KR102681689B1 - 로터 및 이를 이용한 프로펠러 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터 본체와 회전축 사이에 복수의 브릿지를 통하여 연결함에 의해 복수의 관통구멍을 형성하여 상부와 하부 커버에 형성된 복수의 관통구멍과 함께 내측 공냉이 이루어질 수 있는 로터 및 이를 이용한 프로펠러 구동장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터의 로터는 회전축; 상기 회전축으로부터 방사방향으로 연장된 복수의 브릿지; 상기 브릿지의 선단부에 연결된 환형 림; 상기 림의 외측에 설치되어 자기회로의 경로를 형성하는 환형 백요크; 및 상기 백요크의 외측에 설치되어 스테이터의 회전자기장에 따라 회전이 이루어지는 복수의 마그넷;을 포함하며, 상기 복수의 브릿지 사이에 형성된 복수의 공간은 모터를 관통하는 공기흐름통로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

Description

로터 및 이를 이용한 프로펠러 구동장치{Rotor Assembly and Apparatus for Driving Propeller Using the Same}

본 발명은 로터 및 이를 이용한 프로펠러 구동장치에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 로터 본체와 회전축 사이에 복수의 브릿지를 통하여 연결함에 의해 복수의 관통구멍을 형성하여 상부와 하부 커버에 형성된 복수의 관통구멍과 함께 내측 공냉이 이루어질 수 있는 로터 및 이를 이용한 프로펠러 구동장치에 관한 것이다.

통상적으로 항공기에 사용되는 브러시리스 전동모터는 배터리가 연결되는 고정자와, 회전자를 포함하고, 프로펠러가 장착되는 케이스로 구성된다.

이 경우 항공기용 전동모터의 경우에는 케이스가 회전자 역할을 하기 때문에 케이스 자체가 회전하여 프로펠러를 회전시킴으로써 항공기의 추진력을 생성하게 된다.

또한 항공기용 전동모터의 경우 케이스 자체가 회전을 하기 때문에 높은 토크를 가지는 것이 특징이고, 또한 감속기 없이도 대형 프로펠러를 직접 돌릴 수 있으며, 감속기와 같은 부속품이 필요 없기 때문에 전동모터를 경량화할 수 있게 된다.

다만 전동모터의 경우에는 케이스 자체가 회전자로서 회전하기 때문에 케이스 내부에 배치된 고정자로부터 많은 열이 발생하게 되는데, 이 경우 항공기의 속도가 빠르면 공기의 흐름에 의하여 전동모터가 냉각되지만, 정지비행을 주로하는 헬기의 경우에는 공기흐름이 거의 없어 전동모터가 과열되기 때문에 전동모터를 냉각시킬 필요가 있다.

이를 위해 항공기에 사용되는 전동모터의 경우 통상적으로 케이스의 상판은 뚫려 있거나, 또는 일정한 면적으로 절개되어 형성된 다수의 냉각홀이 구비된다. 따라서 전동모터가 구동되는 경우 프로펠러의 회전에 의한 공기 유동을 통하여 케이스의 냉각홀로 공기가 유입됨으로써 전동모터의 냉각이 이루어진다.

그러나 전동모터가 구동되어 케이스가 일정한 속도로 회전하는 경우에는 비나 습기, 기타 이물질 등은 케이스의 회전력에 의하여 유입될 염려가 없으나, 항공기가 정지하여 외부에 위치하는 경우 케이스의 냉각홀로 빗물이나 습기, 또는 먼지 등과 같은 이물질이 유입될 수 있다.

이렇게 유입된 빗물이나, 습기 또는 먼지 등과 같은 이물질은 합선으로 인한 전기적인 쇼트나 화재의 발생 원인으로 작용할 수 있다.

따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 비닐 등과 같은 방수포로 전동모터를 덮는 등의 조치를 취하였지만, 이러한 조치는 임시방편적이고, 번거롭기 때문에 근본적인 문제의 해결 방안이 되지 못한다.

한국공개특허공보 제10-2017-0090037호(특허문헌 1)에는 전동모터를 냉각시키기 위해 형성된 케이스의 냉각홀을 열고 닫을 수 있는 개폐조절수단을 도입하여 항공기의 정지 시에는 개폐조절수단이 케이스의 냉각홀을 자동으로 닫아 습기나 이물질이 전동모터 내부로 유입되는 것을 차단할 뿐만 아니라, 항공기의 운항 시에는 케이스의 회전력에 따라 개폐조절수단이 케이스의 냉각홀의 개도량을 조절함으로써 전동모터의 냉각기능을 효과적으로 구현할 수 있는 습기침투방지 및 과열방지 기능이 구비된 항공기용 동력전달장치가 개시되어 있다.

일반적으로 전동모터는 로터보다 모터구동전류가 코일로 인가되는 스테이터에서 더 많은 열이 발생되고, 이렇게 발생된 열은 전동모터의 외부로 배출되지 못하는 경우 모터의 효율과 수명을 떨어트리는 요인으로 작용할 수 있다.

상기 특허문헌 1의 전동모터는 아우터 로터 방식으로 중앙부에 스테이터(고정자)가 위치한 구조를 가지고 있다. 특허문헌 1에서는 로터 역할을 하는 원통형 케이스의 전면과 후면에 공냉용 바람이 유입되어 배출되는 냉각홀을 구비하고 있다.

특허문헌 1은 전동모터를 냉각시키기 위해 형성된 케이스의 냉각홀을 열고 닫을 수 있는 개폐조절수단을 도입하여 항공기의 정지 시에는 개폐조절수단이 케이스의 냉각홀을 자동으로 닫아 습기나 이물질이 전동모터 내부로 유입되는 것을 차단하는 기술을 개시하고 있다.

