KR102547357B1 - 냉각 구조가 개선된 전기기계 - Google Patents

Abstract

냉각 구조가 개선된 전기기계가 개시된다. 본 발명에 따른 전기기계는, 전면커버와 바디 및 후면커버가 결합되어 내부에 수용공간을 형성하는 하우징; 하우징의 축심 위치에 회전 가능하게 설치되는 회전축; 회전축에 결합되는 회전자허브; 디스크 형태의 표면 상에 원주방향으로 다수의 영구자석이 배열되며 회전자허브와 결합되어 회전축과 함께 회전되는 회전자; 및 원주방향으로 다수의 코일이 배열되며 회전자와 축방향으로 대향되도록 하우징 내부에 고정 설치되는 고정자를 포함하고, 회전자는 축방향을 따른 전후방 사이의 공기 유동을 허용하기 위한 공기홀을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

냉각 구조가 개선된 전기기계 {Electric machine with improved cooling structure}

본 발명은 냉각 구조가 개선된 전기기계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전자와 고정자 사이의 공간에 냉각용 공기의 흐름이 원활하게 유입될 수 있도록 장치를 구성하여 냉각성능 및 발전효율을 현저하게 향상시킨 전기기계의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 발전기(generator)는 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환하는 장치로서 여러 분야에서 이용되고 있다. 발전기는 가스터빈이나 증기터빈 등과 같은 작동유체를 이용하는 구동방식과 계자(field magnet)를 이용한 구동방식으로 구분될 수 있는데, 계자를 이용한 구동방식은 터빈이나 엔진의 기계적인 힘을 이용하여 영구자석이 부착된 회전자(rotor)를 회전시킴으로써 고정자(stator)에 권선된 코일에 전류를 유도하고 이를 통해 전력을 생산한다.

또한, 계자를 이용하는 발전기로는 방사형 자속 영구자석(RFPM: Radial Flux Permanent Magnet) 타입과 축방향 자속 영구자석(AFPM: Axial Flux Permanent Magnet) 타입이 알려져 있다.

RFPM 타입의 발전기는 원통 형태의 회전자가 고정자의 내측(또는 외측)에서 회전되는 구조로서, 회전자의 외주면(또는 내주면)에 둘레방향으로 설치되는 영구자석과 고정자의 내주면(또는 외주면)에 형성되어 있는 철심에 감겨진 코일 간의 전자기유도작용으로 인하여 유도기전력이 발생된다.

RFPM 타입의 발전기에서 회전자의 외주면에 설치되는 영구자석의 자극의 방향은 방사상으로 향하고, 영구자석의 자극으로부터 발생하는 자속이 고정자의 내주면에 설치된 코일을 통과한다.

AFPM 타입의 발전기는 회전자에 설치되는 영구자석과 고정자에 감긴 코일 간의 전자기유도작용으로 인해 유도기전력이 발생되는 원리는 동일하나, 디스크 형태의 회전자가 고정자와 축방향으로 대향되게 설치된다는 점에서 구조적으로 차이가 있다. AFPM 타입의 발전기에서 영구자석은 회전자의 표면 상에 원주방향을 따라 배열되고, 고정자의 내부에 다수의 코일들이 권선되어 있다.

AFPM 타입의 발전기에서 영구자석의 자극의 방향은 회전자를 회전시키는 회전축과 같은 방향으로 형성된다. 이러한 AFPM 타입의 발전기는 회전자가 디스크 형태로 구비됨에 따라 두께가 얇은 납작한 형태로 제작이 가능하고, 자기회로의 경로가 짧아 고효율의 운전이 가능하다는 장점이 있다.

한편, 위 두 가지 타입을 포함하는 통상의 발전기는 하우징 내부에 회전자와 고정자가 수납되는 구조를 가지며, 발전기의 가동이 이루어짐에 따라 회전자와 고정자 등에서 열이 발생한다. 발전기 내부에서 발생하는 열은 발전효율을 낮출 수 있는 요인이 되므로 발전기 내부를 냉각시킬 것을 필요로 한다.

이를 위해, 발전기 내부에 구비되는 팬(fan)을 이용하여 하우징 내부로 냉각용 공기를 유동시킴으로써 열을 식혀주는 방식이 주로 이용되고 있다. 발전기의 몸체를 구성하는 하우징의 전/후면 커버에는 공기가 유입 및 배출될 수 있도록 통공이 형성된다.

