KR101933721B1 - 회전자 및 스포크형 ipm 영구 자석식 회전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 출력과 감자 내성을 갖는 영구 자석식 회전기용 회전자 및 영구 자석식 회전기를 제공한다.
로터 코어 (11)과 그의 내부에 설치된 복수의 삽입 구멍의 각각에 매립된 복수의 영구 자석 (12)를 구비하는 회전자 (10)과, 복수의 슬롯 (22)를 갖는 스테이터 코어 (21)과 상기 스테이터 코어 (21)에 감긴 권선 (23)을 구비하는 고정자 (20)을 구비하는 영구 자석식 회전기 (1)에 이용하는 회전자로서, 영구 자석 (12)가 회전자 (10)의 회전축에 수직인 면에서 그의 반경 방향에 평행한 2변을 갖는 직사각형이며, 축 방향에 평행한 4측변을 갖는 직방체이고, 영구 자석 (12)가 상기 4측변의 각 측변을 포함하는 4개의 각부(角部) 중 적어도 하나의 각부가 상기 직방체의 내부 중심보다 높은 보자력을 갖고, 상기 각부가 고정자측이며 회전자 (10)의 회전 방향 후방이 되도록 상기 삽입 구멍에 배치된 영구 자석식 회전기용 회전자와, 이를 구비하는 영구 자석식 회전기를 제공한다.

Description

회전자 및 스포크형 IPM 영구 자석식 회전기{ROTOR AND SPOKE-TYPE IPM PERMANENT MAGNETIC ROTATING MACHINE}

본 발명은 복수의 영구 자석이 로터 코어 내부에 매립된 회전자와, 복수의 슬롯을 갖는 스테이터 코어에 권선을 감은 고정자가 공극을 통해 배치된 영구 자석식 회전기(이른바 자석 매립 구조 회전기, IPM(interior permanent magnet) 회전기)에 이용되는 회전자, 및 이를 이용한 영구 자석식 회전기에 관한 것이다.

Nd계 소결 자석은 그의 우수한 자기 특성으로 인해 점점 더 용도가 확대되고 있다. 최근 들어, 모터나 발전기 등의 회전기 분야에서도 기기의 경박 단소화, 고성능화, 에너지 절약화에 따라 Nd계 소결 자석을 이용한 영구 자석식 회전기가 개발되고 있다. 그 중에서도, 회전자의 내부에 자석을 매립한 구조를 갖는 IPM 회전기는, 자석의 자화에 의한 토크에 더하여 로터 요크의 자화에 의한 릴럭턴스(relunctance) 토크를 이용할 수 있기 때문에, 고성능의 회전기로서 연구가 진행되고 있다. IPM 회전기는, 규소 강판 등으로 만들어진 로터 요크의 내부에 자석이 매립되어 있기 때문에, 회전 중에도 원심력에 의해 자석이 이탈하는 경우가 없어 기계적인 안전성이 높고, 전류 위상을 제어하여 고토크 운전이나 광범위한 속도에서의 운전이 가능하여, 에너지 절약, 고효율, 고토크 모터가 된다. 최근에는 전기 자동차, 하이브리드 자동차, 고성능 에어컨, 산업용, 전차용 등의 모터나 발전기로서의 이용이 급속히 확대되고 있다.

일반적으로 회전기 중의 영구 자석은, 권선에 의한 반자계가 작용하여 감자하기 쉬운 상황에 있어, 일정 이상의 보자력이 요구된다. 또한, 보자력은 온도 상승과 함께 저하되기 때문에, 하이브리드 자동차용 등 고온 하에서 사용되는 경우, 보다 높은 실온 보자력을 갖는 자석이 필요하게 된다. 한편, 자력의 크기의 지표가 되는 잔류 자속 밀도는, 모터 출력에 직접 영향을 주기 때문에, 가능한 한 높은 것이 요구된다.

Nd계 소결 자석의 보자력과 잔류 자속 밀도는 트레이드 오프의 관계에 있어, 보자력을 증대시킬수록 잔류 자속 밀도가 저하되게 된다. 이 때문에, 필요 이상으로 높은 보자력을 갖는 자석을 회전기에 사용하면 모터 출력이 저하된다는 문제가 있었다.

최근 들어, 특허문헌 1에 나타나 있는 바와 같이, 도포법이나 스퍼터링법에 의해 소결 자석 표면으로부터 Dy(디스프로슘)이나 Tb(테르븀)을 내부로 확산시킴으로써, 잔류 자속 밀도를 저하시키지 않고 보자력을 향상시키는 수법이 보고되어 있다. 이들 수법에서는 효율적으로 Dy이나 Tb을 입계에 농화할 수 있기 때문에, 잔류 자속 밀도의 저하를 거의 수반하지 않고 보자력을 증대시키는 것이 가능하다. 또한, 자석 치수가 작을수록 부가된 Dy이나 Tb이 내부까지 확산되기 때문에, 이 수법은 소형 또는 박형의 자석에 적용된다.

