KR100260650B1 - 멀티디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치와 그 조립방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 멀티디스크 고정자가 구비된 축방향의 공극을 가진 전동장치와 그 조립방법을 제공한다. 상세하게는 멀티 디스크 회전자와, 링형의 케이스 클립과, 각 층에 링을 형성하는 하나 또는 그 이상의 전기전도 코일들이 열전도 전기절연체를 통하여 상기 링형 케이스 클립의 내측면에 부착되는 하나 또는 그 이상의 동일하게 디자인된 고정자 디스크을 구비한 복합고정자로 구성되고, 각 층에 형성되는 상기 전기전도 코일들은 전동장치의 폴쌍의 수에 대응하게 설치하고, 상기 케이스 클립의 근처에 위치한 S형 나선의 외측코일의 종점을 끊어서 만드는 전기플러그가 최소한 하나이상 형성되고, 상기 고정자 디스크의 각각의 전기전도 코일은 소정의 각변위 차이를 두고 열전도 전기절연체를 통하여 전기적으로 분리되어 상기 케이스클립에 서로 평행하게 설치되는 것을 특징으로 하는 멀디디스크 고정자가 구비된 축방향의 공극을 가진 전동장치와 그 조립방법을 제공한다.

Description

멀티디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치와 그 조립방법

본 발명은 모터, 제너레이터, 타코 제너레이터 등의 평판 디스크형태 권선을 가진 고정자가 구비된 전동장치에 관한 것으로서, 특히 멀티 디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치에 적합하도록 한 것이다.

축방향의 공극을 가진 전동장치는 이미 널리 알려져 있는 것이다. 이러한 전동장치의 디스크 설계는 로보틱, 기계도구(특히 고속연마도구), 매니퓰레이터(manipulators), 하드디스크(HD)나 플로피디스크(FD)나 CD롬 등의 드라이버와 같은 더욱 정밀한 공간절약과 고신뢰를 요구하는 현대응용기술분야에 가장 적합한 것이다. 그러한 기계들은 수십NM(Newtonmeters)에 이르는 넓은 토오크 범위에 이르는 유용한 것이다.

축방향의 공극을 가진 전동장치에는 프린트형 또는 권선형, 분배형이나 집적형, 루프형이나 웨이브형을 갖는 단수 또는 다층 권선등을 포함한 다양한 형태의 평판 디스크형 권선 고정자가 알려져 있다. 이러한 권선은 평평하거나 슬롯화된 소프트-마그네틱이나 비-마그네틱 고정자 코어에 장착되어 있다.

일예를 들면, 영구자석 및 블러쉬리스 DC모터를 들 수가 있다. 브러쉬리스 DC모터에서는 두개의 위상이 이중 층의 웨이브형 권선이 사용되는데, 각 위상은 하나의 층에 위치하고, 위상 컨덕터들의 활성 부분은 90도로 바이어스된다. 각 권선위상의 두 끝점은 한 번 감긴 디자인에서 권선에 의해 형성된 코일의 외측에 위치한다. 그러나 각 위상의 두번째 끝은 그러한 구성의 다수로 감긴 디자인에서 코일의 내측에 위치한다. 그 위상들의 내측단부로부터 나오는 전기 플러그들은 기계의 축방향으로 형성된 공극을 통해서만 이루어진다. 그러므로 상기한 권선 구조의 가장 큰 단점은 공극이 증가할 경우 불가피하게 전동장치의 수행능력이 감소된다는 점이다.

섹션화된(sectional) 디스크형 권선의 매우 다양한 구성이 이미 알려져 있다. 또한 동일 또는 상이한 기학학적 특징을 가진 섹션을 포함한 경우도 역시 알려져 있다. 적어도 각 섹션은 그 섹션에 의해 형성된 코일안에 하나의 전기플러그를 가지고 있다. 섹션 플러그의 연결은 일반적으로 섹션의 주변 비활성부분에서 이루어진다. 그러므로 이 부분들의 크기는 섹션의 외측, 내측플러그의 필요한 연결에 맞도록 정해진다. 권선의 비활성 부분의 확장은 전동장치의 효율을 낮추게 된다. 게다가 종래의 알려진 권선 구조에서의 각 섹션의 연결은 노동력이 필요한 수작업이다.

회전자와 고정자가 분리된 형태에서 조립될 때 일반적인 조립방법은 회전자와 고정자의 디스크를 번갈아가면서의 조립이 필요한 다중 디스크 형태의 전동장치에는 불편하다.

이에 따라 다중 디스크 전동장치에서 다음과 같은 디자인 문제를 해결할 필요성이 널리 인식되어 왔다

- 고정자 권선의 진보된 디자인의 개발

-기계의 손쉬운 조립기술의 개발

만일 위에서 제기된 문제가 해결된다면 축방향의 공극을 가진 다중 디스크 전동장치의 제조공정을 전자동화 할 수 있게 되고, 축방향의 공극을 가진 멀티디스크 전동장치가 여러 분야에 응용되는데 커다란 잇점을 제공할 수 있을 것이다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 축방향의 공극을 가진 다중 디스크 전동장치의 제조공정을 전자동화 할 수 있도록 진보된 권선을 갖는 멀티디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치와 그 조립방법을 제공하기 위한 것이다.

따라서, 본 발명은 유도기, 동기기, 스위칭 릴럭턴스, BLDC모터 또는 발전기, 타코 제너레이터등과 같은 다양한 동작모드에 적합하고, 전자동화 할 수 있도록 진보된 권선을 갖는 멀티디스크 고정자가 구비된 축방향의 공극을 가진 전동장치와 그 조립방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 가장 간단한 형태의 전동장치는, 동일한 고정자 디스크들을 실린더 케이스에 클립으로 직접 연결하여 구성된 고정자를 포함한다.

고정자 디스크의 가변 섹터 디자인은 전동장치의 다중 디스크 회전자를 조립한 후에 고정자 조립하는 것을 가능하게 한다.

