KR100460726B1

KR100460726B1 - 영구자석식 회전전기기계, 이를 사용하는 압축기와 이 압축기를 사용하는 공기조화기, 냉장고 및 냉동고

Info

Publication number: KR100460726B1
Application number: KR10-2002-0022947A
Authority: KR
Inventors: 와쿠이신이치; 고하라기하루오; 다카하타료이치; 기쿠치사토시; 다카하시미요시; 히라야마히로시; 세시모다카시; 가와미나미시게야; 세노마사하루; 노마게이지
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2004-12-08
Also published as: CN1220319C; JP2002325410A; KR20020083484A; CN1384588A

Abstract

본 발명은 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스(8)를 둘러싸도록 집중적으로 감겨진 각각의 전기자 권선이 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스(8)에 적용되는 고정자(5) 및 회전자 코어(3)에 형성된 다수의 영구자석 삽입홀안으로 각각의 영구자석(2)이 수용되는 회전자(1)를 포함하는 영구자석식 회전전기기계에 있어서, 고정자 코어의 각 티스의 내주면은 원호형상부와 직선부를 갖도록 형성되고, 각각의 티스는 3.7 ≤(b/a)≥4.9의 관계를 만족시키도록 구성되며, 여기서 a는 각 티스 최상부의 양 끝단부(8a)의 반경방향의 두께이고, b는 각 티스의 너비이고, 이에 따라, 소음이 감소된 영구자석식 회전전기기계 및 이를 사용하는 압축기가 제공될 수 있다.

Description

영구자석식 회전전기기계, 이를 사용하는 압축기와 이 압축기를 사용하는 공기조화기, 냉장고 및 냉동고 {Permanent Magnet Type Rotating Electric Machine, and Compressor Using the Same, and Air Conditioner, Cold store and Freezing Store Using the Compressor}

본 발명은 회전자에 계자용 영구자석이 제공되는 영구자석식 회전전기기계에 관한 것으로, 특히, 공기조화기, 냉장고 및 냉동고 등을 위한 압축기에 장착되는 영구자석식 회전전기기계에 관한 것이다.

종래에는, 이들 종류의 영구자석식 회전전기기계에서, 소음을 감소시키기 위하여, 즉 토크 리플(torque ripple)을 감소시키기 위하여 다양한 대책이 취해지고 있다. 예를 들어, 일본국 실개평 3-106869(1991)호 공보에는 토크 리플을 감소시키기 위하여, 티스(teeth) 끝단부의 중심은 회전자 코어와 동심으로 형성되고, 티스 최상부의 양 끝단은 회전자로부터 멀어지도록 직선으로 형성되는 대책이 개시되어 있다.

종래의 기술에서 상술된 바와 같이, 티스 최상부의 양 끝단을 회전자로부터 멀리 떨어뜨림으로써 토크 리플이 감소된다고 하더라도, 그러나 소음을 감소시키기 위하여, 토크 리플을 현저하게 감소시킬 필요가 있으므로, 단순히 티스 최상부의 양 끝단을 회전자로부터 멀리 떨어뜨리는 대책은 불충분하다.

본 발명의 목적은 회전시에 제한된 소음을 갖는 영구자석식 회전전기기계를 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보여주는 영구자석식 회전전기기계의 단면 구조도,

도 2는 본 발명의 실시예에 관한 모의(simulated) 자속 흐름도,

도 3은 본 발명의 실시예에 관한 티스(teeth) 최상부 형태와 소음과의 관계를 도시하는 표,

도 4는 본 발명의 실시예에 관한 압축기의 단면 구조도이다.

본 발명의 한 특징은, 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스를 둘러싸도록 집중적으로 감겨진 각각의 전기자 권선이 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스에 적용되는 고정자 및 회전자 코어에 형성된 다수의 영구자석 삽입홀안으로 각각의 영구자석이 수용되는 회전자를 포함하는 영구자석식 회전전기기계에 있어서, 상이한 갭간격을 갖는 2종류 이상의 갭면이 고정자 코어의 티스 내주면에 형성되고, 각각의 티스는 3.7≤(b/a)≤4.9의 관계를 만족하도록 구성되고, 여기서 a는 각 티스 최상부의 끝단부의 반경방향의 두께이고 b는 각 티스의 너비이다.

