KR20200074517A - 열전달 효율을 개선한 각동선 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전달 효율을 개선한 각동선 모터에 관한 것으로, 평각 동선을 적용하여 동일 출력을 유지하면서 모터 체적을 최소화하는 동시에 열전달 효율을 개선할 수 있도록 평각 동선 모터의 고정자 코어 구조를 설계함으로써 모터의 출력 밀도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

열전달 효율을 개선한 각동선 모터{Motor with flat wire for improving heat transfer efficiency}

본 발명은 점적률(slot fill factor)이 우수한 각동선 모터에 관련한 것으로 특히, 열전달 효율을 개선한 각동선 모터에 관한 것이다.

BSG(Belt-driven Stop & Go) 시스템은 기존 하이브리드 시스템과 동일하게 회생제동, Idle Stop & Go, 엔진 토크 보조 기능 등을 수행한다. BSG(Belt-driven Stop & Go)를 포함한 대부분의 모터(Motor)는 전기적인 입력으로부터 기계적인 출력을 발생하는 에너지 변환기기이며, 에너지의 변환율에 기인하여 발생하는 손실(Loss)은 열(Heat) 또는 진동과 소음의 형태로 발산되거나 또는 매개로 전달된다.

모터 시스템의 효율성은 안정성과도 연관되어 있으며, 에너지 변환과정에서 발생하는 손실을 효과적으로 제어하지 못하면 기기 자체의 파손이나 제어성이 크게 떨어질 수 밖에 없다. 특히, 전류의 인가를 위해 일반적으로 구리 동선을 사용하는 모터는 전류의 자승과 권선 저항의 곱 연산으로 산정되는 동손이 가장 큰 열원이 되며, 이를 저감하기 위한 여러 연구들이 진행되고 있다.

모터는 전류를 흘려주기 위한 코일(coil) 권선 공정의 용이성과 정형화된 권선장비의 지속적인 장비 활용성을 이유로 원형 동선의 사용이 보편화 되어있다. 그러나, 원형 동선의 경우 모터의 고정자 코어의 슬롯(slot) 안에 코일 면적이 차지하는 비율인 점적율(slot fill factor)은 45~50%가 한계 수준이다. 이러한 원형 동선의 한계는 모터 총 체적에서 빈 공간(dead space)이 차지하는 면적을 키워 토크 밀도를 떨어뜨리고, 모터 사이즈를 키우는 요인이 되고 있다.

도 1 은 종래의 원형 동선을 사용한 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포를 도시한 도면이고, 도 2 는 종래의 원형 동선을 사용한 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포에 의한 열 전달 방식을 예시한 도면이다.

도 1 에 도시한 바와 같이, 종래의 원형 동선을 사용한 모터의 경우, 고정자 코어(10)의 슬롯(11)에 원형 동선(20)을 권선하고, 이 원형 동선에 전류를 인가하여 기자력을 발생시켜 영구 자석을 포함하는 회전자(도면 도시 생략)를 회전시키는 구조로 되어 있다.

한편, 도면에는 도시하지 않았으나, 외곽의 하우징(도면 도시 생략)에 냉각수가 투입 및 사출되는 투입구(inlet) 및 사출구(outlet)를 형성하여, 물(Water)과 글리콜(Glycol)이 50%씩 혼합된 냉각수를 분당 8리터 정도로 투입 및 사출하여 원형 동선(20)에 의해 발생되는 열을 냉각시키는 수냉식의 냉각 구조를 구비하고 있다.

도 2 에 도시한 바와 같이, 원형 동선에 전류가 인가되어 발생하는 동손은 열의 형태로 나타나며, 온도가 높은 지점에서 낮은 지점으로 열의 흐름이 발생한다. 열이 전달되는 총량과 시간은 접촉된 매질의 열전달율에 의해 크게 좌우되며, 지구 대기권 내에서는 방사열 전달은 무시할 수 있고, 모터의 경우 대류에 의한 열전달은 그다지 크지 않다.

특히 원형 동선(20)에서는 고정자 코어(10)의 슬롯(11)과 절연지(30)에 접촉하는 동선의 면적이 제한적이며, 원형 동선간 유격 및 공차에 의해 공기층이 크게 형성되는데, 공기의 열전달 계수는 매우 작으므로 열의 전달이 효율적이지 못하다.

최근, 모터는 동일 성능을 유지하면서도 점점 소형화되는 추세이다. 모터 소형화를 위한 체적의 감소는 출력의 감소와 동일한 의미이므로, 보다 작은 체적에서 동일한 출력을 발생하기 위해서는 모터 입력을 증가시킬 수 밖에 없다. 이를 위해 모터에 투입되는 전류의 양을 증가시켜 출력을 증가시켜야 하지만, 모터 설계시 이미 온도는 포화되도록 설계되므로, 모터 입력을 무작정 증가시킬 수 없다. 이를 무시하고 모터에 입력되는 전류량을 증가시키면, 원형 동선이 높은 온도를 견디지 못해 타거나 물성치의 변화를 일으킨다.

