KR20150054859A - 영구 자석 전기 머신용 회전자 및 그 이용 - Google Patents

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톰 카우프만
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콘티넨탈 테베스 아게 운트 코. 오하게
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Abstract

회전자 축 (1') 에 대해 동심으로 배열되고 샤프트 (22) 를 수용하기 위해 회전자 축 (1') 을 따라 이어지는 통로 개구 (8) 를 갖는, 영구 자석 전기 머신 (1), 특히 브러시리스 DC 머신용의 회전자 (2) 로서, 회전자 축 (1') 을 따라 연장되는 영구 자석들 (3) 및 극 세그먼트들 (4) 을 포함하며, 영구 자석들 (3) 및 극 세그먼트들 (4) 은 원주 방향으로 회전자 축 (1') 둘레에 교번하여 배열되며, 회전자는 또한, 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트 (4) 의 단면적 (14) 이, 극 세그먼트 (4) 의 회전자 축 (1') 에 대하여 방사상 외측의 영역에 배열된 적어도 하나의 형상부 (6) 와 비대칭으로 적어도 하나의 제 1 극 세그먼트 영역 (5) 에 형성되고, 그 형상부 (6) 는 실질적으로 원주 방향 (1'') 으로 연장된다는 점에서 구별된다. 더욱이, 본 발명은 본 발명에 따른 회전자의 이용을 설명한다.

Description

영구 자석 전기 머신용 회전자 및 그 이용{ROTOR FOR A PERMANENT MAGNET ELECTRIC MACHINE AND USE THEREOF}
본 발명은 청구항 제 1 항의 전제부에 따른 영구 자석 전기 머신용 회전자 및 그 이용에 관한 것이다.
전기 머신들은, 예를 들어, 전기 모터들 또는 발전기들이며, 전기 모터들 또는 발전기들은 특히 자동차 (motor vehicle) 들에서 매우 다양한 태스크들을 수행한다.
DE 10 2010 061 778 A1 은 전기 머신의 스파이더형 (spider-type) 회전자를 설명하고 있으며, 여기서 영구 자석들은 회전자 본체에 스파이더의 형태로 배열되고, 회전자 축은 가공의 (fictitious) 교차점을 나타내고 영구 자석들은 원주 방향으로 교번하여 반대로 분극된다 (oppositely polarized). 자속 (magnetic flux) 은 그 자속의 집중을 달성하기 위하여 영구 자석들 간에 배열된 극 세그먼트 (pole segment) 들을 통해 에어 갭 (air gap) 으로 안내된다. 따라서 자남극 (magnetic south pole) 및 자북극 (magnetic north pole) 은 회전자의 원주 방향으로 교번한다.
누설 자속 (leakage flux) 들을 감소시키고 그 머신의 효율을 증가시키기 위하여, DE 10 2010 061 778 A1 은 회전자 샤프트 및 회전자 본체를 연결하는 연결 슬리브 (connecting sleeve) 를 설명하고 있으며, 그 연결 슬리브는 반자성 (diamagnetic) 또는 상자성 (paramagnetic) 재료로 이루어진다.
페라이트 (ferretic) 영구 자석들의 잔류 자기 (magnetic remanance) 가 예를 들어, 0.4 내지 0.45 테슬라 (tesla) 로 비교적 낮기 때문에, 그 중에서도, 희토류 금속을 포함하는 재료들이 영구 자석 전기 머신들에서의 적용들을 위해 종종 사용된다. 네오디뮴의 비율이 대략 30% 이고 디스프로슘의 비율이 대략 1.7 내지 7% 인, 종종 사용되는 네오디뮴-철-붕소 (neodymium-iron-boron; NdFeB) 자석들의 경우, 현재는, 대략 1.2 내지 1.3 테슬라의 잔류 자기가 달성된다. 영구 자석들에 대한 재료들의 추가 그룹은 사마륨-코발트 자석들을 포함하며, 이 경우, 현재는, 대략 1 테슬라의 잔류 자기가 달성된다.
영구 자석 전기 머신의 물리적 사이즈는, 회전자와 고정자 간의 갭에서 달성될 수 있는 자속 밀도 (magnetic flux density) 에 의존한다. 비교적 낮은 잔류 자기 때문에, 페라이트 자석들에 근거하여 설계된 머신은 비교가능한 성능을 위해 NdFeB 자석들을 포함하는 머신보다 대략 3 배나 긴 총 길이를 가질 필요가 있을 것이다. 따라서, 높은 잔류 자기를 가진 영구 자석들을 이용하여, 머신들이 개발될 수 있으며, 그 머신들은 예를 들어, 페라이트로 이루어지는 것과 같이, 더 낮은 잔류 자기를 갖는 영구 자석들을 가진 머신들보다, 동일한 성능을 고려해 볼 때 더 공간 절약적인 방식으로 또는 동일한 공간 요건을 고려해 볼 때 증가된 성능으로 디멘져닝될 수 있다.
