KR20170040404A - 코일유닛의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코일유닛의 제조방법에 관한 것으로, 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부를 갖는 코일블록을 성형하는 블록성형단계 및 상기 코일블록이 하나의 코일이 연속적으로 감겨져 적층된 복수 개의 코일층을 형성하도록, 상기 코일블록의 외측면과 상기 중공부가 형성된 내측면을 관통하는 슬릿부를 상기 코일블록의 상부에서 하부까지 높이방향을 따라 생성시키는 슬릿성형단계를 포함하는 코일유닛의 제조방법이 개시된다.
또한, 상기 제조방법에 의해 제작되는 코일유닛으로서, 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부가 마련되는 코일블록을 포함하되, 상기 코일블록은 외측면과 상기 중공부가 형성된 내측면을 관통하며 상부에서 하부까지의 높이방향을 따라 연속적으로 생성되는 슬릿부에 의해, 하나의 코일이 연속적으로 감겨져 적층되어진 복수 개의 코일층으로 형성되는 코일유닛이 개시된다.

Description

코일유닛의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF COIL UNIT}

본 발명은 코일유닛의 제조방법에 관한 것으로, 동일한 구조 대비 상대적으로 높은 점적율을 가지며 코일층을 형성하는 코일의 각 턴 당 전기저항이 균일하여 저발열 및 고효율의 성능을 가질 뿐만 아니라, 로터 및 스테이터에 조립이 용이하여 생산력이 우수한 코일유닛의 제조방법에 관한 것이다.

전동기의 효율 증대를 위한 연구가 활발하게 진행되고 있는 오늘날, 특히 전기자동차 및 발전설비에 사용되는 전동기 및 발전기의 효율 개선은 매우 큰 경제적 효과를 유발할 수 있다.

이에 따라, 전동기의 효율을 향상시키기 위한 방법의 일환으로 전동기 및 발전기의 로터 또는 스테이터에 감기는 코일의 점적율(占積率, coil space factor 또는 conductor occupying ratio)을 향상시키기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.

이러한 코일의 점적율을 향상시키기 일반적인 방법으로는, 스테이터 또는 로터에 감기는 코일의 직경을 증가시키거나 감기는 횟수를 늘리는 방법이 주로 이용되고 있다.

그러나, 종래의 코일의 경우 주로 수직단면이 원형의 형태를 갖는 구리 와이어가 통상적으로 사용되고 있으며, 이러한 원형코일의 직경을 증가시키게 되면 원형의 단면으로 인해 감겨진 코일층 사이에 낭비되는 공간(waste space)이 발생하게 되므로 코일의 점적율이 저하된다는 근본적인 문제점이 존재한다.

반면, 너무 작은 직경을 갖는 코일을 감을 경우에는 동일 면적 대비 권선횟수가 증가되므로, 상대적인 전기저항의 증가로 인해 효율저하 및 발열문제가 야기될 수 있다는 문제점이 존재한다.

또한, 종래의 전동기 및 발전기는 스테이터 및 로터의 코어에 코일을 일일이 감는 방식을 취하여 제작되었기 때문에, 제조시간이 오래 걸려 생산 수량이 제한될 뿐만 아니라 이에 따른 제조 난이도 및 비용이 증가한다는 문제점이 추가적으로 존재했다.

따라서, 종래의 감겨지는 형태의 원형코일이 갖는 문제점을 해결하고 동일한 코어구조 내에서 상대적으로 많은 점적율을 가질 수 있으며, 제조 시 스테이터 및 로터에 조립 또한 용이할 수 있는 코일구조체의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 스테이터 또는 로터에 간단하게 조립될 수 있을 뿐만 아니라, 조립되었을 시 종래 원형코일 대비 높은 점적율을 가지며 코일층을 형성하는 코일의 각 턴당 수직단면적이 모두 동일하기 때문에 코일의 각 턴 당 전기저항이 균일하여 저발열 및 고효율을 갖는 코일유닛을 제공함에 있다.

또한, 일반적인 방법으로 생산하기 어려운 상기 코일유닛에 대한 고유한 제조방법 및 제조 시 사용되는 장치를 제공함에 있다.

한편, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법은, 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부를 갖는 코일블록을 성형하는 블록성형단계; 및 상기 코일블록이 하나의 코일이 연속적으로 감겨져 적층된 복수 개의 코일층을 형성하도록, 상기 코일블록의 외측면과 상기 중공부가 형성된 내측면을 관통하는 슬릿부를 상기 코일블록의 상부에서 하부까지 높이방향을 따라 생성시키는 슬릿성형단계; 를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 슬릿성형단계는, 상기 슬릿부를 성형함에 있어서, 상기 코일블록의 높이방향을 따라 상호 간격을 두고 마련되며, 상기 코일블록의 일부분을 경사를 이루며 관통하는 복수 개의 슬로프슬릿을 성형하는 슬로프슬릿성형과정; 및 상기 복수 개의 슬로프슬릿들이 서로 이어질 수 있도록, 상기 코일블록의 나머지부분을 상호 간격을 두고 평행을 이루며 관통하는 복수 개의 플레인슬릿을 성형하는 플레인슬릿성형과정; 을 포함할 수 있다.

