KR100944897B1 - 자속역전식 평판형 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기 또는 발전기 등에서 사용되는 평판형 기기의 고정자 및 회전자 구조를 개선한 것에 관한 것이다.

본 발명은 고정자의 치 단부에 영구자석을 기계적으로 지지하도록 홈 구조를 이용하여 설치하고, 회전자의 치 구조는 돌극형 구조로 하여 기존의 영구자석 부착 회전자 구조를 가지는 평판형 전동기나 발전기와 비교할 때, 기기의 회전 속도 증가로 인한 영구자석의 이탈을 방지할 수 있고, 회전자 구조가 간단하고 강인하여 제작이 용이하며, 회전자 위치 및 전류에 대한 인덕턴스 변화가 작고 전기적 시정수가 작기 때문에 저속 및 고속을 요구하는 산업응용분야에서 폭넓게 사용될 수 있는 자속역전식 평판형 기기를 제공한다.

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Description

자속역전식 평판형 기기{The flux reversal axial machine}

본 발명은 자속역전식 평판형 기기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 고정자, 회전자, 영구자석 등을 포함하며 전동기 또는 발전기로서 이용되는 자속역전식 평판형 기기에 관한 것이다.

일반적으로 자속역전식 기기는 스위치드 릴럭턴스 전동기(Switched reluctance motor)의 단점을 보완하고 영구자석형 기기의 장점을 활용한 것으로 전동기(Motor) 및 발전기(Generator)로서 이용된다.

도 1은 종래 평판형 기기의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 평판형 기기는 평판형의 고정자(10) 및 회전자(11)가 서로 마주보며 나란하게 배치되고, 상기 고정자(10)에는 고정자 권선(미도시)을 가지면서 원주방향을 따라 일정간격으로 배치되는 동시에 축방향으로 일정높이 돌출되는 다수 개의 고정자 치(12)가 형성되고, 상기 회전자(11)에는 고정자 치(12)의 위치에 상응하면서 대치되는 영구자석(13)이 구비되어 있는 형태로 이루 어져 있으며, 이때 원주방향을 따라 일정간격으로 배열된 영구자석(13)을 갖는 회전자(11)는 고정자 치와 대항하여 공극을 형성하면서 회전하도록 되어 있다.

따라서, 상기 고정자(10)와 회전자(11)로 이루어진 기기에서 코일에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 고정자 치(12)와 영구자석(13) 사이에 반발력 또는 흡인력을 생성하여 회전 토크를 발생시켜 전기적인 에너지를 기계적인 에너지로 변환시키는 회전 기기로 사용할 수 있다.

그러나, 이와 같은 기존의 평판형 기기의 경우 고속 회전시 축방향 자기력의 불균형으로 인한 소음과 진동이 크게 발생하는 단점이 있고, 영구자석 이탈 등의 문제가 발생할 수 있는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 기존 스위치드 릴럭턴스 전동기와 같이 회전자계에 의한 연속적인 방식으로 토크를 발생시키는 원리가 아니라, 릴럭턴스 토크를 이용함으로써 야기되는 토크 맥동에 의한 진동 소음을 저감할 수 있고, 또한 기존의 영구자석 전동기에서 회전자에 부착하는 영구자석 구조를 고정자 치 단부에 부착함으로써 속도 증가에 따른 영구자석의 원심력으로 인한 영구자석의 비산을 방지하고, 회전자의 구조를 간단하게 하여 고속 운전을 간편하게 할 수 있으며, 영구자석 계자로 인해 기기의 효율을 향상시키고 고토크 밀도를 가질 수 있는 자속역전식 평판형 기기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기는 고정자에 고정자 권선을 가지면서 원주방향을 따라 일정간격으로 배치되는 동시에 축방향으로 일정높이 돌출되는 다수 개의 고정자 치가 형성되고, 상기 고정자 치의 단부에는 홈에 끼워지는 구조로 영구자석이 설치되며, 상기 회전자에는 고정자 치에 있는 영구자석의 위치에 대치되는 형태로 대항하면서 공극을 형성하는 회전자 치가 축방향으로 일정높이 돌출 형성되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 자속역전식 평판형 기기는 출력 증가를 위하여 다수 개의 고정자와 회전자를 축방향으로 쌓아서 만든 멀티 기기 형태로 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제공하는 자속역전식 평판형 기기는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 직경이 크고 축방향 길이가 짧은 박형 구조로서 출력을 증가하기 위해 평판형 고정자 및 회전자를 축방향으로 연결시킬 수 있으므로, 단위 체적당 고출력, 고효율 기기의 제작이 가능하다.

