KR100370026B1 - 초고속 유도전동기의 회전자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고속 유도전동기의 회전자에 관한 것으로, 본 발명의 목적은 회전자 철심의 양단부에 위치한 엔드링의 강성을 강화시킴으로써 초고속 운전시 과대한 원심력으로부터 상기 엔드링을 보호할 수 있는 초고속 유도전동기의 회전자 구조를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 초고속 유도전동기의 회전자는 샤프트 삽입홈과 상기 샤프트 삽입홈의 주변에 다수의 회전자 슬롯이 형성된 다수의 규소강판을 상기 홈과 슬롯들이 정렬되도록 소정 길이로 적층하여 샤프트에 압입되는 회전자 철심과, 상기 회전자 슬롯에 전도성을 지닌 재질이 다이캐스팅되어 형성되는 회전자바와, 상기 회전자 철심의 양단부에 상기 회전자바를 서로 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링과, 상기 회전자 철심의 양 측면에 압입됨과 함께 상기 엔드링에 압착되어 상기 샤프트를 지지함과 함께 상기 엔드링의 변형을 막아주는 베어링 부시와, 상기 엔드링의 외측면에 구비되어 상기 베어링 부시와 함께 상기 엔드링의 변형을 막아주는 엔드링 보호부재를 포함한다.

Description

초고속 유도전동기의 회전자{rotor of induction motor for high-speed operation}

본 발명은 유도전동기의 회전자에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 50,000 rpm 이상의 초고속 유도전동기의 회전자에 있어서, 과도한 원심력에 의한 엔드링의 파손을 방지할 수 있는 초고속 유도전동기의 회전자에 관한 것이다.

일반적으로, 유도전동기라 함은 대표적인 교류 전동기로서 정류자를 갖추지 않고 회전자 또는 고정자의 한쪽만이 전원에 접속되어 있고 다른쪽은 전자유도 작용에 의해 동작하는 전동기이다. 흔히, 모터라 함은 유도전동기를 일컫는다.

상기 유도전동기는 회전자계를 형성하는 고정자 권선과, 회전자계에 의해 발생된 자속의 통로를 형성해주는 고정자 철심과, 유도전류를 받아 회전하는 회전자 도체 및 회전자 철심으로 이루어지는데, 여기서는 상기 회전자 도체를 회전자바 라고 칭하기로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기 유도전동기의 회전자 구조에 관해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래 유도전동기의 회전자 구조를 나타낸 단면도로서, 상기 회전자는 샤프트(10)에 삽입되어 도시되지 않은 고정자 철심의 내부에 공극(air gap)을 유지하면서 설치된다.

상기 회전자는 상기 샤프트(10)에 삽입되도록 중심에 샤프트 삽입홈(3)이 형성되고 그 주위에 다수의 회전자 슬롯(5)이 형성된 회전자 철심(1)과, 상기 회전자 슬롯(5)에 구비되어 2차 도체를 형성하는 다수의 회전자바(7)와, 상기 회전자 철심(1)의 양단부에 상기 회전자바(7)를 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링(end-ring,9)으로 구성된다.

그리고, 상기 회전자 철심(1)의 양 측면에 베어링 부시(12)가 상기 샤프트(10)에 삽입되어 있다.

즉, 상기 유도전동기는 2차 도체를 형성하기 위해 상기 회전자 철심(1)에 전도성을 지닌 회전자바(7)를 구비하고, 상기 회전자바(7)를 엔드링(9)을 이용해 하나의 회로를 구성하게 된다.

한편, 이와 같이 구성된 유도전동기의 회전자는 다음과 같은 과정을 거쳐 제작된다.

도 2는 종래 유도전동기의 회전자 제조공정을 나타낸 흐름도로서, 상기 회전자는 얇은 규소강판(silicon steel)을 프레스 금형으로 타발한 후(S10), 일정한 길이로 적층하여 회전자 철심을 제조한다(S20). 그리고, 상기 회전자 철심을 금형에 넣고 전도성을 지닌 알루미늄으로 다이 캐스팅(die-casting)을 실시하여 엔드링과 회전자 도체를 형성하고(S30), 상기 회전자 철심을 샤프트에 압입(壓入)하게 된다(S40).

