KR101247283B1 - 로우터 조립체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서는 로우터 조립체 및 그 제조방법이 개시된다. 상기 로우터 조립체는 유입된 유체를 압축하거나 유입된 유체로부터 동력을 얻기 위해 고속 회전되는 로우터 조립체로서, 중공 실린더 형상의 슬리브 부재와, 슬리브 부재의 중공을 채우는 분말 소결체로 된 영구 자성체와, 슬리브 부재의 양단에 동축으로 연장되도록 설치되는 제1, 제2 샤프트 부재를 포함한다.

본 발명에 의하면, 제조 공정 단계가 단순화되어 제작 단가가 절감되는 개선된 구조의 로우터 조립체 및 그 제조방법이 제공된다.

Description

로우터 조립체 및 그 제조방법{Rotor assembly and the manufacturing method for the same}

본 발명은 로우터 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제조 공정 단계가 단순화되고, 제조 원가가 절감되는 로우터 조립체에 관한 것이다.

상기 로우터 조립체는 모터/제네레이터 등에서 고속 회전되면서 케이싱에 고정 장착된 고정자와의 전자기적인 상호 작용을 통해 전력 또는 기계적인 회전력을 발생시키는 것으로, 그 일 형태는 도 1에 도시된 바와 같다. 도면을 참조하면, 상기 로우터 조립체는 고정자(미도시)와 전자기적인 상호 작용을 수행하는 회전자(3)와, 상기 회전자(3)를 회전 가능하게 지지하기 위해 회전자(3)의 양단부에서 축 방향으로 연장된 회전축(1)과, 상기 회전자(3)의 원주 상에 끼워 조립되며 회전자(3)를 강하게 구속하는 슬리브 부재(4)를 포함한다.

한편, 도 2에는 미국 특허공보 US 7,042,118에 개시되어 있는 로우터 조립체의 수직 단면도가 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 상기 로우터 조립체는 중앙홀(30`)이 정렬되도록 서로 밀착되어 있는 다수의 디스크형 영구자석(30)들과, 상기 영구자석(30)들의 중앙홀(30`)을 관통하는 가이드 로드(35)와, 상기 영구자 석(30)들의 외주 면을 커버하도록 배치되는 중공의 슬리브 부재(40)와, 상기 슬리브 부재(40)의 양단에 조립되어 있는 스터드 샤프트(10,20)를 포함한다. 상기 스터드 샤프트(10,20)는 가이드 로드(35)의 각 단부와 나사체결됨과 동시에 상기 슬리브 부재(40)의 내경에 끼워짐에 의해 전체 로우터 조립체가 일체적으로 결합되게 한다.

상기한 로우터 조립체의 제조 공정을 살펴보면, 준비된 가이드 로드(35) 상에 디스크 형상의 영구자석(30)들을 차례로 끼워 조립하고, 가이드 로드(35)의 양단부에 제1, 제2 스터드 샤프트(10,20)를 나사 결합하여 1차적인 조립을 완성한다. 이어서, 상기 영구자석(30)과 스터드 샤프트(10,20)에 걸쳐서 그 외주면이 균일한 외경을 갖도록 절삭 등의 가공을 수행한 후, 그 위에 준비된 슬리브 부재(40)를 끼워 조립하게 된다. 이때, 슬리브 부재(40)가 영구자석(30) 등에 억지 끼움 방식으로 조립되기 위해, 이른바 열박음 공정이 이용된다. 상세한 기술적 내용은 다음과 같다. 먼저, 슬리브 부재(40)의 내경이 확장되도록 슬리브 부재(40)를 고온으로 가열 팽창시킨다. 가열 단계를 통해 충분히 그 내경이 확장되면, 슬리브 부재(40)의 중공에 가조립된 영구자석(30) 등을 삽입한다. 이어서, 상기 슬리브 부재(40)를 상온으로 냉각시킴에 의해, 슬리브 부재(40)가 원 상태로 수축되면서 삽입된 영구자석(30) 등에 대해 강하게 밀착되도록 한다.

그런데, 상기한 열박음 공정은 단순한 조립 공정과 비교할 때, 승온-냉각 등의 열 공정을 수반하여 공정 수가 증가하고, 공정 단가가 높은 단점이 있다. 뿐만 아니라, 상기한 열박음 공정을 통하여, 슬리브 부재(40)가 영구자석(30) 등에 밀착 된 상태를 이루기 위해서는 슬리브 부재(40)와 영구자석(30) 등의 치수가 정밀하게 제어될 필요가 있다. 즉, 가공 오차가 엄격하게 관리되어야 한다는 것이며, 정밀 가공을 위해 숙련된 작업 인력이나 특수 장비가 요구된다는 것이다. 상기한 이유들 때문에 로우터 조립체의 가공 단가는 상승하고, 이를 포함하는 전체 제품의 가격 경쟁력은 떨어지게 된다.

