KR20190031152A - 회전 전기 - Google Patents

Abstract

회전 전기 (10) 의 로터 (30) 는, 로터 코어 (32), 및 로터 코어 (32) 에 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 을 갖는 2 층 구조 (40) 로 배치된 복수의 영구 자석 (60, 62, 63, 64, 65, 66, 67) 을 포함한다. 이들 영구 자석 중, 자극 (38) 의 양측의 q 축 (72, 74) 의 각각에 가장 가까이 배치된 제 1 및 제 2 최외측 영구 자석 (62, 63, 64, 65) 의 상호 배치 관계는, 예를 들어 q 축 (72) 의 경우, 제 1 층 (42) 에 속하는 제 1 최외측 영구 자석 (63) 에 있어서의 q 축 (72) 측이면서 내주측인 단부 (82) 의 직경 방향 위치가, 제 2 층 (44) 에 속하는 제 2 최외측 영구 자석 (65) 에 있어서의 q 축 (72) 측이면서 외주측인 단부 (84) 의 직경 방향 위치보다 소정의 직경 방향 간격으로 이간되어 외주측에 배치되어 있다.

Description

회전 전기{ROTATING ELECTRIC MACHINE}

본 개시는 회전 전기 (電機) 에 관한 것으로, 특히, 각 자극 (磁極) 에 복수 층 구조로 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는 로터를 구비하는 회전 전기에 관한 것이다.

전동 차량에 사용되는 회전 전기의 일종으로서, 소형 경량과 출력 효율의 향상을 도모하기 위해, 로터 코어의 둘레 방향을 따라 복수의 영구 자석을 매립하여 자극을 형성하는 매립 자석식의 회전 전기가 사용된다. 매립 자석식의 회전 전기는, 스테이터의 회전 자계와 영구 자석의 협동에 의해 생성되는 자석 토크와, 로터 코어의 자기적 이방성에 기초하여 생성되는 릴럭턴스 토크의 합성 토크를 출력한다. 1 자극 내에서 복수의 매립 자석을 대략 V 자 형상으로 배치함으로써, 더욱 출력 효율의 향상을 도모할 수 있고, 또, 매립 자석을 직경 방향을 따라 2 층으로 함으로써, 출력할 수 있는 토크를 더욱 증가시킬 수 있다.

일본 공개특허공보 2014-200150에 기재된 매립 자석식 회전 전기에 있어서는, 로터의 1 개의 자극에 있어서, d 축을 중심선으로 하여 대칭이 되는 위치에 2 개의 제 1 영구 자석과, 제 1 영구 자석보다 외주측 (스테이터측) 의 2 개의 제 2 영구 자석이 배치되어 있다. 여기서는, 스테이터 티스와 간극을 개재한 방향에서 보아 4 개의 영구 자석이 겹치지 않는 자석 배치로 한다. 이와 같이 함으로써, 동일 방향에서 보아 4 개의 자석이 겹치는 자석 배치와 비교하여, 저속시의 최대 토크를 제외하고, 중속에서 고속시에 있어서의 출력 토크가 향상되는 것을 일본 공개특허공보 2014-200150의 도 3 에 나타내고 있다.

복수 층의 매립 자석식의 로터를 구비하는 회전 전기에 있어서는, 인접하는 층의 영구 자석의 자속 사이에서 간섭이 발생하고, 자기 포화에 의해 회전 전기의 최대 토크 특성 등이 저하될 우려가 있다. 그래서, 복수 층의 매립 자석식의 로터에 있어서, 인접하는 층의 영구 자석의 자속 사이의 간섭을 억제하고, 자기 포화를 완화시켜, 최대 토크 특성 등의 저하를 억제할 수 있는 회전 전기가 요망된다.

본 개시에 관련된 회전 전기는, 스테이터 코일이 감겨진 스테이터와, 상기 스테이터의 내주측에, 상기 스테이터와 소정의 간격을 두고 동심상으로 배치된 로터를 구비한다. 그 로터는, 둘레 방향에 배치된 복수의 자극을 갖는 로터 코어, 및 복수의 영구 자석을 포함한다. 상기 자극의 각각에 있어서의 상기 영구 자석은, d 축과 상기 로터 코어의 외주면이 교차하는 d 축 교점으로부터 내주측을 향하여 복수 층 구조로 배치된다. 이러한 회전 전기에 있어서, 상기 복수 층 구조는, 인접하는 2 개의 층으로서 제 1 층과 제 2 층을 포함하고, 상기 제 1 층은, 상기 제 2 층보다 상기 d 축 교점에 가깝다. 상기 제 1 층과 상기 제 2 층에 속하는 상기 영구 자석은 각각, 상기 각 자극의 양측의 q 축의 각각에 가장 가까이 배치된 제 1 및 제 2 최외측 영구 자석을 포함한다. 상기 제 1 및 제 2 최외측 영구 자석의 상호 배치 관계는, 상기 제 1 층에 속하는 상기 제 1 최외측 영구 자석에 있어서의 상기 q 축측이면서 내주측인 단부의 상기 로터 코어에 있어서의 직경 방향 위치가, 상기 제 2 층에 속하는 상기 제 2 최외측 영구 자석에 있어서의 상기 q 축측이면서 외주측인 단부의 상기 로터 코어에 있어서의 직경 방향 위치보다 미리 정한 소정의 직경 방향 간격으로 이간되어 외주측에 배치되어 있다.

