KR102182354B1 - 회전 전기 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와전류 손실을 감소하면서 제조 원가를 절감할 수 있는 회전 전기 장치를 제공한다.
본 발명의 일 측면에 따른 톱니와 슬롯을 포함하는 코어와 상기 코어에 결합된 코일을 포함하는 고정자, 복수의 영구자석을 포함하는 회전자, 및 상기 고정자의 길이방향 양단에 결합된 엔드 커버를 포함하고, 상기 코어는 상기 코어의 길이방향 양쪽 단부에 위치하는 2개의 외측 영역과 상기 외측 영역 사이에 위치하는 내측 영역을 포함하고, 상기 외측 영역에는 외측 플레이트가 적층되고, 상기 내측 영역에는 내측 플레이트가 적층되되, 상기 외측 플레이트는 상기 내측 플레이트에 비하여 더 작은 와전류 손실을 갖는다.

Description

회전 전기 기계{ROTATION ELECTRICAL MACHINE}

본 발명은 와전류 손실이 감소되는 회전 전기 기계에 관한 것이다.

발전기는 회전하는 영구자석과 고정된 전자석을 이용하여 전력을 생산하는 장치로서 일반적으로는 원통 모양의 회전자의 바깥쪽 둘레에 고정자가 배열되는 레이디얼 갭 타입으로 이루어진다.

이러한 레이디얼 갭 타입의 발전기는 복수의 영구자석으로 이루어진 회전자가 중심축에 삽입 설치되고, 고리 형상의 영구자석으로 이루어진 고정자가 회전자에서 이격되어 회전자와 마주하도록 배치된다. 고정자는 돌기를 갖는 코어에 코일이 감겨진 구조로 이루어지며 코어를 이용함으로써 회전자의 자극으로부터 발생하는 자속을 코일로 통과시킬 수 있어서 발전기는 큰 전압을 생성할 수 있다.

그러나 코어의 이용은 코깅 토크(cogging torque)나 와전류로 인한 철손을 발생키는 문제가 있다. 종래에는 특히 발전기의 엔드 부분에는 큰 자속이 분포하므로 와전류 손실이 크고 이러한 와전류 손실은 발전기의 성능을 저하시킨다.

한편, 동기조상기(synchronous phase modifier)는 동기전동기를 무부하 운전하고, 그 계자전류를 조정하여 역률이 영에 가까운 전기자 전류의 크기를 변화시키고 이를 이용하여 진상 도는 지상의 무효전력을 조정하여 역률을 조절하는 장치이다. 이러한 동기조상기도 영구자석으로 이루어진 회전자와 전자석으로 이루어진 고정자를 구비하는데, 고정자 철심의 엔드 부분에서 발생하는 와전류는 동기조상기의 성능을 저하시킨다.

상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 와전류 손실을 감소하면서 제조 원가를 절감할 수 있는 회전 전기 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따른 회전 전기 기계는 톱니와 슬롯을 포함하는 코어와 상기 코어에 결합된 코일을 포함하는 고정자, 복수의 영구자석을 포함하는 회전자, 및 상기 고정자의 길이방향 양단에 결합된 엔드 커버를 포함하고, 상기 코어는 상기 코어의 길이방향 양쪽 단부에 위치하는 2개의 외측 영역과 상기 외측 영역 사이에 위치하는 내측 영역을 포함하고, 상기 외측 영역에는 외측 플레이트가 적층되고, 상기 내측 영역에는 내측 플레이트가 적층되되, 상기 외측 플레이트는 상기 내측 플레이트에 비하여 더 작은 와전류 손실을 갖는다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 외측 플레이트는 상기 내측 플레이트에 비하여 더 큰 비저항을 가질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 외측 플레이트는 방향성 전기강판으로 이루어지고, 상기 내측 플레이트는 무방향성 전기강판으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 외측 플레이트의 실리콘 함량은 상기 내측 플레이트의 실리콘 함량보다 더 크게 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 외측 플레이트는 2.5중량%~3.5중량%의 실리콘을 포함하고, 상기 내측 플레이트는 2.0중량%~3.0중량%의 실리콘을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 외측 플레이트에는 방열 접착층이 코팅될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 방열 접착층은 그래핀과 열전도성 접착제로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 외측 영역에는 방향성 전기강판과 무방향성 전기장판이 교대로 배치될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 외측 플레이트는 방향성 전기강판에 구리판이 접착된 클래드 강판으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 구리판은 상기 방향성 전기강판보다 더 작은 두께를 갖도록 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 회전 전기 기계는 발전기로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 상기 회전 전기 기계는 동기조상기로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 회전 전기 기계는 외측 영역에 위치하는 플레이트가 더 작은 와전류 손실을 갖도록 형성되므로 외측 영역에서 와전류에 의하여 고정자 코어가 손상되는 것을 방지하면서 제조 원가를 절감할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전 전기 기계를 잘라 본 절개 사시도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전 전기 기계를 반경방향으로 잘라 본 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 코어와 엔드 커버를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 외측 플레이트를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 외측 플레이트를 도시한 단면도이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전 전기 기계를 잘라 본 절개 사시도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 회전 전기 기계를 반경방향으로 잘라 본 부분 단면도이며, 도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 코어와 엔드 커버를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.

