KR20210120100A - 회전 전기 기계 - Google Patents

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KR20210120100A
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

고정자에 마련된 자석부에 발생하는 와전류 손실을 저감하는 회전 전기 기계를 얻는다. 회전자(2)와, 회전자(2)의 직경 방향으로 대향하여 배치된 고정자(3)를 구비한다. 고정자(3)는 고정자 코어(7), 고정자 코일(8) 및 자석부(9)를 갖는다. 고정자 코어(7)는 코어 백(10)과 티스(11)를 가지며, 티스(11)는 코어 백(10)으로부터 회전자(2)를 향하여 돌출되는 동시에 둘레 방향을 따라서 배열되어 있다. 고정 코일(8)은 복수의 티스(11)의 각각에 권회되며, 둘레 방향으로 이웃하는 티스(11)끼리의 사이에 형성된 슬롯(12)에 배치된다. 자석부(9)는 티스(11)의 각각에 있어서, 복수의 영구 자석(91)으로 형성된다. 복수의 영구 자석(91)은 둘레 방향으로 서로 동일한 자극을 가지며, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된다.

Description

회전 전기 기계
본 발명은 영구 자석이 마련된 고정자를 구비한 회전 전기 기계에 관한 것이다.
산업용의 모터나 차재용의 모터 등의 회전 전기 기계에 있어서는, 소형화, 고출력화, 고속화가 요구되고 있다. 이들 요구에 따른 회전 전기 기계로서, 회전자가 철심으로 구성되며, 고정자측에 코일과 영구 자석이 마련된 회전 전기 기계가 제안되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에는 1차측 자극 부재가 복수의 이빨 모듈(tooth module)을 가지며, 복수의 이빨 모듈은 권선과 적어도 1개의 영구 자석을 구비하고, 영구 자석이 단체 또는 분할 구조로 형성되는 회전 전기 기계가 개시되어 있다.
회전 전기 기계의 회전자를 회전시키면, 코일에 흐르는 전류에 의해 발생되는 자속이 영구 자석에 쇄교하고, 자속의 변동을 상쇄하도록 영구 자석에 와전류가 흘러, 와전류 손실을 일으킨다. 특히, 고정자측에 영구 자석이 마련된 회전 전기 기계에서는, 회전 자계에 대해 영구 자석이 정지하고 있기 때문에, 매우 큰 와전류 손실이 발생하여, 회전 전기 기계의 효율을 저하시킨다. 이 문제에 대해, 예를 들면, 특허문헌 2에서는, 계자용의 자석으로서, 주성분 중 1개가 절연성의 수지인 본드 자석을 채용하고 있다. 본드 자석은 도전율이 낮기 때문에, 본드 자석에 생기는 와전류를 저감할 수 있지만, 도전율이 낮은 본드 자석을 이용한 경우, 소결 자석보다 자력이 떨어지기 때문에 출력 저하가 발생한다.
또한, 회전자측에 영구 자석이 마련된 회전 전기 기계에 있어서는, 영구 자석을 분할하는 것에 의해, 와전류 손실을 저감하는 것이 제안되어 있다. 예를 들면, 특허문헌 3에서는, 로터 코어의 축 방향을 따라서 분할한 제 1 자석편에 의해 형성된 제 1 영구 자석과, 로터 코어의 축 방향과 교차하는 방향을 따라서 분할한 제 2 자석편에 의해 형성된 제 2 영구 자석을 구비하고, 제 1 영구 자석 및 제 2 영구 자석이 로터 코어의 자석 구멍에 각각 삽입되는 영구 자석형 회전 전기 기계가 제안되어 있다.
일본 특허 공표 제 2009-509490 호 공보 일본 특허 공개 제 2016-32385 호 공보 일본 특허 공개 제 2013-176259 호 공보
그렇지만, 고정자측에 영구 자석이 마련된 회전 전기 기계에 있어서는 와전류 손실을 저감하도록 영구 자석을 분할하는 것에 대해 검토되어 있지 않으며, 영구 자석을 분할하여 배치하는 방향에 따라서는, 와전류를 효율적으로 억제하여, 와전류손실을 저감하는 것이 곤란했다.
본 발명은 상술의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 회전 전기 기계의 고정자측에 마련된 영구 자석에 발생하는 와전류 손실을 저감하는 회전 전기 기계를 얻는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 회전 전기 기계는 회전자와, 회전자의 직경 방향으로 간격을 두고 대항하여 배치된 고정자를 가지며, 고정자는 통형상의 코어 백과, 복수의 티스를 가지며, 복수의 티스의 각각이 코어 백으로부터 회전자를 향하여 돌출되는 동시에 회전자의 둘레 방향을 따라서 마련된 고정자 코어와, 복수의 티스의 각각에 권회되며, 둘레 방향으로 이웃하는 티스끼리의 사이에 형성된 슬롯에 배치된 고정자 코일과, 복수의 티스의 각각에 복수의 영구 자석을 가지며, 복수의 영구 자석의 각각이 둘레 방향으로 서로 동일한 자극을 갖는 동시에, 티스의 돌출 방향으로 배열된 자석부를 구비한다.
또한, 본 발명에 따른 회전 전기 기계는 회전자와, 회전자의 직경 방향으로 간격을 두고 대향하여 배치된 고정자를 가지며, 고정자는 통형상의 코어 백과 복수의 티스를 가지며, 복수의 티스의 각각이 코어 백으로부터 회전자를 향하여 돌출되는 동시에, 회전자의 둘레 방향을 따라서 마련된 고정자 코어와, 복수의 티스의 각각에 권회되며, 둘레 방향으로 이웃하는 티스끼리의 사이에 형성된 슬롯에 배치된 고정자 코일과, 복수의 티스의 각각에 영구 자석을 가지며, 영구 자석이 둘레 방향으로 착자되는 동시에, 영구 자석의 티스의 돌출 방향 및 회전자의 축 방향의 양쪽을 따른 면에 회전자의 축 방향으로 연장된 홈부가 형성된 자석부를 구비한다.
본 발명에 따른 회전 전기 기계에 의하면, 복수의 영구 자석의 각각이 둘레 방향으로 서로 동일한 자극을 갖는 동시에 티스의 돌출 방향으로 배열된 자석부, 또는 영구 자석이 둘레 방향으로 착자되는 동시에, 영구 자석의 티스의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에 회전자의 축 방향으로 연장된 홈부가 형성된 자석부를 구비하는 것에 의해, 와전류의 경로가 티스의 돌출 방향으로 분단되기 때문에, 영구 자석에 흐르는 와전류의 크기를 효율적으로 억제하여, 와전류 손실을 저감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 다른 예의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 영구 자석에 발생하는 와전류를 설명하기 위한 설명도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 영구 자석에 발생하는 와전류의 크기와 영구 자석의 티스의 돌출 방향의 거리의 관계를 나타내는 관계도이다.
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 영구 자석에 발생하는 와전류의 크기와 영구 자석의 티스의 돌출 방향의 거리의 관계를 나타내는 관계도이다.
도 9는 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 다른 예의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 다른 예의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시형태 2에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다.
도 12는 본 발명의 실시형태 3에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다.
도 13은 본 발명의 실시형태 4에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다.
도 14는 본 발명의 실시형태 4에 따른 회전 전기 기계의 영구 자석에 발생하는 와전류를 설명하기 위한 설명도이다.
도 15는 본 발명의 실시형태 4에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다.
