KR20080027366A

KR20080027366A - 교류 모터 및 그의 제어장치

Info

Publication number: KR20080027366A
Application number: KR1020087001765A
Authority: KR
Inventors: 마사유키 나시키
Original assignee: 가부시키가이샤 덴소
Priority date: 2005-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-03-26
Also published as: CN101228679A; DE112006001916T5; JPWO2007010934A1; DE112006001916B4; CN101228679B; KR101015916B1; WO2007010934A1; US20090134734A1; JP4821770B2

Abstract

본 발명에 따른 모터는 원주방향으로 N극과 S극이 교대로 배치된 4극 이상의 회전자와, 고정자의 자기회로가 전기각에서 360°의 범위에서 자기적으로 분리되는 고정자 코어와, N상 모터의 (N-1)세트(N은 정의 정수)의 권선을 포함한 복합 모터이고, 권선의 전류가 효과적으로 자기회로에 작용하도록 구성된다.

모터, 회전자, 고정자, 고정자 코어, 복합 모터, 자기경로, 제어장치, 자극

Description

교류 모터 및 그의 제어장치{AC MOTOR AND ITS CONTROL DEVICE}

본 발명은 자동차나 트럭 등에 탑재되는 모터 및 그 제어장치에 관한 것이다.

종래 고정자 자극에 각 상의 코일이 집중적으로 권선된 브러시리스 모터는 공지되어 있다(예를 들면 특허 문헌 1 참조). 도 95는 이러한 종래의 브러시리스 모터의 개략적인 구성을 나타내는 종단면도이다. 또한, 도 97은 도 95의 AA-AA선 단면도이다.

이들 도면에는, 4극 6슬롯형의 브러시리스 모터를 나타내고 있고, 고정자의 권선 구조는 소위 집중 권선이며, 각 고정자 자극에는 각 상의 코일이 집중적으로 권선된다. 또한, 도 96은 고정자를 원주 방향으로 1주(周) 전개한 상태에서, U, V, W 등의 권선의 배치 관계를 나타내고 있다. 가로축은 전기각으로 표현되고, 1주에서 720°로 이루어진다. 회전자(2)의 표면에는 N극의 영구자석과 S극의 영구자석이 원주방향으로 교대에 배치된다. 고정자(4)에서, U상의 고정자 자극(TBU1, TBU2) 각각은 U상 권선(WBU1, WBU2)이 권선되어 있다. 유사하게, V상의 고정자 자극(TBVl, TBV2) 각각은 V상 권선(WBVl, WBV2)이 권선되어 있다. W상의 고정자 자극(TBW1, TBW2) 각각은 W상 권선(WBW1, WBW2)이 권선되어 있다. 이러한 구조를 갖는 브러시리스 모터는 현재 산업용 및 가전용으로 널리 사용되고 있다.

또한, 도 98은 다른 고정자의 구성을 나타내는 횡단면도이다. 도 98에 나타낸 고정자는 24슬롯의 구성이며, 4극의 모터의 경우에는 분포 권선(distributed winding)이 가능하여 고정자의 원주방향 기자력 분포를 비교적 완만한 정현파형으로 형성할 수 있기 때문에, 브러시리스 모터, 코일 계자형 동기전동기 및 유도 전동기 등에 널리 사용되고 있다. 특히, 릴럭턴스(reluctance) 토크를 활용하는 동기식 릴럭턴스 모터 및 릴럭턴스 토크 응용의 각종 모터나 유도 전동기 등의 경우, 고정자에 의해 더욱 정밀한 회전 자계의 생성이 요구되기 때문에, 도 98에 나타낸 전절권(全節卷: full-pitch winding)), 분포 권선의 고정자 구조가 적합하다. 도 98의 회전자는 멀티플럭스배리어(multi flux barrier)형의 릴럭턴스 모터의 회전자이다. 회전자 내부의 회전자 자극의 사이에는 대략 평행하게 구비된 복수의 슬릿 형태의 공간이 회전자의 방향에 따라 자기저항의 차이를 발생하고, 회전자의 극성을 형성한다.

특허 문헌 1: 일본 특개평 6-261513호 공보(제3항, 도 1-3)

도 98에 나타낸 전절권, 분포 권선이 가능한 고정자 구조의 경우에는, 고정자의 기자력 분포를 비교적 완만한 정현파형으로 생성할 수 있어 유도 전동기 및 도 98의 멀티플럭스배리어형 회전자로 구성되는 동기식 릴럭턴스 모터를 효과적으로 구동할 수 있는 특징이 있다. 그러나 슬롯의 개구부로부터 권선을 삽입할 필요 가 있기 때문에, 권선의 점적율(space factor)이 낮아지고, 코일 단부의 축방향 길이가 길어져 모터의 소형화가 어려운 문제가 있었다. 또한, 권선의 생산성이 저하되는 문제도 있었다.

도 95, 도 96, 도 97 및 특허 문헌 1에 개시된 종래의 브러시리스 모터는 각 티스(teeth)에 각 권선이 권선되는 구조이기 때문에, 비교적 권선이 단순하고, 코일 단부의 축방향 길이가 비교적 짧아 권선의 생산성도 도 98의 모터에 비하여 개선된다. 그러나 고정자의 돌출 자극(突極)이 전기각에서 360°의 범위에서 3개밖에 없는 구조이기 때문에, 고정자가 발생하는 기자력을 정현파형으로 생성하여 회전자계를 정밀하게 생성하는 것이 어려워 동기식 릴럭턴스 모터나 릴럭턴스 토크 응용의 각종 모터 또는 유도 전동기 등으로의 적용이 어려운 문제가 있었다. 도 97의 고정자는 비교적 간단한 구성이지만, 권선의 단순화, 권선 점적율 향상 및 권선 단부의 단축이 더욱 요구된다.

회전자에 관한 문제는 도 98에 나타낸 멀티플럭스배리어형의 회전자에 있어서, 계자를 생성하기 위한 여자전류인 d축 전류의 부담이 커서 도 97의 회전자에 나타낸 바와 같은 영구자석형의 회전자에 비하여 역률(力率: power factor)이 저하하고, 모터 효율이 떨어지는 문제가 있다. 영구자석형 회전자의 경우, 영구자석의 비용 면에서의 문제도 있다.

모터에 사용되는 연자성체의 문제에 있어서, 현재 상태의 모터 기술은 전자강판을 회전자 샤프트 방향으로 적층한 구조를 전제로 하기 때문에, 상기한 모터의 제반 문제를 해결하기 위하여 회전자 샤프트 방향을 포함한 3차원적인 방향으로 자 속이 증감하는 구성으로 할 경우, 전자강판 내에서 큰 와전류가 유도되어 큰 와전류 손실(渦電流損)이 발생하는 문제가 있다.

모터의 제어장치의 문제에 있어서, 특히 소용량의 모터의 경우, 전력소자 수가 많아져 직류 전동기의 구동에 비하여 비용면에서 제어장치가 고가인 문제가 있다.

본 발명은 이러한 점에 해결하기 위한 것으로, 소형이고, 고성능의 고정자 구성의 실현, 저비용이며 고효율을 실현하는 회전자의 실현, 이들 모터 구성을 가능하게 하는 연자성체의 구성의 실현, 저비용의 모터의 제어장치의 실현, 그리고 이들의 조합에 의한 보다 효과적인 구성 및 성능의 실현에 그 목적이 있다.

종래 원통형의 연자성체로 구성되는 고정자 형상에 대하여, 상기 연자성체의 고정자를 원주방향으로 자기적으로 분리함으로써 특정의 권선에서 쇄교하는 자속을 증가시킬 수 있다. 그 결과, 그 특정한 권선은 종래 권선보다 토크를 효과적으로 발생시킬 수 있고, 그 부분에 대해서는 고효율의 토크가 발생할 수 있게 된다. 이와 동시에, 다른 권선의 일부에서는 자속이 작용하지 않는 구성으로 이루어져 있어 그 부분의 권선을 제거할 수 있다. 이와 같은 효과를 조합시킴으로써 단상 모터, 2상 모터, 3상 모터, 4상 이상의 다상 모터의 고효율화 및 소형화가 가능해진다.

또한, 6상의 모터에 있어서는, 고정자의 각 상의 자기회로를 분할함으로써 3상 전류(IA, IB, IC)가 IA＋IB＋IC=O의 관계로부터 IC=－IA－IB로 되고, 전류 IC를 전류 IA와 IB로 겸용한 구성으로 하여 권선(IC)을 제거할 수 있다. 그 결과, 고효율화 및 소형화가 가능해진다.

연자성체의 고정자를 원주방향으로 자기적으로 분리하는 상기 모터는 고정자의 원주방향의 루프형의 권선을 갖는 모터로 전자기적으로 등가적으로 변환할 수 있다. 이때, 각 상의 권선은 고정자의 연자성체부를 통과해서 회전자 샤프트 방향으로 왕복할 필요가 없기 때문에, 권선은 더 단순화되는 효과가 있고, 모터를 고효율화 할 수 있다. 구체적인 구성으로, 3상 중 2상의 루프형 권선과 3세트이고 6상의 고정자 자극과 자기 경로로 구성된다.

고정자의 원주방향으로 배치된 슬롯(SLl, SL2, SL3, SL4, SL5, SL6) 및 3상 권선 중의 U상 권선(UU1, UU2), V상 권선(VVl, VV2), W상 권선(WW1, WW2)을 포함하고, 상기 슬롯 SL1과 SL3 사이에 상기 U상 권선(UU1)을 권선하고, 상기 슬롯 SL3과 SL5 사이에 상기 V상 권선(VV1)을 권선하고, 상기 슬롯 SL5과 SL1 사이에 상기 W상 권선(WW1)을 권선하여 이들 권선(UU1, VV1, WW1)이 제1의 권선 그룹을 구성하고, 상기 슬롯 SL6과 SL4 사이에 상기 U상 권선(UU2)을 권선하고, 상기 슬롯 SL4과 SL2 사이에 상기 V상 권선(VV2)을 권선하고, 상기 슬롯 SL2과 SL6 사이에 상기 W상 권선(WW2)을 권선하여 이들 권선(UU2, VV2, WW2)은 제2의 권선 그룹을 구성하는 고정자로 구성된다. 코일 단부의 각 상 권선의 교차는 단순화되고, 코일 단부의 회전자 샤프트 방향 길이는 단축되며, 각 고정자 자극의 기자력은 6상의 기자력을 실현하는 멀티플럭스배리어형 동기식 릴럭턴스 모터 등의 구동을 작은 토크 리플에서 가능하게 된다.

멀티플럭스배리어형 회전자를 사용하는 동기식 릴럭턴스 모터의 구성에 있어서, 회전자의 자극에 다이오드를 직렬로 접속해서 폐회로의 권선을 권선한 구성으로 한다. 이 권선에 고정자측의 권선 전류에 의해 계자의 에너지를 공급하고, 계자 전류를 다이오드를 통해 유지시켜 계자 자속을 발생시킨다.

제어 면에 있어서, 상기 계자 에너지를 수시 공급하는 구성으로 하여 평균적인 모터의 역률 및 효율을 개선한다. 계자 전류는 고정자측 전류와 회전자측 전류에서 분담됨으로써 모터 전체에서의 구리 손실(copper loss)을 더 감소시킬 수 있다.

한편, 동기식 릴럭턴스 모터의 문제는 상기 역률 및 구리 손실의 문제 이외, 고정자 권선의 점적율이 낮은 점, 코일 단부가 긴 점이 있고, 이들 문제를 해결하기 위해서 다음에 나타낸 바와 같은 고정자와의 조합이 본 발명의 모터의 경쟁력을 얻는 면에서 중요하다.

그 구체적인 고정자의 예로서, 각 상의 고정자 자극의 사이에 고정자 권선이 고정자의 원주방향으로 주회(周回)하는 대략 루프형의 권선을 구비하는 고정자로서, 일반적으로 극의 수가 많은 것이 유리하다. 또한, 상의 수는 각 고정자 자극의 위상에서 2상부터 6상 이상의 다상까지 가능하다. 또한, 고정자의 배치는 각 고정자 자극의 위상의 순서로 배열하는 방법과, 어느 상의 고정자 자극에 인접하는 고정자 자극이 전기각에서 대략 180°의 위상차를 갖는 고정자 자극으로 배열되도록 하는 방법이 있다. 이러한 방법에서는 각각의 장단점이 있다.

다른 구체적인 고정자의 예로서, 고정자의 원주방향으로 배치된 슬롯(SL1, SL2, SL3, SL4, SL5, SL6) 및 3상 권선 중의 U상 권선(UU1, UU2), V상 권선(VV1, VV2), W상 권선(WW1, WW2)을 포함하고, 상기 슬롯 SL1과 SL3 사이에 상기 U상 권선(UUl)을 권선하고, 상기 슬롯 SL3과 SL5 사이에 상기 V상 권선(VV1)을 권선하고, 상기 슬롯 SL5과 SL1 사이에 상기 W상 권선(WW1)을 권선하여 이들 권선(UU1, VV1, WW1)이 제1의 권선 그룹을 구성하며, 상기 슬롯 SL6과 SL4 사이에 상기 U상 권선(UU2)을 권선하고, 상기 슬롯 SL4과 SL2 사이에 상기 V상 권선(VV2)을 권선하고, 상기 슬롯 SL2과 SL6 사이에 상기 W상 권선(WW2)을 권선하여 이들 권선(UU2, VV2, WW2)이 제2의 권선 그룹을 구성한 고정자이다.

또한, 상기 각종 모터에 영구자석을 부가함으로써 비용 증가를 가능한 한 억제하면서 성능을 효과적으로 향상할 수 있다.

인서트형 회전자의 연자성체부를 예시할 수 있는 위치에서 다이오드를 직렬로 접속해서 권선한 폐회로의 권선을 구성할 수도 있다.

플럭스배리어형 회전자는 전자강판을 회전자 샤프트 방향으로 적층하는 구성 이외, 원호형으로 형성된 전자강판을 회전자 샤프트와 평행하게 배치하고, 반경 방향으로 적층하는 구성, 소위 축방향 적층형 회전자로 구성할 수도 있다. 특히, 상기 루프형 권선을 포함하는 고정자 구성에 있어서, 자속이 회전자 샤프트 방향으로 증감하게 되어 연자성체부의 와전류가 문제로 되지만, 상기 축방향 적층형 회전자는 회전자 샤프트 방향으로 자속의 이동이 용이하여 루프형 권선을 갖는 고정자와 전자기적 특성에서 적합하다. 또한, 축방향 적층형 회전자의 회전자 표면 근방에는 와전류의 발생이 거의 발생하지 않도록 회전자 샤프트 방향에 직각으로 전기적인 절연을 구비하는 것이 효과적이다.

회전자 샤프트 방향의 자속은 연자성체 내에서 발생하고, 그 자속이 증감할 경우, 연자성체 내에서의 와전류가 문제로 된다. 이에 대한 대응으로서, 전기적 절연막이 전자강판 내에 구비된 절연막부여 전자강판이 바람직하다.

또한, 상기 각 기술을 조합할 경우, 소형화 또는 고성능화 등 모터로서의 현저한 경쟁력을 발휘할 수 있는 구성으로 된다. 구체적인 조합의 구성으로, 예를 들면, 루프형의 권선을 갖는 고정자, 축방향 간극형 회전자, 회전자의 계자 권선과 다이오드 및 자속의 방향이 자유로운 절연막부여 전자강판의 조합이다.

다음으로, 계자의 여자전류 제어는 다이오드를 직렬로 접속해서 회전자의 자극에 폐회로의 권선을 권선한 구성에 의해 더 효과적으로 제어할 수 있다. 구체적으로, 고정자는 권선에 의해 d축 전류가 흘러 계자 에너지를 공급한다. 2차측의 권선으로 흐르는 전류가 고정자측의 d축 전류가 없어진 후에도, 그 계자 에너지를 유지하도록 하는 방식 및 전자기 회로 동작이다. 또한, 고정자측의 d축 전류와 회전자측의 권선의 전류를 합류 통전시켜 계자 전류에 관계되는 구리 손실을 전체적으로 감소시키는 제어도 가능하다.

상기 모터를 구동하는 제어장치에는 2개의 전원과 4개의 전력소자에 의한 3개의 출력 단자를 구비하고, 한편 2상, 3상, 4상의 모터의 내부 결선에 의해 3개의 입력 단자를 구성하고 상호 접속하여 제어할 수 있다. 또한, 상기 2개의 전원 중, 한쪽의 전원은 DC-DC 컨버터에 의해 형성할 수도 있다.

4상 교류에서, 권선의 수가 3개인 모터에 있어서는 각각 스타 결선하고, 그 의 3 단자와 스타 결선 중심점을 합한 합계 4 단자로 하여 4상 교류의 인버터에 접속해서 제어할 수 있다.

도 1은 단상, 4극의 종래 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 2는 도 1에 나타낸 고정자의 일부를 잘라내어 변형한 도면.

도 3은 단상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 4는 3상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 5는 단상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 6은 단상, 12극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 7은 단상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 8은 도 7의 단면도.

도 9는 3상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 1O은 단상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 11은 도 1O의 단면도.

도 12는 3상, 2극의 종래 모터 구성을 나타내는 횡단면도.

도 13은 도 12에 나타낸 고정자의 일부를 잘라내어 변형한 도면.

도 14는 도 13에 나타낸 고정자의 권선을 변형한 도면.

도 15는 도 12와 도 13에 나타낸 권선 전류의 벡터를 나타내는 도면.

도 16은 3상, 4극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 17은 도 16의 모터의 단면도.

도 18은 도 16의 모터의 고정자 코어의 사시도.

도 19는 3상, 8극의 복합 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도와 종단면도.

도 20은 4상, 2극의 종래 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 21은 4상, 2극의 종래 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 22는 도 21에 나타낸 고정자의 일부를 잘라내어 변형한 도면.

도 23은 도 20, 도 21, 도 22에 나타낸 권선의 전류 벡터를 나타낸 도면.

도 24는 4상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 25는 4상, 8극의 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 26은 4상, 8극의 복합 모터에서, 고정자 코어가 전기각에서 360°마다 자 기적으로 분단된 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도와 횡단면도.

도 27은 6상, 2극의 종래 모터의 개략적인 구성을 나타내는 횡단면도.

도 28은 도 27에 나타낸 고정자의 일부를 잘라내어 변형한 도면.

도 29는 6상의 모터에서, 고정자의 자기회로를 자기적으로 3세트로 분리한 구조의 모터의 모식도.

도 30은 도 29의 모터의 모식도를 변형한 예의 도면.

도 31은 도 29의 모터의 모식도를 변형한 예의 도면.

도 32는 도 27 내지 도 31의 권선의 전류 벡터를 나타내는 도면.

도 33은 6상의 모터에서, 고정자의 자기회로를 자기적으로 3세트로 분리하고, 2개의 권선으로 구성하는 모터의 모식도.

도 34는 루프형의 권선을 갖는 3상, 8극의 모터의 개략적인 구성을 나타내는 종단면도.

