KR100246060B1 - 유도전동기의로터 - Google Patents

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KR100246060B1
KR100246060B1 KR1019970015845A KR19970015845A KR100246060B1 KR 100246060 B1 KR100246060 B1 KR 100246060B1 KR 1019970015845 A KR1019970015845 A KR 1019970015845A KR 19970015845 A KR19970015845 A KR 19970015845A KR 100246060 B1 KR100246060 B1 KR 100246060B1
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배길성
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Abstract

본 발명은 유도 전동기의 로터에 관한 것으로, 유도 전동기의 기자력 손실을 경감하여 모터의 에너지 효율을 향상시킬 수 있고, 로터의 중량감소에 의한 무부하 토크 및 관성력을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작단가를 크게 절감시킬 수 있는 유도 전동기의 로터에 관한 것이다.
이를 위한 특징적인 구성은 로터 코어에서 자속이 통과하는 거리가 짧아지도 록 유도하기 위해 축 삽입공을 중심으로 코어 레그로써 구획된 복수개의 공간부를 형성하고, 또 코어의 냉각에 도움이 되도록 하기 위해 이 공간부에 비자성체를 채우는데 있다.
이와 같은 본 발명에 의하면 자속선의 경로를 대폭적으로 줄일 수 있어, 자기저항을 줄일 수 있어, 자속장의 흐름을 원활하게 할 수 있고, 동일 전원으로 작동되는 타 모터에 비하여 큰 토크를 얻을 수 있다.

Description

유도 전동기의 로터
본 발명은 유도 전동기의 로터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 로터 코어에서 발생되는 기자력 손실(loss of magnetomotive force)을 경감하여 유도 전동기의 기동 효율을 향상시킬 수 있고, 로터의 중량을 감소시켜 로터의 제작 단가를 절감시킬 수 있도록 하는 유도 전동기의 로터에 관한 것이다.
일반적으로, 유도 전동기의 로터는 도 1에 도시된 바와 같이 규소 강판으로된 복수매의 철판이 회전축(11)을 중심으로 적층된 로터 코어(1)가 설치되고, 스테이터의 1차 권선(winding)에 의해 발생된 자계(magnetic field)내에 상기 로터가 위치됨에 따라 상기 스테이터의 1차 권선에 의해 발생된 자계가 2차 도체인 로터에 영향을 미치게 되는데, 상기 로터 코어가 원판 형태로 형성되어 있으므로 자속이 로터 코어 전체에 형성된다.
종래의 1실시예에 의한 유도 전동기의 로터(1a)는 도 14A 도에 나타낸 바와 같이, 복수매의 적층된 로터 코어(2a)의 중앙에 모터축(도시되지 않음)이 삽입되는 축 삽입공(3a)이 형성되고, 이 축 삽입공(3a)의 바깥쪽에는 공기 흐름을 위한 복수개의 통공(6a)(blow hole)이 형성되어 있다.
그리고, 종래의 2실시예에 의한 유도 전동기의 로터(1b)는 도 14B 도에 도시된 바와 같이, 복수매의 적층된 로터 코어(2b)의 중앙에 모터 축이 삽입되는 축 삽입공(3b)이 형성되고, 이 축 삽입공(3b)의 바깥쪽에는 공기흐름을 위한 복수개의 통공(6b)이 형성되는 한편, 상기 로터 코어(2b)의 통공(6b) 바깥쪽에 로터 코어(2b)를 자동 적층시키기 위한 자동 적층홈(8)이 형성되어 있다.
그러나, 이와 같은 종래의 1실시예 및 2실시예에 의한 유도 전동기의 로터(1a),(1b)는 자속이 로터 코어(2a),(2b)의 원판 전체에 분포됨에 따라 자속의 경로중 일부는 경로의 길이가 길고, 이러한 경로의 수가 많을수록 자기 저항이 커진다.
이와 같이 자기 저항이 증가함에 따라 로터의 기자력의 손실도 커지게 되고, 이와 같은 기자력 손실에 의해 모터의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.
특히, 로터(1a),(1b)의 중량이 커서 무부하 토오크(torque) 및 관성력이 커지게 되며, 제작 단가의 상승을 초래하게 되는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 주된 목적은 유도 전동기의 기자력 손실을 경감하여 모터의 기동효율을 향상시킬 수 있도록 하는 유도 전동기의 로터를 제공하는데 있다.
