KR100848852B1

KR100848852B1 - 영구자석내장형 동기 모터

Info

Publication number: KR100848852B1
Application number: KR1020010056573A
Authority: KR
Inventors: 토시히토 미야시타; 사토루 오노데라; 마나부 마추시타
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2000-09-13
Filing date: 2001-09-13
Publication date: 2008-07-29
Also published as: US20020047432A1; US20040017123A1; KR20020021077A; TW538578B; US6597079B2

Abstract

본 발명은, 종래의 기술보다 코깅토크와 통전시의 토크맥동을 함께 억제하는 것이 가능한 영구자석내장형 동기모터를 제공하는 것이다.

2p개의 자기적인 돌극부(9…및 10…)를, 로터코어(7)의 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 1그룹 p개의 자기적인 돌극부(9…)와, 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 2그룹 p개의 자기적인 돌극부(10…)로 구성한다. 제 1그룹 p개의 자기적인 돌극부(9…)의 각(α1)을, 상기 제 2그룹 p개의 자기적인 돌극부(10…)의 각(α2)보다 작게 한다. 그리고, 각α1 및 α각2를, α2-α1≒2β-(2n-1)τs의 식을 만족하도록 정한다. n은 자연수이고, β는 샤프트의 중심에서 인접하는 두 개의 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 두 개의 돌극부 가상중심선(CL1, CL2)사이의 각도이고, τs는 스테이터코어의 슬롯피치이다.

Description

영구자석내장형 동기모터{INTERIOR PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR}

도 1은, 본 발명의 영구자석내장형 동기모터 제 1 실시형태의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고,

도 2는, 본 발명의 영구자석내장형 동기모터 제 2 실시형태의 영구자석내장형 동기모터로 이용하는 로터의 구성을 도시한 도면이고,

도 3은, 본 발명의 영구자석내장형 동기모터 제 3 실시형태의 영구자석내장형 동기모터로 이용하는 로터의 구성을 도시한 도면이고,

도 4는, 도 1 내지 도 3의 실시형태에 있어서, 토크리플 함유율을 측정한 데이타이고,

도 5는, 본 발명의 영구자석내장형 동기모터 제 4 실시형태의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고,

도 6은, 곡율반경R1과 R2를 바꿨을 경우에 있어서 토크리플(ripple)의 저감효과를 나타내는 도이고,

도 7은, 도 5의 실시형태의 부분확대도이고,

도 8은, 8극 48슬롯에서 분포권의 동기모터에 있어서, 코깅토크를 최소로 하는 ψ2와 ψ1과 x의 관계를 나타내는 도이고,

도 9는, (1), (8) 및 (9)식에서 얻은 토크리플을 최소로 하는 α1과 α2의 관계를 나타낸다.

[부호의 설명]

1 스테이터

2 요크

3 티스(자극부)

4 슬롯

5 로터

6 샤프트

7 로터코어

8 영구자석

9, 10 자기적인 돌극부

본 발명은, 로터코어에 복수의 영구자석을 내장하고, 서로 이웃하는 영구자석의 사이에 각각 자기적인 돌극부(突極部)가 있는 로터코어를 갖춘 영구자석내장형 동기모터에 관한 것으로, 특히, 로터의 자기적인 돌극부에 기인하여 발생하는 릴럭턴스토크와 영구자석에 의한 토크를 이용하는 영구자석내장형 동기모터에 관한 것이다.

일본국 특허공개 평8-205499공보에는, 로터코어의 외주면상에 장착한 복수의 영구자석자극 사이의 코어에 자기적인 돌극부를 형성하고, 이들 돌극부의 위치를 원주방향으로 이격함으로써 토크맥동의 발생을 억제한 동기모터가 개시되어 있다. 이 동기모터에서는, 로터의 회전방향이 한방향으로 한정되어 있다.

또, 일본국 특허공개 평8-256455호 공보에는, 릴럭턴스 동기모터 로터의 자기적인 돌극부의 자극폭을 변경하거나, 일부 쌍의 자기적인 돌극부 위치를 원주방향으로 이격함으로써, 릴럭턴스 동기모터의 맥동토크 발생을 억제하는 기술이 개시되어 있다.

그리고 일본국 특허공개 평11-18328호 공보에 개시된 종래의 영구자석내장형 동기모터에서는, 영구자석자극간 코어의 각을 θ로 하고, 영구자석자극간 코어의 폭에 대응하는 티스의 각 단면중에서 가장 이격된 두 개의 단면의 선단과, 회전축 중심을 연결하는 2개의 직선이 이루는 각도의 최소치를 θmin으로 영구자석자극간 코어의 폭에 대응하는 티스에 있어서 티스패드의 각 단부 중에서 가장 이격된 2개의 단부와, 회전축중심을 잇는 2개의 직선이 이루는 각도의 최대치를 θmax로 했을 때,

θmin

θ

θmax

가 되도록 영구자석자극간 코어의 폭을 설정하여, 코깅토크의 발생을 억제한다.

종래의 영구자석내장형 동기모터에서는, 영구자석자극간 코어의 각 θ를 티스의 수와 형상수치로 결정되는 θmin

θ

θmax로 한다. 그러나, 스테이터의 모든 극 모든 상의 슬롯수q에 맞추어, 각각의 영구자석자극간에 있어 토크 발생의 타이밍이 다르므로, 이 종래기술로는 코깅토크와 토크맥동을 충분히 억제하는 것이 불가능하다.

