KR101378065B1 - 자동차용 교류발전기의 스풀 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 관한 것으로, 특히 종래 네크부에 집중되었던 응력을 스풀 이어 전체로 분산시킴으로써 자동차용 교류발전기 전체의 수명을 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 관한 것이다.

본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 스풀 구조는, 스풀 보빈의 슬립 링 쪽 상면에 스풀 이어가 형성되되 상기 스풀 이어가 상기 스풀 보빈의 외측으로 돌출된 부분의 중간 영역에는 양측으로부터 오목하게 만입된 네크부가 형성되고, 상기 스풀 보빈 위로 돌출된 스풀 이어의 외주면을 따라서는 요홈부가 형성되며, 상기 로터 코일의 일단이 상기 요홈부를 따라 감긴 후 상기 네크부에 적어도 일회전 이상 감겨서 외부로 인출되고, 따라서 로터 코일로부터 가해지는 하중이 스풀 이어 전체로 분산되기 때문에 내구성이 향상된다.

자동차용 교류발전기, 스풀, 스풀 이어, 로터 코일

Description

자동차용 교류발전기의 스풀 구조{Spool structure of alternator for vehicle}

본 발명은 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 관한 것으로, 특히 종래 네크부에 집중되었던 응력을 스풀 이어 전체로 분산시킴으로써 자동차용 교류발전기 전체의 수명을 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 관한 것이다.

일반적으로 자동차용 발전기는, 저속에서는 발생 전압을 높게 하고 고속에서는 안정된 성능을 발휘할 수 있도록 하기 위해, 통상 알터네이터(alternator)라 명칭되는 3상 교류발전기를 사용하게 된다. 이러한 자동차용 3상 교류발전기인 알터네이터는 차량 엔진의 동력축인 크랭크축과 V-벨트로 연결된 상태에 있고, 따라서 엔진 회전시 그 동력을 전달받아 배터리를 충전시키거나 또는 자동차의 각종 전기장치에 전력을 공급하는 역할을 수행하게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 자동차용 교류발전기를 개략적으로 나타내는 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 자동차용 교류발전기(100)는 프론트 하우징(front housing,111)과 리어 하우징(rear housing,110) 사이에 스테이터 코어(stator core,112)와 스테이터 코일(stator coil,113)로 구성되는 스테이터 어셈블리(stator assembly,114)가 압입설치된다. 그리고 이의 내측으로는 프론트 하우징(111)과 리어 하우징(110)에 압입된 베어링(bearing,115)에 의하여 지지되는 로터 샤프트(rotor shaft,116)가 구비된다.

상기 로터 샤프트(116)의 중간에는 로터 코일(117)이 권취된 스풀 보빈(spool bobbin,119)이 압입되는데, 상기 스풀 보빈(119)에 권취된 로터 코일(117)의 일단(117a)은 상기 로터 샤프트(116)의 후방에 구비된 슬립링(slip ring,118)과 각각 연결된다. 그리고 상기 스풀 보빈(119)의 외측에는 축방향으로 다수개의 로터 폴(120)을 갖는 로터 세그먼트(rotor segment,122)가 결합되어 스풀 보빈(119)을 수용하는 구성으로서 로터 어셈블리(124)가 구비된다. 즉, 상기 로터 어셈블리(124)의 구성은 상기 로터 샤프트(116)을 중심으로, 로터 코일(117), 로터 세그먼트(111), 스풀 보빈(119) 및 후방에 구비되는 리어 팬(rear fan,130)으로 이루어진다.

상기 슬립링(118)은, 상기 스테이터 어셈블리(114)와 상기 로터 어셈블리(124) 사이의 전자기 유도에 의하여 발생된 교류전류를 직류로 전환시키는 정류기(rectifier,126)와 브러쉬 어셈블리(121)를 통하여 전기적으로 연결된다. 상기 슬립링(118)의 구성은 이미 잘 알려진 바와 같이, 그 사이가 전기적으로 절연된 튜브 형상의 두 개의 도전성 금속편으로 이루어지며, 상기 스풀 보빈(119)에 권취된 로터 코일(117)의 일단(117a)이 상기 슬립링(118)의 두 개의 도전성 금속편에 각각 연결되는 것이다. 일반적으로 상기 로터 코일(117)의 일단(117a)은, 상기 슬립링(118)의 내측으로부터 인출된 두 개의 리드 와이어(118a)와 상기 리어 팬(130) 상에서 각각 연결된다.

상기 스풀 보빈(119)으로부터 인출된 로터 코일(117)의 일단(117a)은, 고속으로 회전하는 로터 샤프트(116)에 의해 발생된 진동과 원심력을 받더라도 그 초기 위치를 어느 정도 유지할 수 있도록 스풀 보빈(119) 상에 지탱되어야 한다. 이는 만일 로터 코일(117)의 일단(117a)이 움직여 로터 세그먼트(122)와 전기적 쇼트(short)를 일으키는 경우, 자동차용 교류발전기(100) 전체에 전기적 단락을 일으키게 되기 때문이다.

