KR102239324B1 - 공기 냉각 전기 추진 유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인접한 케이싱(CRE, CME)에 수용된 전기 모터 및 감속 기어박스와, 공기 냉각된 냉각 회로를 포함하는 전기 추진 유닛(GMP)에 관한 것으로서, 냉각 회로는 감속 기어 박스 케이싱(CRE)에 있는 흡기 오리피스(OEA), 감속 기어박스를 전기 모터로부터 분리하는 케이싱 벽에 있는 공기 통로 오리피스(OPA) 및 전기 모터의 케이싱(CME)에 있는 공기 출력 오리피스(OSA)를 포함하고, 상기 유닛에서 냉각 회로는 감속 기어박스 및 전기 모터에 대하여 상부에 위치된 팬(VENT), 상기 팬(VENT)으로부터 상기 감속 기어박스를 향하여 공기를 유통시키는 상류측 도관(CAM) 및 상기 전기 모터로부터 지면을 향하여 공기를 배출시키는 하류측 도관(CAV)을 포함한다.

Description

공기 냉각 전기 추진 유닛{Air-Cooled Electric Propulsion Unit}

본 발명은 전체적으로 전기 엔지니어링 차량에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기 또는 하이브리드 차량의 전기 트랙션 모터(electric traction motor)의 냉각에 관한 것이다.

전기 트랙션 모터가 냉각될 필요가 있는 전기 차량에서, 공기 냉각 시스템이 이용될 수 있는데, 모터를 냉각시키는 역할을 했던 공기는 유출 도관을 통하여 차량으로부터 배출되어야 한다. 이러한 유출 도관은 항상 차량의 하부 부분에서 개방 대기로 배출되며, 차단당할 위험성이 있다. 이러한 이유로, 프랑스 특허 FR 2983433 은 그러한 차량의 유출 도관을 위한 보호 장치를 제안한다.

그러나, 그러한 보호 장치는 불충분하다. 이는 이러한 유형의 차량의 냉각 시스템이 전기 모터에 통합된 팬을 포함하기 때문이며, 즉, 전기 모터의 회전자 샤프트를 공유하기 때문이다. 팬은 냉각 시스템의 공기 유출 도관으로부터 먼지를 끌어들이고 물이 튀기 때문에, 팬의 신뢰성에는 위험성이 있다. 더욱이, 특히 차량의 전기 모터를 냉각시키기 위한 공기 도관의 복잡성에 기인하여, 그러한 냉각 시스템의 공기 냉각은 압력 강하 때문에 효율성을 상실한다는 점이 밝혀졌다.

다른 한편으로, 특히 모터 냉각 시스템의 전체적인 치수 때문에, 종래 기술의 전기 파워트레인들은 전기 모터의 회전축 방향에서 커다란 전체 치수를 가진다. 따라서 그러한 파워트레인은 차량 구획부의 전방으로 전방향 연장되는 경향이 있으며, 전방 충격의 경우에 취약한 경향이 있다.

본 발명의 목적은 특히 팬을 이용하여 효율적으로 공기 냉각되는 콤팩트한 전기 파워트레인을 제공함으로써 종래 기술의 단점들중 적어도 일부를 극복하기 위한 것으로, 상기 팬은 전기 모터로부터 멀리에 있고 그에 대한 높이에 위치된다.

이러한 목적을 위하여, 본 발명은 인접한 케이싱들에 수용된 전기 모터 및 감속기를 포함하고, 또한 상기 감속기 및 상기 전기 모터를 위한 공기 냉각 회로를 포함하고, 상기 냉각 회로는 감속기 케이싱으로의 공기 유입을 위한 개구, 상기 감속기를 상기 전기 모터로부터 분리하는 케이싱 벽에 있는 공기 통과를 위한 개구들 및, 상기 전기 모터의 케이싱에 있는 공기 유출 개구를 포함하고, 상기 냉각 회로는 상기 감속기 및 상기 전기 모터에 대한 높이에 배치된 팬, 상기 팬으로부터 상기 감속기로의 공기 채널을 형성하는 상류측 도관 및, 상기 전기 모터로부터 지면을 향하는 공기의 유출을 위한 하류측 도관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하여, 전기 모터의 냉각 회로는 냉각 시스템을 배치하는 높이 때문에 압력 강하를 덜 겪는다. 이러한 구성에 의하여, 팬의 작동은 더 신뢰성 있게 이루어질 수 있고, 따라서 하류측 공기 유출 도관을 위한 보호 장치를 불필요하게 할 수 있으며, 그에 의하여 압력 강하를 더 감소시키고 냉각 시스템을 단순화시킨다. 특정 높이에 팬을 배치하는 것은 팬의 습기 및 먼지에 대하여 보호를 제공할 것을 불필요하게 한다. 더욱이, 감속기 및 전기 모터의 케이싱들을 함께 접합시키려는 목적을 위하여 공기가 통과될 수 있는 공통의 케이싱 벽과 함께 끝과 끝을 붙여 배치함으로써, 그리고 팬을 전기 모터에 대하여 외측으로 위치시킴으로써, 횡방향의 콤팩트한 파워트레인이 얻어진다. 파워 전자부(power electronics)와 같은 파워트레인의 다른 요소들은 감속기 유닛과 모터에 대하여 수직으로 배치될 수 있어서, 전방 충격의 경우에 본 발명에 따른 파워트레인의 취약성을 감소시킨다.

