KR101259679B1 - 차량용 전동 압축기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량용 전동 압축기의 전동모터의 고정자 외주를 따라 냉매 유로를 형성한 차량용 전동 압축기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기에는 원통 형상으로 형성되고, 내부가 축방향으로 관통되며, 그 내주면에는 축방향에 평행하게 연장되어 내부에 코일이 권선되는 복수의 권선슬롯(15)이 형성되는 고정자(10)와, 원통 형상으로 형성되고 상기 고정자(10) 내부에 동축으로 설치되며, 내부에 영구자석이 삽입되는 회전자(40)를 포함하여 구성되는 전동모터(100)가 구비된다. 이때 상기 고정자(10)에는 외주면으로부터 요입되고 축방향으로 연장되는 복수의 요홈(13)이 형성되고, 상기 고정자(10)의 외주면까지의 거리(Ly)와 상기 요홈(13)의 깊이(Ld) 사이의 비(Ld/Ly)는 0.35 내지 0.45의 범위 내의 값을 갖는다. 이와 같은 본 발명에 의하면 전동모터 주변에 냉매 유로를 형성하여 냉매의 유동을 원활하게 함으로써, 압축기의 성능이 향상된다는 이점이 있다.

Description

차량용 전동 압축기{ELECTRIC MOTOR-DRIVEN COMPRESSOR FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 전동 압축기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량용 전동 압축기의 전동모터의 고정자 외주를 따라 냉매 유로를 형성한 차량용 전동 압축기에 관한 것이다.
최근 화석연료의 고갈과 환경 오염 등의 문제로 인한 저공해 고연비 정책에 따라 화석연료와 전기를 모두 구동원으로 하는 하이브리드 자동차나 전기 자동차가 각광을 받고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
하이브리드 자동차나 전기 자동차는 전동모터를 통해 차량의 추진을 위한 동력을 얻는다. 이에 따라 기존의 차량 공조시스템에서 기계식 압축기가 널리 사용되던 것과 달리 최근에는 전동식 압축기를 사용하는 추세로 변화하고 있다.
전동식 압축기는 전기 에너지를 역학적 에너지로 전환하는 전동모터와, 전동모터의 회전을 제어하는 인버터를 포함하여 구성된다. 이와 같은 전동식 압축기의 전동모터는 일반적으로 원통형의 회전자와 그 외주를 둘러싸는 코일이 감긴 고정자를 포함하여 구성되며, 코일의 권선 방법에 따라 분포권과 집중권 등으로 구분된다.
이와 같은 전동식 압축기에서는, 인버터로부터 공급되는 전원에 의해 코일에 전류가 흐름에 따라 전동모터에 구성되는 회전자가 회전하고, 이와 같은 회전자의 회전력은 회전축으로 전달된다. 그리고 회전축으로부터 역학적 에너지를 전달받은 기계적 수단이 왕복 운동을 함으로써 냉매를 압축하게 된다.
여기서 상기 전동모터에는 냉매 유로가 형성된다. 상기 압축부에서 압축되는 냉매의 유입포트가 상기 전동모터측에 설치되고 그에 따라 냉매가 상기 전동모터를 지나 상기 압축부로 도달하게 된다. 이와 같이 상기 전동모터 내부 또는 주변에 냉매 유로가 형성되도록 하는 것은 상기 인버터와 상기 전동모터에서 발생되는 열을 흡수하고, 상기 전동모터의 회전자를 윤활하여 회전자의 운동이 원활하도록 하며, 적절한 냉매 유입포트 위치를 선택하기 위함이다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
상기 전동모터의 주변이나 내부에 형성되는 유로는 그 단면적이 좁고 유로의 형상이 일정하지 않아 유로를 통과하는 냉매 순환시 저항이 증가하며 이로 인하여 압축기의 냉매 압축 효율이 감소한다는 단점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전동모터 주변에 냉매 유동을 원활하게 하는 냉매 유로를 형성한 차량용 전동 압축기를 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기에는 원통 형상으로 형성되고, 내부가 축방향으로 관통되며, 그 내주면에는 축방향에 평행하게 연장되어 내부에 코일이 권선되는 복수의 권선슬롯이 형성되는 고정자와, 원통 형상으로 형성되고 상기 고정자 내부에 동축으로 설치되며, 내부에 영구자석이 삽입되는 회전자를 포함하여 구성되는 전동모터가 구비되는 차량용 전동 압축기에 있어서, 상기 고정자의 외주면으로부터 요입되고 축방향으로 연장되는 복수의 요홈이 형성되고, 상기 고정자의 외주면까지의 거리와 상기 요홈의 깊이 사이의 비는 0.35 내지 0.45의 범위 내의 값을 갖는다.
