KR20210011967A - 전동기, 송풍기 및 공기 조화 장치 - Google Patents

전동기, 송풍기 및 공기 조화 장치 Download PDF

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Abstract

전동기는 로터와, 로터를 둘러싸도록 마련된 스테이터를 갖는다. 로터는 자석 삽입 구멍을 갖는 로터 코어와, 자석 삽입 구멍에 배치된 영구 자석을 가지며, 회전축을 중심으로 하여 회전 가능하다. 스테이터는 로터에 대향하는 티스를 갖는 스테이터 코어와, 티스에 감기는 코일을 갖는다. 영구 자석은 스테이터에 대향하는 방향으로 2.1㎜ 이상의 두께를 가지며, 상기 두께의 방향으로 착자되어 있다. 로터와 스테이터 사이의 최소 간격 AG(㎜)와, 티스에 있어서의 코일의 감김 수 Nt와, 코일에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip(A)와, 영구 자석의 보자력의 하한값 Hct(kA/m)는 Hct≥0.4×(Ip×Nt/AG)＋410을 만족한다.

Description

전동기, 송풍기 및 공기 조화 장치
본 발명은 전동기, 송풍기 및 공기 조화 장치에 관한 것이다
종래부터, 로터에 영구 자석을 장착하고, 스테이터에 코일을 장착한 전동기가 널리 이용되고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조). 이와 같은 전동기에서는, 스테이터의 코일에서 발생한 자속에 의해, 영구 자석의 감자(demagnetization)가 생기는 경우가 있다.
일본 특허 공개 제 2001-178046 호 공보(도 1, 2 참조)
일반적으로, 영구 자석의 두께가 두꺼울수록 감자는 생기기 어려워지지만, 영구 자석 재료의 사용량이 증가하기 때문에, 제조 비용이 증가한다. 한편, 영구 자석의 두께를 너무 얇게 하면, 영구 자석 재료의 사용량은 감소하지만, 가공비의 증가에 의해, 영구 자석의 단위 중량당의 가격이 상승하여, 결과적으로 제조 비용이 증가한다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로서, 제조 비용을 저감하면서, 영구 자석의 감자를 억제하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 전동기는 자석 삽입 구멍을 갖는 로터 코어와, 자석 삽입 구멍에 배치된 영구 자석을 가지며, 회전축을 중심으로 하여 회전 가능한 로터와, 로터를 둘러싸도록 마련된 스테이터로서, 로터에 대향하는 티스를 갖는 스테이터 코어와, 티스에 감기는 코일을 갖는 스테이터를 구비한다. 영구 자석은 스테이터에 대향하는 방향으로 2.1㎜ 이상의 두께를 가지며, 상기 두께의 방향으로 착자되어 있다. 로터와 스테이터의 최소 간격 AG(㎜)와, 티스에 있어서의 코일의 감김 수 Nt와, 코일에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip(A)와, 영구 자석의 보자력의 하한값 Hct(kA/m)는 Hct≥0.4×(Ip×Nt/AG)＋410을 만족한다.
본 발명의 전동기는 또한, 자석 삽입 구멍을 갖는 로터 코어와, 자석 삽입 구멍에 배치된 영구 자석을 가지며, 회전축을 중심으로 하여 회전 가능한 로터와, 로터를 둘러싸도록 마련된 스테이터로서, 로터에 대향하는 티스를 갖는 스테이터 코어와, 티스에 감기는 코일을 갖는 스테이터를 구비한다. 영구 자석은 스테이터에 대향하는 방향으로 3㎜ 이상의 두께를 가지며, 상기 두께의 방향으로 착자되어 있다. 영구 자석의 두께는 3㎜ 이상이다. 로터와 스테이터의 최소 간격 AG(㎜)와, 티스에 있어서의 코일의 감김 수 Nt와, 코일에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip(A)와, 영구 자석의 보자력의 하한값 Hct(kA/m)는 Hct≥0.32×(Ip×Nt/AG)＋350을 만족한다.
본 발명에 의하면, 영구 자석의 단위 중량당의 가격을 억제하여 제조 비용을 저감하면서, 영구 자석의 감자를 억제할 수 있다.
도 1은 실시형태 1의 전동기를 도시하는 단면도이다.
도 2는 실시형태 1의 로터를 도시하는 단면도이다.
도 3은 실시형태 1의 전동기의 일부를 확대하여 도시하는 단면도이다.
도 4는 실시형태 1의 로터의 간극을 포함하는 부분을 확대하여 도시하는 모식도이다.
도 5는 실시형태 1의 로터의 일부를 확대하여 도시하는 단면도이다.
도 6은 영구 자석의 두께와 단위 중량당의 가격의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 Ip×Nt/AG와, 영구 자석의 보자력의 하한값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 Ip×Nt/AG와, 영구 자석의 보자력의 하한값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 로터에 있어서의 착자 자속의 흐름을 설명하기 위한 모식도이다.
도 10은 실시형태 1의 전동기의 제어계를 나타내는 블록도이다.
도 11은 실시형태 2의 로터를 도시하는 단면도이다.
도 12는 실시형태 2의 로터의 일부를 도시하는 단면도이다.
도 13은 실시형태 2의 로터의 영구 자석의 단면 위치를 설명하기 위한 모식도이다.
도 14는 실시형태 2의 전동기를 도시하는 종단면도이다.
도 15는 실시형태 2의 전동기에 있어서의 감자 전류와 감자율의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 16은 각 실시형태의 전동기가 적용되는 공기 조화 장치를 도시하는 정면도(A)와, 그 실외기를 도시하는 단면도(B)이다.
도 17은 도 16의 (A)에 도시한 공기 조화 장치의 냉매 회로를 도시하는 모식도이다.
실시형태 1
<전동기의 구성>
도 1은 실시형태 1의 전동기(1)를 도시하는 단면도이다. 전동기(1)는 회전 가능한 로터(2)와, 로터(2)를 둘러싸도록 마련된 환상의 스테이터(5)를 구비한 이너 로터형의 전동기이다. 전동기(1)는 또한, 로터(2)에 영구 자석(25)을 매립한 영구 자석 매립형 전동기이기도 하다. 로터(2)와 스테이터(5) 사이에는, 예를 들면 0.4㎜의 에어 갭(공극)(10)이 마련되어 있다.
이하에서는, 로터(2)의 회전 중심이 되는 축선을 회전축 C1로 하고, 이 회전축 C1의 방향을 "축 방향"이라 칭한다. 또한, 회전축 C1을 중심으로 하는 원주 둘레 방향(도 1에 화살표 R1로 나타냄)을 "둘레 방향"이라 칭하고, 회전축 C1을 중심으로 하는 반경 방향을 "직경 방향"이라 칭한다. 또한, 도 1은 로터(2)의 회전축 C1에 직교하는 면에 있어서의 단면도이다.
<스테이터의 구성>
스테이터(5)는 스테이터 코어(50)와, 스테이터 코어(50)에 감긴 코일(55)을 갖는다. 스테이터 코어(50)는 예를 들면 두께가 0.2㎜ 내지 0.5㎜의 자성을 갖는 적층 요소를 축 방향으로 복수매 적층하고, 코킹 등에 의해 고정한 것이다. 적층 요소는 여기에서는, 철(Fe)을 주성분으로 하는 전자 강판이다.
스테이터 코어(50)는 회전축 C1을 중심으로 하는 환상의 요크(52)와, 요크(52)로부터 직경 방향 내측으로(즉, 회전축 C1을 향하여) 연장되는 복수의 티스(51)를 갖는다. 티스(51)는 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 티스(51)의 수는 여기에서는 12개이지만, 12개로 한정되는 것은 아니다. 이웃하는 티스(51)의 사이에는, 코일(55)을 수용하는 공간인 슬롯(53)이 형성된다.
