KR20060041771A

KR20060041771A - 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법 및 영구자석내장형 회전모터

Info

Publication number: KR20060041771A
Application number: KR1020050010862A
Authority: KR
Inventors: 토시히토 미야시타; 사토루 오노데라
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2004-02-04
Filing date: 2005-02-04
Publication date: 2006-05-12
Also published as: KR101083695B1; CN100521462C; EP1569320A2; JP3638944B1; US7358638B2; US20050168089A1; JP2005253281A; EP1569320A3; CN1652439A

Abstract

본 발명은, 코깅토크를 저하시킬 수 있고, 또한 토크를 저하시키지 않고, 영구자석의 사용량을 저감할 수 있는 영구자석 내장형 회전모터를 얻는 것을 과제로 한다.

N개의 슬롯(6)과 P개의 영구자석 자극부(11)를 가지고, 2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 홀수가 되는 영구자석 내장형 회전모터에 있어서, 플럭스 배리어(21)의 단면을 로터 코어(9)의 축선방향의 일방측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 가장 로터 코어(9)의 표면과의 사이의 거리가 짧게 되는 1개의 각부와 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 한 쌍의 플럭스 배리어(21)에 대해서 상정한 2개의 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 영구자석 자극부의 극호율(ψp)을 ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n의 관계를 만족시키도록 정한다. 여기에서, LCM(P,N)은, P와 N의 최소 공배수이며, m 및 n은 임의의 자연수이며, ψp는 0＜ψp＜1이다.

Description

영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법 및 영구자석 내장형 회전모터{METHOD OF RECKONING POLE-ARC PROPORTION IN ROTARY MOTOR WITH BUILT-IN PERMANENT MAGNET AND SUCH ROTARY MOTOR}

도1(A)는, 본 발명의 제1실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터 및 로터의 평면도이며, (B)는, 도1(A)의 부분 확대도이다.

도2는 도1에 나타내는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율(ψp)과 코깅토크의 관계를 전자계 시뮬레이트에 의해 구한 그래프이다.

도3은 본 발명의 제2실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터 및 로터의 평면도이다.

도4는 본 발명의 제3실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터 및 로터의 평면도이다.

도5는 시험에 이용한 모터의 전류진행각과 토크의 관계를 나타내고 있다.

도6은 본 발명의 제4실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터 및 로터의 평면도이다.

도7은 본 발명의 제5실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터 및 로터의 평면도이다.

도8은 본 발명의 제6실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터 및 로터의 평면도이다.

도9는 본 발명의 제7실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터 및 로터의 평면도이다.

(부호의 설명)

1:스테이터 3:로터

5:요크 6:슬롯

9:로터 코어 11:영구자석

21:플럭스 배리어 123:홈

본 발명은, 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법 및 영구자석 내장형 회전모터에 관한 것이다.

일반적으로, 이동자계를 발생시키는 전기자와, 이동자계와 작용해서 전자력을 발생시키는 영구자석으로 이루어지는 자계로 구성되어 있는 영구자석 회전모터가 알려져 있다. 그러나, 이렇게 영구자석을 사용하는 모터에 있어서는, 무부하시에 있어서 맥동(코깅토크)을 포함하는 토크 및 추력이 발생한다. 이러한 코깅토크는 원활한 회전 또는 왕복동을 저해하고, 진동이나 속도변동의 원인으로 된다. 종래부터, 코깅토크를 저감하는 방법으로서, 스테이터나 로터에 경사홈의 슬롯(이하, 스큐라 함)을 형성하거나, 부채꼴의 내면의 원호의 중심과 외면의 원호의 중심이 다른 영구자석(이하, 편심형 영구자석이라 함)을 이용하는 것이 제안되고 있다. 그러나, 스큐를 형성하면, 토크가 저하되거나, 모터의 생산성이 저하된다. 또, 편심형 영구자석을 이용하면, 자속밀도를 높게 할 수 없고, 고토크 밀도화를 꾀할 수 없다.

그래서, 로터 코어내에 영구자석이 매설되어서 영구자석 자극부가 형성되는 영구자석 내장형 회전모터에서는, 일본특허공개 평11-299199호공보(특허문헌1)에 있어서, 영구자석 자극부의 로터 코어 표면측에 위치하는 둘레방향 양 각부와 로터의 중심을 각각 연결하는 선분의 각도(영구자석각도)를 θ라고 하고, 슬롯피치를 τs라고 하고, 영구자석 자극부의 개수를 P라고 한 경우에, θ≒n×τs+16/P(n은 자연수)로 설정하는 것이 제안되었다.

