KR20160041986A - 중심코일을 와인딩한 전기 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자(stator)의 한 쌍의 폴(pole pair)의 중심 필드(field)에 중심코일(center coil)을 와인딩(widing)하고 한 쌍의 양 폴 필드에 각각의 보조코일들(auxiliary coils)을 구비한 전기 기기(Electric machine winding)에 관한 것이다. 고정자의 한 쌍의 폴 각각에 있는 두 개의 주 코일들은 폴의 필드 중심에서 하나의 단일한 중심코일로 대체된다. 전기 기기, 변압기 및 코일의 전력은 로터의 코어 면적의 제곱에 의존한다. 보조코일을 갖는 전기 기기에서 코일 전력의 분배를 위해서, 사용은 고정자와 로터 코어들의 적절한 부하량(load) 제공하는 인수로 구성된다. 고정자에서 슬롯의 수는 필드의 중심코일에서 권선의 수를 증가시킴으로써 감소된다. 고정자는 그것의 코어 면적에 대해 코일 전력의 제곱근을 사용하여 최적화된다.

Description

중심코일을 와인딩한 전기 기기{Electric machine winding with center coil}

본 발명은 고정자(stator)의 한 쌍의 폴(pole pair)의 중심 필드(field)에 중심코일(center coil)을 와인딩(winding)하고 상기 한 쌍의 폴의 각각 필드에 보조코일들(auxiliary coil)을 와인딩하는 것을 특징으로 하는 전기 기기(Electric machine winding)에 관한 것이다. 전기 기기 로터(electric machine rotor)는 기기 안에서 회전하기 때문에 원형이고, 로터의 면적 및 코어의 형태가 결정된다. 고정자는 와인딩의 도움으로 적절한 위치에 반드시 충분한 필드의 세기를 확보해야만 한다. 상기 와인딩은 하나 이상의 코일들을 사용함으로써 적절한 위치에 필요한 전력(power)을 제공한다. 상기 코일의 전력은 코일에서의 권선의 수(the number of turns)에 따라 다르다. 와인딩이 고정자의 한 쌍의 폴 각각에서 몇 개의 코일들로 구성될 때, 상기 코일들의 전력은 기기의 부하량(load)의 적절한 분배와 상기 로터 및 고정자의 최대 사용을 위한 기초로 제곱한 상응하는 로터의 코어 면적을 이용하여 코일들에 분배된다. 전기 기기에서 각각의 코일은 변압기같이 고정자에서 로터로 전기를 변형시킨다. 상기 전기 기기의 전력은 코일들의 전력의 총합이고, 로터에서 코어 면적의 제곱에 의존한다. 그리고 로터의 코어 면적은 로터의 너비와 로터의 직경을 곱한 것이다. 전기 기기, 변압기 및 코일의 전력은 로터의 코어 면적에 의존한다. 전력(Power) = B x A², 전력(Power)=W(watt) 또는 VA(volt ampere), B = 전류(flow), A = 코어 면적이다.

고정자의 한 쌍의 폴의 필드 중심에 중심코일을 와인딩하는 전기 기기와 한 쌍의 폴의 두 폴 각각의 필드에서 보조코일들을 만든다. 고정자의 한 쌍의 폴에서 두 폴 각각에 코일을 구비한 전기 기기에서, 상기 두 코일들은 고정자의 한 쌍의 폴 각각의 필드 중심에 하나의 중심코일로 대체된다.

고정자에서 상기 한 쌍의 폴에 중심 슬롯(central slot)을 더 크게 만들고, 상기 한 쌍의 폴의 필드 중심에서 상기 중심코일에서의 권선의 수를 증가시키고, 보조코일에서 권선을 조정한다. 상기 고정자의 한 쌍의 폴의 두 개의 폴 각각에 하나의 코일을 갖는 직교류 겸용 모터(universial motor)와 DC 모터에서. 상기 모터들은 고정자 필드의 중심에 오직 하나의 중심코일에 두 개를 코일들을 결합한다. 상기 두 개의 단락된 코일들(shorted coils)은 로터에서 네 개의 슬롯으로 분리되어 있고 로터에서 두 개의 대향하는 방사형 슬롯(radial slot)에 결합한다.

