KR101854491B1 - Ipm 모터의 회전자 및 그것을 이용한 ipm 모터 - Google Patents

Abstract

자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상인 동시에, 보자력이 100A/m이상의 소재 강판이 적층되는 것에 의해 형성된 회전자 철심을 이용한다.

Description

IPM 모터의 회전자 및 그것을 이용한 IPM 모터{ROTOR FOR IPM MOTOR, AND IPM MOTOR EQUIPPED WITH SAME}

본 발명은 예를 들면, 전기 자동차, 하이브리드 자동차 및 공작 기계 등에 사용되는 영구 자석 매립형 모터(이하 「IPM 모터」라 함)의 회전자 및 그것을 이용한 IPM 모터에 관한 것이다.

일반적으로, IPM 모터는 고가의 영구 자석을 사용하기 때문에 비용은 높아지지만, 유도 전동기에 비해 효율이 높다. 이 때문에, IPM 모터는 예를 들면, 하이브리드 자동차 및 전기 자동차의 구동용 모터 및 발전용 모터, 가전 제품과, 각종 공작 기계나 산업 기계용의 모터 등에 널리 사용되고 있다.

IPM 모터의 철심은 고정자와 회전자로 나뉜다. 고정자측의 철심에는 권선을 통해 교류 자계가 직접 부여되므로, 효율을 높이기 위해, 고정자측의 철심에는 고투자율인 동시에 체적 저항률을 높여, 철손(鐵損)을 저감할 수 있는 것이 요구된다. 이 때문에, 고정자측의 철심에는 극저 탄소강에 Si를 첨가해서 연자기 특성을 개선한 전자 강판이 이용된다.

한편, 회전자측의 철심에는 영구 자석이 매립되기 때문에, 회전자측의 철심은 주로 요크로서 자속 밀도를 높이는 역할을 담당한다. 회전자측의 철심은 고정자측으로부터 발생하는 교류 자계의 영향을 약간 받지만, 그 영향은 한정적이다. 따라서, 특성의 관점에서 보면, 철손 특성에 유리한 전자 강판을 회전자측의 철심에 사용할 필요는 없다. 그러나, 고정자에만 전자 강판을 사용하면 전자 강판의 제품 수율이 저하하여, 모터의 제조 비용이 높아지므로, 통상은 회전자측의 철심에도 고정자측과 동일한 전자 강판이 이용된다.

IPM 모터가 자동차에 탑재되는 경우, 자동차의 소형 경량화의 요구로부터 IPM 모터에도 소형화가 요구된다. 그 경우, 소형화해도 종래와 동등 이상의 모터 출력(토크)을 얻기 위해, 회전자의 회전수가 높아진다. 일반적으로, 모터의 효율은 회전자의 회전 속도를 높게 할수록 양호하게 된다. 그러나, IPM 모터에서는 매립된 영구 자석의 회전에 의해, 고정자 권선에 유도 기전력이 발생한다. 이 유도 기전력은 회전 속도의 상승에 수반하여 증가한다. 그리고, 유도 기전력이 입력 전압을 넘은 곳에서, 모터는 회전할 수 없게 된다.

이 때문에, IPM 모터에서는 예를 들면 특허문헌 1 등에 나타나는 바와 같이, 고속 회전 영역에서 운전할 때에, 영구 자석의 자속을 부정하는 방향의 자속을 고정자측으로부터 발생시키고, 유도 기전력을 억제하는 약계자 제어가 실행되고 있다. 이 약계자 제어에 의해, 고속 회전 영역에서의 운전이 가능하게 되는 반면, 영구 자석의 자속을 부정하기 위해 전력을 사용하기 때문에, 모터 토크는 감소한다. 또한, 특허문헌 1에서는 자석의 형상에 고안을 실시하는 것에 의해, 약계자 제어에 사용하는 전력량을 적게 하는 것이 도모되고 있다.

