KR20140113500A - 회전 전기 기기 - Google Patents

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KR20140113500A
KR20140113500A KR1020140030133A KR20140030133A KR20140113500A KR 20140113500 A KR20140113500 A KR 20140113500A KR 1020140030133 A KR1020140030133 A KR 1020140030133A KR 20140030133 A KR20140030133 A KR 20140030133A KR 20140113500 A KR20140113500 A KR 20140113500A
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pitch angle
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KR1020140030133A
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야스히로 미야모토
Original Assignee
가부시키가이샤 야스카와덴키
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Abstract

영구자석이 마련되는 로터 코어와, 로터 코어와 반경 방향으로 대향하도록 배치되고, 복수의 슬롯이 마련되는 스테이터 코어를 포함하는 회전 전기 기기. 권선은 스테이터 코어의 슬롯에 배치된다. 또한, 슬롯의 수 Ns를 영구자석의 극수 P와 전압의 상의 수 m으로 나눈 값인 매극(每極) 매상(每相) 슬롯수 q는, 분모가 홀수이고, 분자가 짝수인 분수이고, 복수의 슬롯에 배치되는 권선의 전기적 위상인 슬롯 벡터는, 각각의 슬롯 사이의 피치가 같지 않은 부등 슬롯 벡터 피치각을 갖도록 구성되어 있다.

Description

회전 전기 기기{ROTATING ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은, 회전 전기 기기에 관한 것이고, 특히, 영구자석을 구비하는 회전 전기 기기에 관한 것이다.
종래, 영구자석을 구비하는 회전 전기 기기가 알려져 있다(예컨대, 특허 문헌 1 참조).
상기 특허 문헌 1에 개시되어 있는 회전 전기 기기에서는, 슬롯의 수를 자극(磁極)의 수인 극수와 전압의 상(相)의 수로 나눈 값인 매극(每極) 매상(每相) 슬롯수 q가, 1<q≤3/2를 만족하도록 스테이터의 슬롯에 권선이 분포권(distributed winding)(매극 매상의 코일이 복수의 슬롯에 분포하여 감김)되어 있다. 이것에 의해, 유기 전압의 파형의 왜곡을 작게 하고, 또한, 권선의 동손(copper loss)이 커지는 것을 억제하는 것이 가능하게 된다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 제 4725684호 공보
상기 특허 문헌 1과 같은 회전 전기 기기에서는, 일반적으로, 유기되는 전압에 고조파 성분이 포함되는 것이 알려져 있다. 또, 고조파 성분이란, 기본이 되는 주파수의 정수배의 주파수를 갖는 전압의 성분을 의미한다. 또한, 3상의 교류 전압에서는, 각 상의 권선을 Y(스타) 결선한 경우에는, 3의 홀수배의 차수(3차, 9차, …)에 상당하는 고조파 성분이 출현하지 않는 것이 알려져 있다. 따라서, 5차, 7차, …의 고조파 성분이 출현한다. 그래서, 고차의 고조파를 저감하는 것이 요구되고 있다.
본 발명은, 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이고, 고차의 고조파를 저감하는 것이 가능한 회전 전기 기기를 제공한다.
여기에 개시된 실시형태의 일 측면에 의한 회전 전기 기기는, 영구자석이 마련되는 로터 코어와, 로터 코어와 반경 방향으로 대향하도록 배치되고, 복수의 슬롯이 마련되는 스테이터 코어와, 스테이터 코어의 슬롯에 배치되는 권선을 구비하고, 슬롯의 수 Ns를 영구자석의 극수 P와 전압의 상의 수 m으로 나눈 값인 매극 매상 슬롯수 q는, 분모가 홀수, 분자가 짝수인 분수가 되도록 구성되고, 복수의 슬롯에 배치되는 권선의 전기적 위상인 슬롯 벡터는, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있다.
상기의 구성에 의하면, 회전 전기 기기에 있어서 고차의 고조파를 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전 전기 기기의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전 전기 기기의 일부 확대 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전 전기 기기의 영구자석의 폭과 피치의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전 전기 기기의 슬롯 벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 비교예에 의한 회전 전기 기기의 평면도이다.
도 6은 비교예에 의한 회전 전기 기기의 슬롯 벡터를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 영구자석의 폭과 고조파 성분의 관계에 대하여 행한 시뮬레이션의 결과를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시형태에 의한 회전 전기 기기와 비교예에 의한 회전 전기 기기의 고조파 성분을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 근거하여 설명한다.
