KR20130062872A

KR20130062872A - 브러시리스 모터

Info

Publication number: KR20130062872A
Application number: KR1020120133677A
Authority: KR
Inventors: 카츠히사 무카이; 후토시 야마네
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2012-11-23
Publication date: 2013-06-13
Also published as: JP2013118788A

Abstract

회전축을 중심으로 회전하며 로터 코어와 복수의 마그네트를 포함하는 로터와, 상기 로터의 주위에 틈을 두고 배치된 스테이터를 포함하되, 상기 복수의 마그네트는 직육면체 형상을 가지며 상기 회전축으로부터 반경 방향으로 연장되는 기준선과 상기 마그네트의 측면의 양 엣지 사이의 중심점이 직교하도록 상기 로터 코어의 외주 부분에 등간격으로 매입되고, 상기 로터 코어는 상기 마그네트의 양 엣지 사이에 상기 기준선에 대하여 대칭으로 배치되는 한 쌍의 슬릿을 포함하며, 상기 슬릿은 상기 회전축으로부터 반경 방향 외측에 위치하는 외단이 반경 방향 내측에 위치하는 내단보다 상기 기준선으로부터 멀리 위치하도록 경사지며, 상기 기준선과 평행한 분할선에 의해 상기 중심점과 상기 마그네트의 상기 엣지 사이를 11등분했을 경우 상기 슬릿의 상기 내단이 상기 기준선으로부터 상기 엣지를 향하여 8번째 상기 분할선보다 외측에 위치하는 브러시리스 모터는 간소한 구조의 슬릿으로도 토크 리플을 효과적으로 억제할 수 있다.

Description

브러시리스 모터{BRUSHLESS MOTOR}

본 발명은 매입 자석형의 브러시리스 모터에 관한 것으로, 그 중에서도 특히 로터에 형성된 슬릿의 구조에 관한 것이다.

브러시리스 모터에는, 로터에 대한 자석의 장착 방법의 차이에 따라 표면 자석형(SPM)과 매입 자석형(IPM)이 있다. SPM 모터의 경우에는, 로터의 외주 표면에 자석이 부착되어 있고, IPM 모터의 경우에는 로터의 내부에 자석이 매설되어 있다.

IPM 모터는 SPM 모터와 비교하여 자석이 로터로부터 떨어질 우려가 없고 릴럭턴스 토크를 적극적으로 이용할 수 있는 등의 이점이 있다. IPM 모터는, 예를 들어 에어콘이나 냉장고 등에 사용되는 압축기의 구동원으로서 이용되고 있다.

IPM 모터의 경우에는 자기 특성을 개량하기 위해, 로터에 매설된 영구자석의 외주측에 복수의 슬릿이 형성되는 경우가 있다. 이 복수의 슬릿들에 대해서는 다양한 형상이나 배치가 제안되어 있다.

예를 들어, 일본 특허 공개 2011－78283호 공보에는, 복수의 슬릿을 모터의 회전 방향이나 회전 반대방향으로 경사지도록 한 IPM 모터나, 복수의 슬릿이 자극의 중심선 측으로 경사지도록 형성되어 있는 IPM 모터가 개시되어 있다.

특히, 일본 특허 공개 2011－78283호 공보에서는, 자극의 슬릿의 경사 방향을 회전 방향과 회전 반대 방향으로 번갈아 가며 바꾸는 등, 서로 이웃하는 자극의 토크의 위상을 어긋나도록 하는 것이 제안되었고, 그렇게 함으로써 토크의 고조파 성분이 상쇄되어 토크 리플의 감소를 도모할 수 있는 것이 개시되었다.

일본 특허 공개 2011－78283호 공보

일본 특허 공개 2011－78283호 공보의 방법에서는, 서로 이웃하는 자극간에 슬릿의 형상이나 배치를 비대칭형으로 하는 등, 슬릿의 구조가 복잡하여 취급하기 어려운 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은, 간소한 구조의 슬릿으로도 효과적으로 토크 리플의 감소를 도모할 수 있는 브러시리스 모터를 제공함에 있다.

