KR100912637B1 - 회전기기 및 전자기 머신 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 회전 전자 장치의 로터에 사용되는 영구 자석의 구성과 이것을 이용한 방법을 제공함으로써, 그의 효율, 성능 및 출력을 향상시키는 것이다. 또한, 소형화될 수 있는 회전 전자 장치를 제공하기 위한 것이다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 영구 자석이 로터 상에 반경 방향 및 원형으로 배치되어 로터 상에 반경 방향으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속을 로터 상에 원형으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속의 2배가 되도록 제어한다. 로터의 회전면 상에는, 이차 자속이 제공되고, 홈의 형태와 폭은 로터 상의 각 자극에서 발생되는 각 자속의 전체 상호 작용으로 생긴 자속 분포가 실질적으로 사인파로서 나타도록 변경된다.

Description

회전기기 및 전자기 머신{ROTARY MACHINE AND ELECTROMAGNETIC MACHINE}

본 발명은 자석을 이용하는 회전기기 또는 운반 장치에 사용하기 위해 모터 또는 전력 발생기의 성능과 효율을 향상시킬 수 있는 자극 구성에 관한 것이다.

내부에 영구 자석이 매설된 현재의 동기 모터는 영구 자석식 동기 모터가 일정한 속도에서 높은 효율로 작동할 수 있다는 점에서 널리 이용되고 있다. 특히, 희토류 재료의 진보에 따라, 영구 자석의 성능과 소형화가 상당히 진보하였다. 그럼에도 불구하고, 영구 자석을 이용하는 방법은 완전히 개발되지 않았고 영구 자석식 전력 발생기에 대해서도 마찬가지이다.

예컨대, 일본 특허 공보 제2001-156947호는 자석식 전자 모터 및 전력 발생기를 개시하고 있다. 이 종래 기술에 있어서, 자석은 모터 또는 전력 발생기 내에 반경 방향식으로 배치되어 있다. 또한, 추가로 성능을 증대시키기 위하여, 자석이 내부에 도입된 로터의 길이는 스테이터보다 축방향으로 길게 이루어짐으로써, 스테이터와 로터 사이의 간극에 발생되는 자속을 증대시킨다.

일본 특허 공보 제2002-238193호는 모터의 다른 예를 개시하고 있다. 이 종래 기술에 있어서, 자석은 원형으로 배치되어 있다. 이 발명은 영구 자석이 내장된 로터의 외주에서 영구 자석의 단부가 서로 인접하는 영역에 마련된 오목부를 특 징으로 한다. 이 종래 기술은 스테이터의 내주와 로터의 외주 사이의 간극이 영구 자석의 단부가 서로 인접하는 영역에서 확대되는 것을 기술하고 있다. 바꿔 말하면, 간극에 존재하는 큰 자기 저항으로 인해 스테이터의 내주와 로터의 외주 사이의 자속 분포가 실질적으로 사인파와 같게 나타남으로써, 코깅 토크(cogging torque)를 감소시킨다. 일본 특허 공보 제2002-118994호는 또 다른 예를 개시하고 있다.

이 발명의 목표 중 하나는 로터의 내측에 영구 자석이 매설된 동기화된 모터이다. 로터를 기울이지 않고 코깅 토크를 감소시킬 수 있는 로터 구성을 제공하기 위하여, 본 발명은 자극이 상이한 각도에서 N에서 S로 또는 S에서 N으로 전환되는 구성을 제공한다. 이 경우에, 영구 자석은 원형으로 배치되며, 이것이 가장 통상적인 레이아웃이다. 그럼에도 불구하고, 그의 효율, 성능 및 출력이 완전히 개발되지 않았다.

본 발명은 전술한 문제들 중 적어도 하나를 해결하기 위한 것이다. 본 발명의 목적은 회전기기의 로터에 사용되는 영구 자석의 구성과, 그것을 이용하는 방법을 제공함으로써, 그의 효율, 성능 및 출력을 향상시키는 것이다. 또한, 소형화될 수 있는 회전 전자 장치를 제공하는 것이다.

천천히 해법을 참조하여 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명을 설명한다.

본 발명의 한가지 양태는 자석을 이용한 회전기기으로서, 상기 자석은 로터 상에 반경 방향 배열로 삽입되고, 로터 상의 자극 구성은 비대칭형 컴포넌트인 하위 섹션을 구비하여, 상기 로터의 하위 섹션은 동일한 극성 뿐만 아니라 상대적인 관점에서 반대 극성인 스테이터의 자극에 반응할 수 있는 지점에 도달한다.

