KR101952515B1

KR101952515B1 - 유체기기 및 그 동작 방법

Info

Publication number: KR101952515B1
Application number: KR1020170112396A
Authority: KR
Inventors: 조길상
Original assignee: 조길상
Priority date: 2017-09-04
Filing date: 2017-09-04
Publication date: 2019-02-26

Abstract

본 발명은 유체기기 및 그 동작방법에 대하여 개시한다. 본 발명에 따른 유체기기의 동작방법은, 유체기기의 하우징 역할을 하며, 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자; 상기 고정자로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행하는 회전자를 포함하는 유체기기의 동작방법으로서, 전기공급 단자부로부터 상기 고정자의 권선에 전원을 공급하는 단계; 상기 고정자의 권선으로부터, 상기 회전자에 자속을 제공하는 단계; 상기 회전자에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 상기 전기자기 회로에 전류가 유도되는 단계; 및 유도 전류가 흐르는 상기 전기자기 회로가, 상기 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 상기 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하는 단계;를 포함한다.

Description

유체기기 및 그 동작 방법{FULID APPARATUS AND METHOD THEREOF}

본 발명은 유체기기 및 그 동작 방법에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는, 유체기기의 하우징 역할을 하며 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행하는 것이 가능한, 유체기기 및 그 동작 방법에 관한 것이다.

종래의 유체기기는 팬, 펌프, 브로워, 압축기 등이 있으며, 이들 유체기기는 유체를 이송하거나 압축하여 이송하는 기기로서 다음과 같은 공통된 구성품을 가지고 있다.

첫째, 임펠러(또는 날개)와 케이싱으로 유체를 흡입하여 직접 토출하거나 압력을 가하면서 토출시키는 부품.

둘째, 동력 발생 장치. 동력 발생 장치로 임펠러(또는 날개)를 구동시키는 장치로 주로 유도 전동기를 사용한다.

셋째, 동력 전달장치로 베어링, 기어 또는 벨트와 폴리 등으로 동력발생장치인 유도전동기의 동력을 임펠러에 전달하는 장치.

넷째, 냉각장치로 동력전달 장치의 냉각이나, 유체의 압축과정에서 발생하는 열을 냉각하는 장치로 오일, 물, 공기를 순환하는 장치.

다섯째, 실링부품(유체의 밀폐 부속품)으로 특히 회전부에서의 유체의 누설방지 장치 등이다.

그러나, 이들 유체기기는 에너지소비가 크면서도 효율이 낮으며, 고가이고, 부피, 중량, 소음이 크며, 유지보수가 불편하다는 문제가 있어 왔으며, 이들 유체기기는 유체(물, 공기, 액체)를 이송(흡입, 토출)하거나 압축하여 이송하는 기기로서 유체의 종류에 따른 유량과 압력만 다를 뿐 다른 물리적인 특성은 거의 동일함에도 불구하고, 전혀 다른 제품으로 구분되어 다종 다양한 설계, 제작, 설치를 함에 따라, 이들 산업에 종사하거나 이들 기기를 사용하는 사용자들에게 설계(제작, 적용), 제작, 설치, 유지보수 측면에서 매우 번거로운 문제를 야기시켜 왔다.

또한, 최근의 유체기기 관련 기술도 상기의 구성품의 중복기능을 통합하고 기계적인 마찰 부분을 줄이는데 초점을 맞추어왔다.

최신의 기술을 구비한 유체기기 중 압축기의 경우 모터 회전자에 임펠러를 붙여 동력전달 부품인 기어나 축과 베어링을 줄이고, 베어링은 공기베어링과 자기베어링을 사용하여 기계적인 마찰을 줄이는 노력이 있으며, 또한 펌프의 경우는 모터의 회전자를 영구자석으로 하고, 이 영구자석에 임펠러를 붙여 자기부상 기능을 부여하여 전달장치인 기어와 베어링을 줄이는 노력이 있으며, 냉각장치는 임펠러가 흡입하는 유로에 모터의 권선을 두어 냉각장치를 생략하려는 다양한 시도가 진행되고 있다.

한편, 다기능 유체기기와 관련한 종래 기술로서 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0090822호(2012.08.17. 공개, 임펠러 및 유체 펌프)를 예로 들 수 있다.

해당 특허문헌에서는, "유체 펌프는 축을 중심으로 회전하도록 구동되는 출력 샤프트를 가지고 있는 전기 모터와 상기 전기 모터의 출력 샤프트에 결합된 펌프 조립체를 포함할 수 있다. 상기 펌프 조립체는 제1 캡 및 제2 캡, 그리고 상기 제1캡과 제2 캡 사이에 수용된 임펠러를 가지고 있고, 상기 제1 캡과 제2 캡 사이에는 적어도 하나의 펌프작용 채널이 형성되어 있다. 상기 임펠러는 전기 모터의 출력 샤프트에 의해 회전하도록 구동되고 상기 적어도 하나의 펌프작용 채널과 연통되어 있는 복수의 베인을 포함하고 있다. 각각의 베인은 루트 세그먼트 및 팁 세그먼트를 가지고 있고 루트 세그먼트의 베이스로부터 팁 세그먼트의 외측 에지로 뻗은 라인은 임펠러의 회전 방향에 대하여 0°내지 30°의 각도만큼 회전축으로부터 루트 세그먼트의 베이스로 뻗어 있는 라인을 추종한다."가 개시되어 있다.

하지만, 해당 특허문헌 등 종래의 유체기기는 본 출원인이 지적한 상기와 같은 문제점을 해결하지 못하였다.

최신의 유체기기 중 압축기의 경우 모터회전자에 임펠러를 붙여 동력전달 부품인 기어나 축과 베어링을 줄이고, 베어링은 공기베어링과 자기베어링을 사용하여 기계적인 마찰을 줄이는 노력이 있으나, 여전히 베어링을 구비해야 하고, 속도를 더 이상 높이는 데는 한계가 있으며, 가격이 고가이므로 보급에는 한계가 있다.

또한, 펌프의 경우는 모터의 회전자를 영구자석으로 하고, 이 영구자석에 임펠러를 붙여 자기부상 기능을 부여한 경우가 있으나, 펌프에 한정하며, 아직도 모터의 회전자와 임펠러를 구분하고 있고, 회전자가 중심축에서 수평방향으로 벗어난 정도를 검출하기 위해 별도의 베어링 센서 코일을 두고 있어 구성과 제어가 복잡하다.

또한, 유체의 유입 방향을 모터의 회전자와 고정자가 막고 있어, 원심식의 임펠러만을 채용할 수밖에 없어 유체가 들어오는 방향과 나가는 방향은 90도까지로만 조정할 수밖에 없다.

이에 이 압축기를 복수 개로 연결해야 할 때는 복잡한 설계가 필요하고 공간을 크게 차지하게 되어 버리는 상황이었다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0090822호(2012.08.17. 공개), 임펠러 및 유체 펌프

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명은 유체기기의 하우징 역할을 하며 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행하는 것이 가능한, 유체기기 및 그 동작 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유체기기의 회전자는, 유체기기의 하우징 역할을 하며, 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행한다.

