KR101187919B1 - 회전자 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 중심축으로서 일방향으로 연장된 샤프트와, 샤프트의 외주에 배치되는 자력 부재와, 자력 부재를 둘러싸도록 배치되며 샤프트를 향하여 자력 부재가 밀착되도록 가압하는 슬리브 부재, 및 자력 부재 및 슬리브 부재 사이에 개재되는 완충 부재를 포함하는 회전자를 제공한다.

Description

회전자 및 그 제조 방법{Rotor and manufacturing method thereof}

본 발명은 회전자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 모터는 가전제품에서부터 공장자동화 및 교통수단 등에 이르기까지 일상생활에 널리 사용되고 있으며 활용분야가 폭넓게 적용되고 있다. 또한, 모터는 그 종류가 다양하고, 최근에는 높은 효율의 영구자석이 설치되는 무정류자(Brushless)모터가 많이 사용되고 있는데, 이는 직류 모터에서 브러시, 정류자 등 기계적인 접촉부를 없애고, 전자적인 정류 기구를 설치한 직류 모터로 미래형 고효율 모터로서 각광을 받고 있으며, 또한 수명이 길고, 정류자와 브러시가 삭제된 구조에 따라 전기적, 기계적 노이즈가 발생되지 않는다는 장점이 있어 사용범위가 매우 넓다. 그리고, 무정류자 직류 모터는 가/변속제어가 가능한 모터로서, 어느 특정 회전체를 필요에 따라 고속 및 저속으로 회전시켜 주기 위해 주로 사용된다.

모터의 회전자에 구비된 자력 부재의 상하에 자석 부재의 치수보다 큰 간극이 발생하면, 간극에 의하여 고속으로 회전하는 회전자가 구조적으로 불안정하게 되어 진동이 발생하며, 전기적으로 손실이 발생할 수 있다.

본 발명의 일실시예는, 회전자가 고속으로 회전하더라도 각 부재가 이탈하지 않는 구조적으로 안정적인 회전자 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 중심축으로서 일방향으로 연장된 샤프트; 상기 샤프트의 외주에 배치되는 자력 부재; 상기 자력 부재를 둘러싸도록 배치되며, 상기 샤프트를 향하여 상기 자력 부재가 밀착되도록 가압하는 슬리브 부재; 및 상기 자력 부재 및 상기 슬리브 부재 사이에 개재되는 완충 부재;를 포함하는 회전자를 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 슬리브 부재는, 상기 완충 부재의 외주를 따라 감긴 필라멘트 밴드를 포함하는 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 필라멘트 밴드는, 유리 섬유와 카본 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 완충 부재는 탄성을 갖는 소재를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 완충 부재는 탄성 중합체를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 자력 부재는, 상기 샤프트의 외주에 상호 이격되어 배치된 복수의 자석을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 샤프트는 알루미늄을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 샤프트의 외주 상에 자력 부재를 배치하는 단계; 상기 자력 부재의 외주에 완충 부재를 형성하는 단계; 상기 완충 부재 상에 슬리브 부재를 형성하는 단계; 및 상기 샤프트, 상기 자력 부재, 상기 완충 부재, 및 상기 슬리브 부재가 구비된 구조를 가열 및 냉각시키는 단계;를 포함하는 회전자의 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 완충 부재를 형성하는 단계는, 상기 자력 부재의 외주면에 탄성 중합체를 코팅하여 상기 완충 부재를 형성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 슬리브 부재를 형성하는 단계는,상기 완충 부재의 외주면에 필라멘트 밴드를 와인딩 처리하여 상기 슬리브 부재를 형성할 수 있다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 필라멘트 밴드는 유리 섬유와 카본 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 일실시예에 따르면, 자력 부재와 슬리브 부재 사이에 완충 부재를 개재함으로써, 샤프트와 슬리브 부재 간 열팽창율 차이의 문제를 해소할 수 있고, 가열과 냉각의 성형과정을 통해 발생할 수 있는 자력 부재의 크랙을 방지할 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예예 따르면, 고속 회전시 회전자에 포함된 자력 부재의 외부이탈을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자가 구비된 모터를 나타낸 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 회전자의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5 내지 도 9는 도 4의 각 단계에 따른 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 10 및 도 11은 샤프트, 자력 부재, 완충 부재, 및 슬리브 부재로 이루어진 회전자를 가열하기 전 후 각 부재의 상태를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자가 구비된 모터를 나타낸 종단면도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자를 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 취한 회전자의 횡단면도이다.