한편, 상기 플레인슬릿성형과정은, 상기 복수 개의 슬로프슬릿 중 어느 하나의 슬로프슬릿을 n차(n은 자연수) 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 아래에 위치하는 슬로프슬릿을 n-1차 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 위에 위치하는 슬로프슬릿을 n+1차 슬로프슬릿이라 했을 때, 상기 복수 개의 플레인슬릿은 상기 n차 슬로프슬릿의 일단과 상기 n-1차 슬로프슬릿의 타단을 연결하며, 상기 n차 슬로프슬릿의 타단과 상기 n+1차 슬로프슬릿의 일단을 연결하도록 생성될 수 있다.

그리고, 상기 슬로프슬릿성형과정은, 기울기를 갖고 돌출형성된 복수 개의 슬릿가공부를 갖는 슬로프슬릿가공유닛을 이용하며, 전기적으로 연결된 상기 슬릿가공부와 전기적으로 연결된 상기 코일블록의 일부분 사이에 방전을 일으켜 상기 슬로프슬릿을 성형할 수 있다.

또한, 상기 플레인슬릿성형과정은, 전기적으로 연결된 와이어커팅유닛을 전기적으로 연결된 상기 코일블록의 나머지부분의 외측면에서 상기 중공부가 형성된 내측면를 향해 밀어 넣을 때, 상기 와이어커팅유닛과 상기 코일블록의 나머지부분 사이에서 발생하는 전기적 방전을 이용해 상기 플레인슬릿을 절삭할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 슬릿성형단계는, 기계가공(machining)을 이용해 상기 코일블록을 절삭하여 상기 슬릿부를 생성하는 것을 특징으로 하며, 상기 슬릿부가 생성된 상기 코일블록을 상부에서 하부까지의 높이방향을 따라 압축시켜 상기 슬릿부에 의한 상기 복수 개의 코일층 사이의 간극을 축소시키는 압축과정을 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 블록성형단계는, 상기 코일블록이 복수 개 연결된 블록번들을 성형하는 번들성형과정; 상기 블록번들로부터 상기 코일블록을 낱개로 분리하는 블록분리과정; 및 상기 코일블록의 중심을 상하방향을 따라 관통하는 중공부를 가공하는 중공부가공과정; 을 포함할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법에 의해 제조되는 코일유닛은, 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의한 제조방법에 의해 제작되는 코일유닛으로서, 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부가 마련되는 코일블록을 포함하되, 상기 코일블록은, 외측면과 상기 중공부가 형성된 내측면을 관통하며 상부에서 하부까지의 높이방향을 따라 연속적으로 생성되는 슬릿부에 의해, 하나의 코일이 연속으로 감겨져 적층되어진 복수 개의 코일층으로 형성될 수 있다.

이때, 상기 슬릿부는, 상기 코일블록의 일부분의 상부에서 하부까지를 높이방향을 따라 상호 간격을 두고 경사를 이루며 관통하는 복수 개의 슬로프슬릿; 및 상기 복수 개의 슬로프슬릿들이 서로 이어질 수 있도록, 상기 코일블록의 나머지부분을 상호 간격을 두고 평행을 이루며 관통하는 복수 개의 플레인슬릿; 을 포함할 수 있다.

그리고, 상기 플레인슬릿은, 상기 복수 개의 슬로프슬릿 중 어느 하나의 슬로프슬릿을 n차(n은 자연수) 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 아래에 위치하는 슬로프슬릿을 n-1차 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 위에 위치하는 슬로프슬릿을 n+1차 슬로프슬릿이라 했을 때, 상기 n차 슬로프슬릿의 일단과 상기 n-1차 슬로프슬릿의 타단을 연결하며, 상기 n차 슬로프슬릿의 타단과 상기 n+1차 슬로프슬릿의 일단을 연결할 수 있다.

또한, 상기 코일블록은, 상기 중공부를 중심으로 하부에서 상부로 갈수록 상기 코일층을 형성하는 상기 코일의 단면 너비가 증가되어, 상기 외측면이 경사를 갖도록 형성될 수 있다.

아울러, 상기 코일층은, 상기 중공부를 중심으로 하부에서 상부로 갈수록 상기 코일의 단면의 너비는 증가하고 두께는 감소하게 형성됨으로써, 상기 복수 개의 코일층의 상하방향에 따른 수직단면적이 모두 동일할 수 있다.

전술한 구성을 가지는 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법은 다음과 같은 효과가 있다.

먼저, 로터 및 스테이터에 마련된 결합부에 끼워져 조립 가능하도록 블록형태로 마련된 코일유닛을 통해, 전동기 및 발전기의 제조 시 별도의 권선작업 없이 간단한 조립과정만으로 전동기 및 발전기의 생산이 가능하다는 이점이 있다.

