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KR20220089161A - 모터 장치 - Google Patents

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KR20220089161A
KR20220089161A KR1020200179538A KR20200179538A KR20220089161A KR 20220089161 A KR20220089161 A KR 20220089161A KR 1020200179538 A KR1020200179538 A KR 1020200179538A KR 20200179538 A KR20200179538 A KR 20200179538A KR 20220089161 A KR20220089161 A KR 20220089161A
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KR
South Korea
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motor assembly
stator
coil
rotor
inclined portion
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020200179538A
Other languages
English (en)
Inventor
홍현석
정상현
이희광
Original Assignee
현대자동차주식회사
기아 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 현대자동차주식회사, 기아 주식회사 filed Critical 현대자동차주식회사
Priority to KR1020200179538A priority Critical patent/KR20220089161A/ko
Priority to US17/388,647 priority patent/US11711001B2/en
Priority to JP2021124592A priority patent/JP7598302B2/ja
Priority to DE102021208961.5A priority patent/DE102021208961A1/de
Priority to CN202110977025.7A priority patent/CN114649916A/zh
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Abstract

본 발명에서는 하나의 코일 권선으로 동축의 샤프트가 서로 반대되는 방향으로 회전 동작됨으로써 구조가 단순화되고 센서 및 컨트롤러의 설치 개수가 감소되는 모터 장치가 소개된다.

Description

모터 장치 {MOTOR APPARATUS}
본 발명은 하나의 코일 권선을 통해 서로 다른 방향으로 모터 회전 동작이 동시 수행되는 모터 장치에 관한 것이다.
현재의 과학기술산업에서 모터는 매우 보편적으로 응용되는 동력요소이다. 아울러, 최근에는 에어모빌리티에서도 전기에너지를 이용한 모터 구동을 통해 비행되는 기술이 적용되고 있다.
특히, 에어모빌리티 또는 드론에서 수직이착륙 동작이 구현되는 기체의 경우 효과적인 추력 발생을 위해 상하방향에 대해 동축 반전되는 프로펠러의 운용이 요구된다.
이를 위해, 종래에는 프로펠러, 모터, 컨트롤러가 상하측으로 각기 구성되어야 했다. 그러나 종래에는 동축 반전 프로펠러의 구성을 위한 부품들이 증대됨에 따라 무게가 증대되어 에어모빌리티에 불리한 요소로 작용되는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2020-0131767 A (2020.11.24)
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 하나의 코일 권선으로 동축의 회전샤프트가 서로 반대되는 방향으로 회전 동작됨으로써 구조가 단순화되고 센서 및 컨트롤러의 설치 개수가 감소되는 모터 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 모터 장치는 고정자와 회전자를 각각 포함하는 상부 모터조립체와 하부 모터조립체가 상하방향으로 서로 반전되게 배치되며, 상부 모터조립체와 하부 모터조립체의 각 고정자는 하나의 코일을 공유하고, 코일은 상부 모터조립체와 하부 모터조립체가 분기되는 지점에서 트위스트되도록 형성되어 상부 모터조립체의 코일부분과 하부 모터조립체의 코일부분에서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대방향이 되어 상부 모터조립체와 하부 모터조립체의 각 회전자가 서로 반대 방향으로 회전되는 것을 특징으로 한다.
상부 모터조립체는 코일이 권선되는 상부고정자, 상부고정자의 외측에 마련된 상부회전자, 상부고정자와 상부회전자를 감싸며 상부샤프트가 결합된 상부하우징을 포함하고, 하부 모터조립체는 코일이 권선되는 하부고정자, 하부고정자의 외측에 마련된 하부회전자, 하부고정자와 하부회전자를 감싸며 하부샤프트가 결합된 하부하우징을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상부고정자와 하부고정자에는 각각 원주방향을 따라 슬롯이 형성되며, 코일이 상부고정자의 슬롯과 하부고정자의 슬롯에 트위스트되면서 권선된 것을 특징으로 한다.
상부하우징과 하부하우징은 베어링부를 매개로 상대 회전 가능하게 연결된 것을 특징으로 한다.
