KR20170057386A - 릴럭턴스 보조 외부 로터 pmsm - Google Patents

릴럭턴스 보조 외부 로터 pmsm Download PDF

Info

Publication number
KR20170057386A
KR20170057386A KR1020177010600A KR20177010600A KR20170057386A KR 20170057386 A KR20170057386 A KR 20170057386A KR 1020177010600 A KR1020177010600 A KR 1020177010600A KR 20177010600 A KR20177010600 A KR 20177010600A KR 20170057386 A KR20170057386 A KR 20170057386A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
magnets
rotor
torque
adjacent
machine
Prior art date
Application number
KR1020177010600A
Other languages
English (en)
Inventor
뤼셍 시
알비 가라카니
Original Assignee
티엠4 인코포레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 티엠4 인코포레이티드 filed Critical 티엠4 인코포레이티드
Publication of KR20170057386A publication Critical patent/KR20170057386A/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H02K1/2787—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789—Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2791—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • B60L11/00—
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L50/00—Electric propulsion with power supplied within the vehicle
    • B60L50/90—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by specific means not covered by groups B60L50/10 - B60L50/50, e.g. by direct conversion of thermal nuclear energy into electricity
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/246—Variable reluctance rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786—Outer rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/22—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating around the armatures, e.g. flywheel magnetos
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62—Hybrid vehicles
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64—Electric machine technologies in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Transportation (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

성능을 희생시키지 않으면서 보다 적은 자석들이 제공된 릴럭턴스 보조 외부 로터 영구 자석 머신이 본 명세서에 설명된다. 토오크 리플과 코깅 토오크 감소가 논의된다.

