KR100902118B1 - 초고속 전동기 - Google Patents

Abstract

보다 효과적인 냉각구조를 갖는 초고속 전동기를 제공하기 위하여, 본 발명은 마그네트가 구비된 회전자; 및 다수의 적층판들이 적층되어 이루어지되, 상기 회전자를 향하여 장대형으로 돌출되는 슬롯부 사이의 공간이 구획부에 의하여 구획되며, 전류가 인가됨에 따라 상기 마그네트와 회전자계를 형성하도록 상기 슬롯부의 구획된 단부측에 코일이 권취되어 이루어진 고정자를 포함하여 이루어진 초고속 전동기를 제공한다.

전동기, 고정자, 슬롯, 구획부

Description

초고속 전동기{motor for high-speed ratiotion}

본 발명은 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 냉각구조가 개선된 고정자를 갖는 초고속 전동기에 관한 것이다.

일반적으로, BLDC 모터와 같은 전동기의 경우 브러시와 정류자가 없기 때문에 정기적인 보수가 필요 없어 신뢰성이 높고 수명이 길며 효율이 우수하고 전기적 불꽃 발생, 기계적 소음이 거의 없는 것과 같은 장점이 있다. 이를 통하여, 치과용, 의료용 또는 고속원심 분리기와 같은 소형 고속운전분야, 터보압축기나 스핀들, 연마기, 고속드릴, 공기압축용 터보 전동기, 고속모터 발전기 응용분야와 같은 산업용 고속운전분야 등 다양한 분야에서 사용되고 있다.

도 1을 참조하여, 종래의 전동기의 구조를 설명하면 다음과 같다.

일반적인 전동기는 하우징(100)과 고정자(110)와 회전자(150)와 마그네트(165)로 구비된 것이 일반적이다.

상기 하우징(100)은 전동기의 몸체를 이루며 내부에 다양한 구성 부품들을 수용할 수 있도록 속이 빈 원통의 형상으로 형성된다.

상기 고정자(110)는 다수의 얇은 판이 적층되어 형성되며 동선이 권선되어 코일층(130)을 이루고, 상기 하우징(100)의 내부에 고정된다. 상부커버(210)는 상기 하우징(100)의 일단부에 체결되어 초고속 전동기의 상부 형상을 이루며, 하부커버(220)는 상기 하우징(100)의 타단부에 체결되어 초고속 전동기의 하부 형상을 이룬다. 상기 회전자(150)는 양 단부가 베어링에 의해 체결되며 상기 고정자(110)의 코일층(130)에 전원이 공급되면 마그네트(165)와의 사이에서 회전자계를 형성하여 회전한다.

한편, 상기 회전자가 고정자 내부에 배치되는 이너 로터형 모터(inner rotor type motor)는 내부 공간상의 제약으로 인하여 상기 회전자 및 고정자의 원활한 냉각구조를 이루기가 용이하지 않아서 다음과 같은 문제점이 있었다.

첫째, 초고속으로 회전되는 전동기에서는 열로 손실되는 히스테리시스 손실, 와전류로 인한 손실, 동손, 철손, 누설자속손 및 프렌지손이 발생되며 이러한 손실은 모터의 효율을 저하시키는 동시에 열로 변환되어 모터 과열의 원인이 된다. 이러한 열로 인하여 상기 마그네트의 온도가 상승됨에 따라 자력이 급격히 감소되고, 그에 따라 출력이 저하된다.

둘째, 상기 고정자에 권취되는 코일의 냉각성능이 낮아서 상기 코일이 과열되고, 상기 과열은 상기 마그네트의 탈자 및 전동기의 출력 저하의 원인이 되었다.

셋째, 상기 고정자는 과부하 결상구속, 층간단락, 선간단락, 권선의 지락, 베어링의 소손이 발생되며, 나아가 인버터의 소손으로 이어질 수 있었다.

전술된 바와 같은 문제점을 방지하기 위해, 종래에는 물 또는 냉각유과 같은 유체를 사용하여 수냉 또는 유냉과 같은 유체냉각을 사용하거나, 구동축에 팬을 부 착한 강제냉각방식을 사용하였으나, 과도한 회전저항이 발생되어 전력을 소모하는 비효율적인 측면이 많았다. 또한, 이는 자력을 발생시키는 권선의 표피를 효율적으로 냉각시킬 수 없는 간접냉각방식이므로 냉각효율이 낮은 문제점이 있었다.

