KR20210097442A

KR20210097442A - 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기

Info

Publication number: KR20210097442A
Application number: KR1020200011145A
Authority: KR
Inventors: 문창근
Original assignee: 문창근
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-09
Also published as: KR102340210B1

Abstract

실시예들은 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기에 관련된다. 이 전동기는 영구자석을 포함하는 디스크 형태의 로터 및 상기 영구자석에 대응되도록 배치된 전도체 라인을 포함하는 디스크 형태의 스테이터를 포함하되 상기 전도체 라인은 상기 스테이터의 법선과 소정각도를 가지도록 형성될 수 있다. 본 발명의 스테이터는 3D 프린터기를 이용하여 기판상에 전도체 라인을 인쇄함으로써 전동기 전체 무게를 획기적으로 줄이고, 제작 시간을 단축시키고, 수작업이 불필요해 불량률을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

Description

기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기{AXIAL-FLUX MOTOR HAVING SLANTED CONDUCTIVE LINE}

본 발명은 액시얼 플럭스 전동기에 관련되며, 더욱 구체적으로는 법선과 소정의 사이각을 갖는 전도체 라인을 갖는 스테이터로 구성된 액시얼 플럭스 전동기에 관련된다.

종래 전동기 스테이터는 철심의 주변부를 따라 구리선(코일)을 기계로 감고, 사람이 손으로 후처리 하였다. 이러한 종래 전동기 제작 방식에 따른 경우 철심을 포함하여 전동기의 무게가 무겁고 코일을 감는 작업에 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.

따라서 이러한 철심을 배제하면서 전동기의 무게를 줄이고 수작업 비중을 낮추는 전동기 구조 및 제작 방법이 요구된다.

공개실용신안 제20-2009-0004179호 [출원인: 박상열]

본 발명은 3D 프린팅 기법을 포함한 자동화된 인쇄 회로 기판 제작 방식을 이용하여 기판상에 전도체 라인을 인쇄함으로써 제작된 스테이터를 제공함으로써 전동기 전체 무게를 획기적으로 줄이고, 제작 시간을 단축시키는 것을 목적으로 한다.또한 전동기 제작시 스테이터의 제작공정을 모두 기계화함으로써 제작 시간 및 가격을 낮추는 것을 목적으로 한다.

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

본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기는, 영구자석을 포함하는, 디스크 형태의 로터 및 상기 영구자석에 대응되도록 배치된 전도체 라인을 포함하는, 디스크 형태의 스테이터를 포함하되, 상기 전도체 라인은 상기 스테이터의 법선과 소정각도를 가지도록 형성된다.

일 실시예에서, 상기 전도체 라인은, 상기 스테이터의 상면 및 하면에 배치되되, 상기 스테이터에 형성된 비아홀을 통해 상면과 하면 사이에 전도체 라인이 연결될 수도 있다.

일 실시예에서, 상기 비아홀을 통해 연결된 상면의 전도체 라인과 하면의 전도체 라인은 상기 비아홀을 지나는 법선을 기준으로 대칭일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전도체 라인은 직선, 곡선 또는 이들의 조합일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전도체 라인이 곡선 형태를 갖는 경우, 곡선의 전도체 라인은 토로이달(Toroidal) 패턴 또는 인벌루트(Involute) 패턴으로 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 스테이터는 내경과 외경 사이 소정의 반지름을 갖는 하나 이상의 가상의 원을 포함하고, 상기 전도체 라인은 상기 내경에서 외경쪽으로 진행하면서, 상기 원과의 교차점에서, 직선에서 곡선, 곡선에서 직선, 법선과 제1각도를 갖는 직선에서 제2각도를 갖는 직선, 제1곡률을 갖는 곡선에서 제2 곡률을 갖는 곡선 중 하나 이상의 형태로 변화될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전도체 라인은 복수의 라인으로 구성되어 다상(multi-phase) 전동기를 구현하되, 서로 다른 상을 구성하는 서로 인접한 전도체 라인은 상기 스테이터의 외경과 내경 사이에 평행한 구간을 가질 수 있다.