이 경우, 상기 회전자는, 그 측면의 경사 곡면 상에 형성된 유로 홈; 및 상기 유로 홈과 상기 유로 홈 사이에 형성된 돌출부;를 포함하고, 상기 유로 홈 및 상기 돌출부는 경사 곡면을 따라 스큐(skew) 형태로 이루어진다.

또한, 상기 회전자는, 도전체로 이루어진 입구측 단락부재, 복수 개의 자성체 레이어층, 도전체로 이루어진 출구측 단락부재, 및 일단은 입구측 단락부재와 연결되고 타단은 출구측 단락부재에 연결되며 상기 복수 개의 자성체 레이어층을 관통하여 도전성 재료로 연결하는 상기 회전자 도체를 포함하는 중간 임펠러를 포함한다.

또한, 상기 중간 임펠러는, 그 측면의 경사 곡면 상에 형성된 유로 홈; 및 상기 유로 홈과 상기 유로 홈 사이에 형성된 돌출부;를 포함하고, 상기 유로 홈 및 상기 돌출부는 경사 곡면을 따라 스큐(skew) 형태로 이루어지며, 상기 회전자 도체는 상기 유로 홈 및 상기 돌출부와 같은 형태인 스큐 형태로 이루어진다.

또한, 상기 복수 개의 자성체 레이어층은 각각 비도전성 코팅이 되어 있다.

또한, 상기 회전자는 상기 고정자로부터 받은 회전 자속으로, 상기 회전자 및 상기 고정자 간의 공극이 가변할 수 있도록, 전체 형상이 테이퍼진 형상인 것이 바람직하다.

또한, 입구측 정익 및 입구측 하우징에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징에 대응한 위치에 영구 자석을 갖는 입구측 임펠러; 및 출구측 정익 및 출구측 하우징에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징에 대응한 위치에 영구 자석을 갖는 출구측 임펠러;를 더 포함하며, 상기 입구측 임펠러와 상기 출구측 임펠러는, 각각에 상기 중간 임펠러의 유로 홈 및 돌출부가 경사 곡면을 따라 스큐 형태로 형성된 것처럼, 그 유로 홈과 돌출부가 연장되어 형성되어 있다.

또한, 상기 유체기기는 압축기이며, 상기 입구측 임펠러의 유로 홈의 단면적은, 상기 출구측 임펠러의 유로 홈의 단면적과 서로 같지 않다. 이를 통해서 유체기기가 펌프가 되기도 하며, 압축기, 송풍기가 되기도 하는 등의 변경이 가능하다.

또한, 상기 입구측 임펠러의 유로 홈의 단면적 및 상기 출구측 임펠러의 유로 홈의 단면적의 비율을 조정하여, 유체기기의 특성을 변경하는 것이 가능하다.

또한, 상기 입구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈 길이, 상기 출구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈의 길이, 상기 입구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이, 및 출구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이를 조정하여, 상기 입구측 임펠러의 유로 홈의 단면적 및 상기 출구측 임펠러의 유로 홈의 단면적의 비율을 조정할 수 있다.

또한, 상기 중간 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈 길이 및 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이는, 상기 입구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈 길이, 상기 출구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈의 길이, 상기 입구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이, 및 출구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이를 조정에 따라서 연속적으로 증가하거나 연속적으로 감소될 수 있도록 조정될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체기기는, 유체기기의 하우징 역할을 하며, 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자; 상기 고정자로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행하는 회전자; 및 상기 고정자의 내측면과 상기 회전자의 외측면 사이에 형성되어 유체가 이동하는 통로이면서, 자속을 위한 공간을 제공하는 유로;를 포함하고, 상기 회전자에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 교류 전력이 공급된 상기 고정자 권선에 의해 상기 전기자기 회로에 유도 전류가 발생하고, 상기 유도 전류가 흐르는 상기 전기자기 회로가, 상기 고정자의 권선에 의한 자속과 상호 작용하여, 상기 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 한다.

또한, 상기 회전자는, 도전체로 이루어진 입구측 단락부재; 복수 개의 자성체 레이어층; 도전체로 이루어진 출구측 단락부재; 및 일단은 입구측 단락부재와 연결되고 타단은 출구측 단락부재에 연결되며 상기 복수 개의 자성체 레이어층을 관통하여 도전성 재료로 연결하는 회전자 도체;를 구비하는 중간 임펠러를 포함하여, 전기자기 회로를 구성한다.

또한, 전기공급 단자부를 통해서 상기 고정자의 권선에 교류 전력을 공급하는 전기공급부;를 더 포함한다.

또한, 상기 고정자의 권선에 공급되는 교류 전력을 가변속 제어하기 위한, 고주파 가변속 장치를 더 포함한다.

또한, 상기 중간 임펠러는, 그 측면의 경사 곡면 상에 형성된 유로 홈; 및 상기 유로 홈과 상기 유로 홈 사이에 형성된 돌출부;를 포함하고, 상기 유로 홈 및 상기 돌출부는 경사 곡면을 따라 스큐(skew) 형태로 이루어지며, 상기 회전자 도체도 상기 유로 홈 및 상기 돌출부와 같은 형태인 스큐 형태로 이루어진다.

또한, 상기 회전자는 상기 고정자로부터 받은 회전 자속으로 상기 회전자 및 상기 고정자 간의 공극이 가변될 수 있도록, 전체 형상이 테이퍼진 형상이며, 상기 고정자의 내면도 상기 회전자의 테이퍼진 형상에 대응하여 테이퍼져 있다.

또한, 입구측 정익 및 입구측 하우징에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징에 대응한 위치에 영구 자석을 갖는 입구측 임펠러; 및 출구측 정익 및 출구측 하우징에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징에 대응한 위치에 영구 자석을 갖는 출구측 임펠러;를 더 포함하며, 상기 입구측 임펠러 및 상기 출구측 임펠러는, 각각에 상기 회전자의 유로 홈 및 돌출부가 경사 곡면을 따라 스큐 형태로 형성된 것처럼, 유로 홈과 돌출부가 연장되어 형성되어 있다.

또한, 상기 입구측 임펠러의 유로 홈의 단면적 및 상기 출구측 임펠러의 유로 홈의 단면적의 비율을 조정하여, 상기 유체기기의 특성을 변경할 수 있다.

또한, 상기 고정자 및 상기 회전자를 그 내부에 포함하되, 상기 고정자는 그 내부에 삽입되어 고정시키는 외함;을 더 포함한다.

또한, 상기 외함은, 외함 바디부; 상기 외함 바디부의 입구측에 결합되는 입구측 플랜지; 및 상기 외함 바디부의 출구측에 결합되는 출구측 플랜지;를 포함한다.

또한, 상기 유체기기의 유체 흐름의 입구 및 출구는 동일 선상에 위치하여 축류식이다.

또한, 상기 고정자 및 상기 회전자를 그 내부에 포함하되, 상기 고정자는 그 내부에 삽입되어 고정시키는 외함;을 더 포함하고, 상기 외함은, 외함 바디부; 상기 외함 바디부의 입구측에 결합되는 입구측 플랜지; 및 상기 외함 바디부의 출구측에 결합되는 출구측 플랜지;를 포함하고, 상기 입구측 임펠러 및 상기 입구측 플랜지 사이에 입구측 정익 및 입구측 하우징을 더 포함하고, 상기 출구측 임펠러 및 상기 출구측 플랜지 사이에 출구측 정익 및 출구측 하우징을 더 포함한다.

