KR101946189B1 - 회전 전기 기기의 회전자, 및 회전 전기 기기 - Google Patents

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요시하루 다카시마
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Abstract

제조를 용이하게 할 수 있고, 영구 자석의 자기 소거를 억제할 수 있는 회전 전기 기기의 회전자, 및 회전 전기 기기를 얻는 것을 목적으로 한다. 회전 전기 기기에서는, 도전성 부재가 샤프트와, 샤프트의 외주부에 마련된 복수의 영구 자석을 전체적으로 둘러싸고, 유지 부재가 샤프트, 복수의 영구 자석 및 도전성 부재를 전체적으로 둘러싸고 있다. 도전성 부재의 도전율은 영구 자석의 도전율보다 높게 되어 있다. 도전성 부재는 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 대향하는 제 1 및 제 2 대향부를 가지고 있다. 제 1 및 제 2 대향부 사이에 존재하는 대향부간 영역은 둘레 방향에 대해 서로 이웃하는 영구 자석 사이에 존재하는 자석간 영역의 둘레 방향의 범위 내에 위치하고 있다.

Description

회전 전기 기기의 회전자, 및 회전 전기 기기
본 발명은 회전자 코어의 외주부에 영구 자석이 마련되어 있는 회전 전기 기기의 회전자, 및 회전 전기 기기에 관한 것이다.
종래, 회전자의 회전시의 원심력에 의해 회전자 코어로부터 영구 자석이 박리되는 것을 방지하기 위해, 회전자 코어의 외주부에 영구 자석을 마련하고, 섬유 강화 플라스틱(FRP; fiber-reinforced plastic)의 유지 부재로 영구 자석의 외측으로부터 회전자 코어 및 영구 자석을 전체적으로 덮은 회전 전기 기기의 회전자가 알려져 있다(예를 들면 특허문헌 1 참조).
또한, 일반적으로, 고속 회전용의 회전 전기 기기에서는, 인버터를 이용한 PWM(Pulse Width Modulation) 제어가 행해지면, 캐리어 주파수 성분의 고조파 자속이 생기기 때문에, 회전자 코어 및 영구 자석에 와전류가 발생하여, 회전자가 발열하게 된다. 회전자가 발열하면, 영구 자석의 온도가 상승하여 영구 자석의 자기 소거(demagnetization)가 생겨 버린다.
종래, 회전자에서의 발열을 억제하기 위해, 영구 자석 및 샤프트 등의 다른 구성 부재보다 도전율이 높은 원통형의 고도전율 부재를 영구 자석과 유지 부재의 사이에 배치한 회전 전기 기기의 회전자가 제안되어 있다. 이러한 종래의 회전 전기 기기의 회전자에서는, 고도전율 부재에 와전류가 발생하여, 와전류에 의해 발생하는 자속이 캐리어 주파수 성분의 고조파 자속을 소거하기 때문에, 영구 자석 및 회전자 코어에서의 와전류의 발생이 억제되고, 영구 자석의 자기 소거가 억제된다(예를 들면 특허문헌 2 참조).
또한, 종래, 샤프트와 영구 자석과의 사이에 배치된 원통형의 고도전율 부재를, 둘레 방향에 대해 나열된 복수의 도전부로 분할하는 것에 의해, 제조를 용이하게 한 회전 전기 기기의 회전자도 제안되어 있다(예를 들면 특허문헌 3 참조).
특허문헌 1: 일본 특허 공개 평10-243586호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2001-78378호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2011-125106호 공보
그러나, 특허문헌 2에 나타내어져 있는 종래의 회전 전기 기기의 회전자에서는, 회전 전기 기기의 큰 직경화의 억제를 위해, 두께를 얇게 한 원통형의 고도전율 부재를 제조할 필요가 있으므로, 고도전율 부재의 제조에 시간이 들게 된다.
또한, 특허문헌 3에 나타내어져 있는 종래의 회전 전기 기기의 회전자에서는, 고도전율 부재가 복수의 도전부로 분할되어 있으므로, 서로 이웃하는 도전부간의 간극을 통해 캐리어 주파수 성분의 고조파 자속이 영구 자석 및 샤프트에 이르게 되어, 영구 자석의 자기 소거가 생겨 버린다. 캐리어 주파수 성분의 고조파 자속이 자석 및 샤프트에 이르지 않도록, 서로 이웃하는 도전부끼리를 접촉시켜도, 각 도전부의 경계에서의 접촉 저항이 높아지는 것에 의해, 각 도전부의 경계에서 발열하여, 각 도전부의 경계로부터의 열이 영구 자석에 전해져, 영구 자석의 자기 소거가 생겨 버린다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 제조를 용이하게 할 수 있고, 영구 자석의 자기 소거를 억제할 수 있는 회전 전기 기기의 회전자, 및 회전 전기 기기를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 회전 전기 기기의 회전자는, 회전자 코어, 회전자 코어의 외주부에 마련되고, 둘레 방향으로 서로 떨어져 배치되어 있는 복수의 영구 자석, 회전자 코어 및 복수의 영구 자석을 전체적으로 둘러싸고 있는 도전성 부재, 및 회전자 코어, 복수의 영구 자석 및 도전성 부재를 전체적으로 둘러싸고 있는 유지 부재를 구비하며, 도전성 부재의 도전율은 영구 자석의 도전율보다 높게 되어 있고, 도전성 부재는, 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 대향하는 제 1 및 제 2 대향부를 갖고, 제 1 및 제 2 대향부 사이에 존재하는 대향부간 영역은, 둘레 방향에 대해 서로 이웃하는 영구 자석 사이에 존재하는 자석간 영역의 둘레 방향의 범위 내에만 위치하고 있다.
본 발명에 따른 회전 전기 기기의 회전자, 및 회전 전기 기기에 의하면, 회전자 코어 및 복수의 영구 자석을 도전성 부재로 전체적으로 감는 것만으로 도전성 부재를 회전자에 조립할 수 있어, 회전자의 제조를 용이하게 할 수 있다. 또한, 고정자에서 발생한 고조파 자속을 도전성 부재와 쇄교시키는 것에 의해 영구 자석에 이르는 고조파 자속을 저감할 수 있고, 대향부간 영역을 통과한 고조파 자속이 자석간 영역을 지나는 것에 의해 고조파 자속을 영구 자석과 쇄교시키기 어렵게 할 수 있다. 이것에 의해, 영구 자석의 자기 소거를 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 회전 전기 기기를 나타내는 단면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다.
도 3은 도 1의 회전자의 대향부간 영역이 존재하는 부분을 나타내는 확대도이다.
도 4는 도 1의 회전자의 도전성 부재가 영구 자석의 외주면과 겹쳐져 있는 부분을 나타내는 확대도이다.
도 5는 비교예 1에 따른 회전자를 나타내는 일부 확대도이다.
도 6은 비교예 2에 따른 회전자를 나타내는 일부 확대도이다.
도 7은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 다른 예를 나타내는 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 다른 예를 유지 부재의 표시를 생략하여 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 10은 도 9의 유지 부재에 발생하는 응력의 응력 집중 계수와, 대향부간 영역의 둘레 방향의 치수의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 12는 본 발명의 실시 형태 4에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 5에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 6에 따른 회전 전기 기기를 나타내는 단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 도전성 부재의 직경 방향의 두께와, 인버터 구동시의 회전자의 손실의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 16은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 다른 예를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
실시 형태 1
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 회전 전기 기기를 나타내는 단면도이다. 또한, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선에 따른 단면도이다. 도면에서, 회전 전기 기기(1)는 회전자(2)와, 직경 방향에 대해 간극을 거쳐서 회전자(2)를 둘러싸는 통 모양의 고정자(3)를 가지고 있다. 회전자(2) 및 고정자(3)는 동축(同軸)에 배치되어 있다. 이것에 의해, 회전자(2) 및 고정자(3)는 공통의 축선 A를 가지고 있다. 또한, 이 예에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 중심 위치에서 축선 A에 직교하는 축선 직교선 B에 대해, 회전자(2) 및 고정자(3)의 각각의 구성이 대칭으로 되어 있다.
고정자(3)는 자성체인 통 모양의 고정자 코어(4)와, 고정자 코어(4)에 마련되어 있는 고정자 코일(5)을 가지고 있다.
