KR102128046B1

KR102128046B1 - 분포권 평각형 전기자 권선 및 이를 포함하는 모터, 그리고 이들의 제조방법

Info

Publication number: KR102128046B1
Application number: KR1020170127413A
Authority: KR
Inventors: 이의천; 권순오
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2017-09-29
Publication date: 2020-06-29
Also published as: US11824407B2; US20200358343A1; KR20190037759A; WO2019066542A2; WO2019066542A3

Abstract

본 발명에 따른 분포권 평각형 전기자 권선 제조방법은, 적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이에 구비되는 엔드와인딩영역이 연속된 원재료를 준비하는 (a)단계, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 둘레 중 적어도 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면을 가공하여 경사면을 형성하는 (b)단계 및 상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시키는 (c)단계를 포함한다.

Description

분포권 평각형 전기자 권선 및 이를 포함하는 모터, 그리고 이들의 제조방법{Distributed MSO Armature Winding, Motor Having the Same, and Its Manufacturing Method}

본 발명은 분포권 평각형 전기자 권선 및 이를 포함하는 모터, 그리고 이들의 제조방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분포권 모터의 점적률을 극대화할 수 있도록 하는 분포권 평각형 전기자 권선 및 이를 포함하는 모터, 그리고 이들의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 분포권 방식 모터라 함은 슬롯이 형성된 스테이터에 있어서, 1상대(一相帶)의 코일을 2개 이상의 슬롯으로 나누어 감는 권선방식을 가지는 모터를 말한다.

최근에는 다양한 자동차 제조사들이 분포권 권선기술을 적용하여 각종 차량의 전기 모터를 생산하고 있다.

하지만, 종래의 전기 모터는 낮은 점적률로 인해 효율 및 출력밀도를 일정 수준 이상 끌어올릴 수 없는 한계가 존재한다는 문제가 있다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

한국등록특허 제10-0529464호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 상용화된 분포권 권선기술에 비해 더 나은 점적률을 확보할 수 있도록 하여 더 높은 효율 및 출력밀도를 확보하기 위한 목적을 가진다.

또한 본 발명은 점적률을 극대화하기 위한 권선을 신속하고 적은 비용으로 제조할 수 있도록 하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분포권 평각형 전기자 권선은, 적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이에 구비되는 엔드와인딩영역이 연속된 원재료를 준비하는 (a)단계, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 둘레 중 적어도 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면을 가공하여 경사면을 형성하는 (b)단계 및 상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시키는 (c)단계를 포함한다.

그리고 상기 (b)단계는, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역의 둘레 중 상기 접촉면 외의 면을 더 가공하여 상기 슬롯내권선영역의 높이가 상기 엔드와인딩영역의 높이보다 낮아지도록 할 수 있다.

또한 상기 (b)단계는, 압연용 롤러를 이용하여 상기 슬롯내권선영역의 둘레를 가공하는 것으로 할 수 있다.

그리고 상기 (b)단계는, 하부가 개구된 제1프레싱홈을 가지는 제1프레스툴을 이용하여 상기 슬롯내권선영역을 프레싱 가공하는 것으로 할 수 있다.

또한 상기 제1프레스툴은 상기 슬롯내권선영역 및 상기 엔드와인딩영역에 대응되어 서로 다른 규격을 가지도록 복수 개가 구비될 수 있다.

그리고 상기 (b)단계는, 서로 다른 규격의 제1프레스툴이 일체형으로 형성된 제2프레스툴을 이용하여 상기 슬롯내권선영역 및 상기 엔드와인딩영역을 동시에 프레싱 가공하는 것으로 할 수 있다.

또한 상기 (c)단계는, 벤딩용 베이스 지그의 둘레에 상기 원재료를 위치시키고, 벤딩용 롤러를 상기 벤딩용 베이스 지그의 둘레를 따라 이동시켜 상기 엔드와인딩영역과, 상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시키는 것으로 할 수 있다.

그리고 상기 (c)단계는, 상기 벤딩용 베이스 지그의 상부에서 상기 원재료를 가압하는 벤딩용 커버지그를 이용하여 상기 원재료를 가압한 상태로 벤딩을 수행하는 것으로 할 수 있다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 분포권 평각형 전기자 권선은, 적어도 한 쌍이 구비되며, 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면이 경사지게 형성된 슬롯내권선영역 및 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이를 연결하도록 구비되는 엔드와인딩영역을 포함한다.

그리고 상기 슬롯내권선영역의 높이는 상기 엔드와인딩영역의 높이보다 낮게 형성될 수 있다.

또한 상기 엔드와인딩영역을 복수 개 포함할 수 있다.

그리고 상기 엔드와인딩영역은 적어도 중앙부가 평탄하게 형성될 수 있다.

또한 상기 엔드와인딩영역은 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역이 서로 다른 위상을 가지도록 경사지게 형성될 수 있다.

