JP2007300786A - 発電機・電動機用の回転装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固定子と回転子との間の磁束を増加させ、磁束の流失を防止して効率を高めて騒音と振動を低減した電動機・発電機の回転装置を提供する。
【解決手段】電動機又は発電機のための回転装置であって、中空を有し、コイルが巻線されるスロットが傾斜している固定子と、非磁性体のシャフトと、前記シャフトと一体に軸回転する円筒状の本体と、前記本体の中心部の外側に放射状に挿入結合されて、交互的に配列されている多数のＮ極群及びＳ極群を含む永久磁石と、前記本体の内側に挿入結合され、前記Ｎ極群とＳ極群が形成する磁力線上に配列されて磁束を増加させる永久磁石と、前記固定子の中空に収容されて回転する回転子と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は電動機又は発電機用の回転装置に関する。

本発明の出願人は、発電機又は電動機の効率を高めるために磁束を増加させる磁力加速体を備えた回転子を発明し、発明の名称「発電機及び電動機の回転子」でもって大韓民国において特許を受けている（特許文献１）。前記特許ではコギングトルクを減少させるための傾斜を回転子に形成した技術を公開している。

しかし、前記特許において上下に配置される永久磁石同士の引力又は斥力と回転子の回転などのため、要求される傾斜を与え難く、最初に与えた傾斜を続けて保持することも難しい。

また、傾斜を回転子又は固定子、或いは両方に与える従来の回転装置もやはり最初設計時の傾斜を保持することが難しく、最初設計時の傾斜のみでは騒音及び振動を起こすコギングトルクを充分に減少することができない欠点がある。

図１は従来技術の回転子の永久磁石が形成する磁力線図、つまり従来技術のＮ極群とＳ極群が形成する磁力線図を示す。

図１に示すように、漏れ磁束が多いことから本体に形成される磁力線が軟らかな曲線にならず、相当部分が歪んでいることが分かる。従って、従来技術では磁力は増加されたが、コギングトルクを充分に減少することができず、効率が落ちる問題点がある。

ところで、発電機とは電磁気誘導作用で起電力を発生させて機械的エネルギーを電気的エネルギーに変換する機器であって、大部分が回転機であるが、直線運動によるものも開発されている。

発電機には磁気場を作る磁石と起電力を発生させる導体とが必要であり、磁石と導体のいずれかが動くように構成すべきである。ここで、導体が停止し、磁気場が回転するような発電機が回転界磁型であり、回転電機子型はそれとは反対に導体が回転する。

従来の固定子では環状に形成された多数個の固定子をプレス切断加工する場合、隣接する他の固定子との間の空間と環状内部の空間の材料が浪費される問題点があった（特許文献２）。

さらに、発電機や電動機の固定子には電線が巻かれ、回転子との間における電磁気誘導作用による高調波が発生する問題点があった。

韓国特許登録第５９７１９１号公報 韓国実用新案登録第１８２４９５号公報

本発明は前記の従来技術の問題点を解消するためになされたもので、その目的は、磁束を増加させる磁力加速体を備える発電機又は電動機のための回転装置において、固定子に傾斜を与えて回転子の組み立てをより容易にし、コギングトルクを減らすことのできる別途の部材を備え、磁束の流失を防止し、永久磁石が形成する磁力線の歪みを防止して効率を高めた発電機・電動機用の回転装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、固定子を多数個の片に分離して製作してから組み立てることにより、材料費が節減でき、高調波の発生を抑制できるような発電機・電動機用の回転装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、中空を有してコイルが巻線されるスロットが傾斜されている固定子と、非磁性体のシャフトと、前記シャフトと一体に軸回転する円筒状の回転子本体と、前記回転子本体の中心部の外側に放射状に挿入結合されて交互的に配列されている多数のＮ極群及びＳ極群を含む永久磁石と、前記回転子本体の内側に挿入結合され、前記Ｎ極群とＳ極群が形成する磁力線上に配列されて磁束を増加させる永久磁石と、前記固定子の中空に収容されて回転する回転子とを含むことを特徴とする。

