KR102053629B1 - 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예에 따른 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터는, 환형상의 스테이터 코어에 스테이터 코일이 권선되는 스테이터; 상기 스테이터의 내측에 위치하여 샤프트에 일체로 연결되어 함께 회전하는 로터 코어에 영구자석이 부착되는 로터; 상기 로터의 전단에 위치하여 상기 샤프트 방향으로 발생되는 구름 베이링의 스러스트 하중을 줄이는 방향으로 상기 로터에 대한 견인력을 발생시키기 위한 로터 견인부; 및 상기 로터의 자극 위치에 따라 상기 로터 견인부의 견인력을 제어하기 위해, 상기 로터 견인부의 전류 방향과 전류 크기를 결정하기 위한 컨트롤러;를 포함한다.

Description

로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터{DRIVING MOTOR FOR VEHICLE TRACING CONTROLLING ROTOR}
본 발명은 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 로터의 전단에 샤프트 방향의 스러스트 하중을 줄이는 로터 견인 구조를 구비함으로써 로터의 후단에 설치된 스러스트 구름 베어링의 수명을 연장시키기 위한, 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터에 관한 것이다.
일반적으로, 친환경 자동차로 불리우는 하이브리드 자동차(Hybrid Electric Vehicle) 또는 전기 자동차(Electric Vehicle)는 전기 에너지로 회전력을 얻는 구동모터에 의해 구동력을 발생시킬 수 있다.
하이브리드 자동차는 구동모터의 동력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV 모드로 주행하거나 엔진과 구동모터의 회전력을 모두 동력으로 이용하는 HEV 모드로 주행한다. 그리고 일반적인 전기 자동차는 구동모터의 회전력을 동력으로 이용하여 주행한다.
이처럼, 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 주로 영구자석형 동기 교류 모터를 구동모터로 사용하고 있다.
이러한 영구자석형 동기 교류 모터는 기본적으로 스테이터(stator)와 로터(rotor)를 구비한다. 구체적으로, 스테이터는 고정자로서, 외측에 있는 원통형 케이스 내부에 코일(coil)이 권선된 코어(core)가 결합된다. 로터는 회전자로서, 영구자석을 표면에 부착하거나 축에 매립하여 스테이터 내측에 일정한 공극을 두고 배치된다. 이에 따라, 영구자석형 동기 교류 모터는 스테이터의 코어에 권선된 코일에 전류를 인가하여 회전 자계를 발생시켜 로터가 회전함에 따라 구동된다.
여기서, 로터는 양단에 구름 베어링(rolling bearing)에 의해 지지된다. 구름 베어링은 로터축과 원통형 케이스 사이의 상대 운동을 원활하게 하며, 로터축으로부터 전달되는 하중을 지지하는 요소이다.
일반적으로, 구름 베어링의 수명은 아래 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112017129183949-pat00001
여기서, a1은 신뢰도 계수, aISO는 윤활 등에 따라 결정되는 계수, C는 베어링의 동 등가 용량, P는 베어링 등가 하중, r은 볼 베어링의 경우 3, 롤러 베어링의 경우 10/3이다. 베어링의 수명은 수학식 1과 같이, C를 증가시키거나 P를 감소시킴으로써 증가된다.
일반적으로 베어링의 수명은 C를 증가시키는 방법을 주로 사용한다. 이 경우, C를 증가시키기 위해서는 베어링의 직경을 증가시키거나, 베어링의 전동체 개수를 늘려준다.
하지만, 이러한 방식은 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차의 영구자석형 동기 교류 모터와 같이 베어링 설치 공간이 제한적인 경우에 C를 증가시키기 어려운 한계가 있다.
따라서, 기존에는 영구자석형 동기 교류 모터에서 베어링의 수명을 늘리기 위한 방안이 제안될 필요성이 존재한다.