본 발명의 목적은, 종래보다도 코깅토크와 통전시의 토크맥동을 함께 제어하는 것이 가능한 영구자석내장형 동기모터를 제공하는 것에 있다.

본 발명은, 스테이터코어의 복수 자극부에 1상이상의 권선을 형성하여 이루어지는 스테이터와, 극대수가 p(다만 p는 1이상의 정의 정수)이고, 샤프트에 고정된 로터코어 내부에 원주방향으로 간격을 두고 2p개의 영구자석이 내장되며, 해당 2p개의 영구자석에 의해 상기 로터코어의 외주에 2p개의 영구자석 자극부가 형성되고 또한 상기 영구자석 자극부가 사이에 있도록 2p개의 자기적인 돌극부가 형성된 로터를 구비한 영구자석내장형 동기모터를 개량의 대상으로 한다. 그리고 여기에서 한 개의 영구자석이라고 하는 것은, 물리적으로 한 개의 영구자석 뿐 만 아니라, 복수의 영구자석에 의해 구성되어 자기적으로 한 개의 영구자석으로 보는 것이 가능한 경우를 포함한다.

본 발명에서는 2p개의 영구자석자극부를, 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 1그룹의 p개의 영구자석자극부와 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 2그룹의 p개의 영구자석자극부로 구성된다. 또, 2p개의 자기적인 돌극부도, 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 1그룹의 p개의 자기적인 돌극부와 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 2그 룹의 p개의 자기적인 돌극부로 구성된다. 그리고, 제 1그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 각(α1)을, 제 2그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 각(α2)보다 작게 한다. 그리고, 각α1 및 각α2를, 하기식을 만족시키도록 정한다.

α2 - α1 ≒ 2β - (2n - 1)τs

여기에서, n은 자연수이고, β는 샤프트의 중심으로 부터 인접하는 두 개의 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 두 개의 돌극부 가상중심선(CL1, CL2) 사이의 각이고, τs는 스테이터 코어의 슬롯피치[단위는 rad]이다. 그리고, 로터코어의 영구자석자극부 외주면부분의 윤곽형상은, 원호 또는 타원의 원호로 구성되어도 좋다.

상기와 같이, 제 1그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 각(α1)과 제 2그룹 p개의 자기적인 돌극부의 각(α2)의 칫수를 정하면, 제 1 및 제 2그룹의 2 p개의 자기적인 돌극부의 각을 일정하게 한 종래의 동기모터와 비교하여, 토크맥동을 억제하여 토크리플을 큰 폭으로 줄일 수 있다.

이 경우에 있어서, 제 1그룹의 p개의 자기적인 돌극부 자극면의 곡률반경(R1)을, 제 2그룹의 p개의 자기적인 돌극부 자극면의 곡율반경(R2)보다 작게 하면, 곡율반경R1과 R2를 동일하게 했을 경우와 비교하여, 토크리플을 작게할 수 있다. 그리고, 토크를 크게 하기 위해서는, 곡율반경R1 및 R2는, 각각 인접하는 영구자석자극부 자극면 단부의 곡율반경보다 크고, R1〈R2가 되는 수치를 선정하는 것이 바람직하다. 다만, 토크의 크기를 희생하고, 토크리플을 더 작게 하기 위해서는, 곡율반경R1 및 R2를 각각 인접하는 영구자석자극부의 자극면 단부의 곡 율반경보다 작게 해도 무관하다.

이 경우에 있어서, 인접하는 두 개의 영구자석자극부와 인접하는 두 개의 영구자석자극부의 사이에 위치하는 자기적인 돌극부에 의해 형성되는 로터코어의 외주면 부분형상이, 샤프트의 중심으로 부터 인접하는 두 개의 영구자석자극부의 사이에 위치하는 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 돌극부 가상중심선(Cl1, CL2)을 중심으로 하여 선대칭이 되고, 또한 로터코어의 외주면 형상을 원주방향으로 360°/p 각도범위의 외주면 부분형상이 모두 동일한 p등분형상이 되도록, 2p개의 영구자석자극부 및 2p개의 자기적인 돌극부 형상을 정하는 것이 바람직하다. 이와같이 하면, 자기적인 돌극부의 각을 달리했을 경우에도, 원주방향의 자기적인 밸런스가 맞추어지므로, 각 상의 전압불평형과 로터편심력은 발생하지 않는다.

그리고, 영구자석자극부의 자극면을 원호면 또는 타원의 원호면으로 형성할 경우에는, 영구자석자극부 자극면과 스테이터 코어의 복수의 자극부의 자극면 사이에 형성되는 갭칫수 δd를, 하기의 식을 만족시키거나 또는 거의 만족하도록 하는 것이 바람직하다.

δd = δd0 / cos[p(θm - θdm)]

여기에서, δd0는 갭칫수의 최소치이고, θm는 샤프트의 중심으로 부터 인접하는 두 개의 영구자석자극부 사이에 위치하는 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 두 개의 돌극부 가상중심선(CL1, CL2)의 중심을 통하는 가상중심선(CL3)으로 부터의 각 α1을 갖는 자기적인 돌극부측으로의 각이다. 그리고, θdm은 갭칫수가 최소치가 되는 가상선(PL3)에서 가상중심선(CL3)까지의 각도이다.

상기식에 있어서, θdm=0°로 했을 경우의 갭은, 말하자면 일반적인 cosec갭을 형성하고, 이와 같은 갭구성을 채용하면, 모터의 회전방향에 관계없이 갭중의 영구자석으로 부터의 자속밀도분포를 정현파에 가깝도록 하는 것이 가능하고, 코깅토크를 억제하는 것이 가능하다.

