KR20090004694A

KR20090004694A - 전기 기계의 영구 자석 회전자의 자화용 조립체 및 방법

Info

Publication number: KR20090004694A
Application number: KR1020080064085A
Authority: KR
Inventors: 챨스 마이클 스테판스; 크리스토퍼 앤소니 카민스키; 콘라드 로만 위버; 존 러셀 야길스키
Original assignee: 제너럴 일렉트릭 캄파니
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2009-01-12
Also published as: RU2008126962A; JP2009017776A; EP2020662A2; US20090009012A1; CA2635391A1; CN101340129A

Abstract

전기 기계의 회전자(12)용 자화기(10)가 제공된다. 자화기는 자화 요크(16)와, 자화 요크 주위에 권취되어 있는 코일(18, 20, 22, 24)을 포함한다. 자화 요크는 그로부터 연장하는 복수의 자극편(34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48)을 포함하고, 자극편의 적어도 일부는 코발트 합금을 포함한다.

전기 기계, 회전자, 자화기, 자화 요크, 코일, 자극편

Description

전기 기계의 영구 자석 회전자의 자화용 조립체 및 방법{ASSEMBLY AND METHOD FOR MAGNETIZATION OF PERMANENT MAGNET ROTORS IN ELECTRICAL MACHINES}

본 명세서에 개시된 요지는 일반적으로 전기 기계(electrical machine), 특히 영구 자석형 회전자를 갖는 전기 기계에 관한 것이다. 특정 실시예는 이러한 회전자의 영구 자석 세그먼트의 자화(magnetization)용 조립체 및 방법에 관한 것이다.

전기 기계는 일반적으로 고정자 내에 배치된 회전자를 포함하고, 전기력을 기계력으로 변환하는 모터로서 또는 기계력을 전기력으로 변환하는 발전기로서 사용된다. 특정 전기 기계는 기계의 크기를 감소시키고 전체 효율을 향상시키는 영구 자석형 회전자를 사용한다. 영구 자석 회전자는 일반적으로 회전자 스핀들 상에 배치된 환형 영구 자석을 포함한다. 특정 실시예에서, 영구 자석은 모노리식(monolithic) 중공 원통형 부재이다. 대형의 기계에서, 영구 자석은 일반적으로 회전자 스핀들 주위에 복수의 영구 자석을 조립함으로써 형성된다. 고속 전기 기 계는 또한 원심력에 의한 영구 자석 조립체의 파괴(fracturing) 및 소실(scattering)을 방지하도록 영구 자석 조립체 주위에 유지 링 또는 보유 링을 포함할 수도 있다.

영구 자석 세그먼트는 종종 회전자 스핀들 상의 조립체보다 먼저 자화된다. 일 기술에서, 영구 자석 세그먼트는 더 큰 미완성 자석 블록으로부터 절단되어 성형되고, 그 후에 세그먼트는 솔레노이드 코일에서 개별적으로 자화된다. 몇몇 적용예, 특히 대형의 기계에서, 영구 자석 세그먼트의 자화는 케이. 할바흐(K. Halbach)에 의해 제안된 자화 벡터에 의해 성취되고(또한 할바흐 자화로 공지됨), 이는 영구 자석의 표면에 인가될 때 전기 기계 내에 더 많은 정현파형 자속 분포(sinusoidal shaped flux distribution)를 초래하여, 이에 의해 AC 고조파 손실을 감소시키고 토크 리플(torque ripple), 진동 및 음향 노이즈를 감소시킨다. 영구 자석 세그먼트는 이어서 회전자 스핀들에 접합된다.

사전 자화된 영구 자석 세그먼트로부터의 회전자의 조립은, 여자된 영구 자석 세그먼트를 위치 설정하고 구속하기 위해 상당한 강제(forcing) 및 정렬을 수반할 수 있기 때문에, 특히 대형의 전기 기계에서 종종 성가신 프로세스이다.

원스텝 자화(one-step magnetization)를 위한 기술이 공동으로 양수된 스티븐(Stephens)의 미국 특허 출원 제 20060220484 호에 개시되어 있다. 그러나, 전기 기계 회전자의 자화를 위한 더 간단하고 더 효율적인 기술을 갖추는 것이 여전히 요구되고 있다.

간략하게, 일 실시예에 따르면, 전기 기계의 회전자용 자화기(magnetizer)가 제공된다. 자화기는 그로부터 연장하는 복수의 자극편(pole piece)을 포함하는 자화 요크(yoke)를 포함한다. 자극편의 적어도 일부는 코발트 합금을 포함한다. 자화기는 또한 자극편 주위에 권취되어 있는 복수의 코일을 포함한다.

