KR101826126B1

KR101826126B1 - 3상 전자 모터

Info

Publication number: KR101826126B1
Application number: KR1020140116198A
Authority: KR
Inventors: 토시히토 미야시타; 마나부 호리우치
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2013-09-04
Filing date: 2014-09-02
Publication date: 2018-02-06
Also published as: US10069365B2; CN104426315B; CN104426315A; TWI641203B; JP6140035B2; JP2015050910A; KR20150027713A; TW201513535A; US20150061449A1; EP2846443A3; EP2846443A2

Abstract

권선수의 최소화에 의해, 권선 비용 및 결선 비용을 삭감하고, 모터의 고효율화를 꾀한다.
3상 전자 모터(100)는 스테이터(10)의 슬롯(11), (11)간에 형성된 자극(13)에 권선(20)을 권회하여 이루어지는 스테이터(1)와, 스테이터(1)내에 배치되어 영구자석(50)을 가지는 로터(2)를 갖춘다. 3상 전자 모터(100)는 8n극 6n슬롯(n은 자연수)으로 구성된다. 스테이터 코어(10)의 복수의 자극(13)에서 하나 걸러 하나 씩 자극(13)에 3n개의 권선이 권회된다.

Description

3상 전자 모터{Three-phase electromagnetic motor}

본 발명은 스테이터 코어의 슬롯 간에 형성된 자극의 권선 구조를 개량한 3상 전자모터에 관련된 것이다.

전자 모터로서는 예를 들면, 브러시리스(brushless) 모터나 PM형 모터(Permanent Magnet Motor)를 들 수 있다. 전자 모터에 3상 전원을 사용하는 경우, 통상, 스테이터 코어의 자극에 u상, v상, w상의 권선을 순차적으로 배치하므로, 권선수는 3의 배수일 필요가 있다.

3상 전자 모터에서의 권선 비용 및 결선 비용을 최소로 하기 위해서는, 권선수를 3으로 하여 최소로 한다. 권선수를 3으로 해서 집중 감는 경우, 2극 3슬롯과 4극 3슬롯이 통상의 극수와 슬롯수의 조합이 된다. 그러나 영구자석의 극수가 작으면, 코깅토크가 증가하는 문제가 발생한다.

종래, 전자 모터의 권선 구조와 관련하는 기술이 여러 가지 제안되고 있다. 예를 들면, 권선을 실시한 자극 간에, 권선을 실시하지 않은 보조 자극을 배치한 모터가 개시되어 있다(특허문헌 1 참조). 특허문헌 1의 기술에 의하면, 제조 비용의 저감과 자석 이용률의 증가에 의해 모터의 고효율화가 꾀해진다.

또한, 권선을 하나 걸러 하나씩 자극에 배치하고, 권선이 실시되는 자극의 폭을 권선이 실시되지 않는 자극의 폭보다도 크게 설정한 모터가 개시되어 있다(특허문헌 2 참조). 특허문헌 2의 기술에 의하면, 인접하는 이상(different phase)의 권선간의 절연성능을 향상시키며, 권선 비용을 감소시킬 수 있다.

더욱이, 권선을 두 자극에 연속으로 배치하고, 세 번째 자극에는 권선을 실시하지 않는 모터가 개시되고 있다(특허문헌 3 참조). 특허문헌 3의 기술에 의하면, 권선비용의 저감과 고효율화를 꾀할 수 있다.

[특허문헌 1] 일본 실용신안 공개 소59-90279호 공보 [특허문헌 2] 일본 특허 제4363132호 공보 [특허문헌 3] 일본 특개2004-304928호 공부

그러나 특허문헌 1의 모터는 6극 8슬롯이므로, 3상 전극에 대응하지 않는다. 특허문헌 2의 모터는 10극 12슬롯이며, 특허문헌 3의 모터는 8극 9슬롯이므로, 3상 전원에 대응한다.

전술했듯이, 3상 전자 모터에 있어서, 2극 3슬롯이나 4극 3슬롯의 통상의 극수와 슬롯수의 조합을 채용하면, 코깅토크가 증대하는 문제가 있다.

따라서, 코깅토크의 증대를 방지하기 위해, 8극 6슬롯이나 8극 9슬롯, 10극 12슬롯 등의 조합을 선택하는 경우가 많다. 즉, 권선수의 삭감에 의한 비용 감소와 코깅토크의 감소는 상반관계가 된다.

