KR102382270B1 - 비틀린 형상의 평각형 코일 및 이를 위한 스테이터, 그리고 이를 포함하는 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 비틀린 형상의 평각형 코일은, 전동기에 구비되는 코어의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어를 포함하는 단위코일을 포함하고, 상기 단위코일의 각 레이어는, 서로 인접한 코어의 치 사이에 형성되는 슬롯의 외측에 구비되는 한 쌍의 노출영역 및 상기 한 쌍의 노출영역에 대해 비직각을 이룬 상태로 상기 한 쌍의 노출영역 사이를 연결하며, 상기 슬롯에 삽입되는 한 쌍의 슬롯삽입영역을 포함한다.

Description

비틀린 형상의 평각형 코일 및 이를 위한 스테이터, 그리고 이를 포함하는 전동기{Skewed MSO Coil, Stator and Motor Having the Same}

본 발명은 비틀린 형상의 평각형 코일 및 이를 위한 스테이터, 그리고 이를 포함하는 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비틀린 형상을 가지도록 형성되어 진동 및 소음을 저감시킬 수 있는 비틀린 형상의 평각형 코일 및 이를 위한 스테이터, 그리고 이를 포함하는 전동기에 관한 것이다.

전동기의 효율 증대를 위한 연구가 활발하게 진행되고 있는 최근에는 전기자동차 및 발전설비에 사용되는 전동기 및 발전기의 효율 개선은 매우 큰 경제적 효과를 유발할 수 있다.

이에 따라 전동기의 효율을 향상시키기 위한 방법의 일환으로, 전동기 및 발전기의 로터 또는 스테이터에 감기는 코일의 점적률(占積率, Coil Space Factor 또는 Conductor Occupying Ratio)을 향상시키기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.

이러한 코일의 점적률을 향상시키기 일반적인 방법으로는, 스테이터 또는 로터에 감기는 코일의 직경을 증가시키거나 감는 횟수를 늘리는 방법이 주로 이용되고 있다.

그러나, 종래의 코일의 경우 주로 수직단면이 원형의 형태를 갖는 구리 와이어가 통상적으로 사용되고 있으며, 이러한 원형코일의 직경을 증가시키게 되면 원형의 단면으로 인해 감겨진 코일층 사이에 낭비되는 공간(Waste Space)이 발생하게 되므로 코일의 점적률이 저하된다는 근본적인 문제점이 존재한다.

반면, 너무 작은 직경을 갖는 코일을 감을 경우에는 동일 면적 대비 권선횟수가 증가되므로, 상대적인 전기저항의 증가로 인해 효율저하 및 발열문제가 야기될 수 있다.

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

또한 이와 더불어, 현재까지 사용되고 있는 전기 모터는 구동 과정에서 진동 및 소음이 발생하는 경향이 있어, 최근 프리미엄급 전기자동차의 개발 과정에서는 전기 모터의 진동 및 소음 저감이 필연적인 해결 과제로 대두되고 있다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

한국공개특허 제10-2008-0023539호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 모터의 점적율을 높이기 위해 평각형 코일을 적용하면서도, 평각형 코일 자체에 비틀린 구조(Skew Structure)를 적용하여 모터의 진동과 소음을 저감할 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 비틀린 형상의 평각형 코일은, 전동기에 구비되는 코어의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어를 포함하는 단위코일을 포함하고, 상기 단위코일의 각 레이어는, 서로 인접한 코어의 치 사이에 형성되는 슬롯의 외측에 구비되는 한 쌍의 노출영역 및 상기 한 쌍의 노출영역에 대해 비직각을 이룬 상태로 상기 한 쌍의 노출영역 사이를 연결하며, 상기 슬롯에 삽입되는 한 쌍의 슬롯삽입영역을 포함한다.

이때 상기 단위코일은, 감싸고 있는 코어의 치와, 인접한 코어의 치 사이에 형성되는 동일 슬롯 내에 구비된 다른 단위코일과 인접한 인접부의 적어도 일부가, 감싸고 있는 코어의 치 측면과 비평행하게 형성될 수 있다.

그리고 상기 단위코일은, 상기 인접부가 복수의 레이어에 걸쳐 연속적인 직선을 이루는 형태로 감싸고 있는 코어의 치 측면과 비평행하게 형성될 수 있다.

또한 상기 단위코일은, 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 슬롯삽입영역의 폭이 점차 증가하도록 형성될 수 있다.

더불어 상기 단위코일은, 상기 노출영역의 폭이 각 레이어마다 동일하게 형성될 수 있다.

그리고 상기 단위코일은, 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 두께가 점차 감소하도록 형성도리 수 있다.