상기 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 보다 효과적인 냉각구조를 갖는 초고속 전동기를 제공하는 것을 과제로 한다.

상기 과제를 달성하기 위하여, 본 발명은 마그네트가 구비된 회전자; 및 다수의 적층판들이 적층되어 이루어지되, 상기 회전자를 향하여 장대형으로 돌출되는 슬롯부 사이의 공간이 구획부에 의하여 구획되며, 전류가 인가됨에 따라 상기 마그네트와 회전자계를 형성하도록 상기 슬롯부의 구획된 단부측에 코일이 권취되어 이루어진 고정자를 포함하여 이루어진 초고속 전동기를 제공한다.

여기서, 상기 구획부는 상기 고정자를 이루는 적층판들 중 상대적으로 두껍게 형성된 최외곽 판에 형성됨이 바람직하다. 또한, 상기 구획부는 상기 다수의 적층판들에 각각 형성될 수도 있다. .

그리고, 상기 슬롯부의 단부측에 두껍게 권취된 코일층의 양단부는 상기 구획부 측으로 구부러진 형상으로 배치되고, 상기 코일층에 인접한 상기 구획부에는 라운드부가 형성됨이 바람직하다.

물론, 상기 구획부는 독립적으로 이루어지고, 전체적으로 원형의 부재로서 상기 고정자의 외곽에 부착될 수도 있다.

본 발명에 따른 초고속 전동기는 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 고정자에 형성된 장대형 슬롯부들 사이의 공간을 구획부에 의하여 구획하여, 일측 공간을 냉각유로로써 활용함으로써 상기 고정자에 권취되는 코일의 냉각효과를 현저히 증대시킬 수 있다. 이를 통하여, 자력이 탈자현상을 최소화함과 아울러 상기 전동기의 출력 저하를 최소화할 수 있다.

둘째, 상기 고정자에 권취되는 코일층의 양측에 냉각유체가 흐르는 유로가 형성되므로 상기 코일과 냉각유체와 접촉되는 열전달면적을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 상기 코일층의 양단부가 상대적으로 큰 냉각유로가 형성된 구획부 측으로 구부려지므로 냉각유체와 보다 원활히 접촉되어 냉각효율도 현저히 개선될 수 있다.

셋째, 상기 코일을 가압하여 구부릴 때 접촉되는 상기 구획부의 일측이 라운드 가공되어 형성되므로, 상기 코일의 절연막이 손상되지 않고 구부려질 수 있다.

넷째, 종래와 같이 물 또는 냉각유와 같은 유체를 별도의 팬 등을 사용하여 강제냉각시킬 필요 없이 구동시 주변 공기와 같은 냉각유체로 효율적으로 자연냉각할 수 있으므로, 강제냉각에 따른 과도한 회전저항 및 전력소모를 방지할 수 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고속 전동기를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 전동기의 고정자를 나타낸 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 전동기의 고정자를 나타낸 전면도이다.

도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 적용되는 고정자(10)의 적층판은 주로 규소강판 재질로 이루어질 수 있으며, 와류 현상에 의한 히스테리시스 손실을 최소화하기 위하여 얇은 적층판들(11,12)이 적층되어 이루어짐이 바람직하다.

상기 고정자(10)의 내측에는 원주방향을 따라 소정각도 간격으로 슬롯부(20)가 돌출형성되고, 상기 슬롯부(20)의 단부면 내측에는 마그네트가 구비된 회전자가 회전가능하게 설치되어 이너 로터형 전동자를 이루게 된다. 상기 슬롯부(20)에는 코일이 권취되게 되며, 상기 코일에 전원이 공급되면 상기 회전자의 마그네트와의 사이에서 회전자계가 형성되어 상기 회전자가 회전된다. 이러한 회전자의 회전력은 장치의 주요요소로 전달된다.

