KR20080096407A

KR20080096407A - 전기 기기 및 이에 구비되는 로터

Info

Publication number: KR20080096407A
Application number: KR1020080037669A
Authority: KR
Inventors: 디. 브래드필드 마이클
Original assignee: 레미 테크놀러지스 엘엘씨
Priority date: 2007-04-27
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2008-10-30
Anticipated expiration: 2028-04-23
Also published as: US7973444B2; CN101304186B; US20080265707A1; CN101304186A; KR101440624B1; DE102008019734A1

Abstract

전기 기기 로터(rotor)가 개시된다. 상기 로터는, 회전할 수 있는 샤프트(shaft), 샤프트에 설치된 복수 개의 폴 세그먼트(pole segments) 및 복수 개의 폴 세그먼트에 설치된 복수 개의 자석을 포함하며, 복수 개의 자석 중 하나가 인접 폴 세그먼트(pole segments) 사이에서 원주방향으로 배치되고, 복수 개의 자석 각각이 비평행한 원주방향 대향 면을 가진다.

전기 기기, 로터, 샤프트, 폴 세그먼트, 자석

Description

전기 기기 및 이에 구비되는 로터 {ELECTRIC MACHINE AND ROTOR FOR THE SAME}

본 발명은, 전기 기기(electric machine) 및 이에 구비되는 로터(rotor)에 관한 것이다.

예를 들면, 자동차 교류 발전기(alternators)와 같은 전기 기기의 설계자는 전기 기기의 전력밀도(power density)를 증가시키려고 끊임없이 노력하고 있다. 엔진 구획(engine compartment)의 공간이 계속 감소하고, 자동차에 탑재되어 사용되는 전동장치의 수가 증가함에 따라, 더 작은 공간에서 더 많은 전력을 발전시킬 필요성이 커지고 있다.

그러나, 전력밀도를 증가시키는 것은, 자속(magnetic flux) 누설의 증가를 초래한다. 이러한 증가된 자속 누설은, 자속 취급형 구성(flux handling components)의 작은 크기, 이들 사이의 작은 공간 및 큰 자속 수준의 취급에 기인한다. 이러한 자속 누설은 상기 전기 기기의 전력밀도를 제한할 수 있다. 따라서, 종래기술은 높은 수준의 전력밀도를 가진 전기 기기를 수용할 필요가 있다.

전기 기기 로터가 개시된다. 상기 로터는, 회전할 수 있는 샤프트(shaft), 샤프트에 설치된 복수 개의 폴 세그먼트(pole segments) 및 복수 개의 폴 세그먼트에 설치된 복수 개의 자석을 포함한다. 복수 개의 자석 중 하나는 인접한 폴 세그먼트(pole segments) 사이에서 원주방향으로 배치되고, 복수 개의 자석의 각각은 비평행한 원주방향 대향 면을 가진다.

또한, 여기에는 다음과 같은 전기 기기 로터가 더 개시된다. 상기 로터는, 회전할 수 있는 샤프트, 샤프트에 설치된 복수 개의 폴 세그먼트 및 복수개의 폴 세그먼트에 설치된 복수 개의 자석을 포함하며, 복수 개의 자석 중 하나가 인접한 폴 세그먼트 사이에서 원주방향으로 배치되고, 각각의 폴 세그먼트가 실질적으로 평행한 원주방향 대향 면을 가진다.

또한, 브러쉬리스(brushless) 전기 기기가 더 개시된다. 상기 전기 기기는 로터 조립체(rotor assembly), 및 로터 조립체 내에서 동심원을 이루는 1개 이상의 고정 필드 코일(stationary field coil)을 포함한다. 로터 조립체는, 회전할 수 있는 샤프트, 샤프트에 고정하여 설치된 폴 조립체(pole assembly) 및 폴 조립체에 설치된 복수 개의 영구자석을 가진다. 폴 조립체는, 샤프트에 설치된 복수 개의 제1 폴 세그먼트를 가진 제1 폴 피스(pole piece) 및 샤프트에 설치된 복수 개의 제2 폴 세그먼트를 가진 제2 폴 피스를 갖는다. 복수 개의 제1 폴 세그먼트 각각은 실질적으로 평행한 원주방향 대향 면을 가지며, 복수 개의 제2 폴 세그먼트 각각도 실질적으로 평행한 원주방향 대향 면을 가진다. 복수 개의 영구자석은, 복수 개의 제1 폴 세그먼트와 복수 개의 제2 폴 세그먼트 사이에서 원주방향으로 배치된다.

