KR20180081705A - 유체를 통과시키기 위한 회전자 및 고정자를 포함하는 회전식 전기 기계 - Google Patents

유체를 통과시키기 위한 회전자 및 고정자를 포함하는 회전식 전기 기계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계에 관한 것으로서, 상기 고정자 (12) 는 상기 고정자를 따라서 원주 방향으로 배열된 다수의 반경 방향 통로들 (28), 상기 반경 방향 통로들에 수용된 자속 발생기들 (34) 및 상기 회전자를 수용하는 고정자 베어링 (24) 을 포함한다. 본 발명에 따르면, 상기 반경 방향 통로들 (28) 은 상기 자속 발생기들 (34) 과 대면하는 유체 순환 갤러리들 (36) 을 포함한다.

Description

유체를 통과시키기 위한 회전자 및 고정자를 포함하는 회전식 전기 기계
본 발명은 유체를 통과시키기 위한 회전자 및 고정자를 포함하는 회전식 전기 기계에 관한 것이다.
일반적으로, 이런 전기 기계는 고정자 및 회전자를 포함하며, 이들은 하나가 다른 하나의 내부에 동축선 방향으로 배열된다.
회전자는 영구 자석들 또는 권선들과 같은 자속 발생기들을 지탱하는 회전자 몸체로 형성된다.
이 회전자는 일반적으로 고정자 내부에 수용되고, 상기 고정자는 회전자의 상기 영구 자석들 또는 권선들에 의해서 발생되는 자기장과 관련하여 회전자의 회전을 구동할 수 있게 하는 자기장을 발생시키도록 전기 권선들 (또는 전기자 권선들) 의 형태로 자속 발생기들을 지탱한다.
고정자는 보통 회전자를 향하고 고정자의 둘레를 따라서 모두 연장되는 복수의 반경 방향 슬롯들을 포함한다. 이들 슬롯들은 임의의 공지된 수단에 의해서 내부에 고정되는 전기자 권선들을 수용하도록 설계된다.
회전자와 고정자 사이에 큰 에어 갭을 갖는 전기 기계, 또는 "에어 갭 (Air Gap)" 기계의 타입은 이미 공지되어 있으며, 상기 에어 갭은 때때로 기체 또는 액체의 유체가 이 에어 갭을 통과할 수 있도록 수 센티미터일 수 있다.
유체가 큰 에어 갭을 통하여 운반되게 허용하는 저속에서 작동하는 큰 에어 갭 동기 릴럭턴스 (synchronous-reluctance) 기계들의 경우에, 이런 타입의 기계는 특히 특허 출원들 US 2008289333 또는 US 2013169074 또는 US 2013043745 로부터 공지되어 있다.
하지만, 이런 큰 에어 갭은 자속이 회전자와 고정자 사이를 통과하는 것을 보장하는데 있어서 단점이 있고, 따라서 동일한 전달 동력에 대해 기계의 고유 효율 및 고정자의 크기에 대한 한계를 나타낸다.
본 발명은 작은 에어 갭을 갖는 기계를 사용하여 고정자와 회전자 사이에서의 에너지의 보다 양호한 전환과 상기 기계를 통한 유체의 통과 가능성을 허용함으로써 전술한 단점들을 극복하고자 한다.
이를 위해, 본 발명은 회전자 및 고정자를 포함하는 전기 기계에 관한 것으로서, 상기 고정자는 상기 고정자를 따라서 원주 방향으로 배열된 다수의 반경 방향 통로들, 상기 반경 방향 통로들에 수용된 자속 발생기들 및 상기 회전자를 수용하는 고정자 베어링을 포함하고, 상기 반경 방향 통로들은 상기 자속 발생기들과 대면하는 유체 순환 갤러리들을 포함한다.
상기 반경 방향 통로들은 반경 방향 웨브들, 상기 고정자의 평면의 환형 외부 경계부 및 상기 고정자 베어링에 의해서 구분될 수도 있다.
상기 유체 순환 갤러리들은 상기 반경 방향 웨브들, 상기 고정자의 평면의 환형 외부 경계부 및 상기 자속 발생기들에 의해서 구분될 수도 있다.
상기 유체 순환 갤러리들은 상기 반경 방향 웨브들, 상기 고정자 베어링 및 상기 자속 발생기들에 의해서 구분될 수도 있다.
상기 웨브들은 상기 고정자의 종방향 축선에 실질적으로 평행한 축선 방향을 가질 수 있다.
상기 웨브들은 상기 고정자의 종방향 축선에 대해 경사진 축선 방향을 가질 수 있다.
상기 웨브들은 상기 고정자의 종방향 축선에 대해 비틀린 방향을 가질 수 있다.
상기 웨브들은 종단면으로 공기 역학적 프로파일을 가질 수 있다.
상기 유체는 기계용 액체 또는 기체의 냉각 유체일 수도 있다.
상기 유체는 식품 또는 석유 화학 산업들 또는 건축 및 공공 사업 산업과 호환 가능한 유체일 수도 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 이점들은 이제 단지 예시적이고 비제한적인 실시예로서 제시되는 이하의 설명을 읽음으로써 명백해질 것이다.
- 도 1 은 본 발명에 따른 전기 기계의 반경 방향 단면도이고,
- 도 2 는 자기장 선들의 경로와 함께 도 1 의 반경 방향 단면도와 유사한 도면이고,
- 도 3 및 도 4 는 도 1 의 전기 기계의 고정자의 다양한 구성들을 예시하고, 그리고
- 도 5 는 도 1 의 전기 기계의 대안적인 형태를 도시한다.
도 1 에 예시된 회전식 전기 기계, 이 경우에 예로서 전기 모터는 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하고, 상기 회전자 및 상기 고정자는, 조립되면, 동축선 방향으로 하나가 다른 하나의 내부에 포개져서 상기 회전자가 자유롭게 회전하게 된다.
단지 상세한 설명의 나머지 부분에서 예로서, 이 기계는 한 쌍의 극들을 가진 동기 기계이다.
