KR100358641B1 - 전기기계용고정자및그래미네이션 - Google Patents

Abstract

특히 스위치된 자기저항 기계와 같은 전기기계용 고정자는 비원형의, 예를 들면, 정방형의 외부 프로필과, 외부링의 진동 안티노드와 일치하는 극을 회피하기 위하여 링의 원심방향으로 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 중간 각도에 배열되는 한 세트의 등각 간격의 고정자극을 갖는다. 소정의 실시예에서, 상기 외부 프로필은 정방형이며, 상기 고정자극은 한 쌍의 대향면에 직각으로 상기 정방형의 중심을 통과하는 대칭선으로부터 각도를 이루어 빗겨진다.

Description

전기 기계용 고정자 및 그 래미네이션(Lamination)

이 발명은 회전하는 전기 기계용 고정자에 관한 것이다. 이 발명은 특히, 한정적이지는 않으나 스위치된 자기저항(Switched Reluctance:SR) 기계에 적용가능한 것이다.

회전하는 전기 기계는 발전기 또는 모터로서 가동되도록 배열될 수 있다. 다양한 유형의 이러한 기계는 주로 전기적인 박강판으로 이루어진 고정자 래미네이션을 갖는데, 이 고정자 래미네이션은 제조 및/또는 조립을 돕도록 포함되는 키홈 또는 개폐기를 제외하고는 본래 원형인 (또한, 고정자의 축에 수직인 외부 프필을 구성하는) 외부 래미네이션 프로필을 갖는다. 원심방향의 내부 프로필은 고정자 내부에서 회전하는 로터와 상호작용하는 고정자 톱니부를 규정한다. 이들 원형의 래미네이션은 축방향으로 연장되는 고정자를 형성하기 위하여 함께 적층되어 프레임내에 설치된다.

래미네이션은 또한 일반적으로 직사각형의 외부 프로필을 갖는 것으로 공지되어 있다. 이들은 소위 "프레임이 없는(Frameless)" 구조에 종종 이용되며, 이러한 구조내에서 고정자의 후방 아이언의 비교적 두꺼운 모퉁이 부분은 볼트, 또는 기타의 클램핑 배열을 갖도록 이용되어 상기 래미네이션을 함께 지지한다.

스위치된 자기저항 기계와 같이 일부 유형의 전기 기계에서는 비교적 적은 수의 톱니부가 이용되며 이를 보통 고정자극이라 한다. 통상 각각의 고정자극은 기계의 위상을 형성하기 위하여 일군 또는 다수의 군으로 연결되는 수 중의 하나인 코일의 영향을 받는다. 한 위상을 이루는 일군내에서 극의 수 및 코일수의 선택은 기계 고안의 변수 중 두가지가 된다. 예를 들면, 4-고정자극으로 된 SR 기계는 제 1 도에 도시된 바와 같이 2개의 코일 각각에 2개의 위상을 형성하도록 연결될 수 있으며, 12-고전자극의 SR 기계는 제 2 도에 도시된 바와 같이 4개의 코일 각각에 3개의 위상을 형성하도록 연결될 수 있다.

몸체는 충격이나 주기적인 힘을 가함으로써 기계적 공진상태로 여기되도록할 수 있다. 공진 진동의 진폭은 상기 구조의 재료 및 비율뿐만 아니라 여기력의 진동수 및 진폭. 및 여기력이 가해지는 위치에 의존한다.

기하학적으로 규칙적인 형태를 갖는 몸체는 일반적으로 공진에서 존재하는 진동의 진동수 범위로 잘 규정된 공진 패턴을 갖게 된다. 특정 진동수에서의 진동이 제로 진폭을 일으키는 몸체상의 지점을 노드라 한다. 진폭이 최대인 지점은 안티 -노드(Anti-Node)이다.

음향의 잡음을 감소시키기 위한 종래의 기술 분야에 있어서는, 공진의 효과를 최소화하기 위하여 몸체를 불규칙적인 형태로 만드는 것이 공지되어 있으나, 전기 기계의 공통적인 형태의 래미네이션에 대하여는 거의 없거나 전히 없다.