일 실시예에서, 상기 평행한 구간은 상기 스테이터의 내경과 외경 사이 구간의 절반 이상일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 스테이터는 기판 상에 전도체 라인이 인쇄됨으로써 제조되는 것일 수 있다.

본 발명의 스테이터는 기존 인쇄기판 제조공정을 통해 기판상에 전도체 라인을 인쇄함으로써 전동기 전체 무게를 획기적으로 줄이고, 제작 시간을 단축시키고, 수작업이 불필요해 불량률을 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 또한 3D 프린팅 기법을 이용하여 기하학적 구조를 적용한 전도체 라인을 기판에 인쇄함으로써 낭비되는 공간(dead space)을 최소화 하여 전도체 라인의 밀도를 극대화 할 수 있다.또한 상술한 바와 같이, 전도체 라인이 스테이터 법선과 소정각도를 갖도록 형성함으로써 동일한 면적의 스테이터에서 종래보다 높은 자속밀도를 가질 수 있는 이점이 있다.

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

도 1은 디스크형 전동기의 외형을 나타내는 도이다.
도 2a 및 도 2b 는 종래 디스크형 전동기의 스테이터를 나타낸다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기의 스테이터(100)를 나타낸다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터(100)의 측면 투시도이다.
도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터의 일 구조를 나타낸다.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 전도체 라인을 갖는 스테이터의 회로도를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 곡선 형태의 전도체 라인(110)을 갖는 스테이터(100)를 나타낸다.
도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 인벌루트 패턴의 전도체 라인을 갖는 스테이터를 나타내며, 도 6b는 인벌루트 패턴으로 형성된 3상 전도체 라인을 나타낸다.
도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 토로이달 패턴의 전도체 라인을 갖는 스테이터를 나타내며, 도 7b는 인벌루트 패턴으로 형성된 3상 전도체 라인을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 구간별 상이한 형태를 갖는 전도체 라인이 형성된 스테이터(100)를 나타낸다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라서 1개의 직선과 2 개의 곡선 형태를 갖는 전도체 라인(111-113)을 나타낸다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 2 개의 직선 구간과 1개의 곡선 구간을 갖는 전도체 라인을 포함하는 스테이터를 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 사시도이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시 된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한 본 명세서에서 "연결된다" 또는 "접촉된다"등의 용어는 두 구성요소 사이에 직접 연결되거나 다른 구성요소를 사이에 두고 간접적으로 연결되는 것을 포함할 수 있다.

또한, 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.

본 명세서에 기술된 실시예는 전적으로 하드웨어이거나, 부분적으로 하드웨어이고 부분적으로 소프트웨어이거나, 또는 전적으로 소프트웨어인 측면을 가질 수 있다. 본 명세서에서 "부(unit)", "장치" 또는 "시스템" 등은 하드웨어, 하드웨어와 소프트웨어의 조합, 또는 소프트웨어 등 컴퓨터 관련 엔티티(entity)를 지칭한다.

도 1은 디스크형 전동기의 외형을 나타내는 도이다. 도 2a 및 도 2b 는 종래 디스크형 전동기의 스테이터를 나타낸다. 본 명세서에서 '디스크형'은 외경과 내경을 갖는 환(도넛) 형태를 의미할 뿐만 아니라, 중심부에 구멍이 없는 원반형의 형태를 포함한다. 즉, 도 1에서는 환 형태를 도시하였으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

도 1을 참조하면, 전동기는 스테이터(100), 로터(200) 및 전동기축(300)으로 구성될 수 있다. 경우에 따라서 전동기축(300)이 생략될 수도 있으며, 복수개의 스테이터(100) 또는 로터(200)가 교번하여 적층(간격을 두고)될 수도 있다.

이와 같이 스테이터(100)와 로터(200)가 상하로 배치됨에 따라서, 스테이터(100)와 로터(200) 사이에 축 방향(액시얼)으로 자속이 발생될 수 있다.

