KR20150122468A - 브러시-슬립링 모터의 회전자의 온도 계측장치 - Google Patents

브러시-슬립링 모터의 회전자의 온도 계측장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 브러시-슬립링 구조를 갖는 모터의 회전자의 온도 계측장치에 관한 것으로서, 특히 모터의 동작시 센서를 통해 회전자의 실시간 온도를 직접 계측함으로써 모터 회전자의 정확한 온도 계측이 가능한 브러시 및 슬립링을 갖는 모터 회전자 온도 계측 장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명은 회전축의 일단을 감싸며 설치되는 슬립링; 상기 회전축을 감싸는 회전자 코어의 외면에 부착 고정되는 온도센서; 일단이 상기 온도센서에 연결되고 타단은 상기 슬립링 내부로 연장되어 상기 슬립링과 전기적으로 연결되는 제1와이어; 브러시 홀더 내에 스프링을 통해 탄성 지지되며, 일단은 상기 슬립링의 외면에 접촉되고 타단에는 외부의 제어수단 또는 검출수단과 전기적으로 연결되는 제2와이어가 연결된 브러시;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

브러시-슬립링 모터의 회전자의 온도 계측장치{Apparatus for measuring temperature of rotor in motor with brush and slip-ring}
본 발명은 브러시-슬립링 구조를 갖는 모터의 회전자의 온도 계측장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 모터의 동작시 센서를 통해 회전자의 실시간 온도를 직접 계측함으로써 모터 회전자의 정확한 온도 계측이 가능한 브러시 및 슬립링을 갖는 모터 회전자 온도 계측 장치에 관한 것이다.
최근 들어 전세계적으로 희토류 자석의 가격이 증가함에 따라 이를 사용하지 않는 브러시-슬립링 구조를 갖는 모터의 개발이 증가하고 있다. 기존의 회토류 자석의 경우 소형화와 고성능 모터에 주로 사용되었으나 앞서 말한 원재료 가격 증가와 고속영역에서 제어의 어려움으로 점차 감소하고 있는 추세이다.
그러나, 이러한 브러시-슬립링 모터는 자속을 형성하기 위해 회전자에 전류를 인가하게 되는데 이때 회전자에서는 열이 발생하게 된다. 이로 인한 온도상승이 고정자의 절연물과 권선 구성에 영향을 미치는 것이 밝혀졌다.
그러므로, 브러시-슬립링 모터의 보호를 위해서는 고정자 권선의 온도와 회전자의 온도를 감지할 수 있어야 한다. 아울러 브러시-슬립링 모터의 제어 및 고장감지를 위해서는 내부 회전자의 온도 계측이 무엇보다 중요하다.
통상적으로 모터의 온도가 상승될 경우에는 권선의 저항이 증가하고 자속이 감소하기 때문에 모터의 성능을 안정적으로 유지하기 위해서는 모터 내부의 온도를 정확하게 계측할 필요가 있다.
일반적으로 고정자의 온도는 센서의 설치로 측정이 이루어질 수 있으나, 회전자의 온도는 센서 설치의 어려움으로 인해 고려되지 않고 있다. 이로 인해 종래에는 모터의 설계단계에서 전기적 모델 및 열 모델과 부하상태 등을 시뮬레이션 방법으로 해석하고 각 부분의 온도를 추정, 검토하는 방법들이 사용되었다.
상기와 같은 종래의 시뮬레이션을 위한 유도모터의 열 모델은 설치 방법, 주위환경 등에 따라 변화하며 매우 복잡한 회로망으로 모델링되어야 하는 문제점을 가지고 있으며 실시간 처리를 위한 단순화된 열 모델도 많이 연구되고 있다.
한국 특허공개 제2013-0005002호에서는 모터 내부의 영구자석이 가진 온도에 따른 잔류자속밀도(Br)의 부 온도특성계수와 모터를 일정 운전점에서 회전할 경우 발생되는 토크 간의 상관관계를 이용하여 영구자석 모터의 회전자 내부의 영구자석 온도를 측정할 수 있는 회전자 내부의 영구자석 평균온도 간접계측방법을 개시하고 있다.
