KR20130111288A

KR20130111288A - 영구 자석형 회전 전기

Info

Publication number: KR20130111288A
Application number: KR1020130024407A
Authority: KR
Inventors: 도루 사이토우; 이사무 닛타
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2012-03-29
Filing date: 2013-03-07
Publication date: 2013-10-10
Also published as: JP5596074B2; KR101434091B1; CN103368294B; JP2013208003A; CN103368294A

Abstract

본 발명은 영구 자석제 자극을 이루는 세그먼트 자석의, 전기자 반작용이나 과전류에 의한 내감자성의 향상을 도모한 영구 자석형 회전 전기를 제공한다.
다수의 티스를 갖는 고정자와 영구 자석제의 세그먼트 자석을 자극으로 하는 회전자를 갖는 영구 자석형 회전 전기에 있어서, 다수의 세그먼트 자석을 서로 간에 비자성 공간을 사이에 두고 원주 방향으로 배열되는 구성으로 하고, 또한 각 세그먼트 자석의 상기 계자 공극과 대향하는 측의 원주 방향 코너부의 형상을 상기 티스(3)의 선단이 그리는 회전 원통면과 세그먼트 자석(9)의 코너부(9a)의 대향 간격이 인접하는 세그먼트 자석(9)을 향함에 따라 서서히 확대되는 곡면형 형상으로 되도록 형성한다.

Description

영구 자석형 회전 전기{PERMANENT MAGNET TYPE ROTATING ELECTRIC MACHINE}

본 발명의 실시형태는, 회전자 자극이 영구 자석에 의해 구성된 영구 자석형 회전 전기(電機)에 관한 것이다.

이러한 종류의 회전 전기, 예를 들어 영구 자석형 브러시리스 모터(이하 간단히 영구 자석형 모터라고 함)는 전기자 권선이 실시된 티스를 갖는 고정자와, 상기 티스의 배열 원주면과 계자(界磁) 공극을 사이에 두고 대향하는, 다수의 영구 자석제 자극을 원주 방향으로 배열하여 이루어지는 회전자를 포함하여 이루어진다. 영구 자석제 자극으로서는, 플라스틱 분말에 자성 분말을 혼입하여 성형한 플라스틱 자석과, 자성 분말을 소결하여 이루어지는 소결 자석이 있다.

플라스틱 자석을 포함하여 이루어지는 회전자 자극은, 연속한 링 형상의 성형체로서 형성되어 그대로 원반 형상의 회전자 프레임에 수용된다. 이에 비해 소결 자석을 포함하여 이루어지는 회전자 자극에서는, 개개의 자석 즉 세그먼트 자석을 링 형상으로 연속하는 일체물로서 성형하여 소결하면, 반경 방향 두께가 변화하는 부분이 발생하여, 냉각에 수반하는 수축 응력에 의해 각 세그먼트 자석간에 깨짐을 발생시키는 것을 피할 수 없다.

따라서, 성형성 및 조립성의 점에서는 플라스틱 자석 회전자 쪽이 유리하지만, 소결 자석 회전자에 비해 자석의 단위 체적당 출력이 대폭 낮다. 플라스틱 자석이 비자성재인 플라스틱 분말(바인더)과 자성 분말의 혼합물인 것에 비해 소결 자석은 자성 분말만을 포함하여 이루어지므로 단위 체적당 출력이 크다. 이러한 종류의 영구 자석형 모터에서는, 가전 기기, 정보 통신 기기, 사무기기 등의 어느 기기에 사용되는 경우에도, 소형이며 고출력, 저소음이 강하게 요망되며, 이를 향한 개선의 노력이 되고 있다. 소형이며 고출력이라는 점에서는, 플라스틱 자석형보다도 소결 자석형 모터 쪽이 우수하고, 가격면에서도 후자 쪽이 상당히 저렴하다. 플라스틱 자석을 사용한 영구 자석형 모터의 저소음화를 도모하기 위한 구성이 특허문헌 1에 개시되어 있다. 이 특허문헌 1에 개시된 기술의 주 목적은, 유기 기전력의 정현파 근사성을 높여, 결과적으로 고조파 성분에 의한 출력 저하의 방지와 저소음화를 도모하고자 하는 것이며, 그로 인해 영구 자석의 고정자 티스와 대향하는 자극면을 극 중앙에서 최대 돌출 치수를 가지는 볼록 곡면으로 하고 또한 그 원주 방향 양단의 직경 방향 두께 치수를 극 중앙 두께 치수의 85 내지 88 ％로 하는 것을 개시하고 있다.

