KR20080012811A - 전동 발전기 로터 및 토크 리플을 줄이는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동 발전기 로터를 제공한다. 로터는 그 원주면 근처에 위치되고 각각의 공간에는 적어도 하나의 영구자석이 수용된 다수개의 제1 공간들과, 인접한 제1 공간들 사이에 실질적으로 원주상으로 위치한 다수개의 제2 공간들을 가진다.

전동 발전기 로터, 로터 조립체, 토크 리플

Description

전동 발전기 로터 및 토크 리플을 줄이는 방법 {DYNAMOELECTRIC MACHINE ROTOR AND METHOD FOR REDUCING TORQUE RIPPLE}

본 출원은 그 내용이 전체의 명세서에 참조된 2006년 8월 4일자 미국 특허출원 제60/835,811호의 본 명세서이다.

전동 발전기는 종종 기계적 에너지를 전기적 에너지로 변환시키거나 그 역으로 변환시키도록 고정자의 중앙 구멍 속에서 회전하는 로터 속에 위치한 영구자석들을 사용한다.

자력선들은 각각의 영구자석 속에서 그리고 인접부 사이에서 극성이 반대되는 자극들 사이로 연장한다. 이러한 자력선들의 통로와 밀도는 전동 발전기의 로터의 회전각과 토크의 관계에 큰 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 로터 주변에 자력선들이 고르게 분포하지 않으면 전동 발전기의 로터 회전 중에 나타나는 보다 높거나 낮은 토크 값을 나타내는 토크 리플로 일컫는 결과를 발생시킬 수 있다. 이러한 토크 리플은 예컨대 소음, 효율 저하, 부품의 마모 증대와 같은 몇 가지 원인으로 바람직하지 않을 수 있다.

자력선들이 흐르는 통로는 부분적으로 반대 극성들 사이와 주변에 위치하는 재료와 그 재료의 형상에 의해서 결정된다. 자력선들은 경성 자력 재료와 재료의 보이드의 반대편에 있는 연성 자력 재료 속에 그들 스스로 양호하게 위치한다. 따라서, 로터의 설계는 발생되는 자력선 통로에 큰 영향을 줄 수 있다.

결국, 토크 리플과 그와 연관된 측면 효과를 줄이게 로터 설계를 개선하는 것이 이 분야에서는 요구된다.

본 발명은 전동 발전기 로터를 제공한다. 로터는 그 원주면 근처에 위치되고 각각의 공간에는 적어도 하나의 영구자석이 수용된 다수개의 제1 공간들과, 인접한 제1 공간들 사이에 실질적으로 원주상으로 위치한 다수개의 제2 공간들을 가진다.

또한, 본 발명은 전동 발전기 로터 조립체를 제공한다. 로터 조립체는 로터, 로터의 원주면 근처 속에 형성된 다수개의 제1 공간들, 하나가 다수개의 제1 공간의 하나 속에서 로터에 고정 부착된 다수개의 영구자석 그리고 각각이 인접한 제1 공간 사이에 원주상으로 위치된 로터속에 형성된 다수개의 제2 공간들을 가진다.

더욱이, 본 발명은 전동 발전기의 토크 리플을 최소화하는 방법을 제공한다. 이 방법은 전동 발전기의 로터가 작동 중에 하나 이상의 공간을 중첩시켜 자속 통로가 되는 로터의 일정부분을 차단하여 자연 자력선 형성을 억제하고 로터속의 하나 이상의 공간들 주위로 자력선들이 향하게 하는 방법을 포함한다.

또한, 본 발명은 전동 발전기용 로터를 제조하는 방법을 제공한다. 이 방법은 로터가 자력선을 만들기 위해 자석을 수용하는 다수개의 제1 공간들과 다수개의 제2 공간들을 가지게 형성하는 방법을 포함한다.

도1을 참조하면, 전동 발전기(6)의 부분 횡단면도가 도시된다. 로터(10)는 그 속에 형성된 제1 공간(18)속에 고정되어 위치된 영구자석(14)을 가진다. 로터(10)는 고정자(22)속에 동심으로 위치되며 회전축(도시 안됨)을 중심으로 회전한다. 로터(10)의 외주면(26)과 고정자(22)의 내주면(30)사이의 틈새는 방사상 공기 틈새(34)를 형성한다. 공기 틈새(34)는 전동 발전기(6)의 성능을 최대화시키도록 계획적으로 작게 유지된다.

