KR102654699B1 - 스테이터 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예는 복수 개의 결선부를 동시에 용접할 수 있는 스테이터의 제조 방법 및 이에 의해 제조되는 스테이터를 개시한다.
복수 개의 결선부는 체결부재에 의해 고정되고, 고정된 복수 개의 결선부는 마찰 교반 용접에 의해 동시에 결합된다.

Description

스테이터 및 이의 제조 방법{STATOR AND METHOD OF PRODUCT THE SAME}

본 발명은 스테이터 및 이의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 마찰 교반 용접(Friction Stir Welding, FSW) 방식에 의해 서로 결합되는 스테이터 코일을 구비하는 스테이터 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

모터는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다.

에너지의 변환을 위하여, 모터는 스테이터 코일(Stator coil)이 권선되는 스테이터 코어(Stator core) 및 로터(Rotor)를 구비한다.

스테이터 코일은 스테이터 코어에 기 설정된 패턴으로 권선되며, 전기적 에너지를 공급받기 위해 외부 전원과 통전 가능하게 연결된다.

외부 전원에 의해 스테이터 코일에 전류가 흐름에 따라 스테이터 코일의 주위로 자계가 형성된다.

스테이터 코일에 형성된 자계는 로터에 형성된 자계와 상호 작용되며, 상기 상호 작용에 의해 로터가 스테이터 코어에 대해 회전된다.

즉, 스테이터 코일에 공급된 전기적 에너지가 로터의 회전 에너지로 변환된다.

스테이터 코일은 모터가 생성할 수 있는 출력의 크기에 따라 다양한 크기로 구현될 수 있다.

상대적으로 높은 출력의 모터에는 많은 양의 전류가 흐르므로, 너무 작은 단면적의 도체를 갖는 스테이터 코일을 사용하는 경우 발열량이 증가하여 스테이터 코일이 파손될 수 있다. 따라서, 높은 출력의 모터에는 상대적으로 넓은 단면적의 도체를 갖는 스테이터 코일이 사용될 수 있다.

다만, 상대적으로 큰 단면적을 갖는 스테이터 코일의 경우, 상대적으로 작은 단면적을 갖는 스테이터 코일에 비해 스테이터 코일간의 결합이 용이하지 않은 문제가 있었다.

선행기술문헌 1(미국등록특허공보 US 8,584,346 B2)은 사각단면 형상을 갖는 스테이터 코일을 구비하는 스테이터를 개시한다. 구체적으로, 인접된 서로 다른 스테이터 코일이 서로 접촉되는 접촉부위가 용접에 의해 서로 통전 가능하게 결합되는 구조의 스테이터를 개시한다.

다만, 상기 선행기술문헌 1에 개시된 스테이터에서는 많은 수의 접촉부위가 각각 용접에 위해서 결합되므로, 접촉부위가 증가될수록 스테이터 코일간의 결합 작업에 발생되는 시간 및 비용이 증가될 수 있다.

또한, 선행기술문헌 2(대한민국 등록특허공보 제10-1365469호)는 사각단면 형상은 갖는 스테이터 코일을 구비하는 스테이터를 개시한다. 구체적으로, 인접된 서로 다른 스테이터 코일이 서로 접촉되는 접촉부위가 접속부재에 의해 서로 통전 가능하게 결합되는 구조의 스테이터를 개시한다.

다만, 상기 선행기술문헌 2에 개시된 스테이터에서는 별도의 접속부재가 필요하므로 스테이터의 제조비용이 증가될 수 있다. 또한, 면끼리 서로 가압되어 접촉되는 방식이므로, 서로 가압되는 압력이 감소되거나 서로 접촉되는 면 사이에 이격이 발생되는 경우 전기적 연결이 불안정해지는 문제가 발생될 수 있다.

선행기술문헌 1: 미국등록특허공보 US 8,584,346 B2 (2013. 11. 19 등록) 선행기술문헌 2: 대한민국 등록특허공보 제10-1365469호 (2014. 02. 14 등록)

본 발명은, 상술한 문제점을 해결할 수 있는 구조의 스테이터 및 이의 제조 방법를 제공함을 목적으로 한다.

먼저, 서로 다른 스테이터 코일이 결선되는 부분인 접속부를 통전 가능하게 결선하기 위한 추가 부재가 요구되지 않는 구조의 스테이터 및 이의 제조 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.

또한, 복수 개의 접속부를 동시에 통전 가능하게 결선시킬 수 있는 구조의 스테이터 및 이의 제조 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.

또한, 접속부의 개수가 증가되는 경우에도 복수 개의 접속부를 신속하게 결선시킬 수 있는 구조의 스테이터 및 이의 제조 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터는, 복수 개의 슬롯을 구비하는 스테이터 코어 및 상기 슬롯의 내부에 삽입되는 복수의 헤어핀을 포함한다.

또한, 삽입된 복수 개의 상기 헤어핀은 상기 스테이터 코어의 일 측으로 돌출되고, 돌출된 부분의 각 단부에는 절연피복이 제거된 탈피부분이 형성된다.

또한, 상기 탈피부분들은 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 중첩되도록 배열된다.

또한, 상기 탈피부분들 중 반경방향으로 서로 인접된 두 탈피부분은 접합되어 코일 쌍을 형성한다.

또한, 상기 코일 쌍은 복수 개로 형성되며, 상기 코일 쌍을 이루는 두 탈피부분의 접합은 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 수행된다.

또, 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터는, 복수 개의 슬롯을 구비하는 스테이터 코어; 및 상기 슬롯의 내부에 삽입되는 복수의 헤어핀을 미리 설정된 패턴으로 연결하는 형성되는 스테이터 코일을 포함한다.

또한, 상기 헤어핀은 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연피복을 구비하고, 복수의 상기 헤어핀은 복수 개의 상기 슬롯 각각에 삽입되어 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열된다.

또한, 복수 개의 상기 헤어핀의 부분 중 상기 스테이터 코어의 일 측으로 돌출된 단부 부분에는 상기 절연피복이 소정 길이만큼 제거된 탈피부분이 형성된다.

또한, 복수 개의 상기 헤어핀의 상기 탈피부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열된다.

또한, 순차적으로 배열된 상기 탈피부분 중, 2n-1번째로 배열된 상기 탈피부분과 2n번째로 배열된 상기 탈피부분이 서로 접합되어 복수 개의 코일 쌍이 형성되고, 상기 n은 자연수이다.

또한, 상기 코일 쌍을 구성하는 상기 탈피부분은, 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 서로 접합된다.

또한, 상기 마찰 교반 용접이 수행되기 전 상기 스테이터 코어의 일 측에는 고정부재가 배치되고, 상기 고정부재에는 복수 개의 고정공이 복수 개의 상기 코일 쌍과 대응되는 위치에 관통 형성된다.

또한, 복수 개의 상기 코일 쌍은 복수 개의 상기 고정공에 삽입되고, 복수 개의 상기 코일 쌍의 원주면은 고정부재에 의해 가압되어 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 고정된다.

또한, 상기 마찰 교반 용접은, 상기 코일 쌍의 부분 중 상기 스테이터 코어의 원주방향을 바라보는 양측 면에 접촉된 마찰부재가 회전 또는 진동하여 수행되며, 복수 개의 상기 코일 쌍 중 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 코일 쌍들은 상기 마찰부재와 동시에 접촉될 수 있다.

또한, 상기 마찰 교반 용접은, 상기 코일 쌍의 부분 중 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면에 접촉된 마찰부재가 회전 또는 진동하여 수행되며, 복수 개의 상기 코일 쌍은 상기 마찰부재와 동시에 접촉될 수 있다.

또한, 상기 마찰부재는 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 진동된다.

또, 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터의 제조 방법은, (a) 스테이터 코어에 관통 형성된 복수 개의 슬롯 각각에 복수 개의 헤어핀을 삽입하여 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열하는 단계; (b) 복수 개의 상기 헤어핀의 부분 중 상기 스테이터 코어의 일 측으로 돌출된 단부 부분의 절연피복을 소정 길이만큼 제거하여 탈피부분을 형성하는 단계; (c) 복수 개의 상기 헤어핀의 상기 탈피부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열되는 단계; (d) 순차적으로 배열된 상기 탈피부분 중, 2n-1번째로 배열된 상기 탈피부분과 2n번째로 배열된 상기 탈피부분을 서로 접촉시켜 복수 개의 코일 쌍을 형성하는 단계; 및 (e) 복수 개의 상기 코일 쌍이 마찰 교반 용접에 의해 결합되는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 n은 자연수이다.

또한, 상기 (c) 단계는, (c1) 복수 개의 상기 헤어핀의 부분 중 상기 스테이터 코어의 일 측으로 돌출된 부분을 시계방향 또는 반 시계방향으로 소정 각도만큼 절곡시키는 단계; 및 (c2) 복수 개의 상기 헤어핀의 탈피부분이 형성된 부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 중첩되도록 축 방향으로 절곡시키는 단계를 포함한다.

또한, 상기 (d) 단계는, (d1) 서로 접촉된 상기 탈피부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 임의로 이동되지 않도록 고정부재를 이용하여 고정시키는 단계; 및 (d2) 복수 개의 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면을 그라인딩하여, 상기 코일 쌍을 이루는 서로 접촉된 상기 탈피부분 사이의 단차를 제거하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면에 마찰부재를 접촉시키는 단계; (e2) 축 방향을 바라보는 상기 일측 면에 접촉된 상태에서, 상기 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계; 및 (e3) 상기 코일 쌍을 구성하는 서로 접촉된 상기 탈피부분이 가열 및 접합되는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 마찰부재의 진동 또는 회전에 의해 복수 개의 상기 코일 쌍이 동시에 접합될 수 있다.

또한, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 원주방향을 바라보는 양측 면에 마찰부재를 접촉시키는 단계; (e2) 상기 양측 면에 접촉된 상태에서, 상기 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계; 및 (e3) 상기 코일 쌍을 구성하는 서로 접촉된 상기 탈피부분이 가열 및 접합되는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 마찰부재는 복수 개의 상기 코일 쌍이 중 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 코일 쌍들과 동시에 접촉되고, 상기 마찰부재의 진동 또는 회전에 의해 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 상기 코일 쌍들이 동시에 접합될 수 있다.

또한, 상기 (e) 단계는, (e1) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면에 제1 마찰부재를 접촉시키는 단계; (e2) 축 방향을 바라보는 상기 일측 면에 접촉된 상태에서, 상기 제1 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계; (e3) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 원주방향을 바라보는 양측 면에 제2 마찰부재를 접촉시키는 단계; (e4) 상기 양측 면에 접촉된 상태에서, 상기 제2 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계; 및 (e5) 상기 코일 쌍을 구성하는 서로 접촉된 상기 탈피부분이 가열 및 접합되는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 (e) 단계 이후에, (f) 상기 탈피부분이 접합된 부분에 형성된 비드(bead)가 제거되는 단계를 포함한다. 여기서, 상기 비드는 밀링(milling) 처리되어 제거된다.

