KR20010056688A - 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기에 관한 것으로, 회전축과 수평 상태에서의 회전자와 고정자의 형상은 적어도 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 회전축을 중심으로 원형 형상으로 형성되고, 상기 회전축과 수직 상태에서의 회전자와 고정자의 단면 형상은 회전자와 고정자가 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 원형 형상으로 형성되어 상기 회전자와 고정자의 사이에 형성되는 공극이 회전축을 중심으로 환형을 이루도록 형성되므로써 전동기를 구성하는 고정자측의 코일 엔드링부의 길이를 최소화시킬 수 있어서 전동기의 구동 효율을 크게 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전동기의 출력 증가에 따른 체적 변화율을 낮추어 크기를 콤팩트화시킬 수 있어서 전동기를 사용하는 산업 분야의 범위를 더욱 확대시킬 수 있으며, 산업 전반에 걸친 성에너지화에 기여할 수 있게 된다.

Description

전동기{MOTOR}

본 발명은 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전동기를 구성하는 고정자측의 코일 엔드링부의 길이를 최소화시킬 수 있도록 한 것이다.

일반적으로, 전동기는 전기 에너지를 입력원으로 하고 회전 운동과 같은 운동 에너지를 출력으로 하는 일종의 에너지 변환장치로서, 회전 운동이나 왕복 운동과 같은 반복 작업이 필요한 산업 현장이나 생활 주변에서 동력원으로 주로 사용되고 있다.

전동기의 에너지 변환 과정에는 도선에 흐르는 전기로부터 유도되는 자기장과 유도 전류의 상호 작용과 같은 전기 공학적인 메커니즘과 회전이나 이동과 같은 기계 공학적인 메커니즘이 동시에 작용하게 되는 데, 전기 공학적인 측면에서는 도선에 흐르는 전류로 인한 동손과 유도 자기장과 관련된 철손이, 기계 공학적인 측면에서는 마찰과 같은 기계손이 전동기의 에너지 변환작용에 있어서 손실로 작용하게 된다.

따라서, 고효율 전동기를 개발하는 것은 이와 같은 손실항을 다양한 기법들을 통해 최소화하는 것으로, 현재까지의 전동기 구조는 이미 수십년 전에 안정화되었고, 고효율 전동기의 개발은 신 소재 또는 신 물질 적용을 통해 손실항을 줄이는 쪽으로 이루어져 왔다.

이러한 방향으로 기울여져 온 노력의 결과 전동기의 효율은 90%에 육박하는수준으로 발전하였으며, 현재에도 고효율 전동기에 적용하기 위한 새로운 소재에 대한 연구가 지속적으로 진행되고 있으나, 이런 방법은 고효율 전동기를 개발하기 위해서 새로운 물질에 대한 화학적인 접근이 먼저 이루어져야만 하는 어려움과 새로운 물질 개발에 대한 불확실성으로 인해 그 한계가 있다.

일반적인 전동기는 공극의 형태에 따라 경방향 공극형 전동기와 축방향 공극형 전동기로 크게 구분되며, 경방향 공극형 전동기는 다시 회전자와 고정자의 공간적 위치에 따라 외전형과 내전형으로 구분되는 데, 이 중 산업적인 목적으로 가장 널리 사용되는 것이 내전형 경방형 공극형 전동기로서, 그 구조는 크게 1차측과 2차측으로 구분할 수 있고, 외부에서 전류를 흘려주는 것과 같은 직접적인 입력이 있는 부분을 1차측이라 지칭하며, 1차측으로부터 유도되는 전류가 흐르거나 자체적인 에너지를 가지고 있는 부분을 2차측이라 지칭한다.

1차측에 전류를 흘려주는 것을 '급전' 이라 하는 데, 급전의 편의성을 위해 보통의 경우 1차측을 고정자로 구성하고, 2차측을 회전자로 구성하는 전동기가 대부분이다.

