KR20070024654A - 회전 전기 장치의 외전형 회전자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자석 삽입 구멍(12)을 갖는 회전자 철심(8)과, 자석 삽입 구멍(12)에 삽입된 영구 자석(14)을 구비하고, 수지의 몰드재(18)에 의해 회전자 철심(8)에 대하여 영구 자석(14)을 일체화하고 또한 회전자 철심(8) 자체를 일체화하도록 한 회전 전기 장치의 외전형 회전자에 있어서, 수지를 열가소성 수지로 한 것을 특징으로 한다.

Description

회전 전기 장치의 외전형 회전자{OUTER-SIDE-ROTATION ROTOR FOR DYNAMO-ELECTRIC MACHINES}

본 발명은 회전자 철심에 형성된 자석 삽입 구멍에 영구 자석을 삽입하여 구성되는 회전 전기 장치의 외전형 회전자에 관한 것이다.

회전 전기 장치 예를 들어 아우터 로터 타입의 영구 자석식 전동기(영구 자석형 모터)는 일본 공개특허공보 평성 8년 제182282호에 개시되어 있는 바와 같이, 슬롯에 코일이 수납되어 거의 원통형상으로 형성된 고정자와, 상기 고정자의 주위에 갭을 끼고 대향하도록 위치한 회전자로 구성되어 있다. 회전자의 내주면에는 상기 내주면을 따라서 원호 형상으로 성형된 복수의 자극용 영구 자석이 예를 들어, 접착에 의해 고정되어 있다. 이에 의해, 회전자에 자극이 형성된다. 자극용 영구자석에는 성형(형상)의 자유도가 높고, 높은 강도를 갖는 페라이트 자석이 널리 사용되고 있다.

그런데, 가전 분야를 비롯한 여러 분야에서 기기의 고효율화가 요구되고 있고, 이에 따라서 이들의 기기에서 사용되는 회전 전기 장치의 고효율화가 필요해지고 있다. 이 때문에, 희토류를 함유하여 자기 특성이 양호한 자석 예를 들어 Nd 자석(네오디뮴 자석)을 자극용 영구 자석에 이용한 회전 전기 장치가 제공되고 있다. Nd 자석은 일반적으로 성형(형상)의 자유도가 낮고 약하기 때문에, 통상은 직방체로 형성되어 있다. 그리고, 회전자 철심(적층 철심)에 상기 Nd 자석을 삽입하기 위한 직사각형 형상의 자석 삽입 구멍을 형성하고, 상기 자석 삽입 구멍에 Nd 자석을 삽입함으로써 회전자가 구성되어 있다.

이와 같이 구성된 회전자는 자기 특성이 높아지는 반면, 회전자 철심에 복수의 자석 삽입 구멍이 형성되어 있으므로 전체적인 강도가 낮아진다. 그래서, 회전자 철심의 보강 및 회전자 철심과 Nd 자석의 고정을 위해, 자석 삽입 구멍에 Nd 자석을 삽입한 상태에서 각 부재를 수지(몰드재)로 일체화하도록 이루어져 있다.

현재, 상기 수지에는 저렴하고 유동성이 우수한 열경화성 수지가 사용되고 있다. 그러나, 열경화성 수지는 그 종류가 적고 물성을 향상시키기 위해서 사용하는 첨가제의 종류도 적은 등, 그 성형 조건의 설정폭이 좁다. 이 때문에, 수지의 물성(예를 들어, 강도나 유동성)을 변화시키기 어렵다. 따라서, 예를 들어 적층매수가 많고 강도가 낮은 회전자 철심에 대해서 열경화성 수지를 사용해도, 충분한 보강 및 고정을 실시할 수 없는 경우가 있었다. 그 결과, 회전자 더 나아가서는 회전 전기 장치의 특성에 악영향을 줄 우려가 있었다.

본 발명의 목적은 강도가 낮은 회전자 철심이어도 충분히 보강 및 회전자 철심과 자석을 고정할 수 있는 회전 전기 장치의 외전형 회전자를 제공하는 데에 있다.