여기에서, 코깅토크를 최소로 하기위한 θdm는 후술하는 각도(ψ1 및 ψ2)를 이용하면 θdm≒(ψ2 - ψ1)/2의 식으로 정해진다. 그러나 갭중의 영구자석으로부터의 자속밀도분포가 정현파와 많이 틀린 경우에는, (1/6) ×x ×τs

θdm

(1/2) ×x ×τs 범위에서 코깅토크가 최소가 되는 수치가 존재한다. 여기에서 x는 θdm ≒ (ψ2 - ψ1)/2≒(1/4)×x ×τs와 근사할 때에, θdm가 (ψ2 - ψ1)/2의 수치와 가장 가까운 자연수이다.

상기의 조건을 만족시킨 후에, 가상중심선(CL3)과 샤프트의 중심에서 영구자석자극부의 자극면의 원주방향의 양단을 통하는 두 개의 가상선(PL1, PL2) 중에서 각이 α2인 자기적인 돌극부측에 위치하는 가상선(PL1)과의 사이의 각(ψ1)과, 가상중심선(CL3)과 샤프트의 중심에서 영구자석자극부의 자극면의 원주방향의 양단을 통하는 두 개의 가상선(PL1, PL2) 중에서 각이 α1인 자기적인 돌극부측에 위치하는 가상선(PL2)와의 사이의 각도(ψ2)가, 하기 조건식을 만족시킨다.

ψ2 〉ψ1

ψ2 - ψ1 ≒ 0.5(2m-1)τs - (180°/p)

ψ2 + ψ1 ≒ u ·τs

α1 + α2

(360°/p) - 2(ψ2 + ψ1 )

여기에서, m 및 u는 임의의 자연수이다. 이 조건을 만족시키도록 하면, 코깅토크를 최소의 수치에 가깝도록 하는 것이 가능하고, 토크리플도 억제하는 것이 가능하다.

그리고, 상기의 갭칫수(δd)가, 말하자면 cosec갭을 형성하지 않는 모터에 있어서도 상기의 각도(ψ2, ψ1)와 각(α1, α2)의 관계를 성립시키도록 하면, 코깅토크 및 토크리플을 작게하는 것이 가능하다.

그리고 α1 및 α2 그리고 ψ2 및 ψ1을 하기식을 만족시키도록 하면, 코깅토크를 최소의 수치에 가깝도록 하는 것이 가능하고, 토크리플도 최소의 수치에 가깝게 하는 것이 가능하다.

(180°/2p)+(α1/2)-ψ2≒(1/4)(2v1-1)τs

(180°/2p)+(α2/2)-ψ1≒(1/4)(2v2-1)τs

여기에서 v1 및 v2는 임의의 자연수이다.

그리고, 로터코어에 영구자석의 원주방향 양측에 공극으로서 제 1 및 제 2 비자성부를 형성하는 경우에 있어서, 제 1 비자성부는 각이 α1인 자기적인 돌극부측에 위치하고, 제 2 비자성부는 각이 α2인 자기적인 돌극부측에 위치하는 것으로 했을 때에, 제 1 및 제 2의 비자성부 형상은, 횡단면측이 동일하거나 또는 제 2의 비자성부 횡단면 형상을 제 1 비자성부 횡단면형상보다 크게 하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 비자성부를 형성하면, 영구자석으로 부터의 자속누설(단락)을 억제하는 것이 가능하고, 영구자석의 자력감소를 방지할 수 있다. 그러나, 본 발명에서는 각α1 및 α2를 다르게 하므로, 영구자석의 자속누설의 정도 및 자력감소정 도가, 영구자석의 원주방향 양단에서 다르다. 즉, α1〈 α2인 경우에는, α2측의 영구자석 단부로 부터의 자속누설이 α1측의 영구자석 단부로 부터의 자속누설보다 크다. 따라서, α2측 영구자석 단부에 있어서의 자력감소량이 α1측의 영구자석 단부에 있어서의 자력감소량보다 크다. 이와 같은 관점에서, α2측의 영구자석 단부에서의 자속누설과 그 부분에 있어서의 자력감소를 적극적으로 억제하기 위해서, 제 2 비자성부의 횡단면적을 제 1 비자성부의 횡단면적보다 더욱 크게 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태에 대해서 상세히 설명한다. 도 1은, 본 발명의 영구자석내장형 동기모터의 일실시형태의 스테이터와 로터의 구성을 도시한 도면이다. 도 1에 있어서, 부호1로 나타낸 부재는, 규소강판을 적층하여 구성한 환상의 요크(2)와, 이 환상의 요크 내주측에 원주방향으로 소정의 간격을 두고 배치한 자극부를 구성하는 복수의 티스(3)와, 인접하는 두 개의 티스(3)사이에 형성된 슬롯(4)과, 이들 티스(3)에 3상의 권선을 차례로 감아 형성된 도시되지 않은 코일부로 구성되는 스테이터이다. 요크(2)와 티스(3)에 의해 스테이터 코어가 구성된다.

이 예의 스테이터(1)는, 슬롯수(Ns)가 48이고, 극대수(p)가 4이고, 상의 수가 3이므로, 모든극 모든상 슬롯수q는, q = 48 / (2 ×4 ×3) = 2가 된다. 그리고, 슬롯피치 τs가 τs = 7.5°이다.