또한, 상기 (f) 단계 이후에, (g) 접합된 복수 개의 상기 코일 쌍이 응력 제거 열처리(stress relief heat treatment)되는 단계를 포함한다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 다음과 같은 효과가 달성될 수 있다.

먼저, 스테이터 코어의 반경방향을 따라 배열되는 복수 개의 코일 쌍이 마찰부재의 회전 또는 진동에 의해 동시에 용접되므로, 코일 쌍의 용접에 소요되는 시간 및 비용이 감축될 수 있다.

또한, 스테이터 코어의 반경방향으로 코일 쌍의 개수가 증가되는 경우에도 반경방향을 따라 배열되는 복수 개의 코일 쌍이 마찰부재의 회전 또는 진동에 의해 동시에 용접될 수 있다. 즉, 상대적으로 많은 수의 코일 쌍이 형성되는 고출력 모터에서, 코일 쌍의 용접에 소요되는 시간 및 비용이 감축될 수 있다.

또한, 코일 쌍이 마찰부재의 회전 또는 진동에 의해 용접되므로, 코일 쌍을 결합시키기 위한 별도의 금속 부재 또는 결속 부재가 요구되지 않는다.

또한, 코일 쌍이 마찰부재와의 마찰열에 의해 결합된다. 코일 쌍을 구성하는 서로 접촉된 도체는 서로 접촉되는 모서리 부분이 동시에 용융 및 접합되어 결합된다. 서로 접촉되어 결합된 도체는 동일한 열 팽창 계수를 구비하므로, 열 팽창에 의해 용접부가 파손될 가능성이 현저하게 저감된다.

또한, 코일 쌍의 결합을 위해 별도의 용접봉이 요구되지 않으므로, 고온의 용접봉에 의해 코일 쌍에 인접된 절연피복이 손상되는 것이 방지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터 코어를 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 평면도이다.
도 4는 도 1의 중성선의 사시도이다.
도 5는 도 1의 헤어핀의 사시도이다.
도 6은 도 5의 헤어핀의 단면도이다.
도 7은 도 1의 스테이터 코일의 개략적인 결선도이다.
도 8은 도 7의 각 코일부의 전압분담률을 도시한 그래프이다.
도 9는 도 1의 헤어핀의 슬롯 내 배치상태를 도시한 단면도이다.
도 10은 헤어핀의 결합구조를 도시하는 사시도이다.
도 11은 도 1의 스테이터 코어를 확대한 부분 사시도이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터 코어의 제조 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 13은 도 12에 S300 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 14는 도 12의 S300 단계에 따라 헤어핀이 배치된 상태를 도시하는 개념도이다.
도 15는 도 12의 S400 단계의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 16은 도 12의 S400 단계에 따라 고정부재가 삽입되는 상태를 도시하는 개념도이다.
도 17은 도 12의 S400 단계에 따라 고정부재가 삽입된 상태를 도시하는 개념도이다.
도 18은 도 12의 S500 단계의 일 실시 예의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 19는 도 18의 S500 단계에 따라 용접되는 과정을 도시하는 개념도이다.
도 20은 도 12의 S500 단계의 다른 실시 예의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 21은 도 20의 S500 단계를 따라 용접되는 과정을 도시하는 개념도이다.
도 22는 도 12의 S500 단계의 또 다른 실시 예의 구체적인 흐름을 도시하는 순서도이다.
도 23은 도 18의 S500 단계에 따라 탈피부분이 용접된 상태를 도시하는 개념도이다.
도 24는 도 20의 S500 단계에 따라 탈피부분이 용접된 상태를 도시하는 개념도이다.
도 25는 도 22의 S500 단계에 따라 탈피부분이 용접된 상태를 도시하는 개념도이다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터 및 이의 제조 방법을 상세하게 설명한다.

이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.

1. 용어의 정의

먼저, 아래에서 사용되는 용어를 정의한다.

아래에서 사용되는 "기동" 이라는 용어는, 스테이터(10)가 정지 상태에서 동적 상태로 전환되는 것을 의미한다.

아래에서 사용되는 "운전" 이라는 용어는, 스테이터(10)의 기동이 종료된 후, 스테이터(10)가 동적 상태로 유지되는 것을 의미한다.

아래에서 사용되는 "상측" 및 "하측" 이라는 용어는, 도 1에 도시된 방향 표시를 참조하여 이해될 수 있다.

아래에서 사용되는 "원주방향" 이라는 용어는, 스테이터 코어(100)의 중심축을 기준으로 시계 또는 반 시계방향으로 회전하는 방향을 의미한다.

아래에서 사용되는 "축 방향" 이라는 용어는, 스테이터 코어(100)의 중심축의 방향을 의미한다.

아래에서 사용되는 "방사상 내측" 이라는 용어는, 일 지점을 기준으로, 상기 일 지점보다 스테이터 코어(100)의 중심축과의 거리가 짧은 영역을 의미한다.

아래에서 사용되는 "방사상 외측" 이라는 용어는, 일 지점을 기준으로, 상기 일 지점보다 스테이터 코어(100)의 중심축과의 거리가 먼 영역을 의미한다.

2. 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터(10)의 구조에 대한 설명

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터 코어를 도시하는 사시도이다. 도 2는 도 1의 정면도이다. 도 3은 도 1의 평면도다. 도 4는 도 1의 중성선의 사시도이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 실시 예에 따른 회전 전기 기기의 스테이터(10)는 스테이터 코어(100) 및 스테이터 코어(100)에 권선되는 스테이터 코일(200)을 포함한다.

스테이터 코어(100)는 대략적인 환형 단면을 갖고 일 방향(도 1에 도시된 실시 예에서 상하 방향)으로 연장 형성된다.

스테이터 코어(100)에는 내부에 로터(미도시)가 회전 가능하게 수용될 수 있는 로터 수용공(100a)이 관통 형성된다.

또, 스테이터 코어(100)는 복수 개의 슬롯(110) 및 티스(120)를 구비한다. 복수 개의 슬롯(110)과 복수 개의 티스(120)는 스테이터 코어(100)의 원주방향을 따라 교호적으로 배치된다.

다시 말하면, 스테이터 코어(100)의 원주방향으로 서로 인접한 두 슬롯(110)은 사이에 티스(120)를 두고 서로 이격되어 있다. 서로 인접한 두 슬롯(110) 사이의 간격은 일 피치 간격으로 정의될 수 있다.

스테이터 코어(100)는 복수 개의 전기강판(102)이 일 방향(도 1에 도시된 실시 예에서 상하 방향)으로 절연 적층되어 형성될 수 있다.

스테이터 코일(200)은 슬롯(110)을 관통하는 복수 개의 헤어핀(300)을 구비한다.

스테이터 코일(200)은 슬롯(110)에 삽입된 복수 개의 헤어핀(300)이 미리 설정된 패턴으로 권선되어 형성된다.

복수 개의 헤어핀(300)은 스테이터 코일(200)의 일 측에서 복수 개의 코일 쌍(C)(도 10 참조)을 형성하여 서로 통전 가능하게 연결된다.

스테이터 코일(200)은 후술한 상별 코일부(220)에 외부 전원의 각 상을 연결하는 전원 입력부(210)를 구비한다. 일 실시 예에서, 외부 전원은 전원 공급을 위한 인버터로 구성될 수 있다.

전원 입력부(210)는 외부 전원의 각 상에 연결되는 상 전원 입력부를 포함한다. 일 실시 예에서, 전원 입력부(210)는 외부 전원의 U상에 연결되는 U상 전원 입력부(210U), 외부 전원의 V상에 연결되는 V상 전원 입력부(210V) 및 외부 전원의 W상에 연결되는 W상 전원 입력부(210W)를 포함한다.

스테이터 코일(200)은 각 상 전원 입력부에 연결되는 복수의 상별 코일부(220)를 구비한다.

복수의 상별 코일부(220)는, 예를 들어, U상 전원 입력부(210U)에 연결되는 U상 코일부(220U), V상 전원 입력부(210V)에 연결되는 V상 코일부(220V) 및 W상 전원 입력부(210W)에 연결되는 W상 코일부(220W)를 구비한다.

각각의 상별 코일부(220)는 서로 병렬로 연결되는 복수 개의 제n상별코일부를 구비할 수 있다.

본 실시 예에서, U상 코일부(220U)는 서로 병렬로 연결되는 제1U상 코일부(220U1), 제2U상 코일부(220U2), 제3U상 코일부(220U3) 및 제4U상 코일부(220U4)를 구비할 수 있다.

또, V상 코일부(220V)는 서로 병렬로 연결되는 제1V상 코일부(220V1), 제2V상 코일부(220V2), 제3V상 코일부(220V3) 및 제4V상 코일부(220V4)를 구비할 수 있다.

또, W상 코일부(220W)는 서로 병렬로 연결되는 제1W상 코일부(220W1), 제2W상 코일부(220W2), 제3W상 코일부(220W3) 및 제4W상 코일부(220W4)를 구비할 수 있다.

도시된 실시 예에서는, 각각의 상별 코일부(220)가 4개의 제n상별코일부가 서로 병렬로 연결되어 형성되나, 이에 한정되는 것은 아니며, 스테이터 코일(200)의 권선형태에 따라 달라질 수 있다.

복수의 상별 코일부(220) 각각의 일 단은, 상술한 바와 같이, 전원 입력부(210)와 각각 통전 가능하게 연결된다. 전원 입력부(210)와 연결되는 상별 코일부(220)의 일 단은 슬롯(110)의 제8 레이어(도 9 참조)에 배치된다.

또, 복수의 상별 코일부(220) 각각의 타 단은 중성선(230)에 연결된다(도 1 및 도 3 참조).

중성선(230)은 도 4에 도시된 바와 같이, 원호 형상의 바디(231) 및 바디(231)에서 돌출되어 각 상별 코일부(220)의 타 단에 각각 연결되는 각각의 상별 연결단자(233)를 구비한다.

각각의 상별 연결단자(233)는 각각의 상별 코일부(220)의 타 단에 연결될 수 있게 스테이터 코어(100)의 중심을 향해 절곡된 수평구간(233b) 및 수평구간(233b)에서 절곡되어 축 방향으로 연장되는 수직구간(233a)을 구비한다.

각각의 상별 연결단자(233)는 슬롯(110)의 제7 레이어(도 9 참조)에 배치된 각각의 상별 코일부(220)의 단부에 연결된다.

도 3에 확대 도시된 바와 같이, 중성선(230)의 각각의 상별 연결단자(233)의 수평구간(233b)이 배치되는 슬롯(110)의 제8레이어에는 헤어핀(300)이 배치되지 아니한다.

