KR20160079927A - 영구 자석형 회전 전기 - Google Patents

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KR20160079927A
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Abstract

원통 형상의 고정자 철심의 내주부에 복수 개의 티스 및 슬롯이 형성되고, 상기 슬롯 내에 권선이 배치되도록 상기 티스에 권선이 감긴 고정자와, 회전자 철심의 외주부에 2n개 이상(n은 1 이상의 자연수)의 방사상의 돌기부가 마련되고, 상기 돌기부 사이에 페라이트 자석이 배치되고, 상기 고정자의 중공부에 에어갭을 통해서 배치된 회전자를 구비하는 영구 자석형 회전 전기에 있어서, 상기 돌기부의 지름 방향의 높이를, 상기 페라이트 자석의 중앙부의 두께보다도 낮게 했다.

Description

영구 자석형 회전 전기{PERMANENT MAGNET TYPE ROTARY ELECTRIC MACHINE}
본 발명은 회전자의 외주면(外周面)에 영구 자석을 배치한 영구 자석형 회전 전기에 관한 것이다.
종래, 회전자 코어의 외주부에 복수 개의 방사상(放射狀)의 돌기부(突起部)가 마련되고, 상기 돌기부 사이에 두께가 얇은 영구 자석이 배치되고, 고정자의 중공부(中空部)에 에어갭(air gap)을 통해서 배치된 회전자를 구비하는 영구 자석형 회전 전기(電機)에 있어서, 상기 돌기부의 지름 방향의 높이를, 상기 영구 자석의 중앙부의 두께보다도 낮게 한 영구 자석형 회전 전기가 개시되어 있다(예를 들면, 특허 문헌 1, 2 참조).
특허 문헌 1: 일본 특개 2001－037122호 공보(단락 0020~0022, 도 5) 특허 문헌 2: 일본 특개 2005－065417호 공보(단락 0025, 0034, 0035, 도 1)
상기 특허 문헌 1, 2에 기재된 종래의 기술에 의하면, 어느 정도의 토크 맥동(torque pulsation)의 저감이 가능하지만, 두께가 얇은 영구 자석을 이용하고 있기 때문에, 릴럭턴스(reluctance) 토크가 작아, 평균 토크의 저하를 초래하고 있었다.
본 발명은 상기를 감안하여 이루어진 것으로서, 토크 맥동을 저감시키면서 고토크화를 실현하는 영구 자석형 회전 전기를 얻는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하여 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 원통 형상의 고정자 철심의 내주부(內周部)에 복수 개의 티스(teeth) 및 슬롯(slot)이 형성되고, 상기 슬롯 내에 권선(卷線)이 배치되도록 상기 티스에 권선이 감긴 고정자와, 회전자 철심의 외주부에 2n개 이상(n은 1 이상의 자연수)의 방사상의 돌기부가 마련되고, 상기 돌기부 사이에 페라이트(ferrite) 자석이 배치되고, 상기 고정자의 중공부에 에어갭을 통해서 배치된 회전자를 구비하는 영구 자석형 회전 전기에 있어서, 상기 돌기부의 지름 방향의 높이를, 상기 페라이트 자석의 중앙부의 두께보다도 낮게 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 영구 자석형 회전 전기는, 에어갭 길이에 대해서 충분한 지름 방향의 두께를 가지는 페라이트 자석을 이용한 회전 전기에 있어서, 돌기부를 마련함으로써, 돌극비(突極比, saliency ratio)를 얻는 것이 가능해져, 토크의 저하를 억제하면서 토크 맥동을 저감시킬 수 있다고 하는 효과를 달성한다.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 영구 자석형 회전 전기를 나타내는 횡단면도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 대표적인 페라이트 자석과 네오디뮴(neodymium) 자석의 자기 특성을 나타내는 도면이다.
도 4는 퍼미언스(permeance) 계수(=자석 두께/에어갭 길이)와 영구 자석의 보자력(保磁力, coercive force)에 대한 내부 반자계 비율의 관계를 나타내는 도면이다.