한편, 무인항공기(UAV; Unmanned Aerial Vehicle), 즉 드론은 택배 물품을 배송하는 물류 분야를 비롯하여, 감시/정찰/수색, 방역/방제/살포, 방송/공연, 환경 측량, 인명 구조 등의 다양한 용도로 다양하게 적용되고 있다.

2인용 경비행기나 고중량 부하를 운반하는 대형 드론 등에 채용되고 있는 프로펠러 구동장치용 모터, 특히 BLDC 모터는 수십 Kw급의 구동모터가 요구되고 있으며, 이 경우 코일이 코어에 권선된 스테이터가 내측에 배치된 아우터 로터 방식의 모터(특허문헌 1)는 스테이터로부터 발생되는 많은 열을 효과적으로 냉각시키는 데 한계가 있다.

상기 스테이터로부터 발생되어 외부로 방열되지 못하고 내부에 축적된 열은 작동 수명을 단축하고, 작동 효율을 감소시킬 수 있다. 이를 방지하기 위하여 히트싱크(heat sink), 열 교환기와 같은 방열부재나 방열장치가 발열이 있는 장치에 함께 사용이 되고 있다.

이에 최근에는 사출 성형이나 압출 가능한 고분자 수지를 이용하여 제조되는 방열부재가 제안되고 있으며, 고분자 수지 자체의 재질적 특성으로 인한 경량성, 저렴한 단가 등의 이점으로 인하여 많은 연구가 계속되고 있다.

그러나, 고분자수지를 이용하여 제조된 방열부재는 열전도성 필러를 통해 방열성은 발현하는데, 통상적으로 방열성능이 우수한 열전도성 필러는 전기전도성도 함께 갖기에 이로 구현된 방열부재가 전기전도성을 발현함에 따라서 절연성이 요구되는 전자장치에 사용이 매우 부적절한 문제가 있다.

특히, 항공용 모터인 경우 낙뢰를 피할 수 있는 절연성능을 갖는 것이 요구된다.

또한, AC 모터인 경우 BLDC 모터보다 더 큰 부피와 중량이 나가므로 항공용 모터로는 적합하지 못하다.

: 한국공개특허공보 제10-2017-0090037호

본 발명자는 로터보다 열발생이 많은 스테이터를 외측에 배치하면서 비행중에는 자연스로운 측면 케이싱을 통하여 외측 공냉과, 상부와 하부 커버 및 로터 본체와 회전축 사이를 연결하는 복수의 브릿지 사이에 복수의 관통구멍을 형성하여 내측 공냉을 동시에 실현하고, 내측 공냉에 따라 습기나 이물질이 모터 내부로 유입되어 전기적인 쇼트가 발생하는 문제는 절연성 방열복합재를 사용한 인서트 몰딩에 의해 스테이터를 분리 차단함에 의해 전기적인 쇼트나 화재의 발생을 막을 수 있다는 점을 발견하였다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하고자 제안된 것으로, 그 목적은 인너 로터-아우터 스테이터 방식의 BLDC 모터를 이용하여 로터와 스테이터에 외측 공냉과 내측 공냉에 의해 효과적인 냉각이 이루어질 수 있는 로터 및 이를 이용한 프로펠러 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 로터 본체와 회전축 사이에 복수의 브릿지를 통하여 연결함에 의해 복수의 관통구멍을 형성하여 상부와 하부 커버에 형성된 복수의 관통구멍과 함께 내측 공냉이 이루어질 수 있는 로터 및 이를 이용한 프로펠러 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상부와 하부 커버에 복수의 관통구멍을 형성하고 이와 동시에 로터 본체와 회전축 사이에 복수의 브릿지를 통하여 연결함에 의해 복수의 관통구멍을 형성하여 내측 공냉에 의해 효과적인 냉각이 이루어질 수 있는 프로펠러 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스테이터 코어의 외주부와 케이싱 사이에 냉매 순환이 이루어질 수 있는 냉매순환회로를 갖는 워터 자켓을 구비함에 의해 수냉방식으로 효과적인 방열이 이루어질 수 있는 프로펠러 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스테이터 코어와 코일 사이를 절연하는 인슐레이터(또는 보빈)를 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 형성함에 따라 방열 효과가 우수한 프로펠러 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 스테이터의 인슐레이터(또는 보빈)에 권선된 코일을 둘러싸면서 코일과 코일 사이를 절연하도록 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 인서트 몰딩함에 따라 방열 효과와 함께 내측 공냉에 따라 습기나 이물질이 모터 내부로 유입되어 전기적인 쇼트가 발생하는 문제를 해결할 수 있는 프로펠러 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스테이터 코어와 코일 사이를 절연하는 인슐레이터(또는 보빈)의 형성에 사용되는 제1절연성 방열복합재와 인슐레이터(또는 보빈)에 권선된 코일을 둘러싸면서 코일과 코일 사이를 절연하도록 인서트 몰딩방식으로 피복되는 제2절연성 방열복합재의 조성을 달리하여 방열성능을 극대화시킨 프로펠러 구동장치를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터의 로터는 회전축; 상기 회전축으로부터 방사방향으로 연장된 복수의 브릿지; 상기 브릿지의 선단부에 연결된 환형 림; 상기 림의 외측에 설치되어 자기회로의 경로를 형성하는 환형 백요크; 및 상기 백요크의 외측에 설치되어 스테이터의 회전자기장에 따라 회전이 이루어지는 복수의 마그넷;을 포함하며, 상기 복수의 브릿지 사이에 형성된 복수의 공간은 모터를 관통하는 공기흐름통로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 로터는 스테이터 코어의 슈 부분과 대향하는 각 마그넷의 외표면을 제외하고 외측면을 커버는 로터지지체를 더 포함하며, 상기 로터지지체는 상기 마그넷의 상부와 하부를 커버하는 환형의 상부판과 하부판; 및 상기 마그넷과 마그넷 사이에 배치되면서 양단부가 상부판과 하부판에 연결되는 복수의 연결부;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 로터는 상기 로터지지체의 상부판과 하부판에 설치되어 로터의 회전시에 원주 방향 바람을 발생시키는 복수의 블레이드를 더 포함하며, 상기 원주 방향 바람은 모터를 관통하는 공냉용 공기흐름과 충돌하여 와류를 발생시킬 수 있다.