(특허문헌1)일본특허공개 평11-299199호공보

그러나, 종래의 설정에서는, 영구자석에 의한 토크(마그넷 토크)를 높게 유지할 수 있지만, 영구자석의 로터 코어의 지름방향과 직교하는 방향으로 연장되는 폭치수가 커지기 때문에, 영구자석의 사용량이 증대해서 재료비가 높아진다.

본 발명의 목적은, 코깅토크를 저하시킬 수 있고, 또한 토크를 저하시키지 않고, 영구자석의 사용량을 저감할 수 있는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법 및 영구자석 내장형 회전모터를 제공하는 데에 있다.

본 발명이 개량의 대상으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법은, 스테이터 코어와 2상이상의 여자권선을 갖는 스테이터와, 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고 있다. 스테이터 코어는, 둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖고 있다. 2상이상의 여자권선은, N개의 자극부에 권취되어 있다. 로터는 로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 갖고 있다. P개의 영구자석 자극부는, 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있다. P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있다. 그리고, P/N＞43/45로 된다. 본 발명에서는, 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)을, ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+kP/LCM(P,N)의 식으로부터 산출해서 결정한다. 단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수, k는 임의의 정수이다.

또, 2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N 의 기약분수(Po/No)의 Po가 짝수가 되는 경우는, ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+P/LCM(P,N)의 관계를 만족시키도록 결정된다.

또, 2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 홀수가 되는 경우는, ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n의 관계를 만족시키도록 결정된다.

여기서, 영구자석 자극부란, 영구자석의 존재에 의해, 일정 영역에 형성되는 자극부인 것이다. 2개이상의 동극성의 영구자석을 간극을 두고 조합해서 1개의 자극부를 구성하는 경우도 있다. 예를 들면, 2개의 영구자석이 소정의 간격을 두고 조합한 것에 의해 1개의 영구자석 자극부가 형성되는 경우에는, 영구자석 자극부의 수(P)는 영구자석의 수의 1/2배로 된다. 또, 매설된 인접하는 2개의 동극성의 영구 자석 사이에 영구자석을 설치하지 않고 이극성의 극성을 나타내는 부분을 형성하는 경우에는, 영구자석에 추가해서 영구자석을 설치하지 않고 극성을 나타내는 부분도 영구자석 자극부에 포함되게 된다. 예를 들면, 영구자석 자극부가 매설된 2개의 동극성의 영구자석 사이에 극성을 나타내는 부분을 형성하는 경우에는, 영구자석 자극부의 수(P)는 영구자석의 수의 2배로 된다. 이 경우, 영구자석의 치수와, 이극성의 자성을 나타내는 부분의 치수는 동일하게 설정하는 것이 바람직하다.

또, 극호율(ψp)이란, 영구자석 자극부의 로터 코어 표면측에 위치하는 둘레방향 양 각부와 로터의 중심을 각각 연결하는 선분의 각도(영구자석각도)를 θpp라고 하고, 전체둘레각도(360°)를 영구자석의 수(극수)로 나눈 각도(2π/P)를 θp라고 한 경우에, θpp/θp가 되는 값이다(도4참조).

또, 영구자석 자극부가 둘레방향 양단에 비자성의 한 쌍의 플럭스 배리어를 구비하고 있는 경우에는, 플럭스 배리어의 단면을 로터 코어의 축선방향의 일방측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 가장 로터 코어의 표면과의 사이의 거리가 짧게 되는 1개의 각부와 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때에, 한 쌍의 플럭스 배리어에 대해서 상정한 2개의 상기 선분간의 각도를 θpp라고 한다[도1(B)참조].

또, 로터 코어에, 상기 로터 코어의 축선방향으로 연장되고 또한 로터 코어의 표면에 개구되는 한 쌍의 홈을 영구자석 자극부의 둘레방향 양단근방에 형성하는 경우에는, 홈의 단면을 로터 코어의 축선방향의 일방향측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 로터 코어의 표면에 위치하고 또한 대응하는 영구자석 자극부에 인접하는 각부와 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때에, 한 쌍의 홈에 대해서 상정한 2개의 선분간의 각도를 θpp라고 한다(도3참조).

