KR20170076864A - 무발열 브러시리스 모터의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명을 통하여, 절연전선을 권선하는 코일과, 페라이트 코어를 사용하여 제작하는 브러시리스 모터에 있어서, 자기장과 마찰력에 의한 발열현상을 거리를 두어 회피설계하거나, 비자성체와 반자성체를 이용하여 모터의 가장 어려운 문제인 발열 문제를 해결할 수 있다.
조금 더 자세하게는 비자성체와 반자성체를 사용할 경우에는 종래의 모터의 크기와 유사한 경박단소화된 무발열 고효율 브러시리스 모터를 제작할 수 있으며, 자기장과 마찰력을 회피하는 설계로 비록 부피가 커지지만 발열을 억제할 수 있는 모터를 제작할 수 있다.
이 두가지 원리를 혼용하여, 필요한 적재적소에 적당한 크기의 무발열 고효율 모터를 제작하여 사용할 수 있다.

Description

무발열 브러시리스 모터의 제조방법{METHOD OF PRODUCING A NON-HEAT GENERATING BRUSHLESS MOTOR}

본 발명은 무발열 브러시리스 전동기의 제조방법에 관한 것이다.

모터란 크게 사용전기에 따라 교류모터와 직류모터로 나누고 브러시의 사용 유무에 따라 모터는 브러쉬 모터와 브러쉬 리스 모터로 나눈다.

또한 전자석형과 영구자석형 모터등 그 종류만해도 수십가지에 이른다.

본 발명은 이러한 모터 중 브러쉬가 없는 모터에 관한 것이다.

BLDC(Burshless DC)란 브러시리스 직류 모터를 일컬으며, 최근 BLAC(Burshless DC)모터란 용어가 나오고 있지만, 이것도 BLDC모터의 한 종류이고 다만, 파형이 정현파인 차이점이 있다.

이러한 모터는 렌츠의 법칙에 의한 지배를 받는다.

렌츠의 법칙은, "유도 전류는 유도하는 자기장의 변화를 거스르는 쪽으로 생긴다는 전자기 법칙"이다.

러시아의 물리학자 에밀 렌츠가 처음 발견했다.

렌츠의 법칙에 다르면, 유도전류가 만든 자기장을 거슬러서 자석을 코일속에 밀어 넣거나, 끌어내려면 그만큼 일(WORK)을 해야 한다. 이 일에 해당하는 에너지는 코일에 유도전류가 흐르면서 저항 때문에 발생되는 가열효과로 나타난다.

이것을 렌츠의 법칙에 의한 와류손이라 한다.

따라서 와류자기장에 의하여 열이 발생되는 것은 전동기 즉, 모터에서는 불가결한 손실이라 할 수 있다.

이러한 와류손과 히스테리시스손을 합쳐 전동기 분야에서는 철손이라 부른다.

종래 교류전동기의 효율은 40% ∼ 60%에 그쳤고, 최근 개발된 BLDC 모터는 85% ~ 90%의 효율을 나타내고 있으나 전동기 내에서 일어나는 발열현상을 아직 극복하지 못하고 있다.

효율이 좋다는 BLDC 모터도 약 85℃까지 온도가 상승하고 그에 따른 에너지 손실이 막대하다.

전력의 60%를 소모한다고 하는 모터에서 와류손에 의한 열손실을 최대한 억제하는 것은 그래서 에너지의 효율적인 사용 측면에서 매우 중요한일이지만, 아직까지 그 명확한 방법이 제시되지 못하였다.

(특허문헌 1) KR10-2010-0068616 A1 고효율 쌍코어의 구조

따라서, 와류손에 의한 발열현상을 억제하여 모터의 절연전선이 열화에 의하여 수명이 단축되는 것을 방지하는 한편, 에너지 효율적인 사용을 가능하게 하는 모터의 개발이 절실하다.

본 발명의 목적은 모터에서 발생하는 필연적인 손실인 와류손을 포함하는 철손에 의한 발열현상을 최소화 하는 모터의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 와류손을 포함하는 철손에 의한 발열현상이 제거된 무발열 브러시리스 모터를 제공하는 것이다.

본 발명으로 인하여, 모터에서 발생하는 열이 억제되는 고효율의 모터를 제조할 수 있게 한다.

즉, 와류손을 포함하는 발열의 원인을 찾아 발열을 억제함으로서 고효율의 모터를 제조할 수 있게 된다.

이로 인하여, 전기차, 전기를 포함한 하이브리드 차량, 전기 수쿠터, 선박용 모터, 냉장고, 김치냉장고, 세탁기, 진공청소기, 헤어드라이기 등에 들어가는 모터를 대체할 수 있다.

도 1은 일반적인 브러시리스 모터의 구조 도면.
도 2는 일반적인 영구자석식 3상 브러시리스 교류 모터의 구조도면.
도 3은 회전자기장 형성 실험기구 전면 설계도.
도 4는 회전자기장 형성 실험기구 전면.
도 5는 막대형 페라이트 코어에 절연전선을 권선한 모습
도 6은 코어 안쪽으로 자석이 회전하는 브러시리스 모터 조감도.
도 7은 코어 바깥쪽으로 영구자석이 회전하는 브러시리스 모터.
도 8은 코어 바깥쪽으로 회전하는 대표적인 브러시리스 전동기(세탁기용 BLDC 모터의 코일과 코어를 포함하는 고정자)를 도시한 도면.
도 9는 코어 바깥쪽으로 회전하는 대표적인 브러시리스 전동기(세탁기용 BLDC 모터의 영구자석과 영구자석 체결부재.)를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 의해 제조된 무발열 모터의 스테이터 일측면 코어의 배치도.
도 11은 본 발명에 의해 제조된 무발열 모터의 영구자석 회전자(ROTOR).

