KR101224722B1 - 회전 전기 기기 및 전기 자동차 - Google Patents

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KR101224722B1
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야스유끼 사이또오
쯔요시 고또오
겐이찌 나까야마
노리아끼 히노
신지 스기모또
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히다치 오토모티브 시스템즈 가부시키가이샤
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Abstract

회전 전기 기기는, 고정자 권선을 갖는 고정자와, 고정자에 대해 소정의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치된 회전자를 구비한다. 회전자는, 복수의 자석과, 인접하는 각 자석의 극 사이에 형성된 복수의 자기적 보조 돌극부와, 자기적 보조 돌극부 내이며 그 돌극 중심을 지나는 q축으로부터 회전축의 주위 방향으로 어긋난 위치에 회전축의 축 방향을 따라 설치된 자기 저항 변화부를 갖는다. 자기 저항 변화부의 q축으로부터의 어긋남량은, 통전시의 토크 맥동이 서로 상쇄되도록 자기적 보조 돌극부의 위치에 따라서 다르다.

Description

회전 전기 기기 및 전기 자동차{ROTATING ELECTRIC MACHINE AND ELECTRIC AUTOMOBILE}
본 발명은, 회전 전기 기기 및 그 회전 전기 기기를 구비한 전기 자동차에 관한 것이다.
전기 자동차나 하이브리드 자동차에 사용되는 구동용 모터에는 대출력이 요구되므로, 강력한 에너지를 보유하는 희토류의 소결 자석을 사용한 영구 자석식 모터가 일반적으로 사용되고 있다. 또한 상기한 구동용 모터에는, 이러한 영구 자석 모터 중에서도, 저속 대토크, 또한 광범위한 회전 속도 영역이라고 하는 요구를 만족시킬 수 있는 매립 자석식 모터가 이용되고 있다.
그런데, 모터의 토크 맥동은, 소음이나 진동의 원인으로 되고, 특히 전기 자동차에서는 저속시에 있어서의 토크 맥동이 승차감을 악화시킨다고 하는 문제가 있다. 종래의 모터에서는, 토크 맥동 저감을 위해, 스큐를 실시하는 대책이 일반적으로 채용되어 있다. 예를 들어, 회전자에 매립되어 있는 자석의 외주측에 배치된 전자기 강판에 홈을 형성하고, 이 홈을 회전축의 주위 방향으로 어긋나게 하여 배치한 모터가 알려져 있다(특허 문헌 1 참조).
일본 특허 출원 공개 제2005-176424호 공보
상술한 자석의 외주측에 홈을 형성한 모터에서는, 비통전시 및 통전시 중 어떠한 경우에도 자속이 흐르는 장소에 홈을 형성하고 있다. 그로 인해, 예를 들어 통전시의 맥동이 작아지는 위치에 홈을 형성하면 코깅 토크가 증가하고, 코깅 토크가 감소하는 위치에 홈을 형성하면 통전시의 토크 맥동이 증가해 버리는 등의 문제를 갖는다.
본 발명의 목적은, 모터의 성능(예를 들어, 효율, 신뢰성, 코스트 퍼포먼스 또는 생산성 등)을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1 형태에 따른 회전 전기 기기는, 고정자 권선을 갖는 고정자와, 고정자에 대해 소정의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치된 회전자를 구비한다. 회전자는, 복수의 자석과, 복수의 자석 중 인접하는 각 자석의 극 사이에 형성된 복수의 자기적 보조 돌극부와, 자기적 보조 돌극부 내이며 상기 자기적 보조 돌극부의 돌극 중심을 지나는 q축으로부터 회전축의 주위 방향으로 어긋난 위치에, 회전축의 축 방향을 따라 설치된 자기 저항 변화부를 갖는다. 자기 저항 변화부의 q축으로부터의 어긋남량은, 통전시의 토크 맥동이 서로 상쇄되도록 자기적 보조 돌극부의 위치에 따라서 다르다.
본 발명의 제2 형태에 따르면, 제1 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 자기 저항 변화부는 자기적 공극인 것이 바람직하다.
본 발명의 제3 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 회전자에 있어서의 자석의 주위 방향의 위치는, 축 방향의 위치에 상관없이 일정한 것이 바람직하다.
본 발명의 제4 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 회전자는, 축 방향을 따라 설치되는 동시에, 자석, 자기적 보조 돌극부 및 자기적 공극을 각각 갖는 복수의 축 방향 분할 코어로 분할되어 있어도 된다. 축 방향 분할 코어 내에 있어서의 자석의 주위 방향의 위치는, 축 방향의 위치에 상관없이 일정한 것이 바람직하다.
본 발명의 제5 형태에 따르면, 제4 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 회전자는, 자기적 공극의 주위 방향의 위치가 거의 동일한 복수의 축 방향 분할 코어로 이루어지는 코어군을 복수 가져도 된다. 코어군을 구성하는 복수의 축 방향 분할 코어의 축 방향의 두께의 합계는, 코어군마다 거의 동일한 것이 바람직하다.
본 발명의 제6 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 자기적 공극은, 회전자의 표면에 형성된 오목부로 해도 된다.
본 발명의 제7 형태에 따르면, 제6 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 오목부의 주위 방향의 폭 각도는, 고정자에 설치된 각 티스간의 피치각의 1/4 내지 1/2의 범위인 것이 바람직하다.
본 발명의 제8 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 자기적 공극은, 회전자의 표면에 형성된 구멍으로 해도 된다.
본 발명의 제9 형태에 따르면, 제8 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 상기 구멍은, 자석이 설치되어 있는 구멍과 일체로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제10 형태에 따르면, 제1 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 복수의 자석은, 그 자화 방향이 축 방향에 수직한 회전자의 직경 방향이며, 각 자석의 자화 방향의 방향이 교대로 역방향으로 되도록 주위 방향으로 나란히 배치되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제11 형태에 따르면, 제10 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 자석의 각각은, 자화의 방향이 거의 동등한 복수의 자석으로 이루어지는 자석군을 구성해도 된다.
본 발명의 제12 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 자기적 보조 돌극부에는 자기적 공극이 복수 형성되어 있어도 된다.
본 발명의 제13 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 자기적 공극은, 돌극 중심을 지나는 q축에 대해 비대칭이고, 자석의 자극 중심을 지나는 d축에 대해 대칭으로 배치되어 있어도 된다.
본 발명의 제14 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 자기적 공극은, 돌극 중심을 지나는 q축에 대해 대칭이고, 자석의 자극 중심을 지나는 d축에 대해 비대칭으로 배치되어 있어도 된다.
본 발명의 제15 형태에 따르면, 제1 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 회전자는, 자기적 공극을 구성하는 구멍 또는 절결부가 형성된 전자기 강판을 적층하여 각각 이루어지는 복수의 회전자 코어를 가져도 된다.
본 발명의 제16 형태에 따르면, 제15 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 회전자 코어의 각각은, 전자기 강판을 자석의 자극 피치 단위로 주위 방향으로 어긋나게 함으로써, 자기적 공극의 위치를 축 방향의 위치에 따라서 다르게 할 수 있다.
본 발명의 제17 형태에 따르면, 제2 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 회전자는, 자석의 배치를 축 방향의 위치에 대응하여 주위 방향으로 어긋나게 하는 제1 스큐 구조와, 자기적 공극의 배치를 축 방향의 위치에 대응하여 주위 방향으로 어긋나게 하는 제2 스큐 구조를 가져도 된다.
본 발명의 제18 형태에 따르면, 제1 형태의 회전 전기 기기에 있어서, 고정자 권선은, 분포권(distribute winding)으로 권회되어 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 제19 형태에 따른 전기 자동차는, 제1 형태의 회전 전기 기기와, 직류 전력을 공급하는 배터리와, 배터리의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 회전 전기 기기에 공급하는 변환 장치를 구비하고, 회전 전기 기기의 토크를 구동력으로서 사용하는 것이다.
본 발명에 따르면, 모터의 성능(예를 들어, 효율, 신뢰성, 코스트 퍼포먼스 또는 생산성 등)을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태의 회전 전기 기기를 탑재한 하이브리드형 전기 자동차의 개략 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 전력 변환 장치(600)의 회로도이다.
도 3은 도 1의 회전 전기 기기(200) 또는 회전 전기 기기(202)의 단면도이다.
도 4a는 도 3의 회전자 철심(252)의 사시도이다.
도 4b는 도 3의 회전자 철심(252)의 분해 사시도이다.
도 5a는 도 3의 고정자(230) 및 회전자(250)의 A-A 단면도이다.
도 5b는 도 3의 고정자(230) 및 회전자(250)의 B-B 단면도이다.
도 6a는 도 3의 영구 자석(254b)의 부근을 확대한 A-A 단면도이다.
도 6b는 도 3의 영구 자석(254b)의 부근을 확대한 B-B 단면도이다.
도 7은 릴럭턴스 토크의 설명도이다.
도 8a는 비통전시의 A-A 단면의 자속 분포를 도시하는 도면이다.
도 8b는 영역 401만의 회전 전기 기기의 자속 분포를 도시하는 도면이다.
도 8c는 영역 402만의 회전 전기 기기의 자속 분포를 도시하는 도면이다.
도 9a는 비통전시의 코깅 토크의 파형을 나타내는 도면이다.
도 9b는 비통전시의 선간 유기 전압의 파형을 나타내는 도면이다.
도 10a는 통전시의 A-A 단면의 자속 분포를 도시하는 도면이다.
도 10b는 영역 401만의 회전 전기 기기의 자속 분포를 도시하는 도면이다.
도 10c는 영역 402만의 회전 전기 기기의 자속 분포를 도시하는 도면이다.
