KR20140022729A - 열 인터페이스 재료가 인접한 영구 자석들 사이에 제공된 영구 자석을 포함하는 영구 자석 전기 기계 - Google Patents

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브래들리 디. 챔벌린
쿤 훙 완
콜린 해머
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레미 테크놀러지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명은 하우징과, 하우징 내에 장착되는 고정자와, 고정자에 대해 하우징 내에 회전가능하게 장착되는 회전자 조립체를 포함하는 영구 자석 전기 기계에 관한 것이다. 회전자 조립체는 복수의 회전자 라미네이션을 갖는 회전자 본체를 포함한다. 복수의 회전자 라미네이션 각각은 복수의 슬롯을 포함하고, 축방향 단부 부분을 갖는 복수의 영구 자석이 복수의 슬롯 중 각각의 슬롯 내에 장착되며, 소정량의 열 인터페이스 재료(TIM)가 복수의 영구 자석 중 인접한 영구 자석들의 축방향 단부 부분들 사이에 배열된다.

Description

열 인터페이스 재료가 인접한 영구 자석들 사이에 제공된 영구 자석을 포함하는 영구 자석 전기 기계{PERMANENT MAGNET（PM）ELECTRIC MACHINE INCLUDING PERMANENT MAGNETS PROVIDED WITH A THERMAL INTERFACE MATERIAL（TIM）BETWEEN ADJACENT PERMANENT MAGNETS}
본 발명은 전기 기계 기술에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인접한 영구 자석들 사이에 열 인터페이스 재료를 포함하는 영구 자석 전기 기계에 관한 것이다.
전기 기계는 회전자에 기전력을 유도하도록 고정자를 통과하는 전기 에너지로부터 일을 생성한다. 기전력은 회전자에서 회전력을 발생시킨다. 회전자의 회전은 다양한 외부 장치에 동력을 공급하는데 사용된다. 물론, 전기 기계는 또한 일 입력으로부터 전기를 발생시키는데 이용될 수 있다. 어떠한 경우에도, 전기 기계는 현재 더 높은 속도에서 더 큰 출력을 발생시키며, 더 작은 패키지로 설계되고 있다. 영구 자석 전기 기계의 경우, 자석은 더 작은 형상 계수에서 더 높은 플럭스 밀도를 갖도록 설계되고 있다. 이런 자석은 대체로 다양한 희토류 금속으로 형성되거나, 다양한 희토류 금속을 포함한다.
본 발명의 목적은 인접한 영구 자석들 사이에 열 인터페이스 재료를 포함하는 영구 자석 전기 기계를 제공하는 것이다.
본 발명은 하우징과, 하우징 내에 장착되는 고정자와, 고정자에 대해 하우징 내에 회전가능하게 장착되는 회전자 조립체를 포함하는 영구 자석 전기 기계를 제공한다. 회전자 조립체는 복수의 회전자 라미네이션(rotor lamination)을 갖는 회전자 본체를 포함한다. 복수의 회전자 라미네이션 각각은 복수의 슬롯을 포함하고, 축방향 단부 부분을 갖는 복수의 영구 자석이 복수의 슬롯 중 각각의 슬롯 내에 장착되며, 소정량의 열 인터페이스 재료(thermal interface material; TIM)가 복수의 영구 자석 중 인접한 영구 자석들의 축방향 단부 부분들 사이에 배열된다.
또한, 본 발명은 복수의 회전자 라미네이션을 갖는 회전자 본체를 포함하는 회전자 조립체를 제공한다. 복수의 회전자 라미네이션 각각은 복수의 슬롯을 포함한다. 축방향 단부 부분을 갖는 복수의 영구 자석이 복수의 슬롯 중 각각의 슬롯 내에 장착되며, 소정량의 열 인터페이스 재료(TIM)가 복수의 영구 자석 중 인접한 영구 자석들의 축방향 단부 부분들 사이에 배열된다.
