KR102276724B1 - 자기부상 회전체 및 이의 권선 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기부상 회전체 및 이의 권선 방법을 개시한다. 본 발명에 따르면, 외주연에 복수의 보빈이 형성되는 고정자, 상기 복수의 보빈에 권선되는 코일,
상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석 및 상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하되, 상기 코일은 서로 인접하는 n 내지 n+m번째 보빈(n, m은 1이상의 자연수)의 1층에 권선되는 제1 코일 및 서로 인접하는 n+k 내지 n+k+m번째 보빈(k는 1≤k≤m)의 2층에 권선되는 제2 코일을 포함하는 자기부상 회전체가 제공된다.

Description

자기부상 회전체 및 이의 권선 방법{Magnetic levitation rotator and winding method thereof}

본 발명은 자기부상 회전체 및 이의 권선 방법에 관한 것이다.

축방향 모터(axial motor)는 자기장을 형성하는 고정자 및 고정자에 대하여 회전 가능하게 이루어지는 회전자를 포함한다. 고정자는 원주방향을 따라 일정 간격으로 배치되는 동시에 축방향으로 일정 높이로 돌출되는 다수의 코어를 포함하며, 코어는 고정자 바디에 형성된 홈에 축 방향으로 결합된다. 회전자는 원주방향을 따라 일정간격으로 배열된 영구자석을 포함하며, 고정자와 일정한 공극(gap)을 형성하면서 회전하도록 이루어진다. 축방향 모터는 권선에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 코어와 회전자의 영구자석 사이에 반발력 또는 흡인력을 생성하여 회전 토크를 발생시키게 된다.

기존 축방향 모터 중 샤프트와 베어링을 구비하는 구조의 경우 기계손실이 발생하는 문제가 있다.

이를 위해, 자기부상 회전체를 통해 기계손실을 제거하는 구조가 제안되고 있다.

샤프트와 베어링을 구비하지 않은 축방향 모터의 자기부상 회전체의 경우 영구자석을 포함한다.

도 1은 종래기술에 따른 자기부상 회전체의 집중권 코일 구조를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1의 코일 구조를 이용한 자기부상 회전체를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 2과 같은 코일 구조의 경우, 코일엔드턴으로 인해 부피가 커진다. 모터의 부피가 커질수록 공간을 많이 차지하게 되고 엔드코일의 길이가 길어져 경제적이지 못한 문제점이 있다.

도 1 내지 도 2와 같이 2층권으로 코일을 권선할 경우, 코일의 한 변은 1층에 감기고, 다른 한변은 2층에 사선 방향으로 감긴다. 이에 따라, z축 방향으로 가해지던 자속의 방향이 xy 평면에 수직하게 나오지 못하고 기울게 된다. 또한, 제작 공정의 마지막에 코일을 눌러주는 과정에서 코일의 상단면이 편평하게 눌리지 못해 기자력이 불균일하게 분포될 수 있다.

이로 인해, 불평형한 자기 부상력을 받던 회전자가 경로를 이탈할 경우 큰 사고로 이어질 가능성이 있다.

한국등록특허공보 10-1255138

상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 제작성을 향상시킬 수 있고 안정적으로 회전할 수 있는 자기부상 회전체 및 이의 권선 방법을 제안하고자 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 외주연에 복수의 보빈이 형성되는 고정자; 상기 복수의 보빈에 권선되는 코일; 상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석; 및 상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하되, 상기 코일은 서로 인접하는 n 내지 n+m번째 보빈(n, m은 1이상의 자연수)의 1층에 권선되는 제1 코일 및 서로 인접하는 n+k 내지 n+k+m번째 보빈(k는 1≤k≤m)의 2층에 권선되는 제2 코일을 포함하는 자기부상 회전체가 제공된다.

