KR20140136484A - 영구 자석 동기 머신과 그 제조 및 설치 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 고정자(14)와 상기 고정자로부터 공기 갭(δ1)의 거리에 위치한 회전자를 포함하는 영구 자석 동기 머신이다. 회전자는 회전 장치의 축상에서 지지되고, 회전자와 고정자 사이의 편심에 대한 최대 값이 결정되었다. 이 값은 에어 갭의 10분의 1보다 높다. 동기 머신의 자기화는 고정자(14), 에어 갭(δ1), 및 회전자(12)를 통해 폐쇄된 자기 플럭스(ø)를 형성하기 위해 회전자(12)에 설치된 영구 자석으로 배열된다. 본 발명에 따르면, 관계식
Figure pat00010
이 영구 자석의 두께와 편심(ε)의 최대 값 사이에 적용된다. 이 관계식에서 δ는 에어 갭의 크기결정 값이고, μr 는 영구 자석의 상대 투자율이다.

Description

영구 자석 동기 머신과 그 제조 및 설치 방법{A PERMANENT-MAGNET SYNCHRONOUS MACHINE AND A METHOD FOR MANUFACTURING AND INSTALLING IT}
본 발명은 영구 자석으로 여기된 동기 머신과, 그 동기 머신을 제조 및 설치하는 방법에 관한 것이다.
회전 전기 머신의 과제는 고정자에 대한 회전자의 편심이 가능한 적은 것이다. 회전축이 중심축으로부터 벗어나면, 전기 머신의 성능과 신뢰성이 감소하는데 이는 전기 머신의 에어 갭이 모든 회전 둘레 영역에서 고정자와 회전자 사이에서 일정하지 않기 때문이다. 편심(Eccentricity)은 원통형일 수 있고, 이 경우 고정자와 회전자의 축 선은 평행하다. 이 경우 에어 갭의 크기는 머신 축의 전체 길이를 통해 동일한 방식으로 벗어난다. 원추형 편심에서 회전자와 고정자의 축 선 거리는 서로로부터 벗어나고, 이 경우 에어 갭의 편심은 축 선을 따라 움직일 때 변화된다. 실제로, 편심은 가끔 원통형 편심과 원추형 편심의 조합이다.
편심은 고정이거나 동적일 수 있다. 고정 편심에서, 회전자의 회전 축은 제 위치에 있으나 고정자의 중심선에서 벗어날 수 있다. 동적 편심에서, 회전자의 대칭 축은 고정자의 대칭축 주변에서 회전한다. 고정 및 동적 편심은 또한 동시에 존재할 수 있다.
에어 갭(air gap)은 고정자와 회전자의 표면 형태가 유사하지 않을 때 고정자와 회전자 사이의 모든 영역에서 일정하지 않다. 예를 들어, 회전자의 단면의 단면 절단이 원형 형태로부터 약간 타원형이거나 또는 변형되거나 벗어난다면, 회전자의 에어 갭에 변화가 있다. 또한 고정자의 측면이 접해 있으면 회전자의 변형이 일어난다. 이 경우 에어 갭은 회전자와 고정자의 대칭축이 일정하여도 변형될 수 있다.
에어 갭의 편심과 변형은 전기 머신의 성능과 특성을 약화시키고, 예를 들어 강한 진동을 일으킨다. 이 경우 전기 머신의 특성이 상당히 왜곡되어 예를 들어, 편심이 에어 갭의 길이의 5퍼센트 이상이면 비동기 머신은 강한 전기적 진동을 가질수 있다. 동기 머신에서 편심이 에어 갭의 길이의 약 10 퍼센트일 때 유사한 전기 진동이 존재한다.
에어 갭의 성장은 여진 전력(exciting power)을 위해 많이 필요하게 되고, 이 경우, 여진 권선의 손실이 비효율적으로 크게 된다. 작은 머신은 비교적 작은 에어 갭을 가져 적은 기계적 편심만을 허용한다. 이 경우, 여진 권선을 갖춘 동기 머신은, 여진 권선이 분리되고, 큰 에어 갭에 필요한 여진 전류가 전력 권선을 압박하지 않기 때문에, 비동기 머신보다 바람직하다. 그러나, 여진 권선이 장착된 동기 머신에서의 여진 전류의 성장은 비용이 많이 들고, 복잡한 솔루션을 가지며 허용부하를 감소시킨다.
