KR102253171B1

KR102253171B1 - 고정자

Info

Publication number: KR102253171B1
Application number: KR1020180068149A
Authority: KR
Inventors: 이재민
Original assignee: 현대모비스 주식회사
Priority date: 2018-06-14
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2021-05-18
Also published as: KR20190141419A; US11404927B2; US20190386533A1; CN210074913U; DE202019103297U1

Abstract

본 발명은 고정자에 관한 것으로서, 다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어에 두 레그를 가진 헤어핀 형상의 헤어핀 시편을 삽입하고, 상기 고정자 코어의 반대 측에 위치한 헤어핀 시편의 레그는 절곡 및 접합되어 직렬 코일 다발을 형성하는 헤어핀 구동모터의 고정자 권선 배치 구조에 있어서, 직렬 코일 다발의 레그는 두 개의 슬롯 이상에서 원주방향으로 동일 레이어에 형성되는 인접 슬롯 그룹에 연속하여 배치된다.
본 발명에 의한 헤어핀 구동모터의 다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어에 장착되는 헤어핀 시편의 배치구조를 변경하여 병렬 회로를 구성하면서도 최외측 동일 레이어에 걸치는 코일을 제거할 수 있을 뿐만 아니라 헤어핀 시편의 구조적인 안정성과 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

고정자{Stator}

본 발명은 구동모터의 고정자에 관한 것이다.

일반적으로 친환경 자동차로 불리는 하이브리드 차량 또는 전기 자동차는 전기 에너지로 회전력을 얻는 전기모터(이하에서는 "구동모터" 라고 한다)에 의해 구동력을 발생시킬 수 있다.

그리고 구동모터는 고정자 코일의 권선 방식에 따라 분포 권선형 구동모터와 집중 권선형 구동모터로 구분할 수 있으며, 이 중에서 분포 권선형 구동모터의 고정자는 코일의 종류에 따라 세그먼트 코일 고정자 및 환선 코일 고정자로 구분할 수 있다.

한편, 구동모터의 출력은 고정자 코어에 권선되는 코일의 턴(turn) 수에 비례하나 코일의 턴 수를 늘리게 되면 필연적으로 고정자 코어나 모터의 사이즈가 커지는 문제점이 있었다.

따라서, 모터의 사이즈를 늘리지 않고 모터의 출력을 향상시키기 위하여, 고정자 코어와 권선 코일 간의 사 공간(dead space)이나 각 코일 간의 사공간을 최소화시켜 코일의 점적율을 높이는 방안이 고려되고 있다.

이와 같은 맥락에서, 최근에는 코일 권선으로 원형 단면을 가지는 환형 코일(당 업계에서는 "환선"이라고도 한다)을 사용하는 대신, 사각 단면을 가지는 각형 코일(flat coil)을 사용하는 방안이 활발히 모색되고 있다. 각형 코일의 경우는 단면 형태로 인해 환형 코일에 비해 사 공간을 줄이고 점적율을 향상시킬 수 있게 된다.

그러나 각형 코일의 경우 환형 코일에 비해 상대적으로 코일 권선 작업에 어려움이 있으며, 이에 분포 권선형 구동모터의 세그먼트 코일 고정자에서 각형 코일의 코일 권선 작업을 용이하게 하는 방법으로, 다수의 분리된 헤어핀(대략 U자 또는 V자 형태)을 고정자 코어의 각 슬롯에 삽입 체결한 후, 각 슬롯에 배치된 헤어핀 간을 순차적으로 용접 접합시킴으로써 고정자 코어에 코일이 연속적 결선이 원하는 전기 회로가 형성되도록 하는 방법이 제안된 바 있다.

다른 한편, 고정자 코어의 각 슬롯에 삽입되는 헤어핀 권선은 기본적으로 두 개의 레그부가 서로 다른 슬롯의 서로 다른 레이어에 삽입되도록 구성된다.