한편, IPM 모터를 소형화해도 종래와 동등 이상의 토크를 얻기 위해 회전자의 회전수를 높이면, 회전자에 매립된 영구 자석에 작용하는 원심력이 증대하여 회전자의 파손에 이르는 문제가 있다. 파손을 일으키지 않기 위해서는 회전자의 소재로서 항복 강도가 높은 재료가 바람직하다. 예를 들면, 3% 정도의 Si를 함유하는 무방향성 전자 강판(35A300)의 경우, 자성 소둔 후의 항복 강도는 약 400N/㎟ 정도이다. 이 때문에, 회전자의 직경이 80㎜이상인 비교적 대형의 IPM 모터인 경우, 회전자의 구조에 따라 다르지만, 20000rpm정도가 파손을 일으키지 않는 회전 속도의 한계로 생각되고 있다. 지금까지도 전자 강판을 베이스로 철심의 항복 강도를 높이는 검토가 각종 실행되어 왔지만, 고작 780N/㎟ 정도이다.

이와 같이, IPM 모터의 소형화에 있어서 고속 회전화하여 토크를 얻고자 하는 경우, 종래의 전자 강판을 소재로 하는 회전자 철심에서는 고속 회전 영역에서는 약계자 제어를 실행해도 토크가 감소해 버리는 문제와, 영구 자석에 작용하는 원심력에 의해 회전자가 파손되는 문제가 있으며, 고속 회전화에 한계가 있었다.

고속 회전화에 의한 회전자 철심의 파손을 억제하는 방법으로서, 예를 들면 하기의 특허문헌 2 등에서는 회전자 철심의 소재로서 연질이고 또한 담금질성을 갖는 재료를 이용하고, 영구 자석의 삽입 구멍이 근접한 브리지부나 그 근방 부분에만 부분 담금질을 실시하는 것에 의해서 강도를 상승시키는 것이 제안되고 있다. 또, 예를 들면, 하기 특허문헌 3 등에서는 회전자 철심용 소재로서, 전자 강판이 아닌 고강도이고 또한 고포화 자속 밀도인 재료를 이용하는 것도 제안되어 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제2000-278900호 특허문헌 2: 일본국 특허공개공보 제2009-153230호 특허문헌 3: 일본국 특허공개공보 제2009-46738호

본원 발명자들은 고속 회전용의 회전자용 강판의 개발을 실행하던 중, 각종 강판을 소재로 해서 IPM 모터를 시작(試作)하고, 모터의 성능 평가를 실행한 결과, 소재 강판의 보자력을 조절하는 것에 의해, 약계자 제어를 실행하는 고속 회전 영역에서 큰 출력 토크가 얻어지는 것을 알아내었다. 더욱 큰 출력 토크가 얻어짐으로써, 더욱 높은 회전수까지 회전자를 회전할 수 있다.

특허문헌 1에서는 자석의 형상에 고안을 실시하는 것에 의해, 약계자 제어에 사용하는 전력량을 적게 하는 것이 도모되고 있지만, 소재 강판의 보자력을 조절하는 점에 대해서는 고려되어 있지 않다. 또, 특허문헌 2, 3에 있어서도 소재 강판의 보자력을 조절하는 점에 대해서는 고려되어 있지 않다. 즉, 종래 구성에서는 소재 강판의 보자력을 조절하는 점에 대해 고려되어 있지 않기 때문에, 고회전 영역에서의 출력 토크가 작게 되어 있고, 그에 수반해서 최대 회전수도 낮게 되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 그 목적은 고회전 영역에서의 출력 토크를 더욱 크게 할 수 있고, 최대 회전수를 더욱 높게 할 수 있는 IPM 모터의 회전자 및 IPM 모터를 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 IPM 모터의 회전자는 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상인 동시에, 보자력이 100A/m이상의 소재 강판이 적층되는 것에 의해 형성된 회전자 철심과, 회전자 철심의 둘레 방향에 서로 간격을 두고 회전자 철심에 마련된 복수의 영구 자석 삽입 구멍과, 각 영구 자석 삽입 구멍에 매립된 영구 자석을 구비한다.

또, 본 발명에 관한 IPM 모터는 전술한 회전자가 조립되어 있다.

본 발명의 IPM 모터의 회전자에 따르면, 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상인 동시에, 보자력이 100A/m이상의 소재 강판이 적층되는 것에 의해 형성된 회전자 철심이 이용되고 있으므로, 고회전 영역에서의 출력 토크를 더욱 크게 할 수 있고, 최대 회전수를 더욱 높게 할 수 있다.