또한, 조립 시 스테이터 및 로터의 동일 구조 대비, 종래 원형코일에 비해 상대적으로 높은 점적율을 갖는 코일유닛을 통해 고효율의 전동기 및 발전기의 생산이 가능하다는 이점이 있다.

아울러, 코일층을 형성하는 코일의 각 턴당 수직단면적이 모두 동일한 코일유닛을 통해, 각 코일에 걸리는 전기저항이 균일하여 저발열 및 고효율을 갖는 코일유닛을 제공할 수 있다는 이점이 있다.

나아가, 일반적인 가공 방법으로 생산하기 어려운 상기 코일유닛의 고유한 제조방법 및 제조 시 사용되는 장치를 제공할 수 있다는 이점이 있다.

한편, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 코일유닛을 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 코일유닛이 스테이터에 조립된 상태를 나타낸 도면이다.
도 6은 종래의 원형코일이 스테이터에 권선된 상태를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 코일유닛의 코일층을 나타낸 수직단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 코일유닛과 종래의 원형코일을 적용한 전동기의 작동 주파수에 따른 효율을 비교한 도면이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법을 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 12는 본 발명에 따른 번들성형과정을 통해 성형된 블록번들 및 블록분리과정을 통해 분리된 코일블록을 나타낸 도면이다.
도 13 내지 도 14는 본 발명에 따른 슬로프슬릿가공유닛 및 슬로프슬릿성형과정을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명에 따른 슬로프슬리성형과정을 통해 슬로프슬릿이 성형된 코일블록을 나타낸 도면이다.
도 16 내지 도 17은 본 발명에 따른 플레인슬릿성형과정을 나타낸 도면이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서 동일한 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

또한 본 발명의 실시예를 설명함에 있어서 도면에 도시된 구성은 상세한 설명에 대한 이해를 돕기 위한 예시일 뿐, 그 형상에 대하여는 제한없이 다양할 수 있으며 이로 인해 권리범위가 제한되지 않음을 명시한다.

먼저, 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법에 대한 설명 이전에 본 발명에 대한 명확한 이해를 돕고자, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법에 의해 제조되는 코일유닛에 대하여 우선적으로 설명한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코일유닛은 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부(100)가 마련되는 코일블록(10)을 포함할 수 있다.

여기서 스테이터(stator)는 전동기 및 발전기 등의 회전기에 있어서 정지 또는 이동하지 않고 전자기 계자를 발생하는 고정자(固定子)으로서, 코일이 끼워져 결합될 수 있도록 구성된 결합부(core 또는 slot)를 통해 코일을 지지할 수 있다.

한편 로터(rotor)의 경우에는 전동기 및 발전기 등의 회전기의 회전하는 부분으로서, 발전기상기 스테이터의 전자유도에 의해 회전하는 코일이 결합되는 회전자(回轉子)를 말한다.

이와 같은 스테이터 또는 로터를 포함하는 전동기 및 발전기의 원리 등은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 이미 자명한 정도의 것이기 때문에, 이에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

본론으로 돌아와, 전술한 본 발명에 따른 코일블록(10)은 외측면과 중공부(100)가 형성된 내측면을 관통하며 상부에서 하부까지의 높이방향을 따라 연속적으로 생성되는 슬릿부(200, 300)에 의해, 하나의 코일(11)이 연속으로 감겨져 적층되어진 복수 개의 코일층으로 형성될 수 있다.

여기서 슬릿부(200, 300)는 코일블록(10)의 일부분의 상부에서 하부까지는 높이방향을 따라 상호 간격을 두고 경사를 이루며 관통하는 복수 개의 슬로프슬릿(200)과, 상기 복수 개의 슬로프슬릿(200)이 서로 이어질 수 있도록, 상기 코일블록(10)의 나머지부분을 상호 간격을 두고 평행을 이루며 관통하는 복수 개의 플레인슬릿(300)을 포함할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하자면, 코일블록(10)의 일부분에 복수 개의 슬로프슬릿(200)이 먼저 성형되고, 이때 상기 복수 개의 슬로프슬릿(200) 중 어느 하나의 슬로프슬릿(200)을 n차(여기서 n은 자연수) 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 아래에 위치하는 슬로프슬릿(200)을 n-1차 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 위에 위치하는 슬로프슬릿(200)을 n+1차 슬로프슬릿이라 할 수 있다.

예컨대 도 4에 도시된 바와 같이 복수 개의 슬로프슬릿(200) 중 가장 아래에 위치한 슬로프슬릿을 1차 슬로프슬릿(201)이라 가정할 시, 상기 1차 슬로프슬릿(201)의 바로 위에 위치하는 슬로프슬릿을 2차 슬로프슬릿(202), 상기 2차 슬로프슬릿(202)의 바로 위에 위치하는 슬로프슬릿을 3차 슬로프슬릿(203)이 될 수 있다.

