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KR102684629B1 - 전기 모터의 냉각 구조 - Google Patents

전기 모터의 냉각 구조 Download PDF

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KR102684629B1
KR102684629B1 KR1020220182860A KR20220182860A KR102684629B1 KR 102684629 B1 KR102684629 B1 KR 102684629B1 KR 1020220182860 A KR1020220182860 A KR 1020220182860A KR 20220182860 A KR20220182860 A KR 20220182860A KR 102684629 B1 KR102684629 B1 KR 102684629B1
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cooling fluid
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stator
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이찬우
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주식회사 현대케피코
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Abstract

본 발명은 전기 모터의 냉각 구조에 대한 것이다. 본 발명은, 복수의 스테이터 세그먼트가 결합된 스테이터; 및 인접하는 스테이터 세그먼트의 결합면 사이로 냉각 유체를 전달하는 냉각 유로 구조체;를 포함하는 전기 모터의 냉각 구조를 제공한다.

Description

전기 모터의 냉각 구조 {COOLING STRUCTRUE OF ELECTRIC MOTOR}
본 발명은 전기 모터의 냉각 구조에 대한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 전기 모터의 스테이터를 냉각하는 전기 모터의 냉각 구조에 대한 것이다.
전기 자동차, 전기 이륜차 등의 이동 수단은 고전압 배터리와 같은 전기 공급원으로부터 공급받은 전기 에너지를 이용하여 구동력을 발생하는 전기 모터를 포함한다.
전기 모터는 구동 중에 열이 발생하고, 전기 모터의 고출력, 고효율 및 내구성 확보를 위해서는 전기 모터의 작동 중에 충분한 냉각이 이루어질 것이 요구된다. 전기 모터의 냉각을 위하여 냉각수와 같은 냉각 유체를 전기 모터의 내부로 공급하는 수냉 방식의 냉각 기술이 알려져 있다.
전기 모터의 주요 발열 부품은 코일이 권선되는 스테이터로서 저항 성분에 의한 손실로 열이 발생된다. 냉각 성능을 향상시키기 위해서는 냉각 유체를 스테이터 측으로 직접 공급하는 것이 바람직할 수 있으나, 냉각 유체를 전기 모터 내부로 직접 공급하는 경우 냉각 유체가 누설될 우려가 존재한다. 이에 따라 전기 모터의 냉각을 위하여 스테이터 측으로 직접 냉각 유체를 공급하는 것이 아니라, 전기 모터의 하우징에 냉각 유체를 공급하여 냉각하는 방식이 주로 사용되고 있다.
공개특허공보 제10-2016-0055483호
본 발명은 전기 모터의 효율적인 냉각을 위하여, 전기 모터의 스테이터 측으로 직접 냉각 유체가 공급되도록 함으로써 스테이터의 직접적인 냉각을 가능하게 하는 전기 모터의 냉각 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 복수의 스테이터 세그먼트가 결합된 스테이터; 및 인접하는 스테이터 세그먼트의 결합면 사이로 냉각 유체를 전달하는 냉각 유로 구조체;를 포함하는 전기 모터의 냉각 구조를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각 유로 구조체는, 상기 냉각 유체를 공급받아 분배하는 냉각 유체 공급관과, 상기 냉각 유체를 회수하는 냉각 유체 배출관, 및 상기 스테이터 세그먼트의 결합면 사이에 위치하고 상기 냉각 유체 공급관과 상기 냉각 유체 배출관을 연결하는 냉각 유로를 포함한다.
또한, 상기 냉각 유체 공급관과 상기 냉각 유체 배출관은 상기 스테이터의 일측에 링 형상으로 구비될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유체 공급관에는 상기 냉각 유체가 유입되는 냉각 유체 유입구가 구비되고, 상기 냉각 유체 배출관에는 상기 냉각 유체가 유출되는 냉각 유체 유출구가 구비될 수 있다.
