KR100429227B1 - 모터용 코일 및 이를 이용한 유도전동기와 그 고정자제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 절연성능을 향상시켜 허용 최고온도를 높임으로써 고효율 모터에 적용가능한 모터용 코일 및 상기 모터용 코일을 적용하여 효율을 향상시킬 수 있는 유도전동기와 그 고정자의 제조방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명의 일 형태는 고정자 또는 회전자의 슬롯에 권선되어 전원 인가시 자속을 발생하는 모터용 코일에 있어서, 전도체인 심선(110)과, 상기 심선의 외부에 형성되며 허용 최고온도를 높이기 위한 세라믹계 절연피막(120)을 포함하는 모터용 코일을 제공한다.

본 발명의 다른 형태는 상기 세라믹계 절연피막이 코팅되며 고정자 슬롯(13)에 권선되어 교류전원 인가시 회전자계를 형성하고 고정자 철심(11)의 양단부에 위치하는 엔드턴(end-turn,100a)이 절연피막(200)에 의해 결속되는 코일(100)을 포함하는 유도전동기를 제공한다.

Description

모터용 코일 및 이를 이용한 유도전동기와 그 고정자 제조방법{motor coil and induction motor having the same and method for manufacturing the stator of the induction motor}

본 발명은 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 절연성능을 확보하여 허용 최고온도를 높임으로써 고효율 모터를 설계할 수 있는 모터용 코일과, 상기 모터용 코일이 적용된 유도전동기 및 그 고정자의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 모터라 함은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 회전동력을 얻는 기계로서, 크게 입력 전원이 교류이냐 직류이냐에 따라 교류모터와 직류모터로 대별되며, 그 중에서도 유도전동기는 교류모터의 일종이다.

이러한 유도전동기는 전원에 접속된 1차 권선의 전자유도로 2차 권선에 전류가 유기되며, 2차 권선에 유기된 전류와 회전자계의 상호작용으로 회전 토오크를 얻는 대표적인 교류모터의 일종이다. 이를 위해, 상기 유도전동기는 1차 권선으로서 코일이 고정자에 구비되고, 2차 권선으로서 전도성이 높은 알루미늄 또는 구리가 봉체의 형태로 회전자에 구비되는 것이 일반적이다.

한편, 전술한 유도전동기를 비롯한 모터에 있어서 그 수명을 좌우하는 중요한 인자는 절연이다. 특히, 모터용 코일은 다른 요소보다 절연에 민감한 요소로서, 폴리 에스테르 이미드(poly ester imide)와 폴리 이미드 아미드(poly imide amide) 등의 중합체가 절연물로서 코팅되어 있는 것이 보통이다. 이러한 중합체가 코팅되어 있는 모터용 코일은 절연이 유지되는 허용 최고온도에 따라 다수의 절연계급(insulation class)으로 분류된다. 상기 절연계급은 모터가 주어진 운전온도에서 수명 20,000시간을 달성할 수 있도록 코일의 절연이 얼마나 잘 되어 있으며 절연이 얼마나 오래 견딜 수 있는지를 표시하는 지정 문자를 의미하는 것으로, 각 계급에서의 허용 최고온도는 아래 표와 같다.

절연계급	허용 최고온도(℃)
E종	120
B종	130
F종	155
H종	180
C종	180 이상

상기 표 1에 의하면, 모터용 코일의 허용 최고온도는 각 계급간 대략 25℃정도의 차이가 있으며, 허용 최고온도가 가장 높은 C종의 경우 그 온도가 대략 180℃ 내외임을 알 수 있다.

그런데, 최근 고효율 모터를 설계하는 경향은 인가 전류를 증가시켜 출력을 높이는 방법이 많이 사용되고 있다. 이 경우, 지나친 전류의 증가로 인해 코일의 온도가 상승하여 절연이 파괴되는 문제가 야기되었다. 이러한 원인으로 인하여, 모터의 수명은 인가 전류를 증가시킬수록 그에 반비례하여 줄어들게 되며, 널리 알려진 사실에 의하면 모터의 운전온도를 허용 최고온도보다 10℃ 높일 때마다 모터의 수명이 대략 1/2씩 줄어들게 되었다. 이것은 모터용 권선이 고효율 모터를 설계하는데 있어서 상당한 제약이 됨을 의미한다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 절연성능을 향상시켜 허용 최고온도를 높임으로써 고효율 모터에 적용가능한 모터용 코일을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 모터용 코일을 적용하여 효율을 향상시킬 수 있는 유도전동기와, 상기 코일의 엔드턴을 보다 간단하게 결속시킬 수 있는 유도전동기의 고정자 제조방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 모터용 코일의 제조과정을 도시한 흐름도