이때 플레인슬릿(300)은 n차 슬로프슬릿의 일단과 n-1차 슬로프슬릿의 타단을 연결하며, 상기 n차 슬로프슬릿의 타단과 n+1차 슬로프슬릿의 일단을 연결할 수 있다.

즉, 플레인슬릿(300)은 앞서 2차 슬로프슬릿(202)의 일단(202a)과 1차 슬로프슬릿(201)의 타단(201b)를 연결하며, 상기 2차 슬로프슬릿(202)의 타단(202b)과 3차 슬로프슬릿(203)의 일단(203a)을 연결할 수 있다.

한편 이러한 슬로프슬릿(200)을 상기와 같이 n차, n-1차 및 n+1차 슬로프슬릿으로 지칭하는 것은, 본 발명의 상세한 설명에 대한 이해를 돕기 위한 임의적인 지칭일 뿐, 상기 n차, n-1차 및 n+1차 슬로프슬릿은 기 설정되어 정해진 것들이 아닌 임의의 것임을 명시한다.

이처럼 전술한 바와 같은 본 발명의 코일블록(10)은 하나의 코일을 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 일일이 감는 형식으로 결합되는 것이 아닌, 슬로프슬릿(200) 및 플레인슬릿(300)의 상호 연속적인 연결을 통해 하나의 코일이 미리 권선된 형태를 갖는 단위블록으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명에 따른 코일유닛은 종래의 원형코일에 비해 상대적으로 높은 점적율을 갖는 것을 또 다른 특징으로 한다.

보다 구체적으로 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 코일유닛은, 스테이터(S)에 구비된 결합부(S100)에 결합된 코일블록(10)에 있어서 중공부(100, 도 3 참조)를 중심으로 하부에서 상부로 갈수록 코일층을 형성하는 코일(11)의 단면 너비가 증가되어, 상기 코일블록(10)의 외측면이 경사를 갖도록 형성될 수 있다.

즉, 코일블록(10)의 코일층 중 하단에 위치한 코일은 수직단면의 너비가 상대적으로 상기 코일층 상단에 위치한 코일에 비해 좁게 형성되며, 이에 따라 상기 코일층은 하부에서 상부로 갈수록 폭이 점차적으로 증가하는 형상을 나타내게 된다.

이처럼 상기와 같이 코일블록(10)이 특수한 형상을 갖도록 제작됨으로써, 본 발명에 따른 코일유닛은 동일한 구조를 갖는 스테이터(S)에 결합되었을 시, 종래의 원형코일에 비해 상대적으로 높은 점적율을 가질 수 있다.

즉 도 5와 도 6의 비교를 통해 알 수 있듯이, 동일한 구조를 갖는 스테이터(S)에 결합되었을 때, 본 발명에 따른 코일유닛들 사이에서 발생되는 낭비공간(WS₁₀)은 종래의 원형코일(OC)이 스테이터(S)의 결합부(S100)에 권선되었을 경우에 발생하는 원형코일의 낭비공간(WS_OC)에 비해 상대적으로 적을 수 있다. (여기서는 코일블록(10)이 스테이터에 결합되는 것을 예를 들어 설명하도록 하며, 이하 후술할 모든 기재들은 코일블록(10)이 로터에 결합될 시에도 모두 동일하게 적용되는 실시예이다)

한편 종래의 원형코일(OC)의 점적율을 높이기 위해 본 발명에 따른 코일유닛과 같은 형상을 갖도록, 코일층의 하부에서 상부로 갈수록 폭을 증가시키기 위해 원형코일(OC)의 권선 횟수를 증가시킬 경우에는 원형코일(OC)들 사이에서 발생하는 전기저항의 증가로 인해 효율저하 및 발열의 문제가 발생될 수 있다는 문제점이 있다.

이에 반해 본 발명에 따른 코일유닛은 하부에서 상부로 갈수록 코일층을 형성하는 코일의 단면 너비가 증가하는 구조를 갖더라도, 하나의 코일이 연속적으로 적층되어 코일층을 형성하기 때문에 상기와 같은 문제점으로부터 비교적 자유로울 수 있다.

아울러 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코일유닛은, 코일층을 형성하는 코일이 중공부(100)를 중심으로 하부에서 상부로 갈수록 단면의 너비는 증가하고 두께는 감소되도록 형성될 수 있다.

보다 구체적으로 복수 개의 코일층 중 가장 하부에 위치하는 코일을 제1 코일(11a), 상기 제1 코일 바로 위에 위치하는 코일을 제2 코일(11b)라 가정하였을 때, 상기 제2 코일의 너비(w2)은 상기 제1 코일의 너비(w1)에 비해 상대적으로 더 넓고 그 두께(t2)는 상기 제1 코일의 두께(t1)에 비해 상대적으로 더 얇게 형성될 수 있다.

마찬가지로 상기 제2 코일(11b)의 바로 위에 위치하는 코일을 제3 코일(11c)라 가정하면, 상기 제3 코일의 너비(w3)와 두께(t3)는 상기 제2 코일(11b)의 너비(w2)와 두께(t2)에 비해 각각 더 두껍고 얇게 형성될 수 있다.

