KR102610043B1 - 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 구동모터의 스프레이 냉각 방식에서, 고정자 어셈블리 구조에 발생하는 냉각 취약부에 대한 개선안으로, 다음과 같은 작용을 하는 장치가 제공된다. 1. 고정자 어셈블리의 아래 바닥 방향으로 향하는 오일의 유동방향을 바꾸어 코일 내측으로 유도한다. 2. 코일 방향으로 유로를 추가하여 코일 내부로 흐른 오일이 코일을 직접 냉각할 수 있도록 한다. 특히, 코일의 겹쳐진 부분에서의 오일 흐름성을 개선한다. 3. 기구적으로 이탈되는 등 고정력이 약하지 않도록 고정성을 부과한다. 이와 같이, 구동모터 내부의 오일 순환을 개선하여서 냉각 취약부를 없애, 자동차 구동모터의 냉각 효율을 극대화한다.

Description

차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치 {Improved apparatus for circulation of cooling oil in vehicle driving motor}

본 발명은 냉각유를 이용한 자동차 구동모터 직접 냉각 방식에 관한 것으로, 구체적으로는 스프레이 냉각 방식의 고정자 어셈블리 구조에서 발생할 수 있는 냉각 취약점을 개선하는 기술에 관한 것이다.

차량 구동용 모터(구동모터)의 경우 동일한 무게와 사이즈에서 출력을 높게 쓴다면 차량 입장에서 연비 향상을 꾀할 수 있다. 하지만 출력을 높게 쓰기 위해서는 전류, 즉 입력을 높여야 한다. 그런데 전류가 모터 내부의 코일에 흐르게 되면 코일 저항으로 인해서 열이 발생한다. 따라서 이 열을 냉각시켜야 한다.

구동모터에서 코일을 냉각시키기 위한 방법은 크게 3가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 외부에 노출된 냉각핀에 의한 공냉식 냉각이고, 두 번째는 하우징 등에 수로를 형성하여 간접적으로 코일을 냉각하는 수냉식이다. 세 번째로는 절연체인 오일을 이용하여 모터 내부에서 코일을 직접 냉각시키는 유냉식이 있다. 최근에는 고효율, 고출력 모터에 대한 요구가 지속적으로 늘어남에 따라 냉각유를 이용한 직접 냉각 방식의 구동모터를 적용하는 사례가 늘어나고 있다. 특히 고집적 구동모터를 제작하기 위하여 기존의 환형 코일에서 사각 코일을 적용한 헤어핀 고정자 어셈블리로 변화되고 있다.

모터 내부의 직접 냉각 방식은 두 가지로 나눌 수 있다. 모터 내부에 오일을 적당량 주입하고 회전체로 오일을 쳐 올리는 쳐닝(churning)식이 있고, 오일을 상단에서 아래 방향으로 흘려주거나 뿌려주는 스프레이 방식이 있다. 스프레이 방식의 경우 도 1처럼 고정자 어셈블리(10)에 집중적으로 분사하기 위해 냉각유 파이프(11)에 오일 분사구(13)를 뚫는 방식을 이용한다. 분사된 오일은 코일(15)을 타고 흐르게 된다. 이 경우에 분사된 오일은 차량에 장착된 조건에서 중력에 의해 흐르기 때문에 아래 방향으로 떨어지게 된다.

구동모터의 고정자 어셈블리의 경우 형상이 원형이므로 상단에서 분사되는 오일의 경우 아래 방향으로만 흐르게 된다. 즉, 차량 장착상태에서 6시 방향으로 흐르는 오일의 양은 제한적이다. 더욱이 여러 겹의 코일 다발로 이루어진 헤어핀 코일의 경우에는 겹쳐진 코일 내부로 오일이 흐르지 않게 되어 냉각에 문제가 발생한다.

실제로 헤어핀 고정자에서는 장착 방향을 기준으로 5~6시 지점의 내부가 냉각 취약부가 된다. 도 2는 이러한 헤어핀 고정자에서의 냉각 취약부(17)를 나타낸다. 이 곳에서 발생하는 고열로 절연이 파괴되어 고정자 어셈블리의 불량이 발생하는 사례가 많이 발생된다. 고집적, 고출력, 고효율 구동모터의 핵심은 냉각이다. 이러한 냉각 취약부가 발생한다면 고열로 인한 절연파괴 현상을 막을 수 없다.