티스(51)의 직경 방향 내측의 선단부는 티스(51)의 다른 부분보다 둘레 방향의 폭이 넓다. 티스(51)의 선단부는 상술한 에어 갭(10)을 거쳐서 로터(2)의 외주에 대향한다. 스테이터 코어(50)의 외주(50a)(즉, 요크(52)의 외주) 및 내주(50b)(즉, 티스(51)의 선단부)는 모두 원환상이다.
스테이터 코어(50)의 각 적층 요소를 일체로 고정하는 코킹부는 도면부호(56, 57)로 나타내는 바와 같이, 스테이터 코어(50)의 요크(52) 및 티스(51)에 형성되어 있다. 단, 코킹부는 적층 요소를 일체로 고정할 수 있으면, 다른 위치에 형성되어 있어도 좋다.
스테이터 코어(50)에는, 절연부로서의 인슐레이터(insulator)(54)가 장착되어 있다. 인슐레이터(54)는 스테이터 코어(50)와 코일(55) 사이에 개재되며, 스테이터 코어(50)와 코일(55)을 절연하는 것이다. 인슐레이터(54)는 수지를 스테이터 코어(50)와 일체로 성형하거나, 또는 별도 부품으로서 성형한 수지 성형체를 스테이터 코어(50)에 조립하는 것에 의해 형성된다.
인슐레이터(54)는 예를 들면, 폴리부틸렌 테레프탈레이트(PBT), 폴리페닐렌 설파이드(PBS), 액정 폴리머(LCP), 또는 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 등의 절연성의 수지로 구성된다. 인슐레이터(54)는 또한, 두께 0.035 내지 0.4㎜의 절연성의 수지 필름으로 구성할 수도 있다.
코일(55)은 인슐레이터(54)를 거쳐서 티스(51)에 감긴다. 코일(55)은 구리 또는 알루미늄을 주성분으로 하는 재료로 구성되어 있다. 코일(55)은 티스(51)마다 감겨 있다(집중 권회). 또한, 슬롯(53) 내에는 코일(55)을 둘러싸도록 수지(예를 들면, 인슐레이터(54)와 동일한 수지)를 충전하여도 좋다.
<로터의 구성>
도 2는 로터(2)를 도시하는 단면도이다. 로터(2)는 회전축 C1을 중심으로 하는 원통형상의 로터 코어(20)를 갖는다. 로터 코어(20)는 두께 0.2 내지 0.5㎜의 자성을 갖는 적층 요소를 축 방향으로 복수매 적층하고, 코킹 등에 의해 고정한 것이다. 적층 요소는, 여기에서는 철을 주성분으로 하는 전자 강판이다. 또한, 로터 코어(20)는 연자성 재료와 수지를 조합한 수지 철심으로 구성하여도 좋다. 로터(2)의 직경은 여기에서는 50㎜이다.
로터 코어(20)는 직경 방향 중심으로 중심 구멍(23)을 갖는다. 중심 구멍(23)은 로터 코어(20)를 축 방향으로 관통하며, 원형의 단면을 갖는 샤프트 삽입 구멍이다. 회전 샤프트(11)는 중심 구멍(23)의 내측에 고정되며, 베어링(12, 13)(도 14)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 회전축 C1은 회전 샤프트(11)의 중심 축선이다. 회전 샤프트(11)는 예를 들면, 철(Fe), 니켈(Ni) 또는 크롬(Cr) 등의 금속으로 구성된다.
로터 코어(20)의 외주면을 따라서, 복수의 자석 삽입 구멍(21)이 형성되어 있다. 자석 삽입 구멍(21)은 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 각 자석 삽입 구멍(21)은 둘레 방향으로 긴 형상을 가지며, 로터 코어(20)를 축 방향으로 관통하고 있다. 자석 삽입 구멍(21)의 수는 여기에서는 10개이지만, 10개로 한정되는 것은 아니다.
자석 삽입 구멍(21)은 후술하는 극중심 M1과 회전축 C1을 지나는 직선(자극 중심선이라 칭함)에 직교하는 방향으로 직선형상으로 연장되어 있다. 자석 삽입 구멍(21)은 직경 방향 외측의 단부인 외측 단부(21a)와, 직경 방향 내측의 단부인 내측 단부(21b)와, 둘레 방향의 양 단부인 측단부(21c)를 갖는다.
각 자석 삽입 구멍(21)에는 영구 자석(25)이 배치되어 있다. 영구 자석(25)은 평판형상의 부재이며, 스테이터(5)에 대향하는 방향(보다 구체적으로는, 로터 코어(20)의 직경 방향)으로 두께 T1을 갖는다. 영구 자석(25)은 예를 들면, 네오디뮴(Nd) 또는 Sm(사마륨)을 주성분으로 하는 희토류 자석으로 구성된다. 또한, 희토류 자석 대신에 철을 주성분으로 하는 페라이트 자석으로 구성하여도 좋다.
영구 자석(25)은 두께 방향으로 착자되어 있다(환언하면, 이방성을 갖는다). 둘레 방향으로 이웃하는 영구 자석(25)은 서로 반대의 자극이 로터 코어(20)의 외주측을 향하여 배치되어 있다.
자석 삽입 구멍(21) 내에 배치된 영구 자석(25)에 의해, 자극이 형성된다. 그 때문에, 로터(2)의 자극 수는 10극이다. 단, 로터(2)의 자극 수는 10극으로 한정되는 것은 아니다. 자석 삽입 구멍(21)의 둘레 방향 중심은 극중심 M1이 된다. 인접하는 자석 삽입 구멍(21)의 사이는 간극 M2가 된다.
영구 자석(25)은 직경 방향 외측의 단부인 외측 단부(25a)와, 직경 방향 내측의 단부인 내측 단부(25b)와, 둘레 방향의 양 단부인 측단부(25c)를 갖는다. 영구 자석(25)의 외측 단부(25a)는 자석 삽입 구멍(21)의 외측 단부(21a)에 대향하며, 영구 자석(25)의 내측 단부(25b)는 자석 삽입 구멍(21)의 내측 단부(21b)에 대향한다. 또한, 영구 자석(25)의 측단부(25c)는 자석 삽입 구멍(21)의 측단부(21c)에 대향한다.
여기에서는, 1개의 자석 삽입 구멍(21)에 1개의 영구 자석(25)을 배치하고 있지만, 1개의 자석 삽입 구멍(21)에 복수의 영구 자석(25)을 둘레 방향으로 나열하여 배치하여도 좋다. 또한, 이 경우, 자석 삽입 구멍(21)은 둘레 방향 중심이 직경 방향 내측으로 돌출되도록 V자형상으로 형성하여도 좋다.
자석 삽입 구멍(21)의 둘레 방향 양측에는, 플럭스 배리어(즉, 누출 자속 억제 구멍)(22)가 형성되어 있다. 각 플럭스 배리어(22)는, 자석 삽입 구멍(21)의 외측 단부(21a)로부터 직경 방향 외측으로 연장되는 제 1 부분(22a)(도 4)과, 자석 삽입 구멍(21)의 측단부(21c)로부터 간극 M2측으로 연장되는 제 2 부분(22b)(도 4)을 갖는다.
플럭스 배리어(22)와 로터 코어(20)의 외주 사이의 철심 부분은, 박육부(브릿지부라고도 칭함)로 되어 있다. 박육부의 두께는, 로터 코어(20)를 구성하는 적층 요소의 두께와 동일한 것이 바람직하다. 이에 의해, 인접하는 자극 사이의 누출 자속을 억제할 수 있다. 또한, 플럭스 배리어(22)는 여기에서는 자석 삽입 구멍(21)의 둘레 방향 양측에 배치되어 있지만, 자석 삽입 구멍(21)의 둘레 방향의 한쪽측에만 배치되어 있어도 좋다.
