KR20150041258A - 구동모터의 냉각유닛 - Google Patents

Abstract

구동모터의 냉각유닛이 개시된다. 개시된 구동모터의 냉각유닛은, 냉각매체를 유동시키기 위한 냉각 루트를 형성하고 있는 모터 하우징 내에 고정자를 배치하고, 고정자의 내측에 일정 공극을 두고 회전자를 배치하며, 회전자의 양측 단부에 권선 코일의 이탈을 방지하기 위한 엔드 코일 커버를 장착하고 있는 구동모터에서, 회전자의 회전으로서 주변 공기의 난류를 발생시키는 난류 발생부를 엔드 코일 커버에 형성할 수 있다.

Description

구동모터의 냉각유닛 {COOLING STRUCTURE OF DRIVE MOTOR}

본 발명의 실시 예는 친환경 차량용 구동모터의 냉각유닛에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 계자권선형 동기모터(WRSM)의 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 구동모터의 냉각 구조에 관한 것이다.

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

예를 들면, 하이브리드 차량은 구동모터의 동력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV(Electric Vehicle)모드로 주행하거나 엔진과 구동모터의 회전력을 모두 동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)모드로 주행한다. 그리고 일반적인 전기 자동차는 구동모터의 회전력을 동력으로 이용하여 주행한다.

이와 같이 친환경 자동차의 동력원으로 이용되는 구동모터는 대부분 영구자석형 동기모터(PMSM)를 사용한다. 이러한 영구자석형 동기모터는 제약된 레이아웃 조건에서 최대의 성능을 발휘하기 위해 영구자석의 성능을 극대화시킬 필요가 있다.

상기한 영구자석 내의 네오디뮴(Nd)은 영구자석의 세기를 개선하며, 디스프로슘(Dy)은 고온 감자(Demagnetization) 내성을 개선한다. 그러나 이러한 영구자석의 희토류(Nd, Dy) 금속 성분은 중국 등 일부 국가에 제한적으로 매장되어 있고, 매우 고가이며 가격 변동이 심하다.

이에 최근 들어서는 친환경 자동차의 동력원으로 이용되는 구동모터로서 영구자석형 동기모터(PMSM)를 대체할 수 있는 계자권선형 동기모터(WRSM)의 개발이 더욱 진행되고 있다.

계자권선형 동기모터는 고정자 뿐만 아니라 회전자에도 코일을 권선하여 전류 인가 시 회전자를 전자석화시킴으로써 영구자석형 동기모터(PMSM)의 영구자석을 대체하고 있다.

이러한 계자권선형 동기모터는 회전자가 고정자 내측에 일정 공극을 두고 배치되고, 고정자와 회전자의 코일에 전원이 인가되면 자계가 형성되며, 이들 사이에 발생되는 자기적 작용에 의해 회전자의 회전이 이루어진다.

한편, 상기와 같은 계자권선형 동기모터에서는 영구자석형 동기모터와 달리 회전자에 코일을 권선하게 되므로, 회전자의 고회전(보통 EV의 경우 최대 10,000rpm 이상)에 따른 권선 코일의 이탈 방지를 위해 그 회전자의 양 끝단에 엔드 코일 커버를 장착하고 그 커버 내에 수지를 몰딩함으로써 회전자의 권선 코일을 고정하고 있다.

다른 한편으로, 상기한 계자권선형 동기모터에서 고집적 및 고밀도 권선 코일이 적용되는 고정자 어셈블리의 냉각 구조는 권선 코일에서 발생한 열이 고정자 코어에 전달되는 바, 고정자 코어의 외주면에 접촉된 모터 하우징의 내부로 냉각매체를 순환시킴으로써 권선 코일을 간접적으로 냉각하는 방식을 채용하고 있다.

그러나, 상기 권선 코일에서 발생하는 열이 코어에 전달되기 위해서는 그 열이 코어와 권선 코일 사이의 절연물을 통과해야 하는데, 보통 절연물과 코어와의 접촉면이 완벽하게 밀착되지 않음으로써 코어에 대한 열 전달량에 한계가 있다.

