KR100434289B1 - 농형 유도전동기의 회전자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구리와 알루미늄 사이의 경계면에 형성되는 반응층을 보다 간단하면서도 효과적으로 제거하여 회전자 도체의 저항을 줄임으로써 특성을 향상시킬 수 있는 농형 유도전동기의 회전자에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 다수의 제1 슬롯(111)과, 상기 제1 슬롯보다 중심측에 위치하며 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 다수의 제2 슬롯(113)이 구비된 강판(110)을 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯이 각각 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되는 회전자 철심(100); 전도성이 높은 이종금속이 각각 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯에 구비되어 고정자 권선으로부터 유기된 전류에 의해 토오크가 발생하는 회전자 도체(120,130); 상기 회전자 철심의 양단부에 회전자 도체를 서로 연결하도록 구비되어 하나의 회로를 구성하며, 상기 제2 슬롯에 구비되는 회전자 도체와 동일한 성분으로 만들어지는 엔드링(140)을 포함하는 농형 유도전동기의 회전자를 제공한다.

Description

농형 유도전동기의 회전자{rotor of squirrel cage induction motor}

본 발명은 농형 유도전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 구리와 알루미늄을 이용하여 회전자 도체의 저항을 줄이면서도 양자의 경계면에 형성되는 반응층을 효과적으로 제거함으로써 특성을 향상시킬 수 있는 농형 유도전동기의 회전자에 관한 것이다.

일반적으로, 전동기라 함은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 회전동력을 얻는 기계로서, 크게 교류전동기와 직류전동기로 대별되며 그 중에서도 유도전동기는 교류전동기의 일종이다.

이러한 유도전동기는 고정자(stator)와 회전자(rotor)로 구성되며, 고정자 권선에 교류가 흐를 때 발생하는 회전 자기장(rotating magnetic field)에 의해서 회전자에 토오크가 발생하여 전동기가 회전하게 된다. 전술한 바와 같은 유도전동기는 회전자의 권선 형태에 따라 구리나 알루미늄 환봉이 회전자 도체를 형성하는 농형 유도전동기(squirrel cage induction motor)와, 회전자에도 고정자와 마찬가지로 권선이 결선되어 있는 권선형 유도 전동기(wound-rotor induction motor)가 있다.

이 중에서도 농형 유도전동기의 회전자 구조를 첨부된 도면을 참조하여 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

도 1은 일반적인 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 단면도로서, 상기 농형 유도전동기의 회전자는 고정자 권선(도시생략)에 의해 유기된 전류와 자속의 상호작용에 의해 토오크를 발생시키는 회전자 도체(15)와, 자속의 통로를 형성하는 자성체의 회전자 철심(10)으로 이루어진다. 이 때, 상기 회전자 철심(10)은 외주연측에 다수의 회전자 슬롯(13)이 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 원형의규소강판(11)을 상기 회전자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되며, 상기 회전자 슬롯(13)에 전도성이 높은 알루미늄이나 구리와 같은 금속이 삽입되어 회전자 도체(15)를 형성하게 된다. 또한, 상기 회전자 도체(15)의 양단에 회전자 도체를 서로 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링(end-ring,17)이 각각 구비된다. 이 때, 상기 회전자 도체(15)와 엔드링(17)은 일반적으로 다이캐스팅 공법이 가능한 알루미늄이 많이 적용된다.

이와 같이 구성된 농형 유도전동기의 회전자는 상기 회전자 도체(15)에 고정자 권선으로부터 유기된 전류가 흐르면서 자속과 상호 작용하여 플레밍의 왼손법칙에 따라 회전 토오크를 생성하게 된다.

그런데, 전술한 농형 유도전동기에 있어서 성능향상을 도모하기 위해서는 회전자 도체(15)의 저항이 작아야만 한다. 그러나, 상기 회전자 도체(15)에 적용되는 알루미늄은 구리에 비해 도전율이 낮기 때문에, 유도전동기의 특성이 저하되는 문제가 야기되었다.

이를 해결하고자, 본 출원인은 구리 막대가 삽입된 농형 유도전동기의 회전자 구조를 제안한 바 있으며, 이것은 도 2에 잘 도시되어 있다.

