KR20110128311A

KR20110128311A - 전기 기기

Info

Publication number: KR20110128311A
Application number: KR1020117021923A
Authority: KR
Inventors: 스테판 그리섬; 앤드류 찰튼 클로씨에
Original assignee: 다이슨 테크놀러지 리미티드
Priority date: 2009-03-03
Filing date: 2010-02-22
Publication date: 2011-11-29
Also published as: US20100225196A1; US9369011B2; EP2404369B1; GB2468297B; JP2010207080A; WO2010100463A3; JP5138716B2; GB0903585D0; GB2468297A; KR101595868B1; CN102342003A; CN102342003B; EP2404369A2; WO2010100463A2

Abstract

전기 기기(10)는 영구 자석으로 된 회전자(11)와 고정자(12)를 포함한다. 고정자(12)는 다수의 자극(18, 19)을 포함한다. 자극은 회전자(11)의 회전 방향에 대하여 리딩 에지(27)와 트레일링 에지(28)를 포함한다. 자극(18, 19)의 리딩 에지(27)는 회전자(11)의 회전축에 법선인 방향에서 트레일링 에지(28)보다 더 두껍게 되어 있다.

Description

전기 기기{ELECTRIC MACHINE}

본 발명은 전기 기기에 관한 것이다.

도 1은 고정자(stator)(2) 및 영구 자석으로 된 회전자(rotor)(3)를 포함하는 전기 기기(electric machine)(1)를 도시하고 있다. 고정자(2)는 고정자 코어(stator core)(4)를 포함하며, 이 고정자 코어의 주위로 권선(winding)(5)이 감겨 있다. 고정자 코어(4)는 2개의 자극(pole)(6, 7)을 포함하고, 이 2개의 자극은 회전자(3)의 양쪽에 각각 배치되어 있다. 회전자(3)가 토크가 최대로 되는 위치에 도달하면, 자극(6, 7)의 끝 부분인 에지(egde)에서 자기 포화(magnetic saturation)가 발생한다. 이러한 자기 포화를 방지하기 위하여, 자극(6, 7)의 에지 부분을 두껍게 하는 경우가 있다. 그러나, 자극의 에지 부분의 두께를 두껍게 하면, 고정자 권선(5)의 인덕턴스가 증가한다는 문제가 있다.

본 발명의 하나의 관점으로서, 본 발명은 영구 자석으로 된 회전자와 고정자를 포함하는 전기 기기를 제공한다. 고정자는 다수의 자극을 포함한다. 다수의 자극은 각각 회전자의 회전 방향과 관련된 리딩 에지(leading edge) 및 트레일링 에지(trailing edge)를 포함한다. 회전자의 회전 축에 대하여 법선(normal) 방향으로 리딩 에지가 트레일링 에지보다 더 두껍게 되어 있다.

이러한 리딩 에지 및 트레일링 에지에 의해, 전기 기기는 단일 방향성을 갖는다. 리딩 에지를 두껍게 함으로써, 리딩 에지에서 발생하는 자기 포화를 방지할 수 있으며, 적어도 포화점을 높일 수 있다. 따라서, 고정자를 통한 자속(magnetic flux)에 대한 경로(pathway)의 제한이 작아진다. 더욱이, 리딩 에지는 회전자의 회전 축에 대하여 법선 방향으로 더 두꺼운 두께를 갖기 때문에, 고정자를 통하는 자속에 대한 덜 제한적인 경로가 회전자의 방향에 제공될 수 있다. 트레일링 에지를 두께를 얇게 함으로서, 고정자 주위에 감긴 권선의 인덕턴스를 감소시킨다. 이에 따라, 더욱 강력하고 효율적인 전기 기기를 구현할 수 있다.

자극의 리딩 에지는 모따기(chamfer) 가공하는 것이 바람직하다. 리딩 에지를 모따기 가공함으로써, 고정자의 주위에 감긴 권선의 인덕턴스를 더 감소시킬 수 있다. 리딩 에지만을 모따기 가공하기 때문에, 리딩 에지에서 생기는 자기 포화를 회피할 수 있으며, 이에 따라 자기 성능의 손실을 제거할 수 있다.