또한, 특허문헌 2에는 Dy이나 Tb을 확산 처리한 자석을 회전자의 표면에 배치한, 이른바 표면 자석형 회전기(SPM(surface permanent magnet) 회전기)가 보고되어 있다. 특허문헌 2에는 D자 형상 자석의 두께가 얇은 부분의 보자력을 높이는 것이 감자를 방지하기 위해 유효하며, 그와 같은 자석이 Dy 또는 Tb을 확산 처리함으로써 얻어지는 것이 보고되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는 Dy이나 Tb을 확산 처리한 자석의 제조 방법이 보고되어 있다. 또한, 자석 표면에서부터 6 mm의 깊이까지 보자력 증대가 나타나고, 자석 표면의 보자력이 자석 내의 중앙부의 보자력에 비해 Dy 확산의 경우에서 500 kA/m, Tb 확산의 경우에서 800 kA/m 높은 것이 보고되어 있다.

국제 공개 제2006/043348 A1호 일본 특허 공개 제2008-61333호 공보 일본 특허 공개 제2010-135529호 공보 일본 특허 공개 제2004-173491호 공보

본 발명은 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 높은 출력과 감자 내성을 갖는 영구 자석식 회전기용 회전자 및 영구 자석식 회전기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는 상기 목적을 달성하기 위해 예의 검토를 행한 결과, 직방체의 복수의 영구 자석을 이용하는 IPM 회전기에 있어서, 각 영구 자석으로서 그의 고정자측 각부(角部)에서 높은 보자력을 갖는 영구 자석을 이용하는 것이 유효한 것을 지견하였다. 또한, 특히 스포크형 회전자를 구비하는 스포크형 IPM 회전기에 있어서, 자석의 고정자측 각부에서 높은 보자력을 갖는 자석을 이용하는 것이 유효한 것을 지견하였다. 스포크형 회전자란, 자석이 회전자의 회전축에 수직인 면에서 직사각형이며, 그의 평행한 2변이 회전자의 반경 방향과 평행하고, 자석의 자화 방향이 회전자의 둘레 방향에 평행, 즉 회전자의 반경 방향에 수직이 되도록 자석을 매립한 회전자이다. 스포크형 IPM 회전기의 예는 특허문헌 4에 나타나 있다.

본 발명은 로터 코어와 상기 로터 코어 내부에 그의 둘레 방향에 설치된 복수의 삽입 구멍의 각각에 매립된 복수의 영구 자석을 구비하는 회전자와, 상기 회전자의 외주에 공극을 통해 배치되고, 복수의 슬롯을 갖는 스테이터 코어와 상기 스테이터 코어에 감긴 권선을 구비하는 고정자를 구비하는 영구 자석식 회전기에 이용하는 회전자로서, 상기 영구 자석이 상기 회전자의 회전축에 수직인 면에서 상기 회전자의 반경 방향에 평행한 2변 및 둘레 방향에 평행한 2변을 갖는 직사각형이며, 상기 회전자의 축 방향에 평행한 4측변을 갖는 직방체이고, 상기 영구 자석의 자화 방향이 상기 회전자의 둘레 방향에 평행하며, 상기 둘레 방향에 인접하는 상기 영구 자석의 자화 방향이 서로 역방향이고, 상기 영구 자석이 Nd계 희토류 소결 자석이고, 상기 4측변의 각 측변을 포함하는 4개의 각부 중 적어도 하나의 각부가 상기 직방체의 내부 중심보다 높은 보자력을 갖고, 상기 각부가 고정자측이며 상기 회전자의 회전 방향 후방이 되도록 상기 삽입 구멍에 배치된 영구 자석식 회전기용 회전자를 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 회전자와, 상기 회전자의 외주에 공극을 통해 배치되고, 복수의 슬롯을 갖는 스테이터 코어와 상기 스테이터 코어에 감긴 권선을 구비하는 고정자를 구비하는 영구 자석식 회전기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 높은 잔류 자속 밀도와 높은 보자력, 특히 고정자측의 각부에서 높은 보자력을 갖는 영구 자석을 스포크형 IPM 회전기의 회전자에 이용함으로써, 높은 출력과 높은 감자 내성을 구비한 스포크형 IPM 영구 자석식 회전기를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 스포크형 IPM 회전기의 예를 나타내는 도면이다.
도 2는 로터 코어 내부에 매립된 영구 자석에서의 자속 환류의 양태를 나타내는 도면이다.
도 3은 로터 코어 내부에 매립된 영구 자석의 반자계의 강도 분포를 나타내는 도면이다.
도 4는 확산 처리된 영구 자석의 보자력 분포 상태를 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 영구 자석식 회전기의 회전자는, 복수의 영구 자석이 로터 코어 내부에 매립된 회전자와, 복수의 슬롯을 갖는 스테이터 코어에 권선을 감은 고정자가 공극을 통해 배치된 IPM형 영구 자석식 회전기에 이용하는 회전자이다. 바람직하게는, 자석이 회전자의 회전축에 수직인 면에서 직사각형이며, 평행한 2변이 회전자의 반경 방향과 평행하고, 자석의 자화 방향이 회전자의 둘레 방향에 평행한 스포크형 IPM 회전기에 이용하는 회전자이다. 본 발명에서는 상기 영구 자석의 고정자측의 각부에서의 보자력이 자석 내부 중심의 보자력보다 높게 되도록 구성되어 있다.