복수 층 구조에 있어서 인접하는 2 개의 층 사이의 자로 (磁路) 에 있어서, 2 개의 층의 영구 자석에 의한 자속의 간섭이 발생하기 쉬운 것은, 자극에 있어서 자석 토크를 발생시키는 자속의 흐름의 출입구인 q 축에 가장 가까운 2 개의 영구 자석이 마주 보는 영역이다. 상기 구성의 예에서는, d 축 교점에서 보다 가까운 제 1 층에 속하는 영구 자석의 q 축측이면서 내주측인 단부와, 제 2 층에 속하는 영구 자석의 q 축측이면서 외주측인 단부가 마주 보는 영역에서, 2 개의 영구 자석의 자속의 간섭이 발생하기 쉽다. 상기 구성에 의하면, 이 영역에서 마주 보는 2 개의 영구 자석의 단부는, 소정의 직경 방향 간격으로 이간된다. 따라서, 소정의 직경 방향 간격을 적절히 설정함으로써, 인접하는 층의 영구 자석의 자속 사이의 간섭을 억제하고, 자기 포화를 완화하여, 최대 토크 특성 등의 저하를 억제할 수 있다.

상기 회전 전기에 있어서, 상기 소정의 직경 방향 간격은, 상기 제 2 층에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향에 대하여, 상기 제 1 층에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향이 동일한 방향인 경우에, 상기 제 1 층에 속하는 영구 자석의 자속과 제 2 층에 속하는 영구 자석의 자속이 서로 강화되어 자기 포화되는 것을 억제할 수 있는 간격이어도 된다.

상기 구성에 의하면, 소정의 직경 방향 간격을 적절히 설정함으로써, 인접하는 층의 영구 자석의 자속 사이의 간섭에 의한 자기 포화를 억제할 수 있으므로, 회전 전기의 최대 토크 특성 등이 향상된다.

상기 회전 전기에 있어서, 상기 소정의 직경 방향 간격은, 상기 제 2 층에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향에 대하여, 상기 제 1 층에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향이 역방향인 경우에, 서로 상쇄되는 것을 억제할 수 있는 간격이어도 된다.

상기 구성에 의하면, 소정의 직경 방향 간격을 적절히 설정함으로써, 인접하는 층의 영구 자석의 자속 사이의 간섭에 의한 자속의 상쇄를 억제할 수 있으므로, 회전 전기의 최대 토크 특성 등이 향상된다.

상기 회전 전기에 있어서, 복수 층 구조의 각 층의 영구 자석은, d 축에 대하여 선대칭으로 배치되어 있어도 된다.

회전 전기가 동작하여 로터가 회전하면, 자극에 있어서, 회전 방향의 상류측의 q 축측에서 2 개의 층의 영구 자석에 의한 자속이 서로 강화되는 자기 포화가 발생하기 쉽고, 하류측의 q 축측에서 2 개의 층의 영구 자석에 의한 자속의 상쇄가 발생하기 쉽다. 상기 구성에서는, 회전 방향의 상류측의 q 축측에 있어서의 소정의 직경 방향 간격과, 하류측의 q 축측에 있어서의 소정의 직경 방향 간격을 동일하게 할 수 있으므로, 자기 포화의 억제와 자속의 상쇄의 억제를 균형있게 실시할 수 있다.

상기 회전 전기에 있어서, 상기 복수 층 구조는 상기 제 1 층과 상기 제 2 층을 갖는 2 층 구조여도 된다. 상기 제 1 층은, 상기 d 축을 사이에 두고 선대칭으로 배치되고, 상기 로터 코어의 상기 외주면에서 보아, 상기 d 축에 대하여, 소정의 예각인 제 1 경사 각도로 경사진 2 개의 영구 자석으로 구성되어도 된다. 상기 제 2 층은, 상기 d 축을 사이에 두고 선대칭으로 배치되고, 상기 로터 코어의 상기 외주면에서 보아, 상기 d 축에 대하여, 상기 제 1 경사 각도보다 작은 제 2 경사 각도로 경사진 2 개의 외주측 영구 자석, 및 상기 d 축을 사이에 두고 선대칭으로 배치되고, 상기 로터 코어의 상기 외주면에서 보아, 상기 d 축에 대하여, 상기 제 2 경사 각도보다 큰 예각인 제 3 경사 각도로 경사진 2 개의 내주측 영구 자석을 포함하는 4 개의 영구 자석으로 구성되어도 된다.

상기 구성에 의하면, 제 2 층의 영구 자석은, 외주측의 2 개에 더하여 내주측의 2 개가 사용되어 합계 4 개가 되므로, 제 2 층의 영구 자석이 외주측의 2 개인 경우에 비해, 자석 토크의 증대를 도모할 수 있다. 또, 제 3 경사 각도를 제 2 경사 각도보다 크게 함으로써, 제 1 층의 영구 자석과 제 2 층의 내주측의 영구 자석 사이의 자로는, 제 1 층의 영구 자석과 제 2 층의 외주측의 영구 자석 사이의 자로보다 넓어진다. 이로써, 제 1 층의 영구 자석의 자속과 제 2 층의 내주측의 영구 자석의 자속 사이의 간섭은 잘 발생하지 않는다. 이로써, 회전 전기의 최대 토크 특성 등을 더욱 향상시킬 수 있다.

상기 구성의 회전 전기에 의하면, 복수 층의 매립 자석식의 로터에 있어서, 인접하는 층의 영구 자석의 자속 사이의 간섭을 억제하고, 자기 포화를 완화하여, 최대 토크 특성 등의 저하를 억제할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시형태들의 특징, 이점, 및 기술 및 산업적 의의가 첨부된 도면들을 참조하여 아래 설명될 것이며, 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소들을 표기한다:
도 1 은, 실시형태의 회전 전기의 상면도이다.
도 2 는, 도 1 의 회전 전기의 로터에 대해, 1 개의 자극 부분의 확대도이다.
도 3 은, 회전 전기가 동작하여 로터가 회전한 경우에 대해, 도 2 의 자극에 있어서의 자속의 흐름을 나타내는 도면으로, 특히, 2 개의 층의 영구 자석의 자속이 서로 강화되어 발생하는 자기 포화를 나타내는 도면이다.
도 4 는, 도 3 과 동일하게, 회전 전기가 동작하여 로터가 회전한 경우에 대해, 도 2 의 자극에 있어서의 자속의 흐름을 나타내는 도면으로, 특히, 2 개의 층의 영구 자석의 자속이 간섭하여 발생하는 자속의 상쇄를 나타내는 도면이다.

