KR101444498B1 - 액시얼 갭 타입 회전기계 - Google Patents

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Abstract

자속량을 감소시키지 않고, 영구자석을 견고하게 고정시킨 고출력의 액시얼 갭 타입 회전기계를 제공한다. 하우징(19); 상기 하우징 내에 회전 가능하게 지지된 회전축(11); 상기 회전축(11)을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 회전판(12a, 12b) 및 상기 회전판의 표면의 적어도 한쪽 면에 간격을 두고 동심원 모양으로 배치된 복수의 영구자석(13a, 13b)을 구비하고, 상기 영구자석을 구비한 면이 간격을 두고 마주보고 있는 두 개의 로터(15a, 15b); 및 상기 마주보고 있는 두 개의 로터의 사이에 간격을 두고 배치되어 상기 하우징에 고정되어 있는 스테이터로서, 간극을 두고 동심원 모양으로 배치된 복수의 코일(16)을 구비한 스테이터(18);를 포함하고, 상기 로터의 영구자석(16)으로부터 발생하는 자속이, 상기 회전축(11)의 회전에 따라서 상기 동심원 모양으로 배치된 각 코일(16)의 내부를 단속적으로 통과하고, 상기 회전판이 상기 스테이터와 마주보는 면에 오목(凹)부(21)를 가지고, 영구자석이 상기 회전판의 표면으로부터의 돌출부를 가지도록 당해 오목(凹)부에 박힌 구조를 가지는 액시얼 갭 타입 회전기계.

Description

액시얼 갭 타입 회전기계{AXIAL GAP TYPE ROTATING MACHINE}
본 발명은 모터나 발전기 등의 동기식 영구자석회전기계에 있어서, 회전축방향으로 서로 마주보는 로터와 스테이터를 가지는 액시얼 갭 타입 회전기계에 관한 것이다.
영구자석회전기계의 구조는 레이디얼 갭(radial gap) 타입과 액시얼 갭(axial gap) 타입으로 분류될 수 있다. 레이디얼 갭 타입에서, 복수의 영구자석이 로터의 원주를 둘러싸는 방향으로 배치되고, 영구자석의 자극(磁極)은 방사형으로 향하고, 스테이터가 영구자석과 마주보도록 배치되어 있다. 일반적으로, 스테이터는 로터를 향하는 면에서 여러 개의 이(teeth) 모양을 갖는 철심에 코일이 감겨진 구조를 하고 있다. 철심을 이용함으로써, 로터의 자극으로부터의 자속(磁束)을 효율 좋게 코일에 쇄교시킬 수 있어서, 모터의 경우에는 큰 토크를, 발전기의 경우에는 큰 전압을 생성할 수 있다. 반면, 철심 토크의 이용은 코깅 토크(cogging torque)나 철심의 히스테리시스 손실에 기초하는 손실 토크(loss torque)를 발생시켜서, 개시 토크(initial torque)를 커지게 한다는 문제가 있다. 개시 토크가 크면, 예컨대, 풍력발전기에 이용되는 경우에 미풍에서는 회전하지 않아서 발전할 수 없다.
철심을 제거하면 그러한 문제가 제거될 수 있지만, 자기효율이 낮아지게 되기 때문에 레이디얼 갭 타입에서는 큰 출력을 얻을 수 없다. 그래서, 도 9에 도시한 것과 같은 액시얼 갭 타입을 생각할 수 있다. 도 9에서는, 회전축(샤프트)(101)에 원반형자성체(로터요크)들(102a, 102b)이 일체화되도록 부착되고, 로터요크들(102a, 102b) 표면상에 복수의 영구자석(103)이 배치되어 있다. 로터요크들(102a, 102b)은 스페이서(104)를 통해서 회전축방향으로 배치되어 있다. 영구자석(103)은 로터요크들(102a, 102b)의 어느 하나에 배치되어도 되지만, 두 로터요크들(102a, 102b) 모두의 표면에 영구자석(103a, 103b)을 배치하면 자기효율이 높아진다. 이것들을 로터(105a, 105b)라 부른다.
로터요크들(102a, 102b)의 사이에는 코일(106)이 배치된다. 코일(106)은 코일 베이스(107)에 수용되어 스테이터(108)를 구성하고, 하우징(109)에 고정된다. 회전축(101)은 하우징(109)에 의해 베어링(120)을 통해서 회전 가능하게 지지된다. 이러한 구조는 자극면을 크게 해서 스테이터(108)에 철심을 이용하지 않고도 출력을 크게 할 수 있다.
