KR101830373B1 - 브러시리스 모터 - Google Patents

Abstract

약화 자계 제어를 행하는 자속 집중형 브러시리스 모터의 철손의 저감을 도모한다. 스테이터(20)의 티스부(24)는 돌출단에 스테이터측 대폭부(24a)를 갖고, 로터(10)는 로터측 대폭부(14a)를 갖는 복수의 자성체(14)와, 이들 자성체(14) 사이에 배치된 복수의 마그넷(16)을 가지고 있다. 저회전수역과 고회전수역에서 일정시간 구동되고, 고회전수역에서는 약화 계자 제어가 행해진다. 로터(10)의 대극 수를 P, 로터측 대폭부(14a)의 반경선의 길이를 R, 스테이터측 대폭부(24a)의 두께를 Lt, 스테이터측 대폭부(24a)의 중심각을 τt, 로터측 대폭부(14a)의 중심각을 τr, 인접하고 있는 2개의 마그넷(16)의 중심각을 τm으로 했을 때, τr≤2.85×τm-2.65×τt, 또한 (Lt×P)/(π×R)≥τt/τm-0.6가 되도록 설정되어 있다.

Description

브러시리스 모터{BRUSHLESS MOTOR}

개시된 발명은 세탁기 등에 이용되는 브러시리스 모터에 관한 것이며, 그 중에서도 특히 약화 계자 제어가 행해지는 자속 집중형 모터에 관한 것이다.

세탁기에 이용되는 모터에서는 상이한 2개의 회전 영역에서 안정된 출력이 요구된다. 즉 이 모터는 세탁 시에 저회전에서의 고토크인 출력이 요구되는 반면, 탈수 시에 저토크에서 고회전인 출력이 요구된다. 세탁 시의 고토크 실현에는 자력이 높은 영구자석, 예를 들어 네오딤 자석을 이용하는 것이 유효하다. 그러나 네오딤 자석은 고가이기 때문에, 제조 비용 저감의 관점으로부터 저렴한 페라이트 자석이 사용되고 있다. 이 페라이트 자석을 이용하여 고토크를 실현하는 모터로서 자석 및 자성체가 방사형으로 교대로 배치되고, 자석으로부터의 자속을 스테이터에 집중적으로 흘리는 자속 집중형 모터가 있다. 이 자속 집중형 모터를 탑재한 세탁기에서는 탈수 시에 고회전을 실현하기 위해서 약화 계자 제어가 실행된다.

이와 같이 고회전인 출력을 위하여 자극의 자속밀도를 높임으로써 철손의 영향을 받기 쉬워지고, 자속의 집중에 의해 자력이 강화되는 결과, 소음이나 진동의 문제가 발생하기 쉬우며, 자석의 계자를 약화시키는 자속을 생성하는 전류가 스테이터의 코일에 흐르기 때문에 자석의 스테이터 근방 영역에서 감자가 발생한다. 그 결과 모터 효율이 저하되는 문제가 있다.

상술한 문제를 해결하기 위하여 개시된 발명의 일 측면은 모터의 특징을 이용하여, 철손의 저감을 효과적으로 도모할 수 있는 브러시리스 모터를 제공하는데 있다.

또한, 개시된 발명의 다른 일 측면은 고속 회전 시에 발생하는 소음의 저소음화를 도모할 수 있는 자속 집중형 브러시리스 모터를 제공하는데 있다.

또한, 개시된 발명의 또 다른 일 측면은 약화 자계 제어를 행하는 자속 집중형 브러시리스 모터에서 유기전압의 저하를 억제하면서 감자 내력의 향상을 도모하는데 있다.

개시된 발명의 일 측면에 따른 브러시리스 모터는 회전축을 중심으로 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 내측 또는 외측에 배치되는 스테이터를 구비하고 있다.

상기 스테이터는 상기 로터측에 면하는 단면 링형의 둘레면을 갖는 요크부와, 상기 요크부의 둘레면으로부터 상기 로터를 향해서 방사형으로 돌출되고, 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 스테이터측 대폭부를 돌출단에 갖는 복수의 티스부와, 인접하는 상기 티스부 사이에 형성되는 슬롯에 권선을 통하게 하면서 이 티스부에 두루 감아서 형성된 복수의 코일을 가지고 있다.

상기 로터는 상기 로터의 둘레 가장자리부에 상기 스테이터를 향해서 방사형으로 배치되고, 이 스테이터측의 단부에 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 로터측 대폭부를 갖는 복수의 자성체와, 동일한 자극이 둘레방향으로 대향하도록 상기 자성체 사이 각각에 배치된 복수의 마그넷을 가지고 있다. 그리고 상기 스테이터측 대폭부와 상기 로터측 대폭부는 미소 틈새를 두고 대향하고 있다.

이 모터에서는 회전수가 다른 적어도 2개의 저회전수역과 고회전수역에서 일정시간 구동되고, 이 고회전수역에서는 약화 계자 제어가 행해진다.

그리고 상기 로터의 대극 수를 P로 하고, 회전축방향으로부터 봤을 때, 상기 미소 틈새에 면하는 상기 로터측 대폭부의 단면과 이 회전축을 연결하는 반경선의 길이를 R로 하고, 상기 스테이터측 대폭부에서의 반경방향의 두께를 Lt로 하고, 상기 스테이터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τt로 하고, 상기 로터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 하고, 서로 인접하고 있는 2개의 상기 마그넷의 중심 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τm으로 했을 때, τr≤2.85×τm-2.65×τt, 또한 (Lt×P)/(τ×R)≥τt/τm-0.6가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉 개시된 발명에 따른 브러시리스 모터는 저회전수역과 고저회전수역에서 일정시간 구동되고, 고회전수역에서는 약화 계자 제어가 행해지는 자속 집중형 모터이다. 스테이터의 요크부의 둘레면으로부터 방사형으로 티스부가 돌출되어 있으며, 그 티스부의 돌출단에 마련된 스테이터측 대폭부가 로터의 로터측 대폭부와 미소 틈새를 두고 대향하고 있다. 이렇게 하여, 상술한 바와 같은 소정의 조건을 만족하도록 마그넷 등이 배치되어 있다.

이 브러시리스 모터에 의하면, 그 특징을 이용함으로써 철손의 저감을 효과적으로 도모할 수 있다.

또한 0.5≤τr/τm≤0.75가 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

그렇게 하면, 유기전압의 저하를 회피할 수 있기 때문에, 토크를 크게 손실하지 않고 철손의 저감을 도모할 수 있다.

구체적으로는, 상기 슬롯의 개수를 S로 했을 때 S가 24이상이며, 4/3×S≥2×P＞S의 관계를 만족하도록 설정할 수 있다.

그렇게 하면, 특히 저회전수역에서 안정된 모터 성능을 발휘시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 S가 24이상인 경우에는 상기 마그넷의 잔류 자속밀도를 0.35T 내지 0.5T의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

그렇게 하면, 마그넷에 저렴한 페라이트 자석을 이용할 수 있고, 비용의 삭감을 도모할 수 있다.

또한 상기 S가 24미만인 경우에는 상기 마그넷의 잔류 자속밀도를 1.1T 내지 1.5T의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

그렇게 하면, 마그넷에 강력한 네오딤 자석을 이용할 수 있고, 모터의 소형화에 맞추어서 마그넷의 크기를 작게 해도 고토크를 유지할 수 있다.

개시된 발명의 다른 일 측면에 따른 브러시리스 모터는 회전축을 중심으로 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 내측 또는 외측에 배치되는 스테이터를 구비하고 있다.

상기 스테이터는 상기 로터측에 면하는 단면 링형의 둘레면을 갖는 요크부와, 상기 요크부의 둘레면으로부터 상기 로터를 향해서 방사형으로 돌출되고, 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 스테이터측 대폭부를 돌출단에 갖는 복수의 티스부와, 인접하는 상기 티스부 사이에 형성되는 슬롯에 권선을 통하게 하면서 이 티스부에 두루 감아서 형성된 복수의 코일을 가지고 있다.

