KR101407999B1

KR101407999B1 - 차량용 모터 냉각장치

Info

Publication number: KR101407999B1
Application number: KR1020120128606A
Authority: KR
Inventors: 김성철; 김대건; 신윤혁; 임동현
Original assignee: 자동차부품연구원
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-11-14
Publication date: 2014-06-19
Also published as: KR20140062229A

Abstract

본 발명은 차량용 모터 냉각장치에 관한 것으로, 내부에 로터와 스테이터가 설치되는 모터의 전방에 설치되는 제1 냉각팬, 상기 모터의 후방에 설치되는 제2 냉각팬 및 상기 모터의 전면과 후면에 각각 결합되는 제1 및 제2 브래킷을 포함하고, 상기 제1 냉각팬은 축류형 냉각팬이며, 상기 제2 냉각팬은 원심형 냉각팬인 구성을 마련한다.
상기와 같은 차량용 모터 냉각장치를 이용하는 것에 의해, 본 발명은 차량용 모터의 전단부 및 후단부뿐만 아니라, 모터 내부에 마련된 로터와 스테이터에 공기를 공급해서 냉각할 수 있다.

Description

차량용 모터 냉각장치{MOTOR COOLING APPARATUS FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 모터 냉각장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터 내부의 공기 유동을 이용해서 모터 내부를 냉각하는 차량용 모터 냉각장치에 관한 것이다.

최근 고갈되어 가는 화석연료와 증가하는 온실가스 배출로 인한 기후변화에 의하여 고효율 고연비 차량의 요구가 증가하고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 전기, 전자 시스템, 특히 모터를 이용한 전동화 부품의 개발이 진행되고 있다.

차량에는 직접 차량을 구동하거나 보조역할을 하는 구동용 모터 이외에도 ISG(Idle Stop and Go 또는 Integrated Starter and Generator), 발전기, 조향장치, 압축기 등에 모터가 널리 적용되고 있으며, 이러한 모터의 사용은 점차 늘어날 것으로 판단된다.

한편, 모터는 동손, 철손, 기계손 등의 손실로 인해 열을 발생하게 된다.

동손은 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 저항손실이며, 철손은 전기자 철심 내에서 자화의 방향이 교번적으로 변하여 철심 내부에서 생기는 손실로서 히스테리시스 손실과 와전류 손실로 구분된다.

일반적으로 모터가 설치되는 위치는 차량에서 엔진룸과 같이 외부 환경조건이 가혹하여 모터 발열과 엔진룸에서 전달되어 오는 열이 모터의 수명과 성능에 악영향을 줄 수 있으므로, 모터를 적절하게 냉각하기 위한 기술의 개발이 요구된다.

이에 따라, 본 출원인은 차량용 모터의 냉각장치와 관련된 기술을 대한민국 특허 등록번호 제10-1091146호(2011년 12월 9일 공고, 이하 '특허문헌 1'이라 함), 대한민국 특허 등록번호 제10-1079171호(2011년 11월 2일 공고, 이하 '특허문헌 2'라 함) 등에 개시하여 등록받은 바 있다.

한편, 종래기술에 따른 공냉식 차량용 모터 냉각장치는 원심형 냉각팬을 이용해서 냉각 효율을 향상시키는 기술이 적용되고 있다.

도 1은 종래기술에 따른 공냉식 차량용 모터 냉각장치의 단면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 공냉식 차량용 모터 냉각장치는 한 쌍의 원심형 냉각팬(2)을 이용하여 순환되는 외부공기를 통해 모터(1) 내부를 냉각한다.

하지만, 종래기술에 따른 공냉식 차량용 모터 냉각장치는 냉각팬(2) 주위에서의 강제대류에 의한 방열이 지배적일 뿐, 모터 내부에서의 공기 유동이 거의 없어 모터 내부에서의 냉각효과를 크게 기대할 수 없는 문제점이 있었다.

특히, 종래기술에 따른 공냉식 차량용 모터 냉각장치는 모터의 고부하 구동시 모터 중앙부에서 열 집중현상이 발생하여 모터의 열적 손상 및 고장이 발생하는 문제점이 있었다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1091146호(2011년 12월 9일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-1079171호(2011년 11월 2일 공고)

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 차량용 모터 내부에서의 공기 유동을 이용해서 모터 내부를 냉각하는 차량용 모터 냉각장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 차량용 모터의 냉각효율을 향상시킬 수 있는 차량용 모터 냉각장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 내부에 로터와 스테이터가 설치되는 모터의 전방에 설치되는 제1 냉각팬, 상기 모터의 후방에 설치되는 제2 냉각팬 및 상기 모터의 전면과 후면에 각각 결합되는 제1 및 제2 브래킷을 포함하고, 상기 제1 냉각팬은 축류형 냉각팬이며, 상기 제2 냉각팬은 원심형 냉각팬이다.

