KR20090028452A - 액시얼 갭형 회전 전기 기기 - Google Patents

액시얼 갭형 회전 전기 기기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 과제는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 운전 중에 로터가 면 진동에 의한 공진을 방지하는 것이다.
스테이터(1)와, 원반 형상의 로터(6)를 축선(O) 방향으로 대향 배치하고, 상기 스테이터(1)와 상기 로터(6) 사이에서 발생하는 전자기력으로 상기 로터(6)를 구동하는 액시얼 갭형의 회전 전기 기기에 있어서, 상기 로터(6)와 상기 로터(6)에 결합되는 출력축(4)의 결합 상태인 접합부 반경을 R1로부터 R3으로 변화시킨다. 이에 의해, 상기 로터(6)가 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수를, fR1과 동등한 상기 로터의 회전 속도로부터 이격하여 fR3으로 한다.
회전 전기 기기, 스테이터, 로터, 출력축, 모터 케이스

Description

액시얼 갭형 회전 전기 기기{Axial Gap-type Rotary Electric Machine}
본 발명은 스테이터와, 원반 형상의 로터를 축선 방향으로 대향 배치한 액시얼 갭형 회전 전기 기기가, 면 진동에 의해 공진하는 것을 방지하는 기술에 관한 것이다.
단위 시간에 있어서의 원 운동 횟수인 회전 전기 기기의 로터 회전 속도가, 단위 시간에 있어서의 파형 운동 횟수인 회전 전기 기기의 고유 진동수와 부합하는 경우, 로터가 가진력을 회전 전기 기기에 부여하는 것으로 되어 회전 전기 기기가 공진한다고 하는 문제가 알려져 있다.
그래서 종래 회전 전기 기기의 공진을 방지하는 기술로서, 예를 들어 특허 문헌 1에 기재된 바와 같은 것이 알려져 있다.
특허 문헌 1에 기재된 회전 전기 기기는, 회전 전기 기기의 프레임에 열교환기를 장착하는 장착 강성 조정 볼트의 조임력을 조정함으로써 장착 강성을 적절하게 변화시켜, 이에 의해 회전 전기 기기 전체의 고유 진동수를 변화시킨다고 하는 것이다. 특허 문헌 1에 기재된 기술은, 회전 전기 기기의 장착 강성이 공장 출하시의 평가와 상이해도 공진 현상을 회피하여 정숙한 운전을 도모하는 것이다.
[특허 문헌 1] 일본 특허 출원 공개 평8-107650호 공보
그러나 상기 종래와 같은 회전 전기 기기에 의해서도, 회전 전기 기기의 로터 자신의 고유 진동수를 변화시킬 수는 없다. 특히, 로터가 원반 형상인 액시얼 갭형 회전 전기 기기에 있어서는 로터 두께가 작고, 당해 로터 두께와 비교하여 로터 반경이 크기 때문에 로터의 강성이 낮아, 축선 방향으로 직각인 가상 평면에 대해 로터가 휘거나 왜곡되는 진동 모드인 면 진동이 발생하기 쉽다.
로터 회전 속도가 로터 자신의 고유 진동수와 부합한 경우, 로터 자신의 공진이 무시할 수 없을 정도로 커져 회전 전기 기기의 정숙한 운전을 방해해 버린다.
또한, 로터에 리브 등의 보강 부재를 설치하는 것이 고려되지만, 이러한 보강 부재는 로터를 구동하는 전자기력의 자기 회로로서 전혀 유용하지 않고, 오히려 로터 자신의 체적이 커져 상기 자기 회로를 구성하는 자속의 밀도를 약화시켜 버려, 로터 출력 토크가 감소한다.
본 발명은 상술한 실정에 비추어, 별도의 보강 부재를 로터에 설치하지 않고 로터의 공진을 효과적으로 방지할 수 있는 기술을 제안하는 것이다.
이 목적을 위해 본 발명에 따른 액시얼 갭형 회전 전기 기기는,
스테이터와, 상기 스테이터의 축선 방향에 대향 배치한 원반 형상의 로터와, 상기 로터에 결합된 출력축과, 상기 로터와 상기 출력축 사이의 접합 상태를 상기 로터의 회전 속도에 따라서 변경하는 접합 상태 변경 장치에 의해 구성한 것을 특 징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기이다.
이러한 본 발명의 구성에 따르면, 로터와 상기 로터에 결합되는 출력축의 결합 상태를 변화시킴으로써, 상기 로터가 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수를 상기 로터의 회전 속도로부터 이격하는 것이 가능해져, 회전 전기 기기의 운전 중에 로터 자신의 공진을 방지하여 정숙한 운전이 가능해진다.
이하, 본 발명의 실시 형태를 도면에 도시하는 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명한다.
