KR101284317B1 - 분말코어 및 이를 이용한 차량용 모터 - Google Patents

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Abstract

차량용 모터에 사용되는 스테이터의 분말코어로서, 금속재 분말로 성형되며, 모터의 외측에 위치되는 외측부와 내측에 위치되는 내측부 및 외측부와 내측부 사이를 연결하며 권선이 감기는 권취부로 구성되고, 권취부는 모서리가 라운딩 처리되도록 형성되고 높이는 내측부의 높이보다 작게 형성되며, 권취부와 내측부의 접하는 부분은 사선형태로 자연스럽게 이어지도록 형성되는 분말코어 및 이를 이용한 차량용 모터가 소개된다.

Description

분말코어 및 이를 이용한 차량용 모터 {CORE FORMED FROM POWER AND MOTOR FOR VEHICLE USING THE SAME}
본 발명은 기존의 전기강판 대신에 높은 형상자유도를 적용할 수 있는 모터에 사용되는 분말성 코어 및 이를 이용한 차량용 모터에 관한 것이다.
차량의 전장화 되고 친화경화 되면서 기존의 유압에 의한 구동되는 시스템에서 전기에 의해 구동되는 시스템으로 진화되고 있다. 이로 인해 차량에 적용되고 있는 모터의 종류 및 수량도 증가되고 있다. 고급차량의 경우 100여종 이상으로 적용되고 있다.
이와 같이 모터 수요가 증가함에 따라 모터의 소형경량화에 대한 요구가 증가하고 있다. 그러한 예로, 기존 DC모터에서 BLDC모터 등으로 구조 변경하거나, 자석 재질을 고성능자석으로 변경함으로써 소형경량화 하고 있다. 또한 차량의 고주파화 및 고회전에 의해 모터 고출력화 및 소형화를 이바지할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 모터를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 모터에 사용되는 스테이터 코어를 나타낸 도면으로서, 종래에는 모터(70)에서 많은 부피를 차지하고 있는 코어(30)로 적층형 전기강판(32)이 적용되고 있는데 이 전기강판(32)은 높은 자속밀도와 높은 투자율, 그리고 높은 강도 등 장점을 지니고 있어 차량용 모터코어(30)로 널리 적용되고 있다.
그러나, 전기강판(32)은 2D자기회로만 형성이 되고, 형상자유도가 떨어지는 단점을 지니고 있다. 그래서 모터(70)설계 시 전기강판(32)의 제한된 구조를 반영할 수밖에 없다. 예를 들어 전기강판 코어(30)의 내측에는 로터(10)가 위치하고 외부에 권선(60)이 감기는데 높은 권선 Ending부가 존재할 수밖에 없으며, 이러한 것에 의해 모터 축길이는 증가할 수밖에 없다.
또한, 기존 권선(60)으로 구리 권선을 일반적으로 적용하고 있는데 구리의 고가의 원료로 인해 높은 권선 단가를 지니고 있고 구리의 높은 중량으로 인해 권선 무게가 증가되는 문제점도 지니고 있다.
그리고, 기존품인 전기강판(32)은 낮은 형상자유도로 인해서 모서리를 날카롭게 밖에 할 수 없다. 그래서 권선(60)의 피복이 벗겨지는 문제점이 있기 때문에 인슐레이터(50) 등의 절연 부품을 추가로 코어 외부에 부착해서 권선의 피복방지를 할 수밖에 없었던 문제도 있었다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 등방성 분말코어의 높은 형상자유도를 이용하여 모터 코어에 적용함으로써 모터의 소형경량화 및 권선 사용량을 줄일 수 있으며, 구리알루미늄 권선을 이용함으로써 권선 중량을 50% 절감할 수 있는 분말코어 및 이를 이용한 차량용 모터을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 분말코어는, 차량용 모터에 사용되는 스테이터의 분말코어로서, 금속재 분말로 성형되며, 모터의 외측에 위치되는 외측부와 내측에 위치되는 내측부 및 외측부와 내측부 사이를 연결하며 권선이 감기는 권취부로 구성되고, 권취부는 모서리가 라운딩 처리되도록 형성되고 높이는 내측부의 높이보다 작게 형성되며, 권취부와 내측부의 접하는 부분은 사선형태로 자연스럽게 이어지도록 형성될 수 있다.
