KR102393490B1 - 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터에 관한 것으로, 상세하게는 모터 및 일측에 상기 모터가 결합되는 인버터 하우징부, 상기 인버터 하우징부와 결합되어 내부 공간을 형성하는 커버부, 형성된 상기 내부 공간에 구비되며, 상기 인버터 하우징부의 타측에 결합되되 결합된 부분을 제외한 나머지 부분이 상기 인버터 하우징부와 이격되어 배치되고 다수의 전자 소자들이 장착되는 PCB 기판을 포함하는 인버터부가 결합되어 일체형으로 구성되는 모터에 있어서, 상기 모터에 포함되는 다수의 전자 소자들 중 스위칭 소자(100, 200, 300)가 상기 인버터부의 PCB 기판과 인버터 하우징부 간의 이격 배치로 인해 형성된 상기 인버터 하우징부에 직접 장착되는 것을 특징으로 하는 모터에 관한 것이다.

Description

모터 {Motor}

본 발명은 인버터부가 일체형으로 구성된 모터에서, 더 상세하게는 발열이 높은 전자소자인 MOSFET을 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 상부가 아닌 모터 헤드(Motor Head) 상부에 직접 부착하여 MOSFET의 방열 효과를 향상시킴으로써, 인버터부의 전자소자들의 방열 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 모터에 관한 것이다.

다양한 모터의 종류 중 일례로서, BLDC(Brushless Direct Current) 모터는 DC 모터에서 브러시와 정류자를 없애도 전자적인 정류기구를 설치한 모터로서, 기존의 DC 모터가 갖는 단점인 마찰과 마모를 방지할 수 있고, 상대적으로 효율ㄹ이 높아 최근 하이브리드 자동차의 냉각팬 회전용 모터로 적용하는 추세이다.

종래의 자동차용 저전압 쿨린팬의 BLDC 모터 어셈블리는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 모터와 인버터부가 일체형으로 구성되는 인버터 일체형 BLDC 모터로 형성되며, 인버터부에는 모터의 제어를 위한 스위칭 소자(11)들을 포함하여 다양한 전자 소자들이 장착된 PCB 기판(10)이 구비된다.

PCB 기판(10) 상부에 전자 소자(11)들이 위치함으로써, 별도의 버스바(bus-bar) 유닛을 추가하지 않아도 설계가 가능하여, 모터 패키지 절약에 도움이 되기 때문이다.

그렇지만, PCB 기판(10)에 장착된 전자 소자(11)들은 작동되는 동안 많은 열이 발생하기 때문에, 외부로 열을 전달하여 냉각시켜야 한다. 이를 위해 종래의 인버터 일체형 BLDC 모터는 PCB 기판(10)이 구비된 인버터부의 인버터 하우징 외면에 방열핀들을 형성하여 발생 열을 외부로 방출하도록 구성하고 있다.

그럼에도 불구하고, PCB 기판(10)은 인버터 하우징에 결합되어 고정되는 일부분을 제외한 나무지 부분이 인버터 하우징과의 전기적인 절연을 위해 이격되도록 배치되어 있기 때문에, PCB 기판(10)에 장착된 전자소자(11)들에서 발생되는 열이 인버터 하우징의 외부로 효과적으로 전달되어 방열되기 어려워, 인버터부의 냉각 성능을 향상시키기에는 어려움이 많기 때문에, 저전력 제품(400W 이하)에 주로 적용되게 된다.

바꿔 말하자면, 대전류가 흐르는 고전력 제품에 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같은 형태로 전자소자(11)가 구비된 BLDC 모터 어셈블리를 적용시킬 경우, 심각한 발열 문제가 야기되어 안정성과 신뢰성에 문제점이 발생하게 된다.

이와 관련해서, 국내공개특허(10-2015-0075877)에서는 대형 모터에 적용될 수 있는 버스바를 스크랩을 발생시키기 않고 용이하게 제조할 수 있는 방법을 개시하고 있다.

국내 공개특허공보 제10-2015-0075877호(공개일 2015.07.06.)