상술한 제조공정으로 제작된 회전자를 구비한 유도전동기는, 고정자 권선에 3상 전원을 인가하면 회전자계에 의해 자속이 회전하고, 상기 회전자속이 공극을 통하여 회전자바와 쇄교함으로써 상기 회전자바에 전류를 발생시키게 된다. 계속하여, 상기 전류와 자속의 상호 작용에 의해 토크가 발생된다.

그러나, 상술한 유도전동기가 저속의 일반 산업용이 아닌 원심 압축기나 터보 압축기 등에 적용될 경우, 50,000rpm 이상의 초고속 운전으로 인해 상기 엔드링이 파손되는 경우가 종종 발생하였다.

도 3은 종래 유도전동기 회전자의 엔드링을 나타낸 확대 단면도로서, 50,000rpm 이상의 초고속 운전시 상기 엔드링(7)에 가해지는 원심력과 이로 인한 엔드링의 파손을 도시하고 있다.

원심력은 각속도의 제곱에 비례하는 바, 회전자의 회전속도가 초고속일 경우, 상기 엔드링에 가해지는 반경방향 원심력은 무시할 수 없을 정도로 커지게 된다.

따라서, 상기 원심력은 엔드링을 반경방향으로 밀어내는 힘으로 작용하여 상기 엔드링의 내주위에 변형을 가하게 되고, 결국 상기 엔드링의 내측에서부터 이탈이 발생하여 파손되는 결과를 초래하게 된다. 이것은 제품의 신뢰성에 치명적인 영향을 미친다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 원심 압축기나 터보 압축기에 적용되는 유도전동기에 있어서, 회전자 철심의 양단부에 위치한 엔드링의 강성을 강화시킴으로써 초고속 운전시 과대한 원심력으로부터 상기 엔드링을 보호할 수 있는 초고속 유도전동기의 회전자 구조를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 유도전동기의 회전자 구조를 나타낸 단면도

도 2는 종래 유도전동기의 회전자 제조공정을 나타낸 흐름도

도 3은 종래 유도전동기 회전자의 엔드링을 나타낸 확대 단면도

도 4은 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전동기의 회전자 구조를 나타낸 단면도

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전동기의 엔드링 보호부재를 나타낸 사시도

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도전동기의 회전자 구조를 나타낸 단면도

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도전동기의 엔드링 보호부재를 나타낸 사시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 회전자 철심 3 : 샤프트 삽입홈

5 : 회전자 슬롯 7 : 회전자바

9 : 엔드링 10 : 샤프트

12 : 베어링 부시 20,30 : 엔드링 보호부재

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 초고속 유도전동기의 회전자는 샤프트 삽입홈과 상기 샤프트 삽입홈의 주변에 다수의 회전자 슬롯이 형성된 다수의 규소강판을 상기 홈과 슬롯들이 정렬되도록 소정 길이로 적층하여 샤프트에 압입되는 회전자 철심과, 상기 회전자 슬롯에 전도성을 지닌 재질이 다이캐스팅되어 형성되는 회전자바와, 상기 회전자 철심의 양단부에 상기 회전자바를 서로 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링과, 상기 회전자 철심의 양 측면에 압입됨과 함께 상기 엔드링에 압착되어 상기 샤프트를 지지함과 함께 상기 엔드링의 변형을 막아주는 베어링 부시와; 상기 엔드링의 외측면에 구비되어 상기 베어링 부시와 함께 상기 엔드링의 변형을 막아주는 엔드링 보호부재가 포함되어 이루어진다.

그리고, 상기 엔드링 보호부재는 중심에 샤프트 삽입홈이 형성되고 주변부가 상기 엔드링을 감싸도록 절곡된 링인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 엔드링은 알루미늄 다이캐스팅(Al die-casting)이나, 구리 용접 또는 구리 다이캐스팅(copper die-casting)으로 제작되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고속 유도전동기의 회전자를 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 유도전동기의 회전자 구조를 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고속 유도전동기의 엔드링 보호부재를 나타낸 사시도이다.