이하의 상세한 설명은 어떤 식으로든지 한정하는 것으로 간주되어서는 아니 된다. 첨부 도면들에 관하여 동일 부재에는 동일 부호가 부여된다.

이하, 개시된 장치의 실시예를 도면을 참조하여 비한정적인 예시로서 상세히 설명한다.

도 1을 참조하면, 브러쉬리스 전기 기기(10)가 개시되어 있다. 전기 기기(10)는 하우징(14), 회전할 수 있는 샤프트(18) 및 이에 설치되는 폴 조립체(20)(폴 피스(22, 26)를 가짐)를 가지는 로터(16), 복수 개의 영구자석(30)(도 1에 미도시), 및 1쌍의 고정 필드 코일(34)을 포함한다. 본 실시예의 브러쉬리스 전기 기기(10)는 교류 발전기이다. 종래에 통상적인 바와 같이, 브러쉬리스 교류 발전기(10)는, 단부에서 하우징(14)에 고정되어 설치된 고정 금속 코아(core)(38)에 권취된 필드 코일(34)을 가진다. 전류는, 도 6을 참조하여 후술하는 제어회로에 의해 필드 코일(34)에 공급된다. 로터(16)는, 샤프트(18)의 대향하는 축 단부 근처의 베어링(bearings)(42)에 의해 하우징(14)에 회전할 수 있게 탑재된다. 풀리(pulley)(46)는, 회전 에너지를 엔진(미도시)에 의해 구동되는 벨트(미도시)로부터 로터(16)에 공급하도록 샤프트(18)에 고정되어 설치된다. 1개 이상의 팬(fans)(50)은, 전기 기기(10)를 통과하는 공기 흐름을 촉진하여 냉각을 용이하게 하도록 로터(16), 더욱 구체적으로는 폴 피스(pole pieces)(22, 26)에 설치될 수 있다. 고정자(stator)(54)는, 로터(16)와 축 방향으로 정렬되어 있고, 이에 대해서는 도 7을 참조하여 후술한다.

도 2 및 도 3을 참고하면, 로터(16)의 구조가 상세히 도시되어 있다. 본 실시예에서, 로터(16)의 샤프트(18)는 폴 피스(22)를 거쳐 폴 피스(22, 26)에 고정되어 설치된다. 각각의 폴 피스(22, 26)는, 3개가 도시된 복수 개의 폴 세그먼트(60, 64, 68)를 가진다. 폴 세그먼트(60, 64)는 폴 피스(22)에 고정되고, 폴 세그먼트(68)는 폴 피스(26)에 고정된다. 2개의 폴 피스(22, 26)가 서로 반대되는 극성을 가지므로, 폴 세그먼트(60, 64)는 폴 세그먼트(68)의 극성과 반대되는 극성을 가진다. 영구자석(30)은 폴 세그먼트(60, 64, 68) 사이에서 폴 피스(22, 26)에 고정된다. 영구자석(30)은, N극이 제1 반경방향 면(70) 근처의 단부에 위치하고, S극이 제2 반경방향 면(72) 근처의 단부에 위치하며, 제1 반경방향 면(70)이 영구자석(30)에서 제2 반경방향 면(72)에 원주방향으로 반대가 되도록, 원주방향으로 자화된다. 영구자석(30)의 자기(magnetism)는 폴 피스(22, 26)에서 자극(magnetic poles)을 생성시킨다.

도 4를 참고하면, 도시된 바와 같은 영구자석(30)의 면(70, 72)은 서로 평행하지 않다. 영구자석(30)이 실질적으로 사다리꼴 형상을 가지지만, 영구자석(30)의 반경방향 내측면(76)과 반경방향 외측면(80)은 평면일 수 있으나, 반드시 평면이어야 하는 것은 아니다. 예를 들면, 내측면(76)과 외측면(80)은 아치형일 수 있다. 또한, 영구자석(30)과 폴 세그먼트(60, 64)는, 폴 세그먼트(68) 상의 원주방향 대향면(84, 88)이 서로 실질적으로 평행하도록 하는 크기로 형성된다. 이와 유사하 게, 나머지 폴 세그먼트 각각의 원주방향 대향면도 실질적으로 평행하다. 영구자석(30)은, 영구자석(30)의 제1 반경방향 면(70)이 폴 세그먼트(68)의 면(88)에 인접하여 실질적으로 평행하며, 이와 유사하게 제2 반경방향 면(72)이 폴 세그먼트(64)의 면(90)에 인접하여 실질적으로 평행하도록, 폴 피스(22, 26)에 대응하여 배치된다. 서로 실질적으로 평행한 원주방향 대향 면을 가지는 상기한 구조는, 종래에 통상적으로 실시된 바와 같은 비평행한 원주방향 대향 면을 가지는 폴 세그먼트와 비교했을 때, 인접 폴 세그먼트 사이의 자속 누설을 줄일 수 있다.

