KR101554390B1

KR101554390B1 - 회전전기기계용 고정자 및 이를 구비하는 회전전기기계

Info

Publication number: KR101554390B1
Application number: KR1020130117430A
Authority: KR
Inventors: 문재원; 김승주; 김윤환; 한만승
Original assignee: 재단법인 한국기계전기전자시험연구원
Priority date: 2013-10-01
Filing date: 2013-10-01
Publication date: 2015-09-18
Anticipated expiration: 2033-10-01
Also published as: KR20150038981A

Abstract

본 발명은 회전전기기계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전전기기계용 고정자 구조에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 회전축선을 중심으로 하는 원통형상의 요크; 동일한 형태를 갖는 다수의 시트 부재가 적층되어서 형성되고, 상기 요크의 내부에 삽입되어 고정되는 고정자 치부; 및 상기 고정자 치부가 상기 요크 내에 삽입되기 전에 상기 고정자 치부에 권취되는 권선 코일을 포함하며, 상기 고정자 치부는 상기 회전축선을 중심으로 하는 원통형상의 슈와, 상기 슈로부터 반경방향 바깥쪽으로 연장되어서 끝단이 상기 요크에 고정되고 원주방향을 따라 차례대로 이격되어서 배치되어서 상기 권선 코일이 권취되는 다수의 치형부와, 상기 슈에서 상기 두 치형부의 사이의 중간 지점에 각각 형성되는 다수의 슬릿 구조를 구비하며, 상기 슬릿 구조는 상기 슈를 관통하는 적어도 하나의 슬릿을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계용 고정자가 제공된다.

Description

회전전기기계용 고정자 및 이를 구비하는 회전전기기계 {STATOR FOR ROTATING ELECTRIC DEVICE AND ROTATING ELECTRIC DEVICE WITH THE SAME}

본 발명은 전동기와 발전기를 포함하는 회전전기기계용 고정자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 토크특성을 향상시키는 회전전기기계용 고정자에 관한 것이다.

회전전기기계의 일예로서, 영구자석형 동기전동기는 영구자석과 코일을 이용하고 코일에 흐르는 전류를 제어하여 자력의 반발 및 흡인력을 유도함으로써 회전력을 얻는다.

회전자가 내부에 위치하고 고정자가 외부에 위치하는 내전형의 영구자석형 동기전동기의 경우에 일반적으로 사용되는 고정자 구조는 링형상의 요크 내주부터 안쪽으로 연장되는 다수의 코일 권선용 치형부를 구비한다. 이러한 고정자 구조에서 각 치형부의 끝단 사이에 형성되는 슬롯의 개방 폭은 코깅 토크(cogging torque) 성능을 위해서는 좁은 것이 유리하지만, 구동토크 증가 및 권선 작업을 위해서는 슬롯의 개방 폭이 큰 것이 유리하다. 이러한 상반된 구조적 문제를 해결하는 구조로서, 대한민국공개특허 제10-2012-0112502호에는 다수의 고정자 시트가 적층되어 형성된 별 형상의 라미네이트형 코어를 구비하는 고정자 구조가 개시되어 있다. 하지만, 상기 선행특허문헌에 기재된 코어는 자기 단락(magnetic short circuit)의 감소를 위한 다수의 갭을 형성하기 위하여 다른 형태의 고정사 시트들이 별도로 준비되어야 하므로, 제조 상의 번거로움이 뒤따른다.

