KR20220149539A - 차폐 회전전달 메커니즘 및 이를 이용한 모터/인버터 테스트 벤치 및 emc 테스트 장치 - Google Patents

Abstract

전기모터의 EMC 시험에서, 전파암실의 벽을 관통하는 회전전달장치는 스키핑 로프(skipping rope) 현상에 의해 고회전 고토크를 달성할 수 없었다.
고회전 고토크에서의 회전전달을 가능하게 하기 위해, 섬유강화 플라스틱 샤프트는 전도성 하우징 내의 베어링에 의하여 지지되고, 하우징과 샤프트 사이의 전기도통을 제공하고, 전파 누설을 방지하기 위해 하우징과 샤프트 표면 사이의 공간을 막는 전도성 브러시가 제공된다.
고회전 고토크에서의 회전전달을 가능하게 하기 위해, 양단 이외에 복수의 베어링을 사용할 수 있다.

Description

차폐 회전전달 메커니즘 및 이를 이용한 모터/인버터 테스트 벤치 및 EMC 테스트 장치

본 발명은 고회전수에서도 유효하게 회전을 전달할 수 있는, 모터 테스트 벤치, EMC 시험 등에 사용하기에 적합한, 고속 회전전달 샤프트 구조, 상기 샤프트 구조를 이용한 모터 테스트 벤치용 전달장치, 및, 이 샤프트를 이용하여, 전파암실의 실내와 실외에 존재하는 모터나 발전기 등의 기계적 회전장치 사이의 고토크 및 고회전을 전달하지만, 전자기적 노이즈는 차단한다.전달장치 및 시험 장치에 관해서, 보다 상세하게는 모터 시험용 모터 테스트 벤치에 사용하는 것, 및 EV(Electric Vehicle), HV(Hybrid Vehicle), PHEV·PHV(Plug-in Hybrid Vehicle), FCV(Fuel Cell Vehicle) 등으로 사용되는 자동차의 동력용 전기모터 및 인버터 시스템을 전파암실 내에서 실차의 주행 상태를 모의하면서 부품으로서의 EMC 평가 시험을 실시하기 위한 장치에 사용하기에 적합한 회전전달기구에 관한 것이다.

회전하는 샤프트를 강체의 튜브 내에 수용하고, 강체 튜브의 양단에 설치한 베어링으로 샤프트를 회전 가능하게 지지함으로써, 추력 전달은 강체 튜브가 부담하고, 회전 샤프트는 회전력만을 전달한다. 이러한 형태의 회전전달수단은 토크 튜브로서 자동차의 동력 전달 분야에서 잘 알려져 있다.

자동차의 토크 튜브는 서스펜션 장치의 요동이 일어나도 추력 전달은 강체 튜브가 부담하므로, 샤프트의 회전력 전달기구가 요동에 대처할 필요가 없다는 이점을 가지므로, 요동 움직임이 있는 곳에서 회전력 전달에 사용되었다.

그러나, 토크 튜브는 샤프트를 강체 튜브에 넣어 양단의 베어링으로 지지하는 복잡한 구조이기 때문에 요동에 대처가 필요한 곳에는 사용되어 왔지만, 회전력 전달의 동력원과 회전 부하의 상대 위치가 원래 변화하지 않는 모터 테스트 벤치, EMC 시험 장치 등에는 이용되지 않았다.

또한, 모터 테스트 벤치나 EMC 시험에 있어서는, 종래, 회전 샤프트는 금속 샤프트를 사용하는 것이 통상적이었다.

또, EMC 시험에서 사용되는 전파암실은 암실 외부로부터 전자파가 침입하지 않도록 설계 및 설비되어 있기 때문에, 암실 내의 시험장비로부터 발생하는 전자파만을 측정할 수 있는 설비이며, 전파암실 내에서 시험장비에 전자파를 조사 혹은 주입함으로써 오작동 등의 현상을 확인할 때에, 전파암실 외부로 전자파가 누설되지 않도록 고안되어 있다.

