KR101624070B1

KR101624070B1 - 영구 자석형 회전 전기 및 차량 구동 시스템

Info

Publication number: KR101624070B1
Application number: KR1020147028924A
Authority: KR
Inventors: 겐타 가네코; 모리유키 하제야마
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2012-04-23
Filing date: 2012-04-23
Publication date: 2016-05-24
Also published as: EP2843802A1; CN104247214B; CN104247214A; US20150077034A1; KR20140143799A; US9685829B2; EP2843802B1; WO2013160988A1; EP2843802A4

Abstract

회전자 철심(6)에는 영구 자석(9a)을 매립하는 자석 삽입 구멍(9)이 회전자(5)의 외주면을 향해 개략 U자 형상으로 늘어서 마련되고, 자석 삽입 구멍(9)에 매립된 영구 자석(9a)의 착자 방향에 직교하는 방향의 양측면부에는 공동부(9b)가 형성되고, 복수 개의 영구 자석으로 이루어지는 하나의 극의 영구 자석 그룹에서는, 영구 자석이 매립된 하나의 자석 삽입 구멍(9)과 인접하는 자석 삽입 구멍(9)의 사이, 혹은 당해 하나의 자석 삽입 구멍(9)과 회전자 철심(6)의 외주부의 사이에는 회전자 철심(6)의 회전축(51)의 방향으로 관통하는 통풍 구멍(7)이 마련되고, 통풍 구멍(7)은 자석 삽입 구멍(9)과 함께 개략 U자 형상을 이루는 위치에 배치된다.

Description

영구 자석형 회전 전기 및 차량 구동 시스템{PERMANENT MAGNET-TYPE ROTARY ELECTRIC MACHINE AND VEHICLE DRIVE SYSTEM}

본 발명은 차량용 전동기 등의 회전 전기(電機)(rotary electric machine)에 관한 것으로, 특히, 회전자의 내부에 영구 자석을 배치한 영구 자석형 회전 전기에 있어서의 회전자의 구조에 관한 것이다.

회전자의 내부에 영구 자석을 배치한 회전 전기의 하나로, 영구 자석을 내장한 전동기(영구 자석형 전동기)가 있다. 이 영구 자석형 전동기는, 각종의 분야에서 널리 사용되고 있는 유도 전압기와 비교하여, 회전자에 내장된 영구 자석에 의한 자속이 확립되어 있으므로 여자(勵磁) 전류가 불필요한 점이나, 유도 전압기와 같이 회전자 도체에 전류가 흐르지 않기 때문에, 2차 동손(copper loss)이 발생하지 않는 점 때문에, 고효율인 전동기로서 알려져 있다. 철도 차량에는, 종래부터 유도 전압기가 사용되어 왔지만, 근년, 효율의 향상, 소형 고출력화, 냉각 구조의 간소화를 도모하기 위해서 영구 자석형 동기 전동기의 적용이 검토되고 있다.

또한, 영구 자석형 전동기에는, 회전자의 표면에 영구 자석을 장착한 표면 자석 구조의 전동기(SPM 모터：Surface Permanent Magnet Motor)와, 회전자의 내부에 영구 자석을 매립한 매립 자석 구조의 전동기(IPM 모터：Interior Permanent Magnet Motor)로 대별된다. 그런데, 차량용 전동기는 매분 수천 회전으로 회전하기 때문에, 고속 회전시에 있어서의 영구 자석의 내원심력 강도를 확보할 필요가 있다. 이 때문에, 차량용 전동기로서는, 거의 IPM 모터로 한정된다고 해도 좋다.

종래, 차량용 전동기를 구동하기 위한 인버터에서는, 규소(Si)를 베이스로 하여 형성된 스위칭 소자(이하 「Si 소자」라고 함)가 일반적으로 이용되고 있었다. 이 때문에, IPM 모터와 인버터를 포함한 종합 효율을 향상시키기 위해서는, IPM 모터에 흐르는 전류(모터 전류)를 저감시킬 필요가 있어, 필요한 모터 출력을 확보하는데 있어서, IPM 모터의 출력전압은 높게 할 필요가 있었다. 예를 들면, 하기 특허 문헌 1에서는, IPM 모터의 최대 회전수에 있어서, IPM 모터의 무부하 유기 전압이 가선 전압 이상으로 되어 있다.

또, 특허 문헌 2에서는, 회전자의 자석을 1극당 2개, V자형으로 배치한 IPM 모터로, V자형의 중앙부에 냉각용의 전열부재가 들어간 형상이 개시되어 있다.

특허 문헌 1: 일본국 특개 2008－79418호 공보 특허 문헌 2: 일본국 특개 2011－259691호 공보

상기와 같이 종래의 차량용 전동기(IPM 모터)에서는, 무부하 유기 전압이 가선 전압 이상으로 되어 있었다. 이 때문에, 예를 들면 IPM 모터의 단자간에 가선 전압 이상의 유기 전압이 생겨 있을 때 인버터가 고장났을 경우에는, IPM 모터로부터 가선측으로 흐르려고 하는 전류의 제어가 필요해, 부품 점수가 증가하여, 제어가 복잡하게 된다고 하는 과제가 있었다. 또한, 무부하 유기 전압을 가선 전압 이하로 하는 것은, 예를 들면 IPM 모터의 고정자 권선의 턴수를 줄이거나, 고정자 권선의 병렬 회로수를 늘림으로써 대응할 수 있다. 그렇지만, 이 수법에서는, IPM 모터의 저항값이나 인덕턴스가 작아져, IPM 모터의 고정자에 고조파 전류가 중첩되기 쉬워져, IPM 모터의 철손(iron loss)이 증가한다고 하는 다른 과제가 생겨, IPM 모터와 인버터 등의 구동 회로를 포함한 종합 효율의 향상에 대한 제약이 되고 있었다.

