KR20100014887A

KR20100014887A - 영구 자석 모터 및 발전기용 자석 유지 시스템

Info

Publication number: KR20100014887A
Application number: KR1020097018228A
Authority: KR
Inventors: 리차드 에이. 힘멜만; 모하메드 샤하매트
Original assignee: 해밀턴 선드스트랜드 코포레이션
Priority date: 2007-02-15
Filing date: 2008-01-24
Publication date: 2010-02-11
Also published as: WO2008100373A3; JP2010519887A; ZA200905815B; US20080197736A1; WO2008100373A2; EP2158667A4; EP2158667A2; CN101682244B; IL200480A0; CN101682244A; IL200480A; US7646124B2

Abstract

본 발명의 브러시리스 영구 자석 발전기/모터(10)용 회전자(12)는 영구 자석(36)의 뿌리부(48)를 수용하기 위해 회전자 플랜지(34) 내로 연장하는 보유 슬롯(46)을 포함한다. 보유 슬롯(46)은 회전자 플랜지(34) 내로 축방향 연장하는 기부(54)와, 기부(54)로부터 방사상 연장하는 한 쌍의 측벽(56, 58)과, 한 쌍의 러그(60, 62)를 포함하며, 상기 한쌍의 러그(60, 62)는 뿌리부(48)와 결합하기 위해 측벽(56, 58)으로부터 돌출하여, 영구 자석(36)을 방사상 및 접선 방향으로 보유시킨다. 다른 실시예에서, 영구 자석(36)은 스프링 사전 부하식 축방향 보유 링(38)에 의해 축방향으로 더욱 보유된다.

브러시리스 영구 자석 발전기/모터, 보유 슬롯, 플랜지, 러그

Description

영구 자석 모터 및 발전기용 자석 유지 시스템 {MAGNET RETENTION SYSTEM FOR PERMANENT MAGNET MOTORS AND GENERATORS}

본 발명의 일반적으로 영구 자석(PM) 모터 및 발전기용 회전자에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 브러시리스(brushless) PM 모터 및 발전기의 회전자 자석용 유지 시스템에 관한 것이다.

브러시리스 PM 모터는 자석과 전기장 사이의 전자기 관계를 이용하여 전기 에너지를 운동 에너지로 전환시킨다. 반대로, 브러시리스 PM 발전기는 운동 에너지를 전기 에너지로 전환시키기 위해 전자기 관계를 이용한다. 통상적인 브러시리스 PM 모터에서, 전류는 도전성 와이어의 고정 권선부를 통과함으로 교번 자기장(alternating magnetic field)을 발생시키며, 이로써 자기 회전자(magnetic rotor)를 밀고 및/또는 당긴다. 자기 회전자는 샤프트에 결합되어 회전 축동력을 발생시킨다. 통상적인 브러시리스 PM 발전기에서, 기계적인 회전 샤프트는 고정 코일을 통해 전류를 전달하기 위해 자기 회전자를 회전시킨다. 그 후, 전류는 전력을 제공하는데 이용될 수 있다. 그러므로, 브러시리스 PM 모터 및 발전기는 동심으로 정렬된 두 개의 주요 구성품인 고정자 및 회전자를 포함하는바, 고정자는 와이어 권선부를 포함하고, 회전자는 영구 자석을 포함한다. 브러시리스 PM 모터 및 발전기는, 고정자가 회전자를 둘러싸는 통상적인 설계, 또는 회전자가 고정자를 둘러싸는 통상적이지 않은 설계로 구성될 수 있다. 어느 경우든, 회전자는 매우 높은 회전 속력에 영향을 받아, 자석에 상당한 기계적 부하가 걸리게 한다.

브러시리스 PM 모터 또는 발전기의 회전자는 회전 축동력으로 또는 이로부터 전자기 동력을 효율적으로 전환시키기 위해, 다수의 요구 조건을 만족시켜야 한다. 첫째로, 회전자는 전자기력을 기계력으로 또는 기계력을 전자기력으로 전환시킬 수 있는 자석을 포함해야 한다. 둘째로, 자석은 인접한 자석들 사이에 자기 플럭스 경로를 생성시키기 위해 자기적으로 결합될 필요가 있다. 셋째로, 자석은 기계적 동력을 입력 또는 출력하기 위해 필요한 토크를 전달하는 방식으로 샤프트에 연결되어야 한다.

