KR102339523B1 - 차량 모터의 냉각장치 - Google Patents

Abstract

차량용 모터에 대한 종래의 오일 냉각방식의 구조적 복잡성을 간소화하여 재료비를 절감하면서 개선된 냉각성능을 얻고자 하는 목적으로 본 발명을 제안한다. 본 발명에 따르면, 기존에 냉각파이프를 통해 공급되던 냉각액(냉각수 또는 냉각오일)을 모터 하우징에 부착된 리저버 탱크 및 노즐을 통해 모터 내부의 발열부에 직접 냉각방식으로 분사한다. 모터 하우징에 리저버 공간을 일체형으로 또는 별체형으로 구비하여 냉각액의 압력을 균일하게 유지 및 댐핑하고, 냉각 파이프 없이 형성된 유로를 통해 리저버 탱크로 들어오는 냉각액을 직접 발열부에 분사하여서 스테이터 코어, 코일 등의 발열부를 냉각시킨다. 나아가 냉각액의 재순환 제어 및 분사 형태, 시점 등의 지능적 제어를 통해 냉각효율을 배가할 수 있다.

Description

차량 모터의 냉각장치 {Apparatus for cooling car motor}

본 발명은 차량용 모터의 효율적인 냉각을 위한 냉각액 직접냉각 장치에 관한 것이다.

친환경 차량용 모터, 특히, 구동모터는 배터리나 수소탱크(또는 스택)의 전기에너지를 운동에너지로 변환하여 차량이 구동할 수 있게 하는 역할을 한다. 또한 차량에는 다양한 용도의 다양한 모터가 사용된다. 모터의 에너지 변환작용 중 모터의 스테이터 코어나 코일 등에 열이 발생하게 되어 이를 냉각해야 한다. 냉각효율에 따라 모터의 출력밀도와 사이즈가 결정된다.

종래에 모터의 발생열을 냉각하기 위한 방법으로 냉각수를 이용한 간접냉각 방식 또는 오일을 이용한 근접냉각 방식이 있다. 전자의 냉각수를 이용한 간접냉각 방식은 냉각수 온도의 열전도에 의한 간접적 냉각방식이고, 후자의 오일을 이용한 근접냉각 방식은 냉각 파이프에 형성된 홀을 통해 발열부 근처에 오일을 투입하여 냉각하는 방식이다.

냉각수를 이용한 냉각방식의 경우, 모터 하우징에 스테이터 코어가 압입되어 있고 하우징에 있는 수로부에 냉각수가 공급된다. 하우징 수로부를 지나는 냉각수의 열전도에 의해 발열부인 스테이터 코어가 냉각되고, 이에 따라 코일은 코어로부터 열전도되어 냉각된다.

그러나 이 방식의 경우는 간접적인 열전도에 의해 냉각이 이루어지기 때문에 냉각효율이 좋지 못하며 모터의 출력밀도가 저하되어 모터의 규격이 커져야 한다.

다음, 오일을 이용한 냉각방식의 경우에는, 모터 하우징에 스테이터 코어가 볼트로 조립되며, 냉각 오일은 냉각 오일 입구를 통해 냉각 파이프로 발열부까지 공급된다. 이 냉각 파이프에 수 개의 홀이 천공되어 있어서 이 홀들을 통해 오일이 발열부인 코일과 코어 근처에 분사되어 냉각시킨다.

그러나 이 방식은 냉각 파이프의 소재 비용과 홀의 가공비용으로 인해 재료비가 높다. 그리고 오일이 분사되는 홀은 가공상 단순한 구멍의 형태로 가공할 수 밖에 없어서 홀 이외의 다른 형상으로의 가공은 불가능하다. 또한 단순한 구멍 형태이기 때문에 냉각 오일 분사시 분사압력에 따라 오일이 구조물을 타고 흐르는 현상이 발생할 수 있는바, 이는 냉각을 목적으로 하는 부분으로 흐르지 않아 냉각효과를 저해한다. 또한 구조상, 하우징에 스테이트 코어가 볼트로 조립되기 때문에 (하우징과 코어의 간극부에 냉각 파이프가 위치해야 하기 때문에 하우징에 직접 코어를 압입할 수 없음. 따라서 코어를 하우징에 고정하기 위하여 코어에 플랜지를 만들고 이 플랜지를 하우징에 볼트로 조립함) 외기온에 의한 하우징과 코어간의 열전도가 충분히 이루어지지 않아 열전도에 의한 냉각 효율이 떨어진다.

