KR101006784B1 - 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조 - Google Patents

Abstract

복수의 열(rows)에 배치된 복수의 자극편(claws)및 공통 요크(common yoke)에 접속된 상기 각 자극편의 베이스를 가지는 자기회로구성요소인 다상 자극편형 극(pole)구조로 형성된 본 발명의 과제는, 그 해결수단으로 다상 권선을 구성하는 복수의 서로 감합되지 않은 코일이 포함되어 있는 코일은 대응하는 자극편의 베이스에 감겨지고 운동 방향으로 균등히 배치되어 있는 것이다.

자극편 폴, 요크, 고정자, 회전자, 전기자

Description

전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조{POLYPHASE CLAW POLE STRUCTURE FOR AN ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 전기 기계에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 다상 전기 기계용 클로형 자극(磁極)의 구조 (claw pole structures)의 설계에 관한 것이다.

전기 기계는 전류 또는 기계적 외력(mechanical force)을 발생하기 위하여 자계(megnetic field)의 변화를 이용한다. 전류를 발생시키는데 적합한 전기 기계의 경우에, 자계는 와이어 코일을 통과하여, 이 와이어 코일내에서 원하는 전류를 유도한다. 기계력을 발생시키는데 사용되는 전기 기계의 경우에, 전류가 와이어 코일을 통과함으로서, 이 코일이 인접하는 자계(磁界)로 이끌리어(또는 반발되어), 원하는 힘이 발생된다.
상기 원리는 통상적으로, 전기 기계를 회전시킬 때에 공통으로 실시 된다. 예를 들어, 발전기 또는 교류 발전기에서, 회전 소자, 즉 회전자는(전자기적으로 발생되는)자계를 공급하기 위하여 회전 방향 주위에 배치된 복수의 자극(poles)을 가진 고정자에 의해 간헐적으로 발생되는 자계를 통한다. 전기 모터는 이와같은 구조로 되어 있다. 원리적으로 유일한 차이점은 전류가 (발전기 또는 교류 발전기의 경우와 같이) 회전자 코일에 의해 발생되는 것이 아니라 전류가 회전자 코일에 공급된다는 점에 있다.
고정자 극의 기하학적 설계 및 구성은 전기 기계의 치수, 형상 및 중량 뿐만 아니라 동작 효율성에 영향을 미친다. 클로형(claw-type) 구조는 단일의 집중 권선 또는 코일을 가진 전기 기계의 회전자의 극에 빈번하게 사용된다. 교류 발전기 회전자의 경우에, 코일은 직류( DC )전류가 공급된다. 비동기 모터, 스텝퍼 모터(stepper motors) 및 무브러시(brushless) 영구 자석 모터와 같은 다른 용도에 있어서는 고정자 코일에 교류( AC ) 전류 또는 임펄션(impulsions)의 어느 하나가 공급된다.
적층 재료(laminated materials)를 사용하면, 다상전기기계(多相電氣機械)의 전기자구조(電機子構造)에 기하학적 형태가 제약된다. 통상, 자기회로는 와전류(eddy currents)의 순환을 피하기 위하여 서로 전기적으로 차폐되어 있는 동일의 각층을 서로 적층하여 구성되어 있다. 이들의 전기자 구조는 회전축에 따라 변화하지 않는다. 또한 자속(magnetic flux)은 적층물의 평면에서 순환하기 때문에 이러한 구조는 2차원(2D)구조라고 부를 수 있다.
적층재료를 사용하는 전기 기계의 조립체에 있어서는 통상적으로, 몇 가지 부가적인 기계 부품을 필요로 한다. 예를 들어, 회전자를 고정자에 고정하는 기능을 발휘하는 베어링(bearing) 하우징을 지지하기 위하여 적층물의 각 대향면에 플랜지의 추가가 필요하다. 적층물에 이들의 플랜지를 부착하는 것은 적층물의 성질이나 권선말단부(end-winding)가 슬롯(slot)의 외부로 돌출되어 있기때문에 매우 곤란하게 된다. 이들 플랜지는 자성재료로 구성되는 경우에는 자속 누설을 최소화하기 위하여 또는 도체재료로 구성되는 경우에는 와전류를 최소화 하기 위하여 권선말단부에서 격리된 위치에 있지 않으면 아니된다. 이들 조립체는 통상적으로 기계의 전(total)축 길이가 증대된다.
적층 재료를 사용하는 기계 구조에서 열 방산(heat dissipation)도 중대한 문제이다. 열 전달은 적층물의 평면에 대해서 직교하는 방향에서 훨씬 효율이 저하되기 때문이다. 냉각 핀(cooling fins)이 구비된 외부 압출 알루미늄 요크(yoke)등의 냉각 시스템은 통상적으로 적층물의 주위에 프레스감합(press-fit)되어, 주위 온도로의 열 전달을 향상시키기 위해 사용 하였으나, 이와 같은 냉각 시스템의 효율은 적층물과의 열 접촉이 불량하기 때문에 제한되고 있다.
이들의 모든 문제때문에 전자기능, 기계기능, 열기능을 발휘하는 종래의 전기 기계에서 비교적 많은 이종 부품이 필요하게 되고, 나아가서는 권선, 적층물, 플랜지, 베어링 하우징 지지체, 부착 나사, 로드, 외부 요크, 알루미늄 핀 등의 재료 및 조립 비용이 증대하는 것이다.
철 분말(iron powder)로 구성되는 연자성 복합재료(soft magnetic composites)의 등방성(等方性) 자성 재료에 의해 전기기계의 부분을 구성하는 것은 가능하다. 같은 자성 재료로서 구성된 냉각 핀도 자기 회로 부품내에 조립될 수 있다(캐나다 특허 2282636 12/1999). 또한, 저전력 용도에 있어서는 클로형 자극(磁極)의 구조가 몇 가지 이점이 있음이 알려져 있다. 다수의 클로형 자극을 사용하는 전기 기계의 예로서, 클로형 자극 회전자를 사용하는 타이머 또는 자동차용 교류기에 사용되는 "밀폐 모터(canned motors)"를 들 수 있다.(미국 특허 3,271,606 및 미국 특허 제3,714,484). 단, 이 구조는 통상 클로우(claw:이하 자극편이라 칭함)을 구비하는 2개의 부분으로 구성되는 자기회로에 매립(embedded)된 유일한 코일을 사용하는 단상기계에 적용된다. 이런 종류의 배치는 「집중 권선」 이라 칭한다. 통상 코일의 총수는 모터의 상(phase)의 수와 같기 때문에 집중 권선은 다른 권선 구조 보다 실현하기 쉽다.
자동차용 교류기의 유도자(inductor)의 경우에, 코일에는 직류(DC) 전류가 공급된다. 비동기식 모터(미국 특허 3,383,534), 스텝퍼(stepper) 모터(미국 특허 5,331,237) 및 무브러시(brushless) 영구 자석 모터(미국 특허 5,854,524)의 고정자등의 기타의 용도에 있어서도 코일이 교류(AC) 전류 또는 전류 펄스를 공급받는 클로형 자극의 구조(claw-pole structures)를 사용하는 요지의 기재를 볼 수 있다.
도 1A, 1B 및 1C는 종래 기술의 자기 회로 구성 요소 (100), (단상 고정자 구조)의 복수의 도면을 표시한 것이다. 이 구조는 자성 재료로 형성되는 요크(105) (도 1B)를 갖는다. 요크(105)는 회전자(도시되지 않음)의 표면에 인접하는 공극(air gap)을 따라서 반경방향으로 내측전방을 향하여 돌출된 핑거(projecting fingers), 즉 자극편(claw)(112, 114, 116, 122, 124, 126)를 가진 2개의 대향된 환상체(annulus)(110, 120)로 구성된다. 환상코일(130)은 축방향으로 배치되며 회전자의 축(도시되지 않음)과 동심(同心)이며, 자성 회로(magnetic circuit)의 2개의 환상체(110, 120)로 둘러 싸여있다. 코일이 감겨진 평면은, 고정자와 회전자 사이의 공극면과 직교한다. 환상 코일(130)에 의해 발생되는 자속(magnetic flux)은 환상코일(130)의 각 측면에 위치하는 자극편(112, 114, 116, 122, 124, 126)를 거쳐 공극(air gap)을 통해서 회전자에 이른다.
교류(AC)클로형 자극 전기자의 경우에, 와 전류 손실(eddy current losses)을 최소화하기 위하여 복합 자성 재료에 의해 코어를 실현하는 것이 바람직하다.(미국 특허 3,382,534 및 미국 특허 5,331,237). 또한, 자성시트(magnetic sheets), 또는 적층물(lamination) 및 분말 야금방법(미국 특허 6,320,294 및 미국 특허 6,201,324)에 의해 생산되는 철 분말 재료로 구성되는 기타의 부품으로 이루는 조립체를 사용할 수 있다.
클로형 자극 전기자(claw-pole armature)를 가진 다상 구조를 실시하는 것은 통상적으로 좀 어렵다. 고정자 또는 회전자상에 배치된 복수의 단상(單相) 구조를 적층시키고, 자기 단락과 성능 저하를 회피하기 위해 공극에 의해 각 단상구조를 분리할 필요가 있다. 다만, 스텝퍼 모터등의 저전력 모터의 경우에, 이런 종류의 성능 저하는 각 구조 사이에 공극을 두지않고 복수의 단상 구조를 직접 병열(juxtaposing)로 함으로서 가끔 허용된다.(미국 특허 6,259,176호, 미국 특허 6,031,304호). 미국 특허 5,854,526호에는 서로 다른 코일 배열을 사용한 3상 클로형 자극의 구조가 기재되어 있다. 3개의 코일은 동일 평면에 배치되며, 이들의 축은 고정자와 회전자 사이의 공극면에 대해서 평행하다. 상기 구조의 경우와 동일 모양으로 코일이 감긴 평면은 공극면에 직교한다.
그러나,이들 구조는 자기단락(磁氣段絡)의 문제가 해결되어 있지 않아 매우 낮은 전력의 용도로만 사용되어야 한다.