(과제를 해결하기 위한 수단)

본 발명은 자석 삽입 구멍을 갖는 회전자 철심과, 상기 자석 삽입 구멍에 삽입된 영구 자석을 구비하고, 수지의 몰드재에 의해 상기 회전자 철심에 대해서 상기 영구 자석을 일체화하고 또한 상기 회전자 철심 자체를 일체화하도록 한 회전 전기 장치의 외전형 회전자에 있어서, 상기 수지를 열가소성 수지로 한 것을 특징으로 한다.

(발명의 효과)

본 발명의 회전 전기 장치의 외전형 회전자는 수지를 열가소성 수지로서 그 물성을 폭넓게 변화시킬 수 있으므로, 강도가 낮은 회전자 철심이어도 충분히 보강 및 회전자 철심과 영구자석을 고정시킬 수 있고, 그 크기 특성 더 나아가서는 전기적 특성을 안정화시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시형태를 도시한 것으로 회전자의 일부를 확대하여 도시한 파단 사시도,

도 2는 전동기의 파단 사시도,

도 3은 천공판을 적층한 상태 및 자석의 삽입 방법을 도시한 사시도,

도 4는 틀 내에 위치한 회전자의 단면도,

도 5는 수지의 인장 강도와 각 인장 강도를 갖는 수지를 사용한 경우에 유지할 수 있는 갭과의 관계를 도시한 도면,

도 6은 수지의 연신율과 내히트쇼크의 관계를 도시한 도면,

도 7은 수지의 굽힘 탄성 강도와 각 굽힘 탄성 강도를 갖는 수지를 사용한 경우에 유지할 수 있는 갭과의 관계를 도시한 도면,

도 8은 수지의 충격 강도와 각 충격 강도를 갖는 수지를 사용한 경우에 유지할 수 있는 갭의 관계를 도시한 도면,

도 9는 Nd 자석에 의한 자기 흡인력을 가한 경우에서의 유리 섬유 비율과 갭의 관계를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

5: 회전자(외전형 회전자) 8: 회전자 철심

12: 자석 삽입 구멍 14: Nd 자석(영구 자석)

18: 몰드재

이하, 본 발명을 외전형 영구 자석식 전동기(회전 전기 장치)에 적용한 일실시형태에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

도 2는 전동기의 일부를 파단하여 도시한 사시도이다. 도 2에서 고정자(1)는 다수개의 티스(2)를 방사상으로 갖는 고정자 철심(3)과, 상기 고정자 철심(3)을 덮도록 설치된 고정자용 수지(X)와, 각 티스(2)에 감긴 고정자 권선(4)으로 구성되어 있다.

외전형 회전자(5)는 상면이 개구된 원형 용기 형상을 이루는 자성체제의 프레임(6)을 갖고 있다. 프레임(6)의 중심부에는 축 지지체(7)가 고정되어 있다. 프레임(6)의 외주부의 개구측에는 환형상 벽(6a)이 설치되어 있고, 그 환형상 벽(6a)의 내주를 따라서 회전자 철심(8)이 배치되어 있다. 상기 회전자 철심(8)은 전자강판을 펀칭함으로써 펀칭판(9)을 형성하고, 상기 천공판(9)을 복수매 적층함으로써 구성되어 있다. 상기 회전자 철심(8)의 제조방법의 상세한 내용은 후술한다. 또한, 도 2에는 설명의 편의상, 후술하는 수지는 도시하고 있지 않다.

도 1은 회전자의 일부를 파단하여 도시한 사시도이고, 도 3은 천공판(9)을 적층한 상태 및 자석의 삽입 방법을 나타내고 있다. 도 1과 도 3은 설명의 편의상, 상하 방향이 반대로 되어 있다. 천공판(9)은 원고리형상의 요크부(10)와 그 내주측에 위치하는 자극부(11)를 구비하고, 이들 요크부(10)와 자극부(11) 사이에는 직사각형 형상의 자석 삽입구멍(12)(12a, 12b)이 형성되어 있다. 상기 자석 삽입 구멍(12a, 12b)에는 반원형상의 수지 도입부(10a)도 형성되어 있다. 천공판(9)이 적층됨으로써 전체적으로 직방체의 자석 삽입구멍(12)이 형성된다. 또한, 자극부(11)는 갭(Y)을 끼고 상기 고정자(1)의 고정자 철심(3)과 대향하고 있다.