SR 모터의 위상 권선이 여기될 때, 전압이 인가된 고정자극을 기계의 중심쪽으로 끌어당기도록 작용하는 힘이 발생된다(원하는 토크-발생력에 추가하여). 이는 상기 고정자극의 끝단면이 놓이는 가상의 원을 뒤틀리게 하는 효과를 갖는다. 그러므로, 상기 위상에 계속해서 전압을 인가하면 (어떠한 순서이든 특정 모드의 작동에 바람직함) 래미네이션의 구조에 주기적인 원심방향의 힘을 부여한다. 이는 주기적으로 래미네이션을 뒤틀리게 하는 효과를 가지며. 이로 인하여 생기는 진동이 음향 잡음을 발생시킨다.

본 발명의 목적은 음향 잡음을 일으키는 진동이 감소되는, 고정자 프로필 및 일정형태의 고정자 래미네이션을 제공하는 것이다.

이 발명에 의하면, 외부 링을 규정하는 몸체와, 상기 링으로부터 원심방향으로 안쪽으로 돌출되어 있으며 부분적으로 회전축 주위에 로터 공간을 규정하는 다수의 고정자극으로 이루어지고, 상기 링은 회전축에 대하여 수직인 비원형의 외부 프로필을 가지며, 적어도 일부의 상기 극은 상기 축에 대하여 상기 링의 원심방항으로 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 중간각도에서 각지게 배열되어, 상기 고정자링의 진동 안티노드와 일치하는 극을 회피하도록 하는 회선가능한 전기기계용 고정자가 제공된다.

진동의 노드는 링의 비교적 가장 두꺼운 부분을 향하여 있지만, 반면에 가장 큰 진폭 및 진동수 범위의 진동이 발생되는 안티노드는 상기 링의 비교적 가장 얇은 부분 근방에 존재하게 된다. 상기 극을 상기 안티노드로부터 멀리 떨어져서 중심을 이루도록 위치시킴으로써, 음향 잡음을 발생시키는 경향이 있는 힘은 감소하는 효과가 있다.

바람직하기로는, 외부 프로필은 상기 축을 관통하는 대칭선을 가지며. 고정자극 중의 하나는 상기 대칭선으로부터 중심각도로 치우치게 된다. 이러한 치우침은 고정자극 피치 각도의 1/4정도가 바람직하다. 바람직하기로는, 상기 고정자극이 빗겨지는 상기의 대칭선은 상기 축에 대하여 상기 링의 원심방향의 가장 얇은 부분과 일치한다.

이 발명은 4각형의 프로필 및 4 또는 8개의 극과 같은 단순한 형태에 특히 적용가능하지만, 기타 임의의 수의 고정자극 및 위상에도 적절하다. 예를 들면, 외부 프로필은 4각형 또는 6각형으로 될 수 있다. 6각형의 위부 프로필은 3-위상, 6-극의 기계에 이용될 수 있으며, 반면에 4각형의 프로필은 2-위상, 4-극의 기계에 이용될 수 있다. 일반적으로, 정규형태의 짝수개 4n면체(n은 정수)는 n-위상 도는2n-극의 기계에 편리하게 이용될 수 있다. 그러나. 다각형의 외부 프로필이 더 많은 면으로 될수록, 그 형태는 원에 더 많이 가까워진다. 이 발명에서는 면이 반드시 등간격으로 배열될 필요는 없다.

상기 고정자는 극에 전압을 가하기 위하여 배열되는 극과 연결된 권선을 갖는 스위치된 자기저항 기계에 이용될 수 있다. 고정자 권선은 반대 극성의 고정자극이 상기 링의 원심방향으로 가장 얇은 부분의 대향면들상에 배치되도록 배열될 수 있다. 이는 4 또는 8개의 고정자극 기계에서 유익하다. 특히. 이는 2-위상 기계에 실현되는 것이 유익하다.

바람직하기로는, 상기 고정자가 다수의 래미네이션으로 이루어지는 것이다.

이 발명은 상술한 바와 같이 외부 프로필을 제공하고 고정자극을 규정하는 래미네이션에까지도 확장된다.

또한, 이 발명은, 예를 들면, 스위치된 자기저항 기계와 같이 상술한 바와 같은 고정자를 갖는 전기기계에도 적용가능하다.

