KR20110103955A - 전기 기계 및 이의 고정자부의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 환형 운반체(14, 15)에 의해 운반되는 자석(17)을 포함한 회전자(13)를 포함하는 전기 기계에 관한 것이며, 자기장이 2개의 회전자부 사이의 공기 갭에 걸쳐 발생되고, 권선(19)을 포함한 무철 고정자(12)가 배치된다. 냉매 순환용 채널(23, 24)를 포함한 섹션(12)으로 구성되고, 고정자의 활성부를 형성하는 환형의 중앙 조밀부(27)를 포함한 권선을 포함하는, 고정자에 의해 공간 절약형 기계가 얻어진다. 또한 본 발명은 그러한 전기 기계용 고정자부의 제조 방법에 관한 것으로, 본 제조 방법은 강체 요소를 형성하기 위해 전기 절연 주물 재료 내에 권선(19)을 내장하는 단계를 포함한다. 코일(19)이 이등분된 쉘 하우징(28, 29) 또는 이등분된 주형틀의 일 부분 내에 배치되고, 쉘 하우징 또는 주형틀이 밀폐되며, 주물 재료가 개구를 통해 주입되면, 쉘 하우징 또는 주형틀의 내측부는 부압 및 어쩌면 진동을 받게 된다.

Description

전기 기계 및 이의 고정자부의 제조 방법{ELECTRICAL MACHINE AND METHOD FOR THE MANUFACTURING OF STATOR SECTIONS THEREFOR}

본 발명은 청구항 제1항의 전제부에서 언급된 전기 기계 및 청구항 제14항의 전제부에서 언급된 그러한 전기 기계용 고정자부의 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 전기 기계는 권선을 포함한 무철 고정자가 배치되어 있는 공기 갭에 걸쳐 자기장을 발생시키기 위해 환형 캐리어 상에 자석을 구비한 회전자를 포함한다.

전기 기계는 전기 모터 또는 전기 발전기 또는 발전기 및 모터로 작동될 수 있으며, 축 또는 방사상 필드를 포함할 수 있는 조합형 기계일 수 있다.

본 발명의 방법은 강체 요소를 형성하기 위해 전기 절연 주조 재료 내에 권선을 내장하는 공정에 관한 것이다.

종래에는, 전기 기계의 고정자는 철 요크, 보통 시트 금속을 포함한 권선을 포함하였다. 대부분 형태의 전기 기계에서는, 권선이 권선 주위의 철에 자기장을 발생시키기 위해 홈 내에 배치되어 있다. 이러한 종류의 고정자가 방사상 자속형 및 축 자속형 기계에 사용된다.

영구 자석 및 축방향 자기장과 축 자속형 기계를 포함한 양면 회전자를 포함하는 기계에서는, 권선이 치형부 없이 철심 주위에 배치되어 있는 토로이드 권취형 고정자를 사용하는 것이 일반적이다. 그러한 기계의 이점 중 하나로, 코깅을 방지하기 위해 자기 저항이 회전자의 위치와 독립적이라는 것이다.

자석의 N극과 S극이 서로 대향하는 양면 회전자를 포함한 PM 기계에서, 철은 고정자로부터 생략될 수 있다. 그러면, 자기장이 하나의 회전자로부터 제2 회전자부로 축방향이나 반경 방향으로 발생될 것이다. 그러한 양극 기계가 1934년에 출원된 US 특허출원 제1,947,269호에 개시되어 있다. 개시된 기계는 자기장이 공기 갭에서 축방향으로 향해지도록 정반대로 자기를 띠면서 양극을 대향시키면서 배치된 2개의 접시형 영구 자석을 포함한다. 상기 자기성 공기 갭 내에 권선을 배치시킴으로써, 무철 고정자가 형성된다.

무철 고정자의 일 이점으로는 고정자에 통상 발생되는 철 손실의 해소이다. 권선은, 이력 손실(hysterese losses) 및 와전류 손실을 발생시키는 변화 자기장을 갖는 어떠한 철도 포함하지 않고도, 공기 갭 내에 배치된다. 기계가 대형화될 때의 또 다른 이점으로는 회전자와 고정자 사이의 힘을 거의 완전히 제거한다는 것이다. 고정자에 철이 있는 종래의 PM 기계에서, 고정자에 대하여 회전자를 잡아당기려고 하는 힘은 통상 발생된 토크를 상당히 초과한다. 레이디얼 기계에서, 이는, 회전자가 중앙에 위치될 때 힘이 분배되기 때문에 어떠한 문제도 발생시키지 않는다. 특히 대형 기계의 경우에, 회전자가 중앙 위치를 벗어나면, 그 문제가 나타날 것이다. 또한, 이는 고정자 및 양면 회전자에 철이 있는 축방향 기계에 적용되는 반면, 단일면 회전자를 포함한 기계는 동일한 힘을 갖지 않을 것이다.