차량용 모터에 대한 종래의 오일 냉각방식의 구조적 복잡성을 간소화하여 재료비를 절감하면서 개선된 냉각성능을 얻고자 하는 목적으로 본 발명을 제안한다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 기존에 냉각파이프를 통해 공급되던 냉각액(냉각수 또는 냉각오일)을 모터 하우징에 부착된 리저버 탱크 및 노즐을 통해 모터 내부의 발열부에 직접 냉각방식으로 분사한다.

모터 하우징에 리저버 공간을 일체형으로 또는 별체형으로 구비하여 냉각액의 압력을 균일하게 유지 및 댐핑하고, 냉각 파이프 없이 형성된 유로를 통해 리저버 탱크로 들어오는 냉각액을 직접 발열부에 분사하여서 스테이터 코어, 코일 등의 발열부를 냉각시킨다.

나아가 냉각액의 재순환 제어 및 분사 형태, 시점 등의 지능적 제어를 통해 냉각효율을 배가할 수 있다.

이상에서 소개한 본 발명의 구성 및 작용은 이후에 도면과 함께 설명하는 구체적인 실시예를 통하여 더욱 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1. 고 재료비의 오일 냉각파이프 대신 모터 하우징에 리저버 공간을 구비하고 노즐이 있는 플레이트를 장착하여 구조를 단순화하고 원가를 절감한다.

2. 종래에 냉각파이프 홀에 의해 발열부에 오일이 분사되는 것을 개선하여, 노즐을 통해 직접 발열부에 냉각액을 공급함으로써 냉각성능을 향상시킬 수 있다.

3. 종래의 오일 직접 냉각방식의 경우 냉각파이프 때문에 하우징과 스테이터 코어 사이에 공간이 필요하여 하우징과 스테이터 코어간 압입을 하지 못했었다. 본 발명에 따르면 이 냉각파이프가 삭제되어 모터 하우징에 스테이터 코어를 압입하는 것이 가능해져 밀착도가 높아짐으로써 하우징 외기온에 의한 냉각 효과로 냉각성능이 향상된다. 또한 압입 구조임에도 불구하고 하우징에 코어를 감싸는 유로부를 형성하여 코어도 냉각할 수 있는 오일을 공급할 수 있어 코어 냉각성능도 함께 향상된다.

4. 종래기술은 코어를 하우징에 고정하기 위하여 코어에 플랜지를 만들고, 코어의 플랜지와 하우징을 볼트로 조립하게 된다. 이 플랜지부는 냉각파이프를 통해 공급되는 오일의 유동을 방해하게 되는데, 본 발명은 코어를 하우징에 압입함으로써 종래 기술의 단점을 극복한다.

5. 코어를 하우징에 고정하는 코어플랜지부 고정 볼트가 삭제된다(부품수 축소)

6. 종래의 냉각파이프에서는 오일이 유로를 통해 흐르면서 순차적으로 홀을 통해 분사되며 이는 후단 분사홀의 점차적인 압력저하를 야기함으로써 오일이 나오는 홀에 오일이 맺히거나 구조물을 타고 흐르는 현상이 있을 수 있으나, 본 발명은 노즐에서 냉각액이 압력 분사되며 노즐 끝단의 형상이 니플형상으로 설계 가능하기 때문에 구조물을 타고 오일이 의도하지 않는 부분으로 흘러내리는 현상이 없어 냉각성능이 향상된다.

7. 종래의 냉각파이프의 홀은 가공상의 이유로 단순한 구멍의 형상에서 벗어날 수 없었지만, 본 발명에서의 분사 노즐의 경우 단면 형상의 자유도가 높기에 발열부에 최적화된 분사 또는 분무 형태로 냉각액 공급이 가능하다.

