KR101448648B1 - 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자의 형상을 개선하여 유순환율을 개선할 수 있는 모터를 개시한다.

본 발명에 따른 모터는 하우징과, 요크와 상기 요크의 내측으로 돌출되어 고정자 코일이 권선되는 복수개의 티스와, 상기 요크의 주면을 따라 형성된 적어도 하나의 에어갭을 구비하는 고정자를 포함하고, 상기 에어갭의 총 단면적은 상기 하우징 내부 단면적의 9% 이상인 것이 바람직하다.

하우징, 고정자, 회전자, 에어갭

Description

모터{MOTOR}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정자의 형상을 개선하여 유순환율을 향상시킬 수 있는 모터에 관한 것이다.

일반적으로 브러쉬리스 모터는 모터에서 브러쉬와 정류자를 없애고 전자적인 정류 기구를 설치하여 기계적 또는 전기적인 노이즈를 발생시키지 않을 뿐만 아니라 저속부터 고속까지 다양한 속도로 모터의 제어가 가능하다. 또한, 다극으로 회전토크가 안정적이며, 수명이 긴 장점을 가진다.

이러한 브러쉬리스 모터는 압축기 등에 사용된다.

도 1은 브러쉬리스 모터가 압축기에 사용된 것을 도시한 횡단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 브러쉬리스 모터가 사용된 압축기는 소정의 내부 공간을 갖는 하우징(10)과 상기 하우징(10)의 내부에 고정 결합되는 고정자(20)와, 상기 고정자(20)의 내부에 회전 가능하도록 삽입되는 회전자(30)와, 상기 회전자(30)의 내부에 압입 고정되어 회전하는 회전축(미도시)을 구비한다.

상기 구성으로 이루어지는 압축기용 모터의 동작은 다음과 같다.

상기 회전자(30)가 상기 고정자(20)와의 전기력에 의한 자기장의 발생에 의 해 일정한 간격으로 유지하면서 회전하게 된다. 그리고, 상기 회전자(30)에 고정된 회전축이 동시에 회전하게 되면 흡입된 가스의 압축이 이루어지게 된다.

그리고, 상기 고정자(20)는 고정자 코어(21)를 적층하여 형성될 수 있다.

상기 고정자 코어(21)는 요크(22)와 티스(23)를 포함하여 이루어진다.

상기 요크(22)는 도시된 바와 같이 환형으로 이루어질 수 있으며, 자속 경로를 형성하게 된다. 그리고 상기 티스(23)는 상기 요크(22)의 직경 방향으로 돌출되며, 상기 티스(23)에 고정자 코일(24)이 권선된다.

그리고 상기 고정자의 외주면 상에는 에어갭(air gap)(25)이 구비된다.

압축기가 동작하게 되면 냉매와 오일은 고정자(20)와 회전자(30) 사이에 형성되는 공극을 통해 상승하게 되고, 오일은 하우징(10) 등과의 마찰에 의해 냉매에서 분리되어 상기 에어갭(25)을 통해 모터 하측에 모이게 된다.

그러나, 상기와 같이 고속회전이 가능한 브러쉬리스 모터를 사용한 압축기에 정속 모터 수준의 에어갭을 채용한 경우, 유순환율이 악화되는 문제점이 있었다.

여기서 유순환율이란 냉매사이클에서 순환되는 냉매에 포함된 오일의 양을 나타내는 값이다. 오일이 압축기의 토출구 측으로 많이 토출되면 냉매사이클 등에서 열교환기 표면에 오일층이 형성되어 열교환 효율이 떨어져서 냉매사이클의 성능이 저하되는 원인이 된다. 또한, 오일이 압축기의 토출구 측으로 많이 토출되면 압축기 내부에 오일이 부족하여 압축기의 회전축 등에 기계적 마찰이 증가하게 된다.

일반적으로 에어갭(25)의 단면적이 좁게 되면 모터 상부에 존재하는 오일이 모터 하측으로 잘 이동하지 못하게 되어 유순환율이 높아지게 된다.

도 1에 도시된 종래의 에어갭(25)의 단면적은 하우징(10) 내부의 단면적의 6.4% 정도의 수준이었으며, 90Hz로 운전시 유순환율이 4.41% 정도로 높아 모터의 고속 회전시에 압축기의 회전축 등에 기계적 마찰이 증가하고 회전자에 걸리는 부하가 증가하는 문제점이 있었다.

