KR102110964B1 - 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자에서 발생되는 열을 빠르게 샤프트를 통해 하우징 외부로 방출 할 수 있도록 하기 위해, 샤프트에 고정되어 상기 샤프트 회전시 함께 회전하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 있어서, 상기 회전자는 철심 적층 사이에 철심에 비해 열전도율이 높은 제1 열전도체를 포함하여 적층한 것을 특징으로 하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조를 제공한다.

Description

전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조 {ROTATOR COOLING STRUCTURE FOR TOTALLY ENCLOSED MAGNETIC SYNCHRO MOTOR }

본 발명은 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자에서 발생되는 열을 빠르게 샤프트를 통해 하우징 외부로 방출할 수 있는 회전자의 냉각 구조에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석 동기전동기는 계자에 영구자석을 사용한 동기전동기로서, 고정자와 회전자로 이루어진다.

이러한 영구자석 동기전동기는 도 1에 도시된 바와 같이 하우징(1)이 고정자(2) 및 회전자(3)를 둘러싸서 외부의 충격으로부터 고정자(2) 및 회전자(3)를 보호하고, 하우징(1)이 외부구조물에 결합되어 동기전동기를 고정한다.

이때, 상기 회전자(3)는 회전이 가능하도록 하여야 하므로 샤프트(4) 및 베어링을 통해 하우징(1)과 연결되어 있다. 상기 샤프트(4)는 외부 장치와 연결되어 회전자(3)로부터 전달된 회전력을 외부로 전달한다.

상기 고정자(2) 및 회전자(3)는 일반적으로 철심(Ferrite Core)으로 이루어지며, 이러한 철심에 슬롯 형태의 빈 공간을 만들어 이 곳에 권선 혹은 영구자석을 설치한다.

또한 상기 고정자(2) 및 회전자(3)는 와전류 손실 감소를 위하여 1mm 이하 두께의 철판을 적층하여 만들어지는 경우가 많으며, 일반적으로 고정자(2)에 교류 전류가 흐르는 권선을 설치하고 회전자(3)에 영구자석을 설치한다.

한편, 전폐형 영구자석 동기전동기는 하우징(1) 내부의 고정자(2)와 회전자(3)가 외부 대기로부터 완전히 격리되어 밀폐되는 구조를 채용하고 있으며, 이러한 전폐형 구조는 외부의 먼지 등 오염원으로부터 내부구조를 격리시키기 위해 주로 사용한다.

이러한 전폐형 영구자석 동기전동기와 관련된 선행기술로 등록특허 제10-1613991호(참고문헌 1), 등록특허 제10-0549821호(참고문헌 2) 등이 제안된 바 있다.

한편, 모든 전동기의 고정자(2) 및 회전자(3)에서는 열이 발생하게 되는데, 그 주요 열원은 권선에 전류가 흐름으로써 발생하는 동손(銅損), 철심 및 영구자석을 지나는 자속이 변화함에 따라 발생되는 철손(鐵損) 등이 있다. 특히, 영구자석 동기전동기에서 회전자(3)에 발생되는 손실은 철손이 주가 된다.

이와 같이 전동기에서 발생된 열을 외부로 방출하지 않을 경우 전동기가 과열되어 권선 소손, 영구자석 감자 등 고장이 발생하게 되며, 따라서 전동기 설계 및 제작에 있어 전동기에서 발생된 열을 어떻게 하우징 외부로 배출하는 것인지가 매우 중요하다.

특히 전폐형 전동기와 대비되는 개방형 또는 반폐형 전동기의 경우 외부의 공기를 유입하고 배출할 수 있기 때문에 강제 대류 냉각을 통해 내부의 열을 빠르게 외부로 배출할 수 있지만, 전폐형 전동기의 경우에는 내부에서 더워진 공기를 외부으로 배출할 수 없기 때문에 하우징(1)이나 다른 냉매를 통해 열을 외부로 배출하여야 한다. 특히 설계 제한 조건으로 인하여 다른 냉매를 사용할 수 없을 경우 오로지 하우징(1)을 통해서만 배출될 수 있다.

이때 고정자(2)의 경우 하우징(1)과 많은 물리적 연결점을 가질 수 있기 때문에 하우징(1)으로 비교적 쉽게 열을 전달할 수 있으나, 회전자의 경우 하우징과의 접촉점은 샤프트(4) 뿐이고 샤프트(4)를 제외하면 공극에서 흐르는 공기의 대류를 통해 하우징(1)으로 열을 전달하는 수밖에 없기 때문에 전폐형 전동기의 경우 회전자(3)의 냉각특성이 좋지 않으며, 이는 전동기 성능확보에 있어서 큰 장애물로 작용한다.