무철 고정자를 포함한 또 다른 기계가 1975년에 출원된 영국 특허출원 제1491026호에 개시되어 있다. 이 기계의 회전자는 각 회전자부의 표면 상에 6개의 영구 자석을 포함하고 있다. 고정자는 일련의 균일한 원 상에 위치된 다수의 권선을 포함한 복수의 코일 및 내외경에서의 중첩 코일을 포함한다. 접시형 고정자는 자석들 사이의 영역에서는 얇으며, 내외부에서는 보다 두껍다. 권선은 에폭시계 주물 재료 등에 의해 결합된다.

대응하는 권선 장치가 1981년에 출원된 EP 특허출원 제0058791호에 개시되어 있다. 권선 장치는 내측 및 외측 에지에 중첩되어 있으며, 고정자는 자석들 사이의 활성 영역에서보다 더 큰 축범위를 갖는다. 개시된 권선 장치는 2상 기계용이지만, 유사한 장치가 청구항에서도 규정된 상이한 연결부에 의해 삼상 기계용으로 사용될 수 있다.

이와 동일한 종류의 권선 장치가 1989년에 출원된 EP 특허출원 제0633563호 및 1998년에 출원된 US 특허출원 제5,744,896호에서도 개시되어 있다. 이들 문헌에 개시된 권선 장치는 연속 구조를 가지므로, 광범위한 연결 작업을 수반하지 않고서는 보다 작은 섹션들로 분리하기는 어렵다. 대형 기계에서는, 제조, 운반 및 설치를 위해 보다 작은 부분들로 기계를 분리하는 것이 매우 바람직하다.

무철 고정자를 포함한 또 다른 권선 장치가 US 특허출원 제4,334,160호에 개시되어 있다. 1개의코일은 평탄하고, 2개의 코일은 서로 다르게 오프셋되어 있어서, 권선 단부가 3 레벨로 중첩되면서, 권선의 활성 부분에 하나의 층을 유지할 수 있다. 이 장치는 또한 여러 섹션들로의 분리를 어렵게 만드는 연속 구조를 갖는다.

냉각

높은 전류로 기계를 냉각시키기 위해, 복수의 냉각 제안이 공지되어 있다. Caricchi와 Crescimbini에 의한 간행물 XP000585921인 "Prototype of an innovative wheel direct drive with water-cooled axial-flux PM motor for electric vehicle application"(1996년 3월 3일~7일 세너제이에서 열린 APEC'96 Eleventh Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition)에서는, 코일이 섬유 강화 에폭시로 이루어진 냉각관 주위에 권취되어 있는 통합 냉각 시스템을 구비한 기계가 개시되어 있다. 고정자의 구조는 일체형 제조를 요구하고, 냉각수의 유입부 및 배출부는 권선 단부 사이에 배치되어야 한다.

섹션닝

US 특허출원 제6,781,276호에서는, 방사상 자속형 기계가 섹션화되어 있고, 각각의 모듈 및 섹션의 상호 켑슐화를 사용함으로써 IPS-4 모듈을 포함하고 있다. 권선 단부의 캡슐화 뿐만 아니라, 세그먼트 전부를 덮는 외부 캡슐화가 나타나 있다. "완전 밀봉 및 밀폐"라는 개념은 청구항에서 이를 설명하는데 사용된다. 그러한 밀봉은 다수의 손실을 발생시킨다.

- 복잡한 구조의 밀봉은 고비용으로 이루어져야 하고,

- 여러 밀봉면은 밀봉 문제를 초래하며,

- 공극이 형성되어, 응결을 발생시킬 수 있는 주기적 온도가 변화한다.

본 발명의 주목적은 냉각용 전기 기계를 종래 기술의 기계보다 더 용이하게 제조 및 설치될 수 있는 섹션들로 형성하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 원주 속도를 증가시키기 위해 종래 기술의 기계보다 더 큰 직경을 갖는 전기 기계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 출력대 중량비가 감소된 전기 기계를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 높은 허용 오차를 유지하기 위해 바람직한 공기 갭대 출력비를 갖는 전기 기계를 제공하는데 있다.

