KR20140141632A - 동기식 릴럭턴스 모터 및 수중 펌프 - Google Patents

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KR20140141632A
KR20140141632A KR1020147027821A KR20147027821A KR20140141632A KR 20140141632 A KR20140141632 A KR 20140141632A KR 1020147027821 A KR1020147027821 A KR 1020147027821A KR 20147027821 A KR20147027821 A KR 20147027821A KR 20140141632 A KR20140141632 A KR 20140141632A
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Abstract

본 발명은 하나 이상의 자극 쌍을 형성하기 위한 유체 격벽 섹션을 포함하는 호전자 및 고정자를 가진 수중 펌프용 동기식 릴럭턴스 모터에 관한 것으로서, 회전자(12)와 고정자(11) 사이의 에어갭은 적어도 부분적으로 액체 자석(20)으로 채워진다. 본 발명의 다른 부분적인 국면은 펌프를 구동하기 위한 그러한 동기식 릴럭턴스 모터를 가진 수중 펌프에 관한 것이다.

Description

동기식 릴럭턴스 모터 및 수중 펌프{Synchronous reluctance motor and underwater pump}
본 발명은 고정자/회전자 구성을 가지는, 수중 펌프를 구동시키기 위한 동기식 릴럭턴스 펌프에 관한 것으로서, 회전자는 하나 이상의 자극 쌍(magnetic pole pair)을 형성하는 유동 격벽 절개부를 포함한다. 본 발명은 또한 이러한 유형의 구동 모터를 가진 수중 펌프에 관한 것이다.
수중 모터 펌프는 보어 구멍(borehole)들에서 액체 매체의 이송을 위한 역할을 한다. 모터들 외부의 하우징은 항상 지하수인 이송된 매체에 의해서 완전하게 또는 부분적으로 젖어 있다. 사용되는 펌프 구동 모터들은 모터 내부 공간 안으로 이송 매체가 침투하는 것을 방지하기 위하여 엔캡슐레이션되는 형태이다.
모터 공간은 적절한 액체 매체로 채워지며, 바람직스럽게는 물/글리콜(glycol) 혼합물 또는 오일로 채워지는데, 이것은 보호되지 않은 회전자를 적시고, 고정자가 보호되지 않은 경우에, 플라스틱으로 절연된 권선 와이어들과 함께 고정자를 적시거나, 또는 고정자가 보호된 경우에, 캔(can)을 적신다. 도입된 매체는 모터가 충분한 냉각 용량을 가지는 것을 보장한다.
동시에, 매체는 유체 역학적 플레인 베어링(plain bearing)의 일정한 윤활을 보장하고, 특정의 환경하에서, 활성 부분들에 대한 소망스러운 부식 방지 작용을 부여한다.
그러나, 공기로 채워진 모터 공간들과 비교하여, 이러한 유형의 기계들의 달성 가능한 효율 및 파워 인자(power factor)는 현저하게 감소되는데, 왜냐하면, 특히 모터 공간 안의 액체 매체 때문에, 회전자와 매체 사이의 마찰 효과가 상당히 증가하기 때문이다.
수중 모터 펌프 조립체들은 이송된 매체의 영역에서 적절한 보어 구멍들 안에 설치된다. 드릴 비용은 드릴 깊이 및 필요한 보어 구멍 직경의 함수로서 변화된다. 수백 미터의 보어 구멍 깊이는 예를 들어 허용 가능한 보어 구멍 직경에서의 제한을 통하여 앞지르는 막대한 비용을 유발한다.
그러나, 최대 직경의 제한은 모터 조립체의 개발에 엄격한 요건을 두는데, 왜냐하면 조립체의 물리적 치수는 보통 그것의 효율 및 파워 인자를 임계적으로 함께 결정하기 때문이다. 특히, 모터 단면은 소망의 보어 구멍 직경에 적합화되어야 한다.
