KR20120124434A

KR20120124434A - 영구 자석 회전기

Info

Publication number: KR20120124434A
Application number: KR1020127020472A
Authority: KR
Inventors: 다이 히구찌
Original assignee: 신에쓰 가가꾸 고교 가부시끼가이샤
Priority date: 2010-02-05
Filing date: 2011-02-04
Publication date: 2012-11-13
Also published as: EP2533403A1; CN102804552B; US20120299408A1; US9583999B2; KR101774071B1; EP2533403B1; JP5606459B2; WO2011096521A1; DK2533403T3; EP2533403A4; ES2746507T3; CN102804552A; JPWO2011096521A1

Abstract

본 발명은 영구 자석의 열 열화에 관해서, 영구 자석 회전기의 신뢰성을 높이는 기술을 제공한다. 구체적으로는, 회전 샤프트, 상기 회전 샤프트에 연결되어 상기 회전 샤프트와 함께 회전하는 회전자, 고정자, 및 상기 회전자 또는 상기 고정자에 고착되어 있는 영구 자석을 수납하는 하우징과, 냉각용 공기를 상기 하우징 내에 관류시키기 위해, 상기 하우징의 일단에 설치한 흡기구와, 타단에 설치한 공기를 배기구와, 상기 냉각용 공기를 상기 흡기구에 보내는 송풍기를 구비하고, 상기 영구 자석의 자력을 이용하여 구동하는 영구 자석 회전기이며, 상기 영구 자석 중 상기 배기구측의 영구 자석이 상기 흡기구측의 영구 자석보다도 높은 보자력을 갖는 영구 자석 회전기를 제공한다.

Description

영구 자석 회전기 {PERMANENT MAGNET ROTARY MACHINE}

본 발명은 모터나 발전기 등으로서 사용할 수 있는 영구 자석 회전기에 관한 것이다.

Nd-Fe-B계 영구 자석은, 그의 우수한 자기 특성 때문에 점점 더 용도가 확대되고 있다. 최근 모터나 발전기 등의 회전기 분야에서도 기기의 경박 단소화, 고성능화, 에너지 절약화에 따라 Nd-Fe-B계 영구 자석을 이용한 영구 자석 회전기가 개발되고 있다.

회전기 중 영구 자석은 권취선이나 철심의 발열에 의해 고온에 노출되고, 또한 권취선으로부터의 반자계에 의해 매우 감자(減磁)하기 쉬운 상황하에 있다. 이 때문에, 내열성, 내감자성의 지표가 되는 보자력이 일정 이상이고, 자력 크기의 지표가 되는 잔류 자속 밀도가 가능한 한 높은 Nd-Fe-B계 소결 자석이 요구되고 있다. 보자력이 큰 R-Fe-B계 소결 자석(R은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소)의 제조 방법으로는, 이른바 입계 확산 합금법이 알려져 있다(특허문헌 1). 또한, 이 입계 확산 합금법을 이용하여 잔류 자속 밀도의 저하가 없으며, 특히 영구 자석 단부의 보자력이 큰 R-Fe-B계 소결 자석의 영구 자석 회전기가 제안되어 있다(특허문헌 2). 특허문헌 3은, 축 방향 갭형(axial gap-type) 영구 자석 회전기의 내부 공간의 이용 효율이 높은 영구 자석의 배치를 제안한다.

WO 2006-043348호 일본 특허 공개 제2008-61333호 공보 일본 특허 공개 제2009-72009호 공보

권취선이나 철심의 발열에 의한 자기 특성의 열화를 방지하기 위해, 상술한 영구 자석의 재료 성능을 높이는 화학적 접근과 함께, 발생된 열을 냉각하는 물리적 접근이 있다. 후자로서, 송풍기를 이용하여 냉각용 공기를 보냄으로써 영구 자석을 냉각하는 것이 행해지고 있다. 그러나, 영구 자석의 열 열화에 대하여 영구 자석 회전기의 신뢰성을 더욱 높이는 기술이 요구되고 있다.

본 발명자는 송풍기로부터의 냉각용 공기에 의해 영구 자석을 냉각하는 회전기에서 회전기의 효율 저하의 원인을 검토한 바, 영구 자석의 열 열화의 정도에는 차가 있고, 특히 배기구측의 영구 자석의 열화에 기인하는 것을 발견하였다. 즉, 흡기구측으로부터 배기구측으로 유동하는 냉각용 공기 자체의 온도 상승이 영구 자석의 열 열화를 발생시키는 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다.

본 발명은 회전 샤프트, 상기 회전 샤프트로 연결되어 상기 회전 샤프트와 함께 회전하는 회전자, 고정자, 및 상기 회전자 또는 상기 고정자에 고착되어 있는 영구 자석을 수납하는 하우징과,

냉각용 공기를 상기 하우징 내에 관류시키기 위해, 상기 하우징의 일단에 설치한 흡기구와, 타단에 설치한 공기를 배기구와,

상기 냉각용 공기를 상기 흡기구에 보내는 송풍기를 구비하고, 상기 영구 자석의 자력을 이용하여 구동하는 영구 자석 회전기이며,

상기 영구 자석 중 상기 배기구측의 영구 자석이 상기 흡기구측의 영구 자석보다도 높은 보자력을 갖는 영구 자석 회전기를 제공한다. 고정자는 하우징에 직접적 또는 간접적으로 고정될 수 있다. 배기구측의 영구 자석에 흡기구측의 영구 자석보다도 높은 보자력을 갖게 하기 위해서는, 흡기구측으로부터 배기구측을 향하여 영구 자석의 보자력을 단계적으로 높이는 것도 포함된다.

본 발명에 따르면, 배기구측의 영구 자석에 흡기구측의 영구 자석보다도 높은 보자력을 갖게 함으로써, 영구 자석의 열 열화를 억제할 수 있으며, 영구 자석 회전기의 구동 효율이나 발전 효율 등의 저하를 억제할 수 있다.