친환경 전기차량의 연비 향상(주행거리 향상)을 위하여 고집적, 고효율, 고성능 모터의 개발이 필요성이 높아지고 있다. 성능을 만족하기 위해서는 기존 비접촉식 간접 냉각으로는 한계가 있으므로 접촉식의 직접 냉각형 구동모터의 개발이 기술의 발전 방향이다.

이에, 본 발명을 통해 스프레이 냉각 방식의 고정자 어셈블리 구조에서 발생하는 냉각 취약부에 대한 개선안을 제안하고자 한다.

상기 과제의 해결을 위하여 본 발명을 통해 다음과 같은 작용을 하는 장치가 제공된다.

1. 고정자 어셈블리의 아래 바닥 방향으로 향하는 오일의 유동방향을 바꾸어 코일 내측으로 유도한다.

2. 코일 방향으로 유로를 추가하여 코일 내부로 흐른 오일이 코일을 직접 냉각할 수 있도록 한다. 특히, 코일의 겹쳐진 부분에서의 오일 흐름성을 개선한다.

3. 기구적으로 이탈되는 등 고정력이 약하지 않도록 고정성을 부과한다.

이와 같이, 구동모터 내부의 오일 순환을 개선하여서 냉각 취약부를 없앤다.

위 첫 번째 작용의 구현을 위해, 본 발명에 따른, 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치는 고정자 어셈블리의 코일에 삽입되어 결합되는 코일 삽입부와, 냉각유(냉각 오일)가 흘러서 코일 내부로 냉각유가 흐르도록 하는 냉각유 유로 변경부를 포함한다. 상기 코일 삽입부는 쐐기 형태로 되어 코일의 와인딩 간극에 삽입가능한 형태로 형성될 수 있으며, 상기 냉각유 유로 변경부는 분사된 냉각유가 코일 내측 방향으로 흐르도록 하는 경사면을 포함할 수 있다.

다음, 위 두 번째 작용의 구현을 위해, 본 발명에 따른, 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치에서는 상기 냉각유 유로 변경부에 하나 이상의 추가 유로가 형성된다. 이 추가 유로는 상기 냉각유 유로 변경부에, 코일과 직교하도록 형성된 하나 이상의 홈일 수 있다. 이 홈을 통하여 코일 외부에서 내부로 흘러 들어온 냉각유가 흘러서 코일에 정확히 닿을 수 있게 된다.

다음, 위 세 번째 작용의 구현을 위해, 본 발명에 따른, 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치는, 상기 코일 삽입부 몸체 및 상기 냉각유 유로 변경부 중 적어도 한 부분에 탄성부를 부가하여서 코일에 삽입된 후에 이 탄성력에 의해 코일 와인딩 사이에 견고하게 고정됨으로써 이탈이 방지될 수 있다.

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

냉각 취약부를 제거함으로써 냉각 효율틀 극대화하여 고출력, 고효율 모터의 성능 개선이 가능하다.

도 1은 스프레이 냉각 방식으로, 냉각유 파이프(11)에 오일 분사구(13)를 뚫는 냉각 방식 설명도
도 2는 헤어핀 고정자에서의 냉각 취약부(17) 설명도
도 3은 본 발명에 따른 쐐기 형태의 구조물(20)이 코일(15)에 횡방향으로 삽입된 모습을 보여주는 도면
도 4는 쐐기 형태의 구조물(20)로, 좌측은 정면도, 우측은 사시도
도 5는 쐐기 형태의 구조물(20)의 경사면(31)을 따라 제1유동방향으로 오일이 흘러 내려가는 모습을 보여주는 도면
도 6은 경사면(31)에서 그 하부의 대향면으로 오일이 떨어지도록 횡방향(제2유동방향)으로 하나 이상의 추가 유로(41)가 형성되어 있음을 보여주는 도면
도 7을 참조하면 쐐기형 구조물의 경사면(31)의 추가 유로를 통해 오일이 흘러 내리는 모습을 보여주는 도면
도 8은 쐐기형태의 구조물(20)의 제1부(30)의 선단면(21)에서부터 종방향으로 일정 길이만큼 절개하여 탄성작용을 하는 틈(42)을 형성한 모습을 보여주는 도면

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 사용되는 "포함한다(comprises)" 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.