도 5는 도 1의 헤어핀의 사시도이다. 도 6은 도 5의 헤어핀의 단면도이다.

도 5 및 도 6을 참조하면, 헤어핀(300)은 소정의 길이를 갖는 도체를 대략적으로 "U"형상으로 절곡하여 형성된다.

또, 헤어핀(300)은 도전성을 갖는 도체(301) 및 도체(301)의 표면을 감싸는 절연피복(303)을 구비한다.

일 실시 예에서, 도체(301)는 사각형 단면을 구비할 수 있다. 사각형 단면을 갖는 도체(301)는 슬롯(110) 내에서 층상으로 적층될 수 있어 슬롯의 면적 대비 도체의 면적 비율이 증가될 수 있다.

일 실시 예에서, 도체(301)는 구리(Cu) 재질로 형성될 수 있다.

일 실시 예에서, 절연피복(303)은 PI(polyimide) 재질로 형성될 수 있다.

또, 헤어핀(300)은 슬롯(110)에 삽입되고 일 방향으로 연장되는 한 쌍의 삽입부(320)를 포함한다. 상기 일 방향은 삽입부(320)의 "삽입방향"으로 정의될 수 있다.

삽입부(320)의 삽입방향 길이는 스테이터 코어(100)의 연장방향 길이보다 길게 형성될 수 있다. 이를 통해, 삽입부(320)가 스테이터 코어(100)의 슬롯(110)을 관통할 수 있다.

한 쌍의 삽입부(320)는 서로 소정의 거리만큼 이격되어 서로 다른 슬롯(110)에 삽입된다.

예를 들면, 한 쌍의 삽입부(320)는 12슬롯 피치만큼의 간격을 두고 삽입될 수 있다. 1 슬롯 피치는 스테이터 코어(100)의 원주 방향으로 서로 인접된 슬롯(110) 사이의 간격을 정의하는 용어이다.

예를 들어, 제4 슬롯와 제3 슬롯은 1 슬롯 피치만큼 이격되어 있다. 구체적으로, 어느 하나의 삽입부(320)가 제1 슬롯(S1)에 삽입된 경우, 다른 하나의 삽입부(320)는 스테이터 코어(100)의 원주방향을 따라 12슬롯 피치만큼 이격된 제13 슬롯(S13)에 삽입된다.

또, 헤어핀(300)은 한 쌍의 삽입부(320)의 일 단을 연결하는 연결부(310)를 포함한다. 도시된 실시 예에서, 상기 일 단은 하측의 단부를 의미한다.

연결부(310)는 대략적인 "V"형상으로 절곡된다. 다만, 연결부(310)의 절곡된 형상은 스테이터 코일(200)의 결선패턴에 따라 다르게 형성될 수 있다.

또, 헤어핀(300)은 한 쌍의 삽입부(320)의 타 단에서 일 방향으로 각각 연장되는 한 쌍의 돌출부(330)를 포함한다. 도시된 실시 예에서, 상기 일 방향은 상측 방향을 의미하고, 상기 타 단은 상측의 단부를 의미한다.

한 쌍의 돌출부(330) 각각은, 스테이터 코어의 원주방향으로 절곡되어 삽입부(320)와 소정각도를 이루며 연장되는 경사부(331)를 구비한다.

도시된 실시 예에서는, 한 쌍의 경사부(331)가 모두 원주방향의 일 측으로 절곡되었으나, 한 쌍의 경사부(331)는 원주방향의 일 측 및/또는 상기 일 측에 대향하는 타 측으로 절곡될 수 있다.

다시 말하면, 결선에 사용되는 헤어핀(300)의 경사부(331)는 스테이터 코어의 시계방향 및/또는 반 시계방향 절곡될 수 있고, 결선의 사용되는 헤어핀(300)의 연결부(310)의 절곡된 형상은 다양하게 구비될 수 있다.

즉, 경사부(331) 및/또는 연결부(310)가 다르게 형성된 여러 종류의 헤어핀(300)이 사용될 수 있다.

또, 한 쌍의 돌출부 각각은, 한 쌍의 경사부(331)의 일 단에서 일 방향으로 연장되는 결선부(333)를 구비한다. 도시된 실시 예에서, 상기 일 단은 경사부(331)의 상측 단을 의미하고, 상기 일 방향은 상측 방향 또는 축 방향을 의미한다.

구체적으로, 도 5에서 확대되어 도시된 바와 같이, 결선부(333)와 연결되는 경사부(331)의 일 단(3310)은 소정의 곡률을 갖고 만곡되어 형성될 수 있다. 결선부(333)는 경사부(331)의 만곡된 일 단(3310)에서 축 방향으로 연장 형성된다.

결선부(333)의 단부에는 소정의 길이로 절연피복(303)이 제거된 탈피 부분(3330)이 형성된다. 어느 하나의 헤어핀(300)의 탈피부분(3330)이 다른 하나의 헤어핀(300)의 탈피부분(3330)과 통전 가능하게 결합되고, 이를 통해 서로 다른 두 헤어핀(300)이 통전 가능하게 연결된다.

일 실시 예에서, 서로 다른 두 탈피 부분(3330)은 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 서로 통전 가능하게 결합될 수 있다. 상기 마찰 교반 용접은 접촉된 두 물체와 마찰부재 사이에 발생되는 마찰열을 이용해 접촉된 두 물체를 용융시켜 서로 접합시킨다. 상기 마찰 교반 용접 과정에 대해서는 뒤에서 상세히 설명한다.

탈피 부분(3330)은 축 방향을 따라 소정의 길이로 연장 형성된다. 탈피 부분(3330)은 절연피복(303)이 제거되어 절연성능이 저하되므로, 탈피부분(3330)의 높이는 가능한 작게 형성하는 것이 바람직하다.

접합되는 두 물체에 용융된 제3의 금속을 첨가하여 용접하는 방식은 고온의 용접봉이 용접될 부위에 인접되므로, 탈피부분(3330)의 길이를 너무 짧게 형성하는 경우 용접 시 탈피부분(3330)과 인접한 결선부(333)의 절연피복(303)이 손상될 위험이 있다.

다만, 마찰 교반 용접에 의해 서로 다른 탈피부분(3330)이 접합되는 경우, 고온의 용접봉이 필요 없으므로 탈피부분(3330)의 길이를 상대적으로 짧게 형성할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 헤어핀(300) 중 일부는 전원 입력부(210)와 통전 가능하게 직접 연결될 수 있다. 이 경우, 전원 입력부(210)와 직접 연결되는 헤어핀(300)의 반경방향 외측으로 절곡된 후 축방향으로 다시 절곡되어 연장되는 돌출부(330)를 구비할 수 있다.

전원 입력부(210)와 통전 가능하게 직접 연결되는 헤어핀(300)이 다른 복수의 헤어핀(300)과 연결되어 상별 코일부(220)가 형성될 수 있다.

도 7은 도 1의 스테이터 코일의 개략적인 결선도이다.

도 7을 참조하면, 상별 코일부(220)는 크기가 같고 위상이 120도씩 차이나는 3개의 전원 삼각 형성으로 결선하는 소위 삼각 결선 또는 델타 결선(delta connection) 방법으로 연결될 수 있다.

구체적으로, U상 코일부(220U), V상 코일부(220V) 및 W상 코일부(220W)는 삼각 결선 또는 델타 결선 방법으로 연결될 수 있다.

스테이터 코일(200)은, 예를 들면, 기동 시 델타 결선으로 기동하고, 운전 시 와이 결선으로 운전될 수 있게 구성될 수 있다.

도 8은 도 7의 각 코일부의 전압분담률을 도시한 그래프이다.

도 8을 참조하면, 스테이터 코일(200)은 복수의 상별 코일부(220)를 구비하고, 복수의 상별 코일부(220)는, 서로 직렬로 연결된 복수의 부분 코일부를 각각 구비한다.

U상 코일부(220U)를 예를 들어 설명하면, U상 코일부(220U)의 부분 코일부는 제1 코일부(222U1), 제2 코일부(222U2), 제3 코일부(222U3) 및 제4 코일부(222U4)로 구성될 수 있다.

각각의 제1 코일부(222U1), 제2 코일부(222U2), 제3 코일부(222U3) 및 제4 코일부(222U4)는 미리 설정된 개수의 헤어핀(300)을 각각 구비하여 구성될 수 있다.

U상 코일부(220U)를 예를 들어 설명하였으나, V상 코일부(220V)는 제n 코일부(미부호)를 구비할 수 있고, W상 코일부(220W)는 제n 코일부(미부호)를 구비할 수 있다.

다시, U상 코일부(220U)를 예로 들어 설명하면, 스테이터 코일(200)에 전원 인가 시 제1 코일부(222U1), 제2 코일부(222U2), 제3 코일부(222U3) 및 제4 코일부(222U4)에는 분담전압이 서로 다르게 각각 인가된다.

보다 구체적으로, 스테이터 코일(200)의 전원 인가 시 시간에 따른 입력전압의 변화를 오실로스코프(oscilloscope)로 검출한 결과는 다음과 같다.

각각의 상별 코일부(220)의 전원 입력부(210)와 연결되는 제1 코일부(222U1)의 전압분담률이 60%이상으로 가장 높고, 제1 코일부(222U1)에 연결되는 제2 코일부(222U2)의 전압분담율이 50%이상에서 60%미만으로 출력된다.

또한, 제2 코일부(222U2)에 연결되는 제3 코일부(222U3) 및 제3 코일부(222U3)에 연결되는 제4 코일부(222U4)의 전압분담율은 대략 40%이상에서 50%미만으로 출력됨을 알 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 회전 전기 기기의 스테이터 코일(200)은, 외부 전원을 입력하는 전원 입력부(210)의 단부에서 미리 설정된 제1 구간(전압분담구간)(110a)에 배치되는 제1 헤어핀(전압 분담 헤어핀)(300a)을 구비하고, 제1 구간(전압분담구간)(110a) 이후에 제2 구간(110b)에 배치되는 제2 헤어핀(300b)을 포함하여 구성된다.

여기서, 제1 헤어핀(전압 분담 헤어핀(300a)의 돌출부들은(330a1, 330a2)는 스테이터 코어(100)의 반경방향으로 부분적으로 중첩되고, 부분적으로 중첩되는 돌출부(330a1, 330a2) 사이에는 부분방전의 발생을 억제하기 위한 절연부재가 구비될 수 있다.

도 9는 도 1의 헤어핀의 슬롯 내 배치상태를 도시한 단면도이다.

도 9를 참조하면, 스테이터 코어(100)의 슬롯(110) 내에는 복수 개의 헤어핀 (삽입부)이 반경방향을 따라 서로 이격되어 삽입된다.

다시 말하면, 슬롯(110) 내에는 복수 개의 헤어핀(삽입부)이 층상으로 배치되어 복수 개의 레이어를 구성한다.

