KR20080020556A

KR20080020556A - 영구 자석 및 영구 자석 회전기

Info

Publication number: KR20080020556A
Application number: KR1020070087538A
Authority: KR
Inventors: 고지 미야따
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2008-03-05
Also published as: CN101145423B; KR101402451B1; EP1895639A3; US7898137B2; EP1895639B1; US20080055032A1; EP1895639A2; CN101145423A

Abstract

본 발명은 원호상 정상면과 평탄 저면과 양측면을 갖는 단면 D자형 영구 자석으로서, 그의 복수개를 각 자석의 정상면 중앙부의 정점을 통해 가상 대원을 그리도록 원주 방향을 따라 배치시킨 경우, 상기 영구 자석의 정상면 중앙부의 외측 윤곽이, 상기 가상 대원의 외경보다 작아지도록 외경의 중심을 편심시킨 가상 소원의 원호와 일치하면서, 또한 원호상 정상면의 폭 방향 양단부의 각 상연부가 상기 가상 소원과 자석 양측면이 교차하는 점으로부터 상기 가상 대원측에 있으며, 또한 이러한 가상 대원과 자석 양측면이 교차하는 점을 넘지 않는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 D형 영구 자석을 제공한다.

본 발명에 따르면, 감자되기 어렵고, 코깅 토크의 감소가 가능해지며, 또한 구동 토크 향상이 가능해지고, AC 서보 영구 자석 모터나 DC 무브러시 영구 자석 모터 등의 고성능화와 소형화에 유용하여, 산업상 그의 이용 가치는 매우 높다.

영구 자석, 원호상 정상면, 평탄 저면, 가상 대원, 토크

Description

영구 자석 및 영구 자석 회전기 {PERMANENT MAGNET AND PERMANENT MAGNET ROTATING MACHINE}

본 발명은 D형으로 형성된 영구 자석, 및 이것을 이용한, 특히 서보모터, DC 무브러시 모터, 발진기 등의 동기식 영구 자석 회전기에 관한 것이다.

영구 자석 회전기는 효율이 높으며 제어성이 양호하기 때문에 서보모터를 비롯한 제어용 모터에 이용되고 있다. 예를 들면 AC 서보모터에는, 도 7에 나타낸 바와 같은 라디칼 에어 갭 형태의 영구 자석 회전기가 이용되고 있다. 이 영구 자석 회전기는 로터 코어(회전자 코어) (1)의 표면에 D형 영구 자석 (2)를 접착시킨 회전자 (3), 및 공극(갭)을 개재시켜 배치된 복수개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어(고정자 코어) (11)과 티스에 감긴 코일 (12)로 이루어지는 고정자 (13)으로 구성되어 있다. 이 영구 자석 회전기의 경우, 영구 자석의 극수는 6이고, 티스의 수는 9이고, 영구 자석 내의 화살표는 영구 자석의 자화 방향을 나타낸다. 영구 자석은 평행한 자장 중에서 배향이 형성되고, 용이 자화 방향은 자석의 중심선에 평행하게 되어 있다. 또한, 코일은 티스에 집중권으로 감겨, 도 8과 같이 U상 V상 W상의 3상의 Y 결선(結線)이 이루어져 있다. 도 7에 있어서 코일의 흑색 둥근 표시는 코 일의 감기 방향이 앞쪽, × 표시는 코일의 감기 방향이 뒤쪽인 것을 의미한다. 코일에 전류를 흘리면, 스테이터 코어 부분에 기재된 화살표의 방향으로 계자되어, 회전자를 반시계 방향으로 회전시킨다. 이 때, 영구 자석 세그먼트의 회전 방향의 후방(도 7의 자석 (2)에 있어서 ○로 둘러싼 부분)은 계자가 영구 자석의 자화와 역방향이 되기 때문에 감자되기 쉬운 상황이 되었다. 영구 자석 재료로서는 Ba 페라이트계, Sr 페라이트계 등의 페라이트 자석, Sm-Co계, Nd-Fe-B계 등의 희토류 자석이 널리 사용되었지만, 최근 고성능 자석으로서 희토류 자석의 사용이 급격히 신장되었다.