<제1 실시예>
도1 내지 도3은 본 발명의 제1 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도이다.
액시얼 갭형 회전 전기 기기(11)의 스테이터(1)는, 스테이터 코어(2)와 스테이터 철심(5)과 전기자 권선(7)을 구비한다.
강자성체 재료로 이루어지는 스테이터 코어(2)는 둥근 고리 형상이며, 그 스테이터 코어(2)의 외주 모서리가 모터 케이스(8)에 지지 고정된다. 또한 스테이터 코어(2)의 중앙부에는 중심 구멍(3)을 마련하여 출력축(4)을 관통시킨다. 이 출력축(4)은 중심 구멍(3)에 설치한 베어링으로 회전 가능하게 지지된다. 스테이터 코어(2) 중 중심 구멍(3)보다 외경측의 부위에는 복수의 스테이터 철심(5)을 둘레 방향으로 등간격으로 되도록 배치한다. 적층 강판으로 이루어지는 스테이터 철심(5) 은 스테이터 코어(2)로부터 출력축(4)의 축선(O) 방향으로 돌출하고, 선단부(5s)의 폭이 확대되어 로터(6)와 대향한다. 각각의 스테이터 철심(5)의 축선(O) 방향 중간 정도에는 전기자 권선(7)을 권취한다.
로터(6)는 원반 형상이며, 에어 갭(9)을 사이에 두고 상술한 스테이터 철심 선단부(5s)와 마주보는 로터(6) 전방면에는, 복수의 영구 자석(10)을 둘레 방향으로 등간격으로 되도록 배치한다. 로터(6)의 내부에는 백 요크(12)를 매설하고, 백 요크(12)를 영구 자석(10)에 접합한다. 영구 자석(10)은 축선(O) 방향으로 착자(着磁)되고, 백 요크(12)는 자기 회로를 형성하여 자기를 통과시킨다. 전기자 권선(7)을 흐르는 교류 전류는, 스테이터(1)와 영구 자석(10)을 구비하는 로터(6)의 사이에서 전자기력을 발생시켜 로터(6)를 동기 모터로서 회전시킨다.
로터(6)의 중앙에 전술한 출력축(4)을 관통시킨다. 이 출력축(4)은 스플라인 결합에 의해 로터(6)와 상대 회전 불가능하게 결합되어 로터(6)의 회전을 취출한다. 스테이터 철심(5)과 축선(O) 방향에서 동일한 위치에는, 출력축(4)의 중간 정도의 폭을 넓혀 대직경부(4d)를 형성한다. 대직경부(4d)는 로터(6)측에서 축선(O)에 직각인 고리 형상 단부면(4t)을 구비한다. 고리 형상 단부면(4t)의 내경측에는 축선(O)을 중심으로 하는 고리 형상의 스토퍼(13)를 장착한다. 스토퍼(13)는 로터(6) 전방면과 접합하여 로터(6)의 축선 방향 위치를 규정한다.
스토퍼(13)는 테이퍼로 형성되고, 로터(6) 전방면과 출력축(4)의 스토퍼(13)가 접합하는 접합면은, 도1에 도시하는 바와 같이 축선(O) 방향으로 돌출된 테이퍼와, 이 테이퍼를 받아내는 면의 조합으로 된다. 스토퍼(13)는 금속류 중에서도 영 률이 높은 경금속 혹은 고무류 내지 수지류 중에서도 영률이 낮은 경질 고무 내지 경질 수지로 이루어져, 축선(O) 방향의 스러스트가 발생하면 약간 변형된다. 그렇게 하면 상술한 접합면의 접합 면적이 변화된다.
로터(6)로부터 보아 스토퍼(13)와 반대측에는 출력축(4)에 관통된 고리 형상의 컬러(14)와, 와셔(15)와, 와셔(15)에 의해 헐거워지지 않도록 양 출력축(4)에 나사 결합하는 로크 너트(16)를 축선(O) 방향으로 순차 배치한다. 컬러(14)는 로터(6) 배면이 출력축(4)으로부터 빠져나오는 것을 방지한다. 상술한 것 및 도1에 도시하는 바와 같이 로터(6)는 전방면 및 배면으로부터 축선(O) 방향 위치를 규정하여 축선(O) 방향으로 덜걱거림 없이 출력축(O)과 결합한다.
또한, 제1 실시예에 있어서는 출력축(4), 스토퍼(13), 로터(6), 스테이터(1), 컬러(14), 와셔(15), 로크 너트(16)가 서로 작동함으로써 상술한 접합 면적을 변화시키는 접합 상태 변경 장치로 된다.