도 35는 도 34의 모터의 회전자 표면의 전개도.

도 36은 도 34의 모터의 단면도.

도 37은 도 34의 고정자 자극의 회전자에 대향하는 면의 전개도.

도 38은 도 34의 모터의 권선 형상을 나타내는 도면.

도 39는 도 34의 모터의 권선의 전개도.

도 40은 도 34의 모터의 권선을 2개로 통합한 권선의 전개도.

도 41은 도 34의 모터의 각 고정자 자극과 권선의 관계를 나타내는 전개도.

도 42는 도 34의 모터의 전류, 전압 및 토크의 벡터 관계를 나타내는 도면.

도 43은 도 34의 고정자 자극의 회전자에 면하는 형상 예의 전개도.

도 44는 도 34의 고정자 자극의 회전자에 면하는 형상 예의 전개도.

도 45는 도 34의 고정자 자극의 회전자에 면하는 형상 예의 전개도.

도 46은 매립 자석형의 회전자의 횡단면도의 예.

도 47은 매립 자석형의 회전자의 횡단면도의 예.

도 48은 인서트형 회전자의 횡단면도의 예.

도 49는 돌출 자극 형상의 자극을 갖는 릴럭턴스형 회전자의 횡단면도의 예를 나타내는 도면.

도 50은 2상부터 7상의 벡터를 나타내는 도면.

도 51은 6상의 벡터와 이들의 합성 벡터의 관계를 나타내는 도면.

도 52는 루프형의 권선을 갖는 4상의 모터에서, 인접하는 고정자 자극과의 상대 위상이 전기각에서 180°인 구성의 고정자 자극과 권선의 전개도.

도 53은 4상의 벡터와 이들의 합성 관계를 나타내는 도면.

도 54는 도 52의 구성의 모터를 개량한 고정자 자극과 권선의 전개도.

도 55는 도 54의 모터의 단면도.

도 56은 루프형의 권선을 갖는 6상의 모터의 개략적인 구성을 나타내는 종단면도.

도 57은 루프형의 권선을 갖는 6상의 모터에서, 고정자 코어를 자기적으로 3세트로 분리한 모터의 개략적인 구성을 나타내는 종단면도.

도 58은 도 57의 모터의 권선을 2개로 감소시킨 모터의 개략적인 구성을 나 타내는 종단면도.

도 59는 도 58의 모터 형상을 변형한 예.

도 60은 도 59의 모터의 회전자 표면 형상과 고정자 자극의 회전자에 대향하는 면의 형상 및 코일의 전개도.

도 61은 도 60의 고정자 자극을 원주방향으로 경사지게 한 고정자 자극 형상의 전개도.

도 62는 도 59의 모터의 고정자 자극의 회전자에 대향하는 면의 형상과 접속되는 자기 경로의 관계를 나타내는 전개도.

도 63은 도 62의 고정자 자극을 구성하는 전자강판의 전개도의 예.

도 64는 도 59의 모터의 고정자 자극과 이들 상호의 누설 자속을 감소시키기 위한 도체의 판의 배치를 나타내는 도면.

도 65는 종래 3상, 2극 고정자 권선의 접속 관계를 나타내는 도면.

도 66은 단절 권선을 2중으로 배치한 3상, 2극의 권선의 접속 관계를 나타내는 도면.

도 67은 도 66의 모터의 세운 상태의 단면도이고, 권선의 코일 단부 형상 및 배치를 나타내는 도면.

도 68은 도 66의 각 권선의 전류 벡터와 각 슬롯의 합성 전류 벡터를 나타내는 벡터도.

도 69는 종래 연자성체의 돌출 자극 형상의 회전자 자극에 권선과 다이오드가 직렬로 권선되어 폐회로를 구성하는 4극의 회전자의 횡단면도.

도 70은 복수의 자속 장벽을 설치한 회전자에 권선과 다이오드가 직렬로 권선되어 폐회로를 구성하는 4극의 회전자의 횡단면도.

도 71은 도 69 및 도 70의 회전자의 권선과 다이오드의 접속 관계를 나타내는 도면.

도 72는 도 70의 회전자를 2극에 변형하여 모식적으로 표현하고, 고정자 권선의 d축 전류(id), q축 전류(iq)를 부가한 도면.

도 73은 도 72의 각 전류 성분과 전압의 관계를 나타내는 도면 및 d축 자기회로의 등가 모델을 나타내는 도면.

도 74는 일정한 토크를 출력하는 d축 전류(id), q축 전류(iq)를 나타내는 도면.

도 75는 단속적인 고정자의 d축 전류(id)와 회전자 권선의 전류(ifr)의 파형 예를 나타내는 도면.

도 76은 단속적이고, 고정자 권선의 d축 전류(id)와 회전자 권선의 전류(ifr)가 공존하는 제어를 행한 때의 파형 예를 나타내는 도면.

도 77은 도 70의 회전자에 영구자석을 부가하고, 변형한 회전자의 횡단면도.

도 78은 인서트형 회전자에 권선과 다이오드가 직렬로 권선되어 폐회로를 구성하는 8극의 회전자의 횡단면도.

도 79는 전자강판이 반경 방향으로 적층된 멀티플럭스배리어형의 회전자에 권선과 다이오드가 직렬로 권선되어 폐회로를 구성하는 8극의 회전자의 횡단면도.

도 80은 도 79의 회전자에 사용되는 전자강판의 형상 예를 나타내는 사시도.

도 81은 전자강판 내에 전기적인 절연막이 부가된 전자강판의 구성을 나타내는 도면.

도 82는 도 81의 절연막부여 전자강판을 종횡으로 적층하여 사용하는 구성을 나타내는 도면.

도 83은 3상 인버터의 구성과 3상 모터의 권선의 관계를 나타내는 도면.

도 84는 3상 인버터와 도 34의 3상, 2권선의 모터의 접속 관계를 나타내는 도면.

도 85는 도 84의 전압과 전류의 벡터 관계를 나타내는 도면.

도 86은 도 84의 권선, 전류, 전압의 관계를 나타내는 도면.

도 87은 전력제어소자가 4개의 인버터로 도 34의 3상, 2권선의 모터를 제어하는 구성을 나타내는 도면.

도 88은 전력제어소자가 4개의 인버터로 3상 델타 결선의 모터를 제어하는 구성을 나타내는 도면.

도 89는 도 89 및 도 90의 전압 벡터 관계를 나타내는 도면.

도 90은 도 87의 전압 파형을 나타내는 도면.

도 91은 도 88의 전압 파형을 나타내는 도면.

도 92는 전력제어소자가 4개의 인버터로 3상 스타 결선의 모터를 제어하는 구성을 나타내는 도면.

도 93은 도 87, 도 88, 도 92의 직류전원의 1개를 DC-DC 컨버터로 구성하는 예를 나타내는 도면.

도 94는 도 87, 도 88, 도 92의 직류전원의 1개를 DC-DC 컨버터로 구성하는 예를 나타내는 도면.

도 95는 종래 브러시리스 모터의 개략적인 구성을 나타내는 종단면도.

도 96은 도 95의 AA-AA선 단면도.

도 97은 종래 브러시리스 모터의 횡단면도.

도 98은 종래 동기식 릴럭턴스 모터의 횡단면도.

*부호의 설명*

B21: 내경측의 회전자

B2D: 외경측의 회전자

B23, B25, B27: 내경측의 고정자 자극

B24, B26, B28: 외경측의 고정자 자극

B29, B2A: a상의 권선

B2B, B2C: b상의 권선

이하 본 발명을 적용한 여러 실시형태에 관한 모터에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 단상 교류, 4극의 모터를 나타낸 것이다. 831은 회전자의 영구자석이고, 832는 연자성체로 이루어지는 고정자 코어, 823, 824, 825, 826은 단상의 권선이다. 권선의 권선 방법은 다양한 방법으로 권선되는 것으로, 하나의 예로서, 권선 823과 824로 단상 권선을 권선하고, 권선 825과 826으로 단상 권선을 권선하는 방법이 있다. 이때, 도 1에 나타낸 권선(823)에 쇄교하는 최대 자속의 양은 영구자석(831)의 1 자극의 자속의 1/2이다.

다음으로, 도 2는 도 1의 모터에 있어서, 파선부로 나타내는 843, 844부분을 잘라내어 제거한 모터를 나타낸 것이다. 이때, 도 2에 나타낸 권선(823)에 쇄교하는 최대 자속의 양은 영구자석(831)의 1 자극의 자속이다. 따라서, 도 2의 권선(823)은 도 1의 권선(823)에 비하여 2배의 토크를 발생할 수 있다. 다만, 이때, 도 2의 권선 824와 826은 쇄교하는 자속이 0이며, 토크 발생에는 기여하지 않는다. 따라서, 전자기적인 토크 발생 면에서 모터로서 불필요한 권선이며, 제거할 수 있다. 그러나 권선 823과 824는 회전자 샤프트 방향으로 왕복 전류가 흐르는 1세트의 권선이기 때문에, 권선 824를 제거할 수 없고, 가능한 한 짧은 선으로 하거나, 다른 용도에 효과적으로 활용하는 방법을 고려할 수 있다.

또한, 이러한 효과는 특히 영구자석형의 회전자로 구성되는 교류 모터에서 실현될 수 있다. 그 이유는, 영구자석 동기전동기는 계자가 영구자석에 의해 생성되기 때문에, 고정자측 권선으로는 토크 전류인 q축 전류만을 통전시킬 수 있기 때문에, 종래 고전적인 전절권(全節卷), 분포 권선의 구성으로 할 필요가 없어 모터의 간략화가 가능하기 때문이다.

또한, 여기에서, 도 2의 모터는 권선 823과 825의 외경측의 백 요크부를 통과하는 최대 자속이 2배로 되기 때문에, 백 요크부를 2배로 두껍게 설계할 필요가 있다. 다만, 모터를 다극화해서 사용할 경우에는, 백 요크부의 연자성체의 두께가 작아지기 때문에, 다극화할 때 백 요크부의 두께의 부담은 작아진다.

후술하는 바와 같이, 상기와 같은 자속쇄교수를 증가시키는 자기회로의 작용 및 효과를 이용해서 다상의 교류 모터를 실현할 수 있다.

도 3의 모터는 도 2의 모터를 8극으로 한 단상 교류 모터이고, 852는 고정자의 자극 및 자기 경로, 853 및 854는 고정자 자극(852)에 기자력을 부여하는 권선, 851은 회전자의 영구자석이다. 권선 854는 공간에 배치되어 쇄교하는 자기회로 공간에 개재되기 때문에 자기저항이 매우 커서 그 권선의 전류가 발생하는 기자력은 모터의 전자기적인 작용에 거의 작용하지 않는다. 따라서, 권선 853의 전류의 리턴 선으로서의 작용만 하기 때문에, 권선 853의 코일 단부 길이는 가능한 한 짧게 이루어지는 위치에서, 모터로서도 비어 있는 스페이스로 권선될 수 있다.

도 4의 모터는 도 3의 모터에 대하여 고정자 자극과 권선을 1세트 적게 하고, 또한 3세트의 고정자 자극(852, 867, 862)을 상대적으로 전기각에서 120°씩 위상을 변화시킨 구성으로 하여 3상 교류 모터를 구성한다. 회전자 샤프트 방향으로의 왕복권선 853과 854는 도 3과 같이 근접시켜 콤팩트한 권선으로 한다.

도 5의 모터는 단상 교류 모터이고, 고정자 자극(86G, 86J)과 자기경로(86I)가 180°방향이 변경되어 반전시킨 구성이다. 따라서, 권선 865와 권선 86B의 전류방향을 반대 방향으로 할 수 있어 권선 865와 권선 86B를 1세트의 권선으로 할 수 있다. 이 결과, 도 3에 나타내는 리턴용의 권선(854)을 제거할 수 있다. 그리고 도 3의 모터와 비교해서, 권선을 적게 할 수 있기 때문에, 권선의 양을 적게 할 수 있을뿐만 아니라, 모터로서의 구리 손실도 감소시킬 수 있게 된다.

도 6은 12극의 단상 교류 모터이다. 고정자 자극 902과 903에 대하여 고정자 자극 905와 906은 회전자에 대한 전기각적 위상이 180° 다르도록 배치된다. 그 결과, 권선 909과 908은 역방향의 전류가 통하게 되어 양 권선을 회전자 샤프트 방향의 왕복 권선으로 할 수 있다. 이 경우에도, 도 3의 모터에서는 필요했던 권선 854가 불필요하게 되기 때문에, 권선의 양을 적게 할 수 있어 모터로서의 구리 손실도 감소시킬 수 있게 된다.

도 7의 모터는 단상 교류, 8극의 모터이고, 회전자의 N극이 발생하는 자속이 고정자 자극 852를 통과하고, 자기경로(853, 859, 854, 855)를 순차대로 통과하여 고정자 자극 856을 통해 회전자의 S극으로 되돌아온다. 그리고 권선 851과 85A는 상기 자기경로의 자속이 동일한 방향으로 2번 쇄교하도록 한 장소에 권선된다. 결과적으로, 권선 851의 전류와 권선 85A의 전류 모두는 2개의 고정자 자극(852, 856)으로 기자력을 부여하도록 한 구성으로 이루어진다. 단면 FE-FE는 도 8의 (a)로 이루어지고, 단면 FF-FF는 도 8의 (b)로 이루어진다. 그리고 권선(857, 858) 등 다른 구성요소에 관해서도 동일한 구성이다. 도 7 및 도 8의 경우에도, 도 3의 모터에서는 필요했던 권선 854가 불필요하게 되기 때문에, 권선의 양을 적게 할 수 있고, 모터로서의 구리손실도 감소시킬 수 있게 된다.

도 9의 모터는 3상 교류, 8극의 모터이고, 도 7의 고정자의 구성요소 4세트 중 1세트를 제거하고, 3세트의 구성요소의 원주방향 배치를 회전자와의 상대 위상이 전기각에서 120°씩 다르도록 배치한 구성으로 하고 있다. 예를 들면, 각각의 자기경로의 위치(854, 85C, 85D)의 회전자에 대한 상대 위상은 전기각에서 서로 120°씩 다른 위치에 배치된다. 도 9의 경우에도, 도 3의 모터에서는 필요했던 권선 854가 불필요하게 되기 때문에, 권선의 양을 적게 할 수 있고, 모터로서의 구리손실도 감소시킬 수 있게 된다.

도 1O의 모터는 단상 교류, 8극의 모터이다. 871은 표면자석형 회전자의 영구자석의 하나이고, 회전자 표면 근방에 장착된다. 872는 회전자의 N극 자석에 대향하는 고정자 자극이고, 상기 N극으로부터 나온 자속은 에어갭을 통해 고정자 자극(872)을 통과하고, 자기경로(876)를 통과하며, 자속을 회전자측으로 통과시키는 목적의 자속통과용 자기경로(874)를 통과한다. 도 11의 (a)의 단면 FG-FG의 단면도에 나타낸 바와 같이, 상기 자속통과용 자기경로(874)는 자속을 고정자 측으로 통과시키는 목적의 자속통과용 자기경로(881)와 대향하고, 상기 자속통과용 자기경로(874)를 통과하는 자속은 회전자의 백요크로 통과하는 구성으로 이루어진다.

고정자 자극 873은 고정자 자극 872와 회전자에 대한 상대 위상이 전기각에서 180° 다른 위상에 장착된다. 고정자 자극(873)을 통과하는 자속은 자기경로(878)를 통과하고, 자속통과용 자기경로(875)를 통과하며, 상기 자속통과용 자기경로(881)를 통과해서 회전자의 백요크로 통과하는 구성으로 이루어진다. 도 11의 (b)는 단면 FH-FH의 단면도이다.

권선(87A, 87B)은 통전되는 전류의 위상이 180° 다르기 때문에, 회전자 샤프트 방향의 왕복 권선으로서 권선될 수 있다. 도 10의 경우에도, 도 3의 모터에서는 필요했던 권선 854가 불필요하게 되기 때문에, 권선의 양을 적게 할 수 있어 모터로서의 구리 손실도 감소시킬 수 있게 된다.

고정자의 자속통과용 자기경로(874, 875)는 각 고정자 자극에 연결되어 있을 뿐만 아니라, 인접하는 고정자의 자속통과용 자기경로와 자기적으로 연결될 수 있다. 회전자의 자속통과용 자기경로(881)는 원형의 형상으로 이루어지고, 회전자와 고정자 간의 자기 임피던스가 회전 위치에 의해 변화하지 않는 구성으로 이루어진다. 따라서, 자기 임피던스를 균일화한다는 점에서의 필요 조건은 회전자측이나 고정자측의 적어도 한쪽의 자속통과용 자기경로가 원형인 것이 바람직하다. 그 필요조건의 범위에서 자속통과용 자기경로의 변형이 가능하다.

또한, 도 1O의 권선은 도시한 방향으로 전류를 흘려보낼 필요는 있지만, 구체적인 권선의 권선 방법은 다양하게 가능하고, 상기와 같은 권선(87A, 87B)을 권선하는 방법 외에, 파형 권선으로 하는 방법, 도 1O에 나타낸 권선 심볼의 3개 이상의 권선으로 직렬로 권선하는 방법, 병렬로 권선하는 방법 등도 가능하다.

도 1O의 모터는 구성의 도시와 설명을 간략화하는 목적도 있고, 단상의 모터로 설명했지만, 도 4 및 도 9 등과 같이 3상 교류 모터로 구성할 수 있다. 또한, 2상 교류, 4상 이상의 다상 교류의 모터를 구성할 수도 있다.

도 12는 종래 3상 교류, 2극, 단절권(short-pitch winding), 넌오버랩핑(non-overlapping)권, 집중권(concentrated winding)의 모터의 횡단면도이고, 소위 「집중권선 브러시리스 모터」의 횡단면도이다. A61은 A상의 고정자 자극, A62는 B상의 고정자 자극, A63은 C상의 고정자 자극이다. A64 및 A65는 A상의 고정자 자극(A61)의 권선이고, 그 전류값은 IA이다. A67 및 A68은 B상의 고정자 자극(A62)의 권선이고, 그 전류값은 IB이다. A69 및 A6A는 C상의 고정자 자극(A63)의 권선이 고, 그 전류값은 IC이다. 그리고 A6E는 회전자의 영구자석이고, 이 회전자에 동기해서 각 상의 전류를 통전시킴으로써 토크를 발생할 수 있다.

