特許 6158495 回転子及びそれを含む電動機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6158495

(24)【登録日】2017年6月16日

(45)【発行日】2017年7月5日

(54)【発明の名称】回転子及びそれを含む電動機

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/27 20060101AFI20170626BHJP

   H02K 19/10 20060101ALI20170626BHJP

【ＦＩ】

   H02K1/27 501A

   H02K1/27 501K

   H02K19/10 A

【請求項の数】6

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2012-235673(P2012-235673)

(22)【出願日】2012年10月25日

(65)【公開番号】特開2013-146178(P2013-146178A)

(43)【公開日】2013年7月25日

【審査請求日】2015年3月3日

(31)【優先権主張番号】10-2012-0004987

(32)【優先日】2012年1月16日

(33)【優先権主張国】KR

【前置審査】

(73)【特許権者】

【識別番号】390019839

【氏名又は名称】三星電子株式会社

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｍｓｕｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100091214

【弁理士】

【氏名又は名称】大貫 進介

(72)【発明者】

【氏名】金 成 一

(72)【発明者】

【氏名】朴 晟 ▲ひょく▼

【審査官】 森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１６７０５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−００９５３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２６８２０４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１８９５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２２３７４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−３３９８８９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ １／２７

Ｈ０２Ｋ １９／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

回転子コアと、
前記回転子コアの周りに円周方向に配列され、それぞれ非対称形状に形成された複数の回転子極と、を含み、
前記回転子極のそれぞれは、
前記回転子コアに埋め込まれた永久磁石を含み、
前記永久磁石は、半径方向外側に段差を形成するように、前記回転子コアの半径方向に沿って第１厚さを有する右側部位と前記回転子コアの半径方向に沿って前記第１厚さと異なる第２厚さを有する左側部位とを含み、
前記回転子コアは、複数のフラックスバリアを含み、
何れか１つのフラックスバリアが、前記各永久磁石の右側部位側に接し、他のフラックスバリアが、前記各永久磁石の左側部位側に接する、
回転子。

【請求項2】

回転子コアと、
前記回転子コアの周りに円周方向に配列され、それぞれ非対称形状に形成された複数の回転子極と、を含み、
前記回転子極は、それぞれ、
前記回転子コアの内部に形成されたフラックスバリアを含み、
前記フラックスバリアは、半径方向外側に段差を形成するように、前記回転子コアの半径方向に沿って第１厚さを有する右側部位と前記回転子コアの半径方向に沿って前記第１厚さと異なる第２厚さを有する左側部位とを含む、
回転子。

【請求項3】

前記回転子極は、それぞれ、
前記回転子コアの半径方向に配列された複数のフラックスバリアを含み、
前記各フラックスバリアは、中央部位が曲げられ、前記回転子コアの中央に向けて突出した形態を有する、
請求項２に記載の回転子。

【請求項4】

回転子コア、及び前記回転子コアの周りに円周方向に配列され、それぞれ非対称形状を有する複数の回転子極を含んだ回転子と、
前記回転子から離隔して位置し、コイルが巻かれる複数のスロットを含む固定子と、を含み、
前記回転子極のそれぞれは、
前記回転子コアに埋め込まれた永久磁石を含み、
前記永久磁石は、半径方向外側に段差を形成するように、前記回転子コアの半径方向に沿って第１厚さを有する右側部位と前記回転子コアの半径方向に沿って前記第１厚さと異なる第２厚さを有する左側部位とを含み、
前記回転子コアは、複数のフラックスバリアを含み、
何れか１つのフラックスバリアが、前記各永久磁石の右側部位側に接し、他のフラックスバリアが、前記各永久磁石の左側部位側に接する、
電動機。

【請求項5】

回転子コア、及び前記回転子コアの周りに円周方向に配列され、それぞれ非対称形状を有する複数の回転子極を含んだ回転子と、
前記回転子から離隔して位置し、コイルが巻かれる複数のスロットを含む固定子と、を含み、
前記回転子極は、それぞれ、
前記回転子コアの内部に形成されたフラックスバリアを含み、
前記フラックスバリアは、半径方向外側に段差を形成するように、前記回転子コアの半径方向に沿って第１厚さを有する右側部位と前記回転子コアの半径方向に沿って前記第１厚さと異なる第２厚さを有する左側部位とを含む、
電動機。

【請求項6】

前記回転子極は、それぞれ、
前記回転子コアの半径方向に配列された複数のフラックスバリアを含み、
前記各フラックスバリアは、中央部位が曲げられ、前記回転子コアの中央に向けて突出した形態を有する、
請求項５に記載の電動機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気自動車、家電機器などの各種分野で電気エネルギーを力学的エネルギーに変換させるために使われる電動機に関する。