통상적인 그리고 다른 브러시리스 PM 모터 또는 발전기의 설계에 있어서, 회전자에 대해 자석을 유지시키기 위한 다양한 종래 시스템이 개발되어 왔다. 예를 들어, 통상적이지 않은 브러시리스 PM 모터 및 발전기 설계에 있어서, 회전자는 샤프트를 수용하기 위한 중심 보어 및 영구 자석을 수용하기 위한 외경 플랜지를 갖는 디스크를 포함한다. 영구 자석은 플랜지의 내경면 주위에서 주연방향으로 배치되어 고정자와의 결합시 와이어 권선부와 대면하게 된다. 회전자에 자석을 고정하기 위한 통상적인 방법은 외부 플랜지상에 자석을 고정시키는 접착제에 의존해왔다. 접착제는 강력한 결합력을 제공하면서도 자석들 사이에 자기 플럭스를 허용한다. 그러나, 접착제는 각 자석을 플랜지에 견고하게 부착시켜, 고속 회전 작동 동안 자석이 변형되게 하며, 이러한 변형은 회전자에 전달된다. 이에 따라, 자석은 원심 응력에 영향받는 하중 지지 부재(load-bearing member)가 되며, 이러한 원심 응력은 응력의 한도를 초과할 수 있다. 추가로, 접착된 자석은 디스크에 영구적으로 부착되어, 전체적으로 또는 개별적으로, 자석들을 또는 회전자 디스크를 교체 또는 수리할 수 없게 하거나 곤란하게 한다. 또한, 접착제는 매우 높은 온도, 시간 경과 및 화학적 노출로 인해 파손되기 쉽다. 그러므로, 브러시리스 PM 모터 또는 발전기의 회전자 자석을 유지하기 위해 개선된 시스템이 요구된다.

본 발명은 브러시리스 영구 자석 발전기/모터용 회전자에 관한 것이다. 회전자는 영구 자석의 뿌리부를 수용하기 위해 회전자 플랜지 내로 연장하는 보유 슬롯을 포함한다. 보유 슬롯은 회전자 플랜지 내로 축방향 연장하는 기부와, 기부로부터 방사상으로 연장하는 한 쌍의 측벽과, 한 쌍의 러그를 포함하며, 상기 러그는 뿌리부와 결합하기 위해 측벽으로부터 돌출하여 영구 자석을 방사상 및 접선 방향으로 보유한다.

도 1은 회전자 및 고정자를 구비한 통상적이지 않은 브러시리스 영구 자석 모터의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 자석 보유 시스템을 구비한 도 1의 회전자의 사시도이다.

도 3은 도 2의 자석 보유 시스템의 브로치 슬롯 연결부의 사시도이다.

도 4는 도 3의 브로치 슬롯과 영구 자석 탱 사이의 연결부의 정면도이다.

도 5는 내부 및 외부 축방향 보유 수단을 도시한, 도 2의 자석 보유 시스템 의 단면도이다.

도 1은 본 발명의 자석 보유 시스템이 사용되는 통상적이지 않은 브러시리스 영구 자석(PM) 모터(10)의 단면도를 도시한다. 본원에서 본 발명은 통상적이지 않은 브러시리스 PM 모터에 대해 기재하였지만, 본 발명은 통상적인 그리고 그 밖의 구성품 모두의 브러시리스 PM 발전기 및 모터에 보편적으로 적용될 수 있다. 브러시리스 PM 모터(10)는 하우징(16) 내에 위치된 회전자(12) 및 고정자(14)를 포함한다. 하우징(16)은 체결구(18)를 사용하여 함께 고정되는 제1 하우징 반부(16A) 및 제2 하우징 반부(16B)를 포함하여, 중심라인(CL)이 연장되는 중심 보어(20)를 구비한 중공 환형 디스크를 형성한다.

고정자(14)는 전기자(22) 둘레를 감싸는 복수의 권선부를 포함하여 원형 후프(hoop; 24)를 형성한다. 도관(26)을 통해 전기자(armature; 22)에 입력 전압 및 전류가 공급됨으로써, 후프(24)는 전자기장을 생성시킨다. 전기자(22)가 예를 들어, 나사식 체결부(28)를 통해 제1 하우징 반부(16A)에 고정됨으로써, 후프(24)는 하우징(16)에 대해 고정된 상태로 유지된다. 전기자(22)가 보어(20) 주위에 주연방향으로 배치됨으로써, 하우징(16) 내에서, 하우징(16)의 최외각 신장부와 후프(24)의 최외각 신장부 사이에 공간이 갖춰진다. 또한, 전기자(22)는 후프(24)와 제2 하우징 반부(16B) 사이에 공간을 허용하여, 보어(20)가 후프(24)와 하우징(16)의 외부 신장부 사이의 공간과 연결되게 한다. 회전자(12)는 하우징(16)의 개방 공간 내에 위치되어 후프(24)를 지나 중심 보어(20)로부터 연장함으로써 전자기장 과 상호작용한다.

