JP6664890B2 - 界磁巻線型駆動モータの回転子 - Google Patents

界磁巻線型駆動モータの回転子 Download PDF

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Description

本発明は、界磁巻線型駆動モータに関し、より詳しくは、回転子コアの鋼板積層構造を改善した界磁巻線型駆動モータの回転子に関する。
一般に、親環境自動車と呼ばれるハイブリッド車両または電気自動車は、電気エネルギーで回転力を得る電気モータ(以下、「駆動モータ」という)によって駆動力を発生させる。
例えば、ハイブリッド車両は、駆動モータの動力のみを利用する純粋電気自動車モードであるEV(Electric Vehicle)モードで走行するか、エンジンと駆動モータの回転力を全て動力として利用するHEV(Hybrid Electric Vehicle)モードで走行する。そして、一般的な電気自動車は、駆動モータの回転力を動力として利用して走行する。
このように親環境自動車の動力源として利用される駆動モータは、大部分、永久磁石型同期モータ(Permanent Magnet Synchronous Motor:PMSM)を使用する。このような永久磁石型同期モータは、制約されたレイアウトの条件で最大の性能を発揮するために、永久磁石の性能を極大化させる必要がある。
上記の永久磁石において、ネオジム(Nd)成分は、永久磁石の強さを改善し、ジスプロシウム(Dy)成分は、高温消磁(Demagnetization)耐性を改善する。しかし、このような永久磁石の希土類(Nd、Dy)金属成分は、中国などの一部国家に制限的に埋蔵されており、非常に高価で値段変動が激しい。
これを改善するために、最近では、誘導電動機の適用を検討しているが、同一のモータ性能を発揮するために、体積、重量などのサイズ増大量が過剰な制約がある。
一方、最近では、親環境自動車の動力源として利用される駆動モータとして、永久磁石型同期モータ(PMSM)に代替できる界磁巻線型同期モータ(Wound Rotor Synchronous Motor:WRSM)の開発が進行されている。
界磁巻線型同期モータは、固定子だけでなく回転子にもコイルを巻線して電流印加時に回転子を電磁石化させることにより、永久磁石型同期モータ(PMSM)の永久磁石に代替している。
このような界磁巻線型同期モータは、回転子が固定子内側に一定の空隙をおいて配置され、固定子と回転子のコイルに電源が印加されれば磁界が形成され、これらの間に発生する磁気的作用により回転子の回転が行われる。
このような界磁巻線型同期モータでは、永久磁石型同期モータとは違って回転子にコイルを巻線するので、回転子の高速回転時(通常EVの場合、最大10,000rpm以上)に、回転子コイルに作用する遠心力が非常に大きく発生する。
そのため、界磁巻線型同期モータは、回転子の高速回転時に、回転子コイルに作用する遠心力によってその回転子コイルの整列性が低下し、故障が発生し得る。そこで、回転子コイルの遠心力による機械的強度の安定性を確保するためには、回転子に回転子コイルを整列性よく巻線することが最も重要である。
一方、界磁巻線型同期モータにおいて、回転子は、複数枚の鋼板が積層してなる回転子コアを構成している。回転子コアは、複数の極を有して回転子コイルが巻線され、軸方向に対称の形状で具備され、場合によっては、スキュー形に具備されてもよく、同一の形状の鋼板が積層して構成される。
回転子コアを分割コアで構成せず、一体型の回転子コアに回転子コイルを巻線するためには、ノズルタイプの巻線機を使用して回転子コイルを回転子コアの全ての極に巻線する。
ここで、回転子コアの鋼板積層長さがモータの外径に比べて相対的に小さい場合は、回転子コイルの巻線が容易である。しかし、モータのトルクを増大させるために回転子コアの鋼板積層長さを増大させた場合は、軸方向への回転子コイル巻線の長さも増加する。
そのため、従来技術では、上記のように鋼板積層長さ(軸方向長さ)が相対的に長い回転子コアにノズルタイプの巻線機を使用して回転子コイルを巻線する場合、軸方向区間で回転子コイルの張力が低下する現象により、回転子コイルのタレ現象が発生するなど回転子コイルの整列性が低下し得る。
この背景技術の部分に記載された事項は、発明の背景に対する理解を増進させるために作成されたもので、この技術が属する分野における通常の知識を有する者に既に知られた従来技術でない事項を含み得る。
本発明の実施例は、鋼板積層長さが相対的に長い回転子コアの鋼板積層構造を改善して、回転子コイルの整列性を確保することができるようにした界磁巻線型駆動モータの回転子を提供する。