낮은 중량 또는 낮은 물리적 체적에 더하여, 원하지 않는 자기적 단락 (magnetic short circuits), 소위 자속의 누설 자속들을 회피하는 것이 또한 요망되는데, 그 이유는 이들이 머신의 효율을 감소시키기 때문이다. 예를 들어, 에어 갭의 영역에서의 또는 샤프트를 향하는, 극 피스 (pole piece) 들 간의 누설 자속들은, DE 10 2010 061 778 A1 에 설명한 바와 같이, 극 피스들 간의 자기 전도성 (magnetically conductive) 재료들을 회피함으로써 감소될 수 있다.
자기장은 극 세그먼트들의 지오메트리에 의해 영향을 받으며, 공지된 방식 그 자체로, 극 세그먼트들의 에지를 향하여 작아지는 반경들을 가진 원 반경들이 제공된다. 이들 실시형태들에서, 중요한 필드 형상화 (field shaping) 는 영구 자석들의 (회전자 축에 대하여) 방사상 외측의 영역에 있어서, 극 세그먼트들 간의 영역에서 가능하지 않은데, 그 이유는 영향을 미치는 효과를 가질 수 있는 이 영역에는 어떠한 재료도 제공되지 않기 때문이다. 극 세그먼트들 및 영구 자석들의 (회전자 축에 대하여) 방사상 외측의 영역에서의 극 피스들의 연장 (extension) 때문에, 연속 브릿지의 형성까지의 한계에서, 누설 자속은 증가하고 머신의 효율은 감소된다. 또한, 토크 리플 (torque ripple) 이 회전자와 고정자 간의 갭에서, 자속의 고조파 성분 (harmonic content) 으로부터 발생한다. 이 경우에, 제 5 및 제 7 고조파들은 6 차 토크 리플을 초래한다. 이것은 전류의 기본파 (fundamental) 와 제 5 고조파 (5+1 = 6; 7-1 = 6) 의 곱셈에 의해 설명되는, 주파수 혼합 (frequency mixing) 때문에 발생한다. 발생하는 추가 고조파들은 6 (6, 12, 18, 24, ...) 에 의해 통합적으로 분할가능하며, 대응하는 것들은 항상 각각의 정수들 +/-1 (5 및 7, 11 및 13, ...) 로부터 발생한다. 모터 토폴로지 (예를 들어, 회전자 상의 8 개의 극들 및 고정자 상의 12 개의 극편 (pole shoe) 들) 의 실시형태에 의존하여, 이들 고조파들은 다양한 크기로 억제된다.
특히 희토류 금속에 대한 높은 원료 가격들 및 이들의 유통 및 마켓들에 대한 불확실한 접근이 자동차 산업에서 높은 비용 압력 (cost pressure) 에 직면하는 요인들이다. 더욱이, 기존의 전기머신들은 특히 효율, 낮은 코깅 토크 (cogging torque) 및 토크 균일성과 관련하여, 자동차들에서의 현대적 적용을 위한 요건들을 충분히 충족하지 않는다.
본 발명의 목적은 효율 및/또는 코깅 토크가 감소되고 및/또는 토크 균일성이 더욱 개선되는, 특히 자동차들에서의 이용을 위한, 영구 자석 전기 머신을 제공하는 것에 있다.
이 목적은 청구항 제 1 항에서 청구한 바와 같이 영구 자석 전기 머신용 회전자에 의해 달성된다.
회전자 축 둘레에 동심으로 배열되고 샤프트를 수용하기 위해 회전자 축을 따라 연장되는 관통-개구 (through-opening) 를 갖는, 영구 자석 전기 머신, 특히 브러시리스 DC 머신용의 본 발명에 따른 회전자로서, 회전자 축을 따라 연장되는 영구 자석들 및 극 세그먼트들을 포함하며, 영구 자석들 및 극 세그먼트들은 회전자 축 둘레에 원주 방향으로 교번하여 배열되며, 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트의 단면적 (cross-sectional area) 은 극 세그먼트의 (회전자 축에 대하여) 방사상 외측의 영역에 배열된 적어도 하나의 형상부 (shaped portion) 와 비대칭이 되도록 적어도 하나의 제 1 극 세그먼트 영역에 형성되며, 그 형상부는 실질적으로 원주 방향으로 연장된다.
바람직한 실시형태에 따르면, 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트는 적어도 하나의 제 2 극 세그먼트 영역을 포함하며, 여기서 단면적을 비대칭으로 형성하는 적어도 하나의 형상부는 제 1 극 세그먼트 영역에서의 형상부에 대하여 실질적으로 반대의 원주 방향으로 (회전자 축에 대하여) 방사상 외측의 영역에 제공된다.
바람직하게는, 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트는 적어도 하나의 제 3 극 세그먼트 영역을 포함하며, 제 3 극 세그먼트 영역은 실질적으로 대칭이며 형상부를 갖지 않는다.
더욱 바람직하게는, 일, 특히 각각의 극 세그먼트에 대해, 제 1 극 세그먼트 영역(들)의 비율은 대략 25% 이고, 제 2 극 세그먼트 영역(들)의 비율은 대략 25% 이며, 제 3 극 세그먼트 영역(들)의 비율은 대략 50% 이다.
바람직하게는, 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트는 실질적으로 자기 전도성, 특히 강자성 (ferromagnetic) 및/또는 페리자성 (ferrimagnetic) 재료로 이루어진다. 바람직하게는, 페라이트들이 영구 자석들에 대한 재료들로서 사용된다.
