KR100500860B1 - 개선된 고속 회전자샤프트 - Google Patents

Abstract

본 발명의 회전자, 특히 고속 전동기용 회전자(10)는 슬리브(14) 내에 희토류 자석코어(12)를 가지고 회전자샤프트를 형성한다. 상기 코어(12)는 용접, 접착 또는 열수축에 의하여 슬리브에 고정된 대향하는 말단부(16, 18) 사이에 축방향으로 압축된다. 반경방향 압축력 또한 코어(12)에 인가될 수 있다. 회전자(10)를 조립하는 방법은 코어를 말단부(16, 18) 사이에 축방향으로 압축하는 단계 및 슬리브(14)를 말단부(16, 18)에 고정시키는 한편, 코어가 프리-스트레싱되는 단계를 포함한다.

Description

개선된 고속 회전자샤프트 {IMPROVEMENTS IN HIGH SPEED ROTOR SHAFTS}

본 발명은 개선된 고속 회전자샤프트, 특히 고속 전동기의 회전자샤프트에 관한 것이다.

본 발명은 가스, 공기 또는 냉매 압축기용 전동기에 응용되는 회전자샤프트를 특히 참조하여 설명하지만, 본 발명의 원리는 다른 형태의 전동기용 회전자 및 다른 응용에 사용되는 구조가 다른 회전자에도 적용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

고속이며, 브러시가 없는(이하 브러시리스라고 함) 직류전동기(brushless DC motor)는 일반적으로 출력이 비교적 낮아서 적용이 제한적인데도 불구하고 잘 알려져 있다. 이와 관련하여, 세이 앤드 테일러(Pitman International)가 저술한 "Direct Current Machines" 중 섹션 4.8, 5.10 및 11.4를 특히 참조할 수 있다. 한 가지 개시된 형태에 있어서, 이러한 전동기는 네오디뮴-철-붕소(Neodymium-Iron-Boron: NdFeB)와 같은 희토류자석(rare earth magnet)이 결합된 회전자(rotor)를 포함한다. 이 재료 및 다른 희토류 자성재료(magnetic material)는 일반적으로 인장강도가 낮고, 다소 취성이 있어서 그 용도가 제한적이다. 다른 형태의 전동기는 페라이트(ferrite) 또는 다른 자성재료를 사용한다. 이러한 전동기의 고속회전으로 상당한 원심력이 발생하기 때문에, 자석코어(magnet core)는 균열(crack)이 생기지 않으며 왜곡(distort)이 생기지 않고, 분해 또는 사용불능되지 않는 것이 보장되도록 회전자를 구성하는 것이 필요하다.

따라서, 희토류 자성재료와 같은 인장강도가 낮은 재료의 자석코어를 가진, 전동기와 같은 고속기계용 회전자를 제공하는 것이 바람직하다.

고속회전으로 동작하는데 필요한 원하는 기계적 성질을 제공하도록 조립된 전동기용 회전자를 제공하는 것이 바람직하다.

경제성이 있게 제조될 수 있는 회전자를 제공하는 것이 바람직하다.

또한, 희토류 자석코어를 가진 회전자의 구성방법을 제공하는 것이 바람직하다.

도 1은 샤프트를 둘러싼 전동기 고정자(motor stator)를 나타내는 회전자샤프트의 부분단면 개략도이고,

도 2는 회전자샤프트 조립체의 개략도이다.

본 발명의 일양태에 따르면 브러시리스 직류전동기와 같은 고속기계용 회전자가 제공되는 바, 상기 회전자는 희토류 자석코어, 고속회전 중 상기 코어를 반경방향으로 구속하도록 상기 자석코어를 둘러싸고 상기 코어로부터 양쪽 축방향으로 연장되어 상기 회전자를 위한 중공 샤프트를 형성하며 비도전성인 재료로 형성된 슬리브 및, 상기 슬리브 내에서 상기 자석코어의 각 말단과 직접 혹은 간접적으로 각각 결합되고 상기 자석 코어에 축방향의 압축력을 인가하는 말단부(end piece)를 구비하며, 상기 말단부는, 상기 슬리브가 상기 말단부 상에서 열-수축되어 상기 슬리브 내에 상기 말단부가 고정되도록 함으로써, 상기 자석코어에 축방향 압축력을 가하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에 있어서, 상기 회전자는 자석코어가 직경방향으로(diametrically) 자화되는 브러시리스 직류전동기에 사용되며, 바람직하게, 상기 코어재료는 네오디뮴-철-붕소[NdFeB]이다. 상기 실시예에 있어서, 전동기는 작동속도 범위가 약 20,000rpm ∼ 50,000rpm 사이가 되도록 설계된다.