또한, 본 발명은 전기 기계용 회전자 조립체를 형성하는 방법을 제공한다. 본 발명의 방법은 복수의 회전자 라미네이션을 적층하는 단계와, 복수의 회전자 라미네이션 각각에 형성된 복수의 슬롯을 정렬하는 단계와, 회전자 본체를 형성하기 위해 복수의 회전자 라미네이션을 결합시키는 단계와, 제1 축방향 단부 부분을 갖는 제1 영구 자석을 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯에 삽입하는 단계와, 제1 축방향 단부 부분에서 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯 내에 열 인터페이스 재료를 위치설정하는 단계와, 제2 축방향 단부 부분을 갖는 제2 영구 자석을 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯에 삽입하는 단계와, 제1 축방향 단부 부분과 제2 축방향 단부 부분이 열 인터페이스 재료를 통해 열접촉되도록 제2 영구 자석을 제1 영구 자석을 향해 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯 내로 가압하는 단계를 포함한다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 영구 자석 전기 기계의 측단면도.
도 2는 도 1의 영구 자석 전기 기계의 회전자 조립체의 부분 분해도.
도 3은 도 2의 회전자 조립체의 부분도.
이하의 설명은 어떤 식으로든지 제한적인 것으로 간주하여선 안 된다. 첨부된 도면과 관련하여, 유사한 구성요소들은 유사한 도면부호로 표시되어 있다.
개시된 장치 및 방법의 하나 이상의 실시예에 대한 상세한 설명은 도면을 참조하여 비제한적인 예시로 본 명세서에 기재되어 있다.
예시적인 실시예에 따른 영구 자석 전기 기계가 도 1에 도면부호 2로 전체적으로 도시되어 있다. 영구 자석 전기 기계(2)는, 내부 부분(12)을 집합적으로 형성하도록 제1 단부 벽(8) 및 제2 단부 벽 또는 커버(10)에 의해 결합되는, 제1 측벽(6) 및 제2 측벽(7)을 갖는 하우징(4)을 포함한다. 제1 측벽(6)은 제1 내부면(16)을 포함하며 제2 측벽(7)은 제2 내부면(17)을 포함한다. 이런 점에서, 하우징(4)은 연속적인 내부면을 갖는 단일 측벽을 포함하도록 구성될 수 있다. 또한, 영구 자석 전기 기계(2)는 제1 측벽(6)의 제1 내부면(16) 및 제2 측벽(7)의 제2 내부면(17)에 배열된 고정자(24)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 고정자(24)는, 제2 단부 부분(30)으로 연장되는 제1 단부 부분(29)을 갖고 그리고 복수의 권선(36)을 지지하는, 본체 또는 고정자 코어(28)를 포함한다. 권선(36)은 제1 엔드 턴 부분(40) 및 제2 엔드 턴 부분(41)을 포함한다.
또한, 영구 자석 전기 기계(2)는 하우징(4) 내에 회전가능하게 지지되는 샤프트(54)를 포함하는 것으로 도시되어 있다. 샤프트(54)는 중간 부분(59)을 통해 제2 단부(57)로 연장되는 제1 단부(56)를 포함한다. 제1 단부(56)는 제1 베어링(63)을 통해 커버(10)에서 지지된다. 제2 단부(57)는 제2 베어링(64)을 통해 제1 단부 벽(8)에 대해 지지된다. 샤프트(54)는 회전자 조립체(70)를 포함한다. 회전자 조립체(70)는 회전자 본체(79)를 지지하는 허브(72)를 포함한다. 회전자 본체(79)는 제1 단부 부분(81) 및 대향하는 제2 단부 부분(82)을 포함한다. 회전자 본체(79)는 복수의 회전자 라미네이션으로 형성되는데, 복수의 회전자 라미네이션 중 하나가 도면부호 84로 도시되어 있다. 각각의 회전자 라미네이션(84)은 복수의 슬롯을 포함하는데, 복수의 슬롯 중 하나가 도 2에 도면부호 94로 도시되어 있다. 회전자 라미네이션(84)은 적층되어 있으며, 슬롯(94)이 회전자 본체(79)를 형성하는 본딩 프로세스를 거치기 전에 정렬된다. 복수의 영구 자석(PM)(100, 101, 102)이 회전자 본체(79) 내의 각각의 슬롯(94) 내에 제공된다.