더욱이, 상기 회전축은 양단부가 상부 커버와 하부 커버의 중앙부에 위치한 상부 베어링과 하부 베어링에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터는 원통형 케이스의 상부와 하부에 상부 커버와 하부 커버가 각각 결합된 하우징; 상기 케이스의 내측에 배치된 스테이터; 상기 스테이터와 간격을 두고 배치된 로터; 및 상기 로터와 복수의 브릿지를 통하여 연결되고, 양단부가 상부 커버와 하부 커버의 중앙부에 위치한 상부 베어링과 하부 베어링에 회전 가능하게 지지되는 회전축;을 포함하며, 상기 복수의 브릿지 사이에 형성된 복수의 공간은 모터를 관통하는 공기흐름통로를 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터는 상기 상부 커버에 구비된 복수의 관통구멍, 회전축과 로터 사이를 연결하는 복수의 브릿지 사이에 형성된 복수의 공간 및 하부 커버에 구비된 복수의 관통구멍을 경유하는 모터를 관통하는 공기흐름통로를 이용하여 내측 공냉이 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 프로펠러 구동장치에서는 인너 로터-아우터 스테이터 방식의 BLDC 모터를 이용하며 로터와 스테이터에 외측 공냉과 내측 공냉에 의해 효과적인 냉각이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상부와 하부 커버에 복수의 관통구멍을 형성하고 이와 동시에 로터 본체와 회전축 사이에 복수의 브릿지를 통하여 연결함에 의해 복수의 관통구멍을 형성하여 내측 공냉에 의해 효과적인 냉각이 이루어질 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 스테이터 코어의 외주부와 케이싱 사이에 냉매 순환이 이루어질 수 있는 냉매순환회로를 갖는 워터 자켓을 구비함에 의해 수냉방식으로 효과적인 방열이 이루어질 수 있다.

본 발명에서는 스테이터 코어와 코일 사이를 절연하는 인슐레이터(또는 보빈)를 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 형성함에 따라 우수한 방열 효과가 있어 모터 효율 향상을 도모할 수 있다. 더욱이, 절연성 방열복합재로 인슐레이터(또는 보빈)를 형성함에 따라 방열성능 및 절연성능은 물론 외력을 지탱할 수 있는 인장강도, 굴곡탄성률 등 기계적 강도가 담보된 항공용 모터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 스테이터의 인슐레이터(또는 보빈)에 권선된 코일을 둘러싸면서 코일과 코일 사이를 절연하도록 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 인서트 몰딩함에 따라 방열 효과와 함께 내측 공냉시에 습기나 이물질이 모터 내부로 유입되어 전기적인 쇼트가 발생하는 문제를 동시에 해결할 수 있다. 상기 절연성 방열복합재로 인서트 몰딩될 때, 스테이터는 로터의 마그넷과 대향한 스테이터 코어의 슈 부분을 제외한 외부로 노출되는 모든 부분을 커버하도록 형성된다.

더욱이, 본 발명에서는 로터 본체와 회전축 사이에 복수의 브릿지를 통하여 연결함에 의해 복수의 관통구멍을 형성하여 상부와 하부 커버에 형성된 복수의 관통구멍과 함께 내측 공냉이 이루어질 수 있는 로터를 제공할 수 있다.

본 발명에서는 스테이터 코어와 코일 사이를 절연하는 인슐레이터(또는 보빈)의 형성에 사용되는 제1절연성 방열복합재와 인슐레이터(또는 보빈)에 권선된 코일을 둘러싸면서 코일과 코일 사이를 절연하도록 인서트 몰딩방식으로 피복되는 제2절연성 방열복합재의 조성을 달리하여 방열성능을 극대화시킬 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 각각 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치가 적용된 프로펠러 경비행기를 나타내는 사시도, 프로펠러 구동장치가 콘트롤 박스에 설치된 사진 및 프로펠러 구동장치에 프로펠러가 결합된 것을 나타낸 확대측면도이다.
도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치를 나타내는 평면 및 도 2a의 A-A선 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치의 일부 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치의 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치의 로터 분해 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치의 스테이터 분해 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따라 절연성 방열복합재로 인슐레이터(또는 보빈)를 형성한 실시예와 방열 플라스틱을 적용하지 않은 비교예의 각 상별 온도를 나타내는 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 발명에 따른 프로펠러 구동장치는 예를 들어, 2인용 경비행기나 고중량 부하를 운반하는 대형 드론 등에 적용될 수 있으며, 프로펠러 구동장치에 구비된 모터는 수십 Kw급의 대형 BLDC 구동모터가 요구되고 있다.

상기 프로펠러 구동장치에 채용되는 수십 Kw급의 대형 BLDC 구동모터는 스테이터로부터 많은 열이 발생될 때, 적절한 냉각과 방열이 이루어지지 못하는 경우 모터의 효율 저하와 고장이 발생할 수 있다.