다음으로, 도 13은 일부를 제외한 도 12와 동일한 구조로서, 도 12의 A상 고정자 자극(A61)과 C상 고정자 자극(A63) 사이의 자기경로(A6B)에서, 도 13의 파선으로 나타내는 A71 부분의 자기경로가 제거된 구조이다. 도 13의 상태에서 회전자가 회전할 경우, A상의 권선 A74 부분에서 쇄교하는 자속은 거의 0이 되고, A상의 권선 A75 부분에서 쇄교하는 자속은 도 12의 경우에 비하여 2배로 된다. C상에 관해서도 동일한 것으로, C상의 권선 A7B 부분에서 쇄교하는 자속은 거의 0이 되고, C상의 권선 A78 부분에 쇄교하는 자속은 도 12의 경우에 비해서 2배로 된다. B상의 권선(A76, A77)에 쇄교하는 자속은 도 12의 경우와 동일하다. 그 결과, 권선(A74, A7B)은 전자기적으로 제거될 수 있다. 다만, 권선(A75, A78)으로의 급전 방법은 별도의 어떠한 수단이 필요하다. 또한, 이때 자기경로(A79, A7A)를 통과하는 자속의 크기는 도 12에 비하여 2배로 되기 때문에, 이들 자기경로를 크게 할 필요가 있다. 다만, 모터를 다극화할 경우, 고정자의 백 요크의 두께의 절대값은 작아지기 때문에, 다극화한 경우 백 요크의 두께의 부담은 크지 않다.

다음으로, 도 14는 도 13의 동일 슬롯에 배치되는 2개의 권선을 1개의 각 권선으로 통합하고, 통합한 권선의 전류는 통합하기 전의 2개의 권선의 전류의 산술적 가산 값으로 하는 예를 나타낸다. 예를 들면, 도 13의 권선(A65, A67)은 도 14의 권선(A82)으로 통합되고, 그 전류값(Ia)은 (－IA＋IB)로 된다. 도 15는 그 전류의 가산의 관계를 벡터로 나타내는 도면이고, 예를 들면 Ia=－IA＋IB의 관계를 나 타내고 있다. 이때, 권선 A82의 굵기가 권선 A75의 굵기의 2배로 되는 것으로 가정하면, 전류는 벡터 가산하여 1.732배이기 때문에, 구리 손실은 (1.732/2)²=3/4로 되어 25% 감소하게 된다.

도 16은 도 14의 모터를 4극의 모터로 변형하고, 권선(B35, B37, B39, B3B)의 리턴선(B36, B38, B3A, B3C)을 고정자의 외주부에 배치한 예이다. 이들 권선(B36, B38, B3A, B3C)을 배치하는 위치는 고정자의 자기회로의 외측이면, 특별히 한정되지 않기 때문에, 제작상 편리한 장소에 배치할 수 있다. 고정자의 형상도 예를 들면, 권선의 길이를 단축할 수 있는 형상으로 변형할 수 있다.

도 17은 도 16에 나타내는 모터의 형상의 예로서, 그의 단면도이다. 도 17의 (a)는 도 16의 단면 FJ-FJ의 단면도이고, 도 17의 (b)는 도 16의 단면 FK-FK의 단면도이다. 각 권선의 길이가 짧아질 수 있도록 자기경로(B3D)의 회전자 샤프트 방향 길이(LS1)를 단축한 예이다. 도 18은 도 16 및 도 17에 나타내는 고정자의 사시도이다.

도 19의 (a)의 모터는 도 16에 나타낸 3상, 4극의 모터를 외경측과 내경측에 2개 조립한 예이다. 이러한 구성으로 하면, 권선 B29과 B2A로 흐르는 전류는 반드시 반대 위상으로 되기 때문에, 회전자 샤프트 방향의 왕복 권선으로 할 수 있다. 이는 도 16에 있어서의 권선 B36을 제거할 수 있는 것에 상당한다. 도 19의 다른 3세트의 권선에 관해서도 동일한 것으로 말할 수 있기 때문에, 모터의 구리손실을 대폭 감소시킬 수 있다. 도 19의 (b)는 도 19의 (a)의 단면 FI-FI의 단면도이다.

도 12에 나타낸 3상 교류, 2극의 모터를 4극으로 하고, 모터의 외경측과 내경측에 2개 조립한 모터와 도 19의 모터의 구리손실을 비교해 본다. 앞서 설명한 바와 같이, 동일 슬롯의 2개의 권선을 1개의 권선으로 통합함으로써 구리손실은 3/4으로 감소할 수 있다. 그리고 3개의 3상 권선 중, 1개의 권선의 구리손실을 배제할 수 있으면, 구리손실은 2/3으로 된다. 양쪽의 구리손실 저감 효과를 합하면, 3/4×2/3=1/2이 되고, 정성(定性)적으로, 구리손실을 1/2로 감소시킬 수 있게 된다. 더욱이 제거한 권선의 스페이스를 효과적으로 활용할 수 있어 권선 저항이 2/3로 되는 것으로 고려할 경우, 합계 1/2×2/3=2/3으로 되고, 정성적으로 구리손실은 1/3이 된다.

또한, 도 19에 나타낸 모터는 4극의 모터의 예로, 외경측의 모터와 내경측의 모터에서는 전자기적으로 토크를 발생시키는 에어갭부의 반경이 크게 다르지만, 다극화함으로써 내경과 외경의 차이를 작게 할 수 있어 실용적인 구조로 할 수 있다.

도 20은 은 4상 교류, 2극의 모터이다. 이 4상의 모터에 관해서도, 도 12의 3상의 모터와 같이 변형할 수 있다. 1 슬롯 내의 2개의 권선의 통합은 권선 C22와 C23은 도 21의 권선 C37과 같이 1개의 권선으로 할 수 있다. 그 전류는 도 23의 4상의 전류 벡터의 관계로 되어 Ia=－IA＋IB로 된다. 다른 권선에 관해서도 동일하다.

고정자 코어의 분할, 일부 제거에 관하여도, 도 22에 나타낸 바와 같이 예를 들면 C25의 부분을 제거할 수 있다. 이때, 권선(C4A)에 쇄교하는 자속은 매우 작기 때문에, 이 권선을 제거할 수 있다. 도 24는 도 22의 2극의 모터를 8극으로 변형한 모터를 나타낸 것이다. 이때, 권선 D38과 D3B은 역 위상의 전류로 되고 인접하고 있기 때문에, 회전자 샤프트 방향의 왕복 권선으로서 권선할 수 있다. 권선 D36과 D34에 관해서도 동일하다. 권선 D37에 관해서는 고정자 코어의 외형측에 권선 D39를 배치하고, 회전자 샤프트 방향의 왕복 권선으로서 권선된다. 도 24의 모터의 다른 권선에 관해서도 동일하다. 이러한 도 24에 나타낸 모터는, 도 21의 4상 모터를 8극화한 모터에 비하여 코일 단부가 작은 모터를 구성할 수 있고, 소형화가 가능하다.

도 25는 4상 모터의 3 권선의 리턴선을 모두 고정자 코어의 외형측에 배치하고, 환형 권선으로 한 예이다. 일견 권선의 수가 증가하여 불리하게 보이지만, 특히 회전자 샤프트 방향의 두께가 작은 편평한 형상의 모터이고, 또한 다극의 모터인 경우, 권선의 제작성이 좋고, 코일 단부도 짧기 때문에, 소형이고 저비용의 모터를 실현할 수 있다,

D3C는 인접하는 고정자 코어 간의 누설자속을 감소시키는 비자성의 부재이다. 이 부재로는 전기적으로 좋은 도체를 사용하여 누설자속을 와전류로 적극적으로 감소시킬 수도 있다.

도 26의 모터는 도 22의 모터를 8극으로 하고, 내경측과 외형측에 2개의 모터를 배치한 4상 교류, 8극의 복합 모터이다. 도 19에 나타낸 3상 교류의 복합 모터와 동일한 효과가 있고, 권선을 효과적으로 배치할 수 있기 때문에, 구리손실 감소, 효율향상 및 소형화의 면에서 뛰어나다. 도 26의 모터에 관해서도, 다극화한 때에 실질적인 효과를 쉽게 얻을 수 있다.

도 27의 모터는 6상 교류, 2극의 모터의 예이다. 일반적으로, 3상 교류 모터로 호칭 되지만, 본 특허에서는 고정자 자극의 벡터, 위상, 개수에 착안한 모터 구성을 논하고 있으므로, 6상 모터로 표현하는 것으로 한다.

도 27의 6상 모터는 도 14 및 도 22에서 설명한 3상, 4상의 모터와 같이, 도 28의 파선으로 나타낸 E43의 부분을 제거한 구성으로 할 수 있다.

도 29는 도 27의 모터에 있어서, 전기각에서 180°위상이 다른 고정자 자극끼리를 각각 독립적으로 자기경로(G12, G13, G14)를 통해 자기적으로 연결한 구성의 모터이다. 자기경로(Gl2, G13, G14)를 지나는 자속은 회전자 샤프트 방향으로 서로 자기적으로 분리되어서 있어 각 자기경로에서는 교차하지 않는다. 각 권선(G14, G15, G16)에 도 32의 전류 벡터로 나타내는 IA4, IC4, IE4의 3상 전류를 통전시킴으로써 각 고정자 자극(G1A, G1B, G1C, G1D, G1E, G1F) 각각으로 6상의 기자력을 부여할 수 있다.

그러나 도 29의 권선 구성에서는, 도 32에서 나타낸 전류 벡터의 전류를 턴수가 1턴인 때만 배선할 수 있다. 또한, 도 29, 도 30, 도 31, 도 33은 고정자의 자기경로 구성을 모식적으로 나타낸 도이며, 현실적인 자기경로 구성 및 형상은 도 27, 도 28, 도 11, 도 18과 같은 자기경로 형상으로 변형할 수 있다.

도 30의 모터는 권선 G16의 전류(IE4)를 권선 E87과 E88의 전류(－IA4, －IC4)로 변경한 것이다. 이는 IA4＋IC＋IE4=O의 관계를 이용한 것이다. 이 결과, 도 30의 모터에서는 권선 G14와 E87을 회전자 샤프트 방향으로 왕복 권선하고, 권선 G15와 E88을 회전자 샤프트 방향으로 왕복 권선할 수 있다.

또한, 도 29의 모터는 도 31과 같이 변형할 수 있다. 이는 권선 G14의 전류IA4를 도 32의 IA4와 IB4로 대용하고, 권선 Gl5의 전류 IC4를 도 32의 IC4와 ID4로 대용하며, 권선 Gl6의 전류 IE4를 도 32의 IE4와 IF4로 대용하는 것이다. 그리고 ID4, IE4, lF4를 각각 －IA4, －IB4, －IC4로 변경하는 것이다. 그 결과, 도 31의 구성의 모터로 되고, 각각의 권선은 회전자 샤프트 방향의 왕복 권선으로 할 수 있어 각 권선의 효율도 권선 계수가 O.866으로 되어 그 정도 낮아지지 않는다. 또한, 전류의 크기는 1.732배로 되고, 위상은 전기각에서 30° 시프트되기 때문에 그 환산을 행할 필요가 있다.

다음으로, 도 33은 도 32의 모터를 변형한 예를 나타낸 것이다. B상과 E상의 고정자 자극(G1B, G1E)을 여자시키기 위하여 자기경로(G14)로 쇄교시키는 전류는 F87과 E88의 －IA4와 －IC4의 전류이다. 도 30의 자기경로(G14)를 도 33의 E81에 나타낸 바와 같이 회전자에 대하여 역방향으로 배치하면 쇄교될 전류의 부호는 반전되고, 권선 E85와 E86의 전류 IA4와 IC4를 유용할 수 있다. 이 결과, E85와 E86의 2개의 권선에서, 각 고정자 자극(G1A, G1B, G1C, G1D, G1E, G1F) 각각에 6상의 기자력을 부여하게 된다.

또한, 도 33의 모터 구성에서는, 권선(E85, E86)의 회전자 샤프트 방향의 리턴선으로 하는 권선 E87과 E88을 추가하고 있다. 그러나 권선(E87, E88) 부분은 모터로 전자기적으로 작용하고 있는 것은 아니기 때문에, 모터 구성의 연구 및 도 19과 같은 모터의 복합화 등에 의해 권선 E87과 E88을 제거할 수도 있다.

도 33의 모터의 권선 E85는 도 30의 모터의 권선 G14에 비하여 쇄교 자속은 1.732배로 되고, 이 권선(E85)의 유도전압정수 및 토크 정수는 1.732배로 된다. 따라서, 도 33의 모터 구성은 효율 향상 및 소형화의 관점에서 큰 의미가 있다.

본 출원인은 본 발명의 모터와 공통된 기술을 포함하는 관련 기술 교류 「모터와 그 제어장치」(일본 특허공개 제2005-160285호)를 개발하고, 그 내용은 이미 공개되어 있다. 일부에 대해서는 공통인 기술을 포함하고, 또한 본 발명의 대상으로 되는 모터의 형태이기도 하므로, 그 관련 기술의 일부에 관하여 설명한다. 또한, 그 밖의 관련 기술의 부분에 관해서는 설명을 생략한다.

[관련 기술]

도 34는 관련 기술의 브러시리스 모터의 단면도이다. 도 34에 나타낸 브러시리스 모터(150)는 3상 교류로 동작하는 8극 모터이며, 회전자(11), 영구자석(12), 고정자(14)를 포함하여 구성된다.

회전자(11)는 표면에 배치된 복수의 영구자석(12)을 구비한다. 이들 영구자석(12)은 회전자(11) 표면을 따라 원주방향으로 N극과 S극이 교대로 배치된다. 도 35는 회전자(11)의 원주방향 전개도이다. 가로축은 기계각을 나타내고, 기계각에서 360°의 위치는 전기각에서 1440°로 된다.

고정자(14)는 각각 4개의 U상 고정자 자극(19), V상 고정자 자극(20), W상 고정자 자극(21)을 포함한다. 각 고정자 자극(19, 20, 21)은 회전자(11)에 대하여 돌출 자극 형상을 갖는다. 도 37은 회전자(11)측으로부터 바라본 고정자(14)의 내주측 형상의 전개도이다. 4개의 U상 고정자 자극(19)은 동일 원주상에 동일한 간격으로 배치된다. 유사하게, 4개의 V상 고정자 자극(20)은 동일 원주상에 동일한 간 격으로 배치된다. 4개의 W상 고정자 자극(21)은 동일 원주상에 동일한 간격으로 배치된다. 4개의 U상 고정자 자극(19)을 U상 고정자 자극군, 4개의 V상 고정자 자극(20)을 V상 고정자 자극군, 4개의 W상 고정자 자극(21)을 W상 고정자 자극군으로 칭한다. 또한, 이들 각 고정자 자극군 중에서, 축방향을 따라 단부에 배치된 U상 고정자 자극군과 W상 고정자 자극군을 단부 고정자 자극군, 그 외 V상 고정자 자극군을 중간 고정자 자극군으로 칭한다.

또한, U상 고정자 자극(19), V상 고정자 자극(20), W상 고정자 자극(21) 각각은 축방향 위치와 원주방향 위치가 서로 시프트되어 배치된다. 구체적으로, 각 고정자 자극군은 상대적으로 기계각에서 30°, 전기각에서 120°의 위상차가 되도록 원주방향으로 서로 시프트되어 배치된다. 도 37에 나타낸 파선은 대향하는 회전자(11)의 각 영구자석(12)을 나타낸 것이다. 동일 극의 회전자 자극(N극의 영구자석(12)끼리 또는 S극의 영구자석(12)끼리)의 피치는 전기각에서 360°이며, 동일 상의 고정자 자극의 피치도 전기각에서 360°이다.

고정자(14)의 U상 고정자 자극(19), V상 고정자 자극(20), W상 고정자 자극(21) 각각의 사이에는, U상 권선(15), V상 권선(16, 17), W상 권선(18)이 배치된다. 도 39는 각 상의 권선의 원주방향 전개도를 나타낸 도면이다. U상 권선(15)은 U상 고정자 자극(19)과 V상 고정자 자극(20) 사이에 설치되고, 원주 방향을 따라 루프형을 이루고 있다. 회전자(11)측으로부터 봤을 때, 시계회전방향의 전류를 정으로 하고(다른 상의 상 권선에 관해서도 동일하게 함), U상 권선(15)에 흐르는 전류(Iu)는 마이너스(－Iu)로 된다. 유사하게, V상 권선(16)은 U상 고정자 자극(19) 과 V상 고정자 자극(20) 사이에 설치되고, 원주방향을 따라 루프형을 이루고 있다. V상 권선(16)에 흐르는 전류(Iv)는 정(＋Iv)으로 된다. V상 권선(17)은 V상 고정자 자극(20)과 W상 고정자 자극(21) 사이에 설치되고, 원주방향을 따라 루프형을 이루고 있다. V상 권선(17)에 흐르는 전류(Iv)는 마이너스(－Iv)로 된다. W상 권선(18)은 V상 고정자 자극(20)과 W상 고정자 자극(21) 사이에 설치되고, 원주방향을 따라 루프형을 이루고 있다. W상 권선(18)에 흐르는 전류(Iw)는 정(＋Iw)으로 된다. 이들 3종류의 전류(Iu, Iv, Iw)는 3상 교류 전류이며, 위상이 서로 120°씩 시프트된다. 또한, 39는 축방향 기자력을 없애기 위한 권선이다.

다음으로, 고정자(14)의 각 상의 고정자 자극 형상과 각 상의 권선 형상에 대해서 상세히 설명한다. 도 36은 도 34의 고정자(14)의 단면을 나타낸 것으로, 도 36의 (a)에는 AA-AA선 단면도, 도 36의 (b)에는 AB-AB선 단면도, 도 36의 (c)에는 AC-AC선 단면도를 각각 나타낸 것이다. 이들 도면에 나타낸 바와 같이, U상 고정자 자극(19), V상 고정자 자극(20), W상 고정자 자극(21) 각각은 회전자(11)에 대하여 돌출 자극 형상을 이루고 있고, 각각 상대적으로 기계각에서 30°, 전기각에서 120°의 위상차를 갖는 위치관계가 되도록 배치된다.

도 38은 U상 권선(15)의 개략적인 형상을 나타내는 도면으로, 정면도와 측면도를 각각 나타낸 것이다. U상 권선(15)은 권선 시작 단자(U)와 권선 종결 단자(N)를 갖는다. 또한, 유사하게 V상 권선(16, 17)은 권선 시작 단자(V)와 권선 종결 단자(N)를 가지며, W상 권선(18)은 권선 시작 단자(W)와 권선 종결 단자(N)를 갖는다. 각 상 권선을 3상 Y결선하는 경우, 각 상 권선(15, 16, 17, 18)의 권선 종결 단자(N)는 접속된다. 각 상 권선(15, 16, 17, 18)에 흐르는 전류(Iu, Iv, Iw)는 각상 고정자 자극(19, 20, 21)과 회전자(11)의 영구자석(12) 사이에서 토크를 발생하는 전류 위상으로 제어된다. 또한, Iu＋Iv＋Iw=0이 되도록 제어된다.

다음으로, 각 상 전류(Iu, Iv, Iw)와 이들 각 상 전류에 의해 각 상 고정자 자극(19, 20, 21)에 부여되는 기자력의 관계에 관하여 설명한다. 도 41은 에어갭면측(회전자(11)측)으로부터 바라본 각 상 고정자 자극(19, 20, 21)의 전개도(도 37)에 등가적인 각 상 전류 권선을 부가 기재한 도면이다.