구체적으로, 슬롯(110) 내에서, 스테이터 코어(100)의 반경방향 최내측에 배치되는 헤어핀(삽입부)이 삽입된 위치는 슬롯(110)의 제1 레이어(111)로 정의될 수 있다.

또한, 슬롯(110) 내에서, 스테이터 코어(100)의 반경방향 최외측에 배치되는 헤어핀(삽입부)이 삽입된 위치는 슬롯(110)의 제8 레이어(118)로 정의될 수 있다.

그러면, 제1 레이어(111)와 제8 레이어(118)의 사이는 반경방향을 따라 제2 레이어(112) 내지 제7 레이어(117)로 정의될 수 있다.

본 실시 예에서는, 헤어핀(삽입부)이 반경방향을 따라 8개의 레이어를 이루며 슬롯(110) 내에 배치되나, 레이어의 수는 스테이터 코어(100)의 형상에 따라 변경될 수 있다. 예를 들어, 헤어핀(삽입부)은 반경방향을 따라 6개의 레이어를 이루며 슬롯(110) 내에 배치될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 실시 예에 따른 스테이터 코일(200)은 제1 구간(전압분담구간)(110a)에 배치되는 제1 헤어핀(전압 분담 헤어핀)(300a)을 구비하고, 제1 구간(전압분담구간)(110a) 이후에 제2 구간(110b)에 배치되는 제2 헤어핀(300b)을 포함하여 구성된다.

슬롯(110)이 스테이터 코어(100)의 원주방향을 따라 복수 개로 형성되므로, 제1 헤어핀(300a) 및 제2 헤어핀(300b)은 복수 개로 구비된다.

본 실시 예에서는, 전원 입력부(210)가 슬롯(110)의 방사상 외측에 위치되므로, 슬롯(110)의 반경방향 최외측에 위치되는 제8 레이어(118)와 제7 레이어(117)가 제1 구간(전압분담구간)(110a)을 형성한다.

제6 레이어(116), 제5 레이어(115), 제4 레이어(114), 제3 레이어(113), 제2 레이어(112) 및 제1 레이어(111)는 제2 구간(110b)을 형성한다.

제1 코일부(222U1)는 제1 구간(110a)에 배치되는 복수 개의 제1 헤어핀(300a)에 의해 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 구간(110a)에 배치되는 제1 헤어핀(330a)의 전압분담률이 60%이상으로 설정될 수 있다.

또, 제1 코일부(222U1) 및 제2 코일부(222U2)는 제1 구간(110a)에 배치되는 복수 개의 제1 헤어핀(300a)에 의해 구성될 수 있다. 이 경우, 제1 구간(110a)에 배치되는 제1 해어핀(330a)의 전압분담률이 50%이상으로 설정될 수 있다.

이에 의해, 스테이터(10)의 기동 시, 제1 구간(110a)에 배치되는 제1 헤어핀(300a)은 비교적 높은 전압이 분담되고, 제2 구간(110b)에 배치되는 제2 헤어핀(300b)에는 제1 헤어핀(300a)에 비해 비교적 낮은 전압이 분담된다.

도 10은 헤어핀의 결합구조를 도시하는 사시도이다.

도 10에서는, 제1 구간(110a)에 배치되는 서로 다른 제1 헤어핀(300a) 사이의 결합구조가 도시된다. 결합구조를 명확히 도시하기 위하여, 제1 구간(110a)에 배치된 제1 헤어핀(300a)의 일부만이 도시되었고, 나머지는 생략되었다.

도 10을 참조하면, 제1 구간(110a)에서 돌출되어 스테이터 코어(100)의 일 측면에서 멀어지는 방향으로 연장되는 돌출부(330a1, 330a2)가 도시된다. 상기 스테이터 코어(100)의 상기 일 측면은, 도 1에 도시된 방향을 기준으로, 상측면으로 정의될 수 있다.

반경방향으로 슬롯(110)의 최외측인 제8 레이어(118)에서는 제1 돌출부(330a1)가 돌출되어 스테이터 코어(100)의 일 측면에서 멀어지는 방향으로 연장된다.

또한, 제8 레이어(118)의 방사상 내측에 위치되고 제8 레이어(118)와 인접하는 제7 레이어(117)에서는, 제2 돌출부(330a2)가 돌출되어 스테이터 코어(100)의 일 측면에서 멀어지는 방향으로 연장된다.

제1 돌출부(330a1)는 스테이터 코어(100)의 원주방향을 따라 복수 개로 구비된다. 또한, 제2 돌출부(330a2)는 스테이터 코어(100)의 원주방향을 따라 복수 개로 구비된다.

다만, 도시된 실시 예에서는, 제1 돌출부(330a1)와 제2 돌출부(330a2)의 결합구조를 명확히 도시하기 위하여 각각 2개씩 도시되었고, 나머지는 생략되었다.

제1 돌출부(330a1)는 스테이터 코어(100)의 원주방향의 일 측으로 절곡되고 스테이터 코어(100)의 일 측면과 소정 각도를 이루며 연장된다. 그 후, 제1 돌출부(330a1)는 다시 축 방향으로 절곡되어 연장된다.

구체적으로, 제1 돌출부(330a1)는 스테이터 코어(100)의 일 측면과 소정 각도를 이루며 스테이터 코어(100)의 원주방향의 일 측으로 연장되는 제1 경사부(331a1)를 구비한다.

다시 말하면, 제1 경사부(331a1)는 상기 스테이터 코어(100) 일 측면과 소정 각도를 이루며 스테이터 코어(100)의 반 시계방향으로 연장된다.

또한, 제1 돌출부(330a1)는 제1 경사부(331a1)의 단부에서 축방향으로 절곡되어 연장되는 제1 결선부(333a1)를 구비한다.

또한, 제1 결선부(333a1)의 일 측 단부에는 소정 길이로 절연피복(303a1)이 제거된 제1 탈피부분(3330a1)이 형성된다.

제2 돌출부(330a2)는 스테이터 코어(100)의 원주방향의 타 측으로 절곡되고 스테이터 코어(100)의 일 측면과 소정 각도를 이루며 연장된다. 그 후, 제2 돌출부(330a2)는 다시 축 방향으로 절곡되어 연장된다.

구체적으로, 제2 돌출부(330a2)는 스테이터 코어(100)의 일 측면과 소정 각도를 이루며 스테이터 코어(100)의 원주방향의 타 측으로 연장되는 제2 경사부(331a1)를 구비한다.

다시 말하면, 제2 경사부(331a2)는 상기 스테이터 코어(100) 일 측면과 소정 각도를 이루며 스테이터 코어(100)의 시계방향으로 연장된다.

또한, 제2 돌출부(330a2)는 제2 경사부(331a2)의 단부에서 축방향으로 절곡되어 연장되는 제2 결선부(333a2)를 구비한다.

또한, 제2 결선부(333a2)의 일 측 단부에는 소정 길이로 절연피복(303a2)이 제거된 제2 탈피부분(3330a2)이 형성된다.

제1 돌출부(330a1)는 서로 다른 슬롯에서 돌출된 제2 돌출부(330a2)와 통전 가능하게 결합될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 서로 결합되는 제1 돌출부(330a1) 및 제2 돌출부(330a2)는 서로 12 슬롯 피치만큼 이격되어 배치된다. 어느 하나의 제1 돌출부(330a1)가 돌출된 슬롯(110)을 제1 슬롯(S1)이라고 하였을 경우, 어느 하나의 상기 제1 돌출부(330a1)와 결합되는 제2 돌출부(330a2)는 제13 슬롯(S13)에서 돌출된다.

제1 슬롯(S1)에서 돌출된 제1 돌출부(330a1)의 제1 경사부(331a1)는 원주방향의 일 측으로 연장되고, 상기 제1 경사부(331a1)에서 연장되는 제1 결선부(333a1)는 제7 슬롯(S7)의 일 측에 위치된다.

또한, 제13 슬롯(S13)에서 돌출된 제2 돌출부(330a2)의 제2 경사부(331a2)는 원주방향의 타 측으로 연장되고, 상기제7 슬롯(S7) 제2 경사부(331a2)에서 연장되는 제2 결선부(333a2)는 제7 슬롯(S7)의 일 측에 위치된다.

여기서, 상기 제1 결선부(333a1)와 상기 제2 결선부(333a2)는 스테이터 코어(100)의 반경방향으로 서로 중첩되고, 상기 제1 결선부(333a1)의 제1 탈피부분(3330a1)과 상기 제2 결선부(333a2)의 제2 탈피부분(3330a2)이 서로 통전 가능하게 결합된다.

다시 말하면, 도체가 노출되는 제1 탈피부분(3330a1) 및 제2 탈피부분(3330a2)이 서로 면 접촉되어 서로 통전 가능하게 결합된다. 일 실시 예에서, 제1 탈피부분(3330a1)과 제2 탈피부분(3330a2)은 마찰 교반 용접에 의해 서로 통전 가능하게 결합될 수 있다.

상술한 과정에 의해 서로 연결되는 제1 돌출부(330a1) 및 제2 돌출부(330a2)는 코일 쌍(C)을 형성한다.

코일 쌍(C)은 스테이터 코어(100)의 원주방향을 따라 복수 개로 구비된다. 여기서, 어느 하나의 코일 쌍(C)의 제1 경사부(331a1)는 다른 하나의 코일 쌍(C)의 제2 경사부(331a2)와 스테이터 코어(100)의 반경방향으로 부분적으로 중첩될 수 있다.

도시된 도면에서는, 제1 헤어핀(300a)을 예로 들어 설명하였지만, 제2 구간(110b)에 배치되는 제2 헤어핀(300b)도 제1 헤어핀(300a)의 결합방법과 유사한 방법으로 결합될 수 있다.

구체적으로, 제2 헤어핀(300b)은 제6 레이어(116), 제4 레이어(114) 및 제2 레이어(112)에서 돌출되는 제1 돌출부(330b1) 및 제5 레이어(115), 제3 레이어(113) 및 제1 레이어(111)에서 돌출되는 제2 돌출부(330b2)를 구비한다.

즉, 제1 돌출부(330b1)와 제2 돌출부(330b2)는 제6 레이어(116) 내지 제1 레이어(111)에서 교호적으로 배치된다.

또, 제1 돌출부(330b1)는 제1 경사부(331b1) 및 제1 결선부(333b1)를 포함하고, 제2 돌출부(330b2)는 제2 경사부(331b2) 및 제2 결선부(333b2)를 포함한다.

제1 돌출부(330b1) 중 어느 하나와 제1 돌출부(330b1)의 방사상 내측에 위치되는 제2 돌출부(330b2) 중 어느 하나가 서로 결합되어 코일 쌍(C)을 형성한다.