Description

릴럭턴스 보조 외부 로터 PMSM{RELUCTANCE ASSISTED EXTERNAL ROTOR PMSM}
본 개시는 전기 머신들에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 개시는 외부 로터를 가진 릴럭턴스 보조 외부 로터 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Machine)에 관한 것이다.
높은 가스 가격들, 공기 오염 및 다른 환경적인 염려가, 차량 애플리케이션에 있어서 내연 기관들을 전기 트랙션 시스템들(electric traction system)로 대체하려는 시도의 배후 동기이었다. 상이한 타입의 전기 트랙션 시스템들 중에서, 영구 자석 재료들을 가진 머신들은 그들의 높은 토오크 밀도 및 높은 효율성으로 인해 매우 큰 퍼텐셜을 나타내며, 이는 통상적으로 소형의 크기와 보다 높은 차량 자율성으로 이어진다.
일반적으로, 전기 파워 트레인들(electric power trains)의 트랙션 모터들은 (단일 기어비로 이용되도록) 넓은 토오크-속도 범위, (양호한 가속을 위해) 저속에서의 높은 토오크 및 최대 속도에서의 허용가능한 전력을 가지도록 설계된다. 추가적으로, 이들 머신은 차량의 자율성을 증가시키기 위해 중간 속도 범위에서 고효율값들을 가져야 한다. 이러한 머신들을 위한 이용가능한 공간은 애플리케이션의 제한으로 인해 한정된다. 비용은 다른 중요한 요소이다. 이들 요구조건들은 설계 과정 동안 만족되어야 할 상이한 제약들을 부과하고, 이로 인해 이것은 도전적인 과제가 된다.
최근, 파워트레인에 있어서의 기어박스 이용의 필요성을 제거하는, 중형 애플리케이션을 위한 직접적인 구동 머신들에 대한 추세가 이어지고 있다. 이는 비용을 줄이고, 또한 전체 시스템의 효율성과 신뢰성을 향상시키는데 도움을 준다.
희토류 영구 자석들(rear-earth permanent magnets)은 이들의 양호한 성능들로 인해 주로 트랙션 모터들에 일반적으로 사용된다. 그러나, 지구의 자원들은 무한하지 않으며 희토류 영구 자석들은 매우 비싸지고 있다. 따라서, 전기 모터들에 있어서 희토류 영구 자석들의 이용을 저감시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 외부 로터 전기 머신을 개략적으로 도시하고,
도 2는 외부 로터 SPM 머신의 전형적인 로터 구성을 개략적으로 도시하고,
도 3은 자석들과 강성 로터 사이의 추가된 라미네이션 스트립을 개략적으로 도시하고,
도 4는 제1 예시적 실시예에 따른 외부 로터 머신에 있어서 자석들의 시프팅을 개략적으로 도시하고,
도 5는 폴 시프팅으로 인한 코킹 토오크 감소를 나타낸 그래프이고,
도 6은 폴 시프팅으로 인한 토오크 리플 감소를 나타낸 그래프이고,
도 7은 도 4의 외부 로터 머신 대 참조 SPM을 나타낸 그래프이고,
도 8은 제2 예시적 실시예에 따른 외부 로터 전기 머신의 전방 단면 정면도이다.
코킹 토오크(cogging torque) 및 토오크 리플들(torque ripples)을 감소시키면서 영구 자석들의 양을 감소시키는 것은, 자석들 사이에 상이한 크기의 자기 민감성 돌출부들(magnetically susceptible protrusions)을 위치시킴으로써 달성된다.
보다 상세하게, 예시적 실시예에 따르면, 내부 스테이터 및 내부 스테이터와 동축인 외부 로터를 포함한 외부 로터 전기 머신(external rotor electric machine)이 제공된다. 외부 로터는 내부 스테이터를 향하는 내측 표면을 포함한다. 외부 로터는 로터의 내부 표면 상에 원주 방향으로 배치된 영구 자석들 및 인접한 영구 자석들 사이에 각각 배치된 자기 민감성 돌출부들을 포함한다. 자기 민감성 돌출부들은 코깅 토오크 및 토오크 리플을 감소시키기 위해 자석들을 위치시키도록 구성되며 크기가 정해진다.
"단수형 표현(a 또는 an)"의 이용이 청구항들 및/또는 명세서에서 용어 "포함하는"과 함께 이용될 때, 그것은 "하나"를 의미할 수 있지만, 그것은 또한 "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 또는 하나 초과"의 의미와도 일치한다. 유사하게, "다른(another)"이란 용어는 적어도 2번째 이상을 의미할 수 있다.
본 명세서 및 청구항(들)에 이용된 용어 "포함하는(comprising)" (및 "포함하다"와 같은 "포함하는"의 임의 형태), "가지는(having)" (및 "가지다"와 같은 "가지는"의 임의 형태), "구비하는(including)" (및 "구비하다"와 같은 "구비하는"의 임의 형태) 또는 "함유하는(containing)" (및 "함유하다"와 같은 "함유하는"의 임의 형태)은, 포괄적이거나(inclusive) 제한이 없으며(open-ended), 추가적이거나 언급되지 않은 요소들 또는 프로세스 단계들을 배제하지 않는다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서, "길이방향", "수평", "전방", "후방", "상향", "하향" 등과 같이 본질적으로 방향적, 기하학적 및/또는 공간적인 여러 용어가 이용된다. 그러한 용어는 설명의 편의를 위해 상대적 의미로만 이용되는 것으로 이해되어야 하며, 어떤 식으로든 본 개시의 범위에 대하여 한정하는 것으로 취해진 것은 아니다.