또한, 특허공개 제1998-0027741호에서는 벡터제어되는 유도모터를 대상으로 고정자의 온도와 토크 전류를 이용하여 회전자 온도를 실시간으로 추정할 수 있는 유도모터의 회전자 온도추정 알고리즘에 대한 내용을 개시하고 있다.
그러나, 상기한 선행 특허문헌들에서 개시하고 있는 모터의 회전자 온도 계측방법은 모터가 발생시키는 토크의 변화량을 시간별로 추출하여 온도별 토크 데이터를 획득하여 회전자의 온도를 추정하거나, 혹은 모터 회전자에 흐르는 전류로 회전자 손실을 계산하며 고정자와 회전자 사이의 열저항과 회전자 열용량을 고려하여 회전자의 온도를 추정하는 등의 간접적인 방식으로만 회전자의 온도 추정이 가능하였기 때문에 회전자의 보다 정확한 온도 측정에 어느 정도 한계점이 있었고, 간접적 방식에 의한 회전자의 온도 추정으로 인해 측정 온도의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다.
대한민국 특허공개 제2013-0005002호, 특허공개 제1998-0027741호
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명에서 해결하고자 하는 기술적 과제는 브러시 및 슬립링 구조를 갖는 모터에 있어서 회전자 코어의 외면에 온도센서를 부착한 후 부착된 상기 온도센서가 부착된 코어의 외면에 계자권선을 설치하여 상기 온도센서와 연결된 와이어를 슬립링 내부 연장하여 전기적으로 연결되도록 구성함으로써 모터의 작동시 상기 온도센서를 통해 측정된 실시간 회전자의 온도를 상기 슬립링과 접촉되는 브러시를 통해 외부의 제어수단 또는 검출수단에 제공되도록 하여 모터 회전자의 온도를 정확하고 신뢰성 있게 측정할 수 있는 브러시- 슬립링 모터 회전자의 온도 계측 장치를 제공하는 데이 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 모터 회전자의 온도 계측 장치는, 회전축의 일단을 감싸며 설치되는 슬립링; 상기 회전축을 감싸는 회전자 코어의 외면에 부착 고정되는 온도센서; 일단이 상기 온도센서에 연결되고 타단은 상기 슬립링 내부로 연장되어 상기 슬립링과 전기적으로 연결되는 제1와이어; 브러시 홀더 내에 스프링을 통해 탄성 지지되며, 일단은 상기 슬립링의 외면에 접촉되고 타단에는 외부의 제어수단 또는 검출수단과 전기적으로 연결되는 제2와이어가 연결된 브러시;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 온도센서가 부착된 상기 회전자 코어의 외면에는 계자권선이 밀착 고정되도록 구성할 수 있다.
그리고, 상기 제1와이어는 상기 회전자 코어의 외면과 상기 회전축의 내면에 밀착된 상태로 배선되어 상기 슬립링의 내면과 연결되도록 구성될 수 있다.
이때, 상기 온도센서와 상기 제1와이어는 상기 회전자 코어의 외면과 상기 계자권선의 내면 사이에 밀착된 상태로 배선될 수 있다.
한편, 상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 모터는, 모터 케이스를 관통하는 회전축; 상기 모터 케이스의 내면에 고정되는 고정자; 상기 회전축의 일단을 감싸며 설치되는 슬립링; 상기 모터 케이스 내부에서 상기 회전축을 감싸는 회전자 코어의 외면에 부착 고정되는 온도센서; 일단이 상기 온도센서에 연결되고 타단은 상기 슬립링 내부로 연장되어 상기 슬립링과 전기적으로 연결되는 제1와이어; 브러시 홀더 내에 스프링을 통해 탄성 지지되며, 일단은 상기 슬립링의 외면에 접촉되고 타단에는 외부의 제어수단 또는 검출수단과 전기적으로 연결되는 제2와이어가 연결된 브러시;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 회전축은 속이 빈 형태로 형성되고, 상기 제1와이어는 상기 회전자 코어의 외면과 상기 회전축의 내면에 밀착된 상태로 배선되어 상기 슬립링의 내면과 연결되도록 구성할 수 있다.