본 발명의 다른 예에 있어서, 자석을 이용한 회전기기이 제공되는데, 로터의 자극은 균일한 피치 또는 각도가 아니라 소정의 상대적인 각도 변위를 갖는 불균일한 피치 각도로 배치되고, 상기 로터를 구성하기 위하여 자석이 반경 방향 및 원형으로 배치되도록 삽입되며, 상기 원형으로 배치된 자석에 의해 발생되는 자속이 상기 로터 자석으로 직접 복귀되지 않도록 상기 자석의 주변에 간극 또는 비자성 부재 부분이 마련됨으로써, 상기 로터와 스테이터의 간극 부분에서의 자속 밀도를 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 자석을 이용한 회전기기이 제공되는데, 상기 자석은 로터 상에 반경 방향으로 배치되도록 삽입되고, 로터 상의 자극 구성은 비대칭형 컴포넌트인 하위 섹션을 구비하여, 상기 로터의 하위 섹션은 동일한 극성 뿐만 아니라 상대적인 관점에서 반대 극성의 전자기적으로 결합된 스테이터의 자극에 반응할 수 있는 지점에 도달한다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 자석을 이용한 회전기기이 제공되는데, 로터를 구성하도록 자석이 삽입되고, 자석으로 구성된 상기 로터의 런아웃(run-out) 컴포넌트는 권선에 의해 전자기적으로 결합된 철심으로 구성된 스테이터의 축방향 길이보다 길이가 긴 영역에 위치되며, 대향하는 자석들에 의해 규정되는 내측에서, 상기 로터의 런아웃 컴포넌트 내에 반경 방향으로 배치된 자석과 원형으로 배치된 자석은 동일한 극성을 갖고, 대향하는 자석들에 의해 규정된 내측에서, 상기 로터의 논-런아웃(non-run out) 컴포넌트 내에 반경 방향으로 배치된 자석과 원형으로 배치된 자석은 반대 극성을 갖는다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 회전기기과, 자석을 이용한 회전기기에 의해 제공되는 전자기 머신이 제공된다. 스테이터는 강자성 부재와 전기자 권선으로 구성된 자극을 구비한다. 영구 자석은 로터 상에 반경 방향 및 원형으로 배치되며, 상기 로터 상에 반경 방향으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속은 로터 상에 원형으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속의 약 2배이다. 상기 로터의 회전면에는, 상기 로터 상의 강자성 부재로 이루어진 자극 구성에 홈이 형성되고, 상기 홈의 형태 및 폭은 상기 로터의 각 자극에서 발생된 각 자속의 전체 상호 작용으로 생긴 자속 분포가 실질적으로 사인파로서 나타나도록 조정된다.

또 다른 예에 있어서, 자석을 이용한 회전기기이 제공되는데, 스테이터는 강자성 부재와 전기자 권선으로 구성된 자극을 구비한다. 영구 자석은 로터 상에 반경 방향 및 원형으로 배치되어 상기 로터 상에 반경 방향으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속이 로터 상에 원형으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 일차 자속의 약 2배가 되도록 제어한다. 일차 자속을 발생시키는 원형으로 배치된 영구 자석은 이차 자속을 발생시키는 영구 자석을 구비함으로써, 자극 당 자속을 증가시킨다. 상기 로터의 회전면에는, 상기 로터 상의 강자성 부재로 이루어진 자극 구성에 홈이 형성되고, 상기 홈의 형태 및 폭은 상기 로터의 각 자극에서 발생된 각 자속의 전체 상호 작용으로 생긴 자속 분포가 실질적으로 사인파로서 나타나도록 변경된다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 회전기기 및 전자기 머신이 제공되는데, 로터 상의 반경 방향 영구 자석 컴포넌트에는, 회전 샤프트측에 자속 손실 방지 홈이 마련되고, 상기 회전 샤프트는 비자성 부재로 이루어진다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 로터 상의 각 자극 사이의 간격에 관하여, 최소한 하나의 자극과 다른 하나의 자극 사이의 간격 또는 피치 각도가 동일하지 않다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 자석을 이용한 회전기기이 제공되는데, 로터 상에 영구 자석을 유지하는 철심 컴포넌트를 구성하는 데에 사용되는 철을 비자성 부재로 대체함으로써, 자석들 사이의 자속 손실을 방지하여 회전 장치를 대용량에 적용할 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 자석을 이용한 회전기기이 제공되는데, 로터 상에 영구 자석을 유지하는 철심 컴포넌트를 구성하는 데에 사용되는 철을, 이 철보다 가벼운 비자성 부재로 대체함으로써, 자석들 사이의 자속 손실을 방지하여 회전 장치를 대용량에 적용할 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 로터 상에 영구 자석을 유지하는 철심 컴포넌트를 구성하는 데에 사용되는 철을 전도성 비자성 부재로 대체함으로써, 자석들 사이의 자속 손실을 방지하여 회전 장치를 대용량에 적용할 수 있게 하고 자체 기동 능력을 제공한다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 자석을 이용한 회전기기이 제공되는데, 로터 상에 반경 방향으로 배치되는 자석을 유지하는 철심 컴포넌트의 외주부에 자석을 부착시키기 위한 슬롯이 마련되어, 상기 자석에 의해 반경 방향으로 자장이 발생됨으로써, 상기 스테이터와 상기 로터의 자속이 서로에 대해 반응하여 동기 회전 모드에서 회전 방향으로 토크를 발생시키도록 한다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 상기 로터 상의 영구 자석을 초전도 코일 등의 전자기 코일로 대체함으로써, 회전 장치가 대용량에 또는 선형 모터 등의 운반 장치에 적용될 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 예에 있어서, 반경 방향 또는 원형 자석 컴포넌트 상의 자석 부분이 제거될 수 있고, 상기 자석의 자력이 로터 상에 비대칭 형태를 제공하는 자극 컴포넌트의 자장을 변경시키도록 조정될 수 있음으로써, 그의 특성을 추가로 향상시킨다.