각기 다른 크기의 전기 기기 전력은 로터의 너비와 로터 직경의 곱을 포함하는 로터의 코어 면적을 제곱한 함수로 결정된다.

코일에서 권선의 수를 설정함으로써 로터 코어에서 그것의 상응하는 면적을 제곱한 함수에서 전기 기기에서의 하나의 코일의 전력은 면적에 비례한다. 그리고 면적은 고정자의 로터의 중심에서 두 개의 코일 중심까지인 두 선사이의 로터에서 현(chord)의 길이와 효과적인 로터의 너비를 곱한 것이다.

상기 고정자의 슬롯과 고정자의 외부 표면 사이의 거리는 이 슬롯에 있는 코일의 전력의 제곱근의 함수에 의존한다.

다자극 전기 기기(multi polar electrical machines)는 고정자의 한 쌍의 폴 각각에 보조코일이 있거나 또는 없는 중심코일로 감길 수 있다. 각각의 상(phase)을 위한 단상 전기 기기(single-phase)처럼 다상(multi-phase) 전기 기기를 와인딩함으로써 본 발명과 동일한 원리로 감길 수 있다.

전기 기기는 고정자의 각각의 한 쌍의 폴에서 두 폴 중 각각 하나에 보조코일들이 있거나 또는 없는 주 코일(primary coil)을 갖는 와인딩을 구비한다. 로터의 부피를 기초로 전기 기기의 전력을 계산한다. 전기 기기에 보조코일이 있을 때, 로터 코어 및 고정자 코어의 적절한 부하량을 제공하는 코일들 사이에 권선의 수와 전력의 분포를 계산하는 효과적인 방법은 없다. 코일이 많이 감겨 있을 때, 코일은 더 많은 에너지를 흡수 한다. 이것은 열이 축적되는 것을 야기하고, 더 나아가 온도의 상승으로 인해 절연체가 타버리거나 코일의 단락(short-circuit)을 일으킬 수 있다. 전력 요소(power factor)(cosφ) 및 효율은 또한 감소한다. 이러한 열은 에너지의 폐기물이다. 코일은 더 많이 둘러싸여 있음에도, 거의 항상 가장 작은 코일이 너무 많이 감겨있어서 타버린다.

직교류 겸용 모터 및 DC 모터는 고정자의 한 쌍의 폴인 두 개의 폴 각각에 하나의 코일을 갖는다. 로터 내에서 네 개의 슬롯에 분리된 두 개의 단락된 코일들이 있다.

General Electric Company는 US 특허 제3942055호에서 코일에 동일한 수로 감겨 있는 주 코일들을 위한 네 개의 가장 큰 슬롯들을 개시한다. 중간 크기의 슬롯들은 주 와인딩 및 시작 와인딩(start winding)의 보조코일을 위해 사용된다. 더 작은 슬롯들은 시작 와인딩을 위해 사용된다. 하나의 폴에 있는 두 개의 외부 코일들은 그러므로 동일한 수의 권선을 갖는다.

베이스와 같이 제곱한 상응하는 로터 코어 면적을 사용하여 코일의 전력을 분배함으로써, 명백하게 전력(VA)(volt ampere) 효과는 로터와 고정자의 종래 설계를 갖는 작은 비동기(ansynchronous) 모터에서 보다 약 25% 정도 향상된다. 고정자와 로터의 설계를 채택함으로써 효율은 더 향상될 수 있다. 더 적은 열을 발생하고 와인딩이 타버릴 가능성도 더 낮다. 냉각의 필요성 또한 감소한다. 구리 소비량은 종래와 거의 같지만, 더 작은 단면에 더 많은 수의 권선을 사용한다.