둘째, 기존 평판형 전동기에 비하여 영구자석을 고정자에 부착한 구조, 돌극형 구조의 회전자를 채택하여 기기의 회전속도 증가에 따른 영구자석의 이탈문제를 완전히 배제할 수 있는 동시에 소음이나 진동 문제를 최대한 저감시킬 수 있고, 회전자 구조가 간단하고 강인하여 제작이 용이하다.

셋째, 회전자 위치 및 전류에 대한 인덕턴스 변화가 작고 전기적 시정수가 작기 때문에 저속 및 고속을 요구하는 산업응용분야에서 폭넓게 사용될 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기를 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기의 구조를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 2와 도 3에 도시한 바와 같이, 서로 한쪽면을 마주보며 나란하게 배치되는 고정자(10)와 회전자(11)는 자속역전식 평판형 기기에서 보통 사용되는 원판형 의 형상을 가지며, 이것들 사이에는 영구자석(13)이 개재된다.

상기 고정자(10)에는 원주방향을 따라 가면서 일정간격으로 배치되고 축방향으로는 일정높이 돌출되는 다수 개의 고정자 치(12)가 형성되며, 이때의 각 고정자 치(12)의 둘레에는 고정자 권선(14)이 수회 감겨진다.

또한, 상기 회전자(11)에는 고정자(10)가 갖는 고정자 치(12)와 대치되는 형태의 회전자 치(16)가 구비되고, 이때의 회전자 치(16) 역시 고정자 치(12)와 마찬가지로 원주방향을 따라 가면서 일정간격으로 배치되고 축방향으로는 일정높이 돌출되는 형태로 형성된다.

고정자 치(Ns)와 회전자 치(Nr)의 관계는 다음식과 같다.

Ns = 2mk

Nr = Ns±2k

(여기서, m은 고정자 권선의 상수, k = 1,2,...n 인 정수)

특히, 상기 고정자(10)의 고정자 치(12) 단부에는 홈(15)이 형성되고, 이 홈(15)을 통해 영구자석(13)이 설치된다.

즉, 본 발명에서는 종전 회전자에 부착되어 있던 영구자석 설치구조를 대신하여 고정자에 영구자석을 부착한 영구자석 설치구조를 제공한다.

이때, 상기 영구자석(13)이 설치되는 홈(15)의 경우 쐐기 형태의 홈, 예를 들면 홈 바닥쪽의 폭(도 3을 기준할 때 가로방향 폭)에 비해 바깥쪽의 폭이 상대적으로 좁은 쐐기 형태의 홈으로 되어 있으며, 이에 따라 영구자석(13)의 이탈문제없이 그 고정상태를 견고하게 유지할 수 있다.

여기서, 상기 영구자석(13)은 옆쪽으로 밀어 끼운 후, 억지끼움, 접착, 융착 등 공지의 다양한 형태로 고정시킬 수 있다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 영구자석(13)은 반경방향으로 나란한 형태로도 설치할 수 있고, 또 한쪽 옆으로 약간 틀어진 형태, 즉 반경방향에 대해 일정각도 틀어진 스큐 구조로 설치할 수 있다.

이렇게 스큐 구조로 영구자석(13)을 설치하는 경우 코킹토크를 저감할 수 있다.

