KR20200060364A - 전기 기계용 반경방향 다중 피스 로터 - Google Patents

전기 기계용 반경방향 다중 피스 로터 Download PDF

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제임스 클라센
다미안 스파소브
브래들리 포프
제이슨 쿰
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제네시스 로보틱스 앤드 모션 테크놀로지스 캐나다, 유엘씨
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Abstract

전기 기계의 로터 또는 스테이터일 수 있는 영구 자석 캐리어는 제1 비자성 링 및 제2 비자성 링을 포함한다. 링들 사이에는 연자성 자극 요소들이 있다. 연자성 자극 요소들 각각은 제1 및 제2 비자성 링들과 연결되며, 연자성 자극 요소들은 제1 및 제2 비자성 링들에 의해 서로 분리된다. 영구 자석이 연자성 자극 요소들 사이에 배치된다.

Description

전기 기계용 반경방향 다중 피스 로터
전기 기계(electric machine).
전기 기계는 스테이터(stator) 및 로터(rotor)를 포함하는데, 로터는 로터의 자극(pole)과 상호작용하는 스테이터 내의 자극의 통전에 의해 스테이터에 대해 구동된다. 플럭스 반대 자극들을 갖는 로터에서, 전력 및 효율이 인접 자극들 사이의 플럭스 누설을 감소시키는 것이 유리하다.
전기 기계에서 플럭스 누설을 감소시키는 신규하고 명백하지 않은 방식뿐만 아니라, 전기 기계의 로터 또는 스테이터의 새로운 구성, 및 로터 또는 스테이터의 제조 방법이 개시된다. 인접 자극들 사이를 연결하는 연자성 구성요소가 없는 연자성 재료의 자극을 생성하는 것이 이상적인 구성이지만, 이는, 영구 자석들이 서로 반발하여 구성요소들이 조립 동안 항상 자신들을 밀어내려고 시도하기 때문에 달성하기가 매우 어렵다. 이러한 문제에 대한 해결책이 여기에서 제공되는데, 여기서 로터 기하학적 형상은 영구 자석들의 삽입 전에 강성 구조체가 조립 및 확립될 수 있도록 한다. 이는 로터가 조립 고정구로서 작용하게 하고, 조립 공정을 극적으로 단순화한다. 디바이스의 다른 이점은 강 포스트(steel post)의 완전한 자기 절연, 및 개별 구성요소의 저비용 제조를 위한 기회를 포함한다.
일 실시예에서, 영구 자석 캐리어(carrier)가 개시되는데, 영구 자석 캐리어는 제1 비자성 링; 제2 비자성 링; 제1 및 제2 비자성 링들에 각각이 연결되고, 제1 및 제2 비자성 링들에 의해 분리되는 연자성 자극 요소들; 및 연자성 자극 요소들 사이에 배치된 영구 자석들을 포함한다.
추가 실시예에서, 제1 및 제2 비자성 링들은 축방향으로 분리되는 링들이다. 자극 요소들은 자석들이 반경 방향으로 이동하는 것을 구속하도록 형상화된 슈 팁(shoe tip)들을 가질 수 있다. 반경 방향은 외향 반경 방향일 수 있고, 영구 자석 캐리어는, 제1 및 제2 비자성 링들에 연결되고 자석들의 반경방향 내향에 위치되는 제3 비자성 링을 추가로 포함할 수 있다. 제3 비자성 링은 허브의 일부분이다. 반경 방향은 내향 반경 방향일 수 있고, 영구 자석 캐리어는, 제1 및 제2 비자성 링들에 연결되고 자석들의 반경방향 외향에 위치되는 제3 비자성 링을 추가로 포함할 수 있다. 연자성 자극 요소들은 제1 및 제2 비자성 링들 내의 수용 슬롯들에 끼워맞춤되는 보스(boss)들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 영구 자석 캐리어를 구성하는 방법이 개시되는데, 본 방법은 연자성 자극 요소들을 수용하기 위한 슬롯들을 한정하는 정렬 링을 제공하는 단계; 상기 정렬 링에 의해 한정되는 상기 슬롯들 내에 연자성 자극 요소들을 위치시키는 단계; 제1 비자성 링을 상기 연자성 자극 요소들과 접촉시켜 상기 연자성 자극 요소들을 상기 제1 비자성 링에 연결하는 단계; 상기 제1 비자성 링에 반대편인 제2 비자성 링을 상기 연자성 자극 요소들과 접촉시켜 상기 연자성 자극 요소들을 상기 제2 비자성 링에 연결하는 단계; 상기 정렬 링을 제거하는 단계; 및 상기 연자성 자극 요소들 사이에 자석들을 삽입하는 단계를 포함한다. 제3 비자성 링을 제1 및 제2 비자성 링들에 연결하는 단계가 또한 제공될 수 있다.