예를 들어, 제6 레이어(116)에서 돌출되는 제1 돌출부(330b1) 중 어느 하나와 제5 레이어(115)에서 돌출되는 제2 돌출부(330b2) 중 어느 하나가 서로 결합되어 코일 쌍(C)을 형성한다.

제2 헤어핀(300b)의 코일 쌍(C)의 결합구조는 제1 헤어핀(300a)의 코일 쌍(C)의 결합구조에 대한 설명을 참조하여 이해될 수 있는 바, 이에 갈음한다.

도 11은 전체 헤어핀의 결합구조를 도시하는 사시도이다.

도 11을 참조하면, 복수 개의 코일 쌍(C)이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 복수 개로 구비된다.

복수 개의 상기 코일 쌍(C)은 제1 코일 쌍(C1), 제2 코일 쌍(C2), 제3 코일 쌍(C3) 및 제4 코일 쌍(C4)을 포함하고, 제1 코일 쌍(C1), 제2 코일 쌍(C2), 제3 코일 쌍(C3) 및 제4 코일 쌍(C4)은 스테이터 코어(100)의 반경방향 최외측에서 최 내측으로 순차적으로 배열된다.

구체적으로, 제8 레이어(118) 및 제7 레이어(117)에서 각각 돌출되는 제1 돌출부(330a1)와 제2 돌출부(330a2)가 서로 결합되어 제1 코일 쌍(C1)이 형성된다.

또, 제6 레이어(116) 및 제5 레이어(115)에서 각각 돌출되는 제1 돌출부(330b1)와 제2 돌출부(330b2)가 서로 결합되어 제2 코일 쌍(C2)이 형성된다.

또, 제4 레이어(114) 및 제3 레이어(113)에서 각각 돌출되는 제1 돌출부(330b1)와 제2 돌출부(330b2)가 서로 결합되어 제3 코일 쌍(C3)이 형성된다.

또, 제2 레이어(112) 및 제1 레이어(111)에서 각각 돌출되는 제1 돌출부(330b1)와 제2 돌출부(330b2)가 서로 결합되어 제4 코일 쌍(C4)이 형성된다.

제1 코일 쌍(C1)은 각 탈피부분(3330a1, 3330a2)이 결합되어 형성되는 제1 통전부(CCP1)를 구비하고, 제2 코일 쌍(C2) 내지 제3 코일 쌍(C3)은 각 탈피부분(3330b1, 3330b2)이 서로 결합되어 형성되는 제2 통전부(CCP2) 내지 제4 통전부(CCP4)를 구비한다.

제1 통전부(CCP1), 제2 통전부(CCP2), 제3 통전부(CCP3) 및 제4 통전부(CCP4)는 스테이터 코어(100)의 반경방향으로 서로 중첩되도록 배치된다.

도시된 실시 예에서는, 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 4개의 코일 쌍(C)이 구비되나, 이는 스테이터 코어(100)의 크기 및 결선구조에 따라 변경될 수 있다.

본 발명에 따른 스테이터(10)와 같이, 상대적으로 높은 출력을 발생시키는 모터에 사용되는 스테이터에는 상대적으로 많은 개수의 용접 부위가 발생될 수 있다.

도시된 실시 예에서는, 스테이터 코어(100)의 원주방향을 따라 96개의 슬롯(110)이 형성되고, 각각의 슬롯(110)에는 제1 헤어핀(300a) 및 제2 헤어핀(300b)이 8개의 레이어(layer)를 이루며 삽입된다.

따라서, 하나의 슬롯(110)마다 4개의 코일 쌍이 형성되므로 총 384개의 코일 쌍이 형성된다. 각각의 코일 쌍은 용접에 의해 형성되므로, 총 384 개의 용접부위가 발생된다.

서로 접합되는 두 금속과 다른 재질의 금속을 용융시켜 용접시키는 방식을 사용하는 경우 각각의 용접부위마다 일일이 용접작업이 이루어진다.

또한, 용접이 아닌 결속부재(미도시)를 사용하여 코일 쌍(C)을 통전 가능하게 결합시키는 경우에도, 각각의 통전부(CCP)에 일일이 결속부재를 삽입하여 결속작업이 이루어진다.

이러한 경우, 결선작업을 위해 소요되는 재료 비용이 증가될 뿐 아니라, 384개의 용접부위를 일일이 용접해야 하므로, 결선작업에 소요되는 시간 및 비용이 증가되는 문제가 발생된다.

이러한 문제점을 고려하여, 결선작업을 위한 추가적인 재료가 요구되지 않고 복수 개의 용접부위를 동시에 용접할 수 있는 마찰 교반 용접(friction stir welding)을 사용하는 경우, 결선작업을 위해 소요되는 시간 및 비용을 절감시킬 수 있다.

아래에서는, 도 12 내지 도 25를 참조하여 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 결선작업이 수행되는 스테이터(10)의 제조방법에 대해 설명한다.

3. 본 발명의 실시 예에 따른 스테이터(10)의 제조방법의 설명

스테이터(10)는 스테이터 코어(100)에 스테이터 코일(200)을 권선하여 제작된다.

스테이터 코일(200)은 복수 개의 헤어핀(300)을 기 설정된 패턴으로 연결하여 형성된다.

구체적으로, 복수 개의 헤어핀(300)이 기 설정된 패턴으로 스테이터 코어(100)의 슬롯(110)에 삽입된다.

복수 개의 헤어핀(300)은 모두 축 방향을 따라 같은 방향으로 삽입된다.

따라서, 스테이터 코어(100)의 상측에서는 복수 개의 돌출부(330)가 스테이터 코어(100)의 상측 면에서 소정 길이로 돌출되어 배치되고, 스테이터 코어(100)의 하측에는 대략적인 V자형으로 절곡된 복수 개의 연결부(310)가 배치된다. 스테이터 코어(100)의 "상측" 및 "하측"은 도 1을 참조하여 이해될 수 있다.

(1) 스테이터 코어(100)에 관통 형성된 복수 개의 슬롯(110) 각각에 복수 개의 헤어핀(300)을 삽입하여 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 순차적으로 배열하는 단계(S100)의 설명

상술한 바와 같이, 복수 개의 헤어핀(300)은 복수 개의 슬롯(110)에 삽입되고, 복수 개의 헤어핀(300)은 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 순차적으로 배열된다.

구체적으로, 복수 개의 헤어핀(300)의 부분 중 삽입부(320)가 슬롯(110)에서 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 복수 개로 중첩되어 배열된다. 도 9를 참조하면, 도시된 실시 예에서, 복수 개의 헤어핀(300a, 300b)은 슬롯(110) 내부에서 8개의 층을 이루며 배열된다.

또한, 각각의 헤어핀(300a, 300b)은 슬롯(110)을 관통하여 스테이터 코어(100)의 상측 면에서 돌출된다. 즉, 각각의 헤어핀(300a, 300b)의 돌출된 부분인 돌출부(330a, 330b)가 스테이터 코어(100)의 상측 면에서 돌출된다.

복수 개의 돌출부(330a, 330b)는 스테이터 코어(100)의 반경 방향을 따라 중첩되어 배열된다.

(2) 복수 개의 헤어핀(300)의 부분 중 스테이터 코어(100)의 일 측으로 돌출된 단부 부분의 절연피복(303)을 소정 길이만큼 제거하여 탈피부분(3330)을 형성하는 단계(S200)의 설명

헤어핀(300)은 도체(301) 및 이를 감싸는 절연피복(303)으로 구성되어 있으므로, 헤어핀(300)이 서로 접합되는 부분에는 절연피복(303)이 제거되야 한다.

따라서, 스테이터 코어(100)의 일 측으로 돌출된 돌출부(330a, 330b)의 각 단부 부분의 절연피복(303)을 소정 길이만큼 제거한다.

절연피복(303)이 제거된 부분에는 도체(301)가 노출된 탈피부분(3330)이 형성된다.

(3) 복수 개의 헤어핀(300)의 탈피부분(3330)이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 순차적으로 배열되는 단계(S300)의 설명

복수 개의 헤어핀(300)은 헤어핀(300)의 부분 중 탈피부분(3330)이 서로 접합됨으로써 서로 통전 가능하게 연결된다.

이 때, 기 설정된 패턴으로 스테이터 코일(200)을 형성하기 위하여, 탈피부분(3330)이 탈피부분이 돌출된 슬롯(110)이 아닌 다른 슬롯(110)에 배치된다.

이를 위해, 복수 개의 헤어핀(300)의 부분 중 스테이터 코어(100)의 일 측으로 돌출된 부분(330)을 시계방향 또는 반 시계방향으로 소정 각도만큼 절곡시킨다(S310).

예를 들어, 복수 개의 슬롯(110) 중 제1 슬롯(S1)의 제8레이어(118, 도 9 참조)에서 돌출된 돌출부(330a1)가 스테이터 코어(100)의 반 시계방향으로 소정 각도를 이루며 절곡된다. 절곡된 돌출부(330a1)는 제1 슬롯(S1)에서 스테이터 코어(100)의 반 시계방향으로 6 슬롯 피치만큼 이격된 제7 슬롯(S7) 위에서 축 방향을 따라 상측으로 절곡된다. 즉, 제1 슬롯(S1)의 제8레이어(118)에서 돌출된 돌출부(330a1)의 탈피부분(3330a1)이 제7 슬롯 상에 배치된다.

또한, 복수 개의 슬롯(110) 중 제1 슬롯(S1)에서 반 시계방향으로 12 슬롯피치만큼 이격된 제13 슬롯(S13)의 제7레이어(117, 도9 참조)에서 돌출된 돌출부(330a2)가 스테이터 코어(100)의 시계방향으로 소정 각도를 이루며 절곡된다. 절곡된 돌출부(330a2)는 제13 슬롯(S13)에서 시계방향으로 6 슬롯피치만큼 이격된 제7 슬롯(S7) 위에서 축 방향을 따라 상측으로 절곡된다. 즉, 제13 슬롯(S13)의 제7레이어(117)에서 돌출된 돌출부(330a2)의 탈피부분(3330a1)이 제7 슬롯(S7) 상에 배치된다.

즉, 복수 개의 헤어핀(300)의 결선부(333)가 형성된 부분이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 중첩되도록 축 방향으로 절곡시킨다(S320).

이를 통해, 제1 슬롯(S1)의 제8레이어(118)에서 돌출된 돌출부(330a1)의 탈피부분(3330a1)과 제13 슬롯(S13)의 제7레이어(117)에서 돌출된 돌출부(330a2)의 탈피부분(3330a2)이 제7 슬롯(S7)의 상측에서 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 중첩되게 배치된다.

이와 동일한 방식으로, 제1 슬롯(S1)의 제6레이어(116)에서 돌출된 돌출부(330b1)의 탈피부분(3330b1)과, 제13 슬롯(S13)의 제5레이어(115)에서 돌출된 돌출부(330b2)의 탈피부분(3330b2)이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 중첩되게 배치된다.