각 고정자 디스크(또는 고정자 디스크의 섹터 요소)의 전기전도성 코일(또는 코일 섹터들)의 조립은, 동일하게 생긴 S형태의 나선형으로 섹션들을 분배하고, 최소한 두 층으로 이루어, 각 섹션의 내측단부의내부 결선을 단순화시켜 전자동화 조립을 구현할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명이 적용되는 전동장치의 종단면도.

도 2는 본 발명에 의한 전동장치의 섹션을 도시한 도 1의 A-A단면도.

도 3a는 본 발명에 의한 전동장치의 섹션에 포함된 전도코일 섹션들의 층을 도시한 도 1의 B-B단면도.

도 3b는 본 발명에 의한 전동장치의 섹션에 포함된 전도코일 섹션들의 층을 도시한 도 1의 A-A단면도.

도 4는 본 발명에 의한 전동장치의 고정자 디스크의 전도 코일의 더블층의 등각투상도.

도 5는 본 발명에 의한 전동장치의 고정자 디스크의 전도코일에서 섹션들의 연결을 도시한 전기적 구성도.

도 6은 본 발명에 의한 전동장치의 섹션을 도시한 도 1의 B-B단면도.

도 7a는 본 발명에 의한 전동장치의 코일섹터로 이루어진 전도코일섹션을 도시한 도면.

도 7b는 도 7a에서 도시된 코일섹션들로 구성된 전도코일을 도시한 도면.

도 8은 본 발명에 의한 전동장치의 다층 섹션의 등각투상도.

도 9는 본 발명에 의한 전동장치의 다층 전도코일의 등각투상도.

도 10은 본 발명에 의한 전동장치의 영구자석 회전자 디스크와 고정자 디스크의 활성화 부분의 배열을 도시한 등각투상도.

도 11은 다른 두께를 가진 섹션으로 구성된 3층 전도코일의 등각투상도.

도 12a는 본 발명에 의한 전동장치의 소프트 마그네틱 코어가 구비된 전도코일의 다양한 구성도.

도 12b는 본 발명에 의한 전동장치의 소프트 마그네틱 코어가 구비된 전도코일의 다양한 구성도.

도 12c는 본 발명에 의한 전동장치의 소프트 마그네틱 코어가 구비된 전도코일의 다양한 구성도.

도 13은 본 발명에 의한 전동장치의 고정자 디스크 부분도.

도 14는 본 발명에 의한 전동장치의 조립후 고정자 디스크 섹터 요소의 배열을 도시한 구성도.

도 15는 본 발명에 의한 전동장치의 조립후 고정자 디스크 섹터 요소의 배열을 도시한 구성도.

도 16은 본 발명에 의한 전동장치의 공통클립으로 조립 준비된 섹터 고정자의 등각투상도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 회전자 2 : 고정자

3 : 디스크 4 : 회전축

5 : 영구자석6 : 마그네틱판

7 : 고정자 디스크 8, 34 : 클립

9 : 전기절연체10 : 전기전도성 코일

11∼18 : 평판섹션19 : 전기플러그

20, 27 : 섹션25 : 전류

26 : 토크28 : 코어

30 : 마그네틱링32 : 섹터요소

33 : 평판분할섹션35 : 공통클립

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 멀디디스크 고정자가 구비된 축방향의 공극을 가진 전동장치는, 각각에 자성체를 구비한 다수개의 디스크를 서로간에 축방향의 공극을 두어 평행하게 회전축에 설치한 멀티디스크 회전자와; 두 개의 평판C형전기전도성 코일을 외측단부끼리 연결하여 평판S형 나선을 갖는 평판섹션을 형성하고, 상기 평판섹션의 연결부를 절단하여 평판C형 나선을 갖는 평판분할섹션을 형성하고, 상기 평판섹션의 소정갯수를 전동장치의 폴분할각으로 서로 이격하여 평판 원 또는 원호를 이루게 일층으로 배열하고, 상기 일층의 전기전도성 코일방향과 반대 방향을 갖는 평판섹션의 소정갯수와 상기 평판분할섹션의 소정갯수를 타층에 평판 원 또는 원호를 이루게 배열하고, 상기 일층의 평판섹션들을 상기 타층의 평판섹션들과 평판배열방향으로 폴분할각의 1/2의 각변위 차이를 두어 상하로 적층하고, 상하로 인접한 전기전도성 코일들의 내측단부를 전기적으로 연결하여 일층과 타층의 전기전도성 코일간에 전기적으로 연결되게 하고, 상기 평판분할섹션의 외측단부를 인출하여 하나이상의 전기적인 플러그를 형성하고, 상기 각 전기전도성 코일들을 열전도 절연체에 의해 서로 절연시켜 각각에 구비한 다수개의 디스크를 상기 멀티디스크 회전자의 각 디스크와 교차하면서 적층하여 조립한 고정자와;

각각이 상기 고정자의 적층된 각 디스크의 테두리를 이루고, 적층하여 조립하고 클립고정시켜 외형을 형성하는 링형의 케이스 클립과; 상기 케이스 클립과 조립되어 전후에서 회전자를 유동적으로 지지해주는 카바로 구성된 것을 특징으로 한다. 상기에서 전동장치의 폴분할각은 2π/p이고, p는 상기 전동장치의 폴쌍의 수를 나타낸다.

상기 고정자의 전기전도 코일은 소정 갯수의 동일 평판섹션(plate section)와, 두개의 동일 평판분할섹션(plate half section)로 이루어져 두개의 층에 설치되며, 상기 평판섹션들은 일층에 설치하고, 상기 분할섹션들의 타층은 상기 평판섹션과 평판분할섹션 평판표면에 대하여 수직한 중심축을 가지는 원 또는 원호를 형성하게 설치한다.