도 1은 브러시리스 모터의 구조 도면이다.

도 2는 영구자석식 3상 브러시리스 교류 모터의 구조도면이다.

전기자동차(EV)의 구동용으로 사용되는 대표적인 모터는 [영구자석식 3상 교류 동기형 모터]이다.

제조사, 차종 등에 따라서는 브러시리스 DC(BLDC)로 표기하는 경우도 있다.

도 1과 도 2는 실은 같은 것이다.

모터 자체로 보면 3상교류전력을 사용하기 때문에 [AC동기모터]가 된다.

배터리에서 모터까지의 시스템 전체로 본 경우는 직접적인 전원은 직류(DC)이다.

일반적으로 DC모터의 극성을 바꾸는데 사용되는 브러시를 사용하지 않는 것으로부터 BLDC 명칭이 사용되고 있다.

다만 두 모터의 제조사에 따라 부품의 명칭이 조금 다르다.

무발열 전동기를 만들기 위한 발상은 힘의 원리를 생각하면 그 접근은 매우 단순 할 수 있다.

[힘의 상대성 원리]

힘은 그 힘의 종류에 따라 그 힘이 작용하는 상대가 다르다. 예를 들어, 자기장의 경우는 강자성, 상자성, 반자성 물질에는 미치는 영향력의 크기만 다를 뿐 영향을 미치고, 비자성 물질은 아무리 강한 자기장이 형성되어도 그 어떤 영향도 미치지 않는다.

마찬가지로, 어떤 사람이 100kg의 물건을 들 수 있는 힘이 있을 때, 앞에 10kg의 물건이 있다면, 10kg의 물건을 들 힘만 사용하게 되지 100kg의 물건을 들 힘을 모두 사용하게 되지는 않는다.

힘은 상대적이다. 이 원리를 이해하고 전동기(모터)의 핵심을 이해하면 무발열 전동기를 만들기 위한 접근은 매우 간단하다고 볼 수도 있다.

전동기에서 일어날 수 있는 현상은 마찰과 자기장, 이 두가지가 작용하는 힘의 중점사항이기 때문이다.

필연적으로 일어나는 마찰은 브러시와 베어링이 원인이고, 영구자석 또는 전자석에 의하여 자기장이 발생된다.

즉, 자기장의 영향이 꼭 닿아야 하는 물질은 서로 가깝게 배치하고, 자기장의 영향이 닿으면 안 되는 물질은 서로 멀리 배치하면 되는 일이기 때문이다.

또한 마찰이 일어나는 부품 중 브러시는 많은 열을 발생하는 부품이므로 제거가 적당하고, 베어링은 마찰을 일으키기는 하나 그 영향이 크지 않다.

그러므로, 소결베어링, 볼 베어링, 자기베어링중 선택이 가능하다.

그렇다 하더라도 마찰이 일어나지 않는 자기베어링 더 바람직하다.

즉, 베어링은 영구자석 및 전자석으로부터 자기장이 미치는 범위 밖에 설치되어야 하며, 마찰이 없는 자기베어링이 더욱 적당하다.

코어와 코어에 권선되는 코일과 영구자석 또는 전자석은 효율때문에라도 어쩔 수 없이 가깝게 배치되어야 하지만 그 나머지는 가깝게 배치되면 금속재료의 경우 거의 대부분 발열현상을 나타낸다.

특히, 영구자석 또는 전자석의 자력이 미치는 범위를 벗어나는 것이 매우 중요하다.

그런데 문제는 코어가 가깝게 배치되어야 하는데 발열현상이 나타나는 경우다.

이런 경우 무발열 전동기를 만드는 것은 매우 어려운 일이 된다.

또한, 무발열 모터를 만드는 과정에 있어서, 브러시 모터는 앞서 말한 바와 같이 마찰열이 발생되기 때문에 무발열 모터는 처음부터 불가능하다.

코어는 모터의 핵심 구성요소이며 지금까지 코어의 재질은 주로 규소강판을 적층하여 이용하고 있으며 이는 와류현상에 의한 히스테리시스 손실을 방지하기 위해서이다.

좀더 자세히 살펴보면 코어는 자기철심이라 부르는 데, 자기 철심(magnetic core)은 높은 투자율을 갖는 강자성체의 하나로 변압기, 전동기, 인덕터 및 자기 조립 등과 같은 전기적, `전기전자 또는 자성 장치에서 자기장의 범위를 제한하기 위해 사용되는 장치이다.

이것은 철과 같은 강자성 물질이나 아철산염과 같은 강자성 화합물로 만들어진다.

자기장은 주로 전류가 흐르는 자기 철심 주위의 철사의 코일에 의해 만들어진다.

자기 철심을 써서 코일의 자기장의 세기를 높이는 방법은 수 천 가지나 존재한다.

자기 철심을 사용하면 힘을 집중시킬 수 있고 전류와 영구 자석에 의해 생기는 자기장의 효과를 증가시킬 수 있다.

장치의 성질은 다음과 같은 요인에 따라 달라진다.

