KR100663622B1 - 브러시레스 ｄｃ 모터 및 브러시레스 ｄｃ 모터 제어 장치 - Google Patents

브러시레스 ｄｃ 모터 및 브러시레스 ｄｃ 모터 제어 장치 Download PDF

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Abstract

자속 배리어(22)의 자극 중심 측의 단부(端部)와, 인접하는 자속 배리어(22, barrier)의 리브(23, rib)에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도 θ0를, 저감하고 싶은 진동의 주파수를 f, 극쌍수를 Pn, 전기각 주파수를 f0 = Pn * N, 모터 회전수를 N, m = 1, 3, 5, …, 리브가 회전자 중심에 대하여 이루는 각도를 θr이라고 할 때,
θ0 = 180°* m / (Pn * f / f0)
(단, 2θ0 - θr < 90°)
의 관계를 만족시키는 각도로 설정하여, 고효율화와 저소음화를 간단하게 양립시킨다.
브러시레스 DC 모터, 제어 장치, 회전자, 자속 배리어, 브리지

Description

브러시레스 ＤＣ 모터 및 브러시레스 ＤＣ 모터 제어 장치{BRUSHLESS DC MOTOR AND BRUSHLESS DC MOTOR CONTROLLER}
본 발명은 브러시레스 DC 모터 및 브러시레스 DC 모터 제어 장치에 관한 것이며, 더 상세하게 말하면, 고효율화 및 저소음화를 양립할 수 있는 신규의 브러시레스 DC 모터 및 브러시레스 DC 모터 제어 장치에 관한 것이다.
종래부터 자속 배리어(barrier)를 둘레 방향의 사이즈가 자속 두께 이상이 되도록 설정하여, 효율 향상을 도모하는 것이 제안되었다 (일본국 공개특허공보 특개2002-44888호 공보 참조).
또한 영구 자석을 회전자의 내부에 묻어 이루어지는 브러시레스 DC 모터 (이하, IPM이라고 한다)에 있어서, 자속 배리어의 각도에 의하여 저소음화를 달성하도록 하는 것이 제안되었다 (일본국 공개특허공보 특개평11-98731호 공보 및 일본국 공개특허공보 특개2000-217287호 공보 참조).
또한 IPM에 있어서, 회전자의 적층 방향으로 스큐(skew)를 시행하는 것이 제안되었다 (일본국 특허공보 특허제3028669호 공보 참조).
극쌍수 Pn의 모터에 있어서, 모터 회전수 'rps'의 Pn배의 주파수 (이하, 기본 주파수라고 한다)에 대하여, 기본 주파수의 정수배의 주파수 (이하, 그 배율을 차수라고 한다)에 있어서, 회전자와 고정자의 톱니 간에서 전자 흡인력 (이하, 전자 가진력이라고도 한다)이 발생하고 있고, 그 차수의 주파수의 진동·소음이 발생하고 있다.
그리고 그 차수의 진동이 모터나 모터를 유지하고 있는 프레임 등의 고유 진동수와 일치한 경우, 공진에 의하여 더 큰 진동·소음으로 되어 문제가 되는 경우가 있다.
그런데 운전 시에 회전자와 고정자 간에 작용하는 전자 흡인력을 접선 (국 방향) 방향 성분과 법선 (반경 방향) 방향 성분으로 분해하였을 때, 접선 성분은 회전력으로서 유효하게 이용되지만, 법선 성분은 진동·소음의 문제를 발생시킬 뿐이며, 쓸데없는 전자 흡인력이다. 게다가 법선 성분은 접선 성분에 대하여 한 자릿수 다를 정도로 크다. 모터의 발생 토크의 매끄러움이 요구되는 용도에는 종래의 방법이나 스큐 등에 의하여, 코깅 토크(cogging torque) 또는 운전 시 토크 리플(torque ripple)을 저감하는 것이 효과적이지만, 모터 및 모터가 넣어져 있는 장치 전체의 진동·소음을 저감하고 싶다고 하는 요구에 대해서는 쓸데없이 큰 전자력인 법선 성분의 전자 가진력을 저감하는 것이 필요하다.
법선 방향의 전자 가진력을 저감하기 위해서는 가진력 자체의 크기를 저감하는 것이 바람직하지만, 모터 효율의 저하 등의 폐해를 고려한다면, 이러한 대처를 채용하는 것은 어려운 경우가 많다. 이 때문에, 특히 문제로 되는 특정의 차수 (회전수의 정수배의 주파수)의 진동·소음의 저감을 목표로 하여 대책하는 것이 소망된다.
