(57)【要約】      （修正有）【課題】ＢＬＤＣモータに取り付けられる永久磁石の数を減少させて、製作コストを節減する。【解決手段】Ｎ極(Ｎは、偶数)で形成され、内周面にコイルが巻線される複数のティースが設けられる固定子と、前記固定子の内部に配置され、前記Ｎよりも少ない数の永久磁石が取り付けられる回転子とを含む構成により、トルクリップル、コギングトルクを低減する。【選択図】図２
2015186441.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｎ極(Ｎは、偶数)で形成されたＢＬＤＣ(Brushless DC)モータであって、
内周面にコイルが巻線される複数のティースが設けられる固定子と、
前記固定子の内部に配置され、前記Ｎよりも少ない数の永久磁石が取り付けられる回転子とを含むことを特徴とするＢＬＤＣモータ。
【請求項２】
前記永久磁石は、Ｎ/２の個数に設けられ、同一極が外側に向かうように順次配置されることを特徴とする請求項１に記載のＢＬＤＣモータ。
【請求項３】
前記永久磁石の間には、磁化部が形成されることを特徴とする請求項２に記載のＢＬＤＣモータ。
【請求項４】
前記ＢＬＤＣモータは、前記永久磁石が回転子の外周部の内側に埋め立てられるＩＰＭ(Interior permanent magnet)タイプのＢＬＤＣモータであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＢＬＤＣモータ。
【請求項５】
前記ＢＬＤＣモータは、前記Ｎ個の永久磁石が取り付けられたモータと同一の相インダクタンスを有し、コギンングトルクが低減されることを特徴とする請求項４に記載のＢＬＤＣモータ。
【請求項６】
前記永久磁石と磁化部とはそれぞれ、互いに対称となるように配置されることを特徴とする請求項４に記載のＢＬＤＣモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＢＬＤＣモータに関し、より詳しくは、電気的信号で駆動される電動式ＢＬＤＣモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化の防止のような地球環境保護と、化石エネルギー源の枯渇によるエネルギー節減とに対する関心が高まっている。
【０００３】
このために、世界各国は、エネルギー節減だけでなく、エネルギー使用の効率化に集中している。特に、各国は、家庭及び産業の全般において、エネルギー効率を高めるためには、モータが核心要素であることを見出し、高効率モータの開発及び使用を規制している傾向にある。
【０００４】
現在、モータは、国内の電力使用量の約５０〜６０％を使っており、産業の全般にわたって多く使用している誘導モータの効率を４％改善すると、国家の総電力を約２％節減することができる。これは、年間５００ＭＷ原子力発電所３.７機を建設しなくてもよい電力量である。そのため、エネルギー危機や地球環境保存の観点から、モータの高効率化は、最も重要な課題となっている。
【０００５】
一方、車両の燃料ポンプなどには、高効率、長寿命、及び信頼性確保の面から、ＢＬＤＣモータ(Brushless DC Motor)を用い、特に、センサレス(sensorless)ＢＬＤＣモータを用いることが一般的である。
【０００６】
本出願人は、特許文献１などに、ＢＬＤＣモータに関する技術を出願して、登録を受けたことがある。
【０００７】
一方、図１は、従来技術によるＢＬＤＣモータの構成図である。
【０００８】
図１に示しているように、ＢＬＤＣモータ１は、磁界を発生する固定子(stator)２と、固定子２で発生する磁界で回転する回転子(rotor)３とを含む。
【０００９】
固定子２には、コイルが巻線される鉄心４が設けられ、回転子３には、永久磁石５が設けられている。
【００１０】
このように構成される従来技術のＢＬＤＣモータ１が、図１に示しているように、８極に設けられる場合、回転子３には、極数に対応するように、８つの永久磁石５が設けられる。 
【００１１】
このように、ＢＬＤＣモータ１の回転子３に設けられる永久磁石５は、通常、希土類(Rare earth resources)元素のうち、ネオジム(Ｎｄ)を用いたＮＤ磁石が適用される。
【００１２】
前記ＮＤ磁石は、同一サイズの他の磁石と比べると、磁力が非常に強いため、強い磁力を要する多くの生活用機器、産業用機器、医療用機器などに使用される。 
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】大韓民国特許登録番号第10-1251906号(2013.04.08.公告)