그럼에도 불구하고 충분한 샤프트 출력이 제공될 수 있도록, 모터의 활성 부분 길이는 그에 대응하여 증가되어야 한다. 이것과 관련된 조립체 구조의 매우 가느다란 유형은 회전자 직경에 대한 회전자 길이의 비율이 성장되게 한다. 회전자의 활성 부분 길이는 이러한 경우에 회전자 직경의 적어도 2 배이다. 따라서, 제조상의 이유 때문에, 상대적으로 큰 에어갭(airgap)이 구현되어야 하며, 이것은 통상적인 모터에서보다 현저하게 크다. 수중 모터의 에어갭 치수는 항상 통상적인 모터들의 에어갭 치수의 2 배 보다 크다.
그러나, 정확하게는 릴럭턴스 원리(reluctance principle)로 작동하는 조립체들에서, 에어갭을 가능한 한 작게 유지하는 것이 특히 소망스럽다. 그러나, 수중 모터들에서의 모터 디자인은 그들의 이용에 의해 지배되기 때문에, 수중 펌프 섹터에서의 동기식 릴럭턴스 모터들의 이용은 효율 및 파워 인자와 관련하여 상당한 손실과 함께 구현될 수 있을 뿐이다.
따라서, 본 발명의 목적은 효율 및 파워 인자와 관련하여 상당한 손실을 고려할 필요 없이 수중 펌프에서도 이용될 수 있는 공지의 동기식 릴럭턴스 모터를 개량하는 것이다.
이러한 목적은 청구항 제 1 항의 특징들에 따른 동기식 릴럭턴스 모터(synchronous reluctance motor)에 의해 달성된다. 예시된 동기식 릴럭턴스 모터의 유리한 특성은 독립항에 첨부된 종속항의 주제이다.
청구항 제 1 항의 특징적인 조합에 따라서, 동기식 릴럭턴스 모터가 제안되는데, 이것은 고정자 및 상기 고정자에 작동 가능하게 연결된 회전자를 가진다. 회전자는 하나 이상의 자극 쌍(magnetic pole pair)을 형성하기 위한 유동 격벽 절개부(flow barrier cut)를 포함한다.
더욱이, 동기식 릴럭턴스 기계의 회전자에 바람직스럽게는 실린더형 연자성 요소(soft-magnetic element)가 설치될 수 있으며, 이것은 회전자 축상에 동일 축으로서 배치된다. 적어도 하나의 극 쌍(pole pair) 또는 간극 쌍(gap pair)을 형성하도록, 연자성 요소가 바람직스럽게는 유동 안내 섹션(flow guide section) 및 유동 격벽 섹션(flow barrier section)을 포함하는데, 이들은 상이하게 나타나는 자기 투과성(magnetic permeability)에서 서로 상이하다. 높은 자기 전도성을 가진 섹션은 회전자의 d-축(axis)으로서 식별되며, 상대적으로 낮은 전도성을 가진 섹션은 회전자의 q-축으로서 식별된다. d-축이 가능한 한 높은 자기 전도성(magnetic conductivity)을 가지고 q-축이 가능한 한 낮은 자기 전도성을 가질 때 최적의 토크 출력이 확립된다.
이러한 사전 조건은 q - 축을 따라서 연자성 요소에 복수개의 공기로 채워진 요부들을 형성함으로써 달성될 수 있다.
본 발명에 따른 회전자의 바람직한 실시예에서, 연자성 요소는 회전자의 축방향에서 하나가 다른 하나의 위에 쌓인 복수의 라미네이션들로 이루어진 라미네이션 다발(lamination bundle)이다. 이러한 유형의 구조는 연자성 요소에서 소용돌이 흐름(eddy current)의 발생을 방지한다. 특히, 이러한 측면에서 참조되는 미국 특허 US 5,818,140 의 기술적인 개시에 따른 라미네이션 다발(lamination bundle)의 구조가 적절하다.
처음에 수중 모터 펌프에서 설명된 기술적인 조건들 때문에, 회전자 요소와 고정자 요소 사이에 상대적으로 넓은 에어갭(airgap)이 있다. 관련된 파워 및 효율 손실에 대항하기 위하여 에어갭의 크기를 기하학적으로 감소시키는 것은 위에 언급된 이유 때문에 제외된다.