본 발명의 한가지 양태는 자석을 이용한 회전기기으로서, 상기 자석은 로터 상에 반경 방향으로 배열되도록 삽입되고, 반경 방향으로 배치된 로터 자극의 하위 섹션은 비대칭형으로 형성되어 상기 로터 자극의 하위 섹션은 동일한 극성과 상대적인 관점에서 반대 극성인 스테이터의 극성에 반응할 수 있다. 인접한 스테이터와 로터가 일차 위치에서 동일한(상이한) 극성을 갖는 경우에, 이들은 서로 반발하고(끌어당기고), 동시에 스테이터와 로터가 상이한(동일한) 극성을 갖는 하위 섹션 위치에서 끌어당긴다(반발한다). 이 구성은 스테이터와 로터의 상호 운동들 간에 원활한 천이를 제공함으로써, 회전 전자 장치의 성능을 향상시키고 진동을 유발하는 코깅 토크 현상을 저감시킨다.

본 발명의 다른 예는 자석을 이용한 회전기기을 제공하는데, 로터 자극은 균일한 피치 또는 각도가 아니라 소정의 상대 각도 변위를 갖는 불균일한 피치 각도로 배치되고, 상기 로터를 구성하기 위하여 자석이 반경 방향 및 원형으로 배치되도록 삽입되며, 상기 원형으로 배치된 자석에 의해 발생되는 자속이 상기 로터 자석으로 직접 복귀되지 않도록 상기 자석의 주변에 간극 또는 비자성 부재 부분이 마련됨으로써, 상기 로터와 스테이터의 간극 부분에서의 자속 밀도를 증가시키는 동시에 그의 자속 손실을 낮춘다. 따라서, 회전 전자 장치는 성능 및 진동을 유발하는 코깅 현상이 저감된다는 관점에서 향상된다.

본 발명의 또 다른 예는 자석을 이용한 회전기기을 제공하는데, 상기 자석은 로터에 대해 반경방향 및 원형으로 배열되도록 삽입되고, 소정의 방식으로 배치된 로터 자극의 하위 섹션은 비대칭형으로 형성되고 로터 자극의 하위 섹션은 전자기적으로 결합되어 상대적으로 동일하거나 반대인 스테이터의 극성에 대응한다. 인접한 스테이터와 로터가 일차 위치에서 동일한(상이한) 극성을 갖는 경우에, 이들은 서로 반발하고(끌어당기고), 동시에 스테이터와 로터가 상이한(동일한) 극성을 갖는 하위 섹션 위치에서 끌어당긴다(반발한다). 이 구성은 스테이어와 로터의 상호 운동들 간에 원활한 천이를 제공함으로써, 회전 전자 장치의 성능을 상당히 향상시키고 진동을 유발하는 코깅 토크 현상을 크게 저감시킨다.

본 발명의 또 다른 예는 자석을 이용한 회전기기을 제공하는데, 전자기적으로 결합된 철심으로 구성된 스테이터의 축방향 길이보다 길이가 긴 영역에 위치되는 자석으로 구성된 로터의 런아웃(run-out) 컴포넌트에서 로터를 구성하도록 자석이 삽입되며, 대향하는 자석들에 의해 규정되는 내측에서, 상기 로터의 런아웃 컴포넌트 내에 반경 방향으로 배치된 자석과 원형으로 배치된 자석은 동일한 극성을 갖고, 대향하는 자석들에 의해 규정된 내측에서, 상기 로터의 논-런아웃(non-run out) 컴포넌트 내에 반경 방향으로 배치된 자석과 원형으로 배치된 자석은 상대적인 관점에서 반대 극성을 갖는다.

따라서, 로터와 스테이터의 간극 부분에서의 자속이 상당히 증가되어 자속 손실은 상당히 저감된다. 그러므로, 회전 전자 장치는 성능 및 진동을 유발하는 코깅 현상이 상당히 감소된다는 관점에서 크게 향상된다.

본 발명의 또 다른 예는 회전기기과, 자석을 이용한 회전기기을 통합한 전자기 머신이다. 스테이터는 강자성 부재와 전기자 권선으로 구성된 자극을 구비한다. 영구 자석은 로터 상에 반경 방향 및 원형으로 배치되며, 상기 로터 상에 반경 방향으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속은 로터 상에 원형으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속의 약 2배이다. 상기 로터의 회전면에는, 상기 로터 상의 강자성 부재로 이루어진 자극 구성에 홈이 형성되고, 상기 홈의 형태 및 폭은 자속계(fluxmeter)를 이용하여 자속 분포를 미리 변경시키도록 팬형 형태로 제공되고, 자속 분포 파형의 조화된 컴포넌트가 회전면으로부터 감소되어 실질적으로 사인파가 얻어지며, 자속은 강자성 부재로 제조되는 한편 인접한 자극들 사이의 경계를 향해 이동되는 자극 구성에서 자극의 중심선을 따라 증대된다. 또한, 조정 홈의 사용은 소형화된 회전 전자 장치에서의 모터에 대해 수 kW에서 95% 이상의 효율을 제공한다.

