 토크리플의 발생이 최소화 된다.
이와 같이 본 실시예에 따르면, 고정자(10)의 티스(14) 단부의 표면 각도와 회전자(20) 표면에 형성된 자속배리[0022]
어의 유효자극각을 조절하여 토크리플을 최소화할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으[0023]
며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상
에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에
게 자명한 것이다.
도면의 간단한 설명
등록특허 10-1056341
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도 1은 본 발명의 실시예에 따른 토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기를 보여주는 평면도이다.[0024]
도 2는 도 1의 고정자의 티스를 확대하여 보여주는 도면이다.[0025]
도 3은 도 1의 회전자를 확대하여 보여주는 도면이다.[0026]
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 토크리플 저감용 영구자석 동기 전동기의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프[0027]
이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *[0028]
10 : 고정자 12 : 요크[0029]
14 : 티스 16 : 티스몸체[0030]
18 : 티스연장부 20 : 회전자[0031]
22 : 결합구멍 24 : 삽입구멍[0032]
26 : 자속장벽 100 : 영구자석 동기 전동기(PMSM)[0033]
도면
도면1
도면2
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도면3
도면4
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