U상 권선은 4개의 U상 고정자 자극(19)에 동일한 방향으로 직렬 권선된다. 따라서, 각 U상 고정자 자극(19)은 동일한 방향으로 기자력이 부여된다. 예를 들면, 도 41의 좌로부터 2번째의 U상 고정자 자극(19)에 권선되는 U상 권선은 도선 (3), (4), (5), (6)에 의해 형성되고, U상 고정자 자극(19)의 주위에 이 순서로 이들 도선이 복수회 권선된다. 또한, 도선 (2), (7)은 인접하는 U상 고정자 자극(19) 사이의 연결선이며, 전자기적 작용은 없다.

이러한 U상 권선에 흐르는 전류(Iu)의 각 부분에 대해서 상세히 살펴보면, 도선 (1)과 (3)의 전류의 크기는 동일하고 역방향으로 흐르며, 기자력 암페어 턴은 상쇄되기 때문에, 이들 도선은 등가적으로 전류가 흐르지 않고 있을 때와 같은 상태에 있다고 할 수 있다. 유사하게, 도선 (5)와 (8) 부분의 전류에 관하여도 기자력 암페어 턴은 상쇄되고, 이들 도선은 등가적으로 전류가 흐르지 않고 있을 때와 같은 상태에 있다고 할 수 있다. 이와 같이 U상 고정자 자극(19) 사이에 배치되는 도선에 흐르는 전류는 항상 상쇄되기 때문에, 전류가 흐를 필요가 없고, 그 부분의 도선은 제거할 수 있다. 그 결과, 도선 (10) 및 (6)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상에서 루프형으로 흐르는 U상 전류(Iu)와, 도선 (4) 및 (9)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상에서 루프형으로 흐르는 U상 전류(－Iu)가 동시에 흐르고 있는 상태와 같다고 생각할 수 있다.

또한, 상기한 도선 (10) 및 (6)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상에 루프형으로 흐르는 U상 전류(Iu)는 고정자 코어의 외부에서 루프형으로 흐르는 전류이며, 고정자 코어의 외부는 공기 등이어서 자기저항이 크기 때문에, 브러시리스 모터(15)로의 전자기적 작용은 거의 없다. 이 때문에, 생략하더라도 영향은 없고, 고정자의 외부에 위치하는 루프형의 권선을 제거할 수 있다(또한, 상기한 예에서는 이 루프형의 권선을 생략하고 있지만, 생략하지 않고 존재시킬 수도 있다). 결국, 도 34에 나타낸 U상 권선의 작용은 도 34 및 도 39에 나타낸 루프형의 U상 권선(15)과 등가인 것으로 말할 수 있다.

또한, 도 41에 나타낸 V상 권선은 U상 권선과 같이, 4개의 V상 고정자 자극(20)을 주회하도록 직렬 권선된다. 이 중, 도선 (11)과 (13)에 흐르는 전류는 크기가 같고 방향이 반대여서, 기자력 암페어 턴이 상쇄되기 때문에, 이 부분은 등가적으로 전류가 흐르지 않고 있을 때와 같은 상태에 있다고 할 수 있다. 유사하게, 도선 (15) 및 (18)의 전류에 관해서도 기자력 암페어 턴은 상쇄된다. 그 결과, 도선 (20) 및 (16)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상을 따라 루프형으로 흐르는 V상 전류(Iv)와, 도선 (14) 및 (19)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상에 루프형으로 흐르는 V상 전류(－Iv)가 동시에 흐르고 있는 상태와 같다고 생각할 수 있다. 결 국, 도 34에 나타낸 V상 권선의 작용은 도 34 및 도 39에 나타낸 루프형의 V상 권선(16, 17)과 등가인 것으로 말할 수 있다.

또한, 도 41에 나타낸 W상 권선은 U상 권선과 같이, 4개의 W상 고정자 자극(21)을 주회하도록 직렬 권선된다. 이 중, 도선 (21)과 (23)에 흐르는 전류는 크기가 같고 방향이 반대여서 기자력 암페어 턴은 상쇄되기 때문에, 이 부분은 등가적으로 전류가 흐르지 않고 있을 때와 같은 상태에 있다고 할 수 있다. 유사하게, 도선 (25)와 (28)의 전류에 관해서도 기자력 암페어 턴은 상쇄된다. 그 결과, 도선 (30)과 (26)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상에 루프형으로 흐르는 W상 전류(Iw)와, 도선 (24)와 (29)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상에서 루프형으로 흐르는 W상 전류(－Iw)가 동시에 흐르고 있는 상태와 같다고 생각할 수 있다.

또한, 상기한 도선 코일 (24)와 (29)에 대응하도록 고정자(14)의 원주상에서 루프형으로 흐르는 W상 전류(－Iw)는 고정자 코어의 외부에서 루프형으로 흐르는 전류이며, 고정자 코어의 외부는 공기 등이어서 자기저항이 크기 때문에, 브러시리스 모터(15)로의 전자기적 작용은 거의 없다. 이 때문에, 생략하더라도 영향은 없고, 고정자 코어의 외부에 위치하는 루프형의 권선을 제거할 수 있다. 결국, 도 41에 나타낸 W상 권선의 작용은 도 34 및 도 39에 나타낸 루프형의 W상 권선(18)과 등가인 것으로 말할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 고정자(14)의 각 상 고정자 자극(19, 20, 21)에 전자기적 작용을 부여하는 권선 및 전류는 루프형의 간단한 권선으로 대체할 수 있고, 또한 고정자(14)의 축방향 양단의 루프형의 권선을 배제할 수 있다. 그 결과, 브러시리스 모터(15)에 사용되는 구리의 양을 대폭 감소시킬 수 있기 때문에, 고효율화 및 고토크화가 가능해진다. 또한, 동일 상의 원주방향의 고정자 자극 간에 권선(도선)을 배치할 필요가 없기 때문에, 종래 구조 이상의 다극화가 가능해지고, 특히 권선 구조가 간단해지기 때문에, 모터의 생산성을 향상시킬 수 있고, 저비용화가 가능해진다.

또한, 자기적으로는 U상, V상 및 W상의 고정자 자극을 통과하는 자속(φu, φv, φw)이 백 요크부에서 합류하고, 3상 교류 자속의 총 합계가 0이 되는 φu＋φv＋φw=O의 관계로 이루어진다. 또한, 도 264, 도 265 및 도 266에 나타낸 종래 구조는 도 41에 나타낸 각 상 돌출 자극(19, 20, 21)을 2개씩 합계 6개를 동일 원주상에 배열한 구조이며, 개개의 돌출 자극의 전자기적 작용 및 토크 발생은 브러시리스 모터(150)와 동일하다. 다만, 도 264 및 도 265에 나타낸 바와 같은 종래의 브러시리스 모터는 그 구조상 도 34로부터 도 40에 나타낸 브러시리스 모터(150)와 같이 권선의 일부를 제거하거나, 권선의 단순화를 행할 수는 없다.

브러시리스 모터(150)는 이러한 구성을 구비하고 있고, 다음으로 그 동작을 설명한다. 도 42는 브러시리스 모터(150)의 전류, 전압 및 출력 토크의 벡터도이다. X축은 실축(實軸), Y축은 허축(虛軸)에 각각 대응한다. 또한, X축에 대한 반시계 회전방향의 각도를 벡터의 위상각으로 한다.

고정자(14)의 각 상의 고정자 자극(19, 20, 21)에 존재하는 자속(φu, φv, φw)의 회전각도변화율을 단위전압이라고 칭하고, Eu=φdu/dθ, Ev=dφv/dθ, Ew=dφw/dθ라고 한다. 각 상 고정자 자극(19, 20, 21)의 회전자(11)(영구자석(12))에 대한 상대 위치는 도 37에 나타낸 바와 같이, 전기각에서 120°씩 시프트되기 때문에, 각 상 권선(15∼18)의 1턴에 유도되는 단위전압(Eu, Ev, Ew)은 도 42에 나타낸 바와 같은 3상 교류 전압으로 된다.

회전자가 일정 회전 dθ/dt=S1으로 회전하고, 각 상 권선(15 내지 18)의 턴수를 Wu, Wv, Ww로 하고, 이들 값이 Wc와 동일하다고 하면, 권선(15 내지 18)의 각 유도전압(Vu, Vv, Vw)은 다음과 같이 표시된다. 또한, 각 고정자 자극의 누설자속 성분을 무시하면, U상 권선의 자속쇄교수는 Wu×φu, V상 권선의 자속쇄교수는 Wv×φv, W상 권선의 자속쇄교수는 Ww×φw이다.

Vu=Wu×(－dφu/dt)

=－Wu×dφu/dθ×dθ/dt

= －Wu×Eu×Sl …(1)

유사하게,

Vv=Wu×Ev×Sl …(2)

Vw=Ww×Ew×S1 …(3)

여기에서, 구체적인 권선과 전압의 관계는 다음과 같다. U상의 단위전압(Eu)은 도 34 및 도 39에 나타낸 U상 권선(15)의 역방향의 1턴에 발생하는 전압이다. U 상 전압(Vu)은 U상 권선(15)의 역방향으로 발생하는 전압이다. V상의 단위전압(Ev)은 V상 권선(16)의 1턴과 V상 권선(17)의 역방향의 1턴을 직렬로 접속했을 때에 양단에서 발생하는 전압이다. V상 전압(Vv)은 V상 권선(16)과 역방향의 V상 권선(17)을 직렬로 접속할 때의 양단의 전압이다. W상의 단위전압(Ew)은 도 34 및 도 39에 나타낸 W상 권선(18)의 1턴에 발생하는 전압이다. W상 전압(Vw)은 W상 권선(18)의 역방향으로 발생하는 전압이다.

브러시리스 모터(150)의 토크를 효율적으로 발생시키고자 하면, 각 상 전류(Iu, Iv, Iw)는 각 상 권선의 단위전압(Eu, Ev, Ew)과 동일 위상으로 통전될 필요가 있다. 도 42에서는, Iu, Iv, Iw와 Eu, Ev, Ew가 각각 동일 위상인 것으로 하고, 벡터도의 단순화를 위하여 동일 상의 전압 벡터 및 전류 벡터를 동일한 벡터 화살표로 표현한다.

브러시리스 모터(150)의 출력 파워(Pa), 각 상의 파워(Pu, Pv, Pw)는

Pu=Vu×(－Iu)=Wu×Eu×Sl×Iu …(4)

Pv=Vv×Iv=Wv×Ev×Sl×Iv …(5)

Pw=Vw×Iw=Ww×Ew×S1×Iw …(6)

Pa=Pu＋Pv＋Pw=Vu×Iu＋Vv×Iv＋Vw×Iw …(7)

로 된다. 또한, 브러시리스 모터(150)의 출력 토크(Ta), 각 상의 토크(Tu, Tv, Tw)는

Tu=Pu/S1=Wu×Eu×Iu …(8)

Tv=Pv/S1=Wv×Ev×Iv …(9)

Tw=Pw/S1=Ww×Ew×Iw …(10)

Ta=Tu＋Tv＋Tw

=Wu×Eu×Iu＋Wv×Ev×Iv＋Ww×Ew×Iw

=Wc×(Eu×Iu＋Ev×Iv＋Ew×Iw) …(ll)

로 된다. 또한, 본 실시예의 브러시리스 모터(150)의 전압, 전류 및 토크에 관한 벡터도는 도 264, 도 265, 도 266에 나타낸 종래의 브러시리스 모터의 벡터도와 동일하다.

다음으로, 도 34 및 도 39에 나타낸 각 상 권선과 전류에 관하여 보다 고효율화하는 변형 방법에 관하여 설명한다. U상 권선(15)과 V상 권선(16)은 U상 고정자 자극(19)과 V상 고정자 자극(20) 사이에서 인접하여 배치된 루프형의 권선이며, 이들을 단일의 권선으로 통합할 수 있다. 유사하게, V상 권선(17)과 W상 권선(18)은 V상 고정자 자극(20)과 W상 고정자 자극(21) 사이에서 인접하게 배치된 루프형의 권선이며, 이들을 단일 권선으로 통합할 수 있다.

도 40은 2개 권선을 단일 권선으로 통합한 변형 예를 나타낸 도면이다. 도 40과 도 39를 비교하면 분명하게 나타나 있는 바와 같이, U상 권선(15)과 V상 권선(16)은 단일 M상 권선(38)으로 변경될 수 있고, V상 권선(17)과 W상 권선(18)은 단일 N상 권선(39)으로 변경된다. 또한, U상 권선(15)의 전류(－Iu)와 V상 권선(16)의 전류(Iv)를 가산한 M상 전류(Im(=－Iu＋Iv)를 M상 권선(38)에서 흐르도록 함으로써, M상 권선(38)에 의해 발생하는 자속의 상태와 U상 권선(15)과 V상 권선(16) 각각에 의해 발생하는 자속을 합성한 상태는 동일하게 되고, 전자기적으로 등가로 된다. 유사하게, V상 권선(17)의 전류(－Iv)와 W상 권선(18)의 전류(Iw)를 가산한 N상 전류(In(=－Iv＋Iw)를 N상 권선(39)에서 흐르도록 함으로써, N상 권선(39)에 의해 발생하는 자속의 상태와 V상 권선(17)과 W상 권선(18) 각각에 의해 발생하는 자속을 합성한 상태는 동일하게 되고, 전자기적으로 등가로 된다.

도 42에는 이들의 상태도 나타내고 있다. 도 42에 나타낸 M상 권선(38)의 단위전압(Em), N상 권선(39)의 단위전압(En)은 아래와 같다.

Em=－Eu=－dφu/dθ

En=Ew=dφw/dθ

또한, 각 권선의 전압(V), 파워(P), 토크(T)의 벡터 계산식은 아래와 같이 된다.

Vm=Wc×Em×S1 …(12)

Vn=Wc×En×Sl …(13)

Pm=Vm×Im=Wc×(－Eu)×Sl×(－Iu＋Iv)

=Wc×Eu×S1×(－Iu＋Iv) …(14)

Pn=Vn×In=Wc×Ew×Sl×(－Iv＋Iw) …(15)

Pb=Pm＋Pn=Vu×(－Iu＋Iv)＋Vw×(－Iv＋Iw) …(16)

Tm=Pm/S1=Wc×(－Eu)×(－Iu＋Iv) …(17)

Tn=P1/S1=Wc×Ew×(－Iv＋Iw) …(18)

Tb=Tm+Tn=Wc×((－Eu×Im)＋Ew×In) …(19)

=Wc×(－Eu×(－Iu＋Iv)＋Ew×(－Iv＋Iw))

=Wc×Eu×Iu＋Wc×Iv×(－Eu－Ew)＋Wc×Ew×Iw

=Wc×(Eu×Iu＋Ev×Iv＋Ew×Iw) …(20)

∵ Eu＋Ev＋Ew=O …(21)

여기에서, (11)식에서 제시된 토크식은 3상으로 표현되고, (19)식에서 제시 된 토크식은 2상으로 표현되어 있다. 이들 토크식의 표현 방법은 다르지만, (19) 식을 전개하면 (20)식이 되고, 이들 두 식은 수학적으로 등가인 것임을 알 수 있다. 특히, 전압(Vu, Vv, Vw) 및 전류(Iu, Iv, Iw)는 평형 3상 교류의 경우, (11)식으로 표시되는 토크(Ta)의 값은 일정하게 된다. 이때, (19)식으로 나타내는 토크( Tb)는 도 42에 나타낸 바와 같이, Tm과 Tn의 위상차인 Kmn=90°로 되는 정현파의 2승 함수의 합으로서 얻을 수 있고, 일정 값으로 된다.

또한, (19)식은 2상 교류 모터의 표현 형태이며, (11)식과 (21)식은 3상 교류 모터의 표현 형태이지만, 이들 값은 동일하다. 그러나 (19)식에 있어서, (－Iu＋Iv)의 전류(Im)를 M상 권선(38)에 통전시키는 경우와 －Iu와 Iv의 전류를 각각 U상 권선(15)과 V상 권선(16)으로 통전시키는 것은 전자기적으로는 동일하지만, 구리 손실은 다르다. 도 42의 벡터도에 나타낸 바와 같이, 도면에 나타나 있는 바와 같이 전류(Im)의 실축 성분은 Im에 cos30°를 곱한 값으로 감소하기 때문에, M상 권선(38)에 전류(Im)를 통전시키는 쪽이 구리 손실이 75%로 되고, 25%의 구리 손실이 감소하는 효과가 있다.

이와 같이 인접해서 배치된 루프형의 권선을 통합함으로써, 구리손실이 감소할 뿐만 아니라, 권선 구조가 간단해지기 때문에, 모터의 생산성을 보다 향상시킬 수 있고, 저비용화가 더욱 가능해진다.

다음으로, 도 34에 나타낸 모터의 고정자(14)의 형상에 관한 것으로서, 그 갭면 자극 형상의 변형 예에 관하여 설명한다. 고정자(14)의 자극 형상은 토크 특성에 크게 영향을 주고, 또한, 코깅 토크 리플, 통전전류에 의해 유도되는 토크 리 플에 밀접하게 관련된다. 이하에서는, 각 고정자 자극군에 존재하는 자속의 회전각도변화율인 단위전압의 형상 및 진폭이 거의 동일하고, 전기각에서 서로 120°의 위상차를 유지하도록 각 고정자 자극군의 각각 대응하는 고정자 자극의 형상을 변형하는 구체적인 예에 관하여 설명한다.

도 43은 고정자 자극의 변형 예를 나타내는 원주방향 전개도이다. 도 37에 나타낸 각 상의 고정자 자극(22, 23, 24)은 회전자 샤프트(11)와 평행하게 배치되는 기본 형상을 갖는다. 각 고정자 자극은 각 상에 대해서 동일 형상이며, 전기각에서 상대적으로 120°의 위상차를 이루도록 배치된다. 이러한 형상을 갖는 각 고정자 자극(22, 23, 24)을 이용할 경우, 토크 리플이 커지게 될 우려가 있다. 그러나, 각 고정자 자극(22, 23, 24)의 반경 방향으로 반구형의 요철(domed indent)을 형성함으로써, 경계부에서의 전자기적 작용을 완만한 형태로 할 수 있고, 토크 리플의 감소가 가능하게 된다. 또한, 다른 방법으로서, 회전자(11)의 영구자석(12) 각 극의 표면에 반구형의 요철을 형성함으로써, 원주방향에 정현파적인 자속 분포를 실현할 수 있고, 이에 따라 토크 리플을 감소시킬 수 있다. 또한, 도 43의 수평축에 첨부된 각도는 원주방향에 따른 기계각이며, 좌단으로부터 우단까지의 1주는 360°이다.

또한, 도 43에 나타낸 각 상의 고정자 자극(22, 23, 24)은 원주방향으로 경사지게 한 형상으로 하여 토크 리플을 감소시킬 수 있다.

도 43에 나타낸 고정자 자극 형상을 채용했을 경우, 고정자 자극의 에어갭면 형상을 실현하려면, 각 상의 권선(15, 16, 17, 18)과 에어갭부 사이에서 그 자극형 상을 실현하기 위해서 각 상의 고정자 자극의 선단이 회전자 샤프트 방향으로 돌출한 형상으로 이루어지고, 축방향으로 돌출하기 위한 자기경로의 스페이스가 필요하여 그 스페이스 확보 때문에 모터 외형 형상이 커지는 경향이 있는 문제가 있다.

