KR101264178B1 - 모듈형 고정자 구조의 전기기기 및 냉각구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 각 상(phase)을 기계적/자기적으로 독립적 구성이 가능하도록 한 모듈형 고정자 구조와 냉각 성능을 향상시킬 수 있도록 모듈형 고정자 간의 공간에 냉각 기구를 구비하는 전기기기에 관한 것이다.

Description

모듈형 고정자 구조의 전기기기 및 냉각구조{Electric machine with modular stator and its cooling structure}

본 발명은 고정자에 대향하여 상대 운동하는 회전자 또는 이동자를 갖는 전기기기에 관한 것으로서, 특히, 각 상(phase)을 기계적/자기적으로 독립적 구성이 가능하도록 한 모듈형 고정자 구조와 냉각 성능을 향상시킬 수 있도록 모듈형 고정자 간의 공간에 냉각 기구를 구비하는 전기기기에 관한 것이다.

일반적으로 도 1a와 같이 종래의 3상 회전형 전동기로서의 전기기기의 고정자는, 3의 배수개(예를 들어, 18개)의 치형에 전기적으로 120도씩 위상차이가 있는 U, V, W 상의 상권선들을 구비하되, 고정자 치형들에는 U그룹(U, /U, U), V그룹(V, /V, V), W그룹(W, /W, W) 상권선들을 차례로 반복하여 구비하도록 하였다. 여기서, /U는 U와 전류방향이 반대이거나 권선방향이 반대인 것을 나타내고, /V와 V, 및 /W와 W 사이의 관계도 위와 같은 의미를 나타낸다. 관련 기술로서 대한민국 특허공개번호 10-2009-0004468이 참조될 수 있다.

이에 따라 회전자의 영구자석의 극수(예, 20)에 따라 자극 간격 τ_p=360도/20=18도이고, 각 상권선 그룹간 이격 거리 γ=360도/6=60도에 대하여, 도 1b와 같이 치형 간격 δ=20도를 갖도록 권선된 상권선들(예, U, /U, U)에서 역기전력이 발생하도록 하고, 도 1c와 같이 3상의 각 그룹에서 120도의 위상차이가 나도록 함으로써, 회전자가 회전될 수 있도록 하였다.

그러나, 이와 같은 종래의 전기기기 구조에서는 고정자가 하나의 철심으로 구성되고, 상권선 그룹 내의 권선들이 직렬결선 되어야 하는 등 제작상 어려운 문제점이 있다. 또한, 전기기기의 연속 및 순시 최대 출력은 전동기에서 발생하는 열에 의해 제한이 되는데, 종래의 전기기기에서는 효율적인 냉각 수단이 미흡한 실정이다.

따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 기계적/자기적으로 독립되어 제작되는 각 상의 모듈형 고정자 구조를 적용하고, 각상의 이격으로 인해 생긴 공간을 이용하여 효과적인 냉각이 가능하도록 한 전기기기를 제공하는 데 있다.

먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른 전기기기는, 일정 간격으로 배치되는 영구자석들을 포함하는 회전자 또는 이동자가 고정자에 대향하여 상대운동하며, 상기 고정자는 일정 간격으로 분리된 전원의 상의 수(N) 이상의 고정자 모듈들을 포함하고, 상기 고정자 모듈들은 각각이, 적어도 각 상과 그 반대 상의 전기적 위상 발생을 위해 상권선을 권취하기 위한 철심 치형들을 포함하며, 상기 치형들의 간격(β)과 상기 영구자석들의 간격(τ_p)은, 상기 전원의 상의 수(N), 상기 고정자 모듈들의 개수(k) 및 상기 치형들의 개수(m)에 따라 결정되어 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 치형들의 간격(β)과 상기 영구자석들의 간격(τ_p)은, 수학식 β = τ_p = 360도/(m*k + k/N)에 의해 결정된다.

