KR100937843B1 - 실린더형 비정질 합금 백 요크의 제조방법 및 이를 이용한 슬롯레스 모터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비정질 재료를 사용하여 제조되고, 티스가 형성되지 않는 슬롯레스(slotless) 타입의 실린더형 백 요크의 제조방법 및 이를 이용한 슬롯레스 모터의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 백 요크는, 비정질 합금 리본을 에칭하여 제작된 다수의 링형상 요크편을 미리 설정한 길이를 갖는 실린더 형태로 적층한 벌크형 다수의 요크편과; 상기 벌크형 다수의 요크편 사이를 접착시킴과 동시에 외주부를 둘러싸는 절연막을 포함하며, 내주부 및 외주부에 슬롯이 형성되지 않는 것을 특징으로 한다.

이를 통하여 본 발명은 비정질 재료를 사용하여 제조되고, 티스가 형성되지 않는 슬롯레스(slotless) 타입의 실린더형 백 요크를 이용하여 슬롯레스/코어레스 스테이터를 제작하고 이를 이용하여 슬롯레스 모터를 제작할 수 있다.

링형, 비정질 합금, 백 요크, 슬롯레스, 코어레스, 스테이터, 모터

Description

실린더형 비정질 합금 백 요크의 제조방법 및 이를 이용한 슬롯레스 모터의 제조방법{Method of Producing Cylinder Type Back Yoke Formed of Amorphous Alloy, and Method of Producing Slotless Motor Using the Same}

본 발명은 실린더형 비정질 합금 백 요크의 제조방법 및 이를 이용한 슬롯레스 모터의 제조방법에 관한 것으로 특히, 비정질 재료를 사용하여 제조되고, 티스가 형성되지 않는 슬롯레스(slotless) 타입의 실린더형 백 요크의 제조방법 및 이를 이용한 슬롯레스 모터의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 전기모터는 사용되는 용도에 따라 그 구조가 결정되며, 수만 RPM의 초고속 회전속도와 함께 관성 모멘트가 적어서 응답특성이 빠른 것을 요구하는 로봇의 팔 제어용, 치과 또는 외과 수술용 구동장치는 로터의 구조가 직경이 작은 대신에 가늘고 긴 형태로 이루어진 것이 관성 모멘트의 제어에 유리하다.

이러한 용도로 개발된 AC 또는 DC 브러시레스(brushless) 모터는 외부에 있는 아우터 스테이터와 스테이터 내부에 회전 가능하게 지지되는 인너 로터로 구성된다. 로터는 다수의 자극, 예를 들어, 4, 6, 또는 8극의 N극 및 S극 자석으로 이루어지며 이를 일방향으로 회전시키기 위해 스테이터는 다수의 권선이 스테이터 코 어의 다수의 티스(teeth)와 슬롯(slot) 사이에 권취된 슬롯형 스테이터 구조를 이루고 있다.

이러한 슬롯형 스테이터는 권선이 어렵고 권선에 많은 시간을 필요로 하며 복잡한 고가의 코일 권선 설비를 요구한다. 또한 다수의 티스가 형성된 구조는 자기적인 불연속성을 유발하여 모터의 효율에 영향을 미치고 슬롯의 존재에 따라 코깅 토크(cogging torque)가 발생하게 된다. 전기강판과 같은 재질의 경우 두께가 두꺼우므로 철손이 커 고속 모터에서의 효율이 낮을 수 밖에 없다. 더욱이 티스의 존재에 따라 특정위치에 위치할 수 있는 권선의 수가 제한되기도 하며 코일의 점적율이 낮아 모터 효율이 낮게 된다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 슬롯레스(slotless) 스테이터 구조를 갖는 기술이 개발되어 미합중국 특허 제5,197,180호에 제안되었다. 일반적으로 슬롯레스 스테이터의 제조는 슬롯형 코어를 갖는 스테이터에 비하여 상대적으로 어렵기 때문에 제조비용이 높아 널리 채용되고 있지 못하였다.

상기 종래의 스테이터 어셈블리 제조방법은 먼저 전용 권선기와 특수 설계된 권선지그를 사용하여야 하기 때문에 양산시 설비투자에 대한 부담이 높고, 각 권선 섹션별로 권선방향의 절환이 필요하여 전체적인 권선시간이 길게 소요되는 문제가 있다.

한편, 일부 특정 타입을 제외하고는 일반적으로 모터 및 발전기는 하나 이상의 타입의 연자성체(soft magnetic materials)를 사용한다. "연자성체"란 자화 및 소자(demagnetized)가 쉽게 이루어지는 재료를 말한다. 각 자화 주기 동안 자성체 내에서 불가피하게 소산되는 에너지는 히스테리시스 손실 또는 코어손실이라 불린다. 히스테리시스 손실의 크기는 여기 진폭 및 주파수 둘 다의 함수이다. 또한, 연자성체는 높은 투자율 및 낮은 보자력을 나타낸다.

일반적으로, 모터 및 발전기는 하나 이상의 영구자석 또는 전류가 흐르는 권선에 의해 둘러싼 추가적인 연자성체에 의해 공급 가능한 동자력(magnetomotive force) 소스를 구비한다. "경자성체"라 불리는 "영구자석 재료"는 높은 보자력을 가지고, 소자에 저항하여 자화 상태를 강하게 유지하는 자성체이다. 모터의 타입에 따라서, 영구자석 재료 및 연자성체가 로터 또는 스테이터에 배치될 수 있다.

최근 생산되는 모터의 주류는 연자성체로서 철(Fe)과 특히, 규소(Si), 인(P), 탄소(C) 및 알루미늄(Al)을 포함해서 하나 이상의 합금 요소로 이루어진 합금인 다양한 등급의 전기 강 또는 모터 강을 사용한다. 가장 많이 사용되는 것은 Si 합금이다. 개량 영구자석 재료로 제작된 로터 및 비정질 금속 등의 개량, 저-손실 연자성체로 제작된 코어를 갖는 스테이터를 구비하는 모터 및 발전기는 종래의 반지름방향 에어갭 모터 및 발전기에 비해 높은 효율 및 출력밀도를 발휘할 수 있는 잠재성이 있지만, 그러한 축방향 에어갭 또는 반지름방향 에어갭 타입의 장치를 성공적으로 조립한 경우는 거의 없었다. 비정질 금속을 종래의 반지름 또는 축방향 에어갭 장치에 적용시키려는 지금까지의 시도는 상업적으로 성공적이지 못했다.

스테이터 및/또는 로터를 코일 또는 비정질 금속의 원형 박판으로 대체하는 초기의 설계는 내부표면 또는 외부표면을 통해 티스가 생기는 것이 일반적이다. 비정질 금속은 독특한 자기적 및 기계적 성질을 갖고 있어, 일반적인 강을 직접 대체 하기가 사실상 불가능하다.

최근 기술의 고속 공작기계, 항공 모터 및 액츄에이터, 압축기 등 다양한 분야에서 사용되는 많은 장치들은 15,000 ~ 20,000 rpm을 초과하고 어떤 경우에는 100,000 rpm 에 이르는 고속에서 작동 가능한 전기 모터를 필요로 한다. 거의 대부분의 고속 전기장치는 낮은 자극계수로 제작되는데, 이는 고주파수에서 작동하는 전기장치 내의 자성체가 지나치게 과도한 코어손실을 갖지 않도록 하기 위함이다. 이것은 대부분의 모터에 사용되는 연자성체가 Si-Fe 합금으로 이루어져 있다는 사실이 주된 원인이다. 종래의 Si-Fe계 재료에 있어서, 약 400 Hz 이상의 주파수에서 변화하는 자기장으로부터 기인하는 손실은 흔히 재료를 어떤 적절한 냉각수단에 의해서도 냉각시킬 수 없을 때까지 가열시킨다.