본 발명에 따른 파워트레인의 유리한 특징에 따르면, 상기 팬은 상기 감속기의 케이싱의 위에 배치되거나 또는 상기 전기 모터의 케이싱의 위에 배치되고, 상기 상류측 도관은 75 mm (밀리미터) 보다 작은 곡률 반경을 가지지 않는다. 마찬가지로, 유리하게는, 상기 하류측 도관은 38 mm 보다 작은 곡률 반경을 가지지 않는다.

상류측 및/또는 하류측 도관의 이러한 구성은 냉각 시스템의 공기 회로에서 압력 강하를 최소화시킨다.

다른 유리한 특징들에 따르면, 상기 상류측 도관은 상기 전기 모터에 대하여 횡방향에서 확대되는 단면을 가지고, 상기 감속기의 케이싱으로의 유입부에서 상기 전기 모터의 축방향으로 평탄화된다.

이러한 특징은 감속기의 유입부에서 압력 강하를 제한한다. 이것은 상류측 및 하류측 도관들이 전체적으로 원형 단면을 가지지만, 감속기의 유입부가 전기 모터의 회전축의 방향으로 좁아지기 때문에, 상기 단면이 상기 축방향으로 감속기의 유입부에서 평탄해지기 때문이다. 따라서 감속기의 유입부에서 공기의 감속을 회피하도록, 상기 평탄화된 단면은 상기 축방향에 직각으로 전기 모터에 대한 횡방향에서 확대된다. 이것은 모터에 도달하는 공기의 보다 우수한 분배를 제공함으로써, 모터의 냉각을 향상시킨다.

본 발명에 따른 파워트레인의 다른 유리한 특징들에 따르면, 상기 케이싱 벽에 있는 상기 공기 통과 개구들은, 상기 케이싱 벽에 존재하는, 상기 전기 모터의 회전 샤프트의 지지 베어링과, 상기 전기 모터의 케이싱의 길이 방향 벽들 사이에서 반경 방향으로 연장되고, 상기 케이싱 벽에서 통상적인 방식으로 15 도 내지 25 도 범위에 걸쳐 각도상으로 연장된다.

이러한 특징은 회전자에서의 우수한 기계적 진동 저항성을 유지하면서, 전기 모터의 구성 요소들의 우수한 냉각을 제공한다.

마지막으로, 유리하게는, 상기 상류측 도관의 하류측 단부 부분은 상기 팬의 위치 선정을 용이하게 하도록 벨로우즈(bellows)를 가진다.

상류측 도관의 이러한 벨로우즈 형상 부분은, 관련된 전기 차량에서의 전체적인 치수상의 제한에 따라서, 필요하다면 상이한 방식으로 팬이 위치될 수 있게 한다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 도면을 참조하여 여기에 설명된 바람직한 실시예들에 대한 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1 은 바람직한 실시예에서 본 발명에 따른 전기 파워트레인을 도시한다.
도 2 는 파워트레인의 전기 모터의 회전축에 평행한 축방향에서 전기 파워트레인을 통하여 취해진 단면을 도시한다.
도 3 은 전기 모터의 회전축에 직각인 횡방향에서 전기 파워트레인을 통하여 취해진 다른 단면을 도시한다.

도 1 에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 전기 파워트레인(electric powertrain, GMP)은 감속기 케이싱(CRE)에 수용된 감속기, 모터 케이싱(CME)에 수용된 전기 모터, 파워 전자부(power electronics)를 위한 하우징 및, 공기 냉각 시스템을 포함한다.

