KR20010087113A - 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차 - Google Patents

영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차 Download PDF

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KR20010087113A
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마츠노부유타카
다지마후미오
가와마타쇼이치
고이즈미오사무
오바라산시로
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가나이 쓰도무
가부시끼가이샤 히다치 세이사꾸쇼
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Abstract

본 발명은 영구자석식 회전전기(回轉電機) 및 그것을 사용한 하이브리드 전기자동차의 고속회전시의 효율을 향상시키는 것이다.
이를 위하여 회전전기의 정전시에 회전전기가 출력하는 최대 토오크와 역전시에 회전전기가 출력하는 토오크의 비가 1 : 1.05 내지 1.2로 역전시가 커지도록 회전자의 극마다의 형상을 비대칭으로 하여 전진시의 자속을 저감한다. 구체적으로는 정역전시(전후진시)의 토오크비가 1.05 내지 1.2로 역전시(후진시)가 커지도록 영구자석삽입구멍의 회전방향의 폭(a)과 영구자석의 폭(b)의 비를 1 : 0.5 내지 0.9로 한다. 또는 영구자석 삽입구멍이 원주방향에 대하여 10 내지 45도(기계각) 의 경사각(θ)이 되도록 설정한다.

Description

영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차{HYBRID ELECTRIC VEHICLE EMPLOYING PERMANENT MAGNET TYPE DYNAMO-ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 영구자석식 회전전기(回轉電機)를 사용한 하이브리드 전기자동차에 관한 것으로, 특히 복수개의 영구자석을 회전자의 둘레방향에 매립하여 구성되는 영구자석식 회전전기와，그 회전전기와 엔진이 구동축에 직렬로 접속되고 또 전후진 변환기어를 가지지 않는 하이브리드 전기자동차에 관한 것이다.
자동차의 동력특성은 전진 1속의 변속비보다도 후진쪽이 1.05 내지 1.2배 크다. 이와 같은 동력특성은 하이브리드를 포함하는 전기자동차이더라도 마찬가지로 요구되는 것으로, 후진의 경우에 가장 큰 토오크를 출력하지 않으면 안된다.
그런데, 종래 영구자석식 회전전기의 출력증대를 도모하기 위하여 회전자의 자석형상을 극마다 비대칭으로 한 영구자석식 회전전기 및 그것을 사용한 전동차량이 알려져 있다. 그 대표예로서 일본국 특개평8-33246호 공보, 특개평9-182331호공보, 특개평9-271151호 공보가 있다.
일본국 특개평8-33246호 공보 및 특개평9-182331호 공보에 기재된 것은 일방향 회전에 적합한 영구자석식 회전전기를 제공하도록 자석사이에 누설자속 방지용펀칭구멍을 설치하고, 또 회전자 철심내부에 설치하는 영구자석 삽입구멍을 원주방향에 대하여 소정의 경사각을 가지게 하거나, 또는 영구자석을 회전(정회전)방향으로 치우쳐 배치한 것으로, 각각 총 자속량의 증대, 릴럭턴스 토오크의 이용에 의해 출력의 증대를 도모한 것이다.
또 일본국 특개평9-271151호 공보에 기재된 것은, 자석 삽입구멍을 길게 하여 영구자석을 치우치게 배치함으로써 토오크증대를 도모한 전동차량용 영구자석식 회전전기이다. 또한 전기자동차용 영구자석식 회전전기의 종래예로서는 일본국 특개평9-261901호 공보에 기재된 것이 있다. 이 기술은 누설자속의 저감을 도모하도록 영구자석의 배치를 회전자의 중심으로부터의 거리로 특정한 것이다.
그런데 상기 종래기술중, 먼저 전자(前者)의 「영구자석이 극마다 비대칭」인 것에서는 토오크증대를 도모하는 것이 가능하기는 하지만 모두 회전(정전)방향의 자속을 강화하는 것을 의도로 하는 것으로, 일방향 회전에 적합한 회전전기를 대상으로 하는 것이다. 또 후자의「영구자석이 극마다 대칭」인 것은 당연한 것이나, 전진(정전)과 후진(역전)시의 동력특성은 동일하고, 따라서 전진시에도 원래 필요한 토오크의 1.05 내지 1.2배(후진시와 동일한 토오크)를 출력가능한 회전전기가 되지 않을 수 없다. 불필요한 높은 토오크를 출력하는 보장에 의해 자속량이 많기 때문에 고속회전시 약한 계자 전류가 증가하여 효율을 저하시킨다.