로터의 1회전당의 코깅토크의 파수는, 일반적으로, 영구자석 자극부의 수(P)와 슬롯수(N)의 최소 공배수[LCM(P,N)]이다. 이것은, 영구자석의 자기 에너지의 변화가, 최소 공배수[LCM(P,N)]회 발생하고 있기 때문이다. 그래서, 본 발명자는, 로터의 1회전당의 코깅토크의 파수를 최소 공배수[LCM(P,N)]의 2배로 할 수 있으면, 코깅토크를 저감할 수 있는 것을 발견하였다. 통상, 자기 에너지의 변극점은, 2π/LCM(P,N)의 1/2마다 존재하고 있으므로, 이것을 또한 2π/LCM(P,N)의 1/4마다 변극점을 출현시키면 된다. 즉, 슬롯의 피치각(2π/N)의 짝수배와 코깅토크가 최소로 되는 θpp의 차의 절대치가 영구자석의 피치각(2π/P)의 짝수배와 2π/LCM(P,N)의 1/4배의 차의 절대치를 같게 하면 된다. 이것을 정식화하면 다음과 같게 된다.

｜2m×2π/N-θpp｜=｜2n×2π/P-2π/[4×LCM(P,N)]｜

이 식으로부터 극호율(ψp)을 구하면 하기식과 같이 된다.

ψp=θpp/(2π/P)={2m×2π/N+2π/[4×LCM(P,N)]-2n×2π/P}/(2π/P)

=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n

또, 코깅토크 파형은 2π/2·LCM(P,N)/(π/P)마다 최소값이 나타난다. 즉, P/LCM(P,N)마다 최소값이 나타나므로, 극호율(ψp)은 다음과 같이 구할 수 있다.

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+kP/LCM(P,N)

(LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수, k는 임의의 정수, 단 0＜ψp＜1)

상기 식에서는, m, n, k의 값은, 무수하게 선택할 수 있다. 그러나, 극호율(ψp)의 값의 범위는, 0＜ψp＜1이기 때문에, 극수, 슬롯수를 한정하면, 극호율(ψp)의 바람직한 값은 몇개로 집약된다. 보다 구체적인 극호율(ψp)은, 상술한 ψp를 구하는 식에서 얻어진 유효숫자 3자리수(유효숫자 제4자리수 이하는 사사오입)의 수치의 ±2.2%의 범위의 값으로 하면 된다. 이렇게 하면, 예를 들면, 모터용량이 15kW인 모터에서는, 코깅토크를 대략 3N·m이하로 할 수 있다. 이 때문에, 코깅토크를 저하시킬 수 있는 영구자석 내장형 회전모터를 얻을 수 있다.

특히, 본 발명에서는, P/N의 값을 특정함으로써, 동극수, 동슬롯수의 종래기술(일본특허공개 평11-299199호공보)의 모터에 비해서 극호율(ψp)이 작으므로, 영구자석의 로터 코어의 지름방향과 직교하는 방향의 치수를 작게 할 수 있다. 그 때문에, 영구자석의 사용량을 저감할 수 있다. 또, 인접하는 2개의 영구자석 사이에, 스테이터에의 자속의 흐름을 촉진시키는 플럭스 배리어 등을 형성하기 쉬워진다. 또, 본 발명에서는, 영구자석의 로터 코어의 지름방향과 직교하는 방향의 치수를 작게 할 수 있지만, 토크가 크게 저하되는 일은 없다. 이하, 그 이유를 설명한다.

모터가 발생시키는 총토크를 T라고 하고, 영구자석의 자기 에너지에 기초해서 발생되는 마그넷 토크를 Tm이라고 하고, 인덕턴스차에 의한 자기 에너지구배에 기초해서 발생되는 리럭턴스 토크를 Tr이라고 하고, β를 전류진행각[°]이라고 하면, 총토크(T)는 다음 식을 갖고 있다.

