KR20200033538A

KR20200033538A - 2단 동선 및 이를 채용한 전동기

Info

Publication number: KR20200033538A
Application number: KR1020180112929A
Authority: KR
Inventors: 조형근
Original assignee: 주식회사 코렌스글로벌
Priority date: 2018-09-20
Filing date: 2018-09-20
Publication date: 2020-03-30

Abstract

본 발명은 2단 동선 및 이를 채용한 전동기에 관한 것으로, 점적률을 높일 수 있는 평각 동선과 엔드-코일의 성형이 용이한 원형 동선을 혼용한 2단 동선을 채용함으로써 전동기의 점적률 향상을 통한 성능 향상 및 용이한 엔드-코일을 성형에 의한 절연 피복 파손 방지에 따른 안정성 향상 및 전장 길이 최소화를 도모할 수 있도록 한 것이다.

Description

2단 동선 및 이를 채용한 전동기{Dual type copper wire and motor with dual type copper wire}

본 발명은 전동기에 관련한 것으로, 특히 2단 동선 및 이를 채용한 전동기에 관한 것이다.

전동기(Motor)는 전류를 흘려주기 위한 코일(coil) 권선 공정의 용이성과 정형화된 권선 장비의 지속적인 장비 활용성을 이유로 원형 동선의 사용이 보편화 되어있다.

그러나, 원형 동선의 경우 고정자의 슬롯(slot) 면적 대비 구리(코일) 면적 비율인 점적률(slot fill factor)이 45~50% 정도가 한계 수준이며, 이것은 전동기 총 체적에서 빈 공간(dead space)이 차지하는 면적을 키워 토크 밀도를 떨어뜨리고 전동기 사이즈를 키우는 요인이 되고 있다.

최근 들어 원형 동선을 대신해서 평각 동선(Flat wire)을 사용하여 전동기의 성능을 최대화하는 연구가 활발히 이루어지고 있다. 특히, 자동차와 같이 무게와 배터리 전압이 제한적인 곳에 사용되는 전동기의 출력밀도와 전류확보를 위해서는 평각 동선의 활용성이 매우 높다.

도 1 은 동선 형태에 따른 점적률 변화를 예시한 도면으로 (a)는 원형 동선, (b)는 평각 동선이다. 도 1 에 도시한 바와 같이, 원형 동선을 사용하는 경우에 비해 평각 동선을 사용할 경우 점적률을 높일 수 있어, 빈 공간을 줄여 전동기 사이즈를 감소시키고 동손을 줄일 수 있다.

전동기 성능에 영향을 미치는 점적률은 평각 동선 사용시 매우 큰 개선 효과가 있으나, 전체 전장의 길이에 영향을 미치는 엔드-코일(end-coil)은 평각 동선 사용시, 성형이 가능한 휨-각도(bending angle)가 제한됨에 따라 최종 포밍(forming) 난이도가 매우 크게 증가한다.

이는 원형 동선을 적용할 때 일반적으로 사용되는 외력으로 엔드-코일을 눌러서 다지는 방식의 성형을 평각 동선 사용시에는 수행할 수 없기 때문이며, 절연 및 피복의 파손 위험도 매우 크기 때문이다. 도 2 는 휨-각도가 한계를 벗어날 경우 코일 절연 피복이 파손되는 것을 도시한 도면이다.

또한, 평각 동선을 사용할 경우 원형 동선을 사용하는 경우에 비해 결선(winding connection) 및 포밍(forming)을 위한 엔드-코일(end-coil)부의 높이 증대를 수반하게 된다. 따라서, 평각 동선을 활용한 고성능의 전동기 개발을 위해서는 최적의 엔드-코일 형상 설계가 매우 중요하다.

대한민국 공개특허 제10-2016-0044784호(2016.04.26)에서 상호 이웃하는 한 쌍의 권취폴 중 일측의 권취폴에는 권취폴의 자유단부로부터 코일의 권취가 시작되고, 타측의 권취폴에는 코어에 인접한 영역으로부터 코일의 권취가 시작됨으로써 모터의 점적률이 개선되어 모터의 성능을 향상시킬 수 있는 기술을 제안하고 있다.

대한민국 공개특허 제10-2016-0044784호(2016.04.26)

본 발명은 점적률을 높일 수 있는 평각 동선과 엔드-코일의 성형이 용이한 원형 동선을 혼용한 2단 동선 및 이를 채용한 전동기를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 2단 동선이 고정자 슬롯에 수납되는 부분에서 점적률을 향상시키기 위해 단면이 평각 모양을 가지도록 성형되는 평각 동선과; 결선(winding connection) 및 포밍(forming)을 위한 엔드-코일(end-coil) 부분에서 용이한 성형 및 절연 피복 파손(crack) 방지를 위해 단면이 원 모양을 가지도록 성형되는 원형 동선을 포함한다.

