WO2020213971A1 - 구동 모터 및 이를 포함하는 청소기 - Google Patents

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WO2020213971A1
WO2020213971A1 PCT/KR2020/005135 KR2020005135W WO2020213971A1 WO 2020213971 A1 WO2020213971 A1 WO 2020213971A1 KR 2020005135 W KR2020005135 W KR 2020005135W WO 2020213971 A1 WO2020213971 A1 WO 2020213971A1
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protruding
air gap
magnets
rotor
drive motor
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PCT/KR2020/005135
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다카다마사유키
요시다미노루
코사카타카시
나카바야시유우키
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삼성전자주식회사
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/14—Structural association with mechanical loads, e.g. with hand-held machine tools or fans

Definitions

  • the present invention relates to a drive motor that rotates in a predetermined direction in which a magnet is not used for a rotor, and a stick-type cleaner including the same, and more particularly, to a drive motor suitable for ultra-high rotation and a stick-type cleaner including the same.
  • a so-called stick-type vacuum cleaner in which a vacuum cleaner body, hose, and electric cord are omitted is attracting attention.
  • the stick type vacuum cleaner needs to generate high suction power by rotating a small fan at high speed. Accordingly, there is a demand for a drive motor (mini fan motor) capable of realizing high-speed rotation of 50000 r/min or more and ultra-high rotation of 100000 r/min or more with small and light weight while securing a certain amount of torque.
  • mini fan motor mini fan motor
  • the allowable tensile stress of the magnet used in the rotor of the motor is low, and it is destroyed and scattered by the centrifugal force generated when it is rotated at ultra-high speed, so the surface of the rotor is protected by SUS tube, carbon fiber, or glass fiber.
  • SUS tube carbon fiber, or glass fiber.
  • the switched reluctance motor rotates only with the suction force drawn by the iron rotor to the stator teeth excite by energizing the coil of the stator, so increasing the number of coil turns or expanding the cross-sectional area of the coil is required for high output. It is essential and increases the use of copper with a large specific gravity. Therefore, compared with a magnet-type motor that rotates using magnetic attraction and repulsion, it is disadvantageous in terms of motor output, efficiency, and compact and lightweight.
  • a flux switching motor in which a coil and a magnet are installed in the stator, and the rotor teeth excited by the magnetic flux flowing from the magnets arranged in the stator and the stator teeth excited by the coil attract each other to enhance the suction force. It has been proposed (eg, Patent Documents 1 and 2).
  • Patent Document 1 Japanese Patent Publication No. 2002-199679
  • Patent Document 2 Japanese Patent No. 5791713
  • the main purpose of the disclosed technology is to realize a drive motor that can achieve both high output and weight reduction including high-speed rotation.
  • the disclosed technology relates to a drive motor rotating in a predetermined direction.
  • the drive motor includes a rotatable shaft, a rotor integrally provided with the shaft, and having a plurality of salient pole parts protruding radially without a magnet, and an air gap around the rotor. Equipped with a stator that is installed with an air gap in between.
  • the stator has a back yoke portion, a stator core having a plurality of teeth extending inward from the back yoke portion, and a plurality of coils installed around the teeth portion.
  • the stator core has a plurality of element cores and a plurality of magnets.
  • the protrusion portion is a large-sized furnace portion (or a first magnetic passage portion, a first magnetic circuit part, a first magnetic circuit part) having a larger cross-sectional area extending forward in the rotational direction than the void, and a rear portion in the rotational direction than the void. It has an element path part (second magnetic path part, second magnetic circuit part) with a small cross-sectional area extending.
  • the rotor does not have a magnet. Therefore, since the rotor of the drive motor is composed only of an electromagnetic steel sheet having a high allowable tensile stress, it has a sturdy structure, and there is little risk of damage even if the rotor is rotated at high speed or ultra high speed.
  • this stator core has a plurality of element cores and a plurality of magnets, and corresponds to a so-called flux switching motor. Accordingly, the magnetic flux of the magnet flows from the protruding end of the protruding pole of the rotor through the air gap from the element core, and the magnetic flux flows out from the protruding end of the protruding part of the other protruding pole and passes through the air gap and the element core. In this way, a magnetic circuit rotating on another magnet is constructed, and the protruding portion is magnetized to an N-pole or S-pole according to the rotation angle of the rotor, so that magnetic attraction is strengthened, so that high-speed rotation can be stably performed with high output.
  • a void is formed in the protruding portion of the rotor.
  • the rotor is heavy because it is a so-called metal mass.
  • this protruding pole portion has a large furnace portion having a large cross-sectional area in the front of the rotation direction, and has an element furnace portion having a small cross-sectional area in the rear portion of the rotation direction.
  • the rotor rotates by a magnetic attraction force generated between the tooth portion and the protrusion portion. At this time, a large amount of magnetic flux is introduced from the magnet between the tooth part and the large furnace part, and a large suction force acts toward advancing the rotation direction.
  • the element path portion located at the rear of the rotation direction has a small cross-sectional area, only a small amount of magnetic flux flows in and out between the tooth portion and the element path portion compared to the large furnace portion. Has only a small attraction force.
  • the air gap may be formed of a slit that penetrates in an axial direction and extends in a radial direction, and a thickness of the protrusion part may be greater toward a front part than a rear part in a rotation direction with respect to the slit.
  • These slits can be easily processed. It is possible to simply and precisely form the large furnace portion and the element furnace portion.
  • the driving motor may also have a pair of inclined side surfaces that are further away from each of the magnets toward the outside in a radial direction, and each of the side surfaces may be in surface contact with the tooth.
  • the motor may have an end surface positioned on an inner diameter side of each of the magnets on an outer diameter side of the motor than a protruding end of the tooth.
  • the drive motor may also be an anisotropic Sm-Fe-N bond magnet including 40% by volume or more of a resin component in each of the magnets.
  • the magnet When the resin component is 40% by volume or more, the magnet can be lightened. The weight can be further reduced by adopting a Sm-Fe-N bonded magnet, which has a smaller specific gravity than an Nd-Fe-B bonded magnet. Further, since the magnetic force can be strengthened by the adoption of an anisotropic magnet, a significant improvement in the power density of the motor can be realized. Further, since the eddy current loss generated by the magnet is reduced by the adoption of a magnet containing a large amount of a resin component as an insulator, high efficiency of the motor can be realized even if the amount of resin is increased.
  • the drive motor may further include an impeller mounted on the shaft and a shroud disposed to cover the impeller having a suction port at a central portion to configure a fan motor.
  • a mini fan motor having an outer diameter of 100 mm or less, a height of 50 mm or less, and a suction power of 250 W or more.
  • the coil is formed to have a predetermined inner dimension by an edgewise winding bending a flat wire having a rectangular cross section from its short side, and each of the teeth is
  • Each of the coils may be mounted on each of the teeth and have an outer dimension that is coupled to the inner dimension of.
  • a drive motor capable of achieving both high output including high-speed rotation and weight reduction while securing practical torque can be realized.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an application example (stick type vacuum cleaner) of a mini fan motor comprising a drive motor according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view of a mini fan motor configured as a driving motor according to an embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic perspective view showing a drive motor.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing a stator (coil is omitted).
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing a stator core.
  • FIG. 7 is a schematic perspective view showing a coil.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a magnetic state when the drive motor rotates.
  • FIG. 9 is a schematic perspective view showing a modified example of the drive motor.
  • the vertical direction used in the description follows the direction indicated by arrows in FIG. 2 for convenience.
  • the axial direction means a direction in which the rotation axis P extends
  • the circumferential direction means a direction around the rotation axis P
  • the radial direction means a radial or radial direction centered on the rotation axis P.
  • This vacuum cleaner 1 illustrates a stick type cleaner 1 suitable for the disclosed technology.
  • This vacuum cleaner 1 is of a cordless type (wireless), and is configured to be driven by electric power from a built-in battery 8.
  • the vacuum cleaner 1 is equipped with a mini fan motor 2 to which the disclosed technology is applied.
  • the vacuum cleaner 1 is composed of a suction part 3, a pipe part 4, a main body part 5, a dust case 6, a handle part 7 and the like.
  • the suction unit 3 has a suction port 3a on its lower surface, and is configured to be slidable along the floor by a rotatable roller 3b.
  • the pipe part 4 is made of an elongated cylindrical member that can be stretched.
  • the tube part 4 has its lower end connected to the suction part 3 and its upper end connected to the body part 5.
  • the pipe portion 4 communicates the suction port 3a and the body portion 5.
  • the main body 5 is formed in a size slightly larger than that of the tube 4.
  • the main body 5 accommodates a mini fan motor 2, a battery 8, a control unit 9, and the like.
  • the control unit 9 controls the driving of the mini fan motor 2.
  • the battery 8 is a rechargeable secondary battery and supplies electric power to the mini fan motor 2.
  • the handle portion 7 is a portion gripped by the user and is provided integrally with the body portion 5.
  • the gripping portion is provided so as to protrude from the rear of the main body 5 to the rear.
  • the vacuum cleaner 1 is configured so that the user can hold the gripping part with one hand.
  • a dust case 6 is provided below the gripping portion.
  • the dust case 6 is configured to be detachable from the main body 5.
