KR20120063452A

KR20120063452A - 전동기

Info

Publication number: KR20120063452A
Application number: KR1020110130506A
Authority: KR
Inventors: 소지 무라카미
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2010-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2012-06-15
Also published as: US20120139386A1; JP2012125016A; EP2463988A2; CN102570636A; JP5413358B2

Abstract

실시형태에 따른 전동기는, 로터 코어와, 로터 코어에 대하여 반경방향으로 대향하도록 마련되는 스테이터 코어와, 로터 코어의 외주부 근방에 매립되는 영구자석을 구비하며, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 영구자석의 1 자극분의 반경방향의 갭 길이가, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 식으로 규정되는 갭 길이에 따른 갭 길이가 되도록 하는 형상으로, 로터 코어의 외주부 및 스테이터 코어의 내주부가 형성되어 있다.

Description

전동기{ELECTRIC MOTOR}

개시의 실시형태는 전동기에 관한 것이다.

종래, 로터 코어의 외주부 근방에 영구자석이 매립되어 있는 전동기가 알려져 있다(예를 들면, 일본 공개 특허 제 2000-197292 호 공보 참조).

상기 공보에는, 회전자 철심(로터 코어)의 외주부 근방에 영구자석이 매립되어 있는 영구자석형 전동기의 영구자석형 회전자가 개시되어 있다. 이 영구자석형 전동기에서는, 회전자 철심에 대하여 반경방향으로 대향하도록 고정자 철심(스테이터 코어)이 마련되어 있다. 또한, 이 영구자석형 전동기에서는, 회전자 철심의 외주부의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분을 1개의 원호에 의해 구성되는 형상으로 형성함으로써, 회전자 철심의 외주부와 고정자 철심의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파에 가까운 분포로 하고 있다. 이것에 의해, 유기 전압의 파형을 정현파에 가깝게 하는 동시에, 코깅 토크(cogging torque)나 토크의 맥동을 저감시킬 수 있어, 전동기의 성능을 향상시킬 수 있다.

일본 공개 특허 제 2000-197292 호 공보

그러나, 상기 공보에 기재된 영구자석형 전동기에서는, 회전자 철심의 외주부의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분을 1개의 원호에 의해 구성되는 형상으로 형성하고 있으므로, 회전자 철심의 외주부와 고정자 철심의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파에 보다 가깝게 하는 것이 곤란한 것으로 생각된다. 이 때문에, 상기 특허문헌 1에서는, 유기 전압의 파형을 정현파에 보다 가깝게 하는 동시에, 코깅 토크나 토크의 맥동을 보다 저감시키는 것이 곤란한 것으로 생각되므로, 전동기의 성능을 보다 향상시키는 것이 곤란하다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 본 발명의 하나의 목적은 로터 코어와 스테이터 코어 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파에 보다 가깝게 하는 것에 의해 전동기의 성능을 보다 향상시키는 것이 가능한 전동기를 제공하는 것이다.

실시형태의 일 태양에서는, 전동기는, 로터 코어와, 로터 코어에 대하여 반경방향으로 대향하도록 마련되는 스테이터 코어와, 로터 코어의 외주부 근방에 매립되는 영구자석을 구비하며, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 영구자석의 1 자극분의 반경방향의 갭 길이가, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 하기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록 하는 형상으로, 로터 코어의 외주부 및 스테이터 코어의 내주부가 형성되어 있다.

[수학식 1]

상기의 수학식 1에 있어서, x는, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이를 통과하는 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 원 상의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙으로부터 원 상을 따라 측정한 거리, l_max는 l의 최대값, l_min은 l의 최소값, τ는 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이를 통과하는 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 원의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 길이를 각각 나타낸다.

이러한 하나의 국면에 의한 전동기에서는, 상기와 같이, 로터 코어의 외주부 및 스테이터 코어의 내주부를, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 영구자석의 1 자극분의 반경방향의 갭 길이가, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록 하는 형상으로 형성한다. 이것에 의해, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 상기의 수학식 1에 근거하여, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파에 보다 가깝게 할 수 있다. 그 결과, 유기 전압의 파형을 정현파에 보다 가깝게 할 수 있는 동시에, 코깅 토크나 토크의 맥동을 보다 저감할 수 있으므로, 전동기의 성능을 보다 향상시킬 수 있다.