특히, 영구자석식 회전전기와 엔진이 구동축에 직렬로 접속되고 또 전후진 변환기어를 가지지 않은 하이브리드 전기자동차에 있어서는, 전진시에는 엔진의 토오크가 가해지기 때문에 전진 토오크는 높은 토오크일 필요가 없다. 또 구동축에회전전기와 엔진이 직렬로 접속되어 있기 때문에, 회전전기의 회전수는 엔진과 동일하게 되어 고속 회전시에 고효율이 되지 않으면 연비가 저하한다.
한편 후진시는 전후진 변환기어를 가지지 않기 때문에, 회전전기만으로 전진시의 1.05 내지 1.2배의 높은 토오크가 필요하게 된다. 또한 후진시에는 엔진과 회전전기가 클러치로 분리되어 있기 때문에 고회전이 되는 일은 없다.
본 발명은 이상의 점을 감안하여 이루어진 것으로, 회전전기의 정전시에 회전전기가 출력하는 최대 토오크보다도 역전시의 토오크가 커지도록 한 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또 본 발명은 회전전기와 엔진이 구동축에 직렬로 접속되고, 또한 전후진변환기어를 가지지 않은 하이브리드 전기자동차에 있어서, 하이드리드 전기자동차의 전진(회전전기의 정전)시에 회전전기가 출력하는 최대 토오크보다도 후진(역 전)시에 회전전기가 출력하는 토오크가 커지는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차를 제공하는 것을 목적으로 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 영구자석식 회전전기의 요부 단면을 나타내는 도,
도 2는 도 1의 b/a = 0.85인 경우의 자장해석을 나타내는 도,
도 3은 도 2의 P1 에서 P2까지의 회전갭의 자속밀도를 나타내는 도,
도 4는 도 2의 b/a를 변화시킨 경우의 전진 토오크와 후진 토오크를 나타내는 도,
도 5는 도 4의 전후진 토오크의 비와 b/a의 관계를 나타내는 도,
도 6은 본 발명의 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차의 구성예를 나타내는 도,
도 7은 본 발명과 종래예의 토오크커브의 차이를 나타내는 도,
도 8은 본 발명을 16극기의 실시형태에 적용한 경우(b/a= 0 9)의 자장해석을 나타내는 도,
도 9는 도 8의 b/a를 변화시킨 경우의 전후진 토오크의 비와 b/a의 관계를 나타내는 도,
도 10은 본 발명의 제 2 실시예에 관한 영구자석식 회전전기의 요부 단면을나타내는 도,
도 11은 도 10의 P1 에서 P2까지의 회전갭의 자속밀도를 나타내는 도,
도 12는 도 10의 θ를 변화시킨 경우의 전후진 토오크의 비와 b/a의 관계를 나타내는 도면이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차에 있어서, 고정자 코일을 두루 감은 고정자 철심을 가지는 고정자와, 이 고정자에 회전갭을 가지고 배치되고 복수개의 영구자석이 회전자 철심내부에 둘레방향으로 배치고정된 회전자를 구비한 영구자석식 회전전기에 있어서, 회전전기의 정전시에 회전전기가 출력하는 최대 토오크와, 역전시에 회전전기가 출력하는 토오크의 비가 1 : 1.05 내지 1.2로 역전시가 커지도록 한 것을 특징으로 한다.
또 상기 영구자석식 회전전기에 있어서, 바람직하게는 정역시의 토오크의 비가 1 : 1.05 내지 1.2로 역전시가 커지도록 회전자의 극마다의 형상을 비대칭으로 한 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은 바람직하게는 회전자 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍의 회전방향의 폭이 영구자석의 폭보다도 길고, 양자의 길이의 차이에 의해 생기는 공간이 회전전기의 정전측에 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은 바람직하게는 누설자속방지용 펀칭구멍을 가지지 않는 회전자를 구비하고, 또한 회전자 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍이 원주방향에 대하여 소정의 경사각으로, 또한 회전전기의 정전측이 회전갭으로부터의 거리가 커지도록 설치되고, 이 삽입구멍에 영구자석을 삽입한 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은 바람직하게는 영구자석 삽입구멍과 영구자석의 단면형상이 장방형인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은 바람직하게는 영구자석 삽입구멍과 영구자석의 단면형상이 아크형인 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은 바람직하게는 회전자 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍의 회전방향의 폭과 영구자석의 폭의 비가 1 : 0.5 내지 0.9로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또 본 발명은 바람직하게는 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍이 원주방향에 대하여 소정의 경사각(θ) = 10 내지 45도(기계각)로 되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 회전전기와 엔진이 구동축에 직렬로 접속되고 또한 전후진 변환기어를 가지지 않는 하이브리드 전기자동차에 있어서, 회전전기가 상기 각 특징을 가지는 영구자석식 회전전기인 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명을 3상 8극/48슬롯의 영구자석식 회전전기에 적용한 제 1 실시예에 관하여 한 쌍의 자극을 나타내는 도 1을 참조하여 설명한다. 먼저 도 1에 있어서 고정자(1)는 종래 구성과 동일하며 대략 고리형상을 이루는 고정자 철심(2)에 형성된 48개의 슬롯(3)에 U상(相)의 고정자 코일(U1) 및 V상의 고정자 코일(V1) 및 W상의 고정자 코일(W1)을 삽입배치하여 구성되어 있다. 고정자 철심의 안 둘레부에는 각 슬롯에 대응하여 개구부(4)가 형성되어 있다.