그리고, 본 발명의 다른 목적은 로터의 중량을 감소시켜 무부하 토크 및 관성력을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 제작단가를 크게 절감시킬 수 있는 유도 전동기의 로터를 제공하는데 있다.
도 1은 유도 전동기의 부분 단면도
도 2는 본 발명의 1실시예에 의한 로터의 사시도,
도 3A 및 도 3B 는 본 발명의 1실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 4A 및 도 4B 는 본 발명의 2실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 5는 본 발명의 3실시예에 의한 로터의 측면도
도 6A 및 도 6B 는 본 발명의 4실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 7A 및 도 7B 는 본 발명의 5실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 8A 및 도 8B 는 본 발명의 6실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 9A 및 도 9B 는 본 발명의 7실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 10A 및 도 10B는 본 발명의 8실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 11A 및 도 11B 는 본 발명의 9실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도.
도 12A 및 도 12B 는 본 발명의 10실시예에 의한 로터의 측면도 및 부분 단면도,
도 13A 는 도 3 에 도시된 로터의 자속경로를 도시한 도면,
도 13B 는 도 5 에 도시된 로터의 자속경로를 도시한 도면,
도 14A 는 종래의 1실시예에 의한 로터의 자속 경로를 도시한 도면,
도 14B 는 종래의 2실시예에 의한 로터의 자속 경로를 도시한 도면이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 로터 및 스테이터로 이루어져 동력을 발생하는 유도 전동기에 있어서, 상기 로터의 로터 코어에서 자속이 통과하는 거리가 짧아지도록 유도하기 위해 축 삽입공을 중심으로 코어 레그에 의해 구획된 복수개의 공간부가 형성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기 로터 코어의 냉각에 도움이 되도록 하기 위해 상기 공간부에 비자성체로 채울 수도 있으며, 상기 비자성체에 통공을 형성하여, 공기가 흐르도록 할 수 있다.
또한, 상기 로터의 양단부에는 도전체인 엔드링을 설치하여 로터에서 유기되는 2차전류의 폐회로를 제공할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 2 는 본 발명의 1실시예에 의한 로터의 사시도이고, 도 3A 는 본 발명의 1실시예에 의한 로터의 측면도이며, 도 3B 는 본 발명의 1실시예에 의한 로터의 부분 단면도이다.
도 2 내지 도 3 에 도시된 본 발명의 1실시예에 의한 로터(10)는, 로터 코어(12)의 중앙에 모터 축(11)이 결합되는 축 삽입공(13)이 형성되며, 이 축 삽입공(13)을 중심으로 하는 코어 레그(core leg) (14)가 방사상으로 다수개 형성되어 있고, 이들 코어 레그(14)의 사이에는 공간부(15)가 형성된다.
그리고, 상기한 코어 레그(14)는 로터 코어(2)의 양쪽에 각각 동일하게 형성되고, 공간부(15) 역시 동일한 위치에 대칭형으로 형성되며, 이들 양측의 공간부(15)는 격판(18)에 의해 막혀 있다.
도 4A 는 본 발명의 2실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 4B 는 본 발명의 2 실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 2실시예에 의한 로터(20)는,로터 코어(22)의 중앙에 모터 축(도시되지 않음)이 결합되는 축 삽입공(23)이 형성되며, 이 축 삽입공(23)을 중심으로 하는 코어 레그(core leg)(24)가 방사상으로 다수개 형성되어 있고, 이들 코어 레그(24)의 사이에는 공간부(25)가 형성된다.
상기한 코어 레그(24)는 로터 코어(22)의 양쪽에 각각 동일하게 형성되고, 공간부(25) 역시 동일한 위치에 대칭형으로 형성되며, 이들 양측의 공간부(25)는 격판(28)에 의해 막혀 있고, 상기한 격판(28)에는 로터 코어(22)의 양쪽에 각각 동일하게 형성된 공간부(25)를 관통하는 통공(27)이 한 개씩 형성되어, 상기 통공(27)을 통해 공기가 통과할 수 있도록 되어 있다.
그리고, 본 발명의 3실시예에 의한 로터(30)는 도 5 도에 도시된 바와 같이, 로터 코어(32)의 양측에 형성된 공간부(35)를 분리하는 격판(38)에 2개의 통공(37)이 형성되어 있다.