종래의 내전형 경방향 공극형 전동기는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 고정자(1차측)와 회전자(2차측)의 전자기적 상호 작용에 의해 힘이 발생하게 되는 데, 발생하는 힘이 회전 토오크로서 나타날 수 있게 구성된 것을 회전형 전동기라 하고, 발생하는 힘이 밀거나 당기는 추력으로 나타날 수 있게 구성된 것을 선형 전동기라고 한다.

상기 고정자(2a)의 고정자 코어(3a)에 권선된 고정자 코일(5a)에 전류가 흐르면 플레밍의 오른손 법칙에 의해 고정자 코일(5a) 주위로 자기장이 발생하게 되는 데, 전동기에는 이 자기장이 시간에 따라 한점에서는 크기와 극성이 변화하면서 고정자(2a) 전체에 대해서는 회전 자기장 또는 이동 자기장이 되도록 상기 고정자 코일(5a)을 배치한다.

상기 자기장은 고정자 코어(3a)와 고정자 코어(3a)로부터 일정한 거리만큼 떨어진 회전자 코어(6a)로 폐회로를 구성한 자기 회로를 따라 흐르고, 유도된 자기장이 시간에 따라 한점에서 그 크기와 극성이 변화하게 되면 렌츠의 법칙에 따라 자기장의 변화를 방해하려는 방향으로 유도 전류가 발생하게 된다.

이때, 상기 전동기의 출력이 되는 회전력 또는 추력은 전동기 내부에서 발생하는 자기장의 세기와 유도 전류의 크기에 비례하므로 고효율 전동기라고 하면 상기 고정자 코일(5a)로부터 자기장이 유도되는 과정과 자기장이 자기 회로를 흐르는 과정 및 자기장으로부터 유도 전류가 발생되는 과정 등에서 에너지 손실을 최소화하며, 발생된 회전력과 추력으로 회전자(1a)를 움직이는 데 있어서 마찰을 최소화하여야 한다.

상기 고정자 코일(5a)로부터 자기장이 유도되는 과정에서 발생하는 손실은 대부분 도선에 전류가 흐르면서 발생하는 전압 강하분으로 도선의 길이를 짧게 하거나, 도선의 면적을 크게 하여 도선의 저항을 줄여야 되며, 자기장이 자기 회로를 흐르는 과정에서의 손실분은 대부분 자기 회로를 구성하는 고정자 및 회전자 코어(3a)(6a)의 물성과 적층 두께 및 공극의 길이에 따라 결정되는 데, 고정자 및 회전자 코어(3a)(6a)의 물성을 개선하는 것은 신물질 개발이 선행되어야 하는 문제이다.

또한, 상기 고정자 및 회전자 코어(3a)(6a)의 적층 작업은 실용성이나, 생산성을 고려한다면 더 이상의 개선의 여지가 없으며, 공극의 길이를 작게 하는 것은 회전 운동 또는 직선 운동을 보장하기 위해 확보해야 하는 구조 역학적 여유 또는 가공 및 조립의 정밀도 측면에서 한계가 있고, 자기장으로부터 유도 전류가 발생하는 과정에서의 손실분을 줄이기 위해서는 유도 전류가 흐르는 부분을 동박 또는 알루미늄 다이케스팅을 사용하므로써 발생된 유도 전류가 실제 유용하게 사용될 수 있도록 고려되고 있으며, 현재로서는 전동기의 회전자 코어(6a) 외주면에 잔류 자속밀도가 큰 영구 자석(7a)을 부착시키게 되면 유도 전류가 발생하는 과정의 손실을 고려하지 않아도 되므로 획기적인 효율 향상이 가능한 것으로 알려져 있다.