이것에 대하여 회전자(6)는 고정자(1)에 회전갭을 가지고 배치되어 복수개의 영구자석이 회전자 철심내부에 둘레방향으로 배치고정된 보조돌출극을 가지는 구조이다. 즉 회전자(6)는 회전축(9)에 회전자 철심(7)을 끼워맞춰 고정하고, 이 회전자 철심(7)의 바깥 둘레부 둘레방향으로 형성된 회전방향의 폭(a)의 장방형상의 펀칭구멍에, 회전방향 폭(b)의 예를 들어 네오디뮴제의 영구자석(8)을 각 수납부에 N 극과 S 극 등이 교대가 되도록 축방향으로부터 삽입하여 조립함으로써 구성된다. 또회전자(6)는 고정자(1)의 내부에 고정자 철심(2)의 안 둘레부와 소정의 회전갭(5)을 가지는 상태로 회전가능하게 배치되어 있다. 또한 회전자 철심(7)은수납부형성용 구멍이 형성된 규소강판을 여러장 적층하여 구성되어 있다.
여기서 펀칭구멍의 회전방향의 폭(a)은 영구자석의 회전방향의 폭(b)보다 길고, (a)와 (b)의 길이의 차이에 의해서 생기는 공간(10)은 정전방향, 즉 하이드리드 전기자동차의 전진방향으로 배치되어 있다. 이 경우 회전자가 극마다 비대칭이되기 때문에 정전과 역전의 경우에 최대 토오크에 차이가 생겨 공간(10)이 있는 정전의 경우가 낮은 토오크이고, 역전의 경우가 높은 토오크가 된다. 또 정전과 역전의 토오크비는 a와 b의 비에 의해 결정되고, b/a = 1[즉 펀칭구멍과 자석폭이 같고, 공간(10)이 존재하지 않는 경우], b/a = 0 (즉 자석이 없고 공간만인 경우, 소위 릴럭턴스 토오크 모터)의 어느 것도 극마다 대칭이기 때문에 정전과 역전의 토오크는 같다. 한편 b/a = 0.5[영구자석과 공간(10)의 폭이 같은 경우]는 극마다 가장 비대칭이 되기 때문에 정전과 역전의 토오크비가 최대가 된다.
도 2에 출력 60kW의 회전전기에 있어서 b/a = 0.85인 경우의 자장해석 결과를 나타내고, 도 3에 도 2의 회전전기에 있어서 P1 로부터 P2까지의 회전갭의 자속밀도 분포를 나타낸다. 도 3에서 정전방향의 자속밀도가 낮고, 역전방향의 자속밀도가 높기 때문에 정전 토오크보다도 역전 토오크쪽이 큰 것을 알 수 있다.
또 도 2에 나타낸 회전전기에 있어서 b/a를 변화시킨 경우의 전진 토오크와 후진 토오크를 도 4에 나타내고, 도 5에 전후진 토오크비(후진 토오크/전진 토오크)로 b/a의 관계를 나타내다.
도 4에서 b/a = l인 경우가 전후진 모두 토오크가 가장 크고, 작아짐에 따라서 토오크는 감소하며, b/a = 0인 경우가 가장 작다. 그러나 b/a > 0.5에 있어서는, 후진 토오크는 전진 토오크보다도 감소정도가 작다. 도 5에서 전후진 토오크비를 1.05 내지 1.2로 하기 위해서는 b/a를 0.5 내지 0.9로 하면 되는 것을 알 수 있다. 단지 토오크비를 1.05 내지 1.2로 할 뿐이면 b/a가 0.15 내지 0.5이어도 되나, 그 경우는 도 4에서 분명한 바와 같이 토오크가 너무 낮아지기 때문에 부적합하다.
