KR101247085B1 - 유도 모터 회로용 두 전도체 권선 - Google Patents

Abstract

전기 유도 모터는 두개의 다른 전기 전도체로 형성된 주권선을 갖는다. 모터는 권선이 형성된 구조를 갖는 고정자를 포함하고, 권선은 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 제 1 전기 전도체와 제 1 단부와 제 2 단부를 갖는 제 2 전기 전도체를 포함하며, 제 1 전기 전도체의 제 1 단부와 제 2 전기 전도체의 제 1 단부가 서로 연결되어 있고, 제 1 전기 전도체의 제 2 단부와 제 2 전기 전도체의 제 2 단부가 서로 연결되어 제 1 전기 전도체와 제 2 전기 전도체로 병렬회로를 형성하며, 제 2 전기 전도체는 제 1 전기 전도체의 전기 비저항보다 큰 전기 저항률을 갖는다. 일 실시 예로, 제 1 전기 전도체는 구리 제 2 전기 전도체는 알루미늄이다.
모터는 서로 다른 전기 저항률을 갖는 두 전기 전도체로 모터 권선을 형성하는 방법으로 이루어질 수 있다. 상기 방법은 병렬회로를 형성하기 위해서 제 1 전기 전도체와 제 2 전기 전도체를 연결하고 제 2 전기 전도체는 제 1 전기 전도체의 전기 저항률보다 큰 전기 저항률을 가지며, 전기 모터용 권선을 형성하기 위해서 고정자에 슬롯들의 갭에 대하여 제 1, 제 2 전기 전도체를 싸는 것을 포함한다.

Description

유도 모터 회로용 두 전도체 권선 {TWO CONDUCTOR WINDING FOR AN INDUCTION MOTOR CIRCUIT}

본 내용은 일반적으로 비동기(asynchronous) 전기적 모터에 관한 것이고, 보다 자세하게는, 이 모터에 사용된 권선(winding)에 관한 것이다.

단상(single-phase)과 3상(three-phase) 모터는 다양한 분야에 사용된다. 단상 모터는 주권선(main winding) 및 보조권선을 가지는 고정자(stator) 및 안에 형성된 전기 전도체를 갖는 회전자(rotor)를 갖는 고정자를 포함하고 있다. 전류는 회전자에서 2차 전류를 유도하도록 권선을 통하여 선별적으로 제공된다. 권선에서의 전류와 회전자 전도체에 의해 발생된 회전 자기장은 회전자의 출력 샤프트에 토크를 발생시키도록 회전자를 회전시킨다. 3상 모터는 120도로 배치된 3개의 고정자 권선을 갖는다. 권선에 흐르는 전류상(current phase)에 대하여, 공극 플럭스(air gap flux)는 회전자 전도체에서 전류를 유도하고, 회전자 출력 샤프트에서 토크를 발생시킨다. 권선은 AC 전원으로부터 직접적으로 공급되거나, 또는 DC 인버터가 선택 속도에 필요한 진동수와 진폭으로 파워를 공급하기 위해 사용된다.

고정자 권선은 전형적으로 절연된 전기 전도체이다. 대부분 고정자는 전도체가 권선을 형성하도록 복수회 싸인 슬롯 구조체를 갖는다. 전선 규격(the gauge of the wire)과 권회수(the number of turns)는 모터의 출력과 효율에 영향을 미친다.

전선이 싸이는 슬롯 구조체는 전형적으로 미리 결정된 권회수를 위한 특정 규격 전선을 수용하는 크기로 되어있다. 모터 제조에 있어서, 고정자는 전기 모터에 설치하기 위하여 대단히 많은 수로 제조될 수 있다. 고정자 비용의 한 요소는 권선에 사용되는 전도체의 유형에 있다. 구리가 자주 이용되지만, 구리의 비용이 급증함에 따라, 더 저렴한 알루미늄의 사용이 증가하고 있다. 구리를 알루미늄으로 대체하는 문제는 같은 규격의 구리선과 비교하여 알루미늄 전선에 나타나는 큰 저항성 때문이다. 결과적으로, 알루미늄 전선의 규격은 구리선이 대체되면 대략 같은 크기의 전류를 흐르게 하는 알루미늄 전선이 크게 되어야할 필요가 있다. 유감스럽게도, 고정자 간극(gap)은 전형적으로 더 큰 알루미늄 전선의 권회수를 수용하기에는 너무 작다. 고정자가 더 큰 규격 알루미늄 전선을 수용하도록 새롭게 디자인되거나 수정된다면, 권선에서 구리를 알루미늄으로의 대체로부터 생기는 어떤 이점(savings)이 실질적으로 없어지게 된다.

