KR20140136185A - 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터 - Google Patents

분포권 방식의 고정자를 구비한 모터 Download PDF

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Abstract

분포권 방식의 고정자를 구비한 모터가 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 회전자계 내에서 회전축을 중심으로 회전 구동되는 회전자; 고정자코어 및 상기 고정자코어에 분포권 방식으로 권선되는 코일을 구비하며, 상기 코일은 일부가 상기 고정자코어의 축방향 외측으로 노출되어 코일엔드를 형성하는 고정자; 상기 회전자 및 고정자가 내측에 수용되는 하우징; 및 상기 하우징의 내주면과 상기 코일엔드 사이에 배치되는 절연부;를 포함하는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터가 제공될 수 있다.

Description

분포권 방식의 고정자를 구비한 모터 {MOTOR HAVING STATOR OF DISTRIBUTED WINDING}
본 발명은 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 하이브리드 차량 등에 사용 가능한 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터에 관한 것이다.
일반적으로 모터는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 회전력을 얻는 장치로서 가정용 전자제품에서 각종 산업용 기기에 이르기까지 광범위한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이와 같은 모터는 하우징이나 케이싱에 고정됨과 아울러 전원의 인가에 의해 회전자계를 형성하도록 코일이 권선되는 고정자와, 고정자 내부에 샤프트에 의해 회전 가능하게 설치되는 회전자를 주요 구성으로 하며, 고정자가 발생시키는 자속이 회전자와 상호 작용을 일으켜 회전 토크를 발생시키도록 형성된다.
한편, 최근에는 연소식 엔진을 사용하는 자동차에서 환경친화적이고, 연비를 고려한 또 다른 형태의 자동차, 즉, 하이브리드 자동차나 전기자동차에 대한 활방한 연구 개발이 진행되고 있다. 하이브리드 자동차는 기존의 연소식 엔진과 전기 구동식 모터를 연계하여 두 가지의 동력원으로 차량을 구동하고, 전기자동차는 전기 구동식 모터로 구동하는 만큼, 배기가스에 의한 환경오염의 감소와 함께 연비향상이 가능하여 현실대안적인 차세대 자동차로 자리매김하고 있다. 상기와 같은 하이브리드 자동차나 전기 자동차에 있어서 모터는 전체적인 차량 성능을 좌우할만큼 핵심 부품으로 자리잡고 있으며, 고출력, 소형화된 모터의 개발이 관련업계의 화두로 떠오르고 있다.
본 발명의 실시예들은, 축방향 길이 축소가 가능한 분포권 방식의 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 회전자계 내에서 회전축을 중심으로 회전 구동되는 회전자; 고정자코어 및 상기 고정자코어에 분포권 방식으로 권선되는 코일을 구비하며, 상기 코일은 일부가 상기 고정자코어의 축방향 외측으로 노출되어 코일엔드를 형성하는 고정자; 상기 회전자 및 고정자가 내측에 수용되는 하우징; 및 상기 하우징의 내주면과 상기 코일엔드 사이에 배치되는 절연부;를 포함하는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터가 제공될 수 있다.
본 발명의 실시예들은, 코일엔드와 하우징 내주면 사이에 절연부를 배치함으로써, 절연간격을 최소화하고 포밍공정시 코일엔드의 높이를 충분히 낮출 수 있게 되며, 이로 인해, 모터의 축방향 길이를 축소할 수 있게 된다.
도 1은 일반적인 모터의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 2는 분포권 및 집중권 방식에 의해 코일이 권선된 고정자를 보여주는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터를 보여주는 개략도이다.
도 4는 일반적인 분포권 방식에서의 고정자를 보여주는 개략도이다.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명하도록 한다. 다만, 이하의 실시예들은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위가 이하의 실시예들에 한정되는 것은 아님을 알려둔다. 또한, 이하의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것으로, 불필요하게 본 발명의 기술적 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 공지의 구성에 대해서는 상세한 기술을 생략하기로 한다.