本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子は、固定子の内径面と所定の空隙をおいて配置されるものであって、複数枚の鋼板が積層してなる回転子コアを含み、前記回転子コアは、回転子本体の外周面にスロットを挟んで円周方向に沿って一定間隔離隔して配置され、回転子コイルが巻線される複数個の回転子ティースと、前記回転子ティースの末端に形成され、前記固定子の内径面と対面する回転子シューとを含み、前記回転子コアは、軸方向に沿って一定区間別に前記回転子ティースの幅が異なって区画されるように互いに異なる形状の鋼板が積層された複数個のコア群を形成する。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記回転子コアは、軸方向両端側に少なくとも一つの第1コア群をそれぞれ形成し、前記第1コア群間に少なくとも一つの第2コア群を形成する。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記第1および第2コア群は、前記回転子ティース幅が互いに異なって具備される。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記第2コア群の回転子ティースは、前記第1コア群の回転子ティースより相対的に大幅を有して形成される。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記第1および第2コア群は、前記回転子シューの幅が互いに異なって具備される。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記第1および第2コア群は、前記回転子シューの偏心アークが互いに異なって具備される。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記第1および第2コア群の回転子シューは、前記固定子の内径面に対する空隙半径が互いに異なって具備される。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記第1および第2コア群間には、前記回転子ティースの幅差に相応する角部段差を形成する。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記回転子コアは、軸方向両端に第1コア群をそれぞれ形成し、前記第1コア群間でそれぞれの第1コア群に隣接する第2コア群を形成し、前記第2コア群間に少なくとも一つの第3コア群を形成する。
また、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子において、前記第1、2、3コア群は、互いに異なる形状の鋼板が積層してなる。
そして、本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子は、固定子の内径面と所定の空隙をおいて配置されるものであって、複数枚の鋼板が積層してなる回転子コアを含み、前記回転子コアは、回転子本体の外周面にスロットを挟んで円周方向に沿って一定間隔離隔して配置され、回転子コイルが巻線される複数個の回転子ティースと、前記回転子ティースの末端に形成され、前記固定子の内径面と対面する回転子シューとを含み、前記回転子コアは、軸方向に沿って一定区間別に前記回転子シューの幅が異なって区画されるように互いに異なる形状の鋼板が積層された複数個のコア群を形成する。
さらに、本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子は、固定子の内径面と所定の空隙をおいて配置されるものであって、複数枚の鋼板が積層してなる回転子コアを含み、前記回転子コアは、回転子本体の外周面にスロットを挟んで円周方向に沿って一定間隔離隔して配置され、回転子コイルが巻線される複数個の回転子ティースと、前記回転子ティースの末端に形成され、前記固定子の内径面と対面する回転子シューとを含み、前記回転子コアは、軸方向に沿って一定区間別に前記回転子シューの偏心アークが異なって区画されるように互いに異なる形状の鋼板が積層された複数個のコア群を形成する。
本発明の実施例は、回転子コアにノズル巻線方式で回転子コイルを巻線する時、第2コア群の角部段差によって軸方向のコイル直線部の距離を減少させ、巻線コイルを支持することができる。
従って、本発明の実施例では、ノズルの巻線を行う時に第2コア群の角部段差を通じて回転子コイルの張力を向上させることにより回転子コイルの整列性を確保することができ、これにより、ノズル巻線を行う時の作業性および量産性を向上させることができ、回転子コイルの占積率を増大させてモータの性能および効率を向上させることができる。
また、本発明の実施例では、第1および第2コア群において、第1および第2回転子シューの幅を互いに異なって構成することにより、固定子の内径面と第1および第2回転子シューとの空隙長さを調節することができる。
従って、本発明の実施例では、固定子と回転子の相対位置によって変化する磁気抵抗の変化率を最小化させながらトルクリップルを低減することができ、モータトルクおよび騒音/振動の設計自由度を向上させることもできる。
さらに、本発明の実施例では、第2コア群の角部段差を通じてトルク発生に寄与しない回転子コイルのコイルエンド部の長さを減らすことができるため、回転子コイルで発生する銅損失の低減が可能であり、モータの性能および効率をさらに向上させることができる。
この図面は、本発明の実施例を説明することに参照するためのものであり、本発明の技術的思想を添付の図面に限定して解釈してはならない。
