KR102610639B1 - 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터 - Google Patents

스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스테이터를 구성하는 헤어핀 권선이 위치하는 슬롯을 형성하는 슬롯티쓰의 내부 로터를 향하는 양쪽 최말단부의 표면을 따라 반타원 형태의 스테이터 노치가 커팅되어 형성되어 있고, 로터를 구성하는 영구자석이 내삽되어 있되, 플럭스 배리어를 형성하는 공간의 말단부중 외부 방향으로 표면을 따라 직사각형 형태의 공간이 커팅되어 배리어갭을 형성하며, 상기 배리어갭의 형태는 플럭스 배리어 공간에서 영구자석의 바깥쪽 모서리 선을 연장하여 닿는 점을 기준점으로 하여 특정 내각을 이루며 연장되되, 플럭스 배리어 내부 공간에서 외부 로터의 모서리를 형성하는 리브의 최단거리를 형성하는 점 중 상기 기준점과 거리가 최소인 점에서 상기 기준점과 평행하게 수선을 내려 형성되며, 공간 말단부는 직각형태로 커팅되어 형성되되, 상기 스테이터 노치를 이루는 반타원 형태는 슬롯티스의 로터 방향의 최말단중앙부에 평면상 대칭의 반타원형으로 커팅된 형상을 이루는 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에 관한 것이다.

Description

스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터{Hairpin Winding Motor With Stator Notch And Barrier-Gap}
본 발명은 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스테이터를 구성하는 헤어핀 권선이 위치하는 슬롯을 형성하는 슬롯티쓰의 내부 로터를 향하는 양쪽 최말단부의 표면을 따라 반타원 형태의 스테이터 노치가 커팅되어 형성되어 있고, 로터를 구성하는 영구자석이 내삽되어 있되, 플럭스 배리어를 형성하는 공간의 말단부중 외부 방향으로 표면을 따라 직사각형 형태의 공간이 커팅되어 배리어갭을 형성하며, 상기 배리어갭의 형태는 플럭스 배리어 공간에서 영구자석의 바깥쪽 모서리 선을 연장하여 닿는 점을 기준점으로 하여 특정 내각을 이루며 연장되되, 플럭스 배리어 내부 공간에서 외부 로터의 모서리를 형성하는 리브의 최단거리를 형성하는 점 중 상기 기준점과 거리가 최소인 점에서 상기 기준점과 평행하게 수선을 내려 형성되며, 공간 말단부는 직각형태로 커팅되어 형성되되, 상기 스테이터 노치를 이루는 반타원 형태는 슬롯티스의 로터 방향의 최말단중앙부에 평면상 대칭의 반타원형으로 커팅된 형상을 이루는 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에 관한 것이다.
종래 헤어핀 권선 모터는 스테이터와 로터로 이루어지고, 상기 스테이터는 하우징에 장착되며, 내부에는 슬롯티스에 의한 복수의 슬롯이 형성되는 원통형 스테이터 코어를 포함하는데, 상기 스테이터 코어의 슬롯에는 절연지가 개재된 헤어핀(hairpin)들이 다수로 삽입되는 것이 일반적이다.
도 2를 참조하면 기존의 헤어핀 권선 모터는 모빌리티용으로 적용하기 위해 로터 바깥쪽으로 코깅 토크를 방지하기 위해 로터 노치를 형성시켜 구동함이 일반적이었는데, 이로 인해 토크가 감소하고 오히려 토크 리플이 더욱 커지는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위해 로터 노치를 제거하여 토크 증가와 토크 리플을 저감하는 헤어핀 권선 모터가 개발되고 있으나(도 3 참조), 로터와 스테이터 사이의 공간형상 한계상 토크 리플이 일정 범위에서 저감되지 않는바 즉 토크 리플이 더이상 저감될 수 있는 임계점이 존재하여, 모빌리티용으로 불완전할 수 밖에 없는 문제가 있었다.
이를 해결하기 위한 종래 한국 공개 특허 제10-2015-0020883호(발명의 명칭 : 헤어핀 모터의 고정자 코일 권선 구조. 2015년02월27일 공개)에 따르면 원주방향으로 배치된 복수개의 슬롯을 구비하며, 상기 각 슬롯은 반경방향으로 복수개의 층을 구비하는 고정자; U자형으로 형성되며, 각 레그가 상기 각 슬롯의 각 층에 배치되어, 회전자계 발생을 위한 코일 권선을 형성하는 복수개의 세그먼트 코일;을 포함하되, 상기 복수개의 세그먼트 코일 중 일부 세그먼트 코일은 제 1 코일세트를 구성하고, 제 1 인버터와 연결되며, 상기 복수개의 세그먼트 코일 중 나머지 세그먼트 코일은 제 2 코일세트를 구성하고, 제 2 인버터와 연결되는, 헤어핀 모터의 고정자 코일 권선구조가 제공되는바, 동손 저감 및 효율 향상은 기대할 수 있으나, 모빌리티용 모터로서 토크 리플 저감 대책으로서는 미흡한 장치 내지 구조라고 판단한다.
