KR101558349B1 - 구동모터의 회전자 - Google Patents

Abstract

구동모터의 회전자가 개시된다. 개시된 구동모터의 회전자는 회전자 코어를 다수 개의 코어 블록으로 분할 형성하고, 코어 블록들을 회전 샤프트의 외주면에 방사 상으로 상호 결합하여 구성될 수 있다.

Description

구동모터의 회전자 {ROTOR STRUCTURE OF DRIVE MOTOR}

본 발명의 실시예는 친환경 차량용 구동모터의 회전자에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 분할 코어 방식을 적용한 계자권선형 동기모터(WRSM)의 회전자 결합 구조에 관한 것이다.

일반적으로, 대개 친환경 자동차로 불리우는 하이브리드 차량 또는 전기 자동차는 전기 에너지로 회전력을 얻는 전기 모터(이하에서는 "구동모터" 라고 한다)에 의해 구동된다.

하이브리드 차량은 구동모터의 동력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV(Electric Vehicle)모드로 주행하거나 엔진과 구동모터의 회전력을 모두 동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)모드로 주행한다. 그리고 일반적인 전기 자동차는 구동모터의 회전력을 동력으로 이용하여 주행한다.

이와 같이 친환경 자동차의 동력원으로 이용되는 구동모터는 대부분 영구자석형 동기모터(PMSM)를 사용한다. 이러한 영구자석형 동기모터는 제약된 레이아웃 조건에서 최대의 성능을 발휘하기 위해 영구자석의 성능을 극대화할 필요가 있다.

여기서, 영구자석 내의 네오디뮴(Nd)은 영구자석의 세기를 개선하며, 디스프로슘(Dy)은 고온 감자(Demagnetization) 내성을 개선한다. 그러나 이러한 영구자석의 희토류(Nd, Dy) 금속 성분은 중국 등 일부 국가에 제한적으로 매장되어 있고, 매우 고가이며 가격 변동이 심하다.

이를 개선하기 위해 최근에는 유도 전동기의 적용을 검토하고 있으나, 동일한 모터 성능을 발휘하기 위해서 부피, 중량 등의 사이즈 증대량이 과다한 제약이 있다.

한편, 당 업계에서는 친환경 자동차의 동력원으로 이용되는 구동모터로서 영구자석형 동기모터(PMSM)를 대체할 계자권선형 동기모터(WRSM)에 대한 개발이 더욱 진행되고 있다.

계자권선형 동기모터는 영구자석형 동기모터(PMSM) 대비 약 10%의 최적 증대로 모터의 성능 발휘가 가능한데, 회전자에 코일을 권선하여 전류 인가 시 회전자를 전자석화 시켜 영구자석형 동기모터(PMSM)의 영구자석을 대체하고 있다.

이러한 계자권선형 동기모터는 고정자 뿐만 아니라 회전자도 권선 코일을 감는 구조로 형성된다. 계자권선형 동기모터는 손실을 줄이고 효율을 높이기 위하여 고정자와 회전자의 권선 점적률을 최대한으로 높여야 하며, 그 권선 점적률을 높이기 위한 수단으로 고정자 뿐만 아니라 회전자도 코어블록을 분할 형성하고, 코어블록들에 보빈을 삽입하여서 조립하는 분할 코어방식을 적용하고 있다.

분할 코어방식의 계자권선형 동기모터는 회전자가 고정자 내측에 일정 공극을 두고 배치되고, 고정자와 회전자의 코일에 전원이 인가되면 자계가 형성되며, 이들 사이에 발생되는 자기적 작용에 의해 회전자의 회전이 이루어진다.

따라서, 이와 같은 분할 코어방식의 계자권선형 동기모터는 각각의 코어블록에 코일을 감기가 쉬워 제작이 용이하며, 권선 점적률이 올라가 동손(손실)이 줄어들며 효율이 상승한다는 효과가 있다.

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종래 기술의 일 예로, 도 1에 도시된 분할 코어방식 계자권선형 동기모터의 회전자(2)는 고정자(1)의 내측에 일정 공극을 두고 배치된다.

이러한 분할 코어 방식의 회전자(2)는 샤프트(9)에 끼워지는 회전자 몸체(3)와, 그 회전자 몸체(3)에 끼움 결합되는 복수 개의 코어블록(5)들로 구성된다.
코어블록(5)들에는 코일(4)이 권선되며, 코어블록(5)의 하단에는 돌기부(8)가 형성되어 있고, 회전자 몸체(3)의 외주면에는 돌기 수용홈(6)들이 형성되어 있다. 따라서, 회전자(2)는 코어블록(5)들의 돌기부(8)가 회전자 몸체(3)의 돌기 수용홈(6)에 상호 끼움 결합되며 구성될 수 있다.

