KR100702369B1 - 전기 축류장치와 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 장치축 (2) 상에 설치되는 디스크 형상의 로터 (1) 및 상기 로터 (1) 에 인접하여 설치되는 두개의 스테이터 (3, 4) 를 포함하는 전기 축류장치에 관한 것이다. 상기 로터 (1) 는 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12) 내에 매설되는 영구자석 (11) 을 포함한다. 상기 영구자석 (11) 들은 에워싸는 플라스틱 (12) 에 꼭 맞도록 각각 결합된다. 상기 플라스틱 (12) 은 상기 영구자석 (11) 및 상기 장치축 (2) 과 함께 형태적으로 안정된 유니트를 형성한다.

Description

전기 축류장치와 그 제조방법 {ELECTRIC AXIAL FLOW MACHINE AND METHOD OF MANUFACTURING IT}
본 발명은, 청구항 1 의 전제부에 기재된 바와 같은 전기 축류장치에 관한 것이다.
전기 축류장치는, 로터 및 스테이터를 구비하는 모터 또는 발전기를 의미하는 것으로, 로터 및 스테이터 사이의 자속이 로터의 회전축에 평행하게 발생한다. 이러한 유형의 축류장치는 또한, 브러쉬리스 (brushless) DC 모터, 영구장 동기 모터 또는 디스크 전기자 모터로 알려져 있다.
예를 들면 간행물 DE-U-298 16 561 호에는, 축 주위에 설치되며 영구자석을 구비하는 비철로터를 가지는 효율적인 브러쉬리스 DC 모터가 기재되어 있다. 이러한 DC 모터의 경우, 디스크 형상의 로터 양측상의 상기 축 주위에는, 상기 로터에 평행하도록 전자석 유니트가 스테이터 (stator) 로서 각각 설치된다. 상기 로터는, 상기 축 주위의 원주방향으로 설치되고 예를 들어 플라스틱 내에 매설되며 자화 방향이 상기 축에 평행한 영구자석을 구비한다. 두 개의 인접하는 영구자석은 각각 반대의 자화방향을 가진다. 하나의 스테이터에는 제 1 전자기 영역들이 제공되며, 다른 하나의 스테이터에는 제 2 전자기 영역들이 제공되는데, 상기 전자기 영역의 갯수는 영구자석의 갯수에 대응되며, 두개의 인접하는 제 1 전자기 영역 및 두개의 인접하는 제 2 전자기 영역은 각각, 교대로 바뀌어지는 반대의 자화방향을 가진다. 상기 제 1 및 제 2 의 전자기 영역은 서로에 대해 오프셋 되어 있으며 90°의 위상 차이를 가진다.
이러한 DC 모터의 한가지 단점은, 그 특성상, 비교적 불안정하여 저속 회전용으로만 적합하다는 점이다.
US-A-5 619 087 호에는, 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 내에 매설되며, 비교적 소형인 막대 형상의 영구자석을 구비하는 두개 이상의 디스크 형상의 비철 로터를 포함하는 전기 축류장치가 개시되어 있다. 순서대로 설치된 다수의 유사자화 영구자석들이 각각 하나의 그룹을 형성하며, 그 그룹은 하나의 자극을 형성한다. 다수의 대형 자석들 대신에 비교적 소형의 영구자석들을 플라스틱 내에 설치하고 있기 때문에, 유효자기 영역이 감소되는 효과가 있으며, 결과적으로, 두개 이상의 로터를 사용함으로써 자속이 상쇄된다. 또한, 플라스틱 내에 다수의 개별 영구자석들을 설치하기 때문에 제조 및 강도 상의 문제점이 야기된다.
본 발명은, 이전의 공지된 축류 모터 및 발전기의 단점을 감안하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은, 도입부에서 언급한 유형의 전기 축류장치에 있어, 그 로터의 질량과 관성은 가급적 작지만, 안정적이어서 고속 회전용에 적합한 전기축류장치를 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적은 청구항 1 에 기재된 본 발명에 따른 전기 축류장치에 의해 달성될 수 있다. 청구항 10 은, 이러한 유형의 전기 축류장치의 로터를 제조하는 방법에 관한 것이다. 바람직한 구성의 변형예들은 종속항에 기재되어 있다.
