KR100870738B1 - 에이에프피엠 코어리스형 멀티 발전기 및 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 AFPM 코어리스형 멀티 발전기 및 모터에 관한 것으로서, 스테이터는, 비자성체로 이루어진 상하부 지그판 사이에 코일들을 배열 설치하고, 상기 상하부 지그판 사이의 코일이 설치된 공간부에 냉각 절연유를 채워넣고 측면 지그판으로 밀봉하며, 상기 발전기의 하우징에 열전도가 이루어지도록 일측 측면 지그판을 연결 설치되며, 상기 로터는, 자성체로 이루어진 로터 디스크에 원호상으로 자석을 배열 설치하고, 자석이 설치된 내측 중앙부분에 소정 높이로 돌출 되게 요크부가 일체형으로 형성되며, 상기 로터 디스크가 상기 회전축에 고정설치되고, 상기 일체형 요크부가 대응되는 이웃하는 다른 로터의 일체형 요크부와 서로 맞물려 자기장의 통로역할을 하도록 코어리스형 발전기가 구성되며, 로터와 스테이터는 멀티 구조로 배열설치되고, 동일 구성으로 모터로서도 적용가능한 특징이 있다.

발전기, 코어리스, 방열, 요크, 멀티, AFPM

Description

에이에프피엠 코어리스형 멀티 발전기 및 모터{AFPM coreless multi-generator and motor}

도 1은 본 발명에 의한 AFPM 코어리스형 멀티 발전기의 단면 구조도이다.

도 2는 본 발명에 의한 스테이터의 요부 단면 구성도이다.

도 3은 본 발명의 로터의 요크 구조를 설명하기 위한 단면도이다

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전축 21 : 상하 하우징

22 : 측면 하우징 30 : 로터

31 : 로터 디스크 32 : 자석

33 : 요크부 34 : 결합부

40 : 스테이터 41 : 상하 지그판

43 : 코일 45 : 측면판

47 : 냉각 절연유

본 발명은 축방향 자속의 영구자석형 코어리스(이하, 'AFPM 코어리스형'이라 칭 함)(Axial-Flux-Permanent Magnet Coreless) 멀티 발전기 및 모터에 관한 것으로서, 특히 멀티 로터와 멀티 스테이터 구조에서 코일에서 발생되는 열을 냉각 절연유를 이용해 스테이터판에 전도시키고 그 스테이터판의 열을 하우징으로 전도시켜 방열시키도록 한 AFPM 코어리스형 멀티 발전기 및 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 발전기는 로터와 스테이터가 구비되고, 로터에는 다수의 자석을 로터 디스크에 배열 설치하여 회전 축에 고정설치되고, 스테이터는 상기 로터와 격간으로 설치되고, 로터의 회전에 의해 발생되는 자기력선에 의해 전압이 유기되는 코일을 스테이터 디스크에 배열설치하며, 스테이터는 발전기 하우징에 고정설치되는 구조로 구성된다. 이와 같은 기본적인 발전기의 구조는 상기 회전축에 외부 회전동력이 전달되어 스테이터의 코일로 유기되는 전력을 출력시키는 것이다.

그런데, 외부 회전력에 의해 상기 회전축이 회전되어 로터가 회전되고, 로터에 설치된 자석에 의해 유도되는 자기장이 스테이터의 코일에 유기되면서 코일에서 출력을 얻게 되나, 이때 코일에서는 유도되는 자기장에 의해 전력이 유기됨과 아울러 열이 발생된다.

그러나, 종래의 발전기에 사용되는 권선은 스테이터 디스크에 코일을 자극수에 의해 배열 설치하고, 절연 수지로 몰딩시켜 구성하고 있다. 그러므로, 권선에서 발생되는 열은 몰딩 수지를 통해서 방열 된다. 그렇지만 몰딩 수지는 열전도가 잘 되지 않기 때문에 방열 효과가 떨어지고, 소형 발전기에서는 크게 문제되지는 않으나 출력이 커질수록 열 발생도 커져서 발전기에 악영향을 미치게 된다.