본 발명에 따르면, 이제까지 모터 내부 공간에서 사용된 충전 매체는 액체 자석(ferrofluid)으로 대체된다. 사용된 액체 자석의 적절한 선택은 μR >1 의 상대적인 투자율(relative permeability)을 초래한다. 에어갭(airgap) 안에서의 투자율(permeability) 증가는 그것의 효과 측면에서 자기적인 에어갭(magnetic airgap)의 기하학적 감소에 해당한다. 자기적으로 활성화된 에어갭은 그에 대응하여 크기가 감소된다. 에어갭 안의 투자율 값이 높을수록, 사용된 동기식 릴럭턴스 모터의 효율 및 파워 인자(efficiency and power factor)가 더욱 유리해진다. 회전자와 고정자 사이의 상호 작용은 강화된다. 따라서 기술적인 조건들이 상대적으로 넓은 에어갭을 지배하는 경우에서도 특정의 모터 원리들이 채용될 수 있다.
본 발명에 따른 액체 자석의 사용은 만족스러운 효율 및 파워 인자를 가진, 수중 펌프 구동용 동기식 릴럭턴스 모터를 채용할 수 있게 한다.
동시에, 사용된 유체는 모터 내부 공간에서의 열 배출을 향상시킨다. 더욱이, 유체 역학적 플레인 베어링(plain bearing)들은 항상 윤활되며, 액체 자석은 사용되는 동기식 릴럭턴스 모터의 활성 부분들에 부식 방지 작용을 가질 수 있다.
액체 자석은 하나 이상의 구성 요소들을 가지는데, 이것은 자성에 대하여 반작용하고 자기화될 수 있으며 일반적으로 초상자성(superparamagnetic)이다.
자기 구성 요소들은 캐리어 액체(carrier liquid) 안에 상이한 형태로 존재할 수 있다. 캐리어 액체 및 입자들의 조합은 액체 자석을 형성한다.
자기 구성 요소들은 캐리어 액체 안에 현탁된 입자들로서 존재할 수 있다. 개별적인 입자들이 이상적으로는 캐리어 액체 안에 콜로이드로(colloidally) 현탁된다.
입자 크기는 나노 범위이며, 바람직스럽게는 1 nm 내지 10 nm 사이이고, 특히 5 nm 내지 10 nm 의 범위에 있는 입자 크기들이 유리한 것으로 증명된다.
하나 이상의 입자들은 철, 마그네타이드(magnetide), 코발트 또는 특수 합금을 포함하는 재료들중 적어도 하나로 적절한 방식으로 이루어진다.
입자들에는 표면 코팅이 제공될 수 있으며, 특히 폴리머 코팅이 제공될 수 있다. 입자들의 표면에 단분자 층(monomolecular layer)으로서 부착되는 표면 활성 물질을 혼합할 수 있다. 표면 활성 물질의 극성 분자들의 라디칼(radical)은 서로 반발하며 따라서 입자들이 서로 덩어리지는 것을 방지한다.
회전자상의 마찰 효과를 한계 안에서 유지하기 위하여, 저밀도 액체 자석을 이용하는 것이 편리하다. 예를 들어, 사용된 액체 자석의 점도는 물의 점도 영역 안에 있게 되며, 즉, 20℃ 에서 대략 1 mPa·s 의 영역에 있다.
그러나, 액체 자석의 사용은 불리한 부수 효과를 수반하는데, 왜냐하면 모터 공간 안에서의 투자율 증가는 누설 손실(leakage loss)의 발생을 증가시키기 때문이다. 공기로 채워진 모터들에 반하여, 누설 플럭스 라인(leakage flux line)들의 확대는 더 이상 억제되지 않고 대신에 증가되며, 이것은 손실 발생이 상당히 증가되는 이유이다.
