KR20100091229A

KR20100091229A - 수중 구동 모터 어셈블리

Info

Publication number: KR20100091229A
Application number: KR1020107014062A
Authority: KR
Inventors: 미츠아키 시마무라; 겐지 마츠자키; 히사시 호즈미; 나루히코 무카이; 유타카 도가사와; 야스히로 유구치
Original assignee: 가부시끼가이샤 도시바
Priority date: 2008-01-11
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2010-08-18
Also published as: KR101151388B1; WO2009087963A1; EP2237395A1; EP2237395A4; JP2009189234A; JP5173779B2; US20100259135A1

Abstract

수중에서 사용하는 모터에 있어서, 감속기(3) 및 모터(4)를 수용한 케이싱(2) 내에, 공기보다 열전도율이 높은 전기 절연재(8)를 충전한다. 열전도율이 높은 전기 절연재(8)를 이용함으로써, 모터(4)의 방열성을 향상할 수 있다. 그에 따라, 모터(4)의 코일의 대용량화가 가능해지고, 출력/체적비를 향상시키는 것이 가능해진다.

Description

수중 구동 모터 어셈블리{UNDERWATER-DRIVEN MOTOR ASSEMBLY}

본 발명은 수중에서 사용되는 수중 구동 모터 어셈블리에 관한 것이다.

일반적인 모터의 동작 원리에 대해서, 도 4를 이용하여 이하에 설명한다. 도 4는 모터를 축방향에 수직한 면으로 절단한 횡단면도이다.

모터(100)는, 원통형의 모터 하우징(101)의 내측에 영구 자석으로 구성된 스테이터(102)가 배설(配設)되어 있다. 스테이터(102)를 구성하는 영구 자석은, S극(102a, 102c), N극(102b, 102d)으로 되도록 배치되어 있다. 대향하는 영구 자석의 내면의 극성이 다른 배치로 함으로써, 스테이터(102)의 사이에 평행한 자장이 발생한다. 스테이터(102)의 내측에는 로터(103)가 배치되어 있다. 로터(103)는 코일(104a, 104b, 104c)을 감는 철심(105), 철심(105)을 지지하는 샤프트(106)로 구성되어 있다. 철심(105)은 샤프트(106)로부터 방사상(放射狀)으로 연장된 돌기부(105a, 105b, 105c)를 갖고, 코일(104a, 104b, 104c)은 각각 돌기부(105a, 105b, 105c)에 감겨 있다.

이하, 이러한 구성으로 이루어지는 모터(100)의 동작에 대해서 설명한다. 코일(104a, 104b, 104c)에 전류를 흘리고, 돌기부(105b)를 N극으로, 돌기부(105a, 105c)를 S극으로 자화하면, 돌기부(105b)와 S극(102c)이 서로 끌어당기고, 또한 돌기부(105a, 105c)와 N극(102b)이 서로 끌어당겨서 로터(103)가 시계방향으로 회전한다. 코일(104a, 104b, 104c)에 흐르는 전류의 방향을 전환해서, 도 4에 나타내는 샤프트(106)보다 상측을 N극으로, 하측을 S극으로 되도록 제어함으로써, 로터(103)는 시계방향으로 계속 회전한다. 로터(103)의 토크(torque)는 샤프트(106)를 통해서 외부에 전달되고, 모터(100)의 출력이 된다.

이렇게, 모터는 스테이터와 로터의 자계의 상호 작용에 의해 로터가 회전해서 구동한다. 또한, 현재는 스테이터에 코일을 부착해서 로터에 영구 자석을 이용한 구조나, 스테이터와 로터의 쌍방과도 코일을 부착해서 자계를 발생시키는 구조, 또한 로터의 내측에 스테이터를 배치해서 외측의 로터가 회전하는 구조 등, 다양한 구조의 모터가 이용되고 있다. 어느 구조의 모터에 대해서도, 수중에서 사용하기 위해서는, 코일의 단락을 막기 위해서 방수 수단을 강구할 필요가 있다.

