KR20140073839A - 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체 - Google Patents

차량용 구동 모터의 스테이터 조립체 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코아(321), 상기 코아의 양측에 부착되는 스테이터 플레이트(322), 상기 코아와 스테이터 플레이트에 삽입되는 절연체 및 상기 코아를 감싸는 코일을 포함하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체에 있어서, 상기 코아(321)은 다수의 적층된 전기 강판으로 이루어지고, 상기 스테이터 플레이트(322)는 연자성 분말(SMC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체에 관한 것이다.

Description

차량용 구동 모터의 스테이터 조립체 {STATOR ASSEMBLY OF A DRIVING MOTOR FOR A VEHICLE}
본 발명은 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체, 특히 연자성 분말(SMC) 재료를 사용한 스테이터 플레이트를 구비한 스테이터 조립체에 관한 발명이다.
모터의 구조를 전자기적 측면에서 기능 부품으로 분류하면 도 1과 같이 코아(110)와 코일(120) 및 절연체(130)로 구분된다.
코일(120)은 전류의 경로가 되어 기자력을 발생시키는 소스의 역할을 하며, 코아(110)는 상기 발생한 기자력(자속)의 경로 역할을 하며 자속이 잘 흐를 수 있도록 자기 저항이 작은 재질이 선호된다.
또한, 절연체(130)는 코일과 코아(110) 사이에 전기적인 절연을 목적으로 사용되며 전원으로부터의 전류가 코일에만 흐르고 코아나 모터의 구조물에는 누설되지 않게 하여 모터의 성능을 향상시키고 감전 등의 사고를 예방하기 위해 사용된다.
모터의 성능을 향상시키기 위해서는 고성능 재료가 필요하며, 특히 코아(110)의 경우 자기저항 및 히스테리시스와 와전류에 의한 손실이 작고, 포화자속밀도가 높은 특성의 재료가 요구된다.
와전류는 재료 두께의 제곱에 비례하므로 고성능 코아로 사용되는 전기강판일수록 와전류 손실을 저감시키기 위하여 재료의 두께를 얇게 한다.
또한, 도 2와 같은 히스테리시스 곡선에서 상기 곡선의 접선의 기울기는 투자율과 일치하므로, 히스테리시스 손실을 줄이기 위해 코아는 투자율이 높은 재료를 사용한다.
하지만 얇게 제작되는 전기강판의 코아(110)는 모터로 사용되기 위해 도 1에서 처럼 여러겹으로 쌓아 적층을 해야 하는데, 이 경우 낱장의 전기강판간에 충분한 결착력을 확보하기 위한 수단이 필요한 문제점이 있다.
또한, 코아(110)로 사용되는 얇은 두께의 전기강판은 입체적 형상을 구현하기 어려워 2D의 형상 밖에 구현되지 않고 자속의 경로가 3D인 경우 제작이 어렵다는 문제점이 있다.
이점을 보완한 것이 연자성 분말(SMC)(Soft Magnetic Composites)이다.
도 3에 도시된 연자성 분말(SMC)은 높은 투자율을 갖는 자성체(140)를 분말로 만들고 표면을 절연 및 접착을 위해 코팅(150)을 한 금속 분말 원료이며, 상기 연자성 분말(SMC) 재료로 코아를 제작하고자 할 때는 제품의 형태로 금형을 사용하여 성형하고 소결하여 제작한다.
도 4는 이와 같이 성형하여 소결된 연자성 분말(SMC) 분할 코아(160)와 이러한 분할 코아가 조립된 코아 조립체(170)을 보여주다.
연자성 분말(SMC) 코아는 분말간에 절연(150)되어 있어 와전류 손실이 매우 적기 때문에 전원 주파수가 높을수록 전기강판과 비교하여 와전류 손실이 저감되며, 금형 제작으로 다양한 형태의 설계가 가능하며 적층을 하지 않으므로 코아의 치수 정밀도가 높고 코아 조립체로 제작되었을 때 구조 강성이 뛰어난 특징을 갖고 있다.
이와 같이, 전기강판을 적층하여 코아 조립체를 제작하는 것보다 연자성 분말(SMC)를 사용하여 하나의 코아 덩어리로 제작하는 것이 많은 장점을 가지고 있으나, 금속 분말을 코팅해야 하므로 코아의 자기적인 특성은 전기강판에 비해 떨어지는 경향이 있다.
즉, 연자성 분말(SMC) 코아가 전기강판과 비교하여 고주파에서 와전류 손실은 작으나, 연자성 분말(SMC)의 BH (자속의 밀도 및 자계의 세기) 특성이 낮아 히스테리시스 손실이 크며 포화자속밀도도 낮다.
