KR20080105081A - 전기 기계 - Google Patents

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KR20080105081A
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로베르트 보쉬 게엠베하
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Abstract

본 발명은 아마추어 코어를 수용하는 아마추어 슬롯(25)을 가진 아마추어(20)를 포함하는 전기 기계에 관한 것으로, 적어도 하나의 아마추어 코어는 아마추어(20)의 아마추어 샤프트(22)의 중심점(23)을 통해 연장된 대칭 축선에 대해 서로 대칭으로 배치된 2개의 부분 코일들(51, 52)로 형성되고, 상기 부분 코일들(51, 52)은 정류자(30)의 인접한 2개의 정류자 박판들(32)에 연결되고, 상기 전기 기계는 정류자(30)에 슬라이딩 가능하게 접촉하는 제 1, 제 2 및 제 3 브러시(41, 42, 43)를 포함하고, 제 2 브러시(42)는 제 1 브러시(41) 또는 제 3 브러시(43)와 협동한다. 전기 기계는 인접한 2개의 정류자 박판들(32)의 접촉시 제 3 브러시(43)가 아마추어 샤프트(22)의 중심점(32)과 함께 2개의 부분 코일들(51, 52)의 대칭 축선(55)에 대해 90˚- (180˚/박판 개수) -(180˚/3 ·박판 개수) 내지 90˚+ (180˚/박판 개수) + (180˚/3 ·박판 개수)의 각도를 갖는 축선(45)을 형성하도록, 2개의 부분 코일들(51, 52)에 대해 배치되는 것을 특징으로 한다.
아마추어 코어, 아마추어, 아마추어 슬롯, 부분 코일, 정류자

Description

전기 기계{Electrical machine}
본 발명은 청구범위 제 1 항의 전제부에 따른 전기 기계, 특히 직류 기계에 관한 것이다.
WO 2005/076442호에 대칭으로 배치된 아마추어 와인딩을 가진 전기 모터가 공지되어 있다. 대칭으로 배치된 아마추어 와인딩은, 2개의 임의의 아마추어 슬롯 사이에 와인딩 되고 인접한 정류자 박판에 전기 접촉되는 제 1 코일로 이루어진다. 제 2 코일은 아마추어 샤프트의 중심점과 관련해서 제 1 코일의 2개의 아마추어 슬롯에 대해 점 대칭 위치에 있는 2개의 아마추어 슬롯들 사이에 와인딩 되고, 제 1 코일과 반대 방향으로 와인딩 되어 있다. 모터에서 아마추어 슬롯의 개수는 정류자 박판의 개수와 동일하다. 모터는 높고 낮은 속도를 위한 각각 하나의 브러시와 하나의 공동 브러시를 가진다. 제 1 및 제 2 코일은, 높은 속도용 브러시들이 인접한 정류자 박판과 접촉하여 제 1 코일과 제 2 코일이 단락되면, 높은 속도용 브러시들의 중심점과 회전 샤프트의 중심점을 통과하는 축선에 대해 대칭인 위치에 있도록 배치된다.