상기 복수의 보빈에 3상 코일을 2층권으로 권선하는 경우, 상기 코일은 서로 인접하는 n 번째 및 n+1번째 보빈의 1층에 권선되는 a상 코일, 서로 인접하는 n+1 번째 및 n+2 번째 보빈의 2층에 권선되는 b상 코일 및 서로 인접하는 n+2 및 n+3 번째 보빈의 1층에 권선되는 c상 코일을 포함할 수 있다.

상기 a상 코일은 서로 인접하는 n+3p 및 n+3p+1 번째(p는 1 이상의 자연수) 보빈의 2층 및 n+6p 및 n+6p+1 번째 보빈의 1층에 권선될 수 있다.

상기 코일은 셀프 본딩 코일일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 외주연에 복수의 보빈이 형성되는 고정자에 권선된 코일과 회전자에 부착되는 영구자석 간의 반발력을 통해 회전자를 부상 및 회전시키는 자기부상 회전체의 권선 방법으로서, (a)서로 인접하는 n 내지 n+m번째 보빈(n, m은 1이상의 자연수)의 1층에 제1 코일을 권선하는 단계; 및 (b)서로 인접하는 n+k 내지 n+k+m번째 보빈(k는 1≤k≤m)의 2층에 제2 코일을 권선하는 단계를 포함하는 자기부상 회전체의 권선 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면, 엔드턴의 부피를 줄임에 따라 모터 전체 부피를 축소시키는 효과가 있다.

엔드코일의 길이가 짧아짐에 따라 동 사용량 또한 줄일 수 있어 모터의 비용을 크게 절감할 수 있다.

또한, 엔드코일의 표면이 고르고 편평하게 되기 때문에 안정적인 출력 토크를 낼 수 있어 높은 안정성을 요구하는 분야에서 효과적으로 사용될 수 있으며, 이에 따른 코깅 토크의 저감효과도 기대할 수 있다.

나아가, 본 발명에 따르면, 회전자가 회전을 하며 공기저항 이외의 어떠한 마찰도 존재하지 않기 때문에 초저소음 및 저진동 기기를 구현할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 자기부상 회전체의 코일 구조를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 코일 구조를 이용한 자기부상 회전체를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 회전체의 구성을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고정자의 보빈에 권선되는 코일 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 권선법을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 자기부상 회전체의 구성을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 자기부상 회전체는 고정자(300), 코일(302), 영구자석(304) 및 회전자(306)를 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 자기부상 회전체는 고정자(300)와 회전자(306)가 코일(302)과 영구자석(304) 간의 자기적 반발력을 통해 부상 공극(gap)을 형성하며, 코일(302)에 전류를 인가함에 따라 발생되는 자계에 의해 회전자(306)를 부상 및 회전시킨다.

고정자(300) 및 회전자(306)는 자성체(예를 들어, 규소강판, 철 등) 및 비자성체(스테인리스 스틸, 플라스틱, 에폭시 등)가 모두 사용될 수 있다.

본 실시예에 따른 자기부상 회전체는 샤프트 및 베어링을 구비하지 않으며 회전자(306)의 이탈 방지를 위한 가이드부(미도시)를 포함할 수 있다.

자기부상 회전체는 샤프트와 베어링을 포함하지 않기 때문에 회전자(306)의 회전에 따른 기계손실이 발생하지 않으며, 회전자(306)의 틸팅 각도도 조절할 수 있다.

회전자(306)에 부착되는 영구자석(304)은 고출력 밀도를 얻기 위해 Halbach 배열로 이루어질 수 있다.

고정자(300)에 부착된 코일(302)에 전류를 인가되어 회전자계가 생성되면, 회전자(306)와 영구자석(304)을 포함하는 회전체가 코일(302)과의 반발력으로 인해 자기 부상하고 회전한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 고정자(300)에 권선되는 코일 구조를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 고정자(300)의 외주연에는 복수의 보빈(400)이 이격 배치되며, 보빈(400)에 코일(302)이 권선된다.

