KR101880377B1

KR101880377B1 - 영구 자석 매립형 회전 전기 기기

Info

Publication number: KR101880377B1
Application number: KR1020167027686A
Authority: KR
Inventors: 도시노리 다나카; 에이고 도토키; 류이치 다키구치
Original assignee: 미쓰비시덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2015-02-24
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2035-02-24
Also published as: WO2015156044A1; US20170085143A1; DE112015001725T5; JPWO2015156044A1; CN106165259A; KR20160131063A; CN106165259B; JP5930253B2; DE112015001725B4; US9705366B2

Abstract

본 발명은, 코깅 토크나 토크 리플을 저감할 수 있고, 운전 범위를 확대할 수 있고, 또한 자석의 감자를 억제할 수 있는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기를 얻는다. 본 발명에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에서는, 둘레 방향으로 배열된 원호 형상 곡면(13)에 접하는 원통면(14)의 곡율 반경을 R1, 원호 형상 곡면(13)의 곡율 반경을 R2, 영구 자석(16)의 표면의 곡율 반경을 R3로 했을 때에, R1＞R2＞R3를 만족하고, 자석 수납 구멍(15)은, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시킨 공극부(17)를 갖고, 상기 자석 수납 구멍의 둘레 방향 양단부 내의 내경측 부분에, 상기 영구 자석의 둘레 방향의 양측면과 직경 방향으로 평행하게 접촉하는 면을 마련하고, 상기 회전자 철심의 상기 원호 형상 곡면과 상기 자석 수납 구멍의 사이의 철심 부분의 자극 중심에 있어서의 두께를 B1로 하고, 상기 철심 부분의 둘레 방향의 단부의 두께를 B2로 했을 때에, B2＞B1을 만족한다.

Description

영구 자석 매립형 회전 전기 기기{INTERIOR PERMANENT MAGNET ROTATING ELECTRIC MACHINE}

본 발명은, 영구 자석을 회전자 철심에 매립한 회전자를 구비한 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 관한 것이다.

산업용이나 차량 탑재용 모터 등의 회전 전기 기기에 대해서는, 소형화, 고속화, 사용 속도 범위의 광범위화가 요구되고 있다. 이러한 요구에 따른 회전 전기 기기로서, 영구 자석을 회전자 철심에 매립한 회전자를 구비한 영구 자석 매립형 회전 전기 기기가 다양하게 제안되고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2 참조).

[선행기술문헌]

[특허문헌]

(특허문헌 1) 일본 공개 특허 공보 제 2001-178037 호

(특허문헌 2) 일본 공개 특허 공보 특개평 5-304737 호

특허 문헌 1에 따른 종래의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에서는, 회전자 철심의 외주면이 원통면으로 되어 있기 때문에, 회전자로부터 발생하는 기자력 파형에 많은 고조파가 포함되어, 코깅(cogging) 토크나 토크 리플이 발생한다고 하는 과제가 있었다. 또, 회전자 철심의 외주면이 원통면으로 되어 있기 때문에, 회전자 철심의 q축의 자속을 받는 철심 부분이 고정자와 근접하여, q축의 인덕턴스가 커진다. 그래서, 고속 회전시에는, 전압의 포화가 일어나기 쉬워져서, 운전 범위를 넓게 취할 수 없다고 하는 과제도 있었다. 더욱이, 자석 수납 구멍의 내형 형상과 자석의 외형 형상이 상사(相似)형으로 되어 있으므로, 치수 공차의 관계상, 자석 수납 구멍의 내형 형상이 자석의 외형 형상보다 크게 되고, 특히, 자석의 둘레 방향 양측부의 내경측 단부와 자석 수납 구멍의 사이에 간극이 생기기 쉽다고 하는 과제도 있었다. 또한, 영구 자석의 둘레 방향 양측부가 자극 중심에 대해서 경사지는 평탄면으로 되어 있기 때문에, 자극 중심과 평행한 방향에 있어서의 영구 자석의 둘레 방향 양측부의 두께가 얇아진다. 이로 인해, 영구 자석의 양측부의 동작점이 영구 자석의 중앙부의 동작점보다 낮아져서, 자석의 감자(減磁)를 일으키기 쉽다고 하는 과제도 있었다.

특허문헌 2에 따른 종래의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에서는, 회전자 철심의 자극을 구성하는 외주면을 2개의 타원을 직교시키도록 중첩시킨 형태로 구성하여, 회전자로부터 발생하는 기자력 파형에 포함되는 고조파를 저감하고 있다. 그렇지만, 특허문헌 2에 따른 종래의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에서도, 자석 수납 구멍의 내형 형상과 자석의 외형 형상이 상사형으로 되어 있기 때문에, 자석의 둘레 방향 양측부의 내경측 단부와 자석 수납 구멍의 사이에 간극이 생기기 쉽다고 하는 과제도 있었다. 또한, 영구 자석의 둘레 방향 양측부가 자극 중심에 대해 경사지는 평탄면으로 되어 있기 때문에, 자극 중심과 평행한 방향에 있어서의 영구 자석의 둘레 방향 양측부의 두께가 얇아진다. 이로 인해, 영구 자석의 양측부의 동작점이 영구 자석의 중앙부의 동작점보다 낮아져서, 자석의 감자를 일으키기 쉽다고 하는 과제가 있었다.

본 발명은, 상기 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 코깅 토크나 토크 리플을 저감할 수 있고, 운전 범위를 확대할 수 있고, 자석을 회전자 철심에 간극을 마련하지 않고 고정할 수 있음과 아울러, 자석의 감자를 억제할 수 있는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기를 얻는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 영구 자석 매립식 회전 전기 기기는, 링 형상의 고정자와, 상기 고정자의 내부에, 공극을 사이에 두고, 동축으로 배치되는 회전자를 구비하고 있다. 상기 회전자는, 외경측으로 볼록한 형상의 원호 형상 곡면이 둘레 방향으로 복수 배열된 외형 형상을 갖고, 자석 수납 구멍이 상기 원호 형상 곡면의 각각의 내경측에 축 방향으로 관통하도록 형성된 회전자 철심과, 상기 회전자 철심의 축심 위치에 삽입되어, 상기 회전자 철심을 유지하는 회전축과, 각각, 길이 방향과 직교하는 단면의 외경측을 외경측으로 볼록한 형상의 원호로 하고, 또한 둘레 방향의 양측면을 자극 중심을 포함하는 평면과 평행한 평탄면으로 하는 봉 형상체로 제작되고, 상기 자석 수납 구멍의 각각에 수납된 영구 자석을 가지고 있다. 그리고, 둘레 방향으로 배열된 상기 원호 형상 곡면에 접하는 원통면의 곡율 반경을 R1, 상기 원호 형상 곡면의 곡율 반경을 R2, 상기 영구 자석의 표면의 곡율 반경을 R3로 했을 때에, R1＞R2＞R3를 만족하고, 상기 자석 수납 구멍은, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시켜 형성된 공극부를 갖고, 상기 자석 수납 구멍의 둘레 방향 양측부 내의 내경측 부분에, 상기 영구 자석의 둘레 방향의 양측면과 직경 방향으로 평행하게 접촉하는 면을 마련하고, 상기 회전자 철심의 상기 원호 형상 곡면과 상기 자석 수납 구멍의 사이의 철심 부분의 자극 중심에 있어서의 두께를 B1로 하고, 상기 철심 부분의 둘레 방향의 단부의 두께를 B2로 했을 때에, B2＞B1를 만족한다.