일본 특허 공개 제2003-319585호 공보

특허문헌 1에는 개시되어 있지 않지만, 소형이며 고출력을 얻기 위하여 영구 자석을 소결 자석으로 했을 경우, 전술한 바와 같이 회전자 자극은, 개개의 세그먼트 자석을 원반 형상 프레임에 개별적으로 접착하여 설치하게 되어, 처음부터 링 형상으로 일체 성형하는 플라스틱 자석의 경우와 상이하고, 배열된 세그먼트 자석의 원주 방향 상호 간에 접착재 등의 비자성 지지 부재를 사이에 두기 때문에 이 부분이 비자성 공극이 된다. 또는 지지 부재를 필요로 하지 않을 경우에도 공간이 불가피하게 발생한다. 발명자들은, 이 불가피하게 발생하는 자기적 공극이 모터 특성에 중대한 경시적 악영향을 주는 것을 밝혀 냈다.

본 발명의 실시형태는, 회전자 자극을 이루는 세그먼트 자석의 내감자성(耐減磁性)을 향상시킴으로써, 모터 특성, 특히 유기 기전력의 경시적 저하나 파형의 경시적 악화를 최대한 억제할 수 있는 영구 자석형 회전 전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이 목적을 달성하기 위한 영구 자석형 회전 전기는, 고정자 권선을 권회한 티스를 갖는 고정자와, 상기 티스와 계자 공극을 사이에 두고 대향하도록 또한 서로 간에 자기적 공극을 사이에 두고 원주 방향으로 배열되어 1극 1세그먼트 관계를 가지는 소결 영구 자석제의 세그먼트 자석을 갖는 회전자를 포함하여 이루어지는 회전 전기로서, 상기 각 세그먼트 자석은 자속 밀도가 극 중앙에서 높고 원주 방향 양단으로 나아감에 따라 점차 저하되는 집속 이방성을 갖고, 또한 각 세그먼트 자석의 상기 계자 공극과 대향하는 측의 원주 방향 코너부의 형상을 상기 티스의 선단이 그리는 원통면과 세그먼트 자석의 코너부의 대향 간격이 인접하는 세그먼트 자석 방향으로 나아감에 따라 서서히 확대되는 곡면 형상으로 형성한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 영구 자석형 모터의 주요부를 확대하여 도시하는 단면도이다.
도 2는 상기 모터의 고정자를 도시하는 사시도이다.
도 3은 상기 모터의 회전자의 사시도이다.
도 4는 상기 모터의 세그먼트 자석의 코너부의 곡면 형상의 설명도이다.
도 5는 세그먼트 자석의 형상과 감자율 및 유기 전압 변화율의 관계를 도시하는 도면이다.
도 6은 제2 실시형태의 도 4에 상당하는 도면이다.
도 7은 제3 실시형태의 도 4에 상당하는 도면이다.
도 8은 종래의 모터에 있어서의 도 1에 상당하는 도면이다.