이하의 설명에서 몇 가지 용어를 정의하자면, 냉각유가 코일의 내측을 향하는 방향을 제1유동방향이라 하고, 이 제1유동방향의 횡방향을 제2유동방향이라고 하기로 한다.

상기 과제 해결 수단 항목에서 설명한 냉각유 순환 개선장치에는 다음과 같은 작용을 부과하고자 하였다. 즉,

1. 고정자 어셈블리의 아래 바닥 방향으로 향하는 오일의 유동방향을 바꾸어 코일 내측으로 유도한다.

2. 코일 내부로 흐른 오일이 코일을 직접 냉각할 수 있도록 코일 방향으로 유로를 추가하여, 특히, 코일의 겹쳐진 부분에서의 오일 흐름성을 개선한다.

3. 기구적으로 이탈되는 등 고정력이 약하지 않도록 고정성을 부과한다.

먼저, 첫 번째 작용, 즉, '고정자 어셈블리의 아래 바닥 방향으로 향하는 오일의 유동방향을 바꾸어 코일 내측으로 유도'한다는 작용에 대해서 도 3~5에 나타내었다.

도 3과 같이 쐐기 형태의 구조물(20)을 코일(15)에 횡방향으로 삽입하여 고정자 어셈블리(10)의 아래 쪽(모터의 바닥쪽)으로 향하는 오일의 유동 방향이 코일 내측으로, 즉, 제1유동방향으로 흐르드록 유도한다.

이러한 작용을 부과한 쐐기 형태의 구조물(20)은 도 4에 나타내었다. 도 4의 좌측은 정면도, 우측은 사시도이다. 도 4에서, 전체 형상은 쐐기 형태를 띠는데, 대략, 긴 쐐기형 직육면체 형태의 제1부(30)와 그 정면에 위치하는 긴 직오면체 형태의 제2부(40)로 구성된다. 제1부(30)와 제2부(40)는 일체로 형성해도 되고, 각각 제작하여 결합하여도 된다. 제1부(30)는 고정자 어셈블리의 코일에 삽입되어 결합되는 코일 삽입부에 해당하고, 제2부(40)는 냉각유(냉각 오일)가 흘러서 코일 내부로 제1유동방향으로 냉각유가 흐르도록 하는 냉각유 유로 변경부에 해당한다.

구성의 실시 형태를 구체적으로 설명하면, 제1부(30)는 상대적으로 좁은 면적의 선단면(21), 그 반대측의 상대적으로 넓은 면적의 종단면(22), 그리고 선단면(21)과 종단면(22)의 각각의 변을 연결하는 상면(23), 하면(24), 정면(25), 배면(26)으로 구성되고, 제2부(40)는 제1부(30)의 선단면(22)과 하면(24)이 만나는 꼭지점(27)과, 종단면(24)과 상면(23)이 만나는 꼭지점(28)을 잇는 대각선이 제1부(30)의 정면(25)에서 횡방향으로 연장되어 형성되는 경사면(31), 제1부(30)의 종단면(24)이 정면(25)의 횡방향으로 확장되어 형성되는 제2종단면(32), 제1부(30)의 하면(24)이 정면(25)의 횡방향으로 확장되어 형성되는 제2하면(33)으로 구성된다.