또, 부호5로 나타낸 부재는 로터이다. 이 로터(5)는, 샤프트(6)에 고정된 로터코어(7)의 내부에 원주방향으로 간격을 두고 배치된 8개의 영구자석(8…)을 내장하고, 이웃하는 두 개의 영구자석(8) 사이에 각각 자기적인 돌극부(9… 및 10…) 가 있다. 로터코어(7)의 외주부에는, 자기적인 돌극부 (9… 및 10…)를 명확히 형성하기 위해서, 지름방향과 축선방향으로 연장된 복수의 홈(11…)이 형성되어 있다. 영구자석(8)의 지름방향 외측에 위치하는 로터코어(7)의 외주면 부분이 8개의 영구자석자극부(12)를 구성한다. 그리고, 로터코어(7)도 스테이터 코어와 마찬가지로 규소강판을 적층하여 구성하고, 영구자석(8…)이 내장되는 부분에 영구자석을 삽입하는 관통구가 있다. 영구자석(8)은, 횡단면 형상이 직사각형을 이룬다.

이 예에서, 8개의 영구자석자극부(12…) 및 8개의 자기적인 돌극부(9… 및 10…)의 형상은, 인접하는 두 개의 영구자석자극부와 인접하는 두 개의 영구자석자극부 사이에 위치하는 자기적인 돌극부에 의해 형성되는 로터코어(7)의 외주면 부분형상이, 샤프트(6)의 중심에서 인접하는 두 개의 영구자석자극부의 사이에 위치하는 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 돌극부 가상중심선(CL1, CL2)을 중심으로 하여 선대칭을 이루고, 로터코어(7)의 외주면 형상이 원주방향으로 90°각도범위의 외주면 부분형상이 모두 같은 4등분배형상이 되도록 정해진다.

8개의 자기적인 돌극부는, 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 1그룹의 4개의 자기적인 돌극부(9…)와 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 2그룹 4개의 자기적인 돌극부(10…)로 구성된다. 그리고, 제 1그룹의 4개의 자기적인 돌극부(9…)의 각α1은, 제 2그룹의 4개의 자기적인 돌극부(10…)의 각α2보다 작다. 이 예에서는, 스테이터 코어(7)의 슬롯피치가 7.5°이고, 슬롯오프닝이 2.1°이므로, 각α2는 15°이고, 각α1은 7.5°이다. 그리고, 이 경우의 각α2의 바람직한 범위는, 12.9°

α2

17.1°이고, 각α1의 바람직한 범위 는 5.4°

α1

9.6°이다.

그리고 각α1 및 각α2의 관계를 일반적으로 식으로 나타내면, 양자는 하기의 식(1)을 만족시키도록 정하면 된다.

α2 - α1 ≒ (2β) - (2n - 1) τs ---- (1)

여기에서, n은 자연수이고, β는 샤프트의 중심에서 인접하는 두 개의 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 두 개의 돌극부 가상중심선(CL1, CL2)간의 각도이고, τs 는 상기 스테이터 코어의 슬롯 피치이다. 본 실시형태에서는, n=6이다. 이 식을 만족시키면 토크리플을 종래의 것보다도 큰 폭으로 저감시킬 수 있다.

도 2는, 본 발명의 제 2 실시형태의 영구자석내장형 동기모터를 이용하는 로터의 구성을 도시한 도면이다. 이 실시형태가, 도 1 실시형태와 다른 것은, 로터코어(7)에 영구자석(8…)의 원주방향 양측에 형성된 공간에 의해 한쌍의 비자성부(13)가 형성된 점이다. 4개의 자기적인 돌극부(9…) 및 4개의 자기적인 돌극부(10…)의 각각의 각α1 및 α2은, 도 1 실시형태와 동일하게 정해진다. 홈(11)의 각은, 각도βd - α1으로 구할 수 있고, 이 예에서는 1.875°이다. 그리고 각도βd는, βd ≒ (1/2)(2n-1)τs 로 정해진다. 여기에서도 n은 임의의 자연수이다.

도 3은, 청구항 9의 발명에 대응하는 제 3의 실시형태의 영구자석내장형 동기모터 로터의 구성을 도시한 도면이다. 이 실시형태가, 도 2 실시형태와 다른 것은, 홈(11…)의 각(원주방향의 개구칫수)을 도 2 실시형태의 홈(11)의 각보다 크고, 영구자석자극(12)의 원주방향의 길이를 작게 한 점이다. 그 외의 구조는 도 2 의 실시형태와 동일하다. 이 실시형태는, 홈(11)의 각(βf - α1)을 3.75°로 한다. 여기에서 βf는, βf≒(1/4)(2n-1)τs로 정해진다. 여기에서도 n은 임의의 자연수이다.

도 4는, 도 1 내지 도 3의 실시형태에 대해서 토크리플 함유율을 측정한 데이타이다. 도 4에 있어서, A는 8개의 자기적인 돌극부의 각을 일정한 수치(8.75°)로 한 종래의 영구자석내장형 동기모터의 토크리플 함유율이다. 그리고 도 4의 B, C 및 D가, 도 1 내지 도 3의 영구자석내장형 동기모터의 토크리플 함유율을 나타낸다. 이 도면에서, 본 발명의 실시형태에 따르면, 토크리플을 큰 폭으로 저감할 수 있음을 알 수 있다.