本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子を概略的に示した図面である。 本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子に適用される回転子コアの一部を概略的に示した図面である。 本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子に適用される回転子コアの積層構造で回転子コイルの巻線状態を概略的に示した図面である。 本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子を概略的に示した図面である。 本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子に適用される回転子コアの一部を概略的に示した図面である。 本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子を概略的に示した図面である。
以下、添付の図面を参考として、本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳しく説明する。しかし、本発明は、様々な異なる形態に具現されることができ、ここで説明する実施例に限定されない。
本発明を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体にわたって同一または類似の構成要素については同一の参照符号を付ける。
図面に示した各構成の大きさおよび厚さは、説明の便宜のために任意に表したので、本発明が必ずしも図面に示されたものに限定されず、様々な部分および領域を明確に表現するために厚さを拡大して表した。
そして、下記の詳細な説明において、構成の名称を第1、第2等に区分したことは、その構成が同一の関係でこれを区分するためであり、下記の説明で必ずしもその順序に限定されるものではない。
明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とすると、これは、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。
また、明細書に記載された「…ユニット」、「…手段」、「…部」、「…部材」等の用語は、少なくとも一つの機能や動作をする包括的な構成の単位を意味する。
図1は、本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子を概略的に示した図面であり、図2は、本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子に適用される回転子コアの一部を概略的に示した図面である。
図1および図2を参照すると、本発明の実施例は、界磁巻線型駆動モータに適用され、界磁巻線型駆動モータは、親環境自動車で電気エネルギーで駆動力を得るハイブリッド車両用駆動モータに適用される。
例えば、前記界磁巻線型同期モータは、基本的に、固定子コイル(図示せず)が巻線された固定子(図示せず)と、回転子コイル1(以下、図2参照)が巻線され、固定子の内側に配置される本発明の実施例に係る回転子100を含んでいる。
上記で回転子100は、中心部側に回転シャフト(図示せず)が結合され、その回転子100の外側面は、固定子の内径面と所定の空隙をおいてその固定子の内側に配置される。
従って、前記界磁巻線型同期モータは、固定子だけでなく、回転子100に回転子コイル1を巻線して電流印加時に回転子100を電磁石化させ、その回転子100の電磁石と固定子の電磁石間の電磁気の引力および斥力で駆動トルクを発生させる。
さらに、本発明の実施例に係る前記回転子100は、複数枚の電気鋼板が積層された回転子コア10であって、回転シャフト11が結合される回転子本体20の外周面にその円周方向に一定間隔離隔して配置される複数個の回転子ティース30を含む。
前記回転子ティース30には、回転子コイル1が巻かれ、その回転子ティース30間には、回転子コイル1を巻線するためのスロット37が形成される。つまり、前記回転子ティース30は、スロット37を挟んで回転子本体20にその円周方向に沿って一定間隔離隔して配置される。
ここで、前記回転子ティース30間のスロット37には、その回転子ティース30に巻線された回転子コイル1を絶縁するための絶縁樹脂(図示せず)がモルディングされてもよい。そして、前記回転子ティース30の末端には、回転子コイル1を支持し、固定子の内径面と所定の空隙をおいて対面する回転子シュー40を形成している。
本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子100は、トルクを増大させるために鋼板の軸方向積層長さを増大させた構造であり、回転子コア10の鋼板積層構造を改善して回転子コイルの整列性を確保することができる構造でなる。
つまり、本発明の実施例では、回転子コア10に対する回転子コイル1の整列性を確保することによりモータのトルクおよび効率を向上させることができ、騒音および振動特性を改善することができ、ノズル巻線を行う時の作業性および量産性を向上させることができる界磁巻線型駆動モータの回転子100を提供する。
このため、本発明の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子100は、軸方向に沿って一定区間別に回転子ティース30の幅が異なって区画されるように互いに異なる形状の鋼板が積層された複数個のコア群51、52を形成する回転子コア10を構成する。