그리고 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모터 제조방법은, 적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이에 구비되는 엔드와인딩영역이 연속된 원재료를 준비하는 (a)단계, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 둘레 중 적어도 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면을 가공하여 경사면을 형성하는 (b)단계, 상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시켜 분포권 평각형 전기자 권선을 제조하는 (c)단계, 복수 개의 슬롯이 둘레 방향으로 형성된 스테이터의 선택된 슬롯마다에 상기 분포권 평각형 전기자 권선의 슬롯내권선영역을 삽입하는 (d)단계 및 상기 복수의 슬롯에 삽입된 서로 다른 분포권 평각형 전기자 권선의 슬롯내권선영역을 서로 연결하는 (e)단계를 포함한다.

또한 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 모터는, 로터, 복수 개의 슬롯이 둘레 방향으로 형성된 스테이터 및 적어도 한 쌍이 구비되며, 상기 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면이 경사지게 형성된 슬롯내권선영역과, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이를 연결하도록 구비된 엔드와인딩영역을 포함하는 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하고, 상기 슬롯내권선영역은 상기 스테이터의 서로 다른 슬롯에 삽입되어 다른 분포권 평각형 전기자 권선의 슬롯내권선영역과 연결된다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 분포권 평각형 전기자 권선 및 이를 포함하는 모터는, 현재까지 상용화된 분포권 권선기술에 비해 극대화된 점적율을 확보할 수 있기 때문에 우수한 효율 및 출력밀도를 확보 할 수 있는 장점을 가진다.

그리고 본 발명에 따른 분포권 평각형 전기자 권선 및 이를 포함하는 모터의 제조방법은, 신속하고 효율적인 방법으로 권선을 대량으로 제조할 수 있을 뿐 아니라, 자동화 도입에 유리하다는 장점이 있다.

또한 권선의 제조를 다양한 방법으로 수행할 수 있어 제조 설비에 특화된 적합한 방식을 선택하여 적용할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 모습을 나타낸 도면;
도 2는 종래의 분포권 권선과 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선이 슬롯에 점적된 형태를 비교하여 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선의 모습을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선의 영역 별 단면 형태를 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 제조방법에 적용되는 원재료의 모습을 나타낸 도면;
도 6 내지 도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 제조방법에 있어서, 서로 다른 방법으로 원재료의 둘레를 가공하여 슬롯내권선영역 및 엔드와인딩영역의 형태를 형성하는 과정을 나타낸 도면;
도 10 및 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 제조방법에 있어서, 원재료를 벤딩하여 분포권 평각형 전기자 권선을 제조하는 과정을 나타낸 도면;
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 제조방법에 의해 제조된 분포권 평각형 전기자 권선의 모습을 나타낸 도면;
도 13 내지 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선의 다양한 형태를 나타낸 도면
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 제조방법에 원재료로서 적용 가능한 CTC케이블의 모습을 나타낸 도면;
도 17은 본 발명에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 도체 전류밀도 분포 형태를 나타낸 도면;
도 18은 16극 24슬롯 인휠타입 전기자동차 구동용 모터 사양에서 권선 형상을 변수로 적용한, 역기전력이 동일한 두 전동기의 효율을 비교한 그래프;
도 19는 글로벌 부품 업체인 M사의 15kW급 전기자동차 인휠모터(In-Wheel Motor)에 각각 환형동선과, 평각형 전기자 권선을 적용하여 효율을 비교한 그래프;
도 20은 도 19에 나타낸 효율 산정에 사용된 평각형 전기자 권선과 환형동선의 순수 교류 저항 성분을 표시한 그래프; 및
도 21은 도 19, 20에 나타낸 전동기의 작동 속도(주파수 별) 손실 세부 항목에 대한 그래프이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선(250)을 포함하는 모터(100)의 모습을 나타낸 도면이며, 도 2는 종래의 분포권 권선(1)과 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선(250)이 슬롯(112)에 점적된 형태를 비교하여 나타낸 도면이다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선(200)을 포함하는 모터(100)는 로터(미도시)와, 스테이터(110)와, 복수의 전기자 권선(200)을 포함한다.

상기 스테이터(110)는 복수 개의 슬롯(112)이 형성되며, 특히 본 실시예의 경우 상기 스테이터(110)는 장홀 형태의 슬롯(112)이 둘레 방향으로 형성된다. 이때 상기 스테이터(110)는 전체적으로 원형의 단면 형태로 형성되므로, 상기 슬롯(112)은 상기 스테이터(110)의 중심에서 외주 방향으로 갈수록 폭이 점차 넓어지는 형태를 가진다.

그리고 상기 전기자 권선(200)은 상기 슬롯(112) 내에 삽입 가능하게 형성된 슬롯내권선영역(210)과, 상기 슬롯(112)의 외부에 구비되어 상기 슬롯내권선영역(210)과 연결되는 엔드와인딩영역(250)을 포함한다.

상기 전기자 권선(200)은 적어도 한 쌍의 상기 슬롯내권선영역(210)과, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210) 사이에 구비되는 상기 엔드와인딩영역(250)이 연속된 형태를 가진다.

