KR20210076824A

KR20210076824A - 축방향 자속 회전기기

Info

Publication number: KR20210076824A
Application number: KR1020200096184A
Authority: KR
Inventors: 이지영; 이지헌
Original assignee: 한국전기연구원
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2020-07-31
Publication date: 2021-06-24
Also published as: KR20210076825A; KR102527294B1

Abstract

본 발명은 회전기기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 축방향 자속을 이용한 전동기, 발전기 등 축방향 자속 회전기기에 관한 것이다.
본 발명은, 다수의 코일권선(310)들이 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 권선부(300)와; 상기 권선부(300)에 대하여 축방향으로 공극을 두고 설치되며, 상기 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 다수의 영구자석(210)들과, 상기 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 자석고정부(100)을 포함하며, 상기 권선부(300)에 대하여 상대회전하는 자석조립체를 포함하며, 상기 권선부(300)는, 상기 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 제1권선부(330)와; 상기 제1권선부(330)의 최내단과 연결되어 상기 회전축(400)의 축방향으로 m(m은 2 이상의 자연수) 회 권선된 후 회전축(400)과 수직을 이루는 m 층까지 권선된 후 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 제2권선부(340)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기를 개시한다.

Description

축방향 자속 회전기기 {Axial field flow rotating machine}

본 발명은 회전기기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 축방향 자속을 이용한 전동기, 발전기 등 축방향 자속 회전기기에 관한 것이다.

축방향 자속 회전기기는, 자석 또는 코일이 설치된 디스크 형상의 회전자 및 고정자로 구성되어 자기력 변화에 따라 회전구동되는 전동기 또는 발전하는 발전기를 말한다.

종래의 축방향 자속 회전기기의 예로서, 특허문헌 1, 특허문헌 2 등이 있다.

한편 종래의 축방향 자속 회전기기에 있어서, 다수의 영구자석들이 원주방향으로 배치되며, 다수의 영구자석들은 디스크 형상의 케이스에 고정설치된다.

그런데 종래의 축방향 자속 회전기기에 있어서, 영구자석들이 고정설치되는 케이스는, 철을 사용하는 경우 케이스의 자중이 증가되는 문제점이 있다.

또한 철 재질의 문제점을 해결하기 위하여 케이스 재질을 CFRP(탄소강화섬유) 재질로 대체하는 방안이 제시되는바, 케이스의 고속회전시 자석들에 의하여 가해지는 원심력을 충분히 견디기 어려운 문제점이 있다.

또한 종래의 축방향 자속 회전기기는, 특허문헌 1과 같이 전체 형상이 고리구조를 가지는 코일이 설치되는데, 코일의 단자는 외부와 연결하기 위하여 반경방향으로 연장되어야 한다.

이에 코일 단자의 도체단면적의 직경만큼 축방향 길이, 특히 공극을 증가시켜 출력을 감소시키거나 축방향 자속 회전기기의 크기를 불필요하게 증가시키는 문제점이 있다.

(특허문헌 1) KR10-1263350 B1

(특허문헌 1) KR10-2019-0020024 A

본 발명의 제1목적은, 코일 설치에 따른 축방향 길이 증가를 최소화하여 출력을 증가시키고 전체 크기를 최소화할 수 있는 축방향 자속 회전기기를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2목적은, 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여, 자중의 증가를 최소화하면서 다수의 영구자석들을 안정적으로 지지할 수 있는 자석지지구조를 가지는 축방향 자속 회전기기를 제공하는데 있다.

본 발명은 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, 다수의 코일권선(310)들이 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 권선부(300)와; 상기 권선부(300)에 대하여 축방향으로 공극을 두고 설치되며, 상기 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 다수의 영구자석(210)들과, 상기 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 자석고정부(100)을 포함하며, 상기 권선부(300)에 대하여 상대회전하는 자석조립체를 포함하며, 상기 권선부(300)는, 상기 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 제1권선부(330)와; 상기 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 상기 회전축(400)의 축방향으로 m(m은 2 이상의 자연수) 회 권선되는 축방향권선이 상기 회전축(400)과 수직을 이루는 n 층까지 권선된 후 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 제2권선부(340)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기를 개시한다.

본 발명은 또한, 다수의 코일권선(310)들이 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 권선부(300)와; 상기 권선부(300)에 대하여 축방향으로 공극을 두고 설치되며, 상기 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 다수의 영구자석(210)들과, 상기 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 자석고정부(100)을 포함하며, 상기 권선부(300)에 대하여 상대회전하는 자석조립체를 포함하며, 상기 권선부(300)는, 상기 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 제1권선부(330)와; 상기 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 상기 회전축(400)의 축방향으로 n층으로 권선되어 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 제2권선부(340)를 포함하며, 상기 제1권선부(330) 및 상기 제2권선부(340)를 한 단위의 권선부분을 형성하고, 상기 권선부분은, 축방향으로 밀접하여 복수로 배치되며, 상기 제2권선부(340)의 제2단부(312)는, 인접한 권선부분의 제1권선부(330)의 제1단부(311)와 연결되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기를 개시한다.