도 1을 참조하면, 모터(1)는 중앙을 관통하도록 설치된 원통형의 회전자(30) 및 회전자(30)의 외주에 회전자(30)를 둘러싸도록 배치되는 고정자(20)를 포함할 수 있다. 회전자(30)는 자력 부재(32)를 포함하며, 고정자(20)는 회전자(30)에 대하여 자기력이 미치는 간극을 사이에 두고 하우징(10)에 고정된다. 고정자(20)는 자성체로 된 코어부(22)와 코어부(22)에 감겨있는 권선부(21)를 포함할 수 있으며, 가동 신호로서 고정자(20)에 입력된 구동 전류와 자력 부재(32) 간의 전자기적인 상호 작용에 의하여 회전자(30)가 회전하게 된다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 회전자(30)는 회전축과 동일선상에 배치된 샤프트(31), 샤프트(31)의 외주에 배치된 자력 부재(32), 자력 부재(32) 상에 구비된 완충 부재(33), 및 슬리브 부재(34)를 포함한다.

샤프트(31)는 대략 원통형으로서 금속 소재를 포함할 수 있다. 예컨대, 샤프트(31)는 알루미늄, 철 등과 같은 소재를 포함할 수 있다. 샤프트(31)의 양단은 단차진 형상을 포함할 수 있다.

자력 부재(32)는 고정자(20)와의 전자기적인 상호작용을 통해, 입력된 전기적 에너지로부터 소정의 회전력을 발생시킨다. 자력 부재(32)는 샤프트(31)의 외주에 샤프트(31)를 둘러싸도록 형성되며, 복수개로 분할된 영구 자석들을 포함할 수 있다. 복수의 영구 자석은 샤프트(31)를 중심으로 방사상이 되도록 대략 동일한 간격으로 배치될 수 있다. 영구 자석의 축방향의 길이는 회전자(30)의 유효 길이와 실질적으로 동일하다. 이 경우, 회전자(30)의 유효 길이는 회전자(30)의 회전에 영향을 미치는 전자기적 상호 작용을 발생시키는 부분에 대응하는 길이이다.

완충 부재(33)는 자력 부재(32)를 둘러싸도록 배치되며, 샤프트(31)와 자력 부재(32)의 팽창율 간 차이를 보상해준다. 완충 부재(33)는 탄성을 갖는 소재를 포함한다. 예컨대, 완충 부재(33)는 탄성 중합체(elastomer)를 포함할 수 있다.

완충 부재(33)의 두께는 슬리브 부재(34)에 대한 샤프트(31)와 자력 부재(32)의 팽창율을 고려하여 설계될 수 있다. 완충 부재(33)의 기능은 이하 도 10 및 도 11을 참조하여 해당 부분에서 후술한다.

슬리브 부재(34)는 고속 회전에 따른 윈심력에 의해 영구 자석이 샤프트(31) 상에서 이탈되지 않도록 구속하기 위해, 샤프트(31)의 라디얼(radial) 방향을 따라 순서대로 배치된 자력 부재(32), 및 완충 부재(33)를 소정의 압력으로 둘러싼다. 슬리브 부재(34)는 모터(1)의 동작 온도 범위에도 불구하고 영구 자석이 이탈되지 않도록, 열팽창 계수가 매우 낮은 소재를 사용할 수 있다.