현재까지 저-손실 재료의 장점을 잘 이용하면서 제작이 용이한 전기장치를 저렴한 비용으로 제공하는 것은 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 저-손실 재료를 종래의 장치에 적용하려는 지금까지의 시도는 대부분 실패였는데, 이는 초기의 설계가 장치의 자기 코어에 있어서, Si-Fe 등의 종래 합금을 비정질 금속 등의 새로운 연자성체로 단순히 대체시키는 것에 의존하기 때문이다. 이러한 전기장치는 때때로 낮은 손실을 갖는 향상된 효율을 나타내지만, 일반적으로 출력의 저하가 심하고, 비정질 금속의 성형/취급 관련하여 소요되는 비용이 크다는 어려움이 있다. 그 결과, 상업적 성공 또는 시장 진입이 이루어지지 않았다.

예를 들어, 미국 특허 4,578,610호에는, 비정질 금속 테이프의 스트립을 간단히 코일링하여 제작되는 스테이터를 구비한 고효율 모터가 개시되어 있는데, 여 기서 비정질 스트립은 권취되고 그 다음 슬롯이 형성되고 그 다음 적절한 스테이터 권선이 슬롯 내에 놓인다.

미국 특허 4,187,441호에는 스테이터 권선을 수용하는 슬롯을 가지며 비정질 금속 리본으로 이루어진 나선형으로 권취된 박층 자기 코어를 구비하는 고출력밀도 장치가 개시되어 있다. 상기 특허는 또한 비정질 금속 리본에 슬롯을 가공하기 위해 레이저 빔을 사용하는 방법을 개시하고 있다.

상기 미국 특허들은 모두 링 형상으로 권선된 비정질 금속 스트립 또는 리본에 슬롯을 형성한 후, 이를 스테이터 코어로 이용하여 슬롯에 코일을 권선한 스테이터 구조를 제안하고 있다.

그러나, 종래 비정질(FeBSi)계 자성합금 리본을 이용하여 제조되는 코어의 경우 성능을 향상시키기 위해 복잡한 구조를 가질 수 밖에 없으며, 코어 적층시 티스 정렬(alignment)의 제약이 따를 뿐만 아니라 분할 코어의 코어 조립 공정이 필수적으로 요구되는 문제점이 있다.

한편, 전형적으로 전기 모터는 무방향성 전기강판으로 된 복수의 적층된 라미네이션(lamination)으로부터 형성된 자기 부재를 포함하고 있다. 다양한 릴럭턴스 모터와 와전류 모터에 있어서, 스테이터(stator)들은 적층된 라미네이션으로 부터 제조된다. 상기 스테이터 및 로터(rotor) 양자는 농형 모터(squirrel cage motor), 릴럭턴스 동기 모터 및 스위치드 릴럭턴스 모터(switched reluctance motor)에 있어 적층된 라미네이션으로 부터 제조된다. 각각의 라미네이션은 전형적으로 그 기계적으로 연한 무방향성 전기강판을 소망하는 형상으로 스탬핑, 펀칭 또 는 컷팅함으로써 형성된다. 상기 형성된 라미네이션은 이어 적층되어, 모터의 생산 및 작동 중에 충분한 기계적인 완전성을 유지함과 함께, 소망하는 형태를 갖는 로터 또는 스테이터를 형성하게 된다.

비록 무방향성 전기강판과 비교할 때, 비정질 금속은 우수한 자기 성능을 제공하지만, 특정한 물리적 특성과 가공에 대해 발생하는 장애 때문에 전기 모터용 스테이터와 로터로서 벌크 자기 부재로서의 사용이 적합하지 않다고 오랫동안 고려되고 있다. 예를 들면, 비정질 금속은 무방향성 전기강판 보다 얇고 경하며, 따라서 가공 툴(fabrication tool)과 다이가 보다 급속하게 마모된다. 상기 툴링과 제조에 따른 비용 증가는 펀칭이나 스탬핑과 같은 통상의 기술과 비교할 때 벌크 비정질 금속 자기 부재를 가공하는 것이 상업적인 경쟁력을 갖지 못하게 한다. 비정질 금속의 두께는 또한 조립된 부재의 라미네이션 수의 증가를 가져오며, 또한 비정질금속 로터 또는 스테이터 자석 조립체의 전체 비용을 상승시킨다.

비정질 금속은 균일한 리본폭을 갖는 얇고 연속적인 리본으로 공급된다. 그러나 비정질 금속은 매우 경한 재료로서, 그것을 쉽게 절단하거나 성형하기가 아주 어렵다. 피크 자기 특성을 확보하기 위해 어닐링처리 되면, 비정질 금속 리본은 큰 취성을 띄게 된다. 이는 벌크 비정질 자기 부재를 구성하기 위해 통상적인 방법(approach)을 사용하는 것을 어렵게 하고 값비싸게 한다. 또한 상기 비정질금속 리본의 취성은 전기 모터의 적용에 있어서 벌크 자기 부재의 내구성에 대한 우려를 가져올 수도 있다.

자기 스테이터는, 높은 회전속도를 위해 필요한 주파수에서 급속하게 변하는 극도로 높은 자기력하에 있다. 이러한 자기력은 상기 스테이터 재료에 상당한 응력을 줄 수 있으며, 비정질금속 자기 스테이터를 손상시킬 수도 있다. 로터도 또한, 통상적인 회전과, 상기 기구가 활성화되거나 비활성화될 때 그리고 그 부하가 급작스럽게 변할때의 회전 가속 양자 때문에 기계적인 힘을 받고 있다.

특수한 방법들이 비정질 금속 부재 제조를 위해 제시되고 있다. 예를 들면, Frischmann의 미국 특허 4,197,146호는 몰딩되고 콤펙트한 비정질금속 플래이크(flake)를 사용하여 제조된 스테이터를 제시하고 있다. 비록 이 방법은 복잡한 스테이터 형상의 형성을 가능하게 하지만, 그 구조는 비정질금속의 개개의 플래이크 입자들 사이에 수많은 에어 갭을 포함한다. 이러한 구조는 자기회로의 릴럭턴스 및 이에 따른 상기 모터를 작동하기 위해 요구되는 전류를 크게 증가시킨다.

강자성 비정질금속의 사용과 관련된 또 다른 어려움은 자기변형 현상 때문에 일어난다. 어떤 자기변형 재료의 특정한 자기 특성은 부과된 기계적 응력에 대응하여 변한다. 예를 들면, 비정질재료를 함유하는 부재의 투자율은 정형적으로 감소되며 상기 부재가 응력하에 있을 때 그 코어 손실이 증가된다. 상기 자기변형 현상 때문에 비정질금속 디바이스의 연자성 특성의 열화가, (i) 전기 모터의 동작중 자기적 및 기계적 응력; (ii) 기계적인 클램핑(clamping)으로부터의 응력 또는 그렇지 않으면 상기 벌크 비정질금속 부재를 제위치에 고정하는 것; (iii) 상기 비정질금속 재료의 자기포화에 기인한 열팽창 또는 팽창에 의해 초래되는 내부응력;을 포함하는 어떠한 소스의 조합으로부터 초래되는 응력에 의해 야기될 수 있다. 비정질금속 자기 스테이터가 응력을 받음에 따라, 자속을 안내하거나 집중하는 효율이 감 소되어 보다 큰 자기 손실, 감소된 효율, 증가된 열생산, 및 감소된 출력을 가져온다. 이러한 열화의 정도는 미국 특허 5,731,649호에 의해 제시된 바와 같이, 특정한 비정질금속 재료 및 그 응력의 실제적인 강도에 따라 상당해질 수 있다. 코어 손실의 열화는 종종 파괴인자(destruction factor), 즉, 최종 디바이스에 의해 실제적으로 나타내어지는 코어 손실과 응력이 없는 실험실 조건하에서 시험된 구성재료의 내재하는 코어 손실과의 비로서 표시된다.