도 1은 일 실시형태에 따른 전동기의 단면도,
도 2는 일 실시형태에 따른 전동기의 스테이터 및 로터를 도시한 평면도,
도 3은 일 실시형태에 따른 전동기 로터를 도시한 평면도,
도 4는 일 실시형태에 따른 전동기의 스테이터 및 로터의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분을 도시한 도면,
도 5는 일 실시형태에 따른 전동기 로터 코어의 외형을 도시한 도면,
도 6은 일 실시형태에 따른 전동기 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 식의 도출 과정을 설명하기 위한 도면,
도 7은 일 실시형태에 따른 전동기의 유기 전압의 파형을 도시한 도면,
도 8은 일 실시형태의 제 1 변형예에 따른 로터를 도시한 평면도,
도 9는 일 실시형태의 제 1 변형예에 따른 스테이터 및 로터의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분을 도시한 도면,
도 10은 일 실시형태의 제 2 변형예에 따른 스테이터 및 로터를 도시한 평면도,
도 11은 일 실시형태의 제 2 변형예에 따른 스테이터 및 로터의 인접하는 슬롯 사이의 부분을 도시한 도면,
도 12는 일 실시형태의 제 3 변형예에 따른 로터를 도시한 평면도.

이하, 본 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다.

우선, 도 1을 참조하여, 전동기(100)의 구성에 대해서 설명한다.

도 1에 도시하는 바와 같이, 전동기(100)는 스테이터(1)와, 로터(2)와, 베어링(3)과, 브래킷(4)과, 프레임(5)을 구비하고 있다.

스테이터(1)와 로터(2)는 프레임(5)의 내부에 배치되어 있다. 또한, 스테이터(1)와 로터(2)는 로터(2)의 반경방향으로 대향하도록 배치되어 있다. 또한, 프레임(5)의 양단에는, 각각 브래킷(4)이 장착되어 있다. 브래킷(4)에는, 각각 볼 베어링 등으로 이루어지는 베어링(3)이 장착되어 있다. 또한, 로터(2)에는, 로터(2)를 관통하도록 후술하는 샤프트(22)가 마련되어 있다. 이러한 샤프트(22)는 브래킷(4)에 마련되는 한쌍의 축 구멍(4a)에 각각 베어링(3)을 거쳐서 회전 가능하게 지지되어 있다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 스테이터(1)는 9개의 슬롯(12)이 형성된 스테이터 코어(11)와, 코일(13)에 의해 구성되어 있다. 이들 9개의 슬롯(12)은 스테이터 코어(11)의 내측에 형성되어 있다. 각 슬롯(12)은 로터 코어(21)의 회전방향을 따르는 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 또한, 스테이터 코어(11)는 로터(2)의 후술하는 로터 코어(21)에 대하여 반경방향으로 대향하도록 소정의 공간(갭)을 두고서 마련되어 있다. 또한, 스테이터 코어(11)는 예를 들어 전자강판을 적층하여 형성된다. 코일(13)은 슬롯(12) 사이에 집중권 또는 분포권에 의해 권회되어 있다. 또한, 인접하는 2개의 슬롯(12) 사이의 스테이터 코어(11)의 부분은 티스부(14)를 구성하고 있다. 또한, 스테이터 코어(11)의 외주부는 요크부(15)를 구성하고 있다.

또, 도 2 및 도 3에 도시하는 바와 같이, 로터(2)는 로터 코어(21)와, 샤프트(22)와, 6개의 영구자석(23)으로 구성되어 있다. 로터 코어(21)는 예를 들어 전자강판을 적층하여 형성된다. 또한, 샤프트(22)는 로터 코어(21)의 중심을 관통하도록 마련되어 있다. 또한, 6개의 영구자석(23)은 로터 코어(21)의 외주부 근방에 매립되어 있다. 구체적으로는, 6개의 영구자석(23)은 각각 로터 코어(21)의 외주부 근방에 형성되는 6개의 구멍부(24)에 매립되어(끼워넣어져) 있다. 또한, 이들 6개의 영구자석(23)은 외주측의 자극(N극, S극)이 회전방향을 따라 1개씩 교대로 반대가 되도록 배치되어 있다. 또한, 각 영구자석(23)은 로터 코어(21)의 회전방향을 따르는 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 또한, 각 영구자석(23)으로부터 발생하는 자속은 스테이터 코어(11)와 로터 코어(21) 사이의 공간(갭)에서 대략 반경방향으로 흐른다. 또한, 각 구멍부(24)에 끼워넣어진 각 영구자석(23)의 로터 코어(21)의 회전방향을 따르는 방향의 양단부에는, 공극(25)이 마련되어 있다.