이에 반해 상기 에어갭(25)의 단면적이 넓어지면 유체의 유입 및 토출 현상은 좋아지나, 고정자(20)에서 국부적으로 자속이 포화되어 모터의 효율이 저하된다.

따라서, 상기 에어갭(25)의 최적화된 설계가 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 고정자에 마련되는 에어갭의 최적 설계를 통해 모터의 효율을 감소시키지 않고도 유순환율을 개선할 수 있는 모터를 제공한다.

본 발명에 따른 모터는 하우징과, 요크와, 상기 요크의 내측으로 돌출되어 고정자 코일이 권선되는 복수개의 티스와, 상기 요크의 주면을 따라 형성된 적어도 하나의 에어갭을 구비하는 고정자를 포함하고, 상기 에어갭의 총 단면적은 상기 하우징 내부 단면적의 9% 이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자는 상기 하우징에 접촉하는 제1원주면과, 상기 에어갭을 형성하도록 제1원주면보다 작은 직경을 가지는 제2원주면과, 상기 제1원주면과 상기 제2원주면을 잇는 경사면을 포함한다.

또한, 상기 고정자의 중심에서 상기 경사면의 일단으로 연장되는 직선과, 상기 경사면의 타단으로 연장되는 직선이 이루는 각도는 3.5°이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자의 중심과 상기 티스의 최장거리를 D1, 상기 고정자의 중심과 상기 제2원주면까지의 거리를 D2, 상기 고정자의 중심과 상기 티스의 최단거리를 D3라고 할 때, D3/((D1+D2)/2)≤0.68인 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자의 중심에서 상기 각 에어갭의 양단부로 각각 연장되는 2 개의 직선이 이루는 각도는 55°이상인 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자는 4개의 에어갭을 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 모터에 의하면 에어갭의 단면적을 증가시킴으로써 유순환율을 개선하여 회전축 등에서 발생하는 기계적 마찰을 줄일 수 있다.

또한, 에어갭의 단면적을 증가시키더라도 모터의 효율이 감소하는 것을 방지할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 모터는 하우징(100)과, 상기 하우징(100)의 내부에 고정 결합되는 고정자(200)와, 상기 고정자(200)의 내부에 회전 가능하도록 삽입되는 회전자(300)와, 상기 회전자(300)의 내부에 압입 고정됨과 아울러 회전자(300)의 회전력을 외부로 전달하는 회전축(미도시)을 구비한다.

고정자(200)는 고정자 코어(205)를 적층하여 형성될 수 있다. 얇은 단위 고정자 코어를 복수 개 적층하여 소정 높이를 갖는 고정자 코어(205)를 형성할 수 있다.

이러한 적층 형태로 고정자 코어(205)를 형성하는 경우 상기 단위 고정자 코어들을 일체로 결합시킬 필요가 있다. 일체로 형성된 하나의 고정자 코어(205)를 형성할 필요가 있다. 따라서, 이러한 단위 고정자 코어들을 결합시키기 위한 코킹(caulking)부가 필요하다. 이러한 코킹부는 고정자 코어(205)의 상, 하부를 관통하여 형성되는 것이 바람직하다.

상기 고정자 코어(205)는 요크(210)와 티스(211)를 포함하여 이루어진다.

상기 요크(210)는 도시된 바와 같이 환형으로 이루어질 수 있으며, 자속 경로를 형성하게 된다. 그리고, 상기 티스(211)는 상기 요크(210)의 직경 방향으로 돌출되며, 상기 티스(211)에 고정자 코일(220)이 권선된다. 도시된 모터는 일례로 고정자 코어(205)의 내부에 회전자(300)가 위치하는 타입의 모터이므로, 상기 티스(211)는 상기 요크(210)의 직경 방향 내측으로 돌출되어 형성된다.

상기 고정자 코일(220)은 상기 티스(211)에 분산권으로 권선된다. 이때 고정자(200)는 4개의 극을 가져 4개의 자속 경로를 형성하도록 권선된다. 즉, 환형을 이루는 복수개의 티스(211)를 4등분하여 하나의 등분이 하나의 극을 가지도록 고정자 코일(220)이 권선된다.