또 다른 목적은 고정자부의 설치 및 해체가 용이한 전기 기계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 효율적으로 그리고 매우 신뢰적으로 수행될 수 있는 고정자 요소의 제조 방법을 제공하는데 있다.

본 발명은 청구항 제1항에 규정되어 있다. 본 발명은 냉매 순환용 채널 및 고정자의 활성부를 제공하는 환형의 중앙 조밀부를 가진 권선을 포함하는 섹션들로 구성되어 있는 고정자를 포함한다.

만일, 회전자가 영구 자석을 운반한다면 바람직하다. 그러나, 회전자는 초전도체를 포함한 자석으로 구성될 수도 있다.

본 발명은 다양한 필드 방향을 이용할 수 있지만, 자석은 바람직하게 축방향 필드를 제공한다.

각각의 고정자부는 권선을 수용하는 주형틀이나 쉘 하우징 내에 삽입된 주물 재료에 내장되는 것이 바람직하며, 상기 주물 재료는 고정자의 인클로저를 형성하며 냉매용 채널을 형성한다.

각각의 고정자부는 냉매 유입 및 배출을 위한 개별 연결부를 포함할 수 있다.

2개의 회전자부 사이에 배치된 고정자를 제거할 수 있도록 하기 위해, 회전자의 하나 이상의 부분이 고정자부의 삽입 및 제거하도록 되어 있다.

바람직하게는, 권선은 활성부 및 권선 단부를 포함하는 복수의 동일한 사다리꼴형 코일을 포함하여, 코일은 공통면에서 활성부와 조립될 수 있고, 2개 이상의 면에서 권선 단부와 겹칠 수 있다.

코일의 적어도 반쪽이 섹션의 각 단부에서 생략된다. 생략된 코일의 반쪽의 공극은 접선 방향의 냉각 채널에 대한 냉매의 유입부 또는 배출부로서 사용될 수 있다.

바람직하게는, 자석은 반경 방향으로 돌출된 조(jaws) 상에 배치되며, 상기 자석은 환형 조립체의 접시형 세그먼트에 반경 방향으로 배치되어 있다.

Q=1인 기계의 경우, 상의 개수, 한쌍의 폴의 개수 및 섹션의 개수는 청구항 제12항에 규정된 바와 같이 선택될 수 있다.

삼상 기계에서는, 3개 권선과 3개 권선이 중첩되고, 권선 단부는 3 레벨로 분포되어 있는 한편, 3개의 코일은 자석들 사이의 활성 영역에서 동일 레벨로 배치되고, 코일의 개수 및 한쌍의 폴의 개수는 청구항 제13항에 따른다.

또한, 본 발명은 그러한 전기 기계용 고정자부의 제조 방법에 관한 것으로, 본 제조 방법은 강체 요소를 제공하기 위해 전기 절연 주물 재료 내에 권선을 내장하는 단계를 포함한다. 코일은 이등분된 쉘 하우징 또는 이등분된 주형틀의 일 부분 내에 배치되고, 쉘 하우징 또는 주형틀은 밀폐되며, 주물 재료가 개구를 통해 주입되어, 쉘 하우징 또는 주형틀의 내측부는 부압 및 어쩌면 진동을 받게 된다.

냉매용 채널은 고정자 인클로저 상의 외부 홈을 덮음으로써 형성될 수 있다.

대형 전기 기계의 제조시, 영구 자석 및 적층형 고정자를 포함한 전기 기계에 통상 적용되는 공차에 대한 엄격한 요건을 따라야 하는 것이 보다 큰 도전 과제이다. 고정자가 적층되면, 고정자를 무철 및 비자성으로 만드는 것은 생략되어도 된다. 공차에 대한 요건이 실질적으로 줄어든다. 종래 기술의 PM 기계에서 고정자에 대한 회전자의 2㎜ 내지 3㎜의 이동은 회전자와 고정자 사이의 힘의 불균형을 발생시킬 것이고, 유도된 전압은 기계의 여러 부분에서 실질적으로 상이할 것이다. 무철 고정자에 의해, 전압 불균형은 실질적으로 줄어들 것이고, 고정자가 비자성이기 때문에, 회전자와 고정자 사이의 어떠한 힘의 불균형도 발생되지 않을 것이다.