도 1은 일반적인 모터의 구조를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 일반적으로 모터는 고정자(10), 회전자(20) 및 하우징(30)을 포함하여 구성될 수 있다.
고정자(10)는 자속의 경로를 제공하는 고정자코어(11)와, 고정자코어(11)에 권선되는 코일(12)을 포함할 수 있으며, 코일(12)에 인가되는 전류를 통해 회전자계 형성을 위한 자속을 발생시키게 된다.
회전자(20)는 회전축을 가지고 하우징(30) 내에 회전 가능하게 지지될 수 있다. 회전자(20)는 고정자(10)와의 전자기적 상호 작용에 의해 회전자계 내에서 회전 구동될 수 있으며, 이를 위해, 회전자코어(21)와 자성체(22) 등을 구비할 수 있다.
한편, 하우징(30)은 고정자(10) 및 회전자(20)를 수용하기 위한 장착공간을 제공할 수 있다. 하우징(30) 내부에는 고정자(10)가 고정 지지되는 한편, 회전자(20)는 베어링 등을 통해 회전축을 중심으로 회전 가능하게 지지된다. 또한, 필요에 따라, 하우징(30)에는 냉각을 위한 냉각유로나, 코일 접속을 위한 터미널 블록 등이 마련되게 된다.
상기와 같은 고정자(10), 회전자(20) 및 하우징(30)은 종래의 일반적인 모터를 통해 공지된 바 있으므로 상세한 설명은 생략하기로 하며, 이하에서는 본 발명과 관련된 고정자(10)를 중심으로 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참고하면, 고정자(10)는 고정자코어(11)와 코일(12)을 포함하여 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 고정자코어(11)는 자속의 경로를 제공하기 위한 것으로, 자기 저항이 작은 재질로 형성될 수 있으며, 코일(12)은 이와 같은 고정자코어(11)에 권선(winding)되게 된다.
이때, 코일(12)은 다양한 방식으로 고정자코어(11)에 권선될 수 있는데, 대표적인 방식으로, 분포권(distributed winding)과 집중권(concentrated winding) 방식이 있다.
도 2는 분포권 및 집중권 방식에 의해 코일이 권선된 고정자를 보여주는 개략도이다. 도 2의 (a)는 분포권의 경우, 도 2의 (b)는 집중권의 경우를 도시한 것임을 알려둔다.
먼저, 도 2의 (a)를 참고하면, 분포권 방식은 각 상(phase)의 코일을 2개 이상의 슬롯(slot)에 분산하여 감는 권선 방법이다. 분포권 방식의 경우, 후술할 집중권 방식에 비해 기전력의 고조파가 감소하여 파형이 개선되고, 권선의 누설 리액턴스가 감소될 수 있으며, 권선에 발생되는 열을 비교적 고르게 분포시켜 과열을 방지할 수 있는 이점이 있다.
도 2의 (b)를 참고하면, 집중권 방식은 각 극(pole) 각 상(phase)의 코일을 하나의 슬롯에 집중하여 감는 방법이다. 이와 같은 집중권 방식은 권선 작업의 편의를 고려하여 분할코어가 사용될 수 있으며, 각 분할코어를 원형의 링 형태로 연속 결합시켜 도시된 바와 같은 고정자의 형태를 이루게 된다.
특히, 집중권 방식의 경우, 코일(12b)이 고정자코어(11b)에 밀착되어 권선될 수 있어, 소형화된 모터의 제작에 유리하다는 장점이 있다. 보다 구체적으로, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 집중권 방식의 경우, 코일(12b)이 고정자코어(11b)에 밀착 권선될 수 있으므로, 코일(12b)의 축방향 단부와 고정자코어(11b)의 단부 간에 길이(L2)가 짧게 형성될 수 있다. 다시 말하면, 코일(12b)이 고정자코어(11b)의 슬롯 외부로 노출된 부분을 '코일엔드(13b)'로 지칭하고, 코일엔드(13b)가 고정자코어(11b)의 단부에서 축방향 외측으로 노출된 길이를 '코일엔드(13b)의 높이(L2)'로 지칭하면, 집중권 방식의 경우, 코일엔드(13b)의 높이(L2)를 작게 형성할 수 있는 이점이 있다. 이는 결과적으로 모터의 축방향 길이 축소를 가져 온다. (한편, 상기의 '축방향'은 회전자의 회전축 방향을 지칭한다.)
