KR20120090971A - 전기 모터를 위한 스테이터 라미네이션 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중앙 개구(20), 개구(20) 주위에 이격된 복수 개의 슬롯(30)들, 및 모든 2개의 연속적인 슬롯(30)들 사이에 형성된 복수 개의 날(50)들을 포함하는, 전기 모터를 위한 스테이터 블레이드(10)에 관한 것이다. 슬롯 엣지들(30e와 30a, 30e와 30b, 30b와 30d, 30c와 30a) 사이의 코너들(35a, 35b, 35c, 35d)은 필렛 반경이고, 이런 엣지들에 의해 형성된 각도는 예각이다. 날(50)들은 2개의 연속적인 슬롯들의 사이드 엣지들(30b, 30a)에 의해 획정되고 상호 간을 향하여 경사진 2 개의 사이드 엣지들(50a, 50b)을 갖는다.

Description

전기 모터를 위한 스테이터 블레이드{STATOR BLADE FOR AN ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 스테이터 블레이드에 관한 것으로서, 특히 냉동 유닛의 컴프레서에 사용된 유형의 전기 모터의 스테이터를 위한 블레이드에 관한 것이다.

냉동 산업에서, 컴프레서(compressor)는 일반적으로 유도 모터에 의해 구동된다. 이런 유형의 전기 모터는 이동 부품인, 로터(rotor) 및 고정 부품인, 스테이터(stator)를 포함한다. 모터의 작동에서, 스테이터는 로터에서 전류를 유도하는 자기장을 발생시키고, 이런 유도된 전류와 자기장 사이의 상호 작용은 로터를 이동시키는 토크(torque)를 발생시킨다.

당업계에서 당업자에 의해 공지된 바와 같이, 스테이터의 중심은 다량의 적층 플레이트들(스테이터의 블레이드(blade)들)에 의해 형성된다. 블레이드들의 각각은 로터를 수용하기 위한 중앙홀 및 홀의 주변 상에서 분포된 그루브(groove)들을 갖고 전도성 재료로 제작된 코일을 형성할 와이어들을 받아들인다. 이는 자기장을 생성할 수 있는 코일이다.

에너지 소비를 감소시킬 목적으로, 몇몇 시스템들은 로터에서 영구자석들을 갖는 무브러시(brushless) 유형의 전기 모터를 사용한다. 자석의 사용은 로터에 있어 손실을 감소시키고 이에 따라 전체 소비를 감소시키기에, 종래의 유도 모터에 비해서 효율에 있어 증가를 가능하게 한다. 이런 장점 이외에, 또한 이런 유형의 모터는 시스템의 필요를 조절하기 위하여 속도의 변화를 허용하는 전기 제어를 갖는다. 속도에 있어 이런 변화는 냉동 시스템의 열역학적 효율을 현저하게 증가시키고 추가로 소비를 감소시킨다.

냉동 시스템 및 컴프레서의 성능에 대한 일정한 관심은 전기 모터의 설계가 냉동 산업을 위한 꽤 중요한 인자가 되게 한다. 사실에 대하여, 전기 모터의 설계는 전체로서 냉동 시스템의 효율 및 에너지 소비에 영향을 준다.

따라서, 모터 구성요소를 위한 설계 및 재료 선택은 효율, 토크 및 소비된 전력에 초점을 맞추면서, 원하는 성능 파라미터에 따라 선택된다.

이런 라인들을 따라, 스테이터의 블레이드들을 위해 선택된 설계는 모터에 의해 달성된 토크 및 효율에 영향을 미치면서, 자기장의 발생에 직접 영향을 준다. 모터의 효율 및 자기장에 영향을 미치는 다른 인자는 스테이터에 조여지는 코일에 사용된 재료이다.

이런 목적을 위하여 가장 많이 사용된 재료는 구리이고, 이는 상당히 전도성이 있다. 하지만, 어떤 어플리케이션을 위하여, 알루미늄의 사용은 효율의 손실 없이 비용에 있어 현저한 감소를 나타낼 수 있다.