즉, 도 7에 도시된 바와 같이 코일층이 8개의 층으로 구성되었을 시, 상기 코일층의 가장 하부에 위치하는 제1 코일(11a)에 비해 코일층의 가장 상부에 위치하는 제8 코일(11h)은 한층 더 너비(w8)는 넓되 두께(t2)는 얇게 형성될 수 있으며, 상기 제1 코일(11a)과 상기 제8 코일(11h)의 사이에 위치하는 제2 코일(11b) 내지 제7 코일(11g)은 상부에 위치하는 코일일 수록 점차적으로 그 너비는 넓어지고 두께는 얇아질 수 있다.

이와 같이 코일층을 형성하는 각 코일의 너비와 두께의 폭을 조절하는 이유는 복수 개의 코일층의 상하방향에 따른 수직단면적을 모두 동일하게 하기 위함인데, 이에 따라 코일층을 형성하는 각 코일들의 너비와 두께는 다음과 같은 패턴을 갖고 형성될 수 있다.

예컨대 코일층의 가장 하부에 위치하는 제1 코일(11a)의 너비(w1)와 두께(t1)의 곱은 w1*t1이며 이는 곧 제1 코일의 수직단면적이 된다. 한편 상기 제1 코일(11a)보다 상부에 위치하는 제2 코일(11b) 내지 제8 코일(11h)의 수직단면적은 각각 w2*t2 내지 w8*t8이 될 수 있다.

이처럼 각 코일층을 형성하는 코일의 수직단면적을 각각 w1*t1 내지 w8*t8이라 했을 때, 각 수직단면적들은 다음과 같은 패턴을 가질 수 있다.

[w1*w1= w2*w2= w3*w3=…… w6*w6= w7*w7= w8*w8]

이에 따라 복수 개의 코일층을 형성하는 각 코일들의 수직단면적은 모두 동일하게 형성될 수 있으며, 상기 복수 개의 코일층의 상하방향에 따른 수직단면적 또한 모두 동일하도록 구성될 수 있다.

한편 앞서 전술한 기재들은 본 발명에 따른 코일층을 형성하는 각 코일들의 패턴에 대한 일례를 설명하기 위함으로, 본 발명에 따른 코일의 규격을 제한하는 것이 아니며 상세한 설명에 대한 이해를 돕기 위한 예시적 차원에서 제시하는 규격임을 명시한다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 코일유닛은 코일층을 형성하는 코일의 각 턴당 수직단면적이 모두 동일하기 때문에, 각 코일층에 걸리는 전기저항이 균일하게 되며, 이로 인해 저발열 및 고효율을 갖는 전동기 및 발전기를 생산할 수 있다는 이점이 있다.

특히 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코일유닛(

, 3D-Coil)은 종래 원형코일(

, Round Coil)에 비하여, 저속 구간에서 상대적으로 우수한 효율을 보인다.

즉 본 발명에 따른 코일유닛의 경우 모터의 실용 회전 수(rpm)가 낮거나, 극 수가 적은 모터에 적용 시 더 나은 효율을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 저속에서의 효율특성이 매우 중요한 전기 자동차용 모터 분야에 적용될 경우 종래의 코일 대비 상당한 에너지 효율의 증대를 가져올 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 코일유닛은, 각 코일층을 형성하는 코일이 여러 차례 권선되는 것이 아닌 하나의 코일이 연속적으로 적층되어 코일층을 형성하는 코일블록으로 마련되기 때문에, 각 코일층들 사이의 간극들, 즉 전술한 슬로프슬릿(200) 및 플레인슬릿(300)이 매우 좁게 형성된다.

따라서 일반적인 가공 방법으로는 본 발명에 따른 코일유닛을 제조하는 것이 용이하기 않기 때문에, 본 발명에 따른 코일유닛만의 특수한 제조방법이 요구되며 이는 후술할 기재들을 통해 상세하게 설명하도록 하겠다.

이어서 도 9 내지 도 17을 참조하여, 앞서 언급한 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법의 일 실시예에 대하여 상세히 설명한다.

도 9 에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법은 블록성형단계(S1) 및 슬릿성형단계(S2)를 포함할 수 있다.

블록성형단계(S1)에서는, 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부(도 5 참조)에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부를 갖는 코일블록을 성형할 수 있다.

슬릿성형단계(S2)에서는, 앞서 블록성형단계(S1)를 통해 성형된 코일블록이 하나의 코일이 연속적으로 감겨져 적층된 복수 개의 코일층을 형성하도록, 상기 코일블록의 외측면과 상기 중공부가 형성된 내측면을 관통할는 슬릿부를 상기 코일블록의 상부에서 하부까지 높이방향을 따라 생성시킬 수 있다.

한편 도10에 도시된 바와 같이, 블록성형단계(S1) 및 슬릿성형단계(S2)는 각각 보다 세분화된 과정인 번들성형과정(P1), 블록분리과정(P2), 중공부가공과정(P3)과 슬로프슬릿성형과정(P4), 플레인슬릿성형과정(P5)로 나눠질 수 있다.