표현 "연결된"은 본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 기계적 부분들 또는 요소들 사이의 협력적이거나 수동적인 관련을 포함하도록 넓게 해석되어야 한다. 예를 들면, 그러한 부분들은 직접적인 연결에 의해 함께 조립되거나 추가적인 부분들을 이용하여 간접적으로 연결될 수 있다. 이러한 연결은 예를 들면 자기장 등을 이용하여 원격적으로도 이루어질 수 있다.
본 릴럭턴스 보조 외부 로터 PMSM의 다른 목적들, 장점들 및 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예시적으로 주어진, 그의 예시적인 실시예들의 이하 비한정적인 설명을 읽음으로써 보다 명확해질 것이다.
일반적으로 언급되는 바와 같이, 예시적인 실시예들에는 인접한 영구 자석들 사이에 제공된 자기 민감성 돌출부들이 제공된다. 이들 돌출부들은, 코깅 토오크 및 토오크 리플들을 감소시키도록 의도된 자석 시프팅(magnet shifting) 때문에 크기에 있어서 동일하지 않다.
이제 첨부된 도면들을 참조하면, 도 1에는 외부 로터 전기 머신(10)의 측단면도가 도시된다. 전기 머신(10)은 외측으로 향하는 슬롯들(slots)에 통상적으로 위치되는 코일들(미도시)이 제공되며 적층된 라이네이션들(stacked laminations)로 이루어진 내부 스테이터(12)를 포함한다. 또한, 전기 머신(10)은 영구 자석들(22)이 설치된 내부 표면(20)을 가진 외부 실린더형 로터(18)를 포함한다.
임의의 전기 머신에 있어서, 토오크는 로터와 스테이터 플럭스들 사이의 상호작용의 결과이다. 영구 자석 머신들(PMSM)이 설치된 표면에서, 희토류 자성 재료들(rare earth magnetic materials)은 로터 플럭스(rotor flux)의 공급원(source)이고, 전류는 스테이터 플럭스(stator flux)의 공급원이다. 일반적으로, 로터 마그넷 플럭스 벡터(rotor magnet flux vector)에 대한 전류의 각도를 제어함으로써 전류 당 토오크의 비율을 최대화하는 것이 가능하다. 이러한 토오크는 아래의 식으로 나타난다.
Figure pct00001
(1)
동기형 릴럭턴스 머신들(synchronous reluctance machines)에 있어서, 자기 회로의 비등방성(anisotropy)으로 인해 토오크가 생성되고, 이에 따라 플럭스 경로(flux path)가 생성된다. 최저 릴럭턴스 경로(lowest reluctance path)와 정렬되려는 로터의 경향과 D축과 Q축의 상이한 릴럭턴스들에 의해 아래의 식으로 나타낸 바와 같이 토오크가 생성된다.
Figure pct00002
(2)
삽입된 영구 자석 머신들은 아래에 나타낸 바와 같이 토오크의 양 성분들(both components)을 가지고 있다.
Figure pct00003
(3)
일반적으로, 외부 로터 머신의 장점은 그의 보다 큰 에어-갭 반경(air-gap radius)이고, 이에 의해 동일한 자력에 대해 보다 큰 토오크가 초래된다. 이러한 장점을 유지하기 위해, 로터(18)의 두께는 가능한 한 얇게 유지되어야 한다. 로터는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 진동과 원심력들을 견디도록 하기 위해 통상적으로 강성의 탄소강(carbon steel)으로 이루어져 있다.
릴럭턴스 토오크를 생성시키기 위해, 로터 자기 회로에서 상당한 비등방성(철극성(saliency))이 생성될 수 있고, 이는 한정된 이용가능한 공간 때문에 요구되는 작업이다. 추가로, 이에 의해 보다 높은 와전류 손실들(eddy current losses)이 도입된 비등방성으로 인해 초래한다. 따라서, 이러한 목적을 달성하기 위해 탄소강 재료들을 이용하는 것은 일반적으로 실용적이지 않다. 한편, 라이네이션으로 이루어진 얇은 로터는 통상적으로 고속에서 존재하는 원심력들을 지지할 수 없다. 따라서, 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 요구되는 철극성 및 강도 요구조건들 모두를 달성하기 위해 자석들(22')과 강성의 탄소강 로터(18) 사이에 라미네이션(23)의 스트립이 추가된다.
로터 라미네이션 스트립들(23)과 자석들(22')의 치수들은 확률적 최적화 알고리즘(stochastic optimization algorithm)을 이용함으로써 그리고 차량 애플리케이션들에서 전형적으로 발견되는 설계 제약들(design constraints)을 고려함으로써 일반적으로 최적화된다.
최적화 이후의 최종적인 해결책은 동일한 치수들을 가진 참조 SPM 머신(reference SPM machine)과 비교하여 상당히 적은 자석들을 가진다는 것이다. 그 외에, 제안된 머신의 성능은 원래의 SPM 머신(original SPM machine)과 비교되는 주목할 만한 개선점들을 보여주었다. 상세한 비교는 아래와 같다.