이하에서는 도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 회전 전기 기계(100)에 대해서 설명한다. 본 제1 실시예에 따른 회전 전기 기계(100)는 고정자(120), 회전자(130), 엔드 커버(150), 중심축(140), 타이 로드(160)를 포함한다. 회전 전기 기계(100)는 발전기로 이루어질 수 있으며, 동기조상기로 이루어질 수도 있다.

회전자(130)는 복수의 장착 홈(134)을 갖는 바디부(131)와 바디부(131)에 삽입된 영구자석들(132)을 포함할 수 있다. 바디부(131)는 원통 형상으로 이루질 수 있으며, 연자성체로 이루어질 수 있다. 바디부(131)에는 둘레 방향으로 이격 형성된 복수의 장착 홈(134)이 형성되며, 장착 홈(134)에 영구자석들(132)이 삽입 설치될 수 있다.

중심축(140)은 고정자(120)를 관통하도록 설치된 막대로 이루어지며, 회전 전기 기계의 길이방향으로 이어져 형성된다. 회전 전기 기계(100)가 발전기인 경우, 중심축(140)은 회전력을 발생시키는 터빈과 연결될 수 있다. 여기서 터빈은 풍력 터빈, 가스 터빈 등 다양한 종류의 터빈으로 이루어질 수 있다. 또한, 회전 전기 기계(100)가 동기조상기인 경우, 코일에 전류가 인가되고, 중심축(140)은 부하와 연결되지 않고 무부하 회전하게 된다.

고정자(120)는 톱니(124)와 슬롯(125)을 포함하는 코어(121)와 코어(121)에 결합된 코일(123)을 포함한다. 코어(121)는 적층된 플레이트들로 이루어지며, 회전자(130)를 감싸는 고리 형상으로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 코어(121)는 원기둥 형상으로 이루어지고, 회전자(130)가 고리 형상으로 이루어질 수도 있다. 코일(123)은 톱니(124)를 감싸도록 설치되며 슬롯(125)에 삽입될 수 있다.

코어(121)는 길이방향 양쪽 단부에 위치하는 2개의 외측 영역(OS)과 외측 영역(OS) 사이에 위치하는 내측 영역(IS)을 포함한다. 외측 영역(OS)은 엔드 커버(150)와 인접하게 배치되며 내측 영역(IS)은 코어(121)의 중심에 배치된다. 외측 영역(OS)은 고정자(120) 길이의 1/8~1/4로 이루어질 수 있다. 외측 영역(OS)에는 외측 플레이트(171)가 적층되고, 내측 영역(IS)에는 내측 플레이트(172)가 적층될 수 있다.

엔드 커버(150)는 적층된 코어(121)의 길이방향 양쪽 단부에 각각 설치되어 코어(121)를 지지하며, 원형의 고리 형태로 이루어질 수 있다. 엔드 커버들(150)에는 복수의 타이 로드(160)들이 설치되어 엔드 커버들(150)을 고정하며 이에 따라 코어(121)는 적층된 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

회전 전기 기계(100)가 발전기인 경우, 고정자(120)와 이격된 회전자(130)가 회전하면 코일(123)에 유도 기전력이 유도되고 이에 따라 전력을 생산할 수 있다.

내측 플레이트(172)와 외측 플레이트(171)는 고리 형상으로 이루어지거나 부채꼴 형상으로 이루어질 수 있다. 내측 플레이트(172)와 외측 플레이트(171)가 부채꼴 형상으로 이루어지는 경우, 복수의 내측 플레이트(172)와 외측 플레이트(171)가 원주방향으로 배열되어 고리 형상을 이룰 수 있다.

또한, 내측 플레이트(172)와 외측 플레이트(171)는 서로 다른 소재로 이루어지는데, 외측 플레이트(171)는 내측 플레이트(172)보다 와전류 손실이 더 작은 소재로 이루어질 수 있다.