본 발명은 전기 기계용 다상 클로형 자극 전기자의 여러 구조 및 이들에 관련된 조립 방법에 관한 것이다. 이들의 구조는, 높은 전력 범위를 커버하는 동기기(同期機) 영구 자석기, 스텝퍼 모터, 비동기기 및 자기저항기와 같은 교류(AC) 또는 펄스 전류를 공급받는 다상전기기계(모터 및 교류 발전기)의 고정자를 설계 및 구성하는데 사용될 수 있다. 이들 다상 구조는 또한, 직류(DC) 기계(모터 또는 발전기)의 회전자 전기자의 설계에도 사용될 수 있다.
이들 기계에서, 공극면은 직선운동의 경우에는 평면도 되며 원운동의 경우에는 원통형이어도 된다. 이하의 설명에서는 편의상, 전기자 자기회로만을 고려할 것이다. 각 도면은 원통형 공극면만을 가지고, 또한 공극면의 축을 중심으로 원운동이 이루어지는 구조가 표시되어 있다. 또한, 동일 구조는 직류(DC)기와 같은 다른 종류의 전기기계의 회전자에 사용할 수 있다. 직선운동, 또는 공극면에 직교하는 축을 중심으로한 원운동의 어느 것도 평면 공극면을 가지는 것이 가능하다.
상기의 클로형 자극(claw-type pole)구조의 경우처럼, 자기회로는 코일을 둘러싸고 또 한 복수의 부분으로 분할할 수 있기 때문에 코일의 부착이 용이하다. 이 자기회로에는 회전자의 공극에 대향하는 복수 열(列 = rows)의 자극편(磁極片=claw)이 장비(裝備)되어 있다. 2개의 인접 열(row)의 자극편(또는 핑거)은 서로 감합하여(즉 서로 공간을 보완해서) 공극의 커다란 면을 커버하고, 점유하는 축방향 공간을 증대시키지 않는다. 본 발명은 종래 제안된 자기 회로의 여러 부품에 코일이나 자극편을 배치하는 것과는 상이하다. 코일은 특정의 자극편의 베이스(base)에 감겨있다. 자극편의 베이스는 공극면에 직교하는 자기 회로의 부분을 형성한다. 복수의 자극편을 단일 자극편 베이스에 부착할 수 있다. 동 열(row) 내의 모든 자극편의 베이스는 공통 요크(common yoke)에 접속되어 있다. 코일의 축은 항상, 공극면에 직교한다. 즉 코일이 감겨진 평면은 공극면과 평행하다. 코일은 서로 감합되지 않고 운동축을 따라서 규칙적으로 간격을 둔다. 이 구조에 있어서는, 직류구성요소 없이 회전 자극(pole)에 의해 발생되는 자속이 코어 및 자극편에서 3개의 방향으로 교호로 순환한다.
모든 자극편은 임의의 열(rows) 또는 인접하는 열의 어느 것이나 반드시 동일 치수를 갖지 않어도 된다. 자극편의 형상에 의해 기전력의 조화량이 조절되며, 코깅 토크(cogging torque)의 진폭이 제어된다. 용도의 사양과 제약에 따라서 공극에 대향하는 자극편 부분의 여러 형상을 고려하는 것도 가능하다. 가장 일반적인 형상은 직사각형, 삼각형 또는 사다리꼴이다. 종래의 기계에서 사용되는 방법과 동일한 스큐 방법(skewing method)을 사용해서 코깅 토크를 감소시키기 위해서 운동 방향에 있어, 공극면에 대해 정접(正接)하는 자극편을 스큐(skew)를 실시하는 것도 가능하다. 회전자 와 고정자 사이의 공극의 두께는 동일 자극편의 표면을 따라서 변화하는 것도 가능하다. 이와 같은 방법에 의해, 공극 내의 유도 공간적 분포 및 자극편의 여러 부분에서 유도 분포가 적절히 조정될 수 있다.
코일을 지지하는 자극편의 베이스는 일반적으로, 직사각형의 형상을 갖는다. 단, 권선을 간략화하기 위해 코너를 둥글게하는 것이 바람직하다. 어떤 경우에, 코일의 치수를 최소화 하기 위해 타원형 또는 원형으로 할 수 있다.
자기 회로는 프레스, 성형(molding) 또는 기계 가공에 의해 형성되는 금속 분말을 기초재료로 하는 복합 자성 재료로 구성되는 것이 바람직하다. 자기 회로의 일부는 종래의 적층물로 구성할 수도 있다. 코어상에서 코일을 부착하는 것이 곤란한 특별한 경우에는, 자기 회로를 복수의 조립 부품으로 분할하여 코일의 부착을 용이하게 할 수 있는 것도 가능하다. 이어서, 이들 각 부품을 모두 접착, 나사조임 또는 프레스에 의해 결합하는 기계조립을 실시할 수 있다.
본 발명의 클로형 자극 전기자는, 예를 들어, 요크면에 부착된 영구 자석으로 구성되는 회전자등 종래의 원통형 회전자와 함께 사용할 수 있다. 그러나, 자석이 구비된 축 방향 공극에 의해 분리되는 2개의 회전자 요크를 사용하는 것이 권장된다. 이 배치에 있어서는, 각 자석의 열(列 = row)은 고정자 자극편에 대해서 정확하게 위치를 정할 수 있다. 이 경우에, 중앙과 외측 부분의 자극편은 동일한 두께를 가저도 된다. 이와 같이 회전자를 복수의 열(row)로 분할하는 것은 자석의 열(row)이 적절한 각도에서 약간 어긋나는 경우에 코깅 토크를 조정 하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명에 제시된 클로형 자극의 구조에 있어서는 종래의 적층구조(laminated structure) 보다도 전자기능, 기계기능 및 열 기능이 보다 양호하게 통합된다. 복합 금속 분말을 사용하는 경우에, 철 편(iron flakes)은 수지에 의해 절연되며, 자속은 자기 손실을 증대시키지 않고도 모든 방향, 즉 3차원으로 순환하는 것이 가능하다. 본 발명에 의해 실현되는 자기 회로의 새로운 위상과 조립에 의해 생산공정을 개선하고 비용을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 구조에 있어서는, 종래의 적층물에서 기계 고정의 문제를 해소하고, 추가 부품의 치수나 개수의 최소화가 가능하다.
본 발명에서, 자기 회로는 자극편의 각 열에 대응하여 복수의 부분(parts)으로 분할될 수 있기 때문에, 코일의 부착이 용이하게 된다. 3개의 부분으로 분할된 자기 회로의 경우에, 중앙 부분의 기계고정은 종래의 플랜지 역활을 하는 외측 부분에 의해 수행된다. 권선도 코일의 수도 접속 말단부의 수를 최소화 함으로서 간소화가 가능하다. 따라서, 기계의 전체 축 길이는 감소하고, 사용 재료의 량, 권선의 생산공정, 및 비용을 최소화할 수 있다. 본 발명의 권선은 전기자 자기 코어내에 완전히 봉입(封入)된다. 종래 2차원 구조의 권선단(end-winding)말단부 처럼, 자기 회로의 실제 길이 보다도 고정자의 축 길이가 크게 되는 권선 부품은 존재하지 않는다.
또한, 본 발명에서, 회전자는 베어링 하우징을 포함하는 소형 플랜지에 의해 매우 쉽게 고정할 수 있다. 권선말단부의 자속 누설이 최소화되기 때문에 이들 소형 플랜지는 도체 재료에 의해 구성될 수 있고, 외측부품에 용이하게 고정할 수 있다. 연장된 권선말단부를 가진 종래의 적층물의 기계 고정 문제가 해소된다.
여러 자기 회로 부품은 통상, 자속의 순환 및 코일의 고정을 위하여 사용되지만, 본 발명에서 이들 부품은 기계조립에서의 간소화와 위치 센서의 고정을 위하여 사용될 수 있다. 또한, 베어링 하우징(bearing housing)과 회전자의 기계적 고정을 위한 필요한 추가부품의 치수는 크게 감소될 수 있다. 본 발명의 전기자 구조의 외측 부품에 있어서 베어링 하우징의 일체화는 금속 분말 재료에 의하여 용이하게 실현될 수 있다. 이 배치에 있어서, 제시된 회전자 베어링 지지를 포함하는 자기 회로의 각 외측 부분은 단일 프레스 공정으로 일체화할 수 있다. 그러나, 이 일체화는 기계 공극(air gap)의 바람직하지 않은 자기단락(磁氣短絡)을 피해야만 한다. 이는, 외측고정자부품에 있어서 베어링 하우징을 일체화하는데 있어 비자성 재료를 사용하여 용이하게 달성될 수 있다. 기타 특정의 조건을 고려하는 경우에는 자성 재료를 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 주기적 구조 (periodic structure)에 있어서, 동일 값의 자위(magnetic potential)를 표시하는 2개의 다른 자극편을 자속 경로(flux paths)를 변경함이 없이 결합할 수 있다.
본 발명의 구조는 효율적인 자연 공기대류, 강제 공기 대류, 또는 물 순환에 의해 냉각 시스템을 구비하는 것도 용이하다. 또 다른 종류의 재료 사용여부에 관계없이 이 시스템은 자기회로 부품에 완전히 조립할 수 있다. 예를 들어, 냉각 핀과 전기자 요크는 단일 프레스공정에 있어 일체화할 수 있다. 이때, 냉각 핀은 요크의 외부면 주위에 배치된다. 이들 핀이 복합 자성 재료로 구성되는 기계의 축 길이를 따라서 배향(配向)되어 있는 경우, 자속은 이들 핀내에서도 순환할 수 있다. 즉 이들 핀은 「자기 활성상태」이다. 이와 같은 배치에 있어서, 모터의 전체 크기 및 중량은 최소화되고, 기계의 토크 대 중량 비는 향상된다. 유체 순환 냉각 시스템도, 이러한 구조에 용이하게 조립될 수 있다. 예를 들어, 비자성으로 또한 권선코일에 직접 접촉가능하며, 또한 자극편의 열(rows)에 평행한 평면내에 배치가능한 냉각유체의 순환용의 파이프 또는 통로(passages)의 설치가 가능하다. 이들의 파이프는 외측부품의 자극편에 의하여 기계적으로 고정된다. 냉각 유체의 순환용의 채널(channels)은 또한 연자성 재료(soft magnetic material)로 구성되는 자기 회로의 요크(yokes)내에서 직접 실현할 수 있다.
특정의 전력 범위를 커버하기위하여 서로 다른 모터를 설계할 필요가 있는 경우, 본 발명에 있어서는 생산공정을 최적화 하기위해 동일 부품을 사용하는 것이 가능하다. 이를 위하여 적층된 재료의 경우에, 적층되는 동일 층의 수를 조정하여 축 방향의 자기 회로 길이를 변경한다. 본 발명에 제시된 클로형 자극 전기자의 경우에도 같은 방법을 사용하는 것이 가능하다. 2개의 동일한 구조를 공극으로 분리함이 없이 회전축을 따라서 직접적층할 수 있는 것은 항상 가능하다. 이와 같이 변형(transformation)함으로서 당초의 기계의 전력이 2배로 된다. 이 조립은 매우 간단하고 또한 추가부품을 사용할 필요가 없게 된다. 기계 고정은 각 구조의 외측부분에 의해 실현되며, 권선은 직렬 또는 병렬로 접속할 수 있다. 여기에서, 모터의 전체 길이를 커버하는 단일 유도자(inductor) 구조를 사용하여도 되나, 복수로 적층된 회전자요크를 사용해도 된다. 또한, 회전 방향에 있어서 각 구조간에 약간의 각도 변위(angular displacement)를 사용해도 된다. 이로 인해, 코깅 토크(cogging torque)의 진폭을 최소화하고 기전력의 조화량을 조정할 수 있다.