또한, 본 발명의 IPM 모터에 따르면, 전술한 회전자를 이용하고 있으므로, 마찬가지로, 고회전 영역에서의 출력 토크를 더욱 크게 할 수 있고, 최대 회전수를 더욱 높게 할 수 있다.

또, 본 발명의 IPM 모터의 회전자는 750N/㎟이상의 항복 강도를 갖는 소재 강판이 적층되는 것에 의해 형성되어 있으므로, 회전자를 고속 회전해도 영구 자석에 작용하는 원심력에 의해 회전자가 파손되는 일이 없다. 그 때문에, 영구 자석 삽입 구멍의 주위에 마련되는 브리지부의 폭을 좁게 할 수 있다. 브리지폭을 좁게 할 수 있으면 누설 자속을 효과적으로 저감할 수 있으므로, 회전자의 설계 자유도가 높아진다. 또, 영구 자석을 소형화해도 좋으므로, 모터의 비용을 대폭 저감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 IPM 모터의 회전자를 나타내는 정면도이다.
도 2는 도 1의 회전자와는 별도의 IPM 모터의 회전자를 나타내는 정면도이다.
도 3은 소재 강판의 평가에 이용한 제 1 회전자를 나타내는 설명도이다.
도 4는 소재 강판을 이용한 IPM 모터에서의 15000rpm에 있어서의 최대 토크와 보자력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 5는 소재 강판을 이용한 IPM 모터에서의 15000rpm에 있어서의 효율과 보자력의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 6은 소재 강판의 평가에 이용한 제 2 회전자를 나타내는 설명도이다.

이하, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대해, 도면을 참조해서 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시형태에 의한 IPM 모터의 회전자를 나타내는 정면도이다. 도면에 나타내는 바와 같이, IPM 모터의 회전자(1)에는 후술하는 회전자용 강판(소재 강판)이 적층되는 것에 의해 형성된 회전자 철심(10)(회전자 본체)과, 회전자 철심(10)의 둘레 방향을 따라 서로 간격을 두고 회전자 철심(10)에 마련된 복수의 영구 자석 삽입 구멍(11)과, 각 영구 자석 삽입 구멍(11)에 매립된 영구 자석(12)이 포함되어 있다. 또한, 회전자(1)의 외주에 도시하지 않은 고정자가 배치됨으로써, IPM 모터가 구성된다.

각 영구 자석 삽입 구멍(11)에는 회전자 철심(10)의 회전 중심(10a)측을 꼭대기부로 하도록 V자형상으로 배치된 제 1 및 제 2 삽입 구멍(11a, 11b)과, 그 꼭대기부에 있어서 제 1 및 제 2 삽입 구멍(11a, 11b) 사이를 칸막이하는 브리지(11c)가 포함되어 있다. 영구 자석(12)은 제 1 및 제 2 삽입 구멍(11a, 11b)내에 각각 매립되어 있다. 즉, 영구 자석 삽입 구멍(11)에 2개의 영구 자석(12)이 매립되어 있다.

다음에, 도 2는 도 1의 IPM 모터의 회전자와는 별도의 IPM 모터의 회전자(2)를 나타내는 정면도이다. 또한, 도 1의 회전자(1)에 포함되는 구성과 동일 또는 마찬가지의 구성에는 동일한 부호를 붙여 설명한다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 회전자(2)에는 회전자 철심(10)과, 회전자 철심(10)의 둘레 방향을 따라 서로 간격을 두고 회전자 철심(10)에 마련된 복수의 영구 자석 삽입 구멍(20)과, 각 영구 자석 삽입 구멍(20)에 매립된 영구 자석(21)이 포함되어 있다. 회전자 철심(10)은 도 1의 회전자(1)의 회전자 철심(10)과 마찬가지로, 후술하는 소재 강판이 적층됨으로써 형성된 것이다.

각 영구 자석 삽입 구멍(20)은 회전자 철심(10)의 둘레 방향을 따라 90°간격으로 배치되어 있다. 각 영구 자석 삽입 구멍(20)은 각각 직선형상으로 형성되어 있으며, 각 영구 자석 삽입 구멍(20)에 대해 1개의 영구 자석(21)이 매립되어 있다.