T=Tm+Tr=(P/2){ψa·Ia·cosβ+0.5·(Lq-Ld)·Ia²·sin2β}[N·m]

여기서, P는 극수이며, ψa는 영구자석에 의한 쇄교자속수[Wb]이며, Ia는 전기자전류[A]이며, Lq는 q축(로터 코어의 중심과 인접하는 2개의 영구자석 자극부의 사이를 통과하는 축선) 인덕턴스[H]이며, Ld는 d축(로터 코어의 중심과 영구자석 자극부의 중심을 통과하는 축선) 인덕턴스[H]이며, Ld≤Lq이다.

상기 식으로부터, Tm은 β=0°일 때 최대로 되며, Tr은 β=45°일 때 최대로 되며, 총토크(T)는 β가 0°∼45°사이에서 최대로 되는 것을 알 수 있다. 또, 인덕턴스란, 전기자권선에 전류가 흐르는 것에 유래하는 전기자 기자력에 대한 전기자 자속발생량을 나타내는 비례정수인 것이므로, Ld≤Lq의 의미는, d축에는 전기자 자속이 흐르기 어렵고, q축에는 전기자 자속이 흐르기 쉬운 것을 나타내고 있다. 공기와 대략 동등의 투자율을 갖는 영구자석과, 인접하는 영구자석 사이의 전자강판 사이에는 5000배 정도의 투자율의 차가 있으며, d축에는 전자기 자속이 흐르기 어렵다. 즉, Ld는 Lq와 비교하면 작은 것을 알 수 있다. 본 발명의 모터는 극호율(ψp)이 작아짐에 의해, 마그넷 토크(Tm)가 감소하지만, 리럭턴스 토크(Tr)가 증대하므로, 최대 토크가 얻어지는 전류진행각(β)의 각도에 있어서는, 종래와 대략 동일한 총토크(T)를 얻을 수 있다.

또, 본 발명의 모터의 극호율(ψp)이 종래기술(일본특허공개 평11-299199호 공보)의 극호율(ψp)의 범위에 포함되는 것은 아닌 이유를 이하에 설명한다. 영구자석각도(θ)와 극호율(ψp)은 ψp=θ/(360/P)의 관계에 있다. 이 식에 종래기술의 θ≒n×τs+16/P 및 τs=360/N을 넣으면 ψp=P/360×n×360/N+P/360×16/P=n×P/N+16/360[식(1)]으로 된다. 극호율(ψp)은 0＜ψp＜1의 범위내이므로 n×P/N≤1- 16/360=43/45로 된다. 또, n은 자연수이므로, P/N≤43/45로 된다. 이것에 대해서 청구항1, 4, 7의 발명에서는, P/N＞43/45로 되므로, 청구항1, 4, 7의 방법으로 결정되는 극호율(ψp)은 종래기술의 극호율(ψp)의 범위에 포함되는 것은 아니다.

또, 청구항2, 5, 8의 범위에서는, P/N≤43/45로 되지만, 예를 들면 P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 2(짝수)로 되면 8극 12슬롯에서는, 상기 식(1)로부터 극호율(ψp)을 구하면 32＜45로 된다. 이것에 대해서, 본 발명의 ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+P/LCM(P,N)의 식으로부터 극호율(ψp)을 구하면 5/12로 된다. 따라서, 청구항2, 5, 8의 발명의 모터의 극호율(ψp)은 종래기술의 극호율(ψp)의 범위에 포함되는 것은 아니다.

또, 청구항3, 6, 9의 발명에서도, P/N≤43/45로 되지만, 예를 들면 P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 5(홀수)로 되는 10극 12슬롯에서는, 상기 식(1)로부터 극호율(ψp)을 구하면 79/90으로 된다. 이것에 대해서, 본 발명의 ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+P/LCM(P,N)의 식으로부터 극호율(ψp)을 구하면 1/24, 0.375, 17/24로 된다. 따라서, 청구항3, 6, 9의 발명의 방법으로 결정되는 극호율(ψp)은, 종래기술의 극호율(ψp)의 범위에 포함되는 것은 아니다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해서 설명한다. 도1(A)는, 본 발명의 제1실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터(1) 및 로터(3)의 개략도를 나타내고 있으며, 도1(B)는, 도1(A)의 부분 확대도이다. 양 도면에 나타내듯이, 스테이터(1)는 통형상의 요크(5)와 요크(5)의 내주로부터 중심으로 돌출되는 12개의 자극부(7)를 갖고 있다. 12 개의 자극부(7)는 그 선단부에 자극면(7a)을 각각 갖고 있다. 이것에 의해, 스테이터(1)는, 각각의 인접하는 자극부(7) 사이에 둘레방향으로 등간격으로 배치된 N개(본 예에서는 12개)의 슬롯(6)을 갖게 된다. 각 자극부(7)에는, 2상의 여자권선이 집중적으로 감겨져서 권선부(8)가 구성되어 있다. 또, 이해를 쉽게 하기 위해서, 도1에는 권선부(8)를 파선으로 나타내고 있다. 또한, 후술하는 다른 실시형태에서는, 권선부의 도시는 생략한다.

