KR20120096472A - 축 간극 모터 - Google Patents

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KR20120096472A
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마사츠구 다케모토
사토시 오가사와라
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국립대학법인 홋가이도 다이가쿠
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Abstract

[과제] 비희토류 자석을 이용한 축 간극 모터로서, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능함과 아울러, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능한 축 간극 모터를 제공한다. [해결 수단] 축 간극 모터(10)는, 로터(11)와, 로터(11)의 회전축(11a)의 방향으로부터 갭(G)을 사이에 두고 로터(11)를 끼우도록, 로터(11)와 대향하여 마련된 한 쌍의 스테이터(21)를 구비하며, 로터(11)는, 회전축(11a)의 원주 방향을 따라서 서로 이간하여 마련된 복수의 비희토류 자석(13)과, 복수의 비희토류 자석(13)의 사이에 비자성체부(17c) 등을 사이에 두고 마련된 복수의 자성체부(15)를 가지며, 복수의 자성체부(15)의 투자율은, 복수의 비희토류 자석(13)의 투자율보다도 크고, 복수의 비희토류 자석(13) 및 복수의 자성체부(15)는, 로터(11)의 한 쌍의 스테이터(21)와의 대향면(11S)을 규정한다.

Description

축 간극 모터{AXIAL GAP MOTOR}
본 발명은, 축 간극 모터에 관한 것이다.
로터와, 로터의 회전축의 방향으로부터 갭을 사이에 두고 로터와 대향하는 스테이터를 가지는 축 간극 모터로서, 예를 들면 하기 특허 문헌 1 내지 4에 기재된 것이 알려져 있다.
하기 특허 문헌 1 내지 4에 기재된 축 간극 모터의 로터는, 회전축의 원주 방향에 서로 이간(離間)하여 마련된 영구 자석과, 이들 영구 자석의 사이에 마련된 연자성체부(軟磁性體部, 영구자석간연자성체부)를 가지고 있다. 이와 같이 마련된 연자성체부에 기인하여, 자기 저항 토크(reluctance torque)가 증대하고, 모터 토크가 증대하는 것이 기재되어 있다.
특허 문헌 1 : 일본특허공개 2006－50706호 공보 특허 문헌 2 : 일본특허공개 2008－278649호 공보 특허 문헌 3 : 일본특허공개 2008－199895호 공보 특허 문헌 4 : 일본특허공개 2005－94955호 공보
상술한 바와 같은 축 간극 모터의 로터에 사용되는 영구 자석으로서는, 일반적으로 잔류 자속 밀도가 큰 희토류 자석이 이용된다. 그러나, 희토류 자석의 원재료가 되는 네오디뮴(Nd)이나 디스프로슘(Dy) 등의 희토류 원소는, 산출지가 특정 지역에 편재하고, 또, 근년(近年) 사용량이 급격히 증가하고 있다. 이 때문에, 희토류 원소는, 안정 공급 및 가격의 점에서 난점이 있다.
이 때문에, 축 간극 모터의 로터에 사용되는 영구 자석으로서, 희토류 자석을 대신하여 페라이트 자석 등의 비희토류 자석(非希土類 磁石)을 이용하는 것이 고려된다. 그렇지만, 종래의 축 간극 모터에서 희토류 자석을 비희토류 자석으로 대체하는 것에는, 이하와 같은 문제가 있다.
즉, 비희토류 자석의 잔류 자속 밀도는 희토류 자석의 잔류 자속 밀도보다도 작기 때문에, 그만큼 마그네트 토크가 감소한다. 이 때문에, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능함과 아울러, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능한 구성을 가지는 축 간극 모터를 채용하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 종래의 축 간극 모터에서 희토류 자석을 비희토류 자석으로 대체한 경우, 이들을 양립시키는 것이 곤란했다.
예를 들면, 상기 특허 문헌 1에 기재된 축 간극 모터의 로터에서는, 영구 자석의 스테이터측의 면에는 연자성 재료로 이루어진 로터 백 코어가 마련되어 있다. 또, 상기 특허 문헌 2에 기재된 축 간극 모터의 로터에서는, 영구 자석은 연자성 재료로 이루어진 한 쌍의 자성체에 의해서 회전축 방향으로부터 끼워져 있다. 즉, 영구 자석의 한 쌍의 스테이터측의 양면에는 연자성 재료로 이루어진 한 쌍의 자성체가 마련되어 있다.
이 때문에, 상기 특허 문헌 1 및 2에 기재된 축 간극 모터에서는, 영구 자석의 스테이터측의 면에 마련된 부재가 원인으로, 비희토류 자석이 얇게 되어 버려, 로터 전체의 체적 중 비희토류 자석의 체적이 차지하는 비율을 크게 할 수 없었다. 그 결과, 로터 전체의 체적 중 비희토류 자석의 체적이 차지하는 비율을 크게 하는 것이 곤란하기 때문에, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 곤란했다.