[도 1] 원주 방향 갭형(radial gap-type) 모터 중 하나의 실시 형태의 회전축 방향에서의 정면도를 나타낸다.
[도 2] 원주 방향 갭형 모터의 다른 실시 형태의 구조를 나타낸다.
[도 3] 축 방향 갭형 발전기 중 하나의 실시 형태를 나타낸다.
[도 4] 도 3에 나타내는 발전기의 회전축 방향에서의 정면도인 도 4(A), 측면도인 도 4(B), A-A선을 따른 단면도인 도 4(C)를 나타낸다.
[도 5] 실시예 1에서 사용한 SPM 모터의 회전자를 나타낸다.
[도 6] 실시예 1에서 사용한 자석의 형상을 나타낸다.
[도 7] 실시예 1에서 사용한 자석의 적층을 나타낸다.
[도 8] 도 8(A)는 실시예 2에서 사용한 단부 회전자를 영구 자석측의 회전축 방향으로부터 나타내고, 도 8(B)는 실시예 2에서 사용한 단부 회전자의 B-B선을 따른 단면을 치수와 함께 나타낸다.
[도 9] 도 9(A)는 실시예 2에서 사용한 내부 회전자를 회전축 방향으로부터 나타내고, 도 9(B)는 실시예 2에서 사용한 내부 회전자의 C-C선을 따른 단면을 치수와 함께 나타낸다.
[도 10] 도 10(A)는 실시예 2에서 사용한 고정자를 회전축 방향으로부터 나타내고, 도 10(B)는 실시예 2에서 사용한 고정자의 D-D선을 따른 단면을 나타내고, 각각 사용한 치수를 기재한다.
[도 11] 도 11(A)는 실시예 3에서 사용한 단부 회전자를 반상 구조물측의 회전축 방향으로부터 치수와 함께 나타내고, 도 12(B)는 실시예 3에서 사용한 단부 회전자를 영구 자석측의 회전축 방향으로부터 나타내고, 도 12(C)는 실시예 3에서 사용한 단부 회전자의 E-E선을 따른 단면을 치수와 함께 나타낸다.
[도 12] 실시예 4에서 사용한 축 방향 갭형 모터의 내부 구조를 치수와 함께 나타낸다.
[도 13] 실시예 4에서 사용한 축 방향 갭형 모터를 나타낸다.

하우징 내를 흡기구측으로부터 배기구측으로 유동하는 냉각용 공기 자체의 온도 상승이 영구 자석의 열 열화를 발생시킨다. 특히, 회전 샤프트의 회전축을 따른 하우징 내부의 길이 L과, 회전 샤프트의 회전축에 수직인 하우징 내부의 단면의 직경 D의 비인 L/D가 1 이상이 되면, 회전축을 따라 흡기구측으로부터 배기구측을 향하는 냉각용 공기의 온도 분포의 영향이 커진다. 사용 조건에 따라 다르지만, 예를 들면 영구 자석 회전기를 풍력 발전기로서 사용하고, 송풍기에 의해 외기를 냉각용으로 도입하는 경우, 흡기구 부근에서는 즉시 100 ℃로 상승하고, 배기구에서는 적어도 120 ℃의 공기가 되어 배출된다. 따라서, 배기구측의 영구 자석이 감자하기 쉬워져 발전의 효율이 저하된다.

본 발명에 따르면, 영구 자석 회전기에 이용되는 영구 자석 중, 냉각용 공기의 배기구측의 영구 자석을 흡기구측의 영구 자석보다도 높은 보자력을 갖는 것으로 한다. 종래에는 발전기의 발전 효율의 저하나 모터의 구동 효율의 저하는 사용하는 영구 자석 전체의 내열성을 높일 필요가 있는 것이라고 생각되었지만, 의외로 일부의 영구 자석의 보자력을 증가시키는 것만으로 이들 저하를 억제할 수 있다. 이에 따라, 비용적으로도 유리해진다.

본 발명에 따르면, 영구 자석의 보자력에 분포를 형성하지만, 영구 자석의 잔류 자속 밀도 Br은 실질적으로 동일(바람직하게는 ±0.02 테슬라의 범위)하게 하는 것이 바람직하다. 배기구측과 흡기구측의 영구 자석의 잔류 자속 밀도 Br의 차가 커지면, 토크가 저하되어 발전 효율이나 구동 효율이 저하된다. 따라서, 영구 자석의 잔류 자속 밀도 Br을 실질적으로 동일하게 유지하면서, 배기구측의 영구 자석의 보자력을 흡기구측의 영구 자석보다도 높게 하는 것이 바람직하다.

자석 제품의 성능 표시로서 잔류 자속 밀도 Br과 고유 보자력 Hcj를 나타내는 것이 일반적으로 행해지기 때문에, 잔류 자속 밀도 Br을 실질적으로 동일하게 유지하면서, 배기구측의 영구 자석으로서 흡기구측의 영구 자석보다도 보자력 Hcj가 높은 것을 선택할 수 있다. 배기구측의 영구 자석으로서, 후술하는 이른바 입계 확산 합금법(예를 들면 특허문헌 1)에 의한 표면 처리에 의해 보자력을 높인 영구 자석을 사용할 수도 있다.

본 발명의 영구 자석 회전기에 이용하는 영구 자석은 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 Nd-Fe-B계 소결 자석 등을 포함하는 R¹-Fe-B계 조성(R¹은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상을 나타냄)을 갖는 소결 자석체이다. 바람직하게는, R¹-Fe-B계 조성을 갖는 소결 자석체 중에 잔류 자속 밀도 Br을 실질적으로 동일하게 유지하면서, 배기구측의 영구 자석으로는 흡기구측의 영구 자석보다도 보자력 Hcj가 높은 것을 선택할 수 있다.

또한, 잔류 자속 밀도 Br을 실질적으로 동일하게 유지하면서, 배기구측의 영구 자석으로서 흡기구측의 영구 자석보다도 보자력 Hcj가 높은 것을 선택하는 대신에, 더욱 바람직하게는 배기구측의 영구 자석과 흡기구측의 영구 자석을 동일한 종류로 하고, 배기구측의 영구 자석으로는 이른바 입계 확산 합금법에 의해 보자력을 높이는 표면 처리를 실시하는 것을 사용할 수도 있다. 입계 확산 합금법에 의한 표면 처리는, 잔류 자속 밀도 Br을 실질적으로 동일하게 유지하면서 보자력을 높일 수 있기 때문에 유리하다.