● 코어의 모양

● 자기 회로 안의 공기 간격의 총량

● 코어 재료의 특성(특히 투자율과 히스테리시스)

● 코어의 온도

● 맴돌이 전류를 줄이기 위해 코어 재료를 여러 겹으로 만들었는가

렌츠의 법칙에 의한 발열현상은 코어가 없이 코일만 감긴 시스템에 있어서는 무시할 만큼 매우 작다.

더 자세하게 설명하자면 발열현상보다, 전도, 대류, 복사되어 소멸되는 속도가 더 빠르기 때문에 발열을 느끼기가 매우 어렵다.

그러나 그 만큼, 영구자석이나 전자석으로 발생되는 자기장에 의하여 유도되는 전기가 매우 작기 때문에 모터나, 발전기에선 이러한 단점을 보완하기 위하여 코어를 사용하게 된 것이다.

이 과정에 코어에 권선되는 코일(절연전선)에 의하여 발생되는 와류자기장은 이용해야 할 목적이 분명한 것이고, 이러한 와류자기장에 의하여 발생되는 히스테리시스 손실을 저감하거나 방지하는 목적으로, 가장 많이 사용하는 강판이 규소강판이고 이것을 적층하여 사용한 것이다.

히스테리시스 손실이란 강자성체가 높은 보자력을 가지고 있어서, 자석의 자극이 N극에서 S극으로 또 S극에서 N극으로 교차 변환되는 과정에서 보자력으로 인한 이력 현상 때문에 생기는 에너지 손실로서, 이 손실과 와류손을 구분하기 어려워서 이 둘을 합쳐 철손이라 부른다.

즉, 철손은 히스테리시스손실과 와류손을 합친 개념으로 이 손실 에너지는 강자성체 속에서 열로 소비된다.

한편 대한민국 특허 출원번호 10-2008-0127026 호에는 고효율 쌍코어의 구조를 설명하고 있다.

해당 특허 발명자는 해결하고자 하는 과제에서 쌍코어의 구조를 제공하여 역기전력에 의해 발생하는 제반부하(회전의 역방향으로 끌어당기는 부하) 및 열 발생을 최소화시키도록 하는 목적이 있다고 하였다.

또한, 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에서 "전자제품 등에서 열이 발생하는 것도 코일의 역기전력 때문인데 본 발명인 쌍코어의 구조는 역기전력에 의해 발생하는 열 부하를 상쇄시켰기 때문에 코일에 발생하는 열을 감소시킬 수 있게 되는 것이다."라고 설명하고 있다.

이 고효율 쌍코어의 구조 특허에서 사용한 코어용 페라이트나, 적층규소강판은 이미 산업에서 사용하고 있는 코어의 소재이다.

발명자는 쌍코어의 구조에서 제반부하를 상쇄할 수 있다고 주장하고 있다.

그러나, 이러한 쌍코어의 구조 하나만으로 발전기나 모터의 열 발생을 억제할 수는 없다.

코어의 주요 손실(CORE LOSS)로는 와전류 손실과 , 히스테리시스 손실, 잔류 손실을 들 수 있다.

- 도체는 외부자속 변화에 저항하는 와전류가 흘러서 반작용 자속을 발생시킨다. 이 때 와전류에 의한 줄(J)열이 에너지 손실이 된다. 이 것을 코어의 와전류 손실이라 하며, 렌츠의 법칙에 따른다.

- 히스테리시스 손실 : 자성체의 자화과정은 히스테리시스 루프라고 불리우는 S자 형태의 폐곡선을 그린다. 교류자계가 가해지면 루프면적에 비례하여 코어로스(히스테리리스 손실)이 발생한다. 이 때문에 고주파용 코어재료로서는 가능한 루프면적이 작은 코어재료가 요구된다.

- 잔류 손실 : 자성공진, 회전자와 공진 등에 의한 그 외의 손실.

이러한 코어의 손실을 최소화 하기 위하여 페라이트 코어를 사용하는 것이다.

페라이트는 결정입자의 균일화나 고밀도화 등의 미세 조직제어 기술을 구사하여 히스테리시스 손실이나 잔류손실을 저감하고 있다.

또한 페라이트는 금속과 비교하여 전기저항이 높기 때문에 와전류 손실이 적은 것이 특징이다.

가장 페라이트 코어를 사용해서 얻을 수 있는 이득은, 페라이트는 금속산화물을 주성분으로 하는 다결정체이기 때문에 전기저항이 높다는 특징이 있고, 고주파영역에서도 저손실 코어로서 사용할 수 있다는 것이다. 또한 고주파가 될수록 코어면적도 작아지가 때문에 더 이득이다.

일 예로 3,600RPM에 영구자석이 12개 설계된 발전기에서 나오는 주파수는 60Hz가 된다. 그러나 이것보다 더 빠른 속도로 회전을 한다 하여도 페라이트 코어를 사용할 경우 히스테리시스 손이나 와류손에 의한 손실을 최소화 할 수 있다.

그러므로, 쌍코어의 구조를 굳이 사용할 이유가 없고, 종래의 페라이트 코어의 다양한 형태로 사용해도 무방하다.

따라서 모터 및 발전기에서 열 발생을 최소화 하기 위한 제반 소재에 대한 발열 실험을 위하여 표 1과 같은 재료를 준비하였다.

