KR101952040B1

KR101952040B1 - 회전 전기 기기

Info

Publication number: KR101952040B1
Application number: KR1020170144431A
Authority: KR
Inventors: 히로유키 핫토리; 신지 와카마츠; 신야 우라타
Original assignee: 도요타지도샤가부시키가이샤
Priority date: 2016-12-01
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2019-02-25
Also published as: EP3331139B1; US10404146B2; JP2018093602A; CN108134494A; KR20180062939A; BR102017023616A2; JP6595443B2; US20180159408A1; EP3331139A1; RU2664505C1

Abstract

회전 전기 기기는, 스테이터 코어와, 상기 스테이터 코어에 권회된 스테이터 코일을 포함하는 스테이터와, 상기 스테이터의 외주 주위에 배치되는 아우터 코어와, 주위 방향으로 간격을 두고 배열되는 복수의 아우터 자석을 포함하는 환상의 아우터 로터를 구비하며, 상기 스테이터 코어는, 환상의 요크와, 상기 요크의 외주로부터 직경 방향 외측으로 돌출되는 복수의 아우터 티스를 갖고, 상기 복수의 아우터 자석은, 주위 방향, 또한 주위 방향에 인접하는 다른 아우터 자석과 주위 방향 역방향으로 자화되어 있고, 서로 인접하는 아우터 자석의 간극의 주위 방향 거리는, 상기 아우터 티스의 주위 방향의 배치 피치의 1.5배 이상이다.

Description

회전 전기 기기 {ROTARY ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 스테이터의 외주 주위에 배치된 아우터 로터를 구비하는 회전 전기 기기에 관한 것이다.

주지한 바와 같이, 회전 전기 기기는, 스테이터와, 당해 스테이터에 대하여 회전하는 로터를 갖고 있다. 회전 전기 기기 중에는, 스테이터의 외주 주위에 배치된 로터를 갖는 것도 있다. 이러한 회전 전기 기기로서는, 하나의 스테이터의 외주 주위에 하나의 로터를 갖는 아우터 로터형 회전 전기 기기(예를 들어 일본 특허 공개 제2012-147601호 등) 외에, 하나의 스테이터의 직경 방향 양측에 2개의 로터를 갖는 듀얼 로터형 회전 전기 기기, 하나의 로터의 직경 방향 양측에 2개의 스테이터를 설치한 듀얼 스테이터형 회전 전기 기기(예를 들어 일본 특허 공개 제2016-5412호 등) 등이 있다.

여기서, 종래의 회전 전기 기기의 로터의 대부분은, 로터 코어와, 복수의 자석을 갖고, 각 자석이 직경 방향으로 자화되어 있었다. 예를 들어, 일본 특허 공개 제2012-147601호에는, 하나의 스테이터와, 당해 스테이터의 외주 주위에 배치된 로터를 갖는 아우터 로터형 회전 전기 기기가 개시되어 있지만, 이 일본 특허 공개 제2012-147601호에 있어서의 로터의 자석은, 직경 방향으로 자화되어 있다.

이와 같이 직경 방향으로 자화된 자석의 경우, 스테이터 코일로의 전류 인가에 수반하여, 자석에, 그의 자화 방향과 역방향의 자계가 걸려, 당해 자석의 감자를 초래하는 경우가 있었다. 구체적으로는, 스테이터 코일로의 전류 인가에 수반하여 발생하는 자속의 일부는, 티스로부터 로터 코어에, 혹은 로터 코어로부터 티스로 흐르지만, 이 로터와 티스의 사이에 있어서, 자속은 직경 방향으로 흐르기 쉽다. 이 직경 방향으로 흐르는 자속의 일부는 자석 내를 통과하는데, 이 자석 내를 통과하는 자속의 방향이, 당해 자석의 자화의 방향과 반대이면, 자석의 자력이 저하되는 감자가 발생한다. 감자가 발생하면, 당연히 마그네트 토크가 저하되고, 나아가 회전 전기 기기의 출력 토크가 저하된다.

일본 특허 공개 제2016-5412호에는, 하나의 로터와, 당해 로터의 외주 주위 및 내주 주위에 배치된 2개의 스테이터를 갖는 듀얼 스테이터형 회전 전기 기기가 개시되어 있다. 이 일본 특허 공개 제2016-5412호에 있어서의 로터의 자석은, 주위 방향으로 자화되어 있다. 그 때문에, 이 구성에 따르면, 상술한 자석의 감자를 저감할 수 있다. 그러나, 일본 특허 공개 제2016-5412호에서는, 자석의 주위 방향 간격이, 티스의 주위 방향 간격과 거의 동일하였다. 그 때문에, 로터 코어에 있어서, 릴럭턴스 토크용의 자속이 흐르는 자로를 충분히 확보할 수 없어, 릴럭턴스 토크를 충분히 확보할 수 없었다.