例えば、本発明の実施例において、前記回転子コア10は、軸方向両端側に第1コア群51をそれぞれ形成し、第1コア群51の間に第2コア群52を形成する。ここで、前記第1および第2コア群51、52は、複数個の鋼板が積層された後、回転シャフト(図示せず)にそれぞれ組立てられる。
以下では、前記第1コア群51における回転子ティースを第1回転子ティース31と定義し、前記第2コア群52における回転子ティースを第2回転子ティース32と定義する。そして、前記第1コア群51における回転子シューを第1回転子シュー41と定義し、前記第2コア群52における回転子シューを第2回転子シュー42と定義する。
本発明の実施例に係る前記第1および第2コア群51、52は、第1および第2回転子ティース31、32の幅a1、a2が互いに異なって具備される。例えば、図2のように、前記第2コア群52の第2回転子ティース32は、第1コア群51の第1回転子ティース31の幅a1より相対的に大きい幅a2を有して形成される。
さらに、前記第1および第2コア群51、52は、図2のように、第1および第2回転子シュー41、42の幅b1、b2が互いに異なって具備される。
代案として、本発明では、上記のように第1および第2回転子シュー41、42の幅b1、b2が互いに異なって具備されることに必ずしも限定されず、第1および第2回転子シュー41、42の幅b1、b2が互いに同一であってもよい。
一方、本発明の実施例では、上記のように第2コア群52の第2回転子ティース32が第1コア群51の第1回転子ティース31の幅a1より相対的に大きい幅a2を有することにより、図3のような回転子コア10の形状でなる。
具体的に、本発明の実施例において、前記第1および第2コア群51、52の間には、第1および第2回転子ティース31、32の幅差に相応する角部段差35を形成している。
つまり、本発明の実施例では、回転シャフト11の両端側に第1コア群51がそれぞれ位置し、第1コア群51の間に第2コア群52が位置し、第2コア群52の第2回転子ティース32が第1コア群51の第1回転子ティース31の幅a1より相対的に大きい幅a2を有することにより、第2コア群52に角部段差35を形成する。
換言すると、本発明の実施例では、第1コア群51の第1回転子ティース31より幅の大きい第2回転子ティース32を有する第2コア群52が軸方向中間に位置し、前記第1コア群51が軸方向両側にそれぞれ位置し、第2コア群52に角部段差35を形成する。
従って、上記のように構成される本発明の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子100によると、回転子コア10にノズル巻線方式で回転子コイル1を巻線する時、第2コア群52の角部段差35によって軸方向のコイル直線部の距離を減少させて巻線コイルを支持する。
従って、本発明の実施例では、ノズルの巻線を行う時に第2コア群52の角部段差35を通じて回転子コイル1の張力を向上させることにより、回転子コイル1の整列性を確保することができ、これにより、ノズル巻線を行う時の作業性および量産性を向上させることができ、回転子コイル1の占積率を増大させてモータの性能および効率を向上させることができる。
また、本発明の実施例では、第1および第2コア群51、52において、第1および第2回転子シュー41、42の幅b1、b2を互いに異なって構成することにより、固定子の内径面と第1および第2回転子シュー41、42との空隙長さを調節する。
従って、本発明の実施例では、固定子と回転子の相対位置によって変化する磁気抵抗の変化率を最小化させながらトルクリップルを低減することができ、モータトルクおよび騒音/振動の設計自由度を向上させることもできる。
さらに、本発明の実施例では、第2コア群52の角部段差35を通じてトルク発生に寄与しない回転子コイル1のコイルエンド部3(図3参照)の長さを減らすことができるため、回転子コイル1で発生する銅損失の低減が可能であり、モータの性能および効率をさらに向上させることができる。
図4は、本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子を概略的に示した図面であり、図5は、本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子に適用される回転子コアの一部を概略的に示した図面である。
図4および図5を参照すると、本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子200は、上記実施例のように第1および第2回転子ティース131、132の幅a1、a2が異なる構造を基本としながら、第1および第2回転子シュー141、142の偏心アークc1、c2が互いに異なる第1および第2コア群151、152を含む回転子コア110を構成する。
そして、本発明の実施例において、前記第1および第2コア群151、152の第1および第2回転子シュー141、142は、固定子の内径面に対する空隙半径R1、R2が互いに異なって具備されてもよい。
ここで、前記第1および第2回転子シュー141、142の幅b1、b2は、相互同一であってもよく、互いに異なってもよい。
従って、本発明の実施例では、前記第1および第2コア群151、152の第1および第2回転子シュー141、142において、偏心アークc1、c2が互いに異なり、固定子の内径面に対する空隙半径R1、R2が互いに異なるので、モータトルクおよび騒音/振動の設計自由度を向上させることができる。