또한, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 입구측 임펠러의 영구자석에 대응한 위치에 영구 자석을 배치하며, 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 출구측 임펠러의 영구자석에 대응하는 위치에, 영구 자석을 배치한다.

또한, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징에는 상기 회전자의 위치를 검출하는 센서 및 그 센서의 홀더를 더 포함하거나, 또는 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징에는 상기 회전자의 위치를 검출하는 센서 및 그 센서의 홀더를 더 포함한다.

또한, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 입구측 임펠러의 영구자석에 대응한 위치에 전자석을 배치하며, 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 출구측 임펠러의 영구자석에 대응하는 위치에, 전자석을 배치하여, 상기 회전자의 위치를 검출하는 센서의 검출값에 기초하여, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징 또는 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징의 전자석에 공급되는 전류값을 제어하여, 상기 회전자의 축 방향 위치를 제어할 수 있다.

또한, 상기 유체기기가 압축기인 경우, 상기 회전자의 축 기능을 하는 회전축의 상기 회전자 대응 부분의 일부 또는 전부에, 상기 유체기기의 출구측으로부터 상기 회전축 내부의 통공을 형성하고, 상기 회전축을, 상기 회전자 대응 부분의 일부 또는 전부를 다공성 재료로 형성하여, 상기 회전축 내부 통공을 통해서, 상기 압축기의 출구측으로부터 인입된 압축 공기를 이용하여, 상기 회전축 및 상기 회전자의 에어 베어링을 형성할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체기기의 동작방법은, 유체기기의 하우징 역할을 하며, 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자; 상기 고정자로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행하는 회전자를 포함하는 유체기기의 동작방법으로서, 전기공급 단자부로부터 상기 고정자의 권선에 전원을 공급하는 단계; 상기 고정자의 권선으로부터, 상기 회전자에 자속을 제공하는 단계; 상기 회전자에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 상기 전기자기 회로에 전류가 유도되는 단계; 및 유도 전류가 흐르는 상기 전기자기 회로가, 상기 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 상기 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하는 단계;를 포함한다.

또한, 상기 회전자는, 도전체로 이루어진 입구측 단락부재, 복수 개의 자성체 레이어층, 도전체로 이루어진 출구측 단락부재, 및 일단은 입구측 단락부재와 연결되고 타단은 출구측 단락부재에 연결되며 상기 복수 개의 자성체 레이어층을 관통하여 도전성 재료로 연결하는 회전자 도체를 포함하여, 전기자기 회로를 구성한다.

또한, 상기 회전자에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 상기 전기자기 회로에 전류가 유도되는 단계는, 상기 입구측 단락부재와 상기 출구측 단락부재 사이에 서로 다른 전위가 유도되어, 상기 입구측 단락부재와 상기 출구측 단락부재 간의 전위차로 인하여 상기 회전자 도체에 전류가 유도되는 단계이며, 유도 전류가 흐르는 상기 전기자기 회로가, 상기 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 상기 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하는 단계는, 유도 전류가 흐르는 상기 회전자 도체가, 상기 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 상기 회전자 도체에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하는 단계이다.

또한, 상기 전기공급 단자부는, 상기 고정자의 권선에 공급되는 교류 전력을 고속으로 가변속 제어하기 위한, 고주파 가변속 장치와 연결되어 있다.

또한, 상기 고주파 가변속 장치에 의해서 고정자의 권선에 제공하는 교류 전력을 가변속 제어하는 단계;를 더 포함한다.

본 발명에 따른 유체기기의 회전자, 유체기기 및 유체기기의 동작방법에 의하면,

첫째, 부속품을 줄여 중량을 경감하고 소형화가 가능하다.

둘째, 제작 원가를 절감한다.

셋째, 효율향상에 의한 에너지절감을 한다.

넷째, 소형화로 설치공간을 절약한다.

다섯째, 마찰부를 줄여 소음을 저감한다.

여섯째, 기계적인 마모가 작아 수명이 연장된다.

일곱째, 축류식을 채택하여, 팬, 펌프, 브로워, 압축기 등을 복수 개의 연결하여 용량을 증대하는 것이 용이하다.

여덟째, 용도에 따른 설계, 제작, 설치의 번거로움을 줄인다.

아홉째, 부품이 단순하여 유지보수가 용이하다.

도 1은 본 발명에 따른 유체기기의 회전자(100)를 도시한 도면으로, 중간 임펠러(110), 입구측 임펠러(120) 및 출구측 임펠러(130)를 각각을 추가적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 유체기기의 중간 임펠러(110)의 개략적인 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 유체기기에서 회전자(100)를 제외한 나머지 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)의 윗면을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)의 아랫면을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)을 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)의 윗면을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)의 아랫면을 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 유체기기의 외함 바디부(610) 및 전기공급 단자부(640)를 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명에 따른 유체기기에서 출구측 압축 공기가 다공성의 회전축(500) 내부로 들어가서 회전자(100)와 에어 베어링을 형성하는 모습을 설명한 도면이다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

(유체기기)

도 1은 본 발명에 따른 유체기기의 회전자(100)를 도시한 도면으로, 중간 임펠러(110), 입구측 임펠러(120) 및 출구측 임펠러(130)를 각각을 추가적으로 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 유체기기의 중간 임펠러(110)의 개략적인 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 회전자(100)는 중간 임펠러(110), 입구측 임펠러(120) 및 출구측 임펠러(130)으로 이루어지고, 중간 임펠러(110)는 입구측 단락부재(111), 출구측 단락부재(112) 및 복수 개의 자성체 레이어층(113) 및 회전자 도체(114)로 이루어진다.

중간 임펠러(110)는 회전자(100)의 근간을 이루는 부분으로, 복수 개의 자성체 레이어층(113)이 적층되고, 복수 개의 자성체 레이어층(113) 각각은 중앙부에 회전축(500)을 위한 회전축 홀이 형성되어 있고, 또한 복수 개의 자성체 레이어층(113) 각각은 비도전성 코팅이 되어 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 복수 개의 자성체 레이어층(113) 각각은 외주 근처, 즉 가장자리부에 복수 개의 홀이 각각 형성되어 있고, 이 홀들을 연결하는 회전자 도체(114)가 내부에 삽입되어 있다. 이와 같은 회전자 도체(114)는 그 일단이 입구측 단락부재(111)에 연결되어 있고, 그 타단은 출구측 단락부재(112)에 연결되어 있다.

또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 회전자 도체(114)는 스큐(skew)가 형성되어 있다. 후술하겠지만, 고정자의 권선(220)의 스큐(skew)에 대응되도록, 회전자 도체(114)의 스큐가 형성된다. 회전자 도체(114)는, 복수 개의 자성체 레이어층(113)의 회전자 도체(114)를 위한 스큐 형태의 홀 내부에 도전성 주물을 삽입하여 냉각시킴으로써 형성하는 것이 가능하며, 그 이외 다양한 방법으로 구현되는 것이 가능하다.