바람직하게는, 형상부와 회전자 축 간의 최대 간격은 회전자의 외경 (outer radius) 이하이다.
바람직한 실시형태에서, 적어도 하나의 토크 전달 (torque transfer) 디스크가 회전자의 적어도 하나의 종단면 (end face) 상에 제공되며, 적어도 하나의 토크 전달 디스크는, 샤프트를 수용하고 기계적으로 연결하기 위해 회전자 축의 방향으로 연장되는 개구를 갖고, 특히 토크 전달 디스크에서의 개구는 관통-개구보다 더 작은 직경을 갖는다.
바람직하게는, 토크 전달 디스크를 고정하기 위한 적어도 하나의 수단이 극 세그먼트(들) 상에 제공되며, 특히 적어도 하나의 개구 및/또는 컷아웃 (cutout) 이 적어도 하나의 극 세그먼트에 제공되고, 그 적어도 하나의 개구 및/또는 컷아웃 안으로 적어도 하나의 로드 형상 (rod-shaped) 엘리먼트가 삽입되며, 그 로드 형상 엘리먼트는 토크 전달 디스크에 기계적으로 연결된다.
추가 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 형상부는 토크 전달 디스크의 (회전자 축에 대하여) 방사상 외측의 영역에 있어서 토크 전달 디스크 상의 일, 특히 각각의 극 세그먼트의 영역에 형성되며, 그 형상부는 실질적으로 원주 방향으로 연장된다.
특히 바람직하게는, 토크 전달 디스크는 실질적으로 자기 비전도성 및/또는 약간 전도성, 특히 반자성 (diamagnetic) 및/또는 상자성 (paramagnetic) 재료로 이루어진다.
바람직하게는, 샤프트는 극 세그먼트들 및/또는 극 세그먼트 영역들에 의해 둘러싸인 리세스들을 수용하기 위한 적어도 하나의 폼 엘리먼트 (form element) 를 갖고, 및/또는 적어도 하나의 널 (knurl) 이 샤프트의 원주 상에 제공된다.
본 발명의 바람직한 전개에 따르면, 자기 전도성 연결 웹 (magnetically conductive connecting web) 들이 제공되며, 이 자기 전도성 연결 웹들은 단지 극 세그먼트들 및/또는 상이한 극 세그먼트들의 자기적으로 동일하게 분극된 극 세그먼트 영역들만을 연결한다.
본 발명은 또한 상기 설명된 바람직한 실시형태들에 따른 회전자를 포함하는 전기 머신 및 자동차에서의, 특히 자동차 제동 시스템 및/또는 자동차 조향 시스템에서의 회전자 및/또는 영구 자석 머신의 이용에 관한 것이다.
페라이트 자석들 또는 비교적 입수가능한 영구 자석들의 비교적 낮은 잔류 자기에도 불구하고, 희토류 금속 없이, 본 발명에 의해, 희토류 금속을 가진 영구 자석 머신들과 비교하여, 단지 약간 증가된 공간 요건을 갖고 비동기 및 자기저항 (reluctance) 머신들과 같은 대안의 모터 컨셉들보다 더 공간 절약적인 전기 머신을 설계하는 것이 가능하다. 비용 집약적 (cost-intensive) 이고 때때로는 획득하기 어려운 희토류 금속을 회피함으로써 및 단순한 기본 구성 때문에, 추가로 비용들이 절약되고 재료들에 대한 접근이 단순화된다. 이러한 재료들의 경우에 및 희토류 금속을 포함하는 영구 자석들의 이용의 경우에, 개선된 효율, 증가된 토크 균일성 및 더 낮은 코깅 토크가 달성된다.
추가 바람직한 실시형태들은 도면들을 참조하여 예시적인 실시형태들에 관한 이하의 설명으로부터 발생하며, 도면들에 있어서 :
도 1 은 본 발명에 따른 영구 자석 머신의 단순화된 단면도를 도시한다.
도 2 는 영구 자석 머신의 단순화된 예시를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 회전자의 단순화된 예시를 도시한다.
도 4 는 회전자의 분리된 극 세그먼트 영역을 도시한다.
도 5 는 종래 기술에 따른 회전자 각도의 함수로서의 자속 밀도의 공지된 프로파일 그 자체를 도시한다.
도 6 은 본 발명에 따른 전기 머신의 회전자 각도의 함수로서의 자속 밀도의 일 예시적인 프로파일을 도시한다.
도 7 은 전기 머신의 추가 실시형태에 따른 회전자 각도의 함수로서의 자속 밀도의 추가 예시적인 프로파일을 도시한다.
도 8 은 머신의 자기력선들의 시뮬레이팅된 프로파일을 도시한다.
도 9 는 본 발명에 따른 전기 모터의 추가 예시적인 실시형태의 예시들을 도시한다.
도 10 은 누설 자속들의 감소에 대한 설계 전개들을 가진 본 발명에 따른 회전자의 일 예시적인 실시형태를 도시한다.
도 11 은 누설 자속들의 감소에 대한 설계 전개들을 가진 본 발명에 따른 회전자의 추가 예시적인 실시형태를 도시한다.