고정자 코어(4)는 통 모양의 백 요크(41)와, 백 요크(41)의 내주부로부터 직경 방향 내측으로 돌출하는 복수의 티스(42)를 가지고 있다. 각 티스(42)는 회전 전기 기기(1)의 둘레 방향에 대해 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 각 티스(42) 사이에는, 고정자(3)의 직경 방향 내측으로 개방된 공간인 슬롯(43)이 형성되어 있다.
고정자 코일(5)은 각 슬롯(43)에 배치되어 있다. 또한, 고정자 코일(5)은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 축선 방향, 즉 축선 A에 따른 방향에 대해 고정자 코어(4)로부터 돌출하는 코일 엔드(5a)를 가지고 있다. 고정자 코일(5)에는, 인버터를 이용한 PWM 제어에 의해 전류가 공급된다. 고정자(3)에는, 고정자 코일(5)로의 급전에 의해 회전 자계가 생긴다.
회전자(2)는 축선 A를 중심으로 하여 회전 가능하게 되어 있다. 또한, 회전자(2)는 회전자 코어로서의 샤프트(21)와, 샤프트(21)의 외주부에 마련되어 있는 복수의 영구 자석(22)과, 샤프트(21) 및 복수의 영구 자석(22)을 전체적으로 둘러싸고 있는 판 모양의 도전성 부재(23)와, 샤프트(21), 복수의 영구 자석(22) 및 도전성 부재(23)를 전체적으로 둘러싸고 있는 시트 모양의 유지 부재(24)를 가지고 있다.
샤프트(21)는 축선 A를 중심축선으로 하는 원주 모양 부재이다. 또한, 샤프트(21)는 자성 재료에 의해 구성되어 있다.
복수의 영구 자석(22)은 회전자(2)의 둘레 방향에 대해 서로 간격을 두고 배치되어 있다. 이 예에서는, 4개의 영구 자석(22)이 회전자(2)의 둘레 방향에 대해 등간격으로 배치되어 있다. 각 영구 자석(22)은 샤프트(21)의 외주면을 따른 원호 모양의 단면을 가지는 세그먼트(segment) 자석이다. 둘레 방향에 대해 서로 이웃하는 영구 자석(22) 사이에는 공간인 자석간 영역(25)이 존재하고 있다. 영구 자석(22)으로서는, 예를 들면 희토류 자석 또는 페라이트 자석 등이 이용되고 있다.
도전성 부재(23)는 각 영구 자석(22)의 외주면과 겹쳐진 상태에서 각 영구 자석(22) 및 각 자석간 영역(25)을 덮고 있다. 즉, 도전성 부재(23)는 샤프트(21) 및 각 영구 자석(22)보다 고정자(3)에 가까운 위치에 배치되어 있다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)는 각 영구 자석(22) 및 각 자석간 영역(25)의 각각과 유지 부재(24)의 사이에 배치되어 있다. 도전성 부재(23)의 도전율은 영구 자석(22)의 도전율보다 높게 되어 있다. 도전성 부재(23)를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 구리 또는 알루미늄 등을 들 수 있다.
또한, 도전성 부재(23)는 회전자(2)의 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 대향하는 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)를 가지고 있다. 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 사이에는, 공간인 대향부간 영역(26)이 존재하고 있다. 이 예에서는, 회전자(2)의 둘레 방향에 대해 도전성 부재(23)의 1개소에만 대향부간 영역(26)이 존재하고 있다. 또한, 이 예에서는, 대향부간 영역(26)이 축선 A를 따라 도전성 부재(23)에 형성되어 있다.
유지 부재(24)는, 도전성 부재(23)의 외주면과 겹쳐진 상태에서, 샤프트(21), 복수의 영구 자석(22) 및 도전성 부재(23)를 회전자(2)의 둘레 방향의 전체 둘레에 걸쳐 덮고 있다. 이것에 의해, 회전자(2)가 보강되고, 회전자(2)의 고속 회전시에 영구 자석(22)이 원심력으로 샤프트(21)로부터 비산되는 것이 방지된다. 유지 부재(24)는 비자성 재료에 의해 구성되어 있다. 유지 부재(24)를 구성하는 재료로서는, 예를 들면 탄소 섬유 강화 플라스틱(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics), 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP: Glass Fiber Reinforced Plastics), 티탄 또는 스테인레스 등이 이용되고 있다.
영구 자석(22)의 축선 방향의 치수를 Lm, 도전성 부재(23)의 축선 방향의 치수를 La, 유지 부재(24)의 축선 방향의 치수를 Lk, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 치수를 Ls라고 하면, 이 예에서는, 도 2에 나타내는 바와 같이, Lm=La=Lk=Ls의 관계가 성립하고 있다.
도 3은 도 1의 회전자(2)의 대향부간 영역(26)이 존재하는 부분을 나타내는 확대도이다. 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1은 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 치수 d2보다 작게 되어 있다. 또한, 대향부간 영역(26)은 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 범위 내에만 위치하고 있다. 이 예에서는, 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 중앙 위치에 대향부간 영역(26)이 위치하고 있다.
다음에, 회전자(2)를 조립하는 순서에 대해 설명한다. 샤프트(21)의 외주부에 복수의 영구 자석(22)을 부착한 후, 샤프트(21) 및 복수의 영구 자석(22)을 판 모양의 도전성 부재(23)로 전체적으로 감는다. 이것에 의해, 복수의 영구 자석(22)의 외주가 도전성 부재(23)로 덮인다. 이 때, 도전성 부재(23)의 양단부를 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)로서 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 대향시킨다. 이것에 의해, 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 사이의 공간이 대향부간 영역(26)으로서 형성된다. 이 후, 샤프트(21), 복수의 영구 자석(22) 및 도전성 부재(23)를 도전성 부재(23)의 직경 방향 외측으로부터 시트 모양의 유지 부재(24)로 전체적으로 감는다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)의 외주가 유지 부재(24)로 덮고, 회전자(2)가 완성된다.
다음에, 동작에 대해 설명한다. 인버터로부터 PWM 제어에 의해 고정자 코일(5)에 전류가 공급되면, 고정자(3)에는 회전 자계가 생긴다. 고정자(3)에 회전 자계가 생기면, 회전자(2)가 축선 A를 중심으로 하여 회전한다.
PWM 제어에 의해 고정자 코일(5)에 공급되는 전류는 캐리어 주파수에 기인하는 캐리어 고조파 성분을 포함하고 있다. 캐리어 고조파 성분을 포함하는 전류가 고정자 코일(5)에 공급되면, 토크에 기여하는 기본파 자속에 부가하여 캐리어 고조파 성분에 의한 고조파 자속도 고정자(3)에서 발생한다.
도 4는 도 1의 회전자(2)의 도전성 부재(23)가 영구 자석(22)의 외주면과 겹쳐지고 있는 부분을 나타내는 확대도이다. 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1이 도전성 부재(23)와 쇄교하면, 도전성 부재(23)에 와전류 C가 발생한다. 도전성 부재(23)에 와전류 C가 발생하면, 자속 P2가 고조파 자속 P1을 상쇄하는 방향으로 발생한다. 이것에 의해, 샤프트(21) 및 영구 자석(22)과 쇄교하는 고조파 자속 P1이 저감되고, 샤프트(21) 및 영구 자석(22)에서의 발열이 저감된다. 도전성 부재(23)는 와전류 C의 발생에 의해 발열하지만, 도전성 부재(23)의 도전율이 영구 자석(22)의 도전율보다 높기 때문에, 고조파 자속이 영구 자석(22)과 쇄교한 경우의 영구 자석(22)의 발열에 비해, 도전성 부재(23)의 발열은 작다. 이것에 의해, 회전자(2)의 전체의 발열이 억제된다. 또, 도 4~도 6에서는, 지면의 안측으로부터 앞측으로 향하여 흐르는 와전류 C를 하얀 원 내에 검은 원 표시를 부여한 기호로 나타내고, 지면의 앞측으로부터 안측에 향하여 흐르는 와전류 C를 하얀 원 내에 ×표를 부여한 기호로 나타내고 있다.
여기서, 본 실시 형태 1에 따른 회전자(2)와, 비교예 1 및 비교예 2에 따른 각각의 회전자를 비교하여 검토한다.
