KR20130141437A - 동기전동기를 포함한 전동기용 로터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터축(8), 시트스택(3), 시트스택(3)에서 축방향으로 돌출해있는 권선헤드(4), 및 지지요소들을 갖는 구속장치(2)를 포함하고; 구속장치(2)의 상기 지지요소가 권선헤드(4)를 방사상 응력에 대한 지지체처럼 보호하는 지지링(7)을 가져, 상기 구속장치가 로터 시스템의 균형을 잡아주어 높은 회전속도에서 높은 정밀도를 유지하는 전기자동차의 동기전동기의 로터(R)에 관한 것으로, 지지요소가 축방향으로 지지링(7)의 안쪽에 있는 엔드캡(6)을 포함하며, 이 엔드캡은 한편으로는 시트스택(3)의 측벽을 중심으로 로터(R)의 자극에 권선작업을 하는 동안 권선을 안내하고 지지하는 형상을 갖고, 다른 한편으로는 로터의 동작중에 권선헤드(4)을 지지하는 역할을 하며, 상기 지지링(7)은 엔드캡(6)과 협력하여 권선헤드의 엔드캡에 작용하는 원심력을 흡수한다.

Description

동기전동기를 포함한 전동기용 로터{ROTOR FOR ELECTRICAL MACHINE, IN PARTICULAR FOR A SYNCHRONOUS MOTOR}

본 발명은 전기자동차의 동기전동기를 포함한 전동기의 로터에 관한 것으로, 이 로터는 로터축, 시트스택, 권선 및 지지요소들이 달린 구속장치를 포함한다.

큰 동기전동기의 로터가 회전할 때, 반경방향으로 튀어나온 로터의 코일 단부나 권선헤드가 높은 회전속도와 큰 레이디얼 응력에서는 휘어지기 쉽다. 로터의 구속장치의 주임무는 축방향으로 시트스택에서 돌출하는 권선헤드를 이런 레이디얼 응력에서 보호하는데 있다.

US3,991,333에서 소개한 초전도체 발전기 로터의 권선 지지장치에는 다수의 모듈러 권선구간들이 제공된다. 권선구간마다 별도의 지지요소로 지지하여, 동작중에 권선에 걸리는 부하를 줄인다. 이들 권선구간과 지지요소는 외곽 튜브에 추가로 고정된다. 이런 구성은 복잡하고 고가이면서도, 지지요소들의 허용오차를 아주 작게 가공해야 하는데, 이는 생산기술면에서 문제가 있다. 그러나, 이 장치는 초던도체 발전기 로터에 사용되는 것이고, 전기자동차와 같은 중저급의 전동기에 사용되는 것은 아니다.

US2008/0272671A1에서는 로터의 권선의 다른 지지장치를 소개하는데, 여기서는 구속장치의 지지요소들이 지지링으로 이루어지고, 이런 지지링은 시트스택에서 축방향으로 돌출하는 권선헤드들을 보호하고 정면에서 로터축에 설치된다. 이 장치에는 로터의 정면에서 돌출하는 추가 로터가 있고, 지지링이 2개이며, 레이디얼 운동을 방해한다. 그러나, 추가 금속튜브를 사용하기 때문에, 로터가 더 복잡해지고 무거워지며, 역시 생산기술 측면에서 문제가 많다.

본 발명은 종래의 이런 문제점들을 감안하여 안출된 것으로, 로터의 디자인이 보다 간단하고 컴팩트하며 튼튼하고 저렴하면서도, 정적인 상태에서나 동적인 상태에서 생기는 모든 응력들을 종래보다 더 잘 흡수하는 한편, 로터 요소들 사이의 악영향들을 없애는 것을 목적으로 한다. 또, 이런 모터는 고속회전용으로 설계되어야 한다.

본 발명의 이런 목적들은 청구항 1항의 특징에 의해 해결된다. 본 발명의 다른 해결책들은 종속항에 기재한 바와 같다.

본 발명은 전기자동차의 동기전동기와 같은 전동기의 모터에 관한 것으로, 이 로터는 로터축, 시트스택, 권선 및 구속장치를 포함한다. 구속장치는 지지요소들을 갖고, 이에는 시트스택에서 축방향으로 돌출하는 권선헤드들을 응력에서 보호하는 2개의 지지링을 포함한다. 응력으로부터 권선헤드를 보호하는 구속장치의 요소들이 축방향으로 안쪽에 있는 엔드캡들을 포함하는데, 이런 엔드캡들은 가공ㅇ된 권선헤드의 지지수단은 물론, 시트스택의 축방향 측벽에 대해 자극의 권선들을 안내 및 지지하는 안내수단 역할을 한다. 한편, 축방향 바깥쪽의 지지링은 엔드캡과 협력해 권선헤드로부터 엔드캡에 작용하는 원심력을 흡수함과 동시에, (고속회전의) 높은 원심력에서 악영향을 미치는 언밸런스를 보상하기도 한다. 전동기의 권선에서, 언밸런스는 권선헤드 부분에 형성되므로, 특히 이 부분에서 이런 언밸런스를 보상하는 것이 당연하다고 본다.