예시적인 실시예의 일 양태에 따르면, 영구 자석 전기 기계(2)는 회전자 본체(79)의 제1 단부 부분(81)에 배치된 제1 히트 싱크 링(120)과, 회전자 본체(79)의 제2 단부 부분(82)에 배치된 제2 히트 싱크 링(121)을 포함한다. 제1 히트 싱크 링(120)은, 외부면(127) 및 사실상 평면인 내부면(129)을 갖는, 본체(124)를 포함한다. 도시된 예시적인 양태에서, 외부면(127)은 사실상 평면인 프로파일(131)을 포함한다. 그러나, 외부면(127)은 핀과 같은 다양한 열교환 장치를 구비할 수도 있다. 제1 히트 싱크 링(120)은, 사실상 평면인 내부면(129)이 영구 자석(100)과 열교환 관계에 있는 상태에서, 제1 단부 부분(81)에서 지지된다. 제2 히트 싱크 링(121)은 외부면(137) 및 사실상 평면인 내부면(139)을 갖는 본체(134)를 포함한다. 도시된 예시적인 양태에서, 외부면(137)은 사실상 평면인 프로파일(141)을 포함한다. 그러나, 상술된 바와 유사하게, 외부면(137)은 핀과 같은 다양한 열교환 장치를 구비할 수도 있다. 제2 히트 싱크 링(121)은, 사실상 평면인 내부면(139)이 영구 자석(102)과 열교환 관계에 있는 상태에서, 제2 단부 부분(82)에서 지지된다. 제1 히트 싱크 링(120) 및 제2 히트 싱크 링(121)은 열전도성 재료로 형성된다. 예컨대, 제1 히트 싱크 링(120) 및 제2 히트 싱크 링(121)은 소정량의 알루미늄, 구리 및/또는 스테인레스강으로 형성되거나, 소정량의 알루미늄, 구리 및/또는 스테인레스강을 포함할 수도 있다. 물론, 다른 열전도성 재료도 이용될 수도 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 영구 자석(100)은 외부 축방향 단부 부분(154) 및 내부 축방향 단부 부분(155)을 갖는 자석 본체(152)를 포함한다. "외부 축방향 단부 부분"이라는 용어는 회전자 본체(79)의 외부 단부 부분에 배열되는 영구 자석의 축방향 단부 부분을 나타내는 것으로 이해하여야 한다. "내부 축방향 단부 부분"이라는 용어는 회전자 본체(79) 내에 전체적으로 포함되는 영구 자석의 축방향 단부 부분을 나타내는 것으로 이해하여야 한다. 유사하게는, 영구 자석(101)은 제1 내부 축방향 단부 부분(164) 및 제2 내부 축방향 단부 부분(165)을 갖는 자석 본체(162)를 포함한다. 영구 자석(102)은 내부 축방향 단부 부분(174) 및 외부 축방향 단부 부분(175)을 갖는 자석 본체(172)를 포함한다. 도시된 예시적인 실시예에서, 영구 자석(100)의 외부 축방향 단부 부분(154)은 회전자 본체(79)의 제1 단부 부분(81)에 배열되는 반면, 영구 자석(102)의 외부 축방향 단부 부분(175)은 회전자 본체(79)의 제2 단부 부분(82)에 배열된다.
예시적인 실시예의 다른 양태에 따르면, 영구 자석 전기 기계(2)는, 영구 자석(100)의 내부 축방향 단부 부분(155)과 영구 자석(101)의 제1 내부 축방향 단부 부분(164) 사이에 배열되고 그리고 영구 자석(100)의 내부 축방향 단부 부분(155)과 영구 자석(101)의 제1 내부 축방향 단부 부분(164)에 접하는, 제1 양의 열 인터페이스 재료(TIM)(180)를 포함한다. 제2 양의 TIM(181)은 영구 자석(101)의 제2 내부 축방향 단부 부분(165)과 영구 자석(102)의 내부 축방향 단부 부분(174) 사이에 배열되며, 영구 자석(101)의 제2 내부 축방향 단부 부분(165)과 영구 자석(102)의 내부 축방향 단부 부분(174)에 접한다. 제1 양의 TIM(180) 및 제2 양의 TIM(181)은 자석 본체(152, 162, 172)에서 열을 전도시키는 영구 자석(100, 101, 102)을 통하는 열 유동 경로를 형성한다.
