KR101675229B1 - 차량용 직류 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 새로운 전자계 구조를 가지면서 구동효율이 뛰어난 차량용 직류 모터에 관한 것으로, 커버 어셈블리; 상기 커버 어셈블리와 결합되는 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되는 복수 개의 여자극을 갖는 요크 어셈블리; 상기 여자극과 상호 작용하는 코일들이 감기는 복수 개의 극치를 갖는 아마추어 코어와, 상기 아마추어 코어 상부에 상기 여자극과 대응하여 동일한 개수의 정류자 박막을 갖는 정류자를 포함하는 아마추어 어셈블리; 및 상기 커버 어셈블리 내측에 배치되며, 상기 아마추어 어셈블리가 회전함에 따라 상기 정류자와 선택적으로 접촉되는 브러쉬;를 포함하여 이루어지며, 상기 여자극은 3개의 N극과 3개의 S극이 교대로 배치되며, 상기 극치 및 정류자 박막은 각각 13개가 일정한 각도를 이루며 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 직류 모터{DC MOTOR FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 직류 모터에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 새로운 전자계 구조를 가지면서 구동효율이 뛰어난 차량용 직류 모터에 관한 것이다.
일반적으로 직류 모터는, 내주면에 자석이 배치된 요크(yoke)의 안쪽에 아마추어(armature)가 회전 자유롭게 배치되는 구성으로 이루어져 있다. 상기 아마추어는 회전축으로부터 방사상으로 뻗은 복수의 극치(teeth)를 가지며, 극치와 이웃하는 다른 극치 사이에는 아마추어 코일 권선을 위한 슬롯(slot)이 축방향으로 길게 복수개 형성되어 있다.
슬롯에는 소정간격을 두고 복수의 코일(coil)이 권선되며, 각각의 코일은 상기 아마추어와 소정거리 이격된 회전축에 장치되는 정류자의 정류자 박막에 통전 가능하게 연결되어 있다. 또한 각각의 정류자 박막은 브러쉬(brush)와 통전 가능하게 접속되어 있다.
따라서 상기 브러쉬(brush)로부터 정류자로 전류가 제공되면, 각각의 코일에 전기장이 형성되고, 이처럼 발생된 전기장과 상기 요크에 부착된 자석의 상호작용으로 아마추어 및 정류자가 장치된 상기 회전축이 회전하고 구동력이 발생하게 되는 것이다.
이와 같은 직류 모터는 광범위하고 높은 정밀도의 속도제어가 가능하기 때문에 차량의 제동장치에 사용되는 에이비에스(ABS, Anti-Lock Brake System) 시스템에도 사용될 수 있다.
특히, 최근에는 차량용 직류 모터 시장의 요구에 따라 모터의 소형화와 구동효율의 극대화를 위해 다양한 구조의 모터가 연구 개발되고 있다.
일례로, 대한민국 등록특허 제10-1200505호에서 개시된 직류 모터는 아마추어 코어에 권선된 코일은 정류자가 20개의 정류자 박막으로 구성되며 아마추어 코어는 정류자 박막과 같은 수의 슬롯을 구비하고 있다. 이와 같이 구성된 종래의 직류 모터는 정류자 박막의 수가 20개로서 자석 극수(4개임)의 배수가 되어 모터 구동시 영구자석 사이에 코어 슬롯이 걸려서 코깅 토크에 나쁜 영향을 주게 되며, 이에 따라 모터의 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
이에 본 발명자들은 상술한 실정을 감안하여 보다 높은 효율을 갖으며 모터의 크기를 줄일 수 있는 개선된 차량용 직류 모터를 제안하고자 한다.
본 발명의 목적은 브러쉬의 구조 변경과 함께 새로운 와인딩 패턴을 적용하여 모터의 효율을 극대화시킨 차량용 직류 모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 여자극을 6극으로 형성하여 요크 어셈블리의 두께를 줄임으로써 모터를 소형화하고 동일 크기의 모터 대비 효율이 높은 차량용 직류 모터를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 차량용 직류 모터는,
커버 어셈블리; 상기 커버 어셈블리와 결합되는 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치되는 복수 개의 여자극을 갖는 요크 어셈블리; 상기 여자극과 상호 작용하는 코일들이 감기는 복수 개의 극치를 갖는 아마추어 코어와, 상기 아마추어 코어 상부에 상기 여자극과 대응하여 동일한 개수의 정류자 박막을 갖는 정류자를 포함하는 아마추어 어셈블리; 및 상기 커버 어셈블리 내측에 배치되며, 상기 아마추어 어셈블리가 회전함에 따라 상기 정류자와 선택적으로 접촉되는 브러쉬;를 포함하여 이루어지며,
상기 여자극은 3개의 N극과 3개의 S극이 교대로 배치되며, 상기 극치 및 정류자 박막은 각각 13개가 일정한 각도를 이루며 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서, 상기 브러쉬는 한 쌍의 제1 브러쉬와 제2 브러쉬로 구성되며, 상기 제1 브러쉬와 제2 브러쉬는 서로 180°의 각을 이루고 있으며, 서로 마주보고 있는 상기 여자극을 잇는 축을 기준으로 14° 회전된 상태로 고정 설치될 수 있다.
