KR20060013562A

KR20060013562A - 전동기

Info

Publication number: KR20060013562A
Application number: KR1020057022644A
Authority: KR
Inventors: 가나꼬 네모또; 야스시 다까노; 미찌유끼 다까기; 후미오 다지마; 아끼라 네즈; 쯔까사 야마자끼; ??지 오오끼; 마사히데 기무라; 야스시 후지따
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼; 닛산 지도우샤 가부시키가이샤
Priority date: 2003-05-29
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2006-02-10
Also published as: EP1628381B1; WO2004107529A1; KR100751992B1; CN1799176A; JP4270942B2; US20070205689A1; JP2004357405A; US7518277B2; EP1628381A1; EP1628381A4; CN1799176B

Abstract

본 발명은 전동기의 반경 방향 전자 가진력에 의해 여기되는 진동 및 소음을 억제한다. 전동기(100)에 있어서, 회전자(1)는 회전자 코어의 1군의 축 길이 2 L에 대해 4개의 회전자 피스(3, 4, 5, 6)로 분할되고, 예를 들어 4개의 회전자 피스(3, 4, 5, 6)는 이상적으로는 축 방향의 길이가 0.29 L, 0.71 L, 0.71 L, 0.29 L이고, 또한 각각의 회전자 피스(3, 4, 5, 6)의 영구 자석(2)은 회전자(1)의 원주 방향에 전기각의 위상차가 0, π, 0, π가 되도록 배치된다. 또한 이상적인 축 길이를 변경해도 효과가 있는 경우에는, 전술한 축 길이에 대해 공차는 ±0.1 L로 한다.

전동기, 회전자 피스, 영구 자석, 회전자, 회전자 코어

Description

전동기{ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 전동기, 특히 인버터 모터에 있어서의 반경 방향 가진력(加振力)에 의해 발생하는 전자 진동 및 소음의 발생을 억제하도록 한 구조에 관한 것이다.

전동기는 가전 제품 및 각종 0A 기기에 다수 사용되고, 게다가 최근 전기 자동차에 탑재되도록 되어 오고 있다.

이들 모터는 출력이 큰 것이 요구되어 전자 가진력에 의한 진동 및 소음이 발생하고 있다.

반경 방향의 전자 가진력은 회전자와 고정자의 상대 이동시에 회전자의 자극(磁極)으로부터 발생하는 계자 자속의 자로가, 고정자에 설치된 슬롯의 개구부를 회전자의 자극이 가로지를 정도로 주기적으로 변화하여, 갭에서의 자속 분포에 변화가 생김으로써 발생한다. 반경 방향의 전자 가진력의 회전 차수, 공간 차수 및 진폭은 회전자의 유효 자극 개방각의 극수와 고정자에 설치된 슬롯수에 의존한다.

한편, 주거나 차 내의 쾌적 환경의 추구에 의해 진동 및 소음 저감의 요구가 커져오고 있어, 그것을 저감시키는 기술도 개발되고 있다.

진동 및 소음 저감 기술 중 하나로서 전동기의 회전자에 스큐를 설치하는 것이 행해지고 있다. 스큐를 설치하는 수단으로서는, 예를 들어 이하와 같은 것을 들 수 있다.

특허 문헌 1에서는 피스 형상의 영구 자석을 외주면 상에 등분포된 위치에 고정 부착하여 회전자를 제조하는 과정에서 샤프트의 외주면을 축선 방향으로 복수개로 등분할하고, 각 분할된 열에서 프레스 가공으로 샤프트의 외주면 상에 돌기를 형성하고, 그것들을 각 영구 자석의 위치 결정용으로서 각 영구 자석을 고정 부착하고, 돌기의 상표면에 밸런스 웨이트를 필요에 따라서 부착시켜 스큐를 설치하여, 영구 자석의 위치 결정과 스큐각의 확보와 공정의 간략화 및 부품 점수의 삭감을 도모하고 있다.

특허 문헌 2에서는 모터 샤프트에 위치 결정 홈을 가이드로 하여 축 방향으로 다극 착자된 복수의 링 형상 영구 자석의 상기 극끼리를 간극(t)에서 대향시킴으로써, 자속선(磁束線)을 래디얼 방향을 향하게 하도록 회전자 자석을 구성하고 표면 자속 밀도의 특성을 현저하게 향상시켜 모터의 소형화 및 고성능화를 도모하고 있다.