또한, 강력한 영구자석인 Nd-Fe-B계 소결자석을 이용하면 철심에 의한 자기포화의 문제가 없기 때문에, 그 성능을 충분히 살려서 고출력의 회전기계로 된다. 일반적으로 로터는 원반형자성체의 표면상에 부착된 복수의 영구자석을 가지고, 접착을 위해서 에폭시계나 아크릴계 접착제를 이용하지만, 일본공개특허공보(A) 제2003-348805호에서 개시된 바와 같이 자성체와 자석이 단지 한 면을 통해서만 고정된다.
로터를 대형화하면 회전시에 영구자석에는 큰 원심력이 걸린다. 게다가, 회전기계의 온도는 운전상태에 따라서 실온에서부터 고온까지의 열순환(heat cycle)을 거친다. Nd-Fe-B계의 소결자석의 경우, 자화(磁化)방향과 수직면, 즉 이 자석과 자성체원반과의 접착면의 열팽창률은 음수 값(온도 상승시 수축, -1.7×10-6[1/K])을 가진다. 통상 자성체원반에는 연철을 사용하고, 그 열팽창률은 양수 값(온도 상승시 팽창, 10×10-6[1/K])이고, 열순환에 의해서 접착면에는 큰 응력이 걸리게 된다. 그 결과, 접착제에서 파괴가 발생하고, 영구자석은 원심력에 의해 떨어져 나와서 기능을 다하지 못하게 된다는 문제가 생긴다.
특허문헌1 : 일본공개특허공보(A) 제2003-348805호
본 발명의 목적은 자속량을 감소시키지 않고 영구자석을 견고하게 고정시킨 고출력의 액시얼 갭 타입 회전기계를 제공하는 것이다.
본 발명자는 상기 문제를 해결하기 위해서 집중적으로 검토를 수행하여, 영구자석을 견고하게 고정시킨 고출력의 액시얼 갭 타입 회전기계를 구현하였다.
구체적으로, 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는, 하우징; 상기 하우징 내에서 회전 가능하게 지지된 회전축; 상기 회전축을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 회전판 및 상기 회전판의 표면의 적어도 한쪽 면에 배치된 복수의 영구자석을 구비한 로터; 및 상기 영구자석을 구비한 로터의 면과 간격을 두고 마주보게 해서 하우징에 고정되어 있는 스테이터로서, 복수의 코일이 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 간격을 두고 배치되어 있는 스테이터;를 포함하고, 상기 로터의 영구자석으로부터 발생하는 자속은 상기 회전축이 회전할 때 원주 상에 배치된 각 코일 내부를 단속적으로 통과하는 액시얼 갭 타입 회전기계로서, 상기 회전판이 상기 스테이터와 마주보는 면에 오목(凹)부를 가지고, 영구자석이 상기 회전판의 표면으로부터의 돌출부를 가지도록 상기 오목(凹)부에 박힌 구조를 가진다.
본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는, 상기 영구자석이 상기 회전판의 한쪽 면에 배치되어 있고, 상기 스테이터와 간격을 두고 배치되어 상기 회전축을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 말단부 회전판을 더 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는, 상기 영구자석이 상기 회전판의 양쪽 면에 배치되어 있고, 상기 스테이터와 간격을 두고 배치되어 상기 회전축을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 말단부 회전판을 더 포함하는 것으로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는, 상기 말단부 회전판의 상기 스테이터와의 마주보는 면에서 상기 스테이터의 코일이 배치된 동심원의 원주와 마주보는 원주 상에 오목(凹)부가 형성되고, 상기 말단부 회전판의 표면으로부터 돌출부를 가지도록 영구자석이 상기 오목(凹)부에 박힌 것으로 구성될 수 있다.
본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는, 하우징; 상기 하우징 내에 회전 가능하게 지지된 회전축; 상기 회전축을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 회전판 및 상기 회전판의 원형 표면의 적어도 한쪽 면에서 간격을 두고 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 배치된 복수의 영구자석을 구비하고, 영구자석을 구비한 면이 간격을 두고 서로 마주보고 있는 한 쌍의 로터; 및 상기 서로 마주보고 있는 한 쌍의 로터 사이에 간격을 두고 배치되어 상기 하우징에 고정되어 있는 스테이터로서, 간격을 두고 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 배치된 복수의 코일을 구비한 스테이터;를 포함하고, 상기 로터의 영구자석으로부터 발생한 자속이 상기 회전축의 회전에 따라서 원주 상에 배치된 각 코일의 내부를 단속적으로 통과하는 액시얼 갭 타입 회전기계로서, 상기 회전판이 상기 스테이터와 마주보는 면에 오목(凹)부를 가지고, 영구자석이 상기 회전판의 표면으로부터의 돌출부를 가지도록 상기 오목(凹)부에 박힌 구조를 가진다.