회전자(12)는 허브(hub; 30), 디스크(43), 외부 플랜지(34), 복수의 영구 자석(36), 및 외부 보유 링(38)을 포함한다. 허브(30)는 하우징 반부(16A)와 하우징 반부(16B) 사이에서 하우징(16)의 중심 보어(20) 내에 삽입된다. 허브(30)는 요소 베어링(40A 및 40B)을 회전시킴으로 지지되며, 이에 의해 회전자(14)는 하우징(16) 에 대해 회전할 수 있다. 허브(30)는 출력 샤프트 또는 일부 다른 출력 수단을 수용하기 위해 중심라인(CL)과 동심으로 배치되는 샤프트 보어(42)를 포함한다. 디스크(32)가 후프(24)를 넘어 허브(30)로부터 [중심라인(CL)과 동심으로] 방사상으로 연장함으로써, 플랜지(34)의 최내각측은 후프(24)와 대면하게 된다. 영구 자석(36)이 본 발명의 부착 슬롯 및 보유 링(38)을 사용하여 플랜지(34)의 최내각측에 고정됨으로써, 자석은 후프(24)에 의해 생성된 전자기장과 상호작용하게 된다. 후프(24)는 도관(26)에 의해 공급된 전력을 이용하며, 절환 장치 및 다른 전기 부품과 협력하여, 자석(36)에 밀고 당기는 힘을 가하는 교번 전자기장을 발생시킨다. 이와 같이, 자석(36)이 회전 토크의 영향의 받음으로, 회전자(12)는 중심라인(CL)을 중심으로 허브(30) 대해 회전하게 된다. 토크는 플랜지(34) 및 디스크(32)를 통해 보어(42)의 출력 샤프트와 연결될 수 있는 허브(30)에 전달되어, 도관(26)으로부터의 전력 입력이 회전 축동력으로 전환되게 한다. 자석(36)을 비파괴적(non-destructive)으로 제거시키는 방식으로 자석(36)으로부터 플랜지(34)로 회전 토크를 전달하기 위해, 자석(36)은 본 발명의 자석 보유 시스템의 슬롯식 부착을 통해 플랜지(34)에 결합된다.

도 2는 본 발명의 자석 보유 시스템을 갖는 도 1의 회전자(12)의 사시도를 도시한다. 회전자(12)는 허브(30), 디스크(32), 외부 플랜지(34), 복수의 영구 자석(36), 외부 보유 링(38) 및 중심 보어(42)를 포함한다. 허브(30) 및 플랜지(34)는 동일한 방향으로 디스크(32)로부터 외향 축방향으로 연장하여, 고정자(14)의 후프(24)가 소형화 방식으로 하우징(16) 내의 허브(30)와 플랜지(34) 사이에서 삽입될 수 있게 한다. 허브(30)가 회전자(12)의 중심에 배치되어 보어(42)를 포함함으로써, 회전자(12)에 가해진 회전 토크가 샤프트 또는 일부 다른 출력 수단에 전달될 수 있다. 회전 토크는 플랜지(34)로부터 디스크(32)를 통해 허브(30)로 전달된다. 플랜지(34)는 플랜지(34)의 내주연부 주위에 배치된 복수의 영구 자석(36)으로부터 입력 토크를 수용한다. 회전 토크는 후프(24)에 의해 발생된 교번 전자기장을 통해 영구 자석으로 전달된다. 토크가 전달될 동안 영구 자석에 초과 응력이 발생하지 못하도록, 영구 자석으로부터 플랜지(34)에 토크를 전달하는데 슬롯식 자석 보유 시스템이 사용된다.

플랜지(34)는 디스크(32)의 최외각 직경 에지 주위에서 주연방향으로 연장하여 플랫폼을 제공하며, 이 플랫폼에는 영구 자석(36)이 장착되어, 영구 자석이 고정자(14)의 후프(24)와 대면하게 한다. 도시된 실시예에서, 회전자(12)는 플랜지(34)를 따라 일정한 간격으로 변위되는 28 개의 영구 자석을 포함한다. 영구 자석(36)이 대응하는 형상의 보유 특징부를 통해 플랜지(34)에 장착됨으로써, 방사상 및 접선 방향으로 자석이 보유된다. 예를 들어, 각각의 자석(36)에 대해, 플랜지(34)는 브로치 슬롯(broach slot)을 포함하고, 정합 프로파일을 갖는 자석 탱(magnet tang)은 브로치 슬롯에 삽입된다. 일단 삽입되면, 브로치 슬롯/탱의 접촉부는, 영구 자석이 플랜지(34) 내에서 주연방향 및 방사상으로 움직이는 것을 제한시킨다. 또한 브로치 슬롯/탱의 접촉부는 자석에 과도한 응력을 가하지 않고 영구 자석으로부터 플랜지(34)로 유효한 토크가 전달되게 한다. 다른 실시예에서, 플랜지(34)는 각각의 자석(36)의 대응하는 형상의 브로치 슬롯을 수용하도록 탱을 포함한다. 브로치 슬롯의 내부 단부에 위치된 견부 및 브로치 슬롯의 외부 단부에 위치된 보유 링(38)은 영구 자석의 축방향 움직임을 제한한다. 보유 링(38)은 체결구[예를 들어, 체결구(44)]를 사용하여 플랜지(34)에 고정되며, 반복적으로 회전자(12)에 부착되고 제거된다. 이에 따라, 영구 자석(36)은 응력 프리 방식(stress-free manner)으로 플랜지(34)에 부착되고, 회전자(12) 또는 자석에 손상을 유발시키지 않고 플랜지(34)로부터 제거될 수 있다.