적어도 하나의 고정자극을 빗겨지게 하는 하나의 목적은 상기 링 및 고정 자극이 각각의 대칭을 불규칙적으로 만들어 공진에서의 진동의 진폭을 감소시키는 것이다.

이 발명은 첨부된 도면을 참조하여 예로써 설명된 다양한 방식으로 실용화될 수 있다.

제 3 도에 의하면, 발전기 또는 모터로서 가동되도록 배열될 수 있는 스위치된 자기저항 기계는 고정자(10) 및 로터(12)로 구성된다. 상기 고정자(10)는 다수의 전기 박강판의 래미네이션으로 형성된다. 상기 로터(12)의 회전축에 수직인 평면에 있는, 상기 고정자의 횡단 프로필은 후방 아이언의 원심방향 외측링으로부터 내측의 원심방향으로 돌출된 4개의 등각 간격의 고정자극들(14)로 이루어진다. 상기 고정자의 외부 프로필은 정방형으로, 그 중심은 고정자극(14)의 원심방향의 내부 끝단면(18)이 배열되어 있는 가상의 원의 축(17)과 일치한다. 상기 고정자극(14)의 루트는, 상기 로터의 회전축과 일치하는 중심을 갖는 원(20)을 규정하는 후방 아이언(16)의 링 섹션들로 결합된다.

상기 로터는 2개의 등각 간격의 로터극들(22)을 규정하며, 이 로터극들 (22)은 고정자극의 끝단면(18)의 축(17) 주위로 회전한다. 직사각형의 외형을 가지는, 후방 아이언(16)의 링은 고정자극(14)이 돌출되어 있는 원(20)에 대하여 상대적으로 더 두껍고 더 얇은 부분들을 갖는다. 상기 고정자의 외부 프로필에 대하여 상기 극들이 대칭적으로 배열될 때(제 1 도에 도시), 상기 고정자극에 가해지는 타원형 힘의 위치는 이 구조가 상기 타원형 힘에 대응하여 진동되는 경우 안티노드가 발생되는 위치와 일치한다. 종래 기술의 배열에서, 이 구조는 비교적 적은 타원형 힘이 존재할 때 진폭이 괄목할만한 조건을 형성하게 되는 실질적공진을 비교적 쉽게 성취한다.

제 3 도에서, 각각의 고정간극(14)의 축은 대칭되는 위치로부터 상기 극의 피치θ의 1/4만큼씩 전위된다. 그러므로, 여기력의 위치는 상기 고정자 프로필에 비대칭이며, 즉, 상기 고정자극의 각도는 상기 고정자의 후방 아이언의 원심방향 넓이 중 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 중점으로 전위되며, 모든 낮은 차수의 조파의 안티노드들은 회피된다. 따라서, 실질적으로 변함이 없는 여기력의 크기를 위해서, 발생되는 잡음의 양을 제한하는 공진에서의 진폭이 감소된다.

상기 고정자의 외부 프로필이 거의 정방형이면 본 발명은 임의의 수의 위상에 대하여도 이용가능하며, 각각의 위상의 수는 고정자극에 대하여 상기 후방 아이언의 인접한 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분 사이에 최적의 각도 위치를 갖는다.

제 4 도는 정방형의 외부 프로필을 갖는 8-극 기계 고정자(24)를 도시한다. 고정자극(26)은 중심(17)을 통과하는 대칭선에 해당하는 후방 아이언의 가장 얇은 부분으로부터θ/4 각도 만큼 빗겨진다.

마찬가지로, 위상의 수가 2보다 크며 외부 프로필이 4면보다 많은 경우, 이 발명은 각각의 고정자극을 상기 후방 아이언의 가장 얇은 부분으로부터θ/4 위치에 위치시킴으로써 사용될 수 있다. 예를 들면, 육각으로 프로필된 고정자를 갖는 3-위상 기계에서 각 고정자극은 상기 후방 아이언의 비교적 얇은 부분과 비교적 두꺼운 부분들의 사이에, 즉θ/4만큼 전위된 위치에 배열된다.