본 발명의 목적은 제조가 용이하면서 우수한 성능을 제공하는 회전전기기계용 고정자 및 이를 구비하는 회전전기기계를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면,

회전축선을 중심으로 하는 원통형상의 요크; 동일한 형태를 갖는 다수의 시트 부재가 적층되어서 형성되고, 상기 요크의 내부에 삽입되어 고정되는 고정자 치부; 및 상기 고정자 치부가 상기 요크 내에 삽입되기 전에 상기 고정자 치부에 권취되는 권선 코일을 포함하며, 상기 고정자 치부는 상기 회전축선을 중심으로 하는 원통형상의 슈와, 상기 슈로부터 반경방향 바깥쪽으로 연장되어서 끝단이 상기 요크에 고정되고 원주방향을 따라 차례대로 이격되어서 배치되어서 상기 권선 코일이 권취되는 다수의 치형부와, 상기 슈에서 상기 두 치형부의 사이의 중간 지점에 각각 형성되는 다수의 슬릿 구조를 구비하며, 상기 슬릿 구조는 상기 슈를 관통하는 적어도 하나의 슬릿을 구비하는 것을 특징으로 하는 회전전기기계용 고정자가 제공된다.

상기 슬릿 구조는 2개 이상의 슬릿을 구비하며, 상기 2개 이상의 슬릿은 원주방향을 따라서 차례대로 배치될 수 있다.

상기 슬릿 구조는 2개 이상의 슬릿을 구비하며, 상기 2개 이상의 슬릿은 반경방향을 따라서 차례대로 배치될 수 있다.

상기 슬릿은 원주방향을 따라서 연장된 형태일 수 있다.

상기 슬릿은 직사각형, 삼각형, 마름모꼴 또는 원형일 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면,

회전자 몸체와 상기 회전자 몸체의 외주면에 배치되는 다수의 영구자석을 구비하는 회전자; 및 상기 회전자를 내부에 회전가능하게 수용하는 고정자를 포함하며, 상기 고정자는 상기한 고정자 구조인 것을 특징으로 하는 회전전기기계가 제공된다.

본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는, 상기한 본 발명의 수단에 의하여 코일을 상기 고정자 치부의 개방된 바깥쪽에서 권취할 수 있으므로 권취 작업이 용이함과 동시에 치형부 사이의 내측 끝단이 폐쇄되어서 코킹 토크가 감소하고, 상기 슬릿에 의하여 누설자속이 감소되어서 회전전기기계의 토크 특성이 향상되며, 상기 고정자 치부가 동일한 형상의 시트 부재가 적층되어서 형성되므로 제조가 용이하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 구비하는 영구자석형 전동기의 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고정자의 분해 사시도로서, 권선 코일을 제거하고 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 도시된 슬릿이 형성된 부분을 확대하여 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 슬릿 구조의 다른 실시예을 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3에 도시된 슬릿 구조의 또 다른 실시예를 도시한 평면도이다.
도 6a 내지 도 6c는 도 3에 도시된 슬릿의 다른 형태들을 도시한 평면도이다.
도 7a 내지 도 7c는 슬릿 구조에 따른 토크 특성을 도시한 그래프이다.
도 8a 내지 도 8c는 슬릿 구조에 따른 역기전력 특성을 도시한 그래프이다.

이제, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예의 구성 및 작용을 상세히 설명한다.

본 발명은 회전전기기계와 관한 것으로서, 회전전기기계는 모든 형태의 전동기와 발전기를 포함한다. 이하, 회전전기기계가 전동기인 경우를 예로 들어서 본 발명의 일 실시예를 설명한다.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 구비하는 전동기가 평면도로 도시되어 있다. 본 실시예에서는 전동기가 내전형 구조의 영구자석형 동기전동기(PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor)인 것으로 설명한다.

도 1을 참조하면, 영구자석형 동기전동기(100)는 원통형상의 고정자(110)와, 고정자(110)의 반경방향 내측에 위치하여 고정자(110)에 대하여 회전하는 회전자(170)를 구비한다. 본 실시예에서 영구자석형 동기전동기(100)는 6극/9슬롯 구조인 것으로 설명한다.

도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자가 권선 코일이 생략된 상태로 분해 사시도로서 도시되어 있다. 도 1과 도 2를 참조하면, 고정자(110)는 회전자(170)의 회전축선(A)을 중심으로 하는 원통형상의 요크(120)와, 요크(120)의 반경방향 내측에 위치하는 고정자 치부(130)와, 권선 코일(160)을 구비한다.