그러나 상기의 종래 기술에서는 다음과 같은 점에서 과제가 있다.
일본국 공개특허공보 특개2002-44888호 공보에서는 자극 철심의 각도를 그에 적합한 값으로 하는 것으로 효율 향상을 실현할 수 있다. 그러나 효율이 높고 또한 저소음의 모터를 소망하고 있으며, 나아가 저소음화를 위하여 특정 차수의 소음을 저감하고 싶은 경우, 효율 향상을 실현할 수 있는 범위의 각도 전체에 대하여 저소음화를 양립할 수 있는 것은 아니기 때문에, 그 범위 내에서 최적의 각도를 선택하여 설정해야 하지만, 이러한 설정을 달성하는 것은 당업자라 할지라도 간단하게는 불가능하다.
또한 일본국 공개특허공보 특개2002-44888호 공보에서는 리브(rib) 폭 치수 변화에 의한 영향을 전혀 고려하고 있지 않기 때문에, 고효율화와 저소음화를 양립시키는 것은 더 곤란하다. 더 설명한다.
리브는 자석 내측의 회전자 내부의 코어와 브리지를 연결하는 반경 방향으로 늘어나는 부분이지만, 그 폭을 크게 하는 것에 의하여, q축 인덕턴스 Lq를 크게 할 수 있다. 토크 Trq는
Trq = Pn * (φa * iq + (Ld - Lq) * id * iq)
Pn : 극쌍수, id, iq : 각각 d, q축 전류, Ld, Lq : 각각 d축 인덕턴스, q축 인덕턴스, φa : 자속 쇄교수
로 나타내고, Lq를 크게 할 수 있으면, Ld - Lq의 절대값을 크게 할 수 있고, 릴럭턴스 토크를 증가시킨다. 이 리브 폭 치수와 그것에 인접하는 자속 배리어부의 형상은 전자 가진력의 발생 방법에 크게 관계하고 있지만, 일본국 공개특허공보 특개 2002-44888호 공보에서는 이 리브의 폭 치수 변화에 의한 영향을 고려하고 있지 않다.
일본국 공개특허공보 특개평11-98731호 공보에서는 토크 리플 저감을 목적으로서, 리브를 포함하는 배리어 선단(先端) 간의 이루는 각도의 설정 또는 리브 중심을 기준으로 배리어 선단까지의 각도의 설정을 개시하고 있지만, 리브의 폭 치수가 변화하여도 설정되는 각도는 같은 상태이다. 즉, 상술한 바와 같이, 이 리브 폭 치수와 그것에 인접하는 자속 배리어부의 형상은 전자 가진력의 발생 방법에 크게 관계하고 있는 것이기 때문에, 일본국 공개특허공보 특개평11-98731호 공보에서는 고효율화와 저소음화를 양립시킬 수 없다.
일본국 공개특허공보 특개2002-217287호 공보에서는 마찬가지로 토크 리플 저감을 목적으로서, 자극의 각도의 범위를 규정하고 있지만, 마찬가지로 리브의 폭 치수의 변화에 대해서는 조금도 언급하고 있지 않다. 즉, 상술한 바와 같이, 이 리브 폭 치수와 그것에 인접하는 자속 배리어부의 형상은 전자 가진력의 발생의 방법에 크게 관계하고 있는 것이기 때문에, 일본국 공개특허공보 특개2002-217287호 공보에서는 고효율화와 저소음화를 양립시킬 수 없다.
또한 IPM에서는 생산성을 고려하여 회전자 코어를 일체로 유지하는 목적으로, 자석 자속의 단락(短絡)을 알고, 얇은 두께의 브리지부를 설치하고 있다. 이것은 가능한 한 얇게 하여 자속 단락을 극력 억제하고 싶은데, 원심강도의 필요성으로부터 어떠한 두께 이상은 필요하지만, 브리지부의 존재에 의한 영향에 대하여 고려하고 있지 않다. 따라서 고효율화와 저소음화를 양립시킬 수 없는 것이 된다.
본 발명은 상기의 문제점에 감안하여 이루어진 것이며, 고효율화와 저소음화를 간단히 양립시킬 수 있는 브러시레스 DC 모터 및 브러시레스 DC 모터 제어 장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
청구항 1의 브러시레스 DC 모터는 회전자의 내부에 복수 개의 소정 두께의 영구 자석을 장착하고, 각 영구 자석의 둘레 방향의 단부(端部)에 연속시켜, 회전자의 표면 근방까지 늘리고, 또한 영구 자석의 두께보다도 큰 둘레 방향의 길이의 비자성부의 자속 배리어를 가지며, 나아가 자극 간에 리브를 가지고 있는 회전자를 포함하는 것에 있어서,
자속 배리어의 자극 중심 측의 단부와, 인접하는 자속 배리어의 리브에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도 θ0를, 저감하고 싶은 진동의 주파수를 f, 극쌍수를 Pn, 전기각 주파수를 f0 = Pn * N, 모터 회전수를 N, m = 1, 3, 5, …, 리브가 회전자 중심에 대하여 이루는 각도를 θr이라고 할 때,
θ0 = 180°* m / (Pn * f / f0) (단, 2θ0 - θr < 90°)
의 관계를 만족시키는 각도로 설정한 것이다.