이와 동일한 방식으로, 제1 슬롯(S1)의 제4레이어(114)에서 돌출된 돌출부(330b1)의 탈피부분(3330b1)과, 제13 슬롯(S13)의 제3레이어(113)에서 돌출된 돌출부(330b2)의 탈피부분(3330b2)이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 중첩되게 배치된다.

이와 동일한 방식으로, 제1 슬롯(S1)의 제2레이어(112)에서 돌출된 돌출부(330b1)의 탈피부분(3330b1)과, 제13 슬롯(S13)의 제1레이어(111)에서 돌출된 돌출부(330b2)의 탈피부분(3330b2)이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 중첩되게 배치된다.

도 14를 참조하면, 상술한 방법에 따라 복수 개의 탈피부분(3330)이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 중첩되도록 배열된다.

도시된 실시 예에서는, 제1 슬롯(S1)과 제13 슬롯(S13)에서 돌출된 복수 개의 탈피부분(3330a1, 3330a2, 3330b1, 3330b2)이 스테이터 코어(100)의 반경방향으로 중첩되도록 배열된다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 스테이터(10)의 크기 및 권선형태에 따라 달라질 수 있다.

도시되지 않은 실시 예에서, 제1 슬롯(S1)과 제1 슬롯(S1)에서 7피치만큼 이격된 제8 슬롯에서 돌출된 복수 개의 탈피부분(3330a1, 3330a2, 3330b1, 3330b2)이 스테이터 코어의 반경방향을 따라 중첩되도록 배열될 수 있다.

명확한 설명을 위하여, 제1 슬롯(S1)과 제13 슬롯(S13)에서 돌출된 헤어핀(300)의 돌출부(330)만을 도시하였으며, 나머지 헤어핀(300)은 도시가 생략되었다.

(4) 순차적으로 배열된 탈피부분(3330) 중, 2n-1번째로 배열된 탈피부분과 2n번째로 배열된 탈피부분을 서로 접촉시켜 복수 개의 코일 쌍(C)을 형성하는 단계(S400)의 설명

복수 개의 탈피부분(3330)이 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 중첩되어 배치되면, 순차적으로 배열된 탈피부분(3330) 중, 2n-1번째로 배열된 탈피부분과 2n번째로 배열된 탈피부분을 서로 접촉시켜 복수 개의 코일 쌍(C)을 형성한다. 본 단계의 설명에서 사용되는 코일 쌍(C)이라는 용어는, 용접되기 전 서로 통전 가능하게 접촉되어 있는 돌출부(330)를 의미한다. 상기 n은 자연수를 의미한다.

예를 들어, 하나의 슬롯(110)에 8개의 헤어핀(300)이 삽입되는 경우, 1번째와 2번째로 배열된 탈피부분, 3번째와 4번째로 배열된 탈피부분, 5번째와 6번째로 배열된 탈피부분 및 7번째와 8번째로 배열된 탈피부분이 각각 접촉되어 코일 쌍(C)을 형성한다.

스테이터 코어(100)의 반경방향으로 서로 인접된 탈피부분(3330)을 서로 접촉시키기 위하여, 반경방향을 따라 배열된 탈피부분(3330)에는 고정부재(400)가 끼워진다.

즉, 서로 접촉된 결선부(333)가 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 임의로 이동되지 않도록 고정부재(400)를 이용하여 고정시킨다(S410).

도 16을 참조하면, 고정부재(400)는 스테이터 코어(100)의 축 방향을 따라 복수 개의 고정공(410)이 관통 형성된 부재로 구현된다.

하나의 슬롯(110)에는 8개의 헤어핀(300)의 삽입부(320)가 삽입되므로, 하나의 슬롯(110)의 상측에서 4개의 코일 쌍(C)이 형성된다. 따라서, 복수 개의 고정공(410)은 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 4개로 형성될 수 있다.

다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 슬롯(110)에 6개의 헤어핀(300)의 삽입부(320)가 삽입되는 경우, 고정공(410)은 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 3개로 형성될 수 있다.

즉, 고정공(410)의 개수는 스테이터 코일(200)이 권선되는 패턴에 따라 달라질 수 있다.

도시된 실시 예에서는, 고정부재(400)는 하나의 슬롯(110)의 상측에 반경방향을 따라 배열된 탈피부분(3330)을 고정시키도록 구성된다. 즉, 제7슬롯의 상측에 반경방향을 따라 배열된 탈피부분(3330)을 고정시키도록 구성된다.

다만, 이에 한정되는 것은 아니며 복수의 슬롯(110)의 상측에서 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 배열된 탈피부분(3330)을 동시에 고정시키도록 구성될 수 있다.

도시되지 않은 실시 예에서, 고정부재(400)는 제7슬롯과 제8슬롯의 상측에 반경방향을 따라 배열된 탈피부분(3330)을 고정시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 고정공(410)은 8개로 형성될 수 있다.

도시되지 않은 실시 예에서, 고정부재(400)는 전체 슬롯의 상측에 반경방향을 따라 배열된 탈피부분(3330)을 고정시키도록 구성될 수 있다. 이 경우, 고정공(410)은 스테이터 코어(100)와 대응되는 환형으로 형성될 수 있고, 고정공(410)은 슬롯의 개수에 레이어의 숫자의 절반을 곱한 개수로 형성될 수 있다. 예를 들어, 스테이터(10)가 96 슬롯 및 8레이어로 형성된 경우, 환형 고정부재(400)에 형성된 고정공(410)의 개수는 384개(96 * 8 / 2)일 수 있다.

고정공(410)은 스테이터 코어(100)의 반경방향으로 인접된 두 개의 탈피부분(3330)을 반경방향으로 임의로 이동되지 않도록 고정시킬 수 있는 형태로 형성될 수 있다.

예를 들어, 헤어핀(300)에 사각형의 평각동선이 사용되는 경우, 서로 접촉된 두 평각동선은 접촉된 상태에서 소정의 가로 및 세로 길이를 구비하는 직사각형 단면을 구비한다. 서로 접촉된 상태의 두 평각동선의 가로 및 세로 길이는, 고정공(410)의 가로 및 세로 길이와 거의 동일하게 형성될 수 있다.

명확한 설명을 위하여, 제1 슬롯(S1)과 제13 슬롯(S13)에서 돌출된 헤어핀(300)의 돌출부(330)만을 도시하였으며, 나머지 헤어핀(300)은 도시가 생략되었다.

도 17을 참조하면, 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 4개의 코일 쌍(C)이 형성된다.

도시된 실시 예에서, 스테이터 코어(100)의 반경방향으로, 고정공(410)의 길이(L1)는 서로 접촉된 두 탈피부분(3330)의 길이(L2)와 실질적으로 동일하게 형성될 수 있다. 이에 따라, 서로 접촉된 두 탈피부분(3330)이 고정공(410)에 압입되어 고정될 수 있다.

즉, 복수 개의 상기 코일 쌍(C)의 부분 중 서로 접촉된 두 탈피부분(3330)의 원주면은 고정부재에 의해 가압되어 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 고정된다.

도시된 실시 예에서, 제7 및 제8 레이어의 상측에서 서로 접촉된 탈피부분(3330a1, 3330a2) 및 제1 내지 6 레이어의 상측에서 서로 접촉된 탈피부분(3330b1. 3330b2)이 고정공(410)에 삽입되어 고정된다.

서로 접촉된 탈피부분(3330)이 고정공(410)에 삽입된 상태에서, 두 탈피부분(3330)의 상측 단면과 스테이터 코어(100)의 상측면 사이의 거리에 오차가 형성될 수 있다. 예를 들어, 제3 레이어의 상측에 배치되는 탈피부분(3330b2)과 스테이터 코어(100) 사이의 최단 거리와 제4 레이어의 상측에 배치되는 탈피부분(3330b1)과 스테이터 코어(100) 사이의 최단 거리에 오차가 발생될 수 있다. 즉, 서로 접촉된 두 탈피부분(3330) 사이에 단차가 형성될 수 있다.

상기 단차에 의해 마찰 교반 용접 시 용접의 효율이 저감될 수 있으므로, 복수 개의 코일 쌍(C)의 부분 중, 스테이터 코어(100)의 축 방향을 바라보는 일측 면을 그라인딩(grinding)하여, 코일 쌍을 이루는 서로 접촉된 결선부 사이의 단차를 제거할 수 있다(S420).

(5) 복수 개의 코일 쌍(C)이 마찰 교반 용접에 의해 결합되는 단계(S500)의 설명

복수 개의 코일 쌍(C)은 고정부재(400)에 의해 고정된 상태에서 마찰 교반 용접에 의해 동시에 결합될 수 있다.

마찰 교반 용접을 위하여, 복수 개의 코일 쌍(C)에 부분 중 탈피부분(3330)의 탈피상면(3331) 및/또는 탈피측면(3332)에 마찰부재(500)가 접촉되어 회전 또는 진동된다. 탈피상면(3331)은 탈피부분(3330)의 부분 중 상측 면을 가리키고, 탈피측면(3332)은 탈피부분(3330)의 부분 스테이터 코어(100)의 원주방향을 향하는 면을 가리킨다.

도시된 실시 예에서, 마찰부재(500)의 진동방향은 스테이터 코어(100)의 반경방향일 수 있다. 즉, 마찰부재(500)의 진동방향은 복수 개의 탈피부분(3330)이 배열된 방향일 수 있다.

마찰부재(500)가 탈피부분(3330)과 접촉된 상태로 회전 또는 진동되면, 마찰부재(500)와 탈피부분(3330) 사이에 발생되는 마찰열에 의해 탈피부분(3330)이 가열되어 용융된다. 용융되었던 부분이 다시 응고되는 과정에서 서로 접촉되어 있던 탈피부분(3330)이 서로 통전 가능하게 결합된다.

일 실시 예에서, 마찰부재(500)는 탈피부분(3330)에 사용되는 금속재료보다 강한 강도의 금속재료로 구현될 수 있다.

마찰부재(500)가 스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 배열된 복수 개의 탈피부분(3330)과 동시에 접촉되어 회전 또는 진동되므로, 복수 개의 탈피부분(3330)이 동시에 용접될 수 있다.

일 실시 예에 따르면 탈피부분(3330)의 탈피상면(3331)에 마찰부재(500)가 접촉되어 마찰 교반 용접이 이루어질 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 코일 쌍(C)의 부분 중, 스테이터 코어(100)의 축 방향을 바라보는 일측 면에 제1 마찰부재(510)를 접촉시킨다(S510a).