도 16은 본 발명의 실시형태 5에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다.
도 17은 본 발명의 실시형태 5에 따른 회전 전기 기계의 다른 예의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 18은 본 발명의 실시형태 6에 따른 회전 전기 기계의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 각 도면에 있어서, 동일 또는 상당 부분에 대해서는 동일 부호를 부여하여 설명한다.
실시형태 1
도 1, 도 2는 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 도 1은 회전축의 축 방향에 직교하는 단면도이며, 도 2는 회전축의 축 방향을 따른 단면도이며, 도 1의 A1-A2선을 따른 단면도이다. 도 1에 도시하는 바와 같이, 회전 전기 기계(1)는 회전자(2)와, 회전자(2)의 직경 방향 외측에 간격을 두고, 회전자(2)를 둘레 방향으로 둘러싸고 배치된 고정자(3)를 구비한다.
이하의 설명에서는, 회전자(2)의 회전 방향을 둘레 방향, 회전자(2)의 회전축(4)의 방향을 축 방향, 회전자(2)의 회전 중심으로부터 외주측을 향하는 방향을 직경 방향으로 한다. 또한, 이하의 설명에 있어서, 직교하는 방향이란, 대략 직교하는 방향도 포함한다.
회전자(2)는 회전축(4)과, 회전축(4)에 장착된 회전자 코어(5)를 갖는다. 회전자 코어(5)는 수축 끼워맞춤이나 압입 등에 의해, 회전축(4)에 고정되어 있다. 회전자 코어(5)는 직경 방향 외측으로 돌출된 복수의 돌출부(6)가 마련되어 있다. 각 돌출부(6)는 회전자 코어(5)의 둘레 방향으로 서로 간격을 두고 마련되어 있다.
고정자(3)는 고정자 코어(7), 고정자 코일(8) 및 자석부(9)를 갖고 있다. 고정자 코어(7)는 예를 들면, 전자 강판이 축 방향을 따라서 적층된 자성체이다. 고정자 코어(7)는 통형상의 코어 백(10)과, 코어 백(10)의 내주면측으로부터 직경 방향 내측으로 돌출된 복수의 티스(11)를 갖고 있다. 즉, 각 티스(11)는 코어 백(10)으로부터 회전자(2)를 향하여 돌출되는 동시에, 둘레 방향을 따라서 서로 간격을 두고 마련되어 있다. 둘레 방향으로 이웃하는 티스(11)끼리의 사이에는, 각각 회전자(2)를 향하여 개방되며, 축 방향으로 연장되는 공간인 슬롯(12)이 형성되어 있다. 슬롯(12)에는, 티스(11)에 권회된 고정자 코일(8)이 마련되어 있다. 또한, 복수의 티스(11)의 각각의 둘레 방향 중앙부에는, 자석부(9)가 마련되어 있다.
자석부(9)는 예를 들면, 복수의 티스(11)의 각각에 있어서, 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향으로 연장되어 마련되어 있으며, 둘레 방향으로 착자된 영구 자석(91)에 형성되어 있다. 슬롯(12)을 거쳐서 둘레 방향으로 이웃하는 자석부(9)의 영구 자석(91)끼리는 서로 동일한 자극을 마주보게 하여 배치되어 있다. 즉, 복수의 티스(11)의 각각에 마련된 자석부(9)의 영구 자석(91)은 둘레 방향에 있어서, 자극을 교대로 하여 배치되어 있다. 자석부(9)는 예를 들면, 고정자 코어(7)의 내주면에서 티스(11)로부터 노출되며, 고정자 코어(7)의 외주면에서 코어백(10)에 덮여 있다. 도면 중의 N, S는 자석부(9)의 영구 자석(91)의 자극을 나타내고 있다. 자석부(9)의 영구 자석(91)으로서, 예를 들면, 네오디뮴 소결 자석 등의 희토류 소결 자석이나 페라이트 자석 등의 도전율이 0이 아닌 것이 이용된다.
복수의 티스(11)의 각각에 있어서, 자석부(9)는 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)을 갖는다. 자석부(9)는 영구 자석(91)끼리의 서로 대향하는 면에 의해, 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 복수로 분할되어 있다. 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 영구 자석(91)끼리는 서로 둘레 방향으로 동일한 자극을 갖는다. 여기에서, 영구 자석(91)이 서로 둘레 방향으로 동일한 자극을 갖는다는 것은, 복수의 영구 자석(91)이 둘레 방향이 일치된 방향으로 착자되어 있는 경우뿐만 아니라, 편차를 고려한 일정한 범위에 있어서, 둘레 방향이 동일한 방향으로 착자되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 영구 자석(91)이 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된다는 것은, 티스(11)의 돌출 방향에 평행한 방향으로 배열되는 경우뿐만 아니라, 대략 평행한 방향으로 배열되는 경우도 포함한다. 도 1에 도시하는 예에서는 자석부(9)는 6개로 분할되며, 6개의 영구 자석(91)이 배열되어 있지만, 이것으로 한정되는 것은 아니다.
이와 같이, 자석부(9a, 9b)는 티스(11)의 돌출 방향으로 연장되어 마련되는 것에 의해, 자속이 회전자(2)를 통하지 않고, 코어 백(10) 또는 티스(11)를 통하여 단락이 생길 우려를 저감할 수 있다. 또한, 둘레 방향으로 착자된 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향으로 배열되는 것에 의해, 영구 자석(91)의 둘레 방향 단면적을 확대하고, 토크를 향상시킬 수 있다.
여기에서, 도 1에서는 자석부(9)가 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)을 갖는 예를 도시했지만, 자석부(9)는 둘레 방향으로 착자된 단체(single body)의 영구 자석(91)을 적어도 1개 가지며, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 축 방향으로 연장된 홈부(13)가 적어도 1개 형성된 것이어도 좋다.
도 3은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 다른 예의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 자석부(9)는 예를 들면, 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향으로 연장된 단체의 영구 자석(91)을 가지며, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 축 방향으로 연장된 복수의 홈부(13)가 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 서로 간격을 두고 마련되어 있다. 자석부(9)는 홈부(13)에 의해, 티스(11)의 돌출 방향을 따라서, 복수의 영역으로 분할되어 있다. 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 인접하는 홈부(13)끼리의 사이의 영역과, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면으로부터 홈부(13)까지의 사이의 영역은 각각 도 1에 있어서의 1개의 영구 자석(91)에 상당한다.
홈부(13)는 영구 자석(91)의 축 방향으로 관통하여 마련되어 있어도 좋으며, 축 방향의 일부에 마련되어 있어도 좋다. 또한, 도 3은 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향을 따라서 둘레 방향으로 대향하는 양쪽의 면에 홈부(13)가 마련된 예를 도시했지만, 한쪽면에만 마련되어 있어도 좋다.
고정자 코일(8)은 예를 들면, 복수의 티스(11)의 각각에 집중 권회로 마련되어 있으며, 슬롯(12)에 수용되어 있다. 고정자 코일(8)의 권선은 둘레 방향에 있어서 이웃하는 한쌍의 슬롯(12)에 의해 사이에 두어지는 티스(11)에 대해 권회된다. 도면에서는 티스(11)에 권회되는 권선을 생략하고 있다.