WO 2005/076442호에 따른, 서로 대칭으로 배치된 제 1 및 제 2 코일에 대한 브러시 배치는 각각의 코일의 스위칭 도체가 아마추어 슬롯으로부터 직접 정류자로 안내되는 단점을 갖는다. 스위칭 도체는, 코일로부터 정류자에 안내된 코일 와이어의 섹션이다. 즉, 상기 스위칭 도체는 코일과 정류자 후크 사이에 거의 자유롭게 고정된다. 고정된 스위칭 도체는 나머지 코일의 후속 스위칭 도체를 위한 공간을 차단한다. 이는 큰 와인딩 헤드 구조를 야기하고 경우에 따라서는 진동 부하 상태에서, 고정된 스위칭 도체의 정류자 후크에서 와이어의 파손을 일으키므로, 불량품이 야기될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 기계는 아마추어 코일을 수용하는 아마추어 슬롯을 가진 아마추어를 포함한다. 적어도 하나의 아마추어 코일은 아마추어의 아마추어 샤프트의 중심점을 통해 연장된 대칭 축선에 대해서 서로 대칭으로 배치된 2개의 부분 코일들로 형성되고, 부분 코일들은 정류자의 인접한 2개의 정류자 박판들에 연결된다. 즉, 아마추어 코일들은 2개의 부분 코일들이 아마추어의 회전 축선의 중심점을 통해 연장된 대칭 축선에 대해 서로 대칭으로 배치되도록 형성된다. 서로 대칭으로 배치된 2개의 부분 코일들은 정류자의 인접한 2개의 정류자 박판들에 연결된다. 또한, 전기 기계는 제 1 브러시, 제 2 브러시 및 제 3 브러시를 포함하고, 상기 브러시들은 정류자에 슬라이딩 가능하게 접촉하고, 제 2 브러시는 제 1 브러시 또는 제 3 브러시와 협동한다. 본 발명에 따라, 제 3 브러시는, 인접한 2개의 정류자 박판들의 접촉시 제 3 브러시가 회전 축선의 중심점과 함께, 2개의 부분 코일들의 대칭 축선에 대해 90˚- (180˚/박판 개수) -(180˚/3·박판 개수) 내지 90˚+ (180˚/박판 개수) + (180˚/3·박판 개수)의 각도를 갖는 축선(45)을 형성하도록, 2개의 부분 코일들(51, 52)에 대해 배치된다. 박판의 개수가 예컨대 12개이면, 상기 각도는 90˚-15˚- 5˚내지 90˚+ 15˚+ 5, 바람직하게 90˚- 15˚-4˚내지 90˚+ 15˚+ 4˚, 특히 바람직하게 90˚- 15˚- 2˚내지 90˚+ 15˚+ 2˚이다. 상기 각도는 예컨대 90˚+ 15 ˚+/-4˚이다.
본 발명에 따라, 제 3 브러시가 인접한 2개의 정류자 박판들과 접촉함으로써 2개의 부분 코일들이 단락되면, 제 3 브러시와 회전 축선의 중심점을 통과하는 축선은 실질적으로 2개의 부분 코일들의 대칭 축선에 대해 수직, 즉 90˚이다.
직렬 접속된 2개의 대칭 부분 코일들의 2개의 스위칭 도체 또는 병렬 접속된 2개의 부분 코일들의 4개의 스위칭 도체는, 각각의 정류자 후크에 연결되기 전에, 아마추어 슬롯으로부터 빠져나온 후에 아마추어 샤프트 둘레로 약 180˚로 안내된다. 이로써, 스위칭 도체는 자유롭게 고정되는 것이 아니라, 그 전체 길이가 아마추어 샤프트 또는 미리 와인딩된 코일의 스위칭 도체에 놓이는 것이 보장된다. 아마추어와 정류자 사이의 와인딩 헤드 영역에서 코일 단부를 아마추어 샤프트에 적어도 부분적으로 와인딩 하는 것을 후크 와인딩이라고 한다.
본 발명에 따른 전기 기계는 아마추어와 정류자 사이의 와인딩 헤드가 선행기술보다 더 안정하고 콤팩트하게 구성된다는 장점을 갖는다. 후크 와인딩에 의해 진동 부하 하에서 특히 스위칭 도체의 진동이 저지되고, 이로써 스위칭 도체에서 와이어 파손이 저지된다. 이는 견고한 와인딩 헤드 구조를 갖게 하고, 불량 위험을 감소시킨다.
제 3 브러시가 인접한 2개의 정류자 박판들과 접촉할 때 회전 축선의 중심점및 제 3 브러시를 통과하는 축선과 2개의 부분 코일들의 대칭 축선 사이의 이러한 수직 배치와 달리, 정류자는 바람직하게 추가로 +/-(180˚/박판 개수 + 180˚/3·박판 개수) 범위의 각도만큼 아마추어에 대해 회전된다. 이는 전기 기계의 회전수를 약간 증가시키거나 또는 감소시키며, 이로 인해 회전수의 미세 조정이 가능하다.
