KR20080068106A - 전동기 및 그 회전자 및 회전자용 자심 - Google Patents

전동기 및 그 회전자 및 회전자용 자심 Download PDF

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KR20080068106A
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Abstract

본 발명은 회전자 표면의 자속 밀도를 개선하는 것을 목적으로 한다. 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부로부터 그 중앙으로 축(Q)둘레에 배치된, 제1 비자성부(13), 제2 비자성부(14), 제3 비자성부(16)를 구비한다. 제2 비자성부(14)와 제3 비자성부(16)의 사이에는 또한 제4 비자성부(15)를 구비한다. 영구 자석 매설용 구멍들 사이의 위치를 기준으로 하는 축둘레의 각도는 이하와 같이 설정된다. 제1 비자성부와 제2 비자성부의 사이의 위치는 제1의 각도(θ7)로 나타난다. 제3 비자성부와 제4 비자성부의 사이의 위치는, 제2의 각도(2·θ7)로 나타나고, 제2의 각도는 제1의 각도의 2배이다. 제3 비자성부의, 자극 중앙측의 단부는 제3의 각도(θ3)로 나타난다. 제1의 각도, 제3의 각도는, 각각 영구 자석 매설용 구멍의 개수의 7배의 값, 3배의 값으로 360도를 나눈 값이다.

Description

전동기 및 그 회전자 및 회전자용 자심{ELECTRIC MOTOR AND ITS ROTOR, AND MAGNETIC CORE FOR THE ROTOR}
이 발명은 전동기, 특히 영구 자석 매입형의 전동기의 회전자의 구조에 관한 것이다.
영구 자석 매입형의 전동기의 회전자에 있어서는, 예를 들면 강판이 적층되어 구성된 자심에 영구 자석이 매입된다. 또 회전자의 외주 또는 내주에는, 고정자가 설치된다.
당해 영구 자석이 발생하는 자속 중, 자심만을 경유해 고정자를 경유하지 않는 것은, 토크의 발생에는 유효하게 기여하지 않는다. 그래서 자심만을 경유하는 자속을 경감하기 위해, 영구 자석의, 자극면과는 다른 단부에, 비자성부를 설치하는 구조가 제안되고 있다(예를 들면 특허 문헌 1). 이 비자성부의 형상을 연구함으로써, 철손, 동손의 감소를 도모한 기술(특허 문헌 2)이나, 의사적인 스큐를 얻는 기술(특허 문헌 3)이나, 홀수차 고조파를 저감하는 기술(특허 문헌 4)도 제안되고 있다.
[특허 문헌 1:일본국 특허공개평 11-98731호 공보]
[특허 문헌 2:일본국 특허공개 2002-4488호 공보]
[특허 문헌 3:일본국 특허공개 2000-69695호 공보]
[특허 문헌 4:국제 공개 제2005/004307호 팜플렛]
일반적으로, 회전자 표면의 자속 밀도가 정현파 형상으로 분포하고 있으면, 고정자에 쇄교하는 자속도 정현파 형상이 된다. 반대로 고조파 성분은 철손이나 소음의 증가, 제어성의 곤란을 초래한다.
그래서 본 발명은, 회전자 표면의 자속 밀도를 개선하는 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이 발명에 관한 회전자용 자심(18)의 제1의 형태는, 축(Q)의 주위에 배치된 영구 자석 매설용 구멍(12)과, 각각의 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부로부터 중앙으로 축둘레에 배치된, 제1 비자성부(13), 제2 비자성부(14), 제3 비자성부(16)를 구비한다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제2의 형태는, 그 제1의 형태로서, 상기 축(Q)에 따른 방향에서 볼 때, 상기 제1 비자성부(13)의 면적은 상기 제2 비자성부(14)의 면적보다 크고, 상기 제2 비자성부의 면적은 상기 제3 비자성부(16)의 면적보다 크다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제3의 형태는, 그 제1의 형태 내지 제2의 형태 중 어느 하나로서, 상기 제3 비자성부(16)의, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 중앙부측의 단부의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ3)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 3배의 값으로 360도를 나눈 값이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제4의 형태는, 그 제1의 형태 내지 제3의 형태 중 어느 하나로서, 상기 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 경우, 상기 제1 비자성부(13)와 상기 제2 비자성부(14) 사이의 위치에 상당하는 각도(θ7)는, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 7배의 값으로 360도를 나눈 값이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제5의 형태는, 그 제1의 형태 내지 제4의 형태 중 어느 하나로서, 상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16)는 공극이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제6의 형태는, 그 제1의 형태 내지 제5의 형태 중 어느 하나로서, 상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16)와 함께 상기 축(Q) 둘레에 배치되고, 상기 제2 비자성부와 상기 제3 비자성부 사이에 배치된 제4 비자성부(15)를 더 구비하고, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 경우, 상기 제3 비자성부(16)와 상기 제4 비자성부(15) 사이의 위치에 상당하는 각도(2·θ7)가, 상기 제1 비자성부(13)와 상기 제2 비자성부(14) 사이의 위치에 상당하는 각도(θ7)의 2배이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제7의 형태는, 그 제1의 형태 내지 제5의 형태 중 어느 하나로서, 상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16)와 함께 상기 축(Q) 둘레에 배치되고, 상기 제2 비자성부와 상기 제3 비자성부 사이에 배치된 제4 비자성부(15)를 더 구비한다. 