다만, 슬롯 수보다도 극수를 극단으로 크게 하는 조합도 생각할 수 있다. 예를 들면 8극 3슬롯이나 10극 3슬롯 등이다. 그러나 이 경우, 코깅토크는 저하하나, 극간에 있어서 영구 자석의 자속 단락이 생기고, 토크 저하에 동반하여 모터 효율이 현저하게 저하하므로, 거의 채용되지 않는다.

그래서, 권선수의 최소화(3권선)에 의한 권선 비용 및 결선 비용의 감소와 모터의 고효율화를 실현할 수 있는 기술의 개발이 요구된다.

본 발명은, 상기의 사정에 비추어 이루어진 것이며, 3상 전원에 대한 권선수의 최소화에 의해 권선 비용 및 결선 비용을 줄일 수 있으며, 모터의 고효율화를 꾀할 수 있는 3상 전자 모터의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 3상 전자 모터는 스테이터 코어의 슬롯 간에 형성된 자극에 권선을 권회하여 이루어지는 스테이터와, 이 스테이터 내에 배치되며 영구 자석을 가지는 로터를 포함한다.

상기 3상 전자 모터는 8n극 6n슬롯(n은 자연수)으로 구성된다. 상기 스테이터 코어의 복수의 자극에서 하나 걸러 하나씩 자극에 3n개의 권선이 권회된다.

본 발명에 따른 3상 전자 모터는, 8n극 6n슬롯(n은 자연수)이며, 스테이터 코어의 복수의 자극에서 하나 걸러 하나씩 자극에 3n개의 권선이 권회된다. 따라서, 3상 전원에 대하여 권선수가 최소화된다.

따라서, 본 발명에 따른 3상 전자 모터에 의하면, 3상 전원에 대한 권선수의 최소화에 의해, 권선 비용 및 결선 비용을 삭감할 수 있으며, 모터의 고효율화를 꾀할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3상 전자 모터의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 3상 전자 모터의 스테이터 코어의 개략도이다.
도 3은 종래의 3상 전자 모터의 권선 구조의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터의 스테이터 코어의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터의 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터의 스테이터 코어의 개략도이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터에 대하여 설명한다.

제1 실시예 내지 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터는 8n극 6n슬롯(n은 자연수)이며, 스테이터 코어의 복수의 자극에서 하나 걸러 하나씩 자극에 3n개의 권선이 권회(捲回)(wound) 된다. 따라서, 제1 실시예 내지 제3 실시예에 의하면, 3상 전원에 대한 권선수의 최소화에 의해, 권선 비용 및 결선 비용을 삭감할 수 있고, 고효율화의 3상 전류 모터를 실현할 수 있다.

[제1 실시예]

[3상 전자 모터의 구성]

우선, 도 1 및 도 2를 참조하여, 제1 실시예에 따른 3상 전자 모터의 구성에 대하여 설명한다. 도 1은 제1 실시예에 따른 3상 전자 모터의 개략도이다. 도 2는 제1 실시예에 따른 3상 전자 모터의 스테이터 코어(stator core)의 개략도이다.

본 실시예에 따른 3상 전자 모터는 8n극 6n슬롯(n은 자연수)로 구성된다. 도 1에 예시하는 3상 전자 모터(100)는 SPM(Surface Permanent Magnet Moter)형의 3상 교류 서보 모터(servo motor)이며, n=1의 8극 6슬롯의 구성이다.

도 1 및 도 2에서 나타내듯이, 본 실시예에 따른 3상 전자 모터(100)는 스테이터(stator)(1)와 이 스테이터(1)내에 배치된 로터(rotor)(2)를 포함한다.

스테이터(1)는 스테이터 코어(10) 및 권선(winding)(20)을 가진다.

스테이터 코어(10)는 두꺼운 원통체 형태의 금속 부재이다. 스테이터 코어(10)의 내주면은 원형형태(circular shape)를 나타내면, 외주면은 구형형태(rectangular shape)를 나타낸다. 본 실시예의 스테이터 코어(10)는 박판을 적층한 적층 구조이나, 단체(unitary) 구조나 압분 철심(dust core)이어도 관계없다.

스테이터 코어(10)의 내주측에는 로터(2)를 면하도록 방사상으로 권선(20)을 수용하기 위한 공간으로서의 복수의 슬롯(11)이 구획 형성된다.

