KR101025150B1 - 다층 와인딩을 포함하는 전기 기계 - Google Patents

다층 와인딩을 포함하는 전기 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고정자 와인딩(10)이 순서화된 고정자 와인딩(10)으로서 구현되고, 와인딩 헤드(13)에서 고정자 와인딩(10)은 적어도 2 개의 이격된 층들(22, 24)로 구현되는, 전기 기계용, 특히 차량용 제너레이터용 고정자 와인딩(10)에 관한 것이다. 또한 본 발명은 전기 기계 및 전기 기계의 고정자 와인딩(10)의 제조 방법에 관한 것이다.
다층 와인딩, 도체, 와이어, 전환점, 바, 중간 스트립, 홈, 맨드럴

Description

다층 와인딩을 포함하는 전기 기계{ELECTRIC MACHINE WITH A MULTI-LEVEL WINDING}
본 발명은 전기 기계용, 특히 차량의 제너레이터용 고정자 와인딩, 고정자 와인딩을 포함하는 전기 기계 및 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법에 관한 것이다.
청구항 제 1 항의 전제부에 따른 전기 기계들은 종래기술에 공지되어 있다. 이들은 전기 모터 또는 전기 제너레이터로서 작동되거나, 또는 작동 상태가 변하는 경우, 일시적으로 전기 모터로서 그리고 일시적으로 전기 제너레이터로서 작동된다. 특히 전기 기계가 차량에서 제너레이터로서 사용되는 것에 대해 관심이 많다. 차량 내부의 출력 요구가 증가하고, 이용할 수 있는 설치 공간이 작기 때문에, 효율적으로 작동하고, 컴팩트하게 구성되고, 기대 수명이 긴 전기 기계를 개발하는 노력이 꾸준히 이루어지고 있다.
전기 기계용, 특히 차량의 제너레이터용 고정자 와인딩에 있어서, 본 발명에 따라, 고정자 와인딩은 순서화된 와인딩으로서 구현되고, 와인딩 헤드에서 고정자 와인딩은 적어도 2 개의 축방향으로 이격된 층들로 구현된다. 여기서, 축방향이라는 것은, 고정자 와인딩이 제공되는 전기 기계의 회전축에 관련해서 이해되어야 한다. 이렇게 구현되는 고정자 와인딩에서는, 바람직한 기계적 특성 및 안정적인 전기적 특성을 가지는, 구조화되고 양호하게 통기되는 와인딩 헤드가 얻어진다. 고정자 와인딩을 포함하는 와인딩 헤드는 원형 박판 패킷(오픈 슬롯, open slot) 및 평면 패킷 내에 사용될 수 있다. 평면 패킷이라는 것은, 고정자 와인딩의 와인딩들이 제공된 경우, 고정자 패킷이 편평하게 형성되는 것으로 이해되어야 한다. 상기 패킷은 원형 고정자 패킷으로 벤딩된 후에, 통상적으로 맞대는 지점들이 용접된다. 고정자 와인딩이 순서화된 상태로 구성되기 때문에, 와인딩 헤드 내에 지지되는 부분은 각각의 제조 단계에서 규정된 방식으로 형상을 갖게 된다. 또한, 상기 방식의 고정자 와인딩을 높은 회전수에서 사용하면 적은 소음만을 야기한다는 것이 실험에서 나타났다. 고정자 와인딩은 2 개 이상의 층으로도 구성될 수 있다. 와인딩 헤드가 2 개의 측면 상에서 실질적으로 대칭인 구성을 가지는 와인딩 헤드이면, 본 발명에 따라서는, 2 개의 측면 상의 층들이 합산되지 않고, 2 개의 측면 중 적어도 하나의 측면 상에, 바람직하게는 2 개의 측면들 상에 놓여있는 층이라는 것에 주의해야 한다.