그리고, 상기 제2 비자성부(14)와 상기 제4 자성부(15) 사이의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ5)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 5배의 값으로 360도를 나눈 값이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제8의 형태는, 그 제6의 형태 내지 제7의 형태 중 어느 하나로서, 상기 축(Q)을 따른 방향에서 볼 때, 상기 제4 비자성부(15)의 면적은 상기 제2 비자성부(14)의 면적보다 작고, 또한 상기 제3 비자성부(16)의 면적보다 크다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제9의 형태는, 그 제6의 형태 내지 제8의 형태 중 어느 하나로서, 상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16), 상기 제4 비자성부(15)는 공극이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제10의 형태는, 그 제1의 형태 내지 제9의 형태 중 어느 하나로서, 하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부에 배치된 상기 제1 비자성부(13)와, 상기 하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍에 인접하는, 다른 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부에 설치된 상기 제1 비자성부 사이의 거리(L)는, 고정자가 대향하는 측으로 상기 축(Q)으로부터 가까워질수록 넓어진다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제11의 형태는, 축(Q)의 주위에 배치된 영구 자석 매설용 구멍(12)과, 각각의 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부로부터 중앙으로 축둘레에 연장되어, 적어도 1개 단차(P1, P2, P3, P4)를 가져 그 연장 방향에 대한 폭이 좁아지는 비자성부(13d；13e)를 구비한다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제12의 형태는, 그 제11의 형태로서, 상기 비자성부(13d, 13e)의, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 중앙부측의 단부(P4)의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ3)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 3배의 값으로 360도를 나눈 값이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제13의 형태는, 그 제11의 형태 내지 제12의 형태 중 어느 하나로서, 하나의 상기 단차(P2)의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ5)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 5배의 값으로 360도를 나눈 값이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제14의 형태는, 그 제11의 형태 내지 제13의 형태 중 어느 하나로서, 하나의 상기 단차(P1)의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ7)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 7배의 값으로 360도를 나눈 값이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제15의 형태는, 그 제11의 형태 내지 제14의 형태 중 어느 하나로서, 상기 단차는 적어도 2개 설치되고, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 경우, 제1의 상기 단차(P3)의 위치에 상당하는 각도(2·θ7)가, 제2의 상기 단차(P1)의 위치에 상당하는 각도(θ7)의 2배이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제16의 형태는, 그 제11의 형태 내지 제15의 형태 중 어느 하나로서, 상기 단차는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)측에 나타난다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제17의 형태는, 그 제11의 형태 내지 제15의 형태 중 어느 하나로서, 상기 단차는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)과는 반대측에 나타난다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제18의 형태는, 그 제11의 형태 내지 제17의 형태 중 어느 하나로서, 상기 비자성부(13d；13e)는 공극이다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제19의 형태는, 그 제11의 형태 내지 제18의 형태 중 어느 하나로서, 하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부에 배치된 상기 비자성부(13d：13e)와, 상기 하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍에 인접하는, 다른 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부에 설치된 상기 비자성부 사이의 거리(L)는, 고정자가 대향하는 측으로 상기 축(Q)으로부터 가까워질수록 넓어진다.
이 발명에 관한 회전자는, 본 발명에 관한 회전자용 자심의 제1 내지 제19의 형태 중 어느 하나와, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)에 매설된 영구 자석(10)을 구비한다.
이 발명에 관한 전동기는, 본 발명에 관한 회전자와, 상기 축(Q)에 평행하게 상기 회전자와 대향하는 고정자(2)를 구비한다., 바람직하게는, 상기 고정자(2)에는 분포권(分布券)으로 전기자 코일이 감긴다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제1의 형태에 의하면, 영구 자석 매설용 구멍에 영구 자석을 매설하여 회전자를 형성한 경우에, 당해 영구 자석에 의해서 얻어지는 자극의, 극간과 자극 중앙부의 사이에서, 영구 자석으로부터 외부로 흐르는 계자 자속의 양의 단차를 완화할 수 있다. 따라서 회전자 표면의 자속 밀도를 정현파에 가깝게 할 수 있다.
