KR20140067068A - 영구 자석 전기 기계 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 2개-자극 기계 배열체(10)는 단상 또는 삼상 구성 중 어느 한쪽의 구성으로 권취되는 종래의 형태로 된 권취부(101)를 보유한 고정자(100)를 갖는다. 회전자는 적층된 적층체로 형성된다. 적층체는 2개의 자극 사이에 위치되는 회전자 자극 편(107)을 포함한다. 각각의 자극은 자석-사이의 세그먼트(106)에 의해 각도 이격되는 한 쌍의 (매설된) 영구 자석(103)에 의해 형성된다. 회전자 자극 편(107)은 일련의 균등하게-이격된 슬롯(109) 및 중심 보이드(108)를 포함한다. 슬롯(109)은 회전자 표면에 수직한 소정 각도에서 자석(103)으로부터 공기 갭(121) 내로 자속을 유도하도록 다양한 길이로 되어 있다. 슬롯(109)은 부하 하에서의 요구된 최저의 파형 왜곡 그리고 최고의 공기 갭 자속을 성취하도록 폭 및 각도 면에서 변동될 수 있다. 슬롯(109)은 또한 회전자의 돌극성의 변화에 기여한다.

Description

영구 자석 전기 기계{PERMANENT MAGNET ELECTRICAL MACHINE}
본 발명은 일반적으로 동기식 발전기(synchronous generator) 또는 동기식 전동기(synchronous motor) 중 어느 한쪽으로서 동작되는 영구 자석(PM: permanent magnet) 전기 기계에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 부하 하에서의 출력/고정자 전압 및 전류 파형 내에서의 고조파 성분의 제어에 관한 것이다.
PM 동기식 기계는 강력하고, 신뢰 가능하고, 효율적이고, 비교적 높은 에너지 밀도를 갖는다. 이들은 브러시형 또는 무브러시형 여자기(brushed or brushless exciter)를 갖는 권취형-계자 동기식 기계(wound-field synchronous machine)와 비교될 때에 많은 매력적인 성질을 갖는다. 에너지를 절감하고 전동기 및 발전기의 효율을 상승시킬 필요성은 PM 동기식 기계가 그 무손실 회전자 때문에 인기 후보로 되어가고 있다는 것을 의미한다. 일부의 경우에, 최대 20%의 에너지 절감이 권취형 회전자 대신에 PM 회전자를 사용함으로써 성취될 수 있다.
이들 장점에도 불구하고, PM 동기식 기계의 일부의 기존의 설계는 단점을 갖는다. 이들은 그 비용을 상승시키는 비교적 큰 체적의 자성 재료를 사용한다. 동기식 발전기로서 동작될 때에, 이들은 불량한 전압 조정(voltage regulation)을 갖고, 부하 하에서의 왜곡된 전압 및 전류 파형(distorted voltage and current waveform under load)을 겪을 수 있다. 동기식 전동기로서 동작될 때에, 이들은 어떤 형태의 센서 피드백(sensor feedback) 없이 시동되기 어렵다. 또한, 부하 하에서의 그 (고정자) 역기전력 파형(back emf waveform)이 왜곡되고, 그에 의해 그 효율을 감소시키고, 더 복잡한 제어 전자 장치를 요구한다.
이들 문제점은 부하 하에서의 심각한 파형 왜곡이 통상적으로 일어나는 적은 자극 개수(예컨대, 2개- 및 4개-자극)의 기계와 관련하여 더 크다. 왜곡은 권취부 내의 부하 전류로 인해 회전자 내의 자속이 자석의 반경 방향 축으로부터 멀리 떨어져 경사지게 하는 소위 자속 지연 효과(flux drag effect)로 인해 일어난다. 2개- 및 4개-자극 PM 발전기는 또한 많은 자극 개수의 발전기보다 동일한 전력 출력을 위해 많은 자석 재료를 사용한다. 따라서, PM 동기식 발전기는 5 내지 20 ㎾ 범위 내의 단상 및 삼상 3000 rpm(2개-자극) 또는 1500 rpm(4개-자극) 휘발유 및 디젤 구동식 발전기 등의 소규모 발전 분야에서 광범위한 용도를 찾지 못했다.