도 1 및 도 2와 같은 종래의 전동기 구조는 오랜 기간동안 사용되어 오면서 기구적으로는 상당히 안정화된 구조로서 특수한 목적에 사용하기 위한 구조 변경을 제외하고는 그다지 큰 변화가 없었다. 기존의 전동기 구조에는 고정자 코일(5a)을 고정자 코어(3a)에 권선하는 과정에서 이동 자계 또는 회전 자계를 형성하기 위해 전동기 내부를 가로지르는 부분 이외에 엔드링 부분이 존재하게 되는 데, 이 부분은 전혀 전동기의 출력에 기여하지 못하는 순손실항이다.

또한, 현재의 구조상 이 부분의 길이는 전동기 내부를 가로 지르는 부분의 길이에 상관없이 고정자 코일(5a)의 굵기와 양에 따라 일정 길이를 필요로 하므로 전동기의 적층폭이 큰 대용량의 전동기에서는 전체 손실분에서의 기여도가 작지만, 전동기의 적층폭이 작은 대용량의 전동기에 있어서는 전체 손실분의 상당양을 차지하고 있어 고효율 전동기를 개발하는 데 상당한 문제점으로 인식되고 있다.

또한, 상기 전동기의 출력은 보통 회전 토오크와 회전 속도 또는 추력과 이동 속도의 곱으로 표현되는 데, 회전 토오크와 추력은 다른 기타 조건을 일정하게 한 경우 공극의 면적에 비례함에 따라서 고 추력 또는 고 토오크가 필요한 경우 종래의 전동기 구조에서는 공극의 면적을 크게 하기 위해 회전자(1a)와 고정자(2a)측의 반경을 키워 고정자와 회전자측 사이의 공간, 즉 공극의 평균 반경을 키우거나, 전동기의 적층 방향 길이를 길게 해야만 하는 데, 이런 경우 토오크의 증가에 따른 전동기의 체적 변화가 심해 상당히 육중한 전동기가 되는 등의 많은 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전동기를 구성하는 고정자측의 코일 엔드링부의 길이를 최소화시킬 수 있도록 하여 전동기의 구동 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전동기의 출력 증가에 따른 체적 변화율을 낮추어 크기를 콤팩트화시킬 수 있는 전동기를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 전동기를 나타낸 단면도

도 2는 도 1의 A-A선 단면도

도 3은 본 발명의 전동기를 나타낸 단면도

도 4는 도 3의 B-B선 단면도

도 5는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1,11; 회전자 2,22; 고정자

3; 고정자 코어 4; 지지 부재

5; 고정자 코일 6; 회전자 코어

7; 영구 자석 8; 연결 부재

9; 베어링

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 회전축과 수평 상태에서의 회전자와 고정자의 형상은 적어도 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 회전축을 중심으로 원형 형상으로 형성되고, 상기 회전축과 수직 상태에서의 회전자와 고정자의 단면 형상은 회전자와 고정자가 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 원형 형상으로 형성되어 상기 회전자와 고정자의 사이에 형성되는 공극이 회전축을 중심으로 환형을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 전동기가 제공된다.

이하, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 전동기를 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3의 B-B선 단면도이다.

본 발명은 전동기의 회전축과 수평 상태에서의 회전자(1)와 고정자(2)의 형상은 적어도 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 회전축을 중심으로 원형 형상으로 형성되고, 상기 회전축과 수직 상태에서의 회전자(1)와 고정자(2)의 단면 형상은 회전자(1)와 고정자(2)가 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 원형 형상으로 형성되어 상기 회전자(1)와 고정자(2)의 사이에 형성되는 공극이 회전축을 중심으로 환형을 이루도록 형성된다.