입계 확산 합금법에 의한 표면 처리에 의해 보자력을 높인 배기구측의 영구 자석은, 바람직하게는 R¹-Fe-B계 조성(R¹은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상을 나타냄)을 갖는 소결 자석체이고, R²의 산화물, R³의 불화물 및 R⁴의 산불화물(R², R³ 및 R⁴는 독립적으로 각각 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타냄)로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 분말을 상기 소결 자석체의 표면에 존재시킨 상태에서, 상기 소결 자석체 및 상기 분체를 상기 소결 자석체의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에서 열처리를 실시함으로써 얻어진 것이다.

R¹-Fe-B계 조성을 포함하는 소결 자석체는 R¹, Fe 및 B를 함유한다. R¹은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상이며, 구체적으로는 Y, Sc, La, Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Yb 및 Lu를 들 수 있고, 바람직하게는 Nd, Pr 및 Dy로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함한다. 이들 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소는 합금 전체의 10 내지 15 원자％, 특히 12 내지 15 원자％인 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 R¹ 중에 Nd와 Pr 또는 그 중 어느 1종을 10 원자％ 이상, 특히 50 원자％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. B는 3 내지 15 원자％, 특히 4 내지 8 원자％ 함유하는 것이 바람직하다. 그 밖에 Al, Cu, Zn, In, Si, P, S, Ti, V, Cr, Mn, Ni, Ga, Ge, Zr, Nb, Mo, Pd, Ag, Cd, Sn, Sb, Hf, Ta 및 W 중으로부터 선택되는 1종 이상을 0 내지 11 원자％, 특히 0.1 내지 5 원자％ 함유할 수도 있다. 잔부는 Fe 및 C, N, O 등의 불가피한 불순물이지만, Fe는 50 원자％ 이상, 특히 65 원자％ 이상 함유하는 것이 바람직하다. 또한, Fe의 일부, 예를 들면 Fe의 0 내지 40 원자％, 특히 0 내지 15 원자％를 Co로 치환하여도 관계없다.

소결 자석체 표면에는 R²의 산화물, R³의 불화물 및 R⁴의 산불화물로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 분말 22를 존재시킨다. 또한, R², R³ 및 R⁴는 독립적으로 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상이고, 각각 R², R³ 및 R⁴ 중 바람직하게는 10 원자％ 이상, 보다 바람직하게는 20 원자％ 이상, 특히 40 원자％ 이상의 Dy 또는 Tb를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 R³의 불화물 및/또는 R⁴의 산불화물을 함유하는 분말에서, R³ 및/또는 R⁴에 10 원자％ 이상의 Dy 및/또는 Tb가 포함되며, R³ 및/또는 R⁴에서의 Nd와 Pr의 합계 농도가 상기 R¹에서의 Nd와 Pr의 합계 농도보다 낮은 것이 본 발명의 목적에서 바람직하다.

R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물은 바람직하게는 각각 R² ₂O₃, R³F₃, R⁴OF이지만, 이것 이외의 R²O_n, R³F_n, R⁴O_mF_n(m, n은 임의의 양수)이나, 금속 원소에 의해 R², R³, R⁴의 일부를 치환하거나 안정화된 것 등, 본 발명의 효과를 달성할 수 있는 R²와 산소를 포함하는 산화물, R³과 불소를 포함하는 불화물, R⁴와 산소와 불소를 포함하는 산불화물을 가리킨다.

분말을 존재시키는 방법(분말 처리 방법)으로는, 예를 들면 R²의 산화물, R³의 불화물 및 R⁴의 산불화물로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 미분말을 물 또는 유기 용제에 분산시키고, 이 슬러리에 자석체를 침지한 후에 열풍이나 진공에 의해 건조시키거나 자연 건조시키는 방법을 들 수 있다. 그 밖에 스프레이에 의한 도포 등도 가능하다. 어느 구체적 수법이든, 매우 간편하고 대량으로 처리할 수 있는 것이 특징이라 할 수 있다. 상기 미분말의 입경은 분말의 R², R³ 또는 R⁴ 성분이 자석에 흡수될 때의 반응성에 영향을 미치며, 입자가 작을수록 반응에 관여하는 접촉 면적이 증대된다. 본 발명에서의 효과를 달성시키기 위해서는, 존재시키는 분말의 평균 입경은 100 ㎛ 이하, 바람직하게는 10 ㎛ 이하가 바람직하다. 그의 하한은 특별히 제한되지 않지만 1 nm 이상이 바람직하다. 또한, 이 평균 입경은, 예를 들면 레이저 회절법 등에 의한 입도 분포 측정 장치 등을 이용하여 질량 평균값 D₅₀(즉, 누적 질량이 50％가 될 때의 입경 또는 메디안 직경)으로서 구할 수 있다.

자석 표면 공간에서의 분말의 존재율은 높을수록 흡수되는 R², R³ 또는 R⁴의 양이 많아지기 때문에, 본 발명에서의 효과를 달성시키기 위해, 상기 분말의 존재율은 자석 표면으로부터 거리 1 mm 이내의 자석을 둘러싸는 공간 내에서의 평균적인 값으로 10 용적％ 이상이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 40 용적％ 이상이다.

자석 표면에 존재시키는 분말은 R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물 또는 이들 혼합물을 함유하고, 그 밖에 R⁵(R⁵는 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상)의 탄화물, 질화물, 수산화물, 수소화물 중 적어도 1종 또는 이들 혼합물 또는 복합물을 포함할 수도 있으며, R³의 불화물 및/또는 R⁴의 산불화물을 이용하는 경우, R⁵의 산화물을 포함할 수도 있다. 또한, 분말의 분산성이나 화학적?물리적 흡착을 촉진시키기 위해 붕소, 질화붕소, 규소, 탄소 등의 미분말이나 스테아르산(지방산) 등의 유기 화합물을 포함할 수도 있다. 본 발명의 효과를 고효율로 달성하기 위해서는, R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물 또는 이들 혼합물이 분말 전체에 대하여 10 질량％ 이상, 바람직하게는 20 질량％ 이상 포함된다. 특히, 주성분으로서 R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물이 분말 전체에 대하여 50 질량％ 이상, 보다 바람직하게는 70 질량％ 이상, 더욱 바람직하게는 90 질량％ 이상 함유하는 것이 장려된다.