여기에서, 본 실시형태에서는, 도 3 내지 도 5에 도시하는 바와 같이, 로터 코어(21)의 외주부는, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 영구자석(23)의 1 자극분의 반경방향의 갭 길이[로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 공간(갭)의 길이]가 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 하기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록 하는 형상으로 형성되어 있다. 또한, 도 3 및 도 4의 일점쇄선으로 도시한 형상은, 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이가 영구자석(23)의 1 자극분의 전체에 걸쳐서 하기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하도록 로터 코어(21)의 외주부를 형성했을 경우에 있어서의 로터 코어(21)의 외주부의 형상(이론 형상)을 나타내고 있다.

[수학식 2]

또한, 상기의 수학식 2에 있어서, x는, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이를 통과하는 로터 코어(21)의 중심을 중심으로 하는 원(C1)(도 3 및 도 4 참조) 상의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙으로부터 원(C1) 상을 따라 측정한 거리[도 3 및 도 4의 X1축을 따라 점(O1)으로부터 측정한 거리]를 나타낸다. 또한, l_max는 갭 길이(l)의 최대값(도 4 참조)을 나타내고, l_min은 갭 길이(l)의 최소값(도 4 참조)을 나타낸다. 또한, τ₁은 원(C1)의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분의 길이(도 3 참조)를 의미한다. 또한, 상기의 수학식 2의 도출 과정에 대해서는 후술한다.

또, 본 실시형태에서는, 도 4에 도시하는 바와 같이, 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록, 로터 코어(21)의 외주부의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분이 서로 연속하는 2개의 원호부(26 및 27)[제 1 원호부 및 제 2 원호부(도 5 참조)]에 의해 구성되는 형상으로 형성되어 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 스테이터 코어(11)의 내주부는 로터 코어(21)의 중심(O)을 중심으로 하는 대략 진원형상(도 2 참조)으로 형성되어 있다.

도 4에 도시하는 바와 같이, 원호부(26)는 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이가 최소가 되는 부분(점 P1)을 갖는 동시에, 그 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있다. 또한, 원호부(27)는 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이가 최대가 되는 부분(점 P2)을 갖는 동시에, 그 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 원호부(26)의 중심 및 원호부(27)의 중심은 각각 로터 코어(21)의 중심(O)에 대하여 벗어난 위치에 설정되어 있다. 구체적으로는, 도 5에 도시하는 바와 같이, 로터 코어(21)의 중심(O)을 원점으로 하는 XY 직교 좌표계에서, 원호부(26)의 중심 좌표(x1, y1)는 -0.1R0≤x1≤0.1R0, 또한 0≤y1≤0.7R0에 의해 규정되는 범위로 설정되어 있다. 또한, 원호부(27)의 중심 좌표(x2, y2)는 -0.6R0≤x2≤0, 또한 -0.6R0≤y2≤0.5R0에 의해 규정되는 범위로 설정되어 있다. 이에 의해, 원호부(26) 및 원호부(27)를 이용하여, 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 하는 것이 가능하다. 또한, R0은 로터 코어(21)에 외접하는 동시에 로터 코어(21)의 중심을 중심으로 하는 원(C2)의 반경을 의미한다. 여기에서, 원호부(26)의 반경(R1)은 원(C2)의 반경(R0)보다도 작아지도록 설정되어 있다.

또, 본 실시형태에서는, 로터 코어(21)의 중심(O)을 원점으로 하는 XY 직교 좌표계(도 5 참조)에서, Y축과, 원점(O)과 원호부(26) 및 원호부(27)가 접속하는 점(Q)을 연결하는 직선이 이루는 각도(θ)는 0.225θp≤θ≤0.275θp에 의해 규정되는 범위로 설정되어 있다. 또한, θp는 상기한 원(C2)의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분의 중심각(60°)을 의미한다.