본 발명의 근본은, 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 내에 매설되는 영구자석을 구비하며 장치축 상에 설치되는 디스크 형상의 비철 로터를 구비하는 전기 축류장치에 있어서, 에워싸는 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱에 꼭 맞게 결합되며, 영구자석 및 장치축과 함께 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱은 형태적으로 안정한 유니트를 구성하는 것에 있다. 로터의 양측에는 각각 스테이터가 설치된다.
플라스틱이 직물보강 또는 섬유보강이라는 점은, 로터가 높은 견고성을 구비하는 것을 의미한다. 영구자석들이 주위의 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱에 꼭 맞게 되어, 영구자석 및 장치축과 함께 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱이 형태적으로 안정된 유니트를 형성한다는 점에 의해 견고성은 더욱 증대된다. 형태적으로 안정된 유니트는, 영구자석, 장치축 및 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱의 적절한 설치에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명에 따른 로터의 설계에 의하면 강성의 영구자석이 동시에 보강부재로서 기능하게 되며, 에워싸는 플라스틱과 꼭맞는 연결에 의해 영구자석이 분리되지 않게 된다.
다수의 영구자석들이 바람직하게는 장치축의 주위로 원주를 따라 설치되며, 특히 열경화성 물질인 플라스틱이 바람직하게는 영구자석들 모두의 사이로 원의 적어도 10%, 바람직하게는 15% 에서 20% 신장된다. 영구자석을 그러한 방식으로 매설하여 설치함으로써, 로터는 강도 및 효율성의 측면에서 적합하게 설계될 수 있다.
본 발명에 따른 축류장치는, 첨부도면을 참고한 예시적인 실시형태에 기초하여 아래에서 더욱 상세히 기술된다.
도 1 은 본 발명에 따른 축류장치의 측면도이다.
도 2 는, 도 1 의 E-E 선을 따라 취한, 축류장치의 부분단면도이다.
도 3 은 장치축 및 로터의 자극위치를 결정하는 수단을 구비하는 로터의 측면도이다.
도 4 는, 도 3 의 A-A 선을 따라 취한, 장치축을 포함하는 로터의 부분단면도이다.
도 5 는 도 4 에 도시된 로터의 부분확대도이다.
도 6 은 분할된 영구자석의 평면도이다.
도 7 은 도 6 의 C-C 선을 따라 취한, 분할된 영구자석의 단면도이다.
도 8 은 에워싸는 플라스틱과의 꼭맞는 연결을 위한 제 1 의 특징적인 외형을 구비하는 영구자석을 도시하는 도면이다.
도 9 는 에워싸는 플라스틱과의 꼭맞는 연결을 위한 제 2 의 특징적인 외형을 구비하는 영구자석을 도시하는 도면이다.
도 10 은 스테이터의 측면도이다.
도 11 은 도 10 의 D-D 선을 따라 취한, 스테이터의 측면도이다.
도 1 및 도 2
도시되는, 본 발명에 따른 축류장치는, 예를 들어 열경화성 재료의 섬유보강 플라스틱 (12) 내에 매설되는 영구자석 (11) 을 구비하며 장치 축 (2) 에 고정 연결되는 디스크 형상의 로터 (1) 를 포함한다. 로터 (1) 의 양측에는 베어링 플레이트 (6) 에 각각 고정되는 환상 스테이터 (3 및 4) 가 각각 로터에 평행하게 설치된다. 상기 스테이터 (3, 4) 는, 상기 로터 (1) 를 접하는 측에서 슬롯 (32 및 42) 을 구비하는 환상 요크 (31 및 41) 를 각각 구비하며, 상기 슬롯 내에는 외부 권선 돌출부 (331 및 431) 를 구비하는 다상 권선 (33 및 43) 이 놓여진다. 상기 베어링 플레이트 (6) 는, 바람직하게는 알루미늄으로 만들어지며 또한, 보강 및 냉각리브 (63) 를 구비하여 발생된 열이 양호하게 소산된다. 베어링 플레이트 (6) 내의 틈 (64) 은 중량 감소를 위한 것이다. 베어링 플레이트 (6) 를 설치하기 위해, 볼트구멍 (61) 들이 제공되고, 예를 들면 기어 메커니즘과 같은, 도시되지 않은 장치부에 베어링 플레이트를 고정하기 위해 나사산 구멍 (62) 들이 제공된다. 베어링 플래이트 (6) 및 환상 캐이싱 부 (8) 는 함께, 로터 (1) 및 스테이터 (3, 4) 를 위한 캐이싱을 형성한다. 장치축 (2) 은 볼베어링 (7) 에 의해 베어링 플레이트 (6) 상에 회전가능하도록 설치된다.