본 발명에 따른 브러시리스 모터는 회전축을 중심으로 회전하며 로터 코어와 복수의 마그네트를 포함하는 로터와, 상기 로터의 주위에 틈을 두고 배치된 스테이터를 포함하되, 상기 복수의 마그네트는 직육면체 형상을 가지며 상기 회전축으로부터 반경 방향으로 연장되는 기준선과 상기 마그네트의 측면의 양 엣지 사이의 중심점이 직교하도록 상기 로터 코어의 외주 부분에 등간격으로 매입되고, 상기 로터 코어는 상기 마그네트의 양 엣지 사이에 상기 기준선에 대하여 대칭으로 배치되는 한 쌍의 슬릿을 포함하며, 상기 슬릿은 상기 회전축으로부터 반경 방향 외측에 위치하는 외단이 반경 방향 내측에 위치하는 내단보다 상기 기준선으로부터 멀리 위치하도록 경사지며, 상기 기준선과 평행한 분할선에 의해 상기 중심점과 상기 마그네트의 상기 엣지 사이를 11등분했을 경우 상기 슬릿의 상기 내단이 상기 기준선으로부터 상기 엣지를 향하여 8번째 상기 분할선보다 외측에 위치한다.

이와 같이, 마그네트의 단부 가까이의 소정 범위에 슬릿을 위치시키면, 간소한 구조의 슬릿으로도 토크 리플을 효과적으로 억제할 수 있다.

상기 슬릿의 기울어진 각도는 상기 기준선과 수직한 선에 대하여 80° 이하로 설정하는 것이 바람직하다.

이예를 들어, 상기 로터 코어에는 상기 한 쌍의 슬릿만이 형성될 수도 있으나, 상기 로터 코어에, 상기 기준선 상에 배치되고 상기 회전축 방향으로 관통하는 중앙 슬릿이 더 형성될 수도 있다. 또한, 상기 로터 코어의 상기 중앙 슬릿과 상기 한 쌍의 슬릿과의 사이의 부분에, 상기 기준선에 대하여 선대칭형으로 배치된 일군의 보조 슬릿이 더 형성될 수도 있다.

본 발명의 브러시리스 모터에 의하면 토크 리플을 효과적으로 억제할 수 있고 생산성의 향상도 도모할 수 있다.

도 1은 실시형태의 모터를 나타낸 개략 사시도이다.
도 2는 모터의 개략 단면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 I－I선에서 본 개략 단면도이다.
도 4는 도 3의 주요부를 확대하여 나타낸 개략도이다.
도 5는 슬릿의 경사 각도와 토크 리플과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 슬릿의 경사를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 슬릿의 형성 위치와 토크 리플과의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 8은 변형예의 모터를 나타낸 개략도이다.
도 9는 변형예의 모터를 나타낸 개략도이다.
도 10은 변형예의 모터를 나타낸 개략도이다.
도 11의 (a) 및 (b)는 슬릿의 변형예를 나타낸 개략도이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 단, 이하의 설명은, 본질적으로 예시에 불과한 것으로, 본 발명, 그 적용물 또는 그 용도를 제한하기 위한 것은 아니다.

(모터의 전체 구성)

도 1 ~ 도 3에 본 실시형태의 모터(1)를 나타내었다. 이 모터(1)는, 이너 로터형의 브러시리스 모터로, 예를 들어 냉장고 등의 콤프레서의 구동원으로서 이용된다. 모터(1)는, 샤프트(2), 모터 케이스(3), 로터(4), 스테이터(5), 배전부재(7) 등으로 구성되어 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 샤프트(2)는 모터 케이스(3)에 베어링(6)을 통해 지지되어 있고, 회전축(A)을 중심으로 회전한다. 샤프트(2)의 중간 부분에는, 외관이 원기둥 형상을 한 로터(4)가 샤프트(2)와 회전의 중심을 맞춘 상태로 고정되어 있다.

