KR102080634B1 - 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자 및 이를 적용한 유도 모터 - Google Patents

2단 슬롯 형상을 갖는 회전자 및 이를 적용한 유도 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일실시예에 따른 회전자는, 2단 슬롯 구조를 형성하는 다수 개의 슈(shoe) 형상이 적층되어서 이루어지는 회전자 코어; 상기 2단 슬롯에 삽입되어 결합되는 다수 개의 회전자 바; 및 상기 회전자 코어의 양단에 결합되어 회전자 바를 고정하는 엔드링;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 모터의 전기적인 특성과 기계적인 특성을 모두 고려한 구조로서 누설을 줄여서 효율을 개선하고 공간 고조파를 저감시킴으로써 소음/진동이 감소된다.

Description

2단 슬롯 형상을 갖는 회전자 및 이를 적용한 유도 모터{Rotor with 2-step shaped slot and Induction motor having the same}
본 발명은 유도 모터용 회전자에 관한 것으로서, 더 상세하게는 동바 적용 유도 모터에서 누설을 줄여 효율을 높여 전기적인 특성을 개선하는 회전자 구조에 대한 것이다.
또한, 본 발명은 고속 회전시 회전자 안전율을 높여 기계적인 특성을 개선하는 회전자 구조 및 이러한 회전자를 적용한 유도 모터에 관한 것이다.
모터는 전기 기기, 전기 기계라는 용어와 동일하게 사용된다. 즉 모터는 전기적인 특성과 기계적인 특성을 동시에 갖고 있다. 유도 모터를 설계하는 데 있어 회전자 리브 두께를 작게 할수록 누설이 작아져서 전기적인 특성이 우수해진다.
하지만, 리브 두께가 작을 경우 고속 회전시 Bar가 이탈되어 기계적인 특성이 나빠진다. 반대로 리브의 두께가 커지게 되면 기계적인 특성(회전자 안전율)은 좋아지나 누설이 많아져서 전기적인 특성은 나빠진다. 따라서 기계적인 특성과 전기적인 특성을 동시에 고려한 리브 설계가 필요하다.
일반적으로 유도모터의 회전자는 전기강판, 회전자 바, 엔드링으로 구성된다. 회전자는, 우선 다수개의 타발된 전기 강판을 적층해서 다수 개의 슬롯이 형성된 회전자 코어를 제조하고, 이와 같이 제조된 회전자 코어를 다이 캐스팅(Die-Casting) 작업을 통해서 용융된 알루미늄을 회전자 코어의 각 슬롯에 충진시켜서 회전자 바를 형성하고, 이러한 회전자 바의 양단에 연결된 엔드링을 형성하여 구성된다.
이러한 회전자 바를 알루미늄으로 다이캐스팅하여 제작할 경우 동(Cu)바를 사용한 것에 비해 효율은 다소 떨어지나 금속 중에 제일 가벼운 알루미늄은 동바에 비해 밀도가 3.3배나 작기 때문에 리브의 두께를 얇게 해도 원심력이 작아 기계적인 특성이 나쁘지 않다. 왜냐하면, 원심력은 무게에 비례하기 때문이다.
도 1은 회전자 바 및 엔드링(미도시)을 알루미늄 재질로 사용할 경우, 회전자 슈 형상을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 리브의 두께가 약 0.3mm 정도이며, 안전율이 약 1.9 정도이다. 따라서, 알루미늄의 밀도가 작기 때문에 원심력이 작아 고속 회전시 기계적인 문제(강도)는 발생되지 않지만 누설이 많아져 전기적인 특성이 나빠지는 문제점이 있었다.