상기 분말코어는 50~200㎛ 크기의 순철입자에 100㎚두께 이하(0은 불포함)의 인산염 코팅이 된 금속분말로 성형될 수 있다.
상기 분말코어는 금속분말과 폴리아마이드계 윤활제를 함께 온도 70~100℃ 압력 7~11ton/㎠의 조건에서 가압성형 후 온도 500~600℃에서 20~60분간 열처리하여 제조될 수 있다.
상기 분말코어는 밀도가 7~8g/cc이며, 부분 밀도차이는 0.05g/cc이내(0은 불포함)일 수 있다.
상기 권취부는 단면이 원형 또는 타원형이 되도록 형성될 수 있다.
상기 권취부는 높이가 내측부 높이의 0.7배 이상이 되도록 형성될 수 있다.
상기 외측부는 권취부와 높이가 같거나 크게 형성되되 내측부보다 높이가 작게 형성될 수 있다.
한편, 상기 분말코어를 이용한 차량용 모터는, 금속재 분말로 성형되며, 모터의 외측에 위치되는 외측부와 내측에 위치되는 내측부 및 외측부와 내측부 사이를 연결하며 권선이 감기는 권취부로 구성되고, 권취부는 모서리가 라운딩 처리되도록 형성되고 높이는 내측부의 높이보다 작게 형성되며, 권취부와 내측부의 접하는 부분은 사선형태로 자연스럽게 이어지도록 형성된 스테이터의 분말코어; 및 상기 분말코어의 권취부에 감기며, 알루미늄 모선과 알루미늄 모선을 감싸는 구리 스트립으로 구성된 권선;을 포함한다.
상기 권선은 전체 조성에서 구리함량이 15~30 vol%일 수 있다.
상기 권선은 알루미늄 모선에 구리 스트립이 감싸지고, 구리 스트립의 마주 접하는 단부가 용접으로 고정되어 형성될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 분말코어 및 이를 이용한 차량용 모터에 따르면, 등방성 분말코어의 높은 형상자유도를 이용하여 모터 코어에 적용함으로써 모터 소형경량화 및 권선 사용량을 줄일 수 있다.
또한 고밀도화할 수 있는 모터 코어를 형상설계하고 고밀도 성형 제조 방법을 통하여 고밀도 연자성 분말코어 제조함으로써 모터 성능 향상에 효과적이다.
그리고, 기타 구리권선 대신에 구리알루미늄 권선제조 기술을 이용하고 모터 권선에 응용함으로써 권선 중량을 50% 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 차량용 모터를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 모터에 사용되는 스테이터 코어를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말코어를 나타낸 도면.
도 4는 도 3에 도시된 분말코어의 A-A선을 따라 절개한 단면도.
도 5는 도 3에 도시된 분말코어의 B-B선을 따라 절개한 단면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 차량용 모터의 권선을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 일 실시예 따른 차량용 모터를 나타낸 도면.
도 8 내지 9는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 성능을 종래의 모터 성능과 비교한 그래프.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 분말코어 및 이를 이용한 차량용 모터에 대하여 살펴본다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분말코어를 나타낸 도면이고, 도 4는 도 3에 도시된 분말코어의 A-A선을 따라 절개한 단면도이며, 도 5는 도 3에 도시된 분말코어의 B-B선을 따라 절개한 단면도이다.
본 발명의 분말코어는, 차량용 모터(M)에 사용되는 스테이터의 분말코어로서, 금속재 분말로 성형되며, 모터(M)의 외측에 위치되는 외측부(140)와 내측에 위치되는 내측부(120) 및 외측부(140)와 내측부(120) 사이를 연결하며 권선(300)이 감기는 권취부(160)로 구성되고, 권취부(160)는 모서리(162)가 라운딩 처리되도록 형성되고 높이(b)는 내측부의 높이(a)보다 작게 형성되며, 권취부(160)와 내측부(120)의 접하는 부분(164)은 사선형태로 자연스럽게 이어지도록 형성된다.