도 5는 비교예 1에 따른 회전자를 나타내는 일부 확대도이다. 또, 도 5는 비교예 1에 따른 회전자의 도 4에 대응하는 부분을 나타내는 도면이다. 비교예 1에 따른 회전자에서는, 도전성 부재(23)가 없고, 영구 자석(22)의 외주면에 유지 부재(24)가 직접 겹쳐져 있다. 비교예 1에 따른 회전자의 다른 구성은 실시 형태 1과 동일하다.
비교예 1에 따른 회전자에서는, 도전성 부재(23)가 존재하지 않기 때문에, 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1이 도전성 부재(23)에서 저감되지 않고 영구 자석(22) 및 샤프트(21)와 쇄교한다. 이것에 의해, 영구 자석(22) 및 샤프트(21)에 발생하는 와전류가 커져, 영구 자석(22) 및 샤프트(21)가 발열되기 쉬워진다.
도 6은 비교예 2에 따른 회전자를 나타내는 일부 확대도이다. 또, 도 6은 비교예 2에 따른 회전자의 도 4에 대응하는 부분을 나타내는 도면이다. 비교예 2에 따른 회전자에서는, 도전성 부재(23)가 영구 자석(22)의 외주에는 배치되지 않고, 샤프트(21)의 외주면과 영구 자석(22)의 사이에 도전성 부재(23)가 배치되어 있다. 비교예 2에 따른 회전자의 다른 구성은 실시 형태 1과 동일하다.
비교예 2에 따른 회전자에서는, 영구 자석(22)보다 고정자(3)로부터 먼 위치에 도전성 부재(23)가 배치되어 있으므로, 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1이 도전성 부재(23)에서 저감되지 않고 영구 자석(22)과 쇄교한다. 이것에 의해, 영구 자석(22)에 발생하는 와전류가 커져, 영구 자석(22)이 발열되기 쉬워진다.
이와 같이, 비교예 1 및 2에 따른 회전자의 어디에서도, 고조파 자속 P1이 도전성 부재(23)에서 저감되지 않고 영구 자석(22)에서 쇄교하고, 본 실시 형태 1에 따른 회전자(2)보다, 영구 자석(22)이 발열되기 쉽다는 것을 알 수 있다.
또한, 본 실시 형태 1에 따른 회전자(2)에서는, 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1이 도전성 부재(23)의 대향부간 영역(26)을 그대로 통과해 버리지만, 영구 자석(22)이 존재하지 않는 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 범위 내에 대향부간 영역(26)이 위치하고 있으므로, 고조파 자속 P1이 영구 자석(22)과 쇄교하기 어려워져, 영구 자석(22)의 발열이 억제된다.
이러한 회전 전기 기기(1) 및 회전자(2)에서는, 영구 자석(22)보다 도전율이 높은 도전성 부재(23)가 샤프트(21) 및 복수의 영구 자석(22)을 전체적으로 둘러싸고, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)가 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 있으므로, 샤프트(21) 및 각 영구 자석(22)을 전체적으로 판 모양의 도전성 부재(23)로 감는 것만으로, 도전성 부재(23)를 회전자(2)에 조립할 수 있다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)의 형상을 간단하게 하는 것이 가능할 뿐만 아니라, 도전성 부재(23)의 회전자(2)에의 설치 작업도 용이하게 할 수 있다. 따라서, 회전자(2)의 제조를 용이하게 할 수 있다. 또한, 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1아 영구 자석(22)에 이르기 전에 고조파 자속 P1을 도전성 부재(23)와 쇄교시켜 고조파 자속 P1을 저감시킬 수 있다. 이것에 의해, 영구 자석(22)이 발열되기 어렵게 할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 억제할 수 있다.
또한, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 사이에 존재하는 대향부간 영역(26)이, 서로 이웃하는 영구 자석(22) 사이에 존재하는 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 범위 내에만 위치하고 있으므로, 대향부간 영역(26)을 통과한 고조파 자속 P1을 영구 자석(22)과 쇄교시키기 어렵게 할 수 있다. 이것에 의해, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)를 서로 접촉시킨 경우, 고조파 자속 P1이 도전성 부재(23)를 통과하기 어렵게 할 수 있지만, 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 경계에서의 접촉 저항이 높아진다. 이 경우, 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 경계에 와전류가 흐르는 것에 의해, 큰 와전류 손실이 생겨, 와전류에 의한 자속에 의해 고조파 자속 P1을 저감시키는 효과가 저하해 버린다. 또한, 이 경우, 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 경계에서 발열하기 쉬워져, 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 경계에서 발생한 열이 영구 자석(22)에 전해져, 영구 자석(22)이 자기 소거하기 쉬워진다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)가 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 있으므로, 도전성 부재(23)에 접촉 저항이 생길 일도 없어, 도전성 부재(23)에서의 접촉 저항에 의한 발열도 없다. 따라서, 본 실시 형태에서는, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또한, 회전자(2)의 축선 방향에 대해서는 도전성 부재(23)를 분할할 필요가 없기 때문에, 와전류의 경로가 회전자(2)의 축선 방향에 대해 짧아져 버리는 것을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)에 발생하는 와전류가 저감해 버리는 것을 방지할 수 있어, 고조파 자속 P1을 저감시키는 효과의 저하를 방지할 수 있다.
또, 상기의 예에서는, 도전성 부재(23)에 존재하는 대향부간 영역(26)의 수가 1개로만 되어 있지만, 도 7에 나타내는 바와 같이, 복수의 대향부간 영역(26)을 도전성 부재(23)에 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 마련해도 좋다. 이 경우, 각 대향부간 영역(26)은 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 범위내에만 위치하고 있다. 도전성 부재(23)에 존재하는 대향부간 영역(26)의 수가 복수인 경우, 도전성 부재(23)는 복수의 도전편을 갖고, 복수의 도전편이 둘레 방향에 대해 대향부간 영역(26)을 거쳐서 서로 떨어져 배치되고, 각 도전편의 양단부가 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)로 된다. 도 7의 예에서는, 4개의 대향부간 영역(26)이 도전성 부재(23)에 마련되고, 4개의 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 범위 내에 각 대향부간 영역(26)이 개별적으로 위치하고 있다. 또한, 도 7의 예에서는, 4개의 도전편(233)이 각 영구 자석(22)의 외주면에 겹쳐지고, 서로 이웃하는 도전편(233) 사이에 대향부간 영역(26)이 존재하고 있다. 이렇게 하면, 각 영구 자석(22)의 외주면에 각 도전편(233)을 붙이는 것만으로 도전성 부재(23)를 회전자(2)에 조립할 수가 있어, 회전자(2)의 제조를 더 용이하게 할 수 있다.
또한, 상기의 예에서는, 도전성 부재(23)의 축선 방향 전역에 걸쳐 대향부간 영역(26)이 연속하고 있지만, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각의 일부끼리가 연결부를 거쳐서 서로 연결되고 있어도 좋다. 이 경우, 연결부의 도전율은 영구 자석(22)의 도전율보다 높게 된다. 연결부는 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각의 일부끼리를 용접에 의해 직접 접합하는 것에 의해 형성되어 있어도 좋고, 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232) 사이에 접합용편을 개재시켜 접합용편을 제 1 및 제 2 대향부(231, 232)에 용접에 의해 접합하는 것에 의해 형성되어 있어도 좋다.
도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각의 일부끼리를, 연결부를 거쳐서 서로 연결하는 경우, 예를 들면, 도 8에 나타내는 바와 같이, 도전성 부재(23)의 축선 방향 양단부에서만 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)가 연결부(234)를 거쳐서 서로 연결되고, 도전성 부재(23)의 축선 방향 중간부에서는 공간인 대향부간 영역(26)이 그대로 남아 있는 구성으로 되어 있어도 좋다. 이렇게 하면, 도전성 부재(23)의 축선 방향 양단부에 위치하는 2개의 연결부(234)를 통과하는 와전류 C의 경로를 길게 할 수 있어, 고정자(3)로부터의 고조파 자속 P1을 와전류 C에 의한 자속에 의해 저감시키는 효과를 높일 수 있다.