도 1 A 는 2개의 부분과 1개의 중앙 환상 코일을 가진 종래 기술의 단상 클로형 자극 구조의 정면도.
도 1 B 는 2개의 부분과 1개의 중앙 환상 코일을 가진 종래 기술의 단상 클로형 자극 구조의 조립도.
도 1 C 는 2개의 부분과 1개의 중앙 환상 코일을 가진 종래 기술의 단상 클로형 자극 구조의 조립분해도.
도 2 A 는 구성요소가 2개의 부분으로 분할되며, 일부분의 3자극편에 3개의 코일이 부착되는 본 발명에 의한 간이 3상 클로형 자극 자기회로 구성요소의 정면도.
도 2 B 는 도 2 A 의 간이 3상 클로형 자극 자기회로 구성요소의 조립도.
도 2 C 는 도 2 A 의 간이 3상 클로형 자극 자기회로 구성요소의 조립분해도.
도 3 A 는 자기 회로 구성 요소가 회전자 축을 따라 3개의 부분으로 분할되고, 3개의 코일이 중앙 자기 회로 부분의 자극편에 부착되며, 2개의 외측 부분의 자기 회로 구성 요소가 동일한, 도 2 의 구조의 다른 조립의 정면도.
도 3 B 는 도 3 A 조립의 조립도.
도 3 C 는 도 3 A 조립의 분해도.
도 4 A 는 도 3의 구조들 중 2개 조합시킨 전력을 증대된 조립의 정면도.
도 4 B 는 도 4 A 조립의 조립도.
도 4 C 는 도 4 A 조립의 분해도.
도 5 A 는 공극이 외부 면에 있으며, 자기 회로 구성 요소가 3개의 부분으로 분할되며, 5개의 코일이 중앙 부분에 부착되며, 2개의 외측 부분의 자기 회로 구성 요소가 동일하며, 본 발명을 토대로 한 5상(五相) 구조의 정면도.
도 5 B 는 도 5 A 의 5상 구조의 조립도
도 5 C 는 도 5 A 의 5상 구조의 조립분해도
도 6 A, 자기 회로 구성 요소 중앙 부분의 자극편이 코일의 부착 후에 설치되고 외측 부분의 자극편도 코일의 기계적 지지를 지원하게 하기 위하여 확장되어 중앙 부분에 코일 설치를 용이하게 하는, 도 5 구조의 다른 조립의 정면도.
도 6 B 는 도 6 A 조립의 조립도.
도 6 C 는 도 6 A 조립의 분해도
도 7 A 는 공극 내에서 14 또는 16개의 자극을 형성하는 회전자 또는 외측 고정자와 함께 사용되는 자기 회로 구성 요소이며, 이런 자기 회로 구성 요소가 3개의 부분으로 분할되며, 3개의 코일이 복수의 자극편에 의해 둘러싸여진 중앙 부분에 설치되고 자기 회로 구성 요소의 중앙부분과 외측 부분의 자극편의 배치는 불규칙인, 본 발명의 또 다른 3상(三相) 자기 회로 구성 요소의 정면도.
도 7 B 는 도 7 A 의 3상 자기 회로 구성 요소의 조립도.
도 7 C 는 도 7 A 의 3상 자기 회로 구성 요소의 조립분해도.
도 8 A 는 코일에 필요한 구리의 량을 최소화하기 위하여, 중앙부분이 변형되며,외측 부분의 복수의 자극편이 재편(再編)되고, 외측 부분에 2개의 서로 다른 자극편의 폭이 존재하는 도 7 구조의 다른 설계의 정면도.
도 8 B 는 도 8 A 의 설계의 조립도.
도 8 C 는 도 8 A 의 설계의 조립분해도.
도 9A, 코깅 토크의 발진을 최소화하기 위하여 외측 유닛(units)상의 복수의 자극편에 슬롯(slotted)이 설치된 도 7 의 구조의 다른 설계의 정면도.
도 9 B 는 도 9 A 의 설계의 조립도.
도 9 C 는 도 9 A 의 설계의 조립분해도.
도 10 A 는 자기 회로 구성 요소의 중앙 부분이 불규칙으로 배치된 9개의 자극편을 가지며, 자극편의 베이스는 3개의 그룹으로 나누어 배치되어 중앙 부분에 부착된 3개의 코일이 점유하는 공간이 감소되고, 자기 회로의 외측 부분이 동일한 동시에 각각 6개의 불규칙적으로 배치된 자극편으로 되는 공극 내에 14 또는 16의 자극을 형성하는 회전자 또는 외측 고정자와 함께 사용되는 3상(三相) 구조의 정면도.
도 1 0 B 는 도 1 0 A 는 3상 구조의 조립도.
도 1 0 C 는 도 1 0 A 의 3상 구조의 조립분해도.
도 11 A 는 코일의 부착을 간단히 하기 위해 중앙부분이 3개의 동일한 부분으로 분할되며, 3개의 부분이 자기회로구성 요소의 2개의 외측부분에 의해 기계적으로 결합 되는 도 10의 구조의 다른 조립의 정면도.
도 11 B 는 도 11 A 조립의 조립도.
도 11 C 는 도 11 A 조립의 분해도.
도 12 A 는 자기 회로구성 요소의 외부면에 냉각 핀이 구비되며, 회전자(도시되지 않음)의 기계적 설치를 위하여 자기 회로 구성 요소의 각 외측부분에 베어링 지지체가 있는, 중앙 부분 상에 6개의 코일을 조립한 3상 구조의 정면도.
도 12 B 는 도 12 A 의 3상 구조의 조립도.
도 12 C 는 도 12 A의 3상 구조의 조립분해도.
도 13A는 회전자 곡률 반경과 다른 자극편의 곡률 반경을 갖는 레이디얼(radial)의 공극 모터의 일부를 도시한 횡단면도.
도 13B는 공극에 인접한 수정된 종단 프로파일(longitudinal profile)을 지닌 자극편을 갖는 레이디얼(radial)의 공극 모터의 일부를 도시한 종단면도.
도 14A는 본 발명의 한 실시예를 따른 고정자(stator) 구조에 통합되는 냉각 시스템의 단면도.
도 14B는 도 14A의 시스템의 원형 냉각 파이프의 예시도.
도 15A는 본 발명의 또 다른 실시예를 따른 고정자의 자기 회로에 통합되는 냉각 시스템의 단면도.
도 15B 및 도 15C는 고정자 자기 회로에 통합되는 측벽 및 스커트(skirt)가 장착된 고정자를 부가 한 예시도.
도 16은 본 발명을 따른 자극편의 열 및 분리된 세그먼트(segments)의 예시도.
도 17은 본 발명을 따른 분리된 세그먼트의 조립체로서, 2개의 대향하는 세그먼트는 자성 재료로 이루어지고 베어링 하우징용 지지체(1704)를 포함하는 플랜지 또는 바(bars)(1702)와 함께 조립되는, 조립체의 예시도.
도 18은 베어링 하우징(1802)을 부가 도시한 도면.
도 19A 및 도 19B는 비자성 플랜지(1902)를 각각 포함한 자기 회로의 조립체의 확대 및 분해도.
<도면의 주요한 부호의 설명>
20, 30, 50, 70, 80, 100, 1000, 1100, 1200 : 자기회로구성요소
105, 200, 300, 1302, 1312 : 요크
110, 120, 210, 220, 310, 320, 330, 510, 520, 530, 610, 630, 710, 720, 730, 810, 830, 910, 930, 1010, 1020, 1030, 1110, 1130, 1210, 1220, 1230 : 환상체
112, 114, 116, 122, 124, 126, 212, 214, 216, 222, 224, 226, 322, 324, 326, 512, 514, 516, 517, 518, 522, 524, 526, 527, 528, 532, 534, 536, 537, 538, 711, 712, 713, 714, 715, 716, 731, 732, 733, 734, 735, 736, 912, 914, 916, 932, 934, 936, 1011, 1012, 1013, 1014, 1015, 1016, 1031, 1032, 1033, 1034, 1035, 1036, 1211, 1214, 1233, 1236, 1316 : 자극편(claw)
130 : 환상코일
232,234,236,542,544,546,547,548,741,742,743,1406,1510 : 코일
342, 344, 346, 842, 844, 846 : 권선
410, 420 : 기본구조
415, 425 : 외측 부품
622, 721, 722, 723, 724, 725, 726, 821, 823, 825, 826, 827, 829, 1021, 1022, 1023, 1124, 1125, 1126 : 클로형 자극
822, 824, 828, 1060 : 베이스(base)
1000, 1100 : 삼상자기회로구성요소
1111, 1131, 1132, 1133 : 멈춤쇠
1121, 1122, 1123 : 포크형 구조
1217, 1237 : 크로스 바
1218, 1238 : 베어링의 슬리브
1229 : 냉각핀
1410, 1506 : 냉각파이프
1416 : 열교환 면
1304, 1314 : 자극편 베이스(claw base)
1310, 1320 : 공극(air gap)
1408 : 자기 고정자 중앙부(magnetic stator central part)
1308 : 회전자면
1318 : 회전자
1400, 1500 : 회전자부(rotor parts)