참고로, 도 11은 전기강판의 BH 특성과 연자성 분말(SMC)의 BH 특성을 도시하고 있다.
따라서, 연자성 분말(SMC) 코아는 전기강판의 코아와 비교하여 철손이 커지게 되므로 고효율이 요구되는 구동모터에서는 적용하지 않는다.
본 발명은 전기강판을 적층하여 사용하는 코아의 벌어짐 또는 하우징에 압입시 코아의 벌어짐 또는 비틀림 등을 방지하고 하우징과의 결착력을 확보하기 위하여 사용되는 스테이터 플레이트의 종래 문제점을 해결하고자 한다.
즉, 본 발명은 스테이터 플레이트 연자성 분말(SMC)로 제작하여 종래 스테이터 플레이트의 단점을 보완하고 전자기적인 추가 기능을 확보하고자 한다.
본 발명은 종래 스테인레스강을 사용한 스테이터 플레이트의 단점을 보완하기 위하여 모터 코아로 사용되는 연자성 분말(SMC) 재질을 사용하여 스테이터 플레이트를 제작하는 것이다.
연자성 분말(SMC)은 자성 분말의 표면을 코팅하여 자성 분말간 와전류가 발생하는 것을 방지하며 자성 재료를 사용하므로 높은 투자율을 갖고 있어 전기강판처럼 자속의 경로 역할을 할 수 있다.
따라서, 연자성 분말(SMC)에 의하여 제작한 스테이터 플레이트는 스테이터 플레이트의 기능을 수행하면서도 전기강판처럼 자속의 통로로 기능을 한다.
본 발명은 코아(321), 상기 코아의 양측에 부착되는 스테이터 플레이트(322), 상기 코아와 스테이터 플레이트에 삽입되는 절연체 및 상기 코아를 감싸는 코일을 포함하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체에 있어서, 상기 코아(321)은 다수의 적층된 전기 강판으로 이루어지고, 상기 스테이터 플레이트(322)는 연자성 분말(SMC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체에 관한 것이다.
본 발명의 스테이터 플레이트(322)의 평면 형상은 상기 코아(321)의 평면 형상과 동일하게 할 수 있다.
본 발명의 스테이터 플레이트(322)의 치(322b)의 폭은 상기 코아(321)의 치의 폭보다 작게 할 수 있다.
본 발명의 스테이터 플레이트(322)의 슈(322a) 형상을 상기 코아(321)의 슈(322a)의 형상과 다르게 할 수 있다.
본 발명의 스테이터 플레이트(322)는 로터를 마주보는 단부에 오버행(322aa)을 구비하게 할 수 있다.
본 발명의 스테이터 플레이트(322)의 오버행(322a)은 치(322b)에는 존재하지 않는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존 부품의 기능을 수행하면서 기존 부품의 역효과(와전류 발생에 따른 손실 및 발열)를 제거한다.
또한, 본 발명은 다양한 형태의 3차원 형상을 용이하게 제작할 수 있으며, 모터 높이의 변경 없이 모터 코아의 유효 높이가 증가되는 효과를 얻을 수 있게 하였으며 모터의 출력밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
도 1은 모터의 분해 사시도이다.
도 2는 BH (자속 밀도 및 자계의 세기) 특성도이다.
도 3은 연자성 분말의 확대도이다.
도 4는 연자성 분말로 성형된 분할 코어 및 이의 조립체이다.
도 5는 모터의 분해 사시도이다.
도 6은 모터의 하우징에 스테이터 조립체를 조립하는 도면이다.
도 7은 종래 스테이터 조립체의 조립도이다.
도 8은 본 발명의 스테이터 플레이트 예시도이다.
도 9는 본 발명의 스테이터 플레이트 입체도면이다.
도 10은 본 발명의 스테이터 플레이트의 입체도면이다.
도 11은 전기강판과 연자성 분말의 BH 특성도이다.
본 발명은 자동차용 구동모터의 고정자 구조에 관한 것으로서 종래 전기강판을 적층하여 제작되는 스테이터 코아 조립체(300)의 구조적인 강성을 보강하고 하우징과의 결착력을 증가시키기 위해 일반적으로 스테인레스 재질로 제작되는 스테이터 플레이트(320)를 대신하여 모터 코아로 사용되는 연자성 분말(SMC) 코아(310, 510)로 스테이터 플레이트의 기능을 수행하고, 연자성 분말(SMC) 스테이터 플레이트의 형상을 전자기적 특성을 최적화한 코아와 동일 또는 유사하게 하여 모터의 높이는 동일하지만, 모터 성능과 연관된 유효 코아 높이를 증가시켜 모터 성능을 향상시킬 수 있는 구조를 제안한다.