또한, 상기의 예에서는, 도전성 부재(23)의 축선 방향의 치수 La가 영구 자석(22)의 축선 방향의 치수 Lm과 동일하게 되어 있지만, 도전성 부재(23)의 축선 방향의 치수 La를 영구 자석(22)의 축선 방향의 치수 Lm보다 크게 해도 좋다. 이렇게 하면, 도전성 부재(23)에 생기는 와전류의 경로를 더 길게 할 수 있어, 고조파 자속 P1을 저감시키는 효과를 더 높일 수 있다.
실시 형태 2
도 9는 본 발명의 실시 형태 2에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다. 또, 도 9는 실시 형태 2에 따른 회전자의 도 3에 대응하는 부분을 나타내는 도면이다. 회전자(2)는 각 자석간 영역(25)에 각각 마련되어 있는 복수의 극간 부재(inter-pole member)(31)와, 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)의 각각과 도전성 부재(23)의 사이에 개재되어 있는 전기 절연층(32)을 더 가지고 있다.
각 극간 부재(31)는 회전자(2)의 축선 방향을 따라 배치되어 있다. 또한, 각 극간 부재(31)는 서로 이웃하는 2개의 영구 자석(22)의 각각의 측면 사이에 간극없이 피팅(fit)되어 있다. 대향부간 영역(26)은 극간 부재(31)의 둘레 방향의 범위 내에 위치하고 있다. 또, 극간 부재(31)의 외주면과 영구 자석(22)의 외주면의 경계에는 단차가 생기지 않았다. 즉, 극간 부재(31)의 외주면은 영구 자석(22)의 외주면에 매끄럽게 연속하고 있다.
각 극간 부재(31)의 도전율은 영구 자석(22)의 도전율보다 높게 되어 있다. 각 극간 부재(31)를 구성하는 재료는 도전성 부재(23)를 구성하는 재료와 동일하여도 좋고 상이하더라도 좋다.
극간 부재(31)와 영구 자석(22)의 비중차가 큰 경우, 극간 부재(31)와 영구 자석(22)의 경계 부분에서 회전자(2)의 원심력에 의한 전단 응력이 도전성 부재(23)에 가해지기 때문에, 극간 부재(31)와 영구 자석(22)의 비중차는 작을수록 좋고, 극간 부재(31)의 비중이 영구 자석(22)의 비중과 동일한 것이 바람직하다. 이 예에서는, 극간 부재(31)를 구성하는 재료로서 영구 자석(22)에 대한 비중차가 작은 철계 합금(iron-based alloy), 예를 들면 스테인레스 등이 이용된다.
전기 절연층(32)은, 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)의 각각의 외주면과 겹쳐진 상태에서, 샤프트(21), 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)를 전체적으로 둘러싸고 있다. 전기 절연층(32)의 외주면에는 도전성 부재(23)가 겹치고 있다. 따라서, 도전성 부재(23)는 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)의 각각에 대해 전기 절연층(32)에 의해 전기적으로 절연되어 있다.
본 실시 형태에서는, 고정자(3)에서 고조파 자속 P1이 발생하면, 대향부간 영역(26)을 통과한 고조파 자속 P1이 극간 부재(31)와 쇄교한다. 고조파 자속 P1이 극간 부재(31)와 쇄교하면, 극간 부재(31)에 와전류가 발생하고, 와전류의 발생에 의해 자속이 고조파 자속 P1을 상쇄하는 방향으로 발생한다. 이것에 의해, 대향부간 영역(26)을 통과한 고조파 자속 P1이, 샤프트(21) 및 영구 자석(22)에 이르기 전에 저감된다. 다른 구성 및 동작은 실시 형태 1과 동일하다.
이러한 회전 전기 기기(1) 및 회전자(2)에서는, 극간 부재(31)가 자석간 영역(25)에 마련되고, 극간 부재(31)의 도전율이 영구 자석(22)의 도전율보다 높게 되어 있으므로, 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1이 대향부간 영역(26)을 통과한 경우에도, 대향부간 영역(26)을 통과한 고조파 자속 P1을 극간 부재(31)와 쇄교시킬 수 있어, 극간 부재(31)에 발생하는 와전류에 의해 고조파 자속 P1을 상쇄하는 방향으로 자속을 발생시킬 수 있다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)뿐만 아니라 극간 부재(31)에 의해서도 고조파 자속 P1을 저감할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또한, 극간 부재(31) 및 영구 자석(22)의 각각과 도전성 부재(23)의 사이에 전기 절연층(32)이 개재되어 있으므로, 도전성 부재(23)를 극간 부재(31)로부터 전기적으로 절연시킬 수 있어, 도전성 부재(23)와 극간 부재(31)의 사이에서 와전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 회전자(2)에서의 와전류 손실 및 발열을 억제할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
즉, 도전성 부재(23)가 극간 부재(31)에 접촉하고 있는 경우, 도전성 부재(23)와 극간 부재(31)의 경계에서는, 접촉 저항이 높게 되어 있다. 이 경우, 도전성 부재(23)와 극간 부재(31)의 경계에 와전류가 흐르면, 큰 와전류 손실이 생겨, 와전류에 의한 자속에 의해 고조파 자속 P1을 저감시키는 효과가 저하해 버린다. 또한, 이 경우, 도전성 부재(23)와 극간 부재(31)의 경계에서 발열하기 쉬워져, 도전성 부재(23)와 극간 부재(31)의 경계에서 발생한 열이 영구 자석(22)에 전해져, 영구 자석(22)이 자기 소거하기 쉬워진다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 도전성 부재(23)와 극간 부재(31)의 사이에서 와전류가 흐르는 것을 전기 절연층(32)에 의해 방지할 수 있으므로, 회전자(2)에서의 와전류 손실 및 발열을 억제할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또, 상기의 예에서, 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)의 각각의 외주면에 도전성 부재(23)를 접착 고정하는 접착층을 전기 절연층(32)으로서 이용해도 좋다. 접착층을 구성하는 접착제로서는, 예를 들면 전기 절연성 성능이 우수한 에폭시 수지계 또는 실리콘 수지계 등의 접착제가 바람직하지만, 특별히 한정되지 않는다.
또한, 상기의 예에서, 전기 절연층(32)은 회전자(2)의 축선 방향에 대해 도전성 부재(23)의 전범위에 걸쳐 배치되어 있는 것이 바람직하다. 즉, 전기 절연층(32)의 축선 방향의 치수 Li와, 도전성 부재(23)의 축선 방향의 치수 La가 동일하게 되어 있는 것, 즉 Li=La인 것이 바람직하다.
또한, 상기의 예에서, 유지 부재(24)에 걸리는 전단 응력은 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1이 커질수록 커진다. 따라서, 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1은 가능한 한 작은 쪽이 좋다. 그래서, 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1의 설정 범위를 특정하기 위해서, 유지 부재(24)에 발생하는 응력의 응력 집중 계수와, 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1의 관계를 해석에 의해 산출하였다. 응력 집중 계수는, 부재에 발생하는 최대 응력을 평균 응력으로 나눈 값이고, 피로 강도를 평가하는데 있어서의 지표로서 이용되고 있다.
해석에서는, 유지 부재(24)를 구성하는 재료를 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 하고, 도전성 부재(23)를 구성하는 재료를 구리로 하고, 극간 부재(31)를 구성하는 재료를 스테인레스로 하였다. 또한, 해석에서는, 회전자(2)의 회전수를 30000rpm으 설정하고, 회전자(2)의 외경을 약 100㎜로 설정하였다.
도 10은 도 9의 유지 부재(24)에 발생하는 응력의 응력 집중 계수와, 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1의 관계를 나타내는 그래프이다. 유지 부재(24)에서 충분한 피로 강도를 확보하기 위해서는, 응력 집중 계수가 1.4 이하인 것이 바람직하다. 도 10의 그래프를 보면, 유지 부재(24)의 응력 집중 계수가 1.4 이하로 되는 것은 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1이 5㎜ 이하일 때이다. 따라서, 상기의 예에서는, 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1을 5㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 예에서, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각의 유지 부재(24)측의 코너부에 챔퍼링(chanfer)을 행하여도 좋다. 이렇게 하면, 도전성 부재(23)로부터 유지 부재(24)에 걸리는 전단 응력을 경감할 수 있어, 유지 부재(24)의 파손의 방지를 도모할 수 있다.
실시 형태 3
도 11은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다. 또, 도 11은 실시 형태 3에 따른 회전자의 도 3에 대응하는 부분을 나타내는 도면이다. 회전자(2)는 대향부간 영역(26)에 마련되어 있는 충전 부재(45)를 더 가지고 있다.