본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는 또한, 상기 영구자석의 돌출부가 상기 자석의 두께의 1/4 내지 3/4인 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는 또한, 회전판 또는 말단부 회전판에 박힌 영구자석의 위치에 맞추어 관통구멍을 설치한 비자성체로 된 보강재를, 상기 영구자석의 돌출부 측면을 지지하도록 상기 회전판 또는 말단부 회전판의 표면상에 설치한 것이 바람직하다.
본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계는 또한, 상기 회전판 또는 말단부 회전판이 원반형의 자성체편(片)인 것이 호적이다.
본 발명에 의해서, 자속량을 감소시키지 않고, 원심력이나 열순환운전에 의해서도 자석이 뿔뿔이 흩어지지 않으면서 자석이 로터요크에 견고하게 고정될 수 있는 액시얼 갭 타입의 회전기계를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계 전체의 일 태양을 도시하는 개략적 단면도이다.
도 2는 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계 전체의 다른 태양을 도시하는 개략적 단면도이다.
도 3은 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계 전체의 다른 태양을 도시하는 개략적 단면도이다.
도 4는 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계 전체의 다른 태양을 도시하는 개략적 단면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계에 대한 것으로, 도 5의 (a)는 자성체편(片)으로 된 원반 및 자석, 도 5의 (b)는 로터의 개략적 투시도이고, 도 5의 (c)는 그 확대도이다.
도 6은 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계의 로터의 일 태양을 도시하는 개략적 단면도이다.
도 7은 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계에 대한 것으로, 도 7의 (a)는 자성체편(片)으로 된 원반의 일례이고, 도 7의 (b)는 그 변형례를 도시한 개략적 단면도이다.
도 8은 본 발명에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계의 로터의 다른 태양을 도시하는 개략적 단면도이다.
도 9는 종래예에 의한 액시얼 갭 타입 회전기계 전체를 도시하는 개략적 단면도이다.
도 10은 종래예에 의한 액시얼 갭 타입 회적기계에 관한 것으로, 도 10의 (a)는 자성체편(片)으로 된 원반 및 자석이고, 도 10의 (b)는 로터의 개략적 단면도이다.
도 11은 종래에 사용되고 있는 스테이터의 정면도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 액시얼 갭 타입 회전기계
100: 종래의 회전기계
11 ,101: 회전축(rotating shaft: 샤프트)
12, 12a, 12b, 12c, 102a, 102b: 회전판(자성체편(片))
13, 13a, 13b, 13c, 13d, 103a, 103b: 영구자석
14, 104: 스페이서(spacer)
15, 15a, 15b, 15c, 105a, 105b: 로터(rotor: 회전자)
16, 106: 코일
17, 107: 코일 베이스(coil base)
18, 18a, 18b, 108: 스테이터(stator: 고정자)
19, 109: 하우징(housing)
20, 120: 베어링(bearing)
21: 로터요크(rotor yoke)에 형성된 오목(凹)부
22: 자성체
23: 비자성체
110: 권선방향
이하에서, 본 발명에 관하여, 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따른 회전기계의 일 태양을 도 1에 도시한다.
도 1에서의 회전기계(10)에서는, 회전축(샤프트)(11)에 회전판(로터요크)(12a)가 부착되고, 상기 로터요크 표면에 영구자석(13a)이 배치되어 로터(15a)를 형성하고 있다. 복수의 로터요크들이 스페이서(14)를 통해서 회전축방향으로 배치되어 있다. 또 다른 로터요크(12b)의 표면에서도 영구자석(13b)이 배치되어 로터(15b)를 형성하고 있다. 각 로터(15a, 15b)의 영구자석을 구비한 면은 서로 마주보고 있다. 짝수의 자석(적어도 2개 이상)을 이웃 자석의 방향과 반대로 되게 해서 자극(磁極)이 두께 방향(상기 요크의 관점에서)을 향하도록 로터요크 내에 배치한다.