본 발명의 목적은 이상 설명한 로터의 구성에 의해 완벽히 해결되는데, 본 발명에 따른 로터는 간단하고 컴팩트하고 튼튼하며 저렴한 로터 디자인과 더 좋고 간단한 권선과 더 안정적인 권선헤드는 물론, 12000rpm 정도의 높은 원심력에도 불구하고 아주 원활한 회전을 이룰 수 있다. 그 결과 종래보다 구조적으로 많은 장점을 갖는다.

본 발명에 의하면, 로터와, 구속장치의 엔드캡과 지지링이 조임나사를 통해 연결되면서 컴팩트한 로터스택을 형성하는 인장력을 가한다. 로터스택의 인장력은 4500~4900 N, 바람직하게는 4700N이다.

이 경우, 조립된 상태의 로터에서, 엔드캡들이 구속장치의 지지링 안쪽에 배치되면서 축방향으로 유격이 있어, 필요하다면 엔드캡들을 축방향으로 자유롭게 확장하거나 축소할 수 있으므로, 이상 설명한 로터로부터 열응력이 분리되어 생기지 않는다.

로터스택의 조임나사를 결합하고 로터의 인접 자극들의 절연성을 높이기 위해, 본 발명에서는 권선들 사이의 공간에 자극절연층을 배치하는데, 특히 에폭시수지를 붓거나 플라스틱 몸체를 삽입한다. 붓는 재료나 플라스틱을 적절히 선택하면, 권선의 코어로부터 주변까지의 열전달이 개선된다. 열전달이 개선되면, 로터스택의 전체 비용도 감소되는데, 이는 재료의 내열성능 조건을 낮춰 재료선택폭이 넓어지기 때문이다.

또, 엔드캡들을 각각 한조각으로 구성할 수 있다. 이 경우, 엔드캡이 일체로 형성되어 있는 폐쇄형 단일 환형 지지체 대신에, 각각의 엔드캡들을 서로 독립적으로 권선헤드의 전면이나 시트스택에 배치하고, 자극편의 웹 부분이만 접착할 수 있다. 이들은 원심력에 대항하여 지지링에 의해서만 지지되고 고정된다. 이때문에, 동일한 형태의 다수의 요소(엔드캡)을 비교적 간단하게 사전제작한 다음 로터에 조립할 수 있다. 따라서, 로터스택 전면에 하나의 엔드캡을 배치한 경우에 비해 제작비가 절감된다.

구속장치의 외측 지지링들 중의 적어도 하나에는 무게추를 배치하여 로터스택의 동적 밸런싱을 맞춘다.

또, 지지링이 지지부와 함께 강성을 갖는 재질, 예컨대 스틸로 제작된다. 본 발명에 따른 구속장치의 지지링이나 지지부는 로터의 시트스택에 직간접적으로 지지될 수 있다.

구속장치의 엔드캡들은 알루미늄이나 Al-Mg 합금과 같은 경금속이나 플라스틱으로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 구속장치의 지지링은 축방향 지지부에 의해 시트스택에 지지되거나, 시트스택에 아주 가까운 엔드캡 위치에 지지된다. 전면에 위치하는 2개의 지지링은 자극 간극에 배치된 조임나사에 의해 시트스택에 인장력을 가한다. 지지링은 엔드캡과 무관하게나 관련되어 배열되고 시트스택에 연결되어 단단한 구조(로터스택)를 형성한다.

본 발명에 따른 구속장치는 따라서 아래 기능들을 수행할 수 있다:

동작중에 엔드캡(권선헤드)의 레이디얼 힘을 흡수하여 시트스택의 지지 신뢰도를 높임;

엔드캡들이 권선작업중의 코일을 지지하여 시트스택이나 자극축의 전면을 따라 권선을 안내;

지지링이 로터 전체의 균형을 잡는 무게추 역할을 함.

본 발명에 의하면 엔드캡과 지지링의 기능적 디커플링이 축방향으로 이루어지고, 이런 디커플링은 전체 시스템에 아주 중요한 영향을 미친다. 그 결과, 알루미늄으로 이루어진 엔드캡의 열팽창과 밸런싱 품질의 디커플링이 본 발명의 주요 장점이다. 따라서, 엔드캡에 미치는 원심력으로 인한 방사상 이동과 열팽창은 열대체부하를 받는 로터스택의 밸런싱 품질에 악영향을 미치지 않고 용인될 정도이다.