특히, 권선 코일에서 발생한 열이 절연물, 코어, 모터 하우징 및 냉각매체를 통해 전달되는 메커니즘에서는 차량의 급가속, 등판 조건 등에서 권선 코일의 발열이 급격한 경우 그 열을 신속하게 배출시키지 못하므로, 열에 의한 코일 저항 증가로 모터 효율 및 차량의 연비를 저하시킬 수 있다.

더 나아가 코일 권선의 점적률을 증가시켜 모터의 효율을 증가시키는 고집적, 고밀도 권선에서는 코일에서 발생하는 열을 신속하고 효과적으로 방출시킬 필요가 있다.

본 발명의 실시 예들은 계자권선형 구동모터에서 고집적 및 고밀도 권선의 고정자 코일을 직접적으로 냉각시킬 수 있도록 한 구동모터의 냉각유닛을 제공하고자 한다.

본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛은, 냉각매체를 유동시키기 위한 냉각 루트를 형성하고 있는 모터 하우징 내에 고정자를 배치하고, 상기 고정자의 내측에 일정 공극을 두고 회전자를 배치하며, 상기 회전자의 양측 단부에 권선 코일의 이탈을 방지하기 위한 엔드 코일 커버를 장착하고 있는 구동모터에서, 상기 회전자의 회전으로서 주변 공기의 난류를 발생시키는 난류 발생부를 상기 엔드 코일 커버에 형성할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 구동모터의 냉각유닛은, 상기 난류 발생부에 의해 발생된 상기 엔드 코일 커버 주변 공기의 난류로서 상기 고정자의 권선 코일 엔드 부위를 직접적으로 냉각할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 구동모터의 냉각유닛에 있어서, 상기 난류 발생부는 상기 회전자의 회전 샤프트를 중심에 두고 상기 엔드 코일 커버의 표면에 방사 상으로 배치되는 다수 개의 블레이드들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 구동모터의 냉각유닛은, 상기 블레이드들이 팬 형상으로 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 구동모터의 냉각유닛에 있어서, 상기 난류 발생부는 상기 회전자의 회전 샤프트를 중심에 두고 상기 엔드 코일 커버의 표면에 방사 상으로 형성되는 다수 개의 그루브들을 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 구동모터의 냉각유닛에 있어서, 상기 난류 발생부는 상기 엔드 코일 커버의 표면에 표면 거칠기를 부여한 요철(凹凸)로서 형성될 수 있다.

본 발명의 실시 예들은 고정자 코어와 모터 하우징의 방열 구조를 통해 이루어지는 고정자 코일의 간접 냉각 방식을 기본으로, 엔드 코일 커버의 난류 발생부를 통해 고정자 코일의 엔드 부위에 대한 직접적인 냉각이 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 고정자 코일의 평균 온도 및 최대 온도가 낮아지게 되며, 그 고정자 코일의 온도가 낮아질수록 전류와 저항의 곱으로 산출되는 구동모터의 동손이 저감하게 되므로, 결과적으로는 구동모터의 효율을 증대시킬 수 있고, 구동모터 효율의 향상으로 친환경 차량의 연비 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 엔드 코일 커버의 난류 발생부를 통해 구동모터 내부 공기의 난류도(대류 열전달)를 증가시킴으로써 냉각팬의 추가 없이 고정자 코일의 온도를 저하시킬 수 있으므로, 냉각 성능 대비 전체 장치의 부품 수 및 제작 원가를 절감할 수 있다.

이 도면들은 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는데 참조하기 위함이므로, 본 발명의 기술적 사상을 첨부한 도면에 한정해서 해석하여서는 아니된다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛을 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예가 적용되는 구동모터의 일 예를 개략적으로 도시한 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛에 적용되는 엔드 코일 커버를 도시한 사시도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛에 적용되는 엔드 코일 커버의 변형 예를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않으며, 여러 부분 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다.