도 5는 일반적인 모터의 분해도를 보여주는 것으로 모터(200)는 하우징(210)에 스테이터 조립체(220)를 압입하고 로터 코아(230)와 로터 샤프트(240)으로 이루어지는 로터 조립체를 베어링(250)으로 지지하여 스테이터 조립체(220)와 로터간에 일정한 간격을 유지하도록 구성되어 있다.
도 6은 스테이터 조립체(220)를 조립하는 과정을 보여주는데, 적층 코아(221)의 양측에 스테이터 플레이트(222)를 조립하고, 코아(221)와 코일(225)를 절연하기 위한 절연체(223)과 웨지(224)를 순차로 삽입하고 그 후 코일(225)을 감아 스테이터 조립체(220)을 제작한다.
도 7은 하우징(210)에 스테이터 조립체(220)를 조립하는 것을 도시하고 있는데, 스테이터 조립체(220)가 하우징(210)으로 부터 빠짐 또는 회전을 방지하기 위해서 하우징(210)과 스테이터 조립체(220) 사이에는 일정한 죔쇄량을 갖고 강제 압입 또는 열박음을 하게 된다.
이 때 낱장을 적층하여 사용하는 스테이터 코아(221)의 벌어짐 또는 비틀림을 방지하기 위해서 도 6에 도시된 것처럼 스테이터 플레이트(222)를 적층된 코아의 양측에 고정하고 하우징에 압입하게 되는 것이다.
스테이터 플레이트(222)는 일정한 강성을 갖고 있으며 자속의 누설을 방지하기 위하여 비자성체의 성질을 갖고 있는 스테인레스 강이 주로 사용된다.
또한, 스테이터 플레이트의 투자율이 높으면 스테이터 플레이트에 자속이 흐르게 되고 자속의 시간적 변화에 따라 와전류가 발생하여 손실 및 발열의 원인이 되는데 스테인레스강은 자기적인 특성인 투자율이 공기의 투자율과 유사한 낮은 투자율을 가지므로 스테이터 플레이트로서 적합한 특징을 구비한다.
그러나, 스테인레스 강은 높은 전도성을 가지고 있어 코일에 전류가 흐를 경우 미소의 자속이 발생하여 와전류가 유기되고 와전류가 발생하여 손실 및 발열의 원인이 되어 모터의 성능을 저하시킨다.
스테인레스강과 달리, 자성체를 스테이터 플레이트에 사용하는 경우에는 히스테리시스 손실까지 발생하여 모터의 성능을 크게 저하시킨다.
따라서, 모터의 성능을 향상시키기 위해서 스테이터 플레이트를 사용하지 않고도 적층 코아의 벌어짐 또는 비틀링을 방지하기 위한 방법이 요구되며, 스테이터 플레이트로 스테인레스강을 사용하지 않고 스테이터 조립체를 그대로 압입하거나, 비전도성이며 비자성체의 성질을 갖고 있는 플라스틱 등의 재질을 사용하기도 한다. 하지만 충분한 대안이라고 할 수는 없다.
본 발명은 금속 분말을 성형하여 소결하는 분말야금으로 제조한 스테이터 플레이트(322)에 관한 것으로서, 본 발명의 스테이터 플레이트(322)는 전기강판으로 구성되는 적층 코아(321)의 양측에 고정하여 적층 코아의 벌어짐 또는 비틀림을 방지하는 기능을 수행하게 하고자 한다.
본 발명에서는 도 3에 도시된 높은 투자율을 갖는 자성체 분말로 스테이터 플레이트(322)를 제작하고하는 것이다.
도 8에 도시된 본 발명의 스테이터 플레이트(322)는 전기강판으로 구성되는 코아(321)와 동일 또는 유사한 치(322A) 형상을 갖게 하여 자속의 통로 역할을 수행한다.
전기강판으로 구성된 코아(321)의 적층 높이가 'A'이고 스테이터 플레이트(322)의 높이가 'B'라고 하면, 본 발명에서는 스테이터 플레이트(322)가 전기강판으로 구성되는 코아(321)와 같은 자속의 통로 역활을 하므로 모터 성능은 기존의 적층높이 'A' 보다 '2B+α' 만큼의 적층 높이가 높아진 효과를 얻을 수 있다.
즉, 증가한 자석의 통로 높이 만큼 스테이터 조립체(220)에서의 자기장이 로터(230, 240)에 회전력을 제공하므로 모터 성능은 증가한 자석의 통로만큼 향상되는 것이다.
여기서 'α'는 전기강판의 투자율 대비 스테이터 플레이트의 투자율과 스테이터 플레이트의 오버행(322Aa)에 따라 달라진다.
도 9에는 본 발명의 스테이터 플레이트의 오버행(322aa) 형상을 도시하고 있다.