예시적인 실시형태들을 간단히 및 용이하게 설명하는 것을 가능하게 하기 위하여, 동일한 엘리먼트들에는 동일한 참조 심볼들이 제공되었고, 각각의 경우에는 단지 본 발명에 필수적인 상세들만이 설명된다.
도 1 은 전기 모터 (1) 의 예를 이용하여, 필수 컴포넌트들, 즉 고정자 (11) 및 회전자 (2) 에 제한된 본 발명에 따른 전기 머신 (1) 의 투시도를 도시하며, 고정자 (11) 는 예시를 목적으로 일 섹션으로서 그려진다. 도 2 는 마찬가지로 전기 모터 (1) 의 단순화된 투시도를 도시하지만, 일 섹션을 갖지 않는다.
필드 코일들 (12) 은, 고정자 (11) 의 극편 (pole shoe) 들 (13) 상의 회전자 (2) 의 원주 둘레에 배열되며, 회전 자기장의 생성에 의해 회전자의 회전 운동을 유발하기 위하여 공지된 방식 그 자체로 전기적으로 액츄에이팅된다. 회전자 (2) 는 영구 자석들 (3) 및 극 세그먼트들 (4) 을 포함하며, 그 영구 자석들 (3) 및 극 세그먼트들 (4) 은, 회전자 축을 따라 연장되고, 회전자 축 (1') 을 동심으로 둘러싸면서, 원주 방향으로 교번하여 회전자 축 둘레에 배열된다. 종래 기술에 이미 설명한 바와 같이, 영구 자석들은 원주 방향으로 교번하여 반대로 분극된다. 자속의 집중을 달성하기 위하여, 자속은 극 세그먼트들 (4) 을 통해 에어 갭으로 안내되며, 영구 자석들 (3) 각각은 동일한 자기 분극 (magnetic polarization) 을 가진 극 세그먼트 (4) 에 인접한다. 따라서, 자남극 (magnetic south pole) 및 자북극 (magnetic north pole) 은 회전자의 원주 방향으로 교번한다.
회전자 (2) 는, 회전자 축 (1') 에 관해 회전할 수 있게, 회전자 (2) 의 양자의 종단면들 상에 제공된 토크 전달 디스크들 (7) 을 통해 전기 모터의 샤프트 (미도시) 에 기계적으로 연결된다. 샤프트를 관통시키고 고정시키기 위하여, 개구들 (8') 이 회전자 축 (1') 의 방향으로 토크 전달 디스크들 (7) 에 제공된다. 회전자 (2) 는 더욱이 샤프트를 관통시키기 위하여 회전자 축 (1') 의 방향으로 연장되는 관통-개구 (through-opening) (8) 를 갖는다.
특히 샤프트에 대한 회전자의 누설 자속들을 회피하기 위하여, 토크 전달 디스크들 (7) 은 예를 들어 구리 또는 알루미늄과 같이, 실질적으로 자기 비전도성 또는 약간 전도성 재료로 이루어진다. 특히 실질적으로 자기 전도성인 재료로 이루어진 샤프트가 이용되는 경우, 토크 전달 디스크들 (7) 에서의 개구들 (8') 은 관통-개구 (8) 보다 더 작은 직경으로 구현된다. 그 결과, 샤프트에 대한 영구 자석들 (3) 및 극 세그먼트들 (4) 의 누설 자속들이 그들 간의 간격들에 의존하여 감소된다.
토크 전달 디스크들 (7) 에 대한 대안으로서 또는 그에 더하여, 반자성 (diamagnetic) 및/또는 상자성 (paramagnetic) 재료로 이루어진 적어도 하나의 연결 슬리브 (connecting sleeve) 가 예를 들어 샤프트와 회전자 (2) 사이에 도입될 수 있으며, 여기서 연결 슬리브는 첫번째로 샤프트에 및/또는 회전자 (2) 에 토크를 전달하거나 또는 샤프트에의 및/또는 회전자 (2) 에의 토크의 전달을 지원할 수 있으며, 두번째로 누설 자속들을 억제한다.
이 예시적인 실시형태에 따르면, 각각의 경우에, 원형 단면들을 갖는 2 개의 로드 (rod) 들은, 각각의 극 세그먼트 (4) 및 토크 전달 디스크들 (7) 에서 그 로드들을 위해 제공된 개구들 (10) 에 도입되고, 동작 동안 발생하는 토크가 전달될 수 있도록 하는 방식으로 토크 전달 디스크들 (7) 에 특히 기계적으로 연결된다. 이것을 예시하기 위하여, 도 3 은 토크 전달 디스크들 (7) 없이 회전자 (2) 를 도시한다.