또한, 상기 고정자(2)의 고정자 코어(3) 외주면에는 일정 간격 이격되어 고정자 코어(3)를 지지하기 위한 복수개의 지지 부재(4)가 방사형으로 형성되며, 복수개의 지지 부재(4)가 형성된 부분을 제외한 고정자 코어(3)의 외주면에는 고정자 코일(5)이 권선되고, 상기 고정자 코어(2)를 감싸는 회전자(1)의 회전자 코어(6) 내주면에는 영구 자석(7)이 부착되며, 상기 회전자 코어(6)에는 회전자 코어(6)를 회전축에 결합시키기 위한 연결 부재(8)가 체결 부재에 의해 고정되고, 상기 고정자 코어(3)의 외주면과 연결 부재(8)의 내주면 사이에는 회전자 코어(6)의 회전을 원활하게 지지하기 위한 베어링(9)이 삽입되어 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명은 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 전동기의 동작은 종래 전동기의 원리와 동일한 회전자측과 고정자측의 전자기적 상호 작용에의해 동작되며, 그 구조상 공극의 형상이 원통형이 아닌 환형으로 형성된 점이 특징으로, 2차측인 환형의 회전자 코어(6)의 내부에 위치한 1차측인 고정자 코어(3)는 상기 회전자 코어(6)의 내주면에 형성된 홈(10)을 통해 고정자 코어(3)의 외주면에 형성된 복수개의 지지 부재(4)와 연결된다.

이때, 상기 복수개의 지지 부재(4)는 고정자 코어(3)의 외주면에 권선되는 고정자 코일(5)의 권선 작업시 불편함이 없도록 고정자 코어(3)와의 부착면이 최소한의 공간만을 차지하도록 고정자 코어(3)의 외주면에 일정 간격 이격되어 방사형으로 형성되고, 상기 고정자 코일(5)은 고정자 코어(3)의 외주면을 감싸는 형태로 복수개의 지지 부재(4)를 제외하여 권선된다.

따라서, 이런 구조의 권선은 상기 고정자 코어(3)의 복수개 지지 부재(4)가 회전자 코어(6)를 통과하기 위해 형성된 홈(10)의 폭 만큼이 권선 엔드부의 길이가 되므로 결국 상기 고정자 코일(5)의 엔드부의 길이가 종래의 전동기에 비해 상당히 짧게 되어 동손에 의한 손실분중 상당량을 줄일 수 있게 된다.

본 발명의 전동기 고정자측 및 회전자측 전자기적 상호 작용은 회전축 방향과 수직인 방향에서 절단한 단면, 즉 회전축 쪽에서 본 단면인 도 4를 기준으로 설명하면 다음과 같다.

상기 회전자 축방향과 수직인 방향에서 절단한 단면은 전동기의 고정자측과 회전자측 모두 회전축을 중심으로 원의 형상을 이루게 되는 데, 마치 양측식 선형 전동기의 구조와 유사하게 양쪽에 회전자측이 위치하고, 회전자측의 사이에 각각 회전자측에 대응하는 고정자측 2개가 대칭되도록 위치하고 있는 것을 원형으로 말아놓은 형태로서, 고정자측의 고정자 코일(5)에 흐르는 전류는 평면에 대해 수직 방향으로 흐르며, 자속은 평면과 수평되도록 고정자측에서 회전자측으로 다시 회전자측에서 고정자측으로 폐경로를 형성하며 발생하게 된다.

이때, 자속에 의한 유도 전류 역시 평면과 수직되는 방향으로 발생하게 됨에 따라서 전류와 자속의 상호 작용에 의한 힘은 고정자측 또는 회전자측을 회전축을 중심으로 회전시키는 방향으로 발생하여 고정자측이 고정된 경우에는 회전자측이, 회전자측이 고정된 경우에는 고정자측이 회전하게 되며, 이와 같은 상황이 고정자 코어(3)의 중심선을 축으로 하여 360도 회전 방향으로 동일하게 나타나게 된다.

본 발명과 같은 구조의 전동기는 동일 체적에서 발생하는 토오크량을 결정하는 고정자측과 회전자측이 마주보는 면적인 공극 면적이 종래의 일반 전동기 구조보다 월등히 크므로 같은 토오크를 필요로 하는 경우 훨씬 체적인 작은 작동기를 제작할 수 있게 된다.