도 11a는 통전시의 토크 맥동의 파형을 나타내는 도면이다.
도 11b는 통전시의 선간 전압의 파형을 나타내는 도면이다.
도 12는 코깅 토크 저감을 설명하는 도면으로, 고정자 철심(232)과 회전자(250)의 일부를 도시하는 단면도이다.
도 13은 자석극 호도(τm/τp)의 비와 코깅 토크의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 자석극 호도(τm/τp) 및 자석 구멍극 호도(τg/τp)를 변화시킨 경우의 최대 토크를 나타내는 도면이다.
도 15a는 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 표면 자석 타입의 회전 전기 기기의 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 15b는 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 복수의 자석을 V자 형상으로 배치한 타입의 회전 전기 기기의 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 16은 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 17a는 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 17b는 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 17c는 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면으로, 집중권(concentrated winding)의 회전 전기 기기를 도시하는 도면이다.
도 19a는 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 회전자 철심(252)의 사시도이다.
도 19b는 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 회전자 철심(252)의 분해 사시도이다.
도 20a는 고정자(230) 및 회전자(250)의 코어(301)의 부분을 지나는 A-A 단면을 도시하는 도면이다.
도 20b는 고정자(230) 및 회전자(250)의 코어(302)의 부분을 지나는 B-B 단면을 도시하는 도면이다.
도 21a는 A-A 단면의 영구 자석(254b)의 부근을 확대하여 도시한 도면이다.
도 21b는 B-B 단면의 영구 자석(254b)의 부근을 확대하여 도시한 도면이다.
도 22a는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 표면 자석 타입의 회전 전기 기기를 도시하는 도면이다.
도 22b는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 복수의 자석을 V자 형상으로 배치한 타입의 회전 전기 기기를 도시하는 도면이다.
도 23은 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면으로, 자기적 공극(258)을 하나의 보조 돌극부(259)마다 2개 설치한 회전 전기 기기를 도시하는 도면이다.
도 24a는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면도이다.
도 24b는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면도이다.
도 24c는 본 발명의 다른 실시예를 이루는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면도이다.
도 25는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면으로, 집중권의 회전 전기 기기를 도시하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 기초하여 설명한다.
본 실시 형태에 따른 회전 전기 기기는, 이하에 설명하는 바와 같이, 비통전시에 있어서의 코깅 토크와 통전시에 있어서의 토크 맥동을 각각 억제할 수 있어, 소형, 저비용, 저토크 맥동을 실현할 수 있다. 그로 인해, 예를 들어 전기 자동차의 주행용 모터로서 적합하고, 저진동, 저소음이고 탑승감이 좋은 전기 자동차를 제공할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 회전 전기 기기는, 회전 전기 기기에 의해서만 주행하는 순수한 전기 자동차나, 엔진과 회전 전기 기기의 양쪽에 의해 구동되는 하이브리드형의 전기 자동차에도 적용할 수 있지만, 이하에서는 하이브리드형의 전기 자동차를 예로 설명한다.
제1 실시예
도 1은, 본 발명의 일 실시 형태의 회전 전기 기기를 탑재한 하이브리드형 전기 자동차의 개략 구성을 도시하는 도면이다. 차량(100)에는, 엔진(120)과 제1 회전 전기 기기(200)와 제2 회전 전기 기기(202)와 배터리(180)가 탑재되어 있다. 배터리(180)는, 회전 전기 기기(200, 202)에 의한 구동력이 필요한 경우에는 회전 전기 기기(200, 202)에 직류 전력을 공급하고, 회생 주행시에는 회전 전기 기기(200, 202)로부터 직류 전력을 받는다. 배터리(180)와 회전 전기 기기(200, 202) 사이의 직류 전력의 수수(授受)는, 전력 변환 장치(600)를 통해 행해진다. 또한, 도시하고 있지 않지만, 차량에는 저전압 전력(예를 들어, 14볼트계 전력)을 공급하는 배터리가 탑재되어 있어, 이하에 설명하는 제어 회로에 직류 전력을 공급한다.
엔진(120) 및 회전 전기 기기(200, 202)에 의한 회전 토크는, 변속기(130)와 디퍼런셜 기어(160)를 통해 전륜(110)에 전달된다. 변속기(130)는 변속기 제어 장치(134)에 의해 제어되고, 엔진(120)은 엔진 제어 장치(124)에 의해 제어된다. 배터리(180)는 배터리 제어 장치(184)에 의해 제어된다. 변속기 제어 장치(134), 엔진 제어 장치(124), 배터리 제어 장치(184), 전력 변환 장치(600) 및 통합 제어 장치(170)는, 통신 회선(174)에 의해 접속되어 있다.
통합 제어 장치(170)는, 통합 제어 장치(170)보다 하위의 각 제어 장치, 즉 변속기 제어 장치(134), 엔진 제어 장치(124), 전력 변환 장치(600) 및 배터리 제어 장치(184)로부터, 각각의 상태를 나타내는 정보를, 통신 회선(174)을 통해 수취한다. 통합 제어 장치(170)는, 이들 정보에 기초하여 각 제어 장치의 제어 지령을 연산한다. 연산된 제어 지령은 통신 회선(174)을 통해 각각의 제어 장치로 송신된다.
고전압의 배터리(180)는 리튬 이온 전지 혹은 니켈 수소 전지 등의 2차 전지로 구성되고, 250볼트 내지 600볼트, 혹은 그 이상의 고전압의 직류 전력을 출력한다. 배터리 제어 장치(184)는, 배터리(180)의 방전 상황이나 배터리(180)를 구성하는 각 단위 셀 전지의 상태를, 통신 회선(174)을 통해 통합 제어 장치(170)에 출력한다.
통합 제어 장치(170)는, 배터리 제어 장치(184)로부터의 정보에 기초하여 배터리(180)의 충전이 필요한지 여부를 판단하여, 배터리(180)의 충전이 필요하다고 판단되면, 전력 변환 장치(600)에 발전 운전의 지시를 내린다. 또한, 통합 제어 장치(170)는, 주로 엔진(120) 및 회전 전기 기기(200, 202)의 출력 토크의 관리, 엔진(120)의 출력 토크와 회전 전기 기기(200, 202)의 출력 토크의 종합 토크나 토크 분배비의 연산 처리, 그 연산 처리 결과에 기초하는 변속기 제어 장치(134), 엔진 제어 장치(124) 및 전력 변환 장치(600)에의 제어 지령의 송신을 행한다. 전력 변환 장치(600)는, 통합 제어 장치(170)로부터의 토크 지령에 기초하여, 지령대로의 토크 출력 혹은 발전 전력이 발생하도록 회전 전기 기기(200, 202)를 제어한다.
전력 변환 장치(600)에는 회전 전기 기기(200, 202)를 운전하기 위해 인버터를 구성하는 파워 반도체가 설치되어 있다. 전력 변환 장치(600)는, 통합 제어 장치(170)로부터의 지령에 기초하여 파워 반도체의 스위칭 동작을 제어한다. 이러한 파워 반도체의 스위칭 동작에 의해, 회전 전기 기기(200, 202)가 전동기로서 혹은 발전기로서 운전된다.
회전 전기 기기(200, 202)를 전동기로서 운전하는 경우는, 고전압의 배터리(180)로부터의 직류 전력이 전력 변환 장치(600)의 인버터의 직류 단자에 공급된다. 전력 변환 장치(600)는, 파워 반도체의 스위칭 동작을 제어함으로써, 공급된 직류 전력을 3상(相) 교류 전력으로 변환하여 회전 전기 기기(200, 202)에 공급한다. 한편, 회전 전기 기기(200, 202)를 발전기로서 운전하는 경우에는, 회전 전기 기기(200, 202)의 회전자가 외부로부터 가해지는 회전 토크에 의해 회전 구동되어, 회전 전기 기기(200, 202)의 고정자 권선에 3상 교류 전력이 발생한다. 발생한 3상 교류 전력은 전력 변환 장치(600)에 의해 직류 전력으로 변환되고, 그 직류 전력이 고전압의 배터리(180)에 공급됨으로써 충전이 행해진다.
도 2는, 도 1의 전력 변환 장치(600)의 회로도를 도시한다. 전력 변환 장치(600)에는, 회전 전기 기기(200)를 위한 제1 인버터 장치와, 회전 전기 기기(202)를 위한 제2 인버터 장치가 설치되어 있다. 제1 인버터 장치는, 파워 모듈(610)과, 파워 모듈(610)의 각 파워 반도체(21)의 스위칭 동작을 제어하는 제1 구동 회로(652)와, 회전 전기 기기(200)의 전류를 검지하는 전류 센서(660)를 구비하고 있다. 구동 회로(652)는 구동 회로 기판(650)에 설치되어 있다. 한편, 제2 인버터 장치는, 파워 모듈(620)과, 파워 모듈(620)에 있어서의 각 파워 반도체(21)의 스위칭 동작을 제어하는 제2 구동 회로(656)와, 회전 전기 기기(202)의 전류를 검지하는 전류 센서(662)를 구비하고 있다. 구동 회로(656)는 구동 회로 기판(654)에 설치되어 있다. 제어 회로 기판(646)에 설치된 제어 회로(648), 콘덴서 모듈(630) 및 커넥터 기판(642)에 실장된 송수신 회로(644)는, 제1 인버터 장치와 제2 인버터 장치에서 공통으로 사용된다.
