KR102030648B1 - 나노소재 기반 고분자 화합물을 이용한 권선코일 및 이를 구비하는 회전전기기계 - Google Patents

나노소재 기반 고분자 화합물을 이용한 권선코일 및 이를 구비하는 회전전기기계 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의하면, 유연한 수지재로 이루어진 기지재; 전기전도도 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되어서 전기 네트워크를 형성하는 전기 전도성 나노소재; 및 방열성능 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되는 팽창흑연 분말을 포함하는 회전전기기계용 권선코일 및 이를 구비하는 회전전기기계가 제공된다.

Description

나노소재 기반 고분자 화합물을 이용한 권선코일 및 이를 구비하는 회전전기기계 {WINDING COIL USING NANOMATERIAL-BASED POLYMER COMPOUND AND ROTATING ELECTRIC MACHINE WITH THE SAME}
본 발명은 나노소재 고분자 화합물을 이용한 권선코일 및 이를 구비하는 BLDC 모터와 같은 회전전기기계에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 방열성능과 전기전도도가 향상된 권선코일 및 이를 구비하는 회전전기기계에 관한 것이다.
일반적으로, 전동기는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자제품뿐만 아니라 산업용 기기 등에 광범위하게 사용되고 있다.
한편, 이러한 다양한 전동기 중에서 일반적으로 BLDC 모터(Brushless DC Motor)는 브러시와 정류자 등의 기계적인 요소 대신 스위칭 소자로 구성된 정류 회로를 사용하는 직류 전동기로서, 마모에 따른 브러시의 교체가 필요 없으며, 구동소음이 적은 것이 특징이다. 이러한 BLDC 전동기는 회전자에 계자, 고정자에 전기자 권선을 설치하고, 홀센서(hall sensor), 포토 다이오드(photo diode)를 이용하여 권선의 전류방향을 결정함으로써 브러시형의 전동기와 같은 특성을 갖도록 한 전동기로서, 일반적인 유도전동기나 교류 전동기가 전류의 방향 전환을 위해 3상 또는 4상 인버터를 이용하고 있는 것과는 달리 내부 드라이브에서 손쉽게 방향전환이 가능하고, 저속 및 고속에서 토오크가 비교적 높으며, 고속회전이 가능하고, 무접점의 반도체 소자로 코일의 전류를 드라이브할 수 있어 그 수명이 매우 길뿐만 아니라 소음과 전자적인 잡음을 거의 발생시키지 않으며, 모터 드라이브 회로 자체에서 직접 속도 조절을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히, BLDC 모터는 최근에 홀센서의 신뢰도가 향상되면서 매우 여러 가지의 형태로 개발되고 있다.
BLDC 모터의 성능 향상을 위하여, 권선코일의 우수한 방열성능과 높은 전기전도도가 요구되는데, 종래의 기술에서는 방열성능과 전기전도도를 모두 향상시키 것에 한계가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1482939호
본 발명의 목적은 전기전도도와 방열성능이 모두 우수한 권선코일 및 이를 구비하는 회전전기기계를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유연한 수지재로 이루어진 기지재; 전기전도도 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되어서 전기 네트워크를 형성하는 전기 전도성 나노소재; 및 방열성능 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되는 팽창흑연 분말을 포함하는 회전전기기계용 권선코일 및 이를 구비하는 회전전기기계가 제공된다.
본 발명에 의하면 앞서서 기재한 본 발명의 목적을 모두 달성할 수 있다. 구체적으로는 본 발명에 의하면, 권선 코일이 수지재로 이루어지는 기지재에 전기전도성이 우수한 나노소재인 탄소나노튜브와 방열성능이 우수한 팽창흑연이 혼합되어서 형성되므로 방열성능과 전기전도도가 모두 우수한 권선 코일 및 이를 구비하는 회전전기기계가 제공될 수 있다.