여기서 본 발명의 대상인 하이브리드 전기자동차의 구성의 일예를 도 6에 나타낸다. 구동시스템은 주로 엔진(30), 전기자동차 구동용 모터(31), 엔진에 의해 구동되어 배터리충전 등에 사용되는 발전기(32), 인버터/컨버터(33), 배터리(34), 구동축(37), 변속기어(예를 들어 CVT)(35) 및 클러치(36)로 이루어진다. 또한 구동모터(31)는 감속시에는 회생용 발전기로서 기능하기 때문에 회전전기라고 부르는 경우도 있다. 이 하이브리드 전기자동차에서는 엔진(30), 클러치(36), 회전전기(구동용 모터)(31), 변속기어(35), 구동축(37)이 직렬로 접속되어 있고, 또 변속기어(35)는 전후진 변환기어를 가지지 않는 구성으로 되어 있다.
각각의 주행모드에 있어서의 동작은,
(1) 정지시 : 엔진은 정지, 클러치 OFF, 모터는 아이들상태(단, 배터리의 충전량이 적은 경우는, 엔진을 구동하여 회전전기를 발전기로서 회전시켜 배터리에 충전된다)
(2) 저속주행시 : 엔진은 정지, 클러치 OFF, 모터구동(단, 배터리의 충전량이 적은 경우는, 엔진을 구동하여 발전기를 돌려 배터리에 충전한다)
(3) 중고속주행시 : 엔진구동, 클러치 ON, 모터 동시회전(출력은 없음)
(4) 고속가속시 : 엔진구동, 클러치 0N, 모터구동
(5) 감속시 : 엔진타성회전, 클러치 ON, 모터회생(발전기로 회생하여도 됨)
(6) 후진시 : 엔진은 정지, 클러치 0FF, 모터구동(단, 배터리가 적은 경우는 엔진을 구동하여 발전기를 돌려 배터리에 충전함)이다.
후진시는 모터만으로 구동이 되기 때문에, 후진시의 모터 토오크는 크다. 한편 저속주행시는 모터만으로의 주행이나, 토오크부족의 경우는 클러치를 ON으로하여 엔진구동을 행하여 부족 토오크를 보충하는 것이 용이하다.
저속측만을 생각하면 종래의 b/a = 1의 모터로도 충분하나, HEV(Hybrid Electric Vehicle)주행모드의 (3)(4)에 있어서, 모터는 중고속회전시에 있어서도 구동 또는 연동회전이 된다. 이 경우 자석의 자속이 크면 철손실이 커지고, 또 자속량을 억제하기 위하여 약한 계자 전류가 증대하여 성능이 저하한다.
본 발명에 의한 영구자석식 회전전기이면 후진측의 토오크를 확보하고 전진측측의 저속회전시의 부족 토오크는 엔진에 의한 도움으로 보충하고 중고속시의 자속량을 저감함으로써 중고속시의 효율 등의 성능을 향상하는 것이 가능하고, HEV에 적합한 구동시스템으로 할 수 있다.
본 발명(b/a = 0.9)과 종래(b/a = 1)의 경우의 모터토오크를 도 7에 나타낸다. 이 예에서는 본 발명은 종래예와 비교하여 회전수를 약 1할 향상할 수 있어, 고속측의 모터효율을 종래의 90%로 약 1% 향상할 수 있다.
본 발명의 범용성을 검증하기 위하여 출력 20 kW의 16극기의 회전전기에 있어서, 동일한 검증을 행하였다. 도 8에 b/a = O.9인 경우의 자장해석 결과를 도 9에 도 8의 회전전기에 있어서 b/a를 변화시킨 경우의 전후진 토오크비(후진 토오크/전진 토오크)와 b/a의 관계(단 0.5 내지 1 까지)를 나타낸다. 도 9에서 16극기에 있어서도 전후진 토오크비를 1.05 내지 1.2로 하기 위해서는 b/a가 0.5 내지 0.9이면 되는 것을 알 수 있다.
또 본 발명에 있어서는 전후진의 토오크를 바꾸기 위해서는 상기한 바와 같이 일부에 공간을 설치하는 방법이외에, 회전자 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍이 원주방향에 대하여 소정의 경사각(θ)으로, 또한 회전전기 및 그것을 사용한 하이브리드 전기자동차의 전진(정전)측이 회전갭으로부터의 거리가 커지도록 설치하는 것으로도 달성할 수 있다. 여기서 경사각(θ)은 영구자석의 중앙(회전방향)에 있어서의 접선에 대한 경사각도를 말한다.