본 발명의 또 다른 양상에 따르면, 2단 동선을 채용한 전동기가 내연에 다수의 치(tooth)와 슬롯(slot)을 구비하는 고정자와; 고정자 중앙에 설치되어 회전하는 회전자를 포함하되, 고정자 슬롯에 수납되는 부분에서는 점적률을 향상시키기 위해 단면이 평각 모양을 가지는 평각 동선으로 권선되고, 결선(winding connection) 및 포밍(forming)을 위한 엔드-코일(end-coil) 부분에서 용이한 성형 및 절연 피복 파손(crack) 방지를 위해 단면이 원 모양을 가지는 원형 동선으로 권선된다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 평각 동선은 4개의 모서리 부분이 라운드(round) 된다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 2단 동선이 엔드-코일(end-coil) 부분 길이의 원형 동선과 슬롯 높이 길이의 평각 동선이 계속 반복되는 형태일 수 있다.

본 발명은 점적률을 높일 수 있는 평각 동선과 엔드-코일의 성형이 용이한 원형 동선을 혼용한 2단 동선을 채용함으로써 전동기의 점적률 향상을 통한 성능 향상 및 용이한 엔드-코일을 성형에 의한 절연 피복 파손 방지에 따른 안정성 향상 및 전장 길이 최소화를 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 동선 형태에 따른 점적률 변화를 예시한 도면이다.
도 2 는 휨-각도가 한계를 벗어날 경우 코일 절연 피복이 파손되는 것을 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 2단 동선의 일 실시예를 도시한 사시도이다.
도 4 는 본 발명에 따른 2단 동선을 채용한 전동기의 고정자 일부를 도시한 사시도이다.
도 5 는 BSG(Belt driven Synchronous Generator)에 적용된 영구자석 동기 모터(PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor)에 적용된 2단 동선 구조를 예시한 도면이다.
도 6 은 원형 동선이 적용된 엔드-코일 부분을 예시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다. 특정 실시예들이 도면에 예시되고 관련된 상세한 설명이 기재되어 있으나, 이는 본 발명의 다양한 실시예들을 특정한 형태로 한정하려는 것은 아니다.

본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명 실시예들의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해될 수 있어야 할 것이다.

도 3 은 본 발명에 따른 2단 동선의 일 실시예를 도시한 사시도이다. 도 3 에 도시한 바와 같이, 이 실시예에 따른 2단 동선(100)은 평각 동선(110)과, 원형 동선(120)을 포함한다.

평각 동선(110)은 고정자 슬롯에 수납되는 부분에서 점적률을 향상시키기 위해 단면이 평각 모양을 가지도록 성형된다. 이 때, 평각 동선의 4개의 모서리 부분이 라운드(round) 되도록 구현될 수 있다.

원형 동선(120)은 결선(winding connection) 및 포밍(forming)을 위한 엔드-코일(end-coil) 부분에서 용이한 성형 및 절연 피복 파손(crack) 방지를 위해 단면이 원 모양을 가지도록 성형된다.

예컨대, 전체를 원형 동선으로 성형한 다음, 엔드-코일(end-coil) 부분 길이 만큼마다 원형 동선을 이동시키면서 슬롯 높이 길이만큼 프레스기(도면 도시 생략) 등을 사용해 외력으로 원형 동선을 눌러 다져서 평각 동선을 성형한다.

이러한 과정을 반복하여 엔드-코일(end-coil) 부분 길이의 원형 동선과 슬롯 높이 길이의 평각 동선이 계속 반복되는 형태인 2단 동선을 성형하고, 평각 동선의 4개의 모서리 부분을 롤링기(도면 도시 생략) 등을 통해 롤링(rolling)하여 라운드(round) 시키고, 2단 동선 전체에 에나멜 절연 피복을 도포함으로써 점적률을 높일 수 있는 평각 동선과 엔드-코일의 성형이 용이한 원형 동선을 혼용한 2단 동선을 제조할 수 있다.

도 4 는 본 발명에 따른 2단 동선을 채용한 전동기의 고정자 일부를 도시한 사시도이다. 본 발명에 따른 2단 동선을 채용한 전동기(200)는 내연에 다수의 치(tooth)(211)와 슬롯(slot)(212)을 구비하는 고정자(210)와, 고정자 중앙에 설치되어 회전하는 회전자(도면 도시 생략)를 포함한다.

고정자(210)의 치(211)에는 도 3 에 도시한 바와 같은 2단 동선(100)이 권선되는데, 이 2단 동선(100)은 고정자(210) 슬롯(212)에 수납되는 부분에서는 점적률을 향상시키기 위해 단면이 평각 모양을 가지는 평각 동선(110)이 권선되고, 결선(winding connection) 및 포밍(forming)을 위한 엔드-코일(end-coil) 부분에서는 용이한 성형 및 절연 피복 파손(crack) 방지를 위해 단면이 원 모양을 가지는 원형 동선(120)이 권선된다.

