WO2021187792A1 - 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기 - Google Patents

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yoke
toroidal
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tooth
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최규성
박민규
박건웅
양현섭
김현칠
박치용
성열우
이종성
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한온시스템 주식회사
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a toroidal motor and an air compressor including the same, and more particularly, it is possible to reduce the size of the stator and the amount of iron core material used while having sufficient performance, and to reduce the weight of the entire air compressor. It relates to a toroidal motor and an air compressor including the same, which can increase production and increase overall productivity.
  • a fuel cell vehicle refers to a vehicle in which hydrogen and oxygen are supplied to a humidifier, and electric energy generated through an electrochemical reaction, which is a reverse reaction of electrolysis of water, is supplied as a driving force of the vehicle.
  • a vehicle is disclosed.
  • passenger fuel cell vehicles are equipped with a 100kW fuel cell stack.
  • the air supplied to the fuel cell stack is supplied at a high pressure of 1 to 4 bar.
  • An air compressor with a rotation speed of 200,000 RPM should be used.
  • a fuel cell vehicle typically includes a fuel cell stack that produces electricity, a humidifier that increases the humidity of air supplied to the fuel cell stack, a fuel supply unit that supplies hydrogen to the fuel cell stack, and air containing oxygen in the fuel cell stack. It is composed of an air supply unit for supplying the fuel cell, a cooling module for cooling the fuel cell stack, and the like.
  • the air supply unit includes an air cleaner that filters foreign substances in the air, an air compressor that compresses and supplies the air filtered from the air cleaner, a cooling device that cools the pressurized high temperature air, a humidifier that increases the humidity of the air, and controls the flow rate. It consists of a regulating valve.
  • the above-described air compressor compresses air sucked in from the outside using a compressor impeller, and then sends the compressed air to the fuel cell stack.
  • the compressor impeller is connected to a rotating shaft receiving power from a driving unit, and in general, the driving unit drives the rotating shaft by electromagnetic induction of a stator and a rotor.
  • the toroidal motor used in the air compressor has a structure in which a coil is wound on a yoke portion, and the stator iron loss and the rotor eddy current loss are small, and thus the efficiency is excellent.
  • the conventional toroidal motor 1 shown in Figure 1 includes a cylindrical housing 10; A cylindrical yoke portion 21, a tooth portion 22 protruding at a predetermined distance along the outer circumferential direction of the inner surface of the yoke portion 21, and a predetermined distance along the outer circumferential direction from the outer circumferential surface of the yoke portion 21, a stator 20 including a protruding housing support 22; and a coil 30 wound around the yoke unit 21 .
  • the coil winding process is difficult due to the structure of the teeth and the housing support on both sides, and thus the manufacturability is inevitably reduced, and the overall weight of the air compressor is increased because the density of the iron core, which is the material of the stator, is high.
  • the present invention has been devised to solve the above-described problems, and while having sufficient performance, the size of the stator and the amount of iron core material used can be reduced, the weight of the entire air compressor can be reduced, and the manufacturability can be further improved. To provide a toroidal motor capable of increasing overall productivity and an air compressor including the same.
  • the toroidal motor 1000 includes a cylindrical body 110 and a first protruding along the outer circumferential direction of the inner surface of the body 110 to form a plurality of first spaces A1 therebetween.
  • a housing 100 including a support 120 ;
  • a stator 200 including a cylindrical yoke portion 210 and a tooth portion 220 protruding along the outer circumferential direction of the inner surface of the yoke portion 210 to form a plurality of second space portions A2 therebetween. ; and a coil 300 wound around the yoke unit 210 .
  • the first support part 120 of the housing 100 may support the outer surface of the yoke part 210 .
  • a second support part 212 protruding to come into contact with the first support part 120 may be formed on the outer surface of the yoke part 210 .
  • the toroidal motor 1000 includes a first fixing part 121 and a first fastening part 213 having a shape corresponding to each other to determine a position to be fixed to the first support part 120 and the second support part 212 . each can be formed.
  • a cooling water passage 111 through which cooling water flows may be formed in part or all of the first support unit 120 .
  • the yoke portion 210 and the tooth portion 220 are made of individual parts and may be assembled with each other.
  • the yoke portion 210 and the tooth portion 220 may be formed with a second fixing portion 211 and a second fastening portion 221 having a shape corresponding to each other in an axial direction, respectively.
  • One of the second fixing part 211 and the second fastening part 221 may have a concave shape in the axial direction, and the other may have a convex shape corresponding thereto.
  • the stator 200 may include an extension portion 230 connecting the plurality of tooth portions 220 in a circumferential direction.
  • a plurality of the extension parts 230 may be formed to be spaced apart in the axial direction.
  • the toroidal motor 1000 may further include an insulating part 400 configured to insulate the yoke part 210 and the tooth part 220 and the coil 300 from each other.
  • the insulating part 400 may include a first insulating member 400a and a second insulating member 400b inserted from both sides in the axial direction.
  • the first insulating member 400a and the second insulating member 400b correspond to the first corresponding portion 401 and the second space A2 having a shape corresponding to the first space A1, respectively. It may include a second corresponding portion 402 in the form of an axial direction, and a connecting portion 403 connecting the first corresponding portion 401 and the second corresponding portion 402 from one side in the axial direction.
  • the first insulating member 400a and the second insulating member 400b each protrude from the first corresponding part 401 to divide the first space A1 into two spaces in the circumferential direction. 404 may be formed.
