KR100906874B1 - 유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터 - Google Patents

유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터에 관한 것으로서, 스테이터 및 로터 등 구동모터의 구성요소들이 배치되는 변속기 하우징 내 모터 공간을 오일 가이드 브라켓 및 오일씰에 의해 격리시켜 비오일배스 공간 및 드라이 공간으로 구성함으로써, 구동모터가 드라이 상태에서 운전될 수 있고, 종래와 같은 오일 교반에 따른 로터의 손실이 제거되는 하이브리드 차량용 구동모터에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 구동모터에서는 로터 및 스테이터가 오일환경에 노출되지 않으므로 오일 내에 함유된 금속물질이 로터의 자석에 부착되거나 로터와 스테이터 간 공극 사이에 부착되는 문제 등을 해결할 수 있게 된다.
하이브리드 차량, 구동모터, 유밀 구조, 클러치, 오일 가이드 브라켓, 오일씰

Description

유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터{Drive motor for hybrid electric vehicle having oil-tight structure}
본 발명은 하이브리드 차량용 구동모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하이브리드 차량을 구동시키기 위한 구동모터로서 스테이터 및 로터 등 구성요소들이 변속기 하우징 내 모터 공간에 내장되어 자동변속기 및 엔진클러치와 결합된 구조로 구성되는 하이브리드 차량용 구동모터에 관한 것이다.
일반적으로 넓은 의미의 하이브리드 차량은 서로 다른 두 종류 이상의 동력원을 효율적으로 조합하여 차량을 구동시키는 것을 의미하나, 대부분의 경우는 연료를 사용하여 구동력을 얻는 엔진과 배터리의 전력으로 구동되는 전기모터에 의해 구동력을 얻는 차량을 의미하며, 이를 하이브리드 전기 차량(Hybrid Electric Vehicle, HEV)이라 부르고 있다.
최근 연비를 개선하고 보다 환경친화적인 제품을 개발해야 한다는 시대적 요청에 부응하여 하이브리드 전기 차량에 대한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다.
하이브리드 전기 차량(이하, 하이브리드 차량으로 약칭함)은 엔진과 전기모터(구동모터)를 동력원으로 하여 다양한 구조를 형성할 수 있는데, 현재까지 연구되고 있는 대부분의 차량은 병렬형이나 직렬형 중에서 하나를 채택하고 있다.
이 중에서 병렬형은 엔진이 배터리를 충전시키기도 하나 전기모터와 함께 차량을 직접 구동시키도록 되어 있는 것으로, 구조가 직렬형보다 상대적으로 복잡하고 제어로직이 복잡하다는 단점은 있지만, 엔진의 기계적 에너지와 배터리의 전기에너지를 동시에 사용할 수 있어 에너지를 효율적으로 사용할 수 있다는 장점 때문에 승용차 등에 널리 채택되고 있는 구조이다.
특히, 엔진과 전기모터의 최적 작동영역을 이용하므로 구동 시스템 전체의 연비를 향상시킴은 물론 제동시에는 전기모터로 에너지를 회수하므로 효율적인 에너지의 이용이 가능하다.
그리고, 하이브리드 차량에는 차량 제어기(Hybrid Control Unit, HCU)가 탑재되어 있고, 또한 시스템을 구성하는 각 장치별로 제어기를 구비하고 있다.
예컨대, 엔진 작동의 전반을 제어하는 엔진 제어기(Engine Control Unit, ECU), 전기모터 작동의 전반을 제어하는 모터 제어기(Motor Control Unit, MCU), 변속기를 제어하는 변속기 제어기(Transmission Control Unit, TCU), 배터리 상태를 감시하고 관리하는 배터리 관리 시스템(Battery Management System, BMS), 실내 온도 제어를 담당하는 에어컨 제어기(Full Auto Temperature Controller, FATC) 등이 구비되어 있다.
여기서, HCU는 각 제어기들의 구동 제어 및 하이브리드 운전모드 설정, 차량 전반의 제어를 담당하는 최상위 제어기로서, 상기한 각 제어기들이 최상위 제어기인 HCU를 중심으로 연결되어, 제어기들 상호 간에 정보를 주고받으면서 상위 제어기는 하위 제어기에 명령을 전달하도록 되어 있다.
