KR20230115813A - 비접촉식 회전 변압기 및 이를 포함하는 모터 - Google Patents

Abstract

비접촉식 회전 변압기 및 이를 포함하는 모터가 개시된다. 본 발명에 따른 비접촉식 회전 변압기는 모터의 회전자를 비접촉 방식으로 외부 전원과 연결시키는 기기로서, 중공의 모터축 내부에 모터축과 동심 구조로 배치되는 코어부, 코어부의 외주면에 설치되는 1차 코일부, 모터축의 내측 주면에 설치되며 상기 1차 코일부를 일정 간격(에어 갭)을 두고 에워싸는 2차 코일부 및 모터축에 결합되어 동기화된 회전운동을 하며 2차 코일부와 전기적으로 연결되는 정류 회로부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

비접촉식 회전 변압기 및 이를 포함하는 모터{Non-contact rotary transformer and Motor including the same.}

본 발명은 모터의 회전자에 전기를 공급하는 전기공급장치에 관한 것으로, 좀 더 구체적으로는 모터의 회전자를 비접촉 방식으로 외부 전원과 연결시켜 상기 회전자에 전기가 공급되도록 하는 비접촉식 회전 변압기 및 이를 포함하는 모터에 관한 것이다.

계자 권선형 동기모터(Wound Rotor Synchronous Motor)는 다른 모터와 비교하여 토크 및 전력밀도가 우수해 전기차에 주로 사용된다. 이러한 계자 권선형 동기모터는 일반적으로, 기구적으로 상호 접촉되는 슬립링과 브러시를 이용하여 외부 전원과 모터 내부의 회전자를 전기적으로 연결함으로써 전기를 공급하는 방식을 채택하고 있다.

그러나 슬립링과 브러시를 이용한 종래 접촉식 전기공급방식은, 모터가 구동되는 동안 모터축과 함께 회전하는 슬립링과 모터 하우징에 고정되는 브러시 사이의 지속적인 마찰로 브러시가 변형되거나 손상되는 문제가 있고, 이로 인해 슬립링과의 사이에 스파크가 발생해 화재로 이어질 염려도 있다. 또한 브러시의 마모로 다량의 분진이 발생하는 단점이 있다.

이러한 종래 기술의 문제점을 해결하고자 제안된 기술이 비접촉 방식으로 외부 전원과 회전자의 전기적인 연결을 구현한 기술이다. 이 기술은 대면하는 두 코일 중 한 코일에 전류를 흘리면 다른 한 코일에 전압이 유도되어 전류가 흐르는 현상(전가기 유도 현상)을 이용한 기술로서, 외부 전원과 회전자를 부품간 직접적인 연결 없이 전기적인 연결을 구현할 수 있다.

도 1은 비접촉 방식으로 모터의 회전자를 외부 전원과 연결시키는 기술이 적용된 종래 비접촉 계자 권선형 동기모터를 개략 도시한 절개 사시도이며, 도 2는 도 1에서 비접촉 방식으로 모터의 회전자를 외부 전원과 전기적으로 연결시킴에 있어 핵심이 되는 변압기의 분해 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래 계자 권선형 동기모터는, 모터 하우징(100) 및 모터 하우징(100)에 베어링을 매개로 회전 가능하게 지지되는 모터축(200)을 포함한다. 모터 하우징(100)의 내측에는 고정자(Stator, 120)가 결합되고, 모터축(200)에는 고정자(120)와 전자기적 상호 작용을 일으켜 모터축(200)을 회전시키기 위한 전자기력을 발생시키는 회전자(Rotor, 220)가 설치된다.

회전자(220)는 대면하는 두 개의 코일을 포함하는 변압기(300)를 통해 외부 전원과 직접적인 접촉 없이 전기적으로 연결되며, 변압기(300)와 회전자(220) 사이에는 정류기(400)가 설치됨으로써, 외부 전원에 의한 전류는 변압기(300)를 거쳐 적정 수준으로 변압되어 회전자(220)에 공급되는데, 중간에 정류기(Rectifier)에 의해 교류에서 직류로 변환되어 상기 회전자(220)에 공급된다.

변압기(300)는 모터 하우징(100)에 설치되는 고정자(300)측 1차 코일(310)과 모터축(200)에 결합되어 회전자(220)와 동기화 된 회전운동을 하는 회전자(220)측 2차 코일(320)을 포함한다.

여기서, 1차 코일(310)과 2차 코일(320)은 서로 소정의 간격(에어 갭)을 두고 마주보도록 배치되며, 모터 하우징(100)과 모터축(200)에 각각 고정되는 1차 페라이트 코어(312)와 2차 페라이트 코어(322)가 상기 1차 코일(310)과 2차 코일(320)을 각각 수용한다.

도 2에서 도면부호 314는 1차 페라이트 코어(312)를 덮는 1차 페라이트 케이스이며, 도면부호 324는 2차 페라이트 코어(322)를 덮는 2차 페라이트 케이스를 가리킨다.

그런데 이처럼 1차 코일과 2차 코일이 서로 마주하는 구조의 변압기는, 모터 구동 시 모터축과 함께 회전하는 상기 2차 코일 및 2차 페라이트 코어와 회전을 하지 않는 상기 1차 코일 및 1차 페라이트 코어 사이가 소정의 에어 갭(통상 1mm 이내)을 두고 단순히 이격된 구성이어서 회전 중에 서로 부딪혀 코어가 손상되거나 코일에 스크래치가 생기는 문제가 있다.