한편 상기 단위코일의 양 끝단부에는, 다른 단위코일과의 연결을 위한 엔드와인딩부재가 연결되는 엔드와인딩 연결부가 형성될 수 있다.

그리고 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스테이터는, 상기의 비틀린 형상의 평각형 코일이 권취되는 코어를 포함하며, 상기 코어는, 전동기의 전방을 향하도록 형성된 제1면, 전동기의 후방을 향하도록 형성된 제2면 및 상기 제1면 및 상기 제2면에 대해 비직각을 이룬 상태로 상기 제1면 및 상기 제2면 사이를 연결하는 한 쌍의 제3면을 포함한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 비틀린 형상의 평각형 코일 및 이를 위한 스테이터, 그리고 이를 포함하는 전동기는, 종래 원형코일에 비해 동일 구조 대비 상대적으로 높은 점적률을 가지므로, 고효율의 전동기 및 발전기의 생산이 가능하다는 장점이 있다.

또한 본 발명은 모터의 점적율을 높이기 위해 평각형 코일을 적용하면서도, 평각형 코일 자체에 비틀린 구조(Skew Structure)를 적용하여 모터의 진동과 소음을 저감할 수 있는 장점을 가진다.

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 전동기의 모습을 나타낸 도면;
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기에 적용되는 평각형 코일의 모습을 나타낸 도면; 및
도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기에 있어서, 스테이터에 평각형 코일이 구비된 모습을 나타낸 도면이다.

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 전동기의 모습을 나타낸 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기는 로터(100)와 스테이터(200)를 포함하여 구성된다.

이때 상기 스테이터(200)는 링 형상의 내주부(210)와, 평각형 코일(300)이 장착되는 복수 개의 코어(220, 도 5 참조)를 포함하며, 이와 같은 코어(220)는 내주부(210)의 둘레를 따라 복수 개가 배열된다.

그리고 상기 로터(100)는 상기 스테이터(200)를 둘레를 감싸는 형태로 구비되는 외주부(110)와, 상기 외주부(110) 및 상기 스테이터(200) 사이에 구비되는 복수 개의 영구자석(120)을 포함한다. 여기서 영구자석(120)은 계자권선으로 대체될 수도 있음은 물론이다.

즉 본 실시예에 따른 전동기는 회전되는 로터(100)가 스테이터(200)의 외측에 구비되는 형태를 가지며, 상기 로터(100)는 회전 구동력을 전달하고자 하는 대상에 연결될 수 있다.

또한 본 실시예에서 상기 스테이터(200)의 내주부(210) 내측에는, 상기 스테이터(200)를 고정시키기 위한 외부 구조물이 삽입되는 중공(212)이 형성될 수 있다. 그리고 상기 내주부(210)의 내주면에는 외부 구조물과 결합되어 상기 스테이터(200)의 회전을 방지하는 회전방지돌기(214)가 더 구비된다.

더불어 이와 같은 스테이터(200)에 구비되는 복수 개의 평각형 코일(300)은 각각의 평각형 코일(300)을 서로 연결하는 엔드와인딩부재(400)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.

도 2 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기에 적용되는 평각형 코일(300)의 모습을 나타낸 도면이며, 도 5 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기에 있어서, 스테이터(200)에 평각형 코일(300)이 구비된 모습을 나타낸 도면이다.

도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 평각형 코일(300)은 전동기에 구비되는 코어(220, 도 5 참조)의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어(220)의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어를 포함하는 단위코일로 구성된다.

그리고 이와 같은 단위코일의 내측에는 상기 코어(220)의 치가 삽입되는 중공부(302)가 형성될 수 있다. 이때 상기 코어(220)는 투자율(透磁率, Permeability)을 가지는 자성재료일 수 있다.

본 실시예에서 상기 단위코일은 각 레이어가 서로 다른 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 또한 하나의 레이어 상에서도 영역 별로 그 형태가 변형되는 형태를 가진다.

구체적으로 본 실시예의 경우 상기 단위코일의 각 레이어는, 서로 인접한 코어(220)의 치 사이에 형성되는 슬롯(230)의 외측에 구비되는 한 쌍의 노출영역(310)과, 상기 한 쌍의 노출영역(310)에 대해 기 설정된 각도(θ)를 이룬 상태로 상기 한 쌍의 노출영역(310) 사이를 연결하며, 상기 슬롯(230)에 삽입되는 한 쌍의 슬롯삽입영역(320)을 포함한다.

다시 말해 상기 슬롯삽입영역(320)은 서로 인접한 코어(220)의 치 사이 슬롯(230)에 완전히 수용되는 영역을 말하며, 상기 노출영역(310)은 상기 슬롯(230)에 삽입되지 않고 외부로 노출되어 있는 영역을 말하는 것이다.