본 발명은 스테이터의 외주 주위에 배치된 로터를 갖는 회전 전기 기기이며, 당해 로터의 자석의 감자를 보다 효과적으로 억제하면서, 릴럭턴스 토크를 충분히 확보할 수 있는 회전 전기 기기를 제공한다.

본 발명의 회전 전기 기기는, 스테이터 코어와, 상기 스테이터 코어에 권회된 스테이터 코일을 포함하는 스테이터와, 상기 스테이터의 외주 주위에 배치되는 아우터 코어와, 주위 방향으로 간격을 두고 배열되는 복수의 아우터 자석을 포함하는, 환상의 아우터 로터를 구비하고, 상기 스테이터 코어는, 환상의 요크와, 상기 요크의 외주로부터 직경 방향 외측으로 돌출되는 복수의 아우터 티스를 갖고, 상기 복수의 아우터 자석은, 주위 방향, 또한 주위 방향에 인접하는 다른 아우터 자석과 주위 방향 역방향으로 자화되어 있고, 서로 인접하는 아우터 자석의 간극의 주위 방향 거리는, 상기 아우터 티스의 주위 방향의 배치 피치의 1.5배 이상인 것을 특징으로 한다.

이러한 구성으로 하면, 자화의 방향과 역방향으로 아우터 자석을 통하는 자속을 저감할 수 있기 때문에, 아우터 자석의 감자를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 아우터 자석의 간극의 주위 방향 거리가, 아우터 티스의 주위 방향의 배치 피치의 1.5배 이상이기 때문에, 릴럭턴스 토크용의 자속의 자로를 충분히 확보할 수 있어, 릴럭턴스 토크를 충분히 확보할 수 있다.

다른 형태에서는, 상기 아우터 코어는, 서로 분할된 복수의 코어편으로 이루어지고, 상기 로터는, 상기 코어편과, 상기 아우터 자석이 주위 방향으로 교대로 배열되어 구성된다.

이러한 구성으로 하면, 아우터 자석의 직경 방향 양측에 코어가 존재하지 않기 때문에, 누설 자속을 저감할 수 있어, 회전 전기 기기의 효율을 향상시킬 수 있다.

다른 형태에서는, 상기 아우터 자석은, 그의 직경 방향 두께의 중심이, 상기 아우터 코어의 직경 방향 두께의 중심보다, 직경 방향 외측이 되도록 배치된다.

이러한 구성으로 하면, 아우터 자석과, 아우터 티스의 갭을 크게 할 수 있고, 아우터 자석의 감자를 보다 저감할 수 있다.

다른 형태에서는, 또한 상기 스테이터의 내주 주위에 배치되는 이너 코어와, 주위 방향으로 배치되는 복수의 이너 자석을 포함하는 환상의 이너 로터를 구비하고, 상기 스테이터 코어는, 추가로 상기 요크의 내주로부터 직경 방향 내측으로 돌출되는 복수의 이너 티스를 갖고, 상기 회전 전기 기기는 듀얼 로터형이다.

이러한 구성으로 하면, 2개의 로터를 갖기 때문에, 회전 전기 기기의 출력 토크를 보다 향상시킬 수 있다.

다른 형태에서는, 상기 스테이터 코일은, 전류를 인가하였을 때 상기 아우터 티스측에 형성되는 자계의 극성과, 상기 이너 티스측에 형성되는 자계의 극성이 동일하게 되도록 권회되어 있다.

이러한 구성으로 하면, 아우터 코어 및 이너 티스 및 아우터 티스에 흐르는 자속이 증가하기 때문에, 회전 전기 기기의 출력을 보다 향상시킬 수 있다.

