KR20010040846A

KR20010040846A - 전기적으로 정류 작용이 이루어지는 고정자와 영구 자석을가진 회전자로 이루어지는 전동기

Info

Publication number: KR20010040846A
Application number: KR1020007008741A
Authority: KR
Inventors: 베르나우어크리스토프; 헨쉘마티아스
Original assignee: 클라우스 포스, 게오르그 뮐러; 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 1998-12-11
Filing date: 1999-09-23
Publication date: 2001-05-15
Also published as: ES2267315T3; CN1289471A; US6380646B1; CN1205722C; KR100630607B1; WO2000036727A1; DE59913603D1; EP1080526A1; EP1080526B1; DE19857180A1; JP2002533048A; JP4361698B2

Abstract

에어 갭 영역들이 적어도 부분적으로 미세 톱니부를 가지며 상기 미세 톱니부의 적어도 일부가 오프셋되어 있는 그 쌍들이 형성되면, 정류 작용이 이루어지는 고정자와 영구 자석 회전자로 이루어지는 전동기가 상기 고정자의 에어 갭 영역을 특수하게 형성하여서만 소음이 적어지고 코깅 토크가 보상된다.

Description

전기적으로 정류 작용이 이루어지는 고정자와 영구 자석을 가진 회전자로 이루어지는 전동기{Motor with an electrically commutated stator and a rotor with permanent magnets}

유사한 전동기가 미국 특허 제 3 604 961호에 공지되어 있다. 여기에서 내부 회전자로서 형성된 전기적으로 여자되는 회전자는 그 둘레에서 동종의 미앤더링(meandering) 형상의 미세 톱니부를 지지하므로, 그것은 그런 면에서 대칭적으로 설계되어 있다. 상기 고정자의 자극은 영구 자석으로 형성되어 있지만, 이것은 원주 방향으로 균일하게 배열되어 있지는 않은데, 왜냐하면 그것이 360°/η보다 작은 각도와 큰 각도를 교대로 가지기 때문이며, 이 경우 η은 자극의 수를 나타낸다. 회전자와 고정자 사이에 원주 방향으로 보다 균일한 자계 분포가 생기도록 각도 편차가 선택된다. 이는 회전자와 고정자 사이의 코깅 토크를 감소시킨다. 상기 영구 자석의 그런 오프셋이 없다면, 상기 자극 수에 기인하여 회전자와 고정자 사이에 다수의 코깅 지점들이 생길 것이며, 이들은 상기 회전자를 손으로 돌릴 때 확인될 것이며 전동기의 동작이 부드럽지 않고 소음을 수반하게 될 것이다.

그러나 상기 코깅 토크의 종래와 같은 감소 방법은 상기 고정자의 복잡한 구성을 전제로 하며, 이 경우 상기 영구 자석의 정확한 설치가 관건이 된다. 그 외에도 상기 전동기의 그런 구성을 통해 상기 코깅 토크의 감소가 다소 제한된다.

본 발명은 고정자와 회전자 사이의 영역에 있는 에어 갭 영역에서 코깅 토크(cogging torque)를 줄이기 위해 미세 톱니부(fine toothing)가 제공되고, 다른 자화 자극을 가지는 고정자와 그에 맞춰진 수의 영구 자석 자극을 가지는 회전자로 이루어지는 전동기에 관한 것이다.

도 1 내지 도 4는 미리 정해진 8극의 영구 자석 회전자를 위한 고정자의 단계적 구성을 도시한 도면.

도 5는 직경 방향으로 배열된 자화 자극들로 이루어진 자극 쌍을 도시한 도면.

도 6은 2개의 자극 라인만큼 오프셋된 자화 자극들로 이루어진 자극 쌍을 도시한 도면.

본 발명의 목적은 구조적으로 간단하고 잔 고장이 없으며 상기 코깅 토크의 감소 및 보상의 개선 방법을 제공하는, 상기 코깅 토크를 상쇄하는 전동기를 제공하는데 있다.

상기 목적은 제 1 항에 서술된 구조를 가지는 전동기를 통해 달성된다.