일례에서, 로터가 각각의 연자성 자극을 위한 개별 구성요소들, 및 비자성 단부 링들, 및 적어도 단부 링들과 접촉하는 ID 또는 OD 링이 설치되기 전에 삽입되는 자석들을 갖는다.
이제 도면들을 참조하여 실시예들이 예로서 설명될 것이며, 도면에서 유사한 도면 부호들은 유사한 요소들을 지시한다.
도 1은 캐리어, 예를 들어 전기 기계의 로터를 위한 자성 구성요소들의 조립체를 도시한다.
도 2는 예시적인 로터 허브 상에 장착된 것으로 도시된 자석, 자석 캐리어 삽입체, 캐리어 링을 도시한다.
도 3은 전기 기계의 로터를 위한 자극 캐리어 링을 도시한다.
도 4는 영구 자석과 함께 사용하기 위한 자극 캐리어 링 슬롯 및 중심설정 양각부(embossment)를 도시한다.
도 5는 영구 자석과 함께 사용하기 위한 자석 캐리어 삽입체를 도시한다.
도 6은 축방향 및 반경방향 위치설정을 제공하기 위한 정렬 링을 사용한 로터 자극의 설치를 도시한다.
도 7은 자석 캐리어 삽입체 상으로의 자극 캐리어 링의 조립을 도시한다.
도 8은 자석 캐리어 링들 사이에 장착된, 자석 캐리어들 사이의 자석 삽입을 도시한다.
도 9는 자석 캐리어 삽입체에 의해 반경방향으로 구속되는 자석을 도시한다.
도 10은 정렬 링(원형 몰드)을 사용하여 자극 캐리어 링에 장착된 로터 자극을 도시한다.
도 11은 절단된 자극을 도시하는, 도 1의 조립체의 등각 절결도이다.
도 12는 절단된 자석을 도시하는, 도 1의 조립체의 등각 절결도이다.
도 13은 공기 채널을 도시하는, 도 2의 조립체의 등각 절결도이다.
도 14는 도 2의 도면의 확대도이다.
도 15는 테이퍼진 자석을 포함하는 조립체의 일부분의 확대된 등각 절결도이다.
청구범위에 의해 커버되는 것으로부터 벗어남이 없이 여기에서 설명되는 실시예에 대해 무형의 변경이 이루어질 수 있다. 청구범위에서, 단어 "포함하는"은 그것의 포괄적인 의미로 사용되며, 다른 요소가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 청구항 특징부 앞의 부정 관사("a" 및 "an")는 하나 초과의 특징부가 존재하는 것을 배제하지 않는다. 여기에 설명된 개별 특징부들 중 각각의 특징부는 하나 이상의 실시예에서 사용될 수 있으며, 여기서 설명된 것만으로 인해, 청구범위에 의해 한정되는 바와 같은 모든 실시예에 필수적인 것으로 해석되어서는 안 된다.