본 발명의 목적은 제조 공정 수가 삭감되고, 제조 단가가 절감되도록 구조가 개선된 로우터 조립체를 제공하는 것이다.

상기의 목적 및 그 밖의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따른 로우터 조립체는, 유입된 유체를 압축하거나 유입된 유체로부터 동력을 얻기 위해 고속 회전되는 로우터 조립체로서, 중공 실린더 형상의 슬리브 부재와, 상기 슬리브 부재의 중공을 채우는 분말 소결체로 된 영구 자성체와, 상기 슬리브 부재의 양단에 동축으로 연장되도록 설치되는 제1, 제2 샤프트 부재를 포함한다.

상기 제1, 제2 샤프트 부재는 상기 슬리브 부재의 중공 단부에 내삽되어 고정될 수 있다. 이때, 상기 제1, 제2 샤프트 부재는 상기 슬리브 부재에 억지끼움 방식으로 결합될 수 있다.

한편, 상기 영구 자성체는 희토류 합금을 미분쇄하여 얻어진 자성체 분말을 고온환경에서 소결하여 일체화시킨 것이 사용될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 측면에 따른 로우터 조립체의 제조방법은, 유입된 유체를 압축시키거나, 유입된 유체로부터 동력을 얻기 위해 고속 회전되는 로우터 조립체의 제조방법으로, 중공 실린더 형상의 슬리브 부재를 준비하는 단계; 준비된 슬리브 부재의 제1 단부에 제1 샤프트 부재를 억지끼움하는 단계; 개방된 상기 슬리브 부재의 제2 단부를 통해 입자상의 미분쇄 자성분말을 주입하는 단계; 상기 슬리브 부재의 제2 단부에 제2 샤프트 부재를 억지끼움하여 밀봉하는 단계; 및 상기 주입된 자성분말이 일체화된 영구 자성체를 형성하도록 고온환경에서 소결하는 단계;를 포함한다.

상기에서, 자성체 분말은 희토류 합금을 미분쇄하여 얻어진 입자상의 분말이 사용될 수 있다.

본 발명에 의하면, 제조 공정이 단순화되어 제작상의 편이가 도모될 수 있도록 구조가 개선된 로우터 조립체가 제공된다. 즉, 종래기술에 의하면, 영구자석들을 타 구조물로 구속 후, 최종 가공하여 슬리브 부재와 열 박음을 수행하기 때문에 매우 정밀한 가공이 요구되며 조립 과정이 복잡하여 제작 단가가 상승하는 단점이 있었다.

본 발명에서는 미분쇄 자성 분말을 일단이 폐쇄된 슬리브 부재에 주입한 후, 소결시키는 단순한 공정을 통해 동일한 로우터 조립체를 제공하기 때문에, 종래에 비해, 정밀한 가공을 요하지 않고 제작 공정이 단순화되는 기술적 장점이 있다. 이것은 로우터 조립체의 제작 단가를 낮추어, 궁극적으로 상기 로우터 조립체가 채용 되는 공기 압축기, 가스 압축기, 냉매 압축기, 터보 블로워, 연료 전지용 공기 공급 장치 등 다양한 제품의 가격 경쟁력을 높이는데 기여하게 된다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 관한 로우터 조립체에 대해 상세히 설명하기로 한다. 도 3에는 본 발명의 바람직한 일 실시 형태에 관한 로우터 조립체의 수직 단면도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 바로부터 알 수 있듯이, 상기 로우터 조립체(100)는 실린더 형 중공체로 마련된 슬리브 부재(140)와, 상기 슬리브 부재(140) 내에 형성된 회전자로서의 영구 자성체(130)와, 슬리브 부재(140) 양단에 동축으로 조립되어 있는 제1,제2 스터드 샤프트(10,20, stud shaft)를 포함한다.

상기 슬리브 부재(140)는 중공의 원통 실린더 형상으로 마련되어 그 내부에 영구 자성체(130)를 수용하는 기능을 하며, 그 양단부에 조립되어 있는 제1, 제2 스터드 샤프트(110,120) 사이의 동력 흐름을 이어준다.

상기 영구 자성체(130)는 원소재가 되는 원료 분말을 슬리브 부재(140)의 내부 공간에 주입한 후, 소결 과정을 통해 일체화시킨 소결형 영구자석이다. 상기 원료 분말로는 희토류 합금을 분쇄하여 얻어진 입상의 미분말이 사용될 수 있다.