본 발명에 따르면, 자화의 방향과 역방향으로 아우터 자석을 통과하는 자속을 저감할 수 있기 때문에, 아우터 자석의 감자를 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 아우터 자석의 간극의 주위 방향 거리가, 아우터 티스의 주위 방향의 배치 피치의 1.5배 이상이기 때문에, 릴럭턴스 토크용의 자속의 자로를 충분히 확보할 수 있어, 릴럭턴스 토크를 충분히 확보할 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징, 이점, 기술적 및 산업적 의의는 첨부 된 도면을 참조하여 이하에서 설명될 것이며, 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1은, 실시 형태인 회전 전기 기기의 개략적인 종단면도이다.
도 2는, 회전 전기 기기의 횡단면도이다.
도 3은, 아우터 자석을 주위 방향으로 자화한 경우의 자속의 흐름을 도시하는 이미지도이다.
도 4는, 아우터 자석을 직경 방향으로 자화한 경우의 자속의 흐름을 도시하는 이미지도이다.
도 5는, 아우터 자석의 위치 및 사이즈를 설명하는 도면이다.
도 6은, 스테이터 코일의 다른 권회 방식과 자속 밀도를 도시하는 도면이다.
도 7은, 스테이터 코일의 다른 권회 방식과 자속 밀도를 도시하는 도면이다.
도 8은, 아우터 로터의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 9는, 회전 전기 기기의 다른 예를 도시하는 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1은, 기본적인 실시 형태인 회전 전기 기기(10)의 개략적인 종단면도이다. 또한, 도 2는, 회전 전기 기기(10)의 횡단면도이다. 이 회전 전기 기기(10)는, 하나의 스테이터(14)와, 2개의 로터(16, 18)를 가진 듀얼 로터형의 회전 전기 기기이다. 보다 구체적으로는, 도 1, 도 2에 도시하는 바와 같이, 회전축(20)의 외주면에 이너 로터(16)가 고착되어 있고, 당해 이너 로터(16)의 외주 주위에 스테이터(14)가 배치되고, 또한 스테이터(14)의 외주 주위에 아우터 로터(18)가 배치되어 있다.

아우터 로터(18)는, 연결 부재(22)를 통하여 회전축(20)에 고착되어 있다. 연결 부재(22)는, 회전축(20)에 삽입 관통되어 고착된 대략 평판상 부재이다. 연결 부재(22) 중, 아우터 로터(18)와의 대향면으로부터는, 당해 아우터 로터(18)를 향하여 연장되는 환상 리브(22a)가 설치되어 있다. 이 환상 리브(22a)의 선단면은, 아우터 로터(18)의 축 방향 단부면에 고착되어 있다. 그리고, 아우터 로터(18)가 회전하는 힘은, 당해 연결 부재(22)를 통하여 회전축(20)에 전달된다. 또한, 여기서 나타낸 연결 부재(22)의 구성은 일례이며, 아우터 로터(18) 및 이너 로터(16)의 회전력이 회전축(20)에 전달되는 것이라면, 다른 구성이어도 된다. 예를 들어, 연결 부재(22)는 회전축(20)이 아니라, 이너 로터(16)에 고착되는 구성이어도 되며, 이 경우, 아우터 로터(18)의 회전력은, 연결 부재(22) 및 이너 로터(16)를 통하여 회전축(20)에 전달된다. 또한, 다른 형태로서, 이너 로터(16)를, 회전축(20)에 고착하지 않고, 연결 부재(22)에 이너 로터(16) 및 아우터 로터(18)를 고착하고, 이 연결 부재(22)를 회전축(20)에 고착하는 구성으로 해도 된다. 어떻든, 듀얼 로터형의 회전 전기 기기(10)에 있어서는, 이너 로터(16) 및 아우터 로터(18)의 회전력이, 하나의 회전축(20)에 전달된다.

스테이터(14)는, 스테이터 코어(26)와, 당해 스테이터 코어(26)에 권회되는 스테이터 코일(28)을 갖고 있다. 스테이터 코어(26)는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 원환상의 요크(29)와, 당해 요크(29)의 내주로부터 직경 방향 내측으로 돌출되는 복수의 이너 티스(30)와, 당해 요크의 외주로부터 직경 방향 외측으로 돌출되는 복수의 아우터 티스(32)로 크게 구별된다. 인접하는 2개의 이너 티스(30)의 사이의 공간이, 이너 슬롯(31)이 되고, 인접하는 2개의 아우터 티스(32)의 사이의 공간이, 아우터 슬롯(33)이 된다.

이너 티스(30)의 배치 피치 각도 및 위상은, 아우터 티스(32)의 배치 피치 각도 및 위상과 동일하게 되어 있다. 도시 예에서는, 이너 티스(30) 및 아우터 티스(32)는, 모두 15도 간격으로 주위 방향으로 배열되어 있으며, 전체적으로는 이너 티스(30) 및 아우터 티스(32)는 각각 24개씩 설치되어 있다. 즉, 내측 및 외측 모두 슬롯수는 24이다. 이러한 스테이터 코어(26)는, 복수의 전자기 강판(예를 들어 규소 강판)으로 구성된다. 복수의 전자기 강판은, 서로 위치 결정되어 접합되고, 스테이터 코어(26)를 구성한다.