본 발명에 따르면, 회전자 철심이, 외경측으로 볼록한 형상의 원호 형상 곡면(13)을 둘레 방향으로 복수 배열하여 구성되는 외형 형상으로 형성되어 있다. 그래서, 회전자로부터 발생하는 기자력 파형에 포함되는 고조파가 적게 되어, 코깅 토크나 토크 리플의 발생을 억제할 수 있다. 또, 회전자 철심의 q축의 자속을 받는 부분이 고정자로부터 떨어져 있기 때문에, q축의 인덕턴스가 작아진다. 이것에 의해, 고속 회전시에, 전압의 포화가 일어나기 어려워져, 운전 범위를 확대할 수 있다.

원통면의 곡율 반경을 R1, 원호 형상 곡면의 곡율 반경을 R2, 영구 자석의 표면의 곡율 반경을 R3로 했을 때에, R1＞R2＞R3를 만족하므로, 회전자 철심의 영구 자석의 외경측의 철심 부분의 두께가, 자극 중심으로부터 멀어짐에 따라 점차 두꺼워지고 있다. 그래서, 자극 중심에 있어서의 영구 자석의 외경측의 철심 부분이 자기 포화하기 쉬워져, 자석 자속 내의 누설 자속의 양이 저감되어, 고출력화가 도모된다. 더욱이, 영구 자석으로부터 공극에 도달하는 자속량이 자극 중심으로부터 멀어짐에 따라 점차 적게 되므로, 공극 자속 밀도 성분에 있어서의 고조파 자속 밀도 성분이 적게 되어, 코깅 토크나 토크 리플의 발생을 억제할 수 있다.

자석 수납 구멍은, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시켜 형성된 공극부를 가지고 있으므로, 영구 자석을 자석 수납 구멍에 수납시킬 때에, 영구 자석의 어긋남이 공극부에서 흡수된다. 더욱이, 자석 수납 구멍의 둘레 방향 양측부의 내경측에 형성된, 상기 영구 자석의 둘레 방향의 양측면과 직경 방향으로 평행한 면이, 영구 자석의 둘레 방향의 양측면에 접한다. 이것에 의해, 영구 자석을 회전자 철심에 간극을 마련하지 않고 고정할 수 있다.

회전자 철심의 원호 형상 곡면과 자석 수납 구멍의 사이의 철심 부분의 자극 중심에 있어서의 두께를 B1로 하고, 해당 철심 부분의 둘레 방향의 단부의 두께를 B2로 했을 때에, B2＞B1를 만족하므로, q축의 자속이 해당 철심 부분을 흐르기 어려워진다. 이것에 의해, 회전자에 있어서의 q축의 인덕턴스가 작아져, 운전 범위를 확대할 수 있다.

또, 영구 자석의 둘레 방향 양측부가 자극 중심으로 대해 경사지는 평탄면으로 되어 있기 때문에, 자극 중심과 평행한 방향에 있어서의 영구 자석의 둘레 방향 양측부의 두께가 두꺼워지고, 영구 자석의 양측부의 동작점이 높아져, 영구 자석의 감자를 억제할 수 있다. 게다가 영구 자석의 외경측에 위치하는 회전자 철심의 영역의 두께가, 둘레 방향 중앙부로부터 양측부로 향해 점차 두꺼워지고 있으므로, 고정자로부터의 자속이 영구 자석의 양측부를 통과하기 어려워져, 영구 자석의 감자를 억제할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기를 나타내는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 q축의 자속의 흐름을 설명하는 모식도이다.
도 4는 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도이다.
도 5는 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.
도 6은 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 q축의 자속의 흐름을 설명하는 모식도이다.
도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 q축의 자속의 경로를 나타내는 모식도이다.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 영구 자석을 나타내는 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자 철심의 자석 삽입 구멍 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.
도 10은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자 철심의 외주면 형상을 변경했을 경우의 코깅 토크의 크기를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.
도 13은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.
도 16은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 누설 자속의 흐름을 설명하는 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.
도 18은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기를 나타내는 단면도이다.
도 19는 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 사시도이다.
도 20은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 토크 리플과 단 스큐(skew) 각도의 관계를 나타내는 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시의 형태 5에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 측면도이다.
도 22는 본 발명의 실시의 형태 6에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 측면도이다.
도 23은 본 발명의 실시의 형태 7에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.

이하, 본 발명에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 바람직한 실시의 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다.

실시의 형태 1.

도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기를 나타내는 단면도, 도 2는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도, 도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 q축의 자속의 흐름을 설명하는 모식도, 도 4는 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도, 도 5는 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도, 도 6은 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 q축의 자속의 흐름을 설명하는 모식도, 도 7은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 q축의 자속의 경로를 나타내는 모식도, 도 8은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 영구 자석을 나타내는 단면도, 도 9는 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자 철심의 자석 삽입 구멍 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.

도 1에 있어서, 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(100)는, 링 형상의 고정자(1)와, 고정자(1)의 내부에 공극(9)을 사이에 두고 동축으로, 또한 회전 가능하게 배치된 회전자(10)를 구비하고 있다.

고정자(1)는, 전자기 강판을 적층, 일체화하여 제작되고, 티스(teeth)(2b)가, 각각, 링 형상의 백 요크(back yoke)(2a)의 내벽면으로부터 직경 방향 안쪽으로 돌출하여 둘레 방향으로 등각 피치로 배열되어 이루어지는 고정자 철심(2)을 구비한다. 여기에서는, 백 요크(2a)와 인접 티스(2b)에 의해 구성되는 슬롯(2c)이 둘레 방향으로 30개 배열되어 있다. 또, 도시하고 있지 않지만, 분포 감기(distributed winding)의 고정자 코일이 고정자 철심(2)에 장착되어 있다.

회전자(10)는, 전자기 강판을 적층, 일체화하여 제작되고, 복수개의 원호 형상 곡면(13)이 둘레 방향으로 등각 피치로 배열된 외형 형상을 갖는 회전자 철심(12)과, 회전자 철심(12)의 축심 위치에 삽입, 고착된 회전축(11)과, 회전자 철심의 외주 측에 매립된 영구 자석(16)을 구비한다.

회전자 철심(12)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 곡율 반경 R2의 원호 형상 곡면(13)에 의해 형성되는 볼록부가 둘레 방향으로 등각 피치로 10개 배열되어 구성되어 있다. 그리고, 둘레 방향으로 배열된 10개의 원호 형상 곡면(13)은, 곡율 반경 R1의 원통면(14)에 접하고 있다. 그리고, 자석 수납 구멍(15)이 원호 형상 곡면(13)의 각각의 내경측에 회전자 철심(12)을 축 방향으로 관통하도록 형성되어 있다.