前記回転子のＮ極群及びＳ極群は、多数の永久磁石が相互に所定距離離れて構成され、Ｎ極群及びＳ極群の永久磁石と永久磁石との間には、非磁性体棒が挿入結合されているのがよい。

前記回転子本体には、前記Ｎ極群及びＳ極群の永久磁石が形成する磁力線が歪むことを防止する長孔がそれぞれのＮ極群及びＳ極群の中央に本体の中心に向かって形成されているのがよい。

前記回転子本体の両端には、それぞれ非磁性体板が積層されているのが好ましい。

また、本発明の固定子は、回転子収容部を備えた多数個のコア板が積層され、前記コア板は円弧状に形成された複数個の片に区分され、前記コア板の相互に対応される分離先端には、結合突起と結合溝がそれぞれ形成され、前記コア板の外周面に、少なくとも一つ以上の係止爪が外側に延びて形成されていることを特徴とする。

前記コア板の相互に対応される分離先端には結合突起と結合溝がそれぞれ形成されるのがよい。

前記コア板の外周面に少なくとも一つ以上の係止爪が外側に延びて形成されるのが好ましい。

本発明によれば、磁束は増加させ、かつ磁束の流失は防止して発電機又は電動機の効率を高めることができる。

また、本発明は、固定子に傾斜を与えて回転子の組み立てを容易にして高調波を除去し、非磁性体棒により高調波をもう一度除去して周波数波形を滑らかにすることにより発電機又は電動機の騒音及び振動を減らす効果がある。

また、本発明は、固定子を多数個の片に分離して製作してから組み立てることにより材料費が節減でき、高調波の発生を抑制する効果がある。

さらに、本発明は、永久磁石が形成する磁力線の歪みを防止して高い効率が具現できる有用な発明である。

以下、添付の図面に基づき本発明の実施例を説明する。

図２は本発明の一実施例による回転装置を示す概略的な側断面図である。図３は本発明の固定子におけるスロットを示す断面図である。図４は回転子と回転子を構成する回転子本体を示す斜視図である。図５は回転子板を示す斜視図である。図６は非磁性体板を除去した回転子を示す平面図である。図７は本発明による回転子の永久磁石が形成する磁力線を示す図である。図８は本発明の固定子のコア板を示す平面図である。図９は図８のコア板を結合した状態を示す平面図である。図１０は本発明の固定子の組立状態を示す斜視図である。図１１は本発明の固定子コア板の製造状態を示す斜視図である。

図２に示すような本発明の回転装置の実施例によると、前記固定子１０は回転子２０が収容される中空の筒状をなし、中空を構成する壁面部にはコイルが巻線された多数のスロットが形成されている。

図２に示すように、電動機又は発電機の回転装置は円筒状の固定子１０と前記固定子１０の中空内部に回転可能に収容される回転子２０とからなる。

前記固定子１０は中空を構成する壁面部に一定間隔でスロットが形成されており、それぞれのスロットには多数のコイルが巻線されている。回転子２０は中央に軸孔が形成された円柱状の回転子本体２と、前記回転子本体２の中央軸孔に結合されて本体２と共に回転するシャフト１とを含んでなり、前記回転子本体２の中心部の外側に円周方向に沿って多数の永久磁石が取付けられ、又冷却ファン３がシャフト１に取付けらている。

固定子１０のコイルに電流が加えられると、コイルの極性が順次変わり、これに対応する回転子２０の永久磁石の極性と固定子のコイルに形成される極性とが等しい場合に発生される反発力と、極性が相違した場合に発生される吸引力により回転力が発生され、これにより回転子２０がシャフト１と共に回転しつつ回転駆動力を発生させる。

固定子１０と回転子２０とからなる回転装置では、コギングトルク(cogging torque)という回転変動が発生する。このコギングトルクは振動や騒音を起こして発電機や電動機の制御性能を低下させる要因となる。

こうしたコギングトルクを減少させるために、回転子又は固定子に傾斜を与えると、周波数波形の高調波を除去することができる。

図３は本発明における固定子スロットを示す図である。図３に示すように、固定子１０の壁面部に多数のスロット１７が形成され、前記多数のスロット１７は一方に傾斜(Skewed)されている。即ち、コギングトルクを減らすためにスロット１７が傾斜されており、コイルが巻線されたスロット１７の方向が回転子２０のシャフト１の方向と並んでおらず、いずれかの方向に傾斜している。本発明の実施例でスロット１７の傾斜角は７．５°が好ましい。