문헌 US 3,942,055는 컴프레서에서 사용을 위한 밀폐형 모터의 스테이터를 설명하고, 이의 블레이드들은 3개의 상이한 타입의 권선들의 조립을 허용하면서 3개의 상이한 크기를 갖는 그루브들을 포함하며, 이런 권선들 중 하나는 알루미늄으로 제작된다.

문헌 US 6,791,231는 신규한 스테이터 블레이드 설계를 제안하되, 중앙홀은 넓어지고 그루브들은 약간 깔때기 모양의 폐쇄된 종단을 갖는다. 이런 문헌에 설명된 블레이드의 타입은 가정 사용을 위한 벤틸레이터(ventilator)에 사용되는 유형의, 2 극 모터들을 위하여 이상적이고, 설계는 이런 어플리케이션을 위하여 최적화된다.

비록 전기 모터 어플리케이션에 요구된 성능에 따라 스테이터를 설계하는 것이 일반적인 실시이더라도, 당업계에서는 예를 들어, 냉동 산업에서 사용된 컴프레서 모터의 경우이기에, 낮은 에너지 소비에 대한 필요 및 크기 제한을 갖는 생산품에 적용되는 것을 허용하면서, 전기 모터의 성능에 긍정적으로 영향을 줄 수 있는 더 효율적인 설계에 대한 의문이 여전히 존재한다.

따라서, 본 발명의 목적은 플레이트의 설계를 변경하지 않고 알루미늄 와이어 또는 구리 와이어의 사용을 가능하게 하면서, 스테이터의 구조에 있어 어느 정도의 유연성을 허용하는 스테이터 블레이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 전도성 재료의 더 큰 부피의 사용을 허용하면서, 그루브들 내부에 더 큰 자유 공간을 제공하는 스테이터 블레이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가적인 목적은 코일링 니들(coiling needle)의 더 큰 이동을 가능하게 하고 더 동등한 코일을 발생시키면서, 그루브들 내부에 더 큰 공간을 제공하는 스테이터 블레이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 자기 포화의 원치 않는 현상을 회피하고 모터의 효율을 증가시키면서, 블레이드 날들을 따라 자기 유동의 밀도의 더 동등한 분포를 제공하는 스테이터 블레이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 더 양호한 손실의 분포 및 이에 따른 더 양호한 모터의 성능을 제공하면서, 컨덕터에서의 손실과 강철에서의 손실 사이에서 균형을 제공하는 스테이터 블레이드를 제공하는 것이다.

본 발명은:

중앙홀,

홀 주위에 이격된 복수 개의 그루브들(그루브들과 홀은 통로들 또는 넥들에 의해 연결된다), 및

복수 개의 날들(각각의 날은 2개의 연속적인 그루브들 사이에 형성된다)을 포함하되,

중앙홀의 직경은 블레이드의 전체 폭의 약 50%이고;

그루브들의 각각의 면적의 합의 전체 면적은 블레이드에 내접된 링의 전체 면적의 50%부터 60%까지를 나타내고, 내접된 원의 외측 엣지는 블레이드의 엣지들 중 하나를 접하고 내접된 원의 내측 엣지는 중앙홀의 엣지와 일치하며;

날들이 중앙홀에 근접한 영역에서 넓은, 가변적인 폭을 갖는 전기 모터를 위한 스테이터 블레이드에 의해 상기의 목적들을 달성한다.

본 발명의 블레이드의 바람직한 구체예에서, 그루브들의 각각은 5개의 엣지들을 갖고, 상기 엣지들은 2개인 대변 엣지들, 그루브의 베이스에서의 2개의 엣지들 및 포물선 엣지이며, 베이스의 엣지들은 넥으로부터 상응하는 대변 엣지로 연장되고, 대변 엣지들은 베이스의 엣지들 중 하나로부터 포물선 엣지까지 연장되며, 사이드 엣지들의 각각과 포물선 엣지 사이에 형성된 각도는 85°와 89° 사이에 포함된 예각이다.