상기 제1권선부(330)의 권선방향과 상기 제2권선부(340)의 권선방향은, 서로 반대방향을 이룰 수 있다.

상기 제1단부(311) 및 상기 제2단부(312)는, 상기 회전축(400)을 중심으로 반경방향 끝단에 위치될 수 있다.

상기 자석고정부(100)는, 허브부(130)와, 림부(120)와, 및 원주방향으로 배치되며 상기 허브부(130) 및 상기 림부(120)를 연결하는 복수의 연결부(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기를 개시한다.

상기 자석조립체는, 상기 권선부(300)의 상면 및 저면 각각에 공극을 두고 대향되어 한 쌍으로 설치될 수 있다.

상기 허브부(130)는, 상기 회전축(400)과 결합되는 축결합공(131)이 형성되며, 한 쌍의 자석조립체의 허브부(130)는, 서로 연결될 수 있다.

상기 허브부(130)는, 반경방향으로 상기 다수의 영구자석(210)들의 일단에 대향되는 위치에서 축방향으로 더 돌출된 돌출부(132)가 형성되고, 상기 림부(120)는, 반경방향으로 상기 다수의 영구자석(210)들의 타단에 대향되는 위치에서 축방향으로 더 돌출된 림돌출부(122)가 형성되어, 상기 돌출부(132) 및 상기 림돌출부(122)에 의하여 상기 다수의 영구자석(210)들이 안착되는 안착홈을 형성할 수 있다.

상기 연결부(110)는, 원주방향으로 두 개 이상의 영구자석의 일면을 동시에 지지하도록 설치될 수 있다.

상기 연결부(110)는, 반경방향으로 가면서 상기 회전축(400)의 회전축방향에 대한 두께가 감소할 수 있다.

상기 다수의 영구자석(210)들은, 원주방향을 따라서 접선방향에 대하여 이루는 자극방향의 각도가 45°점점 증가할 수 있다.

상기 다수의 영구자석(210)들은, 원주방향을 따라서 4개씩 1조를 이루며, 1조의 영구자석의 자극방향은, 양단에 위치된 영구자석의 자극방향이 접선방향으로 서로 반대방향을 이루며 중간에 위치된 2개의 영구자석(210)들은, 양단의 영구자석(210)들의 자극방향이 서로 마주보면 상측을 향하고, 양단의 영구자석들의 자극방향이 서로 반대이면 하측을 향하도록 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 회전기기는, 전동기 또는 발전기가 될 수 있다.

본 발명에 따른 회전기기는, 본 발명의 제1목적에 따르면 코일권선이 회전축을 기준으로 회전축에 대하여 수직을 이루어 권선되는 제1권선부 및 회전축의 길이방향으로의 수회 권선된 후 제1권선부와 동일한 층을 이루어 권선되는 제2권선부로 이루어짐으로써 축방향 길이 증가를 최소화하여 전체 크기를 최소화할 수 있는 이점이 있다.

구체적으로, 본 발명에 따른 회전기기는, 코일권선을 형성함에 있어서 코일 끝단부분이 전체 코일권선에서 측방으로 위치되어 코일권선의 축방향 길이를 최소화할 수 있어 축방향 길이, 측히 회전자와의 간격을 최소화하여 전체 크기를 줄이는 한편 회전기기의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

본 발명에 따른 회전기기는, 본 발명의 제2목적에 따르면 영구자석의 지지를 위한 자석고정부를 경량화된 구조를 채택함으로써, 자중의 증가를 최소화하면서 다수의 영구자석들을 안정적으로 지지할 수 있는 이점이 있다.

도 1은, 본 발명의 제1실시예에 따른 회전기기의 주요구성을 보여주는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 회전기기의 분해사시도이다.
도 3은, 도 1의 회전기기의 평면도이다.
도 4는, 도 1의 회전기기의 일부를 보여주는 일부 사시도이다.
도 5는, 도 1의 회전기기에서 자석고정부 및 영구자석의 결합구조를 보여주는 일부 평면도이다.
도 6은, 도 1의 회전기기의 일부 종단면도이다.
도 7a 및 도 7b는, 각각 도 1의 회전기기 중 자석고정부의 변형예들을 보여주는 일부 종단면도이다.
도 8a 및 도 8b는, 도 1의 회전기기 중 영구자석의 자극방향배치를 보여주는 개념도이다.
도 9는, 도 1의 회전기기 중 권선부 중 권선코일의 배치를 보여주는 개념도이다.
도 10은, 도 9의 권선코일의 결선도의 예를 보여주는 개념도이다.
도 11은, 본 발명에 따른 축방향 자속 회전기기용 권선코일의 일예를 보여주는 사시도이다.
도 12a 내지 도 12c는, 도 11에서 B-B 방향의 단면도로서 권선지그에 권선된 상태를 보여주는 개념도들이다.
도 13은, 본 발명의 제2실시예에 따른 축방향 자속 회전기기를 보여주는 사시도이다.
도 14는, 도 13의 회전기기의 주요구성을 보여주는 사시도이다.
도 15는, 도 13의 회전기기의 분해사시도이다.
도 16a는, 도 13의 회전기기 중 자석조립체의 평면도, 도 16b는, 도 13의 회전기기 중 자석조립체의 배면도이다.
도 17은, 도 13의 회전기기 중 권선부를 보여주는 사시도이다.
도 18은, 도 13에서 Ⅶ-Ⅶ방향의 단면도이다.

