KR100711363B1 - 영구자석 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석 전동기에 관한 것으로서, 회전자 철심(2A)중에 그 축심을 중심으로 하는 대략 정다각형의 각 변에 대응하는 부위에 형성된 영구자석 수용 구멍(5)과, 상기 자석 수납 구멍에 각각 삽입된 영구자석(4)과, 영구자석 수용 구멍의 외주부 철심에 형성되고, 직경 방향으로 가늘고 길게, 또한 영구자석 수용 구멍을 따라서 이격 배치된 4 개 이상의 슬릿 구멍(6)을 구비하고, 슬릿 구멍의 직경 방향 외측 단의 피치를 대략 동일하게 하고, 직경 방향 내측 단의 피치를 영구자석의 중앙부를 크게 하고, 중앙부에서 단부로 떨어질수록 작게 하여 전기자 반작용 자속을 경감시키고, 또한 외주부 철심의 자속 분포를 개선함으로써 소음이나 진동이 적은 고효율의 영구자석 전동기를 제공하는 것을 특징으로 한다.

Description

영구자석 전동기{PERMANENT MAGNET MOTOR}

본 발명은 회전자 철심의 내부에 복수의 영구자석을 매립하여 구성된 회전자를 갖는 영구자석 전동기에 관한 것이다.

회전자 철심에 영구자석을 매립 설치하는 것에 의해 감자(減磁) 내력이 우수하고, 효율을 높인 영구자석 전동기가 개시되어 있다(예를 들면, 일본 공개특허공보 평11-187597호 참조). 도 11은 이 영구자석 전동기의 회전자를 그 회전축이 삽입되기 전의 회전축 삽입 방향에서 본 단부의 측면도이다. 도 11에서, 회전자(2)는 외형 형상이 원형 강판을 전체로서 기둥 형상으로 적층하여 이루어진 회전자 철심(2a)과, 도시를 생략한 회전축으로 구성되어 있다. 회전자 철심(2a)은 외주에 가까운 대략 정팔각형의 각 변에 대응한 부위에 영구자석 수용 구멍(5)이 형성되고, 이들 영구자석 수용 구멍(5)에 각각 영구자석(4)이 매립되어 있다. 이들 영구자석(4)은 N극과 S극이 교대가 되도록 착자되어 있다. 각 영구자석 수용 구멍(5)의 외측의 외주부 철심(3)에는 직경 방향으로 가늘고 길게, 영구자석 수용 구멍(5)을 따라서 복수의 슬릿 구멍(6)이 서로 이격되어 설치되어 있다. 그리고, 이 회전자 철심(2a)의 중심부에 회전축을 삽입하기 위한 회전축 구멍(8)을 구비하고 있다.

상기 종래의 영구자석 전동기의 회전자 철심(2a)에 설치된 슬릿 구멍(6)은 등간격으로 배치되고, 이에 의해 영구자석(4)의 자속을 직경 방향으로 도출, 도입시키고, 또한 고정자 권선 전류에 의해 발생한 자속(이하, '전기자 반작용 자속'이라고 함)이 외주부 철심(3)의 둘레 방향으로 돌아가지 않도록 하고 있다.

그러나, 복수의 슬릿 구멍(6)을 등간격으로 배치한 경우, 영구자석(4)에 의한 둘레 방향의 자속 분포가 사다리꼴 형상이 된다. 이 때문에, 고정자와 회전자의 기하학적 위치 관계에 의해 발생하는 코깅 토크가 커지고, 진동이 커지는 문제가 있다.

또한, 고정자 권선에 유기되는 전압은 고주파를 많이 포함한 왜곡 파형이 되고, 소음의 증대를 초래할 뿐만 아니라 철손의 증대에 따른 효율 저하를 초래하는 문제도 있다.