  • the mini fan motor 2 is disposed adjacent to the dust case 6.
  • the mini fan motor 2 is driven by power supplied from the battery 8 under the control of the controller 9. When the mini fan motor 2 is driven, a strong suction force is formed. Accordingly, dust sucked from the suction port 3a is accumulated in the dust case 6 through the tube 4.
  • the mini fan motor 2 shows a mini fan motor 2.
  • the mini fan motor 2 is a small device in which a fan and a motor are integrated.
  • the fan is a so-called centrifugal fan. As the impeller 20 rotates around the rotation shaft P, air is sucked in from the inlet 31 and the air is discharged outward in the radial direction.
  • the outer diameter (D) and height (H) of the mini fan motor 2 are designed to be very small so as to be accommodated in the main body 5.
  • the outer diameter (D) is preferably 100 mm or less
  • the height (H) is preferably 50 mm or less.
  • the outer diameter D is approximately 70 mm
  • the height H is approximately 40 mm (so-called palm size). Therefore, its weight is light and it is not difficult to put it on the palm of the hand.
  • the illustrated mini fan motor 2 it can be driven at a high speed rotation of 50000 r/min or more, further, ultra-high rotation of 100000 r/min or more with a power consumption of 600 W, and is configured to obtain a suction power ratio of 250 W or more.
  • the mini fan motor 2 includes a housing 10, an impeller 20, a shroud 30, a substrate 40, and a drive motor 50. It is equipped with.
  • the disclosed technology is applied to the drive motor 50.
  • the housing 10 is configured by vertically combining the first housing 10a and the second housing 10b.
  • the housing 10 has a pair of upper and lower annular frames, and a plurality of columnar frames connecting these annular frames, and is provided in a basket shape.
  • the drive motor 50 is housed in the housing 10.
  • the impeller 20 has a substantially conical shape and is disposed on the upper side of the housing 10.
  • a plurality of vanes 21 are provided on the outer peripheral surface of the impeller 20.
  • the impeller 20 is installed at the tip end of the shaft 51 in a state in which rotation is not possible with respect to the shaft 51.
  • the shroud 30 is fixed on the upper side of the housing 10 so as to cover the impeller 20.
  • a suction port 31 which is an opening formed in a circular shape, is formed.
  • the substrate 40 is made of a disk-shaped member, and is installed under the housing 10. Electrical components such as a capacitor 41 and a semiconductor element 42 are provided on the upper and lower surfaces of the substrate 40.
  • the drive motor 50 has a shaft 51, a rotor 52, and a stator 53.
  • a magnet 62 is installed on the stator 53 of the drive motor 50, and the rotor 52 is composed of only a magnetic material, so that the magnet 62 is configured to magnetize the rotor 52. It is a so-called flux switching motor, and is configured to rotate in only one direction in the counterclockwise direction (CCW direction) using magnet torque.
  • the shaft 51 is made of a cylindrical member.
  • the shaft center of the shaft 51 coincides with the rotation shaft P.
  • the shaft 51 has a base end 51a positioned inside the housing 10 and a tip end 51b protruding upward of the housing 10.
  • a pair of bearings 54 and 54 are mounted at the top and bottom of the base end 51a, and the shaft 51 is axially supported by the housing 10 in a rotatable state through these bearings 54 and 54.
  • the rotor 52 is provided integrally with the shaft 51 (or the rotor 52 is fixedly coupled to the shaft 51) at an intermediate portion of the base end portion 51a.
  • the rotor 52 has a cylindrical boss portion 52a and a plurality of (six in this embodiment) salient pole parts projecting radially from the outer circumferential surface of the boss portion 52a. 52b).
  • the rotor 52 is not provided with a magnet. It is formed only of iron. Specifically, the rotor 52 is formed by stacking a plurality of iron plates (magnetic bodies) having a substantially star shape described above in the vertical direction.
  • the rotor 52 is fixed to the shaft 51 by pressing the base end 51a into the shaft hole formed in the center of the boss 52a.
  • Each protruding pole portion 52b protrudes from the outer peripheral surface of the boss portion 52a toward the outside in the radial direction.
  • Each of the protruding pole portions 52b is arranged at regular intervals in the circumferential direction.
  • Each of the protruding pole portions 52b has a pair of protruding side surfaces 521 and 523, and a protruding end face 522 that extends to the protruding edge of the protruding side surfaces 521 and 523 outside the motor radial direction.
  • the pair of protrusion side surfaces 521 and 523 are both flat, and extend substantially parallel to each other while facing in the circumferential direction.
  • the protruding end surface 522 has a protruding end surface 525 connected to the protruding side 523 and a protruding end surface 524 connected to the protruding side 521.
  • each protruding pole portion 52b has a structure protruding in front of the protruding end face 525 with respect to the rotation direction (CCW direction) of the motor 50 (so-called asymmetric structure).
  • a slit 52c is formed in each protruding electrode portion 52b, which will be described later.
  • the stator 53 is constituted by a plurality of members in a substantially circular annular shape.
  • the stator 53 is installed in the housing 10 with a predetermined air gap (G, hereinafter may be referred to as a first air gap) around the rotor 52 interposed therebetween.
  • a predetermined air gap G, hereinafter may be referred to as a first air gap
  • the stator 53 has a stator core 60, an insulator 70, and a coil 80.
  • FIG. 5 shows the stator 53 with the coil 80 omitted.
  • 6 shows the stator core 60 in a state in which the insulator 70 is further omitted.
  • the stator 53 (stator core 60) has a cylindrical back yoke portion 60a, and a plurality of (8 in this embodiment) tooth portions 60b extending radially inside from the back yoke portion 60a. Have. Each tooth portion 60b is arranged at equal intervals in the circumferential direction. A slot 60c for accommodating the coil 80 is formed between the two adjacent teeth 60b and 60b.
  • the width (the size in the circumferential direction) of the tooth portion 60b is formed to have almost the same size except for the protruding end portion (the width of the protruding end portion is narrow).
  • the inner diameter of the stator 53 and the outer diameter of the rotor 52 are so that an air gap G of a predetermined size is formed between the protruding end of each tooth part 60b and the protruding end of the protruding end 52b of the rotor 52 It is designed.
  • the stator core 60 has a plurality of (8 in this embodiment) element cores 61 having a substantially U shape when viewed from the top (meaning the case viewed from above), and a plurality (this embodiment In the example, 8) magnets 62 are used.
  • Each element core 61 is formed by stacking a plurality of iron plates (magnetic bodies) having a substantially U shape in the vertical direction (axial direction).
  • Each element core 61 has a yoke element 61a having an arc shape as viewed from above, and a pair of tooth elements 61b and 61b extending and protruding in a shape opposite from both ends of the yoke element 61a. It is configured to have a constant thickness in the vertical direction relative to the direction.
  • the yoke element 61a constitutes a part of the back yoke portion 60a, and each tooth element 61b constitutes a side portion of the tooth portion 60b.
  • Each magnet 62 contains 40 vol. It is formed in a substantially plate shape using an anisotropic Sm-Fe-N bond magnet containing% or more.
  • Sm-Fe-N bonded magnet which has a smaller specific gravity than the Nd-Fe-B bonded magnet, the motor 50 can be lightened, and the magnetic force can be reinforced by the adoption of an anisotropic magnet, so the power density of the motor 50 Can be realized.
  • 40 vol. By setting it as% or more, since the eddy current generated in the magnet decreases, the motor 50 can be made highly efficient even if the amount of resin is increased.
  • Each magnet 62 is specifically, a pair of inclined rectangular side surfaces 62a, 62a that are further away toward the outer side in the radial direction, a narrow rectangular inner end surface 62b, and a wide rectangular outer side It has an end surface 62c.
  • One side of the side surface 62a constitutes an N-pole, and the other side surface 62a constitutes an S-pole.
  • Each magnet 62 is radially arranged in a state in which the same magnetic poles face each other in the circumferential direction in the stator core 60. And, the element core 61 and the magnet 62 are each circular in a state where one magnet 62 is sandwiched between the tooth elements 61b and 61b facing each other of the two adjacent element cores 61 and 61 Connected by the illusion of.
  • each magnet 62 The side surfaces 62a of each magnet 62 are in surface contact with the tooth elements 61b and 61b facing each other of the two adjacent element cores 61 and 61, respectively. Since the side surface 62a of each magnet 62 is inclined, the surface area thereof is increased compared to the case where it is not inclined. Accordingly, since it is possible to generate a stronger magnetic force, it is possible to increase the output of the motor 50.
  • each magnet 62 is located farther away from the protruding end of each tooth element 61b (outside in the radial direction).
  • a magnetic path flow path of magnetic flux
  • the amount of magnetic flux directed to the magnet 62 that is, the magnetic flux to which the magnet 62 is exposed can be suppressed. Accordingly, it is possible to have an action of suppressing irreversible demagnetization of the magnet 62 and generation of eddy currents.
  • a plastic material (insulating material) insulator 70 is attached around the stator core 60 connected in a circular annular shape. Specifically, the upper surface of the tooth part 60b, a part of both sides of the tooth part 60b, a part of the back yoke part 60a (a part facing the slot 60c), etc. are covered by the insulator 70 . The stator core 60 positioned at the protruding end of the tooth portion 60b (a portion corresponding to the air gap G) is exposed from the insulator 70.