상기와 같은 집중권 방식의 이점은, 일부 소형화된 모터에 집중권 방식을 채택하게 되는 주요 원인이 되고 있다. 특히, 하이브리드 차량의 경우, 설치공간상의 제약이나 레이아웃상 모터의 축방향 길이 축소가 요구되고 있으며, 이러한 이유로, 많은 수의 하이브리드 차량용 모터는 집중권 방식의 권선방법을 사용하고 있다.
한편, 다시 도 2의 (a)를 참고하면, 분포권 방식의 경우, 코일(12a)이 고정자코어(11a)의 둘레 방향으로 배치된 각 슬롯을 경유하는 형태로 권선되기 때문에, 집중권 방식에 비해 코일엔드(13a)의 높이(L2)가 높게 형성되는 단점이 있다. 이는 결과적으로 모터의 축방향 길이를 증가시켜 하이브리드 차량 등에 분포권 방식의 적용을 어렵게 한다.
그러나 분포권 방식은 파형 개선, 누설 리액턴스, 열 분포 등에 있어서 집중권 방식에 비해 유리한 이점을 가지고 있는 바, 이하에서 설명할 바와 같이, 본 발명의 실시예들은 분포권 방식을 사용하면서도 코일엔드의 높이나 모터의 축방향 길이를 축소할 수 있는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터를 제공하고자 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터를 보여주는 개략도이다.
도 3은 도 1과 같은 형태에서 고정자코어 및 코일 부분만을 일부 확대하여 도시한 것임을 알려둔다.
도 3을 참고하면, 본 실시예에 따른 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터(이하, '모터(100)'로 지칭함)는, 회전자(120), 고정자(110) 및 하우징(130)을 구비할 수 있다.
회전자(120)는 회전축을 중심으로 회전 구동되는 것으로, 종래의 회전자와 동일 유사하게 형성될 수 있는 바, 상세한 설명을 생략한다.
한편, 고정자(110)는 고정자코어(111) 및 코일(112)을 포함하여 구성될 수 있다.
고정자코어(111)는 전체적으론 중공 원통형으로 형성될 수 있으며, 둘레 방향을 따라 다수의 슬롯(slot)이 마련될 수 있다. 이는 종래의 고정자코어와 동일 유사한 바 상세한 설명을 생략한다.
코일(112)은 고정자코어(111)에 권선되며, 특히, 본 실시예에 따른 코일(112)은 분포권 방식으로 고정자코어(111)에 권선되게 된다. 이때, 코일(112)의 일부는 슬롯 내에 수용되게 되며, 슬롯과 코일(112) 간에는 절연을 위한 절연지(113)가 개재될 수 있다.
한편, 코일(112)의 다른 일부는 슬롯 외로 노출되어 코일엔드(112a)를 형성할 수 있다. 코일엔드(112a)는 코일(112)이 슬롯을 지나 고정자코어(111) 외측으로 노출된 부분을 지칭한다. 이와 같은 코일엔드(112a)는 고정자코어(111)의 축방향 양단측에 각각 형성되게 되며, 분포권 방식의 경우, 코일엔드(112a)는 코일(112)이 하나의 슬롯에서 다른 슬롯으로 건너가기 위해 고정자코어(111)의 일측 단면으로 노출되는 부분이 된다 (도 2의 (a) 참고).
통상적으로, 상기와 같은 코일엔드(112a)는 고정자코어(111)에 분포권 방식으로 각 상(phase)의 코일(112)이 모두 권선된 후, 지그 등에 의해 소정정도 압착 성형되게 된다. 즉, 코일엔드(112a)의 높이(L)를 낮추기 위해, 지그 등을 통해 코일엔드(112a)를 축방향으로 눌러 소정정도 높이를 낮추는 가공작업(포밍공정)이 이뤄지게 된다.