또 제1 비자성부와 제2 비자성부의 사이, 제2 비자성부와 제3 비자성부의 사이의 각각의 위치가, 영구 자석 매설용 구멍들 사이의 위치를 기준으로 하는 축둘레의 각도로 환산된 값을, 제로크로스하는 각도로서 갖는 고조파를 저감하면서, 기계적 강도를 높일 수 있다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제2의 형태 및 제8의 형태에 의하면, 영구 자석 매설용 구멍의 단부가, 중앙부보다 비자성체의 면적이 커지므로, 영구 자석 매설용 구멍에 영구 자석을 매설하여 회전자를 형성한 경우에, 당해 영구 자석으로부터 발생하는 자속은, 영구 자석 매설용 구멍의 단부가 외부로 흐르기 어려워진다. 따라서 회전자 표면의 자속 밀도를 정현파에 가깝게 할 수 있다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제3의 형태에 의하면, 제3 비자성부의, 영구 자석 매설용 구멍의 중앙부측의 단부는, 영구 자석 매설용 구멍에 매설되는 영구 자석이 발생하는 자속의 3차 고조파가 영이 되는 위상에 상당하는 위치이므로, 이 위치 근방에서 자속이 외부로 흘러도, 3차 고조파의 억제를 해치지 않는다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제4의 형태에 의하면, 제1 비자성부와 제2 비자성부의 사이의 위치에 상당하는 각도는, 영구 자석 매설용 구멍에 매설되는 영구 자석이 발생하는 자속의 7차 고조파가 영이 되는 위상에 상당하는 위치이므로, 이 위치 근방에서 자속이 외부로 흘러도, 7차 고조파의 억제를 해치지 않고, 기계적 강도를 높일 수 있다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제5의 형태, 제9의 형태, 제18의 형태에 의하면, 뚫린 강판을 적층함으로써, 용이하게 구성할 수 있다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제6의 형태에 의하면, 제1 비자성부와 제2 비자성부의 사이의 위치에 상당하는 각도를, 제로크로스하는 각도로서 갖는 고조파를 저감하면서, 기계적 강도를 더욱 높일 수 있다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제7의 형태에 의하면, 제2 비자성부와 제4 자성부의 사이의 위치는, 영구 자석 매설용 구멍에 매설되는 영구 자석이 발생하는 자속의 5차 고조파가 영이 되는 위상에 상당하는 위치이므로, 이 위치 근방에서 자속이 외부로 흘러도, 5차 고조파의 억제를 해치지 않고, 기계적 강도를 높일 수 있다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제10의 형태 및 제19의 형태에 의하면, 고정자가 대향하는 측에 있어서, 자심은 자기 포화하기 어려워진다. 따라서 고정자가 대향하는 측에 있어서, 하나의 영구 자석 매설용 구멍에 있어서 삽입되는 영구 자석으로부터 발생하는 자속이, 이것에 인접하는 다른 영구 자석 매설용 구멍에 있어서 삽입되는 영구 자석으로, 회전자 내에서 단락적으로 흐르는 것을 방지하고, 고정자에 쇄교하여 토크 발생에 기여하는 자속이 저감하는 것을 방지한다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제11의 형태에 의하면, 영구 자석 매설용 구멍에 영구 자석을 매설하여 회전자를 형성한 경우에, 당해 영구 자석에 의해서 얻어지는 자극의, 극간과 자극 중앙부의 사이에서, 영구 자석으로부터 외부로 흐르는 자속량의 단차는, 비자성부의 폭이 상위한 것에 의해서 완화할 수 있다. 따라서 회전자 표면의 자속 밀도를 정현파에 가깝게 할 수 있다.
또 비자성부가 갖는 단차의 위치가, 영구 자석 매설용 구멍들 사이의 위치를 기준으로 하는 축둘레의 각도로 환산된 값을, 제로크로스하는 각도로서 갖는 고조파를 저감할 수 있다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제12의 형태에 의하면, 비자성부의 영구 자석 매설용 구멍의 중앙부측의 단부는, 영구 자석 매설용 구멍에 매설되는 영구 자석이 발생하는 자속의 3차 고조파가 영이 되는 위상에 상당하는 위치이므로, 이 위치 근방에서 자속이 외부로 흘러도, 3차 고조파의 억제를 해치지 않는다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제13의 형태에 의하면, 당해 단차의 위치는, 영구 자석 매설용 구멍에 매설되는 영구 자석이 발생하는 자속의 5차 고조파가 영이 되는 위상에 상당하는 위치이므로, 이 위치 근방에서 자속이 외부로 흘러도, 5차 고조파의 억제를 해치지 않는다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제14의 형태에 의하면, 당해 단차의 위치에 상당하는 각도는, 영구 자석 매설용 구멍에 매설되는 영구 자석이 발생하는 자속의 7차 고조파가 영이 되는 위상에 상당하는 위치이므로, 이 위치 근방에서 자속이 외부로 흘러도, 7차 고조파의 억제를 해치지 않는다.
이 발명에 관한 회전자용 자심의 제15의 형태에 의하면, 제2의 단차의 위치에 상당하는 각도를, 제로크로스하는 각도로서 갖는 고조파를 저감할 수 있다.
분포권으로 전기자 코일이 감기는 고정자를 채용하는 경우에는 3차 고조파를 억제하는 요구가 크기 때문에, 당해 발명에 관한 전동기는 이러한 고정자에 대해 매우 적합하다.
이 발명의 목적, 특징, 국면, 및 이점은, 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 의해서, 보다 명백해진다.