본 발명의 또 다른 예는 자석을 이용한 영구 자석식 회전기기을 제공한다. 로터 상에는 영구 자석이 반경 방향 및 원형으로 배치되어 상기 로터 상에 반경 방향으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속을 로터 상에 원형으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 일차 자속의 약 2배가 되도록 제어한다. 일차 자속을 발생시키는 원형으로 배치된 영구 자석은 이차 자속을 발생시키는 영구 자석을 구비함으로써, 자극 당 자속을 증가시킨다. 또한, 상기 로터 상의 강자성 부재로 이루어진 자극 구성에 홈이 형성되고, 상기 홈의 형태 및 폭은 자속계를 이용하여 자속 분포를 미리 변경시키도록 팬형 형태로 제공되고, 자속 분포 파형의 조화된 컴포넌트가 회전면으로부터 감소되어 실질적으로 사인파가 얻어지며, 자속은 강자성 부재로 제조되는 한편 인접한 자극들 사이의 경계를 향해 이동되는 자극 구성에서 자극의 중심선을 따라 증대된다. 또한, 조정 홈의 사용은 소형화된 회전 전자 장치에서의 모터에 대해 수 kW에서 95 내지 97%의 효율을 제공한다.

본 발명의 또 다른 예는 로터 상에 반경 방향 영구 자석 컴포넌트를 제공하는데, 회전 샤프트측에 자속 손실 방지 홈이 마련되고, 상기 회전 샤프트는 비자성 부재로 이루어짐으로써, 그 내부에 발생된 자속을 매우 양호하게 이용한다. 조정 홈의 사용은 소형화된 회전 전자 장치에서의 모터에 대해 수 kW에서 95 내지 98%의 효율을 제공한다.

본 발명의 또 다른 예는 전술한 효과를 갖는 영구 자석식 회전기기을 제공하는데, 로터 상의 각 자극 사이의 간격에 관하여, 최소한 하나의 자극과 다른 하나의 자극 사이의 간격 또는 피치 각도가 동일하지 않다. 이 방식으로, 로터는 코깅 토크를 발생하지 않게 된다. 물론, 이 불균일한 간격은 각 열과 각 세트에서 자극의 경사와 조합될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 예는 자석을 이용한 회전기기을 제공하는데, 로터 상에 영구 자석을 유지하는 철심 컴포넌트를 구성하는 데에 사용되는 철을 비자성 부재로 대체한다. 이 구성은 로터의 크기가 증대될 때에 자석들 사이에서 자속이 손실되지 않아, 회전 장치를 대용량의 장치에 적용할 수 있게 한다.

본 발명의 또 다른 예는 자석을 이용한 회전기기을 제공하는데, 로터 상에 영구 자석을 유지하는 철심 컴포넌트를 구성하는 데에 사용되는 철을, 이 철보다 가벼운 비자성 부재로 대체한다. 이 구성은 자석들 사이에서 자속이 손실되지 않아 회전 장치를 대용량의 장치에 적용할 수 있게 한다. 또한, 로터 자체와 샤프트의 중량 및 베어링 손실량을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 또 다른 예는 로터 상에 영구 자석을 유지하는 철심 컴포넌트를 구성하는 데에 사용되는 철을 전도성 비자성 부재로 대체한다. 이 구성은 자석들 사이에서 자속이 손실되지 않아 회전 장치를 대용량에 적용할 수 있게 한다. 또한, 로터의 중량을 감소시키고 자체 기동 능력을 제공한다.

본 발명의 또 다른 예는 자석을 이용한 회전기기을 제공하는데, 로터 상에 반경 방향으로 배치되는 자석을 유지하는 철심 컴포넌트의 외주부에 자석을 부착시키기 위한 슬롯이 마련되어, 상기 자석에 의해 반경 방향으로 자장이 발생됨으로써, 상기 스테이터와 상기 로터의 자속이 서로에 대해 반응하여 동기 회전 모드에서 회전 방향으로 토크를 발생시키도록 한다.

본 발명의 또 다른 예는 상기 로터 상의 영구 자석을 초전도 코일 등의 전자기 코일로 대체하여 개선함으로써, 선형 모터 및 유사한 회전 전자 장치와 같이 상당히 높은 출력과 보다 높은 효율을 필요로 하는 운반 장치의 용례를 포함한다.

본 발명의 또 다른 예는 반경 방향 또는 원형 자석 컴포넌트 상의 자석 부분이 제거될 수 있고, 상기 자석의 자력이 로터 상에 비대칭 형태를 제공하는 자극 컴포넌트의 자장을 변경시키도록 조정될 수 있게 개선함으로써, 그의 특성을 추가로 향상시킨다.

본 발명의 전술한 목적 및 기타 목적, 이점, 효과 및 양태는 도면을 참조한 본 발명의 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 잘 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예 1의 회전 전자 장치의 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예 1의 로터(21)를 도시하는 다이어그램이다.