한편, 첨부한 도 1은 엔진클러치를 사용한 하이브리드 차량의 구동시스템 및 파워트레인 구성을 도시한 개략도로서, 이를 설명하면, 동력원으로 엔진(10), 구동모터(20)가 구비되어 있고, 엔진(10)과 구동모터(20) 사이에 토션댐퍼(11)와 엔진클러치(12)가 개재되어 있으며, 구동모터(20)의 출력단이 자동변속기(30)에 연결되어 있다.
도시된 하이브리드 차량에서는 초기 출발시에 저 RPM에서 효율이 좋은 구동모터(20)를 사용하여 차량의 출발을 도모하며, 차량이 일정속도를 갖게 되면 시동모터의 기능을 가지는 제너레이터, 즉 ISG(Integrated Starter & Generator)(40)가 엔진(10)을 시동하여 엔진의 출력과 구동모터의 출력을 동시에 이용하게 된다.
엔진(10)과 구동모터(20)의 출력은 자동변속기(30)를 통해 변속된 뒤 구동축(50)에 전달되어 구동륜(51)에 최종적으로 전달된다.
도시된 하이브리드 차량의 파워트레인 구성에서, 엔진클러치(12)는 엔진(10)과 구동모터(20) 사이에서 엔진의 회전동력 연결을 단속하는 역할을 하는데, 엔진클러치(12)의 오픈(open) 또는 클로즈(close) 상태에 따라 구동모터(20)의 회전력만을 이용하는 순수 전기자동차 모드인 EV(Electric Vehicle) 모드와, 구동모터(20)의 회전동력과 함께 엔진(10)의 회전동력을 동시에 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle) 모드의 선택 및 전환이 가능하도록 되어 있다.
초기 출발 및 저속 주행시에는 EV 모드가 선택되어 엔진클러치(12)가 오픈됨으로써 엔진(10)의 연결이 해제된 상태로 구동모터(20)에 의해서만 차량 구동력을 얻게 되며, 특히 차량의 초기 출발시에는 엔진(10)의 효율이 구동모터(20)의 효율에 비해 떨어지기 때문에 효율이 좋은 구동모터(20)를 사용하여 차량의 초기 출발을 시작하는 것이 차량의 연비 측면에서 유리하다.
또한 일정 속도 이상의 차량 주행시 등 특정 주행 조건에서 선택되는 HEV 모드는 엔진(10)과 구동모터(20)가 함께 구동하여 이들 두 동력원으로부터 차량의 구동력을 얻는 주행모드로서, 엔진클러치(12)를 클로즈시켜 엔진(10)이 구동모터(20)에 연결되도록 함으로써 엔진(10)의 회전동력과 구동모터(20)의 회전동력이 함께 구동축(50)에 전달되도록 하고, 이에 엔진(10) 및 구동모터(20)의 회전동력에 의해 차량 주행이 이루어지도록 한다.
상기와 같이 EV 모드와 HEV 모드의 주행모드 선택은 엔진클러치(12)의 작동을 제어함으로써 수행되는데, EV 모드에서 HEV 모드로 전환할 때 엔진클러치(12)를 클로우즈시켜 엔진의 회전동력을 연결하는 것이 필요하며, 이러한 엔진클러치(12)의 작동은 유압장치에 의해 제어된다.
한편, 상기와 같이 엔진클러치가 제공된 하이브리드 차량에서 구동모터는 오일환경에 노출되어 구동된다.
첨부한 도 2는 하이브리드 차량의 구동모터를 도시한 분해사시도이고, 도 3은 조립단면도로서, 도면부호 101은 변속기 하우징을, 도면부호 102는 터미널 블록을, 도면부호 103은 파워 케이블을, 도면부호 112는 클러치 리테이너를 각각 나타 낸다.
또한 도면부호 120은 모터 어셈블리를 나타내며, 그 구성으로는 로터 어셈블리(121), 스테이터 어셈블리(124), 모터 하우징(127), 더블 볼 베어링(128) 등을 포함하고 있다.
도 3을 참조하면, 변속기 하우징(101)의 내부에 구동모터의 구성요소들이 내장되고, 구동모터가 구성된 변속기 하우징(101)의 모터 공간을 밀폐하는 모터 하우징(127)이 체결되고 있다.
모터축(123)에는 자석이 삽입된 로터가 일체로 장착되고, 스테이터는 변속기 하우징(101)의 내부에 고정 설치되어 있다.
도면부호 126은 스테이터 코일을 나타내며, 도면부호 112는 리테이너를, 도면부호 129는 단자대를, 도면부호 128은 모터축(123)과 모터 하우징(127) 사이에 개재되는 더블 볼 베어링을, 도면부호 131은 로터(122)의 회전각을 검출하는 레졸버를 각각 나타낸다.