본 발명의 다른 특징은, 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스를 둘러싸도록 집중적으로 감겨진 각각의 전기자 권선이 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스에 적용되는 고정자 및 회전자 코어에 형성된 다수의 영구자석 삽입홀안으로 각각의 영구자석이 수용되는 회전자를 포함하는 영구자석식 회전전기기계에 있어서, 고정자 코어의 각 티스의 내주면은 원호형상부(arcuate portion)와 직선부로 형성되고, 각각의 티스는 3.7≤(b/a)≤4.9의 관계를 만족하도록 구성되고, 여기서 a는 각 티스 최상부의 끝단부의 반경방향의 두께이고 b는 각 티스의 너비이다.

본 발명의 또 다른 특징은, 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스를 둘러싸도록 집중적으로 감겨진 각각의 전기자 권선이 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스에 적용되는 고정자 및 회전자 코어에 형성된 다수의 삽입홀안으로 각각의 영구자석이 수용되는 회전자를 포함하는 영구자석식 회전전기기계에 있어서, 고정자 코어의 각 티스의 내주면은 원호형상부 및 직선부로 형성되고, 각각의 티스는 3.7≤(b/a)≤4.9의 관계를 만족하도록 구성되고, 여기서 a는 각 티스 최상부의 끝단부의 반경방향의 두께이고 b는 각 티스의 너비이며, 뿐만 아니라, 회전자의 축선중심에 대한 고정자 코어의 티스의 내주면상의 원호형상부에 의하여 형성되는 각도는 회전자의 축선중심에 대한 티스의 너비에 의하여 형성되는 각도보다 작게 선택된다.

상술된 바와 같은 방식으로 영구자석식 회전전기기계를 구성하면, 티스 최상부의 형태가 최적화되므로, 따라서 소음이 감소된 영구자석식 회전전기기계가 제공될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예가 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세하게 설명된다. 각각의 도면에 걸쳐, 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 또한,본 실시예에서는, 4극-6슬롯 영구자석식 회전전기기계가 예시되지만, 본 발명은 이러한 특정 기계에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예를 보여주는 영구자석식 회전전기기계의 단면 구조이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 관한 모의 자속 흐름도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 관한 티스 최상부 형태와 소음간의 관계를 보여주는 회전전기기계의 소음 측정결과이다.

도 1에서, 영구자석식 회전전기기계는 고정자(5) 및 회전자(1)로 이루어지고, 고정자(5)의 코어는 6조각의 티스(8) 및 코어백(6)(core back)으로 형성된다. 또한, 회전자(1)내의 회전자 코어(3)에는 영구자석(2)이 묻히는 영구자석 묻음용 홀이 제공되고, 고정자(5)의 각 슬롯(7)에는 집중적으로 감겨진 전기자 권선(도시되지 않음)이 티스(8)를 둘러싸도록 배치된다. 본 실시예에서, 티스(8)의 각 내주면은 원호형상부 및 직선부에 의하여 구성되고, 각 티스(8)의 중심부(8b)에서의 갭 간격을 g1이라 하고, 각 티스(8) 끝단부(8a)에서의 갭 간격을 g2라고 가정하면, g1<g2 인 관계가 결정된다. 또한, 회전자(1)의 축선중심이 O이고, 축선중심(O)에 대한 원호형상부(AB)의 각도가 α이고, 축선중심(O)에 대한 티스의 너비(CD)의 각도가 β라 하면, α<β인 관계가 결정된다.

이제, 영구자석식 회전전기기계와 연관된 문제의 하나로, 토크 리플로 인하여 발생되는 회전시의 소음을 들 수 있다. 토크 리플은 해당 기계내의 더 높은 고조파 자속으로 인하여 발생되고, 해당 기계내의 자속분포, 즉, 에어갭(air gap)내의 자속분포가 평활하면, 토크 리플이 감소될 수 있다.

자속의 흐름을 관찰해 보면, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전자(1)측으로부터 고정자(5)로 들어가는 자속(Φ)은 티스 최상부의 양끝단부(8a) 및 중심부로부터, 각 티스(8)의 조인트 및 코어백(6)의 순서로 지나간다. 상술된 바와 같이, 슬롯개구부(9)로부터 들어가는 자속은 실질적으로 없고, 자속은 티스 최상부의 양 끝단부(8a) 및 중심부(8b)에 집중되어 그곳을 통하여 들어가므로, 따라서, 에어갭내의 자속분포를 평활하게 하기 위하여, 각 티스 최상부의 끝단부(8a)로부터 들어오는 자속을 소정의 양으로 한정(감소)시킬 필요가 있다. 따라서, 토크 리플을 감소시키기 위하여, 각 티스 최상부의 양 끝단부(8a)는 g1<g2의 관계를 얻도록 일반적으로 회전자(1)로부터 멀리 떨어뜨리고, 이에 따라, 각 티스 최상부의 양 끝단(8a)으로부터 들어오는 자속이 감소된다. 그러나, 갭간격(g1, g2)에 의한 조정효과만으로는 한계가 있어, 회전시의 소음을 충분히 감소시킬 수 없다.

