KR20210059136A - 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다. 이를 위하여 본 발명은 상하방향으로 연장되어 형성된 중공형 고정자 코어, 상기 고정자 코어의 연장된 방향의 끝단에 고정자 코어와 일체형으로 형성되는 슈, 상기 중공형 고정자 코어의 내부로 삽입되고, 복수의 전기강판이 적층되어 형성되며, 복수의 전기강판이 동일한 폭 또는 서로 다른 폭을 갖되, 동일한 폭을 갖는 전기강판들끼리 블록을 형성하여, 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트를 포함하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자이되, 상기 고정자 코어의 내측면은 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트의 외측면에 대응되도록 형성되고, 상기 슈는 수평방향으로 사방으로 상기 고정자 코어 외측으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자를 제공하고, 또한 이를 제조하는 방법을 제공한다. 본 발명에 따르면, 축방향 자속모터의 고정자에 발생하는 와전류에 따른 철손을 저감하여 모터의 효율을 크게 개선시킬 수 있다.
Description
본 발명은 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
일반적으로 모터는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 회전력을 얻는 장치로서 가정용 전자제품에서 각종 산업용 기기에 이르기까지 광범위한 분야에서 널리 사용되고 있다. 이와 같은 모터는 하우징이나 케이싱에 고정됨과 아울러 전원의 인가에 의해 회전자계를 형성하도록 코일이 권선되는 고정자와, 고정자 내부에 샤프트에 의해 회전 가능하게 설치되는 회전자를 주요 구성으로 하며, 고정자가 발생시키는 자속이 회전자와 상호 작용을 일으켜 회전 토크를 발생시키도록 형성된다.
한편, 최근에는 연소식 엔진을 사용하는 자동차에서 환경친화적이고, 연비를 고려한 또 다른 형태의 자동차, 즉, 하이브리드 자동차나 전기자동차에 대한 활발한 연구 개발이 진행되고 있다. 하이브리드 자동차는 기존의 연소식 엔진과 전기 구동식 모터를 연계하여 두 가지의 동력원으로 차량을 구동하고, 전기자동차는 전기 구동식 모터로 구동하는 만큼, 배기가스에 의한 환경오염의 감소와 함께 연비향상이 가능하여 현실대안적인 차세대 자동차로 자리매김하고 있다. 상기와 같은 하이브리드 자동차나 전기자동체에 있어서 모터는 전체적인 차량 성능을 좌우할만큼 핵심 부품으로 자리잡고 있으며, 고출력, 소형화된 모터의 개발이 하이브리드 자동차 등에 있어 화두로 떠오르고 있다.
축방향 자속모터는 자기장을 형성하는 고정자 및 고정자에 대하여 회전 가능하게 이루어지는 회전자를 포함한다. 고정자는 원주방향을 따라 일정 간격으로 배치되는 동시에 축방향으로 일정 높이로 돌출되는 다수의 코어를 포함하며, 코어는 예를 들어 고정자 바디에 형성된 홈에 축 방향으로 결합되는 구조를 갖는다. 회전자는 원주방향을 따라 일정간격으로 배열된 영구자석을 포함하며, 고정자와 일정한 간격을 형성하면서 회전하도록 이루어진다. 축방향 자속모터는 권선에 흐르는 전류의 방향을 전환함으로써 코어와 회전자의 영구자석 사이에 반발력 또는 흡인력을 생성하여 회전토크를 발생시키게 된다.