모터에서 사용되는 재료

실험순번	소재구분	소재종류	주요용도
1	강자성체	철	로터재료 등
2		스테인리스	로터재료 등
3		적층규소강판	코어재료
4		페라이트	코어재료
5		베어링	베어링 재료
6		스테인리스 볼트 너트	체결부재
7		탄소강	프레임 재료 등
8	상자성체	아연주물	체결부재, 커버재료 등
9		알루미늄	커버(프레임)재료 등
10	반자성체	절연전선(구리)	코일재료
11		구리 볼트 너트	체결부재
12	비자성체	MC 나일론	프래임 및 커버재료 등
13		MC 나일론 볼트 너트	체결부재

이 재료들은 대부분 모터에서 사용되는 소재들로서 소재들이 자기장 내에서의 발열현상을 확인하기 위하여 도 3과 같은 실험도구를 제작하였다.

도 3은 회전자기장 형성을 통하여 재료의 발열현상을 확인하기 위하여 설계한 실험 도구의 전면 설계도이다. 중심축에 모터를 연결하여, 회전시키면서, 영구자석의 회전중에 일정한 높이에 재료를 고정하고, 해당 재료의 발열현상을 측정하기 위한 것이다.

도 4는 도 3의 설계에 의하여 만들어신 실험기구의 전면사진이다.

중심축에 모터의 로터를 연결하여 1,800 rpm ∼ 3,600 rpm으로 운행시키며 표 1의 실험재료들의 발열현상을 직접 확인하기 위하여 도 4와 같은 실험도구를 제작하였다.

자석은 매우 강한 자기장을 형성하기 위하여 네오디움계 자석(Nd-Fe-B)을 사용하였으며 N극과 S극이 교차되도록 설치하였다.

[실험예 1] 소재의 발열측정실험 1,800 rpm 1시간 측정실험.

실험기구를 1,800 rpm으로 1시간씩 회전하면서 각 실험재료들의 발열현상을 측정하였다.

소재별 강자기장 환경하에서의 발열시험 결과

소재종류	실험재료	실험결과(실험전 24℃)
철	시편	심한발열(38℃)
스테인리스	시편	심한발열(37℃)
적층규소강판	시편	심한발열(37℃)
페라이트	시편(삼화코아)	미약발열(24.5℃)
베어링	베어링(시중구입)	심한발열(34℃)
스테인리스 볼트 너트	시중구입	심한발열(37℃)
탄소강	시편	심한발열(36℃)
아연주물	시편	발열(33℃)
알루미늄	시편	심한발열(37℃)
절연전선(구리)	절연전선을 뭉쳐서 실험	미약발열(25℃)
구리 볼트 너트	동시편	미약발열(24.5℃)
MC 나일론	시편	무발열(24℃)
MC 나일론 볼트 너트	시편	무발열(24℃)

● 미약발열은 강자기장 내에서 발열현상이 있었지만, 발생되는 열이 전도 대류 복사되는 속도와 유사해서 초기 측정 온도대비 0.5도 이상 상승하지 않은 경우를 말한다.

이 실험을 통하여, 모터나 발전기의 구성에 있어서, 발열을 억제할 수 있는 기초 자료를 확보할 수 있었다.

특히 가열효과가 나타나지 않을 것으로 예상했던 상자성체가 가열효과가 나타난다는 것은 매우 중요한 사실로 인식되었다.

즉, 히스테리시스 손실에 어느 정도 영향을 미칠지 모르지만, 발열 현상에 있어서는 강자성체중 페라이트가 유일하게 열 발생이 극히 미약하였다.

원래 페라이트 코어는 투자력은 좋지만, 전도율이 좋지 않기 때문에 코어로 사용되어 왔는데 여기에서 와류손에 의한 발열현상이 억제된다면, 모터에 있어서 무발열에 가까운 기기의 개발이 가능하다.

이를 조금 더 확인하기 위하여 페라이트 코어와 적층규소강판에 절연전선을 권선하여 절연전선의 양 끝에 저항을 달고, 실험예 1의 실험기구를 이용하여 강자기장 환경하에서 발열시험을 실시하였다.

[실험예 2] 절연전선 권선후 발열시험 1,800 rpm

코어소재 코일권선후 발열시험 결과

소재종류	실험재료	실험결과(실험전 24℃)
적층규소강판(코일권선)	변압기용코어	심한발열(37℃)
페라이트코어(코일권선)	(막대형코아)	미약발열(25℃)

표 3은 코오소재에 코일을 권선한 후 발열시험시 측정된 결과 값이다.

적층규소강판에 코일 권선된 시편은 변압기용 코어를 사용하였으며, 페라이트 코어에 코일 권선된 시편은 삼화코어에 코일을 권선하여 시험하였다.

도 5는 막대형 페라이트 코어에 절연전선을 권선한 모습이다.

실험결과, 코어재료로 적층규소강판은 그 자체가 발열을 매우 심하게 하였으나, 페라이트 코어는 절연전선 권선후 저항을 설치하여도 열의 발생을 거의 느끼지 못할 정도였다.

따라서, 모터 및 발전기에 있어서 열 발생을 억제하기에는 페라이트 코어가 적당하다.

이 실험은 매우 중요하다.

모터의 효율을 위하여서는 절대적으로 가깝게 설계 배치될 수 밖에 없는, 자석(전자석, 영구자석)과 코어 및 코어에 권선된 코일과의 관계에서 발열현상이 억제되지 아니하면, 나머지 부품의 회피 설계가 불가능하기 때문이다.