앞서 말한 측면과 권선을 형성하는 병렬회로에 함께 연결되는 다른 전기적 비저항을 갖는 두개의 전기 전도체를 갖는 전기 모터 권선의 특징은 이하의 첨부된 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 고정자와 고정자에서의 권선의 사시도이다.
도 2는 모터 작동용 보조 권선이 있는 유도 모터의 회로도이다.
도 3은 두개의 다른 성질의 전도체로부터 형성된 주권선을 갖는 유도 모터의 회로도이다.

본 발명에 따른 전기 모터와 그의 제조방법은, 구성이 다음과 같다.
[1] 본 발명에 따른 전기 모터는, 권선이 형성되는 슬롯 구조체를 갖는 고정자를 포함하여 구성되는 전기 모터로서, 권선(winding)은, 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 전선 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제2 전선으로 이루어지며, 제1 전선과 제2 전선으로 병렬회로를 형성하기 위해 제1 전선의 제1 단부와 제2 전선의 제1 단부가 서로 연결되고 또 제1 전선의 제2 단부와 제2 전선의 제2 단부가 서로 연결되며, 제2 전선은 제1 전선보다 더 큰 전기저항률을 갖는 전기 모터.
[2] 상기 구성에서, 제1 전선은 구리 전선이고, 제2 전선은 알루미늄 전선인 전기 모터.
[3] 상기 구성에서, 제1 전선은 제2 전선의 규격(gauge) 크기보다 작은 규격 크기를 갖는 전기 모터.
[4] 상기 구성에서, 제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 적어도 2배가 작은 전기 모터.
[5] 상기 구성에서, 제1 전선의 전기저항은 제2 전선의 전기저항과 같은 전기 모터.
[6] 또한, 상기 구성에서, 고정자는 또 다른 권선이 형성되는 또 다른 슬롯 구조체를 포함하며, 이러한 또 다른 권선은, 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제3 전선 및 제1 단부와 제2 단부를 갖는 제4 전선으로 이루어지며, 제3 전선은 전기저항률이 제1 전선의 전기저항률과 같고, 제3 전선과 제4 전선으로 병렬회로를 형성하기 위해, 제3 전선의 제1 단부와 제4 전선의 제1 단부가 서로 연결되고 또 제3 전선의 제2 단부와 제4 전선의 제2 단부가 서로 연결되며, 제4 전선은 제2 전선과 같은 전기저항률을 갖는 전기 모터.
[7] 또, 상기 구성에서, 제3 전선은 절연된 구리 전선이고, 제4 전선은 절연된 알루미늄 전선인 전기 모터.
[8] 또, 상기 구성에서, 제3 전선은 제4 전선의 규격 크기보다 더 작은 규격 크기를 갖는 전기 모터.
[9] 또, 상기 구성에서, 제3 전선의 전기저항은 제4 전선의 전기저항과 같은 전기 모터.
[10] 또, 상기 구성에서, 제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 적어도 2배가 작은 전기 모터.
[11] 또한, 본 발명에 따른 전기 모터의 제조방법은, 병렬회로를 형성하기 위해, 제1 전선을, 제1 전선의 전기저항률보다 더 큰 전기저항률을 갖는 제2 전선에 연결하는 것 및 전기 모터용 권선을 형성하기 위해, 고정자의 한 세트의 슬롯에 제1 전선과 제2 전선을 감는 것을 포함하여 구성되는 전기 모터의 제조방법.
[12] 또한, 상기 구성에서, 제1 전선은 절연된 구리 전선이고, 제2 전선은 절연된 알루미늄 전선인 전기 모터의 제조방법.
[13] 또한, 상기 구성에서, 제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 더 작은 전기 모터의 제조방법.
[14] 또한, 상기 구성에서, 제1 전선의 전기저항은 제2 전선의 전기저항과 같은 전기 모터의 제조방법.
[15] 또한, 상기 구성에서, 제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 적어도 2배가 작은 전기 모터의 제조방법.