그런데, 상기한 바와 같은 분할 코어방식 계자권선형 동기모터의 회전자(2)는 그 회전자(2) 자체를 분할하는 구조로서, 회전자 몸체(3)에 복수 개의 코어블록(5)들을 끼움 결합하므로, 회전자 몸체(3)와 코어블록(5)들의 연결 부분(이하, 분할 코어 접합면)이 주 자속 경로(A1)에 위치하므로 자속의 흐름에 영향을 주어 동기모터의 출력 및 효율을 감소시킬 수 있다.
즉, 종래 기술에서는 분할 코어 접합면이 주 자속 경로(A1)에 해당되어 자속의 흐름을 방해하는 저항의 역할을 하므로, 모터의 특성에 악영향을 끼칠 수 있다.
더 나아가, 종래 기술에서는 회전자 몸체(3)와 코어블록(5)들의 조립면에서 응력이 발생되고, 그 응력이 발생된 부분에서 재질 특성이 변화하므로 모터의 출력 및 효율을 감소시키는 자기저항이 증가할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 회전자 주 자속의 흐름에 영향을 주지 않고, 코일의 권선 점적률이 증가되며, 모터의 출력 및 효율을 더욱 향상시킬 수 있도록 한 구동모터의 회전자를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자는, 회전자 코어를 다수 개의 코어 블록으로 분할 형성하고, 상기 코어 블록들을 회전 샤프트의 외주면에 방사 상으로 상호 결합하여 구성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자는, 상기 코어 블록들과 상기 회전 샤프트 간의 응력 발생 부위가 상기 회전자 코어의 주 자속 경로를 벗어나 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자는, 상기 코어 블록들과 상기 회전 샤프트의 결합면이 상기 회전자 코어의 주 자속 경로를 벗어나는 위치에 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자에 있어서, 상기 코어 블록은 코일이 실질적으로 권선되는 몸체부와, 상기 몸체부에 일체로 연결되며 상기 회전 샤프트의 외주면에 억지끼움으로 결합되는 결합부를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자에 있어서, 상기 코어 블록들의 몸체부에는 보빈이 삽입될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자에 있어서, 상기 회전 샤프트의 외주면에는 축 방향을 따라 다수 개의 돌기 수용홈들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자에 있어서, 상기 결합부에는 상기 돌기 수용홈으로 결합되는 결합 돌기가 돌출 형성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자는, 다수 개의 코어 블록으로 분할 형성되는 회전자 코어를 포함하며, 상기 코어 블록들은 회전 샤프트의 외주면에 방사 상으로 직접 고정되되, 상기 코어 블록들에는 상기 회전 샤프트의 외주면에 결합되는 결합 돌기가 형성되고, 상기 회전 샤프트의 외주면에는 상기 결합 돌기가 축 방향으로 억지끼움 결합되는 다수 개의 돌기 수용홈들이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자에 있어서, 상기 코어 블록들은 서로 이웃하며 접촉되는 측면으로서의 접촉면을 형성하고, 상기 접촉면으로 주 자속 경로를 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 회전자 코어를 다수 개의 코어 블록들로 분할 형성하고, 그 코어 블록들을 회전 샤프트의 외주면에 축 방향을 따라 방사 상으로 직접 고정하는 구성을 가지므로, 전체 회전자의 제작 및 조립이 용이하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 코어 블록들에 대한 개별 코일 권선 후 조립이 이루어지므로, 코일의 권선 불량률을 줄일 수 있고, 코어 블록의 조립면을 주 자속 경로에서 벗어나게 하여 무부하 역기전압을 향상시킬 수 있으며, 인접한 코일 간 이격거리를 최소화 할 수 있고, 회전자 내 자속의 흐름에 대한 저항을 회피하여 모터의 효율을 향상시킬 수 있고, 코일의 권선 점적률을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 코어 블록들과 회전 샤프트의 결합면이 회전자 코어의 주 자속 경로를 벗어난 부분에 위치하므로, 그 결합면이 회전자 코어의 주 자속의 흐름을 방해하지 않기 때문에 모터의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1은 종래 기술에 따른 계자권선형 구동모터의 회전자를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자를 도시한 정면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자에 적용되는 회전자 코어와 회전자 샤프트의 결합 구조를 도시한 분해 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자에 적용되는 회전자 코어와 회전자 샤프트의 결합 구조를 도시한 조립 정면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자를 도시한 정면 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자(100)는 친환경 자동차에서 전기 에너지로 구동력을 얻는 구동모터로서 계자권선형 동기모터(WRSM)에 적용될 수 있다.

