KR20120007940A

KR20120007940A - 영구 자석식 회전 전기 기기

Info

Publication number: KR20120007940A
Application number: KR1020100081709A
Authority: KR
Inventors: 고오사꾸 나까무라; 시게따로오 다가와; 히로시 히라야마; 다까시 세시모
Original assignee: 히타치 어플라이언스 가부시키가이샤
Priority date: 2010-07-15
Filing date: 2010-08-24
Publication date: 2012-01-25
Also published as: JP2012023876A; CN102340225A; KR101134268B1

Abstract

본 발명의 과제는, 기계적 강도를 확보하면서, 영구 자석으로부터 발생한 계자 자속의 단락을 방지하는 것이 가능한, 고토크·고효율화가 가능한 영구 자석식 회전 전기 기기를 제공하는 것이다.
원통 형상의 철심의 내부에 전기자 권선을 설치한 고정자(2)와, 고정자의 내부에 회전 가능하게 보유 지지된 회전자(6)를 갖고, 당해 회전자를, 원반 형상의 전자기 강판을 적층하여 이루어지는 회전자 철심(5)의 일부에 복수의 영구 자석(7)을 등간격으로 매립한 자석 매립형 회전자로 한 영구 자석식 회전 전기 기기에 있어서, 회전자 철심(5)은, 적어도 영구 자석을 삽입하기 위한 자석 삽입 구멍(11)과, 당해 자석 삽입 구멍의 양단부에 자속 단락 방지용으로 형성한 플럭스 배리어용 구멍(12)을 형성한 제1 철판(51A)과, 자석 삽입 구멍과 상기 플럭스 배리어용 구멍에 더하여, 또한 q축 부근에 q축 구멍(13)을 형성한 제2 철판(51B)을 적층하여 형성한다.

Description

영구 자석식 회전 전기 기기 {PERMANENT MAGNETIC TYPE ROTATIONAL ELECTRIC DEVICE}

본 발명은, 가전용 등에 널리 사용되는 영구 자석식 전동기에 관한 것으로, 특히 그 회전자에 있어서의 자기 특성과 함께 기계적 강도의 향상을 도모하기에 적합한 구조를 구비한 영구 자석식 회전 전기 기기에 관한 것이다.

종래, 영구 자석식 전동기에 대해서는, 모터의 고토크·고효율화를 목적으로 하여, 예를 들어 이하의 특허 문헌 1이나 특허 문헌 2에 알려지는 구조가 고안되어 있다. 즉, 특히 특허 문헌 2의 도 1에 따르면, 영구 자석식 전동기는, 회전 자계를 발생하는 고정자(1)의 내측에, 소정의 갭을 개재하여 회전 가능하게 장착된 회전자(10)를 갖고 있고, 또한 이 회전자(10)에는 외주면을 따라 복수의 영구 자석(11)이, 그 극수만큼 매립되어 있다. 그리고 상기 영구 자석(11)의 양단부에는, 당해 영구 자석으로부터 발생한 자속이 그 단부 부근에서 단락되는 것을 방지하기 위해, 소위 플럭스 배리어라고 불리는 절결부(12a, 12b)가 형성되는 동시에, 또한 상기 영구 자석(11)의 q축 상에는, 장방형의 구멍(13)이 형성되어 있고, 이에 의해 당해 영구 자석(11)의 d축을 통과하는 고정자(1)로부터의 자속을 저해함으로써, d축 인덕턴스를 작게 하고, 또한 상기 영구 자석(11)의 q축을 통과하는 고정자로부터의 자속의 자로를 넓게 확보함으로써, q축 인덕턴스를 크게 하고, 그것에 의해 회전자의 릴럭턴스 토크를 발생시키는 구조로 되어 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 제2006-101608호 공보 [특허 문헌 2] 일본 특허 출원 공개 제2000-245087호 공보

그러나 상술한 종래 기술에 의해 알려진 구조에서는, 릴럭턴스 토크를 발생시키기 위해, q축의 자로를 가능한 한 넓게 설정할 필요가 있지만, 그러나 그 경우, 회전자의 영구 자석으로부터 발생한 계자 자속이, 고정자를 통과하지 않고, 당해 회전자 내에서 단락되어 버리는 것이 생각된다.