본 발명에서, 상기 코일은 제1 정류자 박막에서 시작하여 인접하는 제1 극치 및 제2 극치를 한꺼번에 감은 후 제2 정류자 박막과 연결될 수 있다.
본 발명에서, 상기 제1 정류자 박막은 상기 제1 극치의 좌측방향으로 첫 번째 극치의 상부에 위치하는 정류자 박막이고, 상기 제2 정류자 박막은 상기 제2 극치의 우측방향으로 두 번째 극치의 상부에 위치할 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 직류 모터에 의하면, 6극 모터를 구현함에 있어서 개선된 와인딩 패턴을 적용되고, 한쌍의 브러쉬가 180도로 배치되고 여자극 중심부에서 14°의 각도를 갖는 상태에서 모터가 정상 회전하도록 함으로써, 모터의 사이즈를 소형화함과 동시에 출력 및 효율을 극대화 할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 사시도이다.
도 2는 도 1의 모터에 대한 분해 사시도이다.
도 3은 도 1의 모터에서 커버 어셈블리를 제거하고 바라본 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 아마추어 어셈블리에 코일이 감겨진 모습을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 코일 권선 방법을 나타낸 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 모터의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 모터의 사시도 이고, 도 2는 도 1의 모터에 대한 분해 사시도이며, 도 3은 도 1의 모터에서 커버 어셈블리를 제거하고 바라본 평면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 아마추어 어셈블리에 코일이 감겨진 모습을 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 4을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 모터는 커버 어셈블리(10), 아마추어 어셈블리(20) 및 요크 어셈블리(30)를 포함하여 구성된다.
상기 요크 어셈블리(30)는 상기 커버 어셈블리(10)와 결합되는 하우징(31)과 상기 하우징(31) 내부에 배치되는 복수 개의 여자극(33)을 포함한다.
상기 하우징(31)은 상부가 개방되어 있는 원통형상을 가지며, 상단부에는 결합홈(32)이 형성되어 있다. 상기 결합홈(32)은 상기 커버 어셈블리(10)에 구비된 돌출편(13)에 대응되면서 결합된다.
상기 여자극(33)은 3쌍의 6극 마그네트 즉, 제1 N극(P1), 제1 S극(P2), 제2 N극(P3), 제2 S극(P4), 제3 N극(P5), 제3 S극(P6)으로 구성되며, 상기 하우징(31)의 내측면을 둘레를 따라 일정 간격을 유지하며 순차적으로 배치된다. 이와 같이 본 발명은 6극으로 구성됨에 따라 종래 4극의 경우와 비교하여 요크의 두께를 줄이는 효과를 거둘 수 있다. 일례로, 2.0T의 하우징 두께를 갖는 4극 모터를 6극으로 형성하는 경우, 하우징의 두께는 1.6T가 되어 약 0.4T 만큼의 두께를 감소시킬 수 있으며, 이는 결국 모터의 소형화로 이어지게 된다. 나아가 제조 비용을 절감하는 효과를 거둘 수 있게 된다.
상기 아마추어 어셈블리(20)는 상기 복수 개의 여자극(33)들과 상호 작용하는 코일들이 감기는 복수 개의 극치(22)를 갖는 아마추어 코어(21)와, 상기 아마추어 코어(21) 상부에 위치하며 상기 극치(22)과 대응하여 동일한 개수의 정류자 박막(25)을 갖는 정류자(24)를 포함하다.
상기 아마추어 코어(21)와 정류자(24)의 중앙에는 회전축(27)이 관통하게 되며, 모터가 작동되면 상기 아마추어 코어(21)와 정류자(24)는 회전축(27)과 함께 회전한다. 이때, 상기 회전축(27)을 회전 가능하게 지지하기 위한 베어링(40)이 상기 회전축(27) 상부에 구비될 수 있다.