상기 로터는 상기 로터의 둘레 가장자리부에 상기 스테이터를 향해서 방사형으로 배치되고, 이 스테이터측의 단부에 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 로터측 대폭부를 갖는 복수의 자성체와, 동일한 자극이 둘레방향으로 대향하도록 상기 자성체 사이 각각에 배치된 복수의 마그넷을 가지고 있다. 그리고 상기 스테이터측 대폭부와 상기 로터측 대폭부는 미소 틈새를 두고 대향하고 있다.

이 모터에서는 회전수가 다른 적어도 2개의 저회전수역과 고회전수역에서 일정시간 구동되고, 이 고회전수역에서는 약화 계자 제어가 행해진다.

그리고 회전축방향으로부터 봤을 때, 상기 스테이터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τt로 하고, 상기 로터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 하고, 서로 인접하고 있는 2개의 상기 마그넷의 중심 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τm으로 했을 때, τr≤1.1×τm-0.46×τt이 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

즉 개시된 발명에 따른 브러시리스 모터는 저회전수역과 고저회전수역에서 일정시간 구동되고, 고회전수역에서는 약화 계자 제어가 행해지는 자속 집중형 모터이다. 스테이터의 요크부의 둘레면으로부터 방사형으로 티스부가 돌출되어 있으며, 그 티스부의 돌출단에 마련된 스테이터측 대폭부가 로터의 로터측 대폭부와 미소 틈새를 두고 대향하고 있다. 이렇게 하여, 상술한 바와 같은 소정의 조건을 만족하도록 마그넷 등이 배치되어 있다.

이와 같은 구성의 브러시리스 모터에 의하면, 자속 집중형 모터를 저회전수역뿐 아니라 약화 계자 제어를 행함으로써 고회전수역에서 구동시킨 경우에도, 종래의 모터에 비해서 고회전수로 스테이터에 주기적으로 작용하는 인력을 억제할 수 있다. 따라서 저소음화를 도모할 수 있다.

또한 0.5×τm≤τr≤0.75×τm이 되도록 설정하는 것이 바람직하다.

그렇게 하면, 유기전압의 저하를 회피할 수 있기 때문에, 토크를 크게 손실하지 않고 저소음화를 도모할 수 있다.

구체적으로는, 상기 로터의 대극 수를 P로 하고, 상기 슬롯의 개수를 S로 했을 때 S가 24이상이며, 4/3×S≥2×P＞S의 관계를 만족하도록 설정할 수 있다.

그렇게 하면, 특히 저회전수역에서 안정된 모터 성능을 발휘시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 S가 24이상인 경우에는 상기 마그넷의 잔류 자속밀도를 0.35T 내지 0.5T의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

그렇게 하면, 마그넷에 저렴한 페라이트 자석을 이용할 수 있고, 비용의 삭감을 도모할 수 있다.

또한 상기 S가 24미만인 경우에는 상기 마그넷의 잔류 자속밀도를 1.1T 내지 1.5T의 범위 내로 설정하는 것이 바람직하다.

그렇게 하면, 마그넷에 강력한 네오딤 자석을 이용할 수 있고, 모터의 소형화에 맞추어서 마그넷의 크기를 작게 해도 고토크를 유지할 수 있다.

개시된 발명의 또 다른 일 측면에 의한 브러시리스 모터는 회전축을 중심으로 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 내측 또는 외측에 배치되는 스테이터를 구비하고, 상기 스테이터는 상기 로터측에 면하는 단면 링형의 둘레면을 갖는 요크부와, 이 요크부의 둘레면으로부터 상기 로터를 향해서 방사형으로 돌출되는 복수의 티스부와, 인접하는 이 티스부 사이에 형성되는 슬롯에 권선을 통하게 하면서 이 티스부에 두루 감아서 형성된 복수의 코일을 가지며, 상기 로터는 이 로터의 둘레 가장자리부에 상기 스테이터를 향해서 방사형으로 배치되고, 이 스테이터측의 단부에, 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 로터측 대폭부를 갖는 복수의 자성체와, 동일한 자극이 둘레방향으로 대향하도록 이 자성체 사이 각각에 배치된 복수의 마그넷을 가지고, 회전수가 다른 적어도 2개의 저회전수역과 고회전수역에서 일정시간 구동되고, 이 고회전수역에서는 약화 계자 제어가 행해진다.

상기 로터의 지름방향에서의 상기 자성체의 상기 스테이터측의 단면과 상기 마그넷의 상기 스테이터측의 단면 사이의 거리를 Lr로 하고, 상기 회전축방향으로부터 봤을 때, 상기 로터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 했을 때, 2.0㎜≤Lr≤3.5㎜, 또한 전기각으로 110°≤τr≤140°가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 로터는 상기 스테이터와 동일한 축이 되도록 배치된 원통형의 수지제 로터 본체를 더 가지고, 상기 로터 본체는 원관형의 내주벽과, 이 내주벽의 지름방향 외측에 배치된 원관형의 외주벽과, 이 내주벽의 축방향 일단과 이 외주벽의 축방향 일단을 연결하는 제1 면부와, 이 내주벽의 축방향 타단과 이 외주벽의 축방향 타단을 연결하는 제2 면부를 가지고, 상기 자성체 및 상기 마그넷은 상기 내주벽, 상기 외주벽, 상기 제1 면부 및 상기 제2 면부에 의해 형성된 내부 공간에 보유되고, 상기 내주벽과 상기 제1 면부가 이루는 각부에서의 상기 마그넷에 대응하는 부위에는 이 내주벽으로부터 이 제1 면부에 걸친 슬릿이 형성되고, 상기 외주벽의 상기 마그넷에 대응하는 부위에는 그 두께 방향으로 관통하는 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 로터의 대극 수를 P로 하고, 상기 슬롯의 개수를 S로 했을 때, S＜2×P＜4/3×S의 관계를 만족하는 것을 특징으로 한다.

제1 성형형과, 이 제1 성형형에 대해서 대향 배치되고, 이 제1 성형형과 함께 상기 로터 본체 성형용 캐비티를 형성하는 제2 성형형과, 이 캐비티의 상기 마그넷에 대응하는 부위에서의 지름방향 일측 벽면으로부터 돌출되는 슬라이드형을 구비하고, 상기 캐비티의 상기 마그넷에 대응하는 부위에서의 지름방향 타측 벽면에는 지름방향 일측으로 돌출되는 돌기가 마련된 사출 성형형을 이용하여 상기 제2 발명에 따른 브러시리스 모터에 이용되는 로터를 제조하는 방법이며, 상기 사출 성형형의 형폐 상태에서, 상기 슬라이드형 돌출단 및 상기 돌기에 의해 상기 캐비티에 수용된 상기 마그넷을 지름방향 양측으로부터 끼워넣고, 상기 캐비티 내에 용융 수지를 채워서 상기 사출 성형형의 형체가 행해지는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 내지 제4의 어느 하나의 발명에 따른 브러시리스 모터에 이용되는 로터의 제조 방법이며, 복수의 상기 자성체를 방사형으로 환형으로 배치함과 동시에, 이 자성체 사이 각각에 상기 마그넷을 배치하는 공정과, 환형으로 배치된 상기 자성체 및 상기 마그넷의 축방향 일단면 또는 양단면에 접착제를 도포하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 한다.

개시된 발명의 일 측면에 따르면, 특히 약화 계자 제어가 행해지는 고속 회전 시에 철손을 효과적으로 저감시킬 수 있으므로, 모터 성능이나 모터 효율의 향상을 도모할 수 있다.

개시된 발명의 다른 일 측면에 따르면, 고속 회전 시에 스테이터에 주기적으로 작용하는 인력을 제어할 수 있으므로 저소음화를 도모할 수 있다.

개시된 발명의 또 다른 일 측면에 의한 브러시리스 모터에 의하면, 특히 약화 계자 제어가 행해지는 고속 회전 시에 유기전압의 저하를 억제하면서 감자 내력을 향상시킬 수 있으므로, 모터 성능이나 모터 효율의 향상을 도모할 수 있다.

