KR101090605B1 - 동심권선을 적용한 모터 및 발전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 고정자 철심에 슬롯 및 요크를 형성하고 상기 슬롯에 권선을 권취하는 기술을 탈피하여, 권선의 중심축을 회전축과 동심이 되게 하고, 상기 권선을 경사지게 권취함으로써 구조를 간단하게 하며, 전동기 및 발전기의 프레임을 증가시키지 않고 단순히 회전축 방향으로 회전자 및 동심권선을 연장 형성함으로써 큰 토크 및 기전력을 유기할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 동심권선을 적용한 전동기 및 발전기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 동심권선을 적용한 전동기 및 발전기는, 회전축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 회전자(200), 상기 회전자(200)의 외측을 둘러싸면서 권취된 동심권선(400)으로 이루어지되, 상기 동심권선(400)은 상기 회전자(200)의 수평단면에 대해 일정각도로 경사지도록 권취되고, 1극 이상 형성되어 고정자권선의 역할을 하게 되며, 또한 상기 동심권선(400)은 축방향에 걸쳐 권선의 증가 및 감소가 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 회전축 방향으로 권선수를 증가시키는 것만으로도 큰 토크 및 기전력을 얻을 수 있으며, 전동기 및 발전기의 프레임을 크게 할 필요 없이 다만 축 방향으로 회전자 및 동심권선을 연장 형성시키는 것만으로도 원하는 토크 및 기전력을 얻을 수 있다.

Description

동심권선을 적용한 모터 및 발전기 {Electric motor and generator applied concentric winding}

본 발명은 전동기 및 발전기의 기본 구조인 권선에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 종래 고정자 철심에 슬롯 및 요크를 형성하고 상기 슬롯에 권선을 권취하는 기술을 탈피하여, 권선의 중심축을 회전축과 동심이 되게 하고, 상기 권선을 경사지게 권취함으로써 구조를 간단하게 하며, 전동기 및 발전기의 프레임을 증가시키지 않고 단순히 회전축 방향으로 회전자 및 동심권선을 연장 형성함으로써 큰 토크 및 기전력을 유기할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 동심권선을 적용한 전동기 및 발전기에 관한 것이다.

일반적으로 전동기 및 발전기는 오랜 기간 동안 다양한 기능을 구현할 수 있도록 발전되어 왔으나, 에너지 교환에 필수적인 자기회로를 구성하는 기계적 구조에서는 큰 변화가 없었다. 즉, 도1에서 보는 바와 같이, 종래에는 슬롯(10)을 가진 철심(40)을 갖는 고정자 내측에 회전자가 구비되게 되는데, 상기 회전자가 회전하면서 상기 고정자의 슬롯에 권취된 권선과 쇄교하면서 토크 또는 기전력을 유기하는 구조를 취해왔다. 일반적으로. 쇄교자속이 클수록 큰 토크 또는 기전력을 얻을 수 있게 되며, 쇄교자속은 철심(40)에 권취된 권선수가 많을수록 증가하게 되고, 권선의 저항이 작을수록 증가되는 효과가 있다.