또, 추방향 인장력을 가하는데 사용되는 조임나사를 냉매(공기)가 통하도록 속이 빈 구조로 하고, 그 외에도 바람날기 기능을 하는 날개를 중공(속이 빈) 나사의 양단부에 형성하여, 속도와 무관하게 냉각효과를 높일 수 있다. 또, 지지링의 지지부를 송풍기 날개처럼 구성하여 냉각효과를 더 높일 수 있다.

조임나사들은 자극 간극에 삽입되는 플라스틱 몸체내에 안내되면서, 권선들을 전기적으로 분리한다. 조임나사를 고정하는 플라스틱 몸체는 열전도성은 가져야 하지만, 가능한한 전기전도성은 갖지 않아야 한다. 그 결과, 중량은 감소되고 열전도성은 증가되어 냉각성능이 개선된다.

회전속도가 높으면, 엔드캡을 통해 (본 발명에 따라 응력을 흡수할 수 있는) 지지링까지 이어진 코일에 큰 레이디얼 힘이 작용한다. 지지링에 밸런싱 링이나 요소가 추가로 배치되므로, 지지링이 로터의 동적인 밸런싱을 위한 무게추 역할도 한다. 본 발명에 의하면 이런 밸런싱 기능이 지지링에 직접적으로 구현되는데, 이는 밸런싱 기능 요소가 로터 구조에 단단히 연결되고 다른 경로를 통해 밸런싱 기능을 구현할 필요가 없기 때문이다. 정밀한 빌런싱을 위한 밸런싱 무게추를 지지링의 지지부나 지지링 자체에나 다른 밸런싱 링에 술치할 수 있고, 이는 본 발명의 또다른 효과이다. 한편, 재료에 구멍을 뚫거나 그라인딩이나 밀링 가공을 하는 등의 작업으로 국부적인 밸런싱 효과를 낼 수도 있다.

본 발명의 목적은 또한 이상 설명한 바와 같은 로터를 갖춘 전동기에 의해 해결된다.

이런 전동기로는 전기자동차의 동기전동기가 포함된다.

또, 동기전동기를 갖춘 전기자동차가 본 발명에 따른 임무를 해결하는데 제공될 수 있는데, 이런 자동차는 이상 설명한 본 발명의 로터가 달린 전동기를 포함한다.

이하, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명에 대해 자세히 설명한다.

도 1은 엔드캡과 지지링을 갖는 본 발명의 구속장치를 갖춘 로터스택의 전개사시도;
도 2는 도 1의 로터스택의 일부분의 조립된 상태의 확대단면도;
도 3은 6개의 엔드캡들이 환형으로 배치되어 있는 상태를 보여주는 사시도;
도 4는 도 1의 로터 구간의 조립된 상태의 확대 단면도.

도 1은 로터(R)를 갖춘 본 발명의 로터스택(1)과 구속장치(2)의 일례를 보여주는 전개도이다. 본 발명에 따른 구속장치(2)는 양쪽에 하나씩 있는 내부 엔드캡(6)과 외부 지지링(7)을 포함하고, 로터(6)의 양쪽에서 시트스택(3)에서 축방향으로 돌출한 권선헤드(4)와, 로터(R)의 자극편들(5) 사이로 돌출하는 권선부분을 고속 회전에서도 적절히 지지하기 위한 보호장치이다. 도 1에서 로터(R)의 축은 8로 표시된다.

본 발명에 따른 구속장치(2)가 달린 로터스택(1)은 특히 SSM(current-excited synchronous motor)의 로터(R)나 다른 전동기, 더 구체적으로는 자동차용이나 대량생산용의 전동기에 알맞다.

주지하는 바와 같이, 로터(R)의 전방에는 권선헤드(4)가 있는데, 권선헤드는 구리전선으로 감긴 6개의 자극으로 이루어진다(도 1 참조). 가능한한 권선수를 늘이기 위해, 권선헤드(4)내의 자극의 형상은 궤도를 따라 계속되어야 한다.

전동기의 동작중에 아주 큰 원심력이 권선헤드(4)에 생긴다. 그러나, 12,000rpm 정도의 높은 회전속도에서는 권선헤드(4)가 손상되어 전동기가 파손되기 때문에 자동차의 경우 운전을 조절할 수 없을 수 있으므로 별도의 조치가 필요하다.