종래, 자동차 구동용 모터의 EMC 시험은 시험장비(모터)를 동작 상태(대기/통상의 동작 등)로 설정하여 실시하고 있었다. 그러나, 모터는 본래의 자동차 주행시의 부하 상태가 아니라 공전 상태였다.

또한, 모터 제어를 위한 인버터의 EMC 시험은 부하로서 모터를 접속하고 있었지만, 전술한 바와 같이 자동차 주행 상태를 모의한 부하 상태는 아니었다.

종래의 이러한 EMC 평가 방법에 대해 국제규격인 CISPR 25 Edition 4:2016(배출 측정) 및 ISO 11452-2:2019(내성 시험)가 책정되어 시험 설정에 관한 조건이 규정되었다. 이들에 의하면, 전파암실내에 세트된 시료품인 전기모터는 전파암실외의 부하모터에 기계적으로 접속되어야 한다.

하지만, 전파암실의 벽에 구멍을 뚫고, 전기모터와 부하모터를 기계적으로 접속한 고속으로 회전하는 샤프트를 전파암실의 내측과 외측으로 관통시키는 경우, 전자파를 차단하는 것이 용이하지 않다.

또한, 시험장비(전기모터)와 전파암실의 내측의 벽에 부착된 전파 흡수체의 선단까지의 거리는 상기의 국제 규격에 있어서 1000mm 이상인 것으로 규정되어 있다. 그 때문에, 전기모터와 부하모터의 거리는 전파 흡수체나 접속되는 커플링 등의 기계적인 기구 부분을 고려하면, 1500㎜ 이상이 되는 것이 상정된다.

국제 규격의 시험 설정 도면에서 볼 수 있는 1000mm 이상의 샤프트를 사용하여 고속으로 회전시키면, 샤프트의 자중과 휨에 의해 스키핑 로프(skipping rope) 현상이 발생하여, 설비가 파손될 위험이 있지만, 국제 규격에는 각별한 대처를 규정하고 있지 않다.

종래, 고속 회전 상태에서 시험을 하는 전기모터의 가까운 위치에 감속기를 설치함으로써, 고속 회전하는 샤프트 부분을 최대한 짧게 하고, 부하모터에 접속되는 샤프트측의 회전수를 수분의 1 내지 수십분의 1로 감속시키는 것으로, 스키핑 로프(skipping rope) 현상의 발생을 억제하고 있었다.

그러나, 전기모터와 부하모터 사이에 감속기를 설치함으로써, 그 냉각 시스템 및 온도 관리, 기계 부분의 유지 보수, 또한 그 정전기나 전자파 대책 등이 필요하다. 또한, 감속기를 샤프트의 도중에 넣는 것으로, 전기모터의 평가 시험에 있어서 감속기의 효율 등 전기모터 이외의 불확실한 요인도 포함되기 때문에, 그것들을 고려한 후에 평가를 실시해야 한다 .

전기 자동차 등에 사용되는 모터의 EMC 시험에 있어서, 종래 기술에는 이상과 같은 문제점이 존재하였다.

EMC 시험과 관련이 없는 다른 분야에 있어서의 회전력 전달장치의 경량화의 기술의 종래예로서, 특허문헌 1과 같은 것이 존재했다.

이 문헌에는 「후측의 프로펠러 샤프트(44)는 후술하는 바와 같이 스페이스에 여유가 있기 때문에, 경량화와 고강성화를 고려하여, 탄소섬유강화 수지(CFRP)제의 중공 파이프로 하고 」(단락 번호 0044)와 같이, 자동차의 프로펠러 샤프트에서 경량화 및 고강성화를 위해 CFRP 제의 회전력 전달수단을 사용하는 것이 개시되어있다. 그러나 이것은 자동차의 프로펠러 샤프트이며, 전기모터의 EMC 테스트와 관련이 없으며, 필요한 토크 및 회전 수에서도 EMC 테스트의 전파암실에서 실내와 실외 사이에서 회전력을 전달하는 것을 나타내는 것은 아니다.