도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같은 회전자(1, 2)를 이용한 IPM 모터에서는 주지와 같이, 고속 회전 영역에서 운전할 때에, 영구 자석(12)의 자속을 부정하는 방향의 자속을 고정자측으로부터 발생시키고, 유도 기전력을 억제하는 약계자 제어가 실행된다. 이러한 IPM 모터의 정격 회전 속도는 도 1의 회전자(1)를 이용한 경우에는 7500rpm으로 되고, 도 2의 회전자(2)를 이용한 경우에는 10000rpm으로 된다. 상술한 약계자 제어는 이들 회전 속도를 초과하는 고속 회전 영역에서 실행된다.

회전자 철심(10)은 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상인 동시에, 보자력이 100A/m이상의 소재 강판이 적층됨으로써 형성된다.

자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상으로 되어 있는 것은 회전자(1)로서 고속 회전할 때에 영구 자석(12)을 삽입한 위치(d축)와 삽입하고 있지 않은 위치(q축)에서의 인덕턴스의 값의 차에 의거하는 릴럭턴스 토크를 유효하게 활용하고, 특히 고속 회전 영역에 있어서 종래의 강판과 동등 이상의 토크 성능을 발휘하기 위함이다.

보자력이 100A/m이상으로 되어 있는 것은 다음과 같다. 일반적으로, 모터의 입력 전류를 높게 하면, 출력 토크는 증가한다. 그러나, 예를 들면 「도쿄 학예 대학 공학부 회보, Vol.27 No.1(2004), P126∼132」와 같이, IPM 모터에서는 철심재의 자기 포화의 영향을 받기 때문에, 입력 전류가 높아지면 q축 인덕턴스가 저하하여, 릴럭턴스 토크가 저하하는 것이 알려져 있다. 즉, 전자 강판 등의 보자력이 작은 강판에서는 용이하게 자기 포화를 발생하기 때문에, 입력 전류를 증가시켜도 즉시 릴럭턴스 토크를 상승시킬 수 없게 되는 것에 반해, 보자력이 큰 강판을 소재 강판으로 한 경우에는 자기 포화가 생기기 어렵기 때문에, 비교적 높은 입력 전류값까지 릴릭턴스 토크의 저하가 억제된다. 그 결과로서, 출력 토크 및 효율을 향상시킬 수 있는 것으로 고려된다. 본원 발명자들이 각종 강판을 소재로 해서 IPM 모터를 시작하고, 모터의 성능 평가를 실행한 결과, 100A/m이상의 보자력을 갖는 소재 강판을 이용해서 회전자 철심(10)을 형성함으로써, 고속 회전시에 실행하는 약계자 제어의 소비 전력을 저감할 수 있고, 출력 토크를 향상시킬 수 있는 것을 알아내었다. 단, 보자력이 커지면, 자속 밀도가 낮아지는 경향이 보이고, 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T미만으로 되는 경우에는 충분한 릴럭턴스 토크가 얻어지지 않게 된다.

회전자 철심(10)의 소재 강판은 항복 강도가 750N/㎟이상인 것이 바람직하다. 항복 강도를 이러한 범위로 함으로써, 회전자 철심(10)이 고속 회전시에 영구 자석(12)에 작용하는 원심력에 견딜 수 있고, 고속 회전 영역에 있어서도 회전자가 파손되는 일이 없다. 또한, 본 발명의 회전자 철심(10)은 그 소재 강판이 약계자 제어성이 우수한 강판인 것에 의해 고속 회전 영역에 있어서도 토크의 저하가 억제되기 때문에, 고속 회전과 높은 토크가 얻어지는 고성능의 모터를 제공할 수 있다. 이에 따라, 자동차/가전을 비롯한 각종 용도에의 적용이 가능하게 된다.

도 1의 회전자(1)의 각 영구 자석 삽입 구멍(11)에 마련된 브리지(11c)는 각 영구 자석 삽입 구멍(11) 주변의 강도를 확보하기 위한 것이다. 소재 강판 자체에 충분한 강도를 갖게 함으로써 브리지(11c)의 폭(제 1 및 제 2 삽입 구멍(11a, 11b)의 이간 방향을 따르는 브리지(11c)의 폭)을 작게 할 수 있고, 그것에 의해 누설 자속을 적게 할 수 있다. 회전자 철심의 강도를 높임으로써 브리지(11c)의 폭을 작게 해도 회전자가 파손되지 않고 누설 자속도 저감할 수 있는 것이면, 회전자의 설계 자유도가 높아진다. 또, 누설 자속의 저감에 의해 영구 자석(12)을 소형화해도 좋으므로, 모터의 비용을 대폭 저감할 수 있다. 또, 영구 자석(12)을 작게 하지 않고 출력 토크의 향상을 도모하는 것도 가능하게 된다. 고속 회전이 가능하게 되는 것에 의한 고토크화와 영구 자석의 소형화의 양자를 감안해서 브리지 폭을 설계해도 좋다.