도 2는 도 1과 같은 동일한 형상을 갖는 회전자 바 및 엔드링(미도시)을 구리 재질로 사용할 경우, 회전자 슈(shoe) 형상을 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 리브의 두께가 약 0.3mm 정도이며, 안전율이 약 0.6 정도이다. 따라서, 누설이 적고, 2차 저항이 작아져서 2차 동손이 감소되어 전기적인 특성의 효율이 개선된다. 그러나, 구리는 알루미늄 대비 밀도가 3.3배이므로 원심력(F=mrω2)도 3.3배가 되어 강도 특성이 악화되어 회전자 이탈이 발생할 수 있는 문제점이 있었다. 즉, 기계적인 특성은 개선되지 않는다는 문제점이 있었다.
부연하면, 도 3은 도 1 내지 도 2에 따른 슬롯 개구폭을 보여주는 도면이다. 도 3을 참조하면, 슬롯 개구폭(320)의 두께를 크게 할 경우 자기저항이 크기 때문에 누설자속이 감소되어 효율에 유리하다. 그러나, 공간 고조파가 증가하여 소음진동에 악영향을 준다. 따라서 슬롯 개구폭의 넓이를 크게 할 수 없다는 문제점이 있었다.
또한, 슈(310)의 두께가 얇을수록 누설이 감소되어 효율에는 유리하다. 그러나 동바가 레디얼 방향으로 이탈되려는 원심력을 지지해 주는 부분이기 때문에 슈의 두께를 얇게 할 수 없다는 문제점이 있었다.
그러나, 최근 유도 모터의 효율은 상당히 중요시되고 있다. 전기차의 경우 1회 충전당 주행거리를 연장하는 것이 필요한데 이를 위해서는 모터의 효율을 높여야 한다. 모터의 효율을 높이기 위해 알루미늄 대신 도전율이 높고, 저항율이 낮은 동(Cu)을 사용하고 있다.
따라서, 유도 모터에 동바를 적용할 경우 리브의 두께를 키워야 하기 때문에 알루미늄 대비 성능이 우수한 재질을 사용하고도 효율을 개선하는데 한계가 있었다.
1. 한국공개특허번호 제10-2009-0007050호 2. 한국공개특허번호 제10-2010-0087865호
본 발명은 위 배경기술에 따른 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로서 회전자 누설을 줄여 효율을 높이는 전기적인 특성을 개선하는 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자 및 이를 적용한 유도 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 고속 회전시 회전자 안전율을 높이는 기계적인 특성을 개선하는 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자 및 이를 적용한 유도 모터를 제공하는데 다른 목적이 있다.
본 발명은 위에서 제시된 과제를 달성하기 위해, 회전자 누설을 줄여 효율을 높이는 전기적인 특성을 개선하는 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자를 제공한다. 본 발명은, 2단 슬롯 구조를 형성하는 다수 개의 슈(shoe) 형상이 적층되어서 이루어지는 회전자 코어, 상기 2단 슬롯에 삽입되어 결합되는 다수 개의 회전자 바, 및 상기 회전자 코어의 양단에 결합되어 회전자 바를 고정하는 엔드링을 포함하며, 상기 슈 형상은 제 1 서브 슈형상과 이에 바로 인접한 제 2 서브 슈형상의 한쌍으로 이루어지며, 상기 한쌍의 제 1 서브 슈형상과 제 2 서브 슈형상 사이에 슬롯이 형성되며, 상기 제 1 서브 슈형상은 상기 제 2 서브 슈형상을 향해 반경 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며, 상기 제 1 서브 슈형상의 돌출부는 제 1 리브와, 상기 제 1 리브의 하단을 이루는 제 2 리브를 가지며, 상기 제 2 서브 슈형상은 상기 제 1 서브 슈형상을 향해 반경 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며, 상기 제 2 서브 슈형상의 돌출부는 제 1 리브와, 상기 제 1 리브의 하단을 이루는 제 2 리브를 가지며, 상기 2단 슬롯 구조는 슈 형상의 상단을 이루는 제 1 리브의 쌍에 의해 형성되는 제 1 슬롯과, 상기 제 1 리브의 하단을 이루는 제 2 리브의 쌍에 의해 형성되는 제 2 슬롯으로 이루어지며,상기 제 1 슬롯의 개구폭은 제 2 슬롯의 개구폭보다 좁으며, 상기 제 1 슬롯의 개구폭은 0.8mm이고, 상기 제 2 슬롯의 개구폭은 1.5mm이고, 상기 제 1 리브의 폭은 누설을 줄이도록 얇고, 상기 제 2 리브의 폭은 두꺼우며, 상기 제 1 리브의 폭은 0.5mm이고, 상기 제 2 리브의 폭은 1.3mm인 것을 특징으로 하는 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자를 제공한다.