영구 자석(16)은, 도 2 및 도 8에 나타내는 바와 같이, 회전자 철심(12)의 축 방향 길이와 대략 동일한 길이를 갖고, 길이 방향으로 직교하는 단면 형상이 외경측으로 볼록한 형상의 곡율 반경 R3의 상변, 외경측으로 볼록한 형상의 곡율 반경 R4의 하변, 및 평행한 직선으로 이루어지는 한 쌍의 측변으로 둘러싸인 원호 형상으로 형성된 봉 형상체로 제작되어 있다. 그리고, 영구 자석(16)은, 자석 수납 구멍(15)의 각각에 삽입, 고착되고, 영구 자석(16)의 외주측의 면(상면)의 극성이 N극, S극, N극, S극···으로 교대로 배열되도록, 둘레 방향으로 배열된다. 또, Wm는, 영구 자석(16)의 한 쌍의 측변 사이의 간격, 즉 둘레 방향 폭이다.

자석 수납 구멍(15)은, 도 2 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시켜 형성된 공극부(17)를 가진 점을 제외하고, 영구 자석(16)의 외형 형상과 상사형인 구멍 형상으로 형성되어 있다. 또, Ws는, 후술하는 자석 걸림부(magnet detent portion)(18) 간의 간격, 즉 둘레 방향 폭이다.

여기서, 회전축(11)의 축심과 직교하는 단면에 있어서, 원통면(14)의 곡율 반경 R1＞영구 자석(16)의 하면의 곡율 반경 R4＞원호 형상 곡면(13)의 곡율 반경 R2＞영구 자석(16)의 상면의 곡율 반경 R3로 되어 있다. 또, 자석 수납 구멍(15)의 내벽면의 상면 및 하면의 곡율 반경은, 각각, 영구 자석(16)의 표면의 곡율 반경 R3 및 영구 자석(16)의 하면의 곡율 반경 R4에 대략 일치하고 있다. 그리고, 원호 형상 곡면(13), 자석 수납 구멍(15)의 구멍 형상 및 영구 자석(16)의 외형 형상이, 각각, 회전축(11)의 축심과 원호 형상 곡면(13)의 둘레 방향의 중심을 통과하는 평면을 대칭면으로 하는 거울 대칭(mirror symmetry)으로 되어 있다. 이 대칭면이 자극 중심으로 된다.

회전자 철심(12)의 영구 자석(16)의 외경측의 철심 부분이 브릿지부(20)로 된다. 이 브릿지부(20)는, 자극 중심으로부터 둘레 방향으로 멀어질수록, 두께가 두꺼워지도록 형성되어 있다. 브릿지부(20)의 자극 중심의 두께가 B1이며, 둘레 방향의 단부의 두께가 B2(＞B1)이다.

회전축(11)의 축심과 둘레 방향으로 인접하는 자석 수납 구멍(15)(영구 자석(16)) 간의 중심을 통과하는 평면이 극간 중심으로 된다. 그리고, 둘레 방향으로 인접하는 자석 수납 구멍(15)의 공극부(17)의 마주하는 벽면은, 극간 중심과 평행으로 되어 있다. 또, 자석 수납 구멍(15)의 둘레 방향의 양측부 내의 내경측 부분, 즉 공극부(17)의 내경측 부분이, 자극 중심과 평행한 벽면으로 되어, 자석 걸림부(18)를 구성한다. 그리고, 둘레 방향으로 인접하는 공극부(17) 간의 거리가 Lb, 둘레 방향으로 인접하는 자석 걸림부(18) 간의 거리가 Ln이다.

이와 같이 구성된 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(100)는, 10극 30슬롯의 회전 전기 기기로서 동작한다.

본 실시의 형태 1에 따르면, 회전자 철심(12)의 외주면이, 곡율 반경 R2의 원호 형상 곡면(13)을 둘레 방향으로 등각 피치로 10개 배열되어 구성되어 있다. 그래서, 외형 형상이 완전한 원의 회전자를 이용하는 특허 문헌 1에 비해, 회전자(10)로부터 발생하는 기자력 파형에 포함되는 고조파가 적게 되어, 코깅 토크나 토크 리플의 발생을 억제할 수 있다. 또, 회전자 철심(12)의 q축의 자속을 받는 부분이 고정자(1)로부터 멀어지므로, q축의 인덕턴스가 작아진다. 이것에 의해, 고속 회전시에, 전압의 포화가 일어나기 어려워져, 운전 범위를 확대할 수 있다.

자석 수납 구멍(15)의 구멍 형상이, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시켜 형성된 공극부(17)를 갖고 있는 점을 제외하고, 영구 자석(16)과 상사형으로 되어 있으므로, 영구 자석(16)을 자석 수납 구멍(15)에 수납할 때에, 영구 자석(16)의 치수 어긋남이 공극부(17)에서 흡수된다. 그리고, 자석 수납 구멍(15)의 둘레 방향 양측부의 내경측에 의해 구성되는 자석 걸림부(18)가, 영구 자석(16)의 둘레 방향의 양측면과 직경 방향으로 평행하게 접하고, 영구 자석(16)을 회전자 철심(12)에 간극을 마련하지 않고 고정할 수 있다. 이와 같이, 영구 자석(16)을 회전자 철심(12)에 간극을 마련하지 않고 고정함으로써, 자석 위치가 어긋나는 것이 없어진다. 그래서, 자석 위치의 어긋남으로 인해 발생하는 코깅 토크, 토크 리플을 억제하는 것이 가능해진다.

영구 자석(16)의 둘레 방향 양측부가 자극 중심과 평행한 평탄면으로 되어 있으므로, 자극 중심과 평행한 방향에 있어서의 영구 자석(16)의 양측부의 자석 두께가 두꺼워지므로, 영구 자석(16)의 양측부의 동작점이 높아져, 영구 자석(16)의 감자가 억제된다.

공극부(17)가 자석 수납 구멍(15)의 둘레 방향 양측부에 일체로 형성되어 있으므로, 극간에 있어서의 철심 부분의 폭 Lb가 좁아진다. 이것에 의해, 해당 철심 부분의 자기 포화에 의해, 자석 자속 내의 누설 자속이 저감하여, 출력을 향상시키는 것이 가능해진다.

여기서, 곡율 반경 R2의 원호 형상 곡면(13)을 둘레 방향으로 등각 피치로 10개 배열되어 구성된 외주면을 갖는 회전자 철심(12)(R1＞R2＞R3)을 이용한 회전 전기 기기와, 외형 형상을 완전한 원으로 하는 회전자 철심(R1=R2＞R3)을 이용한 회전 전기 기기를 제작하고, 코깅 토크를 측정하고, 그 결과를 도 10에 나타냈다. 도 10은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자 철심의 외주면 형상을 변경했을 경우의 코깅 토크의 크기를 나타내는 도면이다. 또, 외형 형상을 완전한 원으로 하는 회전자 철심은, 회전자 철심(12)의 원호 형상 곡면(13)에 접하는 원통면을 외주면으로 하고 있는 점을 제외하고, 회전자 철심(12)과 마찬가지로 구성되어 있다. 또, 도 10에서는, 회전자 철심(12)(R1＞R2＞R3)을 이용한 회전 전기 기기의 코깅 토크의 크기를 1로 하여, 외형 형상을 완전한 원으로 하는 회전자 철심(R1=R2＞R3)을 이용한 회전 전기 기기의 코깅 토크의 크기를 나타냈다.