  • the first insulating member 400a and the second insulating member 400b are respectively connected to the first partition wall 404 so that the second space portion A2 is connected to the second corresponding portion 402 in the circumferential direction.
  • a second partition wall 405 protruding to divide the space into two spaces may be formed.
  • the air compressor according to another aspect of the present invention may include the toroidal motor 1000 described above.
  • a method of manufacturing the toroidal motor 1000 according to another aspect of the present invention includes: S10) winding the coil 300 around the yoke unit 210 in which the insulating unit 400 is formed; S20) a yoke unit and a tooth unit assembly step of assembling the tooth unit 220 to the yoke unit 210 on which the coil 300 is wound; and S30) a housing assembly step of assembling the assembled yoke unit 210 and the tooth unit 220 to the housing 100 .
  • the toroidal motor of the present invention and the air compressor including the same can reduce the size of the stator and the amount of iron core material used while having sufficient performance, reduce the weight of the entire air compressor, and increase the manufacturability. It has the advantage of increasing productivity.
  • the first support portion for supporting the outer surface of the stator is formed in the housing, thereby reducing the amount of iron core used for manufacturing the stator, thereby reducing the production cost and reducing the cost It has the advantage of reducing the overall weight of the air compressor.
  • a cooling water flow path through which cooling water can flow may be formed in part or all of the first support part of the housing, thereby reducing the thickness of the body forming the housing and the outer diameter of the entire housing.
  • the yoke part and the teeth part can be assembled with each other as individual parts, coil winding can be performed before assembling the teeth part, and the winding operation can be performed more easily to further increase productivity.
  • the shape of the teeth can be stably supported and the ease of assembly of the teeth and yoke parts can be improved.
  • FIG 1 and 2 are views showing a conventional toroidal motor and a view showing a magnetic flux density distribution thereof.
  • 3 to 5 are an exploded perspective view showing a toroidal motor according to the present invention, a cross-sectional view, and a view showing a magnetic flux density distribution thereof.
  • FIG. 6 to 8 are partially enlarged cross-sectional views of the toroidal motor according to the present invention, respectively.
  • FIG. 9 is a view showing the shape of the teeth of the toroidal motor according to the present invention.
  • FIG 10 is another partially enlarged view of the toroidal motor according to the present invention.
  • 11 to 13 are a partial perspective view, a plan view, and a perspective view of an insulating member of the toroidal motor according to the present invention.
  • FIG 14 is another partial perspective view of the toroidal motor according to the present invention.
  • 15 is a view showing an example of a method of manufacturing a toroidal motor according to the present invention.
  • FIGS. 6 to 8 are views of the toroidal motor 1000 according to the present invention, respectively. It is a partially enlarged cross-sectional view, and FIG. 9 is a view showing the shape of the tooth part 220 of the toroidal motor 1000 according to the present invention, and FIG. 10 is another partially enlarged view of the toroidal motor 1000 according to the present invention.
  • 11 to 13 are a partial perspective view, a plan view, and a perspective view of the insulating member 400 of the toroidal motor 1000 according to the present invention, and FIG. 14 is another partial perspective view of the toroidal motor 1000 according to the present invention. am.
  • the toroidal motor 1000 of the present invention includes a housing 100 , a stator 200 , a coil 300 , and an insulating part 400 .
  • the housing 100 is a part that forms the external shape of the toroidal motor 1000 according to the present invention, and includes a body 110 and a first support part 120 .
  • the body 110 has a cylindrical shape, and the first support part 120 protrudes along the outer circumferential direction of the inner surface of the body 110 to form a plurality of first spaces A1 therebetween.
  • the first support part 120 is a part that supports the stator 200 , and in this case, the body 110 and the first support part 120 are integrally formed of the same material.
  • the first space portion A1 is a space formed between the first support portions 120 , and a space in which the coil 300 is wound together with a second space portion A2 positioned in the same radial direction to be described later. part that forms
  • the housing 100 may have a cooling water passage 111 through which the cooling water flows therein, and may be located in a part or the whole of the first support unit 120 forming region. 8 shows a form in which the cooling water flow path 111 is positioned in the first support part 120 forming region, compared to the cooling water flow path 111 formed in the body 110 , the body 110 itself is formed. Since the thickness can be reduced, the overall size of the toroidal motor 1000 can be reduced.
  • the stator 200 is a part provided inside the housing 100 , and includes a yoke part 210 and a tooth part 220 , and is made of an iron core.
  • the yoke portion 210 has a cylindrical shape, and the tooth portion 220 protrudes along the outer circumferential direction of the inner surface of the yoke portion 210 to form a plurality of second space portions A2 therebetween.
  • the yoke unit 210 and the tooth unit 220 may be integrally manufactured, but the yoke unit 210 and the tooth unit 220 are separate parts so that the coil 300 winding process can be performed more easily. It is preferable to be assembled with each other. At this time, the assembly of the yoke unit 210 and the tooth unit 220 is performed after the winding step (S10) as shown in FIG. 15 .
  • the winding step (S10), the yoke portion and the tooth portion assembly step (S20), and the housing It may include an assembling step (S30). That is, by winding the coil 300 on the yoke unit 210 before the tooth unit 220 is assembled, the winding operation can be performed more easily, thereby increasing overall productivity.
