KR20180124083A - 이중 고정자 회전 전기 머신 - Google Patents

Abstract

다중-고정자 회전 전기 머신이 제공되며, 이 머신은 내부 고정자; 외부 고정자; 내부 고정자와 외부 고정자 사이에 방사상으로 제공되는 회전자; 회전자와 내부 고정자 사이의 내부 갭 거리; 및 회전자와 외부 고정자 사이의 외부 갭 거리를 포함한다. 내부 갭 거리의 평균은 외부 갭 거리의 평균의 75 와 80 % 사이이다.

Description

이중 고정자 회전 전기 머신

본 발명은 이중 고정자 회전 전기 머신에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원에 제시된 실시형태들에서, 회전자와 고정자들 사이의 평균 갭 거리들이 회전자 상의 반경방향 힘을 감소시키도록 상이하다.

이중 고정자 머신은 고출력 밀도와 중복 동작을 제공하는 능력 양쪽 모두에 기인하여 지난 20 년 동안 광범위하게 연구된 회전 전기 머신들이다. 영구 자석들이 종종 이중 고정자 전기 머신에서 회전자 여기를 제공하도록 적용된다.

이러한 다중-고정자 전기 머신은 예를 들어, 반경방향 플럭스를 갖는 전자기 모터, 특히 모터 차량에서 동력 지원 스티어링을 보조하도록 의도된 전자기 모터를 제공하는 WO 2016001495 에 개시되어 있다. 모터는 적어도 하나의 회전자를 둘러싸는 적어도 2 개의 고정자들을 포함하고, 에어 갭은 고정자들 각각과 둘러싸인 회전자 사이에 정의된다.

FEI ZHAO 등의 "Dual-stator Interior Permanent Magnet Vernier Machine Having Torque Density and Power Factor Improvement" (ELECTRIC POWER COMPONENTS AND SYSTEMS, vol. 42, no. 15, 2014년 11월 18일 (2014-11-18), 페이지 1717-1726) 에는, 토크 밀도와 역률을 현저하게 증가시키기 위해 듀얼-고정자 내부 영구 자석 버니어 머신으로 불리는 저속 영구 자석 버니어 머신에 대한 개선된 토폴로지가 제시되어 있다.

회전 전기 머신들에서, 회전자와 고정자 사이의 갭 (이를 테면, 에어 갭) 에 어떠한 비대칭이 존재할 때, 힘들이 머신의 반경방향을 따라 크게 증폭된다. 비대칭에 대한 이유는 고정자 또는 로터 치수들의 제조 부정확성 또는 베어링 마모일 수 있다. 이러한 힘은 머신에 대해 큰 문제일 수 있으며 머신의 손상 및 장해를 초래하고, 부품들의 과잉 치수화로 인해 공간을 소모한다.

본 발명의 목적은 다중-고정자 회전 전기 머신들에서의 비대칭성들에 기인한 부작용을 감소시키는 것이다.

제 1 양태에 따르면, 내부 고정자; 외부 고정자; 내부 고정자와 외부 고정자 사이에 방사상으로 제공되는 회전자; 회전자와 내부 고정자 사이의 내부 갭 거리; 및 회전자와 외부 고정자 사이의 외부 갭 거리를 포함하는 다중-고정자 회전 전기 머신이 제공된다. 내부 갭 거리의 평균은 외부 갭 거리의 평균의 75 와 80 % 사이이다. 외부 갭보다 더 작은 내부 갭을 제공하는 것에 의해, 갭들의 전체 반경방향 힘에서의 차이가 보상되고, 이에 의해, 2 개의 갭들로부터의 대향하는 힘들에 의하여 갭들에서의 임의의 비대칭성들이 감소되거나 또는 심지어 본질적으로 제거된다. 이는 전기 머신에 대한 유해한 힘들을 감소시키고, 이는 전기 머신에 대한 치수화 요건들을 감소시켜 이에 따라 전기 머신에 대한 비용을 감소시킨다.

평균 내부 갭 거리는 다음 식을 만족할 수도 있다:

(d(F_tot))/dδ_i= 0,

여기에서, F_tot 는 총 반경방향 힘을 표현한다.