도 10으로부터, 곡율 반경 R2의 원호 형상 곡면(13)을 둘레 방향으로 등각 피치로 배열되어 구성된 외주면을 갖는 회전자 철심(12)을 이용한 경우, 외형 형상을 완전한 원으로 하는 회전자 철심을 이용한 경우에 비해, 코깅 토크가 큰 폭으로 저감할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 이 코깅 토크의 저감 효과는, 곡율 반경 R2의 원호 형상 곡면(13)을 둘레 방향으로 등각 피치로 배열되어 구성된 외주면을 갖는 회전자 철심(12)을 이용한 경우, 외형 형상을 완전한 원으로 하는 회전자 철심을 이용한 경우에 비해, 회전자로부터 발생하는 기자력 파형에 포함되는 고조파가 적게 된 것에 의한 것으로 추고된다.

다음으로, 영구 자석(16)의 외주면의 곡율 반경 R3이 원호 형상 곡면(13)의 곡율 반경 R2보다 작은 것으로 인한 효과를 비교예와 대비하여 설명한다.

비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자(110)는, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 회전자 철심(112)이, 회전축(11)의 축심과 직교하는 단면에 있어서, 원통면(14)의 곡율 반경 R1＞원호 형상 곡면(13)의 곡율 반경 R2=영구 자석(16)의 표면의 곡율 반경 R3으로 되어 있는 점을 제외하고, 본 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(100)에 있어서의 회전자(10)와 마찬가지로 구성되어 있다. 비교예의 회전자(110)에서는, 원호 형상 곡면(13)의 곡율 반경 R2=영구 자석(16)의 표면의 곡율 반경 R3으로 되어 있으므로, 브릿지부(20)의 두께는 균일하다. 즉, 브릿지부(20)의 자극 중심에 있어서의 두께 B1와 브릿지부(20)의 둘레 방향 양단부에 있어서의 두께 B2가 동일하다.

비교예의 회전자(110)에서는, 브릿지부(20)의 양단부의 두께 B2를 얇게 하면, 브릿지부(20)의 기계적 강도가 저하하고, 고속 회전시에 영구 자석(16)에 작용하는 원심력에 의해 브릿지부(20)가 손상될 가능성이 있다. 또, 고정자 코일이 만드는 q축의 자속은 브릿지부(20)의 둘레 방향 양단부로 들어간다. 브릿지부(20)의 양단부의 두께 B2가 얇기 때문에, q축의 자속은, 도 6에 화살표로 나타내는 바와 같이, 브릿지부(20)를 통과하고, 영구 자석(16)을 내경측으로 흐른다. 이때, q축의 자속은, 영구 자석(16) 내를 자화 배향 방향에 대해서 역방향으로 흐르게 되어, 반자계가 영구 자석(16)에 가해져, 영구 자석(16)의 감자가 촉진된다.

또, 비교예의 회전자(110)에 있어서, 브릿지부(20)의 양단부의 두께 B2를 두껍게 함으로써, 브릿지부(20)의 기계적 강도를 높이고, 또한 q축의 자속에 의한 영구 자석(16)의 감자를 억제할 수 있다. 그러나, 브릿지부(20)의 양단부의 두께 B2를 두껍게 하는 것은, 브릿지부(20)의 자극 중심에 있어서의 두께 B1를 두껍게 하게 되어, 자석 자속 내의 누설 자속이 많아진다. 이것에 의해, 영구 자석(16)이 발생한 자속에 의한 토크의 증대가 억제되어, 출력이 저하하게 된다.

본 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(100)의 회전자(10)에서는, 영구 자석(16)의 외주면의 곡율 반경 R3이 원호 형상 곡면(13)의 곡율 반경 R2보다 작기 때문에, 브릿지부(20)의 자극 중심에 있어서의 두께 B1가 둘레 방향의 양단부에 있어서의 두께 B2보다 얇아진다. 그래서, 브릿지부(20)의 자극 중심에서의 자기 포화에 의해, 자석 자속 내의 누설 자속이 저감되므로, 영구 자석(16)이 발생한 자속에 의한 토크가 증대하여, 출력을 향상시킬 수 있다. 또, 브릿지부(20)의 둘레 방향 양단부의 두께 B2를 두껍게 할 수 있으므로, 브릿지부(20)의 기계적 강도가 높아져, 내원심력성을 높일 수 있다. 더욱이, 브릿지부(20)의 두께가 자극 중심으로부터 둘레 방향으로 멀어질수록, 두꺼워지고 있다. 그래서, 영구 자석(16)으로부터 나와서 공극(9)에 도달하는 자속의 양이, 자극 중심으로부터 극간 측에 가까워짐에 따라 감소한다. 이것에 의해, 공극 자속 밀도 성분에 있어서의 고조파 자속 밀도 성분이 적게 되어, 코깅 토크나 토크 리플이 저감된다.

브릿지부(20)의 둘레 방향 양단부의 두께 B2가 두껍기 때문에, 고정자 코일이 만드는 q축의 자속은, 도 3에 화살표로 나타내는 바와 같이, 브릿지부(20)의 둘레 방향 양단부로부터 극간의 철심 부분을 통과하여 내경측으로 흐른다. 그래서, q축의 자속이 영구 자석(16)을 흐름으로 인해 영구 자석(16)에 가해지는 반자계가 저감되어, 영구 자석(16)의 감자가 억제된다.

영구 자석(16)의 하면의 곡율 반경 R4가 영구 자석(16)의 상면의 곡율 반경 R3보다 커지고 있으므로, 자석의 양이 자극 중심으로부터 이간할수록 적게 되어 있다. 그래서, 영구 자석(16)으로부터 나와서 공극(9)에 도달하는 자속의 양이, 자극 중심으로부터 극간 측에 가까워짐에 따라 감소한다. 이것에 의해, 공극 자속 밀도 성분에 있어서의 고조파 자속 밀도 성분이 적게 되어, 코깅 토크나 토크 리플이 저감된다.

다음으로, 회전자 철심(12)에 들어간 q축의 자속은, 도 7에 화살표로 나타낸 바와 같이, 극간의 철심 부분을 내경측으로 흐르고, 영구 자석(16)의 내경측의 철심 부분을 둘레 방향으로 흐르고, 이웃하는 극간의 철심 부분을 외경측으로 흐르는 경로와, 브릿지부(20)를 둘레 방향으로 흐르는 경로를 취한다.

브릿지부(20)의 양단부의 두께 B2는 구조적인 제약에 의해 결정할 수 있다. 그래서, 자석 사용량이 동일한 경우, 본 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(100)의 회전자(10)와 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자(110)의 브릿지부(20)의 양단부의 두께 B2는 동일하게 된다. 본 회전자(10)에서는, B1＜B2로 되고 있으므로, q축의 자속은, 비교예의 회전자(110)에 비해, 브릿지부(20)를 흐르기 어려워진다. 이 때문에, 회전자(10)에 있어서의 q축의 인덕턴스는, 비교예의 회전자(110)보다 작아진다.

여기서, 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(100)를 모터로서 동작시키는 경우의 전압은, 식(1)으로 나타내어진다. 다만, 전압을 V0, 고정자 코일의 코일 저항을 R, q축 인덕턴스를 Lp, d축 인덕턴스를 Ld, q축 전류를 Iq, d축 전류를 Id, 영구 자석 밀도를 Φf로 한다.