또 바람직한 구체예에서, 그루브의 엣지들 사이에 형성된 코너들은 약 0.25㎜와 동일한 최대 반경을 갖고, 중앙홀의 엣지와 그루브의 상부 사이의 거리는 블레이드에 내접된 원의 외측 엣지와 넥의 베이스 사이의 거리의 78%와 82% 사이에 포함되며, 수평축과 그루브들의 포물선 엣지 사이에 형성된 각도는 0°와 5° 사이에 포함된다.

도 1은 종래 기술에서 공지된 스테이터 블레이드의 평면도를 도시한다.
도 2는 종래 기술에서 공지된 스테이터 블레이드의 그루브들 중 하나의 상세도를 도시한다.
도 3은 종래 기술에서 공지된 스테이터 블레이드의 날들 중 하나를 따르는 자기 유동의 밀도의 분포를 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명에 따른 스테이터 블레이드의 평면도를 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 그루브들 중 하나의 상세도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 스테이터 블레이드의 날들 중 하나를 따르는 자기 유동의 밀도의 분포를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명에 따른 스테이터 블레이드의 평면도를 도시하고, 블레이드에 내접된 링 면적이 강조된다.
도 8은 본 발명에 따른 스테이터 블레이드의 그루브들 중 하나를 도시하고, 그루브들의 상측 엣지와 사이드 엣지들 사이에 형성된 각도가 강조된다.
도 9는 본 발명에 따른 스테이터 블레이드의 평면도를 도시하고, 블레이드에 내접된 링 및 그루브의 면적들이 강조된다.
도 10은 본 발명에 따른 스테이터 블레이드의 그루브들 중 하나를 도시하고, 수평축과 그루브의 상측 엣지들 사이에 형성된 각도가 강조된다.

본 발명은 이제 도면들에서 나타난 실시의 실시예를 기초로 하여 상세하게 설명될 것이다.

도 1은 컴프레서(compressor)를 위한 전기 모터의 일반적인 스테이터 블레이드(1; stator blade)를 도시한다. 블레이드(1)는 중앙홀(2) 및 홀(2) 주위에 이격된 복수 개의 그루브(3; groove)들을 포함한다. 이런 타입의 블레이드에서, 중앙홀의 직경은 약 55밀리미터이다.

그루브(3)들과 홀(2)은 통로들 또는 넥(4; neck)들에 의해 연결된다. 2개의 연속적인 그루브(3)들 사이에는 날(5; tooth)이 형성되고, 날(5)들의 내측 엣지들은 중앙홀(2)의 엣지를 형성한다.

도 2에서 더 양호하게 도시된 바와 같이, 그루브(3)들의 각각은 상측 엣지가 포물선 돔(3b)의 형상을 갖는 역 사다리꼴(3a)의 형상으로 하측부(3)를 갖는, 선원의 모자처럼 형상화된다. 돔과 사다리꼴의 엣지들 사이(즉, 그루브(3)의 상측 엣지와 사이드(side)들 사이)에서 연결은 1.0㎜의 반경을 갖는 만곡 엣지들(3c, 3d)로 이루어진다. 역 사다리꼴(3a)의 2개의 측벽들(벽들(3e, 3f))은 60°의 각도로 함께 기울어지고, 역 사다리꼴의 베이스(base)와 포물선 돔(3b)의 상부 사이의 거리는 약 10.0㎜이다. 따라서, 각 그루브(3)의 전체 면적은 약 83㎟이다.

스테이터가 조립될 때, 그루브(3)들의 내측 엣지들은 일반적으로 블레이드들의 적층 이후에 장착된 플렉시블한 테이프의 형태로, 절연체의 코팅을 받아들인다.

날(5)들은 그 기능이 코일 헤드와 블레이드의 패키지 사이에 전기 절연을 가능하게 하는, 절연체 커버를 조인다는 것인 보조 홀(6) 및 2개의 연속적인 그루브들의 사이드 엣지(side edge)들에 의해 획정된 2개의 평행한 엣지들(5a, 5b)을 갖는다.