본 발명에서는 많은 열이 발생되는 스테이터가 로터의 외측에 배치된 인너 로터-아우터 스테이터 방식의 BLDC 모터를 채용하며, 경비행기의 프로펠러 구동에 적용된 것을 예를 들어 설명한다.

상기 실시예 설명에서는 프로펠러 구동장치의 회전축이 수평방향으로 배치된 것이나, 수직방향으로 배치된 경우에도 적용될 수 있다. 이 경우, 토크를 증대시키도록 모터의 출력에 감속기가 결합될 수도 있다.

첨부한 도 1a 내지 도 1c는 각각 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치가 적용된 프로펠러 경비행기를 나타내는 사시도, 프로펠러 구동장치가 콘트롤 박스에 설치된 사진 및 프로펠러 구동장치에 프로펠러가 결합된 것을 나타낸 확대측면도이다. 또한, 도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치를 나타내는 평면 및 도 2a의 A-A선 단면도이다.

도 1a 내지 도 1c를 참고하면, 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치(10)는 경비행기(200)의 동체(210) 중 선단부에 배치된 콘트롤 박스(220)의 전면에 간격을 두고 설치되며, 회전축의 선단부에 프로펠러(70)가 결합되어 프로펠러(70)를 회전 구동하며, 프로펠러 구동장치(10)의 회전축은 수평방향으로 배치되어 있다.

상기 콘트롤 박스(220)에는 경비행기(200)의 운항을 제어하는 각종 전자장치들을 제어하는 제어부와 프로펠러 구동장치(10)에 구비된 BLDC 모터(100)를 구동하기 위한 모터구동장치를 포함할 수 있다.

이 경우, 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치(10)는 경비행기(200)에 한정되지 않고 복수의 프로펠러를 각각 구동하는 멀티콥터형 드론 뿐 아니라 단일의 프로펠러를 구동하는 드론에도 적용될 수 있다.

도 2a 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 프로펠러 구동장치(10)는 싱글 로터-싱글 스테이터 방식의 모터(100) 및 상기 모터(100)의 회전축(50)에 프로펠러(70)를 장착하기 위한 프로펠러 설치 브라켓(20)을 포함하고 있다.

상기 프로펠러 설치 브라켓(20)은 크게 링 형상으로 이루어져서 중앙부에 대직경의 중앙관통구멍(21)이 형성되어 있다. 또한, 중앙관통구멍(21)의 주변에 동일 원주상에 복수개의 대직경의 주변관통구멍(23)과 복수개의 소직경의 주변관통구멍(24)이 배치되어 있다. 상기 복수개의 대직경의 주변관통구멍(23)과 복수개의 소직경의 주변관통구멍(24)은 살빼기용으로 배치된 것으로 무게를 감소시키기 위한 것이다.

상기 모터(100)의 회전축(50) 또한 경량화를 위해 중앙부(50a)가 중공 형태로 이루어져 있고, 그의 외경은 상기 프로펠러 설치 브라켓(20)의 중앙관통구멍(21)에 대응하는 크기로 설정된다.

상기 프로펠러 설치 브라켓(20)의 중앙관통구멍(21)에는 모터(100)의 회전축(50)과 결합을 위해 환형의 돌기부(25)가 하측에 배치되어 있다. 또한, 상기 환형의 돌기부(25)에는 모터(100)의 회전축(50)에 복수개의 고정나사(22)를 체결하여 고정시키기 위한 복수개의 나사체결용 관통구멍이 형성되어 있다.

상기 회전축(50)의 상단부(50b)와 이를 수용하여 면접합되는 환형의 돌기부(25)의 저면은 단차 구조로 결합이 이루어진다. 이러한 상기 회전축(50)의 상단부(50b)와 돌기부(25) 저면의 단차 구조 결합은 프로펠러(70)의 회전시에 발생되는 비틀림을 잡기 위한 것이다.

상기 싱글 로터-싱글 스테이터 방식의 모터(100)는 원통형 케이스(12)와, 원통형 케이스(12)의 상부와 하부에 각각 결합되는 상부 커버(16)와 하부 커버(18)를 포함한다. 그 결과 원통형 케이스(12)와, 상부 커버(16)와 하부 커버(18)는 모터(100)의 하우징 역할을 한다.

상기 원통형 케이스(12)의 내측에는 모터(100)를 수냉방식으로 냉각시키기 위한 워터 자켓(46), 스테이터(40), 로터(30) 및 회전축(50)이 순차적으로 배치되어 있다. 상기 회전축(50)은 각각 상부 커버(16)와 하부 커버(18)의 중앙에 위치한 상부 및 하부 베어링 하우징(16c,18c)에 설치된 상부 베어링(51)과 하부 베어링(52)에 회전 가능하게 지지되어 있다.

이 경우, 상부 베어링(51)은 예를 들어, 레이디얼 하중과 1개의 큰 축 방향 하중을 동시에 지지할 수 있는 복열 앵귤러(angular) 볼 베어링이 사용되고, 하부 베어링(52)은 단열 앵귤러 볼 베어링이 사용될 수 있다.

상기 워터 자켓(46)은 도 6에 도시된 바와 같이 원통부의 몸체 외주부에 나선형 통로를 형성하도록 나선형 돌기부(46a)가 형성되어 있으며, 나선형 돌기부(46a)는 원통형 케이스(12)의 내측면과 접촉이 이루어진다. 그 결과 나선형 돌기부(46a) 사이에는 모터(100)를 수냉방식으로 냉각시키기 위한 냉매가 순환되는 나선형 통로(46b)가 형성될 수 있다. 이 경우, 상기 냉매는 물이나 항공기의 냉각유가 사용될 수 있다.