특히 자속 집중과 자기 차폐를 위한 1차 페라이트 코어 및 2차 페라이트 코어에 사용되는 페라이트 물질의 경우 특성상 깨지기 쉬워, 다른 산업용 모터와 달리 가혹한 진동 환경에 노출되기 쉬운 전기차에서는 차량 주행 시 발생하는 노면 충격 등에 의해 페라이트 코어가 파손될 우려가 더욱 높아 모터의 내구성과 신뢰성을 떨어뜨리는 문제가 있다.

더욱이 2차 코일과 2차 페라이트 코어가 모터축의 외부에 위치한 상태로 회전자와 함께 회전하기 때문에, 원심력에 의한 기계적인 스트레스를 강하게 받아 파손의 우려가 더욱 가중되는 문제가 있다.

또한, 두 개의 코일 마주하는 구조에서는 회전자에 대한 전력 공급량이 코일이 서로 마주하는 면적에 비례하므로 고출력 모터일수록 반경방향으로 더욱 확장된 코일을 사용해야 하는데, 이 경우 커진 코일 부피만큼 모터의 크기가 커져야 하기에 모터를 더욱 소형화하려는 근래의 추세에서 그러한 소형화 요구를 만족시키기 못하는 문제도 있다.

한국공개특허 제10-2018-0015450호(공개일 2018.02.13.)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 코일이 서로 대면하는 구조의 종래 기술에 비해 보다 넒은 간격의 에어 갭(Air gap)으로 외부 전원과 회전자 사이의 전기적인 연결을 구현할 수 있는 비접촉식 회전 변압기 및 이를 포함하는 모터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 파손되기 쉬운 페라이트 대신 스테인리스 강철과 같이 내구성이 높은 재질을 변압기의 코어로 사용할 수 있어 내구성을 증대시킬 수 있는 비접촉식 회전 변압기 및 이를 포함하는 모터를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 따른 기술적 과제는, 모터축의 외부에 장착되는 종래 회전 변압기에 비해 모터의 소형화에 유리한 비접촉식 회전 변압기 및 이를 포함하는 모터를 제공하고자 하는 것이다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면,

모터의 회전자를 비접촉 방식으로 외부 전원과 연결시키는 장치로서,

중공의 모터축 내부에 상기 모터축과 동심 구조로 배치되는 코어부;

상기 코어부의 외주면에 설치되는 1차 코일부;

상기 모터축의 내측 주면에 설치되며 상기 1차 코일부를 일정 간격(에어 갭)을 두고 에워싸는 2차 코일부; 및

상기 모터축에 결합되어 동기화된 회전운동을 하며 상기 2차 코일부와 전기적으로 연결되는 정류 회로부;를 포함하는 비접촉식 회전 변압기를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 비접촉식 회전 변압기에서, 상기 코어부는 하나 이상의 내부 베어링을 통해 모터축의 내부에 설치되어 상기 코어부 및 1차 코일부가 상기 모터축의 회전으로부터 자유롭고, 상기 모터축의 내측 주면에 설치되는 상기 2차 코일부는 상기 모터축과 동기화된 회전운동을 할 수 있다.

여기서, 상기 내부 베어링은 상기 1차 코일부 및 2차 코일부 전방의 모터축과 상기 코어부 사이에 설치되는 전방 베어링과, 상기 1차 코일부 및 2차 코일부 후방의 모터축과 상기 코어부 사이에 설치되는 후방 베어링으로 구성될 수 있다.

그리고 상기 코어부의 중심부 또는 외면부에는 상기 모터축의 외부에서 내부로 상기 1차 코일부를 구성하는 케이블 인입을 위한 홀 또는 홈이 형성될 수 있다.

또한, 상기 2차 코일부와 모터축 사이에는 자기차폐를 위한 차폐부재가 형성될 수 있다. 차폐부재는 바람직하게, 알루미늄 막일 수 있다..

또한, 상기 코어부는 자성체 재질이며 환봉 형태로 구성되되, 코어부는 스테인레스 강철로 구성될 수 있다.

바람직한 일례로서, 본 발명의 일 측면에 따른 비접촉식 회전 변압기에 적용되는 상기 정류 회로부는 모터축의 외부에 설치될 수 있다.

이 경우 상기 정류 회로부는 상기 모터축의 일단 외면부에 결합되는 금속 수용체에 수용될 수 있으며, 여기서 금속 수용체는 알루미늄으로 구성될 수 있다.

바람직한 다른 일례로서, 상기 정류 회로부는 상기 코어부 및 코일부들과 함께 모터축의 내부(중공부)에 매입되는 구성일 수 있다.

경우에 따라, 상기 1차 코일부가 둘 이상으로 구성되고, 상기 2차 코일부는 둘 이상의 상기 1차 코일부 각각에 하나씩 대응되도록 구성될 수 있다.