도 3은 자석 보유 플랜지(34)와 영구 자석(36) 사이의 연결부를 도시한, 도 2의 자석 보유 시스템의 전방 투영도를 도시한다. 회전자(12)는 자석 보유 플랜지(34)를 포함하며, 자석(36)은 슬롯식 접촉부를 통해 자석 보유 플랜지(34)에 연결된다. 플랜지(34)는 자석(36)의 자석 탱(48)을 수용하기 위해 브로치 슬롯(46)을 포함한다. 탱(48)이 슬롯(46) 내에 삽입됨으로, 자석(36)의 접선 방향 및 방사상 방향 모두의 움직임이 제한된다. 그러나, 또한 브로치 슬롯(46)은 자석 사이에 자기 플럭스 경로가 유지되도록 구성된다.

영구 자석(36)은 북극(N)으로부터 남극(S)으로 연장하는 플럭스 라인(F1, F2, F3, F4, 및 F5)을 포함한다. 각각의 플럭스 라인은 북극(N)으로부터 방출되고 남극(S)으로 복귀한다. 인접한 플럭스 라인은 서로 반발하여 각 자석의 둘레를 두르는 외부 플럭스 경계부를 형성한다. 각 자석은 이웃하는 자석 및 회전자(12)와 상호작용하는 복수의 자기 플럭스 라인을 포함한다. 예를 들어, 플럭스 라인(F1)은 북극(N)에서 각 자석의 중심부로부터 연장하여 남극(S)을 향해 자석 주위로 굴곡된다. 플럭스 라인(F1)은 회전자(12)의 중심라인(CL)(도 1 참조)을 향해 자석의 바깥으로 연장한다. 이에 따라, 플럭스 라인(F1)은 모터(10)의 고정자(14)와 상호작용하게 된다. 유사하게, 각 자석은, 다양한 각으로 북극(N)으로부터 남극(S)으로 연장하는 복수의 다른 플럭스 라인[예를 들어, 플럭스 라인(F2 및 F3)]을 포함하여 고정자(14)와 상호작용한다. 플럭스 라인(F4 및 F5)은 각 자석의 평면 내에서 연장함으로써 각 자석의 일 측의 영구 자석과 상호작용한다. 이에 따라, 각 자석이 회전자(12)의 플랜지(34)상에 위치됨으로써, 고정자(14)와 조립될 때 후프(24)와 자기 접촉을 유지시킨다. 추가로, 각 브로치 슬롯이 플랜지(34)를 따라 배치됨으로써, 각 자석은 인접한 두 개의 자석과 자기 접촉하여 회전자(12)의 주연방향 주위로 자기 플럭스 경로를 완성시킨다. 결과적으로, 모터(10)가 작동할 동안, 회전자(12)는 고정자(14)의 후프(24)와 필수 전자기 상호작용을 유지시킬 수 있어서, 허브(30)에의 회전 토크 전달을 유지시킬 수 있다.

전술된 바와 같이, 탱(48)이 슬롯(46)에 삽입됨으로써, 자석(36)의 접선 및 방사상 방향의 움직임이 제한된다. 내부 보유 견부는 디스크(32)를 향한 자석(36)의 축방향 움직임을 막고, 보유 링(38)(도 2 참조)은 보어(50)의 플랜지(34)에 고정되어 자석(36)의 외향 축방향 움직임을 제한한다. 플랜지(34)는 탱(48)과 슬 롯(46)의 상호작용을 통해 각 자석을 방사상으로 보유하도록 구성된다.

도 4는 도 3에 도시된 바와 같이, 브로치 슬롯(46)에 삽입된 자석(36)의 탱(48)을 도시한다. 자석 보유 플랜지(34)는 브로치 슬롯(36)이 수직으로 연장하는 제1 플랜지면(52)을 포함한다. 회전자(12)는 모터(10)의 중심라인(CL)을 중심으로 회전하여, 자석 보유 플랜지(34)가 도 3의 평면에서 회전하게 한다. 브로치 슬롯(46)은 기부(54), 제1 측벽(56), 제2 측벽(58), 제1 측 톱니부(60) 및 제2 측 톱니부(62)를 포함한다. 브로치 슬롯(46)은 회전자(12)의 자석 보유 플랜지(34) 내로 [중심라인(CL)과 평행하게] 축방향 연장함으로써 중심라인(CL)을 향해 개방된다. 브로치 슬롯(46)은 제1 플랜지면(52)으로 축방향 연장하여 기부(54)를 형성한다. 제1 측벽(56) 및 제2 측벽(58)은 기부(54)로부터 [중심라인(CL)과 수직하게] 방사상으로 연장한다. 제1 측 톱니부(60) 및 제2 측 톱니부(62)는 제1 측벽(56) 및 제2 측벽(58) 각각으로부터 접선 방향 또는 주연방향으로 연장한다. 제1 측 톱니부(60) 및 제2 측 톱니부(62)는 기부(54) 위로 돌출하여 기부(54)로부터 방사상으로 변위되는 브로치 슬롯(46)의 세그먼트의 폭을 좁힌다.