이하에 도면을 사용하여 본 발명에 관련된 실시형태에 대해 상세하게 설명한다. 이하에서는, 차량에 탑재되는 회전 전기를 기술하지만, 이것은 설명을 위한 예시로서, 차량 탑재 이외의 용도여도 상관없다. 본 실시형태에 있어서의 스테이터 코일의 권회 방법을 분포권 (分布卷) 으로서 기술하지만, 이것은 설명을 위한 예시로서, 집중권 (集中卷) 이어도 된다.

이하에서는, 로터의 각 자극에 있어서 영구 자석을 2 층 배치로 하였지만, 이것은 설명을 위한 예시로서, 복수 층이면 되고, 예를 들어, 3 층 배치여도 된다. 또, 2 층 배치에 있어서, 1 층째에 배치되는 영구 자석을 2 개, 2 층째에 배치되는 영구 자석을 4 개로 하였지만, 이것은 설명을 위한 예시로서, 각 층에 배치되는 영구 자석의 수는, 회전 전기, 영구 자석의 사양 등에 따라 적절히 변경이 가능하다. 예를 들어, 1 층째에 4 개의 영구 자석을 배치해도 되고, 2 층째에 6 개의 영구 자석을 배치해도 된다. 이하에서는, 각 자극에 있어서의 영구 자석의 복수 층 배치 구조에 있어서, 각 층의 복수의 영구 자석은, 자극의 자극 중심선인 d 축에 대하여 선대칭으로 하였지만, 이것은 설명을 위한 예시로, d 축에 대하여 비대칭인 배치여도 된다. 예를 들어, 회전 전기의 회전 방향의 사양이 정해져 있는 경우 등에서, d 축에 대하여 비대칭인 배치 쪽이 회전 방향에 적합한 영구 자석의 배치가 될 수 있다.

이하에서 기술하는 형상, 치수, 티스 및 슬롯의 수, 로터의 자극수, 영구 자석의 수, 재질 등은, 설명을 위한 예시로서, 회전 전기의 사양에 맞춰 적절히 변경이 가능하다. 이하에서는, 모든 도면에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 생략한다.

도 1 은, 차량에 탑재되는 회전 전기 (10) 의 구성을 나타낸다. 회전 전기 (10) 는, 도시되지 않은 구동 회로의 제어에 의해, 차량이 역행할 때는 전동기로서 기능하고, 차량이 제동시에 있을 때는 발전기로서 기능하는 모터·제너레이터로, 3 상 동기형의 회전 전기이다. 회전 전기 (10) 는, 스테이터 (12) 와, 스테이터 (12) 의 내주측에 소정의 간격을 두고 배치되는 로터 (30) 로 구성된다.

회전 전기 (10) 의 스테이터 (12) 는, 스테이터 코어 (14) 와, 스테이터 코일 (16) 을 포함한다. 스테이터 코어 (14) 는, 원환상의 자성체 부품으로, 원환상의 백 요크 (18) 와 백 요크 (18) 로부터 내주측으로 돌출되는 복수의 티스 (20) 를 포함한다. 인접하는 티스 (20) 사이의 공간은 슬롯 (22) 이다. 도 1 의 예에서는, 티스 (20) 의 수와 슬롯 (22) 의 수는 동수로, 3 의 배수인 48 이다.

이러한 스테이터 코어 (14) 는, 백 요크 (18) 와 티스 (20) 를 포함하고, 슬롯 (22) 이 형성되도록 소정의 형상으로 성형된 원환상의 자성체 박판을 소정 장수로 축 방향으로 겹쳐 쌓은 적층체이다. 자성체 박판의 양면에는 전기적인 절연 처리가 실시된다. 자성체 박판의 재질로는, 전자 강판의 일종인 규소 강판을 사용할 수 있다. 자성체 박판의 적층체 대신에, 자성 분말을 일체화 성형한 것을 스테이터 코어 (14) 로 해도 된다.

스테이터 코일 (16) 은, 3 상의 분포권 코일로, 1 개의 상(相) 권선이 복수의 티스 (20) 에 걸쳐 감겨져 형성된다. 도 1 에는, 스테이터 코일 (16) 의 일부의 권회를 나타낸다. 여기서, 각 슬롯 (22) 에 붙인 U, V, W 는, 그 슬롯 (22) 에 감겨지는 권선의 상을 나타낸다. 예를 들어, U 상 권선은, U 라고 붙여진 슬롯 (22) 에 삽입되고, 그 삽입된 슬롯 (22) 으로부터 둘레 방향을 따라 연장되어 6 슬롯분 떨어진 다음의 U 라고 붙여진 슬롯 (22) 에 삽입되고, 이것을 반복함으로써 형성된다. V 상 권선, W 상 권선도 동일하다.

로터 (30) 는, 스테이터 (12) 의 내주에 대하여, 소정의 자기 갭을 두고 동심상으로 배치된다. 로터 (30) 는, 자성체인 로터 코어 (32) 와, 로터 코어 (32) 에 매립되어 로터 (30) 의 자극 (38) 을 형성하는 복수의 영구 자석 (60) 을 포함한다.

로터 코어 (32) 는, 중심 구멍 (34) 과 외주면 (36) 을 갖는 원환상의 자성체로, 복수의 영구 자석 (60) 이 배치되는 복수의 자석 구멍 (50) 을 포함한다. 로터 코어 (32) 의 중심 구멍 (34) 에는, 회전 전기 (10) 의 출력축인 로터축이 고정된다.