과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,

모터 하우징;

상기 모터 하우징의 중심에 회전 가능하게 지지된 중공 구조의 모터축;

상기 모터 하우징의 내측에 결합되는 고정자;

상기 모터축에 결합되며, 상기 고정자와의 상호 작용으로 모터축을 회전시키기 위한 회전력을 발생시키는 회전자; 및

상기 중공 구조의 모터축에 설치되는 전술한 일 측면에 따른 비접촉식 회전 변압기;를 포함하는 모터를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 코일을 대면시킨 종래 비접촉식 변압기에 비해 보다 넓은 간격의 에어 갭(두 코일 사이의 간격)으로 외부 전원과 회전자 사이의 전기적인 연결을 구현할 수 있으며, 구조적으로 코일 간 물리적인 접촉 및 그에 따른 손상이 발생할 가능성이 매우 낮아 모터의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 구조적으로 파손되기 쉬운 페라이트 대신 모터의 하우징 및 모터축과 동일한 금속재질, 예를 들어 스테인리스 강철을 코어로 사용해도 변압기의 효율을 나타내는 특성치인 결합계수의 변화(감소량)가 크지 않다. 다시 말해 내구성이 떨어지는 페라이트 대신 스테인리스 강철을 코어로 사용할 수 있는 구조이기 때문에 모터의 내구성 증대와 신뢰도 향상을 도모할 수 있다.

더욱이, 스테인리스 강철의 경우 페라이트에 비해 상대적으로 저렴하기 때문에 비용을 절감시킬 수 있으며, 따라서 모터를 보다 경제적인 비용으로 구현할 수 있어 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 회전 변압기의 구성요소 대부분 또는 전부가 중공의 모터축 내부에 설치됨에 따라, 모터축의 외부에 회전 변압기를 장착한 종래 계자 권선형 동기모터에 비해 그 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 등 시장의 소형화 요구에 부응할 수 있으며, 회전자의 회전 관성 감소로 제어도 용이하고, 회전자의 회전방향의 질량 불균형을 해소하기 위해 밸런싱 부재를 추가로 구비해야 하는 복잡함을 제거할 수 있다.

도 1은 비접촉 방식으로 모터의 회전자를 외부 전원과 연결시키는 기술이 적용된 종래 비접촉 계자 권선형 동기모터의 절개 사시도.
도 2는 도 1에서 비접촉 방식으로 모터의 회전자를 외부 전원과 전기적으로 연결시킴에 있어 핵심이 되는 변압기 부분의 분해 사시도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 비접촉식 회전 변압기가 적용된 계자 권선형 동기모터의 절개 사시도.
도 4는 도 3에서 회전 변압기 부분을 확대 도시한 도면.
도 5는 도 4에 도시된 회전 변압기의 주요 구성을 분해 도시한 도면.
도 6 및 도 7은 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기에 대한 시뮬레이션 결과를 그래픽 형태로 나타낸 도면.
도 8은 도 6 및 도 7의 시뮬레이션 결과를 정리한 표.
도 9와 도 10은 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기에서 페라이트 코어 대신 스테인리스 강철을 코어로 사용하는 경우 시뮬레이션 결과를 그래픽 형태로 나타낸 도면.
도 11은 도 9 및 도 10의 시뮬레이션 결과를 정리한 표.
도 12 및 도 13은 두 개의 코일이 모터축 내부에 동심 배치된 본 발명의 실시 예와 같은 구성의 회전 변압기에 대한 시뮬레이션 결과를 그래픽 형태로 나타낸 도면.
도 14는 도 12 및 도 13의 시뮬레이션 결과를 정리한 표.
도 15 및 도 16은 두 개의 코일이 모터축 내부에 동심 배치된 본 발명의 실시 예와 같은 구성의 회전 변압기에서 페라이드 코어 대신 스테인레스 강철로 코어부를 구성한 경우 시뮬레이션 결과를 그래픽 형태로 나타낸 도면.
도 17은 도 15 및 도 16의 시뮬레이션 결과를 정리한 표.
도 18은 본 발명에 따른 비접촉식 회전 변압기의 바람직한 다른 실시 예를 도시한 절개 사시도.
도 19는 본 발명에 따른 비접촉식 회전 변압기의 바람직한 또 다른 실시 예를 도시한 절개 사시도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 이하 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.

또한, 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 비접촉식 회전 변압기가 적용된 계자 권선형 동기모터의 절개 사시도로서, 이를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 상기 비접촉식 회전 변압기가 적용된 계자 권선형 동기모터의 전체적인 구성부터 간단하게 살펴보기로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 비접촉 계자 권선형 동기모터(1)는, 모터 하우징(10)과 상기 모터 하우징(10)의 중심부를 따라 설치되는 모터축(20)을 포함한다. 모터축(20)은 베어링, 좀 더 구체적으로는 전면 베어링(21)과 후면 베어링(23)을 통해 모터 하우징(10)의 중심에 상기 모터 하우징(10)에 대해 회전 자유롭게 구성되고, 그 외측 주면에는 회전자(Rotor, 22)가 결합된다.

회전자(22)는 직류전압에 의해 작동되는 전자석으로 이루어진 계자(Field system)로 구성될 수 있다. 그리고 모터 하우징(10)의 내측에는 상기 회전자(22)에 대응하여 고정자(Stator, 12)가 설치된다. 고정자(12)는 전기차의 인버터 내지 외부 전원으로부터 공급되는 교류전압에 의해 작동되는 전자석으로 이루어진 전기자(Armature)로 구성될 수 있다.

제어기의 통제로 고정자(12)와 회전자(22)에 교류전압과 직류전압이 각각 인가된 때 둘 사이의 전자기적인 상호 작용으로 회전자(22)에 상기 모터축(20)을 회전시키는 힘(전자기력)이 발생되며, 이러한 힘에 의해 모터축(20)이 회전을 함으로써 회전동력을 출력하게 된다. 고정자(12)와 회전자(22)의 상호 작용에 따른 힘의 발생 원리는 이미 공지된 개념이므로 자세한 설명은 생략한다.