스테이터 코일(28)은, 삼상의 코일, 즉 U상 코일, V상 코일, W상 코일로 구성된다. 삼상의 코일 각각의 일단은, 입출력 단자(도시하지 않음)에 접속되어 있고, 삼상 코일 각각의 타단은, 서로 결합되어 중성점을 구성한다. 즉, 이 스테이터 코일(28)은 스타 결선되어 있다. 또한, 당연히, 스타 결선 대신에, 다른 결선 형태, 예를 들어 델타 결선 등을 채용해도 된다.

각 상의 코일을 구성하는 권선은, 스테이터 코어(26)에 권회된다. 권선의 권회 방식으로서는, 권선이 복수 슬롯에 걸쳐 있도록 권회하는 분포권이나, 권선을 하나의 티스에 권회하는 집중권, 권선을 요크(29)에 권회하는 토로이달권 등이 알려져 있다. 본 실시 형태에서는, 권선을 토로이달권으로 권회, 즉 권선을 요크(29)에 권회하고 있다. 또한, 이 경우, 스테이터 코일(28)에 전류를 인가하였을 때, 아우터 티스(32)측에 형성되는 자계의 극성과, 이너 티스(30)측에 형성되는 자계의 극성이 반전된다.

이너 로터(16)는, 스테이터(14)의 내측에 배치되는 로터이며, 원환상의 이너 코어(34)와, 당해 이너 코어(34)에 매립된 이너 자석(36)을 갖고 있다. 이너 코어(34)는, 복수의 전자기 강판(예를 들어 규소 강판)을 적층하여 구성된다. 이너 자석(36)은, 이너 로터(16)의 자극을 구성하는 영구 자석이다. 이 이너 자석(36)은, 축 방향으로 보아 편평한 대략 직사각형을 하고 있고, 그 짧은 변 방향으로 자화되어 있다. 이너 자석(36)의 형상이나 개수, 배치 위치 등은, 특별히 한정되지 않지만, 후술하는 바와 같이, 이너 로터(16)의 자극의 개수는, 아우터 로터(18)의 자극의 개수와 동일한 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 이너 로터(16)에 8극의 자극을 형성하고 있으며, 하나의 자극은, 직경 방향 외측을 향하여 개방된 대략 V자상으로 배치된 2개의 이너 자석(36)으로 구성된다. 따라서, 이너 로터(16) 전체로서는 자극의 수의 2배, 즉 16개의 이너 자석(36)이 설치되어 있다. 또한, 이너 로터(16)의 d축(Ldi)과 아우터 로터(18)의 d축(Ldo)은 일치하는 것이 바람직하다. 여기서, 이너 로터(16)의 d축(Ldi)이란, 하나의 자극을 구성하는 2개의 이너 자석(36) 사이의 간극의 주위 방향 중심과, 회전 전기 기기(10)의 중심점을 연결하는 직선이다.

아우터 로터(18)는, 스테이터(14)의 외주 주위에 배치되는 로터이며, 아우터 코어(38)와, 복수의 아우터 자석(40)을 구비하고 있다. 아우터 코어(38)는, 대략 원환상이며, 내주측으로부터 대략 직사각 형상으로 잘라낸 자석 수용부(39)가, 주위 방향으로 간격을 두고 형성되어 있다. 이러한 아우터 코어(38)는, 복수의 전자기 강판(예를 들어 규소 강판)을 적층하여 구성된다.

아우터 자석(40)은, 아우터 로터(18)의 자극을 구성하는 영구 자석이다. 아우터 자석(40)은, 축 방향으로 보아 대략 직사각형이며, 그의 한 변이, 주위 방향과 대략 평행으로 되는 자세로 배치되어 있다. 그리고, 본 실시 형태에서는, 이 아우터 자석(40)을 대략 주위 방향으로 자화시키고 있다. 즉, 아우터 자석(40)은, 그의 주위 방향 일단이 N극이고, 주위 방향 타단이 S극으로 되어 있다. 또한, 주위 방향에 인접하는 2개의 아우터 자석(40)의 자화의 방향을, 서로 주위 방향 역방향으로 하고 있다. 즉, 주위 방향에 인접하는 2개의 아우터 자석(40)의 대향면이, 서로 동일한 극이 되는 방향에서 자화되어 있다. 이 경우, 주위 방향에 인접하는 2개의 아우터 자석(40) 각각의 주위 방향 편측 부분에서, 하나의 자극을 구성하고 있다. 바꾸어 말하면, 하나의 아우터 자석(40)은, 하나의 N 자극의 일부를 구성함과 함께, 하나의 S 자극의 일부를 구성하고 있다. 그리고, 인접하는 2개의 아우터 자석(40) 사이의 간극의 주위 방향 중심과, 회전 전기 기기(10)의 중심점을 연결하는 직선이 아우터 로터(18)의 d축(Ldo)이 된다.