다음에, 도 6을 참조하여, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 갭 길이(l)를 규정하는 상기의 수학식 2의 도출 과정에 대해서 설명한다.

도 6은, 본 실시형태에 의한 스테이터 코어(11) 및 로터 코어(21)와 각각 동일한 구성을 갖는 스테이터 코어(11a) 및 로터 코어(21a)를 직선상에 전개한 이미지도이다. 이러한 도 6에 도시하는 X1축은 상기 도 3 및 도 4에 도시한 X1축에 대응하고 있다. 또한, 이 도 6에서는, 스테이터 코어(11a)에 마련되는 슬롯이나, 로터 코어(21a)의 영구자석(23a)이 끼워넣어지는 구멍부 등의 도시를 생략하고 있다.

우선, 도 6에 있어서, 영구자석(23a)으로부터 발생하는 동시에 로터 코어(21a)와 스테이터 코어(11a) 사이의 공간(갭)의 소정 위치(위치 x)를 흐르는 자속(φ)은 x의 함수 φ(x)로서 나타내진다. 마찬가지로, 로터 코어(21a)와 스테이터 코어(11a) 사이의 공간(갭)의 소정 위치(위치 x)에서의 자기 저항(R) 및 갭 길이(l)는 각각 x의 함수 R(x) 및 l(x)로서 나타내진다.

다음에, 인접하는 2개의 영구자석(23a) 사이에서 N극으로부터 S극을 향해서 발생하는 자속 φ(x)에 대응하는 자기 회로(50)를 상정한다. 여기에서, 인접하는 2개의 영구자석(23a) 중 한쪽의 X1축 방향의 중심을 X1축의 원점(O1)이라고 하고, 다른쪽의 X1축 방향의 중심을 x=τ₁이라고 한다. 이 경우, 자기 회로(50)는 평면적으로 보아서 x=τ₁/2의 위치에서 X1축에 직교하는 방향으로 연장되는 직선(L)에 대하여 선대칭이 된다.

상기와 같이 상정한 자기 회로(50)의 내부를 통과하는 자속 φ(x), 및 자기 회로(50)의 자기 저항 R(x)은 각각 하기의 수학식 3 및 4에 의해 나타내진다. 여기에서, 갭 이외의 부분의 자기 저항은 무시한다.

[수학식 3]

[수학식 4]

또한, 상기의 수학식에 있어서, F는 영구자석(23a)의 기자력, ρ는 로터 코어(21a)와 스테이터 코어(11a) 사이의 공간(갭)의 자기 저항률, ΔS는 자기 회로(50)의 단면적을 각각 나타낸다.

이것에 의해, 로터 코어(21a)와 스테이터 코어(11a) 사이의 공간(갭)의 소정 위치(위치 x)에 있어서의 자속 밀도 B(=φ/ΔS)는 상기의 수학식 3 및 4에 근거하여, 하기의 수학식 5에 의해 나타내진다.

[수학식 5]

여기에서, 로터 코어(21a)와 스테이터 코어(11a) 사이의 공간(갭)의 소정 위치(위치 x)에 있어서의 자속 밀도 B(x)의 분포가 정현파형상이 되기 위해서는, 하기의 수학식 6이 성립할 필요가 있다.

[수학식 6]

또한, 상기의 수학식 6에 있어서, A 및 B는 소정의 정수이다.

상기의 소정의 정수 A 및 B는, x=0일 때, l=l_min[갭 길이(l)의 최소값]이라고 하는 조건과, x=τ₁/2일 때, l=l_max[갭 길이(l)의 최대값]이라고 하는 조건에 근거하여 결정된다. 그리고, 이와 같이 결정한 A 및 B에 근거하여 상기의 수학식 6을 다시 쓰면, 상기의 수학식 2가 얻어진다.

이와 같이 하여, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포가 정현파형상이 되는 경우에 있어서의 갭 길이(l)를 규정하는 상기의 수학식 2가 도출된다.

다음에, 도 7을 참조하여, 본 실시형태에 따른 전동기(100)의 유기 전압의 파형에 대해서 설명한다.