따라서 종래 토크와 효율을 유지 내지 그 이상의 효과를 가지면서 토크 리플을 줄이는 헤어핀 권선 모터의 연구가 절실한 형편이다.
본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터는 다음과 같은 목적이 있다.
(1) 본 발명의 목적은 기존의 헤어핀 권선 모터와 동일 구조에서 스테이터와 로터의 일부 구성에 일정 형상 내지 형태를 가지게 하여 기존의 효율과 토크를 유지한채 토크 리플을 저감할 수 있는 헤어핀 권선 모터를 제공함에 있다.
(2) 본 발명의 또다른 목적은 일정 사양의 헤어핀 권선 모터를 지정하되, 지정된 헤어핀 권선 모터에서의 최적의 토크 리플 저감효과를 가지는 스테이터 노치와 배리어 갭의 구체적 형상과 수치를 제공함에 있다.
본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터(HWM)는 스테이터(ST)를 구성하는 헤어핀 권선(HW)이 위치하는 슬롯(S)을 형성하는 슬롯티쓰(부호 미부여)의 내부 로터(RT)를 향하는 양쪽 최말단부의 표면을 따라 반타원 형태의 스테이터 노치(부호 미부여)가 커팅되어 형성되어 있고, 로터(RT)를 구성하는 영구자석(PM)이 내삽되어 있되, 플럭스 배리어(FB)를 형성하는 공간의 말단부중 외부 방향으로 표면을 따라 직사각형 형태의 공간이 커팅되어 배리어갭(부호 미부여)을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.
상기 배리어갭(부호 미부여)의 형태는 플럭스 배리어(FB) 공간에서 영구자석(PB)의 바깥쪽 모서리 선을 연장하여 닿는 점을 기준점(부호 미부여)으로 하여 내각 43.24 ~ 43.26 도에서 선택되는 어느 하나의 각도로 연장되되, 플럭스 배리어(FB) 내부 공간에서 외부 로터(RT)의 모서리를 형성하는 리브(부호 미부여)의 최단거리를 형성하는 점 중 상기 기준점과 거리가 최소인 점에서 상기 기준점과 평행하게 수선을 내려 형성됨이 바람직하다.
상기 기준점(부호 미부여)에서 연장되어 커팅되는 거리는 0.071 ~ 0.073 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이이며, 공간 말단부는 직각형태로 커팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 스테이터 노치(부호 미부여)를 이루는 반타원 형태는 슬롯티스(부호 미부여)의 로터 방향의 최말단중앙부에 평면상 대칭의 반타원형으로 커팅된 형상을 이루며, 상기 스테이터 노치 장축 직경은 1.500 ~ 1.506 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이이며, 스테이터 노치 깊이는 0.39 ~ 0.40 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 한다.
본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 기존의 헤어핀 권선 모터와 동일 구조에서 스테이터와 로터의 일부 구성에 일정 형상 내지 형태를 가지게 하여 기존의 효율과 토크를 유지한채 토크 리플을 저감할 수 있는 헤어핀 권선 모터를 제공한다.
(2) 본 발명은 일정 사양의 헤어핀 권선 모터를 지정하되, 지정된 헤어핀 권선 모터에서의 최적의 토크 리플 저감효과를 가지는 스테이터 노치와 배리어 갭의 구체적 형상과 수치를 제공한다.
도 1은 헤어핀 권선 모터의 기본 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 로터 노치가 적용된 기존의 헤어핀 권선 모터를 나타낸 도면이다.
도 3은 로터 노치를 제거한 헤어핀 권선 모터를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에서 스테이터 노치의 형태와 수치 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 기존의 헤어핀 권선 모터로서 배리어 갭이 적용안된 것을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에서 배리어갭의 형태와 수치 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 로터 노치가 적용된 기존의 헤어핀 권선 모터(A), 로터 노치를 제거한 헤어핀 권선 모터(B), 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터(C)의 실험에 의한 토크 리플 발생을 비교한 도표이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터"를 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 일면에 있어서, 도 1은 헤어핀 권선 모터의 기본 구조를 나타낸 도면이고, 도 2는 로터 노치가 적용된 기존의 헤어핀 권선 모터를 나타낸 도면이며, 도 3은 로터 노치를 제거한 헤어핀 권선 모터를 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터를 나타낸 도면이며, 도 5는 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에서 스테이터 노치의 형태와 수치 범위를 설명하기 위한 도면이고, 도 6은 기존의 헤어핀 권선 모터로서 배리어 갭이 적용안된 것을 나타낸 도면이며, 도 7은 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터에서 배리어갭의 형태와 수치 범위를 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 로터 노치가 적용된 기존의 헤어핀 권선 모터(A), 로터 노치를 제거한 헤어핀 권선 모터(B), 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터(C)의 실험에 의한 토크 리플 발생을 비교한 도표이다.