게다가, 영구 자석의 스테이터측의 면에는 연자성 재료로 이루어진 부재가 마련되어 있기 때문에, 스테이터로부터 발생한 자속은, 영구 자석의 스테이터측의 면에 있는 자성체에 끌린다. 이 때문에, 일방의 스테이터로부터 타방의 스테이터까지 이르는 자속은, 영구자석간연자성체부 내(內) 뿐만 아니라, 영구 자석 내도 어느 정도 통과한다. 그 결과, 영구자석간연자성체부 내를 통과하는 자속이 감소하는 것에 기인하여 자기 저항 토크가 감소해 버림과 아울러, 영구 자석 내를 통과하는 자속, 특히 약계자 자속(弱界磁 磁束)에 기인하여 비희토류 자석에 불가역 감자(減磁)가 생겨 버려, 마그네트 토크가 감소해 버린다고 하는 문제가 있었다.
또, 도 1은, 상기 특허 문헌 3에 기재된 축 간극 모터에서의 로터 근방의, 회전축의 원주 방향에 따른 모식적인 단면을 나타내는 도면이다. 상기 특허 문헌 3에 기재된 축 간극 모터에서는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 로터(3)의 영구 자석(8)은, 로터(3)의 회전축과 직교하는 방향(도 1의 좌우 방향)으로 착자(着磁)하고 있다. 즉, 영구 자석(8)의 자극면(磁極面, 8mS)은, 스테이터(4)의 로터(3)와의 대향면(4S)과 직교하고 있다. 이 때문에, 영구 자석(8)으로부터 발생하는 자속(8m)은, 영구 자석(8)으로부터 영구자석간연자성체부(9)를 향하고, 게다가 영구자석간연자성체부(9)로부터 한 쌍의 스테이터(4)의 방향으로 향한다. 이 때문에, 영구 자석(8)에 의해서 자화되는 영구자석간연자성체부(9)의 한 쌍의 스테이터(4)측의 한 쌍의 면은, 같은 극이 되어 버린다. 그 결과, 한 쌍의 스테이터(4)로부터 생기는 자속(4m)의 대부분은 일방의 스테이터(4)로부터 영구자석간연자성체부(9)를 경유하여 타방의 스테이터(4)로 향할 수 없고, 스테이터(4)로부터 발생한 자속은 다시 동일한 스테이터(4)로 되돌아와 버린다. 이 때문에, 스테이터(4)로부터 발생한 영구자석간연자성체부(9) 내를 통과하는 자속이 감소하므로, 자기 저항 토크가 감소해 버린다고 하는 문제가 있었다.
또, 상기 특허 문헌 4에 기재된 축 간극 모터에서는, 상기 특허 문헌 4의 도 4에 기재되어 있는 바와 같이, 영구 자석과 영구자석간연자성체부가 직접 접촉하고 있다. 이 때문에, 영구 자석으로서 비희토류 자석을 이용하면, 그 비희토류 자석과 영구자석간연자성체부는 자기적으로 결합해 버린다. 비희토류 자석의 잔류 자속 밀도는 희토류 자석의 잔류 자속 밀도보다도 작기 때문에, 스테이터로부터의 자속, 특히 약계자 자속이 영구자석간연자성체부를 통과하여 영구자석간연자성체부의 자화 방향이 변화하면, 그 변화에 끌려가도록 비희토류 자석의 자화도 어느 정도 변화해 버린다. 그 결과, 비희토류 자석에 불가역 감자가 생겨 버려, 마그네트 토크가 감소해 버린다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 영구 자석으로서 비희토류 자석을 이용한 축 간극 모터로서, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능함과 아울러, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능한 축 간극 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술의 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 관한 축 간극 모터는, 로터와, 로터의 회전축의 방향으로부터 갭을 사이에 두고 로터를 끼우도록, 로터와 대향하여 마련된 한 쌍의 스테이터를 구비하며, 로터는, 회전축의 원주 방향을 따라서 서로 이간(離間)하여 마련된 복수의 비희토류 자석(非希土類 磁石)과, 복수의 비희토류 자석 사이에 비자성체부 또는 공간 갭을 사이에 두고 마련된 복수의 자성체부를 가지며, 복수의 비희토류 자석의 착자(着磁) 방향은, 각각 회전축의 방향을 따라서 있고, 복수의 자성체부의 투자율(透磁率)은, 복수의 비희토류 자석의 투자율보다도 크고, 복수의 비희토류 자석 및 복수의 자성체부는, 로터의 한 쌍의 스테이터와의 대향면을 규정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 관한 축 간극 모터에서는, 복수의 비희토류 자석 및 복수의 자성체부는, 로터의 한 쌍의 스테이터와의 대향면을 규정하기 위해, 복수의 비희토류 자석의 한 쌍의 스테이터측의 면에는, 로터 백 코어 등의 부재는 조금도 존재하지 않는다. 이 때문에, 그러한 부재 때문에 비희토류 자석이 얇게 되어 버리는 일은 없기 때문에, 로터 전체의 체적 중 비희토류 자석의 체적이 차지하는 비율을 크게 할 수 있다. 그 결과, 로터 전체의 체적 중 비희토류 자석의 체적이 차지하는 비율이 작은 것에 기인하는 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능해진다.