영구 자석 동기 머신에서 여진 전력은 영구 자석에 형성된다. 영구 자석은 심지어 큰 에어 갭에도 불구하고 머신의 성능을 약화시키지 않고 충분한 여진 전력을 생산할 수 있다.
보통 크기결정 및 제조 설명은 제로 공차, 즉, 고정자의 중심축과 회전자의 중심축은 통합되고, 이 경우 회전자는 고정자의 중심 축 바로 주변에서 회전하고, 고정자와 회전자 사이의 에어 갭은 회전자의 외부 둘레와 고정자의 내부 둘레 사이의 전체 영역을 통해 일정하다. 대응하여서, 외부 회전자를 갖는 머신에서 에어 갭은 회전자의 내부 둘레와 고정자의 외부 둘레 사이의 전체 영역에서 일정하다. 그러나, 이러한 요구는, 제조 기술 또는 적용으로 인해 완전한 편심에 도달하는 것이 가능하지 않기 때문에, 실제 적용에는 어려움이 있다. 작은 에어 갭을 갖는 크고 느린 전기 머신에서, 심지어 작은 편심은 에어 갭의 큰 비율의 변형을 야기한다. 전기 머신의 고정자와 회전자가 분리되어 설치되거나 회전자가 장치의 일부를 형성하는 적용에서, 필요한 설치 정밀도는 고가의 추가 작업 또는 설비 없이는 도달하기 어렵거나 불가능하다.
본 발명의 목적은 회전자와 고정자 사이에서 에어 갭의 큰 변형을 허용하는 신규의 영구 자석 동기 머신을 개발하는 데 있다. 이것은 청구항 1의 특징부에 특정된 특징에 의해 성취될 것이다. 본 발명에 따른 방법은 청구항 10의 특징부에 특정된 사항을 특징으로 한다. 본 발명의 몇몇 다른 양호한 실시예는 종속항들에서 한정된다.
본 발명에 따르면, 영구 자석 동기 머신은 고정자와, 상기 고정자에 에어 갭을 가지며, 회전 방식으로 축에 지지된 회전자를 구비한다. 고정자와 회전자 사이의 편심은 에어 갭의 10분의 1보다 크게 한정된 최대값을 가지며, 동기 머신의 여진은 자기 플럭스의 방향으로 두께(H)를 갖고, 고정자(14), 물리적 에어갭(δ1) 및 회전자(12)를 통해 폐쇄된 자기 플럭스(ø)를 만드는 회전자가 장착된 영구 자석이 배열되었다. 영구 자석 두께(H)와 편심(ε)의 최대값 사이에는 다음 식이 제공된다.
Figure pat00001
여기서, δ1은 물리적 에어 갭이고, μr 은 영구 자석의 상대 투자율이다. 본 특허와 관련하여, 물리적 에어갭(δ1)은 기계 설계에 사용된 고정자와 회전자 사이의 에어 갭(δ)의 측정치를 의미한다.
영구 자석 동기 머신을 제조하고 설치하기 위한 본 발명에 따른 방법에서, 동기 머신은 고정자와 회전자를 포함하고, 회전자는 고정자에 에어 갭(δ)을 갖도록 회전 방식으로 지지된다. 회전자는 고정자에 대해 편심 관계로 설치 가능하여, 가장 크게 허용된 편심은 적어도 에어 갭(δ)의 10분의 1이고, 회전자는 자기 플럭스의 방향으로 두께(H)를 갖는 영구 자석을 포함한다. 이 회전자는, 영구 자석의 두께(H), 회전자의 가장 크게 허용된 편심(ε), 및 에어 갭(δ)의 크기결정 값(δD)이 다음 식을 형성하는 방식으로 설치된다.