그리고 상기 회전자에는 6개의 영구자석이 삽입되고, 상기 권선슬롯은 상기 고정자의 내주면을 따라 일정한 간격으로 27개 구비될 수 있다.
나아가 상기 요홈은, 상기 고정자의 외주면에 5개 내지 9개가 구비될 수 있다.
또한 상기 전동모터는 분포권 방식의 모터로 구비될 수 있다.
본 발명에 의한 차량용 전동 압축기에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
즉, 전동모터 주변에 냉매 유로를 형성하여 냉매의 유동을 원활하게 함으로써, 압축기의 성능이 향상된다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 개략적인 구성을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 횡단면을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 냉매 유로 형성을 위한 요홈의 깊이에 따른 자속밀도와 토크 상수의 변화를 나타낸 그래프.
이하 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기의 바람직한 실시예의 구성을 도면을 참고하여 상세하게 설명하기로 한다.
차량용 전동 압축기는 일반적으로 냉매가 기계 구성의 왕복 운동에 의하여 압축되는 압축부와, 상기 압축부에 역학적 에너지를 전달하는 전동모터, 그리고 전동모터에 전기 에너지를 공급하는 인버터를 포함하여 구성된다.
그러나 본 발명의 요부는 전동모터의 구조에 있고, 나머지 압축기의 구성은 일반적인 차량용 전동 압축기의 구성과 크게 다르지 않으므로, 이하에서는 본 발명에 의한 차량용 전동 압축기의 전동모터를 중심으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 개략적인 구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터의 횡단면을 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 구체적인 실시예에 의한 냉매 유로 형성을 위한 요홈의 깊이에 따른 자속밀도와 토크 상수의 변화를 나타낸 그래프이다.
이들 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 차량 압축기용 전동모터(100)는 대략 원통 형상의 고정자(10)를 포함하여 구성된다. 상기 고정자(10)는 도 2에 도시된 횡단면에서 확인되는 바와 같이, 그 내부가 원통형으로 관통되는 링 형상의 단면을 갖는다.
상기 고정자(10)의 내주면에는 상기 고정자(10)의 관통방향으로 연장되는 복수의 권선슬롯(15)이 형성된다. 상기 권선슬롯(15)에는 코일이 상기 권선슬롯(15)을 따라 그 연장방향으로 권선된다. 상기 권선슬롯(15)의 수는 상기 전동모터(100)의 설계에 따라 달라질 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 27개의 권선슬롯(15)이 일정한 간격으로 구비되는 것으로 한다. 즉, 각각의 권선슬롯(15)은 인접한 권선슬롯(15)과 약 13.33도의 각도를 형성한다.
한편 상기 권선슬롯(15)에 권선된 코일다발은 상기 고정자(10)의 양단에서 외부로 노출되어 엔드턴(20)을 형성한다. 상기 엔드턴(20)은 상기 고정자(10)의 양단에서 상기 고정자(10)로부터 소정길이만큼 노출된다.
그리고 상기 고정자(10)의 외주면에는 커넥터(30)가 고정될 수도 있다. 상기 커넥터(30)는 상기 코일 엔드턴(20)으로부터 연장되는 코일의 말단에 구비되는 복수의 단자들을 감싸 고정하는 역할을 한다.
상기 커넥터(30)는 열가소성 수지 등의 소재로 구성된 하나의 몸체로 형성될 수 있으며 상기 고정자(10)의 외주면에 고정되기 위하여 몸체에서 일체로 연장 형성되는 하나 이상의 돌기를 포함할 수도 있다. 나아가 상기 커넥터(30)는 상기 엔드턴(20)을 간섭하지 않기 위하여 대략 'ㄱ'자 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이 상기 커넥터(30)가 상기 고정자(10)에 고정됨으로써 상기 커넥터(30)가 상기 고정자(10)에 대해 축방향으로 지지되도록 할 수 있다.
이를 위하여 상기 고정자(10)의 외주면 일측에는 상기 커넥터(30)의 몸체를 상기 고정자(10)에 직접 고정시키기 위한 고정슬롯(11)이 형성될 수도 있다. 상기 고정슬롯(11)은 상기 고정자(10)의 외주면으로부터 소정 깊이 요입되어 형성될 수 있으며 도 2에 도시된 바와 같이 상기 고정자(10)의 중심방향에 가까워질수록 그 폭이 증가하는 형상으로 형성되어 상기 고정슬롯(11)에 끼워지는 커넥터(30)가 쉽게 빠지지 않도록 할 수 있다.