또, 상기 특허 문헌 2에 나타난 것과 같은 전열부재의 배치에서는, 자기 저항 토크(reluctance torque)의 자로(磁路)를 방해하는 위치에 있기 때문에, 자기 저항 토크가 저하해 버린다고 하는 과제가 있었다.

본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 영구 자석의 양을 삭감하면서, 자기 저항 토크의 저하를 억제하여, 인버터 등의 구동 회로를 포함한 종합 효율의 향상을 가능하게 하는 영구 자석형 회전 전기 및 차량 구동 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 과제를 해결하여, 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 와이드 밴드 갭 반도체에 의한 스위칭 소자를 구비하는 인버터에 의해 구동되고, 슬롯의 내부에 고정자 코일을 수납해서 이루어지는 고정자와, 상기 고정자에 회전 공극(rotation gap)을 통해서 회전 가능하게 배치되는 회전자 철심을 가지고, 이 회전자 철심의 내부에 1극당 복수 개의 영구 자석이 매립되는 회전자를 구비하고, 상기 회전자 철심에는, 상기 영구 자석을 매립하는 자석 삽입 구멍이 회전자의 외주면(外周面)을 향해 개략 U자 형상으로 늘어서 마련되고, 상기 각 자석 삽입 구멍에 매립된 영구 자석의 착자 방향에 직교하는 방향의 양측면부에는 공동부(hollow portion)가 형성되고, 상기 복수 개의 영구 자석으로 이루어지는 하나의 극의 영구 자석 그룹에서는, 상기 영구 자석이 매립된 하나의 자석 삽입 구멍과 인접하는 자석 삽입 구멍의 사이 혹은, 당해 하나의 자석 삽입 구멍과 상기 회전자 철심의 외주부의 사이에는 상기 회전자 철심의 축방향으로 관통하는 통풍 구멍이 마련되고, 상기 통풍 구멍은 상기 자석 삽입 구멍과 함께 상기 개략 U자 형상을 이루는 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 통풍 구멍이 자로를 따라, 또한 자석에 인접해서 배치되기 때문에, 자기 저항 토크의 자로를 방해하는 일 없이 영구 자석을 냉각시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다. 또, 인버터에 와이드 갭 반도체를 이용하고 있기 때문에, 인버터 등의 구동 회로를 포함한 종합 효율을 향상시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 영구 자석형 회전 전기의 일례인 영구 자석형 전동기의 축방향 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시한 영구 자석형 전동기에 있어서의 A－A선 방향에서 본 단면도이다.
도 3은 자기 저항 토크에 의한 자로를 도 2의 단면도상에 나타낸 부분 단면도이다.
도 4는 영구 자석형 전동기의 회전수와 무부하 유기 전압의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 5는 전동기 제어의 새로운 제어 수법을 종래 수법과 비교하여 설명하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 새로운 수법을 실행하는 차량 구동 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 형태 2에 있어서의 회전자 구조를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 8은 실시 형태 2에 있어서의 통풍 구멍의 배치 위치를 설명하는 도면이다.
도 9는 실시 형태 3에 있어서의 회전자 구조를 설명하기 위한 부분 단면도이다.
도 10은 실시 형태 3에 있어서의 통풍 구멍의 배치 위치를 설명하는 도면이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 영구 자석형 회전 전기 및 차량 구동 시스템에 대해 설명한다. 또한, 이하에 나타내는 실시 형태에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.

실시 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 영구 자석형 회전 전기의 일례인 영구 자석형 전동기(1)의 축방향 단면도이다. 도 1에 있어서, 회전축 구동측부(51a)는, 예를 들면 철도 차량용의 경우, 커플링(도시하지 않음) 및 감속 톱니바퀴(도시하지 않음)를 통해서 철도 차량의 차축(도시하지 않음)에 연결되고, 차축에 장착된 차륜(도시하지 않음)을 구동하여 차량을 주행시키도록 구성된다.

회전축(51)에 일체화된 회전자 철심(6)을 가지고 구성되는 회전자(5)에는, 회전축(51)의 축방향으로 관통한 복수 개의 통풍 구멍(7)이 형성되어 있다. 냉각용 팬(52)은, 흡기구(53)를 통해서 취한 냉각풍(58)을 통풍 구멍(7)에 통과시킨 후에 배기구(56)를 통해서 배출시킬 수 있도록 회전축 구동측부(51a)에 탑재(mount)되어 있다.

프레임(54)의 기내 측에는, 고정자 철심(3)이 회전자 철심(6)과 대향하도록 배치되고, 이 고정자 철심(3)에는 고정자 권선(4)이 장착되어 있다. 또한, 고정자(2)는 고정자 철심(3)과 고정자 권선(4)으로 구성된다.

다음으로, 고정자(2) 및 회전자(5)의 구조에 대해 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 도 1에 도시한 영구 자석형 전동기에 있어서의 A－A선 방향에서 본 단면도이다.

고정자 철심(3)은 원통 형상을 이루고, 내주부(內周部)측에, 예를 들면 36개의 슬롯(3a)을 등각 피치로, 또한, 간헐적으로 형성하는 것에 의해서 36개의 티스(teeth)(3b)가 형성되어 있다. 슬롯(3a)에는, 고정자 권선(4)이 티스(3b)의 소정 개수 분을 내부에 포함하도록 예를 들면 분포권(分布捲)으로 권장(捲裝)되어 수납된다.