코일은 사선으로 교차되면서 연장되는 복수의 제1경사부와 각 제1경사부의 상측 끝단을 연결하는 제1연결부가 상단부분을 이루고, 제1경사부의 하측 끝단에 각기 연결되며 사선으로 교차되면서 연장되는 복수의 제2경사부와 각 제2경사부의 하측 끝단을 연결하는 제2연결부가 하부부분을 이루는 것을 특징으로 한다.
코일은 서로 연결되는 제1경사부와 제2경사부가 서로 반대되는 방향으로 연장된 것을 특징으로 한다.
코일은 각각의 제1경사부와 제2경사부가 서로 닿지 않도록 이격되어 연장된 것을 특징으로 한다.
상부 모터조립체와 하부 모터조립체의 각 고정자에는 슬롯이 형성되며, 각 슬롯은 상부 모터조립체와 하부 모터조립체가 분기되는 지점을 향해 폭이 점차 작아지도록 형성된 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 모터 장치는 하나의 코일 권선으로 동축의 샤프트가 서로 반대되는 방향으로 회전 동작됨으로써 구조가 단순화되고 센서 및 컨트롤러의 설치 개수가 감소된다.
도 1은 본 발명에 따른 모터 장치를 나타낸 도면.
도 2는 도 1에 도시된 모터 장치의 조립도.
도 3 내지 4는 코일을 설명하기 위한 도면.
도 5 내지 6은 본 발명의 모터 장치의 작동을 설명하기 위한 도면.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 모터 장치에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명에 따른 모터 장치를 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 모터 장치의 조립도이며, 도 3 내지 4는 코일을 설명하기 위한 도면이고, 도 5 내지 6은 본 발명의 모터 장치의 작동을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 따른 모터 장치는 도 1 내지 2에 도시된 바와 같이, 고정자와 회전자를 각각 포함하는 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 상하방향으로 서로 반전되게 배치되며, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자는 하나의 코일(300)을 공유한다.
이처럼, 본 발명은 각각 고정자와 회전자를 포함하는 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)로 분할 구성되어 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 독립적으로 동작된다. 여기서, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)는 서로 반전되게 배치되며, 상부 모터조립체(100)의 회전자와 하부 모터조립체(200)의 회전자가 서로 다른 방향으로 회전 동작된다.
특히, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자는 하나의 코일(300)을 공유한다. 즉, 하나의 코일(300)이 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)에 함께 권선됨으로써, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)는 하나의 코일(300)에서 발생되는 전류의 흐름에 의해 동시 동작될 수 있다.
코일(300)은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 분기되는 지점에서 트위스트되어 상부 모터조립체(100)의 코일부분과 하부 모터조립체(200)의 코일부분에서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대방향이 되어 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 회전자가 서로 반대 방향으로 회전된다.
이렇게, 코일(300)은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자에 함께 연결되되 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 분기되는 지점에서 트위스트되어 '8'형상으로 형성된다. 이로 인해, 코일(300)은 상부 모터조립체(100)의 코일부분과 하부 모터조립체(200)의 코일부분에서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대방향이 된다. 이에 따라, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)는 하나의 코일(300)이 연결됨에 따라 동시 동작되고, 코일(300)에 흐르는 전류의 방향이 반대됨에 따라 각 회전자가 서로 반대 방향으로 회전 동작된다.
이처럼, 본 발명은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 각기 구성되고, 하나의 코일(300)이 연결되되 코일(300)이 트위스트되도록 권선되어 상부 모터조립체(100)의 코일부분과 하부 모터조립체(200)의 코일부분에서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대된다. 이로 인해, 상부 모터조립체(100)의 회전자와 하부 모터조립체(200)의 회전자는 서로 반대방향으로 동시 회전된다. 이처럼, 본 발명은 모터가 양방향 회전됨에 따라 에어모빌리티 또는 드론과 같이 수직이착륙 동작이 구현되는 경우 효율적으로 추력이 발생되도록 할 수 있다.
