KR100764018B1 - 방열 효율 및 내구성이 우수한 비엘디시 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산업용 기기, 가전기기, 운송기기 등의 전동기로 사용되는 비엘디시(BLDC) 모터장치에 관한 것으로, 특히 체결볼트에 의해 고정되는 마그넷은 그 로터 코어와 견고한 조립 상태를 갖게 되므로 내구성이 증대되는 것이며, 마그넷을 결합하기 위한 체결볼트는 디스크형 강판의 틈새를 비집고 들어가 고정되므로 강판의 밀도가 높아지므로 매우 효율적인 것이며, 로터 코어 외면의 열수축보호지는 모터 가동시에 발생하는 열에 의한 마그넷의 특성 저하나 마그넷의 수축이나 이완에 의한 자력 손실을 방지하는 것이며, 나선방향으로 비틀림 적층된 코어강판의 외면은 외부공기와의 접촉면적이 증대하게 되어 방열효율이 향상되고, 스테이터 코어 내측의 절연지는 코일의 보호 및 그 코일 및 마감대의 고정력을 향상시키며, 코일 슬릿공에 구동열이 정체되는 것을 방지하므로, 그에 따라 모터의 효율이 크게 향상되는 특징을 갖는 방열 효율 및 내구성이 우수한 비엘디시 모터에 대한 것이다.

비엘디시 모터, 로터, 스테이터 코어, 비틀림, 방열홈, 마그넷, 열수축보호지, 절연지

Description

방열 효율 및 내구성이 우수한 비엘디시 모터 {BLDC motor having excellent durability and high efficiency in heat dissipation}

도 1은 일반적인 비엘디시 모터의 적용예를 도시한 사용상태도

도 2는 종래의 비엘디시 모터의 내부를 도시한 단면도

도 3은 본 발명에 따른 비엘디시 모터의 요부 분리 사시도

도 4는 본 발명에 따른 비엘디시 모터의 스테이터 확대 사시도

도 5는 본 발명에 따른 비엘디시 모터의 측단면 전체도

도 6은 도 5의 요부 확대 상세도

도 7은 본 발명에 따른 비엘디시 모터의 정단면 전체도

도 8은 도 7의 요부 확대 상세도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 하우징

10 : 스테이터 코어 11,11' : 코어강판

12 : 슬릿 13 : 코일

14 : 마감대 15,15' : 방열홈

16 : 절연지

20 : 로터 21 : 회전축

22,22' : 로터강판 23 : 로터 코어

24,24' : 마그넷 25 : 열수축보호지

26 : 체결공 27 : 체결나사

본 발명은 산업용 기기, 가전기기, 운송기기 등의 전동기로 사용되는 비엘디시(BLDC) 모터장치에 관한 것으로, 특히 로터 코어의 외면에 부착되는 마그넷의 고정구조를 개선하여 견고한 부착 고정을 가능케 하고, 로터 외면의 열수축보호지에 의한 마그넷의 자성 변화를 방지하며, 스테이터 코어 내측의 절연지는 코일의 보호 및 누전 방지와 함께 직접 회전 마찰 저항을 방지하고, 나선방향으로 점진 회전 적층되는 강판으로 된 스테이터 코어는 외기와 노출되는 외부 단면적을 증대시켜 그 방열효율이 증대되게 한 비엘디시 모터이다.

일반적으로 비엘디시 모터(BLDC Motor;무정류자 전동기)는 종래의 브러쉬(Brush)를 부착한 직류 전동기와 같은 기계적인 접점을 가지지 않으므로 잡음이 발생되지 않고 수명도 길어지는 장점이 있기 때문에 각종 산업용 기기 및 가전기기 는 물론 운송기기 등의 전동기로서 널리 사용되고 있는 것으로, 통상의 직류모터에서 브러쉬와 정류자를 삭제하고 이를 전자적인 정류 기구로 대체한 것인데 기계적 또는 전기적인 노이즈를 줄임은 물론 저속에서 고속까지 다양한 속도로 제어가 가능한 모터를 말하는 것으로서, 브러쉬리스 직류모터(brushless direct currency motor)라고도 한다.