릴럭턴스 토오크의 단점들 중 하나는 관련된 코깅 토오크와 토오크 리플들이다. 일반적으로, 허용가능한 레벨로 토오크 맥동들(torque pulsations)을 유지하는 것에 관심을 가진다. 토오크 리플들을 감소시키기 위해 선택된 접근법은 폴-시프팅 토폴로지(pole-shifting topology)를 적용하는 것이다.
이론적으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 원주방향으로 자석들을 시프팅시킴으로써 토오크 고조파 제거(torque harmonic cancelation)를 달성하는 것이 가능하다.
많은 토폴로지들에 있어서, 토오크 고조파의 주요 성분은 SSP(slots per pole per phase)의 개수에 의존한다. 예를 들면, SSP=1인 3상 머신은 토오크의 6번째 고조파를 초래하는 극쌍(pole pairs) 당 6개의 슬롯들을 가진다. SSP=2인 머신의 경우 주요 고조파는 12번째이다. 6번째 고조파들을 제거하기 위해, 자석들은 30 전기 각도(electrical degrees)만큼 시프팅될 수 있다. 반면, 12번째 고조파를 제거하기 위해서 일반적으로 15 전기 각도의 시프팅으로 충분하다.
도 4에 도시된 폴 시프팅 접근(pole shifting approach)은 제조 프로세스를 단순화시킬 수 있다. 그러나, 이는 머신의 기하학적 구조에 의해 물리적으로 제한되며, 제안된 토폴로지에서 보다 높은 포화 레벨들(higher saturation levels)을 초래할 수 있다. 도 4에서, 개별적인 링 세그먼트들(ring segments)(30)에는 중앙 돌출부(32), 중앙 돌출부(32)의 양측 상에 위치된 2개의 영구 자석 수용부(38, 40) 및 2개의 측방향 돌출부(34, 36)가 제공된다.
도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 링 세그먼트들(30)은 돌출부들(32, 34, 36) 및 각 측방향 자석 수용부들 사이의 4개의 둥근 노치들(rounded notches)을 포함한다. 세그먼트(30) 내에서, 노치들(42)은 돌출부들 및 각 자석들 사이의 채널들을 함께 형성하고, 이에 의해 자기장이 자석들로부터 돌출부들로 직접적으로 이동하는 것을 방지한다. 각 노치(42)는, 자석 수용부와 함께, 자석을 제위치에 위치시키고 유지하는 것을 돕는 작은 쇼울더(shoulder)를 형성한다.
자석 수용부들(38)에 삽입된 자석들(44)은 스테이터를 향하는 그들의 n극(north pole)을 가지는 반면, 자석 수용부들(40)에 삽입된 자석들(46)은 스테이터를 향하는 그들의 s극(south pole)을 가진다.
중앙 돌출부(32)는 측방향 돌출부들(34, 36)의 조합된 폭보다 긴 폭을 가진다. 따라서, 인접한 자석들 사이의 공간은 동일하지 않으며, 이에 따라 폴 시프팅(pole shifting)이 가능하게 된다. 본 명세서에서 상술한 바와 같이 시프팅 각도(shifting angle)는 모터 토폴로지(motor topology)에 의존한다.
폴 시프팅 방법으로 인한 코킹 토오크 및 토오크 리플의 저감은 도 5 및 도 6에서 폴 시프팅 없는 동일한 머신과 비교된다. 도시된 결과에 기초하면, 제안된 기술에 의해 충분한 저감이 달성될 수 있다는 결론에 이를 수 있다.
도 6에는 제안된 릴럭턴스 보조 외부 로터 PM 머신의 성능이 원표면 설치 PM 머신(original surface mounted PM machine)과 비교된다. 공평한 비교를 위하여, 동일한 스테이터 어셈블리(stator assembly)가 2개의 머신에서 이용된다. 상이한 2개의 시나리오에 대하여 비교가 이루어진다. 제1 시나리오에 있어서, 저속 상태에서 새로운 머신의 최대 요구 토오크는 SPM 머신과 동일한 것으로 가정된다. 제2 시나리오에 있어서, 머신의 최대 속도는 SPM 머신의 최대 속도와 동일하게 유지된다.
도 7에서, 2개 시나리오의 토오크-속도 특징점들이 참조 SPM 머신과 비교된다.
도 7에 기초하면 다음의 결론에 이를 수 있다.
제1 시나리오에 있어서, 대략 35% 적은 자석을 가진 참조 SPM 머신에 비하여 30% 최대 속도의 증가가 달성되었다.
제2 시나리오에 있어서, 대략 15% 적은 자석으로 최대 토오크가 20%만큼 증가되었다. 제2 시나리오에 있어서의 토오크 증가의 퍼센트는 제1 시나리오에 있어서의 속도 증가 퍼센트보다 낮다. 이는 릴럭턴스 토오크의 기여도뿐만 아니라 코어 포화(core saturation)로 인한 것으로 사료된다.
이러한 사실들에 추가하여, 릴럭턴스 보조 머신의 보다 높은 D 축 인덕턴스(inductance)에 의해 보다 용이한 계자 약화(field weakening), 보다 낮은 단락 전류(short circuit current) 및 이에 따라 계속적으로 단락 전류를 견디는 능력이 초래된다. 이것은, 제안된 릴럭턴스 보조 개념을 가진 내결함성 머신(fault tolerant machine)을 설계하는 것이 보다 용이하게 된다는 것을 의미한다. 최종적으로 높은 인덕턴스는, 머신의 고속 연속적 전력을 결정하는데 있어서의 매우 중요한 요소인 PWM 스위칭으로 인하여 보다 낮은 와전류 손실들을 의미한다.
