KR20040093669A - 전기 기계, 특히 영구자석 여자형 모터 - Google Patents

전기 기계, 특히 영구자석 여자형 모터 Download PDF

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KR20040093669A
KR20040093669A KR10-2004-7009322A KR20047009322A KR20040093669A KR 20040093669 A KR20040093669 A KR 20040093669A KR 20047009322 A KR20047009322 A KR 20047009322A KR 20040093669 A KR20040093669 A KR 20040093669A
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한스페터 돔쉬
귄터 카스틴거
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은, 전기 기계(10), 특히 영구자석 여자형 모터로서, 특히 회전자를 감싸는 고정자(16)의 코일(15)과 연동하는 교차하는 극성의 영구자석(13)이 회전자의 원주에 환형으로 배치되며, 회전하는 회전자(11)를 구비한 전기 기계에 관한 것이다. 영구자석(13)을 파괴되지 않도록 간단하고, 견고하게 회전자(11)에 부착하는 것을 달성하기 위해, 영구자석(13)이 회전자(11)의 원주에 균일하게 분포되고 직렬로 배치된 개별 자석으로서 환형의 지지부(21) 상에 장착되며, 영구자석의 축방향 단부(13a, 13b)가 비자성 재료로 이루어진 환형 프레임(22, 23, 24) 내에 각각 고정되는 것이 제안된다.

Description

전기 기계, 특히 영구자석 여자형 모터{ELECTRICAL MACHINE, ESPECIALLY ENGINES EXCITED BY PERMANENT MAGNETS}
회전자의 원주에서 극성이 교차하는 극을 가지며, 일반적으로 회전자를 동심성으로 감싸는 고정자의 전기 코일과 연동하는 영구자석를 포함하는 회전자를 갖는 어셈블리는 모터 또는 제너레이터로서 작동하는 전기 기계에 속한다. 고정자의 전기 코일에는 회전자를 동기 회전수로 회전시키는 회전자계(rotating field)가 발생한다. 고정자 코일의 제어에 따라서 이런 전기 기계는, 예를 들어 엑추에이터의 구동을 위해 지정된 위치를 정확하게 제어할 수 있는 소위 스텝 모터로도 사용될 수 있다. 영구자석 여자기가 포함된 이런 전기 기계 어셈블리는 문헌에서 가로형 자속 모터로서 알려져 있다. 예를 들어 Michael Bork의 1982년 박사 논문인 '가로형 자속 모터의 구조'(노르트라인 베스트팔렌주 아헨공대/RWTH Aachen, Shaker-Verlag Aachen, 1997년, Seite 6ff)에는 이런 가로형 자속 모터가 소개되었다. 이 논문에서는 회전자의 영구자석이 회전자 원주에서 서로 이격된 두 개의 환형 구조물을 형성하는데, 이 환형 구조물은 기계의 고정자 내에서 U-자형 자석 요크(magneticyoke)와 연동한다.
영구자석 여자기를 포함하는 회전자의 다양한 실시예에서 영구자석은 예를 들어 회전자 원주에 링으로서 부착되거나 또는 주조되고, 그 다음 자화된다.
이런 방법은 자화를 위해 특수한 자화 장치가 필요하다는 단점이 있다. 또한 이런 형태의 자화로 인해 회전자 표면을 따라 형성되는 교차하는 극성의 전환이 부정확하고, 이로 인해 기계 성능이 저하된다. 또한 이런 유형의 자화 장치로는 개개의 자석을 임의로 좁게 형성할 수 없으므로, 일정한 극수를 기준으로 기계의 성능에 비해 더 큰 회전자 직경이 요구된다. 일차 제작된 자성 재질의 파이프 구간이 일차적으로 자화된 극을 통해 회전자에 장착되고 고정되는 회전자의 다른 실시예에서는, 재료의 취성(brittleness)으로 인해 회전자에 자석링을 부착한 후에 내부 응력에 의해 재료가 파괴되는 위험이 존재한다. 이런 기계를 예를 들어 차량과 같이 엄격한 안전성이 요구되는 분야에 사용하는 경우에는, 자석링의 파괴로 인한 기계의 고장을 방지하기 위해, 비자성 재질의 보호관을 이용해 자석링을 감싸는 추가적 조치가 요구될 수 있다.
본 발명은 청구항 1의 도입부에 명시된 전기 기계, 특히 회전형 회전자를 구비한 영구자석 여자형 모터에 관한 것이다.
다음에서 본 발명이 도면을 근거로 상세히 설명된다. 도면은 다음과 같다.