먼저, 블록성형단계(S1)는 번들성형과정(P1), 블록분리과정(P2) 및 중공부가공과정(P3)를 포함할 수 있다.

여기서 번들성형과정(P1)은 도 11을 통해 도시된 바와 같이, 코일블록이 복수 개 연결된 블록번들(1000)을 성형하는 과정으로서, 다이캐스팅과 같은 주조(casting)공법 또는 프레싱과 같은 단조(forging)공법을 이용하여 블록번들을 성형할 수 있다.

이때 주조공법을 이용하여 블록번들(1000)을 생산하게 되면 생산속도 측면에서 우수하기 때문에 생산성을 보장받을 수 있다.

반면 단조공법을 이용할 경우, 생산속도 측면에서는 주조공법에 비해 상대적으로 떨어질 수 있으나, 코일의 특성 상 코일을 구성하는 조직이 치밀하면 치밀할수록 코일의 성능이 우수해지기 때문에, 상대적으로 질 높은 코일을 생산할 수 있다는 장점이 있다.

따라서, 본 실시예에서는 필요에 따라 주조공법을 이용해 1차적으로 캐스팅된 블록번들(1000)을 2차적으로 프레싱해 압축가공을 통해 코일의 조직을 치밀하게 하는 다단공법을 이용할 수도 있다.

한편 블록분리과정(P2)에서는 도 12에 도시된 바와 같이, 앞서 블록번들(1000, 도 11 참조)로부터 코일블록(B10)을 낱개로 분리할 수 있다.

이때 상기 블록번들로부터 분리되는 코일블록(B10)은 아직 슬릿성형단계(S2)를 거치지 않아 슬릿부(도 1 내지 도 2의 200, 300)가 형성되지 않은 상태의 코일블록(B10)을 말한다.

이와 같은 슬릿부가 성형되기 전 단계의 코일블록(B10)에는 중공부를 형성하기 위한 중공부가공홀(2) 및 슬릿부가공홈(4)이 마련될 수 있다.

여기서 중공부가공홀(2)은 중공부(도 3의 100 참조)의 가공이 용이할 수 있도록 전술한 번들성형과정(P1)에서 미리 마련되는 것으로서, 소정의 내경을 갖고 코일블록(B10)의 상하방향을 따라 관통하는 구멍이다.

도면으로 도시되지는 않았지만, 이러한 중공부가공홀(2)을 통해 전기적으로 연결된 와이어가 내부로 삽입된 후, 상기 와이어와 코일블록(B10)사이의 방전작용을 이용한 EDM가공(electric discharge machining) 공법을 이용해 상기 중공부가공홀(2)의 내경을 확장시킴으로써 중공부를 가공할 수 있다.

또한, 마찬가지로 도면으로 도시되지는 않았지만, 기계가공(machining)을 통해 종공부가공홀(2)의 내부로 팁과 같은 절삭공구를 삽입하여 중공부가공홀(2)의 내경을 확장시킴으로써 중공부를 가공할 수도 있다.

이처럼, 중공부가공홀(2)을 이용하여 코일블록의 중심을 상하방향을중공부따라 관통하는 중공부가 가공되는 중공부가공과정(P3)이 이루어지며, 본 실시예에서는 앞서 EDM가공공법 및 기계가공 등 외에도 다양한 방법들을 통해 중공부를 가공할 수 있다.

다음으로, 슬릿성형단계(S2)는 슬릿부(도 1의 200 및 300)를 성형함에 있어서 슬로프슬릿성형과정(P4) 및 플레인슬릿성형과정(P5)을 포함할 수 있다.

슬로프슬릿성형과정(P4)에서는, 전술한 중공부가공과정(P3)을 거쳐 중공부 가공된 상태의 코일블록(도 1의 10)을 이용해 슬릿부를 형성하는 과정으로서, 상기 코일블록의 높이방향을 따라 상호 간격을 두고 마련되며 상기 코일블록의 일부분을 경사를 이루며 관통하는 복수 개의 슬로프슬릿(도 1의 200)을 성형할 수 있다.

이러한 슬로프슬릿성형과정(P4)은 도 13에 도시된 바와 같이, 기울기를 갖고 돌출형성된 복수 개의 슬릿가공부(410)를 갖는 슬로프슬릿가공유닛(400)을 이용하며, 도 14에 도시된 바와 같이 전기적으로 연결된 상기 슬릿가공부(410)와 마찬가지로 전기적으로 연결된 코일블록의 일부분(10a) 사이에 방전을 일으켜 슬로프슬릿을 성형할 수 있다.

이때 이용되는 전기적 방전작용을 이용한 공작방법의 원리 및 과정 등은 본 발명이 속한 기술분야에 있어서 통상에 기술자에게 이미 자명한 정도의 것이기 때문에 이에 대한 설명은 생략하도록 하겠다.