이하, 도면을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 대해 구체적으로 설명한다.

종래의 전기 유도 모터에 설치되는 고정자(10)가 도 1에 도시되어 있다. 고정자(10)는 주철(cast iron) 또는 알루미늄으로 만들어진 복수의 얇은 적층으로 구성되어 있다. 적층은 슬롯(18)을 갖는 중공 고정자 코어(hollow stator core;14) 형상으로 서로 결합된다. 절연선(22)의 코일은 권선(26)을 형성하며 한 세트의 슬롯, 즉, 슬롯 구조체에 감겨 있다. 교류 전류가 권선(26)에 인가될 때, 회전 자기장이 발생된다. 상기 회전 자기장은 회전자의 출력 샤프트에서 토크를 발생시키며 알려진 방법으로 회전자에 작용한다.

도 2는 단상 유도 모터의 대표적인 회로이다. 모터(50)는 입력 연결부(54), 주권선(58), 커패시터(62), 원심 스위치(66), 시작 또는 보조 권선(70) 및 회전자(74)를 포함한다. 주권선(58)과 보조 권선(70)은 상기에 기술된 고정자 슬롯 구조체에 싸여 있다. 커패시터(62), 원심 스위치(66) 및 보조 권선(70)은 하나의 권선만 있는 모터가 자기시동(self-starting)하지 않기 때문에 합쳐져 있다. 멈춘 위치 또는 저속에서 원심 스위치(66)는 폐쇄되어 있다. 회로에 인가된 교류 전류에 응하여, 주권선(58)을 통한 전류는 주권선의 임피던스 때문에 공급전류보다 뒤쳐진다. 마찬가지로, 커패시터(62), 스위치(66) 및 권선(70)을 포함한 회로의 시작 레그(start leg)를 통한 전류 또한 시작 레그의 임피던스로부터의 공급 전류보다 뒤쳐진다. 주권선과 시작 권선에 의해 발생된 자기장은 한 방향으로 회전하는 자기장을 생산한다. 이 자기장은 회전자에 작용하여 회전자를 거동한다. 회전자가 미리 정해진 속도에 근접함에 따라서, 원심 스위치가 열리고, 보조 권선은 더 이상 자기장을 발생시키지 않는다. 그 후에, 주권선은 회전자의 회전을 계속하도록 회전자와의 상호작용을 통해서 회전 자기장을 계속해서 발생시킨다.

앞서 알려진 유도 모터에서, 주권선과 보조 권선은 고정자 갭에 싸여 구리 전선으로 형성되어 진다. 구리 전선은 이미 결정된 효율적인 권회수와 권선 저항을 얻도록 다수의 권회가 고정자 슬롯 구조체에 싸여 있다. 구리의 가격이 증가함에 따라서, 저렴한 전도체는 권선을 형성하기 위해 이용되는 구리를 대체하도록 고려된다. 그러나, 이러한 저렴한 전도체는 구리만큼 낮은 전기 저항성을 갖고 있지는 않다. 결과적으로, 저렴한 전도체는 구리 권선의 효율적인 권선수와 저항과 동등한 효율성과 저항을 제공하기 위해서 대체된 구리선보다 큰 규격을 갖는 전선을 요구한다. 예를 들어, 구리는 20℃에서 대략 1.724μΩ／㎤의 전기 저항률을 갖는 반면에, 알루미늄은 20℃에서 대략 2.828μΩ／㎤의 전기 저항률을 갖는다. 적절한 권회수를 위한 고정자 슬롯에서 큰 규격 전선을 싸면 고정자에서 슬롯을 넘치게 채운다. 또한, 슬롯의 크기가 증가될 필요가 있거나 또는 회전자 길이의 증가를 요구한다. 양 변경은 디자인 및 공구 비용 증가 또는 장비가격, 재료 증가를 요구하므로, 비교적 비싸지게 된다. 물론, 이러한 증가된 비용은, 적어도 부분적으로, 저렴한 전도체 물질의 대체로부터 예상된 비용절감을 상쇄시킨다.