종래에 초대형 발전기에서는 별도의 방열수단으로서 권선이 설치된 스테이터 외곽에 수냉식 방열구조를 설치하거나, 권선과 함께 냉각수 관을 함께 권회시켜 권선 자체를 냉각시키는 구조등을 채택하고 있으나, 이러한 방열구조는 초대형 발전기에나 적용될 수 있고 일반 산업용 모터(10KW급 ~ 50KW)에서는 적용될 수 없는 구조이고, 통상의 산업용 발전기에서는 별도의 방열구조를 채택하지 못하고, 발전기 외부에 송풍팬을 설치한다든지 하는 외적인 방열방식을 채택하는 정도였다. 특히 코어가 없는 구조 즉, 코어리스형 스테이터에서는 방열 구조가 없어서 열 발생으로 인한 문제점이 커진다.

또한, 발전기의 구조와 동일 구성으로 전류를 코일에 공급하여 회전축으로 회전동력을 출력하게 하는 모터의 구조에 있어서도 스테이터에 설치된 코일의 방열문제가 성능이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 발전기의 방열에 대한 문제점을 감안하여 코어리스형 스테이터 구조의 발전기에서 권선에서 발생되는 열을 스테이터의 외표면으로 전달시켜 방열시킬 수 있도록 한 방열구조를 구비한 AFPM 코어리스형 발전기를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은, 상기한 방열구조를 채택한 AFPM 코어리스형 발전기에서 스테이터와 로터를 멀티 구조로 설치하여 고출력의 발전기를 제공하기 위한 것이다.

또한 본 발명은 AFPM 코어리스형 발전기에서 로터의 자기력을 전달하는 요크 를 상하 로터의 디스크에 일체형 구조로 형성하고, 상하 로터 결합시 누설 자속을 줄여 효율을 향상시키도록 한 발전기를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 발전기와 동일구조로 AFPM 코어리스형 멀티 모터를 제공하기 위한 것이다.

상기한 본 발명의 목적은,

회전축에 의해 회전 가능하게 설치되고 자석이 배열 설치되는 로터와; 발전기 하우징에 고정설치되며 코일이 배열 설치되는 스테이터를 포함하는 AFPM 코어리스형 발전기에 있어서,

상기 스테이터는,

비자성체로 이루어진 상하부 지그판 사이에 코일들을 배열 설치하고, 상기 상하부 지그판 사이의 코일이 설치된 공간부에 냉각 절연유를 채워넣고 밀봉하여 상기 발전기의 하우징에 열전도가 이루어지도록 연결 설치되어 구성됨을 특징으로 한다. 여기서 상기 냉각 절연유 대신에 불활성 가스(예; SF6가스)를 주입하여 밀봉시켜 구성할 수도 있다.

또한, 상기 로터는,

로터 디스크에 원호상으로 자석을 배열 설치하고, 중앙부분에 소정 높이로 돌출 되게 요크부가 일체형으로 형성되어 회전축에 고정설치며, 상기 일체형 요크부가 대응되는 다른 로터의 일체형 요크부와 서로 맞물려 자기장의 통로역할을 하 도록 구성됨을 특징으로 한다.

상기 요크부는, 상하부 로터 사이에 상기 스테이터가 설치되고 스테이터와 이격되어 상하부의 로터에 일체형으로 형성된 요크부가 서로 맞물림으로 결합된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 측면 하우징의 외측면에 복수의 방열판을 더 부착 설치하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 AFPM 코어리스형 멀티 발전기와 동일 구성의 AFPM 코어리스형 멀티 모터를 제공한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 AFPM 코어리스형 멀티 발전기의 단면 구조도이다.

이에 도시된 바와 같이, 회전축(10)에 로터(30)가 고정설치되고, 로터(30)와 격간으로 스테이터(40)가 이격 설치되며, 상기 스테이터(40)는 측면 하우징(22)에 고정 설치되며, 상하 하우징(21)이 상기 회전축(10)에 대해 베어링에 의해 회전 가능하게 설치된다. 상기 로터(30)는 원판형 로터 디스크에 원호상으로 자석이 배열설치되며, 상기 스테이터(40)는 원판형 스테이터 지그상에 상기 로터(30)의 자석배열과 대응해서 코일들이 배열설치되어 구성된다.

상기 로터(20)와 스테이터(40)는 적어도 2단 이상 복수개가 설치되어 멀티 로터 및 멀티 스테이터 구조로 구성된다.

도 2는 본 발명에 의한 스테이터의 요부 단면 구성도이다.