이하 본 발명에 따른 축방향 자속 회전기기에 관하여 실시예 및 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 회전기는, 도 1 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 다수의 코일권선(310)들이 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 권선부(300)와; 권선부(300)에 대하여 축방향으로 공극을 두고 설치되며, 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 다수의 영구자석(210)들과, 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 자석고정부(100)을 포함하는 권선부(300)에 대하여 상대회전하는 자석조립체를 포함한다.

여기서 본 발명에 따른 회전기기는, 권선부(300) 및 자석조립체의 구조에 따라서 다양한 실시예(도 1 내지 도 6은 제1실시예, 도 13 내지 도 18은 제2실시예)가 가능하다.

그리고 본 발명에 따른 회전기기는, 도 13에 도시된 바와 같이, 권선부(300) 및 자석조립체가 내측에 설치되는 하우징(600)을 포함할 수 있다.

상기 하우징(600)은, 권선부(300) 및 자석조립체가 내측에 설치되는 구성으로서, 권선부(300) 및 자석조립체의 설치구조에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 하우징(600)은, 도 13, 도 15 및 도 17에 도시된 바와 같이, 제1하우징(610)과, 제1하우징(610)과 결합되며 권선부(300) 및 자석조립체가 내측에 설치되도록 설치공간을 형성하는 제2하우징(620)을 포함할 수 있다.

상기 제1하우징(610) 및 제2하우징(620)은, 서로 탈착가능하게 결합되며 권선부(300) 및 자석조립체가 내측에 설치되도록 설치공간을 형성하는 구성이면 어떠한 구성도 가능하다.

예로서, 상기 제2하우징(620)은, 상측이 개구되며 제1하우징(610)은 제1하우징(620)의 상측 개구를 복개하도록 설치될 수 있다.

그리고 상기 제1하우징(610) 및 제2하우징(620)은, 회전축(400)이 회전가능하게 설치될 수 있도록 각각 제1베어링(641) 및 제2베어링(642)가 설치될 수 있다.

한편 상기 회전축(400)은, 후술하는 자석조립체와 고정결합됨과 아울러 하우징(600)에 회전가능하게 설치되는 구성으로서, 자석조립체와 고정결합 구조에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 회전축(400)은, 도 13, 도 15 및 도 17에 도시된 바와 같이, 제1하우징(610)에 회전가능하게 결합되는 제1회전부분(420)과, 제1회전부분(420)과 축방향으로 결합되며 제2하우징(620)에 회전가능하게 결합되는 제2회전부분(410)을 포함할 수 있다.

상기 제1회전부분(410) 및 제2회전부분(420)은, 서로 결합되어 하나의 회전축(400)을 구성하는 구성으로서, 도 15에 도시된 바와 같이, 결합볼트(430)에 의하여 고정결합될 수 있다.

그리고 상기 제1회전부분(410) 및 제2회전부분(420)은, 후술하는 자석조립체와의 고정결합구조에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 제1회전부분(410) 및 제2회전부분(420) 중 적어도 하나는, 자석조립체, 특히 자석고정부(100)의 허브부(130)와의 결합을 위한 결합허브부(411, 421)가 형성될 수 있다.

상기 결합허브부(411, 421)는, 각각 제1회전부분(410) 및 제2회전부분(420)으로부터 반경방향으로 연장되어 자석고정부(100)의 허브부(130)와 결합되는 구성으로서, 원형상을 가질 수 있다.

그리고 상기 결합허브부(411, 421)는, 도 15 및 도 18에 도시된 바와 같이, 자석고정부(100)가 권선부(300)를 중심으로 상하로 한 쌍으로 설치된 경우 한 쌍의 자석고정부(100) 사이에 설치될 수 있다.

더 나아가 상기 결합허브부(411, 421)는, 한 쌍의 자석고정부(100)의 허브부(130)와 함께 복수의 결합볼트(미도시)에 의하여 서로 고정될 수 있다.

한편 상기 하우징(600)은, 예를 들면 측면에서 후술하는 권선부(300)로의 전원공급, 제어 등을 위한 전원연결부(630; 도 13참조)가 결합될 수 있다.

상기 전원연결부(630)는, 도 13에 도시된 바와 같이, 권선부(300)로의 전원공급, 제어 등을 위한 구성으로서, 하우징(600)의 측면 등에 결합될 수 있다.

이하 설명의 편의상 제1실시예 및 제2실시예를 혼?O하여 적절히 설명한다.