따라서, 본 발명은 상술한 종래 기술에 있어서의 문제점에 비추어 달성된 것이며, 영구 자석으로부터 발생한 계자 자속의 단락을 방지하기 위한 구조를 제안하는 것을 그 목적으로 한다. 또한, 그러기 위해서는, q축 상의 구멍을 넓게 형성하거나 하여, 인접하는 영구 자석 자극 사이의 자로를 자속 포화될 정도로 좁게 할 필요가 있지만, 그 경우 코어판의 기계적 강도에 문제가 발생하므로, 특히 그 기계적 강도를 확보하면서, 영구 자석으로부터 발생한 계자 자속의 단락을 방지하는 것이 가능한 신규의 구조를 제안하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는, 우선 원통 형상의 철심의 내부에 전기자 권선을 설치한 고정자와, 상기 고정자의 내부에 회전 가능하게 보유 지지된 회전자를 갖고, 당해 회전자를, 원반 형상의 전자기 강판을 적층하여 이루어지는 회전자 철심의 일부에 복수의 영구 자석을 등간격으로 매립한 자석 매립형 회전자로 한 영구 자석식 회전 전기 기기에 있어서, 상기 회전자 철심은, 적어도 상기 영구 자석을 삽입하기 위한 자석 삽입 구멍과, 당해 자석 삽입 구멍의 양단부에 자속 단락 방지용으로 형성한 플럭스 배리어용 구멍을 형성한 제1 전자기 강판과, 상기 자석 삽입 구멍과 상기 플럭스 배리어용 구멍에 더하여, 또한 q축 부근에 q축 구멍을 형성한 제2 전자기 강판을 적층하여 형성한 영구 자석식 회전 전기 기기가 제공된다.

또한, 본 발명에서는, 상기에 기재된 영구 자석식 회전 전기 기기에 있어서, 상기 회전자 철심은, 적어도 그 양단부에 적층되는 전자기 강판을, 상기 제1 전자기 강판으로 하는 것이 바람직하고, 또한 상기 회전자 철심은, 상기 양단부에 적층된 전자기 강판에 더하여, 다른 적층된 전자기 강판의 일부에도 상기 제1 전자기 강판을 적층하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 회전자 철심을 구성하는 상기 제2 전자기 강판에 형성된 상기 q축 구멍의 내부에는, 수지를 충전하는 것이 바람직하다.

덧붙여, 본 발명에서는 상기에 기재된 영구 자석식 회전 전기 기기에 있어서, 상기 제2 전자기 강판은, 상기 형성된 상기 q축 구멍에 의해, 그 외주측의 자로 및 당해 q축 구멍과 상기 플럭스 배리어용 구멍 사이에 형성되는 자로가, 상기 복수의 영구 자석의 인접하는 자극 사이에서 단락되는 자속을 포화시키는 데 충분한 협소함이며, 또한 그 내주측이, 상기 영구 자석을 내접하는 동심원 d의 반경으로부터 자석의 두께를 빼고 얻어지는 반경의 동심원 e보다도 외측이 되도록 구성되어 있는 것이 바람직하고, 또는 상기 제2 전자기 강판에 형성된 상기 q축 구멍을 자기 포화되지 않을 정도의 폭을 갖는 직경 방향의 자로에 의해 복수로 분할하는 것, 또는 상기 제2 전자기 강판에 형성된 상기 q축 구멍은, 그 양측에 인접하여 형성된 상기 플럭스 배리어용 구멍 중 어느 한쪽에 연결하는 것도 가능하다.

상술한 본 발명이 되는 영구 자석식 회전 전기 기기에서는, 그 회전자의 회전자 철심에 있어서, 그 기계적 강도를 확보하면서, 영구 자석으로부터 발생한 계자 자속의 단락을 방지하는 것이 가능하므로, 고토크·고효율화가 가능한 영구 자석식 회전 전기 기기가 제공된다고 하는 우수한 효과를 발휘한다.