도 5는 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기에 있어서의 돌기폭 피치와 공극 자속 밀도의 고조파(高調波) 성분의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6은 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기에 있어서의 돌기폭 피치와 토크의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기에 있어서의 돌기폭 피치와 역률(力率)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8은 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기에 있어서의 퍼미언스 계수와 토크의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9는 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기에 있어서의 퍼미언스 계수와 돌극비(Lq/Ld)의 관계를 나타내는 도면이다.
도 10은 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기에 있어서의 자석 외주면의 곡률 반경/회전자 반경과 공극 자속 밀도의 고조파 성분의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 영구 자석형 회전 전기를 나타내는 횡단면도이다.
도 12는 실시 형태 2의 영구 자석형 회전 전기의 회전자의 확대 횡단면도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 영구 자석형 회전 전기의 회전자를 나타내는 확대 횡단면도이다.
도 14는 본 발명의 실시 형태 4에 따른 영구 자석형 회전 전기의 회전자를 나타내는 확대 횡단면도이다.
도 15는 본 발명의 실시 형태 5에 따른 영구 자석형 회전 전기의 회전자를 나타내는 확대 횡단면도이다.
이하에, 본 발명에 따른 영구 자석형 회전 전기의 실시 형태를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시 형태에 의해 이 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시 형태 1.
도 1은 본 발명의 실시 형태 1에 따른 영구 자석형 회전 전기를 나타내는 횡단면도이고, 도 2는 도 1의 부분 확대도이다. 도 1 및 도 2에 도시하는 것처럼, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)는, 원통 형상의 고정자 철심(21)의 내주부에, 티스(22) 및 슬롯(23)이 각각 24개(일반적으로, n을 1 이상의 자연수라고 하면, 티스수는 3n개이지만, 본 발명은 그것으로 한정하는 것은 아님.) 형성되고, 슬롯(23) 내에 권선이 배치되도록, 티스(22)에 권선이 감긴 고정자(20)와, 샤프트(33)에 지지되어 고정자(20)의 중공부에 에어갭을 통해서 배치되어, 회전자 철심(31)의 외주부에 4개(2n개；n은 1 이상의 자연수)의 페라이트 자석(32)이 배치된 회전자(30)를 구비하고 있다.
실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)는, 극수(極數)가 4, 슬롯수가 24, 상수(相數)가 3, 매극 매상마다의 슬롯수가 2인 회전 전기이다. 슬롯(23) 내에 배치되는 권선은, 도시를 생략하고 있다. 또한, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)의 고정자 철심(21) 및 회전자 철심(31)은, 전자 강판을 복수 매 적층하여 형성되어 있다.
회전자 철심(31)의 외주부에는, 원주 방향으로 등간격으로 방사상의 4개의 돌기부(34)가 마련되고, 서로 이웃하는 돌기부(34) 사이에 페라이트 자석(32)이 배치되어 있다. 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 돌기부(34)의 원주 방향의 돌기폭 St(도 2 참조)를, π×회전자 외경/극수로 산출되는 자극(磁極) 피치의 5~11%의 범위로 하고 있다.
또, 돌기부(34)의 지름 방향의 높이 Lt(도 2 참조)는, 페라이트 자석(32)의 자석 중앙부의 두께 Lm 보다도 낮고, 자석 단부(端部)의 두께 Lme 보다도 높게 하고, 자석 외주면의 곡률 반경 R1은, 회전자 반경 R0의 60%~100%의 범위로 하고 있다. 또, 페라이트 자석(32)의 자석 중앙부의 두께 Lm은, 회전자(30)와 고정자(20) 사이의 지름 방향의 공극 길이인 에어갭 길이 gm의 10배 이상으로 하고 있다.
다음으로, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)의 효과에 대해 설명한다.
＜자석 보자력과 필요한 자석 두께＞
우선, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서 이용하는 자석 재료에 대해 설명한다. 도 3은 대표적인 페라이트 자석과 네오디뮴 자석의 자기 특성 곡선인 J－H 곡선 및 B－J 곡선을 나타내는 도면이다.
J－H 곡선은 외부 자장에 의해서 영구 자석의 자화(磁化)의 크기가 어느 정도 변화하는지를 나타내고 있다. 또, B－H 곡선은, 외부 자장의 크기에 영구 자석의 자화를 더한 토탈의 자속 밀도를 나타내고 있다. 도 3의 J－H 곡선과 x축(0점을 통과하는 수평축)의 교점은 영구 자석의 보자력 iHc라고 불리는 것이다. 보자력 iHc는, 외부 자장에 의한 자계에 대한 영구 자석의 내력(耐力)을 나타내고 있다.