【背景技術】

【0002】

大気汚染の問題による環境の悪影響と化石燃料の枯渇とによって、ハイブリッド自動車、電気自動車が注目を浴びている。ハイブリッド自動車は、内燃機関を主動力源として利用し、電動機を補助動力源として利用する自動車である。電気自動車は、電動機のみを主動力源として利用する自動車である。

【0003】

電気自動車は、走行時、汚染物質及び二酸化炭素俳出量がない無公害自動車という特徴のために、バッテリー、電動機などの技術の発展につれて、ハイブリッド自動車のような過渡期的自動車を代替できると期待される。

【0004】

一方、電気自動車の電動機は、エンジンのような役割を果たし、バッテリーから電気エネルギーを供給されて機械エネルギーに変換させる。これにより、電気自動車の出力及び走行距離は、バッテリーと電動機の性能とに大きな影響を受ける。したがって、電気自動車の出力及び走行距離の向上のためには、バッテリーの性能向上と共に電動機の出力密度及び効率向上が重要視されている。

【0005】

また、最近、地球環境問題及び炭素経済時代の到来を背景に電気自動車だけではなく、家電機器など全分野でシステムの高効率化が非常に重要な問題として注目されている。これにより、システムの中核駆動源として電動機の高効率化がさらに要求されている。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明の課題は、電気自動車、家電機器などの各種分野で電気エネルギーを力学的エネルギーに変換させるために使われる電動機を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様によれば、回転子は、回転子コアと、回転子コアの周りに円周方向に配列され、それぞれ非対称形状に形成された複数の回転子極と、を含みうる。

【0008】

本発明の他の態様によれば、回転子は、回転子コア、及び回転子コアの周りに円周方向に配列された複数の回転子極を含み、回転子極にそれぞれ対応する回転子コアの外側部位が偏心して形成されうる。

【0009】

本発明の一態様によれば、電動機は、回転子コア、及び回転子コアの周りに円周方向に配列され、それぞれ非対称形状に形成された回転子極を含んだ回転子と、回転子から離隔して位置し、コイルが巻かれるスロット（ｓｌｏｔ）を含む固定子と、を含みうる。

【0010】

本発明の他の態様によれば、電動機は、回転子コア、及び回転子コアの周りに円周方向に配列された複数の回転子極を含み、回転子極にそれぞれ対応する回転子コアの外側部位が偏心して形成された回転子と、回転子から離隔して位置し、コイルが巻かれるスロットを含む固定子と、を含みうる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の一実施形態による電動機に対する断面図である。

【図2】図１の一部の領域を抜粋して示した断面図である。

【図3】図１の回転子に対する斜視図である。

【図4】回転子極が非対称形状になることによって突極比が増加することを説明するベクトル線図である。

【図5】本発明の他の例による回転子を含んだ電動機を一部示した断面図である。

【図6】本発明のさらに他の例による回転子を含んだ電動機を一部示した断面図である。

【図7】本発明のさらに他の例による回転子を含んだ電動機を一部示した断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施のための具体的な例を詳しく説明する。

【0013】

図１は、本発明の一実施形態による電動機に対する断面図である。図２は、図１の一部の領域を抜粋して示した断面図である。そして、図３は、図１の回転子に対する斜視図である。

【0014】

図１ないし図３を参照すると、電動機１００は、回転子（ｒｏｔｏｒ）１１０、及び固定子（ｓｔａｔｏｒ）１２０を含む。

【0015】

回転子１１０は、回転子コア１１１、及び回転子極１１２を含む。回転子コア１１１は、軟磁性材料（ｓｏｆｔ ｍａｇｎｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）からなりうる。回転子コア１１１は、中心部に長手方向に沿って貫設された貫通ホールを有しうる。シャフト１３０が貫通ホールに挿設されうる。したがって、回転子コア１１０が回転すれば、シャフト１３０も共に回転することができる。シャフト１３０は、非磁性物質からなりうる。

【0016】

回転子極１１２は、回転子コア１１１の円周方向に沿って配列される。回転子極１１２は、一定間隔離隔して回転子コア１１１の内部に埋め込まれうる。他の例として、回転子極は、回転子コアに単純に付着されることもある。

【0017】

回転子極１１２は、偶数個備えられうる。隣接した２つの回転子極１１２のうちの１つは、回転子コア１１１の外側面にＮ極を形成し、他の１つは、回転子コア１１１の外側面にＳ極を形成しうる。回転子極１１２は、一定間隔離隔して位置しうる。