이와 같이 함으로써, 후술할 고정자 권선(220)에 인가되는 교류 전류에 의해서 유도 전동기의 회전 원리(아라고의 원리)에 따라, 고정자 권선(220)이 만든 자속에 의해서 상술한 회전자 도체(114)에 유도 전류가 발생하고(플레밍의 오른손 법칙), 다시 해당 유도 전류에 의해 고정자(200)의 자속과 상호 작용에 의해서 회전자 도체가 힘을 받아서(플레밍의 왼손 법칙), 결과적으로 회전자(100)가 회전을 하게 되는 원리이다. 즉 플레밍 오른손, 왼손 법칙이 동시에 적용되는 것이다. 따라서, 회전자 도체(114), 복수 개의 자성체 레이어층(113), 입구측 단락부재(111) 및 출구측 단락부재(112)을 통해서 전기자기 회로(electric magnetic circuit)를 구성한다.

입구측 단락부재(111)은 도전체로 형성되어서, 입구측 단락부재(111)은 특정한 일정 제 1 전위를 가지게 되며, 출구측 단락부재(112)도 도전체로 형성되어서, 출구측 단락부재(112)도 특정한 일정 제 2 전위를 가지게 된다. 회전자(100)가 회전할 때는, 입구측 단락부재(111)의 제 1 전위와 출구측 단락부재(112)의 제 2 전위는 동일하지 않게 되어서, 제 1 전위 및 제 2 전위 간의 전위차로 인해서, 회전자 도체(114)에 전류가 유도 되고, 그 유도 전류가 고정자 권선(220)에 의한 자기장에 의해서 회전력이 발생하게 되는 것이다.

또한, 중간 임펠러(110)에서는 유체가 흐를 수 있는 통로인 유로 홈이 형성되어 있고, 유로 홈과 유로 홈 사이에는 돌출부가 형성되어 있다. 마찬가지로, 도 1에 도시된 바와 같이, 입구측 임펠러(120) 및 출구측 임펠러(130)에도 각각 중간 임펠러(110)에 형성된 유로 홈이 연장된 것처럼 유로 홈이 형성되어 있고, 중간 임펠러(110)의 돌출부도 연장된 것처럼 각각 돌출부가 입구측 임펠러(120) 및 출구측 임펠러(130)에 형성되어 있다.

본 발명은 회전자(100)가 고정자(200)로부터 자속을 전달받아 회전자와 유체기기의 임펠러 역할을 동시에 수행한다. 고정자(200)는 철심으로 이루어질 수 있다. 즉 후술할 고정자(200)의 내측면과 회전자의 외측면, 특히 유로 홈 사이에 유체기기의 유로가 형성되어 유체가 그 사이를 이동하게 된다. 즉, 자로(磁路)와 유로(流路)는 그 공간을 공유하여 형성되게 된다. 참고로, 유로는 유로 홈 뿐만 아니라, 유로 홈 외의 회전자의 외측면과 고정자 내측면 사이의 공극 부분도 포함한다.

여기서, 본 발명의 설명에서는 유체기기 중 압축기를 전제로 하여 설명을 하지만, 본 발명은 그 외의 유체기기인 펌프, 블로워 등에도 적용하는 것이 가능하다.

이 때, 압축기의 경우에는, 입구측 임펠러(120)의 원주 방향으로의 유로 홈 길이는, 출구측 임펠러(130)의 원주 방향으로의 유로 홈의 길이보다 짧다. 중간 임펠러의 복수 개의 자성체 레이어층(113)의 대응되는 유로 홈의 길이도 입구측에서 출구측 방향으로 점진적으로 길어진다.

또한, 압축기의 경우에는, 입구측 임펠러(120)의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이는, 출구측 임펠러(130)의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이보다 깊다. 중간 임펠러의 복수 개의 자성체 레이어층(113)의 대응되는 유로 홈의 길이도 입구측에서 출구측 방향으로 점진적으로 얕아진다.

또한, 압축기의 경우에, 입구측 임펠러(120)의 유로 홈의 단면적은, 출구측 임펠러(130)의 유로 홈의 단면적과 같지 않다. 예를 들어, 중간 임펠러의 복수 개의 자성체 레이어층(113)의 대응되는 유로 홈의 단면적도 입구측에서 출구측 방향으로 점진적으로 작아지게 된다. 이와 같이 형성됨으로써, 압축성 유체, 예를 들어 공기의 경우, 입구측 보다 단면적이 작아지므로, 출구측에서 압축이 이루어질 수 있다. 한편, 중간 임펠러의 복수 개의 자성체 레이어층(113)의 대응하는 유로 홈의 단면적이 입구측에서 출구측 방향으로 점진적으로 크게 할 수도 있다. 이와 같이 입구측 임펠러의 유로 홈의 단면적과 출구측 임펠러의 유로 홈의 단면적을 서로 다르게 함으로써, 속도에너지 및 압력에너지 중 어느 하나 이상을 증가시켜서 압축이 발생하게 한다.

또한, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 중간 임펠러(110)는 입구측으로부터 출구측으로 직경이 커지는 테이퍼진(tapered) 형상으로 되어 있다.

도 3은 본 발명에 따른 유체기기에서 도 1 및 도 2를 이용하여 설명한 회전자(100)를 제외한 나머지 구성을 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 유체는, 회전자(100) 이외에, 고정자(200), 입구측 정익 및 입구측 하우징(300), 출구측 정익 및 출구측 하우징(400), 회전축 (500) 및 외함(600), 고주파 가변속 장치(인버터)(700) 및 실링부 및 코팅부 (미도시)를 포함한다.

여기서, 도 3에 도시된 바와 같이, 외함(600)은 입구측 플랜지(620), 외함 바디부(610), 출구측 플랜지(630), 전기공급 단자부(640)로 형성되어 있다. 외함 바디부(610)은 그 내부에 고정자(200)가 삽입되어 고정된다. 고정자의 외경과 외함 바디부(610)의 내경은 대응되게 형성된다. 입구측 플랜지(620)는 외함 바디부(610)의 입구측에 결합되며, 출구측 플랜지(630)는 외함 바디부(610)의 출구측에 결합된다.

구체적으로, 입구측 플랜지(620)의 가장자리에 형성된 홀과, 외함 바디부(610의 입구측에 대응되는 가장자리에 형성된 홀을 관통하여 나사 결합함으로써, 결합되게 할 수 있다. 출구측 플랜지(630)의 가장자리에 형성된 홀과, 외함 바디부(610의 출구측에 대응되는 가장자리에 형성된 홀을 관통하여 나사 결합함으로써, 결합되게 할 수 있다.

또한, 입구측 플랜지(620) 및 출구측 플랜지(630)의 중앙부에는 관통홀이 형성되어 유체의 입구 및 출구의 역할을 할 수 있다. 압축기의 경우에, 입구측 플랜지(620)의 중앙부의 입구 관통홀이 출구측 플랜지(630)의 중앙부의 관통홀보다 크다.

여기서 외함 바디부(610)의 직경은 다양한 유체 배관의 직경으로 형성되어, 바로 유체 배관에 직결되는 것이 가능하다. 이 경우, 입구측 플랜지(620) 및 출구측 플랜지(630)의 각각에 유체 배관 직결 구조를 갖도록 형성될 수 있다. 또는, 외함 바디부(610)의 입구측과 출구측 끝단 가장자리에 유체 배관과 직결하는 구조를 형성하여, 유체 배관과 직결될 수 있도록 하는 것도 가능하다. 이 경우, 입구측 플랜지(620) 및 출구측 플랜지(630)는 불필요하게 된다.

앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 유체기기는 입구와 출구가 90도 방향이 달라지는 것이 없이, 유체의 흐름 방향이 입구측에서 출구측으로 일치하는 축류식으로 구현이 가능하여, 복수 개 직렬로 연결하여 용량을 증대시키는 것이 아주 용이하다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 고정자(200)는 유체기기 하우징(210) 및 권선(220)으로 이루어진다. 외함 바디부의 내부에 고정되는 고정자(200)는, 유체기기의 하우징 역할을 수행함과 동시에, 회전자에 자속을 제공하는 권선(winding)이 형성된다. 해당 권선에는 도 10을 통해서 후술할 전기공급 단자부(640)를 통해서 공급되는 교류 전력을 이용하여 유로에 자로를 형성하고, 해당 유로에 존재하는 회전자(100)의 회전을 유도하게 된다.

또한, 상술한 외함(600)과 고정자(200)를 일체형으로 제작하는 것도 가능하다. 예를 들어, 외함에 고정자의 철심과 철심 내에 감겨진 권선을 포함하게 하는 것이 가능하다.

여기서, 고정자(200)의 권선(220)에 공급되는 교류 전력을 가변속 제어하기 위한, 고주파 가변속 장치(인버터)(700)가 존재한다. 또한, 고정자(200)의 내부에 회전자(100)가 존재하게 되는데, 상술한 바와 같이, 회전자(100)는 입구측으로부터 출구측으로 직경이 커지는 테이퍼진(tapered) 형상으로 되어 있으므로, 고정자(200)의 내부는 회전자(100)의 테이퍼진 형상에 대응되도록 테이퍼진 형상을 가지고 있다.

한편, 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)은, 회전자 위치 검출 센서, 회전자 위치 검출 센서 홀더, 축 지지대, 자석부로 이루어진다. 자세한 설명은, 도 4 내지 도 6을 이용하여 아래에서 자세히 설명하기로 한다. 또한, 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)은, 회전자 위치 검출 센서, 회전자 위치 검출 센서 홀더, 축 지지대, 자석부로 이루어진다. 도 7 내지 도 9를 이용하여 아래에서 자세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명에 따른 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)을 도시한 도면이다. 도 5는 본 발명에 따른 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)의 윗면을 나타낸 도면이다. 도 6은 본 발명에 따른 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)의 아랫면을 나타낸 도면이다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)은, 입구측 플랜지(620)을 통해서 유입된 유체를 회전자로 이송하는 통로의 하우징 역할을 하는 동시에, 입구측의 정익으로서 입구측 하우징 내부에 복수 개의 리브로 형성되어 있다. 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)의 윗면과 아랫면, 그리고 실질적으로 입구측 하우징(300) 내부 구성을 이와 같이 구성한 것은 좀 더 효과적으로 유체를 유입하기 위함이다.

또한, 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)은 회전자 위치 검출 센서 및 회전자 위치 검출 센서의 홀더, 회전축의 지지대, 영구자석 또는 전자석으로 이루어지는 자석으로 이루어진다.

회전자 위치 검출 센서는 필름형 압력 센서로 구성되는 것이 가능하다. 회전자가 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)로 축방향으로 치우쳐 있을 경우, 필름형 압력 센서에 높은 압력값이 측정될 것이다. 반대로, 회전자가 유체기기의 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)으로부터 멀어져 있는 경우, 필름형 압력 센서는 기본 값이 측정될 것이다. 이를 통해서, 필름형 압력 센서의 압력값을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 것이 가능하다.

또 다른 방법으로, 온도 센서를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 것도 가능하다. 회전축이 닿을 경우, 회전에 의해서 온도가 상승할 것이며, 반대의 경우 온도가 떨어지므로, 이를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 것이 가능하다. 또 다른 방법으로, 압전 센서를 이용하여 접촉시 전기 생성을 검출하는 회전자의 위치 검출하는 것도 가능하다. 또 다른 방법으로, 포토센서 및 초음파 센서를 이용하여 접촉 직전에 감지하여 제어하는 것이 가능하다.

한편, 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)이 회전자(100)의 입구측 임펠러(120)에 삽입되어 있는 영구자석에 대응하여, 영구자석 또는 전자석이 마련될 경우, 자기 베어링을 형성하는 것이 가능하다.

도 7은 본 발명에 따른 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)을 도시한 도면이다. 도 8은 본 발명에 따른 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)의 윗면을 나타낸 도면이다. 도 9는 본 발명에 따른 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)의 아랫면을 나타낸 도면이다.

도 7 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 유측기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)은, 출구측 플랜지(630)을 통해서 회전자로부터 유출되는 유체를 외부로 이송하는 통로의 하우징 역할을 하는 동시에, 출구측의 정익으로서 출구측 하우징 내부에 복수 개의 리브로 형성되어 있다.

여기서, 출구측 하우징(400)의 아랫면은 도 9에 도시된 바와 같지만, 출구측 플랜지(130)에 의해서 가려지는 부분으로 실제로는 입구측보다 상대적으로 작은 홀만이 노출되게 된다. 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 출구측 정익 및 출구측 하우징(300)의 윗면과 아랫면, 그리고 실질적으로 출구측 하우징(400) 내부 구성을 이와 같이 구성한 것은, 고속으로 회전하는 회전자에 의해서 가속된 유체가 출구측 정익에 부딪치면서 속도가 줄면서, 그 반대로 압력에너지로 변환되어 압력이 증가되는 효과를 낳게 된다.

이 경우, 회전자가 가속시킨 유체의 속도에너지를 출구측 정익 및 하우징(300)에 의해서 속도가 줄면서 압력에너지로 변환해야 하므로, 그러기 위해서는 가능한 회전자를 고속으로 회전시킬 필요가 있으며, 최근에 출시되고 있는 고속 가변속 장치 또는 인버터의 적용으로 가능하게 되었으며, 또한 고속 회전을 위해 회전자(100)를 자기적으로 부상시키는 베어링레스가 필요하다.

또한, 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)은 회전자 위치 검출 센서 및 회전자 위치 검출 센서의 홀더, 회전축의 지지대, 영구자석 또는 전자석으로 이루어지는 자석으로 이루어진다.

회전자 위치 검출 센서는 필름형 압력 센서로 구성되는 것이 가능하다. 회전자가 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)로 축방향으로 치우쳐 있을 경우, 필름형 압력 센서에 높은 압력값이 측정될 것이다. 반대로, 회전자가 유체기기의 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)으로부터 멀어져 있는 경우, 필름형 압력 센서는 기본 값이 측정될 것이다. 이를 통해서, 필름형 압력 센서의 압력값을 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 것이 가능하다.

또 다른 방법으로, 온도 센서를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 것도 가능하다. 회전축이 닿을 경우, 회전에 의해서 온도가 상승할 것이며, 반대의 경우 온도가 떨어지므로, 이를 이용하여 회전자의 위치를 검출하는 것이 가능하다.

회전자 위치 검출 센서는 상술한 입구측 정익 및 입구측 하우징(300) 또는 출구측 정익 및 출구측 하우징(400) 중에 한 군데만 형성하는 것이 가능하다.