영구 자석에 보자력 iHc 보다도 작은 자계를 가한 경우, 이 자계를 제거하면 영구 자석의 자력은 자계를 가하기 전의 상태로 돌아간다. 그렇지만, 보자력 iHc 이상의 자계를 영구 자석에 가하면, 자계를 제거해도 자계를 가하기 전의 자력보다도 저하된 상태가 된다. 이 현상은, 영구 자석의 감자(減磁)라고 불리고 있다.
한편, 영구 자석에 작용하는 자계는, 고정자(20)의 권선에 흐르는 전류에 의해서 만들어지는 외부 자계 Hc와 영구 자석의 형상이나 갭 길이 등으로 정해지는 반(反)자계 Hin의 합으로 구할 수 있다. 반자계 Hin은, 특히, 영구 자석의 두께 Lm과 에어갭 길이 gm에 의해서 정해지고, 영구 자석의 표면적과 갭 표면적이 동일하다고 가정했을 경우, 퍼미언스 계수 Pc(=영구 자석의 두께 Lm/에어갭 길이 gm)에 의해, 다음 (1) 식으로 구할 수 있다. (1) 식에 있어서, Br은 영구 자석의 잔류 자속 밀도(B－H 곡선상의 H=0에서의 B의 값), μ0은 진공의 비투자율(比透磁率, relative permeability)), μr은 영구 자석의 리코일 비투자율이다.
[수 1]
Figure pct00001
영구 자석형 회전 전기(10)는, 고정자(20)의 권선에 전류를 흘림으로써 토크를 발생시키기 때문에, 가능한 한 많은 전류를 흘릴 수 있도록 설계하는 것이 필요하다. 그 때문에, 페라이트 자석(32)의 보자력 iHc에 대해서 페라이트 자석(32)의 내부 반자계 Hin이 차지하는 비율(Hin/iHc)이 작아지도록 설계하는 것이 필요하다.
다음으로, 퍼미언스 계수 Pc(=자석 두께 Lm/에어갭 길이 gm)에 대한 내부 반자계 비율(Hin/iHc)에 대해 검토한다. 도 4는 퍼미언스 계수 Pc와 영구 자석의 보자력 iHc에 대한 내부 반자계 Hin의 비율의 관계를 나타내는 도면으로, 네오디뮴 자석 및 페라이트 자석에서의 보자력 iHc에 대한 내부 반자계 Hin의 비율을 산출한 결과이다.
도 4에 도시하는 것처럼, 네오디뮴 자석과 페라이트 자석에서는, 같은 퍼미언스 계수 Pc(자석 두께 Lm/에어갭 길이 gm)더라도, 보자력 iHc에 대한 내부 반자계 Hin의 비율이 다른 것을 알 수 있다. 영구 자석형 회전 전기(10)의 설계에 있어서는, 내부 반자계 Hin의 비율을 10% 정도로 하는 것이 일반적이지만, 이 경우, 도 4에 도시하는 것처럼, 퍼미언스 계수 Pc는, 네오디뮴 자석의 경우에는 5 정도, 페라이트 자석의 경우에는 10 정도가 필요하다.
한편, 퍼미언스 계수 Pc를 결정하는 에어갭 길이 gm은, 영구 자석형 회전 전기(10)의 제조 방법이나 크기에 따라서 다르지만, 페라이트 자석형 회전 전기(10)에서도 네오디뮴 자석형 회전 전기에서도, 표면 자석형 회전 전기(SPM 회전 전기)이면, 통상, 0.5~2.0mm 정도가 된다. 그 때문에, 예를 들면, 에어갭 길이 gm=1mm라고 했을 경우, 상술의 퍼미언스 계수 Pc를 실현하기 위해서 필요한 자석 두께 Lm은, 네오디뮴 자석형 회전 전기에서는, 약 5mm인데 대해, 페라이트 자석형 회전 전기(10)에서는, 약 10mm가 된다.