로터(4)는, 로터 코어(11)나 복수(본 실시형태에서는 6개)의 마그네트(12) 등으로 구성되어 있다. 로터 코어(11)는, 원판형의 복수의 금속판을 회전축(A)의 방향(회전축(A)이 연장되어 있는 방향)으로 적층함으로써 원기둥형으로 형성되어 있다. 이 모터(1)는, 소위 매입 자석형의 모터(IPM 모터)로서, 각 마그네트(12)는 로터 코어(11)의 외주 부분에 매설되어 있다.

도 3에 그 횡단면을 도시한 바와 같이, 각 마그네트(12)는 모두 동일한 형태및 치수이며, 직육면체 형상을 갖는다. 구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 마그네트(12)는 가늘고 긴 평판 형상을 가지며, 직사각형의 한 쌍의 측면(12a)과, 이 측면(12a)들에 연결되는 한 쌍의 종단면(12b) 및 한 쌍의 횡단면(12c)을 갖는다. 이 마그네트(12)들은 횡단면(12c)을 회전축(A)의 방향으로 향하게 한 상태로, 둘레 방향으로 등간격으로 S극과 N극이 교대로 정렬되도록 배치되어 있다. 로터(4)의 세부 구조에 대해서는 후술하기로 한다.

모터 케이스(3)의 내측에는, 외관이 원통 형상인 스테이터(5)가 장착되어 있다. 스테이터(5)의 내주면은 약간의 틈을 두고 로터(4)의 외주면과 마주보고 있다.

스테이터(5)는 스테이터 코어(21)나 코일(22) 등으로 구성되어 있다. 스테이터 코어(21)는, 도넛 모양의 베이스부(21a)와, 베이스부(21a)의 내주면으로부터 중심 방향으로 방사상으로 돌출된 복수(본 실시형태에서는 9개)의 티스부(21b)를 갖는다. 이 티스부(21b)들 각각에, 절연성의 인슐레이터(도시하지 않음)를 사이에 두고 와이어를 감음으로써 복수(본 실시형태에서는 9개)의 코일(22)이 형성되어 있다.

모터 케이스(3)의 내부에는 접속 단자 등으로 구성된 배전부재(7)가 설치되어 있다. 모터(1)에 대하여 도면 외부의 전원으로부터 공급되는 전류는 이 배전부재(7)를 통하여 각 코일(22)로 소정의 타이밍에 공급된다. 이에 의해, 로터(4)의 각 마그네트(12)와 스테이터(5)의 각 코일(22)과의 사이의 자계가 변동하여 토크가 발생하고 샤프트(2)가 회전한다. 이 모터(1)는 정회전 및 역회전 모두 가능하며, 공급 전류의 제어 방법에 따라 회전한다.

샤프트(2)가 회전할 때, 로터(4)와 스테이터(5) 사이에서 자력이 변동하여 토크 리플(맥동)이 발생한다. 이 토크 리플을 효과적으로 억제하기 위해, 이 모터(1)의 로터 코어(11)에는 슬릿(40)이 형성되어 있다. 특히, 생산성의 향상 등도 고려하여 간소한 구성으로 효율적으로 토크 리플을 억제할 수 있도록 슬릿(40)의 위치나 각도가 고안되어 있다.

(로터의 세부 구성)

도 4에 회전축(A)의 방향으로부터 본, 마그네트(12)가 매설되어 있는 로터 코어(11)의 외주 부분을 나타내었다. 6개의 외주 부분 모두 그 구성은 동일하다. 마그네트(12), 슬릿(40)의 위치, 각도 등의 조건에 대해서는 본 도면을 이용하여 설명한다.

마그네트(12)는, 로터 코어(11)의 외주 가장자리 근방에, 그 측면(12a)을 반경 방향을 향하게 한 상태로 로터 코어(11)에 매설되어 있다. 상세하게는, 중심(회전축(A))에서 반경 방향으로 연장되는 가상의 기준선(S)이, 마그네트(12)의 측면(12a)의 양 엣지 사이의 중심점(C)을 통과하도록 그었을 때, 그 기준선(S)이 측면(12a)과 직교하도록 설정되어 있다.