또, 복수의 자성체부의 투자율은, 복수의 비희토류 자석의 투자율보다도 큰데다가, 복수의 비희토류 자석의 한 쌍의 스테이터측의 면에는 연자성 재료로 이루어진 부재는 존재하지 않기 때문에, 스테이터로부터 발생한 자속이 비희토류 자석의 스테이터측의 면의 방향으로 끌리는 것은 억제된다. 이 때문에, 일방의 스테이터로부터 발생하여 타방의 스테이터로 향하는 자속의 대부분은 비희토류 자석을 경유하지 않고, 복수의 비희토류 자석 사이에 마련된 자성체부 내를 경유한다. 그 결과, 스테이터로부터 발생한 자속의 대부분은 자성체부 내로 안내되기 때문에, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능하다. 또, 비희토류 자석 내를 통과하는 자속에 의한 비희토류 자석의 불가역 감자는 억제된다. 그 결과, 비희토류 자석 내를 통과하는 자속에 의한 비희토류 자석의 불가역 감자에 기인하는 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능하다.
또, 비희토류 자석의 착자 방향은 회전축의 방향을 따라서 있기 때문에, 비희토류 자석이 발생하는 자속에 의해서 자성체부의 한 쌍의 스테이터측의 면이 같은 극으로 자화되는 일은 없다. 이 때문에, 일방의 스테이터로부터 타방의 스테이터로 향하는 자속이 자성체부 내를 경유하는 것은 방해되지 않기 때문에, 자성체부의 한 쌍의 스테이터측의 면이 같은 극으로 자화된 경우에 발생할 것 같은 자기 저항 토크의 감소의 문제는 생기지 않는다.
또, 복수의 자성체부는, 비자성체부 또는 공간 갭을 사이에 두고 복수의 비희토류 자석 사이에 마련되어 있기 때문에, 비희토류 자석과 자성체부와의 자기적 결합을 억제할 수 있다. 그 때문에, 스테이터로부터의 자속, 특히 약계자 자속이 자성체부를 통과하여 자성체부의 자화 방향이 변화해도, 그 변화에 끌려가도록 비희토류 자석의 자화가 변화하는 것은 억제된다. 그 결과, 비희토류 자석의 불가역 감자는 억제되기 때문에, 마그네트 토크의 감소를 억제할 수 있다.
이상과 같이, 본 발명에 관한 축 간극 모터에 의하면, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능함과 아울러, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능해진다.
게다가, 본 발명에 관한 축 간극 모터에서, 복수의 비희토류 자석의 잔류 자속(磁束) 밀도는, 200mT 이상, 600mT 이하인 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명에 관한 축 간극 모터에서, 복수의 비희토류 자석의 리코일 (recoil) 투자율은, 1.0 이상, 2.0 이하인 것이 바람직하다.
게다가, 본 발명에 관한 축 간극 모터에서, 복수의 비희토류 자석의 착자 방향은, 회전축의 원주 방향을 따라서 교대로 반전(反轉)하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 한 쌍의 스테이터로부터 발생하는 회전 자속에 의해서, 로터를 효율 좋게 회전시키는 것이 가능해진다.
게다가, 본 발명에 관한 축 간극 모터에서, 복수의 비희토류 자석의 각각의 체적은, 복수의 자성체부의 각각의 체적보다도 큰 것이 바람직하다. 이것에 의해, 마그네트 토크의 감소를 충분히 억제하는 것이 가능해진다.
게다가, 본 발명에 관한 축 간극 모터에서, 비희토류 자석은, 페라이트 자석일 수 있다.
본 발명에 의하면, 영구 자석으로서 비희토류 자석을 이용한 축 간극 모터로서, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능함과 아울러, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능한 축 간극 모터가 제공된다.
도 1은 종래의 축 간극 모터에서의 로터 근방의, 회전축의 원주 방향에 따른 모식적인 단면을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 형태에 관한 축 간극 모터의 단면 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 로터 및 한 쌍의 스테이터를 서로 회전축의 방향에 이간(離間)시킨 상태를 나타내는 사시도이다.
도 4는 로터를 나타내는 사시도이다.
도 5는 비희토류 자석의 요소, 프레임 부재, 및 로터축의 구성을 나타내는 도면이다.
도 6은 로터를 나타내는 사시도이다.
도 7은 실시 형태의 축 간극 모터의 로터 근방의, 회전축의 원주 방향에 따른 모식적인 단면을 나타내는 도면이다.
도 8은 해석에서 이용한 실시예의 여러 조건을 나타내는 도면이다.
도 9는 평균 토크의 추이의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 10은 로터의 페라이트 자석의 감자체적비(減磁體積比)의 전류 밀도 의존성의 해석 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 슬롯수와 U상쇄교자속(U相鎖交磁束)의 감소율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 턴수와 평균 토크 및 U상쇄교자속의 감소율과의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 비희토류 자석의 폭과 평균 토크 및 토크 리플(ripple)과의 관계를 나타내는 도면이다.
이하, 실시 형태에 관한 축 간극 모터에 대해서, 첨부 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 각 도면에서, 가능한 경우에는 동일 요소에는 동일 부호를 사용한다. 또, 도면 중의 구성요소 내 및 구성요소 사이의 치수비는, 도면이 잘 보이도록, 각각 임의로 되어 있다.