여기서 상기 슬롯삽입영역(320)과 상기 노출영역(310) 사이의 기 설정된 각도(θ)는 비직각으로 형성되며, 따라서 상기 평각형 코일(300)은 횡단면이 평행사변형 형상으로 이루어져 전체적으로 비틀린 형상을 가진다.

즉 본 발명은 전동기의 점적율을 높이는 동시에, 평각형 코일(300)에 비틀린 구조를 적용하여 전동기 자체의 진동 및 소음을 저감시킬 수 있게 된다.

그리고 상기 단위코일은, 감싸고 있는 코어(220)의 치와, 인접한 코어(220)의 치 사이에 형성되는 동일 슬롯(230) 내에 구비된 다른 단위코일과 인접한 인접부(304)의 적어도 일부가, 감싸고 있는 코어(220)의 치 측면과 비평행하게 형성된 형태를 가진다.

한 쌍의 인접한 코어(220) 사이에 형성되는 슬롯(230)에는 서로 다른 단위코일의 일부, 즉 슬롯삽입영역(320)이 각각 삽입되며, 하나의 슬롯(230) 내에 삽입되어 공간을 점유하는 서로 인접한 단위코일의 측면부가 상기 인접부(304)를 형성하게 된다. 즉 상기 인접부(304)는 인접한 다른 단위코일과의 대향면을 의미한다.

그리고 상기와 같이 인접부(304)는, 상기 코어(220)의 치의 측면과는 비평행하게 형성되며, 이와 같이 하는 이유는 슬롯(230) 내에서의 점적률을 극대화하기 위한 것이다.

또한 본 실시예에서 상기 단위코일은, 상기 인접부(304)가 복수의 레이어에 걸쳐 연속적인 직선을 이루는 형태로 감싸고 있는 코어(220)의 치 측면과 비평행하게 형성된 형태를 가진다. 즉 상기 단위코일의 슬롯삽입영역(320)은 전체적으로 테이퍼진 형태를 가지며, 전동기의 내경부에서 외경부로 갈수록 개별 레이어의 폭(W_2-1~W_2-n)이 점차 증가하게 된다.

이에 따라 본 실시예의 단위코일은, 인접한 다른 단위코일과 함께 슬롯(230) 내 공간을 빈틈없이 가득 채울 수 있으며, 종래에 비해 극대화된 점적률을 가질 수 있다.

이때 상기 단위코일이 감싸고 있는 코어(220)의 치 측면과 상기 인접부(304)와의 각도는, 전동기에 구비되는 슬롯(230)의 개수에 따른 기하학적 형태에 의해 결정될 수 있으며, 구체적으로 전동기의 중심각을 상기 슬롯(230)의 개수에 따라 나누어 상기 인접부(304)의 각도를 결정할 수 있다.

또한 본 실시예에서 상기 단위코일은 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어(L)로 갈수록 두께(h_2-1~h_2-n)가 점차 감소하도록 형성될 수 있다.

즉 상기 단위코일의 레이어가 n개라고 가정할 때, 상기 전동기의 최외곽 외경부에 위치되는 레이어로부터 상기 전동기의 최내곽 내경부에 위치되는 레이어로 갈수록 그 두께(h_2-1~h_2-n)가 점차 증가하도록 형성된다.

이와 같이 하는 이유는, 전술한 바와 같이 상기 인접부(304)가 경사진 형태로 형성됨에 따라 상대적으로 전동기의 내경부 측으로 갈수록 각 레이어의 폭이 줄어들기 때문에, 줄어든 폭을 두께로서 보상함에 따라 일정 이상으로 해당 레이어의 저항을 낮추어 효율을 높일 수 있도록 하기 위함이다.

한편 본 실시예에서 상기 노출영역(310)의 폭(W₁)은, 상기 슬롯삽입영역(320)과 달리 각 레이어마다 동일하게 형성될 수 있다. 즉 상기 노출영역(310)은 상기 슬롯삽입영역(320)과는 달리, 레이어의 위치에 관계없이 일정한 폭(W₁)을 가지도록 형성된다.

이와 같이 하는 이유는, 상기 노출영역(310)의 외면 측을 평탄하게 하여 전동기의 점유 면적을 최소화하는 동시에, 상기 노출영역(310)의 외면에 방열판 등과 같은 외부 부품을 장착하기 용이하게 하기 위해서이다. 뿐만 아니라 각 레이어의 상기 노출영역(310)에서의 전기 저항을 최소화시킬 수 있도록 함으로써 전동기의 성능을 극대화시킬 수 있도록 한다.