유일한 실용적인 기존의 2개- 및 4개-자극 설계는 표면-장착 자석 타입이다. 그러나, 이들은 또한 부하 하에서의 출력 전압/역기전력 및 전류 파형을 왜곡시키고, 높은 부하 하에서 자석 모서리의 감자(demagnetization)를 겪을 수 있다. 2개-자극 및 4개-자극 회전자를 위한 표면-장착식 자석 세그먼트는 큰 원호를 갖고, 이것은 그 제조에서 대량의 폐기물이 있다는 것을 의미하고, 그에 의해 자석의 금전적 비용을 상승시킨다. 표면-장착 PM AC 발전기의 기존의 설계는 부하 하에서 큰 전압 하강을 나타낸다. 이들 기계에 대해 일정한 속도로 전압을 조정하는 간단한 방법이 없으므로, 양호한 전압 조정을 요구하는 발전기 분야는 PM 동기식 타입을 사용할 수 없다.
그러나, 수용 가능한 파형 및 전압 조정을 갖는 PM 동기식 발전기가 있다. 이들은 일편 PM 회전자를 갖는다. 이들 설계와 관련된 주요 문제점에 따르면, 이들은 더 낮은 전력에서도 동등한 표면-장착 설계보다 최대 6배 이상의 자석 재료를 사용하고, 4개-자극 구성으로 제조될 수 없다. 오히려, 이러한 기계는 최대 3 ㎾ 전력 소요량(power rating)의 2개-자극 설계에서만 실용적이다. 이러한 수준 위에서, 자석 비용 및 체적은 회전자 직경의 제곱에 따라 상승되고, 그에 의해 이들이 더 이상 비용-효과적이지 못하게 만든다.
이들 문제점은 PM 발전기 및 전동기의 기존의 설계가 전압 조정(즉, 발전기) 또는 역기전력(즉, 전동기) 및 고조파 왜곡이 중요하지 않은 낮은-등급의 낮은 전력 분야에서만 적절하다는 것을 의미한다.
이들 단점 중 하나 이상을 극복하거나 적어도 개선할 필요성이 존재한다.
광범위한 일 형태에서, 권취형 고정자 및 회전자를 포함하는 전기 동기식 기계가 제공된다. 회전자는 한 쌍의 각도 이격된 영구 자석으로 각각 형성되는 적어도 2개의 자극, 각각의 자극 사이에 위치되는 회전자 자극 편(rotor pole piece), 회전자 자극 편 내에 위치되는 삼각형 형상의 보이드(void) 그리고 회전자 자극 편 내에 위치되는 복수개의 슬롯(slot)을 포함한다.
다른 태양이 개시되어 있다.
도 1은 2개-자극 기계의 단면도이다.
도 2a는 도 1의 기계에 대한 무부하에 대한 자속선을 도시하고 있다.
도 2b는 도 1의 기계에 대한 전 부하에 대한 자속선을 도시하고 있다.
도 3은 도 1의 기계의 부분 단면도이다.
도 4는 조립된 2개-자극 기계의 절결도이다.
도 5는 4개-자극 기계의 단면도이다.
도 6a는 도 5의 기계에 대한 무부하에 대한 자속선을 도시하고 있다.
도 6b는 도 5의 기계에 대한 전 부하에 대한 자속선을 도시하고 있다.
도 7은 공지된 2개-자극 기계(즉, 자속 보이드를 갖지 않음)에 대한 부하 하에서의 출력 전압 파형을 도시하고 있다.
도 8은 도 7의 출력 파형의 기본 및 고조파 주파수 성분의 플롯을 도시한다.
도 9는 도 1의 2개-자극 기계에 대한 부하 하에서의 출력 전압 파형을 도시하고 있다.
도 10은 도 9의 출력 파형의 기본 및 고조파 주파수 성분의 플롯을 도시한다.