図４は回転子及び回転子を構成する回転子本体う示す斜視図である。図５は回転子板を示す斜視図である。

図４及び図５に示すように、前記回転子２０はシャフト１と、多数個の単位本体２１、２２、２３が前記シャフト１の軸方向に沿って積層された回転子本体２と、前記回転子本体２の中心部の外側に円周方向に沿って一定間隔離れて挿入結合されており、交互的に配列されるＮ極群３１とＳ極群３２を形成する永久磁石３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄと、前記回転子本体２の内側に挿入結合されており、前記Ｎ極群３１とＳ極群３２が形成する磁力線上に配列されて磁束を増加させる永久磁石３３とを含んでなる。

前記シャフト１は回転子本体２の軸孔２１０に挿入結合されて回転子本体２と共に回転する。また、前記シャフト１は非磁性体物質のステンレスからなっていることから、永久磁石３１〜３３の磁化現象及び磁束の流失を防止する。

前記回転子本体２は多数の単位本体２１、２２、２３が積層されてなり、前記単位本体２１、２２、２３もやはり磁性体の多数の板２００が積層されてなる。前記単位本体２１、２２、２３の積層はシャフト１の軸線上で１８０度交差して組み立てることができ、相互に交差せずに同一な方向に組み立てて磁力の強度を保持させることもできる。

図５によると、回転子本体２の両端にはそれぞれステンレスからなる非磁性体板６０が積層される。前記非磁性体板６０は磁束の流失を防止する役割を担う。

また、回転子本体２には軸方向に貫通した冷却孔２７１が各Ｎ極群３１及びＳ極群３２の両側（つまり、分離溝２８０の両側）に形成されている。前記冷却孔２７１は冷却面積を広げて空気が流通するようにして回転子２０の回転子本体２と永久磁石３１、３２を冷却させる。勿論、回転子本体２の両端に積層された非磁性体板６０にも回転子本体２の冷却孔２７１に対応する位置に冷却孔６１が形成される。

前記Ｎ極群３１とＳ極群３２はそれぞれ多数の永久磁石３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄからなり、相互に交互的に配列されるとともに、回転子本体２の中心部の外側に放射状に配置される。即ち、回転子本体２の円周方向に沿って備えられ、いずれかのＮ極群３１の対向する位置には他のＮ極群３１が配置され、いずれかのＳ極群３２の対向する位置には他のＳ極群３２が配置される。

図４と図６に示すように、２組のＮ極群３１とＳ極群３２が設けられている。ここで、Ｎ極群３１の永久磁石３１ａ〜３１ｄのＮ極は回転子本体２の外側に向かうように、Ｓ極は回転子本体２の内側に向かうように配置され、Ｓ極群３２の永久磁石３２ａ〜３２ｄのＮ極は回転子本体２の内側に向かうように、Ｓ極は回転子本体２の外側に向かうように配置される。

また、Ｎ極群３１及びＳ極群３２の永久磁石３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄは所定距離離れており、内側に配置された永久磁石３１ｂ、３１ｃ、３２ｂ、３２ｃが外側に配置された永久磁石３１ａ、３１ｄ、３２ａ、３２ｄより磁力が強くなるように設計することが好ましい。即ち、それぞれのＮ極群３１及びＳ極群３２には四つの永久磁石が配置され、外側の２つの永久磁石３１ａ、３１ｄ、３２ａ、３２ｄは一つの磁石からなり、内側の２つの永久磁石３１ｂ、３１ｃ、３２ｂ、３２ｃは二つの磁石からなる。

図６に示すように、Ｎ極群３１とＳ極群３２は分離溝２８０により空間的に完全に分離され、Ｎ極群３１から出てＳ極群３２に入る磁力線がさらに明らかに区分されて形成される。