이를 위해서 내측 플레이트(172)는 무방향성 전기강판으로 이루어지고, 외측 플레이트(171)는 방향성 전기강판으로 이루어질 수 있다. 방향성 전기강판의 압력방향이 자기력선 방향과 일치하면 와전류가 감소될 수 있는데, 방향성 전기강판의 압력방향은 코어의 원주방향이 될 수 있다. 무방향성 전기강판은 방향성 전기강판에 비하여 와전류 손실이 크지만 가격이 낮은 장점이 있다. 그러나 코어(121) 전체에 무방향성 전기강판을 적용하면 자기력이 크게 작용하는 외측 영역(OS)에서 와전류 손실이 크고 와전류에 의하여 코어가 손상되는 문제가 발생할 수 있다.

그러나 외측 영역(OS)에만 방향성 전기강판을 설치하면 코어 제작 비용을 크게 증가시키지 않으면서도 와전류 손실에 의한 코어의 손상을 방지할 수 있다.

또한, 외측 플레이트(171)는 내측 플레이트(172)에 비하여 더 큰 비저항을 갖도록 이루어질 수 있는데 비저항이 크면 와전류에 의한 손실이 감소할 수 있다. 외측 플레이트(171)의 실리콘 함량은 내측 플레이트의 실리콘 함량보다 더 크며, 이에 따라 외측 플레이트(171)는 내측 플레이트(172)보다 더 작은 와전류 손실을 갖는다.

외측 플레이트(171)의 실리콘 함량은 내측 플레이트(172)의 실리콘 함량의 1.1배 내지 1.5배로 이루어질 수 있다. 또한, 외측 플레이트(171)는 2.5중량%~4.0중량%의 실리콘을 포함하고, 내측 플레이트(172)는 2.0중량%~3.0중량%의 실리콘을 포함할 수 있다.

한편, 본 실시예의 내측 플레이트(172)는 무방향성 전기강판으로 이루어지고, 외측 플레이트(171)는 방향성 전기강판과 무방향 전기강판을 포함할 수 있다. 또한, 외측 영역(OS)은 방향성 전기강판과 무방향성 전기강판이 교대로 배열된 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 외측 플레이트(171)를 이루는 무방향성 전기강판의 실리콘 함량은 내측 플레이트(172)를 이루는 무방향성 전기강판의 실리콘 함량보다 더 크도록 이루어질 수 있다.

외측 영역(OS)에서 방향성 전기강판과 무방향성 전기강판이 교대로 배열된 경우, 무방향성 전기강판에서는 어느 정도 열이 발생하지만 방향성 전기강판에서는 작은 열이 발생하므로 열의 확산과 방열에 의하여 코어가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

상기한 바와 같이 본 제1 실시예에 따르면 큰 자기력이 작용하여 와전류에 의하여 손상되기 쉬운 외측 영역(OS)을 내측 영역(IS)과 상이한 소재로 형성하여 와전류에 의한 전력 손실을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 코어(121)의 손상을 방지하면서도 제작비용을 절감할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회전 전기 기계에 대해서 설명한다. 도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 외측 플레이트를 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 제2 실시예에 따른 회전 전기 기계는 외측 플레이트(270)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 회전 전기 기계와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

외측 플레이트(270)는 방향성 전기강판(271)과 방향성 전기강판(271)에 코팅된 방열 접착층(272)을 포함한다. 방열 접착층(272)은 외측 플레이트(270)의 양면에 형성되며, 그래핀과 열전도성 접착제를 포함할 수 있다. 여기서 열전도성 접착제는 엔지니어링 플라스틱, 폴리아미드, 등 열전도성이 우수한 폴리머로 이루어질 수 있다. 그래핀은 열전도율이 금속에 비하여 우수하여 폴리머 소재에 그래핀이 첨가되면 방열 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 그래핀은 전자파를 차폐하는 성질을 갖는 바, 외측 플레이트(270)의 표면에 그래핀이 적절한 농도로 코팅되면 표면의 와전류는 감소시키면서 유도 기전력의 감소는 최소화할 수 있다.

일반적으로 고정자 플레이트는 박판으로 형성되고 적층된 박판들이 에폭시 수지로 접착된다. 그러나 이 경우에는 에폭수 수지의 열전도성이 낮아서 외측 플레이트(270)에서 열이 신속하게 방출되지 못하는 문제가 있다. 본 제2 실시예와 같이 외측 플레이트(270)가 그래핀을 포함하는 방열 접착층에 의하여 접착되면 열이 신속하게 방출되고, 와전류가 감소되어 외측 플레이트(270)가 손상되는 것을 방지할 수 있다.

이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 회전 전기 기계에 대해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 외측 플레이트를 도시한 단면도이다.

도 5를 참조하여 설명하면, 본 제3 실시예에 따른 회전 전기 기계는 외측 플레이트(370)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 회전 전기 기계와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.

외측 플레이트(370)는 크레드 강판으로 이루어지며, 방향성 전기강판(371)과 구리판(372)을 포함한다. 외측 플레이트(370)는 방향성 전기강판(371)과 구리판(372)이 열간압엽으로 접착된 구조로 이루어질 수 있다.