평균 외부 갭 거리는 다음 식을 만족할 수도 있다:

(d(F_tot))/dδ_o= 0,

여기에서, F_tot 는 총 반경방향 힘을 표현한다.

일반적으로, 청구항들에 이용된 모든 용어들은 여기에서 명시적으로 달리 정의되어 있지 않은 한, 기술 분야에서의 통상의 의미에 따라 해석되어야 한다. "하나/한/그 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단, 단계 등"에 대한 모든 참조들은 달리 명시적으로 기재되어 있지 않은 한, 엘리먼트, 장치, 컴포넌트, 수단, 단계 등의 적어도 하나의 사례를 지칭하는 것으로서 개방적으로 해석되어야 한다. 본원에 개시된 어떠한 방법 단계들도 달리 언급되어 있지 않는 한, 개시된 순서로 정확하게 수행될 필요는 없다.

이하, 본 발명은 첨부된 도면들을 참조로 예를 들어 설명된다.
도 1 은 일 실시형태에 따라 다중-고정자 전기 머신을 예시하는 개략적 횡단면도이다.
도 2 는 도 1 의 횡단면도의 부분 확대도이다.
도 3 은 일 실시형태에 따라 도 1 의 다중-고정자 전기 머신의 회전자에 초점을 맞춘 개략적 횡단면도이다.
도 4 는 2 개의 평균 갭 거리들이 동일할 때와, 평균 내부 갭 거리가 평균 외부 갭 거리보다 더 작을 때의 2 개의 상황들에서의 회전자 상의 반경방향 힘들을 예시하는 개략적 그래프이다.
도 5 는 도 4 의 2 개의 상이한 상황들에서 도 1 의 전기 머신의 회전자 상에서 총 반경방향 힘을 예시하는 개략적 그래프이다.

본 발명은 첨부의 도면들을 참조하여 하기에 상세히 설명될 것이며, 도면들에서는 본 발명의 특정 실시형태들이 도시된다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구현될 수도 있으며, 여기에 기술된 실시형태들로 제한되는 것으로 간주되지 않아야 하고, 이들 실시형태들은 본 개시가 완벽하게 그리고 철저하게 이해되고 당해 기술 분야의 당업자에게 본 발명의 개념의 범위를 완전히 전달하도록 예로서 제공된다. 유사한 도면 부호들은 상세한 설명부 전반에 걸쳐 유사한 엘리먼트들을 지칭한다.

본원에 제시된 실시형태들은 다중-고정자 회전 전기 머신들 (이를 테면, 모터들 및 발전기들) 에 관한 것이고, 여기에서 내부 갭 거리는 외부 갭 거리보다 더 작다. 아래 도시된 바와 같이, 이는 내부 갭과 외부 갭 거리에서의 비대칭성으로 인하여 나타나는 대향하는 힘들의 보다 양호한 매칭을 가져온다. 여기에서, 비대칭성들에 기인한 회전자 상의 유해한 반경방향 힘들이 감소된다.

도 1 은 일 실시형태에 따라 다중-고정자 전기 머신 (1) 을 예시하는 개략적 횡단면도이다. 전기 머신 (1) 은 모터 및/또는 발전기로서 동작할 수 있다. 다이어그램은 x-y 평면을 따른다. 머신 (1) 은 내부 고정자 (10a) 및 외부 고정자 (10b) 양쪽 모두를 포함한다. 회전자 (11) 는 내부 고정자 (10a) 와 외부 고정자 (10b) 사이에 방사상으로 제공된다. 이 방식으로, 회전자 (11) 와 내부 고정자 (10a) 사이에 내부 갭 거리 (δ_i) 가 존재하고, 로터 (11) 와 외부 고정자 (10b) 사이에 외부 갭 거리 (δ_o) 가 존재한다. 중요하게도, 내부 갭 거리 (δ_i) 의 평균은 외부 갭 거리 (δ_o) 의 평균의 75 와 80 % 사이이다. 갭들의 거리는 본원에서 반경방향 거리들로서 측정된다. 갭들은 에어 갭들일 수 있지만, 갭들은 대안적으로 임의의 다른 적합한 유체들을 포함할 수도 있다. 내부 갭과 외부 갭 양쪽 모두를 갖는 것에 기인하여, 다중-고정자 전기 머신 (1) 은 2 개의 전기 머신들로 구성될 수 있다. 내부 머신은 내부 고정자와 회전자를 사용하여 제공되고 외부 머신은 외부 고정자와 회전자를 사용하여 제공된다. 2 개의 머신들은 어떤 방식으로는 독립적으로 동작할 수 있고, 이는 성능이 감소되더라도, 예를 들어, 하나의 고정자가 고장났을 경우에도 중복성을 제공한다.