また、前記分離溝２８０の外側には回転子本体２の半径方向に磁力線が形成されるようにＮ極とＳ極が配置される永久磁石（図示せず）が結合され得る。

さらに、回転子本体２の内側で、かつＮ極群３１とＳ極群３２との間には磁束を増加させるための永久磁石３３が配置される。この磁束を増加させるための永久磁石３３は多数の磁石からなり、Ｎ極群３１とＳ極群３２が形成する磁力線上に位置され、永久磁石３３の一端のＮ極はＮ極群３１の永久磁石のＳ極に向かい、永久磁石３３の多端のＳ極はＳ極群３２の永久磁石のＮ極に向かうように配置されている。

従って、Ｎ極群３１から出た磁力線はＳ極群３２に入り、Ｓ極群３２から出た磁力線は磁束増加のための永久磁石３３を経て再びＮ極群３１に入って全体的に楕円形の磁力線を形成する。このように磁束増加のための永久磁石３３は回転子本体２の内部を通過する磁力線上に備えられて回転子本体２の内部で磁力線がさらに鮮明に形成されるように誘導するのみならず、その磁力を増加させる役割を担うようになる。

図６に示すように、前記回転子本体２には軸方向に貫通された長孔２２０が形成されている。前記長孔２２０は各Ｎ極群３１及びＳ極群３２の中央から回転子本体２の中心に向かって形成される。即ち、図６で各Ｎ極群３１及びＳ極群３２が四つの永久磁石３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄが一定間隔離れて配列されているとき、前記長孔２２０は内側の二つの永久磁石３１ｂ、３１ｃ、３２ｂ、３２ｃの間から始めて回転子本体２の中心を向かい、永久磁石３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄが形成する磁力線がカバーできる長さを有する。

前記長孔２２０は、Ｎ極群３１及びＳ極群３２の永久磁石３１ａ〜３１ｄ、３２ａ〜３２ｄが形成する磁力線が歪むことを防止し、Ｎ極群（又はＳ極群）の一側に位置する二つの永久磁石が形成する磁力線が他側に位置する二つの永久磁石に浸透されることを防止する。これは図１の磁力線を図６の磁力線と比較すれば容易にわかる。

即ち、従来技術である図１の磁力線は回転子本体で多く歪んでおり、隣接する二本の磁力線が明確に分離されない問題点がある。

これに対し、図７によると、本発明の場合は磁束損失が少ないため回転子本体に形成される磁力線のほとんどが滑らかな曲線を形成し、歪み（屈曲）のある部分が殆どなく、長孔２２０を基準として明らかに区分して分離されている。

図６に示すように、前記Ｎ極群３１及びＳ極群３２の永久磁石と永久磁石との間には非磁性体棒４０が挿入結合される。本発明の実施例では非磁性体棒４０として銅棒を使用する。前記非磁性体棒４０はヒステリシス損を減らして周波数波形を滑らかにする。即ち、周波数波形の高調波を除去することにより出力波形を滑らかにし発電機の振動及び騒音を低減することができる。

前記非磁性体棒４０の有無による効果の違いは下記の「実験結果」によると明らかに区別されることがわかる。

＜実験結果＞
３相Ｙ結線で３８０Ｖを固定子１０に供給し、回転子２０の直径は２２０ｍｍ、固定子１０と回転子２０との間の隙間は０．７ｍｍにして、銅棒（非磁性体棒４０）を備えた場合と、備えていない場合をそれぞれ実験した結果、下記のような値が得られた。

ここで銅棒を備えているか否かをＹｅｓ／Ｎｏで示す。
第１高調波：３７１．２３／４５３．９０〔Ｖ〕
第３高調波：１．６２／４．８０〔Ｖ〕
第５高調波：６．４５／５．７５〔Ｖ〕
第７高調波：０．４５／１４．８０〔Ｖ〕
第９高調波：０．１９／０．４２〔Ｖ〕
第１１高調波：２．２０／３．７４〔Ｖ〕
第１３高調波：１．３７／０．５３〔Ｖ〕
合成高調波（ＴＨＤ−Ｒ）：１．９５／５．５１〔％〕