또한, 네오디뮴 자석형 회전 전기에서도 페라이트 자석형 회전 전기(10)에서도, 저비용화를 위해서, 자석 사용량이 가능한 한 적게 되도록 설계한다. 그 때문에, 상기의 자석 두께 Lm을 기준으로 하고, 영구 자석형 회전 전기의 최대 토크 등 (최대 전류 통전시의 자계)의 사양을 고려한 한계 설계가 행해진다.
실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)는, 보자력이 낮은 페라이트 자석(32)을 사용하는 회전 전기에 있어서, 에어갭 길이 gm에 대해서 자석 두께 Lm을 두껍게 해야 한다고 하는 특징에 기초한 것이고, 페라이트 자석(32)을 이용하는 회전 전기에 적절한 구조가 되고 있다.
＜돌기폭과 토크 맥동＞
다음으로, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)의 토크 맥동 저감 효과에 대해 설명한다. 영구 자석형 회전 전기(10)의 토크는, 페라이트 자석(32)에 의해 발생하는 유기 전압과 고정자(20)의 권선에 통전(通電)하는 전류의 곱에 대체로 비례한다. 그 때문에, 유기 전압과 통전 전류 파형이 이상적인 정현파 형상이면, 발생 토크는 일정치가 된다. 그렇지만, 유기 전압에 고조파 성분이 포함되어 있으면, 토크 맥동이 발생하게 된다.
특히, 3상의 영구 자석형 회전 전기(10)의 토크 맥동은, 전원 주파수의 6i배(i는 정수；6f, 12f 등)의 성분이 발생한다. 6f 성분의 토크 맥동은, 유기 전압의 5차, 7차에 기인하는 것이고, 12f 성분의 토크 맥동은, 유기 전압의 11차, 13차에 기인하는 것이다. 따라서 영구 자석형 회전 전기(10)의 토크 맥동을 저감시키기 위해서는, 유기 전압의 5차, 7차, 11차, 13차의 고조파 성분을 가능한 한 작게 할 필요가 있다.
또, 유기 전압은, 공극 자속 밀도가 시간 변화함에 따라서 발생하는 것이기 때문에, 유기 전압의 고조파 성분을 작게 하기 위해서는, 공극 자속 밀도의 고조파 성분을 작게 할 필요가 있다. 한편, 평균 토크에 대해서는, 유기 전압의 기본파 성분 즉 공극 자속 밀도의 기본파 성분을 가능한 한 크게 할 필요가 있다.
이에, 우선, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)의 회전자(30)의 구조의 공극 자속 밀도의 고조파 성분을 산출한다. ｛자석폭/(회전자 외경 치수×π／극수)｝×π=자석폭×극수/회전자 외경 치수로 산출한 자석 피치를 2α라고 하면, 에어갭 중앙부의 원주 방향에 대한 공극 자속 밀도 Bg(θ)는, 다음 (2) 식에 의해 산출할 수 있다. 여기서, 자석폭이란, 영구 자석의 회전 방향의 폭치수이다. (2) 식에 있어서, γ는 고조파 차수, gm은 에어갭 길이, Lm은 자석의 지름 방향의 두께, μr은 영구 자석의 리코일 비투자율, Br은 영구 자석의 잔류 자속 밀도이다. 단, 회전자(30)의 반경 R0과 페라이트 자석(32)의 외주면의 곡률 반경 R1은 동일하게 했다.
[수 2]
Figure pct00002
도 5는 (2) 식으로부터 구한 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에 있어서의 돌기폭과 공극 자속 밀도의 고조파 성분의 관계를 나타내는 도면이다. 도 5에서는, 돌기폭을, 자극 피치(=회전자 외경 치수×π／극수)를 기준으로 한 돌기폭 피치로 나타내고 있다. 또, 평균 토크 및 토크 맥동에 대해 검토하기 위해, 공극 자속 밀도의 기본파 성분, 5차와 7차의 고조파 성분의 합, 및 11차와 13차의 고조파 성분의 합에 주목하는 것으로 하고, 돌기 없음(돌기폭 제로)인 경우를 기준으로 했다.