와전류를 회피하기 위하여, 극 세그먼트들 (4) 은, 공지된 방식 그 자체로, 적층 스택 (laminate stack) 들로 이루어지지만, 고체 재료 (solid material) 로 이루어진 극 세그먼트들 (4) 의 영역들이 또한 제공될 수 있다. 극 세그먼트들 (4) 은, (회전자 축 (1') 에 대하여) 방사상 외측의 영역에 단면적 (14) 을 비대칭으로 형성하는 형상부들 (6) 을 갖는 극 세그먼트 영역들 (5) 을 갖는다. 단면적 (14) 은 도 4 에 설명을 목적으로 예시된다. 일 예로 회전자 축 (1') 을 따라 각 극 세그먼트 (4) 에 2 회 제공되는 제 1 극 세그먼트 영역 (5) 에서, 형상부들은 실질적으로 제 1 원주 방향 (1'') 으로 향한다. 마찬가지로 회전자 축 (1') 을 따라 2 회 제공되는 제 2 극 세그먼트 영역의 경우에, 형상부들은 실질적으로 제 1 원주 방향에 반대인 제 2 원주 방향 (1'') 으로 향한다. 형상부들 (6) 과 회전자 축 (1') 간의 최대 간격은 회전자 (2) 의 외경 (outer radius) 이하이다. 각각의 극 세그먼트 영역은 이 경우에는 별개의 적층체 (lamination) 들로부터 어셈블링되거나, 또는 고체 재료로부터 완전히 또는 부분적으로 제조될 수 있다.
도 4 는 형상부 (6) 를 가진 극 세그먼트 영역 (5) 의 단면적 (14) 을 도시하며, 여기서 원주 방향들 중 어느 원주 방향으로 형상부 (6) 가 향하도록 의도되는지를 선택하는 것이 가능하다. 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 은 (회전자 축 (1') 에 대하여) 방사상 외측의 영역에서, 회전자 축 (1') 에 대하여 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 의 에지를 향하여 작아지는 반경들을 가진 공지된 원형 반경들 그 자체를 갖는다. 각각의 극 세그먼트 (4) 는 또한, 회전자 축 (1') 을 따라 3 회 제공되고 형상부 (6) 없이 실질적으로 대칭인 제 3 극 세그먼트 영역 (5'') 을 갖는다.
이미 설명한 바와 같이, 자속의 고조파 (harmonic) 들 때문에, 회전자와 고정자 간의 갭에는 토크 불균일성들이 발생한다. 빈번히 이용된 실시형태의 전기 머신은 회전자 측에 8 개의 극들 및 고정자 측에 12 개의 극편들을 갖지만, 이들 고조파들의 임의의 억제를 입증하지는 않는데, 그 이유는 결국 극 세그먼트들의 지오메트리에 의해 결정되는, 사인형 (sinusoidal) 에어 갭 필드가 구해져야 하기 때문이다.
전기 모터의 공지된 일 실시형태 그 자체에 대응하는 10-극 회전자의 회전자 각도 (W) 의 함수로서의 자속 밀도 (B) 의 일 예시적인 프로파일이 도 5 에 예시된다. (대칭의 축이 0°에 있는) 극 세그먼트의 영역에서, 종래 기술에 따른 자속 밀도 (19) 는 마찬가지로 예시되는 코사인형 (cosinusoidal) 참조 곡선 (18) 과 대체로 동일하다. 2 개의 극 세그먼트들 간의 방사상 외측의 영역에서, 10-극 전기 모터의 자속 밀도는 실질적으로 코사인형 참조 곡선에서 벗어난다. 극 세그먼트들이 토크 균일성을 개선하기 위하여 더욱 연장될 예정이었다면, 극단적인 경우에는, 연속 브릿지가 형성될 때까지, 누설 자속이 실질적으로 증가할 것이고 효율이 감소할 것이다.
도 6 은 회전자 각도 (W) 의 함수로서의 본 발명에 따른 전기 머신 (1) 의 바람직한 실시형태의 자속 밀도 (B) 의 일 예시적인 프로파일을 예시하며, 여기서 극 세그먼트들 (4) 은 제 1 원주 방향 및 반대의 원주 방향 (1'') 으로 형상부들 (6) 을 가진 극 세그먼트 영역들 (5 및 5') 로 대략 동일한 비율들로 분할된다. 예시를 목적으로, 형상부들 (6) 을 가진 영역들은 제 1 원주 방향 (1'' (15)) 및 또한 이것에 반대인 원주 방향 (1'' (16)) 으로 분리되는 것으로서 예시되었다. 형상부들 (6) 때문에, 각각의 경우의 형상부들 (6) 의 방향에 의존하여, 자속 밀도의 하나의 오버슈트 (15', 16') 가 이 영역에서 발생한다. 결과의 자속 밀도 (17) 는 2 개의 극 세그먼트 영역들 (5, 5') 의 합성 (superimposition) 때문에 다시 대칭이 되고 각이 진 영역들에서 오버슈트들을 입증하며, 여기서, 도 5 에 도시한 바와 같이, 코사인형 참조 곡선 (18) 과 비교하여 감소된 자속 밀도 (19) 가 존재하였다.
각각의 극 세그먼트 (4) 에서의 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 의 수 및 배열은 효율 및 토크 균일성의 요건에 의존하여 구성될 수 있으며, 개개의 극 세그먼트들 간의 차이들이 또한 인식될 수 있다. 도 1, 도 2 및 도 3 에 도시된 예시적인 실시형태에서, 비율이 대략 25% 인 제 1 극 세그먼트 영역들 (5), 비율이 대략 25% 인 제 2 극 세그먼트 영역들 (5') 및 비율이 대략 50% 인 제 3 극 세그먼트 영역들 (5'') 이 회전자 축 (1') 을 따라 극 세그먼트 (4) 의 전체 길이에 걸쳐 제공된다. 이것은 도 7 에 도시된 코사인형 참조 곡선 (18) 과 대체로 정렬되게 되는 본 발명에 따른 전기 머신 (1) 의 자속 밀도 (20) 를 초래한다. 본 발명에 따른 전기 모터의 제 1 극 세그먼트 영역 (5) 을 가진 상세의 자기력선들의 시뮬레이팅된 프로파일이 도 8 에 그려진다.
