KR20080077082A - 회전 전기기계의 내측을 냉각하고, 영구자석을 죄어고정하는 장치 및 방법 - Google Patents

회전 전기기계의 내측을 냉각하고, 영구자석을 죄어고정하는 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전하는 전기기계의 내측을 냉각하고, 영구자석을 죄어 고정하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 전기기계의 표면 상에 적어도 하나의 자속을 생성하는 영구자석을 지지하는 장치에 있어서, 상기 표면에서 오목하게 형성되고, 상기 표면의 일단에서 연장된 적어도 하나의 슬롯; 및 적어도 하나의 슬롯에 대응하여 삽입된 적어도 하나의 그리핑 바를 포함하고, 상기 그리핑 바는 적어도 하나의 자석을 끼워 맞추도록 표면을 지나서 연장된 돌출부를 구비하고, 적어도 하나의 슬롯 및 적어도 하나의 그리핑 바는 적어도 하나의 슬롯 내에 대응하는 적어도 하나의 그리핑 바를 유지하도록 형성되어 상기 표면 상에 끼워 맞추어진 적어도 하나의 자석을 지지하는 것을 특징으로 한다.
영구자석, 회전자, 고정자, 그리핑 바, 전기기계

Description

회전 전기기계의 내측을 냉각하고, 영구자석을 죄어 고정하는 장치 및 방법 {A DEVICE AND METHOD TO CLAMP AND LOCK PERMANENT MAGNETS AND IMPROVE COOLING WITHIN A ROTATING ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은 영구자석 전기기계의 조립장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 기계 회전자 내측에 자석을 설치하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
영구자석은 전자석보다 필드(field)를 발생시키기에 용이하여 전기기계(여기서 모터 및 발전기로 정의된다.)를 조립하는데 이용된다. 일반적으로 자석은 내측 회전자 상에 설치되지만, 외측 회전자 상에 설치하는 것도 가능하다. 발전기에서, 회전자 상의 자석에서 발생하는 자기장의 회전은 방사형 외측 고정자에 전압 및 전류를 인가한다. 모터에서, 자석은 고정자에 인가된 전압 및 전류에 반응하고, 회전자를 회전시킨다.
영구자석 전기기계는 콤팩트하고 단순하며 전자석 권선을 요구하지 않으므로 전자석 전기기계보다 보수관리가 덜 요구된다. 현재의 희토류 자석(rare earth magnet)은 통권선(can winding)에 비하여 더욱 조밀한 소스를 제공하여 강한 자 속(magnetic flux)을 형성하고, 높은 선속(high flux) 특성을 구비하며, 고온에 견딜 수 있다. 상기와 같이 콤팩트한 기계는 고탑(high tower)의 꼭대기에 위치하는 풍력발전기의 엔진 내측 발전기 또는 공간이 중요시되는 장소의 모터와 같이 크기, 무게 및 효율특성이 중요하게 요구되는 구조체에서 응용될 수 있다.
영구자석은 표면 실장(surface mount) 배열기술 이용하여 극(poles)이 축을 따라 방사형으로 맞추어진 회전자의 표면 상에 설치된다.
영구자석 기계와 관련된 제조문제 중의 하나는 회전자에 자석을 설치하는 것이다. 종래기술에서, 표면 실장 자석은 회전자 표면에 본딩하는 것으로 설치된다. 적찹제가 에폭시(epoxy) 물질로 형성될지라도, 이것은 자석과 미세한 에어 갭(air gap)으로 떨어져 있는 고정자의 강자성 물질에 자석의 강력한 자기적 인력을 불충분하게 인가한다. 회전자 설치는 회전자 회전으로 인하여 자석 상에 주어진 구심력을 어렵게 하고, 이와 같은 현상은 과속운전뿐 아니라 정상운전에서도 나타난다. 자석이 설치된 회전자의 경우에, 비철(nonferrous) 물질(예를 들어, 섬유유리, 탄소섬유 또는 케블라(kevlar) 테이프)을 이용하여 결합되고, 이와 같은 테이프는 결합된 자석의 주변을 견고하고 묶으며 열처리된다.