なお、回転子本体２の組立又は単位本体２１、２２、２３の組立のための案内棒５０が備えられる。前記案内棒５０に板２００を一つずつ嵌めることにより単位本体２１、２２、２３を容易に組み立てることができる。勿論、案内棒５０を充分長くして単位本体２１、２２、２３と単位本体２１、２２、２３を組み立てて回転子本体２を形成することもできる。また、案内棒５０のために冷却孔２７１のいずれかの形状を異にして、板２００がひっくり返されて積層されるか、或いは一定角度回転された状態で積層されることを防止した。

図５によると、板２００の中央には軸孔２１０が形成されており、円周方向に沿ってＮ極群３１とＳ極群３２の永久磁石のための磁石孔２３１ａ〜２３１ｄ、２３２ａ〜２３２ｄが多数形成されており、前記磁石孔のそばには冷却孔２７１が穿孔されている。

なお、Ｎ極群３１とＳ極群３２を分離するための分離溝２８０が放射状に形成されており、分離溝２８０の内側には磁束増強用の永久磁石３３のための磁石結合部２３３が形成されている。

また、Ｎ極群３１とＳ極群３２のための磁石孔２３１ａ〜２３１ｄ、２３２ａ〜２３２ｄ間には非磁性体棒４０のための銅棒孔２４０が形成されており、内側には積層された多数の板２００を螺合させるためのねじ孔２９０が形成されている。

図８に示す本発明の一実施例による固定子１０は、回転子収容部１０ａを備えた多数個の固定子本体（以下“コア板”と称する）であるコア板１１が積層されて固定子１０が構成され、前記それぞれのコア板１１は円弧状の複数個の片に区分される。

前記固定子１０は多数個のコア板１１が積層されて円筒状をなす。円筒状の固定子１０は回転子収容部１０ａを形成している。

図９に示すように、前記固定子１０の回転子収容部１０ａには回転子２０が軸回転可能に挿入される。

前記多数個のコア板１１、１１’は二つの部分に分離して形成され、分離された一対のコア板１１、１１’は結合されて環状のコア板１１、１１’を形成する。

前記コア板１１、１１’は二つの部分に分離してそれぞれ製造される。分離されたそれぞれのコア板１１、１１’は半円状にそれぞれ形成される。

前記半円状のコア板１１、１１’は両端に結合突起１１ａと結合溝１１ｂがそれぞれ形成されている。

本実施例で前記結合突起１１ａは半円状に突出して形成され、結合溝１１ｂは半円状に落ち込んで形成される。結合突起１１ａと結合溝１１ｂは相互に対応して噛み合うような同じ形状に形成されれば、その形状に制限はない。

前記一つの半円状のコア板１１に形成された結合突起１１ａは他の半円状のコア板１１’の結合溝１１ｂに挿入して結合される。従って、半円状に形成された一対のコア板１１、１１’が分離先端から滑ることを防止することができる。

特に、半円状のコア板１１は環状に比べて両端にモメントがかかるので、空いたり、変形され易い。このため前記結合突起１１ａと結合溝１１ｂはストッパの役割を担う。

前記コア板１１の分離先端は他のコア板１１’の分離先端と溶接して結合される。

前記コア板１１、１１’の外側には係止爪１２が延びて形成される。前記係止爪１２は方形に形成され、コア板１１、１１’の外周面に沿って所定間隔置きで複数個が形成されている。

図１０は本発明の固定子の組立状態を示す斜視図である。図１０に示すように、複数個のコア板１１、１１’を積層して固定子１０を組み立てる場合、組立案内部材１５が係止爪１２に安着されて支持されることにより、多数個のコア板１１、１１’が相互にずれて組み立てられることが防止できる。

前記組立案内部材１５は方形の棒状に形成されて、方形の係止爪１２に一側がくっつくことにより、多数個のコア板１１、１１’が相互にぴったり重なるように組み立てることができる。

前記組立案内部材１５と係止爪１２とは溶接により結合される。

前記コア板１１、１１’の内側壁には多数個の巻線巻き取り部１３が所定間隔置きで連続して形成されている。

図１１は図９に示すコア板の製作状態を示す平面図である。前記分離されたコア板１１は図１１に示すように、切断加工する場合に隣接する他の分離されたコア板１１と最大限近接して形成され得ることから、材料が浪費されることを防止することができる。

