KR101541274B1 - 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법 - Google Patents

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KR101541274B1
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홍승수
양성우
홍정표
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Abstract

본 발명은 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 적층코어와 보호링을 금형에 함께 장착한 상태로 다이캐스팅 공정을 수행하여 보호링을 통해 엔드링의 변형 또는 파괴를 방지하면서도, 다이캐스팅 단계에서 엔드링과 보호링이 자동으로 결합되도록 함으로써 공정을 단순화하고 엔드링과 보호링의 결합강도를 충분히 확보할 수 있도록 하며, 엔드링으로부터 보호링이 이탈되는 현상을 방지하기 위해 요철, 테이퍼 등 보호링이 엔드링에 보다 강하게 결합될 수 있도록 하는 구조를 채용함으로써 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있는 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법에 관한 것이다.
이를 위해 본 발명은 (a) 적어도 하나의 슬롯을 구비하는 단위 유닛 복수개가 적층된 원통형 적층코어의 양측 단부에 각각 스틸 재질의 보호링이 접촉되도록 한 상태로 금형 내부에 삽입하는 단계; (b) 금형 내부 공간에 연통되는 인게이트(Ingate)를 통해 충진재를 주입하는 단계; 및 (c) 슬롯 내부를 충진재로 충진하고, 보호링의 내측면과 원통형 적층코어 사이에 충진재가 충진되어 엔드링을 형성함과 동시에 엔드링과 보호링이 접합되도록 하는 단계를 포함하는 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법을 제공한다.

Description

고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법{Method of die casting for making rotor of induction motor}
본 발명은 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 적층코어와 보호링을 금형에 함께 장착한 상태로 다이캐스팅 공정을 수행하여 보호링을 통해 엔드링의 변형 또는 파괴를 방지하면서도, 다이캐스팅 단계에서 엔드링과 보호링이 자동으로 결합되도록 함으로써 공정을 단순화하고 엔드링과 보호링의 결합강도를 충분히 확보할 수 있도록 하며, 엔드링으로부터 보호링이 이탈되는 현상을 방지하기 위해 요철, 테이퍼 등 보호링이 엔드링에 보다 강하게 결합될 수 있도록 하는 구조를 채용함으로써 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있는 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법에 관한 것이다.
유도전동기(induction motor)는 전기에너지를 공급받아 회전운동에너지로 변환시키는 장치로, 내부에 코일이 감긴 고정자와, 고정자 내부에 삽입되어 고정자의 코일에 흐르는 교번전류에 의해 발생하는 자기장에 의해 유도전류를 발생시키는 원통 형태의 회전자로 구성된다.
일반적으로 유도전동기의 회전자는 슬롯이 구비된 원통형 적층코어와, 슬롯에 삽입되는 도체바, 및 원통형 적층코어의 상하에 각각 결합되어 도체바와 접합되는 엔드링으로 구성된다.
이때, 슬롯과 도체바 사이의 갭을 충진하고, 원통형 적층코어의 양단에 엔드링을 형성하기 위해 알루미늄 다이캐스팅이 수행된다. 알루미늄 다이캐스팅이 완료되면 원통형 적층코어의 양단에 엔드링이 형성된 상태의 회전자가 제조된다.
한편, 전동기의 회전속도가 초고속화되면서 회전자의 단부에 구비된 엔드링이 팽창, 변형 및 파괴되는 현상이 발생하고 있다. 이는 전동기의 고속회전시 엔드링에 가해지는 원심력과, 적층코어의 발열에 따른 열팽창 및 열수축에 기인하는 것이다.
엔드링의 변형 또는 파괴를 방지하기 위해 엔드링의 단부에 보호링을 추가로 형성하는 시도가 이루어지고 있다. 보호링은 스틸 재질로 형성되어 스틸링(steel ring) 형상을 취하는 것이 일반적이다. 엔드링에 보호링을 추가로 형성하는 과정은 일반적으로 다음과 같다.