로터요크들(12a, 12b) 사이의 갭에는, 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 코일(16) 및 코일 베이스(17)로 구성된 스테이터(18a)가 배치되고, 스테이터(18a)는 하우징(19)(resin: 수지)에 고정될 수 있다. 또한, 코일 베이스(17)을 이용하지 않고, 수지로 코일(16)을 직접 하우징(19)에 고정할 수도 있다. 이것은 하우징(19)과 회전축(11) 사이에 베이링(20)이 들어 있는 형태의 코어리스(coreless) 타입 스테이터이다. 원주 상에 배치된 코일(16)의 수는 자극의 수와 비교하여, 단상의 경우에는 1:1이고, 3상 교류의 경우에는 4:3, 2:3, 8:9, 10:9, 10:12, 12:15, 16:9, 20:12 등이 채택될 수 있다. 단상의 경우에는, 바람직하게는 각 코일이 원주 상 이웃하는 코일과 반대방향으로 감겨서 직렬로 접속되어 있다. 3상의 경우에는, 바람직하게는 원주방향으로 코일을 2개씩 걸러서 직렬로 접속한 것을 3쌍 만들어서 3상 권선으로 한다.
도 1에서의 회전기계(10)에서는 로터요크(12a, 12b)에 오목(凹)부(21a, 21b)를 형성하고, 여기에, 영구자석(13a, 13b)을 박아 넣고 있다는 점에서, 도 9에 도시한 종래예와 차이가 있다. 오목(凹)부(21)를 원하는 두께로 설치함으로써, 위치결정이 용이하게 될 뿐만 아니라, 접착제의 도포면적이 넓어지게 되어서 접착이 강하게 되고, 영구자석의 측면이 로터요크(12)에 대어져 있기 때문에 원심력이 작용하더라도 떨어져 나가지 않는 구조로 되는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 회전기계의 다른 태양을 도 2, 도 3, 및 도 4에 도시한다.
도 2에서의 회전기계는 하나의 로터요크(12a)의 스테이터(18a)와 마주보는 측의 표면에 오목(凹)부(21a)가 형성되고, 상기 오목(凹)부(21a)에 영구자석(13a)이 박혀 있지만, 다른 하나의 로터요크(12b)의 스테이터(18)와 마주보는 측의 표면에는 오목(凹)부가 형성되어 있지 않고, 또 영구자석이 박혀 있지 않은 구조를 가지고 있는 점에서, 도 1의 태양과 차이가 있다.
도 3에서의 회전기계에서는 회전축(샤프트)(11)에 3개의 로터요크들(12a, 12b, 12c)이 스페이서(14)를 통해서 회전축 방향으로 붙어 있다. 로터요크 12a와 12b의 사이, 로터요크 12b와 12c의 사이에, 각각 스테이터(18a, 18b)가 배치되어 있다. 도 3의 태양에서는 중앙의 로터요크(12b)의 양쪽표면에만 오목(凹)부(21b, 21c)가 형성되고, 여기에 영구자석(13b, 13c)을 박아서 로터(15b)를 형성하고 있다는 점에서, 도 1의 태양과 차이가 있다.
도 4에서의 회전기계는 로터요크 12a와 12c의 스테이터(18a, 18c)와 마주보는 측에도 오목(凹)부(21a, 21d)를 형성해서 영구자석(13a, 13d)을 박아 놓고 있다는 점에서, 도 3의 태양과 차이가 있다.
도 3 및 도 4에서의 회전기계는 양쪽표면에 오목(凹)부가 형성되어 여기에 영구자석을 박은 하나의 로터를 끼우도록 두 개의 스테이터가 배치되어 있는 것이지만, 세 개 이상의 스테이터를 간격을 두고 하우징 내에 배치함으로써 형성된 각 공극에, 양쪽표면에 영구자석을 구비한 로터를 하나씩 배치한, 이른바 샌드위치 구조를 가지는 회전기계도 또한 본 발명에 당연히 포함된다.
도 3 및 도 4에서의 회전기계를 발전기로서 사용하는 경우, 동력원으로부터 회전축으로 회전력이 전해지면, 모든 로터요크는 회전축과 동기해서 회전하고, 각 로터 사이의 갭(틈새부)에 배치된 각 스테이터에서의 축방향으로 보아 동일한 위치에 있는 코일들은 동기화해서 전압을 발생하기 때문에, 이것들을 직렬로 결선함으로써, 결합한 코일들의 기전력은 스테이터의 단(段) 수에 비례하게 된다. 이러한 식으로, 필요한 만큼 스테이터의 단 수를 증가시킴으로써, 용이하게 높은 발전전압을 얻는 것이 가능하다.