본 실시 형태에서는, 이 아우터 로터(18)의 자극수를, 이너 로터(16)의 자극수와 동일한 8극으로 하고 있다. 그 때문에, 아우터 로터(18) 전체로는, 8개의 아우터 자석(40)이 설치되어 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 아우터 로터(18)의 자극의 d축(Ldo)과, 이너 로터(16)의 자극의 d축(Ldi)을 일치시키고 있다. 이와 같이, 2개의 d축(Ldo, Ldi)을 일치시키면, 스테이터(14)의 회전 자계에 대한 로터(16, 18)의 자극의 각도 관계를, 아우터측 및 이너측에서 동일하게 할 수 있다. 그 결과, 아우터측 및 로터측에서, 전류ㆍ전압의 제어의 전환이 불필요하게 된다. 또한, 본 실시 형태에서는, 스테이터 코일(28)을 토로이달권으로 하고 있는 관계상, 스테이터(14)에 형성되는 회전 자계의 극성이, 이너측 및 아우터측에서 반대가 된다. 이 경우, 스테이터(14)를 사이에 두고 직경 방향으로 대향하는 이너 로터(16)의 자극 및 아우터 로터(18)의 자극은, 서로 그 극성을 동일하게 한다. 즉, 스테이터(14)를 사이에 두고, 아우터 로터(18)의 N 자극의 반대측에는, 이너 로터(16)의 N 자극을 배치하고, 스테이터(14)를 사이에 두고, 아우터 로터(18)의 S 자극의 반대측에는, 이너 로터(16)의 S 자극을 배치하고 있다.

여기서, 본 실시 형태와 같이, 아우터 자석(40)을 주위 방향으로 자화시키는 이유에 대하여 도 3, 도 4를 참조하여 설명한다. 도 3은, 아우터 자석(40)을 주위 방향으로 자화시킨 경우의 자속의 흐름을, 도 4는, 아우터 자석(40)을 직경 방향으로 자화시킨 경우의 자속의 흐름을 도시하는 이미지도이다.

스테이터 코일(28)로의 삼상 교류 전류의 인가에 수반하여 자속이 발생하는데, 이 자속의 일부는, 아우터 티스(32)로부터 아우터 로터(18)로, 혹은 아우터 로터(18)로부터 아우터 티스(32)로 흐른다. 즉, 아우터 로터(18)에는, 직경 방향으로 흐르는 자속이 발생한다. 도 4에 도시하는 바와 같이, 아우터 자석(40)을 직경 방향으로 자화시킨 경우, 당해 아우터 자석(40)의 자화의 방향과 역방향으로 자속이 흐르는, 소위 「역자계」가 발생한다. 도 4의 예에서는, 영역(E1)에 있어서, 역자계가 발생하고 있다. 이러한 역자계가 발생하면, 아우터 자석(40)의 자력이 감소하는 감자가 발생한다. 그리고, 아우터 자석(40)이 감자함으로써, 마그네트 토크의 저하, 나아가 회전 전기 기기(10)의 출력 토크의 저하를 초래한다.

한편, 본 실시 형태에서는, 앞서 설명한 바와 같이, 또한 도 3에 도시하는 바와 같이, 아우터 자석(40)을 주위 방향으로 자화시키고, 자극의 중앙 부분에는, 아우터 자석(40)이 아니라, 아우터 코어(38)를 배치하고 있다. 이 경우, 아우터 로터(18)에 흐르는 자속의 대부분은, 아우터 코어(38)에 흐른다. 구체적으로는, 아우터 로터(18)에 흐르는 자속으로서는, 아우터 자석(40)의 주위 방향 단부와 특정한 아우터 티스(32)를 연결하도록 흐르는 자속이나, 하나의 아우터 티스(32)로부터 유입된 후, 아우터 코어(38)를 주위 방향으로 진행하고, 그 후, 다른 아우터 티스(32)로 유출되는 자속 등이 있다. 이와 같이 자속의 대부분이 아우터 코어(38)에 흐르고 있고, 아우터 자석(40)에 흐르는 자속은 적다. 바꾸어 말하면, 도 3의 형태에서는, 아우터 자석(40)의 자화 방향과 교차하여 흐르는 자속을 대폭 저감할 수 있다. 그 때문에, 도 3의 구성에 따르면, 도 4의 경우와 비교하여, 역자계를 대폭 저감할 수 있다. 그 결과, 아우터 자석(40)의 감자를 방지하면서, 나아가 마그네트 토크의 저하를 효과적으로 방지할 수 있다. 또한, 감자는, 고온이 될수록 발생하기 쉽지만, 본 실시 형태에서는, 역자계를 억제한 만큼, 감자를 방지할 수 있는 아우터 자석(40)의 내열 온도를 높게 할 수 있다. 결과로서, 스테이터 코일(28)에 인가하는 삼상 교류 전류의 전류값이나 주파수를 증가시킬 수 있고, 회전 전기 기기(10)의 출력 토크를 증가시킬 수 있다.