기계가 대형화될 때, 회전자와 고정자를 보다 작은 섹션들로 나누는 것이 바람직하다. 대형 기계를 제조하기 위한 툴 대신에, 섹션을 제조하기 위한 단지 한 조의 소형 툴이 필요하며, 이 섹션은 프레임 또는 또 다른 조립체에서 연속적 설치로 발생된 질량체일 수 있다.

그러한 섹션의 운반은, 특히 크기가 육로 수송에 대한 최대 크기를 초과할 때, 기계 전체를 운반하는 것보다 실질적으로 용이하다. 기계를 섹션들로 만들 때의 또 다른 주요 이점으로는, 유지보수 비용이 적다는 점이다. 만일, 섹션들 중 하나에 오차가 발생한다면, 이 섹션은 긴 고장 시간을 피하기 위해 교체용 섹션으로 쉽게 대체될 수 있다.

고정자를 보다 작은 섹션들로 나누고, 자기장을 계속해서 효과적으로 이용하기 위해, 권선 구조는 전술한 개념에 대해 변경되어야 한다. 이에 대해서는 다음의 예를 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.

도 1은 커버 및 조립 요소를 포함하지 않은 본 발명에 따른 전기 기계, 예컨대 풍력 발전기의 일부의 사시도를 나타낸다.
도 2는 도 1의 예에 따른 3상 전기 기계용 고정자부의 부분 단면 사시도를 나타낸다.
도 3은 도 2의 고정자부의 코일부의 측면도를 나타낸다.
도 4는 도 2의 고정자부의 측단면도를 나타낸다.
도 5는 대안적인 삼상결선용 권선유닛의 사시도를 나타낸다.
도 6은 조립된 전기 기계의 고정자부의 설치 및 제거를 위한 장치를 개략적으로 나타낸다.

도 1은 일부 도시된 2개의 주부품, 즉 고정자부(12) 및 회전자부(13)를 포함한 기기부(11)를 나타내고 있다. 또한, 회전자부(13)도 섹션화될 수 있다.

고정자부(12)는 공지된 방식으로 기관대(engine base)에 고정식으로 부착되어 있는 동일 또는 대응부의 환형 조립체의 일부이다. 고정자부(12)의 일 예가 도 2에 보다 상세하게 도시되어 있다.

회전자부(13)는 외부 장비를 구동시키거나 외부 장비에 의해 구동되기 위해 샤프트(도시되지 않음)에 종래 기술의 방식에 따라 설치된다. 특히 흥미로운 사용 분야로는 풍력 발전용 터빈과 연관이 있다. 그 주목적은 전력을 발생시키는 것이지만, 발전기는 제동 토크를 발생시키는 모터로서의 역할을 하는 것과도 연관이 있을 수 있다. 또 다른 예로는 토크가 높고 가용 공간이 적은 모터를 필요로 하는 선박용 조타 기계로서의 사용이다.

회전자부(13)는 다수의 자석 사이에 자속(flux)를 전달하는 자철로 이루어진 2개의 환형 회전자 요크(rotor yokes)(14, 15)를 포함한다. 다수의 자석은 직사각형 단면을 가진 고체 재료로 이루어질 수 있고, 회전자 요크(14, 15)의 외측면에 결합되어 있는 시트 재료로 이루어진 일련의 U자형 조(jaws)(16)에 의해, 예를 들면 용접에 의해 나란히 고정되어 있다.

각각의 회전자 요크(14, 15) 상에는, 영구 자석 재료로 이루어지며 방사상으로 배향된 일련의 스틱(sticks)(17)이 부착되어 있다. PM-스틱(17)은 간격 또는 갭(18)을 이루면서 배열된다.

이는 특정 용도, 예를 들면 직경이 큰 풍력 발전기에 대해 바람직한 구조이다. 다른 용도로서, 다수의 고정자가 다축 필드를 갖는 회전자 조립체와 연동하는 구조를 생각해 볼 수 있다. 그러한 다수의 식기 기계의 요건이 고정자의 설치 및 제거를 위한 접근을 허용하는 회전자 구조이다.

또한, 레이디얼 가공용 고정자부가 일련의 2개의 동심성 영구 자석을 포함한 회전자를 움직이게 하는 레이디얼 가공용 고정자부의 개념을 개조하는 것이 가능하다.

도 2는 도 3 및 도 4의 세부 구성요소를 포함한 고정자부(12)를 나타내고 있다. 이 장치는 3개의 주부품, 즉 권선(winding)(19), 인클로저(enclosure)(20) 및 유입부(21)와 배출부(22)를 구비한 냉각 시스템을 포함한다.