적층되는 천공판(9) 중, 최초(도 3 중, 최하단)와 최후(도 3 중, 최상단)의 천공판(9a와 9b)에는 요크부(10)와 자극부(11)를 연결하는 브리지부(13)가 형성되어 있다. 최초의 천공판(9a)은 다른 천공판(9)에 형성된 자석 삽입 구멍(12b) 보다도 폭이 좁은 자석 삽입 구멍(12a)을 갖고 있다(도 1 및 도 4 참조). 설명의 편의상, 최초의 천공판(9a)은 도 1에서는 최상단, 도 4에서는 최하단에 위치하고 있다.

회전자 철심(8)의 자석 삽입 구멍(12)에는 도 3에 도시한 바와 같이, 영구 자석, 예를 들어 희토류인 Nd(네오디뮴)를 함유하는 자성분(磁性粉)이 소결되어 직사각형 형상으로 성형된 Nd 자석(14)이 화살표 A방향으로부터 삽입된다.

도 4는 사출 성형기의 틀 내에 위치한 회전자(5)의 단면 구성을 도시하고 있다. 회전자 철심(8)은 자석 삽입 구멍(12)에 Nd 자석(14)이 삽입된 상태에서, 상부틀(15) 및 하부틀(16)에 의해 형성된 캐비티(17) 내에 스페이서(C)를 통하여 저장된다. 그 때, 프레임(6) 중 환형상 벽부(6a)를 포함하는 외주부도 캐비티(17) 내에 수납된다. 그리고, 상부틀(15)의 사출구(15a)로부터 열가소성 수지인 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)의 몰드재(18)가 사출된다.

이에 의해, 몰드재(18)가 자석 삽입 구멍(12)과 Nd 자석(14) 사이에(특히 수지 도입부(10a), 프레임(6)과 회전자 철심(8) 사이, 및 프레임(6)의 단면(6b)(도 2 또는 도 4 참조)과 두 틀(15, 16) 사이에 흘려 넣어진다. 이와 같이, 각 부재의 전체를 덮도록 몰딩함으로써, 천공판(9)끼리 회전자 철심(8)과 Nd자석(14), 프레임(6)과 회전자 철심(8) 및 프레임(6)과 축 지지체(7)가 각각 고정된다.

여기에서, 몰드재(18)의 기본 재료인 폴리에틸렌테레프탈레이트는 도 5 내지 도 8에 각각 파선과 화살표를 사용하여 나타내는 범위내의 것이 바람직하고, 이하 그 특성을 상세하게 설명한다. 또한, 도 5~도 8에 도시한 폴리에틸렌테레프탈레이트에는 30중량%의 유리 섬유가 첨가되어 있다.

도 5는 수지가 갖고 있는 인장 강도(MPa)와, 각 인장 강도를 갖는 수지를 사용한 경우에 유지할 수 있는 갭(Y)의 크기(㎜)의 관계를 나타내고 있다. 갭(Y)의 크기는 영구 자석식 전동기의 특성에 영향을 주고, 일반적으로 평균 1.0㎜정도가 좋다고 되어 있고, 최저 0.6 ㎜정도는 필요하다. 따라서, 본 실시형태에서 사용하는 폴리에틸렌테레프탈레이트의 물성은 회전자(5)의 내주 방향으로 100MPa 정도의 인장력(자기 흡인력에 의한 내주 방향의 인장력을 상정)을 가한 경우에도 0.6㎜정도의 갭(Y)을 유지할 수 있는 것이 좋다. 100MPa 정도의 인장력을 가하여 갭(Y)의 크기가 0.6㎜ 정도를 유지할 수 없는 폴리에틸렌테레프탈레이트에서는 회전자(5)에 대해서 충분한 보강이나 고정을 실시할 수 없다. 도 5를 참조하면 본 실시형태에서 사용하는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 적어도 100 MPa 이상, 바람직하게는 120 MPa 이상의 인장강도를 갖고 있을 필요가 있다.