예시적인 실시예의 또 다른 양태에 따르면, 제3 양의 TIM(184)이 영구 자석(100)의 외부 축방향 단부 부분(154)과 제1 히트 싱크 링(120)의 사실상 평면인 내부면(129) 사이에 제공된다. 제4 양의 TIM(185)이 외부 축방향 단부 부분(175)과 제2 히트 싱크 링(121)의 사실상 평면인 내부면(139) 사이에 제공된다. 제3 양의 TIM 및 제4 양의 TIM을 추가함으로써 자석 본체(152, 162, 172)로부터의 열의 제거가 추가로 향상된다. TIM은 다양한 형태를 취할 수도 있으며, 소정량의 열전도성 에폭시 수지, 알루미나(Al2O3) 충진 실리콘, 그래파이트 페이퍼, 질화붕소, 산화베릴륨 및/또는 써멀 그리스(thermal grease)를 포함할 수도 있다. 또한, TIM은 영구 자석(100, 101, 102)과 회전자 본체(79) 사이의 결합을 향상시키는 기능을 할 수도 있다.
이런 점에서, 예시적인 실시예는 영구 자석 전기 기계의 회전자 내에 지지된 영구 자석으로부터 열을 제거하기 위한 시스템을 제공한다는 점을 알아야 한다. 시간이 흐름에 따라, 전기 기계 내의 영구 자석의 자기 강도는 줄어든다. 놀랍게도, 영구 자석의 온도를 낮춤으로써 자기 강도의 손실이 지연되거나 심지어는 실질적으로 방지될 수도 있음을 알게 되었다. 영구 자석의 수명을 증가시키는 것은 회전자 교체에 대한 필요성을 지연시킴으로써 유지비를 절감시킨다. 또한, 영구 자석의 온도를 낮추는 것은 자석 구성에 있어서 더 적은 양의 희토류 금속을 이용할 기회를 제공한다. 영구 자석을 형성하는데 사용되는 희토류 금속의 양을 감소시킴으로써 전기 모터의 비용이 절감된다.
본 발명은 예시적인 실시예 또는 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 당업자들은 본 발명의 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형예가 이루어지고 그리고 등가물들이 본 발명의 구성요소를 대체할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 또한, 특정한 상황 또는 재료가 본 발명의 기본 범주를 벗어나지 않고 본 발명의 교시에 맞춰지도록 다양한 변경이 이루어질 수도 있다. 따라서, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 고려된 최적의 방식으로 기술된 특정 실시예에 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 있는 모든 실시예를 포함한다.
2 : 영구 자석 전기 기계 4 : 하우징
6 : 제1 측벽 7 : 제2 측벽
8 : 제1 단부 벽 10 : 제2 단부 벽
12 : 내부 부분 24 : 고정자
28 : 고정자 코어 54 : 샤프트
70 : 회전자 조립체 100, 101, 102 : 영구 자석
120 : 제1 히트 싱크 링 121 : 제2 히트 싱크 링
180, 181, 184, 185 : 열 인터페이스 재료

Claims (17)

  1. 영구 자석 전기 기계이며,
    하우징과,
    상기 하우징 내에 장착되는 고정자와,
    상기 고정자에 대해 하우징 내에 회전가능하게 장착되는 회전자 조립체를 포함하며,
    상기 회전자 조립체는,
    복수의 회전자 라미네이션을 갖는 회전자 본체로서, 복수의 회전자 라미네이션 각각은 복수의 슬롯을 포함하는, 회전자 본체와,
    상기 복수의 슬롯 중 각각의 슬롯 내에 장착되는 축방향 단부 부분을 갖는 복수의 영구 자석과,
    상기 복수의 영구 자석 중 인접한 영구 자석들의 축방향 단부 부분들 사이에 배열되는 소정량의 열 인터페이스 재료(TIM)를 포함하는,
    영구 자석 전기 기계.