도 2는 국내 실용신안 공개 제2001-000679호에 기재된 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 단면도로서, 상기 공개번호에 따른 농형 유도전동기의 회전자는 회전자 도체를 이루는 구리막대(35)가 회전자 철심(30)에 삽입되어 있으며, 상기 구리막대의 양단부에 알루미늄 다이캐스팅에 의해 엔드링(37)이 형성된다. 이 경우, 회전자 도체의 저항이 감소하여 성능이 향상되는 장점이 있으나, 상기 구리막대(35)와 알루미늄 엔드링(37) 사이에 고저항의 반응층이 형성되는 단점이 제기되었다. 이러한 반응층은 2차 전류의 경로를 좌우하게 되며, 결과적으로 엔드링과의 결합성이 좋은 어느 일측에 2차 전류가 집중되는 현상이 야기되어 오히려 저항이 증가함으로써 특성이 저하되는 문제점을 야기하였다.

한편, 도 3은 일본 특개평8-223878호에 기재된 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 단면도로서, 상기 공개번호에 따른 농형 유도전동기의 회전자는 알루미늄 도체(45)와 구리막대(49) 사이에 도금층(48)을 형성함으로써, 상기 구리막대와 알루미늄 도체 사이의 반응층을 제거하였다. 그러나, 이 경우 회전자 도체로서 알루미늄이 차지하는 비중이 훨씬 높기 때문에 도체 저항을 많이 줄일 수 없었다. 이것은 상기 회전자 도체를 형성하기 위한 알루미늄 다이캐스팅 공법상 알루미늄 용융액이 주입될 수 있는 공간을 확보해야 하는데, 이를 위해서는 구리막대(49)의 크기에 제약이 가해질 수밖에 없기 때문이었다. 뿐만 아니라, 상기 도금층(48)이 회전자 슬롯(43)의 길이방향을 따라 길게 형성되기 때문에 이로 인한 단가 상승을 무시할 수 없었다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 구리와 알루미늄 사이의 경계면에 형성되는 반응층을 보다 간단하면서도 효과적으로 제거하여 회전자 도체의 저항을 줄임으로써 특성을 향상시킬 수 있는 농형 유도전동기의 회전자를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 단면도

도 2는 국내 실용신안 공개 제2001-000679호에 기재된 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 단면도

도 3은 일본 특개평8-223878호에 기재된 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 단면도

도 4a 및 4b는 각각 본 발명에 따른 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 횡단면도 및 종단면도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 회전자 철심 110 : 강판

111 : 제1 슬롯 113 : 제2 슬롯

120 : 구리 회전자 도체 130 : 알루미늄 회전자 도체

140 : 엔드링 150 : 도금층

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 다수의 제1 슬롯과, 상기 제1 슬롯보다 중심측에 위치하며 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 다수의 제2 슬롯이 구비된 강판을 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯이 각각 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되는 회전자 철심; 전도성이 높은 이종금속이 각각 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯에 구비되어 고정자의 권선으로부터 유기된 전류에 의해 토오크가 발생하는 회전자 도체; 상기 회전자 철심의 양단부에 회전자 도체를 서로 연결하도록 구비되어 하나의 회로를 구성하며, 상기 제2 슬롯에 구비되는 회전자 도체와 동일한 성분으로 만들어지는 엔드링을 포함하는 농형 유도전동기의 회전자를 제공한다.

따라서, 본 발명에 따른 농형 유도전동기의 회전자는 회전자 도체로서 상기 제1 슬롯에 구리를 제2 슬롯에 알루미늄을 각각 적용할 경우, 구리와 알루미늄 사이에 형성되는 반응층을 자연스럽게 해소할 수 있어 별도의 도금층을 구비하지 않아도 되며, 상기 제1 슬롯의 내부용적이 클 경우 회전자 도체 중 구리가 차지하는 비중을 늘릴 수 있어 특성을 더욱 향상시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 농형 유도전동기의 회전자를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 4a 및 4b는 각각 본 발명에 따른 농형 유도전동기의 회전자 구조를 도시한 횡단면도 및 종단면도이다.