  • a coil 80 is provided in a portion of each tooth portion 60b covered by the insulator 70. Since this drive motor 50 is used in the mini fan motor 2, its size is very small. The coil 80 also has a small size corresponding to this.
  • the coil 80 can generate a high magnetic force and is considered to be easy to assemble.
  • each coil 80 is formed to have a predetermined inner dimension.
  • each tooth portion 60b has an outer dimension that is coupled to the inner dimension of the coil 80, and each tooth portion 60b is configured so that each coil 80 formed in a predetermined shape can be mounted.
  • Each coil 80 is formed by winding an electric wire formed by covering an electric conductor such as copper with an insulating film.
  • a flat wire (80a) having a rectangular cross section is used for this electric wire.
  • a coil 80 is formed by bending the flattened wire 80a toward the short side of this cross section (edge-wise winding).
  • the flat line 80a since it can be wound without gaps, a higher dot area ratio can be obtained compared to the round line.
  • the size of the coil 80 in the winding direction (axial direction) can be reduced, and thus the motor 50 can be miniaturized.
  • the circumferential side area of the flat angle line 80a can be reduced, so that the eddy current generated by the exposure of the flat angle line 80a to the fringing magnetic flux leaking from each tooth portion 60b can be suppressed.
  • High efficiency is possible.
  • the cross-sectional area of the flattened wire 80a can be increased, that is, the electric wire can be made thick by increasing the long side. Therefore, high magnetic force can be generated because a large current can be passed.
  • each coil 80 mounted on each tooth portion 60b are connected to a predetermined terminal of the substrate 40 with the insulating film removed. Power is supplied from the battery 8 to the substrate 40. A plurality of switching elements for switching this power are provided on the substrate 40, and a predetermined current (alternating current) is supplied to each coil 80 by controlling such switching elements by the control unit 9.
  • two-phase different coil groups consisting of A-phase and B-phase are configured. As shown in FIG. 4 for each pattern, the A-phase and B-phase coil groups are arranged alternately in the circumferential direction. Two currents (alternating current) having different phases are supplied to the coil groups of each of these phases.
  • each protruding pole part 52b protrudes by the protruding end face 525 with respect to the rotation direction of the motor 50 (CCW direction), so that it is a two-phase motor to ensure stability at the start. It achieves a uniform rotation direction in the CCW direction.
  • the protruding end surface 525 protruding in the rotation direction is unnecessary in the case of a three-phase motor.
  • the rotational position of the rotor 52 relative to the stator 53 is detected from a change in the induced voltage or the like, and control is performed to switch the energized state to each coil group based on the rotational position. Accordingly, a magnetic field (rotating magnetic field) for rotating the rotor 52 is formed in the stator 53.
  • the rotor 52 rotates counterclockwise by this rotating magnetic field and a magnetic attraction force (magnet torque) between the protruding pole portions 52b magnetized by the respective magnets 62.
  • a slit 52c (an example of void, void, hereinafter may be referred to as a second air gap) is formed in each protruding portion 52b of the rotor 52.
  • the slit 52c penetrates in the axial direction.
  • the slit 52c also extends in a radial direction from the boundary portion with the boss portion 52a to the protruding end portion of the protruding electrode portion 52b in a linear shape.
  • the rotor 52 is a so-called iron mass. Therefore, although the rotor 52 is heavy, it is possible to significantly reduce the weight of the rotor 52 and further the drive motor 50 by forming the slit 52c in each of the protruding pole portions 52b.
  • the front of the slit 52c of each protruding pole portion 52b (the forward side in the rotational direction, the CCW side in the case of the main drive motor 50) has a larger width (thickness).
  • a portion extending in the direction (a large passage portion or a first magnetic passage portion 52d) is provided.
  • a portion extending in the radial direction with a small width (thickness) in the rear (reverse side in the rotation direction, CW side in the case of the main drive motor 50) than the slit 52c of each protruding pole portion 52b
  • An element path portion or a second magnetic path portion 52e is provided.
  • the cross-sectional area of the large furnace portion 52d positioned in front of the rotational direction (the area of the cross-sectional area with respect to the protruding direction of each protruding portion) is larger than the cross-sectional area of the element path portion 52e located at the rear of the rotational direction. have. Accordingly, a large amount of the magnetic flux of the magnet 62 flows in and out of the large furnace portion 52d, and conversely, the amount of the magnetic flux flowing in and out of the element passage portion 52e is reduced. Accordingly, the magnetic attraction force in the rotation direction of the motor 50 increases, and conversely, the magnetic attraction force in the reverse rotation direction of the motor 50 (in the case of the main motor 50, the CW direction) decreases. Therefore, since the motor 50 can achieve high torque, it is possible to achieve both high output and weight reduction.
  • FIG 8 schematically shows a predetermined magnetic state when the drive motor 50 rotates.
  • the rotor 52 is rotating in a counterclockwise direction as indicated by an arrow R.
  • an arrow Y1 indicates between the tooth portion 60b (the portion of the tooth element 61b) and the large furnace portion 52d.
  • the element path portion 52e located at the rear of the rotation direction has a small cross-sectional area, the tooth portion 60b (a portion of the tooth element 61b) and the element path portion 52e as indicated by the arrow Y2. ), only a small amount of magnetic flux flows in and out compared to the large furnace part, so only a small attraction force acts on the side that moves backward in the direction of rotation.
  • FIG 9 shows a modified example of the drive motor 50.
  • a rotor 52 having four protruding pole portions 52b is used.
  • a single current alternating current
  • a rotating magnetic field so-called single phase.
  • the mini fan motor 2 high-speed rotation of 50000 r/min or more, and ultra-high rotation of 100000 r/min or more is required. If there are many protruding pole portions 52b, the energization switching control performed during one rotation increases by that amount. Therefore, if the rotational speed is largely increased, there is a fear that the energization switching control becomes complicated and the control becomes unstable or uncontrollable. Therefore, the drive motor 50 according to the present modified example in which the protrusion portion 52b is small is advantageous for ultra-high speed rotation.
  • the driving motor according to the disclosed technology is not limited to the above-described embodiment, and includes various configurations other than that.
  • a stick-type cleaner for example, in the above-described embodiment, an example of application of a stick-type cleaner has been illustrated, but the disclosed technology is not limited thereto. For example, it can be applied to driving other home appliances such as juice blenders or food processors, and robots.
  • the shape of the void is not limited to the slit.
  • a magnetic path larger than the rear portion may be formed in the front portion in the rotation direction of the protrusion portion.
  • it may be a groove extending in the radial direction, or a space formed inside the protrusion part.
  • the void may be divided into a plurality of small voids.
  • the slit shape is also an example. Depending on the specification, it may be slightly curved or wider, but may be smaller or obliquely extended. .
  • the wire of the coil 80 is preferably a flat wire, but is not limited thereto. It may be a normal round line.
  • the motor 50 is a so-called two-phase, eight-slot, six-pronged motor, and in a modified example, it operates as a so-called single-phase, eight-slot, four-pronged motor, but the motor according to the disclosed technology is the above-described constant.
  • the number of slots, various combinations other than the number of protrusions, for example, 3 phases, 12 slots and 10 protrusions may be included.

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Abstract

고속 회전화를 포함하는 고출력화와 경량화를 양립할 수 있는 소형 구동 모터를 실현한다. 소정 방향으로 회전하는 구동 모터(50)이다. 마그넷을 갖지 않고 복수의 돌극부((突極部, Salient pole part, 52b)를 갖는 로터(52)를 구비한다. 스테이터 코어(60)는 복수의 요소 코어(61)와 복수의 마그넷(62)을 갖고 있다. 돌극부(52b)에 슬릿(52c, 또는 공극(제2 에어갭(Second air gap))의 일례)이 형성되어 있다. 돌극부(52b)는 슬릿(52c)보다 회전 방향 앞쪽에 횡단면적이 큰 대자로부(52d, 제1 자로부(磁路部, Magnetic circuit part))를 가지고, 슬릿(52c)보다 회전 방향의 뒤쪽에 횡단면적이 작은 소자로부(52e, 제2 자로부)를 가지고 있다.

Description

구동 모터 및 이를 포함하는 청소기
본 발명은 로터에 마그넷을 사용하지 않는 소정 방향으로 회전하는 구동 모터 및 이를 포함하는 스틱형 청소기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 초고속 회전에 적합한 구동 모터 및 이를 포함하는 스틱형 청소기에 관한 것이다.
최근 청소기 본체, 호스, 전기 코드 등이 생략된 소위, 스틱형 청소기가 주목 받고 있다. 스틱형 청소기는 소형 팬을 고속으로 회전시켜 높은 흡인력을 발생시킬 필요가 있다. 따라서, 어느 정도의 토크를 확보하면서 소형 경량으로 50000 r/min 이상의 고속 회전, 나아가 100000 r/min 이상의 초고속 회전을 실현할 수 있는 구동 모터(미니 팬모터)가 요구되고 있다.
