KR102303046B1

KR102303046B1 - 철도차량용 영구자석 견인전동기

Info

Publication number: KR102303046B1
Application number: KR1020200017549A
Authority: KR
Inventors: 김태훈
Original assignee: (주)로텍
Priority date: 2020-02-13
Filing date: 2020-02-13
Publication date: 2021-09-17
Also published as: KR20210103159A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기는, 부하측 및 반부하측 단부를 구비하는 샤프트 및 상기 샤프트의 외주면에 고정 결합되는 회전자 철심을 구비하는 회전자; 상기 회전자의 외주면을 감싸도록 배치되고, 전원을 공급받는 코일이 권취되어 상기 회전자와의 사이에 회전자계를 형성하도록 구비된 고정자; 상기 회전자 및 고정자를 수용하도록 형성되는 하우징; 상기 하우징의 전면과 결합되는 제1 커버 및 상기 하우징의 후면과 결합되는 제2 커버;를 포함하고, 상기 하우징의 내주면에는 상기 하우징 내부 공기의 순환을 위한 적어도 하나의 순환유로가 형성된다.

Description

철도차량용 영구자석 견인전동기{A PERMANENT MAGNET SYNCHRONNOUS MOTOR FOR RAILWAY TRACTION MOTORS}

본 발명은 견인전동기에 관한 것으로, 구체적으로는 철도차량에 적용되는 영구자석 견인전동기에 관한 것이다.

일반적으로 철도차량은 인버터 제어에 의한 유도전동기를 채택하여, 많은 사용상의 이점을 내고 있으며, 이러한 인버터 제어는 장치의 소형 경량화, 저비용화의 관점에서, 1대의 인버터로 복수의 유도 전동기를 구동하는 방식이 주류이다.

최근, 고성능화로 영구자석을 사용한 동기전동기는 산업용, 전기 자동차용과 모든 분야에서 주목을 받아, 소형ㆍ경량ㆍ고효율의 특징을 살려서 유도전동기를 대신하여 고성능 모터의 주역이 되고 있다.

이러한 영구자석을 이용한 견인전동기는 기존의 유도전동기에 비해 효율이 높으며, 유지보수성이 향상되고, 소형 및 경량화가 가능하다는 장점이 있다.

특히, 철도차량용 전동기의 경우 모터 주위의 공기가 모터 내부로 유입 및 순환되지 않도록 모터 하우징이 모터 전체를 에워싸도록 구성된 전폐형(Totally Enclosed Type) 모터가 적용될 수 있다.

이러한 전폐형 모터는 외부의 이물질로 인한 모터 하우징 내부의 오염을 방지할 수 있다는 장점이 있으나, 외부 공기의 유입 및 순환을 통한 모터 내부의 냉각이 불가능하다는 문제점이 있다.

한편, 하기 선행기술문헌은 구동모터의 구동시에 발생되는 고온의 열을 수냉시키기 위한 냉각수로를 모터 하우징에 형성하는 대신에 모터 하우징 내측에 수용된 고정자에 형성함으로서 보다 효율적인 냉각이 이루어질 뿐만 아니라 냉각에 필요한 공간을 줄일 수 있도록 한 전동모터의 냉각장치에 관한 내용만을 개시하고 있을 뿐 본 발명의 기술적 요지를 개시하고 있지 않다.

대한민국 등록특허공보 10-0907937

본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.

외부로부터의 공기를 유입 및 순환시키지 않도록 함으로써 모터 내부로의 이물 유입을 방지함과 동시에 전동기 내부를 효과적으로 냉각할 수 있도록 구성된 철도차량용 영구자석 견인전동기를 제공하는 것이다.