자극은 리딩 에지와 트레일링 에지 사이에서 연장하는 자극 원호(pole arc)를 포함하는 것이 바람직하다. 리딩 에지와 트레일링 에지는 자극 원호와 자극의 한쪽 면 사이에서 연장되도록 할 수 있다. 자극은 자극 원호의 한쪽 면에서 더 두껍게 되어 있다.

자극은 130도 이상의 전기각(electrical angle)에 대응하도록 되는 것이 바람직하다. 따라서, 자극은 회전자의 상당 부분을 둘러싸게 되어, 회전자의 자속을 많이 받아들일 수 있다.

고정자는 서로 대향하는 적어도 한 쌍의 자극을 포함할 수 있다. 대향하는 자극의 리딩 에지끼리의 분리된 거리는 적어도 트레일링 에지끼리의 분리된 거리만큼 되는 것이 바람직하다. 리딩 에지끼리의 분리된 거리는 트레일링 에지끼리의 분리된 거리와 동일하게 해서, 자극과 회전자 사이에 대칭적인 에어 갭(air gap)이 형성되도록 할 수 있다. 에어 갭이 대칭이 되도록 하면, 자극에 의한 회전자 자극의 포획이 증가할 수 있어서, 역기전력(back-EMF)이 향상되어, 더 효율적인 전기 기계를 제공할 수 있게 된다. 그러나, 리딩 에지끼리의 분리된 거리는 트레일링 에지끼리의 분리의 거리보다 더 큰 것이 바람직하다. 따라서, 대향하는 자극의 리딩 에지와 회전자 사이의 에어 갭은 트레일링 에지와 회전자 사이의 에어 갭보다 크다. 이것은 회전자가 시동(start-up)시에 더 큰 기계 각(mechanical angle)을 포함하는 데에 필요한 특정의 위치에 회전자를 파킹(park)하는 것을 가능하게 한다. 더 큰 기계 각이 가능하도록 함으로써, 회전자는 정류시에 더 큰 모멘텀을 달성할 수 있으며, 따라서 시동을 더 용이하게 할 수 있게 된다.

바람직하게는, 자극은 자극 면(pole face), 자극 면으로부터 연장되는 제1 면 및 제2 면, 및 자극 면 내에 형성된 자극 원호(pole arc)를 각각 포함한다. 자극의 리딩 에지는 자극 원호로부터 제1 면까지 연장되어 있고, 트레일링 에지는 자극 원호로부터 제2 면까지 연장되어 있다. 자극의 자극 원호를 양분하는 중심선과 제1 면 사이의 거리는, 이상적으로는, 적어도 자극 면에 이웃하는 영역에서, 중심선과 제2 면 사이의 거리보다 크게 되어 있다.

고정자는 c자형으로 되어 있으며 슬롯 구멍(slot opening)에 의해 분리된 서로 대향하는 한 쌍의 자극을 포함하는 것이 바람직하다. 이에 의하면, 슬롯 구멍을 통해 고정자에 권선을 권취하는 것이 용이하게 되는 장점이 있다. 또한, 권선의 점적율(fill factor)을 높일 수 있으며, 구리의 손실을 감소시킬 수 있어서, 효율을 개선할 수 있다. 또한, 고정자는 실질적으로 정사각형 또는 직사각형으로 되어 있어서, 시트 재료를 펀칭하는 것으로 고정자 적층(stator lamination)을 낭비가 거의 없이 달성할 수 있다.

본 발명에서 언급하는 c자형의 고정자 코어는 u자형의 고정자 코어도 포함하는 것으로 이해하여야 한다.

본 발명의 이해를 돕기 위해, 본 발명에 대하여, 첨부 도면을 참조하여 실시예로서 설명한다.

도 1은 종래의 전동기를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 전동기를 나타낸다.
도 3은 토크가 최대인 위치에서의 전동기의 자극을 통한 자속을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시에에 의한 다른 전동기를 나타낸다.