도 3은 전동기(1)의 일부를 확대하여 도시하는 단면도이다. 로터 코어(20)는 극중심 M1에서 외경이 최대가 되며, 간극 M2에서 외경이 최소가 되는 화환형상(flower shape)을 갖는다. 한편, 스테이터 코어(50)의 내주(50b)는 원환상이다. 그 때문에, 로터(2)와 스테이터(5)의 간격(즉, 에어 갭(10)의 폭)은 극중심 M1에서 최소값 G1이 되고, 간극 M2에서 최대값 G2가 된다. 이 로터(2)와 스테이터(5)의 간격의 최소값 G1을, 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG라 칭한다.
도 4는 로터(2)의 간극 M2를 포함하는 부분을 확대하여 도시하는 도면이다. 로터 코어(20)의 외주는, 극중심 M1을 포함하는 외주부(20a)와, 간극 M2를 포함하는 외주부(20b)를 갖는다. 외주부(20a, 20b)는 모두 회전축 C1측으로 곡률 중심을 갖는 원호형상 부분이지만, 곡률 반경이 서로 상이하다. 외주부(20a)와 외주부(20b)의 경계 E는 여기에서는, 플럭스 배리어(22)의 직경 방향 외측에 위치하고 있다.
도 5는 로터(2)의 일부를 확대하여 도시하는 단면도이다. 로터 코어(20)의 외주에 있어서, 간극 M2를 포함하는 외주부(20b)는 극중심 M1을 포함하는 외주부(20a)보다 스테이터(5)의 내주(50b)(도 3)로부터의 거리가 멀다. 즉, 외주부(20b)는 외주부(20a)와 비교하여, 보다 넓은 에어 갭(10)에 면하고 있다.
이 외주부(20b) 위(上)에 제 1 점으로서의 점 A1을 취한다. 영구 자석(25)의 측단부(25c)(즉, 둘레 방향의 단부)는, 점 A1과 회전축 C1을 연결하는 직선 L1 위에 배치되어 있다. 로터 코어(20)의 외주부(20b)는, 스테이터(5)로부터의 거리가 멀기 때문에, 영구 자석(25)의 측단부(25c)가 직선 L1 위에 배치되어 있는 것에 의해, 스테이터(5)로부터의 자속(스테이터 자속이라고도 칭함)이 영구 자석(25)의 측단부(25c)에 흐르기 어려워진다. 영구 자석(25)의 측단부(25c)는 감자가 생기기 쉬운 부분이지만, 영구 자석(25)의 측단부(25c)를 이와 같이 배치하는 것에 의해, 감자가 생기기 어려워진다.
보다 바람직하게는, 영구 자석(25)의 측단부(25c)의 직경 방향 외측의 코너부인 외측 코너부(25e)가, 점 A1과 회전축 C1을 연결하는 직선 L1 위에 배치되어 있다. 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)는 가장 감자가 생기기 쉬운 부분이지만, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)를 이와 같이 배치하는 것에 의해, 감자가 생기기 어려워진다.
또한, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)는 도 4에 도시하는 바와 같이, 플럭스 배리어(22)의 내부에 배치되어 있으며, 로터 코어(20)에 접촉하고 있지 않다. 그 때문에, 로터 코어(20) 내를 흐르는 자속이 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)에 도달하기 어려우며, 그 결과, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)의 감자가 더 생기기 어려워진다.
<영구 자석의 제조 비용의 저감 및 감자의 억제>
다음에, 영구 자석(25)의 제조 비용의 저감과 감자의 억제에 대해 설명한다. 영구 자석(25)의 감자 특성은 영구 자석(25)의 두께 T1과의 상관(correlation)이 있다. 일반적으로, 영구 자석(25)의 두께 T1이 두꺼울수록 감자가 생기기 어려워지고(환언하면, 감자 내력이 커지고), 두께 T1이 얇을수록 감자가 생기기 쉬워진다(환언하면, 감자 내력이 작아진다).
한편, 영구 자석(25)의 두께 T1이 두꺼울수록, 재료의 사용량이 증가하기 때문에, 제조 비용이 증가한다. 또한, 영구 자석(25)의 두께 T1이 너무 얇으면, 재료의 사용량은 감소하지만, 가공비의 증가가 이것을 상회하여, 제조 비용이 증가한다.
도 6은 영구 자석(25)의 두께 T1(㎜)과, 영구 자석(25)의 단위 중량당의 가격(엔/g)의 관계를 나타내는 그래프이다. 도 6으로부터, 영구 자석(25)의 두께 T1이 2.1㎜보다 얇아지면, 가공비의 증가에 의해, 영구 자석(25)의 단위 중량당의 가격(엔/g)이 급격하게 증가하는 것을 알 수 있다. 그 때문에, 영구 자석(25)의 두께 T1을 2.1㎜ 이상으로 하면서, 영구 자석(25)의 감자를 억제하는 것이 바람직하다.
영구 자석(25)의 감자는 스테이터(5)로부터의 자속, 즉, 코일(55)을 흐르는 전류에 의해 발생하는 자속에 의해 생긴다. 그 때문에, 이 자속은 코일(55)을 흐르는 전류와, 1개의 티스(51)에 감긴 코일(55)의 감김 수(턴 수) Nt의 곱에 비례한다.
또한, 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG가 작을수록, 스테이터(5)로부터 로터(2)에 도달하는 자속이 증가하고, 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG가 클수록, 스테이터(5)로부터 로터(2)에 도달하는 자속이 감소한다.
그래서, 여기에서는, 코일(55)에 흐르는 전류의 최대값인 과전류 문턱값 Ip(A)와, 1개의 티스(51)에 대한 코일(55)의 감김 수 Nt의 곱 Ip×Nt를 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG(㎜)로 제산한 값(Ip×Nt/AG)에 주목한다. 또한, Ip×Nt/AG의 단위는 A/㎜이다.
전동기(1)는 후술하는 구동 장치(101)(도 10)에 의해, 코일(55)에 흐르는 전류가 과전류 문턱값(즉, 과전류 보호 레벨)을 초과하지 않도록 제어되지만, 이 과전류 문턱값이 상기의 과전류 문턱값 Ip이다. 과전류 문턱값은 과전류 차단값이라고도 칭해진다.
도 7은 Ip×Nt/AG와, 영구 자석(25)의 보자력의 하한값 Hct(kA/m)의 관계를 나타내는 그래프이다. 보자력은 자화 곡선(J-H 곡선)에 있어서, 영구 자석(25)이 갖는 자기 분극이 0이 되는 자계의 강도를 말한다.
희토류 자석으로 구성되는 영구 자석(25)은 온도의 상승과 함께 보자력이 저하하는 성질을 갖는다. 전동기(1)가 공기 조화 장치의 송풍기에 사용되는 경우, 영구 자석(25)의 온도는 100℃까지 상승한다. 그 때문에, 영구 자석(25)의 온도가 100℃(즉, 사용 온도 범위의 최고 온도)가 되었을 때의 보자력을 보자력의 하한값 Hct로 한다.
도 7에는 영구 자석(25)의 두께 T1을 1.5㎜, 2.1㎜, 3㎜, 5㎜, 6㎜로 5가지 방법으로 변화시킨 경우의 데이터를 나타낸다. 예를 들면, 영구 자석(25)의 두께 T1이 2.1㎜의 경우에는, 좌표(Ip×Nt/AG, Hct)가 T1=2.1㎜의 경우의 곡선 위나 그것보다 위에 있으면, 영구 자석(25)의 감자는 생기지 않는다. 영구 자석(25)의 두께 T1이 두꺼울수록 감자는 생기기 어렵기 때문에, 두께 T1이 두꺼운 경우일수록 곡선이 하방에 위치하고 있다.