한편, 하우징(130)은 고정자(110)가 내부에 수용되어 노출된 코일엔드(112a) 주위를 감싸게 된다 (도 1 참고). 이하에서는 설명의 편의를 위해, 하우징(130)의 내주면 중, 고정자코어(111)의 일측 단부(111a) 또는 코일엔드(112a)와 마주보게 배치된 면을 '대향면(131)'으로 지칭하고, 대향면(131)에서 연장되어 내주면 둘레를 형성하는 면을 '측면부(132)'로 지칭하기로 한다.
한편, 본 실시예에 따른 모터(100)는 상기와 같은 하우징(130)의 내주면과 코일엔드(112a) 사이에 개재되는 절연부(140)를 포함할 수 있다. 이와 같은 절연부(140)는 코일엔드(112a)의 절연에 필요한 절연간격을 줄여 모터의 전체적인 축방향 길이 축소를 가능하게 하며, 코일엔드(112a)의 포밍공정시 코일엔드(112a)의 높이(L)를 보다 낮게 포밍할 수 있도록 한다.
보다 구체적으로, 절연부(140)는 코일엔드(112a)와 하우징(130)의 대향면(131) 사이에 배치되는 제 1 절연부(141)를 포함할 수 있다. 제 1 절연부(141)는 코일엔드(112a)와 하우징(130)의 대향면(131) 사이에 개재되어, 코일엔드(112a)의 절연에 필요한 코일엔드(112a)와 하우징(130) 간의 절연간격을 작게 형성할 수 있도록 한다.
도 4는 일반적인 분포권 방식에서의 고정자를 보여주는 개략도이다.
도 4를 참고하여 부연 설명하면, 일반적인 경우 고정자코어(11) 외부로 노출된 코일엔드(12a)는 하우징(30)과의 절연을 위해 하우징(30)의 내주면과 절연간격(Q)을 유지하게 된다. 이와 같은 절연간격(Q)은 코일엔드(12a)와 하우징(30)의 내주면 간 축방향 이격거리를 의미하며, 충분한 이격거리가 확보되지 않을 경우 절연성능이 저하될 수 있는 바, 모터의 축방향 길이 축소를 방해하는 요인이 되고 있다.
반면, 다시 도 3의 참고하면, 본 실시예에 따른 모터(100)의 경우, 제 1 절연부(141)가 코일엔드(112a)와 하우징(130)의 내주면 사이에 배치되어, 코일엔드(112a)와 하우징(130) 간을 절연시키게 된다. 따라서 본 실시예와 같은 경우, 전술한 도 4와 같은 절연간격이 요구되지 않거나, 최소한의 절연간격만으로도 코일엔드(112a)와 하우징(130) 간 절연이 가능하게 된다. 이는 결과적으로, 절연간격의 생략 또는 최소화를 통한 모터의 축방향 길이 축소로 이어질 수 있다.
한편, 본 실시예에 따른 절연부(140)는 하우징(130)의 측면부(132)에 배치되는 제 2 절연부(142)를 포함할 수 있다. 제 2 절연부(142)는 제 1 절연부(141)에서 연장 형성될 수 있으며, 코일엔드(112a)의 높이(L)에 대응하는 하우징(130) 측면부(132)에 마련될 수 있다. 제 2 절연부(142)는 전술한 제 1 절연부(141)와 유사하게 코일엔드(112a)와 하우징(130) 간에 개재되어 코일엔드(112a)와 하우징(130) 간을 절연시키게 된다.
특히, 제 2 절연부(142)는 코일엔드(112a)의 포밍공정시 코일엔드(112a)의 높이(L)를 종래에 비해 낮게 형성할 수 있도록 한다.