도 1은 일 실시예에 의한 모터가 탑재된 세탁기를 도시하는 개략 단면도이다.
도 2는 모터의 주된 출력영역을 나타낸 개략도이다.
도 3은 일 실시예에 의한 모터를 도시하는 개략 사시도이다.
도 4는 도 3의 X-X선에 따른 개략 단면도이다.
도 5는 도 4의 부분 확대도이다.
도 6은 로터를 도시하는 전체 사시도이다.
도 7는 로터를 도시하는 도면이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도, (c)는 (a)의 VIc-VIc선에 따른 단면도이다.
도 8은 로터 성형용 성형형의 단면을 도시하는 도면이며, (a)는 마그넷이 배치되는 부분을 도시하는 도면이고, (b)는 (a)의 VIIb부 확대도이다.
도 9는 약화 계자 제어를 행한 경우의 티스부의 철손의 분포를 도시하는 개략도이다.
도 10의 (a) 및 (b)는 상이한 위치에서의 스테이터측 대폭부의 철손의 분포를 도시하는 개략도이다.
도 11은 마그넷, 자성체, 티스부의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 τt/τm, τr/τm, IL(철손)의 관계를 나타낸 3차원 그래프이다.
도 13은 τt/τm, (Lt×P)/(τ×R), IL의 관계를 나타낸 3차원 그래프이다.
도 14는 τr/τm, IL, EMF(유기전압)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 15의 (a), (b)는 자속 집중형 모터에서 소음이 발생하는 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 스테이터에 작용하는 주기적인 인력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 17은 τt, τr 및 fR의 관계를 나타낸 3차원 그래프이다.
도 18은 τr, fR 및 EMF(유기전압)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 19은 로터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 로터 회전축을 연결하는 반경선 사이의 중심각(τr) 및 로터측 대폭부의 스테이터측 단면과 마그넷의 스테이터측 단면 사이의 거리(Lr)에 대한 유기전압(EMF)의 분포를 도시하는 개략도이다.
도 20는 중심각(τr) 및 거리(Lr)와 감자의 유무와의 관계를 도시하는 도면이다.
도 21은 거리(Lr)와 유기전압(EMF)과의 관계를 도시하는 그래프도이다.

본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 개시된 발명의 바람직한 예에 불과할 뿐이며, 본 출원의 출원시점에 있어서 본 명세서의 실시예와 도면을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있음을 이해하여야 한다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 실시예에 의한 브러시리스 모터에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1에 일 실시예에 의한 브러시리스 모터(단순히 모터(1)라고도 한다)를 적용한 세탁기(50)를 예시한다. 이 세탁기(50)는 가로형 세탁기이다. 세탁물이 투입되는 드럼(51)은 그 개구부를 전방으로 향하게 한 상태에서 하우징(50a)에 수용되어 있다. 드럼(51)은 가로방향 내지 비스듬한 가로방향으로 연장되는 회전축(A) 둘레로 회전한다. 또한 이 세탁기(50)는 전자동식이다. 「세탁」이나 「헹굼」, 「탈수」와 같은 일련의 처리는 1개의 드럼(51)에서 자동적으로 행해진다.

모터(1)는 드럼(51)의 바닥면과 하우징(50a)의 후측면 사이에 배치되어 있다. 이 모터(1)는 감속기를 개재하지 않고 드럼(51)에 연결되어 있으며(다이렉트 드라이브 모터), 드럼(51)은 모터(1)와 대략 동일한 회전수로 회전한다.

「세탁」이나 「헹굼」 시에는 다량의 물이 드럼(51)에 수용되기 때문에 비교적 느린 움직임으로 드럼(51)을 일정시간 작동시킬 필요가 있다. 한편 「탈수」 시에는 강한 원심력이 요구되기 때문에 드럼(51)을 고속으로 일정시간 작동시킬 필요가 있다.

따라서 이 모터(1)는 조건이 다른 2개의 영역에서 일정시간 안정된 출력이 얻어지도록 설정되어 있다. 구체적으로는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 「세탁」이나 「헹굼」에 대응하여 상대적으로 낮은 회전수에서 고토크인 출력이 요구되는 영역(저회전수역(LRR))과, 「탈수」에 대응하여 상대적으로 높은 회전수에서 저토크인 출력이 요구되는 영역(고회전수역(HRR))에서 각각 일정시간 안정된 출력이 얻어지도록 이 모터(1)는 설정되어 있다.

도 3 내지 도 5에 모터의 상세를 도시한다. 또한, 도 6은 로터를 도시하는 전체 사시도이고, 도 7는 로터를 도시하는 도면이며, (a)는 평면도, (b)는 정면도, (c)는 (a)의 VIc-VIc선에 따른 단면도이다.

모터(1)는 샤프트(2)나 모터 케이스(4), 로터(10), 스테이터(20) 등으로 구성되어 있다. 이 모터(1)는 이너 로터형이다. 따라서 로터(10)는 스테이터(20)의 내측에 배치되어 있다.

로터(10)는 로터 본체(12), 자성체(14), 마그넷(16) 등으로 구성되어 있다.

로터 본체(12)는 원주형상을 한 수지 성형체로 이루어진다. 로터 본체(12)의 중심부에는 원통형의 바닥부(12a)를 가지며, 그 중앙에는 원통형의 세레이션(12b)이 마련되어 있다. 이 세레이션(12b)에 샤프트(2)가 압입되어 있다. 이에 의해, 샤프트(2) 및 로터(10)는 서로의 중심을 회전축(A)에 일치시킨 상태에서 일체화되어 있다.

일체화된 샤프트(2) 및 로터(10)는 모터 케이스(4)에 회전 가능하게 지지되어 있다. 모터 케이스(4)는 브라켓 등을 통해서 하우징(50a)에 지지되어 있다. 샤프트(2)의 일단은 모터 케이스(4)에 형성된 축공을 통해서 외측으로 돌출되어 있다. 그 샤프트(2)의 일단이 드럼(51)의 구동기구(도시하지 않음)에 연결되어 있다.

또한, 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같이 바닥부(12a)의 외주 단부에는 이 바닥부(12a)와 수직인 원관형의 내주벽(12c)과, 이 내주벽(12c)의 지름방향 외측에서 이 내주벽(12c)과 평행한 원관형의 외주벽(12d)과, 이 내주벽(12c) 및 이 외주벽(12d)의 상단(축방향 일단)끼리를 연결하는 환형의 상면부(제1 면부)(12e)와, 이 내주벽(12c) 및 이 외주벽(12d)의 하단(축방향 타단)끼리를 연결하는 하면부(제2 면부)(12f)를 가지고 있다. 아울러 이 하면부(12f)는 상기 바닥부(12a)의 일부를 구성하고 있다.

자성체(14) 및 마그넷(16)은 내외 양 둘레벽(12c, 12d) 및 상하 양면부(12e, 12f)에 의해 형성된 내부 공간에 매설되어 있다. 상기 내주벽(12c) 및 상기 상면부(12e)가 이루는 각부에서의 상기 마그넷(16)에 대응하는 부위에는 이 내주벽(12c) 상단부로부터 이 상면부(12e) 내주 단부에 걸쳐서 직사각형의 슬릿(12g)이 형성되어 있다. 이 슬릿(12g)으로부터 상기 마그넷(16)의 내주 단부 상단이 노출되어 있다. 또한 상기 외주벽(12d) 상단부에서의 상기 마그넷(16)에 대응하는 부위에는, 두께 방향으로 관통하는 핀홀(관통공)(12h)이 형성되어 있다. 아울러 상기 외주벽(12d)의 상기 자성체(14)에 대응하는 부위에는 상하방향으로 연장되는 직사각형의 개구가 형성되어 있고, 이 개구로부터 이 자성체(14)의 외측 단면이 노출되어 있다.

또한, 일 실시예에 의한 모터(1)에서는 자성체(14) 및 마그넷(16)이 각각 56개 이용되고 있으며, 자극 수는 56, 대극 수(N극 및 S극으로 이루어지는 한쌍의 자극의 수)는 28로 되어 있다

각 자성체(14)는 자화성능이 우수한 동일 부재로 이루어진다. 자성체(14)는 예를 들어 금속판을 회전축(A)의 방향으로 적층하여 형성되어 있다. 이들 자성체(14)가 로터 본체(12)의 외주부분에 반경방향을 따라서 방사형으로 연장되도록 등간격으로 배치되어 있다. 상세하게는, 자성체(14)는 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 각 자성체(14)의 중심을 통하는 직선(L1)이 회전축(A) 상에서 교차되도록 로터 본체(12)의 외주부분에 매설되어 있다.