도 4를 참조하면 본 발명인 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터(HWM)는 스테이터(ST)를 구성하는 헤어핀 권선(HW)이 위치하는 슬롯(S)을 형성하는 슬롯티쓰(부호 미부여)의 내부 로터(RT)를 향하는 양쪽 최말단부의 표면을 따라 반타원 형태의 스테이터 노치(부호 미부여)가 커팅되어 형성되어 있고, 로터(RT)를 구성하는 영구자석(PM)이 내삽되어 있되, 플럭스 배리어(FB)를 형성하는 공간의 말단부중 외부 방향으로 표면을 따라 직사각형 형태의 공간이 커팅되어 배리어갭(부호 미부여)을 형성하고 있는 것을 특징으로 한다.
도 6 및 7을 참조하면 상기 배리어갭(부호 미부여)의 형태는 플럭스 배리어(FB) 공간에서 영구자석(PB)의 바깥쪽 모서리 선을 연장하여 닿는 점을 기준점(부호 미부여)으로 하여 내각 43.24 ~ 43.26 도에서 선택되는 어느 하나의 각도로 연장되되, 플럭스 배리어(FB) 내부 공간에서 외부 로터(RT)의 모서리를 형성하는 리브(부호 미부여)의 최단거리를 형성하는 점 중 상기 기준점과 거리가 최소인 점에서 상기 기준점과 평행하게 수선을 내려 형성됨이 바람직하다.
상기 기준점(부호 미부여)에서 연장되어 커팅되는 거리는 0.071 ~ 0.073 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이이며, 공간 말단부는 직각형태로 커팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.
도 5를 참조하면 상기 스테이터 노치(부호 미부여)를 이루는 반타원 형태는 슬롯티스(부호 미부여)의 로터 방향의 최말단중앙부에 평면상 대칭의 반타원형으로 커팅된 형상을 이루며, 상기 스테이터 노치 장축 직경은 1.500 ~ 1.506 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이이며, 스테이터 노치 깊이는 0.39 ~ 0.40 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 한다.
상기 설명을 기준으로 하기에서는 기존의 헤어핀 권선 모터 2개와 본 발명에 따른 최적 형상에 따른 토크 리플 저감 효과를 가지는 스테이터 노치와 배리어갭을 가지는 헤어핀 권선 모터의 비교를 한다.
도 2, 3, 4에 개시된 헤어핀 권선 모터는 효과 비교를 위해 모두 다음 [표 1]과 같이 동일 사양을 가진 것을 사용한다.
구분 단위 값
극수 Poles 6
슬롯수 EA 36
정격 전압 Vdc 48
정격 전류 Arms 150
정격 속도 rpm 3000
공극 mm 0.75
적층 mm 50
상 저항 Ω 0.012(실측치)[Coil 3*4, 4 turns)
코어 재질 - 35PN440
영구 자석 - N42SH[Br=13.54kG, Hc=13.17 kOe]
이 때 도 2의 로터 노치가 적용된 헤어핀 권선 모터(A)와 도 3의 로터 노치가 제거된 헤어핀 권선 모터(B)의 무부하 및 부하 해석(전류원) 해석 결과는 다음의 [표 2]와 같이 나타났다.
구분 단위 A B
토크 Nm 25.231 25.296
토크 리플 % 16.174 6.664
효율 % 90.091 90.108
이에 의하면 토크는 0.065Nm이 증가하였고, 토크 리플은 16.174%에서 6.664%로 저감되었음을 알 수 있다.
본 발명에 따라 스테이터 노치 장축 직경은 1.504mm, 스테이터 노치 깊이는 0.398mm, 배리어갭 깊이는 0.072mm 로 설계된 헤어핀 권선 모터(도 3 참조)를 포함하여 토크, 토크 리플, THD, 효율을 검증과정을 거쳐 시뮬레이션 기법을 통해 비교한 것을 아래 [표 3]에 개시하는데, 본 수치가 나오기까지의 유한요소 해석, 스크리닝 기법, 설계 최적화 알고리즘을 포함하는 최적 설계 방법은 본 발명과 카테고리가 다르고 그 권리범위가 일부 겹치기는 하나 더욱 넓은 범위에서 설정될 수 있다고 보는 바, 출원인 및 발명자의 의지에 의해 본 발명에서는 개시하지 않는다.
