KR101874002B1 - 3상 영구자석 모터 - Google Patents

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도시히토 미야시타
마사히로 야마구치
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산요 덴키 가부시키가이샤
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Abstract

토크 리플을 줄임과 동시에 다층 배선 기판의 층수를 삭감하여 다층 배선 기판의 제조비용의 저감을 실현한다.
3상 영구자석형 모터(100)는, 동일 방향으로 감은 복수의 코일(40)을 배치한 슬롯수가 12n(n은 임의의 자연수)인 스테이터(2)와, 영구자석(20)의 극수가 10n 또는 14n인 로터(1)와, 2m 병렬(m은 1을 포함한 n의 약수)이 되도록 결선하는 다층 배선 기판(3)∼(6)을 가진다. U상, V상, W상 중 서로 인접한 동상의 코일(40)은 병렬 결선으로 하고, 서로 인접한 동상 코일의 제1 코일군의 중심을 기준 축(B)로 한 경우에 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 동상의 제2 코일군의 동극 코일과 직렬 결선으로 한 회로 구성이며, 다층 배선 기판(4),(5),(6)의 동층상에 동상의 건넘 배선 패턴을 선대칭적으로 배치하였다.

Description

3상 영구자석 모터{3-Phase permanent magnet motor}
본 발명은, 슬롯수가 12의 정수배이고, 또한 극수가 10의 정수배 또는 14의 정수배로 이루어진 모터의 코일을 결선하는 다층 배선 기판을 구비한 3상 영구자석 모터에 관한 것이다.
종래, 10극 또는 14극, 12슬롯의 3상 영구자석 모터의 2병렬 결선은, 5층 이상의 다층 프린트 배선판을 이용하여 결선을 행하고 있다. 5층 이상의 다층 프린트 배선판을 이용하면 제조비용이 증대된다는 문제가 있다.
또 종래의 2병렬 결선 구조에서는, 코일 임피던스의 언밸런스에 의한 로터 편심의 요인이 되는 전자력이나 속도 변동의 요인이 되는 토크 리플이 증가하는 문제가 있다.
그래서 로터 편심력이나 속도 변동을 줄이기 위해 직렬 결선의 다층 프린트 배선판을 이용하여 대응하고 있다.
예를 들어, 서로 인접한 동상(同相) 코일은 전류의 방향이 역방향이 되도록 하고, 서로 인접한 이상(異相) 코일은 전류의 방향이 같은 방향이 되도록 하고, 또한 서로 인접한 동상 코일을 직렬로 접속한 회로를 2회로 병렬로 접속하도록, 다층 프린트 배선 기판의 다층에 형성된 배선 패턴을 개재하여 결선된 10극 12슬롯의 3상 마그넷 모터가 제안되어 있다(특허문헌 1 참조).
그러나 특허문헌 1의 기술에 의하면, 코일의 전선 직경이 2병렬 결선의 경우보다 굵어져 코일 점적률이 저하되고 모터 효율이 저하된다.
이것을 해결하는 기술로서, 예를 들어 서로 인접한 동상 코일은 병렬 결선으로 하고, 상대하는 대칭의 동상 코일과는 직렬 결선으로 하고 또한 1개의 선으로 직렬 코일 회로를 구성하는 코일·결선 기술이 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
특허문헌 1: 일본특허 제4670868호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2010-193675호 공보
그런데 특허문헌 2의 기술에 의하면, 로터 편심의 요인이 되는 전자력이나 속도 변동의 요인이 되는 토크 리플을 줄일 수 있어 종래 5층 이상이었던 다층 프린트 배선판을 4층으로 줄일 수 있다.
그러나 특허문헌 2의 기술은, 작업성이 쉽게 나빠지며, 다층 배선 기판의 제조비용이 증대된다.
본 발명은, 상기의 사정을 감안하여 안출된 것으로서, 로터 편심의 요인이 되는 전자력이나 속도 변동의 요인이 되는 토크 리플을 줄임과 동시에 코일의 결선 패턴을 구성하는 다층 배선 기판의 층수를 삭감하여 다층 배선 기판의 제조비용을 줄일 수 있는 3상 영구자석형 모터의 제공을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 관한 3상 영구자석형 모터는, 스테이터와 로터와 다층 배선 기판을 가진다.
스테이터는, 동일 방향으로 감은 복수의 코일을 배치한 슬롯수가 12n(n은 임의의 자연수)으로 설정된다.
로터는, 영구자석의 극수가 10n 또는 14n으로 설정된다.
다층 배선 기판은, 2m 병렬(m은 1을 포함한 n의 약수)이 되도록 결선한다.
U상, V상, W상 중 서로 인접한 동상(同相)의 상기 코일은 병렬 결선으로 하고, 상기 서로 인접한 동상 코일의 제1 코일군의 중심을 기준 축으로 한 경우에, 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 동상의 제2 코일군의 동극 코일과 직렬 결선으로 한 회로 구성이다.