상기한 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 브러시-슬립링 구조를 갖는 모터에 있어서 회전자 코어의 외면에 온도센서를 부착한 후 그 온도센서가 부착된 회전자 코어의 외면에 계자권선을 설치하고, 상기 온도센서와 연결된 와이어를 회전자 코어의 단부 측에 위치한 슬립링 내부로 전기적으로 연결되도록 구성함으로써, 모터의 작동시 상기 온도센서를 통해 측정된 회전자의 온도를 상기 슬립링과 접촉되는 브러시를 통해 외부의 제어수단 또는 검출수단에 실시간으로 제공되도록 하여 모터 회전자의 실제 온도를 한층 정확하고 신뢰성 있게 계측할 수 있는 효과가 있다.
또한, 기존의 브러시-슬립링 구조가 적용된 모터에 있어서 회전자의 온도검출을 위한 온도센서를 회전자 코어의 외면에 부착한 후 상기 온도센서와 연결된 와이어를 슬립링 내부까지 연장하여 배선하게 되는 간단한 설치방식을 통해 회전자의 실제 온도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 회전자의 온도 검출을 위한 온도센서를 회전자 코어의 외면에 부착한 후 상기 온도센서가 부착된 코어의 외면에 계자권선이 밀착되도록 설치함으로써, 회전자의 회전 작동시 온도센서가 회전자 코어의 외면으로부터 쉽게 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있고 회전자의 내구성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시-슬립링 모터의 회전자 온도 계측장치에 있어 온도센서의 와이어가 슬립링 부분에 연결된 모습을 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 회전자 온도 계측장치를 상부에서 바라본 투시 단면도.
도 3은 도 2의 온도센서가 부착된 모터의 내부구조를 보여주는 단면도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 브러시-슬립링 구조의 모터에 있어서 회전자의 온도 계측장치에 대한 주요부 구성을 보여주는 사시도이다. 그리고, 도 2는 본 발명에 따른 브러시-슬립링 모터에 있어서 도 1의 온도 계측장치가 장착된 회전자를 상부 측에서 바라본 투시 단면도이고, 도 3은 본 발명의 회전자 온도 계측장치가 장착된 모터의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 일실시 예에 따른 모터(200)는 모터 케이스(102)를 관통하는 회전축(110)과, 모터 케이스(102)의 내면에 고정되는 고정자(120)와, 회전축(110)의 일단을 감싸며 설치되는 슬립링(130)과, 모터 케이스(102) 내부에서 회전축(110)을 감싸는 회전자 코어(140)의 외면에 부착 고정되는 온도센서(150)와, 일단이 온도센서(150)에 연결되고 타단은 슬립링(130) 내부로 연장되어 슬립링(130)과 전기적으로 연결되는 제1와이어(160)와, 브러시 홀더(210) 내에 스프링(220)을 통해 탄성 지지되며 일단은 슬립링(130)의 외면에 접촉되고 타단에는 외부의 제어수단 또는 검출수단과 전기적으로 연결되는 제2와이어(170)가 연결된 브러시(190)를 포함하여 구성된다.
회전축(110)은 모터 케이스(102)의 중심부를 길이방향으로 관통하여 설치되고, 상기 회전축(110)이 지지되는 모터 케이스(102)의 양단에는 베어링(104)이 설치되어, 상기 회전축(110)이 베어링(104)을 통해 회전 가능하게 지지된다.
모터 케이스(102)의 내주면에는 고정자(stator;120)가 부착 고정되고, 상기 고정자(120)의 내측으로는 상기 회전축(110)과, 회전자 코어(rotor core;140), 계자권선(field winding;180)을 포함하는 회전자(rotor)가 설치된다.
회전자 코어(140)는 모터 케이스(102)의 내부에서 회전축(110)의 외주면을 감싸며 결합된다.
그리고, 모터 케이스(102)의 외부에 위치되는 회전축(110)의 일측 단부에는 모터(200) 내부의 회전자로 외부의 전류를 공급하는 슬립링(slip ring;130)이 설치된다. 이러한 슬립링(130)은 회전축(110)의 단부 외주면을 감싸도록 부착 고정된다.
아울러, 모터(200)의 일측 단부에는 상기 슬립링(130)의 외주면과 접촉되며 외부의 전류를 공급하는 브러시(brush;190)를 구비한 브러시 홀더(210)가 장착된다.