대한민국 공개특허공보 특2001-0015086
본 발명의 목적은 로터의 전단에 샤프트 방향의 스러스트 하중을 줄이는 로터 견인 구조를 구비함으로써 로터의 후단에 설치된 스러스트 구름 베어링의 수명을 연장시키기 위한, 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터는, 환형상의 스테이터 코어에 스테이터 코일이 권선되는 스테이터; 상기 스테이터의 내측에 위치하여 샤프트에 일체로 연결되어 함께 회전하는 로터 코어에 영구자석이 부착되는 로터; 상기 로터의 전단에 위치하여 상기 샤프트 방향으로 발생되는 구름 베어링의 스러스트 하중을 줄이는 방향으로 상기 로터에 대한 견인력을 발생시키기 위한 로터 견인부; 및 상기 로터의 자극 위치에 따라 상기 로터 견인부의 견인력을 제어하기 위해, 상기 로터 견인부의 전류 방향과 전류 크기를 결정하기 위한 컨트롤러;를 포함하고, 상기 로터 견인부는, 로터 견인부 코어에 형성된 X자 형태의 티스에 로터 견인부 코일이 권선된 것이며, 상기 샤프트는, 상기 로터 견인부 코어의 티스들 사이에 형성된 중공을 관통하여 결합되고, 상기 컨트롤러는, 상기 로터의 자극 위치에 따라 상기 로터의 자극의 위치와 자장 방향을 맞춰 상기 로터 견인부의 견인력이 발생하도록, 상기 로터 견인부 코일에 인가되는 교류 전류의 방향을 결정하며, 상기 로터 견인부에 고주파 신호를 인가하고, 상기 인가된 고주파 신호로 발생된 상기 로터 견인부의 견인력에 의한 상기 로터가 상기 샤프트 방향으로 견인된 거리를 계산함으로써 상기 로터 견인부 코일에 인가되는 교류 전류의 크기를 결정하는 것일 수 있다.
상기 스테이터 코어는, 다수의 분할 코어를 사용하여 환형상의 어셈블리 구조로 조립되는 조립형 코어이거나, 다수의 슬롯이 형성된 일체형 코어일 수 있다.
상기 스테이터 코어는, 상기 조립형 코어인 경우에 분할 코어 각각, 상기 일체형 코어인 경우 각각의 슬롯 마다 3상(U상, V상, W상)의 상기 스테이터 코일이 교대로 권선되는 것일 수 있다.
상기 영구자석은, 상기 로터 코어의 외주면을 등분하여 N극과 S극 자석을 교대로 부착한 것일 수 있다.
상기 구름 베어링은, 상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하고, 상기 로터의 후단에 설치되는 것일 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 로터의 자극 위치를 검출하기 위한 홀 센서;를 더 포함할 수 있다.
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본 발명은 로터의 전단에 샤프트 방향의 스러스트 하중을 줄이는 로터 견인 구조를 구비함으로써 로터의 후단에 설치된 스러스트 구름 베어링의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 제안된 공간 내에 모터 및 베어링을 위치시켜 제품의 패키징 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터에 대한 분해 사시도이고,
도 2는 상기 도 1의 차량용 구동 모터의 조립 상태에 대한 A-A' 단면을 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터에 대한 분해 사시도이고, 도 2는 상기 도 1의 차량용 구동 모터의 조립 상태에 대한 A-A' 단면을 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터(이하 '차량용 구동 모터'라 함)는, 영구자석형 동기 교류 모터로서, 로터(rotor)의 전단에 샤프트(shaft) 방향의 스러스트 하중을 줄이는 로터 견인 구조(rotor trace structure)를 구비함으로써 로터의 후단에 설치된 스러스트 구름 베어링(thrust rolling bearing)의 수명을 연장시킬 수 있다.
차량용 구동 모터는 스테이터(stator)(110), 로터(120), 샤프트(130), 홀 센서(hall sensor)(140), 로터 견인부(150), 컨트롤러(도면에 미도시)를 포함한다. 도 1에서 스테이터(110)는 설명의 편의상 단면으로 도시하고, 도 2에서 홀 센서(140)는 생략하여 도시한다.
스테이터(110)는 얇은 전기 강판(예, 규소 강판)을 타발한 후 다수의 타발된 전기 강판을 적층하여 환형상으로 조립하는 스테이터 코어(111), 스테이터 코어(111)에 권선되는 스테이터 코일(112)을 포함한다.