그런데, 고정밀도의 토크 제어를 필요로 하는 AC 서보모터 등의 토크는 맥동이 작은 것이어야만 했다. 따라서, 영구 자석이 회전하였을 때에 고정자의 슬롯과 영구 자석과의 위치 관계로부터, 공극의 자속 분포가 변화되는 것에서 기인하는 코깅 토크(코일에 전류를 흘리지 않는 상태에서의 토크)나 코일의 전류를 흘려 구동시켰을 때의 토크 리플이 발생하는 것은 바람직하지 않았다. 토크 리플은 제어성을 나쁘게 하는 것 외에 소음의 원인이 되기도 하였다.

코깅 토크를 감소시키는 방법으로서, 도 9에 나타낸 바와 같은 영구 자석의 단부 형상이 얇아지도록, D형의 외경 중심을 편심시킨 영구 자석을 이용하는 방법이 있었다. 이 방법에 의해, 자속 분포의 변화가 큰 자극의 전환 부분인 영구 자석 단부에서의 자속 분포가 순조로와져서 코깅 토크를 감소시킬 수 있었다. 또한, 도 10에 나타낸 바와 같은 외경 중심을 편심시킨 C형 영구 자석을 이용하여도 코깅 토크가 감소되지만, D형 자석은 편심이 없는 상태에서도 단부의 자석 두께가 중앙 부보다 얇고, 작은 편심이어도 코깅 토크 감소 효과가 컸다. 그 때문에, 편심 자석은 자석 부피가 감소되는 만큼, 구동 토크의 저하도 초래되었지만, 그 비율은 작은 편심에서 코깅 토크를 감소시킬 수 있는 D형의 경우가 작고, 자석 형상으로서는 C형보다 D형의 경우가 우수하였다.

그러나, 도 9에 나타낸 바와 같이 편심된 D형 자석 단부의 두께는 매우 얇아서 감자되기 쉬웠다. 여기서 자석 단부의 두께가 얇으면 감자되기 쉬운 이유를 설명한다. 감자 크기는 영구 자석의 사용 온도에서의 보자력 크기와 반자계 크기에 의해 결정된다. 보자력이 작고, 반자계의 크기가 클수록 감자되기 쉽다. 반자계는 영구 자석의 자화로 생기는 자기 반자계와 외부에서의 역자계의 합이며, 상술한 바와 같이 영구 자석 단부는 스테이터로부터의 큰 반자계를 받는 것에 부가적으로, 자기 반자계는 영구 자석의 자화 방향 두께가 얇을수록 커지기 때문이다.

감자되면 구동 토크를 낮출 뿐 아니라, 부분적인 자장 불균일에 의해 코깅 토크를 증대시킨다는 문제가 발생하였다.

또한, 본 발명에 관련되는 종래 기술로서 하기 문헌을 들 수 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2006-60920호 공보

본 발명의 목적은 코깅 토크를 감소시키면서, 감자되기 어려운 고출력 고정밀도 제어의 영구 자석 및 상기 자석을 이용한 영구 자석 회전기를 제공하는 것에 있다.

본 발명자는 상기 과제를 해결하기 위해 예의 검토를 행하여, 코깅 토크가 작은 편심 자석을 이용한 회전기에 하기 개량을 부가하여, 토크 불균일이 없으며 감자되기 어려운 회전기를 실현하였다.

즉, 본 발명은 하기 특징을 갖는 영구 자석을 제공한다.

청구항 1:

원호상 정상면과 평탄 저면과 양측면을 갖는 단면 D자형 영구 자석이며, 그의 복수개를 각 자석의 정상면 중앙부의 정점을 통해 가상 대원(大圓)을 그리도록 원주 방향을 따라 배치시킨 경우, 상기 영구 자석의 정상면 중앙부의 외측 윤곽이 상기 가상 대원의 외경보다 작아지도록 외경의 중심을 편심시킨 가상 소원(小圓)의 원호와 일치하며, 또한 원호상 정상면의 폭 방향 양단부의 각 상연부(上緣部)가 상기 가상 소원과 자석 양측면이 교차하는 점으로부터 상기 가상 대원측에 있으면서, 이러한 가상 대원과 자석 양측면이 교차하는 점을 넘지 않는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 D형 영구 자석.