  • the yoke part 210 has a second height in which the yoke part 210 and the tooth part 220 correspond to each other long in the axial direction so that the tooth part 220 is inserted and fixed in the axial direction.
  • the government 211 and the second fastening portion 221 are respectively formed.
  • a second fixing part 211 is formed on the yoke part 210
  • a second fastening part 221 corresponding to the second fixing part 211 is formed on the tooth part 220 .
  • one of the second fixing part 211 and the second fastening part 221 may have a concave shape in the axial direction, and the other may have a convex shape corresponding thereto.
  • the second fixing part 211 of the yoke part 210 is formed in a concave shape, and the second fastening part ( 221) shows the corresponding convex shape.
  • the second fixing part 211 of the yoke part 210 is formed in a convex shape, and the second fastening part 221 of the tooth part 220 corresponds to this.
  • the second fixing part 211 of the yoke part 210 is formed in a concave shape, and the second fastening part ( 221) has a corresponding convex shape, but shows a shape in which the cross section protrudes sharply.
  • the shape of the second fixing part 211 of the yoke part 210 and the second fastening part 221 of the tooth part 220 is assembled by moving the tooth part 220 in the axial direction in addition to the illustrated shape. If it is fastened, it may be formed in more various ways.
  • All of the plurality of teeth 220 may be respectively fastened to the yoke portion 210, and the stator 200 may be configured such that several of the plurality of teeth 220 form a group to further improve assembly easiness.
  • An extension portion 230 connecting the plurality of tooth portions 220 in the circumferential direction may be formed so that the entirety is integrated.
  • a plurality of the extension parts 230 may be formed to be spaced apart from each other in the axial direction, including both sides of the stator 200 in the axial direction.
  • the form shown in FIG. 9 shows an example in which 12 teeth 220 are formed, and in FIG.
  • the first support part 120 of the housing 100 may be in a form that directly supports the outer surface of the yoke part 210 (refer to FIGS. 3 and 4 ).
  • FIG. 2 showing the conventional magnetic flux density distribution
  • FIG. 5 showing the magnetic flux density distribution according to the present invention
  • the toroidal motor 1000 may be of a type supporting the second support part 212 formed on the outer surface of the yoke part 210 (see FIGS. 6 and 7 ).
  • the second support part 212 in contact with the first support part 120 protrudes along the outer circumferential direction of the outer surface of the yoke part 210 , and then, in FIG. 7 .
  • the first fixing part 121 and the first fastening part 213 are stepped in a form corresponding to each other to determine the positions fixed to the first support part 120 and the second support part 212 .
  • the first fixing part 121 formed on the first supporting part 120 and the second fixing part 211 formed on the second supporting part 212 are concave-convex and stepped shapes to determine the fixing positions of each other. It can be formed in more various ways, including.
  • the coil 300 is wound several times in the first space portion A1 and the second space portion A2 at positions corresponding in the radial direction with the yoke portion 210 interposed therebetween. ) is indicated by the wound area.
  • the insulating part 400 is configured such that the yoke part 210 and the tooth part 220 and the coil 300 are insulated from each other.
  • the insulating part 400 may be configured to have a specific shape using insulating paper or an insulating material.
  • the yoke portion 210 may be in a form to insulate three surfaces of the first space portion A1 and the second space portion A2 around the yoke portion 210 , respectively, and the yoke portion 210 in the axial direction. It may include a first insulating member 400a and a second insulating member 400b inserted from both sides of the.
  • first insulating member 400a and the second insulating member 400b each have a first corresponding portion 401 having a shape corresponding to the first space A1 and a second space portion ( It may include a second corresponding part 402 having a shape corresponding to A2) and a connection part 403 connecting the first corresponding part 401 and the second corresponding part 402 from one side in the axial direction.
  • the first corresponding part 401 is formed in a "C" shape that blocks the outer surface of the yoke part 210 and both sides (both sides in the outer circumferential direction) of the first space A1
  • the second corresponding part 402 may be formed in a "C” shape to block the outer surface of the yoke portion 210 and both sides (both sides in the outer circumferential direction) of the second space portion A2.
  • the connecting part 403 is configured to connect the first corresponding part 401 and the second corresponding part 402 .
  • Each of the first insulating member 400a and the second insulating member 400b has the first corresponding part 401 in the first corresponding part 401 with the first space part A1 in the circumferential direction into two spaces (the 1-1 space part ( A1-1), the first partition wall 404 protruding to partition into the first and second space portions A1-2), and the first partition wall 404 connected to the first partition wall 404, respectively, to the second corresponding portion 402
  • the second partition wall 405 protrudes to divide the second space A2 into two spaces (the 2-1 space A2-1 and the 1-2 space A2-2) in the circumferential direction. This can be further formed.
  • the first partition wall 404 is protruded to divide the first space portion A1 into two from the central region in the outer circumferential direction of the outer surface of the yoke portion 210 of the first corresponding portion 401
  • the second The partition wall 405 is protruded to divide the second space portion A2 into two from the central region in the outer circumferential direction of the inner surface of the yoke portion 210 of the second corresponding portion 402 .
  • the protruding lengths of the first and second barrier ribs 404 and 405 correspond to or smaller than the protruding heights of the first and second corresponding portions 401 and 402 , respectively.
  • the toroidal motor 1000 of the present invention has the advantage that the coil 300 can be wound evenly over the entire area as the first bulkhead 404 and the second bulkhead 405 are formed.