이때, 하우징 내부에는 회전자와 고정자를 포함하여 다양한 부품들이 조밀하게 배치되어 있기 때문에, 하우징 내부에 냉각용 공기의 유동 흐름이 적절하게 형성되지 않는다면 열이 효과적으로 방출되기 어렵다.

특히, 위에서 설명된 두 가지 타입 중에서 AFPM 타입의 발전기가 RFPM 타입의 발전기보다 냉각이 용이하지 않을 수 있는데, 이하에서 그 이유에 대하여 설명한다.

먼저, RFPM 타입의 발전기는 원통 형태로 마련되는 회전자와 그 바깥쪽 둘레에 설치되는 고정자 사이의 공간이 회전축의 축방향과 나란한 방향으로 형성되므로, 하우징의 내부에서 축방향을 따른 공기의 흐름이 정체됨 없이 자연스럽게 형성될 수 있다. 즉, 하우징의 일측 커버로부터 유입되는 공기가 회전자와 고정자 사이의 공간을 경유하여 하우징의 타측 커버로 배출되는데 커다란 지장이 발생하지 않는다.

이에 반해, AFPM 타입의 발전기의 경우에는 회전자와 고정자가 회전축의 축방향과 직교하는 방향으로 나란하게 배치되고 이는 곧 회전자와 고정자가 발전기의 내부 통로를 가로막는 형태가 되므로, 하우징 내부에서 원활한 공기의 흐름이 형성되기 어렵고 정체될 우려가 있다.

또한, AFPM 타입의 발전기는 특히 회전자와 고정자 사이의 공간으로 냉각용 공기의 원활한 유입이 어려워 해당 공간에 대한 냉각이 효과적으로 수행될 수 없는 문제점이 있다. 발전기의 내부에서 가장 많은 열을 발생시키는 것이 고정자에 권선된 코일인데, 만약 2개의 회전자 사이에 고정자가 배치되는 구조를 가지는 경우에는 하우징 내부로 유입된 냉각용 공기가 오직 회전자의 외측면만 냉각시킬 수 있을 뿐, 회전자 사이에 배치되는 고정자에 대한 냉각에는 기여를 할 수 없게 된다.

뿐만 아니라, 형태가 납작한 디스크 타입으로 마련되는 AFPM 타입의 발전기는 하우징 내부에 배치되는 구성요소들의 밀도가 높아 더 많은 열이 발생하므로, 발전기 내부에 대한 냉각이 제대로 이루어지지 않는다면 결국 발전효율이 크게 저하되는 문제로 직결될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 특히 회전자와 고정자가 회전축의 축방향과 직교하는 방향으로 나란하게 배치되는 AFPM 타입의 발전기로서, 하우징 내부로 유입된 냉각용 공기가 회전자와 고정자 사이의 공간에도 원활하게 유입될 수 있도록 장치를 구성함으로써, 회전자 뿐만 아니라 고정자의 코일에서 발생하는 열을 효과적으로 식히는 것이 가능하고, 이에 따라 냉각성능 및 발전효율을 현저하게 향상시킬 수 있는 전기기계를 제공함에 목적이 있다.

더불어서, 본 발명은 회전자에 장착되는 영구자석의 이탈을 용이하게 방지할 수 있는 전기기계를 제공하는 것을 또 다른 기술적 과제로 한다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 전면커버와 바디 및 후면커버가 결합되어 내부에 수용공간을 형성하는 하우징; 상기 하우징의 축심 위치에 회전 가능하게 설치되는 회전축; 상기 회전축에 결합되는 회전자허브; 디스크 형태의 표면 상에 원주방향으로 다수의 영구자석이 배열되며 상기 회전자허브와 결합되어 상기 회전축과 함께 회전되는 회전자; 및 원주방향으로 다수의 코일이 배열되며 상기 회전자와 축방향으로 대향되도록 상기 하우징 내부에 고정 설치되는 고정자를 포함하고, 상기 회전자는 축방향을 따른 전후방 사이의 공기 유동을 허용하기 위한 공기홀을 포함하는 것을 특징으로 하는, 냉각 구조가 개선된 전기기계가 제공될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 따른 전기기계는, 상기 하우징 내부에 배치되는 구성들을 냉각시키기 위하여 상기 하우징 내부로 냉각용 공기를 유입시키는 냉각팬을 더 포함할 수 있다.