파워 모듈(610, 620)은, 각각 대응하는 구동 회로(652, 656)로부터 출력된 구동 신호에 의해 동작한다. 파워 모듈(610, 620)은, 각각 배터리(180)로부터 공급된 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환하고, 그 전력을 대응하는 회전 전기 기기(200, 202)의 전기자 권선인 고정자 권선에 공급한다. 또한, 파워 모듈(610, 620)은, 회전 전기 기기(200, 202)의 고정자 권선에 유기된 교류 전력을 직류로 변환하여, 고전압 배터리(180)에 공급한다.
파워 모듈(610, 620)은 도 2에 기재된 바와 같이 3상 브리지 회로를 구비하고 있고, 3상에 대응한 직렬 회로가, 각각 배터리(180)의 정극측과 부극측 사이에 전기적으로 병렬로 접속되어 있다. 각 직렬 회로는 상부 아암을 구성하는 파워 반도체(21)와 하부 아암을 구성하는 파워 반도체(21)를 구비하고, 그들 파워 반도체(21)는 직렬로 접속되어 있다. 파워 모듈(610)과 파워 모듈(620)은, 도 2에 도시하는 바와 같이 회로 구성이 거의 동일해, 여기서는 파워 모듈(610)로 대표하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 스위칭용 파워 반도체 소자로서 IGBT(절연 게이트형 바이폴라 트랜지스터)(21)를 사용하고 있다. IGBT(21)는, 콜렉터 전극, 에미터 전극 및 게이트 전극의 3개의 전극을 구비하고 있다. IGBT(21)의 콜렉터 전극과 에미터 전극 사이에는 다이오드(38)가 전기적으로 접속되어 있다. 다이오드(38)는, 캐소드 전극 및 애노드 전극의 2개의 전극을 구비하고 있고, IGBT(21)의 에미터 전극으로부터 콜렉터 전극을 향하는 방향이 순방향으로 되도록, 캐소드 전극이 IGBT(21)의 콜렉터 전극에, 애노드 전극이 IGBT(21)의 에미터 전극에 각각 전기적으로 접속되어 있다.
또한, 스위칭용 파워 반도체 소자로서, MOSFET(금속 산화물 반도체형 전계 효과 트랜지스터)를 사용해도 된다. MOSFET는, 드레인 전극, 소스 전극 및 게이트 전극의 3개의 전극을 구비하고 있다. MOSFET의 경우에는, 소스 전극과 드레인 전극 사이에, 드레인 전극으로부터 소스 전극을 향하는 방향이 순방향으로 되는 기생 다이오드를 구비하고 있으므로, 도 2의 다이오드(38)를 설치할 필요가 없다.
각 상의 아암은, IGBT(21)의 소스 전극과 IGBT(21)의 드레인 전극이 전기적으로 직렬로 접속되어 구성되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 각 상의 각 상하 아암의 IGBT를 1개밖에 도시하고 있지 않지만, 제어하는 전류 용량이 크기 때문에, 실제로는 복수의 IGBT가 전기적으로 병렬로 접속되어 구성되어 있다. 이하에서는, 설명을 간단하게 하기 위해, 하나의 파워 반도체로서 설명한다.
도 2에 도시하는 예에서는, 각 상의 각 상하 아암은 각각 3개의 IGBT에 의해 구성되어 있다. 각 상의 각 상부 아암의 IGBT(21)의 드레인 전극은 배터리(180)의 정극측에, 각 상의 각 하부 아암의 IGBT(21)의 소스 전극은 배터리(180)의 부극측에 각각 전기적으로 접속되어 있다. 각 상의 각 아암의 중점(상부 아암측 IGBT의 소스 전극과 하부 아암측의 IGBT의 드레인 전극의 접속 부분)은, 대응하는 회전 전기 기기(200, 202)의 대응하는 상의 전기자 권선(고정자 권선)에 전기적으로 접속되어 있다.
구동 회로(652, 656)는, 대응하는 파워 모듈(610, 620)을 제어하기 위한 구동부를 구성하고 있고, 제어 회로(648)로부터 출력된 제어 신호에 기초하여, IGBT(21)를 구동시키기 위한 구동 신호를 발생한다. 각각의 구동 회로(652, 656)에서 발생한 구동 신호는, 대응하는 파워 모듈(610, 620)의 각 파워 반도체 소자의 게이트에 각각 출력된다. 구동 회로(652, 656)에는, 각 상의 각 상하 아암의 게이트에 공급하는 구동 신호를 발생하는 집적 회로가 각각 6개 설치되어 있고, 6개의 집적 회로를 1블록으로 하여 구성되어 있다.
제어 회로(648)는 각 파워 모듈(610, 620)의 제어부를 구성하고 있고, 복수의 스위칭용 파워 반도체 소자를 동작(온ㆍ오프)시키기 위한 제어 신호(제어값)를 연산하는 마이크로컴퓨터에 의해 구성되어 있다. 제어 회로(648)에는, 상위 제어 장치로부터의 토크 지령 신호(토크 지령값), 전류 센서(660, 662)의 센서 출력, 회전 전기 기기(200, 202)에 탑재된 회전 센서의 센서 출력이 입력된다. 제어 회로(648)는 그들 입력 신호에 기초하여 제어값을 연산하고, 구동 회로(652, 656)에 스위칭 타이밍을 제어하기 위한 제어 신호를 출력한다.
커넥터 기판(642)에 실장된 송수신 회로(644)는, 전력 변환 장치(600)와 외부의 제어 장치 사이를 전기적으로 접속하기 위한 것으로, 도 1의 통신 회선(174)을 통해 다른 장치와 정보의 송수신을 행한다. 콘덴서 모듈(630)은, IGBT(21)의 스위칭 동작에 의해 발생하는 직류 전압의 변동을 억제하기 위한 평활 회로를 구성하는 것으로, 제1 파워 모듈(610)이나 제2 파워 모듈(620)에 있어서의 직류측의 단자에 전기적으로 병렬로 접속되어 있다.
도 3은 도 1의 회전 전기 기기(200) 혹은 회전 전기 기기(202)의 단면도이다. 회전 전기 기기(200)와 회전 전기 기기(202)는 거의 동일한 구조로, 이하에서는 회전 전기 기기(200)의 구조를 대표예로 하여 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 구조는, 회전 전기 기기(200, 202)의 양쪽에 채용되어 있을 필요는 없고, 적어도 한쪽에 채용되어 있어도 된다.
하우징(212)의 내부에는 고정자(230)가 보유 지지되어 있고, 고정자(230)는 고정자 철심(232)과 고정자 권선(238)을 구비하고 있다. 고정자 철심(232)의 내측에는, 회전자(250)가 공극(222)을 통해 회전 가능하게 보유 지지되어 있다. 회전자(250)는 회전자 철심(252)과 영구 자석(254)과 비자성체의 맞댐판(226)을 구비하고 있고, 회전자 철심(252)은 샤프트(218)에 고정되어 있다. 하우징(212)은 베어링(216)이 설치된 한 쌍의 엔드 브래킷(214)을 갖고 있고, 샤프트(218)는 이들 베어링(216)에 의해 회전 가능하게 보유 지지되어 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이, 샤프트(218)에는, 회전자(250)의 극의 위치나 회전 속도를 검출하는 리졸버(224)가 설치되어 있다. 이 리졸버(224)로부터의 출력은, 도 2에 도시하는 제어 회로(648)에 도입된다. 제어 회로(648)는, 도입된 출력에 기초하여 제어 신호를 구동 회로(652)에 출력한다. 구동 회로(652)는, 그 제어 신호에 기초하는 구동 신호를 파워 모듈(610)에 출력한다. 파워 모듈(610)은, 제어 신호에 기초하여 스위칭 동작을 행하고, 배터리(180)로부터 공급되는 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환한다. 이 3상 교류 전력은 도 3에 도시하는 고정자 권선(238)에 공급되고, 회전 자계가 고정자(230)에 발생한다. 3상 교류 전류의 주파수는 리졸버(224)의 검출값에 기초하여 제어되고, 3상 교류 전류의 회전자(250)에 대한 위상도 마찬가지로 리졸버(224)의 검출값에 기초하여 제어된다.
도 4a는, 회전자(250)의 회전자 철심(252)을 도시하는 사시도이다. 회전자 철심(252)은, 도 4b에 도시하는 2개의 코어(301, 302)로 이루어진다. 코어(302)의 축 방향 길이 H2는, 코어(301)의 축 방향 길이 H1과 거의 동일하게 설정되어 있다. 도 5a, 도 5b는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다. 도 5a는 코어(301)의 부분을 지나는 A-A 단면도(도 3 참조)이고, 도 5b는 코어(302)의 부분을 지나는 B-B 단면도(도 3 참조)이다. 또한, 도 5a, 도 5b에서는, 하우징(212), 샤프트(218) 및 고정자 권선(238)의 기재를 생략하였다.
고정자 철심(232)의 내주측에는, 다수의 슬롯(24)과 티스(236)가 전체 둘레에 걸쳐 균등하게 배치되어 있다. 또한, 도 5a, 도 5b에서는, 슬롯 및 티스 전부에 번호를 부여하지는 않고, 대표하여 일부의 티스와 슬롯에만 번호를 부여하였다. 슬롯(24) 내에는 슬롯 절연부(도시 생략)가 설치되고, 고정자 권선(238)을 구성하는 u상 내지 w상의 복수의 상 권선이 장착되어 있다. 본 실시예에서는, 고정자 권선(238)의 권취 방법으로서 분포권을 채용하고 있다.