청구항 2:

제1항에 있어서, 상기 영구 자석의 정상면 윤곽이 정상면 중앙부를 통과하는 원호부와 이 원호부 양단부로부터 자석 양단부의 상단부로 각각 신장되는 평탄 저면과 평행한 직선부로 이루어지는 D형 영구 자석.

청구항 3:

제1항에 있어서, 상기 영구 자석의 정상면 윤곽이 정상면 중앙부를 통과하는 원호부와 이 원호부 양단부로부터 자석 양단부의 상단부로 각각 신장되는 직선부로 이루어지고, 상기 직선부는 이것을 정상면 중앙부를 향해 연장시킨 경우, 각각 정상면 중앙부의 정점을 통과하는 사행 직선부인 D형 영구 자석.

또한, 본 발명은 상기 영구 자석을 이용한 영구 자석 회전기를 제공한다.

이하, 본 발명에 대해서 도 1 내지 6을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

본 발명의 특징은 상기한 바와 같이 원호상 정상면과 평탄 저면과 양측면을 갖는 단면 D자형 영구 자석으로서, 그의 복수개를 각 자석의 정상면 중앙부의 정점을 통해 가상 대원을 그리도록 원주 방향을 따라 배치시킨 경우, 상기 영구 자석의 정상면 중앙부의 외측 윤곽이 상기 가상 대원의 외경보다 작아지도록 외경의 중심을 편심시킨 가상 소원의 원호와 일치하면서, 또한 원호상 정상면의 폭 방향 양단부의 각 상연부가 상기 가상 소원과 자석 양측면이 교차하는 점으로부터 상기 가상 대원측에 있으며, 또한 이러한 가상 대원과 자석 양측면이 교차하는 점을 넘지 않는 위치에 있는 것이다.

즉, 영구 자석 외측 윤곽은 코깅 감소를 위해 편심된 원호로 되어 있지만, 감자시키기 쉽기 때문에 영구 자석 단부의 자석 두께가 극단적으로 얇아지는 부분 만 두껍게 한 영구 자석 회전자를 갖는 것이다. 그리고, 이에 따라, 코깅 토크가 감소되며 토크 불균일이 없는 원활한 회전이 되면서, 또한 편심 자석의 결점이었던 영구 자석 단부가 감자되기 쉽다고 하는 문제가 감소된다.

본 발명의 영구 자석은 D형 영구 자석이고, 도 1 내지 6에 나타낸 바와 같이, 영구 자석 (20)은 원호상 정상면 (22)와 평탄 저면 (24)와 양측면 (26), (28)을 갖는 단면 D자형으로 형성된 것이다. 이 경우, 이 단면 D자형(D형) 영구 자석을, 예를 들면 도 7에 나타낸 바와 같이, 그의 복수개(도 7에서는 6개)를 원주 방향을 따라 각 자석의 정상면 중앙부의 정점 (P)를 통과시켜 가상 대원 (S)를 그리도록 배치시킨 경우, 상기 영구 자석 (20)의 정상면 중앙부의 외측 윤곽이 상기 가상 대원 (S)의 외경보다 작아지도록 외경의 중심을 편심시킨 가상 소원 (T)의 원호와 일치한다. 또한, 원호상 정상면 (22)의 폭 방향 양단부의 각 상연부 (22a), (22b)가 상기 가상 소원 (T)와 자석 양측면 (26), (28)이 교차하는 점으로부터 상기 가상 대원 (S) 측에 있으면서, 이러한 가상 대원 (S)와 자석 양측면 (26), (28)(을 외측으로 연장시킨 면)이 교차하는 점을 넘지 않는 위치에 있도록, 본 발명의 D형 영구 자석을 형성한 것이다.