8. 모터의 종류별, 출력별로 냉각액 분사 유량과 시점의 지능적 제어가 가능하여 모터 출력에 최적화된 냉각성능을 이끌어낸다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구동모터(100)의 사시도
도 2는 도 1에 대한 정면도
도 3은 도 1의 A-A 단면도
도 4는 도 3의 특징부 확대도
도 5는 노즐 플레이트(300)의 단면도
도 6은 노즐 구조에 따른 냉각액의 분사형태 예시도
도 7은 도 2의 B-B 단면도
도 8은 도 7의 C부분 확대도

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 이들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 기술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 기재에 의해 정의된다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용된 '포함한다(comprise)' 또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자 이외의 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가급적 동일한 부호를 부여하고 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구동모터(100)의 사시도이고 도 2는 도 1에 대한 정면도이고 도 3은 도 1의 A-A 단면도이다. 그리고 도 4는 본 실시예의 특징부 확대도이다.

먼저, 본 실시예의 특징적 구성요소는 모터 하우징(110)과 일체로 형성된, 또는 별도 제작되어 부착된 리저버(200)와 이 리저버(200) 공간에 설치되어 모터(110) 내 발열부인 스테이터 코어(120) 및 코일(130)에 최적화된 분무형태로 냉각액(냉각수 또는 냉각유)을 분사시키는 다수의 노즐(320)이 포함된 노즐 플레이트(300)이다.

좀더 구체적으로 설명한다.

리저버(200)에는 냉각오일이나 냉각수 등의 냉각액이 채워져 있으며 상기 노즐 플레이트(300)의 노즐(320)을 통해 모터(100) 내부의 발열부(예를 들어, 코어(120) 및 코일(130))로 냉각액이 직접 분사된다. 냉각액은 모터 하우징(110)과 내부의 코어(120) 또는 코일(130) 사이에 형성된 냉각유로(도 7, 8을 통해 후술함)를 지나 회수되어 인입구(210)를 통해 다시 리저버(200)로 재공급되어 순환된다. 따라서 이러한 관점에서 리저버(200)는 냉각액의 압력을 균일하게 유지할 수 있도록 하는 댐퍼의 역할을 수행한다.

리저버(200)는 모터 하우징(110)의 성형시에 일체로 성형되거나, 모터 하우징(110)과 별도로 제작되어 용접이나 볼팅 등의 수단으로 결합된다. 리저버(200)는 전체적으로 냉각액이 담기는 공간 형태로 이루어지고 그 내부의 바닥면에는 모터(100) 내부의 발열부인 코어(120)와 통하는 관통공(140)이 형성되어 있다. 따라서 모터 하우징(110)의 상응 위치에도 이 관통공(140)과 대응하는 관통공이 형성되어야 한다. 만일 리저버(200)가 모터 하우징(110)과 일체로 형성된 경우에는 리저버(200)의 관통공(140)이 자체적으로 모터 하우징(110)의 관통공이 되도록 할 수도 있다.

관통공(140)에 노즐(320)이 삽입되도록 노즐 플레이트(300)가 리저버(200) 안에 설치된다(도 3, 도 4 참조). 노즐 플레이트(300)의 설치는 리저버(200)의 바닥면에 형성된 복수의 체결공에 노즐 플레이트(300)에 형성된 복수의 볼트 구멍을 통해 볼트를 삽입하여 볼팅 설치할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다.

마지막으로 리저버(200)의 상부에는 리저버 커버(400)가 체결된다. 커버(400)의 체결은 리저버(200)의 상면에 형성된 복수의 체결공(210)에 커버(400)에 형성된 복수의 볼트 구멍(410)을 통해 볼트를 삽입하여 볼팅 설치할 수 있다. 그러나 이러한 볼팅 방식 이외에 정비 편의성을 위해 원터치식 스냅체결 방식도 적용가능하다. 커버(400)와 리저버(200) 사이에 가스켓이나 실러 등을 사용하거나 커버(400) 자체에 밀폐기능을 부여하여 냉각액의 기밀을 유지하는 것이 바람직하다.