또한, 탄소나노튜브와 팽창흑연의 혼합 비율이 우수한 방열성능을 얻을 수 있는 범위와 높은 전기전도도를 제공하는 범위을 모두 만족하는 범위에서 형성되므로 방열성능과 전기전도도가 모두 우수한 권선 코일 및 이를 구비하는 회전전기기계가 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 나노소재 기반 고분자 화합물을 이용한 권선코일을 구비하는 BLDC 모터를 나타내는 분해사시도이다.
도 2는 도 1의 BLDC 모터에서 고정자와 회전자를 도시한 평면도로서, 고정자 권선코일 및 보상 권선코일은 생략하여 도시한 것이다.
도 3은 도 1에 도시된 고정자의 A-A'선에 대한 단면도이다.
도 4는 도 1에 도시된 권선코일의 CNT와 팽창흑연의 혼합 비율에 따른 방열성능과 전기전도도를 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 BLDC 모터에서 고정자와 회전자를 도시한 평면도로서, 고정자 권선코일 및 보상 권선코일은 생략하여 도시한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 나노소재 기반 고분자 화합물을 이용한 권선코일을 구비하는 BLDC 모터(이하 'BLDC 모터'라 한다)가 분해사시도로서 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 회전전기기계의 일 예인 BLDC 모터(100a)는 하우징(100)과, 하우징(100)의 내부에 고정되도록 수용되는 고정자(200)와, 하우징(100)의 내부에 고정자(200)에 대해 회전축선(X)을 중심으로 회전하도록 수용되는 회전자(300)와, 회전자(300)의 위치를 감지하는 센서 모듈(400)을 포함한다. 도 1에 도시된 BLDC 모터(100a)는 회전자(300)가 고정자(200)의 내부에 위치하는 내전형이다.
하우징(100)은 회전축선(X)을 중심으로 하는 원통형상으로서, 내부에 고정자(200)와 회전자(300)가 수용되는 수용공간(101)을 제공한다. 하우징(100)은 회전축선(X) 방향을 따라 위치하는 제1 케이스(110)와 제2 케이스(120)를 구비한다. 두 케이스(110, 120)가 결합되어서 수용 공간(101)이 형성된다. 제1 케이스(110)에는 중심축선(X) 상에 위치하는 제1 관통구멍(102)이 형성되고, 제2 케이스(120)에는 중심축선(X) 상에 위치하는 제2 관통 구멍(103)이 형성된다. 제2 케이스(120)에는 센서 모듈(400)가 설치된다.
하우징(100)은 표면적을 넓힌 알루미늄의 소재로 형성되는 것이 바람직하다. 하지만 이는 중량을 줄이고 방열효과를 향상시키기 위한 실시예 중 하나로서 알루미늄 외에 다른 금속 또는 비금속도 하우징(100)의 소재로 사용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 또한, 하우징(100)의 소재로는 전도성 나노소재에 유리섬유 및 수지 등을 혼합하여 형성된 것 또는 알루미늄 등의 금속과 전도성 나노소재를 혼합하여 형성된 것이 사용될 수 있으며, 상기 전도성 나노소재는 그라파이트, 카본블랙, 탄소나노튜브 및 그래핀 중 선택된 하나 또는 복수를 포함하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 공지의 전도성 나노튜브, 전도성 나노입자 및 전도성 나노섬유를 모두 포함하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
하우징(100)의 표면에는 방열효과를 극대화하기 위하여 방열필름층이 형성되는 것이 바람직하다. 방열필름층에 의해 방열효과뿐만 아니라 내구성도 향상되도록, 방열필름층은 그라파이트(Graphite)와 알루미늄(Al)의 혼합물을 증착하여 형성되거나, 그라파이트와 구리(Cu)의 혼합물을 증착하여 형성될 수 있다. 방열필름층은 200㎛이하의 두께로 형성되는 것이 바람직하다. 그에 따라, 하우징(100)은 방열핀과 같은 별도의 방열수단이 없이도 고정자(200)와 회전자(300)로부터 발생되는 열을 효과적으로 방열시킬 수 있다.