본 발명의 회전자는 회전속도가 훨씬 빠른 기계에 또한 사용될 수 있다. 현재 개발 중인 전동기에는 250,000rpm 이상의 설계속도가 제안되고 있다. 이러한 매우 빠른 회전속도를 가진 전동기는 아주 소형이지만 출력(power output)이 충분하여, 예를 들면 냉매시스템용 원심압축기(centrifugal compressor)를 작동시킨다.

본 발명의 실시예에 있어서, 회전자의 회전속도를 빠르게 하는데는 발생된 힘을 견딜 수 있도록 회전자를 구성해야 하는 어려운 기계적 요구사항을 필요로 한다. 또한, 회전자는 그 공진굽힘진동수(resonant bending frequency)가 최대회전진동수(maximum rotating frequency)를 초과하도록 강성이 충분해야 한다. 또한, 회전자는 회전자베어링(rotor bearing) 상의 부하가 최소로 되도록 가능한 한 경량으로 되어야 한다.

본 발명의 특정 실시예에 있어서, 상기 슬리브는 상기 자석코어에 반경방향의 압축력을 인가한다. 이로써, 상기 코어는, 정지상태에 있는 동안, 반경방향 및 축방향 압축력 양자 모두를 받게 된다. 회전시 발달된 원심력이 슬리브 내의 인장력(tension)에 의하여 상쇄되므로, 최대 회전속도에서, 만약 있다고 하여도, 최소량의 장력만이 자석코어에 발생하게 된다. 따라서, 슬리브와 말단부에 의하여 가해진 코어 상의 압축력에 의해, 코어의 재료가 손상되지 않는 상태로 존재하는 동시에, 회전 중, 상기 압축력에 의해 자석코어 내의 반경방향 장력 또한 감소된다. 사용된 구조 및 원하는 회전자 구조에 따라, 말단부는 코어의 말단과 직접적 또는 간접적으로 결합될 수 있다.

상기 회전자 슬리브는, 종탄성 계수(Young's modulus)가 비교적 높고 전동기샤프트에 필요한 굽힘강성(bending stiffness)을 제공할 수 있는 비자성의 고강도 금속, 예를 들어 인코넬(Inconel)로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 티타늄 및 그의 합금과 같은, 다른 고강도 재료를 사용하여 상기 회전자 슬리브를 형성할 수 있다.

삭제

본 발명은 또한, 희토류 자석코어를 포함하는 고속기계용 회전자의 구성방법을 제공하는 바, 상기 방법은, 자석코어와 슬리브 내에 위치될 말단부가 억지 끼워맞춤(interference fit)되도록 하는 크기의 내경을 가진 슬리브를 형성하는 단계; 상기 슬리브를 그의 템퍼링 온도(tempering temperature) 이하의 온도까지 가열하여 상기 슬리브를 반경 방향과 축방향으로 확장시키는 단계; 확장된 상기 슬리브 내에 자석코어 및 말단부를 삽입하는 단계; 상기 말단부에 축방향 힘을 가하여 압축력이 코어에 인가되도록 하는 단계; 및, 상기 슬리브를 냉각시켜 자석코어의 외면과 상기 말단부 둘레로 상기 슬리브를 수축시키는 단계를 포함한다. 상기 공정에 의해, 상기 자석코어는, 상기 말단부에 가해지는 축방향 힘과 상기 슬리브의 자석코어 상으로의 수축으로 인해 축방향으로 압축된다.