먼저, 슬롯에 도체바가 삽입된 원통형 적층코어를 금형에 장착하고 다이캐스팅을 통해 알루미늄 용탕을 금형 내부로 충진하여, 양단에 엔드링이 형성된 회전자를 제조한다.
다음으로, 엔드링과 동심을 유지하도록 보호링을 가공한 후, 엔드링의 단부에 보호링을 열박음으로 결합한다.
마지막으로, 후가공을 수행한다.
그러나, 이와 같이 엔드링에 보호링이 결합될 경우 회전자의 고속회전이 반복됨에 따라 원심력과 열팽창 및 열수축에 의해 엔드링과 보호링 사이가 헐거워져 보호링이 이탈되는 문제점이 발생하게 된다.
따라서, 보호링을 통해 엔드링의 변형 또는 파괴를 방지하면서도, 초고속 회전시에도 엔드링으로부터 보호링이 이탈되는 현상을 방지할 수 있는 기술에 대한 개발 필요성이 대두된다.
선행기술문헌 : KR등록특허공보 제0963533호(2010.6.15.공고)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 고속회전시 회전자 엔드링의 변형 또는 파괴를 방지하고, 엔드링에 보호링을 결합시 공정을 단순화하면서도 결합강도를 확보할 수 있는 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법은 (a) 적어도 하나의 슬롯을 구비하는 단위 유닛 복수개가 적층된 원통형 적층코어의 양측 단부에 각각 스틸 재질의 보호링이 접촉되도록 한 상태로 금형 내부에 삽입하는 단계; (b) 금형 내부 공간에 연통되는 인게이트(Ingate)를 통해 충진재를 주입하는 단계; 및 (c) 슬롯 내부를 충진재로 충진하고, 보호링의 내측면과 원통형 적층코어 사이에 충진재가 충진되어 엔드링을 형성함과 동시에 엔드링과 보호링이 접합되도록 하는 단계를 포함한다.
또한, (a)단계에서 보호링의 내측면에는 요철이 구비되어, (c)단계에서 형성되는 엔드링에 대하여 보호링이 이탈되는 현상을 방지할 수 있다.
또한, (a)단계에서 보호링의 내측면은 적층코어 방향과 그 반대방향의 내경이 서로 다르도록 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 보호링의 내측면은 적층코어 방향으로 갈수록 점점 내경이 감소하도록 형성될 수 있다.
또한, (b)단계는 복수개의 핀 형상을 취하는 인게이트를 구비하는 다중 게이트 방식과, 복수개의 캐비티(cavity)로 충진재를 동시에 주입하는 다중 캐비티 방식을 적용할 수 있다.
본 발명에 의하면 적층코어와 보호링을 금형에 함께 장착한 상태로 다이캐스팅 공정을 수행하여 보호링을 통해 엔드링의 변형 또는 파괴를 방지하면서도, 다이캐스팅 단계에서 엔드링과 보호링이 자동으로 결합되도록 함으로써 공정을 단순화하고 엔드링과 보호링의 결합강도를 충분히 확보할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 엔드링으로부터 보호링이 이탈되는 현상을 방지하기 위해 요철, 테이퍼 등 보호링이 엔드링에 보다 강하게 결합될 수 있도록 하는 구조를 채용함으로써 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법을 적용하기 위한 금형의 사시도,
도 2는 도 1에 도시된 금형의 내부를 도시한 도면,
도 3은 도 1 및 도 2의 금형에 충진재를 주입하는 경로를 도시한 사시도,
도 4는 다중게이트 방식을 설명하기 위한 도면,
도 5는 다이캐스팅에 의해 형성되는 회전자의 모델링 도면,
도 6 내지 도 8은 보호링과 엔드링의 결합구조에 대한 다양한 실시예를 도시한 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법을 적용하기 위한 금형의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 금형의 내부를 도시한 도면이다. 도 3은 도 1 및 도 2의 금형에 충진재를 주입하는 경로를 도시한 사시도이고, 도 4는 다중게이트 방식을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 다이캐스팅에 의해 형성되는 회전자의 모델링 도면이다. 도 6 내지 도 8은 보호링과 엔드링의 결합구조에 대한 다양한 실시예를 도시한 단면도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법은 금형 내부에 회전자를 구성하는 부품들을 장착하고 충진재로 충진하여 다이캐스팅 방법에 의해 회전자를 형성함에 있어서, 회전자를 구성하는 부품들을 금형 내부에 장착시 원통형 적층코어뿐만 아니라 스틸 재질의 보호링을 함께 장착한다.