바람직하게는 고정자 와인딩이 내부 와인딩 및 외부 와인딩을 포함하고, 외부 와인딩은 내부 와인딩을 둘러싼다. 이로써 본 발명의 장점을 가지는 바람직한 구성이 달성된다. 이 경우, 외부 와인딩이 내부 와인딩을 완전히 둘러쌀 필요는 없다. 오히려, 외부 와인딩이 내부 와인딩을 부분적으로 둘러싸면 충분하다.
본 발명의 다른 실시예에 따라, 고정자 와인딩이 파형 와인딩으로서 구현되고, 바람직하게는 적어도 하나의 전환점을 포함한다. 상기 방식의 와인딩은 간단하게 제조될 수 있고 전환점에서 계속 안내되기 때문에, 후속 단계에서 더 연결되어야 하는 도체의 개수를 감소시킬 수 있다.
바람직하게는, 고정자 와인딩의 적어도 하나의 상(phase)이 일체형의, 연속 도체로 제조된다. 이로써, 제조 방법이 더 간단해진다.
또한, 바람직하게는 내부 및 외부 와인딩이 동일한 방향으로 정렬된다. 이것은 각각의 와이어의 안내가 동일한 방향으로 진행되는, 즉 일정 정도 평행하게 이루어진다는 것을 의미한다.
바람직하게는, 고정자 와인딩이 사각형 와이어로부터 구현되고, 고정자 충진 팩터(filling factor)는 바람직하게 55%보다 크다. 공지된 바와 같이, 고정자 충진 팩터는 홈의 전체 횡단면에 대한, 하나의 홈 내의 절연 없는 모든 도체 횡단면 (즉, 특히 구리 횡단면의)의 합의 비율이다. 사각형 와이어에 의해, 특히 높은 고정자 충진 팩터가 달성되고, 높은 고정자 충진 팩터는 기계의 특히 양호한 효율을 달성한다. 또한 와이어/도체와 관련한 고정자 톱니에 의해, 클램핑 기능이 생기고, 이로써, 와이어의 제공 동안 그리고 그 후의 작동 동안 미끌어짐이 방지된다.
본 발명의 실시예에 따라, 도체는 와인딩 헤드에 압인을 가진다. 도체, 특히 구리 와이어가 압인 및/또는 벤딩되는 것이 가능한데, 그 이유는 와인딩 과정 동안 모든 도체/와이어에 대한 접근이 쉽기 때문이다.
바람직하게는 고정자 와인딩은 평면 패킷 내로, 또는 개방된 홈을 가진 고정자 내로 삽입된다.
또한, 바람직하게는 고정자 와인딩이 원형 와이어로 구현되고, 고정자 패킷의 홈 내에 놓이게 되는 와이어 부분은 압인된다. 이것은 중간 단계에서 또는 종료 단계에서 실시될 수 있다. 이로 인해, 와이어는 홈의 형태를 갖는다.
또한, 바람직하게는 와인딩의 와이어의 폭이 대략 홈 폭에 상응한다. 이로써, 와이어가 나란히 배치되지 않고, 와이어 전치(transposition)에 대한 위험 또는 와이어의 미끄러짐에 대한 위험이 감소하거나 제거된다.
본 발명은 또한, 전술한 특징들 중 하나 또는 다수를 가진 고정자 와인딩을 포함하는 전기 기계, 특히 차량용 전기 기계에 관한 것이다.
바람직하게는, 기계가 3 개보다 더 많은 상(phase)을 가진다. 상의 개수(s)에 대한 와이어 폭(b)의 비율은 대략 하기와 같다:
b(s 개의 상) = b(3 개의 상)ㆍ(3 개의 상 / s 개의 상)
이로써, 더 잘 휘어지는, 가는 와이어가 사용될 수 있다. 이것은 와인딩 헤드의 제조 및 형상을 간단하게 한다.