본 발명의 제 2 실시예로서 출력 60kW의 8극기의 회전전기에 있어서, θ= 10도(기계각)인 경우의 자장해석 결과를 도 10에 나타내고, 도 11에 도 10의 회전전기에 있어서 P1 내지 P2까지의 회전갭의 자속밀도 분포를 나타낸다. 도 11로부터 분명한 바와 같이, 정전방향의 자속밀도가 낮고 역전방향의 자속밀도가 높기 때문에 이 경우에 있어서도 정전 토오크보다도 역전 토오크쪽이 큰 것을 알 수 있다. 기계각이 0인 경우 또는 90도인 경우는, 극마다의 대칭성이 있기 때문에 토오크의 비는 1이 된다. 한편 45도인 경우는 가장 비대칭이 되기 때문에 토오크의 비가 가장 커진다.
도 12에 경사각(θ)과 전후진 토오크비를 나타낸다. 도 12로부터 분명한 바와 같이 θ를 10 내지 45도로 하면 전후진 토오크비를 1.05 내지 1.2로 할 수 있다.
또 본 발명에 있어서는, 자석의 형상이 제 1 실시예에서 나타낸 장방형에 한정되지 않고 아크형 등 여러가지 형상으로 성립된다. 또 영구자석(8)은 네오디뮴 자석 이외 이더라도 되며, 영구자석의 개수(극수)는 8극과 16극 이외라도 되고, 고정자의 슬롯수도 48개 이외이라도 된다. 또한 내전형에 한하지 않고 외전형이어도 성립한다.
본 발명에 의하면 정전(전진)시에 회전전기가 출력하는 최대 토오크와 역전 (후진)시에 회전전기가 출력하는 토오크의 비가 1 : 1.05 내지 1.2로 후진이 커지기 때문에, 정전(전진)시의 불필요 토오크(자속)를 저감하여 고속시의 효율을 향상할 수 있고, 나아가서는 연비를 향상할 수 있다. 또한 후진시에 소정의 토오크가 출력가능한 소형 경량 고효율의 하이브리드 전기자동차를 제공할 수 있다.
또 고속회전시의 자속을 저감함으로써 철손을 줄이는 것이 가능하므로 낮은 철손 철판을 사용할 필요가 없어져 비용저감이 가능하게 된다. 또한 제 1 실시예와 같이 공간을 사용하여 비대칭으로 하는 것은 자석량도 저감할 수 있으므로, 자석의 비용을 저감할 수 있다.

Claims (8)

  1. 고정자 코일을 감은 고정자 철심을 가지는 고정자와,
    상기 고정자에 회전갭을 가지고 배치되고 복수개의 영구자석이 회전자 철심내부에 둘레방향으로 배치고정된 보조돌출극을 가지는 회전자를 구비한 영구자석식 회전전기와,
    상기 영구자석식 회전전기와 엔진이 구동축에 직렬로 접속되고, 또한 전후진 변환기어를 가지지 않는 하이브리드 전기자동차에 있어서,
    전기자동차의 전진시에 상기 회전전기가 출력하는 최대 토오크와, 역전시에 상기 회전전기가 출력하는 토오크의 비가 1 : 1.05 내지 1.2로 역전시가 커지도록 구성한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
  2. 제 1항에 있어서,
    정역시의 토오크의 비가 1 : 1.05 내지 1.2로 역전시가 커지도록 상기 회전자의 극마다의 원주방향 형상을 비대칭으로 한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회전자 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍의 회전방향의 폭이 상기영구자석의 회전방향의 폭보다도 길고, 양자의 길이의 차이에 의해 생기는 공간이상기 전기자동차의 전진측에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회전자 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍이 원주방향에 대하여 소정의 경사각(θ)으로 또한 회전전기의 정전측이 회전갭으로부터의 거리가 커지도록 설치되고 그 삽입구멍에 상기 자석을 삽입한 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 경사각(θ)이 10 내지 45도(기계각)로 되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
  6. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    회전방향에 있어서의 상기 영구자석 삽입구멍과 상기 영구자석의 단면형상이 장방형인 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
  7. 제 1항 내지 제 3항중 어느 한 항에 있어서,
    회전방향에 있어서의 상기 영구자석 삽입구멍과 상기 영구자석의 단면형상이아크형인 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
  8. 제 1항 내지 제 7항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자 철심내부에 설치된 영구자석 삽입구멍의 회전방향의 폭과 상기영구자석의 회전방향의 폭의 비가 1 : 0.5 내지 0.9로 되어있는 것을 특징으로 하는 영구자석식 회전전기를 사용한 하이브리드 전기자동차.
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