상기 평판섹션들의 각각은 전동장치의 폴분할각 (2π/p, p는 상기 전동장치의 폴쌍의 수) 이하의 각거리를 두어 이격되며 인접한 동일 권선방향을 갖는 두개의 C형 평판 나선코일의 외측단부들을 직렬 연결하여 연속적인S형 나선으로 만들어져 한개의 층이나 다층에 형성되며, 평판분할섹션의 각각은 상기 평판섹션의 각각처럼 전동장치의 폴분할각 이하의 각으로 이격되어, 인접한 동일 권선방향을 갖는 두개의 C형 평판 나선코일의 외측단부들을 직렬 연결하여 연속적인 S형 나선으로 만들어져 한개의 층이나 다층에 형성된다.

그리고 상기 평판섹션과 평판분할섹션들은 일측 층에 형성된 C형 나선 코일의 권선방향이 모두 동일하고, 나머지 일측의 층에 형성된 평판섹션과 평판분할섹션과는 그 권선방향이 반대가 되도록 형성하고, 상기 일측의 층의 섹션들은 다른 일측의 층의 섹션들과 전동장치의 폴분할각의 1/2각의 각변위 차이를 두고 설치되며, 아래 위로 위치한 상기 섹션들과 분할섹션들의 내부단부들은 전기적으로 서로 연결되도록 한다.

또한 상기 고정자의 전기전도 코일은 모든 층에 아래위로 위치한 상기 섹션들의 내부단부가 전기적으로 연결된 상기 평판섹션과 평판분할섹션들에 층들의 섹션들보다 얇은 두께의 부가 층이 최소한 하나 이상 부가되는 것을 특징으로 한다.

다른 실시예에 의한 멀디디스크 고정자가 구비된 축방향의 공극을 가진 전동장치는 멀티 디스크 회전자와, 둘 또는 그 이상의 동일하게 디자인된 섹터요소를 구비한 하나 또는 그 이상의 동일하게 디자인된 고정자 디스크를 구비한 복합고정자로 구성하되, 상기 섹터요소는 빈 원통형의 2π/m라디안 각을 갖는 섹터로 만들어지는 케이스 클립과(m은 상기 섹터요소의 갯수로 전동장치의 폴쌍의 갯수는 상기 섹터요소의 정수배가 된다.), 열전도 전기절연체와, 각 층에 링형으로 형성되고, 열전도 전기절연체를 통하여 상기 링형의 케이스 클립의 내측면에 상기 열전도 전기절연체를 통하여 전기적으로 분리되어 상기 케이스클립에 서로 평행하게 설치된 하나 또는 그 이상의 전기전도 코일들로 이루어진다.

상기 코일섹터는 상기 두개의 평판분할섹션을 구비하고, 상기 평판섹션과 평판분할섹션은 각 층에 케이스 클립의 각 크기만한 각을 갖는 링섹터를 형성하며, 상기 단위 평판섹션의 갯수는 상기 고정자 디스크의 섹터요소의 갯수에 대한 전동장치의 폴갯수의 비보다 작고, 평판분할섹션의 외측단부는 상기 전기전도 코일섹터의 전기플러그가 되도록 한다.

그리고 상기 평판섹션나 평판분할섹션은 내부에 하나이상의 페로마그네틱 코어가 설치되고, 고정자 디스크에 적어도 하나이상의 페로마그네틱 코일이나 코일섹터가 코엑셔블리하게 설치된다.

상기 본 발명에 의한 멀디디스크 고정자가 구비된 축방향의 공극을 가진 전동장치의 조립방법은, 고정자 디스크와 회전자 디스크를 서로 번갈아가면서 설치하고, 상기 회전자 디스크를 연결하기 위한 케이스 클립에 의해 회전자 디스크가 하나씩 연속적으로 축적고정시켜 전동장치의 원통형 케이스를 완성하며, 상기 회전자 디스크 상호간에 소정의 각변위만큼 차등을 두어 평행하게 설치한다.

상기 고정자 디스크는, 섹터요소에 의해 조립되고, 상기 케이스 클립의 표면에 의해 직접 앞단의 고정자 디스크에 연결축적되며, 다른 고정자 디스크의 상기 섹터요소와 각변위차이를 두고 서로 평행하게 설치한다.

그러므로 유도, 동기, 스위칭 릴럭턴스, 블러쉬리스 DC모터나 제너레이터, 타코제너레이터 등 간단한 고정자의 제조와 간단하게 조립할 수 있는 다양한 동작 모드에 대한 고정자의 평판 디스크 권선을 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치를 제공한다.

본 발명에 따른 전동장치는 기계의 원통형 케이스에 클립으로 직접 조립되어 연결된 동일한 고정자로 이루어진 디스크를 포함한다.

본 발명에 의한 고정자 디스크 방식의 일시예는 전동장치의 멀티디스크 회전자를 조립한 후에 고정자를 나중에 조립하는 것을 가능하게 한다.

상기에 따라 적어도 두개의 층에 분포되는 동일한 평판 S형 나선 섹션에 의한 각 고정자 디스크(또는 고정자 디스크의 섹터요소)의 전도코일(또는 코일 섹터)의 제작은 색션의 내측단부의 연결을 간소화 시키고, 광범위한 전자동화기술을 가능하게 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명이 적용되는 전동장치의 종단면도로서, 일반적으로 축방향 공극을 가진 다중 디스크 형태의 전동장치와 폭넓게 관련이 있다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 의한 전동장치는, 크게 회전자(1)와 복합 고정자(2)를 포함하고 있다. 상기 회전자(1)는 서로 평행하게 회전축(4)에 설치된 소정 갯수의 회전자 디스크(3)로 이루어져 있다. 회전축(4)에 설치되는 회전자 디스크(3)의 갯수는, 회전자 디스크들(3) 사이의 축방향의 공극에 형성될 필요한 주 자계의 세기에 따라 결정되고 또한 회전자 디스크(3)에는 자성체가 구비된다. 자성체들은 여러가지 방법으로 회전자 디스크(3)에 구비되어 에어갭을 사이에 두고 설치되어 필요한 만큼의 자장을 형성한다. 예를 들면 이러한 자성체들은 영구자석, 전기전도체, 권선, 페라이트 자성체들이다.