일실시예에 있어서, 슬리브는 예비-경화되고(pre-hardened), 용액-어닐링(solution annealed)된 항공기 규격의 초고강도 비자성 금속합금이다. 상기 슬리브는 슬리브가 위치하는 유도가열 코일시스템(induction heating coil system)에 의하여, 재료의 템퍼링온도 이하의 소망하는 온도로 가열된다. 일단, 상기 슬리브가 지정된 온도로 되면, 상기 슬리브 내에 자석코어 및 말단부가 정확하게 위치하게 된다. 상기 슬리브를 신속하게 냉각하는 동안, 축방향 예비-부하력(pre-loading force)을 말단부에 가하여 상기 자석코어를 압축상태로 지지한다. 상기 냉각으로 인해, 상기 슬리브는 상기 자석 표면과 상기 말단부 둘레로 수축된다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 말단부에 가해진 압축력은 약 600 메가 파스칼(MPa)까지 될 수 있다.

상기 자석코어의 자성 및 표면에 대한 손상을 방지하고, 바람직하게는 자석코어를 결합하여 조이기 전에 말단부를 결합하여 조이기 위해 냉각율을 정확하게 제어한다. 슬리브가 냉각될 때 축방향으로 수축되는 것은, 자석코어 상에 축방향 압축을 유지시키거나 또는 발생시키는데 또한 도움이 된다.

말단부는 회전자용 샤프트 스터브(shaft stub)를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 형태에 있어서, 하나의 말단부는 인코넬(Inconel)과 같은 비자성재료인 샤프트 스터브를 포함하는 한편, 다른 말단부 또는 상기 말단부의 일부는 상기 자석코어와 다른 재료, 가능하게는 자성재료로 형성된 샤프트스터브 사이에 배치된 비자성 스페이서를 포함한다.

본 발명의 회전자는 고속이며, 브러시리스 직류전동기에 특히 적용되지만, 예를 들면 가스터빈이 원심압축기 등의 샤프트에 자기적으로 결합되는 자기결합 적용에도 유용하다. 이러한 배열에서는 자석코어가 결합목적으로 설계되므로 전동기 용도로 설계된 자석코어와 상이한 구조를 가질 수 있다.

이하, 본 발명을 보다 용이하게 이해할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 일 실시예를 설명한다.

도면에 예시된 회전자(10)는 원심압축기(도시되지 않음)를 구동하기 위한 고속이며, 브러시리스 직류전동기 용도로 설계된다. 전동기는 결합식 전동기/압축기의 전체 크기를 될 수 있는 대로 줄이기 위하여 가능한 소형으로 설계된다, 그러나, 전동기가 충분한 동력을 압축기에 전달하는 것이 필요하다.

회전자(10)는 비교적 인장강도가 낮은 소결 자성재료(sintered magnetic material)인 네오디뮴-철-붕소(NdFeB)로 형성된 자석코어(12)을 포함한다. 슬리브(14)가 자석코어(12)를 둘러싸고 이 코어로부터 종축방향 양쪽으로 연장되어 중공 샤프트를 형성한다. 상기 실시예에서의 슬리브(14)는 투자율(magnetic permeability)이 낮은 항공기 규격의 초고강도 비자성 합금인 Inconel 718로 형성된다. 슬리브(14)가 프리-스트레스되어 반경방향 및 축방향의 압축력을 자석코어(12) 상에 제공한다. 또한, 코어(12)는 비자성 샤프트스터브(16)와 비자성 스페이서(17) 사이의 축방향 압축력을 받는다. 샤프트스터브(16) 및 스페이서(17) 양자 모두는, 다른 비자성재료가 사용될 수 있지만, Inconel로 또한 형성될 수 있다.

자성재료의 제2 샤프트스터브(18)가 스페이서(17) 외측의 슬리브(14)에 의하여 또한 결합될 수 있다. 상기 실시예의 샤프트스터브(16, 18) 양자 모두는 로터(10)가 자기베어링(magnetic bearing)(19) 내에 지지되도록 설계된다. 샤프트스터브(18)의 외측 말단은 냉각압축기(도시되지 않음)의 임펠러(impeller)를 지지하도록 되어 있다.

