KR100654411B1

KR100654411B1 - 영구자석식 회전 전기 및 그것을 사용한 하이브리드전기자동차

Info

Publication number: KR100654411B1
Application number: KR1020000052076A
Authority: KR
Inventors: 마츠노부유타카; 다지마후미오; 가와마타쇼이치; 고이즈미오사무; 오바라산시로
Original assignee: 가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
Priority date: 2000-03-03
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2006-12-05
Also published as: EP1130747B8; US20020153795A1; EP1130747A2; KR20010087114A; JP3523557B2; US6429565B1; EP1130747A3; US6963154B2; EP1130747B1; JP2001251827A

Abstract

본 발명의 영구자석 회전전기(回轉電機)는 돌출극 집중 권선을 가지는 고정자(1)와, 회전갭(5)을 개재하여 배치되고 복수의 영구자석(8)이 내부에 둘레방향으로 배치고정되고, 또한 그 사이에 보조 돌출극(61)을 가지는 회전자로 이루어지는 것이다.

상기 회전자의 극수와 상기 고정자의 슬롯수의 비가 2 : 3이며, 또한 고정자의 슬롯피치를 τs(전기각)으로 하였을 때, 영구자석의 고정자측 면의 둘레 방향 폭이 상기 회전자의 축에 대하여 이루는 각도(θ)(전기각)를 θ≒ n ×τs/2 + 8 ×m(n = 1 또는 2, m = 1, 2 또는 3)로 한다. 이것에 의하여 적절히 맥동 토오크, 코깅 토오크, 또는 무부하 유기전압의 파형왜곡을 선택적으로 저감한다.

Description

영구자석식 회전 전기 및 그것을 사용한 하이브리드 전기자동차{PERMANENT MAGNET TYPE ELECTRIC ROTATING MACHINE AND HYBRID ELECTRIC VEHICLE USING IT}

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태가 되는 영구자석식 회전 전기의 1 폴 페어의 구조를 설명하는 일부 확대 단면도,

도 2는 상기 도 1에 나타낸 영구자석식 회전 전기의 1 폴 페어구조에 있어서, 고정자의 영구자석의 바깥 둘레면의 폭이 축으로 대하여 이루는 각도(전기각)(θ)를 136도로 한 경우의 자장해석 결과를 나타내는 도,

도 3은 상기 도 1의 각도 (θ)를 변화시킨 경우에 있어서의 회전 전기의 토오크 맥동의 측정 결과를 나타내는 도,

도 4는 상기 도 1의 각도(θ)를 변화시킨 경우에 있어서의 회전 전기의 리플율의 측정 결과를 나타내는 도,

도 5는 상기 도 1의 각도(θ)를 변화시킨 경우에 있어서의 회전 전기의 코깅 토오크의 피크로부터 피크까지의 측정 결과를 나타내는 도,

도 6은 상기 도 1의 각도(θ)를 변화시킨 경우에 있어서의 회전 전기의 무부하 유도 기전 전압의 파형 피크율을 측정한 결과를 나타내는 도,

도 7은 본 발명의 제 2 실시형태가 되는, 영구자석의 형상을 아크형상으로 한 본 발명의 영구자석식 회전 전기에 있어서의 자장해석의 결과를 나타내는 도,

도 8은 상기 본 발명의 영구자석식 회전 전기구조를 특히 극수가 6인 회전 전기에 적용한 경우에 있어서의 자장해석의 결과를 나타내는 도,

도 9는 상기 본 발명의 영구자석식 회전 전기를 하이브리드 전기자동차에 적용한 구성의 일예를 나타내는 도면이다.

본 발명은 돌출극 집중 권선을 가지는 고정자와 영구자석을 둘레 방향에 배치 고정한 회전자로 이루어지고, 특히 하이브리드 전기자동차에 적용하기에 적합한 영구자석식 회전 전기에 있어서의 자극구조에 관한 것이며, 또한 이와 같은 영구자석식 회전 전기(回轉電機)를 이용한 하이브리드 전기자동차에 관한 것이다.

일반적으로 전기자동차용의 회전 전기에 관해서는 하역 운반차 등의 산업차량의 구동원으로서 사용되는 이른바 전기자동차용 차량용 휠모터가, 예를 들어 일본국 특개평 8-995388호 공보에 의해 이미 알려져 있다. 이것은 돌출극 집중 권선을 가지는 영구자석식 회전 전동기로 이루어진다. 또한 이 기술에서는 아주 저속시에 있어서의 소음의 발생을 억제하기 위하여 회전자 자극의 자극수와 고정자의 슬롯수의 비를 소정의 값으로 설정하는 것이다. 그 일례로서 상기 종래기술에서는 회전자 극수가 8 이고 고정자 슬롯수가 12 인 예가 나타나 있다. 그러나 이 기술은 자석이 회전자의 표면에 배치된 표면자석형 회전 전기에 있어서 이른바 스큐착자를 행함으로써 소음의 발생을 억제하는 것이며, 또한 이 자석의 회전자 표면에 대한 장착은 구체적으로는 나타나 있지 않으나, 이 구조로부터 접착제 등에 의해 고정되는 것이다.