특허 문헌 3에서는 회전기의 자석 내장형 회전자를 회전 방향으로 서로 극성이 다른 자극을 형성하도록 복수개의 영구 자석을 내장한 복수의 분할 통 형상 부재와, 이들을 적층 상태로 지지하는 샤프트에 의해 구성한다. 상기 분할 통 형상 부재를 각각의 자극이 회전 방향으로 어긋난 상태에서 축선 방향으로 적층하여 샤프트 상에 끼워 장착하고, 회전 방향으로 결합시킴으로써 일체적으로 연결한다. 이 점에 의해 토크리플을 저감시키고 회전자의 원활한 회전을 확보하여 저비용인 회전기를 얻고 있다.

특허 문헌 4에서는 영구 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 무브러시 DC 모터에 있어서, 회전자의 유효 자극 개방각이 고정자의 슬롯 피치의 정수배로 1 슬롯 오프닝에 상당하는 각도를 더한 값으로 설정하여 회전자를 축 방향으로 복수 분할하고, 분할된 회전자가 원래의 코깅 토크에 관해 1/2 주기에 상당하는 기계 각도분(角度分)을 축 둘레에 어긋나게 구성하도록 하고 있다.

[특허 문헌 1]

일본 특허 공개 평6―245417호 공보

[특허 문헌 2]

일본 특허 공개 2000―245117호 공보

[특허 문헌 3]

일본 특허 공개 2000―308286호 공보

[특허 문헌 4]

일본 특허 공개 2001―359266호 공보

그러나, 특허 문헌 1에서는 코깅 토크 저감이나 언밸런스력 저감, 부품수의 삭감에는 유효하지만, 반경 방향 전자 가진력에 의한 진동 및 소음 저감 효과는 적다.

특허 문헌 2에 대해서도 코깅 효과 저감에 대해서는 유효하지만, 간극을 마련하는 것이 불가능한 경우에는 적용할 수 없고, 또한 반경 방향 전자 가진력에 의한 진동 및 소음 저감 효과는 없다.

특허 문헌 3에서는 토크 리플 저감에 대해서는 효과가 있지만, 반경 방향 전자 가진력에 의한 진동 및 소음 저감에 대해서는 반드시 효과는 없다.

특허 문헌 4에서는 코깅 토크에 의해 발생하는 회전축의 굽힘 진동의 억제에는 효과가 있다. 그러나, 내전형 모터의 반경 방향 전자 가진력에 의해 발생하는 고정자의 축 방향 굽힘 변형 모드에 대해 억제 효과는 반드시 없다.

본 발명의 목적은 전동기의 반경 방향 전자 가진력에 기인하는 진동을 저감시키고, 그 결과로부터 저소음인 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 되는 전동기에 있어서, 회전자 또는 고정자는 각각 1군의 축 길이 2 L에 대해 4개 이상의 짝수개의 회전자 피스 또는 고정자 피스로 분할(여기서,「분할」이라 하고 있지만 분할되어 있다고 볼 수 있는 소정의 수개로 이루어지도록 설정된 경우를 포함함)된다. 각 회전자 피스 또는 고정자 피스는 고정자의 축 방향의 변형 모드에 대해 직교하는 힘을 발생하도록 각 회전자 피스 또는 고정자 피스에 포함되는 유효 자극 개방각의 축 길이와 원주 방향의 상대 위치가 결정된다.

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향으로 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각(電氣角)은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 x축, 축의 중심을 x = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되고, 설정된 순서로 배치된다.

회전자 또는 고정자가 4개(4n을 포함하여)의 회전자 피스 또는 고정자 피스로 분할된 경우, 상기 3개의 식에 의해 이상적으로 구할 수 있는 4개의 회전자 피스 또는 고정자 피스의 축 길이는, 기본적으로 0.29 L, 0.71 L, 0.71 L, 0.29 L이고, 이 기준치를 기초로 하여 상당 길이를 설정하고, 또한 각각의 회전자 피스 또는, 고정자 피스 1극만큼의 유효 자극 개방각은 회전자 또는 고정자의 원주 방향에 각 회전자 피스 또는 고정자 피스 사이에서의 전기각의 위상차가 0, π, 0, π가 되도록, 예를 들어 각 피스 사이에서 1/2 슬롯만큼씩 어긋난 각도로 배치된다. 이때, 전기각은 슬롯 리플 성분에 대한 것을 이용하고, 1 주기(2π)는 슬롯 피치이다.

