KR100232026B1 - 영구 자석식 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 요크의 내측에 배열된 영구 자석을 포함하는 8극 구성의 계자와, 이 계자의 내측에서 에어 갭을 거쳐서 배열된 전기자 코일과 전기자 철심을 구비하는 전기자를 포함하는 영구 자석식 모터에 관한 것으로, 상기 계자의 폴 아크 각도는 31°내지 37°의 범위로 설정됨과 함께, 주 자극(1b)의 축방향 길이(Lm)는 상기 전기자 철심의 축 방향 길이(Lc)에 대해서 1.0＜Lm/Lc＜1.4의 범위로 설정되는 것을 특징으로 한다.

Description

영구 자석식 모터

제1(a)도 및 제1(b)도는 본 발명의 제1실시예에 따른 영구 자석식 모터(permanent magnet type motor)의 종단면도 및 횡단면도.

제2도는 본 발명의 제2실시예에 따른 영구 자석식 모터의 종단면도.

제3도는본 발명의 제3실시예에 따른 브러시 구성(brush arrangement)을 도시한 평면도.

제4도는 본 발명의 제3실시예에 따른 다른 브러시 구성을 도시한 평면도.

제5도는 본 발명에 따른 폴 아크 각도(pole arc angle)에 대한 특성(characteristics)을 설명하는 그래프.

제6도는 본 발명에 따른 주 자극(main pole)의 길와 전기자(armature)의 길이에 대한 특성을 설명하는 그래프.

제7도는 종래의 영구 자석식 모터의 종단면도.

제8도는 종래의 영구 자석식 모터의 브러시 구성을 도시한 평면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 계자 1a : 코어

1b : 주 자극 1c : 보조 자극

2 : 전기자 2a : 전기자 철심

2b : 전기자 코일 3a : 브러시

[발명의 배경]

[발명의 분야]

본 발명은 내연 기관 등의 시동 장치에 사용되는 영구 자석식 모터(permanent magnet type motor)에 관한 것이다.

[배경 기술]

제7도에는 종래 영구 자석식 모터의 자로(magnetic path)를 도시한 단면도가 도시되어 있다. 제8도에는 제7도에 도시된 영구 자석식 모터에 사용되는 예를 들면, 일본국실개소 58-143482호에 기술된 브러시 배열(brush arrangement)을 갖는 브러시 홀더(brush holder)의 평면도가 도시되어 있다.

이들 도면에서, 참조 부호 1은 요크(yoke; 1a)와, 이 요크(1a)의 내면에 유지되고 영구 자석으로 만들어진 주 자극(main pole;1b) 및, 이 주 자극(1b)에 인접 설치되고 유연한 자성체(soft magnetic material)로 만들어진 보조 자극(auxiliary pole;1c)으로 구성된 계자(field magnet)이다. 이 계자(1)는 6-극 구성(six-pole structure)이고, 주 자극(1b)과 보조 자극(1c)의 내주면에 의해 구성된 폴 아크 각도(pole arc angle)는 약 45°로 설정되어 있다. 참조 부호 2는 계자(1)의 내주면을 따라 배열되고 자로를 형성하는 전기자 철심(armature core;2a)과, 이 전기자 철심(2a)의 슬롯(slot)에 권선된 전기자 코일(2b)로 구성된 전기자(armature)이다. 참조 부호 3a는 기판(3b)상에 배열 고정된 브러시이다. 이 브러시(3a)는 피그테일(pigtail;3c)에 의해 도시하지 않은 외부 전원과 접속되고 브러시 스프링(3d)에 의해 도시하지 않은 정류자에 의해 가압된다.

이와 같이 구성된 영구 자석식 모터에서, 모터의 출력 토오크는 전기자 코일(2b)의 전류값과, 전기자 코일(2b)과 연결되는 전체 자속량에 비례한다. 또한, 브러시의 내구성을 양호하게 하기 위해서는 자극간의 자기적 중성점(magnetical neutral point)을 넓게 설정하는 것이 효과적이다. 예를들면, 내연 기관의 시동등에 사용되는 모터는 특히 기동시의 토오크를 크게 할 필요가 있고, 통상은 계자를 4-극 구성 또는 제7도에 도시한 바와 같은 6-극 구성으로서 각 극당의 자속량을 크게 설정할 뿐만 아니라 자기적 중성점을 어느 정도 넓게 설정하는 것에 의해 기동 토오크의 향상과 브러시 수명의 연장을 도모하는 것이 보통이다. 또한 브러시의 구성은 제8도 및 예를들면 실개소 58-143482호 공보에 기술된 바와 같이 복수개의 정부 브러시(positive and negative brush)가 각각 설정되고 브러시의 전류 부담을 경감하도록 설정되어 있다.