한편, 플레인슬릿성형과정(P5)은 도 15를 통해 도시된 바와 같이 앞서 슬로프슬릿성형과정(P4)를 거쳐 복수 개의 슬로프슬릿들(200)이 생성된 코일블록(10)에 이루어질 수 있으며, 상기 복수 개의 슬로프슬릿들(200)이 서로 이어질 수 있도록 상기 슬로프슬릿들(200)을 연결하는 과정으로서, 상기 코일블록(10)의 나머지부분을 상호 간격을 두고 평행을 이루며 관통하는 복수 개의 플레인슬릿을 성형할 수 있다.

이러한 플레인슬릿성형과정(P5)을 통해 성형되는 플레인슬릿(도 1의 300)에 관한 것은, 도 4를 참조하여 전술한 플레인슬릿에 대한 상세한 설명을 통해 이미 설명했던 바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

이와 같은 플레인슬릿성형과정(P5)은 도 16 내지 도 도 17에 도시된 바와 같이, 전기적으로 연결된 와이어커팅유닛(500)을 전기적으로 연결된 코일블록(10)의 나머지부분의 외측면에서 중공부가 형성된 내측면을 향해 밀어 넣을 때, 상기 와이어커팅유닛(500)과 상기 코일블록(10)의 나머지부분 사이에서 발생하는 방전스파크를 이용해 플레인슬릿(300)을 절삭함으로써 이루어질 수 있다.

한편 도면으로 도시되지는 않았지만 본 실시예에서는, 전술한 슬로프슬릿성형과정(P4) 및 플레인슬릿성형과정(P5)를 포함한 슬릿성형단계(S2)에 있어서, 기계가공(machining)을 이용해 코일블록을 절삭하여 슬릿부를 생성할 수도 있다.

이 경우는 전술한 슬로프슬릿가공유닛(도 13의 400) 및 와이어커팅유닛(도 16 내지 도 17의 500)을 이용하여 슬릿부를 가공하는 방법과는 다른 개념의 방법으로서, 슬로프슬릿(도 1의 200) 및 플레인슬릿(도 1의 300)을 포함한 슬릿부를 머시닝센터 등을 이용해 절삭가공할 수 있다.

그리고 슬릿부가 생성된 코일블록을 상부에서 하부까지의 높이방향을 따라 압축시켜 상기 슬릿부에 의한 복수 개의 코일층 사이의 간극을 축소시키는 압축과정을 더 포함할 수 있다.

즉, 간극이 매우 좁아 일반적인 가공이 어려운 슬릿부를 우선적으로 기계가공이 용이한 정도의 간극을 갖도록 생성시킨 후, 압축과정을 통해 코일층 사이의 간극을 축소시킬 수 있다.

이와 같은 압축과정의 경우, 전술한 슬릿성형단계(S2)에 포함되어 함께 이루어질 수도 있지만, 앞서 기계가공을 통해 슬릿부만 생성시킨 상태에서 코일유닛이 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부(도5의 S100)에 조립되기 바로 전에 이루어질 수도 있다.

전술한 바와 같은 본 발명에 따른 코일유닛의 제조방법의 일 실시예를 통해, 권선방식을 취하는 종래의 원형코일이 갖는 문제점을 해결하고 동일한 코어구조 내에서 상대적으로 많은 점적율을 가질 수 있으며, 제조 시 스테이터 및 로터에 조립 또한 용이할 수 있는 코일유닛을 제공할 수 있다.

10: 코일블록
11: 코일
100: 중공부
200: 슬로프슬릿
300: 플레인슬릿
S: 스테이터 (또는 로터)
S100: 결합부
400: 슬로프슬릿가공유닛
500: 와이어커팅유닛
S1: 블록성형단계
P1: 번들성형과정
P2: 블록분리과정
P3: 중공부가공과정
S2: 슬릿성형단계
P4: 슬로프슬릿성형과정
P5: 플레인슬릿성형과정

Claims (12)

