KR101406640B1

KR101406640B1 - 모터코어

Info

Publication number: KR101406640B1
Application number: KR1020120142616A
Authority: KR
Inventors: 박건민; 이재령; 김신규; 김윤석
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-10
Filing date: 2012-12-10
Publication date: 2014-06-13
Anticipated expiration: 2032-12-10

Abstract

코일이 감기는 봉 형상의 권취부 및 권취부의 양단에 권취부보다 단면적이 크게 형성되어 자력교환이 이루어지는 헤드부로 구성되고, 연자성의 분말로 가압성형된 복수의 파트가 상호 접합되어 조립되며, 파트의 접합지점에는 철계 연자성재료가 충진되어 접합된 모터코어가 소개된다.

Description

모터코어 {MOTOR CORE}

본 발명은 연자성 분말코어를 사용하여 제조된 종자속 모터의 모터코어에 관한 것이다.

차량이 전장화되고 친환경화되면서 기존의 유압 및 기계적 힘에 의한 구동되는 시스템에서 전기에 의해 구동되는 시스템으로 진화되고 있다. 이로 인해 차량에 적용되고 있는 전동기의 종류 및 수량도 증가되고 있는데 고급차량의 경우 100여개 이상으로 적용되고 있으며, 차량에 다수의 전동기가 적용됨에 따라 필연적으로 고효율화가 요구된다.

대다수의 BLDC 모터의 경우, 고가의 희토류 자석을 채택하여 모터를 제작하게 되는데, 최근 희토류 원소의 가격 급등 및 무기화로 인해 희토류 자석을 채택한 모터의 경우 비용이 크게 상승하고, 자석의 수급에도 문제가 생기게 되었다.

하지만 희토류 자석을 대체할 만한 고성능 자석이 부재한 실정에서 단순히 낮은 성능의 자석으로 대체한 모터는 기존 모터의 성능에 도달하지 못하였다. 따라서 기존 횡자속모터 형태에서 종자속 모터로의 모터의 구조적 변화가 시도되고 있는데, 종자속 모터의 코어는 형상이 기존 횡자속모터 코어에 비해 복잡해진다.

기존 코어 재질인 전기강판의 경우 박판의(1mm 이하) 전기강판을 다수 적층하여 제조하게 되는데 제조 공법의 특성상 2D자기회로만 형성이 되고, 형상자유도가 떨어지는 단점을 지니고 있다. 하지만 연자성분말을 이용한 코어의 경우 동일 코어면적(코일권취부기준)기준으로 자력 면적이 넓기 때문에 낮은 성능의 자석임에도 모터 성능을 크게 높일 수 있다. 그리하여 연자성 분말 코어를 사용한 종자속 모터를 개발하게 되었다.

종래의 KR 10-2012-0108687 A "비정질 분할코어 스테이터 및 이를 이용한 액시얼 갭형 모터"는 "양단부가 회전 가능하게 지지되는 회전축; 각각 중앙부가 상기 회전축과 결합되며 간격을 두고 배치되는 환형의 제1 및 제2 요크와, 상기 제1 및 제2 요크의 내측면에 대향한 극성으로 장착된 다수의 자석을 구비하는 제1 및 제2 로터; 및 상기 제1 및 제2 로터 사이에 배치되며, 각각 코일이 권선된 다수의 분할코어를 구비하는 스테이터를 포함하며, 상기 다수의 분할코어는 비정질 금속 분말로 성형된 것을 특징으로 하는 액시얼 갭형 비정질 분할코어 모터"를 제시한다.

이는 분말을 이용한 코어의 제조에 관하여 제시하고 있는데, 이러한 분말을 이용한 코어의 형상은 그 형상이 다소 복잡하여 가압성형을 통해 일체로서 성형하기에 부족한 점이 있었다.

즉, 가압력을 높여 밀도를 높이고자할 경우 성형이 제대로 이루어지지 않거나 국부적으로 균일한 가압이 되지 못하는 것이다.

따라서, 이를 해결하기 위해 코어를 이분하여 각각 가압으로 제조하고 이를 추후 결합하는 방식이 제시되고 있으나, 이 역시 결합에 있어 결합력이 크지 못하여 간극이 과대하게 발생되고 결국 자력의 교환이 제대로 이루어지지 않아 원하는 코어의 스펙을 달성할 수 없는 문제가 있었던 것이다.

상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.

KR 10-2012-0108687 A

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 밀도가 높고 자력교환도 용이하게 이루어지는 결합력을 지닌 모터코어를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터코어는, 코일이 감기는 봉 형상의 권취부 및 권취부의 양단에 권취부보다 단면적이 크게 형성되어 자력교환이 이루어지는 헤드부로 구성되고, 연자성의 분말로 가압성형된 복수의 파트가 상호 접합되어 조립되며, 파트의 접합지점에는 철계 연자성재료가 충진되어 접합된다.