또한, 고정자에 3 상 정현파 교류를 공급하여 구동하는 경우, 토크로서 유효하게 기여하는 것은 기본파 성분뿐이고, 고조파 성분은 토크 리플이 되므로 이 토크 리플에 의해 진동이나 소음이 증대하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 사정을 고려하여 이루어진 것으로서, 전기자 반작용 자속을 경감하고, 또한 외주부 철심의 자속 분포를 개선함으로써 소음이나 진동이 적은 고효율의 영구자석 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위해, 본 발명에서는 청구항 1 내지 청구항 5에 기재된 영구자석 전동기를 제공한다.

청구항 1에 따른 발명은,

강판을 전체로서 기둥 형상으로 적층한 회전자 철심과, 상기 회전자 철심 중에 그 축심을 중심으로 하는 대략 정다각형의 각 변에 대응하는 부위에 형성된 영구자석 수용 구멍과, 영구자석 수납 구멍에 각각 삽입된 영구자석과, 영구자석 수용 구멍의 외주부 철심에 형성되고, 직경 방향으로 가늘고 길게, 또한 각 영구자석 수용 구멍을 따라서 이격 배치된 복수의 슬릿 구멍을 구비하여 이루어진 영구자석 전동기에 있어서,

슬릿 구멍의 직경 방향 외측 단의 피치를 대략 동일하게 하고, 직경 방향 내측단의 피치를 영구자석의 중앙부를 크게 하고, 중앙부에서 단부로 떨어질수록 작게 한 것을 특징으로 한다.

청구항 2에 따른 발명은 청구항 1에 기재된 영구자석 전동기에 있어서, 영구자석의 각 변부를 정현파의 저변에 대응시키고, 슬릿 구멍의 직경 방향 내측단의 피치를 정현파의 높이에 비례시킨 것을 특징으로 한다.

청구항 3에 따른 발명은 청구항 2에 기재된 영구자석 전동기에 있어서, n을 양의 정수로 하고, 회전자의 자극 수가 2n개이고, 각각 도선이 집중 감겨져 이루어진 고정자의 톱니 수가 3n개이고, 영구자석의 각 변부를 중앙 방향으로 축소한 부위에 정현파의 저변을 대응시킨 것을 특징으로 한다.

청구항 4에 따른 발명은 청구항 1에 기재된 영구자석 전동기에 있어서, 슬릿 구멍의 직경 방향 외측 단과 회전자 철심의 외주와의 사이의 철심 폭은 영구자석의 중앙부에 대응하는 부위에서 양 측부 보다도 크게 한 것을 특징으로 한다.

청구항 5에 따른 발명은 청구항 1에 기재된 영구자석 전동기에 있어서, 영구자석 수용 구멍의 직경 방향 외측 단과 슬릿 구멍의 직경 방향 내측 단과의 사이의 철심 폭 및 슬릿 구멍의 직경 방향 내측 단과 회전자 철심의 외측 사이의 철심폭을 각각 강판의 두께의 1 내지 3 배로 한 것을 특징으로 한다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면 전기자 반작용 자속이 경감되고,또한 외부 철심의 자속 분포도 개선되므로 소음이나 진동이 적은 고효율의 영구자석 전동기가 제공된다.

도 1은 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 1 실시 형태로서, 회전축이 삽입되기 전의 회전축 삽입 방향에서 본 회전자의 단부의 측면도,

도 2는 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 2 실시형태로서, 회전축이 삽입되기 전의 회전축 삽입 방향에서 본 회전자의 단부의 측면도,

도 3은 도 2에 도시한 회전자 철심의 외주부 철심에 형성되는 슬릿 구멍의 직경 방향 내측단의 피치를 상세히 설명하기 위한 부분 확대도,

도 4는 도 2에 도시한 회전자 철심의 외주부 철심에 형성되는 슬릿 구멍의 직경 방향 내측단의 피치를 결정하기 위한 파형도,

도 5는 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 3 실시 형태로서, 회전자 및 고정자의 단부의 측면도,