본 발명에 따른 농형 유도전동기는 고정자(도시생략)와, 상기 고정자와 동심원을 이루며 고정자의 내주연에 소정의 공극을 유지하는 회전자와, 상기 회전자의중심부에 압입되어 회전자의 회전력을 종동축에 전달하는 샤프트로 크게 구성된다.

이 중에서도 상기 회전자는, 도 4a 및 4b에 도시된 바와 같이, 다수의 제1 슬롯(111)과 제2 슬롯(113)이 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 강판(110)을 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 적층하여 구성되는 회전자 철심(100)과, 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯에 각각 구비되어 고정자의 권선으로부터 유기된 전류에 의해 토오크가 발생하는 회전자 도체(120,130)와, 상기 회전자 철심의 양단부에 회전자 도체를 서로 연결하도록 구비되어 하나의 회로를 이루는 엔드링(140)으로 구성된다.

도 4a에 도시된 바에 따르면, 상기 회전자 철심을 구성하는 강판(110)은 환형의 규소강판으로 중심부에 샤프트(20)가 설치되는 압입구(115)가 형성되며, 상기 압입구를 중심으로 외주연측에 다수의 제1 슬롯(111)이 방사형으로 형성되고, 상기 제1 슬롯보다 중심측에 다수의 제2 슬롯(113)이 방사형으로 형성된다. 이 때, 상기 제1 슬롯(111)과 제2 슬롯(113)은 서로 분리되어 있으며, 이들 중 어느 일측에는 구리를 성분으로 하는 회전자 도체(이하, 구리 회전자 도체)가 구비되고 다른 일측에는 알루미늄을 성분으로 하는 회전자 도체(이하, 알루미늄 회전자 도체)가 구비된다.

이 때, 상기 제1 슬롯(111)에 구리 회전자 도체(120)가 구비되고, 상기 제2 슬롯(113)에 알루미늄 회전자 도체(130)가 구비되는 것이 바람직하다. 도면을 통해 알 수 있듯이, 상기 제1 슬롯(111)은 강판(110)의 외주연측에 형성되며 그 내부용적이 제2 슬롯(113)보다 크기 때문에, 도전율이 상대적으로 높은 구리가 상기 제1슬롯에 삽입될 경우 특성을 더욱 향상시킬 수 있다. 이 때, 상기 제2 슬롯(113)은 알루미늄 용융액이 응고되어 회전자 도체(130)를 형성하기도 하지만, 상기 회전자 도체의 양단에 구비되는 엔드링을 형성하는데 크게 기여한다. 즉, 회전자 도체(120,130)가 하나의 회로를 이루기 위해서는 각 슬롯(111,113)에 구비된 회전자 도체가 그 양단부를 통해 서로 연결되어야 하는데, 이러한 역할을 담당하는 것이 바로 엔드링이다. 그런데, 구리는 특성상 다이캐스팅 작업이 불가능하기 때문에 상기 엔드링은 주로 알루미늄으로 만들어진다. 따라서, 다이캐스팅 공정 중 상기 제2 슬롯(113)을 통해 알루미늄 용융액을 주입하고 이를 가압한 후에 응고시킬 경우, 상기 제2 슬롯에는 알루미늄 회전자 도체(130)가 형성됨과 더불어 그 양단부에 알루미늄 엔드링이 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제2 슬롯(113)은 제1 슬롯(111)의 개수보다 많을 필요는 없으며, 그 크기 또한 알루미늄 용융액의 주입이 가능한 크기라면 충분하다.

전술한 바와 같은 회전자의 구조는 도 4b에 잘 도시되어 있다. 도 4b에 도시된 바에 따르면, 상기 제1 슬롯(111)에 구비된 구리 회전자 도체(120)와 제2 슬롯(113)에 구비된 알루미늄 회전자 도체(130)는 강판(110)에 의해 서로 구획되며, 따라서 상기 회전자 도체(120,130) 사이에 고저항의 반응층이 형성되지 않는다.

다만, 상기 구리 회전자 도체(120)와 알루미늄 엔드링(140) 사이에 반응층이 형성되나, 상기 반응층을 제거하기 위해서 상기 구리 회전자 도체의 양단부에 도금층(150)이 구비되면 충분하다. 이 때, 상기 도금층(150)은 니켈 코팅막으로서 구리회전자 도체(120)의 양단부에만 형성되면 되기 때문에, 도 3에서와 같이 구리막대의 길이방향을 따라 형성될 필요가 없다. 따라서, 상기 도금층으로 인한 비용을 상당부분 절감할 수 있다.

