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KR-20260060477-A - A rotor for a non-rare earth permanent magnet motor, an electric motor including it, and a method of manufacturing the same

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Abstract

본 발명은 비희토류 영구자석 전동기용 회전자, 이를 포함하는 전동기, 및 이의 제조방법에 관한 것으로서, 비희토류 영구자석 전동기용 회전자는, 원주 상에서 다수 개가 이격되어 배치되는 영구자석 삽입공, 단면의 중앙에 형성되는 축결합공, 각 상기 영구자석 삽입공 사이에 형성되는 볼트 체결공을 구비하는 코어; 상기 영구자석 삽입공에 삽입되며 비희토류 재질로 이루어지는 영구자석; 및 상기 볼트 체결공에 삽입되는 볼트;를 포함하며, 상기 볼트 체결공은, 상기 코어의 반경 상에서 다수 개 형성되는 것을 특징으로 한다.

Inventors

  • 윤명환
  • 이정종

Assignees

  • 한국전자기술연구원

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20241024

Claims (9)

  1. 원주 상에서 다수 개가 이격되어 배치되는 영구자석 삽입공, 단면의 중앙에 형성되는 축결합공, 각 상기 영구자석 삽입공 사이에 형성되는 볼트 체결공을 구비하는 코어; 상기 영구자석 삽입공에 삽입되며 비희토류 재질로 이루어지는 영구자석; 및 상기 볼트 체결공에 삽입되는 볼트;를 포함하며, 상기 볼트 체결공은, 상기 코어의 반경 상에서 다수 개 형성되는 것을 특징으로 하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 볼트는, 적어도 일부가 자성체 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 볼트는, 적어도 상기 코어의 반경 상에서 외측에 배치되는 것이 자성체 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 코어는, 원주 상에서 다수 개의 분할체로 분할되어 형성되는 것을 특징으로 하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 코어의 분할 위치는, 상기 볼트 체결공의 일부를 가르는 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 분할체는, 분할되지 않은 적어도 한 열의 상기 볼트 체결공을 포함하는 것을 특징으로 하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자.
  7. 제1항에 있어서, 상기 영구자석은, 페라이트 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의한 회전자를 구비하는 전동기.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의한 회전자를 제조하는 방법에 있어서, 상기 볼트를 배치하는 볼트 배치단계; 상기 볼트가 상기 볼트 체결공을 통과하도록 상기 코어를 구성하는 부재들을 적층하되, 상기 볼트의 위치를 이용해 상기 코어를 정렬하는 코어 형성단계; 상기 영구자석 삽입공에 영구자석을 삽입하는 영구자석 삽입단계; 및 상기 볼트에 너트를 체결하는 볼팅단계;를 포함하는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자 제조방법.