블레이드(1)는 또한 조임 홀(6)들을 갖고, 블레이드의 코너들의 각각에서의 4개의 홀(6a)들 및 블레이드 반대편에 2개의 엣지들의 중간 지점에서의 2개의 홀(6b)들이 존재한다. 이런 홀들의 목적은 스테이터의 조임 볼트들을 수용하는 것이다. 조임은 단지 이런 홀들 중 3개에서만 발생하지만, 패키지의 절반이 높이 불균형을 보상하도록 제조 공정 동안에 회전하기에, 스테이터의 주변을 따르는 6개의 홀들이 필요로 하게 된다.

종래 기술의 블레이드 설계가 영구 자석을 갖는 무브러시 유형의 전기 모터의 스테이터에 광범위하게 사용되어 왔더라도, 이는 몇몇의 결점들을 갖는다:

- 비록 그루브(3)들의 형상 및 크기가 구리 와이어 코일을 형성하도록 적절하게 설계되더라도, 구리와 동일한 성능을 획득하기 위하여 컨덕터(conductor)의 횡단 면적에서 적어도 60%의 증가(및, 이에 따른 그루브 면적에서 동일한 규모의 증가)가 요구되기에, 예를 들어, 알루미늄 와이어와 같은 다른 타입의 와이어를 사용하기로 선택할 때 적합하지 않게 된다;

- 그루브들의 내측 엣지 상의 둥근 코너들이 내측 엣지들과 절연체 사이에 빈 공간을 생성하면서, 그루브 절연체의 효율적인 앵커리지(anchorage)를 허용하지 않는다. 이런 공간이 유동 통로 면적(블레이드의 몸체)으로써도, 그루브 면적(컨덕터를 위한 공간)으로써도 사용되지 않기에, 이는 모터의 최대 효율을 제한하고, 전력 범위를 감소시키며, 유동 밀도에서의 감소를 야기한다; 및

- 날(5)들의 형상은 보조 홀(6)에 인접한 영역에서 자기 유동의 축적을 용이하게 하고, 이는 자기 포화 및 이에 따른 효율에 있어 하락을 야기할 수 있다. 이런 경우에, 도 3은 종래 기술의 블레이드에 형성된 자기 포화 영역의 개략도를 도시한다.

도 4 내지 도 10은 본 발명에 따른 블레이드(10)를 도시한다. 본 발명의 블레이드(10)는 최적화된 설계를 갖고, 이는 구리 와이어 코일을 사용할 때 최신의 스테이터에서 발견된 것에 대해 우수한 성능을 나타내고 동시에 알루미늄 와이어로 코일링하는 데에 적합한 스테이터의 구조를 허용한다.

당업계에서 당업자에 의해 공지된 바와 같이, 알루미늄은 단위 중량당 구리보다 싼 재료이다. 하지만, 알루미늄을 사용하는 모터의 성능이 구리 컨덕터를 갖는 모터에 비교가능하도록, 예전에 언급된 대로, 컨덕터의 횡단 면적에서 적어도 60%의 증가가 존재해야만 한다.

따라서, 본 발명의 블레이드는 그루브의 면적에서 증가를 나타내고 코일링 니들의 삽입 및 통과를 용이하게 하기 위하여 배열된 크기 및 형상을 갖는 그루브들을 갖는다.

(본 발명의 바람직한 배열에서) 블레이드(10)는 중앙홀(20) 및 홀(20) 주위에 이격된 복수 개의 그루브(30)들을 포함한다. (중앙홀(20) 주위에 동등하게 이격된 6개의 그루브들이 존재한다.) 중앙홀의 직경은 블레이드의 전체 폭의 약 50%이다. 그루브(30)들과 홀(20)은 통로들 또는 넥(40)들에 의해 연결된다. 2개의 연속적인 그루브(30)들 사이에는 날(50)이 형성되는 동시에 날(50)들의 내측 엣지들은 중앙홀(20)의 엣지를 형성한다.