다음에, 제1 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(11)의 작용에 대해 설명한다. 스테이터(1)와 로터(6) 사이에서 자기 회로에 의한 전자기력이 발생하여 로터(6)가 회전하지만, 이 전자기력으로서 스테이터(1)와 로터(6) 사이에는 흡인력이 발생한다. 로터(6)로부터 보아 스테이터(1)와 출력축 대직경부(4d)가 동일한 전방면측에 있으므로, 전자기력의 축선(O) 방향 성분으로 되는 흡인력이, 대직경부(4d)와 로터(6) 사이에 개재되는 스토퍼(13)에 스러스트를 부여한다.
이 흡인력이 적고 스토퍼(13)를 압박하는 축선(O) 방향의 스러스트가 적은 경우에는 스토퍼(13)가 거의 변형되지 않으므로, 스토퍼(13)와 로터(6)의 접합면의 반경은 도1에 도시하는 바와 같이 R1로 된다.
이 흡인력이 도1에 도시하는 경우보다도 클 때, 도2에 가는 화살표로 나타내는 전자기력의 축선(O) 방향 성분이 로터(6)를 가까이 끌어당긴다. 그렇게 하면 스러스트에 의해 스토퍼(13)가 변형되어 테이퍼가 적어지는 동시에 스토퍼(13)와 로터(6)의 접합면의 반경, 또는 접합 면적이 커진다. 그때의 접합 반경은, 도2에 도시하는 바와 같이 R2로 된다(R1 < R2).
이 흡인력이 도2에 도시하는 경우보다도 더욱 클 때, 도3에 굵은 화살표로 나타내는 전자기력의 축선(O) 방향 성분이 로터(6)를 가까이 끌어당긴다. 그렇게 하면 스러스트에 의해 스토퍼(13)가 더욱 변형되어 테이퍼가 없어지는 동시에 스토퍼(13)와 로터(6)의 접합면의 반경이 커져 도3에 도시하는 바와 같이 R3으로 된다(R1 < R2 < R3). 이 경우, 스토퍼(13)보다도 외경측에 있는 대직경부(4d)의 고리 형상 단부면(4t)이 로터(6)에 접합한다. 고리 형상 단부면(4t) 및 로터(6)는 스토퍼(6)보다도 영률이 큰 강이므로, 로터(6)의 지지 강성이 가장 커진다.
이와 같이 전자기력의 축선(O) 방향 성분에 의해 출력축(4)과 로터(6)의 접합면의 반경을, R1, R2, R3으로 연속적으로 변화시켜 로터(6)가 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수를 변화시킨다. 도3에 도시하는 상태로부터 흡인력을 감소시키면 접합면의 반경이 R3으로부터 감소하여, 도1 및 도2에 도시하는 상태로 복귀된다.
도4의 (a)는 제1 실시예에 있어서의 로터(6)의 면 진동의 진폭과 로터 회전 속도의 관계를 나타내는 그래프이다. 접합면의 반경이 R1일 때, 로터(6)의 면 진 동의 진폭이 가장 커지는 고유 진동수는 fR1이다. 즉, 로터 회전 속도가 fR1일 때, 로터(6)의 면 진동이 가장 커진다. 또한, 고유 진동수도, 로터 회전 속도도 단위 시간에 있어서의 운동이므로 양쪽 모두 도4의 (a)의 횡축에 나타낸다.
접합면의 반경이 R3(> R1)일 때, 로터(6)의 면 진동의 진폭이 가장 커지는 고유 진동수는 fR3(> fR1)이다. 접합면의 반경이 클수록 접합 면적이 커져 로터(6)의 지지 강성이 높아지므로 고유 진동수가 커진다.
제1 실시예에서는, 도4의 (a)에 화살표로 나타내는 바와 같이 접합면의 반경을 R1과 R3 사이에서 변화시킴으로써, 로터(6)의 면 진동에 의한 고유 진동수를 변화시켜 로터(6)의 회전 속도로부터 이격한다. 예를 들어, 로터 회전 속도가 fR3일 때에는, 접합면 반경을 R1로 하여 로터 고유 진동수를 fR3으로부터 이격한다. 또한, 로터 회전 속도가 fR1일 때에는 접합면 반경을 R3으로 하여 로터 고유 진동수를 fR1로부터 이격한다. 이에 의해, 로터(6)의 면 진동의 공진을 방지할 수 있어 정숙한 운전이 가능해진다.
상술한 도4의 (a)에 나타낸 제1 실시예의 로터(6)의 고유 진동수에 대해, 도4의 (b)의 맵으로 다시 나타낸다. 도4의 (b)의 횡축은 상술한 접합부 반경을 2배한 결합부 직경이다. 또한, 종축은 면 진동에 의해 공진하는 로터(6)의 공진 회전 속도로, 도4의 (a)에 나타낸 고유 진동수와 동일하다. 도4의 (b)에 나타내는 바와 같이, 결합부 직경이 커지면 공진 회전 속도도 커진다. 제1 실시예에서는 결합부 직경을 변화시켜, 로터(6)의 공진 회전 속도를 실제의 회전 속도로부터 이격함으로써 로터(6)의 면 진동의 공진을 방지할 수 있어 정숙한 운전이 가능해진다.