상기 고정자 모듈들 간의 이격거리(α)는 전기적으로 위상각 τ_p/N 차이가 나도록 형성되고, 상기 고정자 모듈들 각각은 한쪽 끝에서 다른쪽 사이의 거리가 360도/k-α 에 해당하도록 형성된다.

상기 고정자 모듈들 외측을 감싸는 본체부와 상기 고정자 모듈들 사이의 공간들로 상기 본체부에서 연장된 돌출부를 포함하는 외함 구조물을 구비하며, 상기 본체부와 상기 돌출부 내부에 유체를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성된다.

상기 고정자 모듈들 각각의 치형들 중 양 끝의 치형들은 경사진 형태이고, 상기 돌출부가 상기 고정자 모듈들 사이의 경사진 공간들을 채우는 형태로 가능하다.

상기 회전자 또는 상기 이동자의 내부에 유체를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성될 수 있다.

상기 고정자 모듈들 각각의 치형들 중 양 끝의 치형들은 그 안쪽의 치형들과 다른 폭의 사이즈를 가질 수 있다.

상기 고정자 모듈들은 "ㄱ" 형상의 마주보는 두 치형들을 포함한다. 또는, 상기 고정자 모듈들은 "ㄷ" 형상의 치형들을 포함한다.

상기 치형들의 단부를 폴 슈(pole-shoe) 형태로 하고, 상기 고정자 모듈들의 모든 치형들의 단부가 서로 밀착된 전폐형으로 구성할 수 있다.

그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 전기기기는, 회전자의 회전축 방향으로 전원의 상의 수(N)만큼 인접하게 고정자들을 배치한 구조를 포함하고, 상기 고정자들 각각의 고정자 모듈들에 권취되는 상권선들은 하나의 상으로만 구성되며, 각각의 고정자 모듈의 치형들은 서로 τ_p 간격으로 배치되고, 상기 고정자 모듈들은 회전방향으로 전기적 위상각 α=τ_p/N 간격으로 이격되어 형성되며, 상기 고정자들을 회전축 방향으로 배치하되 각상을 위한 상기 고정자들이 기계적 또는 자기적으로 독립된 구조로 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전기기기에 따르면, 모듈형 고정자 구조를 적용하여 각 상이 기계적/자기적으로 독립되어 있어서 제작이 간단하며 각상을 독립적으로 제어할 수 있고, 상전압을 최대로 사용할 수 있으며, 또한 일부 권선의 결함이 발생한 경우에도 운전이 가능하게 구성할 수 있는 장점을 제공한다.

또한, 각상의 이격으로 인해 생긴 공간을 이용한 효과적인 냉각이 가능하여 직접구동 분야나, 발전기, 압축기, 가공기, 전기자동차, 산업용 전기기기 등 선형 또는 회전 운동이 요구되는 다양한 응용기기의 고성능화가 가능하고 소형 경량화가 가능하다. 또한 다양한 고정자 구조를 통해 응용시스템의 특성에 맞는 전기기기를 구성할 수 있다.