또한, 특히 원자로 내에서 운용하는 로보트 등에 적용하는 모터는, 내수성(耐水性) 이외에 내방사성(耐放射性)이나, 협애부(狹隘部)에서의 운용을 가능하게 하기 위해서 더욱 소형인 것이 요구된다. 단순히 모터를 소형으로 하면 모터 출력이 저하해버리기 때문에, 모터를 소형화하기 위해서는 출력/체적비를 향상시켜서 필요한 출력을 유지할 수 있게 할 필요가 있다. 코일의 용량(통전 가능한 최대 전류)을 높이면 출력/체적비를 향상할 수 있지만, 모터 운전시의 발열량도 증가하기 때문에, 코일의 방열성을 높여서 소손(燒損)을 막을 필요가 있다.

모터의 방열성을 향상하기 위해서 종래 이용되고 있는 수법은, 냉각 공기를 코일의 주변에 유입시켜서 냉각을 촉진하는 것 등, 대기 중에서의 운용을 상정하고 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조.).

또한, 통상, 수중에서 사용하는 모터는, 모터를 케이싱 내에 조립해서 방수하고, 케이싱 내를 공기로 퍼지(purge)하는, 케이싱 내의 습분(濕分)을 제거하는 등 해서 단락을 방지하고 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조.).

특허문헌 1 : 일본국 특개평3-178535호 공보 특허문헌 2 : 일본국 특개2001-86690호 공보

상술한 냉각 공기를 이용해서 모터의 방열을 촉진하는 기술은 대기 중에서의 운용을 전제로 하고 있기 때문에, 수중에서는 케이싱 내의 방수를 유지할 수 없게 된다.

따라서, 본 발명은, 케이싱에 의해 모터를 방수하고, 또한 모터의 방열성을 향상하여, 수중에서 사용 가능하며 종래보다 소형으로 필요한 출력을 얻을 수 있는 수중 구동 모터 어셈블리의 제공을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에 의한 수중 구동 모터 어셈블리는, 케이싱과, 이 케이싱에 수용된 모터와, 이 모터와 상기 케이싱 사이에 충전되며 공기보다 열전도율이 높은 전기 절연 물질을 구비하고, 상기 모터는, 스테이터, 이 스테이터의 자계와의 상호 작용에 의해 회전하는 로터, 상기 스테이터와 상기 로터 중 적어도 한 쪽을 자화하는 코일, 상기 로터의 회전에 의해 회전하는 샤프트로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 수중 구동 모터 어셈블리에 따르면, 모터를 케이싱에 수용해서 코일을 방수하는 종래의 모터보다 높은 방열성을 얻을 수 있기 때문에 코일의 대용량화가 가능해지고, 코일의 대용량화에 의한 모터의 출력/체적비 향상에 의해 모터의 소형화가 가능해진다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 수중 구동 모터 어셈블리의 개요를 나타내는 종단면도.
도 2는 도 1에 나타낸 감속기, 모터, 리졸버(resolver)의 구조의 개요를 나타내는 종단면도.
도 3은 실시예 2에 의한 수중 구동 모터 어셈블리의 개요를 나타내는 종단면도.
도 4는 일반적인 모터의 개요를 나타내는 횡단면도.

이하 본 발명의 실시예에 대해서 도면을 참조하면서 설명한다.

실시예 1

본 발명의 실시예 1에 대해서, 도 1을 이용해서 이하 설명한다. 도 1은 본 실시예에 의한 수중 구동 모터 어셈블리의 개요를 나타내는 종단면도이다.