1. 스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부를 갖는 코일블록을 성형하는 블록성형단계; 및
   상기 코일블록이 하나의 코일이 연속적으로 감겨져 적층된 복수 개의 코일층을 형성하도록, 상기 코일블록의 외측면과 상기 중공부가 형성된 내측면을 관통하는 슬릿부를 상기 코일블록의 상부에서 하부까지 높이방향을 따라 생성시키는 슬릿성형단계; 를 포함하는,
   코일유닛의 제조방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 슬릿성형단계는,
   상기 슬릿부를 성형함에 있어서,
   상기 코일블록의 높이방향을 따라 상호 간격을 두고 마련되며, 상기 코일블록의 일부분을 경사를 이루며 관통하는 복수 개의 슬로프슬릿을 성형하는 슬로프슬릿성형과정; 및
   상기 복수 개의 슬로프슬릿들이 서로 이어질 수 있도록, 상기 코일블록의 나머지부분을 상호 간격을 두고 평행을 이루며 관통하는 복수 개의 플레인슬릿을 성형하는 플레인슬릿성형과정; 을 포함하는,
   코일유닛의 제조방법.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 플레인슬릿성형과정은,
   상기 복수 개의 슬로프슬릿 중 어느 하나의 슬로프슬릿을 n차(n은 자연수) 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 아래에 위치하는 슬로프슬릿을 n-1차 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 위에 위치하는 슬로프슬릿을 n+1차 슬로프슬릿이라 했을 때,
   상기 복수 개의 플레인슬릿은 상기 n차 슬로프슬릿의 일단과 상기 n-1차 슬로프슬릿의 타단을 연결하며, 상기 n차 슬로프슬릿의 타단과 상기 n+1차 슬로프슬릿의 일단을 연결하도록 생성되는 것을 특징으로 하는,
   코일유닛의 제조방법.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 슬로프슬릿성형과정은,
   기울기를 갖고 돌출형성된 복수 개의 슬릿가공부를 갖는 슬로프슬릿가공유닛을 이용하며, 전기적으로 연결된 상기 슬릿가공부와 전기적으로 연결된 상기 코일블록의 일부분 사이에 방전을 일으켜 상기 슬로프슬릿을 성형하는 것을 특징으로 하는,
   코일유닛의 제조방법.
   
5. 제2항에 있어서,
   상기 플레인슬릿성형과정은,
   전기적으로 연결된 와이어커팅유닛을 전기적으로 연결된 상기 코일블록의 나머지부분의 외측면에서 상기 중공부가 형성된 내측면를 향해 밀어 넣을 때, 상기 와이어커팅유닛과 상기 코일블록의 나머지부분 사이에서 발생하는 전기적 방전을 이용해 상기 플레인슬릿을 절삭하는 것을 특징으로 하는,
   코일유닛의 제조방법
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 슬릿성형단계는,
   기계가공(machining)을 이용해 상기 코일블록을 절삭하여 상기 슬릿부를 생성하는 것을 특징으로 하며,
   상기 슬릿부가 생성된 상기 코일블록을 상부에서 하부까지의 높이방향을 따라 압축시켜 상기 슬릿부에 의한 상기 복수 개의 코일층 사이의 간극을 축소시키는 압축과정을 더 포함하는
   코일유닛의 제조방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 블록성형단계는,
   상기 코일블록이 복수 개로 연결된 블록번들을 성형하는 번들성형과정;
   상기 블록번들로부터 상기 코일블록을 낱개로 분리하는 블록분리과정; 및
   상기 코일블록의 중심을 상하방향을 따라 관통하는 중공부를 가공하는 중공부가공과정; 을 포함하는,
   코일유닛의 제조방법.
   
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 의한 제조방법에 의해 제조되는 코일유닛으로서,
   스테이터 또는 로터에 구비된 결합부에 결합 가능하도록 상하방향을 따라 관통 형성된 중공부가 마련되는 코일블록을 포함하되,
   상기 코일블록은,
   외측면과 상기 중공부가 형성된 내측면을 관통하며 상부에서 하부까지의 높이방향을 따라 연속적으로 생성되는 슬릿부에 의해, 하나의 코일이 연속으로 감겨져 적층되어진 복수 개의 코일층으로 형성되는 것을 특징으로 하는,
   코일유닛.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 슬릿부는,
   상기 코일블록의 일부분의 상부에서 하부까지를 높이방향을 따라 상호 간격을 두고 경사를 이루며 관통하는 복수 개의 슬로프슬릿; 및
   상기 복수 개의 슬로프슬릿들이 서로 이어질 수 있도록, 상기 코일블록의 나머지부분을 상호 간격을 두고 평행을 이루며 관통하는 복수 개의 플레인슬릿; 을 포함하는,
   코일유닛
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 플레인슬릿은,
    상기 복수 개의 슬로프슬릿 중 어느 하나의 슬로프슬릿을 n차(n은 자연수) 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 아래에 위치하는 슬로프슬릿을 n-1차 슬로프슬릿, 상기 n차 슬로프슬릿의 바로 위에 위치하는 슬로프슬릿을 n+1차 슬로프슬릿이라 했을 때,
    상기 n차 슬로프슬릿의 일단과 상기 n-1차 슬로프슬릿의 타단을 연결하며, 상기 n차 슬로프슬릿의 타단과 상기 n+1차 슬로프슬릿의 일단을 연결하는 것을 특징으로 하는,
    코일유닛.
    
11. 제8항에 있어서,
    상기 코일블록은,
    상기 중공부를 중심으로 하부에서 상부로 갈수록 상기 코일층을 형성하는 상기 코일의 단면 너비가 증가되어, 상기 외측면이 경사를 갖도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
    코일유닛.
    
12. 제8항에 있어서,
    상기 코일층은,
    상기 중공부를 중심으로 하부에서 상부로 갈수록 상기 코일의 단면의 너비는 증가하고 두께는 감소하게 형성됨으로써, 상기 복수 개의 코일층의 상하방향에 따른 수직단면적이 모두 동일한 것을 특징으로 하는,
    코일유닛.
    

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