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】大韓電気学会論文誌 第６３巻第４号、 ‘ポンプ用小型ＢＬＤＣモータのコスト低減を考慮した回転子の最適化設計’、Kim Heoi Chon、Jeong Tae Uk、2013年 4月。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、ＢＬＤＣモータにＮＤ磁石を適用することに当り、ＮＤ磁石がフェライト磁石に比べて高価であり、原材料のコスト偏差及び為替によって、コストの騰落が大きい。
【００１６】
これにより、製品のコストを節減するため、ＮＤ磁石の代わりに、フェライト磁石を適用する技術が開発されている。 
【００１７】
前記非特許文献１には、ポンプ用小型ＢＬＤＣモータのコスト低減を考慮した回転子の最適化設計技術が開示されている。 
【００１８】
しかし、非特許文献１のような技術を用いて、ＢＬＤＣモータにフェライト磁石を適用する場合、性能差などの問題が生じ、同一性能を出すために、フェライト磁石のサイズを増加しなければならず、そのため、ＢＬＤＣモータのサイズが大きくなるという問題があった。
【００１９】
また、非特許文献１は、回転子３の表面に永久磁石５を取り付けるＳＰＭ(Surface permanent magnet)タイプのＢＬＤＣモータに限って、適用可能であるという問題があった。
【００２０】
本発明の目的は、前記したような問題点を解決するためになされたものであって、回転子に設けられる永久磁石の数を半分に減少し、且つ、性能低下を最小化するＢＬＤＣモータを提供することにある。
【００２１】
本発明の他の目的は、回転子内に永久磁石が埋立てられるＩＰＭ(Interior permanent magnet)タイプのＢＬＤＣモータに適用される永久磁石の数を減少させるＢＬＤＣモータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
前述したような目的を達成するために、本発明によるＢＬＤＣモータは、Ｎ極(Ｎは、偶数)で形成されたＢＬＤＣモータであって、内周面にコイルが巻線される複数のティースが設けられる固定子と、前記固定子の内部に配置され、前記Ｎよりも少ない数の永久磁石が取り付けられる回転子とを含むことを特徴とする。
【００２３】
前記永久磁石は、Ｎ/２の個数に設けられ、同一極が外側に向かうように順次配置される。
【００２４】
前記永久磁石の間には、磁化部が形成される。
【００２５】
前記ＢＬＤＣモータは、前記永久磁石が回転子の外周部の内側に埋め立てられるＩＰＭタイプのＢＬＤＣモータである。
【００２６】
前記ＢＬＤＣモータは、前記Ｎ個の永久磁石が取り付けられたモータと同一の相インダクタンスを有し、コギンングトルクが低減される。
【００２７】
前記永久磁石と磁化部とはそれぞれ、互いに対称となるように配置される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によると、ＩＰＭタイプのＢＬＤＣモータに、極数の半分に対応する数の永久磁石だけを回転子に取り付けることができるという効果が得られる。 
【００２９】
また、本発明によると、ＢＬＤＣモータに取り付けられる永久磁石の数を減少させて、製作コストを節減することができるという効果が得られる。 
【００３０】
更に、本発明によると、モータの極数に対応する数の永久磁石を取り付ける場合に比べて、性能の低下を最小化し、トルクリップル及びコギングトルクを減少することができるという効果が得られる。 
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、従来技術によるＢＬＤＣモータの構成図である。
【図２】図２は、本発明の好適な実施例によるＢＬＤＣモータの構成図である。
【図３】図３は、図２におけるＢＬＤＣモータの誘起電圧グラフである。
【図４】図４は、図２におけるＢＬＤＣモータのコギングトルクグラフである。
【図５】図５は、図１におけるＢＬＤＣモータの磁束密度ベクトル図である。
【図６】図６は、図２におけるＢＬＤＣモータの磁束密度ベクトル図である。
【図７】図７は、本発明の他の実施例によるＢＬＤＣモータの回転子を例示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な実施例によるＢＬＤＣモータを、添付の図面を参照して詳述する。 
【００３３】
図２は、本発明の好適な実施例によるＢＬＤＣモータの構成図である。
【００３４】
本実施例では、８極ＢＬＤＣモータをもって説明するが、本発明は、これに限るものではなく、１０極、１２極など、極数に関係なく適用される。