도 2는 본 발명에 따른 유도전동기의 구조를 개략적으로 도시한 단면도

도 3은 본 발명에 따른 유도전동기의 고정자 제조과정을 도시한 흐름도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 고정자 11 : 고정자 철심

13 : 고정자 슬롯 20 : 회전자

21 : 회전자 철심 23 : 회전자 슬롯

25 : 회전자 도체 30 : 샤프트

100 : 코일 100a: 엔드턴

110 : 심선 120,200 : 절연피막

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 형태는 고정자 또는 회전자의 슬롯에 권선되어 전원 인가시 자속을 발생하는 모터용 코일에 있어서, 전도체인 심선과, 상기 심선의 외부에 형성되며 허용 최고온도를 높이기 위한 세라믹계 절연피막을 포함하는 모터용 코일을 제공한다.

따라서, 본 발명의 일 형태에 의하면 심선의 외부에 세라믹계 절연피막이 형성됨에 따라, 세라믹의 특성상 절연성능을 유지할 수 있는 허용 최고온도가 기존보다 대략 3배정도 향상될 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 형태는 다수의 고정자 슬롯이 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 강판을 상기 고정자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되는 고정자 철심과, 세라믹계 절연피막이 코팅되며 상기 고정자 슬롯에 권선되어 교류전원 인가시 회전자계를 형성하고 고정자철심의 양단부에 위치하는 엔드턴(end-turn)이 절연피막에 의해 결속되는 코일과, 상기 고정자 철심과 동심원을 이루고 다수의 회전자 슬롯이 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 강판을 상기 회전자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되는 회전자 철심과, 상기 회전자 슬롯에 구비되며 상기 코일로부터 유기된 전류에 의해 토오크가 발생하는 회전자 도체를 포함하는 유도전동기를 제공한다.

이 때, 본 발명에 따른 유도전동기의 고정자를 제조하는 방법은 프레스 금형을 이용하여 얇은 강판의 소정 위치에 고정자 슬롯을 형성하는 타발 단계와, 타발 완료된 강판을 적당한 온도로 가열한 후 서서히 냉각함으로써 타발시 강판에 가해졌던 기계적 비틀림과 같은 응력을 제거하고 전기적 특성을 회복하는 열처리 단계와, 열처리 완료된 강판을 상기 고정자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 정렬하여 고정자 철심을 제조하는 적층 단계와, 상기 고정자 슬롯에 수작업 또는 자동 권선기에 의해 코일을 권선하는 와인딩(winding) 단계와, 와인딩 완료된 고정자를 절연피막 코팅제에 일정 시간동안 담궈 코일의 엔드턴에 절연피막을 형성하는 함침 단계를 포함한다.

따라서, 본 발명의 다른 형태에 의하면 고정자의 권선으로 허용 최고온도가 높은 세라믹계 절연피막이 형성된 코일을 적용함에 따라 인가전류를 상승시켜 출력을 높일 수 있으며, 상기 코일의 엔드턴에 별도의 절연피막이 형성되어 코일을 결속시킴에 따라 엔드턴의 결속을 위한 별도의 부재와 과정이 필요없는 유도전동기를 제공할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 모터용 코일 및 이를 이용한 유도전동기와 그 고정자의 제조방법을 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 모터용 코일의 제조과정을 도시한 흐름도로서, 본 발명에 따른 모터용 코일은 전도체인 심선과, 상기 심선의 외부에 형성되며 허용 최고온도를 높이기 위한 세라믹계 절연피막으로 구성되며, 다음과 같은 과정을 통해 제조된다.

도 1에 도시된 바에 따르면, 먼저 모터용 코일로 사용될 섬선을 원하는 지름을 갖도록 길게 뽑아내는 신선 단계(S10)가 수행된다. 상기 신선 단계(S10)는 인발 가공 등을 통하여 원하는 형상과 지름을 갖는 섬선을 뽑아 내게 된다.