도 19를 참조하면, 제7 레이어(117) 및 제8 레이어(118)의 상측면에서 서로 접촉되는 제1 및 제2 탈피부분(3330a1, 3330a2)의 제1 및 제2 탈피상면(3331a1, 3331a2)은 제1 마찰부재(510)의 하측면과 접촉된다. 마찬가지로, 제1 레이어(111) 내지 제6 레이어(116)의 상측면에서 서로 접촉되는 제1 및 제2 탈피부분(3330b1, 3330b2)의 제1 및 제2 탈피상면(3331b1, 3331b2)은 제1 마찰부재(510)의 하측면과 접촉된다.

축 방향을 바라보는 일측 면에 접촉된 상태에서, 제1 마찰부재(510)가 진동 또는 회전한다(S520a).

구체적으로, 제1 탈피상면(3331a1, 3331b1) 및 제2 탈피상면(3331b2, 3331a2)이 제1 마찰부재(510)의 하측면과 접촉된 상태에서, 제1 마찰부재(510)가 진동 또는 회전한다.

제1 마찰부재(510)의 진동 또는 회전에 의해, 제1 탈피상면(3331a1, 3331b1) 및 제2 탈피상면(3331a2, 3331b2)이 가열 및 용융된다. 용융된 부분이 응고됨에 따라, 제1 탈피상면(3331a1, 3331b1)과 제2 탈피상면(3331a2, 3331b2)이 서로 접촉되었던 부분이 일체로 결합된다.

즉, 코일 쌍(C)을 구성하는 서로 접촉된 결선부(333)가 가열 및 접합된다(S530a).

도 23을 참조하면, 서로 접촉된 제1 탈피부분(3330a1) 및 제2 탈피부분(3330a2)이 마찰 교반 용접에 의해 결합된다. 구체적으로, 제1 탈피상면(3331a1)과 제2 탈피상면(3331a2)이 서로 접촉된 경계 부분과, 제1 탈피측면(3332a1)과 제2 탈피측면(3332a2)이 서로 접촉된 경계 부분 중 제1 및 제2 탈피상면(3331a1, 3331a2)에 인접된 부분이 용융된 후 응고되어 일체로 결합된다.

제1 레이어(111) 내지 제6 레이어(116)에서 돌출되어 서로 접촉된 제1 및 제2 탈피부분(3330b1, 3330b2)도 같은 방식으로 서로 결합된다.

일체로 결합된 부분의 주변에는 비드(bead)(610)가 형성된다.

다른 실시 예에 따르면 탈피부분(3330)의 탈피측면(3332)에 마찰부재(500)가 접촉되어 마찰 교반 용접이 이루어질 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 코일 쌍(C)의 부분 중, 스테이터 코어(100)의 원주 방향을 바라보는 양측 면에 제2 마찰부재(520)를 접촉시킨다(S510b).

도 21를 참조하면, 제7 레이어(117) 및 제8 레이어(118)의 상측면에서 서로 접촉되는 제1 및 제2 탈피부분(3330a1, 3330a2)의 제1 및 제2 탈피측면(3332a1, 3332a2)에는 제2 마찰부재(510)가 접촉된다.

제1 및 제2 탈피측면(3332a1, 3332a2)은 제1 및 제2 탈피부분(3330a1, 3330a2)의 부분 중 스테이터 코어(100)의 시계방향 또는 반 시계방향을 향하는 양측 면이다. 제2 마찰부재(520)는 시계방향 또는 반 시계방향을 향하는 일 측면에 접촉될 수 있고, 복수 개로 구비되어 시계방향 및 반 시계방향을 향하는 양 측면에 접촉될 수 있다.

마찬가지로, 제1 레이어(111) 내지 제6 레이어(116)의 상측면에서 서로 접촉되는 제1 및 제2 탈피부분(3330b1, 3330b2)의 제1 및 제2 탈피측면(3332b1, 3332b2)은 제2 마찰부재(520)와 접촉된다.

양측 면에 접촉된 상태에서, 마찰부재가 진동 또는 회전한다(S520b).

구체적으로, 제1 탈피측면(3332a1, 3332b1) 및 제2 탈피측면(3332a2, 3332b2)이 제2 마찰부재(520)와 접촉된 상태에서, 제2 마찰부재(520)가 진동 또는 회전한다.

제2 마찰부재(520)의 진동 또는 회전에 의해, 제1 탈피측면(3332a1, 3332b1) 및 제2 탈피측면(3332a2, 3332b2)이 가열 및 용융된다. 용융된 부분이 응고됨에 따라, 제1 탈피측면(3332a1, 3332b1)과 제2 탈피측면(3332a2, 3332b2)의 서로 접촉되었던 부분이 일체로 결합된다.

즉, 코일 쌍(C)을 구성하는 서로 접촉된 결선부(333)가 가열 및 접합된다(S530b).

도 24를 참조하면, 서로 접촉된 제1 및 제2 탈피부분(3330a1, 3330a2)이 마찰 교반 용접에 의해 결합된다. 구체적으로, 제1 및 제2 탈피측면(3332a1, 3332a2)이 서로 접촉된 경계 부분과, 제1 및 제2 탈피상면(3331a1, 3331a2)이 서로 접촉된 경계 부분 중 제1 및 제2 탈피측면(3332a1, 3332a2)에 인접된 부분이 용융된 후 응고되어 일체로 결합된다.

제1 레이어(111) 내지 제6 레이어(116)에서 돌출되어 서로 접촉된 제1 및 제2 탈피부분(3330b1, 3330b2)도 같은 방식으로 서로 결합된다.

일체로 결합된 부분의 주변에는 비드(bead)(620)가 형성된다.

또 다른 실시 예에 따르면, 탈피부분(3330)의 탈피 상면(3331) 및 탈피측면(3332)에 제1 마찰부재(510) 및 제2 마찰부재(520)가 접촉되어 마찰 교반 용접이 이루어질 수 있다.

본 실시 예에 따르면, 코일 쌍(C)의 부분 중, 스테이터 코어(100)의 축 방향을 바라보는 일측 면에 제1 마찰부재(510)를 접촉시킨다(S510c). 본 단계는 상술한 단계(S510a)와 동일하므로, 본 단계에 대한 설명은 이에 갈음한다.

또한, 축 방향을 바라보는 일측 면에 접촉된 상태에서, 제1 마찰부재(510)가 진동 또는 회전한다(S520c). 본 단계는 상술한 단계(S520a)와 동일하므로, 본 단계에 대한 설명은 이에 갈음한다.

또한, 코일 쌍(C)의 부분 중, 스테이터 코어(100)의 원주 방향을 바라보는 양측 면에 제2 마찰부재(520)를 접촉시킨다(S530c). 본 단계는 상술한 단계(S510b)와 동일하므로, 본 단계에 대한 설명은 이에 갈음한다.

또한, 양측 면에 접촉된 상태에서, 제2 마찰부재(520)가 진동 또는 회전한다(S540c). 본 단계는 상술한 단계(S520b)와 동일하므로, 본 단계에 대한 설명은 이에 갈음한다.

제1 마찰부재(510) 및 제2 마찰부재(520)의 회전 또는 진동에 의해, 서로 접촉된 제1 탈피부분(3330a1, 3330b1) 및 제2 탈피부분(3330a2, 3330b2)이 용융된 후 일체로 응고되어 서로 접합된다.

즉, 코일 쌍(C)을 구성하는 서로 접촉된 결선부(333)가 가열 및 접합된다(S550c).

도 25를 참조하면, 서로 접촉된 제1 및 제2 탈피부분(3330a1, 3330a2)이 마찰 교반 용접에 의해 결합된다. 구체적으로, 제1 및 제2 탈피측면(3332a1, 3332a2)이 서로 접촉된 경계 부분과, 제1 및 제2 탈피상면(3331a1, 3331a2)이 서로 접촉된 경계 부분이 용융된 후 응고되어 일체로 결합된다.

제1 레이어(111) 내지 제6 레이어(116)에서 돌출되어 서로 접촉된 제1 및 제2 탈피부분(3330b1, 3330b2)도 같은 방식으로 서로 결합된다.

일체로 결합된 부분의 주변에는 비드(bead)(630)가 형성된다.

(6) 탈피부분(3330)이 서로 접합된 부분에 형성된 비드(bead)(610, 620, 630)가 제거되는 단계(S600)의 설명

제1 탈피부분(3330a1, 3330b1) 및 제2 탈피부분(3330a2, 3330b2)의 마찰 교반 용접에 의해 발생된 비드가 제거되는 단계(S600)이다.

다시 도 23 내지 도 25를 참조하면, 마찰 교반 용접에 의해 용융 및 접합된 제1 및 제2 탈피부분(3330a1, 3330a2) 사이의 경계에는 비드(610, 620, 630)가 형성된다. 상기 비드에 의해, 제1 및 제2 탈피부분(3330a1, 3330a2) 사이의 경계 부분은 다른 부분에 비해 돌출된다.

이에, 본 단계에서는 상기 비드를 제거하기 위한 작업이 수행된다. 일 실시 예에서, 상기 비드는 밀링(milling) 가공 처리되어 제거될 수 있다.

도시되지 않은 실시 예에서, 제1 레이어(111) 내지 제6 레이어(118)에서 돌출되어 마찰 교반 용접에 의해 용융 및 접합된 제1 및 제2 탈피부분(3330b1, 3330b2) 사이의 경계에는 비드(610, 620, 630)가 형성된다. 일 실시 예에서, 상기 비드(610, 620, 630)는 밀링(milling) 가공 처리되어 제거될 수 있다.

(7) 접합된 복수 개의 코일 쌍(C)이 응력 제거 열처리(stress relief heat treatment)되는 단계(S700)의 설명

마찰 교반 용접의 방식으로 결합된 제1 탈피부분(3330a1, 3330b1) 및 제2 탈피부분(3330a2, 3330b2)을 열처리하여, 결합에 따라 발생될 수 있는 응력을 제거하는 단계(S700)이다.

마찰 교반 용접의 방식으로 용융 및 접합된 제1 탈피부분(3330a1, 3330b1) 및 제2 탈피부분(3330a2, 3330b2)에는 고온의 열에 의한 열 응력이 잔류될 수 있다.

따라서, 본 단계에서는 각 결합 부위에 잔류되는 열 응력을 제거하기 위한 처리가 수행된다.

응력 제거 열처리는 금속 재료 등의 내부에 잔류하는 열 응력을 제거하기 위한 임의의 형태로 수행될 수 있다. 일 실시 예에서, 응력 제거 열처리는 어닐링(annealing)의 형태로 수행될 수 있다.

4. 마찰 교반 용접에 의한 효과의 설명

스테이터 코어(100)의 반경방향을 따라 배열되는 복수 개의 코일 쌍(C)이 마찰부재(510, 520)의 회전 또는 진동에 의해 동시에 용접되므로, 코일 쌍(C)의 용접에 소요되는 시간 및 비용이 감축될 수 있다.