본 발명에 따른 구속장치(2)는 권선헤드(4)를 지지하기 위한 것으로서, 권선헤드(4)에 생기는 응력은 엔드캡(6)을 거쳐 지지링(7)으로 전달되고, 환형 형상 때문에 지지링이 이 응력을 적절히 흡수한다(도 1~2 참조). 엔드캡(6)과 지지링(7)은 같이 협력하여 힘(응력)을 전달한다. 또한 지지링은 균형을 잡는 기능도 하여, 안정되고 원활한 작동을 보장한다. 이때문에, 엔드캡(6)을 저렴한 경금속인 알루미늄은 물론 적절한 플라스틱으로 구성할 수 있다.

도 1~2, 4의 실시예에서는 권선헤드(4)마다 엔드캡(6)이 하나씩 배당되는데, 권선헤드는 권선작업중의 힘을 먼저 흡수한 다음 전동기의 실제 동작중에는 원심력을 흡수한다. 이런 힘들은 적어도 부분적으로 바깥쪽으로 전달되고, 본 발명의 구속장치(2)의 지지링(7)에 의해 양쪽에서 흡수된다.

도 3은 엔드캡(6)이 일체인 다른 구조를 보여주는데, 여기서는 양쪽 각각에 6개의 엔드캡(6)이 하나의 엔드캡 구조로 결합되고, 스텝(13)을 거쳐 공통의 링(13A)에 연결된다. 링(13A)은 로터(R)의 로터축(8)이나 시트스택(3)에 지지된다. 스텝(13)은 엔드캡(6) 바깥쪽에 배치된다. 로터(R)의 전체 외경을 증가시키지 않도록 지지링(7)에 스텝(13)이 끼워지는 홈이 있다. 엔드캡(6)의 스텝(6)은 축방향으로 약간의 유격을 제공하고, 이런 유격에서 지지링(7) 자체는 충분히 단단하다. 일체형으로 설계된 엔드캡의 장점은, 설치가 휘워 전동기의 조립이 신속해지며, 부품수의 증가로 인한 비용도 자격편이 6개일 때 비해 크게 감소된다.

본 발명의 다른 중요한 특징은, 엔드캡(6)을 축방향으로 확장하여 온도상승을 가져오면서도, 전체적인 언밸런싱을 유발하는 지지링(7)의 축방향 움직임은 제한한다는 것이다. 지지링(7) 자체는 필요한 밸런싱 유지를 위해 가능한한 움직이지 않는 것이 좋다.

도 4는 도 1의 로터 부분이 조립된 상태의 일부분의 확대단면도로서, 도 2와 비슷하지만 조임나사가 없다. 자유 열전달을 위해 지지링(7)과 엔드캡(6 사이에 축방향 유격(14)을 마련하는데, 그 길이는 약 0.5~0.8mm이다.

도 4에서 엔드캡(6)의 단면을 볼 수 있는데, 12,000rpm에서의 큰 원심력에도 불구하고 권선을 더 쉽게 더 잘 감아서 안정되게 유지할 수 있도록 엔드캡은 단면을 U형으로 한다. U형 엔드캡(6)이 상부 돌출부(15)와 하부돌출부(16)는 물론 수직측벽(17)으로 인해 시트스택의 둘레에 전선들을 쉽고 안전하게 감을 수 있고 작업중에 코일헤드를 지지할 수 있다.

전술한 바와 같이, 엔드캡(6)은 아래 기능을 수행한다: 로터의 권선작업중에 시트스택(3)의 측면가장자리에 전선들을 감아 권선수를 고도로 채울 수 있는 한편 전동기의 동작중에 권선헤드(4)의 높은 원심력을 지지링(7)에 전달한다. 엔드캡(6)의 다른 기능은 전기절연 플라스틱이나 표면처리된 알루미늄으로 이루어진 경우 자극을 절연하기도 한다.

경험에 의해, 이상의 기능으로부터, 엔드캡(6)에 대한 아래 조건들이 결정될 수 있다:

- 자극의 전면에서 궤도를 따라 권선의 단면이 연속적으로 확장;

- 높은 회전속도에서도 권선헤드의 위치 안정;

- 설치공간 최소화;

- 낮은 중량으로 반경방향의 관성질량이 낮아져, 전동기의 동력을 높일 수 있음;

- 전동기의 냉각과 성능 등급과 같은 경계조건에 맞는 시스템의 온도저항.

엔드캡(6)은 지지링(7)과 결합하여 권선을 최대로 채우고 고조파 기능의 개념을 위한 최적의 조건들을 구현할 수 있고, 열팽창과 같은 부적절한 영향을 기능적으로 분리할 수 있으며, 재료를 적절히 선택하면 전류에 대한 자극 절연도 구현할 수 있다.

