KR20170128458A - 영구 자석들 사이에 끼워진 smc 블록들을 구비한 외부 로터 전기 머신 - Google Patents

영구 자석들 사이에 끼워진 smc 블록들을 구비한 외부 로터 전기 머신 Download PDF

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KR20170128458A
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뤼셍 시
알비 가라카니
마뗑 울
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Abstract

영구 자석들 사이에 삽입된 SMC 블록들이 있는 외부 로터 전기 머신이 제공된다. 외부 로터 전기 머신은 내부 스테이터와 외부 원통형 로터를 가진다. 로터의 내부 표면에는 영구 자석들과 SMC 블록들이 장착된다.

Description

영구 자석들 사이에 끼워진 SMC 블록들을 구비한 외부 로터 전기 머신
본 개시는 외부 로터 전기 머신에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 개시는 보다 적은 영구 자석을 필요로 하는 외부 로터 전기 머신에 관한 것이다.
희토류 영구 자석(rare-earth permanent magnets)을 사용하는 전기 모터들은 우수한 성능으로 인해 다양한 장치 및 어셈블리에 사용된다. 그러나 지구의 자원은 무한하지 않으며 희토류 영구 자석은 매우 비싸지고 있다. 따라서, 전기 모터들에 있어서 희토류 영구 자석들의 이용을 저감시키기 위한 연구가 진행되고 있다.
도 1은 예시적 실시예에 따른 외부 로터 전기 머신의 측단면도이고,
도 2는 제1 예시적 실시예에 따른 외부 로터 전기 머신의 전방 단면 정면도이고,
도 3은 제2 예시적 실시예에 따른 외부 로터 전기 머신의 전방 정면도이고,
도 4는 제3 예시적 실시예에 따른 외부 로터 전기 머신의 전방 정면도이고,
도 5는 제4 예시적 실시예에 따른 외부 로터 전기 머신의 사시도이다.
일반적으로, 인접한 영구 자석들 사이의 공간을 증가시키거나, 자석의 크기를 감소시키거나, 예를 들어, SMC (Soft Magnetic Composite: 연자성 혼합물) 또는 자성분말들과 같은 연질의 자성 재료(강자성 재료(ferromagnetic material)로도 알려짐)의 블록들을 그들 사이에 삽입시켜서, 외부 로터 전기 머신(external rotor electric machine)에 사용되는 영구 자석의 양을 감소시키는 것이 제안된다. 상기 블록들은 본 개시 및 첨부된 청구범위에서 "SMC 블록"으로 지칭될 것이다. SMC 블록들의 이러한 추가에 의해 횡축 릴럭턴스(quadrature axis reluctance)가 감소되는데, 이는 횡축 플럭스 경로에 있어서 에어 갭 두께(air gap thickness)를 감소시키기 때문이다. 따라서 이에 의해 보다 강한 추가적인 릴럭턴스 토오크(stronger supplemental reluctance torque)가 발생되고, 이는 성능의 향상으로 이어진다.
분말 야금(powder metallurgy)을 이용함으로써 인접한 영구 자석들 사이에 위치되기에 적절한 SMC 블록들을 제조하는 것이 가능하고, 이에 따라 외부 로터 전기 머신에서 영구 자석들의 일부를 대체할 수 있다는 것을 발견하게 되었다. 리오 틴토(Rio Tinto)에 의해 제작된 아토멧 1(ATOMET 1) 및 아토멧 3(ATOMET 3)과 같은 자성 분말들이 SMC 블록들을 제작하는데 적합하다는 것을 발견하게 되었다.
예시적인 실시예에 따르면, 내부 스테이터 및 내부 스테이터와 동축인 외부 로터를 포함한 외부 로터 전기 머신이 제공된다. 외부 로터는 내부 스테이터를 향하는 내부 표면, 적어도 2개의 영구 자석들 및 적어도 2개의 SMC 블록들을 포함한다. 영구 자석들 및 SMC 블록들은 로터의 내부 표면상에 원주 방향의 열로 교대로 위치된다.
"단수형 표현(a 또는 an)"의 이용이 청구항들 및/또는 명세서에서 용어 "포함하는"과 함께 이용될 때, 그것은 "하나"를 의미할 수 있지만, 그것은 또한 "하나 이상", "적어도 하나" 및 "하나 또는 하나 초과"의 의미와도 일치한다. 유사하게, "다른(another)"이란 용어는 적어도 2번째 이상을 의미할 수 있다.
본 명세서 및 청구항(들)에 이용된 용어 "포함하는(comprising)" (및 "포함하다"와 같은 "포함하는"의 임의 형태), "가지는(having)" (및 "가지다"와 같은 "가지는"의 임의 형태), "구비하는(including)" (및 "구비하다"와 같은 "구비하는"의 임의 형태) 또는 "함유하는(containing)" (및 "함유하다"와 같은 "함유하는"의 임의 형태)은, 포괄적이거나(inclusive) 제한이 없으며(open-ended), 추가적이거나 언급되지 않은 요소들 또는 프로세스 단계들을 배제하지 않는다.
