KR101908946B1 - 차량의 내연 기관용 전기식 구동기 - Google Patents

차량의 내연 기관용 전기식 구동기 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기는 모터에서 발생하는 동력을 감속기를 통해 출력축으로 출력하여 터보차저의 밸브를 개폐하는 차량의 내연 기관용 전기식 구동기로써, 격벽, 상기 감속기를 수용할 수 있도록 일측은 상기 격벽의 일측으로 형성되고, 타측은 개방되는 제 1하우징 및 상기 모터를 수용할 수 있도록 일측은 상기 격벽의 타측으로 형성되고, 타측은 개방되는 제 2하우징을 포함하고, 상기 격벽의 내부, 제 1하우징의 내부 및 제 2하우징의 내부 중 적어도 하나에는 냉각유로가 형성된다.

Description

차량의 내연 기관용 전기식 구동기{THE ELECTRIC ACTUATOR FOR AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE OF VEHICLEE}
본 발명은 차량의 내연 기관용 전기식 구동기에 관한 것으로써, 구체적으로는 고열의 차량 엔진룸 안에서 연속 동작이 가능하도록 냉각이 가능한 전기식 구동기에 관한 것이다.
최근 자동차 기술분야에서 가장 중요하게 다뤄지고 있는 부분은 연비의 향상과 아울러 자동차로 인한 공해를 줄이는 것이다. 자동차의 배기가스로 인한 환경오염에 관해서는 각 대륙별로 기준(Euro 6, Tier 3 등)을 마련하여 규제하고 있으며, 최근 유가의 급등으로 인하여 자동차의 연비를 개선하는 문제가 해당 업계의 주요한 이슈이자 과제가 되고 있다. 즉, 현재 각 자동차 업계는 보다 효율적인 전기자동차나 하이브리드카의 개발 및 보급에 힘쓰는 한편, 현재의 내연기관 기술을 바탕으로 연료의 효율을 높이고 공해 배출량은 줄여 연료와 환경문제에 대응하면서 보다 나은 자동차 환경을 만들고자 하는 노력을 지속하고 있다.
이러한 노력 중에 하나로 연비 효율 향상 및 배기 가스 저감을 위하여 배기 가스의 에너지를 이용하여 터빈을 구동하고 터빈과 연결된 컴프레서를 구동하여 흡기의 밀도를 높이는 터보차저의 적용이 증가하고 있고, 터보차저의 부스팅 성능 향상 및 정밀한 제어를 위하여 터보차저의 밸브를 개폐할 수 있도록 구동하는 엑츄에이터가 기계식에서 전기식으로 변환하는 추세에 있다.
이러한 전기식 구동기는 고열의 차량 엔진룸 안에 배치되므로, 고온에서도 동작 신뢰성이 확보되어야 하므로, 고온에서도 연속 동작이 가능하도록 냉각이 가능한 전기식 구동기의 구조의 필요성이 대두되고 있는 실정이다.
하기 선행문헌은 제작이 용이하고 제작 비용이 절감되며 작동 소음을 줄일 수 있는 전동식 구동장치에 관한 것으로써 본 발명의 요지를 포함하고 있지 않다.
한국공개특허공보 제10-2013-0092833호
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
별도의 냉각 블록 없이 전기식 구동기의 시스템 전체를 냉각수로 냉각이 가능하도록 함으로써 고열의 차량 엔진룸 안에서 연속 동작이 가능할 수 있도록 냉각이 가능한 전기식 구동기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기는 모터에서 발생하는 동력을 감속기를 통해 출력축으로 출력하여 터보차저의 밸브를 개폐하는 차량의 내연 기관용 전기식 구동기로써, 격벽, 상기 감속기를 수용할 수 있도록 일측은 상기 격벽의 일측으로 형성되고, 타측은 개방되는 제 1하우징 및 상기 모터를 수용할 수 있도록 일측은 상기 격벽의 타측으로 형성되고, 타측은 개방되는 제 2하우징을 포함하고, 상기 격벽의 내부, 제 1하우징의 내부 및 제 2하우징의 내부 중 적어도 하나에는 냉각유로가 형성된다.
상기 감속기와 상기 격벽 사이에 상기 모터를 제어하기 위한 전자 제어 유닛을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1하우징의 타측에는 상기 출력축을 상기 출력축의 직경 방향으로 지지하기 위한 커버가 배치될 수 있다.