자석(36)은 제1 측 톱니부(60)와 제2 측 톱니부(62) 아래에 위치하고 있는, 일반적으로 자석(36)의 일부분으로 언급되는 탱(48)을 포함한다. 또한, 자석(36)은 탱(48)으로부터 접선 방향 또는 주연방향으로 연장하는 제1 탱 톱니부(64) 및 제2 탱 톱니부(66)를 포함한다. 제1 탱 톱니부(64) 및 제2 탱 톱니부(66)를 포함하는 자석(36)의 탱(48)은 브로치 슬롯(46)의 형상과 정합하도록 성형된다. 도시된 실시예에서, 브로치 슬롯(46)은 T형 슬롯을 포함하고 측벽(56 및 58)은 둥근 벽 을 포함한다. 대응하게, 톱니부(64 및 66)는 측벽(56 및 58)의 프로파일과 정합하는 프로파일을 갖는 둥근 너브(rounded nub)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에서, 브로치 슬롯(46) 및 탱(48)은 상이한 형상을 포함한다. 톱니부(64 및 66)는 슬롯(46)의 톱니부(60 및 62) 및 측벽(56 및 58)과 연동하기 위한 임의의 형상을 포함한다. 예를 들어, 슬롯(46) 및 탱(48)은 가스 터빈 엔진에서 통상적으로 사용되는 전나무 형태의 구성부를 포함할 수 있어서, 회전자 디스크의 블레이드를 방사상으로 보유한다.

자석(36)이 브로치 슬롯(46) 내에 삽입됨으로, 제1 측 톱니부(60)는 제1 탱 톱니부(64) 위로 돌출하게 되고, 제2 측 톱니부(62)는 제2 탱 톱니부(66) 위로 돌출하게 되어 모터(10)가 작동할 동안 자석(36)이 해체되지 못하게 한다. 탱(48)은 브로치 슬롯(46)의 형상과 정합하도록 성형되지만, 탱(48)과 슬롯(46) 사이의 상호작용에 있어서 소량의 슬로프(slop) 또는 틈(play)이 허용된다면, 모터(10)가 작동할 동안 자석에 응력이 집중되는 것을 피할 수 있다. [도 3의 탱(48)과 슬롯(46) 사이에 도시된 공간은 설명을 위해 과장된 것임]. 모터(10)가 작동할 동안, 회전자(12)는 고정자(14)에 의해 발생되는 전자기장에 의한 회전력에 영향받는다. 통상적으로, 모터(12)는 충분하게 고속으로 회전하여, 상당한 원심력에 영향받는다. 모터(10)의 구성과 같이 통상적이지 않은 구성의 모터에서, 원심력은 슬롯(46)을 넓히는 경향이 있어서, 톱니부(60 및 62)가 다른 방향으로 벌어지게 유도한다. 이와 같이, 모터(10)가 작동할 동안, 자석(36)은 외향으로 가압되고, 톱니부(60 및 62)는 개별적으로 가압된다.

측 톱니부(60 및 62)는 충분한 길이로 탱 톱니부(64 및 66) 위로 돌출하여 자석(36)이 슬롯(46)으로부터 방사상으로 이동하게 되는 것을 막는다. 모터(10)가 일정 속력으로 작동할 동안, 자석(36)은 자석(36)과 회전자 플랜지(34) 사이에서 생성되는 마찰력에 의해 제 위치에 유지된다. 이러한 마찰력은 회전하는 자석(36)에 작용하는 원심력에 비례한다. 일 실시예에서, 제1 측 톱니부(60)는, 모터(10)가 작동할 동안 제2 측 톱니부(62)로부터 제1 측 톱니부(60)가 멀어지는 거리보다 긴 길이만큼 제1 탱 톱니부(64) 위로 돌출한다. 동일하게, 제2 측 톱니부(62)는, 모터(10)가 작동할 동안 제2 측 톱니부(62)로부터 제1 측 톱니부(60)가 멀어지는 거리보다 긴 길이만큼 제2 탱 톱니부(66) 위로 돌출한다. 추가로, 자석(36)의 균열을 막기 위해 슬롯(46)이 약간 큰 크기로 맞춰짐으로, 모터(10)가 작동할 동안의 회전자(12)의 임의의 꼬임이나 구부러짐으로 인한 응력은 자석(36)으로 전달되지 않는다. 슬롯(46) 내에서 자석(36)은 자유롭게 움직이기 때문에, 작동 중 브로치 슬롯(46)이 개방되려고 할 때 톱니부(60 및 62)는 톱니부(64 및 66)에서 빠지는 것이 방지된다. 이와 같이, 근본적으로는 자석(36)이 슬롯(46)에서 빠지는 것이 제한되지만, 자석(36)이 회전자(12)에 견고하게 부착되지는 않는다. 따라서, 자석(36)에 장력 또는 압축 응력이 불필요하게 생성되는 것이 예방된다.