도 2의 전동기(motor)(10)는 회전자(rotor)(11)와 고정자(stator)(12)를 포함한다. 회전자(11)는 샤프트(14) 상에 지지되는 2극 영구 자석(13)을 포함하고, 고정자(12)는 단극 권선(16)이 주위로 감겨 있는 고정자 코어(15)를 포함한다.

고정자 코어(15)는 "c"자형으로 되어 있으며, 등 부분(back)(17), 슬롯 구멍(20)에 의해 분리된 한 쌍의 자극(18, 19), 및 등 부분(17)과 자극(18, 19) 사이에서 연장된 한 쌍의 목 부분(neck)(21, 22)을 포함한다. 고정자 코어(15)의 목 부분(21, 22)의 주위로는 권선(winding)(16)이 감겨 있지만, 권선을 고정자 코어(15)의 등 부분(17)의 주위로 감아도 된다.

자극(18, 19)은 회전자(11)에 인접한 자극 면(pole face)(23), 자극 면(23)으로부터 먼 쪽으로 연장된 제1 면(24) 및 마찬가지로 자극 면으로부터 먼 쪽으로 연장되며 제1 면의 반대쪽에 있는 제2 면(25)을 포함한다. 자극 면(23)은 아치형으로 오목하게 된 자극 원호(pole arc)(26), 회전자(11)의 회전 방향과 관련해서 상대적으로 위치한 리딩 에지(leading edge)(27) 및 트레일링 에지(trailing edge)(28)를 포함한다. 리딩 에지(27)는 자극(18, 19)의 제1 면(24)과 자극 원호(26) 사이에서 연장되며, 트레일링 에지(28)는 자극(18, 19)의 제2 면(25)과 자극 원호(26) 사이에서 연장되어 있다. 즉, 자극 원호(26)는 리딩 에지(27)와 트레일링 에지(28) 사이에서 연장되어 있다.

자극(18, 19)의 리딩 에지(27)는 적어도 회전자(11)의 회전축에 법선인 방향에서 트레일링 에지(28)보다 더 두껍게 되어 있다. 또한, 자극(18, 19)의 리딩 에지(27)는 모따기(chamfer) 가공되어 있다. 즉, 자극(18, 19)의 제1 면(25)과 자극 면(23)에 의해 이루어지는 모서리 부분이 비스듬하게 깎여져 있다.

2개의 자극(18, 19)의 각각의 자극 원호(26)는 서로 약간 어긋나 있는데, 2개의 자극(18, 19)의 리딩 에지 사이의 거리가 트레일링 에지(28) 사이의 거리보다 길게 되어 있다.

회전자(11)는 고정자 코어(15)의 2개의 자극(18, 19) 사이에서 지지되어 있다. 자극 원호(26)가 어긋나 있기 때문에, 회전자(11)와 자극(18, 19) 사이의 에어 갭은 비대칭으로 된다. 구체적으로 말하면, 회전자(11)와 자극(18, 19)의 각각의 리딩 에지(27) 사이의 에어 갭이 회전자(11)와 자극(18, 19)의 각각의 트레일링 에지(28) 사이의 에어 갭보다 큰 값을 갖는다.

전동기(10)를 작동시키는 중에는, 권선(16)에 전기가 공급되어 회전자(11)를 회전시킨다. 도 2 및 도 3에 나타낸 실시예에서는, 회전자(11)가 시계 방향으로 회전한다. 토크가 최대로 되는 위치에서는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 자극(18, 19)을 통한 자속(magnetic flux)이 리딩 에지(27)에 집중된다[즉, 자극(18, 19)의 리딩 에지(27)에서 자속 밀도가 최대이다]. 리딩 에지(27)의 두께를 두껍게 함으로써, 리딩 에지(27)에서의 고정자 코어(15)의 자기 포화가 방지되며, 적어도 포화점이 높아진다. 따라서, 고정자(12)를 통하는 자속의 경로에 대한 제한이 작아지며, 이에 따라 더 효율적인 전동기(10)를 얻을 수 있다.