식 (1)로부터, Lp가 작을수록, 전압 V0가 작아지는 것을 알 수 있다. 이것은, 모터의 전압 포화가 우수하다는 것을 의미하고 있다. 상술한 바와 같이, 본 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(100)는, 비교예의 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 비해, q축 인덕턴스 Lq가 작아지므로, 운전 범위를 확대할 수 있음을 알 수 있다.

또, Ln, B1, B2는, 구조상의 제약에 더하여, 제작상의 제약이 있다. 회전자 철심(12)은 펀칭된 전자기 강판을 적층하여 구성된다. 전자기 강판의 판두께를 t로 하면, 펀칭으로 제작할 수 있는 Ln, B1, B2의 폭은, 0.4×t 이상의 폭으로 된다. 그래서, 구조적인 강도에 문제가 없는 경우에는, B1=0.4×t로 하여 전자기 강판을 펀칭하는 것이 이상적이다. 이것에 의해, 자석 자속 내의 누설 자속을 저감할 수 있고, 자석 자속에 의한 토크가 증대하여, 출력을 향상시킬 수 있다.

그러나, 금형을 이용하여 B1=0.4×t로 하여 전자기 강판을 펀칭하는 경우, 브릿지부(20)가 구부러지지 않도록, 복수회로 나누어 펀칭할 필요가 있다. 이 때문에, 금형이 커져, 펀칭 공정수가 증가하여, 고비용화로 되어 버린다. 이 때문에, 금형을 크게 하지 않고, 펀칭 공정수의 증가를 억제하기 위해서는, B1≥1.4×t로 하는 것이 바람직하다. 자석 자속 내의 누설 자속을 저감하는 관점에서, B1=1.4×t로 하는 것이 특히 바람직하다.

다음으로, 자석 수납 구멍(15)의 구멍 형상과 영구 자석(16)의 외형 형상에 대해 검토한다.

영구 자석(16)의 둘레 방향 폭 Wm는 자석 수납 구멍(15)의 자석 걸림부(18) 간의 둘레 방향 폭 Ws와 동일하게 하는 것이, 자석 용적을 크게 하는 것으로 이어진다. 이것에 의해, 영구 자석(16)이 발생하는 자속량이 많아져, 출력의 향상을 도모할 수 있다.

또, 제조상의 치수 공차를 고려하면, Ws는, Wm＋0.05 mm≤Ws≤Wm＋0.1 mm를 만족하도록 설정하는 것이 바람직하다. 특히, Ws=Wm＋0.1 mm으로 하면, 영구 자석(16)의 둘레 방향 폭 Wm를 최대로 할 수 있다.

더욱이, 대립되는 공극부(17) 간의 거리 Lb와, 마주하는 자석 걸림부(18) 간의 거리 Ln를 동일하게 하면, 브릿지부(20)의 기계적 강도를 확보하면서, 영구 자석(16)의 둘레 방향 폭 Wm를 최대로 할 수 있어, 출력을 향상시킬 수 있다.

또, 상기 실시의 형태 1에서는, 고정자 코일이 분포 감기의 코일로 구성되어 있지만, 고정자 코일은 분포 감기의 코일로 한정되지 않고, 집중 감기(concentrated winding)의 코일을 이용해도 좋다.

또, 상기 실시의 형태 1에서는, 10극 30슬롯의 회전 전기 기기에 대해 설명하고 있지만, 회전 전기 기기의 극수 및 슬롯수는 이것으로 한정되지 않는다.

또, 상기 실시의 형태 1에서는, 영구 자석의 하면의 곡율 반경 R4가 상면의 곡율 반경 R3보다 커지고 있지만, 영구 자석의 하면의 곡율 반경 R4를 상면의 곡율 반경 R3 이하으로 해도 좋다.

실시의 형태 2.

도 11은 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도, 도 12는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.

도 11 및 도 12에 있어서, 회전자(10A)는, 복수개의 원호 형상 곡면(13)이 둘레 방향으로 등각 피치로 배열된 외형 형상을 가지며, 자석 수납 구멍(15A)이 원호 형상 곡면(13)의 각각의 내경측에 형성된 회전자 철심(12A)과, 자석 수납 구멍(15A)의 각각에 삽입, 고착된 영구 자석(16A)을 구비한다.

영구 자석(16A)은, 회전자 철심(12A)의 축 방향 길이와 대략 동일한 길이를 갖고, 길이 방향에 직교하는 단면 형상이 곡율 반경 R3의 상변, 상변의 둘레 방향 중앙을 지나는 반경 방향과 직교하는 직선으로 이루어지는 하변, 및 상변의 둘레 방향 중앙을 지나는 반경 방향과 평행한 직선으로 이루어지는 한 쌍의 측변으로 둘러싸인 반원통 형상으로 형성된 봉 형상체로 제작되어 있다.

자석 수납 구멍(15A)은, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시켜 형성된 공극부(17)를 갖는 점을 제외하고, 영구 자석(16A)의 외형 형상과 상사형인 구멍 형상으로 형성되어 있다.

또, 다른 구성은 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로 구성되어 있다.

따라서, 본 실시의 형태 2에서도, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지의 효과가 얻어진다.

본 실시의 형태 2에 따르면, 영구 자석(16A)이 단면 반원통 형상의 봉 형상체로 제작되어 있으므로, 상하 양면이 원호 형상 곡면으로 되어 있는 영구 자석(16)에 비해, 영구 자석(16A)의 가공이 용이해져, 코스트 삭감이 도모된다.

또, 영구 자석(16A)의 하면이, 자극 중심에 직교하는 평탄면으로 되어 있으므로, 자석량이 자극 중심으로부터 이간할수록 적게 되어 있다. 그래서, 영구 자석(16A)으로부터 나와서 공극(9)에 도달하는 자속의 양이, 자극 중심으로부터 극간 측에 가까워짐에 따라 감소한다. 이것에 의해, 공극 자속 밀도 성분에 있어서의 고조파 자속 밀도 성분이 적게 되어, 코깅 토크나 토크 리플이 저감된다.

실시의 형태 3.

도 13은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도, 도 14는 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 단면도, 도 15는 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도, 도 16은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 회전자에 있어서의 누설 자속의 흐름 설명하는 도면, 도 17은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.

도 13 내지 도 15에 있어서, 회전자(10B)는, 회전축(11)에 수축 끼워맞춤이나 압입 등에 의해 고정되어, 회전자 철심(12)의 축 방향의 양단면에 접하도록 배치된 단 판(end plate)(21)을 구비하고 있다. 단 판(21)은, 외주단이 영구 자석(16)의 상면과 측면의 교점의 직경 방향 위치와 동일하게 되는 직경 Rm의 링 형상 평판으로 제작되어 있다.

실시의 형태 3에서도, 회전자 철심(12), 자석 수납 구멍(15) 및 영구 자석(16)이 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로 구성되어 있으므로, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지의 효과가 얻어진다.

본 실시의 형태 3에서는, 단 판(21)이, 축 방향으로부터 보아, 영구 자석(16)의 적어도 일부와 겹치도록, 회전자 철심(12)의 축 방향 양단면에 접해서, 회전축(11)에 고정되어 있다. 그래서, 축 방향으로 전자기적인 언밸런스가 있어, 영구 자석(16)에 스러스트력(thrust)이 작용해도, 영구 자석(16)의 축 방향의 이동은 단 판(21)에 의해 저지된다. 따라서, 회전자 철심(12)으로부터 영구 자석(16)의 축 방향으로의 튀어나옴이 확실히 방지된다.