상기 제1, 제2 스터드 샤프트(110,120)는 상기 슬리브 부재(140)의 양단에 동축으로 연장되게 설치되며(회전축 C 공유), 각 스터드 샤프트(110,120)의 외주가 슬리브 부재(140)에 내면에 밀착되도록 삽입 설치되어 있다. 상기 제1, 제2 스터드 샤프트(110,120)는 상기 슬리브 부재(140)로부터 동심으로 연장 형성되어 동력 전 달을 위한 하나의 회전축을 구성하게 된다. 예를 들어, 일단의 제1 스터드 샤프트(110)는 터빈 휠(미도시)에 동력 연결되고, 타단의 제2 스터드 샤프트(120)는 블로워의 임펠러(미도시)에 동력 연결되는 것에 의해, 입력으로서 터빈 측의 회전이 출력으로서 블로워 측으로 전달될 수 있는 것이다. 이때, 상기 제1, 제2 스터드 샤프트(110,120)의 끝단에 형성되어 있는 체결 홈(111,120)이 임펠러 또는 터빈 휠의 결합에 관여한다. 상기 제1, 제2 스터드 샤프트(110,120)는 이를 둘러싸도록 배치되는 저널 베어링(미도시)을 통하여 전체 로우터 조립체(100)의 고속 회전을 그 양단에서 균형있게 지지한다. 그리고, 상기 제1 스터드 샤프트(110)는, 그 둘레를 따라 원주방향으로 돌출된 트러스트 디스크(115)의 양 측면이 도시되지 않은 트러스트 베어링에 의해 균형있게 지지됨으로써, 로우터 조립체(100)의 축 방향 하중을 지지하게 된다.

본 발명에서는 슬리브 부재(140)와 그 일단에 결합된 스터드 샤프트(110,120)에 의해 형성되는 내부 공간 내에, 개방된 슬리브 부재(140)의 타단을 통해 자성 분말을 주입한 다음, 슬리부 부재(140)의 타단을 또 다른 스터드 샤프트(110,120)로 밀봉하고, 자성 분말을 고온에서 소결 처리하여 일체화된 영구 자성체(130)를 형성하게 된다. 이에 따라, 분말 입자상으로 존재하는 자성 분말이 유출되지 않도록, 상기 스터드 샤프트(110,120)와 슬리브 부재(140) 사이는 기밀성 결합을 이루는 것이 바람직하다.

상기 슬리브 부재(140)는 고속회전에 의한 원심력의 영향으로 영구 자성체(130)가 회전 축(C) 상으로부터 분리되거나, 크랙(crack) 등의 손상이 가해지지 않도록 영구 자성체(130)의 외주를 둘러싸서 견고하게 구속한다. 그리고, 상기 슬리브 부재(140)는 양단에 압입되어 있는 제1, 제2 스터드 샤프트들(110,120) 사이의 동력 전달을 매개하기 위해, 충분한 강성을 갖도록 마련되는 것이 바람직하다. 상기 슬리브 부재(140)의 비틀림 변형은 입출력단 사이에서 회전 각도의 미스-매치(mis-match)를 발생시킬 것인바, 슬리브 부재(140)의 변형이 허용된 범위를 벗어나지 않도록 그 소재에 대한 적절한 선택이 요구될 것이다.

이하에서는 도 3에 도시된 로우터 조립체의 제조 과정에서 대해 도 4a 내지 도 4e를 참조하여 설명하기로 한다. 도 3에 도시된 어셈블리는 이하의 제작 단계들을 거쳐서 형성된다. 먼저, 도 4a에 도시된 바와 같이, 중공의 실린더 형상으로 개방된 양단부를 갖는 슬리브 부재(140)를 준비한다. 상기 슬리브 부재(140)의 형상과 관련하여, 상기 슬리브 부재(140)의 축 방향 길이 및 내부 직경은 후술하는 자성체 분말의 주입량과 관계한다. 상기 슬리브 부재(140)는 동력 흐름을 매개하는 역할을 겸하게 될 것인바, 충분한 비틀림 강성을 갖는 금속 소재로 마련될 수 있다. 다음에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 준비된 슬리브 부재(140)와 제1 스터드 샤프트(110)를 결합한다. 예를 들어, 제1 스터드 샤프트(110) 단부를 슬리브 부재(140)의 내측으로 가압 압입시킴으로써, 조립부위에 틈새가 생기기 않도록 양자(110,140)를 긴밀하게 조립한다.