본 발명과 관련하여 전기기계 내에서 자석을 표면에 실장하기 위한 보다 믿을만한 수단이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 전기기계의 회전자 표면에 영구자석을 죄어 고정하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
전기기계를 냉각하는 것이 항상 문제이므로, 본 발명의 다른 목적은 회전자를 냉각하는 수단을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적과 장점은 본 발명의 원리를 도시한 첨부도면과 함께 후술하는 바람직한 실시 예의 상세한 설명으로 명백하게 나타날 것이다.
전술한 설명, 다른 목적, 관점 및 장점은 첨부한 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시 예의 후술하는 상세한 설명으로 가장 잘 이해될 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 회전자 외면에 결합된 자석을 구비하는 전기기계의 회전자를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 회전자 구조체에서 축의 슬롯에 설치된 "I" 빔 형상의 그리핑 바에 의해 고정되고, 그리핑 바에 의해 열전달 및 냉각되며, 회전자 표면에 결합된 자석을 갖는 전기기계의 회전자 및 고정자를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 자석의 각각 상에 스텝(step) 모양을 이용하는 회전자 구조체에서 축의 슬롯으로 설치된 "I"빔 형상의 그리핑 바에 의해 고정되고, 회전자 표면에 결합된 자석을 구비하는 전기기계의 회전자 및 고정자를 도시한 부분단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 매칭(matching) 표면을 갖는 자석을 이용하는 회전자 구조체에서 축의 슬롯 속으로 설치된 이중 열장이음(dovetail) 형상의 그리핑 바에 의해 고정되고, 그리핑 바에 의해 열전달 및 냉각되며, 회전자 표면에 결합된 자석을 구비하는 전기기계의 회전자 및 고정자를 도시한 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가열 및 팽창되어 장착되고, 냉각 및 수축되어 고정되는 "I" 형상의 그리핑 바를 구비하는 전기기계의 회전자를 도시한 부분단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 비 강자성 그리핑 바의 이용을 보여주는 표면 실장된 자석의 응용을 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 주형 또는 가공된 회전자에서 다수의 슬롯 중 하나를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 얇은 판 모양의 회전자 적층물 상에 천공된 다수의 슬롯 윤곽 중 하나를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 주어진 간격에서 선택된 적층물 사이의 통풍 갭을 구비하는 얇은 판 모양의 회전자 적층물 상에 천공된 다수의 슬롯 윤곽 중 하나를 도시한 도면이다.
도 10은 본 발명에 따른 통풍 갭에서 구멍이 뚫린 회전자를 도시한 부분단면도이다.
도 11은 본 발명에 따른 중심의 플레넘(plenum)으로부터 냉각공기를 도시한 통풍공을 갖는 그리핑 바에 의해 지지된 고리모양 영구자석의 두 원형 열(circular row) 및 영구자석의 원형 열 사이의 통풍 갭을 구비하는 구멍이 뚫린 회전자를 도시한 도면이다.
도 12는 본 발명에 따른 주어진 간격에서 통풍 갭을 갖는 구멍이 뚫린 회전자 및 고정자를 도시한 도면이다.
본 발명의 후술하는 설명에서, 본 발명의 일부를 형성하는 첨부 도면, 본 발명의 원리를 설명하는 바람직한 실시 예 및 동작 원리에 따라 기준이 제시된다. 본 발명을 실시하도록 이용되는 다른 실시 예, 구조적 및 기능적 변화가 본 발명의 범위 내에서 제시되는 것은 자명한 사실이다.
일반적인 자석 설치 : 도 1에서 도시한 바와 같이, 영구자석(1)을 부착하는 종래 기술은 회전자(3)의 표면(2)에 접착하도록 접착제(4)를 이용한다. 회전자(3)의 회전을 제공하는 샤프트(5)가 도시된다. 도 2에서 도시한 바와 같이, 보다 나은 방법인 본 발명의 요지는 그리핑 바(10)가 회전자 코어(17) 내에 고정되어 자석(1)을 맞물리게 한다. 예를 들어, 상기 그리핑 바(10)는 "I" 빔 형상의 단면을 갖고, 일측이 회전자 코어(17)로부터 상기 회전자 코어(17) 내측에 형성된 유사한 모양의 내부 슬롯(11) 속으로 들어가는 "I" 빔 하부의 형상을 갖는 회전자(3) 만큼 길다. 상기 그리핑 바(10)의 타측은 두 개의 인접하는 자석(1)에 중첩하고, 회전자 표면(2) 상에서 인접하는 자석(1)을 지지한다.