고정자 코일(8)에는 예를 들어, 3상 교류 전류가 공급되어 회전 자계가 생성된다. 여기에서, 3상의 각 상을 U상, V상, W상으로 각각 나타내는 것으로 하고, 각 고정자 코일(8) 중 2개의 U상 코일을 U1, U2, 2개의 V상 코일을 V1, V2, 2개의 W상 코일을 W1, W2로 한다. 각 고정자 코일(8)은 예를 들어, 도 1에 도시하는 바와 같이 반시계 방향으로 U1, V1, W1, U2, V2, W2의 순서로 나열되어 배치된다. 고정자 코일(8)은 U1과 U2가 직렬로 연결된 직렬 회로와, V1 및 V2가 직렬로 연결된 직렬 회로와, W1과 W2가 직렬로 연결된 직렬 회로가 공통의 중성점으로 연결되어 있다. 각 상에 120도 위상이 어긋난 전류가 통전되는 것에 의해 회전 자계가 생성된다.
도 4, 도 5는 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다. 여기에서, 회전자(2)는 반시계 방향으로 회전하고 있는 것으로 한다. 도 4, 도 5에 있어서, 1개의 슬롯(12)을 사이에 두고 이웃하는 티스(11)를 반시계 방향 순으로 티스(11a, 11b)로 하고, 티스(11a, 11b)에 각각 자석부(9a, 9b)가 마련되어 있는 것으로 한다. 또한, 회전자(2)에 있어서, 이웃하는 돌출부(6)를 반시계 방향 순으로 돌출부(6a, 6b)로 한다. 도면 중, 방향 기호(i1)는 고정자 코일(8)을 흐르는 전류를 나타내고 있다. 화살표(φc)는 고정자 코일(8)에 흐르는 전류에 의한 자속을 나타내고 있다. 화살표(φa, φb)는 각각 자석부(9a, 9b)의 착자 방향이며, 자석부(9a, 9b)의 영구 자석(91) 그 자체가 만드는 자속의 일부를 나타내고 있다. 자석부(9a)는 반시계 방향 순으로 N극, S극으로 착자된 복수의 영구 자석(91), 자석부(9b)는 반시계 방향 순으로 S극, N극으로 착자된 복수의 영구 자석(91)을 각각 갖는 것으로 한다.
도 4에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a, 9b)가 회전자(2)의 돌출부(6a, 6b)의 회전 방향의 전방에 위치하고 있다고 한다. 이 때, 슬롯(12)에 마련된 고정자 코일(8)에, 축 방향의 한쪽으로부터 다른쪽(지면 바로 앞으로부터 안쪽)을 향하여 흐르는 전류가 만드는 자속은, 티스(11b)로부터 코어 백(10)을 타고, 자석부(9a)에 티스(11a)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 쇄교한 후에, 회전자(2)의 한쪽 돌출부(6a)로부터 다른쪽 돌출부(6b)를 향하고 티스(11b)로 복귀하여 흐른다.
또한, 도 5에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a, 9b)가 회전자(2)의 돌출부(6a, 6b)의 회전 방향의 후방에 위치하고 있다고 한다. 이 때, 슬롯(12)에 마련된 고정자 코일(8)에, 축 방향의 다른쪽으로부터 한쪽(지면 안쪽으로부터 바로 앞)을 향하여 흐르는 전류가 만드는 자속은, 티스(11a)로부터 코어 백(10)을 타고, 자석부(9b)에 티스(11b)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 쇄교한 후에, 회전자(2)의 한쪽 돌출부(6b)로부터 다른쪽 돌출부(6a)를 향하고 티스(11a)로 복귀하여 흐른다.
이와 같이, 고정자 코일(8)에 통전 전류의 위상을 변경하는 것에 의해, 자속이 티스(11a) 또는 티스(11b) 중 어느 쪽을 통하는지를 제어하는 것에 의해, 토크를 발생시키고 있다. 이 때, 고정자(3)의 자석부(9a, 9b)와 회전자(2)의 돌출부(6a, 6b)의 위치 관계 및 전류의 위상이 변화하는 것에 의해, 자석부(9a, 9b)에 쇄교하는 자속의 크기가 변동한다. 예를 들어, 회전자(2)가 반시계 방향으로 회전하여, 도 4의 상태로부터 도 5의 상태로 변화했다고 하면, 도 4에 있어서, 자석부(9a)를 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 쇄교하고 있던 자속이, 도 5의 위치 관계가 되면 감소한다. 그 때문에, 자속의 변동을 상쇄하도록 자석부(9a)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 단면에 와전류가 흐른다. 고정자(3)측에 영구 자석(91)이 마련된 회전 전기 기계(1)에서는 자석부(9)가 회전 자계에 대해 정지하고, 티스(11)의 돌출 방향으로 연장되어 마련되어 있기 때문에, 와전류가 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 흐른 경우, 매우 큰 와전류 손실이 발생한다.
도 6은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 영구 자석에 발생하는 와전류의 흐름을 설명하기 위한 설명도이다. 도 5, 도 6에서 방향 기호, 화살표(i2)는 자석부(9a)에 발생하는 와전류를 나타내고 있다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a)는 티스(11)의 돌출 방향을 따라서, 복수의 영구 자석(91)이 배열되어 있기 때문에, 와전류의 경로는 영구 자석(91)끼리의 서로 대향하는 면의 접촉 저항에 의해, 티스(11)의 돌출 방향으로 분단된다. 즉, 와전류는 자석부(9a)를 형성하는 복수의 영구 자석(91)의 각각에서 루프 형상으로 흐른다. 와전류의 경로가 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 분단되는 것에 의해, 와전류의 크기를 작게 하고, 와전류 손실을 저감할 수 있다.
도 7은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 와전류의 크기와 영구 자석의 티스의 돌출 방향의 거리의 관계를 나타내는 관계도이다. 종축(Y)은 영구 자석(91)의 단면에 축 방향으로 흐르는 와전류의 크기, 횡축(X)은 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향 및 축 방향의 양쪽을 따라서 대향하는 표면 중 회전자(2)에 가까운 쪽의 표면으로부터 그 반대면까지의 거리이다. 도면 중, 2개의 파선은(Q1, Q2)은 각각 영구 자석(91)의 축 방향의 한쪽으로부터 다른쪽(지면 바로 앞으로부터 안쪽)을 흐르는 와전류의 크기, 축 방향의 다른쪽으로부터 한쪽(지면 안쪽으로부터 바로 앞)이다. 도 7에서는 영구 자석(91)의 내부의 와전류의 크기를 영구 자석(91)의 표면에 있어서의 와전류의 크기를 1로 했을 때의 비율로 나타내고 있다.
회전 전기 기계(1)가 고속으로 회전하는 경우, 표피 효과에 의해 영구 자석(91)의 표면에서는, 와전류의 전류 밀도가 집중된다. 그 때문에, 도 7에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(91)의 축 방향으로 흐르는 전류는, 표면으로부터 내부에 걸쳐서 감쇠하고, 표피 깊이(d)에서는 영구 자석(91)의 표면에 흐르는 전류의 1/e까지 감쇠한다. 여기에서, e는 상용 대수를 나타낸다. 와전류는 루프 직경이 작아지면, 상반되는 방향으로 흐르는 전류끼리가 서로 간섭하여 서로 상쇄된다. 예를 들어, 도 6에 있어서, P1-P2 사이에 나타내는 영역에 있어서는, 영구 자석(91)의 축 방향의 한쪽으로부터 다른쪽을 향하는 전류도, 다른쪽으로부터 한쪽을 향하는 전류도 표면에 흐르는 전류의 1/e 이상의 크기로 되지만, 서로 상쇄하여, 도면 중, 실선(Q3)으로 나타내는 크기까지 와전류를 작게 할 수 있다.