또 예를 들어 일본국 특개평 11-299199호 공보에 의하면 본 발명자 등에 의해 제안된 영구자석식 회전 전기와, 이와 같은 회전 전기를 사용한 전동차량이 알려져 있다. 또한 이 회전 전기에서는 본 발명이 관계되는 돌출극 집중 권선을 가지는 고정자로 이루어지는 것과는 달리, 고정자 철심을 3상 8극/48슬롯(1 : 6) 의 이른바 분포 권선으로 하는 것이고, 그리고 각 영구자석의 고정자측의 바깥 둘레면의 둘레방향폭과 회전자의 축심이 이루는 각도(θ)(기계각)를, 고정자의 슬롯피치를 τs(기계각)라 하고, 극수를 P 라 하였을 때 θ≒ n ×τs + 16/P(n은 자연수)로 설정하는 것이 나타나 있다,

아울러 차량용 이외의 전동기에서는 예를 들어 일본국 특개평 7-255138호 공보에 의해 알려진 바와 같이 영구자석식 동기 회전 전기로서 그 회전자 극수가 6이고, 고정자의 슬롯수가 9인 구조가 나타나 있다. 그러나 이 기술에서는 단면 볼록렌즈형상의 자석을 이용한 것으로, 또한 극 사이에는 누설자속 방지용 3각형의 홈을 설치한 구조를 가지는 것이다.

그런데 최근에는 지구환경을 보호하는 관점에서 자동차로부터의 유해한 배기를 저감하는 시도로서, 가솔린 엔진과 전동기를 구비한 이른바 하이브리드 전기 자동차가 제안되었고, 또한 그 실용화가 기대되고 있다. 그러나, 이른바 일반의 가솔린 엔진과 전동기가 동일한 구동축에 직결되는 구조(즉, 차체내가 좁은 장소에 탑재됨)가 예상되는 하이브리드 전기 자동차에서는 상기 종래기술이 되는 전동기에서는 이하와 같은 문제점이 지적된다.

즉, 먼저 상기 일본국 특개평 8-995388호 공보에 개시된 종래기술의 표면자석형 회전 전기에 있어서는 영구자석을 축방향으로 경사시킴으로써 저소음(코깅 토오크와 토오크 맥동의 저감)을 달성하고 있으나, 그러나 그 표면 자석형 회전 전기는 자석의 유지에 해결할 과제가 있다. 구체적으로는 상기 종래기술에 기재된 바와 같이 3000 rpm 정도의 회전수까지로 구동되는 회전 전기에서는 회전자 바깥 둘레의 영구자석은 접착제 등으로 장착하는 것도 가능하나, 상기한 하이브리드 전기자동차에서는 회전 전기와 엔진이 구동축에 직렬로 접속되게 된다. 그 때문에 엔진과 동일한 회전수(예를 들어 6000 rpm)로 회전 구동된 경우에는 이와 같은 고속회전에 있어서도 자석을 확실하게 유지하는 것이 필요하게 된다. 그 경우, 비자성품(예를 들어 스테인레스와 강화플라스틱재)에 의해 자석을 바인드하게 되나, 이것으로는 고정자와의 갭이 커져 회전 전기 자체의 규모가 커짐과 함께 그 제조비용도 높아진다.

또 상기 종래기술과 같은 표면 자석형의 자석 회전자를 가지는 회전 전기에 있어서는, 특히 고속회전시에 있어서 고주파수가 된 경우에는 그 자석 표면에 와전류 손실이 발생한다는 문제도 있다.

다음으로, 상기 일본국 특개평 11-299199호 공보에 개시된 회전 전기는 이것에 의하여 차량을 구동하기 위한 것으로, 큰 출력 토오크가 요구되기 때문에 그 고정자 철심을 3상 8극/48 슬롯(1 : 6)의 분포 권선으로 한 것이며, 그 때문에 회전 전기의 축방향에 있어서의 길이가 길어진다. 이것에서는 상기한 바와 같은 하이브리드 전기 자동차용 회전 전기로서 적합한 구조라고는 할 수 없었다.

또한 상기 일본국 특개평 07-255138호 공보에 의해 알려진 영구자석형 동기 회전 전기에서는 단면 볼록렌즈형상의 자석과 극 사이에 설치한 누설자속 방지용 3각형의 홈에 의해 영구자석이 만드는 자속을 정현파로 한다. 이에 의하여 코깅 토오크를 저감하고 있으나, 그러나 이와 같은 단면 볼록렌즈형상의 자석은 고비용이 된다. 또 자극 사이에 누설자속 방지용 3각형의 홈을 설치함으로써, 회전자의 기계 내구력이 저하하고, 특히 상기한 바와 같은 하이브리드 전기 자동차 등에 이용되는 큰 출력을 요하는 회전 전기의 구조에는 적합하지 않게 된다.