특히, 근자에 들어서는 하이브리드 자동차 또는 스쿠터 등을 포함한 이륜차 및 전동 휠체어 등에 적용되고 있으며 점차 그 사용범위가 확대되고 있는 추세이다.

이와 같은 비엘디시 모터는 도 1의 도시와 같이, 운송수단의 동력체로 사용하는 경우 컨트롤 유닛(100)을 갖는 비엘디시 모터(101)는 전달부재(102) 및 감속기(103)를 통해 차동기어(104)와 연결되고, 그 차동기어(104)는 차륜(105)을 갖는 드라이브 샤프트(106)와 연결되므로 상기한 비엘디시 모터(101)가 구동하게 되면 그 회전 동력은 상기한 차륜(105)을 회전시키는 동력으로 전달되므로 이를 통한 다양한 운송수단으로의 적용 실시가 가능하게 된다.

이러한 비엘디시 모터는 도 2의 도시와 같이 필드를 형성하고 토오크를 외부로 전달하기 위한 로터(110)와; 필드와의 상호 작용에 의해 토오크를 발생하는 아마추어 코일(120); 아마추어 코일(120)을 고정함과 동시에 자로를 형성하는 스테이터 코어(130)와; 로터(110)의 위치를 검출하기 위한 위치검출소자 등을 구비한다.

이때, 상기한 로터(110)는 원판형상을 갖는 복수개의 강판을 적층하여 형성되는 로터 코어(111)와; 복수개로 분리되어 상기 로터 코어(111)의 둘레면에 방사 형으로 접촉되게 결합되는 마그넷(112)(112')과; 로터 코어(111)의 축심에 일체로 회전 가능하게 결합되는 회전축(113)을 구비하고 있으며,

상기한 스테이터 코어(130)는 적어도 1mm 이내의 규소강판을 프레스로 펀칭한 후 이를 적층하여 제작되며, 적층 제작된 스테이터 코어(130)는 원통형상으로 된 요크와 그 요크의 내주면에 돌출되게 일체로 형성되어 있는 복수 개의 폴들로 이루어져 있는 것이다.

이때, 상기한 스테이터 코어(130)에는 단일의 폴과 그 폴과 인접한 다른 폴 사이에 형성되는 슬롯에 아마추어 코일(120)이 절연 상태로 감겨져 있는 것으로서, 상기한 바와 같이 구성된 일반적인 비엘디시 모터는 전류인가 회로가 회전자의 위치에 따라 고정자의 각 폴부에 권선된 코일에 전류를 인가하게 되면, 각 폴부가 순차적으로 N극과 S극의 교변극성을 갖게 되고, 이를 통해 고정자의 폴부와 회전자의 마그넷 간의 자기력에 의해 발생되는 인력과 척력의 자력이 스테이터 코어의 접선방향으로 작용하여 그 로터가 회전되도록 하는 것이다.

그러나, 상기한 비엘디시 모터는 정상적인 조건 상태에서는 약 30~40℃ 정도의 열을 발생시키지만 가파른 언덕을 올라가면서 출력이 상승되거나 고속의 최대출력을 내는 경우에는 그 온도가 필연적으로 상승하게 되는 것이며, 이와 같은 부하 상태의 내부온도는 최고 80℃까지 상승하게 되므로 상기한 바와 같은 과열에 의해 모터의 출력 및 효율을 크게 감소시키면서도, 비엘디시 모터의 수명을 현저히 단축시키게 된다.

특히, 하절기 또는 고온지역에서 이를 사용하게 되면 본래의 기후에 따른 고온이 비엘디시 모터 자체의 방열 온도를 더욱 상승시키게 되므로 하우징 외면의 방열핀에 의한 공냉식 냉각구조로는 냉각 효율에 상당한 문제점을 갖고 있음은 물론 냉각 속도 역시 크게 뒤떨어져 합리적인 에너지의 사용이 불가능함은 물론 고효율의 출력상태를 얻지 못하게 되므로 각종 기기의 운용에 상당한 어려움을 겪게 된다.