아마추어 와인딩의 설계시, 먼저 더 적은 회전수 단의 회전수 요구로 인해 아마추어 슬롯당 코일 도체의 개수, 즉 와인딩의 개수 및 코일 와이어 두께가 결정된다. 낮은 회전수 단의 회전수에 대한 높은 회전수 단의 회전수, 소위 회전수 점프는 제 1 브러시에 대한 제 3 브러시의 각도 위치에 의해 결정되고, 따라서 낮은 회전수 단이 변하지 않는 경우 높은 회전수 단은 소정 값으로 대략 조정될 수 있다. 이러한 각도 위치는 공구 내에 정해져 있으므로 일반적으로 전기 기계의 유형에 대해 정해져 공구 변경에 의해서만 변경될 수 있다.
회전수 점프의 미세 조정은 -(180˚/3 ·박판 개수) 내지 +(180˚/3 ·박판 개수)의 각도만큼 추가로 정류자가 회전됨으로써 달성될 수 있다. 약 1˚의 정류자 회전은 예컨대 높은 회전수 단을 약 1 rpm만큼 변경시킨다.
본 발명에 따른 전기 기계는 3개의 브러시를 포함한다. 제 1 및 제 2 브러시는 실질적으로 직경 방향으로 대향 배치된다. 제 3 브러시는 대향 배치된 브러시들 사이에 방사방향으로 배치되므로, 제 3 브러시는 제 1 브러시에 대해, 회전 방향으로 180˚보다 작은 특정 각도만큼, 예컨대 70˚오프셋 되어 배치된다. 낮은 회전수 단에서 대향 배치된 2개의 브러시들, 즉 제 1 및 제 2 브러시에는 전류가 공급되는 한편, 제 3 브러시는 무전류 상태이다. 높은 회전수 단에서 제 2 및 제 3 브러시에 전류가 공급되는 것과 달리, 제 1 브러시는 무전류 상태이다. 따라서 제 2 브러시는 회전수가 낮을 경우에는 제 1 브러시와 협동하고, 회전수가 높을 경우에는 제 3 브러시와 협동하는 공동 브러시를 형성한다. 전류가 공급되지 않은 브러시는 인접한 2개의 정류자 박판들을 연결시킨다. 이로써 상기 브러시는 종래의 와인딩시에 그 사이에 놓인 코일들을 단락시키고, 공급 전류와 반대로 향하고 아마추어에 방사방향 힘을 야기하는 단락 전류가 형성된다. 상기 방사방향 힘은 본 발명에 따른 전기 기계에서 저지되는데, 그 이유는 코일 대신 서로 대칭으로 배치된 2개의 부분 코일들이 인접한 정류자 박판들에 접촉하기 때문이다. 인접한 2개의 정류자 박판들이 전류가 공급되지 않은 브러시들을 통해 연결되면, 2개의 부분 코일들에 단락 전류가 발생하므로, 2개 부분 코일들의 방사방향 힘이 보상된다.
2개의 부분 코일들은 본 발명에 따라, 부분 코일에 전류가 공급되는 경우 자계 내에 실질적으로 아마추어에 방사방향 힘이 작용하지 않도록 서로 대칭으로 배치된다. 2개의 부분 코일들은 예컨대 인접한 정류자 박판들에 접속됨으로써, 동시에 정류 가능하다. 결과되는 방사방향 힘은, 2개의 부분 코일들이 실질적으로 구조적으로 서로 평행하고 아마추어의 회전 축선과 동일한 간격으로 배치됨으로써 특히 양호하게 보상된다. 또한, 방사방향 힘은, 2개의 부분 코일들이 동일하게 4개의 코일들을 포함함으로써 특히 양호하게 보상될 수 있다. 또한, 방사방향 힘은, 2개의 부분 코일들이 반대 와인딩 방향으로 서로 와인딩됨으로써 특히 양호하게 보상될 수 있다. 이 경우 특히 2극 전기 와인딩이다.
