KR20190026017A - 회전자 및 자기 저항 모터 - Google Patents

Abstract

실시 형태의 회전자는, 샤프트와, 샤프트에 고정된 회전자 철심을 갖는다. 회전자 철심에는, 복수의 플럭스 배리어가 형성되어 있다. 플럭스 배리어에는, 복수의 브릿지부가 형성되어 있음과 함께, 복수의 브릿지부 사이에 플럭스 배리어 이외의 부분에 비하여 투자율이 낮은 하나 또는 복수의 배리어 영역이 형성되어 있다. 적어도 하나의 배리어 영역에는, 영구 자석이 마련되어 있다. 영구 자석의 자화 방향은, 플럭스 배리어의 길이 방향에 교차하는 방향으로 향해 있다. 그리고, (μ₀×S_M×B_r)/(μ_re×t_FB×w_B)의 값이, 1.2 이상 또한 3.0 이하의 범위 내가 된다.

Description

회전자 및 자기 저항 모터

본 발명의 실시 형태는, 회전자 및 자기 저항 모터에 관한 것이다.

본원은, 2016년 8월 31일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2016-170040호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자기 저항 모터의 회전자에 영구 자석을 마련함으로써 모터의 돌극성을 개선하는 기술이 알려져 있다.

그러나, 종래의 기술에서는, 회전자에 마련된 영구 자석으로부터 고정자를 향하여 자속이 누출되고, 유기 전압이 발생하고 있었다. 이 결과, 무부하 회전 시에 철손이 발생하고, 자기 저항 모터를 적용한 시스템으로서의 에너지 효율이 저하되는 경우가 있었다. 또한, 회전 중에 구동 장치의 고장 등으로 모터의 단자 사이가 단락되었을 경우, 단락 전류가 흘러버린다고 하는 문제가 있었다.

일본 특허 공개 제2011-83066호 공보 일본 특허 공개 제2012-178921호 공보 일본 특허 공개 제2002-291288호 공보

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 유기 전압을 발생시키지 않고, 돌극비를 크게 할 수 있는 회전자 및 자기 저항 모터를 제공하는 것이다.

실시 형태의 회전자는, 축심 주위로 회전하는 샤프트와, 샤프트에 고정된 회전자 철심을 갖는다. 회전자 철심에는, 회전자 철심의 외주면의 어느 개소로부터 다른 개소에 이르는 복수의 플럭스 배리어가, 회전자 철심의 직경 방향으로 배열하여 형성되어 있다. 플럭스 배리어에는, 플럭스 배리어의 긴 변 방향의 양단에 있어서 회전자 철심의 외주면의 일부를 형성하는 브릿지부를 포함하는 복수의 브릿지부가 형성되어 있고, 복수의 브릿지부 사이에 회전자 철심에 있어서의 플럭스 배리어 이외의 부분에 비하여 투자율이 낮은 하나 또는 복수의 배리어 영역이 형성되어 있다. 적어도 하나의 배리어 영역에는, 영구 자석이 마련되어 있다. 영구 자석의 자화 방향은, 영구 자석이 마련된 위치에 있어서의 플럭스 배리어의 긴 변 방향에 교차하는 방향으로 향해 있다. μ₀: 배리어 영역에 있어서의 영구 자석이 존재하지 않는 영역의 투자율, S_M: 샤프트의 연장 방향에 직교하는 평면에 있어서의 영구 자석의 단면적, B_r: 영구 자석의 잔류 자속 밀도, μ_re: 영구 자석의 리코일 투자율, t_FB: 배리어 영역의 두께의 최소와 최대의 상가 평균, w_B: 브릿지부의 폭의 최소와 최대의 상가 평균으로 했을 경우에, (μ₀×S_M×B_r)/(μ_re×t_FB×w_B)의 값이, 1.2 이상 또한 3.0 이하의 범위 내가 된다.

도 1은, 제1 실시 형태에 있어서의 4극의 자기 저항 모터(1)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도.
도 2는, 어떤 플럭스 배리어(11)와, 그 근방의 회전자 철심(9)을 모식적으로 나타내는 도면.
도 3은, 수식(1)의 파라미터의 정의를 설명하기 위한 도면.
도 4는, 영구 자석(100)의 자기 특성의 일례를 나타내는 도면.
도 5는, 자기 회로의 일례를 나타내는 도면.
도 6은, 회전자 철심(9)의 자화 특성의 경향의 일례를 나타내는 도면.
도 7은, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s와, 각 브릿지부의 비투자율과, 누설 자속량의 관계의 일례를 나타내는 도면.
도 8은, 배리어 영역(18)에 있어서의 영구 자석(100)의 배치 위치의 일례를 나타내는 도면.
도 9는, 배리어 영역(18)에 있어서의 영구 자석(100)의 배치 위치의 다른 예를 나타내는 도면.
도 10은, 자기 저항 모터(1)의 외관의 일례를 나타내는 도면.
도 11은, 제2 실시 형태 있어서의 자기 저항 모터(1A)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도.
도 12는, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s와, 각 브릿지부의 비투자율과, 전기자 권선(7)에 쇄교하는 누설 자속량의 관계의 다른 예를 나타내는 도면.
도 13은, 제3 실시 형태 있어서의 자기 저항 모터(1B)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도.
도 14는, 제4 실시 형태 있어서의 자기 저항 모터(1C)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도.
도 15는, 배리어 영역(18)에 있어서의 영구 자석(100)의 배치 위치의 다른 예를 나타내는 도면.

이하, 실시 형태의 회전자 및 자기 저항 모터를, 도면을 참조하여 설명한다.

도 1은, 제1 실시 형태 있어서의 4극의 자기 저항 모터(1)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도이다. 또한, 도 1에서는, 자기 저항 모터(1)의 1극분, 즉, 1/4주의 주 각도 영역분만을 나타내고 있다. 회전축(8)은, 예를 들어 회전 가능하게 축지지되어 회전축(8) 중심으로 축방향으로 연장되어, 회전축(8) 중심 주위로 회전하는 샤프트이면 된다.

동 도면에 도시하는 바와 같이, 자기 저항 모터(1)는, 대략 원통형의 고정자(2)와, 고정자(2)보다도 직경 방향 내측에 마련되고, 고정자(2)에 대하여 회전 가능하게 마련된 회전자(3)를 구비하고 있다. 또한, 고정자(2) 및 회전자(3)는, 각각의 중심 축선이 공통축 상에 위치한 상태에서 배치되어 있다. 이하, 상술한 공통축을 중심축 O라고 칭하고, 중심축 O에 직교하는 방향을 직경 방향이라고 칭하고, 중심축 O 주위에 주회하는 방향을 둘레 방향이라고 칭한다.

고정자(2)는, 대략 원통형의 고정자 철심(4)을 갖고 있다. 고정자 철심(4)은, 전자 강판을 복수매 적층하거나, 연자성 분을 가압 성형하거나 하여 형성하는 것이 가능하다. 고정자 철심(4)의 내주면에는, 중심축 O를 향하여 돌출되어, 둘레 방향으로 등간격으로 배열된 복수의 티스(5)가 일체 성형되고 있다. 티스(5)는, 단면 대략 직사각 형상으로 형성되어 있다. 그리고, 인접하는 각 티스(5) 사이에는, 각각 슬롯(6)이 형성되어 있다. 이들 슬롯(6)을 통해, 각 티스(5)에 전기자 권선(7)이 권회되어 있다.

또한, 고정자 철심(4)은, 절연성을 갖는 인슐레이터가 장착되거나, 외면의 전체가 절연 피막으로 피복되거나 해도 된다(모두 도시하지 않음). 그리고, 각 티스(5)에는, 인슐레이터나 절연 피막 위로부터 전기자 권선(7)이 권회된다.