다음, 상기 신선 단계(S10)를 거친 심선에 불순물을 제거하는 세정 단계(S20)가 수행된다.

다음, 상기 세정 단계(S20)를 거친 심선을 적당한 온도로 가열한 후 서서히 냉각하는 풀림(annealing) 등의 열처리 단계(S30)가 수행된다. 상기 열처리 단계(S30)에서는 인발 가공을 통하여 내부 조직이 경화되어 있는 심선을 적절히 열처리함으로써 내부 균열을 없애고 결정립을 미세화하여 재료의 연성을 높이게 된다.

다음, 상기 열처리 단계를 거친 심선을 액상 세라믹계 코팅제에 일정시간 함침하여 심선의 외부에 절연피막을 형성하는 코팅 단계(S40)가 수행된다. 상기 코팅 단계(S40)에서 사용되는 액상 세라믹계 코팅제는 절연성과 내열성이 뛰어난 세라믹을 주성분으로 하여 여러 기능을 지닌 기능성 첨가제가 알코올 수용액에 소정 조성비로 혼합된 것으로, 이로 인해 상기 섬선의 외부에 세라믹계 절연피막이 형성될 수 있다.

이 때, 상기 세라믹계 절연피막은 종래 심선에 형성되던 절연피막보다 허용 최고온도가 훨씬 높다. 종래 절연계급이 C종인 경우 허용 최고온도가 180℃ 내외인데 비해, 본 발명에 따른 세라믹계 절연피막의 허용 최고온도는 평균적으로 450℃정도이며, 가장 높게는 600℃까지 가능하다. 즉, 상기 세라믹계 절연피막은 종래의절연피막보다 대략 3배정도 높은 허용 최고온도를 갖게 된다.

한편, 상기 코팅 단계(S40)에서는 심선을 액상 세라믹계 코팅제에 함침하는 것과 더불어 종래와 같이 상기 심선을 폴리 에스테르 이미드(poly ester imide)와 폴리 이미드 아미드(poly imide amide)와 같은 중합체로 이루어진 코팅제에 함침하는 것도 병행하여 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 심선에 절연피막이 다층적으로 형성됨에 따라 절연성과 내열성이 더욱 보장될 수 있음은 충분히 이해 가능하다.

다음, 상기 코팅 단계(S40)를 거쳐 절연피막이 형성된 심선을 열기로 건조시키는 베이킹(baking) 단계(S50)가 수행된다. 상기 베이킹 단계(S50)는 심선의 변형을 제거함과 동시에 상기 코팅 단계(S40) 후 심선의 표면에 흡착된 기체 분자를 제거하는 역할도 수행한다.

전술한 과정을 통해 제조된 모터용 코일은 상기 코팅 단계(S40)에서 종래보다 허용 최고온도가 휠씬 높은 세라믹계 절연피막이 형성됨으로써, 인가전류의 증가로 인해 절연성능이 저하되는 우려를 불식시킬 수 있다. 이것은 본 발명의 세라믹계 절연피막이 종래의 절연피막보다 내열성과 절연성에서 모두 우수하기 때문에 가능하다.

한편, 전술한 바와 같은 특성을 갖는 모터용 코일은 모터의 종류에 따라 고정자와 회전자에 모두 또는 어느 일측에 권선될 수 있으며, 그 중에서도 본 발명은 상기 코일이 고정자에 권선되는 유도전동기를 제시한다.

이하, 본 발명에 따른 유도전동기를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명에 따른 유도전동기의 구조를 개략적으로 도시한 단면도로서, 본 발명에 따른 유도전동기는 고정자(10)와, 상기 고정자와 동심원을 이루며 고정자의 내주연에 소정의 공극(a)을 유지하는 회전자(20)와, 상기 회전자의 중심부에 압입되어 회전자의 회전력을 종동축에 전달하는 샤프트(30)로 크게 구성된다.

상기 고정자(10)는 교류전원을 인가받아 회전자계를 형성하는 코일(100)과, 회전자계에 의해 발생된 자속의 통로를 형성하는 자성체의 고정자 철심(11)으로 이루어진다. 이 때, 상기 고정자 철심(11)은 내주연에 다수의 고정자 슬롯(13)이 방사형으로 형성되는 원형의 규소강판(11a)을 상기 고정자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되며, 상기 고정자 슬롯(13)을 통해 코일(100)이 다양한 방법으로 권선된다.