회전자 또는 고정자가 6개(6n을 포함하여)의 회전 피스 또는 고정자 피스로 분할된 경우, 상기 3개의 식에 의해 이상적으로 구할 수 있는 6개의 회전자 피스 또는 고정자 피스의 축 길이는 0.25 L, 0.5 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.5 L, 0.25 L로 설정되고, 설정된 순서로 배치된다. 또한 각각의 회전자 피스 또는 고정자 피스 1극만큼의 유효 자극 개방각은 회전자 또는 고정자의 원주 방향에 각 회전자 피스 또는 고정자 피스 사이에서의 전기각의 위상차가 0, π, 0, π, 0, π가 되도록, 예를 들어 각 피스 사이에서 1/2 슬롯만큼씩 어긋난 각도로 배치된다.

도1은 본 발명이 되는 전동기의 회전자의 일실시예를 나타내는 도면이다.

도2는 본 발명이 되는 전동기의 가진력 패턴과 전자 가진력을 만족시킬 필요가 있는 직교 조건을 나타내는 도면이다.

도3은 고정자 코어와 고정자 코어 축 방향 단면의 위치 관계를 나타내는 도면이다.

도4는 회전자 코어를 4 피스로 분해한 경우의 회전자 피스의 가진력 패턴을 도시하는 도면이다.

도5는 해석에 이용한 전동기의 도면이다.

도6은 회전자를 분할하지 않은 경우의 원링 0차 반경 방향 가진력을 입력하였을 때의 진동 속도의 주파수 응답도이다.

도7은 전자 가진력을 바꾸어 전동기의 진동 속도를 계산한 결과를 나타내는 도면이다.

도8은 전동기에 감속기를 부착하였을 때의 표면 속도 평균을 계산한 결과를 나타내는 도면이다.

도9는 고정자 코어 축 방향 단면의 메쉬도에 있어서 위상차를 절환하는 위치를 도시하는 도면이다.

도10은 케이스 D의 전자 가진력의 위상차를, 절환하는 위치를 변경하여 진동 속도를 계산한 결과를 나타내는 도면이다.

도11은 케이스 D의 전자 가진력의 위상차를 절환 위치(P1)를 어긋나게 하여 진동 속도를 계산한 결과를 나타내는 도면이다.

도12는 케이스 D의 전자 가진력의 위상차를 절환 위치(P2)를 어긋나게 하여 진동 속도를 계산한 결과를 나타내는 도면이다.

도13은 도1의 발명의 또 하나의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.

도14는 도1의 발명의 또 하나의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.

도15는 회전자 코어를 4 피스로 분해한 경우의 회전자 피스의 가진력 패턴의 또 하나의 다른 실시예를 나타내는 구성도이다.

도16은 도1의 발명의 표면 자석 모터로의 적용예를 나타내는 도면이다.

도17은 도1의 발명의 스위치식 릴럭턴스 모터의 적용예를 나타내는 도면이다.

도18은 도1의 발명의 싱크로너스 릴럭턴스 모터로의 적용예를 나타내는 도면이다.

도19는 도1의 발명의 무브러시 모터로의 적용예를 나타내는 도면이다.

도20은 도1의 발명의 리니어 모터로의 적용예를 나타내는 도면이다

이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 형태를 설명한다.

도1은 본 발명이 되는 전동기(100)의 영구 자석 모터를 예로 든 경우의 회전 자(1) 및 고정자(7)의 일실시예를 나타내는 도면이다. 도3은 고정자 코어(고정자)(7)의 개념도를 도시하고, 도3의 (a)는 원통 형상도를, 도3의 (b)는 그 단면을 도시한다. 이들 도면에 있어서, 회전자(1)의 코어는 적층 강판의 적층으로 구성되어 적층 강판의 적층을 축 길이 방향으로 복수개의 블럭, 즉 회전자 피스로 분할한다. 도1 중에서는 회전자(1)는 4개의 회전자 피스(3, 4, 5, 6), 샤프트(10), 회전자 피스(3, 4, 5, 6)의 축 방향과 같은 길이의 영구 자석(2)(2a 내지 2d)으로 구성되어 있다. 각각의 영구 자석(2)은 θ인 유효 자극 개방각을 갖는다.

도1 중에서는, 유효 자극 개방각을 이루는 영구 자석(2)은 회전자(1)의 코어에 매립되어 있지만, 도16에 도시한 바와 같이 회전자(1)의 코어 표면에 부착된 구성이라도 좋다. 또한, 유효 자극 개방각이 링 형상의 마그넷에 착자된 N극, S극에 의해 실현된 구성이라도 좋다.

