KR101914578B1

KR101914578B1 - 영구 자석 모터

Info

Publication number: KR101914578B1
Application number: KR1020167019510A
Authority: KR
Inventors: 용 샤오
Original assignee: 그린 레프리저레이션 이큅먼트 엔지니어링 리서치 센터 오브 주하이 그리 씨오., 엘티디.
Priority date: 2013-12-25
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2018-11-02
Also published as: EP3534496A1; WO2015096525A1; CN104600938A; DK3534496T3; US20160308428A1; JP2017500841A; EP3534496B1; JP6620097B2; US10770960B2; EP3089327A4; CN104600938B; KR20160100378A; EP3089327B1; EP3089327A1

Abstract

본 발명은 고정자(1)와 회전자(4)를 포함하는 영구 자석 모터에 관한 것으로, 회전자는 회전자 철심(5)과 영구 자석(7a, 7b)을 포함하며, 회전자의 방사상 방향으로 회전자 철심의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈(6a, 6b)의 다수의 층이 제공되고, 2개의 이웃하는 자극 사이에는 q축 자기 회로가 형성되며, 상기 영구 자석은 영구 자석 홈에 배치되고, 회전자의 2개의 이웃하는 자극은 각각 반대 극성을 가지는 제1 자극과 제2 자극이고, q축으로부터 떨어진 제1 자극에서의 영구 자석의 외부 끝이 제1 외부 끝이고, q축으로부터 떨어져 있는 제2 자극에서의 영구 자석의 외부 끝점이 제2 외부 끝이며, 회전자의 중심에 대한 제1 외부 끝과 제2 외부 끝의 끼인 각 A는 80°의 전기각 미만이며, 고정자 홈의 개수는 N이고, 회전자 폴의 쌍의 개수는 P이며, 권선의 상의 개수는 m이고, 상당 폴에 대한 홈의 개수(N/2P/m)는 정수이다. 기존 구조에 비해, 본 발명의 영구 자석 모터는 모터의 토크 진동을 급격히 감소시킨다.

Description

영구 자석 모터{PERMANENT MAGNET MOTOR}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2013년 12월 25일 출원되고, 출원번호 201310737745.1인 중국 특허 출원을 기초로 우선권을 주장하며 제출한 것으로, 당해 중국 특허 출원의 모든 내용은 참조로서 본 출원에 인용된다.

본 개시물은 모터 기술분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 영구 자석 모터에 관한 것이다.

영구 자석이 모터의 내부에 배열되는 내부 영구 자석 모터(IPM: interior permanent magnet motor)에 있어서, 그 결과로 생기는 전자기 토크는 영구 자석 토크와 릴럭턴스(reluctance) 토크를 포함한다. 영구 자기 토크는 고정자 자기장과 얽힌 회전자 영구 자기장에 의해 발생된다. 릴럭턴스 토크는 직접축(direct axis) 인덕턴스와 횡축(quadrature-axis) 인덕턴스가 상이한 회전자 철심과 얽힌 고정자 자기장에 의해 발생된다. 영구 자석이 회전자 철심의 표면에 장착되는 표면 실장 영구 자석 모터(SPM: surface-mounted permanent magnet motor)와 비교해서, IPM은 릴럭턴스 토크를 더 많이 이용하여 더 쉽게 높은 효율을 달성할 수 있다.

이에 반해, 회전자에 영구 자석의 다수의 층이 배열된 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터는, IPM 모터에 비해, 직접축 인덕턴스와 횡축 인덕턴스 사이의 차이를 더 증가시키고, 릴럭턴스 토크의 이용을 크게 증가시키며, 모터의 높은 효율을 실현시키고, 모터의 비용을 크게 감소시킨다. 예를 들면, 특허 문헌 ZL201210056204.8은 모터의 릴럭턴스 토크의 이용을 증가시킬 수 있는 회전자 구조를 개시한다.

하지만, 그러한 연구는 모터의 릴럭턴스 토크의 이용이 증가함에 따라, 그 결과로 생기는 전자기 토크에서의 릴럭턴스 토크의 백분율이 증가하게 되고, 이로 인해 모터의 토크 리플(ripple)을 증가시키고, 또한 모터의 진동과 음향 잡음의 문제를 야기한다. 특히, 모터가 고속으로 동작할 수 있게 하기 위해, 모터에 관한 약화 계자 제어(field weakening control)가 필요할 때에는, 릴럭턴스 토크의 백분율이 더 크게 되고, 문제가 더 심각해진다.

