KR100723329B1 - 영구자석 모터의 고정자 철심 및 영구자석 모터 - Google Patents

영구자석 모터의 고정자 철심 및 영구자석 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전시에 발생하는 유기 전압을 저하시키지 않고 코깅 토크의 저감화를 보다 효과적으로 도모할 수 있는 영구자석형 모터의 고정자 철심을 제공하는 것을 목적으로 한다. 고정자 철심(12)을 구성하는 티스 헤드(5a)의 회전자 영구자석(13)과 대향하는 쪽의 면형상을, 둘레 방향의 중앙부(5b)가 회전자의 회전 중심을 중심으로 하는 원호형이면서 양단부(5c, 5d)가 상기 원호의 양단에 각각 접하는 접선을 이루도록 형성하고, 티스 헤드(5a)와 회전자 영구자석(13)과의 에어 갭 길이를 둘레 방향의 중앙(G1)에 대한 양단(G2)의 비율이 대략 「2」가 되도록 설정한다.

Description

영구자석 모터의 고정자 철심 및 영구자석 모터{A STATOR CORE OF A PERMANENT MAGNET MOTOR AND THE PERMANENT MAGNET MOTOR}
도 1은 본 발명을 외전형의 영구자석형 모터에 적용한 경우의 제1 실시예로서, (a)는 티스 헤드와 회전자 영구자석 부분을 확대하여 도시한 도면, (b)는 에어 갭 길이 비(G2/G1)와, 영구자석 모터의 회전시에 발생하는 유기 전압과 코깅 토크와의 비율을 나타낸 도면.
도 2는 티스 헤드 부분을 확대하여 도시한 도면.
도 3은 고정자 철심의 평면도.
도 4는 영구자석형 모터의 종단면도.
도 5는 본 발명의 제2 실시예를 도시하는 도 1의 상당도.
도 6은 본 발명을 내전형의 영구자석형 모터에 적용한 경우의 제3 실시예를 도시한 도 3의 상당도.
〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉
1: 영구자석 모터
2: 고정자 철심
5: 티스(teeth)
5a: 티스 헤드
5b: 중앙부
5c, 5d: 단부
13: 회전자 영구자석
15: 티스
15a: 티스 헤드
16: 고정자 철심
17: 티스
17a: 티스 헤드
18: 회전자 영구자석
20: 영구자석 모터
본 발명은 복수 개의 티스를 회전축에 대하여 방사상으로 배치하여 회전시에 발생하는 유기 전압을 저하시키지 않고 코깅(cogging) 토크의 저감화를 도모하도록 한 영구자석형 모터의 고정자 철심 및 영구자석형 모터에 관한 것이다.
영구자석형 모터의 고정자 철심에 대해서, 회전시에 발생하는 유기 전압을 저하시키지 않고 코깅 토크의 저감화를 도모하는 것을 목적으로 한 종래 기술로서, 예컨대 일본 특허 출원 평성 제09-344946호 공보에 개시되어 있는 것이 있다.
이 기술은 외전형(外轉型) 모터에 있어서, 티스 헤드의 회전자 영구자석과 대향하는 쪽의 면의 형상을, 둘레 방향의 중앙부에 대해서는 회전자의 회전 중심보다 바깥 둘레 방향으로 어긋난 위치를 중심으로 하는 원호형으로 형성하고, 그 둘레 방향 중앙부에서 둘레 방향의 양단부로 향함에 따라 순조롭게 회전자 영구자석으로부터 멀어지는 형상으로 한 것이다.
그런데, 티스 헤드의 면형상을 전술한 바와 같이 형성할 경우, 티스 헤드의 양단부가 회전자 영구자석에 접근하도록, 즉 양자간의 공극이 작아지도록 하면, 회전자에 대하여 작용하는 유효 자속량은 많아지고 발생하는 유기 전압은 커지지만, 그 한편으로 코깅 토크 및 토크 리플(ripple)도 커진다. 또한, 티스 헤드의 양단부가 회전자 영구자석으로부터 멀어지도록 즉 양자간의 공극이 커지도록 하면 코깅 토크 및 토크 리플은 작아지지만 유효 자속량도 작아지기 때문에, 발생하는 유기 전압도 작아진다.