고정자(22)는 그 속에 형성된 슬롯(42)속에 고정되어 위치된 권선 코일(38)을 지닌다. 코일(38)들은 예를 들어, 동과 같은 절연된 도전 재료로 감겨진다. 전류는 자계를 발생시키도록 고정자(22)의 코일(38)들을 통과하고 전동 발전기(6)의 에너지 변환 중에 로터(10)의 영구자석(14)의 자계에 반응한다. 이러한 에너지 변환은 예컨대, 기계적 에너지로부터 전기적 에너지로 또는 전기적 에너지로부터 기계적 에너지로 변환할 수 있다. 에너지 변환의 성능과 효율은 부분적으로 로터(10)의 영구자석(14)의 형상과 자력선 분포에 따른다.

영구자석(14)의 자계는 부분적으로 로터(10)의 재료와 형상에 의해서 형성된다. 자력선은 연성 자력 재료에 집중되는 경향이 있고 경성 자력 재료와 공기 포켓과 같은 재료 보이드 및 연성 자력 재료속의 공간 또는 비자성 필터들을 가지는 공 간을 피하는 경향이 있다. 따라서, 로터(10)는 예컨대, 로터(10)의 기하학적 형상에 의해서 자력선이 형성되도록 실리콘 스틸 또는 분말 금속과 같은 연성 자력 재료로 게획적으로 만들어진다.

자력선은 반대 극성의 자극사이로 연장한다. 예를 들어, 자력선들은 제1 자석(48)의 S극(46)과 제1 자석(48)의 N극(49)사이로 연장하며, 동시에 누설 자력선들이 제1 자석(48)의 S극(46)과 제2 자석(58)의 N극(59)사이로 연장한다. 인접한 자극(46)과(59)사이에 위치한 로터 재료의 양은 자극(46)과(59)사이의 자력선의 경로와 로터(10)의 그 부분의 자계의 강도에 영향을 준다. 결국, 로터(10)의 기하학적 설계는 로터(10) 주변의 자계의 강도에 영향을 주어 부분적으로 강하고 약한 자계를 가지는 영역을 발생시킨다.

로터(10)의 주변에 부분적으로 강하거나 약한 자계가 발생하면 로터(10)가 고정자(22)에 대하여 회전할 때 전동 발전기(6)의 토크에 변화를 줄 수 있다. 이러한 토크의 변화는 통상 토크 리플로 알려져 있다. 토크 리플은 예컨대, 로터(10)가 한 회전할 때 로터(10)의 회전 속도에 변화를 줄 수 있다. 이러한 회전 속도의 변화는 부품, 예컨대 구동 벨트와 베어링과 같은 부품의 마모율을 증가시킬 수 있다. 또한, 토크 리플은 전동 발전기(6)로부터 발생하는 진동과 소음을 야기 시킬 수 있다. 더욱이, 토크 리플은 전동 발전기의 효율에 악영향을 주는 것으로 알려져 있다. 결국, 로터(10) 주변의 자계의 변화를 줄여서 관련된 토크 리플을 줄이는 것이 때때로 바람직하다.

상기에 언급했듯이, 자력선은 연성 자력 재료속에 형성된 공간을 피하는 경향이 있다. 이와 같이, 연성 자력 재료속의 공간을 조심스럽게 배치하면 에너지 전달의 최적화와 토크 리플의 최소화를 위해서 자력선을 유익하게 조절하는데 사용될 수 있다. 여기에 도시된 제2 공간(64)은 자력선이 짧아지게 되는 영역에 위치된다. 특히, 제2 공간(64)은 2개의 인접한 자극(46)과(59)사이의 로터(10)에 위치된다. 이렇게 제2 공간(64)을 위치시키면 자력선이 제2 공간(64)주위를 지나서 자력선의 통과 길이를 연장시키고 짧아질 수 있는 모든 자력선을 감소시킨다. 따라서, 제2 공간(64)은 로터(10) 주변에서의 균일한 자계 강도를 증가시키는데 사용될 수 있다. 이러한 로터(10) 주변의 균일한 자계 강도의 증가는 토크 리플의 크기를 감소시키고 상기에 언급한 관련된 문제들을 줄일 수 있다. 제2 공간(64)은 로터(10)속의 인접 자극(46)과(59)사이에서 짧아지는 자력선의 숫자를 줄여서 균일한 자계 강도를 증가시킨다. 공간(64)은 더 많은 자력선들이 고정자 코일(38)에 의해서 발생되는 자계의 자력선과 관련되는 공기 틈새(34)를 관통하게 한다. 영구자석(14)으로부터의 자속과 고정자 코일(38)로부터의 자속 사이의 상호 작용이 효율적인 전자기 에너지 변환에 중요한 요소이다.