또한, 상기한 로터 코어의 표면에 부착되는 마그넷은 접착제를 이용하여 상기한 로터 코어의 외면에 방사상으로 부착하는 것인데, 상기한 접착제는 고속으로 회전하는 로터의 특성상 일정 기간이 경과하면 접착제 자체의 성분이 연화되거나 물성 변화를 일으켜 상기한 마그넷이 그 로터 코어로부터 탈락하므로 그 사용수명이 극히 짧은 문제점이 있으며, 로터 코어의 표면으로 느리게 지나가는 외부 공기가 돌출상태의 마그넷에 의한 간섭을 받아 공기의 원활한 흐름(순환)이 이루어지지 않아 방열 효율이 떨어지는 것이다.

특히, 상기한 마그넷은 외부공기로부터 측면 및 표면이 그대로 노출되어 있는 상태이므로 외부공기에 포함되어 있는 수분이나 이물질 등이 마그넷의 표면에 묻어 마그넷의 접착 고정력을 떨어트림은 물론 자력의 강도를 약화시키는 원인이 되고 있으며, 습기로부터 마그넷이 쉽게 산화되거나 약화되어 마그넷의 효율이 떨어지고 이와 같이 마그넷의 효율이 떨어지면 로터 코어의 자력이 불안정하여 로터의 기능을 원활히 수행할 수 없는 것이다.

또한, 로터가 스테이터 코어의 내측에서 회전하면 직접 마찰에 의한 열발생 의 소지가 매우 높고, 그로 인해 발생되는 잔류열이 스테이터 코어의 코일수용부 즉, 슬롯부에 머물게 되어 열방출이 원활하게 이루어지지 않으며, 상기한 슬롯부와 돌출 형태의 폴부 등에 의해 유입된 공기의 저항 간섭이 발생하게 되므로 역시 공기의 소통이 원활하지 못하므로 그에 따라 모터의 효율이 저하되는 것이다.

본 발명은 전기한 바와 같은 문제점을 개선하고자 안출된 것으로서, 로터강판이 적층된 로터 코어의 외면에 부착되는 마그넷은 별도의 체결볼트에 의해 상기 로터 코어에 결합되게 하고, 상기 마그넷을 포함한 로터 코어의 외면에는 열수축보호지를 부착 형성하며, 상기 로터가 수용되는 스테이터 코어는 코어강판의 외면에는 방사상으로 분할된 방열홈을 형성하되, 이들 각각의 코어강판은 나선방향으로 점진 회전시켜 적층 결합되게 하고, 그 스테이터 코어의 내면에는 절연지를 부착 형성함으로써,

상기 체결볼트에 의해 고정되는 마그넷은 그 로터 코어와 견고한 조립 상태를 갖게 되므로 내구성이 증대되는 것이며, 마그넷을 결합하기 위한 체결볼트는 디스크형 강판의 틈새를 비집고 들어가 고정되므로 강판의 밀도가 높아지므로 매우 효율적인 것이며, 로터 코어 외면의 열수축보호지는 모터 가동시에 발생하는 열에 의한 마그넷의 특성 저하나 수축이나 이완에 의한 자력 손실을 방지하는 것이며, 나선방향으로 비틀림 적층된 코어강판의 외면은 외부공기와의 접촉면적이 증대하게 되어 방열효율이 향상되고, 스테이터 코어 내측의 절연지는 코일의 보호 및 그 코 일 및 마감대의 고정력을 향상시키며, 코일 슬릿공에 구동열이 정체되는 것을 방지하므로, 그에 따라 모터의 효율이 크게 향상되는 특징을 갖는 방열 효율 및 내구성이 우수한 비엘디시 모터를 제공함에 본 발명의 목적이 있는 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 비엘디시 모터의 요부 분리 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 비엘디시 모터의 스테이터 확대 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 비엘디시 모터의 측단면 전체도, 도 6은 도 5의 요부 확대 상세도이다.