도 6은 도 5에 도시한 회전자 철심의 외주부 철심에 형성되는 슬릿 구멍의 직경 방향 내측 단의 피치를 결정하기 위한 파형도,

도 7은 도 5에 도시한 회전자 철심에 발생하는 자속 분포도,

도 8은 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 4 실시 형태로서, 회전축 삽입 방향에서 본 회전자의 단부의 부분 확대 측면도,

도 9는 도 8에 도시한 제 4 실시 형태의 동작을 설명하기 위한 유기 전압 파형도,

도 10은 각 실시 형태에 따른 영구자석 전동기를 구동하는 구동 회로도, 및

도 11은 종래의 영구자석 전동기의 회전자를 그 회전축이 삽입되기 전의 회전축 삽입 방향에서 본 단부의 측면도이다.

이하, 본 발명을 도면에 도시한 바람직한 실시 형태에 기초하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 1 실시 형태로서, 회전축이 삽입되기 전의 회전축 삽입 방향에서 본 회전자의 단부의 측면도이다. 도면에 있어서, 종래 장치를 도시한 도 11과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 여기서, 회전자(2)는 외형 형상이 원형의 강판을 전체로서 기둥 형상으로 적층하여 이루어진 회전자 철심(2A)과 도시를 생략한 회전축으로 구성되어 있다.

회전자 철심(2A)은 외주에 가까운 대략 정사각형의 각 변에 대응하는 부위에 영구자석 수용 구멍(5)이 형성되고, 이들 영구자석 수용 구멍(5)에 각각 영구자석(4)이 매립되어 있다. 각 영구자석 수용 구멍(5)의 외측의 외주부 철심(3)에는 직경 방향으로 가늘고 길게, 영구자석 수용 구멍(5)을 따라서 복수의, 예를 들면 10 개의 슬릿 구멍(6)이 서로 이격되어 설치되어 있다. 그리고, 이 회전자 철심(2A)의 중심부에 회전축을 삽입하기 위한 회전축 구멍(8)이 설치되고, 그 주위에 통과 볼트용 구멍(9)이 설치되어 있다.

이 실시 형태는 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 외측 단의 피치가 회전자 철심(2A)의 외주를 따라서 대략 동일해지고, 직경 방향 내측단의 피치가 영구자석(4)의 중앙부에 대응하는 위치에서 커지고, 중앙부에서 단부로 떨어질수록 작아진 것이다.

슬릿 구멍(6)을 상기와 같이 배치함으로써 슬릿 구멍(6)간의 자극 철심을 통과하는 영구 자석(4)의 자속은 영구 자석(4)에 가까운 슬릿 구멍(6)의 단부의 피치에 대략 비례하므로 외주부 철심(3)을 통과하는 영구 자석(4)의 자속 분포는 둘레 방향으로 봐서 그 중앙 부분이 가장 크고, 영구 자석(4)의 중앙부에서 단부로 갈수록 작아진다. 이 때문에 토크를 발생하는 유효 자속이 증대하고, 또한 자속이 사다리꼴 형상으로 분포하는 경우와 비교하여 고조파 자속이 감소하여 철손도 감소하고, 또한 코깅의 감소에 의해 진동을 억제할 수 있다.

그 결과, 제 1 실시 형태에 의하면 복수의 슬릿 구멍에 의해 전기자 반작용 자속을 경감시키고, 외부 철심의 자속 분포의 개선에 의해 소음이나 진동이 적고, 고효율의 영구 자석 전동기가 제공된다.

도 2는 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 2 실시형태로서, 회전축이 삽입되기 전의 회전축 삽입 방향에서 본 회전자의 단부의 측면도이다. 도면에 있어서, 제 1 실시 형태를 나타내는 도 1과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 여기에 나타낸 회전자 철심(2B)은 영구자석 수용 구멍(5)을 따라서 12 개의 슬릿 구멍(6)이 서로 이격되어 설치되어 있다. 그 경우, 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 외측 단의 피치가 회전자 철심(2B)의 외주를 따라서 대략 동일해지고, 직경 방향 내측단의 피치가 영구자석(4)의 각 변부를 정현파의 저변에 대응시키고, 슬릿 구멍의 직경 방향 내측단의 피치를 정현파의 높이에 비례시킨 것이다.