도 4에 도시된 바에 따르면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유도전동기의 회전자는 중심에 샤프트 삽입홈(3)이 형성되고 상기 삽입홈의 주변에 회전자바 슬롯(5)이 다수개 형성된 원형의 규소강판이 소정 길이로 적층되어 샤프트(10)에 압입되는 회전자 철심(1)과, 상기 회전자 슬롯(5)에 전도성을 지닌 재질로 다이캐스팅(die-casting)되어 고정자 권선의 회전자속과 유도전류에 의해 토크를 발생시키는 회전자바(7)와, 상기 회전자 철심(1)의 양단부에 상기 회전자바(7)와 같은 재질로 일체로 다이캐스팅 되거나 또는 별도의 용접에 의해 상기 회전자바를 서로 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링(end-ring,9)과, 상기 회전자 철심(1)의 양측으로 상기 샤프트(10)를 지지하기 위해 샤프트에 압입되는 베어링 부시(12)와, 상기 회전자 철심(1)과 베어링 부시(12) 사이에 상기 엔드링(9)의 강성을 강화시켜 원심력으로부터 보호하는 엔드링 보호부재(20)로 구성된다.

이 때, 상기 엔드링 보호부재(20)는 원심 압축기나 터보 압축기에 적용되는 유도전동기에 있어서 50,000 rpm 이상의 초고속 운전시 상기 엔드링(9)에 반경방향으로 가해지는 원심력으로부터 상기 엔드링을 보호하기 위한 것이다.

도 5에 도시된 바에 따르면, 상기 엔드링 보호부재(20)는 샤프트에 압입되도록 중심에 샤프트 삽입홈(22)이 형성되고, 상기 엔드링을 감쌀 수 있도록 주변부(24)가 상기 엔드링 측으로 절곡되어 있는 링 형상이다. 즉, 상기 엔드링은 회전자 철심의 양단부에 상기 회전자바의 끝단에만 지지되어 있는 바, 상기 엔드링을 그 노출부위를 충분히 감싸면서 샤프트에 압입되는 링형상의 보호부재를 이용하여 보호할 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상술한 원심 압축기나 터보 압축기의 경우 초고속으로 운전되기 때문에, 이에 적용되는 전동기에 있어서 샤프트를 지지하기 위해 일반적인 볼 베어링이 아닌 가스 베어링의 일종인 포일 베어링(foil bearing)이 사용되고, 이에 따라 상기 샤프트에는 베어링 부시(12)가 설치된다.

따라서, 상기 엔드링 보호부재(20)를 상기 회전자 철심(1)과 베이링 부시(12) 사이에 축방향으로 압착하여 견고하게 설치할 수 있다. 즉, 상기 회전자 철심(1)의 좌측에 구비되는 엔드링 보호부재(20)는 상기 회전자 철심의 좌측 엔드링(9)을 감싸면서 상기 좌측 베어링 부시(12)에 의해 조금의 틈도 없이 압착되도록 샤프트(10)에 압입되고, 우측 엔드링 보호부재(20)는 상기 회전자 철심(1)의 우측면과 우측 베어링 부시(12) 사이에 상기 엔드링(9)을 감싸면서 압착되도록 샤프트(10)에 압입된다.

따라서, 상기 엔드링(9)은 엔드링 보호부재(20)에 의해 그 강성이 강화되기 때문에, 반경방향 원심력이 과도하게 작용하더라도 상기 엔드링이 변형되고 파손되는 것을 방지할 수 있다.

다음, 도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도전동기의 회전자 구조를 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도전동기의 엔드링 보호부재를 나타낸 사시도이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도전동기의 회전자는 상술한 일 실시예에 따른 회전자 구조와 동일하나, 본 실시예에 따른 엔드링 보호부재(30)는 엔드링(9)의 전체 노출부위를 감싸는 것이 아니라 상기 엔드링의 주연부만을 감싸는 링형상의 보호부재이다.

즉, 상기 엔드링(9)에 작용하는 원심력은 샤프트(10)의 중심에서 반경방향으로 작용하는 바, 상기 보호부재(30)가 엔드링(9)의 주연부만을 감싸더라도 상기 엔드링이 원심력에 의해 이탈, 파손되는 것을 충분히 방지할 수 있다.

물론, 이 경우 상기 엔드링(9)의 측면에는 베어링 부시(12)가 밀착되어 상기 엔드링을 더욱 견고하게 지지하게 된다.

상기 엔드링 보호부재(30)의 형상은 도 7에 잘 도시되어 있다.