즉, 티스 헤드의 양단부와 회전자 영구자석과의 공극 길이를 어떻게 설정할지에 있어서 유기 전압 레벨의 확보와 코깅 토크 및 토크 리플의 억제 사이에는 트레이드 오프의 관계가 있다. 따라서, 상기 공극 길이에 대해서는 양자의 관계가 최적이 되도록 설정해야 하지만, 상기 특허문헌에는 그러한 개시가 없다.
본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 회전시에 발생하는 유기 전압을 저하시키지 않고 코깅 토크의 저감화를 보다 효과적으로 도모할 수 있는 영구자석형 모터의 고정자 철심 및 영구자석형 모터를 제공하는 것에 있다.
청구항 1에 기재한 영구자석형 모터의 고정자 철심은 복수 개의 티스를 회전축에 대하여 방사상으로 배치하고,
상기 티스의 선단부에 있는 티스 헤드의 회전자 영구자석과 대향하는 쪽의 면형상을 상기 영구자석측으로 볼록하게 하는 동시에,
상기 티스 헤드와 회전자 영구자석과의 공극 길이를 둘레 방향의 중앙에 대한 양단의 비율이 1.4∼2.4의 범위가 되도록 설정한다.
즉, 본 발명의 발명자들은 상기 공극 길이의 비율을 변화시킨 경우에, 유기 전압과 코깅 토크와의 발생 상태를 시뮬레이션하였다. 그 결과, 둘레 방향의 중앙에 대한 양단의 비율을 1.4∼2.4의 범위로 설정하면, 양자의 밸런스가 알맞은 상태가 되는 것을 밝혔다.
또한, 청구항 2에 기재한 바와 같이, 티스 헤드의 회전자 영구자석과 대향하는 쪽의 면형상을 상기 영구자석측으로 볼록한 원호형으로 하는 동시에, 공극 길이의 비율을 1.6∼2.2의 범위로 설정하고, 추가로, 청구항 3에 기재한 바와 같이, 공극 길이의 비율을 1.8∼2.0의 범위로 설정하면, 유기 전압과 코깅 토크와의 발생 밸런스가 더욱 최적이 되는 것을 알 수 있다.
청구항 4에 기재한 영구자석형 모터의 고정자 철심은 복수 개의 티스를 회전축에 대하여 방사상으로 배치되고,
상기 티스의 선단부에 있는 티스 헤드의 회전자 영구자석과 대향하는 쪽의 면형상은 둘레 방향의 중앙부가 원호형이면서 양단부가 상기 원호의 양단에 각각 접하는 접선을 이루도록 형성하는 동시에,
상기 티스 헤드와 회전자 영구자석과의 공극 길이는 둘레 방향의 중앙에 대한 양단의 비율이 1.6∼2.6의 범위가 되도록 설정한다.
또한, 청구항 5에 기재한 영구자석형 모터의 고정자 철심은 상기 티스의 선단부에서의 중앙부를 구성하는 원호는 회전 중심으로부터 티스 중심선상에서 직경 방향으로 어긋난 위치를 중심으로 한다.
즉, 티스 헤드의 면형상에 있어서, 원호형을 이루는 중앙부로 이어진 양단부를, 상기 원호의 양단에 각각 접하는 접선을 이루도록 형성하면, 중앙부에서 양단부에 이르기까지의 공극 길이의 변화가 보다 완만해지기 때문에, 공극 길이를 조정하는 데 보다 유리해진다.
그리고, 이 경우에도, 청구항 6에 기재한 바와 같이, 공극 길이의 비율을 1.8∼2.4의 범위로 설정하고, 추가로, 청구항 7에 기재한 바와 같이, 공극 길이의 비율을 2.0∼2.2의 범위로 설정하면, 유기 전압과 코깅 토크와의 발생 밸런스가 보다 최적이 된다.
(제1 실시예)
이하, 본 발명을 외전형의 영구자석형 모터에 적용한 경우의 제1 실시예에 대해서 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명한다. 우선, 도 4는 외전형의 영구자석형 모터(1)의 종단면도이다. 이 도 4에 있어서, 고정자 철심(2)은 규소 강판을 펀칭한 링형의 것을 다수 매 적층하여 구성된 것으로, 이것의 중앙부에는 베어링(3)을 장착하기 위한 원형의 구멍(4)이 형성되고, 외주부에는 도 3에 도시한 바와 같이, 이 경우 12개의 티스(5)가 둘레 방향에 설치되어 있다.