스포크형 IPM 회전기의 일례를 도 1에 나타낸다. 도 1의 스포크형 IPM 회전기 (1)은 회전자(로터) (10)과, 회전자 (10)의 외주에 공극을 통해 배치된 고정자(스테이터) (20)을 구비하고 있다. 회전자 (10)은, 예를 들면 전자 강판을 적층한 로터 코어 (11)을 구비하고 있다. 로터 코어 (11)은 요크로서도 기능한다. 로터 코어 (11)에는 그의 둘레 방향에 복수의 삽입 구멍이 설치되어 있다. 각 삽입 구멍에는 영구 자석 (12)가 수용된다. 각 삽입 구멍은, 바람직하게는 수용되는 영구 자석 (12)의 형상과 실질적으로 동일한 형상으로 설치되어 있다. 각 삽입 구멍은 회전자 (10)의 회전축에 수직인 면에서 직사각형이며, 그 중 한 쌍의 평행한 2변은 회전자 (10)의 반경 방향과 평행해지도록 설치되고, 다른 한 쌍의 평행한 2변은 둘레 방향과 평행해지도록 설치되어 있다. 또한, 삽입 구멍은 회전자 (10)의 축 방향의 깊이를 갖고 있다. 삽입 구멍은 관통 구멍으로 할 수도 있다. 도 1에서 영구 자석 (12) 내의 화살표는 각 영구 자석 (12)의 자화 방향을 나타내고 있다. 영구 자석 (12)의 자화 방향은 회전자 (10)의 둘레 방향과 평행하고, 둘레 방향에 인접하는 자석 (12)의 자화 방향은 서로 역방향으로 되어 있다.

고정자 (20)은 슬롯 (22)를 갖는, 예를 들면 전자 강판을 적층한 스테이터 코어 (21)을 구비하고 있다. 스테이터 코어 (21)의 각 티스 (21a)에는 권선(코일) (23)이 감겨 있다. 코일 (23)은 예를 들면 3상 Y 결선으로 되어 있다. 도 1에는 12 슬롯 구조를 갖는 고정자 (20)이 예시되어 있지만, 슬롯수는 여기에 한정되지 않고, 회전기의 목적에 맞춰 선택할 수 있다.

도 1에는 10극 구조를 갖는 회전자 (10)이 예시되어 있지만, 극수는 여기에 한정되지 않고, 회전기의 목적에 맞춰 선택할 수 있다. 극수, 즉 자석을 넣는 삽입 구멍의 수는 짝수로 하는 것이 바람직하고, 둘레 방향으로 등간격으로 배치하는 것이 바람직하다.

로터 코어 (11)의 외주 형상은 회전축에 수직인 면에서 바람직하게는 완전한 원이 아닌 형상으로 형성된다. 바람직하게는, 회전축에 수직인 면에서 로터 코어 (11)의 외주의 형상은 외측 방향으로 볼록한 아치 형태(원호를 포함함)를 영구 자석 (12)와 동일한 수만큼 가지며, 상기 아치 형태의 기점과 로터 코어 (11)의 중심을 연결하는 직선이 영구 자석 (12)를 통과하는 형상이다. 이러한 외주 형상은 토크 리플이나 코깅 토크를 감소시키고자 하는 경우에 유효하다.

영구 자석 (12)는 Nd계 희토류 소결 자석인 것이 바람직하다. 희토류계 소결 자석은 다른 자석에 비해 잔류 자속 밀도, 보자력 모두 현저히 우수하다. 또한, Nd계 희토류 소결 자석은 Sm계 희토류 소결 자석보다 저비용이고 잔류 자속 밀도도 우수하다. 이 때문에 Nd계 희토류 소결 자석은 고성능 회전기에 최적의 자석 재료이다. Nd계 희토류 소결 자석으로서는, Nd-Fe-B계 조성을 갖는 소결 자석을 들 수 있고, Nd₂Fe₁₄B 등을 들 수 있다.