상기 다층 배선 기판의 동층(同層)상에 동상의 건넘 배선 패턴을 선대칭적으로 배치한다.
본 발명에 의하면, U상, V상, W상 중 서로 인접한 동상의 상기 코일은 병렬 결선으로 하고, 상기 서로 인접한 동상 코일의 제1 코일군의 중심을 기준 축으로 한 경우에 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 동상의 제2 코일군의 동극 코일과 직렬 결선으로 한 회로 구성을 채용하기 때문에, 로터 편심의 요인이 되는 전자력이나 속도 변동의 요인이 되는 토크 리플을 줄일 수 있다.
다층 배선 기판의 동층상에 동상의 건넘 배선 패턴을 선대칭적으로 배치하였기 때문에 코일의 결선 패턴을 구성하는 다층 프린트 배선판의 층수를 삭감하여 다층 프린트 배선판의 제조비용을 줄일 수 있다.
도 1은, 실시형태 1의 3상 영구자석형 모터의 개략 단면도이다.
도 2는, 실시형태 1의 스테이터에서의 3상 Y결선의 설명에 제공하는 도면이다.
도 3은, 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 1층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 4는, 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 2층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 5는, 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 3층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 6은, 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 4층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 7은, 실시형태 2에 관한 3상 영구자석형 모터의 개략 단면도이다.
도 8은, 실시형태 2의 스테이터에서의 3상 Y결선의 설명에 제공하는 도면이다.
도 9는, 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 1층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 10은, 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 2층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 11은, 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 3층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 12는, 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 4층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다.
도 13은, 실시형태 3에 관한 3상 영구자석형 모터에 이용하는 로터의 개략 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 실시형태 1 내지 실시형태 3에 관한 3상 영구자석형 모터에 대해 설명한다.
실시형태 1 내지 실시형태 3에 관한 3상 영구자석형 모터는, U상, V상, W상 중 서로 인접한 동상의 상기 코일은 병렬 결선으로 하고, 상대하는 대칭의 동상의 코일과는 직렬 결선으로 한 회로 구성을 채용한다. 또 다층 배선 기판의 동층상에 동상의 건넘 배선 패턴을 선대칭적으로 배치한다. 따라서 실시형태 1 내지 실시형태 3에 관한 3상 영구자석형 모터는 토크 리플을 줄임과 동시에 다층 배선 기판의 층수를 삭감하여 다층 배선 기판의 제조비용의 저감을 실현할 수 있게 된다.
〔실시형태 1〕
＜3상 영구자석형 모터의 구성＞
우선 도 1을 참조하여 실시형태 1의 3상 영구자석형 모터의 구성에 대해 설명한다. 도 1은 실시형태 1에 관한 3상 영구자석형 모터의 개략 단면도이다.
도 1에 도시한 바와 같이 실시형태 1의 3상 영구자석형 모터(100)는, 예를 들어 10극 12슬롯의 SPM 모터(Surface Permanent Magnet Motor)로서 구성된다.
본 실시형태의 3상 영구자석형 모터(100)는 로터(1), 스테이터(2) 및 다층 배선 기판(3)∼(6)을 구비한다.
로터(1)는, 로터 코어(10) 및 영구자석(20)을 가진다.
로터 코어(10)는, 원기둥형의 금속 부재이다. 로터 코어(10)의 구성 재료로서는, 예를 들어 규소강판 등의 연자성체가 이용되는데 예시의 재료로 한정되지 않는다.
SPM 모터의 로터(1)는, 로터 코어(또는 회전축)(10)의 외주부 표면에, 예를 들어 등간격으로 N극과 S극을 교대로 10극 착자한 링형의 영구자석(래디얼 이방성 링 자석)(20)이 배치되어 있다.
로터(1)는 이로 한정되지 않으며 단면 형상이 원형인 로터 코어(또는 회전축)의 외주부 표면에, 내경과 외경의 중심이 다른 형상을 한 영구자석(이른바 편심형 자석)을 복수 구비하고 있어도 좋다.
또 로터(1)는, 단면 형상이 다각형인 로터 코어(또는 회전축)의 외주부 표면에, 외측이 원호이고 내측이 평탄한 형상을 한 영구자석(이른바 활형상 자석)을 복수 구비해도 좋다.
영구자석(20)으로서는, 예를 들어 네오듐 자석 등의 희토류 자석을 들 수 있는데, 예시의 재질로 한정되지 않는다.
영구자석의 극수는 10극으로 한정되지 않으며, 10n 또는 14n(n은 임의의 자연수)의 극수이다.
스테이터(2)는, 스테이터 코어(30) 및 코일(40)을 가진다.
본 실시형태의 스테이터 코어(30)는 12개의 분할 코어(31)로 구성되는데, 분할 코어(11)의 수는 한정되지 않는다. 즉, 본 실시형태의 코일(40)의 슬롯수는 12슬롯인데, 12슬롯으로 한정되지 않으며 12n(n은 임의의 자연수)의 슬롯수이면 된다.