또한, 상기 냉각 유체 공급관과 상기 냉각 유체 배출관은 상기 전기 모터의 구동축의 반경 방향으로 순차 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 냉각 유로는 상기 냉각 유체 공급관에 연결되고 상기 스테이터 세그먼트의 길이 방향으로 연장되는 제 1 냉각 유로와, 상기 제 1 냉각 유로에 연결되고 상기 스테이터 세그먼트의 길이 방향으로 연장되어 상기 냉각 유체 배출관에 연결되는 제 2 냉각 유로를 포함한다.
또한, 상기 냉각 유로는 U자형의 파이프로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 스테이터 세그먼트의 상기 결합면에는 상기 냉각 유로가 장착되는 냉각 유로 장착홈이 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 스테이터 세그먼트는, 요크와 티스를 포함하는 분할 코어, 상기 분할 코어에 결합되는 절연체, 상기 분할 코어에 감겨진 코일 권선 및 상기 코일 권선을 덮도록 형성된 몰딩을 포함하고, 상기 냉각 유로 장착홈은 상기 몰딩에 홈 형상으로 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 스테이터 세그먼트의 측면 접촉면 사이로 냉각 유로를 직접 배치하여 스테이터 세그먼트의 냉각이 이루어지므로 냉각 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 냉각 유로가 인접하는 스테이터 세그먼트의 접촉면 사이에 배치됨에 따라, 전기 모터의 외부 하우징과 스테이터의 사이에 냉각 유체를 공급하여 냉각을 수행하는 종래 냉각 구조에 비해 전기 모터의 반경 방향 크기가 축소될 수 있다.
또한, 냉각 유체를 스테이터 세그먼트에 공급하는 냉각 유로 구조체를 구비함에 따라 냉각 유체의 순환시 냉각 유체의 누설되는 것이 방지되어 절연성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 구조를 구비한 전기 모터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유체가 공급되는 냉각 유로 구조체를 도시한 사시도이다.
도 4는 도 3의 A-A' 방향 단면을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 전기 모터의 스테이터를 구성하는 스테이터 세그먼트를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체의 냉각 유로가 스테이터 세그먼트의 냉각 유로 조립홈에 결합하는 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체와 스테이터의 결합 과정을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체의 다른 실시 형태를 도시한 사시도이다.
도 9는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체의 다른 실시 형태를 스테이터 세그먼트에 배치한 상태를 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 구조를 구비한 전기 모터의 사시도이다.
전기 모터(1)는 하우징(10), 하우징(10)의 내부에 구비되는 스테이터, 스테이터의 내측에 구비되며 구동축(16)이 연결된 로터(미도시)를 포함한다. 도 1을 참조하면, 하우징(10)은 전기 모터(1)의 구동축(16) 방향을 따라 형성된 원통형의 외부 하우징(12)과 상기 외부 하우징(12)의 개방부를 덮는 커버 하우징(14)을 포함하여 형성될 수 있다.
하우징(10)에는 냉각을 위한 냉각 유체를 순환시키기 위한 냉각 유체 유입구(24)와 냉각 유체 유출구(28)가 외부로 노출되도록 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 냉각 유체 유입구(24) 및 냉각 유체 유출구(28)는 커버 하우징(14)을 관통하는 형태로 구비될 수 있으나, 냉각 유체 유입구(24)와 냉각 유체 유출구(28)의 구비 위치 및 형상이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유체가 공급되는 냉각 유로 구조체를 도시한 사시도이며, 도 4는 도 3의 A-A' 방향 단면을 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 전기 모터의 냉각 구조는, 복수의 스테이터 세그먼트(50)가 결합된 스테이터(40)와, 인접하는 스테이터 세그먼트들(50)의 결합면 사이에 위치하여 스테이터 세그먼트(50)를 직접 냉각시키는 복수의 냉각 유로(30)를 구비한 냉각 유로 구조체(20)를 포함한다.