이제 첨부된 도면의 도 8을 참조하여 제2 예시적인 실시예에 따른 전기 머신(100)을 설명할 것이다.
일반적으로 언급되는 바와 같이, 도 4에 도시되고 앞서 상술한 실시예가 인접한 영구 자석들 사이에 제공된 자기 민감성 돌출부를 구현하기 위해 라미네이션들의 적층들을 이용하는 동안, 전기 머신(100)에서 이들 돌출부들을 구현하기 위해, 예를 들면, 자성 분말들 또는 SMC(Soft Magnetic Composite)와 같은 연질의 자성 재료(soft magnetic material)(강자성 재료(ferromagnetic material)로도 알려짐)의 블록들을 삽입하는 것이 제안된다. SMC 블록들이 이러한 추가에 의해 횡축 릴럭턴스(quadrature axis reluctance)가 감소되는데, 이는 횡축 플럭스 경로에 있어서 에어 캡 두께(air gap thickness)가 감소되기 때문이다. 따라서, 이에 의해 보다 강한 추가적인 릴럭턴스 토오크(stronger supplemental reluctance torque)가 발생되고, 이는 성능의 향상으로 이어진다.
분말 야금(powder metallurgy)을 이용함으로써 인접한 영구 자석들 사이에 위치되기에 적절한 SMC 블록들을 제조하는 것이 가능하고, 이에 따라 외부 로터 전기 머신에서 영구 자석들의 일부를 대체할 수 있다는 것을 발견하게 되었다. 리오 틴토(Rio Tinto)에 의해 제작된 아토멧 1(ATOMET 1) 및 아토멧 3(ATOMET 3)와 같은 자성 분말들이 SMC 블록들을 제작하는데 적합하는 것을 발견하게 되었다.
영구 자석들(122)은 스테이터(12)를 향하는 그들의 n극을 가지고, 영구 자석들(123)은 스테이터(12)를 향하는 그들의 s극을 가진다.
전기 머신(100)의 전방 정면도인 도 8로부터 보다 잘 알 수 있는 바와 같이, SMC 블록들(124A, 124B) 및 영구 자석들(122, 123)은 로터(18)의 내부 표면에 교대로 설치된다.
통상의 기술자라면, SMC 블록들(124A, 124B)과 로터(18) 사이에 그리고 영구 자석들(122, 123)과 로터(18) 사이에 접착제(adhesive)(미도시)가 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대안적으로, 다른 기계적인 요소들(미도시)이 SMC 블록들과 자석들을 로터(18)에 적절하게 설치하는데 이용될 수 있다.
전기 머신(100)에 있어서, 영구 자석들(122, 123)은 동등하게 이격되지 않으며, 결론적으로, SMC 블록들(124A, 124B)의 2개의 크기가 존재한다.
실제로, 본 명세서에서 상술한 바와 같이, 머신(100)에서 코깅 토오크 및 토오크 리플을 감소시키기 위해, 영구 자석들(122, 123)이 로터(123)의 내부 표면(20)상에 동등하게 이격되지 않는다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 스테이터(12)를 향하는 n극을 가진 2개의 일련의 자석들(122)을 분리시키는 360도 전기 각도(126)는 그들 사이에 위치된 자석(123)에 의해 2개로 통상적으로 분할되지 않는다.
실제로, 폴들의 각도 시프팅은 설계 요구조건들에 의존한다. 상술한 바와 같이, 6번째 토오크 고조파를 저감시키기 위해 30 전기 각도 시프팅이 선택되고, 12번째 고조파를 저감시키기 위해 15 도가 선택된다.
도 8에 도시된 경우에 있어서, 12번째 고조파에서 코깅과 토오크 리플 감소가 요구되기 때문에, 이러한 구성에 있어서 15도 시프팅이 적용된다. 실제로, 전기 각도(128)는 165도이다.
따라서, SMC 블럭들(124A, 124B)은, 인접한 블럭들과 자석들 사이에서 실질적으로 동등한 거리를 유지하기 위해 크기에 있어서 동일하지 않다.
통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본 명세서에서 도시되고 상술한 전기 머신들(10, 100)은 개략적이며 그들의 작동을 위해 요구되는 다수의 요소들이 결여되어 있다. 실제로, 외부 로터 전기 머신의 이해와 관련된 요소들만이 도시되고 논의되었다.
통상의 기술자라면, 이용되는 영구 자석 재료의 양의 감소는 영구 자석들과 SMC 블럭들의 크기를 변화시킴으로써 실현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
릴럭턴스 보조 외부 로터 PMSM은 첨부된 도면들에 도시되고 본 명세서에서 상술한 부분들과 구조의 상세점들에 대한 그의 애플리케이션에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 릴럭턴스 보조 외부 로터 PMSM은 다른 실시예들 및 여러 방식으로 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어나 자구는 설명의 목적을 위한 것이지 한정을 위한 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 그러므로, 릴럭턴스 보조 외부 로터 PMSM이 상술한 바와 같이 그의 예시적인 실시예들에 의해 설명되었지만, 이것은 그의 사상, 범위 및 본질을 벗어나지 않으면서 수정될 수 있다.