번호가 US20100079026인 미국 특허 출원은 영구 자석 모터를 개시하고, 이 경우 폴 페어(pole pair)마다의 고정자 슬롯의 개수는 홀수이며, 회전자 영구 자석의 각도 프로필을 조정함으로써, 영구 자석의 자기장 프로필이 개선되고, 이로 인해 고조파 성분이 감소하고, 더 나아가 와전류 손실과 토크 리플이 감소한다. US20100079026에 따르면, 개선된 것은 주로 회전자 영구 자석의 자기장 프로필이고, 이는 영구 자기 토크 리플을 감소시키는데 도움을 주지만, 릴럭턴스 토크 리플을 억제하는 데는 효과가 없다. 한술 더 떠서, 폴 페어당 고정자 슬롯의 개수가 홀수이기 때문에, 이는 상(phase)당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수(고정자 슬롯의 개수/폴 페어의 개수/권선(winding)의 상의 개수/2)가 분수라는 것을 의미한다. 현재의 연구로는 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수가 분수인 모터의 고정자 자기장은, 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수가 정수인 모터의 고정자 자기장보다 훨씬 많은 고조파 성분을 가지고, 따라서 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수가 분수인 모터가 릴럭턴스 토크 리플을 감소시키기 위해서는 좋지 않다는 것을 보여준다.

영구 자석의 단일 층을 갖는 모터에 비해, 로터에 배열된 영구 자석의 다수의 층을 갖는 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터가 직접축 인덕턴스와 횡축 인덕턴스 사이의 차이를 증가시킬 수 있어서, 이로 인해 릴릭턴스 토크의 이용을 크게 증가시키고 더 큰 출력 토크와 더 높은 효율을 실현시키지만, 고정자와 회전자의 상대적 위치 변화로 인해 릴럭턴스 토크가 리플을 발생시키기 쉽고, 이는 모터의 전자기 토크 리플을 증가시켜 모터가 진동하고 더 큰 잡음을 발생시키게 한다는 주된 이유로 인해, 총 전자기 토크에서의 릴럭턴스 토크의 백분율이 증가함에 따라 몇몇 문제점이 생기게 된다.

종래 기술에서는 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터의 토크 리플을 감소시키기 위해, 흔한 방법은 모터의 고정자 슬롯의 개수를 증가시키고, 회전자에 배열된 영구 자석의 층들의 개수를 증가시키는 것이지만, 이러한 방법은 모터의 제작 능력을 더 복잡하게 하고, 토크 리플의 감소 정도가 제한된다. 도 1에 도시된 것처럼, 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터는 고정자(1)와 회전자(4)를 포함한다. 이 경우 고정자는 적어도 자기성 재료로 만들어진 고정자 철심(2)과 고정자 권선(3)을 포함하고, 회전자(4)는 적어도 회전자 철심(5)을 포함하며, 회전자 철심의 각 회전자 폴은 다수의 영구 자석 홈(groove)(6a, 6b)을 포함하고, 이러한 영구 자석 홈에는 영구 자석(7a, 7b)이 배열된다.

종래 기술의 상황에서 볼 때, 부하가 있는 모터가 회전하는 동안, 도 2에 도시된 것처럼, 회전자의 자기장 앞에서 모터의 회전 방향을 따라 고정자의 자기장이 항상 놓여 있다는 점이 연구를 통해 알려졌다. 또한, 고정자의 자기장 대부분이 일정한 각도 범위 내에 집중되어 있고, 고정자에 들어가서 고정자의 자기 라인들에 연결되기 전에, 영구 자석 홈의 외부 세그먼트(segment)에 인접하게 위치한 자속 경로의 끝을 회전자의 자기 라인들이 통과할 필요가 있다. 로터가 회전할 때에는, 고정자 톱니바퀴에 대한 회전자의 자속 경로의 상대적 위치 변화는 자기 라인의 통로(route)에 있어서의 자기 저항을 변화시키고, 이로 인해 토크 리플이 발생된다. 회전자의 영구 자석 홈의 끝(end)이 자기 라인의 통로를 차단하면, 모터의 순간(instantaneous) 토크가 평균 전자기 토크보다 작게 되고, 자기 라인의 통로가 차단되는 시간이 길수록, 최소 정점(peak) 토크 값이 더 작게 되며, 모터의 토크 리플이 더 커지게 된다.