엔드캡(6)의 형상은 1차적으로는 자극의 형상에 의해 결정된다(도 4 참조). 전술한 바와 같이, 권선이 높은 원심력에 노출되기 때문에 노치응력도 형상에 결정을 미치고, 이런 노치응력은 자극의 형상으로 흡수해야 한다. 그러나, 권선헤드(4)의 질량집중과 궤도길이당 더 큰 원심력 때문에 엔드캡(6)에 노치효과가 집중된다. 이는 밀리미터 궤도길이당 180도의 변형에서, 대부분의 권선질량이 시트스택의 자극을 따라가기보다는 흡수되어야 함을 의미하는데, 이런 자극들은 정확히 원호 형상을 가져 천이구역(18)에서의 엔드캡(6)에 높치효과를 높인다.

도 4와 같이, 엔드캡(6)은 단면이 옆으로 누운 U형이고, 상하 돌출부(15,16)와 측벽(17) 사이의 천이구역(18,19)는 원호형태이다.

생산상의 이유로, 수동으로나 자동으로 권선작업하기 위한 자유로운 접근을 확보하기 위해 엔드캡(6)을 개방형으로 하는 것이 좋지만, 이 경우 변형 없이 원심력을 흡수할 수 없다. 이런 이유로, 작동중에 엔드캡(6)의 부담을 덜어주기 위해 가능한한 폐쇄된 형상을 갖는 추가요소를 사용하는 것이 좋다. 본 발명에서는 엔드캡(6)과 연계하여 원심력을 경감하는 지지링(7)을 사용한다. 지지링(7)과 엔드캡(6)의 2 요소는 형상적으로나 기계적으로 서로 잘 어울리겨, 여러 측면에서 서로에게 강한 영향을 미친다. 이들 2 요소를 조합하여, 재료의 응력을 기본적으로 조절할 수 있는데, 이는 본 발명에서 처음으로 달성한 것이다.

응력은 변형에 직결되기 때문에 엔드캡(6)의 재료 선택은 응력에 큰 영향을 미친다. 이런 재료선택에 있어서 고려할 사항들은 아래와 같다:

탄성율 E≒207,000MPa 정도의 스틸과 같은 강성 재료는 필요한 변형을 일으키지 않아 국부적 응력피크를 조절할 수 없다;

탄성율 E≒3,700MPa 정도의 PEEK(polyether ether ketone)과 같은 연질재료는 변형율이 커서, 전술한 바와 같이 권선헤드의 총질량이 시트스택에 완전히 흡수되어야 하기 때문에 시트스택(3)을 크게 형성할 필요가 있을 수 있다.

따라서, 이런 2가지 극단적 방법의 중간을 취하는 해결책을 찾았다. 실험에 이하면, 탄성율 70,000MPa 정도의 알루미늄 합금은 높은 강도를 가지면서도, 엔드캡 내부의 탄성변형으로 인해 불필요하게 높은 응력을 보상하는데 필요한 변형율을 제공함과 동시에, 원심력이 시트스택에 직접 전달되지 않기 때문에 시트스택의 응력을 줄일 수 있다.

특히, 고강도 알루미늄 합금은 마그네슘, 실리콘, 구리와 같은 원소 때문에 순수 알루미늄에 비해 상당히 높은 강도를 갖는다. 바람직한 재료인 AlMg1SiCu의 물성은 기존의 처리방식의 영향을 크게 받는다(예; 담금질, 연신 및 뜨임에 의한 "T651"). 알루미늄은 열전도율이 높아 엔드캡을 알루미늄으로 만들면 냉각기능도 갖는다.

온도저항성도 높아야 하므로, 이에 따른 강도를 분석하고 설계 제한도 고려해야 한다. 동작중의 엔드캡(6)의 온도부하는 열대체응력을 포함한다. 엔드캡(6)의 기계적 디자인을 위한, 높은 온도부하에서의 AlMg1SiCU의 재료의 성질이나 한계치들을 아래와 같이 구했다:

탄성율 E≒69,000 MPa;

파괴강도 190 Mpa

인장강도 Rm=210 Mpa

조임나사(10)에 4700N 정도의 인장력을 미리 걸어주었더니 프로토타입에서 0.54mm 정도의 프리텐셔닝 거리가 측정되었다. 구성요소의 축방향 열팽창을 나사의 인장력 관점에서 고려한다. 0.45mm 정도의 값을 엔드캡(6)과 지지링(7) 사이의 방사상 열팽창에 고려했다.

본 발명의 구속장치(2)의 다른 요소로, 에폭시수지를 부은 뒤, 권선과 함께 감기는 자극 권선들 사이의 공간에 배치되는 자극분리층(9)이 있는데, 자극분리층 대신에 적절히 구성된 플라스틱 몸체를 끼워넣어도 된다. 이런 권선 구성은 로터스택(1)의 기계적 강도와 인접 2 자극권선들 사이의 절연을 위해 사용된다.