상기 고정자(stator)의 에어 갭 영역에 미세 톱니부를 배치함으로써 영구 자석-회전자가 대칭적으로 형성되며, 이것은 그 제조상으로 간단하고 원주 방향으로 일정한 자계 관계를 가져오며, 이것은 고정자(stator)에 배열된 미세 톱니부에 의해 다양하게 영향을 받게된다. 이 때 상기 고정자는 실제로 대칭적으로 설계될 수 있다. 상기 코깅 토크의 상쇄는 상기 미세 톱니부의 설계에 국한되며, 이것은 자화 자극을 형성하는 "매씨브 아마추어(massive armature)"의 간단한 펀칭 가공을 통해 만들어질 수 있다. 그러므로 상기 코깅 토크 보상의 또 다른 개선책 역시 간단하게 상기 전동기의 제조 단계에 포함될 수 있는데, 왜냐하면 상기 펀칭 가공만이 그에 상응하게 수정될 수 있기 때문이다. 그 외에도 슬라이딩 접점에 의한 전류 인입이 생략될 수 있는데, 왜냐하면 그것은 간단한 전자 제어 회로를 이용해 이루어질 수 있기 때문이다.

상기 고정자의 자화 자극의 수가 상기 회전자의 영구 자석 자극의 수와 일치하면 전동기의 구조가 특히 간단해지고, 이 경우 특히 상기 고정자가 내부 고정자로서 그리고 회전자가 외부 회전자로서 형성된다.

상기 자극 쌍의 미세 톱니부들의 오프셋이 동일하고 이 미세 톱니부들의 1/2 피치에 일치하는 것이 바람직한 그런 구성을 통해 상기 코깅 토크가 효과적으로 보상된다.

이 회전자의 구성에 있어서, 상기 회전자의 영구 자석 자극은 상기 회전자의 둘레에 균일하게 분포된, 원주 방향으로 극성을 번갈아 가지는 개별 영구 자석을 통해 형성되며, 상기 개별-영구 자석들은 단극으로 자화될 수도 있다.

상기 회전자의 영구 자석 자극은 상기 회전자의 둘레에 균일하게 분포된 일정 수의 2극성 환형 세그먼트-영구 자석들을 통해 형성되며, 이들의 자극은 원주 방향으로 동일 방향으로 배열되며, 이 경우 상기 영구 자석 자극들이 다극의 환형 세그먼트-영구 자석들을 통해서도 형성되는 방식을 통해 회전자의 구성을 달리할 수 있다.

상기 미세 톱니부들은 종래와 같이 미앤더링 형상으로 형성되고, 가장 단순한 경우에서는 상기 미세 톱니부의 톱니(tooth)와 톱니 스페이스(tooth space)는 동일한 폭과 동일한 깊이를 갖고 있다.

상기 미세 톱니부의 톱니와 톱니 스페이스가 다른 폭을 가지지만, 동일한 깊이를 가지며, 그 자극 쌍에서 서로 보완되거나 상기 미세 톱니부의 자극 쌍에서 그 한 자극의 톱니의 폭과 다른 자극의 톱니 스페이스는 적어도 원주 영역 일부에서 동일하게 변하게 됨으로써, 상기 코깅 토크의 광범위한 보상이 이루어진다. 상기 미세 톱니부의 톱니와 톱니 스페이스의 수는 형성된 자극 쌍의 수의 정수배가 되는 것이 바람직하다.

자극 쌍 형성 및 상기 코깅 토크의 보상의 실현은 한 편으로는 각각 이웃하거나 직경 방향으로 배열된 자석 자극들로 형성된 고정자의 자극 쌍들에 의해 미세 톱니부가 서로 오프셋됨으로써 이루어지고, 다른 한 편으로는 2개의 피치만큼 오프셋되어 있는 자석 자극들로 형성된 고정자의 자극 쌍들에 의해 상기 미세 톱니부가 서로 오프셋됨으로써 이루어진다. 상기 양 경우들에서 상기 자극 쌍의 미세 톱니부의 톱니는 그 둘레에서 역위상으로 오프셋되어 있다. 그러나 상기 회전자의 편심이 고정형이거나 또는 회전형인 경우 상기 보상의 효과는 제한받는다.

전동기의 극성이 보다 많은 경우, 제 2의 실시예가 보여주는 것처럼, 2 배의 극성 라인에 의해 상기 미세 톱니부를 역위상으로 배열하는 것이 더 양호하다.

이러한 전동기에서 회전자의 편심의 영향이 상쇄된다.

상기 코깅 토크의 보상의 효과를 위해, 상기 톱니와 톱니 스페이스의 깊이는 상기 고정자와 회전자 사이의 에어 갭 폭과 같거나 또는 그 보다 더 큰 것이 바람직하다.