상기 권선부(300)는, 다수의 코일권선(310)들이 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 구성으로서, 전원인가에 의하여 축방향 자속을 형성하기위한 구성으로 다양한 구성이 가능하다.

참고로 도 2에서는 편의상 코일권선(310) 및 그가 설치되는 상세 구성은 도시하지 않았으며, 도 12a 내지 도 12c와 같이 다양한 실시예가 가능하다.

한편 상기 권선부(300)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 6개의 상으로 12개의 코일권선(310)을 원주방향을 따라서 배치되어 구성될 수 있다.

이때 상기 권선부(300)를 구성하는 코일권선(310)은, 도 10에 도시된 바와 같은 순서로 결선될 수 있다.

한편 상기 각 코일권선(310)의 제1단부(311) 및 제2단부(312)는, 외부 전원과의 연결 또는 다른 코일권선(310)과의 결선되어야 한다.

그런데 상기 각 코일권선(310)의 제1단부(311) 및 제2단부(312)는, 인출방향에 따라서 코일 단자의 직경만큼 축방향 길이를 증가시켜 축방향 자속 회전기기의 크기를 불필요하게 증가시키는 문제점이 있다.

이에 상기 각 코일권선(310)의 제1단부(311) 및 제2단부(312)는, 회전축(400)을 중심으로 반경방향의 끝단부분, 특히 측면에 위치되는 것이 바람직하다.

이를 위하여 상기 각 코일권선(310)은, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 바와 같이, 권선되는 것이 바람직하다.

제1실시예에 따른 권선방법에 의하여 권선되는 코일권선(310)은, 도 12a 및 도 12b에 도시된 바와 같이, 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 제1권선부(330)와; 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 회전축(400)의 축방향으로 m(m은 2 이상의 자연수) 회 권선되는 축방향권선이 회전축(400)과 수직을 이루는 n 층까지 권선된 후 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 제2권선부(340)를 포함할 수 있다.

상기 제1권선부(330)는, 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 구성으로, 코일권선(310)의 일부분이다.

특히 상기 제1권선부(330)는, -1'로 표시된 최내단 → -1 → -2' → -2 ... -4' → -4 순으로 반경방향으로 적층권선되는 부분을 이루며, 가장 외측에 제1단부(311)를 이루게 된다.

한편 상기 제1권선부(330)는, 시계방향 또는 반시계방향인 제1권선방향으로 권선된다.

상기 제2권선부(340)는, 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 회전축(400)의 축방향으로 m(m은 2 이상의 자연수) 회 권선되는 축방향권선이 회전축(400)과 수직을 이루는 n 층까지 권선된 후 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 구성으로, 코일권선(310)의 일부분이다.

여기서 상기 제2권선부(340)는, 도 12a에 도시된 바와 같이, 축방향으로 짝수의 층을 이룰 수 있으며, 이때 -1'로 표시된 최내단과 연결된 1 → 1' → 2 → 2' → 3 → 3' ... 5 → 5' → 6 → 6' ... 20 → 20' 순으로 축방향 및 반경방향으로 적층권선된 부분을 이루며, 제1단부(311)와 인접하여 위치된 제2단부(312)를 가질 수 있다.

한편 상기 제2권선부(340)는, 도 12b에 도시된 바와 같이, 축방향으로 홀수의 층을 이룰 수 있으며 이때 -1'로 표시된 최내단과 연결된 1 → 1' → 2 → 2' → 3 → 3' ... 4 → 4' → 5 → 5' ... 16 → 16' 순으로 축방향 및 반경방향으로 적층권선된 부분을 이루며, 제1단부(311)와 인접하여 위치된 제2단부(312)를 가질 수 있다.

그리고 상기 제2권선부(340)는, 제1권선부(330)의 권선방향, 즉 제1권선방향과 반대방향, 반시계방향 또는 시계방향인 제2권선방향으로 권선된다.

한편 상기 코일권선(310)의 제1단부(311) 및 제2단부(312)가 전체 형상 중 측방향으로 위치시킴에 있어서 다른 권선방법이 가능하다.

제2실시예에 따른 권선방법에 의하여 권선되는 코일권선(310)은, 도 12c에 도시된 바와 같이, 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 제1권선부(330)와; 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 회전축(400)의 축방향으로 n층으로 권선되어 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 제2권선부(340)를 포함하며, 제1권선부(330) 및 제2권선부(340)를 한 단위의 권선부분을 형성하고, 권선부분은, 축방향으로 밀접하여 복수로 배치되며, 제2권선부(340)의 제2단부(312)는, 인접한 권선부분의 제1권선부(330)의 제1단부(311)와 연결될 수 있다.

특히 상기 제1권선부(330)는, 1로 표시된 최내단 → 1' → 2 → 2' ... 4 → 4' 순으로 반경방향으로 적층권선되는 부분을 이루며, 가장 외측에 제1단부(311)를 이루게 된다.

한편 상기 제1권선부(330)는, 반시계방향 또는 시계방향인 제1권선방향으로 권선된다.

상기 제2권선부(340)는, 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 회전축(400)의 축방향으로 n층으로 권선되어 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 구성으로, 코일권선(310)의 일부분이다.