이때 상기 슬롯내권선영역(210)은 도 2에 도시된 바와 같이 전체 둘레 중 적어도 스테이터(110)의 슬롯(112) 내면에 접촉되는 접촉면이 경사지게 형성될 수 있다.

이와 같이 하는 이유는, 상기 스테이터(110)의 중심에서 외주 방향으로 갈수록 폭이 점차 넓어지는 형태의 슬롯(112)의 점적률을 극대화하기 위한 것으로, 본 발명의 경우 도 2의 우측 그림과 같이 슬롯(112)에 빈 공간이 남지 않도록 상기 전기자 권선(200)의 슬롯내권선영역(210)이 슬롯(112) 내부를 채우고 있는 것을 확인할 수 있다. 이는 도 2의 좌측에 나타난 종래의 전기자 권선(1)의 슬롯내권선영역(2)의 단면이 직사각형 형태로 형성되어 슬롯(112)에 빈 공간이 나타나는 것과 대비된다.

그리고 상기 엔드와인딩영역(250)은 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210) 사이를 연결하도록 구비된다.

즉 도 3과 같이, 본 발명의 분포권 평각형 전기자 권선(200)은 한 쌍의 슬롯내권선영역(210)과, 이들 사이를 연결하는 하나의 엔드와인딩영역(250)을 기본 구성으로 하여, 상기 슬롯내권선영역(210)과 상기 엔드와인딩영역(250) 사이가 절곡된 형태를 가질 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선(200)의 영역 별 단면 형태를 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 엔드와인딩영역(250)은 단면이 직사각형 형태로 형성되며, 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)의 형상은 사다리꼴 형태로 형성된다.

여기서 상기 엔드와인딩영역(250)을 기준으로 서로 반대 측에 연결된 한 쌍의 슬롯내권선영역(210a, 210b)은 서로 규격이 다소 다르게 형성되므로 도면부호를 서로 구분하였으며, 설명의 편의를 위해 이들을 각각 제1슬롯내권선영역(210a) 및 제2슬롯내권선영역(210b)이라 칭하도록 한다.

도 4에 도시된 방향을 기준으로 하여, 본 실시예에서 상기 엔드와인딩영역(250)의 상면 및 하면의 길이(d₁)는 제1슬롯내권선영역(210a) 및 제2슬롯내권선영역(210b)의 상면의 길이(d₃, d₆) 및 하면의 길이(d₅, d₈)보다 길게 형성되며, 또한 상기 엔드와인딩영역(250)의 높이(d₂) 역시 상기 제1슬롯내권선영역(210a) 및 상기 제2슬롯내권선영역(210b)의 높이(d₄, d₇)보다 높게 형성되어, 상기 엔드와인딩영역(250)과 상기 제1슬롯내권선영역(210a), 그리고 상기 엔드와인딩영역(250)과 상기 제2슬롯내권선영역(210b) 사이에는 단차가 형성된다.

또한 상기 제2슬롯내권선영역(210b)의 상면의 길이(d₆) 및 하면의 길이(d₈)는 상기 제1슬롯내권선영역(210a)의 상면의 길이(d₃) 및 하면의 길이(d₅)보다 길게 형성되며, 상기 제2슬롯내권선영역(210b)의 높이(d₇) 역시 상기 제1슬롯내권선영역(210a)의 높이(d₄)보다 높게 형성된다.

이와 같이 하는 이유는, 상기 제1슬롯내권선영역(210a) 및 상기 제2슬롯내권선영역(210b)이 상기 스테이터(110)의 서로 다른 슬롯(112)에 삽입되되, 서로 다른 위상에 삽입되기 때문이다.

즉 전술한 바와 같이 상기 슬롯(112)은 상기 스테이터(110)의 중심에서 외주 방향으로 갈수록 폭이 점차 넓어지는 형태를 가지므로, 서로 다른 위상에 삽입되는 상기 제1슬롯내권선영역(210a) 및 상기 제2슬롯내권선영역(210b) 역시 서로 다른 단면적을 가지도록 형성될 수 있다.

본 실시예와 달리 상기 제1슬롯내권선영역(210a) 및 상기 제2슬롯내권선영역(210b)이 서로 다른 슬롯(112)의 동일 위상에 삽입될 경우에는 상기 제1슬롯내권선영역(210a) 및 상기 제2슬롯내권선영역(210b)의 단면적은 동일하게 형성될 수 있을 것이다.

또한 본 실시예에서 상기 엔드와인딩영역(250)의 단면은 직사각형 형태로 형성되고 상기 제1슬롯내권선영역(210a) 및 상기 제2슬롯내권선영역(210b)의 단면은 사다리꼴 형태로 형성되나, 이는 하나의 실시예일뿐 상기 엔드와인딩영역(250), 상기 제1슬롯내권선영역(210a) 및 상기 제2슬롯내권선영역(210b)의 단면 형상은 다양한 형태로 형성될 수 있음은 물론이다.