도 1a는 종래의 전기기의 일례이다.
도 1b는 종래의 전기기의 U 그룹 상권선에서의 역기전력을 나타낸다.
도 1c는 종래의 전기기의 U, V, W 그룹 상권선에서의 역기전력을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 도 2의 회전축의 내부 냉각 유체 통로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2의 고정자 외측에 구비되는 외함을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 일례이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 다른 예이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 외측의 외함 구조의 일례이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 외측의 외함 구조의 다른 예이다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 외측의 외함 구조의 일례이다.
도 15a는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.
도 15b는 도 15a의 U 상권선 그룹 고정자, 도 15c는 도 15a의 V 상권선 그룹 고정자, 도 15d는 도 15a의 W 상권선 그룹 고정자에 대한 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기를 설명하기 위한 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기는, 직접구동 분야나, 발전기, 압축기, 가공기, 전기자동차, 산업용 전기기기 등 회전 또는 선형 운동이 요구되는 다양한 응용기기에 적용을 위한 것으로서, 고정자가 기계적/자기적으로 독립되어 제작된 모듈형태의 고정자 모듈들을 포함하도록 구성하고, 고정자 모듈에 권취된 상권선들과 회전자에 일정 간격으로 배치되는 영구자석들 간의 작용으로 발생하는 역기전력으로, 고정자에 대향된 회전자가 회전될 수 있도록 함으로써, 기계적/자기적으로 독립되어 제작되는 고정자 모듈들이 용이하게 제작될 수 있게 하였다. 또한, 이에 따라 각 상(phase)의 독립적인 제어가 가능하게 되고, 상 전압을 최대로 사용할 수 있게 되며, 또한 일부 권선의 결함이 발생한 경우에도 운전이 가능하게 구성할 수 있게 된다. 여기서, 회전자에 구비되는 영구자석들은 N 극, S 극 또는 이들의 조합을 포함할 수 있으며, 표면에 부착되는 형태, 매입형으로 장착된 형태, 또는 이중 돌극형으로 회전자의 주기적인 돌출부들 사이의 함몰부들에 배치한 형태 등으로 설치될 수 있다.

또한, 고정자 모듈들 간에는 이격된 공간이 생기고, 고정자 모듈들 외측을 감싸는 외함 구조물의 본체부에서 연장된 돌출부가 그 공간들로 연장되도록 형성함으로써, 효과적인 냉각이 가능하도록 하였다. 도 4와 같이 외함 구조물의 본체부와 돌출부 내부에 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로(냉각 유체 통로)가 형성되도록 제작함으로써, 전기기기의 연속 및 순시 최대 출력을 향상시킬 수 있다.

이외에도, 외함 구조물 안쪽의 빈 공간을 활용하여 전열블록을 설치함으로써 냉각 효과를 더욱 높일 수 있으며, 회전자의 중심에 결합되어 회전하는 회전축의 내부에도 도 3과 같이 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성될 수 있다.

이와 같은 외함 구조물의 돌출부나 전열블록 등은 포함되도록 제작될 수도 있고 생략될 수도 있는 것이어서 필요에 따라 선택적으로 채택할 수 있는 구성에 해당한다.

또한, 본 발명의 실시예로서 고정자와 상대운동(회전)하는 회전자와의 관계를 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명에서 언급되는 회전자 대신 고정자에 대향하여 상대적으로 직선 또는 곡선 운동하는 이동자가 적용되는 구조에도 당업자라면 하기하는 바와 같은 구조를 변형하여 유사하게 적용할 수 있음을 밝혀둔다.

이와 같은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용을 위한 다양한 고정자 구조를 도 5 내지 도 15를 참조하여 자세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 일례이다.

도 5와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자는, 일정 간격(α)으로 분리된 전원의 상의 수(N) 이상의 고정자 모듈들을 포함한다. 고정자 모듈들 간의 이격거리(α)는 하기하는 [수학식2]와 같이 적절히 설계되어 설치될 수 있다. 이하, 전원의 상의 수(N=자연수)는 3인 것으로 가정하고 설명하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 경우에 따라서는 단상, 4상 등 다른 수의 상의 수일 수 있다. 또한, 이하, 고정자 모듈들은 6개로 설명하지만, 이에 한정되지 않으며 전원의 상의 수(N)*n(n=자연수) 개수로 가능하다.