상기 슬롯부(20)에는 코일이 권취되도록 하는데, 상기 코일에 전원이 공급되어 회전자가 고속으로 회전됨으로써 전동기가 구동되면 히스테리시스 손실, 와전류 손실, 동손, 철손, 주설자속손 등에 의하여 상기 고정자가 과열된다. 특히, 고속 BLDC 전동기의 경우 고주파에 따른 지락 현상으로 내압을 강화시키기 위해서는 코일의 절연을 강화시켜야 하는데, 이는 상기 코일이 절연재에 쌓여 냉각이 방해되므로 과열될 우려가 있다. 이러한 과열은 자력 탈자의 원인이 되어 출력을 저하시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 적용되는 고정자(10)의 슬롯부(20)는 장대형으로 형성되고, 상기 장대형 슬롯부(20)들의 사이의 공간(14)은 구획되어 구획된 일부 공간은 상기 코일의 권취를 위한 권취공간(14a)으로 활용되고 나머지 공간은 냉 각을 위한 유로공간(14b)으로 활용된다. 여기서, 장대형이란 냉각을 위한 유로로 기능하기 위한 공간이 확보될 수 있도록 상기 슬롯부(20)들의 돌출된 길이가 상대적으로 길게 형성된다는 것을 의미한다.

상세히, 상기 슬롯부(20)들의 사이에 형성되는 공간은 구획부(15)에 의하여 구획된다. 상기 구획부(15)는 전체적으로 원형을 이루도록 형성되되, 상기 고정자(10)를 이루는 적층판들 중 상대적으로 두껍게 형성된 최외곽 적층판(12)에 형성됨이 바람직하다.

즉, 내측 적층판(11)에는 슬롯부(20)들의 사이 공간에는 구획부가 형성되지 않고, 이러한 공간은 최외곽 적층판(12)에 형성되는 구획부(15)에 의하여 내측부 권취공간(14a)과 외측부 유로공간(14b)으로 구획된다. 이와 같이, 상기 구획부(15)는 상기 슬롯부(20) 사이의 공간(14)에서 코일이 권취되는 부분을 한정하는 경계로 기능한다.

물론, 제조과정에서 추가적인 펀칭 및 절단가공을 통해 상기 내측 적층판들(11)에도 이러한 구획부를 각각 형성하는 것도 가능할 것이다.

이때, 상기 고정자(10)의 슬롯부(20)와 그에 권취되는 코일 간의 절연구조를 이루기 위해, 상기 내측 및 최외곽 적층판 조립체의 외면에는 절연물질이 도장되는데, 이에 국한하지 않고 상기 최외곽 적층판(12)을 절연재질로 이루도록 하는 간단한 변형도 고려될 수 있을 것이다.

도 4은 본 발명의 일실시예에 적용되는 고정자에 코일이 권취된 상태를 나타낸 단면도이다.

도 4에서 보는 바와 같이, 상기 슬롯부(20)에서 상기 구획부(15)를 기준으로 회전자(40) 측에는 코일층(30)이 권취된다. 이와 같이, 코일층(30)이 권취되는 부분은 상기 구획부(15)에 의하여 경계지어 진다. 이렇게 권취된 코일층(30)에 전원이 공급되면 회전자(40)의 마그네트(41)와의 사이에서 회전자계를 발생시켜 상기 회전자(40)가 회전된다.

여기서, 상기 슬롯부(20)의 단부측에 권취된 코일층(30)의 양단부(30a,30b)는 상기 구획부(15) 측으로 구부러진 형상으로 배치되는데, 이렇게 배치된 형태는 두텁게 권취된 코일층(30)의 양단부(30a,30b)를 압착하여 이루거나, 권취시 이러한 형상을 이루도록 권취되도록 할 수도 있다. 상기 권취층(30)의 단부(30a,30b)가 구획부(15) 측으로 구부러짐으로써 상기 냉각을 위하여 구획된 유로공간(14b)을 통하여 이동되는 냉각유체는 상기 코일층(30)의 양단부(30a,30b)에 더욱 효과적으로 접촉되면서 냉각을 수행할 수 있다.

게다가, 상기 코일층(30)의 단부가 상기 구획부(15) 측으로 구부려지므로 그 반대편인 회전자(40) 측에 위치되는 슬롯부(20) 단부들의 사이 공간이 코일층에 의하여 막히는 것을 방지하여, 냉각유체의 유로(14aa)를 확보할 수 있게 된다.

한편, 상기 코일층(30)의 양단부(30a,30b)가 가압방식으로 압착되어 구부려질 때, 코일층(30) 표면의 절연막이 손상되는 것을 방지하기 위하여, 상기 구획부(15)에서 상기 코일층(30)에 대향되는 부분은 유선형으로 라운드지게 가공됨이 바람직하다.