냉각 시스템은, 인클로저 쉘의 외면 상의 평행 홈으로 형성되어, 접착제에 의해 부착되어 있는 시트(25)로 덮여져 있는, 한 쌍의 채널(23, 24)을 포함한다.

권선(19)은 도 3에 보다 자세하게 도시되어 있으며, 이에 대해서는 이하에서 설명된다. 각 단부에서 코일의 일부를 생략함으로써, 개구(26a, 26b)가 각 단부에 형성된다. 권선(19)은, 회전자부 사이의 갭에 잘 들어맞는 중앙 조밀부(27)를 형성하기 위해, 리본 도선(ribbon conductor), 예를 들면 구리 밴드(cupper band)로 형성될 수 있다.

권선(19)은 플라스틱으로 이루어진 2개의 쉘(28, 29)에 의해 형성된 인클로저(20) 내에 포함되어 있다. 상기 쉘은 40°의 환형 구조로 되어 있으며, 전체적으로 레이디얼 중앙면에 대하여 대칭을 이룬다. 상기 쉘은 리세스(recesses) 내에 권선(19)을 수용하도록 되어 있다. 쉘(29)의 각 단부에는, 유입부 및 배출부로서 파이프 소켓(pipe socket)(21, 22)이 배치되어 있다.

도 4는 커버 시트가 채널(23, 24)을 형성한 모습을 나타내는 주물 재료가 채워지기 전의 고정자의 단면을 나타내고 있다. 권선의 헤드부(30, 31)는 레이디얼 중앙면에서 바깥방향으로 돌출된 상태로 도시되어 있다.

대안적인 실시예에서는, 주물 재료가 채워지는 동안 밀폐되어 있는 두 부분의 주형틀 내에 권선(19)이 배치된다.

도 5는 3개의 삼상결선용 코일(32, 33, 34)의 조립체를 나타내고 있다. 고정자는 회전자의 공기 갭에 대해 대칭을 이룰 수 있다. 완성 고정자에 대한 조립은 상술한 바와 같이 행해질 수 있다.

도 6은 도 1에 도시된 실시예에서와 같이 고정자부(12)가 회전자부(13)의 일부와 함께 본 발명에 따른 전기 기계에 어떻게 제거 또는 설치될 수 있는지를 개략적으로 나타내고 있다. 본 예에서, 조(16)의 부분들 사이의 거리는 고정자부의 폭보다 더 크다.

본 예에서는, 환형 요크(14)에서 분리된 영구 자석(17)의 일부가 고정자의 대응부와 함께 제거되어 있다. 영구 자석(17)은, 예를 들면 환형 요크 상에 설치된 시트에 부착될 수 있다. 이는 운반 동안에 자기력을 안정화시킬 수 있다.

대안적으로, 고정자부의 설치 및 제거를 위한 개구를 형성하기 위해, 고정자부보다 더 큰 주변부에 걸쳐 연장되는 회전자의 일부가 제거된다. 이는, 큰 부피와 접근이 어려운 위치에 있는, 예컨대 풍력 발전기에서 조차도 본 발명에 따른 전기 기계의 유지 및 보수를 가능하게 할 것이다.

권선 장치, 대안예 1

US 5,744,896 및 EP 0633563에 개시된 권선 장치는 연속적이고, 권선을 분할하지 않고서는 섹션화될 수 없다. 본 발명에서는, 섹션당 하나의 코일이 제거되고, 상마다 단지 1회전만이 다음 섹션으로 연결되며, 코일은 기계 전반에 걸쳐 서로 연결되어야 한다. 그러면, 각각의 섹션은 섹션의 각 단부에서 비어있는 "트랙(track)"을 포함하게 될 것이다. 각각의 폴의 상마다 하나의 "트랙"(Q=1)을 갖는 기계에서, 섹션의 개수는, 코일의 개수가 모든 상에 대해 동일해지도록 하기 위해, 상의 개수의 배수이어야 한다(N_섹션=k*N_상, 여기서 k는 정수). 또한, 폴의 개수는 다른 상에 속하는 생략된 코일부를 포함하도록 선택되어야 한다. Q=1의 기계인 경우에, 상의 개수, 폴의 개수 및 섹션의 개수는 다음 식에 따르도록 선택되어야 한다.