청구항 2의 브러시레스 DC 모터는 회전자의 내부에 복수 개의 소정 두께의 영구 자석을 장착하고, 각 영구 자석의 둘레 방향의 단부에 연속시켜, 회전자의 표면 근방까지 늘리고, 또한 영구 자석의 두께보다도 큰 둘레 방향의 길이의 비자성 부의 자속 배리어를 가지며, 나아가 자극 간에 리브를 가지고 있는 회전자를 포함하는 것에 있어서,
자속 배리어의 자극 중심 측의 단부와, 인접하는 자속 배리어의 리브에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도 θ0를 수학식 1의 관계를 만족시키는 각도보다도 브리지(24)의 두께에 따라 크게 설정한 것이다.
청구항 3의 브러시레스 DC 모터는 f / f0가 우수(偶數)이도록 주파수 f를 설정한 것이다.
청구항 4의 브러시레스 DC 모터는 f / f0가 (스테이터 슬롯수 / Pn)의 정수배에 일치하도록 주파수 f를 설정한 것이다.
청구항 5의 브러시레스 DC 모터는 수학식 1에 있어서, 각도 θ0가 (30 / Pn)° 이상 또한 (60 / Pn)° 이하가 되도록 m을 설정한 것이다.
청구항 6의 브러시레스 DC 모터는 상기 리브의 폭을 브리지의 두께의 2배 이상으로 설정한 것이다.
청구항 7의 브러시레스 DC 모터는 상기 브리지를 보강하는 보강 브리지를 더 포함하는 것이다.
청구항 8의 브러시레스 DC 모터는 자속 배리어의 자극 중심 측이 반경 방향으로 점축(漸縮, 점점 축소함)하는 형상을 가지고, 나아가 이 반경 방향 점축 형상 부분의 각도 θb가 18° 이상 25° 이하로 설정된 것이다.
청구항 9의 브러시레스 DC 모터는 스테이터 슬롯수가 36, 극쌍수 Pn이 2, f / f0가 36, 수학식 1의 m이 7로 각각 설정된 것이다.
청구항 10의 브러시레스 DC 모터는 상기 회전자로서 스큐가 시행되어 이루어지는 것을 채용하는 것이다.
청구항 11의 브러시레스 DC 모터는 고정자로서 고정자 권선이 분포하여 감아져 이루어지는 것을 채용하는 것이다.
청구항 12의 브러시레스 DC 모터 제어 장치는 청구항 1 또는 청구항 2의 브러시레스 DC 모터의 유기 전압에 대하여 전류 위상을 앞서도록 하기 위하여 제어되는 인버터 장치를 포함하는 것이다.
청구항 13의 브러시레스 DC 모터 제어 장치는 최대 회전수의 모터 단자 전압을 인버터의 전압 이상으로 설정한 것이다.
청구항 14의 브러시레스 DC 모터 제어 장치는 모터 인가 전압, 모터 전류, 모터의 기기 정수를 이용하여 회전자 위치를 산출하고, 산출된 회전자 위치에 기초하여 모터 구동 전류 또는 모터 인가 전압을 제어하기 위하여 인버터 장치를 제어하는 제어 수단을 더 포함하는 것이다.
청구항 15의 브러시레스 DC 모터 제어 장치는 상기 브러시레스 DC 모터로서 압축기를 구동하는 것을 채용하는 것이다.
청구항 1의 브러시레스 DC 모터라면, 회전자의 내부에 복수 개의 소정 두께의 영구 자석을 장착하고, 각 영구 자석의 둘레 방향의 단부에 연속시켜, 회전자의 표면 근방까지 늘리고, 또한 영구 자석의 두께보다도 큰 둘레 방향의 길이의 비자성부의 자속 배리어를 가지며, 나아가 자극 간에 리브를 가지고 있는 회전자를 포함하는 것에 있어서,
자속 배리어의 자극 중심 측의 단부와, 인접하는 자속 배리어의 리브에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도 θ0를 수학식 1의 관계를 만족시키는 각도로 설정한 것이기 때문에, 고효율화를 달성할 수 있는 것과 함께, 주파수 f의 진동을 저감하여 저소음화를 달성할 수 있다.