Description

비희토류 영구자석 전동기용 회전자, 이를 포함하는 전동기, 및 이의 제조방법{A rotor for a non-rare earth permanent magnet motor, an electric motor including it, and a method of manufacturing the same} 본 발명은 비희토류 영구자석 전동기용 회전자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 영구자석의 큰 크기에도 불구하고 우수한 내구성을 가지는 비희토류 영구자석 전동기용 회전자, 이를 포함하는 전동기, 및 이의 제조방법에 관한 것이다. 전동기의 경량화 및 고효율화를 위한 다양한 기술 개발이 진행되고 있다. 특히, 영구자석을 적용한 전동기는 그 우수한 출력 특성으로 인해 여러 산업 분야에서 중요한 역할을 하고 있다. 이 중에서도 스포크 타입 전동기는 높은 강성 및 안정성을 요구하는 고속 회전 환경에서 특히 유용하게 사용된다. 전동기의 영구자석에는 희토류 영구자석이 사용될 수 있다. 희토류 영구자석은 높은 자속 밀도와 우수한 자성을 제공하지만, 희귀 자원의 높은 가격 및 공급 불안정성으로 인해 상용화가 어려운 단점이 있다. 이에 비해, 페라이트 영구자석과 같은 비희토류 영구자석은 저렴한 가격과 안정적인 공급의 측면에서 유리하다. 그러나 비희토류 영구자석은 희토류 자석에 비해 자속 밀도가 낮아 더 큰 부피를 차지하게 되며, 이로 인해 전동기 회전자의 전체적인 구조적 안정성 및 자속 효율성이 저하되는 문제가 있다. 도 1은 본 발명에 의한 비희토류 영구자석 전동기용 회전자의 단면도, 도 2는 본 발명에 의한 비희토류 영구자석 전동기용 회전자를 구성하는 분할체에 대한 설명도, 도 3은 본 발명에 의한 비희토류 영구자석 전동기용 회전자 제조방법의 순서도이다. 본 발명의 과제 해결 수단의 특징 및 이점을 보다 명확히 하기 위하여, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 특정 실시 예를 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 이하의 설명 및 도면에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함 한다" 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. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다. 상술한 용어들 이외에, 이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다. 이하, 본 발명에 의한 비희토류 영구자석 전동기용 회전자(1), 이를 포함하는 전동기, 및 이의 제조방법에 대해 설명하기로 한다. 본 발명은 스포크 타입의 회전자(1)를 구비하는 전동기에 대해 적용될 수 있다. 도 1에는 본 발명에 의한 비희토류 영구자석 전동기용 회전자(1)의 단면도가 도시되어 있다. 본 발명에 의한 비희토류 영구자석 전동기용 회전자(1)는 크게, 코어(10), 영구자석(20) 및 볼트(30)를 포함하여 이루어진다. 코어(10)는 전체형인 형상이 원통 형상으로 이루어진다. 코어(10)의 단면 중앙에는 축결합공(12)이 형성되어 회전자(1)의 축(미도시)과 결합할 수 있다. 코어(10)는 또한 다수 개의 영구자석 삽입공(11)과 다수 개의 볼트 체결공(13)을 구비한다. 다수 개의 영구자석 삽입공(11)은 코어(10)의 원주 상에서 일정 간격을 두고 이격되어 배치된다. 각각의 영구자석 삽입공(11)은 회전자(1) 내부에 영구자석(20)을 안정적으로 고정하여, 자속 손실을 방지하면서 고속 회전시 영구자석(20)이 이탈하는 것을 방지할 수 있다. 볼트 체결공(13)은 각각의 영구자석 삽입공(11) 사이에 형성된다. 즉, 영구자석 삽입공(11)과 볼트 체결공(13)은 코어(10)의 원주 상에서 교번하여 위치한다. 볼트 체결공(13)은 볼트(30)를 삽입할 수 있도록 형성된다. 보다 구체적으로, 볼트 체결공(13)은 코어(10)의 반경 상에서 다수 개 형성된다. 도 1에서는 예시적으로 코어(10)의 반경 상에서 2개의 볼트 체결공(13)이 형성되는 경우를 도시하였으나, 회전자(1)의 크기, 회전자(1)가 사용되는 환경, 회전자(1)의 필요 강성 등에 따라 볼트 체결공(13)은 코어(10)의 반경 상에서 3개 이상 형성되는 것도 가능하다. 