이와 같이 쐐기 구조물(20)이 제1부(30)와 제2부(40)의 2단으로 되어 있다. 따라서 제1부(30)의 두께, 즉, 정면(25)과 배면(26) 사이의 거리는 코일(15)의 와인딩 간격과 유사하게 제작하여 제1부(30)의 선단면(22)이 코일(15) 와인딩 사이로 삽입되어 고정될 수 있다. 그리고, 제2부(40)의 경사면(31)에는 오일(냉각유)이 타고 제1유동방향으로 흐르게 되는데, 도 5에서와 같이 그 경사각이 코일(15) 쪽으로 향하게 되어서 기존에 바닥쪽으로 흐르던 오일 흐름이 고정자 어셈블리(10)의 장착 방향 기준으로 대략 6시 방향으로 향할 수 있게 한다. 이를 위해 경사면(31)의 경사 각도를 조절할 필요가 있다. 그리고 그 경사 각도는 제1부(30)가 코일(15)에 삽입되는 위치에 따라 조절하는 것이 바람직하다.

이와 같이 도 4와 같은 형태의 쐐기 구조물(20)의 제2부(40)의 경사면(31)을 따라 오일이 흐르게 되므로 오일이 고정자 어셈블리(10) 및/또는 코일(15)의 외부에만 머물지 않고 코일(15) 내부로도 흐르게 된다.

다음, 두 번째 작용, 즉, '코일 내부로 흐른 오일이 코일을 직접 냉각할 수 있도록 코일 방향의 제2유동방향으로 유로를 추가하여, 특히, 코일의 겹쳐진 부분에서의 오일 흐름성을 개선'한다는 작용에 대해서 도 6과 도 7에 나타내었다.

도 6을 보면 제2부(40)의 경사면(31)에서 그 하부의 대향면으로 오일이 떨어지도록 횡방향으로, 즉, 제2유동방향으로 하나 이상의 추가 유로(41)가 형성되어 있다. 이 추가 유로(41)로는 코일과 직교하는 방향으로 다수의 홈을 형성하였으나 이러한 홈에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 관통구멍일 수도 있다. 코일 외부에서 내부로 흘러 들어온 냉각유가 이 추가 유로(41)를 통하여 흘러서 코일에 정확히 닿을 수 있게 된다. 도 7에 이 추가 유로를 통해 코일에 닿는 오일 흐름을 나타내었다.

도 7을 참조하면 쐐기형 구조물의 경사면(31)의 오일이 흘러 내리도록 추가 유로가 형성되어 있다. 이들 추가 유로들의 간격은 코일이 위치한 간격과 거의 동일하게 구성하는 것이 바람직하다. 또한, 추가 유로의 각도는 코일과 수직하도록 구성하여 외부에서 내부로 흘러 들어온 오일이 코일에 정확히 닿을 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

세 번째 작용, 즉, '기구적으로 이탈되는 등 고정력이 약하지 않도록 고정성을 부과'하는 구성에 대해서 도 8에 나타내었다.

도 4에 나타낸 쐐기형태의 구조물(20)을 코일(15)에 횡방향으로 삽입하기만 해서는 구조물(20)의 이탈을 피할 수 없게 되어, 제대로 고정이 되지 않을 수 있다. 기구적으로 이탈되지 않게 고정성을 부여하기 위하여 구조물(20)의 일부분에 탄성력을 부여하여서 코일(15)에 삽입된 후에도 이 탄성력에 의해 코일 와인딩 사이에 구조물(20)을 견고하게 고정시킴으로써 이탈을 방지할 수 있다.

이 탄성력을 부여하기 위해 도 8과 같이 쐐기형태의 구조물(20)의 제1부(30)의 선단면(21)에서부터 종방향으로 일정 길이만큼 절개하여 틈(42)을 형성하였다. 이 틈(42)은 제2부(40)의 경사면(31)을 지나 제2부(40)의 일부 영역까지 도달하도록 형성되었지만, 이에 국한되는 것이 아니라, 쐐기형태의 구조물(20)의 몸체에 틈(42)을 주고 양측으로 일부 분리된 부분끼리 오므라지거나 벌려지는 것으로 탄성력이 작용되도록 하여 구조물(20)을 삽입한 후에 이탈되지 못하도록 하는 목적을 달성할 수 있으면 어떠한 형태든 가능할 것이다. 도 8의 좌측은 도 4의 형태에 틈(42)을 형성한 것을 나타내고, 도 8의 우측은 도 6의 형태에 틈(42)을 형성한 것을 나타낸다.