회전자(3)는, 중심축 O에 따라 연장하는 회전축(8)과, 회전축(8)에 밖에서 끼움 고정된 대략 원기둥 형상의 회전자 철심(9)을 구비하고 있다. 회전자 철심(9)은, 전자 강판을 복수매 적층하거나, 연자성 분을 가압 성형하거나 하여 형성하는 것이 가능하다. 회전자 철심(9)의 외경은, 직경 방향으로 대향하는 각 티스(5) 사이에, 소정의 에어 갭 G가 형성되도록 설정되어 있다.

또한, 회전자 철심(9)의 직경 방향 중앙에는, 중심축 O를 따라 관통하는 관통 구멍(10)이 형성되어 있다. 이 관통 구멍(10)에는, 회전축(8)이 압입되거나 한다. 이에 의해, 회전축(8)과 회전자 철심(9)이 일체로 되어서 회전한다.

또한, 회전자 철심(9)에는, 1극(즉 1/4주의 주 각도 영역)의 각각에, 복수(예를 들어, 본 실시 형태에서는 3개)의 플럭스 배리어(11)가, 회전자 철심(9)의 회전축(8)을 통하는 하나의 직경을 통과하도록 배열되어서 형성되어 있다. 즉, 이들의 플럭스 배리어(11)는, 회전자 철심(9)의 외주면에 있어서의, 어떤 개소로부터 다른 개소에 이르고, 고정자(2)에 의해 형성된 자속이 통과하는 복수의 자로 사이에 형성되어, 각 자로를 구획한다. 본 실시 형태에 있어서, 각 플럭스 배리어(11)는, 복수(예를 들어, 본 실시 형태에서는 2개)의 배리어 영역(18)을 갖고 있고, 그것들은 대략 쌍곡선 형상으로 분포하고 있다. 또한, 도 1에서는, 중심축 O에 가장 가까운 플럭스 배리어(11)에 대해서만 배리어 영역을 나타내는 18, 영구 자석을 나타내는 100이라는 부호를 붙이고 있지만, 기타의 플럭스 배리어(11)에 대해서도 마찬가지이다.

회전자 철심(9)에 있어서, 배리어 영역(18)에 의해 자속의 흐름이 방해받지 않는 방향을 q축으로 정의한다. 즉, 회전자의 외주면의 어느 둘레 각도 위치 A에 양의 자위(磁位)(예를 들어 자석의 N극에 접근하는), 그에 비해서 1극분(본 실시예의 경우에는 90도) 어긋난 주 각도 위치 B에 음의 자위(예를 들어 자석의 S극에 접근하는)를 부여하여, A의 위치를 둘레 방향으로 어긋나게 해 간 경우에 가장 많은 자속이 흐를 때의 중심축 O로부터 위치 A를 향하는 방향을 q축으로 정의한다. 본 실시 형태에서는, 회전자 철심(9)을 중심축 O에 가까운 영역과 먼 영역으로 분리하는 플럭스 배리어(11)의 긴 변 방향으로 q축이 설정된다.

한편으로, 배리어 영역(18)에 의해 자속의 흐름이 방해받는 방향, 즉 q축에 대하여 자기적으로 직교하는 방향을 d축으로 정의한다. 본 실시 형태에서는, 플럭스 배리어(11)에 의해, 중심축 O에 가까운 영역과 먼 영역으로 분리된 2개의 회전자 철심 부분이 대향하는 방향에 대하여 평행한 방향으로 d축이 설정된다. 또한, 플럭스 배리어(11)가 다층으로 형성되어 있는 경우(본 실시 형태에서는 3층), 층의 겹침 방향이 d축이다. 또한, 플럭스 배리어(11)는 3층에 한정되지 않고, 단층 또는 2층, 혹은 4층 이상 형성되어도 되고, 각 플럭스 배리어(11)에 있어서의 배리어 영역(18)의 개수는 2개에 한정되지 않고, 1 또는 3 이상이어도 된다.

각 배리어 영역(18)은 적어도 외주측에 있어서, q축을 따름과 동시에, 둘레 방향의 중앙부가 가장 직경 방향 내측에 위치하도록, 외주측으로부터 직경 방향 내측의 중심축 O를 향하여 볼록 형상으로 만곡된 단면 대략 원호형으로 형성된다. 또한, 각 배리어 영역(18)의 형상은, 원호에 한정되지 않고, U자형과 같은 볼록 형상이어도 된다. 본 실시 형태에 있어서, 회전자 철심(9)의 각각의 둘레 각도 영역에는, 대략 원호형의 6개의 배리어 영역(18)이 형성되어 있다.

이들 복수의 배리어 영역(18)은, 회전자 철심(9)에 발생하는 원심력을 고려하여, 플럭스 배리어(11)의 외주측에 근접하는 단부(200b)에 있어서 회전자 철심(9)의 외주로부터 소정 거리 w_o 떨어진 위치에 마련된다. 이에 의해, 회전자(3)의 외주와 배리어 영역(18)의 단부(200b) 사이에 위치하는 회전자 철심(9)의 기계적 강도를 높일 수 있다. 회전자 철심(9)에는, 외주 브릿지부 BD_S를 포함하는 복수의 브릿지부가 형성된다. 외주 브릿지부 BD_S는, 플럭스 배리어(11)의 긴 변 방향 양단에 있어서 회전자 철심(9)의 외주면 일부(단부(200b))를 형성하는 브릿지부이다. 외주 브릿지부 BD_S는, 각 플럭스 배리어(11)의 배리어 영역(18)에 의해 분리된 회전자 철심(9)끼리를 결합(접속)하는 역할을 한다. 플럭스 배리어(11)의 양단의 각각에 마련된 외주 브릿지부 BD_S의 폭 w_o는, 회전자(3)의 외주측으로부터 회전축(8)을 향하는 방향에 관한 폭이다.

또한, 플럭스 배리어(11)의 연신 방향을 따른 양단 사이의 중간 지점(예를 들어 직경 방향에 있어서 가장 회전축(8)에 가까운 부분)에 있어서, 복수의 배리어 영역(18)이 그 연신 방향에 간격을 두고 형성되는 경우, 소정 거리 w_C 떨어진 간격으로 배리어 영역(18)을 형성한다. 이에 의해, 복수의 배리어 영역(18) 사이에 위치하는 회전자 철심(9)의 기계적 강도를 높일 수 있다. 소정 거리 w_C는, 소정 거리 w_o와 동일해도 되고, 상이해도 된다. 이하, 볼록부 근방에 있어서, 배리어 영역(18) 사이에 위치하는 회전자 철심(9)을 「센터 브릿지부 BD_C」라고 칭하여 설명한다. 센터 브릿지부 BD_C는, 「내부 브릿지부」의 일례이다.

센터 브릿지부 BD_C를 사이에 두고, 쌍을 이루는 배리어 영역(18)은 서로 대략 동일 형태 형상으로 된다. 센터 브릿지부 BD_C는, 외주 브릿지부 BD_S와 마찬가지로, 각 플럭스 배리어(11)의 배리어 영역(18)에 의해 분리된 회전자 철심(9)끼리를 결합(접속)하는 역할을 한다. 상기 브릿지부에 의해, 플럭스 배리어(11)가 형성된 상태에서도, 플럭스 배리어(11)의 양단과 중간 지점에 있어서 회전자 철심(9)이 분리되는 일 없이 회전자 철심(9)이 하나의 부재로서 묶이게 된다. 또한, 직경 방향으로 형성된 복수의 플럭스 배리어(11)의 각각의 양단에 있어서의 외주 브릿지부BD S의 폭wo는, 서로 상이해도 되고, 일부 또는 전부가 동일해도 된다. 마찬가지로, 센터 브릿지부BD C가 복수 형성되는 경우, 직경 방향으로 형성된 복수의 플럭스 배리어(11)의 각각의 센터 브릿지부 BD_C의 폭 w_C는, 서로 상이해도 되고, 일부 또는 전부가 동일해도 된다.