더욱이, 비정질금속은 통상의 전기강판을 포함하여 다른 일반적인 연자성재료 보다 아주 낮은 이방성 에너지를 갖는다. 그 결과, 이러한 일반적인 금속들의 자기 특성들에는 해로운 효과를 갖지 않을 수도 있는 응력 레벨이 모터 부재를 위위한 중요한 특성, 예를 들면, 투자율 및 코어 손실에 심각한 영향을 줄 수 있다. 예를 들면, 상기 미국 특허 5,731,649호는 또한 에폭시를 사용하는 라미네이션과 함께, 비정질금속을 코일로 롤링함으로써 비정질금속 코어를 형성하는 것은 그 재료로된 코일의 열 및 자기포화팽창을 해롭게 제한하며, 이러한 코어를 포함하는 모터 또는 발전기의 효율을 감소시키는 높은 내부 응력과 자기변형을 가져온다. 자기 특성들에 대한 응력-유도 열화(stress-induced degradation)를 피하기 위해, 상기 미국 특허 5,731,649호는 접착제 접합을 사용함이 없이 절연hqls(dielectric enclosure) 내에 주의 깊게 탑재되거나 포함된 복수의 적층되거나 코일링된 비정질금속 부분을 포함하는 자기 부재를 제시하고 있다.

상술한 기재에 의해 제시된 개선에도 불구하고, 고속, 고효율 전기 기구를 위해 필요한 우수한 자기적 및 물리적 특성의 조합을 나타내는 개선된 비정질금속 모터 부재들에 대한 필요성이 대두되고 있다. 또한 비정질 금속을 효율적으로 사용하고, 여러 유형의 모터와 이에 사용된 자기부재들의 대량 생산을 위해 실행될 수 있는 제조방법의 개발이 요구된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 비정질 재료를 사용하여 제조되고, 티스가 형성되지 않는 슬롯레스(slotless) 타입의 실린더형 비정질 합금 백 요크의 제조방법 및 이를 이용한 슬롯레스 모터의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 슬롯레스(slotless) 타입의 모터에 적용되는 백 요크를 비정질 합금 리본을 사용하여 실린더형으로 제작할 때 백 요크의 코어 손실이 작고 저렴한 비용으로 제조할 수 있는 실린더형 비정질 합금 백 요크의 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전용 권선기와 특수 설계된 권선지그를 사용하지 않으며, 각 권선 섹션별로 권선방향의 절환이 필요 없고 전체적인 권선시간이 짧으며 코일 유닛의 조립이 쉽게 이루어질 수 있는 코일 어셈블리와 실린더형 비정질 합금 백 요크를 갖는 슬롯레스 모터의 제조방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 비정질 합금 리본을 에칭하여 제작된 다수의 링형상 요크편을 미리 설정한 길이를 갖는 실린더 형태로 적층한 벌크형 다수의 요크편과; 상기 벌크형 다수의 요크편 사이를 접착시킴과 동시에 외주부를 둘러싸는 절연막을 포함하며, 내주부 및 외주부에 슬롯이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 슬롯레스 모터용 실린더형 백 요크를 제공한다.

바람직하게는, 상기 실린더형 백 요크는 두께 15 ~ 50 ㎛ 및 폭 25 ~ 300 mm 크기의 비정질 합금 리본을 적층하여 내경 10 ~ 250 mm, 외경 14 ~ 280 mm 및 높이 5 ~ 200 mm의 크기를 가지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에칭 공정은 염화제이철(FeCl3) 또는 염화동(CuCl2))을 이용하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 구현하고자 하는 높이의 합금 리본 폭을 가진 Fe 또는 Co계 비정질 합금 리본을 권취기를 이용하여 권취하여 형성되며, 슬롯이 형성되지 않는 것을 특징으로 하는 실린더형 백 요크를 제공한다.

바람직하게는, 상기 Fe계 비정질 합금 리본은 Fe-Si-B, Fe-Si-Al, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, 또는 Fe-Si-N 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 Co계 비정질 합금 리본은 Co-Fe-Si-B, 또는 Co-Fe-Ni-Si-B 중 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 실린더형 백 요크는 투자율 향상을 위하여 열처리가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서, 비정질 합금 리본을 링형으로 에칭하는 단계; 지그를 이용하여 에칭된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 적층하는 단계; 적층된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계; 적층된 상기 비정질 합금 리본 요크편의 외부를 1차 함침하는 단계; 상기 비정질 합금 리본 요크편을 상기 지그로부터 탈착하는 단계; 및 탈착된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 2차 진공 함침하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서, 비정질 합금 리본을 링형으로 에칭하는 단계; 지그의 외부에 접착 방지용 오일을 도포하는 단계; 상기 지그를 이용하여 상기 비정질 합금 리본 요크편을 적층하는 단계; 적층된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 진공 함침하는 단계; 상기 비정질 합금 리본 요크편을 상기 지그로부터 탈착하는 단계; 및 적층된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서, 비정질 합금 리본을 링형으로 에칭하는 단계; 링형의 상기 비정질 합금 리본 각각에 롤링(rolling)을 이용하여 접착제를 도포하는 단계; 지그를 이용하여 상기 비정질 합금 리본 요크편을 적층하는 단계; 상기 비정질 합금 리본 요크편을 상기 지그로부터 탈착하는 단계; 및 상기 적층된 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 배열 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서, 비정질 합금 리본을 링형으로 에칭하는 단계; 각 배열 합금별 링형의 상기 비정질 합 금 리본 요크편 각각에 롤링(rolling)을 이용하여 접착제를 도포하는 단계; 지그를 이용하여 비정질 합금 리본 요크편을 적층하는 단계; 상기 비정질 합금 리본 요크편을 상기 지그로부터 탈착하는 단계; 및 적층된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 권취형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서, 슬리팅을 통하여 백 요크의 높이를 결정하고 비정질 합금 리본을 절단하는 단계; 권취기를 이용하여 상기 비정질 합금 리본을 와인딩하는 단계; 상기 와인딩에 따른 백 요크의 외경을 결정하는 단계; 상기 비정질 합금 리본을 스포팅하는 단계; 스포팅이 완료된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 와인더로부터 탈착하는 단계; 권취된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계; 권취된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 진공 함침하는 단계; 및 상기 권취된 비정질 합금 리본 요크편에서 보빈을 제거하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법을 제공한다.

바람직하게는, 상기 열처리는 410℃에서 3시간 동안 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 양단이 회전 가능하게 케이스에 지지되는 축; 다수의 극수를 갖는 영구자석을 구비하며 상기 축의 외주에 결합된 원통형 로터; 상기 로터와 소정의 간격을 두고 원주방향으로 배열된 스테이터를 포함하고, 상기 스테이터는 Fe 또는 Co계 비정질 합금 리본을 에칭하고, 에칭된 상기 비정질 자성 합금 리본 요크편을 적층하여 형성되며, 슬롯이 형성되지 않는 실린더형 백 요크를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더형 백 요크를 이용한 슬롯레스 모터를 제공한다.

또한, 본 발명은 양단이 회전 가능하게 케이스에 지지되는 축; 다수의 극수를 갖는 영구자석을 구비하며 상기 축의 외주에 결합된 원통형 로터; 상기 로터와 소정의 간격을 두고 원주방향으로 배열된 스테이터를 포함하고, 상기 스테이터는 구현하고자 하는 높이의 합금 폭을 가진 Fe 또는 Co계 비정질 합금 리본을 권취기를 이용하여 권취하여 형성되며, 슬롯이 형성되지 않는 실린더형 백 요크를 포함하는 것을 특징으로 하는 실린더형 백 요크를 이용한 슬롯레스 모터를 제공한다.