스테이터 코어(111)는 다수의 분할 코어를 사용하여 환형상의 어셈블리 구조로 조립되는 조립형 코어이거나, 다수의 슬롯이 형성된 일체형 코어일 수 있다. 이러한 스테이터 코어(111)는 비정질 금속 분말과 바인더를 혼합하여 성형하거나, 또한 비정질 금속 분말, 연자성 특성이 우수한 결정질 금속 분말 및 바인더를 소정 비율로 혼합하여 성형할 수 있다
스테이터 코어(111)는 조립형 코어일 때 분할 코어 각각, 일체형 코어일 때 각각의 슬롯 마다 3상(U상, V상, W상)의 개별 스테이터 코일(112)이 교대로 권선되며, 3상 스타 결선 또는 3상 델타 결선이 이루어진다. 이때, 스테이터 코일(112)이 권선되는 스테이터 코어(111)의 외주면에는 비자성체가 감싸진다. 여기서, 스테이터 코일(112)은 구리(Cu) 또는 알루미늄(Al) 등일 수 있다.
로터(120)는 스테이터(110)의 내측에 위치하는 인너 로터(inner roter)로서, 샤프트(130)에 일체로 연결되어 샤프트(130)와 함께 회전하는 원통형 로터 코어(121), 로터 코어(121)에 부착되는 영구자석(122)을 포함한다. 이때, 영구자석(122)은 로터 코어(121)의 외주면을 등분하여 N극과 S극 자석을 교대로 부착한다. 여기서는 로터 코어(121)의 외주면을 4등분하는 경우를 일례로 설명하기로 한다. 영구자석(122)은 로터(120)의 외주면에 부착되는 경우를 도시하지만, 로터 코어(121)의 내부에 매립될 수도 있다.
그리고, 샤프트(130)는 로터(120)의 양단에 설치되어 있는 제1 베어링(161)와 제2 베어링(162)에 의해 회전 가능하게 지지된다. 제1 베어링(161)와 제2 베어링(162)는 구름 베어링으로서, 특히, 제1 베어링(161)은 샤프트 방향으로 스러스트 하중이 가해지는 스러스트 구름 베어링에 해당된다.
한편, 스테이터(110)는 스테이터 코일(112)에 교류 전류가 인가되면, 회전 자계를 발생시키고, 그 회전 자계에 의해 로터(120)에 회전 토크를 발생시킬 수 있다. 이때, 스테이터(110)는 스테이터 코어(111)에 권선된 스테이터 코일(112)을 이용해 회전 자계를 만들고, 로터(120)는 로터 코어(121)에 부착된 영구자석(122)을 이용해 고정 자계를 만든다. 이로써, 로터(120)에 형성된 고정 자계는 스테이터(110)에 형성된 회전 자계를 따라가려는 힘이 발생하게 된다. 이에 따라, 로터(120)는 스테이터(110)에 형성된 회전 자계의 회전과 동기를 맞춰 회전하게 된다.
홀 센서(140)는 홀 효과(Hall effect)를 이용하여 자기장의 세기에 따라 변하는 전압을 감지하여 로터(120)의 자극(자석 극성) 위치를 검출한다. 이 경우, 또한, 컨트롤러는 홀 센서(140)로부터 검출된 로터(120)의 위치에 맞도록 스테이터(110)의 스테이터 코일(112)에 적절한 전류를 인가함으로써 원하는 회전방향으로 운전하게 제어할 수 있다.
로터 견인부(150)는 컨트롤러의 제어에 따라 로터(120)의 전단에 샤프트(130) 방향의 스러스트 하중을 줄이는 방향으로 로터(120)에 대한 견인 제어가 수행된다. 즉, 컨트롤러는 홀 센서(140)로부터 검출된 로터(120)의 자극 위치를 기반으로 로터 견인부(150)를 이용하여 로터(120)에 대한 견인 제어를 실시한다. 이를 통해, 로터(120)의 후단에 설치된 제1 베어링(161)은 샤프트 방향의 스러스트 하중이 줄어들게 된다.
이러한 로터 견인부(150)는 로터 견인부 코어(151)에 형성된 X자 형태의 티스(teeth)에 로터 견인부 코일(152)이 권선된다. 이때, 로터 견인부 코일(152)이 권선되는 로터 견인부 코어(151)의 외주면에는 비자성체가 감싸진다. 그리고, 샤프트(130)는 로터 견인부 코어(151)의 티스들 사이에 형성된 중공을 관통하여 결합된다.
로터 견인부(150)는 로터 견인부 코일(152)에 교류 전류가 인가되면, 자계를 발생시키고, 그 자계에 의해 로터(120)에 대한 견인력을 발생시킬 수 있다.