본 개시물의 목적은 영구 자석 모터를 제공하는 것이다. 기존의 구조를 가지는 모터에 비해, 본 개시물의 모터는 그것의 토크 리플을 급격히 감소시킨다. 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 방식은 다음과 같다:

영구 자석 모터는 고정자와 회전자를 포함하고, 상기 고정자는 고정자 철심과 권선을 포함하여, 회전자가 회전자 철심과 영구 자석을 포함하고, 회전자의 방사상 방향에서는 회전자 철심의 각각의 자극에 호 모양의(arc-shaped) 영구 자석 홈들의 복수의 층이 제공되며, 2개의 이웃하는 자극 사이에 q축 자속 경로가 형성되고, 그러한 영구 자석을 영구 자석 홈들에 배치되며,

상기 회전자의 2개의 이웃하는 자극은 각각 제1 자극과 제2 자극이고, 제1 자극과 제2 자극은 반대 극성을 가지며, 제1 자극에 배치된 영구 자석의 외부 끝점(end point)이 제1 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀고, 제2 자극에 배치된 영구 자석의 외부 끝점은 제2 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀고, 회전자의 중심에 관해 제1 외부 끝점과 제2 외부 끝점 사이의 끼인 각 A는 80°의 전기각(electric angle) 미만이며, 고정자 슬롯의 개수는 N이고, 회전자 폴의 쌍의 개수는 P이며, 권선의 상의 개수는 m이고, 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수(N/2P/m)는 정수이다.

일 실시예에서, 상기 회전자의 방사상 방향으로, 회전자 철심의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈들의 2개의 층이 제공되고, 제1 자극에서 영구 자석의 외부 층의 외부 끝점이 제1 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있고, 제2 자극에서 영구 자석의 외부 층의 외부 끝점은 제2 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점이 q축으로부터 가장 멀리 있다.

또한, 상기 제1 자극에서의 영구 자석의 내부 층의 외부 끝점이 제3 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 가장 멀리 있으며, 상기 제2 자극에서 영구 자석의 내부 층의 외부 끝점이 제4 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 가장 멀리 있으며, 회전자의 중심에 관해 제3 외부 끝점과 제4 외부 끝점 사이의 끼인 각 B는, 회전자의 중심에 관해 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 내부 끼인 각 C 미만이 되도록 구성된다.

일 실시예에서, 상기 회전자의 방사상 방향으로, 상기 회전자 철심의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈의 3개의 층이 제공되고, 상기 제1 자극에서의 영구 자석의 중간층의 외부 끝점이 제1 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있고, 제2 자극에서의 영구 자석의 중간층의 외부 끝점이 제2 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있다.

또한, 제1 자극의 가장 안쪽 층에 배열된 영구 자석의 외부 끝점이 제5 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 상기 제2 자극의 가장 안쪽 층에서의 영구 자석의 외부 끝점이 제6 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 회전자의 중심에 관한 제5 외부 끝점와 제6 외부 끝점 사이의 끼인 각 B는 회전자의 중심에 관해, 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 내부 끼인 각 C보다 작도록 구성된다.

일 실시예에서, 상기 모터의 고정자 슬롯들의 개수가 N이고, 회전자 폴의 쌍들의 개수가 P이며, 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수(N/2P/m)는 2이고, 상기 끼인 각 A는 회전자의 중심에 관해, 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 외부 끼인 각 D보다 작다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석 홈들의 영구 자석의 충진율(filling ratio)은 85%보다 크도록 구성된다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석 홈들의 각각의 2개의 이웃하는 층들 사이에 자속 경로가 형성되고, 자속 경로의 하나의 끝점이 하나의 고정자 톱니바퀴를 직접 향하고, 자속 경로의 나머지 끝점이 하나의 고정자 슬롯을 직접 향한다.

일 실시예에서, 상기 회전자의 자극들 사이의 폭 S는 고정자 슬롯의 슬롯 개구(opening)의 폭 G보다 작다.

일 실시예에서, 자속 장벽(flux barrier)의 폭은 고르지 않게 구성되고, 그 폭은 자극의 중심 라인으로부터 q축까지 점진적으로 감소한다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석 홈의 끝점은 q축 쪽으로 바이어스된다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석 홈들의 내부 호(arc)들의 끝점은 챔퍼(chamfer)들로 잘라진다.