분할 코어(31)는 대략 단면 부채꼴을 이루고 있으며, 조합면을 접촉시켜 원환형으로 조립된다. 각 분할 코어(11)의 외주부에는 절연 부재(50)가 장착되어 있다.
스테이터 코어(30)의 구성 재료로서는, 예를 들어 로터 코어(10)와 마찬가지로 규소강판 등의 연자성체가 이용되는데, 예시의 재료로 한정되지 않는다.
코일(40)은 각 분할 코어(31)에 동일 방향으로 감긴다. 각 분할 코어(31)에서의 코일(40)의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)이 1쌍의 단자(7)에 각각 솔더링된다. 1쌍의 단자(7)는 절연 부재(50)상에 배치된다. 코일(40)에는, 예를 들어 에나멜선 등의 피복선이 채용된다.
다음으로, 도 1에서 코일(40)상에 붙인 부호에 대해 설명한다. 각 코일(40)의 부호에 의해, 후술하는 회로 결선도 및 다층 배선 기판과의 위치 관계가 명확해진다. 12개의 분할 코어(31)의 코일(40) 각각에 대해 우선 U, V 또는 W의 3상의 구별을 부기한다. 또 반시계 회전 방향으로 1번에서 12번까지의 연번(連番)으로 코일 번호를 부기한다. 또한 상전류의 방향 차이를 코일 번호 뒤에 부호 F 또는 R을 부기하여 구별한다.
예를 들어 U1F와 U8F는 동극이며, U2R과 U7R은 U1F와 U8F에 대해 이극이 되도록 여자되는 것을 나타내고 있다. 또 V4F와 V9F는 동극이며, V3R과 V10R은 V4F와 V9F에 대해 이극이 되도록 여자되는 것을 나타내고 있다. 또한 W5F와 W12F는 동극이며, W6R과 W11R은 W5F와 W12F에 대해 이극이 되도록 여자되는 것을 나타내고 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 실시형태의 3상 Y결선에 대해 설명한다. 도 2는 실시형태 1의 스테이터에서의 3상 Y결선의 설명에 제공하는 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 실시형태의 결선 회로는, 서로 인접한 동상 코일은 병렬 결선으로 하고, 상대하는 대칭의 동상 코일과는 직렬 결선으로 한 회로 구성의 1상분의 코일군을 3상분 Y결선한다. 여기서, 상대하는 대칭의 동상의 코일에 대해 설명한다. 본 실시형태의 스테이터(2)의 슬롯 피치τS〔°〕는 360/12n이다. 또 본 실시형태의 극대수p는, 10n/2 혹은 14n/2이다.
도 1과 같이, 동상의 코일군의 중심을 기준 축(B)로 하여 생각한다. 이 경우, 극대수p를 사용하면, 상대하는 대칭의 동상의 코일은 전기각τS×6×p〔°〕로 상대하는 코일군으로 일반화할 수 있다. 이것을 기계각으로 생각하면, 10n극과 14n극의 양쪽 모두 τS×6, 즉 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 코일군이 된다. 따라서 상대하는 대칭의 동상의 코일이란, 서로 인접한 동상 코일의 제1 코일군의 중심을 기준 축(B)로 한 경우에, 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 동상의 제2 코일군의 동극 코일을 말한다.
즉, 본 실시형태에서는, 상대하는 U상 코일 U1F와 U8F의 직렬 회로와, 상대하는 U상 코일 U2R과 U7R의 직렬 회로를 병렬로 접속함으로써 U상 코일 전체를 구성한다. 또 상대하는 V상 코일 V4F와 V9F의 직렬 회로와, 상대하는 V상 코일 V3R과 V10R의 직렬 회로를 병렬로 접속함으로써 V상 코일 전체를 구성한다. 또한 상대하는 W상 코일 W5F와 W12F의 직렬 회로와, 상대하는 W상 코일 W6R과 W11R의 직렬 회로를 병렬로 접속함으로써 U상 코일 전체를 구성한다.
그리고 U상 코일 전체, V상 코일 전체 및 W상 코일 전체를 3상 Y결선한다. 상기 3상 Y결선에 의해, 선직경이 가는 코일을 감아 고출력을 얻을 수 있다. 아울러 각 코일의 감김 시작에는 S를, 감김 끝에는 E를 부기한다. 또 3상 Y결선의 중성점(中性點)에는 N을 부기한다.
다음으로, 도 3 내지 도 6을 참조하여 3상 Y결선을 행하는 다층 배선 기판에 대해 설명한다.
도 3에 도시한 1층째 다층 배선 기판(3)에는, 각 상단자로부터 병렬로 분기시키는 패턴과 중성점 결선 패턴이 배치된다. 도 4 내지 도 6에 도시한 2∼4층째 다층 배선 기판(4),(5),(6)에는 동상의 건넘 배선 패턴이 선대칭적으로 배치된다. 다층 배선 기판(3)∼(6)의 각 패턴에 의해 4층 기판으로 구성할 수 있다. 다층 배선 기판(4)∼(6)은 2m 병렬(m은 1을 포함한 n의 약수)이 되도록 결선한다.