도 1 에, 회전 전기 (10) 의 직경 방향과 둘레 방향과 축 방향을 나타낸다. 중심 구멍 (34) 의 중심 위치를 C 라고 하고, 직경 방향은, 중심 위치 (C) 와 스테이터 (12) 의 외주측을 연결하는 방사상의 방향으로, 중심 위치 (C) 측이 내주측의 방향이고, 스테이터 (12) 의 외주측이 외주측의 방향이다. 둘레 방향은, 중심 위치 (C) 를 중심으로 하여 원주 방향을 따라 연장되는 방향이다. 축 방향은, 중심 구멍 (34) 에 삽입되는 로터축이 연장되는 방향으로, 도 1 에 있어서의 지면에 수직인 방향이다.

이러한 로터 코어 (32) 는, 중심 구멍 (34) 과 복수의 자석 구멍 (50) 을 포함하는 소정의 형상으로 성형된 원환상의 자성체 박판을 소정 장수로 축 방향으로 겹쳐 쌓아 형성된다. 자성체 박판의 재질로는, 스테이터 코어 (14) 와 동일하게 전자 강판을 사용할 수 있다. 자성체 박판의 적층체 대신에, 자성 분말을 일체화 성형한 것을 로터 코어 (32) 로 해도 된다.

로터 (30) 는, 회전 전기 (10) 의 사양에 의해 정해지는 수의 자극 (38) 이 둘레 방향을 따라 형성된다. 도 1 의 예에서는, 자극수가 8 이고, 중심 위치 (C) 에서 본 1 개의 자극 (38) 의 둘레 방향을 따른 예상 각도 φ 는 45 도이다. 도 1 에 있어서, 8 개의 자극 (38) 에 각각 P1 내지 P8 을 붙였다. P1 ∼ P8 의 각 자극 (38) 은, 배치 위치가 상이할 뿐 구성은 동일하다. 그래서, 복수의 자석 구멍 (50), 복수의 영구 자석 (60) 등을 갖는 대표적인 자극 (38) 에 대해 기술한다.

자극 (P8) 에 나타내는 바와 같이, 각 자극 (38) 은, 2 층 배치 구조 (40) 로 배치된 복수의 자석 구멍 (50) (P2 참조), 복수의 영구 자석 (60) (P1 참조) 을 갖는다. 자극 (38) 의 자극 중심선 (CL) 인 d 축 (70) 과, 로터 코어 (32) 의 외주면 (36) 은, d 축 교점 (80) 에서 교차한다. 2 층 배치 구조 (40) 의 각 층을 구별할 때는, 이 d 축 교점 (80) 으로부터 내주측을 향하여, d 축 교점 (80) 에 가까운 층을 제 1 층 (42), 먼 층을 제 2 층 (44) 이라고 부른다. 3 층 이상의 다층인 경우도 마찬가지로, d 축 교점 (80) 으로부터 내주측을 향하여, d 축 교점 (80) 에 가까운 쪽에서 먼 쪽을 향하여, 층의 번호를 1, 2, 3, 4···라고 센다.

복수의 영구 자석 (60) 은 각각, 복수의 자석 구멍 (50) 중 어느 것에 삽입되어 배치된다. 도 1 에 있어서 복수의 영구 자석 (60) 에 사선을 그었으므로, 복수의 자석 구멍 (50) 은, 복수의 영구 자석 (60) 의 길이 방향의 양측에 사선이 그어져 있지 않은 부분으로서 나타나지만, 영구 자석 (60) 이 자석 구멍 (50) 내에 배치된 상태에서는 복수의 자석 구멍 (50) 의 형상이 약간 이해하기 어렵다. 그래서, 자극 (P2) 에 있어서, 복수의 영구 자석 (60) 의 도시를 생략하고, 복수의 자석 구멍 (50) 만을 나타낸다. 복수의 자석 구멍 (50) 은, 로터 코어 (32) 의 외주측에 둘레 방향을 따라 복수 배치되고, 축 방향으로 관통하여 영구 자석 (60) 을 로터 코어 (32) 에 매립하여 배치하기 위한 관통공이다.

자극 (P2) 에 나타내는 바와 같이, 각 자극 (38) 은, 복수의 자석 구멍 (50) 으로서 자석 구멍 (52, 53, 54, 55) 을 갖는다. 자석 구멍 (52, 53) 은, 제 1 층 (42) 에 속하는 2 개의 자석 구멍이고, 자석 구멍 (54, 55) 은, 제 2 층 (44) 에 속하는 2 개의 자석 구멍이다.

자석 구멍 (50) 은, 영구 자석 (60) 이 삽입되는 구멍이지만, 동시에 매립 자석식의 로터 (30) 에 있어서는, 릴럭턴스 토크를 발생시키기 위해서 필요한 로터 코어 (32) 의 자기적 이방성을 형성하는 공동 (空洞) 부분이기도 하다. 즉, 자석 구멍 (50) 은, 로터 코어 (32) 의 자성체 부분을 제거한 공동 부분이고, 자기 저항이 로터 코어 (32) 의 자성체 부분보다 크다. 자석 구멍 (50) 에 삽입되는 영구 자석 (60) 의 투자율은 진공 투자율과 동일한 정도이므로, 공동과 동일 정도의 높은 자기 저항이 된다. 따라서, 로터 코어 (32) 에 있어서 자속은, 자석 구멍 (50) 을 통과하지 않고, 예를 들어, 제 1 층 (42) 의 자석 구멍 (52, 53) 과 제 2 층 (44) 의 자석 구멍 (54, 55) 사이의 자성체 부분을 흐른다.

