KR20160104427A - 냉각수단을 구비한 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수단을 구비한 모터에 관한 것으로서, 본 발명의 일측면에 의하면, 외주부에 복수 개의 냉각 블레이드가 구비되고, 내부면에 복수 개의 허브 블레이드가 구비되는 팬 허브; 상기 팬 허브와 함께 회전하도록 배치되고, 내주면에 복수 개의 영구 자석이 부착되는 로터 하우징; 및 상기 로터 하우징을 회전 가능하게 지지하는 베이스;를 포함하고, 상기 로터 하우징은 상기 허브 블레이드와 대향하는 위치에 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 모터가 제공된다.

Description

냉각수단을 구비한 모터{MOTOR WITH A COOLING MEANS}

본 발명은 냉각수단을 구비한 모터에 관한 것으로서, 구체적으로는 모터 내부의 코일 등을 냉각하기 위한 수단을 구비한 모터에 관한 것이다.

최근 다양한 산업분야, 특히 자동차에 있어서 높은 에너지 효율을 얻는 것이 화두가 되고 있다. 이러한 고효율을 얻기 위해서는, 엔진 외에도 자동자의 작동에 필요한 각종 모터의 고효율화도 필수적이다. 이러한 추세에 힘입어, 기존에 사용되어 왔던 DC 모터를 대신하여 BLDC 모터(Brushless DC Motor)의 사용이 점차 증가하는 추세에 있다.

이러한 BLDC 모터가 사용되는 분야 중 하나가 엔진을 통과하는 냉각수등과 같은 각종 작동유체를 냉각하기 위한 쿨링팬이다. 상기 쿨링팬에 BLDC 모터를 적용하여 효율 향상을 도모하고자 하는 시도가 있어 왔다. 그러나, BLDC 모터는 통상적인 모터와는 달리, 요크와 코일로 이루어지는 고정자와 상기 고정자에 대해서 회전하는 회전자에 영구자석이 부착된 구조를 갖는다. 따라서, 작동 과정에서 열이 발생되는 구성품인 코일이 정지된 상태에 있기 때문에 이를 적절하게 냉각할 필요가 있다.

이를 위해서, 쿨링팬의 팬 허브 내측에 블레이드를 설치하여 코일이 냉각될 수 있도록 하고 있지만, 모터의 구조상의 문제로 인해서 적절한 수준이 냉각이 이루어지지 않는 문제점이 있다.

도 1 및 도 2는 이러한 종래의 BLDC 모터의 내부 구조를 개략적으로 도시한 것으로서, 팬 허브(10)의 외주면에는 냉각 대상인 물품에 냉각 기류를 제공하기 위한 팬 블레이드(20)가 배치되어 있고, 상기 팬 허브(10)의 내측에 회전자가 내측에 구비되는 로터 하우징(40)이 구비된다. 그리고, 상기 로터 하우징(40)의 내주면에는 회전자 측에 냉각 공기를 제공하기 위한 허브 블레이드(30)가 방사상으로 배치되어 있다.

도 2를 참조하면, 상기 로터 하우징(40)의 내측에는 복수 개의 영구자석(50)이 부착되어 있고, 로터 하우징(40)의 대략 중앙부에는 회전축(60)이 위치한다. 상기 회전축(60)은 베어링(70)에 의해 베이스(100)에 대해 회전 가능하게 지지되며, 베어링 외주면(80)에 고정자 코일(90)이 설치되어 있다.

따라서, 도 2에 도시된 구조를 갖는 BLDC 모터의 경우, 상기 고정자 코일(90)에 전력이 공급되면 회전 자계가 발생되고, 그로 인해 상기 로터 하우징(40)이 팬 허브(10)와 함께 회전하면서 냉각 공기를 공급하게 된다.