상기 자석(1)은 조립단계에 따라 표면(2) 상에 결합하고, 그리핑 바(10)가 장착되어 자석(1)을 지지하며, 회전자 밴딩(banding)은 요구되지 않는다.
상기 자석(1)은 회전자 표면(2)의 모양에 따라 단순 곡면 형상이고, 상기 그 리핑 바(10)는 자석의 외측 방사면(16)에 중첩한다. 상기 그리핑 바(10)는 자석(1)에 비하여 고정자(13)에 인접하고, 회전자(3) 및 고정자(13) 사이에 에어갭(15)이 형성되어 있다.
상기 그리핑 바(10)는 회전자 코어(17) 속으로 확장되어 주변의 자석(1) 및 코어(17)에서 생성된 열을 외측으로 전달하는 냉각 경로(14)를 제공한다.
도 3에서 도시한 바와 같은 다른 실시 예에서, 상기 자석(1)의 형상은 그리핑 바(10)가 자석(1) 보다 고정자(13)에 멀어진 것을 강조하는 스텝(20) 형상을 포함한다.
도 4에서 도시한 바와 같은 또 다른 실시 예에서, 상기 그리핑 바(10)는 자석(1) 및 슬롯(11)이 결합면(31)을 갖도록 이중 열장이음(30) 단면을 구비한다.
또 다른 실시 예에서, 상기 그리핑 바(10)는 "I" 형상 및 열장이음(dovetail)의 조합과 같은 형상의 단면을 갖는다.
바람직하게, 상기 자석(1)은 회전자 표면(2)에 결합되고, 상기 그리핑 바(10)는 가열 및 팽창되며, 가열된 상태로 슬롯(11)에 삽입된다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 상기 가열된 그리핑 바(40)는 팽창되어 자석(1)을 지지하지 않지만, 냉각된 그리핑 바(41)는 수축되어 슬롯(11)의 외측 방사면(42) 및 최외각 방사면(16) 사이에서 견고한 그립을 형성한다.
도 6에서 도시한 바와 같이, 표면 실장된 자석은 방사형 극(71)을 갖고, 상기 극(71)으로부터 발산되는 바람직한 방사형 자속(70)을 유지시킨다. 비 강자성 그리핑 바(72)는 정상적인 자속 경로(70)를 간섭하지 않도록 비 강자성 물질로 만 들어진다. 상기 물질은 알루미늄, 스테인리스 스틸, 탄소 섬유, 폴트루디드(poltruded) 유리섬유 또는 다른 비자성 물질일 수 있다.
상기 회전자(3)는 주철 금속(cast ferrous metal)으로 형성되거나 맴돌이 전류(eddy current)를 감소시키도록 얇은 판이 겹쳐서 된 면으로 형성된다. 도 7에서 도시한 바와 같이, 캐스트(cast) 회전자(50)의 주물 형상에는 그리핑 바(10)를 끼워넣기 위한 내부 슬롯(11)이 마련된다. 이와는 달리, 상기 슬롯(11)은 가공되거나 밀링되어 형성될 수 있다.
도 8에서 도시한 바와 같이, 얇은 판 모양의 회전자(60)의 슬롯(11) 단면은 각각의 적층물(61) 상에 천공되고, 완성된 슬롯(11)은 적층물(61)이 서로 접착된 경우에 형성된다.
도 9에서 도시한 바와 같이, 통풍 갭(73)을 갖는 구멍이 뚫린 얇은 판 모양의 회전자(80)의 슬롯(11) 단면은 각각의 적층물(61) 상에 천공되고, 완성된 슬롯(11)은 적층물(61)이 서로 접착된 경우에 형성된다. 적층물의 주어진 간격인 통풍 갭(73)은 샤프트 플레넘(shaft plenum; 74)에서 방사형의 외측으로 공기가 흐르도록 한다. 각각의 통풍 갭(73)에 인접한 적층물(61)은 선택된 적층물 사이에서 방사형으로 설치된 분리 로드(18)에 의해 지지된다.