영구 자석 (12)는 바람직하게는 직방체(입방체를 포함함)이다. 영구 자석 (12)는, 삽입 구멍에는 회전자 (10)의 회전축에 수직인 면에서 회전자 (10)의 반경 방향에 평행한 2변 및 둘레 방향에 평행한 2변을 갖는 직사각형이며, 회전자 (10)의 축 방향으로 4측변을 갖도록 수용된다. 또한, 바람직하게는 직사각형의 반경 방향에 평행한 2변의 길이가 둘레 방향에 평행한 2변의 길이의 2 내지 20배이다. 이에 따라, 로터부의 영역을 유효하게 이용할 수 있다. 영구 자석 (12)의 높이는 회전자 (10)의 높이(축 길이)와 대략 동일한 정도로 할 수도 있다.

영구 자석 (12)로서는, 로터 코어 (11)의 각 삽입 구멍에 하나의 영구 자석편을 수용할 수도 있다. 또는, 로터 코어 (11)의 각 삽입 구멍에, 분할된 복수의 영구 자석편을 접착제 등을 이용하여 적층 접착시켜 수용할 수도 있고, 분할된 복수의 영구 자석편을 접착제 등을 이용하지 않고 적층하여 수용할 수도 있다.

영구 자석식 회전기에서는, 최대 토크 발생시에 코일 전류가 최대가 되어 코일이 발생하는 자계도 최대가 된다. IPM 회전기에서는, 고정자의 코일로부터 발생한 자속은 코일이 감긴 티스로부터 고정자와 회전자 사이의 공극을 통과하여 로터 요크에 들어가고, 그 후 로터 요크 내부에서 둘레 방향으로 자속의 방향을 바꾸고, 다시 공극을 통과하여, 상기 티스와 인접하며 역방향의 전류가 흐르는 코일이 감긴 티스로 환류한다. 이 때 코일로부터 발생한 자속은 자석보다 투자율이 높은 요크를 통과하려고 하기 때문에, 회전자 내부에서는 회전자에 설치된 자석의 삽입 구멍을 피해 요크 부분에 자속이 흐르지만, 삽입 구멍의 주위이며 자속 경로가 좁아지고 있는 부분에서는 자기 포화 상태가 되어 자속이 삽입 구멍으로 누출된다. 특히 자석의 고정자측 영역은 코일에 가깝기 때문에 코일로부터의 자속이 자석 영역에 누출되기 쉽게 되어 있다. 이 자속이 삽입 구멍에 수용된 자석에 대한 반자계가 되어 자석이 감자하기 쉬운 상황이 된다.

스포크형 IPM 회전기에서는 자석의 자화 방향은 둘레 방향을 향하고 있기 때문에, 자석으로부터 발생한 자속은 주로 고정자와 회전자 사이의 공극을 통해 고정자에 유입된다. 그러나, 도 2에 환상의 화살표로 나타낸 바와 같이 자화 방향에 평행한 면 근방에서는 자석으로부터 발생한 자속의 환류가 발생한다. 환류하는 자속이 많으면 고정자에 유입되는 자속이 감소하여 토크의 감소로 이어지기 때문에, 자속 환류부의 요크 (11a)는 가능한 한 좁게 하여 환류하는 자속량을 줄이는 것이 바람직하다. 그러나, 좁게 한 요크 (11a)에서는 자기 포화 상태가 되어 자속이 누출되기 쉬워진다. 상술한 바와 같이 코일로부터 발생한 자속도 요크 (11a)를 통과하기 때문에 자속 환류부에 유입되지만, 자기 포화 상태이기 때문에 자속이 자석 부분으로 누출된다. 누출된 자속은 자석에 대하여 반자계로서 작용하여, 자석이 감자하기 쉬워진다. 따라서, 특히 상기 공극에 가까운 자속 환류부에서 자기 포화가 현저해져 자속의 누출이 증가하고, 고정자측의 자석 각부에서 반자계가 커진다.