전술한 바와 같이, 전동기의 동작중에 권선헤드(4)에 아주 높은 원심력이 생긴다. 이런 원심력은 엔드캡(6)만 흡수할 수 없고, 이때문에 본 발명에서는 구속장치(2)의 2개의 지지링(7)도 같이 사용한다(도 1 참조). 그러나, 지지링(7)과 무관하게 각각의 엔드캡(6)이 권선헤드(4)에 설치될 수 있다는 것도 고려해야 한다.

외부 지지링(7)을 엔드캡(6)보다 약간 큰 사이즈로 엔드캡과 동축으로 설치하면, 엔드캡에서의 최고응력이 낮춰지고 일부 부하가 지지링(7)에 흡수되므로 적절한 부하를 보장할 수 있다.

외부 지지링(7)을 배치한 뒤, 조임나사(10)로 지지링(7)을 조이고 반대쪽은 너트(11)로 조여, 인장력을 가한다. 이렇게 모든 요소, 즉 로터스택(1)과 권선헤드(4)의 양쪽에 놓인 엔드캡(6)과 2개의 지지링(7)을 조이면, 컴팩트하고 단단한 로터스택(1)이 얻어진다. 로터스택(1)에 걸린 인장력은 4,500~4,900 N, 바람직하게는 4,700 N이다. 성능과 토크를 해치지 않고 로터 부분에 조임나사(10)용 관통공을 거의 형성할 수 없기 때문에 자극들 사이의 공간은 나사를 조이는데만 사용할 수 있다(도 2 참조).

본 발명으로 구할 수 있는 로터스택(1)의 강도와 인성은 모든 작동상태에서 로터스택(1)의 밸런싱을 고도로 유지하는데 필요하다. 이런 높은 밸런싱 품질은 동기전동기에서 회전속도를 더 높이기 위한 기초이다. 따라서, 종래의 기술에 비해 회전속도를 1.5배 이상 높일 수 있다. 이는 전기자동차의 동기전동기의 구조와 대량생산에 큰 장점이 있음을 의미한다.

이상에서 알 수 있듯이, 시트스택(3)과 베어링판 사이의 자유 설치공간을 권선헤드(4)와 엔드캡(6)과 지지링(7)으로 채운다는 점에서, 본 발명은 전체 전동기 구조를 내부에서 바꾼다. 실험에 의하면, 이런 변경으로 영구자석 여자로 동작하는 종래의 하이브리드 동기전동기에 비해 겨우 2.39kg 정도의 중량만 증가될 뿐이고, 이런 정도의 단점은 용인될만 하다.

시트스택을 본 발명의 로터의 중심점에 조인다. 이런 조임으로 시트스택(3)과 지지링(7)이 서로에 대해 인장력을 받지만, 본 발명에 의하면 엔드캡(6)과 지지링(7)의 기능적 디커플링이 축방향으로 이루어지고, 이런 디커플링은 전체 시스템에 아주 중요한 영향을 미친다. 그 결과, 알루미늄으로 이루어진 엔드캡(6)의 열팽창과 밸런싱 품질의 디커플링이 본 발명의 주요 장점이다. 따라서, 엔드캡(6)에 미치는 원심력으로 인한 방사상 이동과 열팽창은 열대체부하를 받는 로터스택(1)의 밸런싱 품질에 악영향을 미치지 않고 용인될 정도이다.

따라서, 시트스택을 나사조임하는 조건은 12,000rpm 정도의 회전속도와 열대체부하인데, 자극권선의 동력손실로 인해 로터스택은 열대체부하에 노출된다.

도 1~2의 실시예에서, 나사의 힘은 지지링(7)에서 시작해 엔드캡(6)의 원주부에 분산된 6개의 지지부(12)를 거쳐 시트스택에 전달되거나, 지지부를 거치지 않고 바로 시트스택에 전달된다. 대개 2개의 지지링(7)은 충분히 단단한 물질, 특히 스틸로 이루어진다.

지지링(7)의 지지부(12)는 냉각용 날개처럼 구성될 수도 있다. 조임나사(10)는 날개가 달린 속빈 스크루처럼 구성되어 자극 사이의 간극에 통기가 통과하면서 냉각할 수 있다. 그 결과, 전동기의 냉각효율이 더 개선된다.

조임나사(10)는 권선들 사이의 간극에 끼워지는 다른 플라스틱 몸체(도시 안됨)내에서 안내될 수 있는데, 이런 몸체는 권선들을 분리한다. 조임나사(10)를 붙잡아두는 플라스틱 몸체는 열은 전도하되 전기는 전도해서는 안된다. 이런 플라스틱 몸체는 로터스택에 끼워맞춤 등의 방식으로 영구적으로 고정되도록 설계되는 것이 좋다. 이때문에 로터가 더 경량화되고 냉각성능도 좋아진다.