이 때, 평각 동선(110)의 4개의 모서리 부분이 라운드(round) 되도록 구현될 수 있다. 한편, 2단 동선(100)은 엔드-코일(end-coil) 부분 길이의 원형 동선과 슬롯 높이 길이의 평각 동선이 계속 반복되는 형태로 구현될 수 있다.

이에 따라, 2단 동선(100)은 엔드-코일(end-coil) 부분 길이의 원형 동선(120)이 엔드-코일(end-coil) 부분에 권선되고, 슬롯 높이 길이 평각 동선(110)이 슬롯에 권선되는 형태로 권선될 수 있다.

도 5 는 BSG(Belt driven Synchronous Generator)에 적용된 영구자석 동기 모터(PMSM : Permanent Magnet Synchronous Motor)에 적용된 2단 동선 구조를 예시한 도면이다. 도 5 에 도시한 바와 같이, 고정자 윗면의 엔드-코일을 부분은 원형 동선이 헤어핀(hair-pin) 형상으로 권선되고, 고정자의 슬롯과 아랫면은 평각 코일이 권선되어 있음을 볼 수 있다.

본 발명에 따른 2단 동선을 채용한 전동기는 사각 형상으로 고정자 슬롯을 설계하고, 고정자 슬롯에 평각 동선을 전류밀도가 허용하는 최소 개수로 채움으로써 슬롯 내부에서의 구리의 면적이 최대가 되도록 하였다. 이에 따라, 점적률은 원형 동선 사용시의 45%에서 65%로 매우 크게 증가하였으며, 출력 또한 120% 이상 상승하였다.

한편, 슬롯 내부에서는 평각 동선이 유리한 반면, 엔드-코일에서는 원형 동선이 성형에 유리하다. 이유는 사각형태의 굽힘은 인장에 아주 불리하고 각 모서리가 라운드(round) 되어 있다 하더라도 라운드에서 절연피복이 얇게 형성되어 있기 때문에 이 또한 파손될 우려가 있기 때문이다. 그러므로, 사각 형상에서 휨-각도는 매우 큰 제약 사항이 되기 때문에 엔드-코일 부분의 높이가 상대적으로 높게 된다.

도 6 은 원형 동선이 적용된 엔드-코일 부분을 예시한 도면이다. 본 발명에 따른 2단 동선을 채용한 전동기는 도 6 에 도시한 바와 같이 엔드-코일 부분은 원형 동선을 권선함으로써 원형 동선간 빈 공간이 성형을 위한 여유 공간으로 작용됨에 따라 외력을 통하여 성형이 용이하며, 전체 전장의 길이도 다소 낮출 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 점적률을 높일 수 있는 평각 동선과 엔드-코일의 성형이 용이한 원형 동선을 혼용한 2단 동선을 채용함으로써 전동기의 점적률 향상을 통한 성능 향상 및 용이한 엔드-코일을 성형에 의한 절연 피복 파손 방지에 따른 안정성 향상 및 전장 길이 최소화를 도모할 수 있으므로, 상기에서 제시한 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 명세서 및 도면에 개시된 다양한 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다.

따라서, 본 발명의 다양한 실시예들의 범위는 여기에서 설명된 실시예들 이외에도 본 발명의 다양한 실시예들의 기술적 사상을 바탕으로 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 다양한 실시예들의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

본 발명은 전동기 관련 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.

100 : 2단 동선
110 : 평각 동선
120 : 원형 동선
200 : 전동기
210 : 고정자
211 : 치
212 : 슬롯

Claims

고정자 슬롯에 수납되는 부분에서 점적률을 향상시키기 위해 단면이 평각 모양을 가지도록 성형되는 평각 동선과;
결선(winding connection) 및 포밍(forming)을 위한 엔드-코일(end-coil) 부분에서 용이한 성형 및 절연 피복 파손(crack) 방지를 위해 단면이 원 모양을 가지도록 성형되는 원형 동선을;
포함하는 2단 동선.
제 1 항에 있어서,
평각 동선은:
4개의 모서리 부분이 라운드(round) 되는 2단 동선.
내연에 다수의 치(tooth)와 슬롯(slot)을 구비하는 고정자와;
고정자 중앙에 설치되어 회전하는 회전자를;
포함하는 전동기에 있어서,
고정자 슬롯에 수납되는 부분에서는 점적률을 향상시키기 위해 단면이 평각 모양을 가지는 평각 동선으로 권선되고, 결선(winding connection) 및 포밍(forming)을 위한 엔드-코일(end-coil) 부분에서는 용이한 성형 및 절연 피복 파손(crack) 방지를 위해 단면이 원 모양을 가지는 원형 동선으로 권선되는 2단 동선을 포함하는 2단 동선을 채용한 전동기.
제 3 항에 있어서,
평각 동선은:
4개의 모서리 부분이 라운드(round) 되는 2단 동선을 채용한 전동기.
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
2단 동선이:
엔드-코일(end-coil) 부분 길이의 원형 동선과 슬롯 높이 길이의 평각 동선이 계속 반복되는 형태인 2단 동선을 채용한 전동기.