본 명세서 및 첨부된 청구항들에서, "길이방향", "수평", "전방", "후방", "상향", "하향" 등과 같이 본질적으로 방향적, 기하학적 및/또는 공간적인 여러 용어가 이용된다. 그러한 용어는 설명의 편의를 위해 상대적 의미로만 이용되는 것으로 이해되어야 하며, 어떤 식으로든 본 개시의 범위에 대하여 한정하는 것으로 취해진 것은 아니다.
"연결된"이란 표현은 본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 기계적 부분들 또는 요소들 사이의 협력적이거나 수동적인 관련을 포함하도록 넓게 해석되어야 한다. 예를 들면, 그러한 부분들은 직접적인 연결에 의해 함께 조립되거나 추가적인 부분들을 이용하여 간접적으로 연결될 수 있다. 이러한 연결은 예를 들면 자기장 등을 이용하여 원격적으로도 이루어질 수 있다.
감소된 양의 영구 자석들을 갖는 본 외부 로터 전기 머신의 다른 목적들, 장점들 및 특징들은 첨부된 도면들을 참조하여 단지 예시적으로 주어진, 그의 예시적인 실시예들의 이하 비한정적인 설명을 읽음으로써 보다 명확해질 것이다.
이제 첨부된 도면들을 참조하면, 도 1에는 외부 로터 전기 머신(10)의 측단면도가 도시된다. 전기 머신(10)은 적층된 라미네이션들(stacked laminations)로 이루어진 내부 스테이터(12)를 포함하며, 외측으로 향하는 슬롯들(slots)(17)에 통상적으로 위치되는 코일들(16)(도 2에 개략적으로 도시됨)이 제공된다. 또한, 전기 머신(10)은 영구 자석들(22, 23) 및 SMC 블록들(24)이 설치된 내부 표면(20)을 가진 외부 실린더형 로터(18)를 포함한다. 영구 자석들"22"은 스테이터(12)를 향하는 N극을 가지고, 영구 자석들"23"은 스테이터(12)를 향하는 S극을 가진다.
전기 머신(10)의 전방 정면도인 도 2로부터 잘 알 수 있는 바와 같이, SMC 블록들(24) 및 영구 자석들(22, 23)은 로터(18)의 내부 표면(20)에 교대로 설치된다.
통상의 기술자라면, SMC 블록들(24)과 로터(18)의 내부 표면(20) 사이에, 그리고 영구 자석들(22, 23)과 로터(18)의 내부 표면(20) 사이에 접착제(adhesive)(미도시)가 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대안적으로, 다른 기계적인 요소들(미도시)이 SMC 블록들(24)과 영구 자석들(22, 23)을 로터(18)에 적절하게 설치하는데 이용될 수 있다.
전기 머신(10)에 있어서, SMC 블록(24)과 영구 자석(22, 23)은 동일한 치수 및 형상을 갖는다. 따라서, 영구 자석 재료는 모두 영구 자석들로 되어 있는 유사한 머신과 비교하여 50%정도 감소하게 된다.
또한, 도 2에서는 직접축 플럭스 경로(26)와 횡축 플럭스 경로(28)가 도시되어 있다. SMC 블록들(24)의 추가에 의해 에어 갭 두께(air gap thickness)가 감소된다. 따라서, SMC 블록들(24)의 추가에 의해 릴럭턴스 토크(reluctance torque)는 증가된다. 이에 따라, 입력 전압(input voltage)의 증가 없이도 전기 머신의 총 토크는 증가하게 된다.
이제, 첨부된 도면의 도 3을 참조하여 제2 예시적인 실시예에 따른 전기 머신(100)을 설명할 것이다. 상기 전기 머신(100)은 도 1 및 도 2의 전기 머신(10)과 매우 유사하기 때문에, 설명을 간결하게 하기 위하여 이하에서는 이들의 차이점을 중심으로 설명할 것이다.
전기 머신(100)에 있어서, 영구 자석들(122, 123)은 SMC 블록들(124)과 동일한 크기 및 형상이 아니다.
통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 자석들의 프로파일은 에어 에서 사인파와 같은 자속 분포(sinewave-liked flux distribution)를 생성하고, 이는 코깅 토크(cogging torque), 역기전력(back EMF)의 고조파 및 토크 리플(torque ripple)을 감소시킨다. SMC 블록들(124)의 추가는 횡축의 에어 갭을 감소시키고, 이에 따라 릴럭턴스를 감소시킨다. 따라서, 방사 방향(radial direction)으로의 SMC 블록들(124)의 형상 및 크기는 관계가 없다. 그러나 원주 방향에서 SMC 블록들(124)의 크기는 자석들 및 SMC 블록들을 배치할 수 있도록 적절하게 선택되어야 한다.