상기 두개의 스테이터 (3, 4) 는 원주 방향으로 180°만큼 서로에 대해 전기적으로 오프셋 (offset) 되어, 로터 (1) 내의 원주방향으로 발생되는 대응하는 자속이 반대로 발생되며, 결과적으로 실제로 대부분을 서로에 대해 상쇄시킨다. 이것은 로터 (1) 내에 철이 없도록 하는 것을 가능하게 한다.
다음의 진술은 이후의 전체 설명에 적용된다. 만약, 도면의 설명을 위해, 참조번호가 도면에 포함되어 있지만, 이에 직접 대응하는 설명부분에 언급되어 있지 않거나, 그 반대의 경우, 이전의 도면 설명에서 그들에 대한 설명이 참조된다.
도 3 내지 도 5
본 발명에 따르면, 로터 (1) 및 장치축 (2) 은 형태적으로 안정된 유니트를 형성한다. 상기의 디스크 형상 비철 로터 (1) 는, 상기 섬유보강 플라스틱 (12) 내에 매설되며 상기 장치축 (2) 주위에 원형으로 설치되는 여덟 개의 영구자석 (11) 을 구비한다. 상기 섬유보강 플라스틱 (12) 은, 균일한 웨브가 정확히 형성되도록 모든 영구자석 (11) 의 사이에서 원의 대략 15% 내지 20% 사이에 걸쳐 뻗어있다. 그리하여, 기계적으로 매우 견고한 영구자석 (11) 들 사이에는 로터 (1) 를 안정되게 하기 위한 충분한 섬유보강 플라스틱 (12) 이 제공되며, 제조성의 관점에서 아주 경제적인, 가능한 최소의 질량관성 모멘트를 가지는 로터 (1) 가 제공될 수 있다.
상기 장치축 (2) 은 또한 섬유보강 플라스틱 (12) 의 중앙부에 설치되고, 두개의 플랜지 (21 및 22) 가 로터 (1) 와 장치축 (2) 사이의 안정된 연결을 위해 제공된다.
원심력을 흡수하기 위해, 바람직하게는 유리, 카본 또는 케블라 (Kevlar) 섬유를 포함하며 원주 방향으로 배치된, 예비주입 섬유성 물질을 포함하는 보강밴드 (13) 가 로터 (1) 의 외주에 설치된다. 상기 보강밴드 (13) 는 영구자석 (11) 및 섬유보강 플라스틱 (12) 보다 폭이 넓으며, 이것은 도 5 에서 명확하게 도시된다. 보강의 목적을 위해서는, 섬유보강 플라스틱 (12) 및 영구자석 (11) 이 장치축 (2) 으로부터 거리가 멀어질수록 두께가 두꺼워지도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 보강밴드 (13) 의 외주에는 자기띠 (14) 가 접착 부착되며, 자기띠는 방사상으로 자화된 일련의 자극을 형성하고, 상기 일련의 자극은 상기 섬유보강 플라스틱 (12) 내에 설치된 영구자석 (11) 에 대응하도록, 그러나 원주의 100% 가 덮혀지도록 각각 설치된다. 상기 자기띠 (14) 는 세개의 고정 홀 프로브 (hall probes) (5) 를 통해 외주에서 로터 (1) 의 자극 위치를 결정하도록 한다. 상기 세 개의 홀 프로브 (hall probes) (5) 는 원주 방향으로 서로간에 각각 30°이격되며, 캐이싱부 (8) 에 고정되는, 예를 들어 프린트 배선회로 상에 설치된다. 정해진 자극위치는, 스테이터 (3, 4) 의 다상권선 (33, 43) 을 위한 점화각도가 최적이 되도록 한다.