또한, 본 발명은 Fe 또는 Co계 비정질 합금 리본을 에칭하고, 에칭된 상기 비정질 자성 합금을 적층하여 슬롯이 형성되지 않은 실린더형 백 요크를 제조하는 단계; 본딩 와이어를 권선하여 소정수의 코일유닛을 형성하는 코일 권선단계; 상기 권선된 코일 유닛을 원통형으로 가조립한 후 외주부에 절연 테이프로 테이핑하여 원통형 코일 어셈블리를 준비하기 위한 코일유닛 조립단계; 상기 가조립된 원통형 코일 어셈블리를 상기 실린더형 백 요크 내부에 조립하여 코일 어셈블리를 압착 성형하여 슬롯레스/코어레스 스테이터를 형성하는 단계; 및 상기 스테이터 내부에 양단부가 회전 가능하게 지지되는 로터를 결합하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크를 이용한 슬롯레스 모터 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 구현하고자 하는 높이의 합금 폭을 가진 Fe 또는 Co계 비정질 합금 리본을 권취기를 이용하여 권취하여 슬롯이 형성되지 않은 실린더형 백 요크를 제조하는 단계; 본딩 와이어를 권선하여 소정수의 코일유닛을 형성하는 코일 권선단계; 상기 권선된 코일 유닛을 원통형으로 가조립한 후 외주부에 절연 테이프로 테이핑하여 원통형 코일 어셈블리를 준비하기 위한 코일유닛 조립단계; 상기 가 조립된 원통형 코일 어셈블리를 상기 실린더형 백 요크 내부에 조립하여 코일 어셈블리를 압착 성형하는 단계; 및 상기 압착 성형된 코일 어셈블리의 내부에 양단부가 회전 가능하게 지지되는 로터를 결합하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크를 이용한 슬롯레스 모터 제조방법을 제공한다.

더욱이, 본 발명은 권선된 비정질 합금 리본을 미리 설정된 길이로 절단하는 단계와; 상기 비정질 합금 리본의 일측면을 에칭액에 저항성을 갖는 보호막으로 코팅하는 단계와; 상기 비정질 합금 리본의 타측면 위에 다수의 링형상을 이루며, 링 사이를 상호 연결하는 다수의 미세연결라인을 갖는 식각 마스크를 형성하는 단계와; 상기 식각 마스크가 형성된 상기 비정질 합금 리본의 노출된 부분을 에칭액으로 제거하여 링형상으로 이루어지며 링 사이를 상호 연결하는 다수의 미세연결라인을 갖는 다수의 요크편을 형성하는 단계와; 상기 비정질 자성 합금으로 이루어진 링형상 다수의 요크편을 다수의 가이드 돌기가 형성된 조립 지그를 사용하여 미리 설정된 길이의 실린더 형태로 적층하는 단계와; 상기 적층된 실린더형 다수의 요크편을 수지로 함침하는 단계와; 자기 특성을 향상시키기 위하여 상기 수지가 함침된 실린더형 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬롯레스/코어레스형 스테이터용 백 요크의 제조방법을 제공한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 비정질 재료를 사용하여 제조되고, 티스가 형성되지 않는 슬롯레스(slotless) 타입의 실린더형 비정질 합금 백 요크의 제조방법 및 이를 이용한 슬롯레스 모터의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서는 슬롯레스(slotless) 타입의 모터에 적용되는 백 요크를 비정질 합금 리본을 사용하여 실린더형으로 제작할 때 백 요크의 코어 손실이 작고 저렴한 비용으로 제조할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 전용 권선기와 특수 설계된 권선지그를 사용하지 않으며, 각 권선 섹션별로 권선방향의 절환이 필요 없고 전체적인 권선시간이 짧으며 코일 유닛의 조립이 쉽게 이루어질 수 있는 코일 어셈블리와 실린더형 비정질 합금 백 요크를 갖는 슬롯레스 타입 모터용 스테이터를 제공할 수 있다.

본 발명과 본 발명의 동작성의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

첨부된 도 1은 본 발명에 따른 슬롯레스/코어레스 모터의 길이방향 단면도로서, 본 발명의 슬롯레스/코어레스 모터(1)는 슬롯레스/코어레스 구조를 갖는 스테이터(10)가 외측에 위치되고, 내측에 회전 가능하게 지지되는 로터(20)가 구비되어 있다.

상기 스테이터(10)는 자기 귀환 경로를 형성하도록 벌크 비정질 금속으로 이루어진 원통형 백 요크(back yoke)(12)의 내부에 코일 어셈블리(14)가 내장되어 있 고, 로터(20)는 내측이 축(3)에 지지된 다수, 예를 들어, N극 및 S극이 교대로 배치된 4개의 영구자석(22)으로 이루어져 있으며, 축(3)의 양 단부는 백 요크(12)를 둘러싸는 원통형 케이스(16)의 양단부에 고정된 한쌍의 베어링(5a,5b)에 회전 가능하게 지지되어 있다.

이 경우, 상기 로터(20)는 링 타입의 자성재료를 N극 및 S극이 교대로 배치되도록 분할 착자시킨 구조 또는 분할형 N극 및 S극 영구자석을 교대로 표면에 설치한 SPM 타입(Surface Permanent Magnet type)의 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 상기 로터(20)는 필요에 따라 영구자석이 자기 코어 내부에 매입된 IPM(Interior Permanent Magnet) 타입의 구조를 채택하는 것도 가능하다.

이하에 본 발명에 따라 상기와 같은 스테이터의 구조와 그의 제조방법을 도 2 내지 도 5를 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 스테이터 제조방법은 도 3과 같이 본딩 와이어를 일방향으로 권선하여 소정수, 예를 들어 3개의 코일유닛(30a-30c)을 형성하는 코일 권선(coil winding)공정(S10)과, 권선된 코일유닛(30a-30c) 각각의 양단부가 풀리는 것을 방지하도록 절연 테이프(31)를 사용하여 고정시키기 위한 코일유닛 테이핑(taping)공정(S20)과, 3개의 코일유닛(30a-30c)의 상하부를 잡고 미리 설정된 길이로 늘려서 성형하는 1차 성형(forming)공정(S30)과, 권선된 코일유닛(30a-30c)을 미리 설정된 방식으로 순차적으로 인접하여 위치되도록 봉형상의 조립지그를 사용하여 원통형으로 가조립한 후 외주부에 절연 테이프(33)를 사용하여 고정시킴에 의해 원통형 코일 어셈블리(14a)를 준비하기 위한 코일유닛 조립공정(S30)과, 가조립된 원통형 코 일 어셈블리(14a)를 백 요크(12)의 내부에 삽입한 상태에서 원통형 프레스 성형장치에 넣고 코일을 압착 성형한 후, 통전시켜서 성형된 상태로 코일을 고정시킴에 의해 가조립된 원통형 코일 어셈블리(14a)를 원통형 백 요크(12)에 조립하는 조립(assembling)공정(S40)과, 조립된 스테이터(10)를 성형장치로부터 분리하는 공정(S50)으로 이루어진다.

이하에 스테이터 제조를 위한 각각의 공정에 대하여 상세하게 설명한다.

A. 코일 권선공정 및 코일유닛 테이핑공정(S10,S20)

먼저 도 3을 참고하면 본 발명에서는 일반 권선기에서 본딩 와이어를 사용하여 소정의 턴수 만큼 일방향으로 권선하는 방식으로 3개의 코일유닛(30a-30c)을 형성한다. 상기 본딩 와이어는 코일에 전기를 통전하는 경우 발열에 의해 와이어의 외부에 피막된 열경화성 접착제가 용융에 의해 일체화되고 냉각시에 성형된 형상을 유지할 수 있게 한다.

이 경우, 권선기가 3축이고 모터가 3상인 경우는 3 본딩 와이어(self bond wire)를 동시 권선하여 각 코일유닛(30a-30c)의 시작선(start)(32a)과 끝선(end)(32b)이 풀어지지 않게 각각 상부 및 하부의 2지점, 즉, 코일 리턴부(32b)를 절연 테이프(31)를 사용하여 테이핑(taping) 한다.

B. 1차 성형(forming)공정(S30)

먼저, 상기 공정에서 얻어진 각각 2지점을 테이핑(taping)한 3개의 코일유닛(30a-30c)은 그후 상하부를 잡고 미리 설정된 길이로 늘려서 성형한다. 예를 들어, 대향하는 장변사이의 거리가 코일유닛(30a-30c)의 폭의 2배 이상이 되도록 성 형한다.

C. 코일유닛 조립공정(S40)

그후, 상기 1차 성형(forming)공정(S30)에서 얻어진 코일유닛(30a-30c)을 도 4b와 같이 순차적으로 봉형상의 조립지그에 배열한다. 상기 3개의 코일유닛(30a-30c)을 봉형상의 조립지그에 순차적으로 조립한 후, 코일유닛(30a-30c)의 정렬된 상태를 유지하도록 절연 테이프를 중앙부에 부착시켜서 일시적으로 고정시키면 도 4a와 같이 얻어진다.