또한, 회전자 철심(10)의 소재 강판의 항복 강도의 상한은 2000N/㎟이다. 이는 2000N/㎟을 초과하는 항복 강도를 띠는 재료에서는 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상 얻어지지 않기 때문이다.

[실시예]

본 발명자들은 표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 소재로 해서, 하기의 제조 방법 A에 의해 회전자 철심(10)의 소재 강판을 제조하였다.

제조 방법 A

표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 진공 용해하고, 이들 연주편을 1250℃로 가열하고, 950℃에서 마무리 압연하여 560℃에서 권취하고, 판두께 1.8㎜의 열간 압연 강판을 얻었다. 이러한 열간 압연 강판을 산세한 후, 1회의 냉간 압연으로 판두께 0.35㎜의 냉간 압연 강대를 얻었다(최종 압연률: 약 81%). 얻어진 냉간 압연 강대를 400℃로 설정한 연속로에 60초 통판해서 텐션 어닐링 처리(인장 장력 100N/㎟)를 실시하였다. 또, 그 후, Cr계 산화물 및 Mg계 산화물을 함유하는 반 유기 조성의 약 1㎛의 두께의 절연 피막을 강판의 양면에 형성하였다.

제조 방법 A에 의해 제조한 소재 강판의 평가

얻어진 강대로부터 JIS5호 시험편을 잘라내고, 인장 시험에 제공하였다. 또, 내경 33㎜ 및 외경 45㎜의 링형상의 시험편을 펀칭에 의해 제작하고, 자화 측정에 제공하였다, 각 샘플의 항복 강도, 인장 강도, 항복비(YR), 자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도(B₈₀₀₀)와 보자력(Hc)을 표 2에 나타낸다.

또, 본 발명자들은 표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 소재로 해서, 하기의 제조 방법 B에 의해 회전자 철심(10)의 소재 강판을 제조하였다.

제조 방법 B

표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 용해해서, 이들 연주편을 1250℃로 가열하고, 850℃에서 마무리 압연하여 560℃에서 권취하고, 판두께 1.8㎜의 열연 강판을 얻었다. 이 열연 강판을 산세 후, 냉간 압연하여 판두께 0.35㎜의 냉연 강판을 얻었다. 얻어진 냉연 강판을 900℃까지 가열하고, 250℃로 설정한 Pb-Bi 합금욕 중에 통판하여, 100℃/s의 평균 냉각 속도로 250℃까지 냉각하고, 계속해서 400℃로 설정한 전기로 중에 60s 유지하면서, 프레스 템퍼를 실시하였다. 그 후, Cr계 산화물 및 Mg계 산화물을 함유하는 반 유기 조성의 약 1㎛의 두께의 절연 피막을 강판의 양면에 도포하였다.

제조 방법 B에 의해 제조한 소재 강판의 평가

제조 방법 B에 의해 제조한 소재 강판에 대해, 상술한 제조 방법 A에 의해 제조한 소재 강판과 마찬가지의 시험을 실행하였다. 그 결과를 표 3에 나타낸다.

또한, 본 발명자들은 표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강을 소재로 해서, 하기의 제조 방법 C에 의한 회전자 철심(10)의 소재 강판을 제조하였다.