대한민국 등록특허공보 제10-1207608호에는 상술 바와 같은 평판형 회전기기에 관하여 개시하고 있다. 개시된 평판형 회전기기는 하우징, 상기 하우징의 일면 및 타면에 일측 부위 및 타측 부위가 각각 지지되어 회전가능하게 설치된 회전축, 상기 하우징에 결합된 링형상의 제 1 받침판, 상기 제 1 받침판의 중심을 기준으로 방사상으로 상기 제 1 받침판에 일면이 결합된 복수의 제 1 치코어(Tooth Core), 상기 제 1 치코어의 타면측 외면에 각각 결합된 보빈, 상기 보빈에 권선된 코일을 가지면서 상기 하우징의 내부에 설치된 평판 링형상의 고정자, 상기 하우징의 내부에 위치된 상기 회전축에 결합되며 상기 고정자와 작용하여 회전하면서 상기 회전축을 회전시키는 평판 링형상의 회전자를 구비하는 평판형 회전기기에 있어서, 상기 제 1 받침판에는 폭방향 횡단면(橫斷面) 형상이 "T" 형상인 제 1 결합레일이 설치되고, 상기 제 1 결합레일은 체결부재에 의하여 상기 제 1 받침판에 결합되며, 상기 제 1 치코어의 일단면(一端面)에는 상기 제 1 결합레일과 대응되는 형상으로 형성되어 상기 제 1 결합레일에 압입 결합되는 제 1 압입홈이 형성되고, 상기 제 1 받침판에 결합된 상기 제 1 치코어의 일면측 외면은 타면측 외면 보다 외측으로 더 돌출되어 상호 접촉되며, 상기 제 1 치코어의 타면측 외면은 상호 이격되어 상기 보빈이 결합된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 구성된 평판형 회전기기는 서로 다른 크기의 규소강판을 적층하여 치 형상의 코어를 제작하게 된다. 이로 인해, 서로 다른 크기의 규소강판을 성형하기 위해서는 각각의 모양에 맞는 금형을 제작하거나, 서로 동일한 크기의 규소강판을 적층한 후 절단하는 공정 등이 필요하기 때문에, 제조 공정이 복잡할 뿐만 아니라, 이로 인한 제조 단가가 높아 지는 문제점이 있었다.
이에 따라 최근에는 분말을 압분하여 형상을 만들기 때문에 복잡한 형상을 성형하는데 용이한 연자성 분말(Soft Magnetic Composite : SMC)이 사용되고 있다.
그러나 연자성 분말을 사용하여 성형 압출하는 일체형 코어를 사용할 경우, 제조가 용이한 장점이 있지만, 전기강판을 적층하여 형상한 코어에 대비하여 높은 철손(Core loss)이 발생하여 자기적 특성이 떨어지는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자 및 이의 제조방법을 제공하는데 있다.
이를 위하여 본 발명은 상하방향으로 연장되어 형성된 중공형 고정자 코어,
상기 고정자 코어의 연장된 방향의 끝단에 고정자 코어와 일체형으로 형성되는 슈, 상기 중공형 고정자 코어의 내부로 삽입되고, 복수의 전기강판이 적층되어 형성되며, 복수의 전기강판이 동일한 폭 또는 서로 다른 폭을 갖되, 동일한 폭을 갖는 전기강판들끼리 블록을 형성하여, 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트를 포함하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자이되, 상기 고정자 코어의 내측면은 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트의 외측면에 대응되도록 형성되고, 상기 슈는 수평방향으로 사방으로 상기 고정자 코어 외측으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자를 제공하고, 또한, 본 발명은 3D 프린팅을 통하여 제1항에 따른 고정자 코어 및 슈를 일체형으로 형성하는 단계; 제1항에 따른 전기강판 세그먼트를 형성하는 단계; 및 상기 전기강판 세그먼트를 상기 고정자 코어의 중공 내로 삽입하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 축방향 자속모터의 고정자에 발생하는 와전류에 따른 철손을 저감하여 모터의 효율을 크게 개선시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 3D 프린팅 방법으로 축방향 자속모터의 고정자를 제조함에 의하여 기존에 구현하기 어려운 복잡한 구조를 쉽게 구현하여 고정자에 발생하는 철손을 효율적으로 저감하면서도, 포화자속밀도가 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 고정자 구조를 보여주는 모식도이고,
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고정자를 포함하는 모터의 최대역기전력을 비교하는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고정자를 포함하는 모터의 토크를 비교하는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고정자를 포함하는 모터의 파워를 비교하는 그래프이고,
도 5는 반경방향 자속형 모터와 축방향 자속형 모터의 구조를 비교하는 그림이고, 및
도 6은 일반 반경방향 자속형 모터와 요크리스형 축방향 자속형 모터의 구조적 차이를 보여주는 그림이다.