요크(120)는 회전축선(A) 방향 양단이 개방된 원통형상으로서, 내주면(122)에 형성된 다수의 안착 홈(123)을 구비한다. 다수의 안착 홈(123)은 원주방향을 따라서 등간격으로 이격되어서 차례대로 위치한다. 안착 홈(123)은 아치형태의 단면 형상을 가지며 회전축선(A)과 평행한 방향으로 연장되어서 회전축선(A) 방향 양단부가 개방된다. 본 실시예에서는 안착 홈(123)이 아치형태인 것으로 설명하지만, 본 발명은 안착 홈(123)의 형태를 아치형태로 제한하지 않는다. 본 실시예에서는 안착 홈(123)은 전동기(100)의 9슬롯 구조에 맞추어 9개인 것으로 설명하는데, 안착 홈(123)의 수가 9개로 제한되는 것은 아니며, 전동기(100)의 구조에 따라서 적절하게 변경될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

고정자 치부(130)는 동일 형상을 갖는 다수의 시트 부재(130a)가 회전축선(A) 방향을 따라서 동일 위상으로 적층되어서 형성된다. 고정자 치부(130)는 회전축선(A)을 중심으로 하는 원통형상의 슈(shoe)(140)와, 슈(140)로부터 반경방향 바깥쪽으로 돌출되도록 연장된 다수의 치형부(150)와, 슈(140)에 형성된 다수의 슬릿 구조(145)를 구비한다. 고정자 치부(130)는 요크(120)의 내부 공간에 위치하도록 요크(120)에 결합된다.

슈(140)는 회전축선(A) 방향 양단이 개방된 원통형상으로서, 내부 공간에는 회전자(170)가 수용된다. 슈(140)는 요크(120)의 반경방향 안쪽에 이격되어서 위치한다. 슈(140)와 요크(120)의 사이에 형성되는 공간에 권선 코일(160)이 위치한다. 슈(140)에 다수의 슬릿 구조(145)가 형성된다. 슈(140)는 반경방향을 따라서 이격된 두 치형부(150)의 사이를 끊김없이 연결하는 연결부(142)를 구비한다. 연결부(142)는 두 치형부(150)의 반경방향 안쪽 끝단 사이를 폐쇄하는 역할을 함으로써, 전동기(100)의 토킹 토크를 감소시킨다.

다수의 치형부(150)는 슈(140)로부터 반경방향 바깥쪽으로 돌출되도록 연장된다. 각 치형부(150)에 권선 코일(160)이 권취된 형태로 구비된다. 다수의 치형부(150)는 원주방향을 따라 등각격으로 이격되어서 차례대로 배치된다. 각 치형부(150)의 반경방향 끝단(155)은 요크(120)의 안착 홈(123)에 대응하여 볼록하게 형성된다. 각 치형부(150)의 반경방향 끝단(155)은 안착 홈(123)과 밀착하며 고정된다. 각 치형부(150)의 양측에는 반경방향 안쪽을 바라보는 단턱(156, 157)이 각각 형성된다. 단턱(156, 157)은 치형부(150)에 권취된 권선 코일(160)의 이탈을 방지한다. 본 실시예에서는 치형부(150)가 전동기(100)의 9슬롯 구조에 맞게 9개인 것으로 설명하는데, 치형부(150)의 수는 전동기(100)의 구조에 따라서 변경될 수 있음을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