농형 (squirrel cage) 또는 권선형 회전자 비동기 기계들과 같은 다른 어떤 전기 기계를 어떤식으로든 고려하고 있지 않다.
도 1 에 따른 전기 기계의 회전자는 그 자체로 공지된 방식으로 바람직하게는 자성인 샤프트 (14) 를 포함하며, 상기 샤프트 (14) 상에는 임의의 공지된 수단에 의해서 서로 조립되어 회전자 몸체 (16) 를 형성하는 동일한 평면의 강자성 적층물들의 스택이 위치된다.
이 회전자는 자속 발생기들 (미도시), 주로 회전자 몸체의 길이와 실질적으로 동일한 길이의 영구 자석들을 지탱한다.
고정자는 또한 임의의 공지된 수단에 의해서 함께 결합되어 관형 고정자 몸체 (18) 를 형성하는 동일한 평면의 강자성 적층물들의 스택을 포함한다.
이 고정자 몸체는 평면의 환형 외부 경계부 (20) (또는 요크) 와, 회전자가 내부에 수용되고 관형 베어링 (24) 에 의해서 구분되는 오목 중앙부 (22) 를 포함한다.
따라서, 에어 갭 (E) 은 회전자의 외부 둘레와 고정자의 관형 베어링의 내부 둘레 사이에 형성된다.
고정자의 요크는 다수의 균등하게 원주 방향으로 분포된 반경 방향 웨브들 (26), 이 경우에 30°로 12 개의 웨브들에 의해서 관형 베어링에 연결되고, 상기 웨브들은 이들 사이에서 삼각형의 선단이 상기 관형 베어링을 향하는 실질적으로 삼각형 형상의 반경 방향 통로들 (28) 을 구분한다. 이들 통로들은 환형 요크 (20) 의 하부 에지 (30) 로부터 상기 관형 베어링의 외부 에지 (32) 까지 반경 방향으로 연장되고, 그리고 고정자 몸체 (18) 를 따라서 모두 축선 방향으로 전개된다.
단순화를 위해, 상세한 설명의 나머지 부분에서, 웨브들은 고정자 치형부들로 지칭된다.
도 1 에 예시된 바와 같이, 고정자는 자속 발생기들, 이 경우에 전기자 권선들 (34) 을 포함하고, 상기 전기자 권선들은 바람직하게는 반경 방향 통로들 (28) 에 보다 구체적으로 환형 요크의 하부 에지 (30) 근처에 수용되고 액밀된다.
따라서, 매우 긴 고정자 치형부들 (26) 은 상기 전기자 권선들이 상기 관형 베어링으로부터 멀리 유지되도록 한다. 또한, 도 2 에 잘 예시된 바와 같이, 이들 치형부들은 이 회전자로부터 이격된 상기 전기자 권선들에 의해서 발생된 자속이 회전자 (10) 를 향하여 안내되도록 한다.
이런 식으로, 에어 갭 (E) 의 크기는 감소되어 (수 밀리미터), 기계의 효율 및 성능을 최적화하는 것을 가능하게 한다.
따라서, 상기 전기자 권선들, 상기 관형 베어링의 외부 에지 및 고정자 치형부들 사이에 형성된 축선 방향 갤러리들 (36) 은 기체 또는 액체의 유체와 같은 유체가 통과할 수 있게 하는 고정자 격자 (stator grating) 를 형성한다.
이것은 기계의 기체 또는 유체 스트림의 통합 및/또는 그의 냉각을 보장할 수 있고, 따라서 크기에 의해서 및/또는 열 방출에 의해서 제한되는 주어진 시스템에서 최적화된 위치 설정을 보장하는 것을 가능하게 한다.
또한, 이 기계의 자기적 특성들은 특히 큰 에어 갭을 갖는 기계와 비교할 때 주어진 성능 수준에 따라 활성 물질의 양을 제한하는 것을 가능하게 한다.
도 3 에 예시된 바와 같이, 고정자 격자를 구성하는 고정자 치형부들 (26) 은 이 유체의 방향에 대하여 최소한으로 영향을 주도록 고정자 격자를 통과하는 유체에 실질적으로 평행한 축선 방향을 가질 수 있고, 상기 축선 방향은 고정자의 종방향 축선에 실질적으로 평행한 것을 의미한다.
또한, 이들 치형부들의 축선 방향은 고정자의 종방향 축선에 대해 경사질 수도 있다.
이 방향은 또한 유체의 이동을 안내/개시 또는 정지시키도록 의도된, 도 4 에 예시된 바와 같은 비틀린 형상과 같은, 복잡한 공기 역학적 형상일 수도 있다.
이런 비틀린 형상은 유체와 상기 고정자 치형부들의 접촉을 위한 표면적을 증가시키는 것을 가능하게 한다.
게다가, 고정자 치형부들의 이런 비틀림은 경사각에 따라 토크 리플 (torque ripple) 을 감소시키는 것을 가능하게 하기 때문에 자성의 관점에서 이점을 제공할 수 있다.
이들 치형부들은 또한 눈물방울 또는 에어로 포일의 횡단면 형상과 같은 상기 고정자 격자를 통한 유체의 통과와 관련된 압력 강하 손실을 최소화하도록 공기 역학적 프로파일을 가질 수 있다.
고정자의 표면 처리는 이 기계가 식품, 석유 화학, 건축 및 공공 사업 산업과, 전기 기계를 통해 유체를 이송 및/또는 안내해야 하는 다른 산업들과 호환되게 한다.
기계 냉각 관점에서, 이런 타입의 기계는 고정자에서 열교환을 위해 매우 높은 표면적을 제공하므로 유사한 성능의 종래의 전기 기계와 비교하여 단순화된 냉각 시스템을 사용하는 것을 가능하게 하고, 그리고 잠재적으로 이 최적화된 냉각 덕분에 고정자의 전류 밀도를 증가시키는 것을 가능하게 한다.
이런 타입의 기계는 특히 기존 시스템의 대체품으로 상당히 간단하게 통합될 수도 있다는 점에 주목해야 한다.
도 5 의 대안적인 형태는 상기 전기자 권선들 (34) 이 상기 관형 베어링 (24) 근처의 통로들 (28) 에, 따라서 에어 갭 (E) 에 가능한 한 근접하게 위치된다는 점에서 도 1 과 상이하다.
그 다음에, 유체가 통과하기 위한 갤러리들 (36) 은 상기 전기자 권선들과 고정자의 환형 요크 (20) 의 하부 에지 (30) 와 웨브들 (26) 사이에 위치된다.