회전자(5)는, 예를 들면 소정 매수의 자성 강판을 적층 및 일체화하여 제작되고, 외주면이 원통면을 이루며, 2개의 자석 삽입 구멍(9)과 1개의 통풍 구멍(7)을 1세트로 하고, 이들 1세트가 등각 피치로 6세트(즉, 전부 12개의 자석 삽입 구멍(9)과 6개의 통풍 구멍(7)) 배열되도록 형성된 회전자 철심(6)과, 각 자석 삽입 구멍(9) 내에 각각 수납된 영구 자석(9a)을 구비하고, 고정자(2)에 대해 회전 공극(18)을 통해서 회전 가능해지도록 배치되어 있다. 또한, 자석 삽입 구멍(9) 내에 영구 자석(9a)을 매립하였을 때, 영구 자석(9a)의 양측면부에는 공동부(hollow portion)(9b)가 형성된다.

2개의 자석 삽입 구멍(9)과 1개의 통풍 구멍(7)에 의한 1세트는, 회전자 철심(6)의 외주면(외주 방향)을 향해 열리도록(환언하면, 회전자 중심을 향해 볼록형이 되도록) 개략 U자 형상으로 배치(형성)되어 있다. 이들 1세트에서는, 외주측의 양단부에 자석 삽입 구멍(9)이 위치하고, 중앙부(회전축(51)측)에 통풍 구멍(7)이 위치한다. 영구 자석(9a)은, 화살표로 나타내는 착자(着磁) 방향(자속의 방향)이 인접하는 세트와의 사이에서 교호(交互)가 되도록 배치된다. 즉, 실시 형태 1의 영구 자석형 전동기(1)에 있어서의 회전자(5)에서는, 영구 자석(9a)에 의한 착자 방향이 회전자(5)의 외주면을 향해서 수렴하는 방향으로 착자된 영구 자석 그룹과, 회전자(5)의 중심부를 향해서 발산하는 방향으로 착자된 영구 자석 그룹이 교호로 배열되도록 구성되어 있다.

또한, 도 2에서는, 영구 자석 그룹에 의한 착자 방향을 상기와 같이 구성한 것은, 고정자 코일의 유기 전압을 정현파(正弦波) 모양으로 하기 위함이며, 고정자 코일의 유기 전압을 정현파 모양으로 할 필요가 없는 용도에서는, 그렇지만은 아니하다. 즉 회전자(5)의 외주면을 향하는 방향 또는 회전자(5)의 중심부를 향하는 방향으로 착자된 각 영구 자석 그룹의 각 착자 방향이 평행이어도 상관없다.

또, 도 2에서는, 36개의 슬롯(3a)이 고정자(2)의 원주 방향으로 등각 피치로 배열되고, 6세트의 영구 자석 그룹을 이루는 12개의 영구 자석(9a)이 회전자 철심(6)의 원주 방향에 매립되고, 추가로 1개의 통풍 구멍(7)을 하나의 자석 삽입 구멍(9)과 다른 자석 삽입 구멍(9)의 사이에 마련함으로써, 2개의 영구 자석(9a)과 1개의 통풍 구멍(7)을 1세트로 하는 영구 자석 그룹을 6세트 가지는 영구 자석형 전동기를 일례로서 나타내고 있지만, 전동기의 극 수나 슬롯의 수 및 영구 자석의 수, 통풍 구멍의 수 등은, 도 1의 구성으로 한정되는 것이 아니며, 소정 수의 선택이 가능하다.

또한, 자석 삽입 구멍(9)에 매립되는 영구 자석(9a)으로서는, 예를 들면 희토류 원소(rare earth)라고 칭해지는 원소 중 하나인 네오디뮴(neodymium)(Nd)을 주성분으로 하는 영구 자석이 매우 적합하다.

다음으로, 영구 자석형 전동기에 있어서의 토크 발생 원리에 대해 설명한다. 영구 자석형 전동기에서는, 영구 자석으로 만드는 자속과 고정자 권선(4)으로 만드는 자속의 상호작용에 의한 토크(소위, 마그넷 토크)와, 회전자(5)의 표면의 철심 부분과 고정자 권선(4)으로 만드는 자속의 상호작용에 의한 토크(소위, 자기 저항 토크)의 2 종류가 있다. 여기서, 실시 형태 1의 영구 자석형 전동기에 있어서의 자기 저항 토크의 자로(磁路)를 도 3에 나타낸다. 이 도 3에 도시한 바와 같이, 자기 저항 토크의 자로(15)는 회전자 철심(6)의 내부에 있는 2개의 영구 자석(9a)과 1개의 통풍 구멍(7)의 형상(U자 형상)에 따른 경로로 토크를 생성한다.

통풍 구멍(7)은 회전자 철심(6)을 냉각시키는 목적으로 마련한 구멍이며, 상술한 바와 같이 회전자(5)의 주변부에 마련한 냉각용 팬(52)에 의해서 통풍 구멍(7)에 냉각풍을 통류(通流)시킴으로써 냉각을 실현한다. 그러므로, 자기 저항 토크의 자로(15)를 저해하지 않는 위치에 통풍 구멍(7)을 마련함으로써, 자기 저항 토크의 유효 이용이 가능하게 된다. 또, 회전자 철심(6)을 냉각시킴으로써 자석 삽입 구멍(9)에 매립한 영구 자석(9a)의 냉각도 가능해진다.

또한, 도 2 및 도 3에서는, 통풍 구멍(7)의 단면을 구형(矩形) 형상으로 형성하고 있지만, 이 형상으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제작 용이성의 관점에서 단면을 원형 형상으로 형성해도 좋다.