제조 방법 C

표 1에 나타내는 성분 조성을 갖는 강 중, No.1, 2, 3, 4, 5의 연주편을 제조 방법 A와 마찬가지로 해서 1250℃로 가열하고, 950℃에서 마무리 압연하여 560℃에서 권취하고, 판두께 1.8㎜의 열간 압연 강판을 얻었다. 이들 열간 압연 강판을 산세한 후, 1회의 냉간 압연으로 판두께 0.35㎜의 냉간 압연 강대를 얻었다(최종 압연률: 약 81%). 얻어진 냉간 압연 강대를 800℃로 설정한 연속로에 60초 통판하는 재결정 소둔을 실시하였다. 또한, 냉각은 8℃/s에서 550℃까지 냉각 후, 450℃로 설정한 연속로 중에 120s이상 유지하는 과시효 처리를 실시하였다. 그 후, 0.3%의 신장률의 가벼운 냉연을 실행하고, 또한 Cr계 산화물 및 Mg계 산화물을 함유하는 반 유기 조성의 약 1㎛의 두께의 절연 피막을 강판의 양면에 형성하였다.

제조 방법 C에 의해 제조한 소재 강판의 평가

제조 방법 C에 의해 제조한 소재 강판에 대해, 상술한 제조 방법 A, B에 의해 제조한 소재 강판과 마찬가지의 시험을 실행하였다. 그 결과를 표 4에 나타낸다.

IPM 모터로서의 평가( 자속 밀도와 보자력에 대해)

표 5에 나타내는 바와 같이, 제조 방법 A에 의해 제조한 No.1강, No.3강, No.5강 및 No.9강, 제조 방법 B에 의해 제조한 No.1강, No.2강, No.4강, No.6강 및 No.7강, 더 나아가서는 제조 방법 C에 의해 제조한 No.1강, No.2강, No.4강 및 No.5강에 대해, 도 3에 나타내는 8극(4극쌍) 구조의 제 1 회전자를 펀칭 가공에 의해 제작하고, 부하 토크를 부여한 모터 성능 평가 시험에 제공하였다. 또한, 비교를 위해 시판중인 전자 강판(35A300)을 소재로 한 회전자도 동시에 제작하고, 마찬가지의 평가에 제공하였다 또, 고정자는 1개만 제조하고, 제조한 회전자를 재조합해서 모터로서의 성능 평가에 제공하였다. 모터의 최대 출력은 모두 4.5kw이다. 또, 이 성능 평가에서는 10000rpm이상에서 약계자 제어를 실행하였다.

또한, 시판 중인 전자 강판(35A300)에 대해, 본 발명의 소재 강판과 마찬가지의 방법에 의한 기계적 특성과 자기적 특성을 평가한 결과, 다음과 같았다.

판두께 0.35㎜

항복 강도 381N/㎟

인장 강도 511N/㎟

포화 자속 밀도 B8000 1.76T

보자력 75A/m

제작한 회전자 및 고정자의 사양은 다음과 같다.

◎ 제 1 회전자의 사양

외경:80.1㎜, 축길이 50㎜

·적층 개수: 0.35㎜/140개

·센터 브리지, 외부 브리지의 폭: 1.00㎜

·영구 자석: 네오듐 자석(NEOMAX-38VH), 9.0㎜폭×3.0㎜두께×50㎜길이, 합계 16개 매립

◎ 고정자의 사양

·갭 길이: 0.5㎜

·외경: 138.0㎜, 요크 두께: 10㎜, 길이: 50㎜

·철심 소재: 전자 강판(35A300), 판두께 0.35㎜

·적층 개수:140개

·권선 방식: 분포 감기

각각의 제 1 회전자를 조립했을 때의 15000rpm에 있어서의 모터의 최대 토크와 효율을 표 5에 아울러 나타내었다. 또, 도 4에 15000rpm에 있어서의 최대 토크와 보자력의 관계를 나타내는 동시에, 도 5에 15000rpm에 있어서의 효율과 보자력의 관계를 나타낸다. 또, 이 성능 평가에서도 10000rpm이상에서 약계자 제어를 실행하였다.

표 5, 도 4, 도 5의 결과로부터 명백한 바와 같이, 보자력 Hc가 100A/m미만의 강판(전자 강판 및 제조 방법 C에 의해 제조한 No.1강 및 No.2강)을 회전자 철심의 소재로 한 회전자를 조립한 모터에서는 15000rpm에 있어서의 토크가 2.0N·m미만의 낮은 값을 나타내고, 효율도 60%미만의 낮은 값을 나타내었다. 이에 반해, 본원 발명 범위의 자속 밀도와 보자력을 갖는 소재 강판을 회전자 철심으로 한 모터에서는 2.0N·m를 넘는 높은 토크와 60%이상의 양호한 효율이 얻어진다. 특히, 보자력이 300A/m이상의 영역에서는 2.5N·m이상으로 더욱 높은 토크와 70%이상의 높은 효율이 얻어진다.