도 3은 종래의 로터의 일례를 도시하는 다이어그램이다.

도 4는 본 발명의 실시예 2의 로터(22)를 도시하는 다이어그램이다.

도 5는 종래의 로터의 다른 예를 도시하는 다이어그램이다.

도 6은 본 발명의 실시예 3의 로터(23)를 도시하는 다이어그램이다.

도 7은 본 발명의 실시예 4의 로터(24a, 24b)의 자속과 스테이터(3)의 자속을 도시하는 다이어그램이다.

도 8은 본 발명의 실시예 4의 로터(24a)를 도시하는 다이어그램이다.

도 9는 본 발명의 실시예 5의 회전 전자 장치를 도시하는 횡단면도이다.

도 10은 본 발명의 실시예 6의 회전 전자 장치를 도시하는 횡단면이다.

도 11은 본 발명의 실시예 7의 회전 전자 장치를 도시하는 횡단면이다.

도 12는 본 발명의 실시예 8의 구동력을 증대시키기 위해 자석을 이용하는 회전 전자 장치를 도시하는 횡단면도이다.

도 13은 본 발명의 실시예 8의 로터 철심 대신에 비자성 부재가 사용되는 회전 전자 장치를 도시하는 횡단면도이다.

본 발명의 다양한 실시예들이 이하에 기술되어 있다.

도 1은 실시예 1, 2, 3 및 4의 회전 전자 장치(1)를 함께 도시한다. 참조 번호 21, 22, 23 및 24는 로터이고, 3은 스테이터이며, 15는 회전 샤프트이고, 16은 권선이다. 도 2는 본 발명의 실시예 1을 도시하고 있다. 참조 번호 21은 로터이고, 41은 로터(21)의 전자기 강판을 구비하는 철심 자극이며, 5는 로터(21) 상의 자석이다. 자석(5)은 자극(41) 상에 반경 방향 형태를 형성하도록 위치된다. 참조 번호 6은 홈이고, 7은 피팅 홀이다.

도 3은 참조를 위해 로터 자석이 종래의 반경 방향식으로 배치되는 로터 구성의 예를 도시하고 있다.

자석(5)이 반경 방향으로 배치되는 로터(21)의 자극(41)의 구성에 있어서, 로터(21)의 자극(41)의 하위 섹션(8)은 비대칭형으로 형성된 돌출 형태로 제공된다. 종래에, 하위 섹션(8)은 대칭형으로 형성된다. 로터(21)는 로터(21) 상에 마련된 피팅 홀(7)을 통해서 반전되어 중첩된다. 이에 따라, 로터 상의 중첩된 자극(41)은 단일 로터(21)보다 큰 총 각도를 제공한다. 그 결과, 로터의 하위 섹션들 은 동일한 극성을 가질 뿐만 아니라 비교 관점에서 반대 극성을 갖는 스테이터의 자극에 반응할 수 있는 지점에 도달한다.

전력 발생기 또는 모터로서 작동할 수 있는 회전 전자 장치(1)에 있어서, [인접한] 스테이터(3)와 로터(21)가 일차 위치에서 동일한(또는 상이한) 극성을 갖는 경우에, 이들은 서로 반발하고(또는 끌어당기고), 동시에 인접한 스테이터(3) 및 로터(21)가 상이한(동일한) 극성을 갖는 하위 섹션 위치에서 끌어당기고(반발한다. 이 구성은 스테이터와 로터의 상호 운동 사이에 원활한 천이를 제공함으로써, 회전 전자 장치(1)의 성능을 증대시키고 진동을 유발하는 코깅 토크 현상을 감소시킨다.

도 4는 본 발명의 실시예 2를 도시하고 있다. 참조 번호 22는 로터이고, 42는 로터 상에 전자기 강판으로 이루어진 철심이다. 자극(42) 상에는, 자석(5)이 반경 방향으로 배치되고, 자석(9)이 원형으로 배치되며, 홈(10, 11)이 자극 상에 마련되어 있다. 철심 자극은 전자기 강판으로 이루어진다. 도 5는 참조를 위해 자석이 종래의 반경 방향 형태로 배치되는 로터 구성을 도시하고 있다. 자석의 주변에는 간극 또는 비자성 부재 부분이 마련되어 원형으로 배치된 자석에 의해 발생된 자속이 자석(9)으로 직접 복귀되는 것을 방지함으로써, 로터와 스테이터의 간극 부분에 존재하는 자속을 증가시킨다.

자석(5)은 동일한 극성을 갖는 인접한 자석을 향하도록 배치되어 있다. 로터(21) 상의 자석(5)은, 예컨대 60도의 간격이 아니라 다음의 방식으로 배치되는 6개의 자극을 갖는다. 5개의 자극은 각각 60도 × (170~176)/180 으로 나타내는 피 치각으로 위치된다. 나머지 하나의 자극은 60도 + 5도 × (170~176)/180 으로 나타내는 각도로 위치된다. 다른 한편으로, 6개의 자극이 존재하는 경우에, 스테이터(3) 상의 자석(5)은 60도의 간격으로 떨어져 있다. 따라서, 로터(21) 상의 자석(5)은 전자기적으로 결합되는 스테이터(3) 상의 자석에 대해 약간의 상대 변위를 갖게 위치된다.