도 5를 참조하면, 고정자 모듈들은 각각이, 적어도 각 상(U, V, 또는 W)과 그 반대 상(/U, /V, 또는 /W)(전류방향을 반대로하거나, 권선방향을 반대로 할 때의 전기적 위상을 의미)의 전기적 위상 발생을 위한 상권선을 권취하기 위한 철심 치형들을 포함한다. 도 5와 같이, 각 고정자 모듈의 안쪽 치형들(양끝의 작은 치형 제외)에 (U, /U), (V, /V), (W, /W)와 같이 상권선들이 권취될 수 있으며, 도 6, 7, 8과 같은 경우는 (U, /U, U), (V, /V, V), (W, /W, W)와 같이 동일 크기의 치형들에 상권선들이 권취될 수 있으며, 또한 도 12, 13, 14, 15와 같이 상권선을 치형이 아닌 철심 외측부분에 권취하여 두 치형("ㄱ" 또는 "ㄷ" 형태)으로는 (U, /U), (V, /V), (W, /W)와 같이 전기적 위상이 발생하도록 할 수도 있다. 이외에도, 4개 이상의 더 많은 치형들을 갖는 구조에서는 (U, /U, U, /U), (V, /V, V, /V), (W, /W, W, /W) 등과 같이 각 상과 그 반대 상의 상권선들을 조합하여 적절히 권취할 수 있다. 여기서, 상권선들이 권취되는 순서는 (U, /U, U, /U), (V, /V, V, /V), (W, /W, W, /W) 등으로 고정되는 것이 아니고, 그 순서는 중요하지 않으며 다른 순서로 상권선들이 구비될 수 있다.

이와 같은 고정자 모듈들에 형성된 치형들의 간격(β)과 상기 영구자석들의 간격(τ_p)은, 전원의 상의 수(N), 고정자 모듈들의 개수(k) 및 치형들의 개수(m)에 따라 결정되어 형성된다. 즉, 치형들의 간격(β)과 상기 영구자석들의 간격(τ_p)은, [수학식 1]과 같이 결정된다. 예를 들어, 도 5에서, β=τ_p= 360도/(3*6 + 6/3) = 18도이다. 도 5에서, N=3, k=6, m=3이다.

도 5에서는, 고정자 모듈들 각각의 치형들 중 양 끝의 치형들은 그 안쪽의 치형들과 다른 폭의 사이즈(예, 안쪽 치형 폭의 1/2)를 갖는 일체 구조인 것을 예시하였고, 이때에는, 위와 같은 치형들의 개수(m)에 양 끝의 치형들을 합하여 하나의 치형으로 계산하고, 이에 따라 전체적인 치형들의 수를 3으로 계산한다. 도 5에서는, 영구자석의 총수가 20이고, 치형들의 총수가 18인, 20폴(pole)-18슬롯(slot)에 해당한다.

[수학식 1]

β=τ_p= 360도/(m*k + k/N)

또한, 고정자 모듈들 간의 이격거리(α)는 전기적으로 (역기전력) 위상각이 [수학식 2]와 같이 차이가 나도록 형성되고, 고정자 모듈들 각각은 한쪽 끝에서 다른쪽 사이의 거리(γ)가 [수학식 3]과 같은 값에 해당하도록 형성된다. 예를 들어, 도 5에서, α = 18도/3=6도이고, γ = 360도/6-6도=54도이다. 고정자 모듈들 간의 이격거리(α)는 고정자 모듈들 배치에 대한 피치(pitch)를 나타내고, 이는 인접하는 고정자 모듈들 양측의 끝과 끝 사이의 전기적 위상각 차이와 같다.

[수학식 2]

α = τ_p/N

[수학식 3]

γ = 360도/k - α

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 다른 예이다.

도 6과 같이, 위와 같은 고정자 모듈들 각각의 치형들은 모두 동일 폭의 사이즈를 갖는 일체 구조로 형성될 수도 있으며, 이때에는 위와 같은 치형들의 개수(m)를 모든 치형들의 수, 즉, 3으로 계산한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.

도 7과 같이, 위와 같은 고정자 모듈들 각각의 치형들은 독립적으로 분리된 치형들이 밀착된 형태일 수도 있다. 도 7에서는 경우는 (U, /U, U), (V, /V, V), 또는 (W, /W, W) 각 상권선 그룹의 3개의 상권선들을 분리된 3개의 치형들에 각각 권취하고 밀착하여 장착함으로 각 고정자 모듈이 구성되도록 한 예시이다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.