그리고, 하기의 상세한 설명에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "...유닛", "...수단", "...부", "...부재" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 하는 포괄적인 구성의 단위를 의미한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛을 도시한 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛(100)은 친환경 자동차에서 전기 에너지로 구동력을 얻는 구동모터로서 계자권선형 동기모터(WRSM)에 적용될 수 있다.

상기 계자권선형 동기모터는 고정자 뿐만 아니라 회전자에 코일을 권선하여 전류 인가 시 회전자를 전자석화시키는 것으로서, 회전자의 전자석과 고정자의 전자석 간 전자기의 인력 및 척력으로 구동 토크를 발생시킬 수 있다.

예를 들면, 본 발명의 실시 예가 적용되는 상기 구동모터는 도 3에서와 같이, 냉각매체를 유동시키기 위한 냉각 루트(11)를 형성하고 있는 모터 하우징(13)과, 모터 하우징(13) 내에 배치되는 고정자(15)와, 고정자(15)의 내측에 일정 공극을 두고 배치되는 회전자(17)를 포함하고 있다.

여기서, 상기 고정자(15)는 고정자 코어(21)에 고정자 코일(23)이 권선되어 있으며, 상기 회전자(17)는 회전 샤프트(25)에 결합된 회전자 코어(27)에 회전자 코일(29)이 권선되어 있다.

그리고, 상기 회전자(17)의 양측 단부에는 회전자 코일(29)의 이탈 방지를 위한 엔드 코일 커버(31)가 장착되어 있다. 상기 엔드 코일 커버(31)는 이의 내부에 수지가 몰딩됨으로써 회전자 코일(29)을 고정할 수 있다.

즉, 상기 엔드 코일 커버(31)는 회전자(17)의 양측 단부에서 회전자 코일(29)을 커버링하며 이의 내부에 채워진 몰딩 수지로 회전자 코일(29)을 고정시킴으로써 회전자(17)의 고회전(보통 EV의 경우 최대 10,000rpm 이상)에 따른 회전자 코일(29)의 이탈을 저지할 수 있다.

한편, 상기한 구동모터에서는 고정자(15)에 적용된 고집적 및 고밀도의 고정자 코일(23)에서 발생하는 열을 방출시키기 위해 위에서 언급한 바 있는 모터 하우징(13)의 냉각 루트(11)로 냉각매체를 유동시키는 냉각 구조를 채용하고 있다.

이와 같은 고정자(15)의 냉각 구조는 고정자 코일(23)에서 발생한 열이 고정자 코어(21)에 전달되는 바, 그 고정자 코어(21)의 외주면에 접촉된 모터 하우징(13)의 냉각 루트(11)로 냉각매체를 순환시킴으로써 고정자 코일(23)을 간접적으로 냉각하는 방식을 적용하고 있다.

다른 한편으로, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 구동모터의 냉각유닛(100)은 엔드 코일 커버(31)를 통해 고집적 및 고밀도의 고정자 코일(23)을 냉각풍으로서 직접 냉각시킬 수 있는 구조로 이루어진다.

이를 위해 본 발명의 실시 예에 따른 상기 구동모터의 냉각유닛(100)은 도 1 및 도 2에서와 같이 회전자(17)의 회전으로서 그 엔드 코일 커버(31) 주변 공기의 난류를 발생시키는 난류 발생부(50)를 엔드 코일 커버(31)에 형성하고 있다.

즉, 본 발명의 실시 예에서는 전류가 인가되어 고정자(15)의 고정자 코일(23)에 발열이 일어나는 조건에서, 회전자(17)의 회전운동으로 엔드 코일 커버(31)의 난류 발생부(50)에 의해 발생된 엔드 코일 커버(31) 주변 공기의 난류로서 고정자(15)의 고정자 코일(23) 엔드 부위를 직접적으로 냉각할 수 있다.