각 자성체(14)에서의 반경방향 외측에 위치되는 단부에는 양측면이 둘레방향으로 튀어나와서 폭이 넓어진 로터측 대폭부(14a)가 마련되어 있다. 상세하게는, 도 5에 도시한 바와 같이, 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 각 자성체(14)의 반경방향 외측의 단부는 반경방향 외측을 향해서 끝이 퍼지는 형태로 형성되어 있다. 이에 의해, 자성체(14)의 돌출단에 상대적으로 큰 단면 폭을 갖는 로터측 대폭부(14a)가 마련되어 있다.

또한, 로터측 대폭부(14a)의 반경방향 외측에 면하는 단면(14b)은 원호형으로 형성되어 있다. 회전축의 방향으로부터 봤을 때, 이들 단면(14b)이 모두 회전축(A)을 중심으로 하는 동일한 가상원(C)의 원주 상에 위치되도록 각 자성체(14)는 배치되어 있다.

인접하고 있는 자성체(14) 사이의 틈새 각각에 각 마그넷(16)이 배치되어 있다. 자성체(14) 및 마그넷(16)은 둘레방향으로 서로 밀착되어 있다. 각 마그넷(16)은 각 자성체(14)보다 반경방향 내측에 위치되어 있으며, 각 마그넷(16)의 반경방향 외측의 단면(16a)은 로터 본체(12)의 수지에 의해 피복되어 있다.

일 실시예에 의한 마그넷(16)에는 모두 동일한 직사각형 판형상을 한 페라이트 자석이 이용되고 있다. 구체적으로는, 반경방향의 길이가 10㎜ 내지 40㎜이며, 잔류 자속밀도가 0.35T 내지 0.5T의 범위 내에 있는 페라이트 자석이 이용되고 있다. 이 페라이트 자석의 로터 지름방향 길이가 10㎜미만인 경우에는 자속 집중 효과가 낮아진다. 또한 이 로터 지름방향 길이가 40㎜보다 큰 경우에는 페라이트 자석의 착자가 어려워진다. 따라서 상기 로터 지름방향 길이는 상기와 같이 10㎜ 내지 40㎜인 것이 바람직하다.

각 마그넷(16)은 동일한 자극이 둘레방향으로 대향하도록 배치되어 있다. 구체적으로는, 어떤 1개의 자성체(14)의 둘레방향측의 양측면에 밀착되어 있는 2개의 마그넷(16, 16)을 본 경우, 그 자성체(14)에 밀착되어 있는 양 마그넷(16, 16)의 측면은 모두 N극이거나, 모두 S극이 되도록 배치되어 있다.

따라서, 이 로터(10)에서는 양측의 마그넷(16, 16)의 N극 사이에 있는 자성체(14)에 의해 N극이 구성되고, 양측의 마그넷(16, 16)의 S극 사이에 있는 자성체(14)에 의해 S극이 구성되어 있다. 이에 의해, 이 로터(10)에서는 N극 및 S극으로 이루어지는 56개의 자극이 일정 간격을 두고 둘레방향으로 교대로 나란히 배치되어 있다.

여기서, 상기 로터(10)의 제조 방법에 대해서 도 8을 참조하여 설명한다. 도 8은 로터(10)의 제조에 이용되는 사출 성형형(30)의 단면을 도시하는 도면이며, (a)는 마그넷(16)이 배치되는 부분을 도시하는 도면이고, (b)는 (a)의 VIIb부 확대도이다.

상기 사출 성형형(30)은 주로 상기 로터 본체(12)의 외주 단부를 성형하는 고정형(제1 성형형)(31)과, 이 고정형(31)에 대해서 진퇴 가능하게 대향 배치되고, 이 고정형(31)과 함께 상기 로터 본체(12)의 상기 바닥부(12a)를 성형하는 가동형(제2 성형형)(32)을 구비하고 있다.

상기 고정형(31)에는 상방으로 개구되는 환형 오목부(31a)가 형성되고, 이 환형 오목부(31a)에 상기 자성체(14) 및 마그넷(16)이 방사형으로 교대로 배치된다. 이 환형 오목부(31a)의 지름방향 폭은 상기 자성체(14)의 지름방향 폭보다 약간 크다. 이 환형 오목부(31a)에는 내주면 하단으로부터 바닥면 내측단에 걸쳐서 L자 돌기(돌기)(31b)가 형성되고, 바닥면 외측 단부에는 상방으로 돌출되는 돌기(31c)가 형성되어 있다. 또한 상기 고정형(31)의 이 환형 오목부(31a) 외주측 내부에는 이 환형 오목부(31a) 외주면 하단에서 지름방향으로 진퇴 이동하는 슬라이드 핀(슬라이드형)(31d)이 마련되어 있다.

한편, 상기 가동형(32) 하부에는, 상기 로터 본체(12)의 바닥면부(12a)를 형성하는 성형면(32a)이 형성되어 있다. 그리고 양 형의 형폐 상태에서, 양 형 사이에 상기 로터 본체(12)에 대응하는 캐비티(33)가 형성된다. 상기 슬라이드 핀(31d)은 이 캐비티(33)의 상기 마그넷(16)에 대응하는 부위에서의 지름방향 외측 벽면으로부터 돌출되고, 또한 상기 L자 돌기(31b)는 이 캐비티(33)의 이 마그넷(16)에 대응하는 부위에서의 지름방향 내측 벽면에 지름방향 외측으로 돌출되도록 마련되어 있다.

상기 사출 성형형(30)을 이용하여 상기 로터(10)를 제조할 때에는, 우선 형개 상태에서 환형 오목부(31a) 내에 자성체(14) 및 마그넷(16)을 배치한다. 이 때 마그넷(16)을 슬라이드 핀(31d) 돌출단과 상기 L자 돌기(31b) 사이에 배치한다. 다음에, 사출 성형형(30)의 형폐를 행하여 캐비티(33)를 형성한다. 캐비티(33) 형성 후, 도시하지 않는 게이트로부터 용융 수지를 캐비티(33) 내에 사출 충진하고, 사출 성형형(30)의 형체를 행한다. 용융 수지가 냉각 고화되면 슬라이드 핀(31d)을 후퇴시키고, 사출 성형형(30)의 형개를 행하여 로터(10)을 이형한다. 그렇게 하면, 슬라이드 핀(31d)에 의해 상기 핀홀(12h)이 형성되고, L자 돌기(31b)에 의해 상기 슬릿(12g)이 형성된다.

이와 같이, 사출 성형형(30)의 슬라이드 핀(31d) 및 L자 돌기(31b)에 의해 마그넷(16)이 로터 지름방향 양측으로부터 끼워 넣어짐으로써, 마그넷의 로터 지름방향에서의 위치 결정이 이루어진다. 즉 사출 성형형(30)으로 마그넷(16)의 로터 지름방향에서의 위치 결정을 행할 수 있다. 따라서, 이 위치 결정 작업을 별도로 행할 필요가 없으며, 로터(10) 제조의 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한 상기 로터(10)의 제조 방법으로서 다음과 같은 방법도 있다. 즉, 우선 복수의 자성체(14)를 방사형으로 환형으로 배치함과 동시에, 이 자성체(14) 사이 각각에 마그넷(16)을 배치한다. 다음에, 환형으로 배치된 자성체(14) 및 마그넷(16)의 상단면 또는 상하 양단면에 도시하지 않는 접착제를 도포한다. 그리고 일체화한 자성체(14) 및 마그넷(16)을 로터 본체(12) 성형용 성형형 내에 세트하고, 이 로터 본체(12)를 성형한다. 이와 같이, 환형으로 배치된 자성체(14) 및 마그넷(16)에 접착제를 도포하여 양 부재를 일체화하고 있으므로, 양 부재를 나란히 배치하기 위한 플레이트 등의 부재를 별도로 준비할 필요가 없다.

스테이터(20)는 요크부(22), 티스부(24), 코일(26) 등으로 구성되어 있다.

요크부(22)는 원통형상을 갖고, 모터 케이스(4)의 내면에 고정되어 있다. 요크부(22)의 내주면(22a)은 회전축(A)을 중심으로 하는 단면 링형으로 형성되어 있다. 이 내주면(22a)에 48개의 티스부(24)가 형성되어 있다. 요크부(22) 및 티스부(24)는 일체의 구조물이며, 금속판을 회전축(A)의 방향으로 적층하여 형성되어 있다.