도 8과 같이, N=3, k=6, m=4로서, 26폴(pole)-24슬롯(slot) 형태의 고정자 구조를 위해서는, β=τ_p= 360도/(4*6 + 6/3) ≒ 13.85도로 할 수 있고, α ≒ 13.85도/3이고, γ = 360도/6- α ≒ 55.38도로 할 수 있다.

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.

도 9와 같이, N=3, k=9, m=3로서, 30폴(pole)-27슬롯(slot) 형태의 고정자 구조를 위해서는, β=τ_p= 360도/(3*9 + 9/3) = 12도로 할 수 있고, α = 12도/3=4도이고, γ = 360도/9- α =36도로 할 수 있다.

이와 같이, 고정자에 구비되는 고정자 모듈들을 전원의 상의 수(N) 이상으로 다양하게 할 수 있으며, 이러한 각 고정자 모듈에 구비되는 치형들의 수도 다양하게 하여 각 치형에는 해당 상과 그 반대 상의 전기적 (역기전력) 위상 발생을 위한 상권선들(예, U, /U, U 등)을 권취할 수 있으며, 이때, 치형들의 간격(β)과 회전자의 영구자석들의 간격(τ_p)은, 위와 같이 전원의 상의 수(N), 고정자 모듈들의 개수(k) 및 치형들의 개수(m)에 따라 [수학식 1]에 의해 결정되도록 형성될 수 있다. 또한, 고정자 모듈들 간의 이격거리(α)는 [수학식 2]와 같이 전기적으로 위상각 τ_p/N 차이가 나도록 형성될 수 있으며, 이때, 고정자 모듈들 각각은 한쪽 끝에서 다른쪽 사이의 거리가 [수학식 3]과 같이 전기적으로 위상각 360도/k-α 에 해당하도록 형성될 수 있다.

한편, 고정자 모듈들 간에는 이격된 공간이 생기고, 도 10, 도 11과 같이 고정자 모듈들 외측을 감싸는 외함 구조물의 본체부에서 연장된 돌출부가 그 공간들로 연장되도록 형성함으로써, 효과적인 냉각이 가능하도록 할 수 있다. 외함 구조물의 본체부와 돌출부 내부에 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로(냉각 유체 통로)가 형성되도록 제작될 수 있으며(도 4 참조), 회전자의 중심에 결합되어 회전하는 회전축의 내부에도 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성될 수 있다(도 3 참조).

또한, 도 11과 같이, 냉각 효과를 더욱 높이기 위하여, 고정자 모듈들 각각의 치형들 중 양 끝의 치형들은 회전자 중심을 향하지 않는 경사진 형태로 하고, 외함 구조물의 돌출부가 고정자 모듈들 사이의 경사진 공간들을 채우도록 경사진 형태의 돌출부를 적용할 수도 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.

도 12와 같이, 위와 같은 고정자 모듈들은 "ㄱ" 형상의 마주보는 두 치형들로 구성할 수도 있다. 이때 상권선을 치형이 아닌 마주보는 "ㄱ" 형상 두 치형들의 철심 외측부분에 권취하여 두 치형 쪽으로 (U, /U), (V, /V), (W, /W)와 같이 전기적 위상이 발생하도록 할 수 있다. 이때, 이와 같이 마주보는 "ㄱ" 형상 두 치형들의 분리된 형태 대신에, 하나의 일체형 철심으로 제작하면 "ㄷ" 형상으로 하는 것도 가능하며, "ㄷ" 형상의 두 치형들이 회전자 중심을 향하도록 할 수 있으며, 경우에 따라서는 이러한 치형들이 회전자 중심을 향하지 않도록 할 수도 있다(도 11참조).

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.

도 13과 같이, 위와 같은 "ㄱ" 형상 또는 "ㄷ" 형상의 두 치형들의 단부를 폴 슈(pole-shoe) 형태(신발 모양과 유사하게 좌우로 연장되어 돌출된 형태)로 할 수 있다. 이에 따라 고정자 모듈들의 모든 치형들의 단부가 서로 밀착되는 전폐형이 가능하며, 이와 같이 슬롯의 개구(opening)을 제거해 코깅토크(Cogging Torque)등의 저감이 가능하다.