다음으로, 영구 자석(9a) 및 통풍 구멍(7)을 도 3에 도시한 것과 같은 배치 구성으로 한 것에 의한 효과에 대해 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 영구 자석형 전동기의 회전수와 무부하 유기 전압의 관계를 나타내는 시뮬레이션 결과이다. 도 4에 있어서, 백 사각으로 도시한 파형은, U자 형상의 측면부(외주측의 양단부)에 위치하는 2개의 자석 삽입 구멍(9)에 영구 자석(9a)을 넣었을 경우의 무부하 유기 전압의 시뮬레이션값이며, 흑 삼각으로 도시한 파형은, 통풍 구멍(7)의 위치에도 영구 자석을 넣었을 경우의 무부하 유기 전압의 시뮬레이션값이다. 또한, 세로축에 도시한 수치는, 무부하 유기 전압을 가선 전압으로 규격화한 값을 나타내고 있다. 또, 이 시뮬레이션에서는, 고정자 권선 등의 조건은 동일하게 하고 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 3개의 영구 자석을 매립하였을 경우에는, 고속 회전 영역(도 4의 예에서는, 3500［r/min］이상의 회전 영역)에 있어서, 무부하 유기 전압이 가선 전압 이상이 되어 있는 것을 알 수 있다. 이러한 경우, 고정자 권선(4)의 턴수를 줄이면, 고속 회전 영역의 무부하 유기 전압을 가선 전압에 근접시킬 수 있다. 그렇지만, 차량용 전동기에서는, 필요 토크와 스위칭 소자의 전류 상한치에 따라서 무부하 유기 전압의 하한치가 결정되기 때문에, 종래의 Si 소자를 이용한 인버터(Si 인버터)의 경우에는, 전류 상한치가 작기 때문에 무부하 유기 전압의 최대치가, 가선 전압 이상이 되어 버리는 것은 필연이다.

한편, 탄화규소(SiC)나 질화 갈륨(GaN) 등으로 대표되는 와이드 갭 반도체 소자를 이용했을 경우, 인버터의 스위칭 소자에서 발생하는 손실이 작기 때문에, 스위칭 소자에 통전 가능한 전류는, Si 소자에 비하여 2배 이상이 된다. 그 때문에, 2개의 영구 자석을 매립하였을 경우처럼 고속 회전 영역의 무부하 유기 전압이 가선 전압보다도 작은 경우더라도(도 4 참조), 스위칭 소자에 통전(通電)하는 전류를 증가시킴으로써 필요 토크의 생성이 가능해진다.

따라서 인버터의 스위칭 소자로서 탄화규소(SiC)와 같은 와이드 갭 반도체 소자를 이용했을 경우, 네오디뮴(Nd)을 주성분으로 하는 영구 자석(9a)의 개수를 종래의 것보다도 2/3개로 저감시킬 수 있다. 이것에 의해, 영구 자석형 전동기의 저비용화를 도모할 수 있다. 또, 회전자(5)의 내부에서 발생하는 자속을 줄일 수 있으므로, 전동기 손실의 주된 요인인 철손의 저감도 가능해진다.

또, 차량용 전동기에서 사용되는 영구 자석은, 자석의 내고온 성능을 향상시키기 위해서, 네오디뮴(Nd)에 더하여 디스프로슘(dysprosium)(Dy)이나, 테르븀(terbium)(Tb) 등의 네오디뮴(Nd)보다도 더욱 희소가치(scarcity value)가 높은 원소 재료를 첨가하는 것이 행해진다. 이 때문에, 차량용 전동기에서 사용되는 영구 자석은, 재료 코스트가 매우 비싸진다. 반면에, 본 실시 형태에서 개시한 기술, 즉, U자 형상의 측면부에만 2개의 영구 자석을 배치하는 기술을 채용하면, 회전자(5)의 냉각 성능을 높일 수 있으므로, 영구 자석의 내고온 성능의 스펙을 낮출 수 있어, 자석 코스트의 추가 저감이 가능해진다.

또한, 가선 전압은 그 중심치의 ±20%(예를 들면 1500V 가선이면 1200~1800 V)의 범위 내에서 변동한다. 이 때문에, 무부하 유기 전압의 상한치를 가선 전압의 0.8배 이하로 설정해 두면, 가선 전압이 변동했을 경우에도, 가선 전압이 무부하 유기 전압의 상한치를 넘는 일 없이, 특별한 제어를 행하는 일 없이, 전동기의 최대 회전수까지 동작시키는 것이 가능해진다.

또, 무부하 유기 전압을 가선 전압 이하로 할 수 있으면, 차량용 전동기에 있어서의 전(全)속도 영역에 걸쳐서 PWM 제어만으로 제어 가능해진다. 이 점에 대해서, 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 전동기 제어의 새로운 제어 수법을 종래 수법과 비교하여 설명하는 도면이다. 도 5에 있어서, 굵은 실선으로 도시한 파형은 새로운 수법을 이용했을 경우의 목표 전류(전동기에 대한 목표 전류, 이하 같음)이며, 굵은 파선으로 도시한 파형은 새로운 수법을 이용했을 경우의 목표 전압(전동기에 대한 목표 전압, 이하 같음)이다. 한편, 일점 쇄선으로 도시한 파형은 종래 수법을 이용했을 경우의 목표 전류이며, 2점 쇄선으로 도시한 파형은 종래 수법을 이용했을 경우의 목표 전압이다.