전기 기기 및 장치에서는 통상 소형화가 요구되지만 상기와 같은 영구 자석식의 직류 모터에서는 소형화에 대해 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

계자를 구성하는 영구 자석의 두께는 필요한 자속량을 얻을 뿐만 아니라 전기자 반작용에 의한 감자(demagnetization)를 방지하기 위해 필요한 치수로 결정된다. 전기자 반작용에 의한 단위 길이당 영구 자석에 적용되는 반자장(demagnetization field; Ha)은 하기 방정식으로 표시되다.

Ha = k x Ia x Z x α/ (dm + lg) ............. (1)

여기서, Ia는 전기자 전류, Z는 코일의 수, α는 폴 아크 각도, dm은 자석의 두께, lg는 에어 갭(air gap)의 길이, k는 계수를 표시하고, 상기 식(1)에서 “α”는 자석을 얻기 위해 필요한 폴 아크 각도이기 때문에, “α x Ia”는 토오크를 얻기 위해 필요한 값이다. 토오크를 얻는 동안 반자장(Ha)을 최소화하여 전기자 반작용에 의한 감자를 방지하기 위해서는 폴 아크 각도(α)와 전기자 전류(Ia)에 대해 평형되는 큰 자석 두께(dm)가 필요하고, 계자측에서의 소형화는 극히 곤란하다. 또한, 계자 자속량에 의한 요크(1a)는 거의 자기 포화에 가까운 자속을 통과하고, 요크의 두께 감소도 단면적의 저하에 의해 자속량의 감소로 되기 때문에 매우 곤란하게 된다.

본 발명은 이와 같은 과제를 해결하기 위한 것으로, 그 목적으로 하는 것은 계자의 극수와 폴 아크 각도와 자석 두께를 가장 적합한 값으로 설정하는 것에 의해 전기자 철심에 공급되는 전체 자속량을 감소함 없이 즉, 출력 토오크를 감소함 없이 영구 자석식 모터의 경량화를 가능하게 하는 것이다.

[발명의 요약]

본 발명은 요크의 내측에 배열된 영구 자석을 포함하는 8극 구성의 계자와, 이 계자의 내측에서 에어 갭을 거쳐서 배열된 전기자 코일과 전기자 철심을 구비하는 전기자를 포함하는 영구 자석식 모터에 있어서, 상기 계자의 폴 아크 각도는 31°내지 37°의 범위로 설정됨과 함께, 주 자극의 축방향 길이(Lm)는 상기 전기자 철심의 축 방향 길이(Lc)에 대해서 1.0＜Lm/Lc＜1.4의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 영구 자석식 모터를 제공한다.

또한 본 발명은 요크의 내측에 배열된 영구 자석을 구비하는 8극 구성의 계자와, 이 계자의 내측에서 에어 갭을 거쳐서 배열된 파형 권선으로 형성된 전기자 코일과 전기자 철심을 구비하는 전기자로 구성되는 영구자석식 모터에 있어서, 정극측에는 자극 간격의 정수배(정의 정수배)의 각도를 두고서 2개, 부극측에는 1개 또는 자극 간격의 정수배의 각도를 두고서 2개 배열된 브러시를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석식 모터를 더 제공한다.

상기 계자는 영구 자석으로 제조된 주 자극과, 유연한 자성체로 제조되고 상기 주 자극에 인접하게 배열된 보조 자극을 포함하는 것이 적합하다.

상기 영구 자석식 모터의 토오크는 전기자 코일의 전류와 전기자 코일에 연결되는 자속량에 비례하며 하기 방정식으로 표현된다.

T = ∮ x Ia x P x Z / 2πa ............. (2)

여기서, ∮는 극당 자속량, Ia는 전기자 전류, P는 극수, Z는 총 도체의 수, a는 전기자 코일의 병렬 회로의 수.