도 7의 점선의 그래프는, 본 실시형태에 대응하는 전동기[로터 코어의 외주부를 2개의 원호부에 의해 구성되는 형상으로 형성하는 동시에, 스테이터 코어의 외주부를 대략 진원형상으로 형성하고, 로터 코어와 스테이터 코어 사이의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 한 전동기]를 제작하고, 로터를 소정의 회전 속도로 회전시키고, 그 회전 각도(전기각=실제의 회전각/자극수)에 대한 유기 전압의 변화를 실측에 의해 구한 결과를 나타내는 그래프이다.

한편, 도 7의 실선의 그래프는, 본 실시형태에 따른 전동기(100)를 소정의 회전 속도로 회전시키는 것을 상정하여, 그 회전 각도(전기각)에 대한 유기 전압의 변화를 시뮬레이션(해석)에 의해 구한 결과를 나타내는 그래프이다.

도 7에 도시하는 바와 같이, 실선의 그래프 및 점선의 그래프는 대략 겹쳐진다. 또한, 실선의 그래프 및 점선의 그래프의 양쪽 모두, 정현파형상의 파형을 갖는 것이 판명되었다. 이것에 의해, 로터 코어의 외주부를 2개의 원호부에 의해 구성되는 형상으로 형성하는 동시에, 스테이터 코어의 외주부를 대략 진원형상으로 형성하고, 로터 코어와 스테이터 코어 사이의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 한 전동기의 유기 전압의 파형이 정현파형상이 되는 것이 실험적으로도 시뮬레이션적으로도 확인되었다.

본 실시형태에서는, 상기와 같이, 로터 코어(21)의 외주부를, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 영구자석(23)의 1 자극분의 반경방향의 갭 길이가, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록 하는 형상으로 형성한다. 이것에 의해, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 상기의 수학식 2에 근거하여, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파에 보다 가깝게 할 수 있다. 그 결과, 유기 전압의 파형을 정현파에 보다 가깝게 할 수 있는 동시에, 코깅 토크나 토크의 맥동을 보다 저감할 수 있으므로, 전동기(100)의 서보(servo) 성능을 보다 향상시킬 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록, 로터 코어(21)의 외주부의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분을, 서로 연속하는 2개의 원호부[원호부(26) 및 원호부(27)]에 의해 구성되는 형상으로 형성하는 동시에, 스테이터 코어(11)의 내주부를 로터 코어(21)의 중심(O)을 중심으로 하는 대략 진원형상으로 형성한다. 이것에 의해, 서로 연속하는 2개의 원호부[원호부(26) 및 원호부(27)]와, 대략 진원형상으로 형성한 스테이터 코어(11)의 내주부에 의해, 용이하게, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 원호부(26)를, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최소가 되는 부분(점 P1)을 갖는 동시에, 원호부(26)와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성한다. 또한, 원호부(27)를, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최대가 되는 부분(점 P2)을 갖는 동시에, 원호부(27)와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성한다. 여기에서, 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 공간(갭)에서 흐르는 자속은 그 갭 길이가 커짐에 따라서 반경방향으로 흐르기 어려워진다. 따라서, 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이가 큰 부분의 자속 밀도는 로터 코어(21)의 외주부의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부에 비해서 작아진다. 따라서, 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이가 큰 부분의 로터 코어(21)의 형상이 코깅 토크나 토크의 맥동 등의 전동기(100)의 성능에 미치는 영향은, 로터 코어(21)의 외주부의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부와 그 근방의 부분의 로터 코어(21)의 형상이 전동기(100)의 성능에 미치는 영향에 비해서 작다. 그러므로, 본 실시형태와 같이, 로터 코어(21)의 외주부를 원호부(26) 및 원호부(27)에 의해 구성되는 형상으로 형성하고, 로터 코어(21)와 스테이터 코어(11) 사이의 갭 길이가 최대가 되는 부분의 근방 이외에서의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 하는 것에 의해, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파에 가깝게 할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 원호부(26)의 중심 및 원호부(27)의 중심을, 각각 로터 코어(21)의 중심(O)에 대하여 벗어난 위치에 설정한다. 이것에 의해, 원호부(26) 및 원호부(27)에 의해, 용이하게, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 원호부(26)의 반경(R1)을, 로터 코어(21)에 외접하는 원(C2)의 반경(R0)보다도 작아지도록 설정한다. 또한, 바람직하게는, 원호부(27)의 반경(R2)을, 로터 코어(21)에 외접하는 원(C2)의 반경(R0)보다도 커지도록 설정한다. 이것에 의해, 상이한 반경을 갖는 원호부(26) 및 원호부(27)에 의해, 용이하게, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 할 수 있다.