본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기는, 철도차량의 휠에 회전력을 전달하는 부하측 단부와, 부하측 단부와 대향되고 레졸버커버가 결합되는 반부하측 단부를 구비하는 샤프트, 샤프트의 외주면에 고정 결합되되 복수 개의 내부유로가 샤프트를 중심으로 방사형으로 형성되는 회전자 철심을 구비하는 회전자; 샤프트를 중심으로 방사형으로 회전자 철심에 배치되는 복수 개의 영구자석; 내주면이 회전자와 이격되어 회전자의 외주면을 감싸도록 배치되고, 내주면에 전원을 공급받는 코일이 권취되는 권취부가 형성되고, 코일에 전류가 인가되어 회전자와의 사이에 회전자계를 형성하도록 구비된 고정자;회전자와 고정자를 수용하도록 내부에 기둥형태의 하우징 중공이 형성되되, 내부공기의 순환을 위해서 내주면과 고정자의 외주면 간에 순환유로가 형성되는 하우징; 제1 깔대기부재, 제1 깔대기부재보다 직경이 큰 제2 깔대기부재로 이루어져 일측이 샤프트와 결합되되, 제2 깔대기부재의 내주면과 제1 깔대기부재의 외주면이 상호 이격되어 가이드유로가 형성되고, 내부유로에서 토출된 공기가 가이드유로를 따라 제1 커버측으로 안내되는 내부팬; 하우징의 전면과 결합되고, 부하측이 외부로 노출되도록 제1 커버 중공이 형성되되, 가이드유로로부터 전달받은 공기를 순환유로로 전달하기 위한 제1 선회유로가 내측에 형성되고, 복수 개의 제1 방열핀이 샤프트를 중심으로 방사형으로 형성되는 제1 커버; 하우징의 후면과 결합되되, 반부하측이 외부로 노출되도록 제2 커버 중공이 형성되되, 순환유로로부터 전달받은 공기를 내부유로로 전달하기 위한 제2 선회유로가 내측에 형성되고, 복수 개의 제2 방열핀이 샤프트를 중심으로 방사형으로 형성되는 제2 커버; 하우징의 외측면에 형성되어 철도차량에 고정되는 고정부; 순환유로의 길이방향을 따라 순환유로에 배치되는 복수 개의 히트파이프; 및 순환유로에 배치되는 펠티어 소자를 포함하고, 코일에 전류의 인가 시, 내부유로를 따라 유동하는 내부공기가 코일과 영구자석에서 발생되는 열을 흡수해 가이드유로를 따라 제1 선회유로로 유동하여 제1 커버를 매개로 외부공기와 열교환을 하여 1차 냉각되고, 1차 냉각된 내부공기가 제1 선회유로에서 순환유로로 유동하여 순환유로를 따라 하우징을 매개로 외부공기와 열교환을 하여 2차 냉각되고, 2차 냉각된 내부공기가 순환유로에서 제2 선회유로로 유동하여 제2 커버를 매개로 외부공기와 열교환을 하여 3차 냉각되고, 3차 냉각된 내부공기가 제2 선회유로에서 내부유로로 유동하고, 고정부는 하우징의 일측에 형성되는 제1고정부; 및 하우징의 타측에 형성되는 제2고정부를 포함하고, 제1고정부는 하우징의 일측 상단에 형성되는 한 쌍의 제1돌기; 및 하우징의 길이방향을 따라 제1돌기 간에 배치되어 제1돌기에 고정되는 제1플레이트를 포함하고, 제2고정부는 하우징의 타측 상단에 형성되는 한 쌍의 제2돌기; 하우징의 길이방향을 따라 제2돌기 간에 배치되어 제2돌기에 고정되는 제2플레이트; 및 하우징의 길이방향을 따라 하우징의 타측 하단에 고정되는 제3플레이트를 포함할 수 있다.

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본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기는 하우징 내부 공기의 순환을 위하여 하우징의 내주면에 순환유로를 구성하고, 순환유로를 따라 흐르는 공기가 하우징 외주면의 찬 공기와 열교환을 수행함으로써 하우징 내부의 공기를 효과적으로 냉각시킬 수 있는 효과를 기대할 수 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 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기의 분해사시도이다.
도 4는 도 1에서의 A-A'의 단면도이다.
도 5는 도 1에서의 B-B'의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기 내부의 공기의 흐름을 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, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기에 대하여 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기는 도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이 회전자(100), 고정자(200), 하우징(300), 제1 커버(400), 제2 커버(500), 내부팬(FAN)(600) 및 레졸버커버(700)로 구성된다.

회전자(100)는 샤프트(110) 및 회전자 철심(120)으로 구성되며, 샤프트(110)는 구체적으로 도 5에 도시된 바와 같이 부하와 연결되는 부하측(110a)과 부하측(110a)과 대향되는 위치인 반부하측(110b)으로 구분될 수 있다.