종래에는 도 1 내지 도 2와 같이, 2층권으로 코일 권선에서, 코일의 한 변은 1층에 감기고, 다른 한변은 2층에 사선 방향으로 감기기 때문에 z축 방향으로 가해지던 자속의 방향이 xy 평면에 수직하게 나오지 못하고 기울게 된다. 또한, 제작 공정의 마지막에 코일을 눌러주는 과정에서 코일의 상단면이 편평하게 눌리지 못해 기자력이 불균일하게 분포될 수 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 실시예에 따른 코일(302)은 서로 인접하는 n 내지 n+m번째 보빈(n, m은 1이상의 자연수)의 1층에 권선되는 제1 코일 및 서로 인접하는 n+k 내지 n+k+m번째 보빈(k는 1≤k≤m)의 2층에 권선되는 제2 코일을 포함할 수 있다.

본 실시예에 따른 코일(302)은 n층권에서 복수의 보빈의 사선 방향이 아닌 하나의 층의 횡 방향으로만 권선되며, 이에 따라 영구자석(304)과 마주보는 코일 상단면이 편평한 구조를 가지게 된다.

도 4와 같이 2층권인 경우 코일 피치는 최대 2이다. 만일 3층권인 경우 코일 피치는 최대 3일 수 있다.

코일 상단면이 편평하면 기자력의 방향이 코일 상단면과 수직하여 나오기 때문에 더욱 정밀한 제어가 가능하다.

도 5는 본 실시예에 따른 권선법을 상세하게 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 실시예에 따른 복수의 보빈에 2층권으로 코일(302)이 횡 방향으로 권선되는 것을 상세하게 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 제1 및 제2 보빈(400-1,400-2)의 1층에 3상 중 a상(제1 상)에 상응하는 코일(302-1)이 권선되고, 제2 보빈 및 제3 보빈(400-2,400-3)의 2층에 b상(제2 상)에 상응하는 코일(302-2)이 권선된다. 다음으로 제3 보빈 및 제4 보빈(400-3,400-4)이 1층에 c상(제3 상)에 상응하는 코일(302-3)이 권선된다.

종래에는 2층권의 경우, 서로 인접한 보빈의 1층과 2층에 각각 하나의 상에 상응하는 코일이 권선되기 때문에 코일엔드턴으로 인해 부피가 커지는 문제점이 있었으나, 본 발명은 서로 인접한 보빈의 동일한 층에 하나의 상에 상응하는 코일을 권선하기 때문에 코일 상단면을 편평하게 유지할 수 있고, 부피도 줄일 수 있다.

본 실시예에 따르면, 하나의 보빈의 1층과 2층에는 동일한 상이 아닌 서로 다른 상에 상응하는 코일이 권선된다.

예를 들어, 제2 보빈(400-2)의 1층에는 a상 코일(302-1), 2층에는 b상 코일(302-2), 제3 보빈(400-3)의 1층에는 c상 코일(302-3), 2층에는 b상 코일(302-2)이 권선된다.

또한, 서로 인접한 보빈의 1층 및 2층에는 a, b, c 상에 상응하는 코일이 적어도 하나 이상 포함되며, 이에 따라 3상 코일을 모두 포함할 수 있다.

보다 상세하게, n 및 n+1 번째 보빈의 1층에 a상에 상응하는 코일(302-1)이 권선되는 경우, a상 코일(302-1)의 다음 1층 권선 보빈은 n+6 및 n+7 번째 보빈이며, n+4 및 n+5 번째 보빈의 2층에 a상 코일(302-1)이 권선된다.

즉, a상 코일은 서로 인접하는 n+3p 및 n+3p+1 번째(p는 1 이상의 자연수) 보빈의 2층 및 n+6p 및 n+6p+1 번째 보빈의 1층에 권선된다.