분포권이라 함은, 복수의 슬롯(24)을 넘어 이격된 2개의 슬롯에 상 권선이 수납되도록, 상 권선이 고정자 철심(232)에 권취되는 권선 방식이다. 본 실시예에서는, 권선 방식으로서 분포권을 채용하고 있으므로, 형성되는 자속 분포는 정현파 형상에 가까워, 릴럭턴스 토크를 얻기 쉽다. 그로 인해, 약화 계자 제어나 릴럭턴스 토크를 활용하여, 저회전 속도뿐만 아니라 고회전 속도까지의 넓은 회전수 범위에 대한 제어가 가능해, 전기 자동차 등의 모터 특성을 얻는 데 적합하다.
또한, 회전자 철심(252)의 각 코어(301, 302)에는, 직사각형의 자석이 삽입되는 구멍(310)이 형성되어 있고, 그 구멍(310)에는 영구 자석(254)이 매립되어 접착제 등에 의해 고정되어 있다. 구멍(310)의 원주 방향의 폭은, 영구 자석(254)의 원주 방향의 폭보다도 크게 설정되어 있고, 영구 자석(254)의 양측에는 자기적 공극(257)이 형성되어 있다. 이 자기적 공극(257)은 접착제를 매립해도 되고, 정형 수지에 의해 영구 자석(254)과 일체로 고화해도 된다. 영구 자석(254)은 회전자(250)의 계자극으로서 작용한다.
영구 자석(254)의 자화 방향은 직경 방향을 향하고 있고, 계자극마다 자화 방향의 방향이 반전되어 있다. 즉, 영구 자석(254a)의 고정자측 면이 N극, 축측의 면이 S극이었다고 하면, 인접하는 영구 자석(254b)의 고정자측 면은 S극, 축측의 면은 N극으로 되어 있다. 그리고 이들 영구 자석(254a, 254b)이 원주 방향으로 교대로 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 각 영구 자석(254)은 등간격으로 12개 배치되어 있고, 회전자(250)는 12극으로 되어 있다.
영구 자석(254)은, 자화된 후에 회전자 철심(252)에 매립해도 되고, 자화되기 전에 회전자 철심(252)에 삽입한 후에 강력한 자계를 부여하여 자화되도록 해도 된다. 자화 후의 영구 자석(254)은 강력한 자석이므로, 회전자(250)에 영구 자석(254)을 고정하기 전에 자석을 착자하면, 영구 자석(254)의 고정시에 회전자 철심(252)과의 사이에 강력한 흡인력이 발생하여, 이 구심력이 작업의 방해로 된다. 또한 강력한 흡인력에 의해, 영구 자석(254)에 철가루 등의 먼지가 부착될 우려가 있다. 그로 인해, 영구 자석(254)을 회전자 철심(252)에 삽입한 후에 자화하는 쪽이, 회전 전기 기기의 생산성이 향상된다.
영구 자석(254)에는, 네오디뮴계, 사마륨계의 소결 자석이나 페라이트 자석, 네오디뮴계의 본드 자석 등을 사용할 수 있다. 영구 자석(254)의 잔류 자속 밀도는 약 0.4 내지 1.3T 정도이다.
도 6a는, 도 5a에 도시한 단면도의 일부를 확대하여 도시한 것이다. 회전자 철심(252)의 코어(301)에는, 영구 자석(254)의 양측에 형성되는 자기적 공극(257) 외에, 회전자(250)의 표면에 자기적 공극(258)을 구성하는 홈이 형성되어 있다. 자기적 공극(257)은 코깅 토크 저감을 위해 형성된 것이고, 자기적 공극(258)은 통전시의 토크 맥동을 저감하기 위해 형성된 것이다. 회전자(250) 내주측으로부터 보아, 영구 자석(254a)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 a, 영구 자석(254b)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 b로 하면, 자기적 공극(258a)은 q축 a에 대해 우측으로, 자기적 공극(258b)은 q축 b에 대해 좌측으로 어긋나 배치된다. 또한, 자기적 공극(258a)과 자기적 공극(258b)은, 자극의 중심축인 d축에 대칭으로 배치되어 있다.
한편, 도 6b는 도 5b에 도시한 단면도의 일부를 확대하여 도시한 것이다. 회전자 철심(252)의 코어(302)의 경우에는, 자기적 공극(258a, 258b) 대신에 자기적 공극(258c, 258d)이 형성되어 있다. 회전자(250) 내주측으로부터 보아, 자기적 공극(258c)은 q축 a에 대해 좌측으로, 자기적 공극(258d)은 q축 b에 대해 우측으로 어긋나 배치되어 있다. 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b로부터 알 수 있는 바와 같이, 코어(301)와 코어(302)의 단면 형상은, 자기적 공극(258a, 258b와 258c, 258d)의 위치가 다를 뿐이며 그 밖의 부분은 동일하다.
여기서, 자기적 공극(258a와 258d, 258b와 258c)은 각각 전기각으로 180도 어긋난 위치에 배치된다. 즉, 코어(301)를 자극 1피치분 회전시킴으로써 코어(302)를 형성할 수 있다. 이에 의해, 코어(301)와 코어(302)는 동일한 형으로 제작할 수 있어, 제작 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 각 코어(301, 302)의 구멍(310)의 주위 방향 위치는, 어긋나는 일 없이 일치하고 있다. 그 결과, 각 구멍(310)에 장착되는 각 영구 자석(254)은 축 방향으로 분할되는 일 없이, 일체로 각 코어(301, 302)를 관통하고 있다. 물론, 복수로 분할된 영구 자석(254)을, 구멍(310)의 축 방향으로 적층하도록 설치해도 상관없다.
3상 교류 전류에 의해 회전 자계가 고정자(230)에 발생하면, 이 회전 자계가 회전자(250)의 영구 자석(254a, 254b)에 작용하여 자석 토크가 발생한다. 또한, 회전자(250)에는, 이 자석 토크에 더하여 릴럭턴스 토크가 작용한다.
도 7은 릴럭턴스 토크를 설명하는 도면이다. 일반적으로, 자속이 자석 중심을 지나는 축을 d축, 자속이 자석의 극 사이로부터 극 사이로 흐르는 축을 q축이라 한다. 이때, 자석의 극 사이 중심에 있는 철심 부분을 보조 돌극부(259)라 한다. 회전자(250)에 설치된 영구 자석(254)의 투자율(透磁率)은 공기와 거의 동일하므로, 고정자측으로부터 본 경우, d축부는 자기적으로 오목하게 되어 있고, q축부는 자기적으로 볼록하게 되어 있다. 그로 인해, q축부의 철심 부분은 돌극이라 불린다. 릴럭턴스 토크는, 이 d축과 q축의 자속의 통과 용이성의 차, 즉, 돌극비에 의해 발생한다.
이와 같이, 본 실시 형태가 적용되는 회전 전기 기기는, 자석 토크와, 보조 돌극 릴럭턴스 토크의 양쪽을 이용하는 회전 전기 기기이다. 그리고 자석 토크와 릴럭턴스 토크의 각각으로부터 토크 맥동이 발생한다. 토크 맥동에는 통전하지 않는 경우에 발생하는 맥동 성분과, 통전에 의해 발생하는 맥동 성분이 있고, 통전하지 않는 경우에 발생하는 맥동 성분은 일반적으로 코깅 토크라 불리고 있다. 실제로 회전 전기 기기를 부하 상태에서 사용하는 경우에는, 코깅 토크와 통전시의 맥동 성분이 합쳐진 토크 맥동이 발생한다.
이러한 회전 전기 기기의 토크 맥동을 저감하는 방법으로서 서술되어 있는 방법은, 대부분이 코깅 토크의 저감에만 언급하고, 통전에 의해 발생하는 토크 맥동에 관해서는 서술되어 있지 않은 경우가 많다. 그러나 회전 전기 기기의 소음은, 무부하시가 아닌 부하시에 발생하는 경우가 많다. 즉, 회전 전기 기기의 저 소음화에는 부하시의 토크 맥동을 저감하는 것이 중요해, 코깅 토크만의 대책으로는 불충분하다.
다음에, 본 실시 형태에 있어서의 토크 맥동의 저감 방법에 대해 설명한다.
우선, 비통전시에 있어서의 자기적 공극(258)의 영향에 대해 설명한다. 도 8a는, 고정자 권선(238)에 전류를 흘리지 않는 경우의 자속, 즉, 영구 자석(254)에 의한 자속 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이며, 영구 자석(254a)으로 구성되는 영역 401과 영구 자석(254b)으로 구성되는 영역 402의 2극을 나타내고 있다. 즉, 영역 401과 영역 402가 교대로 주위 방향으로 배치되어 있는 회전 전기 기기를 시뮬레이션한 결과로, A-A 단면에 대해 나타내고 있다. 본 실시예의 회전 전기 기기는 12극이므로, 각각 6극씩 교대로 주위 방향으로 배치된다. 극 단위에 착안하면, 영역 401에는 자기적 공극(258a와 258b)이 보조 돌극부(259)에 배치되어 있고, 영역 402의 보조 돌극부(259)에는 자기적 공극(258)이 없다.
비통전시에는, 영구 자석(254)의 자속은 자석 단부를 단락하고 있다. 그로 인해, q축에는 자속은 전혀 통과하지 않는다. 또한, 자석 단부의 자기적 공극(257)으로부터 약간 어긋난 위치에 형성된 자기적 공극(258a, 258b)의 부분에도, 자속이 거의 통과하지 않는 것을 알 수 있다. 고정자 철심(232)을 통과하는 자속은, 영구 자석(254)의 고정자측의 철심 부분을 통과하여 티스(236)에 이르고 있다. 이로 인해, 자기적 공극(258a, 258b)은, 코깅 토크에 관계되는 비통전시의 자속에 거의 영향을 미치지 않으므로, 자기적 공극(258a, 258b)은 코깅 토크에는 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다.
