KR101078614B1 - 회전자 및 상기 회전자를 포함하는 전기 기계 - Google Patents

회전자 및 상기 회전자를 포함하는 전기 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전기 기계의 회전자에 관한 것으로, 본 발명에 따른 전기 기계의 회전자는 적어도 하나의 중공 실린더로 형성된 제 1 영구 자석(20) 및 센서 자석 서브 어셈블리(22)를 포함하고, 상기 제 1 영구 자석(20)은 축방향 지지면들(76)을 구비하고, 상기 지지면들(76)은 적어도 하나의 홀딩 부재(24, 25)와 협동하고, 상기 제 1 영구 자석(20) 및 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 2개의 홀딩 부재들(24, 25) 사이에서 축방향으로 함께 지지된다.
Figure R1020087015799
영구 자석, 센서 자석, 홀딩 부재, 자기 트랙, 스페이스 부재

Description

회전자 및 상기 회전자를 포함하는 전기 기계{ROTOR AND AN ELECTRICAL MACHINE COMPRISING SUCH A ROTOR}
본 발명은 독립 청구항의 전제부에 따른 회전자, 상기 회전자를 포함하는 전기 기계에 관한 것이다.
독일 출원서 DE 10 200 40 177 16에는, 중공 실린더로서 형성된 작동 자석이 아마추어 샤프트 상에 고정되는, 회전자를 구비한 전기 기계가 공지된다. 여기에서 작동 자석은 축방향 지지면들을 포함하고, 상기 축방향 지지면들은 회전자에 고정되는 2개의 홀딩 부재들의 대응 축방향 클램핑 면들과 협동한다. 작동 자석이 방사방향으로 팽창할 수 있도록, 클램핑 면들은 방사방향으로 연장하는 채널들을 포함한다. 추가로, 센서 자석은 별도 지지부에 의해 회전자에 고정된다. 이러한 작동 자석과 센서 자석의 별도 조립은 제조시 부품 및 공정을 비교적 복잡하게 한다.
독립 청구항들의 특징들을 포함하는 본 발명에 따른 장치는, 제 1 영구 자석 및 센서 자석 서브 어셈블리가 2개의 홀딩 부재들 사이에서 함께 지지됨으로써, 센서- 및 작동-자석들의 고정시 조립 및 부품의 복잡함이 현저히 줄어든다. 또한 센서 자석 서브 어셈블리는 작동 자석 가까이에서 축방향으로 고정될 수 있고, 이로써 축방향 설치 공간이 감소한다. 2개의 홀딩 부재들 사이에 작동 자석과 센서 자석 서브 어셈블리를 함께 장착함으로써, 관련 부재들의 공차 체인이 바람직하게 영향을 받는다.
종속 청구항들에 제시된 조치에 의해, 청구항 제 1 항에 제시된 특징의 바람직한 실시 및 개선이 가능하다. 제 1 영구 자석 및 센서 자석 서브 어셈블리가 2개의 홀딩 부재들 사이의 스프링 부재들에 의해 고정되면, 영구 자석은 예컨대 온도 작용에 의해, 영구 자석이 지지부로부터 분리되지 않은 채, 축방향으로 변형될 수 있다. 또한, 탄성 축방향 지지는 영구 자석을 방사 방향으로 팽창시킬 수 있다. 이 경우, 스프링 부재는 하나 또는 다수의 별도 탄성 스프링 링 부재 또는 홀딩 부재의 일체형 구성부로서 형성될 수 있다.
홀딩 부재들이 아마추어 샤프트 상에 배치되는 슬리브로서 형성되는 것이 바람직하고, 상기 슬리브는 영구 자석 및 센서 자석 서브 어셈블리의 접촉을 위해 링형 축방향 쇼울더를 포함하고, 상기 쇼울더에 영구 자석 및 센서 자석 서브 어셈블리가 직접 또는 간접적으로 접촉한다.
바람직한 실시예에서, 영구 자석은 전기 정류된(EC; Electrically Commutated) 모터 또는 전기 정류된 제너레이터의 작동 자석으로서 형성될 수 있고, 상기 작동 자석은 예컨대 소결 재료 또는 플라스틱 복합 재료로 이루어질 수 있다. 이 경우, 영구 자석은 일체형으로 형성되거나 또는 다수의 부분들로 구성될 수 있다.