본 발명자들은 비대칭인 경우 대향하는 내측 및 외측 반경방향 힘들의 균형을 맞추기 위해 많은 회전 전기 머신들에서 75 와 80 사이의 범위가 최적임을 알아냈다. 백분율이 75 % 미만이면 내부 반경방향 힘이 우세할 수 있고 80 % 초과이면 외부 반경방향 힘이 우세할 수 있다.

도 2 는 도 1 의 횡단면도의 부분 확대도이다. 여기서, 내부 고정자 (10b) 및 외부 고정자 (10b) 양쪽 모두의 고정자 티스 (16) 가, 고정자 권선들이 제공될 수 있는 결과적인 고정자 슬롯 (15) 과 함께 도시되어 있다. 회전자 (11) 는 회전자 요크 (18) 에 고정된 영구 자석들 (19) 을 포함한다.

도 3 은 일 실시형태에 따라 도 1 의 다중-고정자 전기 머신 (1) 의 회전자에 초점을 맞춘 개략적 횡단면도이다. 다이어그램은 x-y 평면을 따른다.

회전자 (11) 는 내부 직경 (D_{s_i}) 과 외부 직경 (D_{s_o}) 을 갖는다. 아래 보다 자세하게 설명되는 바와 같이, 머신 (1) 의 중심을 향하는 내부 반경방향 힘 (20a) 과 머신 (1) 의 중심으로부터 멀리 향하는 반대 방향의 외부 반경방향 힘 (20b) 이 존재한다.

로터 (11) 상의 힘들 및 갭 거리들 (δ_i 및 δ_o) 과의 이들의 관계가 이하 도 1 내지 도 3 을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.

종래의 전기 머신들에서, 갭 거리의 비대칭성에 의해 야기된, 고정자 및 회전자를 함께 끌어당기는 반경방향을 따르는 힘이 존재한다. 이 비대칭성의 원인은 주로 고정자 또는 회전자 치수들의 제조 오차들 또는 베어링의 마모에 크게 기인한다. 이 힘의 값은 [1] 에 따라 계산된다:

[1]

여기서,

는 공기의 투자율이고, B_r 및 B_t 는 각각 시간 및 반경방향 각도 (및 아래에 설명된 갭 거리) 의 함수로서 반경방향 및 접선방향 자속 밀도들이고, D_s 는 최소 갭 직경이고, l 은 이중 고정자 머신의 활성 길이이고, δ 는 갭 거리이고, γ 는 0 내지 2π 라디안 범위에서의 회전자 각 위치이다. 보다 작은 갭 거리에서 자속 밀도가 증가하고 결과적으로 더 큰 갭 거리들에 비해 반경방향 전자기력이 더 강해지며 그 반대도 마찬가지이다.

도 1 및 도 2 에 도시된 바와 같이 하나 이상의 갭들을 갖는 전기 머신들 (1) 에서, 회전자 바디부에 가하는 전자기적 반경방향 힘이 외부 및 내부 고정자들로부터의 힘들의 합이다. 특히, 외부 고정자로부터의 외부 반경방향 힘의 방향은 내부 고정자의 내부 반경방향 힘의 반대 방향이다.

[2]

[3]

식 [2] 는 외부 반경방향 힘 (20b)(f_{r_o}) 을 나타내고, 식 [3] 은 내부 반경방향 힘 (20a)(f_{r_i}) 을 나타낸다.