도 7과 도 9에서 더 양호하게 도시된 바와 같이, 블레이드에서 내접된 링 면적(C)을 강조하는 것이 가능하고, 이런 링의 외측 엣지는 블레이드의 2개의 엣지들을 접하고 내측 엣지는 중앙홀(20)의 엣지와 일치한다. 바람직하게는, 블레이드 재료 및 컨턱터에 있어 줄 손실(Joule loss)의 균형의 가능성을 보장하고, 이에 의해 모터의 성능을 증가시키기 위하여, 그루브(30)들의 전체 면적(R)은 블레이드에 내접된 링의 전체 면적(C)의 50%와 60% 사이에서 포함되어야 한다.

그루브의 면적에 있어 증가는 구리의 사용 및 알루미늄의 사용에 적합하기에, 코일을 형성하는 재료를 위한 유연성을 본 발명의 블레이드에 부여한다. 구리를 사용하기로 선택할 때, 종래 기술의 블레이드(1)를 갖는 스테이터를 사용하는 모터와 비교될 때 모터의 효율에 있어 현저한 게인의 가능성이 존재한다. 알루미늄을 사용하기로 선택할 때, 구리 컨덕터를 갖는 종래 기술의 모터에 비해서 모터의 전체 비용에 있어 현저한 감소가 획득된다.

도 5, 도 8 및 도 10은 더 상세하게 그루브(30)들의 각각의 형상을 도시한다.

그루브(30)들의 각각은 5개의 엣지들(30a, 30b, 30c, 30d, 30e)을 갖고, 이들의 2개는 대변 엣지들(30a, 30b; opposite side edges)이며, 2개는 기울어진 종단 엣지들(30c, 30d) 및 포물선 엣지(30e)이다. 기울어진 종단 엣지들의 각각(30c 또는 30d)은 넥(40)으로부터 상응하는 대변 엣지(30a 또는 30b)로 연장되고, 대변 엣지들의 각각은 종단 엣지들 중 하나(30c 또는 30d)로부터 포물선 엣지(30e)까지 연장된다.

도 7에서 더 양호하게 도시될 수 있는 바와 같이, 2개의 대변 엣지들(30a, 30b)은 60°와 70° 사이에 포함된 각도로 함께 기울어지고, 홀(20)의 엣지와 포물선 엣지(30e)의 상부 사이의 거리(73)(도 7 참조)는 내접된 원(C)에서 외측 엣지와 홀(20)의 엣지(넥(40)의 내측 종단)) 사이의 거리(72)의 78%와 82% 사이에 포함되어야 한다.

도 8에서 더 양호하게 도시된 바와 같이, 벽들(30a, 30e) 사이 및 30b와 30e 사이에 형성된 각도는 예각(<90°)인데, 이에 의해 날들에 있어 유동 밀도를 감소시키고 그루브 절연체의 조임을 용이하게 하기 위하여 날(50)들의 개구 각도(80)를 형성한다. 바람직하게는 각도(80)는 85°와 89° 사이에 존재한다. 게다가, 바람직한 구체예에서, 벽들(30e와 30a, 30e와 30b, 30b와 30d, 30a와 30c) 사이에 형성된 코너들(35a, 35b, 35c, 35d)은 0.50㎜의 최대 라운딩 반경을 가져야만 한다.

스테이터의 형성 동안에 그루브들의 내측 벽들 상에 절연체의 더 양호한 앵커리지를 가능하게 하면서, 본 발명의 블레이드(10)의 그루브(30)에서 예각을 형성하는 장점은 그루브들의 내측 엣지 상에 절연체의 더 양호한 부착을 보장함으로써, 전도성 재료의 최대 부피를 획득하기에 특히 적절하고, 그루브들 내부에 더 큰 자유 공간이 획득되며, 상기 공간은 코일링 동안에 전도성 재료에 의해 차지된다.

날(50)들은 2개의 연속적인 그루브들의 사이드 엣지들에 의해 획정된 함께 기울어진(평행하지 않는) 2개의 사이드 엣지들(50a, 50b)을 갖는다. 따라서, 본 발명에서, 날(50)들은 가변적인 폭을 갖기에, 중앙홀(20) 근처 영역에서 더 넓다.