상기 모터코어는 제1권취부와 제1헤드부로 구성된 제1파트 및 제2권취부와 제2헤드부로 구성된 제2파트가 각각 성형된 후 제1권취부와 제2권취부가 상호 접합되어 조립되고, 제1권취부의 접합면과 제2권취부의 접합면 사이에는 철계 연자성재료가 충진되어 접합될 수 있다.

상기 각 파트의 밀도는 7.6g/cc 이상일 수 있다.

상기 연자성재료는 투자율 300μ이상의 NiZn 페라이트, MnZn 페라이트, CuZn, 순철분 분말들 중 하나 이상의 분말로 구성될 수 있다.

상기 연자성재료는 순철분말을 주로 하는 조성으로 구성되고, 순철분말은 포화자속밀도가 1Tesla 이상이고 입도는 50㎛~150㎛이며 Fe가 97% 이상이고 Ni 및 Mn이 3% 이하일 수 있다.

상기 연자성재료는 MnZn 페라이트 분말 및 NiZn 페라이트 분말을 주로 하는 조성으로 구성되고, 각 분말은 포화자속밀도가 0.3Tesla 이상이고 투자율이 400μ이상이며 입도는 1㎛~20㎛일 수 있다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 모터코어에 따르면, 밀도가 높고 자력교환도 용이하게 이루어지는 결합력을 지닌다.

또한, 코어의 철손 저감과 인가자계의 감소를 통해서 모터 효율이 증가(5.3%)하는 결과를 얻을 수 있고, 고가의 희토류자석을 이용한 횡자속 모터와 동일 체적 기준으로 동등/이상 성능을 확보하며, 고가의 희토류자석을 저가의 페라이트 자석으로 대체함에 따라 원가를 절감할 수 있다.

한편, 간극을 제거한 코어 제조를 통해 자기 특성을 향상시켰고, 그에 따라 코어 소형화 및 모터의 소형화가 가능하다.

그리고, 코어 제조 및 설계에 대한 자유도가 증가하여 종래의 횡자속 모터 뿐만 아니라 종자속 모터 코어 등 다양한 형상의 코어 제작이 가능하다.

또한, 코어 형상 자유도를 통해 코어 몸통부 두께를 얇게하여 권선의 턴수를 증대시켜서 모터 출력을 높일 수 있고, 기존 코어와 동일 턴수를 유지할 경우, 감는 단면적이 좁기 때문에 권선 사용량을 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어가 적용된 스테이터를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어에 코일이 감긴 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 모터코어의 실시예에 따른 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어 제조방법의 순서도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어의 효과를 나타낸 그래프.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 모터코어에 대하여 살펴본다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어가 적용된 스테이터(100)를 나타낸 도면으로서, 본 발명의 모터코어(300)는 도시된 바와 같이 복수개가 원을 그리도록 모임으로써 스테이터(100)를 이루고, 각 모터코어(300)의 권취부에는 코일이 권취되도록 하는 것이다. 그리고 그 상단과 하단에는 자석(200)이 부착되어 자력교환이 이루어지는 구조이다. 이러한 구조는 로터가 스테이터의 외부에 노출된 것으로서 종자속형의 모터로서 구현이 가능한 것이다. 다만, 본 발명은 분말을 이용한 코어의 제조에 관한 것으로서, 그 모터코어는 단지 종자속형 코어에만 종속되는 것은 아니고 횡자속형 코어의 제조에도 적용이 가능할 것이다.

한편, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어에 코일이 감긴 사시도로서, 본 발명의 모터코어는, 코일(C)이 감기는 봉 형상의 권취부(310) 및 권취부(310)의 양단에 권취부(310)보다 단면적이 크게 형성되어 자력교환이 이루어지는 헤드부(320,330)로 구성된다.

본 발명의 모터코어는 봉 형상의 권취부가 형성되고, 그 권취부의 양 단에는 헤드부가 형성된다. 편의상 이를 제1헤드부, 제2헤드부라 칭한다.

권취부에는 코일이 감기는데, 그 형상을 삼각형의 형상으로 하고, 헤드부 역시 삼각형의 형상으로 함으로써 다수의 모터코어를 통하여 원형의 스테이터를 형성할 수 있도록 한다.

그리고 그 권취부의 경우 헤드부와 함게 일물로 제작은 분말 가압성형의 특성상 가압력에 한계가 있기 때문에 복수의 파트로 구분하여 가압성형 후 조립함으로써 완성되는 것이다.

한편, 종자속 모터의 경우, 모터코어의 형태가 기존 박판의 전기강판을 적층한 형태로는 제조가 불가능하다. 그래서 형상 자유도가 높은 연자성 분말을 이용하여 코어를 제조하게 되는데, 연자성 분말을 이용한 일축 단일 금형 가압 성형의 경우 역시 일체형 성형은 제한적이다.