이와 같이 구성된 농형 유도전동기의 회전자는 다음과 같은 과정을 통해 제조되며, 이를 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저 프레스 금형을 이용하여 얇은 규소강판(110)의 중심부에 샤프트가 압입되는 압입구(115)와 외주연측에 방사형으로 형성된 다수의 제1 슬롯(111) 및 상기 제1 슬롯과 압입구 사이에 방사형으로 형성된 다수의 제2 슬롯(113)을 타발하는 단계가 수행된다.

이 때, 전술한 타발 단계중에 상기 강판(110)에 비틀림과 같은 기계적 응력이 잔존하게 될 뿐만 아니라 강판이 갖는 전기적 특성이 파괴된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 타발 완료된 강판(110)에 열처리를 가하여 기계적 응력을 제거함과 동시에 전기적 특성을 회복하는 열처리 단계가 수행된다.

다음, 열처리 완료된 강판을 상기 제1 슬롯(111)과 제2 슬롯(113)이 각각 축방향을 따라 연속되도록 정렬한 다음 용접에 의해 고정시키거나 또는 리베팅이나 클램프에 의해 고정시킴으로써 회전자 철심(100)을 제조하는 적층 단계가 수행된다. 이 때, 상기 적층 단계는 열처리 단계보다 선행되어도 관계가 없다.

다음, 상기 회전자 철심의 제1 슬롯(111)에 구리막대를 삽입한 후, 상기 회전자 철심(100)을 금형에 넣고 알루미늄 용융액을 주입한 후 압력을 가하는 다이캐스팅 단계가 수행되어 농형 유도전동기의 회전자를 완성하게 된다. 이 때, 상기 알루미늄 용융액은 제2 슬롯(113)을 통해 주입되며, 그 결과 상기 제2 슬롯에 알루미늄 회전자 도체(130)가 형성됨과 동시에 상기 회전자 철심의 양단부에 엔드링(140)이 형성된다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 살펴보았으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 기술 범위 내에서 변형된 형태의 실시예를 구현할 수 있을 것이다. 여기서 본 발명의 본질적 기술 범위는 청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위에 있는 변형된 형태는 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

본 발명에 따른 농형 유도전동기의 회전자는 상기 제1 슬롯에 구리를 제2 슬롯에 알루미늄을 각각 적용할 경우, 구리와 알루미늄 사이의 경계면이 강판에 의해 서로 구획됨에 따라 고저항의 반응층이 형성되는 것을 원천적으로 막을 수 있으며, 이에 따라 구리 회전자 도체의 특성을 최대한 살려 유도전동기의 특성을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 다수의 제1 슬롯과, 상기 제1 슬롯보다 중심측에 위치하며 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 다수의 제2 슬롯이 구비된 강판을 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯이 각각 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되는 회전자 철심;

   전도성이 높은 이종금속이 각각 상기 제1 슬롯과 제2 슬롯에 구비되어 고정자의 권선으로부터 유기된 전류에 의해 토오크가 발생하는 회전자 도체;

   상기 회전자 철심의 양단부에 회전자 도체를 서로 연결하도록 구비되어 하나의 회로를 구성하며, 상기 제2 슬롯에 구비되는 회전자 도체와 동일한 성분으로 만들어지는 엔드링; 그리고,

   상기 제1 슬롯에 구비된 회전자 도체의 양단부와 상기 엔드링 사이에 고저항의 반응층이 형성되는 것을 방지하는 별도의 도금층:을 포함하는 농형 유도전동기의 회전자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 슬롯에 구비되는 회전자 도체는 구리인 것을 특징으로 하는 농형 유도전동기의 회전자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 슬롯에 구비되는 회전자 도체와 엔드링은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 농형 유도전동기의 회전자.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제2 슬롯에 구비되는 회전자 도체와 엔드링은 알루미늄 다이캐스팅에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 농형 유도전동기의 회전자.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 도금층은 니켈 코팅막인 것을 특징으로 하는 농형 유도전동기의 회전자.