상술한 본 발명에 대해서 구체적으로 설명하면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 모터조립체(100)는 코일(300)이 권선되는 상부고정자(110), 상부고정자(110)의 외측에 마련된 상부회전자(120), 상부고정자(110)와 상부회전자(120)를 감싸며 상부샤프트(130)가 결합된 상부하우징(140)을 포함한다. 또한, 하부 모터조립체(200)는 코일(300)이 권선되는 하부고정자(210), 하부고정자(210)의 외측에 마련된 하부회전자(220), 하부고정자(210)와 하부회전자(220)를 감싸며 하부샤프트(230)가 결합된 하부하우징(240)을 포함한다.
여기서, 상부고정자(110)와 하부고정자(210)는 일체로 구성될 수 있으며, 상부고정자(110)와 하부고정자(210)에서 코일(300)이 연결되는 슬롯(S)은 동일 위치에 형성될 수 있다. 이러한 상부고정자(110)와 하부고정자(210)에는 코일(300)이 트위스트되도록 권선된다.
한편, 상부 모터조립체(100)의 상부회전자(120)에는 상부하우징(140)이 결합되어 코일(300)에 전류 발생시 상부회전자(120)가 상부고정자(110)로부터 회전됨에 따라 상부회전자(120)와 함께 상부하우징(140)이 회전된다. 이로 인해, 상부하우징(140)에 결합된 상부샤프트(130)가 회전되어 상부샤프트(130)에 설치되는 프로펠러가 회전될 수 있다.
또한, 하부 모터조립체(200)의 하부회전자(220)에는 하부하우징(240)이 결합되어 코일(300)에 전류 발생시 하부회전자(220)가 하부고정자(210)로부터 회전됨에 따라 하부회전자(220)와 함께 하부하우징(240)이 회전된다. 단, 하부회전자(220)의 경우 코일(300)이 트위스트되어 하부고정자(210)에 권선된 코일부분이 상부고정자(110)에 권선된 코일부분과 반대방향의 전류 흐름을 가짐에 따라, 하부회전자(220)는 상부회전자(120)와 반대방향으로 회전된다. 이로 인해, 하부하우징(240)에 결합된 하부샤프트(230)는 상부샤프트(130)와 반대방향으로 회전되고, 하부샤프트(230)에 설치되는 프로펠러가 회전될 수 있다.
상세하게, 상부고정자(110)와 하부고정자(210)에는 각각 원주방향을 따라 슬롯(S)이 형성되며, 코일(300)이 상부고정자(110)의 슬롯(S)과 하부고정자(210)의 슬롯(S)에 트위스트되면서 권선될 수 있다. 이러한 상부고정자(110)의 슬롯(S)과 하부고정자(210)의 슬롯(S)은 동일 위치에 형성될 수 있다. 이를 통해, 코일(300)은 상부고정자(110)의 슬롯(S)과 하부고정자(210)의 슬롯(S)에 트위스트되면서 권선될 수 있다. 또한, 상부고정(110)자의 슬롯(S)과 하부고정자(210)의 슬롯(S)의 경우 코일(300)이 트위스트됨에 따라, 권선되는 코일(300)의 폭을 수용할 수 있도록 그 형상이 결정될 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부고정자(110)의 슬롯(S)과 하부고정자(210)의 슬롯(S)에는 코일(300)이 권선되되 코일(300)이 트위스트되면서 권선됨에 따라 '8'형상을 이루게 된다. 이로 인해, 코일(300)은 상부고정자(110)에 권선된 부분과 하부고정자(210)에 권선된 부분의 전류 방향이 반대됨에 따라 상부고정자(110)에 매칭되는 상부회전자(120)의 회전방향과 하부고정자(210)에 매칭되는 하부회전자(220)의 회전방향이 서로 반대되는 방향으로 회전되도록 한다.
또한, 상부샤프트(130)와 하부샤프트(230)는 동축상에 설치될 수 있으며, 상부회전자(120)와 하부회전자(220), 상부하우징(140)과 하부하우징(240)은 각각 동일 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 상부하우징(140)과 하부하우징(240)은 베어링부(B)를 매개로 상대 회전 가능하게 연결될 수 있다. 베어링부(B)는 상부하우징(140)과 하부하우징(240)을 연결하면서 서로 상대회전되도록 하며, 구름매체가 적용되거나 슬립을 통해 상부하우징(140)과 하부하우징(240)이 상대회전되도록 할 수 있다. 이렇게, 베어링부(B)를 통해 상부하우징(140)과 하부하우징(240)이 서로 연결됨에 따라 패키지화가 용이하며, 상부하우징(140)과 하부하우징(240)이 서로 반대방향으로 원활히 회전될 수 있다..