도 1은 본 발명이 되는 영구 자석식 전동기의 전체 구성을 설명하는 직경 방향의 단면도.
도 2는 상기 영구 자석식 전동기의 회전자 철심의 상세 구조를 도시하는 전체 사시도.
도 3은 상기 회전자 철심을 구성하는 철판의 상세한 내부 구조를 도시하는 일부 확대한 전개 사시도.
도 4는 상기 회전자 철심을 구성하는 철판 중 제2 철판의 상세 구조를 도시하는 일부 확대 평면도.
도 5는 상기 회전자 철심을 구성하는 철판의 적층 구조를 도시하는 도 2의 A-A 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예가 되는 영구 자석식 전동기의 회전자 철심을 구성하는 제2 철판의 상세 구조를 도시하는 일부 확대 평면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예가 되는 영구 자석식 전동기의 회전자 철심을 구성하는 제2 철판의 상세 구조를 도시하는 일부 확대 평면도.

이하, 본 발명의 일 실시예가 되는 영구 자석식 회전 전기 기기에 대해, 첨부한 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

우선, 첨부한 도 1에는, 본 발명의 일 실시예가 되는 영구 자석식 회전 전기 기기의 직경 방향의 단면 구조(회전축 방향에 수직인 절단면)가 도시되어 있고, 이 도면에 있어서, 영구 자석식 전동기(1)는 대략 원통 형상의 외관을 구비한 고정자(2)와 함께, 그 내부에는 역시 원통형을 구비한 회전자(6)가, 고정자의 내주면과의 사이에 소정의 갭을 개재하여 배치되어 회전 가능하게 장착되어 있다.

도면으로부터도 명백한 바와 같이, 예를 들어 미리 소정의 형상으로 형성된 복수의 전자기 강판을 적층한 고정자(2)의 철심에는, 복수의 슬롯(3)이 형성되어 있고, 그 내부에는 여기서는 도시하지 않은 집중 권취의 전기자 권선이 실시되어 있고, 이에 의해 회전 자계를 발생한다.

한편, 회전자(6)는 회전자 철심(5)과, 회전축(8)을 구비하고 있고, 또한 회전자 철심(5)에는 그 극수에 상당하는 수의 영구 자석(7)(본 예에서는, 4)이 외주를 따라 등간격으로 매립되어 있다. 그리고 당해 회전자 철심(5)은 회전축(8)에 연결되어 있고, 당해 회전축(8)에 의해, 회전자 철심(5)의 외주면과 고정자(4)의 내주면 사이에 소정의 갭을 유지하면서, 상기 고정자(4)에 대해 회전 가능하게 장착되고, 그것에 의해 그 회전력을 당해 회전축(8)을 통해 외부로 전달하게 된다. 또한, 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 상기한 영구 자석(7)은 각각 회전자(6)를 구성하는 코어[회전자 철심(5)]의 직경 방향으로 자계를 발생시키고 있고, 또한 인접하는 영구 자석(7)은 극성이 서로 다르도록(역극성) 배치되어 있다. 또한, 도면 중 부호 12는 이하에도 설명하는 플럭스 배리어를 나타내고 있다.

다음에, 첨부한 도 2에는, 상술한 영구 자석식 회전 전기 기기의 회전자 철심(5)의 상세 구조를 도시하고 있다. 이 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 회전자 철심(5)은, 상기한 고정자(4)와 마찬가지로, 미리 소정의 형상으로 형성된 복수의 전자기 강판(철판)(51)을 적층하여 구성되어 있고, 각 강판(51)은 예를 들어 펀칭 가공 등에 의해 원환상으로 형성되는 동시에, 그 외주를 따라 상술한 영구 자석(7)을 삽입하기 위한 장방 형상의 자석 삽입 구멍(11)이 형성되어 있고, 또한 그 양단부에는 당해 자석 삽입 구멍(11)으로부터 외측으로 약간 벗어난 위치에, 상기 플럭스 배리어가 되는 구멍(12)이 형성되어 있다.

