KR102020694B1 - 진공 펌프용 ipm 모터 - Google Patents

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Abstract

소형 진공 펌프용의 모터로서 최적의 진공 펌프용 IPM 모터를 제공한다.
(과제) 진공 펌프의 로터축이 압입되고, 자석이 매입되는 로터 코어와, 상기 로터 코어를 둘러싸고 설치되고, 스테이터 권선이 감기는 스테이터 코어를 갖는 진공 펌프용 IPM 모터로서, 로터 코어에 매입하는 1극당 자석을 2분할하여 상기 로터 코어에 설치된 자석 슬롯에 각각 삽입함과 더불어, 상기 1극당 2분할한 영구자석을 삽입하는 2개의 자석 슬롯의 양단에 응력 집중 완화용 구멍을 형성하고, 또한, 상기 로터 코어를 로터축의 축방향으로 상하로 적층하는 다단 구성으로 하고, 응력 집중 완화용 구멍을 이용하여 상기 상하로 적층하는 로터 코어의 스큐각의 위치 결정을 행한다.

Description

진공 펌프용 IPM 모터{IPM MOTOR FOR VACUUM PUMP}
본 발명은, 반도체 제조 장치, 플랫·패널·디스플레이 제조 장치, 솔러·패널 제조 장치에 있어서의 프로세스 챔버나 그 밖의 밀폐 챔버의 가스 배기 수단으로 이용되는 진공 펌프의 회전날개 블레이드를 고속 회전 구동하는 진공 펌프용 IPM 모터에 관한 것이며, 특히, 진공 펌프의 소형화에 따라 로터요크 폭을 좁게 한 경우에 적용 가능한 진공 펌프용 IPM 모터에 관한 것이다.
진공 펌프는, 하우징 내벽에 복수의 스테이터 날개를 부착하고, 이 스테이터 날개에 대향하는 복수의 회전날개 블레이드를 고속 회전시킴으로써 흡인을 행하는 것으로, 이 회전날개 블레이드의 고속 회전 구동에는, 종래, SPM(Surface Permanent Magnet) 구조의 브러시리스 DC 모터가 이용되고 있었다.
이런 종류의 SPM 모터는, 로터의 표면에 자석을 붙인 형상으로 되어 있으므로, 고속 회전시에 자석이 원심력으로 비산하지 않도록 비산 방지 바인드를 설치할 필요가 있으며, 또, SPM용 자석은 형상이 커지므로, 자석의 와전류손에 의한 발열도 문제가 된다.
그래서, 진공 펌프용 모터로서, 자석 사용량의 저감, 자석 형상의 간소화, 비산 방지 바인드를 삭제하는 것에 의한 부품 점수의 삭감을 도모할 수 있는 IPM 모터(Interior Permanent Magnet Motor)의 도입이 검토되고 있다.
이 IPM 모터는, 로터의 내부에 자석을 매입(埋入)한 구조를 갖는 회전계 자석 형식의 동기 모터이며, 로터의 자화에 의한 릴럭턴스 토크와 자석에 의한 마그넷 토크를 둘 다 이용할 수 있으므로, 소형이며 대출력을 얻을 수 있다.
그러나, 진공 펌프용의 모터로서, 이 IPM 모터를 채용하는 경우, IPM 모터의 로터부에 진공 펌프의 회전날개 블레이드를 고속 회전 구동하는 로터축을 압입할 필요가 있는데, 진공 펌프의 로터축은, 진공 펌프의 고속 회전에 수반하는 고유 진동을 작게 하기 위해서 일정 이상의 직경으로 해야하며, 이 경우, 자석을 매입하는 IPM 모터의 로터요크 폭이 매우 좁아져 버린다. 여기서, 이 진공 펌프의 1극당 자석을 1장으로 구성하면, 로터요크 폭이 좁기 때문에, 샤프트 압입시의 압입력에 로터 코어나 자석의 기계 강도가 견딜 수 없어, 로터 코어나 자석이 파손될 우려가 있다는 문제가 발생했다.
1극당 자석을 2장으로 구성한 IPM 모터용 로터로는, 특허 문헌 1에 기재된 「모터용 로터」가 알려져 있다.
일본국 특허 공개 2002-44887호 공보
그러나, 상기 특허 문헌 1에 기재된 「모터용 로터」는, 소형 진공 펌프용 모터로서의 이용을 상정한 것이 아니라, 따라서, 로터요크 폭이 좁아져 버리는 것에 의한 샤프트 압입시의 로터 코어나 자석의 파손을 방지할 수 있는 것은 아니다.
본 발명은, 이러한 문제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 소형 진공 펌프용 모터로서 최적의 진공 펌프용 IPM 모터를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은, 진공 펌프의 로터축이 압입되고, 자석이 매입되는 로터 코어와, 상기 로터 코어를 둘러싸고 설치되고, 스테이터 권선이 감기는 스테이터 코어를 갖는 진공 펌프용 IPM 모터로서, 상기 로터 코어에 매입하는 1극당 상기 자석을 복수로 분할하여 상기 로터 코어에 설치된 자석 슬롯에 각각 삽입함과 더불어, 상기 자석 슬롯의 근방에 응력 집중 완화용 구멍을 형성한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 구성에 있어서, 상기 로터 코어에 매입하는 1극당 상기 자석을 적어도 2개 이상으로 분할하여 상기 로터 코어에 설치된 상기 자석 슬롯에 각각 삽입하도록 구성할 수 있다.