청구항 2의 브러시레스 DC 모터라면, 회전자의 내부에 복수 개의 소정 두께의 영구 자석을 장착하고, 각 영구 자석의 둘레 방향의 단부에 연속시켜, 회전자의 표면 근방까지 늘리고, 또한 영구 자석의 두께보다도 큰 둘레 방향의 길이의 비자성부의 자속 배리어를 가지며, 나아가 자극 간에 리브를 가지고 있는 회전자를 포함하는 것에 있어서,
자속 배리어의 자극 중심 측의 단부와, 인접하는 자속 배리어의 리브에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도 θ0를 수학식 1의 관계를 만족시키는 각도보다도 브리지의 두께에 따라 크게 설정한 것이기 때문에, 주파수 f의 진동을 저감하여 저소음화를 달성할 수 있다.
청구항 3의 브러시레스 DC 모터라면, f / f0가 우수이도록 주파수 f를 설정한 것이기 때문에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 4의 브러시레스 DC 모터라면, f / f0가 (스테이터 슬롯수 / Pn)의 정 수배에 일치하도록 주파수 f를 설정한 것이기 때문에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 5의 브러시레스 DC 모터라면, 수학식 1에 있어서, 각도 θ0가 (30 / Pn)° 이상 또한 (60 / Pn)° 이하가 되도록 m을 설정한 것이기 때문에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 6의 브러시레스 DC 모터라면, 상기 리브의 폭을 브리지의 두께의 2배 이상으로 설정한 것이기 때문에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 7의 브러시레스 DC 모터라면, 상기 브리지를 보강하는 보강 브리지를 더 포함하는 것이기 때문에, 기계적 강도를 향상할 수 있는 것 외에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 8의 브러시레스 DC 모터라면, 자속 배리어의 자극 중심 측이 반경 방향으로 점축하는 형상을 가지고, 나아가 이 반경 방향 점축 형상 부분의 각도 θb가 18° 이상 25° 이하로 설정되어 있는 것이기 때문에, 가진력 및 토크 리플을 작게 할 수 있는 것 외에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 9의 브러시레스 DC 모터라면, 스테이터 슬롯수가 36, 극쌍수 Pn이 2, f / f0가 36, 수학식 1의 m이 7로 각각 설정되어 있기 때문에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 10의 브러시레스 DC 모터라면, 상기 회전자로서 스큐가 시행되어 이루어지는 것을 채용하는 것이기 때문에, 토크 리플을 저감할 수 있는 것 외에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 11의 브러시레스 DC 모터라면, 고정자로서 고정자 권선이 분포하여 감아져 이루어지는 것을 채용하는 것이기 때문에, 진동을 저감할 수 있는 것 외에, 청구항 1 또는 청구항 2와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 12의 브러시레스 DC 모터 제어 장치라면, 청구항 1 또는 청구항 2의 브러시레스 DC 모터의 유기 전압에 대하여 전류 위상을 앞서도록 하기 위하여 제어되는 인버터 장치를 포함하는 것이기 때문에, 고효율화를 달성할 수 있는 것과 함께, 주파수 f의 진동을 저감하여 저소음화를 달성할 수 있다.
청구항 13의 브러시레스 DC 모터 제어 장치라면, 최대 회전수의 모터 단자 전압을 인버터의 전압 이상으로 설정한 것이기 때문에, 운전 범위를 확대할 수 있는 것 외에, 청구항 12와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 14의 브러시레스 DC 모터 제어 장치라면, 모터 인가 전압, 모터 전류, 모터의 기기 정수를 이용하여 회전자 위치를 산출하고, 산출된 회전자 위치에 기초하여 모터 구동 전류 또는 모터 인가 전압을 제어하기 위하여 인버터 장치를 제어하는 제어 수단을 더 포함하는 것이기 때문에, 위치 센서를 이용하는 일 없이 브러시레스 DC 모터를 제어할 수 있는 것 외에, 청구항 12와 같은 작용을 달성할 수 있다.
청구항 15의 브러시레스 DC 모터 제어 장치라면, 상기 브러시레스 DC 모터로서 압축기를 구동하는 것을 채용하는 것이기 때문에, 위치 센서를 이용하는 일 없이 압축기를 구동할 수 있는 것 외에, 청구항 13과 같은 작용을 달성할 수 있다.
도 1은 종래의 브러시레스 DC 모터의 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 2는 도 1의 브러시레스 DC 모터에서의 회전자의 회전 각도에 대한 톱니 가진력 법선 성분을 도시하는 도면이다.