티스부(24)는 요크부(22)의 내주면(22a)으로부터 로터(10)측을 향해서 방사형으로 돌출되어 있다. 상세하게는, 티스부(24)는 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 각 티스부(24)의 중심을 통하는 직선(L2)이 회전축(A) 상에서 교차되도록 요크부(22)의 내주면(22a)으로부터 로터(10)측을 향해서 돌출되어 있다.

각 티스부(24)의 돌출단에는 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 스테이터측 대폭부(24a)가 마련되어 있다. 상세하게는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 각 티스부(24)의 돌출단 부분은 둘레방향측의 양측면이 돌출단측을 향해서 끝이 퍼지는 형태로 형성되어 있다. 이에 의해, 티스부(24)의 돌출단에 상대적으로 큰 단면 폭을 갖는 스테이터측 대폭부(24a)가 마련되어 있다.

이들 스테이터측 대폭부(24a)의 단면(24b)이 모두 회전축(A)을 중심으로 하는 동일한 가상원을 따라서 위치되도록 스테이터(20)는 배치되어 있다.

각 티스부(24)는 둘레방향으로 등간격으로 배치되어 있으며, 인접하는 2개의 티스부(24) 사이에는 회전축(A)의 방향으로 연장되는 슬롯(28)(공간)이 형성되어 있다.

이 스테이터(20)의 경우, 슬롯(28)은 48개 형성되어 있다. 이들 슬롯(28)에 반복적으로 통하게 하면서 각 티스부(24)에 권선을 정렬하여 두루 감음으로써, 이 스테이트(20)에는 48개의 코일(26)이 형성되어 있다. 이 모터(1)에서는 코일(26)은 티스부(24)마다 형성되어 있다(집중권).

저회전수역(LRR)에서 안정된 출력을 얻기 위해서는 모터 설계 상, 슬롯(28)의 개수는 24이상인 것이 바람직하다. 이에 대응하여, 자극 수, 대극 수로 말하면 그 2배의 값은 그보다 많으며, 또한 슬롯(28)의 개수의 4/3배 이하로 하는 것이 바람직하다.

예를 들어, 슬롯(28)이 24개이면 자성체(14)의 개수는 25개 내지 32개의 범위에서 선택하면 된다. 또한 슬롯(28)이 48개이면 자성체(14)의 개수는 49개 내지 64개의 범위에서 선택하면 된다. 일 실시예에 의한 모터(1)에서는 56개의 마그넷(16)이 이용되고 있다.

또한 모터(1)의 소형화가 요구되어, 슬롯의 개수가 24개 미만이 되는 경우가 있다. 그러한 경우, 마그넷(16)은 페라이트 자석보다 자력이 강한 네오딤 자석을 이용하는 것이 바람직하다. 그렇게 하면, 모터(1)의 소형화에 맞추어서 마그넷(16)의 크기를 작게 해도 고토크를 유지할 수 있다. 구체적으로는, 반경방향의 길이가 3㎜ 내지 15㎜이며, 잔류 자속밀도가 1.1T 내지 1.5T의 범위 내에 있는 네오딤 자석을 이용하면 된다.

그리고 이와 같은 형태의 로터(10) 및 스테이터(20)는 티스부(24)의 스테이터측 대폭부(24a)의 단면이 자성체(14)의 로터측 대폭부(14a)의 단면과 미소한 틈새(미소 틈새)를 두고 대향하도록 배치되어 있다.

이 모터(1)는 저회전수역(LRR)뿐 아니라 고회전수역(HRR)에서도 구동된다. 그리고 고회전수역(HRR)에서는 약화 계자 제어가 행해진다. 즉 고속 회전으로 구동할 때에는 소정의 타이밍으로 계자를 약화시키는 제어가 행해진다.

구체적으로는, 마그넷(16)에 의해 발생하는 자속은 일정하기 때문에, 회전수의 상승에 따라서 그 자속에 의해 발생하는 유기전압이 증가된다. 그리고 이 유기전압이 전원의 인가전압과 동일해질 때까지 회전수가 상승되면, 모터(1)에 전류가 흐르지 않게 되므로 더 이상 회전수를 상승시킬 수 없게 된다.

그러므로, 이 모터(1)에서는 토크의 발생에 영향이 적은 타이밍으로 그 유기전압의 증가를 억제하는 약화 계자 제어를 행함으로써 고회전수역(HRR)에서도 회전할 수 있도록 하고 있다. 또한 약화 계자 제어는 주지 기술이기 때문에 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

따라서 이 모터(1)에서는 저회전수역(LRR)뿐 아니라 고회전수역(HRR)에서도 안정된 출력을 얻을 수 있다.

그러나 고회전수역(HRR)에서는 자속 집중형 모터를 채용하고, 자극의 자속밀도를 높임으로써 철손의 영향을 받기 쉬워지고, 모터 효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 고회전수역(HRR)에서는 서두에 설명한 바와 같이 소음의 발생이라는 문제가 있다. 이 소음은 스테이터(20)의 공진을 원인으로 하고 있기 때문에 토크 리플을 억제하는 것만으로는 해소될 수 없다. 뿐만 아니라, 약화 계자 제어에서는 코일(26)에 마그넷(16)의 계자를 약화시키는 자속을 생성하는 전류를 흘리기 때문에, 마그넷(16)의 스테이터(20)에 가까운 영역에서 감자가 발생하게 된다.

우선, 철손의 저감에 대하여 검토한 이후 소음의 저감 및 감자의 저감에 대하여 검토한다.

철손의 저감에 대해서 예의 검토한 결과, 약화 계자 제어를 행한 경우 철손은 티스부(24)의 선단부분에 집중되는 것을 발견했다.

도 9에 약화 계자 제어를 행한 경우의 티스부(24)의 철손의 분포를 간략화하여 도시한다. 이 도면에서는 철손이 큰 부위일수록 검어지도록 표시되어 있다. 이 도면으로부터 명백한 바와 같이, 요크부(22)나 티스부(24)의 본체부분에는 거의 철손은 발생하지 않고, 티스부(24)의 돌출단 부분, 즉 스테이터측 대폭부(24a)에 철손이 집중되는 것이 확인되었다.

아울러 도 9와 동일하게, 도 10에 간략화하여 도시하는 바와 같이, 자성체(14)가 티스부(24)와 대향하여 위치되는 경우(도 10의 a)와, 인접하는 2개의 자성체(14, 14) 사이가 티스부(24)와 대향하여 위치되는 경우(도 10의 b)에 스테이터측 대폭부(24a)에서의 철손의 집중에도 차이가 있는 것이 확인되었다.

특히 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이, 인접하는 2개의 자성체(14, 14) 사이가 티스부(24)와 대향하여 위치되는 경우에 스테이터측 대폭부(24a)를 통해서 양 자성체(14, 14) 사이에서 자속이 흐르는 단락 자계가 형성된다. 그 결과, 스테이터측 대폭부(24a)의 자속 밀도가 높아지고, 보다 한층 철손이 스테이터측 대폭부(24a)에 집중되는 것이 확인되었다.

그러므로, 이 모터(1)에서는 이 스테이터측 대폭부(24a)에 집중되는 철손을 저감시키기 위해서 자성체(14) 등의 배치가 연구되고 있다.

도 11을 참조하면서 자성체(14), 마그넷(16) 및 티스부(24)의 배치에 대해서 설명한다.

도 11에 도시하는 바와 같이, 우선 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 미소 틈새에 면하는 로터측 대폭부(14a)의 단면(14b)과 회전축(A)을 연결하는 반경선의 길이, 즉 가상원(C)의 반경을 R로 한다. 마찬가지로 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 스테이터측 대폭부(24a)에서의 반경방향의 두께, 구체적으로는 스테이터측 대폭부(24a)의 단면(24b)과, 티스부(24)의 양측면이 끝이 퍼지는 형태로 퍼지기 시작하는 각 측면의 굴곡부위(24c)를 연결하여 얻어지는 스테이터측 대폭부(24a)의 티스부(24)와의 경계를 나타내는 경계선 사이의 거리를 Lt로 한다. 또한, 마그넷(16)의 지름방향 외측 단면(즉, 스테이터측 단면)(16a)과 로터측 대폭부(14a)의 지름방향 외측 단면(즉, 스테이터측 단면)(14b) 사이의 거리를 Lr로 한다.