여기서, 영구 자석(16)으로부터 나오는 자속의 누락을 억제하는 관점에서, 단 판(21)은 비자성 재료로 제작하는 것이 바람직하다. 그러나, 비자성 재료로 제작된 단 판(21)을 회전축(11)에 수축 끼워맞춤이나 압입 등에 의해 고정한 경우, 단 판(21)과 회전축(11)의 열확장 계수의 차이로부터, 회전자(10B)의 온도 상승에 수반하여, 단 판(21)과 회전축(11)의 결합부가 느슨해져, 단 판(21)이 벗어날 가능성이 있다. 단 판(21)과 회전축(11)의 결합부의 느슨함을 방지하기 위해서, 끼워맞춤 공차를 너무 엄격하게 하면, 수축 끼워맞춤 공정에서는, 수축 끼워맞춤 온도를 올릴 필요가 있고, 압입 공정에서는, 압입력이 상승하여 공작성이 악화되는 것으로 된다. 이것으로부터, 단 판(21)은 자성 재료로 제작되는 것이 바람직하다.

자성 재료로 제작된 단 판(21)의 직경 Rm가 회전자 철심(12)의 외경과 동일한 경우에는, 영구 자석(16)의 단면의 전면(全面)이 단 판(21)과 접하게 되어, 누설 자속이 많아진다. 그래서, 단 판(21)의 직경 Rm을 작게 함으로써, 단 판(21)에 접하는 영구 자석(16)의 단면의 면적을 줄일 수 있다. 이것에 의해, 도 16에 화살표로 나타내는 바와 같이, 영구 자석(16)으로부터 나오는 자속이, 단 판(21)에 접하는 영구 자석(16)의 단면의 영역으로부터 단 판(21)으로 들어가고, 단 판(21) 내를 내경측으로 흐르고, 그 후 회전자 철심(12)의 영구 자석(16)의 내경측의 철심 부분에 들어가고, 영구 자석(16)으로 돌아오는 자로(磁路)를 흐른다. 그래서, 단 판(21)으로부터 노출되어 있는 영구 자석(16)의 단면의 영역으로부터의 단 판(21)으로의 자속의 흐름이 억제되므로, 단 판(21)의 외경을 회전자 철심(12)의 외경과 동일하게 한 경우에 비해, 누설 자속을 저감할 수 있다. 이와 같이, 단 판(21)이 영구 자석(16)의 단면에 접하는 면적이 작아질수록, 누설 자속을 저감할 수 있다.

또, 단 판(21)은, 축 방향으로부터 보아, 영구 자석(16)의 일부를 덮어서 가리면, 영구 자석(16)의 축 방향의 튀어나옴을 억제하는 효과가 있다. 그리고, 영구 자석(16)의 축 방향의 튀어나옴을 확실히 저지하려면, 도 17에 나타내는 바와 같이, 단 판(21)이, 축 방향으로부터 보아, 영구 자석(16)의 자극 중심에 있어서의 두께 Hm의 절반 이상의 영역을 덮어 가리고 있으면 좋다.

이것으로부터, 누설 자속을 저감하고, 또한 영구 자석(16)의 축 방향의 튀어나옴을 억제하는 관점에서, 단 판(21)의 외주단의 직경 방향 위치가, 영구 자석(16)의 자극 중심에 있어서의 두께 Hm의 절반으로 되는 점의 직경 방향 위치 이상, 영구 자석(16)의 표면과 측면의 교점의 직경 방향 위치 이하로 되도록, 외경 Rm를 설정하는 것이 바람직하다.

실시의 형태 4.

도 18은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기를 나타내는 단면도, 도 19는 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 사시도, 도 20은 본 발명의 실시의 형태 4에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 토크 리플과 단 스큐 각도의 관계를 나타내는 도면이다.

도 18 및 도 19에 있어서, 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(101)는, 링 형상의 고정자(1A)와, 고정자(1A)의 내부에 공극(9)을 사이에 두고 동축으로, 또한 회전 가능하게 배치된 회전자(30)를 구비하고 있다.

고정자(1A)는, 전자기 강판을 적층, 일체화하여 제작되고, 티스(2b)가, 각각, 링 형상의 백 요크(2a)의 내벽면으로부터 직경 방향 안쪽으로 돌출하여 둘레 방향으로 등각 피치로 배열되는 고정자 철심(2A)과, 고정자 철심(2A)에 장착된 고정자 코일(3)을 구비한다. 여기에서는, 백 요크(2a)와 인접 티스(2b)에 의해 구성되는 슬롯(2c)이 둘레 방향으로 12개 배열되어 있다. 또, 고정자 코일(3)이, 도체선을 티스(2b)의 각각에 감아서 제작된 집중 감기 코일(3a)을 구비하고 있다.

회전자(30)는, 전자기 강판을 적층, 일체화하여 제작되고, 복수개의 원호 형상 곡면(13)이 둘레 방향으로 등각 피치로 배열된 외형 형상을 갖고, 축 방향으로 동축으로 배치되는, 분할 철심으로서의 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)과, 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 축심 위치에 삽입, 고착된 회전축(11)과, 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 외주 측에 매립된 영구 자석(16)을 구비한다.

제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)은, 각각, 곡율 반경 R2의 원호 형상 곡면(13)에 의해 형성되는 볼록부가 둘레 방향으로 등각 피치로 8개 배열되어 구성되어 있다. 그리고, 자석 수납 구멍(15)이 원호 형상 곡면(13)의 각각의 내경측에 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)을 축 방향으로 관통하도록 형성되어 있다. 더욱이, 영구 자석(16)이, 자석 수납 구멍(15)의 각각에 삽입, 고착되어 있다.

제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)은, 자극 중심을 둘레 방향으로 어긋나게 하여, 서로 접해서 축 방향으로 동축으로 배열되고, 축심 위치에 삽입된 회전축(11)에 고정되어 있다. 또, 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)은, 8개의 영구 자석(16)이 매설되고, 축 방향 두께가 절반인 점을 제외하고, 상기 실시의 형태 1에 있어서의 회전자 철심(12)과 마찬가지로 구성되어 있다. 또, 축 방향으로 배열된 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 자극 중심간의 둘레 방향 각도가 단 스큐 각도로 된다.

일반적으로, 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에서는, 고정자 코일이 집중 감기의 코일인 경우, 분포 감기의 코일로 이루어지는 고정자 코일을 이용하는 경우에 비해, 고조파가 크고, 토크 리플이 커지기 쉽다. 또, 8극 12슬롯인 경우, 특히 고조파가 커진다.

이 영구 자석 매립형 회전 전기 기기(101)에서는, 자극 중심을 둘레 방향으로 어긋나게 하여, 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)을 축 방향으로 동축으로 배열하고 있는, 즉 단 스큐를 실시하고 있으므로, 축 방향으로 발생하는 토크 리플의 위상에 차이가 생겨 토크 리플을 저감할 수 있다.