도 2는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고정자를 포함하는 모터의 최대역기전력을 비교하는 그래프이고,
도 3은 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고정자를 포함하는 모터의 토크를 비교하는 그래프이고,
도 4는 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 고정자를 포함하는 모터의 파워를 비교하는 그래프이고,
도 5는 반경방향 자속형 모터와 축방향 자속형 모터의 구조를 비교하는 그림이고, 및
도 6은 일반 반경방향 자속형 모터와 요크리스형 축방향 자속형 모터의 구조적 차이를 보여주는 그림이다.
축방향 자속형 모터 (Axial-flux motor)는 일반적인 반경 방향 자속형 모터 (Radial flux motor)와 다르게 고정자에서 발생하는 자기장의 방향이 샤프트 축과 평행하며, 따라서 자기장에 의해 힘을 받는 면적은 고정자 전자석의 단면으로 주어지며, 그 값은 반지름의 제곱에 파이 상수 (π)를 곱한 값이 된다.
도 5는 반경 방향 자속형 모터와 축방향 자속형 모터의 구조적 차이를 그림으로 나타낸 것이다. 반경 방향 자속형 모터의 경우에는 자기장에 의해 힘을 받는 면적이 회전자 원통의 둘레 면적, 즉 원통의 지름과 원통의 길이를 곱한 크기로 주어진다. 따라서, 모터의 축방향 길이가 짧고 지름이 큰 경우, 축방향 자속형 모터가 반경 방향 자속형 모터 보다 힘을 받는 면적이 넓기 때문에 같은 부피 대비 출력이 높다 (출력 밀도가 높다).
축방향 자속형 모터의 경우에 있어, 일반적인 축방향 자속형 모터의 경우에는, 고정자의 티스 (teeth)들이 존재하고 티스의 한쪽 면들은 원판형의 요크 (yoke)에 부착되어 연결된 구조로 구성된다. 이때 요크와 접합되지 않은 티스의 반대쪽 면에서만 자기장이 발생하며, 요크는 티스간 자속을 연결시켜주는 연결을 하여 자속이 세는 것을 방지한다.
반면, 일반적인 축방향 자속형 모터가 아닌 요크리스(yokeless)형 축방향 자속형 모터는 티스를 연결시키던 요크를 없애고, 요크와 접하던 면에도 회전자(영구자석)를 배치하여, 회전자가 고정자 티스의 양쪽에 존재하는 더블 회전자 구조를 가진다. 이러한 구조에서는 자기장에 의해 회전자가 힘을 받는 면적이 일반적 형태의 축방향 자속형 모터의 경우 대비 2배이며, 따라서 동일 부피에서 출력밀도가 더욱 높게 나타난다. 도 6은 요크리스형 축방향 자속형 모터의 구조를 일반 반경방향 자속형 모터와 비교하여 나타낸 것이다.
본 발명은 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자를 제공한다.
보다 구체적으로 본 발명은 상하방향으로 연장되어 형성된 중공형 고정자 코어,
상기 고정자 코어의 연장된 방향의 끝단에 고정자 코어와 일체형으로 형성되는 슈,
상기 중공형 고정자 코어의 내부로 삽입되고, 복수의 전기강판이 적층되어 형성되며, 복수의 전기강판이 동일한 폭 또는 서로 다른 폭을 갖되, 동일한 폭을 갖는 전기강판들끼리 블록을 형성하여, 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트를 포함하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자이되,
상기 고정자 코어의 내측면은 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트의 외측면에 대응되도록 형성되고,
상기 슈는 수평방향으로 사방으로 상기 고정자 코어 외측으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자를 제공한다.
이하 본 발명에 따른 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자를 각 구성별로 상세히 설명한다.