도 7로부터 Ip×Nt/AG가 750(A/㎜) 이상의 영역에서는, Ip×Nt/AG와 보자력의 하한값 Hct가 1차 함수의 관계에 있는 것을 알 수 있다. 특히, 두께 T1이 2.1㎜의 경우의 데이터를 나타내는 곡선은, Hct=0.4×(Ip×Nt/AG)＋410의 직선(도 7에 파선으로 나타냄)에 근사할 수 있다.
이것으로부터, Hct≥0.4×(Ip×Nt/AG)＋410이 성립하는 경우에, 두께 T1이 2.1㎜ 이상의 영구 자석(25)의 감자를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 영구 자석(25)의 두께 T1을 2.1㎜ 이상으로 하는 것에 의해 제조 비용을 저감하면서, 영구 자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
또한, 상술한 도 6에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(25)의 두께 T1이 3㎜ 이상이 되면, 영구 자석(25)의 단위 중량당의 가격(엔/g)은 일정하게 된다. 그 때문에, 영구 자석(25)의 두께 T1을 3㎜ 이상으로 하면서, 영구 자석(25)의 감자를 억제하는 것이 보다 바람직하다.
도 8은 도 7과 마찬가지의 그래프에 있어서, 두께 T1이 3㎜의 경우의 곡선을 직선에 근사하게 나타내는 것이다. 영구 자석(25)의 두께 T1이 1.5㎜, 2.1㎜, 3㎜, 5㎜, 6㎜의 경우의 데이터를 나타내는 각 곡선은 도 7과 마찬가지이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 두께 T1이 3mm의 경우의 데이터를 나타내는 곡선은 Ip×Nt/AG가 750(A/㎜) 이상의 영역에 있어서, Hct=0.32×(Ip×Nt/AG)＋350의 직선에 근사할 수 있다.
이것으로부터, Hct≥0.32×(Ip×Nt/AG)＋350이 성립하는 경우에 두께 T1이 3㎜ 이상의 영구 자석(25)의 감자를 억제할 수 있는 것을 알 수 있다. 즉, 영구 자석(25)의 두께 T1을 3㎜ 이상으로 하는 것에 의해 제조 비용을 더욱 저감하면서, 영구 자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
또한, 영구 자석(25)에 있어서 비교적 감자가 생기기 쉬운 부분은, 자속이 집중되기 쉬운 측단부(25c)이다. 그 때문에, 도 5에 도시한 바와 같이, 영구 자석(25)의 측단부(25c)는 로터 코어(20)의 외주부(20b) 위의 점 A1과, 회전축 C1을 연결하는 직선 L1 위에 배치되어 있다.
로터(2)와 스테이터(5) 사이의 에어 갭(10)은 공극이기 때문에, 자성 재료로 구성된 로터 코어(20)와 비교하여 자기 저항이 크다. 그 때문에, 스테이터(5)와의 사이의 공극이 넓은 외주부(20b)의 직경 방향 내측(즉, 직선 L1 위)에 영구 자석(25)의 측단부(25c)를 배치하는 것에 의해, 스테이터 자속이 측단부(25c)에 유입되기 어려워져, 영구 자석(25)의 측단부(25c)의 감자를 생기기 어렵게 할 수 있다.
특히, 영구 자석(25)에 있어서 가장 감자가 생기기 쉬운 부분은, 측단부(25c)의 외측 코너부(25e)이다. 그 때문에, 도 4에 도시한 바와 같이, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)는, 로터 코어(20)의 외주부(20b) 위의 점 A1과 회전축 C1을 연결하는 직선 L1 위에 배치되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 스테이터 자속이 외측 코너부(25e)에 흐르기 어려워져, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)의 감자를 생기기 어렵게 할 수 있다.
또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)는 플럭스 배리어(22) 내에 배치되어 있으며, 로터 코어(20)에 접촉하고 있지 않다. 플럭스 배리어(22)는 공극이며, 자기 저항이 크다. 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)가 공극에 둘러싸여 있기 때문에, 로터 코어(20) 내를 흐르는 자속이 외측 코너부(25e)에 도달하기 어렵다. 그 결과, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)의 감자를 더욱 생기기 어렵게 할 수 있다.
<영구 자석의 두께>
상기와 같이, 영구 자석(25)의 두께 T1은 제조 비용 저감을 위해, 2.1㎜ 이상이 바람직하다. 한편, 영구 자석(25)은 로터 코어(20)의 자석 삽입 구멍(21)에 삽입된 상태에서 착자되는 것이 일반적이다.
도 9는 영구 자석(25)의 착자 공정을 도시하는 모식도이다. 로터 코어(20)의 외주측에 배치된 착자 장치에서 발생한 착자 자속 F는 로터 코어(20)의 외주측을 지나, 자석 삽입 구멍(21) 내의 영구 자석(25)에 흐른다.
영구 자석(25)의 착자 방향 D는 두께 방향이다. 그 때문에, 착자 자속 F 중, 영구 자석(25)의 착자에 기여하는 것은, 영구 자석(25)의 두께 방향 성분 뿐이다. 로터(2)의 직경이 50㎜의 경우, 영구 자석(25)의 두께가 4㎜(도 9에 도시하는 두께 T2)를 초과하면, 영구 자석(25)의 직경 방향 내측 영역을 지나는 착자 자속 F가 두께 방향에 대하여 크게 경사지며, 그 결과, 영구 자석(25)의 직경 방향 내측의 착자가 불충분하게 된다.
그 때문에, 영구 자석(25)을 충분히 착자하기 위해서는, 영구 자석(25)의 두께 T1은 4㎜ 이하인 것이 바람직하다.
<전동기의 구동 장치>
다음에, 전동기(1)를 구동하는 구동 장치(101)에 대해 설명한다. 도 10은 구동 장치(101)의 구성을 나타내는 블록도이다. 이 구동 장치(101)는 전동기(1)에 조립되는 기판(7)(도 14)에 탑재되어 있어도 좋으며, 전동기(1)의 외부에 마련되어 있어도 좋다.
구동 장치(101)는 전원(110)의 출력을 정류하는 컨버터(102)와, 전동기(1)의 코일(55)에 교류 전압을 출력하는 인버터(103)와, 이들을 제어하는 제어 장치(105)를 갖는다. 전원(110)은 예를 들면 200V(실효 전압)의 교류 전원이다.
제어 장치(105)는 인버터(103)의 전류값을 검출하는 전류 검출 회로(108)와, 인버터(103)를 구동하는 인버터 구동 회로(107)와, 인버터 제어부로서의 CPU(106)를 구비한다.
컨버터(102)는 전원(110)으로부터 교류 전압을 받고, 정류 및 평활화를 실행하고, 모선(bus line)(111, 112)으로부터 출력하는 정류 회로이다. 컨버터(102)는 교류 전압을 정류하는 브릿지 다이오드(102a, 102b, 102c, 102d)와, 출력 전압을 평활화하는 평활 콘덴서(102e)를 갖는다. 컨버터(102)로부터 출력되는 전압을 모선 전압이라 칭한다. 컨버터(102)의 출력 전압은 제어 장치(105)에 의해 제어된다.
인버터(103)는 입력 단자가 컨버터(102)의 모선(111, 112)에 접속되어 있다. 또한, 인버터(103)의 출력 단자는 각각, U상, V상, W상의 배선(출력선)(104U, 104V, 104W)을 거쳐서, 전동기(1)의 3상의 코일 부분에 접속되어 있다.
인버터(103)는 U상 상부 아암에 상당하는 U상 스위칭 소자(1Ua)와, U상 하부 아암에 상당하는 U상 스위칭 소자(1Ub)와, V상 상부 아암에 상당하는 V상 스위칭 소자(1Va)와, V상 하부 아암에 상당하는 V상 스위칭 소자(1Vb)와, W상 상부 아암에 상당하는 W상 스위칭 소자(1Wa)와, W상 하부 아암에 상당하는 W상 스위칭 소자(1Wb)를 갖는다.