상기 전면커버 및 상기 후면커버에는 상기 냉각팬의 가동에 의해 상기 하우징 내부로 냉각용 공기를 유입 및 배출시키기 위한 공기유입구 및 공기배출구가 형성될 수 있다.

상기 하우징 내부로 유입된 냉각용 공기는 상기 공기홀을 통해 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 공간으로 유입될 수 있고, 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 공간으로 유입되는 냉각용 공기는 축방향을 따라 유동되는 흐름과 상기 회전자의 방사방향을 따라 유동되는 흐름으로 분기되며, 상기 회전자의 방사방향을 따라 유동되는 냉각용 공기를 배출하기 위하여 상기 바디의 외주면에 둘레방향을 따라 복수개의 공기배출구를 추가로 형성할 수 있다.

상기 회전자허브는, 상기 회전축이 삽입 결합될 수 있도록 축방향으로 관통되는 원통 형태의 허브바디; 및 상기 허브바디의 외주면 둘레에 돌출 형성되며 상기 회전자가 접하여 체결되는 회전자체결부를 포함하며, 상기 회전자체결부는 상기 공기홀과의 간섭을 회피하기 위해 스플라인 형상을 가질 수 있다.

상기 스플라인 형상이란 상기 회전자체결부가 둘레방향을 따라 사인파 형상을 가지는 돌출부가 등간격으로 반복되는 형태로 마련될 수 있다.

상기 공기홀은 상기 회전자체결부의 스플라인 곡선이 형성하는 골 부분에 위치될 수 있다.

상기 회전자는 상기 회전자체결부와의 결합을 위한 체결공을 더 포함할 수 있고, 상기 회전자의 원주방향을 따라 상기 공기홀과 상기 체결홀이 번갈아가며 교대로 형성될 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 하우징 내부로 유입된 냉각용 공기가 구조적으로 적체됨 없이 원활한 유동 흐름을 가지면서 발전기 내부를 냉각시키는 것이 가능하고, 더 나아가 냉각용 공기가 회전자와 고정자 사이의 공간으로도 원활하게 유입되어 고정자에 권선된 코일까지 효과적으로 냉각시킬 수 있게 되므로, 발전기의 냉각성능이 개선됨에 따라 발전기의 효율이 크게 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

본 발명의 효과들은 상술된 효과로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전기기계의 외부 구조를 사시도로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전기기계의 분리사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 전기기계의 내부 구조를 단면도로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 회전자를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 회전축과 회전자허브의 결합상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 회전축과 회전자허브 및 회전자의 결합상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 전기기계 내부에 형성되는 냉각용 공기의 유동 흐름을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 영구자석의 이탈 방지 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 영구자석의 고정 구조를 단면도로 나타낸 도면이다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적 및 효과를 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조해야 한다.

본 명세서에 첨부된 도면에 표현된 사항들은 본 발명의 실시예들을 쉽게 설명하기 위해 도식화된 것으로 실제로 구현되는 형태와는 다소 상이할 수 있다. 도면에 도시된 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장되거나 축소될 수 있고 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용되는 것으로 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 예컨대, 본 명세서에서 어떤 구성요소를 '포함'한다고 하는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결'된다고 하는 것은 직접적인 연결은 물론 간접적인 연결을 포함하는 것이며, 두 구성요소 사이에 다른 구성요소가 존재할 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 의미로 해석될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써 본 발명을 상세히 설명한다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술사상을 당업자가 용이하게 이해할 수 있도록 제공되는 것으로서 이에 의하여 본 발명이 한정되지는 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 전기기계의 외부 구조를 사시도로 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 전기기계의 분리사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 전기기계의 내부 구조를 단면도로 나타낸 도면이다. 여기서 도 2는 설명의 편의를 위해 본 발명의 필수적인 구성요소만을 나타낸 것으로 일부 구성요소는 도시 생략되었음을 참고한다.

도 4는 본 발명에 따른 회전자를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명에 따른 회전축과 회전자허브의 결합상태를 나타낸 도면이며, 도 6은 본 발명에 따른 회전축과 회전자허브 및 회전자의 결합상태를 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명에 따른 전기기계 내부에 형성되는 냉각용 공기의 유동 흐름을 나타낸 도면이다. 그리고 도 8은 본 발명에 따른 영구자석의 이탈 방지 구조를 나타낸 도면이고, 도 9는 본 발명에 따른 영구자석의 고정 구조를 단면도로 나타낸 도면이다.