또, 본 실시형태에서는, 상기와 같이, 로터 코어(21)의 중심(O)을 원점으로 하는 XY 직교 좌표계에서의 원호부(26)(제 1 원호부)의 중심 좌표(x1, y1)를, -0.1R0≤x1≤0.1R0, 또한 0≤y1≤0.7R0에 의해 규정되는 범위로 설정한다. 또한, 원호부(27)(제 2 원호부)의 중심 좌표(x2, y2)를, -0.6R0≤x2≤0, 또한 -0.6R0≤y2≤0.5R0에 의해 규정되는 범위로 설정한다. 또한, 로터 코어(21)의 중심(O)을 원점으로 하는 XY 직교 좌표계에서, Y축과, 원점(O)과 원호부(26) 및 원호부(27)가 접속하는 점을 연결하는 직선이 이루는 각도(θ)를, 0.225θp≤θ≤0.275θp에 의해 규정되는 범위로 설정한다. 이것에 의해, 로터 코어(21)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이를 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 할 수 있다.

또한, 여기에 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것이 아닌 것으로 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시형태의 설명이 아니라 특허청구의 범위에 의해 나타내고, 또한 특허청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함된다.

예를 들면, 상기 실시형태에서는, 로터 코어의 외주부의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분을, 서로 연속하는 2개의 원호부에 의해 구성되는 형상으로 형성함으로써, 로터 코어와 스테이터 코어 사이의 갭 길이를 상기의 수학식 2에 의해 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 하는 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 로터 코어와 스테이터 코어 사이의 갭 길이가 상기의 수학식 2에 의해 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되는 것이라면, 로터 코어의 외주부의 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분을, 3개 이상의 원호부에 의해 구성되는 형상으로 형성해도 좋고, 원호형상 이외의 형상을 갖는 곡선부 또는 직선부에 의해 구성되는 형상으로 형성해도 좋다.

또, 로터 코어의 외주부를, 도 3 및 도 4의 일점쇄선으로 도시한 바와 같은 이론 형상으로 형성함으로써, 로터 코어와 스테이터 코어 사이의 갭 길이가 영구자석의 1 자극분의 전체에 걸쳐서 상기의 수학식 2에 의해 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 해도 좋다. 이렇게 하면, 로터 코어의 외주부와 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파에 더욱 가깝게 할 수 있다.

또, 도 8 및 도 9에 도시하는 제 1 변형예와 같이, 로터 코어(21b)의 외주부의 영구자석(23)의 1 자극분에 대응하는 부분을, 서로 연속하는 1개의 원호부(28)와 1개의 직선부(29)에 의해 구성되는 형상으로 형성해도 좋다. 이러한 제 1 변형예에서는, 원호부(28)는, 로터 코어(21b)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최소가 되는 부분(점 P3)을 갖는 동시에, 그 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있다. 또한, 직선부(29)는, 로터 코어(21b)의 외주부와 스테이터 코어(11)의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최대가 되는 부분(점 P4)을 갖는 동시에, 그 갭 길이가 상기의 수학식 2로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있다.

또, 도 10 및 도 11에 도시하는 제 2 변형예와 같이, 스테이터 코어(11b)의 내주부의 인접하는 슬롯(12) 사이에 위치하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지를, 서로 연속하는 2개의 원호부(16)(제 1 원호부) 및 원호부(17)(제 2 원호부)에 의해 구성되는 형상으로 형성함으로써, 로터 코어(21c)와 스테이터 코어(11b) 사이의 갭 길이를 하기의 수학식 7에 의해 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이로 해도 좋다. 또한, 이러한 제 2 변형예에서는, 로터 코어(21c)의 외주부는 대략 진원형상으로 형성되어 있다.