로터(200)는 영구자석을 포함하고, 스테이터(100)는 전동기 본체(미도시)에 고정되며 전도체 라인(예컨대 코일 등)을 포함할 수 있다. 전도체 라인에 전력이 공급됨에 따라서 자속이 발생하고, 발생된 자속이 로터(200)의 영구자석과 반응하여 로터(200)가 회전할 수 있다. 따라서 스테이터에서 발생되는 자속의 세기를 증가시키는 것은 전동기 효율에 큰 영향을 미친다. 이러한 전동기 효율은 전동기가 작동하는 기계장치(예컨대 전기 전동기 자동차, 비행체 등 임의의 동력 장치)의 동작 효율에도 큰 영향을 미친다. 기계장치의 전반적인 효율을 위해서 전동기의 무게를 낮추고, 저전력에서도 큰 토크를 발생시킬 수 있는 전동기가 필요하다.

도 2a를 참조하면 스테이터에 형성된 전도체 라인(110)은 스테이터의 법선 방향으로만 형성된다. 참고로 본 명세서에서 스테이터의 '법선'은 스테이터의 중점을 지나는 임의 직선을 의미한다. 도 2a에서는 예시적으로 14개의 법선에 대응되는 전도체 라인(110)이 도시되어 있다. 이러한 법선 방향 전도체 라인은 스테이터(110)의 외경으로 갈수록 이웃하는 전도체 라인과의 폭이 점차 증가(d1 -> d2)하게 됨을 알 수 있다. 이러한 구조에 따르면 전도체 라인 사이의 폭이 균일하지 않아 다상(multi-phase) 회로를 구성하는 경우 노이즈를 발생시키는 원인이 된다. 또한 도 2a에서와 같은 전도체 라인 형태의 배치는 스테이터 상에 전도체 라인을 형성하는 면적을 효율적으로 형성하지 못하는 문제점도 있다.

또한 도 2b를 참조하면, 스테이터(100)가 디스크 형태로 되어있으며, 스테이터의 겉면을 코일로 감은 형태가 나타난다. 이러한 경우 스테이터의 면 상이 아닌 내측(R1)과 외측(R2)에 코일이 위치하게 된다. 내측과 외측에 형성된 코일은 로터(200)의 영구자석과 대응(마주하는)되도록 배치되지 않아 전동기 성능을 저하시키는 부하로 작용하게 된다.

따라서 본 발명은 도 2a 와 도 2b에서 도시된 종래 전동기 스테이터의 문제를 해결하기 위해서, 로터의 영구자석에 대응되도록 배치된 전도체 라인을 포함하는 디스크 형태의 스테이터를 제안한다. 또한 본 발명의 스테이터의 전도체 라인은 스테이터의 법선과 소정각도를 가지도록 형성됨으로써 보다 밀도 높게 스테이터에 배치될 수 있으며, 그 결과 더 큰 자속을 발생시킬 수 있다.

이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기의 스테이터(100)를 나타낸다. 스테이터(100) 상에 배치되는 전도체 라인(110)은 로터(200)의 영구자석에 대응되도록 배치될 수 있다. 예컨대 로터(200)의 영구자석이 배치되는 영역과 대응되는 영역에 전도체 라인이 형성될 수 있다. 도 3a에서는 설명의 간명함을 위해서 전도체 라인의 일부만을 나타내었으나, 도시된 전도체 라인과 동일한 형태의 다른 전도체 라인이 스테이터 상에 형성될 수 있다. 또한 스테이터의 상면에 배치된 전도체 라인은 검은색으로 채워진 굵은 선으로 표시하고, 하면에 배치되는 전도체 라인은 윤곽선이 검고 속이 흰 선으로 표시하였다.

일 실시예에 있어서, 전도체 라인(110)은 스테이터의 법선(n1, n2, n3, n4 ...)과 소정각도(a1)를 가지도록 형성될 수 있다. 또한 이러한 전도체 라인(110)은 스테이터(100)의 상면 및 하면에 배치될 수 있다. 여기서 '상면'과 '하면'은 판 형상의 스테이터의 서로 다른 면을 의미하는 것이며, 절대적인 방향을 의미하는 것은 아니다. 따라서 '상면'에 배치된 전도체 라인(110a)이 로터(200)와 마주할 수도 있고, 그 반대로 '하면'에 배치된 전도체 라인(110b)이 로터(200)와 마주할 수도 있다.