  • the first insulating member 400a is provided to the yoke part 210 and the tooth part 220 in a state in which the coil 300 is not wound and the housing 100 is not assembled. and the second insulating member 400b is shown in an assembled state.
  • the air compressor of the present invention can reduce the size of the stator 200 and the housing 100 while having sufficient performance as described above, and reduce the amount of iron core material used, thereby reducing the weight of the entire air compressor. It is characterized in that it includes a toroidal motor 1000 that can increase the overall productivity by making it more possible.
  • tooth part 221 second fastening part
  • 400a first insulating member 400b: second insulating member
  • first response unit 402 second response unit
  • connection part 404 first bulkhead

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Abstract

본 발명은 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충분한 성능을 가지면서도 고정자의 크기 및 철심 소재 사용량을 저감할 수 있고, 전체 공기압축기의 무게를 저감할 수 있으며, 제작성을 보다 높일 수 있어 전체 생산성을 높일 수 있는 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기에 관한 것이다.

Description

토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기
본 발명은 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 충분한 성능을 가지면서도 고정자의 크기 및 철심 소재 사용량을 저감할 수 있고, 전체 공기압축기의 무게를 저감할 수 있으며, 제작성을 보다 높일 수 있어 전체 생산성을 높일 수 있는 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기에 관한 것이다.
일반적으로 연료전지 차량은 수소와 산소가 가습기에 공급되어 물의 전기분해 역반응인 전기화학 반응을 통해 생성되는 전기 에너지를 차량의 구동력으로 공급하는 차량을 말하며, 한국 등록특허공보 제0962903호에 일반적인 연료전지 차량이 개시되어 있다.
통상적으로 승용연료전지 자동차는 100kW 급의 연료전지스택을 탑재하고 있는데, 연료전지스택의 운전을 가압조건에서 할 경우 연료전지스택에 공급되는 공기는 1~4bar의 고압으로 공급되기 때문에 이를 위해서 10만에서 20만 RPM의 회전수를 갖는 공기압축기를 사용하여야 한다.
연료전지 차량은 통상적으로 전기를 생산하는 연료전지 스택과, 연료전지 스택에 공급되는 공기의 습도를 높여주는 가습기와, 연료전지 스택에 수소를 공급하는 연료공급부와, 연료전지 스택에 산소를 포함한 공기를 공급하는 공기공급부와, 연료전지 스택을 냉각하기 위한 냉각 모듈 등으로 구성된다.
공기공급부는 공기 중에 포함된 이물질을 여과하는 에어클리너와, 에어클리너에서 여과된 공기를 압축해 공급하는 공기압축기, 가압된 고온의 공기를 냉각하는 냉각장치, 공기의 습도를 높여주는 가습기, 유량을 조절하는 밸브로 구성된다.
전술한 공기압축기는 외부로부터 흡입한 공기를 압축기임펠러를 이용하여 압축한 후 연료전지스택으로 송출한다.
여기서 압축기임펠러는 구동부로부터 동력을 전달받는 회전축과 연결되어 있으며, 일반적으로 구동부는 고정자(stator)와 로터(rotor)의 전자기 유도에 의해 회전축을 구동하게 된다.
상기 공기압축기에 사용하는 토로이달 모터는 요크부에 코일이 감기는 구조를 갖는 것으로, 고정자의 철손과 회전자의 와전류 손실이 작아 효율이 우수하다.
더욱 상세하게, 종래 도 1에 도시한 토로이달 모터(1)는 원통형상의 하우징(10); 원통형상의 요크부(21)와, 상기 요크부(21) 내면의 외주방향을 따라 일정거리 이격되어 돌출되는 티스부(22)와, 상기 요크부(21) 외주면으로부터 외주방향을 따라 일정거리 이격되어 돌출되는 하우징지지부(22)를 포함하는 고정자(20); 상기 요크부(21)의 둘레에 권선되는 코일(30)을 포함한다.
그런데, 상기 고정자는 양측의 티스부 및 하우징지지부 구조를 통해 코일 권선 공정이 어려워 제작성이 저하될 수 밖에 없고, 고정자의 소재인 철심의 밀도가 높기 때문에 공기압축기의 전체 무게가 증가된다.
이에 따라, 공기압축기의 성능은 높일수 있으면서도, 생산성을 보다 높이고, 무게를 줄일 수 있는 토로이달 모터가 요구되고 있다.
[선행기술문헌]
KR10-1810430B1(2017.12.13.)
본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하고자 안출된 것으로, 충분한 성능을 가지면서도 고정자의 크기 및 철심 소재 사용량을 저감할 수 있고, 전체 공기압축기의 무게를 저감할 수 있으며, 제작성을 보다 높일 수 있어 전체 생산성을 높일 수 있는 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)는, 원통형상의 몸체(110)와, 상기 몸체 내면(110)의 외주방향을 따라 돌출되어 그 사이에 복수의 제1공간부(A1)를 형성하는 제1지지부(120)를 포함하는 하우징(100); 원통형상의 요크부(210)와, 상기 요크부(210) 내면의 외주방향을 따라 돌출되어 그 사이에 복수의 제2공간부(A2)를 형성하는 티스부(220)를 포함하는 고정자(200); 및 상기 요크부(210)의 둘레에 권선되는 코일(300);을 포함할 수 있다.