또한, 도 2b에 도시된 바와 같이, 원통형 케이스(12)의 상부와 하부에는 각각 나선형 통로(46b)와 연결되는 입구 또는 출구(47a,47b)가 형성되어 있으며, 입구 또는 출구(47a,47b)는 냉매를 순환시키기 위한 펌프와 연결되어 있다.

상기 워터 자켓(46)의 상부와 하부에는 원통형 케이스(12)와의 사이에 실링을 위한 O-링(48a,48b)이 각각 삽입되어 있어, 나선형 통로(46b)의 누수를 방지하고 있다.

상기 원통형 케이스(12)와 상부 커버(16)와 하부 커버(18) 사이에는 상호 결합을 위해 상부 커버(16)와 하부 커버(18)에 복수의 관통구멍(19)이 형성된 돌기부가 구비되어 있으며, 복수의 관통구멍(19)에 고정나사(19a)를 체결하여 고정시킨다.

상기 상부 커버(16)와 하부 커버(18)에는 공냉용 공기 흐름 통로의 역할을 하는 복수의 관통구멍(16e,18e)이 형성되어 있다. 이를 위해 상기 상부 커버(16)와 하부 커버(18)에는 내측에 위치하면서 허브(hub) 역할을 하는 상부 및 하부 베어링 하우징(16c,18c)과 외부에 배치된 외곽링(16a,18a) 사이에 동심원 형상으로 이루어진 중간링(16b,18b)이 배치되고, 상부 및 하부 베어링 하우징(16c,18c)과 중간링(16b,18b) 및 외곽링(16a,18a)을 연결하도록 복수의 브릿지(16d,18d)가 방사상으로 뻗어 있다. 따라서, 상부 및 하부 베어링 하우징(16c,18c), 중간링(16b,18b), 외곽링(16a,18a) 및 복수의 브릿지(16d,18d) 사이에는 복수의 관통구멍(16e,18e)이 형성되어 있다.

상기 중간링(16b,18b)은 강도 보강용으로서 필요에 따라 생략 또는 추가가 가능하며, 상부 커버(16)와 하부 커버(18)에 형성된 복수의 관통구멍(16e,18e)을 형성하기 위한 네트워크 구조는 다르게 변경될 수 있다.

상기 복수의 관통구멍(16e,18e)은 외부로부터 모터(100)의 내부로 상대적으로 낮은 온도의 외부 공기를 유입한 후, 스테이터(40)로부터 발생된 열과 열교환 후 모터 외부로 배출되는 공냉용 공기흐름통로를 형성한다.

본 발명에 따른 모터(100)는 스테이터(40)의 내측에 로터(30)가 배치된 인너 로터 구조를 가지고 있다. 또한, 상기 모터(100)는 스테이터(40)의 내측에 로터(30)가 동심원상으로 배치된 레이디얼 갭 타입(Radial gap type)의 전동기를 구성한다.

상기 로터(30)는 도 2a 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 중앙부에 배치된 중공 형태의 회전축(50)으로부터 방사상으로 복수의 브릿지(34)가 연장되어 있고, 복수의 브릿지(34)의 선단부는 환형의 림(rim)(33)과 연결되어 있다. 또한, 복수의 브릿지(34)와 회전축(50)의 연결부에도 강도 보강을 위해 환형의 허브(35)가 보강되어 있다.

상기 회전축(50)과 복수의 브릿지(34)를 통하여 연결되는 환형 림(rim)(33)은 일체로 형성되며, 경량이면서 강도를 제공할 수 있는 금속재, 예를 들어, 알루미늄 합금 또는 듀랄루민 등으로 이루어질 수 있다.

상기 환형 림(rim)(33)의 외주에는 자기회로역할을 하는 백요크(31)가 슬라이딩 방식으로 결합되어 있다. 이를 위해 림(rim)(33)의 외주에는 복수의 결합요홈(33a)이 형성되고 백요크(31)의 내주부에는 복수의 결합요홈(33a)에 결합되는 복수의 결합돌기(31b)가 돌출되어 있다.

상기 백요크(31)는 외표면에 부착되는 복수의 마그넷(32)와 함께 자기회로를 형성하도록 전기강판(실리콘 강판)으로 이루어질 수 있으며, 외표면에는 복수의 마그넷(32)을 부착하기 위한 복수의 결합돌기(31a)가 돌출되어 있다.

상기 백요크(31)의 복수의 결합돌기(31a)는 인접한 2개의 결합돌기(31a) 사이에 마그넷(32)을 슬라이딩 결합방식으로 수용하면서 지지한다. 이 경우, 마그넷(32)의 형상은 사다리꼴 형상으로 이루어지고, 2개의 결합돌기(31a) 사이에 형성되는 공간은 사다리꼴 형상의 마그넷(32)이 결합되도록 내측의 폭이 더 길게 형성된다.

상기 복수의 마그넷(32)은 영구자석으로 이루어지며 복수의 N극 및 S극 마그넷이 교대로 배치된다.

상기 로터(30)는 백요크(31)의 외표면에 복수의 마그넷(32)이 부착된 후, 로터지지체(36)가 결합된다.

로터지지체(36)는 마그넷(32)의 상부와 하부를 커버하는 환형의 상부판(36a)과 하부판(36b), 및 마그넷(32)과 마그넷(32) 사이에 배치되면서 양단부가 상부판(36a)과 하부판(36b)에 연결되는 복수의 연결부(36c)를 포함하고 있다. 이에 따라 로터지지체(36)는 스테이터 코어의 슈 부분과 대향하는 각 마그넷(32)의 외표면을 제외하고 외측면을 커버한다.