상기 격벽의 내부에는 제 1냉각유로가 형성되고, 상기 제 2하우징의 내부에는 제 2냉각유로가 형성되고, 상기 제 1냉각유로 및 상기 제 2냉각유로는 연통되는 것이 바람직하다.
상기 제 2하우징은 상기 제 2하우징의 일측으로부터 타측방향으로 형성되는 측벽을 포함하고, 상기 제 2냉각유로는 상기 측벽의 내부를 따라 수직방향으로 형성되는 제 1구간과 제 2구간 및 상기 제 1구간과 상기 제 2구간을 연결하는 제 3구간으로 이루어진 단위 냉각유로를 포함할 수 있다.
상기 제 2냉각유로는 복수개의 상기 단위 냉각유로가 미리 설정된 간격으로 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기는 냉각수가 흐를 수 있는 냉각 유로를 하우징 바닥 및 내부에 구성함으로써 별도의 냉각 블록 없이 시스템 전체를 냉각수로 냉각할 수 있도록 함으로써 고열의 차량 엔진룸 안에서 전기식 구동기의 연속 동작이 가능하도록 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 사시도이다.
도 2는 종래의 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 단면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 열해석 결과를 도시한 도면이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기에 대하여 설명하도록 한다.
도 1은 종래의 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 사시도이고, 도 2는 종래의 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 차량의 내연 기관용 전기식 구동기는 하우징(40) 내부에 설치되는 모터(50)와 모터(50)에 기어 연결하는 감속기(30)를 포함하고, 감속기(30)의 상부에는 모터(50)를 제어하기 위한 전자 제어 유닛(20)이 배치되고, 상기 전자 제어 유닛(20)을 보호하기 위한 커버(10)가 배치된다.
특히, 하우징(40)은 마운팅 포인트(41) 및 감속기(30)와 일체로 형성되어 출력 레버(60)와 연결되는 출력 축(31)이 노출될 수 있도록 관통된 홀이 형성된다.
이때, 마운팅 포인트(40)와 출력 축(31) 방향은 터보 차저의 구성상 배기 가스에 의한 열원 방향으로써, 고온의 열에 모터(50)측 하우징이 노출되는 구조이고, 또한 전자 제어 유닛(20)이 별도의 커버(10)에 고정되어 조립되는 구조이므로 모터(50)측 하우징과 전자 제어 유닛(20)에 포함된 전자 소자들의 열을 방출하기 위한 히트싱크(Heat Sink)를 구성하기 어려운 문제가 있다.
따라서 이러한 종래의 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 구조하에서는 수냉식의 냉각 구조를 형성하기 어려운 문제점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 단면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 사시도이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기는 모터(110), 모터(110)측에서의 출력을 감속 및 토크 증폭하는 감속기(120) 및 모터(110)에서 발생하는 동력을 감속기(120)를 통해 출력축(130)으로 출력하여 터보차저의 밸브를 개폐하는 전기식 구동기로써, 격벽(200), 감속기(120)를 수용할 수 있도록 일측은 격벽(200)의 일측으로 형성되고, 타측은 개방되는 제 1하우징(300) 및 모터(110)를 수용하고 일측은 격벽(200)의 타측으로 형성되고 타측은 개방되는 제 2하우징(400)을 포함한다.
특히, 제 2하우징(400)은 모터(110)를 보호하는 모터 하우징의 역할을 수행하고, 전기식 구동기의 사이즈 축소 및 후술할 모터 냉각 효과의 극대화를 고려할 때 모터(110)의 형상과 대응되도록 형성되는 것이 바람직하다.
즉, 제 1하우징(300) 및 제 2하우징(400)의 바닥면은 격벽(200)의 일측면 및 타측면이 되고, 제 1하우징(300) 및 제 2하우징(400)에서 바닥면과 대향되는 부분은 개방되는데, 이는 격벽(200), 제 1하우징(300) 및 제 2하우징(400)이 일체로 형성되는 경우, 모터(110) 및 감속기(120) 등을 수용할 수 있어야 하기 때문이다.
결국, 모터(110)와 감속기(120)를 수용하는 하우징에 격벽(200)을 형성시킴으로써 하우징은 모터(110)와 감속기(120)를 각각 수용하는 제 1하우징(300)과 제 2하우징(400)으로 분리되게 된다.