참고문헌 1: 등록특허 제10-1613991호, 참고문헌 2: 등록특허 제10-0549821호

따라서, 이러한 종래 전폐형 영구자석 동기전동기의 제반 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자에서 발생되는 열을 빠르게 샤프트를 통해 외부로 방출시켜 전동기의 성능저하 문제를 해결할 수 있는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은;

샤프트에 고정되어 상기 샤프트 회전시 함께 회전하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 있어서, 상기 회전자는 철심 적층 사이에 철심에 비해 열전도율이 높은 제1 열전도체를 포함하여 적층한 것을 특징으로 하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조를 제공한다.

이때, 제1 열전도체는 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 하우징 내부에는 회전자와 고정자가 구비되며, 상기 회전자와 고정자는 와전류 손실 감소를 위하여 1mm 이하 두께의 철심을 적층한 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 제1 열전도체와 샤프트 사이의 열 교환을 위해 상기 샤프트의 외주면에는 제2 열전도체가 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 열전도체는 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 제조시 열전도체를 구비하여 철심에서 발생하는 열을 샤프트로 빠르게 전달시켜 회전자의 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있다.

특히, 본 발명은 철심에 비해 열전도율이 수 배에서 수십 배까지 높은 그라파이트시트(Graphite Sheet)를 철심 적층시 삽입하고 샤프트를 감싸주어 철심에서 발생하는 열을 빠르게 하우징 또는 외부로 전달하여 냉각할 수 있다.

도 1은 일반적인 영구자석 동기전동기의 구조도이다.
도 2는 본 발명에 따른 전폐형 영구자석 동기전동기를 설명하기 위해 그라파이트시트(Graphite Sheet)를 삽입한 회전자 구조를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 전폐형 영구자석 동기전동기를 구성하는 회전자의 열 흐름을 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조를 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 기술되는 실시 예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

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 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조는, 전폐형 영구자석 동기전동기(100)에 적용되어 전폐형 영구자석 동기전동기(100)의 회전자(110)에서 발생되는 열을 빠르게 샤프트(120)를 통해 외부로 방출함으로써 전폐형 영구자석 동기전동기(100)의 성능저하를 개선할 수 있다.

이러한 본 발명에 따른 회전자 냉각 구조가 적용되는 전폐형 영구자석 동기전동기(100)는 하우징(140) 내부에 고정되는 고정자(130)와, 샤프트(120)에 고정되어 샤프트(120) 회전시 함께 회전하는 회전자(110)로 구성된다.

이때, 하우징(140)이 고정자(130)와 회전자(110)를 둘러싸서 외부의 충격으로부터 고정자(130)와 회전자(110)를 보호하며, 이러한 하우징(140)은 사용 환경에 따라 외부 구조물에 고정된다.

특히 본 발명은 전폐형 영구자석 동기전동기(100)에 관한 것으로, 하우징(140) 내부의 고정자(130)와 회전자(110)가 외부 대기로부터 완전히 격리되도록 밀폐되며, 이러한 전폐형 구조에 의해 외부의 먼지 등 오염원이 하우징(140) 내부로 유입되는 것을 차단한다.

이와 같은 본 발명에 따른 회전자 냉각 구조는, 전폐형 영구자석 동기전동기(100)의 회전자(110)에서 발생되는 열을 빠르게 상기 샤프트(120)를 통해 외부로 방출하기 위하여 회전자(110)의 구조를 개선한 것으로, 상기 회전자(110)는 철심(Ferrite Core)(112) 적층 사이에 철심(112)에 비해 열전도율이 수 배에서 수십 배까지 높은 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 이루어지는 제1 열전도체(114)를 포함하여 적층하여서 이루어진다.

물론 상기 회전자(110)의 원활한 회전이 가능하도록 샤프트(120)와 하우징(140)의 연결부위에는 베어링(미도시됨)이 구비되며, 상기 샤프트(120)는 외부 장치와 연결되어 회전자(110)로부터 전달된 회전력을 외부로 전달한다.

그리고 상기 고정자(130)와 회전자(110)는 와전류 손실 감소를 위하여 1mm 이하 두께의 철심(112)을 적층하여 제조한다.

한편, 상기 철심(112) 적층 시이에 구비되는 제1 열전도체(114)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)의 주재료인 그라파이트(Graphite, 그래파이트, 흑연)는 탄소의 일종으로 탄소는 고온에서 생산되는데 이러한 탄소를 한번 더 고온에서 태운 것을 그라파이트라고 한다. 예를 들어 광물을 1000 ~ 2000℃ 가열하여 발생한 탄소를 2000 ~ 3000℃로 다시 가열하여 그라파이트를 만든다.