고정자의 한 쌍의 폴에서 필드 중심에 더 큰 중심 슬롯을 만들고 슬롯 필드에서 중심코일에 있는 권선의 수를 조절하여 증가시킴으로써, 고정자에서 슬롯과 보조코일의 수를 감소시킬 수 있다.

고정자의 한 쌍의 폴에서 두 폴들 각각에 하나의 코일을 갖는 직교류 겸용 모터와 DC 모터가 필드 중심에서 단일 중심코일로 통합되고, 두 개의 단락된(short-circuited) 코일들이 로터에 있는 네 개의 슬롯으로 분리되었을 때, 로터에서 두 개의 대향하는 방사형 슬롯에 결합한 두 개의 단락된 코일들은 모터의 효율을 증가시킨다. 미국 특허 3942055에 개시된 네 개의 주 코일들에 있어서 두 개의 외부 주 코일들은 중심코일로 대체되고 두 개의 내부 주 코일들은 보조코일로 바뀐다. 그리고 모터의 효율은 개선된다.

고정자가 로터 외부에 있을 때, 외부의 형태는 이러한 슬롯에서 코일의 전력의 제곱근에 따라 고정자의 슬롯과 외부 고정자 표면 사이의 거리에 의해 만들어진다. 특허 GB 2199995 A에서 고정자의 디자인은 단상 유도 전동기(single phase induction motor)의 외부 고정자 표면의 디자인을 위한 각기 다른 기반을 갖는다. 그리고 결과가 동일하지는 않다. 특허 DE 3704226A1은 두 개의 내부 주 코일보다 두 개의 외부 주 코일들을 위해서 고정자에서 더 작은 코어 면적을 갖는 직사각형의 고정자를 개시한다. 상기 두 개의 외부 주 코일들은 더 큰 힘을 갖고 본 발명에 따라서 큰 코어 면적이 더 커야만 한다.

시작 와인딩은 포함되지 않는다. 이것은 동일한 원칙에 의해서 감긴다.
도 1은 24개의 슬롯을 갖는 고정자(St)를 구비한 기존의 단상 비동기화 모터를 나타낸 것이다. Ro는 로터, St는 고정자, B12는 주 코일, B10, B8, B6, 및 B4는 보조코일이다.
도 2는 고정자의 한 쌍의 폴에서 필드 중심에 있는 중심코일(BC) 및 한 쌍의 폴의 두 폴 중 각각 하나의 필드에서 보조코일들(B)을 구비한 와인딩을 갖는 도 1과 같은 모터를 나타낸 것이다. B11, B9, 및 B7은 보조코일이다.
도 3은 고정자(St)에서 두 개의 폴을 갖는 고정자를 위한 와인딩, 한 쌍의 폴 각각에 필드 중심에서 중심 코어(BC) 20개의 슬롯 및 한 쌍의 폴 각각에서 보조코일(B)를 나타낸 것이다. 보조코일들(B)은 그들이 가로지르는 슬롯의 수에 따라서 번호가 붙여졌다. 그 코일들에 상응하는 각도(A) 및 로터(Ro)와 거리(H)에서 sine A(sine A)에는 같은 번호가 붙여졌다. H는 고정자에 있는 슬롯과 외부 고정자 표면(St) 사이의 거리이다. 부호들은 다음의 표에서 나타난 것처럼 사용된다.