이러한 영향에 대응하기 위하여, 단부 누설 발생을 감소시키도록 고정자의 적어도 하나의 단부 권선 영역에 대응 수단이 제공될 수 있다. 이러한 영역에서 액체 자석을 변위시키기 위하여 하나 이상의 요소들이 상기 영역에 편리하게 배치된다. 적절한 요소들은 하나 이상의 플라스틱 동체로서, 이들이 바람직스럽게는 정확한 맞춤으로써 하나 이상의 단부 권선들 둘레에 부착될 수 있거나 또는 권선들 상으로 미끄러질 수 있다. 누설이 발생되는 단부를 감소시키는 대안의 수단은 단부 권선을 밀봉시키거나 또는 단부 권선 둘레의 공간을 발포체로 채우는 것으로 얻어진다. 원칙적으로, 비자성 특성을 가진 재료들이 적절하다.
유사한 문제가 고정자 동체의 슬롯들의 영역에서 발생된다. 여기에서도, 액체 자석 때문에, 플럭스 라인들이 보다 쉽게 전파될 수 있으며, 더 큰 손실을 일으킨다. 액체 자석을 이러한 영역 밖으로 변위시키고 누설 손실의 발생을 제한하는 수단이 슬롯들의 영역 안에서 편리하게 제안된다. 하나 이상의 슬롯들 안으로 삽입되는 키이(key)들이 특히 유리하다.
동기식 릴럭턴스 기계의 회전자가 바람직스럽게는 라미네이트 회전자 다발(laminated rotor bundle)로 이루어진다. 회전자 다발은 하나 이상의 극 쌍(pole pairs)들을 형성하기 위한 개별적인 유동 격벽들을 가진다. 유동 격벽들은 자체로 공지된 방식으로써 다발로 되어 있는 회전자 안의 요부들에 의해 형성되며, 이들은 공기로 항상 채워진다. 이러한 경우에, 액체 자석이 유동 격벽들의 공동 안으로 침투하는 위험성이 있다. 본 발명의 바람직한 양상에서, 회전자 동체를 액체 자석에 대하여 밀봉시키기 위하여 회전자 또는 회전자의 적어도 일부는 엔캡슐레이션 형태(encapsulation form)이다.
대안으로서 또는 추가적으로, 하나 이상의 유동 격벽들은 분리되게 밀봉될 수 있으며 액체의 소망스럽지 않은 진입에 대하여 보호될 수 있다. 또한 액체의 진입을 방지하기 위하여, 유동 격벽들을 적절한 재료로, 예를 들어 플라스틱으로 채울 수도 있다.
더욱이 본 발명은 본 발명에 따른 모터의 특징들 또는 동기식 릴럭턴스 모터의 유리한 실시예의 특징들에 따르는 펌프 구동 동기식 릴럭턴스 모터를 가진 수중 펌프에 관한 것이다. 수중 펌프는 명백히 본 발명에 따른 동기식 릴럭턴스 모터와 같거나 또는 모터의 유리한 실시예와 같은 장점 및 특성들을 가지며, 따라서 이와 관련하여 반복되는 설명은 생략된다.
본 발명의 다른 장점 및 특성들은 도면에 도시된 예시적인 실시예로부터 이해될 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 동기식 릴럭턴스 모터의 개략적인 길이 방향 단면도를 도시한다.
도 2 는 본 발명에 따른 동기식 릴럭턴스 모터의 회전자의 개략적인 단면도를 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 동기식 릴럭턴스 모터의 고정자의 상세도이다.
도 1 에 도시된 동기식 릴럭턴스 모터(10)는 통상적인 고정자(11) 및 회전자(12)를 가지며, 회전자는 고정자(11)에 대하여 회전 가능하게 장착되고 샤프트(13)상에 동일 축으로 배치된다. 회전자 동체는 라미네이션 다발로 이루어지는데, 예를 들어, 개별적인 층들 또는 라미네이션(lamination)들이 샤프트(13)의 축방향으로 쌓여진 라미네이션 다발(lamination bundle)로 이루어진다. 개별적인 층의 개략적인 도면은 도 2 로부터 이해될 수 있다.
회전자 벽과 고정자 벽 사이의 간극은 에어갭(airgap)으로서 표시된다. 본 발명에 따르면, 도 1 에서, 모터 내부 공간은 액체 자석(20)으로 채워지며, 결과적으로 고정자(11)와 회전자(12) 사이 영역에서의 투자율이 증가되고, 비교적 큰 기하학적 간극이 보상된다. 회전자(12)와 고정자(11) 사이의 상호 작용은, 즉 릴럭턴스 힘(reluctance force)은 투자율의 증가에 의해 향상된다.