도 3은 이 회전자 철심(2B)의 영구자석(4)의 외주부 철심(3)에 형성되는 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 내측 단의 피치를 상세히 설명하기 위한 부분 확대도이고, 영구자석(4)의 길이 방향의 중앙부의 피치를 'P1'으로 하고 중앙부에서 단부로 갈수록 점점 작아지도록 피치(P2, P3, …, P6, P7)를 결정한 것이다. 이들 피치(P1∼P7)는 도 4에 도시한 바와 같이, 전기각의 180도 구간에 대응시킨 정현파(반파)의 저변을 영구자석(4)의 길이(W)에 대응시키고, 이 정현파를 전기각 방향으로 15등분하고, 등분된 중앙부의 높이를 'P1'이라고 하고, 그 외측의 높이를 차례로 P2, P3, …, P6, P7로 했을 때, 이들 높이(P1∼P7)에 비례하도록 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 내측단의 피치(P1∼P7)를 결정한 것이다. 이에 의해, P1〉P2〉P3〉P4〉P5〉P6〉P7의 관계를 갖고, 또한 이들 피치(P1∼P7)에 비례한 자속이 통과하므로 정현파에 근사한 자속 분포가 얻어진다.

그 결과, 제 2 실시 형태에 의하면 복수의 슬릿 구멍에 의해 전기자 반작용 자속을 경감시키고, 외부 철심의 자속 분포에 의해 더욱 개선되어 소음이 진동이 적고, 고효율의 영구자석 전동기가 제공된다.

도 5는 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 3 실시 형태로서, 회전자 및 고정자의 단부의 측면도이고, 특히 회전자(2)로서 도 3에 도시한 회전자 철심(2B)과 유사한 회전자 철심(2C)을 이용한 것이다. 이 경우, 'n'은 양의 정수이다. 예를 들면, 2로서 회전자(2)의 자극수가 2n(=4)개이고, 각각 도선(7)이 집중 감겨져 이루어진 고정자(1)의 톱니 수가 3n(=6)개이고, 영구자석(4)의 각 변부를 중앙 방향으로 축소한 부위에 도 4에 도시한 정현파의 저변을 대응시키고, 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 내측단의 피치(P1∼P7)를 결정한 것이다.

회전자(2)의 자극수와 고정자(1)의 톱니수의 사이에 2n:3n의 관계가 있다면 회전자(2)의 자극의 각도 피치에 비해 고정자(1)의 톱니의 각도 피치가 작아지므로, 고정자(1)의 각 상의 톱니가 회전자(2)의 1 극분의 전체 자속을 받을 수 없게 된다.

도 6은 이와 같은 문제점을 해소하기 위한 설명도이며, 영구자석(2)의 전체 길이(W)를 정현파의 저변에 그대로 대응시키지 않고, 영구자석(4)의 양단에서 소정의 크기만큼 내측으로 축소한 부분에 도 4에 도시한 것과 동일한 면적을 가진 정현파를 정하고, 이를 등분하여 얻어지는 높이(P1∼P7)에 비례하도록 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 내측단의 피치(P1∼P7)를 결정하여 회전자 철심(2C)을 구성한다. 이에 의해 도 7에 도시한 바와 같이 제 2 실시 형태에서는 파선의 곡선(P)으로 나타낸 자속 분포가, 제 3 실시 형태에서는 실선의 곡선(Q)으로 나타내는 바와 같이 상승이 급해져 중앙부의 자속이 강해지고, 보다 정현파에 가까운 자속 분포로 바꿀 수 있다. 이에 의해 제 2 실시 형태보다도 유기 전압 파형이 개선되고, 전동기의 효 율을 더 높일 수 있다.