종래 수법에 따르는 전동기 제어에서는, 도 5에 도시한 바와 같이, 전동기의 회전수가 어느 소정치까지는 목표 전류를 일정하게 하고, 또한 목표 전압을 회전수에 따라 비례적으로 상승시키는 PWM 제어 모드에서 제어를 행하지만, 회전수가 소정치 이상에서는, 동기 펄스 모드 등의 복수 펄스 모드의 사이에 있어서는 목표 전압을 일정하게 제어하는 제어 모드(비PWM 제어 모드)에서 제어를 행하고 있었다. 이러한 비PWM 제어 모드에서 제어를 행하는 이유 중 하나에 전술한 무부하 유기 전압의 문제가 있었다.

한편, 예를 들면 인버터의 스위칭 소자로서 탄화규소(SiC), 질화 갈륨(GaN) 등의 와이드 갭 반도체 소자를 이용했을 경우에는, Si 소자의 2배 이상의 전류를 흘릴 수 있으므로, 도 5에 도시한 새로운 수법을 채용할 수 있다. 이 새로운 수법에서는, 전동기의 최대 회전수까지의 영역(전제어 영역)에 있어서, 목표 전류를 일정하게 하고, 또한 목표 전압을 회전수에 따라 비례적으로 증가시키는 PWM 제어 모드에서 제어를 행한다. 목표 전압은 종래 수법에 비하여 작지만, 목표 전압을 종래 수법에 비하여 큰 값으로 하고 있으므로, 종래와 동등(혹은 동등 이상)의 소요 토크의 확보가 가능하게 되어 있다. 또한, 이 새로운 수법을 채용하면, 예를 들면 고속 타행(惰行)시여도 회생 브레이크의 사용이 가능해지므로, 회생 에너지를 유효하게 활용할 수 있어 소비 전력량의 삭감이 가능하게 됨과 아울러, 기계 브레이크의 사용 빈도를 억제함으로써 기계 브레이크의 마모를 억제할 수 있어, 기계 브레이크의 수명의 연장이 가능해진다.

도 6은 상술한 새로운 수법을 실행하는 차량 구동 시스템의 일 구성예를 나타내는 도면이다. 이 차량 구동 시스템(61)은, 도 6에 도시한 바와 같이, 적어도 차단기, 필터 콘덴서, 필터 리액터를 포함하는 입력 회로(62), 스위칭 소자(64a, 65a, 66a, 64b, 65b, 66b)를 구비하고, 전기차를 구동하기 위한 적어도 1대 이상의 전동기(68)를 접속하여 이루어지는 인버터(63), 및 인버터(63)에 구비되는 스위칭 소자(64a, 65a, 66a, 64b, 65b, 66b)를 PWM 제어하기 위한 PWM 신호 U, V, W, X, Y, Z를 각각 생성하여 출력하는 제어부(67)를 구비하여 구성된다. 또한, 인버터(63)에 접속되는 전동기(68)로서는, 상술한 영구 자석형 전동기(1)를 이용하는 것이 매우 적합하다.

또, 도 6에 있어서, 입력 회로(62)의 일단은 집전장치(71)를 통해서 가선(70)에 접속되고, 타단은 차륜(73)을 통해서 대지 전위인 레일(72)에 접속되어 있다. 가선(70)으로부터 공급되는 직류 전력 또는 교류 전력은, 집전장치(71)를 통해서 입력 회로(62)의 일단에 입력됨과 아울러, 입력 회로(62)의 출력단에 생긴 전력(직류 전압)이 인버터(63)에 입력(인가)된다. 또한, 도 6에서는, 가선(70)을 직류 가선으로서 나타내고 있지만, 가선(70)이 교류 가선이어도 상관없다. 교류 가선인 경우, 세부의 설계 사항을 제외하고, 입력 회로(62)의 전단(前段)에 변압기를 마련하는 구성으로 하면 좋다.

인버터(63)는 스위칭 소자(64a, 65a, 66a)로 구성되는 양측 암(예를 들면 U상에서는 64a)과, 스위칭 소자(64b, 65b, 66b)로 구성되는 음측 암(예를 들면 U상에서는 64b)이 각각 직렬로 접속된 레그를 가지고 있다. 즉, 인버터(63)에는, 3세트(U상분, V상분, W상분)의 레그를 가지는 삼상 브릿지 회로가 구성되어 있다. 여기서, 스위칭 소자(64a, 65a, 66a, 64b, 65b, 66b)로서는, 와이드 밴드 갭 반도체(SiC, GaN 등)를 이용한 스위칭 소자를 이용한다. 또한, 도 6의 예에서는, 레그수가 3(3상)인 경우의 구성예를 나타내고 있지만, 이 레그수로 한정되는 것은 아니다.

인버터(63)는 제어부(67)로부터 출력되는 스위칭 신호(PWM 신호) U, V, W, X, Y, Z에 기초하여 스위칭 소자(64a, 65a, 66a, 64b, 65b, 66b)를 PWM 제어함으로써, 입력 회로(62)로부터 입력된 직류 전압을 임의 주파수 및 임의 전압의 교류 전압으로 변환하여 출력한다. 여기서, 스위칭 신호 U, V, W는, 각각 스위칭 소자(64a, 65a, 66a)(즉 양측 암의 스위칭 소자)를 PWM 제어하기 위한 제어 신호이고, 마찬가지로, 스위칭 신호 X, Y, Z는, 각각 스위칭 소자(64b, 65b, 66b)(즉 음측 암의 스위칭 소자)를 PWM 제어하기 위한 제어 신호이다. 또한, PWM 제어를 행하기 위한 제어부(67)의 구성이나, 가선(70)으로부터의 전력을 취하여 인버터(63)에 공급하는 입력 회로(62)의 구성은 공지이기 때문에, 여기서의 상세한 설명은 생략 한다.

실시 형태 2.