회전자(22)는 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변압기(Rotary Transformer, 30)를 통해 외부 전원과 직접적인 접촉 없이 전기적으로 연결될 수 있다. 회전 변압기(30)에는 정류 회로부(38)가 포함되며, 따라서 외부에서 공급된 전원은 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변압기(30)를 거쳐 적정 수준으로 변압되고 교류에서 직류로 변환되어 상기 회전자(22)의 계자 전원으로 공급될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 회전 변압기(30)는 그 일부 또는 전부가 모터축(20)에 내장될 수 있다. 예를 들어, 도 3의 일 실시 예와 같이 정류 회로부(38)를 제외한 나머지 구성이 중공의 모터축(20)에 내장되거나, 후술하게 될 도 18의 다른 실시 예와 같이 정류 회로부(38)를 포함한 모든 구성이 중공의 모터축(20) 내부에 설치될 수 있다.

도 4는 도 3에서 회전 변압기 부분을 확대 도시한 요부 확대 사시도로서, 정류 회로부를 제외한 나머지 구성이 모터축의 내부에 설치된 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전 변압기의 구성을 도시한 도면이며, 도 5는 도 4에 도시된 회전 변압기의 주요 구성을 분해 도시한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전 변압기(30)는 코어부(32)를 포함한다. 코어부(32)는 중공의 모터축(20) 내부에 상기 모터축(20)과 동심 구조로 배치되는데, 하나 이상의 내부 베어링, 바람직하게는 도 2와 같이 모터축(20)의 내부에서 거리를 두고 이격되는 두 개의 베어링(전방 베어링(B1)과 후방 베어링(B2))을 통해 모터축(20)의 내부에 동심 구조로 설치될 수 있다.

코어부(32)는 자성체 재질이며 단면 모양이 원형인 환봉 형태로 구성될 수 있다. 코어부(32)는 모터 하우징(10) 및 모터축(20)과 동일한 재질, 예를 들어 스테인레스 강철로 이루어진 환봉일 수 있다. 코어부(32)를 스테인레스 강철로 구성하면, 내구성이 떨어지는 페라이트를 사용할 때와 비슷한 모터 특성을 발휘하면서도 내구성이 증대되므로, 모터 신뢰도 향상과 더불어 비용을 절감시킬 수 있다.

코어부(32)의 외주면에는 1차 코일부(34)가 구성된다. 1차 코일부(34)는 도전성 케이블을 코어부(32)의 외면부를 따라 연속해서 권선시킴으로써 형성될 수 있으며, 1차 코일부(34)를 구성하는 상기 도전성 케이블의 전원 입력단(345)이 전기차의 인버터 내지 외부 전원과 연결될 수 있다. 여기서 도전성 케이블은 예컨대, 리츠(Litz)선, 평동각선, 절연선일 수 있다.

1차 코일부(34)를 구성하는 도전성 케이블의 전원 입력단(345)은 코어부(32)의 외면부에 그 길이 방향으로 형성되는 홈(33)을 따라 모터축(20)의 일단 개구를 통해 모터축(20) 외부에서 내부로 인입되거나, 도시하지는 않았으나 코어부(32)의 중심부에 그 길이 방향으로 형성되는 홀이나 전방 베어링(B1)의 내륜에 형성되는 홀을 통과하여 모터축(20)의 외부에서 1차 코일부(34)를 구성하는 위치까지 연장될 수 있다.

모터축(20)의 내측 주면에는 2차 코일부(36)가 설치된다. 2차 코일부(36)는 1차 코일부(34)를 구성하는 케이블과 동일한 도전성 케이블로 구성될 수 있다. 좀 더 구체적으로는, 도전성 케이블을 코일형태로 연속해서 권선시킴으로써 형성될 수 있으며, 코어부(32) 외주면에 설치되는 상기 1차 코일부(34)를 소정의 간격(에어 갭)을 두고 에워싸도록 모터축(20)의 내측 주면에 설치될 수 있다.

코어부(32)는 앞서 언급한 바와 같이 하나 이상의 내부 베어링(B1, B2)을 통해 모터축(20)의 내부에 동심 구조로 설치될 수 있다. 따라서 코어부(32) 및 여기에 설치되는 1차 코일부(34)는 상기 모터축(20)의 회전으로부터 자유로우며, 모터축(20) 내부에서 1차 코일부(34)를 에워싸는 2차 코일부(36)는 모터축(20)의 내측 주면에 설치됨으로써 상기 모터축(20)와 동기화된 회전운동을 하게 된다.

즉 전원 인가 시 상기 회전자(22)와 고정자(12)의 상호작용으로 회전자(22)에 상기 모터축(20)을 회전시키는 힘(전자기력)이 발생하여 모터축(20)이 회전을 하더라도, 모터축(20) 내부에 동심 배치된 상기 코어부(32) ALC 1차 코일부(34)는 회전을 하지 않으며, 모터축(20) 내측 주면에 설치되는 상기 2차 코일부(36)만 모터축(20)과 함께 회전운동을 하는 구조인 것이다.

코어부(32)를 모터축(20)의 내부에 회전 가능하게 지지하는 내부 베어링은 바람직하게, 도 4에 도시된 바와 같이 전방 베어링(B1)과 후방 베어링(B2)으로 구성될 수 있다. 전방 베어링(B1)은 1차 코일부(34) 및 2차 코일부(36) 전방의 모터축(20)과 코어부(32) 사이에 설치될 수 있으며, 후방 베어링(B2)은 1차 코일부(34) 및 2차 코일부(36) 후방의 모터축(20)과 상기 코어부(32) 사이에 설치될 수 있다.