R²의 산화물, R³의 불화물, R⁴의 산불화물 또는 이들 혼합물을 포함하는 분말을 자석 표면에 존재시킨 상태에서, 자석과 분말은 진공 또는 아르곤, 헬륨 등의 불활성 가스 분위기 중에서 열 처리된다(이 처리는 "흡수 처리"라고도 함).

이 흡수 처리 온도는 소결 자석체의 소결 온도 이하이다. 소결 자석체의 소결 온도(T_s℃라 함)보다 높은 온도에서 처리하면, (1) 소결 자석의 조직이 변질되어 높은 자기 특성이 얻어지지 않게 되고, (2) 열 변형에 의해 가공 치수를 유지할 수 없게 되며, (3) 확산시킨 R이 자석의 결정립계면뿐만 아니라 내부에까지 확산되어 잔류 자속 밀도가 저하되는 등의 문제가 발생하기 때문에, 처리 온도는 소결 온도 이하, 바람직하게는 (T_s-10) ℃ 이하로 한다. 또한, 온도의 하한은 적절하게 선정되지만, 통상 350 ℃ 이상이다. 흡수 처리 시간은 1 분 내지 100 시간이다. 1 분 미만이면 흡수 처리가 완료되지 않으며, 100 시간을 초과하면 소결 자석의 조직이 변질되는 불가피한 산화나 성분의 증발이 자기 특성에 나쁜 영향을 미친다는 문제가 발생하기 쉽다. 보다 바람직하게는 5 분 내지 8 시간, 특히 10 분 내지 6 시간이다.

이상과 같은 흡수 처리에 의해, 자석 내의 희토류가 풍부한 입계상 성분에 자석 표면에 존재시킨 분말에 포함되어 있던 R², R³ 또는 R⁴가 농화하고, 이 R², R³ 또는 R⁴가 R¹-Fe-B계 조성물의 표층부 부근에서 치환된다. 또한, 분말에 R³의 불화물 또는 R⁴의 산불화물이 포함되어 있는 경우, 이 분말에 포함되어 있는 불소는 그의 일부가 R³ 또는 R⁴와 함께 자석 내에 흡수됨으로써, R³ 또는 R⁴의 분말로부터의 공급과 자석의 결정립계에서의 확산을 현저히 높인다.

R²의 산화물, R³의 불화물 및 R⁴의 산불화물에 포함되는 희토류 원소는 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상이지만, 상기 표층부에 농화하여 결정 자기 이방성을 높이는 효과가 특히 큰 원소는 Dy, Tb이기 때문에, 분말에 포함되어 있는 희토류 원소로는 Dy 및 Tb의 비율이 합계로 10 원자％ 이상인 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 20 원자％ 이상이다. 또한, R², R³ 및 R⁴에서의 Nd와 Pr의 합계 농도가 R¹의 Nd와 Pr의 합계 농도보다 낮은 것이 바람직하다.

이 흡수 처리의 결과, 잔류 자속 밀도의 감소를 거의 수반하지 않고 R¹-Fe-B계 소결 자석의 보자력이 효율적으로 증대된다.

본 발명의 영구 자석 회전기는, 예를 들면 하우징 내에 회전 샤프트와, 회전 샤프트로 연결되어 회전 샤프트와 함께 회전하는 회전자 코어(로터 코어) 및 회전자 코어의 외주면에 장착된 복수개의 영구 자석을 구비하는 회전자와, 회전자의 외주면에 공극을 통해 배치한 복수의 슬롯을 갖는 고정자 코어(스테이터 코어) 및 고정자 코어에 권취된 코일을 구비하는 고정자를 구비하는 원주 방향 갭형 모터로서 사용할 수 있다. 고정자는 하우징에 직접적 또는 간접적으로 고정될 수 있다. 하우징 내의 발열을 제어하는 냉각용 공기를 보내기 위한 송풍기를 구비하고, 냉각용 공기를 하우징 내에 관통시키기 위해 예를 들면 회전자의 외주면과 고정자 사이의 공극 및/또는 회전자 코어의 내부에 회전자의 회전축을 따라 설치한 홀에 흐르게 할 수 있도록 흡기구와 배기구를 배치한다.

원주 방향 갭형 모터 중 하나의 실시 형태의 회전축 방향에서의 정면도를 도 1에 나타낸다. 원주 방향 갭형 모터 (10)은 회전 샤프트 (11)과, 회전자 코어 (13)의 외주면에 복수개의 영구 자석 (14)를 장착한 회전자 (12)와, 회전자 (12)의 외주면에 공극(갭)을 통해 배치된 복수의 슬롯을 갖는 고정자 코어 (16)과 티스(teeth)에 권취된 코일 (17)을 포함하는 고정자 (15)로 구성되어 있다. 도 1에 나타내는 영구 자석 회전기의 경우, 영구 자석의 극수는 6, 티스의 수는 9이고, 영구 자석 내의 화살표는 영구 자석의 자화 방향을 나타내고 있다. 영구 자석은 평행한 자장 중에서 배향이 이루어지며, 용이한 자화 방향은 자석의 중심선에 평행하게 되어 있다. 또한, 코일은 티스에 집중 권취로 권취되고, U상 V상 W상의 3상의 Y 결선이 이루어져 있다. 코일의 ● 표시는 코일의 권취 방향이 전방이고, × 표시는 코일의 권취 방향이 후방인 것을 의미하고 있다. FM은 계자 방향을 나타내고, M은 자화 방향을 나타낸다.

도 2는 원주 방향 갭형 모터의 다른 실시 형태의 구조를 나타낸다.

원주 방향 갭형 모터 (20)은 회전 샤프트 (21)과, 회전자 코어 (23)의 외주면에 복수개의 영구 자석 (24)를 장착한 회전자 (22)와, 회전자 (22)의 외주면에 공극(갭)을 통해 배치된 복수의 슬롯을 갖는 고정자 코어 (26)과 티스에 권취된 코일 (27)을 포함하는 고정자 (25)로 구성되어 있다. 도 2에서는, 회전축을 따라 24a, 24b, 24c, 24d의 자석을 배치하고 있다. 송풍기에 의해 하우징의 흡기구(도시하지 않음)로부터 도입된 공기는, 회전 코어 (23) 내의 회전 샤프트 (21)을 따라 설치한 홀 (28)을 통과하여 하우징의 배기구(도시하지 않음)로부터 도출된다. 배기구측에 있는 영구 자석 (24c, 24d)가 흡기구측의 영구 자석 (24a, 24b)보다도 높은 보자력을 갖는 영구 자석을 이용함으로써, 회전기의 구동 효율의 저하를 억제할 수 있다.