도 6A 는 본 발명의 4실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 6B 는 본 발명의 4실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 4실시예에 의한 로터(40)는, 로터 코어(42)의 중앙에 모터 축(도시되지 않음)이 결합되는 축 삽입공(43)이 형성되며, 이 축 삽입공(43)을 중심으로 하는 코어 레그(44)의 사이에 형성된 공간부에 알루미늄 등의 비자성체(49)가 채워져 있어, 기자력의 손실은 방지하면서 로터 코어(42)의 냉각 효과를 높일 수 있도록 되어 있다.
그리고, 도 7A 는 본 발명의 5실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 7B 는 본 발명의 5실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 로터(50)는, 로터 코어(52)의 중앙에 모터 축(도시되지 않음)이 결합되는 축 삽입공(53)이 형성되며, 이 축 삽입공(53)을 중심으로 하는 코어 레그(54)가 방사상으로 다수개 형성되어 있고, 이들 코어 레그(54)의 사이에 형성된 공간부에 알류미늄 등의 비자성체(59)가 채워져 있는 한편, 상기 비자성체(59)를 관통하는 통공(57)이 형성되어, 로터 코어(52)의 냉각 효과를 더욱 높일 수 있도록 되어 있다.
한편, 도 8A 는 본 발명의 6실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 8B 는 본 발명의 6실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 6실시예에 의한 로터(60)는, 로터 코어(62)의 중앙에 모터 축이 결합되는 축 삽입공(63)이 형성되며, 이 축 삽입공(63)을 중심으로 하는 코어 레그(64)가 방사상으로 다수개 형성되며, 이 코어 레그(64)는 공간부를 4구역으로 분할하도록 형성되어 있고, 이 공간부에는 알류미늄 등의 비자성체(69)가 채워진 구조로 되어 있다.
그리고, 도 9A 는 본 발명의 7실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 9B 는 본 발명의 7실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 7실시예에 의한 로터(70)는, 로터 코어(72)의 중앙에 모터 축이 결합되는 축 삽입공(73)이 형성되며, 이 축 삽입공(73)을 중심으로 하는 코어 레그(74)가 공간부를 4구역으로 분할하도록 형성되어 있고, 이 공간부에는 알류미늄 등의 비자성체(79)가 채워져 있는 한편, 로터 코어(72)의 양쪽에 앤드링(end ring)(71)이 장착된 구조로 되어 있어, 로터에 유기되는 2차전류의 폐회로를 제공한다.
그리고, 도 10A 는 본 발명의 8실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 10B 는 본 발명의 8실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 8실시예에 의한 로터(80)는, 로터 코어(82)의 중앙에 모터 축이 결합되는 축 삽입공(83)이 형성되며, 이 축 삽입공(83)을 중심으로 하는 코어 레그(84)가 공간부를 4구역으로 분할하도록 형성되어 있고, 이 공간부에는 알류미늄 등의 비자성체(89)가 채워져 있는 한편, 로터 코어(72)의 양쪽에 앤드링(81)이 장착되며, 상기 비자성체(89)를 관통하는 통공(87)이 형성된 구조로 되어 있다.
그리고, 도 11A 는 본 발명의 9실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 11B 는 본 발명의 9실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 9실시예에 의한 로터(90)는, 로터 코어(92)의 중앙에 모터 축이 결합되는 축 삽입공(93)이 형성되며, 이 축 삽입공(93)을 중심으로 하는 코어 레그(94)가 방사상으로 다수개 형성되어 있고, 이들 코어 레그(14)의 사이에는 관통부(95)가 형성된다.
그리고, 도 12A 는 본 발명의 10실시예에 의한 로터의 측면도이고, 도 12B 는 본 발명의 10실시예에 의한 로터의 부분 단면도로서, 본 발명의 10실시예에 의한 로터(100)는, 로터 코어(102)의 중앙에 모터 축이 결합되는 축 삽입공(103)이 형성되며, 이 축 삽입공(103)을 중심으로 하는 코어 레그(104)가 방사상으로 다수개 형성되어 있고, 이들 코어 레그(104)의 사이에는 관통부(105)가 형성된다.
상기한 관통부(105)에는 비자성체(109)가 채워지며, 상기 비자성체(109)를 관통하는 통공(107)이 형성되어 있다.
또한 본 발명의 9실시예 및 10실시예에서는 도 9A, 도 9B 및 도 10A, 10B에 도시된 엔드링(71), (72)를 적용 채택할 수 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 작동 상태를 도 13을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 13A에 도시된 바와 같이, 유도 전동기에 설치되는 로터(10)의 로터 코어(12) 중앙에 형성된 축 삽입공(13)을 중심으로 방사상으로 형성된 코어 레그(14)에 의해 구획된 복수개의 공간부(15)가 형성되어 있으므로 점선으로 표시된 자속이 통과하는 거리가 짧게 유도되며, 기자력 손실을 경감시킬 수 있어서 모터의 기동 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기한 공간부(15)로 인해 로터(10)의 중량이 크게 감소되어 무부하 토오크 및 관성력을 크게 줄일 수 있음과 동시에 제작비용을 절감시킬 수 있게 된다.