첨부된 도면들을 참조하면, 본 발명에 따른 전기기계(100)는, 전면커버(111)와 바디(112) 및 후면커버(113)가 결합되어 내부에 수용공간을 형성하는 하우징(110); 하우징(110)의 축심을 관통하여 회전 가능하게 설치되는 회전축(120); 회전축(120)과 결합되는 회전축허브(130); 회전축허브(130)와 결합되어 회전축(120)과 함께 회전되며 복수의 영구자석(142)을 포함하는 한 쌍의 회전자(140); 및 한 쌍의 회전자(140) 사이에 배치되며 복수의 코일(151)을 포함하는 고정자(150)를 포함하여 구성될 수 있으며, 바람직하게는 축방향 자속 영구자석 발전기(Axial Flux Permanent Magnet Generator)일 수 있다.

하우징(110)은 전면커버(111)와 바디(112) 및 후면커버(113)가 볼트 체결을 통해 결합될 수 있으며, 세 구성의 결합에 의해 하우징(110) 내부에 타 구성들이 수납될 수 있는 수용공간이 형성된다. 여기서 '전면'과 '후면'이라는 용어의 사용은 도면에 도시된 내용을 기준으로 하는 것이고 반드시 방향이 정해지는 것은 아니다.

후면커버(113)에는 하우징(110) 내부로 냉각용 공기를 유입시키기 위한 공기유입구(부재번호 미부여)가 형성될 수 있고, 전면커버(111)에는 하우징(110) 내부로 유입된 냉각용 공기의 배출을 위한 복수의 제1 공기배출구(111H)가 형성될 수 있다.

또한, 후술하겠지만, 본 발명은 회전자(140)와 고정자(150) 사이로 유입된 냉각용 공기가 회전자(140)의 방사방향을 따라 배출될 수 있도록 장치를 구성함에 특징이 있으며, 해당 방향으로 배출되는 공기를 하우징(110)의 외부로 방출하기 위하여 바디(112)의 외주면에도 둘레방향을 따라 복수의 제2 공기배출구(112H)가 형성될 수 있다.

회전축(120)은 하우징(110)의 축심 위치에 회전 가능하게 설치된다. 회전축(120)에서 하우징(110) 내부에 수용되는 부위에 후술하는 회전자(140)가 회전자허브(130)를 매개로 결합될 수 있다. 회전축(120)에 결합되는 회전자허브(130) 및 회전자(140)는 회전축(120)과 함께 회전될 수 있다.

또한, 회전축(120)에는 회전자허브(130)와의 결합을 위한 플랜지(flange, 121)가 형성되어 있을 수 있고, 플랜지(121)의 원주방향으로 복수개의 체결공이 형성될 수 있다.

회전축(120)은 하우징(110)의 내부로부터 전면커버(111)의 중심에 형성된 관통홀을 관통하여 적어도 일부가 외부로 돌출될 수 있다. 이는 터빈이나 엔진 등과 같은 동력기관으로부터 외부 동력을 전달받을 수 있도록 하기 위함이다.

즉, 회전축(120)은 외부 기관으로부터 동력을 전달받아 회전자(140)를 회전시키는 구성요소이다. 회전축(120)과 전면커버(111) 및 후면커버(113)의 연결부위에는 회전축(120)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(bearing)이 설치될 수 있다.

회전자허브(130)는 기본적으로 2개의 회전자(140)를 회전축(120)과 결합되도록 하는 매개체로서의 역할을 한다.

회전자허브(130)는, 회전축(120)이 삽입 결합될 수 있도록 축방향으로 관통되는 원통 형태의 허브바디(131)와, 허브바디(131)의 외주면 둘레에 돌출 형성되며 회전자(140)가 체결되는 회전자체결부(132)를 포함하여 구성될 수 있다.

허브바디(131)에서 회전축(120)의 플랜지(121)와 접하는 부위에는 원주방향으로 복수개의 체결공이 형성될 수 있다. 회전축(120)은 플랜지(121)가 허브바디(131)의 전단부와 맞닿을 때까지 허브바디(131)의 내측 관통부로 삽입되며, 이 상태에서 볼트(bolt)나 스크류(screw) 등이 플랜지(121)에 형성되는 체결공과 허브바디(131)에 형성되는 체결공을 통해 기계적으로 체결됨으로써 회전축(120)과 허브바디(131)간의 결합이 이루어질 수 있다.