우선, 도 1~도 4를 참조하여, 본 실시형태에 의한 회전 전기 기기(100)의 구성에 대하여 설명한다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 회전 전기 기기(100)는, 스테이터(1)와 로터(2)를 구비하고 있다. 로터(2)의 로터 코어(21)와 반경 방향으로 대향하도록 배치되는 스테이터(1)의 스테이터 코어(11)에는, 복수의 슬롯(12)이 마련되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 슬롯의 수 Ns는, 12이다. 도 1에서는, 12개의 각각의 슬롯(12)에, 슬롯 번호 #1~#12가 기재되어 있다. 또한, 인접하는 슬롯(12)의 사이에는, 티스(13)가 마련되어 있다.
본원 발명자가 예의 검토한 결과, 회전 전기 기기에 있어서는, 복수의 슬롯에 배치되는 권선의 전기적 위상인 슬롯 벡터의 슬롯 벡터 피치각이 고조파를 저감하는 것에 영향을 미치는 것을 발견하고, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이 부등피치(irregular pitch)가 되도록 구성하는 것에 의해, 고차의 고조파가 저감되는 것을 발견했다.
그래서, 본 실시형태에서는, 복수의 슬롯을, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이 등피치(equal pitch)인 경우와 달리, 고차의 고조파를 저감할 수 있다. 또, 복수의 슬롯을, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성하는 것에 의해, 고차의 고조파를 저감할 수 있는 것은, 후술하는 본원 발명자의 시뮬레이션에 의해 확인 완료된 것이다.
여기서, 구체적으로, 도 1 및 도 2에 나타내는 바와 같이, 12개의 슬롯(12)의 각각을, 각각의 슬롯(12)의 사이의 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태(도 5 참조)로부터, 각각의 슬롯(12)이 점대칭이 되도록 하면서, 소정의 기계적 피치각 θim(본 실시형태에서는, 1.65도)만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 도 4에 나타내는 바와 같이, 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있다. 즉, 슬롯(12)의 중심점 A1을 중심으로 180도 회전하더라도 슬롯(12)의 배치(위치)가 동일해진다. 또, 슬롯 벡터에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.
구체적으로는, 슬롯 번호 #1의 슬롯(12)이, 도 5에 나타내는 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태(기계적 슬롯 피치각 30도)로부터, 도 2에 나타내는 바와 같이, 기계적 피치 각도 θim(본 실시형태에서는, 1.65도)만큼, 시계방향으로 이동되어 있다. 또한, 슬롯 번호 #2의 슬롯(12)이, 도 5에 나타내는 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태로부터, 기계적 피치 각도 θim만큼, 반시계방향으로 이동되어 있다. 또한, 슬롯 번호 #3의 슬롯(12)이, 도 5에 나타내는 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태로부터, 도 1에 나타내는 바와 같이, 기계적 피치 각도 θim만큼, 시계방향으로 이동되어 있다. 즉, 슬롯 번호 #1의 슬롯(12)과, 슬롯 번호 #2의 슬롯(12)의 사이의 기계적 슬롯 피치각(=26.7도=등피치의 경우의 기계적 슬롯 피치각 30도-1.65도-1.65도)은, 슬롯 번호 #2의 슬롯(12)과, 슬롯 번호 #3의 슬롯(12)의 사이의 기계적 슬롯 피치각(=33.3도=등피치의 경우의 기계적 슬롯 피치각 30도+1.65도+1.65도)보다 작다.
마찬가지로, 슬롯 번호 #5, #7, #9 및 #11(홀수번째)의 슬롯(12)이, 도 5에 나타내는 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태로부터, 도 1에 나타내는 바와 같이, 기계적 피치 각도 θim만큼, 시계방향으로 이동되어 있다. 또한, 슬롯 번호 #4, #6, #8, #10 및 #12(짝수번째)의 슬롯(12)이, 도 5에 나타내는 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태로부터, 도 1에 나타내는 바와 같이, 기계적 피치 각도 θim만큼, 반시계방향으로 이동되어 있다.