도 1 은 영구자석 여자형 회전자가 포함된 전기 기계의 제 1 실시예에 대한 사시도이며,
도 2 는 영구자석에 속한 프레임을 부착하기 전에 회전자 원주에 복수의 영구자석을 배치한 상태를 도시한 사시도이고,
도 3 은 회전자에 영구자석을 고정하기 위한 대안적 실시를 도시한 도면이다.
따라서 본 발명의 목적은, 전술된 문제점이 대부분 해결될 수 있도록 이런 유형의 전기 기계의 회전자에 영구자석을 부착하는 방법을 개선하는 것이다.
청구항1에 명시된 특징을 갖는 본 발명에 따른 전기 기계는, 회전자의 자석링을 개개의 자석으로 분할함으로써 자석링을 정확한 치수로 간단하게 제작할 수 있고 N-극 및 S-극이 동일한 자기강도로 자화가 가능하다는 이점을 갖는다. 이외에도 다른 이점은, 개별 자석이 내부 응력없이 회전자 원주에 간단하게 조립되며 조립 시 정확한 배치가 가능하다는 것이다. 또한 접착제 또는 주형용 수지와 같이 환경에 부담을 주는 부수적 재료가 필요치 않다. 다른 주요 이점은, 개별 자석의 축방향 단부를 양측 프레임으로 삽입할 때 축방향 고정으로 인해 영구 자석 및 지지부의 제조 공차가 보상될 수 있다는 것이다.
종속항에 명시된 조치를 통해 독립항에 명시된 특징의 바람직한 개선 및 변형이 가능하다. 예를 들어 프레임이 영구자석의 축방향 단부를 수용하기 위해 정면측에 배치된 홈을 가짐으로써 원심력에 의해 영구자석이 외측으로 밀리지 않도록 보호한다. 모든 방향에서 영구자석을 회전자 원주에 고정하기 위해 영구자석의 단부가 홈에서 방사상 방향, 축방향 및 원주 방향으로 고정된다.
바람직하게도 원주 방향에서 제조 공차를 보상하기 위해 다음과 같은 조치를 통해 영구자석의 정확한 배치가 이루어진다. 단부를 정면 방향으로 좁히며, 프레임의 홈에서 상응하는 대응 주조 경사부에 의해 억지끼워맞춤식으로 수용되는 주조 경사부가 영구자석의 단부 대향측에 형성된다. 바람직하게도 지지부 상에서 축방향 및 원주 방향으로 제조 공차를 보상하기 위해 다음과 같은 조치를 통해 영구자석의 정확한 배치가 이루어진다. 단부를 정면 방향으로 좁히며, 홈에서 상응하는 대응 주조 경사부에 의해 억지끼워맞춤식으로 수용되는 주조 경사부가 영구자석의 단부 위측 원주에 형성된다.
전술된 주조 경사부에 대한 대안으로서 영구자석을 모든 방향에서 고정하기 위해 다음과 같은 간단한 방법도 가능하다: 즉 각각 상응하는 대응 주조 경사부와프레임의 홈에서 억지끼워맞춤식으로 결합하며, 정면 방향으로 증가하는 챔퍼 (Fase)가 축방향의 외측으로 진행하는, 2개의 영구자석 단부의 모서리에 형성된다. 또한 바람직하게도 홈을 양측에서 각각 한정하며, 내측면에서 영구자석의 축방향으로 진행하는 클로(Klauen) 상에 프레임의 대응 챔퍼가 각각 형성된다.
영구자석 내에서 위험한 좌굴응력을 방지하기 위해, 적어도 영구자석의 축방향 단부 중 하나에서 프레임이 각각 이웃한 홈 사이의 외측 원주에 방사상의 내측으로 진행하는 슬릿을 가짐으로써, 이 영구자석이 상호 독립적으로 동일한 강도로 조여진다. 이렇게 함으로써 방사상의 외측을 향하는 축방향의 탄성 층판에서 슬릿을 통해 프레임을 분할하는 것이 가능하며, 상기 슬릿은 영구자석 대향측 정면에서 각각 하나의 홈을 가지고, 축방향으로 초기 응력이 가해진 층판의 쇄기힘을 통해 영구자석의 축방향 단부가 상기 홈으로 각각 고정된다. 영구자석의 다른 축방향 단부에서 프레임을 견고하게 실시하고 제조 및 조립을 간단하게 하기 위해 이 프레임은, 정면측에 배치된 홈이 영구자석의 축방향 단부를 각각 억지끼워맞춤식으로 수용하는 일체형의 환형 프레임으로서 형성된다. 또한 이렇게 함으로써 영구자석의 정확한 배치가 가능하다.
