KR20200042972A - 평각형 코일 및 이를 포함하는 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 평각형 코일은, 전동기에 구비되는 코어의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어를 포함하는 단위코일을 포함하고, 상기 단위코일의 각 레이어는, 서로 인접한 코어의 치 사이 슬롯에 삽입되는 한 쌍의 슬롯삽입영역 및 상기 슬롯삽입영역으로부터 기 설정된 각도를 이루도록 연결되며, 상기 슬롯 외측에 구비되는 한 쌍의 노출영역을 포함하며, 상기 노출영역 중 적어도 어느 하나는 복수의 레이어에 걸쳐 형상이 연속적으로 변화한다.

Description

평각형 코일 및 이를 포함하는 전동기{MSO Coil and Motor Having the Same}

본 발명은 전동기에 적용 가능한 평각형 코일 및 이를 포함하는 전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고유의 3차원 형상에 의해 슬롯 내 점적률을 극대화시킬 수 있는 평각형 코일 및 이를 포함하는 전동기에 관한 것이다.

전동기의 효율 증대를 위한 연구가 활발하게 진행되고 있는 최근에는 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 점적률(占積率, Coil Space Factor 또는 Conductor Occupying Ratio)을 향상시키기 위한 다양한 방법들이 연구되고 있다.

이러한 코일의 점적률을 향상시키기 일반적인 방법으로는, 스테이터 또는 로터에 감기는 코일의 직경을 증가시키거나 감는 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 점적률이 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 있다.

이와 같은 종래의 전기 모터는 낮은 점적률로 인해 효율 및 출력밀도를 일정 수준 이상 끌어올릴 수 없는 한계가 존재한다는 문제가 있다.

따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 종래 원형코일 대비 높은 점적률을 가질 수 있도록 형성되며, 전동기에 간단하게 조립이 가능하도록 할 수 있는 평각형 코일을 제공하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 평각형 코일은, 전동기에 구비되는 코어의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어를 포함하는 단위코일을 포함하고, 상기 단위코일의 각 레이어는, 서로 인접한 코어의 치 사이 슬롯에 삽입되는 한 쌍의 슬롯삽입영역 및 상기 슬롯삽입영역으로부터 기 설정된 각도를 이루도록 연결되며, 상기 슬롯 외측에 구비되는 한 쌍의 노출영역을 포함하며, 상기 노출영역 중 적어도 어느 하나는 복수의 레이어에 걸쳐 형상이 연속적으로 변화한다.

그리고 상기 노출영역은, 외측 노출면이 코어의 치 측면과 비평행하게 형성된 폭 가변부를 포함할 수 있다.

또한 상기 단위코일은, 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 외측 노출면과 상기 코어의 치 측면이 이루는 각도가 점차 감소하도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 폭 가변부의 임의 지점에서의 폭은, Sin a+b(a: 해당 레이어의 외측 노출면이 코어의 치 측면과 이루는 각도, b: 해당 레이어에서 폭 가변부의 최소 폭)에 의해 결정될 수 있다.

또한 상기 단위코일은, 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 폭 가변부의 폭이 점차 증가하도록 형성될 수 있다.

그리고 상기 단위코일의 각 레이어는, 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 폭이 점차 증가하도록 형성될 수 있다.

또한 상기 단위코일은, 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 두께가 점차 감소하도록 형성될 수 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 평각형 코일 및 이를 포함하는 전동기는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 종래 원형코일에 비해 동일 구조 대비 상대적으로 높은 점적률을 가지므로, 고효율의 전동기 및 발전기의 생산이 가능하다는 장점이 있다.

둘째, 종래의 코일은 각 단 코일 부 형상을 프레스로 전단 가공하여 제조하며, 이음부를 용접 또는 접합해야 하는 후속 공정이 필요한 반면, 본 발명은 전체 단위코일이 일체화된 형태로 형성되어 이음부 혹은 용접 부위가 없기 때문에 전기적 물성치 및 물리적인 강성 확보에 유리하다는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 단위코일의 전체 모습을 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 단위코일의 정면 모습을 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 단위코일의 측면 모습을 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 단위코일의 평면 모습을 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 단위코일의 저면 모습을 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 폭 가변부를 자세히 나타낸 도면; 및
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일이 전동기에 적용된 모습을 나타낸 도면이다.

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

한편 이하 설명에 있어, 외경부, 내경부, 정면, 측면, 평면, 저면 등과 같이 방향을 지시하는 용어는 어디까지나 설명의 편의를 위해 임의로 정의된 것이며, 해당 표현들이 본 발명의 권리범위를 제한하는 것이 아님은 물론이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 단위코일(100)의 전체 모습을 나타낸 도면이다.