그러나, 상기와 같은 종래 기술에 의하면, 고정자의 철심에 형성된 슬롯의 크기에 의해 권선수가 제한이 되기 때문에 쇄교자속을 증가시키기가 곤란한 측면이 있다. 또한 저항을 작게 하기 위해서는 권선의 직경을 굵게 할수록 유리하나 슬롯의 제한된 크기로 인해 권선 직경을 굵게 하는 것도 용이하지 않은 측면이 있다. 고정자의 철심의 프레임을 크게 함으로써 슬롯을 크게 하여 권선 수를 증가시킬 수는 있으나, 고정자 철심의 프레임을 상당한 정도로 크게 하지 않고는 원하는 쇄교자속을 얻기에는 한계가 있었고, 일부 소형 전동기에서 철심을 배제한 코어리스형이 나타나기도 하였으나 제한적인 용도로 사용될 뿐이었다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술이 갖는 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명에 의하면 고정자의 철심, 철심에 형성되는 슬롯 및 요크를 형성하지 않으면서도 간단한 구성으로 고효율의 전동기 토크 및 발전기 기전력을 유기할 수 있도록 하기 위한 동심권선을 적용한 전동기 및 발전기를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동심권선을 적용한 전동기는, 회전축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 회전자(200), 상기 회전자(200)의 외측을 둘러싸면서 권취된 동심권선(400)으로 이루어지며, 상기 동심권선(400)은 상기 회전자(200)의 수평단면에 대해 일정각도로 경사지도록 권취되고, 1극 이상 형성되어 고정자권선의 역할을 하게 되며, 또한 상기 동심권선(400)은 축방향에 걸쳐 권선의 증가 및 감소가 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 동심권선을 적용한 전동기의 상기 동심권선(400)은 수평 단면에 대해 45˚ ~ 67.5˚의 범위에서 권취됨을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 동심권선을 적용한 발전기는, 회전축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 회전자(200), 상기 회전자(200)의 외측을 둘러싸면서 권취된 동심권선(400)으로 이루어지되, 상기 동심권선(400)은 상기 회전자(200)의 수평단면에 대해 일정각도로 경사지도록 권취되고, 1극 이상 형성되어 고정자권선의 역할을 하게 되며, 또한 상기 동심권선(400)은 축방향에 걸쳐 권선의 증가 및 감소가 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 동심권선을 적용한 발전기의 상기 동심권선(400)은 수평 단면에 대해 45˚ ~ 67.5˚의 범위에서 권취됨을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 종래기술에 따른 고정자 철심, 슬롯 및 요크 등을 사용하지 않고도 간단한 구성에 의해 원하는 쇄교자속을 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 동심권선을 회전자에 최대한 근접시켜 배열함으로써 자기저항을 줄일 수 있게 되는데, 이를 통해 종래 고정자 슬롯 내에서 고정자권선과 요크 사이에 존재하던 공극을 없애는 효과를 얻을 수 있으며, 또한 효율이 개선되는 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 회전축 방향으로 권선수를 증가시키는 것만으로도 큰 토크 및 기전력을 얻을 수 있으며, 전동기 및 발전기의 프레임을 크게 할 필요 없이 다만 축 방향으로 회전자 및 동심권선을 연장 형성시키는 것만으로도 원하는 토크 및 기전력을 얻을 수 있다. 따라서, 본 발명은 특히 장축형의 전동기 및 발전기에서 큰 효과를 얻을 수 있다.

도1은 종래 슬롯을 가진 고정자 철심의 사시도.
도2(a)는 본 발명에 따른 단극 동심권선의 사시도.
(b)는 본 발명에 따른 단극 동심권선의 정면도.
도3(a)는 본 발명에 따른 2극 동심권선의 사시도.
(b)는 본 발명에 따른 2극 동심권선의 정면도.
도4(a)는 자기장 속에서 동심권선의 경사각에 따른 위상 배열도.
(b)는 동심권선의 경사각과 쇄교자속의 상관 그래프.
도5(a)는 본 발명에 따른 단극 동심권선의 전개도.
(b)는 본 발명에 따른 2극 동심권선의 전개도.
(c)는 본 발명에 따른 3극 동심권선의 전개도.
도6(d)는 본 발명에 따른 4극 동심권선의 전개도.
(e)는 본 발명에 따른 6극 동심권선의 전개도.
(f)는 본 발명에 따른 8극 동심권선의 전개도.
도7(a)는 본 발명의 동심권선이 적용된 단극 단상 교류 발전기를 나타내는 도면.
(b)는 본 발명의 동심권선이 적용된 단극 단상 교류 발전기에 의해 유기된 기전력을 나타내는 도면.
도8(a)는 본 발명에 따른 단극 동심권선이 발전기에 적용되었을 때 유기되는 기전력의 정현파 곡선을 나타내는 도면.
(b)는 본 발명에 따른 3극 동심권선이 발전기에 적용되었을 때 유기되는 기전력의 정현파 곡선을 나타내는 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 고정자, 회전자 및 전기가 통하는 권선을 포함하는 전동기 및 발전기에 형성되는 권선에 관한 것으로서, 권선의 중심축을 회전축(100)에 두고, 회전자(200)를 감싸면서 도는 방향으로 경사지게 권선하는 것을 특징으로 하는데, 종래 회전자(200)의 외측에 위치하는 고정자 철심의 슬롯에 권취된 권선을 본 발명에 따른 동심권선(400)으로 대체하여도 전자기적 기능이 변하지는 않는다는 원리를 이용한 것을 특징으로 한다.

