KR101420254B1 - 냉각 구조를 구비한 모듈형 전기기기 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 전기기기에 따르면, 모듈형 이동자 코어의 치형과 보조치의 적절한 설계로 단부 효과를 저감하도록 하여 추력에 따른 맥동이 저감이 가능하며, 공기, 냉각기체, 물, 냉각유와 같은 냉각 유체가 냉각 파이프를 통해 이동자 코어 내부까지 흘러 들어가도록 하여 이동자 코어 전체를 골고루 효과적인 냉각이 가능하다.

Description

냉각 구조를 구비한 모듈형 전기기기{Modular Electric Machine having Cooling Structure}
본 발명은 모듈형 전기기기에 관한 것으로서, 특히, 전동기와 같은 전기기기의 고정자에 대향하여 상대적인 운동(회전, 선형, 곡선 운동 등)하는 이동자가 단부 효과를 저감하도록 하여 추력에 따른 맥동이 저감이 가능하며 효과적인 냉각 구조를 가지는 모듈형 전기기기에 관한 것이다.
일반적으로 3상 회전형 전동기 등 전기기기는 구동 중 열이 발생하고, 이는 전기기기의 연속 및 순시 최대 출력을 제한하며 전기기기의 수명을 저하시키는 원인이 되고 있고 추력에 따른 맥동이 증대되는 문제가 있다. 대한민국공개특허 10-2007-0067436, 10-2009-0024065 등에서는 전동기를 냉각하기 위하여 고정자 외측이나 철심 주변으로 냉각유로가 흐르게 하는 구조를 개시하지만, 종래의 전기기기에서는 효율적인 냉각 수단이 미흡하여 좀 더 효율적인 냉각 구조가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 전동기와 같은 전기기기의 고정자에 대향하여 상대적인 운동(회전, 선형, 곡선 운동 등)하는 이동자가 단부 효과를 저감하도록 하여 추력에 따른 맥동이 저감이 가능하며, 공기, 냉각기체, 물, 냉각유와 같은 냉각 유체가 이동자 코어 내부로 흘러들어가 코어를 골고루 냉각하기 위한 효과적인 냉각 파이프를 가지는 모듈형 전기기기를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 특징을 요약하면, 본 발명의 일면에 따른, 고정자에 대향하여 상대 운동하는 회전자나 이동자를 갖는 전기기기에 있어서, 상기 회전자나 이동자는 각각의 치형에 권선을 권취하기 위한 하나 이상의 치형 슬롯과 상기 치형 슬롯이 연장되는 부분의 양단에서 연장된 보조치들을 갖는 모듈이며, 상기 고정자는 상기 치형 슬롯의 치형에 대향하여 N극과 S극이 교번 배치된 영구자석들을 포함한다.
상기 보조치들에는 권선이 권취되지 않으며, 단부 효과를 저감시켜 추력에 따른 맥동이 저감되도록 할 수 있다.
상기 보조치들의 치폭이 모두 같거나 서로 다를 수 있으며, 상기 보조치들의 치높이가 모두 같거나 서로 다를 수 있다.
상기 보조치들 중 제1보조치와 그 인접 치형 사이의 거리, 및 상기 보조치들 중 제2보조치와 그 인접 치형 사이의 거리가 같거나 서로 다를 수 있다.
상기 하나 이상의 치형 슬롯의 각 치형의 치높이가 모두 같거나 서로 다를 수 있으며, 상기 보조치들의 치높이와 상기 하나 이상의 치형 슬롯의 각 치형의 치높이가 같거나 서로 다를 수 있다.
상기 회전자나 이동자를 치형 반대쪽에서 감싸고 지지하는 "ㄷ"형 외함을 더 포함하고, 상기 외함 내에는 상기 치형 슬롯의 치형에 권취되어 돌출된 권선들 위를 가로질러 상기 외함 벽면 양측 끝단까지 연장된 제1냉각 파이프를 구비할 수 있다.
상기 보조치들 중 제1보조치와 그 인접 치형 사이, 및 상기 보조치들 중 제2보조치와 그 인접 치형 사이에는, 권선 권취를 위한 공간 이외에 냉각 파이프 설치용 공간이 확보되어 있다.