상기 하우징(100)의 제1지지부(120)는 상기 요크부(210)의 외면을 지지할 수 있다.
상기 토로이달 모터(1000)는 상기 요크부(210) 외면에 상기 제1지지부(120)와 맞닿도록 돌출되는 제2지지부(212)가 형성될 수 있다.
상기 토로이달 모터(1000)는 상기 제1지지부(120) 및 제2지지부(212)에 고정되는 위치를 결정하도록 서로 대응되는 형태의 제1고정부(121) 및 제1체결부(213)가 각각 형성될 수 있다.
상기 하우징(100)은 상기 제1지지부(120)의 일부 또는 전체에 냉각수가 유동가능한 냉각수유로(111)가 형성될 수 있다.
상기 고정자(200)는 상기 요크부(210) 및 티스부(220)가 개별부품으로 이루어져 서로 조립체결될 수 있다.
상기 요크부(210) 및 티스부(220)는 축방향으로 길게 서로 대응되는 형태의 제2고정부(211) 및 제2체결부(221)가 각각 형성될 수 있다.
상기 제2고정부(211) 및 제2체결부(221) 중 어느 하나는 축방향으로 오목한 형태이고, 나머지 하나는 이에 대응되는 볼록한 형태일 수 있다.
상기 고정자(200)는 상기 복수개의 티스부(220)를 원주방향으로 연결하는 연장부(230)를 포함할 수 있다.
상기 연장부(230)는 축방향으로 이격되어 복수개 형성될 수 있다.
상기 토로이달 모터(1000)는 상기 요크부(210) 및 티스부(220)와 상기 코일(300)이 서로 절연되도록 하는 절연부(400);를 더 포함할 수 있다.
상기 절연부(400)는 축방향으로 양측에서 삽입되는 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)를 포함할 수 있다.
상기 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)는 각각 상기 제1공간부(A1)에 대응되는 형태의 제1대응부(401)와, 상기 제2공간부(A2)에 대응되는 형태의 제2대응부(402)와, 축방향으로 일측에서 상기 제1대응부(401) 및 제2대응부(402)를 연결하는 연결부(403)를 포함할 수 있다.
상기 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)는 각각 상기 제1대응부(401)에 상기 제1공간부(A1)를 원주방향으로 2개의 공간으로 구획하도록 돌출되는 제1격벽(404)이 형성될 수 있다.
상기 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)는 각각 상기 제1격벽(404)과 연결되어 상기 제2대응부(402)에 상기 제2공간부(A2)를 원주방향으로 2개의 공간으로 구획하도록 돌출되는 제2격벽(405)이 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따른 공기압축기는 상술한 토로이달 모터(1000)를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따른 토로이달 모터(1000)의 제조 방법은, S10) 상기 절연부(400)가 형성된 상기 요크부(210) 둘레에 상기 코일(300)을 권선하는 권선 단계; S20) 상기 코일(300)이 권선된 요크부(210)에 상기 티스부(220)를 조립하는 요크부 및 티스부 조립 단계; 및 S30) 상기 조립된 요크부(210) 및 티스부(220)를 상기 하우징(100)에 조립하는 하우징 조립 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명의 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기는 충분한 성능을 가지면서도 고정자의 크기 및 철심 소재 사용량을 저감할 수 있고, 전체 공기압축기의 무게를 저감할 수 있으며, 제작성을 보다 높일 수 있어 전체 생산성을 높일 수 있는 장점이 있다.
특히, 본 발명의 토로이달 모터 및 이를 포함하는 공기압축기는 고정자의 외면을 지지하는 제1지지부가 하우징에 형성되어 그 만큼 고정자를 제조하기 위한 철심 사용량을 줄여 생산비용을 줄일 수 있고, 비용을 저감할 수 있으며, 전체 공기압축기 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 토로이달 모터는 냉각수가 유동가능한 냉각수유로가 하우징 제1지지부의 일부 또는 전체에 형성될 수 있어 하우징을 형성하는 몸체의 두께 및 전체 하우징의 외경을 줄일 수 있어 소형화가능한 장점이 있다.
또, 본 발명의 토로이달 모터는 요크부 및 티스부가 개별부품으로 서로 조립체결될 수 있어 티스부의 조립 이전에 코일 권선이 수행될 수 있으며, 권선 작업을 보다 용이하게 수행하여 생산성을 보다 높일 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 토로이달 모터는 티스부들을 원주방향으로 연결하는 연장부가 축방향으로 이격되어 복수개 형성됨에 따라 티스부의 형상을 안정적으로 지지할수 있으면서도 티스부와 요크부의 조립 용이성을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 토로이달 모터를 도시한 도면 및 이의 자속밀도 분포를 나타낸 도면.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 토로이달 모터를 나타낸 분해사시도, 단면도 및 이의 자속밀도 분포를 나타낸 도면.
도 6 내지 도 8은 각각 본 발명에 따른 토로이달 모터의 부분 확대 단면도.
도 9는 본 발명에 따른 토로이달 모터의 티스부 형태를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 토로이달 모터의 또 다른 부분 확대 도면.
도 11 내지 도 13은 본 발명에 따른 토로이달 모터의 부분 사시도, 평면도 및 절연부재를 나타낸 사시도.
도 14는 본 발명에 따른 토로이달 모터의 다른 부분 사시도.