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.

고정자 어셈블리(10), 냉각유 파이프(11), 오일 분사구(13), 코일(15), 냉각 취약부(17), 쐐기 형태의 구조물(20), 선단면(21), 종단면(22), 상면(23), 하면(24), 정면(25), 배면(26), 꼭지점(27), 꼭지점(28), 제1부(30), 경사면(31), 제2종단면(32), 제2하면(33), 제2부(40), 추가 유로(41), 틈(42)

Claims (8)

1. 코일이 포함된 고정자 어셈블리를 갖는 차량 구동모터의 냉각유(냉각 오일) 순환 개선장치로,
   상기 고정자 어셈블리에 포함된 코일의 와인딩 간극에 삽입되는 코일 삽입부와,
   상기 냉각유가 상기 코일의 내측을 향하는 제1유동방향으로 흐르도록 냉각유의 흐름 방향을 바꾸는 제1수단을 갖는 냉각유 유로 변경부를 포함하되,
   상기 코일 삽입부는 상기 코일에 삽입되는 선단면으로부터 그 반대쪽의 종단면으로 점차 면적이 커지는 쐐기 형태의 구조물이며,
   상기 냉각유 유로 변경부의 제1수단은 냉각유가 상기 제1유동방향으로 흐르도록 상기 종단면에서부터 선단면으로 하강하는 경사를 갖는 경사면을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치.
2. 삭제
3. 제1항에서,
   상기 코일 삽입부는, 선단면(21); 그 반대측에 있으며 선단면(21)보다 넓은 면적의 종단면(22); 그리고 선단면(21)과 종단면(22)의 각각의 변을 연결하는 상면(23), 하면(24), 정면(25), 배면(26)으로 구성되는 쐐기형 직육면체 형태이며,
   상기 냉각유 유로 변경부는
   상기 코일 삽입부의 선단면(21)과 하면(24)이 만나는 꼭지점(27)과 상기 종단면(22)과 상면(23)이 만나는 꼭지점(28)을 잇는 대각선이, 상기 정면(25)에서 횡방향으로 연장되어 형성되는 경사면(31)인 것을 특징으로 하는 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치.
4. 제3항에서, 상기 코일 삽입부의 정면(25)과 배면(26) 사이의 거리는 상기 코일의 와인딩 간극에 대응하도록 제작되어 상기 선단면(21)이 상기 코일의 와인딩 간극 사이로 삽입가능하도록 된 것을 특징으로 하는 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치.
5. 제1항에서, 상기 냉각유 유로 변경부는
   상기 제1수단에 의해 상기 제1유동방향으로 흐르는 냉각유의 일부가 상기 제1유동방향의 횡방향인 제2유동방향으로 유로를 변경하도록 하는 제2수단을 추가로 포함하는 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치.
6. 제5항에서, 상기 코일 삽입부는 상기 코일에 삽입되는 선단면으로부터 그 반대쪽의 종단면으로 점차 면적이 커지는 쐐기 형태의 구조물이며,
   상기 냉각유 유로 변경부의 제1수단은 냉각유가 상기 코일 내측의 방향으로 흐르도록 상기 종단면에서부터 선단면으로 하강하는 경사를 갖는 경사면이고,
   상기 냉각유 유로 변경부의 제2수단은 상기 경사면에 횡방향으로 형성되어 경사면을 흐르는 냉각유의 일부의 흐름이 바뀌도록 하는 하나 이상의 홈인 것을 특징으로 하는 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치.
7. 제1항, 및 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에서, 상기 코일 삽입부 및 상기 냉각유 유로 변경부 중 적어도 한 부분에, 상기 코일에 삽입된 후에 탄성력에 의해 코일 와인딩 사이에 견고하게 고정되어 이탈을 방지하는 탄성부를 추가로 포함하는 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치.
8. 제7항에서, 상기 탄성부는 상기 코일 삽입부 및 상기 냉각유 유로 변경부의 몸체를 절개한 틈인 것을 특징으로 하는 차량 구동모터의 냉각유 순환 개선장치.