도 1은 본 발명의 제1의 실시의 형태에 관한 회전자의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 회전자 표면에 나타나는 계자 자속의 파형을 나타내는 그래프.
도 3은 자극 1개분을 꺼내 자속의 분포를 나타내는 도면.
도 4는 자극 1개분을 꺼내 자속의 분포를 나타내는 도면.
도 5는 자극 1개분을 꺼내 자속의 분포를 나타내는 도면.
도 6은 도 3에 나타난 구성의 회전자의 표면 자속 밀도를, 회전자 표면의 각도에 대해서 나타내는 그래프.
도 7은 도 3에 나타난 구성의 전동기에 있어서, 고정자에 쇄교하는 자속을 회전자의 회전 각도에 대해서 나타내는 그래프.
도 8은 도 4에 나타난 구성의 회전자의 표면 자속 밀도를, 회전자 표면의 각도에 대해서 나타내는 그래프.
도 9는 도 4에 나타난 구성의 전동기에 있어서, 고정자에 쇄교하는 자속을 회전자의 회전 각도에 대해서 나타내는 그래프.
도 10은 도 5에 나타난 구성의 회전자의 표면 자속 밀도를, 회전자 표면의 각도에 대해서 나타내는 그래프.
도 11은 도 5에 나타난 구성의 전동기에 있어서, 고정자에 쇄교하는 자속을 회전자의 회전 각도에 대해서 나타내는 그래프.
도 12는 도 6, 도 8, 도 10에 나타난 회전자 표면의 자속 밀도의 공간적 변화에 대해서, 기본파 성분에 대한 고조파 성분의 크기를 나타내는 그래프.
도 13은 도 7, 도 9, 도 11에 나타난 쇄교 자속의 자속 밀도의 크기의 시간적 변화에 대해서, 기본파 성분에 대한 고조파 성분의 크기를 나타내는 그래프.
도 14는 본 발명의 제2의 실시의 형태에 관한 회전자의 일부를 나타내는 단면도.
도 15는 본 발명의 제2의 실시의 형태에 관한 회전자의 일부를 나타내는 단면도.
도 16은 본 발명의 변형에 관한 회전자의 일부를 나타내는 단면도.
(제1의 실시의 형태)
도 1은 본 발명의 제1의 실시의 형태에 관한 회전자(103)의 구조를 나타내는 단면도이며, 축(Q)에 수직인 단면을 나타낸다. 회전자(103)는 축(Q)을 회전축으로 하여, 고정자(도시 생략)에 대해서 상대적으로 회전한다. 여기에서는 고정자가 회전자(103)의 외측에 존재하는, 이른바 이너 로터형의 회전자를 예시한다. 단 본 발명은, 고정자가 회전자(103)의 내측에 존재하는, 이른바 아우터 로터형의 회전자에의 적용을 배제하는 것은 아니다.
회전자(103)는 그 자심(18)과 영구 자석(10)을 구비한다. 자심(18)은 축(Q)의 주위에 배치되는 영구 자석 매설용 구멍(12)을 갖고 있고, 영구 자석 매설용 구멍(12)에 영구 자석(10)이 매설된다. 영구 자석(10)은 서로 극성이 다른 자극면(10N, 10S)을 갖고 있다. 인접하는 영구 자석(10)은, 서로 다른 극성의 자극면을 회전자(103)의 외주면에 나타내고 있다. 이러한 자극면의 존재에 의해, 회전자(103)는 그 외주측에 자극을 발생시킨다. 여기에서는 영구 자석(10)은 4개(2쌍) 설치되어 있고, 자극쌍 수는 2가 되는 경우가 예시되어 있다.
자심(18)은, 예를 들면 강판의 적층에 의해서 형성할 수 있고, 체결구멍(19)에 삽입되는 체결구(도시 생략)에 의해서 축(Q) 방향을 따라서 인접하는 강판이 서로 적층된다.
영구 자석 매설용 구멍(12)의 각각의 단부로부터는, 그 중앙으로 축(Q)둘레에 배치된, 비자성부(13, 14, 15, 16)를 구비한다. 비자성부(13, 14, 15, 16)는 예를 들면 공극이면, 비자성부(13, 14, 15, 16)의 위치를 뚫은 강판의 적층에 의해서 자심(18)을 용이하게 구성할 수 있는 관점에서 바람직하다.
비자성부(13, 14, 15, 16)가 영구 자석(10)보다 회전자(103)의 외주면측에 설치되어 있고, 회전자(103)는 외주면측에서 고정자와 대향하므로, 비자성부(13, 14, 15, 16)는 영구 자석(10)으로부터 발생하는 자속(계자 자속)이 고정자로 쇄교하는 것을 저해한다. 따라서 회전자(103)의 외부로 흐르는 계자 자속(이것은 고정 자에 쇄교하는 자속량에 상당한다)의 양은, 자극의 극간과, 자극의 중앙부의 사이에서 단차를 생기기 어렵게 한다.