상기 아마추어 코어(21)는 도 4에 도시된 바와 같이 베이스(23)와 상기 베이스(23)에서 방사상으로 연장 형성되는 극치(22)를 포함한다. 상기 극치(22)는 총 13개로 구성될 수 있으며, 제1 극치(T1)를 기준으로 반시계 방향으로 일정 간격을 두고 제2 극치(T2), 제3 극치(T3), 제4 극치(T4), 제5 극치(T5), 제6 극치(T6), 제7 극치(T7), 제8 극치(T8), 제9 극치(T9), 제10 극치(T10), 제11 극치(T11), 제12 극치(T12) 및 제13 극치(T13)가 형성된다.
각각의 극치(22)에는 코일(60)이 감겨지며, 상기 코일(60)에 전류가 인가될 때, 상기 여자극(33)과의 상호 작용을 통해 토크를 발생시키게 된다. 이와 관련한 구체적인 권선 방법은 도 5를 참조하여 후술하기로 한다.
한편, 상기 극치(22)들 중 이웃하는 2개의 극치(22)들 사이에는 하나의 슬롯이 각각 형성된다. 즉, 제1 극치(T1)와 제2 극치(T2) 사이에는 제1 슬롯(S1)이 형성되고, 상기 제2 극치(T2)와 제3 극치(T3) 사이에는 제2 슬롯(S2)이 형성된다. 마찬가지로 상기 이웃하는 2개의 극치(22)들 사이에 제3 슬롯(S3), 제4 슬롯 (S4), 제5 슬롯(S5), 제6 슬롯(S6), 제7 슬롯(S7), 제8 슬롯(S8), 제9 슬롯(S9), 제10 슬롯(S10), 제11 슬롯(S11), 제12 슬롯(S12) 및 제13 슬롯(S13)이 각각 형성된다.
상기 정류자(24)는 상기 정류자 박막(25)과 정류자 본체(26)를 포함하며, 아마추어 코어(21)의 상부에 배치될 수 있다. 상기 정류자 박막(25)은 상기 극치(22)에 대응하여 동일한 개수, 즉 13개로 구성될 수 있다. 구체적으로, 제1 극치(T1)의 상부에 위치하는 제1 정류자 박막(C1)을 기준으로 상기 극치(22)와 마찬가지로 반시계 방향으로 일정 간격을 두고 제2 정류자 박막(C2), 제3 정류자 박막(C3), 제4 정류자 박막(C4), 제5 정류자 박막(C5), 제6 정류자 박막(C6), 제7 정류자 박막(C7), 제8 정류자 박막(C8), 제9 정류자 박막(C9), 제10 정류자 박막(C10), 제11 정류자 박막(C11), 제12 정류자 박막(C12) 및 제13 정류자 박막(C13)이 형성된다.
상기 정류자 박막(25)들은 전기적으로는 서로 절연되어 있으며, 상기 정류자 박막(25)들의 일단에는 코일(60)이 걸리게 되는 걸림편(25a)이 형성되어 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에서는 6개의 여자극(33), 13개의 극치(22) 및 13개의 정류자 박막(25)을 예시하고 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 상기 여자극(33), 극치(22), 정류자 박막(25)의 개수는 가변할 수 있다.
상기 커버 어셈블리(10)는 모터의 가장 상측에 위치하여 상기 요크 어셈블리(30)의 상부를 개폐한다. 이를 위해 상기 커버 어셈블리(10)의 가장자리에는 요크 어셈블리의 하우징(31)과 결합하기 위한 돌출편(13)이 형성될 수 있으며, 상기 돌출편(13)은 상기 하우징의 결합홈(32)과 대응되면서 결합된다.
또한, 상기 커버 어셈블리(10)는 중앙부에 상기 베어링(40)이 삽입되는 베어링 삽입홀(11)이 형성될 수 있으며, 외부로부터 전력을 공급받기 위한 전선이 관통하는 전선 연결관(12)이 구비될 수 있다.
상기 커버 어셈블리(10)의 내측에는 브러쉬(50)가 고정 설치된다. 상기 브러쉬(50)는 상기 아마추어 어셈블리(20)가 회전함에 따라 상기 정류자(24)와 선택적으로 접촉하게 되며, 상기 전선과 연결되어 접촉된 정류자(24)를 통해 상기 코일(60)에 전류가 흐를 수 있도록 한다.
상기 브러쉬(50)는 한 쌍의 제1 브러쉬(51)와 제2 브러쉬(52)로 구성되며, 상기 제1 브러쉬(51)와 제2 브러쉬(52)는 서로 180°의 각을 이루며 배치된다.
특히 본 발명에서 상기 브러쉬(50)는 도 3에 도시된 바와 같이, 서로 마주보고 있는 한 쌍의 여자극(예를 들어 P1 및 P4)을 잇는 축을 기준으로 시계방향 또는 반시계방향으로 14°회전된 상태로 고정 설치될 수 있으며, 이때 모터의 효율은 최대가 된다.