特に、分離されたコア板１１は環状に比べて円弧状の内部まで他のコア板１１’が入り込んで製作されることができるので、材料のロスを最小限にすることができる。

一方、前記分離されたコア板１１、１１’はそう大した体積を占めないので保管が容易である。またコア板１１、１１’を分離して製造してから組み立てると、高調波の発生率が低くなる現象を発見できる。

以上、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、当業者により本発明の発電機又は電動機の回転装置に基づき、様々な変形及び変更が可能である。しかし、こうした設計変更又は変形は本発明の保護範囲に属するものとみなす。

従来技術の回転子の永久磁石が形成する磁力線を示す図である。 本発明の一実施例による回転装置を示す概略的な側断面図である。 本発明の固定子スロットを示す断面図である。 回転子及び回転子を構成する回転子本体を示す斜視図である。 回転子板を示す斜視図である。 非磁性体板を除去した回転子を示す平面図である。 本発明による回転子の永久磁石が形成する磁力線を示す図である。 本発明の固定子のコア板を示す平面図である。 図８のコア板を結合した状態を示す平面図である。 本発明の固定子の組立状態を示す斜視図である。 図９に示すコア板の製作状態を示す平面図である。

符号の説明

１ シャフト
２ 回転子本体
１０ 固定子
２０ 回転子
１１、１１’ コア板
１１ａ 結合突起
１１ｂ 結合溝
１２ 係止爪
１３ 巻線巻き取り部
１５ 組立案内部材
３１ Ｎ極群
３２ Ｓ極群
４０ 非磁性体棒
５０ 案内棒
６０ 非磁性体板
２００ 板
２２０ 長孔
２７１ 冷却孔
２８０ 分離溝

Claims (7)

1. 固定子、回転子及びシャフトを含む発電機又は電動機のための回転装置であって、
   中空状をなし、コイルが巻線されるスロットが傾斜して形成された固定子と、
   非磁性体のシャフトと、
   前記シャフトと一体に軸回転する円筒状の回転子本体と、
   前記回転子本体の中心部外側に放射状に挿入結合され、交互的に配列されている多数のＮ極群及びＳ極群を構成する永久磁石と、
   前記回転子本体の内側に挿入結合され、前記Ｎ極群とＳ極群が形成する磁力線上に配列されて磁束を増加させる永久磁石と、
   前記固定子の中空に収容されて回転する回転子と、
   を備えたことを特徴とする発電機・電動機用の回転装置。
2. 前記回転子のＮ極群及びＳ極群は、多数の永久磁石が相互に所定距離離れて構成され、 Ｎ極群及びＳ極群の永久磁石と永久磁石との間には非磁性体棒が挿入結合されている請求項１記載の発電機・電動機用の回転装置。
3. 前記回転子本体には、前記Ｎ極群及びＳ極群の永久磁石が形成する磁力線が歪むことを防止する長孔がそれぞれのＮ極群及びＳ極群の中央に本体の中心に向かって形成されている請求項１又は２記載の発電機・電動機用の回転装置。
4. 前記Ｎ極群及びＳ極群を構成する多数の永久磁石において、内側に配置された永久磁石は、外側に配置された永久磁石より磁力がさらに強い請求項３記載の発電機・電動機用の回転装置。
5. 前記回転子本体の両端には、それぞれ非磁性体板が積層されている請求項３記載の発電機・電動機用の回転装置。
6. 前記回転子本体は、多数の板が積層されてなり、
   前記板には、前記Ｎ極群とＳ極群を空間的に分離する分離溝が形成され、
   前記分離溝の両側には、それぞれＮ極群及びＳ極群の永久磁石のための冷却孔が形成され、
   前記分離溝の内側には、前記磁束増加のための永久磁石が結合されている請求項４記載の発電機・電動機用の回転装置。
7. 前記固定子は、回転子収容部を備えた多数個のコア板が積層され、
   前記コア板は、円弧状に形成された複数個の片に区分され、
   前記コア板の相互に対応される分離先端には、結合突起と結合溝がそれぞれ形成され、 前記コア板の外周面に、少なくとも一つ以上の係止爪が外側に延びて形成されている請求項１記載の発電機・電動機用の回転装置。

Images