본 발명에 의한 전동장치는 동기, 유도(비동기), 스위칭 릴럭턴스장치에 적용되는 통상의 교류전류 이론으로 동작한다. 예를 들면 상기 도 1에 도시한 바와 같이, 축방향으로 자속을 발하는 영구자석(5)이 각각 회전자 디스크(3) 위에 설치된다. 그리고 영구자석(5)의 모양과 크기와 자성의 변화와 배열은 일반적인 영구자석을 사용한 축방향의 공극을 가진 전동장치에서의 경우와 같다.

도 1에 도시된 최외각 회전자 디스크(3)에 부착된 소프트 마그네틱판(6)은 영구자석(5)에 의한 자속의 폐회로를 형성시키는 역할을 한다.

본 발명에 의한 복합고정자(2)는 도 1과 같이 고정자 디스크(7)와 회전자 디스크(3)가 서로 번갈아가면서 설치되도록 하며, 축에 대해 방사형으로 서로 평행하게 형성된 고정자 디스크들(7)을 구비하고 있다. 고정자 디스크(7)의 독특한 구조는 본 발명의 핵심이다.

고정자 디스크(7) 디자인의 형태는 도 1에서 볼 수 있으며, 그리고 도 2는 도 1의 A-A단면도를 도시하고 좀 더 상세하게 나타낸 것이다. 각 고정자 디스크(7)는 열전도성이 우수한 히트싱크 역할을 하는 링 모양의 케이스 클립(8)을 포함하고 있으며, 그 클립(8)의 단면 모습은 전동장치의 원통형 케이스에 견고히 결합될 수 있도록 하고 있다.

한편 통상의 구리로 만들어진 하나 또는 그 이상의 전기전도성 코일들(10)은 열전도성 전기절연체(9)를 통하여 상기 케이스 클립(8)의 내측면에 대하여 각각 평행하고 견고하게 결합된다. 상기 열전도성 전기절연체(9)의 일예로 다양한 에폭시 화합물의 기반 위에 또는 세라믹 기반위에 만들어지거나, 기타 가능한 방법으로 만들어질 수 있다.

본 발명에 의한 전기전도성 코일(10)의 독특한 디자인의 일 적용예가 도 2에 부분적으로 도시되고, 그리고 좀 더 자세히 도 3a, 도3b, 도 4에 도시되었다. 상기 도면들에서는 폴쌍의 갯수가 4개인 전동장치의 일예를 도시하고 있다.

각 전기전도성 코일(10)은 전동장치의 둘레각을 폴수로 나눈 폴분할각(2π/p, p는 전동장치의 폴쌍의 수)보다 작거나 같은 각을 가진 수개의 동일한 평판 섹션들(11-18)을 포함하고 있다. 상기 섹션들(11-18)은 각 층마다 섹션들(11-18)의 평판면에 수직한 중심축을 갖는 링을 형성하여 두개의 층에 배열되어 있다.

전동장치의 B-B면에서 보여지는 섹션(11-14)이 속한 층은 도 3a에 도시되어 있고, 전동장치의 A-A단면에서 보여지는 상기 섹션(15-18)이 속한 층은 도 3b에 도시되어 있다. 상기 섹션들(11-18)은 본 발명에 의한 전동장치의 폴분할각(2π/p, p는 전동장치의 폴쌍의 수)에 해당하는 각만큼 떨어져 각 층에 설치되어 있으며, 또한 도 3a, 3b에 도시된 바와 같이, 하나의 층의 섹션(11-14)는 다른 층의 섹션(15-18)에 대하여 폴분할각(2π/p)의 1/2인 각(π/p)만큼 차이를 두어 설치된다.

상기 각 섹션(11-18)은 감긴방향이 같은 C자형 나선코일의 나린히 위치된 외측단부 두개를 서로 직렬연결하여 연속적인 S자의 나선형으로 보이도록 만든다.

상기 섹션(11-18)은, 하나의 층에 속한 모든 섹션들(11-14)은 C자형 나선코일의 감긴 방향이 동일하고(도 3a), 다른 하나의 층에 속한 섹션들(15-18)의 C자형 나선코일(도 3b)과는 그 감긴 방향이 반대가 되도록 각층에 각각 설치되어 있다. 즉 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 상기 하나의 층에 속한 섹션(11-14)의 배열은 또 다른 하나의 층에 속한 섹션(15-18)의 배열과 거울대칭이 된다.

상기 전기전도성 코일(10)은 도 4에 도시된 바와 같이, 하나의 층을 또 다른 하나의 층에 설치함으로써 만들어진다. 아래위로 위치한 상기 섹션(11-18)의 내측단부들은 납땜 또는 용접이나 기타 다른 가능한 방법에 의해 전기적으로 연결되어 있다. 그리고 상기 섹션들(11-18)을 직렬 연결한 결과로 얻어진 폐회로가 도 5에 도시되어 있다.

전동장치의 고정자는 권선에 필요한 컨피그래이션에 의해 그 갯수가 정해지는 전동장치의 전기전도성 코일의 플러그들을 만들기 위해 상기 섹션들(11-18)의 일부는 필요한 곳에 나선의 단절점을 만들 수 있다. 예를 들어, 전동장치의 B-B단면을 보여주는 도 6에 도시된 바와 같이 섹션(11)은 케이스 클립 근처에 S형 나선의 외측랩의 단절점을 형성하고 있고, 상기 단절점의 단부들은 상기 전기전도성 코일(10)의 전기 플러그(19)가 된다.