여기서 상기 제2권선부(340)는, 도 12c에 도시된 바와 같이, 축방향으로 짝수의 층을 이룰 수 있으며, 이때 1로 표시된 최내단과 연결된 -1' → -1 → -2' → -2 ... -4' → -4 순으로 반경방향으로 적층권선된 부분을 이루며, 제1단부(311)와 인접하여 위치된 제2단부(312)를 가질 수 있다.

그리고 상기 권선부(300)는, 제1권선부(330) 및 제2권선부(340)를 한 단위의 권선부분을 형성하고, 권선부분은, 축방향으로 밀접하여 복수로 배치되며, 제2권선부(340)의 제2단부(312)-도 12c에서 j1-j1, j2-j2가 연결되는 것으로 표시-는, 인접한 권선부분의 제1권선부(330)의 제1단부(311)와 연결될 수 있다.

한편 상기 제2권선부(340)는, 제1권선부(330)의 권선방향, 즉 제1권선방향과 반대방향, 시계방향 또는 반시계방향인 제2권선방향으로 권선된다.

그리고 상기 제1단부(311) 및 제2단부(312)는, 앞서 설명한 바와 같이, 회전축(400)을 중심으로 반경방향 끝단에 위치됨이 바람직하다.

한편 상기 권선부(300)는, 후술하는 자석조립체와의 상호 자력작용을 고려하여 자석조립체에 설치된 영구자석(210)들에 대응되어 다수의 코일권선(310)이 원주방향을 따라서 배치된다.

이때 상기 자석조립체는, 회전축(400) 방향을 기준으로 권선부(300)를 중심으로 상면 및 저면에 한 쌍으로 설치될 수 있으며, 이때 자석조립체는, 권선부(300)의 상면 및 저면 각각에 공극을 두고 대향되어 한 쌍으로 설치될 수 있다.

한편 도 12a 내지 도 12c에 도시된 권선코일(310)은, 도시된 바와 같이, 권선코일(310)의 권선을 위한 권선지그(500)를 이용하여 코일을 감아서 형성될 수 있다.

상기 권선지그(500)는, 도 12a 내지 도 12c에 도시된 권선코일(310)의 형성을 위하여 코일을 감기 위한 지그로서, 코일을 권선할 수 있는 구조이면 어떠한 구조도 가능하다.

특히 상기 권선지그(500)는, 권선 후 권선코일(310)의 평면형상의 형상을 이루도록 최종 형성될 권선코일(310)의 평면형상과 닮은 꼴의 평면형상을 가짐이 바람직하다.

그리고 상기 권선코일(310)의 형성을 위한 권선은, 절연재질이 코팅된 일반적인 도선이 사용되거나, 복수의 도선들이 하나의 와이어를 형성하는 리츠와이어(Litz wire)가 사용될 수 있다.

한편 도 12a 내지 도 12c를 참조하여 설명한 본 발명에 따른 권선부(300)의 권선구조는, 권선코일(310)의 고정을 위한 권선고정부(380)의 구조에 관계없이 적용이 가능하다

상기 권선고정부(380)는, 권선코일(310)의 고정설치를 위한 구성으로서, 신규한 구조를 가질 수 있으며, 도 15, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있다.

구체적으로, 상기 권선고정부(380)는, 권선코일(310)을 수용할 수 있도록 권선코일(310)의 외형에 대응되는 권선코일수용부(384)가 권선코일(310)의 설치위치 및 숫자에 대응되어 형성되도록 구성될 수 있다.

상기 권선코일수용부(384)는, 권선코일(310)의 수용을 위한 공간으로서, 권선코일(310)의 외형에 대응되는 형상으로 권선고정부(380)에 형성될 수 있다.

한편 상기 권선고정부(380)는, 앞서 설명한 하우징(600)에 고정결합됨과 아울러 권선코일(310)을 지지할 수 있는 구조를 가져야 한다.

이에 상기 권선고정부(380)는, 도 15, 도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 하우징(600)에 고정결합되는 하나 이상의 고정림부(381)와, 회전축(400)의 외주면과는 간극을 가지는 내측허브부(383)와, 권선코일수용부(384)를 형성하도록 고정림부(381) 및 내측허브부(383)를 연결하는 연결부분(386)을 포함할 수 있다.

상기 내측허브부(383)는, 자석고정부(100)가 고정결합된 회전축(400)의 회전을 방해하지 않도록 회전축(400)의 외주면과는 간극을 가지도록 형성된다.

상기 고정림부(381)는, 하우징(600)에 고정결합되는 구성으로서 하우징(600)과의 결합구조에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 고정림부(381)는, 도 18에 도시된 바와 같이, 하우징(600)과의 결합되는 부분에서 하우징(600)에 형성된 단차부분(611a, 621a)과 대응되는 단차부분(381a)가 형성되어 하우징(600)과의 견고한 결합상태를 유지할 수 있다.