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본 발명의 실시예를 도 2A 내지 도 19B를 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 전기기계 전기자(amature)는 하나 이상의 부품(pieces) 과 복수의 코일을 갖는 다상 권선을 가진 자기회로 구성 요소를 구비한다(도 2 내지 도 12). 자기 회로 구성 요소는 프레싱, 성형 또는 기계가공에 의해 형성된 철분말(iron-powder)을 베이스로 하는 복합 자성재료로 구성되는 것이 바람직하다.
이때, 자기 회로를 완전히 적층재료로 실현하는 것은 바람직하지 않다. 실제는 3차원에서 교번 자속(alternate magnetic flux)의 순환은 시트에서 와전류(eddy currents)를 발생시킨다. 그러나, 자기 회로를 복수의 부분(parts)으로 분할이 가능하다. 자속이 평면에서 순환하지 않는 부분(자극편, 코너)은 복합 자성재료로 실현되고, 자속이 평면에서 순환하는 다른 부분(요크, 자극편의 베이스)은 경우에 따라 적층 재료로 구성해도 된다. 자기회로의 기계 조립이 점점 복잡하게 되나, 접착, 나사조임 또는 프레싱에 의해 부품을 조립할 수 있다.
자기회로 구성 요소에는 복수 열의 자극편이 장착되어 있어,(도 2 내지 도 12), 이들 복수 열의 자극편은 자극편의 상면이 고정자와 회전자 사이의 공극에 대향되게 위치가 결정되어 있다. 이들 복수 열의 자극편은 서로 평행하고, 각 열은 운동 방향에 따른다. 자극편의 베이스는 자기 회로의 일부를 형성하고, 자극편은 자극편의 각 열에 공통의 환상 요크에 접속되어 있다. 권선은 특정 자극편의 베이스에 감겨있다. 통상으로, 각 열을 구성하는 자극편의 수는 전기기계의 상(相)의 수의 배수이나, 자극편의 수는 각 열에 의하여 달라도 된다. 자극편의 분포는 규칙적이거나(도 2-6) 또는 불규칙적이어도(도 7-11) 된다. 공극(air gap)에 인접한 각 자극편의 상면은 자극편의 베이스의 단면(공극으로부터 격리된 자극편의 부분) 보다 큰 표면적을 갖는다. 이로 인하여 각 자극편은 보다 큰 공극면을 커버할 수 있는 동시에, 클로형 자극(pole)을 형성하는데 필요한 금속의 량을 감소시키고, 와이어 권선용의 장소를 확보할 수가 있다. 자극편의 외형(profile)은 무부하 기전력(emf)의 조화량과 코깅 토크의 진폭에 직접 영향을 미친다. 자극편의 상면의 가장 적절한 형상은 직사각형, 삼각형 또는 사다리꼴이다.
본 발명의 다상 클로형 자극 전기자(armatures)는 운동 방향에 있어 자극(magnetic poles), 즉 교호로 자화되는 자극을 발생시키는 N극-S극을 형성하는 고정자(stators) 또는 회전자(rotors)와 함께 사용할 수 있다. 이들 자극은 자기 회로, 자극편 및 코일의 3차원에서 번갈아 순환하는 자속을 발생시킨다. 이 자속은 DC 구성요소를 포함하지 않는다.
통상적으로, 2개의 인접 열의 자극편은 서로 감합된다. 즉 서로의 공간을 보완하므로서 모터의 전 축 길이를 최소화하면서 동일한 공극 면을 커버하고 있다.{도 2B의 자극편(212, 214, 216 및 222, 224 , 226)의 배열 참조} 그러나, 자극편 간의 거리가 너무 작게 되는 경우에, 자속 누설은 크게 된다. 그러므로, 특정 용도 와 설계 요건을 고려하여, 자속 누설이 크게 되지 않는 정도로 자극편을 감합하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시에서, 일련의 자극편의 열이 동일 형상 또는 동일 폭을 가질 필요는 없다(도 2의 자극편 212, 214, 216과 자극편 222, 224, 226 을 참조). 다만, 서로 1열을 띠운 자극편의 각 열(즉, 제3 자극편의 열에 의해 격리된 2개의 자극편의 열)은 항상, 동일한 형상을 갖는다(도 3 내지 도 12). 통상적으로, 한 열의 양면에 인접하는 각 열에 위치하는 자극편은, 자극편의 열에 직교하는 방향으로 위치가 맞추어 있다(도 3 내지 도 12). 이때, 이들 자극편은 동일한 자위(磁位)에 있으며, 접촉하거나 또는 자속 누설을 발생 없이 작은 공극을 두고 격리되어 있다 (도3∼12).
상술된 바와 같이, 본 발명의 자기회로 구성 요소에는 1개 이상의 와이어 코일이 구비되어 있다. 이 와이어 코일은 직렬 또는 병렬로 접속되어 있으며, 자극편에서 자계를 발생시킨다. 각 코일은 1개의 자극편(도 2 내지 도 6) 또는 복수의 자극편(도 7 내지 도 11)의 베이스에 직접 감겨있다. 코일은 항상, 운동축을 따라서 규칙적으로 간격을 두고 있으며 서로 감합된 상태는 아니다. 코일이 감겨지는 평면은 운동 방향 및 고정자와 회전자간의 공극에 대해 항상 평행하다(도 2 내지 도 12). 복수의 자극편의 열을 사용하는 실시예의 경우에, 코일은 오직 우수(偶數)열 또는 기수(奇數)열의 베이스에 설치되며, 우수 열과 기수 열과의 양측에 설치되는 일은 없다.
본 발명에 있어서는 2 열의 자극편(claw)을 가진 구조(도2)가 적용가능하지만, 대부분의 경우에, 적어도 3 열의 자극편을 갖는 것이 바람직하다(도 3 내지 도 12). 도 2는 고정자 또는 회전자 어느 것이나 사용가능한, 2 열의 자극편{환상체(210) 상의 자극편(212, 214 및 216)으로 된 제1의 열과 환상체(220) 상의 자극편(222, 224 및 226)로 된 제2의 열}을 가진 3상 기계의 외측 전기자를 도시하고 있다. 최적의 성능을 얻기 위하여, 공극 내에서 4개의 자극을 형성하는 대응하는 유도자(회전자 또는 고정자)와 함께 이 구조를 사용하는 것이 바람직하다.
상술된 바와 같이, 본 명세서에서 설명하는 실시예는 통상으로, 원통형의 기하학적 형태를 갖는다. 설명의 편의상, 본 명세서에 기재된 구조의 회전축과 동일선형(co-linear)순에 따른방향을 축 방향이라 칭하며, 회전축을 중심으로 회전하는 점(point)이 형성하는 방향을 원주 방향이라 칭하고, 회전축과 직교하는 방향은 반경 방향이라 칭한다.
도 2는 요크(200)를 갖는 자기회로 구성 요소 (20)를 도시하고 있다. 복수의 클로형 자극(후술됨)은 요크로부터 반경방향의 내측으로 뻗어 있다. 구성 요소 (20)가 사용될 때, 이들 클로형 자극의 상면은 이들의 외주내에 위치하는 대응하는 통상 원통형의 전기 구성요소 (도시되지 않음)에서 간격을 두고 있다. 따라서 2개의 구성요소 사이에는 공극이 형성된다.
도 2B 와 도 2C에 도시된 바와 같이, 요크(200)는 2개의 파트, 즉 환상체(210, 220)으로 분할되어 있다. 요크(200)의 분할선은 공극이 형성하는 원통면에 대해서 직교하는 평면에 의해 형성된다. 도 2의 실시예에서, 각 환상체(210, 220)에는 각각의 환상체의 원주위에 규칙적으로 간격을 둔 3개의 자극편(212, 214 ,216)로 된 열, 및 3개의 자극편 (222, 224 , 226)으로 된 열을 구비하고 있다. 각 환상체상의 자극편의 상면의 치수는 상이하다. 본 실시예에서는, 자극편(212, 214, 및 216)의 상부면의 면적은 자극편(222, 224 및 226)의 상부면의 면적 보다 크다. 이는 자극편(212, 214 및 216)의 원주방향 치수가 자극편(222, 224 및 226) 보다 길기 때문이다. 2개의 환상체(annuli)를 조립할 때, 자극편은 서로 감합(interlaced)된다(도 2B). 코일(232, 234 및 236)은 자기 회로의 자극편(212, 214 및 216)의 베이스에 각각 감겨 진다. 코일이 형성하는 원통면의 축은 회전자 와 고정자 사이의 공극의 축과 동일 선형순으로 되어 있다(도 2C). 코일은 동등한 간격을 두고 설치되어 있다.