센서 자석 서브 어셈블리가 적어도 하나의 링 자석의 고정을 위해 링형 캐리어를 포함하면, 상기 링형 캐리어는 홀딩 부재들 사이에서 영구 자석과 함께 축방향으로 확실하게 고정될 수 있으며, 링 자석의 구체적인 배치 및 정렬에 대한 많은 변형예들을 제공한다.
링형 캐리어가 예컨대 편평한 디스크로서 형성되고, 상기 디스크의 자기 트랙들이 축방향 표면상에 배치된다. 이것은 축방향으로 배치되는 자기 센서들과 함께 실시하기에 적합하고, 상기 자기 센서들의 자계 감응 면들은 아마추어 샤프트에 대해 횡방향으로 연장된다. 다른 실시예에서 링형 캐리어는 실린더 슬리브로서 형성되고, 상기 캐리어의 실린더 외벽 상에는 자기 트랙들이 방사 방향으로 배치된 자석 센서들과의 협동을 위해 고정된다.
링형 캐리어는 그 방사방향 내부 영역 내, 상기 캐리어의 2개의 축방향 측면 상에 지지면들을 포함하고, 상기 지지면들에 의해 링형 캐리어가 상기 2개의 홀딩 부재들 사이에 축방향으로 고정된다. 이러한 센서 자석의 고정에 의해 링 자석들이 기계적으로 부하를 받지 않고 열적 팽창을 위한 공간을 충분히 갖는다.
영구 자석과 센서 자석 서브 어셈블리 사이에 스페이스 부품이 배치되면, 센서 자석과 작동 자석 간의 고정 간격이 지정될 수 있고, 이로써, 작동 자석을 지나 축방향으로 돌출하는 고정자의 와인딩 헤드 및 전기 와인딩의 상응하는 회로 부재가 연결된다.
스페이스부가 스페이스 관으로서 형성됨으로써, 상기 스페이스부는 직접 고정되거나, 또는 영구 자석과 링형 캐리어의 상응하는 지지면들 사이의 중간 링에 의해 고정될 수 있고, 이로써, 상기 2개의 자석들의 조립이 훨씬 더 용이해진다.
압력 감응성 영구 자석이 축방향으로 탄성으로 지지됨으로써, 홀딩 부재들이 종래의 고정 방법에 의해 아마추어 샤프트 상에 상대 회전 불가능하게 그리고 이동 불가능하게 고정된다. 이를 위해, 특히 고정 링, 스프링 부재들, (레이저) 용접, 접착, (플라스틱) 재료 변형 또는 수축 끼워 맞춤에 의한 고정이 특히 적합하다.
바람직하게 회전자는 영구 자석이 고정자의 전기 정류된 자계에 의해 회전하게 되는 EC-모터 내로 조립된다. 또한 EC-모터에 자기 센서가 배치되고, 고정자 코일의 정류를 위해 회전자의 회전 위치가 검출되도록, 상기 자기 센서는 센서 자석 서브 어셈블리와 협동한다.
본 발명에 따른 제조 방법에 의해, 다수의 부재들이 하나의 조립 과정에서 공통으로 회전자 샤프트 상에 고정될 수 있다. 이로써, 센서 자석 서브 어셈블리용 별도 홀딩 부재들의 조립이 생략되므로, 부재의 개수 및 조립 비용이 감소된다.
도면에 본 발명에 따른 장치의 실시예들이 도시되고 하기 설명에서 더 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 기계의 단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 회전자의 다른 실시예의 단면도이다.