Figure pat00002
여기서, μr은 영구 자석의 상대 투자율이다.
영구 자석에 의해 여기된 전기 머신에서, 전기 머신의 특성과 작업에 영향을 주는 에어 갭(δ)은 전기 머신의 물리적 에어 갭(δ1)으로부터 상당히 벗어난다. 에어 갭(δ)은, 고정자와 회전자 사이에서 검출 및 측정될 수 있는, 물리적 에어 갭(δ1) 자체에 영향을 끼칠 뿐만 아니라, 그들 부품들이 공기의 투자율에 대해 매우 유사한 투자율을 가지면, 자기 플럭스의 방식으로 다른 부품들에 영향을 끼친다. 이러한 관찰은 허용된 편심을 한정하는데 실용적이고, 이 경우, 물리적 에어 갭(δ1)의 상당한 비율의 변화는 에어 갭(δ)의 상당히 더 낮은 비율의 변화를 일으킨다. 한 방식으로, 전기 머신의 고정자는, 실제 고정자와 회전자 사이에서 물리적 에어 갭(δ1) 보다 에어 갭(δ)이 더 크다는 것이 "관찰(sees)" 된다.
이 경우에, 0.1의 편차가 에어 갭(δ)에서 허용될 때, 최대 허용 편심(ε)과 에어 갭(δ)에 대한 관계를 위한 다음 식을 형성할 수 있고,
*
Figure pat00003
여기서, H는 자기 플럭스의 방향인 영구 자석의 두께, μr는 영구 자석의 상대 투자율, δ는 고정자와 회전자 사이의 에어 갭이다. 이 식으로, 동기 머신에 대한 임의의 편심이 허용되는 것을 원할 때 영구 자석의 두께가 충분하여야 한다는 것을 증명할 수 있다. 대응하여서, 동기 머신의 회전자가 고정자에 장착되고 영구 자석의 특성과 두께 및 에어 갭(δ)의 크기가 알려지면, 허용 편심이 설치시에 결정될 수 있다.
다음에서 본 발명이 첨부된 도면을 참조하여 일정 실시예의 도움으로 보다 상세히 기술된다.
본 발명의 효과는 신규의 영구 자석 동기 머신을 개발하여 회전자와 고정자 사이에서 에어 갭의 큰 변형을 허용하게 한다.
도 1은 편심 전기 머신의 단면도.
도 2는 본 발명에 따른 전기 머신의 단면도이고, (a)는 도 2의 부분 확대도.
도 3은 본 발명에 따른 다른 전기 머신의 단면도.
도 4는 장치에 연결된 본 발명에 따른 동기 머신을 보여주는 도면.
도 1은 고정자, 회전자 및 이들 사이에서 축방향인 에어 갭(δ)의 단면을 포함하는 전기 머신의 편심을 도시한다. 전기 머신의 고정자는 잘 알려진 방식으로 지지되며, 전기 머신의 프레임 또는 대응 지지 구조물에 부착되며, 고정자의 내부 둘레(2)는 중심 점(6)을 갖는 원형 둘레를 형성한다. 회전자(3)는 고정자의 내부에서 회전 방식으로 설치 및 지지되고, 회전자의 외부 둘레(4)는 고정자의 내부 둘레에 에어 갭(δ)을 갖는다. 중심점(8)은 고정자의 중심점(6)으로부터 떨어져 편심(ε)의 거리로 움직인다. 회전자가 그 중심점(8) 주변에서 회전할 때 에어 갭(δ)의 크기는 편심(ε)의 양에 따라 최소값(δm)과 최대값(δM) 사이에서 변한다. 도 1의 경우, 편심(ε)은 에어 갭(δ)의 크기의 약 반이다. 전기 머신의 규모결정에 따르면, 회전자는 그들 중심점이 통합되는 방식으로 고정자의 중앙에 있다. 이것은 원형 둘레(4')를 갖는 도면에 도시되었고, 고정자의 내부 둘레(2)로부터의 거리는 에어 갭(δ)의 크기결정 값(δD)이다. 도 1의 예에서, 에어 갭(δ)의 크기는, 전기 머신의 심각한 고장이나 손상 없이, 또는 전기 머신에 연결된 장치의 손상의 위험 없이, 전기 머신에 일반적으로 허용되지 않는 에어 갭(δ)의 크기결정 값(δD)의 대략 50% 벗어난다.