상기 티스(211)에 권선되는 고정자 코일(220)에 전원이 인가되면, 하나의 극과 이웃하는 극에는 각각 N극과 S극의 자극이 교대로 형성된다. 이때, 티스(211)를 중심으로 자극이 형성되는데, 상기 티스(211)와 티스(211) 사이의 거리가 멀어질수록 누설되는 자속이 증가한다. 따라서, 누설 자속을 최소화하기 위하여 상기 티스(211)의 선단부에는 마주보는 회전자(300)의 외주면과 부합되도록 양측 원주 방향으로 일정 길이 연장되도록 폴슈(212)가 형성되는 것이 바람직하다. 이를 통해 이웃하는 티스(211) 사이에 발생하는 누설 자속을 최소화할 수 있다.

상기와 같이 형성된 고정자(200)를 하우징(100)에 고정시키기 위해 상기 고정자(200)는 복수개의 고정부(250)를 구비한다. 상기 각 고정부(250)는 서로 90° 간격을 가지도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 고정자(200)에는 냉매 또는 오일과 같은 유체가 순환할 수 있도록 에어갭(260)이 형성된다.

도 3은 도 2에 도시된 모터의 고정자를 확대한 도면이다.

본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 에어갭(260)의 단면적을 키워 에어갭(260)의 단면적은 상기 하우징(100) 내부 단면적의 9% 이상이 되도록 하였다.

이와 같이 에어갭(260)의 단면적을 키울 경우 제약조건은 요크(210)의 최소 두께이다. 그 이유는 고정자 코어(205)에 형성되는 자속밀도는 요크(210)의 최소 두께에 의해 영향을 받기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 에어갭(260)의 단면적을 키우되, 요크(210)의 최소 두께는 종래의 고정자와 동일하게 설계하였다.

그리고, 고정자 코어(205)의 외주면에 형성된 에어갭(260)을 형성하기 위해 상기 고정자(200)는 상기 하우징(100)에 접촉하는 제1원주면(261)과, 상기 제1원주면(261)보다 작은 직경을 가지는 제2원주면(262)과, 상기 제1원주면(261)과 상기 제2원주면(262)을 잇는 경사면(263)을 갖도록 하였다.

종래의 고정자에 비해 제1원주면(261)의 길이는 줄이고, 제2원주면(261)을 늘림으로써 요크(210)의 최소폭은 동일하게 하면서도 에어갭(260)의 단면적을 9% 이상이 되도록 할 수 있었다.

다음으로 구체적인 설계값에 대하여 설명한다.

상기 고정자(200)의 중심(O)에서 상기 경사면(263)의 일단으로 연장되는 직선(L1)과, 상기 경사면(263)의 타단으로 연장되는 직선(L2)이 이루는 각도(θ1)는 3.5°이하로 하였다.

그리고, 상기 고정자(200)의 중심에서 상기 티스(211)까지의 최장거리를 D1, 상기 고정자(200)의 중심에서 상기 제2원주면(262)까지의 거리를 D2, 상기 고정자(200)의 중심에서 상기 티스(211)까지의 최단거리를 D3라고 할 때, D3/((D1+D2)/2)≤0.68이 되도록 하였다.

그리고, 상기 고정자(200)의 중심에서 상기 각 에어갭(260)의 양단부에 접하는 2개의 직선(L2, L3)이 이루는 각도(θ2)은 55°이상으로 하였다.

상기와 같은 설계를 통해 에어갭(260)의 단면적을 종래의 모터에 비해 40% 이상 증가시킬 수 있었다.

도 4는 실험을 통해 얻은 도 1에 도시된 종래의 모터(A)와, 본 발명의 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터(B)의 유순환율을 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이 종래의 모터(A)에서는 유순환율이 4.41%인 반면, 본 실시예에 따른 모터(B)에서는 유순환율이 1.09%로 개선된 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 모터(B)에서는 유순환율이 종래의 모터에 비해 낮아짐에 따라 회전자(300)가 회전할 때 회전축 등에서 발생하는 기계적 마찰 등을 감소시킬 수 있다.