이어서, 도 5를 참조하여, 아우터 자석(40)의 바람직한 사이즈 및 배치에 대하여 설명한다. 회전 전기 기기(10)의 효율을 향상시키기 위해서는, 영구 자석에 의한 마그네트 토크뿐만 아니라, 돌극과 회전 자계의 극의 흡인력에 의한 릴럭턴스 토크도 이용하는 것이 바람직하다. 본 실시 형태에서는, 이 릴럭턴스 토크를 충분히 확보하기 위해, 주위 방향에 인접하는 아우터 자석(40) 사이의 간극의 주위 방향 거리 Da를, 아우터 티스(32)의 주위 방향 배치 간격 Db의 1.5배 이상, 즉 Da≥1.5×Db로 하고 있다. 이와 같이, Da≥1.5×Db로 한 경우, 적어도 2개의 아우터 티스(32)가, 자석 간의 간극 부분과 마주보게 되고, 릴럭턴스 토크용의 자속의 자로를 넓게 확보할 수 있다. 그리고, 이에 의해, 릴럭턴스 토크를 충분히 확보할 수 있다. 또한, 릴럭턴스 토크용의 자속이란, 아우터 자석(40)을 경유하지 않고, 하나의 아우터 티스(32)로부터, 아우터 코어(38)를 경유하여, 다른 아우터 티스(32)로 흐르는 자속이다.

단, 자석 간의 간극 부분의 주위 방향 거리 Da를 크게 하면, 아우터 자석(40)의 자력이 작아지고, 또한 역자계가 증가한다. 즉, 아우터 로터(18)의 자극수가 동일하다면, 주위 방향 거리 Da가 클수록, 아우터 자석(40)의 주위 방향 길이 Dm(도 2 참조)이 작고, 나아가, 아우터 자석(40)의 사이즈가 작아진다. 아우터 자석(40)의 사이즈가 작아지면, 그만큼 자력의 저하를 초래하고, 마그네트 토크의 저하를 초래한다. 또한, 아우터 자석(40)의 주위 방향 길이 Dm을 바꾸어 시뮬레이션을 행한바, 주위 방향 길이 Dm이 길수록 역자계가 감소하였다. 그래서, 자석 간의 간극 부분의 주위 방향 거리 Da는, 충분한 마그네트 토크의 확보나, 역자계의 감소 방지를 고려하면, 과도하게 크게 하지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 예를 들어 자석 간의 간극 부분의 주위 방향 거리 Da는, 아우터 티스(32)의 주위 방향 배치 간격 Db의 3배 정도(Da≒3×Db)로 하는 것이 바람직하다.

또한, 아우터 자석(40)과, 스테이터 코어(26)(아우터 티스(32))의 갭 G를 바꾸어 시뮬레이션을 행한바, 갭 G가 클수록, 역자계가 감소하는 경향이 얻어졌다. 그 때문에, 역자계를 보다 저감하기 위해서는, 아우터 자석(40)은, 도 5에 도시하는 바와 같이, 그의 직경 방향 두께의 중심 Cm이, 아우터 코어(38)의 직경 방향 두께의 중심 Cc보다, 직경 방향 외측이 되도록 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 배치로 함으로써, 갭 G를 보다 크게 할 수 있고, 나아가 감자를 보다 저감할 수 있다.

이상, 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, 아우터 자석(40)이, 주위 방향, 또한 주위 방향에 인접하는 다른 아우터 자석(40)과 역방향으로 자화되어 있기 때문에, 당해 아우터 자석(40)의 감자가 효과적으로 방지되고, 또한 아우터 자석(40)의 내열 온도를 향상시킬 수 있다. 그리고, 결과로서, 회전 전기 기기(10)의 출력 토크를 보다 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시 형태에서는, 주위 방향에 인접하는 2개의 아우터 자석(40) 사이의 간극의 주위 방향 거리 Da를, 아우터 티스(32)의 주위 방향 배치 간격 Db의 1.5배 이상으로 하고 있다. 그 때문에, 릴럭턴스 토크용의 자속의 자로를 충분히 확보할 수 있어, 릴럭턴스 토크를 충분히 확보할 수 있다. 또한, 아우터 자석(40)을, 그의 직경 방향 두께의 중심 Cm이, 아우터 코어(38)의 직경 방향 두께의 중심 Cc보다, 직경 방향 외측이 되도록 배치하고 있다. 그 결과, 아우터 자석(40)과 아우터 티스(32)의 갭 G를 크게 할 수 있고, 역자계를 보다 저감할 수 있다.