이러한 격벽(200)의 내부, 제 1하우징(300)의 내부 및 제 2하우징(400)의 내부 중 적어도 하나에는 냉각 유로(500)가 형성되고, 냉각 유체의 유출 및 유입구(530)을 통해 유출입되는 냉각 유체에 의해 별도의 냉각 블록 없이 시스템 전체를 냉각시키는 것이 가능하고, 특히 모터(110)가 열에 의해 손상 또는 파손되는 것을 방지할 수 있게 된다.
다만, 모터(110)에서 발생되는 동력을 감속기(120)로 전달하는 동력전달부재(111) 및 후술할 전자 제어 유닛(600)에서 발생되는 전기적 신호를 모터(110)로 전달하는 하드와이어(Hard Wire)의 배치를 고려할 때, 격벽(200)에는 상기 제 1하우징(300)과 상기 제 2하우징(400)을 연통하는 복수개의 홀이 형성되어야 하고, 냉각 유로(500)는 상기 복수개의 홀과 겹치지 않도록 형성되어야 할 것이다.
한편, 감속기(120)와 격벽(200) 사이에는 전자 제어 유닛(600)을 배치시키는 것이 바람직하다.
전자 제어 유닛(600)은 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 및 인쇄회로기판상에 고정되는 전자 소자를 포함하도록 구성되고, 모터(120)의 동작을 제어하는 기능을 수행한다.
즉, 전자 제어 유닛(600)을 격벽(200)과 인접할 수 있도록 감속기(120)와 격벽(200) 사이에 배치함으로써, 격벽(200) 내부에 형성된 냉각 유로(500)에 의해 전기적 동작에 의해 발생되는 열 또한 용이하게 방출할 수 있게 되므로, 열에 의한 전자 제어 유닛(600)의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 제 1하우징(300)의 타측, 즉 개방된 면은 제 1하우징(300) 내부에 감속기(110)를 배치시킨 이후에 폐쇄시키는 것이 제 1하우징(300) 내부에 수용된 구성들의 보호를 위해 바람직하므로 커버(700)를 배치하는 것이 바람직하다.
다만, 감속기(120)의 동력을 출력 레버(131)로 전달하기 위하여 출력 레버(131)와 연결되는 출력축(130)은 커버(700) 외부로 노출되어야 하므로, 커버(700)는 출력축(130)이 외부로 나올 수 있도록 형성되어야 하고, 바람직하게는 출력축(130)을 출력축(130)의 직경 방향으로 지지할 수 있도록 출력축(130)을 안정적으로 잡아주는 홀이 형성되어야 한다.
나아가, 제 2하우징(400)의 타측, 즉 개방된 면은 제 2하우징(400) 내부에 모터(110)를 배치시킨 이후에 폐쇄시키는 것이 모터(110) 보호를 위해 바람직하므로 덮개(410)를 추가하는 것이 바람직하다.
한편, 냉각 유로(500)를 좀 더 구체화해 보면, 격벽(200)의 내부에 형성되는 제 1냉각유로(510) 및 제 2하우징(400)의 내부에 형성되는 제 2냉각유로(520)로 구분될 수 있다.
상술한 바와 같이, 냉각 유로(500)는 모터(110) 및 전자 제어 유닛(600)에서 발생하는 열을 방출하는 기능을 수행하는데, 구체적으로 제 1냉각유로(510) 내부에 흐르는 냉각 유체가 전자 제어 유닛(600)에서 발생하는 열을 방출하는 역할을 수행하고, 제 2냉각유로(520) 내부에 흐르는 냉각 유체가 모터(110)에서 발생하는 열을 방출하는 역할을 수행하게 된다.
이러한 제 1냉각유로(510) 및 제 2냉각유로(520)는 도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이 연통될 수도 있으며, 냉각 효율을 증대시키기 위하여 분리 형성되는 것도 가능하다.
나아가, 제 2하우징(400)은 제 2하우징(400)의 일측으로부터 타측방향으로 형성되는 측벽을 포함하는데, 이러한 측벽은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 모터의 형상과 대응되도록 형성되는 것이 바람직하다.
이 경우, 제 2냉각유로(520) 중 일부는 상기 측벽 내부에 형성되게 되는데, 이를 구체화하면 측벽의 내부를 따라 수직방향으로 형성되는 제 1구간(521)과 제 2구간(522) 및 제 1구간(521)과 제 2구간(522)을 연결하는 제 3구간(523)으로 형성되는 단위 냉각유로(524)가 배치되는 것이 가능하다.