Claims (12)

  1. 내부 스테이터; 및
    상기 내부 스테이터와 동축인 외부 로터를 포함하고,
    상기 외부 로터는 상기 내부 스테이터를 향하는 내부 표면을 포함하고, 상기 외부 로터는 로터의 내부 표면상의 원주 방향으로 배치된 영구 자석들 및 인접한 영구 자석들 사이에 각각 배치된 자기 민감성 돌출부들을 포함하고, 상기 자기 민감성 돌출부들은, 코깅 토오크와 토오크 리플을 감소시키기 위해 상기 자석들을 위치시키도록 구성되며 크기가 정해진, 외부 로터 전기 머신.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부들은 연질의 자성 재료로 이루어진 라미네이션들의 적층들로 구성되는, 외부 로터 전기 머신.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 라미네이션들의 적층들은, 중앙 돌출부, 상기 중앙 돌출부의 양측에 위치되는 2개의 영구 자석 수용부들 및 2개의 측방향 돌출부를 포함하는 개별적인 링 세그먼트들인, 외부 로터 전기 머신.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 개별적인 링 세그먼트들은 상기 로터의 내부 표면에 적용되도록 구성되며 크기가 정해진, 외부 로터 전기 머신.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 중앙 돌출부 및 측방향 돌출부의 크기에 의해 인접한 자석들이 각지게 시프팅되는(angularly shifed), 외부 로터 전기 머신.
  6. 제 5 항에 있어서,
    인접한 자석들은 15도의 각도로 각지게 시프팅되는, 외부 로터 전기 머신.
  7. 제 5 항에 있어서,
    인접한 자석들은 30도의 각도로 각지게 시프팅되는, 외부 로터 전기 머신.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 돌출부들은 SMC(Soft Magnetic Composite) 블록들로 구성되는, 외부 로터 전기 머신.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 SMC 블록들은 로터의 내부 표면에 적용되도록 구성되며 크기가 정해진, 외부 로터 전기 머신.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 SMC 블록들의 크기들에 의해 인접한 자석들이 각지게 시프팅되는, 외부 로터 전기 머신.
  11. 제 10 항에 있어서,
    인접한 자석들은 15도의 각도로 각지게 시프팅되는, 외부 로터 전기 머신.
  12. 제 10 항에 있어서,
    인접한 자석들은 30도의 각도로 각지게 시프팅되는, 외부 로터 전기 머신.
KR1020177010600A 2014-09-24 2015-09-16 릴럭턴스 보조 외부 로터 pmsm KR20170057386A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201462054565P 2014-09-24 2014-09-24
US62/054,565 2014-09-24
PCT/CA2015/050902 WO2016044925A1 (en) 2014-09-24 2015-09-16 Reluctance assisted external rotor pmsm