다음에, "전기 기계"(또는 간단하게 "기계")에 대한 인용은 특정하게 그렇지 않은 것으로서 특정하게 지시되지 않으면 발전기 또는 전동기로서 구성 및/또는 동작되는 기계에 동등하게 적용하는 것으로서 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명을 실시하는 2개-자극 기계 배열체(10)의 단면도이다. 고정자(100)는 단상 또는 삼상 구성 중 어느 한쪽의 구성으로 권취되는 종래의 형태로 된 권취부(101)를 갖는다. 회전자는 적층된 적층체로 형성된다. 이러한 적층체의 개수는 기계의 전력 출력을 결정한다. 적층체는 이격된 구멍(102, 117)을 통과하는 로드(rod)(도 1에 도시되지 않음)에 의해 함께 클램핑되고, 전형적으로 단부 판(도시되지 않음)을 사용하여 양쪽의 최종 적층체에서 고정된다. 5 내지 20 ㎾ 기계에 대한 전형적인 회전자 직경은 100 내지 130 ㎜의 범위 내에 있다. 적층체는 2개의 자극 사이에 위치되는 회전자 자극 편(107)을 포함한다. 각각의 자극은 자석-사이의 세그먼트(inter-magnet segment)(106)에 의해 각도 이격되는 한 쌍의 (매설된) 영구 자석(103)에 의해 형성된다. 자석(103) 및 회전자 자극 편(107)은 중심 샤프트(105)로부터 장착된다. 샤프트는 전형적으로 비-자성 재료로 형성된다.
회전자 자극 편(107)은 일련의 균등하게-이격된 슬롯(109) 및 중심 보이드(108)를 포함한다. 보이드는 이상적으로 각각의 자석 아래에서 공기 갭(air gap)(121) 근처의 지점(114)으로부터 내부 지점(115, 116)까지 연장되지만, 이것은 회전자의 구조적 일체성을 손상시키고, 이러한 경우에 보이드(108)는 도시된 것과 같이 회전자 재료의 여유부를 남긴다. 슬롯(109)은 회전자 표면에 수직하게 소정의 각도로 자석(103)으로부터 공기 갭(121) 내로 자속을 유도하도록 다양한 길이로 되어 있다. 슬롯(109)은 부하 하에서의 요구된 최저의 파형 왜곡 그리고 최고의 공기 갭 자속을 성취하도록 모델링 또는 실험적 시도에 의해 폭 및 각도 면에서 변동될 수 있다. 슬롯(109)은 또한 아래에서 설명되는 것과 같이 회전자의 돌극성(saliency)의 변화에 기여한다. 보이드(108) 및 슬롯(109)은 통상적으로 자유 공간에 의해 점유되지만, 알루미늄 등의 비-자성 재료로써 동등하게 충전될 수 있다.
돌극성은 직축 인덕턴스(direct axis inductance)(Xd)/횡축 인덕턴스(quadrature axis inductance)(Xq)의 비율이다. Xd 축은 도 2a에 도시된 방향(201)으로 위치되고, Xq 축은 그에 대해 90˚로 위치된다. 자속선(202)이 또한 도시되어 있다. 슬롯(109)은 Xd 축(208)(그래픽 표현을 위해 재위치됨)과 자극(N-S) 축(207) 사이의 각도를 이등분하는 방향(206)으로 위치된다. 이러한 슬롯 배향은 Xd 축과 자석의 배향 사이에서의 최상의 공학적 절충을 나타내고, 부하 및 무부하 상태의 양쪽 모두 하에서 도 1의 구성에 대해 최소의 방해로써 최적의 자속 흐름을 가져온다.