코깅 토크는 고정자와 회전자 사이에 치 슬롯 구조로 인하여 자기적인 공극이 불균일하여 발생하는 힘으로, 자속역전식 평판형 전동기에서 고정자의 영구자석배치가 이와 대치되는 회전자의 치 구조와 동일 반경방향으로 놓여 있는 경우 회전자가 회전할 때 주기적으로 증감하게 된다.

이러한 코깅 토크는 영구자석을 반경방향에 대해 틀어지게 스큐 구조로 배치하거나, 또는 스큐를 시행하지 않은 영구자석의 경우 영구자석은 반경방향과 나란하게 그대로 두고 회전자의 치 구조를 반경방향에 대해 틀어지게 스큐 구조로 배치하면 영구자석과 회전자의 치 구조가 반경방향에 대해서 정렬되지 않고 어긋나게 되어 회전자가 회전시 고정자의 영구자석에 대한 자기저항의 변화가 분산되므로 이때 발생되는 코깅 토크가 줄어드는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 회전자(11)의 회전자 치(16)는 그 단부가 원주방향 양 옆으로 돌출된 형태, 즉 단부에 돌출부(19)를 갖는 형태로 되어 있으며, 이에 따라 회전자 쇄교자속의 유효성분을 증가시킬 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기를 적용한 멀티 기기 형태를 나타내는 개략도이다.

도 5에 도시한 바와 같이, 여기서는 편측식, 양측식 등과 같이 여러 평판형 기기를 조합한 형태의 멀티 기기 형태를 제공한다.

예를 들면, 고출력 고효율에 맞게 다수 개의 고정자(10)와 회전자(11)를 축방향으로 쌓아서 만든 형태의 평판형 멀티 기기를 제공하며, 이에 따라 축방향 길이가 짧은 박형 공간에 단위 체적당 전동기 또는 발전기의 출력을 증가할 수 있다.

즉, 필요에 따라 축방향으로 평판형 고정자 및 회전자 갯수를 늘려줌으로써 용량을 쉽게 증가시킬 수 있다.

따라서, 이와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기의 작용(회전자의 회전에 따른 자속의 변화 등)을 살펴보면 다음과 같다.
통상 전자계에서 힘이 발생되는 원리는 전류와 자장 상호 간에 발생되는 로렌쯔(Lorentz)힘(토크)과, 치 슬롯 구조의 자기적 저항(릴럭턴스) 차이에 의한 릴럭턴스 힘(토크)으로 나눌 수 있으며, 본 발명에서 설명하는 자속역전식 전동기는 스위치드릴럭턴스 모터와 같이 구조적으로 고정자와 회전자가 상호 이중 돌극 구조를 가지고 있고(릴릭턴스 힘이 존재), 고정자 치 단부의 영구자석에 의한 로렌쯔 힘이 상호 존재한다고 볼 수 있다.

고정자(10)의 각 고정자 치(12)에는 고정자 권선(14), 즉 코일이 권선되어 각각 고정자 극을 이루고 있고, 각각의 고정자 극들은 상수에 따라 전기적으로 360°위치의 고정자 극끼리 서로 전기적으로 연결되어 동일한 극성을 발생하도록 되어 있다.

회전자(11)의 회전에 의해 회전자 치(16)의 중심부가 영구자석(13)의 극과 극 사이의 위치에 있는 경우 영구자석(13)에 의한 자속은 고정자 치(12), 공극 및 회전자 치(16)를 통해 흐르므로, 권선에 쇄교하는 자속은 존재하지 않는다.
즉, A상 권선의 쇄교 자속량은 "0"이 된다.

그러나, 회전자(11)가 회전하게 되면 자속은 점차 고정자 요크부분을 통해 흐르게 되고, 권선에 쇄교하는 자속의 양이 증가하게 된다.
이때, 고정자(10)에 고정되어 있는 영구자석(13)의 한 극과 회전자 치(16)가 완전히 일치하게 되면 권선의 쇄교자속은 최대가 된다.
즉, A상의 쇄교 자속은 최대가 된다.