다음에, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이와, 와전류의 표피 깊이의 관계에 대하여 설명한다. 도 5, 도 6에서 화살표(wm1)는 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이를 나타내고 있다. 상술한 바와 같이, 고정자 코일(8)에 흐르는 전류에 의한 자속이 영구 자석(91)에 쇄교하면 와전류가 흐른다. 이 때, 영구 자석(91)에 흐르는 와전류의 표피 깊이(d)는, 회전 전기 기계를 구동시키는 인버터의 캐리어 각주파수, 즉 고정자 코일(8)에 흐르는 전류의 각주파수를 ω, 영구 자석(91)의 전도율을 σ, 투자율을 μ로 했을 때에, 이하로 나타난다.
[수 1]
Figure pct00001
…(1)
영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이를 wm1로 했을 때, 와전류끼리의 간섭에 의해, 와전류 손실을 저감시키는 데에는, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이(wm1)와 표피 깊이(d)는 이하의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
[수 2]
Figure pct00002
…(2)
도 8은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 와전류의 크기와 영구 자석의 직경 방향 거리의 관계를 나타내는 관계도이다. 도 8은 도 7의 다른 일 예로서, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이(wm1)와, 표피 깊이(d)가 이하의 식을 만족하는 경우의 와전류의 크기를 나타내고 있다.
[수 3]
Figure pct00003
…(3)
도 8에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이(wm1)가 표피 깊이(d)의 2배 크기인 경우, 영구 자석(91)의 축 방향에 있어서, 상반되어 흐르는 전류끼리가 1/e 이상에서 서로 상쇄하는 영역은 존재하지 않는다. 식 (2)에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이(wm1)를 표피 깊이(d)의 2배 이하로 하는 것에 의해, 루프 형상으로 흐르는 와전류에 있어서, 서로 상반되는 방향으로 흐르는 전류끼리가 1/e 이상에서 서로 상쇄하는 영역이 발생하기 때문에, 효율적으로 와전류를 억제하고, 와전류의 저감 효과를 크게 할 수 있다.
여기에서, 복수의 영구 자석(91)이 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 자석부(9)를 예로 들어 설명했지만, 홈부(13)가 형성된 단체의 영구 자석(91)이 마련된 자석부(9)의 경우 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이(wm1)는, 영구 자석(91)에 있어서, 티스(11)의 돌출 방향으로 이웃하는 홈부(13)끼리의 사이의 길이 및 영구 자석(91)의 표면으로부터 홈부(13)까지의 길이에 상당하며, 마찬가지로, 표피 깊이의 2배 이하로 하는 것에 의해, 와전류의 저감 효과를 크게 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에서는, 회전자(2)와, 회전자(2)의 직경 방향으로 간격을 두고 대향하여 배치된 고정자(3)를 구비하고, 고정자(3)는 통형상의 코어 백(10)과 복수의 티스(11)를 갖는 고정자 코어(7)와, 티스(11)에 권회된 슬롯(12)에 배치된 고정자 코일(8)과, 복수의 티스(11)의 각각에 복수의 영구 자석(91)을 갖는 자석부(9)를 구비한다.
자석부(9)의 복수의 영구 자석(91)의 각각은 둘레 방향으로 서로 동일한 자극을 갖는 동시에, 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 배열된다. 또는, 자석부(9)는 둘레 방향으로 착자된 단체의 영구 자석(91)으로 형성되며, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 홈부(13)가 축 방향으로 연장되어 마련된다. 영구 자석(91)이 둘레 방향으로 착자되어 있는 것에 의해, 고정자 코일(8)에 흐르는 전류가 만드는 자속이 쇄교 면적을 크게 하여, 토크를 향상시키고 있다.
고정자 코일(8)에 흐르는 전류가 만드는 자속이 자석부(9)에 쇄교했을 때에 흐르는 와전류의 경로는, 복수의 영구 자석(91)끼리의 서로 대향하는 면 또는 영구 자석(91)의 홈부(13)에 의해, 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 분단된다. 와전류의 경로가 분단되는 것에 의해, 효율적으로 와전류의 크기를 작게 하고, 와전류 손실을 저감할 수 있어서, 토크를 향상시킬 수 있다.
또한, 자석부(9)는 복수의 영구 자석(91)끼리의 사이 및 홈부(13)의 내부에는 절연물이 마련되어도 좋다. 또한, 영구 자석(91)은 각각 방청 등을 위해, 코팅이 실시되어 있어도 좋다. 이에 의해, 와전류를 더욱 분단하기 쉬우며, 와전류 손실을 줄일 수 있다.
또한, 도 1에서는 자석부(9)의 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따라서 서로 대향하는 면 중의 회전자(2)에 가까운 면이 고정자 코어(7)의 내주면에서 티스(11)로부터 노출되고, 그 반대면이 고정자 코어(7)의 외주면에서 코어백(10)에 덮인 예를 도시했지만, 그 밖의 형태여도 좋다. 이하에서는, 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따라서 서로 대향하는 면 중의 회전자(2)에 가까운 측의 면을 단순히 회전자(2)와 대향하는 측의 면이라 한다. 도 9, 도 10은 본 발명의 실시형태 1에 따른 회전 전기 기계의 다른 예의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 도 9에 도시하는 바와 같이, 자석부(9)의 회전자(2)와 대향하는 측의 면의 반대면이 고정자 코어(7)의 외주면에서 노출되며, 회전자(2)와 대향하는 측의 면이 내주면에서 티스(11)에 덮여 있어도 좋다.
또한, 도 10에 도시하는 바와 같이, 자석부(9)는 회전자(2)와 대향하는 측의 면 및 그 반대면에 있어서, 고정자 코어(7)의 외주면 및 내주면 양쪽으로부터 노출되어 있으면, 더욱 바람직하다. 자석부(9)가 고정자 코어(7)의 외주면 또는 내주면에서, 코어 백(10) 또는 티스(11)에 덮여 있으면, 자속이 회전자(2)를 통하지 않고 코어 백(10) 또는 티스(11)를 통하는 것에 의해 단락이 생겨, 회전 전기 기계(1)의 토크가 감소한다. 도 10과 같이, 고정자 코어(7)의 외주 및 내주의 양쪽에서 자석부(9)를 노출시키는 것에 의해, 자속의 단락이 생기는 것을 방지하고, 토크의 감소를 억제할 수 있다.
또한 도 10에 있어서, 고정자 코어(7)는 티스(11)의 둘레 방향의 중앙부에서 분리되어, 자석부(9)를 사이에 두고 고정하고 있다. 이와 같이, 고정자 코어(7)는 둘레 방향으로 복수로 분할된 분할 코어여도 좋다.
실시형태 2
도 11은 본 발명의 실시형태 2에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다. 도 11에 있어서, 고정자(3)의 자석부(9)와, 회전자(2)의 돌출부(6)의 위치 관계, 전류의 위상, 영구 자석(91)의 각각의 착자 방향은 도 4와 마찬가지이다. 이하에서는, 실시형태 1과 마찬가지인 점에 대한 설명을 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 자석부(9)는 예를 들면, 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 배열된 복수의 영구 자석(91)으로 형성된다. 또한, 본 실시형태에서는, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이는 고정자 코어(7)의 외주측으로부터 내주측, 즉 회전자(2)에 가까워짐에 따라서 작게 되어 있다.