본 발명의 고정자는 상하방향으로 연장되어 형성된 중공형 고정자 코어를 포함한다. 고정자 코어는 고정자 중 코일이 감기는 부분을 의미하며, 본 발명의 고정자 코어는 상하방향으로 연장되어 형성되며, 내부에 전기강판 세그먼트가 삽입될 수 있는 공간을 포함하는 중공형 고정자 코어이다. 이때, 중공형 내부의 내측면은 이하에서 설명될 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트의 외측면에 대응되도록 형성되고, 이와 같은 구성을 가짐으로써, 중공형 고정자 코어의 내부로 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트를 삽입했을 때, 전기강판 세그먼트와 고정자 코어 사이의 빈공간을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 전기강판 세그먼트 삽입에 따른 고정자의 포화자속밀도 저하를 최소화할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 고정자는 상기 고정자 코어의 연장된 방향의 끝단에 고정자 코어와 일체형으로 형성되는 슈를 포함한다. 본 발명에서 슈는 고정자 코어의 연장된 방향의 끝단에 형성되는 구성으로, 고정자 코어의 일 끝단에 형성되거나 또는 양쪽 끝단에 모두 형성될 수 있다. 또한, 본 발명에 상기 슈는 고정자 코어와 일체형으로 형성됨으로써, 축방향 자속모터의 일 구성품인 고정자의 물리적 특성을 크게 향상시킬 수 있고, 궁극적으로는 모터의 물리적 특성을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 상기 슈는 수평방향으로 사방으로 상기 고정자 코어 외측으로 돌출되어 형성된다. 본 발명은 이와 같은 구조의 슈를 포함함으로써, 구리선이 차지하는 면적을 최소화하고 자기장이 발생하는 면적을 최대화하여 동일 부피 대비 모터의 출력을 높이는 장점이 있다.
본 발명의 고정자는 상기 중공형 고정자 코어의 내부로 삽입되고, 복수의 전기강판이 적층되어 형성되며, 복수의 전기강판이 동일한 폭 또는 서로 다른 폭을 갖되, 동일한 폭을 갖는 전기강판들끼리 블록을 형성하여, 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트를 포함한다.
즉, 본 발명의 전기강판 세그먼트는 복수의 전기강판이 적층되어 형성되며, 폭이 동일한 전기강판들끼리 블록을 형성하고, 이와 같이 형성된 서로 다른 폭의 블록들이 다단 블록 구조로 조합되어 형성된다. 본 발명에서 전기강판 세그먼트는 이와 같은 구조를 가짐으로써, 전기강판 세그먼트를 제조하는 공정을 용이하게 하고, 제조 과정에서 폐기되는 폐기물의 양을 줄일 수 있고, 또한, 와전류에 의하여 발생되는 철손을 효율적으로 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 전기강판 세그먼트를 구성하는 전기강판은 무방향성 전기강판 또는 방향성 전기강판일 수 있고 방향성 전기강판인 것이 바람직하다. 방향성 전기강판은 무방향성 전기강판을 열처리하여 압연 방향으로의 자기적 특성을 극대화한 전기강판 소재로, 압연 방향에 대하여서는 무방향성 전기강판 대비 투자율이 높으며, 철손이 낮은 특성을 가지고 있다. 본 발명은 자기장이 한방향 (축방향)으로만 발생하므로 한쪽 방향에 대한 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판 세그먼트를 삽입할 경우, 무방향성 전기강판 세그먼트를 삽입한 경우에 비하여 최종 모터의 출력과 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자에서 상기 슈는 고정자 코어의 연장된 방향의 양쪽 끝단에 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이처럼 슈가 고정자 코어의 양쪽 끝단에 형성됨으로써, 구리선이 차지하는 면적을 최소화하고 자기장이 발생하는 면적을 최대화하여 동일 부피 대비 모터의 출력을 높이는 장점이 있다.