다른 실시예에서, 전기 기계의 회전자의 자화 방법이 제공된다. 이 방법은 회전자 스핀들 주위에 복수의 자석을 조립하는 단계와, 복수의 자석 주위에 원주 방향으로 자화기를 위치 설정하는 단계를 포함한다. 자화기는 적어도 하나의 코발트 합금 자극편을 포함한다.

본 발명의 상기 및 다른 특징, 양태 및 장점은 유사한 도면 부호가 도면 전체에 걸쳐 유사한 부분을 나타내고 있는 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 숙독할 때 더 양호하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 자화기에 따르면, 전기 기계 회전자의 향상된 자화가 제공한다.

본 명세서에 개시된 실시예는 전기 기계 회전자 자화용 조립체 및 방법을 제공한다. 간단한 자화 방법이 다극 자화기의 전제 조립된 회전자에 제공된다. 도 1은 전기 기계의 회전자(12)용 자화 설비(fixture)(10)(이하, "자화기"라 함)를 도시하고 있다. 자화기(10)는 자화 요크(16)(또는 "코어")를 포함하고, 이 자화 요크는 그로부터 연장하는 복수의 자극편(34, 38, 42, 46)과, 자화 요크의 자극편 주위에 권취되어 있는 복수의 자화(또는 "여자") 코일(18, 20, 22, 24)을 포함한다. 제 1 실시예에서, 복수의 자극편의 적어도 일부는 코발트 합금을 포함한다. 제 2 실시예에서, 복수의 코일은 그를 통한 냉각제의 유동을 허용하도록 구성된 중공 튜브 코일(도 4를 참조하여 더 상세히 설명함)을 포함한다. 제 3 실시예에서, 자극편은 고정형 자극편부(34)와, 고정형 자극편부에 물리적으로 결합된 교환형 자극편부(36)를 각각 포함한다. 교환형 자극편부는 상이한 크기의 회전자에 적용되도록 상이한 치수를 갖는다. 제 1, 제 2 및 제 3 실시예는 개별적으로 또는 임의의 원하는 방식으로 조합되어 사용될 수도 있다.

자화기(10)는 예를 들면 고속 전기 모터의 영구 자석 회전자를 자화하기 위해 사용된다. 자화기(10)가 교환형 부품을 구비할 때, 자화기(10)는 상이한 회전자 직경과 함께 사용될 수 있다. 도 1은 자화기(10)에 의한 회전자의 영구 자석 세그먼트(15)의 자화를 위해 회전자 스핀들(14) 주위에 고정 위치된 회전자(12)를 도시하고 있다. 일례에서, 영구 자석 세그먼트(15)는, 회전자의 각각의 자극이 다수의 자석편으로 형성되고 자석편의 배향이 극의 측면에서의 반경방향 접선으로부터 극의 중심에서의 반경방향 수직으로 점진적으로 스윕(sweep)되는 할바흐 장치 내에 위치된다.

자화 요크(16)는 회전자를 자화하는데 사용될 수 있는 임의의 구조적으로 적합한 재료를 포함할 수 있다. 일례에서, 요크(16)는 강판(steel lamination)을 포함한다. 요크 및 자극편의 모두를 코발트 합금으로 제조하는 것으로부터 기대되는 몇몇 장점이 존재하지만, 이러한 실시예는 고비용이다. 코발트 합금 자극편과 조합하여 강 요크는 강으로만 이루어진(all-steel) 구조체보다 더 효율적인 자화 및 코발트 합금으로만 이루어진(all-cobalt alloy) 구조체보다 더 적은 비용을 제공하는 것으로 기대되는 구조체를 초래한다.

자화 코일(18, 20, 22, 24)은 예를 들면 구리와 같은 임의의 적합한 전기 도전성 재료를 포함할 수 있고, 더 구체적인 예는 이하의 도 4의 설명에서 제공되어 있다. 자화 코일의 수는 일반적으로 회전자의 극의 수와 동일하도록 선택된다. 4개의 극과 4개의 코일이 예시되어 있지만, 임의의 적합한 수가 사용될 수 있다. 코일(18, 20, 22, 24)은 전원(도시 생략)에 의해 여자된다. 여자될 때, 자화 코일(18, 20, 22, 24)은 회전자(12)를 자화하는 자속을 자극을 통해 형성한다.