예를 들면, 계자권선형 동기모터는 고정자 뿐만 아니라 회전자에 코일을 권선하여 전류 인가 시 회전자를 전자석화시키는 것으로서, 회전자의 전자석과 고정자의 전자석 간 전자기의 인력 및 척력으로 구동 토크를 발생시킬 수 있다.

상기한 바와 같은 계자권선형 동기모터(WRSM)에 적용되는 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자(100)는 제작 및 조립이 용이한 분할 코어 방식으로서 그 분할 코어 사이의 공간을 최소화할 수 있고, 주 자속의 경로에 영향을 미치지 않아 모터의 출력 및 효율을 향상시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 분할 코어의 결합면(접합면)에서 응력이 발생하게 되고, 이러한 분할 코어의 결합면이 주 자속 경로를 방해하지 않는 구동모터의 회전자(100)를 제공한다.

이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 상기 구동모터의 회전자(100)는 기본적으로 회전 샤프트(10)와, 그 회전 샤프트(10)에 결합되는 회전자 코어(20)를 포함한다.

회전 샤프트(10)는 회전자 코어(20)와 결합하는 것으로 구동모터의 회전축으로 구성되며, 고정자(도면에 도시되지 않음)의 내측에 일정 공극을 두고 배치되는 회전자 코어(20)의 회전 중심축으로 구비된다.

즉, 회전자 코어(20)는 고정자(도면에 도시되지 않음)의 내측에 일정 공극을 두고 배치되고, 고정자와 회전자 코어(20)의 코일에 전원이 인가되면 자계가 형성되며, 이들 사이에 발생되는 자기적 작용에 의해 회전 샤프트(10)와 함께 회전이 이루어질 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자에 적용되는 회전자 코어와 회전자 샤프트의 결합 구조를 도시한 분해 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자에 적용되는 회전자 코어와 회전자 샤프트의 결합 구조를 도시한 조립 정면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 회전자 코어(20)는 다수 개의 코어 블록(21)들로 분할 형성된다. 이때 다수 개의 코어 블록(21)들은 회전 샤프트(10)의 외주면에 방사 상으로 상호 결합될 수 있다.

여기서, 코어 블록(21)들과 회전 샤프트(10)의 결합면(49)에서는 이들의 조립 응력이 발생될 수 있고, 그 결합면(49)은 회전자 코어(20)의 주 자속 경로(A2)를 벗어난 위치에 형성될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에서 코어 블록(21)들은 코일(61: 당 업계에서는 통상 "회전자 코일" 이라고도 한다)이 권선되는 몸체부(31), 그 몸체부(31)에 일체로 연결되며 회전 샤프트(10)의 외주면에 축 방향으로 억지끼움 결합되는 결합부(41) 및 도면을 기준으로 몸체부(31)의 상측에 형성되는 루프부(51)를 포함한다.

몸체부(31)는 결합부(41)와 루프부(51) 사이에 배치되며, 그 몸체부(31)에는 보빈(71)이 삽입될 수 있다.

이러한 보빈(71)은 당 업계에서 널리 알려진 공지 기술의 보빈 유닛으로서 구성되므로, 본 명세서에서 그 구성의 더욱 자세한 설명은 생략하기로 한다.

결합부(41)는 도면을 기준할 때, 코어 블록(21)의 하측 부분으로 원호 방향을 따라 서로 접촉되며 회전 샤프트(10)의 외주면에 축 방향으로 억지끼움 결합될 수 있다.

여기서, 결합부(41)에는 서로 이웃하는 코어 블록(21)들에 대해 상호 접촉되는 측면으로서의 접촉면(43)을 형성하고 있으며, 그 접촉면(43)은 위에서 언급한 바 있는 회전자 코어(20)의 주 자속 경로(A2)로서 형성될 수 있다.

그리고, 상기 결합부(41)의 하단에는 회전 샤프트(10)의 외주면에 축 방향으로 억지끼움 결합되는 결합 돌기(45)가 형성된다.

결합 돌기(45)는 회전 샤프트(10)의 축 방향으로 슬라이딩 결합 가능하고, 그 회전 샤프트(10)의 외주면 방향으로는 이탈되지 않는 후크 돌기 형태로 구비될 수 있다.

루프부(51)는 몸체부(31)의 상단부에 형성되는 바, 원형으로 만곡진 루프면을 형성하고 있다. 즉, 회전 샤프트(10)에 조립된 코어 블록(21)들의 전체 루프면은 루프부(51)에 의해 대략 원형으로 형성될 수 있다.