본 발명의 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 고정자 코어 내부에 삽입되는 전기강판 세그먼트는 상기한 바와 같이 복수의 블록들이 다단 블록 구조를 형성하며, 특히 2 내지 3 단의 구조를 갖는 것이 바람직하다. 만약 상기 블록 구조가 1단으로 형성되는 경우에는 블록이 차지하는 면적이 전체 면적대비 작아 모터의 출력 향상이 미미한 문제점이 있고, 3단을 초과하는 경우에는 각각의 블록을 제작하기 위한 공정이 복잡해져 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자는 상기한 바와 같이 고정자 코어 내부에 전기강판 세그먼트가 삽입되어 있는 구조를 갖고, 상기한 바와 같은 구조의 슈를 포함함으로써 고정자 내부에서 와전류에 의한 철손 발생을 저감시킬 수 있고, 나아가 포화자속 밀도의 저하를 최대한 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명은 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법을 제공하고, 구체적으로는 3D 프린팅을 통하여 상기 고정자 코어 및 슈를 일체형으로 형성하는 단계;
상기 전기강판 세그먼트를 형성하는 단계; 및
상기 전기강판 세그먼트를 상기 고정자 코어의 중공 내로 삽입하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명의 제조방법은 3D 프린팅을 통하여 상기한 고정자 코어 및 슈를 일체형으로 형성하는 단계를 포함한다.
일반적으로 고정자 코어와 그 상부 및 하부에 위치하게 되는 슈는 각각의 구성으로 제작되어, 이를 물리적으로 연결하는 방법으로 제조된다. 그러나, 이와 같이 제조하는 경우, 고정자의 물리적 특성이 저하되는 문제점이 있다. 특히, 고정자가 부품으로 포함되는 축방향 자속모터의 가혹한 작동 환경을 고려하면, 이와 같은 고정자의 물리적 특성 저하는 심각한 문제를 야기할 수 있다. 다만, 본 발명과 같이 고정자 코어의 끝단에 수평방향으로 사방으로 고정자 코어 외측으로 돌출된 구조의 슈를 고정자 코어와 일체형으로 형성하는 것은 기존의 방법으로는 매우 어렵다. 본 발명은 3D 프린팅을 이용하여 상기와 같은 구조의 고정자 코어와 슈를 일체형으로 형성함으로써, 고정자의 물성을 크게 개선하는 효과가 있다.
또한, 상기한 바와 같이, 본 발명의 고정자 코어의 내측면은 삽입되는 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트의 외측면에 대응되도록 형성되는데, 삽입되는 전기강판 세그먼트의 외측면이 복잡해지면, 이에 따라 고정자 코어의 내측면 구조도 복잡해지게 되어, 기존의 방법으로는 이와 같은 고정자 코어 구조를 구현하기가 매우 어려워진다. 본 발명은 3D 프린팅을 통하여 고정자 코어 구조를 형성함으로써, 전기강판 세그먼트가 복잡하게 형성되어도, 이에 대응되는 고정자 코어를 매우 용이하게 제작할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 제조방법은 상기한 바와 같은 구조를 갖는 전기강판 세그먼트를 형성하는 단계를 포함한다. 구체적으로 본 발명의 전기강판 세그먼트는 복수의 전기강판이 적층되어 형성되며, 복수의 전기강판이 동일한 폭 또는 서로 다른 폭을 갖되, 동일한 폭을 갖는 전기강판들끼리 블록을 형성하여, 다단 블록의 구조를 갖는다. 이와 같은 구조를 다양한 방법으로 제조할 수 있으며, 예를 들어 본 발명은 전기강판 롤로부터 스탬핑을 통하여 첫번째 폭의 복수의 전기강판을 형성하고, 이들을 압착하여 블록을 형성하고, 이와 상이한 폭의 복수의 전기강판을 동일한 방법으로 형성하고, 이들을 압착하여 블록을 형성하며, 상기 방법을 반복하여 복수의 블록을 형성하고, 복수의 블록을 압착하는 방법으로 수행될 수 있다.