도 11에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a, 9b)가 회전자(2)의 돌출부(6a, 6b)의 회전 방향의 전방에 위치하고 있다고 한다. 이 때, 슬롯(12)에 마련된 고정자 코일(8)에, 축 방향의 한쪽으로부터 다른쪽(지면 바로 앞으로부터 안쪽)을 향하여 전류가 통전되면, 전류가 만드는 자속은 티스(11b)로부터 코어 백(10)을 타고, 자석부(9a)에 티스(11a)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 쇄교한 후에, 회전자(2)의 한쪽 돌출부(6a)로부터 다른쪽 돌출부(6b)를 향하고 티스(11b)로 복귀하여 흐른다.
고정자 코일(8)을 흐르는 전류가 만드는 자속이 티스(11a)의 자석부(9a)를 쇄교하여 회전자(2)의 한쪽의 돌출부(6a)를 향하여 흐를 때, 자석부(9a)에 쇄교하는 자속 중, 점선(Φa)으로 나타내는 고정자 코어(7)의 직경 방향 외측을 통하는 자속보다, 실선(Φa)으로 나타내는 직경 방향 내측을 통하는 자속이 더 많아진다. 이것은, 고정자 코어(7)의 외주측을 통하는 경로는 회전자(2)에 도달하는 데다가 우회이며, 자속은 최단 경로로 흐르려고 하는 성질이 있기 때문이다. 이 때문에, 고정자 코어(7)의 직경 방향 외측보다 직경 방향 외측을 통하는 자속인 것이 자속의 단위 시간당의 변화도 커지고, 자석부(9)에 발생하는 와전류도, 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91)에 발생하는 와전류가 커지게 된다. 이하에서는, 자석부(9)의 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91)을 특별히 영구 자석(91p)이라 기재한다.
본 실시형태에서는, 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 배치된 복수의 영구 자석(91) 중, 고정자 코어(7)의 직경 방향 내측, 즉 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이를 나머지 영구 자석(91)에 비해 작게 하는 것에 의해, 와전류의 축 방향에 상반되는 방향으로 흐르는 전류끼리를 보다 간섭시키기 쉽게 되어 있다.
여기에서, 도 11에서는 복수의 영구 자석(91)이 배열된 자석부(9)를 예로 들어 설명했지만, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 축 방향으로 연장된 홈부(13)가 형성된 자석부(9)의 경우, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향으로 인접하는 홈부(13)끼리의 사이의 거리 또는 영구 자석(91)의 표면으로부터 홈부(13)까지의 거리를, 회전자(2)에 가까워짐에 따라서 작게 하여도 좋다.
상술한 바와 같이, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9) 또는 복수의 홈부(13)가 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 마련된 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9)를 구비하는 것에 의해, 자석부(9)에 흐르는 와전류를 작게 하여, 와전류 손실을 저감할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 복수의 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9)를 구비하는 경우, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이가 회전자(2)에 가까워짐에 따라서 서서히 작게 형성되어 있다. 또한, 홈부(13)가 마련된 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9)를 구비하는 경우, 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 인접하는 홈부(13)끼리의 사이의 길이 및 영구 자석(91)의 표면으로부터 홈부(13)까지의 사이의 길이가 회전자(2)에 가까워짐에 따라서 서서히 작게 형성되어 있다. 이에 의해, 와전류가 발생하기 쉬운 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91)에 발생하는 와전류의 루프 직경을 작게 하여, 상반되는 방향으로 흐르는 전류끼리 서로 간섭하기 쉬워지고, 효율적으로 와전류를 작게 할 수 있다.
여기에서, 도 11에 도시하는 예에서는 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향의 길이(wm1)가 회전자(2)에 가까워짐에 따라서 서서히 작게 되어 있는 예를 도시했지만, 와전류 손실을 저감할 때에는, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91) 중, 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)의 길이가 나머지 영구 자석(91)의 각각의 길이보다 작으면 좋다. 마찬가지로, 홈부(13)가 마련된 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9)의 경우, 영구 자석(91)의 회전자(2)와 대향하는 측의 면으로부터 홈부(13)까지의 사이의 길이가, 다른 홈부(13)끼리의 사이의 길이보다 작으면 좋다.
실시형태 3
도 12는 본 발명의 실시형태 3에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다. 이하에서는, 실시형태 1과 마찬가지인 점의 설명을 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다. 도 12에 있어서, 전류의 위상, 영구 자석(91)의 착자 방향은 도 5와 마찬가지이다.
자석부(9)는 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)으로 형성된다. 또는 자석부(9)는 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 축 방향으로 연장된 홈부(13)가 마련된 영구 자석(91)으로 형성된다. 또한, 본 실시형태에서는, 직경 방향에 있어서의 자석부(9)로부터 회전자(2)까지의 거리가 직경 방향에 있어서의 고정자 코어(7)로부터 회전자(2)까지의 거리보다 크다.
예를 들어, 티스(11)의 돌출 방향으로 복수의 영구 자석(91)이 배열된 자석부(9)의 경우 티스(11)의 돌출 방향에 있어서, 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)이 고정자 코어(7)의 회전자(2)측의 둘레 방향을 따른 면보다 직경 방향 외측에 위치하고 있다.
도 12에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a)가 회전자(2)의 돌출부(6a)에 대향하여 위치하며, 자석부(9b)가 회전자(2)의 돌출부(6b)의 회전 방향의 후방에 위치하고 있다고 한다. 이 때, 슬롯(12)에 마련된 고정자 코일(8)에, 축 방향의 다른쪽으로부터 한쪽(지면 안쪽으로부터 바로 앞) 전류가 통전되면, 전류가 만드는 자속은 티스(11a)로부터 코어 백(10)을 타고, 자석부(9b)에 티스(11b)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 쇄교한 후에, 회전자(2)의 한쪽의 돌출부(6b)로부터 다른쪽의 돌출부(6a)를 향하고, 티스(11a)로 복귀하여 흐른다.
돌출부(6a)의 돌출 방향을 따라서 서로 대향하는 면 중 회전자(2)의 회전 방향의 전방측에 위치하는 면과, 자석부(9a)의 티스(11a)의 돌출 방향을 따라서 서로 대향하는 면 중 회전 방향의 전방측에 위치하는 면의 둘레 방향 위치가 동일한 정도인 경우, 고정자 코일(8)에 흐르는 전류가 만드는 자속은 돌출부(6a)로부터 티스(11)의 돌출 방향에 대향하는 자석부(9a)의 둘레 방향 위치에 흐른다. 이 때, 자석부(9a)에 티스(11)의 돌출 방향으로 자속이 쇄교하면, 자속의 변화에 의해 와전류가 발생한다. 도 12에 도시하는 예에서는 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)이 고정자 코어(7)의 회전자(2)측의 둘레 방향을 따른 면보다 직경 방향 외측에 위치하고 있기 때문에, 자속은 자석부(9a)를 쇄교하지 않고 티스(11a)에 흐른다.
