KR20090009835A - 펌프 또는 환기장치를 구동하기 위한 다상 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전기 코일(41 내지 46)에 의해 여자된 고정자부(1) 및 교대로 방사상으로 자화된 N쌍의 극을 나타내는 회전자(2)로 형성되고, 고정자부(1)는 고리형 링(10)으로부터 방사상으로 연장되는 넓은 톱니(11 내지 16)와 좁은 톱니(17 내지 22)를 구비하며, 특히, 자동차 산업의 펌프 또는 통풍기의 구동에 적용하기 위한 다상 전동기에 관한 것이다. 넓은 톱니는 코일권선을 지지하고, 넓은 톱니와 좁은 톱니 사이의 거리는 좁은 톱니의 폭보다 크다.

전동기, 코일, 고정자, 회전자, 톱니

Description

펌프 또는 환기장치를 구동하기 위한 다상 전동기{Polyphase electric motor especially for driving pumps or ventilators}

본 발명은, 다상 전동기(polyphase electric motor)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자동차 산업의 펌프 또는 환기장치(ventilators)의 구동에 적용하기 위한 것이다.

산업 및 자동차 분야에서, 펌프 또는 환기장치를 구동하기 위한 다상 전동기의 선택은 가격, 성능 및 수명의 기준에 따라 이루어진다. 성능과 관련하여, 출력과 소음은 더욱 상세히 평가된다. 우수한 출력을 달성하기 위하여, 저항손실(resistive losses)을 방출하는 충분히 많은 양의 구리 및 철 손실(iron losses)을 최소화하는 짧은 자기회로(magnetic circuit)를 갖는 것이 필요하다. 소음도(level of noise)를 가능한 한 많이 낮추기 위하여, 낮은 나사 마찰 토크(thread friction torque)뿐만 아니라 정확한 반지름방향 힘(radial force)의 균형을 목표로 삼는다. 전동기의 가격은 자재비뿐만 아니라 제조비에 관련되어 있고, 코일권선(coil winding)의 제조를 위한 경제적인 해결책을 제공하는 것이 매우 중요하다.

정확한 반지름방향 힘의 균형을 나타내는 독일특허 DE19905748호에서 설명된 바와 같은 전동기가 공지되어 있으나, 이러한 전동기의 구조는, 코일을 개별적으로 권선하고, 코일을 고정자에 삽입함으로써 간단한 코일권선의 제조를 허용하지 못한다. 실제로, 나사 마찰 토크를 관리하기 위해서는, 이러한 모터에서 가능한 한 넓은 형상을 가진 자극(poles)이 필요하고, 코일권선은 매우 좁은 개구(cut-outs)를 통하여 구리선을 삽입하는 것에 의해 이루어져야 한다. 코일권선을 보다 용이하게 하기 위하여, 임의의 전동기는 여러 부품으로 이루어진 고정자를 보이고 있으나, 코일권선의 단순화는 상당수의 부품의 조립 때문에 복잡해지는 고정자 회로 설계에 손해를 끼치고, 이로써 비용이 많이 소요된다.

또한, 낮은 나사 마찰 토크를 제공하면서 1개 부품으로 이루어진 고정자에 매우 간단하고도 경제적인 코일권선의 제조를 달성할 수 있게 하는 전동기가 공지되어 있다. 그러나, 이러한 전동기는, 소음 또한 베어링(bearing) 수명에 불리한 반지름방향 힘에 대하여 전체적으로 균형이 맞지 않다. 이러한 전동기는, 예를 들어 본 출원인에게 양도된 미국특허 제5,880,551호에서 기술되어 있다.

본 발명은 구리의 용량과 짧은 자기회로에 따른 출력 및 균형이 잡힌 반지름방향 힘과 낮은 수준의 나사 마찰 토크로 인한 소음에 대하여 매우 우수한 수준의 성능을 나타내고, 대량생산에 적합한 경제적이고도 강력한 해결책을 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 위하여, 본 발명은 전기 코일에 의해 여자된 고정자부 및 교대로 방사상으로 자화된 타입의 N쌍의 자극을 나타내는 자화된 회전자로 형성된 다상 전동기에 관한 것으로서, 고정자부는, 고리형 링으로부터 방사상으로 연장되는 넓은 톱니(large teeth)와 좁은 톱니(narrow teeth)를 개시한다. 코일권선을 지지하는 넓은 톱니는 좁은 톱니의 폭의 2배 이상인 폭을 가진다. 고정자의 내경에서 측정된 톱니의 폭의 크기는, 전동기의 나사 마찰 토크를 상쇄하는 특성을 각각 가지는 넓은 톱니와 좁은 톱니에 대한 1쌍의 값을 사용한다. 일정한 직사각형 단면을 가진 코일이 감겨진 톱니(coiled teeth)를 구비하는 고정자의 형상은 넓은 톱니 주위에 각 코일의 인입을 허용하고, 이때 코일은 고정자 외부에서 개별적으로 제조된다. 이러한 목적을 위하여, 코일권선을 인입할 수 있게 하는 개구의 폭은 좁은 톱니의 폭보다 더 크고, 상기 폭은 고정자의 내경에서 측정된다.