이때, 상기 허브 블레이드(30)는 모터 작동 시에 상기 로터 하우징(40)과 함께 회전하게 되며, 그로 인해서 화살표로 표시한 것과 같은 상기 로터 하우징(40)으로 향하는 냉각 공기 흐름을 제공하게 된다. 그러나, 도시된 바와 같이 생성된 냉각 공기가 상기 고정자 코일(90)로 전달되는 경로가 복잡하여, 냉각 공기가 고정자 코일(90)로 직접 전달되지 못하게 된다. 결국, 외부 공기를 단순히 내부로 도입하여 고정자 코일(90)을 간접적으로 냉각하는데 불과하게 되므로, 충분한 냉각성능을 얻지 못하는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 극복하기 위해 안출된 것으로서, 허브 블레이드의 회전에 의해 생성된 냉각 공기가 고정자 코일로 용이하게 전달될 수 있도록 하여, 냉각 성능을 향상시킬 수 있는 냉각 수단을 구비한 모터를 제공하는 것을 기술적 과제로 삼고 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 의하면, 외주부에 복수 개의 냉각 블레이드가 구비되고, 내부면에 복수 개의 허브 블레이드가 구비되는 팬 허브; 상기 팬 허브와 함께 회전하도록 배치되고, 내주면에 복수 개의 영구 자석이 부착되는 로터 하우징; 및 상기 로터 하우징을 회전 가능하게 지지하는 베이스;를 포함하고, 상기 로터 하우징은 상기 허브 블레이드와 대향하는 위치에 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 모터가 제공된다.

본 발명의 상기 측면에서는 팬 허브에 코일 냉각용 허브 블레이드를 형성하되, 상기 로터 하우징에 상기 허브 블레이드에 의해 형성된 냉각 공기 흐름이 통과할 수 있는 슬롯을 형성함으로써, 고정자 코일이 직접 냉각될 수 있도록 하고 있다.

여기서, 상기 허브 블레이드와 상기 슬롯을 서로 이격되게 배치하여 생성된 흐름이 슬롯을 통과하도록 할 수도 있고, 상기 허브 블레이드의 적어도 일부가 상기 슬롯을 관통하도록 배치할 수도 있다. 이 경우 로터 하우징 내부에서 냉각 공기의 흐름이 생성되고, 그로 인해서 냉각 공기가 코일에 전달되는 경로를 더욱 짧게 할 수 있다.

여기서, 상기 허브 블레이드는 상기 베이스와 대향하는 면에 배치될 수 있다. 이를 통해서, 팬 허브의 내경과 로터 하우징의 외경 사이의 간격을 더욱 축소시킬 수 있고, 그로 인해서 팬 허브의 직경을 작게 할 수 있다.

이때, 상기 허브 블레이드는 상기 팬 허브의 회전 중심에 대해서 방사상으로 배치될 수 있다. 그리고, 상기 각각의 허브 블레이드들은 서로 등간격으로 배치될 수도 있고, 서로 다른 간격을 갖도록 배치될 수도 있다. 특히, 상기 허브 블레이드는 상기 고정자 코일의 상부에 배치될 수 있다.

그리고, 상기 허브 블레이드의 단면적 보다 상기 슬롯의 단면적이 크게 형성될 수 있다. 이 경우, 허브 블레이드와 슬롯 내주면 사이에 간격이 발생되고, 상기 간격은 외부 공기가 로터 하우징 내부로 유입되도록 하는 통로로서 기능할 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 측면들에 의하면, 허브 블레이드에 의해 생성된 냉각 공기 흐름이 고정자 코일로 직접 전달될 수 있으므로 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 허브 블레이드의 적어도 일부가 슬롯을 관통하도록 배치되므로, 허브 블레이드는 실질적으로 로터 허브 내에 위치하게 되고, 그로 인해서 냉각 공기가 코일에 전달되는 경로를 더욱 짧게 할 수 있다.

또한, 허브 블레이드를 상기 베이스와 대향하는 면에 배치할 수 있으므로, 종래에 팬 허브의 측면에 허브 블레이드를 형성하는 경우에 비해서 팬 허브의 직경을 축소할 수 있고, 그에 따라서 쿨링팬의 전체 크기를 축소시킬 수 있게 된다.

또한, 허브 블레이드의 단면적 보다 슬롯의 단면적을 크게 형성함으로써, 별도의 통기공을 형성하지 않더라도, 외부 공기가 원활하게 로터 하우징 내부로 유입되도록 할 수 있다. 이를 통해, 냉각 성능을 더욱 향상시킬 수 있다.

도 1은 종래의 BLDC 모터의 팬 허브 내부를 도시한 평면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 BLDC 모터의 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 냉각수단을 구비한 모터의 일 실시예의 내부 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 4은 도 3에 도시된 실시예를 도시한 분해 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 냉각수단을 구비한 모터의 다른 실시예의 내부 구조를 개략적으로 도시한 평면도이다.