충전 부재(45)는 전기 절연체이다. 또한, 충전 부재(45)는 대향부간 영역(26)에 간극없이 배치되어 있다. 이 예에서는, 수지 성형체가 충전 부재(45)로서 대향부간 영역(26)에 충전되어 있다. 충전 부재(45)의 외주면과 도전성 부재(23)의 외주면의 경계에는 단차가 생기지 않았다. 즉, 충전 부재(45)의 외주면은 도전성 부재(23)의 외주면에 매끄럽게 연속하고 있다. 다른 구성 및 동작은 실시 형태 2와 동일하다.
이러한 회전 전기 기기(1) 및 회전자(2)에서는, 충전 부재(45)가 대향부간 영역(26)에 마련되어 있으므로, 대향부간 영역(26)에서는 충전 부재(45)에 의해 유지 부재(24)를 지지할 수 있다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 위치에서 유지 부재(24)에 걸리는 전단 응력을 저감할 수 있어, 유지 부재(24)의 파손의 방지를 도모할 수 있다. 또한, 충전 부재(45)가 전기 절연체이므로, 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 사이에서 와전류가 흐르는 것을 보다 확실히 방지할 수 있다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)에서의 와전류 손실을 저감할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 보다 확실히 억제할 수 있다.
또, 충전 부재(45)를 구성하는 재료로서는, 특별히 한정되지 않지만, 충전 부재(45)와 도전성 부재(23)의 비중차가 큰 경우, 회전자(2)의 회전시의 원심력의 차이로부터 유지 부재(24)에 걸리는 전단 응력이 커져 버릴 우려가 있다. 따라서, 충전 부재(45)와 도전성 부재(23)의 비중차가 작을수록 좋고, 충전 부재(45)의 비중이 도전성 부재(23)의 비중과 동일한 것이 바람직하다.
또한, 상기의 예에서는, 충전 부재(45)를 대향부간 영역(26)에 배치한 구성이 실시 형태 2의 회전자(2)에 적용되고 있지만, 충전 부재(45)를 대향부간 영역(26)에 배치한 구성을 실시 형태 1의 회전자(2)에 적용해도 좋다.
실시 형태 4
도 12는 본 발명의 실시 형태 4에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다. 또, 도 12는 실시 형태 4에 따른 회전자의 도 3에 대응하는 부분을 나타내는 도면이다. 각 자석간 영역(25) 중, 대향부간 영역(26)의 둘레 방향 위치에 대응하는 자석간 영역(25)에 마련되어 있는 극간 부재(31)는, 극간 부재 본체(311)와, 극간 부재 본체(311)로부터 직경 방향 외측으로 돌출하여 전기 절연층(32)을 관통해서 대향부간 영역(26) 내에 이르는 돌기부(312)를 가지고 있다.
극간 부재 본체(311)는 서로 이웃하는 2개의 영구 자석(22)의 각각의 측면 사이에 간극없이 피팅되어 있다. 극간 부재 본체(311)의 외주면과 영구 자석(22)의 외주면의 경계에는 단차가 생기지 않았다. 즉, 극간 부재 본체(311)의 외주면은 영구 자석(22)의 외주면에 매끄럽게 연속하고 있다.
돌기부(312)의 극간 부재 본체(311)로부터의 돌출 치수는 전기 절연층(32)의 두께 치수 및 도전성 부재(23)의 두께 치수를 합한 치수로 되어 있다. 또한, 돌기부(312)의 돌출 단면은 유지 부재(24)의 내주면에 접촉하고 있다. 따라서, 돌기부(312)의 돌출 단면은 유지 부재(24)에 접촉하는 도전성 부재(23)의 외주면과 겹치는 가상 원 상에서 유지 부재(24)의 내주면에 접촉하고 있다. 또, 돌기부(312)의 둘레 방향의 치수, 즉 돌기부(312)의 폭 치수 d3은 대향부간 영역(26)의 둘레 방향의 치수 d1보다 작게 되어 있다. 이것에 의해, 돌기부(312)는 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각으로부터 떨어져 있다. 즉, 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각과 돌기부(312)의 사이에는, 둘레 방향에 대해 미소한 간극 g가 생겨 있다. 다른 구성 및 동작은 실시 형태 2와 동일하다.
이러한 회전 전기 기기(1) 및 회전자(2)에서는, 자석간 영역(25)에 마련되어 있는 극간 부재 본체(311)로부터 돌출하는 돌기부(312)가, 전기 절연층(32)을 관통하여 대향부간 영역(26)에 이르러 유지 부재(24)에 접촉하고 있으므로, 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231)와 제 2 대향부(232)의 사이에서 유지 부재(24)를 돌기부(312)에 의해 지지할 수 있어, 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각으로부터 유지 부재(24)에 걸리는 전단 응력을 작게 할 수 있다. 이것에 의해, 유지 부재(24)가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 돌기부(312)가 대향부간 영역(26)에 배치되는 것에 의해, 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1의 대향부간 영역(26)에 대한 통과량을 더 저감할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또한, 돌기부(312)는 도전성 부재(23)의 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각으로부터 떨어져 있으므로, 도전성 부재(23)와 돌기부(312)의 사이에서 와전류가 흐르는 것을 보다 확실히 방지할 수 있어, 도전성 부재(23) 및 극간 부재(31)의 각각에서의 와전류 손실을 저감할 수 있다.
또, 상기의 예에서, 제 1 및 제 2 대향부(231, 232)로부터 유지 부재(24)에 걸리는 전단 응력은 도전성 부재(23)와 돌기부(312)의 사이에 생기는 간극 g의 둘레 방향의 치수가 작아질수록 작아지지만, 간극 g를 너무 작게 하면, 도전성 부재(23)와 돌기부(312)가 서로 접촉할 가능성이 높아져 버린다. 따라서, 간극 g의 치수는, 도전성 부재(23)와 돌기부(312)가 서로 접촉하지 않도록, 돌기부(312)의 둘레 방향의 가공 오차와, 도전성 부재(23)의 둘레 방향의 가공 오차를 합한 치수보다 큰 치수로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기의 예에서는, 실시 형태 2의 회전자(2)에 있어서의 자석간 영역(25)에, 극간 부재 본체(311) 및 돌기부(312)를 가지는 극간 부재(31)가 배치되어 있지만, 전기 절연층(32)이 없는 실시 형태 1의 회전자(2)에 있어서의 자석간 영역(25)에, 극간 부재 본체(311) 및 돌기부(312)를 가지는 극간 부재(31)를 배치해도 좋다. 이 경우, 극간 부재 본체(311)가 자석간 영역(25)에 배치되고, 극간 부재 본체(311)로부터 대향부간 영역(26)으로 돌출하고 있는 돌기부(312)가 유지 부재(24)의 내주면에 접촉한다. 또한, 이 경우, 극간 부재(31)는 전기 절연체로 된다. 이렇게 해도, 제 1 대향부(231) 및 제 2 대향부(232)의 각각으로부터 유지 부재(24)에 걸리는 전단 응력을 작게 할 수 있어, 유지 부재(24)의 파손을 방지할 수 있다.
실시 형태 5
도 13은 본 발명의 실시 형태 5에 따른 회전 전기 기기의 회전자의 주요부를 나타내는 확대 단면도이다. 또, 도 13은 실시 형태 5에 따른 회전자의 도 3에 대응하는 부분을 나타내는 도면이다. 회전자(2)는 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)의 각각과 전기 절연층(32)의 사이에 개재되어 있는 도전성 피막(51)을 더 가지고 있다.
도전성 피막(51)은 샤프트(21), 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)를 전체적으로 둘러싸고 있다. 또한, 도전성 피막(51)은 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)의 각각의 외주면에 회전자(2)의 둘레 방향의 사방에 걸쳐 겹치고 있다. 도전성 피막(51)의 도전율은 영구 자석(22)의 도전율보다 높게 되어 있다. 도전성 피막(51)을 구성하는 재료로서는, 예를 들면 알루미늄 합금 또는 구리 합금 등이 이용되고 있다.