비자성부(13)는, 자심만을 경유하여 고정자를 경유하지 않는 계자 자속을 저감하는 기능을 갖고 있지만, 상술한 계자 자속의 양의 단차를 경감하는 기능도 같이 갖는다. 그러나, 비자성부(13)만에서는, 계자 자속의 양의 단차의 완화는 불충분하고, 회전자(103)의 표면의 자속 밀도의 변화와 정현파의 상위는 크다.
그러나, 비자성부(14, 15, 16)를 구비함으로써, 회전자(103)의 표면의 자속 밀도의 변화를 정현파에, 보다 가깝게 할 수 있다. 비자성부(13, 14, 15, 16)를 연속적으로 형성하는 경우와 비교하면, 이들 사이에 자심(18)이 개재되어 있는 본 실시의 형태의 양태는, 기계적 강도의 관점에서 바람직하다.
도 1에 있어서, 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준으로 하는 축(Q)둘레의 각도를 나타내고 있다. 비자성부(13, 14) 사이의 위치는 각도(θ7)로 나타나고, 비자성부(14, 15) 사이의 위치는 각도(θ5)로 나타나고, 비자성부(15, 16) 사이의 위치는 각도(2·θ7)로 나타난다. 또 비자성부(16)의, 자극 중앙측의 단부는 각도(θ3)로 나타난다. 바꿔 말하면, 이들 각도로 나타나는 위치에서 비자성부는 자심(18)을 통해 인접하게 된다. 단, 설계상의 사정으로부터, 도 1에 나타나는 바와 같이, 비자성부의 배치에 약간의 위치 어긋남이 있어도 된다.
상기 각도로 나타나는 위치에 있어서 비자성부가 존재하지 않아도, 당해 위치가, 고조파가 제로크로스하는 각도에 대응해 있으면, 그러한 고조파의 저감을 해치는 일 없이, 또한 자심(18)의 기계적 강도를 높일 수 있다.
도 2는 회전자 표면에 나타나는 계자 자속의 파형을 나타내는 그래프이다. 본 실시의 형태에서는 자극쌍 수는 2이므로, 회전자 표면의 각도로 환산해 180도가 계자 자속의 일주기가 되어, 0~90도의 범위가, 자극 1개분에 상당한다.
곡선(L0)은 회전자 표면에 나타나는 계자 자속의 파형이며, 곡선(L1, L3, L5, L7)은 각각 상기 계자 자속의 기본파, 3차 고조파, 5차 고조파, 7차 고조파를 나타낸다. 각도(θ3, θ5, θ7)에 있어서, 각각 3차 고조파, 5차 고조파, 7차 고조파는 제로크로스한다. 바꿔 말하면, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 3배의 값으로 360도를 나눈 값을 각도(θ3)로 하고, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 5배의 값으로 360도를 나눈 값을 각도(θ5)로 하고, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 7배의 값으로 360도를 나눈 값을 각도(θ7)로 하고, 비자성부(13, 14, 15, 16)를 상술한 바와 같이 배치하면, 고조파를 억제하는 효과를 저해하지 않고, 회전자 표면에 나타나는 계자 자속의 곡선(L0)은 곡선(L1), 즉 정현파에 가까워진다. 또한, 기계적 강도를 얻을 수 있다.
특히, 비자성부(16)의, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 중앙부(자극 중앙)측의 단부는, 계자 자속의 3차 고조파가 영이 되는 위상에 상당하는 위치(각도(θ3))이다. 그리고 이 위치 근방에서 자속이 외부로 흘러도, 3차 고조파의 억제를 해치지 않는다. 이 위치보다 자극 중앙측의 영역에서 비자성부를 설치할 필요성은 작다. 당해 영역에서 제로크로스하는 고조파는 5차 이상의 고조파이지만, 자극 중앙에 있어서는 정현파의 변동은 작고, 또 당해 영역에 있어서 계자 자속의 양을 확보하는 것도, 토크에 기여하는 계자 자속을 크게 하는 관점에서는 바람직한 설계 사항이기 때문이다.
한편, 각도(θ3)에 대응하는 위치보다, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부(자극의 극간측)측에서는, 7차 고조파가 각도(θ7, 2·θ7)의 2개소에서 제로크로스한다. 따라서 비자성부(15, 16) 사이의 위치를 각도(2·θ7)로 설정함으로써, 비자성부(13, 14) 사이의 위치(각도(θ7)에 상당)를 제로크로스로 하는 7차 고조파의 억제를 저해하는 일 없이, 기계적 강도를 보다 높일 수 있다.