도 3은 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 1층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 3에 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 1층째 다층 배선 기판(3)상에는, 각 상단자로부터 병렬로 분기시키기 위한 패턴(61),(62),(63)과 중성점 결선 패턴(64)이 레이아웃되어 있다. 도 1에 도시한 24개의 단자(7)는, 다층 배선 기판의 1층째부터 4층째까지의 각각의 외주 근방을 관통한다.
병렬 분기 패턴(61)은, U상 단자(71)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 병렬 분기 패턴(61)은, 코일 U1F의 감김 시작(S) 및 코일 U2R의 감김 끝(E)을 U상의 단자(71)에 접속한다.
병렬 분기 패턴(62)은, V상 단자(72)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 병렬 분기 패턴(62)은, 코일 V3R의 감김 끝(E) 및 코일 V4F의 감김 시작(S)을 V상의 단자(72)에 접속한다.
병렬 분기 패턴(63)은, W상 단자(73)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 병렬 분기 패턴(63)은, 코일 W5F의 감김 시작(S) 및 코일 W6R의 감김 끝(E)을 W상의 단자(73)에 접속한다.
중성점 결선 패턴(64)은, 코일 U7R의 감김 시작(S), 코일 U8F의 감김 끝(E), 코일 V9F의 감김 끝(E), 코일 V10R의 감김 시작(S), 코일 W11R의 감김 시작(S), 코일 W12F의 감김 끝(E)의 각각이 접속되어 있다. 상기 중성점 결선 패턴(64)에 의해, 도 2에 도시한 3상 Y결선의 중성점(N)을 결선한다.
도 4는 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 2층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 4에 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 2층째 다층 배선 기판(4)상에는 V상의 배선 패턴(81),(82)이 레이아웃되어 있다. 2층째 다층 배선 기판(4)에 있어서, 상기 단자(7)와 각 코일의 감김 시작(S) 또는 감김 끝(E)이 각각 랜드를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
코일 V3R의 감김 시작(S)과 코일 V10R의 감김 끝(E)이 배선 패턴(81)에 접속되어 있다. 또 코일 V4F의 감김 끝(E)과 코일 V9F의 감김 시작(S)이 배선 패턴(82)에 접속되어 있다.
도 5는 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 3층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 5에 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 3층째 다층 배선 기판(5)상에는 U상의 배선 패턴(91),(92)이 레이아웃되어 있다. 3층째 다층 배선 기판(5)에 있어서, 상기 단자(7)와 각 코일의 감김 시작(S) 또는 감김 끝(E)이 각각 랜드를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
코일 U1F의 감김 끝(E)과 코일 U8F의 감김 시작(S)이 배선 패턴(91)에 접속되어 있다. 또 코일 U2R의 감김 시작(S)과 코일 U7R의 감김 끝(E)이 배선 패턴(92)에 접속되어 있다.
도 6은 실시형태 1의 다층 배선 기판에서의 4층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 6에서, 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 6에 도시한 바와 같이, 4층째 다층 배선 기판(6)상에는 W상의 배선 패턴(101),(102)이 레이아웃되어 있다. 4층째 다층 배선 기판(5)에 있어서, 상기 단자(7)와 각 코일의 감김 시작(S) 또는 감김 끝(E)이 각각 랜드를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
코일 W5F의 감김 끝(E)과 코일 W12F의 감김 시작(S)이 배선 패턴(101)에 접속되어 있다. 또 코일 W6R의 감김 시작(S)과 코일 W11R의 감김 끝(E)이 배선 패턴(102)에 접속되어 있다.
다층 배선 기판으로서는 포토리소그래피 기술 등에 의해 형성되는 프린트 기판을 채용하는데, 이것으로 한정되지 않으며, 예를 들어 동판을 프레스 가공하여 배선 패턴을 형성해도 좋다.
＜3상 영구자석형 모터의 작용＞
다음으로, 도 1 내지 도 6을 참조하여 실시형태 1에 관한 3상 영구자석형 모터(100)의 작용에 대해 설명한다.
도 1에 도시한 것처럼, 본 실시형태의 3상 영구자석형 모터(100)의 로터(1)는, 로터 코어(10)의 외주 표면에 원주 방향을 따라 균등하게 10극 착자된 영구자석(20)이 배치된다. 한편 스테이터(2)는 로터(1)을 둘러싸도록 설치되고 원주 방향으로 방사선형으로 나열된 복수의 분할 코어(31)에 동일 방향으로 감긴 코일(40)을 가진다.
즉, 본 실시형태의 3상 영구자석형 모터(100)는, 로터(1)의 영구자석(20)이 발생하는 자속과 교차되도록 스테이터(2)의 코일(40)에 전류가 흐른다. 영구자석(20)의 자속과 코일(40)에 흐르는 전류가 교차되면, 본 실시형태의 3상 영구자석형 모터(100)는, 전자 유도 작용에 의해 원주 방향의 구동력이 발생하여 축둘레로 로터(1)를 회전시킨다.