도 5에 도시하는 것처럼, 기본파 성분은, 돌기폭 피치를 크게 하면 저하한다. 이것은 돌기폭 피치의 증가에 의해 자석량이 저하하기 때문이다. 한편, 고조파 성분은, 돌기폭 피치의 크기에 의해 크게 변화한다. 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 기본파 성분의 저하를 억제하면서, 고조파 성분을 저감시키기 위해, 11차와 13차의 고조파 성분을 저감시키는 것으로 했다. 도 5에 도시하는 것처럼, 11차와 13차의 고조파 성분을, 돌기 없음의 경우의 대략 1/2 이하로 하기 위해서는, 돌기폭 피치를 5~11%로 하는 것이 필요하다.
＜돌기폭과 토크＞
상기와 같이, 일반적으로는, 돌기를 마련하면 공극 자속 밀도의 기본파 성분이 저하되어 토크 저하를 초래한다. 그러나 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 페라이트 자석(32)의 두께를 두껍게 함으로써, 릴럭턴스 토크를 발생시켜 토크 저하를 회피했다. 이하, 이 점에 대해 설명한다.
영구 자석형 회전 전기(10)의 토크 T는, 자속량과 인덕턴스와 전류로 결정되며, 다음 (3) 식에 의해 구할 수 있다. (3) 식에 있어서, Tm은 마그넷 토크, Tr은 릴럭턴스 토크, Pn은 극쌍수(極對數)(4극인 경우는 2)이다. 마그넷 토크 Tm은 페라이트 자석(32)의 자속량 φm과 q축 전류 iq의 곱으로 나타내지고, 릴럭턴스 토크 Tr은 d축 인덕턴스 Ld와 q축 인덕턴스 Lq의 차와 d축전류 id, q축 전류 iq의 곱으로 나타내진다.
[수 3]
Figure pct00003
또한, 자속량 φm은 영구 자석형 회전 전기(10)의 직렬 도체수 Nph, 공극 자속 밀도 Bg, 자극 피치 τp, 코어폭 Lc, 권선 계수 kw(영구 자석형 회전 전기(10)의 극수와 슬롯수 등으로 결정)로부터, 다음 (4) 식 및 (5) 식에 의해 구할 수 있다.
[수 4]
Figure pct00004
[수 5]
Figure pct00005
또, d축 인덕턴스 Ld, q축 인덕턴스 Lq는, 각각, 다음 (6) 식, (7) 식에 의해 근사(approximate)될 수 있다. (6) 식, (7) 식에 있어서, Ns는 슬롯수, C는 병렬 회로수, n은 권선의 권수(卷數), St는 돌기부의 원주 방향의 폭, Sm은 영구 자석의 원주 방향의 폭(St<<Sm), gm은 영구 자석의 원주 방향 중앙부에서의 에어갭 길이, gt는 돌기부에서의 에어갭 길이, Lm은 영구 자석의 지름 방향 두께, μ0은 진공의 투자율이다.
[수 6]
Figure pct00006
[수 7]
Figure pct00007
이상으로부터, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)의 토크 T는, 다음 (8) 식으로 나타내진다.
[수 8]
Figure pct00008
도 6은 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에 있어서의 돌기폭 피치와 토크의 관계를 나타내는 도면이다. 도 6은 (8) 식을 이용하여 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)의 돌기폭 피치에 대한 토크를 산출한 결과이다. 도 6에 도시하는 것처럼, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 보자력이 낮은 페라이트 자석(32)을 이용하고 있으므로, 퍼미언스 계수 Pc 향상을 위해 자석 두께 Lm이 에어갭 길이 gm의 10배 이상으로 되어 있다. 이것에 의해, d축 인덕턴스 Ld에 비해 q축 인덕턴스 Lq가 커져, 돌극성을 가지는 구조가 되기 때문에, 표면 자석형 회전 전기(SPM 회전 전기)임에도 불구하고 릴럭턴스 토크 Tr이 발생한다. 그 결과, 도 6에 도시하는 것처럼, 돌기폭 피치를 크게 함으로써 마그넷 토크 Tm은 감소하지만, 릴럭턴스 토크 Tr에 의해, 토탈 토크 T의 저하를 회피할 수 있다.