이 구성을 이용하면, 회전 전자 장치(1)의 성능을 상당히 향상시키고, 코깅 토크를 상당히 억제할 수 있어, 진동 등을 저감시킨다.

로터(21)는 자석(5)의 길이가 반경 방향으로 조정될 수 있도록 자석(5)을 각 자극 철심의 자극(41, 42) 내로 삽입하기 위해 반경 방향으로 배치된 슬롯을 구비한다. 자석(5)의 반경 방향 길이를 조정하는 능력과 자석(5)을 삽입하기 위한 반경 방향 슬롯의 존재는 슬롯을 채울 수 있는 크기로 만들어진 자석을 사용할 수 있게 한다. 따라서, 특히 강한 자속을 얻기 위해서는, 강한 자석 또는 슬롯을 채우는 충분한 크기의 자석을 선택해야 한다. 탈착 가능한 자석(5, 9)의 구성을 이용하면, 모터 또는 전력 발생기의 특성을 쉽게 변경 또는 조정할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예 3을 도시하고 있다. 참조 번호 23은 로터이고, 43은 전자기 강판으로 이루어진 로터(23)의 철심 자극이다.

로터(23)의 자극(43) 상에는, 자석(5)이 반경 방향으로 배치되고 자극(43) 구성에는 하위 섹션(6)이 마련되어 있다. 자석(9)은 원형으로 배치되고, 자석(9) 둘레의 홈(10, 11)에는 간극 또는 비자성 부재가 마련되어 있다.

실시예 1과 2의 조합이 이 구성을 제공한다. 따라서, 이 구성은 이들 2개의 실시예의 특징으로부터 유도되는 상승 작용적 효과를 제공한다.

이 때문에, 로터(23)와 스테이터(3)의 간극 부분에서 자속의 상당한 증가와 함께, 상당한 성능 증가, 코깅 토크 억제에 있어서의 상당한 증대 및 상당한 진동 저감이 로터(23) 상의 자극과 스테이터(3) 사이의 결합 변위에 의해 달성되고, 로터(23) 상의 자극과 스테이터(3) 사이에 돌출 구성(8) 형태 등의 분할 부분의 존재가 제공된다.

도 7과 8은 본 발명의 실시예 4를 도시하고 있다. 참조 번호 1은 회전 전자 장치이고, 24, 24a, 24b 중 어느 하나는 로터이며, 3은 스테이터이고, 44는 로터(24a, 24b)의 전자기 강판으로 이루어진 철심 자극이다. 회전 전자 장치(1)에 있어서, 자석(5, 9)은 로터를 구성하도록 삽입되고, 여기서 로터(24)의 런아웃(run-out) 컴포넌트는 권선(16)에 의해 전자기적으로 결합되는 철심에 의해 구성되는 스테이터(3)의 축방향 길이보다 길이가 긴 영역에 위치되는 자석(5, 9)으로 구성된다. 내측은 대향하는 자석(5, 9)에 의해 규정되는데, 자석(5)은 반경 방향으로 배치되며, 자석(9)은 동일한 극성을 갖는 로터(24)의 런아웃 컴포넌트 내에 원형으로 배치된다. 내측은 대향하는 자석(5, 9)에 의해 규정되는데, 자석(5)은 반경 방향으로 배치되고, 자석(9)은 반대 극성을 갖는 로터의 논-런아웃(non-run-out) 컴포넌트 내에 원형으로 배치된다.

도 4에 도시된 바와 같이 상기 구성에 따르면, 로터(24) 상의 "런아웃 영역"(24a)에서, 자속은 화살표를 따라 발생되고, 로터(24) 상의 "논-런아웃 영역"(24b)에서, 자속은 다른 화살표를 따라 발생된다. 사실상, "런아웃 영역"(24a)과 "논-런아웃 영역"에서 발생되는 자속은 중첩된다. 이 구성은 로터(24)와 스테이터(3) 상의 "런아웃 영역"의 길이에 비례하여 간극 부분의 자속에 있어서 상당한 증가를 가능하게 한다. 따라서, 회전 전자 장치(1)는 우수한 성능, 저감된 코깅 토크 및 억제된 진동 측면에서 상당히 유리한 효과를 얻는다.

그 결과, 회전 전자 장치(1)의 크기가 소형이더라도, 95~98%의 우수한 효율을 달성할 수 있다. 종래 기술의 회전 전자 장치(1)에 비해, 본 발명은 훨씬 소형일 수 있다.

도 9, 10, 11, 12 및 13은 다른 특정한 구성의 회전 전자 장치의 횡단면도이다.