다시 말하면, 본 발명의 실시 예에서는 고정자 코일(23)의 엔드 부위에 인접한 엔드 코일 커버(31)가 회전함에 따라 그 엔드 코일 커버(31)의 난류 발생부(50)를 통해 엔드 코일 커버(31) 주변 공기 유동의 난류도를 급격히 증가시킴으로써 가장 온도가 높은 고정자 코일(23)의 엔드 부위를 냉각풍을 통해 직접적으로 신속하게 냉각시킬 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 실시 예에서 상기 난류 발생부(50)는 도 4에서와 같이, 회전자(17)의 회전 샤프트(25)를 중심에 두고 엔드 코일 커버(31)의 표면(엔드면)에 방사 상으로 배치되는 다수 개의 블레이드들(51)을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 엔드 코일 커버(31)의 중앙 부위에는 회전 샤프트(25)가 끼워지며 결합될 수 있는 결합홀(53)이 형성되며, 블레이드들(51)은 그 결합홀(53)을 중심에 두고 엔드 코일 커버(31)의 표면(엔드면)에 방사 상으로 배치된다.

이 경우, 상기 블레이드들(51)은 엔드 코일 커버(31)의 표면 가장자리 단에서 결합홀(53)로 연결되는 임의의 가상 선 상에 배치되는 바, 소정 폭(도면에서 엔드 코일 커버의 표면을 기준으로 하는 높이)을 지닌 띠 형상에서 일 부분이 한 쪽 방향(예를 들면, 회전자의 회전 방향)으로 휘어진 형상을 취할 수 있다.

예를 들면, 상기 블레이드들(51)은 엔드 코일 커버(31)의 표면에 방사 상으로 배치되며, 전체적인 형상이 팬 형상으로 이루어질 수 있다.

따라서, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛(100)에서 고정자(15)의 고정자 코일(23) 및 회전자(17)의 회전자 코일(29)에 전류가 인가되면, 고정자(15)와 회전자(17) 사이에서 발생되는 자기적 작용에 의해 회전자(17)의 회전이 이루어진다.

여기서, 고집적 및 고밀도의 권선이 적용된 고정자(15)의 고정자 코일(23)에서는 발열이 일어나고, 그 열은 고정자 코어(21)를 통해 모터 하우징(13)으로 전달되며, 모터 하우징(13)의 냉각 루트(11)로 순환되는 냉각매체에 의해 외부로 방출될 수 있다.

즉, 이 경우에서는 고정자 코일(23)에서 발생된 열이 고정자 코어(21)를 통해 모터 하우징(13)으로 전달된 상태에서, 그 모터 하우징(13)의 냉각 루트(11)로 냉각매체를 순환시킴으로써 고정자 코일(23)을 간접적으로 냉각할 수 있다.

이러는 과정에 회전자(17)가 회전함에 따라 고정자 코일(23)의 엔드 부위에 인접하며 회전자 코어(27)의 양측에 장착된 엔드 코일 커버(31) 또한 회전을 하게 되고, 이에 엔드 코일 커버(31)의 블레이드들(51)은 엔드 코일 커버(31) 주변 공기 유동의 난류도를 급격히 증가시키며 냉각풍을 발생시키게 된다.

이로써, 본 발명의 실시 예에서는 엔드 코일 커버(31)의 블레이드들(51)을 통해 발생된 냉각풍에 의해 비교적 온도가 가장 높은 고정자 코일(23)의 엔드 부위를 직접적으로 신속하게 냉각시킬 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛(100)에 의하면, 고정자 코어(21)와 모터 하우징(13)의 방열 구조를 통해 이루어지는 고정자 코일(23)의 간접 냉각 방식을 기본으로, 엔드 코일 커버(31)의 블레이드들(51)을 통해 고정자 코일(23)의 엔드 부위에 대한 직접적인 냉각이 이루어질 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 고정자 코일(23)의 평균 온도 및 최대 온도가 낮아지게 되며, 그 고정자 코일(23)의 온도가 낮아질수록 전류와 저항의 곱으로 산출되는 구동모터의 동손이 저감하게 되므로, 결과적으로는 구동모터의 효율을 증대시킬 수 있고, 구동모터 효율의 향상으로 친환경 차량의 연비 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서는 엔드 코일 커버(31)의 블레이드들(51)을 통해 구동모터 내부 공기의 난류도(대류 열전달)를 증가시킴으로써 냉각팬의 추가 없이 고정자 코일(23)의 온도를 저하시킬 수 있으므로, 냉각 성능 대비 전체 장치의 부품 수 및 제작 원가를 절감할 수 있다.