그러나, 상기와 같은 종래의 구조는 습식 클러치와 구동모터가 모두 오일환경에 개방된 구조로 되어 있다.
특히, 구동모터의 구성요소들이 오일환경에 노출되어 습식상태로 구동모터가 운전되는 문제점을 가지는데, 이와 같이 구동모터가 오일환경에 노출된 상태로 운전되면, 오일에 의한 로터부 손실이 존재하고, 로터의 자석, 로터와 스테이터 간의 공극 등에 오일 내부에 함유된 이물질(금속물질)이 부착되어, 구동모터의 성능을 현저히 저감시키는 문제점이 있게 된다.
유사한 예로서, 미국특허 제6,585,066호에서도 습식 클러치가 개방형으로 존재하여 구동모터가 오일환경에 노출된 상태로 구동되는 바, 이로 인해 구동모터의 로터에 구동손실이 발생하고, 로터 내 자석, 로터와 스테이터 간의 공극에 이물질이 부착되어, 모터 성능을 현저히 저감시키는 문제점이 있었다. 또한 모터축과 클러치 리테이너의 일체형으로 인한 조립 문제가 발생할 수 있었다.
이에 따라 국내 공개특허 제2007-20234호(2007.2.20)에서는 습식 클러치를 유밀(oil-tight) 구조로 구성하여, 구동모터가 드라이(dry) 상태에서 운전 가능하도록 제안하였다.
그러나, 이와 같은 방법에서는 유밀 구조 내에서의 원심력 증가에 의한 문제점(오일 유동 난해)이 있었고, 모터축과 습식 클러치 리테이터가 일체형으로 구성됨으로써 발생하는 조립 문제 및 단품 성능 검증의 곤란한 문제들이 발생할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 스테이터 및 로터 등 구동모터의 구성요소들이 배치되는 변속기 하우징 내 모터 공간을 격리시켜 비오일배스 공간 및 드라이 공간으로 만들어주는 유밀 구조가 구비됨으로써, 구동모터가 드라이 상태에서 운전될 수 있고, 종래와 같은 오일 교반에 따른 로터의 손실이 제거될 수 있으며, 오일 내에 함유된 금속물질이 로터의 자석에 부착되거나 로터와 스테이터 간 공극 사이에 부착되는 문제 등이 해소될 수 있는 하이브리드 차량용 구동모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 자동변속기와 결합된 하이브리드 차량의 구동모터가 드라이(dry) 상태에서 운전될 수 있도록, 스테이터 및 로터를 포함한 구동모터의 구성요소들이 설치되는 변속기 하우징 내 모터 공간을 변속기 오일로부터 밀폐하는 유밀(oil-tight) 구조가 구비되되, 상기 유밀 구조는,
상기 모터 공간을 비오일배스(non-oil-bath) 상태로 유지하기 위한 구조로서,
링 형상의 플레이트 부재로 제작되어 내경부가 모터축에 체결됨으로써 모터축과 일체로 조립되는 오일 가이드 브라켓과, 링 형상의 씰링 부재로 제작되어 변속기 하우징의 내측면에 고정 설치되고 상기 변속기 하우징과 상기 오일 가이드 브 라켓의 외경부 사이에 개재되는 오일씰로 구성된 것을 특징으로 하는 유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터를 제공한다.
여기서, 상기 오일 가이드 브라켓은 그 외경부가 내경부에 대해 절곡 형성된 단면구조를 가지며, 상기 외경부가 되는 절곡 형성된 플랜지단 바깥면에 상기 오일씰의 내경부가 밀착 접촉하여 씰링 상태를 유지하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 오일씰은 그 내경부를 제외한 부분의 내부에 철심이 삽입되어 구성되고, 상기 오일 가이드 브라켓의 외경부 플랜지단에 밀착 접촉하는 상기 오일씰의 내경부 가장자리단에는 씰링성을 좋게 하기 위한 립(lip)이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 하이브리드 차량용 구동모터에 의하면, 스테이터 및 로터 등 구동모터의 구성요소들이 배치되는 변속기 하우징 내 모터 공간을 오일 가이드 브라켓 및 오일씰에 의해 격리시켜 비오일배스 공간 및 드라이 공간으로 구성함으로써, 구동모터가 드라이 상태에서 운전될 수 있고, 종래와 같은 오일 교반에 따른 로터의 손실이 제거될 수 있다.