이하, 제1 실시형태에 의한 영구 자석형 회전 전기, 예를 들어 영구 자석형 모터를 도 1 내지 도 5에 기초하여 설명한다. 도 2에 있어서, 고정자(1)는 전기자 권선(2)과, 이 전기자 권선(2)을 권회하는 다수의 티스(3)를 방사상의 원형 배열로 갖는 적층 강판제의 고정자 철심(4)을 포함하여 이루어지고, 설치 대상 기기, 예를 들어 세탁기의 모터 지지 프레임에 설치하기 위한 설치부(5)를 갖는다. 도 3에 도시한 바와 같이, 회전자(6)는 철제 로터 요크를 겸한 원반 형상의 회전자 프레임(7)과 이 회전자 프레임(7)의 환상부(8)의 내주면에 배열된 다수의 세그먼트 자석(9)을 포함하여 이루어진다.

회전자 프레임(7)의 평판부에는, 그 중앙에 회전축 지지용의 개구(10)를 갖고, 그 주위에 통풍공(11)을 갖는다. 상기 세그먼트 자석(9)에 의한 회전자 자극수와 상기 티스(3)에 의한 슬롯수의 비를 4:3으로 정하며, 이 실시형태에서는 48극, 36티스이다. 상기 세그먼트 자석(9)은 자성 분말, 예를 들어 페라이트 분말을 소결하여 1극 1세그먼트로 독립된 형태로 형성하고, 각각을 상기 회전자 프레임(7)의 환상부(8)의 내면에 원주 방향 배열이 되도록 개별적으로 접착에 의해 설치한다.

이 설치에 있어서, 링 형상으로 성형된 플라스틱제 영구 자석과 같이 인접하는 자석끼리가 전혀 간극이 없는 배열로 형성하는 것은 불가능하기 때문에, 도 1에 도시한 바와 같이 각 세그먼트 자석(9) 간에 불가피하게 간극(12)(도 3에서는 도시를 생략)이 발생한다. 그 이유는, 소결 자석은 분말을 굳히고 소성하여 냉각시키는 행정을 거치지만 그 냉각에서의 수축률이 크기 때문에 마무리 치수의 편차도 커지기 때문이다. 이 편차가 크면, 48개의 세그먼트 자석(9)을 회전자 프레임(7)의 환상부(8)에 배열할 때 최후의 1개를 넣을 간극이 없어질 우려가 있으며, 이를 피하기 위하여 환상부(8)의 둘레 길이에 여유를 두고, 그 여유 치수를 각 세그먼트 자석간에 균등한 간극(12)으로서 할당한다.

이에 따라, 각 세그먼트 자석간에 상기와 같은 간극(12)이 불가피하게 발생한다. 이 간극(12)은 공간이지만, 자기 특성적으로는 자기적 공극에 상당하면 좋으므로, 이 실시형태에서는, 간극(12)에 비자성 스페이서를 접착재와 함께 개재시켜서 세그먼트 자석(9)의 지지력을 강화한다.

이 세그먼트 자석(9)은 자속 수가 자극의 중앙에서 가장 높으며 원주 방향 양단으로 나아감에 따라 낮아지는 자기 이방성(집속 이방성)이 부여되어 있다. 즉, 자화 용이축(磁化容易軸)이 극 중앙 영역에서 반경 방향을 향해 극 중앙으로부터 이격됨에 따라 경사지는 특성을 갖는다. 이러한 자기 이방성을 전제로, 세그먼트 자석(9)의 상기 티스(3)의 선단과 계자 공극을 사이에 두고 대향하는 면에 있어서는, 그 면의 원주 방향 코너부(9a)의 형상을 도 1에 도시하는 바와 같이 각진 부분이 없는 매끄러운 곡면 형상으로 한다. 즉, 도 4에 도시한 바와 같이 티스(3)의 선단이 그리는 원통면(3a)과 세그먼트 자석(9)의 코너부(9a)의 대향 간격(L1)이 인접하는 세그먼트 자석(9)으로 나아감에 따라 서서히 확대되는 형상이다. 특히 이 실시형태에서는, 도 4에 도시한 바와 같이, 세그먼트 자석(9)의 계자 공극측의 면을 평탄면(9b)으로 하고, 코너부(9a)의 곡면 형상을 그 평탄면(9b)을 통과하는 직선(9c)에 정접(正接)하는 점(9d)를 가지는 원(9e)를 그리는 원호면 형상으로 한다. 도 4에서는 코너부(9a)가 원(9e)의 1/4원에 일치하는 원호이지만, 세그먼트 자석(9)의 원주 방향 단부면은 상상선(9f)으로 나타내는 바와 같이 1/4원 미만으로 잘려진 형상이어도 된다.