도2는 본 발명의 일 실시 예를 나타내는 도면으로서, 단극 구조의 전동기 및 발전기에 본 발명에 따른 동심권선(400)을 적용한 모습을 나타낸 것인데, 본 발명에 따르면, 일반적인 전동기 또는 발전기와 마찬가지로 회전축(100)과 회전자(200)가 내부에 위치하게 되고, 공극을 사이에 두고 고정자의 역할을 수행하는 동심권선(400) 및 상기 동심권선(400을 고정할 수 있는 고정통(300)으로 이루어진다. 다른 구성요소들은 종래기술의 전동기 또는 발전기에서 통상적으로 사용하는 것이기 때문에 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 고정통(300)은 종래의 철심(40)의 일부 또는 전부를 대체할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 상기 고정통(300)은 바니쉬 또는 수지물을 사용하여 동심권선(400)과 일체화할 수 있도록 하는 구조로 하거나, 또는 외측에 동심권선(400)이 권취될 수 있도록 얇은 형태의 구조물로 형성함으로써 회전자(200)와의 간격을 최소화하여 자기저항을 감소시켜 효율을 올릴 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 동심권선(400)이 적용되는 전동기 또는 발전기에 의한 고정자의 형태는 종래의 전동기 또는 발전기에 의한 고정자의 형태와는 다른 형태의 것으로서, 본 발명의 동심권선(400)을 고정자 권선으로 채택할 경우 다양한 형태로의 적용이 실용적으로 가능하게 된다.
도2에서 보는 바와 같이, 동심권선(400)이 회전자(200)의 외측에 위치한 고정통(300)과 일체로 또는 상기 고정통(300)의 외주면에 경사지게 권취되는 경우, 상기 동심권선(400)의 내측은 비자성물질로 가능한 얇게 하여 자기저항을 줄이면서 누설자속(leakage flux)의 발생을 최소화함이 바람직하며, 상기 동심권선(400)의 외측을 구성하는 프레임 등은 자성물질로 구성하여 종래의 철심이 갖는 기능을 유지하도록 함으로써, 쇄교자속(interlinkage flux)의 발생을 최대화하도록 함이 바람직하다.

본 발명에 의한 동심권선(400)이 적용되는 회전자(200)는 전동기 및 발전기의 종류에 관계없이 적용이 가능하다. 즉, 농형 또는 권선형의 유도기기에도 적용이 가능하며, 영구자석을 이용한 동기기에도 적용이 가능하다. 다만, 본 발명에 의한 동심권선(400)을 영구자석형 회전자(200)에 적용할 경우 동심권선의 극수에 대응하는 회전자의 극수 선정에 유의할 필요가 있다. 예를 들면, 발전기의 경우 회전자를 4극의 영구자석으로 구성하게 되면 상쇄전압이 발생하게 되어 발전이 불가능하는 경우도 있을 수 있기 때문에 동심권선(400)의 극수와 회전자(200)의 극수가 부조화되어 반대의 힘을 발생시키는 조합은 피하는 것이 바람직하다.

도3은 2극 구조의 발전기에 본 발명에 따른 동심권선(400)을 적용한 것을 나타낸 것으로서, 2극의 권선으로 구성하여도 전자기적 기능에는 변화가 없으며, 도2에서와 마찬가지로 동일한 원리가 적용된다.