이하, 본 발명은, 첨부된 도면을 참조하면서 상세한 설명을 읽을 때, 가장 양호하게 이해될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 전동기의 단면도를 나타낸다. 전동기는 6개의 넓은 톱니(11 내지 16)와 6개의 좁은 톱니(17 내지 22)를 나타내는 고정자(1) 및 교대로 방사상으로 자화된 N쌍의 자극(A1 내지 A10)을 나타내는 회전자(2)를 포함한다.

도 2는 고정자가 6개의 자극(51 내지 56)을 포함하는 종래 기술에 따른 전동기의 단면도이다.

도 3은 고정자가 12개의 자극(71 내지 82)을 포함하는 종래 기술에 따른 전동기의 단면도이다.

도 4는 고정자가 6개의 넓은 자극(P1 내지 P6)과 6개의 좁은 자극(P7 내지 P12)을 포함하는 종래 기술에 따른 전동기의 단면도이다.

도 5는 6톱니형(6-tooth) 고정자와 12톱니형(12-tooth) 고정자에 대하여 톱니 폭에 따라 암페어/턴 당 결합상수(constant of the couple per ampere/turn)의 변화를 각각 나타내는 도표이다.

도 6은 6톱니형 고정자의 톱니 폭에 대한 나사 마찰 토크의 변화를 나타내는 곡선이다.

도 7a는 넓은 톱니의 폭 대 좁은 톱니의 폭의 비율이 매우 높은 본 발명에 따른 전동기의 단면도이다.

도 7b는 고정자(1)가 코일 사이에 배치된 외부면 상의 6개의 홈부(101 내지 106)를 형성하는 본 발명에 따른 전동기의 단면도이다.

도 8은 고정자(1)가 3개의 넓은 톱니(111 내지 113)와 9개의 좁은 톱니(117 내지 125)를 포함하는 본 발명에 따른 전동기의 단면도이다.

도 9는 고정자(1)가 3개의 넓은 톱니(111 내지 113)와 6개의 좁은 톱니(126 내지 131)를 포함하는 본 발명에 따른 전동기의 단면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 종래의 전동기에서, 권선을 도입하기 위한 작은 폭의 개구(cut-out)를 남기는 고정자 자극(51 내지 60, 71 내지 80)을 가능한 많이 확장하는 것에 의한 낮은 나사 마찰 토크가 필요하다. 이는 코일권선(61 내지 66, 91 내지 96)의 제조를 복잡하게 하여 자동화를 어렵게 하고, 매우 우수한 필 팩터(fill factor)를 제공하지 못한다. 6톱니형 고정자에 적용된 것이 12톱니형 고정자에서 증가한다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 같이, 성능은 명백하게도 30% 초과하여 증가하는 암페어턴 당 토크상수(torque constant per ampere/turn)를 가진 12톱니형 고정자가 더 유리하다.

도 4에 도시된 바와 같은 종래의 전동기에서, 좁은 자극(P7 내지 P12)은 넓은 자극(P1 내지 P6) 사이의 고정자 구조에 도입된다. 이는 구리용량을 줄이지 않고 암페어턴 당 결합의 증가를 효율적으로 이용할 수 있게 한다. 그러나, 다시 고정자 자극은 고정자의 거의 모든 내부 둘레를 채우고, 코일권선을 도입하는 좁은 개구만을 남겨둔다. 이러한 고정자의 내부 둘레의 준연속성(quasi continuity)은 전동기를 위한 낮은 나사 마찰 토크를 얻을 수 있게 한다.