도 3A, 3B 및 3C는 다른 실시예이다. 3 열의 자극편을 갖는 3개의 고정자 링을 사용하는 자기 회로 구성 요소(30)를 도시한 것이다. 이 배치에 있어서는 권선은 완전히 봉입(封入)되며 기계의 축 방향 길이는 최소화된다. 또한, 권선 어느부분도 자극편의 열(row)에 직교하는 방향에서 자기 회로의 전 길이를 넘지 않도록 한다. 도 3의 실시예에서, 요크(300)는 3개의 환상체(310, 320 및 330)으로 형성된다(도 3B 및 도 3C). 2개의 외측의 환상체(310, 330)는 동일하고, 각각 3개의 클로형(claw-type) 자극(pole)을 지지한다(도 3C). 중앙의 환상체(320)는 자극편(322, 324 및 326)상에 권선(342, 344 및 346)을 지지한다. 이 특정 실시예에서, 중앙 환상체(320)의 자극편(322, 324 및 326)의 상부면은 축 방향 과 원주 방향으로 확장되어 있다.
자기회로 구성 요소 (30)를 제조하기 위하여, 우선 코일을, 각 자극편의 베이스에 직접 감는다. 그 후, 자기회로 구성 요소의 조립에서 다음공정은, 2개의 외측 환상체(310, 330)를 조립하는 것이다(도 3B). 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 자극편의 상부면은 조립 후에 자극편의 상면이 서로 감합 되는 형상으로 되어 있다.
도 2 내지 도 12의 실시예에서, 권선을 지지하는 자극편의 열은 권선을 갖지 않은 자극편의 한 열에 인접하거나(도 2) 또는 권선을 갖지 않는 자극편의 2개의 열 사이에서 협지된다(도 3 내지 도 12).
도 7과 도 9를 비교하면, 도 9에서 외측 환상체(910, 930)의 자극편(912, 914, 916, 932, 934, 936)에는 반경방향으로 슬롯이 설치되어 있는 것을 알 수 있다.(반경 방향에서 2개로 분할되어 이들 사이에 공극이 형성되어 있다.) 공극은 요크까지 연결되어 있다. 상기한 설명을 고려하면, 도 7 및 도 9의 구조는 항상 동일한 수의 자극편을 가진다. 통상적으로, 이들 구조의 특성은 코일(Nb)의 수, 자극편의 수(G1 및 G2) 및 유도자의 한쌍의 자극(공극에 관한 대향부)의 수가 다음 관계식을 충족한다.
Nb=k1.Mph k1은 1 이상의 정수.
G1=k2.Nb k2는 1 이상의 정수.
G2=G1+k3.Nb k3는 -1 또는 0과 동등하고 G2>0.
G1<2P<3.G1 의 특성을 가지며,
여기서,
Mph는 상(相)의 수이며; Mph는 1 보다 크다.
P는 유도자(대향하는 모터부)에 의해 형성된 한 쌍의 자극의 수.
Nb는 자극편의 열의 길이를 따라 규칙적으로 간격을 개재해 배치되는 코일의 총 수.
G1은 임의의 권선을 지지하는 열에서 자극편의 총 수.
G2는 임의의 권선을 지지하지 않는 열에서 자극편의 총 수이다.
본 발명의 실시예에서, 각 상(phase)에 관한 코일은 고정자의 원주 주위에 상(相)의 순서로 장착된다. 하나의 상(相)을 2개 이상의 코일을 사용하여 발생시키는 경우, 같은 순서가 수회 반복된다. 예를 들어, 식별 상(A, B, 및 C)을 가진 3상 기계(three-phase machine)의 경우에, 기계가 3개의 코일을 가지면, 코일의 순서는 A, B, C로 된다. 기계가 6개의 코일을 가지면, 코일의 순서는 A, B, C, A, B, C로 되고, 9개의 코일의 경우에는 A, B, C, A, B, C, A, B, C로 된다. 각 상의 코일은 용도 및 설계에 따라 직렬 또는 병렬의 어느 것으로 접속해도 된다.
표 1 은 상기 관계에 따른, 3개의 코일을 가진 몇 가지 3상(three-phase) 구조의 특성을 표시하고 있다. 표 1 에서, 3개의 코일의 여기(勵起) 순서는 A, B, C순서로 가정한다. 도 2 내지 도 4 및 도 7 내지 도 11의 실시예는 이 표에 따라서 설계된다.
도 7은 최고의 성능을 올리기 위하여 공극 내에 14 내지 16개의 자극을 가진 다른 구조(회전자 또는 고정자)와 함께 사용하는 자기회로 구성요소(70)를 표시한다. 도 7의 실시예에서, 고정자와 회전자 사이의 공극은 구성요소(70)의 외면 상(上)에 있다. 자기 회로 구성요소(70)는 3 열의 자극편을 구비하고 있다(도 7B 및 도 7C). 각 열은 별개의 환상체로 위치결정되어 있다. 2개의 외측의 환상체(710, 730)은 동일하며, 각각 6개의 자극편{환상체(710)에는 711~716, 환상체(730)에는 731~736}을 가진다. 이들은 모두가 동일한 각도 폭을 갖을 이유는 없다(도 7C 참조). 중앙의 환상체(720)는 6개의 클로형 자극(721~726)을 갖는다(도 7C ). 각 환상체상 및 각 열의 주위에 있는 자극편의 배치는 균일하지 않다(도 7A 및 도 7C 참조). 3개의 코일(741, 742 및 743)은 중앙의 환상체(720)에 장착된다(도 7C). 각 코일은 2개의 자극의 베이스(bases)에 감겨진다{예를 들어, 코일(742)은 클로형 자극(721, 722)에 감는다}. 따라서, 코일은 서로 감합(interlaced)된 상태가 아니다.
복수로 감겨진 코일의 길이와 와이어 량을 최소화하기 위하여, 코일이 감겨지는 공통 베이스에서 2개의 클로형 자극(claw-type poles)이 결합되도록 중앙의 환상체를 변형시키는 것이 바람직하다. 이는 도 8의 실시예, 특히 도 8C에 표시되어 있다. 동 도면에서는, 클로형 자극(821 및 823)은 베이스(822)에 결합해 있다. 이와 같게 클로형 자극(825 및 826)은 베이스(824)에 결합하고, 클로형 자극(827 및 829)은 베이스(828)에 결합해 있다. 공극 부근의 자극편의 위치는 불변해야 되기 때문에, 외측 환상체(810, 830)상에 위치결정되는 자극편을 위한 공간이 남겨 있다. 도면에서 알수 있는 바와 같이, 각 클로형 자극과 그 베이스는 Y자형으로 형성되어 있다(도 8C). 권선(842, 844 및 846)은 각각 베이스(822, 824 및 828) 하부에 장착된다. 도 8C에서 코일의 치수는 도 7C의 경우 보다도 작은 것을 알 수 있다. 도 8C의 환상체(810, 830)를 도 7C의 환상체(710, 730)와 비교하여 알 수 있는 바와 같이, 외측 환상체의 형상도 변형되어 있다. 이들의 자기 회로의 각종 부품의 설계에 대한 변형은 코깅 토크(cogging torque)에 대하여 영향을 미칠 가능성이 있는 이외, 성능에 대해서 어떤 영향을 미치지 않는다. 도 8의 구조는 도 7의 구조와 비교하여 필요한 구리 량이 크게 감소되는 이점이 있다. 도 8에서, 공극은 자기 회로 구성요소(80)의 외측에 위치한다. 그러나, 클로형 자극을 공통 베이스에 결합하는 이 기술은 도 2의 자기회로 구성요소(20) 내측 공극을 갖는 구성 요소에서도 사용할 수 있다.
상술된 바와 같이, 도 9의 실시예에서, 자극편(912, 914 및 916; 932, 934 및 936)에는 반경방향으로 슬롯이 설치되어 있다. 이 배치는 자극편의 수를 변경하지 않고 코깅 토크의 주파수를 증가시킬수 있기때문에, 코깅 토크의 진폭의 감소에 도움이 된다. 도 9A는 자기회로 구성 요소의 조립시에, 공극을 커버하는 15개의 클로형 자극은 표시하고 있다. 깊이가 낮은 자극편에 슬롯이나 홈을 형성하거나, 자극편에 특별한 프로파일링 (profiling)을 실현하는 등, 코깅 토크에 영향을 미치는 자기 회로 구성 요소의 다른 종류의 변형을 실시하는 것도 가능하다.