도 7은 실시 형태 2에 있어서의 회전자 구조를 설명하기 위한 부분 단면도이다. 실시 형태 2에서는, 도 7에 도시한 바와 같이, 1극당 3개의 자석 삽입 구멍(10a1~10a3)과, 2개의 통풍 구멍(11a1, 11a2)을 마련하는 구조로서, 중앙부의 자석 삽입 구멍(10a1)에는 영구 자석(12a1)이 매립되고, 양단부의 자석 삽입 구멍(10a2, 10a3)에는 영구 자석(12a2, 12a3)이 매립되어 있다. 매립된 영구 자석의 사이, 구체적으로는, 영구 자석(12a1)과 영구 자석(12a2)의 사이 및 영구 자석(12a1)과 영구 자석(12a3)의 사이에는, 회전자 철심(6) 및 영구 자석(12a1~12a3)을 냉각시키기 위한 통풍 구멍(11a1, 11a2)이 마련되어 있다. 또한, 누설 자속 저감을 위해, 영구 자석을 매립한 후의 양단부에 누설 자속 방지용 구멍이 형성되도록 자석 삽입 구멍의 크기를 영구 자석보다도 크게 하고 있는 것은 실시 형태 1과 마찬가지이다.

여기서, 통풍 구멍(11a1, 11a2)에 대해서는, 실시 형태 1에서 설명한 것과 마찬가지로, 자기 저항 토크의 자로(15)를 방해하지 않는 위치에 마련하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 실시 형태 1과 마찬가지로, 영구 자석(12a1, 12a2, 12a3)을 연결하는 U자 형상의 곡선 내에 통풍 구멍(11a1, 11a2)이 위치하도록 마련하도록 하고 있다. 또한, 통풍 구멍(11a1, 11a2)의 위치를 보다 정량적으로 특정한다고 한다면, 예를 들면 도 8에 도시한 것과 같은 배치로 하면 좋다.

도 8에 있어서, 하나의 극의 영구 자석 그룹의 중앙부에 위치하는 영구 자석(12a1)(혹은 자석 삽입 구멍(10a1))의 길이 방향을 연장한 방향을 L1이라고 하고, 영구 자석 그룹의 양단부(최외주부)의 한쪽 측에 위치하는 영구 자석(12a2)(혹은 자석 삽입 구멍(10a2))의 길이 방향을 연장한 방향을 L2라고 하고, 통풍 구멍(11a1)의 길이 방향을 연장한 방향을 L3라고 한다. 이때, 방향 L3와 방향 L1이 이루는 각이, 방향 L2와 방향 L1이 이루는 각의 개략 1/2이 되도록 통풍 구멍(11a1)을 배치한다. 통풍 구멍(11a2)에 대해서도 마찬가지로서, 영구 자석(12a1)(혹은 자석 삽입 구멍(10a1))과 영구 자석(12a3)(혹은 자석 삽입 구멍(10a3))의 관계에 기초하여 위치 결정할 수 있다. 이와 같이 배치함으로써, 자기 저항 토크의 자로를 저해하지 않는 위치에 통풍 구멍(11a1, 11a2)을 마련할 수 있어, 자기 저항 토크의 유효 이용을 도모할 수 있다.

실시 형태 3.

도 9는 실시 형태 3에 있어서의 회전자 구조를 설명하기 위한 부분 단면도이다. 실시 형태 3은, 도 9에 도시한 바와 같이, 1극당 2개의 자석 삽입 구멍(20a1, 20a2)과, 3개의 통풍 구멍(21a1~21a3)을 마련하는 구조로서, 중앙부의 통풍 구멍(21a1)의 우측에 위치하는 자석 삽입 구멍(20a1)에는 영구 자석(22a1)이 매립되고, 중앙부의 통풍 구멍(21a1)의 좌측에 위치하는 자석 삽입 구멍(20a2)에는 영구 자석(22a2)이 매립되어 있다. 또, 영구 자석(22a1)과 영구 자석(22a2)의 사이, 및 영구 자석(22a1)과 회전자 철심(6)의 외주부의 사이 및 영구 자석(22a2)과 회전자 철심(6)의 외주부의 사이에는, 회전자 철심(6) 및 영구 자석(22a1, 22a2)을 냉각시키기 위한 통풍 구멍(21a1~21a3)이 마련되어 있다. 또한, 누설 자속 저감을 위해, 영구 자석을 매립한 후의 양단부에 누설 자속 방지용 구멍이 형성되도록 자석 삽입 구멍의 크기를 영구 자석보다도 크게 하고 있는 점에 대해서는, 실시 형태 1, 2와 마찬가지이다.

여기서, 통풍 구멍(21a1~21a3)에 대해서는, 실시 형태 1, 2에서 설명한 것과 마찬가지로, 자기 저항 토크의 자로(15)를 방해하지 않는 위치에 마련하는 것이 바람직하다. 그 때문에, 실시 형태 1, 2와 마찬가지로, 영구 자석(22a1, 22a2)을 연결하는 U자 형상의 곡선 내, 및 이 U자 형상의 곡선을 회전자 철심(6)의 외주부로 연장한 곡선 내에 통풍 구멍(21a1~21a3)이 위치하도록 마련하도록 하고 있다. 또한, 영구 자석(22a1, 22a2) 및 통풍 구멍(21a1~21a3)의 위치를 보다 정량적으로 특정한다고 한다면, 예를 들면 도 9에 도시한 것과 같은 배치로 하면 좋다.