본 실시 형태에서는, 복수의 배리어 영역(18)의 각각에 영구 자석(100)이 삽입된다. 본 실시 형태에 있어서의 영구 자석(100)이란, 전자석이 아닌 자석이고, 자기 저항 모터(1)의 사용 연수(수명)를 고려한 경우에, 거의 일정한 자장을 계속하여 발생할 수 있는 물체를 말한다. 각 영구 자석(100)은, 예를 들어 네오디뮴 자석, 페라이트 자석, 사마륨 철 코발트 자석 등이다. 배리어 영역(18)에 삽입되는 영구 자석(100)은 삽입 후에 대략 d축 방향으로 자화하도록 착자되어도 되고, 미리 소정 방향으로 착자된 영구 자석(100)이, 그 자화 방향이 대략 d축 방향을 향하도록 삽입되어도 된다. 즉 본 실시 형태에서는, 자석의 자화 방향은, q축에 대하여 자기적으로 완전히 직교하는 것에 한하지 않고, 직교하는 각도로부터 어느 정도의 각도 폭(예를 들어 10도 정도)을 가지고 교차해도 된다. 바꿔 말하면, 영구 자석(100)의 자화 방향은, 영구 자석이 마련된 위치에 있어서의 플럭스 배리어(11)의 긴 변 방향에 교차하는 방향으로 할당할 수 있다. 각 배리어 영역(18)에는, 삽입된 영구 자석(100)을 고정하기 위해서, 접착성의 수지 등의 비자성체가 충전되어도 되고, 영구 자석(100)과 함께 비자성체의 스페이서 등이 삽입되어도 된다. 또한, 영구 자석(100)의 측면이 회전자 철심(9)에 접촉함으로써 고정되어 있어도 된다. 비자성체는, 회전자 철심(9)에 비하여 투자율이 낮은 것으로 한다.

또한, 영구 자석(100)은, q축 및 d축을 포함하는 단면에 있어서, 배리어 영역(18)의 윤곽(경계)을 형성하는 면(후술하는 200b, 201a, 202a, 202b: 도 2) 중 일부(바람직하게는 전부)로부터 이격하도록 배치된다. 즉, 배리어 영역(18) 내에 있어서, 영구 자석(100)이 회전자 철심(9)과 바로 접하지 않도록 배치된다. 이러한 배치에 의해, 영구 자석(100)의 모퉁이부 등에서 발생하는 국소적인 불가역 감자를 억제할 수 있다. 물론, 윤곽을 형성하는 면의 일부, 또는 전부와 영구 자석(100)이 접하고 있어도 된다. 후술하는 바와 같이, 영구 자석(100)과 배리어 영역(18)의 측면(회전자 철심(9))의 접촉 유무에 관계없이, 영구 자석(100)의 단면적이 동일하면, 본 실시 형태의 주로 기대하는 자기적인 효과는 동일하다.

도 2는, 어떤 플럭스 배리어(11)와, 그 근방의 회전자 철심(9)을 모식적으로 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 예를 들어 영구 자석(100)은, 센터 브릿지부 BD_C측에 치우쳐서 배치되어도 된다. 영구 자석(100)의 기자력에 의해 발생한 자속은, 자화 방향인 대략 d축 방향을 향하는 자속(101)과, 외주 브릿지부 BD_S를 경유하는 자속(102)과, 센터 브릿지부 BD_C를 경유하는 자속(103)으로 나뉜다. 외주 브릿지부 BD_S 및 센터 브릿지부 BD_C는 철심이기 때문에, 그 재질에 따른 포화 자속 밀도가 존재한다. 따라서, 철심의 포화 자속 밀도를 초과하여 외주 브릿지부 BD_S 및 센터 브릿지부 BD_C에 자속이 흐르면, 각 브릿지부의 자기 저항이 높아져 자속이 흐르기 어려워진다. 본 실시 형태에서는, 영구 자석(100)으로부터 발생한 자속이 각 브릿지부를 d축 방향의 대략 역방향으로 흐르기 때문에, 고정자(2)측으로부터 유입한 자속은, 각 브릿지부에 있어서 d축 방향의 대략 역방향으로 흐르기 어려워진다. 자속이 포화한 각 브릿지부는, 그 이상 자속을 통과시키지 않는 점에서 광의의 의미에서의 플럭스 배리어(11)가 된다. 상기 영구 자석(100)의 효과에 의해, 고정자(2)로부터 유입한 자속량 중 d축 방향의 대략 역방향으로 흐르는 자속량을 적게 함으로써, q축 방향으로 흐르는 자속량을 많게 할 수 있기 때문에, 배리어 영역(18)에 영구 자석(100)을 마련하지 않은 자기 저항 모터(1)에 비하여 돌극성을 개선시킬 수 있다.

또한, 본 실시 형태의 자기 저항 모터(1)를, 고속 회전용의 모터에 적용하거나, 직경이 큰 대형의 모터에 적용하거나 하는 경우, 회전자 철심(9)이 큰 원심력을 받기 쉬워진다. 이 경우, 외주 브릿지부 BD_S의 폭 w_o 및 센터 브릿지부 BD_C의 폭 w_c를 넓게 하여 기계적 강도를 높일 필요가 있다. 이러한 경우, 각 브릿지부에 있어서의 포화 자속량(브릿지부의 포화 자속 밀도와 각 브릿지부의 폭의 곱)이 커지기 때문에, 보다 기자력이 강하고 자속량이 많은(=잔류 자속 밀도나 단면적이 큰) 영구 자석(100)을 배리어 영역(18)에 삽입할 필요가 있다. 그러나, 영구 자석(100)의 기자력이나 자속량을 너무 크게 하면 영구 자석(100)으로부터 발생한 d축 방향으로 향하는 자속(101)이 에어 갭 G를 통하여 전기자 권선(7)에 쇄교한다. 이 상태에서 회전자(3)가 회전하면, 유기 전압이 발생한다. 이와 같이, 각 브릿지부의 폭과, 영구 자석(100)의 기자력과 자속량의 관계는 서로 배반의 관계에 있고, 유기 전압을 발생시키지 않는다고 하는 제약 조건 하에서는 적합한 기자력과 자속량(즉 잔류 자속 밀도와 단면적)의 수치 범위가 존재한다. 이 수치 범위에 대해서는, 도면을 참조하여 후술한다.

유기 전압의 발생을 억제하기 위해서, 이하의 수식 (1)에 나타내는 조건식에 따라, 영구 자석(100)의 크기를 결정한다.

수식 (1) 중의 S_M은, 각 플럭스 배리어(11)의 각각의 배리어 영역(18)에 삽입되는 영구 자석(100)의 총단면적을 나타낸다. 또한, w_B는, 모든 브릿지부의 폭의 총합을 나타내고 있고, 도 2의 예에서는, w_B=2w_o+w_C로서 표시된다. 또한, t_FB는, 배리어 영역(18)의 두께를 나타내고, μ_re는, 영구 자석(100)의 리코일 투자율을 나타낸다. 또한, μ₀는, 영구 자석(100)을 제외하는 배리어 영역(18)에 충전된 물체의 투자율, 즉 공기의 투자율을 나타낸다. 또한, 배리어 영역(18)에 영구 자석(100)을 고정하기 위한 비자성체(예를 들어 수지)가 충전되거나 했을 경우에는, 투자율 μ₀는, 이 비자성체의 물성에 따른 투자율이어도 된다. B_s는, 플럭스 배리어(11)의 연장 방향과 대략 직교하는 폭 방향(짧은 변 방향)에 있어서의 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도를 나타내고, B_r은, 영구 자석(100)의 잔류 자속 밀도를 나타낸다. 이들 파라미터 중, w_o, w_o, t_FB, S_M은, 이하와 같이 정의되어도 된다.