제2 공간(64)이 로터(10)의 축상 길이를 전장을 통하여 연장할 필요는 없다 하더라도, 제2 공간(64)이 로터(10)의 전장을 통하여 연장되는 실시예가 자석(14)에 대한 제2 공간(64)의 축상 대칭을 이루도록 하는 것이 바람직할 수 도 있다. 원주 방향에서 보면, 제2 공간(64)은 도시된 바와 같이 대칭이다. 이러한 설계는 로터(10)의 주행 회전 방향에 무관하게 균일한 자계 강도를 제공할 수 있고, 따라서 어떤 방향의 회전이 요구되는 용도에 대해서 바람직하다. 이와는 달리, 로터(10)가 단지 하나의 회전 방향으로 주행하는 용도에서는 비대칭의 제2 공간이 바람직할 수 도 있다. 이러한 비대칭의 제2 공간은 보다 균일한 자력선 분포를 제공하고, 따라서 반대 방향에 마주하는 한 방향에서의 토크 리플을 줄일 수 있다.

또한, 로터(10)속에 제2 공간(64)을 방사상으로 배치하는 것이 자력선을 통과하게 해 준다. 제2 공간(64)은 원주면(26)과 사실상 연결되지 않을 정도로 원주면(26)에 가깝게 위치시켜서 제2 공간(64)과 원주면(26)사이에 연성 자력 재료의 브리지(68)가 남게 해야 한다. 브리지(68)는 자력선으로 포화되어 공기 틈새(34)를 통한 여분의 자력선들을 고정자(22)로 돌릴 만큼 얇아야 한다. 그러나, 브리지(68)는 다음에 언급하듯이 기계 가공을 이용하는 경우 기게 가공 후에도 구조적인 강도를 유지할 정도로 두꺼워야 한다. 노치 또는 홈과 같이 제2 공간(64)을 원주면(26)에 마주보게 연결시키는 브리지(68)를 만들어서 연속적인 원주면(26)을 제공한다. 원주면(26)의 연속성은 원주면(26)의 기계 가공성을 크게 개선하고 이에 사용되는 절삭 공구의 수명을 연장시킨다.

원주면(26)의 가공은 로터(10)의 제조 후 원주면(26)에 존재할 수 있는 부분적인 요철을 제거하는 것이 바람직하다. 이러한 가공 작업은 예컨대, 선반에서 이루어 질 수 있으며 로터(10)의 회전축에 대한 원주면(26)의 동심성을 개선시킬 수 있다. 이렇게 로터의 동심성을 개선시키면 보다 작은 공기 틈새(34)를 허용하여 효율에 관련된 증진을 이룰 수 있다. 로터(10)는 다른 방법으로도 제작될 수 있는데, 그 하나의 방법은 거의 동일한 박판들을 몇 개씩 적층하고 함께 고정하여 이루어진 다. 이러한 박판들은 예를 들어, 금속판으로부터 스탬핑하여 만들어 질 수 있다. 다른 제조방법은 분말 금속을 압축하고 분말 금속을 야금하여 일체의 적층물로 로터(10)를 형성하는 것이다. 이러한 실시예에서 박판 또는 일체의 적층물은 그 속에 제1 공간(18)과 제2 공간(64)을 가지게 제조된다. 따라서, 공간(18)과(64)의 축상 배치는 제조 공정 중에 조절된다. 박판 실시예의 경우, 로터(10)의 박판 적층 공정이 박판들의 상호 배치를 조절하여 원주면(26)에 발생하는 요철의 크기에 영향을 준다. 로터(10)를 제조하는데 사용되는 제조방법에 관계없이, 부분적인 요철은 추후 기계 가공으로 제거될 수 있는 크기로 존재할 수 있다.