회전자(11)가 다시 더 회전하게 되면 영구자석(13)의 한 극으로부터 회전자 치(16)가 점차 벗어나면서 쇄교자속의 양도 점점 감소하게 되고, 회전자(11)의 돌출되지 않은 부분의 중심부가 영구자석(13)의 극과 극 사이에 위치하게 되면 쇄교 자속은 "0"이 된다.

회전이 더 진행되면 쇄교 자속의 극성이 바뀌게 되고 영구자석의 극과 회전자의 치(16)가 일치하면 쇄교자속은 다시 최대가 된다.

그리고 다시 회전에 의해 영구자석이 회전자 치로부터 벗어나면서 쇄교자속은 점차 감소하여 결국“0”이 된다.
이와 같이 회전자(11)가 회전함에 따라서 고정자 권선의 쇄교자속 극성이 역전(Reversal)하게 되고, 유기 역기전력 또한 극성이 바뀌게 된다.

이와 같이, 평판형 전동기나 평판형 발전기에서 고정자 영구자석 부착 구조를 적용하고, 회전자 부분을 돌극 구조로 하는 새로운 타입의 자속역전식 평판형 기기를 구현함으로써, 회전자의 회전 속도에 관계없이 영구자석 이탈문제를 완전히 배제할 수 있고, 회전자 구조의 단순화로 제작을 용이하게 할 수 있으며, 특히 회전자의 위치 및 전류에 대한 인덕턴스 변화가 작고 전기적 시정수가 작기 때문에 저속 및 고속을 요구하는 응용분야에 폭넓게 사용할 수 있다.

도 1은 종래 평판형 기기의 구조를 나타내는 사시도

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기의 구조를 나타내는 사시도

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기의 구조를 나타내는 단면도

도 4는 본 발명의 일 실시에에 따른 자속역전식 평판형 기기에서 영구자석의 스큐 구조를 나타내는 개략도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 자속역전식 평판형 기기를 적용한 멀티 기기 형태를 나타내는 개략도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고정자 11 : 회전자

12 : 고정자 치 13 : 영구자석

14 : 고정자 권선 15 : 홈

16 : 회전자 치 17 : 프레임

18 : 샤프트 19 : 돌출부

Claims (5)

1. 서로 한쪽면을 마주보며 나란하게 배치되는 고정자(10)와 회전자(11), 상기 고정자(10)와 회전자(11) 사이에 개재되는 영구자석(13) 등을 포함하는 자속역전식 평판형 기기에 있어서,

   상기 고정자(10)에는 고정자 권선(14)을 가지면서 원주방향을 따라 일정간격으로 배치되는 동시에 축방향으로 일정높이 돌출되는 다수 개의 고정자 치(12)가 형성되고, 상기 고정자 치(12)의 단부에는 홈(15)에 끼워지는 구조로 영구자석(13)이 설치되며, 상기 회전자(11)에는 고정자 치(12)에 있는 영구자석(13)의 위치에 대치되는 형태로 대항하면서 공극을 형성하는 회전자 치(16)가 축방향으로 일정높이 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 자속역전식 평판형 기기.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 영구자석(13)이 설치되는 고정자 치 단부의 홈(15)은 바닥쪽의 폭에 비해 바깥쪽의 폭이 상대적으로 좁은 쐐기 형태의 홈으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 자속역전식 평판형 기기.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 코킹토크를 저감하기 위하여 상기 영구자석(13)을 반경방향에 대해 일정각도 틀어진 스큐 구조로 설치하거나, 또는 회전 자(11)의 치 구조를 반경방향에 대해 일정각도 틀어진 스큐 구조로 설치하는 것을 특징으로 하는 자속역전식 평판형 기기.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 회전자(11)의 회전자 치(12)는 회전자 쇄교자속의 유효성분을 증가시키기 위하여 단부가 원주방향 양 옆쪽으로 돌출되는 것을 특징으로 하는 자속역전식 평판형 기기.
5. 청구항 1에 있어서, 기기의 출력 증가를 위하여 다수 개의 고정자(10)와 회전자(11)를 축방향으로 쌓아서 만든 멀티 기기 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자속역전식 평판형 기기.

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