KR101246585B1

KR101246585B1 - 전도성 와이어를 구비한 전기 기계

Info

Publication number: KR101246585B1
Application number: KR1020110003112A
Authority: KR
Inventors: 피터 제이. 사바지안; 라지브 비야스
Original assignee: 지엠 글로벌 테크놀러지 오퍼레이션스 엘엘씨
Priority date: 2010-02-08
Filing date: 2011-01-12
Publication date: 2013-03-25
Also published as: CN102148541B; KR20110092211A; US20110193443A1; US8294323B2; DE102011009990A1; CN102148541A

Abstract

전기 기계의 고정자용 전도성 와이어는 제1 측, 제2 측, 제3 측 및 제4 측을 갖는 단면을 포함한다. 제3 측 및 제4 측은 서로 평행하며, 제1 측 및 제2 측은 제3 측 및 제4 측 사이에서 연장한다. 제1 측 및 제2 측은 각각 오목한 함몰부를 정의한다.

Description

전도성 와이어를 구비한 전기 기계{ELECTRIC MACHINE HAVING CONDUCTING WIRE}

본 발명은 일반적으로 전기 기계에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전기 기계의 고정자용 전도성 와이어에 관한 것이다.

전동기와 같은 전기 기계는 대향하는 표면을 갖는 고정자 및 회전자를 포함한다. 고정자는 고정자의 표면에 배치된 복수의 슬롯과, 고정자의 슬롯 내에 배치된 복수의 전도성 와이어를 포함한다. 회전자는 고정자에 대하여 축을 중심으로 회전가능하다. 전도성 와이어는 통과하는 전류에 응답하여 전자기력을 생성한다. 전자기력은 회전자에 대하여 작용하여 회전자가 고정자에 대하여 회전하도록 한다.

전류 밀도는 주파수에 따라 그리고 자기장의 존재 때문에 전도성 와이어 전체에 걸쳐 가변한다. 통상적으로, 대부분의 전류는 일반적으로 전도성 와이어의 "표피 깊이(skin depth)"라 하는 전도성 와이어의 외부 표면 영역을 통해 전도되고, 매우 적은 전류가 전도성 와이어의 코어, 즉 중심 영역을 통해 전도된다. 이것은 일반적으로 전도성 와이어의 표피 효과(skin effect)라 한다. 또한, 전도성 와이어가 서로 인접하여 배치되고 높은 교류 전류를 운반할 때, 각 전류 운반 전도성 와이어는 인접한 전도성 와이어에서 자기장을 생성하며, 이는 인접한 전도성 와이어에서 불균일한 전류 분포를 생성한다. 이것은, 일반적으로 근접 효과(proximity effect)라 한다.

전도성 와이어는 일반적으로 직사각형 단면 형상 또는 원형 단면 형상 중 하나를 포함한다. 전도성 와이어는 낮은 AC 저항을 가져야만 하며, 또한, 열을 신속하게 발산하여야만 한다. 직사각형 형상의 전도성 와이어는 표피 효과 및 근접 효과 때문에 높은 속도 및/또는 주파수에서 높은 교류(Alternating Current, AC) 저항을 가지며, 반면, 작은 직경의 원형 형상의 전도성 와이어는 표피 효과가 전도성 와이어의 전체 단면적을 커버하기 때문에 낮은 AC 저항을 가진다. 원형 형상의 전도성 와이어가 직사각형 형상의 전도성 와이어보다 더 작은 표면적을 갖기 때문에, 원형 형상의 전도성 와이어는 열을 발산하는데 있어서 어려움을 갖는 반면, 직사각형 형상의 전도성 와이어는 증가된 표면적 때문에 더 나은 열 발산을 갖는다. 또한, 원형 형상의 와이어의 번들 중심으로부터 열을 빼내는 것을 어렵다.

전기 기계의 고정자용 전도성 와이어가 개시된다. 전도성 와이어는 제1 측, 제2 측, 제3 측 및 제4 측을 정의하는 횡단면을 갖는다. 제3 측은 제4 측에 평행하고, 제1 측과 제2 측은 제3 측과 제4 측 사이에서 연장한다. 제1 측 및 제2 측은 각각 오목한 함몰부를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에서, 전기 기계용 고정자가 개시된다. 고정자는 복수의 슬롯을 정의하는 본체를 포함한다. 적어도 하나의 전도성 와이어는 복수의 슬롯의 각각 내에 배치된다. 적어도 하나의 전도성 와이어는 제1 측, 제2 측, 제3 측 및 제4 측을 정의하는 횡단면을 갖는다. 제3 측은 제4 측에 평행하고, 제1 측 및 제2 측의 각각은 오목한 함몰부를 포함한다.