극 세그먼트 (4) 의 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 이, 예를 들어, 각각의 경우에 원주 방향 (1') 으로 형상부 (6) 를 가진 응집성 (cohesive) 제 1 극 세그먼트 영역 (5), 다음에 형상부가 없는 제 3 극 세그먼트 영역 (5''), 및 그 후 반대의 원주 방향 (1') 으로 형상부 (6) 를 가진 제 2 극 세그먼트 영역 (5') 과 같은 방식으로 더욱 결합된다면, 극 세그먼트 영역들 (5, 5') 의 형상부들 (6) 은 옵션으로 또한 토크 전달 디스크 (7) 상에 배열될 수 있다.
도 9 는 본 발명에 따른 회전자 (2) 의 추가 예시적인 실시형태의 도 9a) 및 도 9b) 에서의 상이한 투시도들을 도시한다. 회전자 (2) 는 스파이더형 회전자로서의 실시형태의 자속 집중에 더하여, 축방향 자속 집중이 발생되는 결과로서, 상기 설명된 예시적인 실시형태와 비교하여 연장된다. 고정자 (11) 상에 배열되고 극편들 (13) 을 넘어 축방향으로 돌출하는 필드 코일들 (12) 때문에, 회전자 (2) 는 전기 머신 (1) 의 양측에서, 고정자 (11) 에 비하여 축방향으로 더 길 수 있다. 따라서, 전기 머신 (1) 은 양측의 이들 길이들에 의해 감소되는 총 길이로 축방향으로 구성될 수 있다. 따라서, 감소된 턴 길이 때문에, 더 낮은 전기 손실들이 발생된다. 관성을 감소시키고 갭에서의 축방향 자속들을 회피하기 위하여, 돌출하는 극 세그먼트 영역들 (21) 은 원주에서 평탄할 수 있고, 즉 극 세그먼트들의 에지를 향하여 더 작아지는 반경들을 가진 원형 반경들 없이 제공될 수 있다.
도 10 및 도 11 은 회전자 (2) 의 추가 바람직한 구성들의 상이한 예시들 및 투시도들을 도시하며, 단지 바람직한 전개 특징들의 설명을 위해 가장 필요한 컴포넌트들만이 그려진다. 이전에 설명된 실시형태들과 대조하여, 극 세그먼트 (4) 또는 극 세그먼트 영역 (5, 5', 5'') 의 파선 (dashed line), 또는 회전자 (2) 의 중심점 (M) 과 정점 (S) 간에 예시를 목적으로 그려지는 연결선에 의해 나타내지는 극 세그먼트 캡 (6') 의 정점 (S) 은, 특히 도 10a 및 도 11b 에서 알 수 있는 바와 같이, 1 점 쇄선으로 예시되는 극 세그먼트 (4) 또는 극 세그먼트 영역 (5, 5', 5'') 의 추가 부분의 대칭의 축에 대하여, 각도 α, 예를 들어, 3°를 통하여 시프트된다. 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 의 비대칭을 설명하기 위하여, 도 10a 에는 단지 제 1 원주 방향 (1'') 으로 형상부들 (6) 을 가진 극 세그먼트 영역들만이 그려져 있지만, 뷰잉 방향에서 이것 뒤에 있고 반대의 원주 방향으로 형상부들 (6) 을 갖는 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 은 그려져 있지 않다. 도 10 및 도 11 의 예시적인 실시형태들의 추가 설계 전개들은 관통-개구 (8) 의 영역에서의 제 1 극 세그먼트 (4) 로부터 추가 극 세그먼트 (4) 로의 누설 자속들의 감소 또는 회피에 실질적으로 초점을 맞추고 있다. 설명된 설계 상세들은 이 경우에는 이미 설명된 에시적인 실시형태에 옵션으로 또는 추가적으로 이용될 수 있다. 도 10a (축방향에 평행한 관점) 및 도 10b (축방향에 수직인 관점) 에 도시한 바와 같이, 회전자 (2) 는 극 세그먼트들 (4) 의 리세스들 (24) 을 기계적으로 고정하기 위한 폼 엘리먼트들 (23) 을 포함하는 샤프트 (22) 를 가지며, 그 샤프트 (22) 는 특히 항자성 (antimagnetic) 이고 압출 (extrusion) 방법을 이용하여 생성된다. 전기 모터 (1) 의 베어링 (미도시) 의 영역에서, 샤프트 (22) 는 바람직하게는 회전자 축 (1') 을 따라 원통형 형상을 갖는다. 회전자 (2) 의 컴포넌트들의 최종 고정은 플라스틱 사출 성형 (25) 에 의한 캡슐화에 의해 일어나며, 그 결과 연속 동작 중의 원심력이 더 효과적으로 흡수될 수 있다. 샤프트 (22) 로의 토크 전달을 개선하기 위하여, 폼 엘리먼트들 (23) 은 바람직하게는 영구 자석들 (3) 또는 극 세그먼트들 (4) 을 넘어 축방향으로 돌출하며, 폼 엘리먼트들 (23) 의 돌출하는 부분은 효과적인 폼 핏 (form fit) 을 형성하도록 플라스틱 사출 성형 (25) 에 의한 캡슐화에 의해 밀봉된다.