본 발명에서는 상기한 조립방법 이외에 도 5에 도시된 바와 같이, 3개의 코일유닛(30a-30c) 각각의 장변이 각각 순차적으로 인접하여 위치되도록 코일유닛(30a-30c)의 조립위치를 코일유닛의 폭(W)만큼 회전시켜서 조립한 후, 코일유닛(30a-30c)의 정렬된 상태를 유지하도록 절연 테이프를 중앙부에 부착시켜서 일시적으로 고정시키는 것도 가능하다.

그후, 봉형상의 조립지그로부터 가조립된 원통형 코일 어셈블리(14a)를 분리시킨다.

한편, 본 발명의 스테이터는 도 4c와 같이 3상 구동방식으로 구동되며, 따라서, 3개의 구동코일(L1-L3)이 Y 방식으로 결선되어 사용될 수 있다.

상기 실시예 설명에서는 모터가 3상 구동되고 Y 방식으로 결선된 경우를 예를 들어 설명하였으나, 주지된 다른 결선방식으로 결선될 수 있으며, 2상 구동의 전파구동 방식에서는 2개의 구동코일이 2개로 권선되어 직렬 또는 병렬 방식으로 결선될 수 있다.

상기 도 4c와 같이 3상, Y 방식으로 결선하는 방법은, 코일 어셈블리(14a)를 구성하는 3코일유닛(30a-30c) 각각의 시작선(32a)을 U, V, W상의 시작선으로 설정하고, 각각의 끝선(32b)을 하나로 묶어서 중성점으로 설정하면 된다.

D. 조립(assembling)공정(S50)

가조립된 원통형 코일 어셈블리(14a)를 원통형 백 요크(12)에 조립하는 조립공정(S50)은 가조립된 원통형 코일 어셈블리(14a)를 원통형 백 요크(12)의 내부에 삽입하는 방식으로 가조립한다.

상기 코일 어셈블리(14a)와 백 요크(12)의 조립공정(S50)은 실린더 내에 상/하부로 작동되는 상부 및 하부 지그를 갖는 적절한 원통형 프레스 성형장치를 사용하여 코일을 압착 성형할 수 있다.

먼저, 내부에 절연지를 삽입한 백 요크(12)에 가조립된 원통형 코일 어셈블리(14a)를 끼운 상태에서 원통형 프레스 성형장치의 실린더에 넣고, 하부 지그와 상부지그를 순차적으로 상승 및 하강시켜서 코일 어셈블리(14a)의 코일에 대한 원주방향의 1차 압착과 코일 어셈블리(14a)의 하단부 및 상단부 코일에 대한 압착을 실시한다.

상기와 같이 가조립된 원통형 코일 어셈블리(14a)를 백 요크(12)에 압착 성형한 상태에서 코일에 적정 전류를 흘려주면 통전에 의해 코일 외부에 피막된 열경화성 접착제가 용융되어 일체화되고 그후 전류의 흐름을 중지시켜서 냉각시키면 코일 어셈블리(14)의 코일들은 성형된 형상을 유지하게 된다.

그후, 프레스 성형장치로부터 완성된 스테이터(10)를 얻게 된다.

이어서, 완성된 스테이터(10)를 로터(20) 및 베어링(5a,5b)과 함께 케이스(16) 내에 조립하면 도 1에 도시된 슬롯레스/코어레스 모터(1)가 얻어진다.

본 발명의 제조공정에 따라 얻어지는 스테이터를 사용하여 AC 또는 DC 모터를 조립하는 경우 점적율이 높아 모터의 성능개선을 기대할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 스테이터는 모터와 유사한 구조를 갖는 전기 발전기(Generator), 올터네이터(Alternator)의 제조에도 사용될 수 있다.

이하에서는 도 6 내지 도 13을 참고하여 슬롯레스/코어레스 구조를 갖는 스테이터에 사용되는 자기 귀환 경로를 형성하도록 벌크 비정질 금속으로 이루어진 원통형 백 요크(back yoke)의 구조 및 제조방법에 대하여 설명한다.

먼저, 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 비정질 합금으로 이루어진 원통형 백 요크(12)는 종래 자성체 강판, 전기강판(규소강판), 비정질(FeBSi)계 자성합금 리본을 이용하여 형성되는 코어와 달리 비정질(Fe, Co계) 자성합금 리본을 링 형태로 성형한 후, 다수의 링형 요크편(12a)을 적층하여 형성되며, 내/외측에 슬롯이 형성되지 않는 실린더 타입의 백 요크이다. 보다 상세히, 사용 가능한 비정질 합금은 Fe계로는 Fe-Si-B, Fe-Si-Al, Fe-Hf-C, Fe-Cu-Nb-Si-B, Fe-Si-N, 및 Fe-Si-B-C들 수 있으며, Co계로는 Co-Fe-Si-B, Co-Fe-Ni-Si-B를 들 수 있다.

이와 같은 실린더 타입(Ring type)의 심플(Simple)한 구조를 갖는 원통형 백 요크(12)를 이용하면, 요크편 적층시 부정렬(misalignment)이 거의 일어나지 않으며, 코깅 토크(cogging torque)에 의한 걸림 현상이 없으므로 진동, 소음 및 고속 에 유리할 뿐만 아니라 각 비정질 합금 리본의 두께가 25㎛ 정도에 불과하므로 두께에 반비례하는 철손이 작다는 장점이 있다. 따라서, 고효율 고속 모터의 제작이 용이하고, 슬롯의 극수에 제한이 없기 때문에 권선 제작이 용이하다.

이하 도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

보다 상세히, 실린더 타입의 비정질 합금 백 요크를 갖기 위해 선택적인 에칭 공정(Photolithography etching process)을 통해 비정질 합금 리본을 에칭하여 다수의 링형(Ring type)의 요크편(12a)을 제작한다. 상기 에칭 공정은 염화제이철(FeCl₃) 또는 염화동(CuCl₂)을 이용하여 이루어진다.

상기한 실린더형 또는 링형 백 요크의 제작 방법은 에칭 공정을 이용하여 원하는 사이즈별로 비정질 합금 리본을 에칭하고, 구현하고자 하는 높이만큼 적층하여 제작하는 적층형과, 구현하고자 하는 높이의 합금 폭을 이용하여 권취기를 이용하여 권취 제작하는 권취형으로 구분된다.

본 발명의 실린더형 백 요크 제작 방법은 이하 도 7 내지 도 10d 및 도 13을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 원통형 백 요크 제조 시 열처리 온도 및 열처리 시간에 따른 투자율 변화를 나타낸 그래프, 도 8은 본 발명에 따른 원통형 백 요크의 코어 손실을 나타낸 그래프, 도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 백 요크용 링형 요크편의 제조공정을 나타낸 공정 단면도, 도 10a 내지 도 10d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 제1지그를 이용한 단일 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층공정을 나타낸 설명도, 도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.

이하에 도 13을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 설명한다.

먼저, 예를 들어, 25㎛ 정도의 두께를 갖는 비정질 합금 리본(40)을 미리 설정된 길이로 절단하여 준비한 후 에칭하여 다수의 링형 요크편(12a)을 제작한다(S100). 즉, 도 9a와 같이 비정질 합금 리본(40)의 일면에는 포토레지스트로 이루어진 드라이 필름을 80도 온도에서 3kg/㎠의 압력을 가하여 부착하고, 다른 면에는 식각액으로부터 비정질 합금 리본(40)을 보호할 수 있는 보호막(44)을 형성한다. 그후, 링형상 패턴에만 노광이 이루어지도록 노광공정을 거친 후 현상함에 의해 도 9b에 도시된 바와 같은 링형 식각 마스크(42)를 형성한다. 이어서, 링형 식각 마스크(42)가 형성된 비정질 합금 리본(40)을 식각액, 예를 들어, 염화제이철(FeCl₃) 또는 염화동(CuCl₂)을 이용하여 노출된 부분을 제거하면 도 9c와 같이 얻어지게 된다. 그후, 상기 보호막(44)을 주지된 방법으로 제거하면 도 9d에 도시된 링형상의 다수의 요크편(12a)이 얻어지게 된다.