슬리브 부재(34)는 소정의 너비를 갖는 필라멘트 밴드가 상기 완충 부재(33)의 외주에 감겨 형성될 수 있다. 필라멘트 밴드는 유리 섬유(glass fiber), 탄소 섬유(carbon fiber)와 같은 소재를 포함할 수 있다.

엔드 플레이트(35)는 샤프트(31)의 양단에 구비되어 회전자(30)의 양단을 둘러싼다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전자의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이며, 도 5 내지 도 9는 도 4의 각 단계에 따른 상태를 개략적으로 나타낸 사시도이다. 도 5 내지 도 9에서는 샤프트가 실질적으로 자력 부재에 의해 둘러싸이고, 자력 부재가 실질적으로 완충 부재에 의하여 둘러싸이며, 완충 부재가 실질적으로 슬리브 부재에 의하여 둘러싸인 회전자의 경우로 설명한다.

단계 S410에서, 샤프트(81) 상에 자력 부재(82)를 배치한다. 도 4 및 도 5를 참조하면, 원통형 샤프트(81)의 외주를 따라 소정의 두께를 갖는 복수의 영구 자석을 소정의 간격 이격시켜 배치할 수 있다. 예컨대, 영구 자석은 접착제를 사용하여 샤프트(81)에 부착될 수 있다. 영구 자석은 사마륨 코발트, 네오디뮴 철보론과 같은 희토류 자석을 포함할 수 있다.

단계 S420에서, 자력 부재(82) 상에 완충 부재(83)를 형성한다. 완충 부재(83)는 탄성을 갖는 소재를 포함하며, 예컨대 탄성 중합체(elastomer)를 포함할 수 있다. 도 7을 참조하면, 완충 부재(83)는 코팅 방식에 의해 형성될 수 있다. 스프레이 장치(700)를 이용하여 자력 부재(82) 상에 탄성 중합체를 균일한 두께로 도포할 수 있다. 이 때, 도포되는 탄성 중합체는 자력 부재(82)의 유효 길이와 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다.

단계 S430에서, 완충 부재(83) 상에 슬리브 부재(84)를 형성한다. 도 8을 참조하면, 와인딩 공법에 따라 소정의 너비를 갖는 필라멘트 밴드(84b)를 슬리브 부재(84) 상에 감을 수 있다. 이 때, 필라멘트 밴드(84b)는 유리 섬유 또는 탄소 섬유를 포함할 수 있다.

필라멘트 공급부(810)는 일 방향으로 회전하면서 필라멘트 밴드(84b)를 공급한다. 필라멘트 공급부(810)에 의해 공급된 필라멘트 밴드(84b)는 접착 물질(R)이 포함된 접착부(820)를 통과한다. 접착부(820)를 통과한 필라멘트 밴드(84b)의 일면에는 접착 물질(R)이 얇게 도포된다. 접착 물질(R)로는 에폭시와 같은 수지재를 사용할 수 있다.

접착 물질(R)이 묻은 필라멘트 밴드(84b)는 이송용 롤러(815, 825) 및 샤프트(81)의 회전 동작에 의하여 완충 부재(83)의 외주면 상에 감기면서 접착된다. 이 때, 샤프트(81)의 회전 속도, 이송용 롤러(815, 825)의 회전 속도 등을 조절함으로써 필라멘트 밴드(84b)를 완충 부재(83) 표면에 장력을 가하면서 감아 접착시킬 수 있다.

단계 S440에서, 와인딩 공법에 의해 슬리브 부재(84)의 형성이 완료된 회전자 구조를 성형할 수 있다. 예컨대, 회전자 구조를 가열 및 냉각시켜 경화시킬 수 있다. 성형에 필요한 온도 및 시간은 성형 환경에 따라 조절할 수 있다. 온도 범위는 상온에서부터 필라멘트 밴드(84b)의 경화 온도 범위에 이르기 까지 다양하게 선택될 수 있으며, 이 때 온도 범위는 자력 부재(82)의 자성을 잃지 않는 범위에서 선택된다.