자석(102)의 길이(112) 및 폭(110)은 이들이 내부 지점(118)에 접촉되게 하고 외부 지점(104)까지 연장되게 함으로써 결정된다. 이상적인 2개-자극 회전자에 대한 길이(112)는 회전자의 반경인 자극 원호 길이의 1/2이어야 하지만, 이러한 경우에 자석의 폭(110)은 0이고, 샤프트(105)를 위한 여유 공간이 없다. 자극 원호 길이(120)에 대한 0.7의 비율이 충분한 샤프트 직경(113)을 허용하면서 최대의 공기 갭 자속을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 외부 지점(104)은 기계가 최고 속도에 있을 때에 일어나는 원심력에 대해 소정 위치에 보유된 자석을 유지할 필요성에 의해 제한되지만, 이상적으로 회전자의 전체 직경까지 연장되어야 한다. 회전자 자극 편(107) 상의 104에서의 오버행(overhang)이 또한 제거될 수 있고, 자석이 접착 또는 결합 등의 다른 방법을 거쳐 소정 위치에 보유될 수 있다. 2개-자극 회전자에 대한 원호(111)는 60˚ 또는 원호 길이(119)의 1/2이고, 이것은 1/3의 (2개-자극 회전자에 대한) 원호 비율을 나타낸다. 이러한 분할-자석 배열은 약 50%만큼 요구된 자석 재료의 체적을 감소시킴으로써 비용 면에서 상당한 절감을 가져온다.
도 2b는 전기 또는 기계 전부하(full load)에서의 도 1의 2개-자극 기계(10)에 대한 자속선을 도시하고 있다. Xd 축(201)은 무부하에서 자속선의 중심에 위치되지만, 부하 하에서의 Xd 축(204)은 원호(205)를 통해 이동되고, 그에 의해 샤프트(105) 상의 비틀림 부하 그리고 권취부(101) 내의 전류에 의해 유발되는 자속 지연을 가져온다. 중심 보이드(108) 및 슬롯(109)은 자속 지연 효과를 개선한다. 자석(103)으로부터의 자속선(203)이 우측으로 지연된 것이 또한 관찰될 수 있다. 권취부(101) 내에서 흐르는 전류가 자석(103)으로부터 자석의 우측으로 자석으로부터의 자속을 지연하려고 시도하는 것이 추가로 관찰될 수 있다. 이것이 일어나게 되면, 공기 갭(120) 내에 불균등한 자속이 있을 것이다. 포함된 슬롯의 개수는 돌극성을 상승시키는 것과 포화를 가져오고 그에 의해 불량한 전압 조정으로 이어지는 자극 편을 형성하는 재료의 불충분을 피하는 것 사이의 절충을 나타낸다.
도 3을 이제부터 참조하면, 자석-사이의 세그먼트(106)가 곡선형이고 그에 의해 큰 공기 갭 간극(air gap clearance)(301)을 제공한다는 것이 관찰될 수 있다. 이것은 고정자(100)에 대한 자속 쇄교(flux linkage)가 최소로 유지되도록 수행된다. 간극(301)은 자석-사이의 세그먼트(106)가 포화되는 것을 방지할 정도로 충분한 자성 재료를 제공할 필요성에 의해 제한된다. 자석-사이의 세그먼트(106)는 또한 소정 위치에 확실하게 자석(103)을 로킹하고, 또한 자석이 회전자 자극 편(107)에 밀착되게 유지한다.
도 4는 도 1의 회전자의 절결도이고, 회전자 자극 편(107)의 적층된 적층체가 볼트(bolt)(401)에 의해 소정 위치에 보유된다. 자석(103) 및 세그먼트(106)는 적층된 회전자 자극 편(107) 사이에 끼워지고, 각각의 볼트에 의해 보유된다. 중간 판(404)이 자극 편(107)을 기계적으로 지지하도록 제공된다. 볼트(401)는 연강 또는 고장력강으로부터 제조되고, 자속이 이들을 통과하게 하도록 자성이다. 볼트(401)는 플랜지(406)에 고정되고, 다른 단부에서, 판(402) 및 너트(409)가 회전자 자극 편(107)을 함께 클램핑하는 기능 그리고 샤프트(105)에 자석(103) 및 자석-사이의 세그먼트(106)를 보유하는 기능의 양쪽 모두를 수행한다. 조립의 용이성을 위해, 더 긴 회전자의 자석이 또한 길이 방향으로 세그먼트(103')로 분할된다. 샤프트(105)는 엔진에 의해 발전기로서 동작될 때에 기계를 구동하는 암형 테이퍼(female taper)를 갖는다. 이러한 테이퍼 구동부는 임의의 적절한 구동부로 교체될 수 있다. 샤프트(105)의 후방 단부 상에는 단부 지지와 관련되는 스텁 샤프트(stub shaft)(408)가 있다.