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 개선하기 위해 안출된 것으로서, 발열이 높은 전자소자인 MOSFET을 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 상부가 아닌 모터 헤드(Motor Head) 상부에 직접 부착하여 MOSFET의 방열 효과를 향상시킴으로써, 인버터부의 전자소자들의 방열 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 모터를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 이루고 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 모터는, 인버터 일체형의 모터에 있어서, 금속으로 제조된 인버터 하우징; 상기 인버터 하우징의 일면에 결합되는 PCB 기판 및 상기 PCB 기판과 전기적으로 연결되고, 상기 인버터 하우징에 배치된 복수의 스위칭 소자(100, 200, 300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 스위칭 소자(100, 200, 300)는 6개의 MOSFET을 포함하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 스위칭 소자(100, 200, 300)는 U상 상단 MOSFET(100a), U상 하단 MOSFET(100b), V상 상단 MOSFET(200a), V상 하단 MOSFET(200b), W상 상단 MOSFET(300a), W상 하단 MOSFET(300b) 순으로 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 교번하여 배치하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 스위칭 소자(100, 200, 300)는 U상 상단 MOSFET(100a), V상 상단 MOSFET(200a), W상 상단 MOSFET(300a), U상 하단 MOSFET(100b), V상 하단 MOSFET(200b), W상 하단 MOSFET(300b) 순으로 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 배치하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 인버터부의 PCB 기판과 인버터 하우징부 간의 이격 배치로 인해 형성된 상기 인버터 하우징부에 직접 장착된 상기 스위칭 소자(100, 200, 300)와 마주보도록 대응되는 상기 PCB 기판의 상부에 버스바(bus-bar) 유닛(400)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

더 나아가, 상기 버스바 유닛(400)은 상기 PCB 기판의 중심점을 향해 개구된 반원 형태로서, U상용 버스바, V상용 버스바, W상용 버스바, 중심점용 버스바를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 모터에 따르면, 발열이 높은 전자 소자인 MOSFET을 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board) 상부가 아닌 인버터 하우징부인 모터 헤드(Motor Head) 상부에 직접 부착하여 MOSFET의 방열 효과를 향상시킴으로써, 인버터부의 전자소자들의 방열 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

즉, 발열이 제일 높은 MOSFET에 대한 구조적 방열 경로를 확보할 수 있어, 발열 성능 향상과 냉각 성능 향상을 동시에 도소할 수 있어 고온의 열기로 인한 인버터부에 장착된 전자 소자의 소손을 방지할 수 있다.

더불어, 버스바 유닛을 통해 대전류가 흐르게 제어함으로써, PCB 기판에 직접 가해지는 열 전도율을 감소시킬 수 있어 고전력 제품에 효과적으로 적용시킬 수 있다.

또한, 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 교번하여 배치할 경우, 전자파 방사에 따른 노이즈를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 종래의 BLDC 모터의 인버터부 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 BLDC 모터의 인버터부 구조에 따른 방열구조를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모터의 인버터부 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모터의 인버터부에 구비된 MOSFET 구동회로를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모터의 인버터부 구조를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모터의 인버터부에 구비된 MOSFET 구동회로를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 모터의 인버터부 구조에 따른 방열구조를 나타낸 도면이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 모터를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 아래 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 다양한 모터 중 하나의 실시예인 BLDC 모터를 기준으로 설명하도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 모터와 인버터가 결합되어 일체형으로 구성되는 BLDC 모터로서, 전자 소자, 특히, 가장 열이 많이 발생되는 스위칭소자인 MOSFET에서 발생하는 고온의 열기에 의한 온도 상승으로 인해 상기 전자 소자의 냉각 성능 저하를 최소화하는 것을 특징으로 한다.

특히, 대전류가 흐르는 고전력 제품에 발열 문제를 해결하고 효율적으로 적용하기 위한 BLDC 모터에 가장 최적화되어 구성되는 것이 바람직하다.

이를 위해, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 종래의 PCB 기판 상부에 MOSFET이 장착되어 발생하는 열의 방열 경로가 제대로 형성될 수 없다는 문제점을 해소하기 위해, MOSFET의 장착 위치를 고려하여 인버터 하우징부인 Motor Head에서 PCB 기판이 형성되고 난 소정 공간에 MOSFET들의 위치 설계를 제어함으로써, MOSFET에서 발생하는 열을 PCB 기판을 거치지 않고 곧바로 인버터 하우징부로 이동시켜 방열 효율을 극대화시킬 수 있다.

즉, 인버터 하우징부과 커버부의 결합으로 인해 형성된 공간에 PCB 기판이 형성되되, PCB 기판이 형성된 공간 전체에 형성되는 것이 아니라, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 일부 영역에만 형성되기 때문에, PCB 기판이 형성되고 남은 소정 공간의 인버터 하우징부에 MOSFET을 직접 부착되도록 제어 설계함으로써, MOSFET에 대한 열 전달 경로를 신속하게 확보할 수 있어 온도를 효과적으로 낮출 수 있다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른모터의 인버터부의 평면도이며, 도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모터의 인버터부의 평면도로, 도 3 및 도 5를 참조로 하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터를 상세히 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 상술한 바와 같이, 모터 및 일측에 상기 모터가 결합되며, 금속으로 제조되는 인버터 하우징부, 상기 인버터 하우징부와 결합되어 내부 공간을 형성하는 커버부, 형성된 상기 내부 공간에 구비되며 상기 인버터 하우징부의 타측에 결합되되 결합된 부분을 제외한 나머지 부분이 상기 인버터 하우징부와 이격되어 배치되고 다수의 전자 소자들이 장착되는 PCB 기판을 포함하여 구성되는 인버터 일체형 BLDC 모터이다.