또한, 본 발명은 전기 기계, 특히 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법에 관한 것이고, 본 발명에 따라, 우선 내부 와인딩을 제조하고 그 후 내부 와인딩 둘레에, 내부 와인딩에 대해 축방향으로 이격된 외부 와인딩을 제조한다. 여기서, 축방향이라는 것은, 고정자 와인딩이 삽입되는 전기 기계의 회전 축에 관련해서 이해되어야 한다. 즉, 축방향으로 지지되는 와인딩이 얻어진다. 필요한 경우, 축방향 지지는 내부 와인딩 헤드의 상응하는 축소에 의해 보상될 수 있다. 이 조치에서는, 와인딩의 모든 상이 계속적으로(continually) 동시에 와인딩될 수 있는 장점이 얻어진다. 이러한 방법의 장점은 특히, 연속하는 도체가 사용될 수 있고 제조 공정동안 벤딩 및/또는 압인이 실시될 수 있다는 것에서 나타난다.
바람직하게는 고정자 와인딩이 회전 와인딩 맨드럴(mandrel)에 의해 제조된다. 이것은 경제적인 제조를 가능하게 하는데, 그 이유는 많은 와인딩 장치가 사용될 필요가 없기 때문이다. 모든 상들이 동시에 와인딩되는 것이 특히 바람직하며, 그 이유는 와인딩 시간이 단축되기 때문이다.
끝으로, 와인딩 맨드럴의 동일한 측면 상에서 적어도 한번 더 와인딩되거나 및/또는 와인딩 맨드럴 상에서 와이어의 벤딩 또는 압인이 적어도 한번 실시되는 것이 바람직하다.
방법의 다른 바람직한 실시예는 종속 청구항에 제시된다.
본 발명은 실시예를 참조로 더 자세히 설명된다.
도 1은 와인딩 헤드에서 2층 고정자 와인딩의 제 1 실시예이고,
도 2는 와인딩 헤드에서 2층 고정자 와인딩의 제 2 실시예이고,
도 3은 와인딩 바의 개략도이고,
도 4는 와인딩 바 상에 내부 와인딩의 제공을 나타내는 것이고,
도 5는 와인딩 바 상에 외부 와인딩의 제공을 나타낸다.
도 1에는 전기 기계용, 특히 차량의 제너레이터용 고정자 와인딩(10)의 부분 이 단면도로서 도시된다. 고정자 와인딩(10)은 순서화된 고정자 와인딩(10)으로서 구현되고, 고정자 패킷(12)(단면도로 도시됨) 내에 지지된다. 고정자 와인딩(10)은 도체/와이어(14)를 포함하고, 상기 도체/와이어로부터 고정자 패킷(12)의 두 측면 상에, 즉 와인딩 헤드(13)에서 각각, 하나의 내부 와인딩(16) 및 하나의 외부 와인딩(18)이 형성된다. 본 도면에는 외부 와인딩(18)이 내부 와인딩(16)을 각각 둘러싸는 것이 도시된다. 고정자 패킷(12) 및 고정자 와인딩(10)의 축방향 연장(화살표 20으로 표시됨)은, 내부 와인딩(16)이 제 1 층(22)에까지, 외부 와인딩(18)이 제 2 층(24)에까지 연장되는 것을 나타낸다. 층들(22, 24)은 축방향으로 서로 이격된다. 내부 및 외부 와인딩(16, 18)은 본 실시예에서 동일한 방향으로 정렬된다.
도 2에는 고정자 패킷(12) 내에 지지되는 고정자 와인딩(10)의 부분이 개략적으로 도시된다. 이것은 도 1에 대한 실시예에도 적용된다. 도 2에는, 다수의 와인딩들(16, 18, 26)이 서로 상하로 및/또는 서로 나란히 와인딩될 수 있고, 특히 축방향으로 서로 상하로 및/또는 방사방향으로 서로 나란히 와인딩될 수 있는 것이 도시된다. 또한 여기에 도시되지는 않았지만 추가 와인딩으로 와인딩들(18, 26)을 둘러싸는 것도 가능하다.
도 3, 도 4 및 도 5에는, 제안된 고정자 와인딩이 어떻게 제조될 수 있는지가 도시된다. 도 3에는 중간 스트립(30), 다수의 가로대들(32) 및 그 사이에 놓이는 홈들(33)을 가지는 와인딩 바(28)가 도시된다.
