KR20140059644A - 동력 변환 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하우징과, 상기 하우징의 내측에 고정 결합되고 내부에 공간부가 형성된 스테이터와, 상기 스터이터의 공간부에 삽입되고 중앙부에 회전축이 관통되어 결합된 로터, 및 상기 로터의 하단부에 일면이 밀착되는 하부 마그네트 지지판;을 포함하되, 상기 하부 마그네트 지지판의 타면에는 중앙에 오목홈이 형성되어 상기 회전축에 형성된 걸림턱이 상기 오목홈에 수용되는 차량용 동력 변환 장치를 개시한다.

Description

동력 변환 장치{POWER CONVERTING DEVICE}

본 발명은 차량의 스타터 모터나 알터네이터로 동작할 수 있는 동력 변환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 차량에는 엔진을 구동시키는 스타터 모터와 엔진의 회전력을 이용하여 전기를 발전시키는 알터네이터(Alternator)가 구비된다.

스타터 모터는, 차량의 시동 시 운전자의 조작에 의해 이그니션 스위치가 배터리의 전원에 연결되고 이를 통해 스타트 모터에 전원이 공급되어 발생한 구동력이 엔진을 회전시켜 시동이 걸리게 된다.

이에 비해 알터네이터는, 엔진의 구동부에 연결되어 엔진의 구동력을 통해 자기장이 형성된 상태에서 회전자가 회전되어 교류전력이 발생하고, 이를 정류장치 등을 이용하여 배터리를 충전하게 된다.

이러한 스타터 모터와 알터네이터는 모두 스테이터와 로터의 구조로 구성되어 있어 그 구조가 매우 유사하고, 힘을 가하느냐 전원을 인가하느냐에 따라 발전기로 동작하게 할 수도 있고 모터로 동작하게 할 수도 있다.

최근에는, 하나의 구조로 스타터 모터와 알터네이터의 역할을 수행할 수 있는 BSG 구조에 대한 연구가 활발하다. 이 경우, 스테이터와 로터의 크기에 따라 출력값이 상이해지므로 가능한 스테이터와 로터의 크기를 크게 제작하는 것이 유리하나, 모터의 장착 위치가 한정되어 있어 크기에 제약이 있는 문제가 있다.

본 발명은 컴팩트한 구조에 의해 외관 사이즈는 유지하면서 스테이터와 로터의 부피를 증가시킬 수 있는 동력 변환 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치는, 하우징; 상기 하우징의 내측에 고정 결합되고 내부에 공간부가 형성된 스테이터; 상기 스터이터의 공간부에 삽입되고 중앙부에 회전축이 관통되어 결합된 로터; 및 상기 로터의 하단부에 일면이 밀착되는 하부 마그네트 지지판;을 포함하되, 상기 하부 마그네트 지지판의 타면에는 중앙에 오목홈이 형성되어 상기 회전축에 형성된 걸림턱이 상기 오목홈에 수용된다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치에서, 상기 하부 마그네트 지지판은 원판 형상으로 형성되고, 상기 하부 마그네트 지지판의 타면의 가장자리에는 복수 개의 도피홈이 이격 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치에서, 상기 오목홈의 중앙부에는 관통홀이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치에서, 상기 회전축의 상부에 형성된 베어링을 지지하는 베어링 가이드가 형성되고, 상기 베어링 가이드는 하우징의 내측면에 볼트에 의해 고정될 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치에서, 상기 베어링 가이드 내측면에는 상기 볼트의 헤드에 대응되는 홈이 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치에서, 상기 볼트의 헤드는 나사선 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치는, 상기 하우징의 하단부에 배치되어 외부 부품과 전기적으로 연결되는 커넥터부를 포함하고, 상기 커넥터부는 차량의 엔진에 인접되는 부분에 컷-아웃부가 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치는, 상기 회전축의 끝단에 결합되는 벨트 풀리를 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 컴팩트한 구조에 의해 스테이터와 로터의 부피가 증가되어 동력 변환 장치의 성능이 향상된다.

또한, 컴팩트한 구조로 설계되어 기존의 알터네이터를 대체할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치의 단면도이고,
도 2는 도 1의 A부분 확대도이고,
도 3은 본 발명의 하부 마그네트 지지판의 사시도이고,
도 4는 도 1의 B부분 확대도이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치의 컴팩트한 구조를 설명하기 위한 비교도면이고,
도 6은 비교예에 따른 동력 변환 장치에 전류를 인가하여 토크 성능을 측정한 결과값이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치에 전류를 인가하여 토크 성능을 측정한 결과값이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에서 첨부된 도면은 설명의 편의를 위하여 확대 또는 축소하여 도시된 것으로 이해되어야 한다.