여기서, 상기 자석 슬롯은, 반경방향 외측 모서리에 응력 집중 완화용 제1의 모서리부를 가짐과 더불어, 반경방향 내측 모서리에 상기 제1의 모서리부보다도 곡률 반경이 작은 제2의 모서리부를 갖도록 구성할 수 있다.
또, 상기 구성에 있어서, 상기 로터 코어를 상기 로터 코어의 축방향으로 다단으로 적층하는 다단 구성으로 하고, 상기 응력 집중 완화용 구멍을 이용하여 상기 적층하는 상기 로터 코어의 스큐각의 위치 결정을 행할 수 있다.
여기서, 상기 로터 코어를 상기 로터 코어의 축방향으로 상하로 적어도 2단 이상으로 적층하는 2단 구성으로 할 수 있다.
또, 인접하는 극의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이의 거리가 상이하도록 상기 응력 집중 완화용 구멍을 형성함으로써, 다단으로 적층하는 상기 로터 코어의 상기 스큐각을 조정한다.
여기서, 인접하는 극의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이의 거리가 상이하도록 상기 응력 집중 완화용 구멍을 형성함으로써, 2단으로 적층하는 상하의 상기 로터 코어의 상기 스큐각을 조정할 수 있다.
또, 상기 구성에 있어서, 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이의 거리를 상기 응력 집중 완화용 구멍과 상기 자석 슬롯 사이의 거리보다 넓게 설정하고, 릴럭턴스 토크를 발생시키는 q축 자속을, 각 단의 상기 로터 코어의 상기 응력 집중 완화용 구멍의 사이에 흐르게 함으로써 상기 다단으로 적층하는 복수의 상기 로터 코어에 걸친 자기 회로를 형성한다.
또, 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이의 거리를 상기 응력 집중 완화용 구멍과 상기 자석 슬롯 사이의 거리보다 넓게 설정하고, 릴럭턴스 토크를 발생시키는 q축 자속을, 상단의 상기 로터 코어의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이와 하단의 상기 로터 코어의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이에 흐르게 함으로써 상기 2단으로 적층하는 2개의 로터 코어에 걸친 자기 회로를 형성한다.
본 발명에 의하면, 로터 코어에 매입하는 1극당 자석을 복수로 분할하여 상기 로터 코어에 설치된 자석 슬롯에 각각 삽입함과 더불어, 상기 1극당 복수로 분할한 자석을 삽입하는 복수의 자석 슬롯의 양단에 응력 집중 완화용 구멍을 형성했으므로, 샤프트 압입시의 압입력에 의한 로터 코어나 자석의 파손을 확실히 방지할 수 있다.
또, 상기 응력 집중 완화용 관통 구멍을 형성함과 더불어, 상기 자석 슬롯의 형상을, 상기 응력 집중 완화용 구멍에 인접하는 측의 반경방향 외측 모서리에 응력 집중 완화용 제1의 모서리부를 가짐과 더불어, 반경방향 내측 모서리에 상기 제1의 모서리부보다도 곡률 반경이 작은 제2의 모서리부를 갖도록 구성함으로써, 진공 펌프의 고속 회전 운전시에 있어서의 원심력에 의한 로터 코어의 파손을 방지할 수 있다.
또, 상기 응력 집중 완화용 구멍을 이용하여, 상기 로터 코어를 상기 로터축의 축방향으로 상하로 적층하여 다단 구성으로 하는 경우에, 상기 상하로 적층하는 로터 코어의 스큐각의 위치 결정을 행할 수 있다.
또, 상기 응력 집중 완화용 구멍을 형성함으로써, 자석 단부의 누설 자속을 저감할 수 있다고 하는 효과도 발휘한다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 진공 펌프의 단면도이다.
도 2는 본원 발명에 따른 진공 펌프용 IPM 모터의 상세 구성을 나타내는 평면도(A) 및 그 A-A 단면도(B)이다.
도 3은, 본원 발명에 따른 진공 펌프용 IPM 모터의 로터 코어의 상세 구성을 나타내는 평면도(A) 및 그 B-B 단면도(B)이다.
도 4는, 본원 발명에 따른 진공 펌프용 IPM 모터의 스테이터 코어의 상세 구성을 나타내는 평면도(A) 및 그 B-B 단면도(B)이다.
도 5는, 상단의 로터 코어와 하단의 로터 코어의 일례를 나타내는 도면이다.
도 6은, 상단의 로터 코어 및 하단의 로터 코어의 위치 결정 및 스큐각의 조정에 대해서 설명하는 도면이다.
도 7은, 상단의 로터 코어 및 하단의 로터 코어의 스큐각의 조정에 대해서 설명하는 도면이다.
도 8은, 스큐각이 조정된 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)를 겹쳐 단 스큐 구성으로 한 로터 코어(110)의 평면도(A) 및 그 B-B 단면도(B)이다.
도 9는, 자석 슬롯 및 응력 집중 완화용 구멍의 상세를 설명하는 확대도이다.
도 10은, 본 발명의 진공 펌프용 IPM 모터에 있어서의 릴럭턴스 토크의 유효 이용을 설명하는 도면이다.