【0018】

回転子極１１２は、それぞれ非対称形状になされて、突極比（ｓａｌｉｅｎｃｙ ｒａｔｉｏ）を増加させる。突極比は、ｄ軸インダクタンスに対するｑ軸インダクタンスの比である。例えば、それぞれの回転子極１１２は、第１永久磁石１１３、及び第２永久磁石１１４を含みうる。第１、２永久磁石１１３、１１４は、互いに離隔して回転子コア１１１に埋め込まれる。第１永久磁石１１３は、一端が他端より回転子コア１１１の内側に位置する。そして、第２永久磁石１１４は、一端が他端より回転子コア１１１の内側に位置する。言い換えれば、図２に示したように、シャフトに近い永久磁石の一端が回転子コアに斜めに植えられた深さは、回転子コアから遠くある永久磁石の他端の深さより大きい。

【0019】

第１、２永久磁石１１３、１１４は、図３に示したように、回転子コア１１１の回転軸方向に沿って一定の断面積を有するように、それぞれ延びた構造からなりうる。第１、２永久磁石１１３、１１４の断面積は、回転子コア１１１の回転軸方向に垂直な方向に切断した面積と定義される。

【0020】

第１、２永久磁石１１３、１１４は、互いに異なる断面積を有するように形成される。このために、第１永久磁石１１３の厚さｔ１が、第２永久磁石１１４の厚さｔ２と異ならせて形成されうる。すなわち、第１永久磁石１１３の厚さｔ１が、第２永久磁石１１４の厚さｔ２より厚く形成されうる。ここで、第１永久磁石１１３の厚さｔ１の増加分ほど、第２永久磁石１１４の厚さｔ２を減少させることによって、回転子極１１２に使われた第１、２永久磁石１１３、１１４の総量をそのまま保持させることができる。

【0021】

言い換えれば、永久磁石のうちの１つの厚さが増加するにつれて、その永久磁石の断面積が増加し、他の永久磁石の厚さが減少するにつれて、その永久磁石の断面積が減少することによって、第１、２永久磁石の総断面積、すなわち、回転子コアの回転軸に垂直である断面積は、設定された総量で固定されうる。

【0022】

他の例として、第１永久磁石１１３の長さが、第２永久磁石１１４の長さと異ならせて形成されるか、第１永久磁石１１３の厚さ及び長さのいずれもが第２永久磁石１１４の厚さ及び長さと異ならせて形成されうる。

【0023】

第１永久磁石１１３の一端と第２永久磁石１１４の一端との間隔は、第１永久磁石１１３の他端と第２永久磁石１１４の他端との間隔よりも狭くなることによって、第１、２永久磁石１１３、１１４は、“Ｖ”字状に位置しうる。他の例として、第１、２永久磁石１１３、１１４は、平行に位置することも可能であるので、例示されたものに限定されるものではない。第１永久磁石１１３と第２永久磁石１１４は、Ｎ極が互いに対向するか、Ｓ極が互いに対向するように位置されうる。第１、２永久磁石１１３、１１４は、硬磁性材料（ｈａｒｄ ｍａｇｎｅｔ ｍａｔｅｒｉａｌ）からなりうる。

【0024】

固定子１２０は、回転子１１０から離隔して位置する。回転子１１０が、インナー（ｉｎｎｅｒ）タイプである場合、固定子１２０は、中空を有する円筒状からなりうる。回転子１１０は、固定子１２０の中空に挿入されて回転可能に位置されうる。固定子１２０は、コイルが巻かれるようにスロット１２１を含みうる。コイルに電流が流れば、固定子１２０は、回転磁界（ｒｏｔａｔｉｏｎａｌ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ）を発生させる。

【0025】

一方、分割コア１１５が、第１永久磁石１１３と第２永久磁石１１４との間に配置される。分割コア１１５は、回転子コア１１１と同様に磁性物質からなりうる。そして、連結部１１６は、第１永久磁石１１３の一端と第２永久磁石１１４の一端とを互いに連結することができる。連結部１１６は、回転子コア１１１の内部に位置されうる。連結部１１６は、非磁性物質またはエア（ａｉｒ）で構成することができる。したがって、連結部１１６は、磁束漏れを防止することができる。他の例として、連結部１１６のうちの中央部分は、磁性物質で構成され、その他の部分は、非磁性物質または空気で構成することができる。この場合、連結部１１６の中央部分は、非磁性物質で形成された固定部材によって回転子コア１１１に固定されうる。