2개의 부분 코일들은 직렬 또는 병렬로 전기 접속될 수 있다. 직렬 접속시 2개의 부분 코일들은 2개의 단부를 갖고, 상기 단부들은 인접한 정류자 박판에 연결된다. 그와 달리, 병렬 접속시 2개의 부분 코일들은 각각 2개의 단부를 갖고, 부분 코일의 각각의 단부들은 인접한 정류자 박판에 연결된다.
바람직한 실시예에서, 정류자는 짝수 개의 박판을 갖는다. 또한, 바람직하게 박판의 개수는 아마추어 슬롯의 개수와 동일하다.
다른 바람직한 실시예에서, 대칭으로 배치된 부분 코일들은 감소된, 예컨대 절반의 코일 와이어 횡단면을 가진 이중 와인딩으로서 2층으로 형성된다. 이로써, 증가된 슬롯 충전 팩터가 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 전기 기계는 특히 차량 윈드실드 와이퍼 모터로서 사용될 수 있다.
하기에서 본 발명은 첨부된 도면에 의해 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 전기 기계의 실시예의 개략적인 횡단면도.
도 2는 본 발명에 따른 전기 기계의 와인딩 패턴의 실시예를 도시한 도면.
도 1에 본 발명에 따른 전기 기계(100)의 실시예가 개략적인 횡단면도로 도시된다. 고정자는 2개의 극(10)으로 형성된다. 극(10)의 내부에서, 아마추어(20)는 회전 축선(23)을 가진 아마추어 샤프트(22) 상에 상대 회전 불가능하게 지지된다. 아마추어(20)에 12개의 아마추어 톱니들(24)과, 상기 아마추어 톱니들(24) 사 이에 놓인 12개의 아마추어 슬롯(25)이 제공된다. 또한, 정류자(30)의 정류자 박판(32)은 아마추어 샤프트(22)에 상대 회전 불가능하게 고정된다(도 2). 또한, 3개의 브러시들(41, 42, 43)이 제공되고, 제 1 및 제 2 브러시들(41, 42)은 서로 직경 방향으로 대향 배치되는 한편, 제 3 브러시는 회전 방향으로 180˚보다 작은 특정 각도만큼, 이 경우 예컨대 45˚만큼 제 1 브러시(41)에 대해 오프셋 되어 배치된다. 제 2 브러시(42)는, 회전수가 낮은 경우에는 제 1 브러시(41)와 협동하고, 회전수가 높은 경우에는 제 3 브러시(43)와 협동함으로써 공동 브러시로서 이용된다.
도 1 및 도 2에 따라 도시된 실시예에서, 정류자(30)는 12개의 정류자 박판들(32)을 포함하고 아마추어(20)는 12개의 아마추어 톱니들(24) 또는 아마추어 슬롯들(25)을 포함한다.
하나의 아마추어 코일은 각각 2개의 부분 코일들(51, 52)로 형성되고, 상기 부분 코일들은 아마추어(20)의 회전 축선(22)의 중심점(23)을 통해 연장된 대칭 축선(55)에 대해 서로 대칭으로 배치된다. 부분 코일들(51, 52)은 실질적으로 구조적으로 서로 평행하고 아마추어(20)의 회전 축선(22)과 동일한 간격으로 배치된다.
도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 부분 코일들(51, 52)은 정류자(30)의 인접한 2개의 정류자 박판들(32)에 연결된다. 제 3 브러시(43)가 인접한 2개의 정류자 박판들(32;도 2에서 박판 3, 박판 4)와 접촉하면, 2개의 부분 코일들(51, 52)이 단락된다. 인접한 2개의 정류자 박판들(32)의 접촉시 제 3 브러시(43)는 아마추어 샤프트(22)의 중심점(23)과 함께 2개의 부분 코일들(51, 52)의 대칭 축선(55)에 대 해 수직인 축선(45)을 형성한다(도 1).