한편 상기 고정자(10)의 외주면에는 복수의 요홈(13)이 요입 형성된다. 상기 요홈(13)은 상기 전동모터(100)가 압축기의 모터 하우징(도면 미도시)에 안착된 상태에서 상기 모터 하우징의 내면과 함께 냉매 유로를 형성한다. 그에 따라 냉매가 받는 저항을 감소시켜 압축기 성능을 향상시킨다.
상기 요홈(13)은 도면에 도시된 바와 같이 상기 고정자(10)의 외주면에 축방향으로 길게 연장되어 형성되며, 상기 고정자(10)의 축방향 길이 전체를 따라 형성된다. 상기 요홈(13)은 상기 고정자(10)의 외주면으로부터 대략 D 형상으로 요입된다.
또한 상기 요홈(13)이 이루는 원호각의 크기는 15°내지 30°의 범위 내에서 선택될 수 있다.
한편 도 2에 도시된 것처럼 원통형으로 관통된 상기 고정자(10)의 내부에는 회전자(40)가 설치된다. 이때 도 2에는 코일이 권선되지 않은 전동모터(100)의 단면이 도시되어 있다.
상기 회전자(40)는 상기 고정자(10)가 관통된 공간에 설치되는 원통형 부재로서, 상기 고정자(10)에 권취된 코일에 전류가 흐름에 따라 발생하는 전자기력을 받아 회전할 수 있도록 복수의 영구자석을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 회전자(40)에는 회전축(도면 미도시) 등이 연결되어 압축기 내부에 구비되는 압축부로 회전력을 전달하게 된다.
상기 회전자(40)에는 영구자석이 삽입될 수 있도록 상기 회전자(40)의 회전축에 나란하게 관통 형성되는 복수의 삽입공(41)이 형성된다. 상기 삽입공(41)에는 각각 영구자석이 상기 회전자(40)의 회전축 방향으로 삽입된다. 이때 인접한 삽입공(41)에는 서로 다른 극을 갖는 영구자석(M)을 삽입한다.
이와 같이 영구자석(M)이 상기 회전자(40)의 표면이 아닌 내부에 삽입되도록 하면 마그네틱 토크(Magnetic Torque: 자기장의 배열성과 자기장 세기에 따른 토크)와 더불어 릴럭턴스 토크(Reluctance Torque: 자기저항 변화에 따른 토크)를 이용할 수 있기 때문에 좀 더 적은 전류를 이용하여 동일한 토크를 발생시킬 수 있고, 그에 따라 상기 전동모터(100)의 효율이 높아질 수 있다.
상기 삽입공(41)은 6개의 영구자석이 삽입될 수 있도록 상기 회전자(40)에 일정한 간격으로 6개가 구비될 수 있다. 즉, 인접한 두 개의 삽입공(41)은 서로 120도의 각도를 이룬다.
한편 상기 회전자(40)에는 또한 필요에 따라 복수의 리벳홀(43)이 관통 형성될 수 있고, 상기 리벳홀(43)에는 리벳(도면 미도시)이 끼워질 수 있다. 나아가 상기 회전자(40)에는 상기 회전자(40)를 회전축 방향으로 관통하는 수 개의 통공(45)이 형성될 수 있다. 상기 통공(45)에는 다른 장치나 구성이 삽입되지 않는다.
그리고 상기 회전자(40)의 중앙에는 압축기의 압축부로 상기 회전자(40)의 회전력을 전달하기 위한 회전축이 설치되는 축공(47)이 관통 형성된다.
이와 같은 구성의 전동모터(100)에서는, 영구자석 6개를 구성하여 상기 전동모터(100)의 효율을 극대화함과 동시에 인버터의 스위칭 주파수를 고려한 최적의 극수를 제공하며, 6개의 영구자석에 대응하여 무부하 역기전력의 왜율(Total Harmonic Distortion)을 최소화할 수 있는 수인 27개의 권선슬롯(15)이 구비되도록 할 수 있다.
또한 위와 같은 6개의 영구자석과 27개의 권선슬롯(15)의 조합은 코깅 토크(Cogging Torque)를 최소화하는데, 코깅 토크는 상기 전동모터(100)에 전원인가되지 않은 상태에서 상기 회전자(40)가 회전될 때 상기 고정자(10)의 슬롯에 권취된 코일과 상기 회전자(40)의 영구자석(M) 사이의 상호작용에 기인한 것으로서, 이는 전원을 인가하여 상기 회전자(40)에 가하고자 하는 토크 성분이 아니므로 그 수치가 낮을수록 상기 회전자(40)의 회전을 제어하기 용이하다.