본 발명의 코일(300)에 대해서 구체적으로 설명하면, 도 4에 도시된 바와 같이, 코일(300)은 교차되면서 연장되는 복수의 제1경사부(310)와 각 제1경사부(310)의 상측 끝단을 연결하는 제1연결부(320)가 상단부분을 이루고, 제1경사부(310)의 하측 끝단에 각기 연결되며 교차되면서 연장되는 복수의 제2경사부(330)와 각 제2경사부(330)의 하측 끝단을 연결하는 제2연결부(340)가 하부부분을 이루어질 수 있다.
이렇게, 코일(300)은 상단부분이 제1경사부(310)와 제1연결부(320)로 구성되고, 하단부분이 제2경사부(330)와 제2연결부(340)로 구성된다. 특히, 코일(300)은 한 쌍을 이루는 제1경사부(310)가 교차되면서 연장되고, 한 쌍의 제1경사부(310)에 연결되는 한 쌍의 제2경사부(330)도 교차되면서 연장됨에 따라 트위스트되는 형상을 이룬다. 여기서, 한 쌍의 제1경사부(310)는 제1연결부(320)를 통해 연결되며, 한 쌍의 제2경사부(330)는 제2연결부(340)를 통해 연결된다.
이를 위해, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자에 형성되는 슬롯(S)은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 분기되는 지점을 향해 폭이 점차 작아지도록 형성될 수 있다. 이에 따라, 코일(300)은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자에 형성된 슬롯(S)에 권선시, 제1경사부(310)와 제2경사부(330)가 슬롯(S)의 형태를 따라 경사를 가지고 연장되어 권선될 수 있다. 이로 인해, 코일(300)은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 고정자에 권선시, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 분기되는 지점에서 자연스럽게 트위스트될 수 있으며, 코일(300)이 권선됨에 의한 두께 증대를 감소할 수 있다.
한편, 코일(300)의 제1연결부(320) 또는 제2연결부(340)에는 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자의 원주방향을 따라 권선되도록 연장선이 연장될 수 있다. 또한, 모터 장치가 3상 모터로 구성될 경우 U, V, W에 따른 배선이 각기 마련되어 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자에 권선될 수 있다. 이에 따라, 코일(300)은 상부 모터조립체(100)의 고정자와 하부 모터조립체(200)의 고정자에 권선되는 다수의 배선으로 구성될 수 있으며, 각 고정자의 슬롯(S)에 대해 권선 방향이 반대방향으로 꺾여지도록 연장된다.
이에 따라, 코일(300)은 서로 연결되는 제1경사부(310)와 제2경사부(330)가 서로 반대되는 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 코일(300)은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 분기되는 지점에서 트위스트됨으로써, 제1경사부(310)와 제2경사부(330)의 폭이 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 분기되는 지점으로 갈수록 폭이 점차 작아진다. 또한, 서로 연결되는 제1경사부(310)와 제2경사부(330)는 트위스트되는 위치로부터 경사 방향이 전환된다. 이로 인해, 코일(300)은 '8'형상으로 트위스트되며, 상부 모터조립체(100)에서 전류 흐름방향과 하부 모터조립체(200)에서 전류 흐름방향이 반대되도록 구성될 수 있다.
특히, 코일(300)은 각각의 제1경사부(310)와 제2경사부(330)가 서로 닿지 않도록 이격되어 연장될 수 있다. 이렇게, 코일(300)은 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 고정자에 권선시 제1경사부(310)와 제2경사부(330)가 서로 접촉되지 않음으로써, 전기 합성에 따른 문제가 발생되지 않는다.
하기에는 본 발명의 코일(300) 형상에 따른 전류 흐름에 대해 설명하도록 한다.
도 5는 상부 모터조립체(100)의 코일(300)부분을 나타낸 도면이고, 도 6은 하부 모터조립체(200)의 코일(300)부분을 나타낸 도면이다.