또한, 상기 권취부(160)는 단면이 원형 또는 타원형이 되도록 형성될 수 있고, 높이(b)가 내측부 높이(a)의 0.7배 이상이 되도록 형성될 수 있으며, 상기 외측부(140)는 권취부(160)와 높이(c)가 같거나 크게 형성되되 내측부(120)보다 높이(c)가 작게 형성될 수 있다.
분말코어(100)의 단면은 등방성분말코어의 높은 형상자유도를 이용해서 도 4와 같이 설계할 수 있다. 이러한 분말코어는 모서리(162)가 라운드지거나 단면을 원형 내지 타원으로 제작할 수 있다.
이 경우의 장점은 기존품인 전기강판은 낮은 형상자유도로 인해서 모서리를 날카롭게 밖에 할 수 없다. 그래서 권선의 피복이 벗겨지는 문제점이 있기 때문에 인슐레이터 등의 절연 부품을 추가로 코어 외부에 부착해서 권선의 피복방지를 한다. 그러나 등방성분말코어는 높은 형상자유도를 지니고 있기 때문에 라운드로 설계 및 제작할 수 있다. 라운드 구조는 권선의 피복을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 동일한 권선의 턴 수를 감을 때 턴 수당 권선 사용량을 줄일 수 있으며 또한 권선이 코어 외부로 노출되는 즉, 권선 엔딩부의 길이를 줄일 수 있는 구조이다.
도시된 실시예의 경우는, 성형할 때 사용하는 금형과 다이의 모서리 부위에 면치를 주어 코어 모서리를 라운딩지게 제조한다. 분말코어는 형상 자유도를 활용하여 권선권선 피복이 벗겨지는 것을 방지하고 권선이 한번 감을 때 소요되는 권선사용량을 줄이기 위해서 권선이 감기는 코어의 모서리(162) 부위를 면치를 0.5R이상 라운딩지게 한다.
한편, 권선 엔딩부 축소와 권선 사용량을 저감하기 위해서 도 5와 같은 코어 구조로 설계할 수 있다. 코어의 일체형 제작을 통해 공정을 단순화함과 제조 비용을 축소할 수 있으며, 코어의 높은 성형 밀도 구현과 코어 부위별로 밀도 차이를 최소화할 수 있는 설계구조이다.
도 5와 같이 절단면을 보면 권취부의 높이(b)는 내측부(120)의 높이(a)보다 작게 형성되며, 구체적으로는 높이(b)가 내측부 높이(a)의 0.7배 이상이 되도록 형성할 수 있다. 만약 높이비가 0.7 미만일 경우는 코어 부분 밀도 차이가 심하게 되어 자기특성저하가 발생되기 때문이다.
또한 도시된 바와 같이 권취부(160)와 내측부(120)의 접하는 부분(164)은 사선형태로 자연스럽게 이어지도록 하는데, 이를 직각으로 설계하여 제작할 경우에는 성형면에서 Burr가 발생하기 쉬운 조건이 되어 코어 가공 등을 추가 작업해야 하는 단점이 있다. 그리고 자로(자기장의 통로)가 모터 내측으로 이동할 때 좁은 길로 인해 원활한 자로의 이동이 어렵다. 따라서 경사진 연결부위를 형성함으로써 Burr발생 확률을 최소화할 수 있어 제조 비용을 줄일 수 있으며 권선에서 발생된 자기장이 코어를 따라 코어 끝단부(모터 내측방향)로 이동하는 자로 형성에 있어서 내측부가 넓어짐에 따라 원활한 길을 제공함으로써 모터 특성을 향상시킬 수 있는 것이다.