도 5는, 본 발명의 영구자석내장형 동기모터의 제 4 실시형태의 로터 구성을 도시한 도면이다. 스테이터 코어측의 구성은 도 1의 실시형태와 동일하다. 도 4에 있어서는, 도 1에 도시한 실시형태와 동일한 부분에 도 1에 기입한 부호와 동일한 부호를 사용한다. 이 실시형태에서는, 8개(2p개)의 영구자석자극부(12a… 및 12b…)는, 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 1그룹의 4개(p개)의 영구자석자극부(12p…)와, 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 2그룹의 4개(p개)의 영구자석자극부(12b…)로 구성된다. 또, 8개(2p개)의 자기적인 돌극부(9… 및 10…)도, 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 1그룹의 4개(p개)의 자기적인 돌극부(9…)와 원주방향으로 하나의 위치에 등간격으로 위치하는 제 2그룹의 4개(p개)의 자기적인 돌극부(10…)로 구성된다. 그리고 제 1그룹의 4개의 자기적인 돌극부(9…)의 각α1을, 제 2그룹의 4개의 자기적인 돌 극부(10…)의 각α2보다 작게 한다. 이 실시형태에서도, 각α1 및 각α2는 상기(1)식을 만족시킨다.

구체적으로는, 스테이터 코어의 슬롯피치가 7.5°이고, 슬롯오프닝이 2.1°이므로, 각α2는 12.9°

α2

17.1°가 바람직하며, 또 각α1는 5.4°

α 1

9.6°가 바람직하다. 이 예에서는, α2를 16°으로 하고, α1은 6.5로 한다.

또, 이 예에서는, 인접하는 두 개의 영구자석자극부(12a 및 12b)와 인접하는 두 개의 영구자석자극부(12a 및 12b)의 사이에 위치하는 자기적인 돌극부(9 또는 10)에 의해 형성되는 로터코어(7)의 외주면 부분형상이, 샤프트(6)의 중심에서 인접하는 두 개의 영구자석자극부(12a 및 12b)의 사이에 위치하는 자기적인 돌극부(9 또는 10)의 중심을 통하는 돌극부 가상중심선(CL1, CL2)을 중심으로 하여 선대칭이 되고, 또한 로터코어(7)의 외주면 형상을 원주방향으로 90°(360°/p) 각도범위의 외주면 부분형상이 모두 동일한 4등분형상(p등분형상)이 되도록, 8개의 영구자석자극부(12a… 및 12b…) 및 8개의 자기적인 돌극부(9… 및 10…)의 형상을 정한다. 이와 같이 하면, 자기적인 돌극부(9… 및 10…)의 각(α1 및 α2)를 달리했을 경우에도, 원주방향의 자기적인 밸런스는 맞으므로, 각 상의 전압불평형이나 로터편심력은 발생하지 않는다.

또, 이 예에서는 영구자석자극부(12a… 및 12b…)의 자극면과 스테이터코어의 복수의 자극부 자극면과의 사이에 형성되는 갭의 칫수(δd)가, 하기(2)의 식을 만족시켜 말하자면 cosec갭이 되도록 정해진다.

δd = δd 0/cos[p(θm - θdm)] --- (2)

여기에서, δd 0는 갭칫수의 최소치이고, θm는 샤프트의 중심에서 인접하는 두 개의 영구자석자극부의 사이에 위치하는 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 두 개의 돌극부 가상중심선(CL1, CL2)의 중심을 통하는 가상중심선(CL3)에서 각α1의 자기적인 돌극부측으로의 각도이고, θdm은 갭의 칫수가 최소치가 되는 가상선(PL3)에서 가상중심선(CL3)까지의 각도이다.

여기에, 코깅토크를 최소로 하기위한 θdm는 후술하는 각도(ψ1 및 ψ2)를 이용하면 θdm ≒(ψ2 - ψ1)/2의 식에 의해 결정된다. 그러나, 갭중의 영구자석으로 부터의 자속밀도분포가 정현파에서 크게 벗어났을 경우에는, (1/6) ×x ×τs

θdm

(1/2) ×x ×τs 의 범위이고, 코깅토크가 최소가 되는 수치가 존재한다. 여기에서 x는 θdm ≒(ψ2 - ψ1)/2≒(1/4)×x ×τs 와 근사할 때에, θdm가 (ψ2 - ψ1)/2 수치에 가장 근사한 자연수이다.

영구자석자극부(12a 및 12b)의 자극면의 형상은, 상기식으로 정해지는 수치에 가까운 수치가 되도록 원호 또는 타원의 호에 의해 정해진다.

또 이 예에서는, 각(α1)의 자기적인 돌극부(9)의 곡율반경(R1)을, 각α2의 자기적인 돌극부의 곡율반경R2보다 작게한다. 제 1그룹의 p개의 자기적인 돌극부 자극면의 곡율반경R1을, 제 2그룹의 p개의 자기적인 돌극부 자극면의 곡율반경R2보다 작게 하면, 곡율반경R1과 R2를 동일하게 했을 경우와 비교하여, 토크리플을 작게하는 것이 가능하다. 그리고, 토크를 크게 하기 위해서는, 곡율반경R1 및 R2는, 각각 인접하는 영구자석자극부의 자극면 단부의 곡율반경보다 크고, R1〈 R2가 되는 수치를 선정하는 것이 바람직하다. 도 6은, 이 곡율반경을 변경했을 경우에 효 과를 확인하기 위해서, Model1에서 Model13을 도시의 조건으로 하여 토크리플 함유율을 측정한 결과를 나타낸다. 이 측정결과를 보면, R1 〈 R2로 한 Model13의 경우가, 토크리플 함유율이 가장 적음을 알 수 있다.