U상 스위칭 소자(1Ua, 1Ub)는 U상의 배선(104U)에 접속되어 있다. U상 스위칭 소자(1Ua)에는 U상 다이오드(2Ua)가 병렬로 접속되며, U상 스위칭 소자(1Ub)에는 U상 다이오드(2Ub)가 병렬로 접속되어 있다.
V상 스위칭 소자(1Va, 1Vb)는 V상의 배선(104V)에 접속되어 있다. V상 스위칭 소자(1Va)에는 V상 다이오드(2Va)가 병렬로 접속되며, V상 스위칭 소자(1Vb)에는, V상 다이오드(2Vb)가 병렬로 접속되어 있다.
W상 스위칭 소자(1Wa, 1Wb)는 W상의 배선(104W)에 접속되어 있다. 또한, W상 스위칭 소자(1Wa)에는 W상 다이오드(2Wa)가 병렬로 접속되며, W상 스위칭 소자(1Wb)에는 W상 다이오드(2Wb)가 병렬로 접속되어 있다.
각 스위칭 소자(1Ua 내지 1Wb)는 예를 들면, IGBT(절연 게이트형 트랜지스터) 등의 트랜지스터에 의해 구성할 수 있다. 각 스위칭 소자(1Ua 내지 1Wb)의 온 오프는, 인버터 구동 회로(107)로부터의 구동 신호에 의해 제어된다.
인버터 구동 회로(107)는 CPU(106)로부터 입력되는 PWM(Pulse Width Modulation) 신호에 근거하여, 인버터(103)의 각 스위칭 소자(1Ua 내지 1Wb)를 온오프시키기 위한 구동 신호를 생성하고, 인버터(103)로 출력한다.
인버터(103)의 입력측(예를 들면 컨버터(102)로부터의 모선(112))에는, 저항(109)이 접속되어 있으며, 이 저항(109)에는 전류 검출 회로(108)가 접속되어 있다. 전류 검출 회로(108)는 인버터(103)의 입력측의 전류(즉, 컨버터(102)의 모선 전류)의 전류값을 검출하는 전류 검출부이며, 여기에서는 션트 저항(shunt resistor)을 이용하고 있다.
인버터 제어부로서의 CPU(106)는 인버터(103)를 제어하는 것이다. CPU(106)에는 공기 조화 장치(500)의 리모콘 등으로부터의 운전 지시 신호 등에 근거하여, 인버터(103)로 인버터 구동 신호(PWM 신호)를 출력한다.
CPU(106)는 전류 검출 회로(108)에 의해 인버터(103)의 전류값을 검출하고, 검출된 전류값과 미리 기억되어 있는 과전류 문턱값을 비교한다. 검출된 전류값이 과전류 문턱값 이상이었던 경우에는, 인버터(103)에 정지 신호를 출력하고, 인버터(103)를 정지한다(즉, 전동기(1)의 회전을 정지함). 이 과전류 문턱값이 상술한 과전류 문턱값 Ip이다.
<실시형태의 효과>
이상 설명한 바와 같이, 이 실시형태 1에서는 영구 자석(25)이 2.1㎜ 이상의 두께 T1을 가지며, 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG와, 티스(51)에 감기는 코일(55)의 감김 수 Nt와, 코일(55)에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip와, 영구 자석(25)의 보자력의 하한값 Hct가 Hct≥0.4×(Ip×Nt/AG)＋410을 만족하는 것에 의해, 영구 자석(25)의 단위 중량당의 가격을 억제하여 제조 비용을 저감하면서, 영구 자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
또한, 영구 자석(25)이 3㎜ 이상의 두께 T1을 가지며, 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG와, 티스(51)에 감기는 코일(55)의 감김 수 Nt와, 코일(55)에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip와, 영구 자석(25)의 보자력의 하한값 Hct가 Hct≥0.32×(Ip×Nt/AG)＋350을 만족하는 것에 의해, 영구 자석(25)의 단위 중량당의 가격을 더욱 낮게 억제하여 제조 비용을 저감하면서, 영구 자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
또한, 영구 자석(25)의 두께 T1을 4㎜ 이하로 하는 것에 의해, 영구 자석(25)을 자석 삽입 구멍(21)에 삽입한 상태에서, 영구 자석(25)의 전체를 충분히 착자할 수 있다.
또한, 로터 코어(20)의 외주가 스테이터(5)까지의 거리가 가까운 외주부(20a)(즉, 제 1 외주부)와, 스테이터(5)까지의 거리가 먼 외주부(20b)(즉, 제 2 외주부)를 가지며, 외주부(20b) 위의 점 A1(즉, 제 1 점)과 회전축 C1을 연결하는 직선 위에 영구 자석(25)의 측단부(25c)가 배치되어 있다. 그 때문에, 영구 자석(25)의 측단부(25c)에 스테이터 자속이 흐르기 어려워져, 감자를 억제할 수 있다.
또한, 로터 코어(20)의 외주부(20b) 위의 점 A1과 회전축 C1을 연결하는 직선 위에 영구 자석(25)의 측단부(25c)의 직경 방향 외측의 코너부(외측 코너부(25e)를 배치하는 것에 의해, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)에 스테이터 자속이 흐르기 어려워져, 감자의 억제 효과를 높일 수 있다.
또한, 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)가 자석 삽입 구멍(21)에 연속하여 형성된 플럭스 배리어(22) 내에 형성되며, 로터 코어(20)에 접해있지 않기 때문에, 로터 코어(20) 내의 자속이 영구 자석(25)의 외측 코너부(25e)에 도달하기 어려워져, 감자의 억제 효과를 더욱 높일 수 있다.
실시형태 2
다음에, 본 발명의 실시형태 2에 대해 설명한다. 실시형태 2의 전동기(1A)는 로터(3)의 구성이 실시형태 1의 전동기(1)와 상이한 것이다. 실시형태 2의 전동기(1A)의 스테이터는, 실시형태 1의 전동기(1)의 스테이터(5)와 마찬가지로 구성되어 있다.
<로터의 구성>
도 11은 실시형태 2의 로터(3)를 도시하는 단면도이다. 로터(3)는 회전축 C1을 중심으로 하는 원통형상의 로터 코어(30)를 갖는다. 로터 코어(30)는 두께 0.2 내지 0.5㎜의 자성을 갖는 적층 요소를 축 방향으로 복수 매 적층하고, 코킹 등에 의해 고정한 것이다. 적층 요소의 구성은 실시형태 1에서 설명한 바와 같다.
로터 코어(30)의 외주면을 따라서, 복수의 자석 삽입 구멍(31)이 형성되어 있다. 자석 삽입 구멍(31)은 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 각 자석 삽입 구멍(31)은 둘레 방향으로 긴 형상을 가지며, 로터 코어(30)를 축 방향으로 관통하고 있다. 자석 삽입 구멍(31)의 수는 여기에서는 5개이다. 각 자석 삽입 구멍(31)에는 영구 자석(35)이 배치되어 있다.
각 자석 삽입 구멍(31)에 배치된 영구 자석(35)에 의해, 자석 자극 P1이 형성된다. 영구 자석(35)은 서로 동일한 자극(예를 들면 N극)을 로터 코어(30)의 외주측을 향하여 배치되어 있다. 그 때문에, 로터 코어(30)에 있어서 이웃하는 영구 자석(35)의 사이에는, 직경 방향으로 자속이 흐르는 부분이 생긴다. 즉, 영구 자석(35)과는 반대 극성의 유사 자극 P2가 형성된다.
즉, 로터(3)는 5개의 자석 자극 P1과, 5개의 유사 자극 P2를 둘레 방향으로 교대로 갖는다. 그 때문에, 로터(3)의 극수는 10극이다. 이와 같은 로터 구조를 갖는 전동기는 중간 전극형(consequent pole type)이라 칭해진다. 단, 로터(3)의 극수는 10극으로 한정되는 것은 아니다.