상기 상부판(36a)과 하부판(36b)에는 각각 로터(30)의 회전시에 바람을 발생시켜서 스테이터(40)를 냉각시키도록 복수의 블레이드(37a,37b)가 돌출되어 있다. 이 경우, 상기 복수의 블레이드(37a,37b)의 형상은 직선 형상, 라운드 형상 등으로 이루어질 수 있다.

상기와 같이 로터(30)의 회전에 따라 복수의 블레이드(37a,37b)에 의해 발생되는 바람은 원주 방향을 따르며, 이 원주 방향 바람은 상부 커버(16)의 복수의 관통구멍(16e), 복수의 브릿지(34) 사이에 형성된 복수의 공간(33c) 및 하부 커버(18)에 형성된 복수의 관통구멍(18e)을 통과하는 공냉용 공기 흐름과 충돌하여 와류를 발생시킨다. 이렇게 발생된 와류는 모터(100) 내부의 구석진 곳까지 도달하게 되어 가장 큰 발열이 이루어지는 스테이터(40)와 열교환이 효과적으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 상부판(36a)과 하부판(36b)에는 상기 백요크(31)와의 결합을 위해 복수의 관통구멍(36d)이 형성된 돌출부가 구비되어 있고, 백요크(31)에도 복수의 결합구멍(33b)이 형성되어 있어 고정나사 등으로 체결될 수 있다.

상기 로터(30)는 회전축(50)과 환형의 림(rim)(33) 사이를 복수의 브릿지(34)를 통하여 연결되어 있다. 그 결과, 복수의 브릿지(34) 사이에 형성된 복수의 공간(33c)은 상부 커버(16)와 하부 커버(18)에 구비된 복수의 관통구멍(16e,18e)을 통하여 모터의 외부로부터 내부로 유입된 상대적으로 낮은 온도의 외부 공기가 모터 외부로 배출되는 공기의 흐름 통로를 형성한다.

상기 스테이터(40)는 도 2a 내지 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 자기회로를 형성하도록 소정의 폭을 갖는 환형의 백요크(41a)와 상기 백요크(41a)로부터 복수의 티스(41b)가 내측으로 방사상으로 뻗어 있는 스테이터 코어(41)와, 상기 티스(41b) 각각의 코일이 권선될 외주면을 감싸도록 일체로 형성되는 절연성 재질의 인슐레이터(또는 보빈)(42a,42b)과, 상기 복수의 티스(41b) 각각의 인슐레이터(42a,42b)의 외주면에 권선되는 스테이터 코일(43)을 포함한다.

상기 복수의 티스(41b)는 각각 "T" 형상으로 이루어지며 로터(30)의 마그넷(32)과 대향하는 슈(shoe) 부분과 환형의 백요크(41a) 사이에 코일(43)이 권선되는 권선영역을 갖는다.

인슐레이터(또는 보빈)(42a,42b)는 사전에 미리 상부 및 하부 인슐레이터(42a,42b)로 제작된 후, 스테이터 코어(41)에 조립되거나 절연성 플라스틱(수지)로 인서트 몰딩방식으로 일체로 형성될 수 있다.

이 경우, 상부 및 하부 인슐레이터(42a,42b)는 각각 소정 폭으로 이루어진 환형의 베이스 프레임(420)에, 로터(30)의 마그넷(32)과 대향하는 슈(shoe) 부분을 제외하고 티스(41b)의 권선영역을 상부와 하부에서 1/2씩 수용하는 복수의 티스수용부(422)가 간격을 두고 돌출되어 있다.

상부 및 하부 인슐레이터(42a,42b)는 바람직하게는 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 형성할 수 있다. 상기 모터(100)는 항공기에 채용되는 경우 낙뢰로부터 안전하도록 적어도 10Kv 이상의 절연성능을 갖는 것이 요구되며, 방열 특성을 고려하여 열전도도가 3W/mK 이상인 것이 바람직하다.

상기한 점을 고려하여 본 발명에 사용되는 절연성 방열복합재는 연속 사용온도가 150℃ 이상이며 바인더 역할을 하는 고분자 매트릭스, 열전도성 향상을 위해 첨가되어 분산되는 세라믹으로 이루어진 절연성 방열필러 및 강도 보강을 위해 첨가되는 보강 섬유를 포함하고 있다.

상기 고분자매트릭스는 폴리아미드, 폴리에스테르, 폴리케톤, 액정고분자, 폴리올레핀, 폴리페닐렌설파이드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리페닐렌옥사이드(PPO), 폴리에테르술폰(PES), 폴리에테르이미드(PEI) 및 폴리이미드로 이루어진 군에서 선택된 1종의 화합물, 또는 2종 이상의 혼합물 또는 코폴리머를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 고분자매트릭스는 연속 사용온도가 150℃ 이상인 것이 바람직하며, 예를 들어, 폴리페닐렌설파이드(PPS)를 사용할 수 있다.

또한, 상기 절연성 방열필러는 상기 고분자매트릭스 100 중량부에 대하여 75 ~ 100 중량부로 구비될 수 있다.

또한, 상기 절연성 방열필러는 산화마그네슘, 탈크, 이산화티타늄, 질화알루미늄, 질화규소, 질화붕소, 산화알루미늄, 실리카, 산화아연, 티탄산바륨, 티탄산스트론튬, 산화베릴륨, 실리콘카바이드 및 산화망간으로 이루어진 군에서 선택된 1 종 이상을 포함할 수 있다.

상기 절연성 방열필러의 평균입경은 10㎚ ~ 600㎛일 수 있다.