얇은 두께를 갖는 트레일링 에지(28)를 설치함으로써, 고정자 권선(16)의 인덕턴스(inductance)가 감소한다. 토크가 최대로 되는 위치에서, 트레일링 에지(28)를 통하는 자속은 상대적으로 작기 때문에, 트레일링 에지(28)에서는 자기 포화가 발생하지 않는다. 자극 원호(26)의 원호 각(subtended angle)은 변화하지 않기 때문에, 자극(18, 19)은 회전자(11)로부터 동일한 양의 자속을 계속해서 받게 된다. 따라서, 트레일링 에지(28)의 얇은 두께에 의해, 자기 성능에 어떠한 손실도 주지 않으면서 인덕턴스를 감소시킬 수 있다.

자극(18, 19)의 리딩 에지(27)를 모따기(chamfer) 가공함으로써, 고정자 권선(16)의 인덕턴스를 더 감소시킬 수 있다. 리딩 에지(27)의 모서리 부분만을 모따기 가공하기 때문에, 리딩 에지(27)에서의 자기 포화를 계속해서 방지할 수 있다. 따라서, 자기 성능은 어떠한 손실도 없다.

자극(18, 19)과 회전자(11) 사이의 에어 갭이 비대칭으로 됨으로써, 회전자(11)는 작동을 용이하게 시작할 수 있는 위치에 파킹(parking)할 수 있게 된다. 트레일링 에지(28) 사이의 에어 갭이 가장 작기 때문에, 회전자(11)는 작동을 시작할 때에, 정류(commutation) 이전에 더 큰 기계적인 각도가 허용되도록 할 필요가 있다. 따라서, 회전자는 정류시에 큰 모멘텀을 가지며, 시동이 용이하게 된다.

본 발명은 인덕턴스가 작은 고정자(12)를 제공하여 자기 성능(magnetic performance)을 향상시킨다. 특히, 회전자의 자속을 포획하기 위해 자기 포화 또는 용량에 악영향을 주지 않으면서, 인덕턴스를 낮출 수 있다. 이것은 고정자 코어(15)의 자극을 성형하는 것에 의해 달성될 수 있는데, 리딩 에지(27)는 두께를 더 두껍게 하고, 트레일링 에지(28)는 두께가 얇게 되도록, 자극을 성형함으로써 달성될 수 있다. 얇은 두께의 트레일링 에지(28)에 의해 고정자 권선(16)의 인덕턴스가 감소되고, 두꺼운 두께의 리딩 에지(27)에 의해 자극(18, 19)에서 고정자 코어(15)의 자기 포화를 방지하거나, 적어도 포화점을 높일 수 있다. 고정자(12)의 인덕턴스를 낮춤으로써, 전류가 고정자 권선(16)으로 더 신속하게 흐르게 되고, 더 강력하고 효율적인 전동기(10)를 구현할 수 있다.

본 발명의 전동기(10)의 단점은, 회전자(11)를 단일 방향으로 회전시키는 경우에만, 앞서 설명한 장점이 달성될 수 있다는 것이다. 도 2 및 도 3에 나타낸 실시예에서, 자극(18, 19)의 리딩 에지(27) 및 트레일링 에지(28)는 회전자(11)의 시계 방향으로의 회전에 맞도록 배치되어 있다. 회전자(11)를 반시계 방향으로 구동시키고자 한다면, 토크가 최대로 되는 위치에서는, 자극(18, 19)의 트레일링 에지(28)에서 자속 밀도가 최대로 된다. 트레일링 에지(28)는 두께가 얇기 때문에, 고정자 코어(15)의 자기 포화가 트레일링 에지(28)에서 발생할 가능성이 있다. 따라서, 본 발명의 전동기(10)는 단일 방향으로만 구동되는 것으로 된다.

도 2 및 도 3에 나타낸 실시예의 리딩 에지(27) 및 트레일링 에지(28)는 시계 방향으로의 회전에 맞도록 배치되어 있지만, 리딩 에지(27) 및 트레일링 에지(28)는 반시계 방향으로의 회전에 맞도록(즉, 스위칭해서) 배치해도 된다.