도 4 및 도 5에는 내부 와인딩(16)(도 4) 및 외부 와인딩(18)(도 5)이 와인딩 바(28) 상에 어떻게 제공되는지가 도시된다. 와인딩 바(28)의 정면(여기서 볼수 있는 측면)은 연결 와이어들을 가지는 연결 측면(B-측면)인 반면, 후면은 구동 측면(A-측면)이다. 일체형 도체(14)의 진행을 더 잘 나타내기 위해, 도체(14)는 2 가지 상이한 방법으로 도시된다: 도체(14)가 도면에서 중간 스트립(30) 및/또는 가로대들(32)을 덮고 있는 것은, 도체(14)가 B-측면 상에서 연장되는 것을 의미한다. 도체(14)가 2 개의 라인들로만 도시되며 중간 스트립(30) 및 가로대들(32)이 도시되는 것은, 도체(14)가 A-측면에서 연장되는 것을 나타낸다. 도 4에 명확히 도시된 바와 같이, 도체(14)가 내부 와인딩 시작점(34)에서 시작해서, 파형으로 교대로 A-측면과 B-측면을 거쳐 내부 전환점(36)으로 안내된다. 여기서 도체(14)는 B-측면으로부터 A-측면 상으로 바뀐 다음, 파형으로 교대로 A-측면과 B-측면을 거쳐 내부 와인딩(16)의 내부 와인딩 종결점(38)으로 안내된다.
도 5에는 외부 와인딩(18)의 제조가 도시된다. 물론, 내부 및 외부 와인딩(16, 18)이 와인딩 바(28) 상에서 구현되지만, 편의상, 이미 제조된 내부 와인딩(16)은 여기에 다시 도시되지 않는다. 이미 기술했듯이, 여기에서는 도체(14)가 바람직하게 일체형으로 구현되기 때문에, 내부 와인딩 종결점(38)은 외부 와인딩 시작점(40)과 일치한다. 거기서부터 도체(14)를 전환점(42)으로 안내한다. 여기서부터 도체(14)를 파형으로 교대로 A-측면과 B-측면을 거쳐 외부 전환점(44)으로 안내한다. 여기서 도체(14)를 B-측면으로부터 A-측면 상으로 바꾸고, 거기서부터 다시 파형으로 교대로 A-측면 및 B-측면을 거쳐 외부 와인딩 종결점(46)으로 안내한다. 이로써, 다층 고정자 와인딩(10)의 제조의 원리가 설명되었다.
이하에서, 일반적 s 개의 상들을 가지는 고정자 와인딩용 제조 공정이 구체적으로 설명된다. 시작시, s 개의 와인딩 시작부가 처음 s 개의 홈들 내로 삽입되는 것을 전제로 한다. 내부 와인딩의 제 1 절반의 제조는 하기처럼 이루어진다:
1. 와인딩 바를 180°만큼 회전시키고 와이어들을 오른쪽으로 s 개의 홈들만큼 동시에 이동시킨다.
2. 와이어를 홈들s+1 내지 2s 내로 삽입한다.
3. 와이어 바를 180°만큼 회전시키고 와이어들을 오른쪽으로 s 개의 홈들만큼 동시에 이동시킨다.
4. 와이어를 홈들s+1 내지 2s 내로 삽입한다.
5. 와인딩 바의 단부에 이를 때까지, 상기 과정을 반복한다.
6. 와인딩 바의 단부에 도달하면, 와인딩 바의 회전을 생략한다. 와이어 바의 동일한 측면 상에서 s 개의 홈들만큼 이동 및 마지막 s개의 와이어의 삽입을 다시 한다.
7. 필요한 경우, 와인딩 헤드의 성형을 공구를 이용해 할 수 있다.
내부 와인딩의 제 2 절반의 제조를 제 1 절반의 제조와 유사하게 실시하고, 이제는 와인딩 바의 다른 단부 상으로 처리한다. 내부 와인딩을 완성한 후, 외부 와인딩을 동일한 원리로 제조한다. 와인딩을 전체적으로 완성하면, 와인딩을 와인딩 바로부터 분리하여 압인함으로써, 와인딩은 후속 조립 상태에서 축방향 및/또는 방사 방향으로 지지되지 않는다.