본 실시형태의 분할 코어(31)에 감긴 코일(40)의 감김 방향은 모두 동일 방향이다. 또 본 실시형태의 3층 Y결선은, 서로 인접한 동상 코일은 병렬 결선으로 하고, 상기 서로 인접한 동상 코일의 제1 코일군의 중심을 기준 축(B)로 한 경우에, 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 동상의 제2 코일군의 동극 코일과 직렬 결선으로 한 회로 구성이다. 2∼4층째 다층 배선 기판(4),(5),(6)에 있어서, 동상의 건넘 결선 패턴을 동층상에 선대칭적으로 배치함으로써 종래 5층 이상이었던 다층 배선 기판의 층수를 4층으로 줄일 수 있다.
본 실시형태에 관한 3상 영구자석형 모터(100)는, 서로 인접한 동상 코일은 병렬 결선으로 하고, 상대하는 대칭의 동상 코일과는 직렬 결선으로 함으로써 로터 편심의 요인이 되는 전자력이나 속도 변동의 요인이 되는 토크 리플을 줄일 수 있다. 또한 코일(40)의 감김 방향을 모두 동일 방향으로 함으로써 작업성을 향상시킬 수 있다.
또 본 실시형태에 관한 3상 영구자석형 모터(100)는, 2∼4층의 다층 배선 기판(4),(5),(6)에 있어서, 동상의 건넘 배선 패턴을 동층상에 배치함으로써 배선 패턴간의 절연 거리를 짧게 설계할 수 있다. 또한 배선 패턴(81)과 (82), (91)과 (92), (101)과 (102)를 선대칭적으로 배치함으로써 층수를 4층으로 줄일 수 있다. 또한 불필요한 공간을 줄임과 동시에 배선 패턴폭을 넓게 할 수 있기 때문에 허용 전류를 크게 할 수 있다.
즉, 본 실시형태에 관한 3상 영구자석형 모터(100)는, 로터 편심의 요인이 되는 전자력이나 속도 변동의 요인이 되는 토크 리플을 줄임과 동시에 코일의 결선 패턴을 구성하는 다층 배선 기판의 층수를 삭감하여 다층 배선 기판의 제조비용을 줄일 수 있는 것이다.
〔실시형태 2〕
다음으로 도 7을 참조하여 실시형태 2의 3상 영구자석형 모터의 구성에 대해 설명한다. 도 7은 실시형태 2에 관한 3상 영구자석형 모터의 개략 단면도이다. 아울러 실시형태 1과 동일한 구성 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
실시형태 2에 관한 3상 영구자석형 모터(200)는 분할 코어(31)의 배치, 3상 Y결선의 코일의 배치 및 다층 배선 기판(203)∼(206)의 구조가 실시형태 1과 다르다.
도 7에서, 코일(40)상에 붙인 부호에 대해 설명한다. 각 코일(40)의 부호에 의해 후술하는 회로 결선도 및 다층 배선 기판과의 위치 관계가 명확해진다. 12개의 분할 코어(31)의 코일(40)의 각각에 대해 우선 U, V 또는 W의 3상의 구별을 부기한다. 본 실시형태에서는, 시계회전 방향으로 1번에서 12번까지의 연번으로 코일 번호를 부기한다. 또한 상전류의 방향 차이를 코일 번호 뒤에 부호 F 또는 R을 부기하여 구별한다.
예를 들어 U1F와 U8F는 동극이며, U2R과 U7R은 U1F와 U8F에 대해 이극이 되도록 여자되는 것을 나타내고 있다. 또 V4F와 V9F는 동극이며, V3R과 V10R은 V4F와 V9F에 대해 이극이 되도록 여자되는 것을 나타내고 있다. 또한 W5F와 W12F는 동극이며, W6R과 W11R은 W5F와 W12F에 대해 이극이 되도록 여자되는 것을 나타내고 있다.
다음으로 도 8을 참조하여 실시형태 2의 3상 Y결선에 대해 설명한다. 도 8은 실시형태 2의 스테이터에서의 3상 Y결선의 설명에 제공하는 도면이다.
도 8에 도시한 바와 같이 본 실시형태의 결선 회로는, 서로 인접한 동상 코일은 병렬 결선으로 하고, 상대하는 대칭의 동상 코일과는 직렬 결선으로 한 회로 구성의 1상분의 코일군을 3상분 Y결선한다. 즉, 상대하는 U상 코일 U1F와 U8F의 직렬 회로와, 상대하는 U상 코일 U2R과 U7R의 직렬 회로를 병렬로 접속함으로써 U상 코일 전체를 구성한다. 또 상대하는 V상 코일 V9F와 V4F의 직렬 회로와, 상대하는 V상 코일 V10R과 V3R의 직렬 회로를 병렬로 접속함으로써 V상 코일 전체를 구성한다. 또한 상대하는 W상 코일 W12F와 W5F의 직렬 회로와, 상대하는 W상 코일 W11R과 W6R의 직렬 회로를 병렬로 접속함으로써 U상 코일 전체를 구성한다.