101, 101', 102, 102'는 본 발명의 영구 자석식 회전 전자 장치이다. 참조 번호 102는 스테이터, 103은 로터이다. 스테이터(102)는 영구 권선(104)과 스테이터 자극 철심(105)으로 구성된다. 로터(103)는 [도 9에 도시된 바와 같은] 영구 자석(171, 172, 173)이 각 자극에 대해 반경 방향 및 원형으로 조합 및 배치된 방식으로 구성된다. 참조 번호 108은 각 위상의 각 영구 자석으로부터 유도되는 위상을 격리시키는 파티션 조립체 플레이트이다. 도 9는 3 열과 3 세트를 갖는 로터(103)의 구성을 도시하고 있다.

참조 번호 112는 회전 샤프트이고, 113은 회전 베어링이며, 114는 케이싱이라는 점을 유념하라.

도 10과 11에 있어서, 로터 자극 철심(106)에서, 각 로터(103) 상에 반경 방향으로 배치되는 영구 자석(171)으로부터 유도되는 자속은 로터 상에 원형으로 배 치되는 영구 자석(172)의 자속보다 약 2배이다.

로터(3) 상에 반경 방향으로 배치되는 영구 자석(171)의 자속과, 로터(3) 상에 원형으로 배치되는 영구 자석(172)의 자속과 관련하여, 자속 분포는 스테이터(102)와 로터(103) 상의 각 자극의 회전면에 홈(109)의 팬형 구성(a, b)과 조정 홈(110)의 폭(c)을 제공함으로써, 자속계를 이용하여 미리 조정될 수 있다.

상기 구성은 회전면의 각 자극에 의해 발생되는 자속 분포 파형에서 조화된 내용을 저감시킴으로써, 파형이 실질적으로 사인파가 되게 한다.

로터(3) 상에 반경 방향으로 배치되는 영구 자석(171)의 자속과, 로터(3) 상에 원형으로 배치되는 영구 자석(172)의 일차 자속과 관련하여, 자속 분포는 스테이터(102)와 로터(103)의 각 자극의 회전면에서 영구 자석(173)의 크기 또는 유사한 인자에 따라 홈(109)의 팬형 구성(a, b)과 이차 자속량을 제공함으로써 자속계를 이용하여 미리 조정될 수 있다.

상기 구성은 자속량을 증대시키고, 회전면의 각 자극에 의해 발생되는 자속 분포 파형의 조화된 내용을 감소시킴으로써, 파형이 실질적으로 사인파가 되게 한다.

로터(103) 상에 반경 방향으로 배치되는 영구 자석(171)의 자속이 회전 샤프트측에서 손실되는 것을 방지하기 위하여, 자속 손실 방지 홈(111)이 마련되고 회전 샤프트(112)가 비자성 부재로 제조된다. 이 구성은 회전면 상의 자속을 효율적으로 증대시킨다.

로터(103) 상의 자극 사이의 간격에 대하여, 예컨대 도 10과 11에 도시된 바 와 같이 4배의 자극 구성에서는, 자극 중 3개를 88도의 피치 각도로 배치하고 나머지 자극은 도시하지 않았으나 96도 떨어져 배치하는 것이 용이하다. 상기 구성에서 불균일한 간격으로 배치되는 하나의 자극의 최소 이용 또는 유사한 고려 사항은 로터가 코깅 토크를 경험하는 것을 방지한다. 물론, 불균일한 간격의 이용은 각 열 및 각 세트에서 자극을 기울이는 것과 함께 사용될 수도 있다.

본 발명의 구성에 따르면, 소형화된 회전 전자 장치(101, 101')에 사용되는 전력 발생기는 수 kW의 고출력에서 95~98%의 높은 효율을 달성한다.

전력 발생기로서 작용하는 도 12에 도시된 바와 같은 소형화된 회전 전자 장치(102)에서는, 본 발명의 로터(105) 상의 로터 철심(106) 둘레에 반경 방향으로 배치되는 슬롯 내로 삽입되는 자석(171)을 위해 신규한 슬롯이 외주부에 마련된다. 자석(174)은 자장이 반경 방향으로 나타나고 반발력과 흡인력이 항상 스테이터와 자석(174) 사이에서 발생되는 한편, 로터가 동기화된 속도로 회전하여 회전 중에 항상 구동력을 발생시키도록 신규한 슬롯 내로 삽입된다. 따라서, 출력이 증대되고 효율이 향상된다.

더욱이, 전력 발생기로서 기능하는 소형화된 회전 전자 장치(102')에 있어서, 본 발명의 로터(105)의 로터 철심(106)의 구성을 위한 비자성 부재(120) 또는 전도성 비자성 부재(121)의 이용은 출력과 효율을 추가로 증대시키고, 회전 전자 장치가 유도에 의해 활성화될 수 있게 한다.

로터(103)의 구성을 위해 영구 자석(171, 172, 173 및 174)에 대해 초전도성 재료의 전자석을 이용하면, 회전 전자 장치가 높은 출력을 생성하고 높은 효율로 작동할 수 있다.

본 발명은 일반 산업 장비, 가정용 기기, 자동차 또는 수송 장치, 공기력, 수력 또는 열 동력 전자 장치, 및 의료 장비를 비롯하여 광범위한 용례를 갖는다.