본 발명에 있어서, 스테이터(40)는 분할 코어형 스테이터이며, 복수의 스테이터 세그먼트(50)가 결합하여 스테이터(40)를 구성한다. 스테이터(40)는 도 1에 도시된 하우징(10)의 내측에 구비되고, 스테이터(40)의 내부 공간에는 도시되지 않은 로터가 구비된다.
일 실시예에 있어서, 냉각 유로 구조체(20)는, 구동축(16)의 축 방향을 둘러싸는 링 형태로 형성된 중공형의 냉각 유체 공급관(22)과, 구동축(16)의 축 방향을 둘러싸는 링 형태로 형성된 중공형의 냉각 유체 배출관(26), 및 상기 냉각 유체 공급관(22)과 냉각 유체 배출관(26)을 연결하는 냉각 유로(30)를 포함한다.
냉각 유체 공급관(22)의 일측에는 냉각 유체가 유입되는 냉각 유체 유입구(24)가 구비된다. 냉각 유체 유입구(24)에서 공급된 냉각 유체는 냉각 유체 공급관(22)을 따라 원주 방향으로 전달될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 냉각 유체 공급관(22)은 단면이 원형 또는 사각형일 수 있다.
냉각 유체 배출관(26)의 일측에는 냉각 유체가 유출되는 냉각 유체 유출구(28)가 구비된다. 냉각 유체 공급관(22)을 통해 공급된 냉각 유체는 냉각 유로(30)를 통해 냉각 유체 배출관(26)으로 전달되고, 냉각 유체 배출관(26)의 냉각 유체는 냉각 유체 배출관(26)을 따라 원주 방향으로 흘러 냉각 유체 유출구(28)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 일 실시예에 있어서 냉각 유체 배출관(26)은 단면이 원형 또는 사각형일 수 있다.
냉각 유체 공급관(22)과 냉각 유체 배출관(26)은 구동축(16)의 축 방향에서 스테이터(40)의 일측에 구비될 수 있다. 또한, 냉각 유체 유입구(24)와 냉각 유체 유출구(28)는 구동축(16)의 축 방향에 평행하게 냉각 유체 공급관(22)과 냉각 유체 배출관(26)의 상단으로 돌출되도록 구비될 수 있다. 그러나, 냉각 유체 유입구(24)와 냉각 유체 유출구(28)의 배치가 도 2에 도시된 바에 한정되는 것은 아니다.
냉각 유로(30)는 구동축(16)의 축 방향에 평행하게 연장될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 냉각 유로(30)는 냉각 유체 공급관(22)의 하부에 결합되는 제 1 냉각 유로(32)와 냉각 유체 배출관(26)의 하부에 결합되는 제 2 냉각 유로(34)가 U자형을 이루며 결합된 형태로 구성될 수 있다. 또한, 냉각 유로(30)는 U자형으로 절곡된 파이프로서 구비될 수 있다.
냉각 유로(30)는 인접하는 스테이터 세그먼트(50)의 결합면 사이에 위치하므로, 제 1 냉각 유로(32)와 제 2 냉각 유로(34)는 구동축(16)의 회전 중심으로부터 반경 방향으로 배치될 수 있다. 도 2 및 도 3의 실시예에서, 냉각 유체 공급관(22)은 구동축(16)의 회전 중심에 더 가까운 위치에 구비되고, 냉각 유체 배출관(26)은 냉각 유체 공급관(22)보다 구동축(16)의 회전 중심으로부터 더 먼 위치에 구비되는 것으로 도시되어 있다. 다만, 본 발명의 실시에 있어서, 냉각 유체 공급관(22)이 냉각 유체 배출관(26)에 비해 구동축(16)의 회전 중심에서 더 멀리 위치하도록, 즉, 냉각 유체 공급관(22)의 안쪽에 냉각 유체 배출관(26)이 위치하도록 구성되는 것도 가능할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 전기 모터의 스테이터를 구성하는 스테이터 세그먼트를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체의 냉각 유로가 스테이터 세그먼트의 냉각 유로 조립홈에 결합하는 상태를 도시한 도면이다.