코어 부위 중에서는 자로(자기장 통로) 형성에 의한 코어의 자기장 분포 및 모터의 성능에 영향을 미치지 않는 외측부에 대하여는 코어를 삭제 또는 부위 축소를 통해서 코어 중량 감소와 모터 축 길이를 축소할 수 있다.
즉, 자기장분포가 내측부로 나가는 부위만 상대적으로 키위서 권선 코어에 의한 전자계 세기를 키워서 모터 토크를 향상시킬 수 있는 것이다. 이러한 코어 형상은 기존품인 적층형 전기강판에서는 만들 수 없는 코어 형상으로 연자성 분말코어의 형상 자유도를 활용한 것이다. 외측부는 자기회로 형성하는데 도움을 주지 않는 부위이므로 상기 외측부(140)는 권취부(160)와 높이(c)가 같거나 크게 형성되되 내측부(120)보다 높이(c)가 작게 형성될 수 있다.
한편, 상기 분말코어(100)는 50~200㎛ 크기의 순철입자에 100㎚두께 이하(0은 불포함)의 인산염 코팅이 된 금속분말로 성형될 수 있으며, 상기 분말코어(100)는 금속분말과 폴리아마이드계 윤활제를 함께 온도 70~100℃ 압력 7~11ton/㎠의 조건에서 가압성형 후 온도 500~600℃에서 20~60분간 열처리하여 제조될 수 있다.
이와 같이 형성된 분말코어는 밀도가 7~8g/cc이며, 부분 밀도차이는 0.05g/cc이내(0은 불포함)로 되어 높은 성능을 나타낼 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예 따른 차량용 모터의 권선을 나타낸 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예 따른 차량용 모터를 나타낸 도면이다.
본 발명의 분말코어를 이용한 차량용 모터는, 금속재 분말로 성형되며, 모터(M)의 외측에 위치되는 외측부(140)와 내측에 위치되는 내측부(120) 및 외측부(140)와 내측부(120) 사이를 연결하는 권취부(160)로 구성되고, 권취부(160)는 모서리(162)가 라운딩 처리되도록 형성되고 높이(b)는 내측부의 높이(a)보다 작게 형성되며, 권취부(160)와 내측부(120)의 접하는 부분(164)은 사선형태로 자연스럽게 이어지도록 형성된 스테이터의 분말코어(100); 및 상기 분말코어(100)의 권취부(160)에 감기며, 알루미늄 모선(320)과 알루미늄 모선(320)을 감싸는 구리 스트립(340)으로 구성된 권선(300);을 포함한다. 그리고 모터의 내부에는 로터(500)가 설치된다.
여기서, 상기 권선(300)은 전체 조성에서 구리함량이 15~30 vol%일 수 있으며, 알루미늄 모선(320)에 구리 스트립(340)이 감싸지고, 구리 스트립(340)의 마주 접하는 단부(342)가 용접으로 고정되어 형성되도록 할 수 있다.
구리함량 15~30 vol%의 CCA(Copper Clad Aluminum) 와이어 제조를 실시하였다. 구리의 함량이 15% 미만일 때는 전기전도도가 급격히 감소되어 모터 성능 저하가 발생되며 30% 이상일 때는 구리 중량 증가로 코일 가격 상승하기 때문에 30% 이상은 과도하다고 볼 수 있다. 한편, 전기전도도 향상을 위한 CCA구조는 순도 99.7%이상의 알루미늄 모선과 순도 99.9%이상의 구리 스트립 소재를 사용하였으며 알루미늄 모선의 열영향을 최소화하고, 박판 구리의 균일한 용접 품질을 가지는 용접공정을 적용하여, 높은 구리 함량을 가지는 CCA 와이어를 제조할 수 있다.
판상의 구리 스트립(340)과 알루미늄 모선(320)을 준비하고 판상 구리 스트립(340) 위에 알루미늄 모선(320)을 올린 후 롤링을 이용하여 알루미늄을 판상구리 스트립으로 감싼다. 그리고 TIG용접을 이용하여 구리 스트립 끝단부(342)를 용접을 실시한다. 용접 조건은 800~1000도에서 5mm/s속도로 실시한다. 이렇게 완성된 CCA를 이용하여 모터 권선으로 구리 대신에 적용한다. CCA는 기존 Cu 대신에 전기전도도가 70% 수준이므로 권선 턴수와 직경을 Ø1.5*16턴에서 Ø1.38 * 18.5턴으로 변경하여 보완하였다. 그 결과 권선 무게를 50% 절감할 수 있었다.