다음으로 본 발명의 제조방법은 상기 제조된 전기강판 세그먼트를 상기 제조된 고정자 코어의 중공 내로 삽입하는 단계를 포함한다. 상기한 바와 같이, 본 발명의 고정자 코어의 내측면을 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트의 외측면에 대응되도록 형성되기 때문에, 제조된 전기강판 세그먼트를 고정자 코어의 중공 내로 삽입하게 되면, 전기강판 세그먼트와 고정자 코어의 내측면 사이에 빈 공간이 최소화되고, 이에 따라, 고정자의 포화자화 밀도가 저하되는 것을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한, 본 발명의 고정자는 상기 방법으로 고정자 코어 내에 전기강판 세그먼트를 삽입함에 따라, 와전류에 의하여 고정자에서 발생하는 철손을 저감시켜, 궁극적으로는 모터의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이때, 상기 전기강판 세그먼트를 구성하는 전기강판은 무방향성 전기강판 또는 방향성 전기강판으로 제조될 수 있고, 방향성 전기강판인 것이 바람직하다. 방향성 전기강판은 무방향성 전기강판을 열처리하여 압연 방향으로의 자기적 특성을 극대화한 전기강판 소재로, 압연 방향에 대하여서는 무방향성 전기강판 대비 투자율이 높으며, 철손이 낮은 특성을 가지고 있다. 본 발명은 자기장이 한방향 (축방향)으로만 발생하므로 한쪽 방향에 대한 자기적 특성이 우수한 방향성 전기강판 세그먼트를 삽입할 경우, 무방향성 전기강판 세그먼트를 삽입한 경우에 비하여 최종 모터의 출력과 효율이 향상될 수 있다.
본 발명의 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자에서 상기 슈는 고정자 코어의 연장된 방향의 양쪽 끝단에 일체형으로 형성되는 것이 바람직하다. 이처럼 슈가 고정자 코어의 양쪽 끝단에 형성됨으로써, 구리선이 차지하는 면적을 최소화하고 자기장이 발생하는 면적을 최대화하여 동일 부피 대비 모터의 출력을 높이는 장점이 있다.
본 발명의 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 고정자 코어 내부에 삽입되는 전기강판 세그먼트는 상기한 바와 같이 복수의 블록들이 다단 블록 구조를 형성하며, 특히 2 내지 3 단의 구조를 갖는 것이 바람직하다. 만약 상기 블록 구조가 1단으로 형성되는 경우에는 블록이 차지하는 면적이 전체 면적대비 작아 모터의 출력 향상이 미미한 문제점이 있고, 3단을 초과하는 경우에는 각각의 블록을 제작하기 위한 공정이 복잡해져 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명의 제조방법에 따르면, 슈가 수평방향으로 사방으로 고정자 코어의 외측으로 돌출되도록 고정자 코어와 일체형으로 제조됨으로써, 고정자의 물리적 특성을 향상시킬 수 있고, 또한 고정자의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 나아가, 본 발명의 제조방법에 따르면 기존의 방법으로는 구현이 어려운 구조를 용이하게 제조할 수 있고, 이와 같은 구조를 통하여 고정자의 물성 향상, 철손 저감과 같은 효과를 얻을 수 있고, 궁극적으로는 고정자를 포함하는 축방향 자속모터의 효율을 크게 개선할 수 있는 효과가 있다.
이하 본 발명을 실시예, 비교예 및 실험예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 단, 이하는 본 발명의 구체적인 설명을 위한 것일 뿐, 이하 기재에 의하여 본 발명의 범위가 한정 해석되는 것을 의도하는 것은 아니다.