고정자(200)는 하우징(100)의 내부에 형성되는 수용공간(101)에 수용되며, 하우징(100)에 대해 회전하지 않도록 고정된다. 도 2에는 고정자(200)와 회전자(300)가 평면도로 도시되어 있으며, 도 3에는 고정자(200)가 도 1의 A-A'선에 대한 단면도로서 도시되어 있다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 고정자(200)는 고정자 코어(210)와, 고정자 코어(210)에 권취된 고정자 권선코일(220)과, 고정자 코어(210)에 권취된 보상 권선코일(510)을 구비한다. 고정자(200)의 내부에는 회전자(300)가 고정자(200)에 대해 회전축선(X)을 중심으로 회전하도록 배치된다.
고정자 코어(210)는 링 형태의 요크부(211)와, 요크부(211)로부터 돌출되어서 형성되는 복수개의 고정자 치부(215)들과, 요크부(211)로부터 돌출되어서 형성되는 복수개의 보상코일 권취부(218)들을 구비한다.
요크부(211)는 회전축선(X)을 중심으로 하는 링 형태로서, 요크부(211)의 재질은 사출성형에 의해 성형되는 수지인 것으로 설명하며, 본 실시예에서는 페놀 계통의 수지인 것으로 설명한다. 요크부(211)의 내주면에 복수개의 고정자 치부(215)들과 복수개의 보상코일 권취부(218)들이 위치한다.
복수개의 고정자 치부(215)들은 요크부(211)의 내주면에 원주방향을 따라서 등간격으로 위치한다. 본 실시예에서는 고정자 치부(215)가 네 개인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 복수개의 고정자 치부(215)들 각각은 요크부(211)의 내주면으로부터 돌출되어서 회전축선(X)을 향해 반경방향 안쪽으로 연장되는 고정자코일 권취부(216)와, 고정자코일 권취부(216)의 끝단에 형성되는 내측 요크(217)를 구비한다. 고정자 치부(215)의 재질은 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물로서, 전도성 나노소재와 수지를 포함하는 복합소재이다. 본 실시예에서 고정자 치부(215)에 사용되는 전도성 나노소재는 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트 중 선택된 하나 또는 복수를 포함하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 공지의 전도성 나노튜브, 전도성 나노입자 및 전도성 나노 섬유를 모두 포함하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 본 실시예에서 고정자 치부(215)에 사용되는 수지는 페놀 계통의 수지인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
고정자코일 권취부(216)는 요크부(211)의 내주면으로부터 회전축선(X)을 향해 돌출되어서 반경방향 안쪽으로 연장된다. 고정자코일 권취부(216)에 고정자 권선코일(220)이 권취된다.
내측 요크(217)는 고정자코일 권취부(216)의 내측 끝단에 위치하며, 고정자코일 권취부(216)로부터 원주방향 양쪽으로 연장되어서 형성된다.