도 2는 본 발명에 따라 시행된 동기 머신(10)의 단면도를 도시하고, 회전자(12)의 한 극(26)과 고정자(14)의 둘레의 대응 길이를 포함한다. 고정자는 자기 전도성 시트로 만들어진 시트 팩(16)을 포함하며, 이 팩은 고정자 권선이 장착된 슬롯(18)을 포함한다. 회전자(12)는 영구 자석(24)을 위해 만들어진 구멍(22)을 갖는 자기 전도성 코어 부(20)를 포함한다. 두 개의 영구 자석(24)은 회전자의 자기 극(26)의 모서리상의 V 위치에 설치되고, 이 경우, 유사하게 지명된 영구 자석(24)의 극들이 극(26)과 접한다. 고정자의 내부 둘레(30)로부터 회전자 극 중심(28)의 거리는, 회전자가 편심을 갖지 않으나 회전자가 그 중심점(32) 주변에서 회전하고 회전자의 중심점(32)이 동시에 고정자의 내부 둘레의 중심점일 때, 동기 머신의 물리적 에어 갭(δ1)이다. 도면에서, 자기 플럭스의 흐름은 고정자의 치형, 고정자 후방부, 에어 갭(δ), 회전자 코어 부, 영구 자석, 및 회전자 극 부분을 통해 폐쇄된 플럭스 라인(ø)으로 설명된다. 회전자에 편심이 있을 때, 회전축은 회전자의 중심점으로부터 거리(ε)로 벗어나고, 따라서 에어 갭(δ)의 크기는 변한다. 편심(ε)의 값이 0.1*δ일 때, 회전자 극의 중앙에서 물리적 에어 갭(δ1)의 크기는 0.9...1.1 *δ 사이에서 변한다. 이 편심의 변경과 양의 범위는 일반적인 설계 사항과, 동기 머신의 신뢰와 성능 특성의 위험이 없는 허용된 공차로 간주될 수 있다.
본 발명에 따른 적용에서, 최대값인 0.5 *δ인 편심(ε)이 허용되고, 여기서, 에어 갭(δ)의 크기는 0.5-1.5 *δ로 변할 수 있다. 도 2에서 (a)는 최대 편심 값 εmax =0.5 *δ 이 참조 부호 36으로 표시되는 위치를 도시한다. 허용된 범위 내의 편심은 참조 부호 34로 표시된다. 이것에 의해 발생된 이런 편심과 에어 갭(δ) 변화가 해로운 전기 진동 없이 가능한 허용 값을 초과하기에, 고정자로부터 보았을 때, 전자기 총 에어 갭이 충분히 크도록, 영구 자석(24)의 두께(H)는 자기 플럭스 방향인 크기로 결정된다. 전자기 총 에어 갭은 물리적 에어 갭(δ1)과, 회전자에서 주 자기 플럭스의 통로를 따르는 층들을 포함한다. 층들의 상대 투자율은 공기의 상대 투자율과 동일한 크기이다. 보통 사용되는 희토류 금속에 기초한 영구 자석의 상대 투자율은 회전자에 사용되는 강자성의 판의 것보다 상당히 작고, 공기와 동일한 크기이다. 예를 들어, NdFeB 자석(네오디미움-철-붕소 자석)의 상대 투자율(μr) 은 대략 1-3.5이고, 영구 자석의 두께는 물리적 에어 갭(δ1)의 최대 10배이고, 회전자의 편심 범위는 0.2 * 물리적 에어 갭(δ1)과 0.5 * 물리적 에어 갭(δ1) 사이이다. 편심(ε)이 높은 값으로 허용될 때, 영구 자석의 두께(H)가 필요한 조건에 부합한다는 것이 보장된다. 전기 머신의 동력과 성능에 대한 영구 자석의 크기와 두께는 머신의 필요한 설정에 기초하여 결정된다.