즉, 본 발명에서는 이상에 상세하게 설명한 종래기술에 있어서의 문제점을 해소할 수 있게 한 영구자석식 회전 전기 및 그것을 사용한 하이브리드 전기 자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 면에 의하면, 돌출극 집중 권선을 가지는 고정자와, 이 고정자에 회전갭을 가지고 배치되고, 복수개의 영구자석이 회전자 철심 내부에 둘레방향으로 배치 고정되거나 또는 그 사이에 보조 돌출극을 가지는 회전자를 구비한 영구자석식 회전 전기에 있어서, 상기 회전자의 극수와 상기 고정자의 슬롯수의 비가 2 : 3 이고, 상기 고정자의 슬롯 피치를 τs(전기각)라 하였을 때, 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레방향 폭이 상기 회전자의 축에 대하여 이루는 각도(θ)(전기각)를 θ≒ n ×τs/2 + 8 ×m(n = 1 또는 2, m = 1, 2 또는 3)으로 한 영구자석식 회전 전기가 제공된다.

또한 상기한 본 발명의 일 면에 의한 영구자석식 회전 전기에 의하면, 돌출 극 집중 권선형의 고정자 구조인 것으로부터 축방향의 길이가 짧고, 그 때문에 상기한 하이브리드 전기 자동차의 차체 내부의 협소한 공간에서도 비교적 용이하게 탑재가 가능하다. 또 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레방향 길이를 설정함으로써 성형자석에 있어서 경사지게 하는 일 없이 토오크 맥동을 저감하고, 코깅 토오크 저감하며, 또는 유기전압을 정현파로 하는 것이 가능하게 된다.

또 본 발명의 일례에 의하면 상기한 영구자석식 회전 전기를 엔진의 구동축에 직렬로 접속하여 탑재한 하이브리드 전기 자동차가 제공된다.

상기한 본 발명이 되는 영구자석식 회전 전기를 탑재한 하이브리드 전기 자동차에서는 하이브리드 전기 자동차의 시동시 또는 정지시의 진동이 저감되고, 따라서 보다 쾌적한 하이브리드 전기 자동차를 제공하는 것이 가능하게 된다.

이하, 본 발명의 실시형태에 대하여 첨부하는 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시형태가 되는 영구자석식 회전 전기의 일부 단면을 나타내고, 특히 그 폴 페어의 구조를 나타내고 있다. 또한 본 실시형태가 되는 영구자석식 회전 전기는 예를 들어 그 회전자 극수가 16 이고, 고정자 슬롯수가 24(2 : 3)인, 이른바 돌출극 집중 권선방식의 영구자석식 회전 전기이다. 따라서 이하에 있어서 이와 같은 제 1 실시형태에 대하여 그 1 폴 페어를 나타낸 상기 도 1을 참조하면서 그 특징이 되는 구성에 대하여 상세하게 설명한다.

먼저, 도 1에 있어서 회전 전기의 고정자(1)는 그 외형이 대략 고리형상을 이루는 코어백(2)으로부터 안 둘레측으로 돌출하여 형성된 24개의 티스(3)에 각각 U 상 고정자 권선(U1), V 상의 고정자 권선(V1) 및 W 상의 고정자 권선(W1)을 권선하여 구성되어 있다. 또 상기 고정자(1)의 철심의 안 둘레부에는 각 슬롯에 대응하여 이른바 개구부(4)가 형성되어 있다. 또한 상기 U상, V상, W 상의 고정자 권선의 권선시에는 상기 코어백(2)과 티스(3)가 분할 가능한 구조로 함으로써 권선작업이 용이하나, 본 발명에서는 이들 코어백(2)과 티스(3)는 분할가능한 구조만으로 한정하지 않고 분할이 불가능한, 이른바 비분할 구조이어도 상관없다.

상기의 고정자 구조에 대하여 본 발명이 되는 회전 전기의 회전자(6)는 회전축(9)에 대하여 회전자 철심(7)을 끼워 맞춰 고정하여 구성되어 있다. 구체적으로 설명하면 이 회전자 철심(7)의 바깥 둘레부 부근에는 그 둘레방향으로 단면 사각형의 수납부를 형성하는 구멍이 복수개 형성되고, 그 내부에는 예를 들어 네오듐제의 영구자석(8)이 도시하는 바와 같이 N 극과 S 극이 교대로 배치되게 착자되고, 그 축방향으로부터 삽입하여 조립되어 있다. 또한 회전자 철심(7)은 상기한 자석 수납부를 형성하는 복수의 구멍과 아울러 펀칭가공에 의해 원반형상으로 형성된 규소 강판을 다수매 적층하여 구성되어 있다. 또 이 회전자(6)는 상기 고정자(1)의 내부에 있어서 상기 코어백(2)으로부터 안 둘레를 향하여 연장된 티스(3)의 선단부에 대하여 소정의 갭(5)을 가지는 상태에서 회전 가능하게 배치되어 있다. 또 이 회전자(6)에 있어서는 그 인접하는 영구자석(8)의 사이에 이른바 보조 돌출극(61)을 형성하고 있다.