로터(3)는, 원기둥상의 로터 코어(9)와 상기 로터 코어(9)내의 표면부 근방에 둘레방향으로 등간격으로 매설된 P개(본 예에서는 10개)의 영구자석 자극부를 구성하는 판형상의 영구자석(11)을 갖고 있다. 본 예에서는, 1개의 영구자석에 의해, 1개의 영구자석 자극부가 구성되어 있다. P개의 영구자석(11)은, 로터 코어(9)의 표면측에 교대로 N극과 S극이 나타나도록 착자되어 있다. 또, 스테이터(1) 및 로터 코어(9)는, 각각 복수의 강판이 적층되어 구성되어 있다. 이렇게, 본 예의 영구자석 내장형 회전모터는 10극 12슬롯의 구조를 갖고 있다. 이것에 의해, P/N (10/12)은, 2/3≤P/N≤43/45범위내로 되고, P/N의 기약분수[Po/No(5/6)]의 Po는 5(홀수)로 된다. 영구자석(11)은, 직방형의 단면을 갖고 있으며, 영구자석(11)의 자화방향(화살표 A1)은, 영구자석의 두께방향과 평행하게 되어 있다.

영구자석(11)의 둘레방향 양단부에는, 공동부로 형성되는 한 쌍의 플럭스 배리어(21)가 각각 형성되어 있다. 이 플럭스 배리어(21)는, 공기 등의 비자성 재료로 이루어지고, 스테이터에의 자속의 흐름을 촉진시키는 것이다. 도1(B)에 상세하게 나타내듯이, 플럭스 배리어(21)의 단면은, 로터 코어(9)의 축선방향의 일방측에 서 봤을 때의 윤곽형상이 5개의 각부(21a∼21e)를 갖는 오각형을 갖고 있다. 본 예의 영구자석 내장형 회전모터의 영구자석(11)의 극호율(ψp)은 5개의 각부(21a∼21e) 중, 가장 로터 코어(9)의 표면과의 사이의 거리가 짧게 되는 1개의 각부(21a)와 로터 코어(9)의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 한 쌍의 플럭스 배리어(21)에 대해서 상정한 2개의 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도(360°)를 영구자석의 수(극수)로 나눈 각도(2π/P)를 θp라고 한 경우에, θpp/θp가 되는 값이다. 그리고, 이 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)은, ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n의 관계를 만족시키고 있다. 단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.

상기 식에서는 m, n의 값은 무수하게 설택할 수 있지만, 극호율(ψp)의 값의 범위는 0＜ψp＜1이므로, 10극 12슬롯의 경우에는, 극호율(ψp)의 값은 다음의 3개로 집약된다.

(1)(m,n)=(6,5)→ψp=1/24=0.041

(2)(m,n)=(5,4)→ψp=3/8=0.375

(3)(m,n)=(4,3)→ψp=17/24=0.708

도2는, 본 예의 영구자석 내장형 회전모터(영구자석 극수(P)=10, 슬롯수(N)=12)의 극호율(ψp)과 코깅토크의 관계를 전자계 시뮬레이트에 의해 구한 그래프이다. 도2로부터, 극호율(ψp)을 상술한 극호율(ψp)의 식에서 구한 유효숫자 3자리수(유효숫자 제4자리수 이하는 사사오입)의 ±2.2%의 범위인 0.708±2.2%(0.692∼0.724)로 하면, 코깅토크가 대략 0.02N·m이하로 되는 것을 알 수 있 다.