도전성 피막(51)과 도전성 부재(23)의 사이에는, 전기 절연층(32)이 개재되어 있다. 따라서, 도전성 부재(23)는 도전성 피막(51)에 대해 전기 절연층(32)에 의해 전기적으로 절연되어 있다. 각 극간 부재(31)의 도전율에 대해서는, 특별히 한정되지 않고, 어떠한 값이어도 좋다.
본 실시 형태에서는, 고정자(3)에서 고조파 자속 P1이 발생하면, 대향부간 영역(26)을 통과한 고조파 자속 P1이 도전성 피막(51)과 쇄교한다. 고조파 자속 P1이 도전성 피막(51)과 쇄교하면, 도전성 피막(51)에 와전류가 발생하여, 와전류의 발생에 의해 자속이 고조파 자속 P1을 상쇄하는 방향으로 발생한다. 이것에 의해, 대향부간 영역(26)을 통과한 고조파 자속 P1이, 샤프트(21) 및 영구 자석(22)에 이르기 전에 저감된다. 다른 구성 및 동작은 실시 형태 2와 동일하다.
이러한 회전 전기 기기(1) 및 회전자(2)에서는, 영구 자석(22)보다 도전율의 높은 도전성 피막(51)이, 각 영구 자석(22) 및 각 극간 부재(31)의 각각과 전기 절연층(32)의 사이에 개재되어 있으므로, 고정자(3)에서 발생한 고조파 자속 P1이 대향부간 영역(26)을 통과한 경우에도, 대향부간 영역(26)을 통과한 고조파 자속 P1을 도전성 피막(51)과 쇄교시킬 수 있어, 도전성 피막(51)에 발생하는 와전류에 의해 고조파 자속 P1을 상쇄하는 방향으로 자속을 발생시킬 수 있다. 이것에 의해, 도전성 부재(23)뿐만 아니라 도전성 피막(51)에 의해서도 고조파 자속 P1을 저감할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또한, 도전성 피막(51)과 도전성 부재(23)의 사이에 전기 절연층(32)이 개재되어 있으므로, 도전성 부재(23)를 도전성 피막(51)으로부터 전기적으로 절연시킬 수 있어, 도전성 부재(23)와 도전성 피막(51)의 사이에서 와전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다. 이것에 의해, 회전자(2)에서의 와전류 손실 및 발열을 억제할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또, 상기의 예에서, 도전성 피막(51)의 두께 치수가 너무 크면, 자기 갭이 커지므로 고정자(3)에서의 손실이 커져 버린다. 한편, 도전성 피막(51)의 두께 치수가 너무 작으면, 도전성 피막(51)의 저항이 커지므로 와전류가 도전성 피막(51)에 흐르기 어려워져, 고조파 자속 P1을 상쇄하는 효과가 저하해 버린다. 도전성 피막(51)을 구성하는 재료가 알루미늄 합금인 경우, 도전성 피막(51)의 두께 치수를 0.2㎜~0.5㎜의 범위 내의 치수로 하면, 자기 갭에 큰 영향을 주는 일없이, 고조파 자속 P1을 상쇄하는 효과가 충분히 얻어진다.
또한, 상기의 예에서는, 대향부간 영역(26)이 공간으로 되어 있지만, 실시 형태 3과 마찬가지로, 대향부간 영역(26)에 충전 부재(45)를 배치해도 좋다.
실시 형태 6
도 14는 본 발명의 실시 형태 6에 따른 회전 전기 기기를 나타내는 단면도이다. 회전자(2)는 영구 자석(22)의 축선 방향 외측에 각각 마련되어 있는 1쌍의 링 부재(61)를 더 가지고 있다. 영구 자석(22)은 회전자(2)의 축선 방향에 대해 1쌍의 링 부재(61) 사이에 끼워져 있다. 한쪽의 링 부재(61)는 영구 자석(22)의 일단면에 접촉하고, 다른쪽의 링 부재(61)는 영구 자석(22)의 타단면에 접촉하고 있다.
1쌍의 링 부재(61)는 샤프트(21)의 외주면에 피팅되어 있다. 또한, 1쌍의 링 부재(61)의 각각의 직경 방향 두께는 영구 자석(22)의 두께 치수와 동일하게 되어 있다. 각 링 부재(61)의 도전율에 대해서는, 특별히 한정되지 않고, 어떠한 값이어도 좋다.
전기 절연층(32), 도전성 부재(23) 및 유지 부재(24)의 각각은 회전자(2)의 축선 방향에 대해 1쌍의 링 부재(61)를 덮는 위치까지 이르고 있다. 이것에 의해, 축선 방향에 대한 각 링 부재(61)의 위치에서는, 링 부재(61)의 외주면이 전기 절연층(32)으로 덮이고, 전기 절연층(32)의 외주면이 도전성 부재(23)로 덮이고, 도전성 부재(23)의 외주면이 유지 부재(24)로 덮혀 있다. 즉, 축선 방향에 대한 각 링 부재(61)의 위치에서는, 회전자(2)의 직경 방향에 대해, 샤프트(21)와 전기 절연층(32)의 사이에 링 부재(61)가 배치되고, 전기 절연층(32)의 외주면에 도전성 부재(23) 및 유지 부재(24)가 직경 방향 외측에 순차적으로 겹치고 있다. 또한, 이 예에서는, 도 14에 나타내는 바와 같이, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 중심 위치에서 축선 A에 직교하는 축선 직교선 B에 관해, 회전자(2) 및 고정자(3)의 각각의 구성이 대칭으로 되어 있다.
또한, 전기 절연층(32)의 축선 방향의 치수 Li, 영구 자석(22)의 축선 방향의 치수 Lm, 도전성 부재(23)의 축선 방향의 치수 La, 유지 부재(24)의 축선 방향의 치수 Lk, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 치수 Ls의 관계로서는, Lk≥La=Li>Lm이고, 또한 La>Ls의 관계가 성립하고 있다.
PWM 제어에 의해 고정자 코일(5)에 전류가 공급되면, 캐리어 주파수에 기인하는 고조파 자속 P1이 고정자(3)로부터 발생한다. 이 때, 고정자(3)의 축선 방향 양단부에 위치하는 코일 엔드(5a)에도 전류가 공급되므로, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에도 고조파 자속 P1이 발생한다.
여기서, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 치수 Ls가 도전성 부재(23)의 축선 방향의 치수 La와 동일한 경우, 즉 Ls=La인 경우, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에는 도전성 부재(23)가 존재하지 않기 때문에, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에서 발생하는 고조파 자속 P1은 도전성 부재(23)에서 저감되지 않고 샤프트(21)와 쇄교한다. 이것에 의해, Ls=La인 경우에는, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에서 큰 와전류 손실이 샤프트(21)에 발생한다.
이에 반해, 본 실시 형태에서는, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에서도 도전성 부재(23)가 존재하고 있다. 따라서, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에서 발생하는 고조파 자속 P1은 도전성 부재(23)와 쇄교하고, 도전성 부재(23)에 와전류가 발생한다. 이것에 의해, 고조파 자속 P1을 상쇄하는 방향으로 자속이 발생하여, 샤프트(21)에 발생하는 와전류 손실이 저감된다. 다른 구성 및 동작은 실시 형태 2와 동일하다.
이러한 회전 전기 기기(1)에서는, 영구 자석(22)의 축선 방향 외측에 마련되어 있는 링 부재(61)가 샤프트(21)와 전기 절연층(32)의 사이에 개재되고, 전기 절연층(32)의 축선 방향의 치수 Li, 영구 자석(22)의 축선 방향의 치수 Lm, 도전성 부재(23)의 축선 방향의 치수 La, 유지 부재(24)의 축선 방향의 치수 Lk, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 치수 Ls의 관계가, Lk≥La=Li>Lm이고, 또한 La>Ls의 관계를 만족하고 있으므로, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에서 발생하는 고조파 자속 P1을 도전성 부재(23)와 쇄교시킬 수 있다. 이것에 의해, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에서도, 고조파 자속 P1이 샤프트(21)에 이르기 전에 고조파 자속 P1을 저감시킬 수 있어, 샤프트(21)에서의 와전류 손실을 저감시킬 수 있다. 이것에 의해, 회전자(2)에서의 발열을 더 억제할 수 있고, 영구 자석(22)의 자기 소거를 더 억제할 수 있다.