도 11은, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 의한 6배 고조파 성분으로 이루어지는 토크 리플과 12배 고조파 성분으로 이루어지는 코깅 토크의 저감에 기여하는 유기(誘起)전압의 고조파 성분의 저감을 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명을 실시하기 위한 실시예에 대해서, 원서에 첨부한 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명이 적용되는 진공 펌프의 단면도이다. 동 도면의 진공 펌프(P)는, 반도체 제조 장치, 플랫·패널·디스플레이 제조 장치, 솔러·패널 제조 장치에 있어서의 프로세스 챔버나 그 외의 밀폐 챔버의 가스 배기 수단 등으로서 이용된다.
이 진공 펌프(P)는, 외장 케이스(1) 내에, 회전날개 블레이드(13)와 고정날개 브레이드(14)에 의해 기체를 배기하는 날개 배기부(Pt)와, 나사홈(6)을 이용하여 기체를 배기하는 나사홈 배기부(Ps)와, 이들의 구동계를 갖고 있다.
외장 케이스(1)는, 통형상의 펌프 케이스(1A)와 바닥이 있는 통형상의 펌프 베이스(1B)를 그 통축방향으로 볼트로 일체로 연결한 바닥이 있는 원통형으로 되어 있다. 펌프 케이스(1A)의 상단부측은 가스 흡기구(2)로서 개구되어 있으며, 펌프 베이스(1B)의 하단부 측면에는 가스 배기구(3)가 설치되어 있다.
가스 흡기구(2)는, 펌프 케이스(1A) 상측 가장자리의 플랜지(1C)에 설치한 도시하지 않은 볼트에 의해, 예를 들면 반도체 제조 장치의 프로세스 챔버 등, 고진공이 되는 도시하지 않은 밀폐 챔버에 접속된다. 가스 배기구(3)는, 도시하지 않은 보조 펌프에 연통하도록 접속된다.
펌프 케이스(1A) 내의 중앙부에는 각종 전장품을 내장하는 원통형의 스테이터 칼럼(4)이 설치되어 있으며, 스테이터 칼럼(4)은 그 하단측이 펌프 베이스(1B) 상에 나사 고정되는 형태로 세워져 설치되어 있다.
스테이터 칼럼(4)의 내측에는 로터축(5)이 설치되어 있으며, 로터축(5)은, 그 상단부가 가스 흡기구(2)의 방향을 향하고, 그 하단부가 펌프 베이스(1B)의 방향을 향하도록 배치되어 있다. 또, 로터축(5)의 상단부는 스테이터 칼럼(4)의 원통 상단면으로부터 상방으로 돌출하도록 설치되어 있다.
로터축(5)은, 래디얼 자기 베어링(10)과 액시얼 자기 베어링(11)의 자력으로 반경방향과 축방향이 회전 가능하게 부상 지지되고, 뒤에서 상술하는 본 발명에 따른 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 의해 회전 구동된다. 또, 이 로터축(5)의 상하단 측에는 보호 베어링(B1, B2)을 설치하고 있다.
스테이터 칼럼(4)의 외측에는 로터(6)가 설치되어 있다. 로터(6)는, 스테이터 칼럼(4)의 외주를 둘러싸는 원통 형상이며, 로터축(5)에 일체화되어 있고, 또한, 그 로터축(5)을 회전축심으로 하여 펌프 케이스(1A) 내에서 회전하도록 구성되어 있다.
따라서, 도 1의 진공 펌프(P)에서는, 로터축(5), 래디얼 자기 베어링(10, 10) 및 액시얼 자기 베어링(11)이, 로터(6)를 그 축심 둘레로 회전 가능하게 지지하는 지지 수단으로서 기능한다. 또, 이 로터(6)는 로터축(5)과 일체로 회전하므로, 로터축(5)을 회전 구동하는 진공 펌프용 IPM 모터(100)가 로터(6)를 회전 구동하는 구동 수단으로서 기능한다.
보호 베어링(B1과 B2), 래디얼 자기 베어링(10) 및 액시얼 자기 베어링(11)의 상세한 구성에 대해서는 업계 주지의 내용이므로, 설명을 생략한다.
도 1의 진공 펌프(P)에서는, 로터(6)의 대략 중간보다 상류(로터(6)의 대략 중간에서부터 로터(6)의 가스 흡기구(2)측 단부까지의 범위)가 날개 배기부(Pt)로서 기능한다. 이하, 이 날개 배기부(Pt)의 상세 구성을 설명한다.
로터(6)의 대략 중간에서 상류측의 로터(6) 외주면에는 회전날개 블레이드(13)가 일체로 복수 설치되어 있다. 이들 복수의 회전날개 블레이드(13)는, 로터(6) 외주면으로부터 로터 반경방향으로 돌출한 형태로 되어 있으며, 또한, 로터(6)의 회전축심(로터축(5)) 혹은 외장 케이스(1)의 축심(이하 「펌프 축심」이라 함)을 중심으로 방사상으로 배치되어 있다. 또, 회전날개 블레이드(13)는, 로터(6)의 외경 가공부와 일체적으로 절삭 가공으로 절출하여 형성한 절삭 가공품이며, 기체 분자의 배기에 최적인 각도로 경사져 있다.