도4는 본 발명에 따른 동심권선(400)의 수평단면에 대한 경사각의 변화에 따라 쇄교자속의 수가 변화되는 모습을 나타내기 위한 도면으로서, 상기 도4에 따르면, 경사각이 증가함에 따라 쇄교자속도 증가되는 것을 알 수 있다.

경사각(θ)이 0°인 경우, 발전기의 경우에는 권선(L)의 폐루프 속으로 통과되는 쇄교자속(ф1)이 없으므로 자속의 변화가 있더라도 권선(L)에 기전력이 유기되지 않으며, 전동기의 경우에는 회전자(200)의 원주방향으로 회전자계가 형성되지 않으므로 회전자(200)에 토오크가 발생되지 않는다.

도4(b)를 참조하면, 수평단면에 대한 동심권선(400)의 경사각(θ)이 커짐에 따라 권선(L)을 통과하는 쇄교자속(ф2,ф3)이 급격히 증가하다가, 경사각(θ)이 45°를 넘어서면서 쇄교자속(ф4,ф5)의 증가 폭이 감소하는 것을 알 수 있다.
발전기의 경우, 유기기전력은 쇄교자속의 변화량에 비례하기 때문에, 경사각(θ)이 0°에서 45°로 증가할 경우 유기되는 기전력이 급격히 증가하게 되며, 경사각(θ)이 45°를 넘어서게 되면 유기기전력의 증가 폭이 감소하게 된다. 전동기의 경우, 동심권선(400)의 극수, 인가전압의 상수 및 전압의 형태에 따라 회전자의 원주방향으로 회전자계가 형성되게 되는데, 수평단면에 대한 동심권선(400)의 경사각(θ)이 커짐에 따라 쇄교자속이 증가하게 되고, 상기 쇄교자속에 비례하여 회전토오크가 증가하게 된다.

경사각(θ) 90°는 종래의 전동기 및 발전기의 고정자 철심의 슬롯에 권선이 권취된 경우에 해당되는 일반적인 고정자 권선(30)의 각도에 해당하는 것으로서, 본 발명에 따른 동심권선(400)은 종래와는 달리 회전자(200)를 감싸며 회전축(100)의 방향을 따라 권취되는 구조이므로 실제로는 구현되지 않는 각도이다.

도4에서 보는 바와 같이, 동심권선(400)의 경사각 및 상기 경사각에 따른 쇄교자속수를 고려할 때, 본 발명에 따른 동심권선(400)의 수평단면에 대한 경사각(θ)의 설정범위는 45° ~ 67.5°에서 이루어짐이 적절함을 알 수 있다.

본 발명에 따른 상기 도2의 실시 예의 경우, 단극 전동기 및 발전기를 대상으로 하고 있으나, 본 발명에 의한 동심권선(400)은 2극 이상의 전동기 및 발전기의 경우에도 동일하게 적용할 수 있다.

도5 및 도6은 본 발명에 따른 동심권선(400)의 극수별 권선패턴을 전개도로서 도식화한 것으로서, 도7(a)의 수동 소형발전기에 단극의 동심권선(400)을 구현할 경우, 도7(b) 또는 도8(a)와 같은 파형이 나타나게 된다. 도5(b)는 2극의 동심권선을 구현할 때 나타나는 권선패턴으로서, 유니버셜전동기의 종래 고정자권선을 본 발명에 의한 2극의 동심권선으로 간단하게 대체 적용할 수 있다. 도5(c)는 3극의 동심권선이 적용될 때 나타나는 권선패턴으로서, 본 발명의 동심권선에 의하면 3상3극 발전기, 3상유도전동기, 비엘디시전동기 등에 적용되는 종래 고정자 권선을 대체 적용할 수 있다.
도6(d)는 4극의 동심권선이 적용될 때 나타나는 권선패턴으로서, 본 발명의 동심권선에 의하면 종래 2극 단상유도전동기의 주권선 및 보조권선을 대체하여 적용할 수 있다. 도6(e)는 6극의 동심권선이 적용될 때 나타나는 권선패턴으로서, 3상6극 발전기, 전동기 및 비엘디시전동기의 종래 권선을 대체하여 적용할 수 있다. 도6(f)는 8극의 동심권선이 적용될 때 나타나는 권선패턴으로서, 본 발명의 동심권선에 의하면 4극 단상유도전동기의 종래 주권선과 보조권선을 대체하여 적용할 수 있다. 이외에 더 다양한 극수의 전동기 및 발전기의 권선도 본 발명에 따른 동심권선(400)으로 간단히 대체하여 구성이 가능하게 된다.