一方、本発明の他の実施例では、回転子コア110として第1および第2回転子ティース131、132の幅a1、a2が互いに異なる構造を基本としながら、第1および第2回転子シュー141、142の幅b1、b2および/または偏心アークc1、c2が互いに異なる第1および第2コア群151、152を含むと説明したが、本発明が必ずしもこれに限定されるものではない。
代案として、本発明では、第1および第2回転子ティース131、132の幅a1、a2が互いに異ならない構造を基本としながら、第1および第2回転子シュー141、142の幅b1、b2が互いに異なる第1および第2コア群151、152を含む回転子コア110を構成してもよい。
つまり、本発明において、回転子コア110は、軸方向に沿って一定区間別に回転子シュー141、142の幅b1、b2が異なって区画されるように互いに異なる形状の鋼板が積層された複数個のコア群151、152を含んでもよい。
また、本発明では、第1および第2回転子ティース131、132の幅a1、a2が互いに異ならない構造を基本としながら、第1および第2回転子シュー141、142の偏心アークc1、c2が互いに異なる第1および第2コア群151、152を含む回転子コア110を構成してもよい。
つまり、本発明において、回転子コア110は、軸方向に沿って一定区間別に回転子シュー141、142の偏心アークc1、c2が異なって区画されるように互いに異なる形状の鋼板が積層された複数個のコア群151、152を含んでもよい。
図6は、本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子を概略的に示した図面である。
図6を参照すると、本発明の他の実施例に係る界磁巻線型駆動モータの回転子300は、上記実施例のように鋼板積層構造の形状が互いに異なるコア群251、252がそれぞれ2個以上で具備される回転子コア210を構成する。
例えば、本発明の実施例では、回転シャフト211の軸方向両端に第1コア群251をそれぞれ形成し、第1コア群251の間でそれぞれの第1コア群251に隣接する第2コア群252を形成し、第2コア群252の間に少なくとも一つの第3コア群253を形成する。
本発明の他の実施例に係る前記界磁巻線型駆動モータの回転子300に対する残りの構成および作用効果は、上記実施例と同一であるので、さらに詳しい説明は省略する。
以上で本発明の実施例について説明したが、本発明の技術的思想は、本明細書で提示される実施例に制限されず、本発明の技術的思想を理解する当業者は、同一の技術的思想の範囲内で、構成要素の付加、変更、削除、追加等により他の実施例を容易に提案することができ、これも本発明の権利範囲内に入るといえる。
1:回転子コイル
3:コイルエンド部
10:回転子コア
11:回転シャフト
20:回転子本体
30:回転子ティース
31:第1回転子ティース
32:第2回転子ティース
35:角部段差
37:スロット
40:回転子シュー
41:第1回転子シュー
42:第2回転子シュー
51:第1コア群
52:第2コア群
a1、a2:回転子ティース幅
b1、b2:回転子シュー幅

Claims (4)

  1. 界磁巻線型駆動モータにおいて、固定子の内径面と所定の空隙をおいて配置される回転子であって、
    複数枚の鋼板が積層してなる回転子コアを含み、
    前記回転子コアは、回転子本体の外周面にスロットを挟んで円周方向に沿って一定間隔離隔して配置され、回転子コイルが巻線される複数個の回転子ティースと、前記回転子ティースの末端に形成され、前記固定子の内径面と対面する回転子シューとを含み、
    前記回転子コアは、軸方向に沿って一定区間別に前記回転子ティースの幅が異なって区画されるように互いに異なる形状の鋼板が積層された複数個のコア群を形成し、
    前記回転子コアは、
    軸方向両端側に少なくとも一つの第1コア群をそれぞれ形成し、前記第1コア群間に少なくとも一つの第2コア群を形成し、
    前記第2コア群の回転子ティースは、前記第1コア群の回転子ティースより相対的に大幅を有して形成され、
    前記第1および第2コア群は、前記回転子シューの偏心アークが互いに異なって具備され、
    前記第1および第2コア群の回転子シューは、前記固定子の内径面に対する空隙半径が互いに異なって具備されることを特徴とする界磁巻線型駆動モータの回転子。
  2. 前記第1および第2コア群は、前記回転子シューの幅が互いに異なって具備されることを特徴とする請求項に記載の界磁巻線型駆動モータの回転子。
  3. 前記第1および第2コア群間には、前記回転子ティースの幅差に相応する角部段差を形成することを特徴とする請求項1に記載の界磁巻線型駆動モータの回転子。
  4. 前記回転子コアは、
    軸方向両端に前記第1コア群をそれぞれ形成し、前記第1コア群間でそれぞれの第1コア群に隣接する前記第2コア群を形成し、前記第2コア群間に少なくとも一つの第3コア群を形成し、
    前記第1、2、3コア群は、互いに異なる形状の鋼板が積層してなることを特徴とする請求項1に記載の界磁巻線型駆動モータの回転子。
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