상술한 바와 같이, 복수의 영구 자석(91)이 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 자석부(9) 또는 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 축 방향으로 연장된 홈부(13)가 마련된 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9)를 구비하는 것에 의해, 자석부(9)에 흐르는 와전류를 작게 하여, 와전류 손실을 저감할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는 직경 방향에 있어서의 자석부(9)로부터 회전자(2)까지의 거리가, 직경 방향에 있어서의 고정자 코어(7)로부터 회전자(2)까지의 거리보다 크기 때문에, 고정자 코일(8)에 흐르는 전류가 만드는 자속이 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 자석부(9)에 쇄교하는 것을 억제할 수 있으며, 더욱 와전류 손실을 줄일 수 있다.
실시형태 4
도 13은 본 발명의 실시형태 4에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다. 이하에서는 실시형태 1과 마찬가지인 점의 설명을 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다. 도 13에 있어서, 전류의 위상, 영구 자석(91)의 착자 방향은 도 5와 마찬가지이다.
자석부(9)는 예를 들면, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)으로 형성된다. 또한, 본 실시형태에서는 자석부(9)는 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)을 갖는다.
도 13에 도시하는 예에서는 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91) 중 티스(11)의 돌출 방향에 있어서, 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)이 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따라서, 2개의 영구 자석(911p, 912p)으로 분할되어 있다.
도 13에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a)가 회전자(2)의 돌출부(6a)에 대향하여 위치하며, 자석부(9b)가 회전자(2)의 돌출부(6b)의 회전 방향의 후방에 위치하고 있다고 한다. 이 때, 슬롯(12)에 마련된 고정자 코일(8)에, 축 방향의 다른쪽으로부터 한쪽(지면 안쪽으로부터 바로 앞) 전류가 통전되면, 전류가 만드는 자속은, 티스(11a)로부터 코어 백(10)을 타고, 자석부(9b)에 티스(11b)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 쇄교한 후에, 회전자(2)의 돌출부(6b)로부터 돌출부(6a)를 향하고, 티스(11a)로 복귀하여 흐른다.
돌출부(6a)의 돌출 방향을 따라서 서로 대향하는 면 중 회전자(2)의 회전 방향의 전방에 위치하는 면과, 자석부(9a)의 티스(11a)의 돌출 방향을 따라서 서로 대향하는 면 중 회전 방향 전방에 위치하는 면이 동일한 정도의 둘레 방향 위치에 있는 경우, 고정자 코일(8)에 흐르는 전류가 만드는 자속은 돌출부(6a)로부터 티스(11)의 돌출 방향을 따라서, 돌출부(6a)에 대향하는 자석부(9a)의 둘레 방향 위치에 흐른다. 이 때, 자석부(9a)에 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 자속이 쇄교하면, 자속의 변화를 상쇄하도록 와전류가 발생한다.
도 14는 본 발명의 실시형태 4에 따른 회전 전기 기계의 영구 자석에 발생하는 와전류의 흐름을 설명하기 위한 설명도이다. 도 14에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a)에 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 자속이 쇄교한 경우, 와전류(i3)가 영구 자석(911p, 912p)의 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향 및 축 방향을 따른 단면에 루프 형상으로 흐른다. 즉, 영구 자석(911p, 912p)의 둘레 방향의 양측에 있어서, 각각 축 방향의 서로 상반되는 방향으로 전류가 흐른다.
상술한 바와 같이, 복수의 영구 자석(91)이 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 자석부(9)를 구비하는 것에 의해, 자석부(9)에 흐르는 와전류를 작게 하여, 와전류 손실을 저감할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)을 구비하고, 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따라서 흐르는 와전류의 경로를 분단하는 것에 의해, 티스(11)의 돌출 방향으로 자속이 쇄교한 경우여도, 와전류의 축 방향으로 서로 상반되는 방향으로 흐르는 전류끼리가 서로 상쇄되어, 와전류를 작게 할 수 있으며, 와전류 손실을 더욱 저감할 수 있다. 특히, 티스(11)의 돌출 방향을 따른 자속이 쇄교하기 쉬우며, 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)을 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 분할하는 것에 의해, 와전류 손실 저감을 더욱 높일 수 있다.
또한, 도 13, 도 14에서는 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)만이 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 분할된 예를 도시했지만, 그 밖의 영구 자석(91)도 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 분할되어 있어도 좋다.
또한, 자석부(9)를 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따라서 복수로 분할하는 대신에, 회전자(2)에 대향하는 측의 면에 축 방향으로 연장된 홈부(14)가 형성된 영구 자석(91)을 마련하여도 좋다. 도 15는 본 발명의 실시형태 4에 따른 회전 전기 기계의 다른 예의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 도 15에 도시하는 예에서는, 홈부(14)는 티스(11)의 돌출 방향에 있어서, 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)의 회전자(2)에 대향하는 측의 면에 축 방향으로 연장되어 마련되어 있다.
이와 같이, 홈부(14)를 마련한 경우여도, 자석부(9)의 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 자속이 쇄교하여 발생한 와전류의 경로를, 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따라서 분단하는 것에 의해, 와전류의 크기를 저감할 수 있다. 또한 자석부(9)로서 복수의 영구 자석(91)을 이용한 경우보다 티스(11)로의 설치가 용이해져, 고정자(3)의 조립성이 향상된다.
여기에서, 홈부(14)는 자석부(9)의 축 방향으로 관통하여도 좋으며, 관통하지 않고, 축 방향의 일부에 마련되어 있어도 좋지만, 홈부(14)의 축 방향의 길이는 자석부(9)의 축 방향의 길이에 대해 클 수록 바람직하다. 홈부(14)의 축 방향의 길이를 크게 하는 것에 의해, 와전류가 간섭하는 것에 의한 와전류 손실의 저감 효과를 높일 수 있다.
또한, 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 분할된 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향의 길이를 wm2로 했을 때, 표피 깊이(d)는 이하의 관계를 만족하는 것이 바람직하다.
[수 4]
Figure pct00004
…(4)
식 (4)에 나타내는 바와 같이, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향의 길이(wm2)를 표피 깊이(d)의 2배 이하로 하는 것에 의해, 와전류의 상반되는 방향으로 흐르는 전류끼리가 1/e 이상에서 서로 상쇄하는 영역이 발생하기 때문에, 효율적으로 서로 상쇄하고, 와전류의 저감 효과를 크게 할 수 있다.
여기에서, 홈부(14)가 티스(11)의 돌출 방향의 직교하는 방향으로 마련된 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9)의 경우, 영구 자석(91)의 표면으로부터 홈부(14)까지의 사이의 거리 또는 홈부(14)끼리의 사이의 거리를 표피 깊이(d)의 2 배 이하로 하는 것에 의해, 마찬가지로, 와전류의 저감 효과를 크게 할 수 있다.
실시형태 5
도 16은 본 발명의 실시형태 5에 따른 회전 전기 기계의 일부를 확대한 개략 구성도이다. 이하에서는, 실시형태 1과 마찬가지인 점에 대한 설명을 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다. 도 16에 있어서, 전류의 위상 영구 자석(91)의 착자 방향은 도 5와 마찬가지이다.
자석부(9)는 예를 들면, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)으로 형성된다. 또는 자석부(9)는 예를 들어, 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 축 방향으로 연장된 홈부(13)가 마련된 영구 자석(91)으로 형성된다. 또한, 본 실시형태에서는, 자석부(9)의 영구 자석(91)은 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면과, 회전자(2)와 대향하는 면이 교차하여 형성되는 코너부가 떨어져, 면취부(15)가 형성되어 있다. 이하에서는, 영구 자석(91)의 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면과, 회전자(2)와 대향하는 면이 교차하여 형성되는 코너부를, 단순히 회전자(2)와 대향하는 측의 코너부라 한다.