상기 브러시(190)는 브러시 홀더(210)의 내부에서 스프링(220)을 통해 탄성 지지되며, 상기 회전축(110)과 함께 회전되는 슬립링(130)의 외주면에 접촉되어 상기 슬립링(130)을 통해 모터 내의 회전자에 전류를 공급하게 된다.
온도센서(150)는 모터 케이스(102) 내부에서 회전축(110)을 감싸는 회전자 코어(140)의 외주면 일측에 부착 고정되어 회전자의 회전시 온도상승이 일어날 경우 회전자의 온도를 직접적으로 감지하여 외부의 제어수단 또는 검출수단으로 전송하게 된다.
특히, 이러한 온도센서(150)은 (+)/(-)로 된 한 쌍의 전선케이블인 제1와이어(160)를 통해 슬립링(130)과 전기적으로 연결되어 상기 슬립링(130)과 브러시(190)의 접촉을 통해 외부의 제어수단 또는 검출수단에 측정 결과를 전송하게 된다.
구체적으로, 제1와이어(160)는 일측 단부가 온도센서(150)와 연결되고, 타측 단부는 회전축(110)을 거쳐 슬립링(130) 내부로 연장되어 상기 슬립링(130)과 전기적으로 연결된다.
그리고, 상기 제1와이어(160)는 회전자 코어(140)의 외면과 회전축(110)의 내면에 밀착된 상태로 배선되어 슬립링(130)의 내면과 연결되도록 구성할 수 있다.
여기서 상기 회전축(110)은 속이 찬 원기둥 형태나 혹은 속이 빈 중공 형태가 적용될 수 있다.
이때, 회전축(110)이 속이 찬 원기둥 형태일 경우 제1와이어(160)는 회전축(110)의 외면을 따라 밀착된 상태로 슬립링(130)의 내주면과 연결되도록 구성할 수 있고, 상기 회전축(110)이 속이 빈 중공 형태로 적용될 경우 제1와이어(160)는 회전축(110)의 중공부 내주면을 따라 밀착되어 상기 슬립링(130)의 내주면과 연결되도록 배치할 수 있다.
브러시(190)는 브러시 홀더(210) 내에서 스프링(220)을 통해 탄성 지지되며, 상기 브러시(190)의 일측 단부는 슬립링(130)의 외주면과 접촉상태를 유지하게 되고, 상기 브러시(190)의 타측 단부에는 외부의 제어수단 또는 검출수단과 전기적으로 연결하기 위한 제2와이어(170)가 연결된다.
미설명 부호 106은 회전축(110)에 결합되는 풀리(pulley)를 말한다.
이와 같이 브러시-슬립링 구조가 적용된 모터(200)에 있어 회전자 코어(140)의 외주면에 회전자의 온도를 측정하기 위한 온도센서(150)를 부착하고, 상기 온도센서(150)와 연결된 제1와이어(160)를 회전축(110)의 일측 단부에 위치한 슬립링(130) 내부로 연결하여 구성함에 따라, 모터의 작동에 따른 온도 상승시 상기 회전자 코어(140)에 부착된 온도센서(150)를 통해 회전자의 실제온도를 실시간 측정하여 외부의 제어수단 또는 검출수단 등에 제공할 수 있게 되어 회전자의 정확한 온도계측이 가능하게 되는 효과를 얻을 수 있다.
아울러, 기존의 브러시-슬립링 구조가 적용된 모터 구조에서 온도센서(150)를 회전자 코어(140) 외면에 부착한 후 온도센서(150)에 연결된 제1와이어(160)를 슬립링(130) 내부로 연장하여 배선하게 되는 간단한 설치방식으로 회전자의 실제 온도를 정확하고 정밀하게 측정할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.
또한, 온도센서(150)가 부착된 회전자 코어(140)의 외면에 계자권선(180)이 밀착 고정된 형태로 설치됨에 따라, 회전자의 회전 작동시 온도센서(150)가 회전자 코어(140)의 외면으로부터 이탈되는 것을 방지할 수 있게 되어 온도센서(150) 부착 부위의 내구성을 증대시킬 수 있다.