로터 코어(30)의 내주(33)는 환상이며, 그 내측에 로터 코어(30)를 지지하는 지지부로서의 수지부(4)가 마련되어 있다. 수지부(4)는 회전 샤프트(11)에 대하여 로터 코어(30)를 지지하는 것이며, 비자성 재료, 보다 구체적으로는 PBT(폴리부틸렌 테레프탈레이트) 등의 열가소성 수지로 구성된다. 수지부(4)는 로터 코어(30)와 회전 샤프트(11)를 수지로 몰드 성형하는 것에 의해 얻어진다.
수지부(4)는 회전 샤프트(11)의 외주면에 고정된 내통부(41)와, 로터 코어(30)의 내주(33)에 고정된 환상의 외통부(43)와, 내통부(41)와 외통부(43)를 연결하는 복수의 리브(연결부)(42)를 구비하고 있다.
수지부(4)의 내통부(41)에는 회전 샤프트(11)가 관통되어 있다. 리브(42)는 둘레 방향으로 등간격으로 배치되며, 내통부(41)로부터 직경 방향 외측으로 방사상으로 연장되어 있다. 리브(42)의 둘레 방향의 위치는 영구 자석(35)의 둘레 방향 중심(즉, 자석 자극 P1의 극중심)에 대응하고 있다. 둘레 방향으로 이웃하는 리브(42)에는 공동부(44)가 형성된다. 외통부(43)는 리브(42)의 직경 방향 외측의 단부에 연속하여 형성되어 있다.
중간 전극형의 로터(3)에서는, 유사 자극 P2에 영구 자석이 존재하지 않기 때문에, 유사 자극 P2를 지난 자속이 회전 샤프트(11)를 향하여 흐르기 쉽다. 로터 코어(30)와 회전 샤프트(11) 사이에 수지부(4)를 마련하는 것에 의해, 회전 샤프트(11)로의 누출 자속을 억제할 수 있다.
도 12는 로터 코어(30) 및 영구 자석(35)을 도시하는 단면도이다. 도 12에서는 수지부(4) 및 회전 샤프트(11)를 생략하고 있다. 로터 코어(30)의 외주는 각 자극(자석 자극 P1 및 유사 자극 P2)의 극중심을 중심으로 하는 외주부(30a)(즉, 제 1 외주부)와, 간극을 중심으로 하는 외주부(30b)(즉, 제 2 외주부)를 갖는다. 외주부(30a, 30b)의 형상은, 실시형태 1에서 설명한 외주부(20a, 20b)와 마찬가지이다.
자석 삽입 구멍(31)의 형상은 실시형태 1의 자석 삽입 구멍(21)과 마찬가지이다. 또한, 자석 삽입 구멍(31)의 둘레 방향 양측에는, 플럭스 배리어(32)가 형성되어 있다. 플럭스 배리어(32)는, 자석 자극 P1과 유사 자극 P2 사이의 누출 자속을 억제하는 것이다. 플럭스 배리어(32)의 형상은 실시형태 1의 플럭스 배리어(22)와 마찬가지이다.
영구 자석(35)의 구성은 실시형태 1의 영구 자석(25)과 마찬가지이다. 즉, 영구 자석(35)의 두께는 2.1㎜ 이상이다. 또한, 코일(55)에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip(A)와, 1개의 티스(51)에 대한 코일(55)의 감김 수 Nt와, 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG(㎜)와, 영구 자석(35)의 보자력의 하한값 Hct는 Hct≥0.4×(Ip×Nt/AG)＋410을 만족한다.
또한, 영구 자석(35)의 두께는 3㎜ 이상이어도 좋다. 이 경우, 코일(55)에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip(A)와, 1개의 티스(51)에 대한 코일(55)의 감김 수 Nt와, 로터(2)와 스테이터(5)의 최소 간격 AG(㎜)와, 영구 자석(35)의 보자력의 하한값 Hct는 Hct≥0.32×(Ip×Nt/AG)＋350을 만족한다.
이에 의해, 영구 자석(35)의 두께 T1을 2.1㎜ 이상(혹은 3㎜ 이상)으로 하는 것에 의해 제조 비용을 저감하면서, 영구 자석(25)의 감자를 억제할 수 있다.
도 13은 영구 자석(35)의 측단부(35c)의 위치를 설명하기 위한 확대도이다. 도 13에 있어서, 로터 코어(30)의 외주부(30b) 위의 점 A1과 회전축 C1(도 12)을 연결하는 직선을 직선 L1로 한다. 영구 자석(35)의 측단부(35c)는 직선 L1 위에 위치하고 있다. 이에 의해, 감자가 생기기 쉬운 부분인 영구 자석(35)의 측단부(35c)에 스테이터 자속이 흐르기 어려워져, 감자가 억제된다.
보다 바람직하게는, 영구 자석(35)의 측단부(35c)의 직경 방향 외측의 단부인 외측 코너부(35e)가 직선 L1 위에 위치하고 있다. 이에 의해, 가장 감자가 생기기 쉬운 부분인 영구 자석(35)의 외측 코너부(35e)에 스테이터 자속이 흐르기 어려워져, 감자의 억제 효과가 높아진다.
또한, 영구 자석(35)의 외측 코너부(35e)는 플럭스 배리어(32)의 내부에 위치하며, 로터 코어(30)에는 접촉하고 있지 않다. 이에 의해, 로터 코어(30)를 흐르는 자속이 영구 자석(35)의 외측 코너부(35e)에 도달하기 어려워져, 감자의 억제 효과가 더욱 높아진다.
<전동기의 구성>
도 14는 실시형태 2의 전동기(1)를 도시하는 측단면도이다. 스테이터(5)는 몰드 수지부(60)에 의해 덮이며, 몰드 스테이터(6)를 구성하고 있다.
몰드 수지부(60)는 예를 들면, BMC(벌크 몰딩 컴파운드) 등의 열경화성 수지로 구성된다. 몰드 수지부(60)는 도 14에 있어서의 좌측(후술하는 부하측)에 개구부(62)를 가지며, 그 반대측(후술하는 반부하측)에 베어링 지지부(61)를 갖는다. 로터(3)는 개구부(62)로부터 스테이터(5)의 내측의 중공 부분에 삽입된다.
몰드 수지부(60)의 개구부(62)에는 금속제의 브래킷(15)이 장착되어 있다. 이 브래킷(15)에는 회전 샤프트(11)를 지지하는 한쪽의 베어링(12)이 보지된다. 또한, 브래킷(15)의 외측에는 베어링(12)으로의 물 등의 침입을 방지하기 위한 캡(14)이 장착되어 있다. 베어링 지지부(61)에는, 회전 샤프트(11)를 지지하는 또 한쪽의 베어링(13)이 보지되어 있다.
회전 샤프트(11)는 스테이터(5)로부터 도 14에 있어서의 좌측으로 돌출되어 있으며, 그 선단부(11a)에는 예를 들면 송풍기의 임펠러가 장착된다. 그 때문에, 회전 샤프트(11)의 돌출측(도 14의 좌측)을 "부하측"이라 칭하며, 반대측(도 14의 우측)을 "반부하측"이라 칭한다.
스테이터(5)의 반부하측에는 기판(7)이 배치되어 있다. 기판(7)에는 자기 센서(71)와, 전동기(1)를 구동하기 위한 구동 회로(72)가 실장되어 있다. 자기 센서(71)는 로터(3)에 장착된 센서 마그넷(36)에 대향하도록 배치되어 있다. 구동 회로(72)는 도 10에 나타낸 구동 장치(101)이다. 단, 구동 회로(72)는 기판(7) 위가 아닌, 전동기(1)의 외부에 마련할 수도 있다.