이러한 그라파이트는 일반 탄소에 비해 고온에서 생산되기 때문에 열에 강하고 탄성도 뛰어난 특성을 갖고 있다. 그라파이트는 방열소재 외에도 배트민튼 라켓, 낚싯대, 골프채 등 스포츠 용품에도 사용된다. 그라파이트 방열시트가 나오기 전에는 대부분 열전도성이 좋은 은, 구리, 알루미늄 금속을 이용해 방열시트로 사용해 왔다. 그라파이트는 이러한 금속들 보다 뛰어난 열전도성을 갖고 있어 내부에 있는 열을 외부로 방출하는 특성이 우수하다.

기존의 방열시트가 종 방향의 방열 위주였다면, 그라파이트 시트는 횡 방향의 방열 특성을 함께 가지고 있어 열전도 효율이 더 높다. 그라파이트 시트는 흑연 만으로 사용이 불가하며 도전성과 분진 발생 가능성 때문에 보호막을 붙여야 한다. 그라파이트 방열시트는 열을 발생시키는 부품이나 제품에 부착해서 사용하는 것 외에도 그라파이트를 다른 부품에 합성하여 사용할 수도 있다.

이러한 재질 특성을 갖는 그라파이트시트(Graphite Sheet)를 철심(112) 적층 사이에 제1 열전도체(114)로 배치함으로써 철심(112)에서 발생된 열은 철심(112)과 제1 열전도체(114)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)의 접촉면을 통해 철심(112)으로부터 제1 열전도체(114)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 전달되고, 이 열은 샤프트(120)로 전달된다.

이때, 상기 철심(112)에 삽입되는 제1 열전도체(114)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)의 면적, 형상, 두께, 삽입 개수는 최적 설계를 통해 자유롭게 결정될 수 있다.

또한 상기 제1 열전도체(114)와 샤프트(120) 사이의 열 교환이 빠르게 일어날 수 있도록 하기 위해 상기 샤프트(120)의 외주면에는 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 이루어지는 제2 열전도체(122)가 구비된다.

이때, 상기 제2 열전도체(122)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)는 제1 열전도체(114)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)와 동일한 재질로 이루어져 샤프트(120)의 표면을 따라 연장되어 부착되며, 이러한 그라파이트시트(Graphite Sheet)를 추가함으로써 상기 철심(112)에서 발생한 열이 제1 및 제2 열전도체(114,122)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)를 통해 빠르게 상기 샤프트(120)로 전달된다.

이때, 상기 샤프트(120)에 연장되어 부착되는 제2 열전도체(122)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)는 샤프트(120)의 면적, 형태에 따라 최적 설계를 통해 자유롭게 결정될 수 있다.

이상의 본 발명에 따른 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조로 인한 열 흐름은 도 3에 도시된 바와 같다.

이에 의하면 철심(112) 적층 사이에 제1 열전도체(114)로 그라파이트시트(Graphite Sheet)가 배치됨에 따라 철심(112)에서 발생한 열은 접촉면을 통해 제1 열전도체(114)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 빠르게 전달된다.

그리고 상기 제1 열전도체(114)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)와 제2 열전도체(122)인 그라파이트시트(Graphite Sheet)가 연속적으로 연결됨에 따라 제1 열전도체(114)의 열은 다시 제2 열전도체(122)로 빠르게 전달된다.

이후 제2 열전도체(122)의 열은 샤프트(120)로 전달되며, 상기 샤프트(120)에 전달된 열은 샤프트(120)를 따라 하우징(140)으로 전달되거나 외부로 전달된 후 강제통풍 등의 방법으로 냉각된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형 가능한 것으로, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 전폐형 영구자석 동기전동기 110: 회전자
112: 철심 114: 제1 열전도체
120: 샤프트 122: 제2 열전도체
130: 고정자 140: 하우징

Claims (5)

1. 샤프트에 고정되어 상기 샤프트 회전시 함께 회전하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 구조에 있어서,
   상기 회전자는 철심 적층 사이에 철심에 비해 열전도율이 높은 제1 열전도체를 포함하여 적층되며,
   상기 제1 열전도체와 샤프트 사이의 열 교환을 위해 상기 샤프트의 외주면에는 상기 제1 열전도체와 동일한 재질로 이루어지는 제2 열전도체가 구비되며,
   상기 하우징 내부에는 회전자와 고정자가 구비되며, 상기 회전자와 고정자는 와전류 손실 감소를 위하여 1mm 이하 두께의 철심을 적층한 것을 특징으로 하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조.
   
2. 제 1항에 있어서,
   제1 열전도체는 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조.
   
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 열전도체는 그라파이트시트(Graphite Sheet)로 이루어진 것을 특징으로 하는 전폐형 영구자석 동기전동기의 회전자 냉각 구조.
   

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