그리고 도 2 내지 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일에 있어서, 단위코일(100)의 다양한 각도의 모습을 나타낸 것으로, 도 2는 단위코일(100)의 정면을, 도 3은 단위코일(100)의 측면을, 도 4는 단위코일(100)의 평면을, 도 5는 단위코일(100)의 저면을 각각 나타낸다.

그리고 상기 단위코일(100)은, 금속 또는 전기 전도도(傳導度, Conductivity)를 가지는 전기재료로 형성될 수 있다.

도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 단위코일(100)은 전동기에 구비되는 코어(10, 도 2 및 도 7 참조)의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어(10)의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어(L)를 포함하는 형태를 가진다. 그리고 상기 단위코일(100)의 내측에는 상기 코어(10)의 치가 삽입되는 중공부(105)가 형성될 수 있다. 이때 상기 코어(10)는 투자율(透磁率, Permeability)을 가지는 자성재료일 수 있다.

즉 상기 단위코일(100)은 전체적으로 모든 레이어(L)가 일체로 형성된 형태를 가지며, 전동기의 슬롯 내 점적률을 극대화하는 동시에, 전기저항을 최소화할 수 있는 유의미한 형상을 가질 수 있다.

예컨대, 상기 단위코일(100)은 각 레이어(L)가 서로 다른 기하학적 형상을 가질 수 있으며, 또한 하나의 레이어(L) 상에서도 영역 별로 그 형태가 변형될 수 있다.

본 실시예에서 상기 단위코일(100)은, 감싸고 있는 코어(10, 도 2 참조)의 치와, 인접한 다른 코어(10)의 치 사이에 형성되는 동일 슬롯 내에 구비된 다른 단위코일(100)과 인접한 인접부(N)의 적어도 일부가, 감싸고 있는 코어(10)의 치 측면과 비평행하게 형성된 형태를 가진다.

한 쌍의 인접한 코어(10) 사이에 형성되는 슬롯에는 서로 다른 단위코일(100)의 일부가 각각 삽입되며, 하나의 슬롯 내에 삽입되어 공간을 점유하는 서로 인접한 단위코일(100)의 측면부가 상기 인접부(N)를 형성하게 된다. 즉 상기 인접부(N)는 인접한 다른 단위코일(100)과의 대향면을 의미한다.

그리고 상기와 같이 인접부(N)는, 상기 코어(10)의 치의 측면과는 비평행하게 형성되며, 이와 같이 하는 이유는 슬롯 내에서의 점적률을 극대화하기 위한 것이다.

구체적으로 본 실시예에서 상기 단위코일(100)은, 상기 인접부(N)가 복수의 레이어(L)에 걸쳐 연속적인 직선을 이루는 형태로 감싸고 있는 코어의 치 측면(12, 도 2 참조)과 비평행하게 형성된 형태를 가진다. 즉 상기 단위코일(100)의 측면부는 전체적으로 테이퍼진 형태를 가지며, 전동기의 내경부에서 외경부로 갈수록 개별 레이어(L)의 폭이 점차 증가하게 된다.

이에 따라 본 실시예의 단위코일(100)은, 인접한 다른 단위코일(100)과 함께 슬롯 내 공간을 빈틈없이 가득 채울 수 있으며, 종래에 비해 극대화된 점적률을 가질 수 있다.

이때 상기 단위코일(100)이 감싸고 있는 코어(10)의 치 측면(12)과 상기 인접부(N)와의 각도는, 전동기에 구비되는 슬롯의 개수에 따른 기하학적 형태에 의해 결정될 수 있으며, 구체적으로 전동기의 중심각을 상기 슬롯의 개수에 따라 나누어 상기 인접부(N)의 각도를 결정할 수 있다.

한편 상기 단위코일(100)의 각 레이어(L)는, 서로 인접한 코어(10)의 치 사이 슬롯에 삽입되는 영역인 슬롯삽입영역(110)과, 상기 슬롯삽입영역(110)으로부터 기 설정된 각도를 이루도록 연결되며, 상기 슬롯 외측에 구비되는 노출영역(120, 130)을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 상기 코어(10)의 치는 단면이 사각형 형태로 형성되므로, 상기 단위코일(100)의 각 레이어(L)는 상기 코어(10)의 치를 사이에 두고 이격된 한 쌍의 슬롯삽입영역(110)과, 상기 한 쌍의 슬롯삽입영역(110)을 연결하는 한 쌍의 노출영역(120, 130)을 포함한다.

다시 말해 상기 슬롯삽입영역(110)은 서로 인접한 코어(10)의 치 사이 슬롯에 완전히 수용되는 영역을 말하며, 상기 노출영역(120, 130)은 상기 슬롯에 삽입되지 않고 외부로 노출되어 있는 영역을 말하는 것이다.