2차 코일부(36)와 모터축(20) 사이에는 자성체로 이루어진 차폐부재(37)가 설치될 수 있다. 차폐부재(37)는 외부 자기장으로부터 1차 코일부(34)와 2차 코일부(36)를 격리시키기 위한 것으로, 1차 코일부(34)를 에워싸는 상기 2차 코일부(36) 전체를 수용할 수 있도록, 2차 코일부(36)보다 긴 원통 모양으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 2차 코일부(36)보다 긴 알루미늄 원통일 수 있다.

2차 코일부(36)를 구성하는 도전성 케이블은 정류 회로부(38)와 전기적으로 연결될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서 정류 회로부(38)는 모터축(20)의 외부에 설치될 수 있다. 이 경우 정류 회로부(38)는 회전자(22)의 전단면과 모터 하우징(10)의 전방 엔드 플레이트(부호 생략) 사이로 형성되는 공간에서 상기 모터축(20)에 결합되어 모터축(20)과 동기화된 회전운동을 하도록 구성될 수 있다.

정류 회로부(38)는 기판 및 기판에 실장되는 정류소자, 예컨대 다이오드를 포함하는 구성일 수 있으며, 모터축(20)의 일단 외면부에 결합되는 금속 수용체(28)에 수용될 수 있다. 기판은 모터축(20)에 형성되는 케이블 인출구멍(205)을 통해 모터축(20) 내부에서 외부로 인출되는 도전성 케이블(2차 코일부(36)를 구성하는 케이블)과 연결될 수 있으며, 금속 수용체(28)는 알루미늄으로 구성될 수 있다.

이처럼 구성된 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전 변압기(30)를 통해 외부 전원이 회전자(22)의 계자 전원으로 공급되는 과정에 대해 간단히 살펴보기로 한다.

외부 전원, 예컨대 전기차의 인버터가 공급하는 교류 전류는 1차 코일부(34)를 구성하는 도전성 케이블의 전원 입력단(345)을 통해 회전 변압기(30)로 인가된다. 인가된 교류 전류에 의해 1차 코일부(34)에 전류가 흐르게 되고, 1차 코일부(34)에 흐르는 전류에 의해 소정의 거리를 두고 이격된 2차 코일부(36)에는 전자기 유도 원리에 따라 2차 전류(변압 전류, 교류 전류)가 발생된다.

전자기 유도 원리에 따라 상기 2차 코일부(36)에서 발생된 2차 전류는 2차 코일부(36)를 구성하는 도전성 케이블의 전원 출력단(365)을 통해 정류 회로부(38)에 제공되며, 정류 회로부(38)에서 교류에서 직류로 변환된 뒤 정류 회로부(38)의 출력측과 전기적으로 연결된 회전자(22)에 공급된다. 그 결과 회전자(22)가 자화되고 고정자(12)의 유도 자기장에 의해 회전자(22)는 동기 회전을 하게 된다.

여기서, 2차 코일부(36)를 구성하는 도전성 케이블의 전원 출력단(365)은 모터축(20)에 반경방향으로 형성되는 케이블 인출구멍(205)을 통해 모터축(20)의 내부에서 외부로 인출되어, 모터측(20)의 외측에 결합되는 금속 수용체(28)에 수용되는 상기 정류 회로부(38)에 전기적으로 연결될 수 있다.

도 6 내지 도 7은 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기서 시뮬레이션 변수로 코일의 재질은 동(copper), 페라이트 코어의 투자율은 3300을 적용하였다.

도 6의 (a)는 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기의 1차 코일과 2차 코일 사이의 거리, 즉 에어 갭이 1mm인 경우 1차 코일과 2차 코일의 교류 전류의 밀도를 나타낸다. 전기차용 인버터의 교류 전류의 주파수가 20kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류 전류로 해석을 하였고 그 결과를 도 8에 표로 정리하였다.

도 6의 (b)는 종래 비접촉식 회전 변압기의 1차 코일과 2차 코일의 거리인 에어 갭이 1mm인 경우, 1차 코일에 여기(exciting)된 1차 페라이트 코어와 2차 코일 코일에 여기(exciting)된 2차 페라이트 코어 사이의 마그네틱 플럭스(magnetic flux)를 나타낸다. 여기서도 전기차용 인버터의 교류 전류의 주파수가 20kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류 전류로 해석을 하였고 그 결과를 도 8에 정리하였다.

도 7의 (a) 내지 (d)는 종래 비접촉식 회전 변압기에서 에어 갭(마주하는 1차 코일과 2차 코일 사이의 거리)이 1mm, 2mm, 3mm, 4mm인 경우 각각에 대한 마그네틱 플럭스의 분포를 나타내며, 도 8은 도 6 내지 도 7에서 표시한 그래픽 결과에 대한 시뮬레이션 계산치를 정리한 표이다. 즉 에어 갭이 1mm에서 4mm까지 이동했을 때 각각에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.

도 8을 보면, 에어 갭이 증가할수록 회전 변압기의 결합계수가 감소하는 것을 알 수 있다. 결합 계수는 변압기의 효율을 나타내는 특성치로서, 결합계수는 변압기 효율과 밀접한 관련이 있다. 좀 더 구체적으로, 결합계수는 변압기 효율과 비례관계에 있다. 따라서 결합계수가 클수록 변압기의 효율이 증가하게 되는데, 그 원리는 이미 잘 알려졌으므로 자세한 설명은 생략한다.