즉, 원호상 정상면 중앙부의 두께를 Tc라 하고, 또한 양단부 각각의 두께를 Te라 하며, Te1은 저면 (24)로부터 소원 (T)(원호상 중앙부)와 측면 (26)의 교차점까지의 거리, Te2는 저면 (24)로부터 대원 (S)와 측면 (26)의 교차점까지의 거리라고 하면, 이들은 관계: Te1<Te≤Te2를 만족시킨다. Te<Te1이면 감자가 커지고, Te>Te2이면, 코깅이 커진다.

또한, 도 1, 4에 있어서 D는 가상 대원 (S)의 반경 (s)와 가상 소원 (T)의 반경 (t)와의 차(편심 길이)를 나타내지만, t/s는 0.3 내지 0.8, 특히 0.4 내지 0.7인 것이 바람직하다.

이 경우, 도 1 내지 3의 영구 자석의 정상면 윤곽은 정상면 중앙부를 통과하는 원호부와 이 원호부 양단부로부터 자석 양단부의 상단부로 각각 신장되는 평탄 저면과 평행한 직선부로 이루어지는 것이며, 양단부측이 각각 두께 (Te)로 일정하지만, 도 4 내지 6에 나타낸 바와 같이, 영구 자석의 정상면 윤곽이 정상면 중앙부를 통과하는 원호부와 이 원호부 양단부로부터 자석 양단부의 상연부로 각각 신장되는 직선부로 이루어지고, 상기 직선부는 이것을 정상면 중앙부를 향해 연장시킨 경우, 각각 정상면 중앙부의 정점을 통과하는 사행 직선부일 수도 있고, 도 4 내지 6에 있어서 Te3은 단부의 상연부(단부의 두께 Te)와 자석의 정점(두께 Tc)을 연결하는 직선과 가상 소원 (T)와의 지점 (Q)에 있어서의 두께이고, (22a), (22b)로부터 (Q)까지의 경사는 직선이다.

이러한 D형 자석은 원하는 합금을 분말 야금법이나 스트립 캐스팅법 등으로 제조하여 분말화시켜 다이스 등을 이용하여 자장 중 성형, 그 후 소결하여 얻어지는 것이고, 원하는 형상이 되도록 소결 전에 성형 가공을 행하거나, 또한 소결 후에 절삭 칼이나 지석 등에 의해 절삭함으로써, 도 3, 6에 나타낸 바와 같은 D형 기둥형 자석 세그먼트가 얻어지는 것이다.

또한, 얻어진 자석 표면에는 도금이나 도장 등의 표면 가공이 실시되어 있어도 상관없다.

본 발명의 영구 자석 회전기는 도 7에 나타낸 바와 같이, 상기한 도 3, 6에 나타내어지는 것과 같은 복수개의 D형 형상의 영구 자석 세그먼트가 로터 코어 측면에 장착된 회전자와, 복수개의 슬롯을 갖는 스테이터 코어에 코일을 감은 고정자를 공극을 개재시켜 배치한 것이다.

이 경우, 자석 갯수는 특별히 한정되지 않지만, 짝수개 최대 100개, 바람직하게는 4 내지 36개의 자석을 배치하고, 주위 방향에 교대로 극성이 다르도록 배치되어 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 로터 코어 요크와, 상기 로터 코어 요크의 측면 상에, 소정의 간격으로 극성이 로터 코어 요크의 주위 방향으로 교대로 상이하도록 배치된 복수개의 영구 자석을 포함하여 이루어지는 회전자와, 상기 회전자와 공간을 사이에 두고 배치된 스테이터 코어 요크와, 상기 영구 자석과 대향하여, 주위 방향에 대하여 등간격으로 상기 스테이터 코어 요크 상에 배치된 돌극 자극과, 상기 돌극 자극에 집중권으로 감겨, 3상(三相) 결선된 전기자 코일을 갖는 고정자를 포함하여 이루어지는 영구 자석 모터로서 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에서 자석 재료는 특별히 한정되지 않고, 상기한 바와 같이, 알니코, 페라이트, 희토류(Nd계, Sm계) 중 어느 것을 이용하는가는 용도에 따라 선택할 수 있다.

<실시예>

이하, 실시예와 비교예에서 본 발명을 상세하게 설명하지만, 본 발명은 하기 실시예로 제한되지 않는다. 또한, 본 실시예에서는 Nd-Fe-B계 영구 자석을 이용하 였다.