자극 (P1) 에 있어서, 복수의 영구 자석 (60) 으로서, 영구 자석 (62, 63, 64, 65, 66, 67) 을 나타낸다. 영구 자석 (62, 63) 은, 제 1 층 (42) 에 속하는 2 개의 영구 자석으로, 각각 자석 구멍 (52, 53) 에 삽입된다. 영구 자석 (64, 65, 66, 67) 은, 제 2 층 (44) 에 속하는 4 개의 영구 자석으로, 영구 자석 (64, 66) 은, 자석 구멍 (54) 에 삽입되고, 영구 자석 (65, 67) 은, 자석 구멍 (55) 에 삽입된다.

복수의 영구 자석 (60) 은, 모두 동일한 형상을 갖고, 축 방향에 수직인 단면 형상이 사각형이고, 축 방향의 길이는 로터 (30) 의 축 방향의 길이보다 약간 짧은 직방형의 막대 자석이다. 복수의 영구 자석 (60) 의 재질로는, 네오디뮴과 철과 붕소를 주성분으로 하는 네오디뮴 자석, 사마륨과 코발트를 주성분으로 하는 사마륨코발트 자석 등의 희토류 자석이 사용된다. 이외에 페라이트 자석, 알니코 자석 등을 사용해도 된다.

복수의 영구 자석 (60) 의 착자 (着磁) 방향은, 모두 단변 방향을 따라 외주측으로부터 내주측을 향하여 실시되지만, 인접하는 자극 사이에서는, 착자 방향이 서로 반대이다. 예를 들어, 자극 (P1) 에서는, 영구 자석 (62, 63, 64, 65, 66, 67) 의 외주측을 향하는 면이 N 극이고, 내주측을 향하는 면이 S 극으로 착자된다 (도 2 참조). 이에 대하여, 자극 (P1) 에 인접하는 자극 (P2, P8) 에서는, 복수의 영구 자석 (60) 은, 외주측을 향하는 면이 S 극이고, 내주측을 향하는 면이 N 극으로 착자된다. 이로써, 자극 (P1) 으로부터 자극 (P8) 을 향하여, 스테이터 (12) 측을 향하는 외주측의 자극 극성이, N, S, N, S, N, S, N, S 로 둘레 방향을 따라 번갈아 상이한 극성으로 배치된다. 복수의 영구 자석 (60) 은, 회전 전기 (10) 가 동작할 때, 스테이터 (12) 가 발생시키는 회전 자계와 협동하여, 자석 토크를 발생시킨다.

도 1 에, 회전 전기 (10) 의 동작시의 로터 (30) 의 정전 (正轉) 방향 (68) 을 나타낸다. 회전 전기 (10) 는 정전, 역전의 어느 것이나 제어 가능하지만, 정전 방향 (68) 은, 도 1 의 지면 상에서 반시계 방향이고, 스테이터 (12) 의 U, V, W 의 배열 방향과 동일하다. 정전 방향 (68) 의 상류측을 UP, 하류측을 DN 으로 나타내었다. 정전 방향 (68) 은, 후술하는 도 3, 도 4 에 있어서, 회전 전기 (10) 가 동작하는 경우의 로터 코어 (32) 에 있어서의 영구 자석 (60) 의 자속의 흐름을 검토할 때에 사용한다.

P1 ∼ P8 의 각 자극은 구성이 동일하므로, 이하에서는, 자극 (P1) 에 대해, 제 1 층 (42) 에 속하는 2 개의 영구 자석 (62, 63) 과, 제 2 층 (44) 에 속하는 4 개의 영구 자석 (64, 65, 66, 67) 에 대한 2 층 배치 구조 (40) 를, 도 2 를 사용하여 상세하게 설명한다.

도 2 에 있어서, 자극 (P1) 의 자극 중심선 (CL) 을 나타낸다. 자극 중심선 (CL) 은, 자극 (P1) 을 중심 위치 (C) 에서 보아 둘레 방향을 따른 예상 각도 (φ) 를 2 분하여 φ/2 씩으로 하고, 중심 위치 (C) 를 통과하여, 외주측으로 연장되는 선이다. 자극 중심선 (CL) 은, 자극 (P1) 에 있어서의 d 축 (70) 이다. 자극 (P1) 의 양측의 q 축 (72, 74) 은, 중심 위치 (C) 를 통과하고, 자극 (P1) 과 그 이웃하는 자극 (P2, P8) 의 경계선이다. 양측의 q 축 (72, 74) 을 구별할 때에는, 로터 (30) 의 정전 방향 (68) 의 상류측의 q 축 (72) 을 QUP 라고 하고, 하류측의 q 축 (74) 을 QDN 이라고 부른다.

2 층 배치 구조 (40) 의 제 1 층 (42) 의 2 개의 영구 자석 (62, 63) 은, 자극 중심선 (CL) 인 d 축 (70) 을 사이에 두고 선대칭으로 배치되고, 각각 소정의 예각인 경사 각도 (θ1) 로 경사져 배치된다.

2 층 배치 구조 (40) 의 제 2 층 (44) 의 4 개의 영구 자석 (64, 65, 66, 67) 은, d 축 (70) 을 사이에 두고 선대칭으로, 굴곡된 형상의 자석 구멍 (54, 55) 에 각각 2 개씩 배치된다. 즉, 둘레 방향의 하류측 (DN) 의 자석 구멍 (54) 에는 영구 자석 (64, 66) 이 배치되고, 상류측 (UP) 의 자석 구멍 (55) 에는 영구 자석 (65, 67) 이 배치된다.