이 발명의 또 다른 장점은 일정한 극과 위상의 수의 조합이 일정한 외부 프로필과 함께 이용될 때, 예를 들면, 4 또는 8 극과 실질적으로 4각의 외부 프로필이 2-위상 기계에 이용될 때에 생긴다. 제 3 도 및 제 4 도에서, 상기 고정자의 후방 아이언의 섹션은 다른 부분들보다 더 좁다. 기계의 한 위상이 여기되면, 다른 섹션에서보다 후방 아이언의 섹션에서 프럭스 밀도가 더 증가된다. 이는 통상 고안의 제한 요소로서 고려될 수 있다. 그러나, 이러한 단점은 특정한 극성의 공급원에위상 권선을 연결시킴으로써 감소될 수 있다.

제 3 도의 고정자극(14A) 주변의 코일(도시되지 않음)은 상기 공급원에 연결되어, 'N'극을 생성하고, 고정자극(14B) 주변의 코일은 "S"극을 생성한다. 그리하여 고정자극(14C, 14D)의 연결에 있어서 선택을 할 수 있다. 한쪽의 고정 자극(14C)이 "N"극을 생성하도록 연결되고 고정자극(14D)이 "S"극이 되어, 아이언 후방의 좁은 부분의 마주보는 양편에 같은 극성이 놓여지도록 할 수 있다. 또는 고장자극(14C)이 "S"극을 생성하기 위하여 연결되고 고정자극(14D)이 "N"극이 되어, 반대 극성이 상기 좁은 섹션의 대향편에 놓여지도록할 수 있다. 기계가 후자와 같이 연결되어 양쪽 위상에 동시에 존재하는 프럭스를 포함하는 여기 패턴으로 작동되면, 프럭스의 파형은 상기 좁은 섹션에서 더 낮은 프럭스 밀도를 가지며 발생된다. 이는 전자의 방식으로 기계가 연결되는 경우에서보다 낮은 여기 상태 요건 및 낮은 철손을 유도한다.

이 발명의 다양한 실시예는 예로서 설명되었다. 당업자는 이 발명으로부터 벗어나지 않는 한 다양한 변형을 가할 수 있다. 따라서. 이상에서의 여러 실시예에 대한 설명은 예로써 이루어진 것으로 이 발명을 한정하지는 않는다. 이 발명은 이하의 청구의 범위의 요지 및 범위에 의해서만 한정된다.

제 1 도는 종래의 2-위상 스위치된 자기저항 기계용 고정자의 횡단면도;

제 2 도는 1 위상 권선만을 도시한 종래의 3-위상 스위치된 자기저항 기계용 고정자의 횡단면도;

제 3 도는 이 발명에 의한 스위치된 자기저항 기계의 횡단면도; 및

제 4 도는 이 발명에 의한 고정자의 다른 실시예의 횡단면도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10: 고정자 12: 로터

14: 고정자극(Stator Pole) 16: 후방 아이언(Back Iron)

17: 축 20: 원

Claims (16)