도 9에 있어서, 통풍 구멍(21a1~21a3)으로 이루어지는 통풍 구멍 그룹, 즉 하나의 극의 통풍 구멍 그룹의 중앙부에 위치하는 통풍 구멍(21a1)의 길이 방향을 연장한 방향을 K1이라고 하고, 통풍 구멍 그룹의 양단부(최외주부)의 한쪽 측에 위치하는 통풍 구멍(21a2)의 길이 방향을 연장한 방향을 K2라고 하고, 영구 자석(22a1)의 길이 방향을 연장한 방향을 K3라고 한다. 이때, 방향 K3와 방향 K1이 이루는 각이 방향 K2와 방향 K1이 이루는 각의 개략 1/2이 되도록 영구 자석(22a1)을 삽입하는 자석 삽입 구멍(20a1)을 배치한다. 영구 자석(22a2)에 대해서도 마찬가지로서, 통풍 구멍(21a1)과 통풍 구멍(21a3)의 관계에 기초하여 위치 결정할 수 있다. 이와 같이 배치함으로써, 자기 저항 토크의 자로를 저해하지 않는 위치에 통풍 구멍(21a1~21a3) 및 자석 삽입 구멍(20a1, 20a2)을 마련할 수 있어, 자기 저항 토크의 유효 이용을 도모할 수 있다.

이상, 실시 형태 1~3에 따른 회전자 구조에 대해 설명했지만, 실시 형태 1~3을 설명하는 각 도면을 참조하면, 1극당의 영구 자석(자석 삽입 구멍)과 통풍 구멍의 사이에는, 이하의 관계를 볼 수 있다.

(1) 외주부에는, 영구 자석이 배치되어 있어도, 통풍 구멍이 배치되어 있어도 된다.

(2) 외주부측에 위치하는 영구 자석을 제외하고, 영구 자석의 양측에는 통풍 구멍이 마련된다.

(3) 영구 자석 및 통풍 구멍의 수는 홀수여도 짝수여도 된다.

(4) 영구 자석의 수보다도 통풍 구멍의 수가 많아도 되고, 이 반대여도 된다.

(5) 영구 자석의 수와 통풍 구멍의 수의 합은 홀수이다.

또한, 상기 (5) 항은 본원 발명의 본질적인 점이며, 편의적인 의미에서의 특징은 아니다. 예를 들면, 도 3에 있어서, 중앙부에 위치하는 통풍 구멍(7)을 2분할로 구성하면, 영구 자석의 수와 통풍 구멍의 수의 합은 짝수가 되지만 이러한 세는 방법은, 본질적은 아니다. 통풍 구멍(7)으로서의 기능을 감안하면, 통풍 구멍(7)의 수는 1이다. 이 점은, 영구 자석에 대해서도 마찬가지이다.

이상과 같이, 실시 형태 1~3의 영구 자석형 회전 전기에서는, 회전자 철심에는 복수 개의 영구 자석을 매립하는 자석 삽입 구멍을 회전자의 외주면을 향해 개략 U자 형상으로 늘어놓아 마련하고, 하나의 극의 영구 자석 그룹에 있어서의 영구 자석이 매립된 하나의 자석 삽입 구멍과 인접하는 자석 삽입 구멍의 사이 혹은 당해 하나의 자석 삽입 구멍과 회전자 철심의 외주부의 사이에 회전자 철심의 축방향으로 관통하고, 또한 자석 삽입 구멍과 함께 개략 U자 형상을 이루는 위치에 통풍 구멍을 배치하는 구성으로 했다. 이러한 구성은, 와이드 밴드 갭 반도체를 베이스로 하는 스위칭 소자에 의해 구성되는 인버터로 영구 자석형 회전 전기를 구동하는 것에 적지않은 요인이 있다.

즉, 인버터에 와이드 갭 반도체를 이용하고 있기 때문에, 상술한 새로운 수법으로 영구 자석형 회전 전기를 구동할 수 있다. 그 결과, 영구 자석의 양을 삭감할 수 있으므로, 삭감한 스페이스에 냉각용 통풍 구멍을 마련하는 것이 가능해진다. 또, 상술한 구성에 의해, 자기 저항 토크의 자로를 방해하는 일 없이 냉각용 통풍 구멍을 마련하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 영구 자석의 양을 삭감하면서, 자기 저항 토크의 저하를 억제하는 것이 가능해진다.

또, 실시 형태 1~3의 영구 자석형 회전 전기에서는, 영구 자석의 양을 삭감한 스페이스에 냉각용 통풍 구멍을 마련할 수 있으므로, 영구 자석의 냉각 성능을 향상하는 것이 가능해진다. 그 결과, 회전자의 냉각 성능, 나아가서는, 회전 전기의 성능 저하를 억제할 수 있어, 인버터 등의 구동 회로를 포함한 종합 효율의 추가 향상에 기여하는 것이 가능해진다.

또, 실시 형태 1~3의 영구 자석형 회전 전기에 의하면, 회전자의 냉각 성능 향상에 의해 영구 자석의 내고온 성능의 스펙을 종래의 것보다도 낮출 수 있으므로, 영구 자석의 코스트를 내릴 수 있다고 하는 효과가 얻어진다.

또, 실시 형태 1~3의 영구 자석형 회전 전기에 의하면, 통풍 구멍을 자석 삽입 구멍과 함께 개략 U자 형상을 이루는 위치에 배치하는 구성으로 했다. 이러한 통풍 구멍의 배치 위치는, 자기 저항 토크의 자로를 방해하지 않고, 또한 마그넷 토크의 자로를 방해하는 위치도 아니다. 예를 들면, 도 3에 있어서, 통풍 구멍(7)의 위치가 회전자 철심(6)의 외주측에 있는 경우, 영구 자석(9a, 9a)으로부터 고정자 철심(3)을 향하는 자로의 방해가 된다. 반면에, 실시 형태 1~3의 구성에서는, 회전자 철심(6)의 외주부로부터 중심축측의 위치에 마련되므로, 마그넷 토크의 저하도 억제할 수 있다고 하는 효과가 있다.