이하에서는 이와 같은 분포권 평각형 전기자 권선(200)의 제조방법에 대해 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 분포권 평각형 전기자 권선 제조방법은, 먼저 도 5에 도시된 바와 같이 적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이에 구비되는 엔드와인딩영역이 연속된 원재료(202)를 준비하는 (a)단계가 수행된다. 도 5에 도시된 원재료(202)는 아직 슬롯내권선영역과 엔드와인딩영역이 가공되기 전 상태이므로, 전체 길이에 걸쳐 동일한 단면적을 가질 수 있다.

또한 본 실시예에서 상기 원재료(202)의 둘레에는, 연신률이 높은 절연코팅(203)이 형성되는 것으로 하였다.

다음으로, 도 6 내지 도 9에 도시된 바와 같이 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210a, 210b) 둘레 중 적어도 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면을 가공하여 경사면을 형성하는 (b)단계가 수행된다.

본 단계에서는 상기 원재료(202)의 전체 길이 중 슬롯내권선영역(210a, 210b)에 대응되는 영역을 다양한 방법으로 가공할 수 있다.

예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 (b)단계는 압연용 롤러(10, 11)을 이용하여 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)의 둘레를 가공하는 것으로 할 수 있다. 구체적으로 상기 압연용 롤러(10, 11)는 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면 가공용 롤러(11) 및 상면 가공용 롤러(10)를 포함할 수 있으며, 이들은 각각 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)의 둘레를 가압하여 회전함에 따라 소성 변형시킨다.

특히 상기 접촉면 가공용 롤러(11)는 경사진 회전축을 가지도록 형성되어, 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)의 접촉면을 경사지게 가공할 수 있다.

또 다른 방법으로, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 (b)단계는 적어도 측면이 경사지게 형성되고, 하부가 개구된 제1프레싱홈(21)을 가지는 제1프레스툴(20)을 이용하여 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)을 프레싱 가공하는 방법이 적용될 수 있다.

이는 상기와 같은 형태를 가지는 제1프레스툴(20)을 상부로부터 가압함에 따라 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)을 상기 제1프레싱홈(21)에 대응되는 형태로 소성 변형시키는 것이다.

이때 상기 제1프레스툴(20)은, 엔드와인딩영역(250), 제1슬롯내권선영역(210a) 및 제2슬롯내권선영역(210b)의 서로 다른 단면 형상을 형성하기 위해 규격 별로 복수 개가 구비될 수 있을 것이다.

또한 이와 동일한 방법으로서, 도 8에 도시된 바와 같이 제2프레스툴(30)을 이용한 가공 방법이 적용될 수 있다.

상기 제2프레스툴(30)은 전술한 제1프레스툴(20)과 같이 하부가 개구된 제2프레싱홈(31)을 가지나, 상기 제2프레스툴(30)은 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b) 및 상기 엔드와인딩영역(250)을 가공하기 위한 서로 다른 규격의 제1프레스툴(20)이 일체형으로 형성된 형태인 것이 다르다.

즉 상기 제2프레싱홈(31)은 길이 방향으로 길게 형성되되, 길이 방향을 따라 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b) 및 상기 엔드와인딩영역(250)에 대응되도록 영역 별로 서로 다른 형태를 가지게 된다.

이와 같은 방법은 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b) 및 상기 엔드와인딩영역(250)을 동시에 프레싱 가공할 수 있다는 장점을 가진다.

또는 도 9에 도시된 바와 같이, (b)단계를 위해 복수 개의 제3프레싱홈(41)이 형성된 제3프레스툴(40)이 적용될 수도 있다.

상기 제3프레스툴(40)은 원재료(202)를 가공하기 위한 복수의 제3프레싱홈(31)이 병렬로 배열되며, 이에 따라 복수 개의 전기자 권선(200)을 동시에 제조하여 생산성을 향상시킬 수 있을 것이다.

이상과 같은 (b)단계 이후에는, 상기 엔드와인딩영역(250) 및 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b) 사이를 벤딩시키는 (c)단계가 수행된다.

본 단계는 상기 전기자 권선(200)을 이후 스테이터의 슬롯에 삽입할 수 있도록 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)을 상기 엔드와인딩영역(250)으로부터 벤딩하여 절곡시키는 단계이다.

상기 (c)단계 역시 제한되지 않는 다양한 방법에 의해 수행될 수 있으며, 본 실시예의 경우 상기 (c)단계는 도 10에 도시된 바와 같이 벤딩용 베이스 지그(50b)에 원재료를 위치시키고, 벤딩용 롤러(55)를 상기 벤딩용 베이스 지그(50b)의 둘레를 따라 이동시켜 상기 엔드와인딩영역(250) 및 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b) 사이를 벤딩시키는 방법을 사용하였다.

이때 상기의 과정과 함께, 상기 벤딩용 베이스 지그(50b)의 상부에서 상기 원재료를 가압하는 벤딩용 커버지그(50a)를 함께 이용하여 상기 원재료를 가압한 상태로 벤딩을 수행하게 된다.