그리고 상기 헤어핀은 헤어핀 시편을 적층 코어에 삽입하고, 상기 코어의 반대 측에서 레그부를 바깥쪽방향으로 절곡시켜 인접한 또 다른 헤어핀 시편의 레그와 접합(용접)하여 연속코일을 형성하는 파권(Lap winding) 권선법으로 형성하게 된다.

여기서, 상기 파권 권선법에 대하여 보충설명하면, 상기 파권 권선법은 원주방향으로 직렬 연결되도록 권선하고, 해당 슬롯의 해당 레이어가 모두 채워지면 다음 레이어로 옮겨가 슬롯을 채우는 방법으로, 마지막 레이어에 도달하면 이전과는 다르게 동일 레이어에 걸쳐 역턴 코일을 배치함으로써 배치순서를 원주방향으로 이전과 역순으로 진행되도록 하여 전류 방향이 반대가 되도록 권선하게 된다.

그러나 상기와 같은 파권 권선법은 역턴 코일을 구성하는 두 개의 레그부가 최외측(내측 또는 외측)의 동일 레이어에 걸쳐 배치됨으로써, 반경 방향으로 지지가 불안정하여 기울어지고 고정이 어려울 뿐만 아니라 트위스팅 지그에 삽입시 레그 끝단 포지션 관리가 어려워 양산하는데 어려움이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0571173호 (2006.04.07.)

본 발명은 상기와 같은 실정을 감안하여 제안된 것으로서, 다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어에 장착되는 헤어핀 시편의 배치구조를 변경하여 최외측 동일 레이어에 걸치는 코일을 제거할 수 있는 고정자를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 일실시예에 의한 구동모터의 고정자 권선 배치 구조는 다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어에 두 레그를 가진 헤어핀 형상의 헤어핀 시편을 삽입하고, 상기 고정자 코어의 반대 측에 위치한 헤어핀 시편의 레그는 절곡 및 접합되어 전기회로 적으로 직렬 코일 다발을 형성하는 고정자에 있어, 구동모터의 고정자 권선은 세 개 이상의 상으로 구성되고, 상기 상은 연속하여 인접한 두 개의 이상의 슬롯으로 구성되는 인접 슬롯 그룹에 배치되며, 직렬 코일 다발의 레그는 인접 슬롯 그룹 내에서 짝수 또는 홀수 중 한가지의 레이어에만 배치된다.

그리고 상기 구동모터의 고정자 권선 중 각각의 상은 두 개 이상의 직렬 코일 다발을 병렬 연결될 수 있다.

또한, 상기 인접 슬롯 그룹에 위치하는 직렬 코일 다발의 레그는 전류의 크기와 위상이 동일하다.

또한, 상기 인접 슬롯 그룹 내에서 병렬 관계의 직렬 코일 다발들은 같은 수만큼 레그 배치 공간을 공유한다.

또한, 상기 인접 슬롯 그룹의 슬롯 개수와 전기회로상의 병렬수는 두 개 이상일 수 있다.

또한, 상기 헤어핀 시편은 두 레그가 서로 다른 레이어층에 각각 삽입될 수 있다.

또한, 상기 레이어는 네 개의 레이어로 구성되고, 첫 번째와 두 번째 레이어에 배치된 헤어핀 시편 군을 첫 번째 군, 세 번째와 네 번째 레이어에 배치된 헤어핀 시편 군을 두 번째 군으로 분류하고, 상기 첫 번째 군과 두 번째 군은 연결 코일에 의하여 직렬로 접속될 수 있다.