상기한 실시형태의 구성을 갖는 이 영구 자석형 브러시리스 모터는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다. 모터의 운전 상태에서는, 전기자 권선(2)으로부터의 자속에 의한 전기자 반작용을 완전히는 피할 수 없으며, 이로 인해 전기자 반작용에 의한 역방향 자계가 세그먼트 자석(9)에 작용하여 이 자석(9)이 감자 작용을 받는다. 이 감자 작용은 이상 부하가 걸린 대전류 시에 현저해진다. 이를 도 8에 도시하는 종래 구성에 의해 설명하면 전기자 권선의 통전에 의해 티스(92)로부터 발생한 자속(φ1)의 일부가 원주 방향으로 인접하는 2개의 세그먼트 자석(91) 간의 공극을 역방향(세그먼트 자석(91)으로부터의 자속(φ2)에 대하여 역방향)으로 통과하는 환류(역방향 자계)를 피할 수 없다.

이 역방향으로 환류하는 자속은, 2개의 세그먼트 자석간의 공극보다도 자기 저항이 작은 세그먼트 자석의 코너부(93)를 집중하여 통과하고, 이 코너부(93)가 자로(磁路) 길이가 짧은 각진 형상이면 그 집중이 한층 증가하여, 이 부분을 강하게 감자시킨다. 자석은 층이 얇을수록 역방향 자계에 의해 감자되기 쉽기 때문이다. 이 실시형태에서는, 세그먼트 자석(9)의 원주 방향 코너부(9a)의 형상을 곡면 형상으로 한 결과, 그 코너부(9a)의 상기 티스(3)의 회전면(3a)의 대향 간격(L1)이 세그먼트 자석(9)의 중앙 영역, 즉 평탄면(9b) 부분에 비해 원주 방향으로 나아감에 따라 서서히 확대되고, 그만큼 자기 저항이 증대된다.

그 결과, 코너부(9a)를 역방향 자속이 집중하여 통과하는 것이 완화되고, 또한 역방향 자계에 대한 자석층도 비교적 두꺼운 형상이 되므로, 이 부분의 내감자성의 저하가 면해진다. 또한, 이 실시형태가 발명의 대상으로 하는 모터와 같이 인접하는 자석간에 비자성 공극이 불가피하게 존재하는 경우, 세그먼트 자석의 코너부가 도 8과 같이 직각인 채이면, 이 공극(94)을 통하여 인접하는 이극(異極) 자석(9)으로부터 역방향 자속을 받아 감자 작용을 운전 정지 중에도 항상 받아 버린다. 이 실시형태에서는, 코너부(9a)가 곡면 형상이므로 인접하는 자석과의 사이의 자로 길이가 확대되므로 이러한 감자 작용도 회피할 수 있다.

또한, 세그먼트 자석(9)의 코너부(9a)가 경시적으로 감자되면 상기 자석의 전역에 설정된 당초의 자속 밀도의 정현파 분포도 경시적으로 변화하여, 기전력의 파형 왜곡이 확대된다. 이와 동시에 유기 기전력도 저하되므로 그 기전력의 크기를 데이터로 하는 토크 제어나 속도 제어에서는 제어 정밀도가 저하된다. 이에 비하여 이 실시형태에서는, 내감자성의 향상에 의해 모터의 전자기적 특성이 장기에 걸쳐 기대한 바대로 유지되므로, 유기 전압 파형의 경시적인 왜곡 변화, 따라서 경시적인 출력 저하, 경시적인 소음 증대의 방지를 기대할 수 있다. 또한, 기전력의 경시적 저하를 피할 수 있으므로 모터의 제어 상수를 바꾸지 않고, 기대한 바대로의 제어 정밀도, 양호한 모터 특성을 장기에 걸쳐 유지할 수 있다. 특히 이 실시형태의 모터와 같이 세그먼트 자석(9)이 48개로서 상당수에 달하는 구성에서는, 개개의 세그먼트 자석의 감자가 미치는 영향이 지극히 큰 것으로부터 보면 이 실시형태의 유용성은 지극히 높은 점이 있다.