여기서 상기 고정림부(381)는, 제1하우징(610) 및 제2하우징(620)과의 축방향 결합에 의하여 하우징(600)에 고정될 수 있다.

한편 상기 고정림부(381)는, 권선코일(310)의 설치가 용이하도록 각 권선코일(310)의 설치위치에 대응되는 부분에서 측방으로 개구(385)가 개구될 수 있다.

이를 위하여 상기 고정림부(381)는, 상하로 배치된 한 쌍으로 구성될 수 있으며, 후술하는 연결부분(386)에 의하여 상하로 연결된 구조를 가질 수 있다.

그리고 상기 고정림부(381)는, 후술하는 자석조립체의 자석고정부(100)의 외주면을 감싸도록 상하로 연장된 구조를 가질 수 있다.

상기 연결부분(386)은, 권선코일수용부(384)를 형성하도록 고정림부(381) 및 내측허브부(383)를 연결하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

구체적으로 상기 연결부분(386)은, 내측허브부(383)으로부터 연장되고 권선코일(310)의 측면을 지지하며 외측으로 연장되어 고정림부(381)을 연결할 수 있다.

한편 상기 권선고정부(380)는, 내측허브부(383), 고정림부(381) 및 이를 연결하는 연결부분(386)이 일체로 형성될 수 있으며, 권선코일(310)의 설치 후 에폭시 등을 이용하요 몰딩에 의하여 일체화될 수 있다.

상기 자석조립체는, 권선부(300)에 대하여 축방향으로 공극을 두고 설치되며, 권선부(300)에 대하여 상대회전하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 자석조립체는, 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 다수의 영구자석(210)들과, 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 자석고정부(100)을 포함할 수 있다.

상기 다수의 영구자석(210)들은, 권선부(300)에 설치된 다수의 코일권선(310)에 대한 축방향 자속을 형성하는 부재로서 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 다수의 영구자석(210)들은, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 부채꼴 형상으로 원주방향을 따라서 촘촘하게 배치될 수 있다.

한편 상기 다수의 영구자석(210)들은, 원주방향을 따라서 자화방향이 다르게, 소위 할박 배열(Halbach Array)을 가지도록 배치될 수 있다.

예로서, 상기 다수의 영구자석(210)들은, 도 8a에 도시된 바와 같이, 원주방향을 따라서 접선방향에 대하여 이루는 착자방향의 각도가 일정각도, 예를 드렴 45°씩 점점 증가할 수 있다.

여기서 상기 자화방향의 배치에 있어서, 원주방향을 따라서 4개씩 1조를 이루어 배치될 수 있으며, 각 조를 이루는 영구자석은 인접한 다른 조의 영구자석과이 간격이 각 조를 이루는 영구자석들 간의 간격보다 크게 형성될 수 있다.

또 다른 예로서, 상기 다수의 영구자석(210)들은, 도 8b에 도시된 바와 같이, 원주방향을 따라서 4개씩 1조를 이루며, 1조의 영구자석의 자극방향은, 양단에 위치된 영구자석의 자극방향이 접선방향으로 서로 반대방향을 이루며 중간에 위치된 2개의 영구자석(210)들은, 양단의 영구자석(210)들의 자극방향이 서로 마주보면 상측을 향하고, 양단의 영구자석(210)들의 자극방향이 서로 반대이면 하측을 향하도록 배치될 수 있다.

한편 도 8b에 도시된 자석배열의 경우 후술하는 자석고정부(100)는, 축방향으로 개구가 형성되지 않은 구조(연결부(110)의 구성보다는 영구자석들이 삽입되는 삽입홈만이 형성됨), 즉 원판형상을 가질 수 있다.

상기 자석고정부(100)는, 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.

예로서, 상기 자석고정부(100)는, 허브부(130)와, 림부(120)와, 및 원주방향으로 배치되며 허브부(130) 및 림부(120)를 연결하는 복수의 연결부(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기를 개시한다.

상기 허브부(130)는, 도 1 내지 도 7b에 도시된 바와 같이, 회전축(400)과 결합되는 등 중심지지구조를 형성하는 구성으로서, 전체적으로 원기둥형상을 가질 수 있다.

예로서, 상기 허브부(130)는, 회전축(400)과 결합되는 축결합공(131)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 자석조립체가 한 쌍으로 구성되는 경우, 한 쌍의 자석조립체의 허브부(130)는, 서로 연결될 수 있다.

상기 림부(120)는, 자석고정부(100)의 원주 가장자리를 형성하는 구성으로서 영구자석(210)에 대하여 원주방향 타단을 지지하도록 구성된다.

한편 상기 허브부(130)는, 반경방향으로 다수의 영구자석(210)들의 일단에 대향되는 위치에서 축방향으로 더 돌출된 돌출부(132)가 형성되고, 이때 림부(120)는, 반경방향으로 다수의 영구자석(210)들의 타단에 대향되는 위치에서 축방향으로 더 돌출된 림돌출부(122)가 형성되어, 돌출부(132) 및 림돌출부(122)에 의하여 다수의 영구자석(210)들이 안착되는 안착홈을 형성할 수 있다.