또, 상기 예에서는, 로터 코어내에 영구자석을 매설한 모터에 있어서 플럭스 배리어를 이용한 예를 나타냈지만, 도3에 나타내듯이, 로터 코어(109)의 축선방향으로 연장되는 한 쌍의 홈(123)을 영구자석 자극부(영구자석(111))의 둘레방향 양단근방에 있어서의 로터 코어(109)의 표면에 형성한 경우(제2실시형태)에는, 홈(123)의 단면을 로터 코어(109)의 축선방향의 일방향측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 로터 코어(109)의 표면에 위치하고 또한 대응하는 영구자석 자극부에 인접하는 각부와 로터 코어(109)의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때에, 한 쌍의 홈(123)에 대해서 상정한 2개의 선분간의 각도를 θpp라고 해서 극호율(ψp)(θpp/θp)을 구한다. 또, 도4에 나타내듯이, 플럭스 배리어 및 홈을 가지지 않는 모터(제3실시형태)에서는, 영구자석 자극부(영구자석(211))의 로터 코어(209)의 표면측에 위치하는 둘레방향 양 각부와 로터(203)의 중심을 각각 연결하는 선분의 각도(영구자석각도)를 θpp라고 해서 극호율(ψp)(θpp/θp)을 구한다.

도5는, 도3에 나타내듯이, 한 쌍의 홈을 형성한 10극 12슬롯의 모터에 있어서, 극호율(ψp)이 17/24(0.708)인 실시예의 모터와, 극호율(ψp)이 79/90(0.877)인 비교예의 모터의 전류진행각(β)과 토크의 관계를 나타내고 있다. 도5로부터 전류진행각(β)이 0°일 때에는, 실시예의 모터와 비교예의 모터의 토크의 차(D1)가 -5%였지만, 최대 토크가 얻어지는 전류진행각(β)이 18°∼22°일 때는, 실시예의 모터와 비교예의 모터의 토크의 차(D2)가 -1.4%로 되어, 양자의 토크가 대략 같아지는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 실시예의 모터에서는, 비교예의 모터에 비해 극호율(ψp)을 작게 설정하므로, 영구자석의 로터 코어의 지름방향과 직교하는 방향의 치수가 작게 되고, 마그넷 토크는 저하되지만, 리럭턴스 토크를 증가시킬 수 있으므로, 결과적으로 최대 토크는 저하되지 않는 것을 알 수 있다. 또, 본 예에서는 영구자석 사용량을 5.7체적% 저감시킬 수 있다.

도6은, 본 발명의 제4실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터(301) 및 로터(303)의 평면도를 나타내고 있다. 도6에 나타내듯이, 스테이터(301)는 12개의 자극부(307)를 갖고 있다. 이것에 의해, 스테이터(301)는 각각의 인접하는 자극부(307) 사이에 둘레방향 등간격으로 배치된 N개(본 예에서는 12개)의 슬롯(306)을 갖게 된다.

로터(303)는 로터 코어(309)내의 표면부 근방에 둘레방향으로 등간격으로 매설된 P개(본 예에서는 16개)의 판형상의 영구자석(311)을 갖고 있다. P개의 영구자석(311)은 로터 코어(309)의 표면측에 교대로 N극과 S극이 나타나도록 착자되어 있다. 이렇게, 본 예의 영구자석 내장형 회전모터는 16극 12슬롯의 구조를 갖고 있다. 이것에 의해, P/N(16/12)은 P/N＞43/45의 범위로 된다. 그리고, 영구자석(311)의 둘레방향 양단부에는 공동부로 형성되는 한 쌍의 플럭스 배리어(321)가 각각 형성되어 있다.

도7은, 본 발명의 제5실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터(401) 및 로터(403)의 평면도를 나타내고 있다. 본 예에서는, 한 쌍의 플럭스 배리어(321) 대신에 한 쌍의 홈(423)을 형성하고 있으며, 그 외에는, 도6에 나타내는 제4실시형태의 영구자석 내장형 회전모터와 같은 구조를 갖고 있다.

제4 및 제5실시형태의 영구자석 내장형 회전모터의 영구자석의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)은, ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+kP/LCM(P,N)의 관계를 만족시키고 있다. 단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이며, k는 임의의 정수이다.

상기 식에서는, m, n, k의 값은, 무수하게 선택할 수 있지만, 극호율(ψp)의 값의 범위는, 0＜ψp＜1이기 때문에, 16극 12슬롯의 경우는, 극호율(ψp)의 값은 다음 3개로 집약된다.