제작된 링형상의 다수의 요크편(12a)은 예를 들어, 외부 직경이 49.5mm, 내부 직경이 40.5mm로 설정될 수 있다.

그후, 비정질 합금으로 이루어진 링형상의 다수의 요크편(12a)을 도 10a 및 도 10b에 도시된 제1지그(51)를 이용하여 다수의 요크편(12a)을 도 10c와 같이 적 층한다(S110). 상기 제1지그(51)는 도 10d와 같이, 원형판(51b)의 중앙에 봉형상의 가이드 돌기(51c)가 돌출 형성되고, 그의 상단에 적층된 다수의 요크편(12a)을 가압하여 적층 패킹 밀도를 높이기 위한 지그 캡(51a)이 결합된 구성으로 이루어져 있다. 이 경우, 상기 봉형상 가이드 돌기(51c)의 외경은 요크편(12a)의 내경보다 다소 작게 형성되어야 한다. 상기 봉형상 가이드 돌기(51c)에 적층되는 요크편(12a)은 약 1600개를 적층할 때 적층되는 높이는 40mm로 설정되어 실린더 형태를 이루게 된다. 그후 지그 캡(51a)을 봉형상 가이드 돌기(51c)에 결합시키면 적층된 다수의 요크편(12a)은 약 10mm의 높이로 압축이 이루어지게 된다.

그후, 제1지그(51)에 벌크 형태로 적층된 다수의 요크편(12a)을 열처리하여(S120), 비정질 합금의 연자기 특성을 향상시킨다. 열처리 조건은 400~420℃ 범위로 2~3시간 범위로 열처리하는 것이며, 바람직하게는 410℃에서 3시간 동안 열처리한다.

상기 열처리의 목적은 열처리를 통하여 원하는 투자율(μ)을 구현하기 위해서이다. 투자율(μ)은 도 7a와 같이 열처리 온도가 410℃를 중심으로 400~420℃ 범위에서 바람직한 값을 나타내며, 열처리 시간은 도 7b와 같이 2~3시간일 때 높은 값을 나타내었다.

투자율이 높아지는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 코어 손실(Core loss)이 줄어들고, Bs가 커지며, 보자력(Hc)이 작아지고, 또한 각형비가 증가하게 된다.

상기 벌크 형태로 적층된 다수의 요크편(12a)은 열처리가 이루어진 후, 외부를 1차 함침하는 단계를 실시한다(S130). 즉, 상기 적층된 다수의 요크편(12a) 사 이 공간을 함침하고 다수의 요크편(12a) 사이의 접착을 위하여 점성이 낮은 에폭시를 이용하여 함침공정을 수행한다. 상기 에폭시 수지는 EM-1500H이다. 이후 에폭시 수지를 경화시키기 위하여 120℃ 온도에서 대략 2시간 동안 유지시켜 에폭시 수지를 경화하고 냉각시킨다.

이어서, 에폭시 수지로 1차 함침된 벌크형 적층 요크편(12a)은 제1지그(51)로부터 탈착된 후(S140), 2차 진공 함침 단계(S150)를 거친다.

2차 진공 함침 단계는 벌크형 적층 요크편(12a)의 완전한 함침 및 몰딩을 위하여 1x10^-2 torr로 진공을 뽑아 에폭시 수지를 이용하여 진공함침하고, 에폭시 수지를 경화시키기 위하여 120℃ 온도에서 대략 2시간 동안 유지시켜 에폭시 수지를 경화하고 냉각시키면 적층형 비정질 합금 백 요크(12)가 얻어진다.

상기 백 요크(12)의 자기 특성은 주 및 부 전기적 와인딩을 통하여 측정하였다. 코어 손실은 IWATSU SY-8232 B-H ANALYZER을 통하여 측정하였다. 상기 실시예를 통하여 제작된 백 요크는 저 주파수 및 2kHz 주파수 범위에서 낮은 코어 손실을 보인다.

도 8을 참조하면, 20Hz(0.02kHz) 주파수, 1.2T 자속밀도에서의 코어 손실은 약 0.3W/kg 이고, 60Hz(0.06Hz), 1.2T에서의 손실은 약 0.6W/kg 이며, 1kHz, 1.2T에서의 손실은 약12.7W/kg, 2kHz, 1.2T에서의 손실은 약 19.5W/kg이다. 이렇게 얻어진 낮은 값의 코어 손실을 통하여 상기 스테이터 코어가 고효율을 가지는 고속회전 모터에 적합함을 확인할 수 있다.

위 설명한 예는 바람직한 일 구현예에 불과하며, 두께 15 ~ 50 ㎛, 폭 25 ~ 300 mm 크기의 비정질(Fe, Co계) 자성합금 리본을 링 형태로 제작한 후 이를 적층하여 내경 10 ~ 250 mm, 외경 14 ~ 280 mm, 높이 5 ~ 200 mm의 크기를 가지는 링 형 또는 실린더형 백 요크를 제작할 수 있으며, 최대 자기 유도값을 향상시키기 위하여 열처리를 가할 수 있다. 비정질(Fe, Co계) 자성합금에 따른 열처리 조건은 노멀(Normal) 또는 질소 분위기에서, 무자장 열처리 또는 수 gauss ~ 1 kgauss의 자계 범위 내에서 400 ~ 420℃의 온도 범위 내에서 이루어진다. 백 요크 몰딩(함침)에 사용되는 수지는 위에서 설명한 에폭시 수지 외에 우레탄 바니쉬가 사용될 수 있다.

도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2지그를 이용한 단일 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층공정을 설명하기 위한 설명도이다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 단일 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층공정은 도 11a 및 도 11b에 도시된 제2지그(53)를 이용하여 다수의 요크편(12a)을 적층한다.

상기 제2지그(53)는 원형판(53b)의 상부면에 요크편(12a)의 외경보다 다소 크며 동일한 원주상에 봉형상의 다수, 예를 들어 4개의 가이드 돌기(53c)가 돌출 형성되고, 그의 상단에 적층된 다수의 요크편(12a)을 가압하여 적층 패킹 밀도를 높이기 위한 지그 캡(53a)이 결합된 구성으로 이루어져 있다.

도 11c는 다수의 요크편(12a)이 4개의 가이드 돌기(53c) 내부공간에 적층된 상태를 보여주는 정면도이고, 도 11d는 다수의 요크편(12a)이 4개의 가이드 돌 기(53c) 내부공간에 적층된 상태를 보여주는 평면도이다.

4개의 가이드 돌기(53c) 내부공간에 다수의 요크편(12a)을 적층하는 제2지그(53)는 제1지그(51)보다 적층된 다수의 요크편(12a)과 접촉하는 면적이 작게 된다. 그 결과, 제2지그(53)를 이용하여 다수의 요크편(12a)의 적층공정을 실시하는 것이 그 후 에폭시 수지를 이용한 1차 함침과 2차 진공 함침시에 다수의 요크편(12a)과 제2지그(53) 사이의 접촉하는 면적이 작게 되어 균일한 함침 및 몰딩이 이루어질 수 있게 된다. 그 결과 얻어진 백 요크(12)는 표면에 균일한 에폭시 수지가 몰딩되어 있다.

도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.

도 14를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법은 비정질 합금 리본(40)을 링형으로 에칭하여 다수의 요크편(12a)을 형성하는 단계(S200), 지그의 외부에 접착 방지용 오일을 도포하는 단계(S210), 지그를 이용하여 비정질 합금으로 이루어진 다수의 요크편(12a)을 적층하는 단계(S220), 벌크형으로 적층된 상기 다수의 요크편(12a)을 진공 함침하는 단계(S230), 상기 적층된 다수의 요크편(12a)을 지그로부터 탈착하는 단계(S240), 및 상기 벌크형으로 적층된 다수의 요크편(12a)을 열처리하여 백요크(12)를 형성하는 단계(S250)를 포함한다.