상기 회전자는,
2단 슬롯 구조를 형성하는 다수 개의 슈 형상이 적층되어서 이루어지는 회전자 코어;
상기 2단 슬롯에 삽입되어 결합되는 다수 개의 회전자 바; 및
상기 회전자 코어의 양단에 결합되어 회전자 바를 고정하는 엔드링;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 2단 슬롯 구조는 슈 형상의 상단을 이루는 제 1 리브의 쌍에 의해 형성되는 제 1 슬롯과, 상기 제 1 리브의 하단을 이루는 제 2 리브의 쌍에 의해 형성되는 제 2 슬롯으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 슬롯의 개구폭은 제 2 슬롯의 개구폭보다 좁은 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 슬롯의 개구폭은 폭에 따라 공간 고조파를 줄이며, 상기 제 2 슬롯의 개구폭은 폭에 따라 누설을 방지하기 위한 용도인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 슬롯의 개구폭은 0.8mm이고, 상기 제 2 슬롯의 개구폭은 1.5mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 리브의 폭은 누설을 줄이도록 얇고, 상기 제 2 리브의 폭은 두꺼운 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 제 1 리브의 폭은 0.5mm이고, 상기 제 2 리브의 폭은 1.3mm인 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 회전자 바의 재질은 구리(Cu)이고, 상기 슈 형상 및 엔드링의 재질은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 한편으로, 본 발명의 다른 일실시예는, 위에서 기술된 회전자; 및 상기 회전자를 외삽하는 고정자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 모터를 제공한다.
본 발명에 따르면, 모터의 전기적인 특성과 기계적인 특성을 모두 고려한 구조로서 누설을 줄여서 효율을 개선하고 공간 고조파를 저감시킴으로써 소음/진동이 감소된다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 누설을 줄여서 사이즈를 저감시킬 수 있고, 사이즈 저감에 따른 원가 절감을 가능하게 한다는 점을 들 수 있다.
도 1은 회전자 바 및 엔드링(미도시)을 알루미늄 재질로 사용할 경우, 회전자 슈 형상을 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1과 같은 동일한 형상을 갖는 회전자 바 및 엔드링(미도시)을 구리 재질로 사용할 경우, 회전자 슈 형상을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1 내지 도 2에 따른 슬롯 개구폭을 보여주는 도면이다.
도 4는 일반적인 모터의 구조를 보여주는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 2단 슬롯을 적용한 회전자 슈 형상을 보여주는 도면이다.
도 6은 리브의 두께에 따른 응력 분포, 최대응력, 및 안전율의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2단 슬롯을 적용한 경우, 응력 분포, 최대응력, 및 안전율의 실험 결과를 보여주는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자 및 이를 적용한 유도 모터를 상세하게 설명하기로 한다.
도 4는 일반적인 모터의 구조를 보여주는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 모터(400)는 샤프트(430), 샤프트(430)를 외삽하는 회전자(410), 회전자(410)를 외삽하는 고정자(420) 등을 포함하여 구성된다.
회전자(410)는 회전자계와 상호 작용에 의해 토크를 발생시킨다. 즉, 베어링(미도시)과 연결된 샤프트(430)와 함께 회전하는 힘을 발생시킨다. 물론, 이를 위해 3상 권선에 3상 전류를 흘려 주어 3상 회전자계가 발생한다.