구체적으로 본 실시예에서 상기 벤딩용 베이스 지그(50b)는, 상기 한 쌍의 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)과 상기 엔드와인딩영역(250)이 안착될 수 있도록 전술한 (b)단계를 거친 전기자 권선(200)의 형상에 대응되는 형성된 안착부(52)와, 상기 안착부(52)의 내측에서 상부를 향해 돌출된 지지부(51)를 포함한다.

또한 상기 벤딩용 커버지그(50a)는 상기 벤딩용 베이스 지그(50b)는의 안착부(52)의 형태에 대응되도록 돌출된 가압부(54)와, 상기 가압부(54)의 내측에 함몰된 함몰부(53)를 포함한다.

이와 같은 형상에 의해, 상기 벤딩용 베이스 지그(50b) 및 상기 벤딩용 커버지그(50a)는 상기 안착부(52)와 가압부(54), 그리고 상기 지지부(51) 및 함몰부(53)가 서로 맞물리며 상기 안착부(52)에 거치된 전기자 권선(200)을 가압하게 된다.

특히 본 실시예에서 상기 가압부(54)의 길이(h₂)는, 상기 지지부(51)의 길이(h₁)보다 짧게 형성될 수 있다. 이는 상기 벤딩용 베이스 지그(50b) 및 상기 벤딩용 커버지그(50a)가 서로 맞물린 상태에서 상기 안착부(52)에 거치된 전기자 권선(200)의 두께만큼의 여유공간이 형성되어야 하기 때문이다.

또한 본 실시예의 경우 상기 안착부(52) 상에 한 쌍의 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)과 하나의 엔드와인딩영역(250)을 포함하는 전기자 권선(200)이 거치되어 가공되는 것으로 하였으나, 이와 달리 n개의 슬롯내권선영역(210a, 210b)과 n-1개의 엔드와인딩영역(250)을 가지는 전기자 권선(200)의 가공을 수행할 수도 있다(n은 3이상의 자연수).

이와 같은 경우에는 상기 안착부(52) 상에 슬롯내권선영역(210a, 210b)과 엔드와인딩영역(250)이 적층될 수 있으므로, 상기 가압부(54)의 길이(h₂)는 상기 전기자 권선(200) 총 높이를 고려하여 정해질 수 있을 것이다.

이를 위해, 상기 벤딩용 커버지그(50a)는 다양한 길이의 가압부(54)를 가지는 다양한 규격 복수 개가 별도로 구비될 수도 있으며, 또는 상기 가압부(54)만을 분리/결합시킬 수 있는 구조로 형성될 수도 있다. 후자의 경우, 상기 가압부(54)가 다양한 길이로 준비되어 가공 상황에 맞게 교체될 수 있을 것이다.

또한 본 실시예에서는 한 쌍의 슬롯내권선영역(210a, 210b)이 동일 위상에 위치되는 것으로 예시하였으나, 전술한 바와 같이 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210a, 210b)은 스테이터의 서로 다른 슬롯에 삽입될 수도 있으며, 이때는 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210a, 210b)이 서로 상기 안착부(52) 상의 다른 높이에 위치된다.

이와 같은 경우 보다 높은 위치에 구비되는 슬롯내권선영역(210a, 210b)과 상기 안착부(52) 사이에 지지면을 제공하기 위한 보형물이 구비될 수 있으며, 상기 가압부(54)의 길이 역시 상기 슬롯내권선영역(210a, 210b)의 높이에 대응되도록 영역 별로 서로 다른 위상을 가질 수 있을 것이다.

상기 (c)단계는, 이상과 같은 벤딩용 베이스 지그(50b) 및 벤딩용 커버지그(50a)를 통해 도 11에 도시된 바와 같이 상기 지지부(51)의 둘레 형상을 따라 상기 벤딩용 롤러(55)를 이동시키며 상기 전기자 권선(200)을 벤딩시켜 최종적인 형상으로 가공하게 된다.

한편 본 과정에서도 설명한 바와 같이, 상기 전기자 권선(200)은 n개의 슬롯내권선영역(210)과 n-1개의 엔드와인딩영역(250)을 가질 수도 있다(n은 3 이상의 자연수).

이와 같은 경우에는 상기 전기자 권선(200)의 최종 형상이 도 12에 나타난 형태로 가공될 수 있다.

도 12의 좌측에 나타난 전기자 권선(200)의 경우 2턴이 감긴 형태로 총 4개의 슬롯내권선영역(210)과 3개의 엔드와인딩영역(250)을 포함하며, 도 12의 우측에 나타난 전기자 권선(200)은 3턴이 감긴 형태로 총 6개의 슬롯내권선영역(210)과 5개의 엔드와인딩영역(250)을 포함한다.

이와 같이, 본 발명은 원재료의 길이를 다양하게 하여 연속적으로 연결된 슬롯내권선영역(210)과 엔드와인딩영역(250)을 포함하는 전기자 권선(200)을 제작할 수 있으며, 이는 상기 슬롯내권선영역(210)과 상기 엔드와인딩영역(250)을 서로 용접하는 등의 공정을 전면 생략할 수 있다.