또한, 슬롯(12)에는, 권선(14)이 배치(감김)되어 있다. 본 실시형태에서는, 권선(14)에 유기되는 전압의 상의 수 m은, 3(U상, V상 및 W상)이다. 또한, 후술하는 매극 매상 슬롯수 q가, 1/4<q<1/2를 만족하는 분수가 되도록, 권선(14)은, 슬롯(12)에 집중권(concentrated winding)에 의해 감겨 있다. 구체적으로는, 권선(14)은, 1개의 티스(13)에 집중권으로 감겨 있다. 예컨대, 슬롯 번호 #1 및 #2의 사이의 티스(13)에 U상의 권선(14)(넓은 해칭으로 표시된 권선(14a))이 감겨 있다. 마찬가지로, 슬롯 번호 #6 및 #7의 사이, 슬롯 번호 #7 및 #8의 사이, 슬롯 번호 #12 및 #1의 사이의 티스(13)에 U상의 권선(14)이 감겨 있다.
또한, 슬롯 번호 #2 및 #3의 사이, 슬롯 번호 #3 및 #4의 사이, 슬롯 번호 #8 및 #9의 사이, 슬롯 번호 #9 및 #10의 사이의 티스(13)에 V상의 권선(14)(해칭 없음으로 표시된 권선(14b))이 집중권으로 되어 있다.
또한, 슬롯 번호 #4 및 #5의 사이, 슬롯 번호 #5 및 #6의 사이, 슬롯 번호 #10 및 #11의 사이, 슬롯 번호 #11 및 #12의 사이의 티스(13)에 W상의 권선(14)(좁은 해칭으로 표시된 권선(14c))이 집중권으로 되어 있다.
또한, 로터(2)의 로터 코어(21)의 외주부에는, 복수(본 실시형태에서는, 10개)의 영구자석(22)이 마련되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 극수 P는, 10이다.
여기서, 본 실시형태에서는, 슬롯(12)의 수 Ns를 영구자석(22)의 극수 P와 전압의 상의 수 m으로 나눈 값인 매극 매상 슬롯수 q는, 분모가 홀수, 분자가 짝수인 분수가 되도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 상기한 바와 같이, 매극 매상 슬롯수 q(=Ns/(m×P))는, 2/5(=12/(3×10))가 되도록 구성되어 있다. 또, 전압의 상의 수 m이 3인 경우, 매극 매상 슬롯수 q의 분자(슬롯수 Ns)가 반드시 3의 배수가 되고, 평형 권선을 실현할 수 없게 되기 때문에, 매극 매상 슬롯수 q의 분모는, 3의 배수가 아닌 홀수인 것이 바람직하다.
또한, 본 실시형태에서는, 도 3에 나타내는 바와 같이, 영구자석(22)의 외주폭 W(로터의 회전축과 수직인 영구자석(22)의 외주의 둘레 방향을 따른 방향의 폭 W)는, 인접하는 영구자석(22)의 피치 p(둘레 방향을 따른 피치 p)의 4/5 이상 6/7 이하의 크기가 되도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 영구자석(22)의 외주폭 W는, 인접하는 영구자석(22)의 피치 p의 4/5의 크기가 되도록 구성되어 있다. 또, 영구자석(22)의 외주폭 W를 조정하는 것에 의해, 소망하는 차수의 고조파를 저감하는 것이 가능하게 된다. 또, 영구자석(22)의 외주폭 W와, 고조파 성분의 관계에 대해서는, 이후에 상세하게 설명한다.
또한, 영구자석(22)은, 로터의 축 방향으로부터 보아, 로터(2)의 외주측을 향하여 서서히 폭이 작아지는 테이퍼 형상을 갖는다. 또한, 영구자석(22)의 내주측의 곡률반경은, 로터 코어(21)의 외주의 곡률반경과 대략 동일하다. 또한, 영구자석(22)의 외주측의 곡률반경은, 스테이터 코어(11)의 내주의 곡률반경과 대략 동일하다. 이것에 의해, 영구자석(22)의 자속의 분포 형상은, 대략 직사각형 형상(직사각형파)이 된다. 한편, 도 5에 나타내는 비교예에 의한 회전 전기 기기(200)와 같이, 영구자석(204)의 외주측의 곡률반경이, 스테이터 코어(11)의 내주의 곡률반경보다 작은(활 형상) 경우, 영구자석(204)의 둘레 방향의 단부의 두께 t2가 작아지기 때문에, 감자(減磁)할 가능성이 있다. 이 때문에, 활 형상의 영구자석(204)(예컨대, Nd-Fe-B 자석)에서는, 유지력(Hcj)을 높게 하기 위해, 디스프로슘(Dy)이나 테르븀(Tb) 등의 중희토류의 첨가물을 더할 필요가 있다. 또한, 활 형상의 영구자석(204)에서는, 영구자석(204)의 체적이 작아지기 때문에, 그만큼, 회전 전기 기기(200)의 토크가 작아진다. 한편, 본 실시형태의 영구자석(22)(도 3 참조)에서는, 활 형상의 영구자석(204)에 비하여 둘레 방향의 단부의 두께 t1이 커지므로, 감자를 작게 할 수 있고, 또한 영구자석(22)의 체적이 커지므로, 회전 전기 기기(100)의 토크를 크게 하는 것이 가능하게 된다.