1. 외부 링을 규정하는 몸체(16)와, 상기 링으로부터 원심을 향해 안쪽으로 돌출되고 회전축 주위로 로터 공간을 부분적으로 규정하는 다수의 고정자 극(14)으로 이루어지는 회전가능한 전기기계용 고정자로서, 상기 링은 상기 축에 대하여 수직인 비원형의 외부 프로필을 가지며, 이 외부 프로필은 상기 축을 통과하는 하나 이상의 대칭선을 가지며, 각각의 극은 상기 링의 원심방향으로 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 중간 각도에 위치하며, 상기 프로필의 대칭선 또는 각 대칭선으로부터 각도적으로 오프셋(θ/4)된 중심선을 포함하여, 상기 몸체가 대칭선을 갖지 않도록 함으로써, 극 중심선이 상기 고정자 링의 진동 안티노드와 각도적으로 일치하지 않도록 되는, 회전가능한 전기기계용 고정자.
2. 제 1항에 있어서, 상기 고정자 극은 극의 각도 피치(θ)를 규정하며, 대칭선에 인접한 각 고정자 극의 중심선의 상기 오프셋은 상기 극 피치의 4분의 1(θ/4)이 됨을 특징으로 하는, 회전가능한 전기기계용 고정자.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 각각의 극 중심선이 오프셋된 상기 대칭선은 상기 축에 대하여 상기 링의 원심방향으로 가장 얇은 부분과 일치함을 특징으로 하는, 회전가능한 전기기계용 고정자.
4. 제 1항에 있어서, 상기 외부 프로필은 정방형인 회전가능한 전기기계용 고정자.
5. 제 4항에 있어서, 4개의 극을 포함하는 회전가능한 전기기계용 고정자.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 외부 프로필은 6각형인 회전가능한 전기기계용 고정자.
7. 제 6항에 있어서, 6개의 극을 포함하는 회전가능한 전기기계용 고정자.
8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 외부 프로필은 극과 동일한 수의 면을 갖는 것을 특징으로 하는, 회전가능한 전기기계용 고정자.
9. 로터와 고정자로 구성되는 전기기계로서, 상기 고정자는 외부 링을 규정하는 몸체(16)와, 상기 링으로부터 원심을 향해 안쪽으로 돌출되고 회전축 주위로 로터 공간을 부분적으로 규정하는 다수의 고정자 극(14)으로 이루어지고, 상기 링은 상기 축에 대하여 수직인 비원형의 외부 프로필을 가지며, 이 외부 프로필은 상기 축을 통과하는 하나 이상의 대칭선을 가지며, 각각의 극은 상기 링의 원심방향으로 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 중간 각도에 위치하며, 상기 프로필의 대칭선 또는 각 대칭선으로부터 각도적으로 오프셋(θ/4)된 중심선을 포함하여, 상기몸체가 대칭선을 갖지 않도록 함으로써, 극 중심선이 상기 고정자 링의 진동 안티노드와 각도적으로 일치하지 않도록 되는, 전기기계.
10. 제 9항에 있어서, n개의 위상을 규정하는 위상 권선을 포함하며, 상기 외부 프로필은 2n 개의 면을 가지고, 상기 고정자는 2n 개의 극(n은 정수)을 갖는 것을 특징으로 하는 전기기계.
11. 제 9항 또는 제 10항에 있어서, 고정자 권선을 포함하며 자기저항 기계와 같이 작동되도록 구성되고 배열된 것을 특징으로 하는 전기기계.
12. 제 11항에 있어서, 대향하는 다수의 고정자 극이 상기 링의 가장 얇은 부분의 대향면에 배치되는 것을 특징으로 하는 전기기계.
13. 외부 링을 규정하는 강자성체(16)와, 상기 링으로부터 원심을 향해 안쪽으로 돌출되고 축 주위로 로터공간을 부분적으로 규정하는 다수개의 고정자극 프로필(14)로 구성되는, 회전가능한 전기기계용 고정자(10)용 래미네이션으로서, 상기 링은 상기 축에 수직인 비원형의 외부 프로필을 가지며, 상기 프로필은 상기 축을 통과하는 하나 이상의 대칭선을 가지며, 각각의 극 프로필은 상기 링의 원심방향으로 가장 두꺼운 부분과 가장 얇은 부분의 중간각도에 위치하며, 상기 극 프로필의 대칭선이나 각 대칭선으로부터 각도적으로 오프셋(θ/4)된 중심선을 포함하여, 상기 강자성체가 대칭선을 갖지 않게 됨으로써, 극 프로필 중심선이 상기 고정자 링의 진동 안티노드와 각도적으로 일치하지 않도록 되는, 회전가능한 전기기계용 고정자용 래미네이션.
14. 제 13항에 있어서, 상기 고정자 극 프로필은 극의 각 피치(θ)를 규정하며, 대칭선에 인접한 각각의 고정자 극 프로필의 중심선의 상기 오프셋은 상기 극 피치의 약 4분의 1(θ/4)이 됨을 특징으로 하는, 회전가능한 전기기계용 고정자용 래미네이션.
15. 제 14항에 있어서, 각 극 프로필의 중심선이 오프셋된 대칭선은 상기 축에 대하여 상기 링의 원심방향으로 가장 얇은 부분과 일치함을 특징으로 하는, 회전가능한 전기기계용 고전자용 래미네이션.
16. 제 13항 내지 제 17항 중 어느 한 항에 있어서, n개의 극 프로필을 규정하고, 상기 외부 프로필은 n 개의 면(n은 정수)을 갖는 것을 특징으로 하는, 회전가능한 전기기계용 고정자용 래미네이션.