그리고 본 실시예의 평각형 코일(300)은 상기 단위코일의 양 끝단부에 다른 단위코일과의 연결을 위한 엔드와인딩부재(400)가 연결되는 엔드와인딩 연결부(330)가 형성될 수 있다.
이때 상기 엔드와인딩 연결부(330)는, 상기 슬롯삽입영역(320)에 대해 기 설정된 각도를 이루어 꺾인 상태를 가지며, 상기 노출영역(310)과는 직각을 이룬 상태로 외측으로 돌출된 형상을 가진다.

한편 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 비틀린 형상의 평각형 코일(300)이 권취되는 스테이터(200)는 내주부(210)와, 복수 개의 코어(220)를 포함한다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 코어(220)는, 전동기의 전방을 향하도록 형성된 제1면(221)과, 전동기의 후방을 향하도록 형성된 제2면(222)와, 상기 제1면(221) 및 상기 제2면(222)에 대해 비직각을 이룬 상태로 상기 제1면(221) 및 상기 제2면(222) 사이를 연결하는 한 쌍의 제3면(223)을 포함하여, 횡단면이 전체적으로 평행사변형 형성을 가질 수 있다.

즉 상기 코어(220)의 횡단면은 평각형 코일(300)의 중공부(302)이 대응되는 형상으로 형성되어, 마찬가지로 비틀린 형상을 가지도록 형성될 수 있다.

이와 같이 본 발명은 비틀린 형상의 평각형 코일(300)을 안정적으로 결합할 수 있도록 스테이터(200)가 적합한 형상의 코어(220)를 가지며, 비틀린 형상의 평각형 코일(300)에 의해 전동기 자체의 진동 및 소음을 효과적으로 저감시킬 수 있게 된다.

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: 로터
110: 외주부
120: 영구자석
200: 스테이터
210: 내주부
212: 중공
214: 회전방지돌기
220: 코어
230: 슬롯
300: 평각형 코일
304: 인접부
310: 노출영역
320: 슬롯삽입영역
330: 엔드와인딩 연결부
400: 엔드와인딩부재

Claims (10)

1. 전동기에 구비되는 코어의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어를 포함하는 단위코일을 포함하고,
   상기 단위코일의 각 레이어는,
   서로 인접한 코어의 치 사이에 형성되는 슬롯의 외측에 구비되는 한 쌍의 노출영역; 및
   상기 한 쌍의 노출영역에 대해 비직각을 이룬 상태로 상기 한 쌍의 노출영역 사이를 연결하며, 상기 슬롯에 삽입되는 한 쌍의 슬롯삽입영역;
   을 포함하며,
   상기 단위코일의 양 끝단부에는, 다른 단위코일과의 연결을 위한 엔드와인딩부재가 연결되는 엔드와인딩 연결부가 형성되되,
   상기 엔드와인딩 연결부는, 상기 슬롯삽입영역에 대해 기 설정된 각도를 이루어 꺾인 상태를 가지며, 상기 노출영역과는 직각을 이룬 상태로 외측으로 돌출된 형상을 가지는,
   비틀린 형상의 평각형 코일.
2. 제1항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   감싸고 있는 코어의 치와, 인접한 코어의 치 사이에 형성되는 동일 슬롯 내에 구비된 다른 단위코일과 인접한 인접부의 적어도 일부가, 감싸고 있는 코어의 치 측면과 비평행하게 형성된,
   비틀린 형상의 평각형 코일.
3. 제2항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   상기 인접부가 복수의 레이어에 걸쳐 연속적인 직선을 이루는 형태로 감싸고 있는 코어의 치 측면과 비평행하게 형성된,
   비틀린 형상의 평각형 코일.
4. 제1항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 슬롯삽입영역의 폭이 점차 증가하도록 형성된,
   비틀린 형상의 평각형 코일.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   상기 노출영역의 폭이 각 레이어마다 동일하게 형성된,
   비틀린 형상의 평각형 코일.
6. 제1항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 두께가 점차 감소하도록 형성된,
   비틀린 형상의 평각형 코일.
7. 삭제
8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 비틀린 형상의 평각형 코일이 권취되는 코어를 포함하는 스테이터에 있어서,
   상기 코어는,
   전동기의 전방을 향하도록 형성된 제1면;
   전동기의 후방을 향하도록 형성된 제2면; 및
   상기 제1면 및 상기 제2면에 대해 비직각을 이룬 상태로 상기 제1면 및 상기 제2면 사이를 연결하는 한 쌍의 제3면;
   을 포함하는 스테이터.
9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 비틀린 형상의 평각형 코일을 포함하는 전동기.
10. 제8항의 스테이터를 포함하는 전동기.

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