도 5의 (a)는 스테이터 세그먼트(50)를 구성하기 위하여 요크(52)와 티스(54)로 이루어진 분할 코어에 절연체(56a, 56b)를 구비하고, 코일 권선(58)이 감겨진 상태를 도시한다. 도 5의 (b)는 코일 권선(58)과 절연체(56a, 56b)를 덮도록 수지로 몰딩(60)을 형성한 상태의 스테이터 세그먼트(50)를 도시한다.
도 5의 (b)를 참조하면, 스테이터 세그먼트(50)의 측면부(62)에는 냉각 유로(30)를 위한 냉각 유로 장착홈(64)이 형성된다. 냉각 유로 장착홈(64)은 구동축(16)의 축방향에 따른 제 1 장착홈(64a)과, 상기 제 1 장착홈(64a)보다 상기 구동축(16)의 회전 중심에서 반경 방향으로 외측에 위치하는 제 2 장착홈(64c) 및 제 1 장착홈(64a)과 제 2 장착홈(64c)의 하측을 연결하는 제 3 장착홈(64b)을 포함하여 형성될 수 있다.
도 6을 참조하면, 스테이터 세그먼트(50)의 측면부(62)에 형성된 냉각 유로 장착홈(64)에 냉각 유로(30)가 안착되는 형태로 결합될 수 있다. 냉각 유로(30)는 인접하는 스테이터 세그먼트(50)의 결합면 사이에 위치하므로, 냉각 유로 장착홈(64)의 깊이는 냉각 유로(30)의 장착에 의해 스테이터 세그먼트들(50)의 결합이 방해받지 않을 정도로 형성될 수 있다. 또한, 냉각 유로(30)는 스테이터 세그먼트(50)의 측면가 가능한 한 접촉 면적이 많은 것이 좋을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 냉각 유로 장착홈(64)은 스테이터 세그먼트(50)의 좌우 측면부에 모두 형성될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 냉각 유로 장착홈(64)은 스테이터 세그먼트(50)의 좌측면 또는 우측면 중 어느 한쪽에만 형성되는 것도 가능할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체와 스테이터의 결합 과정을 설명하는 도면이다.
냉각 유로 구조체(20)를 준비하고, 냉각 유로 구조체의 냉각 유로(30)가 인접하는 스테이터 세그먼트(50)의 측면 사이에 위치하도록 한 상태에서 스테이터 세그먼트(50)를 결합한다. 일 실시예에 있어서, 스테이터 세그먼트(50)는 인접하는 스테이터 세그먼트(50)와 결합되는 돌기와 홈(미도시)을 구비할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스테이터 세그먼트(50)는 용접이나 접착제 등을 이용하여 서로 결합되는 것도 가능할 수 있다.
이러한 본 발명에 따르면, 스테이터 세그먼트(50)의 측면 접촉면 사이로 냉각 유로(30)를 직접 배치하여 스테이터 세그먼트(50)의 냉각이 이루어지므로 냉각 효율이 향상될 수 있다. 또한, 냉각 유로(30)가 인접하는 스테이터 세그먼트(50)의 접촉면 사이에 배치됨에 따라, 전기 모터의 외부 하우징과 스테이터의 사이에 냉각 유체를 공급하여 냉각을 수행하는 종래 냉각 구조에 비해 전기 모터의 반경 방향 크기가 축소될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체의 다른 실시 형태를 도시한 사시도이고, 도 9는 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 전기 모터의 냉각 구조에 있어서, 냉각 유로 구조체의 다른 실시 형태를 스테이터 세그먼트에 배치한 상태를 설명하는 도면이다.