본 발명에 의한 고정자는 구동모터의 다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어에 장착되는 헤어핀 시편의 배치구조를 변경하여 최외측 동일 레이어에 걸치는 코일을 제거함으로써 헤어핀 시편의 구조적인 안정성과 생산성을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치 구조를 나타낸 배치도.
도 2 및 3은 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치 구조의 실시 예를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치를 구성하는 고정자 코어를 나타낸 평면도.
도 5는 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치 구조에 적용되는 헤어핀 시편의 일 실시 예를 나타낸 사시도.
도 6은 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치 구조의 연결 코일의 결합상태를 나타낸 사시도.
도 7은 본 발명에 따른 인접 슬롯 그룹의 첫 번째 슬롯에 인출선이 배치되고 연결 코일이 숏피치인 경우를 나타낸 배치도.
도 8은 본 발명에 따른 인접 슬롯 그룹의 두 번째 슬롯에 인출선이 배치되고 연결 코일이 롱피치인 경우를 나타낸 배치도.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다.

한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면, 도 1은 본 발명에 따른 구동모터의 고정자 권선 배치 구조를 나타낸 배치도이고, 도 2 및 3은 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치 구조의 실시 예를 나타낸 사시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치를 구성하는 고정자 코어를 나타낸 평면도이고, 도 5는 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치 구조에 적용되는 헤어핀 시편의 일 실시 예를 나타낸 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 고정자의 권선 배치 구조의 연결 코일의 결합상태를 나타낸 사시도이다.

본원발명인 고정자(100)는 다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어(200)에 장착되는 헤어핀 시편(300)의 배치구조를 변경하여 최외측 동일 레이어에 걸치는 코일을 제거할 수 있는데 특징이 있다.

이를 위해, 상기 고정자(100)는 고정자 코어(200)와 헤어핀 시편(300) 등을 포함한다.

여기서, 상기 고정자 코어(200)와 헤어핀 시편(300)의 형상은 도시된 도면에 한정되지 않으며 공지된 고정자 코어와 헤어핀 시편이 선택적으로 적용될 수 있다.

또한, 상기 고정자(100)에서 구동모터의 고정자 권선은 세 개 이상의 상으로 구성되고, 각각의 상은 연속하여 인접한 두 개의 이상의 슬롯(220)으로 구성되는 인접 슬롯 그룹(260)에 배치되며, 각각의 상은 두 개 이상의 직렬 코일 다발을 병렬 연결된다.

상기 고정자 코어(200)는 원통 형상으로 형성된다.

그리고 상기 고정자 코어(200)는 내부에 원주방향을 따라 다수개의 슬롯(220)이 형성되고, 상기 슬롯(220)에서 헤어핀 시편(300)의 레그(320)가 차지하는 방향으로 레이어(240)가 형성된다.

즉, 상기 고정자 코어(200)는 내부에 원주방향으로 슬롯(220)과 레이어(240)를 연속적으로 형성하게 된다.

또한, 상기 슬롯(220)에는 분포권 권선법 특성상 각각의 상이 두 개 이상의 슬롯(220)에서 연속하여 인접한 슬롯(220)에 배치되는 인접 슬롯 그룹(260)이 형성된다.

여기서, 상기 인접 슬롯 그룹(260)의 슬롯 수는 고정자 코어(200)의 총 슬롯 수를 극(pole) 수와 상(phase) 수로 나눈 값에 해당하며, 각각의 상은 인접 슬롯 그룹(260)을 극 수만큼 가진다.

상기 헤어핀 시편(300)은 두 레그(320)를 가진 헤어핀 형상으로 형성되고, 상기 고정자 코어(200)의 슬롯(220)에 삽입된다.

여기서, 상기 고정자 코어(200)의 슬롯(220)을 관통하는 레그(320)의 끝단 부분(322)은 절곡 및 접합되어 전기회로 적으로 직렬 코일 다발(400)을 형성하게 된다.

그리고 상기 헤어핀 시편(300)의 두 레그(320)는 떨어져 있는 서로 다른 인접 슬롯 그룹(260)에 걸쳐 배치된다.

보충설명하면, 다수의 헤어핀 시편(300)으로 각각의 상에 할당된 모든 인접 슬롯 그룹(260)을 채움에 있어 상기 헤어핀 시편(300)의 두 레그(320)는 대부분 1 자극 피치 (Pole pitch) 만큼의 간격을 갖으며, 이는 두 인접 슬롯 그룹(260)에서 같은 슬롯 위치를 의미하게 된다.