바람직하게도 가로형 자속 모터에 본 발명에 따른 회전자를 사용하면, 영구자석이 서로 고정적인 축방향 간격을 갖는 적어도 두 개의 환형 구조물을 형성한다. 바람직하게도 양측 환형 구조물의 간격은 공동의 일체형 환형 프레임을 통해 결정되며, 영구자석의 축방향 단부를 억지끼워맞춤식으로 각각 수용하기 위해 이 일체형 환형 프레임의 양측 정면에는 각각 홈이 배치된다. 영구자석의 환형 구조물이 2개인 경우나 또는 그 이상인 경우에도, 회전자의 양측 정면에 배치된 프레임에만 방사상 슬릿 및 축방향 탄성의 층판을 장착하는 것이 바람직하다. 또한 영구자석 및 환형 프레임을 공동의 지지부에 장착하고 고정함으로써 회전자를 견고하고 간단한 구조로 제작할 수 있다. 바람직하게도 상기 지지부는 영구자석을 위한 자성의 단락회로링으로서 형성된다.
도 1 은 전기 기계(10)의 부분 사시도로서 가로형 자속 모터(transversal flux motor)의 부품에 속하는 중심축까지의 횡단면도를 도시한다. 상기 기계는 회전자축(12)을 포함하는 회전형 회전자(11)를 갖는다. 상기 회전자의 둘레에는 극이 교차하도록 배열된 복수의 영구자석(13)이 배치되며, 영구자석(13)은 방사상 방향으로 자화된다. 영구자석(13)은 작동 에어갭(operational airgap)(14)을 통해 고정자(16)의 환상 코일(annular coil)(15)과 연동하며, 상기 고정자는 회전자(11)를동심성으로 감싸고, 고정자의 적층철심(laminated core)(17)은 한편으로는 영구자석(13)에 대향하며, 다른 한편으로는 환상 코일(15)을 U-자형으로 감싼다. 고정자 척층철심 및 환상 코일은 상응하는 요크 하우징(yoke housing)(18)에 의해 고정 배치된다.
영구자석(13)은 두 개의 환형 구조물(19, 20) 내에서 개별 자석으로서 회전자(11)의 원주에 균일하게 나란히 배치된다. 영구자석의 하단면은, 연자석 재료로 이루어진 영구자석(13)을 위한 자성 단락회로링(short circuit ring)으로서 형성된 환형의 지지부(21) 상에 배치된다. 또한 영구자석(13)은 자신의 축방향 단부(13a, 13b)에서 예를 들어 섬유강화성의 내온성 합성수지로 이루어진 비자성 재료의 환형 프레임(frame)(22, 23, 24)을 통해 각각 고정된다.단락회로링(21)은, 회전자축 (12)의 계단(12a) 상에 고정되는 지지링(25)에 부착된다. 또한 회전자축의 상기 계단(12a) 상에는 외측에 배치된 두 개의 프레임(22, 23)이 정면에서 압착되며, 중앙의 프레임은 환형 프레임(24)으로서 단락회로링(21) 상에서 압착된다. 따라서 지지부(21)로 기능하는 단락회로링 및 프레임(22, 23, 24)은 직접 또는 간접적으로 회전자축(12) 상에서 고정된다.