상기식에 있어서, θdm = 0°로 했을 경우의 갭은, 말하자면 일반적인 cosec갭을 형성하는 것으로, 이와 같은 갭구성을 채용하면, 모터의 회전방향을 불문하고 갭중의 영구자석으로부터의 자속밀도분포를 정현파에 가깝게 할 수 있고, 코깅토크를 억제하는 것이 가능하다. 그리고, θdm를 1/6슬롯피치∼1/2슬롯피치 범위의 수치로 했을 경우에는, 갭중의 영구자석으로부터의 정현파 자속분포를 정현파상으로 유지한 상태로, 비약적으로 코깅토크를 억제하는 것이 가능하다. 덧붙여 도 5의 실시예에서는 θm을 2°로 설정한다.

또 이 실시형태에서는, 가상중심선(CL3)과 샤프트(6)의 중심에서 영구자석자극부(12a 또는 12b)의 자극면 원주방향 양단을 통하는 두 개의 가상선(PL1 및 PL2)중에서 각α2의 자기적인 돌극부(10)측에 위치하는 가상선(PL1)과의 사이의 각도ψ1와, 가상중심선(CL3)과 샤프트(6)의 중심에서 영구자석자극부(12a 또는 12b)의 자극면 원주방향의 양단을 통하는 두 개의 가상선(PL1 및 PL2)중에서 각α1의 자기적인 돌극부(9)측에 위치하는 가상선(PL2)의 사이의 각도ψ2가, 하기 조건식(3) 내지 (6)을 만족시킨다.

ψ2 〉ψ1 ---------- (3)

ψ2 - ψ1 ≒ 0.5(2m-1)τs - (180°/p) ---------- (4)

ψ2 + ψ1 ≒ u ·τs ---------- (5)

α1 + α2

(360°/p) - 2(ψ2 + ψ1 ) ---------- (6)

여기에, p는 극대수, m 및 u는 임의의 자연수이다. 이 조건을 만족시키도록하면, 코깅토크를 최소의 수치에 가깝게 할 수 있다.

구체적으로는, 이 예에 있어서, 각도ψ1는 11.025°

ψ1

15.225°범위수치가 바람직하고, 또 각도ψ2는 14.775°

ψ2

18.975°범위의 수치이고, 각도ψ1 및 각도ψ2는, 1.65°

ψ2-ψ1

5.85°및 27.9°

ψ2+ψ1

32.1°의 관계를 만족시키는 것이 바람직하다.

이 예에서는, 각도ψ1를 13.125°로 하고, 각도ψ2를 16.875°로 한다. 이 각도는, τs = 7.5°, p=4, m=7, u=4로 하고, 상기(4)식 및 (5)식에 이들의 식을 대입하면,

ψ2 - ψ1 ≒ 0.5(2m-1)τs - (180°/p) ------- (4)

ψ2 + ψ1 ≒ u ·τs ----------------------- (5)

ψ2-ψ1=0.5(2m-1)τs-(180°/p)=0.5×(2×7-1)×7.5-(180/4)=3.75°

ψ2 + ψ1 = u ·τs = 4 ×7.5 = 30°

가 되고, 이 두 식에서 ψ1=13.125°, ψ2=16.875°가 구해진다.

또, 이 각도 ψ1 및 ψ2 의 수치에 기초하여 코깅토크를 최소로 하기위한 θdm 및 θdm의 최적수치범위를 구하면, θdm = (ψ2-ψ1)/2 = (16.875 - 13.125)/2 = 1.875°가 된다. 따라서, θdm=1.875°로 코깅토크를 최소로 하는 것이 가능하다. 여기에서 상기의 θdm ≒ (ψ2 - ψ1)/2≒(1/4)×x ×τs의 식을 만 족시키는 x를 구하면, (1/4)×x ×τs=1.875를 만족시키는 x는 1이 된다. 따라서, θdm의 범위를 구하는 상기의 (1/6)×x ×τs

θdm

(1/2)×x ×τs의 식에, x=1과 τs=7.5°를 대입하면, 1.25°

θdm

3.75°가 θdm의 최적수치 범위로서 정해진다.

또, 도 7에 도시하듯이, 홈(11a 및 11b)의 원주방향 폭(개도)을 2.25°와 1.5°로 설정한다. 또 이 예에서는, 도 7에 도시하듯이, 로터코어(7)에 형성된 하나의 영구자석에 대한 제 1 및 제 2의 비자성부(13a 및 13b)의 형상을 다르게 한다.

이 실시형태에 있어서, α1 및 α2 그리고 ψ2 및 ψ1를 하기식(7) 및 (8)식을 만족시키도록 하면, 토크리플을 최소의 수치에 가깝게 할 수 있다.

(180°/2p)+(α1/2)-ψ2=(1/4)(2v1-1)τs -------- (8)

(180°/2p)+(α2/2)-ψ1=(1/4)(2v2-1)τs -------- (9)

여기에 v1 및 v2는 임의의 자연수이다.

이 예에서는 상기(8) 및 (9)의 조건을 만족시키도록 각부분의 각도를 설정한다.

토크리플을 최소로 하는 각부 각도의 조건은, 상기(3)식, (4)식, (5)식 및 (6)식의 연립방정식을 풀어서 얻어진다. 도 8은, 8극 48슬롯으로 분포권(分布圈)의 동기모터에 있어서, 코깅토크를 최소로 하는 ψ2과 ψ1과 m의 관계를 나타내는 도이다. 종축은 ψ2이고, 횡축은 ψ1이다. 도 8에 있어서는, 둥근모양의 점이 선택한 m과 n의 수치로 정해지는 토크 리플이 최소가 되는 조건점이다.