샤프트스터브(16, 18) 및 스페이서(17) 양자 모두는 슬리브(14)의 내면과 억지 끼워맞춤되는 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 그러나, 샤프트스터브(18) 및 스페이서(17) 중 하나 또는 다른 하나는, 압축력이 다른 하나에 인가됨으로써 자석코어(12)에도 인가될 수 있는 경우에는 억지 끼워맞춤되지 않을 수 있다는 것을 이해할 것이다.

회전자(10)의 구조는 비교적 강성이므로 기계적으로 안정적인 전동기용 회전자를 형성한다. 자석코어(12)는 슬리브(14), 샤프트스터브(16) 및 스페이서(17)에 의하여 반경방향 및 축방향의 압축력 양자 모두로 유지되어 50,000rpm, 또는 250,000rpm 까지의 회전자의 빠른 회전작동속도에서 발생된 원심력이 균형을 이룬다.

도 2에는 회전자샤프트 구성품의 구성방법을 개략적으로 나타낸다. 상기 구성방법에 따르면, 예시된 실시예의 압축력은 유도가열기(induction heater)(21)를 사용하여 슬리브(14)를 자신의 템퍼링온도(tempering temperature) 이하인 400℃ ∼ 480℃ 사이의 온도까지 가열하는 유도가열에 의하여 슬리브(14)를 가열함으로써 달성될 수 있다. 온도를 가능한 낮게 유지하여 자석코어 표면의 임의의 손상을 감소시키는 것이 바람직하다. 다음에, 지그공구(jigging tool)(22)를 자석코어(12), 비자성 샤프트스터브(16), 스페이서(17) 및 자성 샤프트스터브(18)에 삽입한다. 슬리브(14)가 신속하게 냉각되어 샤프트스터브(16, 18)의 외면 둘레에 슬리브(14) 및 자석코어(12)가 수축되는 동안 약 600 메가 파스칼의 축력이 샤프트스터브(16, 18)에 인가되어 스페이서 및 자석코어(12)를 압축상태로 예압한다. 전체 공정에 걸리는 시간은 약 5초이며, 냉각율이 정확하게 제어되어 자석코어(12)의 손상이 방지된다. 샤프트스터브(16, 18)는 자석코어(12) 전방의 냉각되는 슬리브(14)에 의하여 반경방향으로 조여질 수 있는 크기로 되어, 계속적인 냉각으로 축방향 수축을 일으키고 따라서 샤프트스터브(16, 18) 및 스페이서(17)가 축방향 압축력을 자석코어(12)에 계속해서 인가한다.

원하는 경우, 샤프트스터브(16, 18)를 슬리브(14)에 용접할 수 있다. 또한, 회전자의 내부를 진공으로 하거나 또는 자석과 화학적으로 융화가능한 가스로 채워, 원하는 경우, 기밀밀폐유닛(hermetically sealed unit)으로 제조할 수 있다.

전술한 바와 같이, 스페이서(17)는 슬리브(14)와 억지 끼워맞춤되지 않는 크기를 가질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이 경우, 압축력이 샤프트스터브(16, 18) 사이에 인가되고, 이로써 스페이서 또한 압축상태로 지지된다. 이러한 배열에서, 스페이서는 단지 자석코어(12)를 샤프트스터브(18)로부터 자력적으로 분리시키는 작용을 한다. 스페이서는 원하는 경우, 특히 양쪽의 샤프트스터브 모두가 자성재료로 형성된 경우 자석코어의 각 말단에 제공될 수 있다.

본 발명에 따른 회전자의 설계 및/또는 구조를 여러 가지로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위를 일탈하지 않는 이러한 변형 모두는 상기 설명의 범위 내에 포함된다.