계자 극수(P)를 증가하여 8극으로 하는 것에 의해 각 극당 자속량(∮)을 적게 하여도 전체 자속량(P x ∮)이 확보될 수 있으므로 토오크(T)가 저하되는 것이 방지된다. 또한 8극 구조의 경우에, 제5도에 도시된 바와 같이 주 자극과 보조 자극으로 되는 폴 아크 각도가 34°일때 모터 출력 토오크는 최대값을 나타나고, 31°내지 37°의 범위에 있어서 충분한 토오크를 얻을 수가 있다. 이와 같이 구성하는 것에 의해, 상기 식(1)에 도시하는 폴 아크 각도(α)는 작게 되고, 단위 길이당 영구 자석에 가해지는 반자장(Ha)을 일정하게 하기 위해 자석 두께(dm)를 작게 할 수가 있으며, 더욱이 각 극당 자속량(∮)는 감소는 요크의 박막화를 가능하게 하여 모터의 소형화가 가능하게 된다.

일본국특공평 5-17783호 공보에 기재된 바와 같이, 모터의 토오크는 주자극의 축 방향 길이(Lm)를 전기자 철심의 축 방향 길이(Lc)의 1.4배로 할 때 최대값으로 되지만, 제6도에 도시된 바와 같이 Lm/Lc가 1.0 내지 1.6 사이에서는 커다란 특성 차이를 나타내는 것이 없다. 따라서, Lm/Lc를 1.0 내지 1.4 사이의 값으로 선정하는 것에 의해 충분한 토오크를 얻는 동안 소형화가 달성된다.

또한, 전기자 코일이 파형 권선으로 권취되고, 일본국실개소 58-143482호 공보에 기술되어 있는 바와 같이 정부 각 2개의 브러시를 대칭적으로 배열하던지 또는 실개소 58-143481호 공보에 기술되어 있는 바와 같이 부극측의 브러시를 정극측의 브러시 보다 작게 하여 1개로 하는 것에 의해, 브러시 구성의 점유 면적을 적게 할 수가 있고, 상기 자기 회로의 개선과 조합하는 것에 의해 모터의 소형화가 달성된다.

[적합한 실시예의 상세한 설명]

[제1실시예]

제1(a)도 및 제1(b)도에는 본 발명의 제1실시예에 따른 영구 자석식 모터(permanent magnet type motor)가 도시되어 있다. 제1(a)도는 상기 모터의 종단면도이고, 제1(b)도는 횡단면도이다. 이들 도면에서, 상기 종래 실시예와 동일한 부분에는 동일한 부호를 부여하였다. 이들 도면에 도시된 바와 같이, 계자(magnetic field; 1)는 8극 구성(8-pole structure)이고, 주 자극(main pole ; 1b)과 보조 자극(auxiliary pole ; 1c)으로 구성된 폴 아크 각도(pole arc angle)는 33.75°로 설정된다. 전기자(armature ; 2)는 전기자 철심(armature core ; 2a)과 전기자 코일(2b) 및 정류자(commutator ; 2c)로 구성되어 있다. 제1(b)도에 도시된 바와 같이, 주 자극(1b)은 전기자 철심(2a)보다 축 방향으로 길게 구성되어 있고, Lm/Lc가 1.0 내지 1.4의 값으로 되도록 설정되어 있다.

이와 같이 구성된 영구 자석식 모터에 있어서, 종래의 영구 자석식 모터에 비교하여 폴 아크 각도가 작게 되고, 자석의 두께를 작게하여도 전기자반작용에 의한 감자(demagnetization)를 회피할 수가 있다. 그 결과, 모터의 소형화가 가능하다. 각 극당 자속량이 감소하지만, 극수 증가에 의한 전체 자속량은 감소되지 않고 모터 특성이 유지될 뿐만 아니라 각 극당 자속량의 감소는 요크(1a)의 자속 밀도를 저하시키며, 요크(1a)의 단면적을 적게 하여 소형화와 경량화를 가능하게 한다. 본 발명에 따르면, 자기적 중성점(magnetical neutral point)의 범위가 감소하여 정류가 악화되어 브러시 수명에 악영향을 미치는 것이 고려되지만, 최근에 브러시 재료의 품질이 향상 되고 있기 때문에 이와 같이 구성하여도 종래의 영구 자석식 모터와 동일한 정도 이상의 브러시 수명을 확보하는 것이 가능하다.