펌프 케이스(1A)의 내주면측에는 고정날개 브레이드(14)가 복수 설치되어 있으며, 이들 고정날개 브레이드(14)는, 펌프 케이스(1A) 내주면으로부터 로터(6) 외주면을 향해 돌출한 형태로 되어 있고, 또한, 펌프 축심을 중심으로 하여 방사상으로 배치되어 있다. 이들 고정날개 브레이드(14)도, 또 회전날개 블레이드(13)와 동일하게, 기체 분자의 배기에 최적인 각도로 경사져 있다.
그리고, 도 1의 진공 펌프(P)에 있어서는, 상기한 바와 같은 복수의 회전날개 블레이드(13)와 고정날개 브레이드(14)가 펌프 축심을 따라서 번갈아 다단으로 배치됨으로써 다단의 날개 배기부(Pt)를 형성하고 있다.
이상의 구성으로 이루어지는 날개 배기부(Pt)에서는, 진공 펌프용 IPM 모터(100)의 기동에 의해, 로터축(5), 로터(6) 및 복수의 회전날개 블레이드(13)가 일체로 고속 회전하고, 최상단의 회전날개 블레이드(13)가 가스 흡기구(2)로부터 입사한 기체 분자에 하향 방향의 운동량을 부여한다. 이 하향 방향의 운동량을 갖는 기체 분자가 고정날개(14)에 의해서 다음 단의 회전날개 블레이드(13)측으로 이송된다. 이러한 기체 분자로의 운동량의 부여와 이송 동작이 반복하여 다단으로 행해짐으로써, 가스 흡기구(2)측의 기체 분자는 로터(6)의 하류를 향해 순차적으로 이행하도록 배기된다.
도 1의 진공 펌프(P)에서는, 로터(6)의 대략 중간보다 하류(로터(6)의 대략 중간에서부터 로터(6)의 가스 배기구(3)측 단부까지의 범위)가 나사홈 배기부(Ps)로서 기능한다. 이하, 이 나사홈 배기부(Ps)의 상세 구성을 설명한다.
로터(6)의 대략 중간보다 하류측의 로터(6)는, 나사홈 배기부(Ps)의 회전 부재로서 회전하는 부분이며, 나사홈 배기부 스테이터(15)의 내측에 배치되어 있다.
나사홈 배기부 스테이터(15)는, 통형의 고정 부재이며, 로터(6)의 외주(로터(6)의 대략 중간보다 하류)를 둘러싸도록 배치되어 있다. 또, 이 나사홈 배기부 스테이터(15)는 그 하단부가 펌프 베이스(1B)로 지지되도록 설치되어 있다.
나사홈 배기부 스테이터(15)의 내주부에는, 깊이가 하방을 향해서 소경화한 테이퍼콘 형상으로 변화하는 나사홈(16)이 형성되어 있다. 이 나사홈(16)은, 나사홈 배기부 스테이터(15)의 상단에서 하단에 걸쳐 나선형으로 형성되어 있으며, 이러한 나사홈(16)에 의해, 로터(6)와 나사홈 배기부 스테이터(15) 사이에는, 나선형의 나사홈 배기 통로(S)가 설치되는 구성으로 되어 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 앞서 설명한 나사홈(16)을 로터(6)의 내주면에 형성함으로써, 나사홈 배기 통로(S)가 설치되는 구성도 채용할 수 있다.
나사홈 배기부(Ps)에서는, 나사홈(16)과 로터(6)의 외주면에서의 드래그 효과에 의해 기체를 압축하면서 이송하기 때문에, 나사홈(16)의 깊이는, 나사홈 배기 통로(S)의 상류 입구측(가스 흡기구(2)에 가까운 쪽의 통로 개구단)에서 가장 깊고, 그 하류 출구측(가스 배기구(3)에 가까운 쪽의 통로 개구단)에서 가장 얕아지도록 설정해 둔다.
나사홈 배기 통로(S)의 상류 입구는, 상술한 바와 같이 다단으로 배치되어 있는 회전날개 블레이드(13)와 고정날개 브레이드(14) 중, 최하단의 날개(도 1의 예에서는, 최하단의 고정날개 브레이드(14))의 하류에 형성되는 간극(G)에 연통하고 있으며, 또, 그 나사홈 배기 통로(S)의 하류 출구는, 가스 배기구(3)측에 연통하도록 구성되어 있다.
앞서 설명한 날개 배기부(Pt)의 배기 동작에 의한 이송으로 최하단의 날개(도 1의 예에서는, 회전날개 블레이드(13))에 도달한 기체 분자는, 나사홈 배기 통로(S)의 상류 입구에서 이 나사홈 배기 통로(S)로 이행된다. 이행한 기체 분자는, 로터(6)의 회전에 의해서 발생하는 효과, 즉 로터(6)의 외주면과 나사홈(16)에서의 드래그 효과에 의해서, 천이류에서 점성류로 압축되면서 가스 배기구(3)를 향해 이행되고, 최종적으로 도시하지 않은 보조 펌프를 통해서 외부로 배기된다.
도 2는, 본원 발명에 따른 진공 펌프용 IPM 모터의 상세 구성을 나타내는 평면도(A) 및 그 A-A 단면도(B)이다.
동 도면에 있어서, 이 진공 펌프용 IPM 모터(100)는, 4극, 24슬롯의 IPM 모터로서 구성되고, 각 극의 자석(영구자석)이 매입되는 복수의 자석 슬롯(111)이 형성된 로터 코어(110)와 이 로터 코어(110)를 둘러싸고 설치되고, U, V, W의 삼상 전류를 흐르게 하는 권선(122)이 감기는 복수의 권선 슬롯(121)이 형성된 스테이터 코어(120)로 구성된다.