다음으로, 도 4를 참조하여, 각 상(U상, V상, W상)의 권선(14)의 위치(슬롯 번호)와 전기적 위상의 관계에 대하여, 도 5 및 도 6에 나타내어지는 기계적 슬롯 피치각(슬롯 벡터 피치각)이 등피치인 비교예에 의한 회전 전기 기기(200)와 비교하면서 설명한다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 회전 전기 기기(200)에서는, 스테이터(201)에 배치되어 있는 12개의 슬롯(202)이, 등피치 간격으로 배치되어 있다. 즉, 슬롯(202)의 기계적 슬롯 피치각은, 30도(=2π/Ns=360/12)이다. 이 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 각 슬롯(202) 내에 배치되는 권선(203)에 의해 발생하는 기자력(Ampere Turn), 다시 말해, 권선(203)의 전기적 위상인 슬롯 벡터는, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 등피치가 된다. 또, 회전 전기 기기(200)의 전기적 슬롯 피치각은, 150도(=π×P/Ns=180×10/12)이다. 또한, 슬롯 벡터 피치각은, 30도(=360/12)이다.
여기서, 본 실시형태에서는, 12개의 슬롯(12)의 각각을, 각각의 슬롯(12)의 사이의 기계적 슬롯 피치각이 부등피치(도 1 참조)가 되도록 구성하는 것에 의해, 회전 전기 기기(100)에서는, 도 4에 나타내는 바와 같이, 복수(본 실시형태에서는 12개)의 슬롯(12) 내에 배치되는 권선(14)에 의해 발생하는 기자력(Ampere Turn)인 슬롯 벡터는, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 된다. 또, 부등피치란, 피치가 등피치가 아닌 것을 의미한다. 구체적으로는, 각각의 슬롯 벡터(#1~#12)를, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각(예컨대, Vp)이 등피치인 상태(도 6 참조)로부터, 각각의 슬롯 벡터가 점대칭이 되도록 하면서, 소정의 피치 각도 θie(본 실시형태에서는, 8.25도)만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 된다. 즉, 슬롯 벡터의 중심점 A2를 중심으로 180도 회전하더라도 슬롯 벡터의 배치(위치)가 동일해지도록 구성되어 있다.
보다 구체적으로는, 우선, 도 6에 나타내는 바와 같이, 12개의 슬롯(12)(슬롯 벡터)을, U상대와, U상대와 전류가 흐르는 방향이 반대인 U*상대와, V상대와, V상대와 전류가 흐르는 방향이 반대인 V*상대와, W상대와, W상대와 전류가 흐르는 방향이 반대인 W*상대의 6개의 상대(phase belt)에 할당한다. 그리고, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터(예컨대, U상대에 포함되는 #1 및 #6의 슬롯 벡터)를, 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태(도 6 참조)로부터, 도 4에 나타내는 바와 같이, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터의 군의 중심축 C에 대하여, 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터(예컨대, U상대에 포함되는 #1 및 #6의 슬롯 벡터)를, 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태(도 6)로부터, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터의 군의 중심축 C에 접근하는 방향으로, 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향(#1의 슬롯 벡터) 또는 반시계방향(#6의 슬롯 벡터)으로 이동시키는 것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있다. 또, 기계적 피치 각도 θim(=1.65도)과, 피치 각도 θie(=8.25도)는, θim=θie/(극의 쌍의 수 : 본 실시형태에서는 10극/2=5)의 관계를 갖는다.