다음으로, 상기 헤어편 시편(300)을 모아서 형성되는 직렬 코일 다발(400)의 레그(320)는 인접 슬롯 그룹(260) 내에서 원주방향으로 동일선상의 레이어에 연속하여 배치된다.

이때, 상기 인접 슬롯 그룹(260)에 위치하는 헤어핀 시편(300)의 레그(320)는 전류 크기와 위상이 동일하도록 형성되고, 상기 인접 슬롯 그룹(260) 내에 직렬 코일 다발(400)의 레그 배치 공간은 병렬 관계의 다른 직렬 코일 다발과 동일하게 형성된다.

또한, 전기회로의 동일 상은 두 개 이상의 직렬 코일 다발(400)에 병렬로 연결되고, 본원발명에서 상기 인접 슬롯 그룹(260)의 슬롯 개수와 전기회로 상의 병렬수는 두 개 이상이다.

다음으로, 상기 헤어핀 시편(300)은 직렬 코일 다발(400)을 구성하는 두 레그가 서로 다른 레이어 층에 각각 삽입될 수 있다.

여기서, 상기 레이어층은 도시된 도 1 레이어에 한정되지 않으며, 환경 및 목적 등에 따라 4 레이어 이상으로 형성된다.

즉, 상기 레이어는 네 개의 레이어로 구성되고, 첫 번째와 두 번째 레이어에 배치된 헤어핀 시편 군을 첫 번째 군, 세 번째와 네 번째 레이어에 배치된 헤어핀 시편 군을 두 번째 군으로 분류한다.

이때, 상기 첫 번째 군과 두 번째 군은 연결 코일(500)에 의하여 직렬로 접속된다.

즉, 상기 인접 슬롯 그룹(260)의 모든 슬롯(220)을 채우기 위해서는 다른 슬롯(220) 위치로 옮겨 가야하며 이를 위해서는 1 자극 피치보다 크거나 작은 특수 헤어핀 시편인 연결 코일(500)이 사용된다.

보충설명하면, 최외측 동일 레이어에 배치되는 기존의 권선 배치 구조는 인접 슬롯 그룹 내의 슬롯 및 레이어를 채우는 순서에 있어 먼저 레이어를 채우고 슬롯 위치를 옮겨가는 방식이므로 연결 코일이 최외측에 동일 레이어에 배치되기 때문에 인접 슬롯 그룹 내의 동일 레이어 슬롯을 먼저 채우고 레이어를 옮기는 방식으로 구조를 변경함으로써 연결 코일을 내측 레이어에 배치할 수 있게 되어 기존 구조의 문제점인 최외측 레이어 코일을 제거할 수 있게 된다.

이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 본 발명의 본질적 특성을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명에 표현된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것이 아니라, 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고, 그와 동등하거나, 균등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 : 고정자
200 : 고정자 코어 220 : 슬롯
240 : 레이어 260 : 인접 슬롯 그룹
300 : 헤어핀 시편 320 : 레그
322 : 레그의 끝단 부분 400 : 직렬 코일 다발
500 : 연결 코일