도 8b는 영역 401만의, 도 8c는 영역 402만의 시뮬레이션 결과이다. 각각, 도 8b는 영역 401만이, 도 8c는 영역 402만이 주위 방향으로 12극 배치되고, 각 극의 영구 자석(254)의 자화 방향이 극마다 반전되도록 구성된 회전 전기 기기를 도시하고 있다. 도 8b, 도 8c도, 도 8a와 동일한 자속 분포로 되어, q축에는 자속은 통과하지 않는다.
도 9a는 코깅 토크의 파형을 나타낸 것이고, 도 9b는 회전자(250)가 회전하였을 때에 고정자측에 발생하는 선간의 유기 전압의 파형을 나타낸 것이다. 횡축은 회전자의 회전 각도로, 전기각으로 나타내고 있다. 라인 L11은 자기적 공극(258)을 갖는 영역 401과 자기적 공극(258)이 없는 영역 402가 교대로 배치되는 도 8a의 회전자의 경우를 나타내고, 라인 L12는 자기적 공극(258)을 갖는 영역 401만이 배치되는 도 8b의 회전 전기 기기의 경우를 나타내고, 라인 L13은 자기적 공극(258)이 없는 영역 402만이 배치되는 도 8c의 회전 전기 기기의 경우를 나타낸다. 도 9a의 결과로부터, 자기적 공극(258)의 유무는 코깅 토크에 거의 영향이 없는 것을 알 수 있다.
또한, 유기 전압은 회전하는 회전자(250)의 자석 자속이 고정자 권선(238)과 쇄교함으로써 발생하는 전압이지만, 도 9b에 나타내는 바와 같이 유기 전압 파형도 자기적 공극(258)의 유무에 영향을 미치지 않는 것을 알 수 있다. 유기 전압은 도 8a, 도 8b 및 도 8c에 도시한 시뮬레이션 결과에 있어서의 자석의 자속의 반영이고, 유기 전압이 변화되어 있지 않다고 하는 것은, 자기적 공극(258)은 자석 자속에 대해 거의 영향을 미치고 있지 않은 것이 된다.
다음에, 통전시에 있어서의 자기적 공극(258)의 영향에 대해 설명한다. 도 10a, 도 10b 및 도 10c는, 고정자 권선(238)에 통전한 경우의 자속 분포의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 도 8a에 도시한 것과 동일한 회전 전기 기기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이 도 10a, 도 8b에 도시한 것과 동일한 회전 전기 기기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이 도 10b, 도 8c에 도시한 것과 동일한 회전 전기 기기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이 도 10c이다. 본 실시예의 회전 전기 기기는 1극당 6슬롯 있는 모터이며, 고정자 철심(232)의 슬롯(24)에 설치되어 있는 고정자 권선(238)의 코일(233)은, 슬롯 깊이 방향에 대해 2층으로 나뉘어져 있다. 슬롯 바닥측에 배치된 코일(233)은, 인접한 슬롯을 1슬롯째로 세면, 1슬롯째로부터 5슬롯째까지를 넘어 6슬롯 이격된 슬롯(24)의 회전자측에 삽입되는 단절권(fractional pitch winding)이다. 단절권은 고정자 기자력의 고조파를 적게 할 수 있고, 또한 코일 엔드가 짧아 구리손이 적어지는 것이 특징이다. 또한, 이 고조파 저감의 권취 방법에 의해, 3상 모터에 특유한 6차의 토크 맥동을 적게 할 수 있어, 거의 12차의 성분만이 남는다.
도 10a, 도 10b 및 도 10c를 보면, 어떠한 시뮬레이션 결과도 q축으로 자속이 흐르고 있다. 이것은, 고정자(230)의 전류가, q축으로 자속을 만들기 때문이다. 도 10a 및 도 10b에서는 보조 돌극부(259)의 자속의 흐름을 자기적 공극(258)이 바꾸고 있는 것을, 자기적 공극(258)이 없는 도 10c의 결과와의 비교로부터 알 수 있다. 따라서, 보조 돌극부(259)에 있는 자기적 공극(258)은, 통전시에만 자기적인 영향이 있다고 할 수 있다.
도 11a는 통전시의 토크 파형을 나타낸 것이고, 도 11b는 통전시의 선간 전압의 파형을 나타낸 것이다. 횡축은 회전자의 회전 각도로, 전기각으로 나타내고 있다. 라인 L21은 자기적 공극(258)을 갖는 영역 401과 자기적 공극(258)이 없는 영역 402가 교대로 배치되는 도 10a의 회전자의 경우를 나타내고, 라인 L22는 자기적 공극(258)을 갖는 영역 401만이 배치되는 도 10b의 회전 전기 기기의 경우를 나타내고, 라인 L23은 자기적 공극(258)이 없는 영역 402만이 배치되는 도 10c의 회전 전기 기기의 경우를 나타낸다.
도 11a를 보면, 본 실시 형태의 회전 전기 기기는 12차의 토크 맥동 성분, 즉 전기각으로 30deg 주기의 성분이 지배적이며, 6차 성분은 거의 없는 것을 알 수 있다. 또한, 자기적 공극(258)을 형성하지 않는, 즉 영역 402만의 경우의 토크 맥동 L23에 대해, L21, L22 모두 토크 맥동의 파형이 변화되어 있는 것을 알 수 있다. 이것은, 통전시의 자속이, 자기적 공극(258)의 영향을 받고 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 영역 401만의 회전 전기 기기의 토크 맥동 L22와 영역 402만의 회전 전기 기기의 토크 맥동 L23은, 위상이 거의 정반대로 되어 있다. 도 10a에 나타낸 바와 같이 본 실시예의 회전 전기 기기는 영역 401과 영역 402를 교대로 배치하는 구성으로 되어 있고, 토크 맥동 L21에 나타내는 바와 같이 회전자 전체가 받는 토크 맥동의 합계는, 토크 맥동 L22와 토크 맥동 L23의 평균값으로 된다.
이와 같이, 본 실시 형태에서는, 상술한 바와 같은 자기적 공극(258a, 258b)을 형성함으로써, 통전시의 토크 맥동을 저감할 수 있다. 또한, 이러한 효과를 얻기 위해서는, 자기적 공극(258)을 구성하는 홈의 폭 각도(주위 방향 각도)를, 티스(236)의 피치각의 1/4 내지 1/2의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 또한, 보조 돌극부(259)에 형성하는 자기적 공극(258)을 2종류 이상으로 해도 된다. 그것에 의해, 토크 맥동 저감의 자유도가 증가하여, 보다 상세하게 맥동 저감을 행할 수 있다.
또한, 자기적 공극을 형성하지 않는 경우에 비해 토크가 낮아지지 않는다고 하는 특징도 갖고 있다. 종래, 토크 맥동 저감을 위해 행해지고 있는 스큐라고 하는 구조의 경우에는, 스큐함으로써 토크가 낮아져 버려, 소형화의 방해로 된다고 하는 결점이 있었다. 그러나 본 실시 형태에서는, 코깅 토크와 독립하여, 통전시의 토크 맥동만을 저감시킬 수 있을 뿐만 아니라, 토크 자체가 낮아지지 않는다고 하는 이점을 갖고 있다. 이것은, 원래의 홈이 없는 로터의 경우의 토크 맥동이, 12차 성분이 지배적이었기 때문이고, 이것은 스테이터 권선을 단절권으로 하고 있었던 것도 공을 발휘하고 있다.
또한, 통전시의 전압은, 도 11b에 도시하는 바와 같이 자기적 공극(258)의 유무에 영향을 받고 있는 것을 알 수 있다. 이 경우, 영역 401에서 회전자(250)에 대향하는 고정자 권선(238)의 각 상 권선과, 영역 402에서 회전자(250)에 대향하는 고정자 권선(238)의 각 상 권선 사이에 전위차가 발생하여, 각 상 각각에 권선을 병렬로 연결한 경우, 순환 전류가 흘러 손실이 증가한다. 도 6에 도시한 바와 같이 본 실시예의 회전 전기 기기는 코어(301)를 자극 1피치분 회전시킴으로써 형성한 코어(302)를 갖고 있고, 또한 도 4b에 도시한 바와 같이 코어(301)와 코어(302)의 축 길이를 거의 동등하게 설정하고 있으므로, 각 극에 대향하는 고정자 권선(238)의 각 상 권선에 발생하는 전압을 거의 동등하게 할 수 있어, 순환 전류는 거의 흐르지 않는다. 단, 영역 401, 영역 402에서 회전자(250)에 대향하는 고정자 권선(238)의 각 상 권선을 직렬로 연결한 경우, 순환 전류는 거의 흐르지 않으므로, 코어(301)만의, 혹은 코어(302)만의 구성이라도 문제없다.
상술한 바와 같이, 자기적 공극(258a, 258b)의 형성은 비통전시의 코깅 토크에 대해 영향을 미치지 않는다. 그로 인해, 종래 행해지고 있는 코깅 토크의 저감 방법을 적용함으로써, 통전시 토크 맥동의 저감과는 별개로 코깅 토크의 저감을 도모할 수 있다. 본 실시 형태에서는, 이하와 같은 구성으로 함으로써 코깅 토크의 저감을 도모하도록 하고 있다.
도 12, 도 13은 코깅 토크의 저감 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 12는, 회전자(250)와 고정자 철심(232)의 일부를 도시하는 단면도이다. 도 12에 있어서, τp는 영구 자석(254)의 극 피치, τm은 영구 자석(254)의 폭 각도이다. 또한, τg는 영구 자석(254)과 그 양측에 형성된 자기적 공극(257)을 합친 각도, 즉, 도 4에 도시한 구멍(310)의 폭 각도이다. 이들 각도의 비(τm/τp, τg/τp)를 조절함으로써, 코깅 토크를 작게 할 수 있다. 본 실시 형태에서는, τm/τp를 자석극 호도, τg/τp를 자석 구멍극 호도라고 하는 것으로 한다.