이 실시형태의 실현에 이르는 테스트 데이터의 일부를 도 5에 도시한다. 도 5의 (A)는 테스트 자료인 로터의 세그먼트 자석(9)의 형상을 나타내고 있고, 이 세그먼트 자석(9)의 두께 비율 Z의 변화에 대한 자석의 감자율 α의 변화를 도 5의 (B)에, 유기 전압의 변화율 β을 도 5의 (C)에 도시하였다. 여기서 자석의 원주 방향 양단 이외의 주요 부분의 반경 방향의 평균적 두께를 Y라고 하고 그 양단의 코너부(9a)의 선단면의 두께를 X(X≤Y)라고 했을 때, X/Y를 두께 비율 Z라고 칭하고 있다. 코너부(9a)의 곡면의 시점을 P1이라고 하고, 곡면의 종점을 P2라고 했을 때 두께 X는 세그먼트 자석(9) 설치면(티스(3)와 대향하지 않는 측의 면)으로부터 상기 종점 P2까지의 치수를 말한다.

테스트는, 세그먼트 자석(9)의 코너부(9a)를 곡면의 시점 P1의 위치를 바꾸지 않고 X 치수를 변화시킨다(P2 위치를 변화시킴)는 형상 변경을 행하고(따라서 코너부(9a)의 곡률 반경이 변화함), 그 각 형상(각 두께 비율 Z)에 대하여 감자율 α 및 유기 전압의 변화율 β을 측정하였다. 이 측정은, 두께 비율 100 ％, 88 ％, 78 ％, 73 ％의 4단계에 대하여 행하여, 도 5의 (B) 및 (C)를 작성하였다. 여기서 유기 전압의 변화율 β은, X=Y로 했을 때의 유기 전압값에서, X를 Y에 대하여 변화시켰을 때의 유기 전압값을 나눈 값을 말한다.

도 5의 (B)에 의하면 두께 비율 Z의 값이 작아짐에 따라, 즉 코너부(9a)의 형상이 직사각형(Z=100％)으로부터 원에 가까워짐에 따라 감자율 α이 낮아지는 것, 즉 내감자성의 향상이 인정된다. 또한, 도 5의 (C)에 의하면, 두께 비율 Z가 작아짐에 따라 유기 기전력이 저하되는 것이 인정된다. 이것은 자석의 체적이 클수록 유기 기전력이 커지는 일반적 특성에 유래한다. 도 5의 (B) 및 (C)로부터 세그먼트 자석(9)의 코너부(9a)의 두께 비율 Z가 작아짐에 따라 내감자성이 상승하는 것에 대하여 유기 기전력이 저하되는 것이 인정되며, 이들 상반되는 특성을 고려하면 코너부(9a)의 형상은, 두께 비율 Z로 하면 90 ％를 초과하지 않고 바람직하게는 80 ％ 이하이며 또한 70 ％ 이상이 실용적이라고 평가할 수 있다.

이 실시형태에서는, 회전자 자극수인 세그먼트 자석수와 상기 티스에 의한 고정자 슬롯수의 비를 4:3으로 정하고 있으므로, 세그먼트 자석(9)의 코너부(9a)가 받는 감자 작용이 저하된다. 이는 세그먼트 자석(3)의 두께(직경 방향 치수)를 얇게 할 수 있는 것을 의미한다. 이에 비해 비율을 2:3으로 하면 세그먼트 자석(9a)의 전기각(電氣角) 폭이 티스(3)의 그것보다도 커져서 역방향 자계가 하나의 세그먼트 자석(9a)에 집중되어 버려, 내감자성이 저하된다.

