KR20180115911A - 계자코일용 지지 및 냉각 부재를 포함하는 권선형 여자전동기 - Google Patents

계자코일용 지지 및 냉각 부재를 포함하는 권선형 여자전동기 Download PDF

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Abstract

계자코일용 지지 및 냉각 부재를 포함하는 권선형 여자전동기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 계자코일용 지지 및 냉각 부재를 포함하는 권선형 여자전동기는 회전 가능한 구조로 구성되어 있고, 중심으로부터 방사형으로 돌출된 복수의 코어(core)를 포함하는 회전자; 상기 코어들 각각에 권선되는 계자코일(field coil); 및 인접한 두 개의 상기 코어들 사이에서 권선된 상기 계자코일을 지지함과 동시에 상기 회전자 내부에서 발생한 열을 외부로 배출하는 냉각 구조를 가지는 복수의 냉각 지지부재들을 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 복수의 냉각 지지부재들을 포함함으로써, 회전자의 코어에 권선된 코일을 견고히 지지함과 동시에 회전자 내부 공기의 강제 대류를 발생시켜, 회전자에서 발생하는 열을 외부로 배출하여 냉각 성능을 극대화 시킬 수 있다.

Description

계자코일용 지지 및 냉각 부재를 포함하는 권선형 여자전동기 {Wound Rotor Synchronous Motor Comprising Supporting and Cooling member for Field Coil}
본 발명의 실시예들은 계자코일용 지지 및 냉각 부재를 포함하는 권선형 여자전동기와 관련된다.
일반적으로, 친환경 자동차로 불리는 하이브리드 차량 또는 전기 자동차는 전기 에너지로 회전력을 얻는 전기모터(이하에서는 "구동모터" 라고 한다)에 의해 구동력을 발생시킬 수 있다.
예를 들면, 하이브리드 차량은 구동모터의 동력만을 이용하는 순수 전기 자동차 모드인 EV(Electric Vehicle)모드로 주행하거나 엔진과 구동모터의 회전력을 모두 동력으로 이용하는 HEV(Hybrid Electric Vehicle)모드로 주행한다. 그리고 일반적인 전기 자동차는 구동모터의 회전력을 동력으로 이용하여 주행한다.
친환경 자동차의 동력원으로 이용되는 구동모터는 크게 영구자석형 여자전동기(Permanent Magnet SynchronousMotor: PMSM)와 계자권선형 여자전동기(Wound Rotor Synchronous Motor: WRSM)를 예로 들 수 있다.
여기서, 계자권선형 여자전동기는 고정자뿐만 아니라 회전자에도 코일을 권선하여 전류인가 시 회전자를 전자석화시킴으로써 영구자석형 여자전동기(PMSM)의 영구자석을 대체하고 있다.
계자권선형 여자전동기는 코일을 권선한 회전자를 고정자와 일정 공극을 두고 배치하고 브러시 및 슬립링을 통해 전류를 인가하여 자속을 발생시키는 구조로 되어 있다.
이러한 계자권선형 여자전동기는 손실을 줄이고 효율을 높이기 위하여 고정자뿐만 아니라 회전자의 권선 점적률도 높여야 하며, 슬롯 내 높은 점적률로 인해 다른 상 코일간 절연 확보가 중요시된다. 또한, 계자권선형 여자전동기는 회전자의 고속 회전 시, 코일에 작용하는 원심력에 의해 코일의 정렬성이 저하되어 고장이 발생할 수 있다.
상기한 바와 같은 코일간 절연을 확보하고, 코일에 작용하는 원심력을 지지하기 위하여 계자권선형 여자전동기는 지지 구조물(당 업계에서는 통상 "절연 구조물" 이라고도 한다)을 사용하거나 몰딩 방법을 주로 사용하고 있다.
그러나, 계자권선형 여자전동기는 회전자에서 발생하는 발열로 인하여 모터의 효율 및 수명이 단축되므로, 회전자의 냉각이 대두되고 있다.
따라서, 코일간 절연을 확보하고 회전자의 고속 회전 시, 회전자 코일을 지지하기 위한 지지 구조물에 모터의 냉각 성능이 저하되는 문제를 해결할 기술이 요구된다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0120789호 (2015. 10. 28.)
본 발명의 실시예들은 회전자의 코어에 권선된 코일을 견고히 지지할 수 있는 구조를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예들은 회전자에서 발생하는 열을 냉각 시키기 위한 구조를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 회전 가능한 구조로 구성되어 있고, 중심으로부터 방사형으로 돌출된 복수의 코어(core)를 포함하는 회전자; 상기 코어들 각각에 권선되는 계자코일(field coil); 및 인접한 두 개의 상기 코어들 사이에서 권선된 상기 계자코일을 지지함과 동시에 상기 회전자 내부에서 발생한 열을 외부로 배출하는 냉각 구조를 가지는 복수의 냉각 지지부재들을 포함하는, 권선형 여자전동기를 제공한다.
또한, 상기 냉각 지지부재는 인접한 두 개의 상기 계자코일이 권선되어 있는 상기 코어들 사이에 대응하는 크기로 형성되고, 상기 코어들에 권선된 상기 계자코일과 접촉면을 이루는 구조일 수 있다.
또한, 상기 냉각 지지부재는 내부에 공기가 연통되는 중공 구조를 포함할 수 있다.
또한, 상기 중공 구조는 상기 냉각 지지부재의 단면을 기준으로, 중앙 부위를 가로지르는 하나 이상의 지지 리브(rib)로 구획되어 있을 수 있다.