즉, #1 및 #6의 슬롯 벡터 사이, #11 및 #4의 슬롯 벡터 사이, #9 및 #2의 슬롯 벡터 사이, #7 및 #12의 슬롯 벡터 사이, #5 및 #10의 슬롯 벡터 사이, #3 및 #8의 슬롯 벡터 사이의 슬롯 벡터 피치각(=13.5도=등피치의 경우의 슬롯 벡터 피치각 30도-8.25도-8.25도)은, #6 및 #11의 슬롯 벡터 사이, #4 및 #9의 슬롯 벡터 사이, #2 및 #7의 슬롯 벡터 사이, #12 및 #5의 슬롯 벡터 사이, #10 및 #3의 슬롯 벡터 사이, #8 및 #1의 슬롯 벡터 사이의 슬롯 벡터 피치각(=46.5도=등피치의 경우의 슬롯 벡터 피치각 30도+8.25도+8.25도)보다 작다.
다음으로, 도 7을 참조하여, 영구자석(22)의 외주폭 W와, 고조파 성분(기전력 계수 Kφ)의 관계에 대하여 행한 시뮬레이션의 결과에 대하여 설명한다. 도 7에서는, 가로축은, 영구자석(22)의 외주폭 W와 인접하는 영구자석(22)의 피치 p의 비(W/p)를 나타내고 있다. 세로축은, 각 고조파 성분에 대한 기전력 계수(Kφ)를 나타내고 있다.
도 7에 나타내는 바와 같이, 기본파(1차)에서는, 영구자석(22)의 외주폭 W와 인접하는 영구자석(22)의 피치 p의 비(W/p)가 커짐에 따라서, 기전력 계수(Kφ)가 서서히 커지는 것이 확인되었다. 또한, 짝수의 차수에 상당하는 고조파 성분은, 출현하지 않는다. 또한, 3차의 고조파에서는, 비(W/p)가 커짐에 따라서, 기전력 계수(Kφ)가 서서히 커지는 것이 확인되었다. 또, 3상의 교류 전압에서는, 각 상의 권선을 Y(스타) 결선한 경우에는, 3차의 고조파 성분, 및 3차의 홀수배(9차, 15차, …)의 고조파 성분은, 상쇄된다.
또한, 5차의 고조파에서는, 비(W/p)가 커짐에 따라서, 기전력 계수(Kφ)가 서서히 커짐과 아울러, 비(W/p)가 0.8(=4/5)인 경우에, 기전력 계수(Kφ)가 대략 제로가 되는 것이 확인되었다. 또한, 7차의 고조파에서는, 비(W/p)가 커짐에 따라서, 기전력 계수(Kφ)가 서서히 커짐과 아울러, 비(W/p)가 약 0.86(=6/7)인 경우에, 기전력 계수(Kφ)가 대략 제로가 되는 것이 확인되었다. 즉, 주로 5차의 고조파 성분을 저감하는 경우에는, 영구자석(22)의 외주폭 W를 영구자석(22)의 피치 p의 4/5 이상 6/7 이하의 범위 내에서 4/5에 가까운 값으로 설정하고, 주로 7차의 고조파 성분을 저감하는 경우에는, 영구자석(22)의 외주폭 W를 영구자석(22)의 피치 p의 4/5 이상 6/7 이하의 범위 내에서 6/7에 가까운 값으로 설정하는 것이 바람직한 것이 확인되었다. 또한, 영구자석(22)의 외주폭 W를 4/5 이상 6/7 이하의 중간의 값(예컨대 W=29/35)으로 설정하면, 5차 및 7차의 고조파를 균등하게 저감하는 것이 가능하게 되는 것이 확인되었다.
또한, 9차의 고조파는, 상기한 바와 같이, 3상의 교류 전압에서는, 각 상의 권선을 Y(스타) 결선한 경우에는, 상쇄된다. 또한, 11차의 고조파에서는, 비(W/p)가 커짐에 따라서, 기전력 계수(Kφ)가 서서히 작아진 후, 비(W/p)가 약 0.8인 점으로부터, 서서히 커지는 것이 확인되었다. 또한, 13차의 고조파에서는, 비(W/p)가 커짐에 따라서, 기전력 계수(Kφ)가 서서히 커진 후, 비(W/p)가 약 0.75인 점으로부터, 서서히 작아지고, 비(W/p)가 0.8인 경우에 대략 제로가 되는 것이 확인되었다. 그 후, 13차의 고조파에서는, 비(W/p)가 커짐에 따라서, Kφ가 서서히 작아진 후, 비(W/p)가 약 0.85인 점으로부터, 서서히 커지는 것이 확인되었다.