공기 냉각 시스템은 감속기 및 전기 모터에 대한 높이에 위치하는 팬(VENT)을 구비하며, 이것은 외부로부터 공기를 유인한다. 본 출원에서 "높이"라는 용어는 파워트레인(GMP)을 포함하는 차량이 놓이는 지면에 대하여 정의된다. 이러한 높이를 정의하는 축은 도 1 에서 Z 축이다. 따라서 팬(VENT)은 공기의 유동을 용이하게 하기 위하여, 파워트레인(GMP)의 감속기 및 모터보다 높은 레벨에 있어야 한다. 사실상, 본 발명의 실시예에서, 모터를 냉각시키는데 필요한 유량(대략 시간당 250 입방 미터)을 제공하고 효율적으로 작동시키기 위하여 팬(VENT)은 10 mbar(millibars) 보다 크지 않은 공압을 극복할 수 있다.

공기 냉각 시스템은 상류측 도관(CAM)을 포함하는데, 이것은 팬(VENT)으로부터 감속기를 향하여 공기의 채널을 형성하고, 공기는 감속기의 케이싱(CRE)에 형성된 공기 유입 개구(OEA)를 통하여 감속기로 진입한다. 감속기로 진입한 공기는 전기 모터를 통과하여 그것을 냉각시키고, 다음에 감속기의 반대편에서 모터 케이싱(CME)의 단부에 형성된 공기 유출 개구(OSA)를 통하여 외부로 유동한다. 공기는 차량의 하부 부분에서 하류 공기 유출 도관(CAV)을 통해 외부로 유동하며, 상기 하류 공기 유출 도관은 공기를 공기 유출 개구(OSA)로부터 지면을 향하여 지향시킨다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 감속기 케이싱(CRE) 및 전기 모터 케이싱(CME)는 인접하고, 파워 전자부 하우징(power electronics casing, BEP)은 파워트레인(GMP)과 가능한 한 일체화됨으로써, 파워 트레인은 차량의 모터 구획부에서 상기 전기 파워트레인(GMP)을 포함하는 차량의 전방-후방 축에 직각으로 수용될 수 있다. 따라서 전기 파워트레인(GMP)은 차량의 엔진 구획부에서 폭으로 연장되고 높이로도 연장되어, 전방 충격에 대한 취약성을 제한한다.

감속기의 케이싱(CRE)과 모터의 케이싱(CME) 사이의 인터페이스는 도 2 에 보다 상세하게 도시되어 있는데, 이것은 파워트레인의 전기 모터의 회전축에 평행하게, 전기 파워트레인(GMP)을 통하여 축방향(x)에서 취한 단면을 도시한다. 도시되지 않은, 감속기 및 전기 모터는 감속기를 전기 모터로부터 분리하는 케이싱 벽(PCC)에 의해 개별의 케이싱들에서 분리되어 있다. 이러한 케이싱은 도 3 에 도시되고 케이싱 벽(PCC)상에 존재하는 공기 통과 개구(OPA)를 통하여, 도 2 에서 실선의 화살표로 도시된 바와 같이 공기가 유동할 수 있게 하며, 도 3 은 전기 모터의 회전축에 직각으로, 전기 파워트레인(GMP)를 통하여 횡방향(y)에서 취한 단면을 도시한다.

전기 모터의 회전자가 우수한 진동 저항성을 보장하면서 전기 모터의 냉각을 최적화시키도록, 케이싱 벽(PCC)은 감속기를 향하여 볼록하고, 공기 통과 개구(OPA)는 케이싱 벽(PCC)에 형성된 회전자 샤프트의 지지 베어링(PSA)과, 모터 케이싱(CME)의 길이 방향 벽(PLO) 사이에서 반경 방향으로 연장된다. 길이 방향 벽(PLO)은 축방향(x)으로 연장되고, 실질적으로 실린더형이다. 보다 정확하게는, 공기 통과 개구(OPA)는 지지 베어링(PSA)으로부터 길이 방향 벽(PLO)에 매우 인접하게 케이싱 벽(PCC)의 주위 부분으로 연장된다; 예를 들어, 이러한 주위 부분은 중심과 길이 방향 벽(PLO) 사이 거리의 80 % 내지 100 % 사이의 거리로 회전자 축의 중심으로부터 분리된다.

추가적으로, 공기 통과 개구(OPA)는 케이싱 벽(PCC)에서 통례의 방식으로 15 도 내지 25 도의 범위에 걸쳐 각도상으로 연장되고, 바람직스럽게는 20 도에 걸쳐 각도상으로 연장된다.

전기 파워트레인(GMP)의 냉각 회로를 통한 공기 유동을 용이하게 하도록, 상류측 도관(CAM)은 75 mm 보다 작은 곡률 반경을 가지지 않도록 구성된다. 바람직스럽게는, 상류측 도관(CAM)은 항상 80 mm 보다 큰 곡률 반경을 가진다.