본 발명의 구성은,

하우징(1)의 내측에 고정되고 코어강판(11)(11')의 적층에 의해 이루어진 스테이터 코어(10)는 그 내측면의 슬릿(12)을 따라 코일(13)이 권취되고, 그 슬릿(12) 내측단에는 마감대(14)가 삽입되며,

상기 스테이터 코어(10)의 내측으로 삽입되는 로터(20)는, 회전축(21)의 외면에 로터강판(22)(22')의 적층에 의한 로터 코어(23)가 형성되고, 그 로터 코어(23)의 외면에는 분할 형태의 마그넷(24)(24')이 부착 형성된 비엘디시 모터에 있어서,

상기 스테이터 코어(10)는, 그 코어강판(11)(11')의 외면에 방사상으로 분할된 방열홈(15)(15')을 형성하고, 이들 방열홈(15)(15')을 갖는 개개의 코어강판(11)(11')을 순차적으로 점진 회전시켜 비틀림 상태의 적층이 이루어지게 하며, 그 스테이터 코어(10)의 내측 전면에는 절연지(16)를 부착 형성하며,

상기 로터(20)의 마그넷(24)(24')에는, 관통상의 체결공(26)을 각각 형성하여 이를 로터강판(22)(22')의 사이를 비집고 삽입되는 체결나사(27)를 이용하여 로터 코어(23)의 외면에 각각 결합 형성하고, 상기와 같이 마그넷(24)(24')이 결합된 로터 코어(23)의 외면에는 열수축보호지(25)를 부착형성하여 구성한 것이다.

여기에서 상기한 스테이터의 코어강판(11)(11')은 그 중심선으로부터 1°내지 2°의 비틀림 각을 갖고 점진적으로 순차 적층 되어 구성한 것이다.

또한, 상기한 열수축보호지(25)는 부직포 또는 합성수지 필름, 박판의 스테인레스 중 어느 하나의 재질로 이루어진 것이다.

이상과 같은 구성에 의한 본 발명 방열 효율 및 내구성이 우수한 비엘디시 모터의 작용을 첨부도면에 의해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시와 같이 본 발명 비엘시디 모터는 하우징(1)의 내부에 스테이터 코어(10)와 로터(20)가 내장된 것으로서, 상기한 스테이터 코어(10)는 여러 장으로 된 코어강판(11)(11')을 적층하여 이를 압착시켜 완성한 것으로서, 상기 하우징(1)의 내측에 고정되며, 상기한 스테이터 코어(10)의 내측에 형성된 반복의 슬릿(12)에는 코일(13)이 권취되어 있고 그 슬릿(12)의 내측단에는 상기한 대나무와 같은 별도의 마감대(14)가 삽입되어 있는 것이다.

또한, 상기한 로터(20)는 중심의 회전축(21)에 여러 장으로 된 로터강판(22)(22')을 적층하여 압착 고정 형성한 로터 코어(23)가 삽입되고, 그 로터 코 어(23)의 외면에는 다수개의 조각으로 된 마그넷(24)(24')이 밀착된 상태로 고정되어 이루어진 것이다.

이때, 상기한 스테이터 코어(10)를 형성하기 위한 코어강판(11)(11')에는 그 외면에 방사상으로 분할 형성된 다수개의 방열홈(15)(15')을 형성한 것으로서, 상기한 방열홈(15)(15')은 외기와의 접촉면적을 증대시켜 그 스테이터 코어(10)에서 발생되는 열기를 신속하게 방출시키는 보조의 역할을 하게 되는 것이며,

상기와 같은 스테이터 코어강판(11)(11')을 여러 장 적층하여 이를 압착하는 경우 이들을 모두 수직방향으로 적층하여 압착하는 것이 아니라, 개개의 코어강판(11)(11')을 점진적으로 회전시켜 전체적으로 비틀림 회전각을 갖는 상태로 스테이터 코어(10)를 형성하는 것이다.