한편, 이와 같이 구성된 초고속 유도전동기의 회전자 제조공정을 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 샤프트 삽입홈과 회전자 슬롯을 구비한 얇은 규소강판(silicon steel)을 타발한 후, 상기 규소강판을 상기 홈과 슬롯들이 정렬되도록 적층하여 회전자 철심을 형성한다.

다음, 상기 회전자 철심을 금형에 넣어 전도성을 지닌 재질로 다이캐스팅(die-casting)하거나 또는 용접을 통해 회전자바와 엔드링을 형성한다. 이 때, 상기 엔드링은 알루미늄 다이캐스팅(Al die-casting)이나 구리 다이캐스팅(Copper die-casting), 또는 구리 용접(Copper welding)으로 제조될 수 있다.

즉, 상기 엔드링은 적층된 회전자 철심을 금형에 넣고 알루미늄 또는 구리 용융액을 부어 경화시킴으로써, 회전자바와 함께 일체로 성형될 수 있다. 이 경우, 알루미늄으로 다이캐스팅 할 경우 제작성은 용이하나 전동기 효율이 저하되는 단점이 있으며, 구리로 다이캐스팅 할 경우 전동기 효율은 상승하지만 재료비가 상승하고 부착력이 저하되는 단점이 있다. 따라서, 구리로 다이캐스팅 할 경우 상기 엔드링과 회전자바를 구리로 용접함으로써 상기 단점을 보완할 수 있다.

다음, 상기 회전자 철심을 열박음 등을 통해 샤프트에 압입하고, 상기 회전자 철심의 양측으로 엔드링 보호주재를 압입한다.

마지막으로, 베어링 부시를 상기 엔드링 보호부재와 조금의 틈도 없이 압착되도록 상기 샤프트에 압입함으로써, 회전자를 제조하는 전체 공정을 완료하게 된다.

본 발명에 따른 초고속 유도전동기의 회전자는 회전자 철심과 베어링 부시 사이에 엔드링을 감싸면서 조금의 틈도 없이 압착되는 엔드링 보호부재를 샤프트에 압입함으로써, 엔드링의 강성을 강화시킬 수 있다.

따라서, 유도전동기가 50,000rpm 이상의 초고속으로 운전되어 과대한 원심력이 엔드링에 가해진다하더라도 상기 엔드링이 변형되거나 파손될 우려가 없기 때문에, 제품의 신뢰성 향상에 크게 기여하게 된다.

Claims (5)

1. 샤프트 삽입홈과 상기 샤프트 삽입홈의 주변에 다수의 회전자 슬롯이 형성된 다수의 규소강판을 상기 홈과 슬롯들이 정렬되도록 소정 길이로 적층하여 샤프트에 압입되는 회전자 철심과;

   상기 회전자 슬롯에 전도성을 지닌 재질이 다이캐스팅되어 2차 도체를 형성하는 회전자바와;

   상기 회전자 철심의 양단부에 상기 회전자바를 서로 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링과;

   상기 회전자 철심의 양 측면에 압입됨과 함께 상기 엔드링에 압착도어 상기 샤프트를 지지함과 함께 상기 엔드링의 변형을 막아주는 베어링 부시와;

   상기 엔드링의 외측면에 구비되어 상기 베어링 부시와 함께 상기 엔드링의 변형을 막아주는 엔드링 보호부재가 포함되어 이루어진 초고속 유도전동기의 회전자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 엔드링 보호부재는;

   그 중심에 샤프트 삽입홈이 형성되고 그 주변부의 일부가 상기 베어링부시와 상기 엔드링 사이에 함께 압착되며 그 주변부의 나머지 일부가 상기 엔드링을 감싸도록 절곡된 링형상의 보호부재인 것을 특징으로 하는 초고속 유도전동기의 회전자.
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 엔드링 보호부재는 엔드링의 주연부만을 감싸도록 형성된 링형상의 보호부재인 것을 특징으로 하는 초고속 유도전동기의 회전자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 엔드링은 알루미늄 다이캐스팅(Al die-casting)이나, 구리 용접 또는 구리 다이캐스팅(copper die-casting)으로 제작되는 것을 특징으로 하는 초고속 유도전동기의 회전자.