이 문제를 극복하고 권선용 저렴한 전도체의 대체로부터 야기된 잠재적 비용절감을 더욱 보존하기 위해서, 새로운 권선은 발전되어 병렬회로에서 서로 연결된 서로 다른 전기 저항률을 갖는 두 전기 전도체로 구성된다. 도 3은 새로운 권선을 갖는 모터용 전기적 도식도이다. 이 도식은 도 2에 나타낸 구성요소와 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호가 사용된다. 그러나, 주권선(100)은 두 전기 전도체로 구성된다. 하나의 전기 전도체는 절연된 구리 전선(109)이고, 다른 전도체는 절연된 알루미늄 전선(108)이다. 도면에서 나타낸 바와 같이, 두 전도체는 서로 연결되어 병렬회로를 형성한다. 권선(100)에 의해 대체된 동등한 효율적인 권회수와 권선(58)의 저항을 가지는 권선(100)을 만들기 위해서, 구리 전선 형성 권선(100)의 규격은 권선(58)을 형성하기 위해 사용된 구리 전선의 규격으로부터 감소된다. 일실시예는, 권선(58)은 세개의 고정자 슬롯에 24, 37, 43번 싸여진 18 규격 구리 전선으로 형성되고, 반면에 권선(100)은 세개의 고정자 슬롯에 27, 36, 42번 싸여지고, 평행하게 연결된 21 규격 구리 전선과 19 규격 알루미늄 전선으로 형성되었다. 비록 동등한 효율적인 권회수를 위해 더 많은 권회수가 요구되지만, 얇은 전도체는 권선(58)을 유지하도록 이용하는 같은 고정자 슬롯 내에 맞는 두 전도체에 의해 형성된 권선이 가능하다. 또한, 권선(58)의 가격을 대략 13% 이상 비용 절감시키도록 생산하는 권선(100)에 이용되는 알루미늄 전선의 가격을 줄이도록 연결한 권선(100)을 위하여 구리 양의 감소가 요구된다. 또한, 병렬회로에서 서로 연결된 다른 저항률을 갖는 두 전기 전도체의 조합은 본래 모터의 고정자 슬롯 내에 맞는 더 값싼 권선을 제공한다.

위에서 기술한 실시 예에서, 같은 길이의 구리 전선에서 세개 규격 크기의 감소는 본래 권선(58)의 전기적 저항의 1/2을 갖는 권선의 일방의 레그를 야기한다. 결과적으로, 본래 권선(58)의 다른 반쪽은 알루미늄 전선에 의해 제공되어야만 한다. 새롭게 선택된 구리 규격 전선 위의 두 규격 크기에 의해 알루미늄 전선의 규격이 증가함에 따라서, 본래 권선(58)의 1/2과 동일한 전기 저항은 더 작은 규격 구리 전선의 길이와 같은 알루미늄 전선 길이로 얻어질 수 있다. 그러나, 두 전도체 사이의 저항의 다른 비는 단일 금속 전도체(single metal conductor)로 이루어진 본래 권선의 전기 저항과 동일한 전도체의 평행한 배열에 의해서 나타난 전기 저항만큼 이용될 수 있다.

위에서 기술한 주 모터 권선의 구조는 모터에서 다른 권선을 위해 이용될 수 있다. 예를 들어, 보조 권선은 또한 병렬회로와 연결되고 고정자 슬롯에 대하여 싸인 다른 전기 비저항을 갖는 두 전기 전도체를 포함할 수 있다. 유사하게, 다상의 전기 모터에 하나 또는 더 많은 권선이 비슷하게 형성될 수 있다. 위에서 기술한 권선 구조를 포함하는 것은 더 값싼 물질의 사용과 모터를 위한 무게의 감소로 부터 실현되어 비용을 절약할 수 있다.

사용 중에, 기존의 모터 디자인은 하나 또는 더 많은 새로운 권선을 위하여 평가된다. 권선이 선택되고, 제 1 전기 저항률의 얇은 전도체는 권선을 위하여 선택된다. 제 1 전도체와 다른 전기 저항률을 갖는 제 2 전도체가 선택된다. 각 전도체 저항이 병렬회로에서 두 전도체가 연결될 때 본래 디자인에서 권선의 저항과 같은 저항이 생산되어 선택된다. 각 전도체의 길이는 각 전도체를 위한 저항으로부터 결정되고, 두 전도체는 병렬회로를 형성하도록 서로 연결되어 진다. 두 전도체는 본래의 모터 디자인을 위한 고정자의 슬롯에 싸여있다. 모터는 새로운 권선이 본래 모터와 동일한 모터의 실행을 확인하기 위하여 테스트 될 수 있다.