도 5를 참고하면, 코어(38) 주위에 둘러싸인 단일의 필드 코일(34)이 도시되어 있다. 필드 코일(34)의 전류 흐름은 자장을 발생시키고, 자속은 필드 코일(34)의 전류 이동의 방향에 따라, 영구자석(30)에 의해 발생된 자속을 증가 또는 감소시킬 수 있다. 따라서, 전기 기기(10)의 전력밀도와, 발생된 최종 전력은, 필드 코일(34)의 전류의 제어를 통하여 증가되거나 감소될 수 있다. 필드 코일(34)의 전류 흐름의 방향을 제어하는 것은, 예를 들면 후술하는 바와 같은 H브리지 제어회로에서 수행될 수 있다.

도 6을 참고하면, H브리지 제어회로(92)가 예시되어 있다. 제어회로(92)는, B+ 전원(100)에서부터 필드 코일(34)을 거쳐 접지(104)까지의 전류 흐름 경로를 함께 결정하는 4개의 스위치(94, 95, 96, 97)를 포함한다. 예를 들면 스위치(94, 97)를 닫고, 스위치(95, 96)를 개방하면, 전류가 화살표(108)의 방향으로 코일(34)을 거쳐 흐를 것이다. 반대로, 스위치(95, 96)를 닫고 스위치(94, 97)를 개방하면, 전류가 화살표(112)의 방향인 반대방향으로 코일(34)을 거쳐 흐를 것이다. 제어 시스 템에 제어회로(92)를 통합함으로써, 당업자는, 필요할 때 자속을 증가시키고, 반대로 필요할 때 자속을 감소시키는 것을 용이하게 하여 전기 기기(10)의 출력을 제어하도록 스위치(94, 95, 96, 97)의 상태를 쌍으로 제어할 수 있다. 이러한 기기의 고전기출력은 바람직하지 못한 자기 잡음을 발생시킬 수 있으나, 이러한 바람직하지 못한 자기 잡음을 최소화하도록 설계 개선이 고정자(54)에 적용될 수 있다.

도 7을 참고하면, 로터(16)를 둘러싼 고정자(54)가 도시되어 있다. 고정자(54)는 단일의 3상(3-pahse) 권취형 고정자에서 전형적으로 사용되는 슬롯(116)의 개수의 2배를 가진다. 여분의 슬롯(116)은 제2 3상 와인딩(미도시)을 수용한다. 2쌍의 3상 와인딩을 가진 상기한 고정자(54)는 산업계에서 공지되어 있다. 2쌍의 3상 와인딩을 가진 고정자의 예는, 참조로 미국특허 제6,469,408호에 상세히 서술되어 있다. 고정자(54)에서 2쌍의 3상 와인딩을 가지면, 전기 기기(10)의 자기 잡음을 최소화하는 것을 도와줄 수 있다. 일례로, 상기 2개의 3상 와인딩은 서로 전기적으로 옵셋(offset)될 수 있으며, 전기적 옵셋은 30도 일 수 있다.

본 발명을, 전형적인 실시예 또는 실시예들에 관하여 설명하였더라도, 당업자는, 본 발명의 범위를 벗어남 없이, 여러 변형들을 실시할 수 있으며 그 부재들을 균등물로 대체하할 수 있음을 이해할 것이다. 더욱이 본 발명의 본질적인 범위를 벗어남 없이 본 발명의 개시 및 암시에 맞추어 특정 상황이나 물질을 채택하도록 많은 변경을 할 수 있다. 그러므로 본 발명은, 본 발명을 실시하기 위하여 고려된 최선의 형태로서 개시된 특정한 실시예에 한정되지 아니하나, 본 발명은 청구범위들의 범위 내에 속하는 모든 실시예들을 포함할 것이다.

도 1은 브러쉬리스 전기 기기의 부분 단면도를 나타낸다.

도 2는 로터의 부분 분해도를 나타낸다.

도 3은 도 2의 로터의 부분 사시도를 나타낸다.

도 4는 도 2의 로터의 부분 단면도를 나타낸다.

도 5는 필드 코일과 로터의 부분 단면도를 나타낸다.