또한, 상기 중공 구조는 상기 냉각 지지부재의 단면을 기준으로, 중앙 부위를 가로지르는 하나의 지지 리브에 의하여 양분된 형상으로 구획되어 있을 수 있다.
또한, 상기 냉각 지지부재는 인접한 상기 계자코일 사이에 절연성 부재가 부착되어 있을 수 있다.
또한, 상기 절연성 부재는 노맥스 펠트(NOMEX felt)일 수 있다.
또한, 상기 냉각 지지부재는 적어도 둘 이상의 카트리지(cartridge)를 포함하도록 구성되어 있고, 상기 카트리지들이 결합하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는 동일한 형상으로 형성되고, 회전자의 길이에 대응하는 개수로 결합하는 조립구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 카트리지는 접착에 의해 결합될 수 있다.
또한, 상기 카트리지는 하나 이상의 체결구가 형성되어 있고, 상기 체결구가 착탈 가능하게 결합되기 위한 하나 이상의 체결홈이 형성되어 있을 수 있다.
또한, 상기 카트리지는 상기 카트리지의 단면을 기준으로 회전자로부터 둘레 방향으로 점차 넓어지는 형상일 수 있다.
또한, 상기 카트리지는 상기 카트리지의 단면을 기준으로 역삼각형 형상일 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 권선형 여자전동기를 포함하는, 디바이스를 제공할 수 있다.
또한, 상기 디바이스는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이 브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전 기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart)일 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 권선형 여자전동기로서, 인접한 두 개의 상기 코어들 사이에서 권선된 상기 계자코일을 지지함과 동시에 상기 회전자 내부에서 발생한 열을 외부로 배출하는 냉각 구조를 가지는 복수의 냉각 지지부재들을 포함함으로써, 회전자의 코어에 권선된 코일을 견고히 지지함과 동시에 회전자 내부 공기의 강제 대류를 발생시켜, 회전자에서 발생하는 열을 외부로 배출하여 냉각 성능을 극대화 시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 냉각 지지부재는 짧은 길이로 이루어진 복수개의 카트리지들이 간단하게 결합되는 구조로 구성됨으로써, 냉각 지지부재의 조립성을 향상 시키고, 작업 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 여자전동기를 일부 도시한 모식도이다
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자에 냉각 지지부재가 장착되는 구조를 일부 도시한 모식도이다
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자에 냉각 지지부재가 장착되어 있는 구조를 일부 도시한 단면도이다
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 지지부재의 구조를 나타내는 모식도이다
도 5는 도 4의 냉각 지지부재의 결합 구조를 나타내는 모식도이다
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전자의 구조에 대한 단면도이다
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 권선형 여자전동기를 일부 도시한 모식도가 도시되어 있고, 도 2에는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자에 냉각 지지부재가 장착되는 구조를 일부 도시한 모식도가 도시되어 있다.
먼저, 도 1을 참조하면, 권선형 여자전동기(100)는 회전 가능한 구조로 구성되어 있고, 중심으로부터 방사형으로 돌출된 복수의 코어들(121, 122)을 포함하는 회전자(110)를 포함하고 있으며, 코어들(121, 122) 각각에는 계자코일들(131, 132)이 권선되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
이때, 인접한 두 개의 코어들(121, 122) 사이에는 권선된 계자코일들(131, 132)을 지지함과 동시에 회전자(110) 내부에서 발생한 열을 외부로 배출하는 냉각 구조를 가지는 복수의 냉각 지지부재(140)가 장착될 수 있다.
이러한 구조는 고정자 계자코일이 권선된 고정자(도시하지 않음)와, 코어들(121, 122)에 권선된 계자코일들(131, 132)을 포함하는 회전자(110)가 상기 고정자 내측으로 배치되는 구조로서, 권선형 여자전동기(100)는 고정자 및 회전자(110) 각각에 계자코일들(131, 132)이 권선되어 전류를 인가할 시 회전자(110)를 전자석화시키며, 고정자 내측에서 회전자(110)가 구동하는 구조로 구성될 수 있다.
따라서, 회전자(110)의 코어들(121, 122)에 권선되어 있는 계자코일들(131, 132)을 지지하는 구조가 필요하며, 또한 계자코일들(131, 132)간의 절연이 필요하므로, 이들 사이에 냉각 지지부재(140)가 위치하여 계자코일들(131, 132)을 지지함과 동시에 절연하는 구조로 구성될 수 있다.