그리고 U상 코일 전체, V상 코일 전체 및 W상 코일 전체를 3상 Y결선한다. 상기 3상 Y결선에 의해 선직경이 가는 코일을 감아 고출력을 얻을 수 있다. 아울러 각 코일의 감김 시작에는 S를, 감김 끝에는 E를 부기하였다. 또 3상 Y결선의 중성점에는 N을 부기하였다.
다음으로, 도 9 내지 도 12를 참조하여 실시형태 2의 3상 Y결선을 행하는 다층 배선 기판에 대해 설명한다.
도 9에 도시한 1층째 다층 배선 기판(203)에는, 각 상단자로부터 병렬로 분기시키는 패턴과 중성점 결선 패턴이 배치된다. 도 10 내지 도 12에 도시한 2∼4층째 다층 배선 기판(204),(205),(206)에는, 동상의 건넘 배선 패턴이 동심 원호형으로 병행하여 배치된다. 다층 배선 기판(203)∼(206)의 각 패턴에 의해 4층 기판으로 구성할 수 있다.
도 9는 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 1층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 9에 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 9는 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 1층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 9에 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 9에 도시한 바와 같이, 1층째 다층 배선 기판(203)상에는 병렬 분기 패턴(221)과 U상의 2개의 건넘 배선 패턴(222),(223)이 동심 원호형으로 병행하여 레이아웃되어 있다. 1층째 다층 배선 기판(203)에 있어서, 상기 단자(7)와 각 코일의 감김 시작(S) 또는 감김 끝(E)이 각각 랜드를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
병렬 분기 패턴(221)은, W상 단자(73)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 코일 W11R의 감김 끝(E) 및 코일 W12F의 감김 시작(S)이 W상의 단자(73)에 접속된다.
병렬 분기 패턴(224)은, V상 단자(72)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 코일 V9F의 감김 시작(S) 및 코일 V10R의 감김 끝(E)이 V상의 단자(72)에 접속된다. 아울러 V상의 병렬 분기 패턴(224)은, 후술하는 4층째 다층 배선 기판(206)에 있기 때문에 삭제할 수 있다(도 12 참조).
코일 U1F의 감김 끝(E)과 코일 U8F의 감김 시작(S)이 동심 원호형의 내측 배선 패턴(222)에 접속되어 있다. 또 코일 U2R의 감김 시작(S)과 코일 U7R의 감김 끝이 동심 원호형의 외측 배선 패턴(223)에 접속되어 있다.
도 10은 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 2층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 10에 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 10에 도시한 바와 같이 2층째 다층 배선 기판(204)상에는, 어스 단자(74)에 결선하는 어스 배선 패턴(231)과 W상의 2개의 건넘 배선 패턴(232),(233)이 동심 원호형으로 병행하여 레이아웃되어 있다. 2층째 다층 배선 기판(204)에, 상기 단자(7)와 각 코일의 감김 시작(S) 또는 감김 끝(E)이 각각 랜드를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
코일 W5F의 감김 시작(S)과 코일 W12F의 감김 끝(E)이 동심 원호형의 내측 배선 패턴(232)에 접속되어 있다. 또 코일 W6R의 감김 끝(E)과 코일 W11R의 감김 시작(S)이 동심 원호형의 외측 배선 패턴(233)에 접속되어 있다.
병렬 분기 패턴(234)은, U상 단자(71)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 코일 U1F의 감김 시작(S)과 코일 U2R의 감김 끝(E)이 U상의 단자(71)에 접속된다. 아울러 U상의 병렬 분기 패턴(234)은 후술하는 3층째 다층 배선 기판(205)에 있기 때문에 삭제할 수 있다(도 11 참조).
도 11은 실시형태 2의 다층 배선 기판에서의 3층째 패턴 설명에 제공하는 도면이다. 아울러 도 11에 각 코일 번호 및 각 코일의 감김 시작(S)과 감김 끝(E)을 도시한다.
도 11에 도시한 바와 같이, 3층째 다층 배선 기판(205)상에는 병렬 분기 패턴(241)과, V상의 2개의 건넘 배선 패턴(242),(243)이 동심 원호형으로 병행하여 레이아웃되어 있다. 3층째 다층 배선 기판(205)에, 상기 단자(7)와 각 코일의 감김 시작(S) 또는 감김 끝(E)이 각각 랜드를 통해 전기적으로 접속되어 있다.
병렬 분기 패턴(241)은, U상 단자(71)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 코일 U1F의 감김 시작(S)과 코일 U2R의 감김 끝(E)이 U상의 단자(71)에 접속된다.
코일 V3R의 감김 끝(E)과 코일 V10R의 감김 시작(S)이 동심 원호형의 내측 배선 패턴(242)에 접속되어 있다. 또 코일 V4F의 감김 시작(S)과 코일 V9F의 감김 끝(E)이 동심 원호형의 외측 배선 패턴(243)에 접속되어 있다.