그리고 도 13 내지 도 15에는, 본 발명에 의해 제조된 다양한 형태의 전기자 권선(200)이 도시된다.

도 13의 경우, 한 쌍의 슬롯내권선영역(210)과 하나의 엔드와인딩영역(250)을 포함하며, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210)은 스테이터에 이격된 서로 다른 슬롯에 삽입되되, 서로 다른 위상에 삽입될 수 있도록 형성된다. 이에 따라 상기 엔드와인딩영역(250)은 다양한 구배를 가지도록 절곡되어 전체적으로 경사진 형태를 가진다.

도 14의 경우, 복수의 슬롯내권선영역(210)과 복수의 엔드와인딩영역(250)을 포함하는 전기자 권선(200)이 도시된다. 설명의 편의를 위해, 도 14의 경우 전기자 권선(200)의 후방 일부를 생략하고 전방 일부만을 도시하였다.

도 14에 도시된 전기자 권선(200)의 경우 복수의 층이 적층된 형태를 가지며, 이때 각 층의 슬롯내권선영역(210)과 엔드와인딩영역(250)은 서로 상하 방향을 따라 완전히 겹쳐진 상태로 형성된다.

즉 본 발명은 이와 같이 복수 층을 가지는 전기자 권선(200)이 슬롯에 삽입된 상태에서 상기 슬롯의 외부에 노출된 상기 엔드와인딩영역(250)의 돌출 길이를 최소화할 수 있다.

도 15의 경우, 도 13과 마찬가지로 한 쌍의 슬롯내권선영역(210)과 하나의 엔드와인딩영역(250)을 포함하며, 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210)은 스테이터에 이격된 서로 다른 슬롯에 삽입되되, 서로 다른 위상에 삽입될 수 있도록 형성된다. 이에 따라 상기 엔드와인딩영역(250)은 다양한 구배를 가지도록 절곡되어 전체적으로 경사진 형태를 가진다.

다만, 도 15에 나타난 전기자 권선(200)은 상기 엔드와인딩영역(250)의 길이가 보다 길게 형성되며, 이에 따라 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역(210) 간의 이격 거리 역시 보다 멀게 형성된다.

이와 같은 형태의 전기자 권선(200)은, 한 쌍의 슬롯내권선영역(210)이 도 13에 비해 보다 먼 거리에 이격된 슬롯 내에 각각 삽입될 수 있도록 한 것이다.

이상과 같이 (a)단계 내지 (c)단계를 통해 전기자 권선(200)을 제작한 이후에는, 복수 개의 슬롯(112, 도 1 참조)이 둘레 방향으로 형성된 스테이터(100, 도 1 참조)의 선택된 슬롯(112)마다에 상기 분포권 평각형 전기자 권선(200)의 슬롯내권선영역(210)을 삽입하는 (d)단계와, 상기 복수의 슬롯(112)에 삽입된 서로 다른 분포권 평각형 전기자 권선(200)의 슬롯내권선영역(210)을 서로 연결하는 (e)단계가 수행되어 모터의 제조가 완료될 수 있다.

이때 상기 (e)단계의 경우, 서로 다른 분포권 평각형 전기자 권선(200)의 슬롯내권선영역(210)을 용접 등 다양한 방법을 통해 연결할 수 있을 것이다.

한편 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 제조방법에 원재료로서 적용 가능한 CTC케이블의 모습을 나타낸 도면이다.

전술한 각 과정에서는 단면이 직사각형 형태로 형성된 구리 또는 알루미늄의 평각 동선을 사용하는 것으로 예시하였으나, 본 발명의 분포권 평각형 전기자 권선의 원재료로서 도 16과 같은 CTC케이블(302)이 적용될 수도 있다.

상기 CTC케이블(302)은 복수 개의 직사각형 형태의 케이블(304)이 꼬여 형성된 직사각형 형태의 코일 형상을 가지며, 코일의 둘레를 감싸는 피복(303)을 포함한다. 이와 같은 CTC케이블(302)은 일반적으로 고가 발전기, 변압기에 주로 사용된다.

CTC 케이블(302)은 각 케이블(304)이 서로 교차하면서 꼬여 있기 때문에, 전동기 또는 발전기 등 코일이 적용된 기기의 고속 회전 시 표피 효과(Skin Effect)와 근접 효과(Proximity Effect)를 감소 시키는 결과를 가지므로, 이를 원재료로서 활용하여 평각형 코일 형태로 와인딩, 혹은 분포권 타입의 전동기 또는 발전기를 제작하는 경우 점적율을 최대화 하는 동시에 고회전(높은 전기적 주파수)에 따른 저항 증가 현상을 극히 감소시켜 속도에 따른 효율 차이를 최소화할 수 있다.

도 17은 본 발명에 따른 분포권 평각형 전기자 권선을 포함하는 모터의 도체 전류밀도 분포 형태를 나타낸 도면이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 3차원 전자계 유한요소해석(FEA)을 통해 슬롯 내부에서 코어와 근접할수록 도체의 전류 밀도가 높아지는 현상을 확인 할 수 있다.