본 명세서에 기술한 본 발명의 실시예들에 있어서, 또는 본 명세서에 기술된 실시예들의 부품 또는 요소들에 있어서, 또는 본 명세서에 기술된 방법의 단계 순서에 있어서, 이하의 청구범위에 규정된 본 발명의 사상 및/또는 범위에서 벗어남이 없이 변경이 이루어질 수 있다.

Claims (14)

1. 자석을 이용한 회전기기에 있어서, 상기 자석은 로터 상에 반경 방향으로 배치되도록 삽입되고, 로터 상의 자극 구성은 비대칭형 컴포넌트인 하위 섹션을 구비하여, 상기 로터의 하위 섹션은 동일한 극성 뿐만 아니라 상대적인 관점에서 반대 극성인 스테이터의 자극에 반응할 수 있는 지점에 도달하는 회전기기.
2. 자석을 이용한 회전기기에 있어서, 로터의 자극은 균일한 피치 또는 각도가 아니라 소정의 상대 변위를 갖는 여러 각도로 배치되고, 상기 로터를 구성하기 위하여 자석이 반경 방향 및 원형으로 배치되도록 삽입되며, 상기 원형으로 배치된 자석에 의해 발생되는 자속이 상기 로터 자석으로 직접 복귀되지 않도록 상기 자석의 주변에 간극 또는 비자성 부재 부분이 마련됨으로써, 상기 로터와 스테이터 상의 간극 부분에서의 자속 밀도를 증가시키는 회전기기.
3. 삭제
4. 자석을 이용한 회전기기에 있어서, 로터를 구성하도록 자석이 삽입되고, 자석으로 구성된 상기 로터의 런아웃(run-out) 컴포넌트는 전자기적으로 결합된 철심으로 구성된 스테이터의 축방향 길이보다 길이가 긴 영역에 위치되며, 대향하는 자석들에 의해 규정되는 내측에서, 상기 로터의 런아웃 컴포넌트 내에 반경 방향으로 배치된 자석과 원형으로 배치된 자석은 동일한 극성을 갖고, 대향하는 자석들에 의해 규정된 내측에서, 상기 로터의 논-런아웃(non-run out) 컴포넌트 내에 반경 방향으로 배치된 자석과 원형으로 배치된 자석은 반대 극성을 갖는 회전기기.
5. 자석을 이용한 회전기기에 있어서,

   스테이터는 강자성 부재와 전기자 권선으로 구성된 자극을 구비하고,

   영구 자석은 로터 상에 반경 방향 및 원형으로 배치되며, 상기 로터 상에 반경 방향으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속은 로터 상에 원형으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속의 2배이고,

   상기 로터의 회전면에는, 상기 로터 상의 강자성 부재로 이루어진 자극 구성에 홈이 형성되고, 상기 홈의 형태 및 폭은 상기 로터의 각 자극에서 발생된 각 자속의 전체 상호 작용으로 생긴 자속 분포가 실질적으로 사인파로서 나타나도록 변경되는 회전기기.
6. 자석을 이용한 회전기기에 있어서,

   스테이터는 강자성 부재와 전기자 권선으로 구성된 자극을 구비하고,

   영구 자석은 로터 상에 반경 방향 및 원형으로 배치되어 상기 로터 상에 반경 방향으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 자속이 로터 상에 원형으로 배치된 영구 자석에 의해 발생된 일차 자속의 2배가 되도록 제어하며,

   일차 자속을 발생시키는 원형으로 배치된 영구 자석은 이차 자속을 발생시키도록 마련된 영구 자석과 대향하고,

   상기 로터의 회전면에는, 상기 로터 상의 강자성 부재로 이루어진 자극 구성에 홈이 형성되고, 상기 홈의 형태 및 폭은 상기 로터의 각 자극에서 발생된 각 자속의 전체 상호 작용으로 생긴 자속 분포가 실질적으로 사인파로서 나타나도록 변경되는 회전기기.
7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 로터 상의 반경 방향 영구 자석 컴포넌트에는, 회전 샤프트측에 자속 손실 방지 홈이 마련되고, 상기 회전 샤프트는 비자성 부재로 이루어지는 회전기기.
8. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 로터 상의 각 자극 사이의 간격에 관하여, 최소한 하나의 자극과 다른 하나의 자극 사이의 간격 또는 피치 각도가 동일하지 않은 회전기기.
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 자석을 이용한 회전기기에 있어서, 로터 상에 반경 방향으로 배치되는 자석을 유지하는 철심 컴포넌트의 외주부에 자석을 부착시키기 위한 슬롯이 마련되어, 상기 자석에 의해 반경 방향으로 자장이 발생됨으로써, 스테이터와 상기 로터의 자속이 서로에 대해 반응하여 동기 회전 모드에서 회전 방향으로 토크를 발생시키도록 하는 회전기기.
13. 삭제
14. 제 1항, 제 5항, 제 6항 및 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 반경 방향 또는 원형 자석 컴포넌트 상의 자석 부분이 제거될 수 있고, 상기 자석의 자력이 로터 상에 비대칭 형태로 제공된 자극 컴포넌트의 자장을 변경시키도록 조정될 수 있음으로써, 그의 특성을 추가로 향상시키는 회전기기.

Images