그리고 본 발명은 특히 상기와 같은 구조를 가지는, 즉 특히 회전자의 극수 와 고정자의 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출극 집중 권선방식의 영구자석식 회전 전기에 있어서, 그 영구자석(8)을 그 둘레 방향의 단면에 있어서 변화시켰을 때 나타나는 이하의 현상에 주목하여 이루어진 것이다.

즉, 상기 영구자석(8)의 둘레 방향의 단면에 있어서의 고정자(1)측의 변, 즉 그 바깥 둘레면의 폭이 축(회전 전기의 회전축)에 대하여 이루는 각도(전기각) 를 θ라 한다. 이 각도(θ)(전기각)를 변화시키면 회전 전기(특히, 전동기)에 있어서의 토오크 맥동, 코깅 토오크, 유기전압 파형이 변화된다. 특히 본 발명의 대상인 매립 자석형 회전 전기에서는 상기 영구자석(8) 사이에 형성되는 상기 보조자극(보조 돌출극)(61)에 자속이 집중되기 때문에 자속의 조밀의 차가 커진다. 이것으로 부터도 그 특성의 변화는 예를 들어 상기 일본국 특개평 8-995388호 공보에 의해 알려진 표면 자석형의 회전자를 구비한 전동기와 비교하여 매우 큰 것이 된다.

여기서 첨부하는 도 2에는 상기와 같은 구성이 되는 돌출극 집중 권선방식의 영구자석식 회전 전기로서, 그 출력이 20 kW인 회전 전기에 있어서 상기 각도 (θ)를 136도(전기각)[θ= 136도(전기각)]로 한 경우에 있어서의 자장의 해석 결과를 나타낸다. 또 상기 각도(θ)를 136도를 포함하는 여러가지의 값으로 변화시키고[즉, 이 각도(θ)를 파라미터로서 40도, 64도, 80도, 96도, 112도, 128도, 136도, 144도, 152도, 160도로 변화］, 또한 상기 회전 전기에 통전한 경우에 있어서의 토오크 맥동을 첨부하는 도 3에 나타낸다. 또 그때의 리플율을 도 4에 나타낸다. 또한 도 3에 있어서, 그 횡축은 회전각도(전기각)를 나타내고 있고, 이 그래프중에 있어서 복수의 곡선에 의해 상기 각도(θ)를 136도(전기각) 이외의 여러가지의 각도로 설정한 경우에 있어서의 토오크 맥동이 복수개 나타나 있다. 또 상기의 리플율은 리플율(%) = 맥동의 편진폭/평균 토오크로 정의되는 것이다.

상기 도 3에서 분명한 바와 같이 상기 각도(θ)가 변화되면 발생하는 토오크의 크기와 함께 그 맥동도 변화하는 것[즉, 각도(θ)가 클수록 발생하는 토오크가 커짐과 더불어 그 맥동도 변화하는 것］을 알 수 있다.

아울러 상기의 도 4에 의하면 이와 같은 맥동의 정도를 나타내는 리플율은 소정의 주기로 변화하고 있고, 상기 각도(θ)가 80도 및 136도에 있어서, 즉 약 60도의 간격으로 극소치를 나타내는 것을 알 수 있다.

그런데 상기한 일본국 특개평 11-299199호 공보에 의해 분명한 바와 같이, 본 발명자 등에 의하면 1 극당 3n개(n은 1, 2, 3 …) 의 슬롯을 가지는 이른바 분포 권선 고정자의 회전 전기[구체적으로는 3상 8극/48슬롯(1:6)의 회전 전기]에 있어서는, 고정자측 바깥 둘레면의 둘레방향 폭과 회전자의 축심이 이루는 각도 (θ)(단, 여기서는 기계각도)가 τs(슬롯 피치)간격으로 최적점을 가지는 것을 이미 발견하였다.

이에 대하여 본 발명에서는 상기의 분포 권선 고정자의 회전 전기와는 다른 구조를 가지는, 본 발명의 대상이 되는 회전 전기, 즉 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출극 집중 권선 회전 전기에서는 그 τs(슬롯 피치)간격은 120도(전기각)가 된다. 이것으로부터 본원 발명자들은 상기 각도(θ)(단, 여기서는 전기각)의 최적점은 상기한 바와 같이 τs간격이 아니라, 오히려 τs/2 간격이 되는 것을 발견하였다. 이와 같은 식견에 의거하여, 토오크 맥동을 저감하기 위한 각도(θ)(전기각)의 조건을 이하의 식(1)과 같이 정의한다.

θ≒ n ×τs/2 + 16(n = 1 또는 2)

상기 수학식 1에 의하면 상기 각도(θ)를 전기각으로 대략 76도 또는 136도로 설정함으로써, 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출극 집중권선 회전 전기에 있어서의 토오크 맥동을 저감할 수 있음을 알 수 있다. 또한 상기 각도(θ)의 값인 76도(전기각)와 136도(전기각)는 기계각도로 표현하면 각각 9.5도와 17도에 대응한다. 또 여기서 상기 수학식 1로부터 얻어지는 각도(θ)= 76도(전기각)와, 상기 도 4의 측정결과로부터 얻어진 상기 각도(θ)= 80도 (전기각)의 차이[즉, 도 4(전기각)]도 이것도 기계각에서는 0.5도 정도의 값이 되고, 이와 같은 차이는 무시할 수 있을 정도이어서, 대략 일치하고 있음(θ= 76도 ≒ 80도)을 알 수 있다.