디바이스의 실시예에서, 연자성 자극들이 자기적으로 서로 격리되지만 물리적으로 서로 연결되어, 모든 관련 의도 및 목적을 위해, 로터가 하나의 피스(piece)의 재료로 제조되었던 것처럼 강성 구조체가 생성되도록 하는 구조체 및 조립 절차가 개시된다. 본 설명에서, ID는 내경을 의미하고 OD는 외경을 의미한다.
따라서, 예를 들어, 축방향으로 분리된 제1 비자성 링(12A) 및 제2 비자성 링(12B)을 포함하는, 전기 기계의 로터 또는 스테이터일 수 있는 영구 자석 캐리어(10)가 도 1에 도시되어 있다. 링들(12A, 12B) 사이에는 연자성 자극 요소들(14)이 있다. 연자성 자극 요소들(14) 각각은 제1 및 제2 비자성 링들(12A, 12B)과 접촉하고 그에 연결되며, 연자성 자극 요소들(14)은 제1 및 제2 비자성 링들(12A, 12B)에 의해 서로 분리된다. 영구 자석(16)이 연자성 자극 요소들(14) 사이에 배치된다.
이러한 조립체는, 예를 들어 도 8에 도시된 바와 같이 영구 자석(16)이 ID(또는 내부 로터 구성에서는 OD)로부터 삽입되기 전에 연자성 자극들(14) 및 비자성 단부 링들(12A, 12B)의 조립체를 생성함으로써 가능하게 된다. 그 후에, ID(또는 외부 로터 구성에서는 OD) 링(18)이 (자석이 삽입되었던 것과 동일한 ID 또는 OD 상에) 삽입된다. 이러한 제3 링(18)(이는 도 2에 도시된 바와 같은 예시적인 실시예에서 허브(36)의 일부분일 수 있음)은 바람직하게는 열 끼워맞춤(thermal fit)으로 조립되고, 모든 관련 의도 및 목적을 위해, 그가 중실 피스의 재료로 제조되었던 것처럼, 자석들의 반경방향 이동을 구속하는 것을 포함하여, 전체 조립체를 함께 보유하는 역할을 한다.
도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 제3 링(18)은 자석으로 기류를 허용하는 윈도우(38)를 포함한다. 도 13 및 도 14는 허브(36)의 구조를 더 잘 볼 수 있도록 하기 위한 도 2의 실시예의 절결도를 도시한다. 본 실시예에서, 공기는 도 4, 도 6 및 도 12에 도시된 갭(gap)(48)을 통해 자석들의 단부들 둘레를 반경방향으로 유동할 수 있다. 공기는, 또한, 본 실시예에서, 단부 링들(12A, 12B)과 단부 링들(12A, 12B)의 반경방향 내부 부분들에 있는 포스트(14)들 및 자석(16)들 사이에서 원주방향으로 유동할 수 있다. 윈도우(38)를 통한 자석으로의 기류는 만곡된 아암(50)을 포함하는 로터의 회전 이동에 의해 모터의 작동 시 유도된다.
연자성 재료는 용이하게 자화 및 탈자화되는 그러한 재료이다. 이는 전형적으로 1000 Am-1 미만의 고유 보자력(coercivity)을 갖는다. 연자성 재료의 예에는 철, 강, 연성강, 및 다양한 철 및 강 합금이 포함된다.
예시적인 로터 조립체에서, 자극들(14)은 자성 재료로 제조되고 코어 구성으로부터 분리된다. 이는 자극-대-자극 연결 구조체가 티타늄 및 알루미늄과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 고도의 자속 저항성 재료로 제조되게 하는데, 이는 자극-대-자극 자속 누설의 감소, 스테이터와 로터 사이의 공기 갭 내에서의 자속의 증가, 및 토크 및 전류당 토크(Kt)의 증가를 야기한다.