따라서, 발명자는 각 티스 최상부의 끝단(8a)을 적절하게 포화시켜 각 티스 최상부의 끝단(8a)으로부터 들어오는 자속을 억제하여, 갭의 자속분포가 평활해지면, 만족할 만한 결과가 얻어질 수 있다는 것을 발견하였다. 즉, 발명자는 각 티스 최상부의 끝단(8a)의 조인트의 반경방향 두께와 각 티스(8)의 너비(b)간의 비율이 최적화되면, 갭의 자속분포가 평활해지고, 토크 리플이 크게 감소될 수 있다는 결론에 도달하였다.

상술된 입장에서, 발명자는 b/a의 상이한 비율을 갖는 영구자석식 회전전기기계를 사용하여 실험을 하였다. 소음측정결과는 도 3에 도시된다. 회전시 소음이 적게 나타나는 영구자석식 회전전기기계를 O표로 나타내고, 소음이 크게 나타나는영구자석식 회전전기기계를 X표로 나타내었다. 비율(b/a)이 3.7≤(b/a)≤4.9 범위에서 선택되면, 회전시 소음이 감소되는 것이 관찰되었다.

상기 실험의 결과로부터, b/a의 비율이 4.9를 초과하면, 소음이 커진 이유는, b에 대하여 a가 작기 때문이므로, 각 티스의 최상부의 양 끝단부(8a)에서 자기포화가 극도로 커지고, 각 티스의 최상부의 양 끝단부(8a)로부터 들어오는 자속은 현저하게 제한됨에 따라, 회전자(1)측으로부터 고정자(5)로 들어오는 자속은 각 티스 최상부의 중심부(8b)에 집중되어 평활한 자속분포를 방해하기 때문이다.

한편, 비율(b/a)이 3.7아래로 내려가면, 소음이 커진 이유는, b에 대하여 a가 크기 때문이므로, 각 티스의 최상부의 양 끝단부(8a)에서 자기포화가 낮아짐에 따라, g1 및 g2간의 갭간격의 차이로 인하여 들어오는 자속의 차이를 보이고, 각 티스 최상부의 양 끝단부(8a)와 중심부(8b)간의 들어오는 자속의 차이가 커서, 평활한 자속분포를 방해하기 때문이다.

즉, 비율(b/a)이 3.7≤(b/a)≤4.9 범위에서 선택되면, 갭내의 자속밀도분포가 평활해짐에 따라, 토크 리플이 제한되어 소음이 감소된다.

또한, 도면에 도시되는 바와 같이, 각 티스(8)의 내주면이 원호형상부 및 직선부로 구성되면, 축선중심(O)에 대한 원호형상부(AB)의 각도(α)의 범위가 중요한 인자이다. 이에 대한 몇몇 실험의 결과에 따라, 각도(α)가 축선중심(O)에 대한 티스의 너비(CD)의 각도(β)보다 작으면, 즉 α<β에서 소음이 더욱 감소된다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 관한 압축기의 단면 구성도이다. 압축기는 고정 스크롤부재(10)의 끝단판(11)에 직립하는 스크롤형상 랩(lap)(12)과, 선회 스크롤부재(13)의 끝단판(14)에 직립하는 또 다른 스크롤형상 랩(15)을 맞물려 형성되고, 선회 스크롤부재(13)를 크랭크샤프트(4)로 선회운동시켜 압축동작을 실행한다. 고정 스크롤부재(10) 및 선회 스크롤부재(13)에 의하여 형성되는 압축챔버(16a, 16b...)중, 반경방향으로 최외측에 놓여진 챔버는 선회운동에 따라 양 스크롤챔버(10, 13)의 중심으로 변위되어, 그것의 부피가 점차적으로 감소된다. 압축챔버(16a, 16b)가 스크롤챔버(10, 13)의 중심근처에 도달하면, 양 압축챔버(16a, 16b)내의 압축된 가스는 압축챔버(16a, 16b)와 연통하는 배출구(17)로부터 배출된다. 배출된 압축된 가스는 고정 스크롤부재(10) 및 프레임(18)에 제공된 가스통로(도시되지 않음)를 통과하여, 프레임(18) 아래의 압축용기(19)로 도달하고, 압축용기(19)의 측벽에 제공된 배출파이프(20)를 통하여 압축기 외부로 배기된다. 또한, 본 압축기에서, 구동용 모터(21)는 압축용기(19)내에 밀봉되고, 별도로 배치된 인버터(도시되지 않음)에 의하여 제어되는 회전속도로 회전하여 압축동작을 수행한다. 본 압축기에서, 구동용 모터(21)는 고정자(5) 및 회전자(1)로 구성된 영구자석식 회전전기기계이다.