이 때, 상기 모터는 BLDC 모터(brushless direct current motor)가 될 수 있으며, 600W BLDC 모터인 것이 가장 바람직하다.

상세하게는, 상기 인버터 하우징부는 일측에 상기 모터가 결합되고 상기 인버터 하우젱부의 내측에 형성된 내부 공간에 다수개의 전자 소자를 포함하는 PCB 기판이 포함된다.

이를 위해, 커버부는 상기 인버터 하우징부와 결합되어 내부 공간을 형성하게 된다.

상기 PCB 기판은 상기 인버터 하우징부와 커버부의 결합으로 인해 형성된 내부 공간에 구비되며, 상기 인버터 하우징부의 내경과 대응되는 크기로 이루어지지 않고, 다수 개의 전자 소자들이 장착되는 영역을 기반으로 소정의 크기로 형성되어 위치하게 된다.

상기 PCB 기판에 장착되는 상기 전자 소자들로는 전기를 저장하여 일정한 전기 용량을 충전할 수 있는 커패시터, 코일 등을 포함한다.

이 때, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 스위칭 소자인 MOSFET(Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor)(100, 200, 300)가 상기 PCB 기판의 상부에 장착되지 않고, 상기 인버터 하우징부의 소정 영역에 직접 장착되게 된다. 즉, 상기 인버터부의 PCB 기판과 인버터 하우징부 간의 이격 배치로 인해 형성된 상기 인버터 하우징부의 소정 영역에 직접 장착되게 된다. 여기서, 상기 스위칭 소자(100, 200, 300)는 6개의 MOSFET을 포함하여 구성되는 것이 바람직하다.

상세하게는, 종래에는 MOSFET들이 상기 PCT 기판의 상부에 장착되어, 방열이 용이하지 못한 문제점이 있어, 이를 해소하기 위하여, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모터에서는, 상기 인버터 하우징부와 커버부의 결합으로 인해 형성된 내부 공간 중 상기 PCB 기판이 형성된 공간을 제외한 소정 영역에 상기 MOSFET(100, 200, 300)들이 직접 장착되는 것이 바람직하다.

이를 통해서, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 도 7에 도시된 바와 같이, 발열이 많은 상기 MOSFET(100, 200, 300)이 상기 PCB 기판의 상부가 아닌, AL로 형성된 상기 인버터 하우징부, 즉, 모터 헤드에 직접 부착됨으로써, 상기 MOSFET(100, 200, 300)에서 발생되는 열을 곧바로 모터 헤드로 이동시켜 방열 효율을 극대화시킬 수 있다.

이 때, 6개의 MOSFET의 배치 순서에 따라 인버터의 전자파 성능이 상이하게 나타나게 된다. 이러한 전자파 노이즈를 줄이기 위해, 도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, VBAT와 GND 사이에 노이즈 필터를 더 포함하여 구성하는 것이 바람직하며, 상기 노이즈 필터의 효율을 높이기 위해서는 전류 루프를 최소화하는 것이 가장 바람직하다.

이를 위해, 본 발명의 모터는 제 1 실시예로 도 3에 도시된 바와 같이, 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 인접하게 배치하면서 U상 상단 MOSFET(100a), U상 하단 MOSFET(100b), V상 상단 MOSFET(200a), V상 하단 MOSFET(200b), W상 상단 MOSFET(300a), W상 하단 MOSFET(300b) 순으로 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 교번하여 배치할 수 있다.

이를 통해서 상기 노이즈 필터에 흐르는 전류 루프를 최소화할 수 있다.

또다른 본 발명의 모터는 제 2 실시예로 도 5에 도시된 바와 같이, 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 모아서 배치할 수 있다. 즉, U상 상단 MOSFET(100a), V상 상단 MOSFET(200a), W상 상단 MOSFET(300a), U상 하단 MOSFET(100b), V상 하단 MOSFET(200b), W상 하단 MOSFET(300b) 순으로 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 배치할 수 있다.

제 2 실시예와 같은 MOSFET 배치는 제어 설계의 편의를 위한 것으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 도 3에 도시된 제 1 실시예에 비해, 전류 루프가 길어져, 상기 노이즈 필터의 효율이 비교적 저하된다.

그렇지만, 제 1 실시예와 같은 MOSFET 배치는 PCB 설계시 대전류가 흐르면서 모든 전기적인 신호 패턴은 PCB 기판의 전층에 넓게 배선되어 동일 패턴을 사용하기 때문에, 상긴 MOSFET Drain(VBAT 신호 패턴)과 하단 MOSFET Source(GND 신호 패턴)을 동시에 활용할 수 없게 된다.