본 개시물의 유익한 효과는 다음과 같다.

본 개시물의 영구 자석 모터는 회전자에 배열된 영구 자석의 다수의 층으로 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터의 토크 리플을 보유할 수 있고, 고정자 톱니바퀴 슬롯에 관해 회전자의 상대적 위치의 변화에 따라 직접축 인덕턴스와 횡축 인덕턴스 사이의 차이의 변동을 감소시킬 수 있다. 기존 구조를 가지는 모터에 비해, 본 개시물의 모터는 그것의 토크 리플을 급격히 감소시킨다.

도 1은 종래 기술에서의 영구 자석 모터의 개략도.
도 2는 도 1의 영구 자석 모터가 부하가 있는 채로 동작할 때의 자기 라인들의 분포도.
도 3은 영구 자석 모터의 회전자가 영구 자석의 2개의 층을 포함하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구 자석 모터를 예시하는 구조상 개략도.
도 4는 도 3의 영구 자석 모터와 종래 기술에서의 영구 자석 모터 사이의 인덕턴스 차이의 변동을 예시하는 비교도.
도 5는 도 3의 영구 자석 모터의 토크 리플과 종래 기술에서의 영구 자석 모터의 토크 리플을 예시하는 비교도.
도 6은 영구 자석 모터의 회전자가 영구 자석의 3개의 층을 포함하는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 영구 자석 모터를 예시하는 구조상 개략도.
도 7은 영구 자석 모터가 6개의 폴 모터인, 도 3의 영구 자석 모터의 또 다른 구현예를 예시하는 구조상 개략도.
도 8은 도 3의 영구 자석 모터의 또 다른 구현예를 예시하는 개략도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구 자석 모터의 영구 자석의 충진율을 예시하는 개략도.
도 10은 모터의 영구 자석 홈이 그것들의 외부 면들에서 약간 경사지게 깎인(chamfered), 본 발명의 일 실시예에 따른 영구 자석 모터를 예시하는 개략도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 영구 자석 모터의 고정자 톱니바퀴 슬롯에 관한 자속 경로의 상대적 위치를 예시하는 개략도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 영구 자석 모터의 영구 자석 홈의 끝점들의 바이어스된 위치를 예시하는 개략도.
도 13은 자속 장벽이 고르지 않은 두께를 가지는, 본 발명의 일 실시예에 따른 영구 자석 모터의 영구 자석들의 자속 장벽을 예시하는 개략도.

본 개시물의 목적, 기술 방식, 및 장점을 더 분명하고 더 잘 이해되게 하기 위해, 본 개시물의 영구 자석 모터가 첨부 도면과 실시예를 참조하여 더 상세히 설명된다. 본 명세서에서 설명된 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이고 본 발명의 범주를 제한하기 위해 사용된 것이 아니라는 점이 이해되어야 한다.

도 3 내지 13에 도시된 것처럼, 본 발명의 일 실시예에서 영구 자석 모터는 고정자(1)와 회전자(4)를 포함하고, 고정자(1)는 고정자 철심(2)과 권선(4)을 포함하며, 회전자(4)는 하나의 회전자 철심(5)과 영구 자석(7a, 7b)을 포함한다. 회전자(4)의 방사상 방향에서, 회전자 철심(5)의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈(6a, 6b)의 다수의 층이 제공되고, 2개의 이웃하는 자극 사이에는 q축 자속 경로가 형성되며, 영구 자석(7a, 7b)은 영구 자석 홈(6a, 6b)에 배치된다.