이때 상기 노출영역(120, 130) 중 적어도 어느 하나는 복수의 레이어에 걸쳐 형상이 연속적으로 변화하도록 형성될 수 있다. 이하 설명의 편의를 위해, 한 쌍의 노출영역(120, 130)을 각각 제1노출영역(120, 130) 및 제2노출영역(130)이라 칭하도록 한다.

본 실시예의 경우 한 쌍의 노출영역(120, 130) 중 제2노출영역(130)은 외측 노출면이 코어(10)의 치 측면(12)과 비평행하게 형성된 폭 가변부(132)를 포함하는 형태를 가진다. 다만, 상기 폭 가변부(132)는 본 실시예와 달리 상기 제1노출영역(120, 130) 측에 형성될 수도 있으며, 상기 제1노출영역(120, 130) 및 상기 제2노출영역(130) 모두에 형성될 수도 있을 것이다.

특히 상기 폭 가변부(132)는 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 외측 노출면과 상기 코어(10)의 치 측면(12)이 이루는 각도가 점차 감소하도록 형성될 수 있으며, 이에 대해서는 후술하도록 한다.

또한 상기 폭 가변부(132)는, 도 2와 같이 개별 레이어(L)를 서로 연결하기 위해 각 레이어(L)를 서로 잇도록 경사진 형태로 형성될 수 있다.

이하에서는 도 2 내지 도 5를 참조하여 상기 단위코일(100)의 보다 구체적인 형태에 대해 설명하도록 한다.

먼저, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 단위코일(100)은 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어(L)로 갈수록 두께가 점차 감소하도록 형성될 수 있다.

즉 상기 단위코일(100)의 레이어(L)가 n개라고 가정할 때, 상기 전동기의 최외곽 외경부에 위치되는 레이어(L)로부터 상기 전동기의 최내곽 내경부에 위치되는 레이어(L)로 갈수록 그 두께(d₁~d_n)가 점차 증가하도록 형성된다.

이와 같이 하는 이유는, 전술한 바와 같이 상기 인접부(N)가 경사진 형태로 형성됨에 따라 상대적으로 전동기의 내경부 측으로 갈수록 각 레이어(L)의 폭이 줄어들기 때문에, 줄어든 폭을 두께로서 보상함에 따라 일정 이상으로 해당 레이어(L)의 저항을 낮추어 효율을 높일 수 있도록 하기 위함이다.

또한 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 상기 단위코일(100)은 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어(L)로 갈수록 상기 슬롯삽입영역(110)의 폭(W_1-n~W_1-1)이 점차 증가하도록 형성될 수 있다.

즉 상기 단위코일(100)의 레이어(L)가 n개라고 가정할 때, 상기 전동기의 최외곽 외경부에 위치되는 레이어(L)로부터 상기 전동기의 최내곽 내경부에 위치되는 레이어(L)로 갈수록 그 폭(W_1-n~W_1-1)이 점차 증가하도록 형성될 수 있다.

이에 따라 도 5에 도시된 바와 같이 상기 단위코일(100)의 저면에서 바라볼 때, 상기 전동기의 외경부에 위치된 슬롯삽입영역(110)일수록 보다 측 방향으로 돌출된 형태인 것을 확인할 수 있다.

이는 결과적으로 상기 단위코일(100)의 상기 인접부(N)가 복수의 레이어(L)에 걸쳐 연속적인 직선을 이루는 형태로 감싸고 있는 코어의 치 측면(12)과 비평행하게 형성된 형태를 가진다는 것과 일맥상통하게 되며, 상기 단위코일(100)은 도 2에 도시된 바와 같이 정면에서 바라볼 때 전체적으로 사다리꼴 형상을 가지게 된다.

다만, 상기 단위코일(100)의 상기 인접부(N)는 전체 레이어(L)에 걸쳐 직선 형태로 이루어지는 형태만으로 제한되는 것은 아니며, 상기 슬롯삽입영역(110)의 폭이 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어(L)로 갈수록 증가하는 형태라면 상기 인접부(N)가 직선 형태가 아니라도 무방하다.

또한 본 실시예에서 상기 단위코일(100)은, 상기 노출영역(120, 130)의 폭(W_2-1~W_2-n, W_3-1~W_3-n)이 상기 슬롯삽입영역(110)과 마찬가지로 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어(L)로 갈수록 점차 증가하도록 형성될 수 있다.

한편 전술한 바와 같이, 이때 상기 노출영역(120, 130) 중 적어도 어느 하나는 복수의 레이어에 걸쳐 형상이 연속적으로 변화하도록 형성되는 폭 가변부(132)를 가질 수 있으며, 본 실시예의 경우 제2노출영역(130)에 폭 가변부(132)가 형성되는 것으로 하였다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제2노출영역(130)은 외측 노출면이 코어(10)의 치 측면(12)과 비평행하게 형성된 폭 가변부(132)를 포함하며, 상기 폭 가변부(132)는 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 외측 노출면과 상기 코어(10)의 치 측면(12)이 이루는 각도가 점차 감소하도록 형성될 수 있다. 즉 상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 외측 노출면과 상기 코어(10)의 치 측면(12)이 이루는 각도는 점차 완만해지게 된다.