또한, 도 13B에 도시된 바와 같이, 로터(30)의 로터 코어(32)에 형성된 공간부(35)의 격판(38)에는 공기의 흐름을 위한 다수의 통공(37)이 형성되어 비자성체, 예컨데 알류미늄재질로 된 방열재가 삽입되므로 상기 로터 코어(32)에서 발생하는 열을 흡수하여 효율적으로 방열시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명을 하기 식에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
로터의 로터 코어에 자속이 통과할 때, 로터 코어에는 자기 저항으로 인한 기자력 손실이 생김에 따라서 자기 저항을 줄이는 것이 기자력 손실을 줄이는 것이고 모터의 효율을 높이는 것이다.
또한, 모터의 효율을 높이기 위해서는 자계의 세기 및 인덕턴스를 증가시켜야 한다.
상기한 바와 같이 모터 효율과 관련된 요소 즉, 자기 저항, 자계의 세기 및, 인덕턴스를 구하는 공식을 살펴보면 다음과 같다. 즉, 자기저항(magnetic reluctance)R은 다음 수학식 1로부터 얻을 수 있다
Figure kpo00001
-------- (1)
여기서,
Figure kpo00002
o는 진공 및 공기의 투자율,
Figure kpo00003
r은 철판재의 비투자율,
Figure kpo00004
은 자로의 길이, 그리고 A는 자로의 단면적을 각각 나타낸다.
상기와 같이 자기 저항은 자로의 길이와 비례하므로, 자기 저항을 줄이기 위해서는 자로의 길이를 줄여야하는 것이다.
또한 철판에서의 자계의 세기 H(Oersted)는 다음 수학식 2에 의하여 구할 수 있다.
Figure kpo00005
(Oersted) -------- (2)
여기서, N은 권선수, I는 권선에 흐르는 전류,
Figure kpo00006
은 자로의 길이를 각각 나타낸다.
상기와 같이 자계의 세기는 자로의 길이와 반비례하므로, 자계의 세기를 증가시키기 위해서는 자로의 길이를 줄여야 하는 것이다.
또한 자계의 인덕턴스 L(Henry)는 다음 수학식 3으로부터 얻을 수 있다.
Figure kpo00007
(Henry) ------ (3)
여기서,
Figure kpo00008
o는 진공 및 공기의 투자율,
Figure kpo00009
T은 철판재의 비투자율, N은 권선수, Ao는 자로의 단면적, Ko는 철판의 적층밀도계수(coefficient of stacking sactor density),
Figure kpo00010
은 자로의 길이를 각각 나타낸다.
상기와 같이 인덕턴스는 자로의 길이와 반비례하므로, 인덕턴스의 세기를 증가시키기 위해서는 자로의 길이를 줄여야 하는 것이다.
즉, 상기한 공식 1, 2, 3에서 보는 바와 같이, 동일 재질의 로터에서 자기 저항을 줄이고, 자계(magnetic field)의 세기 및 인덕턴스(inductance)를 증가시키기 위해서는 자로의 길이를 줄이는 것이 중요함을 알 수 있다.
한편, 도 13A, 도 13B 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 로터(10), (30)는 로터 코어(12), (32)에 공간부(15), (35)를 형성함으로써, 자로의 길이가 도 14A, 도 14B 에 나타낸 종래의 로터(1a),(1b)에서보다 짧아졌다는 것을 알 수 있다.
이때, 주의할 점은 공간부(15), (35)를 형성할 때 자로의 단면적을 고려하여 형성하여야 한다.
즉, 상기한 수학식 1에서 알 수 있듯이 자기 저항(R)은 자로의 단면적(A)에 관계되므로, 자속 밀도가 적정한 수준이 되도록 자로의 단면적을 유지하여야 한다.
또한, 동일한 자로에서의 철손(iron loss)Wi 은 다음 수학식 4로부터 얻어진다.
Figure kpo00011
----(4)
여기서, kh는 히스테리시스 상수(hysteresis contant), ke 는 와전류 상수(eddy current constant), f는 주파수(frequency)를 나타낸다.