영구자석(13)에 작용하는 원심력을 수용하기 위해 상기 프레임(22, 23, 24)은 각각 정면에 배치된 홈(26)을 갖는데, 이 홈은 영구자석(13)의 축방향 단부 (13a, 13b)를 각각 하나씩 수용한다. 또한 영구자석(13)의 단부(13a, 13b)가 방사상 방향, 축방향에서 뿐 아니라 원주 방향에서도 고정되도록 각 홈(26)이 구조적으로 각각 형성된다. 영구자석(13)을 나란히 정확하게 배치시키기 위해 영구자석의단부(13a, 13b)가 자신의 대향측에서 주조 경사부(mold incline)(27)를 가지며, 영구자석(13)이 이 주조 경사부를 통해 정면 방향으로 좁아진다. 상기 주조 경사부 (27)는 홈(26)에서 프레임(22, 23, 24)의 상응하는 대응 주조 경사부(28)에 억지끼워맞춤식으로 각각 수용된다(도 2). 영구자석(13)을 축방향에서 고정하고 단락회로링(21) 상에서 영구자석을 충분히 압박하기 위해 영구자석(13)의 단부(13a, 13b)의 정면에는 각각 다른 하나의 주조 경사부(29)가 형성되며, 이 주조 경사부로 인해 외측으로의 영구자석(13)의 축방향 길이가 감소한다. 상응하는 대응 주조 경사부 (28)가 프레임(22, 23, 24)의 홈(26)에 형성되므로, 영구자석이 축방향에서도 홈(26)에 억지끼워맞춤식으로 수용된다. 프레임(22, 23, 24)의 홈(26)을 통해 모든 영구자석(13)이 가능한 한 동일한 강도로 조여질 때 제조 공차를 보상할 수 있도록 하기 위해, 회전자(11)의 양측 정면에 배치된 프레임(22, 23, 24)은 각각 이웃한 홈(26) 사이에서 상기 프레임의 외측 원주에 방사상 방향의 내측으로 진행하는 슬릿(slit)(31)을 갖는다. 상기 슬릿(32)을 통해 프레임(22, 23)이 방사상의 외측을 향하는 층판(lamella)(32)으로 분할되므로, 영구자석(13)의 대향측 각 층판(32) 정면에는 각각 하나의 홈(26)이 형성된다. 프레임(22, 23)의 재료 및 슬릿(31)의 길이에 따라서 층판(32)이 축방향으로 강한 또는 약한 탄성을 갖는다. 따라서 축방향으로 탄성인 층판(32)의 쇄기힘(wedge power)을 통해 영구자석(13)이 제조 공차의 보상을 위해 단락회로링(21) 위의 단부(13a, 13b)에서 서로 독립적으로 고정된다.
도 1에서는 영구자석(13)의 양측 환형 구조물(19, 20)이 원주면을 기준으로 축방향에서 서로 일정한 간격을 갖는데, 이 간격은 환형 프레임(24) 형태의 공동프레임을 통해 결정된다. 슬릿이 형성되지 않은 환형 프레임(24)은 자신의 양측 정면에서 영구자석(13)의 각각 하나의 축방향 단부(13b)를 억지끼워맞춤식으로 수용하기 위해 홈(26)을 각각 갖는다. 또한 모든 영구자석(13)을 축방향에서 균일하게 조이기 위해서 회전자(11)의 양측 정면 상에 배치된 프레임(22, 23)에만 방사상의 슬릿(31) 및 축방향으로 탄성인 층판(32)을 장착하는 것만으로 충분하다. 영구자석 (13) 및 환형 프레임(24)은 자성의 단락회로링(21) 상에 공동의 지지부로서 장착되고 고정된다.
도 2 는 전술된 주조 경사부(27, 28, 29, 30)가 포함된 전면에 추가적으로 배열된 두 개의 프레임(22, 24)을 통해 영구자석(13)을 조이기 전 상태인 도 1 의 회전자(11)에 대한 부분도이다.
도 3에는 본 발명의 다른 실시예로서 조립 전 영구자석(13')의 축방향 단부(13a', 13b')의 약간 변경된 수용부가 사시도로 도시되어 있다. 상기 해결방안에서 영구자석(13')의 단부(13a', 13b')는 축방향에서 외측으로 진행하는 자신의 두 개의 모서리에서 각각 하나의 챔퍼부(chamfer part)(35)를 자기며, 이 챔퍼부가 영구자석(13')의 정면(13c) 방향으로 증가하므로, 영구자석(13')의 단면이 자신의 단부 방향으로 양측에서 좁아진다. 또한 프레임(22a, 24a)에서 각 영구자석(13')의 축방향으로 진행하며 양측에서 각각 홈(26)을 한정하는 클로(claw)(36)가 상기 챔퍼부(35)에 맞물린다. 상기 클로(36)의 내측에는 영구자석(13')의 챔퍼부(35) 방향으로 대응 챔퍼부(37)가 각각 형성되므로, 영구자석(13')의 챔퍼부(35)가 프레임 (22a, 24a)의 홈(26)에서 대응 챔퍼부(37)와 억지끼워맞춤식으로 맞물린다. 경우에따라서 단락회로링(21)의 비평탄성 또는 영구자석(13')의 하단면(13d)의 비평탄성으로 인해 발생하는 작은 틈새(38)가 자성 상실을 최소화하기 위해 자성 재료, 즉 예를 들어 젤(gel)로 충전될 수 있고 이로서 평면 상의 지지면이 달성될 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 발명은 전기 기계 특히 영구자석 여자형 모터에 이용가능하다.