도 2와 도 3의 실시예에서는, 냉각 유체 공급관(22)과 냉각 유체 배출관(26)이 구동축(16)의 축 방향에서 스테이터(40)의 일측에 구비되는 것으로 설명하였다. 이에 대해, 도 8과 도 9의 실시 형태에서는, 냉각 유로 구조체(70)는 스테이터(40)의 일측에 냉각 유체 공급관(72)이 구비되고, 스테이터(40)의 타측에 냉각 유체 배출관(76)이 구비된다. 냉각 유체 유입구(74)를 통해 공급된 냉각 유체는 냉각 유체 공급관(72)에서 냉각 유로(80)로 분배되고, 냉각 유로(80)를 통과한 냉각 유체는 냉각 유체 배출관(76)으로 전달된 후 냉각 유체 유출구(78)를 통해 배출된다.
도 9를 참조하면, 냉각 유로(80)는 스테이터 세그먼트(50)의 측면부(62)에 형성된 위한 냉각 유로 장착홈(64)에 장착될 수 있다.
도 8과 도 9의 실시 형태에 있어서, 냉각 유로(80)는 길이 방향으로 2개가 쌍으로 이루어 배치된 것으로 설명하였으나, 본 발명의 실시에 있어서 냉각 유로(80)는 1개만이 구비되거나 3개 이상 구비되는 것도 가능할 수 있음은 물론이다. 냉각 유로(80)는 인접한 스테이터 세그먼트(50)의 측면부(62) 사이에 배치되어 스테이터 세그먼트(50)에 대한 직접 접촉을 통해 냉각 효율을 높일 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 전기 모터
10 : 하우징
12 : 외부 하우징
14 : 커버 하우징
16 : 구동축
20 : 냉각 유로 구조체
22 : 냉각 유체 공급관
24 : 냉각 유체 유입구
26 : 냉각 유체 배출관
28 : 냉각 유체 유출구
30 : 냉각 유로
40 : 스테이터
50 : 스테이터 세그먼트
60 : 몰딩
62 : 측면부
64 : 냉각 유로 장착홈

Claims (9)

  1. 복수의 스테이터 세그먼트가 결합된 스테이터; 및
    인접하는 스테이터 세그먼트의 결합면 사이로 냉각 유체를 전달하는 냉각 유로 구조체;
    를 포함하고,
    상기 냉각 유로 구조체는 상기 스테이터 세그먼트의 결합면 사이에 위치하고 상기 냉각 유체가 유동하는 냉각 유로를 포함하고,
    상기 스테이터 세그먼트의 상기 결합면에는 상기 냉각 유로가 장착되는 냉각 유로 장착홈이 형성된 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 유로 구조체는, 상기 냉각 유체를 공급받아 상기 냉각 유로로 분배하는 냉각 유체 공급관과, 상기 냉각 유로를 통과한 상기 냉각 유체를 회수하는 냉각 유체 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 유체 공급관과 상기 냉각 유체 배출관은 상기 스테이터의 일측에 링 형상으로 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 유체 공급관에는 상기 냉각 유체가 유입되는 냉각 유체 유입구가 구비되고, 상기 냉각 유체 배출관에는 상기 냉각 유체가 유출되는 냉각 유체 유출구가 구비되는 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 냉각 유체 공급관과 상기 냉각 유체 배출관은 상기 전기 모터의 구동축의 반경 방향으로 순차 배치된 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 상기 냉각 유체 공급관에 연결되고 상기 스테이터 세그먼트의 길이 방향으로 연장되는 제 1 냉각 유로와, 상기 제 1 냉각 유로에 연결되고 상기 스테이터 세그먼트의 길이 방향으로 연장되어 상기 냉각 유체 배출관에 연결되는 제 2 냉각 유로를 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각 유로는 U자형의 파이프로 형성된 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.
  8. 삭제
  9. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터 세그먼트는, 요크와 티스를 포함하는 분할 코어, 상기 분할 코어에 결합되는 절연체, 상기 분할 코어에 감겨진 코일 권선 및 상기 코일 권선을 덮도록 형성된 몰딩을 포함하고, 상기 냉각 유로 장착홈은 상기 몰딩에 홈 형상으로 구비된 것을 특징으로 하는 전기 모터의 냉각 구조.

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