상기 식에 따르지만, 상마다 상이한 개수의 코일을 포함하는 삼상 기계에서, 상마다 코일의 개수는 3개의 섹션과 3개의 섹션을 연속적으로 연결함으로써 일정하게 될 것이다. 상기 연속적인 3개의 섹션은 연속적으로 또는 동시에 연결될 수 있다.

고정자의 방열은 기계의 토크를 제어한다. 그러므로, 기계를 충분히 이용하기 위해서는 우수한 냉각이 요구된다. 무철 고정자의 구리는 권선의 양쪽에 형성된 냉각 채널(23, 24)을 이용함으로써 냉각될 수 있다. 냉각 채널(23, 24)은 후술될 인클로저 내에 배열되어 있다. 냉각 채널은 고정자의 양쪽에 접선 방향으로 연장되어 있다. 냉각 채널과 구리 사이의 거리는 단축되어야 하고, 삽입물은 고열전도성을 가져야한다.

하나의 코일이 각 섹션으로부터 생략될 때, 2개의 "트랙"이 섹션의 각 단부에서 이용될 수 있을 것이다. 이 위치는 각 섹션에 대해 냉매를 유입하고 추출하는데 사용될 수 있다. 이 "트랙"으로부터, 냉매는 접선 방향의 냉각 채널을 통해 고정자의 양쪽으로 유입될 수 있다. 추가의 평행 냉각 채널이 권선 단부를 냉각시키기 위해 배열될 수 있다.

대안적인 냉각 장치로는 양쪽이 아닌 고정자부의 중앙에 접선 방향의 냉각 채널을 배열하는 것이다. 이로써, 각각의 냉각 채널의 단면은 고정자부의 축방향 연장부를 증가시키지 않고도 증가될 수 있다.

또 다른 대안으로, 관형 구리 도선 또는 리츠선 내에 포함된 플라스틱관을 사용함으로써 구리를 직접 냉각시키는 것이다. 이는 구리와 냉매 간의 간격을 감소시킬 것이다. 냉매가 유입 및 배출될 필요가 없기 때문에, 자유로운 "트랙"이 요구되지 않을 것이다. 자유 공간을 이용하고, 또 종래 기술에 따른 연속 권선을 회피하기 위하여, 아래 대안예 2에서 설명되는 권선 장치가 사용될 수 있다.

권선 장치, 대안예 2

구리를 직접 냉각시킬 때, 대안예 1에서 설명된 개방형 홈은 바람직하지 않다. 그럼에도, 기계를 보다 작은 섹션들로 나눌 수 있어야 한다. 삼상 기계에서, 이는, 권선 단부가 3 레벨에 분포되는 한편, 권선의 활성 영역이 대안예 1의 권선에 따라 1 레벨에 위치하도록, 3개의 코일과 3개의 코일이 개별 유닛이 되도록 코일을 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 그러한 3개의 코일을 가진 유닛이 도 5에 도시되어 있다. 3개 중 하나의 코일은 평탄하지만, 나머지 2개의 코일은 구부러진 단부를 갖는다. 구부러진 2개의 코일은 동일하지만, 나머지 하나의 코일은 대향하며 배치된 접힘부를 갖는다. 따라서, 권선 단부는 대안예 1에 설명된 2 레벨 대신에 3 레벨에 겹칠 것이다.

이러한 권선의 단일 구조의 이점은 권선의 연속 배열을 갖도록 상마다 단 하나의 권선이 다음 섹션에 연결되어야 하는 보다 작은 섹션들로 분리할 수 있다는 점이지만, 이 배열 또한 각 섹션에서 코일의 개수의 제한을 갖는다. 이러한 이유로는, 만일 3개의 코일이 Q=1인 경우 전체 원에서 연속적으로 배열된다면 상이할 코일 간의 상호 인덕턴스 때문이다. 각 유닛에서의 중앙 코일은 "단부 코일"들이 연결되는 것보다 나머지 다른 코일에 더 자기적으로 연결된다.

따라서, 각각의 코일은 Q≠1이 되도록 폴 스텝(pole step)보다 더 많이, 혹은 바람직하게는 그보다 적게 덮어야 한다. 섹션당 코일의 개수는 섹션들이 정수개의 "코일 유닛"으로 구성되도록 삼상 기계에서 3의 배수이어야한다. 이러한 요건이 충족되면, 섹션의 개수는 자유로이 선택될 수 있다. 그러나, 각각의 폴의 상마다 홈의 개수(Q)는 각각의 상이 각각의 위치에서 동일한 개수의 코일을 갖도록 선택되어야 한다. 이는, 코일의 개수 및 한쌍의 폴의 개수가 다음의 식에 따라 선택될 때의 경우이다.