즉, 상기 철손 Wi를 줄이기 위해서는 필요 이상으로 자속 밀도(magnetic flux density)가 커지지 않아야 한다.
따라서, 로터 코어의 단면 형상에서 슬롯(slot) 하단 단면에서부터 코어의 내경까지의 거리가 스테이터 요크(stator yoke)의 티스(teeth) 폭 이상이 되어야 할 것은 물론이고 이 부분에서의 자속밀도 계산값이 규소 강판 재질이 갖는 B-H 커프(curve)의 임계곡면, 즉 비투자율 값이 극소가 되는 점을 넘어서는 않된다.
좀더 정확하게 말하면, 상기한 수학식 4로 계산된 철손의 값이 기존의 경우에 비하여 크지 않은 정도로 자로의 단면적을 유지하여야 한다.
또한, 로터 코어에 형성된 공간부에 알루미늄을 채워 넣으면 빈 공간으로 두는 경우에 비하여 로터 코어에서 발생하는 열을 흡수하는 방열하는 효과를 더 많이 가지므로 모터 효율 향상에 도움이 된다.
이러한 본 발명에 의해 제작된 유도 전동기의 실험 결과는 다음의 테이블 1과 같았다.
상기한 테이블 1과 같은 실험결과가 얻어지는 본 발명은 도 7A에 도시된 바와 같은 구조에 통공을 6개 형성한 로터를 장착한 60Hz, 220V의 단상 유도 전동기로서, 외부 직영이 107㎜, 적층높이가 55㎜, 극수 4극, 입력 516W, 알루미늄 부분의 반경 17.67㎜, 통공의 직경 5.88㎜이다.
그리고, 종래 기술은 도 14A에 도시된 바와 같은 구조의 로터를 장착한 단상 유도 전동기를 사용하였으며, 제원은 본 발명의 유도 전동기와 동일하며 단지, 로터에 공간부나 통공이 형성되어 있지 않은 것이다.
[테이블 1]
부 하 종래 기술 본 발명 효 과
RPM 전류(Am) 효율 RPM 전류(Am) 효율
0.0 1712 1.20 - 1735 1.10 - 10.0
0.5 1656 1.20 6.27 1695 1.10 7.00 11.6
1.0 1618 1.22 12.06 1650 1.18 12.71 5.4
1.5 1527 1.40 14.87 1588 1.20 18.05 21.35
2.0 1340 1.45 16.80 1502 1.25 21.85 30.06
2.5 - - - 1392 1.40 22.60 -
단위 :
1. 부하 : 인치ㆍ파운드(inchㆍpounds)
2. 효율 : 단위당 효율(per unit efficiency) (n)=
Figure kpo00012
×100
3. 비교효과(%) = (%)=
Figure kpo00013
×100
상기 테이블 1에서 본 발명은 종래 기술보다 10%에서 30%이상의 비교 효과가 있음을 알 수 있다.
이상에서 자세히 설명한 바와 같이 본 발명은 유도 전동기의 기자력 손실을 경감하여 모터의 기동효율을 증대시킬 수 있고, 로터의 중량을 감소시켜 무부하 토오크 및 관성력을 줄일 수 있으며, 로터 코어재의 절감에 의해 제작 단가를 크게 절감시킬 수 있으므로, 제품의 효율성 및 신뢰성을 대폭 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 로터 및 스테이터로 이루어져 동력을 발생시키는 유도 전동기에 있어서, 로터 코어 중앙부에 형성된 축 삽입공을 중심으로 코어 레그에 의해 구획된 복수개의 공간부가 로터 코어에 형성되며, 이들 양쪽의 공간부는 격판에 의해 나누어짐을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 공간부는 로터 코어의 양측에 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 격판에 하나 이상의 통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 각 공간부에 비자성체가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터.
  5. 제4항에 있어서, 상기 비자성체 및 격판을 관통하는 하나 이상의 통공이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터.
  6. 제2항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 로터 코어의 양단에 엔드링이 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터.
  7. 로터 및 스테이터로 이루어져 동력을 발생시키는 유도 전동기에 있어서, 로터 코어 중앙부에 형성된 축 삽입공을 중심으로 코어 레그에 의해 구획된 복수개의 공간부가 로터 코어에 형성되고, 상기 공간부는 비자성체가 충진되며, 상기 비자성체에는 공기 통풍을 위한 통공이 형성되는 것을 특징으로 하는 유도 전동기의 로터.
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