도 2 및 도 3은 종래의 기술에 따라, 로터 코일(117)의 일단(117a)을 스풀 보빈(119) 상에 지탱하는 구성을 도시하고 있다. 도 2와 도 3을 참조하면, 종래의 기술은 스풀 보빈(119)의 후방 상면에 스풀 이어(spool ear, 125)를 형성하고 여기에 로터 코일(117)의 일단(117a)을 한 번 감아서 인출하는 방식을 취하고 있다. 즉 상기 스풀 이어(125)를 스풀 보빈(119)의 외측으로 돌출 형성하는데, 이때 상기 돌출된 부분의 중간쯤에 양측으로부터 오목하게 만입된 네크부(neck portin,125a)를 만들고 여기에 상기 로터 코일(117)의 일단(117a)을 한 번 감은 후 리어 팬(130) 위로 인출하고 있다.

그러나 이와 같은 종래 방식에 따라 로터 코일(117)의 일단(117a)을 지탱하는 방식은 내구성 측면에서 신뢰성이 떨어진다는 문제점이 있다. 즉 위와 같은 종래의 지탱 구조는, 진동과 원심력을 받는 로터 코일(117)의 일단(117a)이 네크부(125a)에 지속적으로 힘을 가하기 마련인데, 특히 오목하게 파인 형상을 갖는 네크부(125a)는 그 구조상 상대적으로 큰 응력이 집중될 수밖에 없어 내구적인 측면에서 취약하다는 문제가 있는 것이다.

따라서 본 발명은, 종래 네크부에 집중되었던 응력을 스풀 이어 전체로 분산시킴으로써 자동차용 교류발전기 전체의 수명을 향상시킬 수 있도록 하는 새로운 자동차용 교류발전기의 스풀 구조를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 스풀 구조는, 스테이터 코어와 스테이터 코일로 이루어지고, 프론트 하우징과 리어 하우징 사이에 압입설치되는 스테이터 어셈블리;와 상기 스테이터 어셈블리의 내측으로 회전가능하게 설치된 로터 샤프트와, 상기 로터 샤프트 일단 외주에 결합된 슬립 링과, 상기 로터 샤프트의 중간에 압입된 로터 코일이 권취된 스풀 보빈과, 축방향으로 다수개의 로터 폴을 갖고 상기 스풀 보빈을 수용하도록 상기 스풀 보빈의 외측에 배치되는 로터 세그먼트와, 상기 슬립 링 쪽 로터 세그먼트의 상면에 고정된 리어 팬으로 이루어지는 로터 어셈블리;를 포함하는 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 있어서, 상기 스풀 보빈의 슬립 링 쪽 상면에 스풀 이어가 형성되되 상기 스풀 이어가 상기 스풀 보빈의 외측으로 돌출된 부분의 중간 영역에는 양측으로부터 오목하게 만입된 네크부가 형성되고, 상기 스풀 보빈 위로 돌출된 스풀 이어의 외주면을 따라서는 요홈부가 형성되며, 상기 로터 코일의 일단이 상기 요홈부를 따라 감긴 후 상기 네크부에 적어도 일회전 이상 감겨서 외부로 인출되는 것을 특징으로 한다.

특히 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 스풀 구조는, 상기 요홈부를 따라 감긴 상기 로터 코일의 일단이 상기 네크부의 저면을 따라 반회전 감긴 후에 다시 동일한 회전방향으로 일회전 더 감겨서 외부로 인출되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 스풀 이어의 상면에는 상기 요홈부를 따라 돌출형성된 날개부가 더 구비될 수 있는데, 상기 스풀 이어의 높이(B)는 상기 날개부의 돌출길이(A)보다 크거나 같도록 하는 것이 바람직하다.

종래의 기술에 의하면 스풀 보빈의 후방 상면에 형성된 스풀 이어의 네크부에 로터 코일을 한 번 감아서 인출하는 방식을 취하고 있었기 때문에 상기 네크부에 응력이 집중되는 구조를 가지고 있음에 비하여, 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 스풀 구조는, 상기 스풀 보빈의 슬립 링 쪽 상면, 즉 후방 상면에 스풀 이어를 형성하고 상기 스풀 이어가 상기 스풀 보빈의 외측으로 돌출된 부분의 중간 영역에 양측으로부터 오목하게 만입된 네크부를 그리고 상기 스풀 보빈 위로 돌출된 스풀 이어의 외주면을 따라서는 요홈부를 형성하고, 상기 로터 코일의 일단을 상기 요홈부를 따라 감은 후에 상기 네크부에 적어도 일회전 이상 감아서 외부로 인출하기 때문에, 상기 로터 코일이 가하는 외력이 스풀 이어의 전체로 분산됨으로써 그 내구성이 크게 향상된다는 효과를 가진다.