도 3은 배리어의 폭이 영구 자석의 두께보다 큰 회전자를 가지는 브러시레스 DC 모터의 구성을 도시하는 종단면도이다.
도 4는 도 3의 브러시레스 DC 모터에서의 회전자의 회전 각도에 대한 톱니 가진력 법선 성분을 도시하는 도면이다.
도 5는 도 3의 브러시레스 DC 모터의 회전자만을 확대하여 도시하는 종단면도이다.
도 6은 브리지의 반경 방향의 두께에 대한 고정자의 톱니 가진력 법선 성분이 최소가 되는 θ0를 도시하는 도면이다.
도 7은 θ0에 대한 톱니 가진력의 하나의 해석례를 도시하는 도면이다.
도 8은 θ0에 대한 톱니 가진력의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 9는 도 5의 회전자의 하나의 자속 배리어를 확대하여 도시하는 종단면도이다.
도 10은 자속 배리어 선단의 각도에 대한 톱니 가진력 36차 성분을 도시하는 도면이다.
도 11은 자속 배리어 선단의 각도에 대한 토크 리플을 도시하는 도면이다.
도 12는 보강 브리지부를 추가한 브러시레스 DC 모터의 회전자의 종단면도이다.
도 13은 보강 브리지부를 추가하고 또한 영구 자석을 내측에 둔 브러시레스 DC 모터의 회전자의 종단면도이다.
도 14는 본 발명의 브러시레스 DC 모터 제어 장치의 일실시예를 도시하는 블록도이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 브러시레스 DC 모터 및 브러시레스 DC 모터 제어 장치의 실시예를 상세하게 설명한다.
우선, 소음 저감과 각도 θ0의 결정 방법을 설명한다.
도 1은 종래의 브러시레스 DC 모터의 구성을 도시하는 종단면도이고, 다수의 톱니(11)가 형성된 고정자(1)와, 내부에 영구 자석(21)을 수용하고 있는 것과 함께, 영구 자석(21)의 양 단부에서 외표면을 향하여 연장되는 자속 단락 방지용의 자속 배리어(22)를 가지고 있는 회전자(2)를 가지고 있다.
도 2는 자속 배리어(22)의 폭이 영구 자석(21)의 두께에 가까운 회전자를 가지는 브러시레스 DC 모터의 운전 시에 있어서, 톱니 A에 걸리는 가진력 (법선 성분)을 도시하는 도면이다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 회전자(2)의 회전과 함께, 가진력은 급격하게 증대하고, 그 후 서서히 감소하여 간다.
도 3은 자속 배리어(22)의 폭이 영구 자석(21)의 두께보다 큰 회전자를 가지는 브러시레스 DC 모터의 구성을 도시하는 종단면도이고, 도 1의 브러시레스 DC 모터와 다른 점은 자속 배리어(22)의 형성뿐이다.
도 4는 도 3의 브러시레스 DC 모터의 운전 시에 있어서, 톱니 A에 걸리는 가진력 (법선 성분)을 도시하는 도면이다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 회전자(2)의 회전에 따라, 산이 두 개 나타난다. 두 개의 산 중, 최초의 낮은 산은 리브의 부분 B가 톱니 A의 위치에 올 때이고, 다음의 큰 산은 배리어 선단의 자극 부분 C가 톱니 A의 위치에 올 때이다.
가진력의 산과 산이 어떠한 위상차를 가지고 발생하고 있기 때문에, 그 위상차를 소정의 값으로 설정할 수 있다면, 특정 주파수의 가진력 성분을 제거할 수 있다. 이 생각에 기초하여, 도 3의 회전자만을 확대하여 도시하는 도 5의 각도 θ1 (영구 자석의 양 단에 대응하는 자속 배리어(22)에 의하여 규정되는 자극 각도)을 적절하게 결정하면 무방한 것을 예상할 수 있다.
그러나 전기각의 주파수를 f0로 하고, 주파수 f의 진동을 저감하고 싶은 경우, 도 4의 위상차 φ(전기각)가 주파수 f의 반주기에 일치한다면, 이 첫 번째의 산에서 발생하는 주파수 f의 가진력 성분과 두 번째의 산에서 발생하는 주파수 f의 가진력 성분이 서로 제거되고, 진동 저감을 실현할 수 있다.
주파수 f의 1주기의 각도는 전기각 기본파 주파수 f0의 1주기를 360도라고 할 때, 360 * f0 / f 로 되고, φ는 그 절반이기 때문에,
φ = 180 * f0 / f
로 된다.