본 발명의 영구 자석 회전기는, 축 방향 갭형 모터로서도 사용할 수 있다.

본 발명의 영구 자석 회전기는, 예를 들면 회전 샤프트와, 상기 회전 샤프트의 축 방향에 간격을 두고 배치된 2개의 단부 회전반 및 상기 2개의 단부 회전반의 대향면에 각각 배치된 영구 자석을 구비하고, 상기 회전 샤프트와 일체로 회전 이동 가능한 2단의 단부 회전자와, 상기 2단의 단부 회전자가 형성하는 공극에 간격을 두고 배치된 회전반 및 상기 회전반에 지지된 영구 자석을 구비하고, 상기 회전 샤프트와 일체로 회전 이동 가능한 적어도 1단의 내부 회전자와, 상기 단부 회전자 및 내부 회전자가 형성하는 각 공극에 배치된 고정반 및 이 고정반에 지지된 고정자 코일을 구비하고, 상기 회전 샤프트의 회전으로부터 분리되어 있는 적어도 2단의 고정자를 구비한 축 방향 갭형 발전기에 사용할 수 있다. 영구 자석이 배열된 반상의 회전자는 적어도 3단 이상 배치하고, 이들의 회전자가 형성하는 적어도 2개소 이상의 각 갭에 고정자 코일을 갖는 고정자를 배치하여, 회전자와 고정자를 합계로 적어도 5단 이상 교대로 회전축 방향에 간격을 두고 적층한다. 고정자는 하우징에 직접적 또는 간접적으로 고정될 수 있다. 회전 샤프트에 프로펠라를 설치하면 풍력 발전기를 제공할 수 있다.

하우징 내의 발열을 제어하는 냉각용 공기를 보내기 위한 송풍기를 구비하고, 냉각용 공기를 하우징 내에 관통시키기 위해, 예를 들면 단부 회전자 및 내부 회전자의 외주면과 하우징 사이의 공극 및/또는 단부 회전자, 내부 회전자 및 필요하면 고정자의 내부에 회전 샤프트의 회전축을 따라 설치한 홀에 흐르게 할 수 있도록 흡기구와 배기구를 배치한다.

이 발전기는 특허문헌 3에 나타낸 바와 같이, 바람직하게는 상기 영구 자석이 상기 회전축의 축 방향으로 자화 방향을 가지며, 상기 단부 회전자 및 내부 회전자의 각 회전반에서 회전축을 중심으로 하는 2개 이상의 이경(異徑) 동심원의 각 원주 상에 4극 이상의 자극수를 가지도록 등간격으로 배치되고, 상기 각 회전반의 영구 자석이 배치된 이경 동심원에 상대하는 상기 고정반의 이경 동심원의 각 원주 상에 상기 고정자 코일이 3개 이상 등간격으로 배치되어 있다.

이 축 방향 갭형 발전기 중 하나의 실시 형태를 도 3 및 도 4에 나타낸다. 도 3은 사시도, 도 4는 회전축 방향에서의 정면도인 도 4(A), 측면도인 도 4(B), A-A선을 따른 단면도인 도 4(C)를 나타낸다. 도 4(C)에는 공기의 흐름을 기재하고 있다.

회전력을 전하는 회전 샤프트 (31)은 발전기의 하우징(도시하지 않음)에 베어링을 통해 회전 가능하게 지지되어 있다. 회전 샤프트 (31)의 일단은 프로펠라 등에 결합 가능하고, 회전력이 발전기 (30)에 전달된다. 회전 샤프트 (31)에는 회전자 (32e), (32i)가 체결되어 있어 회전 샤프트와 동일한 시기에 회전자가 회전한다. 발전기 (30)은 회전 샤프트와 연결되는 반상 구조물 (33e, 33i)에 복수 배치된 영구 자석 (34ea, 34eb, 34ia, 34ib)를 회전자 (32e, 32i)와, 이 영구 자석의 회전 궤도와 대향하는 위치에 반상 구조물 (36)에 복수의 코일 (37a, 37b)를 배열한 고정자 (35)를 가지고, 이들 회전자와 고정자가 교대로 적층된 구조이다. 이 예에서는, 회전자는 3단을 구성하고, 그 사이에 코일을 구비한 고정자가 협지된다. 송풍기에 의해 하우징의 흡기구(도시하지 않음)로부터 도입된 공기는, 일단의 회전자 (32e)로부터 회전 샤프트 (31)을 따라 흘러, 타단의 회전자 (32e)를 거쳐 배기구(도시하지 않음)로부터 도출된다. 배기구측에 있는 단부 회전자 (32e)에 구비된 영구 자석 (34ea, 34eb) 및 내부 회전자 (32i)가 복수개 있는 경우는 배기구측의 영구 자석 (34ia, 34ib)가 흡기구측의 영구 자석보다도 높은 보자력을 갖는 영구 자석을 이용함으로써, 회전기의 발전 효율의 저하를 억제할 수 있다.

또한, 회전 샤프트 (31) 부근의 공기의 흐름을 양호하게 하기 위해, 회전자 (32e, 32i), 고정자 (35) 중 어느 하나 또는 양쪽에 관통 구멍을 설치할 수도 있다. 또한, 도 8에는 관통 구멍을 설치한 회전자의 예를 도시한다.

또한, 회전자 (32e, 32i)나 고정자 (35) 중 어느 하나 또는 양쪽에 관통 구멍이 없는 경우, 회전 샤프트 (31)을 따라 흐른 공기는 회전자나 고정자에 충돌하여, 일단 직경 방향으로 흐르기 때문에, 도 10과 같이 배기구를 직경 방향측에 설치할 수도 있다.

본 발명의 영구 자석 회전기는, 원주 방향 갭형 발전기로서도 사용할 수 있다.

본 발명의 영구 자석 회전기로서, 영구 자석을 회전자, 코일을 고정자에 고착시킨 예를 상술하였지만, 영구 자석을 고정자, 코일을 회전자에 고착시킬 수도 있다.