수중 구동 모터 어셈블리(1)는, 직렬로 배열된 감속기(3), 모터(4), 리졸버(5)와, 이들을 수용하는 케이싱(2)으로 구성되어 있다. 케이블(11)이 케이싱(2)을 관통해서 케이싱(2) 내부로 끌어들여지고, 케이블(11)은 모터 케이블(12), 리졸버 케이블(13)로 분기되며, 모터 케이블(12)은 모터(4), 리졸버 케이블(13)은 리졸버(5)에 각각 접속되어 있다. 모터 케이블(12)은 전원(도시 생략)으로부터 모터(4)에 급전을 행하는 전선, 리졸버 케이블(13)은 리졸버(5)의 출력 신호를 출력기(도시 생략)에 보내는 전선이며, 케이블(11)은 모터 케이블(12)과 리졸버 케이블(13)을 묶어서 피복한 것이다. 케이블(11)의 케이싱(2) 관통부는, 예를 들면 수지나 RTV 고무(실온 가황형 고무; room-temperature valcanized rubber)를 이용해서 형성한 보호부(14)에 의해 방수되어 고정되어 있다.

감속기(3)로부터는 감속기 샤프트(31)가 케이싱(2)을 관통해서 돌출해 있고, 감속기 샤프트(31)는 베어링(7)에 유지되어 있다. 감속기 샤프트(31)의 케이싱(2) 관통부는, 케이싱(2)에 설치된 Ｏ링(6)에 의해 방수되어 있다. 감속기(3)는 모터(4)의 출력을 저속 고 토크로 변환해서 감속기 샤프트(31)에 출력한다.

또한, 케이싱(2)과, 케이싱(2)에 내장되는 감속기(3), 모터(4), 리졸버(5) 각각과의 간극(間隙)에는, 전기 절연재(8)가 충전되어 있다. 전기 절연재(8)에는, 예를 들면 실리콘을 주성분으로 하는 겔(gel) 형상 소재, 에폭시 수지, 폴리이미드 수지, 폴리에테르에테르케톤 등의 방향족 폴리에테르케톤 수지 중 적어도 하나를 이용한다.

브러시 첨부의 DC 모터를 예로서, 감속기(3), 모터(4), 리졸버(5)의 내부 구조에 대해서, 도 2를 이용해서 설명한다. 도 2는 감속기(3), 모터(4), 리졸버(5)의 내부 구조의 개요를 나타내는 종단면도이다. 도 2에 있어서는, 감속기(3)로서 유성 기어식 감속기가 1단 조립된 예를 나타내고 있다. 필요에 따라 다단으로 구성해서 감속비를 올리는 것도 가능하다.

도 2에 있어서의 감속기(3)는, 모터 하우징(41)에 수용된 모터 샤프트(43)와 일체화된 태양 기어(32), 태양 기어(32)를 둘러싸도록 배치된 복수의 유성 기어(33), 또한 유성 기어(33)의 외주에 배치된 내측 기어(34)와, 유성 기어(33)의 태양 기어(32) 둘레의 공전 운동에 의해 회전하는 플레이트(35)와, 플레이트(35)와 일체화된 감속기 샤프트(31)로 구성되어 있다.

모터(4)는, 모터 하우징(41)에 수용된 로터(42), 로터(42)와 일체화된 모터 샤프트(43), 로터(42)의 외주에 배치된 코일(48), 모터 케이블(12)에 접속된 브러시(46)와, 브러시(46)와 접촉해 코일(48)에 흐르는 전류의 방향을 전환하기 위한 커뮤테이터(commutator)(47), 코일(48)을 둘러싸도록 배치되어 자계를 생성하는 영구 자석으로 이루어진 스테이터(44)로 구성되어 있다. 코일(48)은 모터 케이블(12), 브러시(46)와 커뮤테이터(47)를 통해서 전원(도시 생략)의 급전을 받아서 자계를 발생한다. 전술한 바와 같이, 이 코일(48)이 발생한 자계와 스테이터(44)의 영구 자석에 의한 자계의 상호 작용에 의해 로터(42)를 회전시킨다. 모터 샤프트(43)의 일단은 리졸버(5)에, 타단은 감속기(3)에 접속되어 있다. 또한, 모터 샤프트(43)를 지지하도록, 모터 하우징(41)에 베어링(45)이 설치되어 있다.