로터 코어(110) 및 스테이터 코어(120)는, 각각 시트형상의 철심편을 소정의 두께로 적층하여 구성된다.
또한, 도 2에는, U, V, W의 삼상 전류를 흘리는 권선(122)을 권선 슬롯(121)에 번갈아 감고 있으나, 이 U, V, W의 권선(122)의 권회 방법은 이 권회 방법에 한정되지 않고, 요점은 권선(122)에 의해 회전하는 자계가 발생하도록 하면 되고, 다른 주지의 다양한 권회 방법도 채용할 수 있다.
한편, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)는, 상술한 진공 펌프(P)의 로터축(5)이 로터 코어(110)에 설치된 구멍(113)에 압입되도록 구성되어 있으며, 이 로터축(5)은, 진공 펌프(P)의 고속 회전에 수반하는 고유 진동을 작게 하기 위해서 일정 이상의 직경으로 해야하므로, 진공 펌프(P)의 소형화를 도모하면, 로터 코어(110)의 치수에 대해 로터축(5)이 차지하는 비율은 커지므로, 로터 코어(110)의 자석(130)과 로터 코어 내주 사이의 코어 폭(YW1) 및 로터 코어(110)의 자석(130)과 로터 코어 외주 사이의 코어 폭(YW2)은 좁아진다.
여기서, 1극당 자석을 1장으로 구성하면, 진공 펌프(P)의 로터축(5)의 압입시의 압입력에 의해 로터 코어나 자석이 견디지 못해 파손되어 버릴 우려가 있다. 그래서, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 있어서는 1극당 자석을 2장으로 분할하여 다른 자석 슬롯(111)에 매입하도록 구성하고 있다.
또, 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 있어서는, 자석을 축방향으로 2분할하여 상하의 자석을 소정 각도 어긋나게 한 단 스큐 구성을 채용하고, 구동 주파수의 6배 고조파 성분으로 이루어지는 토크 리플과 12배 고조파 성분으로 이루어지는 코깅 토크의 저감을 도모하고 있다.
따라서, 상기 구성의 로터 코어(110)에는, 상단의 로터 코어(110A) 및 하단의 로터 코어(110B)에는 각각 4×2=8(개)의 자석 슬롯(111)이 형성되고, 스테이터 코어(120)에는, 24 슬롯의 권선 슬롯(121)이 형성되어 있다.
또한, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에는, 진공 펌프(P)의 고속 회전 운전시의 원심력에 로터 코어(110)가 견딜 수 있도록, 각 극의 자석 슬롯(111)의 양측에, 합계 8개의 응력 집중 완화용 구멍(112)이 형성된다.
이 응력 집중 완화용 구멍(112)은, 뒤에서 상술하는 바와 같이, 상하단의 로터 코어(110A, 110B)의 위치 결정 및 스큐각의 조정에 이용되고, 또, 자석 슬롯(111)에 매입되는 자석(130)의 단부로부터의 누설 자속을 저감시키는 효과도 갖는다.
도 3은, 본원 발명에 따른 진공 펌프용 IPM 모터의 로터 코어(110)의 상세 구성을 나타내는 평면도(A) 및 그 B-B 단면도(B)이다.
동 도면에 있어서, 이 로터 코어(110)에는, 2분할된 자석(130)을 각각 매입하는 합계 8개의 자석 슬롯(111)과 합계 8개의 응력 집중 완화용 구멍(112)이 형성된다.
여기서, 응력 집중 완화용 구멍(112a)은, 2분할된 자석(111a와 111b) 중 1개의 자석(111a)에 인접하여 형성되고, 응력 집중 완화용 구멍(112b)은, 2분할된 자석(111a와 111b) 중 다른 자석(111b)에 인접하여 형성된다. 이 로터 코어(110)에는 진공 펌프(P)의 로터축(5)이 압입되는 구멍(113)이 형성된다.
단 스큐 구성을 채용하는 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 있어서, 상단의 로터 코어(110A) 및 하단의 로터 코어(110B)는, 각각 도 2에 나타낸 로터 코어(110)와 동일 형상, 동일 구성으로 이루어지고, 응력 집중 완화용 구멍(112a) 및 응력 집중 완화용 구멍(112b)을 이용하여 상단의 로터 코어(110A) 및 하단의 로터 코어(110B)의 위치 결정 및 스큐각의 조정이 행해진다.
도 4는, 본원 발명에 따른 진공 펌프용 IPM 모터의 스테이터 코어의 상세 구성을 나타내는 평면도(A) 및 그 C-C 단면도(B)이다.
동 도면에 있어서, 이 스테이터 코어(120)에는, U, V, W의 삼상 전류를 흐르게 하는 권선(122)이 감기는 합계 24개의 권선 슬롯(121)이 형성되어 있다. 이 합계 24개의 권선 슬롯(121)에 도 2에 나타낸 U상, V상, W상의 권선(122)이 감기고, 이 U상, V상, W상의 권선(122)에 U, V, W의 삼상 전류를 흐르게 함으로써, 스테이터 코어(120)의 내측에서 회전하는 회전 자계가 발생된다.