구체적으로 본 실시예에서 상기 폭 가변부(132)의 임의 지점에서의 폭은, 도 6을 기준으로 Sin a+b(a: 해당 레이어의 외측 노출면이 코어의 치 측면과 이루는 각도, b: 해당 레이어에서 폭 가변부의 최소 폭)에 의해 결정될 수 있다.

즉 상기 폭 가변부(132)의 임의 지점에서의 폭은, 상기 폭 가변부(132)를 직사각형 영역과 직각삼각형 영역으로 구분한 상태에서, 상기 직사각형 영역의 폭(b)와 상기 직각삼각형 영역의 높이(Sin a)의 값을 합으로 정해질 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본원발명은 종래 원형코일에 비해 동일 구조 대비 상대적으로 높은 점적률을 가지므로, 고효율의 전동기 및 발전기의 생산이 가능하며, 전체 단위코일(100)이 일체화된 형태로 형성됨에 따라 이음부 혹은 용접 부위가 없기 때문에 전기적 물성치 및 물리적인 강성 확보에 유리하다.

또한 복수 레이어(L)에 걸친 형상 가변 및 개별 레이어(L)의 세부 형상 등 유의미한 3차원 기하학적 형상을 가질 수 있어 다양한 부가 효과를 얻을 수 있음은 물론이다.

한편 본 실시예에서 상기 단위코일(100)의 양 끝단부, 즉 전동기의 최외곽 외경부에 위치된 레이어(L)와 최내관 내경부에 위치된 레이어(L)에는 엔드와인딩 연결부(140)가 형성될 수 있다.

상기 엔드와인딩 연결부(140)는 다른 단위코일(100)과의 연결을 위한 엔드와인딩부재(미도시)가 연결될 수 있는 구조를 가지며, 이는 제한 없이 다양한 형태로 형성될 수 있다.

도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 평각형 코일(100)이 전동기에 적용된 모습을 나타낸 도면이다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 평각형 코일(100)은 코어(10)의 치(10a) 부분을 감싼 형태를 가지며, 서로 인접한 코어(10)의 치(10a) 및 코어연결부(10b)에 의해 형성되는 슬롯 내를 완전히 채워 점적률을 극대화할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

10: 코어
100: 단위코일
105: 중공부
110: 슬롯삽입영역
120, 130: 노출영역
132: 폭 가변부
140: 엔드와인딩 연결부
L: 레이어
N: 인접부

Claims (8)

1. 전동기에 구비되는 코어의 치 둘레를 감싸도록 구비되며, 일체형으로 서로 연속적으로 연결된 형태로 상기 코어의 치 길이 방향을 따라 적층된 복수의 레이어를 포함하는 단위코일; 을 포함하고,
   상기 단위코일의 각 레이어는,
   서로 인접한 코어의 치 사이 슬롯에 삽입되는 한 쌍의 슬롯삽입영역; 및
   상기 슬롯삽입영역으로부터 기 설정된 각도를 이루도록 연결되며, 상기 슬롯 외측에 구비되는 한 쌍의 노출영역;
   을 포함하며,
   상기 노출영역 중 적어도 어느 하나는 복수의 레이어에 걸쳐 형상이 연속적으로 변화하는 평각형 코일.
2. 제1항에 있어서,
   상기 노출영역은,
   외측 노출면이 코어의 치 측면과 비평행하게 형성된 폭 가변부를 포함하는 평각형 코일.
3. 제1항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 외측 노출면과 상기 코어의 치 측면이 이루는 각도가 점차 감소하도록 형성된 평각형 코일.
4. 제3항에 있어서,
   상기 폭 가변부의 임의 지점에서의 폭은,
   Sin a+b
   (a: 해당 레이어의 외측 노출면이 코어의 치 측면과 이루는 각도, b: 해당 레이어에서 폭 가변부의 최소 폭)
   에 의해 결정되는 평각형 코일.
5. 제3항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 상기 폭 가변부의 폭이 점차 증가하도록 형성된 평각형 코일.
6. 제1항에 있어서,
   상기 단위코일의 각 레이어는,
   상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 폭이 점차 증가하도록 형성된 평각형 코일.
7. 제1항에 있어서,
   상기 단위코일은,
   상기 전동기의 내경부에서 외경부 방향의 레이어로 갈수록 두께가 점차 감소하도록 형성된 평각형 코일.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항의 평각형 코일을 포함하는 전동기.

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