또한 여기서 상기 각도(θ)가 n ×τs/2로부터 16도(전기각) 어긋나는 이유로서는 특히 본 발명 대상의 매립 영구자석형 회전 전기의 경우에는 0.3 mm 내지 1.0 mm 정도의 회전갭이 존재하는 것, 또한 회전자의 바깥 둘레 부근에 자석을 매립하기 위한 삽입구멍의 형성에 의해 두께가 1 mm 내지 2 mm 정도의 철부가 존재하고 있는 것 등의 사실을 생각할 수 있다.

다음에 상기와 같은 회전 전기에 있어서, 상기 각도(θ)(전기각)를 변화시킨 경우에 있어서의 코깅 토오크(피크로부터 피크까지의 값)의 변화의 정황을 첨부하 는 도 5에 나타낸다. 이 도 5로부터 분명한 바와 같이 상기 각도(θ)의 변화에 따라, 역시 코깅 토오크도 크게 변화하는 것을 알 수 있다. 그리고 이 코깅 토오크가 작아짐(극소치)을 취하는 상기 각도(θ)는 64도와 128도로, 역시 60도 주기로 되어 있다. 이것으로부터 코깅 토오크를 저감하기 위한 θ의 조건은 이하의 수학식 2와 같이 된다.

θ≒ n ×τs/2 + 8(n = 1 또는 2)

즉, 상기 각도(θ)를 전기각으로 68도 또는 128도로, 한편 기계각으로서는 8.5도 또는 16도로 설정하는 것에 의하면 특히, 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출극 집중 권선 회전 전기에 있어서 그 코깅 토오크를 저감할 수 있음을 알 수 있다.

또한 상기와 같은 회전 전기에 있어서, 역시 상기 각도(θ)(전기각)를 변화시킨 경우에 있어서의 무부하시의 유기전압의 파형의 변화의 정황에 대하여 설명한다. 또한 여기서는 유기전압의 파형이 정현파이면 전기각 90도에 있어서의 값은 실행값의 √2배가 되기 때문에 파형의 피크율로서는 피크율 = 전기각 90도에 있어서의 전압/(실행값 ×√2)로 정의한다. 즉 무부하시의 유기전압의 파형은 피크율 = 1을 중심으로 하여, 이 피크율 > 1 이면 유기전압의 파형은 볼록파형이고, 한편 피크율 < 1 은 오목파형이 되고, 그리고 피크율 ≒ 1의 경우에 정현파가 된다. 그리고 상기 각도(θ)를 변화시킨 경우에 있어서의 이 피크율의 변화를 첨부하는 도 6에 나타낸다. 즉 이 도 6에 의하면 상기 각도(θ)가 84도 또는 144도로 역시 60도의 간격이며, 무부하시의 유기전압의 파형이 정현파가 되는 것을 알 수 있다.

즉, 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출극 집중 권선 회전 전기에 있어서, 상기 무부하시의 유기전압의 파형을 정현파로 하기 위한 상기 각도(θ)의 조건은 이하의 수학식 3에 의해 나타내는 것을 알 수 있다.

θ≒ n ×τs/2 + 24(n은 1 또는 2)

또한 이들 전기각으로 84도 및 144도는 기계각으로는 각각 10.5도 및 18도가된다.

그리고 이상의 검토 결과로부터 즉, 상기한 수학식 1, 수학식 2 및 수학식 3을 정리하여 특히, 본 발명이 대상으로 하는 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3인 돌출극 집중 권선 회전 전기에 있어서의 여러가지의 성능을 향상하기 위해서는 상기한 각도(θ), 즉 고정자에 있어서의 영구자석 바깥 둘레면의 폭이 축(회전 전기의 회전축)에 대하여 이루는 각도(전기각)를 이하의 수학식 4로 나타내는 각도(θ)로 설정해야 함을 알 수 있다.

θ≒ n ×τs/2 + 8m(n : 1 또는 2, m : 1, 2 또는 3)

또한 영구자석 바깥 둘레면의 폭이 축(회전 전기의 회전축)에 대하여 이루는 각도(전기각)를 상기한 수학식 4에 의해 나타내는 각도(θ)로 설정함으로써 얻어지는 돌출극 집중 권선 회전 전기에 있어서의 여러가지의 성능의 향상이란, 상기 「m」의 값( m : 1, 2 또는 3)에 의해 각각 그 종류가 다르게 된다. 즉, m = 2로 설정함으로써 그 토오크 맥동을 저감하는 것이 가능해지고, m = 1로 설정함으로써 코깅 토오크를 저감하는 것이 가능해지며, 그리고 m = 3으로 설정함으로써 무부하시의 유기전압의 파형을 정현파로 할 수 있게 된다.