이러한 샤프트(110)는 전동기의 구동에 의하여 생성되는 회전력을 샤프트(110)의 부하측(11a)과 결합된 부하, 예를 들면 철도차량의 휠에 회전력을 전달하는 기능을 수행하며, 샤프트(110)의 반부하측(110b)에는 도 3에 도시된 바와 같이 별도의 레졸버커버(700)를 결합할 수도 있다.

회전자 철심(120)은 샤프트(110)의 외주면에 고정 결합되는 구성으로 회전자 철심(120)은 후술할 고정자(200) 사이에 회전자계가 형성되어 회전하며, 이러한 회전자 철심(120)의 회전에 의하여 샤프트(110)가 함께 회전하게 된다.

이러한 회전자 철심(120)에는 도 4에 도시된 바와 같이 샤프트(110)를 중심으로 방사형으로 형성되는 복수 개의 내부유로(121)가 배치되며, 아울러 자계의 형성을 위한 복수 개의 자성체(122), 즉 영구자석이 배치될 수 있다.

특히 내부유로(121)를 통해 흐르는 공기는 회전자(100)에서 발생되는 다량의 열과 열교환을 수행함으로써 회전자(100)를 냉각시키는데, 이에 대한 자세한 내용은 후술하도록 한다.

고정자(200)는 회전자(100)의 외주면을 감싸도록 배치되되, 구체적으로는 그 내주면이 회전자(100)의 외주면과 약간의 간격을 두고 이격 배치되는 구성으로, 내주면에는 코일(220)을 권취하기 위한 권취부(210)가 형성된다.

상술한 바와 같이 고정자(200)의 권취부(210)에 권취된 코일(220)에 전류를 인가하면 코일(220)과 자성체(122)에 의한 회전자계가 형성되며, 이러한 과정을 통하여 회전자(100)가 회전하게 된다.

하우징(300)은 회전자(100) 및 고정자(200)를 수용하도록 내부에 중공이 형성된 기둥형 구조로 구성되며, 하우징(300)의 외부에는 철도차량과의 고정을 위한 고정부(800) 등이 형성될 수 있으며, 하우징(300)의 내부공기를 순환하기 위해 하우징(300)의 내주면과 고정자(200)의 외주면 간에 순환유로(310)가 형성된다.

즉, 순환유로(310)를 따라 흐르는 공기는 상대적으로 온도가 낮은 하우징(300) 외부의 공기와 하우징(300)을 매개로 열교환함으로써 하우징(300) 내부의 온도를 냉각시켜주는 기능을 수행한다.

나아가 순환유로(310) 내에 길이방향으로 형성된 복수 개의 파이프가 배치되도록 구성될 수 있다.

아울러, 순환유로(310)를 흐르는 공기의 냉각 성능을 향상시키기 위하여 순환유로(310) 상에 펠티어 소자 등의 열전소자를 배치하는 것도 가능하며, 나아가 상술한 파이프로는 히트 파이프가 적용되는 것도 가능할 것이다.

제1 커버(400)는 하우징(300)의 전면과 결합되는 구성이고, 제2 커버(500)는 하우징(300)의 후면과 결합되는 구성으로, 외부로부터 하우징(300)의 전면 및 후면을 차폐시키는 기능을 수행한다.

제1 커버(400)는 샤프트(110)의 부하측(110a)이 외부로 노출될 수 있도록 중공이 형성되되, 제1 커버(400)의 내측 중 순환유로(310)와 대응되는 영역에는 내부유로(121)로부터 전달받은 뜨거운 공기를 순환유로(310)로 전달하기 위한 제1 선회유로(410)가 형성된다.

한편, 제1 커버(400)의 전면부 외측은 견인전동기 내부 대비 상대적으로 온도가 낮으며, 내부유로(121)로부터 전달받은 뜨거운 공기가 순환유로(310)로 전달되기 전에 제1 커버(400)의 전면부 외측과 열교환을 수행함으로써 냉각될 수 있다.