[수학식 7]

상기의 수학식 7에 있어서, x는, 로터 코어(21c)의 외주부와 스테이터 코어(11b)의 내주부 사이를 통과하는 로터 코어(21c)의 중심(O)을 중심으로 하는 원(C3) 상의 티스부(14)에 대응하는 부분의 중앙으로부터 원(C3) 상을 따라 측정한 거리[도 11의 X2축을 따라 점(O2)로부터 측정한 거리]를 나타낸다. 또한, l_max는 갭 길이(l)의 최대값(도 11 참조)을 나타내고, l_min은 갭 길이(l)의 최소값(도 11 참조)을 나타낸다. 또한, τ₂는 인접하는 슬롯(12) 사이의 원(C3)을 따른 방향의 거리[슬롯 피치(도 11 참조)]를 나타낸다. 또한, 상기의 수학식 7의 도출 과정은 상기의 수학식 2의 도출 과정과 동일하다.

도 11에 도시하는 바와 같이, 원호부(16)는, 로터 코어(21c)와 스테이터 코어(11b) 사이의 갭 길이가 최소가 되는 부분(점 P5)을 갖는 동시에, 그 갭 길이가 상기의 수학식 7로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있다. 또한, 원호부(17)는, 로터 코어(21c)와 스테이터 코어(11b) 사이의 갭 길이가 최대가 되는 부분(점 P6)을 갖는 동시에, 그 갭 길이가 상기의 수학식 7로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있다.

또, 상기 실시형태에서는, 로터 코어(21)의 외주부 근방에 6개의 영구자석(23)을 매립하는 동시에, 그 6개의 영구자석(23)을, 외주측의 자극(N극, S극)이 회전방향을 따라 1개씩 교대로 반대가 되도록 배치하는 예를 나타냈지만, 이것에 한정되지 않는다. 도 12에 도시하는 제 3 변형예와 같이, 로터 코어(21d)의 외주부 근방에 12개의 영구자석(23b)을 매립하는 동시에, 그 12개의 영구자석(23b)을, 외주측의 자극(N극, S극)이 회전방향을 따라 2개씩 교대로 반대가 되도록 배치해도 좋다. 이러한 제 3 변형예에서는, 외주측의 자극이 동일한 인접하는 2개의 영구자석(23b)이 V자형상으로 배치되어 있다. 구체적으로는, 외주측의 자극이 동일한 인접하는 2개의 영구자석(23b)은, 영구자석(23b)끼리에서 인접하고 있는 부분이 로터 코어(21d)의 중심(O)을 향하도록 각각 경사져서 배치되어 있다. 또한, 12개의 영구자석(23b)은 각각 로터 코어(21d)의 외주부 근방에 형성된 12개의 구멍부(24a)에 매립되어(끼워넣어져) 있다. 또한, 각 구멍부(24a)에 끼워넣어진 각 영구자석(23b)의 양단부에는, 공극(25a)이 마련되어 있다. 이렇게 하면, 외주측의 자극이 동일한 인접하는 2개의 영구자석(23b)(1 자극분)의 영구자석(23b)끼리에서 인접하고 있는 부분의 근방으로부터 로터 코어(21d)의 외주부측을 향해서 발생하는 자속을 증대시킬 수 있다.

100 : 전동기 1 : 스테이터
2 : 로터 11 : 스테이터 코어
21 : 로터 코어 23 : 영구 자석
26, 27, 28 : 원호부 29 : 직선부
l : 갭 길이

Claims

로터 코어와,
상기 로터 코어에 대하여 반경방향으로 대향하도록 마련되는 스테이터 코어와,
상기 로터 코어의 외주부 근방에 매립되는 영구자석을 구비하며,
상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 상기 영구자석의 1 자극분의 반경방향의 갭 길이가, 상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포를 정현파형상으로 하는 것이 가능한 하기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록 하는 형상으로, 상기 로터 코어의 외주부 및 상기 스테이터 코어의 내주부가 형성되어 있는
전동기.
[수학식 1]