또한, 기판(7)에는 리드선(73)이 배선되어 있다. 리드선(73)은 스테이터(5)의 코일(55)에 전력을 공급하기 위한 전원 리드선과, 자기 센서(71)의 신호를 외부에 전달하기 위한 센서 리드선을 포함한다. 몰드 수지부(60)의 외주부에는, 리드선(73)을 외부에 인출하기 위한 리드선 배출 부품(74)이 장착되어 있다.
상술한 수지부(4)는 로터 코어(30)의 내주측에 마련되어 있지만, 로터 코어(30)의 축 방향 양 단면도 덮여 있다. 또한, 수지부(4)의 일부가 자석 삽입 구멍(31)의 내부에 인입되어 있는 것이 바람직하다. 이에 의해, 영구 자석(35)의 자석 삽입 구멍(31)으로부터의 탈락을 방지할 수 있다.
로터 코어(30)에는, 환상의 센서 마그넷(즉, 위치 검출용 마그넷)(36)이 장착되어 있다. 센서 마그넷(36)은 로터 코어(30)의 축 방향에 있어서 기판(7)에 대향하는 측에 배치되며, 수지부(4)에 둘러싸여 보지되어 있다. 센서 마그넷(36)은 로터(3)의 극 수와 동일한 수의 자극을 가지며, 둘레 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 센서 마그넷(36)의 착자 방향은 축 방향이지만, 이것으로 한정되지 않는다.
자기 센서(71)는 예를 들면 홀 IC로 구성되며, 로터(3)의 센서 마그넷(36)에 대향하도록 배치되어 있다. 자기 센서(71)는 센서 마그넷(36)으로부터의 자속(N/S)의 변화에 근거하여, 로터(3)의 둘레 방향에 있어서의 위치(즉, 회전 위치)를 검출하고, 검출 신호를 출력한다. 자기 센서(71)는 홀 IC로 한정되지 않으며, MR 소자(Magneto-Resistive) 소자, GMR(Giant-Magneto-Resistive) 소자, 자기 임피던스 소자여도 좋다.
자기 센서(71)의 검출 신호는 구동 회로(72)로 출력된다. 또한, 구동 회로(72)가 전동기(1)의 외부에 배치되어 있는 경우에는, 자기 센서(71)의 검출 신호는 센서 리드선을 거쳐서 구동 회로(72)로 출력된다. 구동 회로(72)는 자기 센서(71)로부터의 검출 신호에 근거하여, 스테이터(5)에 대한 로터(2)의 상대적인 회전 위치에 따라서 코일(55)에 흘리는 전류를 제어한다.
여기에서는 센서 마그넷(36)과 자기 센서(71)를 이용하여 로터(3)의 회전 위치를 검출하는 예에 대하여 설명했지만, 코일(55)에 흐르는 전류 등으로부터 로터(3)의 회전 위치를 추정하는 센서리스 제어를 실행하여도 좋다.
또한, 여기에서는, 스테이터(5)가 몰드 수지부(60)로 덮여 있는 구성에 대해 설명했지만, 스테이터(5)가 쉘의 내측에 수축 끼워맞춤에 의해 고정된 구성을 채용하여도 좋다. 또한, 도 14를 참조하여 설명한 전동기(1A)의 구성은 로터(3) 및 수지부(4)를 제외하고, 실시형태 1의 전동기(1)에도 적용된다.
도 15는 실시형태 1의 전동기(1)와 실시형태 2의 전동기(1A)에서, 감자 전류에 대한 감자율의 변화를 비교하여 나타내는 그래프이다. 도 15에 있어서, 곡선 S1은 실시형태 1의 전동기(1)의 데이터를 나타내며, 곡선 S2는 실시형태 2의 전동기(1A)의 데이터를 나타낸다. 감자 전류란, 스테이터 자속을 발생하기 위해 코일(55)에 흘리는 전류를 말한다.
실시형태 2의 전동기(1A)는 중간 전극형의 로터(3)를 갖고 있기 때문에, 영구 자석(35)의 수가 실시형태 1의 전동기(1)보다 적다. 그 때문에, 스테이터 자속에 의해 감자되는 부분이 적어, 영구 자석(35)의 감자가 생기기 어렵다. 그 결과, 실시형태 2의 전동기(1A)에서는 감자 전류를 증가시킨 경우의 감자율의 상승이, 실시형태 1의 전동기(1)보다 낮게 억제된다.
<실시형태의 효과>
이상 설명한 바와 같이, 실시형태 2의 전동기(1A)는 실시형태 1에서 설명한 효과에 부가하여, 로터(3)가 중간 전극형이며 영구 자석(35)의 수가 적고, 따라서 감자가 생기는 부분이 적기 때문에, 영구 자석(35)의 감자를 보다 효과적으로 방지할 수 있다.
또한, 로터 코어(30)와 회전 샤프트(11) 사이에, 비자성 재료로 형성된 수지부(4)(즉, 지지부)가 마련되어 있기 때문에, 중간 전극형의 로터에서 발생하기 쉬운 회전 샤프트(11)로의 자속 누출을 억제할 수 있다.
또한, 여기에서는, 로터 코어(30)와 회전 샤프트(11) 사이에 수지부(4)를 마련했지만, 수지부(4)를 마련하지 않고, 실시형태 1의 로터 코어(20)(도 2)와 같이, 로터 코어(30)에 회전 샤프트(11)를 직접 고정하여도 좋다. 또한, 실시형태 1의 로터 코어(20)와 회전 샤프트(11) 사이에 실시형태 2와 같은 수지부(4)를 마련하여도 좋다.
<공기 조화 장치>
다음에, 상술한 각 실시형태의 전동기를 적용한 공기 조화 장치에 대해 설명한다. 도 16의 (A)는 각 실시형태의 전동기가 적용 가능한 공기 조화 장치(500)의 구성을 도시하는 도면이다. 공기 조화 장치(500)는 실외기(501)와, 실내기(502)와, 이들을 접속하는 냉매 배관(503)을 구비한다. 실외기(501)는 송풍기(즉, 실외 송풍기)(510)를 갖는다.
도 16의 (B)는 도 16의 (A)에 나타낸 선분(16B-16B)에 있어서의 단면도이다. 실외기(501)는 하우징(508)과, 하우징(508) 내에 고정된 프레임(509)을 갖는다. 프레임(509)에는 송풍기(510)의 구동원으로서의 전동기(1)가 나사 등에 의해 고정되어 있다. 전동기(1)의 회전 샤프트(11)에는, 허브(512)를 거쳐서 임펠러(블레이드부)(511)가 장착되어 있다.
도 17은 공기 조화 장치(500)의 냉매 회로를 도시하는 모식도이다. 공기 조화 장치(500)는 압축기(504)와, 응축기(505)와, 스로틀 장치(throttle device)(감압 장치)(506)와, 증발기(507)를 구비한다. 압축기(504), 응축기(505), 스로틀 장치(506) 및 증발기(507)는 냉매 배관(503)에 의해 연결되며 냉동 사이클을 구성하고 있다. 즉, 압축기(504), 응축기(505), 스로틀 장치(506) 및 증발기(507)의 순서로 냉매가 순환한다.
압축기(504), 응축기(505) 및 스로틀 장치(506)는 실외기(501)에 마련되어 있다. 증발기(507)는 실내기(502)에 마련되어 있다. 이 실내기(502)에는 증발기(507)에 실내의 공기를 공급하는 송풍기(즉, 실내 송풍기)(520)가 마련되어 있다.
공기 조화 장치(500)의 동작은 다음과 같다. 압축기(504)는 흡입한 냉매를 압축하고 송출한다. 응축기(505)는 압축기(504)로부터 유입된 냉매와 실외의 공기의 열교환을 실행하여, 냉매를 응축하고 액화시켜 냉매 배관(503)으로 송출한다. 실외기(501)의 송풍기(510)는 냉매가 응축기(505)에서 응축할 때에 방출된 열을 실외로 방출한다. 스로틀 장치(506)는 냉매 배관(503)을 흐르는 냉매의 압력 등을 조정한다.
