KR101792676B1 - 개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법 - Google Patents

개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 코일을 전동기의 정류자와 코어 슬롯에 각각 권선하여 해당 코어에 개별적인 자력이 발생하도록 하는 방법에 관한 것으로, 복수의 정류자와 이에 대응하는 복수의 코어가 회전축에 축 결합된 전동기의 코어 코일 권선 방법에 있어서, 상기 정류자의 배치 순서에 따라 제1코일이 제1정류자에 전기적으로 접촉되고 제1코어 슬롯에 권선된 후 제1정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제1코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제1정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하고, 상기 정류자의 배치 순서에 따라 제2코일이 제2정류자에 전기적으로 접촉되고 제2코어 슬롯에 권선된 후 제2정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제2코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제2정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하며, 상기 정류자의 배치 순서에 따라 제3코일이 제3정류자에 전기적으로 접촉되고 제3코어 슬롯에 권선된 후 제3정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제3코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제3정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하고, 상기 제1코일, 제2코일 및 제3코일은 각각 전기적으로 접촉되는 해당 정류자와 권선되는 해당 코어 슬롯에 의하여 해당 코어에 각각의 개별 자력을 발생시키는 것이다. 본 발명은 복수 정류자와 코어 사이의 복수 코일의 권선 방법에 의하여 서보모터, 스테핑모터, 터보모터, BLDC모터 등의 정류자 및 코어에도 동일하게 적용할 수 있고, 인가되는 전력 대비 고효율 및 고속 회전하는 전동기를 제공할 수 있으며, 복수 코일로 인가되는 전류의 제어로 다단의 회전속도와 토크의 구현과 발열을 최소화할 수 있고, 3상 전압을 출력할 수 있는 발전기로 전환 사용이 가능하여 전동기의 기능과 유용성을 향상시킨 것이다.

Description

개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법{Method for Winding Wire Core Coil of Electric Motor having Individual Magnetic}
본 발명은 개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일을 권선하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 코일을 전동기의 정류자와 코어 슬롯에 각각 권선하여 해당 코어에 개별적인 자력이 발생하도록 하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 전동기(Electric Motor)는 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용하여 전기에너지를 기계에너지로 바꾸는 회전기이다. 전원의 종류에 따라 직류전동기와 교류전동기로 분류되며, 교류전동기는 다시 3상 교류용과 단상 교류용으로 구분된다.
또한, 전동기는 회전 원리에 따라 직류전동기, 유도전동기, 동기전동기, 교류정류자전동기 등으로 그 종류가 매우 다양하다. 소형 교류기인 경우는 전원도 3상이 아닌 단상이 많고, 유도전동기일지라도 기동 토크가 없기 때문에 기동 토크를 부여할 필요에 의하여 다양한 형이 존재한다. 전동기의 특성은 동작 원리와 구조에 따라 결정되며 토크-속도 특성으로서 토크와 속도 관계가 직각 좌표에서 상한도로서 4개의 상한으로 표현된다. 전동기 정격은 열 특성과 요구되는 기계적 조건에 따라 결정되므로 결과적으로 부하의 성질과 운전 조건에 따라 크게 좌우된다. 보통 용도로는 유도전동기가 가장 적합하고 가장 많이 사용된다. 동기전동기는 정격속도, 고역률을 요구하는 것에 사용되고, 유도전동기와 동기전동기는 정밀하고 광범위한 속도제어를 필요로 하는 특수 용도에 사용된다. 그러나 이들이 갖는 제어성이라든가 주파수 변동 능력도 사이리스터 변환장치 등에 의해 외부에서 지원이 가능하므로 전동기에 요구되는 것은 복잡한 기능이 아니라 단순한 기계 토크 및 동력에 국한되는 추세이다.
종래에 대부분의 전동기는 입력전압에 의해 전체의 코어가 자력을 형성하는 통합 자력 방식으로 이루어져 있어 전력 소비가 많고, 고속전동기를 제작할 때에 굵은 코일을 권선하거나 고전압을 입력하거나 또는 고주파를 이용하지만 고전압을 입력하여도 효율이 낮아 고속전동기의 제작에 한계가 있었다.