자석 구멍 (54, 55) 은, d 축 (70) 을 사이에 두고 선대칭으로 굴곡되어 있으므로 자석 구멍 (54) 을 대표로 하여, 하류측 (DN) 의 자석 구멍 (54) 에 배치되는 2 개의 영구 자석 (64, 66) 의 배치 관계를 기술한다. 영구 자석 (64) 은, 영구 자석 (66) 보다 직경 방향의 외주측에 배치된다. 영구 자석 (64) 은, d 축 (70) 에 대하여, 로터 코어 (32) 의 외주면 (36) 측에서 본 예상 각도로, 소정의 예각인 경사 각도 (θ2) 로 경사져 배치된다. 영구 자석 (66) 은, 영구 자석 (64) 보다 직경 방향의 내주측에 배치된다. 영구 자석 (66) 은, d 축 (70) 에 대하여, 로터 코어 (32) 의 외주면 (36) 측에서 본 예상 각도로, 소정의 예각인 경사 각도 (θ3) 로 경사져 배치된다. 경사 각도 (θ3) 는, 경사 각도 (θ2) 보다 크다. 경사 각도 (θ1) 와의 관계도 함께 정리하면, 도 2 에 나타내는 바와 같이 θ1 ＞ θ3 ＞ θ2 이다.

매립 자석식의 로터 (30) 의 각 자극 (38) 에 있어서는, 회전 전기 (10) 가 회전할 때 영구 자석 (62, 63, 64, 65, 66, 67) 의 자속은, 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 에 끼워진 로터 코어 (32) 의 자성체 부분을 흐른다. 이 자로에는, 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석 (62, 63) 으로부터의 자속과, 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석 (64, 65, 66, 67) 으로부터의 자속이 함께 흐르기 때문에, 자로 폭이 좁으면 자속 사이에서 간섭이 발생할 수 있다. d 축 (70) 에 대한 복수의 영구 자석 (60) 의 경사 각도의 관계가 θ1 ＞ θ3 ＞ θ2 인 경우에는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 사이의 자로 폭은, d 축 (70) 에 가까워질수록 넓어지고, q 축 (72, 74) 에 가까워질수록 좁아진다. 제 1 층 (42) 의 영구 자석 (62, 63) 과, 이것과 마주 보는 제 2 층 (44) 의 영구 자석 (64, 65, 66, 67) 사이에서, 가장 자로가 짧아지는 것은, 양 측의 q 축 (72, 74) 의 각각에 가장 가까이 배치되어, 서로 마주 본 영구 자석의 사이이다.

도 2 에서 QUP 로 나타낸 q 축 (72) 측에서는, 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석 (63) 에 있어서의 q 축 (72) 측이면서 내주측인 단부 (82) 와, 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석 (65) 에 있어서의 q 축 (72) 측이면서 외주측인 단부 (84) 사이의 자로가 가장 좁아진다.

동일하게, 도 2 에서 QDN 로 나타낸 q 축 (74) 측에서는, 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석 (62) 에 있어서의 q 축 (74) 측이면서 내주측인 단부 (86) 와, 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석 (64) 에 있어서의 q 축 (74) 측이면서 외주측인 단부 (88) 사이의 자로가 가장 좁아진다.

d 축 (70) 에 대한 복수의 영구 자석 (60) 의 경사 각도의 관계가 θ1 ＞ θ3 ＞ θ2 인 경우에 있어서, q 축 (72) 측의 단부 (82) 와 단부 (84) 사이가 가장 좁아지는 것은, 단부 (82) 와 단부 (84) 가 직경 방향을 따른 위치가 동일해지는 (요컨대, 단부 (82) 와 단부 (84) 가, 중심 위치 (C) 로부터 동일한 직경을 갖는다.) 때이다. 로터 코어 (32) 의 중심 위치 (C) 로부터 측정한 단부 (82) 의 직경 방향의 위치를 R1 로 하고, 단부 (84) 의 직경 방향의 위치를 R2 로 하면, R1 = R2 인 경우에, q 축 (72) 측의 단부 (82) 와 단부 (84) 사이가 가장 좁아진다. 단부 (84) 를 단부 (82) 에 대하여 직경 방향을 따라 내주측으로 어긋나게 하여 R1 ＞ R2 로 함으로써, 단부 (82) 와 단부 (84) 사이는 R1 = R2 인 경우에 비해 넓어진다. q 축 (74) 측의 단부 (86) 와 단부 (84) 사이에 대해서도 동일하다.

그래서, 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 에 끼워진 자로에 있어서의 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석의 자속과 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석의 자속 사이의 간섭을 억제하기 위해, R1 ＞ R2 로 한다. 즉, 제 1 층 (42) 에 속하고 q 축 (72) 에 가장 가까이 배치된 영구 자석 (63) 에 있어서의 q 축측이면서 내주측인 단부 (82) 는, 제 2 층 (44) 에 속하고 q 축 (72) 에 가장 가까이 배치된 영구 자석 (65) 에 있어서의 q 축측이면서 외주측인 단부 (84) 보다 외주측에 배치된다. 단부 (86) 와 단부 (88) 의 관계에 대해서도 동일하다. 직경 방향 간격 ΔRth = (R1 - R2) 는, 실제의 회전 전기 (10) 의 동작 조건 등에 기초하여 최대 토크 특성 등과 ΔRth 의 관계를 실험 결과나 시뮬레이션에 의해 구함으로써, 미리 정한 값으로 설정된다.

상기에서는, 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석을 2 개, 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석을 4 개로 하고, 이들의 영구 자석의 d 축 (70) 에 대한 경사 각도의 관계가 θ1 ＞ θ3 ＞ θ2 인 경우를 기술하였다. 자극 (38) 에 있어서의 영구 자석의 배치가, 3 층 이상의 복수 층 구조라도, 인접하는 2 개의 층 사이에 있어서의 자속의 흐름의 간섭을 억제하기 위한 상기의 관계를 적용할 수 있다. 또, 영구 자석의 배치에 대해 복수 층 구조를 취하는 매립 자석식의 로터의 경우에서는, 도 2 에서 예시적으로 나타낸 바와 같이, d 축 교점 (80) 에 가까운 층에 속하는 영구 자석과 먼 층에 속하는 영구 자석의 간격이, q 축측에서 가장 좁아지는 설정이 많은 것으로 생각된다. 이들 경우에도, 인접하는 2 개의 층 사이에 있어서의 자속의 흐름의 간섭을 억제하기 위한 상기 관계를 적용할 수 있다.