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170057386A true KR20170057386A (ko) 2017-05-24

Family

ID=55579988

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177010600A KR20170057386A (ko) 2014-09-24 2015-09-16 릴럭턴스 보조 외부 로터 pmsm

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20180233974A1 (ko)
EP (1) EP3198708B1 (ko)
KR (1) KR20170057386A (ko)
CN (1) CN107078618B (ko)
CA (1) CA2962084A1 (ko)
WO (1) WO2016044925A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10468927B2 (en) * 2014-04-15 2019-11-05 Tm4, Inc. Inserted permanent magnet rotor for an external rotor electric machine
US10491066B2 (en) * 2015-06-16 2019-11-26 Danfoss Editron Oy Method and arrangement for adjusting the magnetization of a permanent magnet machine
JP2018125918A (ja) * 2017-01-30 2018-08-09 シナノケンシ株式会社 アウターロータ型モータ
CN109962589A (zh) * 2017-12-26 2019-07-02 宁波菲仕电机技术有限公司 永磁电机转子结构的轴向分段偏转组装方法
CN108649720A (zh) * 2018-07-13 2018-10-12 张喆 一种静音自发电发电机

Family Cites Families (37)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS633638A (ja) * 1986-06-23 1988-01-08 Tamagawa Seiki Co Ltd ブラシレス直流モ−タ
JPH03117338A (ja) * 1989-09-27 1991-05-20 Fanuc Ltd 同期電動機のロータ構造
JPH07194079A (ja) * 1993-12-27 1995-07-28 Matsushita Electric Ind Co Ltd 永久磁石直流モータ
JPH0823664A (ja) * 1994-05-02 1996-01-23 Aisin Aw Co Ltd モータ
JP3500822B2 (ja) * 1995-12-26 2004-02-23 アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 永久磁石式同期電動機
SE511896C2 (sv) * 1996-12-04 1999-12-13 Vilmos Toeroek Elektrisk rotationsmotor med utpräglade poler
WO1999009645A1 (de) * 1997-08-18 1999-02-25 Rolf Strothmann Fremderregte elektrische maschine
US6242837B1 (en) * 1997-09-29 2001-06-05 Hitachi, Ltd. Permanent magnet rotary machine and electric vehicle using the same
FR2787645B1 (fr) * 1998-12-18 2001-03-09 Valeo Equip Electr Moteur Machine electrique tournante a aimants permanents et a reluctance possedant des capacites de defluxage ameliorees
US6700279B1 (en) * 1999-04-20 2004-03-02 Mitsuba Corporation Brushless motor
JP4027604B2 (ja) * 2000-04-03 2007-12-26 本田技研工業株式会社 永久磁石式回転電機
TW538578B (en) * 2000-09-13 2003-06-21 Sanyo Electric Co Synchronous motor with built-in type permanent magnet
JP4783495B2 (ja) * 2000-10-26 2011-09-28 本田技研工業株式会社 永久磁石埋め込み式回転電機
JP3995450B2 (ja) * 2000-12-20 2007-10-24 ヤマハモーターエレクトロニクス株式会社 永久磁石型回転電機
JP2002281722A (ja) * 2001-03-22 2002-09-27 Matsushita Electric Ind Co Ltd アウタロータモータ及び電気自動車
JPWO2002080338A1 (ja) * 2001-03-28 2004-07-22 株式会社ミツバ 界磁制御コイルを備えた回転電機
NZ537718A (en) * 2002-06-20 2008-10-31 Toshiba Kk Rotor for permanent magnet motor of outer rotor type
JP4065829B2 (ja) * 2003-10-10 2008-03-26 本田技研工業株式会社 永久磁石式回転子およびブラシレスモータ
WO2005060073A1 (en) * 2003-12-18 2005-06-30 Intelligent Electric Motor Solutions Pty Ltd Hybrid construction electric machine
JP4062269B2 (ja) * 2004-03-11 2008-03-19 日産自動車株式会社 同期型回転電機
US7608965B2 (en) * 2005-09-01 2009-10-27 Wisconsin Alumni Research Foundation Field controlled axial flux permanent magnet electrical machine
FR2894403A1 (fr) * 2005-12-02 2007-06-08 Leroy Somer Moteurs Machine electrique tournante a ondulations de couple reduites
KR20080026874A (ko) * 2006-09-21 2008-03-26 엘지전자 주식회사 외전형 팬모터 및 외전형 팬모터용 자석의 착자방법
JP4740273B2 (ja) * 2008-03-04 2011-08-03 日立オートモティブシステムズ株式会社 回転電機およびそれを用いたハイブリッド自動車
JP2009219331A (ja) * 2008-03-13 2009-09-24 Hitachi Ltd 永久磁石式ジェネレータとそれを用いたハイブリッド車両
US20100117475A1 (en) * 2008-11-11 2010-05-13 Ford Global Technologies, Llc Permanent Magnet Machine with Offset Pole Spacing
CN102035330B (zh) * 2009-10-07 2014-09-24 阿斯莫有限公司 电动机
US8384262B2 (en) * 2010-06-17 2013-02-26 Fairchild Semiconductor Incorporated Motor rotor and a motor having the same
CN103004057A (zh) * 2010-07-30 2013-03-27 本田技研工业株式会社 转子及电动机
JP2012244808A (ja) * 2011-05-20 2012-12-10 Honda Motor Co Ltd 回転電機のロータ
JP2013132154A (ja) * 2011-12-22 2013-07-04 Aisin Seiki Co Ltd 回転電機および回転電機のロータ
JP5594304B2 (ja) * 2012-02-13 2014-09-24 株式会社安川電機 回転電機
JP6015350B2 (ja) * 2012-10-29 2016-10-26 スズキ株式会社 Ｉｐｍ型電動回転機
CN103001360A (zh) * 2012-11-19 2013-03-27 吴正林 一种永磁磁阻型轮毂电机
KR101497502B1 (ko) * 2013-02-19 2015-03-03 (주) 코모텍 전동기 및 전동기 제조방법
EP2985884B1 (en) * 2013-04-09 2019-02-06 Mitsubishi Electric Corporation Permanent magnet-type motor and electric power steering apparatus
CA2979734C (en) * 2015-03-17 2018-07-17 Tm4 Inc. External rotor electric machine with smc blocks interposed between permanent magnets