도 2는, 본 실시 형태에 관한 축 간극 모터의 단면 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 축 간극 모터(10)는, 로터(11)와, 한 쌍의 스테이터(21)와, 로터축(19)과, 케이스(29)를 구비하고 있다.
로터(11)는 원통 모양의 부재이며, 그 원통 형상의 중심선에 따른 회전축(11a)의 주위를 회전하는 부재이다. 로터축(19)은, 로터(11)를 관통하고, 로터(11)는, 그 내주면에서 로터축(19)과 고정되어 있다. 로터축(19)은 회전축(11a)을 따른 방향, 즉, 로터(11)의 높이(두께) 방향으로 연장하는 부재이며, 회전축(11a)을 규정한다.
한 쌍의 스테이터(21)는, 각각 원통 모양의 부재이다. 한 쌍의 스테이터(21)는, 로터(11)의 회전축(11a)의 방향으로부터 갭(G, 공간 갭)을 사이에 두고 로터(11)를 끼우도록, 로터(11)와 대향하여 마련되어 있다. 즉, 한 쌍의 스테이터(21)의 대향면(21S)은, 로터(11)의 대향면(11S)과 대향한다. 로터축(19)은, 한 쌍의 스테이터(21)를 관통하고, 한 쌍의 스테이터(21)의 내주면은, 로터축(19)과 고정되어 있지 않다.
케이스(29)는, 로터(11) 및 한 쌍의 스테이터(21)를 내부에 수용하는 부재이다. 케이스(29)는, 베어링 등을 매개로 하여 로터축(19)을 회전 가능하게 지지하고 있다. 한 쌍의 스테이터(21)는, 케이스(29)에 고정되어 있다.
이어서, 로터(11) 및 스테이터(21)에 대해서, 보다 상세하게 설명한다.
도 3은, 로터 및 한 쌍의 스테이터를 서로 회전축의 방향에 이간(離間)시킨 상태를 나타내는 사시도이며, 도 4는, 로터를 나타내는 사시도이다.
도 3 및 도 4에 나타내는 바와 같이, 로터(11)는, 회전축(11a)의 원주 방향을 따라서 서로 이간하여 마련된 복수의 비희토류 자석(非希土類 磁石, 13)과, 복수의 비희토류 자석(13) 사이에 마련된 복수의 자성체부(15)와, 비희토류 자석(13), 자성체부(15), 및 로터축(19)을 서로 고정하기 위한 프레임 부재(17)를 가지고 있다.
복수의 비희토류 자석(13)은, 각각 예를 들면 페라이트(ferrite) 자석이나 알니코(alnico) 자석 등의 희토류 자석 이외의 영구 자석이다. 비희토류 자석(13)의 수(數)는, 본 실시 형태에서는 8개이지만, 특히 제한되지 않는다. 복수의 비희토류 자석(13)의 착자(着磁) 방향은, 각각 회전축(11a)을 따라서 있다. 본 실시 형태에서는, 복수의 비희토류 자석(13)의 착자 방향은, 회전축(11a)의 원주 방향을 따라서 교대로 반전(反轉)하고 있다. 또, 본 실시 형태에서는 복수의 비희토류 자석(13)은 각각, 회전축(11a)을 따른 방향을 두께 방향으로 하고, 회전축(11a)과 수직인 방향으로 연장함과 아울러 회전축(11a) 가운데에 중심점을 가지는 원호 띠 모양을 이루고 있다.
복수의 자성체부(15)는, 비희토류 자석(13)과 마찬가지로, 회전축(11a)을 따른 방향을 두께 방향으로 하고, 회전축(11a)과 수직인 방향으로 연장함과 아울러 회전축(11a) 가운데에 중심점을 가지는 원호 띠 모양을 이루고 있다. 자성체부(15)의 수는, 본 실시 형태에서는 8개이지만, 특히 제한되지 않는다. 자성체부(15)의 투자율(透磁率)은, 비희토류 자석(13)의 투자율보다도 크다. 자성체부(15)는, 예를 들면 압분철심(壓粉鐵心)이나 S45C 등의 철이나 전기 기기용 자성 재료 등의 자성 재료로 구성되어 있다.
또, 복수의 비희토류 자석(13) 및 복수의 자성체부(15)는, 로터(11)의 한 쌍의 스테이터(21)와의 대향면(11S, 도 2 참조)을 규정한다.
또, 도 3에 나타내는 바와 같이, 한 쌍의 스테이터(21)는, 각각 연자성 재료로 이루어진 스테이터 코어(23)와, 코일부(25)를 가진다. 스테이터 코어(23)는, 원통 모양 부재와, 원통 모양 부재로부터 로터(11)의 방향으로 돌출한 복수의 치(齒)를 가진다. 치의 회전축(11a)과 수직인 면을 따르는 단면은, 예를 들면 원호 띠 모양이다. 복수의 치의 주위에는, 코일부(25)가 권회(捲回)되어 있다. 코일부(25)는, 통전(通電)됨에 의해 일방의 스테이터(21)와 타방의 스테이터(21)와의 사이의 영역에서, 회전축(11a)을 따른 방향으로 회전 자속을 발생시킨다. 이 회전 자속에 의해 생기는 토크에 의해서, 로터(11)는 회전축(11a)의 주위를 회전한다.