다수의 슬릿 구조(145)는 슈(140)에 원주방향을 따라 등간격으로 이격되어서 차례대로 위치한다. 각 슬릿 구조(145)는 슈(140)의 연결부(142)에서 두 치형부(150)의 사이 중심부에 위치한다. 슬릿 구조(145)는 회전축선(A)과 평행하게 연장되면서 연결부(142)를 관통하는 하나의 슬릿(146)를 구비한다. 슬릿(146)은 슈(140)의 연결부(142)에 의해 발생하는 누설 자속을 감소시키는 역할을 한다. 그에 따라, 전동기의 토크 특성이 개선된다. 슬릿(146)은 원주방향 길이가 긴 직사각형 형태를 갖는다. 슬릿(146)의 폭(a)(슬릿(146)의 반경방향 길이)은 연결부(142) 두께(T)의 20% 내지 50%인 것이 바람직하다. 슬릿(146)의 두께(a)가 연결부(142) 두께의 20%보다 작으면 누설자속 감소 효과가 미미하며, 50%보다 크면 구조적 강도가 저하된다. 또한, 슬릿(146)의 길이(b)(슬릿(146)의 원주방향 길이)는 연결부(142)의 원주방향 길이(w)의 3% 내지 10%인 것이 바람직하다. 슬릿 구조(145)의 연결부(142)는 자속을 적정수준으로 포화시켜서 코깅 토크를 저감시키고, 토크 특성을 개선시킨다.

상기 실시예에서는 슬릿 구조(145)가 하나의 슬릿(146)만으로 이루어지는 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 2개 이상의 슬릿을 구비할 수 있다. 예를 들면, 도 4에 도시된 바와 같이, 슬릿 구조(245)는 원주방향을 따라서 이격되어서 차례대로 배치되는 2개의 슬릿(246, 247)을 구비할 수 있다. 이와는 달리, 도 5에 도시된 바와 같이, 슬릿 구조(345)는 반경방향을 따라서 이격되어서 차례대로 배치되는 다수(본 실시예에서는 2개)의 슬릿(346, 347)을 구비할 수 있다. 상기 실시예에서는 슬릿이 대체로 직사각형 형태인 것으로 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않으며, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이 슬릿은 다양한 형태를 가질 수 있다. 도 6a를 참조하면, 슬릿(446)은 삼각형 형태를 가지며, 도 6b를 참조하면, 슬릿(546)은 마름모 형태를 가지며, 도 6c를 참조하면, 슬릿(646)은 원형으로 이루어진다. 이 밖에도 슬릿은 다른 다양한 형태를 갖도록 변형될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.

권선 코일(160)은 각 치형부(150)에 권취된 형태로 구비된다. 권선 코일(160)은 도 2에 도시된 바와 같이 고정자 치부(130)가 요크(120)로부터 분리되엇 치형부(150)의 반경방향 바깥쪽이 개방된 상태에서 치형부(150)에 권취된다. 따라서 권취 작업이 용이하게 된다. 권선 코일(160)의 권취 작업 후에 고정자 치부(130)가 요크(120)의 내부로 삽입되어서 고정된다.

회전자(170)는 회전자 몸체(180)와, 다수의 영구자석(190)을 구비한다. 회전자 몸체(180)는 회전축선(A)을 중심으로 하는 원통형상이다. 다수의 영구자석(190)은 회전자 몸체(180)의 외주면에 원주방향을 따라 차례대로 배치된다. 다수의 영구자석(190)은 서로 다른 극성의 영구자석이 서로 교대로 배치된다. 본 실시예에서는 다수의 영구자석(190)은 전동기(100)의 6극 구조에 맞게 6개인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 전동기(100)의 구조에 따라 적절히 변경될 수 있다.

도 7a 내지 도 7c에는 (a) 슬릿이 형성되지 않은 구조, (b) 도 3에 도시된 바와 같이 슬릿이 하나 형성된 구조, (c) 도 4에 도시된 바와 같이 슬릿이 2개 형성된 구조에서 각 전동기의 토크 특성이 도시되어 있다. 도 8a 내지 도 8c에는 (a) 슬릿이 형성되지 않은 구조, (b) 도 3에 도시된 바와 같이 슬릿이 하나 형성된 구조, (c) 도 4에 도시된 바와 같이 슬릿이 2개 형성된 구조에서 각 전동기의 역기전력 특성이 도시되어 있다. 도 7a 내지 도 8c에 도시된 바와 같이, 슬릿이 형성된 구조에서 안정적인 토크와 구형파 구동에 적합한 사다리꼴 형태의 역기전력 파형이 형성됨을 알 수 있다.