영구 자석의 투자율이 μr =1이고, 물리적 편심이 ε= 0.5 *δ로 가정할 때, 허용된 전자기 에어 갭은 δ'=0.1 * (H+δ) 이고, 다음 식이 만들어진다.
Figure pat00004
이것에 기초하면, 영구 자석의 충분한 두께에 대한 값은 다음과 같다.
Figure pat00005
카터 계수에 따르면, 실제의 에어 갭(δ)의 자기 영향은 기계적 값보다 더 크고, 이것은 영구 자석의 더 적은 값이 가능함을 의미한다. 또한 영구 자석의 투자율은 크기결정에 영향을 준다. 본 발명의 기술에 따르면, 도 2에 도시된 실시예에서 영구 자석의 두께는, 동기 머신의 회전자에 허용된 편심이 ε= 0.5 *δ일 때, 4 *δ와 같거나 더 클 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 영구 자석 동기 머신을 도시하고, 여기서, 자기화는 회전자의 외부 둘레의 표면상에 설치된 영구 자석으로 실현된다. 회전자(40)는 고정자(44)의 중심(46)으로부터 편심(ε)에 의해 벗어난 회전 중심 축(42) 주변에서 회전한다. 영구 자석(48)은 회전자의 외부 둘레(50) 상에 장착된다. 회전자의 최외부 영역 사이의 거리(에어 갭), 즉 영구 자석(48)의 표면(52)과 고정자의 내부 표면은 δmin 와δmax 에서 변화한다. 따라서, 머신의 물리적 에어 갭(δ1)은 허용된 정도보다 상당히 높게 변경되어 방해가 없는 작동을 하게 한다. 본 발명에서 기술된 바와 같이, 에어 갭(δ)은 HS+δmin 과 HS+δmax 에서 변화하고, 이 경우 에어 갭(δ)의 변화는 허용된 범위 내에 있다.
편심 공차는 평행 브랜치(branches)를 설치하거나 고정자 권선에서의 성분을 조절하여 더 증가될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 영구 자석 동기 머신(54)을 도시한다. 머신의 회전자(56)는 작업 머신(58)의 축(60) 상에 고정된다. 회전자(56)는 고정자(62)에 대해 원통형으로 편심되고, 고정자의 중심축(64)과 회전자의 중심축(66)은 평행하나, 서로로부터 일정 거리(ε)에 있다. 작업 머신은 바닥에 베어링(68)을 갖는 회전 장치에서 지지되고, 동기 머신(54)의 회전자(56)는 동기 머신과 그 고정자(62)의 지지로부터 분리된 베어링(68)으로 또한 지지된다. 작업 머신(54)은 축(60)과, 그것에 조절된 동기 머신 회전자(56)를 포함하며, 분리되어 제조 및 설치될 수 있고, 동기 머신 고정자(62)와 회전자(56)는 작동 위치에서 서로 전자기적으로만 연결된다. 고정자와 회전자 사이의 편심은 본 발명에 따른 장치에서 허용될 수 있다. 대응하여, 회전자는 또한 원추형으로 편심될 수 있고, 이 경우 고정자와 회전자의 중심축은 약간 상이한 방향으로 있고, 편심은 축의 세로 방향으로 변화한다.
본 발명은 또한 고정자와 회전자 축 사이의 편심이 아닌 에어 갭(δ)이 변경되는 다른 불규칙한 곳에 적용할 수 있다. 따라서, 에어 갭(δ)과 접하는 고정자 또는 회전자의 표면에 의해 야기된 에어 갭의 변화는 본 발명에 따른 장치에서 보상될 수 있다.
상기에서, 본 발명이 임의의 실시예의 도움으로 기술되었다. 그러나, 이러한 기술사항은 본 특허권 범위를 제한하는 것으로 간주하여서는 안 되며, 본 발명의 실시예는 다음의 청구범위 내에서 변경될 수 있다.