Claims (9)

  1. 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계로서,
    상기 고정자 (12) 는 상기 고정자를 따라서 원주 방향으로 배열된 다수의 반경 방향 통로들 (28), 상기 반경 방향 통로들에 수용된 자속 발생기들 (34) 및 상기 회전자를 수용하는 고정자 베어링 (24) 을 포함하고,
    상기 반경 방향 통로들 (28) 은 상기 자속 발생기들 (34) 과 대면하는 유체 순환 갤러리들 (36) 을 포함하는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반경 방향 통로들 (28) 은 반경 방향 웨브들 (26), 상기 고정자의 평면의 환형 외부 경계부 (20) 및 상기 고정자 베어링 (24) 에 의해서 구분되는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 순환 갤러리들 (36) 은 상기 반경 방향 웨브들 (26), 상기 고정자의 상기 평면의 환형 외부 경계부 (20) 및 상기 자속 발생기들 (34) 에 의해서 구분되는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 순환 갤러리들 (36) 은 상기 반경 방향 웨브들 (26), 상기 고정자 베어링 (24) 및 상기 자속 발생기들 (34) 에 의해서 구분되는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 한 항에 있어서,
    상기 반경 방향 웨브들 (26) 은 상기 고정자 (12) 의 종방향 축선에 실질적으로 평행한 축선 방향을 갖는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  6. 제 2 항 내지 제 4 항 중 한 항에 있어서,
    상기 반경 방향 웨브들 (26) 은 상기 고정자 (12) 의 종방향 축선에 대해 경사진 축선 방향을 갖는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  7. 제 2 항 내지 제 4 항 중 한 항에 있어서,
    상기 반경 방향 웨브들 (26) 은 상기 고정자 (12) 의 종방향 축선에 대해 비틀린 방향을 갖는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  8. 제 2 항 내지 제 7 항 중 한 항에 있어서,
    상기 반경 방향 웨브들 (26) 은 종단면으로 비행기의 날개 또는 물방울의 형상을 갖는 공기 역학적 프로파일을 갖는 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 유체는 상기 전기 기계를 냉각시키기 위한 액체 또는 기체의 냉각 유체인 것을 특징으로 하는, 회전자 (10) 및 고정자 (12) 를 포함하는 전기 기계.
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