2 개의 개별 반경방향 힘들 (20a, 20b) 의 방향들은 도 3 에서 볼 수 있다. D_{s_o} 가 D_{s_i} 보다 더 크다는 사실을 고려하면, 이들 2 개의 힘들 (20a, 20b) 의 합인 총 힘은 외부 고정자로부터의 힘과 동일한 방향에 있고, f_{r_o}(δ_o, t, γ)-f_{r_i}(δ_i, t, γ) 값을 갖는다.

최적화 함수는 [4] 에 제시된 바와 같이 외부 갭 거리, 내부 갭 거리의 함수로서 총 힘을 최소화하기 위하여 식 [2] 와 [3] 에서 유도될 수 있다.

[4]

가장 기본적인 제약 기능은 2 개의 개별적인 머신들로부터의 토크들이 기준 설계와 동일하게 유지된다는 것이다.

[5]

[4] 와 [5] 로부터, 내부 및 외부 갭 거리들 (δ_i, δ_o) 의 새로운 세트가 편심 오류 동안 반경방향 전자기력들을 감소시키면서 출력 전력을 일정하게 유지하도록 선택된다.

이때, 내부 갭 거리 선택의 최적 선택은 식 [6] 을 만족시킬 것이다:

[6]

대안적으로 또는 부가적으로, 외부 갭 거리 선택의 최적의 선택은 이때 식 [7] 을 만족시킬 것이다:

[7]

내부 갭 거리를 감소시키는 것이 아래 설명된 바와 같이 바람직하지만, 외부 갭 거리를 조정하는 것에 의해 힘들에 대한 동일한 효과를 얻을 수 있다.

특히, 외부 머신의 평균 갭 거리는 내부 머신에서의 거리보다 더 크다. 일 실시형태에서, δ_o = 4 mm 이고 δ_i = 2 mm 이다. 다른 실시형태에서, δ_o = 6.5 mm 이고 δ_i = 5 mm 이다.

도 4 는 2 개의 평균 갭 거리들이 동일할 때와, 평균 내부 갭 거리가 평균 외부 갭 거리보다 더 작을 때의 2 개의 상황들에서의 회전자 상의 반경방향 힘들을 예시하는 개략적 그래프이다.

수직 축은 뉴턴 단위의 반경방향 전자기력을 나타내고 수평 축은 도 (°) 단위의 각 위치를 나타낸다.

직선 파선 (29) 은 편심이 없을 때의 총 반경방향 힘을 나타낸다.

다른 선들은 50 % 편심이 있는 비대칭 상황의 모든 플롯들이다. 이들 중에서, 실선들 (30a, 31a, 및 32a) 은 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 와 (실질적으로) 동일할 때의 상황에 관한 것이다. 점선들 (30b, 31b 및 31c) 은 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 보다 더 작을 때의 상황에 관한 것이다.

구체적으로, 최하측 실선 (31a) 은 내측 반경방향 힘을 나타내고, 중간 실선 (32a) 은 외측 반경방향 힘을 나타내고, 상부 실선 (30a) 은 총 반경방향 힘을 나타내며, 이들 모두는 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 (실질적으로) 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 와 동일할 때의 상황에 관련된다. 최하측, 중간 및 상부는 도 4 의 힘들을 참조할 때 정현파 변동의 중심 축의 상대 위치, 즉 각각의 힘의 평균 레벨을 의미한다.

또한, 최하측 점선 (31b) 은 내측 반경방향 힘을 나타내고, 중간 점선 (32b) 은 외측 반경방향 힘을 나타내고, 상부 점선 (30b) 은 총 반경방향 힘을 나타내며, 이들 모두는 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 보다 더 작을 때의 상황에 관련된다.

중요하게도, 총 반경방향 힘 (30b) 의 진폭은 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 보다 더 작을 때의 상황에 대하여 더 낮다. 이는 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 와 동일할 때의 상황에 비해 전기 머신의 컴포넌트들에 대한 기계적 응력을 상당히 감소시킨다.

평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 보다 더 작게 되는데 2 개의 방법들이 존재한다. 동일 갭 머신에 비해, 내부 갭 거리 (δ_i) 가 감소될 수 있고/있거나 외부 갭 거리 (δ_o) 가 증가될 수 있다. 외부 머신 치수를 동일하게 유지하는 것을 더 쉽게 하는 일 방법은 내부 갭 거리 (δ_i) 를 감소시키는 것에 의한다.