일반적으로 모터의 로터에 이용되는 마그넷의 허용인장응력은 낮아서, 초고속 회전 시켰을 경우에 발생하는 원심력에 의해 파괴되고 비산되어 버리기 때문에, 로터의 표면을 SUS 관이나, 탄소 섬유, 유리 섬유로 보호하는 구조가 알려져 있었다. 한편, 로터에 마그넷을 사용하지 않으며, 마그넷의 허용인장응력보다 훨씬 높은 허용인장응력을 갖는 전자(電磁) 강판만으로 구성된 스위치드 릴럭턴스 모터(Switched reluctance motor)도 있으며, 이 모터의 로터는 허용인장응력이 높은 전자 강판만으로 구성되어 있기 때문에 견고한 구조가 되어, 마그넷형 모터와 비교하면, 로터를 초고속 회전시키더라도 파손의 우려가 거의 없다. 따라서, 미니 팬모터에 적합하다.
한편, 스위치드 릴럭턴스 모터는 스테이터의 코일에 통전함으로써 여자( excite)된 스테이터 티스(Stator teeth)에 철인 회전자가 끌어당기는 흡인력만으로 회전하기 때문에, 고출력화하기 위해서는 코일 권수의 증가나 코일 단면적의 확대가 필수이며, 비중이 큰 구리의 사용량을 늘리게 된다. 따라서, 자기적 흡인력과 반발력을 이용하여 회전하는 마그넷형 모터와 비교하면, 모터 출력의 측면, 효율성의 측면, 소형 경량화의 측면에 있어서 불리하다.
이에, 스테이터에 코일과 마그넷을 설치하고, 스테이터에 배치된 마그넷으로부터 흐르는 자속에 의해 여자된 로터 티스와 코일에 의해 여자된 스테이터 티스가 서로 끌어 당기는 힘에 의해 흡인력을 강화할 수 있도록 한 플럭스 스위칭 모터가 제안되고 있다(예, 특허 문헌 1, 2).
[특허 문헌]
[특허 문헌 1] 일본 특허공개 제2002-199679호
[특허 문헌 2] 일본 특허 제5791713호
일반적으로 모터에는 철 소재가 많이 사용되고 있다. 따라서, 모터는 무거워지기 쉽다는 문제가 있다. 모터의 크기가 작아지면 그 만큼 경량화되지만, 상술한 미니 팬모터 등에서는 한층 더 경량화(초경량화)가 요구된다.
따라서, 개시하는 기술의 주된 목적은 고속 회전화를 포함하는 고출력화와 경량화를 양립할 수 있는 구동 모터를 실현하는 것에 있다.
개시하는 기술은 소정 방향으로 회전하는 구동 모터에 관한 것이다.
상기 구동 모터는 회전 가능한 샤프트와, 상기 샤프트와 일체로 마련되어 있으며, 마그넷을 갖지 않고 방사상으로 돌출하는 복수의 돌극부(突極部, Salient pole part)를 가지는 로터와, 상기 로터의 주위에 에어갭(空隙, Air gap)을 사이에 두고 설치되는 스테이터(Stator)를 구비한다.
상기 스테이터는 백요크부 및 상기 백요크부로부터 내측으로 연장되는 복수의 티스부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 티스부의 주위에 설치되는 복수의 코일을 가지고 있다.
상기 스테이터 코어는 복수의 요소 코어와 복수의 마그넷을 가지고 있다.
상기 돌극부에는 공극이 형성되어 있다. 그리고, 상기 돌극부는 상기 공극보다 회전 방향의 앞쪽을 연장하는 횡단면적이 큰 대자로부(또는 제1 자로부, 第1磁路部, First magnetic circuit part)와, 상기 공극보다 회전 방향의 뒤쪽을 연장하는 횡단면적이 작은 소자로부(제2 자로부, 第2磁路部, Second magnetic circuit part)를 가지고 있다.
즉, 이 구동 모터는 로터가 마그넷(Magnet)을 가지고 있지 않다. 따라서, 구동 모터의 로터는 허용인장응력이 높은 전자 강판만으로 구성되어 있기 때문에 견고한 구조가 되어 로터를 고속 회전, 초고속 회전 시키더라도 손상의 우려는 거의 없다.
또한, 이 스테이터 코어는 복수의 요소 코어 및 복수의 마그넷을 가지고 있으며, 이른바 플럭스 스위칭 모터에 해당한다. 따라서, 상기 마그넷의 자속이 상기 요소 코어로부터 상기 에어갭을 거쳐 상기 로터의 상기 돌극부의 돌출단에서 흘러 들어오고 또한 그 자속이 다른 상기 돌극부의 돌출단에서 흘러 나와서 상기 에어갭 · 상기 요소 코어를 통과해서 다른 상기 마그넷에 돌아가는 자기 회로가 구성되고, 상기 돌극부는 상기 로터의 회전각에 따라 N 극 혹은 S 극으로 자화됨으로써, 자기적인 흡인력이 강화되어 있어서 고출력으로 고속 회전을 안정적으로 할 수 있다.
그리고, 로터의 돌극부에는 공극이 형성되어 있다. 로터는 이른바 금속 덩어리이기 때문에 고중량이다. 이 로터의 복수의 돌극부에 공극을 형성함으로써, 로터, 나아가서는 구동 모터를 대폭 경량화할 수 있다.
게다가, 이 돌극부는 회전 방향의 앞쪽에 횡단면적이 큰 대자로부를 가지며, 회전 방향의 뒤쪽에 횡단면적이 작은 소자로부를 가지고 있다.
로터는 상기 티스부와 상기 돌극부의 사이에 생기는 자기적인 흡인력에 의해 회전한다. 이때, 상기 티스부와 상기 대자로부의 사이에는 상기 마그넷에서 다량의 마그넷 자속이 유입되어 회전 방향을 전진하는 쪽으로 큰 흡인력이 작용한다. 한편, 회전 방향의 뒤쪽에 위치하는 소자로부는 횡단면적이 작기 때문에, 상기 티스부와 상기 소자로부의 사이에는 대자로부에 비해 소량의 마그넷 자속 밖에 유입 및 유출하지 않기 때문에 회전 방향을 후진하는 쪽에는 작은 흡인력 밖에 작용하지 않는다.
이에 따라, 로터의 회전 방향과는 반대 방향으로 발생하는 마그넷 토크를 억제할 수 있다. 그 결과, 로터의 회전 방향에 필요한 모터 토크를 증가시킬 수 있어서, 소형이라도 높은 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 경량화와 고출력화를 양립할 수 있다.
상기 구동 모터는 또한, 상기 공극이 축 방향으로 관통하고 반경 방향으로 연장되는 슬릿으로 이루어지며, 상기 돌극부의 두께가 상기 슬릿에 대해 회전 방향의 뒤쪽 부분보다 앞쪽 부분 쪽이 커져 있을 수 있다.
이러한 슬릿이라면 쉽게 가공 할 수 있다. 간단하게 그리고 정밀하게 대자로부 및 소자로부를 형성 할 수 있다.
상기 구동 모터는 또한, 상기 마그넷의 각각이 반경 방향으로 바깥쪽을 향할수록 멀어지는 한 쌍의 경사진 측면을 가지며, 상기 측면의 각각이 상기 티스와 면 접촉하고 있을 수 있다.
그러면, 마그넷 자극의 표면적이 커지기 때문에 높은 자력을 얻을 수 있다.
상기 모터는 또한, 상기 마그넷 각각의 모터 내경 측에 위치하는 단부면이 상기 티스의 돌출단보다 모터 외경 측에 위치하고 있을 수 있다.
그러면, 상기 마그넷이 상기 티스에서의 누설 자속에 노출되는 양이 감소하여 불가역 감자, 즉 자력의 저하를 억제할 수 있기 때문에 모터 출력의 안정화가 가능해진다. 또한, 상기 누설 자속이 상기 마그넷을 통과할 때 발생하는 와전류도 마찬가지로 저감할 수 있으므로, 모터의 고효율화도 실현 가능해진다.
상기 구동 모터는 또한, 마그넷의 각각에 수지 성분을 40 용량% 이상 포함하는 이방성의 Sm-Fe-N 본드 마그넷이 이용될 수 있다.
수지 성분이 40 용량% 이상이면 마그넷을 경량화할 수 있다. Nd-Fe-B 본드 마그넷보다 비중이 작은 Sm-Fe-N 본드 마그넷을 채용함으로써 더욱 경량화할 수 있다. 그리고, 이방성 마그넷의 채용에 의해 자력을 강화할 수 있기 때문에, 모터의 출력 밀도의 대폭적인 향상이 실현 가능해진다. 또한, 절연체인 수지 성분을 많이 포함하는 마그넷의 채용에 의해 마그넷에서 생기는 와전류 손실이 감소하기 때문에, 수지량을 늘리더라도 모터의 고효율화가 실현 가능해진다.
상기 구동 모터는 또한, 상기 샤프트에 장착되는 임펠러와, 중앙부에 흡입구를 가지며, 상기 임펠러에 덮도록 배치되는 슈라우드를 더 포함하여 팬모터를 구성할 수 있다.
팬모터인 경우, 소정 방향으로 고속 회전하는 것이 요구된다. 본 구동 모터는 이 요구에 부합하는데 매우 효과적이다. 샤프트에 임펠러를 장착하고, 임펠러를 덮도록 슈라우드를 배치하는 일체형 팬모터인 경우, 소형 구동 모터와의 조합도 양호하다.