도 1에는 회전자(10)를 포함하는 전기 기계(12)가 도시되고, 상기 회전자(10)는 슬라이딩 또는 볼 베어링(14)에 의해 자세히 도시되지 않은 하우징(16) 내에 지지된다. 회전자(10)는 회전자 샤프트(18)를 포함하고, 상기 회전자 샤프트(18) 상에 제 1 영구 자석(20) 및 센서 자석 서브 어셈블리(22)가 함께, 2개의 홀딩 부재들(24, 25)에 의해 지지된다. 영구 자석(20)은 실시예에서 일체형 중공 실린더(21)로서 형성되고, 상기 중공 실린더는 예컨대 소결된 재료 또는 플라스틱 복합 재료로 제조되고, 특히 철 및/또는 희토류 원소, 특히 NdFeB를 포함한다. 홀딩 부재들(24, 25)은 슬리브 형으로 구현되고 회전자 샤프트(18)의 재료 변형에 의해 상기 회전자 샤프트 상에 고정된다. 소성 재료 변형은 예컨대 채널형 홈(88)으로서 형성된다. 제 1 홀딩 부재(24)는 제 1 스프링 부재(26)를 포함하고, 상기 제 1 스프링 부재는 제 1 홀딩 부재(24)의 축방향 돌출부(28) 상에 배치된다. 여기에서 스프링 부재(26)는 디스크 스프링(30)으로서 형성되고, 상기 디스크 스프링은 축방향(32)으로 변형될 수 있다. 제 1 영구 자석(20)에 축방향으로 인접하게, 스페이스 부재(34)인 스페이스 관(35)이 배치되고, 상기 스페이스 관은 센서 자석 서브 어셈블리(22)에 대해 지정된 간격을 규정한다. 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 링형 캐리어(36)를 포함하고, 상기 캐리어는 방사 방향 내부 영역에 2개의 지지면들(38 및 40)을 포함하고, 상기 지지면들에 의해 캐리어(36)가 상기 2개의 홀딩 부재들(24, 25) 사이에 축방향으로 고정된다. 제 2 홀딩 부재(25)는 제 2 스프링 부재(27)를 포함하고, 상기 제 2 스프링 부재는 캐리어(36)의 제 2 축방향 지지면(40)에 접촉한다. 스페이스 부재(34)의 제 1 축방향 측면(42)은 제 1 영구 자석(20)에, 제 2 축방향 측면(44)은 제 1 지지면(38)에 접촉한다. 영구 자석(20)의 자속을 증가시키기 위해, 제 1 영구 자석(20)의 내부에 회전자 바디(46)인 자기 복귀 소자(48)가 배치된다. 이 경우, 회전자 바디(46)는 스페이스 부재(34)를 따라 연장된다. 링형 캐리어(36)는 편평한 디스크(50)로서 형성되고, 상기 디스크의 제 1 축방향 면(38)에 2개의 링 자석들(52)이 축방향으로 배치된다. 상기 2개의 링 자석들(52)은 2개의 별도 자기 트랙들(56)이고, 상기 자기 트랙들 각각은 전기 모터(12)의 각각 하나의 자기 센서(54)와 별도로 협동할 수 있다. 자기 트랙들(56)은 상이한 반경을 가진 동심 링 자석들(52)로서 형성된다. 자기 센서들(54)의 자기 감응 면들은 자기 트랙들(56)에 대한 작은 축방향 간격으로, 회전자 샤프트(18)에 대해 거의 수직으로 정렬된다. 상응하게 자화된 자기 트랙들(56)에 의해, 회전자(10)의 회전 위치 및 회전 방향이 검출될 수 있다. 회전 위치 검출부(58)는 고정자(60)에 배치되는 전기 와인딩들(62)의 전기 정류를 위해, 및/또는 전기 모터(12)에 의해 구동되는 부재의 위치 검출을 위해 사용된다. 출력 부재(64)로서는 회전자 샤프트(18) 상에, 스퍼 기어(66)가 형성되고, 상기 스퍼 기어는 도시되지 않은 대응 기어 장치 부재 내로 맞물린다.