일 예에서, 스테이터(100)는 비아홀을 포함할 수 있다. 이러한 비아홀은 스테이터의 내경(11) 또는 외경(12) 주변부에 형성될 수 있다. 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터(100)의 측면 투시도이다. 도 3b를 참조하면 전도체 라인(110h)은 수직방향으로 스테이터 기판을 통과해 상면 전도체 라인(110a)과 하면 전도체 라인(110b)를 연결할 수 있다. 도3b에서 전도체 라인(110h)은 스테이터 판과 수직인 직선인 것으로 도시되었으나, 다른 실시예에서는 사선이거나, 곡선일 수도 있다. 이와 같이 비아홀을 통해 상면과 하면에 전도체 라인을 형성하는 경우, 로터(200)의 영구자석에 대응되는 영역에 보다 밀도있게 전도체 라인(110a, 110h, 110b)이 형성될 수 있는 이점이 있다.

또한, 도 3b에서는 하나의 비아홀을 통해서 상면과 하면으로 이루어진 2 레이어의 스테이터가 개시되었으나, 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니고 3 레이어 이상(멀티 레이어)으로 구현될 수도 있다. 이 경우, 전도체 라인은 1층, 2층, 3층으로 구현될 수 있다. 하나의 비아홀에서 각 층의 레이어 전도체 라인이 분기되거나 서로 다른 비아홀을 통해서 전도체 라인이 분기될 수도 있다.

도 3a를 다시 참조하면, 일 실시예에 있어서, 비아홀을 통해 연결된 상면의 전도체 라인(110a)과 하면의 전도체 라인(110b)은, 비아홀을 지나는 법선(n2)을 기준으로 대칭일 수 있다.

도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터의 일 구조를 나타낸다. 도 3c에서는 한 개의 상면 전도체 라인(110a)과 복수개의 하면 전도체 라인(110b)가 도시된다. 도 3c에 도시되진 않았지만 각각의 하면 전도체 라인들(110b)은 비아홀을 통해 상면의 전도체 라인(110a)과 연결될 수 있다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 직선형 전도체 라인을 갖는 스테이터의 회로도를 나타낸다. 도4a 내지 도 4c에 도시된 스테이터(100)는 3상 회로로 구성되며, 각 상의 전도체 라인은 소정 간격을 두고 스테이터 상면과 하면에 배치되고 있다. 도 4a에서 진한 분홍색은 상면 전도체 라인(110a)을 나타내며, 옅은 분홍색은 하면 전도체 라인(110b)을 나타낸다. 또한 도 4b 와 도 4c 에서 밝은 파란색은 상면 전도체 라인(110a)을 나타내며, 분홍색(상면 전도체 라인에 가려져 거의 보이지 않음)은 하면 전도체 라인(110b)을 나타낸다.

도 4a 내지 도 4c를 참조하면 도 2a에 도시된 것과 비교되게 각 전도체 라인 사이의 간격이 보다 균일함을 알 수 있다.

일 실시예에 있어서, 스테이터(100) 상에 형성되는 전도체 라인(110)은 직선, 곡선 또는 직선과 곡선의 조합일 수 있다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 곡선 형태의 전도체 라인(110)을 갖는 스테이터(100)를 나타낸다. 이러한 곡선도 도 3a의 전도체 라인과 마찬가지로 스테이터의 법선(n1, n2, n3 등)과 소정 각도 기울어지도록 형성되었다. 스테이터 상에 형성되는 전도체 라인(110)의 곡률은 고정된 값을 가질 수도 있고, 소정의 함수값을 가지도록 설정될 수 도 있다.

예컨대, 전도체 라인(110)이 곡선 형태를 갖는 경우, 곡선의 전도체 라인은 토로이달(Toroidal) 패턴 또는 인벌루트(Involute) 패턴으로 형성될 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

도 6a는 본 발명의 일 실시예에 따른 인벌루트 패턴의 전도체 라인을 갖는 스테이터를 나타내며, 도 6b는 인벌루트 패턴으로 형성된 3상 전도체 라인을 나타낸다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 인벌루트 패턴으로 전도체 라인을 형성하는 경우, 외경으로 갈수록 전도체 라인 사이의 폭이 증가하는 문제가 해결됨을 알 수 있다. 즉, 내경 부근과 외경 부근에 있어서, 전도체 라인들 사이의 폭이 균일하게 유지되고 있다.