도 5 및 도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛에 적용되는 엔드 코일 커버의 변형 예를 도시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛에 적용되는 엔드 코일 커버(31)의 제1 변형 예는 그 엔드 코일 커버(31)의 표면에 다수 개의 그루브들(151)이 방사 상으로 형성된 난류 발생부(150)를 구성할 수 있다.

본 변형 예에서, 상기 그루브들(151)은 엔드 코일 커버(31) 주변 공기 유동의 난류도를 증대시키기 위한 것으로, 엔드 코일 커버(31)의 표면 가장자리 단에서 결합홀(53)로 연결되는 임의의 가상 선 상에 홈 형태로 형성될 수 있다.

한편 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 구동모터의 냉각유닛에 적용되는 엔드 코일 커버(31)의 제2 변형 예는 그 엔드 코일 커버(31)의 표면에 표면 거칠기를 부여한 요철(凹凸)(251)로서 형성된 난류 발생부(250)를 구성할 수 있다.

본 변형 예에서, 상기 요철(251)은 엔드 코일 커버(31) 주변 공기 유동의 난류도를 증대시키기 위한 것으로, 엔드 코일 커버(31)의 표면 전체를 표면 가공하여 표면 거칠기의 크기를 증가시킴으로써 형성될 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예들에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 본 명세서에서 제시되는 실시 예에 제한되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상을 이해하는 당업자는 동일한 기술적 사상의 범위 내에서, 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 추가 등에 의해서 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 권리 범위 내에 든다고 할 것이다.

11... 냉각 루트 13... 모터 하우징
15... 고정자 17... 회전자
21... 고정자 코어 23... 고정자 코일
25... 회전 샤프트 27... 회전자 코어
29... 회전자 코일 31... 엔드 코일 커버
50, 150, 250... 난류 발생부 51... 블레이드
53... 결합홀 151... 그루브
251... 요철

Claims (6)

1. 냉각매체를 유동시키기 위한 냉각 루트를 형성하고 있는 모터 하우징 내에 고정자를 배치하고, 상기 고정자의 내측에 일정 공극을 두고 회전자를 배치하며, 상기 회전자의 양측 단부에 권선 코일의 이탈을 방지하기 위한 엔드 코일 커버를 장착하고 있는 구동모터에서,
   상기 엔드 코일 커버에는 상기 회전자의 회전으로서 주변 공기의 난류를 발생시키는 난류 발생부가 구비되는 것을 특징으로 하는 구동모터의 냉각유닛.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 난류 발생부에 의해 발생된 상기 엔드 코일 커버 주변 공기의 난류로서 상기 고정자의 권선 코일 엔드 부위를 직접적으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 냉각유닛.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 난류 발생부는,
   상기 회전자의 회전 샤프트를 중심에 두고 상기 엔드 코일 커버의 표면에 방사 상으로 배치되는 다수 개의 블레이드들을 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 냉각유닛.
4. 제3 항에 있어서,
   상기 블레이드들이 팬 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 구동모터의 냉각유닛.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 난류 발생부는,
   상기 회전자의 회전 샤프트를 중심에 두고 상기 엔드 코일 커버의 표면에 방사 상으로 형성되는 다수 개의 그루브들을 포함하는 것을 특징으로 하는 구동모터의 냉각유닛.
6. 제1 항에 있어서,
   상기 난류 발생부는,
   상기 엔드 코일 커버의 표면에 표면 거칠기를 부여한 요철(凹凸)로서 형성되는 것을 특징으로 하는 구동모터의 냉각유닛.

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