반경방향 다중 피스 로터 조립체의 예에서, 다수의 전자기 자극 요소들(14)이 비-전자기 자극 캐리어 링들(12A, 12B) 상에 기계적으로 삽입된다. 전자기 자극(14)은 강 또는 철과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 연자성 재료로 제조된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 자극은 주 자극 본체(20), 양 단부들에서 자극 캐리어 링(12A, 12B)에 정합하기 위한 고정밀 직사각형 돌출 보스(22), 및 자극(14)들 사이 내에 안착되는 직사각형 자석(16)을 위치설정하고 반경 방향으로의 자석(16)의 이동을 구속하는 연장된 슈 팁(24)을 포함한다.
도시된 실시예에서, 자극들은 인접 자극들의 벽들이 자석들을 수용하기 위한 직선 슬롯들을 한정하기 위해 평행한 정도로만 테이퍼진다. 직선 슬롯 및 슈 팁(24)에 대한 대안으로서 또는 그에 더하여, 자극들은 증가된 테이퍼를 갖고서 형상화될 수 있거나, 또는 반경방향 외부 실시예에서는, 감소된 또는 반전된 테이퍼로 형상화될 수 있다. 이는 자극들 사이의 슬롯의 테이퍼가 테이퍼진 자석을 수용하게 한다. 테이퍼진 슬롯은 자석에 대한 폭 허용오차 요건을 감소시키는 이점을 가지며, 또한 공기 갭에서 강을 최대화하고 테이퍼진 강 자극의 얇은 단부에서 자석 폭을 최대화함으로써 주어진 체적에 대해 더 큰 토크를 제공한다. 도 15는 자석(16), 자극(14) 및 하나의 자극 캐리어 링(12A)을 도시하는 확대된 등각 절결도이다. 도 15에 도시된 실시예의 자석은 테이퍼진 면(52)을 갖는다. 일부 자석 및 자극은 테이퍼진 면(52) 및 자극 캐리어 링(12A)을 더 잘 도시하기 위해 생략되어 있다. 도시된 실시예에서, 자극(14)은 여전히 슈 팁(24)을 갖지만, 테이퍼진 자석은 또한 슈 팁(24) 없이 테이퍼를 통해 단독으로 유지될 수 있다.
자극 캐리어 링들(12A, 12B) 각각은 전자기 자극(14) 상의 삽입체 또는 보스(22)에 대한 헐거운 끼워맞춤을 제공하는 고정밀 직사각형 수용 슬롯(26)을 갖는 평평한 원형 링일 수 있다. 수용 슬롯(26)은 중심설정 양각부 또는 프로파일(40)에 의해 슬롯(26)의 하나 이상의 면 상에서 경계지어질 수 있다. 양각부(40)는 자극 요소(14) 및 자석(16)의 대응하는 부분들에 맞닿거나 그와 정합할 수 있는 평평한 상부 또는 다른 구성을 갖는 링(12A, 12B)의 융기된 부분이다. 보스(22)가 슬롯(26) 내로 삽입되는 한편, 자극 요소(14)의 본체는 양각부(40)의 일부분(42)에 맞닿거나 안착된다. 자석(16)이 링들(12A, 12B) 사이에 삽입될 때, 자석(16)은 양각부(40)의 제2 부분(44)에 안착되거나 맞닿는다. 반경방향 내향 방향으로 두께가 감소되는 램프(ramp) 또는 모따기부(46)가 양각부(40) 상의 자석(16)의 위치설정 및 자석(16)의 중심설정에 도움을 준다. 양각부들(40)들 사이에 갭(48)이 제공되고, 이는 양각부(40)의 융기된 프로파일과 조합하여, 자석(16) 및 자극 요소(14) 둘레의 기류를 허용한다. 도시된 바와 같이 슬롯(26)의 2개의 면 둘레로 연장되고 평평한 것과 같은 양각부(40)의 다양한 구성이 사용될 수 있다. 자극 캐리어 링들(12A, 12B) 각각은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 구성을 가질 수 있고, 인접한 N 극과 S 극 사이에 높은 자기 저항을 제공하기 위해 알루미늄과 같은 그러나 이에 제한되지 않는 비자성 재료로 제조될 수 있다.