도 2에는, 링형 캐리어(36)가 외부 실린더 외벽(70)을 가진 슬리브(68)로서 형성되는 회전자(10)의 다른 실시예가 도시된다. 상기 실린더 벽(70)의 외주에 걸쳐 링 자석(52)이 개별 자기 트랙(56)으로서 배치된다. 상기 링 자석(52)은 슬리브형 캐리어(36)에 대해 방사 방향으로 배치되는 자기 센서(54)와 협동한다. 이 경우 자기 센서(54)의 감응 면은 회전자 샤프트(18)에 대해 접선 방향으로 배치된다. 제 1 및 제 2 실시예에서 다수의 대응 자기 센서들(54)과 협동하는 다수의 자기 트랙들(56)이 축방향으로 서로 나란히 배치될 수도 있다. 회전자 샤프트(18) 상에 웜 기어(72)가 출력 부재(64)로서 형성되고, 상기 웜 기어는 구동 모멘트를 상응하는 조절 메커니즘으로 전달할 수 있다. 이 경우, 회전자 샤프트(18)의 예컨대 볼록한 단부(74)는 하우징(16)에 접촉한다. 제 1 영구 자석(20), 스페이스 부재(34) 및 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 함께, 상기 2개의 홀딩 부재들(24 및 25) 사이에서 축방향으로 고정된다. 스페이스 부재(34)는 회전자 샤프트(18)에 직접 배치된다. 이 경우 제 2 홀딩 부재(25)만이, 축방향 가압력을 발생시키는 유일한 제 2 스프링 부재(27)를 포함한다. 영구 자석(20)의 지지면(76)은 코팅부(79)를 포함하고, 상기 코팅부는, 홀딩 부재(24)의 상응하는 대응 면인 쇼울더(78)보다 더 연성인 재료로 이루어진다. 지지면(76)은 링형으로 형성되고 여기에서 링형 대응 면인 쇼울더(78)에 직접 접촉한다. 홀딩 부재(24)는 예컨대 방사 방향 채널로서 형성되는 프로파일링부(80)를 가짐으로써, 영구 자석(20)은 방사 방향으로 특정 제한부에까지 이동되도록 지지된다. 상기 2개의 홀딩 부재들(24, 25)은 본 실시예에서 고정 링(84)에 의해 샤프트 상에 축방향으로 고정된다.
본 발명에 따른 회전자(10)의 조립을 위해, 예컨대 제 1 홀딩 부재(24)가 소성 재료 변형부(86)에 의해 회전자 샤프트(18) 상에 고정된다. 이로써, 제 1 스프링 부재(26)가 제 1 홀딩 부재(24)의 쇼울더(78)에 축방향으로 접촉한다. 이어서, 경우에 따라, 회전자 바디(46)가 회전자 샤프트(18) 상으로 그리고 축방향 돌출부(28)를 거쳐 이동될 수 있다. 제 1 영구 자석(20)은 상기 자석이 제 1 스프링 부재(26)에 접촉할 때까지, 회전자 샤프트(18) 상으로 이동된다. 이어서, 스페이스 부재(34)가 회전자 샤프트(18) 상으로 이동된다. 그 후, 센서 자석 서브 어셈블리(22)의 링형 캐리어(36)가 회전자 샤프트(18) 상으로 축방향으로 조립된 다음, 제 2 홀딩 부재(25)의 제 2 스프링 부재(27)에 의해 제 1 홀딩 부재(24)에 대해 지정된 가압력으로 축방향으로 가압된다. 그 후, 제 2 홀딩 부재(25)가, 특히 재료 변형부(86)에 의해서도 회전자 샤프트(18) 상에 축방향으로 고정되고, 이로써 3개의 부재들(20, 34, 36)이 하나의 조립 과정에서 상기 2개의 홀딩 부재들(24 및 25) 사이에서 축방향으로 탄성으로 지지된다. 그 후, 회전자(10)가 전기 모터(12)의 하우징(16) 내로 조립되고, 자기 센서들(54)이 자기 트랙들(56)에 상응하게 대향 배치된다.
도면들과 설명에 제시된 실시예에 관련해서, 개별 특징들의 다양한 조합이 가능하다. 예컨대, 스프링 부재들(26, 27)을 가지는 홀딩 부재들(24, 25)의 구체적 형태 및 회전자 샤프트(18) 상에 상기 홀딩 부재들의 고정이 변경될 수 있다. 예컨대 스프링 부재들(26, 27)은 홀딩 부재들(24, 25)의 일체형 구성부일 수 있다. 또한 영구 자석(20), 스페이스부(34) 및 센서 자석 서브 어셈블리(22) 사이에 다른 중간 링이 배치될 수 있다. 또한 지지면들(76)의, 쇼울더들(78)의 및 다른 중간 면들의 표면들이 마찰 특성의 조정을 위해 코팅되거나 프로파일링될 수 있다. 또한 영구 자석(20), 링 자석(52), 링형 캐리어(36), 스페이스 부재(34) 및 코팅부의 사용되는 재료가 요구 조건에 따라 변경될 수 있다. 바람직하게 본 발명에 따른 회전자(10)는 차량 내 가동부를 조절하기 위해 사용되는 EC-모터에도 적용된다.