본 발명의 다른 양태에서, 전기 기계가 개시된다. 전기 기계는, 고정자와 회전자를 포함한다. 고정자는 표면을 가지며, 복수의 슬롯을 정의한다. 회전자는 고정자를 마주보며 고정자에 대하여 세로축을 중심으로 회전가능하다. 전기 기계는 복수의 슬롯의 각각 내에 배치된 적어도 하나의 전도성 와이어를 더 포함한다. 적어도 하나의 전도성 와이어는 제1 측과 제2 측을 정의하는 횡단면을 가지며, 제1 측과 제2 측의 각각은 적어도 하나의 오목한 함몰부를 포함한다.

따라서, 전도성 와이어의 제1 측 및 제2 측의 각각에서의 오목한 함몰부는 전도성 와이어의 표면적을 증가시키며, 이는 전도성 와이어의 열 발산을 개선한다. 더하여, 전도성 와이어의 제1 측과 제2 측의 각각에서의 오목한 함몰부는 전도성 와이어의 표피 깊이, 즉, 전도성 와이어의 주요한 전류를 운반하는 부분을 증가시키고, 전도성 와이어의 코어, 즉, 전도성 와이어의 전류를 운반하지 않는 부분을 감소시켜며, 이는 더 높은 속도 및/또는 주파수에서 유효 교류 저항을 감소시킨다.

본 발명의 전술한 특징 및 이점과 다른 특징 및 이점은 첨부된 도면과 연계하여 취급되는 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백하다.

도 1은 전동기의 개략적인 부분 단면도이다.
도 2는 전동기의 전도성 와이어의 제1 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.
도 3은 전동기의 전도성 와이어의 제2 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.

유사한 도면 부호는 여러 도면을 통하여 대응하는 부분을 나타내는 도면을 참조하면, 전기 기계가 도 1에 20으로 도시된다. 전기 기계(20)는 전류를 기계적인 운동으로 변환하도록 구성된 전동기, 기계적인 운동을 전류로 변환하는 발전기, 또는 다른 유사한 장치를 포함할 수 있다.

도 1을 참조하면, 전기 기계(20)는 하우징(22), 고정자(24) 및 회전자(26)를 포함한다. 고정자(24)는 하우징(22)에 고정되어 연결된다. 고정자(24)는 내부 원주면(28)을 포함하며, 복수의 슬롯(30)을 정의한다. 슬롯(30)은 내부 원주면(28)으로부터 고정자(24)로 바깥쪽을 향하여 방사상으로 연장한다. 회전자(26)는 고정자(24)를 마주보며 하우징(22)에 회전가능하게 연결된다. 회전자(26)는 고정자(24)에 대하여 세로축(32)을 중심으로 회전가능하며, 잘 알려진 바와 같이 복수의 자석(33)을 포함한다. 지금까지 설명된 전기 기계(20)는 일반적인 것이며, 공지된 전기 기계(20)와 같은 방법으로 동작하고, 따라서, 부품, 서로에 대한 부품의 배향 및 그 동작은 여기에서 설명되지 않는다.