또한 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 서로 인접하고 있는 2개의 마그넷(16)의 중심(16b) 각각과 회전축(A)을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τm으로 한다. 또한 로터측 대폭부(14a)에서의 둘레방향측의 양단 각각과 회전축(A)을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 한다.

그리고 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 스테이터측 대폭부(24a)에서의 둘레방향측의 양단 각각과 회전축(A)을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τt로 한다.

이들 자성체(14) 등의 배치에 관한 수치를 이용하여, 철손(IL로 나타낸다)에 미치는 영향에 대해서 해석을 행했다. 구체적으로는, 실용적인 배치조건으로서 생각할 수 있는 범위에서 τm에 대한 τt 및 τr의 비율(τt/τm, τr/τm)을 각각 변화시켜서 IL(단위 : W)에의 영향을 조사했다. 그 해석결과를 도 12에 도시한다.

도 12는 τr/τm 및 τt/τm의 값의 변화와 IL과의 관계를 간략화하여 나타낸 3차원 그래프이다. 이 도면에서는 화살표가 나타내는 바와 같이 X축방향 및 Y축방향으로 τr/τm 및 τt/τm이 각각 표시되고, Z축방향으로 IL이 표시되어 있다.

도 12로부터 명백한 바와 같이, τr/τm 및 τt/τm의 값에 의해 IL이 낮은 값으로 안정되어 있는 영역과, IL이 증가되어 높은 값을 나타내는 영역이 인정되었다. 그러므로, 이들 영역을 간이하게 구획할 수 있는 τr, τt 및 τm의 일차적인 관계를 구하고, IL을 효과적으로 억제할 수 있는 영역(도트로 도시하는 영역)을 나타내는 관계식을 얻었다. 그 제1 관계식을 다음에 나타낸다.

τr≤2.85×τm-2.65×τt(제1 관계식)

또한 실용적인 배치조건으로서 생각할 수 있는 범위에서 τt/τm과, (Lt×P)/(π×R)을 각각 변화시켜서 IL에의 영향을 조사했다. 또한 (Lt×P)/(π×R)은 로터 외주의 1 대극분의 원호길이에 대한 Lt의 비이다. 그 해석결과를 도 13에 나타낸다.

도 13은 도 12와 동일하게, τt/τm, (Lt×P)/(π×R)의 값의 변화와 IL과의 관계를 간략화하여 나타낸 3차원 그래프이다. 이들 사이에서도 IL이 낮은 값으로 안정되어 있는 영역과, IL이 증가되어 높은 값을 나타내는 영역이 인정되었으므로, IL을 효과적으로 억제할 수 있는 영역(도트로 나타내는 영역)을 나타내는 관계식을 구하고, 다음의 제2 관계식을 얻었다.

(Lt×P)/(π×R)≥τt/τm-0.6(제2 관계식)

따라서 이들 제1 및 제2 관계식의 쌍방을 만족하도록 τt, τr 및 τm을 설정하면 철손을 안정되게 저감시킬 수 있으므로, 약화 자계 제어를 행하는 자속 집중형 모터의 모터 효율의 향상을 도모할 수 있다.

또한 0.5≤τr/τm≤0.75(제3 관계식)를 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다.

제3 관계식을 더 만족하도록 τr/τm을 설정하면 유기전압(EMF)의 저하를 억제할 수 있다.

도 14에 τr/τm의 값의 변화에 대한 IL 및 EMF에의 영향을 조사한 결과를 나타낸다. 이 도면에서 실선이 IL을 나타내고, 파선이 EMF를 나타내고 있다.

본래에 IL을 저감시키려면 τr의 값은 작은 쪽이 바람직하나, τr이 너무 작아지면 EMF가 저하되어 모터의 토크 저하를 초래한다. 이러한 점에서 EMF는 τr/τm의 증가와 함께 일단 증가된 후, 0.6 부근을 피크로 하여 감소되고, τr/τm의 값이 약 0.75를 초과하면 EMF는 τr/τm의 값이 0.5일 때보다 더 작아지는 경향이 인정되었다.

따라서 이들 결과에 기초하면, 이들 제1 내지 제3 관계식을 만족하도록 τr 등을 설정하면 철손의 저감과 함께 EMF의 저하도 방지할 수 있으므로, 보다 한층 모터의 성능 향상을 도모할 수 있다.

다음으로 소음의 저감에 대하여 검토한다.

자속 집중형 모터는 상술한 바와 같이 소음이나 진동의 문제가 발생하기 쉽다. 특히 고속회전에서의 구동 시에는 소음이나 진동이 현저하다. 이 소음은 스테이터의 공진을 원인으로 하고 있기 때문에, 토크 리플을 억제하는 것만으로는 해소될 수 없다.

도 15의 (a), (b)는 자속 집중형 모터에서 소음이 발생하는 구조를 설명하기 위한 도면이다. 로터(10)는 화살표 R이 나타내는 방향으로 회전한다. 로터(10)는 코일(26)에 전류가 공급됨으로써 회전하는데, 여기서는 전류가 공급되어 있지 않은 상태(무부하상태)를 상정한다.

도 15의 (a)에 도시하는 바와 같이, 서로 인접한 자성체(14) 사이의 부분(자극간 공극)이 티스(24)와 정면으로 마주하는 위치에 있을 때에는 티스(24)를 통해서 근접하고 있는 2개의 자성체(14) 사이에서 강한 자계가 형성된다. 그 결과, 각 티스(24)에는 흰색으로 표시된 화살표가 나타내는 바와 같이 회전축 측으로 인력이 작용한다.

도 15의 (b)에 도시하는 바와 같이, 자성체(14)가 티스(24)와 정면으로 마주하는 위치에 있을 때에는 자계의 형성이 약화되기 때문에, 그에 따라서 각 티스(24)에 작용하는 인력도 약화된다.

따라서 로터(10)가 회전하면, 도 15 (a)와 같이 각 티스(24)에 회전축 측으로 인력이 강하게 작용하는 상태와, 도 15의 (b)와 같이 그 인력이 약화되는 상태가 주기적으로 발생한다.

도 16에 그 주기적인 인력의 변화를 나타낸 그래프를 도시한다(실선). 이 그래프에서는 자성체 2개(N극과 S극)분의 로터의 회전에 상당하는 전기각 1주기(전기각 360°)분에서의 인력의 변화를 나타내고 있다. 도 2에 도시하는 바와 같이, 로터가 전기각 1주기분 회전하는 동안에는 자극간 공극은 티스와 2회 정면으로 마주하기 때문에 인력이 높아지는 피크는 2개 발생한다.

즉 로터가 전기각 1주기분 회전할 때마다 스테이터는 반경방향으로 회전중심을 향해서 2회 강하게 당겨져서 주기적으로 수축 변화된다. 그 결과, 스테이터에는 전기각 주파수의 2배의 주파수에서 진동이 발생한다.

그 주파수와 스테이터의 고유주파수가 일치하면, 공진하여 소음이 발생한다. 또한 도 16에서는 전기각 주파수의 2배의 주파수에서 발생하는 2차 성분의 인력을 예로 들어 설명했으나, 스테이터에는 더 그 2차 성분의 배수(4배, 6배 등)의 주파수에서도 고차 성분의 인력이 작용하기 때문에 그들 주파수에서도 소음은 발생할 수 있다.

또한 자속 집중형 모터를 고속회전으로 구동할 때에 약화 계자 제어가 행해지는 경우가 있다. 그 경우 도 15의 (b)에 도시한 바와 같은 자성체와 티스가 정면으로 마주하여 토크에의 영향이 적은 타이밍으로 코일에 자성체의 자속을 감쇄하는 자속이 형성된다.

그렇게 하면, 자성체와 티스가 정면으로 마주하고 있을 때에 티스에 작용하는 인력은 더 약화된다. 그 결과, 도 16에 파선으로 도시한 바와 같이, 인력의 강약 변화가 보다 커지기 때문에 스테이터의 수축 변화도 증가된다. 따라서 약화 계자 제어를 행하면 소음의 증가를 초래할 수 있다.