도 1에 예시한 IPM 회전기에서의 최대 토크시의 영구 자석 내부의 반자계의 강도 분포의 양태를 도 3에 나타내었다. 도 3에서는 화살표 R로 나타낸 바와 같이 반시계 방향으로 회전자가 회전하고 있다. 이 때 자석에 작용하는 반자계는 회전 방향 후방의 고정자측 각부(도 3의 자석에서는 우측의 고정자측 각부)에서 가장 크게 되어 있다. 또한, 반자계는 회전 방향 후방의 고정자측 각부에서 커지기 때문에, 회전자의 회전 방향이 반대가 되면 반자계가 큰 개소도 반대(도 3의 자석에서는 좌측의 고정자측 각부)가 된다. 따라서, 영구 자석은 그의 4측변의 각 측변을 포함하는 4개의 각부 중 적어도 하나의 각부에서 높은 보자력을 갖고, 그 각부가 고정자측이며 회전자의 회전 방향 후방이 되도록 삽입 구멍에 매립된다. 또한, 바람직하게는, 그 고정자측에 위치하는 다른 하나(회전 방향 전방)의 각부에 대해서도 높은 보자력을 갖는 자석이 이용된다. 즉, 바람직하게는 4개의 각부 중 적어도 고정자측의 2개의 각부에서 높은 보자력을 갖는 자석이 이용된다.

높은 보자력을 갖는 자석을 얻는 방법으로서는, 도포법이나 스퍼터링법에 의한 Dy 또는 Tb의 확산 처리가 바람직하다. 그 밖에, 높은 보자력을 갖는 자석을 얻는 일반적인 방법으로서, 전체에 보자력이 높은 자석을 이용하는 방법이 있는 데, 이 방법에서는 보자력을 상승시키면 잔류 자속 밀도가 낮아져 모터 출력이 저하되게 된다. 이에 반해 Dy 또는 Tb의 확산 처리법에서는, 자석 표면에서부터 6 mm 정도의 깊이까지 보자력을 상승시킬 수 있고, 한편으로 잔류 자속 밀도는 거의 저하되지 않는다. 또한, 후술하는 바와 같이 확산 처리에 의한 보자력 상승 효과는 자석 각부에서 가장 커진다. 따라서, 상술한 Dy이나 Tb의 확산 처리를 행함으로써 보자력을 상승시키는 수법이 스포크형 IPM 회전기의 자석의 감자 대책에 매우 유효하다. 이러한 수법으로 자석의 고정자측의 각부의 보자력을 상승시키고 그 자석을 이용함으로써, 회전기를 정격 출력으로 운전시켜 자석의 고정자측 각부에 큰 반자계가 발생한 경우에도 감자를 막을 수 있다. 또한, 이러한 수법에 의한 자석은 다른 방법으로 보자력을 상승시킨 자석보다 잔류 자속 밀도가 높기 때문에 회전기의 출력을 높일 수 있다.

자석 표면으로부터 내부를 향해 Dy 또는 Tb을 도포법이나 스퍼터링법에 의해 확산시키는 방법은 특허문헌 1 및 2에 기재되어 있고, 입계 확산 합금법에 의한 표면 처리라고도 불린다. 이 방법은, 바람직하게는 Y 및 Sc을 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소, 보다 바람직하게는 Dy 또는 Tb의 산화물, 불화물 및 산불화물로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 분말을 소결 자석체의 표면에 존재시킨 상태에서, 상기 소결 자석체 및 상기 분체를 상기 소결 자석체의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에서 열처리를 실시하는 것이다. 소결 자석체로서는, 바람직하게는 R¹-Fe-B계 조성(R¹은 Y 및 Sc을 포함하는 희토류원소로부터 선택되는 1종 이상을 나타냄)을 갖는 소결 자석체이다.

상기 분말의 입경은 분말의 Dy 또는 Tb 성분이 자석에 흡수될 때의 반응성에 영향을 주며, 입자가 작을수록 반응을 받는 접촉 면적이 증대한다. 본 발명에서의 효과를 달성시키기 위해서는, 존재시키는 분말의 평균 입경은 바람직하게는 100 μm 이하, 보다 바람직하게는 10 μm 이하이다. 그의 하한은 특별히 제한되지 않지만, 1 nm 이상이 바람직하다. 또한, 이 평균 입경은 바람직하게는 레이저 회절법에 의한다.

Dy 또는 Tb의 확산 처리에 의해, 자석 표면에 존재시킨 분말에 포함되는 Dy 또는 Tb가 자석에 흡수되고, 자석체의 결정립의 계면 근방에 농화한다. 이에 따라, 잔류 자속 밀도의 저하를 억제하면서 보자력을 상승시킬 수 있다.

또한, Dy 또는 Tb의 확산 처리에 따르면, 계면 근방에서의 Dy 또는 Tb의 농도는 자석 표면으로부터 내부를 향해 낮아진다. 따라서, 확산 처리에 의한 보자력의 상승 효과는 자석 표면에 가까울수록 높고, 자석 표면으로부터 깊어질수록 서서히 보자력 상승 효과가 작아진다고 생각된다.