회전자 피스(3, 4, 5, 6)의 축 방향의 길이 및 유효 자극 개방각의 원주 방향의 위치에 의해 결정되는 전기각의 위치를 이하의 사고 방식으로 결정한다.

본 발명에서는 전기 특성에 의해 발생하는 반경 방향의 전자 가진력이 고정자 코어(7)의 축 방향 모드와 직교하는 축 길이 및 전기각 위상차의 조합 패턴으로 하고 있다.

진동 및 소음이 발생하는 전동기(100)의 고정자 코어(7)의 고유 모드를 빔의 0차 내지 2차의 굽힘 모드라 가정하여, 이 모드의 발생을 억제하는 전자 가진력의 패턴을 고려한다.

간단하게 검토하기 위해 구조계는 고정자 코어(7)만, 고정자 코어(7)의 축 길이는 회전자(1)의 코어축 길이와 같은 2 L, 고정자 코어(7)의 경계 조건은 양단부 프리 또는 양단부를 완전 구속, 고정자 코어(7)를 빔 요소, 회전자 피스(3, 4, 5, 6)의 축 길이와 회전자 피스(3, 4, 5, 6)에 포함되는 영구 자석(2)의 축 길이는 동일하게 한다. 회전자(1)에 엔드 링이 존재하는 경우, 축 길이 2 L에는 엔드 링의 길이는 포함하지 않는 것으로 한다.

이때 각 차수의 빔 굽힘 모드에 대해 도2에 도시하는 직교 조건을 생각할 수 있다. 이 중에서 다음에 도시하는 수식을 만족시켜 제조상 실제적인 개수인 경우에 구할 수 있는, 예를 들어 도2의 케이스 D를 예로 들어 각 회전자 피스(3, 4, 5, 6)의 축 방향의 길이를 결정하는 것을 생각한다.

식의 전개를 간단하게 하기 위해, 도4에 도시한 바와 같이 고정자 코어(7)를 x축 방향의 1차원 빔, 고정자 코어(7)에 가해지는 힘을 y축 방향의 1차원 가진력으로 한다. 고정자 코어(7)의 축 길이는 2 L로 한다.

1차원 빔을 고정자의 x축 중심점(O)에 대해 대칭이 되도록 4개의 부분으로 분할한다. 각 부분에 가해지는 힘을 점(O)에 대해 점대칭이 되도록, 예를 들어 f, ―f(f는 정수)로 설정한다. 이것은 각 피스에 반경 방향의 실질적으로 동일 진폭의 가진력이 부여되는 구성이다.

힘의 함수를 F(x)라 하면 이와 같이 분할함으로써, 이하의 조건식이 만족되는 것을 생각한다.

[수 1]

[수 2]

수 1 및 수 2를 만족시키고, 또한 다음의 수 3을 만족시키는 것을 생각한다. 여기서 수 1은 적분치를 0으로 하는 것이며 0차 축 방향 모드에 대응하여 0차 진동 모드를 억제하고, 수 2는 점대칭의 진동을 0으로 하는 것이며 2차 축 방향 모드에 대응하여 2차 진동 모드를 억제한다. 수 3은 모멘트치를 0으로 하는 것이며 1차 축 방향 모드에 대응하여 1차 진동 모드를 억제하는 것이다. 분할되는 분할 피스는 복수개, 특히 얻을 수 있는 값으로부터 4개 이상의 짝수개가 된다.

[수 3]

1차원 빔 요소에 가해지는 모멘트(M)는 차수로 표시된다.

[수 4]

상기 식을 정리하면 다음 식이 된다.

[수 5]

여기서 모멘트 M = 0이 되는 조건을 도입하면 다음 식이 된다.

[수 6]

상기 식을 풀면 4개의 분할 피스인 경우에 x1, L에는 이하의 관계가 성립한다.

[수 7]

상기한 관계는 고정자 코어(7)를 원통면, 가진력이 x축을 중심으로 하는 원링 n차의 3차원 가진력으로 해도 성립한다.

따라서, 회전자(1)를 축 길이

[수 8]

의 회전자 피스(3, 4, 5, 6)로 분할하여 각각의 전기각의 위상차가 0, π, 0, π가 되도록 인접하는 회전자 피스 사이에서 원주 방향의 위치를 어긋나게 하고, 영구 자석(2)의 원주 방향의 위치 결정을 행함으로써 이상적으로는 고정자 코어(7)에 가해지는 모멘트가 0이 되어, 빔 굽힘 0, 1, 2차 모드를 억제할 수 있다.