복수개의 보상코일 권취부(218)들은 요크부(211)의 내주면에 등각격으로 위치하며, 복수개의 보상코일 권취부(218)들 각각은 이웃한 두 고정자 치부(215)들의 사이에 배치된다. 본 실시예에서는 보상코일 권취부(218)가 네 개인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며 고정자 치부(215)의 개수에 대응하여 변경될 수 있다. 보상코일 권취부(218)는 요크부(211)의 내주면으로부터 돌출되어서 회전축선(X)을 향해 반경방향 안쪽으로 연장된다. 복수개의 보상코일 권취부(218)들 각각에 보상 권선코일(510)이 권취된다. 보상코일 권취부(218)의 재질은 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물로서, 전도성 나노소재와 수지를 포함하는 복합소재이다. 본 실시예에서 보상코일 권취부(218)에 사용되는 전도성 나노소재는 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트 중 선택된 하나 또는 복수를 포함하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 공지의 전도성 나노튜브, 전도성 나노입자 및 전도성 나노 섬유를 모두 포함하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 본 실시예에서 보상코일 권취부(218)에 사용되는 수지는 페놀 계통의 수지인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
고정자 코어(210)를 구성하는 요크부(211), 고정자 치부(215) 및 보상코일 권취부(218)는 일체로 형성되는데, 수지재인 요크부(211), 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물의 복합소재인 고정자 치부(215) 및 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물의 복합소재인 보상코일 권취부(218)를 일체로 형성하기 위하여, 고정자 코어(210)는 인서트사출 성형 또는 이중사출 성형을 통해 제조될 수 있다. 인서트사출 성형 및 이중사출 성형은 통상적인 방식의 것이 사용될 수 있는데, 예를 들어, 인서트사출 성형의 경우, 미리 성형된 고정자 치부(215) 및 보상코일 권취부(218)를 인서트사출 금형의 캐비티에 안착시킨 후 요크부(211)의 소재인 용융 수지를 주입하여 고정자 코어(210)를 제조할 수 있으며, 이중사출 성형의 경우, 이중사출 금형을 이용하여 요크부(211)의 소재인 용융 수지를 주입하여 요크부(211)를 성형한 후, 고정자 치부(215)와 보상코일 권취부(218)의 소재인 전도성 나노소재를 포함하는 용융 수지를 추가 주입하여 고정자 치부(215)와 보상코일 권취부(218)를 요크부(211)에 일체로 형성함으로써 고정자 코어(210)가 제조될 수 있다. 즉, 이종재질인 요크부(211)와 고정자 치부(215) 및 보상코일 권취부(218)를 구비하는 고정자 코어(210)는 인서트사출 성형 또는 이중사출 성형을 통해 제조될 수 있다.
상기 실시예에서는 요크부(211)가 고정자 치부(215) 및 보상코일 권취부(218)와 다른 재질로 이루어지는 것으로 설명하였으나, 이와는 달리 요크부(211)가 고정자 치부(215) 및 보상코일 권취부(218)와 동일한 소재인 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물의 복합소재로 이루어질 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
고정자 권선코일(220)은 복수개의 고정자 치부(215)들 각각의 코일 권취부(216)에 권취된다. 고정자 권선코일(220)은 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자화합물의 복합소재로 이루어진다. 더욱 상세하게는 고정자 권선코일(220)은 유연한 수지재로 이루어지는 기지재(매트릭스)에 전기전도성이 우수한 전기전도성 나노소재(예를 들어, 탄소나노섬유(CNF), 탄소나노튜브(CNT) 및 그래핀(graphen) 중 선택된 하나 또는 복수를 포함)와 방열성능이 우수한 팽창흑연(Expandable Graphite) 분말이 혼합된 것으로서, 전도성 나노소재와 팽창흑연의 합은 전체에서 10 중량% 내지 30 중량%를 차지하는 것이 바람직하다. 본 실시예에서는 상기 전도성 나노소재가 50 중량%를 차지하는 탄소나노섬유와 50 중량%를 차지하는 탄소나노튜브를 포함하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 기지재는 폴리프로필렌(polypropylene) 기반 수지로서, 폴리프로필렌에 단분자 합성 폴리아세틸렌, 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), poly(3,4-ethyleneoxythiophene)(PEDOT), 폴리아닐린(polyaniline) 등의 전도성 고분자 원료 중 하나가 첨가재로서 혼합되어 합성된 것이다. 여기서, 첨가재는 기지재 전체에서 20 중량% 내지 50%를 차지하는 것이 바람직하다.
상기 고분자 단량체인 기지재 액상에 상기 전도성 나노소재 분말과 팽창흑연 분말은 GHz 대역의 집속 초음파 장비를 이용하여 혼합된다.
탄소나노튜브는 기지재 내에서 전기 네트워크를 형성하며, 기지재의 외부로 노출되지 않는다. 팽창흑연 분말은 알칼리용융법에 의해 고순도로 정제된 흑연을 팽창시킨 팽창흑연을 분쇄하여 제조된 것일 수 있다.