회전자체결부(132)는 회전자(140)를 볼트나 스크류 등을 이용하여 기계적으로 체결되는 부위를 제공하는 것으로서, 2개의 회전자(140)를 전/후면에 각각 체결시키기 위하여 회전자체결부(132)를 축방향으로 관통하는 복수의 체결공(130H)이 원주방향으로 형성될 수 있다.

또한, 본 발명은 회전자(140)에 공기홀(140A)을 형성하여 회전자의 전/후방 사이의 공기 유동을 허용하고 있는바, 회전자(140)에서 공기홀(140A)이 형성되는 부근에 결합되는 회전자허브(130)가 공기홀(140A)과 간섭되지 않도록 하는 것이 중요하다. 회전자(140) 상에서 공기홀(140A)의 형성 위치는 아래에서 보다 자세히 설명된다.

이를 위해, 본 발명은 회전자체결부(132)를 스플라인(spline) 형상으로 디자인함으로써 회전자허브(130)가 회전자(140)의 공기홀(140A)을 가로막는 것을 회피하는 설계를 구현하고자 한다.

여기서 스플라인 형상이란 둘레방향을 따라 대략 사인파 형상을 가지는 돌출부가 등간격으로 반복되는 형태를 의미할 수 있다. 후술하는 회전자(140)의 공기홀(140A)은 회전자체결부(132)의 스플라인 곡선이 형성하는 골 부분에 위치됨으로써 회전자(140)의 전/후방 사이의 공기 유동 흐름을 허용할 수 있다.

회전자(140)는 회전자허브(130)를 매개로 회전축(120)에 결합되며, 따라서 회전축(120)의 회전에 의해 회전자(140)가 함께 회전될 수 있다. 회전자(140)는 한 쌍으로 마련되어 각각이 회전자체결부(132)의 전/후면에 결합된다.

회전자(140)는, 중심에 허브바디(131)가 삽입되는 관통홀이 형성되고 복수의 영구자석(142)이 장착되는 공간을 제공하기 위해 일정한 규격을 가지는 원판 형태로 구비되는 캐리어(141); 캐리어(141)의 일측 표면 상에 원주방향을 따라 일정한 간격으로 이격 배열되는 다수의 영구자석(142); 서로 이웃하는 영구자석(142) 사이에 배치되어 영구자석(142)을 캐리어(141) 상에 고정시키는 고정핀(143)을 포함하여 구성될 수 있다.

캐리어(141)는 중심에 관통홀이 형성되는 디스크 형태의 부재로 마련될 수 있고, 회전자허브(130)의 허브바디(131)가 캐리어(141)의 관통홀에 삽입되는 형태로 결합이 이루어질 수 있다. 이를 위해, 캐리어(141)의 중심에 형성되는 관통홀의 내경은 허브바디(131)의 외경과 동일한 수준으로 형성될 수 있다.

캐리어(141)에서 관통홀의 주변부에는 회전자체결부(132) 상에 형성되는 체결공(130H)과 대응되는 위치에 체결공(140H)이 원주방향으로 형성될 수 있다. 회전자체결부(132)의 체결공(130H)과 캐리어(141)의 체결공(140H)이 서로 정합된 상태에서 볼트나 스크류 등의 체결부재(B)가 체결됨으로써 회전자허브(130)와 회전자(140) 간의 결합이 이루어질 수 있다.

한편, 서로 일정한 간격으로 이격하여 형성되는 체결공(140H)의 사이사이에 공기의 흐름을 허용할 수 있도록 공기홀(140A)이 형성될 수 있다. 공기홀(140A) 역시 캐리어(141) 상에서 원주방향을 따라 일정한 간격으로 이격 형성된다.

도 4에 도시된 내용을 참조하면, 캐리어(141) 상에 형성되는 체결공(140H)과 공기홀(140A)이 외관적으로 큰 차이가 없어 보이지만, 체결공(140H)은 회전자체결부(132)의 체결공(130H)과 위치를 일치시킨 상태에서 볼트나 스크류 등을 이용하여 부재 간을 결합시키는 기능을 하는 것이고, 공기홀(140A)은 회전자(140)의 전/후방 사이의 공기 유동 흐름을 허용하기 위해 형성되는 것이므로, 체결공(140H)과 공기홀(140A)의 엄밀히 다른 기능을 가진다는 것이 이해되어야 한다.