앞서 설명한 실시예에서, 회전자(11)와 자극(18, 19) 사이의 비대칭의 에어 갭은 2개의 자극 원호(26)를 어긋나게 함으로써 달성된다. 이와 달리, 자극 원호를 연속적이지 않은 곡선형으로 하거나, 자극 원호를 단차형으로 함으로써, 비대칭의 에어 갭을 형성해도 된다. 가능한 대안으로서, 비대칭의 에어 갭을 완전히 제거해도 되는데, 이 경우에는 회전자(11)의 파킹이, 다른 가능한 수단, 예를 들어 소형의 영구 자석에 의해 달성되도록 할 수 있다.

앞서 설명한 전동기(10)는 단상의 2극 모터이며, 고정자 코어(15)는 "c"자형이다. 그러나, 전동기(10)는 자극의 개수에 제한이 없다. 또한, 고정자 코어(15)를 반드시 c자형으로 하지 않아도 된다. 예를 들어, 도 4는 앞서 설명한 자극의 형태를 갖는 2개의 전동기(30, 40)를 나타낸다.

전동기(30, 40)는 앞서 설명한 것과 다른 형태의 고정자 코어(31, 41)를 포함한다. 전동기(30, 40)의 고정자 코어(31, 41)는 원형의 등 부분(32, 42), 다수의 자극(33, 43), 및 등 부분(32, 42)과 자극(33, 43) 사이에서 반경 방향으로 연장된 다수의 목 부분(34, 44)을 포함한다. 전동기(30, 40)는 모두 단상(single phase)이며, 고정자 코어(31, 41)의 목 부분(34, 44)의 둘레로 권선(35, 45)이 감겨 있다. 제1 전동기(30)는 2극 회전자(36)를 포함하며, 고정자 코어(331)는 대향하는 한 쌍의 자극(33)을 포함한다. 제2 전동기(40)는 4극 회전자(46)를 포함하며, 고정자 코어(41)는 대향하는 두 쌍의 자극(43)을 각각 포함한다. 전동기(30, 40)가 동일하지 않지만, 이들의 고정자 코어(31, 41)는 도 2 및 도 3과 관련해서 설명한 것과 동일한 자극 형상(pole geometry)을 갖는다. 특히, 이들의 각각의 자극은, 리딩 에지(37, 47), 트레일링 에지(38, 48), 및 리딩 에지(37, 47)와 트레일링 에지(38, 48) 사이에서 연장된 자극 원호(39, 49)를 포함한다. 또한, 자극(33, 43)의 리딩 에지(37, 47)의 두께는, 적어도 회전자(36, 46)의 회전 축에 법선인 방향에서 트레일링 에지(38, 48)의 두께보다 두껍다.

고정자 코어는 반드시 "c"자형으로 할 필요는 없지만, c자형으로 된 고정자 코어(15)가 바람직하다. 구체적으로 말하면, 자극(18, 19) 사이의 슬롯 구멍(slot opening)(20)에 의해 고정자 코어(15) 상에 권선(16)을 권취하는 것이 일반적으로 더 용이하게 된다. 또한, 권선(16)의 점적율(fill factor)을 높일 수 있어서, 구리의 손실을 감소시키고 전동기의 효율을 향상시킬 수 있다. 게다가, 고정자 코어(15)의 형상은 실질적으로 사각형이기 때문에, 시트 재료(예를 들어, 스틸)를 펀칭하는 것으로, 낭비가 거의 없이, 고정자 코어 적층체를 생성할 수 있다.

리딩 에지(27)에서의 고정자 코어(15)의 자기 포화를 방지하기 위하여, 자극(18, 19)의 제1 면(24)을 자극 면(23)에 인접한 영역에서 더 두껍게 할 필요가 있다. 따라서, 자극 면(23)으로부터 멀리 있는 자극(19)의 제1 면(24)[예를 들어, 도 2에서 점선(29)으로 표시한 것]으로부터 재료를 제거할 수 있다. 이에 의하면, 고정자 코어(15)의 외측 프로파일을 감소시켜서, 고정자 코어(15)를 더 소형이면서 저렴하게 할 수 있는 장점이 있다.