도 6은 H-브리지(H-bridge) 회로를 나타낸다.

도 7은 전기 기기의 단면도를 나타낸다.

Claims

회전할 수 있는 샤프트;

상기 샤프트에 설치된 복수 개의 폴 세그먼트; 및

상기 복수 개의 폴 세그먼트에 고정되는 복수 개의 자석을 포함하며,

상기 복수 개의 자석 중 하나가 인접한 폴 세그먼트 사이에서 원주방향으로 배치되고, 상기 복수 개의 자석 각각은 비평행한 원주방향 대향 면을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제1항에 있어서,

상기 복수 개의 폴 세그먼트 각각은, 평행한 원주방향 대향 면을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제1항에 있어서,

상기 복수 개의 자석은 영구자석인 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제1항에 있어서,

상기 복수 개의 자석은, 대향하는 자극이 원주방향으로 이격되어 원주방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제1항에 있어서,

상기 복수 개의 폴 세그먼트의 자기장 세기가 1개 이상의 고정 필드 코일에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제5항에 있어서,

상기 복수개의 폴 세그먼트의 자기장 세기가 상기 1개 이상의 고정 필드 코일에 의해 증가되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제5항에 있어서,

상기 복수개의 폴 세그먼트의 자기장 세기가 상기 1개 이상의 고정 필드 코일에 의해 감소되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제5항에 있어서,

상기 고정 필드 코일은 상기 복수 개의 폴 세그먼트 내에서 동심원으로 배치 되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제1항에 있어서,

상기 전기 기기 로터가 교류 발전기에서 작동되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제1항에 있어서,

상기 전기 기기 로터가 브러쉬리스 기기에서 작동되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
회전할 수 있는 샤프트;

상기 샤프트에 고정된 복수 개의 폴 세그먼트; 및

상기 복수 개의 폴 세그먼트에 고정되는 복수 개의 자석을 포함하며,

상기 복수 개의 자석 중 하나가 인접한 폴 세그먼트 사이에서 원주방향으로 배치되고, 상기 각 폴 세그먼트가 평행한 원주방향 대향 면을 가지는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제11항에 있어서,

상기 평행한 원주방향 대향 면이 상기 복수 개의 자석의 원주방향 대향 면에 인접하는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
제11항에 있어서,

상기 전기 기기 로터가 교류 발전기에서 작동되는 것을 특징으로 하는 전기 기기 로터.
로터 조립체; 및

상기 로터 조립체 내에서 동심원을 이루는 1개 이상의 고정 필드 코일을 포함하며,

상기 로터 조립체는,

회전할 수 있는 샤프트;

상기 샤프트에 고정되는 폴 조립체로서, 상기 폴 조립체는,

상기 샤프트에 설치된 복수 개의 제1 폴 세그먼트를 가지며 상기 복수 개의 제1 폴 세그먼트 각각이 평행한 원주방향 대향 면을 가지는 제1 폴 피스; 및 상기 샤프트에 설치된 복수 개의 제2 폴 세그먼트를 가지며 상기 복수 개의 제2 폴 세그먼트 각각이 평행한 원주방향 대향 면을 가지는 제2 폴 피스를 포함하는 폴 조립체; 및

상기 복수 개의 제1 폴 세그먼트와 상기 복수 개의 제2 폴 세그먼트 사이에서 원주방향으로 배치된 복수 개의 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제14항에 있어서,

상기 브러쉬리스 전기 기기가 교류 발전기인 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제14항에 있어서,

H브리지 제어회로를 더 포함하며, 1개 이상의 고정 필드 코일의 전류 흐름의 방향이 상기 H브리지 제어회로에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제14항에 있어서,

상기 브러쉬리스 전기 기기의 성능은, 1개 이상의 고정 필드 코일의 전류 제어에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제17항에 있어서,

상기 성능이 전력 발생을 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제17항에 있어서,

상기 성능이 전력 밀도를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제14항에 있어서,

상기 복수 개의 영구자석 각각은 비평행한 원주방향 대향 면을 가지는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제14항에 있어서,

상기 복수 개의 영구자석의 비평행한 원주방향 대향 면은, 상기 복수 개의 폴 세그먼트의 평행한 원주방향 대향 면에 인접하는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제14항에 있어서,

상기 로터 조립체와 통신 작동될 수 있는 고정자를 더 포함하고, 상기 고정자는 서로 전기적 옵셋(offset)되는 2개의 3상 와인딩을 가지는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.
제22항에 있어서,

상기 전기적 옵셋은 30도인 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 전기 기기.