[실시예 1] 코어 변경 발열 시험

브러시리스 모터의 모터부를 구성함에 있어서, 모든 소재는 그대로 두고, 코어만 페라이트 코어로 변경하여 실험을 한 결과 종래의 브러시리스 모터에서 나오는 열 발생을 전혀 억제할 수 없었다. 이것은 모터의 주변 부품들이 영구자석에서 나오는 강자기장의 영향권내에 존재하고 있어 와류자기장에 의한 와류손을 포함한 철손때문에 발열 현상을 일으킨 것으로 판단되었다.

즉, 무발열 모터를 개발함에 있어서 코어만 변경해서는 불가능하다.

따라서, 코어 이외에 마찰로 인한 발열 및 자기장에 의한 발열을 일으킬만한 구조를 모두 개선하여야 한다.

[회피설계]

즉, 무발열 모터를 개발함에 있어서 코어의 변경만으로는 열 발생을 억제할 수 없다.

따라서, 코어 이외에 마찰로 인한 발열 및 자기장에 의한 발열을 일으킬만한 구조와 재질 모두 개선하여야 한다.

이 개선이 가해지는 힘(마찰, 자기장)이 작용하지 않도록 하는 회피설계이다.

(1) 브러시 : 브러시는 앞서 밝힌 바와 같이 사용하지 않아야 마찰열을 제거할 수 있다.

(2) 베어링 : 베어링은 발열과 관련하여 두가지 문제점이 있다. 바로 마찰에 의한 마찰열과 자석의 강자기장의 영향에 의한 와류손실로 인한 발열이다.

따라서 재료가 스테인리스등 금속 재질이기 때문에 영구자석에서 최대한 멀리 설치하여야 한다. 영구자석과 가까우면 자기장의 영향으로 마찰열과 자기장에 의한 발열현상이 같이 나타난다.

영구자석과의 거리가 약 7 ∼ 10 센티미터 정도 이격되었을 경우 자석이 네오디뮴계 자석이라 하더라도 베어링의 발열현상을 확인하기 어려웠다.

또한, 브라켓이라 불리우는 모터의 전면커버와 후면커버의 바깥쪽에 설치하면, 발생되는 열이 모터의 내부로 들어오지 않게 되어 모터 내부에 열이 쌓이는 것을 방지할 수 있었다.

마지막으로 자기 베어링을 사용하여 마찰을 최소화 하여 마찰에 의한 열 발생의 원인을 제거 할 수 있다.

따라서, 베어링은 소결베어링, 볼 베어링, 자기베어링중 선택되는 어느 하나를 브라켓의 외측에 설치하여 열 발생을 최소화 할 수 있다.

(3) 영구자석을 제외한 내부부품 (로터, 영구자석체결부재, 영구자석 전면고정판, 영구자석 후면고정판, 체결부재(볼트, 너트)): 브러시리스 모터는 절연전선이 권선된 코어의 바깥쪽 면을 영구자석이 회전하도록 설계되는 경우도 있고, 코어의 안쪽에서 영구자석이 회전하도록 설계되는 경우도 있다.

도 6은 절연전선이 감겨있는 코어 안쪽으로 자석이 회전하는 브러시 모터의 조감도이다. 스테이터(코어와 코일)가 바깥쪽에 설치되어있다.

이 구조는 AC 모터, 스테핑 모터와 같은 구조이다.

영구자석을 체결한 로터가 스테이터 안쪽을 회전하는 구조이다.

중심축인 샤프트와 영구자석을 포함하는 로터 사이의 체결부재는 폴리케톤, MC나일론, 폴리아세탈, 탄소섬유 강화 플라스틱 등 비자성체인 엔지니어링 플라스틱이나 반자성체인 구리 등을 사용 하여야 한다.

또 영구자석을 고정하기 위하여 영구자석 고정용 전면고정판과 후면고정판을 설치할 경우에도 폴리케톤, MC나일론, 폴리아세탈, 탄소섬유 강화 플라스틱 등 비자성체인 엔지니어링 플라스틱이나 반자성체인 구리 등을 사용하여야 한다.

도 7은 코어 바깥쪽으로 영구자석이 회전하는 브러시리스 모터이다.

이 구조는 코일이 감긴 코어가 안쪽에 감겨있다. 대신 영구자석을 체결한 체결부재가 스테이터 바깥쪽을 회전하는 구조이다.

도 8은 코어 바깥쪽으로 회전하는 대표적인 브러시리스 전동기(세탁기용 BLDC 모터의 코일과 코어를 포함하는 고정자) 이다.

코어는 적층 규소강판이고 코어를 고정한 고정자는 비자성체를 사용하였다.

따라서 코어를 페라이트로 변경하면, 열 발생을 최대한 억제할 수 있다.

도 9은 코어 바깥쪽으로 회전하는 대표적인 브러시리스 전동기(세탁기용 BLDC 모터의 영구자석과 영구자석 체결부재.) 이다. 소재는 철소재로 영구자석이 외주면에 N극과 S극이 서로 교차되도록 부착되어 있다.

이 세탁기모터를 회전시켜 본 결과, 영구자석이 부착된 철 소재의 채결부재가 60분 만에 24℃ 에서 33℃로 승온하였으며, 사람 손으로 만졌을 때, 따듯하게 느껴질 정도였다.