상기의 수학식 1에 있어서, x는, 상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이를 통과하는 상기 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 원 상의 상기 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙으로부터 상기 원 상을 따라 측정한 거리, l_max는 l의 최대값, l_min은 l의 최소값, τ는 상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이를 통과하는 상기 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 상기 원의 상기 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 길이를 각각 나타냄.
제 1 항에 있어서,
상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록, 상기 로터 코어의 외주부 및 상기 스테이터 코어의 내주부 중 적어도 한쪽의 상기 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분이 서로 연속하는 복수의 원호부에 의해 구성되는 형상으로 형성되어 있는
전동기.
제 2 항에 있어서,
상기 복수의 원호부는 서로 연속하는 제 1 원호부와 제 2 원호부로 이루어지는 2개의 원호부에 의해 구성되는
전동기.
제 3 항에 있어서,
상기 로터 코어의 외주부의 상기 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분이 서로 연속하는 상기 제 1 원호부와 상기 제 2 원호부에 의해 구성되는 형상으로 형성되어 있는 동시에, 상기 스테이터 코어의 내주부가 상기 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 대략 진원형상으로 형성되어 있는
전동기.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 원호부는, 상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최소가 되는 부분을 갖는 동시에, 상기 제 1 원호부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있고,
상기 제 2 원호부는, 상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최대가 되는 부분을 갖는 동시에, 상기 갭 길이가 최대가 되는 부분의 근방 이외의 부분에서의 상기 제 2 원호부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있는
전동기.
제 5 항에 있어서,
상기 제 1 원호부의 중심 및 상기 제 2 원호부의 중심은 각각 상기 로터 코어의 중심에 대하여 벗어난 위치에 설정되어 있는
전동기.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 원호부의 반경은 상기 로터 코어에 외접하는 원의 반경보다도 작아지도록 설정되어 있는
전동기.
제 4 항에 있어서,
상기 로터 코어에 외접하는 동시에 상기 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 원의 반경을 R0이라고 하고, 상기 로터 코어에 외접하는 동시에 상기 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 원의 상기 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중심각을 θp라고 했을 경우에,
상기 로터 코어의 중심을 원점으로 하는 XY 직교 좌표계에서의 상기 제 1 원호부의 중심 좌표(x1, y1)는 -0.1R0≤x1≤0.1R0, 또한 0≤y1≤0.7R0에 의해 규정되는 범위로 설정되어 있고,
상기 XY 직교 좌표계에서의 상기 제 2 원호부의 중심 좌표(x2, y2)는 -0.6R0≤x2≤0, 또한 -0.6R0≤y2≤0.5R0에 의해 규정되는 범위로 설정되어 있고,
상기 XY 직교 좌표계에서, Y축과, 원점과 상기 제 1 원호부 및 상기 제 2 원호부가 접속하는 점을 연결하는 직선이 이루는 각도(θ)는 0.225θp≤θ≤0.275θp에 의해 규정되는 범위로 설정되어 있는
전동기.
제 1 항에 있어서,
상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기 영구자석의 1 자극분의 전체에 걸쳐서 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하도록 하는 형상으로, 상기 로터 코어의 외주부 및 상기 스테이터 코어의 내주부가 형성되어 있는
전동기.
제 1 항에 있어서,
상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 따른 갭 길이가 되도록, 상기 로터 코어의 외주부의 상기 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분이 서로 연속하는 1개의 원호부와 1개의 직선부에 의해 구성되는 형상으로 형성되어 있는 동시에, 상기 스테이터 코어의 내주부가 상기 로터 코어의 중심을 중심으로 하는 대략 진원형상으로 형성되어 있는
전동기.
제 10 항에 있어서,
상기 1개의 원호부는, 상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최소가 되는 부분을 갖는 동시에, 상기 1개의 원호부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있고,
상기 1개의 직선부는, 상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 최대가 되는 부분을 갖는 동시에, 상기 갭 길이가 최대가 되는 부분의 근방 이외에 있어서의 상기 1개의 직선부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 반경방향의 갭 길이가 상기의 수학식 1로 규정되는 갭 길이(l)에 대략 일치하는 갭 길이가 되도록 형성되어 있는
전동기.
로터 코어와,
상기 로터 코어에 대하여 반경방향으로 대향하도록 마련되는 스테이터 코어와,
상기 로터 코어의 외주부 근방에 매립되는 영구자석을 구비하며,
상기 로터 코어의 외주부와 상기 스테이터 코어의 내주부 사이의 자속 밀도의 분포가 정현파형상이 되도록, 상기 로터 코어의 외주부 및 상기 스테이터 코어의 내주부 중 적어도 한쪽의 상기 영구자석의 1 자극분에 대응하는 부분의 중앙부로부터 한쪽 단부까지의 부분이 서로 연속하는 복수의 원호부에 의해 구성되는 형상으로 형성되어 있는
전동기.