각 슬롯(11)은 티스(teeth)(12), (12)간에 구획 형성된다. 각 티스(12)의 기단부(base end)는 권선(20)이 권회 되는 자극(13)이 된다.

스테이터 코어(10)의 구성재료로서는 예를 들면 규소 철판이 사용되나, 예시의 재료에 한정되지 않는다.

권선(20)은 도 1 및 도 2에서 나타내듯이, 미도시의 전기 절연부재를 사이에 두고, 슬롯(11)내에 배치된다. 권선(20)은 원주방향으로 균등하게 배치되며, 방사상으로 배열한 복수의 자극(13)에 있어서, 하나 걸러 하나씩 자극(13)에 권회된다. 즉, 6슬롯의 경우, 자극(13)의 수는 6이나, 하나 걸러 하나씩 자극(13)에 권선(20)이 권회되므로, 권선수는 3이 된다. 따라서, 슬롯(11)의 수와 권선(20)의 수는 대응하지 않는다.

3상 전원의 경우, u상, v상, w상의 권선(20)이 순서대로 배치된다. 본 실시예의 권선수는 3이므로, 3상 전원에 대하여 권선수가 최소화되게 된다.

도 1을 참조하면, 로터(2)는 샤프트(3)의 주위에 설치되며, 로터 코어(30) 및 영구자석(40)을 갖춘다. 샤프트(3)는 로터(2)의 회전 중심이 된다.

로터 코어(30)는 샤프트(3)의 주위에 설치된 두꺼운 거의 원통체 형태의 금속 부재이다. 본 실시예의 로터 코어(30)는 박판을 적층한 적층 구조이나, 단체 구조나 압분 철심이어도 관계없다.

로터 코어(30)의 구성 재료로서는 예를 들면 규소 강판이 이용되나, 예시의 재료에 한정되지 않는다.

본 실시예의 영구자석(40)은 로터 코어(30)의 외주면에 복수 배치 설치된다. 따라서, 영구자석(40)의 단면 형상은 원호형태(arc shape)를 나타낸다. 본 실시예의 3상 전자 모터(100)는 SPM형의 8극 구성이기 때문에, 8개의 영구 자석(40)이 로터 코어(30)의 외주면의 원주방향으로 균등하게 배치된다.

영구 자석으로서는 예를 들면, 네오디뮴 자석 등의 희토류 자석이 사용되나, 예시의 재질에 한정되지 않는다.

[3상 전자 모터의 작용]

다음으로, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 제1 실시예에 따른 3상 전자 모터의 작용에 대하여 설명한다.

제1 실시예에 따른 3상 전자 모터에 있어서, 스테이터(1)는 로터(2)를 둘러싸도록 설치된다. 스테이터 코어(10)는 로터(2)를 면하고, 방사상으로 배열된 복수의 권선(20)을 가진다.

본 실시예의 권선(20)은, 스테이터 코어(10)의 원주방향으로 균등하게 배치되며, 방사상으로 배열된 복수의 자석(13)에 있어서, 하나 걸러 하나씩 자극(13)에 권회된다. 구체적으로는, 본 실시예의 슬롯 수는 6이므로, 자극(13)의 수는 6이다. 이들 6개의 자극(13)에서 하나 걸러 하나 씩 자극(13)에, 권선(20)이 권회 되므로, 권선수는 3이 된다.

3상 전원의 경우, 통상, u상, v상, w상의 권선(20)이 순서대로 배치된다. 본 실시예의 권선수는 3이므로, 3상 전원에 대하여 권선수가 최소화 되게 된다.

여기서, 도 3을 참조하여, 종래의 3상 전자 모터의 권선 구조와 비교를 행한다. 도 3은 종래의 3상 전자 모터의 권선 구조의 개략도이다.

도 3에서 나타내듯이, 종래의 3상 전자 모터는 6슬롯의 스테이터(1)에 있어서 스테이터 코어(10)의 각 자극(13)에 권선(20)이 권회된다. 따라서, 6개의 자극(13)에 대하여, 권선수는 6이 된다. 종래의 3상 전자 모터의 권선 구조에서는 권선수가 6이 되므로, 권선 비용 및 권선 비용 쌍방이 증대한다.

하지만, 본 발명의 제1 실시예에 따른 3상 전자모터(100)에 의하면, 3상 전원에 대한 권선수의 최소화에 의해, 권선 비용 및 권선 비용을 삭감할 수 있다.