상기 제1 브래킷의 전면에는 상기 제1 냉각팬의 동작에 의해 모터 전방의 공기를 모터 내부로 흡입하는 흡기구가 형성되고, 상기 로터에는 상기 흡기구를 통해 흡입된 공기가 이동하는 제1 냉각홀이 형성되며, 상기 제2 브래킷의 외주면에는 공기를 원심방향으로 배출하는 배기공이 형성될 수 있다.

상기 스테이터에는 상기 흡기구를 통해 흡입된 공기가 이동하는 제2 냉각홀이 형성될 수 있다.

상기 제1 냉각홀과 제2 냉각홀 중 어느 하나 이상에는 딤플이나 냉각 핀이 형성될 수 있다.

상기 제1 냉각홀과 제2 냉각홀은 각각 상기 로터의 중심축과 나란한 직선 형태로 형성될 수 있다.

상기 제1 냉각홀은 상기 로터의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루는 사선이나 유선 형태로 형성될 수 있다.

상기 제1 브래킷의 외주면에는 상기 흡기구를 통해 흡입된 공기 중에서 일부를 외부로 배출하는 배기구가 형성될 수 있다.

상기 제2 브래킷의 후면에는 상기 제2 냉각팬의 동작에 의해 모터 외부의 공기를 흡입하는 흡기공이 형성될 수 있다.

상기 제1 냉각팬은 상기 로터의 전단부에 결합되는 링부와 상기 링부의 외주면에 방사형으로 경사지게 설치되는 다수의 블레이드를 포함하고, 상기 제2 냉각팬은 상기 로터의 후단부에 결합되도록 중앙부에 결합공이 형성되는 원판부 및 상기 원판부의 외주면에 상기 로터의 중심축 방향을 따라 방사형으로 설치되는 다수의 날개를 포함할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 차량용 모터 내부에서의 공기 유동을 이용해서 모터 내부를 냉각할 수 있다.

즉, 본 발명은 차량용 모터의 양단에 각각 축류형 냉각팬과 원심형 냉각팬을 설치함에 따라 차량용 모터의 전단부 및 후단부뿐만 아니라, 모터 내부에 마련된 로터와 스테이터에 공기를 공급해서 냉각할 수 있다.

그리고 본 발명은 로터 및 스테이터에 공기가 이동할 수 있는 유로를 형성함으로써, 차량용 모터의 고부하 구동시 모터 중앙부에서 열 집중현상이 발생하는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

특히, 본 발명은 고속으로 회전운동하는 로터 내부에 사선이나 유선 형태의 냉각홀을 형성함으로써, 공기의 이동유로에서 유동을 최대화하여 냉각 효율을 증대할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 차량용 모터 내부를 냉각하여 모터의 냉각효율을 향상시키고, 모터의 열적 손상 및 고장을 방지하는 효과를 가진다.

도 1은 종래기술에 따른 공냉식 차량용 모터 냉각장치의 단면도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 모터 냉각장치의 사시도, 도 3은 도 2에 도시된 차량용 모터 냉각장치의 분해 사시도,
도 4는 도 2에 도시된 모터 내부에 설치되는 로터를 보인 부분절결 사시도,
도 5는 도 4에 도시된 로터의 변형예를 보인 예시도,
도 6은 도 2에 도시된 차량용 모터 냉각장치의 냉각 동작을 보인 동작 상태도.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 모터 냉각장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 모터 냉각장치의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 차량용 모터 냉각장치의 분해 사시도이다.

그리고 도 4는 도 2에 도시된 모터 내부에 설치되는 로터를 보인 부분절결 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 로터의 변형예를 보인 예시도이다.

또 도 6은 도 2에 도시된 차량용 모터 냉각장치의 냉각 동작을 보인 동작 상태도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예예 따른 차량용 모터 냉각장치는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 내부에 로터(11)와 스테이터(12)가 설치되는 모터(10)의 전방에 설치되는 제1 냉각팬(20), 모터(10)의 후방에 설치되는 제2 냉각팬(30) 및 모터(10)의 전면과 후면에 각각 결합되는 제1 및 제2 브래킷(40,50)을 포함한다.