<실험예 1>
고정자의 구조에 따른 역기전력을 확인하기 위하여 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5를 이용하여 유한해석 (Finite Element Analysis:FEA) 방식의 시뮬레이션 기법을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과를 이하의 표 1과 도 2에 나타내었다. 이때, 동선은 코어 대비 30%의 부피를 차지하도록 하며, 순수 구리의 전기전도도를 설정하였다. 전기강판 세그먼트의 경우, 상용 전기강판 제품인 35PN230 모델의 전기강판 소재의 초기 자기이력곡선 (B-H curve)과 주파수/자속밀도 조건에 따른 철손 값을 데이터로 입력하였다. 3D 프린팅으로 제조되는 고정자의 경우, Fe-6.5%Si 분말을 이용하여 토로이드(toroid) 형태로 제조된 조형체의 초기 자기이력곡선과 주파수/자속밀도 조건에 따른 철손 값을 데이터로 입력하였다.
시뮬레이션에 활용한 axial-flux 모터의 구성 조건은 아래 표 2와 같다.
역기전력은 부하조건 없이 모터 3D 모델을 150 rpm으로 강제로 회전시키고 이 때 고정자 구리선에 유도되는 전류의 기전력 결과값을 도출하였다.
| 비교예 1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예 4 | 비교예5 | 실시예 1 | 실시예 2 | 실시예 3 | |
| 최대역기전력 (Vrms) |
32.022 | 32.109 | 32.125 | 32.132 | 38.774 | 38.920 | 38.953 | 38.970 |
상기 표 1과 도 2에 따르면, 본 발명의 구조를 갖는 고정자를 사용하는 경우, 최대 역기전력이 높게 나온다는 것을 알 수 있다. 보다 구체적으로는 슈를 포함하지 않은 경우보다 슈를 포함하는 경우 역기전력이 더 높게 나오고, 슈를 포함하는 경우에도, 전기강판 세그먼트를 포함하는 경우, 이를 포함하지 않은 경우보다 최대 역기전력이 더 높게 나오며, 전기강판 세그먼트의 블록이 1단인 경우보다는 2단인 경우가, 2단인 경우보다는 3단인 경우가 최대 역기전력이 더 높게 나온다는 것을 알 수 있다.
| 단위 | ||
| 고정자 외경 | 273 | mm |
| 회전자 외경 | 088 | mm |
| Pole/slot | 48/36 | |
| Winding series turns per phase | 124 | turns |
<실험예 2>
고정자의 구조에 따른 역기전력을 확인하기 위하여 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5를 이용하여 유한해석 (Finite Element Analysis:FEA) 방식의 시뮬레이션 기법을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과를 이하의 표 1과 도 2에 나타내었다. 이때, 동선은 코어 대비 30%의 부피를 차지하도록 하며, 순수 구리의 전기전도도를 설정하였다. 전기강판 세그먼트의 경우, 상용 전기강판 제품인 35PN230 모델의 전기강판 소재의 초기 자기이력곡선 (B-H curve)과 주파수/자속밀도 조건에 따른 철손 값을 데이터로 입력하였다. 3D 프린팅으로 제조되는 고정자의 경우, Fe-6.5%Si 분말을 이용하여 toroid 형태로 제조된 조형체의 초기 자기이력곡선과 주파수/자속밀도 조건에 따른 철손 값을 데이터로 입력하였다.
토크는 모터 축에서 나타나는 힘의 크기를 나타내며, 소재 자기 특성을 반영한 모터 3D 모델에서 회전수 45 rpm을 기준으로 전류/전압 및 주파수를 변화시킴에 따라 나타나는 최대 토크 값을 도출하였다.
상기 실험 결과를 도 3에 나타내었다. 도 3에 따르면, 슈가 없는 구조의 고정자보다 슈가 있는 구조의 고정자를 포함하는 모터의 토크가 더 높다는 것을 알 수 있고, 또한, 슈가 있는 경우에도 전기강판 세그먼트가 삽입된 경우가, 삽입되지 않은 경우보다 토크가 더 높다는 것을 알 수 있어, 본 발명에 따른 고정자 구조가 실제로 모터의 토크를 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
<실험예 3>
고정자의 구조에 따른 역기전력을 확인하기 위하여 상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 5를 이용하여 유한해석 (Finite Element Analysis:FEA) 방식의 시뮬레이션 기법을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 그 결과를 이하의 표 1과 도 2에 나타내었다. 이때, 동선은 코어 대비 30%의 부피를 차지하도록 하며, 순수 구리의 전기전도도를 설정하였다. 전기강판 세그먼트의 경우, 상용 전기강판 제품인 35PN230 모델의 전기강판 소재의 초기 자기이력곡선 (B-H curve)과 주파수/자속밀도 조건에 따른 철손 값을 데이터로 입력하였다. 3D 프린팅으로 제조되는 고정자의 경우, Fe-6.5%Si 분말을 이용하여 toroid 형태로 제조된 조형체의 초기 자기이력곡선과 주파수/자속밀도 조건에 따른 철손 값을 데이터로 입력하였다.