아울러 상기의 수학식 4에 의해 나타내는 각도(θ)에 있어서의 「n」의 값에 대해서는, 특히 회전 전기에 있어서의 토오크 맥동의 저감을 도모하는 경우에 있어서 전동기로부터 얻어지는 토오크를 조정하기 위하여 적절히 선택된다. 즉 상기 도 3에 나타내는 그래프로부터도 분명한 바와 같이, 그 값을 「1」로 설정한 경우[즉, θ= 76도(전기각)]에는 그 값을 「2」로 설정한 경우[즉, θ= 136도(전기각)]에 얻어지는 토오크 자체의 크기와 비교하여 그 크기가 작아진다. 즉 n = 1은 비교적 낮은 토오크 출력으로 충분하나 특히 토오크 맥동을 더욱 저감하고자 하는 경우에 유리하며, 한편 n = 2는 토오크 맥동의 저감과 함께 큰 토오크가 필요한 경우에 유리하다.

또한 상기에 설명한 각도는 회전 전기의 제작 정밀도상 어느 정도의 폭을 가지는 것은 말할 필요도 없다. 특히 상기한 하이브리드 전기 자동차 등에 이용되는 돌출극 집중 권선 회전 전기에서는 그 제작비용상으로 부터도 회전자는 규소 강판의 펀칭가공에 의한 대량생산을 생각할 수 있으나, 그 때의 펀칭구멍이나 삽입되는 영구자석의 제작 정밀도를 고려하면 기계각으로 ±1도(전기각으로 4 내지 5도)정도의 폭이 된다.

또한 상기한 예에서는 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출 극 집중 권선 회전 전기에 있어서의 회전자의 영구자석(8)은 평판형상(단면 직사각형)이라고 하여 설명하였다. 그러나 본 발명에서는 다시 상기 회전자의 영구자석(8)의 형상에 의한 상기 각도(θ)에 대한 영향을 파악하기 위하여 상기 평판형상의 영구자석(8) 대신에 이 영구자석(8)의 형상을 단면 아크형상으로 한 회전 전기에 의해서도 상기와 동일한 검토를 행하였다. 이 검토에 의한 자장 해석의 결과를 첨부하는 도 7에 나타낸다. 이 도 7의 아크형상의 영구자석에 의해서도 상기 각도(θ)에 의한 자장은 대략 동일하며, 그 결과 대략 동일한 효과를 얻는 것이 확인되었다.

또한 상기 수학식 4의 극수나 출력이 다른 경우의 범용성을 확인하기 위하여 (단, 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출극 집중 권선 회전 전기) 출력이 10 kW, 반경과 적층 두께가 상기와는 다른 회전자이며, 또한 그 극수가 6, 그리고 고정자의 슬롯수가 9(이 경우, 극수는 당연 6이 된다)인 회전 전기에 대하여 상기와 동일한 검토를 행하였다. 그 자장 해석의 결과를 첨부하는 도 8에 나타낸다. 이 도 8로부터도 분명한 바와 같이, 이 6극의 회전 전기에 있어서도 역시 상기 각도(θ)(= 136도)에서의 자장의 정황은 동일한 것이 확인된다.

이와 같이 본 발명은 회전자의 극수와 고정자 슬롯수의 비가 2 : 3 인 돌출 극 집중 권선 회전 전기인 한정에 있어서는 그 영구자석(8)의 형상이 상기에 나타낸 단면 직사각형(판형상)의 것에 한정되지 않고, 또한 아크형 등의 여러가지의 형상의 회전자를 구비한 회전 전기에 대해서도 적용할 수 있다. 또한 이 경우에 있어서 상기 영구자석(8)은 네오듐자석에 의한 것 이외이어도 된다. 또한 이들 영구자석(8)의 갯수(극수)는 6극이나 16극 이외이어도 상기와 대략 동일한 효과가 얻어질 것임은 당업자이면 당연할 것이다. 아울러 본 발명을 적용할 수 있는 회전 전기는 상기 토오크 맥동, 코깅 토오크의 저감, 유기전압 파형을 정현파로 하는 것이 필요한 것에 대하여 내전형과 외전형 등의 회전 전기에만 한정되는 일 없이 리니어모터 등에도 응용할 수 있는 것도 역시 당업자에 있어서는 분명한 사항일 것이다.

그러나 본 발명에 의한 영구자석 회전 전기는 상기한 바와 같이 일반의 가솔린 엔진과 전동기가 동일한 구동축에 직결되는 구조의 하이브리드 전기 자동차에 있어서의 구동모터로서 사용한 경우에 특히 유효한 것을 설명하였다. 따라서 본 발명의 대상인 돌출극 집중 권선 회전 전기를 하이브리드 전기 자동차에 있어서 구동모터로서 탑재한 구성의 일례를 첨부하는 도 9에 나타낸다.

상기 도 9에 나타낸 하이브리드 전기 자동차에 있어서의 구동시스템은 주로 가솔린 등의 연료에 의해 구동되는 엔진(100), 본 발명이 되는 구동모터(200), 발전기(300), 배터리(400), 상기 구동모터와 발전기(300)와 배터리의 사이에서 전력변환을 행하기 위한 소위 인버터/컨버터(500)를 구비하고 있다. 또 상기 구동모터(200)는 클러치(600)를 개재하여 상기 엔진(100)의 출력축과 변속기어(예를 들어 CVT)의 사이에 즉, 동일한 구동축에 직결되는 구조로 되어 있다. 또한 도면에 있어서의 부호 700은 상기 구동시스템에 의해 구동되는 자동차의 차륜이다.