본 발명은 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었으나, 이 분야의 기술자들은 발명의 범위를 벗어나지 않고 여러 가지 변경이 이루어 질 수 있고 균등물이 그 요소로 대체될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 많은 변형이 발명의 주요 범위를 벗어나지 않고도 발명의 기술에 대한 특수한 상황 또는 재료를 적용하여 이루어 질 수 있다. 따라서, 본 발명은 발명을 수행하는 최선의 형태로서 언급된 특수한 실시예에 국한되지 않으며 본 발명은 청구범위속에 있는 모든 실시예들을 포함하는 것을 알 수 있다.

본 명세서는 발명을 제한하지 않는 것으로 고려되고 유사 부품은 유사 번호가 붙여진 첨부 도면을 참조하여 설명된다.

도1은 전동 발전기의 부분 횡단면도 이다.

Claims (20)

1. 로터 원주면 근처에 위치되고 각각의 공간에는 적어도 하나의 영구자석이 수용된 다수개의 제1 공간들과, 인접한 제1 공간들 사이에 실질적으로 원주상으로 위치한 다수개의 제2 공간들을 가지는 전동 발전기 로터.
2. 제1항에 있어서, 상기 로터는 연성 자력 재료로 제조되는 전동 발전기 로터.
3. 제1항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 로터의 축상 길이 전체를 통해 연장하는 전동 발전기 로터.
4. 제1항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 로터 속에 있고 로터의 원주면에 연결되어 있지 않는 전동 발전기 로터.
5. 제1항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 원주상 대칭인 전동 발전기 로터.
6. 제1항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 원주상 비대칭인 전동 발전기 로터.
7. 제1항에 있어서, 다수개의 제2 공간들의 각각은 인접한 제1 공간들 사이에 실질적으로 원주상으로 대칭으로 위치되는 전동 발전기.
8. 로터, 상기 로터의 원주면 근처 속에 형성된 다수개의 제1 공간들,

   하나가 다수개의 제1 공간의 하나 속에서 로터에 고정 부착된 다수개의 영구자석, 및

   각각이 인접한 제1 공간 사이에 원주상으로 위치된 로터속에 형성된 다수개의 제2 공간들을 가지는 전동 발전기 로터.
9. 제8항에 있어서, 상기 로터는 연성 자력 재료로 제조되는 전동 발전기 로터.
10. 제8항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 로터의 축상 길이 전체를 통해 연장하는 전동 발전기 로터.
11. 제8항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 로터 속에 있고 로터의 원주면에 연결되어 있지 않는 전동 발전기 로터.
12. 제8항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 로터의 전장을 축상으로 연장하는 전동 발전기 로터.
13. 제8항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 원주상 대칭인 전동 발전기 로터.
14. 제8항에 있어서, 다수개의 제2 공간들은 원주상 비대칭인 전동 발전기 로터.
15. 제8항에 있어서, 다수개의 제2 공간들의 각각은 인접한 제1 공간들 사이에 실질적으로 원주상으로 대칭으로 위치되는 전동 발전기.
16. 로터가 작동 중에 하나 이상의 공간을 중첩시켜 자속 통로가 되는 로터의 일정부분을 차단하여 자연 자력선 형성을 억제하고,

    로터속의 하나 이상의 공간들 주위로 자력선들이 향하게 하는 방법을 포함하는 전동 발전기의 토크 리플을 최소화하는 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 공간들을 인접한 영구자석 사이에 원주상으로 위치시키는 방법을 더욱 포함하는 방법.
18. 로터가 자력선을 만들기 위해 자석을 수용하는 다수개의 제1 공간들과 다수개의 제2 공간을 가지게 형성하는 방법을 포함하는 전동 발전기용 로터 제조방법.
19. 제18항에 있어서, 로터를 형성하는데 분말 금속을 압축하고 야금하는 방법을 더욱 포함하는 방법.
20. 제18항에 있어서, 시트로부터 박판을 스탬핑하고,

    로터를 형성하는데 상기 박판들을 축상으로 배치된 제1 공간과 축상으로 배치된 제2 공간들을 가지게 상호 적층시키고 고정시키는 방법을 더욱 포함하는 방법.

Images