이어서, 본 실시 형태의 변형예에 대하여 설명한다. 이제까지의 설명에서는, 스테이터 코일(28)을 토로이달권으로 하였지만, 스테이터 코일(28)은, 다른 권회 방식으로 구성되어도 된다. 예를 들어, 스테이터 코일(28)은, 복수 슬롯에 걸쳐 있도록 권선을 권회하는 분포권으로 구성되어도 된다. 또한, 다른 형태로서, 스테이터 코일(28)은, 도 6, 도 7에 도시하는 바와 같이, 권선을 하나의 티스(30, 32)에 권회하여 이루어지는 단코일을 걸침선으로 접속하는 집중권으로 구성되어도 된다. 또한, 집중권으로서는, 권선의 권회 방향이, 도 6에 도시하는 바와 같이, 아우터측과 이너측에서 동일한 방향이 되는 방식과, 도 7에 도시하는 바와 같이, 아우터측과 이너측에서 역방향이 되는 방식이 있다.

도 6의 경우, 스테이터 코일(28)에 삼상 교류 전류를 인가하였을 때, 이너측에 형성되는 회전 자계 및 아우터측에 형성되는 회전 자계의 극성이 서로 동일하게 된다. 이하에서는, 회전 자계의 극성이, 아우터측 및 이너측에서 서로 동일하게 되는 형태를, 「극성 동일 방식」이라고 칭한다. 이 극성 동일 방식의 경우, 스테이터(14)를 사이에 두고 직경 방향으로 대향하는 이너 로터(16)의 자극 및 아우터 로터(18)의 자극은, 그 극성이 서로 반대인 것이 바람직하다. 즉, 도 6에 도시하는 바와 같이, 스테이터(14)를 사이에 두고, 아우터 로터(18)의 N 자극의 반대측에는, 이너 로터(16)의 S 자극을 배치한다.

또한, 도 7의 경우, 스테이터 코일(28)에 삼상 교류 전류를 인가하였을 때, 이너측에 형성되는 자계 및 아우터측에 형성되는 자계의 극성이 서로 반대가 된다. 이하에서는, 회전 자계의 극성이, 아우터측 및 이너측에서 서로 반대가 되는 형태를, 「극성 역방식」이라고 칭한다. 이 극성 역방식은, 스테이터 코일(28)을 도 7과 같이 권회한 경우뿐만 아니라, 도 2와 같이 스테이터 코일(28)을 토로이달권으로 권회한 경우에도 성립한다. 이 극성 역방식의 경우, 스테이터(14)를 사이에 두고 직경 방향으로 대향하는 이너 로터(16)의 자극 및 아우터 로터(18)의 자극은, 그 극성이 서로 동일한 것이 바람직하다. 즉, 도 2, 도 7에 도시하는 바와 같이, 스테이터(14)를 사이에 두고, 아우터 로터(18)의 N 자극의 반대측에는, 이너 로터(16)의 N 자극을 배치한다.

여기서, 도 6, 도 7에 있어서, 흑색 해칭 개소는, 스테이터 코일(28)에 전류를 인가하였을 때 자속 밀도가 높은 개소를 나타내고 있으며, 흑색이 진할수록, 자속 밀도가 높음을 나타내고 있다. 이 도 6, 도 7을 비교하면 명백한 바와 같이, 도 6에 도시하는 극성 동일 방식의 쪽이, 도 7에 도시하는 극성 역방식보다, 아우터 코어(38) 및 티스(30, 32)에 흐르는 자속이 증가하고 있음을 알 수 있다. 이와 같이, 아우터 코어(38) 및 티스(30, 32)에 흐르는 자속이 증가하면, 그만큼 출력 토크가 증가한다. 따라서, 회전 전기 기기(10)의 출력 토크를 증가시키고 싶은 경우에는, 도 6에 도시하는 바와 같이, 아우터측 및 이너측에서, 형성되는 회전 자계의 극성을 반대로 하는 극성 역방식을 채용하는 것이 바람직하다. 단, 당연히, 필요에 따라, 극성 동일 방식을 채용해도 된다.