도 6은 수지의 연신율(%)과 내히트쇼크(사이클)의 관계를 나타내고 있다. 연신율은 수지의 유동성에 영향을 주는 것이므로, 일반적으로는 3.0% 이상이 좋은 것으로 되어 있다. 따라서, 본 실시형태에서의 폴리에틸렌테레프탈레이트의 물성은 예를 들어 200사이클 이상의 히트쇼크를 주어도 3.0% 정도 바람직하게는 3.0% 이상의 연신율을 유지할 수 있는 것이 좋다. 3.0% 정도의 연신율을 유지할 수 없으면, 수지가 캐비티(17) 내의 구석구석까지 퍼질 수 없고, 회전자(5)에 대한 확실한 보강이나 고정을 실시할 수 없고, 회전자 철심(8)의 열수축의 차에 의해 크랙 등이 발생한다.

도 7은 수지가 갖고 있는 굽힘 탄성 강도(GPa)와, 각 굽힘 탄성 강도를 갖는 수지를 사용한 경우에 유지할 수 있는 갭(Y)의 크기(㎜)의 관계를 도시하고 있다. 상기 굽힘 탄성에서도 본 실시형태의 폴리에틸렌테레프탈레이트의 물성은 예를 들어 회전자(5)의 내주 방향으로 6GPa 정도의 굽힘 응력(자기 흡인력에 의한 내주 방향의 굽힘 응력 등을 상정)을 가한 경우에도 0.6㎜ 정도의 갭(Y)을 유지할 수 있는 것이 좋다. 갭(Y)의 크기가 0.6㎜ 정도를 유지할 수 없는 폴리에틸렌테레프탈레이 트에서는 회전자(5)에 대해서 충분한 보강이나 고정을 실시할 수 없다. 도 7을 참조하면 본 실시형태에서 사용하는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 적어도 6GPa 이상, 바람직하게는 7GPa 이상의 굽힘 탄성 강도를 갖고 있을 필요가 있다.

도 8은 수지의 충격 강도(J/m)와 각 충격 강도를 갖는 수지를 사용한 경우에 유지할 수 있는 갭(Y)의 크기(㎜)의 관계를 나타내고 있다. 상기 충격강도에서도 본 실시형태의 폴리에틸렌테레프탈레이트는 예를 들어 회전자(5)의 내주방향으로 120J/m 정도의 충격 응력을 가한 경우에서도 0.6㎜ 정도의 갭(Y)을 유지할 수 있는 것이 좋다. 갭(Y)의 크기가 0.6㎜ 정도를 유지할 수 없는 폴리에틸렌테레프탈레이트에서는 회전자(5)에 대해서 충분한 보강이나 고정을 실시할 수 없다. 도 8을 참조하면 본 실시형태에서 사용하는 폴리에틸렌테레프탈레이트는 적어도 120J/m 이상의 충격강도를 갖고 있을 필요가 있다.

여기에서 본 실시형태에서 사용하는 몰드재(18)의 기본 재료인 폴리에틸렌테레프탈레이트에는 첨가제 예를 들어 유리 섬유의 필라가 첨가되어 있다. 이 때의, 몰드재(18)에 대한 유리 섬유의 첨가량(유리 섬유 비율)에 대해서 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9는 회전자(5)에 대해서 Nd 자석(14)에 의한 내주 방향으로의 자기 흡인력을 가한 경우의 유리 섬유 비율(중량%)과 갭(Y)(㎜)의 관계를 나타내고 있다. 폴리에틸렌테레프탈레이트에 20중량%~40중량% 정도의 유리 섬유를 첨가하면, Nd자석(14)의 자기흡인력이 가해져도 0.6㎜ 정도의 갭(Y)을 유지할 수 있고, 충분한 강도를 갖는 몰드재(18)를 얻을 수 있다. 유리 섬유 비율이 20중량% 미만이면 물성 의 개선이 별로 보이지 않는다. 반대로 40중량% 보다도 많으면 적절한 유동성이 얻어지지 않고, 이에 의해 캐비티(17) 내에 공동이 생기고, 회전자(5) 전체의 강도가 저하될 우려가 있다. 20중량%~40중량% 정도의 유리 섬유가 첨가된 몰드재(18)에 의해 회전자 철심(8)과 Nd 자석(14)은 캐비티(17) 내에서 일체화된다.