<제2 실시예>
도5 내지 도7은 본 발명의 제2 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도이다. 도5는 접합면 반경이 작은 상태(= R1)를 나타낸다. 도6은 접합면 반경이 도5의 상태보다 큰 상태(= R2)를 나타낸다. 또한, 도7은 접합면 반경이 도6의 상태보다 큰 상태(= R4)를 나타낸다. 본 제2 실시예의 기본 구성은 상술한 제1 실시예와 공통되므로, 동일 부재에 대해서는 공통되는 부호를 부여하여 설명을 생략하고, 상이한 구성에 대해 설명한다.
제2 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(21)는 출력축(4)이 관통된 고리 형상의 스토퍼(23)를 구비한다. 스토퍼(23)의 재질은 상술한 제1 실시예의 스토퍼(13)와 동일하지만, 테이퍼가 아닌 볼록 곡면이며, 스토퍼(23)의 표면은 주연으로부터 축 중심을 향할수록 로터(6)측으로 구면이나 쌍곡면 등의 곡면으로 돌출하여 스토퍼(23)의 축 중심부가 로터(6) 전방면에 접합한다. 이에 의해, 로터(6)의 축선(O) 방향의 움직임을 덜걱거림 없이 규제한다.
이에 대해 스토퍼(23)의 주연부는, 도5에 도시하는 바와 같이 단부면(4t)보다도 움푹 패여 있고, 축선(O)을 중심으로 하는 고리 형상의 오목부(4k)를 형성한다.
스테이터(1)와 로터(6) 사이의 흡인력(전자기력)이 적어 스토퍼(23)를 압박하는 축선(O) 방향의 스러스트가 적은 경우에는, 스토퍼(23)가 거의 변형되지 않으 므로 스토퍼(23)와 로터(6)의 접합면의 반경은 도5에 도시하는 바와 같이 R1로 된다.
흡인력(전자기력)이, 도5에 도시하는 경우보다도 클 때, 도6에 가는 화살표로 나타내는 전자기력의 축선(O) 방향 성분이 로터(6)를 가까이 끌어당긴다. 그렇게 하면 스러스트에 의해 스토퍼(23)가 변형되어, 볼록 곡면이 적어지는 동시에 스토퍼(23)와 로터(6)의 접합면의 반경이 커져 도6에 도시하는 바와 같이 R2로 된다(R1 < R2).
흡인력(전자기력)이, 도6에 도시하는 경우보다도 더욱 클 때, 도7에 굵은 화살표로 나타내는 전자기력의 축선(O) 방향 성분이 로터(6)를 가까이 끌어당긴다. 그렇게 하면 스러스트에 의해 스토퍼(23)가 더욱 변형되어 볼록 곡면이 없어지는 동시에, 스토퍼(13)와 로터(6)의 접합면의 반경이 커져 도7에 도시하는 바와 같이 오목부(4k)를 제외한 R4로 된다(R1 < R2 < R4). 이 경우, 스토퍼(13)보다도 외경측에 있는 대직경부(4d)의 고리 형상 단부면(4t)이 로터(6)에 접합한다. 고리 형상 단부면(4t) 및 로터(6)는 스토퍼(6)보다도 영률이 크고 고강성이므로, 로터(6)의 지지 강성이 가장 커진다.
도8은 제2 실시예에 있어서의 로터(6)의 면 진동의 진폭과 로터 회전 속도의 관계를 나타내는 그래프이다. 접합면의 반경이 R1일 때, 로터(6)의 면 진동의 진폭이 가장 커지는 고유 진동수는 fR1이다. 즉, 로터 회전 속도가 fR1일 때, 로터(6)의 면 진동이 가장 커진다.
접합면의 반경이 R4(> R1)일 때, 로터(6)의 면 진동의 진폭이 가장 커지는 고유 진동수는 fR4(> fR1)이다. 접합면의 반경이 클수록 접합 면적이 커져 로터(6)의 지지 강성이 높아지므로, 고유 진동수가 커진다.
제2 실시예에서는, 도8에 화살표로 나타내는 바와 같이 접합면의 반경을 R1과 R4의 사이에서 변화시킴으로써 로터(6)의 면 진동에 의한 고유 진동수를 변화시켜 로터(6)의 회전 속도로부터 이격한다. 예를 들어, 로터 회전 속도가 fR4일 때에는, 접합면 반경을 R1로 하여 로터 고유 진동수를 fR4로부터 이격한다. 또한, 로터 회전 속도가 fR1일 때에는 접합면 반경을 R4로 하여 로터 고유 진동수를 fR1로부터 이격한다. 이에 의해, 로터(6)의 면 진동의 공진을 방지할 수 있어 정숙한 운전이 가능해진다.