(1)(m,n,k)=(1,1,0)→ψp=3/4=0.75

(2)(m,n,k)=(3,4,1)→ψp=5/12=0.416

(3)(m,n,k)=(3,4,0)→ψp=1/12=0.083

도8은, 본 발명의 제6실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터(501) 및 로터(503)의 평면도를 나타내고 있다. 도8에 나타내듯이, 스테이터(501)는, 12개의 자극부(507)를 갖고 있다. 이것에 의해, 스테이터(501)는, 각각의 인접하는 자극부(507) 사이에 둘레방향으로 등간격으로 배치된 N개(본 예에서는 12개)의 슬롯(506)을 갖게 된다.

로터(503)는, 로터 코어(509)내의 표면부 근방에 둘레방향으로 등간격으로 매설된 p개(본 예에서는 8개)의 판형상의 영구자석(511)을 갖고 있다. P개의 영구자석(511)은, 로터 코어(509)의 표면측에 교대로 N극과 S극이 나타나도록 착자되어 있다. 이렇게, 본 예의 영구자석 내장형 회전모터는 8극 12슬롯의 구조를 갖고 있 다. 이것에 의해, P/N(8/12)은, 2/3≤P/N≤43/45 범위내로 되고, P/N의 기약분수[Po/No(2/3)]의 Po는 2(짝수)가 된다. 그리고, 영구자석(511)의 둘레방향 양단부에는, 공동부로 형성되는 한 쌍의 플럭스 배리어(521)가 각각 형성되어 있다.

도9는, 본 발명의 제7실시형태를 설명하기 위해서 이용하는 영구자석 내장형 회전모터의 스테이터(601) 및 로터(603)의 평면도를 나타내고 있다. 본 예에서는, 한 쌍의 플럭스 배리어(521) 대신에 한 쌍의 홈(623)을 형성하고 있으며, 그 외는, 도8에 나타내는 제6실시형태의 영구자석 내장형 회전모터와 같은 구조를 갖고 있다.

제6 및 제7실시형태의 영구자석 내장형 회전모터의 영구자석의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)은, ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+P/LCM(P,N)의 관계를 만족시키고 있다. 단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.

상기 식에서는, m, n의 값은, 무수하게 선택할 수 있지만, 극호율(ψp)의 값의 범위는, 0＜ψp＜1이기 때문에, 8극 12슬롯의 경우는, 극호율(ψp)의 값은 다음과 같이 집약된다.

(m,n)=(3,2)→ψp=5/12=0.416

본 발명과 같이 영구자석의 극호율(ψp)을 결정하면, 코깅토크를 저하시킬 수 있고, 또한 토크를 저하시키지 않고, 영구자석의 사용량을 저감시킬 수 있는 영구자석 내장형 회전모터를 얻을 수 있다.

Claims

둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

P/N＞43/45로 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)을,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+kP/LCM(P,N)

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수, k는 임의의 정수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 짝수가 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)을,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+P/LCM(P,N)

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정하는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전 하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 홀수가 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)이,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

상기 영구자석 자극부는, 둘레방향 양단에 비자성의 한 쌍의 플럭스 배리어를 구비하고 있으며,

P/N＞43/45로 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 플럭스 배리어의 단면을 상기 로터 코어의 축선방향의 일방측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 가장 상기 로터 코어의 표면과의 사이의 거리가 짧게 되는 1개의 각부와 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 상기 한 쌍의 플럭스 배리어에 대해서 상정한 2개의 상기 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)이,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+kP/LCM(P,N)

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수, k는 임의의 정수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선 을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

상기 영구자석 자극부는, 둘레방향 양단에 비자성의 한 쌍의 플럭스 배리어를 구비하고 있으며,

2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 짝수가 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 플럭스 배리어의 단면을 상기 로터 코어의 축선방향의 일방측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 가장 상기 로터 코어의 표면과의 사이의 거리가 짧게 되는 1개의 각부와 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 상기 한 쌍의 플럭스 배리어에 대해서 상정한 2개의 상기 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)이,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+P/LCM(P,N)

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

상기 영구자석 자극부는, 둘레방향 양단에 비자성의 한 쌍의 플럭스 배리어를 구비하고 있으며,

2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 홀수가 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 플럭스 배리어의 단면을 상기 로터 코어의 축선방향의 일방측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 가장 상기 로터 코어의 표면과의 사이의 거리가 짧게 되는 1개의 각부와 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 상기 한 쌍의 플럭스 배리어에 대해서 상정한 2개의 상기 선분간의 각도를 θ pp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)이,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