또한, 본 발명의 제1 실시예에 따른 3상 전자 모터(100)는, 로터(2)가 8극의 영구 자석(40)을 가지므로, 코깅토크(cogging torque)의 증대를 방지할 수 있으며, 모터의 고효율화를 꾀할 수 있다.

[제2 실시예]

다음으로, 도 4 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터의 개략도이다. 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터의 스테이터 코어의 개략도이다. 제1 실시예와 동일한 구성 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이며, 그에 대한 설명은 생략한다.

도 4에서 예시하는 3상 전자 모터(200)는 제1 실시예와 동일하게, 8극 6슬롯의 3상 교류 서보 모터이며, 스테이터(201)와 로터(2)를 갖춘다.

도 4 및 도 5에서 나타내듯이, 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터는 스테이터 코어(210)의 자극의 구조가 제1 실시예와는 다르다.

즉, 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터(200)에서는 스테이터 코어(210)의 원주방향으로 균등하게 배치되며 방사상으로 배열된 6개의 자극(213)에 있어서, 자극 폭이 서로 다르다.

제2 실시예의 스테이터 코어(210)에서는 해당 스테이터 코어(210)의 원주 방향으로 자극 폭이 좁은 자극(213a)과 자극 폭이 넓은 자극(213b)이 교대로 배열된다. 자극 폭이 좁은 자극(213a)에는 권선(20)이 권회된다. 따라서, 권선수가 3이 되며, 3상 전원에 대하여 권선수가 최소화되게 된다. 3상 전원에 대한 권선수의 최소화에 의해, 권선 비용 및 권선 비용을 삭감할 수 있다.

또한, 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터(200)는, 제1 실시예와 동일하게, 로터(2)가 8극의 영구자석(40)을 가지므로, 코깅토크의 증대를 방지하며, 토크 저하를 억제할 수 있다.

더욱이, 자극 폭이 좁은 자극(213a)에 권선(20)이 권회되므로, 권선 공간을 확대하여 모터 효율을 향상시킬 수 있다.

제2 실시예에 따른 3상 전자 모터는 기본적으로 제1 실시예와 동일한 작용 효과를 얻는다. 특히 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터는 스테이터 코어(210)의 원주방향으로 자극 폭이 좁은 자극(213a)과 자극 폭이 넓은 자극(213b)이 교대로 배치되며 자극 폭이 좁은 자극(213a)에 권선(20)이 권회된다.

따라서, 제2 실시예에 따른 3상 전자 모터에 의하면, 권선 비용 및 권선 비용을 줄이는 동시에, 토크 저하를 억제하면서, 권선 공간을 확대하고 모터 효율을 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻는다.

다음으로, 도 6 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터에 대하여 설명한다. 도 6은 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터의 개략도이다. 도 7은 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터의 스테이터 코어의 개략도이다. 제1 실시예와 동일한 구성 부재에 대해서는 동일한 부호를 붙이며, 그에 대한 설명을 생략한다.

도 6에서 예시하는 3상 전자 모터(300)는 제1 실시예 및 제2 실시예와 동일하게 8극 6슬롯의 3상 교류 서보 모터이며, 스테이터(301)와 로터(2)를 갖춘다.

도 6 및 도 7에서 나타내듯이, 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터는 스테이터 코어(310)의 자극의 구조가 제1 실시예 및 제2 실시예와 다르다.

즉, 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터(300)에서는 스테이터 코어(310)의 원주방향으로 균등하게 배치되며 방사상으로 나열된 6개의 자극(313)에 있어서, 자극 형상이 서로 다르다.

제3 실시예의 스테이터 코어(310)에서는 해당 스테이터 코어(310)의 원주 방향에서, 내경측에서 폭이 넓은 자극(313a)과 내경측에서 폭이 좁은 자극(313b)이 교대로 나열된다. 자극(313a)은 거의 사다리꼴 형태를 나타내도록 내경측으로 갈수록 폭이 점차로 증가한다. 자극(303b)은 거의 역 사다리꼴 형태를 나타내도록 내경측으로 갈수록 폭이 점차로 감소한다.

내경측으로 갈수록 폭이 점차로 증가하는 자극(313a)에는, 권선(20)이 권회된다. 따라서, 권선수는 3이 되며, 3상 전원에 대해서 권선수가 최소화되게 된다. 3상 전원에 대한 권선수의 최소화에 의해, 권선 비용 및 결선 비용을 삭감할 수 있다.