여기서 상기 영구자석(210)은, 반경방향으로 허브부(130)의 돌출부(132)와 밀접되거나 간격을 두고 설치될 수 있다.

상기와 같은 구조에 의하여 상기 다수의 영구자석들(210)들은, 돌출부(132) 및 림돌출부(122)에 의하여 형성되는 안착홈에 배치됨으로써 안정적으로 지지될 수 있다.

상기 복수의 연결부(110)는, 원주방향으로 배치되며 허브부(130) 및 림부(120)를 연결하는 구성으로서 다양한 구성이 가능하다.

상기 복수의 연결부(110)는, 회전시 영구자석(210)들의 반경방향 원심력을 충분히 견딜 수 있도록 허브부(130) 및 림부(120)를 연결하는 구성으로서 원주방향을 따라서 적절한 수로 배치될 수 있다.

상기 복수의 연결부(110)는, 3개, 4개 등 적절한 수로 배치될 수 있으며, 축방향으로 보았을 때 전체 원의 면적 대비 적절한 비율로 하여 결정될 수 있다.

상기 연결부(110)는, 원주방향으로 두 개 이상의 영구자석의 일면을 동시에 지지하도록 설치될 수 있으며 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 연결부(110)는, 도 7a에 도시된 바와 같이, 반경방향 외측으로 가면서 회전축(400)의 회전축방향에 대한 두께가 감소할 수 있다.

상기와 같이 연결부(110)를 반경방향 외측으로 가면서 회전축(400)의 회전축방향에 대한 두께가 감소하도록 구성하면 구조적 강도를 유지하면서 전체 자중을 감소시킬 수 있게 된다.

그리고 상기 자석고정부(100)의 재질, 특히 연결부(110)의 재질은 전기강판의 재질을 가질 수 있다.

한편 상기 자석고정부(100)에 설치된 영구자석(210)들은, 권선부(300)에 대하여 공극을 두고 설치되는바, 자석고정부(100)에 영구자석(210)들이 안정적으로 설치될 필요가 있다.

이에, 상기 자석고정부(100)는, 도 7b에 도시된 바와 같이, 영구자석(210)들이 설치된 상태에서 권선부(300)에 대하여 일정한 공극을 유지할 수 있도록 커버부(160)가 결합될 수 있다.

상기 커버부(160)는, 자석고정부(100)가 권선부(300)에 대향되는 면이 권선부(300)에 대하여 일정한 공극을 유지할 수 있도록 자석고정부(100)에 결합되는 구성으로서, 그 결합구조 및 재질에 따라서 다양한 구성이 가능하다.

일예로서, 상기 커버부(160)는, 자석고정부(100)가 권선부(300)에 대향되는 면이 권선부(300)에 대하여 일정한 공극을 유지하는 부재로서, 알루미늄 재질, 플라스틱 재질, CFRP 필름 등 비자성체 재질을 가질 수 있다.

이때 상기 커버부(160)는, 자석고정부(100)에 대하여 압입에 의한 결합, 용접에 의한 결합, 볼팅에 의한 결합 등 다양한 방법에 의하여 결합될 수 있다.

또한 상기 커버부(160)는, 자석고정부(100)와 일체로 형성될 수 있으며, 이때 커버부(160)와 일체화되고 연결부(110)가 형성됨에 있어서 하나의 부재에서 기계가공에 의하여 형성되거나, 금형을 이용하여 형성될 수 있다.

그리고 상기 커버부(160)는, 영구자석(210)들을 안정적으로 지지할 수 있는 구조가 바람직하며, 원판구조, 캔구조 등 다양한 구조를 가질 수 있다.

한편 상기 커버부(160)가 추가로 포함될 때, 영구자석(210)들은, 다양한 방법에 의하여 설치될 수 있다.

특히 상기 커버부(160)가 자석고정부(100)에 결합된 후에 영구자석(210)들을 끼워넣거나, 커버부(160) 및 자석고정부(100)가 일체화된 구조에서 영구자석(210)들을 끼워넣어 조립하는 방식이 바람직하다. 이는 영구자석(210)들의 조립이 용이하며, 커버부(160)와의 축방향 자력 및 커버부(160)의 축방향 반력 지지로 인하여 영구자석(210)들의 이탈방지을 방지할 수 있기 때문이다.

한편 도 7b에서 도면부호 172, 173은, 자석고정부(100)를 관통하여 형성된 홀들을 가리키는 도면부호로서 공기유동을 유도하여 권선부(300) 등의 냉각을 유도할 수 있다.

또한 도 7b에서 도면부호 171은, 권선부(300)를 중심으로 상하로 배치된 한 쌍의 자석고정부(100)를 결합시키는 볼트를 가리킨다.

한편 상기 자석조립체, 특히 자석고정부(100)는, 도 1 내지 도 7b에 도시된 제1실시예의 회전기기의 자석고정부의 구조와는 달리, 도 14 내지 도 18에 도시된 바와 같은 구조를 가질 수 있다.