도 5는 본 발명에 따른 모터의 코일 권선 방법을 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하여, 상기 코일(60)이 상기 복수 개의 극치(22)들에 감겨지는 과정 및 상기 코일(60)이 상기 정류자 박막(25)들에 연결되는 과정을 상세하게 설명한다.
먼저, 상기 코일(60)은 상기 제2 정류자 박막(C2)에서 시작하여 제3 극치(T3)와 제4 극치(T4)를 한꺼번에 감싸게 되며, 이후 제6 정류자 박막(C6)으로 연결된다.
구체적으로, 제2 정류자 박막(C2)에서 나온 코일(60)은 제2 슬롯(S2)을 향해 들어가서 제3 극치(T3) 및 제4 극치(T4) 하부를 지나 제4 슬롯(S4)으로 빠져나오게 된다. 그리고 제3 극치(T3) 및 제4 극치(T4)의 상부를 지나, 앞에서와 같이 상기 제2 슬롯(S2)을 향해 다시 들어가서 제4 슬롯(S4)으로 나오게 되며, 이와 같은 과정을 코일의 권선수 만큼 수차례 반복한 후 코일(60)은 제6 정류자 박막(C6)과 연결되는 것이다. 여기서, 상기 코일(60)이 인접한 두 개의 극치를 감싸는 과정은 이하에서도 동일하게 적용될 수 있다.
다음으로, 상기 제6 정류자 박막(C6)을 경유한 코일(60)은 상기 제7 극치(T7) 및 제8 극치(T8)를 한꺼번에 감싸게 되며, 이후 제10 정류자 박막(C10)과 연결된다.
다음으로, 상기 제10 정류자 박막(C10)을 경유한 코일(60)은 상기 제11 극치(T11) 및 제12 극치(T12)를 한꺼번에 감싸게 되며, 이후 제1 정류자 박막(C1)과 연결된다.
즉, 이와 같은 패턴으로 코일(60)을 권선할 때, 정류자 박막(25)은 제2 정류자 박막(C2), 제6 정류자 박막(C6), 제10 정류자 박막(C10), 제1 정류자 박막(C1), 제5 정류자 박막(C5), 제9 정류자 박막(C9), 제13 정류자 박막(C13), 제4 정류자 박막(C4), 제8 정류자 박막(C8), 제12 정류자 박막(C12), 제3 정류자 박막(C3), 제7 정류자 박막(C7), 제11 정류자 박막(C11) 순으로 코일(60)과 연결된다.
이때, 상기 각각의 정류자 박막(25)들이 연결되기 전에 코일(60) 감겨지는 인접한 두 개의 극치(22)는 제3 극치 및 제4 극치(T3, T4), 제7 극치 및 제8 극치(T7, T8), 제11 극치 및 제12 극치(T11, T12), 제2 극치 및 제3 극치(T2, T3), 제6 극치 및 제7 극치(T6, T7), 제10 극치 및 제11 극치(T10, T11), 제1 극치 및 제2 극치(T1, T2), 제5 극치 및 제6 극치(T5, T6), 제9 극치 및 제10 극치(T9, T10), 제13 극치 및 제1 극치(T13, T1), 제4 극치 및 제5 극치(T4, T5), 제8 극치 및 제12 극치(T8, T12), 제12 극치 및 제13 극치(T12, T13) 순으로 선택될 수 있다.
다시 말하면, 제n 번째 정류자 박막(Cn)에서 시작된 코일(60)은 제k 번째 슬롯(Sk)을 향해서 들어가서 제(k+2) 번째 슬롯(Sk +2)으로 빠져나오는 것을 반복하여 제(m+1) 번째 극치(Tm +1)와 제(m+2) 번째 극치(Tm +2)를 한꺼번에 감게 되며, 이후 코일(60)은 제(n+4) 번째 정류자 박막(Cn +4)으로 연결되는 것이다.
여기서, n, k 및 m은 각각 정류자 박막(25), 슬롯(28) 및 극치(22)의 개수에 따라 1 내지 13의 값을 갖는 자연수이며, 상기 (k+2), (m+1), (m+2) 및 (n+4)의 값은 13을 초과하는 경우, 상기 값에서 13으로 나눈 나머지 값이 된다. 한편, 본 발명에 따른 실시예에서 정류자 박막과 극치는 서로 대응하여 상하에 위치함에 따라, 상기 n, k 및 m은 동일한 값을 가질 수 있다.