특히 제2 실시예에서는, 로터(6)와 출력축(4)이 접합하는 접합면이, 축선(O) 방향으로 돌출된 곡면인 스토퍼(23)와 상기 곡면을 받아내는 로터(6) 전방면의 조합이므로, 전술한 제1 실시예의 테이퍼인 스토퍼(13)와는 상기 흡인력에 대한 로터 고유 진동수의 변화 특성을 상이하게 할 수 있다. 또한, 오목부(4k)를 구비하므로 로터 고유 진동수를 비연속적으로 변화시킬 수 있다.
<제3 실시예>
도9 및 도10은 본 발명의 제3 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도이다. 도9는 접합면 반경이 작은 상태(= R1)를 나타낸다. 도10은 접합면 반경이 도9의 상태보다 큰 상태(= R3)를 나타낸다. 본 제 3 실시예의 기본 구성은 상술한 제1 실시예와 공통되므로, 동일 부재에 대해서는 공통되는 부호를 부여하여 설명을 생략하고, 상이한 구성에 대해 설명한다.
제3 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(31)는, 출력축(4)이 관통한 고리 형상의 스토퍼(33)를 구비한다. 스토퍼(33)의 재질은 상술한 제1 실시예의 스토퍼(13)와 동일하지만 테이퍼가 아니며, 축선(O)에 직각인 평면에서 로터(6) 전방면에 접합한다. 이에 의해, 로터(6)의 축선(O) 방향의 움직임을 덜걱거림 없이 규제한다.
스테이터(1)와 로터(6) 사이의 흡인력(전자기력)이 적어 흡인력(전자기력)의 축선(O) 방향 성분이 도9에 가는 화살표로 나타내는 바와 같이 적은 경우에는, 스토퍼(33)가 거의 변형되지 않으므로 스토퍼(33)와 로터(6)의 접합면의 반경은 도9에 도시하는 바와 같이 R1로 된다.
흡인력(전자기력)이 도9에 도시하는 경우보다도 클 때, 도10에 굵은 화살표로 나타내는 전자기력의 축선(O) 방향 성분이 로터(6)를 가까이 끌어당긴다. 그렇게 하면 스러스트에 의해 스토퍼(33)가 변형되어, 스토퍼(13)보다도 외경측에 있는 대직경부(4d)의 고리 형상 단부면(4t)이 로터(6)에 접합한다. 고리 형상 단부면(4t) 및 로터(6)는 스토퍼(6)보다도 영률이 크고 고강성이므로, 로터(6)의 지지 강성이 가장 커진다.
제3 실시예에서도 접합면의 반경을 R1과 R3 사이에서 변화시킴으로써, 로터(6)의 면 진동에 의한 고유 진동수를 변화시켜 로터(6)의 회전 속도로부터 이격 한다. 예를 들어, 로터 회전 속도가 fR3일 때에는, 접합면 반경을 R1로 하여 로터 고유 진동수를 fR3으로부터 이격한다.
또한, 로터 회전 속도가 fR1일 때에는, 접합면 반경을 R3으로 하여 로터 고유 진동수를 fR1로부터 이격한다. 이에 의해, 로터(6)의 면 진동의 공진을 방지할 수 있어 정숙한 운전이 가능해진다.
특히 제3 실시예에서는, 로터(6)와 출력축(4)이 접합하는 접합면이, 축선(O) 방향으로 직각인 평면인 스토퍼(33)와, 상기 평면을 받아내는 로터(6) 전방면의 조합이므로 전술한 제1 실시예의 테이퍼인 스토퍼(13)와도, 제2 실시예의 곡면인 스토퍼(23)와도 상이하도록 상기 흡인력에 대한 로터 고유 진동수의 변화 특성을 설계할 수 있다.
<제4 실시예>
도11은 본 발명의 제4 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도이다. 도11은 접합면 반경이 작은 상태(= R1)를 나타낸다. 본 제4 실시예의 기본 구성은 상술한 제1 실시예와 공통되므로, 동일 부재에 대해서는 공통되는 부호를 부여하여 설명을 생략하고, 상이한 구성에 대해 설명한다.
제4 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(41)는 출력축 대직경부(4d)의 축선(O)에 직각인 단부면이, 로터(6) 전방면에 직접적으로 접합한다. 이에 의해, 로터(6)의 축선(O) 방향의 움직임을 덜걱거림 없이 규제한다. 로터(6) 전방면은, 도11에 도시하는 바와 같이 축 중심부에서 테이퍼로 형성된다.