[산업상의 이용 가능성]

이상과 같이, 본 발명은 영구 자석의 양을 삭감하면서, 자기 저항 토크의 저하를 억제할 수 있는 영구 자석형 회전 전기로서 유용하다.

1: 영구 자석형 전동기
2: 고정자
3: 고정자 철심
3a: 슬롯
3b: 티스
4: 고정자 권선
5: 회전자
6: 회전자 철심
7, 11a1, 11a2: 통풍 구멍
9, 10a1, 10a2, 10a3: 자석 삽입 구멍
9a, 12a1, 12a2, 12a3: 영구 자석
9b: 공동부
15: 자로
18: 회전 공극
51: 회전축
51a: 회전축 구동측부
52: 냉각용 팬
53: 흡기구
54: 프레임
56: 배기구
58: 냉각풍

Claims

영구 자석형 전동기와, 와이드 밴드 갭 반도체에 의한 스위칭 소자를 구비하여 상기 영구 자석형 전동기를 구동하는 인버터와, 상기 인버터를 제어하는 제어부를 구비한 철도 차량 구동 시스템으로서,
상기 영구 자석형 전동기를 구성하는 회전자 철심의 내부에는, 1극당 복수 개의 영구 자석을 매립하는 자석 삽입 구멍이 회전자의 중심을 향해 볼록형으로 늘어놓아 마련되고,
상기 복수 개의 영구 자석으로 이루어지는 하나의 극의 영구 자석 그룹에서는, 상기 영구 자석이 매립된 하나의 자석 삽입 구멍과 인접하는 자석 삽입 구멍의 사이, 혹은 당해 하나의 자석 삽입 구멍과 상기 회전자 철심의 외주부의 사이에는 상기 회전자 철심의 축방향으로 관통하는 통풍 구멍이 마련되고,
상기 제어부는, 상기 영구 자석형 전동기의 최대 회전수까지의 전(全)제어 영역에 있어서, 목표 전류를 일정하게 하여 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부는 목표 전압을 회전수에 따라 비례적으로 증가시키는 PWM 제어 모드만으로, 상기 영구 자석형 전동기에 있어서의 상기 최대 회전수에서의 무부하 유기 전압이 가선 전압의 중심치보다도 작아지도록 상기 인버터를 제어하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 1에 있어서,
상기 자석 삽입 구멍 및 상기 통풍 구멍은, 자기 저항 토크의 자로를 방해하지 않도록 상기 회전자의 외주면(外周面)을 향해 개략 U자 형상으로 늘어놓아 마련되는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 회전자 철심에서는, 외주부측에 위치하는 영구 자석을 제외하고, 영구 자석의 양측에는 통풍 구멍이 마련되어 있은 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 3에 있어서,
1극당의 상기 영구 자석의 개수와 상기 통풍 구멍의 개수의 합이 홀수인 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 영구 자석의 개수는 1극당 3 이상의 홀수개이며, 상기 영구 자석 그룹의 중앙부와 상기 영구 자석 그룹의 최외주부에는 영구 자석이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 6에 있어서,
상기 영구 자석의 개수는 1극당 3개이며, 상기 영구 자석 그룹의 중앙부에 위치하는 제1 영구 자석 또는 당해 제1 영구 자석이 매립되는 제1 자석 삽입 구멍에 있어서의 상기 U자 형상의 접선 방향을 제1 방향이라고 하고, 상기 영구 자석 그룹의 양단부의 한쪽 측에 위치하는 제2 영구 자석 또는 당해 제2 영구 자석이 매립되는 제2 자석 삽입 구멍에 있어서의 상기 U자 형상의 접선 방향을 제2 방향이라고 하고, 상기 제1 자석 삽입 구멍과 상기 제2 자석 삽입 구멍의 사이에 마련되는 통풍 구멍에 있어서의 상기 U자 형상의 접선 방향을 제3 방향이라고 할 때, 상기 제3 방향과 상기 제1 방향이 이루는 각이, 상기 제2 방향과 상기 제1 방향이 이루는 각의 개략 1/2이 되도록 상기 통풍 구멍을 배치하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 3에 있어서,
상기 영구 자석의 개수는 1극당 2 이상의 짝수개이고, 복수 개의 상기 통풍 구멍으로 이루어지는 하나의 극의 통풍 구멍 그룹에서는, 당해 통풍 구멍 그룹의 중앙부와 최외주부에 통풍 구멍이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 8에 있어서,
상기 통풍 구멍의 개수는 1극당 3개이며, 중앙부에 위치하는 제1 통풍 구멍에 있어서의 상기 U자 형상의 접선 방향을 제1 방향이라고 하고, 상기 회전자 철심의 외주부의 한쪽 측에 위치하는 제2 통풍 구멍에 있어서의 상기 U자 형상의 접선 방향을 제2 방향이라고 하고, 상기 제1 통풍 구멍과 상기 제2 통풍 구멍의 사이에 위치하는 영구 자석 또는 당해 영구 자석이 매립되는 자석 삽입 구멍에 있어서의 상기 U자 형상의 접선 방향을 제3 방향이라고 할 때, 상기 제3 방향과 상기 제1 방향이 이루는 각이, 상기 제2 방향과 상기 제1 방향이 이루는 각의 개략 1/2이 되도록 당해 영구 자석을 배치하는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.
청구항 2에 있어서,
상기 최대 회전수에서의 상기 무부하 유기 전압이 가선 전압의 중심치의 0.8배 이하가 되는 것을 특징으로 하는 철도 차량 구동 시스템.