도 2에 따른 와인딩 패턴은 2개의 부분 코일들(51, 52)로 이루어진 아마추어 코일의 제 1 실시예의 부분적인 전개도를 도시한다. 아마추어 코일은 단절 와인딩 형태로 랩 와인딩(lap winding) 방식으로 와인딩 된다. 제 1 부분 코일(51)의 와인딩은 3으로 표시된 아마추어 슬롯(25)과 8로 표시된 아마추어 슬롯(25) 내에 배치된다. 제 2 부분 코일(52)의 와인딩은 2로 표시된 아마추어 슬롯(25)과 9로 표시된 아마추어 슬롯(25) 내에 배치된다. 제 1 및 제 2 부분 코일들(51, 52)의 2개의 단부들은 인접한(이 경우 제 3 및 제 4) 정류자 박판들(32)에 전기 접속된다. 따라서, 2개의 부분 코일들(51, 52)은 직렬로 접속된다. 제 3 및 제 8 아마추어 슬롯(25)과 제 2 및 제 9 아마추어 슬롯(25)은 대향 배치되므로, 2개의 부분 코일들(51, 52)은 아마추어 샤프트(22)의 중심점(23)을 통과하는 축선에 대해 서로 대칭으로 배치된다. 2개의 부분 코일들(51, 52)은 실질적으로 서로 평행하게 배치되므로, 부분 코일들(51, 52)에 대해 평행하게 배치된 대칭 축선(55)에 대해서 대칭 위치에 있게 된다. 2개의 부분 코일들(51, 52)은 반대 와인딩 방향으로 와인딩 된다.
도 2는 2개의 부분 코일들(51, 52)의 직렬 접속의 실시예를 도시한다. 대칭으로 배치된 2개의 부분 코일들(51, 52)의 와인딩의 도시된 원리에 따라 다른 와인딩 패턴이 구현될 수 있다.

Claims (6)

  1. 아마추어 코일을 수용하는 아마추어 슬롯(25)을 가진 아마추어(20), 제 1 브러시(41), 제 2 브러시(42) 및 제 3 브러시(43)를 포함하는 전기 기계로서, 적어도 하나의 아마추어 코일은 상기 아마추어(20)의 아마추어 샤프트(22)의 중심점(23)을 통해 연장된 대칭 축선(55)에 대해 서로 대칭으로 배치된 2개의 부분 코일들(51, 52)로 형성되고, 상기 부분 코일들(51, 52)은 정류자(30)의 인접한 2개의 정류자 박판들(32)에 연결되고, 상기 브러시들은 슬라이딩 가능하게 정류자(30)에 접촉하고, 상기 제 2 브러시(42)는 상기 제 1 브러시(41) 또는 상기 제 3 브러시(43)와 협동하는 전기 기계에 있어서,
    상기 제 3 브러시(43)는, 상기 인접한 2개의 정류자 박판들(32)의 접촉시 상기 아마추어 샤프트(22)의 상기 중심점(23)과 함께, 2개의 부분 코일들(51, 52)의 대칭 축선(55)에 대해 90˚- (180˚/박판 개수) -(180˚/3 ·박판 개수) 내지 90˚+ (180˚/박판 개수) + (180˚/3 ·박판 개수)의 각도를 갖는 축선(45)을 형성하도록, 상기 2개의 부분 코일들(51, 52)에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 2개의 부분 코일들(51, 52)은 실질적으로 구조적으로 서로 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 2개의 부분 코일들(51, 52)은 동일한 개수의 코일들을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 부분 코일들(51, 52)은 서로 반대 와인딩 방향으로 와인딩 되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 2개의 부분 코일들(51, 52)은 전기적으로 직렬 접속되는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
  6. 제 5 항에 있어서, 직렬 접속된 상기 2개의 부분 코일들(51, 52)은 인접한 정류자 박판들(32)에 연결된 2개의 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 기계.
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