도 44는 고정자 자극(11)의 다른 변형 예를 나타내는 원주방향 전개도이며, 이 문제를 경감하는 고정자 자극 형상을 나타내고 있다. 고정자(14)의 U상 고정자 자극(28)에 존재하는 자속(φu)의 회전각도변화율인 U상의 단위전압을 Eu(=dφu/dθ), V상 고정자 자극(29)에 존재하는 자속(φv)의 회전각도변화율인 V상의 단위전압을 Ev(=dφv/dθ), W상 고정자 자극(30)에 존재하는 자속(φw)의 회전각도변화율인 W상의 단위전압을 Ew(=dφw/dθ)라고 할 때, 각 상의 단위전압(Eu, Ev, Ew)은 형상 및 진폭이 거의 동일하고, 위상이 전기각에서 서로 120°의 위상차를 유지하도록 각 상의 고정자 자극(28, 29, 30)의 형상을 변형한 예를 도 44에 나타내었다. 이들 고정자 자극 형상의 특징은 각 고정자 자극(28, 29, 30)의 에어갭면의 대부분이 각각의 고정자 자극의 티스(teeth)의 중간 부분에 대하여 거리가 짧고, 회전자(11)로부터의 자속이 각 고정자 자극 표면을 통과하고, 티스의 중간부분을 통과하고, 그리고 고정자(14)의 백 요크의 자기경로를 통해 자속이 용이하게 통과할 수 있는 점이다. 따라서, 도 44에 나타낸 고정자 자극 형상은 도 43에 나타낸 고정자 자극 형상에 비하여 각 상 권선(15, 16, 17, 18)과 에어갭부 사이의 고정자 자극의 스페이스를 작게 할 수 있다. 그 결과, 브러시리스 모터의 외형 형상을 작게 할 수 있다.

도 45는 고정자 자극의 다른 변형 예를 나타내는 원주방향 전개도이며, 도 43에 나타낸 고정자 자극 형상을 더 변형한 고정자 자극 형상을 나타내고 있다. 도 45에 나타내는 예에서는 회전자 샤프트(11) 방향 양단의 U, W상 고정자 자극(34, 36)은 원주방향의 자극 폭을 전기각에서 180°로 확장하고, 남은 스페이스를 V상의 고정자 자극(35)과 밸런스를 갖도록 분배 배치하고, U, W상 고정자 자극(34, 36)의 백 요크로부터 티스의 표면까지의 거리가 먼 부분에 대해서는 각각의 선단 부분이 좁게 이루어져 그 제작도 어렵기 때문에 삭제하고 있다. 35는 V상 고정자 자극이다. 그리고 각 상의 고정자 자극 형상의 표면의 회전각도변화율인 각 상의 단위전압(Eu, Ev, Ew)은 위상은 다르지만 동일한 값으로 되도록 변형된다. 그 결과, 비교적 큰 유효 자속을 통과시킬 수 있고, 또한 그 제작도 비교적 용이한 고정자 자극 형상으로 이루어진다.

고정자 자극의 회전자에 대향하는 부분의 형상은 도 37, 도 43, 도 44 및 도 45의 예에 나타낸 바와 같이, 토크의 증대, 토크 리플의 감소 및 제작의 용이성 등의 목적에 따라 다양한 형상을 취할 수 있다.

도 50은 2상 교류로부터 7상 교류까지를 벡터 관계로 나타낸 도면이다. 도 34로부터 도 45까지 나타낸 모터는 도 50의 (b)에 나타내는 3상 교류이며, 특히 도 40에 나타낸 루프형 권선을 적용하는 구조의 모터에서, 고정자 자극을 포함하는 자기경로는 3상 교류이고, 권선은 3상 중 2 권선이 사용되며, 나머지의 1상의 전류는 3번째의 권선 대신에 상기 2 권선을 직렬로 통전하는 것으로 볼 수 있다. 또한, 도 34로부터 도 45까지 나타낸 3상 모터는 4상 이상의 다상화를 동일한 방법으로 행할 수 있다.

또한, 도 34로부터 도 45까지 나타낸 모터는 도 16에 나타낸 모터를 8극으로 하고, 각 고정자 자극과 각 슬롯 내의 권선의 방향을 원주방향으로 변형한 구성의 모터인 것으로 말할 수 있다. 그리고 도 16의 권선 B35와 B39를 원주방향으로 직렬 접속한 권선은 도 34의 권선 15와 16의 통합 권선인 도 40의 권선 38에 해당한다. 이러한 루프형의 권선(38, 39)은 도 16의 리턴선인 B36과 B3A가 불필요하다. 그 결과, 동선 재료가 불필요하게 될 뿐만 아니라, 구리 손실도 감소하고, 고효율, 소형의 모터를 실현할 수 있다. 도 24 및 도 33등의 다른 모터에도 동일하게 적용될 수 있고, 각각의 리턴 권선(D39, E87, E88) 등을 배제할 수 있다.

다음으로, 다른 4상 교류의 모터 예를 도 52 및 도 53에 나타내었다. 도 52는 고정자 자극의 회전자에 대향하는 면의 전개도이다. 가로축은 고정자의 원주방향 각도를 전기각으로 표시하고, 전기각에서 720°만큼 기재하고 있다. 세로축은 회전자 샤프트 방향이다. A81, A82, A83 및 A84는 4상의 고정자 자극이다. 이들 고정자 자극의 배치 구성은 도 37에 나타낸 고정자 자극의 구성을 단순하게 4상화한 구성이 아니라, 고정자 자극 A81과 A82 및 A83과 A84가 전기각에서 서로 180°의 위상차를 갖고 있다. A81은 A상의 고정자 자극, A82는 C상의 고정자 자극, A83은 B상의 고정자 자극, A84는 D상의 고정자 자극이다. 위상이 180° 다른 고정자 자극을 회전자 샤프트 방향의 이웃에 배치함으로써, 도 52에서 빈 스페이스에 각 상의 고정자 자극으로부터 회전자 샤프트 방향으로 연장하는 것이 용이한 배치 구성으로 이루어진다. 권선 A87에는 도 53의 (a)의 벡터 A에 해당하는 전류, 권선 A88에는 벡터 C에 해당하는 전류, 권선 A89에는 벡터 ―C에 해당하는 전류, 권선 A8A에는 벡터 B에 해당하는 전류, A8B에는 벡터 －B에 해당하는 전류, A8C에는 벡터 DC에 해당하는 전류가 흐른다.

이때, 권선 A87과 A88을 1개의 권선으로 통합해서 도 53의 (b)에 나타낸 벡터 C-A의 전류를 통전시키고, 권선 A89와 A8A를 1개의 권선으로 통합해서 도 53의 (b)에 나타낸 벡터 B-C의 전류를 통전시키며, 권선 A8B와 A8C을 1개의 권선으로 통합해서 도 53의 (b)에 나타낸 벡터 D-B의 전류를 통전시킬 수 있다. 이러한 방법은 구리 손실을 약 5/6로 감소시킬 수 있다.

도 54에 나타낸 고정자 자극과 권선의 배치 구성은 도 52의 배치 구성을 개량한 것이다. AA1은 A상의 고정자 자극, AA2는 C상의 고정자 자극, AA3은 B상의 고정자 자극, AA4은 D상의 고정자 자극이다. 도 52의 고정자 자극의 배치 구성과는 달리 회전자에 대향하는 면의 거의 전체 면에 고정자 자극을 배치하고 있다. 따라서, 회전자로부터의 자속을 고정자측으로 효율적으로 통과시키고, 권선과 쇄교시킬 수 있기 때문에, 큰 토크 발생을 기대할 수 있다. 권선 AA7에는 도 53의 (a)의 벡터 C－A에 해당하는 전류가 흐르고, 권선 AA9은 권선 AA7 및 AAB의 턴수의 1/2의 턴수로 해서 2×(B-C)의 벡터에 해당하는 전류가 흐르고, 권선 AAB에는 벡터 D－B에 해당하는 전류가 흐른다. 이러한 구성으로 함으로써, 3개의 권선의 3 전류의 합계 전류를 항상 0으로 할 수 있게 된다. 그리고 도 64에 나타낸 모터의 3 권선을 스타 결선으로 함으로써, 3상 인버터를 사용할 수 있게 된다. 후술하는 바와 같이, 도 92의 구성으로 해서 4개의 전력소자로 구동할 수도 있다.

각 권선의 전압에서, 권선 AA7의 전압은 A상 및 C상의 자속의 변화율에 비례 하는 전압이며, 권선 AAB의 전압은 B상 및 D상의 자속의 변화율에 비례하는 전압이다. 권선 AA9의 전압은 이 권선에 자속이 쇄교하지 않도록 전류 2×(B-C)를 흘려보내기 때문에, 원리적으로 쇄교 자속은 0이고, 자속의 시간변화율에서 발생하는 전압은 기본적으로 0이며, 그 외 권선 저항의 전압강하 분(分)과 누설자속의 시간변화율에서 발생하는 전압 분(分)이 조금 발생한다.

도 54의 고정자 자극의 단면 4GD-4GD는 도 55에 나타낸 형상으로 이루어진다. 이 모터와 도 52에 나타낸 모터가 다른 점 중 하나는 회전자에 대향하는 면의 고정자 자극의 형상이다. BY는 고정자의 백 요크이고, 그 회전자 샤프트 방향 길이는 MTZ이며, B상의 고정자 자극(AA1)의 회전자에 면하는 부분의 길이(MSZ)는 MTZ/4 보다 크다. 따라서, 고정자 자극(AA1)을 통과하는 자속의 회전 변화율은 크고, 큰 토크를 기대할 수 있다. 또한, 고정자 자극(AA1)의 회전자 표면 근방으로부터 백 요크(BY)까지의 자기경로의 굵기(MJZ)는 매우 크고, 고정자 자극 선단의 MSZ와 동일하여 자기포화가 일어나기 어려운 구조로 이루어진다.

또한, B상의 고정자 자극과 D상의 고정자 자극 사이에는 도 55의 권선(AA7, AA9, AAB)이 고정자 자극의 회전자에 면하는 오프닝부까지 배치되어 있어, 다른 상의 고정자 자극 간의 누설자속이 발생하기 어려운 배치 구조로 이루어진다. 누설자속이 증가할 경우, 도체 내에서 와전류가 발생하고, 자속의 증가를 방해하는 효과가 있기 때문이다. 도 54에 나타낸 각 상의 고정자 자극의 사이에는 각 권선이 동일하게 배치 구조로 이루어지고, 다른 상의 고정자 자극 사이의 누설 자속을 현저히 감소시키는 구조로 이루어진다. 도 54 및 도 55에 나타낸 바와 같은 구조의 모 터로 함으로써, 큰 피크 토크를 얻을 수 있는 구조로 이루어진다.

그러나 와전류가 과대해지면, 그 와전류 손실을 무시할 수 없게 되기 때문에, 권선(AA7, AA9, AAB)의 편평 형상의 정도는 누설자속에 의한 폐해와 와전류 손실의 크기의 관계로 결정되게 된다. 또한, 도 52 내지 도 55에 나타낸 4상 교류의 모터는 5상 이상의 다상의 모터로 변형해서 구성할 수 있다.

또한, 도 54의 고정자 자극의 형상은 장방형에 가까운, 특수한 형상을 도시하고 있지만, 다양한 형상으로 변형할 수도 있다. 예를 들면, 회전자 샤프트 방향으로 전자강판을 적층해서 사용할 경우, 재료적으로 또한 전자강판을 사용하는 제작의 편의상, 도 54에 나타낸 각 고정자 자극의 형상은 장방형의 형상인 것이 전자강판의 프레스 펀칭가공 제작 및 전자강판의 적층이 용이하다. 한편, 금형을 이용하여 압분자심을 프레스 성형으로 제작할 경우, 고정자 자극의 형상의 자유성이 높고, 도 54와 같은 곡면 형상인 것이 프레스 성형시에 바람직하다.

다음으로, 루프형의 권선을 갖는 6상의 모터에 관하여 설명한다. 도 56은 6상의 모터를 세운 상태의 단면도이며, 회전자(J40)에서 좌측만을 나타낸 것이다. J41은 영구자석이고, 도 35의 전개도와 같이 다극의 회전자이다. J42, J43, J44, J45 및 J46은 6상의 각 상 고정자 자극이고, 회전자와의 상대 위상이 전기각에서 60°씩 다른 위상으로 배치된다. J48, J49, 4A, J4B 및 J4C는 6상 중 5상의 권선이다. J4D는 고정자의 백 요크이다.

도 56의 모터는 도 34에 나타낸 3상 모터를 6상으로 변형한 모터이기도 하다. 또한, 도 56의 6상 모터는 도 28에 나타낸 모터를 다극화하고, 각 고정자 자극 의 배치를 변경하고, 각 권선의 접속 관계를 변경해서 루프형 권선으로 한 모터인 것으로 볼 수도 있다.

다음으로, 도 57은 도 56과는 다른 구성의 6상의 모터를 나타낸 것이다. R12는 A상의 고정자 자극이고, 자기경로(R1B)를 통해 D상의 고정자 자극(Rl5)에 자기적으로 연결되고, 권선(R18)의 전류(IA4)와 쇄교한다. R14는 C상의 고정자 자극이고, 자기경로(R1C)를 통해 F상의 고정자 자극(Rl7)에 자기적으로 연결되고, 권선(R19)의 전류(IC4)와 쇄교한다. R13은 B상의 고정자 자극이고, 자기경로(R1D)를 통해 E상의 고정자 자극(Rl6)에 자기적으로 연결되며, 권선(R1A)의 전류(－IE4)와 쇄교한다. B상과 E상의 자기경로(R1D)만은 그 자기경로의 방향이 반대이기 때문에, 전류의 부호는 반전된다. 도 56의 모터에 비해서 고정자의 자기경로를 3세트로 분리하고, 서로의 고저자 자극 간의 자속의 교차를 작게 하는 구성으로 하여 각 자기경로에 3상 교류 전류를 통전시킴으로써, 각 고정자 자극에 6상의 기자력을 부여하는 구성이다.

도 57의 6상 모터는 도 29에 나타낸 모터를 다극화하고, 각 고정자 자극의 배치를 변경하며, 각 권선의 접속 관계를 변경해서 루프형 권선으로 한 모터인 것으로 볼 수 있다. 도 29의 경우에는 그 실현이 곤란했지만, 도 57과 같이 변형하면, 리턴 권선이 없어도 모터를 구성할 수 있다.

다음으로, 도 58은 도 57의 모터를 개량한 6상의 모터이다. 도 57의 권선(R1D)에 쇄교하는 권선(R1A)의 전류(－IE4)는 도 32의 벡터 관계에서 －IE4=IA4＋IC4의 관계로부터 자기경로(J6B)의 경로를 변경하고, 권선 R1A 대신에 권선 R18 과 R19에 쇄교하도록 하고 있다.

도 58의 6상 모터는 도 33에 나타낸 모터를 다극화하고, 각 고정자 자극의 배치를 변경하며, 각 권선의 접속 관계를 변경해서 루프형 권선으로 한 모터인 것으로 볼 수도 있다. 도 33의 경우에는 각 권선(E85, E86)의 리턴 선(E87, E88)이 필요했지만, 도 57과 같이 변형하면, 리턴 권선이 없어도 모터를 구성할 수 있다. 이와 같이 구성함으로써, 모터의 고효율화 및 소형화가 가능해진다. 도 59는 도 58의 모터의 자기경로의 배치를 이동시키고, 권선(R18, R19)의 권선 및 배치가 용이하게 되는 형상으로 한 것이다.

도 60은 도 59의 모터의 위치 관계 및 접속 관계를 나타낸 전개도이다. 가로축은 고정자의 원주방향 각도를 전기각으로 표시하고, 전기각에서 720°의 범위를 나타내고 있다. J8Q는 회전자의 영구자석의 N극이며, J8R는 S극이다. Rl2 내지 R17은 A상으로부터 F상까지의 고정자 자극의 회전자에 대향하는 면의 형상이다. R18 및 R19는 권선이다. J8D, J8K 및 J8E는 A상의 고정자 자극으로부터 D상의 고정자 자극까지의 접속점과 자기경로를 나타내고 있다. J8H, J8M 및 J8J는 C상의 고정자 자극으로부터 F상의 고정자 자극까지의 접속점과 자기경로를 나타내고 있다. J8F, J8L 및 J8g는 B상의 고정자 자극으로부터 E상의 고정자 자극까지의 접속점과 자기경로를 나타내고 있다.

도 61은 도 60의 고정자 자극이 원주방향으로 경사진 경우의 형상을 나타내고 있다. 도 62는 도 60의 연자성체부의 구체적인 형상을 전개한 것이다. 동일 부분은 동일한 부호로 나타낸다. 도 63은 전자강판을 벤딩 가공하여 각 연자성체부를 제작할 경우의 전자강판의 전개도의 예를 나타내고 있다. 동일 부위는 동일 부호로 나타내고 있다. 또한, 도 62와 도 63의 가로축 방향은 파선과 1 내지 C까지의 부호로 대응하는 장소의 관계를 나타내고 있다.

도 64는 도 62에 나타낸 각 고정자 자극에 누설 자속을 감소시키는 도전체의 판 또는 폐회로를 배치한 예를 나타낸 도면이다. SO8 및 SO9는 고정자 자극의 회전자에 대향하는 부분의 형상도이고, SO7은 상기 고정자 자극 사이에 배치된 도전체의 판 또는 폐회로이다. 상기 고정자 자극 간의 누설자속이 증가하면, 누설자속에 의해 도전체의 판에는 전압이 유도되어 와전류가 흐르고, 그 와전류는 누설자속을 감소시키는 방향으로 기자력을 발생한다. 그 결과, 누설자속을 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 도 65는 도 98에 나타낸 종래의 전절권, 분포권의 3상 교류의 고정자와 권선을 2극, 6슬롯, 전절권으로 변형한 예이다. 651과 652는 U상 권선의 코일 단부이며, 도면에서와 같이 슬롯 사이에 권선되어 있다. 653과 654는 V상 권선의 코일 단부이며, 이 도면에서와 같이 슬롯 사이에 권선되어 있다.

655와 656은 W상 권선의 코일 단부이며, 도면에서와 같이 슬롯 사이에 권선되어 있다. 종래 모터의 권선은 도 65의 예에 나타낸 바와 같이, 3상의 권선이 코일 단부에서 겹치게 되어 권선 제작이 복잡한 것이다. 그 결과, 슬롯 내의 권선 점적율은 저하하고, 코일 단부가 크고 길어지는 문제가 있다.