또한 본 발명의 구동모터에서는 로터 및 스테이터가 오일환경에 노출되지 않으므로 오일 내에 함유된 금속물질이 로터의 자석에 부착되거나 로터와 스테이터 간 공극 사이에 부착되는 문제 등을 해결할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 4는 본 발명에 따른 유일 구조를 구비한 구동모터의 단면도(반단면도)이다.
도시된 바와 같이, 하이브리드 차량용 구동모터가 자동변속기와 결합된 구조로 되어 있는 바, 변속기 하우징(101)의 모터 공간 내부에 구동모터의 구성요소들이 내장되고, 구동모터가 구성된 변속기 하우징(101)을 밀폐하는 모터 하우징(127)이 체결되고 있다.
스테이터(125)는 변속기 하우징(101)의 내측면에 고정 설치되고, 모터축(123)에는 자석이 삽입된 로터(122)가 일체로 장착되며, 도면부호 126은 스테이터 코일(126)을 나타낸다.
단자대(129), 레졸버(131), 리테이너(112), 클러치(111) 등 그 외의 나머지 구성요소들이 종래와 동일하게 설치되어 구동모터와 습식 클러치를 구성하며, 특히 본 발명에서는 엔진 출력축과 자동변속기의 입력부 사이에 개재되는 엔진클러치(111)를 오일환경에 노출되는 개방형 습식 클러치(111)로 유지하되, 구동모터는 드라이(dry) 상태에서 운전될 수 있도록 스테이터(125) 및 코일(126), 자석이 삽입된 로터(122) 등 구동모터의 구성요소들이 설치된 변속기 하우징(101) 내 모터 공간을 밀폐하는 유밀(oil-tight) 구조를 구비하여, 구동모터의 구성요소들이 오일환경에 노출되지 않도록 하는 것에 주된 특징이 있다.
상기 유밀 구조는 변속기 하우징(101) 내 모터 공간을 밀폐하여 구동모터의 구성요소들이 오일환경에 노출되지 않도록 해주는 것으로서, 오일 가이드 브라켓(132)과 오일씰(134)로 구성된다.
즉, 본 발명의 구동모터에는 전체적인 형상이 링 형상을 가지는 플레이트 부재로서 변속기 하우징(101) 내 모터 공간을 밀폐하기 위한 오일 가이드 브라켓(132)을 제작하여 모터축(123)에 볼트(133)로 체결하여 고정하고, 상기 오일 가이드 브라켓(132)과 변속기 하우징(101) 사이에 역시 링 형상의 씰링 부재로 제작된 오일씰(134)을 개재하여, 스테이터(125) 및 로터(122) 등 구동모터의 구성요소들이 설치된 변속기 하우징(101)의 모터 공간을 오일에 노출되지 않도록 밀폐한다.
여기서, 오일 가이드 브라켓(132)은 스틸 등의 금속소재를 사용하여 제작되는 것으로, 도시된 바와 같이 단면구조가 'ㄱ'자형 단면구조가 되도록 외경부 플랜지단(132a)이 내경부(132b)에 대해 직각으로 절곡 형성되어 제작되며, 내경부(132b)가 모터축(123)에 볼트(133)로 체결되어 고정 장착된다.
또한 내경부(132b)에 대해 직각으로 절곡 형성된 외경부 플랜지단(132a)과 변속기 하우징(101) 내측면 사이에, 철심(135)을 삽입하여 제작된 고무재의 오일씰(134)을 개재하여, 변속기 하우징(101) 내 모터 공간을 밀폐한다.
상기 오일씰(134)은 외경부(134a)가 변속기 하우징(101)의 내측면에 완전 고정되도록 하여 변속기 하우징(101) 내부의 오일 가이드 브라켓(132) 주변으로 설치되고, 내경부(134b)는 오일 가이드 브라켓 외경부 플랜지단(132a)에 접촉하여 모터 공간을 씰링하게 된다.
이때, 오일씰(134)은 외경부(134a)에 삽입된 철심 부분을 통해 변속기 하우징(101) 내측면에 견고히 고정 체결되고, 오일씰(134)의 내경부(134b)가 모터축(123)과 함께 회전하는 오일 가이드 브라켓(132)의 외경부 플랜지단(132a) 바깥면에 밀착상태로 접촉하여 오일 가이드 브라켓(132)이 고속으로 회전하더라도 모터 공간의 씰링 상태를 유지할 수 있도록 한다.