또한, 탱(48)은 회전자(12)의 플랜지(34)에 토크를 전달하도록 구성된다. 자석(36)은 고정자(14)에 의해 생성되는 교번 전자기장에 의한 회전력에 영향을 받는다. 가해진 전자기장력이 자석(36)으로부터 플랜지(34)를 통해 허브(30)로 전달되어, 유용한 회전 출력을 획득할 수 있다. 톱니부(64 및 66)는 각각 벽(56 및 58)과 상호작용하여 자석(36)으로부터 플랜지(34)로 토크를 효율적으로 전달시킨다. 전술된 바와 같이, 톱니부(64 및 66)는 둥근 돌출부를 포함하여, 둥근 벽(60 및 62)과 맞물린다. 이에 의해, 자석(36)에 가해진 회전력의 접선 성분이 브로치 슬롯(46)에 효율적으로 전달된다. 이에 따라, 자석(36)으로부터 브로치 슬롯(46)으로 토크가 전달될 때 에너지 손실이 적고, 회전자(12)는 효율적으로 회전된다.

따라서, 탱(48)은 브로치 슬롯 내에 헐겁게 끼워져서 자석(36)이 방사상 방향(46)으로 움직이는 것을 제한하고, 자석(36)에 응력이 생성되는 것을 막고 플랜지(34)에 토크를 전달한다. 회전자(12)는 모터(10)가 작동할 동안 슬롯(46)으로부터 자석(36)이 축방향으로 인출되는 것을 막기 위해 다른 구속부들에 끼워진다. (도 4에 상징적으로 도시된) 링(38)은 체결구(44)에 의해 플랜지(34)의 보어(50)에 고정되고, 톱니부(60)와 톱니부(62) 사이의 거리에 걸친 베리어 스트립(barrier strip)을 제공하여, 자석(36)이 축방향으로 이동하지 못하게 한다.

도 5는 내부 및 외부 축방향 보유 수단을 도시한, 도 2의 섹션 5-5를 따라 취해진 본 발명의 자석 보유 시스템의 단면도를 도시한다. 회전자(12)는 제1 측(68)의 디스크(32)로부터 중심라인(CL)에 평행하게 연장하는 자석 보유 플랜지(34)를 포함하고, 상기 자석 보유 플랜지(34)는 내부 축방향 보유 견부(70)를 포함한다. 외부 축방향 보유 링(38)이 부착되는 플랜지(34)는 제1 측(68)으로부터 제2 측(70)으로 연장한다. 또한 플랜지(34)는 체결구(44), 체결구 보어(50), 브로치 슬롯(46)의 기부(54), 응력 경감 노치(74), 및 부싱(76)을 포함한다. 자석(36)은 견부(70)와 링(38) 사이에 고정되어 자석(36)의 축방향 움직임, 즉 중심라 인(CL)의 방향으로의 움직임을 제한시킨다.

영구 자석(36)은 제2 측(70)의 브로치 슬롯(46) 내에 삽입되어 기부(54)를 따라 연장한다. 자석(36)은 슬롯(46)에 삽입되어 내부 보유 견부(70)와 접촉한다. 내부 보유 견부(70)는 제1 측(68)과 제2 측(70) 사이에서 플랜지(34)의 주연부 주위로 연장한다. 내부 보유 견부는 립 또는 베리어를 포함하여 삽입 후 브로치 슬롯(46)을 통해 자석(36)이 활주하지 못하게 한다. 견부(70)와 기부(54) 사이에 응력 경감 노치(74)가 갖춰져서 회전자(12)가 고속 회전할 동안 플랜지(34)에 응력 집중이 발생하는 것을 막는다.

자석(36)이 브로치 슬롯(46)에 삽입된 후 견부(70)와 만나면, 외부 보유 링(38)은 제2 면(72)에 부착되어 자석(36)이 슬롯(46)에서 빠지는 것을 막는다. 외부 보유 링(38)은 면(72)을 덮어서 자석(36)의 하부에 걸쳐 연장한다. 링(38)은 링(38)의 개방부를 통해 보어(50)로 연장하는 나사식 체결구(44)에 의해 플랜지(34)에 고정된다. 보어(50)는, 체결구(44)가 나사결합되는 자기 잠금 나선형 코일 인서트(76)를 포함한다. 링(38)은 링(38)의 내경이 스프링형 요소로서 작용하게 하는 노치(78)를 포함한다. 이에 따라, 링(38)이 플랜지(34)에 체결되면, 링(38)의 내경은 자석(36)에 사전 부하를 걸어, 견부(70)에 대항해 편향된다. 또한, 노치(78)는, 링(38)이 제2 면(72) 및 자석(36)과의 정렬된 상태에서 임의로 변형되게 하여 자석(36)과 동일 평면상에 놓이게 한다. 따라서, 링(38)은 자석(36)의 에지에 직접적으로 압력을 가하지 못하게 되는바, 여기서 응력 집중은 자석(36)의 균열을 용이하게 일으킬 수 있다.