도 3은, 수식 (1)의 파라미터의 정의를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 있어서, 배리어 영역(18)의 윤곽을 형성하는 면 중, 면(200b)은 플럭스 배리어(11)의 연장 방향(긴 변 방향)에 있어서의 외주측의 면이고, 면(201a)은 플럭스 배리어(11)의 연장 방향에 있어서의 중심축 O측의 면이다. 또한, 면(202a)은 플럭스 배리어(11)의 폭 방향에 있어서의 외주측의 면이고, 면(202b)은 플럭스 배리어(11)의 폭 방향에 있어서의 중심축 O측의 면이다. 이하, 면(200b), 면(201a), 면(202a), 면(202b)을 각각, 선단부(200b), 선단부(201a), 상측면(202a), 하측면(202b)이라고 칭하여 설명한다.

외주 브릿지부 BD_S의 폭 w_o는, 회전자 철심(9)의 외주면(200a)과 배리어 영역(18)의 선단부(200b) 사이의 거리를 취한다. 배리어 영역(18)의 선단부(200b)는, 배리어 영역(18)의 윤곽을 형성하는 면의 일부이고, 플럭스 배리어(11)의 연장 방향에 있어서의 외주측의 면이다. 예를 들어, 회전자 철심(9)의 외주면(200a)과 배리어 영역(18)의 선단부(200b)를 각각 구성하는 곡선 또는 꺾은선이 평행하지 않는 경우에는, 외주 브릿지부 BD_S의 폭 w_o는, 그것들의 곡선 또는 꺾은선 사이의 최소 거리와 최대 거리의 상가 평균값으로 정의된다. 예를 들어, 회전자 철심(9)의 외주면(200a)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선 상에 임의의 기준점을 설정한다. 이 기준점으로부터, 배리어 영역(18)의 외주측의 경계면인 선단부(200b)를 나타내는 곡선 또는 꺾은선까지의 거리가 최단을 나타내는 직선을 도출한다. 이후, 외주면(200a)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선 상에 있어서, 기준점을 어긋나게 하면서 최단을 나타내는 직선을 복수 도출한다. 이와 같이 하여 복수 도출한 직선의 길이의 평균이 외주 브릿지부 BD_S의 폭 w_o로 정의된다. 결국은, 외주 브릿지부 BD_S의 폭 w_o는, 대면하는 2개의 면의 거리가 된다. 마찬가지로, 센터 브릿지부 BD_C의 폭 w_C는, 센터 브릿지부 BD_C를 사이에 두고, 쌍이 되는 배리어 영역(18)의 센터 브릿지부 BD_C측의 면(201a 및 201b)과의 거리를 취한다. 예를 들어, 배리어 영역(18)의 센터 브릿지부 BD_C측의 면(201a 및 201b)을 구성하는 곡선 또는 꺾은선이 평행하지 않은 경우에는, 센터 브릿지부 BD_C의 폭 w_C는, 그 곡선들 또는 꺾은선들 사이의 거리의 최솟값과 최댓값의 상가 평균값으로 정의된다.

또한, 배리어 영역(18)의 두께 t_FB는, 배리어 영역(18)의 상측면(외주측의 측면)(202a)과 하측면(중심축 O측의 측면)(202b)을 구성하는 곡선 또는 꺾은선의 최소 거리와 최대 거리의 상가 평균값으로 정의된다. 예를 들어, 배리어 영역(18)의 상측면(202a)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선 상에 임의의 기준점을 설정한다. 이 기준점으로부터, 하측면(202b)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선까지의 거리가 최단을 나타내는 직선을 도출한다. 이후, 상측면(202a)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선 상에 있어서, 기준점을 어긋나게 하면서 최단을 나타내는 직선을 복수 도출한다. 이와 같이 하여 복수 도출한 직선의 길이의 평균이 배리어 영역(18)의 두께 t_FB로 정의된다. 또한, 배리어 영역(18)의 폭 l_FB는, 배리어 영역(202a)의 상측면(202a)과 하측면(202b)을 구성하는 곡선 또는 꺾은선의 길이의 상가 평균값으로 정의된다. 예를 들어, 상측면(202a)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선 상에 임의의 기준점을 설정한다. 이 기준점으로부터, 하측면(202b)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선까지의 거리가 최단을 나타내는 직선을 도출한다. 이후, 상측면(202a)을 나타내는 곡선 또는 꺾은선 상에 있어서, 기준점을 어긋나게 하면서 하측면(202b)에 대한 거리가 최단을 나타내는 직선을 복수 도출한다. 이와 같이 하여 복수 도출한 직선의 각각의 중점을 통하는 곡선의 길이가 배리어 영역(18)의 폭 l_FB로 정의된다.

또한, 영구 자석(100)의 총단면적 S_M은, 각 플럭스 배리어(11)에 있어서, 영구 자석(100)의 폭 l_M과, 영구 자석(100)의 두께 t_M을 승산함으로써 얻어지는 각 영구 자석(100)의 단면적과, 영구 자석(100)의 수(도 3의 예에서는 2개)의 곱으로 정의된다. 영구 자석(100)의 두께 t_M은, 배리어 영역(18)의 두께 t_FB의 정의와 마찬가지로, 영구 자석(100)의 상측면(플럭스 배리어(11)의 폭 방향에 있어서의 외주측의 면)과 하측면(플럭스 배리어(11)의 폭 방향에 있어서의 중심축 O측의 면)을 구성하는 곡선 또는 꺾은선의 최소 거리와 최대 거리의 상가 평균값으로 정의된다. 또한, 영구 자석(100)의 폭 l_M은, 배리어 영역(18)의 폭 l_FB의 정의와 마찬가지로, 영구 자석(100)의 상측면과 하측면을 구성하는 곡선 또는 꺾은선의 길이의 상가 평균값으로 정의된다.

도 4는, 영구 자석(100)의 자기 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 상기 파라미터 중, μ_re, B_r은, 영구 자석(100)의 자기 특성으로서 이하와 같이 나타낼 수 있다. 예를 들어, 영구 자석(100)의 잔류 자속 밀도 B_r은, 선형 영역에 있어서, 자계의 강도 H가 제로 정도일 때의 자속 밀도(그래프의 y절편(150))로서 도출할 수 있다. 또한, 리코일 투자율 μ_re는, 선형 영역에 있어서, 자계의 강도 H에 대한 자속 밀도 B의 변화를 나타내는 직선(151)의 기울기로서 도출할 수 있다.

상술한 영구 자석(100), 배리어 영역(18), 외주 브릿지부 BD_S 및 센터 브릿지부 BD_C의 치수를 결정하는 파라미터를 사용하여, 도 3에 도시하는 회전자(3)의 플럭스 배리어(11) 주변의 구성을 등가인 자기 회로로 치환했을 경우, 이하의 도 5와 같이 나타낼 수 있다.