Claims (15)

  1. 회전하는 회전자축(12)을 갖는 회전자(11)를 구비한 전기 기계(10), 특히 영구자석 여자형 모터(10)로서,
    상기 고정자의 원주에 환형으로 배치되는 영구자석(13)이 바람직하게는 교차적 극성을 가지며 특히 상기 극성은 회전자를 감싸는 고정자(16)의 코일(15)과 연동하는, 전기 기계에 있어서,
    상기 영구자석(13, 13')이 상기 회전자(11)의 원주에 균일하게 분포되고 인접하게 배치된 개별 자석으로서 환형의 지지부(21) 상에 장착되며, 상기 영구자석의 축방향 단부(13a, 13b, 13a', 13b')가 비자성 재료로 이루어진 환형 프레임(22, 22a, 23, 24, 24a) 내에 각각 고정되고, 상기 지지부(21) 및/또는 프레임(22, 22a, 23, 24, 24a)이 상기 회전자축(12)에 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임(22, 22a, 23, 24, 24a)이 상기 영구자석(13, 13')의 각 축방향 단부(13a, 13a', 13b, 13b')를 수용하기 위해 정면측에 배치된 각각의 홈(26)을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 영구자석(13, 13')이 자신의 단부(13a, 13a', 13b, 13b')를 통해 홈(26) 내에서 방사상 방향, 축방향 및 원주 방향으로 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 영구자석(13)의 단부(13a, 13b)가 자신의 대향측에서 주조 경사부(27)를 가지며, 이 주조 경사부에 의해 상기 단부(13a, 13b)가 정면 방향으로 좁아지고, 상기 주조 경사부가 프레임(22, 23, 24)의 홈(26)에서 상응하는 대응 주조 경사부(28)에 억지끼워맞춤식으로 수용되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 영구자석(13)의 단부(13a, 13b)가 자신의 정면(13c)에서 다른 주조 경사부(29)를 가지며, 이 주조 경사부에 의해 영구자석(13)의 축방향 길이가 외측 방향으로 단축되며, 상기 주조 경사부가 홈(26) 내에서 상응하는 대응 주조 경사부(30)에 억지끼워맞춤식으로 수용되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 영구자석(13')의 단부가 축방향의 외측으로 진행하는 자신의 모서리에서 정면 방향으로 증가하는 챔퍼(35)를 각각 가지며, 상기 챔퍼가 프레임(22', 23')의 홈(26)에서 상응하는 대응 챔퍼(37)와 억지끼워맞춤식으로 각각 결합하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 대응 챔퍼(37)가 영구자석(13')의 축방향으로 향하는 클로(36)의 내측면 상에 각각 형성되며, 상기 클로가 각각 양측에서 홈(26)을한정하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 이웃한 홈(26) 사이의 원주에서 적어도 프레임(22, 23)이 영구자석(13)의 축방향 단부(13a, 13b)에 방사상의 내측으로 진행하는 슬릿(31)을 갖는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 프레임(22, 23)이 방사상의 외측을 향하는 축방향 탄성의 층판(32)에서 슬릿(31)에 의해 분할되며, 상기 층판이 자신의 영구자석(13)과 대향측의 정면에서 각각 하나의 홈(26)을 가지고, 이 홈에서 축방향 탄성인 층판(32)의 쇄기힘에 의해 각 영구자석(13)이 자신의 축방향 단부(13a)를 통해 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 영구자석(13)의 다른 축방향 단부(13b)에서 상기 프레임(24)은 일체형 환형 프레임(24)으로서 형성되며, 이 프레임의 정면에 배치된 홈(26)이 상기 영구자석(13)의 축방향 단부(13b)와 각각 억지끼워맞춤식으로 맞물리는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구자석(13)이 원주면에서 일정한 축방향의 상호 간격을 갖는 적어도 두 개의 환형 구조물(19)을 형성하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 상기 양측 환형 구조물(19)의 간격이 공동의 일체형 환형 프레임(24)을 통해 결정되며, 이 환형 프레임의 양측 정면에는 영구자석(13)의 축방향 각 단부를 억지끼워맞춤식으로 수용하기 위한 홈(26)이 각각 배치되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 회전자(11)의 양측 정면에 배치된 프레임(22, 23)만 방사상 슬릿(31) 및 축방향 탄성 층판(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  14. 제 10 항 또는 제 12 항에 있어서, 상기 영구자석(13, 13') 및 환형 프레임(24, 24')이 공동의 지지부(21)에 장착되고 고정되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 지지부(21)가 영구자석(13, 13')을 위한 자성 단락회로링으로서 형성되는 것을 특징으로 하는, 전기 기계.
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