이 스테이터 코어(120)의 내측에는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 도 3에 나타낸 로터 코어(110)와 동일 형상, 동일 구성의 각각 각 극의 자석이 매입된 상단의 로터 코어(110A) 및 하단의 로터 코어(110B)가 소정의 스큐각으로 겹쳐져 배치된다.
다음에, 도 5 내지 도 8을 참조하여 상단의 로터 코어 및 하단의 로터 코어의 위치 결정 및 스큐각의 조정에 대해서 설명한다.
도 5는, 상단의 로터 코어와 하단의 로터 코어의 일례를 나타내는 도면이다. 동 도면에 있어서, (A)는 하단의 로터 코어(110B)를 나타내고, (B)는 상단의 로터 코어(110A)를 나타낸다. 도 5로부터 알 수 있듯이, (B)에 나타낸 상단의 로터 코어(110A)는, (A)에 나타낸 하단의 로터 코어(110B)에 대해 소정의 스큐각 θ만큼 반시계방향으로 회전하고 있다.
이 실시예에 있어서, 상단의 로터 코어(110A) 및 하단의 로터 코어(110B)의 위치 결정 및 스큐각의 조정은, 상단의 로터 코어(110A) 및 하단의 로터 코어(110B)에 각각 설치된 8개의 응력 집중 완화용 구멍(112)을 이용하여 행해진다.
이 상단의 로터 코어(110A) 및 하단의 로터 코어(110B)의 위치 결정 및 스큐각의 조정은, 도 6(A)에 나타낸 바와 같이, 하단의 로터 코어(110B)를 고정해 두고, 상단의 로터 코어(110A)를 화살표 X로 나타낸 바와 같이 반시계방향으로 회전시킨다. 그리고, 하단의 로터 코어(110B)의 응력 집중 완화용 구멍(112b)에 상단의 로터 코어(110A)의 응력 집중 완화용 구멍(112a)의 선단이 겹쳐지고, 상단의 로터 코어(110A)로부터 하단의 로터 코어(110B)를 관통하는 대략 진원에 가까운 4개의 관통 구멍(112c)이 형성된 상태로, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 위치 결정 및 스큐각의 조정이 행해졌다고 판단한다.
그리고, 이 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 위치 결정 및 스큐각의 조정이 행해진 상태에서, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)를 고정한다.
여기서의, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 고정 방법은, 상기 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 위치 결정 및 스큐각의 조정이 행해진 상태에서 형성되는 4개의 관통 구멍(112c)에, 상기 관통 구멍(112c)에 끼워맞춰지는 4개의 샤프트를 압입함으로써 고정해도 되고, 또, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)를 주지의 접착 수단으로 접착하도록 구성해도 된다.
이와 같이 구성하면, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 위치 결정 및 조정을 용이하게 행할 수 있다.
상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 스큐각은, 인접하는 극의 응력 집중 완화용 구멍(112a와 112b) 사이의 거리, 정확하게는 도 7에 나타낸 관통 구멍(112c)의 중심에 관한 치수 L에 의해, 예를 들면 0도 내지 15도 사이에서 조정할 수 있다.
즉, 도 7에 나타낸 치수 L이 커지도록 로터 코어(110)의 응력 집중 완화용 구멍(112a 및 112b)을 형성하면 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 스큐각이 커지도록 조정할 수 있고, 반대로, 도 7에 나타낸 치수 L이 작아지도록 로터 코어(110)의 응력 집중 완화용 구멍(112a 및 112b)을 형성하면 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)의 스큐각이 작아지도록 조정할 수 있다.
도 8은, 스큐각이 조정된 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)를 겹쳐 단 스큐 구성으로 한 로터 코어(110)의 평면도(A) 및 그 B-B 단면도(B)이다.
동 도면에 나타낸 바와 같이, 이 로터 코어(110)는, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)로 구성되고, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)는 스큐각 θ로 겹쳐지고, 응력 집중 완화용 구멍(112)에 의해 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)를 관통하는 4개의 관통 구멍(112c)이 형성된다.
도 9(A)는, 자석 슬롯 및 응력 집중 완화용 구멍의 상세를 설명하는 확대도이다.
동 도면에 나타낸 바와 같이 자석 슬롯(111)은, 자석(130)이 매입되는 것으로, 그 형상은, 반경방향 외측의 양 모서리에 곡률 반경이 큰 제1의 모서리부(111a 및 111b)를 갖는다.
또, 반경방향 내측의 양 모서리에 큰 제1의 모서리부(111a 및 111b)보다 곡률 반경이 작은 제2의 모서리부(111c 및 111d)를 갖는다. 또한, 제1의 모서리부(111a 및 111b)는, 상기 반경방향의 치수 조건을 만족시키는 범위에서 곡률 반경이 같아도 되고, 상이하도록 형성해도 된다. 또 마찬가지로, 제2의 모서리부(111c 및 111d)나 곡률 반경이 같아도 되고, 상이하도록 형성해도 된다.
또, 도 9(A)에 나타내는 모서리부(111b)는, 도 9(B)에 나타낸 바와 같이, 직선부(111e)로부터 각도 α를 이루는 직선부(111f)와 곡선부(111g)로 형성하도록 해도 된다. 또한, 도 9(B)에 나타낸 직선부(111e)는 도 9(A)에 나타낸 자석 슬롯(111)의 대응하는 직선부와 동일하게, 자석(130)의 위치 결정을 위해서 이용된다.