도 5는, 자기 회로의 일례를 나타내는 도면이다. 예를 들어, 자기 회로에 있어서, 영구 자석(100)의 기자력 E_M은, (t_M·B_r)/μ_re로서 다룰 수 있다. 또한, 영구 자석(100)의 내부 자기 저항 r_M은, t_M/(μ_re·l_M)로서 다룰 수 있다. 또한, 당 자기 회로는 불가역 감자가 발생하지 않는 선형 영역에 있어서 동작시키는 것으로 한다. 영구 자석(100)을 흐르는 자속 Φ_M이나 배리어 영역(18)을 흐르는 자속 Φ_FB에 대하여 회로 방정식을 세우면, 도 5에 도시하는 자기 회로부터 밖으로 누설되는 자속(101)이 발생하지 않는 조건을, 상기 수식 (1)로서 도출할 수 있다. 수식 (1)이 성립하는 범위에 있어서, 영구 자석(100)의 면적(폭 l_M과 두께 t_M)을 결정하면, 외부에 자속을 누설하지 않는다고 하는 제약 조건 하에서 각 브릿지부의 자속을 포화시킬 수 있다. 즉, 유기 전압을 발생시키지 않고, 자기 저항 모터(1)의 돌극성을 개선할 수 있다. 또한, 도 5에 있어서는, 영구 자석(100)이 배리어 영역(18)의 우측 상단 측면에 접하고 있지만, 측면이 접촉하지 않도록 배리어 영역(18)의 중앙에 배치되어 있는 경우도, 외부로 자속을 누설시키지 않는 조건은 (1) 식으로 표현된다. 또한, 도 5에서는 영구 자석의 단면은 폭l_M 방향으로 편평한데, 두께t_M 방향으로 편평하여도 된다. 즉, 영구 자석(100)의 배치 방법에 관계없이, 영구 자석의 단면적과 잔류 자속 밀도가 동일하면, 외부로부터 본 자기 특성은 등가가 된다.

도 6은, 회전자 철심(9)의 자화 특성의 경향의 일례를 나타내는 도면이다. 일반적으로 회전자 철심(9)의 자화 특성은 완만하게 변화한다고 알려져 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 자기 특성이 변화하는 경우, 수식 (1)의 파라미터 B_s를 일의적으로 결정할 수 없다. 따라서, 어떤 수치 범위에 있어서, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s에 여유를 갖게 해도 된다. 수치 범위에 대해서는 후술한다.

도 7은, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s와, 각 브릿지부의 비투자율과, 전기자 권선(7)에 쇄교하는 누설 자속량과의 관계의 일례를 도시하는 도면이다. 각 브릿지부의 비투자율은, 진공의 투자율에 대한 브릿지부의 투자율의 비율이다. 누설 자속량은, 갭 G를 통과하여 고정자(2)에 누출되는 자속의 2승값이다. 일반적으로, 무부하 철손이나 단락 사고 시의 손실 등은, 고정자(2)에 누출되는 자속량의 2승에 비례하기 때문에, 본 실시 형태에 있어서도 고정자(2)에 누출되는 자속량의 2승값으로 평가하는 것으로 한다. 도 7에 나타내는 결과는, 자기 저항 모터(1)의 회전축(8)에 대한 1극분의 단면에 있어서, 회전자 철심(9)을 규소 강판(비선형 자화 특성)으로 하고, 플럭스 배리어(11)를 3층으로 하고, 각각의 플럭스 배리어(11)에 있어서의 배리어 영역(18)을 3개로 하고, 각각의 플럭스 배리어(11)에 있어서의 센터 브릿지부 BD_C를 2개로 하고, 2개의 센터 브릿지부 BD_C에 끼워지는 배리어 영역(18)에 네오디뮴 자석을 삽입한 모델을 상정했을 때의 해석 결과(시뮬레이션 결과)를 나타내고 있다. 이러한 모델은, 후술하는 도 13에 나타내는 자기 저항 모터(1C)를 상정한 모델에 상당한다. 도면 중의 포화 자속 밀도 B_s는, 이하의 수식 (2)에 의해 해석적으로 도출한 값이다. 수식 (2)에 있어서의 각 파라미터는, 상술한 수식 (1)에 사용한 파라미터와 마찬가지이다.

도시의 예에서는, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s가 0으로부터 1.2T(테슬라)까지의 범위에서는, 각 브릿지부의 비투자율이 증가하는 경향을 갖고 있다. 즉, 각 브릿지부에 있어서, 자속이 흐르기 쉬운 상태가 된다. 또한, 포화 자속 밀도 B_s가 1.2T 이상의 범위에서는, 각 브릿지부의 비투자율이 감소하는 경향을 갖고 있다. 즉, 각 브릿지부에 있어서, 자속이 흐르기 어려운 상태가 된다. 따라서, 각 브릿지부의 비투자율만에 착안했을 경우에는, 포화 자속 밀도 B_s가, 각 브릿지부의 비투자율의 최댓값 1.2T 이상이 되도록 영구 자석(100)의 단면적이나 잔류 자속 밀도를 결정하면 적합하다.

한편, 누설 자속량에 착안했을 경우, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s가 2T 정도까지의 범위에서는, 고정자(2)에 누출되는 자속량(자속의 2승값)을 제로 정도로 억제할 수 있다. 즉, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s가 2T 정도까지의 범위에서는, 유기 전압의 발생을 억제할 수 있다. 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s가 2T 이상의 범위에서는, 고정자(2)에 누출되는 자속량이 지수 함수적으로 증가하기 때문에, 유기 전압이 발생하기 쉽다. 여기서, 누설 자속량이 약 1000mWb² 정도 이하라면 누설 자속의 영향을 무시할 수 있고, 이 범위에 있어서, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s의 상한값을 설정하면 적합하다. 구체적으로는, 고정자(2)에 누출되는 자속량의 2승의 변화를 나타내는 곡선의 점근선과의 교점을 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s의 상한값으로 설정한다. 본 실시 형태에서는 상한값은 도시와 같이 3.0T로 설정된다.

본 실시 형태에 있어서의 영구 자석(100)에 대한 비교예로서, 영구 자석 동기 모터(Permanent Magnet Synchronous Motor: PMSM) 등에 이용되는 영구 자석을 배리어 영역(18)에 삽입했을 경우, 각 브릿지부(회전자 철심(9))의 포화 자속 밀도 B_s는, 약 5T 정도가 된다. 한편, 본 실시 형태에서는, 각 브릿지부의 포화 자속 밀도 B_s가 1.2T 이상 또한 3.0T 이하의 범위에 들어가도록 영구 자석(100)의 크기를 결정하기 위해서, 비교예로서의 영구 자석 동기 모터에 비하여, 1/4 정도까지 누설자속량을 저하시킬 수 있다. 즉, 자기 저항 모터(1)의 구동에 지장이 생기지 않을 정도의 영구 자석(100)을 배리어 영역(18)에 삽입하고, 각 브릿지부의 자속을 포화시킬 수 있다.

이상 설명한 제1 실시 형태에 의하면, 각 브릿지부의 포화 자속 밀도 B_s가 1.2T 이상이 되도록 영구 자석(100)의 단면적과 잔류 자속 밀도를 결정하기 위해서, 각 브릿지부를 포화시켜서 자기적으로 무효화할 수 있다. 이에 의해, 유기 전압을 발생시키지 않고, 자기 저항 모터(1)의 돌극성을 개선시킬 수 있고, 돌극비를 높일 수 있다. 이 결과, 모터의 성능(토크, 효율, 역률 등)이 개선되고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 제1 실시 형태에 의하면, 각 브릿지부의 포화 자속 밀도 B_s가 3T 이하로 되도록 영구 자석(100)의 단면적과 잔류 자속 밀도를 결정하기 위해서, 영구 자석(100)으로부터 발생하여 전기자 권선(7)에 쇄교하는 자속(101)은 매우 작고, 유기 전압의 발생을 억제할 수 있고, 단락 사고 등에 있어서의 보호 회로 등을 별도 마련할 필요가 없어진다. 또한, 무부하 철손이 발생하지 않기 때문에, 본 모터를 사용한 시스템으로서의 에너지 효율을 개선할 수 있다.