한편, 각각의 지지링(7)이 엔드캡(6)과 일체로 형성될 수도 있다. 이 경우, 자극의 권선작업 중에 엔드캡으로 권선의 위치를 잡는 것이 없을 수도 있지만 로터스택(1)의 제작은 더 간단해진다.

지지부(12)에나, 지지링(7) 중의 적어도 하나에나, 지지링(7)에 체결되는 추가 밸런싱 링/시트에 무게추를 설치할 수도 있는데, 이렇게 되면 로터스택(1)에 필요한 밸런싱 품질을 얻을 수 있다. 한편, 완전한 로터스택(1)의 필요한 밸런싱 품질을 지지링(7)에 소정 위치의 재료를 제거하여 간단하게 조절할 수도 있다.

또, 지지링(7)을 하나로 만들지 않고 지지부(12)에 대응하는 여러개의 환형 구간으로 만들고, 이들 구간들을 자극편(5)의 축선방향 웹 영역에 놓거나 접착한다. 이런 디자인의 장점은, 많은 부품들을 한꺼번에 제작할 수 있어, 지지링을 통짜로 만들 경우에 비해 로터스택(1)의 사출성형 비용과 제조비용을 크게 낮울 수 있다.

축방향으로 작용하는 슬립링이 지지링들 중의 하나와 축방향으로 결합되어 지지된다면 본 발명의 지지구조는 특히 유리하다 할 수 있다. 이 경우, 로터 전체가 열팽창이 없어, 결합부품들의 접촉면을 이상적으로 구현할 수 있다. 이와 관련해, 본 발명은 EP10174941.4와 US61/378,985의 개념을 참조하였다.

Claims (33)