나아가 위와 같이 코깅 토크를 최소화하면 전원 인가 시에 발생되는 토크 리플(Torque Ripple: 토크의 진동)도 감소하여 무부하 역기전력이 정현파에 가까워지며, 그에 따라 인버터의 상기 전동모터(100)에 대한 제어성능이 향상되고, 상기 전동모터(100)에서 발생되는 진동이나 소음도 감소한다.
한편 상기 요홈(13)은 위에서 설명한 바와 같이 냉매 유로의 저항을 감소시켜 압축기의 성능을 향상시키는데, 상기 권선슬롯(15)의 최외측으로부터 상기 고정자(10)의 외주면까지의 거리(Ly)와 상기 요홈(13)의 깊이(Ld) 사이의 비(Ld/Ly)의 값의 변화에 따라 압축기의 성능 또한 달라진다.
즉, 도 3의 상단에 도시된 그래프에서 보는 바와 같이 상기 고정자(10)의 외주면까지의 거리(Ly)와 상기 요홈(13)의 깊이(Ld) 사이의 비(Ld/Ly)가 증가할수록 자속밀도(Yoke Flux Density)가 함께 증가하는데, 비(Ld/Ly)가 약 0.40이 될 때 0.35mm두께의 강판을 겹쳐 형성한 고정자를 기준으로 한 포화자속밀도 1.6T가 넘기 시작한다. 따라서 상기 고정자(10)의 외주면까지의 거리(Ly)와 상기 요홈(13)의 깊이(Ld) 사이의 비(Ld/Ly)는 0.35 내지 0.45 범위 내의 값을 갖도록 조절한다.
그리고 도 3의 하단에 도시된 그래프에서 보는 바와 같이 상기 고정자(10)의 외주면까지의 거리(Ly)와 상기 요홈(13)의 깊이(Ld) 사이의 비(Ld/Ly)가 약 0.4가 되는 지점에서 토크 상수가 급격하게 하강하기 시작한다. 그러므로 상기 고정자(10)의 외주면까지의 거리(Ly)와 상기 요홈(13)의 깊이(Ld) 사이의 비(Ld/Ly)를 상술한 바와 같이 0.35 내지 0.45 범위 내에서 조절함으로써 토크 상수가 저하되는 것도 방지한다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
100: 전동모터 10: 고정자
11: 고정슬롯 13: 요홈
15: 권선슬롯 20: 엔드턴
30: 커넥터 40: 회전자
41: 삽입공 43: 리벳홀
45: 통공 47: 축공

Claims (4)

  1. 원통 형상으로 형성되고, 내부가 축방향으로 관통되며, 그 내주면에는 축방향에 평행하게 연장되어 내부에 코일이 권선되는 복수의 권선슬롯(15)이 형성되는 고정자(10)와, 원통 형상으로 형성되고 상기 고정자(10) 내부에 동축으로 설치됨과 더불어 복수의 판형 영구자석(M)을 가지는 회전자(40)를 포함하여 구성되는 전동모터(100)가 구비되는 차량용 전동 압축기에 있어서,
    상기 회전자(40)의 내부인 상기 회전자(40)의 외표면과 회전자(40)의 중앙에 형성되는 축공(47)과의 사이에는 6개의 삽입공(41)이 상기 회전자의 원주 방향을 따라 각각 형성됨과 더불어 상기 영구자석(M)은 6개로 제공되면서 그 각각이 상기 각 삽입공(41) 내에 삽입되고,
    상기 권선슬롯(15)은 상기 고정자(10)의 내주면을 따라 27개 구비되며,
    상기 고정자(10)의 외주면으로부터 요입되고 축방향으로 연장되는 복수의 요홈(13)이 형성되고, 상기 고정자(10)에 형성된 권선슬롯(15)의 끝단으로부터 고정자(10)의 외주면까지의 거리(Ly)와 상기 요홈(13)의 깊이(Ld) 사이의 비(Ld/Ly)는 0.35 내지 0.45의 범위 내의 값을 가지도록 이루어짐을 특징으로 하는 차량용 전동 압축기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 요홈(13)은, 상기 고정자(10)의 외주면에 5개 내지 9개가 구비됨을 특징으로 하는 상기 차량용 전동 압축기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전동모터(100)는 분포권 방식임을 특징으로 하는 차량용 전동 압축기.
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