또한, 이제까지는, 아우터 코어(38)를, 대략 원환상의 단일 부재로 하고 있지만, 아우터 코어(38)는, 서로 분할된 복수의 코어편(38a)으로 구성되어도 된다. 즉, 도 8에 도시하는 바와 같이, 코어편(38a)과 아우터 자석(40)을 주위 방향으로 교대로 배치하여 아우터 로터(18)를 구성해도 된다. 이 경우, 아우터 자석(40)의 직경 방향 외측에 코어가 존재하지 않기 때문에, 직경 방향 외측에 코어가 존재하는 도 2의 경우에 비하여, 누설 자속이 저하된다. 그 결과, 자속을 보다 효율적으로 이용할 수 있어, 회전 전기 기기(10)의 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 이제까지의 설명에서는, 이너 티스(30)와 아우터 티스(32)를 서로 같은 개수로 하고 있지만, 서로 다른 개수로 해도 된다. 예를 들어, 도 9에 도시하는 바와 같이, 아우터 티스(32)의 개수(아우터측의 슬롯수)를, 이너 티스(30)의 개수(이너측의 슬롯수)의 2배로 해도 된다. 또한, 이제까지 설명한 자극수, 슬롯수는 모두 일례이며, 적절히 변경되어도 된다. 또한, 아우터 티스(32)와 이너 티스(30)의 위상은, 동일한 것이 바람직하지만, 위상차가 있어도 된다. 이 경우, 이너 티스(30)와 아우터 티스(32)의 위상차에 따라, 이너 로터(16)의 자극과 아우터 로터(18)의 자극의 위상차도 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 이제까지는, 하나의 스테이터(14)의 직경 방향 양측에 2개의 로터(16, 18)를 가진 듀얼 로터형의 회전 전기 기기(10)를 설명하였지만, 본 실시 형태의 기술은, 스테이터보다 직경 방향 외측에 배치된 로터를 갖는 것이라면, 다른 형태의 회전 전기 기기에 적용되어도 된다. 예를 들어, 본 실시 형태의 기술은, 하나의 스테이터의 외측에 하나의 로터를 갖는 아우터 로터형의 회전 전기 기기나, 하나의 로터의 직경 방향 양측에 2개의 스테이터를 갖는 듀얼 스테이터형의 회전 전기 기기 등에 적용되어도 된다. 또한, 이제까지의 설명에서는, 아우터 자석(40)만을 주위 방향으로 자화하고 있지만, 이너 자석(36)을 주위 방향으로 자화해도 된다. 또한, 이제까지 설명한 실시 형태 및 변형예는, 서로 모순이 발생하지 않는 범위라면, 적절히 조합되어도 된다. 따라서, 예를 들어 도 2에 도시하는 구성에 있어서, 스테이터 코일(28)의 권회 방식을, 도 6에 도시하는 방식으로 변경함과 함께, 아우터 코어(38)를 도 8에 도시하는 바와 같이 복수의 코어편(38a)으로 구성하도록 해도 된다.

Claims

스테이터 코어와, 상기 스테이터 코어에 권회된 스테이터 코일을 포함하는 스테이터와, 상기 스테이터의 외주 주위에 배치되는 아우터 코어와, 주위 방향으로 간격을 두고 배열되는 복수의 아우터 자석을 포함하는 환상의 아우터 로터를 구비하며, 상기 스테이터 코어는, 환상의 요크와, 상기 요크의 외주로부터 직경 방향 외측으로 돌출되는 복수의 아우터 티스를 갖고, 상기 복수의 아우터 자석은, 주위 방향, 또한 주위 방향에 인접하는 다른 아우터 자석과 주위 방향 역방향으로 자화되어 있고, 서로 인접하는 아우터 자석의 간극의 주위 방향 거리는, 상기 아우터 티스의 주위 방향의 배치 피치의 1.5배 이상이고,
상기 아우터 자석은, 그의 직경 방향 두께의 중심이, 상기 아우터 코어의 직경 방향 두께의 중심보다, 직경 방향 외측이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 회전 전기 기기.
제1항에 있어서, 상기 아우터 코어는, 복수의 코어편으로 이루어지고,
상기 아우터 로터는, 상기 코어편과, 상기 아우터 자석이 주위 방향으로 교대로 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하는, 회전 전기 기기.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스테이터의 내주 주위에 배치되는 이너 코어와, 주위 방향으로 배치되는 복수의 이너 자석을 포함하는 환상의 이너 로터를 더 구비하며, 상기 스테이터 코어는, 상기 요크의 내주로부터 직경 방향 내측으로 돌출되는 복수의 이너 티스를 더 갖고, 상기 회전 전기 기기는 듀얼 로터형인 것을 특징으로 하는, 회전 전기 기기.
제4항에 있어서, 상기 스테이터 코일은, 전류를 인가하였을 때 상기 아우터 티스측에 형성되는 자계의 극성과, 상기 이너 티스측에 형성되는 자계의 극성이 동일하게 되도록 권회되어 있는 것을 특징으로 하는, 회전 전기 기기.