이 자석 슬롯(111)의 형상의 고안에 의해, 진공 펌프(P)의 고속 회전 운전시의 자석 슬롯(111) 내에 매입된 자석(130) 및 로터 코어(110) 자신의 원심력에 의한 응력 집중이 완화되므로, 진공 펌프(P)의 고속 회전 운전시에 있어서도 로터 코어(110)의 강도가 견딜 수 있도록 할 수 있다. 또한, 상기 로터 코어(110)에 매입하는 자석(130)의 형상은, 도 9(A)에 나타낸 평판형상이 아니라, 도 9(C)에 나타낸 바와 같이, 로터 코어(110)의 외형의 곡률을 따른 로터 코어(110)의 외형보다도 큰 곡률을 갖는 것이어도 된다. 이 경우, 자석 슬롯(111)은, 이 자석(130)의 형상에 대응한 형상으로 형성된다.
또, 동 도면에 나타낸 바와 같이, 응력 집중 완화용 구멍(112)과 로터 코어(110)의 둘레면 사이의 치수 S1 및 자석 슬롯(111)과 응력 집중 완화용 구멍(112) 사이의 치수 S2는 작기 때문에 이 부분의 자기 저항은 커져, 그 결과, 자석(130)의 단부로부터의 누설 자속을 저감시킬 수 있다.
즉, 자석(130)의 단부로부터의 누설 자속의 저감에 의해, 자석(130)에 의한 유효 자계
Figure 112014084223907-pct00001
는, 응력 집중 완화용 구멍(112)을 형성하지 않는 경우에 비해 커지므로, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 의하면, 응력 집중 완화용 구멍(112)을 형성하지 않는 경우에 비해 마그넷 토크를 유효하게 이용할 수 있다.
도 10은, 본 발명의 진공 펌프용 IPM 모터에 있어서의 릴럭턴스 토크의 유효 이용을 설명하는 도면이다.
일반의 IPM 모터는, q축 자속을 이용한 로터의 자화에 의한 릴럭턴스 토크를 이용함으로써 소형이며 대출력을 가능하도록 하고 있다. 그러나, 본원의 진공 펌프용 IPM 모터에 있어서는, 도 2에 나타낸 로터 코어(110)의 자석(130)과 로터 코어 외주 사이의 코어 폭(YW2)이 매우 좁아진다.
그래서, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 있어서는, 릴럭턴스 토크를 유효하게 이용하기 위해서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 자석(130)과 로터축(5) 사이의 로터 요크부(113)에 적극적으로 자속을 흐르게 하는 자기 회로를 채용한다.
즉, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에서는, 상단의 로터 코어(110A)의 응력 집중 완화용 구멍(112)의 형성부에서, 자로가 좁아지므로 스테이터 코어(120) 상에서 발생한 q축 자속은 이 부분을 통과하기 어렵다.
그런데, 상술한 바와 같이, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에서는, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B) 사이의 스큐각이 응력 집중 완화용 구멍(112)을 이용하여 설정된다.
그 결과, 상단의 로터 코어(110A)의 응력 집중 완화용 구멍(112)이 형성되는 부분 A에서는, 하단의 로터 코어(110B)가 인접하는 자극의 응력 집중 완화용 구멍(112) 사이의 자로가 넓은 부분이 된다. 또, 하단의 로터 코어(110B)의 응력 집중 완화용 구멍(112)이 형성되는 부분 B에서는, 상단의 로터 코어(110A)가 인접하는 자극의 응력 집중 완화용 구멍(112) 사이의 자로가 넓은 부분이 된다.
여기서, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에서는, 상단의 로터 코어(110A)의 응력 집중 완화용 구멍(112)의 형성 부분 A에서는, 하단의 로터 코어(110B)가 인접하는 자극의 응력 집중 완화용 구멍(112) 사이에 적극적으로 q축 자속을 흐르게 하고, 반대로, 하단의 로터 코어(110B)의 응력 집중 완화용 구멍(112)의 형성 부분 B에서는, 상단의 로터 코어(110A)가 인접하는 자극의 응력 집중 완화용 구멍(112) 사이에 적극적으로 q축 자속을 흐르게 하는 자기 회로를 형성한다.
이러한 구성에 의하면, 자석(130)과 로터축(5) 사이의 로터 요크부(113)에 적극적으로 q축 자속이 흐르므로, 이에 의해 q축 자속을 이용한 로터 코어(110)의 자화에 의한 릴럭턴스 토크를 유효하게 이용할 수 있다.
도 11은, 이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 의한 6배 고조파 성분으로 이루어지는 토크 리플과 12배 고조파 성분으로 이루어지는 코깅 토크의 저감에 기여하는 유기 전압의 고조파 성분의 저감을 나타내는 그래프이다.
이 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 있어서는, 1극당 자석을 2장으로 분할하여 다른 자석 슬롯(111)에 매입하도록 구성함과 더불어, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B) 사이에, 소정의 스큐각을 설정하도록 구성하고 있다.
그 결과, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B) 사이에 스큐각을 설정한 스큐가 있는 경우에는, 도 11(A)에 나타낸 바와 같이, 스큐각을 설치하지 않은 도 11(B)에 나타낸 경우에 비해, 그 유기전압 파형이 Sin파에 가까워져, 6배 고조파 성분으로 이루어지는 토크 리플과 12배 고조파 성분으로 이루어지는 코깅 토크를 큰 폭으로 저감시킬 수 있다.