본 제3 실시예와 같이 외측 플레이트(370)가 방향성 전기강판(371)과 구리판(372)이 접합된 클래드 강판으로 이루어지면 구리판(372)이 자속을 감소시켜서 와전류에 의하여 외측 플레이트(370)가 손상되는 것을 방지할 수 있다. 다만 유도 기전력의 감소를 최소화하기 위해서 구리판(372)의 두께는 방향성 전기강판(371)의 두께보다 더 작게 형성될 수 있으며, 구리판(372)의 두께는 방향성 전기강판(371)의 두께의 1/5~1/2로 이루어질 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100: 회전 전기 기계
120: 고정자
121: 코어
124: 톱니
125: 슬롯
130: 회전자
131: 바디부
132: 영구자석들
134: 장착 홈
150: 엔드 커버
140: 중심축
160: 타이 로드
171, 270, 370: 외측 플레이트
172: 내측 플레이트

Claims (12)

1. 톱니와 슬롯을 포함하는 코어와 상기 코어에 결합된 코일을 포함하는 고정자;
   복수의 영구자석을 포함하는 회전자; 및
   상기 고정자의 길이방향 양단에 결합된 엔드 커버;
   를 포함하고,
   상기 코어는 상기 코어의 길이방향 양쪽 단부에 위치하는 2개의 외측 영역과 상기 외측 영역 사이에 위치하는 내측 영역을 포함하고,
   상기 외측 영역에는 외측 플레이트만 적층되고, 상기 내측 영역에는 내측 플레이트만 적층되되, 상기 외측 플레이트는 상기 내측 플레이트에 비하여 더 작은 와전류 손실을 가지며,
   상기 내측 플레이트는 무방향성 전기강판으로만 이루어고, 상기 외측 플레이트는 방향성 전기강판과 무방향 전기강판을 포함하며, 상기 외측 영역에서 상기 방향성 전기강판과 상기 무방향성 전기강판이 교대로 배열된 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 외측 플레이트는 상기 내측 플레이트에 비하여 더 큰 비저항을 갖는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
3. 삭제
4. 톱니와 슬롯을 포함하는 코어와 상기 코어에 결합된 코일을 포함하는 고정자;
   복수의 영구자석을 포함하는 회전자; 및
   상기 고정자의 길이방향 양단에 결합된 엔드 커버;
   를 포함하고,
   상기 코어는 상기 코어의 길이방향 양쪽 단부에 위치하는 2개의 외측 영역과 상기 외측 영역 사이에 위치하는 내측 영역을 포함하고,
   상기 외측 영역에는 외측 플레이트만 적층되고, 상기 내측 영역에는 내측 플레이트만 적층되되, 상기 외측 플레이트는 상기 내측 플레이트에 비하여 더 작은 와전류 손실을 가지며,
   상기 외측 플레이트를 이루는 무방향성 전기강판의 실리콘 함량은 상기 내측 플레이트를 이루는 무방향성 전기강판의 실리콘 함량보다 더 큰 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
5. 제4 항에 있어서,
   상기 외측 플레이트는 2.5중량%~3.5중량%의 실리콘을 포함하고, 상기 내측 플레이트는 2.0중량%~3.0중량%의 실리콘을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 외측 플레이트에는 방열 접착층이 코팅된 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 방열 접착층은 그래핀과 열전도성 접착제로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
8. 삭제
9. 톱니와 슬롯을 포함하는 코어와 상기 코어에 결합된 코일을 포함하는 고정자;
   복수의 영구자석을 포함하는 회전자; 및
   상기 고정자의 길이방향 양단에 결합된 엔드 커버;
   를 포함하고,
   상기 코어는 상기 코어의 길이방향 양쪽 단부에 위치하는 2개의 외측 영역과 상기 외측 영역 사이에 위치하는 내측 영역을 포함하고,
   상기 외측 영역에는 외측 플레이트만 적층되고, 상기 내측 영역에는 내측 플레이트만 적층되되, 상기 외측 플레이트는 상기 내측 플레이트에 비하여 더 작은 와전류 손실을 가지며,
   상기 내측 플레이트는 무방향성 전기강판으로 이루어고,
   상기 외측 플레이트는 방향성 전기강판에 구리판이 접착된 클래드 강판으로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 구리판은 상기 방향성 전기강판보다 더 작은 두께를 갖는 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
11. 제1 항, 제2 항, 제4 항 내지 제7 항, 제9 항, 및 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 전기 기계는 발전기로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.
12. 제1 항, 제2 항, 제4 항 내지 제7 항, 제9 항, 및 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전 전기 기계는 동기조상기로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 전기 기계.

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