발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 바와 같이, 일반적으로 다이캐스팅 방식으로 회전자를 제조할 때에는 금형 내부에 원통형 적층코어만 장착한 상태로 충진재를 충진하여 슬롯 내부를 충진하고 엔드링을 형성한다. 이후에 엔드링에 보호링을 열박음 등을 이용하여 결합시킴으로써 회전자를 제조한다.
이때, 엔드링과 보호링은 모든 부위의 두께가 일정하도록 일반적인 링 형상으로 형성된다. 이 경우 회전자의 고속회전시 작용하는 원심력과 열팽창 및 열수축의 반복에 의해 보호링이 헐거워져 엔드링으로부터 이탈할 수 있음을 언급한 바 있다.
본 발명에서는 금형 내부에 원통형 적층코어만 장착한 상태로 충진재를 충진하는 대신, 원통형 적층코어와 보호링을 함께 장착한 상태에서 충진재를 충진한다. 즉, 본 발명은 적어도 하나의 슬롯을 구비하는 단위 유닛 복수개가 적층된 원통형 적층코어의 양측 단부에 각각 스틸 재질의 보호링이 접촉되도록 하되, 보호링의 내측면과 원통형 적층코어의 양측 단부 표면 사이에 엔드링이 형성될 공간을 확보한 상태로 금형 내부에 삽입하게 된다.
이와 같이 원통형 적층코어와 보호링을 함께 금형 내부에 장착하고 충진재를 충진하여 다이캐스팅 작업을 수행하면 다이캐스팅에 의해 형성되는 엔드링과 보호링이 자동으로 부착 및 결합되므로 별도로 보호링의 열박음 작업을 수행할 필요가 없다.
또한, 다이캐스팅에 의해 엔드링을 형성한 후, 후공정으로 보호링을 엔드링의 외주면에 열박음할 경우 단순한 물리적인 부착 및 결합만 수행되므로 엔드링과 보호링의 결합강도 확보에 한계가 존재할 수밖에 없는 반면, 본 발명과 같이 다이캐스팅 과정에서 엔드링과 보호링이 물리적, 화학적 부착 및 결합이 되도록 하면 엔드링과 보호링의 결합강도를 충분히 확보할 수 있게 된다.
충진재로는 알루미늄 용탕을 사용할 수 있으며, 용도와 해당 용도에 의해 얻고자 하는 물성에 따라 다른 재질의 용탕을 사용할 수도 있음은 물론이다.
또한, 원통형 적층코어의 슬롯 내부에 도체바를 삽입한 상태에서 금형 내부에 장착하고, 원통형 적층코어의 양단에 보호링을 접촉시킨 상태에서 충진재를 충진할 수도 있고, 도체바를 삽입하지 않은 상태에서 충진재를 충진하여 충진재가 도체바 역할을 수행하도록 할 수도 있음은 물론이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법은 원통형 적층코어의 양측 단부에 각각 보호링이 접촉되도록 한 상태로 금형 내부에 삽입하는 제1 단계, 금형 내부 공간에 연통되는 인게이트(Ingate)를 통해 충진재를 주입하는 제2 단계, 슬롯 내부를 충진하고, 보호링의 내측면과 원통형 적층코어 사이에 충진재가 충진되어 엔드링을 형성함과 동시에 엔드링과 보호링이 접합되도록 하는 제3 단계를 포함하여 이루어진다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 제2 단계는 다중 게이트 방식과 다중 캐비티 방식이 동시에 적용될 수 있다. 금형에 충진재가 주입되는 경로는 주입관(2), 비스킷(biscuit)(4), 캐비티(6), 러너(runner)(8), 인게이트(ingate)(9)의 순서를 거치게 된다.