변압기 효율과 마그네틱 플럭스의 흐름의 상관관계로부터는 회전 변압기의 성능을 분석할 수 있다.

도 7의 (a)에서처럼 1차 코일에 여기(exciting)된 1차 페라이트 코어와 2차 코일에 여기(exciting)된 2차 페라이트 코어 사이의 마그네틱 플럭스(magnetic flux)는 견고하고 작은 폐루프를 형성하는데, 이는 회전 변압기의 1차측(Primary)인 1차 코일과 2차측(Secondary)인 2차 코일이 페라이트 코어를 통해 에너지 교환이 원활히 이루어지기 때문이다.

결론적으로, 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기에서는 1차 코일과 2차 코일 사이의 거리, 즉 에어 갭이 증가할수록 변압기 효율은 감소한다는 것을 시뮬레이션 결과를 통해 알 수 있다.

한편, 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기에서는 1차 코일과 2차 코일용 자성체(자기 차폐 및 자속 집중을 위한 자성체)로서 페라이트 코어를 주로 사용하고 있다. 특성이 이미 검증되었고 대안 책이 없어 통상 사용되는 재질이지만, 고속회전 시 에어 갭에 의한 파손의 우려를 감내하면서 사용하고 있는 실정이다.

도 9와 도 10은 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기에서 페라이트 코어를 모터 하우징과 중공 모터축과 동일한 재질인 스테인리스 강철 코어로 변경했을 때 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기서 시뮬레이션 변수로 코일의 재질은 동(copper), 페라이트 코어는 스테인리스 강철 코어를 사용하였다.

도 9의 (a)는 두 개의 코일이 대면하는 구조의 종래 비접촉식 회전 변압기에서 페라이트 코어를 스테인리스 강철 코어로 변경했을 때 1차 코일과 2차 코일 사이의 거리, 즉 에어 갭이 1mm인 경우 1차 코일과 2차 코일의 교류 전류의 밀도를 나타낸다. 전기차용 인버터의 교류 전류의 주파수가 20kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류 전류로 해석을 하였고 그 결과를 도 11에 표로 정리하였다.

도 9의 (b)는 도 9의 (a)와 동일한 구조에서 1차 코일에 여기(exciting)된 1차 스테인레스 강철 코어와 2차 코일에 여기(exciting)된 2차 스테인레스 강철 코어 사이의 마그네틱 플럭스(magnetic flux)를 나타낸다. 여기서도 전기차용 인버터의 교류 전류의 주파수가 20kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류 전류로 해석을 하였고 그 결과를 도 11에 정리하였다.

도 10의 (a) 내지 (d)는 도 9와 같은 구성에서 에어 갭(마주하는 1차 코일과 2차 코일 사이의 거리)만 1mm, 2mm, 3mm, 4mm로 변경했을 때 각각에 대한 마그네틱 플럭스의 분포를 나타내며, 도 11은 도 9 내지 도 10에서 표시한 그래픽 결과에 대한 시뮬레이션 계산치를 정리한 표이다. 즉 에어 갭이 1mm에서 4mm까지 이동했을 때 각각에 대한 시뮬레이션 결과치를 나타낸다.

도 11을 보면, 모든 에어 갭(1mm ~ 4mm)에서 마그네틱 에너지가 전달이 안되고 있음을 결합계수의 수치를 통해 확인할 수 있다. 이는 다시 말해 종래 비접촉식 회전 변압기 구조, 즉 두 개의 코일이 대면하는 구조에서는 코일을 수용하는 페라이트 코어를 파손의 우려가 적은 스테인리스 강철 코어로 대체하는 것이 불가능함을 의미한다.

도 12 및 도 13은 두 개의 코일이 모터축 내부에 동심 배치된 본 발명의 실시 예와 같은 구성의 회전 변압기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 여기서 1차 코어부로서 투자율이 3300인 페라이트 코어를 적용하였고, 코일의 재질은 동(copper)을 적용하였다.

도 12의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변압기의 1차 코일부와 2차 코일부의 이격 거리, 즉 에어 갭이 1mm인 경우 1차 코일부와 2차 코일부의 교류 전류 밀도를 나타내는 시뮬레이션 결과로서, 전기차용 인버터의 교류전원의 주파수가 20 kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류전원으로 해석을 하였고, 그 결과를 도 14에 표로 정리하였다.

도 12의 (b)는 도 12의 (a)와 같이 1차 코일부와 2차 코일부의 거리인 에어 갭이 1mm인 경우, 1차 코일부에 여기(exciting)된 1차 코어부(페라이트 코어)와 2차 코일에 여기(exciting)된 2차 코어부(차폐부재로서 페라이트 재질) 사이의 마그네틱 플럭스를 나타낸다. 여기서도 전기차용 인버터의 교류 전류의 주파수가 20kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류 전류로 해석을 하였고 그 결과는 도 14와 같다.

도 13의 (a) 내지 (d)는 도 12의 (a)와 같은 구성에서 1차 코일부와 2차 코일부의 에어 갭(마주하는 1차 코일부와 2차 코일부 사이의 거리)이 1mm, 2mm, 3mm, 4mm인 경우 각각에 대한 마그네틱 플럭스의 분포를 나타내며, 도 14는 도 12 내지 도 13에서 표시한 그래픽 결과에 대한 시뮬레이션 계산치를 정리한 표이다.