또한, 상기 외함 내에는 상기 외함의 한쪽 벽면에서 시작하여 상기 보조치들 중 제1보조치와 그 인접 치형 사이의 공간을 따라 연장되고 반대쪽 각 치형의 돌출 권선들 위를 가로질러 다시 상기 보조치들 중 제2보조치와 그 인접 치형 사이의 공간으로 돌아 나와 상기 외함의 다른쪽 벽면으로 연장되는 제2냉각 파이프를 더 구비할 수 있다.
공기가 자연히 흐르도록 상기 제1냉각 파이프 또는 상기 제2냉각 파이프의 양단이 개방되어 있을 수도 있으며, 기체나 액체의 냉각 유체가 흐르도록 상기 제1냉각 파이프 또는 상기 제2냉각 파이프의 양단에 외부의 플렉서블 호스가 연결될 수도 있다.
상기 회전자나 이동자는 각 상의 권선이 권취되는 상기 치형 슬롯과 상기 보조치들을 갖는 상기 모듈 N개(N은 자연수)가 상기 고정자에 대향하여 배치되는 구조일 수 있으며, 상기 모듈 N개는 전기적으로 τp/N 위상 간격으로 배치될 수 있고, 여기서, τp 는 상기 영구 자석들의 극간격이다.
상기 보조치들은 그 단부의 단면이 안쪽, 바깥쪽, 또는 양쪽으로 돌출되는 슈모양이나, 안쪽, 바깥쪽, 또는 양쪽에서 폭이 작아지게 잘려진 정(chisel) 모양일 수 있다.
그리고, 본 발명의 다른 일면에 따른 전기기기는, 고정자에 대향하여 상대 운동하는 회전자나 이동자를 상기 회전자나 이동자의 치형 반대쪽에서 감싸고 지지하는 "ㄷ"형 외함; 및 상기 외함 내에는, 상기 회전자나 이동자의 하나 이상의 치형에 권취되어 돌출된 권선 위를 가로질러 상기 외함 벽면 양측 끝단으로 연장되어 설치되는 제1냉각 파이프를 포함한다.
각각의 치형에 권선을 권취하기 위한 하나 이상의 치형 슬롯이 연장되는 부분의 양단에서 연장된 보조치들을 갖는 상기 회전자나 이동자의 상기 보조치들 각각과 그에 인접하는 상기 회전자나 이동자의 치형 사이의 냉각 파이프 설치용 공간들로 냉각용 파이프를 지나가도록 하여 상기 권선과 그 주위를 냉각하기 위한 것을 특징으로 한다.
상기 외함 내에는 상기 외함의 한쪽 벽면에서 시작하여 상기 냉각 파이프 설치용 공간들 중 일측 공간을 따라 연장되고 반대쪽 상기 회전자나 이동자의 각 치형의 돌출 권선들 위를 가로질러 다시 상기 냉각 파이프 설치용 공간들 중 다른측 공간으로 돌아 나와 상기 외함의 다른쪽 벽면으로 연장되는 제2냉각 파이프를 더 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 전기기기에 따르면, 모듈형 이동자 코어의 치형과 보조치의 적절한 설계로 단부 효과를 저감하도록 하여 추력에 따른 맥동이 저감이 가능하며, 공기, 냉각기체, 물, 냉각유와 같은 냉각 유체가 냉각 파이프를 통해 이동자 코어 내부까지 흘러 들어가도록 하여 이동자 코어 전체를 골고루 효과적인 냉각이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 그림에서 밑에서 바라볼 때, 도 1의 이동자와 그에 장착된 외함과 냉각 파이프들을 나타낸다.
도 3은 도 2에서 슬롯을 돌아 나오는 냉각 파이브를 좀 더 명확히 설명하기 위한 이동자의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 이동자를 3상으로 구성할 때의 예이다.
도 5는 도 4의 구조에 대한 입체적인 모습을 나타내는 사시도이다.
도 6은 도 1 및 도 4의 이동자에 적용될 수 있는 다양한 형태의 보조치를 설명하기 위한 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 1은 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기를 설명하기 위한 도면이다. 도 2는 도 1의 그림에서 밑에서 바라볼 때, 도 1의 이동자(3)와 그에 장착된 외함(10)과 냉각 파이프들(11,12)를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기는, 고정자(2)와 고정자(2)에 상대 운동하는 회전자나 이동자(3)를 포함하고, 회전자나 이동자(3)를 그 치형 반대쪽에서 감싸고 회전자나 이동자(3)를 지지하는 "ㄷ"형 외함(10)을 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 전기기기는, 직접구동 분야나, 발전기, 압축기, 가공기, 전기자동차, 산업용 전기기기 등 회전 또는 선형 운동이 요구되는 전동기를 포함하는 다양한 응용기기를 의미하는 것으로서, 회전자나 이동자(3)의 코어(철심)의 각 치형에 권취되는 권선들과 고정자(2) 코어 상에 배치되는 영구자석들 간의 작용으로 발생하는 역기전력으로, 고정자(2)에 대향된 회전자나 이동자(3)가 회전, 선형, 곡선 운동 등 상대 운동될 수 있다.