  2. 제2항에 있어서, 상기 회전자 본체는 제1 단부 부분 및 제2 단부 부분을 포함하며, 제1 히트 싱크 링이 제1 단부 부분에 장착되고 그리고 제2 히트 싱크 링이 제2 단부 부분에 장착되는, 영구 자석 전기 기계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링은 외부면과, 상기 복수의 영구 자석 중 하나의 영구 자석의 외부 축방향 단부 부분과 열적 연통하게 배열되는 사실상 평면인 내부면을 포함하는, 영구 자석 전기 기계.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링의 사실상 평면인 내부면과 복수의 영구 자석 중 하나의 영구 자석의 외부 축방향 단부 부분 사이에 소정량의 열 인터페이스 재료를 더 포함하는, 영구 자석 전기 기계.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링의 외부면은 사실상 평면인 프로파일을 포함하는, 영구 자석 전기 기계.
  6. 제2항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링 및 제2 히트 싱크 링 각각은 열전도성 재료로 형성되는, 영구 자석 전기 기계.
  7. 회전자 조립체이며,
    복수의 회전자 라미네이션을 갖는 회전자 본체로서, 복수의 회전자 라미네이션 각각은 복수의 슬롯을 포함하는, 회전자 본체와,
    상기 복수의 슬롯 중 각각의 슬롯 내에 장착되는 축방향 단부 부분을 갖는 복수의 영구 자석과,
    상기 복수의 영구 자석 중 인접한 영구 자석들의 축방향 단부 부분들 사이에 배열되는 소정량의 열 인터페이스 재료(TIM)를 포함하는,
    회전자 조립체.
  8. 제7항에 있어서, 상기 회전자 본체는 제1 단부 부분 및 제2 단부 부분을 포함하며, 제1 히트 싱크 링이 제1 단부 부분에 장착되고 그리고 제2 히트 싱크 링이 제2 단부 부분에 장착되는, 회전자 조립체.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링은 외부면과, 상기 복수의 영구 자석 중 하나의 영구 자석의 외부 축방향 단부 부분과 열적 연통하게 배열되는 사실상 평면인 내부면을 포함하는, 회전자 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링의 사실상 평면인 내부면과 복수의 영구 자석 중 하나의 영구 자석의 외부 축방향 단부 부분 사이에 소정량의 TIM을 더 포함하는,
    회전자 조립체.
  11. 제9항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링의 외부면은 사실상 평면인 프로파일을 포함하는, 회전자 조립체.
  12. 제8항에 있어서, 상기 제1 히트 싱크 링 및 제2 히트 싱크 링 각각은 열전도성 재료로 형성되는, 회전자 조립체.
  13. 전기 기계용 회전자 조립체를 형성하는 방법이며,
    복수의 회전자 라미네이션을 적층하는 단계와,
    상기 복수의 회전자 라미네이션 각각에 형성된 복수의 슬롯을 정렬하는 단계와,
    회전자 본체를 형성하기 위해 복수의 회전자 라미네이션을 결합시키는 단계와,
    제1 축방향 단부 부분을 갖는 제1 영구 자석을 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯에 삽입하는 단계와,
    상기 제1 축방향 단부 부분에서 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯 내에 열 인터페이스 재료(TIM)를 위치설정하는 단계와,
    제2 축방향 단부 부분을 갖는 제2 영구 자석을 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯에 삽입하는 단계와,
    상기 제1 축방향 단부 부분과 제2 축방향 단부 부분이 TIM을 통해 열접촉되도록 제2 영구 자석을 제1 영구 자석을 향해 복수의 슬롯 중 하나의 슬롯 내로 가압하는 단계를 포함하는,
    전기 기계용 회전자 조립체를 형성하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 회전자 본체의 단부 부분에 히트 싱크 링을 위치설정하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계용 회전자 조립체를 형성하는 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 영구 자석의 외부 축방향 단부 부분과 히트 싱크 링의 내부면 사이에 TIM을 위치설정하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계용 회전자 조립체를 형성하는 방법.
  16. 제14항에 있어서, 상기 회전자 본체의 다른 단부 부분에 다른 히트 싱크 링을 위치설정하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계용 회전자 조립체를 형성하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제2 영구 자석의 외부 축방향 단부 부분과 상기 다른 히트 싱크 링의 내부면 사이에 다른 TIM을 위치설정하는 단계를 더 포함하는, 전기 기계용 회전자 조립체를 형성하는 방법.
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