평판 섹션들(11-18)의 형태는 도면에는 단순히 도시되어 있으며, 평판 섹션의 실제적인 형태는 전동장치의 폴분할각에 대응하여 특정한 각을 갖고 형성되며, 전동장치의 최대효과를 위해 전기전도성 코일(10)의 방사형 활성 부분들로 상기 회전자 디스크(3) 사이의 에어갭을 최대로 채우도록 결정지워진다 예를 들면, 도7a는 π/3라이안의 각을 갖는 코일섹터로 만들어진 섹션(20)을 도시하고 있다.

상기 전기전도성 코일(10)은 도7b에 도시된 바와 같이 12개의 상기 섹션(20)들로 구성되어 있고 6개의 폴쌍을 구비한 전동장치의 경우에 적용한 경우이다. 필요하다면 (예를 들면, 전동장치의 토크와 전압상수를 증가시키거나 전동장치의 권선의 에디 전류손실을 감소시키기 위해) 상기 평판 섹션(11-18)의 각각은 일예로 도 8에 도시된 바와 같이 멀티층으로 만들어 질 수 있다. 아래위로 위치한 상기 전기전도성 코일(10)안에 위치한 섹션들의 동일층(22)의 내측단부(예를 들면 상기 섹션(12)과 섹션(15), 섹션(11)과 섹션(18))은 전기적으로 연결되어 있다. 결과적으로, 코일 폐회로는 도 5에 도시된 바와 같이 되고, 코일 폐회로의 갯수는 상기 평판 섹션의 각각의 층의 수와 같다. 이들 회로들의 각기 전기 플러그(19)들은 필요한 지점에 나선의 각 층의 단절점이 형성된 섹션을 이용하여 만들 수 있다.

만일 얇은 전기전도성 코일(10)의 일부가 서로의 사이에 절연체를 넣어 전기적으로 절연되어 평행하게 상기 고정자 디스크(7)속에 위치한다면 고정자 디스크의 멀티층 권선이 제작될 수 있다. 일예로서 도 9에는 4개의 폴쌍이 구비되고, 각각으로부터 단절점(19)이 형성된 3개의 전기전도성 코일로 이루어진 상기 고정자 디스크의 권선의 등각투상도가 도시되어 있다.

명확하게 전기전도성 코일(10)은 서로의 사이에 임의의 필요한 각거리를 두고 있는 고정자 디스상에 설치될 수 있다. 그리고 전기전도성 코일(10)의 단절점(19)은 임의의 필요한 방법(직렬 혹은 병렬, 등등)으로 연결할 수 있다. 상기 평판 섹션(11-18)는 다음과 같은 구리 혹은 임의의 전기전도성 물질로 다양한 방법에 의해 제조될 수 있다.

먼저 직사각형이나 둥근단면의 와이어로 감는 섹션(11-18)의 권선방법, 전기전도성 물질의 얇은 판을 원하는 구조의 단면을 갖는 코일로 감은 다음 단면방향으로 잘라 동일한 모양을 만드는 기초적인 권선 방법, 그리고 연속된 전기전도성 물질을 전기 부식이나 레이저 기타의 기술로 잘라서 사용하는 방법, 전기전도성 분말을 압축하여 사용하는 방법, 원하는 두께를 가진 판 혹은 분리된 얇은 부분을 원하는 두께의 형태로 찍어서 만드는 방법, 상기 고정자 디스크(7)와 전기전도성 코일을 완전한 한 부분으로 만드는 것이 가능한 케스팅 방법을 제조될 수 있다.

상기 멀티 고정자 디스크의 권선을 감는 여러가지 방법을 포함하여 열전도 전기 절연체(9)에 결합된 전기전도성 코일(10)을 제조하기 위해서 PCB 혹은 DCB방법도 가능하다.

본 발명에서는 일반적인 구성 부품들인 베어링, 커버, 센서, 냉각수단 등을 포함한다(냉각 수단은 도 1에 도시되지 않았다). 본 발명의 전동장치의 조립에 있어서 상기 고정자 디스크의 설치는, 상기 회전자 디스크와 번갈아 가면서 설치된다. 그리고 다음의 고정자 디스크는 앞서 설치된 고정자 디스크와 견고하게 결합적층되고 조립된 케이스 클립은 전동장치의 원통형의 케이스 모양을 형성한다.

고정자 디스크(7)는 고정자(2) 권선의 다중위상 형성을 위해서 다른 디스크와 서로 일정한 각을 사이에 두고 평행하게 설치된다. 상기 고정자 디자인의 필요한 결합기술은 통상인 방법으로 커버를 설치한 후, 커버를 관통하는 못을 설치하여 고정자의 고정자 디스크를 조인다. 전동장치의 원리는 도 10을 참조하면 쉽게 이해되는데 영구자석을 이용한 BLDC 모터처럼 동작한다.

도 10은, 폴의 갯수가 8개인 회전자 디스크(3)의 양쪽에 영구자석(5)이 위치하고, 회전자 디스크들(3) 사이의 축방향의 에어갭에 설치된 고정자 디스크(7)에 전기전도성 코일(10)이 설치된 섹션(11-18) 전동장치의 모습을 나타내고 있다. 만일 전기전도성 코일(10)에 연결된 플러그(19)에 전원이 공급되면, 동일한 전류(25)가 직렬로 연결된 섹션(11-18)를 통해 흐르게 된다. 전류(25)의 흐름 방향은 상기 도 10에 화살표로 도시되어 있다. 마크네트(5)는 도시된 바와 같이 위치하고 있을때, 섹션(11-18)의 3개의 활성부분은 상기 마그네트의 쌍사이의 축방향의 에어갭에 위치하게 된다.

예를 들어 섹션(14,16,17)의 활성면은 도 10의 전면에 도시된 바와 같이, 마그네트의 쌍사이에 위치하고 있다 상기에 따라 전자기력의 방향은 쉽게 결정되고, 상기 활성면의 각각은 마그네트(5)의 쌍과 상호작용하여 마그네트(5)에 대해 왼쪽으로 향한 토크(26)를 발생시킨다.