Claims

다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어에 두 레그를 가진 헤어핀 형상의 헤어핀 시편을 삽입하고, 상기 고정자 코어의 반대 측에 위치한 헤어핀 시편의 레그는 절곡 및 접합되어 전기회로 적으로 직렬 코일 다발을 형성하는 구동모터의 고정자 권선 배치 구조에 있어서,
구동모터의 고정자 권선은 세 개 이상의 상으로 구성되고, 상기 상은 연속하여 인접한 두 개의 이상의 슬롯으로 구성되는 인접 슬롯 그룹에 배치되며,
직렬 코일 다발의 레그는 인접 슬롯 그룹 내에서 짝수 또는 홀수 중 한 가지의 레이어에만 배치되고,
상기 인접 슬롯 그룹의 슬롯 수는 상기 고정자 코어의 총 슬롯 수를 극(pole) 수와 상(phase) 수로 나눈 값으로 형성되며,
6개의 상기 레이어 중 첫 번째와 두 번째 레이어에 연속 배치된 헤어핀 시편 군을 첫 번째 군, 세 번째와 네 번째 레이어에 연속 배치된 헤어핀 시편 군을 두 번째 군, 다섯 번째 레이어와 여섯 번째 레이어에 연속 배치된 헤어핀 시편 군을 세 번째 군으로 분류하고,
상기 첫 번째 군 및 상기 두 번째 군과 상기 두 번째 군 및 상기 세 번째 군을 각각 연결 코일에 의하여 직렬로 접속되며,
상기 연결 코일은 1자극 피치보다 작거나 크게 형성되는 것인 고정자.
제1항에 있어서,
상기 구동모터의 고정자 권선 중 각각의 상은 두 개 이상의 직렬 코일 다발을 병렬 연결된 고정자.
제1항에 있어서,
상기 인접 슬롯 그룹에 위치하는 헤어핀 시편의 레그는 전류의 크기와 위상이 동일한 것인 고정자.
제1항에 있어서,
상기 인접 슬롯 그룹 내에서 병렬 관계의 직렬 코일 다발들은 같은 수만큼 레그 배치 공간을 공유하는 고정자.
제1항에 있어서,
상기 인접 슬롯 그룹의 슬롯 개수와 전기회로상의 병렬수는 두 개 이상인 것인 고정자.
제1항에 있어서,
상기 헤어핀 시편은 두 레그가 서로 다른 레이어층에 각각 삽입되는 것인 고정자.
삭제
제1항에 있어서,
상기 연결 코일은 전기적으로 연결하는 모든 도체를 포함하는 고정자.
다수개의 슬롯을 가진 고정자 코어에 두 레그를 가진 헤어핀 형상의 헤어핀 시편을 삽입하고, 상기 고정자 코어의 반대 측에 위치한 헤어핀 시편의 레그는 절곡 및 접합되어 전기회로 적으로 직렬 코일 다발을 형성하는 구동모터의 고정자 권선 배치 구조에 있어서,
구동모터의 고정자 권선은 세 개 이상의 상으로 구성되고, 상기 상은 연속하여 인접한 두 개의 이상의 슬롯으로 구성되는 인접 슬롯 그룹에 배치되며,
직렬 코일 다발의 레그는 인접 슬롯 그룹 내에서 짝수 또는 홀수 중 한 가지의 레이어에만 배치되고,
상기 레이어는 2n 개의 레이어로 구성되고, k 번째와 k+1 번째 레이어에 배치된 헤어핀 시편 군을 k 번째 군으로 분류하고, l 번째 군과 l+1 번째 군은 연결 코일에 의하여 직렬로 접속되며, 상기 n, k 및 l 은 자연수이고, 상기 연결 코일은 1자극 피치보다 작거나 크게 형성되는 것인 고정자.
제9항에 있어서,
상기 구동모터의 고정자 권선 중 각각의 상은 두 개 이상의 직렬 코일 다발을 병렬 연결된 고정자.
제9항에 있어서,
상기 인접 슬롯 그룹에 위치하는 헤어핀 시편의 레그는 전류의 크기와 위상이 동일한 것인 고정자.
제9항에 있어서,
상기 인접 슬롯 그룹 내에서 병렬 관계의 직렬 코일 다발들은 같은 수만큼 레그 배치 공간을 공유하는 고정자.
제9항에 있어서,
상기 인접 슬롯 그룹의 슬롯 개수와 전기회로상의 병렬수는 두 개 이상인 것인 고정자.
제9항에 있어서,
상기 헤어핀 시편은 두 레그가 서로 다른 레이어층에 각각 삽입되는 것인 고정자.
제9항에 있어서,
상기 연결 코일은 전기적으로 연결하는 모든 도체를 포함하는 고정자.