Claims (13)

  1. 전기 기계(12)의 회전자(10)로서, 중공 실린더형으로 형성된 적어도 하나의 제 1 영구 자석(20) 및 센서 자석 서브 어셈블리(22)를 포함하고,
    상기 제 1 영구 자석(20)은 적어도 하나의 홀딩 부재(24, 25)와 협동하는 축방향 지지면들(76)을 구비한, 전기 기계(12)의 회전자(10)에 있어서,
    상기 제 1 영구 자석(20) 및 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 2개의 홀딩 부재들(24, 25) 사이에 축방향으로 지지되고, 상기 제 1 영구 자석(20) 및 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 함께 2개의 홀딩 부재들(24, 25)에 의해 상기 회전자(10)의 회전자 샤프트(18) 상에 지지되고,
    상기 2개의 홀딩 부재들(24, 25)은 함께, 적어도 하나의 스프링 부재(26, 27)를 포함하고, 상기 스프링 부재(26, 27)는 상기 제 1 영구 자석(20) 및 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)를 상기 2개의 홀딩 부재들(24, 25)에 대해 축방향으로 탄성으로 고정하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀딩 부재들(24, 25)은 축방향 쇼울더(78)를 포함하는 슬리브(68)로서 형성되고, 상기 쇼울더에 상기 제 1 영구 자석(20) 및 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)가 축방향으로 지지되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영구 자석(20)은 전기 정류된(EC; Electrically Commutated)-모터 또는 EC-제너레이터의 작동 자석으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 링형 캐리어(36)를 포함하고, 상기 링형 캐리어 상에 적어도 하나의 링 자석(52)이 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 하나 이상의 링형 자기 트랙(56)을 포함하고, 상기 자기 트랙은 축방향 또는 방사 방향으로 배치된 자기 센서들(54)에 의해 검출 가능한 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 캐리어(36)는 상기 2개의 홀딩 부재들(24, 25)이 축방향 힘을 가하는 2개의 축방향 지지면들(38, 40)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 영구 자석(20)과 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22) 사이에 스페이스 부재(34)가 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 스페이스 부재(34)는 스페이스 관(35)으로서 형성되고, 상기 스페이스 부재의 하나의 축방향 측면(44)은 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)의 캐리어(36)를 가압하고, 상기 스페이스 부재의 다른 축방향 측면(42)은 상기 영구 자석(20)을 가압하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 홀딩 부재들(24, 25)은 고정 링들(84), 스프링 부재들, 레이저 용접, 접착, 재료 변형 또는 수축 끼워 맞춤에 의해 상기 회전자 샤프트(18) 상에 상대 회전 불가능하게 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
  11. 제 1 항에 따른 회전자(10)를 구비한 전기 기계(12)에 있어서,
    상기 제 1 영구 자석(20)은 고정자(60) 내에서 전기 정류된, 상기 회전자(10)를 둘러싸는 자계와 협동하고, 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)는 상기 센서 자석 서브 어셈블리(22)에 대해 방사 방향 또는 축방향으로 배치된 적어도 하나의 자기 센서(54)와 협동하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계(12).
  12. 제 1 항에 따른 회전자(10)의 제조 방법에 있어서:
    상기 홀딩 부재(24)를 회전자 샤프트(18) 상에 축방향으로 고정하는 단계;
    상기 중공 실린더형 영구 자석(22)을 상기 회전자 샤프트(18) 상으로 축방향으로 미는 단계;
    스페이스 부재(34)를 상기 회전자 샤프트(18) 상으로 축방향으로 미는 단계;
    링형 캐리어(36)를 포함하는 상기 센서 자석 서브 어셈블리(20)를 상기 회전자 샤프트(18) 상으로 미는 단계;
    제 2 홀딩 부재(25)를 상기 회전자 샤프트(18) 상으로 밀고 제 1 홀딩 부재(24)에 대해 지정된 가압력으로 탄성으로 가압하는 단계; 및
    상기 제 2 홀딩 부재(25)를 상기 회전자 샤프트(18) 상에 축방향으로 고정하는 단계를 포함하는, 회전자 제조 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 스프링 부재(26, 27)는 디스크 스프링(30)인 것을 특징으로 하는, 전기 기계의 회전자(10).
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