도 10에서 도시한 바와 같이, 냉각 공기(14)는 회전자 샤프트(5)를 따라 흐르고, 상기 샤프트 플레넘(74)으로부터 회전자 코어를 관통하여 방사형 외측, 분리 로드(18)에 나란한 방향으로 흘러 그리핑 바(10)를 지난다.
도 11에서 도시한 바와 같이, 이러한 배열로 회전하는 그리핑 바(10)는 자석 을 넘어서 에어 갭(air gap)으로 돌출하고, 회전자(에어 갭(15)) 주변 분위기 내의 공기(14)를 이동시키는 팬(fans)의 역할을 수행하여 회전자 냉각을 용이하게 한다.
상기 통풍 갭(73)은 원주를 따라 일정하게 이격된 그리핑 바(10)가 공기의 흐름을 차단하지 않도록 길이 방향으로 일정하게 이격된 자석(1) 사이의 공간에 위치한다.
도 12에서 도시한 바와 같이, 상기 회전자에는 통풍 갭(73)과 함께 내측으로 구멍이 뚫려져 있어 샤프트 플레넘(74)으로부터 회전자 코어(3)를 관통하여 방사형 외측 에어 갭(15)까지 냉각 공기(14)를 안내한다. 통풍 갭(73)은 고정자(13)에서도 만들어져 공기흐름(14)을 원활하게 하여 고정자(13) 및 고정자 권선(6)에서 발생하는 열을 제거하도록 돕는다.
다른 실시 예 : 본 발명의 여러 가지 실시 예가 도시되고 설명되는 동안, 다수의 변화와 다른 실시 예는 기술분야에서 숙련된 정도로 나타날 것이다. 예를 들어, 상기 자석은 회전자보다 고정자의 표면에 설치될 수 있고, 그리핑 바 및 슬롯은 고정자에 적용될 수 있다. 상기 회전자는 전기자 주위를 회전하는 외부 회전자일 수 있고, 상기 그리핑 바는 "I" 및 열장이음 형상과는 다른 형상, 예를 들어, 곡면을 갖는 바벨(barbell) 형상일 수 있다. 그러한 변화와 다른 실시 예가 고려될 수 있고, 첨부된 청구항에서 정의된 것처럼 본 발명의 범위 및 진의를 벗어나지 않고 만들어질 수 있다.
본 발명은 회전하는 전기기계의 내측을 냉각하고, 영구자석을 죄어 고정하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 그 응용분야로는 풍력발전기와 같은 발전기 또는 모터 등에 사용되는 것을 들 수 있다.

Claims (22)

  1. 전기기계의 표면 상에 적어도 하나의 자속을 생성하는 영구자석을 지지하는 장치에 있어서,
    상기 표면에서 오목하게 형성되고, 상기 표면의 일단에서 연장된 적어도 하나의 슬롯; 및
    적어도 하나의 슬롯에 대응하여 삽입된 적어도 하나의 그리핑 바를 포함하고,
    상기 그리핑 바는 적어도 하나의 자석을 끼워 맞추도록 표면을 지나서 연장된 돌출부를 구비하고, 적어도 하나의 슬롯 및 적어도 하나의 그리핑 바는 적어도 하나의 슬롯 내에 대응하는 적어도 하나의 그리핑 바를 유지하도록 형성되어 상기 표면 상에 끼워 맞추어진 적어도 하나의 자석을 지지하는 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    적어도 하나의 그리핑 바는 가열 및 팽창된 동안 대응하는 적어도 하나의 슬롯 내로 삽입되고, 상기 적어도 하나의 그리핑 바는 대응하는 적어도 하나의 슬롯 내에서 지지되며, 상기 적어도 하나의 그리핑 바가 냉각 및 수축되어 적어도 하나의 자석을 끼워 맞추는 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 자석 및 상기 표면 사이에 도포되어 상기 표면에 적어도 하나의 자석을 지지하는 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그리핑 바는 적어도 하나의 자석에서 생성된 자속을 간섭하지 않도록 비 강자성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 그리핑 바 돌출부는 "I" 빔 형상인 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 그리핑 바 돌출부를 끼워 맞추도록 스텝(step) 형상인 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 그리핑 바 돌출부는 열장이음 형상인 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 자석은 그리핑 바 둘출부를 끼워 맞추도록 경사면을 갖는 형상인 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 그리핑 바를 둘러 감싸는 볼륨으로부터 발생하는 열을 제거하는 경로가 더 마련된 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 볼륨에는 냉각공기를 안내하도록 구멍이 뚫려 있고, 상기 열 제거 경로는 회전하는 그리핑 바에 의해 생성된 공기 운동을 포함하는 것을 특징으로 하는 영구자석 지지장치.