Claims (19)

1. 브러시가 없는 직류 전동기와 같은 고속 기계용 회전자로서,

   상기 회전자는, 희토류 자석코어; 회전자가 고속회전하는 동안 코어를 반경방향으로 구속하도록 상기 자석코어를 둘러싸는 비자성 재료로 형성되고, 상기 코어로부터 이를 지나 양쪽 축방향으로 연장된 슬리브; 및, 상기 슬리브의 각 말단 내에 고정되며 상기 자석코어의 각 말단과 직접적 또는 간접적으로 각각 결합되는 말단부(end piece)를 구비하고,

   상기 말단부 상에서 상기 슬리브가 열-수축되어 상기 슬리브 내에 상기 말단부가 고정됨으로써 상기 말단부가 상기 자석코어에 축방향 압축력을 가하는 것을 특징으로 하는 회전자.
2. 제1항에서,

   상기 자석코어가 직경방향으로 자화되고, 코어 재료가 네오디뮴-철-붕소[NdFeB]인 것을 특징으로 하는 회전자.
3. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 회전자의 공진 굽힘 진동수(resonant bending frequency)는 최대 회전 진동수(maximum rotating frequency)를 초과하는 것을 특징으로 하는 회전자.
4. 제1항에서,

   정지 상태 중 상기 코어가 반경방향과 축방향의 압축력을 모두 받도록, 상기 슬리브가 상기 자석코어에 반경방향의 압축력을 가하는 것을 특징으로 하는 회전자.
5. 제1항에서,

   상기 압축력은, 최대 회전속도에서도 최소량의 장력이 자석코어에 발생하도록 하는 크기인 것을 특징으로 하는 회전자.
6. 제1항에서,

   상기 말단부 중 적어도 한쪽이 비자성 스페이서(non-magnetic spacer)를 통하여 상기 코어의 각 말단과 간접적으로 결합되는 회전자.
7. 제1항 또는 제2항에서,

   상기 회전자 슬리브는, 모터 샤프트(motor shaft)에 요구되는 굽힘강성을 제공할 수 있을 정도로 높은 종탄성 계수(Young's modulus)를 가지는, 비자성의 고강도 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 회전자.
8. 제7항에서,

   상기 회전자 슬리브의 재료가 인코넬, 티타늄 및 티타늄 합금으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 회전자.
9. 삭제
10. 삭제
11. 자석코어가 슬리브 내에 위치되는 말단부와 억지 끼워맞춤(interference fit)이 되도록 하는 크기의 내경을 가진 슬리브를 형성하는 단계를 포함하는, 희토류 자석코어를 포함한 고속 기계용 회전자의 구성방법으로서,

    상기 슬리브를 그의 템퍼링 온도 이하의 온도로 가열하여 상기 슬리브를 반경 방향과 축방향으로 확장시키는 단계;

    확장된 상기 슬리브 내에 상기 자석코어 및 상기 말단부를 삽입하는 단계;

    상기 말단부에 축방향 힘을 가하여 상기 코어에 압축력이 인가되도록 하는 단계; 및,

    상기 슬리브를 냉각시켜 상기 자석코어와 상기 말단부의 외면 둘레로 상기 슬리브를 수축시키는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 구성 방법.
12. 제11항에서,

    상기 자석 코어의 직경이 상기 슬리브와 억지 끼워맞춤을 제공하는 크기가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 회전자 구성방법.
13. 제11항 또는 제12항에서,

    상기 슬리브는, 상기 슬리브가 위치하는 유도가열 코일 시스템에 의하여 원하는 온도로 가열되는 것을 특징으로 하는 회전자 구성방법.
14. 제11항에서,

    상기 코어가 예비-긴장 압축력(compressive pre-stressing forces)하에 있는 동안, 상기 가열된 슬리브를 신속하게 냉각시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 구성방법.
15. 제14항에서,

    상기 자석코어의 자성 및 표면 손상을 방지하고, 상기 자석코어를 결합하고 조이기 전에 상기 슬리브가 상기 말단부와 결합되어 조여지도록, 냉각율을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전자 구성방법.
16. 삭제
17. 삭제
18. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 회전자를 구비한 전동기.
19. 제2항에 따른 회전자를 구비한 DC 전동기.