따라서 분할 성형을 하여 코어를 제조할 수 밖에 없게 된다. 분할 성형한 부재를 접합하여 코어를 제조하는 경우 필연적으로 코어 부재간에 간극이 발생할 수 밖에 없다. 통상 단순 접합 코어의 경우, 150 ~ 300㎛ 정도의 간극이 발생하게 되고 이는 코일에 전류를 가하여 코어를 여기 시킬 때, 자기 특성이 현저하게 저하 된다. 이는 공기, 수지, 접착재 등의 비자성 재질의 투자율은 연자성 분말의 1% 이하 수준에 불과하기 때문에 자기 흐름에 큰 저항이 되기 때문이다.

도 3은 도 2에 도시된 모터코어의 실시예에 따른 단면도로서, 본 발명의 모터코어는, 코일(C)이 감기는 봉 형상의 권취부(310) 및 권취부(310)의 양단에 권취부(310)보다 단면적이 크게 형성되어 자력교환이 이루어지는 헤드부(320,330)로 구성되고, 연자성의 분말로 가압성형된 복수의 파트(P1,P2)가 상호 접합되어 조립되며, 파트(P1,P2)의 접합지점(PP)에는 철계 연자성재료(500)가 충진되어 접합된다.

또한, 바람직한 실시예로서 본 발명의 모터코어는, 제1권취부(312)와 제1헤드부(320)로 구성된 제1파트(P1) 및 제2권취부(314)와 제2헤드부(340)로 구성된 제2파트(P2)가 각각 성형된 후 제1권취부(312)와 제2권취부(314)가 상호 접합되어 조립되고, 제1권취부(312)의 접합면과 제2권취부(314)의 접합면 사이에는 철계 연자성재료(500)가 충진되어 접합되어 형성된다.

기존 제품으로서 단순히 제1파트와 제2파트를 접합할 경우에는 간극 수준이 150㎛ 이상인 수준인 반면, 본 발명과 같이 제1파트 및 제2파트에 연자성재료를 충진하여 접합한 경우, 간극이 없어지게 되고 연자성재료의 높은 투자율로 인해 자속 흐름에 저하가 없어지게 된다. 최종적으로 모터 평가시 효율이 4% 이상 증가하는 결과를 얻었다.

아래의 표 1은 종래의 횡자속 모터의 성능측정결과이다.

한편, 아래의 표 2는 본 발명의 모터코어가 적용된 종자속 모터의 성능 측정결과이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어의 효과를 나타낸 그래프로서, 상기 표와 함께 보더라도, 본 발명의 모터코어가 효율면에서 상당히 앞선다는 것을 알 수 있다. 이는 바로 자력교환이 가능해지고 간극이 줄어들었기 때문이며, 분할형의 가압성형방식을 통해 실제 희토류가 아닌 연자성의 페라이트계 자석분말을 사용하였음에도 불구하고 밀도를 상당히 높일 수 있었기 때문이다.

한편, 본 발명의 모터코어에 사용되는 연자성재료의 경우에는, 투자율 300μ이상의 NiZn 페라이트, MnZn 페라이트, CuZn, 순철분 분말들 중 하나 이상의 분말로 구성될 수 있다.

구체적으로, 상기 연자성재료(500)는 순철분말을 주로 하는 조성으로 구성되고, 순철분말은 포화자속밀도가 1Tesla 이상이고 입도는 50㎛~150㎛이며 Fe가 97% 이상이고 Ni 및 Mn이 3% 이하로 조성됨이 바람직하다.

또는, 상기 연자성재료(500)는 MnZn 페라이트 분말 및 NiZn 페라이트 분말을 주로 하는 조성으로 구성되고, 각 분말은 포화자속밀도가 0.3Tesla 이상이고 투자율이 400μ이상이며 입도는 1㎛~20㎛임이 바람직하다.

한편, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 모터코어 제조방법의 순서도로서, 본 발명의 모터코어 제조방법은, 성형다이를 예열하는 예열단계(S100); 연자성의 분말과 윤활제를 성형다이에 투입하고 가압함으로써 각 파트를 성형하는 가압단계(S200); 성형된 각 파트를 열처리하여 응력을 제거하는 열처리단계(S300);를 포함한다.

그리고, 상기 연자성 분말은 페라이트계 자석분말이며, 상기 가압단계(S200)는 800~1000MPa의 압력으로 가압하도록 할 수 있다.