또한 상기 하이브리드 전기 자동차에 있어서의 구동시스템의 각각의 주행모드에 있어서의 동작은 이하와 같다.

(1) 정지시 : 엔진은 정지, 클러치 OFF, 모터는 아이들상태(단, 배터리가 적 은 경우는 엔진을 구동하여 발전기를 돌려 배터리에 충전된다)

(2) 저속 주행시 : 엔진은 정지, 클러치 OFF, 모터구동(단, 배터리가 적은 경우는 엔진을 구동하여 발전기를 돌려 배터리에 충전된다)

(3) 중고속 주행시 : 엔진구동, 클러치 ON, 모터 따라 돎(출력은 없음)

(4) 고속 가속시 : 엔진구동, 클러치 ON, 모터구동.

(5) 감속시 : 엔진 타성회전, 클러치 ON, 모터회생(발전기로 회생하여도 된다)

(6) 후진시 : 엔진은 정지, 클러치 OFF, 모터구동(단, 배터리가 적은 경우는 엔진을 구동하여 발전기를 돌려 배터리에 충전된다)

여기서 상기한 하이브리드 전기 자동차는, 그 정지시나 저속시에 있어서, 상기 본 발명이 되는 돌출극 집중 권선 회전 전기를 채용한 모터(200)만으로 구동되게 된다. 이 경우 상기 모터(200)의 토오크 맥동이 큰 경우에는 그 맥동에 의해, 상기 코깅 토오크가 큰 경우에는 그 코깅 토오크에 의해, 또는 그 무부하 유기전압이 정현파가 아닌 경우에 있어서는 그 통전 정현파 전류와의 어긋남 등에 의해 각각 진동이나 소음을 발생하게 된다.

그런데 종래기술에 있어서는, 상기한 바와 같이 경사에 의해 코깅 토오크의 저감을 도모하고, 또는 모터출력의 토오크 맥동이나 코깅 토오크를 저감하기 위하여 이들 토오크 맥동과 코깅 토오크를 상쇄하도록 모터의 출력 토오크를 제어하기 위한 수단, 예를 들어 진동저감 제어장치를 더 설치하는 것이 행하여지고 있다. 그러나 이들 대책은 모두 그 제조비용을 높게 하는 하나의 원인으로 되어 있어 바람직하지 않다.

이것에 대하여 상기한 본 발명이 되는 돌출극 집중 권선 회전 전기의 구조에 의하면 상기한 바와 같은 경사에 의한 전동기의 고비용화나 상기 진동저감 제어장치를 설치함에 의한 고비용화를 수반하는 일 없이 하이브리드 전기 자동차의 구동원이 되는 모터(200)에 있어서의 출력 토오크 맥동, 코깅 토오크의 발생, 또는 무부하 유기전압의 왜곡에 의한 진동과 소음의 발생을, 특히 회전 전기의 설계단계에 있어서 적절히 선택적으로 저감하는 것이 가능하게 된다. 따라서 하이브리드 전기 자동차에 있어서의 정지시와 저속시에 있어서의 진동이나 소음이 작은, 쾌적한 전기 자동차를 얻는 것을 가능하게 하는 것이다.

또한 상기 도 9에 나타내는 하이브리드 전기 자동차에 있어서의 상기 모터(200)의 탑재위치에 대해서는 예를 들어 종래의 가솔린 엔진 구동차에 있어서의 전후진 변환기어나 토오크 컨트롤러 등을 하이브리드화(특히, 전후진 변환기어가 불필요하게 됨)함으로써 얻어지는 공간내를 이용하여 이것을 넣는 것을 생각할 수 있다. 이것에 의하면 종래의 가솔린 엔진구동차에 있어서의 엔진룸의 레이아웃을 대폭으로 변경하는 일이 없기 때문에 특히 적합하다. 상기 모터(200)를 이와 같은 위치에 탑재 가능하게 하는 것에 의하면, 하이브리드 전기 자동차에 있어서의 구동시스템을 새롭게 구축할 필요 없고, 종래의 구동시스템의 일부에 조립하는 것이 가능해지기 때문에 특별히 하이브리드화를 위한 차량 개발비를 대폭으로 저감하는 것이 가능해진다.

그러나, 상기한 공간에 있어서의 모터(200)의 탑재를 가능하게 하기 위해서는 특히 현재의 전후진 변환기어의 구조를 고려한 경우, 그 축방향의 길이를 단축하는 것이 필요하게 된다. 이와 같은 축방향 길이를 단축 가능한 회전 전기로서는 상기 돌출극 집중 권선 회전 전기가 적합하고, 특히 본 발명이 되는 돌출극 집중 권선 회전 전기가 적합하며, 또한 그것의 적용에 의하면 상기 저비용화도 동시에 실현할 수 있게 된다.