더욱이 선행기술들에 의하면, 코어에 코일을 권선하는 방법으로 각 코어에 코일에 권선하거나 또는 특정 코어에서 시작하여 다음 피치에 코일을 권선하거나 또는 일정 피치의 간격을 두고 코일을 권선하는 등 분류방식에 따라 코어에 코일을 권선한다. 따라서 코어에 권선된 코일에 전류가 입력되면 전체 코어에 자력이 발생하여 회전자가 회전되지만, 회전자를 회전시키기 위하여 코일에 인가되는 전류의 손실이 많아져 효율이 떨어지거나 고속으로 회전하는 전동기의 제작이 용이하지 않은 실정이었다. 또한, 종래에 코어에 코일을 권선하는 방법에 의하면 인가되는 전압을 높이거나 4극 또는 그 이상의 극을 구성함으로써 단순히 회전수를 높여 터보 기능과 같이 순간적인 가속을 구현할 수 있었지만, 이 역시 일정 이상의 회전수를 얻기는 용이하지 않을 뿐만 아니라 회전수의 상승에 따른 발열문제를 해소할 수 없었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1200505호(2012.11.12. 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1526204호(2015.06.04. 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1145780호(2012.05.16. 공고) 대한민국 등록특허공보 제10-1232883호(2013.02.13. 공고)
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전동기에서 복수의 코일을 복수의 정류자 및 코일에 일정 간격으로 순차적으로 권선하여 코어에서 개별 자력이 발생되도록 함으로써 인가되는 전력 대비 고효율 및 고속의 전동기를 제공하기 위한 것이 목적이다.
또한, 본 발명은 복수 코일로 인가되는 전류를 각각 제어하여 다단의 회전속도 및 토크의 조절과 더불어 발열을 최소화할 수 있고 발전기의 기능을 갖도록 한 것이 다른 목적이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 복수의 정류자와 이에 대응하는 복수의 코어가 회전축에 축 결합된 전동기의 코어 코일 권선 방법에 있어서, 상기 정류자의 배치 순서에 따라 제1코일이 제1정류자에 전기적으로 접촉되고 제1코어 슬롯에 권선된 후 제1정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제1코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제1정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하고, 상기 정류자의 배치 순서에 따라 제2코일이 제2정류자에 전기적으로 접촉되고 제2코어 슬롯에 권선된 후 제2정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제2코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제2정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하며, 상기 정류자의 배치 순서에 따라 제3코일이 제3정류자에 전기적으로 접촉되고 제3코어 슬롯에 권선된 후 제3정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제3코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제3정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하고, 상기 제1코일, 제2코일 및 제3코일은 각각 전기적으로 접촉되는 해당 정류자와 권선되는 해당 코어 슬롯에 의하여 해당 코어에 각각의 개별 자력을 발생시키는 개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법을 제공한 것이 특징이다.
또한, 본 발명에서, 상기 정류자 및 코어는 2, 3 또는 4의 배수로 구성될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 전동기 회전축에는 유성기어장치가 축 결합되되, 유성기어장치는 중심에 위치된 선기어 외주에 복수의 유성기어가 치합되고, 유성기어 외주에 각각 링기어가 치합되며, 링기어 외주에 커버가 결합되고, 유성기어의 편심축에 크랭크로드가 결합될 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 유성기어장치는 가속되는 회전력이 발생되도록 하는 각각의 선기어, 유성기어 및 링기어의 기어비로 구성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수 정류자와 코어 사이의 복수 코일의 권선 방법에 의하여 서보모터, 스테핑모터, 터보모터, BLDC모터 등의 정류자 및 코어에도 동일하게 적용할 수 있고, 인가되는 전력 대비 고효율 및 고속 회전하는 전동기를 제공할 수 있으며, 복수 코일로 인가되는 전류의 제어로 다단의 회전속도와 토크의 구현과 발열을 최소화할 수 있고, 3상 전압을 출력할 수 있는 발전기로 전환 사용이 가능하여 전동기의 기능과 유용성을 향상시킨 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 실시 예로, 개별 자력을 갖는 전동기의 회전자를 나타낸 사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 개별 자력을 갖는 전동기의 회전자 코어와 정류자 사이에 코일을 권선하는 방법을 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 개별 자력을 갖는 전동기에 기어박스가 결합된 것을 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 개별 자력을 갖는 전동기에 유성기어를 나타낸 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 개별 자력을 갖는 전동기에 유성기어를 나타낸 단면도이다.
이하 본 발명에 따른 개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1에서, 전동기의 회전자(10)는 회전축(11)에 복수의 정류자(20)와 이에 대응하는 복수의 코어(30)가 축 결합된다. 회전축(11) 상부에 일정한 길이 및 폭을 갖는 복수의 정류자(20)가 배열되어 결합된다. 정류자(20)는 3의 배수로 결합되는 것이 좋지만, 2의 배수나 4의 배수로 결합되어도 좋다. 정류자(20) 하단에는 코일을 걸어 고정할 수 있는 고리(21)가 형성되어 있다. 또한, 회전축(11) 하부에는 일정한 길이 및 폭을 갖는 복수의 코어(20)가 배열되어 결합된다. 코어(20)는 3의 배수로 결합되는 것이 좋지만, 2의 배수나 4의 배수로 결합되어도 좋다. 코어(30)와 코어 사이에는 슬롯(31)이 형성된다. 슬롯(31)에는 코일이 권선된다. 또한, 코어(30)의 대응하는 고정자가 복수의 마그네트가 일정 간격을 두고 배열된다.