도 11a 및 도 11b 에서의 실시형태에 대응하여, 동일한 자기 포텐셜 (magnetic potential) 의 극 피스들 (4) 또는 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 은 관통-개구 (8) 의 영역에서 방사상으로, 자기 전도성 연결 웹들 (26) 에 의해 회전자 (2) 의 원주 방향으로 연결되며, 그 결과, 원주 방향에서, 특히 모든 제 2 극 세그먼트 (4) 또는 모든 제 2 극 세그먼트 영역 (5, 5', 5'') 은 서로 연결된다. 동일한 자기 포텐셜 때문에, 이러한 방식으로 연결된 자기적으로 동일하게 분극된 극 세그먼트들 (4) 또는 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 간에는 실질적으로 어떠한 자속도 없는데, 그 이유는 그들 사이에 실질적으로 어떠한 자기 누설 자속들도 없기 때문이다. 도 11a 는 단지 회전자 (2) 의 부분의 극 피스들 (4) 및/또는 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 의 투시도를 도시한다.
원주 방향으로 제공되고 바로 전에 설명된 극 피스들 (4) 및/또는 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 과 비교하여 반대의 자기 포텐셜을 갖는 추가의 것들이 연결 웹들 (27) 에 의하여 연결된다. 이 경우에 반대로 분극된 극 세그먼트들 (4) 의 각각의 연결 웹들 (26 및 27) 은 예를 들어 4mm 의 축방향 간격을 가지며, 그 결과 누설 자속들이 바람직하게 제한 또는 회피된다. 회전자 (2) 의 회전자 축 (1') 에 수직으로 배열된 극 세그먼트 평면의 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 은 도 11b 에 예시되며, 여기서, 특히, 단지 모든 제 2 극 세그먼트 (4) 또는 모든 제 2 극 세그먼트 영역 (5, 5', 5'') 이 각각 연결 웹들 (26 및 27) 에 의해 연결된다는 것을 알 수 있다. 각각의 개별의 극 세그먼트 (4) 의 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 은 예를 들어 스탬핑 및 스택킹, 접착 본딩, 그렇지 않으면 용접 또는 스크류잉 (screwing) 에 의하여, 공지된 방식 그 자체로 축방향으로 기계적으로 연결된다.
영구 자석들 (3) 은 추가 예시적인 실시형태들에 대해 이미 설명한 바와 같이, 극 세그먼트들 (4) 간에 원주 방향으로 배열된다. 회전자 (2) 는, 영구 자석들 (3) 이 웨지 (wedge) 의 형태로 부분적으로 또는 완전히 회전자 축 (1') 을 향하여 연장되는 그러한 방식으로 본 발명에 따라 구성될 수 있으며, 이는 회전자 (2) 의 원주 방향으로 배열되는, 영구 자석들 (3) 의 평면들이 회전자 축을 향하여 서로 다가간다는 것을 의미한다. 웨지 형상 때문에, 특히 연결 웹들 (26, 27) 에 의해 요구된 공간 요건이 확인된다.
특히 회전자 (2) 의 축방향 종단 영역들에 배열되고 도 11a 에 강조되며 연결 웹들 (27) 이 자기적으로 반대로 분극된 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 의 연결 웹들 (26) 에 직접 인접하는 회전자 (2) 의 극 세그먼트 평면의 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 때문에, 회전자 (2) 의 기계적 안정성이 개선될 수 있으며, 이 영역에서의 누설 자속들은 그럼에도 불구하고 증가된다. 더욱이, 도 10 에서의 예시적인 실시형태에 대응하는 회전자 (2) 의 기계적 안정성은 회전자를 실질적으로 밀봉하는 플라스틱 사출 성형 (미도시) 에 의한 캡슐화에 의해 바람직하게 증가된다. 도 10 의 관점에서의 회전자 샤프트 (22) 로의 토크 전달의 개선은, 예를 들어, 대응하게 배열된 널 (knurl) 에 의해 달성될 수 있으며, 그 널은 마찬가지로 회전자 샤프트의 원주의 부분들 상에서, 플라스틱 사출 성형에 의한 캡슐화에 의해 밀봉되며, 특히 폼 엘리먼트들 (23) 과 관련하여, 샤프트 (22) 로의 토크 전달을 개선하도록 토크 전달 디스크 (7) 를 축방향으로 고정하기 위해 펑처 (punctur) 가 또한 제공될 수 있다. 바람직하게는, 이 실시형태에 따르면, 특히 전기 모터 (1) 또는 회전자 (2) 의 제조를 위한 개개의 부품들의 수를 제한하는 것이 가능하다.