이와 같이 본 발명의 영구자석식 회전 전기에 의하면 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레방향 길이를 설정함으로써 성형자석에 있어서 경사시키지 않고 토오크 맥동, 코깅 토오크저감 또는 무부하 유기전압 파형을 정현파로 하는 것을 가능하게 한 영구자석식 회전 전기를 제공할 수 있다. 또 하이브리드 전기 자동차의 정지시나 저속시의 진동이 저감되도록 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레방향 길이를 설정하여 더욱 쾌적한 하이브리드 전기 자동차를 제공할 수 있다.

이상, 상세한 설명에서도 분명한 바와 같이, 본 발명이 되는 영구자석식 회전 전기에 의하면, 토오크 맥동, 코깅 토오크, 또는 무부하 유기전압 파형의 왜곡에 의한 진동이나 소음을 적절하게 선택적으로 저감하는 것이 가능하고, 특히 엔진과 전동기가 동일한 구동축에 직결되는 구조가 되는 하이브리드 전기자동차에 있어서 채용하는 데 적합한 영구자석식 회전 전기가 얻어지고, 또한 이것을 하이브리드 전기자동차를 탑재함으로써 쾌적한 하이브리드 전기자동차를 제공하는 것이 가능하게 된다.

Claims

돌출극 집중 권선을 가지는 고정자(1)와, 상기 고정자에 회전갭(5)을 가지고 배치되고, 복수개의 영구자석(8)이 회전자 철심 내부에 둘레방향으로 배치 고정되거나 또는 그 사이에 보조 돌출극(61)을 가지는 회전자를 구비한 영구자석식 회전 전기에 있어서,

상기 회전자의 극수와 상기 고정자의 슬롯수의 비가 2 : 3 이고, 상기 고정자의 슬롯 피치를 τs(전기각)라 하였을 때, 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레방향 폭이 상기 회전자의 축에 대하여 이루는 각도(θ)(전기각)를 θ≒ n ×τs/2 + 8 ×m(n = 1 또는 2, m = 1, 2 또는 3)으로 한 영구자석식 회전 전기.
제 1항에 있어서,

상기 m을 1로 한 (m = 1) 영구자석식 회전 전기.
제 1항에 있어서,

상기 m을 2로 한 (m = 2) 영구자석식 회전 전기.
제 1항에 있어서,

상기 m을 3으로 한 (m = 3) 영구자석식 회전 전기.
제 1항에 있어서,

상기 고정자의 슬롯수가 12, 상기 고정자의 슬롯 피치(τs)가 120도(전기각), 상기 영구자석의 극수가 8이고, 또한 상기 n을 2(n = 2)로 하고, 또한 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레 방향 폭이 상기 회전자의 축에 대하여 이루는 각(θ)을 약 136도(전기각)로 한 영구자석식 회전 전기.
제 1항에 있어서,

상기 고정자의 슬롯수가 18, 상기 고정자의 슬롯 피치(τs)가 120도(전기각), 상기 영구자석의 극수가 12이고, 또한 상기 n을 2(n = 2)로 하고, 또한 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레 방향 폭이 상기 회전자의 축에 대하여 이루는 각(θ)을 약 136도(전기각)로 한 영구자석식 회전 전기.
제 2항에 있어서,

상기 고정자의 슬롯수가 124, 상기 고정자의 슬롯 피치(τs)가 120도 (전기각), 상기 영구자석의 극수가 16이고, 또한 상기 n을 2(n = 2)로 하고, 또한 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레 방향 폭이 상기 회전자의 축에 대하여 이루는 각(θ)을 약 136도(전기각)로 한 영구자석식 회전 전기.
제 1항에 있어서,

상기 영구자석의 단면형상 및 상기 회전자 철심에 형성되는 영구자석 삽입구멍의 단면형상이 모두 직사각형인 영구자석식 회전 전기.
제 1항에 있어서,

상기 영구자석의 단면형상 및 상기 회전자 철심에 형성되는 상기 영구자석 삽입구멍의 단면 형상이 모두 아크형상인 영구자석식 회전 전기.
영구자석식 회전 전기를 엔진의 구동축에 직렬로 접속하여 탑재한 하이브리드 전기 자동차로서,

상기 영구자석식 회전 전기는 돌출극 집중 권선을 가지는 고정자와, 상기 고정자에 회전갭을 가지고 배치되고, 복수개의 영구자석이 회전자 철심 내부에 둘레방향으로 배치 고정되거나 또는 그 사이에 보조 돌출극을 가지는 회전자를 구비하고,

상기 회전자의 극수와 상기 고정자의 슬롯수의 비가 2 : 3 이고, 상기 고정자의 슬롯 피치를 τs(전기각)라 하였을 때, 상기 영구자석의 고정자측 면의 둘레방향 폭이 상기 회전자의 축으로 대하여 이루는 각도(θ)(전기각)를 θ≒ n ×τs/2 + 8 ×m(n = 1 또는 2, m = 1, 2 또는 3)로 하는 영구자석식 회전 전기.