또한, 지금까지의 설명에 있어서는 전동기(모터)로서 설명을 행하여 왔지만, 발전기(제네레이터)로서도 본 회전 기기를 운용할 수 있고, 본 실시 형태의 적용 범위가 된다.

(제1 실시 형태에 있어서의 변형예)

이하, 제1 실시 형태에 있어서의 변형예에 대하여 설명한다. 상술한 수식 (1) 및 (2)에 의하면, d축 및 q축을 포함하는 단면에 있어서의 영구 자석(100)의 총단면적 S_M이 일정하면, 배리어 영역(18)에 있어서의 영구 자석(100)의 배치 위치에 구애되지 않고 각 브릿지부를 포화시킬 수 있다. 따라서, 제1 실시 형태에 있어서의 변형예로서, 예를 들어 영구 자석(100)을 외주 브릿지부 BD_S측에 치우쳐서 배치한다.

도 8은, 배리어 영역(18)에 있어서의 영구 자석(100)의 배치 위치의 일례를 도시하는 도면이다. 일반적으로, 브릿지부를 제외한 철심 영역의 자로 폭은 브릿지 폭에 비하여 충분히 넓어, 브릿지부는 포화되어 있어도 기타의 철심 영역은 포화되지 않는다. 따라서, 영구 자석(100)을 삽입해도 브릿지부 이외의 철심 영역의 비투자율은 수1000 정도로 매우 크고, 자기 회로로서 고려한 경우에는 무시할 수 있는 저항값이 된다. 따라서, 도시와 같이 영구 자석(100)이 센터 브릿지부 BD_C와 비교하여 외주 브릿지부 BD_S에 가까운 위치에 배치되어 있는 경우에 있어서도, 센터 브릿지부 BD_C와 외주 브릿지부 BD_S에는 거의 동일 정도의 기자력이 가해지고, 포화 레벨도 동등하게 된다. 즉, 배리어 영역(18)에 있어서 영구 자석(100)을 어디에 배치해도, 각 브릿지부의 철심을 포화시킬 수 있다.

또한, 단일 배리어 영역(18)에 삽입하는 영구 자석(100)의 수는 하나에 한정되지 않고, 복수개여도 된다. 도 9는, 배리어 영역(18)에 있어서의 영구 자석(100)의 배치 위치의 다른 예를 나타내는 도면이다. 도시와 같이, 예를 들어 센터 브릿지부 BD_C를 사이에 두고, 쌍이 되는 배리어 영역(18)의 어느 한쪽에 개수가 비대칭으로 되도록 2개의 영구 자석(100)을 삽입해도 된다. 이때, 쌍이 되는 배리어 영역(18)의 양쪽에 있어서, 영구 자석(100)의 단면적은, 상기 수치 범위 내이면 상이해도 된다.

또한, 자기 저항 모터(1)는 스큐 구조여도 된다. 도 10은, 자기 저항 모터(1)의 외관의 일례를 도시하는 도면이다. 도 10의 (a)에 도시하는 바와 같이, 자기 저항 모터(1)가 스큐 구조인 경우, 도 10의 (b)에 도시하는 바와 같이, 플럭스 배리어(11)는, d축 및 q축을 포함하는 단면과 직교하는 v축(즉 회전축(8))의 위치에 따라, 그 단면에서의 위치가 상이해도 된다. 이 경우, 영구 자석(100)의 형상도 스큐 구조에 맞춘 형상이면 된다.

또한, 제1 실시 형태에서는, 각 플럭스 배리어(11)의 배리어 영역(18)마다 영구 자석(100)이 삽입되는 것으로서 설명했지만 이것에 한정되지 않고, 어느 쪽의 배리어 영역(18)에도 영구 자석(100)이 삽입되지 않는 플럭스 배리어(11)가 형성되어도 된다. 즉, 영구 자석(100)에 의해 각 브릿지부의 자속을 포화시킴으로써, 보다 d축 방향으로의 누설 자속이 적게 시키는 플럭스 배리어(11)와, 간단히 배리어 영역(18)에 의해 d축 방향으로의 누설 자속을 적어지게 하는 플럭스 배리어(11)가 혼재되어 있어도 된다.

또한, 자기 저항 모터(1)의 돌극을 4극으로서 설명했지만 이것에 한정되지 않고, 2극, 6극, 8극, 기타 임의의 극수여도 된다.

(제2 실시 형태)

이하, 제2 실시 형태에 있어서의 자기 저항 모터(1A)에 대하여 설명한다. 여기에서는, 제1 실시 형태와의 상위점으로서, 센터 브릿지부 BD_C를 끼움으로써 쌍이 되는 배리어 영역(18) 중 어느 한쪽에만 영구 자석(100)을 삽입하는 점에 대하여 설명한다. 이하, 상술한 제1 실시 형태와 공통되는 기능 등에 관한 설명은 생략한다.

도 11은, 제2 실시 형태 있어서의 자기 저항 모터(1A)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도이다. 제2 실시 형태에서는, 센터 브릿지부 BD_C를 사이에 두고, 쌍이 되는 배리어 영역(18) 중 어느 한쪽에만 영구 자석(100)을 삽입하고, 다른 쪽의 배리어 영역(18)에는, 당해 영구 자석(100)과 동일 정도의 질량을 갖는 중량 조정 부재 WT를 삽입한다. 즉, 영구 자석(100)은 플럭스 배리어(11)의 중앙부(예를 들어 플럭스 배리어(11)의 긴 변 방향에 있어서 각 단부로부터의 거리가 동일 위치)에 대하여, 어느 쪽인가의 측에 치우친 배리어 영역(18)에 마련되고, 중량 조정 부재 WT는, 어느 쪽인가의 측에 치우치지 않고 있는 다른 쪽의 배리어 영역(18)에 마련된다. 중량 조정 부재 WT는, 비자성체이다. 중량 조정 부재 WT가 삽입되는 배리어 영역(18)에는, 중량 조정 부재 WT를 고정하기 위하여 접착성의 수지 등 비자성체가 충전되어도 되고, 중량 조정 부재 WT와 함께 비자성체의 스페이서 등이 삽입되어도 된다.

또한, 도 11에서는, 중심축 O에 가장 가까운 플럭스 배리어(11)에 대해서만 배리어 영역을 나타내는 18, 영구 자석을 나타내는 100, 중량 조정 부재를 나타내는 WT라는 부호를 붙이고 있지만, 기타의 플럭스 배리어(11)에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 분할된 배리어 영역을, 18a, 18b와 같이 나타내고 있다.

중량 조정 부재 WT를 배리어 영역(18)에 삽입하는 경우, 상기 수식 (1) 또는 (2)에 있어서, 영구 자석(100)의 총단면적 S_M에는, 중량 조정 부재 WT의 단면적을 포함하지 않는 것으로 한다. 즉, 한쪽의 배리어 영역(18)에 삽입된 영구 자석(100)의 단면적만을 사용하여, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s를 평가하면 된다.

또한, 도 11의 예에서는, d축의 우측만에 중량 조정 부재 WT가 삽입되어 있지만 이것에 한정되지 않고, 플럭스 배리어(11)마다 중량 조정 부재 WT의 배치를 교체해도 된다.

이하, 제2 실시 형태 있어서의 자기 저항 모터(1A)에 있어서의 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s와, 각 브릿지부의 비투자율과, 전기자 권선(7)에 쇄교하는 누설 자속량의 관계에 대하여 설명한다.