회전자(4)의 2개의 이웃하는 자극은 각각 반대 극성을 가지는 제1 자극과 제2 자극이다. 제1 자극에 배치된 영구 자석(7a)의 끝점이 제1 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 제2 자극에 배치된 영구 자석(7b)의 외부 끝점이 제2 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있다. 회전자(4)의 중심에 관해 제1 외부 끝점과 제2 외부 끝점 사이에 끼인 각 A(외부 끼인 각)는 80°의 전기각보다 작고, 이 경우 고정자 슬롯(9)의 개수(슬롯 수)는 N이고, 회전자 극의 쌍들의 개수는 P이며, 권선의 상들의 개수는 m이고, 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수(N/2P/m)는 정수이다. 바람직하게, 영구 자석 홈에서의 영구 자석의 충진율은 85%보다 크고, 총 전자기 토크에서의 릴럭턴스 토크의 백분율을 감소시키기 위해서는, 영구 자석 홈에서의 영구 자석의 충진율이 85%보다 크도록 구성되어, 총 전자기 토크 리플이 감소된다. 한 쌍의 폴에서의 영구 자석의 외부 층의 끝점들 사이의 외부 끼인 각 A는 80°의 전기각보다 작게 구성되어, 자기 라인들의 통로가 로터의 영구 자석 홈들의 끝점에 의해 차단될 때의 시간 지속 기간이 감소되고, 이로 인해 도 4에 도시된 것처럼, 변동하는 동안 직접축 인덕턴스와 횡축 인덕턴스 사이의 최소 차이가 증가한다. 따라서, 도 5에 도시된 것처럼 전자기 토크의 최소값이 효과적으로 증가되고, 개선된 모터의 토크 리플의 최소 토크값이 종래 기술에 비해 크게 증가된다. 바람직하게는, 도 3에 도시된 것처럼 모터의 고정자 슬롯의 개수가 N이고, 회전자 폴의 쌍들의 개수가 P이며, 상당 폴에 대한 소정자 슬롯의 개수(N/2P/m)는 2이고, 끼인 각 A는 회전자(4)의 중심에 관해 고정자(1)의 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 외부 끼인 각 D보다 작다. 그리고 최소 토크가 증가함에 따라 더 양호한 효과가 이루어질 수 있다.

구현예들 중 하나로서, 회전자(4)의 방사상 방향으로, 회전자 철심(5)의 각 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈의 2개의 층이 제공된다. 제1 자극에서의 영구 자석(7a)의 외부층의 외부 끝점이 제1 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 제2 자극의 영구 자석(7a)의 외부층의 외부 끝점이 제1 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있다. 회전자(4)의 중심에 관해 제1 외부 끝점과 제2 외부 끝점 사이의 끼인 각 A(외부 끼인 각)는 80°의 전기각보다 작다.

또, 제1 자극에서의 영구 자석(7b)의 내부 층의 외부 끝점이 제3 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 제2 자극에서의 영구 자석(7b)의 내부 층의 외부 끝점이 제4 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있다. 회전자의 중심에 관해 제3 외부 끝점과 제4 외부 끝점 사이의 끼인 각 B는 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 내부 끼인 각 C보다 작도록 구성된다. 영구 자석의 내부 층의 외부 끝점들 사이에 끼인 각 B가 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 내부 끼인 각 C보다 작도록 구성되는 배치는 회전자의 영구 자석의 내부 층들의 자기장과 고정자의 자기장 사이의 끼인 각의 변화에 의해 야기된 토크 리플을 회피한다.

구현예 중 하나로서, 도 6에 도시된 것처럼 회전자(4)의 방사상 방향에서 회전자 철심(5)의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈(6a, 6b, 6c)의 3개의 층이 제공된다. 제1 자극에서의 영구 자석의 중간층의 외부 끝점(영구 자석 홈(6b))이 제1 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 제2 자극에서의 영구 자석의 중간층의 외부 끝점이 제2 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있다. 회전자(4)의 중심에 관해 제1 외부 끝점과 제2 외부 끝점 사이의 끼인 각 A(외부 끼인 각)는 80°의 전기각보다 작다.

또한, 제1 자극에서의 영구 자석의 가장 안쪽 층의 외부 끝점(영구 자석 홈(6c)에서의)이 제5 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 제2 자극에서의 영구 자석의 가장 안쪽 층의 외부 끝점(영구 자석 홈(6c)에서의)이 제6 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있다. 회전자(4)의 중심에 관해 제5 외부 끝점과 제6 외부 끝점 사이의 끼인 각 B는 하나의 고정자 톱니바퀴(11)에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 내부 끼인 각 C보다 작도록 구성된다. 회전자의 영구 자석 층들의 개수가 3인 구성에서는, q축의 자기 라인들의 통로가 주로 영구 자석의 가장 바깥층의 안쪽과 영구 자석들의 층들 사이에 위치한 자속 경로에 집중되기 때문에, 영구 자석들의 중간층의 끝점들 사이의 외부 끼인 각 A가 80°의 전기각보다 작도록 구성되는 배치가 토크 리플에서의 최소 토크값을 증가시킨다.