도 2에서, 전동기 내에 회전자(10)의 정류자(20)와 코어(30)를 평면상으로 펼쳐 놓은 것이다. 정류자(20)는 복수 개, 예를 들어, 3의 배수에 해당하는 15개이고, 코어(30)는 복수 개, 예를 들어 3의 배수에 해당하는 15개이다.
여기에서 정류자(20)의 배치 순서에 따라 제1코일(12)이 제1정류자(20-1)의 고리(21)에 고정되어 전기적으로 접촉된 후 제1코어(20-1)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 그리고 제1코어(20-1)에 권선된 제1코일(12)은 제1정류자(20-1) 우측으로 3번째에 해당하는 제4정류자(20-4)에 전기적으로 접촉된 후 제4코어(20-4)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 또한, 제4코어(20-4)에 권선된 제1코일(12)은 제4정류자(20-4) 우측으로 3번째에 해당하는 제7정류자(20-7)에 전기적으로 접촉된 후 제7코어(20-7)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 따라서 제1코일(12)은 제1정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉된 다음에 대응하는 제1코어(20-1)의 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯(31)에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제1정류자(20-1)에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하게 된다. 그러므로 회전자(10)의 제1코일(12)에 전류가 인가되면 제1코어(20-1), 제4코어(20-4), 제7코어(20-7), 제10코어(20-10) 및 제13코어(20-13)는 개별적인 자력이 형성되어 대응하는 고정자의 마그네트에 의한 자기장으로 회전력을 갖게 된다. 제1코일(12)에 전류가 인가되어 제1정류자(20-1)와 제1코어(20-1)로부터 3의 배수로 권선된 해당 코어에 개별 자력이 발생되면 좌우에 인접하는 코어, 즉 제2, 3, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15번째에는 회전공차 전류 자력이 각각 형성된다.
또한, 정류자(20)의 배치 순서에 따라 제2코일(13)이 제2정류자(20-2)의 고리(21)에 고정되어 전기적으로 접촉된 후 제2코어(20-2)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 그리고 제2코어(20-2)에 권선된 제2코일(13)은 제2정류자(20-2) 우측으로 3번째에 해당하는 제5정류자(20-5)에 전기적으로 접촉된 후 제5코어(20-5)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 또한, 제5코어(20-5)에 권선된 제2코일(13)은 제5정류자(20-5) 우측으로 3번째에 해당하는 제8정류자(20-8)에 전기적으로 접촉된 후 제8코어(20-8)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 따라서 제2코일(13)은 제2정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉된 다음에 대응하는 제2코어(20-2)의 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯(31)에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제2정류자(20-2)에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하게 된다. 그러므로 회전자(10)의 제2코일(13)에 전류가 인가되면 제2코어(20-2), 제5코어(20-5), 제8코어(20-8), 제11코어(20-11) 및 제14코어(20-14)는 개별적인 자력이 형성되어 대응하는 고정자의 마그네트에 의한 자기장으로 회전력을 갖게 된다. 제2코일(13)에 전류가 인가되어 제2정류자(20-2)와 제2코어(20-2)로부터 3의 배수로 권선된 해당 코어에 개별 자력이 발생되면 좌우에 인접하는 코어, 즉 제1, 3, 4, 6, 7, 9, 10, 12, 13, 15번째에는 회전공차 전류 자력이 각각 형성된다.
또한, 정류자(20)의 배치 순서에 따라 제3코일(14)이 제3정류자(20-3)의 고리(21)에 고정되어 전기적으로 접촉된 후 제3코어(20-3)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 그리고 제3코어(20-3)에 권선된 제3코일(14)은 제3정류자(20-3) 우측으로 3번째에 해당하는 제6정류자(20-6)에 전기적으로 접촉된 후 제6코어(20-6)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 또한, 제6코어(20-6)에 권선된 제3코일(14)은 제6정류자(20-6) 우측으로 3번째에 해당하는 제9정류자(20-9)에 전기적으로 접촉된 후 제9코어(20-9)의 슬롯(31)에 삽입되어 권선된다. 따라서 제3코일(14)은 제3정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉된 다음에 대응하는 제3코어(20-3)의 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯(31)에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제3정류자(20-3)에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하게 된다. 그러므로 회전자(10)의 제3코일(14)에 전류가 인가되면 제3코어(20-3), 제6코어(20-6), 제9코어(20-9), 제12코어(20-12) 및 제15코어(20-15)는 개별적인 자력이 형성되어 대응하는 고정자의 마그네트에 의한 자기장으로 회전력을 갖게 된다. 제3코일(14)에 전류가 인가되어 제3정류자(20-3)와 제3코일(14)로부터 3의 배수로 권선된 해당 코어에 개별 자력이 발생되면 좌우에 인접하는 코어, 즉 제1, 2, 4, 5, 7, 8, 10, 11, 13, 14번째에는 회전공차 전류 자력이 각각 형성된다.