리졸버(5)는, 모터 샤프트(43)에 접속된 여자 코일(51)과, 여자 코일(51)을 둘러싸도록 배치된 검출 코일(52)로 구성되어 있다. 검출 코일(52)에는 리졸버 케이블(13)이 접속되어 있다.

본 실시예의 작용에 대해서 이하 설명한다. 모터 케이블(12)에서 브러시(46), 커뮤테이터(47)를 통해서 로터(42)의 코일(48)에 급전을 행하고, 로터(42)와 모터 샤프트(43)를 회전시킨다. 모터 샤프트(43)와 일체화된 태양 기어(32)가 회전하면, 내측 기어(34)가 고정되어 있기 때문에, 유성 기어(33)는 내측 기어(34) 및 태양 기어(32)와 맞물리면서 자전하고, 또한 태양 기어(32)의 둘레를 공전한다. 유성 기어(33)의 공전에 의해 플레이트(35)가 회전하고, 플레이트(35)와 일체화된 감속기 샤프트(31)가 회전한다. 그 결과, 감속기(3)는 모터 샤프트(43)의 출력을 저속 고 토크로 변환해서 감속기 샤프트(31)에 출력한다. 이 감속기 샤프트(31)는, 예를 들면 로보트의 구동부 등에 부착된다.

리졸버(5)는, 모터 샤프트(43)의 회전에 의해 여자 코일(51)이 회전하면, 검출 코일(52)이 여자 코일(51)의 회전각에 따른 정현파 형상의 신호를 출력한다. 이 신호는 리졸버 케이블(13)을 통해서 출력 장치(도시 생략)에 출력된다. 리졸버(5)의 출력 신호에 의해, 모터 샤프트(43)의 회전각을 판독할 수 있다.

이렇게 수중 구동 모터 어셈블리(1)를 구동시키면, 주로 코일(48)의 발열에 의해 모터(4)가 승온(昇溫)한다. 전기 절연재(8)는 공기보다 전열성이 높기 때문에, 케이싱(2) 내를 공기로 퍼지하는 것 보다도 모터(4)의 방열성을 향상시킬 수 있다.

즉, 본 실시예에서 설명한 DC 모터와 같이, 유체로의 침지(浸漬)가 불가능한 브러시(46)나 커뮤테이터(47)가 조립된 모터여도, 모터(4)를 케이싱(2) 내에 넣고, 모터(4)와 케이싱(2)의 극간(隙間)에 전기 절연재(8)를 충전한 방수 구조로 함으로써, 모터(4)의 방열성을 높이고, 코일의 대용량화가 가능해지며 수중 구동 모터 어셈블리(1)의 체적에 대한 출력을 높일 수 있으므로 소형이며 출력이 큰 모터를 얻을 수 있다.

또한, 종래와 같이 케이싱(2) 내를 공기로 퍼지할 때에 필요해지는 공기 공급용 튜브를 불필요하게 할 수 있다.

또한, 장기 운용이나 충격 등에 의해 Ｏ링(6)이나 보호부(14), 또는 케이싱(2)의 열화, 파손 등의 원인으로 물이 침입할 수 있는 극간이 생겼을 경우에도, 고체인 전기 절연재(8)에 의해 방수가 유지되어, 건전성(健全性)을 향상할 수 있다.

또한, 전기 절연재(8)에 텅스텐 분말을 혼입함으로써, 내방사성을 향상시키는 것도 가능하다.

한편, 본 실시예에 있어서는 스테이터(44)에 영구 자석을, 로터(42)에 코일(48)을 설치한 구성으로 해서 설명했지만, 스테이터(44)에 코일을 부착하고, 로터(42)에 영구 자석을 이용한 구조나, 스테이터(44)와 로터(42)의 쌍방 모두 코일을 부착하여 자계를 발생시키는 구조, 또한 로터(42)의 내측에 스테이터(44)를 배치해서 외측의 로터(42)가 회전하는 구조 등, 여러가지 상이한 구조를 갖는 모터여도 동일한 효과를 나타낸다.