이 현상은 1,800RPM으로 고속회전을 하던 중에도 열이 분산 대류, 복사하는 것 보다 발생하는 양이 많았다는 것을 뜻한다.

도 2의 실험기자재를 같은 방식으로 회전시켜 발열여부를 확인한 결과, 열이 거의 발생하지 아니하였다.

따라서, 영구자석의 체결부재는 영구자석을 고정하는 역할뿐만 아니라, 영구자석에서 나오는 자기장을 흡수하거나, 자기장에 크게 반응하는 물질을 사용하면 안된다.

그러므로 영구자석 체결부재는 폴리케톤, MC나일론, 폴리아세탈, 탄소섬유 강화 플라스틱 등 비자성체인 엔지니어링 플라스틱이나 반자성체인 구리 등을 사용 하여야 한다.

(4) 샤프트 (SHAFT) : 샤프트는 양 끝에 베어링이 연결되어 있어, 스스로 마찰을 일으키지는 않는다.

그러나, 앞서 살펴본 바와 같이, 일반적인 철 합금인 스테인리스 등으로 이루어진 샤프트를 사용할 경우 영구자석과 샤프트 사이의 거리를 영구자석의 자기장이 미치지 않을 만큼 많이 이격하여야 자기장에 의한 발열을 막을 수 있다.

즉, 자기장이 미치지 않도록 거리를 두어 회피설계를 하는 방법으로 무발열 모터를 만들 수는 있다.

이 경우, 무발열 모터를 만들 수는 있으나, 모터의 경박단소화를 해치게 된다.

그렇지 않아도 샤프트에 연결된 베어링이 영구자석과 일정거리를 두고 이격되어 설치됨으로서 직경이 커질 수 밖에 없는 상태에서 영구자석과 샤프트의 거리만큼 부피도 커져야 하는 부담을 안게 되는 것이다.

따라서 샤프트를 폴리케톤, 폴리아세탈, MC나일론, 탄소섬유강화플라스틱등 비자성체인 엔지니어링 플라스틱이나 반자성체인 구리로 구성하면 경박단소화를 유지할 수 있다.

(5) 전면커버, 후면커버, 마감커버, 모터 프레임. : 모터의 외장을 이루는 전면커버, 후면커버, 마감커버 및 모터 프레임은 대부분 철 또는 철 합금으로 제조되었다.

최근에는 열전도율이 좋은 알루미늄을 사용하기도 한다.

그러나, 이러한 철이나 철, 합금 및 알루미늄등을 그대로 사용하면서 무발열 브러쉬 리스 모터를 제작하려면, 외장제도 자석 자기장의 범위가 미치지 않을 만큼 거리를 두는 회피 설계를 하여야 한다.

이렇게 자석의 자기장의 영향이 미치지 않을 만큼 거리를 두는 방법으로 회피설계를 하는 방법으로 무발열 모터를 만들 수는 있다.

이 경우, 무발열 모터를 만들 수는 있으나, 모터의 경박단소화를 해치게 된다.

특히 샤프트를 철 또는 철 합금으로 사용하게 되는 경우는 더더욱 모터의 크기가 대형화된다.

따라서, 모터의 외장을 이루는 전면커버, 후면커버, 마감커버와 모터 프레임은 폴리케톤, 폴리아세탈, MC나일론, 탄소섬유강화플라스틱등 비자성체인 엔지니어링 플라스틱으로 구성하거나, 반자성체인 구리로 구성하면 경박단소화를 유지할 수 있다.

[실시예 2] 무발열 브러시리스 모터의 제조

코일이 권선된 페라이트 코어 1개를 엔지니어링 플라스틱에 고정하고, 같은 엔지니어링 플라스틱에 고정된 영구자석 회전자를 고속으로 회전시키면서, 코어 및 절연전선의 발열상태를 확인한 바, 발열량이 측정되지 아니하였다.

절연전선의 양 끝을 연결하여 50오옴의 저항을 설치하고 2시간 이상 가동하여도 코일이 권선된 페라이트 코어는 발열을 느낄 수 없었다.

따라서, 코일이 권선된 코어는 페라이트 코어가 적당하고, 이 코어를 고정시킨 고정자는 비자성체 또는 반자성체인 것이 적당하다. 예를 들면, MC나일론, 폴리케톤, 폴리아세탈, 탄소섬유 강화 플라스틱등 엔지니어링 플라스틱이거나, 구리(Cu)같은 것이다.

또한, 영구자석이 고정자의 안쪽을 회전하도록 설계된 경우 영구자석은 고정자의 코어와 가까울수록 효율이 좋으나, 영구자석의 자기장이 영구자석을 회전시키는 회전축(SHAFT)과 베어링에 영향을 주지 않을 만큼 이격되어야 한다.

철 또는 스테인리스 등 철합금으로 이루어진 회전축과 회전축에 고정되는 영구자석과의 거리는 영구자석에서 나오는 자기장의 세기만큼 이격되어야 하며, 이격되지 아니할 경우, 회전축에서 발열이 시작된다.

이때 철 또는 철합금으로 이루어진 회전축과 영구자석간의 이격을 위한 체결부재는 반자성체 또는 비자성체를 사용하는 것이 바람직하다. 예를 들면 구리나 MC나일론, 폴리케톤, 폴리아세탈, 탄소섬유 강화플라스틱 등이다.