첨부한 도 3에는, 상술한 회전자 철심(5)의 더욱 상세한 내부 구조, 즉 당해 회전자 철심(5)을 구성하는 복수매의 철판(51)의 일부가 도시되어 있다. 즉, 도시하는 바와 같이, 당해 회전자 철심(5)을 구성하는 복수매의 철판은, 각각 다른 2종류의 철판(51A)과 철판(51B)으로 분류된다. 우선, 제1 철판(51A)에는, 상술한 자석 삽입 구멍(11)과 함께, 그 양단부에는 상기 플럭스 배리어가 되는 구멍(12)이 형성되어 있다.

한편, 제2 철판(51B)에는, 우선 상술한 제1 철판(51A)에 형성된 자석 삽입 구멍(11)과 플럭스 배리어용 구멍(12)과 함께, 또한 그 외주를 따라 q축 부근에는 q축 구멍(13)이 형성되어 있다.

또한, 이 q축 구멍(13)의 상세는, 첨부한 도 4에 도시하는 바와 같이, 그 외주측에 형성되는 자로의 폭(d₀)과, 상기 플럭스 배리어용 구멍(12) 사이에 형성되는 자로의 폭(d_B)은, 인접하는 영구 자석의 자극 사이에서 단락되는 자속을 포화시키는 데 충분히 좁고, 또한 q축 구멍(13)의 내주측은 상기 영구 자석과 내접하는 동심원 d의 반경으로부터 당해 자석의 두께분[＝ 자석 삽입 구멍(11)의 폭(d_M)]을 빼고 얻어지는 반경인 동심원 e보다도 외측에 있는 것이 바람직하다.

그리고 본 발명에서는, 상술한 2종류의 코어용 철판(51A, 51B)을 소정의 매수만큼 적층함으로써 상기 회전자 철심(5)을 형성한다. 예를 들어, 그 예를, 첨부한 도 5에 도시한다. 또한, 이들 도면에 도시하는 단면도는, 상기 도 2에 도시한 회전자 철심(5)에 있어서, 상기 q축 구멍(13)이 형성된 부분을, 도면의 A-A 단면을 따른 단면을 도시하는 것이다.

우선, 도 5의 (A)는 상술한 2종류의 코어용 철판(51A, 51B)을, 교대로(1매 걸러) 적층하여 회전자 철심(5)을 형성한 예를, 도 5의 (B)는 1매의 제1 철판(51A)에 대해 2매의 제2 철판(51B)을 적층한 예를 도시하고 있다. 또한, 이 경우, 회전자 철심(5)의 양단부(도면의 상하 단부)에 위치하는 철판으로서는, 상기 철판(51A)이 배치되도록 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 도 5의 (C)에는, 회전자 철심(5)의 양단부(도면의 상하 단부)에 위치하는 철판을 제1 철판(51A)으로 하고, 그리고 그 사이에 위치하는 철판으로서는 제2 철판(51B)을 사용한 예가 도시되어 있다.

이상의 설명으로부터도 명백한 바와 같이, 본 발명이 되는 영구 자석식 회전 전기 기기, 특히 그 회전자 철심(5)에서는 플럭스 배리어용 구멍(12)이 자기 장벽이 되어, 영구 자석(7)이 발하는 자속이 당해 영구 자석(7)의 단부를 돌아 들어가 단락되는 것을 억제한다. 또한, 상술한 바와 같이, 회전자 철심(5)을 구성하는 코어용 철판(51A, 51B) 중, 철판(51B)에서는 q축 부근에, 상술한 q축 구멍(13)이 형성되어 있다. 이 q축 구멍(13)은, 영구 자석(7)이 발하는 자속이 인접하는 영구 자석(7)의 다른 극으로 흐르는 자로(의 폭)를 자기 포화될 정도로 좁게 하므로, 인접하는 영구 자석(7)끼리 자속 단락을 발생해 버리는 것을 억제하게 된다. 즉, 이것에 따르면, 영구 자석으로부터 발생된 계자 자속이, 고정자를 통과하지 않고, 당해 회전자 내에서 단락되어 버리는 것이 해소되고(자속 단락 방지 효과), 그것에 의해 영구 자석식 전동기의 고토크·고효율화가 가능해진다.