이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 냉각수단을 구비한 모터의 실시예에 대해서 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 냉각수단을 구비한 모터의 제1 실시예를 도시한 단면도이고, 도 4는 상기 제1 실시예를 도시한 분해 사시도이다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 실시예는 일측이 개방된 원기둥 형태의 팬 허브(110)를 구비한다. 상기 팬 허브(110)는 도 3을 기준으로 상부에서 보았을 때 대략 원판의 형태를 가지며, 원판의 외주부를 따라서 연장되는 측면부를 갖는다. 그리고, 상기 팬 허브(110)의 내부에는 후술할 로터 하우징 등이 수납되는 공간부가 제공된다. 여기서, 상기 팬 허브(110)는 임의의 재질로 이루어질 수 있으나, 일반적으로는 합성수지재로 이루어지며, 팬 허브(110)의 측면부에는 냉각 대상인 구성품에 냉각 공기를 제공하기 위한 팬 블레이드(미도시)가 형성되지만, 도 3 및 도 4에서는 도시를 생략하였다.

그리고, 상기 팬 허브(110)의 상측면(도 3 기준)의 내부에는 복수 개의 허브 블레이드(130)가 일체로 형성된다. 상기 허브 블레이드(130)는 상기 팬 허브(110)의 내부면으로부터 하향으로 돌출되게 형성되며, 팬 허브(110)와 함께 회전하면서 도 3을 기준으로 하향으로 향하는 공기 흐름을 야기할 수 있는 형상을 갖도록 형성된다. 도 4에서는 상기 허브 블레이드(130)는 복수 개가 서로 등간격을 갖도록 방사상으로 배치되지만, 경우에 따라서는 불균일한 간격을 갖도록 형성되는 예도 고려할 수 있다.

상기 팬 허브(110)의 내부에는 로터 하우징(140)이 구비된다. 상기 로터 하우징(140)은 상기 팬 허브(110)와 유사하게 일측이 개방된 원통형의 형태를 가지며, 개방된 단부는 도 3을 기준으로 하향으로 배치된다. 상기 로터 하우징(140)의 측면부 내면에는 복수 개의 영구 자석(150)이 방사상으로 부착되어 있다. 상기 영구 자석(150)은 후술할 고정자 코일과 함께 동작하여 상기 로터 하우징(140)을 회전시키는 역할을 하게 된다. 여기서, 상기 로터 하우징(140)도 임의의 재질로 형성될 수는 있으나, 통상적으로는 steel 재질로 이루어지게 된다.

그리고, 상기 로터 하우징(140)의 상부에는 상기 허브 블레이드(130)가 관통되도록 삽입되는 슬롯(120)이 형성된다. 상기 슬롯(120)은 상기 허브 블레이드(130)와 동일한 개수로 형성되고, 적어도 상기 슬롯(120)이 통과할 수 있을 정도의 형태 및 면적을 갖도록 형성된다. 도 3 및 도 4에 도시된 실시예에서 상기 슬롯(120)은 로터 하우징의 중심으로 갈수록 폭이 좁아지는 타원형을 갖도록 형성되어 있다.

이로 인해서, 상기 허브 블레이드(130)의 단부로부터 소정 거리만큼이 상기 로터 하우징(140)의 내측에 위치하게 된다.

한편, 상기 팬 허브(110)의 하부에는 베이스(100)가 배치된다. 상기 베이스(100)는 원판 형태를 가지나, 상기 팬 허브(110)의 개방단부를 덮을 수 있는 임의의 형태를 갖도록 형성된다. 상기 베이스(100)의 대략 중앙부에는 상단부가 개방된 원통형태의 축 지지부(180)가 형성되고, 상기 축 지지부(180)의 내부에는 베어링(170)에 의해 상기 로터 하우징과 결합되는 회전축(160)이 배치된다.

상기 회전축(160)은 상기 베이스(100)에 대해서는 회전가능하게 지지되지만, 상기 로터 하우징과는 함께 회전하도록 결합되어 있다. 상기 축 지지부(180)의 외주면에는 고정자 코일(190)이 설치된다. 상기 고정자 코일은 요크에 코일이 권선된 형태를 가지며, 외부로부터 공급되는 전력에 의해 회전 자계를 형성하여, 상기 로터 하우징을 회전시키게 된다. 여기서, 상기 허브 블레이드(130)는 상기 고정자 코일(190)의 상부에 위치하도록 배치된다. 이를 통해서, 생성된 냉각 공기의 흐름이 고정자 코일(190)로 직접 전달될 수 있도록 한다.