또한, 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터(300)는 제1 실시예 및 제2 실시예와 동일하게, 로터(2)가 8극의 영구자석(40)을 가지므로, 코깅토크의 증대를 방지하고, 토크 저하를 억제할 수 있다.

더욱이, 내경측으로 갈수록 폭이 점차로 증가하는 자극(313a)에 권선(20)이 권회되므로, 영구자석(40)의 자속을 유효하게 활용할 수 있어, 한층 더 모터의 고효율화를 꾀할 수 있다.

제3 실시예에 따른 3상 전자 모터는, 기본적으로 제1 실시예와 동일한 작용 효과를 얻는다. 특히 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터는 스테이터 코어(310)의 원주 방향으로 내경측으로 갈수록 폭이 점차로 증가하는 자극(313a)과 내경측으로 갈수록 폭이 점차로 감소하는 자극(303b)이 교대로 나열되며, 내경측으로 갈수록 폭이 점차로 증가하는 자극(313a)에 권선(20)이 권회된다.

따라서, 제3 실시예에 따른 3상 전자 모터에 의하면, 권선 비용 및 결선 비용의 저감과 함께, 토크 저하를 억제하면서, 영구자석(40)의 자속을 유효하게 활용할 수 있으며, 한층더 모터의 고효율화를 꾀할 수 있다는 유리한 효과를 얻는다.

이상, 본 발명의 적합한 실시예를 설명했으나, 이들은 본 발명을 설명하기 위한 예시일 뿐이며, 본 발명의 범위를 이들 실시예로만 한정하려는 취지는 아니다. 본 발명은 그 요지를 벗어나지 않는 범위에서, 상기 실시예와는 다른 여러 가지 형태로 실시할 수 있다.

예를 들면 상기 실시예에서는 SPM형의 3상 전자 모터를 예시하여 설명했으나, 본 발명은 IPM(Internal Permanent Magnet Motor)형의 3상 전자 모터에도 적용할 수 있다.

또한, 상기 실시예에서는 서보 모터에 대하여 설명했으나, 스텝핑 모터에도 적용할 수 있다.

더욱이 8n극 6n슬롯(n은 자연수)의 3상 전자 모터에서 n=2 이상의 경우에는, 권선수 및 결선수를 최소화하기 위해, 각 u상군, v상군, w상군의 권선(20)을, 이동선(crossover wire)을 통해서 연속으로 감는 것이 바람직하다. n=2 이상의 경우에 권선수가 3n이 되나, 각 u상군, v상군, w상군의 권선(20)을 이동선을 통해서 연속 감음으로써 권선수를 3으로 최소화할 수 있다.

1 스테이터
201 스테이터
301 스테이터
2 로터
10 스테이터 코어
210 스테이터 코어
310 스테이터 코어
11 슬롯
13 자극
213 자극
313 자극
213a 자극 폭이 좁은 자극
213b 자극 폭이 넓은 자극
313a 내경측으로 갈수록 폭이 증가하는 자극
313b 내경측으로 갈수록 폭이 감소하는 자극
20 권선
40 영구 자석
100 3상 전자 모터

Claims

스테이터 코어의 슬롯 간에 형성된 자극에 권선을 권회하여 이루어지는 스테이터와, 상기 스테이터 내에 배치되며 영구 자석을 가지는 로터를 포함하는 3상 전자 모터로서,
8n극 6n슬롯(n은 자연수)을 사용하여 3n 개의 권선이 구성되고, 상기 스테이터 코어의 복수의 자극에서 하나 걸러 하나씩 권선이 권회하고,
상기 스테이터 코어의 복수의 자극에서 상기 스테이터 코어의 내경측으로 갈수록 폭이 증가하는 자극과 내경측으로 갈수록 폭이 감소하는 자극이 서로 교대로 배치되며, 상기 내경측으로 갈수록 폭이 증가하는 자극에 권선을 권회하는 3상 전자 모터.
제1 항에 있어서,
n=1인 8극 6슬롯의 경우, 상기 스테이터 코어의 복수의 자극에서 하나 걸러 하나 씩 권선이 권회하여 3개의 권선이 제공되는 3상 전자 모터.
제1 항에 있어서,
n=2이상의 경우는, 각 u상군, v상군, w상군의 권선을 이동선을 통해서 연속으로 감는 3상 전자 모터.
제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터 코어의 복수의 자극의 자극 폭은 서로 다르며, 좁은 자극 폭의 자극에 권선을 권회한 3상 전자 모터.
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