이해를 돕기 위하여 도 11을 다시 참조하여 일 실시예에 의한 모터의 마그넷, 자성체, 티스부의 배치에 대하여 다시 설명한다. 도 11을 다시 참조하면, 상술한 바와 같이 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 서로 인접하고 있는 2개의 마그넷(16)의 중심(16b) 각각과 회전축(A)을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τm으로 하였다. 또한 로터측 대폭부(14a)에서의 둘레방향측의 양단 각각과 회전축(A)을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 하였다. 또한, 회전축(A)의 방향으로부터 봤을 때, 스테이터측 대폭부(24a)에서의 둘레방향측의 양단 각각과 회전축(A)을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τt로 하였다.

이들 자성체(14) 등의 배치에 관한 수치를 이용하여, 티스부(24)에 작용하는 인력(fR)에 미치는 영향에 대해서 해석을 행했다. 구체적으로는, 실용적인 배치조건으로서 생각할 수 있는 범위에서 τt 및 τr 각각의 값을 변화시켜, 스테이터(20)에 작용하는 반경방향의 인력(fR)의 2차성분에의 영향을 조사했다. 그 해석결과를 도 17에 도시한다.

도 17은 τt, τr 및 fR의 관계를 간략화하여 나타낸 3차원 그래프이다. 이 도면에서는 화살표가 나타내는 바와 같이 X축방향 및 Y축방향으로 τt 및 τr이 각각 표시되고, Z축방향으로 fR이 표시되어 있다. τr 및 τt 쌍방의 값이 커질수록 fR은 커지고, 특히 어떤 영역으로부터 급격히 fR이 증가되는 경향이 인정되었다.

그러므로 fR이 급격히 증가되는 영역과 fR의 급격한 증가가 인정되지 않는 영역을 간이하게 구획할 수 있는 τr 및 τt의 일차적인 관계를 구했다. 그 결과, fR의 증가를 효과적으로 억제할 수 있는 영역(도트로 도시하는 영역)을 나타내는 관계식이 얻어졌다. 그 제4 관계식을 다음에 나타낸다.

τr≤1.1×τm-0.46×τt(제4 관계식)

따라서 이 관계식을 만족하도록 τt, τr 및 τm을 설정하면 fR의 증가를 안정되게 악제할 수 있으므로, 약화 자계 제어를 행하는 자속 집중형 모터이어도 저소음화를 효과적으로 도모할 수 있다.

또한 0.5×τm≤τr≤0.75×τm(제5 관계식)을 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다.

제5 관계식을 만족하도록 τr을 설정하면 유기전압(EMF)의 저하를 억제할 수 있다.

도 18에 τr의 값의 변화에 대한 fR 및 EMF에의 영향을 조사한 결과를 나타낸다. 도면에서 실선이 fR을 나타내고, 파선이 EMF를 나타내고 있다.

상술한 바와 같이, fR은 τr과 함께 증가되는 것에 반해, EMF의 경우 피크가 인정되었다. 즉 EMF는 τr의 증가와 함께 일단 증가된 후, 0.6τm 부근을 피크로 하여 감소되었다. 그리고 τr의 값이 약 0.75τm을 초과하면 EMF는 τr의 값이 0.5τm일 때보다 더 작아지는 경향이 인정되었다.

따라서 이들 결과에 기초하면, τr을 제4 및 제5 관계식의 쌍방을 만족하도록 설정하면 EMF의 저하도 방지할 수 있으므로, 토크를 크게 손실하지 않고 저소음화를 도모할 수 있다.

다음으로 감자의 저감에 대하여 검토한다.

상술한 바와 같이 약화 계자 제어에서는 코일(26)에 마그넷(16)의 계자를 약화시키는 자속을 생성하는 전류를 흘리기 때문에, 마그넷(16)의 스테이터(20)에 가까운 영역에서 감자가 발생하게 된다. 이 감자를 회피하는 대책의 하나로서, 마그넷(16)을 스테이터(20)로부터 이격시키는 방법이 있다. 그러나 양자를 이격시키면 모터(1)의 유기전압이 저하되는 다른 문제가 발생한다.

그러므로, 약화 계자 제어에 있어서, 유기전압의 저하를 억제하면서 감자 내력의 향상을 도모할 수 있도록 본원 발명자들은 예의 검토를 행했다. 구체적으로는, 상기 로터측 대폭부(14a)에서의 둘레방향측의 양단 각각과 상기 회전축(A)을 연결하는 반경선 사이의 중심각(τr), 및 상기 마그넷(16)의 지름방향 외측 단면(즉, 스테이터측 단면)(16a)과 상기 로터측 대폭부(14a)의 지름방향 외측 단면(즉, 스테이터측 단면)(14b)과의 거리(Lr)를 각각 변화시켜, 거기에 따르는 상기 마그넷(16)의 감자의 크기 및 유기전압의 변화를 확인했다.

그 결과를 도 19 내지 도 21에 도시한다. 도 19은 약화 계자 제어가 행해지는 소정 회전수로 로터(10)를 회전시켰을 때의 상기 중심각(τr) 및 상기 거리(Lr)에 대한 상기 유기전압(EMF)의 분포를 도시하는 개략도이다. 도 20는 상기 중심각(τr) 및 상기 거리(Lr)와 감자의 유무와의 관계를 도시하는 도면이며, ○은 감자가 발생하지 않았던 경우를 나타내고, ×는 감자가 발생한 경우를 나타내고 있다. 도 21은 상기 거리(Lr)와 유기전압(EMF)과의 관계를 도시하는 그래프도이다.

도 19의 가로축은 상기 중심각(τr)의 크기를 전기각으로 나타내고 있다. 이 가로축의 값이 작을수록 상기 자성체(14)의 상기 로터측 대폭부(14a)가 좁아지고, 인접하는 이 로터측 대폭부(14a) 사이의 간격이 넓어진다. 한편 이 가로축의 값이 클수록 상기 로터측 대폭부(14a)가 넓어지고, 인접하는 이 로터측 대폭부(14a) 사이의 간격이 좁아진다. 또한 도 19의 세로축은 상기 거리(Lr)의 크기를 나타내고 있다. 이 세로축의 값이 작을수록 마그넷(16)의 스테이터측 단면(16a)이 자성체(14)의 스테이터측 단면(14b)에 가까워지는 반면, 이 세로축의 값이 클수록 상기 스테이터측 단면(16a)이 상기 스테이터측 단면(14b)으로부터 멀어진다. 또한 도 19에서는 색이 엷은 영역일수록 높은 유기전압을 나타내고 있다. 그리고 4번째로 색이 엷은 영역(즉 3번째로 색이 진한 영역)이 종래의 유기전압을 나타내고 있다.

도 19로부터 알 수 있듯이, 상기 중심각(τr)이 크고, 또한 상기 거리(Lr)가 큰 영역에서 유기전압이 낮아지는 것을 알 수 있다. 이것은 마그넷으로부터의 자속이 로터측 대폭부(14a) 근방에서 인접하는 로터측 대폭부 사이를 통하여 루프하여 스테이터에 도달하기 어려워지기 때문이다.

다음에, 도 20로부터 알 수 있듯이, 상기 중심각(τr)이 전기각으로 110°≤τr≤140°, 또한 상기 Lr이 2.0㎜이상인 영역에서 감자가 발생하지 않았다. 그리고, 도 21은 상기 중심각(τr)이 전기각으로 110°≤τr≤140°에서 상기 거리(Lr)를 변화시켰을 때의 유기전압의 변화를 나타내고 있다. 도 21에서 Ep는 종래의 유기전압의 크기를 나타내고 있다. 이 도면으로부터, 상기 Lr이 3.5㎜이하이며, 유기전압이 종래의 유기전압(Ep)보다 큰 것을 알 수 있다.

따라서, 이들 결과에 기초하면, 상기 중심각(τr) 및 상기 거리(Lr)를 전기각으로 110°≤τr≤140°, 또한 2.0㎜≤Lr≤3.5㎜로 설정함으로써, 유기전압의 저하를 억제하면서 감자 내력의 향상을 도모할 수 있다.

아울러 상기 실시형태에서는 상기 모터(1)가 상기 스테이터(20)의 내측에 상기 로터(10)가 배치되어 있는 이너 로터형이나, 이에 한정되지 않고, 로터(10)가 스테이터(20)의 외측에 배치되어 있는 아우터 로터형이어도 된다.