고정자 권선코일(220)에 포함되는 전도성 나노소재와 팽창흑연 분말의 혼합물에서 전도성 나노소재의 비율이 높아지면 대체로 전기전도도가 증가하고, 팽창흑연의 비율이 높아지면 대체로 방열성능이 향상되는데, 도 4는 전도성 나노소재와 팽창흑연의 비율에 따른 전기전도도와 방열성능의 변화를 구체적으로 보여준다. 본 실시예에서 기지재에 혼합되는 전도성 나노소재의 중량을 A라 하고, 팽창흑연의 중량을 B라 하며, 도 4의 가로축인 A/(A+B)는 전도성 나노소재와 팽창흑연의 혼합량에서 전도성 나노소재가 차지하는 비율이다. 도 4의 그래프에서 가로축 '0'은 전도성 나노소재의 중량:팽창흑연의 중량이 0:10인 것을 의미하며, '0.3'은 전도성 나노소재의 중량:팽창흑연의 중량이 3:7인 것을 의미하고, '0.5'는 전도성 나노소재의 중량:팽창흑연의 중량이 5:5인 것을 의미하며, '0.8'은 전도성 나노소재의 중량:팽창흑연의 중량이 8:2인 것을 의미하며, '1'은 전도성 나노소재의 중량:팽창흑연의 중량이 10:0인 것을 의미한다. 도 4의 그래프에서 좌측 세로축(Y1)은 방열성능이며, 우측 세로축(Y2)은 전기전도도이다. 도 4를 참조하면, 전기전도도는 전도성 나노소재의 비율이 증가함에 따라 증가하는데, A/(A+B)가 0.7(전도성 나노소재의 중량:팽창흑연의 중량이 7:3인 경우에 해당) 이후로는 전기전도도가 거의 증가하지 않는 포화상태에 해당한다. 방열성능은 팽창흑연의 비율이 증가(도 4에서 가로축의 '-' 방향)함에 따라 증가하게 되는데, A/(A+B)가 0.9(전도성 나노소재의 중량:팽창흑연의 중량이 9:1인 경우에 해당)인 상태를 기준으로 팽창흑연의 비율이 더 증가하더라도 방열성능은 거의 증가하지 않는 포화상태가 된다. 본 발명에서 전기전도도가 포화되는 A/(A+B)의 값(본 실시예에서 0.7)을 제1 포화 비율지수(E1)라 정의하고, 방열성능이 포화되는 A/(A+B)의 값(본 실시예에서 0.9)을 제2 포화 비율지수(E2)라 정의한다. 본 발명은 A/(A+B)가 제1 포화 비율지수(E1)보다 크거나 같고 제2 포화 비율지수(E2)보다 작거나 같은 범위에 있도록 전도성 나노소재와 팽창흑연의 혼합비율을 조절함으로써, 높은 전기전도도와 우수한 방열성능을 얻을 수 있게 된다. 즉, 전도성 나노소재와 상기 팽창흑연의 비율이 다음 수학식 1의 조건을 만족하는 것이다.
(수학식 1)
E1 ≤ A/(A+B) ≤ E2
본 실시예에서는 고정자 권선코일(220)이 BLDC 모터에 사용되는 것으로 설명하지만, 이와는 달리 다른 형태의 모터 및 발전기 등에서 적용되어서 사용될 수 있다. 본 발명에서 회전전기기계는 모든 종류의 회전 전기 모터 및 발전기를 포함하는 용어로 정의하며, 위에서 설명된 권선코일(220)은 회전전기기계의 권선코일로 사용될 수 있고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다.