통상의 기술자라면, 자석의 양을 가능한 많이 줄이면서, 자석들 및 SMC 블록들의 형상 및 크기가 설계 과정 중에 특정 적용 요건을 충족시키도록 최적화될 수 있음을 이해할 것이다.
제2 예시적인 실시예에서, 단지 영구 자석들만을 사용하는 종래의 머신과 비교하여 영구 재료(permanent material)의 양이 약 30% 감소되었다.
통상의 기술자라면, 영구 자석들 및 SMC 블록들의 크기를 변화시킴으로써 영구 자석 재료의 감소량을 변화시킬 수 있음을 이해할 것이다.
이제 첨부된 도면의 도 4을 참조하여 제3 예시적인 실시예에 따른 외부 로터 전기 머신(200)을 설명할 것이다. 상기 전기 머신(200)은 전술한 전기 머신들(10, 100)과 매우 유사하기 때문에, 설명을 간결하게 하기 위하여 이하에서는 이들의 차이점을 중심으로 설명할 것이다.
전기 머신(200)에 있어서, 영구 자석들(222, 223)은 동등하게 이격되지 않으며, 결과적으로, SMC 블록들(224A, 224B)은 2개의 크기가 존재한다.
실제로, 머신(200)에서 코깅 토크 및 토크 리플을 더 감소시키기 위해, 영구 자석들(222, 223)이 로터(18)의 내부 표면(20)상에 동등하게 이격되지 않는다. 이 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 스테이터(12)를 향하는 N극을 가진 2개의 일련의 자석들(222)를 분리시키는 360도 전기 각도(226)는 그들 사이에 위치된 자석(223)에 의해 2개로 통상적으로 분할되지 않는다. 이에 따라 극(pole)들이 시프팅된다.
극들의 각도 시프팅은 전기 머신의 설계 요구조건들에 의존한다. 일반적으로 말해서, 6번째 토크 고조파를 저감시키기 위해 30도 전기 각도 시프팅이 선택되고, 12번째 고조파를 저감시키기 위해 15도 전기 각도 시프팅이 선택된다.
도 4에 도시된 경우에 있어서, 12번째 고조파에서 코깅과 토오크 리플 감소가 요구되기 때문에, 이러한 구성에 있어서 15도 극 시프팅이 적용된다. 실제로, 전기 각도 시프팅(228)은 종래의 180도가 아닌, 165도이다.
따라서, SMC 블록들(224A,224B)은, 인접한 SMC 블록들과 자석들 사이에서 실질적으로 동등한 거리를 유지하는 동일한 크기는 아니다. SMC 블록(224A)은 SMC 블록(224B)보다 작다. 따라서, SMC 블록(224A)은 작은 SMC 블록으로 여겨질 수 있으며, SMC 블록(224B)은 큰 SMC블록으로 여겨질 수 있다.
이제 첨부된 도면의 도 5를 참조하여 제4 예시적인 실시예에 따른 전기 머신(300)을 설명할 것이다. 상기 전기 머신(300)은 전술한 전기 머신들(10, 100, 200)과 매우 유사하기 때문에, 설명을 간결하게 하기 위하여 이하에서는 이들의 차이점을 중심으로 설명할 것이다.
이 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이, 로터(302)의 내부 표면은 자석들(222, 223) 및 SMC 블록들(224A, 224B)로 이루어지는 4개의 원주 방향 열들을 포함한다. 각 열은 도 4에 도시된 제3 실시예와 유사하다.
그러나 각 열은 앞에서 설명한 길이 방향으로 인접한 열에 대하여 각지게 시프팅된다. 이 각도 시프팅은 제4 실시예에 따라 3도이지만, 다른 각도 시프팅도 고려될 수 있다.
한 열의 세그먼트에서 다음 열의 세그먼트로의 시프팅은 코깅 토크 및 토크 리플을 더욱 감소시키는 것으로 나타났다.
통상의 기술자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본 명세서에서 도시되고 상술한 전기 머신들(10, 100, 200, 300)은 개략적이며 그들의 작동을 위해 요구되는 다수의 요소들이 결여되어 있다. 실제로, 감소된 양의 영구 자석들을 구비하는 외부 로터 전기 머신의 이해와 관련된 요소들만이 도시되고 논의되었다.
감소된 양의 영구 자석들을 갖는 외부 로터 전기 머신은 첨부된 도면들에 도시되고 본 명세서에서 상술한 부분들과 구조의 상세점들에 대한 그 적용에 한정되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 감소된 양의 영구 자석들을 갖는 외부 로터 전기 머신은 다른 실시예들 및 여러 방식으로 실행될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어나 자구는 설명의 목적을 위한 것이지 한정을 위한 것이 아닌 것으로 이해되어야 한다. 그러므로, 감소된 영구 자석들을 갖는 외부 로터 전기 머신이 상술한 바와 같이 그의 예시적인 실시예들에 의해 설명되었지만, 이것은 그 사상, 범위 및 본질을 벗어나지 않으면서 수정될 수 있다.