또한 위상차 φ는 도 5의 θ0의 간격 (자속 배리어의 자극 중심 측의 단부와, 인접하는 자속 배리어의 리브에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도)으로 발생하고 있고, 극쌍수를 Pn이라고 할 때,
θ0 = φ / Pn = 180 * f0 / f / Pn = 180 / (Pn * f / f0)
으로 된다.
덧붙여, 이상에서는 φ를 주파수 f의 반주기 (0.5배)로 하여 수학식 3을 도출하였지만, 그것에 한정되지 않고, f의 주기의 1.5배나 2.5배 등이어도 무방하며, 결국,
θ0 = m * φ / Pn = 180 * m * f0 / f / Pn = 180 * m / (Pn * f / f0)
(단, 2θ0 - θr < 90°), (m = 1, 3, 5, …)
로 되도록 하는 각도 θ0로 하면 무방하다는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 도 5에서 도시하는 바와 같이, 각도 θ0의 결정 방법을 채용하면, 리브 폭 치수가 변화하여도 각도의 결정 방법에 변경은 없다. 즉, 리브 폭 치수를 고려하고 있는 것이 된다.
덧붙여, 리브(23)의 회전자의 중심에 대하여 이루는 각도를 θr이라고 할 때, θ0와 θ1과는,
θ1 = (180 / Pn) + θr - 2 * θ0
의 관계에 있다.
덧붙여, 소음 저감을 겨냥하는 주파수 f는 임의의 주파수라도 무방하고, f / f0가 우수로 되도록 하는 주파수라도 무방하며, f / f0가 (스테이터 슬롯수 / Pn)의 정수배로 되도록 하는 주파수라도 무방하다.
상기 구성의 브러시레스 DC 모터를 채용하면, 고효율화 및 저소음화를 양립할 수 있다.
이어서, 브리지 두께의 영향과 각도 θ0의 보정을 설명한다.
브러시레스 DC 모터의 회전자에는 어떠한 치수 이상의 반경 방향 두께를 가지는 브리지(24)가 필요하고, 그 존재에 의하여, 상기와 같이 결정된 θ0는 특정의 주파수 f의 소음 저감을 위해서는 적합하지 않다.
예를 들어, 주파수 f의 소음을 저감하기 위하여 수학식 1에서 결정되는 각도 θ0가 17.5°인 경우에 대하여, 브리지(24)의 반경 방향 두께를 변화시켰을 때, 고정자의 톱니 가진력 법선 성분이 최소로 되는 θ0를 플롯하면, 도 6에 도시하는 바와 같이, 브리지(24)의 반경 방향 두께의 증가에 따라 증가한다. 구체적으로는, 브리지 두께가 0.7mm 부근에서는 수학식 1에서 결정되는 θ0에 대하여, 0.35° 크게 설정해야만 하는 것을 알 수 있다. 이것은 작은 각도이지만, 저감하고 싶은 주파수가 높은 경우에는 영향이 크다. 예를 들어, f / f0가 36인 경우, 주파수 f의 1주기의 각도가 5°이기 때문에, 0.35°는 36차의 주파수에서는 25°에 상당하고, 각도에 대한 가진력의 변화가 정현파상(正弦波狀)이라고 가정하면, 가진력 차는 약 1할에 상당하고 영향은 크다.
따라서 도 6에 도시하는 관계를 수학식으로서 유지하고 또는 테이블로서 유지하여 두어, 수학식 1에서 구하여진 θ0를 보정하는 것에 의하여, 고효율화 및 저소음화를 양립할 수 있다.
더 설명한다.
상기의 실시예의 경우에는 리브 폭이 변화하여도 θ0는 수학식 1을 기초로 보정하면 최적의 각도를 산출할 수 있다. 구체적으로는, 슬롯수가 36, 극수가 4극, 저감하고 싶은 차수가 f / f0 = 36, m = 7인 경우에는, 수학식 1에서 구하여진 각도 θ0는 17.5°이다. 그러나 실제로는, 도 7에 도시하는 바와 같이, 약간 크게 보정한 각도 θ0에 있어서 36f의 가진력이 극소가 된다. 또한 리브 폭 치수가 변한 경우에도 최적의 각도 θ0에 영향은 없다 (도 7 참조). 덧붙여, 브리지의 두께는 0.7mm로 설정하고 있다.
또한 슬롯수가 36, 극수가 4극, 저감하고 싶은 차수가 f / f0 = 18, m = 3인 경우에는, 각도 θ0는 수학식 1에서 구하여진 각도 θ0 = 15°보다도 약간 크게 하는 것이 바람직하다 (도 8 참조). 덧붙여, 브리지의 두께는 0.7mm로 설정하고 있다.