단, 실제의 전동기에 있어서는 고정자 등의 구조나 구속 조건에 의해 모멘트(M)가 완전히 M = 0으로는 되지 않으므로 그 점은 주의할 필요가 있다.

이상과 같이, 기본적으로는 회전자의 유효 자극 개방각의 1극만큼씩 축 방향에 복수개의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향을 x축, 축의 중심을 x = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면 다음의 3개의 관계식,

이 성립하도록 결정되는 전동기를 구성한다.

상기한 전동기에 있어서, 회전자의 유효 자극 개방각의 1극만큼을 각각 회전자 코어의 축 길이 2 L에 대해 4개의 피스로 분할하고, 이상적인 4개의 피스는 축 길이 0.29 L, 0.71 L, 0.71 L, 0.29 L이며, 또한 각각의 피스는 회전자의 원주 방향에 전기각의 위상차가 0, π, 0, π가 되도록 배치한다.

상기한 유효 자극 개방각의 4 피스의 축 길이 오차는 회전자 코어의 4개의 1군의 피스의 전체 축 길이에 대해 ±5 ％의 범위로 설정할 수 있다.

상기의 전동기에 있어서, 회전자의 유효 자극 개방각의 1극만큼을 각각 회전자 코어의 1군의 축 길이 2 L에 대해 6개의 피스로 등분할하고 또한 각각의 피스는 회전자의 원주 방향에 전기각의 위상차가 0, π, π, 0, 0, π가 되도록 배치하는 것도 가능하다.

상기의 전동기에 있어서, 회전자의 유효 자극 개방각의 1극만큼을 각각 회전자 코어의 1군의 축 길이 2 L에 대해 6개의 피스로 분할한 경우, x = 0의 위치로부터 6개의 피스는 각각의 접합면을 ―b, ―a, 0, a, b라 하면

을 만족시키고, 또한 각각의 피스는 회전자의 원주 방향에 전기각의 위상차가 0, π, 0, π, 0, π가 되도록 배치한다.

상술한 것을 기본으로 하여 후술하는 도7에 나타내는 예로, 전술한 3개의 수식을 만족시키지 않는 케이스로서의 분할 없음, 케이스 A, 케이스 C 및 케이스 G보다도 좋은 효과를 얻을 수 있는 예로서, 예를 들어 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 회전자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 x축, 축의 중심을 x = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고, 4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 0.19 L, 0.81 L, 0.81 L, 0.19 L로부터 0.50 L, 0.50 L, 0.50 L, 0.50 L의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정될 수 있다.

또한, 예를 들어 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치 가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고, 4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 0.19 L, 0.81 L, 0.81 L, 0.19 L로부터 0.39 L, 0.61 L, 0.61 L, 0.39 L의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정될 수 있다.

상당 전기각은 도2으로부터 알 수 있는 바와 같이 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향이 된다. 또한, 이 위치 방향은 상대적인 것이므로 π, 0, π, 0으로 해도 같은 값이다.

전기각의 위상차를 π로 하는 수단으로서는 영구 자석(2)의 주위 방향의 위치를 1/2 슬롯 어긋난 것을 생각할 수 있다. 이 어긋난 쪽에는 도1에 도시하는 어긋난 방법과, 도13에 도시하는 어긋난 방법 2가지를 생각할 수 있다. 이 중 어느 쪽을 채용할지에 대해서는 모터 효율 및 제작의 용이의 관점으로부터 선택하면 좋다.

또한, 회전자(1)를 6개의 회전자 피스로 분할한 경우에 대해서도 마찬가지로 축 길이를 결정할 수 있다. 이는 상술한 3개의 수식을 만족시키는 케이스인 도2의 케이스 H에 상당하고, 이때 도2 중(a, b) 사이에는 이하의 관계식이 성립한다.

[수 9]

상기 식을 만족시키는 해로서는, 예를 들어 a = 0.25, b = 0.75가 존재한다.

분할된 피스에 대해 배치된 순서로부터 본 축 길이는 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L이 된다.

예를 들어, 유효한 범위로서 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 6 또는 6n(n은 정수. 단 6을 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고, 6개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 전동기가 구성된다.

또한, 예를 들어 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 6 또는 6n(n은 정수. 단 6을 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고, 6개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L을 기준으로 하여 6개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 전동기가 구성된다.