상기한 제2실시예에서 다수의 요크편(12a)을 형성하는 단계(S200)는 도 13에 도시된 제1실시예의 단계(S100)와 동일한 에칭방법에 의해 다수의 요크편(12a)이 형성되며, 지그를 이용한 다수의 요크편(12a)을 적층하는 단계(S220)는 단계(S110)와 동일한 방법으로 적층된다.

또한, 적층된 상기 다수의 요크편(12a)을 진공 함침하는 단계(S230)는 도 13에 도시된 단계(S150)와 동일한 동일하게 이루어지고, 상기 적층된 다수의 요크편(12a)을 지그로부터 탈착하여 상기 적층된 다수의 요크편(12a)을 열처리하는 단계(S240,S250)는 단계(S120)와 동일한 방법으로 이루어진다.

따라서, 상기한 제2실시예와 제1실시예의 차이점은 크게 열처리 단계(S250)가 진공함침이 이루어진 후에 실시되며, 이러한 공정 순서로 처리되는 경우 작업성이 높게 된다. 그러나, 열처리 온도가 410℃ 전후에서 이루어지므로 진공함침에 사용되는 접착제(절연제)는 내열성이 우수한 세라믹 계열의 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.

도 15를 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법은 비정질 합금 리본(40)을 링형으로 에칭하여 다수의 요크편(12a)을 형성하는 단계(S300), 상기 링형의 비정질 합금 요크편(12a) 각각에 롤링(rolling)에 의해 접착제를 도포하는 단계(S310), 제1 또는 제2 지그(51,53)를 이용하여 비정질 합금으로 이루어진 다수의 요크편(12a)을 적층하는 단계(S320), 상기 벌크형으로 적층된 다수의 비정질 합금 요크편(12a)을 지그로부터 탈착하는 단계(S330), 및 상기 벌크형으로 적층된 다수의 비정질 합금 요크편(12a)을 열처리 하여 백요크(12)를 형성하는 단계(S340)를 포함한다.

상기한 제3실시예에서 다수의 요크편(12a)을 형성하는 단계(S300)는 도 13에 도시된 제1실시예의 단계(S100)와 동일한 에칭방법에 의해 다수의 요크편(12a)이 형성되며, 지그를 이용한 다수의 요크편(12a)을 적층하는 단계(S320)는 단계(S110)와 동일한 방법으로 적층된다.

또한, 상기 적층된 다수의 요크편(12a)을 지그로부터 탈착하여 상기 적층된 다수의 요크편(12a)을 열처리하는 단계(S330,S340)는 단계(S120)와 동일한 방법으로 이루어진다.

따라서, 상기한 제3실시예와 제1실시예의 차이점은 크게 링형의 비정질 합금 요크편(12a) 각각에 롤링(rolling)에 의해 접착제를 도포하는 것에 의해 적층된 상기 다수의 요크편(12a)을 진공 함침하는 단계를 생략하였고, 열처리 단계(S340)가 지그로부터 탈착된 상태에서 이루어진다는 점이다.

도 16은 본 발명의 제4실시예에 따른 배열 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이다.

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도 16을 참조하면, 본 발명의 배열 적층형 비정질 합금 백 요크 제조방법은 비정질 합금 리본(40)을 도 12c와 같이 링형으로 에칭하여 2열로 배치된 다수의 요크편(12a)을 형성하는 단계(S400), 각 조의 링형 비정질 합금 요크편 별로 롤링(rolling)을 이용하여 접착제를 도포하는 단계(S410), 제3지그(55)를 이용하여 비정질 합금을 적층하는 단계(S420), 상기 비정질 합금을 제3지그(55)로부터 탈착 하는 단계(S430), 및 상기 벌크형으로 적층된 다수의 비정질 합금 요크편(12a)을 열처리하여 백요크(12)를 형성하는 단계(S440)를 포함한다.

상기한 제4실시예에서 다수의 요크편(12a)을 형성하는 단계(S400)는 도 12c와 같이 2열의 다수의 링형 요크편(12a)을 동시에 형성하고 이를 이용하여 도 12a 및 도 12b와 같은 제3지그(55)를 이용하여 다수의 요크편(12a)을 동시에 적층한다는 점에서 상기 제1 내지 제3 실시예와 차이가 있다.

그러나, 상기 적층된 다수의 요크편(12a)을 지그로부터 탈착하여 상기 적층된 다수의 요크편(12a)을 열처리하는 단계(S430,S440)는 단계(S120)와 동일한 방법으로 이루어진다.

상기한 2열의 다수의 링형 요크편(12a)을 동시에 형성하고 제3지그(55)를 이용하여 다수의 요크편(12a)을 동시에 적층하는 공정에 대하여는 이하여 도 12a 내지 도 12c를 참고하여 상세하게 설명한다.

도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 복수 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층공정은 제3지그를 이용하여 다수 조의 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층이 이루어진다.

제3지그(55)는 직사각형의 상자 형태로 이루어진 하우징 프레임(55a)의 바닥에 2열로 다수, 예를 들어 8개의 가이드 돌기(55b)가 돌출되어 있는 구조를 가지고 있다.

본 실시예에서는 비정질 합금 리본으로부터 요크편(12a)을 제작할 때 상기 다수의 가이드 돌기(55b)에 대응하도록 도 12c에 도시된 바와 같이 8개의 요크 편(12a)이 미세 연결라인(12b)을 통하여 4각형상의 지지 프레임(12c)에 연결되도록 비정질 합금 리본을 식각하여 형성하는 것이 바람직하다.

이 경우, 8개의 요크편(12a)이 미세 연결라인(12b)을 통하여 4각형상의 지지 프레임(12c)에 지지되는 8개의 요크편(12a)은 한번에 다수의 가이드 돌기(55b)에 적층이 이루어지게 되어 생산성이 향상된다.

도 17은 본 발명의 제5실시예에 따른 권취형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트이고, 도 18은 본 발명의 제5실시예에 따른 권취형 비정질 합금 백 요크의 공정 모식도이다.

도 17을 참조하면, 본 발명의 권취형 비정질 합금 백 요크의 제조방법은 슬리팅을 통하여 백 요크(12)의 높이를 결정하고 비정질 합금 리본(40)을 절단하는 단계(S500), 권취기(60)를 이용하여 비정질 합금 리본(40)을 보빈(62)에 와인딩하는 단계(S510), 와인딩에 따른 백 요크 외경을 결정하는 단계(S520), 상기 권선이 완료된 후 비정질 합금 리본의 끝단(46)을 스포팅하는 단계(S530), 상기 스포팅이 완료된 권취된 비정질 합금 리본을 권취기(60)로부터 탈착하는 단계(S540), 상기 권취된 비정질 합금 리본을 열처리하는 단계(S550), 권취된 상기 비정질 합금 리본을 진공 함침하는 단계(S560), 및 권취된 상기 비정질 합금 리본으로부터 보빈(62)을 제거하여 백 요크(12b)를 형성하는 단계(S570)를 포함한다.

도 17을 참조하면, 비정질 합금 리본(40)을 권취기(60)에 걸고 고무재질의 장력 조절기(64)를 이용하여 장력(Tension)을 조절해가면서 백 요크(12b)의 내경과 동일한 외경으로 설정된 보빈(62) 위에 상기 비정질 합금 리본(40)을 백 요크(12b) 의 외경에 도달할 때 까지 권취시킨다.

상기 원하는 외경에 도달하면 리본을 절단하고 끝단을 스포팅 용접에 의해 고정시키고, 상기한 열처리 공정과 함침 공정을 진행한 후, 보빈을 제거하여 백 요크(12b)를 얻게 된다.

본 발명의 비정질 합금으로 이루어진 링형 또는 실린더형 백 요크를 이용하면, 정밀공작 기계(고속 Spindle 모터), 고속진공 펌프, 각종 터빈, 압축기, 하드 디스크 드라이버 모터(Hard disk driver motor) 등 고속 모터를 제조할 수 있으며, 제조된 모터용 스테이터는, 점적율 80% 이상, 포화자속밀도 1.5T 이상의 특성을 가진다.