【0026】

数式（１）と図４とを参照して、回転子極１１２が非対称形状になることによって、突極比が増加することを説明すれば、次の通りである。ここで、数式（１）は、電動機のトルクを計算する方程式である。そして、図４は、回転子極が非対称形状になることによって、突極比が増加することを説明するベクトル線図である。

【0027】

【数1】

ここで、Ｔ：トルク、Ｐｎ：極対（ｐｏｌｅ ｐａｉｒ）、Ψａ：無負荷鎖交磁束（ｎｏ−ｌｏａｄ ｆｌｕｘ−ｌｉｎｋａｇｅ）、ｉｄ：ｄ軸電流（ｄ−ａｘｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ）、Ｌｄ：ｄ軸インダクタンス（ｄ−ａｘｉｓ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）、ｉｑ：ｑ軸電流（ｑ−ａｘｉｓ ｃｕｒｒｅｎｔ）、Ｌｑ：ｑ軸インダクタンス（ｑ−ａｘｉｓ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）を意味する。

【0028】

数式（１）の右辺で、Ｐｎ×Ψａ×ｉｑ項は、磁気トルクＴｍを意味し、Ｐｎ×（Ｌｄ−Ｌｑ）×ｉｄ×ｉｑは、磁気抵抗（ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ）トルクＴｒを意味する。磁気トルクＴｍは、回転子の永久磁石とこれに対応する固定子の回転磁界との間の磁気的引力によるトルクである。磁気抵抗トルクＴｒは、磁界で磁気回路の磁気抵抗が最小になる方向に整列しようとする磁性体の特性によって発生するトルクである。

【0029】

一般的に、Ｌｑは、Ｌｄに比べて大きい。Ｌｑ値が、Ｌｄ値に比べて大きいために、（Ｌｄ−Ｌｑ）値は、負（−）の値を有する。ｉｄが負（−）の値であり、ｉｑが正（＋）の値を有するので、磁気抵抗トルクＴｒ値は、正（＋）の値を有する。したがって、（Ｌｄ−Ｌｑ）値を増加させれば、磁気抵抗トルクＴｒ値が増加するということが分かる。

【0030】

図４で、α、α’は位相差（ｐｈａｓｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ）、Ｉａは位相電流（ｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ）、βは電流角（ｃｕｒｒｅｎｔ ａｎｇｌｅ）、Ψｏは負荷鎖交磁束（ｌｏａｄ ｆｌｕｘ−ｌｉｎｋａｇｅ）、Ｅａは無負荷逆起電力、Ｅｏは負荷逆起電力を意味する。

【0031】

回転子極の永久磁石の使用量が同じ条件で、回転子極が非対称形状になれば、図４に示したように、回転子の回転方向に沿って位相差がαからα’に小さくなる。この際、回転子極の永久磁石の使用量に変化がないので、鎖交磁束Ψａ、Ψｏは、同じレベルである。ｑ軸磁路（ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｉｒｃｕｉｔ）の磁気抵抗変化がほとんどないために、Ｌｑ×ｉｑ値は、同じレベルである。ここで、ｉｑ値は、変化がない値であるので、ｑ軸インダクタンスも同じレベルである。

【0032】

一方、ｄ軸磁路の磁気抵抗が増加するために、Ｌｄ×ｉｄ値が小さくなる。ここで、ｉｄ値は、変化がないので、ｄ軸インダクタンスが減少する。したがって、突極比が増加することができる。このように、ｄ軸インダクタンスを減少させることができるために、（Ｌｄ−Ｌｑ）値が大きくなり、それによりトルク成分のうち、磁気抵抗トルクＴｍが大きくなる。

【0033】

したがって、同量の永久磁石を使う場合、逆起電力は、同様に保持しながら、磁気抵抗トルクＴｍをさらに確保して、電動機１００の出力及び効率を向上させることができる。また、ｄ軸インダクタンスを減少させるので、与えられた電圧仕様内で固定子１２０のコイルターン数を増やすことができて、設計自由度が高くなる。

【0034】

図４では、回転子１１０が逆時計回り方向に回転する時、ｄ軸インダクタンスが減少する例を示しているが、回転子１１０が時計回り方向に回転する時も、同じ結果を表わす。一方、前述した非対称形状の回転子極１１２の構成は、回転子がアウトタイプである場合にも適用可能であるので、例示されたものに限定されるものではない。

【0035】

図５は、本発明の他の例による回転子を含んだ電動機を一部示した断面図である。図５に示された回転子２１０の回転子極２１２は、回転子コア２１１の半径方向による中央軸を基準に左右に長く延びた形状になった少なくとも１つの永久磁石２１３を含む。永久磁石２１３は、回転子コア２１１に埋め込まれうる。永久磁石２１３は、回転子コア２１１の半径方向による中央軸を基準に左右側部位の厚さが互いに異ならせて形成されることによって、非対称形状になる。