사용된 액체 자석(20)은 수 나노미터의 크기를 가지는 자기 입자들로 이루어지며 이들은 적절한 캐리어 매체(carrier liquid) 안에 콜로이드로 현탁된다. 사용된 액체 자석(20)의 점도 특성들은 이러한 경우에 회전자와 액체 자석(20) 사이의 마찰 효과가 가능한 한 낮도록 선택된다. 액체 자석(20)이 이상적으로는 물의 점도 정도의 점도를 가진다.
고정자(11)를 가진 단부 권선(15)의 영역에서 발생되는 누설 손실은 하나 또는 그 이상의 플라스틱 동체(16)들에 의해 가능한 한 감소된다. 플라스틱 동체는 대응하는 단부 권선(15)에 부착되고, 액체 자석의 완전한 변위를 위하여 단부 권선을 둘러싼다.
더욱이, 고정자(11)의 슬롯 영역 안에서 발생되는 누설 손실은 키이(30)에 의해 감소된다. 도 3 은 권선 공간(17)을 가진 고정자 다발(11)을 통한 단면의 상세도이다. 슬롯의 영역에, 키이(30)가 제공되는데, 이것은 고정자 치(stator teeth) 사이의 자기 단락 회로(magnetic short circuit)를 방지하기 위하여 슬롯 안의 액체 자석을 변위시킨다.
도 2 는 회전자 다발(12)을 통한 단면을 도시한다. 도면은 회전자 층(41)의 개별적인 유동 격벽을 개략적으로 도시한다. 유체의 진입 가능성을 방지하기 위하여 회전자 층(41)의 공기로 채워진 요부(40)는 다르게 채워지거나 또는 플라스틱과 같은 물질로써 완전하게 발포체로 채워진다.
추가적으로 또는 대안으로서, 완성된 회전자 동체(12)는 도 1 에 표시된 바와 같이 엔캡슐레이션 형태일 수 있다. 예를 들어, 액체의 진입에 대하여 회전자 동체를 보호하기 위하여 회전자 표면은 적절한 재료(50)로 완전하게 코팅된다.
10. 동기식 릴럭턴스 모터 11. 고정자
12. 회전자 13. 샤프트

Claims (10)

  1. 고정자 및 회전자를 가지는 수중 펌프 구동용 동기식 릴럭턴스 모터(synchronous reluctance motor)로서, 회전자는 하나 이상의 자극 쌍(magnetic pole pairs)을 형성하기 위한 유동 격벽 절제부(flow barrier cut)를 포함하고,
    회전자(12)와 고정자(11) 사이의 에어갭은 적어도 부분적으로 액체 자석(20)으로 채워지는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    액체 자석(20)은 자기(magnetism)에 반응하는 하나 이상의 구성 요소들을 가지는 캐리어 액체(carrier liquid)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    자기 성분들중 적어도 일부는 캐리어 액체 안에 콜로이드로써(colloidally) 현탁된 입자들인 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    입자 크기는 나노 범위에 있고, 바람직스럽게는 1 내지 10 nm 사이에 있고, 특히 5 내지 10 nm 사이의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  5. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    액체 자석(20)의 점도는 20℃ 에서 대략 1 mPa·s 의 영역에 있는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  6. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    고정자 단부 권선(15)의 영역에 단부 누설을 감소시키는 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  7. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    고정자(12)의 슬롯 누설을 감소시키기 위한 수단, 특히 적어도 하나의 키이(30)가 제공되는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  8. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    회전자(11)의 엔캡슐레이션이 제공되는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  9. 전기한 항들중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 회전자 유동 격벽(40)들이 밀봉되고 그리고/또는 채워지는 것을 특징으로 하는, 동기식 릴럭턴스 모터.
  10. 전기한 항들중 어느 한 항에 따른 펌프 구동용 동기식 릴럭턴스 모터를 가진 수중 펌프.
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