다음으로, 도 8을 참조하여, 본원 발명자가 특히 예의 검토한 결과 발견한 소정의 피치 각도 θie에 대하여 상세하게 설명한다. 도 8에는, 기계적 슬롯 피치각(슬롯 벡터 피치각)이 등피치인 회전 전기 기기(200)(도 5 참조), 및 기계적 슬롯 피치각(슬롯 벡터 피치각)이 부등피치인 본 실시형태의 회전 전기 기기(100)(도 1 참조)의 역 기전력 계수(Ke)가 표시되어 있다. 즉, 도 8은 영구자석(22)의 외주폭 W와 인접하는 영구자석(22)의 피치 p의 비(W/p)가 0.8(=4/5)이고, 슬롯 벡터는, 등피치의 상태로부터, 8.25도(피치 각도 θie)만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동(도 4 참조)된 회전 전기 기기(100)에 대한 결과가 표시되어 있다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 회전 전기 기기(200)(등피치) 및 회전 전기 기기(100)(부등피치)의 기본파(1차)의 역 기전력 계수(Ke)는, 각각, 1.130 및 1.118이 되는 것이 판명되었다. 또한, 3차의 역 기전력 계수(Ke)는, 제로가 아닌 한편, 상기한 바와 같이, 3상의 교류 전압에서는, 3상의 권선을 Y(스타) 결선한 경우에는, 3차의 홀수배(3차, 9차, 15차, …)의 역 기전력 계수(Ke)는 상쇄된다. 또한, 영구자석(22)의 외주폭 W와 인접하는 영구자석(22)의 피치 p의 비(W/p)가 0.8(=4/5)이 되는 것에 의해, 5차의 역 기전력 계수(Ke)는, 제로가 되는 것이 판명되었다.
또한, 회전 전기 기기(200) 및 회전 전기 기기(100)의 7차의 역 기전력 계수(Ke)는, 각각, -0.007 및 -0.004가 되고, 본 실시형태의 회전 전기 기기(100)(부등피치) 쪽이, 약 40% 작아지는 것이 판명되었다. 또한, 9차의 역 기전력 계수(Ke)는, 제로가 아닌 한편, 상기한 바와 같이, 3상의 권선을 Y 결선함으로써 9차의 역 기전력 계수(Ke)는 상쇄된다. 또한, 회전 전기 기기(200) 및 회전 전기 기기(100)의 11차의 역 기전력 계수(Ke)는, 각각, -0.103 및 0.001이 되고, 본 실시형태의 회전 전기 기기(100)(부등피치) 쪽이, 약 99% 작아지는 것이 판명되었다. 또한, 회전 전기 기기(200) 및 회전 전기 기기(100)의 13차의 역 기전력 계수(Ke)는, 각각, -0.054 및 0.016이 되고, 본 실시형태의 회전 전기 기기(100)(부등피치) 쪽이, 약 70% 작아지는 것이 판명되었다. 즉, 7차, 11차 및 13차의 역 기전력 계수(Ke)는, 기계적 슬롯 피치각(슬롯 벡터 피치각)을 부등피치로 하는 것에 의해, 저감되는 것이 확인되었다.
본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 슬롯 벡터를, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 등피치가 아닌 부등피치가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 경우와 달리, 고차의 고조파를 저감할 수 있다.