<실시예>

이하, 실시예 및 비교예를 들어 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명이 하기의 실시예로 제한되는 것은 아니다.

1. 원주 방향 갭형 모터 (실시예 1 및 비교예 1 내지 3)

<실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 사용한 모터>

도 5에 나타낸 바와 같이, 로터 직경 φ 180 mm, 고정자 프레임을 포함하는 외경 φ 220 mm, 축 길이 250 mm, 샤프트 직경 φ 30 mm로 8극, 12슬롯의 SPM 모터를 제조하였다. 본 회전자는 축 방향으로 4개의 영구 자석을 이용하여 1개의 극을 구성하고 있다. 모터의 성능은 최대 에너지곱 350 kJ/㎥의 자석을 사용하여, 1000 rpm으로 30 Nm의 토크를 발생, 정격 3 kW로 하고, 이 회전수 1000 rpm, 토크 30 Nm를 정격 운전의 조건으로 하였다. 모터에는, 도 5에 나타낸 바와 같이 냉각용 구멍 (48)이 설치되어 있고, 이 구멍에 공기를 보냄으로써 강제 공냉 가능하다.

<실시예 1 및 비교예 1 내지 3에서 사용한 영구 자석>

도 6에는 사용한 자석 형상을 나타낸다. 깊이는 55 mm이다. 본 자석은 C형 형상이고 자화 방향은 직경 방향이다. 또한, 본 실시예에서 사용한 자석은 네오디뮴계 Nd-Fe-B 자석이다. 자석의 자기 특성을 하기 표 1에 나타낸다. 모든 자석의 실온에서의 최대 에너지곱은 350 kJ/㎥이다. 영구 자석으로서, 표 1에 나타내는 잔류 자속 밀도(Br)와 보자력(iHc)을 갖는 A, B, C, D의 4종류를 사용하였다. D의 자석은 입계 확산법을 적용한 후, 도 7에 나타낸 바와 같이 두께가 5 mm인 자석을 11매 적층하여 55 mm 길이로 접합한 것이다. D의 자석은 C의 자석을 모재로 하여, Tb를 포함하는 불소 화합물을 전체에 도포하고, Ar 분위기 중에서 900 ℃에서 1 시간의 열 처리에 의해 보자력을 향상시키는, 이른바 입계 확산 합금법을 적용시켰다.

실시예 1

상기한 SPM 모터의 회전자의 축 방향의 4단의 영구 자석으로서, 강제 공냉시의 풍상(風上)에서부터 순서대로 A, B, C, D를 부착하였다. 이 SPM 모터를 사용하여 3 시간 동안 정격 운전(제1 정격 운전)을 행하고, 로터의 양끝에서의 정격 운전시 로터의 표면 온도를 프레임에 설치한 구멍을 통해 방사 온도계를 이용하여 측정하였다. 회전자 양끝의 측정 온도를 각각 "흡기구측 측정 온도", "배기구측 측정 온도"로 하여 측정 결과를 하기 표 2의 "정격 운전"의 행에 나타내었다. 또한, 표 2 중 "추정 평균 온도"는 회전자 양끝의 평균 온도로 하였다.

그 후, 모터를 실온까지 냉각하고, 1 시간 동안 정격 운전(제2 정격 운전)을 행하고, 출력을 측정하였다. 제1 정격 운전과 제2 정격 운전의 출력 변화를 하기 표 3의 "정격 운전"의 란에 나타내었다. 또한, 그 후 일단 모터를 실온까지 냉각하고, 정격 운전의 20％ 과부하의 상태에서 1 시간 동안 운전을 한 경우의 출력을 측정하고, 그 때의 로터 온도를 하기 표 2의 "20％ 과부하 운전"의 행에 나타내고, 제1 정격 운전과의 출력 변화를 하기 표 3의 "20％ 과부하 운전"의 란에 나타내었다.

실시예 1에서는, 표 3으로부터 알 수 있는 바와 같이 모터 특성은 변화하지 않으며, 따라서 본 로터에 사용된 영구 자석에 감자는 없다는 것을 알 수 있다.

비교예 1

회전자의 축 방향의 4단의 영구 자석에 모두 B의 자석을 부착한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하였다. 결과를 표 2와 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 부하 운전을 실시한 경우, 모터 출력이 15％ 저하되어 있었다. 자석을 취출하여 조사한 바, 비교예 1의 4단의 자석 중 풍하(風下)측 2단의 자석이 감자하고 있고, 특히 4단째가 12％의 감자를 일으키고 있었다.

비교예 2

회전자의 축 방향의 4단의 영구 자석에 모두 C의 자석을 부착한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하였다. 결과를 표 2와 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 부하 운전을 실시한 경우, 모터 출력이 0.4％ 저하되어 있었다. 자석을 취출하여 조사한 바, 4단의 자석 중 가장 풍하측의 자석이 감자하고 있었다.

비교예 3

회전자의 축 방향의 4단의 영구 자석에 모두 D의 자석을 부착한 것 이외에는, 실시예 1과 동일하게 하였다. 결과를 표 2와 표 3에 나타내었다.

표 3에 나타낸 바와 같이, 부하 운전을 실시한 경우, 모터 출력은 저하되지 않았다.

표 3에는, 비교예 1의 회전자에 사용한 자석의 비용을 기준으로 하는 자석 비용과, 실시예 1의 회전자에 사용한 자석의 비용을 기준으로 하는 자석 비용도 나타내었다. 실시예 1 및 비교예 3에서 사용한 D의 자석은, 고가의 Tb를 사용하며 열 처리 공정을 포함하고 있기 때문에, A, B, C의 자석보다 고가이다. 이 때문에, 실시예 1보다 D의 자석의 사용 개수가 많은 비교예 3은, 실시예 1과 비교하여 비용이 비싸질 뿐 아니라, 희소 금속인 Tb의 사용량이 많아진다. 따라서, 본안을 적용함으로써, 고가인 D 자석의 사용량을 감소(본 실시예에서는 1/4)시킬 수 있고, 또한 염가인 보자력이 낮은 A의 자석을 사용할 수 있으며, 이를 조합함으로써 본안은 모터의 성능 향상, 비용 절감이 가능하며 입계 확산법에 사용되는 Tb 화합물이나 Dy 화합물의 자원 절약을 달성할 수 있는 것을 알 수 있었다.