도 2를 참조하면, 전기 모터(20)는 복수의 슬롯(30)의 각각 내에 배치된 적어도 하나의 전도성 와이어(34)를 더 포함한다. 전도성 와이어(34)는 제1 측(36), 제2 측(38), 제3 측(40), 및 제4 측(42)을 정의하는 횡단면을 갖는다. 제3 측(40)과 제4 측(42)은 서로 평행하며, 제1 측(36)과 제2 측(38)은 제3 측(40)과 제4 측(42) 사이에서 연장한다. 제3 측(40)과 제4 측(42)의 각각은 제1 측(36)과 제2 측(38) 모두에 수직이다. 도시된 바와 같이, 제1 측(36)은 제2 측(38)과 대칭이며, 제1 측(36)과 제2 측(38)의 각각은 적어도 하나의 오목한 함몰부(44)를 포함한다. 그러나, 이 대신에 제1 측(36)이 제2 측(38)과 비대칭일 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 도시된 바와 같이, 제1 측(36)에서의 오목한 함몰부(44)는 제2 측(38)에서의 오목한 함몰부(44)의 거울상이다. 이 대신에, 제1 측(36)이 제2 측(38)과 비대칭이라면, 제1 측(36)에서의 오목한 함몰부(44)는 제2 측(38)에서의 오목한 함몰부(44)의 거울상이 아니다. 제1 측(36) 및 제2 측(38)에서의 오목한 함몰부(44)는 전도성 와이어(34)의 표면적을 증가시켜, 전도성 와이어(34)의 열 발산을 개선한다. 또한, 오목한 함몰부(44)는 전류를 거의 전도하지 않거나 전도하지 않는 전도성 와이어(34)의 코어 영역(45), 즉 중심 영역을 감소시켜, 높은 속도 및/또는 주파수에서 교류(AC) 저항을 증가시킨다. 오목한 함몰부(44)의 기하학적 형상 및/또는 구성은 전기 기계(20)에 존재하는 특정 주파수 및 자기장에 대하여 최적화될 수 있다. 이와 같이, 오목한 함몰부(44)의 특정의 기하학적 형상 및 크기는 각 특정 사용에 대하여 가변될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 제1 측(36) 및 제2 측(38)의 각각에서의 적어도 하나의 오목한 함몰부(44)는 제1 함몰부(46) 및 제2 함몰부(48)를 갖는다. 적어도 하나의 오목한 함몰부(44)는 도 2에 도시된 제1 함몰부(46) 및 제2 함몰부(48)보다 더 많은 함몰부들을 포함할 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 예를 들어, 오목한 함몰부(44)는 제1 측(36) 및 제2 측(38)의 각각에서 3개, 4개, 5개 또는 그보다 많은 함몰부를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 제1 측(36)과 제2 측(38)의 각각에서의 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)는 제3 측(40)과 제4 측(42) 사이에 균일하게 이격될 수 있다. 그러나, 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)는 여기에서 도시되고 설명된 것 외에 제3 측(40) 및 제4(42)에 대하여 배향될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다.

제3 측(40), 제1 함몰부(46), 제2 함몰부(48), 및 제4 측(42)은 제3 측(36)및 제4 측(38)의 각각에서 그 사이에 복수의 핑거를 정의하도록 협력한다. 더욱 구체적으로는, 제3 측(40)과 제1 함몰부(46)는 그 사이에 제1 핑거(50)를 정의하도록 협력하며, 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)는 그 사이에 제2 핑거(52)를 정의하도록 협력하며, 제2 함몰부(48)와 제4 측(42)은 그 사이에 제3 핑거(54)를 정의하도록 협력한다. 제1 측(36)과 제2 측(28)의 각각에서 정의되는 핑거의 개수는 해당하는 제1 측(36)과 제2 측(38)에서의 오목한 함몰부(44)의 개수에 의존한다.

제1 측(36)과 제2 측(38)의 각각에서의 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)는 폭(56)과 길이(58)를 갖는다. 제1 측(36)과 제2 측(38)의 각각에서의 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)의 폭(56)은 대응하는 제1 측(36)과 제2 측(38)에 평행하게 측정된다. 제1 측(36)과 제2 측(38)의 각각에서의 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)의 길이(58)는 대응하는 제1 측(36)과 제2 측(38)에 수직으로 측정된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)의 길이(58)는 대응하는 제1 함몰부(46)와 제2 함몰부(48)의 폭(56)보다 크다.

도 2에 도시된 전도성 와이어(34)는 전도성 와이어(34)를 전술한 형상으로 잡아 늘리거나(drawing), 전도성 와이어(34)를 전술한 형상으로 압연(rolling)하거나, 또는 전술한 형성을 정의하도록 전도성 와이어(34)를 폴딩(folding)하는 것을 포함하는 임의의 적합한 방법에 의해 형성될 수 있다. 전도성 와이어(34)는 구리를 포함하며, 바람직하게는 구리로 제조된다. 그러나, 전도성 와이어(34)는 소정의 다른 재료로 제조될 수 있다는 것이 이해되어야만 한다. 전도성 와이어(34)는 폴리이미드를 포함하나 이에 한정되지 않는 에나멜로 코팅될 수 있으나, 반드시 이것으로 코팅될 필요는 없다. 또한, 전도성 와이어(34)는 안정화된 금속 산화물을 포함하지만 이에 한정되지 않는 비전도성 화성 코팅(conversion coating)으로 코팅될 수 있으나, 반드시 이것으로 코팅될 필요는 없다.