또한, 참조번호(22)는 고정자(5)의 전기자 권선이고, 참조번호(23)는 오일 저장부이며, 참조번호(24)는 오일 홀이고, 참조번호(25)는 슬라이딩 베어링이다.

압축기는 공기조화기, 냉장고 및 냉동고 등의 구동원으로 사용되고, 연중 내내 작동되므로, 압축기는 지구온난화문제의 관점에서 에너지 절약이 요구되는 가장 중요한 제품이다. 영구자석식 회전전기기계가 구동원에 사용되면, 제품의 높은 효율로 인하여, 에너지 절약이 얻어질 수 있으나, 영구자석식 회전전기기계는 그것의소음을 혁신적으로 감소시키지 않는 한 사용될 수 없다. 그러나, 본 발명에 따른 영구자석식 회전전기기계가 구동원으로 사용되면, 소음이 작고, 환경문제를 해결할 수 있기 때문에, 고효율과 에너지 절약을 얻을 수 있는 압축기가 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 영구자석식 회전전기기계를 사용하는 압축기가 구동원으로서 공기조화기에 사용되면, 탑러너규정(top runner regulation)을 통과한 공기조화기를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 영구자석식 회전전기기계를 사용하는 압축기가 그것의 구동원으로서 냉장고에 사용되면, 탑러너규정을 통과한 냉장고를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 영구자석식 회전전기기계를 사용하는 압축기가 그것의 구동원으로서 냉동고에 사용되면, 에너지절약을 할 수 있는 냉동고가 제공될 수 있다.

상술된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 회전시에, 영구자석식 회전전기기계의 소음이 감소될 수 있기 때문에, 소음이 감소된 영구자석식 회전전기기계 및 이를 사용한 압축기가 제공될 수 있다.

Claims

고정자 코어상에 형성된 다수의 티스(teeth)를 둘러싸도록 집중적으로 감겨진 각각의 전기자 권선이 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스에 적용되는 고정자 및 회전자 코어에 형성된 다수의 영구자석 삽입홀안으로 각각의 영구자석이 수용되는 회전자를 포함하는 영구자석식 회전전기기계에 있어서,

상기 티스 각각은, 상기 고정자 코어의 티스 내주면에 서로 상이한 갭간격을 갖도록 2종류 이상의 갭면(gap face)을 포함하고,

상기 각각의 티스는 3.7≤(b/a)≤4.9의 관계를 만족하도록 각 티스 최상부의 끝단부의 반경방향의 조인트 두께 a와 각 티스의 너비 b를 형성하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기기계.
고정자 코어상에 형성된 다수의 티스를 둘러싸도록 집중적으로 감겨진 각각의 전기자 권선이 고정자 코어상에 형성된 다수의 티스에 적용되는 고정자 및 회전자 코어에 형성된 다수의 영구자석 삽입홀안으로 각각의 영구자석이 수용되는 회전자를 포함하는 영구자석식 회전전기기계에 있어서,

상기 티스 각각은, 상기 고정자 코어의 각 티스의 내주면이 원호형상부와 직선부를 갖도록 형성되고,

상기 각각의 티스는 3.7≤(b/a)≤4.9의 관계를 만족하도록 각 티스 최상부의 끝단부의 반경방향의 조인트 두께 a와 각 티스의 너비 b를 형성하는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기기계.
제2항에 있어서,

상기 회전자의 축선중심에 대한 상기 고정자 코어의 티스의 내주면상의 원호형상부에 의하여 형성된 각도는, 상기 회전자의 축선중심에 대한 상기 티스의 너비에 의하여 형성된 각도보다 작게 선택되는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기기계.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 영구자석식 회전전기기계를 그것의 구동원으로서 포함하는 압축기.
제4항에 따른 압축기를 포함하는 공기조화기.
제4항에 따른 압축기를 포함하는 냉장고.
제4항에 따른 압축기를 포함하는 냉동고.