1. 로터축(8), 시트스택(3), 시트스택(3)에서 축방향으로 돌출해있는 권선헤드(4), 및 지지요소들을 갖는 구속장치(2)를 포함하고; 구속장치(2)의 상기 지지요소가 권선헤드(4)를 방사상 응력에 대한 지지체처럼 보호하는 지지링(7)을 가져, 상기 구속장치가 로터 시스템의 균형을 잡아주어 높은 회전속도에서 높은 정밀도를 유지하는 전기자동차의 동기전동기의 로터(R)에 있어서:
   상기 지지요소가 축방향으로 지지링(7)의 안쪽에 있는 엔드캡(6)을 포함하며, 이 엔드캡은 한편으로는 시트스택(3)의 측벽을 중심으로 로터(R)의 자극에 권선작업을 하는 동안 권선을 안내하고 지지하는 형상을 갖고, 다른 한편으로는 로터의 동작중에 권선헤드(4)을 지지하는 역할을 하며, 상기 지지링(7)은 엔드캡(6)과 협력하여 권선헤드의 엔드캡에 작용하는 원심력을 흡수하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
2. 제1항에 있어서, 상기 로터(R)와 구속장치(2)의 엔드캡(6)과 지지징(7)이 조임나사(10)와 같은 연결요소에 의해 연결되면서 로터스택(1)을 형성하는 인장력을 가하고, 로터(R)와 엔드캡(6)이 조립된 상태에서 구속장치(2)의 지지링(7)이 축방향 유격(14)을 갖도록 배열되는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 구속장치(2)의 지지링(7)에 축방향 지지부(12)가 제공되고, 이 지지부는 설치된 상태에서 시트스택(3)이나 엔드캡(6)에 지지되는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 하나에 있어서, 권선헤드(4)용의 구속장치(2)의 엔드캡(6)이 각각 한조각으로 형성되고 권선헤드(4)에서 설치위치에 조여지거나 시트스택(3)에서 설치위치에 정렬되는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 엔드캡(6)이 Al-Mg 합금과 같은 경금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
6. 제2항 내지 제5항 중의 어느 하나에 있어서, 로터스택(1)의 연결요소의 인장력이 4500~4900 N, 바람직하게는 4700N인 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
7. 제2항 내지 제6항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 연결요소가 공기가 통하기 위해 속이 빈 구조인 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
8. 제7항에 있어서, 상기 연결요소의 일단부에 냉각효과를 높이기 위해 공기날개가 달린 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
9. 제2항 내지 제8항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 지지부(12)가 공기흐름을 개선하기 위해 공기안내 날개를 갖는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
10. 제2항 내지 제9항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 연결요소가 자극 사이의 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
11. 제2항 내지 제10항 중의 어느 하나에 있어서, 상기 연결요소가 플라스틱 몸체내에서 안내되면서 권선들을 분리하는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
12. 제11항에 있어서, 상기 플라스틱 몸체가 열전도체로 이루어지고 절연성을 갖는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
13. 도면을 참조하여 제1항 내지 제12항들 중의 어느 하나에서 설명한 것과 같은 로터.
14. - 축선을 갖는 로터축;
    - 상기 로터축에 설치되고 단부를 갖는 시트스택(3);
    - 상기 시트스택에 설치되고 단부 부분이 시트스택으로부터 축방향으로 돌출해있는 다수의 권선들; 및
    - 상기 권선의 단부 부분들을 응력으로부터 보호하는 구성을 갖는 구속장치(2);를 포함하고,
    - 상기 구속장치(2)가 축방향으로 안쪽에 있는 엔드캡(6)과 바깥쪽에 있는 지지링(7)을 포함하며;
    상기 엔드캡(6)은 시트스택의 단부에 위치하면서, 시트스택의 축방향 측벽에 권선들을 안내하기 위한 가이드 역할을 하고;
    상기 지지링(7)은 엔드캡(6)에 연결되어, 엔드캡(6)에 가해지는 원심력을 흡수하는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
15. 제14항에 있어서, 상기 엔드캡(6)과 지지링(7)을 조임나사(10)로 시트스택(3)에 연결하여, 로터스택(1)을 압착하는 인장력을 가하고; 상기 지지링(7)과 엔드캡(6) 사이에 축방향 유격(14)이 있는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
16. 제15항에 있어서, 상기 지지링(7)에 다수의 축방향 지지부(12)가 배치되고, 조립된 로터스택(1) 안에서 상기 지지부(12)가 시트스택(3)과 접촉하는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
17. 제16항에 있어서, 상기 지지부에 공기안내 날개들이 달린 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
18. 제15항에 있어서, 상기 인장력이 4500~4900N인 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
19. 제15항에 있어서, 상기 조임나사(10)가 공기가 통하도록 속이 빈 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
20. 제15항에 있어서, 상기 조임나사(10)의 단부에 공기 날개들이 달려있는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
21. 제15항에 있어서, 상기 조임나사(10)가 자극 사이의 공간에 배치되는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
22. 제15항에 있어서, 상기 조임나사(10)가 플라스틱 몸체를 관통하는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
23. 제22항에 있어서, 상기 플라스틱 몸체가 열전도체로 이루어지고 절연성을 갖는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
24. 제15항에 있어서, 상기 엔드캡(6)이 각각 한조각으로 구성되어 시트스택(3)에 정렬되는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
25. 제15항에 있어서, 상기 엔드캡(6)이 알루미늄과 Al-Mg 합금으로 이루어진 경금속 군에서 샌택된 경금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
26. - 축선을 갖는 로터축;
    - 상기 로터축에 설치되고 단부를 갖는 시트스택(3);
    - 상기 시트스택에 설치되고 단부 부분이 시트스택으로부터 축방향으로 돌출해있는 다수의 권선들;
    - 상기 권선의 단부 부분들을 응력으로부터 보호하는 구성을 갖고, 축방향으로 안쪽에 있는 엔드캡(6)과 바깥쪽에 있는 지지링(7)을 갖춘 구속장치(2); 및
    - 로터스택(1)을 조립상태로 유지하는 인장력을 가하도록 상기 엔드캡(6)과 지지링(7)을 시트스택(3)에 연결하고, 자극 사이의 공간에 배치되는 조임나사(10);를 포함하고,
    - 상기 엔드캡(6)과 지지링 사이에 축방향 유격(14)이 형성되며;
    - 상기 지지링(7)에 다수의 축방향 지지부(12)가 배치되고, 조립된 로터스택(1) 안에서 상기 지지부(12)가 시트스택(3)과 접촉하는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
27. 제26항에 있어서, 상기 엔드캡(6)이 알루미늄과 Al-Mg 합금으로 이루어진 경금속 군에서 샌택된 경금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
28. 제26항에 있어서, 상기 지지부(12)가 공기안내 날개를 갖는 것을 특징으로 하는 동기전동기의 로터.
29. 제26항에 있어서, 상기 인장력이 4500~4900N인 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
30. 제26항에 있어서, 상기 조임나사(10)가 공기가 통하도록 속이 빈 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
31. 제26항에 있어서, 상기 조임나사(10)의 단부에 공기 날개들이 달려있는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
32. 제26항에 있어서, 상기 조임나사(10)가 플라스틱 몸체를 관통하는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
33. 제30항에 있어서, 상기 플라스틱 몸체가 열전도체로 이루어지고 절연성을 갖는 것을 특징으로 하는 전동기 로터.
    

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