전술된 바와 같이, 자석(36)이 플랜지(34) 내에 유지됨으로써, 모터(12)가 작동할 동안 인접한 자석과 고정자(14)의 코일 권선부가 자기적으로 상호작용할 수 있게 된다. 견부(70), 링(38), 및 브로치 슬롯(46)은 자석(36)에 과도한 응력을 주지 않으면서 플랜지(34) 내에 자석(36)을 고정시킨다. 이에 따라, 본 발명의 보유 시스템을 구비하면 자석(36)이 균열되는 경우가 크게 감소한다. 그러나, 모터(10)의 극심한 작동 상태, 회전자(12)의 거친 처리 또는 이와 유사한 다른 경우에 의해, 자석(26B)은 손상될 수 있다. 전술된 바와 같이, 본 발명의 자석 보유 시스템은 회전자(12)로부터 영구 자석을 제거하기 위한 수단을 제공한다. 자석은 체결구(44)를 나사해제한 후에 링(38)을 단순하게 제거함으로 플랜지(34)로부터 제거될 수 있다. 개개의 자석은 인접한 또는 다른 자석을 손상시키지 않고, 또는 회전자(12)를 손상시키지 않고 제거될 수 있다. 이에 따라, 개개의 자석은, 자석이 손상되거나 또는 자성을 잃게 되어 교체가 필요할 때, 또는 단순히 유지보수 또는 세척이 필요할 때 용이하게 제거된다. 그러므로, 본 발명은 자석이 손상되는 경우를 감소시키고 개선된 유지보수 가능성을 제공하는 자석 보유 시스템을 제공한다.

본 발명은 브로치 슬롯을 구비한 플랜지(34) 및 탱을 구비한 자석(36)에 대해 기재하였지만, 본 발명의 자석 보유 시스템의 다른 구성부도 사용될 수 있다. 예를 들어, 다른 실시예에서, 자석(36)은 브로치 슬롯으로 구성될 수 있고, 플랜지(34)는 이와 정합하는 탱으로 구성될 수 있다. 다른 실시예에서, 자석(36) 및 플랜지(34)는 대응하는 형상의 기하학적 프로파일을 갖는 정합하는 수형 및 암형 부품을 포함하여 회전자(12)에 대한 자석(36)의 방사상 및 접선 방향 움직임을 제 한시킨다.

본 발명은 양호한 실시예를 참조하여 기재되었지만, 당업자라면 본 발명의 사상 및 범주 내에서 형태 및 세부 사항이 변경될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

Claims

영구 자석 발전기 또는 모터에 사용하기 위한 회전자이며,

샤프트를 수용하기 위한 보어를 구비한 허브와,

허브로부터 방사상으로 연장하는 디스크와,

디스크로부터 돌출한 자석 보유 플랜지로서, 플랜지의 주연부 주위에서 간헐적으로 변위되는 복수의 플랜지 보유 특징부를 구비하는 자석 보유 플랜지와,

영구 자석 보유 특징부를 구비한 복수의 영구 자석을 포함하며,

상기 영구 자석 보유 특징부가 플랜지 보유 특징부의 형상과 대응하는 형상을 가짐으로써, 플랜지 보유 특징부는 복수의 영구 자석의 방사상 이동 및 접선방향의 이동을 제한시키도록 영구 자석 보유 특징부와 연동할 수 있는