증발기(507)는 스로틀 장치(506)에 의해 저압 상태로 된 냉매와 실내의 공기의 열교환을 실행하여, 냉매에 공기의 열을 빼앗아 증발(기화)시켜, 냉매 배관(503)으로 송출한다. 실내기(502)의 송풍기(520)는 증발기(507)에 열을 빼앗긴 공기(즉, 냉풍)를 실내에 공급한다.
상술한 각 실시형태의 전동기(1, 1A)는 영구 자석(25, 35)의 감자를 억제하도록 구성되어 있다. 그 때문에, 전동기(1)를 송풍기(510)의 동력원으로 이용하는 것에 의해, 장기간에 걸쳐서 공기 조화 장치(500)의 운전 효율을 향상시켜, 소비 에너지를 저감할 수 있다.
또한, 여기에서는, 각 실시형태의 전동기(1, 1A)를 실외기(501)의 송풍기(즉, 실외 송풍기)(510)의 구동원으로서 이용했지만, 실내기(502)의 송풍기(즉, 실내 송풍기)(520)의 구동원으로서 이용하여도 좋다. 또한, 각 실시형태의 전동기(1, 1A)는 송풍기로 한정되지 않으며, 예를 들면 압축기(504)의 구동원으로서 이용하여도 좋다.
또한, 각 실시형태의 전동기(1, 1A)는 공기 조화 장치(500)로 한정되지 않으며, 예를 들면, 환풍기, 가전 기기 혹은 공작 기계의 전동기로서 이용하여도 좋다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 구체적으로 설명했지만, 본 발명은 상기의 실시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 여러 가지의 개량 또는 변형을 실행할 수 있다.
1, 1A: 전동기 2, 3: 로터
4: 수지부(지지부) 5: 스테이터
6: 몰드 스테이터 7: 기판
10: 에어 갭 11: 회전 샤프트
20: 로터 코어 20a: 외주부(제 1 외주부)
20b: 외주부(제 2 외주부) 21: 자석 삽입 구멍
22: 플럭스 배리어 23: 중심 구멍
25: 영구 자석 25a: 외측 단부
25b: 내측 단부 25c: 측단부
25e: 외측 코너부 30: 로터 코어
30a: 외주부(제 1 외주부) 30b: 외주부(제 2 외주부)
31: 자석 삽입 구멍 32: 플럭스 배리어
33: 내주 ` 35: 영구 자석
35c: 측단부 35e: 외측 코너부
36: 센서 마그넷 41: 내통부
42: 연결부 43: 외통부
50: 스테이터 코어 50a: 외주
50b: 내주 51: 티스
52: 요크 53: 슬롯
54: 절연부 55: 코일
60: 몰드 수지부 101: 구동 장치
102: 컨버터 103: 인버터
105: 제어 장치 106: CPU
107: 인버터 구동 회로 108: 전류 검출 회로
500: 공기 조화 장치 501: 실외기
502: 실내기 503: 냉매 배관
504: 압축기 505: 응축기
506: 스로틀 장치 507: 증발기
510: 송풍기(실외 송풍기) 511: 임펠러(블레이드부)
520: 송풍기(실내 송풍기)

Claims (14)

  1. 자석 삽입 구멍을 갖는 로터 코어와, 상기 자석 삽입 구멍에 배치된 영구 자석을 가지며, 회전축을 중심으로 하여 회전 가능한 로터와,
    상기 로터를 둘러싸도록 마련된 스테이터로서, 상기 로터에 대향하는 티스를 갖는 스테이터 코어와, 상기 티스에 감기는 코일을 갖는 스테이터를 구비하고,
    상기 영구 자석은 상기 스테이터에 대향하는 방향으로 2.1㎜ 이상의 두께를 가지며, 상기 두께의 방향으로 착자되며,
    상기 로터와 상기 스테이터의 최소 간격 AG(㎜)와, 상기 티스에 있어서의 상기 코일의 감김 수 Nt와, 상기 코일에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip(A)와, 상기 영구 자석의 보자력의 하한값 Hct(kA/m)가,
    Hct≥0.4×(Ip×Nt/AG)＋410을 만족하는
    전동기.
  2. 자석 삽입 구멍을 갖는 로터 코어와, 상기 자석 삽입 구멍에 배치된 영구 자석을 가지며, 회전축을 중심으로 하여 회전 가능한 로터와,
    상기 로터를 둘러싸도록 마련된 스테이터로서, 상기 로터에 대향하는 티스를 갖는 스테이터 코어와, 상기 티스에 감기는 코일을 갖는 스테이터를 구비하고,
    상기 영구 자석은 상기 스테이터에 대향하는 방향으로 3㎜ 이상의 두께를 가지고, 상기 두께의 방향으로 착자되며,
    상기 로터와 상기 스테이터의 최소 간격 AG(㎜)와, 상기 티스에 있어서의 상기 코일의 감김 수 Nt와, 상기 코일에 흐르는 전류의 과전류 문턱값 Ip(A)와, 상기 영구 자석의 보자력의 하한값 Hct(kA/m)가,
    Hct≥0.32×(Ip×Nt/AG)＋350을 만족하는
    전동기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 상기 직경 방향의 두께는 4㎜ 이하인
    전동기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는, 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향에 있어서의 상기 자석 삽입 구멍의 중심에 극중심을 갖고, 상기 둘레 방향에 있어서의 상기 자석 삽입 구멍의 외측에 간극을 가지며,
    상기 로터의 외주는 상기 극중심을 지나 연장되는 제 1 외주부와, 상기 간극을 지나 연장되는 제 2 외주부를 가지며,
    상기 제 1 외주부로부터 상기 스테이터까지의 거리는, 상기 제 2 외주부로부터 상기 스테이터까지의 거리보다 가까운
    전동기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 외주부 위의 제 1 점과 상기 회전축을 연결하는 직선 위에, 상기 영구 자석의 상기 둘레 방향의 단부가 위치하고 있는
    전동기.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 외주부 위의 제 1 점과 상기 회전축을 연결하는 직선 위에, 상기 영구 자석의 상기 둘레 방향의 일단부의 상기 직경 방향의 외측의 코너부가 위치하고 있는
    전동기.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 상기 회전축을 중심으로 하는 둘레 방향에 있어서의 상기 자석 삽입 구멍의 적어도 한쪽측에, 상기 자석 삽입 구멍에 연결되는 공극을 가지며,
    상기 영구 자석의 상기 둘레 방향의 일단부의 상기 직경 방향의 외측의 코너부가 상기 공극의 내부에 위치하며, 상기 로터 코어에는 접해 있지 않은
    전동기.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영구 자석에 의해 제 1 자극이 구성되며,
    상기 로터 코어의 일부에 의해 제 2 자극이 구성되는
    전동기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    회전 샤프트와,
    상기 회전 샤프트와 상기 로터 코어 사이에 마련되며, 비자성 재료로 형성된 지지부를 구비한
    전동기.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 보자력의 상기 하한값 Hct는, 상기 전동기의 사용 온도 범위의 최고 온도에서의 보자력인
    전동기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    Ip×Nt/AG의 값이 750A/㎜ 이상인
    전동기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일에 전류를 공급하는 인버터와, 상기 인버터를 제어하는 제어 장치를 가지며,
    상기 제어 장치는, 상기 인버터의 전류값이 상기 과전류 문턱값을 초과하면, 상기 인버터를 정지시키는
    전동기.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 전동기와,
    상기 전동기에 의해 회전하는 블레이드부를 구비하는
    송풍기.
  14. 실외기와, 실내기와, 상기 실외기와 상기 실내기를 연결하는 냉매 배관을 구비하며,
    상기 실외기 및 상기 실내기 중 적어도 한쪽은 제 13 항에 기재된 송풍기를 구비하는
    공기 조화 장치.
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