또한 상기 실시형태에서는 로터(10)의 회전축(A)의 연장되는 방향으로부터 봤을 때, 상기 자성체(14)의 로터측 대폭부(14a) 기단부가 직선형으로 형성되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 이 기단부가 이 자성체(14) 내측에 파여져 있어도 된다.

또한 상기 실시형태에서는 환형 오목부(31a)의 지름방향 외측에 슬라이드 핀(31d)이 마련되고, 지름방향 내측에 L자 돌기(31b)가 마련되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 환형 오목부(31a)의 지름방향 내측에 슬라이드 핀(31d)이 마련되고, 지름방향 외측에 L자 돌기(31b)가 마련되어 있어도 된다.

이상에서는 개시된 발명의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 개시된 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며 청구범위에서 청구하는 요지를 벗어남 없이 개시된 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형실시가 가능함을 물론이고 이러한 변형실시들은 개시된 발명으로부터 개별적으로 이해되어져서는 아니될 것이다.

1 : 모터 2 : 샤프트
10 : 로터 12 : 로터 본체
12c : 내주벽 12d : 외주벽
12e : 상면부(제1 면부) 12f : 하면부(제2 면부)
12g : 슬릿 12h : 핀홀(관통공)
14 : 자성체 14a : 로터측 대폭부
14b : 스테이터측 단면(자성체의 스테이터측의 단면)
16 : 마그넷
16a : 스테이터측 단면(마그넷의 스테이터측의 단면)
16b : 중심 20 : 스테이터
22 : 요크부 22a : 내주면
24 : 티스부 24a : 스테이터측 대폭부
26 : 코일 28 : 슬롯
30 : 사출 성형형 31 : 고정형
31b : L자 돌기(돌기) 31d : 슬라이드 핀(슬라이드형)
32 : 가동형 33 : 캐비티
A : 회전축 LRR : 저회전수역
HRR : 고회전수역

Claims (13)

1. 회전축을 중심으로 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 내측 또는 외측에 배치되는 스테이터를 구비하고,
   상기 스테이터는 상기 로터 측에 면하는 단면 링형의 둘레면을 갖는 요크부와, 상기 요크부의 둘레면으로부터 상기 로터를 향해서 방사형으로 돌출되고, 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 스테이터측 대폭부를 돌출단에 갖는 복수의 티스부을 가지고,
   상기 로터는 상기 로터의 둘레 가장자리부에 상기 스테이터를 향해서 방사형으로 배치되고, 이 스테이터 측의 단부에 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 로터측 대폭부를 갖는 복수의 자성체와, 동일한 자극이 둘레방향으로 대향하도록 상기 자성체 사이 각각에 배치된 복수의 마그넷을 가지고,
   상기 로터의 대극 수를 P로 하고,
   상기 로터측 대폭부의 단면과 상기 회전축을 연결하는 반경선의 길이를 R로 하고, 상기 스테이터측 대폭부에서의 반경방향의 두께를 Lt로 하고, 상기 스테이터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 상기 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τt로 하고, 상기 로터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 하고, 서로 인접하고 있는 2개의 상기 마그넷의 중심 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τm으로 했을 때,
   τr≤2.85×τm-2.65×τt, 또한 (Lt×P)/(π×R)≥τt/τm-0.6가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
2. 제1항에 있어서,
   또한 0.5≤τr/τm≤0.75가 되도록 설정되어 있는 브러시리스 모터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 스테이터의 슬롯의 개수를 S로 했을 때 4/3×S≥2×P＞S의 관계를 만족하는 브러시리스 모터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 S가 24이상이고,
   상기 마그넷의 잔류 자속밀도가 0.35T 내지 0.5T의 범위 내인 브러시리스 모터.
5. 제3항에 있어서,
   상기 S가 24미만이고,
   상기 마그넷의 잔류 자속밀도가 1.1T 내지 1.5T의 범위 내인 브러시리스 모터.
6. 회전축을 중심으로 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 내측 또는 외측에 배치되는 스테이터를 구비하고,
   상기 스테이터는 상기 로터측에 면하는 단면 링형의 둘레면을 갖는 요크부와, 이 요크부의 둘레면으로부터 상기 로터를 향해서 방사형으로 돌출되는 복수의 티스부을 가지며,
   상기 로터는 이 로터의 둘레 가장자리부에 상기 스테이터를 향해서 방사형으로 배치되고, 이 스테이터측의 단부에, 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 로터측 대폭부를 갖는 복수의 자성체와, 동일한 자극이 둘레방향으로 대향하도록 이 자성체 사이 각각에 배치된 복수의 마그넷을 가지고,
   상기 자성체의 상기 스테이터측의 단면과 상기 마그넷의 상기 스테이터측의 단면 사이의 거리를 Lr로 하고, 상기 로터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 했을 때,
   2.0㎜≤Lr≤3.5㎜이며, 또한 전기각으로 110°≤τr≤140°가 되도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 로터는 상기 스테이터와 동일한 축이 되도록 배치된 원통형의 수지제 로터 본체를 더 가지고,
   상기 로터 본체는 원관형 내주벽과, 이 내주벽의 지름방향 외측에 배치된 원관형의 외주벽과, 이 내주벽의 축방향 일단과 이 외주벽의 축방향 일단을 연결하는 제1 면부와, 이 내주벽의 축방향 타단과 이 외주벽의 축방향 타단을 연결하는 제2 면부를 가지고, 상기 자성체 및 상기 마그넷은 상기 내주벽, 상기 외주벽, 상기 제1 면부 및 상기 제2 면부에 의해 형성된 내부 공간에 보유되고,
   상기 내주벽과 상기 제1 면부가 이루는 각부에서의 상기 마그넷에 대응하는 부위에는 이 내주벽으로부터 이 제1 면부에 걸친 슬릿이 형성되고,
   상기 외주벽의 상기 마그넷에 대응하는 부위에는 그 두께 방향으로 관통하는 관통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 로터의 대극 수를 P로 하고, 상기 스테이터의 슬롯의 개수를 S로 했을 때, S＜2×P＜4/3×S의 관계를 만족하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
9. 회전축을 중심으로 회전 가능한 로터와, 상기 로터의 내측 또는 외측에 배치되는 스테이터를 구비하고,
   상기 스테이터는 상기 로터 측에 면하는 단면 링형의 둘레면을 갖는 요크부와, 상기 요크부의 둘레면으로부터 상기 로터를 향해서 방사형으로 돌출되고, 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 스테이터측 대폭부를 돌출단에 갖는 복수의 티스부을 가지고,
   상기 로터는 상기 로터의 둘레 가장자리부에 상기 스테이터를 향해서 방사형으로 배치되고, 이 스테이터측의 단부에 양측면이 튀어나와서 폭이 넓어진 로터측 대폭부를 갖는 복수의 자성체와, 동일한 자극이 둘레방향으로 대향하도록 상기 자성체 사이 각각에 배치된 복수의 마그넷을 가지고,
   상기 스테이터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τt로 하고, 상기 로터측 대폭부에서의 둘레방향측의 양단 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τr로 하고, 서로 인접하고 있는 2개의 상기 마그넷의 중심 각각과 이 회전축을 연결하는 2개의 반경선 사이의 중심각을 τm으로 했을 때,
   τr≤1.1×τm-0.46×τt이 되도록 설정되어 있는 브러시리스 모터.
10. 제9항에 있어서,
    또한 0.5×τm≤τr≤0.75×τm이 되도록 설정되어 있는 브러시리스 모터.
11. 제10항에 있어서,
    상기 로터의 대극 수를 P로 하고, 상기 스테이터의 슬롯의 개수를 S로 했을 때 4/3×S≥2×P＞S의 관계를 만족하는 브러시리스 모터.
12. 제11항에 있어서,
    상기 S가 24이상이고,
    상기 마그넷의 잔류 자속밀도가 0.35T 내지 0.5T의 범위 내인 브러시리스 모터.
13. 제11항에 있어서,
    상기 S가 24미만이고,
    상기 마그넷의 잔류 자속밀도가 1.1T 내지 1.5T의 범위 내인 브러시리스 모터.

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