더욱이, 상기 보강 섬유는 고분자매트릭스 100 중량부에 대하여 약 30 중량부로 구비될 수 있으며, 예를 들어, 유리섬유 등이 사용될 수 있다.

또한, 절연성 복합재는 분산제, 산화방지제, 작업개선제, 커플링제, 안정제, 난연제, 안료 및 충격개선제로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 첨가제를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 프로펠러 구동장치(10)에 적용된 인너 로터-아우터 스테이터 방식의 BLDC 모터(100)는 싱글 로터(30)와 싱글 스테이터(40)로 구성되어 있다. 스테이터(40)는 3상(U,V,W) 코일(43)이 스테이터 코어(41)의 티스(41b)에 권선되어 있으며, 모터의 외부에 설치된 모터구동장치로부터 3상(U,V,W) 코일(43)에 구동신호를 인가하도록 케이블(45)을 통하여 연결되어 있다.

도 7은 본 발명에 따라 절연성 방열복합재로 인슐레이터(또는 보빈)를 형성한 실시예와 방열 플라스틱을 적용하지 않은 비교예의 각 상별 온도를 나타내는 그래프이다.

본 발명에서는 절연성 방열복합재로 인슐레이터(또는 보빈)를 형성함에 따라 방열성능 및 절연성능은 물론 외력을 지탱할 수 있는 인장강도, 굴곡탄성률 등 기계적 강도가 담보된 항공용 모터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 스테이터(40)의 인슐레이터(또는 보빈)(42a,42b)에 권선된 코일(43)을 둘러싸면서 인접한 코일과 코일 사이를 절연하도록 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 인서트 몰딩된 방열용 스테이터 지지체(44)를 포함하고 있다.

이 경우, 상기 절연성 방열복합재로 인서트 몰딩되는 스테이터 지지체(44)는, 로터(30)의 마그넷(32)과 대향한 스테이터 코어(41)의 슈(shoe) 부분을 제외한 외부로 노출되는 모든 부분을 커버하도록 형성된다.

상기 방열용 스테이터 지지체(44)의 직경방향 외측면은 워터 자켓(46)과 접촉하고 있다. 따라서, 스테이터 코일(43)로부터 열이 발생하는 경우, 열이 방열용 스테이터 지지체(44)로 전도된 후, 수냉방식으로 냉각이 이루어지고 있는 워터 자켓(46)과 열교환이 이루어지면서 방열이 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 프로펠러 구동장치(10)에서는 인너 로터-아우터 스테이터 방식의 BLDC 모터(100)를 이용하여 로터(30)와 스테이터(40)에 외측 공냉과 내측 공냉에 의해 효과적인 냉각이 이루어질 수 있다.

상기 내측 공냉을 위해 본 발명에서는 상부와 하부 커버(16,18)에 복수의 냉각용 관통구멍(16e,18e)을 형성하고 이와 동시에 로터의 본체를 지지하는 환형 림(rim)(33)과 회전축(50) 사이에 복수의 브릿지(34)를 통하여 연결함에 의해 복수의 브릿지(34) 사이에 복수의 공간(33c)을 형성함에 따라 모터 내부를 통과하는 공기 흐름 통로가 형성된다.

즉, 본 발명의 프로펠러 구동장치(10)가 적용된 항공기가 비행할 때, 모터(100)의 상부 커버(16))에 구비된 복수의 관통구멍(16e)을 통하여 외부로부터 내부로 유입된 외부 공기는 복수의 브릿지(34) 사이에 형성되는 복수의 공간(33c)을 통과한 후, 하부 커버(18)에 구비된 복수의 관통구멍(18e)을 통하여 모터 외부로 배출된다.

그 결과, 상대적으로 낮은 온도의 외부 공기가 모터 내부로 유입되어 스테이터(40)에서 발생된 열과 열교환이 이루어진 후 모터 외부로 배출되는 공기의 흐름에 의해 모터의 내측 공냉이 이루어질 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 스테이터 코어(41)의 외주부와 케이싱(12) 사이에 냉매 순환이 이루어질 수 있는 냉매순환회로를 갖는 워터 자켓(46)을 구비함에 의해 수냉방식으로 효과적인 방열이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 스테이터 코어(41)와 코일(43) 사이를 절연하는 인슐레이터(또는 보빈)(42a,42b)를 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 형성함에 따라 우수한 방열 효과가 있어 모터 효율 향상을 도모할 수 있다. 이 경우, 절연성 방열복합재로 인슐레이터(또는 보빈)(42a,42b)를 형성함에 따라 방열성능 및 절연성능은 물론 외력을 지탱할 수 있는 인장강도, 굴곡탄성률 등 기계적 강도가 담보된 항공용 모터를 제공할 수 있다.

본 발명에서는 스테이터의 인슐레이터(또는 보빈)(42a,42b)에 권선된 코일(43)을 둘러싸면서 인접한 코일과 코일 사이를 절연하도록 방열성능 및 절연성능을 동시에 갖는 절연성 방열복합재로 인서트 몰딩되는 방열용 스테이터 지지체(44)를 구비하고 있다.

상기 방열용 스테이터 지지체(44)는 로터(30)의 마그넷(32)과 대향한 스테이터 코어(41)의 슈 부분을 제외한 외부로 노출되는 모든 부분을 커버한다. 즉, 로터의 마그넷(32)과 자기회로 경로를 형성하는 스테이터 코어(41)의 슈 부분을 제외하고 방수 몰딩이 이루어지게 된다.

그 결과, 상기한 모터 내부를 통과하는 공기 흐름 통로를 따라 습기나 이물질이 모터 내부로 유입될지라도 전기적인 쇼트가 발생하지 않는다.