도 10은 본 발명에 의하여 제조된 무발열 모터의 일측면 코어의 배치도이다. 세탁기 모터는 코일을 권선한 코어의 측면이 모서리를 향하고 있어서, 영구자석도 모서리에서 코어와 반응하도록 설계하였으나, 본 발명은 코어의 배치를 고정자(스테이터)의 측벽부에 평면으로 배치함으로서 조금 더 단순화시켰다.

고정자(스테이터)는 MC나일론으로 제작하였으며, 코어는 페라이트 코어를 사용하였다. 코어는 단차를 두어 흔들리지 않도록 고정하였다.

베어링은 볼베어링으로 좌우측에 1개씩 설치하였다.

고정자(스테이터)의 네 모퉁이에는 채결부재로 좌우 양쪽을 채결할 수 있도록 설계하였다.

도 11은 제조된 무발열 모터의 영구자석 회전자이다. 영구자석을 고정시킨 고정판은 MC나일론을 사용하였다.

샤프트는 일반 철강소재를 가공하여 사용하는 대신, 영구자석에서 약 10cm 이격 되도록 설계하였다. (모터의 중심축에서 영구자석까지의 거리는 약 10cm이다.)

이렇게 설계한 모터를 24시간 일반 환경하에서 회전시키면서 모터의 발열상태를 확인하였다.

무발열 브러시리스 모터 시험결과표

구 분	시작온도(℃)	24시간 경과후 온도(℃)
코 어	25	25
스테이터	25	25
영구자석	25	25

분명 코일을 구성하는 절연전선에서는 미약하나마 열이 발생하였을 것이다.

그것이 렌츠의 법칙이기 때문이다.

그러나, 발생되는 미약한 열이 축척되지 못하고, 전도, 대류, 복사의 형태로 소멸되는 양이 더 많기 때문에 24시간 지속적으로 실험을 하여도 온도가 상승하는 것을 확인할 수 없었다.

이상의 모든 실험을 종합한 결과, 절연전선을 권선한 코일에서 나오는 렌츠의 법칙에 의한 발열현상은 코일만 권선하였을 경우 무시할 만큼 작다.

따라서, 마찰과 관계된 베어링을 제외하면, 무발열 모터를 제조하는 방법은 약 3가지가 있다.

첫째 코일이 권선된 페라이트 코어와 영구자석을 제외한 금속성 부품(샤프트, 전면커버, 후면커버, 마감커버, 모터프레임, 영구자석체결부재, 영구자석 전면고정판, 영구자석후면고정판, 체결부재(볼트, 너트))을 모터 내부에서 발생하는 자기장의 영향이 미치는 범위 밖에 설치하고, 코일이 권선된 페라이트 코어를 고정할 스테이터(고정자)만 비자성체 또는 반자성체로 제조하는 방법이다. (이 방법은 모터의 경박단소화를 헤치지만 무발열은 가능하다.)

둘째 코일이 권선된 페라이트 코어와 영구자석을 제외한 금속성 부품(샤프트, 전면커버, 후면커버, 마감커버, 모터프레임, 영구자석체결부재, 영구자석 전면고정판, 영구자석후면고정판, 체결부재(볼트, 너트))및 코일이 권선된 코어를 고정할 스테이터를 자기장의 영향을 받지 않는 비자성체 또는 자기장의 영향에 반하는 반자성체로 대체하는 방법이다.

셋째는 상기 2가지 방법을 필요에 따라 혼용하는 방법이다. 예를 들면, 실시예 2처럼 샤프트 같이 큰 힘을 발휘해야 하는 부품은 금속성 부품으로 제작하여 자기장의 영향이 미치는 범위만큼 거리를 두어 설치하고, 나머지 부품들은 비자성체 또는 반자성체를 사용하는 방식인 것이다.

이때 페라이트 코어는 소결체로 낙분이 발생하는 것을 방지하기 위하여, 함침 바니시 등으로 함침처리하여 미세한 막을 형성하여, 낙분현상이나 진동에 의한 훼손을 방지하는 것이 바람직하다.

이렇게 개발된 모터는, 냉장고, 김치냉장고, 와인냉장고, 세탁기, 진공청소기, 로봇 청소기, 헤어드라이기, 에어컨, 난방기, 환풍기 및 컴퓨터, 프린터를 포함한 가전제품에 사용될 수 있다.

또한, 차량, 전기차량, 전기를 포함하는 하이브리드 차량, 전동 스쿠터, 전기 오토바이, 전기 자전거등에 사용될 수 있으며, 항공기, 선박, 무인항공기, 로봇 및 각종 유무선 장난감의 동력원으로 사용될 수 있다.

상기와 같은 내용의 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있다.