특허문헌 2에도 마찬가지로 「동력 전달축용 샤프트를, 경량 고강도 소재인 CFRP(탄소섬유강화 플라스틱)로 형성한 파이프 형상의 CFRP 부재」(단락 번호 0018)를 고강성으로 경량인 회전전달 샤프트로서 개시하지만, 테스트 벤치나 EMC 시험을 위한 것이 아니고, 또한 회전 샤프트를 강체통에 수납한 구성도 아닌 단순한 샤프트이다.

또한, 특허문헌 1 및 2의 이용은 이번 발명이 달성한 저속 회전으로부터 15000rpm 이상의 고속 회전을 의도한 것은 아니다.

전기 자동차 등에 사용되는 모터의 다이나모 시험이나, EMC 시험에 관한 종래 기술로서는 상기 국제 규격에 적합한 발명의 특허 문헌은 발견되지 않는다.

<선행기술문헌>

<특허문헌>

[특허문헌 1] 일본 특허 공개 2016-055658호 공보

[특허문헌 2] 일본 특허 공개 2011-017413호 공보

모터의 테스트 벤치 등에 있어서, 회전 샤프트의 다이나모측과 모터측에 있어서 축을 정확하게 맞추는 심출의 작업은 매우 어려움을 수반하는 것이다. 본원발명은 이 구동측과 피구동측과의 사이에서 회전전달을 행하는 장치에 있어서, 고속 회전을 가능하게 하고, 심출 작업을 용이화하고, 또한, 스팬이 길어도 고속 회전을 가능하게 한다. 그리고, 또한 구동측과 피구동측을 전파 차단하는 것에 있어서는, 이들에 더하여 고속 회전, 고토크 전달과 함께 우수한 전파 차단을 행할 수 있도록 하는 것 등의 사항을 과제로 한다 .

구동원 회전장치와 피구동 회전장치를 회전샤프트로 연결하는 경우, 구동원과 피구동 회전장치 날개부분은 모두 바닥에 고정되고, 구동원장치와 피구동장치의 회전축의 심출은 고정밀도이어야 한다. 따라서, 양자를 연결하는 회전 샤프트, 구동원 및 피구동 회전장치는 모두 정확하게 코어를 구비해야한다. 이 중심 작업을 위해서는 회전축의 양단 근처를 지지하는 베어링이 회전축을 정확하게 지지한 상태에서 구동원 및 피구동 회전체를 고정하는 정반에 대하여 고정되어야 한다. .

전파암실 회전장치의 시험에 있어서는, 전파암실의 벽에 구멍을 뚫고, 그 구멍에 고속 회전하는 회전 샤프트를 관통시켜야 하기 때문에, 전파암실의 전자파에 대한 차폐는 당연히 구멍이 없는 상태에 비해 저하되지 않을 수 없다.

또한, 모터의 토크와 감속기의 감속비는 반비례의 관계에 있기 때문에, 감속기를 장착함으로써, 감속기의 출력축에서의 회전수는 감소하지만, 토크는 증가한다. 즉, 접속되는 부하모터의 회전수를 몇 분의 1로 억제할 수 있지만, 토크는 수배 필요하다. 바꾸어 말하면, 감속기를 설치함으로써, 전기모터를 고회전으로 동작시키는 것은 가능하지만, 토크가 작아지기 때문에 전기모터의 시험으로서는 불충분해진다.

따라서, 감속기를 설치하지 않고 회전 및 토크가 1:1인 전달기구를 이용하는 것이 바람직하지만, 종래 기술에서는 감속기가 없는 시험기를 작성하면 시험 기기인 전기모터와 부하모터를 접속하는 샤프트가 길어져, 고속으로 회전하면 스키핑 로프(skipping rope) 현상이 발생하여 기기 및 설비가 파손되는 경우가 있다.

따라서, 전달이 가능한 토크가 크고, 샤프트의 길이는 길고, 그래서 고속 회전시켜도 문제가 일어나지 않고, 전파암실의 벽을 통과해 버리는 전자기 노이즈는 완전히 차단되거나, 가능한한 작도록 억제되는 성능을 갖는 회전전달기구를 제공하는 문제점이 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하는 회전전달기구를 제공한다. 또한, 본 발명은 이러한 과제를 해결하고 있으므로, 저속회전 고토크나 고속회전 저토크 등 다양한 조건에서의 모터 등의 회전 전기기기의 EMC 시험을 가능하게 하는 장치를 제공할 수 있다.