【００３５】
本発明の好適な実施例によるＢＬＤＣモータ１０は、図２に示しているように、内周面にコイルが巻線される複数のティース２１が設けられる固定子２０と、固定子２０の内部に配置され、極数の半分に対応する複数の永久磁石３１が取り付けられる回転子３０とを含む。 
【００３６】
固定子２０は、略円筒状に形成され、固定子２０の内周面には、磁界を発生するために、スロット数に対応する複数のティース２１が設けられる。 
【００３７】
各ティース２１は、所定の径に形成され、各ティース２１には、電源を供給されて磁界を形成するように、コイル(図示せず)が巻回される。 
【００３８】
回転子３０は、固定子２０の内側に回転可能に取り付けられ、回転子３０の中央には、回転磁界によって発生する動力を出力する回転軸が結合されることができる。 
【００３９】
回転子３０は、複数の板を上下方向に揃った状態で、１つの回転軸に挿入する構造で構成されることができる。
【００４０】
このような回転子３０には、磁界を発生するための複数の永久磁石３１が取り付けられる。 
【００４１】
永久磁石３１は、希土類元素のうち、ネオジム(Ｎｄ)、鉄(Ｆｅ)、ホウ素(Ｂ)を一定の割合で混合・製作して、強い磁性を有するＮＤ磁石として設けられる。 
【００４２】
本実施例において、永久磁石３１は、ＢＬＤＣモータ１０の極数、例えば、８極の半分に対応する数、即ち、４つだけ設けることができる。 
【００４３】
つまり、一般のＢＬＤＣモータ１では、図１に示しているように、極数に対応する数の永久磁石５が、極性が互いに逆となるように配置される。
【００４４】
例えば、８極構造の一般のＢＬＤＣモータの場合、８つの永久磁石５はそれぞれ、Ｎ-Ｓ-Ｎ-Ｓ-Ｎ-Ｓ-Ｎ-Ｓ極が外側に向かうように交番的に配置される。 
【００４５】
これに対して、本実施例では、図２に示しているように、８極構造のモータの場合、４つの永久磁石３１がそれぞれ、Ｎ極が外側に向かうように、順次配置されることができる。 
【００４６】
それで、ＢＬＤＣモータ１０の極数に対応する８つの永久磁石のうち、４つの永久磁石３１だけを取り付ける場合、回転子３０は、Ｎ-Ｘ-Ｎ-Ｘ-Ｎ-Ｘ-Ｎ-Ｘ極が外側に向かうように配置された状態となる。ここで、Ｘは、永久磁石３１が装着しない磁化部３３である。
【００４７】
すなわち、各永久磁石３１の間には、永久磁石３１に対応する空間の磁化部３３が形成される。 
【００４８】
ここで、磁化部３３の形状は、永久磁石３１に対応する形状に形成されることもでき、ＢＬＤＣモータ１０の特性を考えて、永久磁石３１の形状とは異なり、様々な形状に変更することもできる。 
【００４９】
このように、磁化部３３は、回転子３０に取り付けられた各永久磁石３１の間に設けられて、コアの鉄心を磁化した部分であって、それぞれの磁化部３３は、永久磁石３１が取り付けられた状態と同様の効果を発生させる。 
【００５０】
即ち、磁化部３３の周辺に配置される鉄心は、隣接する永久磁石３１のＮ極とＳ極の磁力により磁化されて、それぞれＳ極及びＮ極の反対極性を持つことになる。
【００５１】
このように、本発明は、モータ極数の半分に対応する永久磁石だけを回転子に取り付けて、モータの極数に対応する数の永久磁石が取り付けられたモータと同一の性能を行う。
【００５２】
以下では、図３乃至図６を参照して、本発明の好適な実施例によるＢＬＤＣモータの性能実験結果について、詳述する。 
【００５３】
図３は、図２におけるＢＬＤＣモータの誘起電圧グラフである。
【００５４】
図３に示しているように、ＢＬＤＣモータのＵ相起電力(Electromotive Force)を用いて説明すると、誘起電圧において、偶数時に高調波成分が発生することにつれ、半分の永久磁石３１を取り付ける場合の誘起電圧(Ｂ)は、ＢＬＤＣモータの極数に対応する永久磁石３１を取り付ける場合の誘起電圧(А)に比べて、わずかに減少していることが分かる。
【００５５】
図４は、図２におけるＢＬＤＣモータのコギングトルクグラフである。
【００５６】
一般に、ＢＬＤＣモータは、回転子の表面に永久磁石を取り付けるＳＰＭ(Surface permanent magnet)タイプと、回転子の外周部の内側に永久磁石を埋立てるＩＰＭ (Interior permanent magnet)タイプとに分けられる。 
【００５７】
図４においては、ＩＰＭタイプのＢＬＤＣモータに極数の半分に対応する数の永久磁石を取り付けた状態でコギングトルクを測定している。
【００５８】
コギングトルク(Cogging Torque)とは、モータの回転子と固定子との間がスムーズに回転しないように発生する一種のモータトルク変動を言う。
【００５９】