따라서 본 발명의 범위는 기술한 실험예 및 실시예들에 한정하는 것이 아닌 것으로 이해하여야 하며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

10: 전면커버 (front frame)
20: 모터프레임 (motor frame)
30: 고정자 (stator)
40: 베어링 (bearing)
50: 전면고정판 (magnetic fixing plate front ; 체결부재)
60: 영구자석 (permanent magnet)
70: 회전자 (rotor)
80: 후면고정판 (magnetic rear fixing plate ; 체결부재)
90: 회전축 (shaft)
100: 베어링 (bearing)
110: 후면커버 (rear frame)
120: 홀센서 (hall sensor)
130: 자석 (permanent magnet)
140: 마감커버 (end frame)

Claims (19)

1. 무발열 브러시리스 모터의 제조방법에 있어서,
   1) 절연전선을 권선한 페라이트 코어를 제조하는 단계;
   2) 상기 페라이트 코어를 전면커버 및 후면커버가 결합되어 밀폐된 상태인 모터 프레임 내측에 체결부재를 이용해 체결하여 고정자를 구성하는 단계;
   3) 영구자석으로부터 발생하는 자기장의 범위를 벗어난 위치에 설치되는 영구자석을 포함한 로터를 체결부재를 이용해 샤프트에 설치하는 단계;
   4) 상기 샤프트를 모터 프레임 중앙을 관통하도록 설치하되, 전면커버 및 후면커버를 관통하여 샤프트의 양 단이 외측으로 돌출되도록 설치하는 단계;
   5) 상기 전면커버와 후면커버의 중앙 외측으로 돌출된 샤프트의 양 끝단에 베어링을 설치하는 단계;로 이루어진 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 2) ∼ 3)단계에서의 체결부재는 비자성체 또는 반자성체 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
3. 제 1항에 있어서, 상기 2) ∼ 3)단계에서의 전면커버, 모터 프레임, 후면커버는 전면커버, 모터 프레임, 후면커버와 영구자석 간의 공간을 축소하여 경박단소화시키기 위해 비자성체 또는 반자성체 중 선택된 어느 하나의 재질로 형성하는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 3)단계에서의 샤프트는 샤프트와 영구자석 간의 거리를 축소시켜 경박단소화시키기 위해 비자성체 또는 반자성체 중 선택된 어느 하나의 재질로 형성하는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
5. 제 1항에 있어서, 상기 4)단계에서의 전면커버, 모터 프레임, 후면커버는 로터에 고정된 영구자석으로부터 발생하는 자기장의 범위를 벗어난 위치에 배치되어 있는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 5)단계에서의 베어링은 소결 베어링, 볼 베어링, 자기 베어링 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
7. 제 2항 내지 제 4항에 있어서, 상기 체결부재, 전면커버, 모터 프레임, 후면커버, 샤프트를 비자성체로 형성할 경우 비자성체는 엔지니어링 플라스틱인 것에 특징이 있는 무발열 브러리스 모터의 제조방법.
   
8. 제 7항에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리케톤, 폴리 아세탈, MC나일론, 탄소섬유 강화 플라스틱 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
9. 제 2항 내지 제 4항에 있어서, 상기 체결부재, 전면커버, 모터 프레임, 후면커버, 샤프트를 반자성체로 구성할 경우 반자성체는 구리인 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
   
10. 무발열 브러시리스 모터의 제조방법에 있어서,
    1) 절연전선을 권선한 페라이트 코어를 제조하는 단계;
    2) 상기 페라이트 코어를 비자성체 또는 반자성체 중 선택되는 재질로 제작된 체결부재를 사용하여 고정자를 구성하는 단계;
    3) 상기 고정자의 중심에 베어링을 설치하는 단계;
    4) 영구자석으로부터 발생하는 자기장의 범위를 벗어난 위치에 설치되는 영구자석을 포함한 로터를 비자성체 또는 반자성체 중 선택된 어느 하나의 재질로 이루어진 체결부재를 이용해 샤프트에 설치하는 단계;
    5) 상기 고정자의 페라이트 코어와 영구자석이 가깝게 배치되도록 베어링의 중심에 샤프트를 설치하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 무발열 부러시 리스 모터의 제조 방법.
    
11. 제 10항에 있어서, 상기 2), 3)단계에서 체결부재를 반자성체로 형성할 경우 반자성체는 구리인 것에 특징이 있는 무발열 브러리스 모터의 제조방법.
    
12. 제 10항에 있어서, 상기 2), 3)단계에서 체결부재를 비자성체로 형성할 경우 비자성체는 엔지니어링 플라스틱인 것에 특징이 있는 무발열 브러리스 모터의 제조방법.
    
13. 제 12항에 있어서, 상기 엔지니어링 플라스틱은 폴리케톤, 폴리 아세탈, MC나일론, 탄소섬유 강화 플라스틱 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
    
14. 제 10항에 있어서, 상기 3)단계에서의 베어링은 소결 베어링, 볼 베어링, 자기 베어링 중 선택된 어느 하나로 이루어지는 것에 특징이 있는 무발열 브러시리스 모터의 제조방법.
    
15. 제 1항 내지 제 14항의 방법으로 제조된 무발열 브러시리스 모터.
    
16. 제 1항 내지 제 14항의 방법으로 만들어진 무발열 브러시리스 모터를 포함하는 냉장고, 김치냉장고, 와인냉장고, 세탁기, 진공청고시, 로봇 청소기, 헤어 드라이기, 에어컨, 난방기, 환풍기, 컴퓨터를 포함하는 가전제품.
    
17. 제 1항 내지 제 14항의 방법으로 방법으로 만들어진 무발열 브러시리스 모터를 포함하는 차량, 전기차량, 전기를 포함하는 하이브리드 차량, 전동 스쿠터, 전기 오토바이, 전기 자전거
    
18. 제 1항 내지 제 14항의 방법으로 만들어진 무발열 브러시리스 모터를 포함하는 항공기, 선박, 무인항공기, 로봇.
    
19. 제 1항 내지 제 14항의 방법으로 만들어진 무발열 브러시리스 모터를 포함하는 유무선 장난감.
    

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