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

대한민국 공개특허 제10-2013-0052834호(2013.05.23)에서 각동선들 각각이 길이방향으로 일 열로 절연 구분되어 삽입되도록 복수개 배열된 구분틀이 일체로 형성된 보빈을 구비함으로써, 동선들 간 간격이 일정하게 유지될 수 있어, 각동선들 간의 용접부분 불일치에 의해 야기되었던 용접불량 및 접촉저항의 증가 문제를 감소시켜 동선 손실이 커지거나 각동선간 간섭이 유발되는 문제를 최소화할 수 있는 각동선 모터를 제안하고 있다.

본 발명자는 평각 동선을 적용하여 동일 출력을 유지하면서 모터 체적을 최소화하는 동시에 열전달 효율을 개선하여 모터의 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 고정자 구조 및 열해석(Thermal analysis)에 대한 연구를 하였다.

대한민국 공개특허 제10-2013-0052834호(2013.05.23)

본 발명은 평각 동선을 적용하여 동일 출력을 유지하면서 모터 체적을 최소화하는 동시에 열전달 효율을 개선할 수 있도록 평각 동선 모터의 고정자 코어 구조를 설계함으로써 모터의 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 열전달 효율을 개선한 각동선 모터를 제공함을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따르면, 열전달 효율을 개선한 각동선 모터가 동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일과; 동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일들이 일렬로 적층되도록 양 내측면간 간격이 동일한 슬롯(Slot)이 내연에 다수개 형성되어, 각 레이어별 각동선 코일 접촉 면적을 확장시킴으로써 각 레이어별 각동선 코일에 의해 발생되는 열을 치(Tooth) 부분으로 균일하게 전달하여 열전달 효율을 개선하는 고정자 코어를 포함한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 열전달 효율을 개선한 각동선 모터가 고정자 코어의 슬롯 내연에 일렬로 적층되는 각 레이어별 각동선 코일들간에 형성되어, 서로 다른 레이어의 각동선 코일과 전기적으로 격리되도록 하는 에어 갭(Air Gap)을 더 포함한다.

본 발명의 부가적인 양상에 따르면, 열전달 효율을 개선한 각동선 모터가 고정자 코어의 슬롯 내연과 각 레이어별 각동선 코일간에 배치되어, 각 레이어별 각동선 코일에 의해 발생되는 열이 고정자 코어의 치 부분으로 잘 전달되도록 하는 동시에 각 레이어별 각동선 코일에 흐르는 전류가 고정자 코어의 치 부분으로 누설되지 않도록 하는 열전도성 부도층을 더 포함한다.

본 발명은 평각 동선을 적용하여 동일 출력을 유지하면서 모터 체적을 최소화하는 동시에 열전달 효율을 개선할 수 있도록 평각 동선 모터의 고정자 코어 구조를 설계함으로써 모터의 출력 밀도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1 은 종래의 원형 동선을 사용한 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포를 도시한 도면이다.
도 2 는 종래의 원형 동선을 사용한 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포에 의한 열 전달 방식을 예시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포를 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포에 의한 의한 열 전달 방식을 예시한 도면이다.
도 5 는 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 각동선 코일 권선 레이 아웃을 예시한 도면이다.
도 6 은 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 각동선 코일 권선의 온도 분포를 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 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포를 도시한 도면, 도 4 는 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 고정자 코어 슬롯내 동선 분포에 의한 열 전달 방식을 예시한 도면이다.

도 3 에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터(100)는 내연에 다수의 슬롯(Slot)(111)들과 치(Tooth)(112)들이 형성되는 고정자 코어(Stator Core)(110)와, 고정자 코어 내부의 중심을 축으로 회전하되, 외연에 다수의 자석(도면 도시 생략)이 부착되는 회전자(Rotor)(도면 도시 생략)와, 동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일(flat wire)(120)을 포함한다.

여기서, 동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일이라 함은 적층 레이어(Layer)에 상관없이 모든 레이어의 각동선 코일들의 단면적 형상 및 단면적이 동일한 것을 의미한다.

고정자 코어(110)는 동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일(120)들이 일렬로 적층되도록 양 내측면간 간격이 동일한 슬롯(111)이 내연에 다수개 형성되어, 각 레이어별 각동선 코일 접촉 면적을 확장시킴으로써 각 레이어별 각동선 코일(120)에 의해 발생되는 열을 치(112) 부분으로 균일하게 전달하여 열전달 효율을 개선한다.

이 때, 열전달 효율을 개선한 각동선 모터(100)의 고정자 코어(110)의 슬롯(111) 내연에 일렬로 적층되는 각 레이어별 각동선 코일(120)들 간에 에어 갭(Air Gap)(130)이 형성되어 서로 다른 레이어의 각동선 코일들이 전기적으로 격리되도록 구현될 수 있다.