상기 코일(100)은 도 1에 도시된 과정을 통해 제조된 것으로서, 전도체인 심선(110)과 상기 심선의 외부에 형성되는 세라믹계 절연피막(120)으로 구성된다. 따라서, 출력을 높이기 위해 상기 코일(100)에 인가되는 전류를 상승시키더라도 내열성이 우수한 세라믹계 절연피막(120)에 의해 절연이 파괴되는 문제를 해결할 수 있다.

상기 회전자(20)는 코일(100)에 의해 유기된 전류와 자속의 상호작용에 의해 토오크를 발생시키는 회전자 도체(25)와, 자속의 통로를 형성하는 자성체의 회전자 철심(21)으로 이루어진다. 이 때, 상기 회전자 철심(21)은 외주연측에 다수의 회전자 슬롯(23)이 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 원형의 규소강판(21a)을 상기 회전자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되며, 상기 회전자 슬롯(23)에 전도성이 높은 알루미늄이나 구리와 같은 금속이 삽입되어 회전자 도체(25)를 형성하게 된다. 또한, 상기 회전자 도체(25)의 양단에 회전자 도체를 서로 연결하여 하나의 회로를 구성하는 엔드링(27a,27b)이 각각 구비된다. 이 때, 상기 회전자 도체(25)와 엔드링(27a,27b)은 일반적으로 다이캐스팅 공법이 가능한 알루미늄이 많이 적용된다.

한편, 상기 코일 중 고정자 철심(11)의 양단부에 회전자 도체의 엔드링(27a,27b)과 같은 기능을 수행하는 엔드턴(end-turn,100a)이 형성된다. 즉, 상기 코일(100)은 회전자계를 형성하기 위해 소정의 배열구조로 고정자 슬롯(13)에 권선되는데, 상기 엔드턴(100a)은 고정자 슬롯간의 코일을 서로 연결하여 하나의 회로를 이루게 한다.

그런데, 상기 엔드턴(100a)은 고정자 슬롯(13)에 권선되지 않는 부분이기 때문에 별도의 결속수단을 이용하여 그 형태를 유지하게 된다. 이를 위해, 본 발명에 따른 유도전동기는 상기 코일의 엔드턴(100a)이 절연피막(200)에 의해 결속되는 것을 제시한다. 이 경우, 종래 면사나 폴리에스텔조와 같은 결속조(結束組)로 상기 코일(100)을 수작업으로 또는 자동 레이싱머신을 이용한 기계작업으로 결속하는 번거로움을 해소할 수 있다.

이 때, 상기 절연피막(200)은 엔드턴(100a)의 형태를 유지할 수 있는 충분한 기계적 강도를 갖추어야 하며, 이에 부가적으로 코일(100)의 절연을 더욱 확보할 수 있는 성질을 갖추고 있으면 좋다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명에 따른 유도전동기는 상기 절연피막(200)으로 세라믹계 코팅막을 제시한다.

이와 같이 구성된 유도전동기의 작용을 개략적으로 설명하면, 상기 코일(100)에 교류전원이 인가되면서 회전자계가 발생하여 상기 고정자 철심(11)을 통해 자속이 회전하게 되고, 이러한 회전 자속이 공극(a)을 통해 회전자 도체(25)와 쇄교함으로써 상기 회전자 도체에 전류를 유기하게 된다. 이 때, 상기 회전자 도체(25)에 유기된 전류는 자속과 함께 플레밍의 왼손법칙에 따라 토오크를 발생하게 된다.

한편, 전술한 바와 같이 본 발명에 따른 유도전동기에 있어서 코일의 엔드턴에 절연피막이 형성되는 고정자의 제조 과정을 상술하면 다음과 같다.

도 3에 도시된 바에 따르면, 본 발명에 따른 유도전동기의 고정자 제조방법은 먼저 프레스 금형을 이용하여 환형 규소강판의 내주연측에 방사형으로 형성된 다수의 고정자 슬롯을 타발하는 단계(S110)가 수행된다.

이 때, 전술한 타발 단계(S110) 중에 상기 강판에 비틀림과 같은 기계적 응력이 잔존하게 될 뿐만 아니라 강판이 갖는 전기적 특성이 파괴된다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 타발 완료된 강판에 열처리를 가하여 기계적 응력을 제거함과 동시에 전기적 특성을 회복하는 열처리 단계(S120)가 수행된다.