예를 들어, 이하에서 고정자(2)에 대향하여 상대 운동하는 선형 이동자(3)인 구조에 대하여 설명하지만, 이에 한정되지 않으며 고정자(2)를 원형, 곡면 등을 이루도록 함으로써 회전자나 이동자(3)가 선형 운동 이외에 회전 또는 곡선 운동도 가능하므로 이러한 의미에서 회전자나 이동자(3) 구조를 설명한다. 당업자라면 하기하는 바와 같은 선형 구조를 통하여 이와 같은 회전 또는 곡선 운동에 대하여도 유사하게 적용할 수 있음을 밝혀둔다.
도 1 및 도 2와 같이, 회전자나 이동자(3)는 각각의 치형에 권선을 권취하기 위한 하나 이상의 치형 슬롯과 이러한 치형 슬롯(들)이 일체형으로 서로 연결되도록 연장되는 부분의 양단에서 연장된 보조치들을 갖는 모듈 형태로 이루어진다. 도면에서 치형 슬롯은 3개인 경우를 예시하였으나, 하나 또는 2개 이상의 복수로 구성된 모든 경우가 가능하고, 해당 모듈의 각 치형 슬롯에는 하나의 상(phase)을 구성하는 권선이 권취된다. 고정자(2)는 상기 치형 슬롯 슬롯(들)의 치형들에 대향하여 코어 상에 N극과 S극이 교번 배치된 영구자석들을 포함한다.
상기 치형 슬롯(들)의 각 치형에 도면과 같이 전기 공급을 받는 권선이 권취되며, 코어 양단의 보조치들에는 권선이 권취되지 않으며, 영구자석들과 권선 사이의 전자기적 영향에 따른 단부 효과를 저감시켜서 추력에 따른 맥동의 저감이 가능하도록 한 것이다. 상기 양측의 보조치들 중 치높이 H1, 치폭 W1인 제1보조치(예, 도 1에서 왼쪽)와 그 인접 치형 사이의 거리 L1, 상기 양측의 보조치들 중 치높이 H5, 치폭 W2인 제2보조치(예, 도 1에서 오른쪽)와 그 인접 치형 사이의 거리 L2 등은 권선 권취와 하기하는 바와 같은 냉각용 파이프들(11, 12)가 지나갈 수 있도록 적절히 설계될 수 있으며(L1, L2가 같을 수도 있고 다를 수도 있으며, W1, W2가 같을 수도 있고 다를 수도 있음), 이에 따라 단부 효과를 저감시켜서 추력에 따른 맥동의 저감이 가능하다. 또한, 단부 효과를 저감을 위하여 상기 치형 슬롯(들)의 각 치형의 치높이들 H2, H3, H4이 모두 같을 수도 있고 서로 다를 수도 있으며, 각 치형의 치높이들 H2, H3, H4은 또한 상기 양측의 보조치들의 치 높이 H1, H5와 같을 수도 있으며 서로 다를 수도 있다. H1와 H5 역시 서로 같을 수도 있으며 서로 다를 수도 있다.
또한, 상기 치형 슬롯(들)의 각 슬롯 간격 또는 치형 간격 τs 는 전기적으로 상기 영구 자석들의 극간격인 τp 보다 클 수도 있고 작을 수도 있다.
특히, 본 발명의 일실시예에 따른 전기기기는, 회전자나 이동자(3)를 "ㄷ"형 외함(10)이 회전자나 이동자(3) 치형 반대쪽에서 감싸며 지지하고 있고, 외함(10) 내에는 제1냉각 파이프(11)와 제2냉각 파이프(12)가 구비된다.