한편, 회전 샤프트(10)의 외주면에는 축 방향을 따라 다수 개의 돌기 수용홈(11)들이 방사 상으로 형성된다. 이 돌기 수용홈(11)에는 코어 블록(21)의 결합 돌기(45)가 억지끼움으로 결합될 수 있다.

여기서, 상기와 같은 코어 블록(21)들과 회전 샤프트(10)의 결합 구조에서 결합 돌기(45)와 돌기 수용홈(11)의 결합면(49)에는 코어 블록(21)들과 회전 샤프트(10)의 조립 응력이 발생할 수 있다.

이 경우, 코어 블록(21)들과 회전 샤프트(10)의 결합면(49)은 위에서 언급한 바 있는 회전자 코어(20)의 주 자속 경로(A2)를 벗어난 부분에 위치할 수 있다. 즉, 코어 블록(21)들과 회전 샤프트(10) 간의 응력 발생 부위가 회전자 코어(20)의 주 자속 경로(A2)를 벗어나 있다.

따라서, 본 발명의 실시예에 따른 구동모터의 회전자(100)에 의하면, 회전자 코어(20)를 다수 개의 코어 블록(21)들로 분할 형성하고, 그 코어 블록(21)들을 회전 샤프트(10)의 외주면에 축 방향을 따라 방사 상으로 직접 고정하는 구성을 가지므로, 전체 회전자(100)의 제작 및 조립이 용이하다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 코어 블록(21)들에 대한 개별 코일 권선 후 조립이 이루어지므로, 코일(61)의 권선 불량률을 줄일 수 있고, 인접한 코일 간 이격거리를 최소화 할 수 있으며, 회전자 내 자속의 흐름에 대한 저항을 회피하여 모터의 효율을 향상시킬 수 있고, 코일(61)의 권선 점적률을 향상시킬 수 있다.

더 나아가, 본 발명의 실시예에서는 결합 돌기(45)와 돌기 수용홈(11)의 결합면(49)에서 코어 블록(21)들과 회전 샤프트(10)의 조립 응력이 발생하고, 이러한 응력이 가해지는 부분을 회전자 주 자속 경로에서 벗어나게 하여 무부하 역기전압을 향상시킬 수 있다.

이러한 무부하 역기전압의 향상은 동일 전류 인가 시 모터의 토크와 출력을 증대시킬 수 있으며, 회전자 인가 전류 감소로 인한 회전자의 동손(손실) 감소 효율을 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 코어 블록(21)들과 회전 샤프트(10)의 결합면(49)이 회전자 코어(20)의 주 자속 경로(A2)를 벗어난 부분에 위치하므로, 그 결합면(49)이 회전자 코어(20)의 주 자속의 흐름을 방해하지 않기 때문에 모터의 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

10... 회전 샤프트 11... 돌기 수용홈
20... 회전자 코어 21... 코어 블록
31... 몸체부 41... 결합부
43... 접촉면 45... 결합 돌기
49... 결합면 51... 루프부
61... 코일 71... 보빈
A2... 주 자속 경로

Claims (8)

1. 계자권선형 동기모터에 적용되는 구동모터의 회전자로서,
   회전자 코어를 다수 개의 코어 블록으로 분할 형성하고, 상기 코어 블록들을 회전 샤프트의 외주면에 방사 상으로 직접 결합하여 고정하되,
   상기 코어 블록들과 상기 회전 샤프트의 결합면이 회전자 코어의 주 자속 경로를 벗어나는 위치에 구비되고,
   상기 코어 블록은 코일이 권선되는 몸체부와, 상기 몸체부에 일체로 연결되며 상기 회전 샤프트의 외주면에 억지끼움 식으로 결합되는 결합부를 포함하되, 상기 몸체부에는 보빈이 삽입되고,
   상기 회전 샤프트의 외주면에는 축 방향을 따라 다수 개의 돌기 수용홈들이 형성되고, 상기 결합부에는 상기 돌기 수용홈으로 축 방향을 따라 억지끼움 결합되는 결합 돌기가 돌출 형성되며,
   상기 결합부에는 서로 이웃하는 코어 블록들에 대해 상호 접촉되는 측면으로서의 접촉면을 형성하고, 상기 접촉면이 회전자 코어의 주 자속 경로로서 형성되며,
   상기 코어 블록들과 회전 샤프트 간의 응력 발생 부위가 회전자 코어의 주 자속 경로를 벗어나게 하여 상기 결합부의 결합 돌기와 상기 회전 샤프트의 돌기 수용홈 결합 구조에서 그 결합 돌기와 돌기 수용홈의 결합면에 코어 블록들과 회전 샤프트의 조립 응력이 발생하며 그 결합면이 회전자 코어의 주 자속 경로를 벗어난 부분에 위치하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 회전자.
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