도 13은 자석극 호도(τm/τp)의 비와 코깅 토크의 관계를 나타내는 도면이다. 또한, 도 13에 나타낸 결과는, τm＝τg로 한 경우이고, 또한 영구 자석(254)과 자기적 공극(257)을 회전자(250)의 외주와 동심의 부채꼴로 한 경우이다. 이것을 본 실시예와 같이 직사각형의 자석으로 한 경우에는 약간 최적값이 바뀌지만, 사고 방식으로서 동일한 것은 물론이다. 도 13에 있어서, 종축은 코깅 토크의 진폭을 나타내고, 횡축은 회전자(250)의 전기각으로 나타낸 회전각을 나타내고 있다. 맥동의 진폭의 크기는, 비(τm/τp)의 크기에 따라 변화되고 있고, τm＝τg의 경우, τm/τp를 0.75 정도로 선택하면 코깅 토크를 작게 할 수 있다. 또한, 도 9a에 나타낸 자기적 공극(258)에 의해 코깅 토크가 바뀌지 않는 경향은, 도 13의 자석 폭과 극 피치의 비(τm/τp)가 어느 곳에서도 동일하게 적용할 수 있다. 그로 인해, 상기 조건하에서 회전자(250)의 형상을 도 5에 도시하는 형상으로 함으로써, 코깅 토크와 통전시의 토크 맥동의 양쪽을 작게 할 수 있다.
도 13에 도시하는 예에서는, τm＝τg로서 설명하였지만, 보조 돌극부(259)의 효과인 릴럭턴스 토크를 효율적으로 이용하기 위해서는, 자석 구멍극 호도(τg/τp)를 0.5 내지 0.9 정도, 보다 바람직하게는 0.7 내지 0.8 정도로 설정하는 것이 좋다.
도 14는 자석극 호도(τm/τp) 및 자석 구멍극 호도(τg/τp)를 변화시킨 경우의 최대 토크의 계산예이다. 도 13과 마찬가지로, 영구 자석(254)과 자기적 공극(257)을 회전자(250)의 외주와 동심의 부채꼴로 한 경우이다. 횡축은, 자석 구멍극 호도(τg/τp)를 나타내고 있고, 이 값이 0.7이라고 하는 것은, 극간 피치에 대한 보조 돌극부(259)의 비가 0.3인 것을 나타내고 있다. 여기서, 자석 폭(τm)은 자석 구멍의 개방각(τg)보다도 크게 할 수 없으므로, τg≥τm으로 된다. τm이 증가하면 영구 자석(254)의 폭이 증가하기 때문에, 토크가 증가한다. 한편, τm이 일정한 경우, τg에는 최적값이 있고, τg/τp가 0.7 내지 0.8 정도에 있어서 최대 토크가 가장 커진다. 이것은, 보조 돌극부(259)의 크기에는 적당한 값이 있고, 그보다도 τg를 지나치게 크게 하거나, 지나치게 작게 하거나 하면 릴럭턴스 토크가 작아져 버리기 때문이다. τm이 0.75보다도 큰 경우에는, 가능한 한 보조 돌극부(259)가 커지도록 τm＝τg가 바람직한 것으로 된다.
이와 같이, τg/τp를 0.7 내지 0.8 정도로 하였을 때에 릴럭턴스 토크를 가장 효율적으로 이용할 수 있어, 영구 자석(254)을 작게 할 수 있다. 영구 자석(254)에 희토류의 소결 자석을 사용하는 경우, 자석은 다른 재료에 비해 극히 고가이므로, 자석량을 가장 효과적으로 사용하는 것이 요구된다. 또한, 영구 자석(254)이 작아지므로, 영구 자석(254)의 자속에 의한 유기 전압을 작게 할 수 있어, 회전 전기 기기를 보다 고속으로 회전시킬 수 있다. 그로 인해, 전기 자동차에는, 본 실시 형태와 같은 릴럭턴스 토크를 이용한 회전 전기 기기가 일반적으로 사용된다.
제2 실시예
도 15a, 도 15b는, 본 발명의 다른 실시 형태를 이루는 회전자를 도시한다. 이하에서 설명하는 사항 이외는 제1 실시예와 동일하다.
도 15a는 표면 자석 타입의 회전자이고, 도 15b는 복수의 자석을 V자 형상으로 배치한 회전자이다. 어느 회전자에 있어서도 영구 자석(254) 사이에는 보조 돌극부(259)가 설치되어 있고, 보조 돌극부(259)에는 자기적 공극(258)이 배치되어 있다. 자기적 공극(258)은 각각, 회전자(250) 내주측으로부터 보아 영구 자석(254a)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 a, 영구 자석(254b)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 b로 하면, 자기적 공극(258a)이 q축 a에 대해 우측으로, 자기적 공극(258b)이 q축 b에 대해 좌측으로 어긋나 배치된다. 또한, 자기적 공극(258a)과 자기적 공극(258b)은, 자극의 중심축인 d축에 대칭으로 배치되어 있다. 도 15a, 도 15b는 회전자의 A-A 단면을 도시한 것으로, 상술한 실시 형태와 마찬가지로, B-B 단면은, A-A 단면의 형상을 자극 1피치분 회전시킴으로써 형성된 형상으로 된다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c에서 설명한 바와 같이, 본 실시예에 있어서의 토크 맥동의 저감은, 자석의 자속에 영향을 받는 것이 아니므로, 자석의 형상에 의존하지 않는다.
제3 실시예
도 16은 본 실시예의 자기적 공극(258)을 하나의 보조 돌극부(259)마다 2개 설치함으로써 토크 맥동 저감을 실현한 것이다.
이 형상은 각각, 회전자(250) 내주측으로부터 보아 영구 자석(254a)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 a, 영구 자석(254b)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 b로 하면, q축 a에 대해 우측의 자기적 공극(258a)이 크게, q축 a에 대해 좌측의 자기적 공극(258e)이 작게, q축 b에 대해 우측의 자기적 공극(258b)이 크게, q축 b에 대해 좌측의 자기적 공극(258f)이 작게 배치된다. 또한, 자기적 공극(258a와 258b), 자기적 공극(258e와 258f)은 자극의 중심축인 d축에 대칭으로 배치되어 있다. 도 16은 회전자의 A-A 단면을 도시한 것으로, 상술한 실시 형태와 마찬가지로, B-B 단면은, A-A 단면의 형상을 자극 1피치분 회전시킴으로써 형성된 형상으로 된다. 이 이외의 사항은 제1 실시예에서 설명한 내용과 동일하다.
제4 실시예
도 5a, 도 5b, 도 15a, 도 15b 및 도 16에 도시하는 예에서는 자기적 공극(258)을 회전자(250)의 외주에 형성된 홈으로 하고 있었지만, 도 17a에 도시한 바와 같이 보조 돌극(259) 내에 있는 구멍으로 해도 된다. 또한, 도 17b에 도시한 바와 같이 자기적 공극(257)과 자기적 공극(258)을 일체로 해도 된다. 또한 도 17c에 도시하는 바와 같이, 보조 돌극부(259)에 투자율이 다른 부위를 설치함으로써도 실현할 수 있다. 도 17c에서는 보조 돌극부(259a)의 투자율이 보조 돌극부(259b)의 투자율보다도 낮게 설정되어 있다. 이 이외의 사항은 제1 실시예에서 설명한 내용과 동일하다.
제5 실시예
도 18은, 도 5a 및 도 5b에 도시하는 고정자 권선(238)을 집중권으로 한 경우를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서의 토크 맥동은 회전자(250)의 형상에 의존하는 것이므로, 고정자측의 권선 방식이 다른 집중권의 경우도, 상술한 경우와 마찬가지로 토크 맥동의 저감을 도모할 수 있다. 이 이외의 사항은 제1 실시예에서 설명한 내용과 동일하다.
제6 실시예
도 19a는, 본 발명의 다른 실시예를 이루는 회전자(250)의 회전자 철심(252)을 도시하는 사시도이다. 이하에서 설명하는 사항 이외는 제1 실시예와 동일하다.
회전자 철심(252)은, 도 19b에 도시하는 2개의 코어(301, 302)로 이루어진다. 코어(302)의 축 방향 길이 H2는, 코어(301)의 축 방향 길이 H1과 거의 동일하게 설정되어 있다. 도 20a, 도 20b는 고정자(230) 및 회전자(250)의 단면을 도시하는 도면이다. 도 20a는 코어(301)의 부분을 지나는 A-A 단면도(도 3 참조)이고, 도 20b는 코어(302)의 부분을 지나는 B-B 단면도(도 3 참조)이다. 또한, 도 20a 및 도 20b에서는, 하우징(212), 샤프트(218) 및 고정자 권선(238)의 기재를 생략하였다.
고정자 철심(232)의 내주측에는, 다수의 슬롯(24)과 티스(236)가 전체 둘레에 걸쳐 균등하게 배치되어 있다. 또한, 도 20에서는, 슬롯 및 티스 전부에 번호를 부여하지는 않고, 대표하여 일부의 티스와 슬롯에만 번호를 부여하였다. 슬롯(24) 내에는 슬롯 절연부(도시 생략)가 설치되고, 고정자 권선(238)을 구성하는 u상 내지 w상의 복수의 상 권선이 장착되어 있다. 본 실시예에서는, 고정자 권선(238)의 권취 방법으로서 분포권을 채용하고 있다.