그 결과, 제 3 실시 형태에 의하면 복수의 슬릿 구멍에 의해 전기자 반작용 자속을 경감시키고, 외부 철심의 자속 분포가 더 개선되는 것에 의해 소음이나 진동이 적고, 고효율의 영구자석 전동기가 제공된다.

도 8은 본 발명에 따른 영구자석 전동기의 제 4 실시형태로서, 회전축 삽입 방향에서 본 회전자의 단부의 부분 확대 측면도이다. 도면에 있어서, 도 3과 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명을 생략한다. 여기에 도시한 회전자 철심(2D)은 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 외측 단과 회전자 철심(2D)의 외주와의 사이의 철심폭을, 영구자석의 중앙부에 대응하는 부위만 예를 들면 d2와 같이 크게 하고, 중앙부에서 떨어진 부위는 예를 들면 d1과 같이 작게 한 것이다. 이하에 그 이유를 설명한다.

슬릿 구멍(6)의 직경 방향 외측 단과 회전자 철심의 외주와의 사이의 철심폭을 모두 동일하게 하면, 도 9에 도시한 바와 같이 자속이 큰 중앙부에 있어서, 유기 전압 파형에 진폭이 작은 진동, 즉 물결이 나타나는 경우가 있다. 이는 자속의 강도에 대해 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 외측 단과 회전자 철심의 외주와의 사이의 철심 폭이 너무 좁으므로 자기 저항이 커지기 때문이라고 생각된다. 이 실시 형태에 따른 회전자 철심(2D)은 자속 분포의 물결이 현저히 나타나는 자극의 중심 부근만 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 외측 단과 회전자 철심(2D)의 외주와의 사이의 철심 폭(d2)을, 이외의 부위의 철심 폭(d1)보다 크게 함으로써 슬릿 구멍(6)에 의한 자속 분포 제어의 효과를 손상시키지 않고 유기 전압의 물결을 방지하고 있다.

그 결과, 제 4 실시 형태에 의하면 복수의 슬릿 구멍에 의해 전기자 반작용 자속을 경감시키고, 외부 철심의 자속 분포에 의해 더 개선되어 소음이나 진동이 적고, 고효율의 영구자석 전동기가 제공된다.

도 10은 상기 영구자석 전동기를 구동하는 구동 회로이다. 여기서, 교류 전원(10)으로부터의 교류를 컨버터(11)로 직류로 변환하고, 그 직류 출력을 가변 주파수 출력의 인버터(12)로 임의 주파수의 교류로 재변환하여 영구자석 전동기(13)(이하, '전동기(13)'라고 함)에 공급한다. 전동기(13)의 단자 전압에 기초하여 위치 검출부(14)에 의해 전동기(13)의 회전자 위치를 검출하고, 이를 위치 신호로서 제어부(15)에 송출한다. 제어부(15)는 위치 신호를 이용하여 인버터(12)의 출력 주파수가 전동기(13)의 회전 주파수와 동기하도록 인버터(12)를 제어한다. 또한, 전동기(13)는 실질적으로 3상 동기 전동기로서, 이에 대응하여 인버터(12)도 3 상 브릿지형으로 구성되고, U, V, W 각 상의 양측 아암은 U+, V+, W+로 나타내고, 음측 아암은 U-, V-, W-로 나타내고 있다. 도시한 회로 구성에 의해 직류식 무정류자 전동기가 구성되어 있다. 또한, 전동기 회전자 위치를 전동기 단자 전압에 기초하여 검출하는 방식은 센서리스 방식 또는 간접식 위치 검출 방식이라고 일컬어진다.

전동기(13)의 각 상 권선에는 주지와 같이 각 순간에는 어느 하나의 양측 아암과 다른 1 개의 상의 음측 아암이 쌍을 이뤄 온 동작하고, 다른 각 아암은 오프 상태에 있다. 온을 해야하는 아암을 3상간에 차례로 전환함으로써 인버터(12)에서 원하는 3상 출력이 전동기(13)에 부여된다. 이에 의해, 고정자에 3상 정현파 교류 를 공급하여 구동할 수 있다.