한편, 냉각 지지부재(140)는 회전자(110)의 코어들(121, 122) 사이의 간극에 삽입되는 형태로 구성될 수 있으며, 예를 들어, 도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 냉각 지지부재(140)가 인접한 두 개의 계자코일들(131, 132)이 권선되어 있는 코어들(121, 122) 사이에 대응하는 크기로 형성될 수 있고, 코어들(121, 122)에 권선된 계자코일들(131, 132)과 접촉면을 이루는 구조로 구성될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전자에 냉각 지지부재가 장착되어 있는 구조를 일부 도시한 단면도가 도시되어 있다.
도 3을 도 1과 함께 참조하면, 냉각 지지부재(140)는 내부에 공기가 연통되는 중공 구조를 포함할 수 있다.
이러한 구조는 냉각 지지부재(140)의 단면을 기준으로, 중앙 부위를 가로지르는 하나 이상의 지지 리브(150)로 구획되어 있는 구조로 구성될 수 있으며, 구체적으로, 지지 리브(150)의 형성 개수는 제한적이지 않으나, 도 3에 개시되어 있는 바와 같이, 냉각 지지부재(140)의 단면을 기준으로, 중앙 부위를 가로지르는 하나의 지지 리브(150)에 의하여 양분된 형상으로 구획되어 있는 구조로 구성될 수 있다.
즉, 지지 리브(150)에 의해 구획된 중공구조는 회전자(110)가 고속 회전할 시, 지지 리브(150)를 기준으로 구획된 중공 구조를 따라서 공기를 강제로 대류 시키는 역할을 함으로써, 냉각 효율을 극대화 할 수 있다.
상기 구조에서는 냉각 지지부재(140)의 단면을 기준으로, 중앙 부위를 가로지르는 하나의 지지 리브(150)에 의하여 양분된 형상으로 구획되어 있는 것으로 묘사되어 있으나, 필요에 따라 지지 리브(150)의 개수를 변경하여 여러 개로 구획된 중곤 구조로 형성되는 것 또한 가능하다.
도 4에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉각 지지부재의 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있고, 도 5에는 도 4의 냉각 지지부재의 결합 구조를 나타내는 모식도가 도시되어 있다.
먼저, 도 4를 도 1과 함께 참조하면, 냉각 지지부재(240)는 둘 이상의 카트리지들(210, 220, 230)을 포함하고, 상기 카트리지들(210, 220, 230)이 결합하여 형성되는 구조일 수 있다. 구체적으로, 짧은 길이로 형성된 카트리지들(210, 220, 230)을 복수개 결합하는 구조로서, 회전자(110)의 길에 대응하는 개수로 결합하는 구조일 수 있다.
이러한 결합은 각각의 카트리지들(210, 220, 230)간의 접착에 의하여 결합하는 구조일 수 있으며, 도 5에서 개시되어 있는 바와 같이, 별도의 체결 구조를 포함하여 결합되는 구조일 수 있다. 구체적으로, 카트리지들(210, 220, 230) 각각에 하나 이상의 체결구들(261, 262)이 형성되어 있고, 상기 체결구들(261, 262)과 착탈 가능하게 결합되기 위한 하나 이상의 체결홈들(271, 272, 273)이 형성되는 구조일 수 있다.
이러한 구조는 냉각 지지부재(240)를 형성하는 카트리지들(210, 220, 230)에서, 최 상단에 위치하는 카트리지(210)에는 체결홈이 생략될 수 있으며, 최 하단에 위치하는 카트리지(230)에는 체결구가 생략되는 구조로서 완성될 수 있다.
상기의 구조에서는 각각의 카트리지들(210, 220, 230)에 체결구들(261, 262)과 체결홈들(271, 272, 273)이 형성되는 것으로 묘사되어 있으나, 카트리지들(210, 220, 230)을 관통하는 나사홈이 형성되고, 냉각 지지부재(240)에 대응하는 길이의 긴 나사를 이용하여 체결하는 구조 또한 가능하다.
또한, 카트리지들(210, 220, 230)의 형상은 카트리지들(210, 220, 230)의 단면을 기준으로, 회전자(110)로부터 둘레 방향으로 점차 넓어지는 형상으로 이루어져 있고, 구체적으로, 카트리지들(210, 220, 230)의 단면을 기준으로 역삼각형 형상일 수 있으나, 이러한 형상으로 한정되는 것은 아니다.
도 6에는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전자의 구조에 대한 단면도가가 도시되어 있다.
도 6을 참조하면, 냉각 지지부재(340)는 인접한 계자코일들(331, 332) 과의 접촉면에 계자코일들(331, 332)의 절연을 손상시키지 않도록 절연성 부재들(381, 382)이 부착되어 있는 구조일 수 있고, 구체적으로, 절연성 부재의 소재는 비전도성 소재이면 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 노맥스 펠트로 구성될 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 권선형 여자전동기
110: 회전자
121, 122: 코어
131, 132, 331, 332: 계자코일
140, 240, 340: 냉각 지지부재
150: 지지 리브
210, 220, 230: 카트리지
261, 262: 체결구
271, 272, 273: 체결홈
381, 382: 절연성 부재