이제 본 발명에 대하여 도면을 참고하여 상세하게 설명하고, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치의 단면도이고, 도 2는 도 1의 A부분 확대도이고, 도 3은 본 발명의 하부 마그네트 지지판의 사시도이고, 도 4는 도 1의 B부분 확대도이다.

도 1을 참고하면 본 발명에 따른 동력 변환 장치는, 하우징(100)과, 하우징(100)의 내측에 고정 결합되고 내부에 공간부가 형성된 스테이터(200)와, 스터이터(200)의 공간부에 삽입되고 중앙부에 회전축(400)이 관통되어 결합된 로터(300), 및 로터(300)의 하단부에 일면이 밀착되는 하부 마그네트 지지판(620)을 포함한다. 이하에서는 도 1을 기준으로 폴리(800)에 가까운 측을 상부로 정의하고 폴리와 먼 측을 하부로 정의한다.

하우징(100)은 원통형상으로 형성되어 내부에 스테이터(200)와 로터(300)가 장착될 수 있는 공간이 마련된다. 이때, 하우징(100)의 형상이나 재질은 다양하게 변형될 수 있으나 차량에 장착되는 특성상 고온에서도 잘 견딜 수 있는 금속재질이 선택될 수 있다.

하우징(100)은 상부 하우징(110)과 하부 하우징(120)을 포함할 수 있으며, 이들의 결합에 의해 스테이터(200)와 로터(300)를 외부와 차폐시킬 수 있도록 구성된다. 또한, 내부 열을 용이하게 배출할 수 있도록 냉각 구조(도시되지 않음)가 더 포함될 수 있다. 이러한 냉각 구조는 공냉 구조 또는 수냉 구조가 선택될 수 있으며, 냉각 구조에 따라 하우징(100)의 형태가 적절히 변형될 수 있다.

스테이터(200)는 하우징(100)의 내부 공간에 삽입되며 내부에 공간부가 형성된다. 스테이터(200)는 코일 및 코일이 권선되는 복수 개의 코어를 구비하는 고정 구조물일 수 있으며, 동일한 형상을 갖는 판상의 스테이터 플레이트들을 소정 높이로 적층되어 형성될 수 있다.

로터(300)는 스테이터(200)의 내부에 마련된 공간부에 삽입된다. 구체적으로 로터(300)는 디스크 형상의 코어 플레이트를 복수 매 적층하여 형성될 수 있다. 로터(300)에 장착된 복수 매의 마그네트들은 스테이터(200)와 마주하게 배치되며, 각 마그네트들은 로터(300)에 내부에 형성된 홀을 통해 로터(300)에 삽입되어 결합될 수 있다.

로터(300)의 중앙부에는 회전축(400)이 관통 형성된다. 따라서, 회전축(400)이 회전하는 경우 로터(300)는 축방향을 따라 회전하게 되며, 반대로 로터(300)가 회전하게 되는 경우 회전축(400)이 축방향을 따라 회전할 수 있다. 이때, 회전축(400)은 베어링에 의해 하우징(100)에 회전 가능하게 결합될 수 있다.

로터(300)의 상, 하부에는 각각 상부 마그네트 지지판(610)과 하부 마그네트 지지판(620)이 밀착 배치된다. 이러한 지지판(610, 620)은 로터(300)가 고속 회전할 때 마그네트가 로터(300)로부터 이탈되는 것을 방지하기 위하여 로터(300)의 상, 하부에 밀착 배치된다.

레졸버(700)는 회전축(400)에 배치되어 회전축(400)과 함께 회전되는 로터(300) 위치를 감지함으로써 회전축(400)의 회전각을 검출한다. 구체적으로 레졸버(700)는 로터 레졸버(710)와 스테이터 레졸버(720)를 포함한다.

벨트 풀리(800)는 로터(300)를 회전 가능하게 지지하는 회전축(400)의 상단에 너트로 체결되고, 엔진 동력에 연동하여 움직이는 벨트가 결합되어 로터(300)를 회전시키도록 구성한다. 또한, 이와 반대로 로터(300)의 회전에 의해 외부 부품(엔진 등)을 회전시키도록 구성할 수도 있다. 일반적으로 벨트 풀리(800)의 외주면에는 복수 개의 홈(810)이 마련되어 그루브 벨트(도시되지 않음)가 체결될 수 있다.