모터(10)는 하우징이 없는 하우징리스 타입으로 제작되고, 원통 형상의 코어와 코어에 감기는 코일로 이루어지는 스테이터(12) 및 스테이터(12)의 중앙부에 설치되어 코일에서 발생하는 전자기력에 의해 회전운동하는 로터(11)를 포함한다.

로터(11) 및 스테이터(12)의 내부에는 각각 도 4에 도시된 바와 같이, 모터(10) 내부로 유입된 공기를 모터(10)의 후방으로 이동시켜 토출함으로써, 로터(11) 및 스테이터(12)를 냉각하는 제1 냉각홀(13) 및 제2 냉각홀(14)이 형성될 수 있다.

이러한 제1 냉각홀(13) 및 제2 냉각홀(14)은 모터(10)의 전자기 성능에 방해가 되지 않는 영역에만 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 냉각홀(13)은 로터(11)의 중심축과 나란하게 직선 형태로 다수 개가 형성될 수 있다.

하지만, 본 발명은 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

즉, 본 발명은 제1 및 제2 냉각팬(20,30)에 의해 발생되는 공기의 유동을 최대화하여 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 제1 냉각홀(11)의 형상, 크기 및 배치를 다양하게 변경할 수 있다.

예를 들어, 본 발명은 공기의 유동방향과 동일한 방향으로 반력을 형성해서 공기 유동을 최대화할 수 있도록, 도 5에 도시된 바와 같이 고속으로 회전운동하는 로터(11)의 외주면에 형성되는 제1 냉각홀(13)을 각각 상기 로터(11)의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루는 사선 또는 유선 형태로 형성하도록 변경될 수 있다.

한편, 스테이터(12)는 고정된 부분이므로, 스테이터(12)에 형성되는 제2 냉각홀(14)은 직선 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

또 제1 냉각홀(13)과 제2 냉각홀(14)에는 각 냉각홀 내부에서의 난류 효과를 향상시키고, 각 냉각홀을 따라 이동하는 공기와의 열교환 면적을 증대할 수 있도록 딤플(dimple)이나 냉각 핀(colling fin)이 형성될 수도 있다.

이러한 로터(11)에는 로터(11)의 회전력을 구동하고자 하는 대상물에 전달하는 회전축(15)이 연결된다.

제1 냉각팬(20)은 회전축(15)의 전단부에 설치되어 로터(11)의 회전에 의해 회전운동하여 모터(10) 외부의 공기를 모터(10) 내부로 공급하는 역할을 한다.

특히, 제1 냉각팬(20)은 모터(10)의 중심축 방향으로 공기를 공급하는 축류형 냉각팬(axial-flow fan)으로 마련될 수 있다.

이러한 제1 냉각팬(20)은 도 3에 도시된 바와 같이, 회전축(15)에 결합되는 링부(21)와 링부(21)의 외주면에 방사형으로 경사지게 설치되는 다수의 블레이드(22)를 포함할 수 있다.

제2 냉각팬(30)은 회전축(15)의 후단부에 설치되어 로터(11)의 회전에 의해 회전운동하여 모터(10) 내부에서 로터(11) 및 스테이터(12)와 열교환을 수행한 공기를 모터(10) 외부로 강제 배출함과 동시에 모터(10) 외부의 공기를 흡입하여 모터(10)의 후단부를 냉각하는 역할을 한다.

이러한 제2 냉각팬(30)은 회전축(15)의 후단부에 결합되도록 중앙부에 결합공이 형성되는 원판부(31) 및 원판부(31)의 외주면에 로터(11)의 중심축 방향을 따라 방사형으로 설치되는 다수의 날개(32)를 포함할 수 있다.

제1 브래킷(40)은 모터(10)를 차체에 장착하기 위한 부분으로, 모터(10)의 전면에 결합되고, 제1 브래킷(40)의 내부에는 제1 냉각팬(20)이 설치되는 제1 설치공간이 마련된다.

이를 위해, 제1 브래킷(40)은 후면이 개방된 원통 형상으로 형성될 수 있다.

그리고 제1 브래킷(40)의 전면에는 제1 냉각팬(20)의 동작에 의해 모터(10) 전방의 공기를 모터(10) 내부로 흡입하는 흡기구(41)가 형성되고, 제1 브래킷(40)의 외주면에는 흡기구(41)를 통해 흡입된 공기 중에서 일부가 로터(11) 및 스테이터(12) 전면에 부딪혀 제1 브래킷(40)의 외부로 배출되는 배기구(42)가 형성될 수 있다.