이 경우, 외경은 100mm 이하, 높이는 50mm 이하이며, 흡입 일률이 250W 이상의 미니 팬모터를 구성하는 것이 바람직하다.
이러한 미니 팬모터인 경우, 스틱형 청소기에 적합하여 편리성이 뛰어난 청소기가 실현 가능해진다.
또한 이 경우, 상기 코일은 장방형의 단면을 갖는 평각선(平角線, Flat wire)을 그 단변 측에서 밴딩하는 엣지 와이즈 권선에 의해 소정의 내측 치수를 갖도록 형성되어 있으며, 상기 티스부의 각각은 상기 코일의 내측 치수에 결합하는 외측 치수를 가지고, 상기 티스부 각각에 상기 코일의 각각이 장착되어 있을 수 있다.
코일을 스테이터에 설치하는 공정이 간단해지기 때문에, 초미니 사이즈로 제조가 가능해진다. 또한, 엣지 와이즈 권선으로 함으로써, 평각선이 상기 티스에서의 누설 자속에 노출되는 측면적이 작아지므로, 와전류의 억제에 따른 고효율화를 실현 가능하게 된다.
개시하는 기술에 의하면, 실용적인 토크를 확보하면서 고속 회전화를 포함하는 고출력화와 경량화를 양립할 수 있는 구동 모터가 실현될 수 있다.
도 1은 일 실시 예의 구동 모터로 구성된 미니 팬모터의 적용 사례(스틱형 청소기)를 나타내는 개략도이다.
도 2는 일 실시 예의 구동 모터로 구성된 미니 팬모터의 개략 사시도이다.
도 3은 미니 팬모터를 분해한 도면이다.
도 4는 구동 모터를 나타내는 개략 사시도이다.
도 5는 스테이터를 나타내는 개략도이다(코일은 생략).
도 6은 스테이터 코어를 나타내는 개략도이다.
도 7은 코일을 나타내는 개략 사시도이다.
도 8은 구동 모터의 회전 시의 자기 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 구동 모터의 변형 예를 나타내는 개략 사시도이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 이하의 실시 예에 대한 설명은 본질적으로 예시에 불과하며, 본 발명, 그 적용물 혹은 그 용도를 제한하는 것을 의도하는 것은 아니다.
설명에 사용되는 상하 방향은 편의상 도 2에 화살표로 표시된 방향에 따른다. 또한, 축 방향은 회전축(P)이 연장되는 방향을 의미하고, 원주 방향은 회전축(P) 주위의 방향을 의미하며, 반경 방향은 회전축(P)을 중심으로 하는 반경 또는 직경 방향을 의미한다.
<개시하는 기술의 적용 예>
도 1은 개시하는 기술에 적합한 스틱형 청소기(1)를 예시한 것이다. 이 청소기(1)는 코드리스 타입(무선)이며, 내장하는 배터리(8)의 전력으로 구동할 수 있도록 구성되어 있다.
이 청소기(1)에는 개시하는 기술을 적용한 미니 팬모터(2)가 탑재되어 있다. 청소기(1)는 흡입부(3), 관부(4), 본체부(5), 더스트 케이스(6), 손잡이부(7) 등으로 구성되어 있다.
흡입부(3)는 하면에 흡입구(3a)를 가지며, 회동 가능한 롤러(3b)에 의해 바닥을 따라 슬라이드 가능하게 구성되어 있다. 관부(4)는 신축 가능한 가늘고 긴 원통형 부재로 이루어진다. 관부(4)는 그 하단부가 흡입부(3)에 연결되고, 그 상단부가 본체부(5)에 연결되어 있다. 관부(4)는 흡입구(3a)와 본체부(5)를 연통시키고 있다.
본체부(5)는 관(4)보다 약간 큰 사이즈로 형성되어 있다. 본체부(5)에는 미니 팬모터(2), 배터리(8), 제어부(9) 등이 수용되어 있다. 제어부(9)는 미니 팬모터(2)의 구동을 제어한다. 배터리(8)는 충전 가능한 이차 전지이며, 미니 팬모터(2)에 전력을 공급한다.
손잡이부(7)는 사용자가 파지하는 부분으로, 본체부(5)와 일체로 마련되어 있다. 파지부는 본체부(5)의 뒤쪽에서 후방으로 돌출하도록 마련되어 있다. 청소기(1)는 사용자가 파지부를 한 손으로 든 상태에서 잡을 수 있도록 구성되어 있다.
파지부의 하측에는 더스트 케이스(6)가 설치되어 있다. 더스트 케이스(6)는 본체부(5)로부터 탈착 가능하게 구성되어 있다. 미니 팬모터(2)는 더스트 케이스(6)에 인접한 위치에 배치되어 있다. 미니 팬모터(2)는 제어부(9)의 제어에 따라 배터리(8)에서 공급되는 전력에 의해 구동된다. 미니 팬모터(2)가 구동하면, 강력한 흡인력이 형성된다. 이에 따라, 흡입구(3a)에서 흡입되는 더스트가 관(4)을 통해서 더스트 케이스(6)에 집적된다.
(미니 팬모터(2))
도 2는 미니 팬모터(2)를 나타낸 것이다. 미니 팬모터(2)는 팬과 모터가 일체로 구성되어 있는 소형 장치이다. 팬은 소위 말하는 원심팬이다. 회전축(P)을 중심으로 임펠러(20)가 회전함으로써, 흡입구(31)로부터 공기를 흡입하여 반경 방향의 외측으로 공기를 토출한다.
본체부(5)에 수용할 수 있도록 미니 팬모터(2)의 외경(D) 및 높이 (H)는 매우 작게 설계되어 있다. 구체적으로, 외경(D)은 100mm 이하가 바람직하고, 높이(H)는 50mm 이하가 바람직하다. 예를 들어, 도시한 미니 팬모터(2)의 경우, 외경(D)은 대략 70mm, 높이(H)는 대략 40mm 정도의 크기(소위 손바닥 크기)이다. 따라서, 그 무게도 가볍고, 손바닥에 얹어도 힘들지 않은 수준이다.
게다가, 배터리(8)의 전력을 이용하여 청소기(1)로서 충분한 성능을 얻을 수 있도록 고효율로 고출력을 얻을 수 있도록 구성되어 있다. 도시한 미니 팬모터(2)의 경우, 600W의 소비 전력으로 50000 r/min 이상의 고속 회전, 나아가 100000 r/min 이상의 초고속 회전으로 구동할 수 있으며, 250W 이상의 흡입 일률을 얻을 수 있도록 구성되어 있다.
도 2와 함께, 도 3에 분해 도시한 바와 같이, 미니 팬모터(2)는 하우징(10)과, 임펠러(20)와, 슈라우드(30)와, 기판(40)과, 구동 모터(50)를 구비하고 있다. 여기서, 개시하는 기술은 구동 모터(50)에 적용되어 있다.
하우징(10)은 제1 하우징(10a)과 제2 하우징(10b)을 상하로 결합하여 구성하고 있다. 하우징(10)은 위아래 한 쌍의 환상 프레임과, 이러한 환상 프레임을 연결하는 복수의 원주상 프레임을 가지며, 바스켓 형상으로 마련되어 있다. 이 하우징(10)의 내부에 구동 모터(50)가 수용되어 있다.
임펠러(20)는 대략 원뿔 형상을 가지고 있으며, 하우징(10)의 상측에 배치되어 있다. 임펠러(20)의 외주면에는 복수의 베인(21)이 마련되어 있다. 임펠러(20)는 샤프트(51)의 선단(先端)부에, 샤프트(51)에 대하여 회전 불가능한 상태로 설치되어 있다.
슈라우드(30)는 임펠러(20)를 덮도록 하우징(10)의 상측에 고정되어 있다. 슈라우드(30)의 중앙부에는 원형으로 마련된 개구인 흡입구(31)가 형성되어 있다.
기판(40)은 원판 모양의 부재로 이루어지며, 하우징(10)의 하측에 설치되어 있다. 기판(40)의 상면 및 하면에는 콘덴서(41)나 반도체 소자(42) 등의 전기 부품이 마련되어 있다.
(구동 모터(50))
구동 모터(50)는 샤프트(51), 로터(52), 및 스테이터(53)를 가지고 있다.
구동 모터(50)의 스테이터(53)에는 마그넷(62)이 설치되고 로터(52)는 자성체만으로 구성되어 있어서, 마그넷(62)은 로터(52)를 자화할 수 있도록 구성되어 있다. 소위 말하는 플럭스 스위칭 모터이며, 마그넷 토크를 이용하여 반시계 방향(CCW 방향)의 일방향으로만 회전하도록 구성되어 있다.
(샤프트(51))
도 4에 나타낸 바와 같이 샤프트(51)는 원통형의 부재로 이루어진다. 샤프트(51)의 축 중심은 회전축(P)과 일치하고 있다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 샤프트(51)는 하우징(10)의 내부에 위치하는 기단부(51a)와, 하우징(10)의 위쪽으로 돌출되는 선단부(51b)를 가지고 있다. 기단부(51a)의 상부 및 하부에 한 쌍의 베어링(54, 54)이 장착되어 있으며, 이러한 베어링(54, 54)을 통해 샤프트(51)는 하우징(10)에 회전 가능한 상태로 축 지지되어 있다. 기단부(51a)의 중간부에 로터(52)가 샤프트(51)와 일체(또는 샤프트(51)에 로터(52)가 고정 결합)로 마련되어 있다.