すなわち、モータの回転軸を強制に回転させる場合、モータのコギングトルクが大きいほど、回転軸は回転せず、コギングトルクが小さいほど、スムーズに回転する。 
【００６０】
ここで、永久磁石が適用されるモータは、他の電動機と異なり、回転子の磁石と固定子スロット構造との間の磁気抵抗の差によるコギングトルクを有する。このようなコギングトルクは、モータの騒音及び振動発生に大きな影響を及ぼすので、設計に際して、最大限低減しなければならない。
【００６１】
これと共に、逆起電力の高調波に関連するトルクリップル(torque ripple)も、モータの騒音及び振動発生に影響するので、これらを最小化する設計が必要である。
【００６２】
もし、ＳＰＭタイプモータに、極数の半分に対応する数の永久磁石３１を取り付ける場合、誘起電圧に高調波成分が発生して、トルクが大きく低下し、トルクリップル及びコギングトルクは増加する。 
【００６３】
これに対して、ＩＰＭタイプモータに、極数の半分に対応する数の永久磁石３１を取り付ける場合、高調波成分が発生するが、ＳＰＭタイプに適用する場合に比べて、非常に少量であるので、トルクの低下は、わずかに発生する。 
【００６４】
そして、トルクリップル及びコギングトルク(Ｄ)は、図４に示しているように、モータ極数に対応する数の永久磁石を取り付ける場合のコギングトルク(Ｃ)に比べて、むしろ低減している効果が見られた。
【００６５】
それで、本発明は、回転子の外周部の内側に永久磁石を埋め立てるＩＰＭ形態のＢＬＤＣモータに適用することが望ましい。
【００６６】
図５及び図６はそれぞれ、図１及び図２におけるＢＬＤＣモータの磁束密度ベクトル図である。
【００６７】
図５及び図６における磁束密度ベクトル図を解析した結果、モータの極数に対応する数の永久磁石を取り付けた場合のモータの相インダクタンス(Ｅ)と、極数の半分に対応する数の永久磁石を取り付けたＢＬＤＣモータの相インダクタンス(Ｆ)とは、同一であることが分かった。
【００６８】
前記したような過程により、本発明は、ＩＰＭタイプのＢＬＤＣモータに、極数の半分に対応する数の永久磁石だけを取り付けて、製作コストを節減し、極数に対応する数の永久磁石を取り付ける場合と同様なレベルの性能を発揮することができる。 
【００６９】
一方、本実施例では、モータの極数の半分に対応する数の永久磁石を取り付けることとして説明したが、本発明は、これに限るものではない。
【００７０】
例えば、図７は、本発明の他の実施例によるＢＬＤＣモータの回転子を例示した図である。
【００７１】
即ち、本発明は、図７の(а)に示しているように、モータの極数、例えば、１０極の半分に対応する数、つまり、５つだけでなく、８つ(図７の(ｂ))や、６つ(図７の(ｃ))の永久磁石３１を取り付けるように変更してもよい。 
【００７２】
但し、本発明は、モータ極数の基本次数、例えば、８極の場合、４次数、１０極の場合、５次数を発生すべきであり、基本次数であっても、トルクリップル上昇などの要因を考えて、永久磁石が対称となるように、モータ極数の半分に対応する永久磁石を取り付けることが望ましい。
【００７３】
以上、本発明者により行われた発明を、前記実施例により具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限るものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々に変更可能なことは言うまでもない。
【００７４】
前記の実施例では、８極ＢＬＤＣモータをもって説明したが、本発明は、１０極、１２極など、モータの極数に関係なく適用される。 
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明は、ＩＰＭタイプのＢＬＤＣモータに、極数の半分に対応する数の永久磁石だけを取り付けることにより、製作コストを節減し、極数に対応する数の永久磁石を取り付けることに比べて、性能低下を最小化するＢＬＤＣモータの技術に適用される。 
【符号の説明】
【００７６】
１０: ＢＬＤＣモータ 
２０: 固定子 
２１: ティース 
３０: 回転子 
３１: 永久磁石 
３３: 磁化部 
【図１】
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【図２】
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【図７】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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