명확하게 상기 다른 각 마그네트쌍 사이에 위치한 섹션(11-18)의 활성면은 도면에 도시한 바와 같이 각 마그네트쌍의 근처에 화살표로 표시된 방향과 동일하게 토크(26)를 발생시킨다. 그리고 마그네트(5)의 위치는 상기 전기전도성 코일의 섹션(11-18)에 대해 최대 토크 발생하는 곳에 상대적으로 정해진다. 전기전도성 코일(10)에 의해 발생되는 토크는, 상기 회전자(1)의 각 위치에 따라 상기 고정자에 대해 상대적으로 2π/p 라디안의 주기를 갖는다. 그러므로 전기전도성 코일(10)은 섹션(11-18)이 직렬로 연결되어 동작하고 또한 BLDC모터(혹은 영구자석 동기장치)의 하나의 권선위상으로 동작한다.

본 발명에 의한 전동장치에서 일반적인 브러쉬리스 전동장치와 같은 유사상수 토크를 형성하기 위해서는, 상기 고정자(2)의 권선은 멀티위상으로 만들어져야 한다. 상기에 따라 전동장치를 조립할 때 상기 다른 고정자 디스크(7)와 π/m라디안의 차이각을 두고 전기전도성 코일(10)을 설치하는 것은 상기와 같은 목적을 이루는데 충분하다(m은 필요한 권선의 위상수). 즉, 상기 각도 차이를 가지고 각 고정자 디스크(7)에 소정의 전기전도성 코일(10)을 설치하는 것이다.

전동장치의 실시예는 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 디스크(7)에 어떤 페라마그네틱 소자를 포함하지 않는다. 그러므로 회전 속도에 비례하는 주파수를 갖는 회전자의 영구자석의 자장으로 인한 고정자코어의 자화 현상에 의해 통상의 전동장치에서 발생하는 에디 전류손실과 히스테리시스 손실을 갖지 않는다. 그러나, 이 자장은 직접 각 전기전도성 코일(10)을 통과한다. 그러므로 에디전류손실은 회전자(2)의 고속회전시 전기전도성 코일(10)에서 증가될 수 있다.

상기 에디전류손실을 줄이기 위해 알려진 수단은, 예를 들면 철로 만든 코어를 주 자장의 방향에 직각인 방향으로 얇은 철판을 적층하여 만든 구조를 사용하여 만드는 것이다. 유사하게 얇은 방사 방향의 전기전도성 테이프로 만든 상기 섹션(11-18)의 각각을 제작하는 것은, 영구자석(5)의 축방향에 대한 성분(유도성분이라고 부름)으로 말미암아 발생하는 에디전류손실을 현격하게 줄여준다. 그러나 영구자석(5)의 자계는 회전자 디스크(3)사이의 에어갭에 축방향의 자계성분을 제외하고 접선방향의 자계성분을 가지고 있다. 질적으로 영구자석(5)의 자계는 상기 도 10을 해석함으로써 쉽게 형상화 된다.

상기에 따라 대칭성 때문에 접선방향의 성분은 축방향의 에어갭의 평균위치에서만 0이 됨을 알 수 있으며, 이 지점을 사이에 두고 양쪽에서는 증가한다. 또한 영구자석(5)의 접선방향의 자계 성분은 방사 방향의 전기전도성 코일(10)을 통하여 지나가므로 부가적인 에디전류손실을 초래한다. 그러므로 고속회전에서는 회전자 디스크(3)에 영구자석(5)이 구비된 본 발명을 사용하기 위해, 예를 들어 폴쌍의 갯수가 4개인 도 11에 도시된 바와 같은 전기전도성 코일을 만드는 것이 편리하다.

동일한 섹션(11-14)은 상기한 바와 같이 동일한 층에서 만들어지고, 배치되며, 상기 도 4에 도시된 두번째 층 섹션(15-18)를 대신하여 크기와 형상이 동일하나, 축방향으로 두께가 반인 동일한 섹션(27)이 사용된다. 상기 섹션(27)은 2개의 층에 걸쳐서 배열되어 있고, 각 층의 위치는 상기 도 4에 도시된 전기전도성 코일(10)의 디자인 방법에서 섹션(15-18)의 위치에 동일하게 위치한다. 섹션(27)의 층은 도 11에 도시된 바와 같이, 양측으로 부터 섹션(11-14)의 층을 덮는다.

또한 상기 섹션(11-14)과 섹션(27)의 내측단부는 전기적으로 연결되어 있다.그러므로 상기 2개의 섹션의 평행연결은 상기 섹션(15-18)의 각각을 대신하여 본 디자인에 사용된다. 상기 영구자석(5)의 자장의 수평성분에 의한 에디전류 손실은 상기 2겹 층 디자인과 비교하여 전기전도성 코일(10)의 3겹 층 디자인에서 감소된다. 그 이유는 섹션(11-14)의 층이 자장의 수평성분이 0이 되는 축방향의 에어갭의 중간에 위치하기 때문이다. 두겹의 섹션(27) 층에서의 에디전류 손실은 상기 섹션(15-18)의 한겹 층에서보다 두겹 층에서의 전체 에디전류 손실이 작다. 왜냐하면 손실은 섹션의 두께의 제곱에 비례하기 때문이다. 상기 전기전도성 코일(10)의 3겹 층 디자인은 단지 예일 뿐이다. 상세하게는 섹션(27)의 평행연결의 매수와 교차수는 필요하면 어떠한 값이라도 가능하다.