또, 도 1에 나타나는 바와 같이, 비자성부(13)의 면적은 비자성부(14)의 면적보다 크고, 비자성부(14)의 면적은 비자성부(15)의 면적보다 크고, 비자성부(15)의 면적은 비자성부(16)의 면적보다 큰 것이 바람직하다. 자극의 중앙부로부터 극간에 가까울수록 비자성체의 면적이 커지므로, 영구 자석(10)으로부터 발생하는 자속은, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부가, 외부로 흐르기 어려워진다. 따라서 회전자(103)의 표면의 자속 밀도를 보다 정현파에 가깝게 할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 자극쌍이 2개인 회전자에 있어서, 자극 1개분을 꺼내 자속의 분포를 나타내는 도면이다. 도 3은 회전자(101)와 고정자(2)의 조합을 나타내고, 도 4는 회전자(102)와 고정자(2)의 조합을 나타내고, 도 5는 상술의 회전자(103)와 고정자(2)의 조합을 나타낸다. 고정자(2)는 슬롯(21)을 갖고 있고, 슬롯(21)에는 전기자 코일이 감긴다. 전기자 코일의 권회 방법으로서는, 집중권, 분포권 중 어느 것이어도 되지만, 분포권의 경우에는, 집중권과 비교하면 3차 고조파가 현저하게 발생하기 쉽기 때문에, 본 발명은 분포권의 고정자와 조합한 전동기에 있어서 적합하다.
도 3에 있어서 회전자(101)는, 도 1의 비자성체(13)에 상당하는, 영구 자석(10)의 양단에 비자성체(13a)를 설치하고 있지만, 비자성체(14, 15, 16)에 상당하는 비자성체는 설치되어 있지 않다.
도 4에 있어서 회전자(102)는, 도 1의 비자성체(13, 14)에 상당하는, 비자성체(13b, 14b)를 설치하고 있지만, 비자성체(15, 16)에 상당하는 비자성체는 설치되어 있지 않다.
도 6은 도 3에 나타난 구성의 회전자(101)의 표면 자속 밀도를, 회전자 표면의 각도에 대해서 나타내는 그래프이다. 또 도 7은 도 3에 나타난 구성의 전동기에 있어서, 고정자(2)에 쇄교하는 자속을 회전자(101)의 회전 각도에 대해서 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 4에 나타난 구성의 회전자(102)의 표면 자속 밀도를, 회전자 표면의 각도에 대해서 나타내는 그래프이다. 또 도 9는 도 4에 나타난 구성의 전동기에 있어서, 고정자(2)에 쇄교하는 자속을 회전자(102)의 회전 각도에 대해서 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 5에 나타난 구성의 회전자(103)의 표면 자속 밀도를, 회전자 표면의 각도에 대해서 나타내는 그래프이다. 또 도 11은 도 5에 나타난 구성의 전동기에 있어서, 고정자(2)에 쇄교하는 자속을 회전자(103)의 회전 각도에 대해서 나타내는 그래프이다.
도 7, 도 9, 도 11의 어느 것에 있어서나, 실선 및 파선은, 각각 고정자(2)의 백 요크부 및 티스부를 통과하는 자속의 자속 밀도를 나타내고 있다.
도 6, 도 8, 도 10을 비교해 알 수 있듯이, 회전자 표면의 자속 밀도는, 회전자(101)보다 회전자(102)가, 회전자(103)는 회전자(102)보다 더, 정현파에 가까운 것을 알 수 있다. 도 10에 나타나는 바와 같이, 회전자(103)의 표면에 있어서의 자속 밀도는, 계단 형상이 된다. 그러나 이러한 계단 형상의 자속 밀도가 회전자 표면에 발생하고 있어도, 고정자에 쇄교하는 자속은 회전각에 대해서 정현파 형상이 된다.
도 12는 도 6, 도 8, 도 10에 나타난 회전자 표면의 자속 밀도의 공간적 변화(표면의 각도에 대한 변화에 상당)에 대해서, 기본파 성분에 대한 고조파 성분의 크기를 나타내는 그래프이다. 또 도 13은 도 7, 도 9, 도 11에 나타난 쇄교 자속의 자속 밀도의 크기의 시간적 변화(회전각에 대한 변화에 상당)에 대해서, 기본파 성분에 대한 고조파 성분의 크기를 나타내는 그래프이다. 각 차수에 있어서, 좌측 막대 그래프, 중앙 막대 그래프, 우측 막대 그래프는, 각각 회전자(101, 102, 103)에 대응한다.
회전자(102)는 회전자(103)와 동일한 정도로, 회전자(101)에 대해서 5차 고조파, 7차 고조파를 크게 저감시키고 있다. 그러나 3차 고조파에 대해서는, 회전자(103)를 회전자(102)보다 현저하게 저감시키고 있다. 그리고 이것은 자속 밀도의 시간적 변화에 대해서도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 실시의 형태에서는, 회전자 표면의 자속 밀도를 정현파에 가깝게 하면서, 그 기계적 강도도 향상시킬 수 있다.
(제2의 실시의 형태)
도 14 및 도 15는 본 발명의 제2의 실시의 형태에 관한 회전자의 일부를 나타내는 단면도이다. 본 실시의 형태에서는 제1의 실시의 형태에 있어서의 비자성부(13, 14, 15, 16)를 비자성부(13d)(도 14) 또는 비자성부(13e)(도 15)로 치환한 구성을 제시한다.