도 6에 제2 실시형태로서 도시하는 바와 같이, 세그먼트 자석(9)의 티스(3)와 대향하는 면의 형태는, 도 4에서는 양 코너부(9a) 사이, 즉 중앙 구역을 평탄면(9b)으로 하는 것에 대하여 볼록 곡면(9g)을 이루는 형상이어도 된다. 이 경우, 중앙 구역의 볼록 곡면(9g)의 곡률 반경은 코너부(9a)의 곡률 반경보다도 큰 값으로 함과 함께, 코너부(9a)와 볼록 곡면(9g)의 경계를 연속한 곡면으로 형성한다.

도 7에 제3 실시형태로서 도시하는 바와 같이, 세그먼트 자석(9)의 티스(3)와 대향하는 면의 형태는, 양 코너부(9a) 사이, 즉 중앙 구역이 오목 곡면(9h)을 이루는 형상이어도 된다. 이 형태에서는, 이 코너부(9a)의 곡률 반경보다도 중앙 구역의 오목 곡면(9h)의 곡률 반경 쪽을 큰 값으로 하고, 또한 상기와 같이 코너부(9a)와 오목 곡면(9h)의 경계를 연속한 곡면으로 형성한다.

또한, 본 발명의 실시형태를 설명했지만, 이 실시형태는 예로서 제시한 것이며 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하지 않았다. 이들 신규의 실시형태는, 내감자성의 향상을 향한 기타 다양한 형태로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 함께, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등 범위에 포함된다.

1 : 고정자
2 : 전기자 권선
3 : 티스
4 : 고정자 철심
6 : 회전자
7 : 회전자 프레임
9 : 세그먼트 자석
9a : 코너부
9b : 평탄면
9g : 볼록 곡면
9h : 오목 곡면
12 : 비자성 공극

Claims

영구 자석형 회전 전기(電機)로서,
고정자 권선을 권회한 티스를 갖는 고정자와, 상기 티스와 계자(界磁) 공극을 사이에 두고 대향하도록 또한 서로 간에 자기적 공극을 사이에 두고 원주 방향으로 배열되어 1극 1세그먼트 관계를 가지는 소결 영구 자석제의 세그먼트 자석을 갖는 회전자를 포함하여 이루어지는 회전 전기로서, 상기 각 세그먼트 자석은 자속 밀도가 극 중앙에서 높고 원주 방향 양단으로 나아감에 따라 점차 저하되는 자기 특성을 갖고, 또한 각 세그먼트 자석의 상기 계자 공극과 대향하는 측의 원주 방향 코너부의 형상을 상기 티스의 선단이 그리는 원통면과 세그먼트 자석의 코너부의 대향 간격이 인접하는 세그먼트 자석으로 나아감에 따라 서서히 확대되는 곡면 형상으로 형성한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
제1항에 있어서,
각 세그먼트 자석의 자기 이방성이 집속 이방성인 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 세그먼트 자석의 상기 티스와 대향하는 면을 평탄면으로 하고 상기 코너부의 곡면 형상을 상기 평탄면을 통과하는 직선에 정접(正接)하는 원호면으로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
회전자는 환상부를 형성한 철제 로터 요크를 갖고 그 환상부에 상기 세그먼트 자석이 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 세그먼트 자석의 코너부의 곡면 형상은, 그 곡면의 티스와 대향하는 측의 시점을 P1이라고 하고 그 종점을 P2라고 하며, 세그먼트 자석의 티스와 대향하지 않는 측의 면으로부터 P1 및 P2까지의 각각의 치수를 각각 Y 및 X라고 했을 때, 70 ％≤X/Y≤80 ％로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.