또한, 축 길이를 2n L로 한 경우 4 피스 분할, 6 피스 분할을 1군으로 하여 상기 4 피스 분할, 6 피스 분할의 n배도 같은 효과를 얻을 수 있다. 4 피스 분할 및 6 피스 분할로 전술한 바와 같이 케이스 D, 케이스 H를 얻을 수 있고, 이 분할 개수가 제작상 바람직하다.

도5에 도시하는 전동기(100)의 계산 모델을 이용하여, 회전자(1)를 분할하지 않는 경우의 원링 0차 축 방향으로 진폭이 일정한 반경 방향 가진력을 입력하였을 때의 진동 속도의 주파수 응답을 도6에 도시한다. 전동기(100)의 계산 모델은 외표면이 전방 브래킷, 후방 브래킷, 프레임으로 이루어진다. 프레임의 내주에 고정 자 코어(7)는 담금질되어 있다. 회전자(1)는 브래킷에 끼워 넣어진 베어링을 거쳐서 전동기(100)의 내부에 설치되어 있다. 본 주파수 응답에는 5645 ㎐의 피크가 존재한다.

전자 가진력의 패턴을 변경하여 원링 0차 축 방향으로 진폭이 일정한 반경 방향 가진력을 고정자 코어(7)에 입력한 경우의 전동기(100)의 진동 속도 피크 진폭을 복수의 절점에 대해 구하여 평균화한 결과를 도7에 나타낸다. 이에 따르면, 도2의 케이스 D에서 진동을 가하였을 때의 진동 속도는 분할없음에 대해 약 25 ㏈, 회전자(1)를 4 등분할하고, 전기각의 위상차를 0, π, 0, π로 한 케이스 C에 대해 15 ㏈ 저감시키고 있다. 전술한 4개의 피스의 집합체로서 형성하여 이론식으로부터 구해진 이상적인 축 길이, 전기적인 배열을 기준으로 하여 축 길이 및 전기적인 배열을 정함으로써도 케이스 C 혹은 케이스 G의 경우보다도 좋은 결과를 얻을 수 있다. 그들은 11.5 ㏈ 이하, 예를 들어 15 ㏈ 혹은 20 ㏈ 저감시키는 것이다. 이들 저감은 본 실시예의 각 예에 나타내는 상당 길이의 1군의 각 피스 길이로 설정함으로써 달성된다.

도8에 전동기(100)에 감속기를 부착하였을 때의 표면 속도 평균을 계산한 결과를 나타낸다. 도8로부터 케이스 D의 가진력에 대한 표면 속도 평균이 다른 가진력 패턴보다도 작은 값으로 되어 있고, 감속기를 부착해도 진동 저감 효과가 있는 것을 알 수 있다.

다음에, 위상의 절환 위치를 수 ％ 변경하였을 때의 진동 응답에 대해 검토한다.

고정자 코어 축 방향 단면 메쉬도 81의 메쉬 분할수를 20(도9)으로 한다. 위상차 0, π의 절환 위치를, 케이스 D를 기준으로 축 방향에 ±0.1 L 변경하였을 때의 진동 속도의 피크를 계산한 결과를 도10, 도11, 도12에 절환 패턴을 도9에 나타낸다. 도9는 고정자 코어 축 방향 단면의 메쉬도 81에 있어서 위상차를 절환하는 위치를 나타내는 도면이다. 도10은 케이스 D의 전자 가진력의 위상차를 절환하는 위치를 변경하여 진동 속도를 계산한 결과를 나타내는 도면이다. 도11은 케이스 D의 전자 가진력의 위상차를 절환 위치(P1)(도1 참조)를 어긋나게 하여 진동 속도를 계산한 결과를 나타내는 도면이다. 도12는 케이스 D의 전자 가진력의 위상차를 절환 위치(P2)를 어긋나게 하여 진동 속도를 계산한 결과를 나타내는 도면이다. 도10, 도11, 도12로부터 케이스 D의 전기각 위상차 0, π의 절환 위치가 최적 포인트인 것을 알 수 있다. 또한, 위상차 0, π의 절환 위치를 축 길이에 대해 ±5 ％ 변경해도 진동 저감의 효과가 있고, 어떠한 절환 패턴이어도 분할이 없는 경우보다 진동 속도가 11 ㏈ 이상 저감되고 있다. 위상차 0, π의 절환 위치는 적어도 ±5 ％ 변경을 포함한다.