유사하게는, 하류측 도관(CAV)은 38 mm 보다 작은 곡률 반경을 가지지 않는다. 바람직스럽게는, 하류측 도관(CAV)은 40 mm 보다 항상 큰 곡률 반경을 가진다.

감속기 케이싱(CRE)의 공기 유입 개구(OEA)는 방향(x)에서 좁기 때문에, 상류측 도관(CAM)은 감속기 케이싱(CRE)으로 개방된 단부에서 상기 방향(x)으로 평탄화된 단면을 가진다. 이러한 축방향 조임(constriction)을 보상하도록, 상류측 도관(CAM)의 단부와 공기 유입 개구(OEA)는 방향(y)에서 횡방향 통공을 가지며, 이것은 팬(VENT)에 연결된 도관의 다른 단부에서 상류측 도관(CAM)의 단면의 직경에 대하여 확대된다.

추가적으로, 상류측 도관(CAM)의 하류측 단부 부분에 존재하는 벨로우즈(SO)는 파워 전자부 하우징(BEP)의 상부에 팬(VENT)의 위치 선정에서 유연성 정도(degree of flexibility)를 제공한다.

이는 본 발명의 바람직한 실시예에서 비록 팬(VENT)이 전기 모터에 파워 전자부 하우징(BEP)상의 전기 모터에 대한 높이에 위치되지만, 본 발명의 다른 실시예들도 타당할 것이기 때문이다. 변형예에서, 팬(VENT)은 예를 들어 감속기상에 위치된다. 본 발명의 다른 변형 실시예에서, 상류측 도관은 벨로우즈를 가지지 않거나, 또는 감속기와 전기 모터 사이에 상이하게 형상화된 공기 통과 개구(OPA)를 가진다.

GMP. 전기 파워트레인 CRE. 케이싱
OPA. 개구 OSA. 공기 유입 개구
CME. 케이싱 VENT. 팬

Claims (6)

1. 감속기 및 전기 모터의 공기 냉각 회로와 함께, 인접한 케이싱들(CRE, CME) 안에 수용된 전기 모터 및 감속기를 포함하는 전기 파워트레인(GMP)으로서,
   상기 냉각 회로는, 감속기의 케이싱(CRE) 안으로의 공기 유입을 위한 개구(OEA), 상기 감속기를 상기 전기 모터로부터 분리하는 케이싱 벽(PCC)에 있는 공기 통과를 위한 개구들(OPA) 및, 상기 전기 모터의 케이싱(CME)에 있는 공기 유출 개구(OSA)를 포함하고,
   상기 냉각 회로는 상기 감속기 및 상기 전기 모터에 대한 높이에 배치된 팬(VENT), 상기 팬(VENT)으로부터 상기 감속기를 향하여 채널을 형성하는 상류측 도관(CAM) 및, 상기 전기 모터로부터 지면을 향하는 공기 유출을 위한 하류측 도관(CAV)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 파워트레인.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 팬(VENT)은 상기 감속기의 케이싱(CRE) 위에 배치되거나 또는 상기 전기 모터의 케이싱(CME)의 위에 배치되고, 상기 상류측 도관(CAM)은 75 mm 보다 작은 곡률 반경을 가지지 않는 것을 특징으로 하는, 파워트레인.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 하류측 도관(CAV)은 38 mm 보다 작은 곡률 반경을 가지지 않은 것을 특징으로 하는, 파워트레인.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 상류측 도관(CAM)은, 상기 전기 모터에 대하여 횡방향으로 확대되고 상기 감속기의 케이싱(CRE)으로의 유입부에서 상기 전기 모터의 축방향으로 평탄화되는 단면을 가지는 것을 특징으로 하는, 파워트레인.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 케이싱 벽(PCC)에 있는 상기 공기 통과 개구들(OPA)은, 상기 케이싱 벽(PCC)에 존재하는, 상기 전기 모터의 회전자 샤프트의 지지 베어링(PSA)과 상기 전기 모터의 케이싱의 길이 방향 벽들(PL0) 사이에서 반경 방향으로 연장되고, 상기 케이싱 벽(PCC)상에서 통상적인 방식으로 15 도 내지 25 도의 범위에 걸쳐 각도상으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 파워트레인.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 상류측 도관(CAM)의 하류측 단부 부분은 상기 팬(VENT)의 위치 선정을 용이하게 하기 위하여 벨로우즈(SO)를 가지는 것을 특징으로 하는, 파워트레인.
   
   
   

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