도 5는 실험을 통해 얻은 도 1에 도시된 종래의 모터(A)와, 본 발명의 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터(B)의 압력 강하(Pressure Drop)를 나타낸 것이다.

여기서, 압력 강하는 모터를 기준으로 모터의 상부와 하부의 압력 차이를 나타내는 것으로, 압력 강하가 크다는 것은 모터의 하부에서 압축된 냉매가 모터의 상부로 토출됨에 따라 모터가 유체의 흐름을 방해를 많이 하고 있다는 것을 의미한다.

본 발명에서는 에어갭(260)의 단면적을 종래 모터에 비해 크게 함으로써 하우징(10) 내부에서 유체가 흐를 때 모터의 저항을 상당히 줄일 수 있어 모터의 성능을 향상시킬 수 있다.

도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터(B)는 종래의 모터(A)에 비해 압력 강하값이 거의 절반 정도로 준 것을 알 수 있다.

도 6에는 도 1에 도시된 종래의 모터(A)와, 본 발명의 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터(B)의 효율을 실험을 통해 얻은 결과가 나타나 있다.

도 6에 도시된 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터(B)의 효율이 종래 모터(A)의 효율과 거의 비슷한 것을 볼 수 있다. 본 발명에 따른 모터(B)는 종래의 모터(A)에 비해 자속 경로가 형성되는 고정자 코어(205)의 단면적이 줄었으나, 요크(210)의 최소폭은 종래의 고정자와 동일하게 함으로써 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 모터에 의하면 모터의 효율을 거의 감소시키지 않고도 유환효율의 개선이 가능하므로, 냉매사이클에서 열교환 효율을 높일 수 있으며, 모터의 회전시 발생하는 기계적 마찰을 줄일 수 있다.

도 1은 종래의 압축기에 사용되는 브러쉬리스 모터의 횡단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터.

도 3은 도 2에 도시된 모터에서 고정자를 확대하여 도시한 도면.

도 4는 도 1에 도시된 종래의 모터와, 본 발명의 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터의 유순환율을 실험을 통해 얻은 결과를 나타낸 도면.

도 5는 도 1에 도시된 종래의 모터와, 본 발명의 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터의 압력 강하(Pressure Drop)를 실험을 통해 얻은 결과를 나타낸 도면.

도 6은 도 1에 도시된 종래의 모터와, 본 발명의 실시예에 따른 고정자를 사용한 모터의 효율을 실험을 통해 얻은 결과를 나타낸 도면.

** 도면의 주요 부분에 대한 설명 **

100: 하우징 200: 고정자

205: 고정자 코어 210: 요크

211: 티스 260: 에어갭

Claims (6)

1. 하우징과,

   요크와, 상기 요크의 내측으로 돌출되어 고정자 코일이 권선되는 복수개의 티스와, 상기 요크의 주면을 따라 형성된 4개의 에어갭을 구비하는 고정자를 포함하고,

   상기 고정자는 상기 하우징에 접촉하는 제1원주면과, 상기 에어갭을 형성하도록 제1원주면보다 작은 직경을 가지는 제2원주면과, 상기 제1원주면과 상기 제2원주면을 잇는 경사면을 포함하며,

   상기 제1원주면과 제2원주면은 동심원의 원호이고, 상기 고정자의 중심에서 상기 에어갭의 양단부로 각각 연장되는 2개의 직선이 이루는 각도는 55°이상이며,

   상기 에어갭의 총 단면적은 상기 하우징 내부 단면적의 9% 이상인 것을 특징으로 하는 모터.
2. 제1항에 있어서,

   상기 고정자의 에어갭 사이에는 고정자를 상기 하우징에 고정하기 위한 고정부가 각각 형성된 것을 특징으로 하는 모터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 고정자의 중심에서 상기 경사면의 일단으로 연장되는 직선과, 상기 경사면의 타단으로 연장되는 직선이 이루는 각도는 3.5°이하인 것을 특징으로 하는 모터.
4. 제1항에 있어서,

   상기 고정자의 중심과 상기 티스의 최장거리를 D1, 상기 고정자의 중심과 상기 제2원주면까지의 거리를 D2, 상기 고정자의 중심과 상기 티스의 최단거리를 D3라고 할 때,

   D3/((D1+D2)/2)≤0.68인 것을 특징으로 하는 모터.
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