또한, 회전자 철심(252)의 각 코어(301, 302)에는, 직사각형의 자석이 삽입되는 구멍(310)이 형성되어 있고, 그 구멍(310)에는 영구 자석(254)이 매립되어 접착제 등에 의해 고정되어 있다. 구멍(310)의 원주 방향의 폭은, 영구 자석(254)의 원주 방향의 폭보다도 크게 설정되어 있고, 영구 자석(254)의 양측에는 자기적 공극(257)이 형성되어 있다. 이 자기적 공극(257)은 접착제를 매립해도 되고, 정형 수지에 의해 영구 자석(254)과 일체로 고화해도 된다. 영구 자석(254)은 회전자(250)의 계자극으로서 작용한다.
영구 자석(254)의 자화 방향은 직경 방향을 향하고 있고, 계자극마다 자화 방향의 방향이 반전되어 있다. 즉, 영구 자석(254a)의 고정자측 면이 N극, 축측의 면이 S극이었다고 하면, 인접하는 영구 자석(254b)의 고정자측 면은 S극, 축측의 면은 N극으로 되어 있다. 그리고 이들 영구 자석(254a, 254b)이 원주 방향으로 교대로 배치되어 있다. 본 실시 형태에서는, 각 영구 자석(254)은 등간격으로 12개 배치되어 있고, 회전자(250)는 12극으로 되어 있다.
도 21a는, 도 20a에 도시한 단면도의 일부를 확대하여 도시한 것이다. 회전자 철심(252)의 코어(301)에는, 영구 자석(254)의 양측에 형성되는 자기적 공극(257) 외에, 회전자(250)의 표면에 자기적 공극(258)을 구성하는 홈이 형성되어 있다. 자기적 공극(257)은 코깅 토크 저감을 위해 형성된 것이고, 자기적 공극(258)은 통전시의 토크 맥동을 저감하기 위해 형성된 것이다. 회전자(250) 내주측으로부터 보아, 영구 자석(254a)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 a, 영구 자석(254b)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 b로 하면, 자기적 공극(258a)은 q축 a에 대해 우측으로, 자기적 공극(258b)은 q축 a에 대해 좌측으로 어긋나 배치되어, q축 b의 좌우에는 자기적 공극은 없다. 또한, 자기적 공극(258a)과 자기적 공극(258b)은, 자석 사이의 중심축인 q축에 대칭으로 배치되어 있다.
한편, 도 21b는 도 20b에 도시한 단면도의 일부를 확대하여 도시한 것이다. 회전자 철심(252)의 코어(302)의 경우에는, 자기적 공극(258a, 258b) 대신에 자기적 공극(258c, 258d)이 형성되어 있다. 회전자(250) 내주측으로부터 보아, 자기적 공극(258c)은 q축 b에 대해 우측으로, 자기적 공극(258d)은 q축 b에 대해 좌측으로 어긋나 배치되어, q축 a의 좌우에는 자기적 공극은 없다. 도 20a, 도 20b, 도 21a 및 도 21b로부터 알 수 있는 바와 같이, 코어(301)와 코어(302)의 단면 형상은, 자기적 공극(258a, 258b와 258c, 258d)의 위치가 다를 뿐이며 그 밖의 부분은 동일하다.
여기서, 자기적 공극(258a와 258c, 258b와 258d)은 각각 전기각으로 180도 어긋난 위치에 배치된다. 즉, 코어(301)를 자극 1피치분 회전시킴으로써 코어(302)를 형성할 수 있다. 이에 의해, 코어(301)와 코어(302)는 동일한 형으로 제작할 수 있어, 제작 비용을 삭감할 수 있다. 또한, 각 코어(301, 302)의 구멍(310)의 주위 방향 위치는, 어긋나는 일 없이 일치하고 있다. 그 결과, 각 구멍(310)에 장착되는 각 영구 자석(254)은 축 방향으로 분할되는 일 없이, 일체로 각 코어(301, 302)를 관통하고 있다. 물론, 복수로 분할된 영구 자석(254)을, 구멍(310)의 축 방향으로 적층하도록 설치해도 상관없다.
도 21a에 도시되는 회전 전기 기기는, 영역 403과 영역 404를 교대로 배치하는 구성으로 되어 있다. 여기서, 도 21a의 영역 403은 도 8a의 영역 401과 등가, 도 21a의 영역 404는 도 8a의 영역 402와 등가이고, 도 21a에 도시되는 실시예의 회전 전기 기기는, 자기적 공극(258)이 배치되는 위치는 다르지만, 도 6a에 도시되는 실시예의 회전 전기 기기와 전기적, 자기적으로 등가라고 할 수 있다. 즉, 본 실시예의 경우도, 영역 403과 영역 404에서는 다른 토크 맥동이 발생하고, 그들이 서로 상쇄하도록 작용함으로써 토크 맥동을 저감할 수 있다. 또한, 제1 실시예와 마찬가지로, 자기적 공극(258)은 보조 돌극부(259)의 부분에 형성되어 있으므로, 코깅 토크에는 거의 영향을 미치는 일은 없다. 즉, 자기적 공극(258)을 형성함으로써, 코깅 토크의 맥동에의 영향은 억제하여, 거의 독립적으로 통전시 토크 맥동의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 도 21a 및 도 21b에 도시한 바와 같이 본 실시예의 회전 전기 기기는 코어(301)를 자극 1피치분 회전시킴으로써 형성한 코어(302)를 갖고 있고, 또한 도 19b에 도시한 바와 같이 코어(301)와 코어(302)의 축 길이를 거의 동등하게 설정하고 있으므로, 각 극에 대향하는 고정자 권선(238)의 각 상 권선에 발생하는 전압을 거의 동등하게 할 수 있어, 순환 전류는 거의 흐르지 않는다. 단, 영역 403, 영역 404에서 회전자(250)에 대향하는 고정자 권선(238)의 각 상 권선을 직렬로 연결한 경우, 순환 전류는 거의 흐르지 않으므로, 코어(301)만의, 혹은 코어(302)만의 구성이라도 문제없다.
제7 실시예
도 22a, 도 22b는, 본 발명의 다른 실시예를 이루는 회전자를 도시한다. 이하에 설명하는 사항 이외는 상기 실시예와 동일하다.
도 22a는 표면 자석 타입의 회전자이고, 도 22b는 복수의 자석을 V자 형상으로 배치한 회전자이다. 어느 회전자에 있어서도 영구 자석(254) 사이에는 보조 돌극부(259)가 설치되어 있고, 보조 돌극부(259)에는 자기적 공극(258)이 배치되어 있다. 자기적 공극(258)은 각각, 회전자(250) 내주측으로부터 보아 영구 자석(254a)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 a, 영구 자석(254b)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 b로 하면, 자기적 공극(258a)이 q축 a에 대해 우측으로, 자기적 공극(258b)이 q축 a에 대해 좌측으로 어긋나 배치되어, q축 b의 좌우에는 자기적 공극은 없다. 또한, 자기적 공극(258a)과 자기적 공극(258b)은, 자석 사이의 중심축인 q축에 대칭으로 배치되어 있다. 도 22a 및 도 22b는 회전자의 A-A 단면을 도시한 것으로, 상술한 실시 형태와 마찬가지로, B-B 단면은, A-A 단면의 형상을 자극 1피치분 회전시킴으로써 형성된 형상으로 된다. 도 8a, 도 8b 및 도 8c에 설명한 바와 같이 본 실시예에 있어서의 토크 맥동의 저감은, 자석의 자속에 영향을 받는 것이 아니므로, 자석의 형상에 의존하지 않는다.
도 23은 본 실시예의 자기적 공극(258)을 하나의 보조 돌극부(259)마다 2개 설치함으로써 토크 맥동 저감을 실현한 것이며, 그 형상은 각각, 회전자(250) 내주측으로부터 보아 영구 자석(254a)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 a, 영구 자석(254b)과 그 좌측의 자석 사이의 중심축을 q축 b로 하면, q축 a의 좌우의 자기적 공극(258a, 258b)은 크게, q축 b의 좌우의 자기적 공극(258e, 258f)은 작게 배치된다. 또한, 자기적 공극(258a와 258b), 자기적 공극(258e와 258f)은 자석 사이의 중심축인 q축에 대칭으로 배치되어 있다. 도 23은 회전자의 A-A 단면을 도시한 것으로, 상술한 실시 형태와 마찬가지로, B-B 단면은, A-A 단면의 형상을 자극 1피치분 회전시킴으로써 형성된 형상으로 된다.
제8 실시예
또한, 도 20a, 도 20b, 도 22a, 도 22b 및 도 23에 도시하는 예에서는 자기적 공극(258)을 회전자(250)의 외주에 형성된 홈으로 하고 있었지만, 도 24a에 도시한 바와 같이 보조 돌극부(259) 내에 있는 구멍으로 해도 되고, 또한 도 24b에 도시하는 바와 같이 자기적 공극(257)과 자기적 공극(258)을 일체로 해도 된다. 또한 도 24c에 도시하는 바와 같이, 보조 돌극부(259)에 투자율이 다른 부위를 설치함으로써도 실현할 수 있다. 도 24c에서는 보조 돌극부(259a)의 투자율이 보조 돌극부(259b)의 투자율보다도 낮게 설정되어 있다.
제9 실시예
도 25는 도 20에 도시하는 고정자 권선(238)을 집중권으로 한 경우를 도시한다. 본 실시 형태에 있어서의 토크 맥동은 회전자(250)의 형상에 의존하는 것이므로, 고정자측의 권선 방식이 다른 집중권의 경우도, 상술한 경우와 마찬가지로 토크 맥동의 저감을 도모할 수 있다.