제1냉각 파이프(11)는 회전자나 이동자(3)의 치형 슬롯들의 각 치형에 권취되어 돌출된 권선들 위를 가로질러 외함(10) 벽면 양끝단까지 연장되도록 구비된다. 제1냉각 파이프(11)는 외함(10) 벽면 양끝단의 관통 구멍(hole)에 끼워져 고정됨으로써 개방된 구멍(hole)을 통하여 공기 등 냉각 유체가 자연히 흐르도록 함으로써, 동작 중 권선 등 주위가 냉각되도록 할 수 있다. 또는, 외함(10) 벽면 양끝단의 관통 구멍(hole)에 외부 플렉서블 호스가 연결될 수 있으며, 플렉서블 호스를 통해 냉각기체, 물, 냉각유 등 냉각 유체가 흐르고 제1냉각 파이프(11)를 통해 돌아 나오도록 할 수도 있다.
또한, 제2냉각 파이프(12)는 외함(10) 한쪽 벽면의 개방된 구멍(hole)에서 시작하여 상기 양측의 보조치들 중 제1보조치(예, 도 2에서 왼쪽)와 그 인접 치형 사이의 공간(5)을 따라 연장되고 반대쪽 각 치형의 돌출 권선들(도 3 참조) 위를 가로질러 다시 상기 양측의 보조치들 중 제2보조치(예, 도 2에서 오른쪽)와 그 인접 치형 사이의 공간(6)으로 돌아 나와 외함(10)의 다른쪽 벽면의 구멍(hole)으로 연장되도록 구비된다. 제2냉각 파이프(12)는 외함(10) 벽면 양끝단의 관통 구멍(hole)에 끼워져 고정됨으로써 개방된 구멍(hole)을 통하여 공기 등 냉각 유체가 자연히 흐르도록 함으로써, 동작 중 권선 등 주위가 냉각되도록 할 수 있다. 또는, 제2냉각 파이프(12)가 연결된 외함(10) 벽면 양끝단의 관통 구멍(hole)에 외부 플렉서블 호스가 연결될 수 있으며, 플렉서블 호스를 통해 냉각기체, 물, 냉각유 등 냉각 유체가 흐르고 제2냉각 파이프(12)를 통해 돌아 나오도록 할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 이동자(3)를 3상으로 구성할 때의 예이다. 도 5는 도 4의 구조에 대한 입체적인 모습을 나타내는 사시도이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 회전자나 이동자(3)는 해당 상(예, U, V, W 상 중 하나)의 권선이 권취되는 도 1~3의 치형 슬롯들(예, 도 1과 같이 3개의 치형 슬롯)과 보조치들을 갖는 도 1과 같은 모듈 N개(N은 자연수)(예, 3개)가 고정자(2)에 대향하도록 배치되는 구조일 수도 있다. 여기서, 도면과 같이 서로 120도(360/3) 전기적 위상 차이가 나는 U, V, W 상 각각의 권선을 3개의 모듈 각각의 치형 슬롯들에 권선할 수 있다. 이와 같이 모듈 3개인 경우에 모듈들이 전기적으로 α =τp/3 위상 간격으로 배치될 수 있다. 이와 같이 모듈 3개인 경우뿐만 아니라 맥동 저감 등을 위하여 더 많은 수의 복수의 모듈 N개가 전기적으로 τp/N 위상 간격으로 배치되도록 할 수 있다.
이와 같은 모듈 N개가 회전자나 이동자인 경우에 있어서도, 도 5와 같이, 위와 같은 외함(10)과 냉각 파이프들(11, 12)이 각 모듈에서 권선이나 주위 코어 등을 냉각하기 위하여 구비될 수 있다.
도 6은 도 1 및 도 4의 이동자에 적용될 수 있는 다양한 형태의 보조치를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 회전자나 이동자(3)의 코어에 사용되는 위와 같은 치형 슬롯들이 일체형으로 서로 연결되도록 연장되는 부분의 양단에서 연장된 보조치들은 도 6과 같이 그 단면이 다양한 모양을 가지도록 설계될 수 있으며, 이에 따라 단부 효과를 더욱 저감시켜 추력에 따른 맥동 저감에 일조하도록 할 수 있다. 예를 들어, 상기 보조치들의 단면은, 바깥쪽으로 돌출되는 슈(shoe) 모양(상단 왼쪽), 안쪽으로 돌출되는 슈(shoe) 모양(상단 오른쪽), 양쪽으로 돌출되는 슈(shoe) 모양(중간 왼쪽), 양쪽에서 폭이 작아지게 잘려진 정(chisel) 모양(중간 오른쪽), 바깥쪽에서 폭이 작아지게 잘려진 정(chisel) 모양(상단 왼쪽), 안쪽에서 폭이 작아지게 잘려진 정(chisel) 모양(상단 오른쪽) 등일 수 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.