직교하는 적어도 2면이 교차하는 부분과 그의 근방인 자석 각부에서는, 각 면으로부터 각각 Dy 또는 Tb가 확산됨으로써 확산 처리된 면의 중앙보다 Dy 또는 Tb가 농화되기 때문에 보자력 상승 효과가 커진다. 이 때문에 도 4에 나타낸 바와 같이, 자석 각부 (A)에서부터 확산 처리의 영향을 받지 않는 자석 내부 중심 (A')를 향하는 거리를 X축, 보자력을 Y축으로 하면, 자석 각부에 가까울수록 보자력 상승 효과가 높아지는 것을 알 수 있다.

따라서, 도 3에서 나타낸 반자계의 강도 분포를 갖는 자석 환경에 대해서는, 확산 처리에 의한 보자력 상승이 특히 유효하다. 확산 처리에 의한 보자력 상승량은 자석 표면 중앙 부근에서 500 내지 800 kA/m 정도, 자석 각부에서는 더욱 상승하기 때문에, 도 3에 나타낸 반자계의 강도 분포를 갖는 자석에 대해서는 충분한 보자력 상승이라 할 수 있다.

도 3에 나타낸 예에서는, 자석 내부 중심(372 kA/m)에 비해 고정자측 각부(847 kA/m)는 반자계가 475 kA/m나 높은 값으로 되어 있다. 자석의 두께가 약 10 mm 이상인 경우, 확산 처리의 효과가 자석 내부 중심까지 충분하게는 도달하지 않아, 자석 내부 중심의 보자력 상승을 기대하기 어렵다. 그 때문에 감자를 막기 위해서는, 확산 처리 전의 자석이 자석 내부 중심의 반자계에 견딜 수 있을 만큼의 보자력을 갖고 있을 필요가 있고, 자석 각부에서는 확산 처리에 의해 보자력이 475 kA/m 이상, 바람직하게는 500 kA/m 이상, 보다 바람직하게는 600 kA/m 이상 상승하는 것이 바람직하다. 한편, 자석의 두께가 약 10 mm 미만인 경우, 두께가 얇아질수록 확산 처리에 의한 자석 내부 중심의 보자력 상승이 커져 각부와의 보자력 차이가 작아진다. 이 때 확산 처리 후의 상승한 자석 내부 중심의 보자력이 자석 내부 중심의 반자계에 잘 견딜 수 있도록 설계하면, 자석 각부에서는 큰 반자계에 견딜 수 없게 될 우려가 있다. 따라서, 자석의 두께에 상관없이, 자석 각부의 보자력을 확산 처리에 의해 600 kA/m 이상 상승시킨 자석을 이용하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 자석의 고정자측 각부에 큰 반자계가 발생한 경우에도 감자를 방지할 수 있고, 잔류 자속 밀도가 높기 때문에 회전기의 출력을 높일 수 있다. 확산 처리 전의 자석의 보자력은, 바람직하게는 800 내지 2800 kA/m, 보다 바람직하게는 800 내지 2000 kA/m, 더욱 바람직하게는 800 내지 1600 kA/m로 할 수 있다.

이상으로부터 스포크형 IPM 회전기에 이용하는 자석으로서는, 자석의 고정자측 각부의 보자력이 확산 처리에 의해 바람직하게는 475 kA/m, 보다 바람직하게는 600 kA/m 이상 상승한 자석을 이용한다.

Dy 또는 Tb의 확산 처리는 영구 자석의 전체면에 실시할 수도 있고, 또는 영구 자석 표면에 부분적으로 실시할 수도 있다. 부분적으로 실시하는 경우, 영구 자석의 측변을 포함하는 고정자측 각부 중 적어도 하나에 있어서 보자력이 상승하면 좋고, 적어도 직방체의 영구 자석의 측변을 포함하는 고정자측 각부에 확산 처리가 실시되도록 하면 좋다.

처리되는 각부의 폭은 회전축에 수직인 직사각형 단면의 크기나, 회전 방향의 후방 또는 전방에 설치하는지 등에 따라 다르지만, 바람직하게는 측변으로부터 좌우(둘레 방향과 직경 방향)를 향해 각각의 자석 치수의 10 내지 100％이다.

직방체의 자석의 전체면에 확산 처리를 행하면 모든 각부에서 보자력이 상승하지만, 그것이 자석 또는 회전기에 악영향을 주는 경우는 없고, 고정자측 각부의 보자력이 상승하고 있으면 문제가 되지는 않는다. 또한, 회전자에 조립되는 자석에 대하여 그의 직경 방향 치수의 2배의 길이를 갖고 다른 치수에 대해서는 동일한 자석을 준비하고, 그의 전체면에 확산 처리한 후에, 자석을 상기의 2배로 한 길이 방향으로 2 분할하고, 이 2 분할한 자석을 보자력이 상승한 각부를 고정자측을 향하게 하여 회전자에 삽입할 수도 있다.