결과적으로 캐리어(141) 상에 원주방향을 따라 체결공(140H)과 공기홀(140A)이 번갈아가며 교대로 형성될 수 있으며, 이때 체결공(140H)을 이용하여 캐리어(141)와 결합되는 회전자체결부(132)가 공기홀(140A)을 가로막는 것을 방지하기 위해 회전자체결부(132)가 스플라인 형상으로 디자인될 수 있음은 전술한 바 있다.

캐리어(141) 상에는 다수의 영구자석(142) 및 고정핀(143)을 배열하기 위한 장착공간이 원주방향을 따라 형성될 수 있다. 여기서 장착공간은 영구자석(142)과 고정핀(143)이 배열될 공간만큼 캐리어(141) 표면으로부터 단차지게 형성되는 홈 형태로 제공될 수 있다.

캐리어(141) 상에 형성되는 장착공간에는 N극과 S극을 가지는 다수개의 영구자석(142)이 원주방향으로 극성을 번갈아가며 설치될 수 있다. 영구자석(142)은 N극과 S극이 교대로 환형을 이루면서 일정한 거리를 두고 이격되게 배열될 수 있으며, 서로 이웃하는 영구자석(142) 사이에 영구자석(142)을 고정시키기 위한 고정핀(143)이 배치된다.

본 발명은 2개의 회전자(140)가 회전자허브(120)의 둘레 외측에 설치되는 고정자(150)를 사이에 두고 대향되게 배치되는 구조를 가지며, 고정자(150)를 사이에 두고 서로 마주보는 위치에 배치되는 영구자석(142)은 서로 반대의 극성을 가지는 것이 발전효율의 측면에서 좋다.

이에 따라 서로 마주보는 영구자석(142) 사이에는 반대 극성에 의해 서로 끌어당기는 인력이 발생하게 되는데, 이러한 인력이 지속적으로 작용되면 그 힘에 의해 영구자석(142)이 캐리어(141)로부터 이탈하는 문제가 발생할 수 있으므로, 영구자석(142)이 캐리어(141) 상에 단단하고 안정적으로 고정될 것이 요구된다.

본 발명은 영구자석(142)과 고정핀(143)이 서로 맞닿게 되는 접촉면에 모두 구배각을 주어 고정핀(143)과 영구자석(142)의 접촉면을 경사면으로 형성하고, 영구자석(142)의 측면 부분이 고정핀(143)의 접촉 경사면에 의해 가압 및 지지됨으로써 영구자석(142)의 이탈이 효과적으로 방지될 수 있는 구조를 제안한다. 해당 구조에서 영구자석(142)과 고정핀(143)은 사다리꼴 형태의 단면을 가질 수 있다.

고정핀(143)에는 두께방향을 관통하는 체결공(143H)이 형성될 수 있다. 체결공(143H)은 고정핀(143)을 캐리어(141) 상에 기계적으로 체결시키기 위해 형성되는 것이다. 또한, 도면 상으로는 가려서 보이지 않으나 캐리어(141) 상에도 볼트나 스크류 등의 체결을 위한 체결공이 고정핀(143)의 체결공(143H)과 대응되는 위치에 마련될 수 있다.

영구자석(142)의 고정은, 체결공(143H)을 통해 볼트나 스크류 등을 체결시킴으로써 고정핀(143)을 캐리어(141) 상에 고정시키는 것에 의해 고정핀(143)의 측방 경사면이 인접하는 영구자석(142)의 측방 경사면을 가압하는 형태로 이루어질 수 있다.

한편, 캐리어(141) 상에 형성되는 장착공간 내에서 고정핀(143)은 길이방향을 따른 양 끝단부에 소정의 틈을 두고 배치될 수 있다. 즉, 단차진 홈 형태로 마련되는 장착공간 내에서 고정핀(143)의 길이방향을 따른 양 끝단부는 단차에 의해 형성되는 내벽부에 맞닿지 않게 배치된다. 이는 고정핀(143)을 통해 자기패스가 형성되지 않도록 하기 위함이다. 고정핀(143)을 통한 자기패스가 형성되면 와전류손이 발생되는 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 고정핀(143)은 축의 중심으로부터 바깥으로 향하는 방향을 따른 길이가 영구자석(142)의 길이보다 다소 작게 마련될 수 있다.

고정자(150)는 중심에 회전축(120) 및 그에 결합되는 회전자허브(130)가 위치할 수 있도록 관통홀을 포함하며, 원주방향으로 다수의 코일(151)들이 배열되는 구조를 가질 수 있다.