Claims (12)

  1. 내부 스테이터; 및
    상기 내부 스테이터와 동축인 외부 로터를 포함하고,
    상기 외부 로터는 상기 내부 스테이터를 향하는 내부 표면을 포함하고,
    상기 외부 로터는 적어도 2개의 영구 자석들 및 적어도 2개의 SMC 블록들을 포함하고,
    상기 영구 자석들 및 상기 SMC 블록들은 상기 외부 로터의 내부 표면상에 원주 방향의 열로 교대로 위치된 외부 로터 전기 머신.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들 및 상기 적어도 2개의 SMC 블록들은 동일한 형상 및 크기로 이루어진 외부 로터 전기 머신.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들의 형상 및 크기는 상기 적어도 2개의 SMC 블록들의 형상 및 크기와 다른 외부 로터 전기 머신.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들 중 절반은 상기 내부 스테이터를 향하는 N극을 갖도록 상기 외부 로터의 내부 표면에 설치되고, 상기 적어도 2개의 영구 자석들 중 나머지 절반은 상기 내부 스테이터를 향하는 S극을 갖도록 상기 외부 로터의 내부 표면에 설치된 외부 로터 전기 머신.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 영구 자석들 및 상기 SMC 블록들은 내부 스테이터를 향하는 N극을 갖는 영구 자석, SMC 블록, 내부 스테이터를 향하는 S극을 갖는 영구 자석 및 SMC 블록의 순서대로 원주 방향으로 위치된 외부 로터 전기 머신.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 SMC 블록들 중 절반은 작은 SMC 블록들이고, 상기 적어도 2개의 SMC 블록들 중 나머지 절반은 큰 SMC 블록들인 외부 로터 전기 머신.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들 중 절반은 상기 내부 스테이터를 향하는 N극을 갖도록 상기 로터의 내부 표면에 설치되고, 상기 적어도 2개의 영구 자석들 중 나머지 절반은 상기 내부 스테이터를 향하는 S극을 갖도록 상기 로터의 내부 표면에 설치된 외부 로터 전기 머신.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들 및 상기 적어도 2개의 SMC 블록들은 내부 스테이터를 향하는 N극을 갖는 영구 자석, 작은 SMC 블록, 내부 스테이터를 향하는 S극을 갖는 영구 자석 및 큰 SMC 블록의 순서대로 원주 방향으로 위치된 외부 로터 전기 머신.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들 및 상기 적어도 2개의 SMC 블록들을 포함하는 적어도 2개의 길이방향으로 인접한 원주 방향 열들을 포함하고, 각각의 원주 방향 열은 길이방향으로 인접한 원주 방향 열에 대해 각지게 시프팅되도록 상기 외부 로터의 내부 표면에 위치된 외부 로터 전기 머신.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들 및 상기 적어도 2개의 SMC 블록들로 이루어지는 4개의 길이방향으로 인접한 원주 방향 열들을 포함하는 외부 로터 전기 머신.
  11. 제 1 항에 있어서,
    각각의 열이 상기 적어도 2개의 영구 자석들 및 상기 적어도 2개의 SMC 블록들을 포함하는 적어도 2개의 인접한 원주 방향 열들을 포함하고, 각각의 원주 방향 열은 길이방향으로 인접한 원주 방향 열에 대해 각지게 시프팅되도록 상기 외부 로터의 내부 표면에 위치된 외부 로터 전기 머신.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 적어도 2개의 영구 자석들 및 상기 적어도 2개의 SMC 블록들로 이루어지는 4개의 길이방향으로 인접한 원주 방향 열들을 포함하는 외부 로터 전기 머신.
KR1020177029176A 2015-03-17 2016-03-14 영구 자석들 사이에 끼워진 smc 블록들을 구비한 외부 로터 전기 머신 KR20170128458A (ko)

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