또한, 상술한 바와 같이 릴럭턴스 토크를 발생시키기 위해, 상기 q축의 자로를 가능한 한 좁게, 즉, 상술한 q축 구멍(13)의 면적을 가능한 한 넓게 설정하는 것이 바람직하지만, 그러나 그 경우 당해 q축 구멍(13)의 형성에 의해, 코어용 철판(51B)의 강도, 특히 당해 q축 구멍(13)의 형성 위치의 근방에 있어서의 철판 강도가 저하되어 버린다. 따라서, 본 발명에서는 상기 도 5의 (A) 또는 도 5의 (B)에도 도시하는 바와 같이, 모든 코어용 철판(51)에 상기 q축 구멍(13)을 형성하는 것이 아니라, 그 일부인 제2 코어용 철판(51B)에만 당해 q축 구멍(13)을 형성함으로써, 회전자 철심(5)에 필요한 기계적 강도를 확보하고 있다.

혹은, 상기 도 5의 (C)에도 도시하는 바와 같이, 회전자 철심(5)의 양단부(도면의 상하 단부)에 위치하는 철판으로 제1 철판(51A)을, 그리고 그 사이에 위치하는 철판으로는 제2 철판(51B)을 사용하는 경우에는, 형성된 상기 q축 구멍(13)의 내부에는, 예를 들어 접착제, 경화성 수지 등을 충전하는 것이 바람직하다. 이것에 따르면, 당해 q축 구멍(13)의 내부에 충전된 수지에 의해, 회전자 철심에 필요한 기계적 강도를 확보할 수 있는 동시에, 코어용 철판(51) 사이의 접합을 강화하는 것도 가능해져, 회전자 철심의 기계적 강도를 더욱 강화하는 것이 가능해진다. 또한, 당해 q축 구멍(13)의 내부에의 수지의 충전은, 상기 도 5의 (A) 또는 도 5의 (B)에 도시한 구조에 있어서도 동일하게 적용하는 것이 가능하다.

상기에서 상세하게 서술한 본 발명의 일 실시예가 되는 영구 자석식 회전 전기 기기에 따르면, 특히 그 회전자 철심을 구성하는 코어용 철판(51)에 있어서, 영구 자석으로부터 발생하는 계자 자속이 자속 단락되는 경우에 자기 포화되기 쉬운 자로, 즉 당해 q축 구멍(13)에 의해 좁혀진 자로를 통과하지 않으면 안 되므로, 회전자 내에서의 자속 단락을 억제하는 것, 즉 자속 단락 방지 효과를 더욱 높일 수 있다. 또한, 그때 강도가 약한 제2 철판(51B)뿐만 아니라, 비교적 강도가 강한 제1 철판(51A)도 더하여 교대로 적층함으로써, 회전자의 기계적 강도가 유지된다. 또한, 적층되는 제2 코어용 철판(51B)을 포함하는 회전자의 기계적 강도는, 당해 q축 구멍(13)에 수지를 충전함으로써도 확보할 수 있고, 따라서 자속 단락의 억제와 함께, 회전자의 기계적 강도도 양립하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명의 다른 실시예, 특히 회전자를 구성하는 제2 코어용 철판(51B)에 형성되는 상기 q축 구멍(13)의 다른 형상에 대해, 첨부한 도 6 및 도 7을 참조하면서 이하에 설명한다.

우선, 도 6에 도시하는 코어용 철판(51B)에 형성되는 q축 구멍(13)은, 도면으로부터도 명백한 바와 같이, 상기 도 4에 도시한 q축 구멍(13)을 2개의 부분(13-1, 13-2)으로 분할하고, 그 사이에 자속 포화되지 않는 폭의 자로(13-3)를 설치함으로써, 기계적 강도의 저하를 방지하는 것이다. 즉, 이러한 형상의 q축 구멍(13)에 따르면, 양측에 인접하는 플럭스 배리어용 구멍(12)과 당해 q축 구멍(13) 사이에 형성되는 자로가 절반이 되므로, 코어용 철판(51B)에 의한 자속 단락 방지 효과를 더욱 높일 수 있다.