도 14와 같이, 위와 같은 "ㄱ" 형상 또는 "ㄷ" 형상의 두 치형들을 갖도록 구성된 고정자 모듈들 외측에도, 외함 구조물의 본체부에서 연장된 돌출부가 모듈 간의 공간들로 연장되도록 형성함으로써, 효과적인 냉각이 가능하도록 할 수 있다. 외함 구조물의 본체부와 돌출부 내부에 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로(냉각 유체 통로)가 형성되도록 제작될 수 있으며(도 4 참조), 회전자의 중심에 결합되어 회전하는 회전축의 내부에도 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성될 수 있다(도 3 참조).

도 15a는 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기에 적용한 고정자 구조의 또 다른 예이다.

도 15a와 같이, 위에서 기술한 바와 같은 고정자를 회전자의 회전축 방향으로 전원의 상의 수(N)만큼 인접하게 배치하여, 고정자 모듈뿐만 아니라 각 고정자가 기계적 또는 자기적으로 독립적인 구조로 제작할 수도 있다. 이와 같이 모듈형 고정자 구조 이외에 각 상의 고정자가 기계적 또는 자기적으로 독립되어 있어서 제작이 더욱 간단하며 각상을 더욱 용이하게 독립적으로 제어할 수 있고, 상전압을 최대로 사용할 수 있으며, 또한 일부 권선의 결함이 발생한 경우에도 운전이 가능하게 구성할 수 있다.

여기서도 위에서 기술한 바와 같은 고정자 구조가 사용될 수 있으며, 즉, 각 고정자의 고정자 모듈들에 형성된 치형들의 간격(β)과 영구자석들의 간격(τ_p)은, 전원의 상의 수(N), 고정자 모듈들의 개수(k) 및 치형들의 개수(m)에 따라 결정되어 형성될 수 있다. 다만, 축 방향으로 배치된 고정자들 각각은 하나의 상(그 반대 상을 포함 가능)으로 구성되며(도 15b, 15c, 15d 참조) 각각의 고정자 모듈들은 회전방향으로 α 만큼 이격되어 배치된다([수학식 2] 참조).

예를 들어, 도 15b와 같이, N=3상의 경우에, 3개의 고정자들 중 하나에는 U상의 상권선들을 권취하되, 해당 상과 그 반대 상(/U)을 각 고정자 모듈에 권취할 수 있고, 도 15c와 같이, 3개의 고정자들 중 다른 하나에는 V상의 상권선들을 권취하되, 해당 상과 그 반대 상(/V)을 각 고정자 모듈에 권취할 수 있고, 도 15d와 같이, 3개의 고정자들 중 또 다른 하나에는 W상의 상권선들을 권취하되, 해당 상과 그 반대 상(/W)을 각 고정자 모듈에 권취할 수 있다.

여기서도, 고정자 모듈의 치형 개수에 따라 치형들에 (U, /U, U), (V, /V, V), (W, /W, W)와 같이, 더 많은 상권선들이 권취될 수 있음은 위에서도 기술한바 같다.

또한, 위와 같이 나란히 배치된 고정자들의 외측에 외함 구조물의 본체부에서 연장된 돌출부가 모듈 간의 공간들로 연장되도록 외함 구조물을 결합할 수 있으며, 이때의 외함 구조물은 각 고정자마다 독립적으로 하나씩 결합될 수 있고, 또는 하나의 외함 구조물이 일체형으로 모든 고정자들을 감싸는 형태로 결합될 수도 있다.