이하, 영구자석을 로터요크에 배치하는 방법 및 고정하는 방법에 관해 상세 하게 설명한다. 부호 12a, 12b, 및 12c; 13a, 13b, 13c, 및 13d; 15a, 15b, 및 15c; 18a 및 18b는 동일한 것을 나타내는 것이므로, 이하에서 예컨대, 12로서 설명하는 것은 12a, 12b, 12c 중 어느 것에도 해당된다는 것에 유의해야 한다.
로터요크(12)와 영구자석(13)의 접착을 위해 접착제를 사용한다.
접착제는 에폭시계, 아크릴계 등을 이용하지만, 열순환에 견디도록 탄성 및 내열성 접착제를 사용한다. 실시예에서는 주제(basic agent)로는 에폭시 수지, 경화제(curing agent)로서는 변성 실리콘 수지를 사용했지만, 이에 한정되지는 않는다. 탄성 접착제는 경화시에도 탄성을 가져서, 응력을 흡수하는 기능을 지닌다. 따라서, 영구자석(13)은 형상에 따라서 다르지만, 로터요크(12)의 오목(凹)부(21)의 면과 영구자석(13)의 면이 접착하게 된다.
접착제는 자석과 로터요크가 서로 접하는 면의 전면에 도포된다.
도 5는, 로터(15)에 있어서, 영구자석(13)이 로터요크(12)의 오목(凹)부(21)에 삽입된 형태의 단면도이다. 로터요크(12) 표면으로부터 영구자석(13)이 돌출해 있는 것을 특징으로 한다. 영구자석이 완전히 파묻혀 있다면, 자극표면으로부터 로터요크로의 단락이 발생해서 코일측으로의 자속이 줄어서 출력이 저하되기 쉽기 때문이다. 철심을 이용하지 않는 회전기계의 자기장 공극은 자석과 로터요크 사이에 코일을 배치하도록 넓게 만들어지기 때문에, 자속이 단락되기 쉽다. 따라서, 본 발명에서는 영구자석이 로터요크의 표면보다 돌출한 구조를 가진다.
영구자석(13)의 두께를 T1으로 한 경우, 파묻힌 치수 T2는 T1의 1/4 내지 3/4이 바람직하다.
로터요크의 재료로서는, 회전판이 말단부에 배치되는지, 내부에 배치되는지에 관계없이, 어느 경우라도 원반형의 자성체편(片)인 것이 바람직하다. 자성체를 사용함으로써, 회전판들 사이의 자기장은 강해지고, 자극으로부터 발생하는 자속을 요크 내에서 환류시켜, 말단부에 배치된 회전판으로부터의 외부누설자속을 감소시킬 수 있다.
로터요크는, 예컨대, 도 7의 (a)에 도시한 바와 같이, S15C나 S45C와 같은 저탄소강을 기계가공하여 얻을 수 있는 것이어도 되고, 도 7의 (b)와 같이 냉간압연강판(cold-rolled steel plates)[SPCC]이나 전자강판(magnetic steel plates) 등으로 된 판재를 복수 개 준비해서, 그 중 적어도 하나를 펀칭(punching)가공해서 관통구멍을 만들고, 관통구멍을 만들지 않은 나머지 판재를 복수 개 겹쳐 붙인 것을 경화(curing)나 용접(welding)으로 접합함으로써 오목(凹)부(21)를 형성한 로터요크(12)를 이용할 수도 있다. 또한, 상기 각 판재는 동일한 재료이어도 되고 다른 재료이어도 된다.
영구자석의 재료로서는, 특별한 제한이 없으며, 종래 공지의 것을 이용할 수 있다. 바람직하게는, 희토류 원소를 포함하는 고성능 희토류 자석이다. 소위 희토류 금속화합물로 된 희토류 소결자석 또는 희토류 본드자석이 바람직한 대상이지만, 더 바람직하게는 Nd계 이방성 소결자석이 이용된다. 또한, 영구자석의 형상 등과 관련해서도 직사각형, 부채꼴 등을 이용할 수 있다.