한편, 고보자력을 갖는 것의 자속 밀도 B8000이 1.61T로 낮은 제조 방법 B에 의한 No.7강에서는 자속 밀도가 낮은 것에 기인해서 토크 및 효율이 낮아진다.

IPM 모터로서의 평가(브리지 폭과 강도에 대해)

본 발명자들은 제조 방법 B에 의해 제조한 No.4강(항복 강도가 750N/㎟를 넘는 것) 및 No.6강(가장 항복 강도가 높았던 것)(이하, 이들을 초고강도 강판이라 함)을 이용해서, 도 6에 나타내는 제 2 회전자를 또한 제작하였다. 도 6의 제 2 회전자는 도 3의 제 1 회전자에 비해 브리지폭을 1/2로 좁게 하여 누설 자속을 저감시키고, 영구 자석의 크기를 폭 9.0㎜에서 폭 8.0㎜(약 11% 소형화)로 한 것이다. 또, 10000rpm이상에서 약계자 제어를 실행하였다.

제 2 회전자의 사양은 이하와 같다. 또한, 고정자에 대해서는 상기의 자속 밀도 등의 평가에 이용한 것을 이용하였다.

◎ 제 2 회전자의 사양

외경: 80.1㎜, 축길이 50㎜

·적층 개수: 0.35㎜/140개

·센터 브리지, 외부 브리지의 폭: 0.5㎜

·영구 자석: 네오듐 자석(NEOMAX-38VH), 8.0㎜폭×3.0㎜두께×50㎜길이, 합계 16개 매립

또, 비교를 위해, 전자 강판을 이용해서 제 1 및 제 2 회전자를 제작하였다. 전자 강판과 제조 방법 B에 의해 제조한 No.6강을 소재로 한 회전자를 이용한 IPM 모터의 5000rpm∼15000rpm까지의 최대 토크 및 효율을 표 6에 나타낸다.

표 6에 나타내는 바와 같이, 초고강도 강판을 회전자 철심의 소재에 이용하면, 제 2 회전자와 같이 브리지의 폭을 좁게 해도, 또한 영구 자석을 소형화했음에도 불구하고, 전자 강판을 철심 소재로 한 회전자와 동등 이상의 모터 성능을 갖는 회전자가 얻어지는 것을 알 수 있다. 특히, 10000rpm를 넘는 고속 회전 영역에서는 보자력에 기인하는 약계자성의 향상에 의해 고토크의 양호한 특성이 얻어지는 것을 알 수 있다.

또, 상기 시험에 이용한 회전자를 고정자에서 분리하여 강제(鋼製) 커버를 부착한 상태로 하고, 변속기를 통해 부하 모터에 접속해서 부하 모터측으로부터 구동시키는 것에 의해서, 50000rpm까지의 과회전 시험을 실행하고 회전자가 원심력에 의해 파괴되는 회전 속도를 조사하였다. 그 결과를 표 7에 나타낸다.

표 7에 나타내는 바와 같이, 회전자 소재로서 전자 강판을 이용하고, 브리지 폭이 1.0㎜인 제 1 회전자에서는 30450rpm에서 회전자가 파괴되었다. 이에 반해, 항복 강도가 750N/㎟이상의 초고강도 강판인 제조 방법 B의 No.4강을 회전자 소재로서 이용한 경우, 제 1 회전자에서는 43200rp까지 파단되지 않고, 브리지 폭을 0.5㎜로 좁게 한 제 2 회전자에서도 전자 강판의 제 1 회전자와 동등 이상의 36000rpm까지 파단되지 않았다. 항복 강도가 950N/㎟이상인 제조 방법 A의 No.6강에서는 브리지 폭이 0.5㎜의 제 2 회전자인 경우, 42000rpm까지 파단되지 않고, 항복 강도가 1300N/㎟이상인 제조 방법 B의 No.6강에서는 제 1 회전자의 경우, 50000rpm에서도 파단되지 않았다. 이와 같이, 전자 강판에 비해 본 발명의 초고강도 강판을 회전자 소재에 이용함으로써, 높은 회전수까지 파단을 회피할 수 있는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 파괴된 회전자를 조사한 결과, 어느 회전자도 내부 브리지부와 외부 브리지부가 모두 소성 변형되어 있거나 파단되어 있고, 영구 자석이 탈락하고 있었다. 외부 브리지부는 영구 자석 삽입 구멍이 회전자 외주부와 접근하고 있는 빔부이다.