고정자(2)
회전자나 이동자(3)
외함(10)
냉각 파이프들(11,12)

Claims (19)

  1. 고정자에 대향하여 상대 운동하는 회전자나 이동자를 갖는 전기기기에 있어서, 상기 회전자나 이동자는 각각의 치형에 권선을 권취하기 위한 하나 이상의 치형 슬롯과 상기 치형 슬롯이 연장되는 부분의 양단에서 연장된 보조치들을 갖는 모듈이며, 상기 고정자는 상기 치형 슬롯의 치형에 대향하여 N극과 S극이 교번 배치된 영구자석들을 포함하고,
    상기 모듈 N개(N은 자연수)가 상기 고정자에 대향하여 배치되고, 상기 모듈 N개 각 치형 슬롯에 권취되는 권선에 의해 하나씩 상(phase)을 형성하여 상기 모듈 N개에서는 전기적으로 위상 차이가 있는 N상을 형성하며, 상기 모듈 N개는 전기적으로 τp/N 위상 간격으로 배치되고, 여기서, τp 는 상기 영구 자석들의 극간격인 것을 특징으로 하는 전기기기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조치들에는 권선이 권취되지 않으며, 단부 효과를 저감시키기 위한 것을 특징으로 하는 전기기기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보조치들의 치폭이 모두 같거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 전기기기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조치들의 치높이가 모두 같거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 전기기기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 보조치들 중 제1보조치와 그 인접 치형 사이의 거리, 및 상기 보조치들 중 제2보조치와 그 인접 치형 사이의 거리가 같거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 전기기기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 치형 슬롯의 각 치형의 치높이가 모두 같거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 전기기기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 보조치들의 치높이와 상기 하나 이상의 치형 슬롯의 각 치형의 치높이가 같거나 서로 다른 것을 특징으로 하는 전기기기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 회전자나 이동자를 치형 반대쪽에서 감싸고 지지하는 "ㄷ"형 외함을 더 포함하고,
    상기 외함 내에는 상기 치형 슬롯의 치형에 권취되어 돌출된 권선 위를 가로질러 상기 외함 벽면 양측 끝단까지 연장된 제1냉각 파이프를 구비한 것을 특징으로 하는 전기기기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 보조치들 중 제1보조치와 그 인접 치형 사이, 및 상기 보조치들 중 제2보조치와 그 인접 치형 사이에는, 권선 권취를 위한 공간 이외에 냉각 파이프 설치용 공간이 확보된 것을 특징으로 하는 전기기기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 외함 내에는 상기 외함의 한쪽 벽면에서 시작하여 상기 보조치들 중 제1보조치와 그 인접 치형 사이의 공간을 따라 연장되고 반대쪽 각 치형의 돌출 권선들 위를 가로질러 다시 상기 보조치들 중 제2보조치와 그 인접 치형 사이의 공간으로 돌아 나와 상기 외함의 다른쪽 벽면으로 연장되는 제2냉각 파이프를 더 구비한 것을 특징으로 하는 전기기기.
  11. 제10항에 있어서,
    공기가 자연히 흐르도록 상기 제1냉각 파이프 또는 상기 제2냉각 파이프의 양단이 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 전기기기.
  12. 제10항에 있어서,
    기체나 액체의 냉각 유체가 흐르도록 상기 제1냉각 파이프 또는 상기 제2냉각 파이프의 양단에 외부의 플렉서블 호스가 연결된 것을 특징으로 하는 전기기기.
  13. 삭제
  14. 제1항에 있어서,
    상기 보조치들은 그 단부의 단면이 안쪽, 바깥쪽, 또는 양쪽으로 돌출되는 슈모양이나, 안쪽, 바깥쪽, 또는 양쪽에서 폭이 작아지게 잘려진 정(chisel) 모양인 것을 특징으로 하는 전기기기.
  15. 삭제
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
  19. 삭제
KR1020120125366A 2012-11-07 2012-11-07 냉각 구조를 구비한 모듈형 전기기기 KR101420254B1 (ko)

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