도 6b를 참조하면 인벌루트 패턴을 구성하는 경우 각 상을 구성하는 전도체 라인들의 간격이 스테이터 판 상에서 균일(d1=d2=d3)하게 형성됨을 알 수 있다. 각 전도체 라인의 인벌루투 패턴에 적용되는 함수의 값들은 스테이터 내경의 반지름, 스테이터 외경의 반지름 또는 임의 상수값이나 사용자의 설정값에의해 결정될 수 있다.

도 7a는 본 발명의 일 실시예에 따른 토로이달 패턴의 전도체 라인을 갖는 스테이터를 나타내며, 도 7b는 인벌루트 패턴으로 형성된 3상 전도체 라인을 나타낸다.

도 7a에 도시된 바와 같이, 토로이달 패턴으로 전도체 라인을 형성하는 경우, 외경으로 갈수록 전도체 라인 사이의 폭이 증가하는 문제가 해결됨을 알 수 있다. 즉, 내경 부근과 내경 부근에 있어서, 전도체 라인들 사이의 폭이 균일하게 유지되고 있다.

도 7b를 참조하면 토로이달 패턴을 구성하는 경우, 비아홀을 통해 이어지는 상면 전도체 라인(110a)과 하면 전도체 라인(110b)은 비아홀을 지나는 법선을 교점으로하는 두 기준원의 곡면을 따라 형성될 수 있다. 이러한 기준원의 중점은 외경과 내경 사이 중심에 배치되거나, 외경 또는 내경 쪽으로 치우칠 수 있다. 일 실시예에서 기준원의 반지름은 스테이터의 외경, 내경 또는 사용자가 설정한 임의의 값으로 결정될 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따라 구간별 상이한 형태를 갖는 전도체 라인이 형성된 스테이터(100)를 나타낸다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 스테이터(100)는 내경(11)과 외경(12) 사이 소정의 반지름을 갖는 하나 이상의 가상의 원(13, 14)을 포함할 수 있다. 전도체 라인(110)은 상기 내경에서 외경 쪽으로 진행하면서, 상기 가상의 원과의 교차점에서 형태가 변화될 수 있다. 예컨대 전도체 라인(110)은 직선에서 곡선, 곡선에서 직선, 법선과 제1각도를 갖는 직선에서 제2각도를 갖는 직선, 제1곡률을 갖는 곡선에서 제2 곡률을 갖는 곡선 중 하나 이상의 형태로 변화될 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다.

도 8을 참조하면 전도체 라인(110)은 복수개의 구간(111,112,113)으로 구분될 수 있다. 내경에 접하는 지점에서 외경으로 향하는 방향으로 설명을 하면, 제1 구간(101과 102 사이)은 스테이터의 법선(n1)을 따라 직선으로 진행하고, 교점 P에서부터 제2 구간(102와 103 사이)에서는 교점 Q까지 곡선으로 진행하며, 다시 교점 Q에서 외경(13)으로는 직선으로 진행한다. 즉 직선과 곡선 형태가 교번하여 나타난다.