마그네트(12)의 양 엣지가 위치하는 로터 코어(11)의 부분에는, 자속의 단락을 방지하기 위해 한 쌍의 플럭스 배리어(30)가 형성되어 있다. 상세하게는, 마그네트(12)의 측면(12a)의 각 단부, 구체적으로는, 반경 방향 외측과 마주보는 측면(12a)이 종단면(12b)과 연결되는 각 단부가 위치하는 부분에, 플럭스 배리어(30)로서, 회전축(A)의 방향으로 로터 코어(11)를 관통하는 긴 홀이 형성되어 있다.

플럭스 배리어(30)는, 각 단부로부터 반경 방향 외측으로 퍼지는 횡단면을 가지고 있다. 상세하게는, 그 횡단면은, 마그네트(12)의 반경 방향 외측과 마주보는 측면(12a)의 엣지의 주위(측면(12a)와 종단면(12b)와의 사이의 모서리 부분)를 포함하여 로터 코어(11)의 외주면의 근방까지 퍼지는 대략 부채꼴 모양 또는 대략 정사각형을 이루고 있다.

그리고, 마그네트(12)보다 반경 방향 외측의 로터 코어(11)의 외주 부분으로서, 이 플럭스 배리어(30)들 사이의 부분에, 플럭스 배리어(30)와 마찬가지로, 회전축(A)의 방향으로 관통하는 2개의 슬릿(40)이 형성되어 있다. 이 슬릿(40)들의 위치 및 형상은 기준선(S)에 대하여 선대칭이다.

각 슬릿(40)은, 대략 반경 방향으로 연장된 가늘고 긴 대략 직사각형의 횡단면을 가지고 있다. 슬릿(40)의 반경 방향 외측에 위치하는 단부(외단(40a)이라고도 함)는, 슬릿(40)의 반경 방향 내측에 위치하는 단부(내단(40b)이라고도 함)보다 기준선(S)으로부터 멀리 위치하도록 경사져 있다.

이 모터(1)에서는, 각 슬릿(40)의 외단(40a)은, 각각이 대향하고 있는 로터 코어(11)의 외주 가장자리 부분과 거의 평행하며, 각 슬릿(40)의 내단(40b)은, 마그네트(12)의 측면(12a)과 거의 평행하다.

각 슬릿(40)의 마그네트(12)의 측면(12a)으로부터의 경사 각도(θ)는, 80° 이하로 설정되어 있다.

구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 슬릿(40)의 장축(m)(슬릿(40)의 폭중심을 통과하는 선)이, 마그네트(12)의 측면(12a)(도 4에서는 측면(12a)과 평행한 기준선(n)을 이용하고 있다)과 교차하는 각도가 80° 이하가 되도록 설정되어 있다. 이와 같이, 각 슬릿(40)의 경사 각도(θ)를 설정함으로써 토크 리플을 억제할 수 있다.

도 5에 슬릿(40)의 경사 각도(θ)와 토크 리플과의 관계를 알아보기 위하여 수행한 시험 결과(그래프)를 나타내었다. 세로축은 토크 리플의 크기를 나타내고 있다. 가로축은 슬릿(40)의 경사 각도(θ)를 나타내고 있다. 파선은, 비교 대상으로서, 슬릿(40)이 형성되지 않은 경우의 시험 결과를 나타내고 있다.

아울러 시험에서는, 도 6에 화살표로 나타낸 바와 같이, 슬릿(40)이 마그네트(12)의 측면(12a)에 대하여 직교한 상태(경사 각도(θ) = 90°)로부터 슬릿(40)을 경사지도록 하여 소정의 각도에서 토크 리플을 측정하였다. 경사 각도(θ)를 제외한 모든 조건은 같다.