(로터(52))
로터(52)는 원통 형상을 한 보스부(52a)와, 보스부(52a)의 외주면으로부터 방사상으로 돌출되는 복수(본 실시 예에서는 6 개)의 돌극부(突極部, Salient pole part)(52b)를 구비하고 있다. 로터(52)에는 마그넷이 설치되어 있지 않다. 철재만으로 형성되어 있다. 구체적으로, 로터(52)는 상술한 대략 별 형상을 한 복수의 철판(자성체)을 상하 방향으로 적층하여 형성되어 있다.
보스부(52a)의 중심에 형성되어 있는 축공에 기단부(51a)를 압입함으로써 로터(52)가 샤프트(51)에 고정되어 있다. 각 돌극부(52b)는 보스부(52a)의 외주면으로부터 반경 방향의 외측을 향해 돌출되어 있다. 각 돌극부(52b)는 원주 방향으로 일정한 간격으로 배치되어 있다.
각 돌극부(52b)는 한 쌍의 돌극 측면(521, 523)과, 이러한 돌극 측면(521, 523)의 모터 반경 방향 외측의 돌단연으로 이어지는 돌극 단부면(522)을 가지고 있다. 한 쌍의 돌극 측면(521, 523)은 모두 평면으로 이루어지고, 원주 방향으로 면(面)한 상태에서 서로 거의 평행하게 연장되어 있다. 또한, 돌극 단부면(522)은 돌극 측면(523)에 연결되는 돌극 단부면(525)과, 돌극 측면(521)에 연결되는 돌극 단부면(524)을 가지고 있다. 그리고, 돌극 단부면(524)과 돌극 단부면(525)의 사이에는 약간의 만곡부를 형성하여 돌극 단부면(525)부는 에어갭(G, 이하 제1 에어갭 (First air gap)으로 지칭될 수 있음)이 조금 커져 있다. 즉, 각 돌극부(52b)는 모터(50)의 회전 방향(CCW 방향)에 대해 돌극 단부면(525) 분(分) 앞으로 돌출된 구조로 되어 있다(소위 비대칭 구조). 또한, 각 돌극부(52b)에는 슬릿(52c)이 형성되어 있으며, 이에 대해서는 후술한다.
(스테이터(53))
도 4에 나타낸 바와 같이, 스테이터(53)는 복수의 부재로 대략 원형 환상으로 구성되어 있다. 스테이터(53)는 로터(52)의 주위에 소정의 에어갭(G, 이하 제1 에어갭 (First air gap)으로 지칭될 수 있음)을 사이에 둔 상태로, 하우징(10)에 설치되어 있다(소위 말하는 이너 로터형). 스테이터(53)는 스테이터 코어(60), 인슐레이터(70), 및 코일(80)을 가지고 있다.
도 5는 코일(80)을 생략한 스테이터(53)를 나타낸다. 도 6은 인슐레이터(70)를 더 생략한 상태인 스테이터 코어(60)을 나타낸다.
스테이터(53)(스테이터 코어(60))는 원통형의 백요크부(60a)와, 백요크부(60a)로부터 내측에 방사상으로 연장되는 복수(본 실시 예에서는 8 개)의 티스부(60b)를 가지고 있다. 각 티스부(60b)는 원주 방향으로 등간격으로 배치되어 있다. 인접하는 2 개의 티스부(60b, 60b)의 사이에는 코일(80)을 수용하는 슬롯(60c)이 형성되어 있다.
티스부(60b)의 폭(원주 방향의 크기)은 돌출단 부분을 제외하고 거의 동일한 크기로 형성되어 있다(돌출단 부분의 폭은 좁다). 각 티스부(60b)의 돌출단과, 로터(52)의 돌극부(52b) 돌출단의 사이에 소정 크기의 에어갭(G)이 형성되도록 스테이터(53)의 내경 및 로터(52)의 외경이 설계되어 있다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 스테이터 코어(60)는 상면 시(위쪽에서 본 경우를 의미)에 대략 U 형상을 한 복수(본 실시 예에서는 8 개)의 요소 코어(61)와, 복수(본 실시 예에서는 8 개)의 마그넷(62)으로 구성되어 있다.
각 요소 코어(61)는 대략 U 형상을 한 복수의 철판(자성체)을 상하 방향(축 방향)으로 적층하여 형성되어 있다. 각 요소 코어(61)는 위쪽에서 볼 때원호 형상의 요크 요소(61a)와, 요크 요소(61a)의 양단에서 대향하는 형상으로 연장 돌출되는 한 쌍의 티스 요소(61b, 61b)를 가지며, 축방향에 대해 상하 방향으로 일정한 두께를 가지도록 구성되어 있다. 요크 요소(61a)는 백요크부(60a)의 일부를 구성하고, 각 티스 요소(61b)는 티스부(60b)의 측부를 구성한다.
각 마그넷(62)은 수지 성분을 40 vol. % 이상 포함하는 이방성의 Sm-Fe-N 본드 마그넷을 이용하여 대략 판 형상으로 형성되어 있다. Nd-Fe-B 본드 마그넷보다 비중이 작은 Sm-Fe-N 본드 마그넷을 채용함으로써 모터(50)를 경량화할 수 있으며, 또한 이방성 마그넷 채용에 의해 자력을 강화할 수 있기 때문에, 모터(50) 출력 밀도의 대폭적인 향상이 실현 가능해진다. 또한, 절연체 인 수지 성분을 40 vol. % 이상으로 함으로써 마그넷에 발생하는 와전류가 감소하기 때문에, 수지량을 늘리더라도 모터(50)를 고효율화할 수 있다.
각 마그넷(62)은 구체적으로, 반경 방향의 외측을 향할수록 멀어지는 한 쌍의 경사진 장방형 측면(62a, 62a)과, 폭이 좁은 장방형의 내측 단부면(62b)과, 폭이 넓은 장방형의 외측 단부면(62c)을 가지고 있다. 측면(62a)의 일측이 N 극을 구성하고, 타측의 측면(62a)이 S 극을 구성하고 있다.
각 마그넷(62)은 스테이터 코어(60)에 있어서, 같은 자극이 원주 방향으로 대향한 상태로 방사상으로 배치되어 있다. 그리고, 인접하는 2 개의 요소 코어(61, 61)의 대향하고 있는 티스 요소(61b, 61b)의 사이에 1 개의 마그넷(62)을 끼운 상태에서 요소 코어(61) 및 마그넷(62)이 각각 원형의 환상으로 연결되어 있다.
각 마그넷(62)의 측면(62a)은 각각 인접하고 있는 2 개의 요소 코어(61, 61)의 대향하고 있는 각 티스 요소(61b, 61b)와 면 접촉하고 있다. 각 마그넷(62)의 측면(62a)은 경사져 있기 때문에, 경사져 있지 않은 경우에 비해 그 표면적이 커져 있다. 이에 따라, 더 강력한 자력을 생성하는 것이 가능하게 되므로, 모터(50)를 고출력화할 수 있다.
각 마그넷(62)의 내측 단부면(62b)은 각 티스 요소(61b)의 돌출단보다 먼 쪽(반경 방향의 외측)에 위치하고 있다. 구동 모터(50)의 회전 시에는 티스부(60b)의 돌출단과 돌극부(52b)의 돌출단 사이에 자로(자속의 유로)가 형성되는데, 이때 마그넷(62)의 내측 단부면(62b)보다 각 티스 요소(61b)의 돌출단을 에어갭(G)에 돌출시킴으로써, 마그넷(62)을 향하는 자속, 즉 마그넷(62)이 노출되는 자속의 양을 억제할 수 있다. 따라서, 마그넷(62)의 불가역 감자(減磁), 및 와전류의 발생을 억제하는 작용을 가질 수 있게 된다.
도 5에 나타낸 바와 같이 원형의 환상으로 연결된 스테이터 코어(60)의 주위에는 플라스틱재(절연 소재) 인슐레이터(70)가 장착되어 있다. 구체적으로, 티스부(60b)의 상면, 티스부(60b)의 양측면의 일부, 백요크부(60a)의 일부(슬롯(60c)에 대면하는 부분) 등이 인슐레이터(70)에 의해 피복되어 있다. 티스부(60b)의 돌출단(에어갭(G)에 대응하고 있는 부분)에 위치하는 스테이터 코어(60)는 인슐레이터(70)로부터 노출되어 있다.
도 4에 나타낸 바와 같이 각 티스부(60b)의 인슐레이터(70)로 피복되어 있는 부분에 코일(80)이 설치되어 있다. 본 구동 모터(50)는 미니 팬모터(2)에 이용되고 있기 때문에, 그 크기가 매우 작다. 코일(80)도 이에 대응해서 미소한 크기로 되어 있다.
도 7은 코일(80)을 나타낸 것이다. 코일(80)은 높은 자력을 발생시킬 수 있으며 또한, 조립이 용이하도록 고려되어 있다.