특히, 제1 커버(400)의 전면부에는 복수 개의 제1 방열핀(420)이 샤프트(110)를 중심으로 방사형으로 형성될 수 있으며, 이를 통하여 제1 커버(400) 내부와 제1 커버(400) 외부와의 열교환 면적을 넓힘으로써 제1 커버(400) 내부, 즉 제1 선회유로(410)를 따라 흐르는 공기의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

제2 커버(500)는 샤프트(110)의 반부하측(110b)이 외부로 노출될 수 있도록 중공이 형성되되, 제2 커버(500)의 내측 중 순환유로(310)와 대응되는 영역에는 순환유로(310)에서의 열교환을 통하여 냉각된 공기를 다시 내부유로(121)로 전달하기 위한 제2 선회유로(510)가 형성된다.

한편, 제2 커버(500)의 전면부 외측은 견인전동기 내부 대비 상대적으로 온도가 낮으며, 순환유로(310)로부터 전달받은 냉각된 공기가 내부유로(121)로 전달되기 전에 제2 커버(500)의 전면부 외측과 열교환을 수행함으로써 추가적인 냉각이 이루어질 수 있다.

특히, 제2 커버(500)의 전면부에는 복수 개의 제2 방열핀(520)이 샤프트(110)를 중심으로 방사형으로 형성될 수 있으며, 이를 통하여 제2 커버(500) 내부와 제2 커버(500) 외부와의 열교환 면적을 넓힘으로써 제2 커버(500) 내부, 즉 제2 선회유로(510)를 따라 흐르는 공기의 냉각 효율을 향상시킬 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기는 일측이 샤프트(110), 구체적으로는 샤프트(110) 중 부하측(110a) 부분에 결합되되, 내부유로(121)에서 토출된 공기를 제1 커버(400)측으로 안내하기 위한 가이드유로(610)를 구비한 내부팬(600)을 더 포함할 수 있다.

이러한 내부팬(600)은 견인전동기 내부의 공기의 순환을 용이하게 하기 위한 것으로, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이 일측은 넓고 타측은 좁은 깔대기형상으로 형성되는 것이 바람직하다.

구체적으로는 이러한 내부팬(600)은 제1 깔대기부재 및 상기 제1 깔대기부재보다 직경이 큰 제2 깔대기부재로 구성되며, 제2 깔대기부재의 내주면은 제1 깔대기부재의 외주면으로부터 미리 설정된 간격만큼 이격되도록 구성될 수 있다.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기의 각 구성에 대한 내용 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 철도차량용 영구자석 견인전동기에서의 내부 공기의 흐름에 대하여 설명하도록 한다.

먼저 견인전동기를 구동시키기 위하여 코일(220)에 전류를 인가하게 되면 코일(220) 및 자성체(122)에 다량의 열이 발생하게 되며, 내부유로(121)를 따라서 흐르는 공기는 자성체(122) 등에서 발생되는 열을 흡수한 후 내부팬(600)의 가이드유로(610)를 따라 제1 커버(400)의 제1 선회유로(410)로 이동한다.

이때 공기는 코일(220)에서 발생되는 열을 흡수하되, 제1 커버(400)를 매개로 상대적으로 온도가 낮은 제1 커버(400) 외부의 공기와 열교환을 하여 공기가 냉각된다.

이후 공기는 하우징(300)의 순환유로(310)를 따라 제2 커버(500) 방향으로 이동하며, 이 과정에서 공기는 하우징(300)의 측면 외부의 공기와 열교환을 하여 더욱 냉각된다.

이후 공기 제2 커버(500)의 제2 선회유로(410)를 따라 이동하여 제2 커버(500) 외부와 다시 열교환을 수행하여 더욱 냉각된 후 다시 내부유로(121)로 이동함으로써 견인전동기 내부에서 발생되는 열을 효과적으로 냉각시킬 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100: 회전자 200: 고정자
300: 하우징 400: 제1 커버
500: 제2 커버 600: 내부팬(FAN)
700: 레졸버커버 800 : 고정부
810 : 제1고정부 820: 제2고정부
811 : 제1돌기 812 : 제1플레이트
821 : 제2돌기 822 : 제2플레이트
823 : 제3플레이트