전술된 바와 같이, 자극은 요크와 일체형일 수 있지만, 더 일반적으로는 개별 자극편으로 제조된다. 더 구체적인 실시예에서, 자극은 자화 요크(16)에 결합 된 고정형 자극편(34, 38, 42 또는 46)과, 각각의 고정형 자극편(34, 38, 42, 46)에 결합된 교환형 자극편(36, 40, 44 또는 48)을 각각 포함한다. 이들 실시예는 단지 예일 뿐이다. 다른 실시예에서, 교환형 자극편은 요크에 직접 결합될 수 있거나 또는 예를 들면 요크로부터 연장하는 일체형 고정형 자극편(도시 생략)에 결합될 수도 있다. 결합은 임의의 적절한 수단에 의해 수행될 수 있고, 일 예시된 실시예는 일반적으로 도면 부호 35로 도시되어 있는 키이(key) 및 슬롯(slot)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 이들 고정형 자극편 및 교환형 자극편은 코발트 합금을 포함한다. 자극편은 또한 회전자 내의 할바흐 자석 장치를 자화하도록 성형될 수도 있다.

도 2 및 도 3은 상이한 크기의 회전자에 사용되는 예시적인 자화기(10)의 세그먼트의 부분 단면도를 나타내고 있는 두 개의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 상이한 크기의 교환형 자극편이 적절한 회전자 직경에 제공된다. 도 2는 요크부(16) 및 소직경 회전자(52)를 예시하고 있는 단면도(50)를 도시하고 있다. 교환형 또는 교체형 자극편은 도면 부호 54로 도시되어 있고, 고정형 자극편은 도면 부호 56으로 도시되어 있다. 코일은 도면 부호 58로 도시되어 있다.

도 3은 대직경 회전자(62)에 사용되는 자화기(10)의 다른 예시적인 실시예의 단면도(60)를 유사하게 도시하고 있다. 도 2의 교환형 자극편(54)은 대형 회전자를 수용하기 위해 자극편(64)으로 교체된다. 고정형 자극편(56) 및 코일(58)은 도 2에 도시된 것과 동일하다. 자화기의 다중 크기 조절(multi-sizing) 특징(교환형 자극편에 의한)은 제조 자본 투자를 감소시키는데, 이는 설비의 대부분이 임의의 전기 기계 생산 라인의 상이한 크기의 회전자에 걸쳐 공통적으로 사용될 수 있기 때문이다. 도 2 및 도 3은 레이스트랙형 코일(racetrack shaped coil)(58)을 도시하고 있는데, 이에 한정되는 것은 아니지만 도 1에 도시되어 있는 새들 코일(saddle coil)과 같은 다른 적합한 형상의 코일이 사용될 수도 있다.

일 실시예에서, 도 1 내지 도 3에 설명되어 있는 바와 같은 고정형 자극편 및 교환형 자극편은 코발트 합금판으로 제조된다. 일 예시적인 실시예에서, 코발트 합금은 통상의 강판보다 더 큰 자속 밀도 용량을 갖고 따라서 회전자의 영구 자석에 대한 자화 효과를 증가시키는 코발트-철 합금이다. 코발트 합금은 일 특정예에서, 코발트 합금의 총 중량에 대해 49% 코발트, 49% 철 및 2% 바나듐을 포함한다. 다른 예에서, 코발트 합금은 48 중량 % 내지 50 중량 %의 범위의 코발트, 1 중량 % 내지 2 중량 % 범위의 바나듐 및 잔량의 철을 포함한다. 다른 예에서, 코발트 합금은 코발트 합금의 총 중량에 대해 약 45 중량 % 내지 약 55 중량 %의 범위의 코발트를 포함한다. 다른 예에서, 코발트 합금은 코발트 합금의 총 중량에 대해 약 45 중량 % 내지 약 55 중량 %의 범위의 철을 더 포함한다. 다른 예에서, 코발트 합금은 코발트 합금의 총 중량에 대해 약 1 중량 % 내지 약 4 중량 %의 범위의 바나듐을 포함한다.

다른 실시예에서, 중공 튜브 코일이 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 냉각제의 유동을 허용하도록 사용된다. 더 구체적인 예에서, 중공 튜브 코일(66)은 물, 오일 또는 냉각제로서의 액체 질소 또는 액체 네온(70)과 같은 극저온 유체와 같은 액체 냉각제를 운반하는 구리 도전체(68)를 포함한다. 도전체는 코일측 절연 체(72) 및 각각의 도전체(68) 주위의 얇은 회전 절연층(도시 생략)을 갖는다. 냉각은 코일 저항을 저하시키고 전원 요구를 최소화한다.