회전자 위치 검출 센서에 의한 회전자 위치 검출값에 기초하여, 제어기는 회전자(100)가 원하는 위치에 위치하도록 제어하는 것이 가능하다. 이 경우, 입구측 정익 및 입구측 하우징(300) 및 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)에서 전자석에 인가되는 전류를 제어함으로써, 해당 전자석에서 발생하는 자속(magnetic flux)을 달리하고 이를 통해서, 회전자(100)의 축방향 위치제어를 하는 것이 가능하다.

한편, 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)이 회전자(100)의 출구측 임펠러(130)에 삽입되어 있는 영구자석에 대응하여, 영구자석 또는 전자석이 마련될 경우, 자기 베어링을 형성하는 것이 가능하다.

도 10은 본 발명에 따른 유체기기의 외함 바디부(610) 및 전기공급 단자부(640)를 도시한 도면이다. 상술한 바와 같이 고정자(200)의 권선(220)에 공급되는 교류 전력이 인가될 수 있도록, 외함 바디부(610)의 일측에 전기공급 단자부(640)가 형성되어 있다. 전기공급 단자부(640)에는 3상 전극과 접지 전극, 총 4개의 전극이 형성되어 있다. 이와 같은 전기공급 단자부(640)는, 고정자(200)의 권선(220)에 공급되는 교류 전력을 고속으로 가변속 제어하기 위한, 고주파 가변속 장치(인버터)(700)와 연결된다.

여기서 고속 제어를 하는 가변속 장치(인버터)는 최근 출시되고 있는 관련 시장의 공지 제품을 활용하는데, 그 가운데에서도 사양이 높은 제품을 이용한다. 통상 유체기기가 터보 압축기로서 기능을 하려면, 30,000rpm 이상이 되어야 하므로, 고속이라는 것은 30,000rpm 이상, 이를 위한 고주파 가변제어는 500Hz 이상을 의미한다.

여기서 고주파 가변속 장치 또는 인버터(700)는 전달되는 전류의 지령치를 제어기에서 받아 회전자(100)의 회전 속도를 제어하게 된다.

한편, 도 11은 본 발명에 따른 유체기기에서 출구측 압축 공기가 다공성의 회전축(500) 내부로 들어가서 회전자(100)와 에어 베어링을 형성하는 모습을 설명한 도면이다. 도 11은 설명을 위해서 개략적으로 표시한 것으로, 300, 400 부재와 500번 부재는 서로 닿아서 고정된다.

앞에서 살펴본 바와 같이, 회전축(500)은 회전자(100)를 관통하며, 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)과, 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)에 의해서 회전축(500)의 양측이 지지된다. 이 경우, 양측의 지지는 트러스트 지지 및 레이디얼 지지 구조이거나, 레이디얼 지지 구조이거나, 트러스트 지지 구조이거나, 또는 리미트(limit)일 수 있다.

이와 같은 회전축(500)이 다공성(porous) 재질로 구현되는 동시에, 회전자를 관통하는 영역에서 출구측에서 시작하여 입구측으로 연장되는 내부 통공이 형성될 수 있다. 이와 같은 다공성의 회전축 내부의 통공을 통해서, 압축된 출구측 공기가 들어와서 다공성의 회전축을 통과하여, 회전축(500) 및 회전자(100)가 에어 베어링(air bearing)을 형성하는 것이 가능하다.

또한, 회전축(500)은 회전자(100)를 관통하는 것을 기초로 하여 예시하여 설명하였지만, 회전자(100)의 양단 일부만을 관통한 형태로도 구현하는 것이 가능하며, 이 경우에도 출구측 고압의 공기를 이용하여 에어 베어링을 형성하는 구성을 유사하게 채택하는 것이 가능하다.

도 11에서 설명한 방법과 같이, 회전자와 회전축(500)이 면하는 부위에 에어 베어링을 형성하는 것도 가능하지만, 또 다르게 에어 베어링을 형성하는 방법으로는 회전축(500)과 정익(300, 400)이 면하는 부위에 에어 베어링을 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 전체적으로 도시하지는 않았지만, 유체기기로서 역할을 하기 위해서, 기본적인 실링부(미도시) 및 코팅부(미도시)를 포함하는 것은 물론이다.

상기와 같은 구성에 의해, 본 발명에 따른 유체기기는, 유체기기의 공통된 구동 모터의 회전자를 유체기기의 임펠러 기능을 겸하도록 도체와 철심이나, 영구자석을 유체기기의 날개 모양으로 변형하고, 고정자는 회전자에 자속을 제공하는 것과 동시에 유체기기의 하우징 역할을 겸하도록 구조를 변형하며, 고정자와 회전자 사이 공극과 회전자의 날개 모양으로 가공하면서 생긴 공간을 유체가 흐르는 통로로 이용한다. 또한, 좁은 유로로 유체를 흘리기 위해서 종래의 일반적인 회전수보다 20배 정도 높인 35,000RPM 정도 이상으로 속도를 높여야 하는데 속도를 높이기 위해 고주파 인버터를 활용하였다.

(회전자 겸용 임펠러)

한편, 본 발명에 따른 유체기기의 회전자(200)는, 앞에서 설명한 바와 같이, 유체기기의 하우징 역할을 하며, 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자(100)로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행한다.

또한, 회전자(200)는, 그 측면의 경사 곡면 상에 형성된 유로 홈; 및 상기 유로 홈과 상기 유로 홈 사이에 형성된 돌출부;를 포함하고, 상기 유로 홈 및 상기 돌출부는 경사 곡면을 따라 스큐(skew) 형태로 이루어진다.

또한, 회전자(200)는, 도전체로 이루어진 입구측 단락부재(111), 복수 개의 자성체 레이어층(113), 도전체로 이루어진 출구측 단락부재(112), 및 일단은 입구측 단락부재(111)과 연결되고 타단은 출구측 단락부재(112)에 연결되며 복수 개의 자성체 레이어층(113)을 관통하여 도전성 재료로 연결하는 회전자 도체(114)를 포함하는 중간 임펠러(110)를 포함한다.

여기서, 복수 개의 자성체 레이어층(113)은 각각 비도전성 코팅이 되어 있다. 또한, 회전자(100)는 고정자(200)로부터 받은 자속으로 회전하면서 자기 부양이 될 수 있도록 전체 형상이 테이퍼진 형상이다.

또한, 입구측 임펠러(120)에는, 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 입구측 정익 및 입구측 하우징(300)에 대응한 위치에 영구 자석을 갖게 한다. 또한, 출구측 임펠러(130)는, 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)에 대응한 위치에 영구 자석을 갖게 한다.

또한, 입구측 정익 및 입구측 하우징(200)과 출구측 정익 및 출구측 하우징(400)은, 각각에 회전자의 유로 홈 및 돌출부가 경사 곡면을 따라 스큐 형태로 형성된 것처럼, 유로 홈과 돌출부가 연장되어 형성되어 있다.

여기서, 유체기기가 압축기인 경우, 입구측 임펠러(120)의 유로 홈의 단면적은, 출구측 임펠러(130)의 유로 홈의 단면적보다 작다. 이 경우, 입구측 임펠러(120)의 유로 홈의 단면적 및 출구측 임펠러(130)의 유로 홈의 단면적의 비율을 조정하여, 유체기기의 특성을 변경한다. 이를 통해서 유체기기가 펌프가 되기도 하며, 압축기가 되기도 하는 등의 변경이 가능하다.