여기서, 도 4를 참고하여 보면, 코일(300)은 '8'형상으로 트위스트되게 형성됨에 따라, 코일(300)에 흐르는 전류의 방향이 상단부분의 경우 반시계 방향으로 이동하고, 하단부분의 경우 시계방향으로 이동한다.
이에 따라, 도 5에서 볼 수 있듯이, 상부 모터조립체(100)에서는 코일(300)에 흐르는 전류가 반시계방향으로 흐름에 따라 회전자가 우측방향으로 회전된다.
반면, 도 6에서 볼 수 있듯이, 하부 모터조립체(200)에서는 코일(300)에 흐르는 전류가 시계방향으로 흐름에 따라 회전자가 좌측방향으로 회전된다.
이와 같이, 본 발명은 고정자와 회전자를 각각 포함하는 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)가 상하방향으로 서로 반전되게 배치되고, 하나의 코일(300)을 공유하되 코일(300)이 트위스트되도록 형성됨으로써, 상부 모터조립체(100)와 하부 모터조립체(200)의 각 회전자가 동시에 서로 반대 방향으로 회전된다.
이처럼, 본 발명은 하나의 코일(300) 권선으로 동축의 샤프트가 서로 반대되는 방향으로 회전 동작됨으로써 구조가 단순화되고 센서 및 컨트롤러의 설치 개수가 감소된다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100:상부 모터조립체 110:상부고정자
120:상부회전자 130:상부샤프트
140:상부하우징 200:하부 모터조립체
210:하부고정자 220:하부회전자
230:하부샤프트 240:하부하우징
300:코일 310:제1경사부
320:제1연결부 330:제2경사부
340:제2연결부

Claims (8)

  1. 고정자와 회전자를 각각 포함하는 상부 모터조립체와 하부 모터조립체가 상하방향으로 서로 반전되게 배치되며,
    상부 모터조립체와 하부 모터조립체의 각 고정자는 하나의 코일을 공유하고,
    코일은 상부 모터조립체와 하부 모터조립체가 분기되는 지점에서 트위스트되도록 형성되어 상부 모터조립체의 코일부분과 하부 모터조립체의 코일부분에서 흐르는 전류의 방향이 서로 반대방향이 되어 상부 모터조립체와 하부 모터조립체의 각 회전자가 서로 반대 방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는 모터 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상부 모터조립체는 코일이 권선되는 상부고정자, 상부고정자의 외측에 마련된 상부회전자, 상부고정자와 상부회전자를 감싸며 상부샤프트가 결합된 상부하우징을 포함하고,
    하부 모터조립체는 코일이 권선되는 하부고정자, 하부고정자의 외측에 마련된 하부회전자, 하부고정자와 하부회전자를 감싸며 하부샤프트가 결합된 하부하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상부고정자와 하부고정자에는 각각 원주방향을 따라 슬롯이 형성되며, 코일이 상부고정자의 슬롯과 하부고정자의 슬롯에 트위스트되면서 권선된 것을 특징으로 하는 모터 장치.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상부하우징과 하부하우징은 베어링부를 매개로 상대 회전 가능하게 연결된 것을 특징으로 하는 모터 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    코일은 교차되면서 연장되는 복수의 제1경사부와 각 제1경사부의 상측 끝단을 연결하는 제1연결부가 상단부분을 이루고, 제1경사부의 하측 끝단에 각기 연결되며 교차되면서 연장되는 복수의 제2경사부와 각 제2경사부의 하측 끝단을 연결하는 제2연결부가 하부부분을 이루는 것을 특징으로 하는 모터 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    코일은 서로 연결되는 제1경사부와 제2경사부가 서로 반대되는 방향으로 연장된 것을 특징으로 하는 모터 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    코일은 각각의 제1경사부와 제2경사부가 서로 닿지 않도록 이격되어 연장된 것을 특징으로 하는 모터 장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상부 모터조립체와 하부 모터조립체의 각 고정자에는 슬롯이 형성되며,
    각 슬롯은 상부 모터조립체와 하부 모터조립체가 분기되는 지점을 향해 폭이 점차 작아지도록 형성된 것을 특징으로 하는 모터 장치.
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