보상 권선코일(510)은 복수개의 보상코일 권취부(218)들 각각에 권취된다. 보상 권선코일(510)은 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자화합물의 복합소재로 이루어지는데, 고정자 권선코일(220)과 동일한 구성으로 이루어지므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
회전자(300)는 고정자(200)의 내측에 위치하며 고정자(200)에 대하여 회전축선(X)을 중심으로 회전한다. 회전자(300)는 회전축선(X)을 중심으로 하는 디스크 형상의 몸체부(310)와, 몸체부(310)의 중심을 지나가며 회전축선(X)을 따라 연장되고 회전축선(X)을 중심으로 축회전하는 회전 샤프트(320)와, 몸체부(310)의 외주면에 원주방향을 따라서 등간격으로 배치되도록 결합되는 복수개의 마그네트(330)들을 구비한다.
몸체부(310)와 회전 샤프트(320)는 GFRP(Glass fiber reinforced plastics) 또는 CFRP(Carbon fiber reinforced plastics)와 금속(Metal)의 혼합물로 형성되어, 중량을 저감시킴은 물론 강성도 증대시킬 수 있다. 몸체부(310)와 회전 샤프트(320)은 상기 혼합물을 인발 공법에 의하여 제조되거나 또는 시트롤링 공법 또는 필라멘트 와인딩 공법에 의하여 중공형태로 제조될 수 있다.
마그네트(330)는 네오디움(Nd-Fe-B Neodymium) 또는 사마륨코발트(Samarium cobalt) 또는 페라이트(Ferrite) 또는 알리코(Al-Ni-Co) 자석 또는 고무자석 또는 본드자석 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
센서 모듈(400)은 마크네트(330)의 자력을 센싱하여 회전자(300)의 위치를 감지하고, 이러한 신호를 정류회로로 송신하는 역할을 한다.
센서 모듈(400)은 제2 케이스(120)의 내측에 설치되어 회전자(300)의 위치를 감지하는 홀센서(410)와, 홀센서(410)가 결합되어 홀센서(410)를 보호하고 하우징(100)에 연결되는 홀센서 커버(420)를 구비한다.
홀센서 커버(420)는 중량저감을 위하여 가볍고 절연체로 이루어진 유리섬유와 PA6계열의 수지의 혼합물의 재질로 형성되는 것이 바람직하나 이에 한정하지 않는다.
센서 모듈(400)은 홀센서(410) 외에 리졸버(Resolver) 또는 엔코더(Encoder)를 포함하여, 초경량 슬림형에 대응하여 정밀하게 회전자(300)의 위치를 감지할 수도 있다. 여기서, 센서 모듈(400)은 홀센서(410)와, 리졸버와 엔코더를 적용하는 경우에 대하여 나타내었으나, 상기한 목적을 달성할 수 있다면 이 외 다양한 구성이 적용될 수 있음은 물론이다.
상기 실시예에서 본 발명은 BLDC 모터가 회전자가 고정자의 내측에 위치하는 내전형인 경우에 대하여 설명하였으나, 이와는 달리 본 발명은 고정자가 회전자의 내측에 위치하는 외전형의 BLDC 모터에도 동일하게 적용될 수 있으며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 도 4에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 외전형의 BLDC 모터의 회전자와 고정자의 구성이 평면도로서 도시되어 있다. 도 4를 참조하면, 회전자(600)는 링 형태의 회전자 몸체(610)와, 회전자 몸체(610)의 내주면에 등간격으로 배치되도록 결합되는 복수개의 마그네트(620)을 구비한다. 회전자 몸체(610)는 GFRP(Glass fiber reinforced plastics) 또는 CFRP(Carbon fiber reinforced plastics)와 금속(Metal)의 혼합물로 형성되어, 중량을 저감시킴은 물론 강성도 증대시킬 수 있다. 회전자(600)는 고정자(700)에 대해 회전가능하게 설치된다.
고정자(700)는 회전자(600)의 내측에 고정되도록 설치된다. 고정자(700)는 고정자 코어(710)와, 고정자 코어(710)에 권취되는 고정자 권선코일(미도시)과, 고정자 코어(710)에 권취된 보상 권선코일(미도시)을 구비한다.
고정자 코어(710)는 링 형태의 요크부(711)와, 요크부(711)로부터 돌출되어서 형성되는 복수개의 고정자 치부(715)들과, 요크부(711)로부터 돌출되어서 형성되는 복수개의 보상코일 권취부(718)들을 구비한다.