이러한 회전자계는 고정자(420)에서 발생되며, 회전자 동바(미도시)가 자속을 끊는, 즉 회전자계의 자속을 변화시키기 때문에 전압이 유도되고 엔드링(미도시)이 회전자 바와 함께 폐회로를 구성해 주기 때문에 전류가 흐르게 된다. 이 전류와 회전자계에 의해 회전자(410)는 힘을 받아 회전하게 된다.
따라서, 전기 에너지가 운동 에너지로 변환되는데, 변환된 에너지는 전기적인 특성과 기계적인 특성으로 구분된다. 전기적인 특성은 효율, 전류, 전압 등이 된다. 한편으로, 기계적인 특성은 강도, 응력, 소음/진동 등이 된다.
이들 기계적인 특성과 전기적인 특성은 서로 트레이드 오프(trade off) 관계가 성립한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 2단 슬롯을 적용한 회전자 슈 형상을 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 2단 슬롯 구조를 형성하는 다수 개의 슈(shoe) 형상이 적층되어서 이루어지는 회전자 코어(500), 상기 2단 슬롯에 삽입되어 결합되는 다수 개의 회전자 바(540), 및 상기 회전자 코어(500)의 양단에 결합되어 회전자 바(540)를 고정하는 엔드링(550);를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
슈 형상(510)은 제 1 서브 슈형상(510-1)과 제 2 서브 슈형상(510-2)의 한 쌍으로 이루어지며, 얇은 하나의 원판이다. 이러한 원판이 낱개로 적층되어 회전자 코어(500)를 형성한다.
여기서, 상기 2단 슬롯 구조는 슈 형상(510)의 상단을 이루는 제 1 리브(513)의 쌍에 의해 형성되는 제 1 슬롯(511)과, 상기 제 1 리브(513)의 하단을 이루는 제 2 리브(515)의 쌍에 의해 형성되는 제 2 슬롯(512)으로 이루어진다. 제 1 슬롯(511)에 회전자 바(540)가 삽입된다.
이러한 2단 슬롯 구조는 전기적인 특성과 기계적인 특성을 모두 충족하는 구조이다.
즉, 전기적인 특성의 경우, 제 1 리브(513)는 누설을 줄여주기 위해 얇게 되어 있어 2차 저항이 작아진다. 따라서, 2차 동손이 감소되므로 효율이 개선된다.
기계적인 특성의 경우, 제 2 리브(515)는 고속 회전시 회전자(410)의 안전율을 높여 주도록 두껍게 되어 있어 회전자의 안정적인 회전율을 확보할 수 있게 하여 준다.
예를 들면, 상기 제 1 리브의 폭은 0.5mm이고, 상기 제 2 리브의 폭은 1.3mm로 구성하는 것을 들 수 있다.
이들 제 1 및 제 2 슬롯(511,512)에는 각각 제 1 슬롯의 개구폭(511-1)과 제 2 슬롯의 개구폭(512-1)이 형성된다. 제 1 슬롯의 개구폭(511-1)은 공간 고조파를 줄여서 소음/진동을 개선하기 위한 것이고, 제 2 슬롯의 개구폭(512-1)은 누설을 방지하고 효율을 개선하기 위한 것이다.
제 1 슬롯의 개구폭(511-1)은 제 2 슬롯의 개구폭(511-1)보다 좁게 구성된 것을 특징으로 할 수 있다. 이때, 제 1 슬롯의 개구폭은 0.8mm이고, 상기 제 2 슬롯의 개구폭은 1.5mm가 될 수 있다.
또한, 일반적으로 회전자 바 및 엔드링은 생산성과 제조원가 등을 고려해서 알루미늄을 용융시킨 상태에서 다이캐스팅 주조공법을 이용하여 상기 회전자 코어에 형성된 슬롯 내부에 채워져서 제조된다.