또한, 스테이터 코어(100)의 반경방향으로 코일 쌍(C)의 개수가 증가되는 경우에도 반경방향을 따라 배열되는 복수 개의 코일 쌍(C)이 마찰부재(510, 520)의 회전 또는 진동에 의해 동시에 용접될 수 있다. 즉, 상대적으로 많은 수의 코일 쌍(C)이 형성되는 고출력 모터에서, 코일 쌍(C)의 용접에 소요되는 시간 및 비용이 감축될 수 있다.

또한, 코일 쌍(C)이 마찰부재(510, 520)의 회전 또는 진동에 의해 용접되므로, 코일 쌍(C)을 결합시키기 위한 별도의 금속 부재 또는 결속 부재가 요구되지 않는다.

또한, 코일 쌍(C)이 마찰부재(510, 520)와의 마찰열에 의해 결합된다. 코일 쌍(C)을 구성하는 서로 접촉된 도체(3330a1, 3330a2, 3330b1, 3330b2)는 서로 접촉되는 모서리 부분이 동시에 용융 및 접합되어 결합된다. 서로 접촉되어 결합된 도체(3330a1, 3330a2, 3330b1, 3330b2)는 동일한 열 팽창 계수를 구비하므로, 열 팽창에 의해 용접된 통전부(CCP)가 파손될 가능성이 현저하게 저감된다.

또한, 코일 쌍(C)의 결합을 위해 별도의 용접봉이 요구되지 않으므로, 고온의 용접봉에 의해 통전부(CCP)에 인접된 절연피복(303)이 손상되는 것이 방지될 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 스테이터
100: 스테이터 코어
100a: 로터 수용공
102: 전기강판
110: 슬롯
110a: 제1 구간(전압분담구간)
110b: 제2 구간
111: 제1 레이어
112: 제2 레이어
113: 제3 레이어
114: 제4 레이어
115: 제5 레이어
116: 제6 레이어
117: 제7 레이어
118: 제8 레이어
120: 티스
200: 스테이터 코일
210: 전원 입력부
210W: W상 전원 입력부
210U: U상 전원 입력부
210V: V상 전원 입력부
220: 상별코일부
220W: W상 코일부
220W1: 제1W상 코일부
220W2: 제2W상 코일부
220W3: 제3W상 코일부
220W4: 제4W상 코일부
220U: U상 코일부
220U1: 제1U상 코일부
220U2: 제2U상 코일부
220U3: 제3U상 코일부
220U4: 제4U상 코일부
220V: V상 코일부
220V1: 제1V상 코일부
220V2: 제2V상 코일부
220V3: 제3V상 코일부
220V4: 제4V상 코일부
222U1: 제1 코일부
222U2: 제2 코일부
222U3: 제3 코일부
222U4: 제4 코일부
230: 중성선
300: 헤어핀
301: 도체
303: 절연피복
310: 연결부
320: 삽입부
330: 돌출부
331: 경사부
3310: 경사부의 일 단
333: 결선부
3330: 탈피부분
300a: 제1 헤어핀(전압분담 헤어핀)
300b: 제2 헤어핀
330a1: 제1 돌출부
331a1 제1 경사부
3310a1: 제1 경사부의 일단
333a1: 제1 결선부
3330a1: 제1 탈피부분
3331a1: 제1 탈피상면
3332a1: 제1 탈피측면
330a2: 제2 돌출부
331a2: 제2 경사부
3310a2: 제2 경사부의 일단
333a2: 제2 결선부
3330a2: 제2 탈피부분
3331a2: 제2 탈피상면
3332a2: 제2 탈피측면
330b1: 제1 돌출부
331b1 제1 경사부
3310b1: 제1 경사부의 일단
333b1: 제1 결선부
3330b1: 제1 탈피부분
3331b1: 제1 탈피상면
3332b1: 제1 탈피측면
330b2: 제2 돌출부
331b2: 제2 경사부
3310b2: 제2 경사부의 일단
333b2: 제2 결선부
3330b2: 제2 탈피부분
3331b2: 제2 탈피상면
3332b2: 제2 탈피측면
400: 고정부재
410: 고정공
500: 마찰부재
510: 제1 마찰부재
520: 제2 마찰부재
610: 비드
620: 비드
630: 비드
C: 코일 쌍
CCP: 통전부

Claims (15)

1. 복수 개의 슬롯을 구비하는 스테이터 코어; 및
   상기 슬롯의 내부에 삽입되는 복수의 헤어핀을 미리 설정된 패턴으로 연결하는 형성되는 스테이터 코일을 포함하고,
   상기 헤어핀은 도체 및 상기 도체를 감싸는 절연피복을 구비하고,
   복수의 상기 헤어핀은 상기 복수 개의 슬롯 각각에 삽입되어 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열되며,
   복수 개의 상기 헤어핀의 부분 중 상기 스테이터 코어의 일 측으로 돌출된 단부 부분에는 상기 절연피복이 소정 길이만큼 제거된 탈피부분이 형성되고,
   복수 개의 상기 헤어핀의 상기 탈피부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열되며,
   순차적으로 배열된 상기 탈피부분 중, 2n-1번째로 배열된 상기 탈피부분과 2n번째로 배열된 상기 탈피부분이 서로 접합되어 복수 개의 코일 쌍이 형성되고,
   상기 n은 자연수이며,
   상기 코일 쌍을 구성하는 상기 탈피부분은, 마찰 교반 용접(friction stir welding)에 의해 서로 접합되는,
   스테이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 마찰 교반 용접이 수행되기 전 상기 스테이터 코어의 일 측에는 고정부재가 배치되고,
   상기 고정부재에는 복수 개의 고정공이 복수 개의 상기 코일 쌍과 대응되는 위치에 관통 형성되며,
   복수 개의 상기 코일 쌍은 복수 개의 상기 고정공에 삽입되고,
   복수 개의 상기 코일 쌍의 원주면은 고정부재에 의해 가압되어 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 고정되는,
   스테이터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 마찰 교반 용접은, 상기 코일 쌍의 부분 중 상기 스테이터 코어의 원주방향을 바라보는 양측 면 또는 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면에 접촉된 마찰부재가 회전 또는 진동하여 수행되며,
   복수 개의 상기 코일 쌍 중 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 코일 쌍들은 상기 마찰부재와 동시에 접촉되고,
   상기 마찰부재는 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 진동되는,
   스테이터.
4. 삭제
5. 삭제
6. (a) 스테이터 코어에 관통 형성된 복수 개의 슬롯 각각에 복수 개의 헤어핀을 삽입하여 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열하는 단계;
   (b) 복수 개의 상기 헤어핀의 부분 중 상기 스테이터 코어의 일 측으로 돌출된 단부 부분의 절연피복을 소정 길이만큼 제거하여 탈피부분을 형성하는 단계;
   (c) 복수 개의 상기 헤어핀의 상기 탈피부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 순차적으로 배열되는 단계;
   (d) 순차적으로 배열된 상기 탈피부분 중, 2n-1번째로 배열된 상기 탈피부분과 2n번째로 배열된 상기 탈피부분을 서로 접촉시켜 복수 개의 코일 쌍을 형성하는 단계; 및
   (e) 복수 개의 상기 코일 쌍이 마찰 교반 용접에 의해 결합되는 단계를 포함하고,
   상기 n은 자연수인,
   스테이터의 제조 방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 (c) 단계는,
   (c1) 복수 개의 상기 헤어핀의 부분 중 상기 스테이터 코어의 일 측으로 돌출된 부분을 시계방향 또는 반 시계방향으로 소정 각도만큼 절곡시키는 단계; 및
   (c2) 복수 개의 상기 헤어핀의 탈피부분이 형성된 부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 중첩되도록 축 방향으로 절곡시키는 단계를 포함하는,
   스테이터의 제조 방법.
8. 제6항에 있어서,
   상기 (d) 단계는,
   (d1) 서로 접촉된 상기 탈피부분이 상기 스테이터 코어의 반경방향을 따라 임의로 이동되지 않도록 고정부재를 이용하여 고정시키는 단계; 및
   (d2) 복수 개의 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면을 그라인딩하여, 상기 코일 쌍을 이루는 서로 접촉된 상기 탈피부분 사이의 단차를 제거하는 단계를 포함하는,
   스테이터의 제조 방법.
9. 제6항에 있어서,
   상기 (e) 단계는,
   (e1) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면에 마찰부재를 접촉시키는 단계;
   (e2) 축 방향을 바라보는 상기 일측 면에 접촉된 상태에서, 상기 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계; 및
   (e3) 상기 코일 쌍을 구성하는 서로 접촉된 상기 탈피부분이 가열 및 접합되는 단계를 포함하고,
   상기 마찰부재는 복수 개의 상기 코일 쌍이 중 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 코일 쌍들과 동시에 접촉되고,
   상기 마찰부재의 진동 또는 회전에 의해 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 상기 코일 쌍들이 동시에 접합되는,
   스테이터의 제조 방법.
10. 삭제
11. 제6항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e1) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 원주방향을 바라보는 양측 면에 마찰부재를 접촉시키는 단계;
    (e2) 상기 양측 면에 접촉된 상태에서, 상기 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계; 및
    (e3) 상기 코일 쌍을 구성하는 서로 접촉된 상기 탈피부분이 가열 및 접합되는 단계를 포함하고,
    상기 마찰부재는 복수 개의 상기 코일 쌍이 중 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 코일 쌍들과 동시에 접촉되고,
    상기 마찰부재의 진동 또는 회전에 의해 상기 스테이터 코어의 반경방향으로 중첩되는 상기 코일 쌍들이 동시에 접합되는,
    스테이터의 제조 방법.
12. 삭제
13. 제6항에 있어서,
    상기 (e) 단계는,
    (e1) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 축 방향을 바라보는 일측 면에 제1 마찰부재를 접촉시키는 단계;
    (e2) 축 방향을 바라보는 상기 일측 면에 접촉된 상태에서, 상기 제1 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계;
    (e3) 상기 코일 쌍의 부분 중, 상기 스테이터 코어의 원주방향을 바라보는 양측 면에 제2 마찰부재를 접촉시키는 단계;
    (e4) 상기 양측 면에 접촉된 상태에서, 상기 제2 마찰부재가 진동 또는 회전하는 단계; 및
    (e5) 상기 코일 쌍을 구성하는 서로 접촉된 상기 탈피부분이 가열 및 접합되는 단계를 포함하는,
    스테이터의 제조 방법.
14. 제6항에 있어서,
    (f) 상기 탈피부분이 접합된 부분에 형성된 비드(bead)가 제거되는 단계; 및
    (g) 접합된 복수 개의 상기 코일 쌍이 응력 제거 열처리(stress relief heat treatment)되는 단계;를 더 포함하고,
    상기 비드는 밀링(milling) 처리되어 제거되는,
    스테이터의 제조 방법.
15. 삭제

Images