이에 반하여, 제 2 실시예와 같은 MOSFET 배치는 상술한 문제점을 해소할 수 있다.

좀 더 상세하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 버스바(bus-bar) 유닛(400)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 버스바 유닛(400)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 인버터부의 PCB 기판과 인버터 하우징부 간의 이격 배치로 인해 형성된 상기 인버터 하우징부의 소정 영역에 직접 장착된 상기 스위칭 소자(100, 200, 300)와 마주보도록 대응되는 상기 PCB 기판의 상부에 형성되는 것이 바람직하다.

상기 버스바 유닛(400)은 원활한 전류 흐름을 위해, U상용 버스바, V상용 버스바, W상용 버스바, 중심점용 버스바를 포함하여 구성되는 것이 바람직하며, 상기 버스바 유닛(400)의 몸체의 단면 형상은 원형, 다각형, 사각형 등 작업자의 설계 제어에 따라 다양하게 형성될 수 있다.

상기 버스바 유닛(400)은 각 상 단자의 각 상 접합부와 중심점의 중심점 접합부가 겹쳐지지 않도록 배치되되, 각 상용 버스바의 각 상 단자에 형성된 각 상의 코일에 원하는 전류가 공급됨으로써, 각 상의 코일에 원하는 자계가 발생하여 로터가 회전됨으로써, 상기 모터의 동작이 이루어지게 된다.

이 때, 상기 버스바 유닛(400)은 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 PCB 기판의 중심점을 향해 개구된 반원 형태인 것이 바람직하며, 이를 통해서 상기 버스바 유닛(400)을 최소한으로 형성하여 모터 구동 회로를 구성할 수 있다.

즉, 상술한 제 2 실시예의 경우, 상단 MOSFET Drain(VBAT 신호 패턴)에 상기 버스바 유닛(400)을 생성하여 PCB 기판의 층별 전기 패턴 구분없이, 대전류가 흐를 수 있도록 제어 설계가 가능하다.

다시 말하자면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 전자 소자들 중 발열이 높은 스위칭소자들을 PCB 기판 상부가 아닌, 인버터 하우징부에 직접 장착함으로써, 방열 효율을 향상시킴과 동시에, 노이즈 필터의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐 아니라, 전류의 흐름을 위한 버스바 유닛을 최소한으로 형성 배치시킴으로써, PCB 기판 전층을 패턴 분리 없이 대전류가 용이하게 흐를 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : U상 MOSFET
200 : V상 MOSFET
300 : W상 MOSFET
400 : 버스바 유닛

Claims (6)

1. 인버터 일체형의 모터에 있어서,
   금속으로 제조된 인버터 하우징;
   상기 인버터 하우징과 커버부의 결합에 의한 내부 공간의 일부 영역에 구비되는 PCB 기판; 및
   상기 PCB 기판과 전기적으로 연결되되, 상기 PCB 기판이 구비된 공간을 제외한 영역에 구비되어 상기 인버터 하우징에 직접 장착되는 복수의 스위칭 소자(100, 200, 300)를 포함하는 모터.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 스위칭 소자(100, 200, 300)는
   6개의 MOSFET을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 스위칭 소자(100, 200, 300)는
   U상 상단 MOSFET(100a), U상 하단 MOSFET(100b), V상 상단 MOSFET(200a), V상 하단 MOSFET(200b), W상 상단 MOSFET(300a), W상 하단 MOSFET(300b) 순으로 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 교번하여 배치하는 것을 특징으로 하는 모터.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 스위칭 소자(100, 200, 300)는
   U상 상단 MOSFET(100a), V상 상단 MOSFET(200a), W상 상단 MOSFET(300a), U상 하단 MOSFET(100b), V상 하단 MOSFET(200b), W상 하단 MOSFET(300b) 순으로 상단 MOSFET과 하단 MOSFET을 배치하는 것을 특징으로 하는 모터.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 인버터부의 PCB 기판과 인버터 하우징부 간의 이격 배치로 인해 형성된 상기 인버터 하우징부에 직접 장착된 상기 스위칭 소자(100, 200, 300)와 마주보도록 대응되는 상기 PCB 기판의 상부에 버스바(bus-bar) 유닛(400);
   을 형성하는 것을 특징으로 하는 모터.
   
6. 제 5항에 있어서,
   상기 버스바 유닛(400)은
   상기 PCB 기판의 중심점을 향해 개구된 반원 형태로서,
   U상용 버스바, V상용 버스바, W상용 버스바, 중심점용 버스바를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 모터.

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