이제 상기 실시예의 작동에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 상기 고정자 코일(190)에 전력이 공급되면 로터 하우징(140)이 회전하게 된다. 이때, 상기 로터 하우징(140)과 팬 허브(110)가 서로 결합되어 있으므로, 팬 허브(110)도 함께 회전하게 된다. 이로 인해서, 상기 로터 하우징(140)의 내부로 돌출한 허브 블레이드(130)에 의해서 하향의 냉각 공기 흐름이 발생되고, 이는 하부에 위치한 고정자 코일(190)로 전달되어 고정자 코일(190)을 직접 냉각하게 된다. 따라서, 종래에는 외부의 공기를 끌어들여서 간접적으로 코일을 냉각하던 것에 비해서, 로터 하우징 내부에서 생성된 냉각 공기 흐름이 코일로 직접 전달되어, 전달 경로가 극히 짧아지게 되므로 고정자 코일에 대한 냉각 성능이 향상될 수 있다.

더불어, 고정자 코일을 향상 냉각 공기의 흐름은 고정자 코일을 통과한 후 로터 하우징 외부로 배출되고, 그에 대응하여 외부 공기가 새로인 로터 하우징 내부로 유입되므로 모터 전체에 걸쳐서 양호한 공기의 흐름을 제공할 수 있다. 이로 인해서, 모터의 수명 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 된다.

또한, 종래에는 팬 허브와 로터 하우징 사이에 허브 블레이드가 배치되어 있으므로, 허브 블레이드의 폭 만큼 팬 허브의 직경이 증가하였지만, 상기 실시예에서는 허브 블레이드가 팬 허브의 상부면에 형성되는 동시에 로터 하우징의 내부에 수납되어 있으므로 허브 블레이드로 인한 크기 증가를 최소화할 수 있게 된다. 이로 인해서, 쿨링팬의 전체 크기를 줄일 수 있게 된다. 또한, 쿨링팬의 크기를 동일하게 유지하는 경우에는, 팬 블레이드가 차지하는 면적을 그만큼 늘릴 수 있어 쿨링팬의 냉각 능력을 증가시킬수 있게 된다.

그리고, 상기 허브 블레이드가 금속재로 이루어지는 로터 하우징이 아닌 합성수지재로 이루어지는 팬 허브에 형성되어 있으므로, 복잡한 가공 과정을 거칠 필요없이 한 번의 사출성형 작업을 통해서 용이하게 허브 블레이드를 도시된 형태대로 제조할 수 있다. 경우에 따라서는 로터 하우징에 슬롯을 생략하고, 로터 하우징의 내부면에 직접 허브 블레이드를 형성하는 예도 고려할 수 있으나, 로터 하우징을 합성수지재가 아닌 금속재로 제조하여야 하는 경우에는 허브 블레이드를 형성하기 위해 복잡한 공정을 거쳐야 할 수도 있다. 그러나, 로터 하우징을 합성수지재로 형성하는 경우에는 적용 가능함은 물론이다.

여기서, 상기 슬롯은 상술한 바와 같이 임의의 크기를 가질 수 있으며, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 허브 블레이드와 동일한 형태 및 크기를 갖도록 형성할 수도 있다.

100 : 베이스, 110 : 팬 허브,
120 : 슬롯, 130 : 허브 블레이드,
140 : 로터 하우징, 150 : 영구자석,
160 : 회전축, 170 : 베어링,
180 : 축 지지부, 190 : 고정자 코일.

Claims (6)

1. 외주부에 복수 개의 냉각 블레이드가 구비되고, 내부면에 복수 개의 허브 블레이드가 구비되는 팬 허브;
   상기 팬 허브와 함께 회전하도록 배치되고, 내주면에 복수 개의 영구 자석이 부착되는 로터 하우징; 및
   상기 로터 하우징을 회전 가능하게 지지하는 베이스;를 포함하고,
   상기 로터 하우징은 상기 허브 블레이드와 대향하는 위치에 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 하는 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 허브 블레이드의 적어도 일부가 상기 슬롯을 관통하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 허브 블레이드는 상기 베이스와 대향하는 면에 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 허브 블레이드는 상기 팬 허브의 회전 중심에 대해서 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 허브 블레이드는 상기 고정자 코일의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 모터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 허브 블레이드의 단면적 보다 상기 슬롯의 단면적이 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 모터.
   

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