전기적으로 정류 작용이 이루어지는 고정자(St)에 있는 8개의 자화 자극(P1 내지 P8)과 회전자(R)에 있는 8개의 영구 자석 자극(M1 내지 M8)을 가지는 전동기의 구성이 도 1 내지 도 4를 이용해 상술되며, 이 경우 각각의 도면에서 부시 형상의 외부 회전자로서 형성된 회전자(R)의 회전 방향이 각각 기록되어 있다.

전동기의 그런 구성에 있어서 상기 축들(A1 내지 A4)에 4개의 90°-세그먼트들이 형성되고, 그 안에 상기 회전자(R)의 각각 2개의 영구 자석 자극(M1과 M2, M3과 M4, M5와 M6, M7과 M8)이 배열되며 또한 각각 2개의 자화 자극(P1과 P2, P3과 P4, P5와 P6, P7과 P8)이 배열되며, 이는 도 3과 도 4에서 보는 바와 같다. 왜냐하면 상기 자극 쌍은 각각 2개의 피치만큼 오프셋되어 있는 고정자의 자극 쌍에 걸쳐 연장되어야 하기 때문에, 본 발명에 따르면 상기 자화 자극(P1과 P3, P2과 P4, P5와 P7, P6과 P8)은 상기 코깅 토크의 보상을 달성하기 위해 서로 오프세되어 있는 미세 톱니부를 가질 수밖에 없다.

도 1 내지 도 4에 도시된 실시예에서는 상기 미세 톱니부는 항상 상기 자화 자극(P1 내지 P8)의 전체 에어 갭 영역에 걸쳐 연장되어 있으며 동일하고 변함없는 피치를 갖는다. 이것이 의미하는 바는 상기 미세 톱니부의 톱니와 톱니 스페이스의 폭의 크기가 같다는 것이다.

도 4에 도시된 전동기의 구조를 얻기 위해, 예를 들어 상기 영구 자석 자극(M7과 M8)을 향해 있는 90°-세그먼트가 도 1에 도시된 것처럼 미세 톱니부(Vz1)를 가지며, 이 경우 톱니의 전방 플랭크는 상기 축(A1)에 정렬된다. 상기 영구 자석 자극(M3과 M4)에 할당된 미세 톱니부(Vz3)는 톱니의 전방 플랭크가 축(A3)에 정렬되도록 설계되어 있다.

상기 영구 자석 자극(M1과 M2 또는 M5와 M6)에 할당된 90°-세그먼트를 미세 톱니부(Vz2와 Vz4)가 지지하며, 이것은 상기 축(A2와 A4)에 대해 1/2 피치만큼 오프셋되어 있다. 상기 톱니(Z)와 톱니 스페이스(ZL)가 같은(unit) 폭(a)을 가지면, 그 오프셋은 동일하게 a가 되는, 즉 상기 미세 톱니부(Vz2와 Vz4)의 전방 플랭크가 도 2에서 알 수 있는 것처럼 상기 축(A2와 A4)에 정렬된다. 그러므로 상기 오프셋(a)은 상기 자극 쌍(P1과 P3, P2와 P4, P5와 P7, P6과 P8)에서 나타난다. 그러므로 상기 고정자(St)의 2개의 피치만큼 오프셋되어 있는 자화 자극에 의해 극이 형성된다. 이 때 90°-세그먼트들 사이의 인접 지점들에서 교대로 더 넓은 톱니와 더 넓은 톱니 스페이스가 형성된다.

도 3의 매씨브형 고정자가 펀칭 가공되면, 도 4에 따른 자화 자극(P1 내지 P8)이 형성되고, 이 경우 상기 미세 톱니부(Vz1, Vz2, Vz3, Vz4)는 각각 2개의 동일한 (부분) 미세 톱니부(Vz11과 Vz12, Vz21과 Vz22, Vz31과 Vz32, Vz41과 Vz42)로 분할되어 있으며, 상기 미세 톱니부(Vz11과 Vz12, Vz21과 Vz22, Vz31과 Vz32, Vz41과 Vz42) 사이에 오프셋 a가 생기고 그 둘레 전반에 의해 상기 코깅 토크의 보상에 기여한다.

이 실시예에서 상기 영구 자석 자극(M1 내지 M8)은 2극의 환형 세그먼트-영구 자석을 통해 형성되고, 이들의 중성의(neutral) 중앙 축이 상기 축(A1 내지 A4)에 정렬되고 원주 방향으로 그들의 자극이 동일 방향으로 정렬되므로, 상기 환형 세그먼트-영구 자석들의 상이한 극들이 상기 회전자(R)의 극 갭(pole gap)에서 충돌하게 된다. 이러한 회전자 구성은 다극(＞2)의 환형 세그먼트-영구 자석들을 이용해서도 이루어질 수 있다.