Claims (13)

  1. 회전자 축 (1') 둘레에 동심으로 배열되고 샤프트 (22) 를 수용하기 위해 상기 회전자 축 (1') 을 따라 연장되는 관통-개구 (through-opening) (8) 를 갖는, 영구 자석 전기 머신 (1), 특히 브러시리스 DC 머신용의 회전자 (2) 로서,
    상기 회전자 축 (1') 을 따라 연장되는 영구 자석들 (3) 및 극 세그먼트들 (4) 을 포함하며,
    상기 영구 자석들 (3) 및 상기 극 세그먼트들 (4) 은 상기 회전자 축 (1') 둘레에 원주 방향으로 교번하여 배열되며,
    적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트 (4) 의 단면적 (cross sectional area) (14) 은, 상기 극 세그먼트 (4) 의 (상기 회전자 축 (1') 에 대하여) 방사상 외측의 영역에 배열된 적어도 하나의 형상부 (shaped portion) (6) 와 비대칭이 되도록 적어도 하나의 제 1 극 세그먼트 영역 (5) 에 형성되며, 상기 형상부 (6) 는 실질적으로 원주 방향 (1'') 으로 연장되는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트 (4) 는 적어도 하나의 제 2 극 세그먼트 영역 (5') 을 포함하며, 단면적 (14) 을 비대칭으로 형성하는 적어도 하나의 형상부 (6) 는, 상기 제 1 극 세그먼트 영역 (5) 에서의 상기 형상부 (6) 에 대하여 실질적으로 반대의 원주 방향 (1'') 으로 (상기 회전자 축 (1') 에 대하여) 방사상 외측의 영역에 제공되는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트 (4) 는 적어도 하나의 제 3 극 세그먼트 영역 (5'') 을 포함하며, 상기 제 3 극 세그먼트 영역 (5'') 은 실질적으로 대칭이며 형상부 (6) 를 갖지 않는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  4. 제 3 항에 있어서,
    일, 특히 각각의 극 세그먼트 (4) 에 대해, 상기 제 1 극 세그먼트 영역(들) (5) 의 비율은 대략 20% 내지 대략 30% 이고, 상기 제 2 극 세그먼트 영역(들) (5') 의 비율은 대략 20% 내지 대략 30% 이며, 상기 제 3 극 세그먼트 영역(들) (5'') 의 비율은 대략 40% 내지 대략 60% 인 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 적어도 하나, 특히 각각의 극 세그먼트 (4) 는 실질적으로 자기 전도성, 특히 강자성 (ferromagnetic) 및/또는 페리자성 (ferrimagnetic) 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 형상부 (6) 와 상기 회전자 축 (1') 간의 최대 간격은 상기 회전자 (2) 의 외경 (outer radius) 이하인 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 하나의 토크 전달 (torque transfer) 디스크 (7) 가 상기 회전자의 적어도 하나의 종단면 (end face) 상에 제공되며, 상기 적어도 하나의 토크 전달 디스크는, 샤프트 (22) 를 수용하고 기계적으로 연결하기 위해 상기 회전자 축 (1') 의 방향으로 연장되는 개구 (8') 를 갖고, 특히 상기 토크 전달 디스크 (7) 에서의 상기 개구 (8') 는 상기 관통-개구 (8) 보다 더 작은 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 토크 전달 디스크 (7) 를 고정하기 위한 적어도 하나의 수단 (9) 이 상기 극 세그먼트(들) (4) 상에 제공되며, 특히 적어도 하나의 개구 (10) 및/또는 컷아웃 (cutout) 이 적어도 하나의 극 세그먼트 (4) 에 제공되고, 상기 적어도 하나의 개구 (10) 및/또는 컷아웃 안으로 적어도 하나의 로드 형상 (rod-shaped) 엘리먼트 (9) 가 삽입되며, 상기 로드 형상 엘리먼트는 상기 토크 전달 디스크 (7) 에 기계적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    적어도 하나의 형상부 (6) 는 상기 토크 전달 디스크 (7) 의 (상기 회전자 축 (1') 에 대하여) 방사상 외측의 영역에 있어서 상기 토크 전달 디스크 (7) 상의 일, 특히 각각의 극 세그먼트 (4) 의 영역에 형성되며, 상기 형상부 (6) 는 실질적으로 원주 방향 (1'') 으로 연장되는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 토크 전달 디스크 (7) 는 실질적으로 자기 비전도성 및/또는 약간 전도성, 특히 반자성 (diamagnetic) 및/또는 상자성 (paramagnetic) 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 샤프트 (22) 는 상기 극 세그먼트들 (4) 및/또는 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 에 의해 둘러싸인 리세스들 (24) 을 수용하기 위한 적어도 하나의 폼 엘리먼트 (form element) (23) 를 갖고, 및/또는 적어도 하나의 널 (knurl) 이 상기 샤프트 (22) 의 원주 상에 제공되는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    자기 전도성 연결 웹 (magnetically conductive connecting web) 들 (26, 27) 이 제공되며, 상기 자기 전도성 연결 웹들은 단지 극 세그먼트들 (4) 및/또는 상이한 극 세그먼트들 (4) 의 자기적으로 동일하게 분극된 극 세그먼트 영역들 (5, 5', 5'') 만을 연결하는 것을 특징으로 하는 회전자 (2).
  13. 자동차, 특히 자동차 제동 시스템 및/또는 자동차 조향 시스템에서의 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 회전자 (2) 의 이용.
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