도 9은, 상기(1), (8) 및 (9)식으로 얻은 α1과 α2와 n과의 관계를 나타낸다. 본 발명을 실시할 경우에는, 이 관계를 만족시키도록 α1과 α2의 관계를 정하면, 토크리플을 최소할 수 있다.

본 발명에 따르면, 코깅토크가 억제가능하고, 토크맥동을 억제할 수 있는 이점이 있다.

Claims

스테이터코어의 복수의 자극부에 1상 이상의 권선을 갖추어 구성되는 스테이터; 및

극대수가 p(단, p는 1 이상의 정의 정수)이고, 샤프트에 고정된 로터코어의 내부에 원주방향으로 간격을 두고 2p개의 영구자석이 내장되고, 해당 2p개의 영구자석에 의해 상기 로터코어의 외주에 2p개의 영구자석자극부가 형성되고, 또한 상기 영구자석자극부를 사이에 두도록 2p개의 자기적인 돌극부가 형성되어 있는 로터;

를 구비하는 영구자석내장형 동기모터에 있어서,

상기 2p개의 자기적인 돌극부는 상기 원주방향으로 등간격으로 위치하는 제1그룹의 p개의 자기적인 돌극부와 상기 원주방향으로 등간격으로 위치하는 제2그룹의 p개의 자기적인 돌극부로 구성되고, 여기서 상기 제1그룹의 p개의 자기적인 돌극부 각각은 상기 제2그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 인접하는 2개의 자기적인 돌극부 사이에 위치하고,

상기 제1그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 각 α1은 상기 제2그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 각 α2보다 작고,

상기 각 α1 및 각 α2는 하기 식을 만족시키도록 정해지는 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터:

α2-α1≒2β-(2n-1)τs

여기서 n은 자연수이고, β는 상기 샤프트의 중심으로부터 인접하는 2개의 상기 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 2개의 돌극부 가상중심선(CL1,CL2) 사이의 각도이고, τs는 상기 스테이터코어의 슬롯피치이다.
제1항에 있어서, 상기 제1그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 자극면의 곡률반경 R1이 상기 제2그룹의 p개의 자기적인 돌극부의 자극면의 곡률반경 R2보다 작은 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터.
제1항에 있어서, 상기 2p개의 영구자석자극부 및 상기 2p개의 자기적인 돌극부의 형상은,

인접하는 2개의 영구자석자극부와 상기 인접하는 2개의 영구자석자극부 사이에 위치하는 상기 자기적인 돌극부로 형성되는 상기 로터코어의 외주면 부분형상이, 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 인접하는 2개의 영구자석자극부 사이에 위치하는 상기 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 상기 돌극부 가상중심선(CL1,CL2)을 중심으로 하여 선대칭을 이루고,

또한, 상기 로터코어의 외주면 형상이 원주방향으로 360°/p 각도범위의 외주면 부분 형상이 모두 동일한 p등분 형상이 되도록 정해진 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터.
제2항에 있어서, 상기 영구자석자극부의 자극면은 원호면 또는 타원의 원호면으로 형성되고,

상기 영구자석자극부의 상기 자극면과 상기 스테이터코어의 상기 복수의 자극부의 자극면 사이에 형성되는 갭의 치수 δd가 하기 식을 만족시키도록 정해지는 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터:

δd≒δd0/cos[p(θm-θdm)]

여기서 δd0은 상기 갭의 치수의 최소치이고, 상기 θm은 상기 영구자석부의 상기 자극면의 극고각(極孤角) 내의 각도로서 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 인접하는 2개의 영구자석자극부의 사이에 위치하는 상기 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 2개의 상기 돌극부 가상중심선(CL1,CL2)의 중심을 통하는 가상중심선(CL3)으로부터 상기 각 α1을 갖는 상기 자기적인 돌극부측으로의 임의의 각도이고, 상기 θdm은 상기 갭의 치수가 최소치가 되는 가상선(PL3)으로부터 상기 가상중심선(CL3)까지의 각도이다.
제4항에 있어서, 상기 가상중심선(CL3)과 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 영구자석자극부의 자극면의 원주방향 양단을 통하는 2개의 가상선(PL1,PL2) 중에서 상기 각 α2를 갖는 상기 자기적인 돌극부측에 위치하는 가상선(PL1) 사이의 각 ψ1과, 상기 가상중심선(CL3)과 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 영구자석자극부의 자극면의 원주방향 양단을 통하는 2개의 가상선(PL1,PL2) 중에서 상기 각 α1을 갖는 상기 자기적인 돌극부측에 위치하는 가상선(PL2) 사이의 각 ψ2가 하기 식을 만족시키는 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터:

ψ2＞ψ1

ψ2-ψ1≒0.5(2m-1)τs-(180°/p)

ψ2+ψ1≒u·τs

α1+α2≤(360°/p)-2(ψ2+ψ1)

여기서 m 및 u는 임의의 자연수이다.
제5항에 있어서, 상기 각 α1 및 α2 그리고 상기 각 ψ2 및 ψ1이 하기 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터:

(180°/2p)+(α1/2)-ψ2≒(1/4)(2v1-1)τs

(180°/2p)+(α2/2)-ψ1≒(1/4)(2v2-1)τs

여기서 v1 및 v2는 임의의 자연수이다.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터코어에는 상기 영구자석의 상기 원주방향 양측으로 공극에 의한 제1 및 제2의 비자성부가 형성되어 있고,