커넥터부(900)는 하우징(100)의 하단부에 배치되어 외부 부품과 동력 변환 장치를 전기적으로 연결한다. 구체적으로 커넥터부(900)에는 U-V 단자 등이 보호부재로 커버된 중성점(920) 등이 배치될 수 있고, 이외에도 외부 부품에 직류를 공급하거나 전원을 공급받기 위한 부품 등이 배치될 수 있다. 또한, 커넥터부(900)는 동력 변환 장치가 장착되는 엔진과 대응되는 부분에 컷-아웃부(910)가 형성되어 엔진과의 간섭을 최대한 회피할 수 있도록 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치가 알터네이터로 동작하는 경우에는, 엔진의 구동에 의해 풀리(800)가 회전되면서 로터(300)를 회전시켜 교류를 발생시킨다. 발생된 교류는 커넥터부(900)에 위치한 다이오드 등을 통해 직류로 변환되어 외부 부품(배터리 등)에 공급할 수 있다.

이와 반대로, 본 발명에 따른 동력 변환 장치가 스타터 모터로 동작하는 경우에는, 커넥터부(900)를 통해 인가된 전류에 의해 로터(300)가 회전하면서 로터(300)의 회전축(400)에 연결된 풀리(800)가 회전하여 외부 부품(엔진 등)을 구동시킬 수 있다.

도 2와 도 3을 참고하면, 하부 마그네트 지지판(620)은 일면(621)이 로터(300)의 하단부와 밀착되고, 타면(622)의 중앙부에는 오목홈(623)이 형성되어 회전축(400)에 형성된 걸림턱(410)이 수용된다. 본 실시예에서는 걸림턱(410)이 회전축(400)의 외측으로 돌출 형성된 것을 예시하였으나 반드시 이에 한정된 것은 아니고, 회전축(400)의 내측으로 오목하게 형성될 수도 있다. 또한, 오목홈(623)의 중앙부에는 회전축이 결합될 수 있는 관통홀(624)이 형성된다.

또한, 하부 마그네트 지지판의 타면(622)에는 가장자리에 복수 개의 도피홈(625)이 원주를 따라 이격 형성된다. 조립 공차 등의 이유로 로터(300)의 질량이 회전축(400)을 기준으로 대칭적으로 제작되지 않는 경우에는, 회전시 로터(300)의 동심도가 불량해지는 문제가 발생하는데, 이 경우 복수 개의 도피홈(625)에 의해 질량을 보상하여 회전시 밸런스를 맞출 수 있다.

도 1과 도 4를 참조하면, 상부 베어링(520)은 상부 베어링(520)에 밀착되어 지지하는 베어링 가이드(500)를 포함하고, 베어링 가이드(500)는 하우징(100)의 내면에 볼트(510)에 의해 고정된다. 이때, 볼트(510)는 베어링 가이드(500)의 두께 방향으로 관통하여 하우징(100)에 나사 결합됨으로써 베어링 가이드(500)를 하우징(100) 내측벽에 고정시킨다. 볼트의 헤드(511)는 나사선(512) 방향으로 갈수록 폭이 좁아지도록 테이퍼 형성될 수 있다.

베어링 가이드(500)는 내측면에서 두께방향으로 볼트(510)의 헤드(511)가 삽입되는 홈(500a)이 형성되어 있어, 나사 결합시 볼트(510)의 헤드(511)가 베어링 가이드(500)에 삽입되도록 구성된다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치의 컴팩트한 구조를 설명하기 위한 비교도면이다. 비교를 위하여 종래의 동력 변환 장치와 본 발명에 따른 동력 변환장치가 각각 엔진에 결합된 구조를 비교 설명한다.