도 3 내지 도 5에는 저속층류충진(스퀴즈 캐스팅) 방식이 도시되어 있다.
저속층류충진 방식은 다이캐스팅 합금뿐만 아니라 가공용 및 주조용 합금의 주조도 가능하고, 저속으로 충진하므로 층류 충진이 가능하고 공기의 혼입이 적으며, 고압력을 가하므로 조직이 미세하고 수축공의 발생을 억제하기 때문에 열처리 및 용접이 가능한 장점이 있다.
도시되지 않았으나, 본 발명에는 사이드 게이트 방식 또는 저압주조 방식이 적용될 수도 있으며, 여기서 충진방식을 한정하는 것은 아니다.
사이드 게이트 방식은 용탕 충진이 고속, 고압으로 사이클이 짧아 생산성이 좋고, 고압 고속 주조로 표면이 미려하고 강도 품질, 형상의 복잡성, 치수 정확도 등이 우수한 장점이 있다.
저압주조 방식은 용탕이 대기에 노출되지 않기 때문에 제품 내부에 불순물의 혼입이 적고, 저속으로 충진하므로 층류 충진이 가능하고 공기의 혼입이 적으며, 용탕이 대기중에 노출되지 않아 산화가 적어 제품내부의 불순물이 적은 장점이 있다.
충진재를 금형 내부로 충진함에 의해 원통형 적층코어(10)의 슬롯 내부가 충진되고, 엔드링(30)이 형성되며, 이 과정에서 엔드링(30)과 보호링(12, 20) 간의 결합이 이루어진다.
도 4를 참조하면, 다중 게이트 방식은 복수개의 인게이트(9)를 이용하여 충진재를 동시다발적으로 충진하므로, 미충진 영역이 발생하는 것을 방지하고 엔드링 하단에서부터 슬롯을 거쳐 엔드링 상단까지 기포 및 결함없이 균일하게 알루미늄 용탕이 충진되도록 한다(도 4 중 하부 도면 참조). 또한, 실험에 의하면 회전자의 온도가 균일하게 분포되어 수축 등의 결합이 없음을 확인하였다. 인게이트(9)는 금형 내부 공간과 연통되는 복수개의 핀 형상으로 형성될 수 있으며, 여기서 인게이트의 형상을 한정하는 것은 아니다.
도 3 및 도 5를 참조하면, 다중 캐비티 방식은 하나의 비스킷(4)에 복수개의 캐비티(6)를 연결하여 한 번의 충진재 주입으로 복수 단위의 회전자 충진이 가능하도록 함으로써 생산성을 향상시킬 수 있다.
도 6을 참조하면, 보호링(20)의 내측면에는 요철(25)이 구비된다. 도 6에는 보호링(20)의 내측면에 돌기가 구비된 것을 예로 들어 도시하였으며, 도 6과 반대로 보호링(20)의 내측면에 홈이 구비될 수도 있음은 물론이다.
도 6에서 보호링(20)의 내측면에는 충진재의 충진에 의해 엔드링(30)이 형성되므로, 보호링(20)의 요철(25)에 대응되는 홈이 엔드링(30)의 외측면에 형성된다. 이러한 요철(25)은 제3 단계에서 형성되는 엔드링(30)에 대하여 보호링(20)이 이탈되는 현상을 방지하게 된다.
도 7을 참조하면, 보호링(120)의 내측면에는 테이퍼(taper)(125)가 형성된다. 테이퍼(125)는 일례로 도시된 것이며, 보다 일반적으로는 보호링(120)의 내측면은 적층코어(10) 방향과 그 반대방향의 내경이 서로 다르도록 형성된다. 도 7의 테이퍼(125)는 보호링(120)의 내측면에서 적층코어(10) 방향의 내경이 그 반대방향의 내경보다 작게 형성된 예이다. 이때, 보호링(120)의 내측면은 적층코어(10) 방향으로 갈수록 점점 내경이 감소하게 된다.