[제2실시예]

제2도에는 본 발명의 제2실시예에 따른 모터가 도시되어 있다. 이 실시예에서, 계자(1)는 요크(1a)의 내면에 부착된 영구 자석으로 만들어진 주 자극(1b)만으로 구성되어 있다. 이와 같이 보조 자극을 사용하지 않는 영구 자석식 모터에 있어서도 극수, 폴 아크 각도, 주 자극과 전기자 철심의 길이 비를 제1실시예와 동일하게 구성하는 것에 의해 종래의 동일한 형식의 영구 자석식 모터에 대해서 특성을 저하시키는 일없이 소형화와 경량화를 가능하게 할 수가 있다.

[제3실시예]

제3도 및 제4도에는 본 발명에 적용되는 브러시 구성이 도시되어 있다. 제8도에 도시된 장치에 상당하는 또는 동일한 부분에는 제8도에 도시된 장치의 부분과 동일한 참조 부호를 부여하였다. 제3도에는 통전 소모가 격심한 정극측의 브러시(3a)를 2개로 하여 전류 부담을 경감하고, 통전소모가 적은 부극측을 1개의 브러시(3a)로 한 예가 도시되어 있다. 제4도에는 정부 각 브러시(3a)를 각각 2개로 한 예가 도시되어 있다. 이와같이 브러시의 수를 적게 하는 것에 의해 브러시간의 스페이스(space)를 유효하게 이용할 수가 있고, 브러시 부분의 면적을 적게하여 소형화된 자기 회로 단면의 스페이스내에 수납될 수가 있다.

[발명의 효과]

이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 전체 자속량을 저하시킴없이 주 자극의 두께를 감소시킬 수가 있다. 또한 본 발명은 각 극당 자속량을 저감시켜서 요크의 자속량을 적게한 것으로 요크의 박막화를 가능하게 한다. 그 결과, 출력 특성과 전기자 반작용에 의한 감자 저항량을 저하시킴없이 영구 자석식 모터의 소형화와 경량화가 가능하게 되고, 제조 비용의 저감이 가능하게 된다. 또한, 주 자극 길이와 전기자 철심 길이의 비율을 특정 범위로 설정하거나, 또는 브러시 수를 필요한 최소한으로 할 수 있음과 더불어 소형이며 고성능인 영구 자석식 모터를 제공할 수가 있다.

상기에 명백하게 기술된 바와 같이, 본 발명의 각종 변경과 수정은 상기 기술의 범주내에서 가능하다. 따라서, 첨부된 청구 범위의 정신내에서 본 발명은 본 명세서에서 특별히 기술한 것 이외의 것으로도 실시가능함을 이해해야 한다.

Claims (4)

1. 요크(1a)의 내측에 배열된 영구 자석을 포함하는 8극 구성의 계자(1)와, 이 계자의 내측에서 에어 갭을 거쳐서 배열된 전기자 코일(2b)과 전기자 철심(2a)을 구비하는 전기자(2)를 포함하는 영구 자석식 모터에 있어서, 상기 계자(1)의 폴 아크 각도는 31°내지 37°의 범위로 설정됨과 함께, 주 자극(1b)의 축방향 길이(Lm)는 상기 전기자 철심(2a)의 축 방향 길이(Lc)에 대해서 1.0＜Lm/Lc＜1.4의 범위로 설정되는 것을 특징으로 하는 영구 자석식 모터.
2. 요크(1a)의 내측에 배열된 영구 자석을 구비하는 8극 구성의 계자(1)와, 이 계자의 내측에서 에어 갭을 거쳐서 배열된 파형 권선으로 형성된 전기자 코일(2b)과 전기자 철심(2a)을 구비하는 전기자(2)로 구성되는 영구 자석식 모터에 있어서, 정극측에는 자극 간격의 정수배의 각도를 두고서 2개, 부극측에는 1개 또는 자극 간격의 정수배의 각도를 두고서 2개 배열된 브러시(3a)를 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석식 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 계자는 영구 자석으로 제조된 주 자극과, 유연한 자성체로 제조되고 상기 주 자극에 인접하게 배열된 보조 자극을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석식 모터.
4. 제2항에 있어서, 상기 계자는 영구 자석으로 제조된 주 자극과, 유연한 자성체로 제조되고 상기 주 자극에 인접하게 배열된 보조 자극을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구 자석식 모터.