도 7은 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에 있어서의 돌기폭 피치와 역률의 관계를 나타내는 도면으로, (6) 식 및 (7) 식을 이용하여, 영구 자석형 회전 전기(10)의 돌기폭 피치에 대한 역률을 산출한 결과이다. 또한, 전원 용량을 가능한 한 작게 하기 위해서는, 역률은 큰(1에 가까운) 쪽이 좋다. 도 7에 도시하는 것처럼, 역률은, 토크 즉 통전하는 전류의 크기에 의해서 변화하지만, 돌기폭 피치가 커지는 것에 따라 역률은 저하한다. 그 때문에, 역률 저하를 3% 이하로 하기 위해서, 돌기폭 피치는 13% 이하로 할 필요가 있다.
＜자석 두께와 토크＞
다음으로, 돌기 높이 및 자석 두께와 토크의 관계에 대해 검토한다. 도 8은 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에 있어서의 퍼미언스 계수와 토크의 관계를 나타내는 도면으로, (8) 식을 이용하여, 자석 두께와 토크의 관계에 대해 검토한 결과이다. 도 8에 도시하는 것처럼, 자석 두께 Lm이 두꺼워짐에 따라서 토크 T가 향상되어 있고, 자석 두께 Lm/에어갭 길이 gm이 25 부근에서 최대치에 수렴되어 있다. 단, 자석 두께 Lm을 두껍게 하면 자석 사용량이 증가하기 때문에, 자석 코스트의 증가로 이어진다. 그 때문에, 토크 T를 향상하면서, 자석 사용량을 최소화하여, 감자를 회피하기 위해서, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 자석 두께 Lm/에어갭 길이 gm을 10 이상으로 하는 것으로 했다.
＜자석 두께와 돌극비＞
다음으로, 도 9를 참조하여, 자석 두께 Lm과 돌극비(Lq/Ld)에 대해 설명한다. 도 9는 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에 있어서의 퍼미언스 계수와 돌극비(Lq/Ld)의 관계를 나타내는 도면으로, (6) 식 및 (7) 식을 이용하여, 자석 두께 Lm과 릴럭턴스 토크 Tr의 관계에 대해 검토한 결과이다. 도 9에 도시하는 것처럼, 자석 두께 Lm의 증가에 따라서, 돌극비(Lq/Ld)도 증가하고 있다. 도 6에 도시한 것처럼, 돌기폭을 증가시킴으로써, 마그넷 토크 Tm은 감소하지만, 토탈 토크 T에는 별로 변화가 없다. 이것은, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 자석 두께 Lm/에어갭 길이 gm=퍼미언스 계수 Pc를 약 10으로 한 것에 의해, 표면 자석형 회전 전기더라도 돌극비(Lq/Ld)를 향상시킴으로써 릴럭턴스 토크 Tr을 유효하게 활용하고 있기 때문이다.
＜페라이트 자석의 곡률 반경과 토크 맥동＞
다음으로, 페라이트 자석(32)의 외주면의 곡률 반경 R1을 변경하는 것에 의한 토크 맥동 저감에 대해 설명한다. (2) 식 및 도 5는, 페라이트 자석(32)의 외주면의 곡률 반경 R1이 회전자 반경 R0과 동일하다고 가정했을 경우의 검토 결과였지만, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 페라이트 자석(32)의 외주면의 곡률 반경 R1을, 회전자 반경 R0보다도 작게 함으로써, 한층 더 토크 맥동 저감을 도모했다.
페라이트 자석(32)의 외주면의 곡률 반경 R1을 회전자 반경 R0보다도 작게 했을 경우의 공극 자속 밀도 Bg를, (1) 식을 확장한 수치 시뮬레이션에 의해 구했다. 도 10에 페라이트 자석(32)의 외주면의 곡률 반경 R1/회전자 반경 R0과 공극 자속 밀도의 고조파 성분의 관계를 나타낸다. 평균 토크 및 토크 맥동에 대해 검토하기 위해, 도 5의 경우와 마찬가지로, 공극 자속 밀도의 기본파 성분(1차 성분), 5차와 7차의 고조파 성분의 합, 11차와 13차의 고조파 성분의 합에 주목하는 것으로 했다. 또한, 공극 자속 밀도의 고조파 성분은 R1=R0인 경우를 기준으로 했다.