영구자석 (11) 은 바람직하게는, 대략 270 N/㎟ 의 휨강도를 가지며 대략 150 kN/㎟ 의 탄성계수를 갖는, 예를 들어 NdFeB 와 같은 소결 자성 물질로 구성된다. 섬유보강 플라스틱 (12) 은, 예를 들면, 보강 유리섬유를 구비하는 에폭시 수지 또는 이미드 수지이다. 이에 의해 얻어질 수 있는 기계적 강도 수치는 스틸 37 의 범위에 속한다. 에폭시 수지의 열저항은 대략 200℃ 이고 이미드 수지의 열저항은 대략 250℃ 이다. 보다 양호한 열팽창성 및 열전도성을 위해서는, 광물질이 수지에 부가적으로 첨가될 수 있다.
로터 (1) 를 제조하기 위해, 장치축 (2) 및 영구자석 (11) 이 몰드 (mold) 내에 설치되고, 예비가열된 섬유보강 플라스틱이 가열상태의 몰드 내로 가압상태에서 연속적으로 유입된다. 수지에 따라, 섬유보강 플라스틱의 유입은 200℃ 이상 또는 250℃ 이상의 온도 및 500 - 1500 bar 의 압력 하에서 수행된다. 이것은, 가소화 (plastication) 를 유발하여 몰드가 완전히 충진되도록 하고 영구자석 (11) 과 장치축 (2) 이 양호하게 꼭 맞추어지도록 한다.
도 6 및 도 7
본 예시적 실시형태에서, 상기 영구자석 (11) 은 원주방향으로 순차적으로 배열된 세 개의 분리된 자석조각 (111) 을 각각 포함한다. 이리하여 와전류손실이 감소될 수 있다. 상기 자석조각 (111) 들은 바람직하게는 금속 접착제에 의해 결합되지만, 단지 상기 섬유보강 플라스틱 (12) 만에 의해서도 결합될 수 있다.
도 8 및 도 9
로터 (1) 와 스테이터 (3, 4) 사이의 비교적 소형 에어갭 (air gap) 및 높은 회전속도에서는, 로터 (1) 의 내재적인 우수한 견고성이 필수적이므로, 상기 영구자석 (11) 들은 에워싸는 섬유보강 플라스틱 (12) 과 꼭 맞추어져 각각 결합된다. 도 8 및 도 9 에는, 발생되는 전단력을 흡수하기에 적합한 두 개의 가능한 자석형태가 도시된다.
도시되는 로터 (1) 의 경우, 영구자석 (11) 을 고정하기 위한 자기전도성 판을 양측 상에 부착하는것, 또는 유사한 종류의 샌드위치 구조가 필요없을 수 있어, 질량관성, 자성물질의 량 및 표면손실이 작게 유지될 수 있고, 인접하는 영구자석 (11) 들 간의 바람직하지 못한 누설경로 (leakage path) 가 방지될 수 있다.
도 10 및 도 11
상기 두 개의 스테이터 (3, 4) 의 구조는, 예시되는 스테이터 (3) 에 기초하여 하기된다. 상기 스테이터 (3) 는, 내부에서 외부로 거의 방사상으로 신장되어 있는 슬롯 (32) 이 만들어진 환상 요크 (31) 를 포함한다. 상기 요크 (31) 는, 어셈블리 형성을 위해 슬롯 천공되는 동안 말려지고, 용접점에 의해 연속적으로 연결되는, 고품질의 발전판으로된 다수의 층 (311) 들로 구성된다. 상기 슬롯 (32) 은 요크 (31) 의 내부에서는 비교적 넓거나, 로터 (1) 를 향해서는 비교적 좁은 구멍 (321) 을 구비한다.
도 2 에 도시되는 바와 같이, 다상 권선 (33), 예를 들어 삼상 (three-phase) 권선이 상기 슬롯 (32) 을 관통하여 놓여진다. 상기 다상 권선 (33) 을 슬롯 (32) 내에 수용함으로써, 상기 스테이터 (3) 가 상기 로터 (1) 의 영구자석 (11) 에 가까워지며 즉, 아주 작은 에어갭 (air gap) 이 생겨, 결과적으로 높은 자속 및 이에 의한 매우 높은 동력 밀도를 가진다.
원주방향으로 및 상기 로터 (1) 의 영구자석 (11) 에 대해 슬롯 (32) 을 교차시킴으로써 제동모멘트 및 소음이 최소화될 수 있다.
상기의 축류장치에 관하여 또다른 설계 변형이 이루어질 수 있다. 다음과 같은 사항이 또한 명시적으로 언급된다.