이 실시예에서 고정자(St)와 회전자(R)는 동수의 η = 8 자극을 갖는다. 이 자극의 수는 더 작아질 수도 더 커질 수도 있지만 반드시 짝수가 되어야 한다. 상기 고정자(St)의 자극의 수는 회전자(R)의 자극의 수와 다를 수도 있다. 상기 회전자(R)의 영구 자극(M1 내지 M8)들은 단극성으로 자화된 개별-영구 자석들을 통해서도 형성될 수 있다.

도 4에 따른 구조를 가지는 전동기에 대해, 상기 영구 자석 자극(M1과 M3)과 관련되어 도시된 상기 자화 자극(P1과 P3)의 미세 톱니부들(Vz21과 Vz31) 사이의 오프셋(a)이 도 5를 이용해 한 번 더 도시되어 있다. 상기 영구 자석 자극(M1과 M3)이 개별-영구 자석으로 형성되면, 상기 미세 톱니부(Vz31)의 톱니(Z)의 전방 프랭크가 상기 영구 자석 자극(M3)의 끝 에지에 정렬되고 상기 미세 톱니부(Vz21)의 톱니 스페이스(ZL)의 전방 플랭크는 상기 영구 자석 자극(M1)의 끝 에지에 정렬되며 상기 미세 톱니부(Vz21과 Vz31)는 자화 자극(P1과 P3) 및 영구 자석 자극(M1과 M3)의 자극 폭에 일치한다.

상기 자화 자극(P1과 P3)은 간격 (n+2)Τ으로 배열되고, 이 경우 n = 1 또는 2이고 Τ는 피치이다.

그러나 상기 미세 톱니부는 상기 자화 자극(P1 내지 P8)의 원주 영역 일부에 걸쳐서만 연장되어 있다. 이 때 상기 자극 쌍의 원주 영역 일부는 일반적으로 서로 매치(match)되어 있는, 즉 상기 자극 쌍의 자화 자극에서 동일하게 선택된다.

동일하게 형성된 톱니(Z)와 톱니 스페이스를 가지는 피치가 반드시 필요한 것은 아니다. 보상 가능성을 높이기 위해, 상기 자극 쌍의 미세 톱니부에서 상기 톱니와 톱니 스페이스의 일부만이 서로 오프셋되어 있다. 그 외에도 상기 미세 톱니부에서 상기 톱니와 상기 톱니 스페이스의 폭은 적어도 부분적으로 변한다. 이 때, 상기 자극 쌍에서 그 한 자화 자극의 미세 톱니부의 톱니(Z)는 다른 자화 자극의 미세 톱니부의 톱니 스페이스(ZL)로 맞물리는 것이 유리하다. 이로부터 파악할 수 있는 것은 상기 코깅 토크에 영향을 줄 수 있는 수 많은 방법들이 제공되어 있으며, 이들은 도 3에 도시된 고정자(St)의 펀칭 가공을 통해서만 실현될 수 있다. 이 때 상기 고정자(St)의 대칭적인 기본 구조가 얻어질 수 있다. 상기 자화 자극(P1 내지 P8)의 에어 갭 영역에서 미세 톱니부만이 변한다.

도 6에 도시된 것처럼, 상기 고정자(St)에서 자극 쌍 형성이 자화 자극(P1과 P5)들 처럼 직경 방향으로 배열된 자극 쌍들을 이용해서도 실시될 수 있다. 이 때 상기 미세 톱니부(Vz21과 Vz41)는 1/2 피치만큼 오프셋되어 있어, 그의 전방 플랭크는 상기 영구 자석 자극(M1과 M5)의 에지와 관련하여 파악할 수 있다.

상기 자극 쌍 형성은 이웃하는 자화 자극들에 걸쳐, 즉 하나의 피치만큼 오프셋되어 있는 자화 자극들, 예를 들어 P1과 P2 내지 P7과 P8에 의해 이루어질 수 있다. 상기 자극 쌍 형성도 도 3에 도시된 고정자(St)의 펀칭 가공을 통해서만 실시될 수 있다. 상기 미세 톱니부의 톱니의 수는 상기 고정자(St)의 자극의 수보다 많은 것이 바람직하며 반경 방향으로 상기 톱니(Z)와 톱니 스페이스(ZL)의 깊이는 상기 에어 갭 폭과 같거나 또는 그 보다 더 크다.