또한, 샤프트(21)와 전기 절연층(32)의 사이가 공간으로 되어 있는 경우에는, 회전자(2)의 회전에 의한 원심력에 의해, 전기 절연층(32)에 대한 영구 자석(22)의 축선 방향 단부의 접촉 위치에서 전기 절연층(32) 및 도전성 부재(23)에 발생하는 전단 응력이 커진다. 이에 반해, 본 실시 형태에서는, 고정자 코어(4)의 축선 방향의 범위 외에서 샤프트(21)의 외주면과 전기 절연층(32)의 사이에 링 부재(61)가 개재되어 있으므로, 전기 절연층(32) 및 도전성 부재(23)에 발생하는 전단 응력을 경감할 수 있다.
또, 상기의 예에서, 전기 절연층(32) 및 도전성 부재(23)에 발생하는 전단 응력은 링 부재(61)와 영구 자석(22)의 비중차가 작을수록 작아지므로, 링 부재(61)와 영구 자석(22)의 비중차는 작을수록 좋고, 링 부재(61)의 비중이 영구 자석(22)의 비중과 동일한 것이 바람직하다.
또한, 링 부재는 복수의 링 모양의 박판(薄板)을 복수 적층하는 것에 의해 구성되어 있어도 좋다.
또한, 상기의 예에서는, 영구 자석(22)의 축선 방향 외측에 1쌍의 링 부재(61)를 마련한 구성이 실시 형태 2의 회전자(2)에 적용되어 있지만, 영구 자석(22)의 축선 방향 외측에 1쌍의 링 부재(61)를 마련한 구성을 실시 형태 3~5의 회전자(2)에 적용해도 좋다.
실시 형태 7
도 15는 본 발명의 실시 형태 7에 따른 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께와, 인버터 구동시의 회전자(2)의 손실의 관계를 나타낸 그래프이다. 본 실시 형태에 의한 회전자(2)의 구성은, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t의 설정 범위를 특정한 것을 제외하고, 실시 형태 1에 따른 회전자(2)의 구성과 동일하다. 도전성 부재(23)의 저항율을 ρ, 도전성 부재(23)의 투자율을 μ, 회전 전기 기기를 구동시키는 인버터의 캐리어 각주파수를 ωc라고 하면, 캐리어 고조파 자속에 반응한 와전류가 도전성 부재(23)에 흐를 때의 도전성 부재(23)의 표피 깊이 d는 이하의 식 (1)로 정의된다.
Figure 112017095738521-pct00001
도 15는 도전성 부재(23)에서 발생하는 와전류에 의한 손실, 도전성 부재(23)보다 내주측에 있는 부재인 영구 자석(22) 및 샤프트(21)에서 발생하는 와전류에 의한 손실, 및 그들의 총합인 회전자(2)의 손실의, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t에 대한 의존성을 나타내고 있다. 여기서, 고정자(3)의 티스(42)의 표면으로부터 영구 자석(22)의 외주면까지의 거리는 일정하게 하고 있다. 또한, 도 15에서는, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t를 표피 깊이 d에 의해 규격화한 값(t/d)을 가로축으로 이용하고, 도전성 부재(23)가 존재하지 않는 경우(t=0)의 회전자(2)의 손실을 1로 하여 규격화한 값을 세로축으로 이용하고 있다.
도 15에 나타나고 있는 바와 같이, 도전성 부재(23)보다 내주측에 있는 부재의 손실은 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께가 증가함에 따라 작아져 간다. 이것은, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께가 증가함에 따라 도전성 부재(23)의 단면적이 늘어나므로 저항이 작아지고, 도전성 부재(23)에 흐르는 와전류가 커지므로, 캐리어 고조파 자속이 상쇄되고, 도전성 부재(23)의 내주측에 있는 부재에 쇄교하는 자속이 감소하기 때문이다.
도전성 부재(23)의 내주측에 있는 부재의 손실은, 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, t/d가 0.1일 때에, 도전성 부재(23)가 없는 경우의 손실과 비교하여 절반 이하로 되고, t/d가 1이 되면, 도전성 부재(23)가 없는 경우의 손실에 대해 1% 이하까지 감소한다. 한편, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t가 증가함에 따라 도전성 부재(23)에 흐르는 와전류가 증가하므로, 도전성 부재(23)의 손실도 증가해 가지만, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t가 증가하는 것에 의해 도전성 부재(23)의 저항값이 감소해 가므로, t/d가 0.15를 넘는 근처에서 도전성 부재(23)의 손실은 감소로 바뀐다. 또, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t가 증가해 가면 도전성 부재(23)의 표면으로부터 고정자(3)의 티스(42)까지의 거리가 작아져, 자기 저항의 맥동에 의한 자속 밀도의 변동이 커지기 때문에, 도전성 부재(23)의 손실은 증가해 간다. 회전자(2)의 손실은, t/d가 2일 때에, 도전성 부재가 존재하지 않는 경우(t=0)와 동일하게 되고, t/d가 2를 넘으면, 도전성 부재(23)가 존재하지 않는 경우(t=0)보다 커진다. 따라서, 도전성 부재(23)의 손실과 도전성 부재(23)의 내주측에 있는 부재의 손실과의 총합인 회전자(2)의 손실은 t/d≤1로 최소가 된다. 즉, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t가 t/d≤1의 범위에 있을 때에, 회전자(2)의 손실이 최소가 된다.
본 실시 형태에 따른 도전성 부재(23)의 두께 t는 이하의 식 (2)를 만족하도록 설정되어 있다.
Figure 112017095738521-pct00002
본 실시 형태에서는, 도전성 부재(23)의 두께 t가 식 (2)를 만족하도록 설정되어 있으므로, 도전성 부재(23)가 존재하지 않는 경우보다 회전자(2)의 손실을 작게 억제할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 억제할 수 있다.
또, 이 예에서는, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t가 식 (2)를 만족하도록 설정되어 있지만, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t의 설정 범위를 더 한정하고, 이하의 식 (3)을 만족하도록 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t를 설정해도 좋다.
Figure 112017095738521-pct00003
이와 같이, 식 (3)을 만족하도록 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t를 설정하면, t/d의 상한을 1로 할 수 있으므로, 도전성 부재(23)의 직경 방향의 두께 t를 t/d≤2로 설정한 경우보다 회전자(2)의 손실을 더 작게 억제할 수 있어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 억제할 수 있다. 또한, 식 (3)을 만족하도록 도전성 부재(23)의 두께 t를 설정하면, t/d의 하한을 0.1로 할 수 있으므로, 도전성 부재(23)보다 내주측에 있는 부재의 손실을, 도전성 부재(23)가 존재하지 않는 경우와 비교하여 절반 이하로 억제할 수 있어, 영구 자석(22)의 와전류 손실이 저감되어 영구 자석(22)의 자기 소거를 억제할 수 있다.
또, 실시 형태 1에서는, 각 대향부간 영역(26)은, 자석간 영역(25)의 둘레 방향의 범위 내에만 위치하고 있지만, 도 16에 나타내는 바와 같이, 복수의 대향부간 영역(26) 중 적어도 1개가 자석간 영역(25)의 둘레 방향 범위 내에 위치하고 있어도 좋다. 도 16의 회전자(2)에서는 4개의 대향부간 영역(26) 중 1개가 자석간 영역(25)의 둘레 방향 범위 내에 존재하고, 나머지의 3개의 대향부간 영역(26)은 자석간 영역(25)이 아니고, 영구 자석(22) 상에 대향부간 영역(26)이 존재하고 있다. 상기와 같은 구성을 취함으로써, 대향부간 영역(26)의 전체가 영구 자석(22) 상에 존재하는 경우와 비교하여, 영구 자석(22)에 쇄교하는 캐리어 고조파 성분이 도전성 부재(23)에 의해 상쇄되어, 영구 자석(22)의 자기 소거를 억제할 수 있다. 또, 복수의 대향부간 영역(26) 중 적어도 1개가 자석간 영역(25)의 둘레 방향 범위 내에 위치하도록 한 구성을 실시 형태 2~6의 각각에 적용해도 좋다.
또한, 각 상기 실시 형태에서는, 회전자(2) 및 고정자(3)의 각각의 구성이 축선 직교선 B에 관해 대칭으로 되어 있지만, 회전자(2) 및 고정자(3)의 각각의 구성을 축선 직교선 B에 대해 비대칭으로 해도 좋다.