따라서, 회전자 피스(3, 4, 5, 6)의 축 길이에 이상치를 변경한 다소 변동된 상태로 형성해도 케이스 D를 기초로 하고 있는 한, 케이스 D의 가진력은 진동 저감 효과가 있게 된다.

이상과 같이, 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회 전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고, 4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 0.29 L, 0.71 L, 0.71 L, 0.29 L을 기준으로 하여, 4개의 1군의 피스의 전체 축 길이 ±5 ％의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 전동기가 제공된다.

지금까지, 원링 0차의 전자력 고조파 성분에 대해 케이스 D의 가진력 패턴의 진동 저감 효과에 대해 봐 왔지만, 그 밖의 원링 차수의 전자력 고조파 성분에 대해서도 같은 효과를 얻을 수 있다.

도14에 다른 실시예를 나타낸다. 이는 전술한 3개의 수식을 만족시키는 것을 전제로, 회전자(1)를 축 길이가 동일(1/3 L)한 회전자 파트(3, 4a, 4b, 5a, 5b, 6)의 6 파트로 분할하고, 회전자 파트(3)의 유효 자극 개방각 θ를 갖는 영구 자석(2a), 회전자 파트(4a, 4b)의 유효 자극 개방각 θ를 갖는 영구 자석(2b), 회전자 파트(5a, 5b)의 유효 자극 개방각 θ를 갖는 영구 자석(2c), 회전자 파트(6)의 유효 자극 개방각 θ를 갖는 영구 자석(2d) 사이의 전기각 위상차 0, π, 0, π로 설정한 것이다. 본 구성으로 함으로써 회전자 파트(3, 4a, 4b, 5a, 5b, 6)를 같은 축 길이로 작성할 수 있고, 작성 비용을 저감시키는 것이 가능하다. 또한, 진동 저감 효과가 있는 축 방향 분할 범위 내의 구성이다.

이상, 반경 방향으로 진폭이 일정한 가진력을 가한 경우에 대해 서술해 왔다. 이 사고 방식은 분할 폭을 일정하게 하여 가진력의 진폭을 변화시키는 경우에 대해서도 적용할 수 있다. 예를 들어, 도15에 도시한 바와 같이 축 길이 2 L의 회전자(1)는 4개의 회전자 피스로 등분할되어 각각의 피스의 전기각 위상차가 0, π, 0, π이고, 축 길이를 x축 방향, ―L ≤ x ≤ L의 범위로 하면, x축 중심점(O)에 가까운 쪽의 ―L/2 ≤ x ≤0, 0 ≤ x ≤ L/2의 2개의 회전자 피스로의 가진력 진폭이 그 외측의 고정자 피스로의 가진력 진폭의 3배(설정 기준 가진력에 대한 배수)인 구성은 수 1, 수 2, 및 수 3을 만족시킨다.

따라서, 종합적으로는 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4개 이상의 짝수개의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되고, 설정된 순서로 배치되는 전동기가 구성된다.

상기한 예 중 어느 하나에 있어서, 각 피스의 유효 자극 개방각은 각 피스 사이에서 1/2 슬롯만큼씩 어긋난 각도로 배치되는 전동기가 구성된다.

실제적이고 실태적인 예로서 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 회전자 또는 고정자의 1군의 축 길이를 2 L이라 할 때, 각각의 피스에 반경 방향의 실질적으로 동일한 가진력을 부여하는 구성으로 이루고, 4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 0.19 L, 0.81 L, 0.81 L, 0.19 L로부터 0.39 L, 0.61 L, 0.61 L, 0.39 L의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 전동기가 구성된다.

또한, 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는/및 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스에 반경 방향의 실질적으로 동일한 가진력을 부여하는 구성으로 이루고, 4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 1 : 2 : 2 : 1을 기준으로 하여 4개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％ 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 전동기가 구성된다.

또한, 자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서, 상기 회전자 또는/및 고정자를 축 방향에 6 또는 6n(n은 정수. 단 6을 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 회전자 또는 고정자의 1군의 축 길이를 2 L이라 할 때, 각각의 피스에 반경 방향의 실질적으로 동일한 가진력을 부여하는 구성으로 이루고, 6개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L을 기준으로 하여 6개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％ 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 전동기가 구성된다.

또한, 이 가진력 패턴은 영구 자석 모터 외에 도18에 도시하는 싱크로너스 릴럭턴스 모터, 도17에 도시하는 스위치식 릴럭턴스, 도19에 도시하는 무브러시 DC 모터에 대해서도 마찬가지로 적용 가능하다. 따라서, 자석으로서는 영구 자석 이외의 자석의 사용이 가능하고, 예를 들어 전자 우측이라도 좋다.