제2 브래킷(50)은 모터(10)를 차체에 장착하기 위한 부분으로, 모터(10)의 후면부에 결합되고, 제2 브래킷(50)의 내부에는 제2 냉각팬(30)이 설치되는 제2 설치공간이 마련된다.

이를 위해, 제2 브래킷(50)은 전면이 개방된 원통 형상으로 형성될 수 있다.

그리고 제2 브래킷(50)의 후면에는 제2 냉각팬(30)의 동작에 의해 모터(10) 외부의 공기를 흡입하는 흡기공(51)이 형성되고, 제2 브래킷(50)의 외주면에는 로터(11) 및 스테이터(12)의 제1 냉각홀(13) 및 제2 냉각홀(14)을 통해 이동하면서 열교환을 수행한 공기 및 흡기공(51)을 통해 흡입되어 제2 브래킷(50)의 내부 공간에서 열교환을 수행한 공기를 원심방향으로 배출하는 배기공(52)이 형성될 수 있다.

다음, 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 차량용 모터 냉각장치의 결합관계 및 작동방법을 상세하게 설명한다.

먼저, 로터(11)와 스테이터(12)를 결합해서 모터(10)를 조립하고, 회전축(15)의 전단과 후단에 각각 제1 및 제2 냉각팬(20,30)을 설치한다.

이때, 로터(11)와 스테이터(12)에 형성된 제1 냉각홀(13)과 제2 냉각홀(14)은 제1 냉각팬(20)에 의해 흡입되는 공기가 제2 냉각팬(30) 측으로 이동할 수 있게 한다.

이어서, 모터(10)의 전면 및 후면에 각각 제1 브래킷(40) 및 제2 브래킷(50)을 결합하여 차량용 모터 냉각장치의 조립을 완료한 후, 제1 및 제2 브래킷(40,50)에 마련된 플랜지부를 이용해서 차체에 장착한다.

이와 같이 장착된 차량용 모터의 코일에 전류가 인가되면, 코일에서 발생하는 전자기력에 의해 로터(11)가 회전하면서 모터(10)가 구동된다.

이때, 회전축(15)의 전단 및 후단에 결합된 제1 및 제2 냉각팬(20,30)이 함께 회전하면서 모터(10) 내부를 냉각한다.

상세하게 설명하면, 축류형 냉각팬으로 마련된 제1 냉각팬(20)이 회전함에 따라, 차량용 모터 외부의 공기가 제1 브래킷(40)의 전면에 형성된 흡기구(41)를 통해 흡입되고, 흡입된 공기는 제1 브래킷(40)의 제1 설치공간 내부에서 열교환을 수행한다.

이때, 제1 설치공간의 공기 중 일부는 로터(11) 및 스테이터(12)의 전면에 부딪혀서 제1 브래킷(40)의 외주면에 형성된 배기구(42)를 통해 배출된다.

그리고 제1 설치공간의 공기 중 나머지는 로터(11) 및 스테이터(12)에 형성된 제1 냉각홀(13)과 제2 냉각홀(14)을 통해 이동하면서 로터(11) 및 스테이터(12)와 열교환을 수행하면서 제2 냉각팬(30) 측으로 이동한다.

한편, 제1 냉각홀(13)이 직선이나 사선 또는 유선 형태로 형성됨에 따라, 본 발명은 제1 및 제2 냉각홀을 통해 이동하는 공기를 이동유로 내부에서 유동시켜 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

이와 함께, 원심형 냉각팬으로 마련된 제2 냉각팬(30)이 회전함에 따라, 제1 냉각홀(13) 및 제2 냉각홀(14)을 통해 이동하면서 열교환을 수행한 공기 및 모터(10)의 후방에서 제2 브래킷(50)의 흡기공(51)을 통해 흡입된 공기가 모터(10)의 후단부를 냉각한 후 제2 브래킷(50)의 배기공(52)을 통해 배출된다.

이에 따라, 본 발명은 차량용 모터의 전단부 및 후단부뿐만 아니라, 모터 내부에 마련된 로터와 스테이터에 공기를 공급해서 냉각함에 따라, 모터의 냉각효율을 향상시키고, 모터의 열적 손상 및 고장을 방지할 수 있다.