Claims (15)

  1. 회전 가능한 구조로 구성되어 있고, 중심으로부터 방사형으로 돌출된 복수의 코어(core)를 포함하는 회전자;
    상기 코어들 각각에 권선되는 계자코일(field coil); 및
    인접한 두 개의 상기 코어들 사이에서 권선된 상기 계자코일을 지지함과 동시에 상기 회전자 내부에서 발생한 열을 외부로 배출하는 냉각 구조를 가지는 복수의 냉각 지지부재들;
    을 포함하는, 권선형 여자전동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 지지부재는 인접한 두 개의 상기 계자코일이 권선되어 있는 상기 코어들 사이에 대응하는 크기로 형성되고, 상기 코어들에 권선된 상기 계자코일과 접촉면을 이루는 구조인, 권선형 여자전동기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 지지부재는 내부에 공기가 연통되는 중공 구조를 포함하는, 권선형 여자전동기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 중공 구조는 상기 냉각 지지부재의 단면을 기준으로, 중앙 부위를 가로지르는 하나 이상의 지지 리브(rib)로 구획되어 있는, 권선형 여자전동기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 중공 구조는 상기 냉각 지지부재의 단면을 기준으로, 중앙 부위를 가로지르는 하나의 지지 리브에 의하여 양분된 형상으로 구획되어 있는, 권선형 여자전동기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 지지부재는 인접한 상기 계자코일 사이에 절연성 부재가 부착되어 있는, 권선형 여자전동기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 절연성 부재는 노맥스 펠트(NOMEX felt)인, 권선형 여자전동기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉각 지지부재는 적어도 둘 이상의 카트리지(cartridge)를 포함하고, 상기 카트리지들이 결합하여 형성되는, 권선형 여자전동기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 카트리지는 동일한 형상으로 형성되고, 회전자의 길이에 대응하는 개수로 결합하는 조립구조를 가지는, 권선형 여자전동기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 카트리지는 접착에 의해 결합되는, 권선형 여자전동기.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 카트리지에는 하나 이상의 체결구가 형성되어 있고, 상기 체결구가 착탈 가능하게 결합되기 위한 하나 이상의 체결홈이 형성되어 있는, 권선형 여자전동기.
  12. 청구항 8에 있어서,
    상기 카트리지는 상기 카트리지의 단면을 기준으로 회전자로부터 둘레 방향으로 점차 넓어지는 형상인, 권선형 여자전동기.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 카트리지는 상기 카트리지의 단면을 기준으로 역삼각형 형상인, 권선형 여자전동기.
  14. 청구항 1 내지 13 중 어느 하나의 권선형 여자전동기를 포함하는, 디바이스.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 디바이스는 전기자동차(Electric Vehicle, EV), 하이 브리드 전기자동차(Hybrid Electric Vehicle, HEV), 플러그-인 하이브리드 전기자동차(Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) 등을 포함하는 전기차; 전기 자전거(E-bike), 전기 스쿠터(E-scooter)를 포함하는 전기 이륜차; 전기 골프 카트(electric golf cart)인, 디바이스.
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