도 11 및 도 12는 자극(14)을 통해 절단된(도 11) 또는 자석(16)을 통해 절단된(도 12) 도면을 도시한다. 도 11은 자극 캐리어 링(12A, 12B)의 수용 슬롯(26) 내의 자극(14)의 보스(22)를 도시한다. 자극(14)과 접촉하는, 양각부(40)의 부분(42)이 또한 본 도면에서 절단되어 있다. 도 12에서, 도면의 절단부는 자석(16)을 통과하고 또한 양각부들 사이의 갭(48)을 통과한다. 자석(16)에 맞닿은 양각부(40)의 제2 부분(44)을 또한 도 12에서 볼 수 있다.
반경방향 다중 피스 로터를 조립하기 위해, 도 10에 도시된 원형 정렬 링 또는 몰드(30)가 사용되고, 자극(14)을 설계된 위치에 사전설치하고 정렬시키도록 요구될 수 있다. 원형 몰드(30)는 알루미늄으로 제조될 수 있다. 원형 몰드 내경은 로터 조립체를 완성한 후에 그것이 제거되게 하기 위해 자극 캐리어 링의 외경보다 더 클 필요가 있다. 원형 몰드는 자극 슈 팁(24)의 네거티브 프로파일인 고정밀 슬롯(32)을 포함한다.
구체화된 로터 조립체에서, 로터는 스테이터 내측에서 회전되도록 설계된다. 반경방향 다중 피스 로터를 조립하기 위해, 원형 몰드(30)는 평평한 표면 상에 배치된다(도 6). 이어서, 자극 요소(14)가 몰드(30) 내의 슬롯(32) 내로 삽입된다. 이러한 공정은 자극 캐리어 링들 중 하나(12A 또는 12B), 예를 들어, 자극 캐리어 링(12A) 내의 슬롯들을 정렬시키기 위해 모든 자극(14)을 위치시킨다. 자극 캐리어 링들(12A, 12B) 중 하나, 예를 들어, 자극 캐리어 링(12A)이 모든 자극(14) 상에 배치되어 모든 자극 삽입체(22)를 일 단부에서 링(12A)에 맞물리게 한다. 이어서, 전체 셋업이 뒤집히고, 다른 자극 캐리어 링(12B)이 또한 다른 단부 상에서 모든 자극 삽입체(22)에 배치되고 맞물린다. 일단 모든 삽입체(22)가 맞물리면, 로터 코어 조립체가 형성되고 원형 몰드(30)는 로터 코어 조립체로부터 축방향으로 제거된다.
도면에 도시된 비제한적인 예시적인 로터는 외부 스테이터 모터에 대한 것이다. 일단 로터 코어 조립체가 형성되면, 영구 자석(16)이 도 8에 도시된 바와 같이 조립체의 내경으로부터 자극 요소들(14) 사이의 슬롯에 삽입될 수 있다. 도 2는 완전한 로터 조립체를 도시한다. 자석(16)은 강 자극(14) 및 외부 링(12A, 12B)이 조립된 후에 삽입되어, 자석들(16) 사이의 구조체가 완성되게 한다. 이는 자석을 갖는 구조체를 제자리에 조립하는 어려움을 제거하는데, 이는, 특히 영구 자석이 모두 인접 자석을 밀어내기 때문에 정렬을 매우 어렵게 만들 것이다. 외부 로터 모터의 경우, 자석 보유 특징부는 반전될(여기서 도시된 예시적인 실시예와 비교하여 내측이 외부로 뒤집어질) 것이고, 자석은 자극과 단부 링이 조립된 후에 외측으로부터 삽입될 것이다.