고정자(150)에는 전도체인 코일(151)을 배열하기 위한 다수의 슬롯(slot)이 방사상으로 형성될 수 있다. 슬롯은 영구자석(142)과 유사한 형상을 가지는 공간부로서 다수개가 일정한 간격으로 분할 형성되고, 분할된 개별 슬롯마다 코일(151)이 각각 삽입되어 배치될 수 있다.

고정자(150)는 축방향을 따른 위치가 회전자허브(130)의 회전자체결부(132)와 대응되게 배치될 수 있고, 따라서 회전자체결부(132)의 전/후면에 결합되는 회전자(140) 사이에 고정자(150)가 배치되게 된다.

고정자(150)는 외주면이 하우징(110)과 결합되어 내부에서 고정된 상태를 유지할 수 있고, 고정자(150)와 인접한 위치에서 회전자(140)가 회전하게 되면 고정자(150)의 코일(151)에 유도기전력이 발생한다.

본 발명에 따른 전기기계(100)는 고정자(150)에 권선되어 있는 코일(151)에 전기적으로 접속되어 코일(151)에서 생성되는 교류를 직류로 변환시키는 정류기(rectifier) 등을 더 포함할 수 있으나, 이는 해당 기술분야에서 공지된 일반적인 기술을 이용하는 것이므로 구체적인 설명은 생략한다.

또한, 본 발명에 따른 전기기계(100)는, 자연냉각 또는 강제냉각 방식으로 냉각이 이루어질 수 있으며, 강제냉각 방식을 이용하는 경우에는 하우징(110)의 내부를 유동하는 공기의 흐름을 발생시키기 위한 냉각팬을 더 포함할 수 있다. 냉각팬은 회전축(120)에 함께 결합되는 형태로 구비되거나 또는 회전축(120)과는 별개로 구동되는 것을 이용할 수 있다.

도 7을 참조하여 본 발명에 따른 전기기계(100)의 내부로 유입된 냉각용 공기의 유동 흐름을 살펴보면, 우선 냉각팬(미도시)의 가동에 의해 후면커버(113)에 형성된 공기유입구(부재번호 미부여)를 통해 냉각용 공기가 하우징(100)의 내부로 유입된다. 유입된 공기는 하우징(110)의 내부를 유동하면서 발전기(100) 내 각 구성요소들을 냉각시킨 후, 전면커버(111)에 형성된 제1 공기배출구(111H) 및 바디(112)에 형성된 제2 공기배출구(112H)를 통해 하우징(110)의 외부로 배출될 수 있다.

보다 구체적으로, 하우징(110) 내부로 유입된 냉각용 공기는 후면커버(113)에 가깝게 배치되는 회전자(140)에 형성되어 있는 공기홀(140A)을 통해 회전자(140)와 고정자(150) 사이의 공간으로 유입될 수 있다. 그리고 회전자(140)와 고정자(150) 사이의 공간으로 유입되는 냉각용 공기는 반대측 회전자(140)에 형성되어 있는 공기홀(140A)을 통해 유동된 후 전면커버(111)의 제1 공기배출구(111H)를 통해 하우징(110)의 외부로 배출될 수 있을 뿐만 아니라, 회전자(140)의 표면을 타고 회전자(140)의 방사방향으로 유동하여 바디(112)의 제2 공기배출구(112H)를 통해서도 하우징(110)의 외부로 배출될 수 있다. 이 과정에서 회전자(140)의 방사방향으로 유동하는 냉각용 공기가 고정자(150)에 권선되어 있는 코일(151)을 효과적으로 냉각시킨 후 배출될 수 있다.

참고로, 도 7의 하단에는 공기홀(140A)이 나타나 있는 반면 상단에는 회전자허브(130)와 회전자(140)를 결합시키는 체결부재(B)가 나타나 있으나, 해당 부위의 근방에 형성되는 도시되지 않은 공기홀(140A)을 통해 냉각용 공기가 유동될 수 있음은 자명하다.

즉, 본 발명에 따른 전기기계(100)는, 하우징(110) 내에서 축방향을 따라 이동하는 냉각용 공기의 유동을 회전자(140)와 고정자(150) 사이의 공간에서 방사상으로도 분기시킴으로써, 고정자(150)의 코일(151)에서 발생하는 열도 효과적으로 냉각시킬 수 있도록 장치를 구성하는 것이다.