티스(5)에는 각각 전기자 권선(7)이 감겨져 있고, 티스(5)의 선단부에 있는 티스 헤드(5a)는 전기자 권선(7)으로부터 직경 방향 외측으로 돌출하고 있다. 그리고, 고정자 철심(2)과 각 전기자 권선(7)에 의해 고정자(8)가 구성되어 있다.
이것에 대하여, 회전자(10)는 상기 베어링(3)에 회전 자유자재로 지지된 회전축(11)과, 이 회전축(11)의 상단부에 고착된 회전자 요크(12)와, 이 회전자 요크(12)의 통부(12a)의 내주면에 설치된 원통형을 이루는 회전자 영구자석(13)으로 구성되어 있어, 이 회전자 영구자석(13)이 고정자 철심(2)에 있는 티스(5)의 티스 헤드(5a)에 대하여 에어 갭(공극)을 통해 직경 방향에서 대향하도록 배치되어 있다.
여기서, 도 1의 (a) 또는 도 2에 도시한 바와 같이, 티스(5)의 티스 헤드(5a)에 있어서의 회전자 영구자석(13)과 대향하는 쪽의 면형상은 중앙부가 되는 5b가 회전자(10)의 회전 중심(O1)보다 티스 중심 선상에서 직경 방향으로 어긋난 위치를 중심으로 하는 원호형으로 형성되어 있다. 따라서, 티스 헤드(5a)의 중앙부(5b)와 회전자 영구자석(13) 사이의 에어 갭 길이(G1)는 둘레 방향에 있어서 동일하다.
그리고, 중앙부(5b)의 양측으로 이어진 단부(5c, 5d)에 있어서의 회전자 영구자석(13)측의 면형상은 중앙부(5b)를 이루는 원호의 끝점에 대하여 접선을 이루도록 형성하고 있다. 또한, 이들은 면형상을 2차원적으로 표현한 것이지만, 3차원적으로 표현하면, 중앙부(5b)의 면형상은 원통면을 이루고 있기 때문에, 단부(5c, 5d)의 면형상은 그 원통면단에 대하여 축 방향에 직선으로 접하는 접평면을 이루게 된다.
또한, 도 2에 도시한 바와 같이, 단부(5c), 중앙부(5b), 단부(5d)의 둘레 방향 배치 비율은 대략 1:2:1이 되도록 형성하고 있다. 이 경우, 티스 헤드(5a)에 있어서의 회전자 영구자석(13)과 대향하는 쪽의 면형상은 중앙부(5b)에서 양단부(5c, 5d)를 각각 향함에 따라 순조롭게 회전자 영구자석(13)으로부터 멀어지는 형상으로 되어 있고, 티스 헤드(5a)와 회전자 영구자석(13) 사이의 에어 갭 길이는 양 단부(5c, 5d) 각각의 끝을 향함에 따라 점차로 커진다. 그리고, 단부(5c)의 좌단과 단부(5d)의 우단에서는 회전자 영구자석(13)에 대한 에어 갭 길이(G2)가 최대가 되지만, 에어 갭 길이(G1, G2)의 비는 1:2가 되도록 설정되어 있다.
도 1의 (b)에는 횡축에 에어 갭 길이의 비(G2/G1)를 취하고, 종축에 영구자석 모터(1)의 회전시에 발생하는 유기 전압과 코깅 토크와의 비를 취하여 도시하는 것이다. 즉, 전술한 바와 같이, 티스 헤드(5a)의 양단부(5c, 5d)가 회전자 영구자석(13)에 접근하면 발생하는 유기 전압은 커지지만, 그 한편으로 코깅 토크, 토크 리플도 커지고, 양단부(5c, 5d)가 회전자 영구자석(13)으로부터 멀어지면, 코깅 토크, 토크 리플은 작아지지만 발생하는 유기 전압도 작아진다.