이와 같이, 상기 고정자(10)의 슬롯부(20)에 권취되는 코일층(30)은 상기 회 전자 측에 확보된 슬롯부 단부 사이의 유로(14aa) 및 회전자와 슬롯부 단부 사이의 간격 뿐만 아니라 구획부(15)에 의하여 냉각을 위한 유로공간(14b) 을 통해 이동되는 냉각유체에 의하여 2중으로 냉각될 수 있다.

즉, 상기 코일층(30)을 기준으로 회전자(40) 측에는 슬롯부(20) 단부들 사이의 공간을 통하여 제1냉각유체의 유로(14aa)가 형성되며, 구획부(15) 후방 측에는 유로공간(14b)을 통한 제2냉각유체의 유로가 형성된다. 따라서, 전동기의 구동시 공기 등의 냉각유체가 상기 코일층(30)의 내측 및 외측을 동시에 유동하면서 현저히 개선된 냉각작용을 수행할 수 있다.

이를 통하여, 상기 고정자(10)의 과열에 의한 마그네트의 탈자현상을 방지함과 아울러, 전동기의 출력의 저하를 방지할 수 있다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 적용되는 고정자의 사시도이다. 본 실시예에서 구획부를 제외한 기본적인 구성은 전술된 일실시예와 동일하므로 설명을 생략하기로 한다.

도 5에서 보는 바와 같이, 적층판(11,12)에 구획부를 일체로 형성하기 위해서는 기존의 설계 및 금형을 새로이 변경하여야 하는데, 본 실시예에 의하면 기존의 고정자 제품의 설계및 금형을 변경하지 않으면서도 본 발명을 적용할 수 있다. 이를 위하여, 본 실시예에 따른 구획부(215)는 독립적으로 이루어지고, 전체적으로 원형의 부재로서 상기 고정자(10)의 외곽에 부착된다.

따라서, 최외곽 및 내부 적층판(11,12)의 구조는 유지하면서 최외곽 적층판(12)의 일면에 슬롯부(20)들 사이의 공간을 코일 권취공간(14a)과 냉각유체가 이 동되는 유로공간(14b)으로 구획하는 원형의 구획부(215)를 부착함으로써 용이하게 본 발명을 적용할 수 있다. 여기서, 상기 구획부(215)의 부착은 접착제를 사용하거나, 별도의 체결수단을 사용하여 이루어질 수도 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명은 상술한 특정한 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구되는 본 발명의 기술적 사상에 벗어남 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 자명한 변형실시가 가능하며 이러한 변형실시는 본 발명의 범위에 속한다.

도 1은 종래기술에 따른 전동기의 단면도.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 전동기에 적용되는 고정자의 사시도.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 초고속 전동기에 적용되는 고정자의 전면도.

도 4는 본 발명의 일실시예에 적용되는 고정자에 코일이 권취된 상태를 나타낸 단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 초고속 전동기에 적용되는 고정자의 사시도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 고정자 14a : 권취공간

14b : 유로공간 15,215 : 구획부

20 : 슬롯부 30 : 코일층

40 : 회전자

Claims (5)

1. 마그네트가 구비된 회전자; 및

   다수의 적층판들이 적층되어 이루어지되, 상기 회전자를 향하여 장대형으로 돌출되는 슬롯부 사이의 공간이 고정자를 이루는 적층판들 중 상대적으로 두껍게 형성된 최외곽 적층판에 구비되는 구획부에 의하여 구획되며, 전류가 인가됨에 따라 상기 마그네트와 회전자계를 형성하도록 상기 슬롯부의 구획된 단부측에 코일이 권취되어 이루어진 고정자를 포함하여 이루어지는 초고속 전동기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 구획부는 상기 다수의 적층판들에 각각 형성됨을 특징으로 하는 초고속 전동기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 슬롯부의 단부측에 두껍게 권취된 코일층의 양단부는 상기 구획부 측으로 구부러진 형상으로 배치되고, 상기 코일층에 인접한 상기 구획부에는 라운드부가 형성됨을 특징으로 하는 초고속 전동기.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 구획부는 독립적으로 이루어지고, 전체적으로 원형의 부재로서 상기 고정자를 이루는 최외곽 적층판의 외곽에 부착됨을 특징으로 하는 초고속 전동기.

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