도 5는, 비희토류 자석의 요소, 프레임 부재, 및 로터축의 구성을 나타내는 도면이다. 도 5에서는, 프레임 부재(17) 및 로터축(19)과, 그 외의 부재를, 회전축(11a)을 따른 방향으로 이간시킨 상태를 나타내고 있다.
프레임 부재(17)는, 스테인리스강 등의 비자성 재료로 구성되어 있다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 프레임 부재(17)는, 로터(11)의 외형을 규정하는 링 모양 부재(17a)와, 로터축(19)을 고정하는 로터축 고정 부재(17b)와, 링 모양 부재로부터 로터축 고정 부재로 연장함과 동시에, 비희토류 자석(13)과 자성체부(15)를 이간시키도록 이들 사이에 개재하는 복수의 이간 부재(17c)를 가지고 있다. 또, 본 실시 형태에서는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 복수의 비희토류 자석(13)의 각각은, 회전축(11a)의 상방과 하방에 각각에 마련된 한 쌍의 비희토류 자석 요소(13a)로 이루어진다. 마찬가지로, 복수의 자성체부(15)의 각각은, 회전축(11a)의 상방과 하방에 각각에 마련된 한 쌍의 자성체부 요소(15a)로 이루어진다. 그리고, 회전축(11a)의 상방의 복수의 비희토류 자석 요소(13a) 및 자성체부 요소(15a)는, 링 모양 부재(17a), 로터축 고정 부재(17b), 및 이간 부재(17c)로 규정되는 영역에, 프레임 부재(17)의 상방으로부터 끼워 넣어진다. 마찬가지로, 회전축(11a)의 하방의 복수의 비희토류 자석 요소(13a) 및 자성체부 요소(15a)는, 링 모양 부재(17a), 로터축 고정 부재(17b), 및 이간 부재(17c)로 규정되는 영역에, 프레임 부재(17)의 하방으로부터 끼워 넣어진다.
또한, 비희토류 자석(13)은, 반드시 한 쌍의 비희토류 자석 요소(13a)로 구성될 필요는 없고, 하나의 부재로 구성되어도 괜찮다. 자성체부(15)는, 반드시 한 쌍의 자성체부 요소(15a)로 구성될 필요는 없고, 하나의 부재로 구성되어도 괜찮다.
도 6은, 로터를 나타내는 사시도이다. 도 6에서는, 비희토류 자석(13)의 착자 방향을 나타내는 부호(N 및 S)를 부여하고 있고, 또, 비희토류 자석(13), 자성체부(15), 및, 프레임 부재(17)의 일부를, 회전축(11a)과 평행한 평면으로 절단한 상태를 나타내고 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 비희토류 자석(13)과 자성체부(15)는, 서로 이간하고 있다. 보다 구체적으로는, 복수의 비희토류 자석(13)의 사이에는, 비자성체부(非磁性體部)로서의 이간 부재(17c) 및 공간 갭(17g)을 사이에 두고 복수의 자성체부(15)가 마련되어 있다. 즉, 비희토류 자석(13)과 자성체부(15) 사이에는, 이간 부재(17c) 및 공간 갭(17g)이 개재하고 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 비희토류 자석(13)과 자성체부(15) 사이에서, 회전축(11a)을 따른 방향의 상부 및 하부에 공간 갭(17g)이 존재하고, 이들 사이에 이간 부재(17c)가 존재하지만, 예를 들면, 회전축(11a)을 따른 방향의 상부 및 하부에 이간 부재(17c)가 존재하고, 이들 사이에 공간 갭(17g)이 존재해도 괜찮다. 또, 본 실시 형태에서는, 비희토류 자석(13)과 자성체부(15) 사이에는, 이간 부재(17c) 및 공간 갭(17g)의 양방 모두가 개재하고 있지만, 이간 부재(17c)만이 개재해도 좋고, 공간 갭(17g)만이 개재해도 괜찮다. 또, 비희토류 자석(13)과 자성체부(15)의 회전축(11a)의 원주 방향을 따른 이간 거리(즉, 이간 부재(17c) 및／또는 공간 갭(17g)의 회전축(11a)의 원주 방향을 따른 폭)는, 로터(11)와 스테이터(21) 사이의 갭(G, 2 참조)의 회전축(11a)을 따른 방향의 폭보다도 큰 것이 바람직하다. 왜냐하면, 이 조건을 만족하는 경우, 비희토류 자석(13)의 자속이 회전축(11a)을 따라 직선적으로 스테이터(21)로 향하는 효과가 특별히 커지게 되기 때문이다.
또, 도 6에 나타내는 바와 같이, 복수의 비희토류 자석(13)의 착자 방향은, 회전축(11a)의 원주 방향을 따라서 교대로 반전하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 한 쌍의 스테이터(21)로부터 발생하는 회전 자속에 의해서, 로터(11)를 효율 좋게 회전시키는 것이 가능해진다.
상술한 바와 같은 본 실시 형태에 관한 축 간극 모터(10)에 의하면, 이하와 같은 이유에 의해, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능함과 아울러, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능해진다.