아래 표 1은 슬릿 구조에 따른 전동기 특성을 비교한 것이다.

	역기전력 (무여자) (rms) [V]	코깅 토크 (평균) [mNm]	전류당 토크 [mNm/A]	전류 (rms) [A]
No slit	11.48	702.42	116	6.03
1 slit	11.48	543.04	116	4.67
2 slit	12.03	590.82	124	4.75

상기 실시예에서는 전동기가 영구자석형 동기전동기(PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor)인 것으로 설명한다. 하지만, 본 발명은 이에 제한되지 않는다. 도면에 도시된 영구자석형 동기전동기는 본 발명에 따른 전동기용 고정자를 설명하기 위한 하나의 예을 뿐이며, 본 발명에 따른 전동기용 고정자 구조는 SRM, SynRM, 유도전동기 등 모든 전동기에 적용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것임을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

상기 실시예에서는 본 발명의 회전전기기계가 전동기인 경우를 예로 들어서 설명하였지만, 발전기의 경우에도 동일한 구조의 고정자가 적용될 수 있으며 이 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것임을 당업자라면 이해할 수 있을 것이다.

이상 실시예를 들어서 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 실시예는 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정되거나 변경될 수 있으며, 당업자는 이러한 수정과 변경도 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

100 : 회전전기기계 110 : 고정자
120 : 요크 130 : 고정자 치부
140 : 슈 142 : 연결부
145 : 슬릿 구조 146 : 슬릿
150 : 치형부 160 : 권선 코일
170 : 회전자 180 : 회전자 몸체
190 : 영구자석

Claims

회전축선을 중심으로 하는 원통형상의 요크;
동일한 형태를 갖는 다수의 시트 부재가 적층되어서 형성되고, 상기 요크의 내부에 삽입되어 고정되는 고정자 치부; 및
상기 고정자 치부가 상기 요크 내에 삽입되기 전에 상기 고정자 치부에 권취되는 권선 코일을 포함하며,
상기 고정자 치부는 상기 회전축선을 중심으로 하는 원통형상의 슈와, 상기 슈로부터 반경방향 바깥쪽으로 연장되어서 끝단이 상기 요크에 고정되고 원주방향을 따라 차례대로 이격되어서 배치되어서 상기 권선 코일이 권취되는 다수의 치형부와, 상기 슈에서 상기 다수의 치형부 중 인접하는 두 치형부의 사이의 중간 지점에 각각 하나 씩 형성되고 상기 슈를 관통하는 다수의 슬릿을 구비하며,
상기 슬릿의 반경방향 길이(a)는 상기 슈에서 인접하는 두 치형부의 사이를 연결하는 연결부(142) 두께(T)의 20% 내지 50%인 것을 특징으로 하는 회전전기기계용 고정자.
삭제
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 슬릿은 원주방향을 따라서 연장된 형태인 것을 특징으로 하는 회전전기기계용 고정자.
청구항 1에 있어서,
상기 슬릿은 직사각형, 삼각형, 마름모꼴 또는 원형인 것을 특징으로 하는 회전전기기계용 고정자.
회전자 몸체와 상기 회전자 몸체의 외주면에 배치되는 다수의 영구자석을 구비하는 회전자; 및
상기 회전자를 내부에 회전가능하게 수용하는 고정자를 포함하며,
상기 고정자는 청구항 1, 청구항 4 및 청구항 5 중 어느 하나의 청구항에 기재된 고정자인 것을 특징으로 하는 회전전기기계.