Claims (23)

  1. 전기 기계용 고정자 와인딩(10)에 있어서,
    상기 고정자 와인딩(10)은 순서화된 고정자 와인딩(10)으로서 구현되고, 상기 고정자 와인딩(10)은 와인딩 헤드(13)에서 적어도 2 개의 축방향으로 이격된 층들(22, 24)로 구현되고,
    상기 고정자 와인딩(10)은 파형 와인딩으로서 구현되고,
    상기 고정자 와인딩(10)은 적어도 하나의 전환점(36, 42, 44)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자 와인딩(10)은 내부 및 외부 와인딩(16, 18)을 포함하고, 상기 외부 와인딩(18)은 상기 내부 와인딩(16)을 둘러싸는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  3. 삭제
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고정자 와인딩(10)의 적어도 하나의 상(phase)은 일체형의 연속 도체(14)로 제조되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 내부 및 외부 와인딩(16, 18)은 동일한 방향으로 정렬되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 층들(22, 24)의 간격이 1mm 내지 5mm인 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고정자 와인딩(10)은 하나의 사각형 와이어로 구현되고, 고정자 충진 팩터가 55%보다 더 큰 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  8. 제 4 항에 있어서,
    하나의 홈 내의 상기 도체(14)의 개수는 짝수인 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  9. 제 4 항에 있어서,
    상기 도체(14)가 상기 와인딩 헤드(13)에서 압인을 가지는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고정자 와인딩(10)은 하나의 평면 패킷 내로, 또는 개방된 홈을 가진 하나의 고정자 내로 삽입되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 고정자 와인딩(10)은 원형 와이어로 구현되고, 고정자 패킷(12)의 홈 내부에 놓이게 되는 와이어 부분이 압인되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 와인딩의 와이어의 폭은 홈의 폭에 상응하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계용 고정자 와인딩.
  13. 차량용 전기 기계에 있어서,
    제 1 항 또는 제 2 항에 따른 고정자 와인딩(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 기계는 적어도 3 개의 상을 포함하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계.
  15. 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩(10)의 제조 방법에 있어서,
    우선 내부 와인딩(16)을 제조하고, 그 후 상기 내부 와인딩(16)에 대해 축방향으로 이격된 외부 와인딩(18)을 상기 내부 와인딩(16) 둘레에 제조하고,
    상기 고정자 와인딩(10)은 회전 와인딩 맨드럴에 의해 제조되고,
    와인딩 맨드럴의 동일한 측면 상에서 상기 고정자 와인딩(10)의 전환점(36, 42, 44)으로 적어도 한번 더 와인딩되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서,
    와인딩 맨드럴 상에서 와이어의 압인 또는 벤딩이 적어도 한번 실시되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
  18. 제 15 항에 있어서,
    하나의 연속 와이어가 사용되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
  19. 제 15 항에 있어서,
    와이어들이 원형 와이어로서 구현되고, 와인딩 전에 개별적으로 압인되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
  20. 제 15 항에 있어서,
    하나의 홈의 모든 와이어 부분이 원형 와이어로서 구현되고, 동시에 압인되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
  21. 제 15 항에 있어서,
    와이어의 횡단면 형태가 우선은 원형이고, 후속 단계에서 변형되는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 횡단면 형태의 상기 변형은, 홈 영역에서, 와이어 형태를 홈 형태에 맞추기 위해 그리고 높은 고정자 충진 팩터를 얻기 위해 이루어지는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
  23. 제 15 항에 있어서,
    원형 와이어로 구현하는 경우, 와이어의 폭은 홈의 폭에 상응하는 것을 특징으로 하는, 차량용 전기 기계의 고정자 와인딩의 제조 방법.
KR1020087003205A 2005-08-09 2006-07-06 다층 와인딩을 포함하는 전기 기계 KR101025150B1 (ko)

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