도 4는 고정자(St)에서 코일(B)에 대응하는 로터(Ro)에서 코어 면적(N)을 나타낸 것이다. 상기 코어 면적(N)은 회색으로 나타나있다. Ro는 로터 코어, b는 로터 너비, R은 로터 반경(Ro), N은 고정자(St)에 있는 코일(B)에 대응하는 로터(Ro)에서의 코어 면적, a는 로터(Ro)에서 현의 길이(= 코어 높이(N)), Pc는 폴 중심선, A는 폴 중심선(Pc)과 고정자에서 로터 중심(Ro)으로부터 두 코일 중심 중 하나까지의 선(R)사이의 각도, S는 sine A이다.
도 5는 필드 중심에서 중심코일 및 폴에서 보조코일들을 구비한 와인딩을 갖는 고정자의 형태를 나타낸 것이다. 계산된 고정자의 형태는 검은색으로 나타나 있다.
도 6은 설치를 위한 두 개의 구멍을 갖는 고정자를 나타낸 것이다. 계산된 고정자의 형태는 검은색으로 나타나 있다.
도 7은 종래의 와인딩을 갖는 직교류 겸용 모터 및 DC 모터를 나타낸 것이다. 고정자의 두 개의 코일들은 검은 색 선으로 나타나 있다. 로터의 네 개의 슬롯에서 두 개의 단락된 코일들은 검은색 선으로 나타나 있다.
도 8은 고정자의 필드 중심에 하나의 중심코일을 갖는 직교류 겸용 모터 및 DC 모터를 나타낸 것이다. 단일 중심코일은 검은색 선으로 나타나 있다. 로터의 동일한 두 개의 대응하는 방사형 슬롯에서 두 개의 단락된 코일들은 모두 검은 선으로 나타나 있다.

하나의 실시예로 고정자(St)에 20개의 슬롯을 갖는 밀봉된 냉각 압축기에서 단상 비동기 모터를 사용한다. 시작 와인딩은 포함되지 않았다. 이것은 동일한 원칙으로 와인딩되었다.

도 3 및 도 4를 참조하여, 고정자(St)의 한 쌍의 폴 중심에서 중심코일(BC)은 코어 면적(NC)과 같이 로터(Ro)의 너비(b)와 로터(Ro)의 직경을 곱한 것이다. 고정자(St)에서 한 쌍의 폴에서 두 개의 폴 중 각각 하나에서 필드에 있는 보조코일들(B)은 자신들이 가로지르는 슬롯의 수에 따라서 번호가 주어진다. 로터(Ro)에서 그들의 상응하는 각도(A)와 sine A 및 거리(H)는 동일한 번호로 주어진다. 모터 와인딩에서 상기 코일들(B)은 연속적으로 연결되어 있고 그러므로 같은 전류의 세기(amperage)를 갖는다. 상기 코어 면적의 너비(b)는 사실상 로터 너비(b)와 동일하다. 각도(A)는 폴 중심선(PC) 및 로터(Ro) 중심에서 고정자(St)에 있는 두 개의 코일 중심들(B) 중 하나의 중심까지 연장된 직선(R)이 이루는 각도이다. 동일한 전류 부하량(flow loading)을 달성하기 위해서, 코일에서 권선의 수는 로터(Ro)에 상응하는 코어 면적(N)에 대하여 비율적이어야 한다. 코일(B)의 전력은 로터(Ro)에서 코일에 상응하는 코어 면적(N)의 제곱에 따른다. 코어들(N)의 너비(b)는 동일하고 코일(B)의 권선의 수는 로터(Ro)에서 코어(N)의 높이(a)에 비례할 것이다. 코일(B)의 전력은 로터(Ro)의 코어 높이(a)의 제곱에 의존한다.

로터(Ro)에서 현의 길이(a)는 로터 반경(R)을 sine A에 두 번 곱한 것이다. 상기 로터 반경(R)은 정수이다. sine A는 모터 와인딩에서 각각의 코일(B)에서 권선의 수의 분배 인수(distribution factor)로 사용될 수 있고 와인딩에서 보조코일들을 갖는 모든 크기의 모든 전기 기기에 적용된다.

sine² A는 코일들(B)의 전력의 비율에 대하여 할당 인수(allocation factor)로 사용되고 와인딩에서 보조코일들을 갖는 모든 크기의 모든 전기 기기에 적용된다.

코일들(B)의 전력의 총합은 모터의 전력이다. 상기 모터는 로터 코어 면적(NC)을 제곱한 함수에 관하여 한 쌍의 폴 필드 중심에 있는 중심코일(BC)에 의존한다. 그리고 로터 코어의 면적은 로터의 너비(b)와 로터 반경의 곱이다.