테이퍼(125)는 도 7과 같이 단면이 직선을 이루게 된다. 도시되지 않았으나, 보호링의 내측면은 단면이 곡선을 이루면서 적층코어(10) 방향의 내경이 그 반대방향의 내경보다 작게 형성될 수도 있음은 물론이다.
도 8을 참조하면, 요철과 테이퍼 등을 조합하여 보호링과 엔드링의 결합력을 향상시킨 다양한 실시예가 도시되어 있다.
도 8(a), (b)는 보호링(220, 320)에 "ㄷ"자 형상의 요철(225, 325)이 반복 형성되고 그에 따라 엔드링(230, 330)에는 그에 대응되는 요철이 형성된 예이고, 도 8(c)는 보호링(420)에 직각삼각형 형상의 요철(425)이 반복 형성되고 그에 따라 엔드링(430)에는 그에 대응되는 요철이 형성된 예이다. 도 8(c)에서 상부 방향은 적층코어(10)가 위치한 방향이고, 하부 방향은 적층코어(10)에서 멀어지는 방향이다.
도 8(d)는 보호링(520)에 요철(525)과 테이퍼가 동시에 형성되고 그에 따라 엔드링(530)에는 그에 대응되는 요철과 테이퍼가 형성된 예이다.
도시되지 않았으나, 요철과 테이퍼를 조합하면 이 외에도 다양한 실시예가 적용가능함을 밝혀둔다.
이와 같이 본 발명은 보호링을 통해 엔드링의 변형 또는 파괴를 방지하면서도, 다이캐스팅 단계에서 엔드링과 보호링이 자동으로 결합되도록 함으로써 공정을 단순화하고 엔드링과 보호링의 결합강도를 충분히 확보할 수 있도록 하였다.
또한, 엔드링으로부터 보호링이 이탈되는 현상을 방지하기 위해 요철, 테이퍼 등 보호링이 엔드링에 보다 강하게 결합될 수 있도록 하는 구조를 채용함으로써 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있도록 하였다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
2 - 주입관
4 - 비스킷
6 - 캐비티
8 - 러너
9 - 인게이트
10 - 적층코어
20, 120, 220, 320, 420, 520 - 보호링
30, 130, 230, 330, 430, 530 - 엔드링

Claims (5)

  1. (a) 적어도 하나의 슬롯을 구비하는 단위 유닛 복수개가 적층된 원통형 적층코어의 양측 단부에 각각 스틸 재질의 보호링이 접촉되도록 하되, 보호링의 내측면과 원통형 적층코어의 양측 단부 표면 사이에 엔드링이 형성될 공간을 확보한 상태로 금형 내부에 삽입하는 단계;
    (b) 금형 내부 공간에 연통되는 인게이트(Ingate)를 통해 충진재를 주입하는 단계; 및
    (c) 슬롯 내부를 충진재로 충진하고, 보호링의 내측면과 원통형 적층코어 사이에 충진재가 충진되어 엔드링을 형성함과 동시에 엔드링과 보호링이 접합되도록 하는 단계
    를 포함하고,
    (a)단계에서 보호링의 내측면에는 요철이 구비되거나, (a)단계에서 보호링의 내측면은 적층코어 방향과 그 반대방향의 내경이 서로 다르도록 형성하여 엔드링과 보호링의 결합강도를 확보하고 엔드링으로부터 보호링이 이탈되는 현상을 방지하는 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    보호링의 내측면은 적층코어 방향으로 갈수록 점점 내경이 감소하도록 형성되는 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    (b)단계는 복수개의 핀 형상을 취하는 인게이트를 구비하는 다중 게이트 방식과, 복수개의 캐비티(cavity)로 충진재를 동시에 주입하는 다중 캐비티 방식을 적용하는 고속전동기 회전자 제조를 위한 다이캐스팅 방법.



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