  11. 중심축을 구비하는 회전자 및 둘러싸는 고정자;
    자속을 생성하는 적어도 하나의 영구자석;
    상기 축에서 가장 먼 상기 회전자의 표면 및 상기 축에서 가장 가까운 상기 고정자의 표면을 구성하는 그룹으로부터 선택된 표면; 및
    상기 표면 상에 적어도 하나의 자석을 지지하는 적어도 하나의 그리핑 장치를 포함하고, 상기 그리핑 장치는
    (ⅰ) 상기 표면으로부터 오목하게 형성되고, 상기 표면의 일단에서 연장된 슬롯; 및
    (ⅱ) 적어도 하나의 자석을 붙이도록 상기 표면을 지나서 연장되고, 상기 슬롯으로 삽입된 그리핑 바를 포함하고,
    상기 그리핑 바 및 슬롯은 상기 그리핑 바가 상기 슬롯 내에서 유지되도록 형성되고, 상기 부착된 적어도 하나의 자석을 상기 표면 상에 지지하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 장치는 상기 표면 상의 적어도 하나의 자석을 지지하도록 상기 적어도 하나의 자석 및 상기 표면 사이에 도포된 접착제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 그리핑 바는 적어도 하나의 자석에서 생성된 자속을 간섭하지 않도록 비 강자성 물질로 형성된 것을 특징으로 하는 전기기계.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 그리핑 바의 돌출부는 "I" 빔 형상인 것을 특징으로 하는 전기기계.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 그리핑 바의 돌출부를 끼워 맞추도록 스텝 형상인 것을 특징으로 하는 전기기계.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 그리핑 바의 돌출부는 열장이음 형상인 것을 특징으로 하는 전기기계.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 자석은 상기 그리핑 바를 끼워 맞추도록 경사면을 갖는 모양으로 형성된 것을 특징으로 하는 전기기계.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 그리핑 바의 돌출부에는 상기 슬롯을 감싸는 볼륨으로부터 발생된 열을 제거하는 경로가 마련된 것을 특징으로 하는 전기기계.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 볼륨에는 냉각공기를 안내하는 갭을 갖도록 구멍이 뚫려 있고, 상기 열 제거 경로는 회전하는 그리핑 바에 의해 생성된 공기 운동을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기기계.
  20. 적어도 하나의 영구자석을 전기기계의 표면 상에 지지하는 방법에 있어서,
    상기 표면의 일단에서 시작하고, 상기 표면으로부터 오목한 슬롯을 형성하는 단계;
    그리핑 바의 형상으로 슬롯 내에 걸어 맞추도록 이루어진 그리핑 바를 형성하는 단계; 및
    상기 적어도 하나의 자석을 끼워 맞추는 동안 상기 그리핑 바를 상기 슬롯 속으로 삽입하는 단계를 포함하고,
    상기 그리핑 바는 상기 표면을 넘어서 돌출하고, 상기 표면 상에 적어도 하나의 자석을 끼워 맞춰 지지하며, 상기 슬롯은 상기 슬롯 내의 상기 그리핑 바를 유지하는 것을 특징으로 하는 영구자석 지지방법.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 그리핑 바는 상기 슬롯이 가열 및 팽창하는 동안 상기 슬롯 내에 삽입되고, 상기 슬롯은 냉각 및 수축되어 상기 표면에 대향하는 상기 적어도 하나의 자석을 유지하는 것을 특징으로 하는 영구자석 지지방법.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 표면은 회전하고, 냉각 공기가 통과하도록 중심으로 구멍이 뚫려져 있으며, 상기 그리핑 바는 공기를 이동 및 냉각시키는 팬의 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 영구자석 지지방법.
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