즉, 단위 냉각유로(524)는 제 1구간(521)과 제 2구간(522)은 도 5에 도시된 바와 같이 서로 평행하게 형성되고, 제 3구간(523)이 제 1구간(521)과 제 2구간(522)을 연결시킴으로써 "∩"자 형상을 취할 수 있다.
또한, 제 2냉각유로(520)는 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 단위 냉각유로(524)가 미리 설정된 간격으로 이격되어 형성되는 것도 가능할 것이다.
이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 냉각 효능에 대해서 설명하도록 하겠다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기의 열해석 결과를 도시한 도면이다.
열해석 테스트시 사용된 냉매는 물과 글리콜을 50:50 비율로 혼합한 액체로써, 테스트시의 전기식 구동기 주변의 최고 온도는 130℃이며, 냉매 온도는 nominal 85℃이다.
열해석 테스트 결과에 따른 전기식 구동기의 각 부분별 온도 분포를 정리해 보면 아래 표와 같다.
Max. Temp Bearing Max. PCB Max. Motor Max.
Nominal Case 130.0℃ 128.6℃ 77.1℃ 85.5℃
상기 표 1 및 도 6을 참조하면, 상술한 바와 같이 주변 최고 온도는 130℃이지만, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기를 적용하는 경우, 전자 제어 유닛(600)을 구성하는 PCB의 최고 온도는 77.1℃이고, 모터(110)의 최고 온도는 85.5℃로써, 주변 최고 온도 대비 온도가 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량의 내연 기관용 전기식 구동기는 상술한 바와 같이 격벽(200) 및 제 2하우징(400) 내부에 각각 제 1냉매유로(510) 및 제 2냉매유로(520)를 형성시킴으로써, 전자 제어 유닛(600) 및 모터(110)가 방출하는 열을 효율적으로 방출할 수 있게 된다.
따라서, 전기식 구동기에서 열에 취약한 부분인 전자에어유닛(600) 및 모터(110)의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
110: 모터
120: 감속기
130: 출력축
200: 격벽
300: 제 1하우징
400: 제 2하우징
500: 냉각유로
510: 제 1냉각 유로
520: 제 2냉각 유로
524: 단위 냉각유로
600: 전자 제어 유닛
700: 커버

Claims (6)

  1. 모터(110)에서 발생하는 동력을 감속기(120)를 통해 출력축(130)으로 출력하여 터보차저의 밸브를 개폐하는 차량의 내연 기관용 전기식 구동기에 있어서,
    하기 전자 제어 유닛(600)의 냉각을 위해 제 1냉각유로(510)가 내부에 형성된 격벽(200);
    상기 감속기(120)를 수용할 수 있도록 일측은 상기 격벽(200)의 일측으로 형성되고, 타측은 개방되는 제 1하우징(300);
    상기 모터(110)를 수용할 수 있도록 일측은 상기 격벽(200)의 타측으로 형성되고, 타측은 개방되며, 모터(110)의 냉각을 위해 제 2냉각유로(520)가 내부에 형성된 제 2하우징(400); 및
    상기 감속기(120)와 상기 격벽(200) 사이에 상기 모터(110)를 제어하기 위한 전자 제어 유닛(600); 을 포함하며,
    상기 제 1냉각유로(510) 및 상기 제 2냉각유로(520)는 연통되는 것을 특징으로 하는 차량의 내연 기관용 전기식 구동기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1하우징(300)의 타측에는 상기 출력축(130)을 상기 출력축(130)의 직경 방향으로 지지하기 위한 커버(700)가 배치되는 차량의 내연 기관용 전기식 구동기.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2하우징(400)은 상기 제 2하우징(400)의 일측으로부터 타측방향으로 형성되는 측벽(410)을 포함하고,
    상기 제 2냉각유로(520)는 상기 측벽(410)의 내부를 따라 수직방향으로 형성되는 제 1구간(521)과 제 2구간(522) 및 상기 제 1구간(521)과 상기 제 2구간(522)을 연결하는 제 3구간(523)으로 이루어진 단위 냉각유로(524)를 포함하는 차량의 내연 기관용 전기식 구동기.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제 2냉각유로(520)는 복수개의 상기 단위 냉각유로(524)가 미리 설정된 간격으로 이격되어 형성되는 차량의 내연 기관용 전기식 구동기.

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