또한, 방열용 스테이터 지지체(44)의 직경방향 외측면은 수냉방식으로 냉각이 이루어지고 있는 워터 자켓(46)과 접촉함에 따라 워터 자켓(46)과 열교환이 이루어지면서 방열이 이루어질 수 있다.

상기 실시예 설명에서는 본 발명은 프로펠러 구동장치가 경비행기의 프로펠러를 회전 구동하는 것을 예시하였으나, 단일의 프로펠러 구동장치가 드론본체에 설치된 드론 또는 복수개의 프로펠러 구동장치가 드론본체로부터 뻗어 있는 복수개의 아암에 설치된 멀티콥터형 드론에 적용될 수 있다.

더욱이, 상기 실시예 설명에서는 모터의 회전축이 외부에 노출된 경비행기의 프로펠러를 회전 구동하는 것을 예시하였으나, 원통 케이싱 내부에 프로펠러 또는 블레이드가 내장된 팬 구조를 가지는 드론으로 변경될 수 있다.

또한, 본 발명은 택배 물품을 배송하기 위한 물류박스를 드론본체의 하부에 착탈 가능하게 구비한 물류 분야, 감시/정찰/수색, 방역/방제/살포, 방송/공연, 환경 측량, 구조 등의 다양한 용도로 다양하게 변경될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 싱글 로터-싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터를 이용하여 모터 내부에 형성된 공기흐름통로를 이용하여 내측 공냉을 실현하면서 냉매순환회로를 갖는 워터 자켓을 이용하여 수냉방식으로 효과적인 방열이 이루어질 수 있는 프로펠러 구동장치에 관한 것으로, 경비행기 또는 드론에 적용될 수 있다.

10: 프로펠러 구동장치 12: 케이싱
16: 상부 커버 16e,18e: 관통구멍
18: 하부 커버 20: 프로펠러 설치 브라켓
30: 로터 31: 백요크
32: 마그넷 33: 림
34: 브릿지 35: 허브
36: 로터 지지체 37a,37b: 블레이드
40: 스테이터 41: 스테이터 코어
42a,42b: 인슐레이터 43: 스테이터 코일
44: 스테이터 지지체 45: 케이블
46: 워터 자켓 50: 회전축
51,52: 베어링 100: 모터
200: 경비행기 210: 동체
220: 콘트롤 박스

Claims (6)

1. 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터의 로터에 있어서,
   중공의 회전축;
   상기 회전축으로부터 방사방향으로 연장된 복수의 브릿지;
   상기 브릿지의 선단부에 형성되는 환형 림(rim);
   상기 환형 림의 외측에 설치되어 자기회로의 경로를 형성하는 환형 백요크; 및
   상기 백요크의 외측에 설치되어 스테이터의 회전자기장에 따라 회전하는 복수의 마그넷;을 포함하며,
   상기 회전축, 복수의 브릿지 및 환형 림은 일체로 형성되며, 금속재로 구성되고,
   상기 복수의 브릿지 사이에는 복수의 공간이 형성되고, 상기 복수의 공간은 모터를 관통하는 공기흐름통로를 형성하는 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터의 로터.
2. 제1항에 있어서,
   스테이터와 대향하는 각 마그넷의 외표면을 제외하고 외측면을 커버하는 로터지지체를 더 포함하며, 상기 로터지지체는,
   상기 마그넷의 상부와 하부를 각각 커버하는 환형의 상부판과 하부판; 및
   상기 복수의 마그넷의 각 마그넷 사이에 배치되고 양단부가 상기 상부판과 하부판에 각각 연결되는 복수의 연결부;를 포함하는 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터의 로터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 로터지지체의 상부판과 하부판에 설치되어 로터의 회전시에 원주 방향 바람을 발생시키는 복수의 블레이드를 더 포함하며,
   상기 원주 방향 바람은 모터를 관통하는 공냉용 공기흐름과 충돌하여 와류를 발생시키는 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터의 로터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 회전축은 양단부가 상부 커버와 하부 커버의 중앙부에 위치한 상부 베어링과 하부 베어링에 회전 가능하게 지지되는 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터의 로터.
5. 원통형 케이스의 상부와 하부에 상부 커버와 하부 커버가 각각 결합된 하우징;
   상기 케이스의 내측에 배치된 스테이터;
   상기 스테이터와 간격을 두고 배치된 로터; 및
   상기 로터와 복수의 브릿지를 통하여 연결되고, 양단부가 상부 커버와 하부 커버의 중앙부에 위치한 상부 베어링과 하부 베어링에 회전 가능하게 지지되는 중공의 회전축;을 포함하며,
   상기 로터는 상기 브릿지의 선단부에 연결된 환형 림(rim); 상기 환형 림의 외측에 설치되어 자기회로의 경로를 형성하는 환형 백요크; 및 상기 백요크의 외측에 설치되어 스테이터의 회전자기장에 따라 회전하는 복수의 마그넷;을 포함하고,
   상기 회전축, 복수의 브릿지 및 환형 림은 일체로 형성되며, 금속재로 구성되고,
   상기 복수의 브릿지 사이에 형성된 복수의 공간은 모터를 관통하는 공기흐름통로를 형성하는 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터.
6. 제5항에 있어서,
   상기 상부 커버에 구비된 복수의 관통구멍, 회전축과 로터 사이를 연결하는 복수의 브릿지 사이에 형성된 복수의 공간 및 하부 커버에 구비된 복수의 관통구멍을 경유하는 모터를 관통하는 공기흐름통로를 이용하여 내측 공냉이 이루어지는 프로펠러 구동장치용 BLDC 모터.