도 14를 보면, 에어 갭이 증가할수록 회전 변압기의 결합계수는 감소하지만, 앞선 시뮬레이션 결과(두 개의 코일이 에어 갭을 두고 마주하는 구조의 종래 회전 변압기에 대한 시뮬레이션 결과, 도 8 참조)와는 달리, 결합계수의 변화(감소량)가 상대적으로 크지 않은 것을 알 수 있다. 이는 다시 말해 본 발명과 같은 구성에서는 모든 에어 갭에서 회전 변압기를 구성할 수 있음을 의미한다.

도 15 및 도 16도 두 개의 코일이 모터축 내부에 동심 배치된 본 발명의 실시 예와 같은 구성의 회전 변압기에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이나, 앞선 시뮬레이션과는 달리 1차 코어부를 스테인레스 강철로 대체했을 때의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

도 15의 (a)는 본 발명의 실시 예에 따른 회전 변압기의 1차 코일부와 2차 코일부의 이격 거리, 즉 에어 갭이 1mm인 경우 1차 코일부와 2차 코일부의 교류 전류 밀도를 나타내는 시뮬레이션 결과로서, 전기차용 인버터의 교류전원의 주파수가 20 kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류전원으로 해석을 하였고, 그 결과를 도 17에 표로 정리하였다.

도 15의 (b)는 도 15의 (a)와 같이 1차 코일부와 2차 코일부의 거리인 에어 갭이 1mm인 경우, 1차 코일부에 여기(exciting)된 1차 코어부(스테인레스 강철)와 2차 코일부에 여기(exciting)된 2차 코어부(스테인레스 강철로 이루어진 중공의 모터축을 2차 코어부로 활용) 사이의 마그네틱 플럭스를 나타낸다.

여기서도 전기차용 인버터의 교류 전류의 주파수가 20kHz인 점을 고려하여 20 kHz 교류 전류로 해석을 하였고 그 결과는 도 17과 같다.

도 16의 (a) 내지 (d)는 도 15의 (a)와 같은 구성에서 1차 코일부와 2차 코일부의 에어 갭(마주하는 1차 코일부와 2차 코일부 사이의 거리)이 1mm, 2mm, 3mm, 4mm인 경우 각각에 대한 마그네틱 플럭스의 분포를 나타내며, 도 17은 도 15 내지 도 16에서 표시한 그래픽 결과에 대한 시뮬레이션 계산치를 정리한 표이다.

도 17을 보면, 에어 갭이 증가할수록 회전 변압기의 결합계수는 마찬가지로 감소하지만, 앞선 시뮬레이션 결과(1차 코어부를 페라이트 코어로 구성하고 2차 코어부를 별도의 페라이트로 구성한 경우의 시뮬레이션 결과)와 비교해도 결합계수의 변화(감소량)가 크지 않은 것을 알 수 있다.

이는 다시 말해 종래 코일이 대면하는 구성과는 달리 본 발명처럼 두 개의 코일(1차 코일부와 2차 코일부)이 동심 배치되는 구조에서는, 1차 코어와 2차 코어를 스테인리스 강철로 구성해도 결합계수의 변화(감소량)가 크지 않기 때문에 스테인리스 강철 코어로 회전 변압기를 구성해도 무방하다는 것을 명확하게 확인시켜주는 결과라 할 수 있다.

한편, 도 18 내지 도 19는 본 발명에 따른 비접촉식 회전 변압기의 바람직한 다른 실시 예들을 각각 도시한 절개 사시도로서, 도 18은 정류 회로부만 모터축 외측에 구성한 앞선 일 실시 예와는 달리, 코어부(32), 1차 코일부(34), 2차 코일부(36)와 함께 정류 회로부(38)도 중공의 모터축(20) 내부에 매립시킨 실시 예이며, 도 19는 중공의 모터축(20) 내부에 코일군을 복수로 구성한 실시 예이다.

도 18과 같은 실시 예에서는 코어부(32)를 중공관 형태로 구성함으로써, 1차 코일부(34)를 구성하는 도전성 케이블이 전원 입력단(345)이 코어부(32)의 내부를 경유하여 1차 코일부(34)가 형성되는 위치까지 인입되도록 하고, 2차 코일부(36)의 전원 출력단(365)은 후방 베어링(B2)의 외륜을 통과하여 후방의 정류 회로부(38)와 전기적으로 연결되도록 구성하는 것이 좋다.

이러한 도 18과 같은 다른 실시 예는, 중공의 모터축 내부에 코일부와 정류기를 구성하는 정류 회로부가 함께 내장됨에 따라, 계자 권선형 동기모터를 더욱 견고하면서도 소형으로 제조할 수 있고, 모터축 외측에 정류 회로부를 구성한 전술한 일 실시 예에 비해 정류 회로부가 회전 관성의 영향을 훨씬 덜 받기 때문에 부품의 손상 가능성이 낮고 정류 회로부 대한 제어도 용이하다.

그리고 도 19와 같이 코어부 하나에 코일군을 복수로 구성하면, 다시 말해 1차 코일부(34)를 둘 이상으로 구성하고, 2차 코일부(36)를 둘 이상의 상기 1차 코일부(34) 각각에 하나씩 대응되도록 구성하면, 단위 시간당 회전자에 공급되는 전력을 코일군이 단수인 구성에 비해 배로 증가시킬 수 있어서 고출력을 필요로 하는 고사양 계자 권선형 동기모터에 유용하게 활용될 수 있다.