이상과 같은 본 발명에 의하면, 하우징(110) 내부로 유입된 냉각용 공기가 구조적으로 적체됨 없이 원활한 유동 흐름을 가지면서 발전기(100) 내부를 냉각시키는 것이 가능하고, 더 나아가 냉각용 공기가 회전자(140)와 고정자(150) 사이의 공간으로도 원활하게 유입되어 고정자(150)에 권선된 코일(151)까지 효과적으로 냉각시킬 수 있게 되므로, 발전기(100)의 냉각성능이 개선됨에 따라 발전효율이 크게 향상되는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 회전자(140)에 장착되는 복수의 영구자석(142)이 그 사이에 배치되는 고정핀(143)에 의해 가압 지지되는 형태로 고정됨으로써, 회전자(140)로부터 영구자석(142)의 이탈을 용이하게 방지할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100: 전기기계
110: 하우징
111: 전면커버
111H: 제1 공기배출구
112: 바디
112H: 제2 공기배출구
113: 후면커버
120: 회전축
121: 플랜지
130: 회전자허브
130H: 체결공
140: 회전자
140A: 공기홀
140H: 체결공
141: 캐리어
142: 영구자석
143: 고정핀
150: 고정자
151: 코일

Claims (8)

1. 전면커버와 바디 및 후면커버가 결합되어 내부에 수용공간을 형성하는 하우징;
   상기 하우징의 축심 위치에 회전 가능하게 설치되는 회전축;
   상기 회전축에 결합되는 회전자허브;
   디스크 형태의 표면 상에 원주방향으로 다수의 영구자석이 배열되며 상기 회전자허브와 결합되어 상기 회전축과 함께 회전되는 회전자; 및
   원주방향으로 다수의 코일이 배열되며 상기 회전자와 축방향으로 대향되도록 상기 하우징 내부에 고정 설치되는 고정자를 포함하고,
   상기 회전자는 축방향을 따른 전후방 사이의 공기 유동을 허용하기 위한 공기홀을 포함하고,
   상기 회전자허브는,
   상기 회전축이 삽입 결합될 수 있도록 축방향으로 관통되는 원통 형태의 허브바디; 및
   상기 허브바디의 외주면 둘레에 돌출 형성되며 상기 회전자가 접하여 체결되는 회전자체결부를 포함하며,
   상기 회전자체결부는 상기 공기홀과의 간섭을 회피하기 위해 스플라인 형상을 가지는 것을 특징으로 하는,
   냉각 구조가 개선된 전기기계.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 하우징 내부에 배치되는 구성들을 냉각시키기 위하여 상기 하우징 내부로 냉각용 공기를 유입시키는 냉각팬을 더 포함하는,
   냉각 구조가 개선된 전기기계.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 전면커버 및 상기 후면커버에는 상기 냉각팬의 가동에 의해 상기 하우징 내부로 냉각용 공기를 유입 및 배출시키기 위한 공기유입구 및 공기배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는,
   냉각 구조가 개선된 전기기계.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 하우징 내부로 유입된 냉각용 공기는 상기 공기홀을 통해 상기 회전자와 상기 고정자 사이의 공간으로 유입될 수 있고,
   상기 회전자와 상기 고정자 사이의 공간으로 유입되는 냉각용 공기는 축방향을 따라 유동되는 흐름과 상기 회전자의 방사방향을 따라 유동되는 흐름으로 분기되며,
   상기 회전자의 방사방향을 따라 유동되는 냉각용 공기를 배출하기 위하여 상기 바디의 외주면에 둘레방향을 따라 복수개의 공기배출구를 추가로 형성하는 것을 특징으로 하는,
   냉각 구조가 개선된 전기기계.
   
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 스플라인 형상이란 상기 회전자체결부가 둘레방향을 따라 사인파 형상을 가지는 돌출부가 등간격으로 반복되는 형태인 것을 특징으로 하는,
   냉각 구조가 개선된 전기기계.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 공기홀은 상기 회전자체결부의 스플라인 곡선이 형성하는 골 부분에 위치되는 것을 특징으로 하는,
   냉각 구조가 개선된 전기기계.
   
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 회전자는 상기 회전자체결부와의 결합을 위한 체결공을 더 포함하고,
   상기 회전자의 원주방향을 따라 상기 공기홀과 상기 체결홀이 번갈아가며 교대로 형성되는 것을 특징으로 하는,
   냉각 구조가 개선된 전기기계.

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