이하 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 스풀 구조의 일실시예에 관하여 상세히 설명한다. 다만 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하게 하지 않기 위하여 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 자동차용 교류발전기(200)의 전체적인 구성은, 도 4에 도시된 바와 같이, 종래의 자동차용 교류발전기(100)와 많은 부분에서 유사하다.

즉, 본 발명의 자동차용 교류발전기(200)는 스테이터 코어(212)와 스테이터 코일(213)로 이루어지고, 프론트 하우징(211)과 리어 하우징(210) 사이에 압입설치되는 스테이터 어셈블리(214);와 상기 스테이터 어셈블리(214)의 내측으로 회전가능하게 설치된 로터 샤프트(216)와, 상기 로터 샤프트(216) 일단 외주에 결합된 슬립 링(218)과, 상기 로터 샤프트(216)의 중간에 압입된 로터 코일(217)이 권취된 스풀 보빈(219)과, 축방향으로 다수개의 로터 폴(220)을 갖고 상기 스풀 보빈(219)을 수용하도록 상기 스풀 보빈(219)의 외측에 배치되는 로터 세그먼트(222)와, 상기 슬립 링(218) 쪽 로터 세그먼트(222)의 상면에 고정된 리어 팬(230)으로 이루어지는 로터 어셈블리(224);를 포함하여 이루어진다.

여기에서 본 발명의 자동차용 교류발전기(200)와 종래의 자동차용 교류발전기(100)가 구성상에 차이를 가지는 부분은, 상기 스풀 보빈(219)으로부터 인출된 로터 코일(217)의 일단(217a)을 스풀 보빈(219) 상에 지탱하는 구조에 있다. 따라서 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기(200)의 실시예를 설명함에 있어서 그 요지를 보다 명확히 하고자, 종래의 자동차용 교류발전기(100)와 공통되는 구성에 대해서는 세세한 설명을 생략하기로 하며, 이하에서는 스풀 보빈(219)으로부터 인출된 로터 코일(217)의 일단(217a)을 스풀 보빈(219) 상에 지탱하는 구조에 관하여 상세히 설명하기로 한다.

도 5에 상세히 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기(200)의 스풀 구조는, 상기 스풀 보빈(219)의 슬립 링(218) 쪽 상면, 다시 말하면 자동차용 교류발전기(200)의 후방 상면에 로터 코일(217)의 일단(217a)을 각각 지탱할 두 개의 스풀 이어(225)가 형성되는데, 이때 상기 스풀 이어(225)가 상기 스풀 보빈(219)의 외측으로 돌출된 부분의 중간 영역에는 양측으로부터 오목하게 만입된 네크부(225a)가 형성되어 있고, 상기 스풀 보빈(219) 위로 돌출된 스풀 이어(225)의 외주면을 따라서는 요홈부(225b)가 형성되어 있다.

상기와 같은 구조를 가진 스풀 이어(225)에는 새로운 방식에 따라 로터 코일(217)의 일단(217a)이 감겨야 하는데, 이는 상기 요홈부(225b)의 구성에 기인한다. 즉, 상기 스풀 보빈(219)로부터 나온 로터 코일(217)의 일단(217a)은 상기 스풀 이어(225)의 요홈부(225b)를 따라 먼저 감긴 후에 상기 네크부(225a)에 적어도 일회전 이상 감겨서 외부로 인출되는데, 이때 상기 요홈부(225b)를 따라 감긴 상기 로터 코일(217)의 일단(217a)이 상기 네크부(225a)의 저면을 따라 반회전 감긴 후 에 다시 동일한 회전방향으로 일회전 더 감겨서 외부로 인출되는 것이 바람직하다.

결국 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기(200)의 스풀 구조는, 대체적으로 U-형상을 가지는 요홈부(225b)를 따라 로터 코일(217)의 일단(217a)이 먼저 감기고, 그 다음에 네크부(225a)를 따라 적어도 일회전 이상 감겨서 외부로 인출되기 때문에, 결과적으로 상기 로터 코일(217)의 일단(217a)이 스풀 이어(225)를 전체적으로 감싸면서 감기는 구조를 가진다. 따라서 구조적으로 취약한 네크부(225a)에 하중이 집중되지 않고 스풀 이어(225)의 전체로 하중이 분산된다.

또한 상기 스풀 이어(225)의 상면에는 상기 요홈부를 따라 돌출형성된 날개부(225c)가 더 구비될 수 있는데, 상기 날개부(225c)는 상기 요홈부(225b)에 감긴 로터 코일(217)의 일단(217a)이 이탈되는 것을 효과적으로 방지하기 위함이다.