다음에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 제1 스터드 샤프트(110)와 슬리브 부재(140)에 의해 한정되는 내부 공간 내에 사전에 준비한 자성체 분말(130`)을 주입한다. 이때, 스터드 샤프트(110,120)가 조립되지 않은 슬리브 부재(140)의 타단은 개방된 상태이므로, 이를 통해 입상의 자성체 분말(130`)이 주입될 수 있다. 상기 자성체 분말(130`)로는 희토류 합금을 미분쇄하여 얻어진 입자상의 분말이 사용될 수 있다. 상기 희토류 합금으로는 예를 들어, R-Fe-B 계열 합금이 이용될 수 있는데, 상기에서 R은 이트륨(Y) 및 희토류 원소로 되는 군에서 선택되는 적어도 일 종 이상의 원소를 나타낸다. 자기적인 특성을 고려하여 자성체 분말(130`)을 구성하는 원소의 종류 및 그 함량 비율은 적절하게 제어될 수 있을 것이며, 이에 관해서는 공지된 기술들을 참조하면 될 것이므로, 상세한 설명은 생략하기로 한다.

자성체 분말(130`)의 주입량에 관하여서는, 주입된 자성체 분말(130`)이 궁극적으로 미도시된 고정자와의 자기적인 상호 작용을 통해 회전력 또는 전력을 발생시키는 회전자 역할을 하게 될 것인바, 입출력 사이의 에너지 흐름 및 회전력/전력의 필요량을 고려하여 적당한 주입량이 결정될 수 있을 것이다. 한편, 상기 자성체 분말(130`)은 발화 방지 등의 필요에 따라 광물유(미도시) 등에 혼합하여 슬러리화시킨 후, 슬리브 내에 주입될 수도 있다.

이어서, 도 4d에 도시된 바와 같이, 개방된 슬리브 부재(140)의 단부에 제2 스터드 샤프트(120)를 결합한다. 제1 스터드 샤프트(110) 조립시와 마찬가지로, 제2 스터드 샤프트(120)가 슬리브 부재의 내측으로 압입되도록 소정의 압력을 가하여 억지 끼움 방식에 의해 결합될 수 있다.

마지막으로, 주입된 자성체 분말(130`)을 고온에서 소결 처리하는 단계가 진행된다. 본 소결 단계를 통하여, 도 4e에 도시된 바대로, 주입된 입상의 자성체 분말(130`)은 슬리브 부재(140)에 의해 정의되는 형상을 취하는 영구 자성체(130)로 굳어지며, 일체화된다. 이때, 영구 자성체(130)와 이를 둘러싸는 슬리브 부재(140)는 상호 열 융착에 의해 견고한 결합을 이룰 수 있다. 소결처리 온도 및 유지시간 등의 공정조건은 최종적으로 얻어지는 영구 자성체(130)의 보자력(coercivity) 등 자기적인 특성과도 관계되는데, 1000도 내외의 온도에서 수십~수 백분에 걸쳐서 진행될 수 있으며, 때에 따라서는 다단계의 승온 공정이 연속적으로 진행될 수도 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

도 1은 로우터 조립체의 일 형태에 관한 분해 사시도이다.

도 2는 미국 특허공보 US 7,042,118에 개시되어 있는 로우터 조립체의 수직 단면도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시형태에 관한 로우터 조립체의 수직 단면도이다.

도 4a 내지 도 4e는 도 3에 도시되어 있는 로우터 조립체의 제작 공정을 단계별로 도시한 단면도들이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 로우터 조립체 110 : 제1 스터드 샤프트

111, 121 : 체결 홈 115 : 트러스트 디스크

120 : 제2 스터드 샤프트 130 : 영구 자성체

140 : 슬리브 부재 C : 회전축

Claims (6)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 유입된 유체를 압축시키거나, 유입된 유체로부터 동력을 얻기 위해 고속 회전되는 로우터 조립체의 제조방법으로,

   중공 실린더 형상의 슬리브 부재를 준비하는 단계;

   준비된 상기 슬리브 부재의 제1 단부에, 트러스트 디스크가 형성된 제1 샤프트 부재를 억지끼움하는 단계;

   개방된 상기 슬리브 부재의 제2 단부를 통해 입자상의 미분쇄 자성분말을 주입하는 단계;

   상기 슬리브 부재의 제2 단부에 제2 샤프트 부재를 억지끼움하여 밀봉하는 단계; 및

   상기 주입된 자성분말이 일체화된 영구 자성체를 형성하도록 고온환경에서 소결하는 단계;를 포함하는 로우터 조립체의 제조 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 자성체 분말은 희토류 합금을 미분쇄하여 얻어진 입자상의 분말이 사용되는 것을 특징으로 하는 로우터 조립체의 제조 방법.

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