2: 내부 둘레 3: 회전자
4: 외부 둘레 6: 중심점
8: 중심점 10: 동기 머신
12: 회전자 14: 고정자

Claims (11)

  1. SPM 유형의 영구 자석 동기 머신으로서, 영구 자석 동기 머신은 고정자(14)와 상기 고정자로부터 물리적 에어 갭(δ1)의 거리에 위치한 회전자를 포함하고, 회전자는 축상의 회전 장치에서 지지되어, 회전자와 고정자 사이의 편심에 대한 최대 값이 특정되고, 최대 값은 물리적 에어 갭(δ1)의 10분의 1보다 높아, 동기 머신의 자기화가 회전자(12)에 장착된 영구 자석(24)으로 배열되고, 상기 영구 자석은 자기 플럭스 방향의 두께(H)를 가지며, 고정자(14), 물리적 에어 갭(δ1), 및 회전자(12)를 통해 폐쇄된 자기 플럭스(ø)를 형성하기 위해 사용되는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신에 있어서,
    영구 자석의 두께(H)와 편심(ε)의 최대 값 사이에 다음 식이 제공되고,
    Figure pat00006

    여기서, δ1는 물리적 에어 갭이고, μr 는 영구 자석의 상대 투자율이고,
    두께(H)는
    Figure pat00007
    이고, 에어 갭은 HS+δmin 과 HS+δmax 에서 변하는 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 편심(ε)의 최대 값은 물리적 에어 갭(δ1)의 반(half)인 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 영구 자석의 상대 투자율(μr )은 3.5 미만이고, 영구 자석(24)의 두께(H)는 물리적 에어 갭(δ1)의 최대 10배인 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 편심(ε)의 최대 값은 물리적 에어 갭(δ1)의 반이고, 영구 자석의 상대 투자율(μr )은 1이고, 영구 자석(24)의 두께는 4의 인자로 곱한 물리적 에어 갭(δ1)보다 큰 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 회전자의 편심 범위는 0.2 * 물리적 에어 갭(δ1)과 0.5 * 물리적 에어 갭(δ1) 사이인 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 동기 머신(54)의 회전자(56)는 여기에 연결된 구동 머신(58)의 축(60)상에서 지지되는 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석동기 머신.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 영구 자석(48)은 회전자의 외부 표면(50)에 장착되는 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  8. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 영구 자석(24)은 회전자(12)의 자기 전도성 코어(20)에 삽입되는 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  9. 제 8항에 있어서, 영구 자석(24)은 회전자(12)에 V 형태로 장착되는 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신.
  10. SPM 유형의 영구 자석 동기 머신의 제조 및 설치 방법으로서, 상기 영구 자석 동기 머신은 고정자(14)와 상기 고정자로부터 물리적 에어 갭(δ1)의 거리에서 회전 장치에서 지지되는 회전자(12)를 포함하고, 상기 회전자는 고정자에 대해 편심으로 설치되어, 그 최대 허용 편심이 물리적 에어 갭(δ1)의 적어도 10분의 1이고, 회전자는 자기 플럭스 방향으로 H의 두께를 가지는 영구 자석을 갖는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신의 제조 및 설치 방법에 있어서,
    영구 자석(24)의 두께(H)와 회전자의 최대 허용 편심(ε) 및 물리적 에어 갭(δ1) 사이에서, 다음 식이 제공되도록 회전자가 제조 및 설치되고,
    Figure pat00008

    여기서, μr 는 영구 자석의 상대 투자율이고,
    두께(H)는
    Figure pat00009
    이고, 에어 갭은 HS+δmin 과 HS+δmax 에서 변하는 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석 동기 머신의 제조 및 설치 방법.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 고정자에 대한 회전자의 지지부는, 회전자의 최대 허용 편심의 범위가 물리적 에어 갭(δ1)의 0.2배 내지 물리적 에어 갭(δ1)의 0.5배가 되는 공차를 갖게 제조되는 것을 특징으로 하는, SPM 유형의 영구 자석동기 머신의 제조 및 설치 방법.
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