회전자.
제1항에 있어서,

플랜지 보유 특징부는 브로치 슬롯을 포함하며, 영구 자석 보유 특징부는 브로치 슬롯으로의 삽입을 위해 대응하는 형상의 탱을 포함하는

회전자.
제2항에 있어서,

자석 보유 플랜지는

디스크에 연결하기 위한 제1 측면과,

제1 측면으로부터 축방향으로 배치된 제2 측면과,

브로치 슬롯이 퇴각하는 제2 측면과 제1 측면 사이에 배치되는 제1 슬롯면을 포함하는

회전자.
제3항에 있어서,

제1 슬롯면은 허브를 향하는

회전자.
제1항에 있어서,

자석 보유 플랜지는 복수의 자석을 축방향으로 보유하기 위해 제1 측면과 제2 측면 사이에 배치된 내부 보유 견부를 포함하는

회전자.
제1항에 있어서,

제2 측면의 주연부 주위에 배치되고 복수의 자석의 축방향 이동을 제한하는 외측 보유 링을 더 포함하는

회전자.
제6항에 있어서,

외측 보유 링은 제거가능함으로써, 복수의 영구 자석은 플랜지 보유 특징부로부터 반복적으로 그리고 비파괴적으로 제거될 수 있는

회전자.
제6항에 있어서,

외측 보유 링은 복수의 영구 자석에 축방향으로 사전 부하를 거는 편향 스프링 요소를 포함하는

회전자.
제3항에 있어서,

복수의 브로치 슬롯들의 각 브로치 슬롯은

제2 측면으로 축방향 연장하여 기부를 형성하는 슬롯 바닥부와,

기부로부터 방사상으로 연장하는 한 쌍의 측 슬롯 벽과,

기부에 걸쳐 측 슬롯 벽으로부터 주연방향으로 연장하는 한 쌍의 방사상 보유 플랜지를 포함하는

회전자.
제9항에 있어서,

한 쌍의 방사상 보유 플랜지는 하중 하에서 회전자의 주연방향 연장 길이보 다 긴 주연방향 길이로 자석 탱과 결합하는

회전자.
제9항에 있어서,

복수의 브로치 슬롯은 각각 T 슬롯을 포함하고, 복수의 자석 탱은 각각 T 슬롯의 프로파일과 정합하는 프로파일을 갖는

회전자.
제1항에 있어서,

복수의 플랜지 보유 특징부가 플랜지의 주연부 주위에서 이격됨으로써, 복수의 영구 자석들 사이에 자기 플럭스 경로가 유지되는

회전자.
브러시리스 영구 자석 발전기 또는 모터에 사용하기 위한 회전자이며,

발전기 또는 모터의 축을 중심으로 회전하도록 구성된 환형 본체 및 영구 자석을 포함하며,

상기 영구 자석은

자기장을 발생시키는 주 본체와,

주 본체로부터 연장하고 회전자에 영구 자석을 부착시키는 탱을 포함하고,

상기 환형 본체는

본체의 내경에 갖춰지고 입력/출력 샤프트에 본체를 결합시키는 커플링과,

본체의 외경에 갖춰지는 자석 보유 플랜지와,

보유 플랜지 내로 축방향 연장하고 탱을 수용함으로써, 영구 자석의 방사상 이동을 제한시키는 제1 슬롯을 포함하는

회전자.
제13항에 있어서,

제1 슬롯이 자석 보유 플랜지에 배치되어 통상적이지 않은 발전기/모터 구성부에 사용하기 위해 커플링을 향해 개방되는

회전자.
제13항에 있어서,

제1 슬롯은 영구 자석의 축방향 이동을 제한하기 위한 내부 보유 견부를 포함하는

회전자.
제13항에 있어서,

플랜지의 외향면에 부착되고 영구 자석의 축방향 보유를 제공하는 스프링 편향 외부 보유 링을 더 포함하는

회전자.
제13항에 있어서,

보유 플랜지 내로 축방향 연장하는 기부와,

기부로부터 방사상으로 연장하는 한 쌍의 측벽과,

측벽으로부터 연장하고 기부 위로 돌출한 한 쌍의 방사상 보유 톱니부를 포함하는

회전자.
제17항에 있어서,

한 쌍의 방사상 보유 톱니부는 영구 자석의 자석 탱과 결합하여, 발전기 또는 모터가 작동할 동안 회전자에 원심력이 가해지는 상황에서 회전자가 팽창된 후, 영구 자석의 방사상 변위를 억제시키는

회전자.
제13항에 있어서,

자석 보유 플랜지가 플랜지를 따라 제1 슬롯으로부터 주연방향으로 배치되는 제2 슬롯을 포함함으로써, 제1 슬롯 및 제2 슬롯에 삽입된 영구 자석들 사이에 자기 플럭스 경로가 유지되는

회전자.
제13항에 있어서,

제1 슬롯은 전나무형 구성부를 포함하는

회전자.
영구 자석 발전기/모터용 회전자이며,

회전자 플랜지 내로 연장하고 영구 자석의 뿌리부를 수용하는 보유 슬롯을 포함하고,

상기 보유 슬롯은

회전자 플랜지 내로 축방향 연장하는 기부와,

기부로부터 방사상으로 연장하는 한 쌍의 측벽과,

한 쌍의 러그를 포함하며,

상기 러그는 뿌리부와 결합하기 위해 측벽으로부터 돌출하여 영구 자석을 방사상 및 접선 방향으로 보유하는

회전자.
제21항에 있어서,

더브테일 슬롯에서 영구 자석 뿌리부가 축방향으로 보유되게 하기 위해 한 쌍의 측벽에 걸쳐 연장하는 스프링 편향 외측 보유 스트립을 더 포함하며,

상기 보유 스트립은 제거가능함으로써, 영구 자석은 더브테일 슬롯으로부터 반복적으로 그리고 비파괴적으로 제거될 수 있는

부착 슬롯.
제21항에 있어서,

더브테일 슬롯은 영구 자석의 축방향 이동을 제한하기 위해 내부 보유 견부를 포함하는

부착 슬롯.
제21항에 있어서,

한 쌍의 러그는 영구 자석의 자석 탱과 결합할 수 있어서, 발전기 또는 모터가 작동할 동안 회전자에 원심력이 가해지는 상황에서 회전자가 팽창된 후, 영구 자석의 방사상 변위를 억제시키는

부착 슬롯.
제21항에 있어서,

한 쌍의 측벽 및 한 쌍의 러그는

영구 자석으로부터 회전자로 원주방향 토크가 전달되도록, 그리고

슬롯이 영구 자석과 회전자 사이에서 접선 방향 및 방사상으로 보유되도록 구성되는

부착 슬롯.