도 16에 도시하는 예에서는, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 영구 자석(91) 중 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)은 회전자(2)와 대향하는 측의 회전 방향 전방 코너부가 떨어져 면취부(15)가 형성되어 있다. 영구 자석(91p)은 축 방향에 직교하는 단면 형상이 5각형으로 되어 있다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 자석부(9a)가 회전자(2)의 돌출부(6a)에 대향하여 위치하며, 자석부(9b)가 회전자(2)의 돌출부(6b)의 회전 방향의 후방에 위치하고 있다고 한다. 이 때, 슬롯(12)에 마련된 고정자 코일(8)에, 축 방향의 다른쪽으로부터 한쪽(지면 안쪽으로부터 바로 앞)으로 전류가 통전되면, 전류가 만드는 자속은 티스(11a)로부터 코어 백(10)을 타고, 자석부(9b)에 티스(11b)의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 쇄교한 후에, 회전자(2)의 돌출부(6b)로부터 돌출부(6a)를 향하고, 티스(11a)로 복귀하여 흐른다.
돌출부(6a)의 돌출 방향을 따라서 서로 대향하는 한쌍의 면 중 회전자(2)의 회전 방향의 전방에 위치하는 면과, 자석부(9a)의 티스(11a)의 돌출 방향을 따라서 서로 대향하는 한쌍의 면 중, 회전 방향의 전방에 위치하는 면의 둘레 방향 위치가 동일한 정도인 경우, 고정자 코일(8)에 흐르는 전류가 만드는 자속은 돌출부(6a)로부터 티스(11)의 돌출 방향을 따라서, 돌출부(6a)에 대향하는 자석부(9a)의 둘레 방향 위치에 흐른다. 이 때, 자석부(9a)에 자속이 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 쇄교하면, 자속의 변동을 상쇄하도록 와전류가 흘러, 와전류 손실이 발생한다.
본 실시형태에서는, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 영구 자석(91) 중 가장 회전자(2)에 가까운 영구 자석(91p)이 회전자(2)와 대향하는 측의 회전 방향 전방의 코너부가 떨어져 형성된 면취부(15)를 갖는 것에 의해, 자속은 돌출부(6a)로부터 자석부(9a)를 쇄교하지 않고 티스(11a)로 복귀된다.
상술한 바와 같이, 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9) 또는 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향의 양쪽을 따른 면에, 축 방향으로 연장된 홈부(13)가 마련된 영구 자석(91)으로 형성된 자석부(9)를 구비하는 것에 의해, 자석부(9)에 흐르는 와전류를 작게 하여, 와전류 손실을 저감할 수 있다. 또한, 본 실시형태에서는, 영구 자석(91p)이 회전자(2)와 대향하는 측의 코너부가 떨어져 형성된 면취부(15)를 갖는 것에 의해, 자속은 돌출부(6a)로부터 자석부(9a)를 쇄교하지 않고, 티스(11a)로 복귀하기 때문에, 와전류의 발생을 억제하여, 더욱 와전류 손실을 저감할 수 있다.
또한, 도 16에서는 반시계 방향으로 회전하는 경우를 상정하여, 영구 자석(91)의 회전자(2)와 대향하는 측에서 반시계 방향측에 위치하는 코너부를 잘라낸 예를 도시했지만, 시계 방향으로 회전하는 경우는, 영구 자석(91)의 회전자(2)와 대향하는 측에서 시계 방향측의 코너부가 떨어져 있는 것이 바람직하다. 또한, 회전자(2)가 반시계 방향과 시계 방향 양쪽으로 회전하는 경우는, 반시계 방향측의 코너부와, 시계 방향측의 코너부의 양쪽이 떨어져 2개의 면취부(15)를 갖는 것이 바람직하다.
도 17은 본 발명의 실시형태 5에 따른 회전 전기 기계의 다른 일 예를 도시하는 개략 구성도이다. 도 17에 도시하는 예에서는, 영구 자석(91p)은 티스(11)의 영구 자석(91)의 회전자(2)와 대향하는 측의 코너부가, 회전 방향 전방 및 후방의 양쪽 모두 떨어져, 2개의 면취부(15)를 갖는다. 즉, 영구 자석(91p)의 축 방향에 직교하는 단면의 형상은 6각형으로 되어 있다. 이와 같이, 영구 자석(91p)의 회전자(2)와 대향하는 측의 양쪽의 코너부가 떨어져 2개의 면취부(15)를 갖는 것에 의해, 회전자(2)의 회전 방향에 관계없이, 자석부(9)의 와전류 손실을 저감할 수 있다.
또한, 도 16 및 도 17에서는 영구 자석(91p)은 코너부가 떨어진 면취부(15)를 가지며, 축 방향에 수직인 단면의 형상이 5각형 또는 6각형인 예를 도시했지만, 회전자(2)로부터 티스(11)에 도달하는 자속에 의한 와전류를 억제할 수 있으면 좋으며, 5각형, 6각형 이상의 다각형이어도 좋으며, 원호 형상으로 코너부가 떨어져 있어도 좋다.
실시형태 6
도 18은 본 발명의 실시형태 6에 따른 회전 전기 기계의 개략 구성을 도시하는 단면도이다. 이하에서는, 실시형태 1과 마찬가지인 점에 대한 설명을 생략하고, 상이한 점을 중심으로 설명한다. 실시형태 1 내지 6에서는, 고정자(3)의 직경 방향 내측에 회전자(2)가 배치된 이너 로터형의 회전 전기 기계(1)의 예를 도시했지만, 본 실시형태에서는, 고정자(3)의 직경 방향 외측에 회전자(2)가 배치된 아우터 로터형 회전 전기 기계(1)인 예를 도시한다.
도 1에 도시하는 바와 같이 회전 전기 기계(1)는 회전자(2)와, 회전자(2)의 직경 방향 내측에 간격을 두고 배치된 통형상의 고정자(3)를 구비한다. 회전자(2)는 회전자 코어(5)를 갖는다. 회전자 코어(5)는 직경 방향 내측으로 돌출된 복수의 돌출부(6)가 마련되어 있다. 각 돌출부(6)는 회전자 코어(5)의 둘레 방향으로 서로 간격을 두고 마련되어 있다.
고정자(3)는 고정자 코어(7), 고정자 코일 (8) 및 자석부(9)를 갖고 있다. 고정자 코어(7)는 예를 들어, 전기 강판이 축 방향을 따라서 적층된 자성체이다. 고정자 코어(7)는 통형상의 코어 백(10)과, 코어 백(10)의 외주면측으로부터 직경 방향 외측으로 돌출된 복수의 티스(11)를 갖고 있다. 즉, 복수의 티스(11)는 각각 회전자(2)를 향하여 돌출되며, 코어 백(10)의 둘레 방향을 따라서 서로 간격을 두고 마련되어 있다. 둘레 방향으로 이웃하는 티스(11)끼리의 사이에는 고정자(3)의 직경 방향 외측으로 개방되며, 축 방향으로 연장되는 공간인 슬롯(12)이 형성되어 있다. 슬롯(12)에는, 티스(11)에 권회된 고정자 코일(8)이 마련되어 있다. 또한, 복수의 티스(11)의 각각의 둘레 방향 중앙부에는, 각각 자석부(9)가 마련되어 있다.