도 5는 본 발명을 실시하는 4개-자극 PM AC 기계(50)를 도시하고 있다. 기계(50)는 도 1에 도시된 발전기의 경우와 같이 고정자(500), 권취부(501), 매설된 영구 자석(503)(즉, 자극당 한 쌍), 자석-사이의 세그먼트(506) 및 중심 샤프트(505)를 갖는다. 동일한 방식으로, 고정 구멍(502)이 회전자 자극 편(507)에서와 같이 제공된다. 이러한 4개-자극 회전자 배열에서, 자석 길이(512)의 정확한 비율은 자극 세그먼트(504)의 1/2인 치수(515)이다. 이러한 치수 설정은 최소의 자석 체적에 대한 최대의 자속 밀도를 성취한다. 자석을 2개의 편으로 분할함으로써 성취된 자석 체적의 감소는 약 38%만큼 2개-자극 회전자에서보다 작다. 그러나, 자석의 체적당 출력 전력은 더 높은 공기 갭 자속으로 인해 더 높다. 이것은 이상적인 자석-자극 원호 비율이 4개-자극 설계에서 성취될 수 있기 때문이다. 중심 보이드(508)는 도 1에서와 동일한 치수 제한 요건을 갖지만, 요구된 4개-자극 자속선을 추종하도록 곡선형 측면(513)을 갖는다. 요구된 자속선을 또한 추종하도록 곡선형 프로파일을 갖는 3개의 자속 제어 슬롯(509)이 있다. 도 1의 실시예의 경우보다 큰 샤프트 치수(514)가 제공될 수 있다.
도 6a는 도 5의 4개-자극 실시예에 대한 무부하 자속선(603)을 도시하고 있고, Xd 축(601)은 자속선(603)의 중심에 위치된다. 2개-자극 구성과 유사하게, 곡선형 슬롯(509)은 Xd 축(601) 및 자석 자극 축(605)을 이등분하는 방향(606)으로 배향된다. 중심 보이드(508)의 곡선형 측면(513) 그리고 곡선형 슬롯(509)이 자속선(603)을 추종한다는 것이 관찰될 수 있다.
도 6b는 전부하 하에서의 4개-자극 회전자 내의 자속선(603)을 도시하고 있고, 이로부터 자속의 유효 중심이 원호 거리(602)만큼 축(601)으로부터 축(604)까지 이동된 것이 관찰될 수 있다. 이것은 도 5의 4개-자극 실시예에 대한 자속 지연 효과를 예시하고 있다. 권취부 내의 전류가 우측으로 자속선(603)을 지연하고 시도한다는 것이 도 6a에서와 같이 또한 관찰될 수 있다.
도 7은 자속 보이드 또는 자속 제어 슬롯을 갖지 않는 공지된 2개-자극 매설 자석 기계에 대한 부하 하에서의 출력 전압 파형/역기전력을 도시하고 있다. 도 8은 도 7의 파형 내의 고조파의 플롯이고, 약 19.0%의 제3 고조파 성분 그리고 약 7.0%의 제5 고조파 성분을 보여주고, 이 때에 총 고조파 왜곡(THD: total harmonic distortion)이 20% 초과이다.
도 9는 도 1에 도시된 기계에 대한 부하 하에서의 출력 전압 파형/역기전력을 도시하고 있고, 사인파에-가까운 형상을 보여준다. 도 10은 도 9에 도시된 파형/역기전력 내의 고조파의 플롯이고, 약 1.0%의 제3 고조파 성분 그리고 약 1.5%의 제5 고조파 성분을 지시하고, 이 때에 THD가 4% 미만이다. 고정자를 경사지게 하는 것이 또한 전체적으로 50-60%만큼 추가로 THD를 감소시킨다.