상기 스테이터(40)는, 비자성체로 이루어진 상하부 지그판(41) 사이에 코일(43)들을 배열 설치되고, 상기 상하부 지그판(41) 사이의 코일(43)이 설치된 공간부에 냉각 절연유(47)를 채워넣고 양측면판(45)에 의해 밀봉되며, 상기 발전기의 측면 하우징(22)에 열전도가 이루어지도록 상기 측면판(45)이 나사결합되어 고정 설치되어 구성된다. 상기 냉각 절연유 대신에 불활성 가스를 채워넣고 밀봉하여 구성할 수도 있다.

도 3은 본 발명의 로터의 요크 구조를 설명하기 위한 단면도이다

본 발명에 의한 로터(30)는, 로터 디스크(31)에 원호상으로 자석(32)을 배열 설치하고, 중앙부분에 소정 높이로 돌출 되게 요크부(33)가 일체형으로 형성되고, 상기 로터 디스크(31)가 회전축(10)에 고정설치며, 상기 일체형 요크부(33)가 대응되는 이웃하는 로터의 일체형 요크부와 서로 맞물려 자기장의 통로역할을 하도록 구성됨을 특징으로 한다. 즉, 로터 디스크(31)와 중앙의 요크부(33)가 일체형으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 요크부(33)는, 상하부 로터(30) 사이에 상기 스테이터(40)가 설치되고 스테이터(40)와 이격되어 상하부의 로터(30)에 일체형으로 형성된 요크부(33)가 서로 맞물림으로 결합된 것을 특징으로 한다.

맞물림 결합방법은 도 3에 도시된 바와 같이 서로 대응되게 단차 가공되어 맞물림 구성이 될 수도 있고, 일측 요크부에는 요홈이 타측 요크부에는 요홈에 삽입 결합되는 삽입부가 형성되어 맞물림으로 결합 되게 구성될 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명은, 로터(30)의 로터 디스크(31)에는 요크부(33)가 일체형 구성으로 구성된 것을 예로 하였으나, 로터 디스크(31)와 요크부(33)가 분리형으로 나사결합으로 결합시킬 수 있는 구조로도 구성될 수 있다.

본 발명에 의한 코어리스형 발전기는, 스테이터(40)를 구성함에 있어서 코일(43)을 감기 위한 코어를 사용하지 않는 구조로서, 상하 지그판(41)은 비자성체(예; 황동)로 구성하고, 원호상에 코일(43)을 배열설치한다. 코일(43)은 통상 타원형으로 권회시켜 이를 하부지그판에 접착하고 그 위에 상부지그판을 설치하되, 양측면판(45)에 의해 코일이 설치된 공간이 소정 공간부를 가질 수 있도록 조립 구성되며, 측면판(45)과 상하 지그판(41) 사이에는 도면에 도시되지는 않았지만 오일등을 이용해 실링 구조로서 밀봉 구성하며, 측면판(45)의 임의의 위치에 냉각 절연유(47) 주입구를 형성하여 냉각 절연유(47)를 주입하고 주입구를 밀봉한다. 냉각 절연유(47)는 코일(43)에서 발생되는 열을 방열시키기 위하여 주입한다. 그리고 스테이터(40)의 외측면판은 발전기의 측면 하우징(22)에 나사결합으로 고정 결합되되, 측면하우징(22)에 요홈부를 형성하여 스테이터(40)의 측면이 삽입 결합되는 형태에서 나사결합되도록 구성된다.

그리고, 로터(30)는 자성체로 이루어진 로터 디스크(31)에 요크부(33)를 일체형 구조로 구성하고, 자석(32)을 원호형으로 배열 설치한다. 그리고, 로터 디스크(31)는 결합부(34)를 형성하여 회전축(10)에 나사결합시켜 고정한다.

상기 로터(30)를 설치한 후 스테이터(40)를 결합하고, 다시 로터(30)를 설치하며, 가운데에 설치되는 로터(30)는 상하면에 자석이 설치되고 요크부가 상하면으로 일체형 구조로 형성된 구조로 구성될 수 있다. 상기 하우징(21)은 회전축(10)에 대해서 회전가능하게 설치된다.

로터(30)와 스테이터(40)는 적어도 한쌍 이상 복수의 쌍이 배열설치되어 멀티 구조로 구성되며, 회전축(10)에 외부 회전력이 전달되면 회전축(10)과 고정설치된 로터(30)들이 회전하게 되며, 로터(30)의 회전에 따른 자기력에 의해 스테이터(40)들의 코일에 유도전류가 흐르게 되며 이에따라 코일(43)로부터 전류가 출력되어 발전기로서 동작되는 것이다.