앞서 설명한 실시예에서, 자극(18, 19)은 적어도 130도의 전기각(electrical angle)에 대응하도록 되어 있다. 이에 따라, 자극(18, 19)은 회전자(11)의 상당한 부분을 둘러싸게 되고, 회전자 자속의 상당한 부분을 받아들이게 된다.

본 발명은 자기 성능을 향상시킨 낮은 인덕턴스의 고정자를 제공한다. 특히, 회전자의 자속을 받기 위해 자기 포화 또는 용량에 악영향을 주지 않으면서, 인덕턴스를 낮출 수 있다. 따라서, 더 강력하고 더 효율적인 전동기를 구현할 수 있다.

본 발명을 전동기 또는 모터와 관련해서 설명하였지만, 고정자 코어는 향상된 성능을 달성하기 위해 발전기 또는 다른 전기 기기의 일부를 형성할 수 있다는 것으로 해석하여야 한다.

Claims

영구 자석으로 된 회전자(rotor)와 고정자(stator)를 포함하는 전기 기기로서,
상기 고정자는 다수의 자극(pole)을 포함하며,
상기 자극은 상기 회전자의 회전 방향과 관련해서 상대적으로 위치한 리딩 에지(leading edge) 및 트레일링 에지(trailing edge)를 각각 포함하고,
상기 리딩 에지는 상기 회전자의 회전 축에 법선(normal)인 방향으로 상기 트레일링 에지보다 더 두껍게 된 것으로 특징으로 하는 전기 기기.
제1항에 있어서,
상기 자극의 리딩 에지는 모따기(chamfer) 가공된, 전기 기기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 자극은 상기 리딩 에지와 상기 트레일링 에지 사이에서 연장하는 자극 원호(pole arc)를 포함하는, 전기 기기.
제3항에 있어서,
상기 자극의 리딩 에지 및 트레일링 에지는 상기 자극의 면과 상기 자극 원호 사이에서 연장되어 있는, 전기 기기.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정자는 대향하는 한 쌍의 자극을 포함하며,
상기 대향하는 한 쌍의 자극 중의 리딩 에지 간의 분리된 거리는 적어도 상기 대향하는 한 쌍의 자극 중의 트레일링 에지 간의 분리된 거리가 되는, 전기 기기.
제5항에 있어서,
상기 리딩 에지 간의 분리된 거리는 상기 트레일링 거리 간의 분리된 거리보다 크게 된 것인, 전기 기기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정자는 대향하는 한 쌍의 자극을 포함하며,
상기 대향하는 한 쌍의 자극 중의 리딩 에지와 상기 회전자 사이의 에어 갭(air gap)은 상기 대향하는 한 쌍의 자극 중의 트레일링 에지와 상기 회전자 사이의 에어 갭보다 크게 된 것인, 전기 기기.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자극은 상기 회전자에 인접한 자극 면(pole face), 상기 자극 면으로부터 먼 쪽으로 연장하는 제1 면, 상기 자극 면으로부터 먼 쪽으로 연장하며 상기 제1 면의 반대쪽에 있는 제2 면, 및 상기 자극 면에 형성된 자극 원호(pole arc)를 포함하며,
상기 자극의 리딩 에지는 상기 자극 원호로부터 상기 제1 면으로 연장되며, 상기 트레일링 에지는 상기 자극 원호로부터 상기 제2 면으로 연장된, 전기 기기.
제8항에 있어서,
상기 자극을 양분하는 중심선(centerline)과 상기 제1 면 사이의 거리는, 상기 자극 면에 인접한 영역의 제2 면과 상기 중심선 사이의 거리보다 크게 된, 전기 기기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자극은 적어도 130도의 전기 각(electrical angle)에 대응하도록 형성된, 전기 기기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정자는 c자형이며, 슬롯 구멍(slot opening)에 의해 분리된 서로 대향하는 한 쌍의 자극을 포함하는, 전기 기기.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 기기는 단상의 권선(single-phase winding)을 포함하는, 전기 기기.