즉, 각 코일(80)은 소정의 내측 치수를 갖도록 형성되어 있다. 그리고, 각 티스부(60b)가 코일(80)의 내측 치수에 결합하는 외측 치수를 가지며, 각 티스부(60b)에 소정 형상으로 형성된 각 코일(80)이 장착할 수 있도록 구성되어 있다.
각 코일(80)은, 구리 등의 전기 도체를 절연막으로 피복하여 구성된 전선을 권선해서 형성되어 있다. 이 전선에는 장방형의 횡단면을 갖는 평각선(平角線, Flat wire)(80a)이 이용되고 있다. 평각선(80a)을 이 횡단면의 단변(短) 측으로 밴딩하여 코일(80)이 형성되어 있다(엣지 와이즈 권선).
평각선(80a)인 경우, 간격 없이 감을 수 있기 때문에, 둥근선에 비해 높은 점적률을 얻을 수 있다. 게다가, 엣지 와이즈 권선인 경우, 두께가 얇은 단변 측이 권선되어 가므로, 권선 방향(축 방향)의 코일(80) 크기도 작아질 수 있어서 모터(50)의 소형화가 가능해진다. 또한, 평각선(80a)의 원주 방향의 측면적을 작게 할 수 있어서, 각 티스부(60b)로부터 누출되는 프린징 자속에 평각선(80a)이 노출됨으로써 발생하는 와전류를 억제할 수 있어 모터(50)의 고효율화가 가능하다. 또한, 단변 측이 작더라도, 장변 측을 크게 함으로써 평각선(80a)의 단면적을 크게, 즉 전선을 굵게 할 수 있다. 따라서, 큰 전류를 흘릴 수 있기 때문에 높은 자력을 발생시킬 수 있다.
각 티스부(60b)에 장착된 각 코일(80)의 끝단부는 절연막이 제거된 상태에서 기판(40)의 소정의 단자에 연결되어 있다. 기판(40)에는 배터리(8)에서 전력이 공급되고 있다. 기판(40)에는 이 전력을 전환하는 복수의 스위칭 소자가 설치되어 있고, 이러한 스위칭 소자를 제어부(9)가 제어함으로써, 각 코일(80)에는 소정의 전류(교류)가 공급되도록 되고 있다.
본 구동 모터(50)의 경우, A 상 및 B 상으로 이루어진 2 상의 서로 다른 코일 군이 구성되어 있다. 도 4에 무늬 별로 나타낸 같이 A 상 및 B상의 각 코일 군은 원주 방향으로 교대로 정렬 배치되어 있다. 이러한 각 상의 코일 군에 위상이 다른 2 개의 전류(교류)가 공급된다.
이때, 각 돌극부(52b)를 모터(50)의 회전 방향(CCW 방향)에 대해 돌극 단부면(525) 분 돌출시킨 구조(비대칭 구조)로 되어 있어서, 2 상 모터이면서 시작할 때의 안정성 확보나 CCW 방향으로의 회전 방향 일률화를 실현하고 있다. 여기서, 회전 방향으로 돌출된 돌극 단부면(525)은 3 상 모터의 경우는 불필요하다.
유기(誘起) 전압의 변화 등으로부터 스테이터(53)에 대한 로터(52)의 회전 위치가 검출되고, 그 회전 위치에 기반해서 각 코일 군으로의 통전 상태를 전환하는 제어가 이루어진다. 이에 따라, 스테이터(53)에, 로터(52)를 회전시키는 자계(회전 자계)가 형성된다. 이 회전 자계와, 각 마그넷(62)에 의해 자화된 돌극부(52b)와의 자기적인 흡인력(마그넷 토크)에 의해 로터(52)는 반시계 방향으로 회전한다.
(로터(52)의 상세 구조)
상술한 바와 같이, 로터(52)의 각 돌극부(52b)에는 슬릿(52c)(공극, 空隙, 의 일례, 이하 제2 에어갭 (Second air gap)으로 지칭 될 수 있음)이 형성되어 있다. 슬릿(52c)은 축 방향으로 관통하고 있다. 슬릿(52c)은 또한, 보스부(52a)와의 경계 부위로부터 돌극부(52b)의 돌출단 부위까지 반경 방향으로 직선 형태로 연장되어 있다.
로터(52)는 소위 철 덩어리이다. 따라서, 로터(52)는 고중량이지만, 각 돌극부(52b)에 슬릿(52c)을 형성함으로써 로터(52), 나아가서는 구동 모터(50)를 대폭 경량화할 수 있다.
게다가, 도 4에 나타낸 바와 같이 각 돌극부(52b)의 슬릿(52c)보다 회전 방향의 앞쪽(회전 방향의 전진 측, 본 구동 모터(50)의 경우 CCW 측)에는 큰 폭(두께)으로 반경 방향으로 연장되는 부분(대자로부 또는 제1 자로부(52d))이 마련되어 있다. 그리고, 각 돌극부(52b)의 슬릿(52c)보다 회전 방향의 뒤쪽(회전 방향의 후진 측, 본 구동 모터(50)의 경우 CW 측)에는 작은 폭(두께)으로 반경 방향으로 연장되는 부분(소자로부 또는 제2 자로부 (52e))가 마련되어 있다. (자로부, 磁路部, Magnetic circuit part)
즉, 회전 방향의 앞쪽에 위치하는 대자로부(52d)의 횡단면적(돌극부 각각의 돌출 방향에 대한 횡단면의 면적)은 회전 방향의 뒤쪽에 위치하는 소자로부(52e)의 횡단면적보다 커져 있다. 이로 인해 마그넷(62)의 자속이 대자로부(52d)에서 다량 유입 및 유출되고, 반대로 소자로부(52e)에서 유입 및 유출되는 자속의 양은 적어진다. 이에 따라, 모터(50)의 회전 방향으로의 자기적 흡인력은 커지고, 반대로 모터(50)의 역회전 방향(본 모터(50)의 경우, CW 방향)으로의 자기적 흡인력은 작아진다. 따라서, 모터(50)의 고토크화를 실현할 수 있기 때문에, 고출력화와 경량화를 양립할 수 있다.
도 8은 구동 모터(50)의 회전 시에 소정의 자기 상태를 모식적으로 나타낸 것이다. 로터(52)는 화살표(R)로 나타낸 바와 같이 반시계 방향으로 회전하고 있다.
회전 방향의 앞쪽에 위치하는 대자로부(52d)는 횡단 면적이 크기 때문에, 티스부(60b)(티스 요소(61b)의 부분)와 대자로부(52d)의 사이에는 화살표(Y1)로 나타낸 바와 같이 다량의 마그넷 자속이 유입 및 유출되기 때문에, 회전 방향을 전진하는 쪽으로 큰 흡인력이 작용한다.
한편, 회전 방향의 뒤쪽에 위치하는 소자로부(52e)는 횡단면적이 작기 때문에, 화살표(Y2)로 나타낸 바와 같이 티스부(60b)(티스 요소(61b)의 부분)와 소자로부(52e)의 사이에는 대자로부에 비해 소량의 마그넷 자속 밖에 유입 및 유출되지 않기 때문에, 회전 방향을 후진하는 쪽에는 작은 흡인력 밖에 작용하지 않는다.
이에 따라 로터(52)의 회전 방향과는 반대 방향으로 발생하는 마그넷 토크를 억제할 수 있다. 그 결과, 모터(50)의 토크를 증가시킬 수 있어서, 소형이라도 고출력을 얻을 수 있어서 고출력화 및 경량화를 양립할 수 있다.
<변형 예>
도 9는 구동 모터(50)의 변형 예를 나타낸다. 본 변형 예에 따른 구동 모터(50)에서는 4 개의 돌극부(52b)를 갖는 로터(52)가 이용되고 있다. 코일(80)은 8 개이지만, 이 구동 모터(50)에서는 1 개의 전류(교류)의 통전 상태를 전환하여 회전 자계를 형성한다(소위 단상).
미니 팬모터(2)의 경우 50000 r/min 이상의 고속 회전, 나아가 100000 r/min 이상의 초고속 회전이 요구된다. 돌극부(52b)가 많으면 그만큼 1 회전 동안에 이루어지는 통전 전환 제어가 증가한다. 따라서, 회전수가 큰 폭으로 높아지면, 통전 전환 제어가 번잡해져 제어가 불안정하거나 제어할 수 없게 될 우려가 있다. 따라서, 돌극부(52b)가 적은 본 변형 예에 따른 구동 모터(50)는 초고속 회전에 유리하다.
개시하는 기술에 따른 구동 모터는 상술한 실시 예에 한정되지 않고, 그 이외의 다양한 구성도 포함한다.
예를 들면, 상술한 실시 예에서는 스틱형 청소기의 적용 예를 예시했지만, 개시하는 기술을 적용할 수 있는 것은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 쥬스 믹서기나 푸드 프로세서 등 기타 가전 제품, 로봇 등의 구동에도 적용할 수 있다.
공극의 형상은 슬릿에 한정되지 않는다. 돌극부에 공극을 형성함으로써 돌극부의 회전 방향의 앞쪽 부분에 뒤쪽 부분보다 큰 자로가 형성되어 있으면 된다. 예컨대, 반경 방향으로 연장되는 홈일 수도 있고, 돌극부의 내부에 형성된 공간일 수도 있다. 공극이 복수의 작은 공극으로 분단되어 있을 수도 있다.