도7(a) 및 도7(b)는 2극의 영구자석을 회전자(200)로 사용하고, 본 발명에 따른 동심권선(400)이 종래의 고정자 권선을 대체 적용한 것을 나타내기 위한 도면으로서, 종래의 고정자 철심(40)을 배제한 단상 단극 교류 발전기를 보여주고 있다. 발전기에 부착된 손잡이를 돌리면 연결된 치차를 통해 증속된 회전력이 회전자(200)에 전달되게 되는데, 2극 영구자석으로 구성된 회전자(200)의 회전에 의해 쇄교자속의 변화가 나타나게 되고, 상기 쇄교자속의 변화에 의해 경사 권취된 동심권선(400)에 기전력이 유기되게 된다.

도8(a)는 도7(a)의 단상 단극 교류발전기에 의해 발생된 단상 정현파 전압을 나타내고 있다. 도8(b)는 3극의 동심권선을 120° 위상차의 간격으로 권취한 결과 나타나는 파형으로서, 본 발명을 3상의 교류발전기로 적용한 결과 나타나는 유기기전력의 모습을 나타낸다. 반대로, 상기 3상 교류발전기의 동심권선에 도8(b)의 파형을 갖는 3상의 교류전압을 인가하게 되면 3상의 전동기로 구현이 가능하다는 것은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 사실이며, 본 발명의 동심권선을 적용하는 기술적 사상은 극수와 무관하게 적용이 가능하게 된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예와 실질적으로 균등한 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미치는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형 실시가 가능하다.

본 발명에 따른 동심권선(400)은 종래의 권선기술보다 공정이 간편하고, 전동기 또는 발전기의 구조를 단순화할 수 있을 뿐만 아니라, 실현이 곤란하였던 장축형의 전동기 또는 발전기의 설계도 가능하게 한다.

10 : 슬롯
20 : 요크
30 : 권선
40 : 철심
100 : 회전축
200 : 회전자
300 : 고정통
400 : 동심권선
θ : 수평단면에 대한 동심권선의 경사각
L : 동심권선
ф(ф1~ф5) : 쇄교자속

Claims (8)

1. 회전축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 회전자(200),
   상기 회전자(200)의 외측을 둘러싸면서 권취된 동심권선(400)으로 이루어지되,
   상기 동심권선(400)은 상기 회전자(200)의 수평단면에 대해 일정각도로 경사지도록 권취되고, 1극 이상 형성되어 고정자권선의 역할을 하게 되며, 또한 상기 동심권선(400)은 축방향에 걸쳐 권선의 증가 및 감소가 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 동심권선을 적용한 전동기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 동심권선(400)은 수평 단면에 대해 45˚ ~ 67.5˚의 범위에서 권취됨을 특징으로 하는 동심권선을 적용한 전동기.
   
3. 회전축을 중심으로 회전가능하게 설치되는 회전자(200),
   상기 회전자(200)의 외측을 둘러싸면서 권취된 동심권선(400)으로 이루어지되,
   상기 동심권선(400)은 상기 회전자(200)의 수평단면에 대해 일정각도로 경사지도록 권취되고, 1극 이상 형성되어 고정자권선의 역할을 하게 되며, 또한 상기 동심권선(400)은 축방향에 걸쳐 권선의 증가 및 감소가 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 동심권선을 적용한 발전기.
   
4. 제3항에 있어서,
   상기 동심권선(400)은 수평 단면에 대해 45˚ ~ 67.5˚의 범위에서 권취됨을 특징으로 하는 동심권선을 적용한 발전기.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

Images