2. 축 방향 갭형 모터 (실시예 2 내지 4 및 비교예 4 내지 9)

<실시예 2 및 비교예 4 내지 5에서 사용한 모터>

도 3 내지 4에 도시하는 축 방향 갭형 발전기에 대응하는, 2개의 단부 회전자 (32e)와, 1개의 내부 회전자 (32i)와, 2개의 고정자 (35)를 구비하는 축 방향 갭형 모터를 사용하였다. 회전자 (32e)의 치수를 도 8, 회전자 (32i)의 치수를 도 9, 고정자 (35)의 치수를 도 10에 도시하였다. 회전자와 고정자의 외경은 모두 230 mm이고, 회전자의 극수는 8극, 고정자의 슬롯수는 12였다. 또한, 자석으로서, 45°의 중심각으로 그린 동심원의 호의 양끝을 직선으로 연결한, 2개 동심원호와 2개의 직선으로 이루어지는 형상을 갖는 것을 이용했지만, 평행한 대변을 동심원호로 대체한 의사사다리꼴이라고도 할 수 있기 때문에, 의사사다리꼴형 자석이라 기재한다. 1극에 대해서, 의사사다리꼴형 자석이 2개 사용되고 있고, 이 자석은 직경 방향으로 배열되어 있다(내측 자석과 외측 자석). 자석의 부착 위치는, 중심으로부터 20 mm인 곳에 동심원을 그려, 내측 자석의 내주부가 일치하도록 설치하고, 추가로 중심으로부터 55 mm인 곳에 동심원을 그려, 이 동심원의 원주와 외측 자석의 내주부가 일치하도록 설치한다. 이것이 1극에 상당한다. 또한, 주위 방향에 등간격으로 내측 자석 및 외측 자석을 배치하였다. 그 결과, 8극의 축 방향 갭형 모터가 되었다.

단부 회전자와 내부 회전자는 외경 210 mm의 철판으로 만들어져 있으며, 영구 자석은 그 극성이 직경 방향으로 인접하는 것은 동일한 극성으로, 주위 방향에는 서로 상이하게 배치하고, 상기한 소정의 위치에 아크릴계 접착제에 의해 고정시켰다.

고정자는 외경 230 mm, 내경 20 mm, 두께 10 mm의 베이클라이트판에, 중심각 30°이고 외경 200 mm와 내경 40 mm인 동심원의 호를 갖는 의사사다리꼴형으로, 두께 10 mm를 갖는 턴수 30의 공심(空芯) 코일이 주위 방향에 등간격으로 12개소 배치되어 있다.

다음으로, 도 5의 케이싱과 도 4와 같이 상기한 3개의 회전자, 상기한 2개의 고정자와 이용하여 회전자간의 거리를 22 mm로 하여, 그 갭 중앙에 고정자를 배치하고, 축 방향 갭형 모터를 제작하여 실시예 2 내지 3, 비교예 4 내지 7의 평가에 이용하였다.

<실시예 2 및 비교예 4 내지 5에서 사용한 영구 자석>

잔류 자속 밀도 Br이 1.375(T), 보자력 iHc가 1273(kA/m)인 Nd-Fe-B계 소결자석을 연삭 가공함으로써, 중심각 45°이고 외경 200 mm와 내경 110 mm인 동심원의 호를 갖는 의사사다리꼴형으로 두께 5 mm의 영구 자석을 제작한 후, 이 의사사다리꼴의 2개의 직선 부분을 상기 직선을 따라 각각 내부 방향으로 각 2.5 cm 깎아 자석 E로 하였다. 또한, 동일한 자기 특성을 갖는 Nd-Fe-B계 소결자석을 연삭 가공함으로써, 중심각 45°이고 외경 100 mm와 내경 40 mm인 동심원의 호를 갖는 의사사다리꼴형으로 두께 5 mm의 영구 자석을 제작한 후, 이 의사사다리꼴의 2개의 직선 부분을 상기 직선을 따라 각각 내부 방향으로 각 2.5 cm 깎아 자석 F로 하였다.

잔류 자속 밀도 Br이 1.375(T), 보자력 iHc가 1671(kA/m)인 Nd-Fe-B계 소결자석을 연삭 가공함으로써, 중심각 45°이고 외경 200 mm와 내경 110 mm인 동심원의 호를 갖는 의사사다리꼴형으로 두께 5 mm의 영구 자석을 제작한 후, 이 의사사다리꼴의 2개의 직선 부분을 상기 직선을 따라 각각 내부 방향으로 각 2.5 cm 깎아 자석 EH로 하였다. 또한, 동일한 자기 특성을 갖는 Nd-Fe-B계 소결자석을 연삭 가공함으로써, 중심각 45°이고 외경 100 mm와 내경 40 mm인 호를 갖는 의사사다리꼴형으로 두께 5 mm의 영구 자석을 제작한 후, 이 의사사다리꼴의 2개의 직선 부분을 상기 직선을 따라 각각 내부 방향으로 각 2.5 cm 깎아 자석 FH로 하였다.

실시예 2

이하, 상기한 축 방향 갭형 모터의 회전자를, 강제 공냉시 풍상에서부터 순서대로 내측을 Rp, Rq, Rr이라 칭한다.

Rp의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E, Rq의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH, Rr의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH를 이용하여 상기한 축 방향 갭형 모터를 제작하고, 이 모터 특성은 1000 rpm에서 30 Nm의 토크를 발생, 정격 3 kW로 하고, 이 회전수 1000 rpm, 토크 30 Nm를 정격 운전의 조건으로 하고, 그 정격 운전을 1 시간 동안 실시한 후 및 축 방향형 회전기를 충분히 실온에서 냉각한 후, 20％ 과부하 운전으로 1 시간 동안 실시 후의 출력을 측정하였다. 또한, 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 하기 표 4와 5에 나타내었다.

비교예 4

Rp의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH, Rq의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH, Rr의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH를 이용하여 상기한 축 방향 갭형 모터를 제작하고, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 5에 나타내었다.

비교예 5

Rp의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E, Rq의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E, Rr의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E를 이용하여 상기한 축 방향 갭형 모터를 제작하고, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 5에 나타내었다.