도 66은 권선의 문제를 경감한 구조의 권선의 코일 단부의 접속 관계를 나타내는 횡단면도이다. 그리고 도 67은 그 고정자의 종단면도이고, 단면 XA-XA는 도 66의 형상으로 이루어진다. 661은 U상 권선의 코일 단부의 접속 관계를 나타내고 있다. 663은 V상, 665는 W상이다. 권선(661, 663, 665)은 제1의 3상의 권선 그룹을 형성하고, 각 권선이 교차하지 않고 권선될 수 있다. 그리고 이 제1 권선 그룹은 도 67의 671과 같은 형상으로 하고, 별도로 권선되는 제2 그룹의 권선의 코일 단부(672)와 간섭이 적은 형상으로 하고 있다. 그리고 672는 U상 권선의 코일 단부의 접속 관계를 나타내고 있다. 또한, 권선(661, 663, 665)은 각각 120°의 단절 권선으로 함으로써, 3상 권선 간의 간섭을 없애고 있다.

664는 V상이고, 666은 W상이다. 권선(662, 664, 666)은 제2의 3상의 권선 그룹을 형성하고, 각 권선이 교차하지 않고 권선될 수 있다. 그리고 이들 6세트의 3상의 권선은 서로 교차하지 않고 권선될 수 있다. 그 결과, 코일 단부의 권선(671, 672)을 효과적으로 형성할 수 있기 때문에, 모터의 축방향 길이를 단축할 수 있어 권선이 용이하기 때문에 권선 점적율을 향상시킬 수 있다.

도 68은 도 66 및 도 67에 나타낸 권선의 권선 효율 및 권선 계수를 도시한 도면이다. 각 슬롯에 권선된 권선의 상은 도 68의 관계로 이루어지고, 예를 들면, V상의 권선과 －W상의 권선이 권선된 슬롯에 대해서 고려해 보면, 합계 전류는 도면에 나타낸 바와 같이 V-W의 벡터로 이루어지고, 2개의 전류의 위상차는 60°이기 때문에, 권선 계수는 O.866이 된다. 또한, 각 슬롯의 합계 전류 벡터는 도 68에 도시한 바와 같이, 완전하게 6상의 벡터로 이루어지고, 권선 계수를 제외하고는 전절 권과 동일한 효과를 발휘한다. 또한, 도 66에서는 2극의 예에 대해서 설명하였지만, 다극화가 가능하고, 4극 이상의 다극의 모터에 있어서, 코일 단부를 더 효과적 으로 단축할 수 있다.

도 69는 돌출 자극형의 4극의 회전자에 계자 권선(691, 692, 693, 694) 등을 권선하여 도 71에 나타낸 바와 같이 직렬로 접속하고, 다이오드를 직렬로 접속하여 폐회로로 한다. 그 결과, 고정자측의 전류에 의해 회전자측의 계자 권선에 자속이 쇄교하고, 전압이 유도되어 계자 전류가 불연속적으로 유도되게 된다. 그러나 그 회전자측의 계자 전류의 거동은 복잡해서 오늘 현재에서도 일본전기학회의 논문지 등에서 논의되고 있는 중이다. 또한, 이러한 방식의 논문 예로서, 1993년 전기학회논문지D, Vol. 113-D, No.2, p238∼246,「영구자석을 병용한 반파정류 브러시리스 동기전동기의 특성 해석」이 있다.

계자 권선의 전류의 거동이 복잡한 이유 중 하나는, 도 98과 같은 고정자와 도 69의 회전자를 조합시킨 모터 특성에 있어서, q축 인덕턴스가 크고, 회전자의 자속의 방향이 여러 조건에 의해 변동하는 것으로 생각된다. q축 인덕턴스가 작으면, 계자 자속을 d축 전류(id)로 제어하고, 토크를 q축 전류(q)로 제어하며, d축과 q축을 독립으로 제어해서 용이하게 된다. 또한, 다른 이유 중 하나는 고정자가 발생하는 기자력의 이산성(離散性: discreteness)으로 생각된다. 도 97의 모터와 같이, 고정자 자극이 전기각 360° 내에 3개밖에 없는 경우는 이산성이 커서 d축, q축의 독립 제어에는 한계가 있다. 그리고 3상 정현파 전압, 전류, 자속 이론대로는 작용하지 않는 면이 있다.

도 70은 소위 멀티플럭스배리어형의 회전자에 계자 권선(SO6, SO7, SO8, SO9) 등과 도 71에 나타낸 다이오드(SOG)를 추가한 회전자이다. SO1은 회전자 샤프 트이다. SO2는 q축 방향으로 자속이 지나는 것을 방해하는 장벽이고, 슬릿 모양의 형상을 한 공간이다. 이 슬릿 형상부에는 회전자의 보강 등을 위하여 비자성체인 수지 등을 충전할 수도 있다. SO3은 상기 슬릿 모양의 형상을 한 장벽(SO2) 등으로 둘러싸인 좁은 자기경로이며, 인접하는 회전자 자극 사이로 자속을 통과시키는 작용을 한다. 권선 SO4와 SO5는 회전자 자극을 주회하도록 권선된 권선이다. SO6과 SO7, SO8과 SO9, SOA와 SOB의 권선도 동일한 권선이다. 이들 권선을 도 71에 나타낸 바와 같이, 직렬로 접속하고, 또한 다이오드(SOG)를 직렬로 삽입하여 폐회로로 한다. 그 결과, 이 회전자의 계자 권선에 전압이 유도되었을 때에 흐르는 계자 전류 성분은 도 70의 회전자 자극에 기재한 N극, S극이 여자되도록 작용한다.

도 72는 도 70의 4극의 회전자 구조를 2극의 회전자로 변형하고, dq축 좌표 축상으로 표현하고, 고정자측의 권선 전류를 d축, q축으로 합쳐서 d축 전류(＋id, －id)와 q축 전류(＋iq, －iq)를 부가 기재한 모터 모델이다. 721 및 722는 회전자의 권선된 계자 권선이며, 도 71에 나타낸 바와 같이, 다이오드가 직렬로 삽입되고, 폐회로로 된다. 이 회전자 모델에서, 도 70의 회전자의 동작에 관하여 설명한다.

도 72의 모터 모델에 있어서, 회전자 권선의 전류(a)가 통전될 때, 그 전류는 도시된 d축 전류(＋id, －id)와 q축 전류(＋iq, －iq)로 분리해서 생각할 수 있다. 그리고 d축 전류(＋id, －id)에 의해 d축 방향으로 좁은 자기경로(725) 등을 통해서 계자 자속이 여기(勵起)된다. 한편, q축 전류(＋iq, －iq)는 토크 전류로서 토크를 발생하지만, q축 방향에는 장벽(724) 등에 의해 이상적으로는 q축 방향으로 는 자속이 발생하지 않는 구조로 된다.

또한, 도 72의 동기식 릴럭턴스 모터의 모델에 있어서, q축 전류(＋iq, －iq)에 의해 발생하는 자속은 0가 아니라, 비교적 작은 값이지만, 인덕턴스(Lq)를 갖는다. 그리고 d축 인덕턴스를 Ld라고 하고, 계자 권선(721, 722)이 부가되지 않을 때, 즉 도 98의 모터의 경우, d축 자속쇄교수(Ψd), q축 자속쇄교수(Ψq), 토크(T), d축 전압(vd), q축 전압(vq)은 다음의 식으로 나타내진다.

Ψd=Ld·id …(1)

Ψq=Lq·iq …(2)

T=Pn(Ld－Lq)iq·id …(3)

=Pn(Ψd·iq－Ψq·id) …(4)

vd=Ld·d(id)/dt－ω·Lq·iq＋id·R …(5)

vq=Lq·d(iq)/dt＋ω·Ld·id＋iq·R …(6)

여기에서, Pn은 극 쌍의 수, R은 권선 저항이다.

또한, 전류 벡터 관계는 도 73의 (a)의 관계로 이루어진다. θc는 전류 ia의 d축에 대한 위상이고, θa는 전류(ia)와 전압(va)의 상대적 위상차이며, 이때 역률은 COS(θa)로 된다.

도 98의 모터의 문제점은 고정자 권선의 역률 COS(θa)이 저하하고, 모터의 효율이 저하하기 때문에, 모터가 대형으로 되고, 모터제어장치의 인버터 용량이 증가하여 대형으로 되는 것이다. 비용도 증가하고, 또한 고정자의 구조상, 권선 점적율이 낮아져 코일 단부가 길어지는 문제도 있다. 도 98의 모터의 특징은 고가인 영 구자석을 사용하지 않기 때문에 저비용이며, 계자가 약한 제어가 비교적 용이하며, 정출력 제어가 가능한 점이다. 또한, 최근 무부하 회전시 및 경부하 회전시의 철 손실(鐵損)도 시스템 효율상, 중요한 특성으로서 주목받아 인식되고 있어 경부하 시에 계자가 약한 제어를 실행하여 철손실이 낮은 제어도 가능하다.

여기에서, 도 72의 구성의 계자 자속(φ)과 계자에 관계되는 전류의 관계에 관하여 고려하면, d축 인덕턴스(Lq)가 0과 같은 단순한 관계를 구성할 수 있을 경우, 고정자의 d축 전류(＋id, －id)와 계자(φ), 회전자의 계자 권선(721,722) 등 및 다이오드(SOG)에 흐르는 계자 전류(if)는 도 73의 (b)에 나타낸 단상 트랜스의 1차 권선 전류(733), 철심(731)의 자속(732), 2차 권선에 흐르는 2차 전류(734)의 관계로 이루어진다. 이와 같이 단순화할 수 있는 경우에는, 자속(732)을 비교적 용이하게 제어할 수 있다. 예를 들면, 자속(732)이 0부터 여자를 시작할 때에는, 전류(733)가 흐르도록 함으로써, 전류에 비례한 자속(732)이 여자된다. 전류(733)의 값이 io의 상태로부터 0으로 되면, 자속(732)이 유지되도록 2차 권선에 전압이 발생하고, 2차 전류(734)가 io의 값이 되도록 흐른다. 그리고 그 2차 전류(732)는 트랜스와 다이오드의 손실분만큼 자속(φ)의 에너지가 저하하도록 2차 전류(734)는 감소해 간다. 또한, 다른 예로서, 전류(733)의 값이 io의 상태에서 io·2/3의 값으로 되면, 자속(732)이 유지되도록 2차 권선에 전압이 발생하고, 2차 전류(734)는 io/3의 값이 되도록 흐른다. 이때에는, 1차 전류와 2차 전류의 합이 io가 되도록 작용하고, 자속(732)을 일정하게 유지하도록 전류가 흐른다. 아래에서 상세히 설명하겠지만, 이러한 작용을 활용해서 도 72의 구성의 회전자를 구동함으로써, 고정자 권선의 역률 향상, 효율 향상 및 인버터의 전류 부담의 감소를 도모할 수 있다. 또한, 통상 제어되는 d축 전류는 제어 면의 여러 이유에 의해 변동하는 것이 대부분이고, 그 결과 계자 자속이 변동하여 토크 리플을 증대시키는 작용도 있다. 도 70과 같은 회전자 권선을 배치하는 경우, 계자의 여자 전류의 감소를 자동으로 보완해주기 때문에, 계자 자속이 안정하고, 토크 리플의 개선 및 효율의 개선도 기대할 수 있다.

또한, 도 70에 있어서, 회전자의 계자 권선의 권선 방법 및 턴수는 다이오드의 특성, 회전자의 계자 권선의 제작성 및 강도 등에 의해 변형되고, 선택될 수 있다. 예를 들면, 계자 권선을 몇 개로 분리하는 것, 병렬로 권선하는 것, 직렬이나 병렬로 접속하는 것도 가능하다.

모터 및 그 제어장치를 소형화, 고효율화하고, 저비용화하며, 모터의 종합적인 제품경쟁력을 높이기 위해서는 부분적인 개량뿐만 아니라, 각부의 조합을 포함한 모터 시스템 전체의 구성을 합리화할 필요가 있다. 도 71 및 도 72에 나타낸 회전자에 관해서도, 도 98의 모터의 고정자와의 조합이 아니고, 본 발명에서 나타낸 고정자와 조합시킴으로써, 보다 고효율화, 소형화 및 저비용화의 특징을 발휘할 수 있다.

예를 들면, 도 34에 나타낸 루프형의 권선을 갖는 3상 모터 및 그 다상화한 모터 또는 도 59에 나타낸 바와 같은 6상 모터와 도 70의 구성의 회전자를 조합시킴으로써, 도 98의 모터의 문제점인 역률, 효율, 모터 사이즈 및 비용의 문제를 해결할 수 있다. 또한, 도 97의 모터의 고정자와 도 70의 구성의 회전자를 조합할 경 우, 회전자측 권선 SO4와 SO5, SO6과 SO7, SO8과 SO9, SOA와 SOB의 전류의 제어는 어렵게 된다. 또한, 도 98의 모터의 고정자와 도 70의 구성의 회전자를 조합할 경우, 역률 및 효율의 개선은 가능하지만, 모터의 소형화는 어렵다.

또한, 도 52 내지 도 55에 나타낸 4상의 고정자와 같은 루프형의 권선을 갖고, 인접하는 고정자 자극의 상대적인 위상차가 전기각에서 180°로 되는 고정자와 도 70의 구성의 회전자를 조합시킴으로써 코일 단부가 없어지므로 소형이고, 자석이 없어 저비용의 모터를 실현할 수 있다.

또한, 도 66 및 도 67에 나타낸 바와 같은, 각 권선을 단절화(short-pitch)함으로써 권선끼리의 중첩을 감소시키고, 코일 단부를 단축하며, 또한 각 슬롯의 전류 벡터는 6상 벡터를 유지하는 고정자와 도 70의 구성의 회전자를 조합시킴으로써 코일 단부가 짧아져 소형화되고, 자석이 없어 저비용의 모터를 실현할 수 있다.

다음으로, 도 70에 나타낸 회전자의 권선의 배치에 관하여 설명한다. 도 70의 회전자의 권선은 회전자 자극의 경계부에 배치되고, 연자성체부의 일부에 배치된다. 여기에서, 이러한 멀티플럭럭스배리어형의 회전자는 상기 자속 장벽부가 공간인 것이 대부분이 이어서 그 스페이스를 활용해서 도 72 및 도 77에 나타낸 바와 같이, 회전자 권선을 배치할 수 있다. 또한, 회전자 권선의 고정을 권선부 근방의 자속 장벽부에 수지 등을 충전함으로써 용이하고 견고하게 고정할 수 있다.

다음으로, 도 70에 나타낸 회전자의 권선의 배치 및 분포에 관하여 설명한다. 계자 자속이 고정자 권선의 전류에 의해 여자 되는 구간, 회전자측의 권선의 전류에 의해 여자 되는 구간, 양쪽 전류가 혼재하는 구간이 있다. 고정자측의 권선 배치는 종래부터 다상화된 고정자 구조에 의해 대략 정현파의 기자력을 생성할 수 있다. 한편, 도 70의 회전자의 권선은 회전자 자극의 경계부에 배치되는 집중적인 권선 배치이다. 따라서, 회전자의 권선의 전류에 의한 기자력의 분포는 정현파적인 분포가 아니라, 오히려 구형파적인 분포로 된다. 그 결과, 토크 리플의 증대, 소음의 증대 및 진동의 증대의 가능성이 상승한다. 이 구체적인 대응책으로서, 도 72 및 도 77에 나타낸 바와 같이, 회전자의 권선을 분포적으로 배치함으로써, 고주파 성분이 보다 적은 기자력을 발생시킬 수 있다. 또한, 분포시킨 회전자 권선의 각각의 턴수를, 회전자가 발생하는 기자력이 보다 정현파에 가깝고, 고주파 성분이 적은 턴수를 선택할 수 있다. 구체적인 턴수의 비율 등은 회전자 형상, 권선 분포의 상태에 의해 변화되지만, 기자력 분포가 정현파에 가깝도록 회전자 형상, 권선의 분포 방법 및 분포된 권선의 턴수를 선정하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 77의 회전자에 관하여 설명한다. 도 77의 회전자는 도 70의 회전자에 대하여 영구자석(771)을 추가한 것이다. 자석의 착자(着磁)방향 N, S는 도면에 나타낸 바와 같이, q축 전류에 의한 기자력을 제거하는 방향이다. 이러한 구성으로 함으로써, 모터의 역률을 더욱 개선할 수 있다. 회전자 권선의 작용과 중첩하기 때문에, 비교적 소량이고, 페라이트 자석 등 저렴한 자석의 활용도 가능하다.

또한, 도 98의 모터의 회전자는 자속의 장벽으로서 많은 슬릿 형태의 공간을 형성하고 있기 때문에, 회전자의 강도가 낮은 문제가 있다. 고속 회전에 있어서는, 원심력을 견딜 수 있는 강도 대책이 필요하다. 이 점에서, 도 77에 나타낸 영구자석을 배치한 회전자는 영구자석이 q축 방향의 누설 자속을 보상하는 구조로 이루어 지기 때문에, 772 및 773등의 이음부(linking portion)를 굵게 하고, 회전자 외주부의 이음부 778을 굵게 하여 회전자 강도를 향상시킬 수 있다. 이러한 보강은 회전자의 권선이 원심력 증가를 견디는 회전자 구조로 하는 점에서도 효과적이다.

다음으로, 도 78에 나타낸 회전자에 관하여 설명한다. 이 회전자는 도 48에 나타낸 소위 인서트형 회전자에 권선과 다이오드를 도 70 및 도 71의 회전자와 같이 추가한 구조이다. 781 및 782는 영구자석이고, 783 및 784는 연자성체부이며, 각각의 극성 N, S는 도시한 바와 같다. 785와 786은 회전자 샤프트 방향으로 왕복 권선으로 개재된 권선이다. 787과 788도 동일한 권선이다. 이러한 구조로 함으로써, 역률의 개선, 연자성체부(784, 785) 부분의 계자 자속을 안정화할 수 있어 역률, 효율의 향상 및 토크 리플의 감소를 도모할 수 있다. 또한, 도 78에서는 원주방향으로 배치된 연자성체부 모두에 각각의 권선을 배치하고 있지만, 회전자 전체의 자속 관계, 케이스 등의 다른 부분으로의 누설 자속을 배제하면, 회전자 표면의 연자성체부 중, 원주방향으로 하나씩 걸러 권선을 배치하는 구성으로도 할 수 있다.

다음으로, 도 79에 나타낸 회전자 구성에 관하여 설명한다. 도 70에 나타낸 회전자는 전자강판에 슬릿 형태의 가공을 행하고, 회전자 샤프트 방향으로 적층한 구성이다. 이에 대하여, 도 79의 회전자는 도 80의 (a)에 나타낸 바와 같은 원호형 또는 사다리꼴형 등의 전자강판을 반경 방향으로 적층한 구성이다. D11은 도 80의 (a) 및 (b)에 나타낸 바와 같은 전자강판이다. D12는 전자강판(D11) 사이의 스페이스이며, 비자성체를 배치할 수도 있다. Dl3과 D14D, D15와 D16은 회전자 자극에 권 선된 권선이다. 이들 권선은 도 70 및 도 71에 나타낸 바와 같이, 다이오드와 직렬로 접속해서 폐회로 하여 구성된다. D17은 회전자의 지지 부재이다.