인클로저

본 발명의 무절 고정자 요소는 전반적으로 구리 및 주물 재료로 구성된다. 각각의 고정자 요소는 가장 높은 가능성(IP)을 갖는다. 각각의 섹션은 냉매의 유입부 및 배출부 뿐만 아니라, 각 상의 전기 연결부를 포함한다. 각각의 고정자부가 주물 재료 내에 내장되기 때문에, 복잡한 기하학 구조를 가진 하우징과 권선 보호를 위한 실링이 필요 없으며, 공기에 대한 공극도 없다. 따라서, 본 발명은 US 6,781,276에 기술된 섹션닝의 문제점의 일부를 해소한다.

섹션은 축방향 기계의 내주 및 외주에 고정물을 포함할 수 있다. 섹션은 발생된 토크와 섹션의 무게로 인해 고정자에 발생된 힘을 전달하기 위해 강도를 필요로 한다.

또 다른 중요한 특성은 열전도성이다. 이 열전도성은 구리 권선으로부터 열을 전도하기 위해 높아야 한다. 열전도성은 권선 장치, 및 대안예 1에서 기술되는 주물 재료의 층이 구리와 냉각 채널 사이에 배치된 냉각 시스템에 특히 중요하다.

완성된 섹션은 기포를 거의 발생시켜서는 안된다. 이는 부분 방전을 발생시킬 수 있는 유전율이 상이한 작은 영역을 회피하기 위해 고전압을 인가할 때 특히 중요하다. 공기 유전율을 갖는 주물 재료를 사용함으로써, 주물 재료에서의 기포 방지 문제는 덜 중요하게 된다.

유지보수

유지보수의 용이성 대한 요구는 섹션화된 고정자를 포함한 기계를 제조할 때 중요한 요소이다.

본 발명에서 고정자부의 두께는 자석들 사이의 영역에서 가장 적고, 내외경에서 보다 두껍다. 최대 자속을 갖기 위해, 자석은 고정자 양쪽에 가까이 배치된다. 자석과 고정자 사이의 공기 갭은 기계적 공차에 의해 결정되지만, 공기 갭은 통상 고정자의 최저 두께와 권선 단부의 두께 간의 차이값보다 작다. 따라서, 회전자가 설치될 때 고정자부를 반경 방향으로 제거하는 것이 불가능할 것이다. 고정자부를 교체하기 위해, 회전자는 일부 제거되어야 한다. 회전자를 2개 이상의 섹션들로 만들면, 이 작업은 대체로 쉬워질 수 있다.

회전자가 바람직한 위치에 위치될 수 있을 때, 회전자의 일 부분이 제거되는 것은 충분히 있을 수 있다. 이 부분은 고정자부를 축방향으로 이동시킬 수 있기 위해 고정자부보다 약간 더 커야한다. 제조, 운반 및 설치를 단순화하기 위해, 회전자는 고정자와 비슷하게 섹션화될 수 있지만, 회전자부를 고정자부보다 더 크게 만들기 위해 보다 적은 섹션들을 사용하거나 2개의 상이한 회전자부를 사용할 수 있다.

그 제거시 문제는 고정자의 양면에 대해 회전자부 사이에서 작용하는 큰 힘이다. 대형 기계에서는, 회전자의 한 쪽을 제거하기 위해 실질적인 힘이 필요하다. 이는 기계의 전부, 즉 고정자부 및 고정자부 양쪽의 회전자부를 제거함으로써 해소될 수 있다. 상기 회전자부는 제거시 상호 간격을 유지하기 위해 서로 고정될 수 있다. 기계의 전부를 제거하기 위해, 회전자부는 한편으로 고정자부보다 더 커야하는 동시에, 다른 한편으로 고정자부보다 약간 더 작아야한다. 이 구조는 전체 회전자가 섹션들로 이루어질 때와 단지 2개의 회전자부가 제거될 수 있을 때 사용될 수 있다.

회전자를 2개 이상의 부분으로 분할함으로써, 여러 부분 사이의 높은 자기적 접촉이 대형 기계에서 발생될 수 없을 것이다. 이 이유는 열팽창과 허용 오차의 필요성 때문이다. 그러므로, 회전자는 요크에 걸쳐 어떠한 실질적인 자속도 발생되지 않을 영구 자석의 중앙에서 분할되어야 한다.