여기서, 상기한 고정자측과 회전자측의 면적을 근사적으로 계산하면 다음과 같다.

회전체의 외반경은 D, 회전체의 내반경을 d 라 하면, 본 발명의 전동기의 공극 면적은 π²( D²-d²) 이고, 이때 회전체의 축방향 길이는 (D-d)이므로 동일한 축방향 길이를 고려하여 계산한 일반 전동기의 공극 면적은 2π·D (D-d)가 되므로 회전체의 내경을 0 이라 가정하더라도 본 발명 전동기의 대향 면적을 일반 전동기에 비해 1.5배 이상 크게 형성할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시예로서 도 5에 도시한 바와 같이, 전동기의 회전축과 수평 상태에서의 회전자(11)와 고정자(22)의 형상은 적어도 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 회전축을 중심으로 원형 형상으로 형성하고, 상기 회전축과 수직 상태에서의 회전자(11)와 고정자(22)의 단면 형상은 사각형으로 형성한 경우인 데, 이 경우와 같이 회전축과 수직인 방향에서의 단면을 사각형으로 형성하면, 원형으로 형성한 경우와 비교하여 손실항으로 작용하는 코일 엔드부의 길이는 다소 증가하는 단점이 있지만, 철손을 줄이기 위한 고정자 코어의 적층 작업은 훨씬 수월해지는 장점이 있게 된다.

그 외에도 전동기의 고정자측과 회전자측의 상대 위치를 변경한 또 다른 실시예를 고려할 수 있는 데, 이 경우에는 1차측으로 된 회전자측의 회전에 따른 급전 문제를 해결하기 위하여 브러쉬와 같은 별도의 급전 장치가 회전자측 지지 수단에 부가되어야 한다.

이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 전동기를 구성하는 고정자측의 코일 엔드링부의 길이를 최소화시킬 수 있으므로써 전동기의 구동 효율을 크게 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 전동기의 출력 증가에 따른 체적 변화율을 낮추어 크기를 콤팩트화시킬 수 있어서 전동기를 사용하는 산업 분야의 범위를 더욱 확대시킬 수 있으며, 산업 전반에 걸친 성에너지화에 기여할 수 있는 등의 많은 장점이 구비된 매우 유용한 발명이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 의해 한정되지 않고, 이하 청구범위에서 청구하는 본 발명의요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능할 것이다.

Claims (5)

1. 회전축과 수평 상태에서의 회전자와 고정자의 형상은 적어도 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 회전축을 중심으로 원형 형상으로 형성되고, 상기 회전축과 수직 상태에서의 회전자와 고정자의 단면 형상은 회전자와 고정자가 서로 인접하여 상호 작용하는 면이 원형 형상으로 형성되어 상기 회전자와 고정자의 사이에 형성되는 공극이 회전축을 중심으로 환형을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 전동기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 상기 회전축과 수직 상태에서의 회전자와 고정자의 단면 형상은 사각형으로 형성되어 회전자와 고정자의 사이에 형성되는 공극이 회전축을 중심으로 공심 샤프트 형상을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 전동기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자의 고정자 코어 외주면에는 일정 간격 이격되어 고정자 코어를 지지하기 위한 복수개의 지지 부재가 방사형으로 형성되며, 복수개의 지지 부재가 형성된 부분을 제외한 고정자 코어의 외주면에는 고정자 코일이 권선된 것을 특징으로 하는 전동기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자 코어를 감싸는 회전자의 회전자 코어 내주면에는 영구 자석이 부착되며, 상기 회전자 코어에는 회전자 코어를 회전축에 결합시키기 위한 연결 부재가 체결 부재에 의해 고정된 것을 특징으로 하는 전동기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 고정자 코어의 외주면과 연결 부재의 내주면 사이에는 회전자 코어의 회전을 원활하게 지지하기 위한 베어링이 삽입된 것을 특징으로 하는 전동기.