도 12는, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s와, 각 브릿지부의 비투자율과, 전기자 권선(7)에 쇄교하는 누설 자속량의 관계의 다른 예를 나타내는 도면이다. 각 브릿지부의 비투자율은, 진공의 투자율에 대한 브릿지부의 투자율의 비율이다. 제2 실시 형태에서도, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 고정자(2)에 누출되는 자속량의 2승값으로 평가하는 것으로 한다.

도 12에 나타내는 결과는, 도 11에 나타내는 자기 저항 모터(1A)의 구성의 모델을 상정했을 때의 해석 결과이다. 이 해석에 사용한 모델에서는, 예를 들어 자기 저항 모터(1A)의 회전축(8)에 대한 1극분의 단면에 있어서, 회전자 철심(9)을 규소 강판(비선형 자화 특성)으로 하고, 플럭스 배리어(11)를 3층으로 하고, 각각의 플럭스 배리어(11)에 있어서의 배리어 영역(18)을 둘로 하고, 각각의 플럭스 배리어(11)에 포함되는 센터 브릿지부 BD_C를 하나로 하고 있다. 또한, 해석에 사용한 모델에서는, 두 배리어 영역(18)의 양쪽에, 동일 정도의 단면적 및 잔류 자속 밀도 B_r을 갖는 영구 자석(100)을 삽입하고 있다. 도면 중의 포화 자속 밀도 B_s는, 상술한 수식 (2)에 의해 해석적으로 도출한 값이다.

도 12에 나타내는 결과는, 상술한 도 7에 나타내는 결과와 마찬가지로, 각 브릿지부의 비투자율에 착안했을 경우, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s가 0으로부터 1.2T(테슬라)까지의 범위에서는, 각 브릿지부의 비투자율이 증가하는 경향을 갖고 있다. 또한, 포화 자속 밀도 B_s가 1.2T 이상의 범위에서는, 각 브릿지부의 비투자율이 감소하는 경향을 갖고 있다. 한편, 누설 자속량에 착안했을 경우, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s가 2T 정도까지의 범위에서는, 고정자(2)에 누출되는 자속량(자속의 2승값)이 제로 정도이고, 회전자 철심(9)의 포화 자속 밀도 B_s가 2T 이상의 범위에서는, 고정자(2)로 누출되는 자속량이 지수 함수적으로 증가하고 있다. 따라서, 센터 브릿지부 BD_C의 수가 둘인 경우에도, 각 브릿지부의 포화 자속 밀도 B_s가 1.2T 이상 또한 3.0T 이하의 범위에 들어가도록 영구 자석(100)의 단면적을 결정함으로써, 누설 자속량의 증가를 억제하면서, 각 브릿지부의 자속을 포화시킬 수 있다. 이와 같이, 브릿지부의 수나 위치를 변경하는 것과 같은 설계 변경을 한 경우에도, 수식 (1), (2)의 이론식을 사용하여 유도되는 결과는 마찬가지인 경향을 나타내고 있고, 각 브릿지부의 포화 자속 밀도 B_s가 상기 수치 범위 내에 수렴되도록 영구 자석(100)의 단면적을 결정하면 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상 설명한 제2 실시 형태에 의하면, 상술한 제1 실시 형태와 마찬가지로, 자기 저항 모터(1)의 유기 전압이 발생하지 않을 정도의 영구 자석(100)을 배리어 영역(18)에 마련함으로써, 배리어 영역(18)에 영구 자석(100)을 마련하지 않은 자기 저항 모터(1)에 비하여 돌극성을 개선시킬 수 있다. 이 결과, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 제2 실시 형태에 의하면, 영구 자석(100) 대신에 중량 조정 부재 WT를 삽입함으로써, 회전자(3)에 있어서 기계적인 불균형을 해소할 수 있고, 플럭스 배리어(11) 사이의 회전자 철심(9)(각 브릿지부도 포함함)에 발생하는 응력을 균형있게 분산시킬 수 있다. 이 결과, 회전자(3)의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다.

(제3 실시 형태)

이하, 제3 실시 형태에 있어서의 자기 저항 모터(1B)에 대하여 설명한다. 여기에서는, 제1 및 제2 실시 형태와의 상위점으로서, 센터 브릿지부 BD_C 또는 외주 브릿지부 BD_S의 어느 한쪽이 존재하지 않는 점에 대하여 설명한다. 이하, 상술한 제1 및 제2 실시 형태와 공통되는 기능 등에 관한 설명은 생략한다.

도 13은, 제3 실시 형태 있어서의 자기 저항 모터(1B)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도이다. 제3 실시 형태에서는, 외주 브릿지부 BD_S만이 존재하고, 각 플럭스 배리어(11)는 하나의 배리어 영역(18)을 갖고 있다. 이 경우, 상기 수식 (1)에 있어서, w_B를 2w_o로서 다룸으로써, 영구 자석(100)의 크기를 결정해도 된다. 또한, 도 13에서는, 중심축 O에 가장 가까운 플럭스 배리어(11)에 대해서만 배리어 영역을 나타내는 18, 영구 자석을 나타내는 100이라는 부호를 붙이고 있지만, 기타의 플럭스 배리어(11)에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 도 13에 나타내는 자기 저항 모터(1B)에 있어서, 센터 브릿지부 BD_C만이 존재하고 있어도 된다. 이 경우, 상기 수식 (1)에 있어서, w_B를 w_C로서 취급함으로써, 영구 자석(100)의 크기를 결정해도 된다.

이상 설명한 제3 실시 형태에 의하면, 상술한 제1 및 제2 실시 형태와 마찬가지로, 자기 저항 모터(1)의 유기 전압이 발생하지 않을 정도의 영구 자석(100)을 배리어 영역(18)에 마련함으로써, 배리어 영역(18)에 영구 자석(100)을 마련하지 않은 자기 저항 모터(1)에 비하여 돌극성을 개선시킬 수 있다. 이 결과, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상술한 제3 실시 형태에 의하면, 브릿지부의 수를 적게 할 수 있기 때문에, 배리어 영역(18)에 마련하는 영구 자석(100)을 작게 할 수 있다.

(제4 실시 형태)

이하, 제4 실시 형태에 있어서의 자기 저항 모터(1C)에 대하여 설명한다. 여기에서는, 제1로부터 제3 실시 형태와의 상위점으로서, 배리어 영역(18)이 3개 이상 형성되어 있는 점에 대하여 설명한다. 이하, 상술한 제1로부터 제3 실시 형태와 공통되는 기능 등에 관한 설명은 생략한다.

도 14는, 제4 실시 형태 있어서의 자기 저항 모터(1C)의 1극분의 구성을 나타내는 회전축(8)에 직교하는 단면도이다. 도 14에서는, 중심축 O에 가장 가까운 플럭스 배리어(11)에 대해서만 배리어 영역을 나타내는 18, 영구 자석을 나타내는 100이라는 부호를 붙이고 있지만, 기타의 플럭스 배리어(11)에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 분할된 배리어 영역을, 18a, 18b, 18c와 같이 나타내고 있다. 제4 실시 형태에서는, 각 플럭스 배리어(11)에 있어서 배리어 영역(18)이 셋 형성되어 있는 점에서, 플럭스 배리어(11) 양단 사이의 중간 지점에 있어서, 두 센터 브릿지부 BD_C가 형성되어 있다. 그리고, 배리어 영역(18) 중 중앙에 위치하는(중심축 O에 가장 가까운) 배리어 영역(18b)에 영구 자석(100)이 설치되어 있다.