도 8에서는 직선이 법선 상에 위치하는 것으로 설명되었으나, 다른 실시예에서는 법선과 소정 각도를 가지고 기울어진 형태의 직선일 수도 있다. 또한 곡선은 상술한 토로이달 패턴 또는 인벌루트 패턴일 수 있다. 또한 일 예로 도 8에서는 직선-곡선-직선 순서로 전도체 라인이 형성되었으나, 다른 실시예에서는 곡선-직선-곡선이거나 곡선-곡선-곡선이거나, 곡선-곡선-직선의 형태일 수도 있다. 이 경우 연속되는 곡선의 곡률은 서로 다를 수도 있으며, 서로 반대 방향으로 곡선이 형성될 수도 있다. 또한 각 구간의 폭(가상의 원의 반지름)은 점진적으로 증가하거나, 감소하거나, 동일하거나, 증가하다나 감소하거나, 감소하다가 증가할 수도 있다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라서 1개의 직선과 2 개의 곡선 형태를 갖는 전도체 라인(111-113)을 나타낸다. 내경에 접하는 부분은 곡선의 전도체 라인(113)이 형성되고, 외경에 접하는 부분도 곡선의 전도체 라인(111)이 형성되며, 곡선의 전도체 라인(111,113)은 직선의 전도체 라인(112)에 의해 연결되고 있다. 도 10에서 도면부호 111-113으로 표시한 영역은 상면의 전도체 라인을 나타내며, 보라색으로 표시된 부분은 상기 상면의 전도체 라인이 이어지는 하면의 전도체 라인을 나타낸다.

또한 도 10을 더 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따르면 전도체 라인의 폭은 외경으로 갈수록 점차 증가하는 구간을 가질 수도 있다. 이 경우, 스테이터의 면적에 빈 공간을 최소화 하면서 전도체 라인을 형성할 수 있는 이점이 있다. 또한 이와 같이 폭이 점진적으로 증가하는 전도체 라인은 직선인 경우에만 적용될 수도 있다.

도 9 및 도 10에 도시된 곡선의 전도체 라인(111,113)은 인벌루트 패턴인 것으로 도시되었으나 다른 실시예에서는 토로이달 또는 다른 곡률의 곡선으로 형성될 수도 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따라, 2 개의 직선 구간과 1개의 곡선 구간을 갖는 전도체 라인을 포함하는 스테이터를 나타낸다. 도 11을 참조하면 도 10의 경우와 달리 외경과 내경에 접하는 부분은 직선으로 구성되되, 그 사이 부분에 곡선의 전도체 라인이 형성되어 있다. 또한 도 11에서 상면의 전도체 라인(111)은 이어지는 하면의 전도체 라인과 긴 비아홀을 통해 연결되어 있다. 즉 비아홀의 단면은 원형에 제한되지 않고 타원이거나 다른 형태일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 스테이터(100)의 전도체 라인(1110)은 복수의 라인으로 구성되어 다상(multi-phase) 전동기를 구현할 수 있다. 이 때, 각 상을 구성하는 서로 인접한 전도체 라인은 상기 스테이터의 외경과 내경 사이에 평행한 구간을 가질 수 있다. 즉, 도 2a에서와 같이 각 전도체 라인 사이의 간격이 점진적으로 증가하지 않도록 도 10, 도11 등에 나타난 곡선의 전도체 라인들과 같이 간격이 균일할 수 있다. 또한 이와 같이 전도체 라인간의 간격이 균일한 구간의 비율은 전체(내경에서 외경에 까지 이어지는 전도체 라인 길이) 구간의 절반 이상일 수 있으나 이에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

도 12a 및 도 12b는 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기의 사시도이다. 도 12a 및 도 12b는 스테이터 또는 로터가 복수개 적층된 전동기를 개시하고 있다. 즉 일 실시예에 있어서, 스테이터(100) 및 로터(200)가 교번하여 적층(간격을 두고)될 수도 있다.

교번하여 스테이터와 로터가 구비되는 경우 하나의 전동기에 포함되는 스테이터와 로터의 개수는 서로 동일하거나 상이할 수도 있다. 도 12a 에서는 하나의 스테이터(100)를 사이에 두고 2 개의 로터(200a, 200b)가 배치되어 있다. 또한 도 12b에서는 4 개의 스테이터(100a, 100b, 100c, 100d)와 5개의 로터(200a, 200b, 200c, 200d, 200e)가 교번하여 적층되어 있다. 도 12a 및 도 12b와 같이 로터와 스테이터가 교번하는 구성에 있어서, 여기에 포함되는 스테이터는 상술한 바와 같이 멀티레이어 구조를 갖는 것일 수도 있다.