실시예 3

도 11에 나타낸 바와 같이, 2개의 단부 회전자 (32e)의 철판 부분에 관통 구멍 H를 설치한 것 이외에는, 실시예 2와 동일한 축 방향 갭형 모터를 제작하였다. 관통 구멍은 직경 15 mm를 갖고, 각 철판에 직경 60 mm의 동일한 원주 상에 등간격으로 8개 설치되었다. 이 축 방향 갭형 모터의 회전자를, 강제 공냉시 풍상에서부터 순서대로 내측을 Hp, Hq, Hr이라 칭하고, Hp의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E, Hq의 내측 자석에 F, 외측 자석에 EH, Hr의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH에 이용하였다.

또한, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 표 5에 나타내었다.

비교예 6

Hp의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH, Hq의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH, Hr의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH를 이용하여 상기한 관통 구멍 H를 갖는 회전자를 갖는 축 방향 갭형 모터를 제작하고, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 표 5에 나타내었다.

비교예 7

Hp의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E, Hq의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E, Hr의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E를 이용하여 상기한 관통 구멍 H를 갖는 회전자를 갖는 축 방향 갭형 모터를 제작하고, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 표 5에 나타내었다.

실시예 4

도 12에 나타낸 바와 같이, 실시예 3과 동일한 관통 구멍 H가 부착된 단부 회전자 (32e)를 2개, 관통 구멍이 없는 고정자 (35)를 1개 이용하고, 흡기구의 회전자와 평행이며 배기구가 직경 방향에 있는 케이싱을 이용하여 축 방향 갭형 모터를 제작하였다. 또한, 회전자의 수, 고정자의 수, 흡기구, 배기구, 관통 구멍 이외에는, 실시예 2의 축 방향 모터와 동일하다.

이하, 이 축 방향 갭형 모터의 회전자를 강제 공냉시 풍상에서부터 순서대로 내측을 Kp, Kq라 칭한다.

Kp의 내측 자석에 F, 외측 자석에 EH, Kq의 내측 자석에 F, 외측 자석에 EH를 이용하여, 이 축 방향 갭형 모터를 제작하였다. 또한, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 하기 표 6에 나타내었다.

비교예 8

Kp의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH, Kq의 내측 자석에 FH, 외측 자석에 EH로 변경한 것 이외에는, 실시예 4와 동일한 축 방향 갭형 모터를 제작하고, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 표 6에 나타내었다.

비교예 9

Kp의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E, Kq의 내측 자석에 F, 외측 자석에 E로 변경한 것 이외에는, 실시예 4와 동일한 축 방향 갭형 모터를 제작하고, 실시예 2와 마찬가지로 정격 운전, 20％ 과부하 운전 후의 출력, 및 양 운전 후의 흡기구측 온도, 배기구측 온도를 측정하였다. 이들 결과를 표 4와 표 6에 나타내었다.

표 4 내지 6으로부터, 축 방향 갭형 모터에 있어서도, 흡기구측에 배기구측보다 보자력이 낮은 영구 자석을 배치하는 것이 가능하고, 그 결과 SPM 모터의 경우와 마찬가지로 비용 절감이 가능하다는 것을 알 수 있다.

또한, 회전자에 관통 구멍을 설치함으로써, 보자력이 낮은 영구 자석을 배치 가능한 부분이 증가하여, 보다 비용 절감이 가능하다는 것을 알 수 있다.

10, 31: 원주 방향 갭형 모터
11, 21, 31: 회전 샤프트
12, 22: 회전자
13, 23: 회전자 코어
14, 24, 24a, 24b, 24c, 24d: 영구 자석
15, 25, 35: 고정자
16, 26: 고정자 코어
17, 27, 37, 37a, 37b: 코일
20: 원주 방향 갭형 모터
28, 48: 홀
32e: 단부 회전자
32i: 내부 회전자
33e, 33i: 반상 구조물
36: 반상 구조물
FM: 계자 방향
M: 자화 방향
H: 관통 구멍

Claims

회전 샤프트, 상기 회전 샤프트에 연결되어 상기 회전 샤프트와 함께 회전하는 회전자, 고정자, 및 상기 회전자 또는 상기 고정자에 고착되어 있는 영구 자석을 수납하는 하우징과,
냉각용 공기를 상기 하우징 내에 관류시키기 위해, 상기 하우징의 일단에 설치한 흡기구와, 타단에 설치한 배기구와,
상기 냉각용 공기를 상기 흡기구에 보내는 송풍기를 구비하고, 상기 영구 자석의 자력을 이용하여 구동하는 영구 자석 회전기이며,
상기 영구 자석 중 상기 배기구측의 영구 자석이 상기 흡기구측의 영구 자석보다도 높은 보자력을 갖는 영구 자석 회전기.
제1항에 있어서, 상기 배기구측의 영구 자석이 R¹-Fe-B계 조성(R¹은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상을 나타냄)을 갖는 소결 자석체이고, R²의 산화물, R³의 불화물 및 R⁴의 산불화물(R², R³ 및 R⁴는 독립적으로 각각 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타냄)로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 분말을 해당 자석체의 표면에 존재시킨 상태에서, 상기 소결 자석체 및 상기 분체를 상기 자석체의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에서 열처리를 실시함으로써 얻어진 것인 영구 자석 회전기.
제1항에 있어서, 상기 배기구측의 영구 자석과 상기 흡기구측의 영구 자석이 동일한 R¹-Fe-B계 조성(R¹은 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상을 나타냄)을 갖는 소결 자석체이고, 상기 배기구측의 영구 자석이 R²의 산화물, R³의 불화물 및 R⁴의 산불화물(R², R³ 및 R⁴는 독립적으로 각각 Y 및 Sc를 포함하는 희토류 원소로부터 선택되는 1종 이상의 원소를 나타냄)로부터 선택되는 1종 이상을 함유하는 분말을 상기 소결 자석체의 표면에 존재시킨 상태에서 상기 소결 자석체 및 상기 분체를 상기 자석체의 소결 온도 이하의 온도에서 진공 또는 불활성 가스 중에서 열처리를 실시함으로써 얻어진 것인 영구 자석 회전기.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기구측의 영구 자석과 상기 흡기구측의 영구 자석이 ±0.02 테슬라의 범위의 실질적으로 동일한 잔류 자속 밀도를 갖는 영구 자석 회전기.