즉, 컨트롤러는 홀 센서(140)에 의해 검출된 로터(120)의 자극 위치에 따라, 로터(120)의 자극의 위치와 자장 방향을 맞춰 로터 견인부(150)의 견인력이 발생하도록, 로터 견인부 코일(152)에 인가되는 교류 전류의 방향을 결정한다.
수학식 2를 참조하면, 컨트롤러는 로터 견인부(150)에 고주파 신호를 인가하고, 인가된 고주파 신호로 발생된 상기 로터 견인부의 견인력에 의한 상기 로터가 상기 샤프트 방향으로 견인된 거리(x)를 계산함으로써 로터 견인부 코일(152)에 인가되는 교류 전류의 크기를 결정한다.
Figure 112017129183949-pat00002
여기서, x는 로터 견인부(150)에 고주파 신호를 인가하고, 인가된 고주파 신호로 발생된 로터 견인부(150)의 견인력에 의한 로터(120)가 샤프트 방향으로 견인된 거리로서, 로터 견인부(150)에 의해 이동하기 전 지점(즉, 원점)과 이동한 후 지점 사이의 거리이다. μ0는 공기중의 투자율(permeability), n은 로터 견인부 코일(152)의 턴(turn) 수, A0는 로터 견인부 코어(151)에 형성된 X자 형태의 티스(계자부)의 투영 단면적, ωh는 로터(120)의 회전 속도, Vh는 인가 전압, I1h와 I2h 각각은 로터 견인부 코어(151)에 형성된 X자 형태의 서로 대향하는 티스에 권선된 로터 견인부 코일(152)의 흐르는 전류를 의미한다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
110 : 스테이터 111 : 스테이터 코어
112 : 스테이터 코일 120 : 로터
121 : 로터 코어 122 : 영구자석
130 : 샤프트 140 : 홀센서
150 : 로터 견인부 151 : 로터 견인부 코어
152 : 로터 견인부 코일 161 : 제1 베어링
162 : 제2 베어링

Claims (10)

  1. 환형상의 스테이터 코어에 스테이터 코일이 권선되는 스테이터;
    상기 스테이터의 내측에 위치하여 샤프트에 일체로 연결되어 함께 회전하는 로터 코어에 영구자석이 부착되는 로터;
    상기 로터의 전단에 위치하여 상기 샤프트 방향으로 발생되는 구름 베어링의 스러스트 하중을 줄이는 방향으로 상기 로터에 대한 견인력을 발생시키기 위한 로터 견인부; 및
    상기 로터의 자극 위치에 따라 상기 로터 견인부의 견인력을 제어하기 위해, 상기 로터 견인부의 전류 방향과 전류 크기를 결정하기 위한 컨트롤러;를 포함하고,
    상기 로터 견인부는, 로터 견인부 코어에 형성된 X자 형태의 티스에 로터 견인부 코일이 권선된 것이며,
    상기 샤프트는, 상기 로터 견인부 코어의 티스들 사이에 형성된 중공을 관통하여 결합되고,
    상기 컨트롤러는, 상기 로터의 자극 위치에 따라 상기 로터의 자극의 위치와 자장 방향을 맞춰 상기 로터 견인부의 견인력이 발생하도록, 상기 로터 견인부 코일에 인가되는 교류 전류의 방향을 결정하며,
    상기 로터 견인부에 고주파 신호를 인가하고, 상기 인가된 고주파 신호로 발생된 상기 로터 견인부의 견인력에 의한 상기 로터가 상기 샤프트 방향으로 견인된 거리를 계산함으로써 상기 로터 견인부 코일에 인가되는 교류 전류의 크기를 결정하는 것인 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이터 코어는,
    다수의 분할 코어를 사용하여 환형상의 어셈블리 구조로 조립되는 조립형 코어이거나, 다수의 슬롯이 형성된 일체형 코어인 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이터 코어는,
    상기 조립형 코어인 경우에 분할 코어 각각, 상기 일체형 코어인 경우 각각의 슬롯 마다 3상(U상, V상, W상)의 상기 스테이터 코일이 교대로 권선되는 것인 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 영구자석은,
    상기 로터 코어의 외주면을 등분하여 N극과 S극 자석을 교대로 부착한 것인 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 구름 베어링은,
    상기 샤프트를 회전 가능하게 지지하고, 상기 로터의 후단에 설치되는 것인 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 로터의 자극 위치를 검출하기 위한 홀 센서;
    를 더 포함하는 로터를 견인 제어하는 차량용 구동 모터.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
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