도 12에 도시한 바와 같이, 4층째 다층 배선 기판(206)상에는 병렬 분기 패턴(251)과 중성점 결선 패턴(252)이 레이아웃되어 있다. 도 7에 도시한 24개의 단자(7)는, 다층 배선 기판의 1층째부터 4층째까지 각각의 외주 근방을 관통하고 있다.
병렬 분기 패턴(251)은, V상 단자(72)로부터 병렬로 분기시키는 패턴이다. 코일 V9F의 감김 시작(S)과 코일 V10R의 감김 끝(E)이 V상의 단자(72)에 접속된다.
중성점 결선 패턴(252)은, 코일 V3R의 감김 시작(S), 코일 V4F의 감김 끝(E), 코일 W5F의 감김 끝(E), 코일 W6R의 감김 시작(S), 코일 U7R의 감김 시작(S), 코일 U8F의 감김 끝(E)의 각각이 접속되어 있다. 상기 중성점 결선 패턴(252)에 의해 도 8에 도시한 3상 Y결선의 중성점(N)을 결선한다.
본 실시형태의 분할 코어(31)에 감긴 코일(40)의 감김 방향은 모두 동일 방향이다. 또 본 실시형태의 3층 Y결선은, 서로 인접한 동상 코일은 병렬 결선으로 하고, 상대하는 대칭의 동상 코일과는 직렬 결선으로 한 회로 구성이다. 1∼3층째 다층 배선 기판(203),(204),(205)에 있어서, 동상의 건넘 결선 패턴을 동층상에 동심 원호형으로 병행하여 배치함으로써 종래 5층 이상이었던 다층 배선 기판의 층수를 4층으로 줄일 수 있다.
본 실시형태에 관한 3상 영구자석형 모터(200)는, 서로 인접한 동상 코일은 병렬 결선으로 하고, 상대하는 대칭의 동상 코일과는 직렬 결선으로 함으로써 로터 편심의 요인이 되는 전자력이나 속도 변동의 요인이 되는 토크 리플을 줄일 수 있다. 또한 코일(40)의 감김 방향을 모두 동일 방향으로 함으로써 작업성을 향상시킬 수 있다.
또 본 실시형태에 관한 3상 영구자석형 모터(200)는, 1∼3층의 다층 배선 기판(203),(204),(205)에 있어서, 동상의 건넘 배선 패턴을 동층상에 배치함으로써 배선 패턴간의 절연 거리를 짧게 설계할 수 있다. 또한 동심 원호형의 배선 패턴(222)과 (223), (232)와 (233), (242)와 (243)을 선대칭적으로 배치함으로써 층수를 4층으로 줄일 수 있다.
즉, 실시형태 2에 관한 3상 영구자석형 모터(200)는 기본적으로 실시형태 1과 마찬가지의 작용 효과를 발휘한다.
〔실시형태 3〕
다음으로 도 13을 참조하여 실시형태 3에 관한 3상 영구자석 모터의 구성에 대해 설명한다. 도 13은 실시형태 3에 관한 3상 영구자석형 모터에 이용하는 로터의 개략 단면도이다. 아울러 실시형태 1과 동일한 구성 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙여 설명한다.
실시형태 3에 관한 3상 영구자석 모터(300)는, 로터(301)의 구조가 실시형태 1과 다르다.
도 13에 예시하는 로터(301)은, 예를 들어 10극의 컨시퀀트 폴(consequent pole)형 IPM 모터(Interior Permanent Magnet Motor)로서 구성된다.
로터(301)는, 회전축(8)의 주위에 마련되며, 로터 코어(철심)(310) 및 영구자석(320)을 가진다. 회전축(8)은 로터(301)의 회전 중심이 된다.
로터 코어(310)는, 회전축(8) 주위에 설치된 두꺼운 원통체형의 금속 부재이다. 로터 코어(310)는, 예를 들어 링형의 로터 코어 시트를 축방향으로 복수 적층한 스택 구조를 가진다.
각 로터 코어(310)의 중앙부에는, 회전축(8)을 끼워넣기 위한 원형의 축 삽입통과공(311)이 형성된다. 로터 코어(310)의 외주부 근방에는, 영구자석(320)을 수용하기 위한 복수의 자석 수용부(321)가 형성된다. 자석 수용부(321)는 원주 방향을 따라 균등하게 배치된다.
본 실시형태에서는, 원주 방향을 따라 5곳의 자석 수용부(321)가 형성된다. 즉, 각 자석 수용부(321)내에 1개씩 합계 5개의 영구자석(320)을 배치하였다. 각 영구자석(320)은, 외주측이 N극에 착자된다. 영구자석(320),(320)간의 로터 코어(310) 부분은 결과적으로 S극이 유기(誘起)되므로 10극 로터가 된다.