본 명세서에 설명된 바와 같은 자화기의 상이한 실시예는 전기 기계 회전자의 향상된 자화를 제공한다. 본 명세서에 설명된 자화기는, 모터를 포함하는, 특히 무엇보다도 가스 라인 압축기, 항공 우주 모터, 항공 우주 발전기, 선박 추진 모터, 선박 동력 발생기용 대형 고속 동기화 기계를 포함하는 광범위한 전기 기계에 사용될 수 있다.

본 발명의 단지 특정 특징이 본 명세서에 예시되고 설명되었지만, 다수의 수정 및 변경이 당 기술 분야의 숙련자들에 발생할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위는 본 발명의 진정한 범주 내에 있는 모든 이러한 수정 및 변경을 커버하는 것으로 의도된다.

도 1은 회전자를 자화하기 위한 자화기의 예시적인 실시예를 도시하고 있는 도면,

도 2는 소형 회전자에 채택된 자화기의 단면도를 나타내고 있는 예시적인 실시예를 도시하고 있는 도면,

도 3은 대형 회전자에 채택된 자화기의 단면도를 나타내고 있는 다른 예시적인 실시예를 도시하고 있는 도면,

도 4는 예시적인 자화기용 자화 코일의 단면도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 자화기 12: 회전자

14: 회전자 스핀들 15: 자화 세그먼트

16: 요크 18: 자화 코일

20: 자화 코일 22: 자화 코일

24: 자화 코일 34: 고정형 자극편부

35: 키이 및 슬롯 36: 교환형 자극편부

38: 고정형 자극편부 40: 교환형 자극편부

42: 고정형 자극편부 44: 교환형 자극편부

46: 고정형 자극편부 48: 교환형 자극편부

50: 단면도 52: 소직경 회전자

54: 교환형 자극편 56: 고정형 자극편

58: 자화 코일 60: 단면도

62: 대직경 회전자 64: 교환형 자극편

66: 자화 코일 68: 중공 구리 도전체

70: 액체 질소 72: 코일측 절연체

Claims

전기 기계의 회전자(12)용 자화기(10)에 있어서,

복수의 자극편(34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48)이 연장되어 있는 자화 요크(16)로서, 상기 복수의 자극편의 적어도 일부는 코발트 합금을 포함하는 자화 요크(16)와,

상기 자극편 주위에 권취되어 있는 복수의 코일(18, 20, 22, 24)을 포함하는

자화기.
제 1 항에 있어서,

상기 코발트 합금은 코발트 합금의 총 중량에 대해 49% 코발트, 49% 철 및 2% 바나듐을 포함하는

자화기.
제 1 항에 있어서,

상기 코발트 합금은 코발트 합금의 총 중량에 대해 40 중량 % 내지 60 중량 %의 범위의 코발트와, 코발트 합금의 총 중량에 대해 약 40 중량 % 내지 약 60 중량 %의 범위의 철을 포함하는

자화기.
제 1 항에 있어서,

상기 코발트 합금은 코발트 합금의 총 중량에 대해 48 중량 % 내지 50 중량 %의 범위의 코발트와, 코발트 합금의 총 중량에 대해 1 중량 % 내지 2 중량 %의 범위의 바나듐과, 잔량의 철을 포함하는

자화기.
제 1 항에 있어서,

상기 코발트 합금을 포함하는 자극편의 각각은,

고정형 자극편부(34, 38, 42, 46)와,

상기 고정형 자극편부에 물리적으로 결합된 교환형 자극편부(36, 40, 44, 48)를 포함하고,

적어도 상기 교환형 자극편부는 코발트 합금을 포함하는

자화기.
제 1 항에 있어서,

상기 자화 요크(16)는 상기 자극편부(34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48)의 재료와는 상이한 재료를 포함하는

자화기.
제 6 항에 있어서,

상기 요크 재료는 강을 포함하는

자화기.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 코일은 그를 통한 냉각제의 유동을 허용하도록 구성된 중공 튜브 코일(68)을 포함하는

자화기.
제 8 항에 있어서,

상기 중공 튜브 코일은 구리 코일을 포함하는

자화기.
제 8 항에 있어서,

상기 중공 튜브 코일 내에 위치된 액체 질소를 더 포함하는

자화기.