그래서, 본 발명의 다른 태양으로서, 도 8에서 도시된 바와 같이 자성체편(片)에 박힌 영구자석의 위치 및 회전축의 단면 형상에 맞추어 관통구멍(24)을 만 든 비자성체(23)로 된 보강재를 로터요크(22)의 표면에 배치한 태양을 들 수 있다. 비자성체(23)로서는, 알루미늄과, SUS301, SUS302, SUS303, SUS304, 및 SUS316 등의 오스테나이트계 스테인리스(austenitic stainless steel)와, 베이클라이트(bakelite), MC 나일론, 및 폴리아세탈(polyacetal) 등의 수지를 들 수 있다.
상기 보강재의 형상은, 도 8에서는, 로터요크(22)의 외부 윤곽 형상에 맞추어서 원반형으로 형성되어 있지만, 영구자석을 보강할 수 있는 형상이라면 특별히 제한되지 않는다. 또한, 상기 보강재는 일체로 형성되어 있지 않아도 되는데, 예를 들면, 영구자석의 형상에 맞추어 도넛(doughnut) 모양으로 뚫린 보강재를 복수 개 준비해서 배치해도 된다.
상기 보강재의 두께 T3은, 보강재를 로터요크 표면에 배치했을 때 보강재 표면이 자석표면과 동일한 높이이거나 자석표면보다 낮은 높이로 되도록 하는 두께인 것이 바람직하고, 자석의 두께 T1의 1/10배 내지 3/4배인 것이 바람직하다. 또한, 이러한 보강재와 로터요크 표면과의 접착은, 접착제나 나사고정으로 처리될 수 있다. 이러한 태양에 의하면, 자극표면으로부터 로터요크로의 단락이 발생하지 않기 때문에 코일측으로의 자속밀도를 유지하는 것이 가능하고, 또한 자석의 보유를 더욱 견고하게 하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 회전기계에 있어서 회전수는 특별히 제한되지 않지만, 500rpm 내지 5000rpm의 운전에 호적으로 적용할 수 있다.
본 발명에 따른 회전기계는 지름이 0.1m 내지 0.5m인 것에 호적으로 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 운전온도는 150℃ 이상의 운전에 이용할 수 있고, 40℃ 내지 120℃의 범위의 열순환 운전에서도 호적으로 이용할 수 있다.
실시예
이하, 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명은 이하의 실시예에 의해서 제한되지 않는다. 또한, Nd2-Fe14-B계 영구자석과 관련해서 설명하지만, 본 발명은 Nd-Fe-B계 자석에 한정되는 것은 아니다.
제조예 영구자석의 제조
영구자석은 이하의 공정으로 제작되었다. 각각 순도 99.7질량%의 Nd, Fe, Co, M(M은 Al, Si, Cu)과 순도 99.5질량%의 B를 이용하고, 진공 용해로(melting furnace)에서 용해주조하여 잉곳(ingot)을 제작하였다. 이 잉곳을 조 크러셔(jaw crusher)로 잘게 분쇄해서, 다시 질소기류 내에서 제트 밀(jet mill) 분쇄에 의해 평균 입자 직경 3.5㎛의 미세분말을 얻었다. 이 미세분말을 금형(die)에 채워서, 수직 자기장 프레스에 의해서 12kG의 자기장 내에 두고, 1.0t/㎠의 성형압으로서 성형하였다. 이 성형체는 Ar가스 내에서 1090℃로 1시간 소결처리되고, 계속해서 580℃에서 1시간 열처리되었다. 열처리가 끝난 소결체는 직육면체 블록 형상이다. 이 블록을 숫돌(grindstone)에 의해 연삭(grinding)가공을 해서, D 모양의 영구자석을 얻었다. 본 영구자석의 특성은 Br: 13.0kG, iHc: 22kOe, (BH)max: 40MGOe였 다.
비교예 1
우선, 비교예 1로서 종래예를 도 9, 도 10, 및 도 11에 도시한다. 모터의 구조는 16극(pole) 12코일(coil) 모터로 하였다. 도 10은 로터요크(102)에 영구자석(103)을 배치해서 로터(105)를 얻은 상태를 도시한다. 로터요크(102)로는 재료가 S15C이고, 외경이 200㎜이고, 두께가 5㎜인 평평한 원반을 이용하였다. 영구자석(103)으로는, 재료가 상기 Nd-Fe-B계자석이고, 폭 20㎜, 길이 36㎜, 자화방향의 두께 4㎜인 크기의 것을 이용하였다. 자극면이 N극 S극 교대로 되도록 하여 16개의 자석이 로터요크 표면에 배열되고, 에폭시계접착제(EW2040, 스미토모 3M사 제조)로 접착하였다. 자석은 도 9에 도시한 바와 같이 공극(갭)을 두어서 반대 극의 자석(103b)과 마주보게 하였다.