비자성부(13d, 13e) 모두, 공극이면, 비자성부(13d, 13e)의 위치가 뚫린 강판의 적층에 의해서 자심을 용이하게 구성할 수 있는 관점에서 바람직하다.
비자성부(13d, 13e) 모두, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부로부터 중앙부로 축둘레에 단부(P4)까지 연장하고, 단차(P1, P2, P3)를 가지며, 이 연장 방향에 대한 폭이 좁아진다. 즉 자극의 중앙으로 향함에 따라서, 폭이 좁아진다. 도 14, 15에서는 도면의 확대를 위해, 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부 1개분의 근방만 나타냈지만, 도 1에 나타난 영구 자석 매설용 구멍(12)의 어느 단부에 있어서나 설치되는 것이 바람직하다.
단차(P1, P2, P3)는, 비자성부(13d)에서는 영구 자석 매설용 구멍(12)측에 나타나고, 비자성부(13e)에서는 영구 자석 매설용 구멍(12)과는 반대측에 나타난다.
제2의 실시의 형태에서는 비자성체가 연속해서 연장하므로, 비자성체가 이격하여 복수 설치되는 제1의 실시의 형태가, 기계적 강도를 얻기 쉬운 관점에서는 바람직하다. 그러나 펀칭 등, 자심을 형성하는 관점에서는, 본 실시의 형태가 바람직하다.
단차(P1, P2, P3) 및 단부(P4)의 위치는, 각각 상기 각도(θ7, θ5, 2·θ7, θ3)에 상당한다. 따라서 제1의 실시의 형태와 유사하게, 자극의 극간과 자극 중앙부의 사이에서, 영구 자석(10)으로부터 외부로 흐르는 계자 자속의 양의 단차는, 비자성부(13d, 13e)의 폭이 상위한 것에 의해서 완화할 수 있다. 따라서 회전자 표면의 자속 밀도를 정현파에 가깝게 할 수 있다.
특히 비자성부(13d, 13e)의 폭이 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부로부터 중앙부로 연장하는 방향에 따라서 좁아지는 것은, 제1의 실시의 형태에 있어서의 비자성부(13, 14, 15, 16)가 이 순서로 그들 면적이 작아지는 것과 대응해 있고, 회전자 표면의 자속 밀도를 정현파에 가깝게 하기 쉽다.
그리고 단차(P1, P2, P3) 및 단부(P4)의 위치가, 극간의 위치를 기준으로 하는 축(Q)둘레의 각도로 환산된 값을, 제로크로스하는 각도로서 갖는 고조파를 저감 할 수 있다.
(변형)
(i)도 16은 본 발명의 제1의 실시의 형태의 변형으로서 채용할 수 있는 구조를 예시하는 단면도이다. 서로 인접하는 다른 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부에 배치되어, 자심(18)을 통해 대향하는 한 쌍의 비자성부(13) 사이의 거리(L)는, 고정자가 대향하는 측(여기에서는 외주측)으로 축(Q)으로부터 가까워질수록 퍼지는 것이 바람직하다.
이러한 구성을 채용함으로써, 고정자가 대향하는 측에 있어서, 자심은 자기 포화하기 어려워진다. 따라서 고정자가 대향하는 측에 있어서, 영구 자석(10)으로부터 발생하는 계자 자속이, 이것에 인접하는 다른 영구 자석(10)으로, 회전자 내 에서 단락적으로 흐르는 것을 방지한다. 이것은, 고정자에 쇄교하여 토크 발생에 기여하는 자속이 저감하는 것을 방지한다.
마찬가지로, 제2의 실시의 형태의 변형이 가능하다. 즉, 서로 인접하는 다른 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부에 배치되어, 자심(18)을 통해 대향하는 한 쌍의 비자성부(13d)(혹은 비자성부(13e)) 사이의 거리는, 고정자가 대향하는 측으로 축(Q)으로부터 가까워질수록 넓어지는 것이 바람직하다.
(ii)제1의 실시의 형태에서 나타난 비자성부(13, 14, 15, 16)와, 제2의 실시의 형태에서 나타난 비자성부(13d, 13e) 중 적어도 어느 한쪽을 혼재해 자심을 형성해도 된다.
이 발명은 상세하게 설명되었지만, 상기한 설명은, 모든 국면에서, 예시로서, 이 발명이 거기에 한정되는 것은 아니다. 예시되어 있지 않은 무수한 변형예가, 이 발명의 범위로부터 벗어나는 일 없이 상정될 수 있는 것으로 해석된다.

Claims (22)

  1. 축(Q)의 주위에 배치된 영구 자석 매설용 구멍(12)과,
    각각의 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부로부터 중앙으로 축둘레에 배치된, 제1 비자성부(13), 제2 비자성부(14), 제3 비자성부(16)를 구비한, 회전자용 자심(18).