따라서, 코깅 토크를 매우 작게, 유기 전압을 매우 크게 하기 위한 지표로서 비 (유기 전압)/(코깅 토크)을 이용하여, 에어 갭 길이의 비(G2/G1)를 변화시킨 경우에, (유기 전압)/(코깅 토크)의 변화를 시뮬레이션으로 구하였다. 그 결과, 비(G2/G1)가 대략 「2」가 되는 경우에,
(유기 전압)/(코깅 토크)은 거의 최대를 나타내는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 실시예에 따르면, 고정자 철심(2)을 구성하는 티스 헤드(5a)의 회전자 영구자석(13)과 대향하는 쪽의 면형상을 둘레 방향의 중앙부(5b)가 원호형이면서 양단부(5c, 5d)가 상기 원호의 양단에 각각 접하는 접선을 이루도록 형성하고, 티스 헤드(5a)와 회전자 영구자석(13)과의 에어 갭 길이를 둘레 방향의 중앙(G1)에 대한 양단(G2)의 비율이 대략 「2」가 되도록 설정하였다. 따라서, 영구자석 모터(1)의 회전시에 발생하는 유기 전압을 매우 크게 하는 동시에, 코깅 토크, 토크 리플을 매우 작게 하도록 양자를 밸런스시킬 수 있고, 모터의 효율 저하를 극력하게 방지한 후에, 진동이나 소음의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
그리고, 티스 헤드(5a)의 양단부(5c, 5d)를, 중앙부(5b)로 이어진 접평면을 이루도록 형성함으로써, 중앙부(5b)에서 양단부(5c, 5d)에 이르기까지의 공극 길이의 변화가 보다 완만해져서, 공극 길이를 조정하는 데 보다 유리해진다.
(제2 실시예)
도 5는 본 발명의 제2 실시예를 도시하는 것으로, 제1 실시예와 동일 부분에는 동일 부호를 붙여서 설명을 생략하고, 이하 다른 부분에 대해서만 설명한다. 제2 실시예에서는, 티스(15)의 티스 헤드(15a)의 형상이 티스 헤드(5a)와는 약간 다르다.
즉, 도 5의 (a)에 도시한 바와 같이, 티스 헤드(15a)가 회전자 영구자석(13)과 대향하는 쪽의 면형상은 전부 원호, 3차원적으로 표현하면, 회전자 영구자석(13)측으로 볼록해지는 원통면을 이루고 있다. 이 경우도 제1 실시예와 마찬가지로, 티스 헤드(15a)의 면형상은 중앙으로부터 양단을 각각 향함에 따라 순조롭게 회전자 영구자석(13)으로부터 멀어지는 형상으로 되어 있고, 에어 갭 길이는 양단을 향함에 따라 점차로 커진다. 그리고, 양단에 있어서의 에어 갭 길이(G2')는 최대가 되지만, 중앙에 있어서의 에어 갭 길이(G1')와의 비는 10:19가 되도록 설정되어 있다.
도 5의 (b)는 도 1의 (b) 상당도이다. 이 경우도, 제1 실시예와 마찬가지로, 그 결과, 비(G2'/G1')가 대략 10:19가 되면, (유기 전압)/(코깅 토크)은 거의 최대를 나타내는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 제2 실시예에 따르면, 티스 헤드(15a)가 회전자 영구자석(13)과 대향하는 쪽의 면형상을 회전자 영구자석(13)측으로 볼록해지는 원통면으로서, 중앙에 있어서의 에어 갭 길이(G1')와 양단에 있어서의 에어 갭 길이(G2)'와의 비가 10:19가 되도록 설정하였다. 따라서, 제1 실시예와 거의 동일한 효과를 얻을 수 있다.
(제3 실시예)
도 6은 본 발명의 제3 실시예를 도시한 것이다. 제3 실시예에서는, 본 발명을 내전형(內轉形)의 영구자석형 모터(20)에 적용한 것이다. 고정자에 있어서의 고정자 철심(16)에는 내주부측에 8개의 티스(17)가 설치되어 있다. 이 고정자 철심(16)의 중심부에, 회전자 영구자석(18)을 구비한 회전자(19)가 회전 가능하게 설치되어 있다. 그리고, 티스(18)의 티스 헤드(17a)에 있어서의 회전자 영구자석(18)과 대향하는 쪽의 면형상은 고정자 철심(16)의 외주 방향으로 어긋난 위치를 중심으로 하는 원호형(원통면)으로 형성되어 있다.