이상에서 살펴본 본 발명의 실시 예에 의하면, 코일을 대면시킨 종래 비접촉식 변압기에 비해 보다 넓은 간격의 에어 갭(두 코일 사이의 간격)으로 외부 전원과 회전자 사이의 전기적인 연결을 구현할 수 있으며, 구조적으로 코일 간 물리적인 접촉 및 그에 따른 손상이 발생할 가능성이 매우 낮아 모터의 내구성을 크게 향상시킬 수 있다.

또한, 구조적으로 파손되기 쉬운 페라이트 대신 모터의 하우징 및 모터축과 동일한 금속재질, 예를 들어 스테인리스 강철을 코어로 사용해도 변압기의 효율을 나타내는 특성치인 결합계수의 변화(감소량)가 크지 않다. 다시 말해 내구성이 떨어지는 페라이트 대신 스테인리스 강철을 코어로 사용할 수 있는 구조이기 때문에 모터의 내구성 증대와 신뢰도 향상을 도모할 수 있다.

더욱이, 스테인리스 강철의 경우 페라이트에 비해 상대적으로 저렴하기 때문에 비용을 절감시킬 수 있으며, 따라서 모터를 보다 경제적인 비용으로 구현할 수 있어 가격 경쟁력을 높일 수 있다.

또한, 본 발명은 회전 변압기의 구성요소 대부분 또는 전부가 중공의 모터축 내부에 설치됨에 따라, 모터축의 외부에 회전 변압기를 장착한 종래 계자 권선형 동기모터에 비해 그 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 등 시장의 소형화 요구에 부응할 수 있으며, 회전자의 회전 관성 감소로 제어도 용이하고, 회전자의 회전방향의 질량 불균형을 해소하기 위해 밸런싱 부재를 추가로 구비해야 하는 복잡함을 제거할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 모터 10 : 모터 하우징
12 : 고정자 20 : 모터축
21 : 전면 베어링 22 : 회전자
23 : 후면 베어링 28 : 금속 수용체
30 : 회전 변압기 32 : 코어부
33 : 홈(전원 입력단이 지나가는 홈)
34 : 1차 코일부 36 : 2차 코일부
37 : 차폐부재 38 : 정류 회로부
345 : 전원 입력단 365 : 전원 출력단
B1 : 전방 베어링 B2 : 후방 베어링

Claims (12)

1. 모터의 회전자를 비접촉 방식으로 외부 전원과 연결시키는 기기로서,
   중공의 모터축 내부에 상기 모터축과 동심 구조로 배치되는 코어부;
   상기 코어부의 외주면에 설치되는 1차 코일부;
   상기 모터축의 내측 주면에 설치되며 상기 1차 코일부를 일정 간격(에어 갭)을 두고 에워싸는 2차 코일부; 및
   상기 모터축에 결합되어 동기화된 회전운동을 하며 상기 2차 코일부와 전기적으로 연결되는 정류 회로부;를 포함하는 비접촉식 회전 변압기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어부는 하나 이상의 내부 베어링을 통해 모터축의 내부에 설치되어 상기 코어부 및 1차 코일부가 상기 모터축의 회전으로부터 자유롭고,
   상기 모터축의 내측 주면에 설치되는 상기 2차 코일부는 상기 모터축과 동기화된 회전운동을 하는 비접촉식 회전 변압기.
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 내부 베어링은,
   상기 1차 코일부 및 2차 코일부 전방의 모터축과 상기 코어부 사이에 설치되는 전방 베어링과,
   상기 1차 코일부 및 2차 코일부 후방의 모터축과 상기 코어부 사이에 설치되는 후방 베어링으로 구성되는 비접촉식 회전 변압기.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어부의 중심부 또는 외면부에는 모터축의 외부에서 내부로 상기 1차 코일부를 구성하는 케이블 인입을 위한 홀 또는 홈이 형성되는 비접촉식 회전 변압기.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 2차 코일부와 모터축 사이에 자기차폐를 위한 차폐부재가 설치되는 비접촉식 회전 변압기.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 코어부는 자성체 재질이며 환봉 형태로 구성되는 비접촉식 회전 변압기.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 코어부가 스테인레스 강철로 이루어진 비접촉식 회전 변압기.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 정류 회로부가 모터축의 외부에 설치되는 비접촉식 회전 변압기.
   
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 정류 회로부는 상기 모터축의 일단 외면부에 결합되는 금속 수용체에 수용되며, 금속 수용체는 알루미늄으로 구성되는 비접촉식 회전 변압기.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 정류 회로부가 모터축의 내부에 설치되는 비접촉식 회전 변압기.
    
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 코일부가 둘 이상으로 구성되고,
    상기 2차 코일부는 둘 이상의 상기 1차 코일부 각각에 하나씩 대응되도록 구성되는 비접촉식 회전 변압기.
    
12. 모터 하우징;
    상기 모터 하우징의 중심에 회전 가능하게 지지된 중공 구조의 모터축;
    상기 모터 하우징의 내측에 결합되는 고정자;
    상기 모터축에 결합되며, 상기 고정자와의 상호 작용으로 모터축을 회전시키기 위한 회전력을 발생시키는 회전자; 및
    상기 중공 구조의 모터축에 설치되는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나의 항에 기재된 비접촉식 회전 변압기;를 포함하는 모터.