[실시예 1, 2, 비교예 1]

영구 자석은 이하의 공정으로 제작하였다. 각각 순도 99.7 질량％의 Nd, Fe, Co, M(M은 Al, Si, Cu)과 순도 99.5 질량％의 B를 이용하여, 진공 용해로에서 용해 주조하여 Nd₂-Fe₁₄-B계 잉곳을 제조하였다. 이 잉곳을 광석 파쇄기(jaw crusher)로 조분쇄하고, 또한 질소 기류 중 제트 밀 분쇄에 의해 평균 입경 3.5 ㎛의 미분말을 얻었다. 이러한 미분말을 금형에 충전하고, 수직 자장 프레스로 12 kG의 자장 중에서 1.0 t/cm²의 성형압으로 성형하였다. 이 성형체는 Ar 가스 중 1,090 ℃에서 1 시간 소결을 행하고, 계속해서 580 ℃에서 1 시간의 열 처리를 행하였다. 열 처리를 마친 소결체는 직방체의 블록 형상이었다. 이 블록을 지석에 의한 연삭 가공을 행하여 D형 영구 자석을 얻었다. 본 영구 자석의 특성은 VSM에 의해 Br: 13.0 kG, iHc: 22 kOe, (BH)max: 40 MGOe였다.

우선, 비교예를 나타낸다. 모터의 구조는 도 7의 6극 9슬롯 모터로, 치수는 회전자와 고정자의 깊이가 70 mm, 회전자의 외경이 45 mm였다. 코일은 도 8과 같이 결선되고, 권수(卷數)는 티스당 15 턴이었다. 도 9에서 나타낸 D형 영구 자석을 이용하였다. 도 9의 영구 자석은 폭 (W)가 15 mm, 가상 대원 (S)의 외경이 45 mm, 가상 소원의 외경이 31 mm, 편심 (D)(중심축으로부터 자석의 정점까지의 거리와 자석의 원호를 이루는 중심점으로부터 정점까지의 거리차)는 7 mm였다. 중앙부의 두께는 Tc=3 mm, 단부 두께 Te1=1 mm였다. 이 모터의 코깅 토크와, 실온에서 입력으로서 실효치 150 A(도 8에 나타낸 바와 같이 각 상(相)의 코일은 3 병렬이기 때문에 각 코일에는 1/3의 전류가 흐름)의 정현파 3상 전류를 부가하여 회전시켰을 때의 구동 토크를 측정하였다. 또한, 고온에 노출되었을 때의 감자를 평가하기 위해서, 모터를 140 ℃의 오븐에 넣어 150 A의 전류로 회전시키고, 오븐으로부터 꺼내어 실온(23℃)으로 복귀시켜, 동일하게 150 A에서 회전시켰을 때의 구동 토크를 측정하였다. 오븐에 넣기 전후의 실온의 구동 토크차를 감자율이라 하였다.

감자에 의한 토크 감소율(감자율)=(오븐에 넣은 후의 실온의 구동 토크-오븐에 넣기 전의 실온의 구동 토크)/(오븐에 넣기 전의 실온의 구동 토크)

코깅 토크와 구동 토크와 감자율의 값을 표 1에 나타낸다. 코깅 토크는 맥동하는 파형의 최대치와 최소치의 차이고, 구동 토크는 평균치였다. 이 모터에서는, 코깅 토크는 구동 토크의 0.44 ％ 정도이고, 매우 작은 코깅 토크가 되었다. 제어용 모터는 1 ％ 이하의 코깅 토크를 겨냥하여 설계를 행하기 때문에, 충분히 만족스러운 결과가 되었다. 그러나, 140 ℃에서 감자가 관측되고, 140 ℃의 환경에서는 사용할 수 없는 것을 알 수 있었다.