상기 구성의 작용 효과에 대해, 도 3, 도 4 를 사용하여 설명한다. 도 3, 도 4 는, 도 2 에 대응하는 도면에 있어서, 회전 전기 (10) 가 동작하여 로터 (30) 가 정전 방향 (68) 으로 회전했을 때의 자극 (38) 에 있어서의 자속의 흐름을 나타내는 도면이다. 로터 (30) 가 정전 방향 (68) 으로 회전할 때, 자극 (38) 에는, QUP 로 나타내는 q 축 (72) 측으로부터 자속이 유입된다. 그리고, 자극 (38) 내의 제 2 층 (44) 의 영구 자석 (65, 67, 66, 64) 의 각각으로부터의 자속과 합류하여, 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 사이의 자로를 통과하여, QDN 으로 나타내는 q 축 (74) 측으로 빠져나간다.

도 3 은, 특히, QUP 로 나타내는 q 축 (72) 의 자속 유입구 근방에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다. q 축 (72) 의 자속 유입구 근방에 있어서는, 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 사이의 자로에, 제 1 층 (42) 의 영구 자석 (63) 의 N 극으로부터의 자속이 돌아 들어간다. 돌아 들어가는 자속의 방향은, q 축 (72) 으로부터 q 축 (74) 을 향하여 흐르는 자속의 방향과 동일 방향이다. 이로써, 영구 자석 (63) 의 단부 (82) 와, 영구 자석 (65) 의 단부 (84) 사이의 자로 영역 (A) 에 있어서, 자속의 강화가 발생하여, 자기 포화가 발생하기 쉽다. 그래서, 로터 코어 (32) 의 중심 위치 (C) 로부터 측정한 단부 (82) 의 직경 방향의 위치를 R1 로 하고, 단부 (84) 의 직경 방향의 위치를 R2 로 하여, ΔRth = (R1 - R2) 를, 자속의 강화에 의한 자기 포화를 억제할 수 있는 소정의 직경 방향 간격 ΔRth1 로 설정한다. ΔRth1 은, 회전 전기 (10) 의 동작 조건 등에 기초하여 최대 토크 특성 등과 자기 포화의 관계를 실험 결과나 시뮬레이션에 의해 구하여, 최대 토크 특성 등이 저하되지 않는 값으로 설정된다.

도 4 는, 특히, QDN 으로 나타내는 q 축 (74) 의 자속 유출구 근방에 있어서의 자속의 흐름을 나타낸다. q 축 (74) 의 자속 유출구 근방에 있어서는, 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 사이의 자로에, 제 1 층 (42) 의 영구 자석 (63) 의 N 극으로부터의 자속이 돌아 들어간다. 돌아 들어가는 자속의 방향은, q 축 (72) 으로부터 q 축 (74) 을 향하여 흐르는 자속의 방향과 역방향이다. 이로써, 영구 자석 (62) 의 단부 (86) 와, 영구 자석 (64) 의 단부 (88) 사이의 자로 영역 (B) 에 있어서, 자속이 서로 상쇄되는 것이 발생하여, 유효 자속이 감소되기 쉽다. 그래서, 로터 코어 (32) 의 중심 위치 (C) 로부터 측정한 단부 (86) 의 직경 방향의 위치를 R1 로 하고, 단부 (88) 의 직경 방향의 위치를 R2 로 하여, ΔRth = (R1 - R2) 를, 자속이 서로 상쇄되는 것을 억제할 수 있는 소정의 직경 방향 간격 ΔRth2 로 설정한다. ΔRth2 는, 회전 전기 (10) 의 동작 조건 등에 기초하여 최대 토크 특성 등과 유효 자속의 관계를 실험 결과나 시뮬레이션에 의해 구하여, 최대 토크 특성 등이 저하되지 않는 값으로 설정된다.

상기와 같이, 회전 전기 (10) 가 동작하여 로터 (30) 가 회전하면, 자극 (38) 에 있어서, 정전 방향 (68) 의 상류측의 q 축 (72) 측에서 2 개의 층의 영구 자석에 의한 자속이 서로 강화되는 자기 포화가 발생하기 쉽다. 또, 하류측의 q 축 (74) 측에서 2 개의 층의 영구 자석에 의한 자속의 상쇄가 발생하기 쉽다. 영구 자석에 관한 복수 층 구조가 d 축 (70) 에 대하여 선대칭이 아닌 경우에는, 어느 일방만이 발생할 수 있다. 따라서, 로터 (30) 의 복수 층 구조의 내용에 의해, ΔRth1 과 ΔRth2 를 적절히 설정하는 것이 좋다.

도 2 와 같이, 영구 자석에 관한 복수 층 구조가 d 축 (70) 에 대하여 선대칭인 경우에는, q 축 (72) 측의 R1, R2 와, q 축 (74) 측의 R1, R2 는 동일하다. 따라서, 회전 방향의 상류측의 q 축 (72) 측에 있어서의 소정의 직경 방향 간격 ΔRth1 과, 하류측의 q 축 (74) 측에 있어서의 소정의 직경 방향 간격 ΔRth2 를 동일하게 할 수 있으므로, 자기 포화의 억제와 자속의 상쇄의 억제를 균형있게 실시할 수 있다.