요크부(711)는 회전축선(X)을 중심으로 하는 링 형태로서, 요크부(711)의 재질은 사출성형에 의해 성형되는 수지인 것으로 설명하며, 본 실시예에서는 페놀 계통의 수지인 것으로 설명한다. 요크부(711)의 외주면에 복수개의 고정자 치부(715)들과 복수개의 보상코일 권취부(718)들이 위치한다.
복수개의 고정자 치부(715)들은 요크부(711)의 외주면에 원주방향을 따라서 등간격으로 위치한다. 본 실시예에서는 고정자 치부(715)가 네 개인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 복수개의 고정자 치부(715)들 각각은 요크부(711)의 외주면으로부터 돌출되어서 반경방향 바깥쪽으로 연장되는 고정자코일 권취부(716)와, 고정자코일 권취부(716)의 끝단에 형성되는 외측 요크(717)를 구비한다. 고정자 치부(715)의 재질은 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물로서, 전도성 나노소재와 수지를 포함하는 복합소재이다. 본 실시예에서 고정자 치부(715)에 사용되는 전도성 나노소재는 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트 중 선택된 하나 또는 복수를 포함하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 공지의 전도성 나노튜브, 전도성 나노입자 및 전도성 나노 섬유를 모두 포함하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 본 실시예에서 고정자 치부(715)에 사용되는 수지는 페놀 계통의 수지인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
고정자코일 권취부(716)는 요크부(711)의 외주면으로부터 돌출되어서 반경방향 바깥으로 연장된다. 고정자코일 권취부(716)에 도 1에서 설명된 고정자 권선코일(220)과 동일한 구성의 고정자 권선코일(미도시)이 권취된다.
외측 요크(717)는 고정자코일 권취부(716)의 외측 끝단에 위치하며, 고정자코일 권취부(716)로부터 원주방향 양쪽으로 연장되어서 형성된다.
복수개의 보상코일 권취부(718)들은 요크부(711)의 외주면에 등각격으로 위치하며, 복수개의 보상코일 권취부(718)들 각각은 이웃한 두 고정자 치부(715)들의 사이에 배치된다. 본 실시예에서는 보상코일 권취부(718)가 네 개인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며 고정자 치부(715)의 개수에 대응하여 변경될 수 있다. 보상코일 권취부(718)는 요크부(711)의 외주면으로부터 돌출되어서 반경방향 바깥쪽으로 연장된다. 복수개의 보상코일 권취부(718)들 각각에 도 1에서 설명된 보상 권선코일(510)과 동일한 구성의 보상 권선코일(미도시)이 권취된다. 보상코일 권취부(718)의 재질은 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물로서, 전도성 나노소재와 수지를 포함하는 복합소재이다. 본 실시예에서 보상코일 권취부(718)에 사용되는 전도성 나노소재는 카본블랙, 탄소나노튜브, 그래핀 및 그라파이트 중 선택된 하나 또는 복수를 포함하는 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니며, 공지의 전도성 나노튜브, 전도성 나노입자 및 전도성 나노 섬유를 모두 포함하며, 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 본 실시예에서 보상코일 권취부(718)에 사용되는 수지는 페놀 계통의 수지인 것으로 설명하는데, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.