상기 도 1에 도시된 본 발명에 의한 전동장치 실시예는, 회전 디스크(3)에 SmCo,NeFeB등 하이 레이 레지듀얼 인덕션을 가진 높은 항자력의 영구자석(5)을 사용하는데 적합하다. 만일 저 레지듀얼(RESIDUAL) 인덕션을 가진 저가의 자석을 사용한다면 전기전도성 코일(10)의 섹션(11-18)내부의 자속의 밀도를 높이기 위해서 페로마그네틱 코어를 사용한다. 예를 들면 에디전류 손실이나 히스테리시스 손실을 줄이기 위해서 소프트 마그네트 분발이나 혹은 얇은 테이프의 권선이나 페라이트 물질 등으로 코어를 만들 수 있다.

도 12a는 본 발명에 의한 폴쌍이 8짜리 전동장치에서 코어를 조립하는데 있어서 2겹의 층으로 된 전기전도성 코일(10)과 코어(28)을 도시하고 있다. 상기 코어(28)와 상기 전기전도성 코일(10)의 형상은 도 12a에서는 단지 예일 뿐이다. 페로마그네틱 삽입으로 디자인된 코어의 다른 예는 도 12b에 도시되어 있다.

상기 소프트 마그네틱판(9)을 포함하는 회전 디스크(3)는 상기 도 1에 도시된 바와 같이 전동장치의 실시예에서 외측에 위치 하고 있다. 그러나 상기 고정자 디스크(7)와 상기 회전자(3)의 다양한 교환은고정자가 외측에 위치하고 있기 때문에 허용된다. 이러한 경우 전동장치 자속이 폐경로를 구성하게 하기 위하여 사용된 페로마그네틱 링(30)은 상기 회전자 디스크에 상기 판(9)을 설치하는 대신에 고정자 디스크에 설치할 필요가 있다. 그 일예가 도 12c에 도시된 바와 같이, 만일 필요하다면 코어(31)는 도12c 처럼 고정자 디스크에 설치될 수 있다.

본 발명에 의한 전동장치는 상기 도 1에 도시된 실시예와 같이 상기 회전자 디스크(3)에 영구자석(5)을 사용할 수 있다. 자석과 유사한 폴이 형성된 페로마그네틱 물체를 상기 영구자석대신에 회전자 디스크(3)에 설치한다면 각 고정자 디스크(7)의 전기전도성 코일(10)의 자기 또는 상호 인덕턴스는, 상기 고정자에 대한 상대적인 회전자(1)의 각 위치에 따라 변화된다. 그러므로 전기장에 기인하는 토크의 변동은 전기전도성 코일(10)에 전류가 흐를 때 발생하고, 그 크기는 전류의 제곱에 비례한다. 즉 본 발명에 의한 전동장치는 동기 리액티브 모터라고 불리는 스위칭 릴럭턴스 모터로 작동한다.

만일 전기전도성 물체, 예를 들어 폐회로를 구성한 권선 등이 회전자 디스크(3)에 설치되면 고정자 디스크(7)의 전기전도성 코일(10)에 흐르는 전류는 회전자 디스크(3) 권선에 유도 EMF와 전류를 발생시키므로 전동장치는 유도(비동기) 전동장치로 동작한다.

상기 경우 수자가 m으로 표기되는 동일한 섹터요소를 포함하는 각 고정자 디스크(7)는 2개 혹은 그 이상으로 확대될 수 있고, 어떤 경우라도 전동장치의 폴쌍의 수는 m의 정수배가 되어야 한다. 그렇지 않으면 상기 고정자 디스크(7)의 전기전도성 코일(10)의 섹션의 정수갯수는 각 섹터요소에 있게 되고 모든 섹터요소들의 디자인들은 동일해지게 된다.예를 들면 상기 섹터요소(32)는 도 13에 도시된 바와 같이 각 고정자 디스크가 2개 일때 케이스를 구성한다. 열전도성 전기절연체는 도 13에는 나타나 있지 않다.

만일 상기 전기전도성 코일의 한 층의 단면 C-C로 도 4의 섹터의 고정자 디스크(7)를 잘라서 보면 섹터는 쉽게 이해된다. 예를 들어 섹션(18)과 섹션(17)의 쌍과 섹션(15)와 섹션(16)의 쌍과 같다. 상기 만들어진 2개의 고정자 디스크(7)는 도 13의 섹션의 섹터요소(32)처럼 동일하게 된다.

전기전도성 코일의 2번째 층의 두 섹션 11과 13은 도 4에 도시된 바와 같이 C-C로 반씩 잘라진다. 그러므로 상기 섹터요소(32)의 상기 전기전도성 코일섹터는 도 13에 도시된 바와 같이 상기 완전섹션, 예를 들면 여기서는 섹션(12, 15 내지 18)을 제외한 완전한 섹션을 자른 C형의 모양의 분할섹션(33)들로 이루어진다.

상기 섹터요소(32)의 클립(34) 디자인은 도 4의 C-C단면으로 제한되어 클립(8)의 모양으로 반복한다. 그리고 섹터요소(32)의 상기 전기전도성 코일 섹터는 고정자 디스크에서 처럼 전도성 전기절연체를 통하여 클립(34)에 기계적으로 연결되어 있다. 섹터요소(32)의 상기 전기전도성 코일 섹터들(12, 15, 18)과 두개의 반섹터(33)는 전기적으로 직렬로 고정자 디스크의 전기전도성 코일로 만들어지듯이 연결되어 있다. 그리고 분할섹션(33)의 외측단부는 섹터요소(32)의 전기전도성 코일의 전기적 플러그(19)가 된다. 명백하게 고정자 디스크의 많은 수의 섹터가 필요할 때 각 섹터요소는 2π/m의 각을 가진 빈 원통형의 섹터로 만들어 진다.

따라서 전동장치 조립 후에 상기 섹터요소(32)는 상기 고정자 디스크(7)과 유사하게 만들어진다. 상기 섹터요소(32)의 전기전도성 코일 섹터는, 하나의 고정자 디스크를 형성하고 직렬로 연결된다. 그러므로 고정자(2)의 섹터형 디자인을 갖는 전동장치의 작동은, 상기 최초의 고정자(2) 디자인의 디스크와 다르지 않다.