바람직하게는, 오일 가이드 브라켓(132)의 외경부 플랜지단(132a) 바깥면에 밀착되는 오일씰(134)의 내경부(134b) 가장자리단에는 씰링성을 좋게 하기 위한 립(lip)(136)이 형성되고, 또한 오일씰(134)의 내경부(134b) 가장자리단을 오일 가이드 브라켓(132)의 외경부 플랜지단(132a) 바깥면에 밀착시키는 O-링(137)이 설치될 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 습식 클러치(111)를 개방형으로 유지하되, 구동모터가 오일환경에 노출되는 문제를 해결하기 위하여, 모터축(123)에 오일 가이드 브라켓(132)을 부착하고, 변속기 하우징(101)의 내측면과 오일 가이드 브라켓(132)의 외경부 플랜지단(132a) 사이에 오일씰(134)을 설치하여, 스테이터(125) 및 로터(122) 등 구동모터의 구성요소가 위치된 변속기 하우징(101) 내 모터 공간을 유밀 상태로 구성하는 동시에 오일 가이드 브라켓(132) 및 오일씰(134)에 의해 오일에 잠기지 않는 비오일배스(非油浴;non-oil-bath) 공간으로 구성한다.
상기와 같이 본 발명에서는 변속기 하우징(101) 내 모터 공간을 오일 가이드 브라켓(132) 및 오일씰(134)에 의해 격리된 비오일배스 공간 및 드라이 공간으로 구성하고, 이러한 모터 공간 내에 구동모터의 구성요소들을 배치하므로, 로터(122) 가 오일을 교반하지 않아, 이 오일의 교반에 의한 손실을 없앨 수 있다.
또한 구동모터가 오일환경에 노출되지 않는 드라이 상태에서 구동하므로 종래와 같이 오일 내에 함유된 금속물질이 로터(122)의 자석에 부착되거나 로터(122)와 스테이터(125) 간 공극 사이에 부착되는 문제를 해결할 수 있게 된다.
도 1은 엔진클러치를 사용한 하이브리드 차량(HEV)의 구동시스템 및 파워트레인 구성을 도시한 개략도,
도 2는 하이브리드 차량의 구동모터를 도시한 분해사시도,
도 3은 종래기술에 따른 하이브리드 차량의 구동모터와 클러치의 조립단면도,
도 4는 본 발명에 따른 유일 구조를 구비한 구동모터의 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
101 : 변속기 하우징 111 : 클러치
122 : 로터 123 : 모터축
125 : 스테이터 132 : 오일 가이드 브라켓
132a : 외경부 플랜지단 132b : 내경부
134 : 오일씰 134a : 외경부
134b : 내경부 135 : 철심
136 : 립

Claims (3)

  1. 자동변속기와 결합된 하이브리드 차량의 구동모터가 드라이(dry) 상태에서 운전될 수 있도록, 스테이터(125) 및 로터(122)를 포함한 구동모터의 구성요소들이 설치되는 변속기 하우징(101) 내 모터 공간을 변속기 오일로부터 밀폐하는 유밀(oil-tight) 구조가 구비되되, 상기 유밀 구조는,
    상기 모터 공간을 비오일배스(non-oil-bath) 상태로 유지하기 위한 구조로서,
    링 형상의 플레이트 부재로 제작되어 내경부(132b)가 모터축(123)에 체결됨으로써 모터축(123)과 일체로 조립되는 오일 가이드 브라켓(132)과, 링 형상의 씰링 부재로 제작되어 변속기 하우징(101)의 내측면에 고정 설치되고 상기 변속기 하우징(101)과 상기 오일 가이드 브라켓(132)의 외경부(134a) 사이에 개재되는 오일씰(134)로 구성된 것을 특징으로 하는 유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 오일 가이드 브라켓(132)은 그 외경부(134a)가 내경부(134b)에 대해 절곡 형성된 단면구조를 가지며, 상기 외경부(134a)가 되는 절곡 형성된 플랜지단 바깥면에 상기 오일씰(134)의 내경부(134b)가 밀착 접촉하여 씰링 상태를 유지하는 것을 특징으로 하는 유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 오일씰(134)은 그 내경부(134b)를 제외한 부분의 내부에 철심(135)이 삽입되어 구성되고, 상기 오일 가이드 브라켓(132)의 외경부 플랜지단(132a)에 밀착 접촉하는 상기 오일씰(134)의 내경부(134b) 가장자리단에는 씰링성을 좋게 하기 위한 립(lip)(136)이 형성된 것을 특징으로 하는 유밀 구조를 구비한 하이브리드 차량용 구동모터.
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