또한 도19의 무브러시 DC 모터의 경우, 자석(2)이 배치되어 있는 것은 고정자 코어(7)이다. 고정자 코어(7)는 고정자 코어 피스(71, 72, 73, 74)의 4개의 피스로 분할되어 있다. 이와 같이, 고정자 코어(7) 쪽을 분할해도 같은 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도20에 도시한 바와 같이 리니어 모터에 대해서도 본 발명은 적용 가능하다. 이때, 회전자(1)를 1점으로 절단하고, 원통면을 전개하여 평면으로 한 것이라 생각된다. 이때 반경 방향의 가진력은 원링 모드의 일부를 1군으로 절단하고, 원통면을 전개하여 평면으로 한 것으로 생각하면 좋다.

본 발명이 되는 전동기, 구동 동작에 의해 발생하는 진동 및 소음 중 반경 방향 전자 가진력에 의해 여기되는 모터의 진동 및 소음을 저감시키는 효과가 있다.

Claims

자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고,

4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서,

0.19 L, 0.81 L, 0.81 L, 0.19 L로부터 같은 축 길이 1/2 L의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고,

4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서,

0.19 L, 0.81 L, 0.81 L, 0.19 L로부터 0.39 L, 0.61 L, 0.61 L, 0.39 L의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기.
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고,

4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 1 : 2 : 2 : 1을 기준으로 하여 4개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％ 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기.
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 6 또는 6n(n은 정수. 단 6을 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고,

6개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서,

0.25 L, 0.50 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L을 기준으로 하여 6개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％로부터 같은 축 길이 1/3 L의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기.
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 6 또는 6n(n은 정수. 단 6을 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 1군의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되어 설정된 순서로 배치되고,

6개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서,

0.25 L, 0.50 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L을 기준으로 하여 6개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％ 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기.
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4개 이상의 짝수개의 피스로 분할하여 각각의 피스의 길이 및 전기각은 회전자 코어 또는 고정자 코어의 축 길이 2 L, 축 방향 X축, 축의 중심을 X = 0, 반경 방향의 가진력을 F(x)라 하면, 다음 3개의 관계식

을 기초로 하여 상당 길이 및 상기 피스 사이에서 원주 방향으로 어긋난 상당 위치가 된 관계로 설정되고, 설정된 순서로 배치되는 것을 특징으로 하는 전동기.
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스에 반경 방향의 실질적으로 동일 진폭의 가진력을 부여하는 구성으로 이루고,

회전자 또는 고정자의 1군의 축 길이를 2 L이라 할 때에

4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서,

0.19 L, 0.81 L, 0.19 L, 0.81 L로부터 0.39 L, 0.61 L, 0.61 L, 0.39 L의 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기.
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있 어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 4 또는 4n(n은 정수. 단 4를 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스에 반경 방향의 실질적으로 동일 진폭의 가진력을 부여하는 구성으로 이루고,

4개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서 1 : 2 : 2 : 1을 기준으로 하여 4개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％ 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기.
자석이 장착된 회전자와 복수의 슬롯을 갖는 고정자로 구성되는 전동기에 있어서,

상기 회전자 또는 고정자를 축 방향에 6 또는 6n(n은 정수. 단 6을 1군으로 함)개 이상의 피스로 분할하여 각각의 피스에 반경 방향의 실질적으로 동일 진폭의 가진력을 부여하는 구성으로 이루고,

회전자 또는 고정자의 1군의 축 길이를 2 L이라 할 때에

6개의 1군의 각 피스는 상당 길이로서,

0.25 L, 0.50 L, 0.25 L, 0.25 L, 0.50 L, 0.25 L을 기준으로 하여 6개의 1군의 피스의 전체 축 길이의 ±5 ％ 범위 중 어느 하나의 길이로 설정되고, 상당 전기각은 인접 피스끼리가 0, π, 0, π, 0, π에 상당하는 유효 자극 개방각의 위치 방향으로 된 것을 특징으로 하는 전동기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 각 피스의 유효 자극 개방각은 각 피스 사이에서 1/2 슬롯만큼씩 어긋난 각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 전동기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 전동기가 리니어 모터인 경우, 회전자 및 고정자는 평면 상에 전개한 형상인 것을 특징으로 하는 전동기.