또한, 상기 열처리단계(S300)는 450~550℃의 온도에서 25~35분 동안 열처리하도록 할 수 있다. 그리고 상기 열처리단계(S300)는, 성형된 각 파트를 연자성재료를 이용하여 접합하는 접합단계(S400); 및 접합된 상태에서 권취부를 고분자 수지로 코팅하여 절연부를 형성하는 코팅단계(S500);를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 재질로는 상용 연자성 분말인 회가내스社의 Somaloy700 3p 제품(폴리아마이드계 0.2% 윤활제 포함)을 사용하였다. Somaloy700 3P 분말은 50~200㎛ 두께로 된 순철에 인산염으로 100nm두께 이하로 균일하게 코팅이 되어있는 구조로 되어 있다.

연자성 분말코어 표면과 금형다이 면과의 마모 방지를 위해 왁스계 윤활제를 다이 표면에 도포시켰다. 그리고, 분말 유동성 향상과 치밀화를 위해 다이를 80℃로 유지시킨 후 연자성 분말(Somaloy 700 3P)과 폴리아마이드계 윤활제를 금형 내부에 넣은 후 성형압력 9ton/cm2를 가압을 실시하였다.

가압 공정 이후 대기분위기에서 530℃, 30분간 열처리를 실시하였다. 코어표면이 버(Burr) 등이 없이 매끄러운 형상 구현이 가능하였으며, 전체 코어 밀도는 7.62g/cc 및 부분밀도차이가 ±0.05g/cc이내의 고밀도 등방성 분말코어를 제작하였다. 이렇게 제작된 등방성 분말코어의 자속밀도는 1.65T(@10,000A/m)이상이며 철손은 40W/kg이하(@1T, 400Hz)의 특성을 나타내었다.

본 기술의 실시예로서, 상용 연자성분말재(Fe 함량 90~100wt%, Si 2~10wt%, 기타 Co, Ni, Mn 등이 필요에 따라 포함될 수 있음)를 이용하여 성형압 800~1000MPa의 프레스성형을 통해 성형 밀도 7.6kg/㎤를 가진 코어 부재를 성형하고 500℃ 이상의 온도에서 30분 미만의 시간으로 응력제거 열처리를 하여 각 파트를 만들었다. 통상 코어의 절연성 확보를 위해 코일과 맞닿는 권취부에 절연사출코팅을 실시하는데, 실시예로서는 코어 외부에 나일론재질의 절연사출을 실시하였다.

종래의 단순 부재 접합 방식에서는 간극 수준이 150㎛ 이상인 수준인 반면, 상기와 같은 방법으로 제조된 제1파트와 제2파트를 연자성재료를 이용하여 접합한 본 발명의 경우에는, 간극을 없앨 수 있었으며 최종적으로 모터 평가시 효율이 4% 이상 증가하는 결과를 얻었다.

상술한 바와 같은 구조로 이루어진 모터코어 및 그 제조방법에 따르면, 밀도가 높고 자력교환도 용이하게 이루어지는 결합력을 지닌다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.

300 : 모터코어 320 : 제1헤드부
340 : 제2헤드부 310 : 권취부
500 : 연자성재료

Claims

코일(C)이 감기는 봉 형상의 권취부(310) 및 권취부(310)의 양단에 권취부(310)보다 단면적이 크게 형성되어 자력교환이 이루어지는 헤드부(320,330)로 구성되고, 연자성의 분말로 가압성형된 복수의 파트(P1,P2)가 상호 접합되어 조립되며, 파트(P1,P2)의 접합지점(PP)에는 철계 연자성재료(500)가 충진되어 접합되고,
상기 각 파트(P1,P2)의 밀도는 7.6g/cc 이상인 것을 특징으로 하는 모터코어.
제1권취부(312)와 제1헤드부(320)로 구성된 제1파트(P1) 및 제2권취부(314)와 제2헤드부(340)로 구성된 제2파트(P2)가 각각 성형된 후 제1권취부(312)와 제2권취부(314)가 상호 접합되어 조립되고, 제1권취부(312)의 접합면과 제2권취부(314)의 접합면 사이에는 철계 연자성재료(500)가 충진되어 접합되고,
상기 각 파트(P1,P2)의 밀도는 7.6g/cc 이상인 것을 특징으로 하는 모터코어.
삭제
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 연자성재료(500)는 투자율 300μ이상의 NiZn 페라이트, MnZn 페라이트, CuZn, 순철분 분말들 중 하나 이상의 분말로 구성된 것을 특징으로 하는 모터코어.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 연자성재료(500)는 순철분말로 구성되고, 순철분말은 포화자속밀도가 1Tesla 이상이고 입도는 50㎛~150㎛이며 Fe가 97% 이상이고 Ni 및 Mn이 3% 이하인 것을 특징으로 하는 모터코어.
청구항 1 또는 2에 있어서,
상기 연자성재료(500)는 MnZn 페라이트 분말 및 NiZn 페라이트 분말로 구성되고, 각 분말은 포화자속밀도가 0.3Tesla 이상이고 투자율이 400μ이상이며 입도는 1㎛~20㎛인 것을 특징으로 하는 모터코어.