즉, 도 4를 참고하면, 일반적인 경우, 코일엔드(12a)를 축방향으로 눌러 코일엔드(12a)의 높이(L1)를 낮추는 포밍공정은, 코일엔드(12a)가 하우징(30)의 내주면에 접촉되지 않을 정도로만 수행되게 된다. 다시 말하면, 포밍공정시 축방향으로 코일엔드(12a)를 좀 더 눌러 코일엔드(12a)의 높이(L1)나 모터의 축방향 길이를 축소하는 방안이 고려될 수 있으나, 이와 같은 경우, 코일엔드(12a)가 과도하게 굽힘 변형되어 코일엔드(12a)와 하우징(30)이 접촉될 우려가 있다. 따라서 종래의 일반적인 경우, 포밍공정을 통한 코일엔드(12a)의 높이(L1) 축소에 한계가 있게 된다.
반면, 도 3을 참고하면, 본 실시예와 같은 경우, 하우징(130) 내주면의 측면부(132)까지 제 2 절연부(142)가 연장 형성되게 되는 바, 포밍공정을 통해 코일엔드(112a)가 다소 과도하게 굽힘 변형되더라도 코일엔드(112a)와 하우징(130) 간 절연이 가능하게 된다. 따라서 포밍공정시 코일엔드(112a)의 높이(L)를 충분히 낮출 수 있게 되며, 이는 결과적으로 모터의 축방향 길이 축소를 가능하게 한다.
또한, 필요에 따라, 절연부(140)는 고정자코어(111)의 단부(111a)에 배치되는 제 3 절연부(143)를 포함할 수 있다. 제 3 절연부(143)는 제 2 절연부(142)에서 연장되어 고정자코어(111)의 단부(111a) 일부를 덮도록 형성될 수 있다. 이러한 제 3 절연부(143)는 포밍공정시 코일엔드(112a)가 굽힙변형되어 코일엔드(112a)가 고정자코어(111)에 인접하게 되는 경우에도, 코일엔드(112a)와 고정자코어(111) 간을 절연시킬 수 있게 한다. 따라서 포밍공정시 코일엔드(112a)의 높이(L)를 충분히 낮출 수 있게 되며, 이는 결국 모터의 축방향 길이 축소를 가능하게 한다.
한편, 상기의 제 1 내지 3 절연부(141, 142, 143)는 절연지, 플라스틱 등을 재질로 형성될 수 있으며, 제 1 내지 3 절연부(141, 142, 143)가 각각 별개로 형성되거나, 일부 또는 전부가 일체로 형성될 수 있다. 또한, 제 1 내지 3 절연부(141, 142, 143)는 인서트 사출 등을 통해 하우징(130)이나 고정자코어(111)에 일체로 형성되거나, 별개의 부품으로 마련되어 하우징(130)이나 고정자코어(111) 등에 조립 가능하게 형성될 수도 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
100: 모터 110: 고정자
120: 회전자 130: 하우징
140: 절연부

Claims (5)

  1. 회전자계 내에서 회전축을 중심으로 회전 구동되는 회전자;
    고정자코어 및 상기 고정자코어에 분포권 방식으로 권선되는 코일을 구비하며, 상기 코일은 일부가 상기 고정자코어의 축방향 외측으로 노출되어 코일엔드를 형성하는 고정자;
    상기 회전자 및 고정자가 내측에 수용되는 하우징; 및
    상기 하우징의 내주면과 상기 코일엔드 사이에 배치되는 절연부;를 포함하는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연부는,
    상기 하우징의 내주면 중 상기 코일엔드와 마주보는 대향면과, 상기 코일엔드 사이에 배치되는 제 1 절연부를 포함하는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연부는,
    상기 하우징의 내주면 둘레를 형성하는 측면부와, 상기 코일엔드 사이에 배치되는 제 2 절연부를 포함하는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연부는,
    상기 고정자코어의 축방향 단부에 배치되는 제 3 절연부를 포함하는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 절연부는,
    상기 하우징의 내주면에 인서트 몰딩되어 상기 하우징과 일체로 형성되거나, 별개의 부품으로 상기 하우징에 조립 가능하게 형성되는 분포권 방식의 고정자를 구비한 모터.
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