8극 12슬롯의 모터에서는, 이론상, 모터가 전기적으로 1회전하는 주기를 1f로 하면, 6f 성분으로 큰 토크 리플이 발생한다. 이 때문에, 전기적으로는, 30°로 위상차를 마련하도록 단 스큐를 실시한다. 여기서 말하는 전기적인 30°이란, 8극의 모터에서의 경우, 기계 각도로 7.5°로 된다. 그러나, 영구 자석(16)이 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)에 매입되어 있으므로, 영구 자석(16)의 외주 측에 위치하는 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 철심 부분을 축 방향으로 흐르는 누설 자속이 발생하고, 축 방향으로 발생하는 토크 리플의 위상의 차이가 이론적인 30°과 다르게 된다.

여기서, 단 스큐 각도(전기 각도)와 토크 리플의 관계를 도 20에 나타낸다.

도 20으로부터, 단 스큐 각도가 28°으로부터 커지면, 토크 리플이 점차 작아져, 단 스큐 각도가 30°(기계 각도：7.5°) 이상으로 되면, 토크 리플이 더 작아졌다. 그리고, 단 스큐 각도가 43°을 넘으면, 토크 리플의 저하가 완만하게 되고, 단 스큐 각도가 48°을 넘으면, 토크 리플의 저하가 거의 없는 것을 알았다.

토크 리플을 크게 하면, 출력의 저하를 가져오기 때문에, 토크 리플을 저감하고, 또한 출력의 저하를 억제하는 관점에서, 단 스큐 각도는, 전기 각도로 30°이상, 48°이하로 하는 것이 바람직하다. 여기에서는, 8극 12슬롯의 경우에 대해 설명했지만, 3상 모터에서는, 매극 매상마다의 슬롯수가 1/2 또는 1/4인 모터에서, 마찬가지의 효과가 얻어지는 것이 확인할 수 있었다.

실시의 형태 5.

도 21은 본 발명의 실시의 형태 5에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 측면도이다.

도 21에 있어서, 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)은, 자극 중심을 둘레 방향으로 어긋나게 하여, 축 방향으로 간극 d를 확보하여 동축으로 배열되어 있다.

또, 다른 구성은, 상기 실시의 형태 4와 마찬가지로 구성되어 있다.

상기 실시의 형태 4에 따른 회전자(30)에서는, 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)이 서로 접하도록 축 방향으로 배열되어 있으므로, 영구 자석(16)의 외주 측에 위치하는 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 철심 부분을 축 방향으로 흐르는 누설 자속이 발생하여, 출력의 저하를 가져온다.

본 실시의 형태 5에 따른 회전자(30A)에서는, 축 방향으로 배열된 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 사이에 간극 d가 확보되어 있다. 이것에 의해, 영구 자석(16)의 외주 측에 위치하는 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 부분을 축 방향으로 흐르는 누설 자속의 양이 저감되어, 토크 리플을 저감하기 위한 단 스큐 각도를 작게 할 수 있다. 단 스큐 각도를 크게 하면, 출력이 저하한다. 따라서, 실시의 형태 5에 따르면, 상기 실시의 형태 4에 비해, 출력을 높일 수 있다.

여기서, 간극 d는, 영구 자석(16)의 외주 측에 위치하는 제 1 및 제 2 회전자 철심(121, 122)의 철심 부분, 즉 브릿지부(20)의 자극 중심에 있어서의 두께 B1 이상으로 설정하면, 자석 자속 내의 누설 자속을 저감하여, 출력을 향상하는 것이 가능해진다. 그래서, 전자기 강판의 판두께를 t로 하면, 제작 가능한 B1는 0.4×t 이상으로 되므로, 간극 d는 d≥0.4×t로 하는 것이 바람직하다.

실시의 형태 6.

도 22는 본 발명의 실시의 형태 6에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자를 나타내는 측면도이다.

도 22에 있어서, 회전자 철심은, 분할 철심으로서의 제 1 내지 제 3 회전자 철심(131, 132, 133)으로 구성된다. 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)은, 동일하게 구성되어 있다. 제 2 회전자 철심(132)은, 축 방향 길이가 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)의 2배로 되어 있는 점을 제외하고, 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)과 마찬가지로 구성되어 있다. 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)이, 제 2 회전자 철심(132)을 사이에 두고, 서로 접하고, 축 방향으로 동축으로 배열되어 있다. 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)의 자극 중심의 둘레 방향 위치는 일치하고, 제 2 회전자 철심(132)의 자극 중심은, 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)의 자극 중심에 대해서 둘레 방향으로 어긋나 있다.

본 실시의 형태 6에서는, 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)이 동일하게 구성되고, 또한 자극 중심의 둘레 방향 위치가 일치하고 있다. 또, 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)의 축 방향 길이가, 제 2 회전자 철심(132)의 축 방향 길이의 절반으로 되어 있다. 그리고, 제 2 회전자 철심(132)이 제 1 및 제 3 회전자 철심(131, 133)에 대해서 단 스큐되어 있다. 이것에 의해, 단 스큐하는 것에 기인하여 회전자(30B)의 회전중에 축 방향에 가해지는 스러스트력이 없어진다. 따라서, 영구 자석 매립형 회전 전기 기기의 베어링으로의 부하가 줄어들어, 베어링에 있어서의 고장의 발생을 억제할 수 있다.

실시의 형태 7.

도 23은 본 발명의 실시의 형태 7에 따른 영구 자석 매립형 회전 전기 기기에 있어서의 회전자의 영구 자석 주위를 나타내는 주요부 확대도이다.

도 23에 있어서, 회전자 철심(12B)은, 마주하는 자석 걸림부(18) 간의 거리 Ln가, 브릿지부(20)의 둘레 방향의 단부의 두께 B2보다 커지도록 구성되어 있다.

또, 다른 구성은, 상기 실시의 형태 1과 마찬가지로 구성되어 있다.

하나의 영구 자석(16)으로부터 나오는 자속은, 회전자 철심(12B)의 극간의 외주측의 철심 부분을 지나서 인접의 영구 자석(16)으로 향하는 자로와, 회전자 철심(12B)의 극간의 철심 부분을 지나서 하나의 영구 자석(16)으로 돌아오는 자로를 흐른다. 영구 자석(16)으로부터 나오는 자속 내의 누설 자속의 양의 크기는, 브릿지부(20)의 둘레 방향의 단부의 두께 B2에 의해 정해진다. 따라서, Ln＞B2로 하여도, 누설 자속의 양은 변함없다. 또, Ln가 커지면, 브릿지부(20)의 기계적 강도가 증가하고, 고속 회전에도 견딜 수 있게 된다.

본 실시의 형태 7에 따르면, Ln＞B2로 하고 있으므로, 누설 자속을 증대하는 것도 없이, 내원심력성을 높일 수 있다.

또, 상기 각 실시의 형태에서는, 1개의 긴 영구 자석을 자석 수납 구멍의 각각에 수납되어 있지만, 복수개의 짧은 영구 자석을 자석 수납 구멍의 각각에 1열로 배열하여 수납하도록 해도 좋다.