도 15는, 배리어 영역(18)에 있어서의 영구 자석(100)의 배치 위치의 다른 예를 나타내는 도면이다. 영구 자석(100)은, 각각의 플럭스 배리어(11)에 있어서, 복수의 배리어 영역(18) 중, 회전축(8)으로부터의 거리가 가장 짧은 배리어 영역(18)에 삽입된다. 도시의 예에서는, 배리어 영역(18b)이다. 또한, 영구 자석(100)은 두 센터 브릿지부 BD_C에 의해 끼워진 배리어 영역(18b)에 삽입되는 대신, 당해 배리어 영역(18b)의 양옆에 위치하는 배리어 영역(18a 및 18c) 각각에 삽입되어도 된다. 이에 의해, 영구 자석(100)의 자속은, 두 외주 브릿지부 BD_S 및 두 센터 브릿지부 BD_C에 대략 균등하게 흐르기 쉬워진다. 또한, 영구 자석(100)은 세 배리어 영역(18) 중 중간의 배리어 영역(18b)이나, 양옆의 각각의 배리어 영역(18a 및 18c)에 삽입되기 때문에, 회전자(3)에 있어서 기계적인 불균형을 해소할 수 있고, 플럭스 배리어(11) 사이의 회전자 철심(9)(각 브릿지부도 포함함)에 발생하는 응력을 균형있게 분산시킬 수 있다.

제4 실시 형태에서는, 플럭스 배리어(11)마다의 배리어 영역(18)의 두께 t_FB는, 모든 배리어 영역(18)의 두께 평균으로서 취급된다. 예를 들어, 배리어 영역(18a 및 18c)의 각각의 폭을 l_OFB, 두께를 t_OFB로 정의하고, 배리어 영역(18b)의 폭을 l_CFB, 두께를 t_CFB로 정의했을 경우, t_FB=(2t_OFB+t_CFB)/3으로 나타낼 수 있다. 또한, 영구 자석(100)의 총단면적 S_M은, 영구 자석(100)이 하나인 점에서, l_M과 t_M의 곱이 된다. 또한, 모든 브릿지부의 폭의 총합 w_B는, w_B=2(w_o+w_C)로서 표시된다. 이들의 파라미터를 사용함으로써 갭 G를 통과하여 전기자 권선(7)에 쇄교하는 누설 자속이 작아지도록(즉, 유기 전압이 작아지도록) 영구 자석(100)의 단면적과 잔류 자속 밀도를 결정할 수 있다.

이상 설명한 제4 실시 형태에 의하면, 상술한 제1로부터 제3 실시 형태와 마찬가지로, 자기 저항 모터(1)의 유기 전압이 발생하지 않을 정도의 영구 자석(100)을 배리어 영역(18)에 마련함으로써, 배리어 영역(18)에 영구 자석(100)을 마련하지 않은 자기 저항 모터(1)에 비하여 돌극성을 개선시킬 수 있다. 이 결과, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

이상 설명한 적어도 하나의 실시 형태에 따르면, 각 브릿지부의 포화 자속 밀도 B_s가 1.2T 이상 또한 3.0T 이하의 범위에 들어가도록 영구 자석(100)의 단면적과 잔류 자속 밀도를 결정하기 때문에, 유기 전압을 최소화하면서, 각 브릿지부를 자기적으로 무효화할 수 있다. 이에 의해, 자기 저항 모터(1)의 돌극성을 개선시킬 수 있고, 돌극비를 높일 수 있다. 이 결과, 모터의 성능(토크, 효율, 역률 등)이 개선되고, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 몇 가지의 실시 형태를 설명했지만, 이들 실시 형태는, 예로서 제시한 것이고, 발명의 범위를 한정하는 것은 의도하고 있지 않다. 이들 실시 형태는, 기타의 다양한 형태로 실시되는 것이 가능하고, 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서, 다양한 생략, 치환, 변경을 행할 수 있다. 이들 실시 형태나 그 변형은, 발명의 범위나 요지에 포함됨과 마찬가지로, 특허 청구 범위에 기재된 발명과 그 균등의 범위에 포함되는 것이다.

1: 자기 저항 모터
2: 고정자
3: 회전자
4: 고정자 철심
5: 티스
7: 전기자 권선
8: 회전축(샤프트)
9: 회전자 철심
11: 플럭스 배리어
18: 배리어 영역
100: 영구 자석

Claims (6)

1. 축심 주위로 회전하는 샤프트와,
   상기 샤프트에 고정된 회전자 철심을 구비하고,
   상기 회전자 철심에는,
   상기 회전자 철심의 외주면의 어느 개소로부터 다른 개소에 이르는 복수의 플럭스 배리어가, 상기 회전자 철심의 직경 방향으로 배열하여 형성되어 있고,
   상기 플럭스 배리어에는,
   상기 플럭스 배리어의 긴 변 방향의 양단에 있어서 상기 회전자 철심의 외주면의 일부를 형성하는 브릿지부를 포함하는 복수의 브릿지부가 형성되어 있고,
   상기 복수의 브릿지부 사이에 상기 회전자 철심에 있어서의 상기 플럭스 배리어 이외의 부분에 비하여 투자율이 낮은 하나 또는 복수의 배리어 영역이 형성되어 있고,
   적어도 하나의 상기 배리어 영역에는, 영구 자석이 마련되어 있고,
   상기 영구 자석의 자화 방향은, 상기 영구 자석이 마련된 위치에 있어서의 상기 플럭스 배리어의 긴 변 방향에 교차하는 방향으로 향해 있고,
   μ₀: 상기 배리어 영역에 있어서의 상기 영구 자석이 존재하지 않는 영역의 투자율
   S_M: 상기 샤프트의 연장 방향에 직교하는 평면에 있어서의 상기 영구 자석의 단면적
   B_r: 상기 영구 자석의 잔류 자속 밀도
   μ_re: 상기 영구 자석의 리코일 투자율
   t_FB: 상기 배리어 영역의 두께의 최소와 최대의 상가 평균
   w_B: 상기 브릿지부의 폭의 최소와 최대의 상가 평균
   으로 했을 경우에, (μ₀×S_M×B_r)/(μ_re×t_FB×w_B)의 값이, 1.2 이상
   또한 3.0 이하의 범위 내가 되는,
   회전자.
2. 제1항에 있어서, 상기 회전자 철심에는, 상기 플럭스 배리어에 의해 구획되어, 고정자에 의해 형성된 자속이 통과하는 하나 이상의 자로가 형성되어 있는,
   회전자.
3. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 플럭스 배리어의 긴 변 방향의 양단의 어느 한쪽에 치우친 위치에 형성된 상기 배리어 영역에는, 상기 영구 자석이 마련되고, 다른 쪽에 치우친 위치에 형성된 상기 배리어 영역에는, 상기 영구 자석과 동일 정도의 질량을 갖는 중량 조정 부재가 마련되어 있는,
   회전자.
4. 제1항에 있어서, 상기 배리어 영역 내에 있어서, 상기 회전자 철심과 상기 영구 자석 사이에 비자성체가 충전되어 있는,
   회전자.
5. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 상기 플럭스 배리어에는, 복수의 상기 배리어 영역이 형성되어 있고, 복수의 상기 배리어 영역 중, 상기 샤프트에 가장 가까운 배리어 영역에 상기 영구 자석이 마련되어 있는,
   회전자.
6. 제1항에 기재된 회전자와,
   상기 회전자 철심의 외주에 상기 회전자 철심과 간격을 두고 배치되고, 서로 둘레 방향으로 간격을 두고 배열된 복수의 티스를 갖는 고정자 철심과,
   상기 복수의 티스에 각각 권회된 복수 극의 다상의 전기자 권선
   을 구비하는 자기 저항 모터.

Images