흡인력(전자기력)이 도11에 도시하는 경우보다도 클 때, 전자기력의 축선(O) 방향 성분이 로터(6)를 가까이 끌어당긴다. 그렇게 하면 스러스트에 의해 테이퍼(6) 전방면이 변형되어 테이퍼가 적어지는 동시에 대직경부(4d)와 로터(6)의 접합면의 반경이 커진다.
이와 같이 전자기력의 축선(O) 방향 성분에 의해 출력축(4)과 로터(6)의 접합면의 반경을 변화시켜, 로터(6)가 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수를 변화시킨다. 이에 의해, 로터(6)의 면 진동의 공진을 방지할 수 있어 정숙한 운전이 가능해진다.
상술한 제1 내지 제4 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(11, 21, 31, 41)는 모두 흡인력으로 되는 전자기력의 축선(O) 방향 성분에 의해 출력축(4)과 로터(6)의 접합면의 반경을 변화시킨다. 이 전자기력의 제어는, 도12에 나타내는 교류 전류와 흡인력의 관계를 나타낸 특성도를 기초로 한다.
도12 중, 횡축은 전기자 권선(7)을 흐르는 상전류(相電流)의 실효값(또는 최대값)이고, 종축은 스테이터(1)와 로터(6) 사이에 발생하는 전자기력의 축선(O) 방향 성분으로 되는 흡인력이다. 또한, 도12 중에는 전류 위상각(β)이 -90도[강화 계자(界磁)]일 때를 파선으로 나타낸다. 또한, 전류 위상각(β)이 0도일 때를 실선으로 나타낸다. 또한, 전류 위상각(β)이 +90도(약화 계자)일 때를 일점 쇄선으로 나타낸다.
통상은, 상전류를 Ia 이하로 하여 액시얼 갭형 회전 전기 기기(11, 21, 31, 41)를 구동 운전한다. 또한 전류 위상각(β)의 극성을 +측으로 하는 약화 계자 제 어를 행한다. 이로 인해, 흡인력을 약화시키는 측으로 된다. 따라서 통상 운전에 있어서의 구동시 사용 영역은, 도12에 나타내는 바와 같이 β = 0도인 선과, 전기 기기 위상각(β) = +90도인 선과, 상전류 = Ia의 선으로 포위된 것을 나타낸다.
상술한 통상 운전에 있어서의 구동시 사용 영역에 대해, 로터 고유 진동수를 전술한 도4 및 도8과 같이 변화시켜 로터 회전 속도로부터 이격할 때에는, 상전류를 Ia 이상으로 하여 액시얼 갭형 회전 전기 기기(11, 21, 31, 41)를 구동 운전한다. 또한, 전류 위상각(β)의 극성을 -측으로 하는 강화 계자 제어를 행한다. 이로 인해, 흡인력을 강화하는 측으로 된다. 도12에는 실선의 타원으로 나타내는 바와 같이, 고유 진동수를 회전 속도로부터 이격하는 운전에 있어서의 고유값 가변 제어 영역을 나타낸다.
여기서 약화 계자 제어 및 강화 계자 제어에 대해, 도13을 따라 설명한다. 도13은 스테이터 철심(5)과, 자석(10)의 둘레 방향 상대 위치 관계를 모식적으로 도시하는 둘레 방향 전개도이며, 전류 위상각(β)이 0일 때를 나타낸다. 도13에 있어서, 전류 위상각(β)의 극성을 -측으로 하면 선단부(5s)가 N극인 스테이터 철심(5)에, 전방면이 S극인 영구 자석(10b)이 근접하게 되어 흡인력이 강해지는 것이 이해될 것이다.
<제5 실시예>
도14 및 도15는 본 발명의 제5 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도이다. 도14는 접합면 반경이 큰 상태(= R3)를 나타낸다. 도15는 접합면 반경이 도14의 상태보다 작은 상태(= R1)를 나타낸다. 본 제5 실시예의 기본 구성은 상술한 제1 실시예와 공통되므로, 동일 부재에 대해서는 공통되는 부호를 부여하여 설명을 생략하고, 상이한 구성에 대해 설명한다.
제5 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(51)는 로터(6)와 출력축(4)의 접합 면적을 변화시키는 액추에이터를 구비한다. 이 액추에이터는 로터(6)를 축선 방향으로 변위시키는 피스톤 기구이다.
고리 형상의 접시 스프링(52)에 출력축(4)을 관통하여, 이 접시 스프링(52)을 로터(6) 배면에 배치한다. 컬러(14)는 접시 스프링(52)이 축선(O) 방향으로 빠져나가는 것을 방지한다. 접시 스프링(52)은 로터(6)를 출력축 대직경부(4d)측으로 압박하여, 도14에 도시하는 바와 같이 로터(6)를 출력축 대직경부(4d)에 접합한다.