고정자 및 회전자부의 설치 및 제거를 위한 또 다른 대안이 도 6에 도시되어 있으며, 이에 대해서는 상기 설명을 참조하기로 한다. 이 경우에, 고정자부는 요크의 양쪽에서 대응하는 회전자부와 함께 반경 방향으로 제거된다. 회전자 요크의 나머지 부분은 환형이며, 회전자부를 운반한다.

사용예

본 발명은 일반적으로 고토크와 큰 직경을 필요로 하는 용도에 적합한다. 그 예로는 저속이지만 고토크를 필요로 하는 직접 구동 방식의 풍차 및 조타 기계가 있다. 또 다른 예로는 소수력발전용, 조력발전용, 파력발전용, 선박 추진용, 윈치용, 액츄에이터용 및 쇄석용 발전기가 있다.

Claims (15)

1. 환형 운반체(14, 15)에 의해 운반되는 자석(17)을 포함한 전기 기계에 있어서,
   자기장이 2개의 회전자부 사이의 공기 갭에 걸쳐 발생되고,
   권선(19)을 포함한 무철 고정자(12)가 배치되며,
   상기 무철 고정자는 냉매 순환용 채널(23, 24)을 포함한 섹션(12)으로 구성되고,
   상기 무철 고정자는 상기 무철 고정자의 활성부를 제공하는 환형의 중앙 조밀부(27)를 포함한 권선을 포함하는,
   전기 기계.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회전자부는 영구 자석(17)을 운반하는, 전기 기계.
3. 제1항에 있어서,
   상기 회전자부는 초전도체를 포함한 자석으로 구성된, 전기 기계.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 자석(17)은 축방향 필드를 제공하는, 전기 기계.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 상기 무철 고정자(12)는 상기 권선을 수용하는 주형틀 또는 쉘 하우징(28, 29) 내에 삽입된 주물 재료에 내장되며,
   상기 주물 재료는 상기 고정자의 인클로저를 형성하고, 냉매용 채널(23, 24)를 형성하는, 전기 기계.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   각각의 상기 무철 고정자(12)는 냉매의 유입 및 배출을 위한 개별 연결부를 포함한, 전기 기계.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 회전자의 적어도 일 부분이 고정자부을 삽입 및 제거하도록 되어 있는, 전기 기계.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 권선은 활성부 및 권선 단부를 포함한 다수의 동일한 사다리꼴형 코일을 포함하여, 상기 코일이 공통면에서 상기 활성부와 조립될 수 있고, 2개 이상의 면에서 상기 권선 단부와 중첩될 수 있는, 전기 기계.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코일의 적어도 반쪽이 섹션의 각 단부에서 생략된, 전기 기계.
10. 제9항에 있어서,
    생략된 상기 코일의 반쪽의 공극(26a, 26b)이 접선 방향의 냉각 채널(23, 24)에 대해 냉매의 유입부 또는 배출부를 포함하는, 전기 기계.
11. 제4항에 있어서,
    상기 자석(17)은 반경 방향으로 돌출된 조(jaws)(16) 상에 배치되며, 상기 자석은 환형 조립체의 접시형 세그먼트에 반경 방향으로 배치된, 전기 기계.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    섹션의 개수 및 한쌍의 폴의 개수는 다음의 두 식, 즉
    

    

    
    

    

    
    에 의해 결정되는, 전기 기계.
13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 권선 단부가 상의 개수와 같이 다수의 레벨로 분포되도록 겹치는 한편, 상기 코일은 상기 자석들 사이의 활성 영역에 배치되며, 코일의 개수 및 한쌍의 폴의 개수는 다음의 식, 즉
    

    

    
    

    

    
    에 의해 결정되는, 전기 기계.
14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 전기 기계용 고정자부의 제조 방법에 있어서,
    강체 요소를 형성하기 위해 전기 절연 주물 재료 내에 권선(19)을 내장하고,
    이등분된 쉘 하우징(28, 29) 또는 이등분된 주형틀 중 일 부분 내에 상기 권선(19)을 배치하며,
    상기 쉘 하우징 또는 상기 주형틀을 밀폐하고,
    개구를 통해 주물 재료를 주입하면,
    상기 쉘 하우징 또는 상기 주형틀의 내측부가 부압 및 어쩌면 진동을 받게 되는,
    전기 기계용 고정자부의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서,
    고정자 인클로저 상의 외부 홈을 덮음으로써 냉매용 채널이 형성되는, 전기 기계용 고정자부의 제조 방법.

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