Claims

철도차량의 휠에 회전력을 전달하는 부하측 단부와, 상기 부하측 단부와 대향되고 레졸버커버가 결합되는 반부하측 단부를 구비하는 샤프트, 상기 샤프트의 외주면에 고정 결합되되 복수 개의 내부유로가 상기 샤프트를 중심으로 방사형으로 형성되는 회전자 철심을 구비하는 회전자;
상기 샤프트를 중심으로 방사형으로 상기 회전자 철심에 배치되는 복수 개의 영구자석;
내주면이 상기 회전자와 이격되어 상기 회전자의 외주면을 감싸도록 배치되고, 상기 내주면에 전원을 공급받는 코일이 권취되는 권취부가 형성되고, 상기 코일에 전류가 인가되어 상기 회전자와의 사이에 회전자계를 형성하도록 구비된 고정자;
상기 회전자와 고정자를 수용하도록 내부에 기둥형태의 하우징 중공이 형성되되, 내부공기의 순환을 위해서 내주면과 상기 고정자의 외주면 간에 순환유로가 형성되는 하우징;
제1 깔대기부재, 상기 제1 깔대기부재보다 직경이 큰 제2 깔대기부재로 이루어져 일측이 상기 샤프트와 결합되되, 상기 제2 깔대기부재의 내주면과 상기 제1 깔대기부재의 외주면이 상호 이격되어 가이드유로가 형성되고, 상기 내부유로에서 토출된 공기가 상기 가이드유로를 따라 제1 커버측으로 안내되는 내부팬;
상기 하우징의 전면과 결합되고, 상기 부하측이 외부로 노출되도록 제1 커버 중공이 형성되되, 상기 가이드유로로부터 전달받은 공기를 상기 순환유로로 전달하기 위한 제1 선회유로가 내측에 형성되고, 복수 개의 제1 방열핀이 상기 샤프트를 중심으로 방사형으로 형성되는 제1 커버;
상기 하우징의 후면과 결합되되, 상기 반부하측이 외부로 노출되도록 제2 커버 중공이 형성되되, 상기 순환유로로부터 전달받은 공기를 상기 내부유로로 전달하기 위한 제2 선회유로가 내측에 형성되고, 복수 개의 제2 방열핀이 상기 샤프트를 중심으로 방사형으로 형성되는 제2 커버;
상기 하우징의 외측면에 형성되어 상기 철도차량에 고정되는 고정부;
상기 순환유로의 길이방향을 따라 상기 순환유로에 배치되는 복수 개의 히트파이프; 및
상기 순환유로에 배치되는 펠티어 소자;
를 포함하고,
상기 코일에 전류의 인가 시, 상기 내부유로를 따라 유동하는 상기 내부공기가 상기 코일과 영구자석에서 발생되는 열을 흡수해 상기 가이드유로를 따라 상기 제1 선회유로로 유동하여 상기 제1 커버를 매개로 외부공기와 열교환을 하여 1차 냉각되고,
1차 냉각된 상기 내부공기가 상기 제1 선회유로에서 상기 순환유로로 유동하여 상기 순환유로를 따라 상기 하우징을 매개로 상기 외부공기와 열교환을 하여 2차 냉각되고,
2차 냉각된 상기 내부공기가 상기 순환유로에서 상기 제2 선회유로로 유동하여 상기 제2 커버를 매개로 상기 외부공기와 열교환을 하여 3차 냉각되고,
3차 냉각된 상기 내부공기가 상기 제2 선회유로에서 상기 내부유로로 유동하고,
상기 고정부는,
상기 하우징의 일측에 형성되는 제1고정부; 및
상기 하우징의 타측에 형성되는 제2고정부;
를 포함하고,
상기 제1고정부는,
상기 하우징의 일측 상단에 형성되는 한 쌍의 제1돌기; 및
상기 하우징의 길이방향을 따라 상기 제1돌기 간에 배치되어 상기 제1돌기에 고정되는 제1플레이트;
를 포함하고,
상기 제2고정부는,
상기 하우징의 타측 상단에 형성되는 한 쌍의 제2돌기;
상기 하우징의 길이방향을 따라 상기 제2돌기 간에 배치되어 상기 제2돌기에 고정되는 제2플레이트; 및
상기 하우징의 길이방향을 따라 상기 하우징의 타측 하단에 고정되는 제3플레이트;
를 포함하는 철도차량용 영구자석 견인전동기.
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