당해 기술분야의 사람들은 다양한 수정이 위에서 기술한 구체적인 실행으로 이루어질 수 있음을 인식할 것이다. 그러므로 다음의 청구항들은 위에서 기술한 구체적인 실시 예에 한정되지 않는다. 실시예에 나타낸 것과 수정될 수 있는 청구항은 변경, 대체, 수정, 개선, 동등물, 실시예와 실질적 동등물 및 여기서 개시된 교시를 포함하고, 예를 들어 출원인, 특허권자, 그 외의 사람들이 현재 예측하지 못한 것이나 평가되지 않은 것을 포함한다.

Claims (15)

1. 권선이 형성되는 슬롯 구조체를 갖는 고정자를 포함하여 구성되는 전기 모터로서,
   상기 권선(winding)은,
   제1 단부와 제2 단부를 갖는 제1 전선; 및
   제1 단부와 제2 단부를 갖는 제2 전선;
   으로 이루어지며,
   제1 전선과 제2 전선으로 병렬회로를 형성하기 위해, 제1 전선의 제1 단부와 제2 전선의 제1 단부가 서로 연결되고 또한 제1 전선의 제2 단부와 제2 전선의 제2 단부가 서로 연결되며,
   제2 전선은 제1 전선보다 더 큰 전기저항률을 갖는 전기 모터.
2. 제1항에 있어서,
   제1 전선은 구리 전선이고, 제2 전선은 알루미늄 전선인 전기 모터.
3. 제1항에 있어서,
   제1 전선은 제2 전선의 규격(gauge) 크기보다 작은 규격 크기를 갖는 전기 모터.
4. 제3항에 있어서,
   제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 적어도 2배가 작은 전기 모터.
5. 제1항에 있어서,
   제1 전선의 전기저항은 제2 전선의 전기저항과 같은 전기 모터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 고정자는 또 다른 권선이 형성되는 또 다른 슬롯 구조체를 포함하며,
   상기 또 다른 권선은,
   제1 단부와 제2 단부를 갖는 제3 전선; 및
   제1 단부와 제2 단부를 갖는 제4 전선;
   으로 이루어지며,
   제3 전선은 전기저항률이 제1 전선의 전기저항률과 같고,
   제3 전선과 제4 전선으로 병렬회로를 형성하기 위해, 제3 전선의 제1 단부와 제4 전선의 제1 단부가 서로 연결되고 또한 제3 전선의 제2 단부와 제4 전선의 제2 단부가 서로 연결되며,
   제4 전선은 제2 전선과 같은 전기저항률을 갖는 전기 모터.
7. 제6항에 있어서,
   제3 전선은 절연된 구리 전선이고, 제4 전선은 절연된 알루미늄 전선인 전기 모터.
8. 제6항에 있어서,
   제3 전선은 제4 전선의 규격 크기보다 더 작은 규격 크기를 갖는 전기 모터.
9. 제6항에 있어서,
   제3 전선의 전기저항은 제4 전선의 전기저항과 같은 전기 모터.
10. 제6항에 있어서,
    제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 적어도 2배가 작은 전기 모터.
11. 병렬회로를 형성하기 위해, 제1 전선을, 제1 전선의 전기저항률보다 더 큰 전기저항률을 갖는 제2 전선에 연결하는 것; 및
    전기 모터용 권선을 형성하기 위해, 고정자의 한 세트의 슬롯에 제1 전선과 제2 전선을 감는 것;
    을 포함하여 구성되는 전기 모터의 제조방법.
12. 제11항에 있어서,
    제1 전선은 절연된 구리 전선이고, 제2 전선은 절연된 알루미늄 전선인 전기 모터의 제조방법.
13. 제11항에 있어서,
    제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 더 작은 전기 모터의 제조방법.
14. 제11항에 있어서,
    제1 전선의 전기저항은 제2 전선의 전기저항과 같은 전기 모터의 제조방법.
15. 제11항에 있어서,
    제1 전선의 규격 크기는 제2 전선의 규격 크기보다 적어도 2배가 작은 전기 모터의 제조방법.

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