도 5에 도시된 바와 같이, 경사 각도(θ)가 작아짐에 따라 토크 리플은 작아지는 것이 확인되었다. 특히, 슬릿(40)이 형성되지 않은 경우와 비교했을 경우, 대략 80° 이하에서 토크 리플이 작아지는 것이 확인되었다. 단, 경사 각도(θ)를 너무 작게 하면 슬릿(40)의 외단(40a)이 플럭스 배리어(30)와 접촉하므로 경사 각도(θ)는 20° 이상이 바람직하다.

따라서, 각 슬릿(40)의 경사 각도(θ)를 80° 이하로 설정하면 토크 리플을 억제할 수 있다.

그리고, 각 슬릿(40)은 플럭스 배리어(30)의 근방에 배치되어 있다.

구체적으로는, 도 4에 도시된 바와 같이, 기준선(S)과 평행한 가상의 분할선(D₁~D₁₀)에 의해, 마그네트(12)의 측면(12a)에서 중심점(C)과 엣지(E)와의 사이를 11등분하였다고 하자. 이러한 경우, 슬릿(40)의 내단(40b)이, 기준선(S)으로부터 엣지(E)를 향하여 8번째 분할선(D₈)보다 외측에 위치하도록 배치되어 있다.

다시 말해, 마그네트(12)의 절반의 길이를 L로 가정했을 경우, 마그네트(12)의 종단부(12b)로부터 3/11×L의 길이만큼 중심점(C) 측에 가까운 점을 통과하는 분할선(D₈)보다 종단부(12b) 측에 슬릿(40)의 내단(40b)이 위치하도록 배치되어 있다. 이와 같이, 각 슬릿(40)의 형성 위치를 설정함으로써 토크 리플을 억제할 수 있다.

도 7에 슬릿(40)의 형성 위치와 토크 리플과의 관계를 알아보기 위하여 수행한 시험 결과(그래프)를 도시하였다. 세로축은 토크 리플의 크기를 나타내고 있다. 가로축은 슬릿(40)의 내단(40b)의 위치로, 도 4에 도시된 분할선(D₁~D₁₀)의 마그네트(12)의 엣지(E)(종단부(12b))로부터의 거리로써 나타내고 있다. 파선은, 비교 대상으로서, 슬릿(40)이 형성되지 않은 경우의 시험 결과를 나타내고 있다. 아울러 시험 조건은 슬릿(40)의 형성 위치를 제외하고는 모두 동일하다.

도 7에 도시된 바와 같이, 슬릿(40)이 마그네트(12)의 엣지(E) 측에 가까워짐에 따라 토크 리플이 작아지는 것이 확인되었다. 특히, 슬릿(40)이 형성되지 않은 경우와 비교했을 경우, 대략 엣지(E)로부터 3/11×L의 위치(기준선(S)로부터 엣지를 향하여 8번째 분할선(D₈)의 위치)보다 엣지(E) 측에서 토크 리플이 작아지는 것이 확인되었다.

단, 슬릿(40)을 너무 엣지(E) 측에 형성하면 플럭스 배리어(30)와 접촉하므로, 엣지(E)로부터 1/11×L의 위치(기준선(S)으로부터 엣지(E)를 향하여 10번째 분할선(D₁₀)의 위치)보다 중심점(C) 측에 슬릿(40)을 형성하는 것이 바람직하다.

경사 각도(θ)와 형성 위치 모두를 고려했을 경우에는, 특히, 경사 각도(θ)는 40°~80°이고, 형성 위치는 마그네트(12)의 엣지로부터 1/11×L ~ 3/11×L의 범위로 하는 것이 바람직하다.

(변형예)

도 8 ~ 도 10에 실시형태의 변형예를 도시하였다. 상술한 실시형태에 도시된 바와 같이, 2개의 슬릿(40, 40)이 소정 위치에 배치되고 소정 각도로 형성되어 있으면 토크 리플을 억제하는 효과를 얻을 수 있다.