먼저, 종래 발명의 하부 지지판(20)은 전체적으로 동일한 두께의 판 형상으로 형성되어 걸림턱(11)의 상단에 배치되는 반면, 본 발명에 따른 하부 마그네트 지지판(620)은 오목홈(623)에 걸림턱(410)이 수용되므로 높이가 현저하게 낮아졌음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 동력 변환장치에 의하면 오목홈(623)의 두께(d6)만큼 추가공간을 확보할 수 있으므로 그만큼 스테이터(200)와 로터(300)의 높이를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 하부 마그네트 지지판(620)의 가장자리 두께(d5)는 종래 발명의 하부 마그네트 지지판(620) 두께(d4)와 동일하므로 용이하게 도피홈(625)을 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 동력 변환 장치는, 상부 베어링(510)의 베어링 가이드(500)에 볼트(510)의 헤드(511)가 삽입되어 전체 두께(d2)가 얇아진 반면, 종래 발명에서는 베어링 가이드(30)의 외부로 볼트(40)의 헤드(41)가 돌출되어 두께(d1)가 두꺼워짐을 알 수 있다. 따라서, 본 발명은 볼트(510)의 헤드 두께(d3)만큼의 공간을 확보할 수 있으므로 스테이터(200)와 로터(300)의 높이를 증가시킬 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 동력 변환 장치는, 장착되는 엔진(1) 부위의 돌출된 영역(1a)에 해당하는 부분이 컷-아웃(910)되어 엔진에 결합시 스테이터(200) 및 로터(300)의 길이를 더 높게 형성할 수 있음을 알 수 있다.

이와 같은 컴팩트한 구조에 의하여 동력 변환 장치의 스테이터(200)와 로터(300)의 높이 및 부피가 대폭 증가되어 출력값이 획기적으로 향상될 수 있다.

도 6은 종래 발명에 따른 동력 변환 장치에 전류를 인가하여 토크 성능을 측정한 결과값이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치에 전류를 인가하여 토크 성능을 측정한 결과값이다.

도 6을 참조하면, 종래발명(도 5에 예시된 구조)에 따른 동력 변환 장치에 150(A)의 전류를 인가한 경우 평균 토크가 48.68[Nm]임을 확인 할 수 있다. 이에 반해, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치에 전류를 인가한 결과, 평균 토크가 50.1[Nm]임을 확인할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 동력 변환 장치에는 더 적은 전류인 119(A)의 전류를 인가한 것을 고려하면 성능이 훨씬 높아진 것을 알 수 있다.

이러한 결과는 전술한 바와 같이, 동력 변환 장치를 컴팩트하게 구성함으로써 추가공간을 확보하여 스테이터(200)와 로터(300)의 부피를 증가시켰기 때문임을 알 수 있다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

100: 하우징 200: 스테이터
300: 로터 400: 회전축
500: 베어링 가이드 510: 볼트
520: 상부 베어링 610: 상부 마그네트 지지판
620: 하부 마그네트 지지판 623: 오목홈
700: 레졸버 800: 벨트 풀리
900: 커넥터부 910: 컷-아웃부

Claims (8)

1. 하우징;
   상기 하우징의 내측에 고정 결합되고 내부에 공간부가 형성된 스테이터;
   상기 스터이터의 공간부에 삽입되고 중앙부에 회전축이 관통되어 결합된 로터; 및
   상기 로터의 하단부에 일면이 밀착되는 하부 마그네트 지지판;을 포함하되,
   상기 하부 마그네트 지지판의 타면에는 중앙에 오목홈이 형성되어 상기 회전축에 형성된 걸림턱이 상기 오목홈에 수용되는 차량용 동력 변환 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부 마그네트 지지판은 원판 형상으로 형성되고, 상기 하부 마그네트 지지판의 타면의 가장자리에는 복수 개의 도피홈이 이격 형성된 차량용 동력 변환 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 오목홈의 중앙부에는 관통홀이 형성된 차량용 동력 변환 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 회전축의 상부에 형성된 베어링을 지지하는 베어링 가이드가 형성되고, 상기 베어링 가이드는 하우징의 내측면에 볼트에 의해 고정되는 차량용 동력 변환 장치.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 베어링 가이드 내측면에는 상기 볼트의 헤드에 대응되는 홈이 형성된 차량용 동력 변환 장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 볼트의 헤드는 나사선 방향으로 갈수록 폭이 좁아지게 형성되는 차량용 동력 변환 장치.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 하우징의 하단부에 배치되어 외부 부품과 전기적으로 연결되는 커넥터부를 포함하고,
   상기 커넥터부는 차량의 엔진에 인접되는 부분에 컷-아웃부가 형성된 차량용 동력 변환 장치.
   
8. 제1항에 있어서,
   상기 회전축의 끝단에 결합되는 벨트 풀리를 포함하는 차량용 동력 변환 장치.

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