도 7은, 본 실시 형태의 축 간극 모터의 로터 근방의, 회전축의 원주 방향을 따른 모식적인 단면을 나타내는 도면이다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 축 간극 모터(10)에서는, 복수의 비희토류 자석(13) 및 복수의 자성체부(15)는, 로터(11)의 한 쌍의 스테이터(21)와의 대향면(11S)을 규정하기 위해, 복수의 비희토류 자석(13)의 한 쌍의 자성체부(15)측의 면(대향면(11S)의 일부)에는, 로터 백 코어 등의 부재는 조금도 존재하지 않는다. 이 때문에, 그러한 부재 때문에 비희토류 자석(13)이 얇게 되어 버리는 일은 없으므로, 로터(11) 전체의 체적 중 자성체부(15)의 체적이 차지하는 비율을 크게 할 수 있다. 그 결과, 로터(11) 전체의 체적 중 비희토류 자석(13)의 체적이 차지하는 비율이 작은 것에 기인하는 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능해진다.
또, 비희토류 자석(13)의 착자 방향은 회전축(11a)의 방향을 따라서 있기 때문에, 비희토류 자석(13)이 발생하는 자속(11m)에 의해서 자성체부(15)의 한 쌍의 스테이터(21)측의 면(대향면(11S)의 일부)이 같은 극으로 자화되지는 않는다. 이 때문에, 일방의 스테이터(21)로부터 타방의 스테이터(21)로 향하는 자속(21m)이 자성체부(15) 내를 경유하는 것은 방해되지 않기 때문에, 자성체부(15)의 한 쌍의 스테이터(21)측의 면이 같은 극으로 자화된 경우에 생기는 것과 같은 자기 저항 토크의 감소의 문제는 생기지 않는다.
또, 복수의 자성체부(15)의 투자율은, 복수의 비희토류 자석(13)의 투자율보다도 큰데다가, 복수의 비희토류 자석(13)의 한 쌍의 스테이터(21)측의 면(대향면(11S)의 일부)에는 연자성 재료로 이루어진 부재는 존재하지 않기 때문에, 스테이터(21)로부터 발생한 자속(21m)이 비희토류 자석(13)의 스테이터(21)측의 면의 방향으로 끌리는 것은 억제된다.(만일, 복수의 비희토류 자석(13)의 한 쌍의 스테이터(21)측의 면에서, d축 및 q축에 교차하는 영역에 로터 백 코어 등의 연자성 재료로 이루어진 부재가 존재하면, 스테이터(21)로부터 발생한 자속(21m)은 비희토류 자석(13)의 스테이터(21)측의 면의 방향, 즉 d축 방향으로 끌린다.)
이 때문에, 일방의 스테이터(21)로부터 발생하여 타방의 스테이터(21)로 향하는 자속(21m)의 대부분은 비희토류 자석(13)을 경유하지 않고, 복수의 비희토류 자석(13) 사이에 마련된 자성체부(15) 내를 경유한다. 그 결과, 스테이터(21)로부터 발생한 자속(21m)의 대부분은 자성체부(15) 내로 안내되기 때문에, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능하다. 또, 비희토류 자석(13) 내를 통과하는 자속에 의한 비희토류 자석(13)의 불가역 감자는 억제된다. 그 결과, 비희토류 자석(13) 내를 통과하는 자속에 의한 비희토류 자석(13)의 불가역 감자에 기인하는 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능하다.
이상과 같이, 본 실시 형태에 관한 축 간극 모터(10)에 의하면, 마그네트 토크의 감소를 억제하는 것이 가능함과 아울러, 자기 저항 토크를 증가시키는 것이 가능해진다.
또, 본 실시 형태에 관한 축 간극 모터(10)에서, 복수의 비희토류 자석(13)의 잔류 자속 밀도는, 200mT 이상, 600mT 이하인 것이 바람직하다. 단, 복수의 비희토류 자석(13)의 잔류 자속 밀도가 상기 범위 외라도, 축 간극 모터(10)는 상술의 효과를 발휘한다.
또, 본 실시 형태에 관한 축 간극 모터(10)에서, 복수의 비희토류 자석(13)의 리코일 투자율은, 1.0 이상, 2.0 이하인 것이 바람직하다. 단, 복수의 비희토류 자석(13)의 리코일 투자율이 상기 범위 외라도, 축 간극 모터(10)는 상술의 효과를 발휘한다.
게다가, 본 실시 형태에 관한 축 간극 모터(10)에서, 복수의 비희토류 자석(13)의 각각의 체적은, 복수의 자성체부(15)의 각각의 체적보다도 큰 것이 바람직하다(도 3 내지 도 7 참조). 이것에 의해, 마그네트 토크의 감소를 충분히 억제하는 것이 가능해진다.
또한, 상술의 실시 형태에서는, 로터(11)는, 마그네트 토크를 발생시키기 위한 영구 자석으로서 비희토류 자석(13)과 같은 비희토류 자석만을 가지고 있지만(도 3 내지 도 6 참조), 이와 같은 형태에 한정되지 않는다. 예를 들면, 로터(11)는, 마그네트 토크를 발생시키기 위한 영구 자석으로서, 비희토류 자석에 추가하여, 희토류 자석을 가지고 있어도 괜찮다.