또한, 입구측 임펠러(120)의 원주 방향으로의 유로 홈 길이, 출구측 임펠러(130)의 원주 방향으로의 유로 홈의 길이, 입구측 임펠러(120)의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이, 및 출구측 임펠러(130)의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이를 조정하여, 입구측 임펠러(120)의 유로 홈의 단면적 및 출구측 임펠러(130)의 유로 홈의 단면적의 비율을 조정한다.

또한, 중간 임펠러(110)의 원주 방향으로의 유로 홈 길이 및 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이는, 입구측 임펠러(120)의 원주 방향으로의 유로 홈 길이, 상기 출구측 임펠러(130)의 원주 방향으로의 유로 홈의 길이, 입구측 임펠러(120)의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이, 및 출구측 임펠러(130)의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이를 조정에 따라서 연속적으로 증가하거나 연속적으로 감소될 수 있도록 조정된다.

(유체기기의 동작 방법)

아래에서는, 본 발명에 따른 유체기기를 동작 또는 제어 방법에 대해서 설명하기로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유체기기의 동작방법은, 유체기기의 하우징 역할을 하며, 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자(200); 고정자(200)로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행하는 회전자(100)를 포함하여, 전기공급 단자부(640)로부터 고정자(200)의 권선에 전원을 공급한다.

다음으로, 고정자(200)의 권선으로부터, 회전자(100)에 자속을 제공한다.

다음으로, 회전자(100)에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 전기자기 회로에 전류가 유도된다.

여기서, 회전자(200)는, 앞에서 상술한 바와 같이, 도전체로 이루어진 입구측 단락부재(111), 복수 개의 자성체 레이어층(113), 도전체로 이루어진 출구측 단락부재(112), 및 일단은 입구측 단락부재(111)과 연결되고 타단은 출구측 단락부재(112)에 연결되며 복수 개의 자성체 레이어층(113)을 관통하여 도전성 재료로 연결하는 회전자 도체(114)를 포함하여, 전기자기 회로를 구성하는 것이 바람직하다.

다음으로, 유도 전류가 흐르는 전기자기 회로가, 고정자 권선의 자과 상호 작용하여, 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 회전자(200)가 회전을 하게 된다.

여기서, 회전자(200)에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 전기자기 회로에 전류가 유도되는 단계는, 입구측 단락부재(111)과 출구측 단락부재(112) 사이에 서로 다른 전위가 유도되어, 회전자 도체에 전류가 유도되는 단계이며, 유도 전류가 흐르는 전기자기 회로가, 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 회전자(200)가 회전을 하는 단계는, 유도 전류가 흐르는 회전자 도체가, 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 회전자 도체에 회전력이 발생하여, 회전자(200)가 회전을 하는 단계이다.

또한, 전기공급 단자부는, 고정자(100)의 권선에 공급되는 교류 전력을 고속으로 제어하기 위한, 고주파 가변속 장치(700)와 연결되어 있다.

이를 통해서, 고주파 가변속 장치(700)에 의해서 고정자(100)의 권선에 제공하는 교류 전력을 고속으로 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 출원은 본 출원인이 2016년 3월 4일에 출원한 대한민국 특허출원 제2016-0026459호, 2016년 8월 10일에 출원한 대한민국 특허출원 제2016-0101802호, 및 2017년 6월 2일에 출원한 대한민국 특허출원 제2017-0068920호의 그 전체가 이 명세서에 참고로 포함된다. 다만, 서로 상충되는 부분이 있으면, 본 명세서에서 설명된 부분을 우선하되, 그 설명이 없는 부분에 대해서는, 해당 출원 명세서의 내용을 보충적으로 참고할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 이와 같은 실시예와 도면에 기재된 발명은 예시적인 것에 불과하며, 본 발명은 이것에 의해 한정 또는 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100...회전자
110...중간 임펠러
111...입구측 단락부재
112...출구측 단락부재
113...복수 개의 자성체 레이어층
114...회전자 도체
120...입구측 임펠러
130...출구측 임펠러
200...고정자
210...유체기기 하우징
220...권선
300...입구측 정익 및 입구측 하우징
400...출구측 정익 및 출구측 하우징
500...회전축
600...외함
610...외함 바디부
620...입구측 플랜지
630...출구측 플랜지
640...전기공급 단자부
700...고주파 가변속 장치(인버터)