두 개의 폴을 갖는 고정자(St), 20개의 슬롯, 한 쌍의 폴 필드 중심에서 중심코일 (B)를 갖는 와인딩, 및 한 쌍의 폴의 두 개의 폴 중 각각 하나의 필드에 있는 보조코일들(B)에 대한, 코일들(B) 사이에 권선의 수의 분포가 다음 표에 나타나있다.

슬롯과 외부 고정자 표면 사이의 거리가 제공될 때, 그 밖의 거리(H)들은 그들의 인수 sine A에 맞춰야만 한다. 부호들은 도 3을 참조한다. 두 개의 폴, 20개의 슬롯, 중심코일(BC)를 갖는 와인딩 및 보조코일들(B)을 갖는 고정자(St)에 대하여 거리(H)는 다음 표와 같이 나타난다.

상기 결과에 따른 고정자(St)) 형태는 도 5에 나타나 있고 도 6에서 검은색으로 칠해진 두 개의 설치 구멍을 갖는다. 기기의 설치와 관련하여, 슬롯에서 외부 고정자(St) 표면까지의 거리(H) 중 몇몇은 요구되는 것보다 더 클 수 있고, 코일에서 권선의 수는 코일들이 로터(Ro)에 대하여 적절한 전력을 얻을 수 있도록 조절된다.

도 1에 나타난 고정자의 한 쌍의 폴에서 두 폴의 각각에 있는 하나의 주 코일과 네 개의 보조코일을 갖는 종래의 단상 비동기 모터는, 도 2에 나타난 것처럼 필드 중심에 하나의 중심코일과 고정자의 한 쌍의 폴에서 두 폴 각각에 세 개의 보조코일로 대체되고, 이로 인해 에너지 소비가 22.5% 감소하고 16.5%의 구리가 절약된다.

Claims (7)

1. 고정자(stator)의 한 쌍의 폴(pole pair)의 중심 필드에 중심코일을 와인딩하고(winding) 상기 한 쌍의 폴의 각각 필드에 보조코일들(auxiliary coils)을 와인딩하는 것을 특징으로 하는 전기 기기(Electric machine).
   
2. 제1항에 있어서, 상기 고정자의 한 쌍의 폴에서 두 폴의 각각에 하나의 코일을 구비한 전기 기기에서, 상기 고정자의 한 쌍의 폴에서 두 폴의 각각에 구비된 두 개의 보조코일을 단일의 중심코일로 대체하는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 고정자의 한 쌍의 폴의 필드에서 중심 슬롯을 더 크게 만들고, 상기 중심코일에서 권선(turns) 수를 증가시키고, 상기 보조코일의 권선 수를 조정하는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 고정자의 한 쌍의 폴 각각에 하나의 코일이 구비된 직교류 겸용 모터와 DC 모터가 필드 중심에서 두 코일을 단일 중심코일로 통합하고, 로터 내에서 네 개의 슬롯으로 분리된 두 개의 단락된(short-circuited) 코일이 로터 내에서 두 개의 대향하는 방사형 슬롯 내에 결합되는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
   
5. 제1항에 있어서, 각기 다른 크기의 전기 기기 전력이 로터의 코어 면적을 제곱한 것에 기초하여 결정되고, 상기 코어 면적은 로터의 너비와 로터 직경의 곱인 것을 특징으로 하는 전기 기기.
   
6. 제1항에 있어서, 코어 면적에 비례하여 권선의 수를 설정함으로써 상응하는 로터 코어 면적을 제곱한 함수로 상기 전기 기기에서 코일 전력이 결정되고, 상기 코어 면적은 고정자의 로터의 중심에서 두 개의 코일 중심까지인 두 선 사이의 로터에서 현(chord)의 길이와 효과적인 로터의 너비를 곱한 것을 특징으로 하는 전기 기기.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 고정자에서 하나의 슬롯과 외부 고정자 표면 사이의 거리가 상기 슬롯의 코일 전력의 제곱의 함수에 의존하는 것을 특징으로 하는 전기 기기.
   

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