이와 같은 스테이터 코어(10)는 상기의 방열홈(15)(15')에 의한 외기와의 접촉면적이 향상되므로 그로 인한 방열 효과가 상승하는 장점을 갖고 있으면서도, 이들 각각의 방열홈(15)(15')은 각각의 코어강판(11)(11')이 회전된 비틀림 상태로 압착되어 있으므로 해당의 비틀림각에 준하는 방열홈(15)(15') 주변부가 외부로 노출되므로 그에 따른 외기와의 접촉 면적이 보다 증대하므로 비례적으로 방열 효율이 상승되는 특징을 갖게 된다.

이때의 비틀림 각은 1°내지 2°의 범위 내에서 개개의 코어강판(11)(11')이 균등하게 회전 적층되는 것이 바람직한 것으로서, 상기한 비틀림각이 커질 경우에는 비례하여 방열 효과가 상승하는 장점은 있으나, 내측의 슬릿(12) 역시 비틀림각을 갖게 되므로 슬릿(12)의 내측의 코일(13)이나 마감대(14)를 권취 및 삽입하는데 어려움을 겪게 되므로 상기와 같이 제한된 비틀림각으로 형성하는 것이 가장 이상적이다.

이와 같이 비틀림 적층에 의해 완성된 스테이터 코어(10)의 내측에는 도 7 및 도 8의 도시와 같이 상기한 코일(13) 및 마감대(14)를 보호하기 위한 별도의 절연지(16)를 부착 형성하게 되는데, 상기한 절연지(16)는 그 스테이터 코어(10)의 내측 전면에 부착되는 바, 종래와 같이 내측으로 그대로 노출되는 코일(13) 및 마감대(14)를 은폐 보호하는 목적은 물론 코일(13) 간의 누전을 방지하는 역할도 겸하게 되는 것이다.

또한, 상기한 절연지(16)의 중요한 역할은 상기한 슬릿(12)의 내측으로 고온의 열기가 적체되어 결국 그 스테이터 코어(10)의 온도를 상승시키는 것을 방지하고자 함에 있는 것인데, 상기와 같이 그 스테이터 코어(10)의 내면 전체에 절연지(16)를 부착하게 되면 결국 스테이터 코어(10)의 내면은 요철이 없는 매끄러운 면으로 전환되므로 상기와 같은 고온의 적체 공간이 없어지게 되므로 고열 적체에 의한 효율 저하의 문제점을 예방하게 된다.

또한, 상기한 로터(20)의 로터 코어(23) 외면에 부착되는 마그넷(24)(24')은 다수의 조각편으로 분할되어 있는 것인데, 종래에는 이를 접착제 등을 이용하여 부착하였으나 그에 따른 다양한 문제점이 있었으므로 본 발명에서는 상기한 마그넷(24)(24')을 별도의 체결나사(27)를 이용하여 상기 로터 코어(23)에 직접 나사 조립한 것으로서, 상기한 각각의 마그넷(24)(24')에는 관통상의 체결공(26)을 모두 형성하여 이들 체결공(26)에 각기 체결나사(27)를 끼운 후 상기한 체결나사(27)를 상기 로터 코어(23)에 나사 회전시켜 체결하면 되는 것이다.

이때의 체결나사(27)는 하단부가 예리한 첨단부를 갖고 그 외면에는 나선이 형성되어 있으므로 상기한 체결나사(27)를 로터 코어(23) 측을 향하여 가압 상태로 회전시키면 상기한 체결나사(27)의 단부가 로터 코어(23)의 로터강판(22)(22') 사이를 비집고 들어가게 되므로 결국 상기한 마그넷(24)(24')이 로터 코어(23)의 외면에 밀착된 상태로 결합되는 것이며, 상기한 체결나사(27)의 강제 결합에 따라 상기한 각각의 로터강판(22)(22')은 그 체결나사(27)의 치수에 비례하여 양측으로 밀려나는 형태를 갖게 되므로 제한된 폭 내에서 그 내측의 로터강판(22)(22')이 체결나사(27)의 양측으로 밀려나므로 결국 이들 로터강판(22)(22') 간의 틈새는 더욱 좁혀지는 조밀 상태가 되므로 상기한 로터(20)이 효율이 상승되는 효과를 얻게 된다.