다른 실시예에서, 권취부(101)를 포함하는 고정자(100) 내의 슬롯은 THD를 추가로 감소시키도록 고정자의 길이에 걸쳐 1개 이상의 슬롯에 의해 경사질 수 있다. 이것은 슬롯 개구 위로 지나가는 자석에 의해 생성되는 고조파를 감소시킨다. 회전자는 회전자 세그먼트(116)를 효과적으로 함께 클램핑하도록 슬롯 및 보이드 내에 다이캐스트 알루미늄을 사용하여 일편으로 다이캐스팅될 수 있으며, 클램핑 볼트(401, 409)에 대한 필요성을 제거한다. 회전자 세그먼트(107) 내의 보이드 및 슬롯의 2차 효과는 발전기로서 동작될 때에 부하 하에서의 전압 조정을 개선하는 것이다. 전동기로서 동작될 때에, 보이드 및 슬롯은 기계적인 하중이 증가됨에 따라 토크 효율(Nm/A)을 개선한다.
도시된 실시예에서, 무부하 내지 전부하에서 발전기로서 동작될 때의 측정된 전압 조정은 단지 ±3%이다. 또한, 개선된 THD 및 전압 조정의 효과는 발전기의 효율을 개선한다.
전동기로서 동작될 때에, 전 부하에서 동일한 전류에 대해 전달되는 토크의 20% 개선이 공지된 2개-자극 기계와 비교될 때에 관찰된다. 추가로, 역기전력이 양호한 사인파를 나타내므로, 높은 효율이 전체 부하 범위에 걸쳐 성취된다. 나아가, 역기전력은 부하 토크가 중심 지점으로부터 자속을 압박함에 따라 변화되고, 이러한 역기전력 하강은 전류 상승을 가져오고, 이것은 부하 변화에 따른 가변 주파수 공급에 대한 피드백이 요구되지 않는다는 것을 의미한다(즉, 그에 의해 완전히 센서가 없는 제어를 제공한다). 기계 설계는 비-선형 토크/역기전력 관계를 나타내므로, 회전자가 유효 토크를 생성할 수 있는 큰 각도가 존재하고, 그에 의해 적은 자극 개수의 전동기가 더 용이하게 시동되게 한다.
위에서는 본 발명의 단지 일부의 실시예를 설명하고 있고, 변형 및/또는 변화가 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않으면서 그에 대해 수행될 수 있고, 이들 실시예는 예시 및 비-제한 실시예이다.

Claims (10)

  1. 영구 자석 전기 기계에 있어서,
    권취형 고정자와;
    한 쌍의 각도 이격된 영구 자석으로 각각 형성되는 적어도 2개의 자극, 각각의 자극 사이에 위치되는 회전자 자극 편, 회전자 자극 편 내에 위치되는 삼각형 형상의 보이드 그리고 회전자 자극 편 내에 위치되는 복수개의 슬롯을 포함하는 회전자
    를 포함하는 영구 자석 전기 기계.
  2. 제1항에 있어서, 보이드 및 슬롯은 부하 하에서의 출력 전압 파형의 상대 총 고조파 왜곡이 5%보다 작도록 치수 및 위치 설정되는 영구 자석 전기 기계.
  3. 제1항에 있어서, 보이드는 회전자 자극 편의 중앙에 위치되는 영구 자석 전기 기계.
  4. 제3항에 있어서, 슬롯은 보이드와 인접한 자석 사이에 위치되는 영구 자석 전기 기계.
  5. 제4항에 있어서, 슬롯은 직축 인덕턴스 및 자극 축을 이등분하도록 회전자 자극 편 내에 배향되는 영구 자석 전기 기계.
  6. 제5항에 있어서, 보이드와 인접한 자석 사이에 2개의 자극 및 4개의 슬롯이 있는 영구 자석 전기 기계.
  7. 제5항에 있어서, 보이드와 인접한 자석 사이에 4개의 자극 및 3개의 슬롯이 있는 영구 자석 전기 기계.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 자극의 자석들 사이에 위치되는 삼각형 형상의 스페이서를 추가로 포함하는 영구 자석 전기 기계.
  9. 발전기로서 구성되는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 영구 자석 전기 기계.
  10. 전동기로서 구성되는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 영구 자석 전기 기계.
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