도 10에 도시하는 것처럼, 기본파 성분 및 고조파 성분 모두, R1을 작게 하는 것에 수반하여 저하되어 있다. 고조파 성분은 가능한 한 저감시킨 쪽이 좋지만, 기본파 성분은 손실의 증가로 이어지기 때문에 가능한 한 저하를 억제하는 것이 필요하다. 그 때문에, 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)에서는, 페라이트 자석(32)의 외주면의 곡률 반경 R1을 회전자 반경 R0의 60% 이상으로 하여, 기본파 성분의 저하를 억제하면서, 토크 맥동의 저감을 도모했다.
실시 형태 2.
＜자석 단부 형상의 변경＞
도 11은 본 발명의 실시 형태 2에 따른 영구 자석형 회전 전기를 나타내는 횡단면도이고, 도 12는 실시 형태 2의 영구 자석형 회전 전기의 회전자의 확대 횡단면도이다. 실시 형태 2의 영구 자석형 회전 전기(210)는, 극수가 4, 슬롯수가 24, 상수가 3, 매극 매상마다의 슬롯수가 2인 회전 전기이다.
실시 형태 2의 영구 자석형 회전 전기(210)에서는, 페라이트 자석(232)의 단부의 모서리부 및 돌기부(234)의 단부의 모서리부 및 베이스부를, 각각, 모서리부가 둥글게 라우딩된 R형상으로 하고 있다. 페라이트 자석(232)의 고정자 철심(21)측의 모서리부의 R형상의 곡률 반경을 R3, 회전자 철심(231)측의 모서리부의 R형상의 곡률 반경 및 돌기부(234)의 베이스부의 R형상의 곡률 반경을 R4, 돌기부(234)의 단부의 모서리부의 R형상의 곡률 반경을 R2라고 하면, 실시 형태 2의 영구 자석형 회전 전기(210)에서는, R2＜R3＜R4가 되도록 하고 있다. 이와 같이 함으로써, 돌기부(234)의 강도 및 q축 인덕턴스 Lq를 확보하면서, 페라이트 자석(232) 단부에서의 누설 자속을 억제하는 것이 가능해져, 고토크화를 실현할 수 있다.
실시 형태 3.
＜돌기부의 형태 1＞
도 13은 본 발명의 실시 형태 3에 따른 영구 자석형 회전 전기의 회전자를 나타내는 확대 횡단면도이다. 실시 형태 1의 영구 자석형 회전 전기(10)는, 돌기부(34)를 가지는 회전자 철심(31)을 전자 강판을 복수 매 적층하여 형성하고 있지만, 실시 형태 3의 회전자(330)는, 회전자 철심(331)과 돌기부(334)를 별개로 분할하여 형성한 후, 일체화하고 있다. 구체적으로는, 회전자 철심(331)은 전자 강판을 복수 매 적층하여 형성하고, 돌기부(334)는, 괴상(塊狀) 철심에 의해 형성하고 있다. 이러한 구조로 함으로써, 소형 회전 전기 등의 경우, 돌기부(334)의 폭치수가 작고, 전자 강판의 각인(stamp)이 어려운 경우나, 강도 확보가 곤란한 경우에도 돌기부(334)를 형성하는 것이 가능해진다. 이것에 의해, 소형 회전 전기 등이어도, 저토크 맥동화와 고토크화가 실현 가능해진다.
실시 형태 4.
＜돌기부의 형태 2＞
도 14는 본 발명의 실시 형태 4에 따른 영구 자석형 회전 전기의 회전자를 나타내는 확대 횡단면도이다. 실시 형태 3의 회전자(330)는 회전자 철심(331)을, 전자 강판을 복수 매 적층하여 형성하고, 돌기부(334)를, 괴상 철심에 의해 형성했지만, 실시 형태 4의 회전자(430)는, 회전자 철심(431) 및 돌기부(434)를, 괴상 철심에 의해 형성한 후, 볼트 체결 등에 의해 일체화하고 있다(도시는 생략). 이러한 구조로 함으로써, 전자 강판의 각인이 어려운 경우 등에도, 회전자(430)를 형성하는 것이 가능해진다.
실시 형태 5.