도 8 내지 9는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 성능을 종래의 모터 성능과 비교한 그래프로서, 실시예 1의 경우 일반 구리 권선을 이용한 경우이고 실시예 2의 경우 본 발명의 권선을 이용한 경우이다. 일반적으로 보터에서 요구되는 스펙인 0.2 Nm의 토크하에서는 본 발명의 실시예에 따른 모터의 성능이 종래 모터의 성능대비 동등하거나 우월함을 확인할 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 분말코어 120 : 내측부
140 : 외측부 160 : 권취부
300 : 권선 320 : 알루미늄 모선
340 : 구리 스트립

Claims (10)

  1. 차량용 모터(M)에 사용되는 스테이터의 분말코어로서,
    금속재 분말로 성형되며, 모터(M)의 외측에 위치되는 외측부(140)와 내측에 위치되는 내측부(120) 및 외측부(140)와 내측부(120) 사이를 연결하며 권선(300)이 감기는 권취부(160)로 구성되고, 권취부(160)는 모서리(162)가 라운딩 처리되도록 형성되고 높이(b)는 내측부의 높이(a)보다 작게 형성되며, 권취부(160)와 내측부(120)의 접하는 부분(164)은 사선형태로 이어지도록 형성된 분말코어.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 분말코어(100)는 50~200㎛ 크기의 순철입자에 100㎚두께 이하(0은 불포함)의 인산염 코팅이 된 금속분말로 성형된 것을 특징으로 하는 분말코어.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 분말코어(100)는 금속분말과 폴리아마이드계 윤활제를 함께 온도 70~100℃ 압력 7~11ton/㎠의 조건에서 가압성형 후 온도 500~600℃에서 20~60분간 열처리하여 제조된 것을 특징으로 하는 분말코어.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 분말코어(100)는 밀도가 7~8g/cc이며, 부분 밀도차이는 0.05g/cc이내(0은 불포함)인 것을 특징으로 하는 분말코어.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 권취부(160)는 단면이 원형 또는 타원형이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 분말코어.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 권취부(160)는 높이(b)가 내측부 높이(a)의 0.7배 이상이 되도록 형성된 것을 특징으로 하는 분말코어.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 외측부(140)는 권취부(160)와 높이(c)가 같거나 크게 형성되되 내측부(120)보다 높이(c)가 작게 형성된 것을 특징으로 하는 분말코어.
  8. 금속재 분말로 성형되며, 모터(M)의 외측에 위치되는 외측부(140)와 내측에 위치되는 내측부(120) 및 외측부(140)와 내측부(120) 사이를 연결하는 권취부(160)로 구성되고, 권취부(160)는 모서리(162)가 라운딩 처리되도록 형성되고 높이(b)는 내측부의 높이(a)보다 작게 형성되며, 권취부(160)와 내측부(120)의 접하는 부분(164)은 사선형태로 이어지도록 형성된 스테이터의 분말코어(100); 및
    상기 분말코어(100)의 권취부(160)에 감기며, 알루미늄 모선(320)과 알루미늄 모선(320)을 감싸는 구리 스트립(340)으로 구성된 권선(300);을 포함하는 분말코어를 이용한 차량용 모터.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 권선(300)은 전체 조성에서 구리함량이 15~30 vol%인 것을 특징으로 하는 분말코어를 이용한 차량용 모터.
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 권선(300)은 알루미늄 모선(320)에 구리 스트립(340)이 감싸지고, 구리 스트립(340)의 마주 접하는 단부(342)가 용접으로 고정되어 형성된 것을 특징으로 하는 분말코어를 이용한 차량용 모터.
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