그러나, 본 발명의 일실시예에서는 상기 회전자 바(540)의 재질은 구리(Cu)를 사용하고, 상기 슈 형상(510) 및/또는 엔드링(550)의 재질은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)이 사용될 수 있다.
도 6은 리브의 두께에 따른 응력 분포, 최대응력, 및 안전율의 실험 결과를 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 리브의 두께가 0.6mm, 1.0mm, 1.4mm, 1.8mm일 경우 응력분포, 최대응력 및 안전율 등의 실험 결과값들이 표시된다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 2단 슬롯을 적용한 경우, 응력 분포, 최대응력, 및 안전율의 실험 결과를 보여주는 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 2단 슬롯을 적용한 경우 응력분포, 최대응력 및 안전율 등의 실험 결과값들이 표시된다.
400: 모터
410: 회전자
420: 고정자
430: 샤프트
500: 회전자 코어
510: 슈(shoe) 형상
510-1,510-2: 서브 슈 형상
511: 제 1 슬롯 511-1: 제 1 슬롯의 개구폭
512: 제 2 슬롯 512-1: 제 2 슬롯의 개구폭
513: 제 1 리브 515: 제 2 리브
540: 회전자 바
550: 엔드링

Claims (9)

  1. 2단 슬롯 구조를 형성하는 다수 개의 슈(shoe) 형상이 적층되어서 이루어지는 회전자 코어;
    상기 2단 슬롯에 삽입되어 결합되는 다수 개의 회전자 바; 및
    상기 회전자 코어의 양단에 결합되어 회전자 바를 고정하는 엔드링;
    을 포함하며,
    상기 슈 형상은 제 1 서브 슈형상과 이에 바로 인접한 제 2 서브 슈형상의 한쌍으로 이루어지며, 상기 한쌍의 제 1 서브 슈형상과 제 2 서브 슈형상 사이에 슬롯이 형성되며,
    상기 제 1 서브 슈형상은 상기 제 2 서브 슈형상을 향해 반경 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며, 상기 제 1 서브 슈형상의 돌출부는 제 1 리브와, 상기 제 1 리브의 하단을 이루는 제 2 리브를 가지며,
    상기 제 2 서브 슈형상은 상기 제 1 서브 슈형상을 향해 반경 방향으로 돌출된 돌출부를 가지며, 상기 제 2 서브 슈형상의 돌출부는 제 1 리브와, 상기 제 1 리브의 하단을 이루는 제 2 리브를 가지며,
    상기 2단 슬롯 구조는 슈 형상의 상단을 이루는 제 1 리브의 쌍에 의해 형성되는 제 1 슬롯과, 상기 제 1 리브의 하단을 이루는 제 2 리브의 쌍에 의해 형성되는 제 2 슬롯으로 이루어지며,상기 제 1 슬롯의 개구폭은 제 2 슬롯의 개구폭보다 좁으며, 상기 제 1 슬롯의 개구폭은 0.8mm이고, 상기 제 2 슬롯의 개구폭은 1.5mm이고,
    상기 제 1 리브의 폭은 누설을 줄이도록 얇고, 상기 제 2 리브의 폭은 두꺼우며, 상기 제 1 리브의 폭은 0.5mm이고, 상기 제 2 리브의 폭은 1.3mm인 것을 특징으로 하는 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 슬롯의 개구폭은 폭에 따라 공간 고조파를 줄이며, 상기 제 2 슬롯의 개구폭은 폭에 따라 누설을 방지하기 위한 용도인 것을 특징으로 하는 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자 바의 재질은 구리(Cu)이고, 상기 슈 형상 및 엔드링의 재질은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al)인 것을 특징으로 하는 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자.
  9. 제 1 항, 제 5 항, 및 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 회전자; 및
    상기 회전자를 외삽하는 고정자;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 모터.
KR1020130122692A 2013-10-15 2013-10-15 2단 슬롯 형상을 갖는 회전자 및 이를 적용한 유도 모터 KR102080634B1 (ko)

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