한편, 상기한 제3 및 제4 실시예에서는 비정질 합금 요크편을 제작하고 접착제를 도포한 후 적층공정을 진행하였으나, 함침공정을 진행한 후 적층공정을 진행하는 것도 가능하다.

또한, 이 경우 열처리를 적층공정 이후에 진행하는 것 대신에 열처리를 먼저하고 함침공정을 진행하는 것도 가능하다.

즉, 본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명은 비정질 재료를 사용하여 제조되고, 티스가 형성되지 않는 슬롯레스(slotless) 타입의 실린더형 비정질 합금 백 요크, 이를 이용한 슬롯레스 모터, 및 그의 제조방법에 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 슬롯레스/코어레스 모터의 길이방향 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 스테이터의 제조방법을 설명하기 위한 제조공정도,

도 3은 본 발명에 사용되는 3개의 코일유닛의 조립방법을 설명하기 위한 설명도,

도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따라 얻어진 3개의 1차 성형된 코일유닛의 조립방법을 설명하기 위한 권선의 전개도 및 2차 성형된 코일 어셈블리를 나타낸 사시도,

도 4c는 본 발명의 3상 구동코일에 대한 Y방식 결선도,

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따라 얻어진 3개의 1차 성형된 코일유닛의 조립방법을 설명하기 위한 권선의 전개도,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 벌크 비정질 합금으로 이루어진 원통형 백 요크를 도시한 사시도,

도 7a 및 도 7b는 각각 본 발명에 따른 원통형 백 요크 제조 시 열처리 온도 및 열처리 시간에 따른 투자율 변화를 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명에 따른 원통형 백 요크의 코어 손실을 나타낸 그래프,

도 9a 내지 도 9d는 본 발명에 따른 백 요크용 비정질 합금 요크편의 제조공정을 나타낸 공정 단면도,

도 10a 내지 도 10d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 제1지그를 이용한 단일 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층공정을 나타낸 설명도,

도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 다른 실시예에 따른 제2지그를 이용한 단일 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층공정을 설명하기 위한 설명도,

도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제3지그를 이용한 복수 적층형 벌크 비정질 합금 백 요크의 적층공정 설명하기 위한 설명도,

도 13은 본 발명의 제1실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트,

도 14는 본 발명의 제2실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트,

도 15는 본 발명의 제3실시예에 따른 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트,

도 16은 본 발명의 제4실시예에 따른 배열 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트,

도 17은 본 발명의 제5실시예에 따른 권취형 비정질 합금 백 요크의 제조공정을 나타낸 플로우 차트,

도 18은 본 발명의 제5실시예에 따른 권취형 비정질 합금 백 요크의 공정 모식도이다.

Claims (18)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서,

   비정질 합금 리본을 링형으로 에칭하는 단계;

   지그의 외부에 접착 방지용 오일을 도포하는 단계;

   상기 지그를 이용하여 상기 비정질 합금 리본 요크편을 적층하는 단계;

   적층된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 진공 함침하는 단계;

   상기 비정질 합금 리본 요크편을 상기 지그로부터 탈착하는 단계; 및

   적층된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법.
10. 단일 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서,

    비정질 합금 리본을 링형으로 에칭하는 단계;

    링형의 상기 비정질 합금 리본 요크편 각각에 롤링(rolling)을 이용하여 접착제를 도포하는 단계;

    지그를 이용하여 상기 비정질 합금 리본 요크편을 적층하는 단계;

    상기 비정질 합금 리본 요크편을 상기 지그로부터 탈착하는 단계; 및

    상기 적층된 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 실린더 형 백 요크의 제조방법.
11. 배열 적층형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서,

    비정질 합금 리본을 에칭하여 링형상으로 이루어지며 링 사이를 상호 연결하는 다수의 미세연결라인을 갖는 다수의 요크편을 형성하는 단계와;

    상기 비정질 합금으로 이루어진 다수의 링형상 요크편에 접착제를 도포한 후 다수의 가이드 돌기가 형성된 조립 지그를 사용하여 미리 설정된 길이의 실린더 형태로 적층하는 단계와;

    상기 적층된 비정질 합금 리본 요크편을 상기 지그로부터 탈착하는 단계; 및

    상기 적층된 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법.
12. 권취형 비정질 합금 백 요크의 제조방법에 있어서,

    실린더형 백 요크의 길이에 따라 비정질 합금 리본의 폭을 결정하고 비정질 합금 리본을 슬리팅하는 단계;

    권취기를 이용하여 상기 비정질 합금 리본을 와인딩하는 단계;

    상기 와인딩에 따른 스테이터의 외경을 결정하는 단계;

    권선된 상기 비정질 합금 리본의 끝단을 스포팅하는 단계;

    스포팅이 완료된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 와인더로부터 탈착하는 단계;

    권취된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 열처리하는 단계;

    권취된 상기 비정질 합금 리본 요크편을 진공 함침하는 단계; 및

    권취된 상기 비정질 합금 리본 요크편으로부터 보빈을 제거하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크의 제조방법.
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제
16. Fe 또는 Co계 비정질 합금 리본을 에칭하고, 에칭된 상기 비정질 자성 합금을 적층하여 슬롯이 형성되지 않은 실린더형 백 요크를 제조하는 단계;

    본딩 와이어를 권선하여 소정수의 코일유닛을 형성하는 코일 권선단계;

    상기 권선된 코일 유닛을 원통형으로 가조립한 후 외주부에 절연 테이프로 테이핑하여 원통형 코일 어셈블리를 준비하기 위한 코일유닛 조립단계;

    상기 가조립된 원통형 코일 어셈블리를 상기 실린더형 백 요크 내부에 조립하여 코일 어셈블리를 압착 성형하여 슬롯레스/코어레스 스테이터를 형성하는 단계; 및

    상기 스테이터의 내부에 양단부가 회전 가능하게 지지되는 로터를 결합하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크를 이용한 슬롯레스 모터 제조방법.
17. Fe 또는 Co계 비정질 합금 리본을 권취기를 이용하여 권취하여 슬롯이 형성되지 않은 실린더형 백 요크를 제조하는 단계;

    본딩 와이어를 권선하여 소정수의 코일유닛을 형성하는 코일 권선단계;

    상기 권선된 코일 유닛을 원통형으로 가조립한 후 외주부에 절연 테이프로 테이핑하여 원통형 코일 어셈블리를 준비하기 위한 코일유닛 조립단계;

    상기 가조립된 원통형 코일 어셈블리를 상기 실린더형 백 요크 내부에 조립하여 코일 어셈블리를 압착 성형하는 단계; 및

    상기 압착 성형된 코일 어셈블리의 내부에 양단부가 회전 가능하게 지지되는 로터를 결합하는 단계를 포함하는 실린더형 백 요크를 이용한 슬롯레스 모터 제조방법.
18. 권선된 비정질 합금 리본을 미리 설정된 길이로 절단하는 단계와;

    상기 비정질 합금 리본의 일측면을 에칭액에 저항성을 갖는 보호막으로 코팅하는 단계와;

    상기 비정질 합금 리본의 타측면 위에 다수의 링형상을 이루며, 링 사이를 상호 연결하는 다수의 미세연결라인을 갖는 식각 마스크를 형성하는 단계와;

    상기 식각 마스크가 형성된 상기 비정질 합금 리본의 노출된 부분을 에칭액으로 제거하여 링형상으로 이루어지며 링 사이를 상호 연결하는 다수의 미세연결라인을 갖는 다수의 요크편을 형성하는 단계와;

    상기 비정질 자성 합금으로 이루어진 링형상 다수의 요크편을 다수의 가이드 돌기가 형성된 조립 지그를 사용하여 미리 설정된 길이의 실린더 형태로 적층하는 단계와;

    상기 적층된 실린더형 다수의 요크편을 수지로 함침하는 단계와;

    자기 특성을 향상시키기 위하여 상기 수지가 함침된 실린더형 요크편을 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 슬롯레스/코어레스형 스테이터용 백 요크의 제조방법.

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