전류 몰림 현상은 암페어의 주회법칙에 의해 도체 단면 중심부에서 발생하는 쇄교자속(Flux Linkage)의 집중과 코어부에서 발생하는 누설자속(Leakage Flux)의 상호 작용에 의해 특정 전기인가 조건에서 도 17과 같은 분포를 띄게 된다.

이러한 현상은 전동기의 작동 주파수가 증가할수록 경향이 뚜렷해지며, 본 현상은 코일의 실효도체 단면적을 감소시켜 결과적으로 주파수의 증가에 따라 코일의 교류저항(AC Loss) 증가를 야기한다.

도 18은 16극 24슬롯 인휠타입 전기자동차 구동용 모터 사양에서 권선 형상을 변수로 적용한, 역기전력이 동일한 두 전동기의 효율을 비교한 그래프이다.

기존 환형동선을 적용한 전동기의 점적율은 37.8%이며, 평각형 전기자 권선을 적용한 전동기의 점적율은 82.8%이다. 평각형 전기자 권선을 적용한 전동기는 저속에서 최대 25%정도의 효율 향상되는 것을 확인할 수 있다.

또한 도 17에서 설명한 표피효과와 근접효과의 영향으로 저항이 증가하여 2,200 RPM 부근부터는 효율이 거의 동일한 수준인 것을 확인할 수 있다.

도 19는 글로벌 부품 업체인 M사의 15kW급 전기자동차 인휠모터(In-Wheel Motor)에 각각 환형동선과, 평각형 전기자 권선을 적용하여 효율을 비교한 것이다.

이때 비교 대상 간 모터 사이즈와 역기전력은 동일하며, 평각형 전기자 권선 기술은 최대 효율이 97%이상(3,000RPM) 설계된 전동기의 저속 효율을 최대 9% 가량 향상시키는 것으로 확인되었다.

더불어 최고 속도인 9,000RPM 부근에서도 평각형 전기자 권선의 교류저항 증가로 인한 효율 저하는 0.8% 수준으로 저속에서 얻는 효율 향상의 이득이 월등하다 할 수 있다(전기자동차는 저속 효율이 주효).

도 20은 도 19에 나타낸 효율 산정에 사용된 평각형 전기자 권선과 환형동선의 순수 교류 저항 성분을 표시한 것이다.

평각형 전기자 권선을 적용한 경우, 동일 전동기 사이즈에서 상저항이 50%가까이 감소 하므로 초기 동손(Copper Loss)이 절반 수준인 것을 확인할 수있다.

이후 교류저항의 영향으로 주파수가 올라가면서 평각형 전기자 권선 적용 전동기의 손실이 증가하는 것을 확인할 수 있다(영구자석형 전동기는 초기 구동 시 전류가 많이 입력되며, 속도가 증가함에 따라 입력전류를 감소시키기 때문에 기본적으로 초기 동손이 큼).

도 21은 도 19, 20에 나타낸 전동기의 작동 속도(주파수 별) 손실 세부 항목에 대한 설명이다.

영구자석형 전동기의 경우 초기 동손 성분이 주 손실 요인이며, 전동기가 고속으로 회전할수록 코어부의 철손(Iron Loss)이 커짐을 보인다.

결론적으로, 평각형 전기자 권선은 영구자석형 전동기의 초기 가속(전기자동차 출발)시 대부분의 손실 성분인 동손(AC Loss, 교류저항)을 획기적으로 감소 시키는 권선 기술이며, 주파수 증가에 따른 평각형 전기자 권선의 교류저항 증가에 의한 손실 성분은 전동기가 고속으로 회전하게 되면서 전류 입력이 적어지므로 동손 자체가 저속에 비해 적은 수준이며, 고속에서는 철손이 전동기 주 손실 성분이기 때문에 평각형 전기자 권선의 교류 저항 증가에 의한 전동기 성능 저하는 매우 적은 수준임을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100: 모터
110: 스테이터
112: 슬롯
200: 전기자 권선
210: 슬롯내권선영역
250: 엔드와인딩영역