이상 설명한 바와 같이 본 실시형태에 의하면 적층된 회전자 철심(8)에 자석 삽입 구멍(12)에 형성함으로써 회전자 철심(8)의 강도가 저하되는 경우에도 몰드재(18)를 사용하여 회전자 철심(8)에 대해서 Nd 자석(14)을 일체화함과 동시에 회전자 철심(8) 자체를 일체화하도록 했으므로, 그 보강이나 각 부재의 고정을 실시할 수 있고, 회전자(5)의 크기 특성 더 나아가서는 영구 자석식 전동기의 토크 특성, 회전수 특성, 소비 전력 특성, 효율 등을 안정시킬 수 있다.

몰드재(18)의 기본 재료인 수지를 열가소성 수지인 폴리에틸렌테레프탈레이트로 하고, 상기 수지에 20중량%~40중량%의 유리 섬유를 첨가함으로써, 상기 수지의 물성을, 인장강도 100MPa 이상, 연신율 3.0% 이상, 굽힘 탄성 강도 6.0GPa 이상, 충격 강도 120J/m 이상으로 했다. 이에 의해, 몰드재(18) 자체의 강도가 높아지고, 자기 흡인력이 작용해도 최소한 필요로 되는 0.6 ㎜ 정도의 갭(Y)을 유지할 수 있다.

또한, 폴리에틸렌테레프탈레이트 등의 열가소성 수지는 그 종류, 첨가제의 종류, 양 등에 따라서 유동성을 적절하게 조정할 수 있으므로 틀의 맞춤매에 발생하는 버(burr)를 감소시킬 수 있다. 또한, 열가소성 수지는 열경화성 수지와 비교하면 경화시간을 단축할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 예를 들어 다음과 같은 변형이 가능하다.

회전자(5)는 프레임(6)을 갖지 않는 구성으로 해도 좋다.

열가소성 수지로서는 폴리에틸렌테레프탈레이트 외에, 예를 들어 폴리부티렌테레프탈레이트 등 도 5~도 8에 나타낸 범위 내의 물성을 갖는 것이면 좋고, 첨가제도 유리 섬유의 충전제(filler)에 한정되지 않고 기본 재료의 강도를 적절하게 향상시킬 수 있으면 좋다.

이상과 같이, 본 발명에 관한 회전 전기 장치의 외전형 회전자는 회전자 철심에 자석 삽입 구멍이 형성되는 등에 의해 강도가 저하된 회전 전기 장치에 유용하다.

Claims (8)

1. 자석 삽입 구멍(12)을 갖는 회전자 철심(8)과, 상기 자석 삽입 구멍(12)에 삽입된 영구 자석(14)을 구비하고, 수지의 몰드재(18)에 의해 상기 회전자 철심(8)에 대해서 상기 영구 자석(14)을 일체화하고 또한 상기 회전자 철심(8) 자체를 일체화하도록 한 회전 전기 장치의 외전형 회전자에 있어서,

   상기 수지를 열가소성 수지로 한 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 영구 자석(14)은 희토류를 함유하는 자성분(磁性粉)을 소결하여 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지의 물성은 인장강도 100MPa 이상, 연신율 3.0%이상, 굽힘 탄성 강도 6.0GPa 이상, 충격 강도 120J/m 이상이고, 상기 수지에는 20중량%~40중량%의 유리 섬유가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 수지의 특성은 인장 강도 100MPa 이상, 연신율 3.0% 이상, 굽힘 탄성 강도 6.0GPa 이상, 충격강도 120J/m 이상이고, 상기 수지에는 20중량%~40중량%의 유리 섬유가 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 수지는 폴리부티렌테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.
6. 제 2 항에 있어서,

   상기 수지는 폴리부티렌테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.
7. 제 3 항에 있어서,

   상기 수지는 폴리부티렌테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 수지는 폴리부티렌테레프탈레이트 또는 폴리에틸렌테레프탈레이트인 것을 특징으로 하는 회전 전기 장치의 외전형 회전자.

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