구분 단위 A B C
토크 Nm 25.231 25.296 25.284
토크리플 % 16.174 6.664 5.032
THD % 12.360 11.692 10.690
효율 % 90.091 90.108 90.120
상기 [표 3]에 따르면 본 발명에 따른 스테이터 노치와 배리어갭이 적용된 헤어핀 권선 모터는 토크 항목에서만 B 모델에 비해 0.012Nm 낮을 뿐, 토크 리플은 6.664%에서 5.032%로 저감하였고, 왜율(THD)에 있어서도 1% 넘게 감소시켰고, 효율에 있어서도 0.012% 향상시키는 결과를 가져왔다.
도 8을 참조하면 헤어핀 권선 모터 A, B, C에 대한 각 토크 리플을 그래프상 비교하고 있고, 청색으로 표현된 본 발명에 따른 헤어핀 권선 모터가 가장 우수한 결과를 가져오고 있음을 알 수 있다.
아래 [표 4]에서는 무부하 및 부하 해석(전류원) 결과 전체를 개시하고 있는바, 본 발명에 따른 헤어핀 권선 모터가 기존 모터의 효율과 토크 특성을 거의 유지하거나 향상시키면서 모빌리티용도로 사용하기 적합할 정도로 토크 리플 저감 특성이 우수함을 알 수 있다.

구분
단위 		Coil(3*4)
3000rpm, 150A, 50mm 적층
A B C
스테이터 전류 Arms 150 ← ←
스테이터 상 저항 Ω 0.0120 ← ←
동손 W 810.00 ← ←
철손 W 44.686 45.157 44.085
와류손 W 17.124 17.283 16.770
총손실 W 871.810 872.440 870.855
토크 Nm 25.231 25.296 25.284
속도 rpm 3000 ← ←
출력 W 7926.546 7946.966 7943.196
입력 W 8798.356 8819.406 8814.051
효율 % 90.091 90.108 90.120
즉 본 발명은 다음과 같은 효과가 있다.
(1) 본 발명은 기존의 헤어핀 권선 모터와 동일 구조에서 스테이터와 로터의 일부 구성에 일정 형상 내지 형태를 가지게 하여 기존의 효율과 토크를 유지한채 토크 리플을 저감할 수 있는 헤어핀 권선 모터를 제공한다.
(2) 본 발명은 일정 사양의 헤어핀 권선 모터를 지정하되, 지정된 헤어핀 권선 모터에서의 최적의 토크 리플 저감효과를 가지는 스테이터 노치와 배리어 갭의 구체적 형상과 수치를 제공한다.
HWM : 헤어핀 권선 모터 RT : 로터
ST : 스테이터 HW : 헤어핀 권선
PM : 영구자석 FB : 플럭스 배리어
S : 슬롯
X1 : 스테이터 노치 장축 직경 X2 : 스테이터 노치 깊이
X3 : 배리어갭 깊이

Claims (3)

  1. 헤어핀 권선 모터에 있어서,
    상기 헤어핀 권선 모터는 스테이터를 구성하는 헤어핀 권선이 위치하는 슬롯을 형성하는 슬롯티쓰의 내부 로터를 향하는 양쪽 최말단부의 표면을 따라 반타원 형태의 스테이터 노치가 커팅되어 형성되어 있고,
    로터를 구성하는 영구자석이 내삽되어 있되, 플럭스 배리어를 형성하는 공간의 말단부중 외부 방향으로 표면을 따라 직사각형 형태의 공간이 커팅되어 배리어갭을 형성하며,
    상기 배리어갭의 형태는 플럭스 배리어 공간에서 영구자석의 바깥쪽 모서리 선을 연장하여 닿는 점을 기준점으로 하여 내각 43.24 ~ 43.26도에서 선택되는 어느 하나의 각도로 연장되되, 플럭스 배리어 내부 공간에서 외부 로터의 모서리를 형성하는 리브의 최단거리를 형성하는 점 중 상기 기준점과 거리가 최소인 점에서 상기 기준점과 평행하게 수선을 내려 형성되며,
    상기 기준점에서 연장되는 거리는 0.071 ~ 0.073 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이이되, 공간 말단부는 직각형태로 커팅되는 것을 특징으로 하는 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 스테이터 노치를 이루는 반타원 형태는 슬롯티스의 로터 방향의 최말단중앙부에 평면상 대칭의 반타원형으로 커팅된 형상이되,
    상기 스테이터 노치의 장축 직경은 1.500 ~ 1.506 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이이며, 스테이터 노치 깊이는 0.39 ~ 0.40 mm 중 선택되는 어느 하나의 길이인 것을 특징으로 하는 스테이터 노치와 배리어 갭이 적용된 헤어핀 권선 모터.
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