본 발명의 일 실시예로서, 상온에서는 샤프트(81), 자력 부재(82), 완충 부재(83) 및 슬리브 부재(84)의 회전자 구조를 수십 시간 동안 노출시켜 성형할 수 있다. 또 다른 실시예로서, 약 150℃온도에서는 샤프트(81), 자력 부재(82), 완충 부재(83) 및 슬리브 부재(84)의 회전자(80) 구조를 약 2~3시간 정도 가열한 후 냉각시켜 필라멘트 밴드(84b)를 경화시킬 수 있다. 가열 및 냉각 과정을 통해 필라멘트 밴드(84b)가 경화되면, 도 9에 도시된 바와 같은 회전자(80)를 얻을 수 있다.

도 10은 샤프트(81), 자력 부재(82), 완충 부재(83) 및 슬리브 부재(84)의 구조를 가열한 경우 각 부재의 열팽창 상태를 발췌하여 나타낸 단면도이고, 도 11은 냉각시킨 경우에 각 부재의 수축 상태를 발췌하여 나타낸 단면도이다. 이하에서는 샤프트(81)가 알루미늄을 포함하고, 슬리브 부재(84)가 유리 섬유를 포함하는 경우를 가정하여 설명한다.

도 10을 참조하면, 단계 S440에서 설명한 바와 같이 샤프트(81), 자력 부재(82), 완충 부재(83) 및 슬리브 부재(84)의 구조에 열을 가하면 각 부재는 고유의 열팽창 계수에 의하여 부피가 팽창할 수 있다.

예컨대, 알루미늄의 열팽창 계수는 약 23.9×10-6/℃의 비교적 큰 값이므로 가열에 의해 샤프트(81)는 라디얼 방향으로 팽창하게 된다. 반면, 유리 섬유의 열팽창 계수는 약 10×10-6/℃의 비교적 작은 값이므로 슬리브 부재(84)는 가열되더라도 거의 팽창하지 않는다. 이와 같은 상태에서, 슬리브 부재(84)와 자력 부재(82) 사이에 개재된 완충 부재(83)는 샤프트(81) 및 자력 부재(82)의 팽창을 수용하면서 그 두께가 상대적으로 줄어들게 된다.

도 11을 참조하면, 가열 후 냉각됨에 따라 알루미늄을 포함하는 샤프트(81)는 본래 상태로 수축되며, 따라서 샤프트(81)와 자력 부재(82)는 가열되기 전의 위치로 되돌아 오게 된다. 한편, 슬리브 부재(84)는 열팽창 계수가 매우 작은 값이므로 거의 변화가 일어나지 않는다. 이와 같은 상태에서, 완충 부재(83)는 고유의 탄성 복원력에 의하여 본래의 두께를 회복하면서 슬리브 부재(84)와 자력 부재(82) 사이의 공간에 자리잡게 된다.

본 발명의 비교예로써 완충 부재(83)가 구비되지 않은 경우와 비교하면 다음과같다.

샤프트의 중심으로부터 라디얼 방향을 따라 순서대로 샤프트, 자력 부재, 및 슬리브 부재를 포함하는 회전자에 열을 가하면, 열팽창 계수가 큰 샤프트는 팽창하게 되며, 샤프트의 팽창에 따라 슬리브 부재도 탄성 한계 이상의 힘을 받아 변형이 생길 수 있다. 또한, 자력 부재는 열팽창 계수가 큰 샤프트와 열팽창 계수가 낮은 슬리브 부재 사이의 팽창율 차이에 의하여 크랙이 발생할 수 있다.

가열된 회전자를 냉각시키면, 열팽창 계수가 큰 샤프트는 수축되는데 반하여 슬리브 부재는 부재안에 남아있는 잔류응력에 의해 본래의 상태로 수축되지 않으므로, 자력 부재와 슬리브 사이에는 빈 공간이 생기게 된다. 빈 공간은 회전자의 회전 운동의 안정성을 저해한다.