＜영구 자석 형상＞
도 15는 본 발명의 실시 형태 5에 따른 영구 자석형 회전 전기의 회전자를 나타내는 확대 횡단면도이다. 실시 형태 1~4의 회전자(30, 230, 330, 430)에서는, 회전자 철심(31, 231, 331, 431)의 외주면 및 페라이트 자석(32, 232, 332, 432)의 내주면은, 원호면(圓弧面) 형상으로 하고 있지만, 실시 형태 5의 회전자(530)에서는, 회전자 철심(531)의 외주면 및 페라이트 자석(532)의 내주면을 평면 형상으로 했다. 이것에 의해, 페라이트 자석(532)의 가공이 용이하게 되어, 페라이트 자석(532)의 저비용화를 도모할 수 있다.
실시 형태 6.
＜센서리스 구동＞
통상의 영구 자석형 회전 전기에서는, 회전자의 회전 위치에 기초하여 고정자의 권선에 전류를 통전할 필요가 있기 때문에, 광학식 인코더 등의 위치 센서가 필요하다. 그렇지만, 본 발명의 영구 자석형 회전 전기는, 돌극성을 가지고 있으므로, 회전 전기의 돌극비로 회전자의 회전 위치를 센싱하는 것이 가능하다. 그 때문에, 실시 형태 6에서는, 위치 센서를 이용하지 않고 회전 전기를 구동하는 것으로 했다. 이것에 의해, 회전 전기의 소형화나 신뢰성을 향상(고장의 가능성이 있는 부품을 삭감)시킬 수 있다.
또, 본 발명에 따른 회전 전기는, 저보자력의 페라이트 자석(32, 232, 332, 432)을 사용하고 있기 때문에, 네오디뮴 자석을 이용한 회전 전기에 비해 자속 밀도가 낮고, 자기 포화하기 어렵게 되어 있다. 그 때문에, 전류치나 회전자(31, 231, 331, 431)의 위치에 대한 돌극비의 변동이 적어, 센서리스로의 위치 결정 운전이 가능하다. 이것에 의해, 이 회전 전기를 탑재한 기계 장치의 고성능화도 실현할 수 있다.
10, 210: 영구 자석형 회전 전기, 20: 고정자,
21: 고정자 철심, 22: 티스,
23: 슬롯, 30, 230, 330, 430, 530: 회전자,
31, 231, 331, 431, 531: 회전자 철심,
32, 232, 532: 페라이트 자석, 33: 샤프트,
34, 234, 334, 434: 돌기부.

Claims (9)

  1. 원통 형상의 고정자 철심의 내주부에 복수 개의 티스 및 슬롯이 형성되고, 상기 슬롯 내에 권선이 배치되도록 상기 티스에 권선이 감긴 고정자와,
    회전자 철심의 외주부에 2n개 이상(n은 1 이상의 자연수)의 방사상(放射狀)의 돌기부가 마련되고, 상기 돌기부 사이에 페라이트 자석이 배치되고, 상기 고정자의 중공부(中空部)에 에어갭을 통해서 배치된 회전자를 구비하는 영구 자석형 회전 전기에 있어서,
    상기 돌기부의 지름 방향의 높이를, 상기 페라이트 자석의 중앙부의 두께보다도 낮게 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 페라이트 자석의 중앙부의 두께를 Lm, 상기 돌기부의 지름 방향의 높이를 Lt, 상기 페라이트 자석의 단부의 두께를 Lme라고 하면, Lm＞Lt＞Lme로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌기부의 원주 방향의 돌기폭을, 자극(磁極) 피치(=π×회전자 외경/극수)의 5 내지 11%의 범위로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 페라이트 자석의 중앙부의 두께를, 상기 고정자와 회전자 사이의 에어갭 길이의 10배 이상으로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 페라이트 자석의 외주면의 곡률 반경을, 상기 회전자의 반경의 60 내지 100%의 범위로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌기부의 단부의 모서리부의 R형상의 곡률 반경을 R2, 상기 페라이트 자석의 고정자 철심측의 모서리부의 R형상의 곡률 반경을 R3, 페라이트 자석의 회전자 철심측의 모서리부의 R형상의 곡률 반경을 R4라고 하면, R2＜R3＜R4로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자 철심과 상기 돌기부를 별개로 형성한 후, 일체화한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전자 철심의 외주면 및 상기 페라이트 자석의 내주면을 평면 형상으로 한 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
  9. 청구항 1 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자의 회전 위치를 검출하는 위치 센서를 이용하지 않고 구동되는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 회전 전기.
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