또한, 도 7에는 당해 q축 구멍(13)과 그 양측의 플럭스 배리어용 구멍(12) 사이에 형성되는 한 쌍의 자로 중 한쪽을 절단하고, 즉 한쪽의 구멍(12')을 상기 q축 구멍(13)에 연결함으로써 자속 단락 방지 효과를 증대시키는 것이다. 또한, 이 경우에 있어서도 그 내부에는, 예를 들어 접착제, 경화성 수지 등을 충전하는 것이, 기계적 강도를 확보하는 면에서도 바람직할 것이다.

1 : 영구 자석식 전동기
2 : 고정자
3 : 슬롯
5 : 회전자 철심
6 : 회전자
7 : 영구 자석
8 : 회전축
11 : 자석 삽입 구멍
12, 12' : 플럭스 배리어(구멍)
13, 13-1, 13-2 : q축 구멍
13-3 : 협폭의 자로
51, 51A, 51B : 코어용 철판

Claims

원통 형상의 철심의 내부에 전기자 권선을 설치한 고정자와,
상기 고정자의 내부에 회전 가능하게 보유 지지된 회전자를 갖고,
당해 회전자를, 원반 형상의 전자기 강판을 적층하여 이루어지는 회전자 철심의 일부에 복수의 영구 자석을 등간격으로 매립한 자석 매립형 회전자로 한 영구 자석식 회전 전기 기기에 있어서,
상기 회전자 철심은, 적어도 상기 영구 자석을 삽입하기 위한 자석 삽입 구멍과, 당해 자석 삽입 구멍의 양단부에 자속 단락 방지용으로 형성한 플럭스 배리어용 구멍을 형성한 제1 전자기 강판과, 상기 자석 삽입 구멍과 상기 플럭스 배리어용 구멍에 더하여, 또한 q축 부근에 q축 구멍을 형성한 제2 전자기 강판을 적층하여 형성한 것인 것을 특징으로 하는, 영구 자석식 회전 전기 기기.
제1항에 있어서, 상기 회전자 철심은, 적어도 그 양단부에 적층되는 전자기 강판을, 상기 제1 전자기 강판으로 한 것을 특징으로 하는, 영구 자석식 회전 전기 기기.
제2항에 있어서, 상기 회전자 철심은, 상기 양단부에 적층된 전자기 강판에 더하여, 다른 적층된 전자기 강판의 일부에도 상기 제1 전자기 강판을 적층한 것을 특징으로 하는, 영구 자석식 회전 전기 기기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 철심을 구성하는 상기 제2 전자기 강판에 형성된 상기 q축 구멍의 내부에, 수지를 충전한 것을 특징으로 하는, 영구 자석식 회전 전기 기기.
제1항에 있어서, 상기 제2 전자기 강판은, 상기 형성된 상기 q축 구멍에 의해, 그 외주측의 자로 및 당해 q축 구멍과 상기 플럭스 배리어용 구멍 사이에 형성되는 자로가, 상기 복수의 영구 자석의 인접하는 자극 사이에서 단락되는 자속을 포화시키는 데 충분한 협소함이고, 또한 그 내주측이, 상기 영구 자석을 내접하는 동심원 d의 반경으로부터 자석의 두께를 빼고 얻어지는 반경인 동심원 e보다도 외측이 되도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 영구 자석식 회전 전기 기기.
제1항에 있어서, 상기 제2 전자기 강판에 형성된 상기 q축 구멍을 자기 포화되지 않을 정도의 폭을 갖는 직경 방향의 자로에 의해 복수로 분할한 것을 특징으로 하는, 영구 자석식 회전 전기 기기.
제1항에 있어서, 상기 제2 전자기 강판에 형성된 상기 q축 구멍은, 그 양측에 인접하여 형성된 상기 플럭스 배리어용 구멍 중 어느 한쪽에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 영구 자석식 회전 전기 기기.