본 발명은 각 상기 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기본적 기술적 사상 및 교시에 근거하여 여러 가지 변경해서 실시할 수 있다.
1: 회전 전기 기기
2: 회전자
3: 고정자
4: 고정자 코어
5: 고정자 코일
21: 샤프트(회전자 코어)
22: 영구 자석
23: 도전성 부재
24: 유지 부재
25: 자석간 영역
26: 대향부간 영역
31: 극간 부재
32: 전기 절연층
41: 충전 부재
51: 도전성 피막
61: 링 부재
231: 제 1 대향부
232: 제 2 대향부
311: 극간 부재 본체
312: 돌기부

Claims (11)

  1. 회전 전기 기기의 회전자로서,
    회전자 코어,
    상기 회전자 코어의 외주부에 마련되고, 둘레 방향으로 서로 떨어져 배치되어 있는 복수의 영구 자석,
    상기 회전자의 둘레 방향을 따라 상기 회전자 코어 및 상기 복수의 영구 자석을 감싸도록 상기 영구 자석의 외주면을 덮고 있는 도전성 부재, 및
    상기 회전자의 둘레 방향을 따라 상기 회전자 코어, 상기 복수의 영구 자석 및 상기 도전성 부재를 감싸도록 상기 도전성 부재의 외주면을 덮고 있는 유지 부재
    를 구비하며,
    상기 도전성 부재의 도전율은 상기 영구 자석의 도전율보다 높게 되어 있고,
    상기 도전성 부재는 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 대향하는 제 1 및 제 2 대향부를 갖고,
    상기 제 1 및 제 2 대향부 사이에 존재하는 대향부간 영역은 둘레 방향에 대해 서로 이웃하는 상기 영구 자석 사이에 존재하는 자석간 영역의 둘레 방향의 범위 내에 위치하고 있고,
    상기 도전성 부재의 직경 방향의 두께를 t, 상기 도전성 부재의 저항율을 ρ, 상기 도전성 부재의 투자율을 μ, 상기 회전 전기 기기를 구동시키는 인버터의 캐리어 각주파수를 ωc, 상기 도전성 부재의 표피 깊이를 d라고 하면, d는
    (수학식 1)
    Figure 112018091185175-pct00023

    로 정의되고,
    t와 d의 사이에는
    (수학식 2)
    Figure 112018091185175-pct00024

    를 만족하는 관계가 성립하고 있는
    회전 전기 기기의 회전자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    t와 d의 사이에는,
    (수학식 3)
    Figure 112017096125016-pct00025

    를 더 만족하는 관계가 성립하고 있는
    회전 전기 기기의 회전자.
  3. 회전 전기 기기의 회전자로서,
    회전자 코어,
    상기 회전자 코어의 외주부에 마련되고, 둘레 방향으로 서로 떨어져 배치되어 있는 복수의 영구 자석,
    상기 회전자의 둘레 방향을 따라 상기 회전자 코어 및 상기 복수의 영구 자석을 감싸도록 상기 영구 자석의 외주면을 덮고 있는 도전성 부재, 및
    상기 회전자의 둘레 방향을 따라 상기 회전자 코어, 상기 복수의 영구 자석 및 상기 도전성 부재를 감싸도록 상기 도전성 부재의 외주면을 덮고 있는 유지 부재
    를 구비하며,
    상기 도전성 부재의 도전율은 상기 영구 자석의 도전율보다 높게 되어 있고,
    상기 도전성 부재는 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 대향하는 제 1 및 제 2 대향부를 갖고,
    상기 제 1 및 제 2 대향부 사이에 존재하는 대향부간 영역은 둘레 방향에 대해 서로 이웃하는 상기 영구 자석 사이에 존재하는 자석간 영역의 둘레 방향의 범위 내에 위치하고 있고,
    상기 회전 전기 기기의 회전자는,
    상기 자석간 영역에 마련되어 있는 극간 부재, 및
    상기 복수의 영구 자석 및 상기 극간 부재의 각각과 상기 도전성 부재의 사이에 개재되어 있는 전기 절연층을 구비하고 있는
    회전 전기 기기의 회전자.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 극간 부재는 상기 자석간 영역에 마련되어 있는 극간 부재 본체와, 상기 극간 부재 본체로부터 상기 전기 절연층을 관통하여 상기 대향부간 영역 내에 이르고, 상기 유지 부재에 접촉하고 있는 돌기부를 가지고 있는
    회전 전기 기기의 회전자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 돌기부는 상기 도전성 부재의 상기 제 1 및 제 2 대향부의 각각으로부터 떨어져 있는
    회전 전기 기기의 회전자.
  6. 회전 전기 기기의 회전자로서,
    회전자 코어,
    상기 회전자 코어의 외주부에 마련되고, 둘레 방향으로 서로 떨어져 배치되어 있는 복수의 영구 자석,
    상기 회전자의 둘레 방향을 따라 상기 회전자 코어 및 상기 복수의 영구 자석을 감싸도록 상기 영구 자석의 외주면을 덮고 있는 도전성 부재, 및
    상기 회전자의 둘레 방향을 따라 상기 회전자 코어, 상기 복수의 영구 자석 및 상기 도전성 부재를 감싸도록 상기 도전성 부재의 외주면을 덮고 있는 유지 부재
    를 구비하며,
    상기 도전성 부재의 도전율은 상기 영구 자석의 도전율보다 높게 되어 있고,
    상기 도전성 부재는 둘레 방향에 대해 서로 떨어져 대향하는 제 1 및 제 2 대향부를 갖고,
    상기 제 1 및 제 2 대향부 사이에 존재하는 대향부간 영역은 둘레 방향에 대해 서로 이웃하는 상기 영구 자석 사이에 존재하는 자석간 영역의 둘레 방향의 범위 내에 위치하고 있고,
    상기 회전 전기 기기의 회전자는,
    상기 자석간 영역에 마련되어 있는 극간 부재,
    상기 복수의 영구 자석 및 상기 극간 부재의 각각과 상기 도전성 부재의 사이에 개재되어 있는 전기 절연층, 및
    상기 복수의 영구 자석 및 상기 극간 부재의 각각과 상기 전기 절연층의 사이에 개재되어 있는 도전성 피막을 구비하며,
    상기 도전성 피막의 도전율은 상기 영구 자석의 도전율보다 높게 되어 있는
    회전 전기 기기의 회전자.
  7. 제 3 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 대향부간 영역에 마련되어 있는 충전 부재를 구비하며,
    상기 충전 부재는 전기 절연체인
    회전 전기 기기의 회전자.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 자석간 영역에 마련되어 있는 극간 부재를 구비하며,
    상기 극간 부재는 상기 자석간 영역에 마련되어 있는 극간 부재 본체와, 상기 극간 부재 본체로부터 상기 대향부간 영역으로 돌출하고, 상기 유지 부재에 접촉하고 있는 돌기부를 가지고 있는
    회전 전기 기기의 회전자.
  9. 청구항 3 또는 청구항 6에 기재된 회전자, 및
    직경 방향에 대해 간극을 거쳐서 상기 회전자를 둘러싸는 고정자
    를 구비하며,
    상기 회전자는 상기 영구 자석의 축선 방향 외측에 마련되어 있는 링 부재를 갖고,
    상기 링 부재는 상기 회전자 코어와 상기 전기 절연층의 사이에 개재되어 있고,
    상기 고정자는 고정자 코어와, 상기 고정자 코어에 마련되어 있는 고정자 코일을 갖고,
    상기 고정자 코일은 축선 방향에 대해 상기 고정자 코어로부터 돌출하는 코일 엔드를 갖고,
    상기 고정자 코어의 축선 방향의 치수를 Ls, 상기 영구 자석의 축선 방향의 치수를 Lm, 상기 도전성 부재의 축선 방향의 치수를 La, 상기 전기 절연층의 축선 방향의 치수를 Li, 상기 유지 부재의 축선 방향의 치수를 Lk라고 하면,
    Lk≥La=Li>Lm이고, 또한 La>Ls의 관계가 성립하고 있는
    회전 전기 기기.
  10. 청구항 1, 3, 6 중 어느 한 항에 기재된 회전자, 및
    직경 방향에 대해 간극을 거쳐서 상기 회전자를 둘러싸는 고정자
    를 구비하고 있는 회전 전기 기기.
  11. 삭제
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