또한, 영구자석 수용 구멍(5)의 직경 방향 외측단과 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 내측 단과의 사이의 철심 폭 및 슬릿 구멍(6)의 직경 방향 외측 단과 회전자 철심의 외주와의 사이의 철심 폭은 둘레 방향으로 자속이 돌아가는 것을 방지하는 관점에서 보면 가능한한 좁은 것이 바람직하지만, 강판의 물결에 어느 정도 여유가 있는 것이 바람직하고, 또한 상기 물결을 감소시키기 위해서는 전자 강판의 판 두께의 1 내지 3 배로 하는 것이 적절하다.

또한, 상기 실시 형태에서는 회전자 철심 중에 그 축심을 중심으로 하는 정사각형 각 변에 대응하는 부위에 영구 자석을 매립한 구성에 대해 설명했지만, 본 발명은 이에 적용이 한정되지 않고, 회전자 철심 중에 그 축심을 중심으로 하는 대략 정다각형의 각 변에 대응하는 부위에 각각 영구자석을 매립하여 회전자를 구성하는 대부분의 영구자석 전동기에 적용할 수 있다.

또한, 상기 각 실시 형태에서는 외주부 철심(3)에 10 개 또는 12 개의 슬릿 구멍(6)을 구비한 것에 대해 설명했지만, 정현파와 관련되어 슬릿 구멍을 배치하는 관계상 4 개 이상의 슬릿 구멍(6)을 구비하는 것이면 이들 전체에 본 발명을 적용할 수 있다.

Claims (6)

1. 강판을 전체로서 기둥 형상으로 적층한 회전자 철심과, 상기 회전자 철심 중에 그 축심을 중심으로 하는 대략 정다각형의 각 변에 대응하는 부위에 형성된 영구자석 수용 구멍과, 상기 영구자석 수납 구멍에 각각 삽입된 영구자석과, 상기 영구자석 수용 구멍의 외주부 철심에 형성되고, 직경 방향으로 가늘고 길게, 또한 상기 영구자석 수용 구멍의 각각을 따라서 이격 배치된 복수의 슬릿 구멍을 갖는 회전자를 구비한 영구자석 전동기에 있어서,

   상기 슬릿 구멍은 직경 방향 외측단의 피치가 대략 동일하고, 직경 방향 내측단의 피치가 상기 영구자석의 중앙부에 대응하는 위치에서는 크고, 단부를 향해 떨어질수록 작아진 것을 특징으로 하는 영구자석 전동기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 영구자석의 각 변부를 정현파의 저변에 대응시켰을 때, 상기 슬릿 구멍의 직경 방향 내측단의 피치는 상기 정현파의 높이에 비례하는 것을 특징으로 하는 영구자석 전동기.
3. 제 2 항에 있어서,

   n을 양의 정수로 할 때, 회전자의 자극수가 2n개이고, 각각 도선이 집중 감겨져 이루어진 고정자의 갯수가 3n개이고, 상기 영구자석의 각 변부를 중앙 방향으 로 축소한 부위에 상기 정현파의 저변이 대응하는 것을 특징으로 하는 영구자석 전동기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬릿 구멍의 직경 방향 외측 단과 상기 회전자 철심의 외주와의 사이의 철심 폭은 상기 영구자석의 중앙부에 대응하는 부위에서 양 측부보다도 크게 한 것을 특징으로 하는 영구자석 전동기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 영구자석 수용 구멍의 직경 방향 외측 단과 상기 슬릿 구멍의 직경 방향 내측 단과의 사이의 철심 폭 및 상기 슬릿 구멍의 직경 방향 외측 단과 상기 회전자 철심의 외주와의 사이의 철심 폭은 각각 상기 강판의 두께의 1 배 내지 3 배인 것을 특징으로 하는 영구자석 전동기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬릿 구멍은 상기 영구자석 구멍 1 개를 따라서 적어도 4 개 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 전동기.

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