그러나, 모터 특성의 개량 등에 의해 슬릿(40)을 추가로 형성하고자 할 수 있다. 이러한 경우에는, 도 8 등에 도시된 바와 같이, 기준선(S)에 대하여 선대칭이 되는 위치에, 회전축(A)의 방향으로 관통하여 각 슬릿(40)을 형성할 수 있다.

구체적으로는, 슬릿(40)을 3개 형성하는 경우에는, 도 8에 도시된 바와 같이, 추가되는 슬릿(40)(중앙 슬릿(51))은 기준선(S) 상에 배치한다. 더욱 슬릿(40)을 늘리는 경우에는, 도 9나 도 10에 도시된 바와 같이, 추가되는 슬릿(40)(보조 슬릿(52))은 2개씩 늘려 나간다. 이 경우, 보조 슬릿(52)은 중앙 슬릿(51)과 양단의 슬릿(40)과의 사이의 부분에 위치 및 경사 각도(θ)가 균등해지도록 배치한다.

이렇게 하면, 소정 형태의 한 쌍의 슬릿(40)에 의해 얻어지는 토크 리플의 억제 효과를 방해하지 않고 슬릿의 수를 늘릴 수 있다. 나아가, 슬릿(40)이 대칭형으로 되어 있으므로 생산성이 뛰어난 이점이 있고, 모든 회전 방향에 대해서 안정된 모터 특성을 발휘시킬 수 있다.

또한 본 발명에 따른 브러시리스 모터는, 상술한 실시형태에 한정되지 않고, 그 외의 다양한 구성도 포함한다.

예를 들어, 실시형태에서 나타낸 슬릿(40)의 단면 형상은 일례에 지나지 않는다. 슬릿(40)의 단면 형상은, 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 직사각형일 수도 있고, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이 타원형일 수도 있다.

1 모터
2 샤프트
4 로터
5 스테이터
11 로터 코어
12 마그네트
12a 측면
12b 종단면
30 플럭스 배리어
40 슬릿
40a 외단
40b 내단
A 회전축
S 기준선
C 중심점
D 분할선

Claims

회전축을 중심으로 회전하며 로터 코어와 복수의 마그네트를 포함하는 로터와,
상기 로터의 주위에 틈을 두고 배치된 스테이터를 포함하되,
상기 복수의 마그네트는 직육면체 형상을 가지며 상기 회전축으로부터 반경 방향으로 연장되는 기준선과 상기 마그네트의 측면의 양 엣지 사이의 중심점이 직교하도록 상기 로터 코어의 외주 부분에 등간격으로 매입되고,
상기 로터 코어는 상기 마그네트의 양 엣지 사이에 상기 기준선에 대하여 대칭으로 배치되는 한 쌍의 슬릿을 포함하며,
상기 슬릿은 상기 회전축으로부터 반경 방향 외측에 위치하는 외단이 반경 방향 내측에 위치하는 내단보다 상기 기준선으로부터 멀리 위치하도록 경사지며, 상기 기준선과 평행한 분할선에 의해 상기 중심점과 상기 마그네트의 상기 엣지 사이를 11등분했을 경우 상기 슬릿의 상기 내단이 상기 기준선으로부터 상기 엣지를 향하여 8번째 상기 분할선보다 외측에 위치하는 브러시리스 모터.
제1 항에 있어서,
상기 슬릿의 기울어진 각도는 상기 기준선과 수직한 선에 대하여 80° 이하인 것인 브러시리스 모터.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 로터 코어는 상기 한 쌍의 슬릿만을 포함하는 브러시리스 모터.
제1 항 또는 제2 항에 있어서,
상기 로터 코어에 상기 기준선 상에 배치되고 상기 회전축 방향으로 관통하는 중앙 슬릿을 더 포함하는 브러시리스 모터.
제4 항에 있어서,
상기 로터 코어는 상기 중앙 슬릿과 상기 한 쌍의 슬릿과의 사이의 부분에 상기 기준선에 대하여 선대칭형으로 배치된 일군의 보조 슬릿을 더 포함하는 브러시리스 모터.