따라서, 티스(17)의 티스 헤드(17a)에 있어서의 회전자 영구자석(18)과 대향하는 쪽의 면의 형상은 둘레 방향의 중앙으로부터 양단을 향함에 따라 순조롭게 회전자 영구자석(18)으로부터 멀어지는 형상으로 되어 있고, 티스(17)의 티스 헤드(17a)와 회전자 영구자석(18) 사이의 에어 갭 길이는 둘레 방향의 중앙에 있어서의 갭 길이를 G3으로 하고, 양단에 있어서의 갭 길이를 G4로 하면,
G4/G3=2가 되도록 설정되어 있다.
이상과 같이 구성된 제3 실시예에 따르면, 본 발명을 내전형의 영구자석형 모터에 적용한 경우도, 제2 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 전술하고 또한 도면에 기재한 실시예에만 한정되는 것이 아니라, 이하와 같은 변형 또는 확장이 가능하다.
제1 실시예에 있어서, 티스 헤드와 회전자 영구자석과의 에어 갭 길이 비(G2/G1)는 「2」라고 하는 것에 한정되지 않는다. 예컨대, 에어 갭 길이 비를 2.0∼2.2의 범위나, 1.8∼2.4의 범위, 혹은 1.6∼2.6의 범위로 설정한 경우에도, 유리한 효과를 얻는 것은 가능하다.
또한, 제2 실시예에 있어서, 티스 헤드와 회전자 영구자석과의 에어 갭 길이 비(G2/G1)는 10:19로 하는 것에 한정되지 않는다. 예컨대, 에어 갭 길이 비를 1.8∼2.0의 범위나, 1.6∼2.2의 범위, 혹은 1.4∼2.4의 범위로 설정한 경우에도, 유리한 효과를 얻는 것은 가능하다.
청구항 1에 기재한 영구자석형 모터의 고정자 철심에 따르면, 복수 개의 티스를 회전축에 대하여 방사상으로 배치하고, 티스 헤드의 회전자 영구자석과 대향하는 쪽의 면형상을 영구자석측으로 볼록하게 하는 동시에, 티스 헤드와 회전자 영구자석과의 공극 길이를 둘레 방향의 중앙에 대한 양단의 비율이 1.4∼2.4의 범위가 되도록 설정하였다. 따라서, 상기 고정자 철심을 구비하여 구성되는 모터가 회전하는 경우에 유기 전압과 코깅 토크와의 발생 상태의 밸런스를 최적화할 수 있고, 모터의 효율 저하를 극력하게 방지한 후에, 진동이나 소음의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.
청구항 4에 기재한 영구자석형 모터의 고정자 철심에 따르면, 복수 개의 티스를 회전축에 대하여 방사상으로 배치하고, 티스 헤드의 회전자 영구자석과 대향하는 쪽의 면형상을, 둘레 방향의 중앙부가 원호형이면서 양단부가 원호인 양단에 각각 접하는 접선을 이루도록 형성하며, 티스 헤드와 회전자 영구자석과의 공극 길이를 둘레 방향의 중앙에 대한 양단의 비율이 1.6∼2.6의 범위가 되도록 설정하였다. 따라서, 청구항 1과 동일한 효과를 얻을 수 있는 동시에, 중앙부에서 양단부에 이르기까지의 공극 길이의 변화가 보다 완만해져서, 공극 길이의 조정을 보다 용이하게 행할 수 있다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 복수 개의 티스를 회전축에 대하여 방사상으로 배치하고,
    상기 티스의 선단부에 있는 티스 헤드의 회전자 영구자석과 대향하는 쪽의 면형상은 둘레 방향의 중앙부가 원호형이면서 양단부가 상기 원호의 양단에 각각 접하는 접선을 이루며,
    상기 티스 헤드와 회전자 영구자석과의 공극 길이는 둘레 방향의 중앙에 대한 양단의 비율이 1.8∼2.4의 범위가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석형 모터의 고정자 철심.
  5. 제4항에 있어서, 상기 티스의 선단부에서의 중앙부를 구성하는 원호는 회전 중심으로부터 티스 중심선상에서 직경 방향으로 어긋난 위치를 중심으로 하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 모터의 고정자 철심.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 기재한 고정자 철심을 구비한 영구자석형 모터.
  9. 삭제
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