한편, 발명의 부가적인 양상에 따르면, 열전달 효율을 개선한 각동선 모터가(100)가 열전도성 부도층(140)을 더 포함할 수 있다. 이 때, 열전도성 부도층(140)이 열전달 효율은 좋으나 전기적으로 절연체인 열전도성 플라스틱이나, 운모 등의 재질로 구현될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

열전도성 부도층(140)은 고정자 코어(110)의 슬롯(111) 내연과 각 레이어별 각동선 코일(120)간에 배치되어, 각 레이어별 각동선 코일(120)에 의해 발생되는 열이 고정자 코어(110)의 치(112) 부분으로 잘 전달되도록 하는 동시에 각 레이어별 각동선 코일(120)에 흐르는 전류가 고정자 코어(110)의 치(112) 부분으로 누설되지 않도록 한다.

도 4 에 도시한 바와 같이, 각동선 코일(120)에 전류가 인가되어 발생하는 동손은 열의 형태로 나타나며, 온도가 높은 각동선 코일(120)에서 온도가 낮은 고정자 코어(110)의 치(112) 부분으로 열의 흐름이 균일하게 발생한다.

열이 전달되는 총량과 시간은 접촉된 매질인 열전도성 부도층(140)의 열전달율에 의해 크게 좌우되며, 지구 대기권 내에서는 방사열 전달은 무시할 수 있고, 대류에 의한 열전달은 그다지 크지 않으므로, 에어 갭(Air Gap)(130)을 통한 열전달은 무시될 수 있다.

종래의 원형 동선의 경우 슬롯과 절연지에 접촉하는 원형 동선의 면적이 제한적이고, 코일 간 유격 및 공차에 의해 열전달 계수가 매우 작은 공기층이 많이 형성되어 열전달이 효율적이지 못하였다.

그러나, 본 발명의 경우 높은 전류 인가를 위해 얇은 코일을 여러 가닥 묶은 기존의 원형 동선과는 달리 고정자 코어(110)와의 접촉면적을 최대한 확보하기 위해 원형 동선에 비해 단면적이 매우 큰 동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일(120)들을 고정자 코어(110)의 슬롯(111) 내에 일렬로 적층시켜 온도가 높은 각동선 코일(120)에서 온도가 낮은 고정자 코어(110)의 치(112) 부분으로 열의 흐름이 균일하게 발생하도록 하고, 열전달 계수가 매우 작은 공기층을 최소화함으로써 열전달 효율을 개선하였다.

도 5 는 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 각동선 코일 권선 레이 아웃을 예시한 도면, 도 6 은 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 각동선 코일 권선의 온도 분포를 예시한 도면이다.

도 5 및 도 6 에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 열전달 효율을 개선한 각동선 모터의 각동선 코일 권선에서 발생되는 열을 실험적으로 해석한 결과, 전류는 원형 동선을 사용한 경우에 비해 166% 초과하여 투입하였음에도 불구하고, 권선 온도는 최대 부스바에서 137℃로 계측되었으며, 이는 원형 동선을 사용한 경우에 비해 약 7℃ 낮음을 확인하였고, 출력 밀도는 원형 동선을 사용한 경우에 비해 약 153% 증가하였음을 확인할 수 있었다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 평각 동선을 적용하여 동일 출력을 유지하면서 모터 체적을 최소화하는 동시에 열전달 효율을 개선할 수 있도록 평각 동선 모터의 고정자 코어 구조를 설계함으로써 모터의 출력 밀도를 향상시킬 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 각동선 모터 관련 기술분야 및 이의 응용 기술분야에서 산업상으로 이용 가능하다.

100 : 열전달 효율을 개선한 각동선 모터
110 : 고정자 코어
111 : 슬롯
112 : 치
120 : 각동선 코일
130 : 에어 갭
140 : 열전도성 부도층

Claims (3)

1. 동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일과;
   동일한 규격의 각 레이어별 각동선 코일들이 일렬로 적층되도록 양 내측면간 간격이 동일한 슬롯(Slot)이 내연에 다수개 형성되어, 각 레이어별 각동선 코일 접촉 면적을 확장시킴으로써 각 레이어별 각동선 코일에 의해 발생되는 열을 치(Tooth) 부분으로 균일하게 전달하여 열전달 효율을 개선하는 고정자 코어를;
   포함하는 열전달 효율을 개선한 각동선 모터.
2. 제 1 항에 있어서,
   열전달 효율을 개선한 각동선 모터가:
   고정자 코어의 슬롯 내연에 일렬로 적층되는 각 레이어별 각동선 코일들간에 형성되어, 서로 다른 레이어의 각동선 코일들이 전기적으로 격리되도록 하는 에어 갭(Air Gap)을;
   더 포함하는 열전달 효율을 개선한 각동선 모터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   열전달 효율을 개선한 각동선 모터가:
   고정자 코어의 슬롯 내연과 각 레이어별 각동선 코일간에 배치되어, 각 레이어별 각동선 코일에 의해 발생되는 열이 고정자 코어의 치 부분으로 잘 전달되도록 하는 동시에 각 레이어별 각동선 코일에 흐르는 전류가 고정자 코어의 치 부분으로 누설되지 않도록 하는 열전도성 부도층을;
   더 포함하는 열전달 효율을 개선한 각동선 모터.

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