이때, 코일(43)에 전류가 유도되면서 열이 발생되는데, 코일(43)에서 발생된 열이 냉각 절연유(47)로 전달되고, 냉각 절연유(47)에 의해 상하 및 측면 지그판에 열이 고르게 전도되고, 지그판에 전도된 열은 하우징(22)으로 그대로 전도된다. 따라서 하우징 전체가 방열판 역할을 한다.

그러므로, 방열 효과를 높이기 위하여 측면 하우징(22)의 외측부에 방열판(도면에 도시안됨)을 더 설치하여 구성하게 되면 더욱 효과적으로 방열시킬 수 있게 된다.

이처럼 본 발명에서는 스테이터(40)의 코일(43)에서 발생되는 열을 효과적으로 하우징(22)으로 전달시켜 외부 공기에 의해 방열시킬 수 있게 되는 것이다.

이와 같은 본 발명에 의한 코어리스형 발전기는 소용량 뿐만 아니라 코어리스형 발전기에서 비교적 대용량인 10KW급~50KW 풍력발전기 등에 적용할 수 있으며, 소형의 구조로서 구성하면서도 멀티 로터와 스테이터로서 고출력을 얻을 수 있고, 효율적인 발열 구조를 채택하고 있어서 열로 인한 열화나 성능저하등을 방지할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 구조는 발전기의 구조로서 설명하였으나, 동일한 구조로서 모터로서도 이용될 수 있으며, 모터로 사용되는 경우 스테이터(40)의 코일(43)에 전류를 공급하면 유도자기장에 의해 로터(30)의 자석과 상호작용하여 로터(30)가 회전되고 그 회전력이 회전축으로 전달되게 된다. 따라서 본 발명은 발전기뿐 아니라 모터에도 그대로 적용될 수 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명은 AFPM 코어리스형 멀티 발전기 또는 모터에 있어서, 스테이터의 코일에서 발생되는 열을 냉각 절연유를 이용해 효과적으로 스테이터 지그판을 통해 하우징으로 전도시켜 방열시킴으로써 열발생으로 인한 효율 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한 본발명은 로터의 요크 구조를 로터 디스크와 일체형 구조로 구성함으로써 조립작업 및 공정이 간편해지고 아울러 자로의 형성시 결합부위에서 발생되는 누설자속을 방지하여 성능향상을 꾀할 수 있으며, 로터와 스테이터 구조를 멀티 구조로 배열설치함으로써 소형 장치에서 큰 출력을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 회전축에 결합되어 회전 가능하게 설치되고 자석이 배열 설치되는 로터와; 발전기 하우징에 고정설치되며 코일이 배열 설치되는 스테이터를 포함하는 AFPM 코어리스형 발전기에 있어서,

   상기 스테이터는,

   비자성체로 이루어진 상하부 지그판 사이에 코일들을 배열 설치하고, 상기 상하부 지그판 사이의 코일이 설치된 공간부에 불활성 가스 또는 냉각 절연유를 채워넣고 측면 지그판으로 밀봉하며, 상기 발전기의 하우징에 열전도가 이루어지도록 일측 측면 지그판을 연결 설치되어 구성된 것을 특징으로 하는 AFPM 코어리스형 멀티 발전기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 로터는,

   자성체로 이루어진 로터 디스크에 원호상으로 자석을 배열 설치하고, 자석이 설치된 내측 중앙부분에 소정 높이로 돌출 되게 요크부가 일체형으로 형성되며, 상기 로터 디스크가 상기 회전축에 고정설치되고, 상기 일체형 요크부가 대응되는 이웃하는 다른 로터의 일체형 요크부와 서로 맞물려 자기장의 통로역할을 하도록 구성된 것을 특징으로 하는 AFPM 코어리스형 멀티 발전기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 요크부는,

   서로 이웃하는 로터 사이에 상기 스테이터가 설치되고 스테이터와 이격되어 상하부의 로터에 일체형으로 형성된 요크부가 서로 맞물림으로 결합되도록 요크부 상단부가 서로 대응되게 단차 가공되어 구성된 것을 특징으로 하는 AFPM 코어리스형 멀티 발전기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 측면 하우징의 외측면에 복수의 방열판을 더 부착 설치하여 구성된 것을 특징으로 하는 AFPM 코어리스형 멀티 발전기.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터와 상기 스테이터는 적어도 한쌍 이상 복수 쌍이 배열설치되어 멀티 로터와 멀티 스테이터의 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 AFPM 코어리스형 멀티 발전기.
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