이상에서 알 수 있는 바와 같이, 브리지의 두께에 따라 각도 θ0를 크게 하는 것이 바람직하다.
나아가 최적의 배리어 선단의 형상을 설명한다.
자속 배리어(22)의 자극 중심 측의 선단의 각도 (도 9의 θb 참조)는 가진력과 토크 리플에 영향을 주고, 양자를 최소로 할 수 있는 최적의 각도가 존재하는 것을 발견하였다.
θb를 변화시킨 경우의 36차 (= f / f0)의 가진력의 변화는 도 10에 도시하는 바와 같고, 20° 부근에 최적값이 있는 (가장 가진력이 작은) 것을 알 수 있다. 각도가 커지는 측은 어떠한 값에서 포화 경향을 나타내고 있고, 어떠한 각도를 채용하여도 무방하다고 생각될 지도 모르지만, 이 때의 발생 토크 리플을 보면, 도 11에 도시하는 바와 같이, 20° 부근을 최소로 하고, θb의 증가에 따라 증가하는 경향을 나타내고 있다. 따라서 θb를 18°~ 25°의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
또한 브리지(24)의 길이가 길어지면, 기계적 강도의 저하가 걱정되게 된다. 이것에 대해서는, 도 12, 도 13에 도시하는 바와 같이, 자속 배리어(22)를 둘레 방향으로 자극 중심을 향하여 연장되는 부분(22b)과 다른 부분(22a)으로 구분하고, 양 부분(22a, 22b)을 구분하는 철심 부분을 보강 브리지부(24a)로 하는 것에 의하여, 기계적 강도를 향상시키는 것을 예시할 수 있다. 덧붙여, 도 13은 q축 인덕턴스가 자기 포화의 영향을 받지 않도록 영구 자석(21)의 외측의 철부를 크게 취하기 위하여 영구 자석(21)을 내측에 둔 점에 있어서 도 12와 다를 뿐이고, 다른 부분의 구성은 동일하다.
덧붙여, 상기의 브러시레스 DC 모터에 있어서, 고정자로서 고정자 권선이 분포하여 감아진 것을 채용하는 것이 바람직하다. 왜냐하면, 분포 감기 (도 1, 도 3 참조)는 집중 감기에 비하여 원래 진동이 적은 구성이고, 슬롯수를 증가시키는 것으로 진동을 억제할 수 있지만, 본원 발명을 이용하는 것으로 한층 더 진동 저감을 달성할 수 있기 때문이다.
또한 브러시레스 DC 모터는 상기의 구성의 것에는 한정되지 않는다.
도 14는 본 발명의 브러시레스 DC 모터 제어 장치의 일실시예를 도시하는 블록도이다.
이 브러시레스 DC 모터 제어 장치는 직류 전원을 입력으로 하는 인버터(31) 의 출력을 브러시레스 DC 모터(32)에 공급하고 있다. 그리고 모터 전압 및 모터 전류를 입력으로 하고, 미리 설정된 모터 모델을 이용하여 브러시레스 DC 모터(32)의 회전자의 자극 위치를 추정하는 위치 검출부를 가지는 것과 함께, 추정된 위치 신호를 기준으로 하여 속도 검출 처리, 속도 제어 연산 처리, 위상 제어 연산 처리, 전류 제어 연산 처리 등을 행하여 인버터(31)에 스위칭 소자에 대한 스위칭 지령을 출력하는 인버터 제어부(33)를 가지고 있다. 덧붙여, 인버터 제어부(33)의 구성은 종래 공지이기 때문에, 상세한 구성은 생략하고 있다.
그리고 인버터 제어부(33)에 의하여, 모터 유기 전압에 대하여 모터 전류 위상을 앞서도록 인버터(31)을 제어할 수 있고, 이 경우에는 릴럭턴스 토크를 유효하게 활용할 수 있다.
또한 최대 회전수의 모터 단자 전압을 인버터의 출력 전압 이상으로 설정하는 것이 가능하고, 이 경우에는 약한 자속 제어를 행하는 것에 의하여 브러시레스 DC 모터의 운전을 달성할 수 있다.
나아가 상기의 인버터 제어부(33)는 위상 센서를 이용하는 일 없이 회전자의 자극 위치를 추정하는 것이기 때문에, 압축기와 같은 과혹한 환경 하에 브러시레스 DC 모터를 간단하게 넣을 수 있고, 압축기 등을 구동할 수 있다.