또한, 상기한 마그넷(24)(24')을 포함하는 로터 코어(23)의 외면에는 별도의 열수축보호지(25)를 형성하는 것인데, 상기한 열수축보호지(25)는 모터의 가동시 발생되는 열에 의해 로터 표면의 마그넷이 받는 열에 의한 악영향을 최소화시켜 그 열로 인한 마그넷의 수축이나 이완을 방지하고, 마그넷이 열 변화에 의해 특성이 떨어지는 것을 방지하는 효과가 있으며, 열로 인한 마그넷의 자화력에 영향을 미치지 못하도록 하여 그 마그넷의 특성 및 상태를 최상의 상태로 유지하는 효과를 갖게 된다.

이와 같은 열수축보호지(25)는 부직포나 합성수지 필름 또는 박판의 스테인레스 등의 재질로 이루어져 있는 것이며, 다르게는 단열특성을 갖는 코팅제를 도포 하거나 함침하여 형성할 수도 있는 것이다.

또한, 이때의 열수축보호지(25)는 분할된 마그넷(24)(24')을 갖는 로터(20)의 고속 회전시 그 마그넷(24)(24')에 의한 공기의 저항으로 인한 동력 손실은 물론 그 공기 저항에 의한 열이 발생하는 것을 억제하므로 더욱 뛰어난 효율성을 예측할 수 있는 것이다.

이상과 같은 본 발명 방열 효율 및 내구성이 우수한 비엘디시 모터는, 체결볼트에 의해 고정되는 마그넷은 그 로터 코어와 견고한 조립 상태를 갖게 되므로 내구성이 증대되는 것이며, 마그넷을 결합하기 위한 체결볼트는 디스크형 강판의 틈새를 비집고 들어가 고정되므로 강판의 밀도가 높아지므로 매우 효율적인 것이며, 로터 코어 외면의 열수축보호지는 모터 가동시에 발생하는 열에 의한 마그넷의 특성 저하나 수축이나 이완에 의한 자력 손실을 방지하는 것이며, 나선방향으로 비틀림 적층된 스테이터 코어강판의 외면은 외부공기와의 접촉면적이 증대하게 되어 방열효율이 향상되고, 스테이터 코어 내측의 절연지는 코일의 보호 및 그 코일 및 마감대의 고정력을 향상시키며, 코일 슬릿공에 구동열이 정체되는 것을 방지하므로, 그에 따라 모터의 효율이 크게 향상되는 것이다.

Claims (3)

1. 내측면에 슬릿(12)을 형성하고, 외면에 방사상으로 분할된 방열홈(15)(15')을 갖는 코어강판(11)(11')의 적층에 의해 이루어지는 스테이터 코어(10)는 슬릿(12)을 따라 코일(13)이 권취되고, 그 슬릿(12) 내측단에는 마감대(14)가 삽입되며,

   상기 스테이터 코어(10)의 내측으로 삽입되는 로터(20)는, 회전축(21)의 외면에 로터강판(22)(22')의 적층에 의한 로터 코어(23)가 형성되고, 그 로터 코어(23)의 외면에는 관통상의 체결공(26)을 갖는 분할 형태의 마그넷(24)(24')이 체결나사(27)를 이용하여 로터 코어(23)의 외면에 각각 결합 형성된 비엘디시 모터에 있어서,

   상기 스테이터 코어(10)는, 개개의 코어강판(11)(11')을 중심선으로부터 1°내지 2°의 비틀림각을 갖고 점진적으로 순차 적층하여 비틀림 상태의 적층이 이루어지게 하고,그 스테이터 코어(10)의 내측 전면에는 절연지(16)를 부착 형성하며,

   상기 마그넷(24)(24')이 결합된 로터(20)의 외면에는 열수축보호지(25)를 부착형성하되, 열수축보호지(25)는 부직포 또는 합성수지 필름, 박판의 스테인레스 중 어느 하나의 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방열 효율 및 내구성이 우수한 비엘디시 모터.
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