한편, 본 발명에 따라 차량용 모터의 모터 양측에 각각 축류형 냉각팬과 원심형 냉각팬을 설치하고 로터에 냉각홀을 형성시킨 모델에 대한 유동 해석을 통하여 내부 유로에서의 유량을 검사하는 실험결과는 다음과 같다.

축류형 냉각팬에서 흡입되는 공기유량은 약 0.01648m³/s이고, 배출되는 공기유량은 약 0.01178m³/s이며, 반면 원심형 냉각팬에서 흡입되는 공기유량은 약 0.00551m³/s이고, 배출되는 공기유량은 약 0.00899m³/s이었다.

그리고 양단 압력차에 의해 로터에 형성된 냉각홀을 통해 이동하는 공기유량은 약 0.00378m³/s이었다.

이때, 로터에는 8개의 냉각홀이 약 1cm의 직경으로 형성된 상태이다.

즉, 로터의 냉각홀을 통해 이동하는 공기유량은 축류형 냉각팬에서 배출되는 공기유량의 약 23%에 해당된다.

한편, 로터 회전력을 이용해서 공기의 이동유로 내부에서 유동을 극대화하기 위해 유로의 방향을 사선으로 한 경우에는 직선 유로형태와 비교하여 냉각홀을 오통해 이동하는 공기유량이 약 2% (0.00377m³/s → 0.00384m³/s) 증가함에 따라, 유로 형태 변경에 따른 차량용 모터의 냉각 성능이 개선되었음을 알 수 있었다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 차량용 모터의 전단부 및 후단부뿐만 아니라, 모터 내부에 마련된 로터와 스테이터에 공기를 공급해서 냉각하는 차량용 모터 냉각장치 기술에 적용된다.

10: 모터 11: 로터
12: 스테이터 13: 제1 냉각홀
14: 제2 냉각홀 15: 회전축
20: 제1 냉각팬 21: 링부
22: 블레이드 30: 제2 냉각팬
31: 원판부 32: 날개
40: 제1 브래킷 41: 흡기구
42: 배기구 50: 제2 브래킷
51: 흡기공 52: 배기공

Claims

내부에 로터(11)와 스테이터(12)가 설치되는 모터(10)의 전방에 설치되는 제1 냉각팬(20),
상기 모터(10)의 후방에 설치되는 제2 냉각팬(30) 및
상기 모터(10)의 전면과 후면에 각각 결합되는 제1 및 제2 브래킷(40,50)을 포함하고,
상기 모터(10)는 하우징리스 타입의 모터로 마련되며,
상기 로터(11)와 스테이터(12)에는 각각 공기가 이동하는 제1 및 제2 냉각홀(13,14)이 형성되고,
상기 제1 냉각팬(20)은 상기 제1 브래킷(40)의 전방에 형성된 흡기구(41)를 통해 흡입된 공기를 제1 브래킷(40)의 외주면에 배기구(42)와 상기 제1 및 제2 냉각홀(13,14)로 공급하는 축류형 냉각팬이며,
상기 제2 냉각팬(30)은 상기 1 및 제2 냉각홀(13,14)을 통해 이동하면서 열교환된 공기와 상기 제2 브래킷(50)의 후면에 형성된 흡기공(51)을 통해 흡입된 외부 공기를 제2 브래킷(50)의 외주면에 형성된 배기공(52)을 통해 원심 방향으로 배출하는 원심형 냉각팬인 것을 특징으로 하는 차량용 모터 냉각장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 냉각홀(13)과 제2 냉각홀(14) 중 어느 하나 이상에는 딤플이나 냉각 핀이 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 냉각홀(13)과 제2 냉각홀(14)은 각각 상기 로터(11)의 중심축과 나란하게 직선 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 냉각장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 냉각홀(13)은 상기 로터(11)의 중심축과 미리 설정된 각도를 이루는 사선이나 유선 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 냉각장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 냉각팬(20)은 상기 로터(11)의 전단부에 결합되는 링부(21)와
상기 링부(21)의 외주면에 방사형으로 경사지게 설치되는 다수의 블레이드(22)를 포함하고,
상기 제2 냉각팬(30)은 상기 로터(11)의 후단부에 결합되도록 중앙부에 결합공이 형성되는 원판부(31) 및
상기 원판부(31)의 외주면에 상기 로터(11)의 중심축 방향을 따라 방사형으로 설치되는 다수의 날개(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 모터 냉각장치.