로터 (1) 의 자극위치 결정이 반드시 자기띠 (14) 및 홀 프로브 (5) 에 의해 이루어져야 하는 것은 아니다. 또한 무엇보다도, 로터 (1) 외주 상의 밝은 부분과 어두운 부분의 광학스캐닝이 생각될 수 있다.
슬롯 (32) 및 그 속에 놓여지는 다상 권선 (33) 을 교차시키는 대신, 영구자석 (11) 이 또한 교차될 수 있다.
섬유보강 대신에, 로터 (1) 의 플라스틱 (12) 이 또한 직물보강일 수 있다.

Claims (14)

  1. 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12) 내에 매설되는 영구자석 (11) 을 가지며 장치축 (2) 상에 설치되는 디스크 형상의 비철 로터 (1) 를 구비하며, 또한 상기 로터 (1) 의 양측에는 각각 스테이터 (3, 4) 를 구비하는 전기 축류장치에 있어서,
    상기 영구자석 (11) 들이, 에워싸는 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12) 에 대해 꼭 맞도록 각각 결합되며, 상기 영구자석 (11) 및 상기 장치축 (2) 과 함께 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱은 형태적으로 안정된 유니트를 형성하는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 다수의 영구자석 (11) 들이 상기 장치축 (2) 주위에 원주방향으로 설치되고, 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12), 특히 열경화성 물질이 상기 영구자석 (11) 들 모두의 사이로 적어도 원의 10% 이상에 걸쳐 뻗어있는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 다수의 영구자석 (11) 들이 상기 장치축 (2) 주위에 원주방향으로 설치되고, 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12), 특히 열경화성 물질이 상기 영구자석 (11) 들 모두의 사이로 원의 15% 에서 20% 에 걸쳐 뻗어있는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 (1) 는 외주 상 또는 외주의 근방에, 예비 주입된 섬유성 물질을 포함하는 보강밴드 (13) 를 구비하며, 보강을 위해 상기 로터 (1) 는, 상기 장치축 (2) 으로부터 거리가 멀어질수록 두께가 두꺼워지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전기 축류장치는, 상기 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12) 내에 매설되는 영구자석 (11) 들에 대응하도록 각각 설치되는 방사상으로 자화된 일련의 자극들을 형성하면서 로터 (1) 의 외주면 상에 설치되는 자기띠 (14) 를 포함하는 로터 (1) 의 자극위치 결정수단 및 상기 자극들과 상호작용하는 고정 홀 프로브 (hall probes) (5) 를 가지는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12) 은, 보강 유리섬유를 구비하는 에폭시 수지 또는 이미드 수지를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱 (12) 은, 보강 유리섬유를 구비하는 에폭시 수지 또는 이미드 수지를 포함하며, 보다 양호한 열팽창 및 열전도를 위해 광물질을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구자석 (11) 은, 원주방향으로 순서대로 배열되며 두 개 이상의 분리된 자석조각 (111) 을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  9. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구자석 (11) 은, 원주방향으로 순서대로 배열되며 금속 접착에 의해 결합된 두 개 이상의 분리된 자석조각 (111) 을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  10. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스테이터 (3, 4) 는, 거의 방사상으로 내부에서 외부로 뻗어있는 슬롯 (32, 42) 이 만들어진 환상 요크 (31, 41) 를 각각 포함하며, 상기 슬롯을 관통하여 다상 권선 (33, 43) 이 놓여진 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구자석 (11) 또는 상기 슬롯 (32, 42) 이 원주방향으로 교차된 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  12. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 개의 스테이터 (3, 4) 는 서로에 대해서 원주 방향으로 180°로 전기적으로 오프셋되어 있으며, 이로써 로터 (1) 내에서 원주방향으로 대응하는 자속이 반대로 발생하고, 이에 의해 실제로 적어도 거의 대부분을 서로 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치.
  13. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 따른 전기 축류장치용 로터 (1) 를 제조하는 방법에 있어서, 장치축 (2) 및 영구자석 (11) 을 몰드 내에 설치하고, 예비가열된 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱을 가열된 몰드 내로 가압상태에서 연속적으로 주입하는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치용 로터의 제조방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 섬유보강 플라스틱 또는 직물보강 플라스틱의 주입을, 200℃ 이상의 온도 및 500 - 1500 bar 의 압력 하에서 행하는 것을 특징으로 하는 전기 축류장치용 로터의 제조방법.
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