이와 같이 회전자의 복수 정류자와 복수 코어에 각각 3의 배수로 각각 코일이 권선되어 해당 코어에 개별 자력이 발생하면 단일의 코일에 인가되어 모든 코어에 통합 자력이 형성되는 것보다 전력소비를 절감할 수 있고, 각 코일에 권선된 코어별로 제어하면 다단의 회전속도, 실험 예로서 10,000~75,000rpm까지 조절할 수 있었고, 이에 대응하는 토크조절도 가능하였다.
도 3에서, 전동기(1)의 회전축(11)에 기어박스(40)가 결합되고, 기어박스(40)에는 유성기어장치(41)가 축 결합된다. 도 4 및 도 5에서, 유성기어장치(41)는 중심에 선기어(42)가 위치되고, 선기어 외주에 복수의 유성기어(43)가 치합된다. 그리고 각각의 유성기어(43) 외주에는 링기어(46)가 치합된다. 링기어(46) 외주에는 기어박스(40)에 해당하는 커버가 결합되고, 각 유성기어(43)의 편심축(45)에는 크랭크로드(44)가 각각 결합된다. 유성기어장치(41)는 가속되는 회전력이 발생되도록 하는 각각의 선기어(42), 유성기어(43) 및 링기어(46)의 기어비를 갖는다. 그리고 각 유성기어(43) 사이에 결합된 크랭크로드(44)에 의하여 효율적인 동력 전달이 이루어지도록 한다.
이와 같이 본 발명의 코어 코일 권선 방법의 전동기는 개별 입력전류의 인가에 따른 개별 자력 및 공차 자력을 형성하여 기존 방식의 코일 권선 방법에 의한 통합 자력을 형성하는 전동기보다 전력소모가 적을 뿐 아니라, 다단의 회전속도 및 토크를 얻을 수 있고, 서보모터, 터보모터, 스텝핑모터, BLDC모터 등에 다양한 모터에 적용할 수 있는 장점이 있다.
이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
1: 전동기 10: 회전자 11: 회전축 12: 제1코일 13: 제2코일 14: 제3코일 20, 20-1~20-15: 정류자 21: 고리 30, 30-1~30-15: 코어 31: 슬롯 40: 기어박스 41: 유성기어장치 42: 선기어 43: 유성기어 44: 크랭크로드 45: 편심축 46: 링기어

Claims (4)

  1. 복수의 정류자와 이에 대응하는 복수의 코어가 회전축에 축 결합된 전동기의 코어 코일 권선 방법에 있어서,
    상기 정류자의 배치 순서에 따라 제1코일이 제1정류자에 전기적으로 접촉되고 제1코어 슬롯에 권선된 후 제1정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제1코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제1정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하고,
    상기 정류자의 배치 순서에 따라 제2코일이 제2정류자에 전기적으로 접촉되고 제2코어 슬롯에 권선된 후 제2정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제2코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제2정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하며,
    상기 정류자의 배치 순서에 따라 제3코일이 제3정류자에 전기적으로 접촉되고 제3코어 슬롯에 권선된 후 제3정류자+3n번째에 위치하는 정류자에 전기적으로 접촉되고 이에 대응하는 제3코어 슬롯+3n번째에 위치하는 코어 슬롯에 각각 권선되는 과정을 반복한 후에 최초 제3정류자에 전기적으로 접촉되는 폐로를 형성하고,
    상기 제1코일, 제2코일 및 제3코일은 각각 전기적으로 접촉되는 해당 정류자와 권선되는 해당 코어 슬롯에 의하여 해당 코어에 각각의 개별 자력을 발생시키e도록 하고,
    상기 전동기의 회전축에는 유성기어장치가 축 결합되되, 유성기어장치는 중심에 위치된 선기어 외주에 복수의 유성기어가 치합되고, 유성기어 외주에 각각 링기어가 치합되며, 링기어 외주에 커버가 결합되고, 유성기어의 편심축에 크랭크로드가 결합된 개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 정류자 및 코어는 2, 3 또는 4의 배수로 이루어진 개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 유성기어장치는 가속되는 회전력이 발생되도록 하는 각각의 선기어, 유성기어 및 링기어의 기어비를 갖는 개별 자력을 갖는 전동기의 코어 코일 권선 방법.
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