Also Published As

Publication number Publication date
US20180233974A1 (en) 2018-08-16
EP3198708B1 (en) 2020-02-12
WO2016044925A1 (en) 2016-03-31
CA2962084A1 (en) 2016-03-31
CN107078618B (zh) 2020-01-14
CN107078618A (zh) 2017-08-18
EP3198708A4 (en) 2018-03-14
EP3198708A1 (en) 2017-08-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9252634B2 (en) Synchronous motor
EP2865078B1 (en) Variable magnetomotive force rotary electric machine and control device for variable magnetomotive force rotary electric machine
JP5479978B2 (ja) 回転電機
CN112838693B (zh) 旋转电机
WO2013161474A1 (ja) 永久磁石回転電機及びそれを用いた電動車両
WO2012014260A1 (ja) 回転電機及びそれを用いた電動車両
JP2009219331A (ja) 永久磁石式ジェネレータとそれを用いたハイブリッド車両
US10666102B2 (en) Rotary electric machine
KR20170057386A (ko) 릴럭턴스 보조 외부 로터 pmsm
US11283314B2 (en) Motor
JP2019154232A (ja) 回転子および回転電機
JP2011103769A (ja) 永久磁石式ジェネレータとそれを用いたハイブリッド車両
JP7028147B2 (ja) 回転電機
JP2013132124A (ja) 界磁子用コア
JP2022031937A (ja) 回転電機、及び回転電機を備えるシステム
US10720807B2 (en) Magnet-type rotor, rotary electric machine equipped with magnet-type rotor, and electric vehicle equipped with rotary electric machine
Wang et al. Design and experimental verification of an 18-slot/10-pole fractional-slot surface-mounted permanent-magnet machine
US11418072B2 (en) Permanent magnet assisted synchronous reluctance motor and electric car having the same
JP2014197957A (ja) マルチギャップ型同期モータ
Evans Novel rotor design for interior permanent magnet brushless machines: Initial investigation
JP6984164B2 (ja) 回転電機
JP6984165B2 (ja) 回転電機
JP2016226133A (ja) 回転子、電動駆動システム、及びこれらを備えた電動車両