멀티 디스크 고정자(2)의 섹터형 디자인을 갖는 전동장치의 조립에 있어서 임의의 하나의 고정자 디스크를 형성하는 섹터요소(32)는, 다른 디스크를 형성하는 섹터요소(32)와 상대적으로 어떠한 값의 각 변위에서도 설치 될 수 있다. 예를 들면 폴쌍수가 4개이고, 2위상의 권선 고정자를 구비한 전동장치조립을 보여주는 상기 섹터요소(32)의 위치가 잘 도시되어 있다. 도시된 바와 같이 상층 디스크의 섹터요소(32)는 하층 디스크의 섹터요소(32)와 2/p라디안의 각차이를 가지고 있다.

도 15는 4개의 고정자 디스크를 갖는 전동장치의 조립후 섹터32의 위치를 나타낸다. 상기 멀티 디스크 고정자의 섹터형 디자인은 본 발명에 의한 상기 전기전도성 코일 뿐만 아니라, 상기 섹터요소(32)와 유사하게 고정자 디스크의 분할디자인이 허용되는 다른 전동장치에도 사용할 수 있다.

도 16은 일예로 공통 클립(35)으로 미리 조립된 섹터요소를 도시하고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 축방향의 공극을 가진 다중 디스크 전동장치의 제조공정을 전자동화 할 수 있게 되고, 축방향의 공극을 가진 멀티디스크 전기 기계가 여러 분야에 응용되는데 커다란 잇점을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 각각에 자성체를 구비한 다수개의 디스크를 서로간에 축방향의 공극을 두어 평행하게 회전축에 설치한 멀티 디스크 회전자와;

   전기전도성 코일로 이루어진 S형 평판섹션과 C형 평판분할섹션을 이용하여 상하층이 폴분할각의 1/2각변위 차이를 가지고 적층되어 원 또는 원호를 이루도록 배치되고, 상하 적층된 내측단부를 서로 연결함과 아울러 코일의 외측단자를 인출하여 플러그를 형성하여 1개의 고정자 디스크를 구성하고 이를 상기 회전자 디스크와 교차로 적층시켜 조립하는 다수의 디스크로 이루어진 고정자와;

   각각이 상기 고정자의 적층된 각 디스크의 테두리를 이루고, 적층조립하여 클립고정시켜 외형을 형성하는 링형의 케이스 클립과;

   상기 케이스 클립과 조립되어 전후에서 회전자를 유동적으로 지지해주는 카바로 구성된 것을 특징으로 하는 멀티디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치.

   단, 전동장치의 폴분할각은 2π/p, p는 상기 전동장치의 폴쌍의 수.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 두개의 층으로 적층된 두개의 전기전도성 코일층에 부가하여 상기 전기전도성 코일층보다 얇은 두께의 전기전도성 코일들로 이루어진 부가 전기전도성 코일층을 최소한 하나이상 부가하고, 상하로 인접하는 전기전도성 코일들의 내측단부를 전기적으로 연결하여 각층을 서로 전기적으로 연결한 것을 특징으로 하는 멀디디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 섹터요소는 빈 원통형의 2π/m라디안 각을 갖는 링형의 케이스 클립으로 섹터요소의 테두리를 형성하고, 폴쌍수만큼의 평판섹션과 평판분할섹션을 상기 케이스 클립의 각 크기 만한 각을 갖는 원호를 형성하게 배치하여 상기 링형의 케이스 클립의 내측면에 다층으로 적층하고, 열전도 전기절연체에 의해 전기적으로 분리하여 상기 케이스 클립에 서로 평행하게 설치고정하며, 상기 케이스 클립의 내측부 근처의 S형평판섹션의 외측단부를 절단하여 섹터요소의 전기플러그로 인출하는 것을 특징으로 하는 멀티디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치.

   (단, m은 상기 섹터요소의 갯수로 전동장치의 폴쌍의 갯수는 상기 섹터요소의 정수배가 된다)
4. 제 3항에 있어서,

   상기 섹터요소는 소정갯수의 평판섹션과 두개의 평판분할섹션을 포함하고, 상기 평판 분할섹션의 외측단부를 전기플러그로 인출하는 것을 특징으로 하는 멀디디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 평판섹션과 평판분할섹션은 내부에 하나 이상의 페로마그네틱 코어를 설치하고, 고정자 디스크에 적어도 하나이상의 페로마그네틱 코일이나 코일섹터가 코엑셔블리하게 설치되는 것을 특징으로 하는 멀디디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치.
6. 멀티 디스크 회전자를 고정자와 별도로 분리하여 조립 구성하고,

   전기전도성 코일로 이루어진 S형 평판섹션과 C형 평판분할섹션을 이용하여 상하층이 폴분할각의 1/2각변위 차이를 가지고 적층되어 원 또는 원호를 이루도록 배치하고, 상하 적층된 내측단부를 서로 연결함과 아울러 코일의 외측단자를 인출하여 플러그를 형성하고, 외부 테두리를 이루는 케이스 클립에 조립하여 하나의 고정자 디스크를 구성하며, 동일하게 다수개의 고정자 디스크를 구성하고,

   상기 고정자 디스크를 상기 회전자 디스크 사이에 위치되게 차례로 배열하되, 상기 고정자 디스크 각각을 서로 소정의 각변위차를 이루도록 설치하며,

   상기 각 고정자 디스크를 적층된 상태로 케이스 클립으로 직접 조립구성하고,

   상기 케이스 클립과 조립되어 전후에서 회전자를 유동적으로 지지해주는 카바를 조립하여 전동장치를 자동 조립하는 것을 특징으로하는 멀티디스크 고정자를 구비한 축방향의 공극을 가진 전동장치의 조립방법.

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