갭의 크기는 8㎜이고, 갭에는 스테이터(108)를 배치하였다.
스테이터(108)의 코일은, 도 11에 도시한 바와 같이, 110이 가리키는 권선방향으로 되도록 30회 감긴 코일(106) 12개 각각이 수지로 된 두께 5㎜의 코일 베이스(107)에 수용되어 있다. 코일(106)은 3상 결선이고, 각 상에 대한 4개의 코일을 직렬로 연결한 것을 스타 결선(star connection)하였다. 또한, 각 코일(106)은 상기 로터의 제조에 이용된 에폭시계 접착제로 코일 베이스(107)에 고정되었다.
획득된 액시얼 갭 타입 회전기계의 로터를 매분 4000회전으로 회전시켜, 발전기로 사용하였다. 무부하시 발생전압의 실효치는 207V였다. 부하를 가지고 운전 하였을 때, 로터의 온도는 120℃로 되었다.
나아가, 운전을 단속적으로 수행해서 로터를 20℃(실온) 내지 120℃ 사이에서 반복해서 노출시킨 경우, 120번째 사이클에서 로터요크로부터 자석이 떨어져 나왔다. 이것은 열순환으로 접착강도가 낮아진 상태에서 원심력이 걸려서 뿔뿔이 흩어져 버린 것으로 생각된다.
실시예 1
실시예 1에서의 액시얼 갭 타입 회전기계의 구성을 도 1에서 도시한다. 로터에 있어서, 자석이 로터요크에 박힌 구조를 가지는 것 외에는 비교예 1과 동일한 재료 및 동일한 치수로 하였다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 동심원 형상으로 서로 간극을 두고 형성된 로터요크(12)의 16개 오목(凹)부(21)에 16개 자석(13)을 자극면이 N극 S극 서로 교대로 되도록 하여 삽입하였다. 도 6에 도시된 바와 같이, 영구자석의 두께 T1은 4㎜이고, 박힌 치수 T2는 2㎜이다. 자석(13)과 로터요크(12)는 오목(凹)부의 측면 및 저면에 탄성접착제(EP001, 세메다인(Cemedine)사 제조)를 도포하여 접착하였다.
다음으로, 비교예 1과 동일하게 얻은 액시얼 갭 타입 회전기계의 로터를 매분 4000회전으로 회전시켜서 발전기로 사용하였다. 무부하시 발생전압의 실효치는 201V이며, 비교예와 큰 차이가 없다는 것을 알았다.
나아가, 운전을 단속적으로 수행해서 로터(15)를 20℃(실온) 내지 120℃ 사이에 반복적으로 노출시킨 경우, 300 사이클 이상 수행하였어도 로터요크(12)로부 터 자석(13)이 떨어져 나오지 않았다.
자석(13)과 로터요크(12)의 사이를 탄성접착제로 고정한 경우에도 자석이 뿔뿔이 흩어져 버리지 않았다.
비교예 2
로터에 있어서, 자성체로 된 로터요크에 자석을 완전히 파묻히게 한 것 이외에는 실시예 1과 동일하게 해서 비교용 로터를 얻었다. 실시예 1과 동일하게, 비교용 로터를 20℃(실온) 내지 120℃ 사이에 반복해서 노출시켜도 자석이 떨어져 나오지 않았지만, 로터를 매분 4000회전으로 회전한 때 무부하시 발생전압의 실효치는서 180V였다. 이 결과로부터 자석이 완전히 파묻혀 있으면 자극면으로부터 로터요크로의 단락이 발생하여 코일측으로의 자속이 줄어들어서 출력이 저하된다는 것을 알았다.
따라서, 영구자석의 두께 T1으로 한 경우, 박힌 치수 T2는 T1의 1/4 내지 3/4이 바람직하다고 생각된다.
실시예 2
실시예1과 동일하게 해서 로터를 얻은 후, 도 8에 도시한 바와 같이, 자성체(22)의 로터요크에 자석(13)을 깊이의 반까지만 박고서, 나아가, 자석(13)의 형상에 맞추어서 관통구멍(24)를 가지는 SUS304 스테인리스제(製) 비자성체(23)로 된 보강재를 로터요크의 표면에 배치하여, 상기 보강재에 의해서 자석이 표면까지 파 묻힌 구조로 하였다.