구체적으로, 상기 자석고정부(100)는, 영구자석(210)의 고정을 위한 다양한 구조를 가질 수 있으며, 도 14 내지 도 18에 도시된 바와 같이 영구자석(210)의 위치고정을 위한 하나 이상의 위치지정돌기(140)가 배면에 설치되는 판형 디스크 구조를 가질 수 있다.

그리고 상기 자석고정부(100)는, 구조적 강성을 보강하기 위하여 복수의 리브(150)가 상면에 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 회전기기는, 영구자석들로 이루어진 회전자, 즉 자석조립체 및 권선코일로 구성된 고정자를 포함한 구성의 예를 들어 설명하였으며, 방식에 따라서 전동기 또는 발전기로 사용될 수 있다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

100 : 자석고정부 210 : 영구자석
300 : 권선부

Claims

다수의 코일권선(310)들이 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 권선부(300)와;
상기 권선부(300)에 대하여 축방향으로 공극을 두고 설치되며, 상기 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 다수의 영구자석(210)들과, 상기 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 자석고정부(100)을 포함하며, 상기 권선부(300)에 대하여 상대회전하는 자석조립체를 포함하며,
상기 권선부(300)는,
상기 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 제1권선부(330)와;
상기 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 상기 회전축(400)의 축방향으로 m(m은 2 이상의 자연수) 회 권선되는 축방향권선이 상기 회전축(400)과 수직을 이루는 n 층까지 권선된 후 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 제2권선부(340)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
다수의 코일권선(310)들이 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 권선부(300)와;
상기 권선부(300)에 대하여 축방향으로 공극을 두고 설치되며, 상기 회전축(400)을 기준으로 원주방향을 따라서 배치되는 다수의 영구자석(210)들과, 상기 다수의 영구자석(210)들이 고정되는 자석고정부(100)을 포함하며, 상기 권선부(300)에 대하여 상대회전하는 자석조립체를 포함하며,
상기 권선부(300)는,
상기 회전축(400)과 수직을 이루어 n(n은 2 이상의 자연수) 층으로 권선되어 최외곽에 제1단부(311)를 가지는 제1권선부(330)와;
상기 제1권선부(330)의 최내단과 연결되고, 상기 회전축(400)의 축방향으로 n층으로 권선되어 최외곽에 제2단부(312)를 가지는 제2권선부(340)를 포함하며,
상기 제1권선부(330) 및 상기 제2권선부(340)를 한 단위의 권선부분을 형성하고,
상기 권선부분은, 축방향으로 밀접하여 복수로 배치되며,
상기 제2권선부(340)의 제2단부(312)는, 인접한 권선부분의 제1권선부(330)의 제1단부(311)와 연결되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1권선부(330)의 권선방향과 상기 제2권선부(340)의 권선방향은, 서로 반대방향인 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 제1단부(311) 및 상기 제2단부(312)는, 상기 회전축(400)을 중심으로 반경방향 끝단에 위치된 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 자석고정부(100)는, 허브부(130)와, 림부(120)와, 및 원주방향으로 배치되며 상기 허브부(130) 및 상기 림부(120)를 연결하는 복수의 연결부(110)를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 자석조립체는, 상기 권선부(300)의 상면 및 저면 각각에 공극을 두고 대향되어 한 쌍으로 설치된 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 허브부(130)는, 상기 회전축(400)과 결합되는 축결합공(131)이 형성되며, 한 쌍의 자석조립체의 허브부(130)는, 서로 연결된 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 허브부(130)는, 반경방향으로 상기 다수의 영구자석(210)들의 일단에 대향되는 위치에서 축방향으로 더 돌출된 돌출부(132)가 형성되고, 상기 림부(120)는, 반경방향으로 상기 다수의 영구자석(210)들의 타단에 대향되는 위치에서 축방향으로 더 돌출된 림돌출부(122)가 형성되어, 상기 돌출부(132) 및 상기 림돌출부(122)에 의하여 상기 다수의 영구자석(210)들이 안착되는 안착홈을 형성하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 8에 있어서,
상기 연결부(110)는, 원주방향으로 두 개 이상의 영구자석의 일면을 동시에 지지하도록 설치된 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 8에 있어서,
상기 연결부(110)는, 반경방향으로 가면서 상기 회전축(400)의 회전축방향에 대한 두께가 감소하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 다수의 영구자석(210)들은, 원주방향을 따라서 접선방향에 대하여 이루는 자극방향의 각도가 45°점점 증가하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 다수의 영구자석(210)들은, 원주방향을 따라서 4개씩 1조를 이루며,
1조의 영구자석의 자극방향은, 양단에 위치된 영구자석의 자극방향이 접선방향으로 서로 반대방향을 이루며 중간에 위치된 2개의 영구자석(210)들은, 양단의 영구자석(210)들의 자극방향이 서로 마주보면 상측을 향하고, 양단의 영구자석들의 자극방향이 서로 반대이면 하측을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
전동기 또는 발전기인 것을 특징으로 하는 축방향 자속 회전기기.