도 4에서 이와 같은 권선 방법에 따라 아마추어 어셈블리에 코일이 감겨진 모습을 볼 수 있으며, 본 발명에서는 이러한 권선 방법과 앞서 설명한 브러쉬의 구조을 적용함으로써, 6극 모터에서 효율을 극대화 할 수 있게 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명은 본 발명의 이해를 위하여 예를 들어 설명한 것에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위를 정하고자 하는 것이 아님을 이해하여야 한다. 본 발명의 범위는 아래 첨부된 특허청구범위에 의하여 정하여지며, 이 범위 내에서의 단순한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 커버 어셈블리 11 : 베어링 삽입홀
12 : 전선 연결관 13 : 돌출편
20 : 아마추어 어셈블리 21 : 아마추어 코어
22 : 극치 23 : 베이스
24 : 정류자 25 : 정류자 박막
25a : 걸림편 26 : 정류자 본체
27 : 회전축 30 : 요크 어셈블리
31 : 하우징 32 : 결합홈
33 : 여자극 40 : 베어링
50 : 브러쉬 51 : 제1 브러쉬
52 : 제2 브러쉬 60 : 코일

Claims (5)

  1. 커버 어셈블리;
    상기 커버 어셈블리와 결합되는 하우징과, 상기 하우징의 내부에 배치되는 복수 개의 여자극을 갖는 요크 어셈블리;
    상기 여자극과 상호 작용하는 코일들이 감기는 복수 개의 극치를 갖는 아마추어 코어와, 상기 아마추어 코어의 상부에 위치하며 상기 극치와 대응하여 동일한 개수의 정류자 박막을 갖는 정류자를 포함하는 아마추어 어셈블리; 및
    상기 커버 어셈블리의 내측에 배치되며, 상기 아마추어 어셈블리가 회전함에 따라 상기 정류자와 선택적으로 접촉되는 브러쉬;
    를 포함하여 이루어지며,
    상기 여자극은 3개의 N극과 3개의 S극이 교대로 배치되며, 상기 극치 및 정류자 박막은 각각 13개가 일정한 각도를 이루며 방사상으로 형성되고,
    상기 극치는 반시계 방향으로 일정 간격을 두고 제1 내지 제13 극치로 형성되며, 상기 정류자 박막은 상기 제1 내지 제13 극치의 상부에 반시계 방향으로 일정 간격을 두고 제1 내지 제13 정류자 박막으로 형성되고,
    상기 극치에 권선되는 코일은 제n 번째 정류자 박막에서 시작되어, 제k 번째 슬롯을 향해서 들어가서 제(k+2) 번째 슬롯으로 나오는 것을 권선 수 만큼 수차례 반복하여 제(m+1) 번째 극치와 제(m+2) 번째 극치에 권선되고, 상기 코일이 제(n+4) 번째 정류자 박막으로 연결되는 권선 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 차량용 직류 모터(상기 n, k 및 m은 1 내지 13인 자연수이고, 상기 (k+2), (m+1), (m+2) 및 (n+4)의 값은 13을 초과하는 경우, 상기 값에서 13으로 나눈 나머지 값임).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 브러쉬는 한 쌍의 제1 브러쉬와 제2 브러쉬로 구성되며, 상기 제1 브러쉬와 제2 브러쉬는 서로 180°의 각을 이루고 있으며, 서로 마주보고 있는 상기 여자극을 잇는 축을 기준으로 14°도 회전된 상태로 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 차량용 직류 모터.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 13 개의 극치가 일정 간격으로 반시계방향으로 배치되고, 상기 13 개의 극치의 상부에 위치하는 13 개의 정류자 박막, 및 상기 13 개의 극치가 이루는 13 개의 슬롯을 갖는 아마추어 어셈블리를 포함하는 차량용 직류 모터의 코일 권선 방법에 있어서,
    (a) 상기 코일이 제n 번째 정류자 박막을 통과하는 단계;
    (b) 상기 코일이 제k 번째 슬롯을 향해서 들어가서 제(k+2) 번째 슬롯으로 나오는 것을 반복하여 제(m+1) 번째 극치와 제(m+2) 번째 극치를 한꺼번에 감되 코일의 권선 수 만큼 수차례 반복하여 권선하는 단계; 및
    (c) 상기 코일이 제(n+4) 번째 정류자 박막으로 연결되는 단계;
    를 포함하며,
    상기 n, k 및 m은 1 내지 13인 자연수이고, 상기 (k+2), (m+1), (m+2) 및 (n+4)의 값은 13을 초과하는 경우, 상기 값에서 13으로 나눈 나머지 값인 것을 특징으로 하는 차량용 직류 모터의 코일 권선 방법.
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