도 79와 같은 전자강판의 배치에 의해 회전자 내의 자속은 와전류를 과대하게 하지 않고 회전자 샤프트 방향으로 증감될 수 있다. 따라서, 이러한 구조는 특히, 도 34, 도 52, 도 54 및 도 59와 같은 루프형의 권선을 갖는 고정자와 조합시켜 사용하는 회전자로서 바람직하다. 회전자 샤프트 방향으로의 자속 성분의 증감에 대해서도, 특별히 와전류 손실을 증가시키지 않고 사용할 수 있다.

도 80의 (b)에 나타낸 전자강판에서, D18은 연자성부이고, D19의 부분은 잘라낸 절결부이며, 이 전자강판의 선단부 근방에서 자속이 전자강판의 표리에서 증감할 때의 와전류를 감소시키는 효과가 있다. D19의 부분은 전기절연체로 이루어질 수 있고, 매우 엷은 전기절연막으로 이루어질 수도 있다. 이러한 특성은 도 79의 회전자가 고정자와 대향하고, 큰 토크를 발생할 때, 자속이 원주방향으로 증감하고, 회전자 표면 근방에서 와전류가 발생하는 것을 방지하는 것이다.

다음으로, 도 72등의 회전자에 권선된 권선의 전류를 제어하는 방법에 관하여 설명한다. 앞서, 도 72의 회전자에서, d축 인덕턴스(Lq)는 0인 단순한 관계를 구성할 수 있을 때, 고정자의 d축 전류(＋id, －id), 계자(φ), 회전자의 계자 권선(721, 722) 등 및 다이오드(SOG)로 흐르는 계자 전류(if)는 도 73의 (b)에 나타낸 단상 트랜스의 1차 권선 전류(733), 철심(731)의 자속(732) 및 2차 권선에 흐르는 2차 전류(734)의 관계로 이루어지는 것을 설명했다.

도 72의 회전자에 각 권선이 권선되지 않을 경우, 이 회전자에 일정한 토크 를 발생시킬 때, 도 74에 나타낸 바와 같이, d축 전류(id1)와 q축 전류(iq1)에 일정한 전류를 통전시킨다. 그리고 (3)식에서 나타낸 토크를 얻을 수 있다. 도 72의 회전자에 권선(721, 722)이 권선되는 경우, 도 73의 (b)의 트랜스(transformer)와 같은 관계로 이루어지기 때문에, 도 75에 나타낸 바와 같이 주기 TP에서 통전 시간 TN1의 단속적인 d축 전류(id1)를 통전시키면, 회전자측의 권선에는 도 75에 나타낸 바와 같은 거의 idl의 값의 전류(ifr)가 흐르고, 계자의 기자력 합계는 d축 전류(id)와 회전자의 권선 전류(ifr)의 합이기 때문에, 거의 일정한 계자 자속(φ)을 유지하게 된다. 이때 토크는 (3) 및 (4)식에서 얻을 수 있다. 또한, d, q축의 자속쇄교수(Ψd, Ψq)는 고정자의 각 권선에 쇄교하는 계자 자속(φ)의 성분과 턴수의 곱으로서 얻어지는 값이지만, 대략 계자 자속(φ)의 d, q축 성분(φd, φq)과 턴수의 곱을 Ψd, Ψq의 근사값으로서 사용할 수 있다. 이와 같이 하여 고정자의 권선에 통전되는 d축 전류(id)를 단속적으로 통전시키는 것만으로, 안정된 계자 자속을 얻을 수 있도록 제어할 수 있다. 그 결과, 고정자의 권선으로는 도 75에 나타낸 q축 전류(iq1)와 도 75에 나타낸 단속적인 d축 전류가 통전되어 거의 일정한 토크를 얻을 수 있고, 모터의 평균 역률을 개선할 수 있다.

또한, 이때 d축 전류가 흐르면, 인버터 전류는 q축 전류(iq)와 d축 전류(id)의 벡터의 합의 전류(ia)가 통전 하게 되고, 인버터 전류는 증가하게 된다. 인버터 전류가 최대 정격전류보다 충분히 작은 영역에서 운전되는 경우는, 인버터의 부담을 고려할 필요성은 높지 않지만, 인버터의 최대 정격전류에 가까운 전류가 통전되는 경우는, d축 전류의 부담을 경감시키는 방법이 요구된다. 이 구체적인 방법은 d 축 전류가 통전되는 구간에서 q축 전류(iq)를 감소시키고, 인버터 전류(ia)를 d축 전류를 통전시키는 구간에 있어서도 증가하지 않도록 제어한다. 이 구간에 있어서, 토크는 감소하지만, d축 전류의 통전 구간이 짧아지면, 모터의 평균 토크의 감소는 얼마 되지 않아 다른 구간의 q축 전류(iq)를 증가시킴으로써 보완할 수 있다.

또한, 도 75에 있어서의 d축 전류의 통전 구간(TN1)이 d축 전류의 통전 주기(TP)의 1/2 이하이면, 실질적으로 고정자 전류의 역률 개선 및 구리 손실 저감에 기여할 수 있다. 물론, d축 전류의 통전 구간(TN1)의 비율이 낮을수록 고정자 전류의 평균 역률을 개선할 수 있다.

다음으로, d축 전류(id)를 고정자 권선의 d축 전류와 회전자측으로 흐르는 전류(ifr)로 분담해서 통전시키는 방법에 관하여 설명한다. 도 73의 (a)에서 알 수 있듯이, 고정자에 d축 전류를 조금 통전시키는 정도이면, 모터 전류(ia)의 증가는 얼마 되지 않고, d축 전류에 의한 고정자의 구리 손실의 증가 및 인버터의 전류의 증가는 얼마 되지 않는다. d축 전류가 증가함에 따라, 다음으로 d축 전류(id)의 부담은 점차 증가해간다. 한편, 회전자측의 권선에 흐르는 전류(ifr)에 관하여도 그 구리 손실은 전류의 2승에 비례하기 때문에, 회전자의 전류(ifr)를 과대하게 하는 것도 모터 전체의 구리 손실 감소의 관점으로부터 바람직하지 않다. 이와 같은 것으로부터, 도 76에 나타낸 바와 같이, 고정자 측의 d축 전류(id)와 회전자측의 전류(ifr)를 적절히 분담해서 흘리는 방법을 고려할 수 있다. d축 전류의 통전 구간에 있어서는 d축 전류를 소정의 값(id1)까지 통전시키고, 다른 구간에 있어서는 적절한 d축 전류(id)로 감소시키는 방법이다. 이때, 회전자의 전류(ifr)는 도 76에 나타낸 바와 같이, 고정자측 d축 전류(id)가 감소한 구간에서 증가하게 된다.

또한, 회전자측의 권선 저항이 R2일 때, 그 전류값, 구리 손실(ifr)²×R2, 및 다이오드 손실의 관계는 알 수 있기 때문에, 고정자측의 구리 손실(id²+iq²)×R과 철손실의 합계가 최소가 되도록 고정자의 d축 전류(id)를 제어할 수도 있다. 이 제어에 의해 최대 효율 운전이 가능해진다.

다음으로, 도 81 및 도 82에 나타낸 본 발명의 모터를 구성하는 연자성재료인 전자강판에 관하여 설명한다. 도 81의 (a)에 나타낸 811은 통상의 무방향성 전자강판이다. 극히 상식이지만, 이 무방향성 전자강판은 도시한 X방향 및 Y방향으로의 자속을 증감할 수 있다. 직류로부터 400Hz정도까지 와전류가 주파수에 따라 증가하지만 과대하게 되지 않은 범위에서 사용가능하다. 그리고 대부분의 모터를 구성하는 연자성체로서 사용된다.

이러한 전자강판에 대하여, 도 81의 (b)의 812에 나타낸 바와 같이 Y방향으로 전기적인 절연막을 구성하면, X방향 및 Y방향뿐만 아니라, Z방향으로의 자속의 증감에 대해서도 와전류가 과대하게 되지 않는 특성이 있다. 도 81의 (c)는 도 81의 (b)의 전기적인 절연막 부분을 확대한 것이다. 813은 연자성체이고, 814는 전기적인 절연막이다. 이 전기적인 절연막이 비자성체일 경우, 가능한 한 엷은 막인 것이 막에 직각한 방향으로의 자속의 통과가 용이하기 때문에 바람직하다. 이와 같이 전자강판(812)은 X, Y, Z방향을 포함하고, 모든 방향으로의 자속의 증감에 대해서도 와전류가 과대하게 되지 않는 전자강판으로 이루어진다. 이러한 절연막을 구비 하는 전자강판(812)은 특히, 도 34, 도 52, 도 54 및 도 59의 같이 루프형의 권선을 갖는 모터는 회전자 샤프트 방향으로의 자속 성분이 존재하기 때문에, 이러한 모터에 효과적으로 사용할 수 있다.

도 81의 (b)에 나타낸 절연막을 구비한 전자강판(812)은 그 절연막이 비자성체인 것이 대부분이고, X방향의 비투자율(非透磁率: non-permeability)이 저하하는 문제가 있다. 또한, X방향의 인장 강도가 저하하는 문제도 있다. 이들 문제를 해결하기 위하여, 도 82에 나타낸 바와 같이, 도 81의 (b)에 나타낸 전자강판을 도 82의 821 및 822와 같이, 종횡으로 교차하도록 사용함으로써 결점을 보완할 수 있다. 이러한 겹침 방법은 세로, 가로, 경사 등 자유로이 가능하고, 또한, 자속이 대부분 통과하는 방향으로는 전자강판(812)의 절연막의 방향이 일치하는 방향으로 많게 사용하는 등, 자속 밀도와 강도의 필요성에 따라 자유 자재로 배치할 수 있다. 또한, 예를 들면 모터 구성요소의 외주부만을 필요한 강도에 대응해서 절연막부여 전자강판을 사용할 수 있다. 그 결과, 고자속 밀도이고, 3차원 방향으로의 자속의 증감이 가능하며, 높은 강도의 모터를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 모터에 압분자심(dust core)을 사용해서 3차원 방향의 자속의 증감에 의한 와전류를 감소시킬 수 있다. 다만, 압분자심은 최대 자속 밀도, 강도 및 와전류 손실의 점에서 약간의 과제가 남아 있다.

다음으로, 본 발명의 모터의 제어장치의 주회로부인 인버터에 관하여 설명한다. 도 83은 종래 3상 인버터이고, 전력제어소자인 N96, N97, N98, N9A, N9B, N9C는 소위 IGBT 또는 파워 MOSFET 등이다. 각 전력소자에는 역방향의 다이오드가 병 렬로 배치되거나, 기생 다이오드가 등가 회로적으로 도 83과 같이 배치된다. N95는 배터리 또는 상용교류 전류를 정류한 직류전압전원 등이다. N91은 3상 교류 모터이고, N91, N92, N93은 3상의 각 권선이다. 그리고 인버터와 모터는 각 배선 N9D, N9E, N9F에 의해 접속된다.

다음으로, 도 34의 모터에서, 도 40의 권선과 같이 2개의 권선으로 한 3상 모터, 도 59에 나타낸 6상 교류, 2권선의 모터 각 권선의 전압, 전류와 3상 인버터의 관계에 관하여 설명한다. 앞서, 도 40의 권선(38)에 통전되는 전류인 M상 전류(Im(=－Iu＋Iv) 및 권선(39)에 통전되는 전류인 N상 전류(In)(=－Iv＋Iw)에 관하여 설명했지만, 구체적인 3상 인버터의 접속은 도 84로 된다. 각각의 권선의 전압은 －Vu, Vw이다. 또한, 여기에서 Iu, lv, Iw는 3상 평형 전류이며, Vu, Vv, Vw는 3상 평형 전압인 것으로 가정한다.

도 85는 도 84의 각 권선의 전압 벡터 및 전류의 관계를 나타낸 것이다. 3 단자의 전압도 부기하고 있다. 도 40의 권선에서는 파선으로 나타낸 Vv의 전압 벡터에 해당하는 권선은 존재하지 않는다. 또한, 이들 2 권선의 접속점의 전류는 Io= －Iw＋Iu이다. 이러한 구성일 때, 전류(Im, In, Io) 또한 3상 평형 전류이다. 따라서, 3상 인버터측에서 바라본 3상 교류, 2권선의 이 모터 부하는 평형한 3상 전압, 전류 부하로 이루어진다. 또한, 도 86은 도 84의 2권선의 접속 관계 및 전압과 전류의 관계를 나타낸 것이다. 이와 같이 3상 교류, 2권선의 모터를 3상 인버터로 효율적으로 구동할 수 있다.

도 82에 나타낸 바와 같은 구성의 3상 인버터는 특별한 문제없이 사용되지 만, 전력 소자의 수를 감소시킬 수 있으면, 비용 절감이 실현할 수 있는 용도도 적지 않다. 특히, 소형 모터용의 인버터 등에서는 주변회로의 편의 등에 의해 전력소자의 전압, 전류의 용량에 여유가 있는 경우도 많다. 또한, 소용량의 전력소자에 있어서는, 전압 및 전류가 조금 크더라도 비용은 그다지 변하지 않는 범위이다. 이러한 상황에 있어서는 전력소자 수를 감소시킴으로써 장치 비용을 절감할 수 있는 경우가 있다.

다음으로, 도 87은 3상 교류, 2 권선의 모터를 4개의 전력제어소자로 구동하는 방법에 대해서 나타낸 것이다. P33 및 P34는 배터리로서 직렬 접속하고, P30은 그 접속점이다. P38, P39, P3A, P3B는 전력소자이며, 2개의 배터리(P33, P34)의 상하의 전압으로 브리지 구성을 이루어서 접속된다. 한편, 모터의 권선(P31, P32)은 권선의 한쪽이 서로 접속되고, P3C는 그 접속점이다. 인버터와 모터 권선의 접속은 상기 배터리의 접속점(P30)을 모터 권선의 접속점(P3C)에 접속하고, 전력제어소자(P38, P3A)로 구성되는 제1의 브리지의 출력점을 권선(P31)의 타단에 접속하며, 전력제어소자(P39, P3B)로 구성되는 제2의 브리지의 출력점을 권선(P32)의 타단에 접속한다. 이러한 구성에서, 도 84와 같이, 전류 Im=－Iu＋Iv로 하고, 전류 In=－Iv＋Iw로 하며, 전류Io=－lw＋Iu로 하여 이 모터를 구동할 수 있다. 여기에서, 권선 P31과 P32의 접속점(P3C)을 전원(P33, P34)의 접속점(P30)에 접속하고 있기 때문에, 권선에 공급할 수 있는 전압은 도 84의 구성에 대하여 약 1/2이다. 소용량의 모터 시스템에 있어서는, 비용 면에서 부품수가 적은 것이 중요하고, 4개의 전력제어소자로 3상 모터를 구동할 수 있는 것은 큰 특징이다.

도 87의 각 부의 전위를 도 90을 참조하여 설명한다. P30의 점을 0 전위로 하면, P35의 전위는 권선(P31)에 인가되는 U상의 전압이며, 도 90의 P61이다. P37의 전위는 도 90의 P64로서 －V상의 전위이고, 이때 권선(32)에 인가되는 전압은 V상 전압이며, P62이다.

이때, P35와 P37의 전위차인 전압은 도 91의 P65이다. 따라서, 도 88에 나타낸 바와 같이, 3상 권선의 하나로서 권선(P43)을 추가할 수 있게 된다. 전압 벡터로 나타내면, 도 89의 (a)의 관계로 이루어진다.

도 92는 스타 결선한 3상 모터의 전압 및 전류를 2개의 전원(P33, P34)과 4개의 트랜지스터(P38, P39, P3A, P4B)로 구동하는 예이다. 각 권선의 전압 벡터는 도 89의 (b)로 이루어지고, 평형한 3상의 전압 및 전류가 각 권선으로 공급된다. 이들 3상 교류, 3 권선의 모터에 있어서도, 4개의 전력제어소자로 3상 모터를 구동할 수 있고, 특히 소용량의 모터와 제어장치에 있어서 비용면 및 장치 사이즈 면에서 효과적이다.

다음으로, 도 52 내지 55에 나타낸 4상 교류 모터의 제어장치에 관하여 설명한다. 각 권선(AA7, AA9, AAB)의 전류값은 도 53의 (b)에 나타낸 바와 같은 관계로 이루어진다. 권선 AA9의 턴수를 다른 권선의 1/2로 하면, 3 권선의 합계 전류를 0으로 할 수 있다. 그리고 도 92에 나타낸 구성의 인버터로 제어할 수 있다. 다만, 전압 및 전류는 2상 모터와는 달리, 도 53의 (b)에 나타내는 전류로 된다. 이 경우에도, 4상의 모터를 4개의 전력제어소자로 제어할 수 있고, 특히 소용량의 모터와 제어장치에 있어서, 비용 면 및 장치 사이즈 면에서 효과적이다.

전기자동차 등의 응용 제품에 있어서, 전원부분의 비용도 중요하다. 모터에 관한 시스템의 비용으로서, 배터리부, 컨버터부, 인버터부, 모터, 구동에 필요한 기구부, 이들 전체로서 경쟁력이 높은 시스템일 필요가 있다. 그 의미에서, 모터 구성은 배터리 및 컨버터의 구성과 관계가 있다.

도 93의 (a)는 2 전원 중 1 전원을 트랜지스터(P92, P93), 초크코일(P94) 및 콘덴서(P3DC)로 구성하는 예이다. 트랜지스터(P92, P93)에 의해 콘덴서로의 충전, 콘덴서로부터 배터리로의 회생이 가능해서 배터리의 종류와 양을 감소시킬 수 있다. V1과 V2는 예를 들면 42볼트와 142볼트 또는 12볼트와 －12볼트 등이다. 도 94와 같이, 고전위측으로부터 저전위측의 전원을 트랜지스터와 초크코일로 형성할 수 있다. 이때, 2개의 트랜지스터로 구성되는 컨버터 효율은 비교적 높게 할 수 있다.

다음으로, 자동차, 트럭, 차량 구동용의 모터와 엔진을 조립한, 소위 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등에 있어서의 모터와 전원 전압에 대해서는 모터 용량이 1W정도의 작은 모터로부터 100KW를 넘는 대용량의 모터까지 다양한 모터가 사용되고, 그 구동 전압도 5V부터 650V정도까지 다양한 전원 전압이 사용된다. 그리고 인체에 접촉해도 피해가 비교적 작은 전압은 약 42V정도의 전압으로 고려되고 있어, 42V정도의 전압까지는 차체의 샤시 등의 금속부를 차체의 어스로 해서 전류가 통하는 도체로서 활용한다. 이와 같이 전원 전압의 크기는 안전의 확보로 하는 관점과, 차체의 샤시 등을 도체로서 활용할 수 있는 점에서 비용 관점에서 의미가 있고, 설계상, 중요한 점이다. 그러나 42V의 범위에서는 모터 용량이 한정되는 문제가 있다.