도 3을 참조하면, 전도성 와이어의 다른 실시예는 60으로 도시된다. 전도성 와이어(60)의 다른 실시예는 제1 측(62), 제2 측(64), 제3 측(66) 및 제4 측(68)을 정의하는 횡단면을 갖는다. 제3 측(66)과 제4 측(68)은 서로에 대하여 평행하며, 제1 측(62)과 제2 측(64)은 제1 측(66)과 제4 측(68) 사이에서 연장한다. 도시된 바와 같이, 제1 측(62)은 제2 측(64)에 대칭이며, 제1 측(62) 및 제2 측(64)의 각각은 적어도 하나의 오목한 함몰부(70)를 포함한다. 그러나, 이 대신에 제1 측(62)dl 제2 측(64)의 거울상이 아니도록, 제1 측(62)은 제2 측(64)에 비대칭일 수 있다.

제1 측(62)과 제2 측(64)의 각각에서의 전도성 와이어(60)의 실시예의 오목한 함몰부(70)는 제3 측(66)과 제4 측(68) 사이에서 전체적으로 연장한다. 다른 말로 하면, 제1 측(62)과 제2 측(64)의 각각은 단일의 오목한 함몰부(70)를 포함하고, 오목한 함몰부(70)는 각각 전체 제1 측(62) 및 제2 측(64)을 정의한다. 오목한 함몰부(70)는 폭(72)과 길이(74)를 가진다. 제1 측(62)과 제2 측(64)의 각각에서의 오목한 함몰부(70)의 폭(72)은 대응하는 제1 측(62)과 제2 측(64)에 평행하게 측정된다. 제1 측(62)과 제2 측(64)의 각각에서의 오목한 함몰부(70)의 길이(74)는 대응하는 제1 측(62)과 제2 측(64)에 수직으로 측정된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 측(62) 및 제2 측(64)의 각각에서의 오목한 함몰부(70)의 폭(72)은 제1 측(62) 및 제2 측(64)에서의 오목한 함몰부(70)의 길이(74)보다 더 크다.

전도성 와이어(34, 60)는 도 2 및 3에서 도시되고 여기에서 설명된 것 외의 다른 단면 형상을 포함하도록 형성되며, 여전히 첨부된 특허청구범위의 범위 내에 있다는 것이 이해될 것이다.

본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태가 여기에서 자세히 설명되었지만, 본 발명이 관련되는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 첨부된 특허청구범위의 범위 내에서의 본 발명을 실시하기 위한 다양한 다른 설계 및 실시예를 인식할 것이다.

Claims

복수의 슬롯을 정의하는 표면을 갖는 고정자;
상기 고정자의 상기 표면을 마주보며, 상기 고정자에 대하여 세로축을 중심으로 회전가능한 회전자; 및
상기 복수의 슬롯의 각각 내에 배치된, 제1 측과 제2 측을 정의하는 횡단면을 갖는, 적어도 하나의 전도성 와이어
를 포함하고,
상기 제1 측과 상기 제2 측의 각각은 적어도 하나의 오목한 함몰부를 포함하는,
전기 기계.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 전도성 와이어의 각각은 제3 측 및 상기 제3 측과 평행한 제4 측을 포함하는,
전기 기계.
제2항에 있어서,
상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 적어도 하나의 오목한 함몰부는 상기 제3 측 및 상기 제4 측 사이에서 연장하는,
전기 기계.
제3항에 있어서,
상기 적어도 하나의 오목한 함몰부는 폭과 길이를 가지며, 상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 오목한 함몰부의 폭은 대응하는 상기 제1 측 및 상기 제2 측에 평행하게 측정되며, 상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 오목한 함몰부의 길이는 대응하는 상기 제1 측 및 상기 제2 측에 수직으로 측정되며, 상기 오목한 함몰부의 폭은 상기 오목한 함몰부의 길이보다 더 큰,
전기 기계.
제2항에 있어서,
상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 적어도 하나의 오목한 함몰부는 제1 함몰부 및 제2 함몰부를 포함하는,
전기 기계.
제5항에 있어서,
상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 제1 함몰부 및 상기 제2 함몰부는 상기 제3 측 및 상기 제4 측 사이에서 균일하게 이격된,
전기 기계.
제6항에 있어서,
상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 제1 함몰부 및 상기 제2 함몰부는 폭과 길이를 가지며, 상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 제1 함몰부 및 상기 제2 함몰부의 폭은 대응하는 상기 제1 측과 상기 제2 측에 평행하게 측정되고, 상기 제1 측 및 상기 제2 측의 각각에서의 상기 제1 함몰부 및 상기 제2 함몰부의 길이는 대응하는 상기 제1 측과 상기 제2 측에 수직으로 측정되고, 상기 제1 함몰부 및 상기 제2 함몰부의 길이는 상기 제1 함몰부 및 상기 제2 함몰부의 폭보다 더 큰,
전기 기계.