도 6은 일반적으로 형성된 것과는 달리 좁은 고정자 자극이 매우 낮은 나사 마찰 토크를 얻을 수 있게 한다는 것을 보여준다. 실제로, 6톱니형 고정자의 톱니 폭에 따라 그려진 나사 마찰 토크의 곡선이 나타내는 바와 같이, 나사 마찰 토크가 제로(0)인 2개의 톱니 폭이 존재한다. 이는 전동기를 위한 2개의 톱니 폭을 결정하는 것을 가능하게 하고, 이에 따라 낮은 나사 마찰 토크를 얻는 것이 가능하다. 이러한 2개의 톱니 폭은, 한편으로 비교적 넓은 톱니에 해당하고, 다른 한편으로 비교적 넓은 톱니의 폭의 절반보다 더 작은 폭을 가지는 톱니에 해당한다.

도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 전동기는 최상의 토크상수를 제공하는 12톱니형 구조를 나타내고, 고정자(1)에 넓은 톱니(11 내지 16)와 좁은 톱니(17 내지 22)를 사용하여 바람직한 자극 폭의 선택을 통하여 매우 낮은 나사 마찰 토크를 얻을 수 있게 한다. 이때, 넓은 톱니 대 좁은 톱니의 폭 비율은 2.2이다.

코일권선(41 내지 46)이 넓은 톱니(11 내지 16)에 감겨 배치되어 있는데, 이는 전동기의 암페어턴 당 최대 토크를 얻을 수 있게 한다. 실제로, 이러한 암페어턴 당 토크는, 코일이 감겨진(coiled) 톱니의 폭(31)에 의존하나, 코일이 감겨지지 않은 톱니가 포화(saturation)를 나타내지 않는 한, 코일이 감겨지지 않은 톱니의 폭(33)에 영향을 받지 않는다.

코일이 감겨지지 않은 톱니에 좁은 자극을 사용함으로써, 코일권선을 통과시기 위한 매우 넓은 개구를 형성하는 것이 가능하다. 이러한 개구의 폭(32)은 좁은 톱니의 폭(33)보다 더 크다. 이러한 특정한 고정자의 형상은, 코일(41 내지 46)을 개별적으로 제조하여 넓은 톱니(11 내지 16) 주위의 고정자에 삽입할 수 있게 한다. 따라서, 코일권선의 길이와 구리용량이 최적화되고, 코일이 톱니의 자극 슈(pole shoe)와 같은 높이가 될 수 있어 누설자속을 최소화한다.

바람직하게는 고정자(1)는 코일(41, 46)의 사이에서, 지지대 상의 고정부재, 예를 들어 나사 또는 리벳(rivet)의 통과를 위한 구멍(47a 내지 47f)을 포함한다. 고정자의 형상은 코일의 외경 내로 구멍(47a 내지 47e)을 배치할 수 있게 함으로써, 외부 튜브 없이 전동기의 조립을 가능하게 한다. 이는 부품수를 줄일 수 있게 하고, 중량과 크기에서의 이득을 수반하며, 고정자(1)의 직경이 전동기의 외경이 되게 한다.

도 7a의 전동기는 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 나타낸다. 넓은 톱니(11 내지 16) 대 좁은 톱니(17 내지 22)의 폭 비율이 4 이상인데, 이는 코일권선의 구리 단면을 증가시킬 수 있게 하고, 톱니 사이의 누설 투자도(leakage permeance)를 감소시킨다.

도 7b는 본 발명의 바람직한 실시예를 나타낸다. 전동기의 제약 중 하나가 온도상승이므로, 외부와의 열교환면을 개선하는 것이 중요하다. 이러한 목적을 위하여, 고정자는 외부면 상에 홈부(recess)를 포함하는데, 이는 외부와의 열교환면을 현저하게 증대시킨다. 이러한 홈부는, 코일이 감겨진 자극 각각에 의해 발생된 자속(flux)이 2개의 인접한 자극에 의해 차폐되기 때문에, 자장선의 경로를 방해하지 않는다.

도 1 및 도 7에 도시된 본 발명에 따른 전동기는, 완전한 직경 대칭으로 인하여 통전 또는 비통전시에 반지름방향 힘에 대하여 완벽하게 균형을 이룬다. 원가 를 고려하여, 코일의 수를 줄이는 것이 특정의 적용에 있어서 유리할 수 있다. 이러한 경우에, 2개 중에서 단지 1개의 넓은 톱니에만 코일이 감겨지고, 반지름방향 힘의 존재는 코일에 전력을 공급하는 동안에 허용된다.

도 8 및 도 9는 단지 3개의 코일을 가지지만 전동기의 낮은 나사 마찰 토크를 여전히 보증하는 고정자 구조를 가진 실시예를 나타낸다.