또한 일 실시예에서 2개의 스테이어가 적층되고 1개의 로터가 그 위에 적층되거나, 1개의 스테이터가 적층되고 그 위에 2개의 로터가 적층되는 것과 같이 복수개의 스테이터 또는 로터가 연속되어 구비될 수도 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기(1000)의 스테이터(100)는 3D 프린터를 이용해 제작된 것일 수 있다. 예컨대 스테이터 전체가 3D 프린터로 제작되거나, 준비된 기판상에 전도체 라인이 3D 프린터를 이용해 형성될 수도 있다. 상술한 바와 같이 전도체 라인(110)은 디스크형 스테이터의 상면과 하면 모두에 형성될 수 있고, 스테이터 기판을 통과하는 비아홀에도 형성되기 때문에 스테이터 전체가 3D 프린터를 통해 제작하는 것이 효율적일 수 있다.

종래 전동기 스테이터는 철심의 주변부를 따라 구리선(코일)을 기계로 감고, 사람이 손으로 마무리하는 작업이 필요하였다. 이러한 종래 전동기는 철심을 포함하여 무게가 무겁고 코일을 감는 작업에 시간이 많이 소요되는 단점이 있다. 그러나 본 발명의 스테이터는 3D 프린터기를 이용하여 기판상에 전도체 라인을 인쇄함으로써 전동기 전체 무게를 획기적으로 줄이고, 제작 시간을 단축시키고, 수작업이 불필요해 불량률을 감소시킬 수 있는 이점이 있다.

또한 상술한 바와 같이, 전도체 라인이 스테이터 법선과 소정각도를 갖도록 형성함으로써 동일한 면적의 스테이터에서 종래보다 높은 자속밀도를 가질 수 있는 이점이 있다.

이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

n1, n2, n3 .. : 스테이터의 법선
100 : 스테이터
110 : 전도체 라인 110a: 상면 전도체 라인 110b : 하면 전도체 라인
200 : 로터
300 : 전동기축
1000 : 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기

Claims

기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기로서, 상기 전동기는,
영구자석을 포함하는, 디스크 형태의 로터; 및
상기 영구자석에 대응되도록 배치된 전도체 라인을 포함하는, 디스크 형태의 스테이터를 포함하되,
상기 전도체 라인은 상기 스테이터의 법선과 소정각도를 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제1항에 있어서,
상기 전도체 라인은, 상기 스테이터의 상면 및 하면에 배치되되,
상기 스테이터에 형성된 비아홀을 통해 상면과 하면 사이에 전도체 라인이 연결되는 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제2항에 있어서,
상기 비아홀을 통해 연결된 상면의 전도체 라인과 하면의 전도체 라인은 상기 비아홀을 지나는 법선을 기준으로 대칭인 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제2항에 있어서,
상기 전도체 라인은 직선, 곡선 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제4항에 있어서,
상기 전도체 라인이 곡선 형태를 갖는 경우, 곡선의 전도체 라인은 토로이달(Toroidal) 패턴 또는 인벌루트(Involute) 패턴으로 형성되는 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제4항에 있어서,
상기 스테이터는 내경과 외경 사이 소정의 반지름을 갖는 하나 이상의 가상의 원을 포함하고,
상기 전도체 라인은 상기 내경에서 외경쪽으로 진행하면서, 상기 원과의 교차점에서,
직선에서 곡선, 곡선에서 직선, 법선과 제1각도를 갖는 직선에서 제2각도를 갖는 직선, 제1곡률을 갖는 곡선에서 제2 곡률을 갖는 곡선 중 하나 이상의 형태로 변화되는 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제5항에 있어서,
상기 전도체 라인은 복수의 라인으로 구성되어 다상(multi-phase) 전동기를 구현하되, 서로 다른 상을 구성하는 서로 인접한 전도체 라인은 상기 스테이터의 외경과 내경 사이에 평행한 구간을 갖는 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제7항에 있어서,
상기 평행한 구간은 상기 스테이터의 내경과 외경 사이 구간의 절반 이상인 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.
제4항에 있어서,
상기 스테이터는 기판 상에 전도체 라인이 인쇄됨으로써 제조되는 것을 특징으로 하는, 기울어진 전도체 라인을 갖는 액시얼 플럭스 전동기.