자석부(9)는 예를 들어, 복수의 티스(11)의 각각의 중앙부에 있어서, 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향으로 연장되어 마련되어 있으며, 각각 둘레 방향으로 착자된 영구 자석(91)으로 형성된다. 슬롯(12)을 거쳐서 둘레 방향으로 이웃하는 자석부(9)의 영구 자석(91)끼리는 서로 동일한 자극을 마주보게 하여 배치되어 있다. 즉, 복수의 티스(11)의 각각에 마련된 자석부(9)의 영구 자석(91)은 둘레 방향에 있어서, 자극을 교대로 배치하고 있다. 자석부(9)는 예를 들면, 고정자 코어(7)의 내주면에서 티스(11)로부터 노출되고, 고정자 코어(7)의 외주면에서 코어백(10)에 덮여 있다. 도면 중의 N, S는 자석부(9)의 영구 자석(91)의 자극을 나타내고 있다. 자석부(9)의 영구 자석(91)으로서, 예를 들면 희토류 소결 자석이나 페라이트 자석을 사용한다.
자석부(9)는 각각 티스(11)의 돌출 방향으로 배열된 복수의 영구 자석(91)으로 형성된다. 또는, 자석부(9)는 티스(11)의 돌출 방향 및 축 방향을 따른 면에 축 방향으로 연장된 홈부(13)가 티스(11)의 돌출 방향을 따라서 간격을 두고 마련된 단체의 영구 자석(91)으로 형성된다.
이와 같은 자석부(9)를 구비하는 것에 의해, 티스(11)의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따라서 와전류 경로를 분단할 수 있으며, 분단된 와전류의 축 방향의 상반되는 방향으로 흐르는 전류끼리가 서로 상쇄되기 때문에, 와전류 손실을 효과적으로 저감할 수 있다.
또한, 실시형태 1 내지 6에서는, 회전자(2)의 돌출부의 수가 5개, 고정자(3)의 티스(11)와 자석부(9)의 수가 각각 6개인 예를 나타냈지만, 극 수나 슬롯 수, 그 밖의 각 부분의 치수는 특별히 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 회전자(2)의 돌출부의 수가 4개, 고정자(3)의 티스(11)와 자석부(9)의 수가 각각 6개여도 좋으며, 회전자(2)의 돌출부(6)의 수가 10개, 고정자(3)의 티스(11)와 자석부(9)의 수가 각각 12개여도 좋다.
또한, 실시형태 1 내지 6에서는, 회전 전기 기계(1)로서, 3상 권선을 갖는 전동기에 대해 설명했지만, 이것은 일 예이며, 3상 이외의 다상(多相) 권선을 갖는 전동기이여도 좋다.
또한, 본 발명은 그 발명의 범위 내에서 각 실시형태를 자유롭게 조합하거나, 각 실시형태를 적절하게 변경, 생략하는 것이 가능하다.
1: 회전 전기 기계 2: 회전자
3: 고정자 4: 회전축
5: 회전자 코어 6, 6a, 6b: 돌출부
7: 고정자 코어 8: 고정자 코일
9, 9a, 9b: 자석부 10: 코어 백
11, 11a, 11b: 티스 12: 슬롯
13: 홈부 14: 홈부
91, 91p: 영구 자석

Claims (11)

  1. 회전자와, 상기 회전자의 직경 방향으로 간격을 두고 대향하여 배치된 고정자를 가지며,
    상기 고정자는,
    통형상의 코어 백과 복수의 티스를 가지며, 상기 복수의 티스의 각각이 상기 코어 백으로부터 상기 회전자를 향하여 돌출되는 동시에, 상기 회전자의 둘레 방향을 따라서 마련된 고정자 코어와,
    상기 복수의 티스의 각각에 권회되며, 상기 둘레 방향으로 이웃하는 상기 티스끼리의 사이에 형성된 슬롯에 배치된 고정자 코일과,
    상기 복수의 티스의 각각에 복수의 영구 자석을 가지며, 상기 복수의 영구 자석의 각각이 상기 둘레 방향으로 서로 동일한 자극을 갖는 동시에 상기 티스의 돌출 방향으로 배열된 자석부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬롯을 거쳐서 상기 둘레 방향으로 이웃하는 상기 영구 자석은 서로 동일한 자극을 마주보게 하여 배치되어 있는 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 상기 티스의 돌출 방향을 따른 길이는, 상기 고정자 코일에 흐르는 전류의 각주파수를 ω, 상기 영구 자석의 투자율을 μ, 상기 영구 자석의 도전율을 σ로 하고, d={2/(ωμσ)}1/2로 나타나는 표피 깊이(d)의 2배 이하인 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석부는 상기 회전자에 대향하는 측의 면 및 그 반대면 중 적어도 어느 한쪽이 상기 고정자 코어로부터 노출되는 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 티스의 돌출 방향으로 배열된 상기 복수의 영구 자석 중, 상기 회전자에 가장 가까운 상기 영구 자석의 상기 티스의 돌출 방향을 따른 길이는, 나머지 상기 영구 자석보다 작은 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 직경 방향에 있어서의 상기 자석부로부터 상기 회전자까지의 거리는, 상기 직경 방향에 있어서의 상기 고정자 코어로부터 상기 회전자까지의 거리보다 큰 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 자석부는 상기 티스의 돌출 방향에 직교하는 방향으로 상기 복수의 영구 자석이 배열되는 것을 특징하는
    회전 전기 기계.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영구 자석의 각각의 상기 티스의 돌출 방향에 직교하는 방향을 따른 길이는, 상기 고정자 코일에 흐르는 전류의 각주파수를 ω, 상기 영구 자석의 투자율을 μ, 상기 영구 자석의 도전율을 σ로 하고, d={2/(ωμσ)}1/2로 나타나는 표피 깊이(d)의 2배 이하인 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 티스의 돌출 방향으로 배열된 상기 복수의 영구 자석 중, 상기 회전자에 가장 가까운 상기 영구 자석의 상기 회전자에 대향하는 측의 면에는, 상기 회전자의 축 방향으로 연장된 홈부가 형성되는 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영구 자석은 상기 티스의 돌출 방향 및 상기 회전자의 축 방향의 양쪽을 따른 면과, 상기 회전자에 대향하는 측의 면과 교차하여 형성되는 코너부가 떨어져 형성된 면취면을 갖는 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
  11. 회전자와, 상기 회전자의 직경 방향으로 간격을 두고 대향하여 배치된 고정자를 가지며,
    상기 고정자는,
    통형상의 코어 백과 복수의 티스를 가지며, 상기 복수의 티스의 각각이 상기 코어 백으로부터 상기 회전자를 향하여 돌출되는 동시에 상기 회전자의 둘레 방향을 따라서 마련된 고정자 코어와,
    상기 복수의 티스의 각각에 권회되며, 상기 둘레 방향으로 이웃하는 상기 티스끼리의 사이에 형성된 슬롯에 배치된 고정자 코일과,
    상기 복수의 티스의 각각에 영구 자석을 가지며, 상기 영구 자석이 상기 둘레 방향으로 착자되는 동시에 상기 영구 자석의 상기 티스의 돌출 방향 및 상기 회전자의 축 방향의 양쪽을 따른 면에 상기 회전자의 축 방향으로 연장된 홈부가 형성된 자석부를 구비하는 것을 특징으로 하는
    회전 전기 기계.
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