도 15는 본 발명에 따른 토로이달 모터의 제조 방법 일 예를 나타낸 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000) 및 이를 포함하는 공기압축기를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.
도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)를 나타낸 분해사시도, 단면도 및 이의 자속밀도 분포를 나타낸 도면이고, 도 6 내지 도 8은 각각 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)의 부분 확대 단면도이며, 도 9는 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)의 티스부(220) 형태를 나타낸 도면이고, 도 10은 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)의 또 다른 부분 확대 도면이며, 도 11 내지 도 13은 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)의 부분 사시도, 평면도 및 절연부재(400)를 나타낸 사시도이고, 도 14는 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)의 다른 부분 사시도이다.
본 발명의 토로이달 모터(1000)는 하우징(100), 고정자(200), 코일(300) 및 절연부(400)를 포함한다.
상기 하우징(100)은 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)의 외부 형태를 형성하는 부분으로, 몸체(110) 및 제1지지부(120)를 포함한다.
상기 몸체(110)는 원통형상이며, 상기 제1지지부(120)는 상기 몸체(110) 내면의 외주방향을 따라 돌출되어 그 사이에 복수의 제1공간부(A1)를 형성하는 부분이다.
상기 제1지지부(120)는 상기 고정자(200)를 지지하는 부분이며, 이 때, 상기 몸체(110) 및 제1지지부(120)는 동일한 소재로 일체로 형성된다.
상기 제1공간부(A1)는 상기 제1지지부(120)들 사이에 형성된 공간으로, 차후 설명할 동일한 반경방향으로 위치되는 제2공간부(A2)와 함께 상기 코일(300)이 권선되는 공간을 형성하는 부분이다.
상기 하우징(100)은 내부에 냉각수가 유동되는 냉각수유로(111)가 형성될 수 있는데, 상기 제1지지부(120) 형성 영역의 일부 또는 전체에 위치될 수 있다. 상기 도 8은 상기 냉각수유로(111)가 상기 제1지지부(120) 형성 영역 내에 위치되는 형태를 나타낸 것으로, 냉각수유로(111)가 몸체(110)에 형성되는 것에 비해 몸체(110) 자체의 형성 두께를 줄일 수 있어 토로이달 모터(1000)의 전체 크기를 줄일 수 있다.
상기 고정자(200)는 상기 하우징(100) 내부에 구비되는 부분으로, 요크부(210)와 티스부(220)를 포함하며, 철심으로 제작된다.
상기 요크부(210)는 원통형태이며, 상기 티스부(220)는 상기 요크부(210) 내면의 외주방향을 따라 돌출되어 그 사이에 복수의 제2공간부(A2)를 형성하는 부분이다.
상기 요크부(210) 및 티스부(220)는 일체로 제작될 수도 있으나, 코일(300) 권선 공정을 보다 용이하게 수행할 수 있도록 상기 요크부(210) 및 티스부(220)가 개별부품으로 이루어져 서로 조립체결되는 것이 바람직하다. 이때, 상기 요크부(210) 및 티스부(220)의 조립은 도 15에 도시한 바와 같이 권선 단계(S10) 이후에 수행된다. 더욱 상세하게, 요크부(210) 및 티스부(220)가 개별부품의 형태인 경우, 도 15에 도시한 바와 같이, 권선 단계(S10), 요크부 및 티스부 조립 단계(S20), 및 하우징 조립 단계(S30)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 티스부(220)가 조립되기 이전에 요크부(210)에 코일(300)을 권선하여 권선 작업이 보다 용이하게 수행할 수 있도록 하여 전체 생산성을 높일 수 있다.
특히, 상기 요크부(210)는 상기 티스부(220)가 축방향으로 길게 삽입되어 고정되도록, 상기 요크부(210) 및 티스부(220)가 축방향으로 길게 서로 대응되는 형태의 제2고정부(211) 및 제2체결부(221)가 각각 형성된다. 다시 말해, 상기 요크부(210)에 제2고정부(211)가 형성되고, 상기 티스부(220)에 상기 제2고정부(211)에 대응되는 제2체결부(221)가 형성된다. 이때, 상기 제2고정부(211) 및 제2체결부(221) 중 하나는 축방향으로 오목한 형태이고, 나머지 하나가 이에 대응되는 볼록한 형태일 수 있다.
상기 도 3, 4, 6, 7, 및 8에 도시한 형태는 상기 요크부(210)의 제2고정부(211)가 오목한 형태로 형성되고, 상기 티스부(220)의 제2체결부(221)가 이에 대응되는 볼록한 형태를 나타내었다. 또한, 도 10(a)에 도시한 형태는 상기 요크부(210)의 제2고정부(211)가 볼록한 형태로 형성되고, 상기 티스부(220)의 제2체결부(221)가 이에 대응되는 오목한 형태를 나타내었고, 도 10(b)에 도시한 형태는 상기 요크부(210)의 제2고정부(211)가 오목한 형태로 형성되고, 상기 티스부(220)의 제2체결부(221)가 이에 대응되는 볼록한 형태이되, 그 단면이 뾰족하게 돌출되는 형태를 나타내었다. 상기 요크부(210)의 제2고정부(211) 및 상기 티스부(220)의 제2체결부(221)의 형태는 도시된 형태 외에도, 축방향으로 상기 티스부(220)가 이동되어 조립 체결되는 형태라면 더욱 다양하게 형성될 수 있다.