실시예 1과 동일하게, 로터를 20℃(실온) 내지 120℃ 사이에 반복해서 노출시켜도 자석이 떨어져 나오지 않았고, 로터를 매분 4000회전으로 회전시켰을 때 무부하시 발생전압의 실효치는, 실시예 1과 동일하게 201V였다. 또한, 자석이 완전히 파묻혀 있기 때문에, 자석의 보유는 실시예 1보다 견고하게 되었다.

Claims (8)

  1. 액시얼 갭 타입 회전기계로서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 지지된 회전축;
    상기 회전축을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 회전판 및 상기 회전판의 표면의 적어도 한쪽 면에 배치된 복수의 영구자석을 구비한 로터; 및
    상기 영구자석을 구비한 로터의 면과 간격을 두고 마주보게 해서 하우징에 고정되어 있는 스테이터로서, 복수의 코일이 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 간격을 두고 배치되어 있는 스테이터; 및
    상기 영구자석이 상기 회전판의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 배치되어 있고, 상기 스테이터와 간격을 두고 배치되어 상기 회전축을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 말단부 회전판;을 포함하고,
    상기 로터의 영구자석으로부터 발생하는 자속은, 상기 회전축이 회전할 때, 원주 상에 배치된 각 코일 내부를 단속적으로 통과하고,
    상기 회전판이 상기 스테이터와 마주보는 면에 오목(凹)부를 가지고, 영구자석이 상기 회전판의 표면으로부터의 돌출부를 가지도록 오목(凹)부에 박힌 구조를 가지되, 영구자석의 돌출부가 영구자석의 두께의 1/4 내지 3/4이고,
    상기 말단부 회전판의 상기 스테이터와의 마주보는 면에 있어서, 상기 스테이터의 코일이 배치된 원주와 마주보는 원주 상에 오목(凹)부가 형성되고, 영구자석이 상기 말단부 회전판의 표면으로부터의 돌출부를 가지도록 오목(凹)부에 박히되, 영구자석의 돌출부가 영구자석의 두께의 1/4 내지 3/4이고,
    상기 회전판 또는 말단부 회전판에 박힌 영구자석의 위치에 맞추어 관통구멍을 갖는 알루미늄 또는 오스테나이트계 스테인리스로 된 보강재를, 상기 영구자석의 돌출부 측면을 지지하도록 상기 회전판 또는 말단부 회전판의 표면 상에 설치하되, 보강재의 두께가 영구자석의 두께의 1/10 내지 3/4인 것을 특징으로 하는 액시얼 갭 타입 회전기계.
  2. 액시얼 갭 타입 회전기계로서,
    하우징;
    상기 하우징 내에 회전 가능하게 지지된 회전축;
    상기 회전축을 중심축으로 해서 상기 회전축과 일체로 회전 가능한 회전판, 및 상기 회전판의 표면의 적어도 한쪽 면에서 간격을 두고 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 배치된 복수의 영구자석을 구비하고, 상기 영구자석을 구비한 면이 간격을 두고 서로 마주보고 있는 한 쌍의 로터; 및
    상기 서로 마주보고 있는 한 쌍의 로터 사이에 간격을 두고 배치되어 상기 하우징에 고정되어 있는 스테이터로서, 간격을 두고 회전축을 중심으로 하는 원주 상에 배치된 복수의 코일을 구비한 스테이터;를 포함하고,
    상기 로터의 영구자석으로부터 발생한 자속은, 상기 회전축이 회전할 때, 원주 상에 배치된 각 코일의 내부를 단속적으로 통과하고,
    상기 회전판이 상기 스테이터와 마주보는 면에 오목(凹)부를 가지고, 영구자석이 상기 회전판의 표면으로부터의 돌출부를 가지도록 오목(凹)부에 박힌 구조를 가지되, 영구자석의 돌출부가 영구자석의 두께의 1/4 내지 3/4이고,
    상기 회전판에 박힌 영구자석의 위치에 맞추어 관통구멍을 갖는 알루미늄 또는 오스테나이트계 스테인리스로 된 보강재를, 상기 영구자석의 돌출부 측면을 지지하도록 상기 회전판의 표면 상에 설치하되, 보강재의 두께가 영구자석의 두께의 1/10 내지 3/4인 것을 특징으로 하는 액시얼 갭 타입 회전기계.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회전판 또는 말단부 회전판은 원반형의 자성체인 것을 특징으로 하는 액시얼 갭 타입 회전기계.
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