또한, 상기 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 있어서는, 1극당 자석을 2장으로 분할하고, 이 2장의 자석을 다른 자석 슬롯(111)에 매입하도도록 구성했는데, 이 1극당 자석을 3장 이상으로 분할하고, 이 3장 이상으로 분할한 복수의 자석을, 대응하는 복수의 자석 슬롯에 따로 따로 매입하도록 구성해도 된다.
또, 상기 실시예의 진공 펌프용 IPM 모터(100)에 있어서는, 상단의 로터 코어(110A)와 하단의 로터 코어(110B)를 소정의 스큐각으로 2단 겹친 구성을 채용하고 있는데, 로터 코어를 3단 이상의 다단 구성을 채용하도록 구성해도 된다.
이 경우에는, 릴럭턴스 토크를 발생시키는, 스테이터 권선에 전류를 흐르게 함으로써 발생하는 q축 자속을, 각 단의 로터 코어의 응력 집중 완화용 구멍 사이에 적극적으로 흐르게 함으로써 다단으로 적층하는 복수의 로터 코어에 걸친 자기 회로를 형성하게 된다.
본 발명은 상술한 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내이면, 당업자의 통상의 창작 능력에 의해서 많은 변형이 가능하다.
1:펌프 외장 케이스
1A:펌프 케이스
1B:펌프 베이스
1C:플랜지
2:가스 흡기구
3:가스 배기구
4:스테이터 칼럼
5:로터축
6:로터
7:보스 구멍
9:견부
10:래디얼 자기 베어링
11:액시얼 자기 베어링
13:회전날개 블레이드
14:고정날개 블레이드
15:나사홈 배기부 스테이터
16:나사홈
100:진공 펌프용 IPM 모터
110:로터 코어
110A:상단의 로터 코어
110B:하단의 로터 코어
111:자석 슬롯
112:응력 집중 완화용 구멍
113:구멍
120:스테이터 코어
121:권선 슬롯
122:권선
B1, B2:보호 베어링
P:진공 펌프
Pt:날개 배기부
Ps:나사홈 배기부
S:나사홈 배기 통로

Claims (12)

  1. 진공 펌프의 로터축이 압입되고, 자석이 매입되는 로터 코어와, 상기 로터 코어를 둘러싸고 설치되고, 스테이터 권선이 감기는 스테이터 코어를 갖는 진공 펌프용 IPM 모터로서,
    상기 로터 코어에 매입하는 1극당 상기 자석을 복수로 분할하여 상기 로터 코어에 설치된 자석 슬롯에 각각 삽입함과 더불어,
    상기 자석 슬롯에 인접하는 응력 집중 완화용 구멍을 형성하고,
    상기 로터 코어를 상기 로터 코어의 축방향으로 다단으로 적층하는 다단 구성으로 하고, 상기 응력 집중 완화용 구멍을 이용하여 상기 적층하는 상기 로터 코어의 스큐각의 위치 결정을 행하고,
    릴럭턴스 토크를 발생시키는 q축 자속을, 둘레 방향으로 인접하는, 각 단의 상기 로터 코어의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이에 흐르게 함으로써 상기 다단으로 적층하는 복수의 상기 로터 코어에 걸친 자기 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프용 IPM 모터.
  2. 진공 펌프의 로터축이 압입되고, 자석이 매입되는 로터 코어와, 상기 로터 코어를 둘러싸고 설치되고, 스테이터 권선이 감기는 스테이터 코어를 갖는 진공 펌프용 IPM 모터로서,
    상기 로터 코어에 매입하는 1극당 상기 자석을 복수로 분할하여 상기 로터 코어에 설치된 자석 슬롯에 각각 삽입함과 더불어,
    상기 자석 슬롯에 인접하는 응력 집중 완화용 구멍을 형성하고,
    상기 로터 코어를 상기 로터 코어의 축방향으로 상하 2단으로 적층하는 구성으로 하고, 상기 응력 집중 완화용 구멍을 이용하여 상기 상하로 적층하는 로터 코어의 스큐각의 위치 결정을 행하고,
    릴럭턴스 토크를 발생시키는 q축 자속을, 상단의 상기 로터 코어의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이와, 상기 상단의 상기 로터 코어의 상기 응력 집중 완화용 구멍과 둘레 방향으로 인접하는, 하단의 상기 로터 코어의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이에 흐르게 함으로써 상기 2단으로 적층하는 2개의 로터 코어에 걸친 자기 회로를 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프용 IPM 모터.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 자석 슬롯은, 반경방향 외측 모서리에 응력 집중 완화용 제1의 모서리부를 가짐과 더불어, 반경방향 내측 모서리에 상기 제1의 모서리부보다도 곡률 반경이 작은 제2의 모서리부를 갖는 것을 특징으로 하는 진공 펌프용 IPM 모터.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    인접하는 극의 상기 응력 집중 완화용 구멍 사이의 거리가 상이하도록 상기 응력 집중 완화용 구멍을 형성함으로써, 적층된 상기 로터 코어의 상기 스큐각을 조정하는 것을 특징으로 하는 진공 펌프용 IPM 모터.
  5. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 진공 펌프용 IPM 모터를 구비한 것을 특징으로 하는 진공 펌프.
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