그러나, 본 발명의 실시예에 따른 회전자(80)는 자력 부재(82)와 슬리브 부재(84) 사이에 완충 부재(83)를 개재함으로써, 샤프트(81)와 슬리브 부재(84) 간 열팽창율 차에 의한 문제를 해소할 수 있다.

회전자의 회전에 따른 원심력은 회전 속도의 제곡에 비례하여 증가하므로므로, 회전자를 구성하는 각 부재의 결합이 약하거나 일정하지 않은 경우 각각의 부재, 특히 자력 부재가 샤프트로부터 이탈하기 쉽다. 그러나 본 발명에 따른 회전자는, 상기와 같은 구조를 통해 회전자가 고속으로 회전하더라도 자력 부재가 외부로 이탈하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

이상에서는 회전자가 모터에 사용되는 경우를 설명하였으나, 본 발명의 실시예에 따른 회전자는 발전기에도 사용될 수 있음은 물론이다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

1: 모터 10: 하우징
20: 고정자 21: 권선부
22: 코어부 30, 80: 회전자
31, 81: 샤프트 32, 82: 자력 부재
33, 83: 완충 부재 34, 84: 슬리브 부재
35: 엔드 플레이트 84b: 필라멘트 밴드
700: 스프레이 장치 810: 필라멘트 공급부
815, 825: 이송용 롤러 820: 접착부
R: 접착 물질

Claims (11)

1. 중심축으로서 일방향으로 연장된 샤프트;
   상기 샤프트의 외주에 배치되는 자력 부재;
   상기 자력 부재를 둘러싸도록 배치되며, 상기 샤프트를 향하여 상기 자력 부재가 밀착되도록 가압하는 슬리브 부재; 및
   상기 자력 부재 및 상기 슬리브 부재 사이에 개재되는 완충 부재;를 포함하며,
   상기 슬리브 부재는, 상기 완충 부재의 외주를 따라 감긴 필라멘트 밴드를 포함하는 회전자.
2. 삭제
3. 청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 필라멘트 밴드는,
   유리 섬유와 카본 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하는 회전자.
4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 완충 부재는 탄성을 갖는 소재를 포함하는 회전자.
5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제4항에 있어서,
   상기 완충 부재는 탄성 중합체를 포함하는 회전자.
6. 제1항에 있어서,
   상기 자력 부재는,
   상기 샤프트의 외주에 상호 이격되어 배치된 복수의 자석을 포함하는 회전자.
7. 청구항 7은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

   제1항에 있어서,
   상기 샤프트는 알루미늄을 포함하는 회전자.
8. 샤프트의 외주 상에 자력 부재를 배치하는 단계;
   상기 자력 부재의 외주에 완충 부재를 형성하는 단계;
   상기 완충 부재 상에 슬리브 부재를 형성하는 단계; 및
   상기 샤프트, 상기 자력 부재, 상기 완충 부재, 및 상기 슬리브 부재가 구비된 구조를 가열 및 냉각시키는 단계;를 포함하는 회전자의 제조 방법.
9. 제8항에 있어서,
   상기 완충 부재를 형성하는 단계는,
   상기 자력 부재의 외주면에 탄성 중합체를 코팅하여 상기 완충 부재를 형성하는 회전자의 제조 방법.
10. 제8항에 있어서,
    상기 슬리브 부재를 형성하는 단계는,
    상기 완충 부재의 외주면에 필라멘트 밴드를 와인딩 처리하여 상기 슬리브 부재를 형성하는 회전자의 제조 방법.
11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.

    제10항에 있어서,
    상기 필라멘트 밴드는 유리 섬유와 카본 섬유 중 적어도 어느 하나를 포함하는 회전자의 제조 방법.
    

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