고정자 코어(710)를 구성하는 요크부(711), 고정자 치부(715) 및 보상코일 권취부(718)는 일체로 형성되는데, 수지재인 요크부(711), 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물의 복합소재인 고정자 치부(715) 및 전도성 나노소재를 기반으로 하는 고분자 화합물의 복합소재인 보상코일 권취부(718)를 일체로 형성하기 위하여, 고정자 코어(710)는 인서트사출 성형 또는 이중사출 성형을 통해 제조될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100a : BLDC 모터 100 : 하우징
101 : 수용 공간 102 : 제1 관통구멍
103 : 제2 관통구멍 110 : 제1 케이스
120 : 제2 케이스 200 : 고정자
210 : 고정자 코어 211 : 요크부
215 : 고정자 치부 218 : 보상코일 권취부
220 : 고정자 권선코일 300 : 회전자
310 : 몸체부 320 : 회전 샤프트
330 : 마그네트 400 : 센서 모듈
410 : 홀센서 420 : 홀센서 커버
500 : 보상권선부 510 : 보상 권선코일

Claims (12)

  1. 유연한 수지재로 이루어진 기지재;
    전기전도도 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되어서 전기 네트워크를 형성하는 전기전도성 나노소재; 및
    방열성능 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되는 팽창흑연 분말을 포함하며,
    상기 전기전도성 나노소재의 중량 A와 상기 팽창흑연의 중량 B의 합은 전체 충량 대비 10 중량% 내지 30 중량%이며,
    상기 기지재는 폴리프로필렌에 전도성 고분자 원료인 단분자 합성 폴리아세틸렌, 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), poly(3,4-ethyleneoxythiophene)(PEDOT), 폴리아닐린(polyaniline) 중 하나가 첨가재로서 혼합되어 합성된 것이며,
    상기 첨가재는 상기 기지재 전체 중량 대비 20 중량% 내지 50 중량%를 차지하며,
    상기 전기전도성 나노소재와 상기 팽창흑연의 비율이 다음 수학식 1의 조건을 만족하는 회전전기기계용 권선코일.
    (수학식 1)
    E1 ≤ A/(A+B) ≤ E2
    여기서, 상기 E1은 상기 전기전도도가 포화되는 A/(A+B)의 값이고, 상기 E2는 상기 방열성능이 포화되는 A/(A+B)의 값임.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 전기전도성 나노소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 어느 하나의 성분으로 이루어지거나 복수의 성분이 혼합되어서 이루어지는 회전전기기계용 권선코일.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 E1은 0.7이고 상기 E2는 0.9인 회전전기기계용 권선코일.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 고정자 코어와, 상기 고정자 코어에 권취된 권선코일을 구비하는 고정자; 및
    복수개의 마그네트들을 구비하고 상기 고정자에 대해 회전하는 회전자를 포함하며,
    상기 권선코일은 유연한 수지재로 이루어진 기지재와, 전기전도도 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되어서 네트워크를 형성하는 전기전도성 나노소재와, 방열성능 향상을 위하여 상기 기지재에 혼합되는 팽창흑연 분말을 구비하며,
    상기 전기전도성 나노소재의 중량 A와 상기 팽창흑연의 중량 B의 합은 전체 충량 대비 10 중량% 내지 30 중량%이며,
    상기 기지재는 폴리프로필렌에 전도성 고분자 원료인 단분자 합성 폴리아세틸렌, 폴리피롤(polypyrrole), 폴리싸이오펜(polythiophene), poly(3,4-ethyleneoxythiophene)(PEDOT), 폴리아닐린(polyaniline) 중 하나가 첨가재로서 혼합되어 합성된 것이며,
    상기 첨가재는 상기 기지재 전체 중량 대비 20 중량% 내지 50 중량%를 차지하며,
    상기 전기전도성 나노소재와 상기 팽창흑연의 비율이 다음 수학식 1의 조건을 만족하는 회전전기기계.
    (수학식 1)
    E1 ≤ A/(A+B) ≤ E2
    여기서, 상기 E1은 상기 전기전도도가 포화되는 A/(A+B)의 값이고, 상기 E2는 상기 방열성능이 포화되는 A/(A+B)의 값임.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 전기전도성 나노소재는 탄소나노튜브, 탄소나노섬유 및 그래핀 중 어느 하나의 성분으로 이루어지거나 복수의 성분이 혼합되어서 이루어지는 회전전기기계.
  9. 삭제
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 E1은 0.7이고 상기 E2는 0.9인 회전전기기계.
  11. 삭제
  12. 삭제
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