각 삽입 구멍에 분할된 복수의 영구 자석편을 수용하는 경우, 모든 영구 자석편에 대하여 확산 처리를 행할 수도 있고, 영구 자석의 측변을 포함하는 고정자측 각부 2개 중 적어도 1개에 해당하는 영구 자석편을 포함하는 1개 또는 복수의 영구 자석편에 대하여 확산 처리를 행할 수도 있다. 또한, 확산 처리는 영구 자석편을 적층하기 전에 행할 수도 있고, 또는 나중에 행할 수도 있다.

자석의 둘레 방향의 변이 2 mm 이하인 경우에는 자석이 얇기 때문에 확산 처리의 효과가 자석 내부까지 어느 정도 도달하고 내부의 보자력도 어느 정도 상승하여 내부와 각부의 보자력의 차이는 작아지지만, 이것에 의한 악영향은 발생하지 않는다.

또한, 특허문헌 2에는, SPM 회전기에 있어서, 자기 반자계가 커서 감자하기 쉬운 D자 형상 자석의 두께가 얇은 부분에 Dy이나 Tb의 확산 처리를 행하면, 얇기 때문에 내부까지 충분히 보자력이 상승하기 때문에, Dy이나 Tb의 확산 처리가 감자의 방지에 유효한 방법이라고 보고되어 있다. 한편, IPM 회전기에서 이용되는 직사각형 형상의 자석에서는 자석의 두께는 일정하여 자기 반자계의 크기에 큰 차이는 없기 때문에, 확산 처리의 수법이 감자의 방지에 유효하다고는 지금까지 생각되지 않았다. 그러나, 본 발명에 따르면, 감자에 관해서는 고정자 코일에 의한 반자계도 고려되어야만 하고, 스포크형 회전자를 갖는 IPM 회전기에 있어서도 확산 처리에 의한 보자력 상승이 자석의 감자 방지에 대하여 유용한 것이 발견되었다.

<실시예>

이하, 본 발명의 구체적 양태에 대하여 실시예를 통해 상술하지만, 본 발명의 내용은 여기에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

직방체의 Nd계 희토류 소결 자석인 Nd₂Fe₁₄B이며, 잔류 자속 밀도가 1.32 T, 보자력이 1000 kA/m, 치수가 길이 12 mm×폭 3 mm×높이 50 mm이고, 폭 3 mm 방향이 자화 방향인 자석을 이용하였다. 이 자석을 복수 준비하고, 확산 처리를 행하였다. 확산 처리로서, 평균 입경이 5 μm인 입상의 불화디스프로슘을 질량 분율 50％로 에탄올과 혼합하고, 여기에 상기 자석을 침지하고, 그 후 Ar 분위기 중 900℃에서 1시간 열 처리를 행하였다. 이 자석 하나로부터 한 변이 1 mm인 입방체를 자석의 정점을 포함하는 자석 각부로부터 잘라내고, BH 트레이서를 이용하여 보자력의 측정을 행하였다. 그 결과, 각부의 자석의 보자력은 1600 kA/m였다. 따라서, 보자력이 600 kA/m 상승하였다.

이 자석을 도 1에 도시한 바와 같은 10극 12 코일이며, 회전자 직경 50 mm, 축 길이 50 mm의 회전기에 조립하고, 모터 출력 테스트를 행하였다. 자석은 자화 방향이 둘레 방향이고, 둘레 방향에 인접하는 자석의 자화 방향이 서로 역방향이 되고, 자석의 높이가 회전자의 축 방향이 되도록 배치하였다. 회전자 및 고정자는 각각 0.35 mm 두께의 전자 강판의 적층 구조로 하고, 코일은 집중 권취로 3상 Y 결선으로 배선하였다.

우선, 회전수 1000 rpm으로의 무부하 기전력을 전압계를 이용하여 측정한 바, 자석 온도 20℃에서 선간 전압 114 V였다. 다음으로 회전수 1000 rpm으로 정격 출력 800 W로 운전을 행한 바 코일 전류는 4.5 A였다. 이 때의 자석 온도는 90℃였다. 그 후, 자석의 감자 상황을 조사하기 위해 회전수 1000 rpm에서의 무부하 기전력을 재측정한 바 자석 온도 20℃에서 선간 전압 114 V였다. 따라서, 선간 전압은 정격 운전 전후에서 동일한 값이었다. 따라서, 자석은 감자하지 않은 것을 확인할 수 있었다. 이상과 같이 자석의 고정자측 각부의 보자력을 확산 처리에 의해 600 kA/m 높임으로써, 감자가 발생하지 않는 회전기를 얻을 수 있었다.