복수개의 상기 티스부(220)는 모두 각각 상기 요크부(210)에 체결될 수 있고, 상기 고정자(200)는 조립 용이성을 보다 높일 수 있도록 복수개의 상기 티스부(220) 몇 개가 군을 이루도록 또는 전체가 일체화 되도록 상기 복수개의 티스부(220)를 원주방향으로 연결하는 연장부(230)가 형성될 수 있다. 상기 연장부(230)는 축방향으로 상기 고정자(200)의 양측을 포함하여 축방향으로 서로 이격되어 복수개 형성될 수 있다. 도 9에 도시한 형태는 12개의 티스부(220)가 형성되되, 도 9(a)에서 12개의 티스부(220) 모두가 4개의 연장부(230)에 의해 일체화된 예를 나타내었고, 도 9(b)에서 연장부(230)가 형성되지 않고, 개별적인 12개의 티스부(220)가 구비된 형태를 나타내었다. 도면에 도시하지는 않았으나, n개(n=2개 이상의 정수)의 티스부(220)가 연장부(230)에 연결된 형태 역시 가능하다. 더욱 상세하게, 12개의 티스부(220)가, 2개씩 서로 연결되어 총 6개 부품인 것, 3개씩 서로 연결되어 총 4개 부품인 것 등을 포함하여 더욱 다양하게 변경 적용 가능하다.
한편, 상기 하우징(100)의 제1지지부(120)는 상기 요크부(210)의 외면을 직접 지지하는 형태일 수도 있다(도 3, 4 참조). 이 경우, 상기 제1지지부(120)가 상기 요크부(210)의 외면을 직접 지지하는 형태의 경우, 종래의 자속밀도 분포를 나타낸 도 2와, 본 발명에 따른 자속밀도 분포를 나타낸 도 5를 비교하였을 때 충분한 성능을 나타낼 수 있으면서도, 고정자(200) 자체의 크기를 줄여 고정자(200)의 소재인 철심 사용량을 줄여 생산비용 및 무게를 줄일 수 있음을 확인할 수 있다.
추가로, 본 발명에 따른 토로이달 모터(1000)는 상기 요크부(210)의 외면에 형성된 제2지지부(212)를 지지하는 형태일 수 있다(도 6, 7 참조).
먼저, 상기 도 6에 도시한 형태는 상기 제1지지부(120)와 맞닿는 제2지지부(212)가 요크부(210) 외면의 외주방향을 따라 돌출된 형태를 나타내었으며, 다음으로, 상기 도 7에 도시한 형태는 상기 제1지지부(120) 및 제2지지부(212)에 고정되는 위치를 결정하도록 서로 대응되는 형태의 제1고정부(121) 및 제1체결부(213)가 단차진 형태를 갖는 예를 나타내었다.
상기 제1지지부(120)에 형성되는 제1고정부(121) 및 상기 제2지지부(212)에 형성되는 제2고정부(211)는 서로 고정위치를 결정하도록 오목-볼록한 형태, 단차진 형태를 포함하여 더욱 다양하게 형성될 수 있다.
상기 코일(300)은 상기 요크부(210)를 사이에 두고 반경방향으로 대응되는 위치의 상기 제1공간부(A1) 및 제2공간부(A2)에 수회 권선되는 것으로 도면상에서는 전체 코일(300)이 권선된 영역으로 표시하였다.
상기 절연부(400)는 상기 요크부(210) 및 티스부(220)와, 상기 코일(300)이 서로 절연되도록 하는 구성이다.
이 때, 상기 절연부(400)는 절연지를 이용하거나, 절연재질로 특정 형태를 갖는 구성일수도 있다. 더욱 상세하게, 상기 요크부(210)를 중심으로 상기 제1공간부(A1) 및 제2공간부(A2)의 3면을 각각 절연하는 형태일 수 있으며, 축방향으로 상기 요크부(210)의 양측에서 삽입되는 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)를 포함할 수 있다. 더욱 상세하게, 상기 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)는 각각 상기 제1공간부(A1)에 대응되는 형태의 제1대응부(401)와, 상기 제2공간부(A2)에 대응되는 형태의 제2대응부(402)와, 축방향으로 일측에서 상기 제1대응부(401) 및 제2대응부(402)를 연결하는 연결부(403)를 포함할 수 있다.
상기 제1대응부(401)는 상기 요크부(210)의 외면 및 제1공간부(A1)의 양측면(외주방향으로 양측)을 차단하는 "ㄷ"자 형태로 형성되고, 상기 제2대응부(402)는 상기 요크부(210)의 외면 및 제2공간부(A2)의 양측면(외주방향으로 양측)을 차단하는 "ㄷ"자 형태로 형성될 수 있다. 상기 연결부(403)는 상기 제1대응부(401) 및 제2대응부(402)를 연결하는 형태이다.