본 실시 형태의 축 간극 모터(10)는, 예를 들면 하이브리드 자동차, 전기 자동차 등의 자동차나, 에어컨, 냉장고, 세탁기 등의 가전제품에 이용할 수 있다.
다음에, 실시예의 축 간극 모터에 대해서, 자석 온도는 75℃로 일정, 정격 (定格) 전류 밀도는 22Arms／mm2로 일정한 조건으로, 전류 위상을 0°(0 deg)에서 90°(90 deg)까지 변화시켜 3D－FTA 해석을 실시한 경우의 평균 토크의 추이에 대해서 조사했다. 도 8은, 본 해석에서 이용한 실시예의 여러 조건을 나타내는 도면이다. 도 9는, 상기 해석에 의거한, 실시예의 평균 토크 및 마그네트 토크의 전류 위상각 의존(位相角 依存)이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 평균 토크의 최대값은, 플롯(A)에서의 값, 즉, 전류 위상각이 50°(50 deg)에서의 355.0Nm였다. 이 때의 토크 밀도는 40.3Nm／L이며, 실용 레벨로 충분히 만족하고 있었다. 이것에 의해, 예를 들면 출력 밀도 5.68kW／L, 즉, 출력 50.2kW를 달성하는데, 규정 속도를 1350rpm 정도까지 내려지는 것을 알 수 있었다.
또, 도 9에서는, 전류 위상 각도가 0°(0 deg)의 경우의 평균 토크와 기준으로 한 마그네트 토크의 대략적인 추이도 나타내고 있다. 도 9에 나타내는 바와 같이, 평균 토크가 최대가 되는 전류 위상각 50°에서, 평균 토크 중 마그네트 토크의 비율은 약 36％이며, 평균 토크 중 자기 저항 토크의 비율은 약 64％인 것을 알 수 있었다. 이것에 의해, 실시예의 축 간극 모터의 평균 토크에서, 자기 저항 토크가 지배적이며, 자기 저항 토크를 유효하게 이용할 수 있는 것을 알 수 있었다.
도 10은, 상기 해석에 의거한, 로터의 페라이트 자석의 감자체적비(減磁 體積比)의 전류 밀도 의존성의 해석 결과를 나타내는 도면이다. 감자체적비란, 자석 전체에 대한 불가역 감자가 발생한 부분의 비율을 나타내는 값이다. 이 해석은, 회전 각도를 0°로 일정, 전류 위상각을 90°로 일정이라고 하는 불가역 감자가 가장 발생하기 쉬운 조건에서, 전류 밀도를 변화시키면서 실시했다. 또, 페라이트 자석은 저온 상태이면 불가역 감자가 생기기 쉽기 때문에, 페라이트 자석의 온도는, －20℃로 일정하게 했다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 전류 밀도가 낮을 때에는, 불가역 감자는 대부분 발생하지 않았다. 정격 전류 밀도인 22Arms／mm2에서 감자체적비는 약 5.6％이었다. 실시예에서는, 코어의 영구 자석으로서 불가역 감자가 생기기 쉬운 페라이트 자석을 이용하고, 게다가 저온 상태에서 22Arms／mm2 라고 하는 큰 전류를 흘린 경우라도, 불가역 감자는 조금밖에 생기지 않는 것을 알 수 있었다.
다음에, 실시예의 축 간극 모터에 대해서, 슬롯수(스테이터(21)가 가지는 코일부(25)의 수)와, 비희토류 자석(13)의 불가역 감자에 기인하는 U상쇄교자속(U相鎖交磁束)의 감소율에 대해서 조사했다.
구체적으로는, 슬롯수가, 15, 18, 24의 3개의 실시예에 관한 축 간극 모터를 준비했다. 이들 실시예의 코일의 권수(卷數)의 총량이 각각 동일하게 되도록, 스테이터(21)의 스테이터 코어(23)와 코일부(25)의 형상을 결정했다. 그 결과, 슬롯수가 15, 18, 24의 실시예에 관한 축 간극 모터의 턴수(코일의 권수)는, 각각 순서대로 20, 17, 13이 되었다. 극수(極數, 로터(11)가 가지는 비희토류 자석(13)의 수)는, 3개의 실시예 모두에서 10으로 했다.
이러한 실시예에 대해서, 회전 각도 0 deg 일정, 정격 전류 밀도 22Arms／mm2 일정, 자석 온도 -20℃, 또는, 75℃, 전류 위상각 90 deg 일정의 조건으로, 감 자에 관한 해석을 실시하고, U상쇄교자속의 감소율을 구했다.
도 11은, 슬롯수와 U상쇄교자속의 감소율의 관계를 나타내는 도면이다. 도 11에 나타내는 바와 같이, 슬롯수가 15 내지 24 범위인 실시예에서는, 슬롯수가 증가하는만큼, U상쇄교자속의 감소율이 작게 되었다. 자석 온도가 -20℃인 경우, 슬롯수가 18인 실시예의 U상쇄교자속의 감소율은 약 4.9％가 되고, 슬롯수가 25인 실시예의 U상쇄교자속의 감소율은 약 1.7％가 되었다. 이것에 의해, 슬롯수가 15 내지 24 범위인 실시예에서는, 슬롯수가 증가하는만큼, 불가역 감자에 대한 내성이 높게 되는 것을 알 수 있었다.