영구자석(20)은 상기한 것과 같이 각각의 영구자석 삽입공(11)에 삽입되며, 비희토류 재질로 이루어진다. 비희토류 재질의 영구자석(20)은 희토류 자석에 비해 자속 밀도가 다소 낮지만, 비용이 저렴하고 자원이 안정적으로 공급될 수 있는 이점이 있다. 이러한 영구자석(20)은 전동기 작동시 자속을 생성하여 회전자(1)의 기능을 발휘할 수 있도록 한다. 볼트(30)는 각각의 볼트 체결공(13)에 체결되어 다수 개의 층으로 이루어지는 코어(10)의 구조를 고정해주는 역할을 하는데, 본 발명에서는 볼트 체결공(13)이 코어(10)의 반경 상에서 다수 개 형성되어 코어(10)의 반경 상의 여러 개소에서 볼트(30)를 체결할 수 있으므로 회전자(1)의 강성을 보완할 수 있다. 특히, 본 발명에서는 영구자석(20)으로 비희토류 재질의 영구자석(20)을 이용하므로 영구자석(20)의 크기가 커져 회전자(1)의 동작시 원심력이 커질 수 있는데, 다수 개의 볼트(30)를 사용함으로써 큰 원심력에 의해 고속 회전시 코어(10)가 변형되거나 영구자석(20)이 이탈하는 문제를 방지할 수 있다. 또한, 코어(10)의 반경 상에서 다수 개 형성되는 볼트 체결공(13)과 볼트(30)는 회전자(1) 제작시 코어(10)를 구성하는 부재들의 정렬이 정확하면서도 용이하게 이루어지도록 하여, 회전자(1) 제조의 용이성과 정확성을 높여줄 수 있다. 이처럼 본 발명에 의한 비희토류 영구자석 전동기용 회전자(1)는 비희토류 재질의 영구자석(20)을 이용하여 경제성이 높으면서도, 볼트(30)의 배치 구조에 의하여 고속 회전 환경에서 발생할 수 있는 회전자(1)의 강성 저하 문제를 방지할 수 있다. 그리고 볼트(30)의 배치 구조에 의한 회전자(1) 제조의 용이성과 정확성은, 회전자(1)의 완성도를 높일 수 있고, 결과적으로 회전자(1)의 강성을 보다 향상시키는 것이 가능하다. 다수 개의 볼트(30) 중 적어도 일부는 자성체 재질로 이루어질 수 있다. 자성체 재질의 볼트(30)는 회전자(1) 내부에서 자속을 직접적으로 통과시키는 역할을 할 수 있다. 즉, 자성체 재질의 특성상 자속을 전달하여, 코어(10) 중간에 체결되는 볼트(30)에 의하여 회전자(1)의 전기적 특성이 저하되는 문제를 방지할 수 있다. 이처럼 자성체 재질의 볼트(30)는 회전자(1)의 강성을 보완하는 것 외에도 자속 흐름을 개선하여 전동기의 출력을 높이는 데에도 기여할 수 있고, 결과적으로 전동기가 고속 및 고출력 환경에서도 안정적으로 작동하도록 할 수 있다. 그리고 자성체 재질의 볼트(30)는 자속을 통과시키기 때문에 코어(10)에서 위치와 개수를 자유롭게 설정할 수 있고, 이에 따라 본 발명을 적용하여 다양한 제원의 회전자(1)를 제작할 수 있도록 해준다. 볼트(30)는 적어도 코어(10)의 반경 상에서 외측에 배치되는 것이 자성체 재질로 이루어질 수 있다. 도 1에서는 예시적으로, 반경 상 2개의 볼트(30) 중 외측의 것이 자성체 재질로 이루어지고 내측의 것이 비자성체 재질로 이루어지는 경우를 도시하였다. 영구자석(20)에서 발생한 자속은 코어(10)의 중심부보다 둘레부에서 집중되는데, 자성체 재질의 볼트(30)를 코어(10)의 반경 상 외측, 즉 코어(10)의 둘레부에 가깝게 배치하면 볼트(30)를 배치하더라도 자속을 방해하지 않으므로, 볼트(30) 배치에 따른 자속 손실을 최대한 줄일 수 있다. 코어(10)의 중심부에서 가까운 부분은 상대적으로 자속이 집중되지 않으므로, 비자성체 재질의 볼트(30)를 배치하더라도 자속에 큰 영향을 미치지 않는다. 코어(10)는 원주 상에서 다수 개의 분할체(10a)로 분할되어 형성될 수 있다. 도 2에는 이러한 경우에 대한 설명도가 도시되어 있다. 회전자(1)가 고속 회전 환경에서 발생하는 원심력과 기계적 스트레스를 견디기 위해서는 강한 강성이 요구되나, 코어(10)가 원주 상에서 하나의 일체형 구조로 형성되는 경우 제작이 쉽지 않은 문제점이 있다. 그런데 코어(10)를 원주 상에서 분할된 다수 개의 분할체(10a)로 형성하면 위와 같은 문제를 방지할 수 있다. 각 분할체(10a)는 별도로 제작된 후 결합되어 코어(10) 전체를 형성할 수 있다. 이에 따라, 제작 공정에서 각 분할체(10a)를 개별적으로 취급할 수 있어, 특히 대형 코어(