상기 로터 코어에는, 상기 로터 코어의 축선방향으로 연장되고 또한 상기 로터 코어의 표면에 개구되는 한 쌍의 홈이 상기 영구자석 자극부의 둘레방향 양단근방에 형성되어 있으며,

P/N＞43/45로 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 홈의 단면을 상기 로터 코어의 축선방향의 일방향측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 상기 로터 코어의 표면에 위치하고 또한 대응하는 상기 영구자석 자극부에 인접하는 각부와 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 상기 한 쌍의 홈에 대해서 상정한 2개의 상기 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)이,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+kP/LCM(P,N)

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수, k는 임의의 정수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

상기 로터 코어에는, 상기 로터 코어의 축선방향으로 연장되고 또한 상기 로터 코어의 표면에 개구되는 한 쌍의 홈이 상기 영구자석 자극부의 둘레방향 양단근방에 형성되어 있으며,

2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 짝수가 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 홈의 단면을 상기 로터 코어의 축선방향의 일방향측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 상기 로터 코어의 표면에 위치하고 또한 대응하는 상기 영구자석 자극부에 인접하는 각부와 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 상기 한 쌍의 홈에 대해서 상정한 2개의 상기 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1)이,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n+P/LCM(P,N)

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 N(N은 2이상의 자연수)개의 슬롯 및 N개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 N개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 P개의 영구자석 자극부를 가지며, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 P개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 P개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

상기 로터 코어에는, 상기 로터 코어의 축선방향으로 연장되고 또한 상기 로터 코어의 표면에 개구되는 한 쌍의 홈이 상기 영구자석 자극부의 둘레방향 양단근방에 형성되어 있으며,

2/3≤P/N≤43/45로 되고, P/N의 기약분수(Po/No)의 Po가 홀수가 되는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법에 있어서,

상기 홈의 단면을 상기 로터 코어의 축선방향의 일방향측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 상기 로터 코어의 표면에 위치하고 또한 대응하는 상기 영구자석 자극부에 인접하는 각부와 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때, 상기 한 쌍의 홈에 대해서 상정한 2개의 상기 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)(단 0＜ψp＜1) 이,

ψp=2mP/N+P/4LCM(P,N)-2n

(단, LCM(P,N)은 P와 N의 최소 공배수, m 및 n은 임의의 자연수이다.)

의 식으로부터 산출해서 결정되는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구자석의 극호율(ψp)은, 상기 ψp를 구하는 식에서 얻어진 유효숫자 3자리수(유효숫자 제4자리수이하는 사사오입)의 수치의 ±2.2%의 범위의 값인 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터의 극호율 결정방법.
둘레방향으로 등간격으로 배치된 12개의 슬롯 및 12개의 자극부를 갖는 스테이터 코어와, 상기 12개의 자극부에 권취된 2상이상의 여자 권선을 갖는 스테이터; 및

로터 코어와 10개의 영구자석 자극부를 갖고, 상기 스테이터에 대해서 회전하는 로터를 구비하고,

상기 10개의 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 둘레방향으로 등간격을 두고 형성되어 있으며,

상기 10개의 영구자석 자극부의 각 영구자석 자극부는, 상기 로터 코어내에 영구자석이 매설되어 구성되어 있으며,

상기 영구자석 자극부는, 둘레방향 양단에 비자성의 한 쌍의 플럭스 배리어를 구비하고 있으며,

상기 플럭스 배리어의 단면을 상기 로터 코어의 축선방향의 일방측에서 봤을 때의 윤곽형상이 갖는 복수의 각부 중, 가장 상기 로터 코어의 표면과의 거리가 짧게 되는 1개의 각부와 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 선분을 상정했을 때에, 상기 한 쌍의 플럭스 배리어에 대해서 상정한 2개의 전기 선분간의 각도를 θpp라고 하고, 전체둘레각도를 영구자석 자극부의 수로 나눈 각도를 θp라고 한 경우의 θpp/θp에 의해 구하는 상기 영구자석 자극부의 극호율(ψp)이, 0.692∼0.724로 정해져 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 내장형 회전모터.