【0036】

例えば、永久磁石２１３の左側部位の厚さｔ３が、右側部位の厚さｔ４より厚く設定されうる。もちろん、永久磁石２１３の右側部位の厚さが、左側部位の厚さより厚く設定されることも可能である。このように、永久磁石２１３が非対称形状になれば、前述したような原理によって突極比が増加しうる。

【0037】

回転子コア２１１は、フラックスバリア（ｆｌｕｘ ｂａｒｒｉｅｒ）２１４を有しうる。フラックスバリア２１４は、永久磁石２１３の左右両端とそれぞれ接するように形成される。フラックスバリア２１４は、永久磁石２１３の磁束漏れを防止する作用ができる。

【0038】

図６は、本発明のさらに他の例による回転子を含んだ電動機を一部示した断面図である。図６に示された回転子３１０の回転子極３１２は、フラックスバリア３１３を含みうる。ここで、回転子極３１２は、永久磁石を含まない。フラックスバリア３１３が回転子コア３１１の内部に形成されて、固定子１２０との相互作用によって磁気抵抗トルクを発生させる。フラックスバリア３１３は、回転子コア３１１の半径方向による中央軸を基準に左右側部位の厚さが互いに異ならせて形成されることによって、非対称形状になる。

【0039】

例えば、フラックスバリア３１３の左側部位の厚さｔ５が、右側部位の厚さｔ６より厚く設定しうる。もちろん、フラックスバリア３１３の右側部位の厚さが、左側部位の厚さより厚く設定されることも可能である。このように、フラックスバリア３１３が非対称形状になれば、前述したような原理によって突極比が増加しうる。

【0040】

このようなフラックスバリア３１３は、複数個備えられうる。複数のフラックスバリア３１３は、回転子コア３１１の半径方向に配列され、各中央部位が回転子コア３１１の内側に向けて曲げた形態にされうる。一方、フラックスバリア３１３は、前述した機能を具現することができる範疇で多様に構成することができ、例示されたものに限定されるものではない。

【0041】

図７は、本発明のさらに他の例による回転子を含んだ電動機を一部示した断面図である。図７に示された回転子４１０の回転子コア４１１は、回転子極４１２に対応する外側部位が偏心して形成され、突極比を増加させる。例えば、回転子極４１２は、同じサイズと形態とを有する一対の永久磁石４１３を含みうる。永久磁石４１３は、回転子コア４１１に埋め込まれ、連結部４１４によって互いに連結されうる。

【0042】

そして、回転子コア４１１は、一対の永久磁石４１３の間に配される分割コア４１５を含みうる。ここで、分割コア４１５は、回転子コア４１１の半径方向による中央軸を基準に左右側部位４１５ａ、４１５ｂの断面積が互いに異ならせて形成されて、偏心された形態になされうる。

【0043】

例えば、分割コア４１５は、左側部位４１５ａが右側部位４１５ｂより固定子１２０に向けてさらに突出した形状になりうる。もちろん、分割コア４１５は、右側部位４１５ｂが左側部位４１５ａより固定子１２０に向けてさらに突出した形状になることも可能である。このように、分割コア４１５が偏心された形態でなされば、前述したような原理によって突極比が増加しうる。

【0044】

一方、回転子コア４１１の外側部位が偏心された構成は、図５に示された回転子に適用可能である。この場合、永久磁石は、対称形状になりうる。また、回転子コア４１１の外側部位が偏心された構成は、図６に示された回転子に適用可能である。この場合、フラックスバリアは、対称形状になりうる。

【0045】

前述した例によれば、回転子極を非対称に作って突極比を増加させることができるために、電動機の出力密度を向上させることができる。同量の永久磁石を使うことができるので、製造コストが節減される。そして、前述した例によれば、ｄ軸インダクタンスを減少させることができるために、電圧仕様内で固定子のコイルターン数を増やすことができて、設計自由度を高めうる。

【0046】

説明された実施形態は、多様な変形がなされるように、各実施形態の全部または一部が選択的に組み合わせられて構成することもできる。また、実施形態は、その説明のためのものであり、その制限のためのものではないということに注意しなければならない。また、当業者ならば、本発明の技術思想の範囲で多様な実施形態が可能であるということを理解できるであろう。

【産業上の利用可能性】

【0047】

本発明は、回転子及びそれを含む電動機関連の技術分野に適用可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】