Claims

유체기기의 하우징 역할을 하며, 내부에 권선을 가져서 계자 역할을 하는 고정자;
상기 고정자로부터 자속을 전달받아, 회전자 역할 및 임펠러 역할을 동시에 수행하는 자기적으로 부상하는 회전자; 및
상기 고정자의 내측면과 상기 회전자의 외측면 사이에 형성되어 유체가 이동하는 통로이면서, 자속을 위한 공간을 제공하는 유로;를 포함하고,
상기 회전자에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 교류 전력이 공급된 상기 고정자 권선에 의해 상기 전기자기 회로에 유도 전류가 발생하고, 상기 유도 전류가 흐르는 상기 전기자기 회로가, 상기 고정자의 권선에 의한 자속과 상호 작용하여, 상기 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하며,
상기 회전자는,
도전체로 이루어진 입구측 단락부재;
복수 개의 비전도성 코팅이 된 자성체 레이어층;
도전체로 이루어진 출구측 단락부재; 및
일단은 입구측 단락부재와 연결되고 타단은 출구측 단락부재에 연결되며 상기 복수 개의 자성체 레이어층을 관통하여 도전성 재료로 연결하는 복수 개의 회전자 도체;를 구비하는 중간 임펠러를 포함하여, 입체적인 전기자기 회로(electric magnetic circuit)를 구성하고,
상기 중간 임펠러는,
그 측면의 경사 곡면 상에 형성된 유로 홈;
및 상기 유로 홈과 상기 유로 홈 사이에 형성된 돌출부;를 포함하고,
상기 유로 홈 및 상기 돌출부는 경사 곡면을 따라 스큐(skew) 형태로 이루어지며, 상기 회전자 도체도 상기 유로 홈 및 상기 돌출부와 같은 형태인 스큐 형태로 이루어진,
유체기기.
삭제
제 1 항에 있어서,
전기공급 단자부를 통해서 상기 고정자의 권선에 교류 전력을 공급하는 전기공급부;를 더 포함하는,
유체기기.
제 3 항에 있어서,
상기 고정자의 권선에 공급되는 교류 전력을 가변속 제어하기 위한, 고주파 가변속 장치를 더 포함하는,
유체기기.
삭제
제 4 항에 있어서,
상기 회전자는 상기 고정자로부터 받은 회전 자속으로 상기 회전자 및 상기 고정자 간의 공극이 가변될 수 있도록, 전체 형상이 테이퍼진 형상이며,
상기 고정자의 내면도 상기 회전자의 테이퍼진 형상에 대응하여 테이퍼져 있는,
유체기기.
제 6 항에 있어서,
입구측 정익 및 입구측 하우징에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징에 대응한 위치에 영구 자석을 갖는 입구측 임펠러; 및
출구측 정익 및 출구측 하우징에 대해서 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징에 대응한 위치에 영구 자석을 갖는 출구측 임펠러;를 더 포함하며,
상기 입구측 임펠러 및 상기 출구측 임펠러는, 각각에 상기 회전자의 유로 홈 및 돌출부가 경사 곡면을 따라 스큐 형태로 형성된 것처럼, 유로 홈과 돌출부가 연장되어 형성되어 있는,
유체기기.
제 7 항에 있어서,
상기 입구측 임펠러의 유로 홈의 단면적 및 상기 출구측 임펠러의 유로 홈의 단면적의 비율을 조정하여, 상기 유체기기의 특성을 변경하는,
유체기기.
제 8 항에 있어서,
상기 입구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈 길이, 상기 출구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈의 길이, 상기 입구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이, 및 출구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이를 조정하여,
상기 입구측 임펠러의 유로 홈의 단면적 및 상기 출구측 임펠러의 유로 홈의 단면적의 비율을 조정하는,
유체기기.
제 9 항에 있어서,
상기 중간 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈 길이 및 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이는, 상기 입구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈 길이, 상기 출구측 임펠러의 원주 방향으로의 유로 홈의 길이, 상기 입구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이, 및 출구측 임펠러의 직경 방향으로의 유로 홈의 깊이를 조정에 따라서 연속적으로 증가하거나 연속적으로 감소될 수 있도록 조정되는,
유체기기.
제 1 항에 있어서,
상기 고정자 및 상기 회전자를 그 내부에 포함하되, 상기 고정자는 그 내부에 삽입되어 고정시키는 외함;을 더 포함하는,
유체기기.
제 11 항에 있어서,
상기 외함은, 외함 바디부; 상기 외함 바디부의 입구측에 결합되는 입구측 플랜지; 및 상기 외함 바디부의 출구측에 결합되는 출구측 플랜지;를 포함하는,
유체기기.
제 1 항에 있어서,
상기 유체기기의 유체 흐름의 입구 및 출구은 동일 선상에 위치하여 축류식인,
유체기기.
제 7 항에 있어서,
상기 고정자 및 상기 회전자를 그 내부에 포함하되, 상기 고정자는 그 내부에 삽입되어 고정시키는 외함;을 더 포함하고,
상기 외함은, 외함 바디부; 상기 외함 바디부의 입구측에 결합되는 입구측 플랜지; 및 상기 외함 바디부의 출구측에 결합되는 출구측 플랜지;를 포함하고,
상기 입구측 임펠러 및 상기 입구측 플랜지 사이에 입구측 정익 및 입구측 하우징을 더 포함하고,
상기 출구측 임펠러 및 상기 출구측 플랜지 사이에 출구측 정익 및 출구측 하우징을 더 포함하는,
유체기기.
제 14 항에 있어서,
상기 입구측 정익 및 입구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 입구측 임펠러의 영구자석에 대응한 위치에 영구 자석을 배치하며,
상기 출구측 정익 및 출구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 출구측 임펠러의 영구자석에 대응하는 위치에, 영구 자석을 배치하는,
유체기기.
제 15 항에 있어서,
상기 입구측 정익 및 입구측 하우징에는 상기 회전자의 위치를 검출하는 센서 및 그 센서의 홀더를 더 포함하거나, 또는
상기 출구측 정익 및 출구측 하우징에는 상기 회전자의 위치를 검출하는 센서 및 그 센서의 홀더를 더 포함하는,
유체기기.
제 14 항에 있어서,
상기 입구측 정익 및 입구측 하우징에는 상기 회전자의 위치를 검출하는 센서 및 그 센서의 홀더를 더 포함하거나, 또는
상기 출구측 정익 및 출구측 하우징에는 상기 회전자의 위치를 검출하는 센서 및 그 센서의 홀더를 더 포함하고,
상기 입구측 정익 및 입구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 입구측 임펠러의 영구자석에 대응한 위치에 전자석을 배치하며,
상기 출구측 정익 및 출구측 하우징은, 자기 베어링이 형성될 수 있도록, 상기 출구측 임펠러의 영구자석에 대응하는 위치에, 전자석을 배치하여,
상기 회전자의 위치를 검출하는 센서의 검출값에 기초하여, 상기 입구측 정익 및 입구측 하우징 또는 상기 출구측 정익 및 출구측 하우징의 전자석에 공급되는 전류값을 제어하여, 상기 회전자의 축 방향 위치를 제어하는,
유체기기.
제 1 항에 있어서,
상기 유체기기가 압축기인 경우,
상기 회전자의 축 기능을 하는 회전축의 상기 회전자 대응 부분의 일부 또는 전부에, 상기 유체기기의 출구측으로부터 상기 회전축 내부의 통공을 형성하고,
상기 회전축을, 상기 회전자 대응 부분의 일부 또는 전부를 다공성 재료로 형성하여,
상기 회전축 내부 통공을 통해서, 상기 압축기의 출구측으로부터 인입된 압축 공기를 이용하여, 상기 회전축 및 상기 회전자의 에어 베어링을 형성하는,
유체기기.
제1항에 기재된 유체기기의 동작방법에 있어서,
전기공급 단자부로부터 상기 고정자의 권선에 전원을 공급하는 단계;
상기 고정자의 권선으로부터, 상기 회전자에 자속을 제공하는 단계;
상기 회전자에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 상기 전기자기 회로에 전류가 유도되는 단계; 및
유도 전류가 흐르는 상기 전기자기 회로가, 상기 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 상기 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하는 단계;를 포함하는,
유체기기의 동작방법.
제 19 항에 있어서,
상기 회전자는, 도전체로 이루어진 입구측 단락부재, 복수 개의 자성체 레이어층, 도전체로 이루어진 출구측 단락부재, 및 일단은 입구측 단락부재와 연결되고 타단은 출구측 단락부재에 연결되며 상기 복수 개의 자성체 레이어층을 관통하여 도전성 재료로 연결하는 회전자 도체를 포함하여, 전기자기 회로를 구성하는,
유체기기의 동작방법.
제 20 항에 있어서,
상기 회전자에는, 전기자기 회로(electric magnetic circuit)가 포함되어 있어서, 상기 전기자기 회로에 전류가 유도되는 단계는, 상기 입구측 단락부재와 상기 출구측 단락부재 사이에 서로 다른 전위가 유도되어, 상기 입구측 단락부재와 상기 출구측 단락부재 간의 전위차로 인하여 상기 회전자 도체에 전류가 유도되는 단계이며,
유도 전류가 흐르는 상기 전기자기 회로가, 상기 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 상기 전기자기 회로에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하는 단계는, 유도 전류가 흐르는 상기 회전자 도체가, 상기 고정자 권선의 자속과 상호 작용하여, 상기 회전자 도체에 회전력이 발생하여, 상기 회전자가 회전을 하는 단계인,
유체기기의 동작방법.
제 21 항에 있어서,
상기 전기공급 단자부는, 상기 고정자의 권선에 공급되는 교류 전력을 가변속 제어하기 위한, 고주파 가변속 장치와 연결되어 있는
유체기기의 동작방법.
제 22 항에 있어서,
상기 고주파 가변속 장치에 의해서 고정자의 권선에 제공하는 교류 전력을 가변속 제어하는 단계;를 더 포함하는,
유체기기의 동작방법.