다음, 상기 고정자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 정렬한 다음 용접에 의해 고정시키거나 또는 리베팅이나 클램프에 의해 고정시킴으로써 고정자 철심을 제조하는 적층 단계(S130)가 수행된다.

다음, 상기 고정자 슬롯에 수작업 또는 자동 권선기에 의해 코일을 권선하는 와인딩(winding) 단계(S140)가 수행된다. 이 때, 상기 고정자 슬롯에 코일을 권선하는 방법은 수작업으로 이루어지는 수동권 방식과 고속 권선이 가능하도록 기계를 이용하는 자동권 방식 등이 있다.

다음, 와인딩 완료된 고정자를 절연피막 코팅제에 일정 시간동안 담궈 코일의 엔드턴에 절연피막을 형성하는 함침 단계(S150)가 수행된다. 이 때, 상기 함침 단계(S150)에서 사용되는 절연피막 코팅제는 절연성과 내열성이 뛰어난 세라믹을 주성분으로 하여 여러 기능을 지닌 기능성 첨가제가 알코올 수용액에 소정 조성비로 혼합된 세라믹계 코팅제이다.

이 후, 상기 고정자를 건조시키게 되면 상기 코일의 엔드턴에 세라믹계 절연피막이 형성되어 엔드턴의 형태를 유지할 수 있으며, 이에 더하여 상기 코일에 절연피막이 부가되어 절연성을 보다 확실하게 보장할 수도 있다.

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 모터용 코일 및 이를 이용한 유도전동기와 그 고정자 제조방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 본 발명에 따른 모터용 코일에 의하면 심선의 외부에 세라믹계 절연피막이 형성됨에 따라, 세라믹의 특성상 절연성능을 유지할 수 있는 허용 최고온도가기존보다 대략 3배정도 향상될 수 있다. 따라서, 출력을 높이고자 상기 코일에 인가되는 전류를 상승시키더라도 절연을 유지할 수 있어 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 본 발명에 따른 유도전동기 및 그 고정자 제조방법에 의하면 고정자의 권선으로 세라믹계 절연피막이 형성된 코일을 적용함에 따라 그 효율을 향상시킬 수 있으며, 상기 코일의 엔드턴을 세라믹계 절연피막으로 결속시킴에 따라 엔드턴의 결속을 위한 별도의 부재와 번거로운 과정을 제거할 수 있다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 다수의 고정자 슬롯이 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 강판을 상기 고정자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되는 고정자 철심;

   전도체인 심선의 외부로 세라믹계 절연피막이 코팅되어 이루어지며, 상기 고정자 슬롯에 권선되어 교류전원 인가시 회전자계를 형성하고, 고정자 철심의 양단부에 위치하는 엔드턴(end-turn)은 별도의 세라믹계 절연피막으로 결속되는 코일;

   상기 고정자 철심과 동심원을 이루고, 다수의 회전자 슬롯이 소정의 간격을 두고 방사형으로 형성되는 강판을 상기 회전자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 다수개 적층하여 구성되는 회전자 철심;

   상기 회전자 슬롯에 구비되며 상기 코일로부터 유기된 전류에 의해 토오크가 발생하는 회전자 도체를 포함하는 유도전동기.
3. 삭제
4. 프레스 금형을 이용하여 얇은 강판의 소정 위치에 고정자 슬롯을 형성하는 타발 단계;

   타발 완료된 강판을 적당한 온도로 가열한 후 서서히 냉각함으로써, 타발시 강판에 가해졌던 기계적 비틀림과 같은 응력을 제거하고 전기적 특성을 회복하는 열처리 단계;

   열처리 완료된 강판을 상기 고정자 슬롯이 축방향을 따라 연속되도록 정렬하여 고정자 철심을 제조하는 적층 단계;

   상기 고정자 슬롯에 수작업 또는 자동 권선기에 의해 코일을 권선하는 와인딩(winding) 단계;

   와인딩 완료된 고정자를 절연피막 코팅제에 일정 시간동안 담궈 코일의 엔드턴에 절연피막을 형성하는 함침 단계를 포함하는 유도전동기의 고정자 제조방법.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 절연피막 코팅제는 액상 세라믹계 코팅제인 것을 특징으로 하는 유도전동기의 고정자 제조방법.