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 축(Q)에 따른 방향에서 볼 때,
    상기 제1 비자성부(13)의 면적은 상기 제2 비자성부(14)의 면적보다 크고,
    상기 제2 비자성부의 면적은 상기 제3 비자성부(16)의 면적보다 큰, 회전자용 자심(18).
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 비자성부(16)의, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 중앙부측의 단부의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ3)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 3배의 값으로 360도를 나눈 값인, 회전자용 자심.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 경우, 상기 제1 비자성부(13)와 상기 제2 비자성부(14) 사이의 위치에 상당하는 각도(θ7)는, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 7배의 값으로 360도를 나눈 값인, 회전자용 자심.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16)는 공극인, 회전자용 자심.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16)와 함께 상기 축(Q) 둘레에 배치되고, 상기 제2 비자성부와 상기 제3 비자성부 사이에 배치된 제4 비자성부(15)를 더 구비하고,
    인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 경우, 상기 제3 비자성부(16)와 상기 제4 비자성부(15) 사이의 위치에 상당하는 각도(2·θ7)가, 상기 제1 비자성부(13)와 상기 제2 비자성부(14) 사이의 위치에 상당하는 각도(θ7)의 2배인, 회전자용 자심.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16)와 함께 상기 축(Q) 둘레에 배치되고, 상기 제2 비자성부와 상기 제3 비자성부 사이에 배치된 제4 비자성부(15)를 더 구비하고,
    상기 제2 비자성부(14)와 상기 제4 자성부(15) 사이의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ5)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 5배의 값으로 360도를 나눈 값인, 회전자용 자심.
  8. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 축(Q)에 따른 방향에서 볼 때,
    상기 제4 비자성부(15)의 면적은 상기 제2 비자성부(14)의 면적보다 작고, 또한 상기 제3 비자성부(16)의 면적보다 큰, 회전자용 자심.
  9. 청구항 6 또는 청구항 7에 있어서,
    상기 제1 비자성부(13), 상기 제2 비자성부(14), 상기 제3 비자성부(16), 상기 제4 비자성부(15)는 공극인, 회전자용 자심.
  10. 청구항 1에 있어서,
    하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부에 배치된 상기 제1 비자성부(13)와, 상기 하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍에 인접하는, 다른 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부에 설치된 상기 제1 비자성부 사이의 거리(L)는, 고정자가 대향하는 측으로 상기 축(Q)으로부터 가까워질수록 넓어지는, 회전자용 자심.
  11. 축(Q)의 주위에 배치된 영구 자석 매설용 구멍(12)과,
    각각의 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부로부터 중앙으로 축둘레에 연장되어, 적어도 1개 단차(P1, P2, P3, P4)를 가져 그 연장 방향에 대한 폭이 좁아지는 비자성부(13d；13e)를 구비한, 회전자용 자심(18).
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 비자성부(13d, 13e)의, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 중앙부측의 단부(P4)의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ3)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 3배의 값으로 360도를 나눈 값인, 회전자용 자심.
  13. 청구항 11에 있어서,
    하나의 상기 단차(P2)의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ5)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 5배의 값으로 360도를 나눈 값인, 회전자용 자심.
  14. 청구항 11에 있어서,
    하나의 상기 단차(P1)의 위치를, 인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 값(θ7)은, 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 개수의 7배의 값으로 360도를 나눈 값인, 회전자용 자심.
  15. 청구항 11에 있어서,
    상기 단차는 적어도 2개 설치되고,
    인접하는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)들 사이의 위치를 기준 위치로 하여 상기 소정 위치(Q) 둘레의 각도로 환산한 경우, 제1의 상기 단차(P3)의 위치에 상당하는 각도(2·θ7)가, 제2의 상기 단차(P1)의 위치에 상당하는 각도(θ7)의 2배인, 회전자용 자심.
  16. 청구항 11에 있어서,
    상기 단차는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)측에 나타나는, 회전자용 자심.
  17. 청구항 11에 있어서,
    상기 단차는 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)과는 반대측에 나타나는, 회전자용 자심.
  18. 청구항 11에 있어서,
    상기 비자성부(13d；13e)는 공극인, 회전자용 자심.
  19. 청구항 11에 있어서,
    하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍(12)의 단부에 배치된 상기 비자성부(13d：13e)와, 상기 하나의 상기 영구 자석 매설용 구멍에 인접하는, 다른 상기 영구 자석 매설용 구멍의 단부에 설치된 상기 비자성부 사이의 거리(L)는, 고정자가 대향하는 측으로 상기 축(Q)으로부터 가까워질수록 넓어지는, 회전자용 자심.
  20. 청구항 1 또는 청구항 11에 기재된 회전자용 자심과,
    상기 영구 자석 매설용 구멍(12)에 매설된 영구 자석(10)을 구비하는, 회전자(103).
  21. 청구항 20에 기재된 회전자와,
    상기 축(Q)에 평행하게 상기 회전자와 대향하는 고정자(2)를 구비하는, 전동기.
  22. 청구항 21에 있어서,
    상기 고정자(2)에는 분포권(分布券)으로 전기자 코일이 감기는, 전동기.
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