실시예 1로서, 도 1 내지 3에 나타낸 바와 같은 D형 영구 자석을 이용한 회전자를, 비교예와 동일한 고정자에 조립한 모터를 평가하였다. 평가 항목과 구동 조건은 비교예와 동일하게 하였다. 도 1의 영구 자석은 폭이 15 mm, 편심 (D)는 8 mm였다. 중앙부의 두께는 Tc=3 mm, 단부 두께 Te=1.5 mm로 하였다. 또한, 이 자석의 중앙부 원호와 단부의 변이 교차하는 점의 치수 Te1=0.9 mm, 인접하는 영구 자석 윤곽의 정점을 통과하는 원호와 단부의 변이 교차하는 점의 치수 Te2=1.7 mm 였다.

코깅 토크와 구동 토크와 감자율의 값을 표 1에 나타낸다. 코깅 토크는 비교예보다 작으며 구동 토크는 비교예보다 커졌다. 또한, 140 ℃에서도 감자되지 않는 것이 확인되었다.

실시예 2로서, 도 4 내지 6에 나타낸 바와 같은 D형 영구 자석을 이용한 회전자를, 비교예와 동일한 고정자에 조립한 모터를 평가하였다. 평가 항목과 구동 조건은 비교예와 동일하게 하였다. 도 3의 영구 자석은 폭이 15 mm, 편심 (D)는 8 mm였다. 중앙부의 두께는 Tc=3 mm, 단부 두께 Te=1.5 mm, Te3=2.2 mm로 하였다.

코깅 토크와 구동 토크와 감자율의 값을 표 1에 나타낸다. 코깅 토크는 비교예보다 약간 커졌지만, 구동 토크의 1 ％ 이하의 목표는 만족되었다. 구동 토크는 비교예보다 크고, 또한 실시예 1보다 커졌다. 또한, 140 ℃에서도 감자되지 않는 것이 확인되었다.

도 1은 본 발명에 있어서의 영구 자석의 일 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 2는 동일한 예의 확대 단면도이다.

도 3은 동일한 예의 사시도이다.

도 4는 본 발명에 있어서의 영구 자석의 다른 실시예를 나타내는 단면도이다.

도 5는 동일한 예의 확대 단면도이다.

도 6은 동일한 예의 사시도이다.

도 7은 본 발명에 있어서의 영구 자석 회전기의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 8은 동일한 영구 자석 회전기에 있어서의 결선도의 설명도이다.

도 9는 종래의 영구 자석의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 10은 종래의 영구 자석의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 로터 코어(회전자 코어)

2 영구 자석

3 회전자

11 스테이터 코어(고정자 코어)

12 코일

13 고정자

20 영구 자석

22 원호상 정상면

24 평탄 저면

26, 28 측면

Claims

원호상 정상면과 평탄 저면과 양측면을 갖는 단면 D자형 영구 자석이며, 그의 복수개를 각 자석의 정상면 중앙부의 정점을 통해 가상 대원(大圓)을 그리도록 원주 방향을 따라 배치시킨 경우, 상기 영구 자석의 정상면 중앙부의 외측 윤곽이 상기 가상 대원의 외경보다 작아지도록 외경의 중심을 편심시킨 가상 소원(小圓)의 원호와 일치하며, 또한 원호상 정상면의 폭 방향 양단부의 각 상연부(上緣部)가 상기 가상 소원과 자석 양측면이 교차하는 점으로부터 상기 가상 대원측에 있으면서, 이러한 가상 대원과 자석 양측면이 교차하는 점을 넘지 않는 위치에 있는 것을 특징으로 하는 D형 영구 자석.
제1항에 있어서, 상기 영구 자석의 정상면 윤곽이 정상면 중앙부를 통과하는 원호부와 이 원호부 양단부로부터 자석 양단부의 상단부로 각각 신장되는 평탄 저면과 평행한 직선부로 이루어지는 D형 영구 자석.
제1항에 있어서, 상기 영구 자석의 정상면 윤곽이 정상면 중앙부를 통과하는 원호부와 이 원호부 양단부로부터 자석 양단부의 상단부로 각각 신장되는 직선부로 이루어지고, 상기 직선부는 이것을 정상면 중앙부를 향해 연장시킨 경우, 각각 정상면 중앙부의 정점을 통과하는 사행 직선부인 D형 영구 자석.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 기재된 영구 자석을 이용한 영구 자석 회전기.