도 10 및 도 11은 각각 3상 자기회로 구성요소 (1000 및 1100)을 표시하고 있다. 이들은 각각 최고의 성능을 올리기 위하여 공극 내에 14 또는 16개의 자극을 형성하는 다른 구성요소 (도시되지 않은 고정자 또는 회전자의 어느 유도자)와 함께 사용되는 외측 전기자이다. 이들 실시예 각 각에서, 공극은 상기 구성 요소의 내면에 위치되어 있다. 도 9의 실시예의 경우에서 처럼, 자기 회로 구성요소 (1000 및 1100)는 각각, 3 열의 자극편을 포함하고 있다(도 10B 및 도 11B). 자기회로구성요소 (1000)는 3개의 환상체(1010, 1020, 1030)로 형성되며, 이들은 각각 일열의 클로형 자극을 갖는다. 2개의 외측 환상체(1010, 1030)은 동일하고, 각각 6개의 자극편을 가진다.(환상체1010을 위한 1011~1016; 환상체1030을 위한 1031~1036)(도 10C). 중앙 환상체(1020)은 9개의 클로형 자극을 갖는다(도 10C). 각 환상체에 그리고 각 열 주위에 있는 자극편의 간격은 불규칙하다(도 10A 및 도 10C). 다만, 자극편은 모든 동일한 원주방향 치수를 갖는다(도 10A). 도 8의 구성요소의 경우처럼, 환상체(1020)에 지지되는 클로형 자극은 3개 그룹으로 나누며, 3개 그룹의 각각이 공통 베이스를 공유한다(도 10C). 따라서, 예를 들어 클로형 자극(1021, 1022 및 1023)은 공통 베이스(1060)를 공유한다. 이로 인해 복수로 감겨진 코일의 길이를 유리하게 감소시킬 수 있으므로 필요한 도체(導體) 와이어 량을 감소할 수 있다.
도 11에 표시된 실시예는 코일의 장착을 용이하게 한다. 도 10의 환상체(1020)와 같은 중앙 환상체을 사용하는 것이 아니라, 그대신, 도 11의 실시예에서는 3개의 포크형 구조(1121, 1122 및 1123)를 사용한다. 이들 구조의 각각은, 예를 들면 포크형 구조(1121)의 클로형 자극(1124, 1125 및 1126)과 같이, 3개의 클로형 자극을 가지고 있다. 와이어 코일은 포크형구조 (1121~1123)의 베이스에 직접 감겨진다. 환상체(1110 및 1130)는 각각 3개의 멈춤쇠(detents)｛예를 들어, 환상체(1130)의 1131, 1132 및 1133; 환상체(1110)의 1111｝를 갖는데, 조립시에는 이들의 멈춤쇠 내로 포크형 구조(1121, 1122 및 1123)가 삽입된다. 따라서, 포크형 구조(1121, 1122, 및 1123)는 자기 회로 구성요소 (1100)의 2개의 외측 환상체(1110, 1130)에 의해 정위치로 유지된다(도 11B).
표2는 권선 순서가 A, B, C, A, B, C 인 몇가지 3상(三相) 6개의 코일 구조를 표시한 것이다. 도 12는 이 표에 따라서 설계된 실시예를 도시한 것이다. 이 특정 구조의 자기회로 구성요소 (1200)는 그 구조 내부에 공극을 갖으며, 공극 내에 8개의 자극(magnetic pole)을 형성하는 회전자 또는 고정자와 함께 사용하여 최대의 성능을 확실히 한다. 도 12는 자기기능, 열기능 및 기계 기능을 통합하여 본 발명이 제공하여 얻을 수 있는 유익한 이점을 개괄적으로 표시하고 있다. 여기서는, 모터내의 부품수를 최소화하는 동시 조립을 단순화할 수 있다. A, B, C, A, B, C 권선 순서의 주기성으로 인해, 환상체(1230)의 2개의 대향하는 자극편(1233 및 1236)는 동일한 자위(磁位:magnetic potential)에 있다. 따라서, 도 12C에 표시된 바와 같이, 2개의 자극편(1233 및 1236)는 자성 재료로 구성된 크로스-바(cross-bar)(1237)에 의해 결합될 수 있다(결합된다). 이와 같게 대향하는 환상체(1210)는 자성재료로 구성된 크로스-바(1217)에 의해 결합되는 자극편(1211, 1214)을 갖는다. 또한, 크로스-바(1217 및 1237)는 대응하는 회전자 또는 고정자를 지지할 수 있는 원형의 베어링의 슬리브(1218 및 1238)를 포함한다(도 12C). 크로스-바는 자속 궤도에 아무런 나쁜 영향을 미치지 않는다. 이들은 환상체(1210, 1230)에 기계적으로 고정하는 것도 되며, 또는 복합 자성재료로 일체화해서 제조될 수 있다.
본 발명에는 권선말단부가 없기 때문에, 플랜지, 베어링을 지지하는 플레이트, 등의 자성재료 또는 도체(導體) 재료로 구성된 추가부품을 공극 내의 회전자와 대향하지 않는 자기 회로의 부분에 직접 고정할 수 있다. 종래의 구조와 다르게, 큰 공극 (예를 들어, 수 밀리미터크기)을 사용할 필요가 없다. 그 이유는 권선단말부가 없고 다만 본 발명에서 다른 구조의 자성(磁性) 부품에 의해 권선이 자기적으로 차폐되기 때문이다. 그 결과 기계의 전 축 길이를 유익하게 감축할 수 있다.
또한, 물의 순환, 강제공기대류, 자연공기대류,또는 또 다른 적절한 유체의 사용하여 이들 구조에 냉각 시스템을 장착하는 것도 용이하다. 냉각시스템은 자기 회로의 일부로서 조합하는 것이 바람직하다. 같은 자성 재료에 의해 구성되는 단일 부품으로서 자기회로에 냉각시스템을 콤팩트하게 하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 12는 주위 공기와 접촉 면을 증가시키기 위하여 환상체(1220)의 외면 주위에 배치된 냉각 핀(1229)을 도시한다. 이들 핀(fins)은 자기 회로 구성요소의 불가결한 일부를 형성하고 있다(도 12A). 본 발명에서, 자속은 임의의 적절한 방향성이 주어지면 이들 핀에서 순환할 수 있다. 이와 같은 배치로 인해, 중량을 증가시키지 않고도 열 손실이 개선되며, 전기 기계의 전체 크기 및 중량은 최소화되고 전력 및 토크 대 중량 비는 향상된다.
표3은 코일 순서 A B A B를 가진 4개의 코일의 2상(two-phase) 구조의 개요를 표시한 것이다.
표4는 5개의 코일의 권선 순서가 A B C D E 인 5 코일 5상(five-phase) 구조의 개요를 표시한 것이다. 도 5와 도 6은 이 표에 의한 구조를 표시한다. 도 5의 자기회로 구성요소(50)는 공극 내에서 8개의 자극을 형성하는 다른 구성요소 (회전자 또는 고정자)와 함께 사용된다. 이들 실시예에서 공극은 외측에 위치한다. 도 3의 실시 예에의 경우에서 처럼, 도 5의 자기 회로 구성요소(50)는 3개의 환상체(510, 520 및 530)로 구성되며, 코일(542, 544, 546, 547 및 548)은 각각 중앙 환상체(520)의 자극편(522, 524, 526, 527 및 528)의 베이스에 장착된다(도5C). 2개의 대향하는 환상체(510, 530)는 각각 5개의 자극편을 가진다{도 5C에 도시된 바와 같이, 환상체(510)는 자극편(512, 514, 516, 517, 및 518)를 가지고, 환상체(530)는 자극편(532, 534, 536, 537, 및 538를 갖는다.}. 이 실시예에서, 대향하는 환상체(510, 530)의 자극편은 중앙의 환상체(520)에 위치되는 자극편과 다른 치수를 갖는다(도 5B). 자기 회로의 조립시에 외측 환상체(510, 530)의 자극편은 자극편의 열에 직교하는 방향으로 돌출된다(도 5B).
도 6은 권선의 기계적 고정을 지원하기 위하여, 대향하는 환상체(610, 630)상의 자극편의 상면이 그 베이스에 대해서 확장되어 있는 실시예를 도시한 것이다. 중앙 환상체에 코일의 장착을 용이하게 하기 위하여, 중앙 환상체의 자극편은 분할(segmented)되어 있다. 예를 들어, 클로형 자극(622)의 상면은 3개의 세그먼트, 즉 클로형 자극의 베이스를 형성하는 부분(622A)과 클로형 자극 말단(622B 및 622C)로 분할된다(도 6B 및 도 6C). 따라서, 코일은 베이스에 용이하게 감길 수 있다. 이어서, 권선을 장착한 후 자극편의 다른 부품을 그 베이스에 대해서 직접적으로 접착, 또는 나사조임, 또는 프레싱 또는 성형을 하여 기계적으로 장착하면 필요한 수순은 모두 완료된다.