내부 머신 회전자 구조는 자석들이 원심력으로 인해 회전자로부터 멀리 날아가기 쉬운 외부 머신에 비해 상대적으로 더욱 견고하다. 따라서, 동일 갭 머신에 제공된 임의의 두꺼운 보호 층 (유리 섬유, 탄소 섬유 등) 은 많은 경우 제거될 수 있거나 감소될 수 있어 내부 갭 (δ_i) 을 감소시킬 수 있다. 비대칭 상황에서 반경방향 힘을 감소시키는 것 외에도 이 솔루션은 또한 특정 플럭스 및 결과적인 토크에 필요한 영구 자석들의 양을 감소시킨다.

예를 들어, 5 MW 이중 고정자 머신의 일 예가 여기에 예시로 이용된다. 동일 갭 거리 설계에서, 외부 갭 거리는 갭 거리들 (δ_o 및 δ_i) 양쪽에 대해 6.5 mm 이다.

내부 갭 거리가 5 mm 로 감소될 때, 효율 및 역률은 동일 갭 거리 설계와 대략 동일하지만, 동일 갭 거리 설계의 약 86 % 의 중량의 자석만을 필요로 한다. 따라서, 이 실시형태는 비대칭 상황에서 감소된 반경방향 힘을 갖는 상황을 제공할 뿐만 아니라, 자석 중량도 14 % 만큼 감소된다.

도 5 는 도 4 의 2 개의 상이한 상황들에서 도 1 의 전기 머신의 회전자 상에서 총 반경방향 힘을 예시하는 개략적 그래프이다. 수평 축은 도 (°) 단위의 각 위치를 나타내고 수직 축은 MN 단위의 총 반경방향 힘을 나타낸다.

실선 (40) 은 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 (실질적으로) 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 와 동일할 때 총 반경방향 힘을 나타낸다. 점선 (41) 은 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 보다 더 작을 때 총 반경방향 힘을 나타낸다. 평균 내부 갭 거리 (δ_i) 가 평균 외부 갭 거리 (δ_o) 보다 더 작을 때의 상황은 회전자가 상당히 더 낮은 총 반경방향 힘을 겪게 되는 경우를 가져옴이 명백하다.

이중 고정자 머신의 문맥에서 실시형태들이 본원에 제시되어 있지만, 3 개 이상의 고정자들을 갖는 머신들에 대해서도 동일한 원리들을 적용가능하다.

본 발명은 주로 수 개의 실시형태들을 참조하여 위에 설명되었다. 그러나, 당해 기술 분야의 당업자에게 이해될 바와 같이, 위에 개시된 이들 외에 다른 실시형태들이 첨부된 청구항들에 의해 정의되는 본 발명의 범위 내에서 동등하게 가능해진다.

Claims (3)

1. 다중-고정자 회전 전기 머신 (1) 으로서,
   내부 고정자 (10a);
   외부 고정자 (10b);
   상기 내부 고정자 (10a) 와 상기 외부 고정자 (10b) 사이에 방사상으로 제공되는 회전자 (11);
   상기 회전자 (11) 와 상기 내부 고정자 (10a) 사이의 내부 갭 거리 (δ_i); 및
   상기 회전자 (11) 와 상기 외부 고정자 (10b) 사이의 외부 갭 거리 (δ_o) 를 포함하고,
   상기 내부 갭 거리 (δ_i) 의 평균은 상기 외부 갭 거리 (δ_o) 의 평균의 75 와 80 % 사이인, 다중-고정자 회전 전기 머신 (1).
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 내부 갭 거리 (δ_i) 의 평균은 다음 식을 만족하고:
   (d(F_tot))/dδ_i= 0,
   여기에서, F_tot 는 총 반경방향 힘을 나타내는, 다중-고정자 회전 전기 머신 (1).
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 외부 갭 거리 (δ_o) 의 평균은 다음 식을 만족하고:
   (d(F_tot))/dδ_o= 0,
   여기에서, F_tot 는 총 반경방향 힘을 나타내는, 다중-고정자 회전 전기 머신 (1).

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