또한, 매극 매상 슬롯수 q를, 분모가 홀수이고, 분자가 짝수인 분수로 한다. 이것에 의해, 매극 매상 슬롯수 q의 분자가 짝수가 되므로, 슬롯 벡터의 수는, 짝수가 된다. 그 결과, 슬롯 벡터의 수가 홀수인 경우와 달리, 슬롯 벡터 피치각을 등피치의 상태로부터 부등피치의 상태로 이동시키더라도, 슬롯 벡터를 점대칭으로 배치할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 각각의 슬롯 벡터를, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태로부터, 각각의 슬롯 벡터가 점대칭이 되도록 하면서, 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각을, 부등피치가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 슬롯 벡터 피치각을 부등피치로 한 경우에도, 각각의 슬롯 벡터가 점대칭으로 배치되므로, 각각의 슬롯 벡터가 점대칭으로 배치되지 않는 경우와 달리, 회전 전기 기기(100)(로터(2))를 밸런스 좋게 회전시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 유기되는 전압의 상의 수 m은, U상, V상 및 W상의 3상이고, Ns개의 슬롯(12)을, U상과, U상과 전류가 흐르는 방향이 반대인 U*상과, V상과, V상과 전류가 흐르는 방향이 반대인 V*상과, W상과, W상과 전류가 흐르는 방향이 반대인 W*상의 6개의 상대에 할당한다. 그리고, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터를, 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태로부터, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터의 군의 중심축 C에 대하여, 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 각각의 슬롯 벡터가 점대칭을 유지하면서, 각 상대에 있어서, 슬롯 벡터 피치각이 부등피치가 되므로, 3상 중 일부의 상의 슬롯 벡터 피치각만이 부등피치가 되는 경우와 달리, 회전 전기 기기(100)(로터(2))를 밸런스 좋게 회전시킬 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터를, 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태로부터, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터의 군의 중심축 C에 접근하는 방향으로, 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각을, 부등피치가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 각각의 상대에 포함되는 슬롯 벡터가, 동일하게 이동되므로, 각각의 슬롯 벡터를 용이하게 점대칭으로 배치할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 복수의 슬롯(12)의 각각을, 각각의 슬롯(12)의 사이의 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태로부터, 각각의 슬롯(12)이 점대칭이 되도록 하면서, 소정의 기계적 피치 각도 θim만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 슬롯 벡터 피치각을, 부등피치가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 각각의 슬롯(12)에 배치되는 권선(14)의 사이의 피치가, 부등피치가 되므로, 용이하게, 슬롯 벡터 피치각을 부등피치로 변경할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 매극 매상 슬롯수 q가, 1/4<q<1/2를 만족하는 분수가 되도록, 권선(14)을, 슬롯(12)에 집중권에 의해 감는다. 여기서, 권선(14)이 슬롯(12)에 집중권에 의해 감기는 회전 전기 기기(100)에서는, 고조파에 기인하는 코깅(cogging)이 발생하기 쉬우므로, 이 경우에, 슬롯 벡터 피치각을 부등피치로 하는 것에 의해, 용이하게, 고조파에 기인하는 코깅을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 영구자석(22)의 외주폭 W를, 인접하는 영구자석(22)의 피치 p의 4/5의 크기가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 확실하게, 5차의 고조파 성분을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 매극 매상 슬롯수 q를, 2/5가 되도록 구성한다. 이것에 의해, 집중권의 회전 전기 기기(100)에 있어서, 용이하게, 고조파를 저감할 수 있다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기한 바와 같이, 유기되는 전압의 상의 수 m을 3상으로 하고, 슬롯(12)의 수 Ns를 12로 하고, 극수 P를 10으로 한다. 이것에 의해, 용이하게, 매극 매상 슬롯수 q(=2/5)를, 분모가 홀수이고, 분자가 짝수인 분수로 할 수 있다.
또, 이번에 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아닌 것으로 생각되어야 한다. 이상에서 개시된 내용은 실시형태의 일례에 지나지 않고, 특허청구범위에 의해 나타내어지고, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 더 포함된다.
예컨대, 상기 실시형태에서는, 매극 매상 슬롯수 q가, 2/5인 집중권의 회전 전기 기기의 예를 나타냈지만, 매극 매상 슬롯수 q가, 2/7, 4/11, 6/13, 8/17, 10/21, … 등인 집중권의 회전 전기 기기이더라도 좋다. 또한, 매극 매상 슬롯수 q가, 분모가 5인 4/5, 6/5, 8/5, 12/5, 14/5, …, 분모가 7인 4/7, 6/7, 8/7, 10/7, …, 분모가 11인 6/11, 8/11, 10/11, 12/11, …, 분모가 13인 8/13, 10/13, 12/13, 14/13, …, 분모가 17인 10/17, 12/17, 14/17, 16/17, 18/17, 20/17, …, 분모가 21인 12/21, … 등인 분포권의 회전 전기 기기이더라도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 슬롯 벡터를, 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태로부터, 소정의 피치 각도 8.25도만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 예를 나타냈지만, 고조파 성분을 저감할 수 있는 것이라면, 슬롯 벡터를, 8.25도 이외의 각도만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키더라도 좋다. 또, 슬롯 벡터가 이동되는 소정의 피치 각도 θie는, 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 경우의 각도의 1/2 미만이다.