표1. 3개의 코일을 가진 3상(三相) 구조의 예

표2. 6개의 코일을 가진 3상(三相) 구조의 예

표3. 4개의 코일을 가진 2 상(二相) 구조의 예

표4. 5개의 코일을 가진 5 상(五相) 구조의 예
본 발명의 제3 실시예가 도 4에 표시되어 있다. 2배의 전력을 가진 기계를 얻기 위하여, 2개의 동일한 기존의 기본구조 (410 및 420)가 사용될 수 있다(도 4). 이들 2개의 구조의 조립은 매우 간단하여 새로운 부품을 제조할 필요가 없다. 예를 들어, 2개의 동일한 기본구조 (410, 420)는 회전축을 따라서 직접 적층될 수 있다(도 4B). 또 이들 구조의 권선은 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다. 각 구조의 외측 부품(pieces) (415, 425)에 의해 기계적인 고정이 확고 된다(도 4C). 상(相:phases)간의 코깅을 감소시키기 위하여 운동 방향에 있어 2개의 구조 간에 약간의 시프트(shift)를 도입하는 것도 가능하다. 또한, 자기 결합(coupling)을 향상시키기 위하여, 스페이스 링 (space ring)(도시되지 음)을 2개의 구조 간에 삽입하는 것도 가능하다. 이 스페이스 링은 자성 재료로 구성되고 각 구조의 요크와 접촉한다. 이 링의 두께가 공극을 상회하는 경우에, 2개의 구조는 운동 방향에서 크게 이동하는것이 가능하다. 따라서, 서로 다른 상(phase) 권선의 2개의 코일을 유도자(inductor)의 동일 자극의 베이스에 위치결정할 수가 있다.
도 13A는 요크(1302) 및 자극편 베이스(1304)를 포함한 레이디얼(radial) 공극 모터의 일부 예를 도시한 단면도로서, 자극편 곡률 반경은 본 발명의 양태에 따른 (이 실시예에서 원통형) 회전자 곡률 반경(즉, 회전자 면(1308)의 반경)과 다르다. 즉, 공극(1310)에서 각 자극편 면의 곡률 반경은 회전자 면(1308)의 곡률 반경과 다르다. 이와 같이, 자극편은 가변 두께의 공극(1310)이 형성하도록 반경방향으로 프로파일된다라고 말할 수 있다.
도 13B는 본 발명의 양태에 따른 공극(1320)에서 자극편의 수정된 종단 프로파일을 지닌 레이디얼 공극 모터의 일부의 종단도이다. 예로 (원통형) 회전자(1318), 요크(1312), 자극편 베이스(1314) 및 공극(1320)에 인접한 종방향 프로파일 접촉 면(1321)을 갖는 자극편(1316)이 도시되어 있다. 자극편(1316)의 종방향을 따라서 접촉 면(1321)의 프로파일로 인해, 공극(1320)은 종방향(또는 모터의 축 방향)에서 가변 두께를 갖는다.
본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 일체형 냉각 시스템이 구비된다. 예를 들어, 도 14A는 원형 냉각 파이프들(1410)(예를 들어, 물 순환)이 본 발명의 일 실시예를 따른 일체형 냉각 시스템의 고정자 코일(1406)과 접촉하여 배치되는 종방향 모터부를 도시한다. 또한 자기(고정자) 측부(1402), 자기 고정자 중앙부(1408) 및 회전자 부(rotor parts)(1400)가 도시되어 있다. 원형 냉각 파이프(1410)는 도 14B에 미 도시되어 있으며, 여기서 냉각 액체용 유입구(1412)와 유출구(1414)가 구비되고, 또한 파이프(1410)의 열교환 면(1416)이 구비되어 있다.
본 발명의 일체형 냉각 시스템의 또 다른 실시예를 따르면, 냉각 파이프(예를 들어, 물 순환)는 고정자의 자기 회로에 통합된다. 예로서, 도 15A는 고정자의 자기 회로에 통합되는 냉각 시스템을 갖는 종방향 모터부를 도시한다. 고정자 자기 회로에 통합된 냉각 파이프(1506), 코일(1510), 자기(고정자) 측부(1502), 회전자 부(1500), 자기 고정자 중앙부(1508) 및 측벽(1504)이 도시되어 있다. 도 15B 및 도 15C는 고정자 자기 회로에 통합된 측벽 및 스커트(skirt)가 장착된 고정자를 도시한다.
상술한 바와 같이 본 발명은 단지 일부 실시예를 설명하엿으나, 본 발명의 청구범위 내에서 다양한 변경 및 단순화 등의 실시가 가능함이 명백하다.