자극 캐리어 링(12A, 12B)은, 예를 들어 도 1, 도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 그들의 ID 둘레에 위치설정 특징부(34)를 갖는다. 이러한 특징부는 제3 링(18)의 OD의 수용 특징부 내로 활주한다. 이어서, 제3 링(18) 및 허브(36)가 자극(14) 및 자극 캐리어 링(12A, 12B)에 접착제(glue) 및/또는 축방향 클램프 링(들)으로 고정된다. 도 2에 도시된 조립체는 이제, 스테이터를 갖는 전기 모터 내로 조립될 준비가 된다.

Claims (16)

  1. 영구 자석 캐리어로서,
    제1 비자성 링;
    제2 비자성 링;
    상기 제1 및 제2 비자성 링들에 각각이 연결되고, 상기 제1 및 제2 비자성 링들에 의해 분리되는 연자성 자극(pole) 요소들; 및
    상기 연자성 자극 요소들 사이에 배치된 영구 자석들을 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 비자성 링들은 축방향으로 분리되는 링들인, 영구 자석 캐리어.
  3. 제2항에 있어서, 상기 자극 요소들은 상기 자석들이 반경 방향으로 이동하는 것을 구속하도록 형상화되는, 영구 자석 캐리어.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자극 요소들은 상기 자석들이 반경 방향으로 이동하는 것을 구속하도록 형상화된 슈 팁(shoe tip)들을 갖는, 영구 자석 캐리어.
  5. 제3항에 있어서, 상기 영구 자석들은 반경방향으로 테이퍼지고, 상기 자극 요소들은 상기 테이퍼진 영구 자석들을 수용하도록 형상화된 슬롯들을 상기 자극 요소들 사이에 한정하는, 영구 자석 캐리어.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반경 방향은 외향 반경 방향이고, 상기 영구 자석 캐리어는, 상기 제1 및 제2 비자성 링들에 연결되고 상기 자석들의 반경방향 내향에 위치되는 제3 비자성 링을 추가로 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제3 비자성 링은 허브의 일부분인, 영구 자석 캐리어.
  8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반경 방향은 내향 반경 방향이고, 상기 영구 자석 캐리어는, 상기 제1 및 제2 비자성 링들에 연결되고 상기 자석들의 반경방향 외향에 위치되는 제3 비자성 링을 추가로 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연자성 자극 요소들은 상기 제1 및 제2 비자성 링들 내의 수용 슬롯들에 끼워맞춤되는 보스(boss)들을 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 자석들 둘레에 기류를 허용하도록 하는 프로파일들을 추가로 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  11. 제10항에 있어서, 상기 프로파일들은 상기 제1 비자성 링 및 상기 제2 비자성 링 중 하나 또는 둘 모두 상에 양각부(embossment)를 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  12. 제11항에 있어서, 상기 자극 요소들은 상기 프로파일들의 각각의 제1 부분들에 맞닿는, 영구 자석 캐리어.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 자석들은 상기 프로파일들의 각각의 제2 부분들에 맞닿는, 영구 자석 캐리어.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 프로파일은 상기 자석들의 삽입을 돕기 위한 램프(ramp)를 포함하는, 영구 자석 캐리어.
  15. 영구 자석 캐리어를 구성하는 방법으로서,
    연자성 자극 요소들을 수용하기 위한 슬롯들을 한정하는 정렬 링을 제공하는 단계;
    상기 정렬 링에 의해 한정되는 상기 슬롯들 내에 연자성 자극 요소들을 위치시키는 단계;
    제1 비자성 링을 상기 연자성 자극 요소들과 접촉시켜 상기 연자성 자극 요소들을 상기 제1 비자성 링에 연결하는 단계;
    상기 제1 비자성 링에 반대편인 제2 비자성 링을 상기 연자성 자극 요소들과 접촉시켜 상기 연자성 자극 요소들을 상기 제2 비자성 링에 연결하는 단계;
    상기 정렬 링을 제거하는 단계; 및
    상기 연자성 자극 요소들 사이에 자석들을 삽입하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 제3 비자성 링으로 상기 자석들의 반경방향 이동을 구속하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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