이때, 외함 구조물의 본체부와 돌출부 내부에 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로(냉각 유체 통로)가 형성되도록 제작될 수 있으며(도 4 참조), 회전자의 중심에 결합되어 회전하는 회전축의 내부에도 유체(공기, 물, 냉각유 등)를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성될 수 있다(도 3 참조). 외함 구조물이 각 고정자에 하나씩 결합된 형태에서는 한 외함 구조물의 통로 출구에 다른 외함 구조물의 통로 입구와 결합하여 외함 구조물들 간에 유체의 흐름이 발생하도록 할 수도 있다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

U, V, W: 3상 권선의 각 상
/U, /V, /W: 3상 권선 각 상과 전류방향이 반대이거나 권선방향이 반대임을 의미함.

Claims (11)

1. 일정 간격으로 배치되는 영구자석들을 포함하는 회전자 또는 이동자가 고정자에 대향하여 상대운동하며, 상기 고정자는 일정 간격으로 분리된 전원의 상의 수(N) 이상의 고정자 모듈들을 포함하고,
   상기 고정자 모듈들은 각각이, 적어도 각 상과 그 반대 상의 전기적 위상 발생을 위해 상권선을 권취하기 위한 철심 치형들을 포함하며,
   상기 치형들의 간격(β)과 상기 영구자석들의 간격(τ_p)은, 상기 전원의 상의 수(N), 상기 고정자 모듈들의 개수(k) 및 상기 치형들의 개수(m)에 따라 결정되어 형성된 것을 특징으로 하는 전기기기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 치형들의 간격(β)과 상기 영구자석들의 간격(τ_p)은, 수학식 β = τ_p = 360도/(m*k + k/N)에 의해 결정된 것을 특징으로 하는 전기기기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 고정자 모듈들 간의 이격거리(α)는 전기적으로 위상각 τ_p/N 차이가 나도록 형성되고, 상기 고정자 모듈들 각각은 한쪽 끝에서 다른쪽 사이의 거리가 360도/k-α 에 해당하도록 형성된 것을 특징으로 하는 전기기기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 고정자 모듈들 외측을 감싸는 본체부와 상기 고정자 모듈들 사이의 공간들로 상기 본체부에서 연장된 돌출부를 포함하는 외함 구조물을 구비하며, 상기 본체부와 상기 돌출부 내부에 유체를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 전기기기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 고정자 모듈들 각각의 치형들 중 양 끝의 치형들은 경사진 형태이고, 상기 돌출부가 상기 고정자 모듈들 사이의 경사진 공간들을 채우는 형태인 것을 특징으로 하는 전기기기.
6. 제1항에 있어서,
   상기 회전자 또는 상기 이동자의 내부에 유체를 이동시켜서 냉각을 위한 통로가 형성된 것을 특징으로 하는 전기기기.
7. 제1항에 있어서,
   상기 고정자 모듈들 각각의 치형들 중 양 끝의 치형들은 그 안쪽의 치형들과 다른 폭의 사이즈를 갖는 것을 특징으로 하는 전기기기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 고정자 모듈들은 "ㄱ" 형상의 마주보는 두 치형들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
9. 제1항에 있어서,
   상기 고정자 모듈들은 "ㄷ" 형상의 치형들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기기.
10. 제1항에 있어서,
    상기 치형들의 단부를 폴 슈(pole-shoe) 형태로 하고, 상기 고정자 모듈들의 모든 치형들의 단부가 서로 밀착된 전폐형으로 구성한 것을 특징으로 하는 전기기기.
11. 회전자의 회전축 방향으로 전원의 상의 수(N)만큼 인접하게 고정자들을 배치한 구조를 포함하고, 상기 고정자들 각각의 고정자 모듈들에 권취되는 상권선들은 하나의 상으로만 구성되며, 각각의 고정자 모듈의 치형들은 서로 τ_p 간격으로 배치되고,
    상기 고정자 모듈들은 회전방향으로 전기적 위상각 α=τ_p/N 간격으로 이격되어 형성되며,
    상기 고정자들을 회전축 방향으로 배치하되 각상을 위한 상기 고정자들이 기계적 또는 자기적으로 독립된 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 전기기기.

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