Claims (15)

  1. 회전자(2)의 내부에 복수 개의 소정 두께의 영구 자석(21)을 장착하고, 각 영구 자석(21)의 둘레 방향의 단부(端部)에 연속시켜, 회전자(2)의 표면 근방까지 늘리고, 또한 영구 자석(21)의 두께보다도 큰 둘레 방향의 길이의 비자성부의 자속 배리어(22, barrier)를 가지며, 나아가 자극 간에 리브(23, rib)를 가지고 있는 회전자를 포함하는 브러시레스 DC 모터에 있어서,
    자속 배리어(22)의 자극 중심 측의 단부와, 인접하는 자속 배리어의 리브(23)에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도 θ0를, 저감하고 싶은 진동의 주파수를 f, 극쌍수를 Pn, 전기각 주파수를 f0 = Pn * N, 모터 회전수를 N, m = 1, 3, 5, …, 리브가 회전자 중심에 대하여 이루는 각도를 θr이라고 할 때,
    [수학식 1]
    θ0 = 180°* m / (Pn * f / f0) (단, 2θ0 - θr < 90°)
    의 관계를 만족시키는 각도로 설정하는 것을 특징으로 하는 브러시레스 DC 모터.
  2. 회전자(2)의 내부에 복수 개의 소정 두께의 영구 자석(21)을 장착하고, 각 영구 자석(21)의 둘레 방향의 단부에 연속시켜, 회전자(2)의 표면 근방까지 늘리고, 또한 영구 자석(21)의 두께보다도 큰 둘레 방향의 길이의 비자성부의 자속 배리어(22)를 가지며, 나아가 자극 간에 리브(23)를 가지고 있는 회전자를 포함하는 브러시레스 DC 모터에 있어서,
    자속 배리어(22)의 자극 중심 측의 단부와, 인접하는 자속 배리어의 리브(23)에 접하는 측의 단부가, 회전자 중심에 대하여 이루는 각도 θ0를, 저감하고 싶은 진동의 주파수를 f, 극쌍수를 Pn, 전기각 주파수를 f0 = Pn * N, 모터 회전수를 N, m = 1, 3, 5, …, 리브가 회전자 중심에 대하여 이루는 각도를 θr이라고 할 때,
    [수학식 1]
    θ0 = 180°* m / (Pn * f / f0) (단, 2θ0 - θr < 90°)
    의 관계를 만족시키는 각도보다도 브리지(24)의 두께에 따라 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 브러시레스 DC 모터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    f / f0가 우수(偶數)이도록 주파수 f를 설정하고 있는 브러시레스 DC 모터.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    f / f0가 (스테이터 슬롯수 / Pn)의 정수배에 일치하도록 주파수 f를 설정하고 있는 브러시레스 DC 모터.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    수학식 1에 있어서, 각도 θ0가 (30 / Pn)° 이상 또한 (60 / Pn)° 이하로 되도록 m을 설정하고 있는 브러시레스 DC 모터.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 리브(23)의 폭을 브리지(24)의 두께의 2배 이상으로 설정하고 있는 브러시레스 DC 모터.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 브리지(24)를 보강하는 보강 브리지를 더 포함하는 브러시레스 DC 모터.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    자속 배리어(22)의 자극 중심 측이 반경 방향으로 점축(漸縮, 점점 축소함)하는 형상을 가지고, 나아가 이 반경 방향 점축 형상 부분의 각도 θb가 18° 이상 25° 이하인 브러시레스 DC 모터.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    스테이터 슬롯수가 36, 극쌍수 Pn이 2, f / f0가 36, 수학식 1의 m이 7 인 브러시레스 DC 모터.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회전자(2)는 스큐(skew)가 시행되어 이루어지는 브러시레스 DC 모터.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    고정자(1)는 고정자 권선이 분포하여 감아져 이루어지는 브러시레스 DC 모터.
  12. 제1항 또는 제2항의 브러시레스 DC 모터의 유기 전압에 대하여 전류 위상을 앞서도록 하기 위하여 제어되는 인버터 장치(31)를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러시레스 DC 모터 제어 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    최대 회전수의 모터 단자 전압을 인버터의 전압 이상으로 설정하고 있는 브러시레스 DC 모터 제어 장치.
  14. 제12항에 있어서,
    모터 인가 전압, 모터 전류, 모터의 기기 정수를 이용하여 회전자 위치를 산출하고, 산출된 회전자 위치에 기초하여 모터 구동 전류 또는 모터 인가 전압을 제어하기 위하여 인버터 장치(31)를 제어하는 제어 수단(33)을 더 포함하는 브러시레스 DC 모터 제어 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 브러시레스 DC 모터는 압축기를 구동하는 것인 브러시레스 DC 모터 제어 장치.
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