다음에, 실시예의 축 간극 모터에 대해서, 슬롯수를 24로 고정한 경우의 턴수와 평균 토크와의 관계를 조사했다.
구체적으로는, 턴수가 13, 14, 15, 16, 17, 18의 6개 실시예에 관한 축 간극 모터를 준비했다. 슬롯수는 6개 실시예 모두에서, 24로 했다. 극수는, 6개 실시예 모두에서 10으로 했다.
이들 실시예에 대해서, 자석 온도 75℃ 일정, 정격 전류 밀도 22Arms／mm2 일정, 전류 위상각 40 deg 일정한 조건으로, 평균 토크에 관한 해석을 실시했다.
도 12는, 실시예의 축 간극 모터에 대해서, 턴수와, 평균 토크 및 U상쇄교자속의 감소율과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 턴수가 16인 경우에, 평균 토크는 최대값(330.3Nm)이 되었다. U상쇄교자속의 감소율은, 턴수의 증가와 함께, 증가했다. 턴수가 15인 경우, 평균 토크도 충분히 크고, U상쇄교자속의 감소율은 2.7％로 매우 작은 값이 되었다. 이들 결과보다, 평균 토크와 U상쇄교자속의 감소율을 양방 모두 고려한 경우, 최적인 턴수는 15인 것을 알 수 있었다.
다음에, 실시예의 축 간극 모터에 대해서, 비희토류 자석(13)의 회전축(11a)의 원주 방향을 따른 방향의 폭과, 토크의 크기 및 토크 리플(ripple)과의 관계를 조사했다.
구체적으로는, 비희토류 자석(13)의 폭(비희토류 자석(13)의 회전축(11a)의 원주 방향을 따른 방향의 폭)을, 18deg에서 26.4deg까지, 1.2deg 씩 변경한 8개의 실시예에 관한 축 간극 모터를 준비했다. 슬롯수는 8개 모두의 실시예에서 24로 했다. 턴수는 8개 모두의 실시예에서 15로 했다. 극수는 8개의 실시예 모두에서 10으로 했다.
이들 실시예에 대해서, 자석 온도 75℃ 일정, 정격 전류 밀도 22Arms／mm2 일정, 전류 위상각 40 deg 일정한 조건으로, 평균 토크에 관한 해석을 실시했다.
도 13은, 실시예의 축 간극 모터에 대해서, 비희토류 자석의 폭과 평균 토크 및 토크 리플과의 관계를 나타내는 도면이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 토크 리플은, 비희토류 자석의 폭이 18deg에서 26.4deg까지의 범위에서, 9％ 미만의 매우 작은 값이 되었다. 또, 평균 토크는, 비희토류 자석의 폭이 24deg인 경우에 최대값이 되었다. 이들 결과로부터, 최적인 비희토류 자석의 폭이 24deg인 것을 알 수 있었다.
10 … 축 간극 모터 11 … 로터
11S … 로터의 스테이터와의 대향면 13 … 비희토류 자석
15 … 자성체부 17c … 비자성체부(이간 부재)
17g … 공간 갭 21 … 스테이터
G … 갭

Claims (6)

  1. 로터와,
    상기 로터의 회전축의 방향으로부터 갭을 사이에 두고 상기 로터를 끼우도록, 상기 로터와 대향하여 마련된 한 쌍의 스테이터를 구비하며,
    상기 로터는,
    상기 회전축의 원주 방향을 따라서 서로 이간(離間)하여 마련된 복수의 비희토류 자석(非希土類 磁石)과,
    상기 복수의 비희토류 자석 사이에 비자성체부(非磁性體部) 또는 공간 갭을 사이에 두고 마련된 복수의 자성체부를 가지며,
    상기 복수의 비희토류 자석의 착자(着磁) 방향은, 각각 상기 회전축의 방향을 따라서 있고,
    상기 복수의 자성체부의 투자율(透磁率)은, 상기 복수의 비희토류 자석의 투자율보다도 크고,
    상기 복수의 비희토류 자석 및 상기 복수의 자성체부는, 상기 로터의 상기 한 쌍의 스테이터와의 대향면을 규정하는 것을 특징으로 하는 축 간극 모터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 비희토류 자석의 잔류 자속(磁束) 밀도는, 200mT 이상, 600mT 이하인 것을 특징으로 하는 축 간극 모터.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 복수의 비희토류 자석의 리코일(recoil) 투자율은, 1.0 이상, 2.0 이하인 것을 특징으로 하는 축 간극 모터.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 비희토류 자석의 착자 방향은, 상기 회전축의 원주 방향을 따라서 교대로 반전(反轉)하는 것을 특징으로 하는 축 간극 모터.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 비희토류 자석의 각각의 체적은, 상기 복수의 자성체부의 각각의 체적보다도 큰 것을 특징으로 하는 축 간극 모터.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비희토류 자석은, 페라이트 자석인 것을 특징으로 하는 축 간극 모터.
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