또한, 상기 실시형태에서는, 각각의 슬롯의 사이의 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태로부터, 소정의 기계적 피치 각도 θim만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 슬롯 벡터 피치각을 부등피치로 하는 예를 나타냈지만, 이것으로 한정되지 않는다. 예컨대, 스큐를 설정함으로써, 슬롯 벡터 피치각을 부등피치로 하더라도 좋다.
또한, 상기 실시형태에서는, 유기되는 전압의 상의 수가 3인 예를 나타냈지만, 유기되는 전압의 상의 수가 3 이외의 상의 수이더라도 좋다.
또한, 본 실시형태에서는, 영구자석의 폭을 인접하는 영구자석의 피치 p의 4/5로 하는 예를 나타냈지만, 영구자석의 폭을, 인접하는 영구자석의 피치 p의 4/5 이상 6/7 이하의 범위 내에서 설정하더라도 좋다.
다양한 수정, 조합, 부조합, 변화는, 그들이 이하의 청구항 또는 그 등가물의 범위 내에 있는 한, 설계 요건 및 다른 요인에 따라 발생할 수 있는 것이 당업자에게 이해되어야 한다.

Claims (10)

  1. 하나 이상의 영구자석이 마련되는 로터 코어와,
    상기 로터 코어와 반경 방향으로 대향하도록 배치되고, 복수의 슬롯이 마련되는 스테이터 코어와,
    상기 스테이터 코어의 슬롯에 배치되는 권선
    을 구비하고,
    상기 슬롯의 수 Ns를 상기 영구자석의 극수 P와 상기 권선에 유기되는 전압의 상의 수 m으로 나눈 값인 매극(每極) 매상(每相) 슬롯수 q는, 분모가 홀수이고, 분자가 짝수인 분수이고,
    상기 복수의 슬롯에 배치되는 권선의 전기적 위상인 슬롯 벡터는, 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치(irregular pitch)가 되도록 구성되어 있는
    회전 전기 기기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 슬롯 벡터를, 상기 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이 등피치(equal pitch)인 상태로부터, 상기 각각의 슬롯 벡터가 점대칭이 되도록 하면서, 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 상기 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있는 회전 전기 기기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전압의 상의 수 m은, U상, V상 및 W상의 3개이고,
    상기 Ns개의 슬롯을, U상대(phase belt)와, U상대와 전류가 흐르는 방향이 반대인 U*상대와, V상대와, V상대와 전류가 흐르는 방향이 반대인 V*상대와, W상대와, W상대와 전류가 흐르는 방향이 반대인 W*상대에 할당한 경우에, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터를, 상기 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태로부터, 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터의 군의 중심축에 대하여, 상기 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 상기 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있는
    회전 전기 기기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터를, 상기 슬롯 벡터 피치각이 등피치인 상태로부터, 상기 1개의 상대에 포함되는 슬롯 벡터군의 중심축에 접근하는 방향으로, 상기 소정의 피치 각도 θie만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 상기 각각의 슬롯 벡터의 사이의 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있는 회전 전기 기기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 슬롯의 각각을, 상기 각각의 슬롯의 사이의 기계적 슬롯 피치각이 등피치인 상태로부터, 상기 각각의 슬롯 벡터가 점대칭이 되도록 하면서, 소정의 기계적 피치 각도 θim만큼, 시계방향 또는 반시계방향으로 이동시키는 것에 의해, 상기 슬롯 벡터 피치각이, 부등피치가 되도록 구성되어 있는 회전 전기 기기.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매극 매상 슬롯수 q가, 1/4<q<1/2를 만족하는 분수가 되도록, 상기 권선은, 상기 슬롯에 집중권(concentrated winding)에 의해 감겨 있는 회전 전기 기기.
  7. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영구자석은, 상기 로터 코어의 외주부에 복수 마련되고,
    상기 영구자석의 외주폭은, 인접하는 영구자석의 피치의 4/5 이상 6/7 이하의 크기가 되도록 구성되어 있는
    회전 전기 기기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 영구자석의 외주폭은, 인접하는 영구자석의 피치의 4/5의 크기가 되도록 구성되어 있는 회전 전기 기기.
  9. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 매극 매상 슬롯수 q는, 2/5가 되도록 구성되어 있는 회전 전기 기기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 권선에 유기되는 전압의 상기 상의 수 m은 3개이고, 상기 슬롯의 수 Ns는 12개이고, 상기 극수 P는 10개인 회전 전기 기기.
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