실시예 2

본 발명의 실시예 2에 대해서, 도 3을 이용해서 이하 설명한다. 도 3은 본 실시예에 의한 수중 구동 모터 어셈블리의 개요를 나타내는 종단면도이다. 한편, 실시예 1과 동일한 구성에는 동일한 부호를 첨부하고, 중복하는 설명은 생략한다.

본 실시예에 있어서는, 습도 센서(24)를 케이싱(2)의 내측에 설치하고 있다. 습도 센서(24)로 케이싱(2) 내의 습도를 감시함으로써, 예를 들면 보호부(14)로부터 케이싱(2) 내로 서서히 침수하고 있는 상황에 있어서, 침수가 모터(4)나 리졸버(5)에 달해서 절연 파괴가 일어나는 것 보다도 먼저 침수를 찰지(察知)하는 것이 가능해진다. 또한, 습도 센서(24)의 배치에 의해 침수 개소를 특정하는 것이 가능하다. 예를 들면, 보호부(14)와 같이 케이싱(2)을 관통해서 방수 처리를 실시한 부위가 복수 있으면, 거기에 아울러 습도 센서(24)를 복수 배치함으로써 침수 개소의 특정이 가능하다.

1 : 수중 구동 모터 어셈블리
2 : 케이싱
3 : 감속기
4 : 모터
5 : 리졸버
6 : Ｏ링
7 : 베어링
8 : 전기 절연재
11 : 케이블
12 : 모터 케이블
13 : 리졸버 케이블
14, 23 : 보호부
24 : 습도 센서
31 : 감속기 샤프트
32 : 태양 기어
33 : 유성 기어
34 : 내측 기어
35 : 플레이트
41 : 모터 하우징
42 : 로터
43 : 모터 샤프트
44 : 스테이터
45 : 베어링
46 : 브러시
47 : 커뮤테이터
48 : 코일
51 : 여자 코일
52 : 검출 코일
100 : 모터
101 : 모터 하우징
102 : 스테이터
102a, 102c : S극
102b, 102d : N극
103 : 로터
104a, 104b, 104c : 코일
105 : 철심
105a, 105b, 105c : 돌기부
106 : 샤프트

Claims

케이싱과,
이 케이싱에 수용된 모터와,
이 모터와 상기 케이싱 사이에 충전되며 공기보다 열전도율이 높은 전기 절연 물질을 구비하고,
상기 모터는, 스테이터, 이 스테이터의 자계와의 상호 작용에 의해 회전하는 로터, 상기 스테이터와 상기 로터 중 적어도 한 쪽을 자화하는 코일, 상기 로터의 회전에 의해 회전하는 샤프트를 갖는 것을 특징으로 하는 수중 구동 모터 어셈블리.
제 1 항에 있어서,
상기 모터는, 상기 로터에 부착되어 상기 로터를 자화하는 코일과, 상기 로터의 회전 위상에 따라 상기 코일로의 통전 전류의 방향을 전환하는 브러시 및 커뮤테이터(commutator)를 구비하고,
상기 스테이터는 영구 자석인 것을 특징으로 하는 수중 구동 모터 어셈블리.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 모터와 직렬로 배열되며 상기 케이싱에 수용된 회전 위상 검출 수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 수중 구동 모터 어셈블리.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 절연 물질은 실리콘을 주성분으로 하는 겔(gel) 형상 소재, 에폭시 수지, 방향족 폴리에테르케톤 수지, 폴리이미드 수지 중 적어도 어느 하나를 함유하는 것을 특징으로 하는 수중 구동 모터 어셈블리.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전기 절연 물질은 텅스텐 분말을 함유하는 것을 특징으로 하는 수중 구동 모터 어셈블리.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 케이싱에 내설(內設)된 습도 센서를 구비하는 것을 특징으로 하는 수중 구동 모터 어셈블리.