여기에서, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 스풀 이어의 높이(B)가 상기 날개부의 돌출길이(A)보다 크거나 같도록 상기 날개부(225c)의 돌출길이(A)를 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 자동차용 교류발전기(200)의 스풀 구조가 종래 기술의 경우에 비하여 그 내구성이 향상되었다는 것은 다음의 시뮬레이션 결과로부터 확인되었다.

시뮬레이션은 두 개의 모델, 즉 종래의 스풀 구조와 본 발명에 따른 스풀 구조 각각에 대하여, 스풀 이어(125,225)와 로터 코일(117,217)의 일단(117a,217a)의 접촉조건을 부여하고, 상기 로터 코일(117,217)의 한쪽 끝을 고정하고 다른 쪽 끝에 로터 코일(117,217)의 슬립 효과에 해당되는 5㎜의 변위를 부여하는 경계조건을 설정하였다. 이와 같은 경계조건 하에서, 상기 두 개 모델에 대한 응력(stress)과 변형량(deformation) 및 변형률(strain)을 해석한 결과는 다음과 같다.

<본 발명과 종래기술 각각에 대한 모델을 시뮬레이션한 해석 결과>

모델	응력(MPa)	변형량(㎜)	변형률
종래기술	47.460	0.744368	0.849668
본 발명	46.766	0.467365	0.218241

이와 같은 해석결과에 따르면, 두 모델은 응력값에서는 비슷한 결과를 보이나, 변형량 및 변형률 결과를 고려한다면 본 발명은 종래기술에 비하여 변형량 면에서는 37.2%, 변형률 면에서는 74.3% 정도의 개선효과를 가짐을 알 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 자동차용 교류발전기의 단면도.

도 2는 도 1에 도시된 자동차용 교류발전기의 스풀 구조를 도시한 도면.

도 3은 도 2에 도시된 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 있어서 로터 코일이 스풀 이어에 감긴 상태를 상세히 도시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 단면도.

도 5는 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 있어서 로터 코일이 스풀 이어에 감긴 상태를 상세히 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 포함된 스풀 이어에 관한 단면도.

** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **

200 : 자동차용 교류발전기 210 : 리어 하우징

211 : 프론트 하우징 212: 스테이터 코어

213 : 스테이터 코일 214 : 스테이터 어셈블리

216 : 로터 샤프트 217 : 로터 코일

217a : 로터 코일의 일단 218 : 슬립 링

219 : 스풀 보빈 220 : 로터 폴

222 : 로터 세그먼트 224 : 로터 어셈블리

225 : 스풀 이어 225a : 네크부

225b : 요홈부 225c : 날개부

230 : 리어 팬

A : 날개부의 돌출길이

B : 스풀 이어의 높이

Claims (4)

1. 스테이터 코어와 스테이터 코일로 이루어지고, 프론트 하우징과 리어 하우징 사이에 압입설치되는 스테이터 어셈블리;와 상기 스테이터 어셈블리의 내측으로 회전가능하게 설치된 로터 샤프트와, 상기 로터 샤프트 일단 외주에 결합된 슬립 링과, 상기 로터 샤프트의 중간에 압입된 로터 코일이 권취된 스풀 보빈과, 축방향으로 다수개의 로터 폴을 갖고 상기 스풀 보빈을 수용하도록 상기 스풀 보빈의 외측에 배치되는 로터 세그먼트와, 상기 슬립 링 쪽 로터 세그먼트의 상면에 고정된 리어 팬으로 이루어지는 로터 어셈블리;를 포함하는 자동차용 교류발전기의 스풀 구조에 있어서,

   상기 스풀 보빈의 슬립 링 쪽 상면에 스풀 이어가 형성되되 상기 스풀 이어가 상기 스풀 보빈의 외측으로 돌출된 부분의 중간 영역에는 양측으로부터 오목하게 만입된 네크부가 형성되고, 상기 스풀 보빈 위로 돌출된 스풀 이어의 외주면을 따라서는 요홈부가 형성되며, 상기 로터 코일의 일단이 상기 요홈부를 따라 감긴 후 상기 네크부에 적어도 일회전 이상 감겨서 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 자동차용 교류발전기의 스풀 구조.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 요홈부를 따라 감긴 상기 로터 코일의 일단이 상기 네크부의 저면을 따 라 반회전 감긴 후에 다시 동일한 회전방향으로 일회전 더 감겨서 외부로 인출되는 것을 특징으로 하는 자동차용 교류발전기의 스풀 구조.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 스풀 이어의 상면에는 상기 요홈부를 따라 돌출형성된 날개부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 자동차용 교류발전기의 스풀 구조.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 스풀 이어의 높이(B)가 상기 날개부의 돌출길이(A)보다 크거나 같은 것을 특징으로 하는 자동차용 교류발전기의 스풀 구조.

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