도 93의 P30을 차체의 바디 전위로 하고, P33을 ＋42V, P3DC를 142V로서 사용하면, 인체로의 안전 확보와 모터 전원으로서 42V＋42V=84V를 활용할 수 있고, 허용되는 모터 용량을 42V시의 모터 용량의 약 2배로 크게 할 수 있다. 도 88 및 도 92의 구성에 관해서도 동일한 것으로 말할 수 있다.

이상 본 발명에 관한 다양한 형태의 예에 관하여 설명했지만, 본 발명을 다양하게 변형할 수 있고, 이는 본 발명에 포함된다. 예를 들면, 상의 수에 관하여 대부분 3상, 6상에 대해서 설명했지만, 단상, 2상, 4상, 5상, 7상, 상의 수가 더 큰 다상이 가능하다. 소용량의 기기에 있어서는, 비용 관점에서 부품수가 적은 것이 바람직하고, 상의 수가 적은 2상, 3상이 유리하지만, 토크 리플의 관점 또는 대용량 기기의 경우의 1상의 파워 디바이스의 최대 전류 제약의 점 등에서는 상의 수가 많은 것이 유리한 것도 있다. 극의 수에 관해서도 한정되는 것은 아니며, 특히 본 발명의 모터에 있어서는 원리적으로 극의 수를 크게 하는 것이 유리하다. 그러나 물리적인 제약, 누설 자속 등의 악영향, 다극화에 의한 철 손실의 증가, 다극화에 의한 제어장치의 한계 등이 있어 용도 및 모터 사이즈에 대응한 적정한 극의 수를 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 권선의 형태는 분포권, 단절권 등의 변형이 가능하다.

특히, 극의 수에 관하여, 본 발명 구성의 모터는 극의 수를 크게 하면 큰 토크 발생이 가능한 구조이며, 고정자 코어의 각 부의 자기포화, 누설자속, 철 손실의 문제에 장해가 되지 않는 범위에 있어서는 극의 수가 보다 큰 모터 구조 쪽이 유리하다.

또한, 회전자의 종류에 대해서는, 대부분 표면 자석형의 회전자에 관하여 설명했지만, 도 46 내지 도 49에 나타낸 바와 같은 회전자, 회전자에 권선을 갖는 권선계자형 회전자, 축방향 끝에 고정된 계자 권선을 갖고 갭을 통해 회전자에 자속을 형성하는, 소위 클로 자극 구조 회전자 등의 다양한 회전자로의 적용도 가능하다. 영구자석의 종류, 형상에 관해서도 한정되는 것은 아니다.

다양한 토크 리플 저감기술을 본 발명 모터에 적용할 수 있다. 예를 들면, 고정자 자극의 형상을 원주방향으로 완만하게 하는 방법, 지름방향으로 완만하게 하는 방법, 원주방향으로 일부의 회전자 자극을 이동시켜서 배치하고, 토크 리플 성분을 제거하는 방법 등이 있다. 또한, 회전자의 회전에 따라 각 상의 회전자와 고정자 간의 자속에 언밸런스가 발생하는 구조의 모터의 경우, 회전자의 백 요크부와 고정자의 백 요크부 사이에 자속을 통과시킬 수 있는 자기회로를 추가하여 언밸런스만큼의 자속을 통과시키도록 하고, 코깅 토크, 토크 리플을 감소시킬 수 있다.

모터의 형태에 관해서도 다양한 형태가 가능한 것으로, 고정자와 회전자 사이의 에어갭 형상으로 표현해서, 에어갭 형상이 원통형인 인너 회전자형 모터, 아우터 회전자형 모터, 에어갭 형상이 원반형인 축방향 간극형 모터 등으로 변형할 수 있다. 또한, 리니어 모터로도 변형할 수 있다. 또한, 원통 형상을 약간 테이퍼진 형상으로 에어갭 형상을 변형한 모터 형상도 가능하고, 특히 이 경우에는 고정자와 회전자를 축방향으로 이동시킴으로써 에어갭 길이를 변화시킬 수 있고, 계자의 크기를 변화시켜 모터 전압을 가변할 수 있다. 이 갭의 가변에 의해 정출력제어를 실현할 수 있다.

또한, 본 발명의 모터를 포함하는 복수의 모터를 복합하여 제작할 수 있다. 예를 들면, 내경측과 외형측에 2개의 모터를 배치하거나, 축방향으로 복수의 모터를 직렬로 배치하는 것이 가능하다. 또한, 본 발명 모터의 일부를 생략해서 삭제한 구조도 가능하다. 연자성체로서는 일반적인 규소강판을 사용하는 것 이외, 어모퍼스(amorphous) 전자강판, 분말상태의 분말 연철을 압축성형한 압분자심 등의 사용이 가능하다. 특히, 소형의 모터에 있어서는, 전자강판을 타발 가공, 벤딩 가공, 단조 가공을 행함으로써 3차원 형상 부품을 형성하고, 전술한 본 발명 모터의 일부의 형상을 형성할 수 있다.

모터의 권선에 대해서는 대부분 루프형의 권선을 설명했지만, 반드시 원형일 필요는 없고, 타원형, 다각형, 자기회로의 편의 등에 따라 회전자 샤프트 방향으로 부분적인 요철 형상이 구비된 형상 등 다소의 변형이 가능하다. 또한, 예를 들면 180°위상이 다른 루프형 권선이 고정자 내에 있는 경우, 반원형의 권선으로 해서 180° 위상이 다른 반원형 권선에 접속하여 폐회로로 함으로써, 루프형 권선을 반원형 권선으로 변형할 수도 있다. 또한, 분할해서 원호형 권선으로 변형할 수도 있다. 또한, 각 루프형 권선이 슬롯 내에 설치된 구성의 모터에 관하여 설명했지만, 슬롯이 없는 구조에서 고정자의 회전자측 표면 근방에 엷은 박형의 권선을 배치한 구조의 모터, 소위 코어리스 모터로도 할 수 있다. 모터에 통전되는 전류에 대해서는 각 상의 전류가 정현파형의 전류인 것을 전제로 설명했지만, 정현파 이외의 각종 파형의 전류로 제어할 수도 있다. 이들 다양하게 변형한 모터에 대해서도, 본 발명 모터의 주지의 변형 기술은 본 발명에 포함되는 것이다.

본 출원은 일본 특허출원 2005-208358(2005년 7월 19일 출원)에 근거하는 것이고, 이들 출원에 의한 개시의 전부는 참조로서 본 출원에 통합된다.

또한, 본 출원에 관한 발명은 특허청구의 범위에 의해서만 특정되고, 명세서에 기재된 실시의 양태 등에 의해 한정적으로 해석되지 않는다.

Claims

N상의 모터로서(N은 정의 정수),

회전자의 원주상에 배치된 각 회전자 자극;

고정자의 자극 및 그 자기경로가 자기적으로 서로 분리된 각 상의 고정자; 및

상기 각 상의 고정자의 자기경로와 쇄교하도록 권선된 각 상의 권선

을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,

각 상의 권선은 그 상의 자기경로와 역상의 자기경로를 쇄교하도록 권선되는 것을 특징으로 하는

모터.
제1항에 있어서,

인접한 2개의 고정자 자극에 연결되는 자기경로의 자속이 서로 인접해서 통하는 구성의 자기경로로 이루어지고,

상기 인접한 2개의 자기경로의 자속이 동일한 방향으로 쇄교하도록 권선된 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는

모터.
제1항에 있어서,

각 상의 고정자 자극;

각 상의 고정자 자극에 연결되고, 자속을 회전자측으로 통과시키는 목적의 자속통과용 자기경로(SMP);

회전자 자극의 백 요크에 연결되고, 고정자의 상기 자속통과용 자기경로(SMP)와 대향하며, 자속을 고정자측으로 통과시키는 목적의 자속통과용 자기경로(RMP); 및

2개 이상의 고정자 자극을 지나는 자속과 쇄교하도록 권선된 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
2상 이상의 다상의 모터로서,

고정자의 자기회로가 전기각에서 360°의 범위에서 자기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 모터.
제5항에 있어서,

각 상의 권선 모두 또는 일부가 그 상의 자기경로만을 주회하도록 권선되는 것을 특징으로 하는

모터.
제5항에 있어서,

모터 구성요소가 2세트이고, 모터의 내외 직경측 또는 회전자 샤프트 방향으로 배치되며, 각 상의 권선은 상기 2세트의 모터 구성요소의 자기경로를 쇄교하도록 권선되는 것을 특징으로 하는

모터.
6상의 모터로서,

고정자 자극의 상의 순서가 A, B, C, D, E, F상의 순서일 경우,

A상과 D상의 고정자 자극은 자기경로(ADP)에서 자기적으로 접속되고, 다른 상의 고정자 자극과는 자기적으로 분리되고,

C상과 F상의 고정자 자극은 자기경로(CFP)에서 자기적으로 접속되고, 다른 상의 고정자 자극과는 자기적으로 분리되며,

E상과 B상의 고정자 자극은 자기경로(EBP)에서 자기적으로 접속되고, 다른 상의 고정자 자극과는 자기적으로 분리되는 것을 특징으로 하는

모터.
제8항에 있어서,

상기 자기경로 ADP과 EBP에 쇄교하도록 권선되는 권선(IA4); 및

상기 자기경로 CFP과 EBP에 쇄교하도록 권선되는 권선(IC4)을 포함하는 것을 특징으로 하는

모터.
4극 이상의 다극의 6상의 모터로서,

고정자 자극의 상의 순서가 A, B, C, D, E, F상의 순서일 경우,

A상과 D상의 고정자 자극은 자기경로(ADPL)에서 자기적으로 접속되고, 다른 상의 고정자 자극과는 자기적으로 분리되고,

C상과 F상의 고정자 자극은 자기경로(CFPL)에서 자기적으로 접속되고, 다른 상의 고정자 자극과는 자기적으로 분리되며,

E상과 B상의 고정자 자극은 자기경로(EBPL)에서 자기적으로 접속되고, 다른 상의 고정자 자극과는 자기적으로 분리되고,

상기 각 자기경로(ADPL, CFPL, EBPL)에 쇄교하도록 권선이 권선되는 것을 특징으로 하는

모터.
제10항에 있어서,

상기 자기경로 ADPL, EBPL에 쇄교하도록 모터의 원주방향 전체 둘레에 배치되는 루프형의 권선(IA4)이 권선되고,

상기 자기경로 CFPL, EBPL에 쇄교하도록 모터의 원주방향 전체 둘레에 배치되는 루프형의 권선(IC4)이 권선되는 것을 특징으로 하는

모터.
제1항, 제5항, 제7항, 제8항 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

고정자 자극 또는 그 연장상의 자기경로와 다상의 고정자 자극 또는 그 연장상의 자기경로가 근접하는 부위에 도전체로 형성된 판 또는 폐회로의 구성을 이루는 도체를 포함하는 것을 특징으로 하는

모터.
고정자의 원주방향으로 배치된 슬롯(SL1, SL2, SL3, SL4, SL5, SL6);

3상 권선 중 U상 권선(UU1, UU2);

V상 권선(VV1, VV2);

W상 권선(WW1, WW2)을 포함하고,

상기 슬롯 SL1과 SL3 사이에 상기 U상 권선 UU1을 권선하고,

상기 슬롯 SL3과 SL5 사이에 상기 V상 권선 VV1을 권선하고,

상기 슬롯 SL5과 SL1 사이에 상기 W상 권선 WW1을 권선하고,

이들 권선 UWl, VVl, WW1이 제1의 권선 그룹을 구성하고,

상기 슬롯 SL6과 SL4 사이에 상기 U상 권선 UU2을 권선하고,

상기 슬롯 SL4과 SL2 사이에 상기 V상 권선 VV2을 권선하고,

상기 슬롯 SL2과 SL6 사이에 상기 W상 권선 WW2을 권선하고,

이들 권선 UU2, VV2, WW2이 제2의 권선 그룹을 구성하는 것을 특징으로 하는

모터.
인접하는 회전자 자극 사이에서 자기경로와 비자성부가 대략 평행하게 배치된 회전자;

회전자 자극에 계자 자속을 유도할 수 있는 닫힌 회전자 계자 권선; 및

상기 계자 권선의 일부에 직렬에 삽입된 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
제14항에 있어서,

동일 상의 고정자 자극이 원주상에 배치되고,

각 상의 고정자 자극의 사이에 고정자 권선이 고정자의 원주방향으로 주회하도록 대략 루프형의 권선을 포함하는 것을 특징으로 하는

모터.
제15항에 있어서,

어떤 상의 고정자 자극에 인접하는 고정자 자극이 전기각에서 대략 180°의 위상차를 갖는 고정자 자극인 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는

모터.
제14항에 있어서,

고정자의 원주방향으로 배치된 슬롯(SL1, SL2, SL3, SL4, SL5, SL6);

3상 권선 중 U상 권선(UU1, UU2);

V상 권선(VV1, VV2);

W상 권선(WWl, WW2)을 포함하고,

상기 슬롯 SL1과 SL3 사이에 상기 U상 권선 UUl을 권선하고,

상기 슬롯 SL3과 SL5 사이에 상기 V상 권선 VV1을 권선하고,

상기 슬롯 SL5과 SL1 사이에 상기 W상 권선 WW1을 권선하고,

이들 권선 UU1, VV1, WW1은 제1의 권선 그룹을 구성하고,

상기 슬롯 SL6과 SL4 사이에 상기 U상 권선 UU2을 권선하고,

상기 슬롯 SL4과 SL2 사이에 상기 V상 권선 VV2을 권선하고,

상기 슬롯 SL2과 SL6 사이에 상기 W상 권선 WW2을 권선하고,

이들 권선 UU2, VV2, WW2은 제2의 권선 그룹을 구성하는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는

모터.
제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 계자 권선은 회전자의 상기 비자성부에 배치되는 것을 특징으로 하는

모터.
제14항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 계자 권선은 복수의 상기 비자성부에 분포되어 권선되는 것을 특징으로 하는

모터.
제14항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 비자성부의 스페이스의 일부 또는 모두에 영구자석이 배치되는 것을 특징으로 하는

모터.
회전자의 표면 또는 표면 근방의 원주방향으로 전기각 180° 피치로 영구자석이 N극과 S극이 교대로 배치되고,

회전자 표면 근방의 영구자석 간은 연자성체로 구성된 가변자극이고,

자극 사이에서 자기경로와 비자성부가 대략 평행하게 배치된 회전자이고,

상기 가변자극에 계자 자속을 유도할 수 있는 닫힌 회전자 계자 권선과 상기 계자 권선의 일부에 직렬로 삽입된 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는

모터.
제14항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,

회전자의 연자성체의 전자강판은 회전자 샤프트에 대략 평행하게 배치되고, 인접하는 회전자 자극에 자기경로가 형성되는 자기경로 구성이고,

상기 자기경로 구성이 각 회전자 자극에 복수 배치되는 것을 특징으로 하는

모터.
제22항에 있어서,

회전자의 연자성체의 전자강판은 회전자 표면 근방에 복수의 절결부가 형성되거나, 복수의 전기절연막이 구비되는 것을 특징으로 하는

모터.
제14항 내지 제23항 중 어느 한 항에 기재된 모터와,

모터의 고정자 권선의 d축 전류를 불연속하게 제어하는 것을 특징으로 하는

모터와 그 제어장치.
제24항에 있어서,

고정자 권선으로 통전되는 상기 d축 전류는 모터의 전체 d축 전류인 시간비율이 50% 이하인 것을 특징으로 하는

모터와 그 제어장치.
제24항 또는 제25항에 있어서,

고정자 권선에 통전되는 상기 d축 전류는 모터의 전체 d축 전류가 아닌 기간에서 고정자 권선의 d축 전류와 상기 회전자 계자 권선의 d축 전류가 모터의 전체 d축 전류를 분담하도록 제어하는 것을 특징으로 하는

모터와 그 제어장치.
제26항에 있어서,

고정자 권선에 통전되는 상기 d축 전류는 모터의 전체 d축 전류가 아닌 기간에서 고정자 권선의 d축 전류를 모터의 전체 구리손실이 최소가 되거나, 모터손실이 최소가 되도록 제어하는 것을 특징으로 하는

모터와 그 제어장치.
전자강판의 두께 방향에 대하여 직각 방향으로 전기절연막을 구비하는 전자강판으로 구성된 것을 특징으로 하는

모터.
제28항에 있어서,

상기 절연막을 구비한 전자강판을 교차하도록 적층 한 것을 특징으로 하는

모터.
2개의 직류 전원; 및

4개의 전력소자를 포함하고,

상기 2개의 직류전원을 직렬로 접속하고,

직렬로 접속된 상기 직류전원의 양단에 상기 4개의 전력소자를 브리지형으로 접속하고,

3상 교류 모터에서, 그 권선이 3상 중 2세트의 권선인 모터이며, 그 2개의 권선의 일단부끼리를 접속해서 그 접속점을 상기 2개의 직류전원을 직렬로 접속한 접속점에 접속하고,

2개의 권선의 양단을 상기 4개의 전력소자의 각 브리지에 접속한 것을 특징으로 하는

모터의 제어장치.
2개의 직류전원; 및

4개의 전력소자를 포함하고,

상기 2개의 직류전원을 직렬로 접속하고,

직렬로 접속된 상기 직류전원의 양단에 상기 4개의 전력소자를 브리지형으로 접속하고,

스타 결선 또는 델타 결선한 3상 교류 모터의 일단을 상기 2개의 직류전원을 직렬로 접속한 접속점에 접속하고,

상기 3상 교류 모터의 다른 2 단부를 상기 4개의 전력소자의 각 브리지에 접속한 것을 특징으로 하는

모터의 제어장치.
4상 교류의 모터로서, A상의 고정자 자극과 C상의 고정자 자극은 상대적인 위상이 전기각에서 180°의 위상차가 있고, 인접하여 배치되어 양 고정자 자극의 사이에 권선(WAC)을 배치하고, B상의 고정자 자극과 D상의 고정자 자극은 상대적인 위상이 전기각에서 180°의 위상차가 있고, 인접해서 배치되어 양 고정자 자극의 사이에 권선(WBD)을 배치하고, A, C상의 고정자 자극과 B, D상의 고정자 자극의 사이에 권선(WACBD)을 배치하고, 상기 3개의 권선을 스타 결선한 모터;

2개의 직류전원; 및

4개의 전력소자를 포함하고,

상기 2개의 직류전원을 직렬로 접속하고,

직렬로 접속된 상기 직류전원의 양단에 상기 4개의 전력소자를 2세트의 브리지형으로 접속하고,

상기 2세트의 전력소자의 브리지에 각각 권선 WAC와 WBD의 타단을 접속하고,

상기 2개의 직류전원의 직렬 접속점에 상기 권선 WACBD의 타단을 접속한 것을 특징으로 하는

모터의 제어장치.
제30항 내지 제32항 중 어느 한 항에 있어서,

2개의 전원 중, 1개의 전원은 다른 1개의 전원으로부터 DC-DC 변환해서 형성된 전원인 것을 특징으로 하는

모터의 제어장치.