Claims (40)

1. 전기기계의 이동 전기자(電氣子)나 고정 전기자로 사용되는 자기회로구성요소(磁氣回路構成要素)로서, 운동방향으로 N극과 S극이 교호로 대자(帶磁)된 자극을 가진 유도자(誘導子)에 자기 결합하기 위한 상기 자기회로구성요소이며, 상기 유도자가 공극(空隙)을 두고 격리되어 있는 상기 자기회로구성요소에 있어서,

   복수 열(row)로 배치되는 복수의 자극편(claw)과,

   공통 요크에 접속되는 같은 열 내의 각 자극편의 베이스와,

   복수의 비감합(non-interlace) 코일이 구비된 다상(多相) 권선과,

   대응되는 각 자극편의 베이스에 감긴 각 코일과,

   상이한 열의 코일이 감기지 않은 복수 자극편과,

   운동방향으로 균등하게 배치된 상기 코일이,

   구비하여 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
2. 제1항에 있어서, 자기회로구성요소는

   Mph>1

   Nb=k1.Mph k1은 0 보다 큰 정수,

   G1=k2.Nb k2는 0 보다 큰 정수,

   G2=G1+k3.Nb k3는 -1 또는 0과 동일한 정수,

   G2>0

   G1<2P<3.G1 의 특성을 가지며,

   여기서, Nb는 적어도 1개의 자극편 열(claw row)의 길이를 따라 규칙적으로 간격을 개재해 배치되는 코일의 총수이며,

   G1은 권선을 지지하는 열에서 자극편의 총수이며,

   G2는 권선을 지지하지 않는 열에서 자극편의 총수이며;

   Mph는 1보다 큰 상(相)의 수이고;

   P는 유도자(inductor)에 의해 형성된 한 쌍(pairs)의 자극의 수를 나타내며,

   전기자(armature)상의 코일 배치가 운동 방향에서 연속적인 상(相)의 순서를 따르고 각 층이 복수의 코일을 가질 때 동일한 순서가 여러번 반복되는 구성을 특징으로 하는 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
3. 제1항에 있어서, 일열(一列)의 자극편을 각각 갖는 복수의 세그먼트로 구성되는 것을 특징으로 하는 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
4. 제3항에 있어서, 함께 고정된 3개의 세그먼트(segment)를 구비하고, 각 세그먼트는 일열의 자극편을 구비하며, 코일이 중앙 세그먼트에 설치되고, 2개의 대향하는 세그먼트는 동일하게 형성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
5. 제4항에 있어서, 중앙 세그먼트는 복수의 부분으로 분리되고 동일한 형상의 구조부분(part)으로 형성되어 코일의 설치가 용이하고, 상기 중앙 세그먼트의 구조부분은 2개의 대향하는 세그먼트를 고정시키어 정위치로 유지하게 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
6. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 프레싱(pressing), 성형(molding) 또는 기계가공(machining)에 의해 형성되는 금속 분말의 복합 자성 재료로 구성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
7. 제1항에 있어서, 적어도 부분적으로 펀칭 또는 기계가공에 의해 형성되는 적층 자성 재료로 구성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
8. 제1항에 있어서, 공극(air gap)에 대향하는 각 자극편(claw)의 외부면이 직사각형, 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
9. 제1항에 있어서, 복수의 자극편(claw) 중 적어도 일부의 각 자극편은 적어도 하나의 슬롯 개구가 형성되어 공통 요크가 공극에 노출 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
10. 제1항에 있어서, 자극편 중 적어도 일부의 자극편을 정해진 곡률반경을 가진 접촉면을 가지며, 상기 접촉면에 인접한 공극의 두께는 상기 접촉면에 인접하지 않는 공극의 두께와 다르게 된 전기 기계용 다상 클로 폴 구조체.
11. 제1항에 있어서, 자극편 중 적어도 일부 자극편은 서로 다른 방향에서 대응하는 베이스에 대해서 확장된 공극에 인접한 면을 각각 갖인 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
12. 제1항에 있어서, 자극편의 베이스는 둥근 측 면이나 모서리를 가진 직사각형, 타원형, 또는 원형 단면을 가진 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
13. 제1항에 있어서, 복수의 자기회로구성요소가 자체 회전축을 따라서 적층된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
14. 제6항에 있어서, 복합 자성 재료로 구성된 일체형 냉각 시스템이 구비된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
15. 제6항에 있어서, 세그먼트에 결합되고 복합 자성 재료로 구성된 베어링이나 위치 센서를 위한 기계식 고정 시스템이 구비된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
16. 제1항에 있어서, 복수의 자기회로구성요소가 직접 조립된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
17. 제1항에 있어서, 2개의 자기회로구성요소 사이에 스페이싱링(spacing ring)이 구비되고 상기 스페이싱 링은 자성재료로 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
18. 제14항에 있어서, 일체형 냉각 시스템은 냉각 유체의 순환 통로를 형성하는 복합 자성재료로 구비된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
19. 제1항에 있어서, 냉각 유체의 순환용 비자성 재료로 구성되는 파이프 또는 통로에 의해 실현되는 냉각 시스템이 장착되며, 상기 파이프는 적어도 하나의 코일에 근접하고 자극편의 열에 평행하게 배치된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
20. 제1항에 있어서, 자극편(claw)의 각 열은 분리된 세그먼트가 구비되고, 2개의 대향하는 세그먼트는 비자성 재료로 구성된 플랜지나 바(bar)에 의해 조립되며, 상기 플랜지나 바가 베어링 하우징을 지지하도록 구성되어 축 길이가 단축된 전기 기계를 형성할 수 있게 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
21. 제1항에 있어서, 자극편은 공극에 인접한 공통 요크(yoke)의 내주면(inner-facing)에서 돌출되게 형성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
22. 제1항에 있어서, 자극편은 공극에 인접한 공통 요크의 외주면(outer-facing)에서 돌출되게 형성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
23. 제1항에 있어서, 공통 요크의 적어도 일부는 환상으로 형성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
24. 제1항에 있어서, 열(row) 중 적어도 한 열의 자극편은 불규칙적으로 분포된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
25. 제1항에 있어서, 자기회로구성요소의 외면에 냉각 핀이 구비된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
26. 제1항에 있어서, 각 열의 복수의 자극편은 전기 기계의 상(phases) 수의 배수(multiple)로 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
27. 제1항에 있어서, 자극편 중 정해진 자극편은 다른 자극편 보다 공극(air gap)의 접촉면이 크게 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
28. 제1항에 있어서, 자극편 중 적어도 일부 자극편은 공극에 대한 접촉 면을 가지며, 상기 접촉면은 상기 공극이 상기 접촉면을 따라서 가변하는 두께를 갖도록 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
29. 전기기계의 이동 전기자나, 고정 전기자로 사용하기 위한 자기회로 구성요소로서, 상기 자기회로구성요소와 공극을 두고 격리된 유도자에 자기결합하는 자기회로구성요소에 있어서,

    공통의 요크와,

    상기 공통 요크에서 돌출 형성된 자극편의 복수 열과,

    적어도 하나 이상 복수 자극편의 베이스에 감긴 각 코일과,

    상이한 열의 코일이 감기지 않은 복수의 자극편과,

    운동방향으로 균일하게 배치된 코일이,

    구비하여 된, 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
30. 제29항에 있어서, 각 열의 복수의 자극편은 전기 기계의 상수의 배수로 된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
31. 제29항에 있어서, 공통 요크는 복수의 요크 세그먼트를 구비하며, 자극편의 열 중 하나가 각 요크 세그먼트로부터 돌출 형성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
32. 제29항에 있어서, 적어도 2개의 자극편은 동일한 베이스가 구비된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
33. 제29항에 있어서, 공통 요크는 환상으로 형성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
34. 제33항에 있어서, 자극편은 공통 요크의 원주면에서 돌출 형성된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
35. 제34항에 있어서, 공통 요크의 원주면은 공극(air gap)을 향하여 자기회로구성요소의 내측으로 대향된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
36. 제34항에 있어서, 공통 요크의 원주면은 공극을 두고 자기회로구성요소의 외측으로 대향된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
37. 제29항에 있어서, 열 중 적어도 한 열의 자극편은 불규칙적으로 배치된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
38. 제29항에 있어서, 자기회로구성요소의 외면에 냉각 핀이 구비된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
39. 제29항에 있어서, 자극편 중 적어도 일부의 자극편에는 슬롯(slot)이 형성되어 공통 요크가 공극에 노출된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.
40. 제29항에 있어서, 복수의 자기회로구성요소는 자체의 회전축을 따라서 적층된 전기 기계용 다상 클로형 자극의 구조.

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