상기 제1의 비자성부는 상기 각이 α1인 상기 자기적인 돌극부측에 위치하고, 상기 제2의 비자성부는 상기 각이 α2인 상기 자기적인 돌극부측에 위치하며,

상기 제1 및 제2의 비자성부의 형상은, 횡단면적이 같거나 또는 상기 제2의 비자성부의 횡단면 형상이 상기 제1의 비자성부의 횡단면 형상보다 커서 서로 다른 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터.
스테이터코어의 복수의 자극부에 3상의 권선을 갖추어 구성되는 스테이터; 및

극대수가 4이고, 샤프트에 고정된 로터코어의 내부에 원주방향으로 간격을 두고 8개의 영구자석이 내장되고, 상기 8개의 영구자석에 의해 상기 로터코어의 외주에 8개의 영구자석자극부가 형성되고, 또한 상기 영구자석자극부를 사이에 두도록 8개의 자기적인 돌극부가 형성되어 있는 로터;

를 구비하는 영구자석내장형 동기모터에 있어서,

상기 8개의 영구자석자극부는 상기 원주방향으로 등간격으로 위치하는 제1그룹의 4개의 영구자석자극부와 상기 원주방향으로 등간격으로 위치하는 제2그룹의 4개의 영구자석자극부로 구성되고, 여기서 상기 제1그룹의 4개의 영구자석자극부 각각은 상기 제2그룹의 4개의 영구자석자극부의 인접하는 2개의 영구자석자극부 사이에 위치하고,

상기 8개의 자기적인 돌극부는 상기 원주방향으로 등간격으로 위치하는 제1그룹의 4개의 자기적인 돌극부와 상기 원주방향으로 등간격으로 위치하는 제2그룹의 4개의 자기적인 돌극부로 구성되고, 여기서 상기 제1그룹의 4개의 자기적인 돌극부 각각은 상기 제2그룹의 4개의 자기적인 돌극부의 인접하는 2개의 자기적인 돌극부 사이에 위치하고,

상기 제1그룹의 4개의 자기적인 돌극부의 각 α1은 상기 제2그룹의 4개의 자기적인 돌극부의 각 α2보다 작고,

상기 스테이터코어의 슬롯피치가 7.5°이고 슬롯오프닝이 2.1°일 때, 상기 각 α2는 12.9°≤α2≤17.1°의 수치이고, 상기 각 α1은 5.4°≤α1≤9.6°의 수치인 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터.
제8항에 있어서, 상기 8개의 영구자석자극부 및 상기 8개의 자기적인 돌극부의 형상은,

인접하는 2개의 영구자석자극부와 상기 인접하는 2개의 영구자석자극부 사이에 위치하는 상기 자기적인 돌극부로 형성되는 상기 로터코어의 외주면 부분 형상이, 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 인접하는 2개의 영구자석자극부 사이에 위치하는 상기 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 돌극부 가상중심선(CL1,CL2)을 중심으로 하여 선대칭을 이루고,

또한, 상기 로터코어의 외주면 형상이 원주방향으로 90°각도범위의 외주면 부분 형상이 모두 같은 4등분 형상이 되도록 정해진 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터.
제9항에 있어서, 상기 샤프트의 중심으로부터 인접하는 2개의 돌극부 가상중심선(CL1,CL2)의 중심을 통하는 가상중심선(CL3)과 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 영구자석자극부의 자극면의 원주방향 양단을 통하는 2개의 가상선(PL1,PL2) 중에서 상기 각 α2를 갖는 상기 자기적인 돌극부측에 위치하는 가상선(PL1) 사이의 각 ψ1이 11.025°≤ψ1≤15.225°범위의 수치이고,

상기 가상중심선(CL3)과 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 영구자석자극부의 자극면의 원주방향의 양단을 통하는 2개의 가상선(PL1,PL2) 중에서 상기 각 α1을 갖는 상기 자기적인 돌극부측에 위치하는 가상선(PL2) 사이에 각 ψ2가 14.775°≤ψ2≤18.975°범위의 수치이고,

상기 각 ψ1 및 각 ψ2는 1.65°≤ψ2-ψ1≤5.85° 및 27.9°≤ψ2+ψ1≤32.1°의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터.
제10항에 있어서, 상기 영구자석자극부의 자극면은 원호면 또는 타원의 원호면으로 형성되고,

상기 영구자석자극부의 상기 자극면과 상기 스테이터코어의 상기 복수의 자극부의 자극면 사이에 형성되는 갭의 치수 δd가 하기 식을 만족시키도록 정해지는 것을 특징으로 하는 영구자석내장형 동기모터:

δd≒δd0/cos[p(θm-θdm)]

여기서 δd0은 상기 갭의 치수의 최소치이고, 상기 θm은 상기 영구자석부의 상기 자극면의 극고각(極孤角) 내의 각도로서 상기 샤프트의 중심으로부터 상기 인접하는 2개의 영구자석자극부 사이에 위치하는 상기 자기적인 돌극부의 중심을 통하는 2개의 상기 돌극부 가상중심선(CL1,CL2)의 중심을 통하는 가상중심선(CL3)으로부터 상기 각 α1을 갖는 상기 자기적인 돌극부측으로의 임의의 각도이고, 상기 θdm은 상기 갭의 치수가 최소치가 되는 가상선(PL3)으로부터 상기 가상중심선(CL3)까지의 각도이고, 상기 θdm은 1.25°≤θdm≤3.75°범위의 수치이다.