IPM 모터로서 평가(도 2의 회전자를 이용한 경우)

본 발명자들은 초고강도 강판을 이용해서 도 2에 나타내는 회전자(2)(제 3 회전자)를 제작하고, 모터 성능 평가 시험에 제공하였다. 또, 전자 강판을 소재로 한 회전자도 동시에 제작하고, 마찬가지의 평가에 제공하였다. 또한, IPM 모터의 최대 출력은 3.7kw이다.

제작한 회전자 및 고정자의 사양은 다음과 같다.

◎ 제 3 회전자의 사양

외경:80.0㎜, 축길이 75㎜

·적층 개수: 0.35㎜/210개

·브리지의 폭: 3.0㎜

·영구 자석: 네오듐 자석(NEOMAX-38VH), 40.0㎜폭×2.0㎜두께×75㎜길이, 합계 4개 매립

◎ 고정자의 사양

·갭 길이: 0.5㎜

·외경: 160.0㎜, 요크 두께: 17㎜, 길이: 75㎜

·철심 소재: 전자 강판(35A300), 판두께 0.35㎜

·적층 개수: 210개

·권선 방식: 분포 감기

각각의 회전자를 이용한 IPM 모터의 5000rpm∼12000rpm까지의 최대 토크 및 효율을 표 8에 나타낸다. 또한, 10000rpm을 넘는 회전수에서 약계자 제어를 실행하였다.

표 8에 나타내는 바와 같이, 전자 강판을 이용한 경우, 약계자 제어를 실행해도 12000rpm에서는 회전할 수 없게 되었다. 이에 반해, 보자력이 큰 No.6강을 소재로 한 회전자에서는 회전 가능하고, 더욱 고속 회전 영역까지 구동이 가능한 것을 알 수 있다.

1; 회전자 10; 회전자 철심
10a; 회전 중심 11; 영구자석 삽입구멍
11a, 11b; 제 1 및 제 2 삽입 구멍
11c; 브리지
12; 영구자석 20; 영구자석 삽입구멍

Claims (9)

1. 회전 속도가 소정값을 초과했을 때에 약계자 제어가 실행되는 IPM 모터에 조립되는 IPM 모터의 회전자로서,
   자계의 강도가 8000A/m일 때의 자속 밀도 B8000의 값이 1.65T이상인 동시에, 보자력이 100A/m이상의 소재 강판이 적층되는 것에 의해 형성된 회전자 철심과,
   상기 회전자 철심의 둘레방향으로 서로 간격을 두고 상기 회전자 철심에 마련된 복수의 영구 자석 삽입 구멍과,
   각 영구 자석 삽입 구멍에 매립된 영구 자석을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 회전자.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 소재 강판의 보자력은 300A/m이상인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 회전자.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 소재 강판의 항복 강도는 750N/㎟이상인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 회전자.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 소재 강판의 항복 강도는 950N/㎟이상인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 회전자.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 소재 강판의 항복 강도는 1300N/㎟이상인 것을 특징으로 하는 IPM 모터의 회전자.
6. 회전 속도가 소정값을 초과했을 때에 약계자 제어가 실행되는 IPM 모터에 조립되는 IPM 모터의 회전자로서, 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 회전자가 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
7. 회전 속도가 소정값을 초과했을 때에 약계자 제어가 실행되는 IPM 모터에 조립되는 IPM 모터의 회전자로서, 제 3 항에 기재된 회전자가 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
8. 회전 속도가 소정값을 초과했을 때에 약계자 제어가 실행되는 IPM 모터에 조립되는 IPM 모터의 회전자로서, 제 4 항에 기재된 회전자가 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
9. 회전 속도가 소정값을 초과했을 때에 약계자 제어가 실행되는 IPM 모터에 조립되는 IPM 모터의 회전자로서, 제 5 항에 기재된 회전자가 조립되어 있는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.

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