이러한 구성에서 냉각액의 순환 경로 및 작동 메커니즘은 다음과 같다. 먼저, 펌프 기구에 의해서 모터 하우징(110) 내의 냉각액이 이동하여 인입구(210)를 통해 리저버(200) 탱크로 유입된다. 리저버(200)는 냉각액의 압력을 균일하게 유지할 수 있도록 댐퍼 역할을 한다. 따라서 리저버(200) 탱크 내의 압력이 증가하여서 노즐 플레이트(300)의 노즐(320)을 통해 모터(100) 내부의 발열부인 예컨대 코일(130)과 코어(120)에 냉각액이 직접 분사된다.

이러한 직접 분사의 장점은 저온의 냉각액을 직접 발열부에 공급하여 냉각 효율이 증대된다는 것이다. 또한, 기존의 냉각 방식에 사용되던 냉각파이프의 홀은 발열부 근방에만 냉각액을 분사하는 것에 그쳤으나, 본 발명은 발열부(코어, 코일 등)에 직접 냉각액의 분사가 가능하다. 아울러, 기존의 냉각파이프가 삭제됨에 따라 모터(100) 내부의 구조상 여유가 생겨 모터 하우징(110)에 스테이터 코어(120)를 직접 압입 조립이 가능해진다. 따라서 모터 외기온의 열전도에 의해 코어 및 코일이 추가 냉각되는 효과가 수반되어 냉각효율이 증대된다. 또한, 종래에 모터 하우징(110)과 코어(120)를 고정하기 위한 플랜지가 삭제되어 이로 인한 냉각액 유동의 방해 부분이 없어지고, 플랜지의 볼트도 삭제된다.

도 5는 노즐 플레이트(300)의 단면도로 노즐(320) 부위를 설명하기 위한 것이다. 도 4와 함께 도 5를 참조하여 설명한다.

노즐 플레이트(300)에 형성된 노즐(320)은 도 4에서와 같이 리저버(200) 바닥면 또는 모터 하우징(110)에 형성된 관통공(140)에 삽입되도록 아래쪽으로 돌출되는 형태로 구성된다. 노즐(320)은 여느 노즐의 구조와 유사하게 냉각액 입구(330)와 냉각액 분사구(350)를 갖고 이들 냉각액 입구(330)와 냉각액 분사구(350)의 상이한 직경을 연결하는 분사통로 내벽(340)으로 이루어진다.

노즐(320)에서 분사되는 냉각액의 분사 형태는 이들 입구(330)와 분사구(350)의 형상과 단면적, 분사통로 내벽(340) 형상 등을 조절하여 자유롭게 설계 가능하다. 예를 들어, 도 6은 다양한 노즐(320) 구조에 따라 다양하게 얻어지는 분사 형태를 예시한다. 이렇게 원하는 냉각액 분사 형태를 얻도록 노즐(320) 구조를 설계함으로써, 모터(100) 내 발열부에 따라 냉각액의 분사각도 또는 분사 입자 사이즈 등을 최적화할 수 있다. 다양한 분사 형태의 노즐 구조를 적용한 다양한 종류의 노즐 플레이트(300)를 구비해 놓고, 냉각대상 모터(100)의 제작시에 각 모터 종류에 상응하는 노즐 플레이트(300)를 적용함으로써 모터의 종류별, 출력별로 냉각 성능을 최적화할 수 있을 것이다.

이렇게 노즐 플레이트(300)에 노즐(320)을 적용함으로써, 기존의 냉각파이프의 홀에서 발생할 수 있는 압력저하로 인한 냉각액 흐름 현상이 없어지게 되어 냉각성능이 증대되며, 노즐(320)의 구조 설계가 자유롭기 때문에 모터(100)의 발열부별로 노즐(320)의 단면적과 단면형상 등 구조를 변경하여 최적화된 분무형태로 냉각액의 공급이 가능해진다.

도 7은 도 2의 B-B 단면도이고, 도 8은 도 7의 C부분 확대도이다.