본 발명에서 고안한 스테이터 플레이트(322)는 연자성 분말(SMC) 재질로 제작하는 것이 바람직하다. 연자성 분말(SMC) 재질은 전기강판보다 비투자율이 낮지만 지속적인 연구개발로 모터 코아 재료로 사용이 가능할 정도로 자속의 통로로서 역활을 할 수 있다.
또한, 연자성 분말(SMC)는 금속 분말(140)의 표면을 코팅(150)하여 소결한 것으로 금속 분말간에 절연이 되어있어 전류가 흐를 수 없게 된다. 즉, 전기강판은 와전류 손실을 줄이기 위해서는 두께를 최소화 해야 하지만 연자성 분말(SMC)는 금속 분말간 절연으로 와전류 손실이 최소화되는 이점이 있다.
또한, 금형으로 성형 및 소결하여 제작하므로 3차원 형상을 포함한 다양한 형태의 제작이 용이하다.
본 발명에서 고안한 연자성 분말(SMC) 스테이터 플레이트(322)는 다양한 형태가 가능하다.
전자기적 특성을 최적화하기 위하여 코아(321)의 평면 형상과 동일 또는 유사한 형태로 스테이터 플레이트(322)의 평면 형상을 구비할 수 있다.
도 8에서와 같이 슈(322a)의 형상은 코아(321)와 동일하지만 치폭을 코아 보다 약간 작게하여 절연체가 걸리 수 있게 하는 구조(322A)부터 치폭을 코아와 동일(322B)하게 하여 자기저항을 최소화시킨 형상등이 가능하다.
이에 대응되는 입체적 형상이 도 10에 도시되어 있다.
도 9 에는 오버행(322aa)을 구비한 스테이터 플레이트(322C)를 도시하고 있다. 오버행(322aa)은 스테이터 플레이트(322)의 높이 'B'보다 끝단으로 높이 치솟은 부분을 말한다. 오버행은 코일이 감겨지는 치(322b) 부분의 높이는 그대로 유지하여 모터의 높이를 유지하면서도 로터와의 대항면인 단부에 높이를 높게 하여 토크와 비례 관계인 코아 높이를 크게한 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.
또한, 도 9에는 연자성 분말(SMC) 스테이터 플레이트(322)의 슈(322a) 형상을 코아의 슈 형상과 다르게 하여(322D) 토크리플을 최소화할 수도 있다.
연자성 분말(SMC) 스테이터 플레이트는 금형에 성형된 후 소결하여 제작하므로 3D 형상으로 제작하는 것이 용이하고 따라서, 도 9에 도시된 것처럼 입체적 형상을 변형하는 것이 용이하다.
또한, 코아의 끝단에서 발생하는 프링징을 최소화하여 누설 자속을 줄일 수 있는 3D 형상도 가능하게 하였다.
이런 형상은 박판으로 제작되어 적층하는 전기강판에서는 구현하기 어렵다.
이에 비하여 성형 가공하는 본 발명의 연자성 분말(SMC) 스테이터 플레이트는 3차원 형상 변형이 용이하여 모터의 성능을 향상시킬 수 있다.
110: 코아 120: 코일
130: 절연체 140: 자성체
150: 코팅 160: 분할 코아
170: 코아 조립체 200: 모터
210: 하우징 220: 스테이터 조립체
230: 로터 코아 240: 로터 샤프트
250: 베어링 260: 브라켓
321: 코아 322: 스테이터 플레이트
322a: 슈 322b: 치
325: 코일

Claims (6)

  1. 코아(321), 상기 코아의 양측에 부착되는 스테이터 플레이트(322), 상기 코아와 스테이터 플레이트에 삽입되는 절연체 및 상기 코아를 감싸는 코일을 포함하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체에 있어서,
    상기 코아(321)은 다수의 적층된 전기 강판으로 이루어지고,
    상기 스테이터 플레이트(322)는 연자성 분말(SMC)로 이루어진 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체.
  2. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 플레이트(322)의 평면 형상은 상기 코아(321)의 평면 형상과 동일하게 한 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체.
  3. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 플레이트(322)의 치(322b)의 폭은 상기 코아(321)의 치의 폭보다 적은 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체.
  4. 청구항 제1항에 있어서,
    상기 스테이터 플레이트(322)의 슈(322a) 형상을 상기 코아(321)의 슈(322a)의 형상과 다르게 하는 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체.
  5. 청구항 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터 플레이트(322)는 로터를 마주보는 단부에 오버행(322aa)을 구비한 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체.
  6. 청구항 제5항에 있어서,
    상기 스테이터 플레이트(322)의 오버행(322a)은 치(322b)에는 존재하지 않는 것을 특징으로 하는 차량용 구동 모터의 스테이터 조립체.
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