도 8에 도시된 전동기는 9개의 좁은 톱니(117 내지 125) 및 3개의 코일권 선(114 내지 116)을 지지하는 3개의 넓은 톱니(111 내지 113)를 포함한다. 따라서, 코일이 감겨지지 않은 넓은 톱니가 좁은 톱니로 변환되는데, 이는 코일이 감겨진 큰 톱니와 인접 톱니 사이의 각도(140)를 증대시킬 수 있다.

도 9에 도시된 전동기는 6개의 좁은 톱니(126 내지 131) 및 3개의 코일권선(114 내지 116)을 지지하는 3개의 넓은 톱니(111 내지 113)를 포함한다. 이 경우에서는, 코일이 감겨지지 않은 넓은 톱니가 제거되어 있다. 이는 앞서의 경우와 같이, 코일이 감겨진 톱니와 인접 톱니 사이의 각도(140)를 증대시킬 수 있고, 이에 따라 예를 들어 전동기의 회전자(2)와 협동하는 위치자기센서(position magnetic sensors)의 삽입을 허용하는 공간(151 내지 153)을 제거할 수 있다.

Claims (14)

1. 전기 코일(41 내지 46)에 의해 여자된 고정자부(1) 및 교대로 방사상으로 자화된 N쌍의 자극을 나타내는 회전자(2)로 형성되고, 상기 고정자부(1)는 고리형 링(10)으로부터 방사상으로 연장되는 넓은 톱니(11 내지 16)와 좁은 톱니(17 내지 22)를 나타내는 다상 전동기에 있어서,

   상기 코일은 상기 넓은 톱니 주위에 배치되고, 상기 넓은 톱니는 상기 좁은 톱니의 폭(33)의 2배 이상의 폭(31)을 가지고, 개구의 폭(32)은 좁은 톱니의 폭(33)보다 큰 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
2. 제1항에 있어서,

   코일권선은 상기 넓은 톱니 주위에 배치되고, 상기 넓은 톱니는 상기 좁은 톱니의 폭(33)의 실질적으로 2배인 폭(31)을 가지고, 상기 개구의 폭(32)은 상기 좁은 톱니의 폭(33)보다 큰 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
3. 전기 코일(41 내지 46)에 의해 여자된 고정자부(1) 및 교대로 방사상으로 자화된 N쌍의 자극을 나타내는 회전자(2)로 구성되고, 상기 고정자부(1)는 고리형 링(10)으로부터 방사상으로 연장하는 넓은 톱니(11 내지 16)와 좁은 톱니(17 내지 22)를 포함하는 다상 전동기에 있어서,

   코일권선은 상기 넓은 톱니 주위에 배치되고, 상기 좁은 톱니의 폭(33) 대 상기 넓은 톱니의 폭(31)의 비율은 2 내지 8이고, 개구의 폭(32)은 상기 좁은 톱니의 폭(33)보다 큰 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 코일권선은 상기 넓은 톱니 주위에 배치되고, 상기 좁은 톱니의 폭(33) 대 상기 넓은 톱니의 폭(31)의 비율은 4 내지 5이고, 상기 개구의 폭(32)은 좁은 톱니의 폭(33)보다 큰 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
5. 제1항 내지 제4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,

   상기 고정자(1)는, 상기 넓은 톱니의 개수와 동일한 개수의 좁은 톱니를 가지는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
6. 제1항 내지 제4항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,

   상기 고정자(1)는, 넓은 톱니의 개수의 배수에 해당하는 개수의 좁은 톱니를 가지는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
7. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 고정자(1)는, 상기 넓은 톱니 각각에 권선되는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
8. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 고정자(1)는, 각각 두 번째 넓은 톱니 상에 코일권선되는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 코일이 감겨진 톱니 각각은, 횡단면에서, 실질적으로 일정한 사다리꼴 단면을 나타내는 것을 특징으로 하는 3상 전동기.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 코일은 개별적으로 감겨져 상기 고정자에 삽입되는 것을 특징으로 하는 3상 전동기.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    자극 슈(pole shoe)의 전단부는, 코일의 내부 전면(front face)의 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 고정자와 함께 작동하는 위치검출부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 고정자(1)는, 코일권선의 외경보다 더 작은 직경 내에 위치하는 고정구멍(47a 내지 47e)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 고정자(1)는, 코일 사이에 배치된 홈부(101 내지 106)를 구비하는 것을 특징으로 하는 다상 전동기.

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