상기와 같이, 복수 층 구조에 있어서 인접하는 2 개의 층 사이의 자로에 있어서, 2 개의 층의 영구 자석에 의한 자속의 간섭이 발생하기 쉬운 것은, 자극에 있어서 자석 토크를 발생시키는 자속의 흐름의 출입구인 q 축에 가장 가까운 2 개의 영구 자석이 마주 보는 영역이다. 예를 들어, 도 2 의 구성의 q 축 (72) 측에서는, d 축 교점 (80) 으로부터 가까운 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석 (63) 의 q 축 (72) 측이면서 내주측인 단부 (82) 와, 먼 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석 (65) 의 q 축 (72) 측이면서 외주측인 단부 (84) 가 마주 보는 영역이다. 상기 구성에 의하면, 이 영역에서 마주 보는 2 개의 영구 자석의 단부는, 소정의 직경 방향 간격으로 이간된다. 따라서, 소정의 직경 방향 간격을 적절히 설정함으로써, 인접하는 층의 영구 자석의 자속 사이의 간섭을 억제하고, 자기 포화를 완화하여, 최대 토크 특성 등의 저하를 억제할 수 있다.

Claims (5)

1. 회전 전기 (10) 로서,
   스테이터 코일 (16) 이 감겨진 스테이터 (12) ; 및
   상기 스테이터 (12) 의 내주측에, 상기 스테이터 (12) 와 소정의 간격을 두고 동심상으로 배치된 로터 (30) 로서, 그 로터 (30) 는, 둘레 방향에 배치된 복수의 자극 (38, P1, P2, P3, P4, P5, P6, P7, P8) 을 갖는 로터 코어 (32), 및 복수의 영구 자석 (60, 62, 63, 64, 65, 66, 67) 을 포함하고, 상기 자극의 각각에 있어서의 상기 영구 자석 (60, 62, 63, 64, 65, 66, 67) 은, d 축 (70) 과 상기 로터 코어 (32) 의 외주면이 교차하는 d 축 교점 (80) 으로부터 내주측을 향하여 복수 층 구조 (40) 로 배치되는, 상기 로터 (30) 를 포함하고,
   상기 복수 층 구조 (40) 는, 인접하는 2 개의 층으로서 제 1 층 (42) 과 제 2 층 (44) 을 포함하고, 상기 제 1 층 (42) 은, 상기 제 2 층 (44) 보다 상기 d 축 교점 (80) 에 가깝고, 상기 제 1 층 (42) 과 상기 제 2 층 (44) 에 속하는 상기 영구 자석 (60, 62, 63, 64, 65, 66, 67) 은 각각, 상기 각 자극의 양측의 q 축 (72, 74) 의 각각에 가장 가까이 배치된 제 1 및 제 2 최외측 영구 자석 (62, 63, 64, 65) 을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 최외측 영구 자석 (62, 63, 64, 65) 상호 배치 관계는, 상기 제 1 층 (42) 에 속하는 상기 제 1 최외측 영구 자석 (62, 63) 에 있어서의 상기 q 축측이면서 내주측인 단부 (82, 86) 의 상기 로터 코어 (32) 에 있어서의 직경 방향 위치가, 상기 제 2 층 (44) 에 속하는 상기 제 2 최외측 영구 자석 (64, 65) 에 있어서의 상기 q 축측이면서 외주측인 단부 (84, 88) 의 상기 로터 코어 (32) 에 있어서의 직경 방향 위치보다 미리 정한 소정의 직경 방향 간격으로 이간되어 외주측에 배치되어 있는, 회전 전기 (10).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 직경 방향 간격은, 상기 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향에 대하여, 상기 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향이 동일한 방향인 경우에, 상기 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석의 자속과 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석의 자속이 서로 강화되어 자기 포화되는 것을 억제할 수 있는 간격인, 회전 전기 (10).
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 소정의 직경 방향 간격은, 상기 제 2 층 (44) 에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향에 대하여, 상기 제 1 층 (42) 에 속하는 영구 자석의 자속의 흐름 방향이 역방향인 경우에, 서로 상쇄되는 것을 억제할 수 있는 간격인, 회전 전기 (10).
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 복수 층 구조의 각 층의 영구 자석 (60, 62, 63, 64, 65, 66, 67) 은, 상기 d 축 (70) 에 대하여 선대칭으로 배치되어 있는, 회전 전기 (10).
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 복수 층 구조 (40) 는 상기 제 1 층 (42) 과 상기 제 2 층 (44) 을 갖는 2 층 구조이고 ;
   상기 제 1 층 (42) 은, 상기 d 축 (70) 을 사이에 두고 선대칭으로 배치되고, 상기 로터 코어 (32) 의 상기 외주면에서 보아, 상기 d 축 (70) 에 대하여, 소정의 예각인 제 1 경사 각도 (θ1) 로 경사진 2 개의 영구 자석 (62, 63) 으로 구성되고 ;
   상기 제 2 층 (44) 은, 상기 d 축 (70) 을 사이에 두고 선대칭으로 배치되고, 상기 로터 코어 (32) 의 상기 외주면에서 보아, 상기 d 축 (70) 에 대하여, 상기 제 1 경사 각도 (θ1) 보다 작은 제 2 경사 각도 (θ2) 로 경사진 2 개의 외주측 영구 자석 (64, 65), 및 상기 d 축 (70) 을 사이에 두고 선대칭으로 배치되고, 상기 로터 코어 (32) 의 상기 외주면에서 보아, 상기 d 축 (70) 에 대하여, 상기 제 2 경사 각도 (θ2) 보다 큰 예각인 제 3 경사 각도 (θ3) 로 경사진 2 개의 내주측 영구 자석 (66, 67) 을 포함하는 4 개의 영구 자석으로 구성되는, 회전 전기 (10).

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