도 8에 도시된 것처럼 일 실시예에서는, 회전자의 폴들 사이의 폭(S)이 고정자 슬롯의 슬롯 개구의 폭(G)보다 작다. 회전자의 폴들 사이의 폭(S)이 고정자 슬롯의 슬롯 개구의 폭(G)보다 작은 배치는 고정자로부터 회전자의 폴들 사이의 통로로 직접 진행하는 자기 라인들의 백분율을 감소시켜, 영구 자석들 사이에서, 그리고 회전 방향을 따라, 회전자의 폴들 사이의 통로 뒤에 위치한 자속 경로로 자기 라인이 먼저 간 다음, 회전자의 폴들 사이의 통로로 자기 라인이 가고, 따라서 자기 라인의 전체 통로에서의 총 릴럭턴스가 증가하고, 고정자 톱니바퀴 슬롯에 관한 회전자의 상대적 위치 변동에 의해 야기된 릴럭턴스의 변화가 자기 라인의 전체 통로에서의 총 릴럭턴스에서 적은 백분율을 차지한다. 따라서, 인덕턴스의 변동이 감소하고, 릴럭턴스 토크 리플이 감소한다.

도 11에 도시된 것처럼 일 실시예에서는, 영구 자석 홈의 2개의 이웃하는 층들 사이에 하나의 자속 경로(10)가 형성된다. 자속 경로(10) 중 한쪽 끝은 고정자 톱니바퀴(11)를 직접 향하고, 자속 경로(10) 중 다른 쪽 끝은 고정자 슬롯(9)을 직접 향한다. 영구 자석들 사이의 자속 경로(10)의 한쪽 끝이 고정자 톱니바퀴를 직접 향하고, 자속 경로(10)의 다른 쪽 끝이 고정자 슬롯을 직접 향하는 이러한 배치는 고정자 톱니바퀴 슬롯에 관한 회전자의 상대적 위치가 변할 때 모터의 횡축 인덕턴스의 리플을 감소시키고, 모터의 릴럭턴스 토크를 더 매끄럽게 만든다.

회전자의 영구 자석 홈들 사이의 내부 끼인 각인 A 또는 B를 감소시키기 위해서, 영구 자석 홈들의 내부 호의 끝이 갈라진다. 도 10에 도시된 것처럼, 영구 자석 홈들의 내부 호의 끝이 챔퍼(8)로 갈라진다.

회전자의 영구 자석 홈들 사이의 내부 끼인 각인 A 또는 B를 감소시키기 위해서, 회전자의 영구 자석 홈들의 끝점이 자극의 경계, 즉 q축 쪽으로 바이어스되도록 구성된다. 도 12에 도시된 것처럼, 영구 자석 홈의 끝점은 도면에 도시된 화살표 방향으로 q축 쪽으로 바이어스된다.

비슷하게, 자속 장벽의 폭은 고르지 않게 구성되어, 자극의 중심 라인으로부터 자극의 경계까지 점진적으로 감소함으로써, 회전자의 영구 자석 홈들 사이의 내부 끼인 각인 A 또는 B를 감소시키는 효과를 실현한다. 도 13에 도시된 것처럼, 회전자의 자속 장벽(12)의 폭은 고르지 않아, 자극의 중심 라인(d축)으로부터 q축까지 점진적으로 감소한다.

위 실시예의 영구 자석 모터는 회전자에 배치된 영구 자석들의 다수 층으로 영구 자석 보조 동기 릴럭턴스 모터의 토크 리플을 억제시킬 수 있고, 고정자 톱니바퀴 슬롯에 관해 회전자의 상대적 위치의 변화에 따라 직접축 인덕턴스와 횡축 인덕턴스 사이의 차이의 변동을 감소시킬 수 있고, 기준 구조를 가지는 모터에 비해 토크 리플을 급격히 감소시킬 수 있다.

위에서 설명된 것은 본 발명의 몇몇 실시예이고, 그러한 실시예는 구체적이고 상세하게 되어 있지만, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 의도되지는 않는다. 본 발명의 개념으로부터 벗어나지 않으면서 다양한 수정 및 개선이 이루어질 수 있고, 이들 수정 및 개선 모두는 본 발명의 범주 내에 있다는 점을 당업자라면 이해하게 된다. 본 발명의 범주는 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된다.