슬릿 형상도 일례이다. 사양에 따라 약간 만곡되거나 폭이 커지지나 또는 작아지거나 비스듬하게 연장될 수도 있다. .
코일(80)의 전선은 평각선이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 통상의 둥근선일 수도 있다.
또한, 모터(50)는 소위 2 상 8 슬롯 6 돌극의 모터로 하고, 또한 변형 예에서는 소위 단상 8 슬롯 4 돌극의 모터로 해서 동작하지만, 개시하는 기술에 따른 모터는 상술한 상수(相數), 슬롯수, 돌극수 이외의 다양한 조합, 예컨대 3 상 12 슬롯 10 돌극도 포함할 수 있다.

Claims (20)

  1. 회전 가능한 샤프트;
    상기 샤프트와 고정 결합되며 상기 샤프트를 중심으로 회전 가능하고, 상기 샤프트를 중심으로 반경 방향으로 돌출하는 복수의 돌극부(突極部, Salient pole part)를 포함하는 로터; 및
    상기 로터와 제1 에어갭(First Air gap)을 사이에 두고 감싸며 상기 로터의 원주방향으로 배치되는 스테이터(Stator);를 포함하고,
    상기 스테이터는
    백요크부 및 상기 백요크부로부터 내측으로 연장되는 복수의 티스부를 갖는 스테이터 코어와,
    상기 복수의 티스부 각각의 주위에 설치되는 복수의 코일을 포함하며,
    상기 스테이터 코어는 복수의 요소 코어와 복수의 마그넷을 포함하고,
    상기 복수의 돌극부 각각은,
    제2 에어갭(Second air gap)과, 상기 제2 에어갭의 양측에 위치하는 제1 자로부(第1磁路部, First magnetic circuit part) 및 제2 자로부(第2磁路部, Second magnetic circuit part)를 포함하고,
    상기 제1 자로부는 상기 제2 에어갭의 양측 중 상기 로터의 회전방향의 전진 측에 위치하며,
    상기 돌극부 각각의 돌출 방향에 대한 횡단면에 있어서, 상기 제1 자로부의 횡단면의 면적은 상기 제2 자로부의 횡단면의 면적보다 크도록 형성되는 구동 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제2 에어갭은 축 방향으로 관통하고 반경 방향으로 연장되는 슬릿으로 이루어지며, 상기 복수의 돌극부 각각의 두께는 상기 슬릿에 대해 회전 방향의 뒤쪽 부분보다 앞쪽 부분이 더 두껍게 형성되는 구동 모터.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 돌극부 각각은 상기 제2 에어갭에 대해 회전 방향의 뒤쪽 부분보다 앞쪽 부분이 더 제1 에어갭을 향하여 반경방향으로 돌출되어 있는 구동 모터.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 요소 코어 각각은, 원호 형상의 요크 요소 및 요크 요소의 양단에서 서로 대향하는 형상으로 연장 돌출되는 한 쌍의 티스 요소를 포함하는 자성체인 복수의 U 형상의 철판이 축 방향으로 적층되어 형성되며,
    상기 요크 요소는 상기 백요크부의 일부를 구성하고, 상기 한 쌍의 티스 요소 각각은 상기 복수의 티스부 각각의 측부를 구성하는 구동 모터.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복수의 마그넷은 같은 자극이 원주 방향으로 대향된 상태로 배치되며, 상기 복수의 마그넷 각각은 인접하는 2 개의 상기 요소 코어의 대향하고 있는 티스 요소의 사이에 배치되며,
    상기 복수의 요소 코어 및 상기 복수의 마그넷이 각각 원주 방향으로 배치되어 원형의 환상으로 마련되는 구동 모터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 마그넷 각각은 반경 방향으로 외측을 향할수록 멀어지는 한 쌍의 경사진 측면을 가지며,
    상기 한 쌍의 경사진 측면은 각각 상기 복수의 티스부 각각과 면 접촉하고 있는 구동 모터.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 마그넷 각각의 반경 방향 안쪽에 위치한 단부는 상기 한 쌍의 티스 요소 각각의 반경 방향 안쪽에 위치한 단부보다 상기 샤프트에 가깝도록 상기 제1 에어갭으로 돌출되는 구동 모터.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 코일은, 인접한 각각의 코일에 위상이 다른 2 개의 전류가 공급되도록 배치되는 구동 모터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 마그넷 각각에 수지 성분을 40 vol. % 이상 포함하는 이방성의 Sm-Fe-N 본드 마그넷이 사용되고 있는 구동 모터.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트에 장착되는 임펠러(Impeller)와,
    중앙부에 흡입구를 가지며, 상기 임펠러를 덮도록 배치되는 슈라우드(Shroud)를 더 포함하는 팬모터를 구성하고 있는 구동 모터.
  11. 제 10항에 있어서,
    외경이 100mm 이하, 높이가 50mm 이하이며, 흡입 일률이 250W 이상의 미니 팬모터를 구성하고 있는 구동 모터.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 코일 각각은 장방형의 단면을 갖는 평각선을 그 단변 측에서 밴딩하는 엣지 와이즈 권선에 의해 형성되어 있으며,
    상기 복수의 티스부 각각에 상기 복수의 코일 각각이 장착되어 있는 구동 모터.
  13. 회전 가능한 샤프트;
    상기 샤프트와 고정 결합되며 상기 샤프트를 중심으로 회전 가능하고, 상기 샤프트를 중심으로 반경 방향으로 돌출하는 복수의 돌극부를 포함하는 로터; 및
    상기 로터와 제1 에어갭(First Air gap)을 사이에 두고 감싸며 상기 로터의 원주방향으로 배치되는 스테이터(Stator);를 포함하고,
    상기 스테이터는
    백요크부 및 상기 백요크부로부터 내측으로 연장되는 복수의 티스부를 갖는 스테이터 코어와,
    상기 복수의 티스부 각각의 주위에 설치되는 복수의 코일을 포함하며,
    상기 스테이터 코어는 복수의 요소 코어와 복수의 마그넷을 포함하고,
    상기 복수의 돌극부 각각은,
    제2 에어갭(Second air gap)과, 상기 제2 에어갭의 양측에 위치하는 제1 자로부(磁路部, Magnetic circuit part) 및 제2 자로부를 포함하고,
    상기 제1 자로부는 상기 제2 에어갭의 양측 중 로터의 회전방향의 전진 측에 위치하며,
    상기 돌극부 각각의 돌출 방향에 대한 횡단면에 있어서, 상기 제1 자로부의 횡단면의 면적은 상기 제2 자로부의 횡단면의 면적보다 크도록 형성되는 구동 모터를 포함하는 청소기.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제2 에어갭은 축 방향으로 관통하고 반경 방향으로 연장되는 슬릿으로 이루어지며, 상기 복수의 돌극부 각각의 두께는 상기 슬릿에 대해 회전 방향의 뒤쪽 부분보다 앞쪽 부분이 더 두껍게 형성되는 구동 모터를 포함하는 청소기.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 돌극부 각각은 상기 제2 에어갭에 대해 회전 방향의 뒤쪽 부분보다 앞쪽 부분이 더 제1 에어갭을 향하여 반경방향으로 돌출되어 있는 구동 모터를 포함하는 청소기.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 요소 코어 각각은, 원호 형상의 요크 요소 및 요크 요소의 양단에서 서로 대향하는 형상으로 연장 돌출되는 한 쌍의 티스 요소를 포함하는 자성체인 복수의 U 형상의 철판이 축 방향으로 적층되어 형성되며,
    상기 요크 요소는 상기 백요크부의 일부를 구성하고, 상기 한 쌍의 티스 요소 각각은 상기 복수의 티스부 각각의 측부를 구성하는 구동 모터를 포함하는 청소기.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 복수의 마그넷은 같은 자극이 원주 방향으로 대향된 상태로 배치되며, 상기 복수의 마그넷 각각은 인접하는 2 개의 상기 요소 코어의 대향하고 있는 티스 요소의 사이에 배치되고,
    상기 복수의 요소 코어 및 상기 복수의 마그넷이 각각 원주 방향으로 배치되어 원형의 환상으로 마련되며,
    상기 복수의 마그넷 각각은 각각 반경 방향으로 외측을 향할수록 멀어지는 한 쌍의 경 사진 측면을 가지며 상기 한 쌍의 경사진 측면은 각각 상기 복수의 티스부 각각과와 면 접촉하도록 마련되는 구동 모터를 포함한 청소기.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 복수의 마그넷 각각의 반경 방향 안쪽에 위치한 단부는 상기 한 쌍의 티스 요소 각각의 반경 방향 안쪽에 위치한 단부보다 상기 샤프트에 가깝도록 상기 제1 에어갭으로 돌출되는 구동 모터를 포함하는 청소기.
  19. 제 17항에 있어서,
    상기 복수의 코일은, 인접한 각각의 코일에 위상이 다른 2 개의 전류가 공급되도록 배치되는 구동 모터를 포함하는 청소기.
  20. 제 13항에 있어서,
    상기 복수의 마그넷 각각에 수지 성분을 40 vol. % 이상 포함하는 이방성의 Sm-Fe-N 본드 마그넷이 사용되고 있는 구동 모터를 포함하는 청소기.
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