출력축 대직경부(4d)에는 축선(O) 방향으로 미끄럼 이동하는 피스톤(53)과, 피스톤(53)을 수납하는 실린더(54)를 설치한다. 실린더(54)는 출력축(4) 내부에 설치한 유압 배관(55)과 접속한다. 로터(6)가 대직경부(4d)에 반경 R3으로 접합하는 동안, 도14에 도시하는 바와 같이 피스톤(53)은 완전하게 실린더(54)에 수납되어 있다.
유압 배관(55)으로부터 실린더(54)에 유압을 공급하여, 피스톤(53)을 대직경부(4d)의 고리 형상 단부면(4t)으로부터 돌출시켜 로터(6)를 접시 스프링(52)측으로 변위시키면, 도15에 도시하는 바와 같이 로터(6)와 출력축 대직경부(4d)의 접합면 반경이 R1로 작아진다.
또한, 실린더(54)의 유압을 저하시키면, 접시 스프링(52)의 압박력에 의해 피스톤(53)은 고리 형상 단부면(4t)까지 후퇴한다. 이와 같이 실린더(54)의 유압을 변화시킴으로써, 접합면 반경을 R1 또는 R3으로 임의로 변화시킬 수 있다.
여기서, 제5 실시예에 있어서는 출력축(4), 스토퍼(13), 컬러(14), 와셔(15), 접시 스프링(52), 로크 너트(16), 피스톤(53)이 서로 작동함으로써 상술한 접합 면적을 변화시키는 접합 상태 변경 장치로 된다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이 제5 실시예에서는, 도16의 특성도로 나타내는 바와 같이 접합면 반경이 R3일 때에 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수(회전 속도)는 fR3이다. 접합면 반경이 R1일 때에 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수(회전 속도)는 fR1이다. 로터(6)와 출력축(4)의 접합 반경이 R3으로 크면 로터(6)의 지지 강성이 높기 때문에, 도16에 나타내는 바와 같이 고유 진동수 fR3이 고유 진동수 fR1보다 커진다. 고유 진동수를 도16의 화살표로 나타내는 바와 같이 작게 하기 위해서는, 실린더(54)에 유압을 공급하여 접합면 반경을 R3으로부터 R1로 작게 한다.
또한, 제5 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(51)에서는 피스톤 기구를 이용하여 로터(6)의 축선(O) 방향으로 변위시키므로, 제1 내지 제4 실시예의 액시얼형 회전 전기 기기보다도 훨씬 로터(6)의 축선(O) 방향 변위량을 크게 할 수 있어 에어 갭(9)을 크게 할 수 있다. 따라서, 로터 회전 속도가 소정값보다도 큰 경우에는, 에어 갭(9)을 크게 하여 모터로서의 고속 회전에 불이익이 되는 유기 전압을 저하시킬 수 있다.
지금까지 설명해 온 제1 내지 제5 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기(11, 21, 31, 41, 51)는 로터를 1개 구비하는 구조였지만, 이하에 설명하는 바와 같이 로터를 2개 구비한 2로터 1스테이터 구조의 액시얼 갭형 회전 전기 기기라도 로터와 출력축의 결합 상태를 변화시켜, 로터가 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수를 로터의 회전 속도로부터 이격하는 것이 가능하다.
<제6 실시예>
도17은 본 발명의 제6 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도로, 접합면 반경이 작은 상태(= R1)를 나타낸다. 본 제6 실시예의 기본 구성은 상술한 제1 실시예와 공통되고, 스테이터(1)로부터 보아 로터(6)를 좌우 대칭으로 배치한 것이다.
<제7 실시예>
도18은 본 발명의 제7 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도로, 접합면 반경이 큰 상태(= R3)를 나타낸다. 본 제7 실시예의 기본 구성은 상술한 제5 실시예와 공통되고, 스테이터(1)로부터 보아 로터(6)를 좌우 대칭으로 배치한 것이다.
또한, 상술한 것은 어디까지나 본 발명의 일 실시예이며, 본 발명은 그 주지에 일탈하지 않는 범위에 있어서 다양한 변경이 가해질 수 있는 것이다.
도1은 본 발명의 제1 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도2는 본 발명의 제1 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도3은 본 발명의 제1 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도4는 제1 실시예의 로터의 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수를 나타내는 특성도로, 도4의 (a)는 로터 면 진동의 진폭과 로터 회전 속도의 관계를 나타내는 그래프, 도4의 (b)는 결합 상태의 변화와 공진 회전 속도의 관계를 나타내는 그래프.
도5는 본 발명의 제2 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도6은 본 발명의 제2 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도7은 본 발명의 제2 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 단면도.
도8은 제2 실시예에 있어서의 로터 면 진동의 진폭과 로터 회전 속도의 관계를 나타내는 그래프.