본 실시형태의 컨시퀀트 폴형 로터와 12슬롯 스테이터를 조합한 경우, 상대하는 동상의 코일은 임피던스가 달라진다. 예를 들어, 한쪽의 서로 인접한 2개의 U상 코일 근방에 영구자석이 존재하는 로터 위치인 경우, 상대하는 대각의 서로 인접한 U상 코일 근방에는 영구자석간의 로터 코어(철심)가 존재하게 된다.
따라서 영구자석이 근방에 있는 U상 코일보다 철심이 근방에 있는 U상 코일이 인덕턴스가 높아지므로 대각의 코일 임피던스에는 큰 차이가 생긴다. 따라서 컨시퀀트 폴형 IPM 로터의 경우, 종래 결선 방법과 조합하면 전류치가 병렬 회로간에 달라져 토크 리플이 생긴다.
그러나 실시형태 1의 결선구조를 채용하면, 대각(對角)의 임피던스의 언밸런스가 해소되어 토크 리플을 줄일 수 있다.
실시형태 3에 관한 3상 영구자석형 모터는 기본적으로 실시형태 1과 마찬가지의 작용 효과를 발휘한다. 특히 실시형태 3에 관한 3상 영구자석형 모터의 로터(301)로서 컨시퀀트 폴형 IPM 로터를 채용하면, 대각의 임피던스의 언밸런스가 해소되어 토크 리플을 줄일 수 있다는 특유의 효과를 발휘한다.
이상 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명하였으나, 이들은 본 발명의 설명을 위한 예시이며 본 발명의 범위를 이들 실시형태로만 한정하는 취지는 아니다. 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서 상기 실시형태와는 다른 다양한 형태로 실시할 수 있다.
1　　로터,
2　　스테이터,
3, 4, 5, 6　　다층 배선 기판,
40　　코일,
81, 82　　U상의 배선 패턴,
91, 92　　V상의 배선 패턴,
101, 102　　W상의 배선 패턴,
100, 200　　3상 영구자석형 모터,
203, 204, 205, 206　　다층 배선 기판,
222, 223　　U상의 배선 패턴,
232, 233　　V상의 배선 패턴,
242, 243　　W상의 배선 패턴,
301　　컨시퀀트 폴형 IPM 로터.

Claims (4)

  1. 동일 방향으로 감은 복수의 코일을 배치한 슬롯수가 12n(n은 임의의 자연수)인 스테이터와,
    영구자석의 극수가 10n 또는 14n인 로터와,
    2m 병렬(m은 1을 포함한 n의 약수)이 되도록 결선하는 다층 배선 기판을 가지며,
    U상, V상, W상 중 서로 인접한 동상(同相)의 상기 코일은 병렬 결선으로 하고, 상기 서로 인접한 동상 코일의 제1 코일군의 중심을 기준 축으로 한 경우에, 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 동상의 제2 코일군의 동극 코일과 직렬 결선으로 한 회로 구성이며,
    상기 다층 배선 기판의 동층(同層)상에, 동상의 건넘 배선 패턴을 선대칭적으로 배치하며,
    상기 다층 배선 기판은, 각각 마련된 제1, 제2 및 제3 기판을 포함하며, 각 기판은, 3상 중 대응하는 상의 직렬 접속 패턴을 규정하고, 제4 기판은, 상기 U상, V상, W상 중 적어도 하나의 병렬 접속 패턴과, 모든 상 간의 중성점에의 병렬 패턴을 규정하고 있는 것을 특징으로 하는 3상 영구자석형 모터.
  2. 동일 방향으로 감은 복수의 코일을 배치한 슬롯수가 12n(n은 임의의 자연수)인 스테이터와,
    영구자석의 극수가 10n 또는 14n인 로터와,
    2m 병렬(m은 1을 포함한 n의 약수)이 되도록 결선하는 다층 배선 기판을 가지며,
    U상, V상, W상 중 서로 인접한 동상의 상기 코일은 병렬 결선으로 하고, 상기 서로 인접한 동상 코일의 제1 코일군의 중심을 기준 축으로 한 경우에, 6슬롯 피치각으로 상대하는 대칭의 동상의 제2 코일군의 동극 코일과 직렬 결선으로 한 회로 구성이며,
    상기 다층 배선 기판의 동층상에, 동상의 건넘 배선 패턴을 동심 원호형으로 병행하여 배치하며,
    상기 다층 배선 기판은, 각각 마련된 제1, 제2 및 제3 기판을 포함하며, 각 기판은, 3상 중 대응하는 상의 직렬 접속 패턴을 규정하고, 제4 기판은, 상기 U상, V상, W상 중 적어도 하나의 병렬 접속 패턴과, 모든 상 간의 중성점에의 병렬 패턴을 규정하고 있는 것을 특징으로 하는 3상 영구자석형 모터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 로터가 컨시퀀트 폴(consequent pole)형 IPM 로터인 것을 특징으로 하는 3상 영구자석형 모터.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 로터가 컨시퀀트 폴형 IPM 로터인 것을 특징으로 하는 3상 영구자석형 모터.
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