상기한 각종 실시예는, 다음과 같은 작용 효과를 발휘한다.
(1) 보조 돌극부(259)에 자기적 공극(258a, 258b)을 형성하고, 각 자기적 공극(258a, 258b)에 의해 발생하는 통전시의 토크 맥동이 서로 상쇄되도록, 자기적 공극(258a)과 자기적 공극(258b)을 보조 돌극부(259)마다 어긋나게 하여 배치하였다. 그 결과, 통전시에 있어서의 회전 전기 기기의 토크 맥동의 저감을 도모할 수 있다. 특히, 통전시의 토크 맥동을 저감할 수 있는 본 실시 형태의 회전 전기 기기를 전기 자동차 등의 차량 주행용 모터로서 적용한 경우, 저속 가속시의 진동이나 소음을 저감할 수 있어, 승차감이 좋고, 정숙성이 높은 전기 자동차를 제공할 수 있다.
(2) 비통전시에는, 자기적 공극(258)은 자석 자속에 대해 영향을 거의 미치지 않는다. 그로 인해, 영구 자석(254)의 자속에 기인하는 코깅 토크의 저감 대책과, 통전시의 토크 맥동의 저감 대책을 독립하여 개별로 행할 수 있다. 그 결과, 코깅 토크가 작고, 또한 통전시의 토크가 커지는 자석 토크의 최적화와, 통전시의 토크 맥동의 저감의 양립을 도모할 수 있다. 종래는, 토크가 최대로 되도록 자석을 구성한 후, 코깅 토크가 작아지도록 스큐 등을 실시하고 있었으므로, 그것에 의해 토크(자석 토크)가 작아지는 결점이 있었지만, 본 실시 형태에서는 토크 맥동 저감에 수반되는 토크 저하를 피할 수 있다.
(3) 상술한 바와 같이, 토크 맥동 저감에 수반되는 자석 토크의 저하를 방지할 수 있으므로, 자석을 최대한 작게 할 수 있어, 회전 전기 기기의 소형화 및 비용 저감을 도모할 수 있다.
(4) 보조 돌극부(259)에 형성된 자기적 공극(258a, 258b)의 위치를 어긋나게 함으로써, 통전시의 토크 맥동의 저감을 도모하도록 하고 있으므로, 종래의 스큐 구조와 같이 영구 자석(254)을 축 방향에 관하여 복수로 분할하거나, 착자를 스큐시키거나 할 필요가 없다. 영구 자석(254)에는, 예를 들어 네오디뮴계로 대표되는 희토류 자석이 사용되지만, 희토류 자석에서는 자석 정형을 연마 가공에 의해 행하기 때문에, 제조 오차의 정밀도를 높이는 것은 비용 증가로 직결된다. 그로 인해, 자석을 축 방향으로 분할할 필요가 없는 본 실시 형태에 따르면, 회전 전기 기기의 저비용화를 도모할 수 있다. 또한, 자석 공차의 적재에 의해 성능 변동이 증가하거나, 수율이 나빠진다고 하는 우려가 없다. 이와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 회전 전기 기기의 생산성 및 생산 비용의 저감을 도모할 수 있다.
상기한 실시예에 따르면, 코깅 토크의 저감과 통전시의 토크 맥동의 저감을 도모하는 것이 가능하다. 자기 저항을 변화시킨 부위에 기인하는 통전시의 토크 맥동이 상쇄되도록, 자기 저항을 변화시킨 부위의 q축으로부터 주위 방향으로의 어긋남량을 자기적 보조 돌극부마다 다르게 함으로써, 토크 맥동의 저감을 도모할 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 차량 구동용 모터를 예로 설명하였지만, 차량 구동용에 한정되지 않고 각종 모터에도 적용할 수 있다. 또한, 모터에 한정되지 않고, 알터네이터와 같은 발전기 등의 각종 회전 전기 기기에 적용이 가능하다. 또한, 본 발명의 특징을 손상시키지 않는 한, 본 발명은 상기 실시 형태에 전혀 한정되는 것이 아니다.
다음의 우선권 기초 출원의 개시 내용은 인용문으로서 본원에 포함된다.
일본 특허 출원 2008년 제266952호(2008년 10월 16일 출원)
100 : 차량
180 : 배터리
200, 202 : 회전 전기 기기
212, 214 : 하우징
230 : 고정자
232 : 고정자 철심
236 : 티스
238 : 고정자 권선
250 : 회전자
252 : 회전자 철심
254 : 영구 자석
257, 258 : 자기적 공극
259 : 보조 돌극부
301, 302 : 코어
310 : 구멍

Claims (19)

  1. 고정자 권선을 갖는 고정자와,
    상기 고정자에 대해 소정의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치된 회전자를 구비하고,
    상기 회전자는, 복수의 자석과, 상기 복수의 자석 중 인접하는 각 자석의 극 사이에 형성된 복수의 자기적 보조 돌극부와, 상기 자기적 보조 돌극부 내이며 상기 자기적 보조 돌극부의 돌극 중심을 지나는 q축으로부터 상기 회전축의 주위 방향으로 어긋난 위치에, 상기 회전축의 축 방향을 따라 설치된 자기 저항 변화부를 갖고,
    상기 자기 저항 변화부의 q축으로부터의 어긋남량은, 통전시의 토크 맥동이 서로 상쇄되도록 상기 자기적 보조 돌극부의 위치에 따라서 다른, 회전 전기 기기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 자기 저항 변화부는 자기적 공극인, 회전 전기 기기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 회전자에 있어서의 상기 자석의 상기 회전축의 주위 방향의 위치는, 상기 축 방향의 위치에 상관없이 일정한, 회전 전기 기기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 회전자는, 상기 축 방향을 따라 설치되는 동시에, 상기 자석, 상기 자기적 보조 돌극부 및 상기 자기적 공극을 각각 갖는 복수의 축 방향 분할 코어로 분할되고,
    상기 축 방향 분할 코어 내에 있어서의 상기 자석의 상기 회전축의 주위 방향의 위치는, 상기 축 방향의 위치에 상관없이 일정한, 회전 전기 기기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회전자는, 상기 자기적 공극의 상기 회전축의 주위 방향의 위치가 동일한 복수의 상기 축 방향 분할 코어로 이루어지는 코어군을 복수 갖고,
    상기 코어군을 구성하는 복수의 상기 축 방향 분할 코어의 상기 축 방향의 두께의 합계는 상기 코어군마다 동일한, 회전 전기 기기.
  6. 제2항에 있어서, 상기 자기적 공극은, 상기 회전자의 표면에 형성된 오목부인, 회전 전기 기기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 오목부의 상기 회전축의 주위 방향의 폭 각도는, 상기 고정자에 설치된 각 티스간의 피치각의 1/4 내지 1/2의 범위인, 회전 전기 기기.
  8. 제2항에 있어서, 상기 자기적 공극은, 상기 회전자의 표면에 형성된 구멍인, 회전 전기 기기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 구멍은, 상기 자석이 설치되어 있는 구멍과 일체로 형성되어 있는, 회전 전기 기기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 복수의 자석은, 그 자화 방향이 상기 축 방향에 수직한 상기 회전자의 직경 방향이며, 각 자석의 자화 방향의 방향이 교대로 역방향으로 되도록 회전축의 주위 방향으로 나란히 배치되어 있는, 회전 전기 기기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 자석의 각각은, 자화 방향이 동등한 복수의 자석으로 이루어지는 자석군을 구성하고 있는, 회전 전기 기기.
  12. 제2항에 있어서, 상기 자기적 보조 돌극부에는, 상기 자기적 공극이 복수 형성되어 있는, 회전 전기 기기.
  13. 제2항에 있어서, 상기 자기적 공극은, 상기 돌극 중심을 지나는 상기 q축에 대해 비대칭이고, 상기 자석의 자극 중심을 지나는 d축에 대해 대칭으로 배치되어 있는, 회전 전기 기기.
  14. 제2항에 있어서, 상기 자기적 공극은, 상기 돌극 중심을 지나는 상기 q축에 대해 대칭이고, 상기 자석의 자극 중심을 지나는 d축에 대해 비대칭으로 배치되어 있는, 회전 전기 기기.
  15. 제1항에 있어서, 상기 회전자는, 자기적 공극을 구성하는 구멍 또는 절결부가 형성된 전자기 강판을 적층하여 각각 이루어지는 복수의 회전자 코어를 갖는, 회전 전기 기기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 회전자 코어의 각각은, 상기 전자기 강판을 상기 자석의 자극 피치 단위로 상기 회전축의 주위 방향으로 어긋나게 함으로써, 상기 자기적 공극의 위치를 상기 축 방향의 위치에 따라서 다르게 하는, 회전 전기 기기.
  17. 제2항에 있어서, 상기 회전자는, 상기 자석의 배치를 상기 축 방향의 위치에 대응하여 상기 회전축의 주위 방향으로 어긋나게 하는 제1 스큐 구조와, 상기 자기적 공극의 배치를 상기 축 방향의 위치에 대응하여 상기 회전축의 주위 방향으로 어긋나게 하는 제2 스큐 구조를 갖는, 회전 전기 기기.
  18. 제1항에 있어서, 상기 고정자 권선은 분포권으로 권회되어 있는, 회전 전기 기기.
  19. 제1항에 기재된 회전 전기 기기와,
    직류 전력을 공급하는 배터리와,
    상기 배터리의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 상기 회전 전기 기기에 공급하는 변환 장치를 구비하고,
    상기 회전 전기 기기의 토크를 구동력으로서 사용한, 전기 자동차.
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