Claims

서로 다른 높이를 가지는 적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이에 구비되는 엔드와인딩영역이 연속된 원재료를 준비하는 (a)단계;
상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 둘레 중 적어도 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면을 가공하여 경사면을 형성함에 따라 상기 슬롯내권선영역의 단면이 사다리꼴 형태로 형성되도록 하고, 상기 엔드와인딩영역의 단면은 직사각형 형태로 형성되도록 하는 (b)단계; 및
상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시키는 (c)단계;
를 포함하며,
상기 (b)단계는,
상기 한 쌍의 슬롯내권선영역의 둘레 중 상기 접촉면 외의 면을 더 가공하여 상기 슬롯내권선영역과 상기 엔드와인딩영역 사이에 단차를 형성함에 따라, 상기 슬롯내권선영역의 높이가 상기 엔드와인딩영역의 높이보다 낮아지도록 하며,
상기 (c)단계는,
적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 엔드와인딩영역이 안착되는 안착부와, 상기 안착부의 내측에서 상부를 향해 돌출된 지지부를 포함하는 벤딩용 베이스 지그의 둘레에 상기 원재료를 위치시키되, 다른 슬롯내권선영역보다 높은 위치에 구비되는 슬롯내권선영역 및 안착부 사이에 지지면을 제공하기 위한 보형물을 구비한 상태에서 원재료를 위치시키며,
상기 벤딩용 베이스 지그의 상기 안착부의 형태에 대응되도록 돌출된 가압부와, 상기 가압부의 내측에 함몰된 형태로 형성되어 상기 지지부와 맞물리는 함몰부를 포함하는 벤딩용 커버지그를 상기 벤딩용 베이스 지그와 결합하여 상기 안착부에 거치된 상기 원재료를 가압한 상태에서, 상기 지지부의 둘레 형상을 따라 상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시키도록 하고,
상기 벤딩용 커버지그는, 상기 가압부 복수 개가 다양한 길이로 준비되어 가공 상황에 맞도록 분리/결합시킬 수 있도록 형성되는 분포권 평각형 전기자 권선 제조방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 (b)단계는,
압연용 롤러를 이용하여 상기 슬롯내권선영역의 둘레를 가공하는 것으로 하는 분포권 평각형 전기자 권선 제조방법.
제1항에 있어서,
상기 (b)단계는,
하부가 개구된 제1프레싱홈을 가지는 제1프레스툴을 이용하여 상기 슬롯내권선영역을 프레싱 가공하는 것으로 하는 분포권 평각형 전기자 권선 제조방법.
제4항에 있어서,
상기 제1프레스툴은 상기 슬롯내권선영역 및 상기 엔드와인딩영역에 대응되어 서로 다른 규격을 가지도록 복수 개가 구비되는 분포권 평각형 전기자 권선 제조방법.
제5항에 있어서,
상기 (b)단계는,
서로 다른 규격의 제1프레스툴이 일체형으로 형성된 제2프레스툴을 이용하여 상기 슬롯내권선영역 및 상기 엔드와인딩영역을 동시에 프레싱 가공하는 것으로 하는 분포권 평각형 전기자 권선 제조방법.
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서로 다른 높이를 가지는 적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 사이에 구비되는 엔드와인딩영역이 연속된 원재료를 준비하는 (a)단계;
상기 한 쌍의 슬롯내권선영역 둘레 중 적어도 스테이터의 슬롯 내면에 접촉되는 접촉면을 가공하여 경사면을 형성함에 따라, 상기 슬롯내권선영역의 단면이 사다리꼴 형태로 형성되도록 하고, 상기 엔드와인딩영역의 단면은 직사각형 형태로 형성되도록 하는 (b)단계;
상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시켜 분포권 평각형 전기자 권선을 제조하는 (c)단계;
복수 개의 슬롯이 둘레 방향으로 형성된 스테이터의 선택된 슬롯마다에 상기 분포권 평각형 전기자 권선의 슬롯내권선영역을 삽입하는 (d)단계; 및
상기 복수의 슬롯에 삽입된 서로 다른 분포권 평각형 전기자 권선의 슬롯내권선영역을 서로 연결하는 (e)단계;
를 포함하며,
상기 (b)단계는,
상기 한 쌍의 슬롯내권선영역의 둘레 중 상기 접촉면 외의 면을 더 가공하여 상기 슬롯내권선영역과 상기 엔드와인딩영역 사이에 단차를 형성함에 따라, 상기 슬롯내권선영역의 높이가 상기 엔드와인딩영역의 높이보다 낮아지도록 하며,
상기 (c)단계는,
적어도 한 쌍의 슬롯내권선영역 및 상기 엔드와인딩영역이 안착되는 안착부와, 상기 안착부의 내측에서 상부를 향해 돌출된 지지부를 포함하는 벤딩용 베이스 지그의 둘레에 상기 원재료를 위치시키되, 다른 슬롯내권선영역보다 높은 위치에 구비되는 슬롯내권선영역 및 안착부 사이에 지지면을 제공하기 위한 보형물을 구비한 상태에서 원재료를 위치시키며,
상기 벤딩용 베이스 지그의 상기 안착부의 형태에 대응되도록 돌출된 가압부와, 상기 가압부의 내측에 함몰된 형태로 형성되어 상기 지지부와 맞물리는 함몰부를 포함하는 벤딩용 커버지그를 상기 벤딩용 베이스 지그와 결합하여 상기 안착부에 거치된 상기 원재료를 가압한 상태에서, 상기 지지부의 둘레 형상을 따라 상기 엔드와인딩영역 및 상기 슬롯내권선영역 사이를 벤딩시키도록 하고,
상기 벤딩용 커버지그는, 상기 가압부 복수 개가 다양한 길이로 준비되어 가공 상황에 맞도록 분리/결합시킬 수 있도록 형성되는 모터 제조방법.
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