또한, 온도센서(150)와 연결된 제1와이어(160)를 회전자 코어(140)의 외면과 상기 회전축(110)의 중공부 내면에 밀착하도록 배선하여 슬립링(130)의 내면과 전기적으로 연결되도록 구성하고, 회전자 내의 제1와이어(160)의 배선구조를 간단하고 콤팩트하게 구현할 수 있고, 상기 온도센서(150) 및 배선된 제1와이어(160)가 상기 회전자 코어(140)의 외면과 상기 계자권선(180)의 내면 사이에 견고하게 밀착된 상태로 배치되기 때문에, 회전자의 장시간 반복적인 회전작용에도 쉽게 분리되어 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있고, 내구성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시 예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
102 : 모터 케이스 104 : 베어링
106 : 플리 110 : 회전축
120 : 고정자 130 : 슬립링
140 : 회전자 코어 150 : 온도센서
160 : 제1와이어 170 : 제2와이어
180 : 계자권선 190 : 브러시
200 : 모터 210 : 브러시 홀더

Claims (6)

  1. 회전축(110)의 일단을 감싸며 설치되는 슬립링(130);
    상기 회전축(110)을 감싸는 회전자 코어(140)의 외면에 부착 고정되는 온도센서(150);
    일단이 상기 온도센서(150)에 연결되고 타단은 상기 슬립링(130) 내부로 연장되어 상기 슬립링(130)과 전기적으로 연결되는 제1와이어(160);
    브러시 홀더(210) 내에 스프링(220)을 통해 탄성 지지되며, 일단은 상기 슬립링(130)의 외면에 접촉되고 타단에는 외부의 제어수단 또는 검출수단과 전기적으로 연결되는 제2와이어(170)가 연결된 브러시(190);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 회전자의 온도 계측장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도센서(150)가 부착된 상기 회전자 코어(140)의 외면에는 계자권선(180)이 밀착 고정되는 것을 특징으로 하는 회전자의 온도 계측장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1와이어(160)는 상기 회전자 코어(140)의 외면과 상기 회전축(110)의 내면에 밀착된 상태로 배선되어 상기 슬립링(130)의 내면과 연결되는 것을 특징으로 하는 회전자의 온도 계측장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 온도센서(150)와 상기 제1와이어(160)는 상기 회전자 코어(140)의 외면과 상기 계자권선(180)의 내면 사이에 밀착된 상태로 배선되는 것을 특징으로 하는 회전자의 온도 계측장치.
  5. 모터 케이스(102)를 관통하는 회전축(110);
    상기 모터 케이스(102)의 내면에 고정되는 고정자(120);
    상기 회전축(110)의 일단을 감싸며 설치되는 슬립링(130);
    상기 모터 케이스(102) 내부에서 상기 회전축(110)을 감싸는 회전자 코어(140)의 외면에 부착 고정되는 온도센서(150);
    일단이 상기 온도센서(150)에 연결되고 타단은 상기 슬립링(130) 내부로 연장되어 상기 슬립링(130)과 전기적으로 연결되는 제1와이어(160);
    브러시 홀더(210) 내에 스프링(220)을 통해 탄성 지지되며, 일단은 상기 슬립링(130)의 외면에 접촉되고 타단에는 외부의 제어수단 또는 검출수단과 전기적으로 연결되는 제2와이어(170)가 연결된 브러시(190);
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 모터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 회전축(110)은 속이 빈 중공 형태로 형성되고, 상기 제1와이어(160)는 상기 회전자 코어(140)의 외면과 상기 회전축(110)의 내면에 밀착된 상태로 배선되어 상기 슬립링(130)의 내면과 연결되는 것을 특징으로 하는 모터.
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KR1020140048762A KR20150122468A (ko) 2014-04-23 2014-04-23 브러시-슬립링 모터의 회전자의 온도 계측장치

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR102146348B1 (ko) * 2020-03-06 2020-08-20 (주)센테크이엔지 모터용 온도센서장치
DE102022116680A1 (de) 2022-07-05 2024-01-11 Audi Aktiengesellschaft Fremderregte Synchronmaschine und Kraftfahrzeug

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