도9는 본 발명의 제3 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도10은 본 발명의 제3 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도11은 본 발명의 제4 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도12는 제1 내지 제4 실시예의 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 상전류와 흡인력의 관계를 나타내는 특성도.
도13은 스테이터 철심과 로터 영구 자석의 둘레 방향 상대 위치 관계를 모식적으로 도시하는 둘레 방향 전개도.
도14는 본 발명의 제5 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도15는 본 발명의 제5 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도16은 제5 실시예에 있어서의 로터 면 진동의 진폭과 로터 회전 속도의 관계를 나타내는 그래프.
도17은 본 발명의 제6 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
도18은 본 발명의 제7 실시예로 되는 액시얼 갭형 회전 전기 기기의 구조를 개략 도시하는 종단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 회전 전기 기기의 스테이터, 2 : 스테이터 코어, 4 : 출력축, 5 : 스테이터 철심, 6 : 회전 전기 기기의 로터, 7 : 전기자 권선, 8 : 모터 케이스, 9 : 에어 갭, 10 : 로터 영구 자석, 12 : 백 요크, 13, 23, 33 : 스토퍼, 14 : 컬러, 15 : 와셔, 16 : 로크 너트, 52 : 접시 스프링, 53 : 피스톤, 54 : 실린더, 55 : 유압 배관

Claims (13)

  1. 스테이터와,
    상기 스테이터의 축선 방향에 대향 배치한 원반 형상의 로터와,
    상기 로터에 결합된 출력축과,
    상기 로터와 상기 출력축 사이의 접합 상태를 상기 로터의 회전 속도에 따라서 변경하는 접합 상태 변경 장치에 의해 구성한 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접합 상태 변경 장치는 상기 로터와 상기 출력축의 접합부에 있어서의 접합 면적을 변경하는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 접합 면적은 상기 로터의 회전 속도가 높아질수록 작게 하는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  4. 제2항에 있어서, 상기 접합 상태 변경 장치는 상기 접합 면적을 변경함으로써 상기 로터가 면 진동에 의해 공진하는 고유 진동수를 상기 로터의 회전 속도로부터 이격하는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 접합면이, 상기 축선 방향으로 돌출된 테이퍼와 상기 테이퍼를 받아내는 면의 조합인 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  6. 제4항에 있어서, 상기 접합면이, 상기 축선 방향으로 돌출된 곡면과 상기 곡면을 받아내는 면의 조합인 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  7. 제4항에 있어서, 상기 접합면에 상기 로터의 축선 방향 위치를 규정하는 스토퍼를 개재 삽입하고, 상기 스토퍼는 상기 전자기력의 축선 방향 성분에 의해 변형되면서 상기 접합면의 접합 면적을 변화시키는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 접합면은 축선 방향으로 직각인 고리 형상이며, 상기 고리 형상 접합면을 이루는 로터측 부재 또는 출력축측 부재 중 일방측 부재의 고리 형상 접합면 내경측에 상기 스토퍼를 장착하고,
    상기 고리 형상 접합면 외경측으로 되는 상기 일방측 부재의 단부면을 상기 스토퍼보다도 고강성인 부재로 형성하고,
    상기 스토퍼를 상기 일방측 부재의 단부면보다도 축선 방향으로 돌출시켜 타방측 부재에 접합하고,
    상기 스토퍼의 변형에 의해 상기 일방측 부재의 단부면이 타방측 부재에 접합하는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 로터와 상기 출력축을 서로 압박시켜 접합하고,
    상기 로터와 상기 출력축 사이에 상기 압박력을 변화시키는 액추에이터를 설치하고,
    상기 액추에이터가 상기 로터와 상기 출력축의 접합 반경을 변화시킴으로써, 상기 결합 상태를 변화시키는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 액추에이터는 상기 로터를 축선 방향으로 변위시키는 피스톤 기구인 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 피스톤 기구는 상기 출력축의 회전 속도가 소정값보다 큰 경우에, 상기 로터와 상기 스테이터의 에어 갭을 소정의 크기보다도 크게 하는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  12. 상기 스테이터에 전기자 권선을 설치하고, 상기 로터에 영구 자석을 설치하여, 상기 로터를 상기 전기자 권선의 계자와 동기 속도에서 구동하는 제1항에 기재된 액시얼 갭형 회전 전기 기기에 있어서,
    상기 전기자 권선의 전류값 및 전류 위상각에 의해 상기 전자기력의 축선 방향 성분을 제어하는 수단을 설치한 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
  13. 제12항에 있어서, 상기 전자기력의 축선 방향 성분은 상기 스테이터와 상기 로터 사이의 흡인력이며,
    상기 수단은 상기 출력축의 목표 출력 토크를 달성하는 상기 전류 위상각의 극성을, 상기 흡인력을 강화하는 측으로 하는 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 회전 전기 기기.
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