또한, 날(50)들은 그 기능이 절연 커버(블레이드들의 패키지와 코일 헤드 사이의 절연체)를 조이는 것인 보조 홀(60)을 포함할 수 있다.

도 6에 나타난 개략도에서 도시된 바와 같이, 날(50)들의 2개의 사이드 엣지들(50a, 50b) 사이의 기울기는 전체 날(50)을 따라 대략 동등한 유동 밀도의 획득을 허용하면서, 홀(60)에 인접한 영역에서 유동의 축적을 회피하도록 도입되었다.

본 발명의 블레이드는 또한 블레이드의 각 코너에서 4개의 조임 홀(60a)들을 갖는다. 이런 홀들의 목적은 스테이터를 컴프레서 블럭에 조이는 것이다.

도 10에서의 개략도에 도시된 바와 같이, 수평축과 엣지(30e) 사이에 형성된 각도(100)는 코일링 니들의 이동을 용이하게 하고 균일하게 분포된 코일을 생성하기 위하여 0°와 5°사이에 존재해야 한다.

상기의 도면들에 기초로 하여 제공된 설명이 단지 본 발명의 블레이드를 위한 가능한 구체예에 언급되고 본 발명의 목적의 참된 범위는 첨부된 청구항들에 정의된다는 것이 이해되어야 한다.

Claims (5)

1. 중앙홀(20), 홀(20) 주위에 이격된 복수 개의 그루브(30)들(그루브(30)들과 홀(20)은 통로들 또는 넥(40)들에 의해 연결된다), 및 복수 개의 날(50)들(날(50)들의 각각은 2개의 연속적인 그루브(30)들 사이에 형성된다)을 포함하는 전기 모터를 위한 스테이터 블레이드(10)에 있어서,
   중앙홀(20)의 직경은 블레이드의 전체 폭의 약 50%이고;
   그루브(30)들의 각각의 면적의 합의 전체 면적(Rt)은 블레이드(10)에 내접된 링의 전체 면적(C)의 50%부터 60%까지를 나타내며, 내접된 링의 외측 엣지는 블레이드(10)의 엣지들 중 하나를 접하고 내접된 링의 내측 엣지는 중앙홀(20)의 엣지와 일치하며;
   날(50)들은 중앙홀(20)에 근접한 영역에서 더 넓은, 가변적인 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 스테이터 블레이드(10).
   
2. 제 1 항에 있어서,
   그루브(30)들의 각각은 5개의 엣지들(30a, 30b, 30c, 30d, 30e)을 갖고, 상기 엣지들은 2개인 대변 엣지들(30a, 30b), 그루브의 베이스에서의 2개의 엣지들(30c, 30d) 및 포물선 엣지(30e)이며,
   그루브의 베이스의 엣지들의 각각(30c 또는 30d)은 넥(40)으로부터 상응하는 대변 엣지(30a 또는 30b)로 연장되고;
   대변 엣지들(30a, 30b)의 각각은 베이스의 엣지들 중 하나(30c 또는 30d)로부터 포물선 엣지(30e)까지 연장되며;
   사이드 엣지들(30a, 30b)의 각각과 포물선 엣지(30e) 사이에 형성된 각도(80)는 85°와 89° 사이에 포함된 예각인 것을 특징으로 하는 스테이터 블레이드(10).
   
3. 제 2 항에 있어서,
   그루브의 엣지들(30e와 30a, 30e와 30b, 30b와 30d, 30c와 30a) 사이에 형성된 코너들(35a, 35b, 35c, 35d)은 약 0.50㎜와 동일한 최대 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 스테이터 블레이드(10).
   
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
   중앙홀(20)의 엣지와 그루브(30)의 상부 사이의 거리(73)는 블레이드(10)에 내접된 원(C)의 외측 엣지와 넥(40)의 베이스 사이의 거리의 78%와 82% 사이에 포함된 것을 특징으로 하는 스테이터 블레이드(10).
   
5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   수평축과 그루브(30)들의 포물선 엣지(30e) 사이에 형성된 각도(100)는 0°와 5° 사이에 포함된 것을 특징으로 하는 스테이터 블레이드(10).
   

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