Claims

고정자와 회전자를 포함하는 영구 자석 모터로서,
상기 고정자는 고정자 철심과 권선을 포함하고,
상기 회전자는 회전자 철심과 영구 자석을 포함하며, 회전자의 방사상 방향으로 회전자 철심의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈들의 복수의 층이 제공되고, 2개의 이웃하는 자극 사이에는 q축 자속 경로가 형성되며, 상기 영구 자석은 영구 자석 홈들에 배치되고,
상기 회전자의 2개의 이웃하는 자극은 각각 제1 자극과 제2 자극이고, 제1 자극과 제2 자극은 반대 극성을 가지며, 제1 자극에 배치된 영구 자석의 외부 끝점(end point)이 제1 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀고, 제2 자극에 배치된 영구 자석의 외부 끝점은 제2 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀고, 회전자의 중심에 관해 제1 외부 끝점과 제2 외부 끝점 사이의 끼인 각 A는 80°의 전기각 미만이며, 고정자 슬롯의 개수는 N이고, 회전자 폴의 쌍의 개수는 P이며, 권선의 상의 개수는 m이고, 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수(N/2P/m)는 정수인, 영구 자석 모터.
제1 항에 있어서,
상기 회전자의 방사상 방향으로, 회전자 철심의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈들의 2개의 층이 제공되고, 제1 자극에서 영구 자석의 외부 층의 외부 끝점이 제1 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있고, 제2 자극에서 영구 자석의 외부 층의 외부 끝점은 제2 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점이 q축으로부터 가장 멀리 있는, 영구 자석 모터.
제2 항에 있어서,
상기 제1 자극에서의 영구 자석의 내부 층의 외부 끝점이 제3 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 가장 멀리 있으며, 상기 제2 자극에서 영구 자석의 내부 층의 외부 끝점이 제4 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 가장 멀리 있으며, 회전자의 중심에 관해 제3 외부 끝점과 제4 외부 끝점 사이의 끼인 각 B는, 회전자의 중심에 관해 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 내부 끼인 각 C 미만이 되도록 구성되는, 영구 자석 모터.
제1 항에 있어서,
상기 회전자의 방사상 방향으로, 상기 회전자 철심의 각각의 자극에는 호 모양의 영구 자석 홈의 3개의 층이 제공되고, 상기 제1 자극에서의 영구 자석의 중간층의 외부 끝점이 제1 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있고, 제2 자극에서의 영구 자석의 중간층의 외부 끝점이 제2 외부 끝점이며, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있는, 영구 자석 모터.
제4 항에 있어서,
상기 제1 자극의 가장 안쪽 층에 배열된 영구 자석의 외부 끝점이 제5 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 상기 제2 자극의 가장 안쪽 층에서의 영구 자석의 외부 끝점이 제6 외부 끝점이고, 상기 외부 끝점은 q축으로부터 더 멀리 있으며, 회전자의 중심에 관한 제5 외부 끝점과 제6 외부 끝점 사이의 끼인 각 B는 회전자의 중심에 관해, 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 내부 끼인 각 C보다 작도록 구성되는, 영구 자석 모터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 모터의 고정자 슬롯들의 개수가 N이고, 회전자 폴의 쌍들의 개수가 P이며, 상당 폴에 대한 고정자 슬롯의 개수(N/2P/m)는 2이고, 상기 끼인 각 A는 회전자의 중심에 관해, 하나의 고정자 톱니바퀴에 의해 이격된 2개의 고정자 톱니바퀴 부분 사이의 외부 끼인 각 D보다 작은, 영구 자석 모터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구 자석 홈들의 영구 자석의 충진율(filling ratio)은 85%보다 크도록 구성된, 영구 자석 모터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구 자석 홈들의 각각의 2개의 이웃하는 층들 사이에 자속 경로가 형성되고, 자속 경로의 하나의 끝점이 하나의 고정자 톱니바퀴를 직접 향하고, 자속 경로의 나머지 끝점이 하나의 고정자 슬롯을 직접 향하는, 영구 자석 모터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전자의 자극들 사이의 폭 S는 고정자 슬롯의 슬롯 개구의 폭 G보다 작은, 영구 자석 모터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
자속 장벽의 폭은 고르지 않게 구성되고, 상기 폭은 자극의 중심 라인으로부터 q축까지 점진적으로 감소하는, 영구 자석 모터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구 자석 홈의 끝점은 q축 쪽으로 바이어스된, 영구 자석 모터.
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 영구 자석 홈들의 내부 호(arc)들의 끝점(endpoint)은 챔퍼(chamfer)들로 갈라지는, 영구 자석 모터.