모터 하우징(110)과 그 내부의 스테이터 코어(120)와의 접촉면 이외에 냉각액이 유동할 수 있는 유로(150)를 형성한다. 이 유로(150)의 시발점은 리저버(200)이고 종착점은 리저버 인입구(210)이다. 이렇게 유로(150)를 추가함으로써, 리저버(200)로부터 노즐(320)을 통해 모터 하우징(110) 내부의 발열부(본 실시예의 경우 코어(120) 및 코일(130))로 직접 분사된 냉각액이 상기 유로(150)를 통해 순환하여 다시 리저버 인입구(210)를 통해 리저버(200)로 들어가 리저버(200)의 내부 압력 댐핑작용에 의해 그리고 전체 노즐의 압력이 균일화되어 다시 분사된다. 이러한 냉각액의 재순환 작용을 위해 펌프(미도시)가 사용될 수 있다. 나아가 펌프 및 냉각액 재순환 루트를 통해서 발열부에 분사되는 냉각액의 유량, 압력, 분사 시점 등을 인공지능 및 학습 알고리즘을 이용하여 지능적으로 제어함으로써 다양한 모터(100)의 출력 사양에 따라 상이하게 조절함으로써 모터별, 차량별로 냉각 성능의 최적화를 달성할 수 있을 것이다.

<변형 실시예>

이상에서 설명한 실시예의 변형으로서, 상술한 노즐 플레이트(300)를 삭제하고, 모터 하우징(110) 또는 리저버(200) 자체에 냉각액 분사를 위한 노즐을 형성하는 것도 가능할 것이다.

전자, 즉, 모터 하우징(110) 자체에 냉각액 분사를 위한 노즐이 형성되는 경우에는 상기 모터 하우징(110)에 일체로 형성 또는 별체로 부착되는 리저버(200)에 상기 모터 하우징(110)에 형성된 노즐에 상응하는 위치에 관통공 또는 그 상당 요소가 포함되어야 할 것이다.

반면, 후자, 즉, 리저버(200) 자체에 냉각액 분사를 위한 노즐이 형성되는 경우에는 상기 모터 하우징(110)에는 그 내부의 발열부와 통하는 관통공이 형성되고, 이 관통공에 상기 리저버(200)의 노즐이 삽입되어야 할 것이다.

그 밖의 구성요소와 냉각작용은 앞에서 소개한 기본 실시예의 것과 동일한 맥락으로 이해될 수 있을 것이다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 통하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 본 명세서에 개시된 내용과는 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 보호범위는 상기 상세한 설명보다는 후술한 특허청구범위에 의하여 정해지며, 특허청구의 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태는 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (18)

1. 차량용 모터의 냉각장치로,
   상기 모터 내부의 발열부와 통하는 관통공과, 냉각액이 스테이터를 타고 흐를 수 있는 유로가 형성된 모터 하우징;
   상기 모터 하우징에 연결되어 내부 공간에 냉각액이 채워지며 상기 모터 하우징의 관통공과 통하는 리저버 관통공과, 복수의 체결공이 포함된 리저버; 및
   상기 리저버 내부공간에 설치되어 상기 모터 하우징의 관통공을 통해 상기 모터 내부의 발열부에 냉각액을 분무형태로 분사하는 노즐이 포함된 노즐 플레이트를 포함하되,
   이 노즐 플레이트는
   상기 리저버의 리저버 관통공에 삽입되는 노즐과, 상기 리저버의 복수의 체결공에 대응하여 볼트 체결에 의해 설치되도록 하기 위한 복수의 볼트 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 모터의 냉각장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 리저버는 상기 모터 하우징과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 차량 모터의 냉각장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 리저버는 상기 모터 하우징과 별체로 형성되어 부착되는 것을 특징으로 하는 차량 모터의 냉각장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 리저버에는 그 내부의 냉각액의 기밀을 유지하는 리저버 커버를 포함하는 차량 모터의 냉각장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 리저버는 그 내부로 냉각액이 인입되는 리저버 인입구를 포함하고, 상기 모터 하우징은 상기 냉각액이 통과하는 냉각유로를 포함하여,
   상기 냉각액이 상기 리저버로부터 상기 노즐 플레이트의 노즐을 통해 상기 모터 하우징 내부의 발열부를 거쳐 상기 냉각유로를 통해 순환하여 상기 리저버 인입구를 통해 상기 리저버로 들어가는 것을 특징으로 하는 차량 모터의 냉각장치.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
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18. 삭제

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