상기 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)는 각각 상기 제1대응부(401)에 상기 제1공간부(A1)를 원주방향으로 2개의 공간(제1-1공간부(A1-1), 제1-2공간부(A1-2))으로 구획하도록 돌출되는 제1격벽(404) 및 각각 상기 제1격벽(404)과 연결되어 상기 제2대응부(402)에 상기 제2공간부(A2)를 원주방향으로 2개의 공간(제2-1공간부(A2-1), 제1-2공간부(A2-2))으로 구획하도록 돌출되는 제2격벽(405)이 더 형성될 수 있다. 상기 제1격벽(404)은 상기 제1대응부(401)의 요크부(210)의 외면 외주방향으로 중앙영역으로부터 제1공간부(A1)를 2개로 구획하도록 돌출된 형태이고, 상기 제2격벽(405)은 상기 제2대응부(402)의 요크부(210) 내면 외주방향으로 중앙영역으로부터 제2공간부(A2)를 2개로 구획하도록 돌출된 형태이다. 상기 제1격벽(404) 및 제2격벽(405)의 돌출 길이는 각각 상기 제1대응부(401) 및 제2대응부(402)의 돌출 높이에 대응되거나 그보다 작게 형성된다. 본 발명의 토로이달 모터(1000)는 상기 제1격벽(404) 및 제2격벽(405)이 형성됨에 따라, 코일(300)이 전체 영역에 고르게 권선될수 있는 장점이 있다.
도 11, 12, 및 14에서, 상기 코일(300)이 권선되지 않고, 하우징(100)이 조립되지 않은 상태에서 상기 요크부(210) 및 티스부(220)에 상기 제1절연부재(400a) 및 제2절연부재(400b)가 조립된 상태를 나타내었다.
본 발명의 공기압축기는 상술한 바와 같이 충분한 성능을 가지면서도 고정자(200) 및 하우징(100)의 크기를 줄이고, 철심 소재 사용량을 저감할 수 있어, 전체 공기압축기의 무게를 저감할 수 있으며, 제작성을 보다 높일 수 있어 전체 생산성을 높일 수 있는 토로이달 모터(1000)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
[부호의 설명]
1000 : 토로이달 모터
A1 : 제1공간부
(A1-1 : 제1-1공간부, A1-2 : 제1-2공간부)
A2 : 제2공간부
(A2-1 : 제2-1공간부, A2-2 : 제2-2공간부)
100 : 하우징
110 : 몸체 111 : 냉각수유로
120 : 제1지지부 121 : 제1고정부
200 : 고정자
210 : 요크부 211 : 제2고정부
212 : 제2지지부 213 : 제1체결부
220 : 티스부 221 : 제2체결부
230 : 연장부
300 : 코일
400 : 절연부
400a : 제1절연부재 400b : 제2절연부재
401 : 제1대응부 402 : 제2대응부
403 : 연결부 404 : 제1격벽
405 : 제2격벽

Claims (17)

  1. 원통형상의 몸체와, 상기 몸체 내면의 외주방향을 따라 돌출되어 그 사이에 복수의 제1공간부를 형성하는 제1지지부를 포함하는 하우징;
    원통형상의 요크부와, 상기 요크부 내면의 외주방향을 따라 돌출되어 그 사이에 복수의 제2공간부를 형성하는 티스부를 포함하는 고정자; 및
    상기 요크부의 둘레에 권선되는 코일;을 포함하는, 토로이달 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하우징의 제1지지부는 상기 요크부의 외면을 지지하는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 토로이달 모터는 상기 요크부 외면에 상기 제1지지부와 맞닿도록 돌출되는 제2지지부가 형성되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 토로이달 모터는 상기 제1지지부 및 제2지지부에 고정되는 위치를 결정하도록 서로 대응되는 형태의 제1고정부 및 제1체결부가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상기 제1지지부의 일부 또는 전체에 냉각수가 유동가능한 냉각수유로가 형성되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 상기 요크부 및 티스부가 개별부품으로 이루어져 서로 조립체결되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 요크부 및 티스부는 축방향으로 길게 서로 대응되는 형태의 제2고정부 및 제2체결부가 각각 형성되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2고정부 및 제2체결부 중 어느 하나는 축방향으로 오목한 형태이고, 나머지 하나는 이에 대응되는 볼록한 형태인 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 고정자는 상기 복수개의 티스부를 원주방향으로 연결하는 연장부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 연장부는 축방향으로 이격되어 복수개 형성되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 요크부 및 티스부와 상기 코일이 서로 절연되도록 하는 절연부;를 더 포함하는, 토로이달 모터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 절연부는 축방향으로 양측에서 삽입되는 제1절연부재 및 제2절연부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1절연부재 및 제2절연부재는 각각 상기 제1공간부에 대응되는 형태의 제1대응부와, 상기 제2공간부에 대응되는 형태의 제2대응부와, 축방향으로 일측에서 상기 제1대응부 및 제2대응부를 연결하는 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1절연부재 및 제2절연부재는 각각 상기 제1대응부에 상기 제1공간부를 원주방향으로 2개의 공간으로 구획하도록 돌출되는 제1격벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1절연부재 및 제2절연부재는 각각 상기 제1격벽과 연결되어 상기 제2대응부에 상기 제2공간부를 원주방향으로 2개의 공간으로 구획하도록 돌출되는 제2격벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 토로이달 모터.
  16. 제1항에 의한 토로이달 모터를 포함하는 공기압축기.
  17. 제11항에 따른 토로이달 모터의 제조 방법으로서,
    S10) 상기 절연부가 형성된 상기 요크부 둘레에 상기 코일을 권선하는 권선 단계;
    S20) 상기 코일이 권선된 요크부에 상기 티스부를 조립하는 요크부 및 티스부 조립 단계; 및
    S30) 상기 조립된 요크부 및 티스부를 상기 하우징에 조립하는 하우징 조립 단계;를 포함하는, 토로이달 모터의 제조 방법.
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