출력은 모터가 단위 시간당 일의 크기를 나타내며, 모터에 입력된 전류와 전압의 곱으로 산출될 수 있다. 소재 자기 특성을 반영한 모터 3D 모델에서 회전수 45 rpm을 기준으로 전류/전압 및 주파수를 변화시킴에 따라 나타나는 최대 출력 값을 도출하였다.
상기 실험 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에 따르면, 슈가 없는 구조의 고정자보다 슈가 있는 구조의 고정자를 포함하는 모터의 파워가 더 높다는 것을 알 수 있고, 또한, 슈가 있는 경우에도 전기강판 세그먼트가 삽입된 경우가, 삽입되지 않은 경우보다 파워가 더 높다는 것을 알 수 있어, 본 발명에 따른 고정자 구조가 실제로 모터의 파워를 향상시킬 수 있다는 것을 확인할 수 있다.
Claims (10)
- 상하방향으로 연장되어 형성된 중공형 고정자 코어,
상기 고정자 코어의 연장된 방향의 끝단에 고정자 코어와 일체형으로 형성되는 슈,
상기 중공형 고정자 코어의 내부로 삽입되고, 복수의 전기강판이 적층되어 형성되며, 복수의 전기강판이 동일한 폭 또는 서로 다른 폭을 갖되, 동일한 폭을 갖는 전기강판들끼리 블록을 형성하여, 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트를 포함하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자이되,
상기 고정자 코어의 내측면은 다단 블록의 구조를 갖는 전기강판 세그먼트의 외측면에 대응되도록 형성되고,
상기 슈는 수평방향으로 사방으로 상기 고정자 코어 외측으로 돌출되어 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자.
- 제1항에 있어서, 상기 전기강판은 무방향성 전기강판 또는 방향성 전기강판인 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자.
- 제1항에 있어서, 상기 슈는 상기 고정자 코어의 연장된 방향의 양쪽 끝단에 일체형으로 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자.
- 제1항에 있어서, 상기 전기강판 세그먼트는 2 내지 3단의 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자.
- 제1항에 있어서, 상기 전기강판 세그먼트는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자에 형성되는 철손을 저감시키는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자.
- 3D 프린팅을 통하여 제1항에 따른 고정자 코어 및 슈를 일체형으로 형성하는 단계;
제1항에 따른 전기강판 세그먼트를 형성하는 단계; 및
상기 전기강판 세그먼트를 상기 고정자 코어의 중공 내로 삽입하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 전기강판 세그먼트는 무방향성 전기강판 또는 방향성 전기강판으로 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 슈는 고정자 코어의 연장되는 방향의 양 끝단에 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 전기강판 세그먼트는 2 내지 3단의 블록 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법.
- 제6항에 있어서, 상기 전기강판 세그먼트를 형성하는 단계는 전기강판 롤로부터 스탬핑을 통하여 첫번째 폭의 복수의 전기강판을 형성하고, 이들을 압착하여 블록을 형성하고, 이와 상이한 폭의 복수의 전기강판을 동일한 방법으로 형성하고, 이들을 압착하여 블록을 형성하며, 상기 방법을 반복하여 복수의 블록을 형성하고, 복수의 블록을 압착하는 방법으로 수행되는 것을 특징으로 하는 축방향 자속모터용 요크리스형 고정자의 제조방법.
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