어쨌든 상기 전동기의 구성이 간단하고 용이하게 실현될 수 있다. 상기 코깅 토크의 보상을 위해 다양한 효과를 가지는 수 많은 방법들이 있다. 어쨌든 전동기의 동작이 균일하고 저소음을 발생시킨다.

Claims

다수의 자화 자극(P1 내지 P8)을 가지는 고정자(St)와 그 수에 맞춰진 수의 영구 자석 자극(M1 내지 M8)을 가지는 회전자(R)로 이루어지며, 상기 고정자(St)와 회전자(R) 사이의 영역에 있는 에어 갭 영역들이 상기 코깅 토크의 감소를 위해 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)를 가지며, 고정자(St)와 회전자(R)의 자극 구성이 원주 방향으로 대칭적으로 설계되고 상기 고정자(St)의 자화 자극(P1 내지 P8)은 최소한 상기 에어 갭 영역의 일부에 걸쳐 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)를 가지며, 상기 고정자(St)의 자화 자극(P1 내지 P8)은 자극 쌍(P1,P2; P3,P4; P5,P6; P7,P8 또는 P1,P5; P2,P6; P3,P7; P4,P8)을 형성하며, 이 때 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)는 적어도 서로 대응되는 원주 영역 일부에서 서로 오프셋되어 있는 전동기.
제 1 항에 있어서, 상기 고정자(St)의 자화 자극(P1 내지 P8)의 수는 상기 회전자(R)의 영구 자석 자극(M1; M8)의 수와 일치하는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 자극 쌍(P1,P2; P3,P4; P5,P6; P7,P8 또는 P1,P5; P2,P6; P3,P7; P4,P8)의 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)의 오프셋은 동일하고, 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)의 1/2 피치에 일치하는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자(St)는 내부 고정자로서 형성되어 있으며, 회전자(R)는 외부 회전자로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자(R)의 영구 자석 자극(M1 내지 M8)은 상기 회전자(R)의 둘레에 균일하게 분포된 개별-영구 자석들을 통해 형성되며, 이들 개별 영구 자석은 원주 방향으로 교대로 극성을 가지는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 5 항에 있어서, 상기 개별-영구 자석은 단일 극으로 자화되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자(R)의 영구 자석 자극(M1 내지 M8)은 상기 회전자(R)의 둘레에 균일하게 분포된 일정 수의 2극성 환형 세그먼트-영구 자석들을 통해 형성되며, 이들 자극은 원주 방향으로 동일하게 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 7 항에 있어서, 상기 회전자(R)의 영구 자석 자극(M1 내지 M8)은 다극의 환형 세그먼트-영구 자석을 통해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ..., Vz41, Vz42)는 미앤더링 형상으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 9 항에 있어서, 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)의 톱니(Z)와 톱니 스페이스(ZL)는 동일한 폭과 동일한 깊이를 가지는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 9 항에 있어서, 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)의 톱니(Z)와 톱니 스페이스(ZL)는 다른 폭과 동일한 깊이를 가지며 상기 자극 쌍에서 서로 상보(相補)적인 것을 특징으로 하는 전동기.
제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)의 자극 쌍들 중 그 한 자극의 톱니(z)의 폭과 다른 자극의 톱니 스페이스(ZL)는 최소한 원주 영역 일부에서 동일한 방식으로 변하는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)의 톱니(z)와 톱니 스페이스(ZL)의 수는 형성된 자극 쌍의 수의 정수배가 되는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항에 있어서, 각각 이웃해 있거나 직경 방향으로 배열되어 있는 자화 자극(P1,P2; P3,P4; P5,P6; P7,P8)으로 형성된 고정자(St)의 자극 쌍들에 의해 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)는 각각 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항에 있어서, 각각 2개의 피치만큼 오프셋되어 있는 자화 자극(P1,P5; P2,P6; P3,P7; P4,P8)으로 형성되어 있는 고정자(St)의 자극 쌍들에 의해 상기 미세 톱니부(Vz11, Vz12, ... , Vz41, Vz42)는 서로 오프셋되어 있는 것을 특징으로 하는 전동기.
제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 톱니(Z)와 톱니 스페이스(ZL)의 깊이가 상기 고정자(St)와 회전자(R) 사이의 에어 갭 폭과 대략 같거나 또는 그 보다 큰 것을 특징으로 하는 전동기.