하나의 상에 대해 1층에 권선되는 보빈과 다음 1층에 권선되는 보빈의 간격은 6이며, 1층에 권선되는 보빈과 다음 2층에 권선되는 보빈의 간격은 3이다.

이는 b상 및 c상 코일에 대해서도 마찬가지로 적용된다.

본 실시예와 같은 권선법을 이용하는 경우, 셀프 본딩 코일(self-bonded coil)을 사용할 수 있다.

셀프 본딩 코일은 전류를 흘려주면 발열로 인해 표면에 부착되어 있던 접착제가 녹아 서로 붙게 되는 코일로 별도의 후가공이 필요하지 않다.

도 4 내지 도 5와 같이 권선한 상태에서 셀프 본딩 코일을 사용하는 경우, 코일엔드단을 묶어주기 위한 과정이 생략될 수 있기 때문에 제작성이 한층 향상된다.

또한, 셀프 본딩 코일을 이용하는 경우, 집중권으로만 감을 수 있었던 코일을 분포권으로도 감을 수 있기 때문에, 자속이 치에 집중되어 있는 치 집중권보다 슬롯에 코일을 나눠 감는 분포권이 토크리플에 안정적이고 정현적인 토크를 출력할 수 있다.

상기한 본 발명의 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (5)

1. 외주연에 복수의 보빈이 형성되는 고정자;
   상기 복수의 보빈에 권선되는 코일;
   상기 코일과의 반발력을 통해 부상 공극을 형성하는 영구자석; 및
   상기 영구자석에 부착되는 회전자를 포함하되,
   상기 코일은 서로 인접하는 n 내지 n+m번째 보빈(n, m은 1이상의 자연수)의 1층에 권선되는 제1 코일 및 서로 인접하는 n+k 내지 n+k+m번째 보빈(k는 1≤k≤m)의 2층에 권선되는 제2 코일을 포함하되,
   상기 복수의 보빈에 3상 코일을 2층권으로 권선하는 경우, 상기 코일은 서로 인접하는 n 번째 및 n+1번째 보빈의 1층에 권선되는 a상 코일, 서로 인접하는 n+1 번째 및 n+2 번째 보빈의 2층에 권선되는 b상 코일 및 서로 인접하는 n+2 및 n+3 번째 보빈의 1층에 권선되는 c상 코일을 포함하며,
   상기 a상 코일은 서로 인접하는 n+3p 및 n+3p+1 번째(p는 1 이상의 자연수) 보빈의 2층 및 n+6p 및 n+6p+1 번째 보빈의 1층에 권선되는 자기부상 회전체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 코일은 셀프 본딩 코일인 자기부상 회전체.
5. 외주연에 복수의 보빈이 형성되는 고정자에 권선된 코일과 회전자에 부착되는 영구자석 간의 반발력을 통해 회전자를 부상 및 회전시키는 자기부상 회전체의 권선 방법으로서,
   (a)서로 인접하는 n 내지 n+m번째 보빈(n, m은 1이상의 자연수)의 1층에 제1 코일을 권선하는 단계; 및
   (b)서로 인접하는 n+k 내지 n+k+m번째 보빈(k는 1≤k≤m)의 2층에 제2 코일을 권선하는 단계를 포함하되,
   상기 복수의 보빈에 3상 코일을 2층권으로 권선하는 경우, 상기 코일은 서로 인접하는 n 번째 및 n+1번째 보빈의 1층에 권선되는 a상 코일, 서로 인접하는 n+1 번째 및 n+2 번째 보빈의 2층에 권선되는 b상 코일 및 서로 인접하는 n+2 및 n+3 번째 보빈의 1층에 권선되는 c상 코일을 포함하며,
   상기 a상 코일은 서로 인접하는 n+3p 및 n+3p+1 번째(p는 1 이상의 자연수) 보빈의 2층 및 n+6p 및 n+6p+1 번째 보빈의 1층에 권선되는 자기부상 회전체의 권선 방법.
   
   
   
   

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