<비교예 1>

한편, 실시예 1과 자기 특성이 동일하며 실시예 1과 동일한 치수 형상, 동일한 자화 방향을 갖는 자석을 복수 준비하고, 이 자석에 대하여 확산 처리를 실시하지 않고 실시예 1과 동일한 시험을 행하였다. 우선, 회전수 1000 rpm으로 무부하 기전력을 측정한 바 실시예 1과 동일한 선간 전압 114 V였다. 다음으로 회전수 1000 rpm 코일 전류 4.5 A로 운전을 행한 바 자석 온도 90℃, 출력 760 W였다. 자석이 감자했기 때문에 실시예 1보다 출력이 낮아진 것으로 추측된다. 그 후, 자석의 감자 상황을 조사하기 위해 회전수 1000 rpm에서의 무부하 기전력을 재측정한 바 자석 온도 20℃에서 선간 전압 108 V였다. 따라서, 정격 운전 후의 선간 전압은 정격 운전 전보다 약 5％ 저하되었다. 이 결과로부터 자석이 감자한 것을 확인할 수 있었다.

이상으로부터 고정자측 각부의 보자력을 향상시키지 않은 자석에서는 감자가 발생하여 모터 출력이 저하되는 것을 알 수 있었다.

1: IPM 회전기
10: 회전자
11: 로터 코어
11a: 자속 환류부의 요크
12: 영구 자석
20: 고정자
21: 스테이터 코어
21a: 티스
22: 슬롯
23: 코일

Claims (8)

1. 로터 코어와 상기 로터 코어 내부에 그의 둘레 방향에 설치된 복수의 삽입 구멍의 각각에 매립된 복수의 영구 자석을 구비하는 회전자와, 상기 회전자의 외주에 공극을 통해 배치되고, 복수의 슬롯을 갖는 스테이터 코어와 상기 스테이터 코어에 감긴 권선을 구비하는 고정자를 구비하는 스포크형 IPM 영구 자석식 회전기에 이용하는 회전자로서,
   상기 영구 자석이 상기 회전자의 회전축에 수직인 면에서 상기 회전자의 반경 방향에 평행한 2변 및 둘레 방향에 평행한 2변을 갖는 직사각형이며, 상기 회전자의 축 방향에 평행한 4측변을 갖는 직방체이고, 상기 직사각형의 상기 반경 방향에 평행한 2변의 길이가 상기 둘레 방향에 평행한 2변의 길이의 2~20배이며,
   상기 영구 자석의 자화 방향이 상기 회전자의 둘레 방향에 평행하며, 상기 둘레 방향에 인접하는 상기 영구 자석의 자화 방향이 서로 역방향이고,
   상기 영구 자석이 Nd계 희토류 소결 자석이고, 상기 4측변의 각 측변을 포함하는 4개의 각부(角部) 중 적어도 하나의 각부가 Dy 또는 Tb의 확산 처리에 의해 상기 직방체의 내부 중심보다 높은 보자력을 갖고, 상기 각부가 고정자측이며 상기 회전자의 회전 방향 후방이 되도록 상기 삽입 구멍에 배치되고, 또한 상기 4개의 각부 중 고정자측에 위치하는 다른 하나의 각부도 상기 높은 보자력을 가지며,
   확산 처리 전의 각 영구 자석의 보자력은 800 내지 2800 kA/m이고, 확산 처리에 의해 영구 자석 고정자측 각부의 보자력이 600 kA/m 이상 상승한 것인, 스포크형 IPM 영구 자석식 회전기용 회전자.
2. 제1항에 있어서, 상기 높은 보자력이 Dy 또는 Tb의 확산 처리에 의해 상기 영구 자석의 표면에서부터 최대 6 mm의 깊이까지 보자력을 상승시켜 얻어진 것인 스포크형 IPM 영구 자석식 회전기용 회전자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 로터 코어의 외주의 형상이 외측 방향으로 볼록한 아치형을 영구 자석과 동일한 수만큼 가지며, 상기 아치형의 기점과 상기 로터 코어의 중심을 연결하는 직선이 상기 영구 자석을 통과하는 형상인 스포크형 IPM 영구 자석식 회전기용 회전자.
4. 제1항 또는 제2항에 기재된 회전자와, 상기 회전자의 외주에 공극을 통해 배치되고, 복수의 슬롯을 갖는 스테이터 코어와 상기 스테이터 코어에 감긴 권선을 구비하는 고정자를 구비하는 스포크형 IPM 영구 자석식 회전기.
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