1, 1A : 고정자 9 : 공극
10, 10A, 10B, 30, 30A, 30B : 회전자
11 : 회전축 12, 12A, 12B : 회전자 철심
13 : 원호 형상 곡면 14 : 원통면
15, 15A : 자석 수납 구멍 16, 16A : 영구 자석
17 : 공극부 20 : 브릿지부
21 : 단 판 121 : 제 1 회전자 철심(분할 철심)
122 : 제 2 회전자 철심(분할 철심) 131 : 제 1 회전자 철심(분할 철심)
132 : 제 2 회전자 철심(분할 철심) 133 : 제 3 회전자 철심(분할 철심)
d : 간극

Claims

링 형상의 고정자와, 상기 고정자의 내부에 공극을 사이에 두고, 동축으로 배치되는 회전자를 구비한 영구 자석 매립형 회전 전기 기기로서,
상기 회전자는,
외경측으로 볼록한 형상의 원호 형상 곡면이 둘레 방향으로 복수 배열된 외형 형상을 갖고, 자석 수납 구멍이 상기 원호 형상 곡면의 각각의 내경측에 축 방향으로 관통하도록 형성된 회전자 철심과,
상기 회전자 철심의 축심 위치에 삽입되어, 상기 회전자 철심을 유지하는 회전축과,
각각, 길이 방향과 직교하는 단면의 외경측을 외경측으로 볼록한 형상의 원호로 하고, 또한 둘레 방향의 양측면을 자극 중심을 포함한 평면과 평행한 평탄면으로 하는 봉 형상체로 제작되고, 상기 자석 수납 구멍의 각각에 수납된 영구 자석을 갖고,
둘레 방향으로 배열된 상기 원호 형상 곡면에 접하는 원통면의 곡율 반경을 R1, 상기 원호 형상 곡면의 곡율 반경을 R2, 상기 영구 자석의 상면의 곡율 반경을 R3로 했을 때에, R1＞R2＞R3를 만족하고,
상기 자석 수납 구멍은, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시킨 공극부를 갖고,
상기 자석 수납 구멍의 둘레 방향 양측부 내의 내경측 부분에, 상기 영구 자석의 둘레 방향의 양측면과 접촉하는, 상기 자극 중심을 포함하는 평면과 평행한 면을 마련하고,
상기 회전자 철심의 상기 원호 형상 곡면과 상기 자석 수납 구멍의 사이의 철심 부분의 자극 중심에 있어서의 두께를 B1로 하고, 상기 철심 부분의 둘레 방향의 단부의 두께를 B2로 했을 때에, B2＞B1를 만족하고,
둘레 방향으로 인접하는 상기 공극부 간의 거리와, 둘레 방향으로 인접하는, 상기 영구 자석의 둘레 방향의 양측면과 접촉하는, 상기 자극 중심을 포함하는 평면과 평행한 상기 면 사이의 거리가 동일한 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 1 항에 있어서,
상기 영구 자석의 둘레 방향 양측부의 내경측 단부간의 둘레 방향 폭을 Wm로 하고, 상기 자석 수납 구멍의 둘레 방향 양측부의 내경측 단부간의 둘레 방향 폭을 Ws로 했을 때에, Wm＋0.05 mm≤Ws≤Wm＋0.1 mm를 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 영구 자석이, 외경측을 외경측으로 볼록한 형상의 원호로 하고, 또한 내경측을 외경측으로 볼록한 형상의 원호로 하는, 길이 방향과 직교하는 단면 형상으로 형성되고, 상기 영구 자석의 하면의 곡율 반경을 R4로 했을 때에, R1＞R4＞R2＞R3를 만족하고 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 영구 자석의 하면이, 상기 영구 자석의 둘레 방향의 중앙부를 지나는 반경 방향과 직교하는 평탄면으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 회전자 철심의 둘레 방향으로 인접하는 상기 자석 수납 구멍간의 둘레 방향 두께가, 상기 회전자 철심의 상기 영구 자석의 둘레 방향 양측부의 외주측의 철심 부분의 직경 방향 두께보다 두껍게 되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
링 형상의 고정자와, 상기 고정자의 내부에 공극을 사이에 두고, 동축으로 배치되는 회전자를 구비한 영구 자석 매립형 회전 전기 기기로서,
상기 회전자는,
외경측으로 볼록한 형상의 원호 형상 곡면이 둘레 방향으로 복수 배열된 외형 형상을 갖고, 자석 수납 구멍이 상기 원호 형상 곡면의 각각의 내경측에 축 방향으로 관통하도록 형성된 회전자 철심과,
상기 회전자 철심의 축심 위치에 삽입되어, 상기 회전자 철심을 유지하는 회전축과,
각각, 길이 방향과 직교하는 단면의 외경측을 외경측으로 볼록한 형상의 원호로 하고, 또한 둘레 방향의 양측면을 자극 중심을 포함한 평면과 평행한 평탄면으로 하는 봉 형상체로 제작되고, 상기 자석 수납 구멍의 각각에 수납된 영구 자석을 갖고,
둘레 방향으로 배열된 상기 원호 형상 곡면에 접하는 원통면의 곡율 반경을 R1, 상기 원호 형상 곡면의 곡율 반경을 R2, 상기 영구 자석의 상면의 곡율 반경을 R3로 했을 때에, R1＞R2＞R3를 만족하고,
상기 자석 수납 구멍은, 둘레 방향 양측부 내의 외경측 부분을 둘레 방향 바깥쪽으로 확장시킨 공극부를 갖고,
상기 자석 수납 구멍의 둘레 방향 양측부 내의 내경측 부분에, 상기 영구 자석의 둘레 방향의 양측면과 접촉하는, 상기 자극 중심을 포함하는 평면과 평행한 면을 마련하고,
상기 회전자 철심의 상기 원호 형상 곡면과 상기 자석 수납 구멍의 사이의 철심 부분의 자극 중심에 있어서의 두께를 B1로 하고, 상기 철심 부분의 둘레 방향의 단부의 두께를 B2로 했을 때에, B2＞B1를 만족하고,
단 판이, 상기 회전자 철심의 축 방향 양단면에 접하고, 또한 축 방향에서 보아 상기 영구 자석의 적어도 일부를 덮어서 가리도록 배치되고,
상기 단 판의 외주단의 직경 방향 위치는, 상기 영구 자석의 자극 중심에 있어서의 두께의 절반으로 되는 점의 직경 방향 위치 이상이고, 또한 상기 영구 자석의 상면과 측면의 교점의 직경 방향 위치 이하인 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 1 항, 제 2 항, 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 회전자 철심은, n개(n는 2이상의 정수)의 분할 철심을 축 방향으로 배열하고, 또한 축 방향으로 인접하는 상기 분할 철심의 자극 중심을 둘레 방향으로 오프셋하여, 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 7 항에 있어서,
상기 영구 자석 매립형 회전 전기 기기는 3상의 영구 자석 매립형 모터이고,
상기 고정자는, 링 형상의 백 요크와, 상기 백 요크로부터 직경 방향 안쪽으로 돌출하여 배열되는 티스와, 상기 백 요크 및 인접하는 상기 티스에 의해 구성되는 슬롯에 장착된 고정자 코일을 갖고,
매극 매상마다의 슬롯수가 1/2 또는 1/4이며,
축 방향으로 인접하는 상기 분할 철심의 자극 중심이 둘레 방향으로 어긋나는 각도가, 전기 각도로, 30°이상, 48°이하인 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 7 항에 있어서,
간극이, 축 방향으로 인접하는 상기 분할 철심 사이에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.
제 9 항에 있어서,
상기 간극을 d로 했을 경우, d≥B1인 것을 특징으로 하는 영구 자석 매립형 회전 전기 기기.