본원발명은 이하의 양태를 포함한다.

[1] 양단부를 정반에 대하여 고정한 도전성 강체통과, 상기 도전성 강체통의 양단부에 설치한 베어링과, 베어링에 지지된 도전성 섬유강화 플라스틱제의 샤프트를 구비하는 회전전달장치로서, 샤프트 길이가 900mm 이상이며, 회전수는 분당 1만 6천 회전 이상이 가능하며, 도전성 강체통의 양단에서 샤프트 주위에 접촉시켜 공간을 막는 도전성 수지 섬유 브러시에 의해 전자파 차폐를 행하는 상기 회전전달장치.

[2] 도전성 강체통과, 상기 도전성 강체통의 양단부에 설치한 베어링과, 베어링에 지지된 도전성 섬유강화 플라스틱제의 샤프트를 포함하는 전자기 차폐 경계용 회전전달장치로서, 강체통 양단부에서 샤프트와 도전성 강체통의 전기적 도통을 확보한 [1]에 기재된 장치.

[3] 도전성 섬유강화 플라스틱은 탄소섬유를 포함하는 [1] 또는 [2]에 기재된 장치.

[4] [1] 내지 [3] 중 어느 하나에 기재된 장치와, 전자기 차폐 경계벽을 포함하는 전자기 차폐 경계용 회전전달장치로서, 도전성 강체통 양단부에 있어서의 샤프트와 도전성 강체통과 경계벽에서 도전성 강체통과 경계벽 사이의 전기적 도통을 보장하고 전자기 차폐를 수행하는 회전전달장치.

[5] 도전성 강체통과 전자기 차폐 경계벽의 접합부가 차폐벽에 접합한 도전성 유연쉴드를 개재하여 경계벽과 도전성 강체통이 접합하는 구성을 포함하는 [4]에 기재된 장치.

[6] [1] 내지 [5] 중 어느 하나에 기재된 회전전달장치를 갖는 전파암실.　

[7] 매분당 16,000 회전 이상의 회전수로 운전할 수 있는 구동부하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 청구항 6의 전파암실.

회전을 전달하는 샤프트를 필요로하는 테스트 벤치에 있어서는 바닥에 고정된 베어링에 지지시킨 단순한 회전 샤프트에서는 2개의 베어링의 상호 위치의 조정이 필요하므로, 심출 작업에 어려움이 발생하는 것이며, 이에 대해 강체통의 양단부에서 회전샤프트를 지지한 구조, 소위 토크튜브 형식의 샤프트인 경우, 강체통을 바닥에 고정하는 것만으로도, 회전샤프트 양단의 심출이 이루어지고, 따라서, 강체통의 위치 결정을 정확하게 설치하는 것만으로도, 회전 구동원과 피구동 회전장치의 양자의 심출을 용이하게 수행할 수 있다고 본원발명의 발명자는 생각했다.

또한, 스키핑 로프(skipping rope) 현상 없이, 고속 회전을 가능하게 하기 위해서는, 회전 샤프트가 비틀림 강성이 높고, 그러면서 중량이 가벼운 것이면 가능하다는 점을 본원발명의 발명자는 알게 되었다. 그리고, 이를 위해서는, 탄소섬유강화 수지제의 샤프트를 사용하면 된다고 생각하였다.

탄소섬유강화 수지제의 샤프트는 탄소가 포함되어 있기 때문에, 전도되는 회전 샤프트의 전하를 금속 베어링을 경유하여 즉시 접지 전위로 빠져나갈 수 있다는 점도 생각되었다.

또한, 샤프트와 그것을 덮는 도전성 강체통, 예를 들어 금속제 강체통 커버를 전파암실의 벽에 관통시키지만, 금속 커버에 전기적으로 접속된 도전성 섬유가 샤프트 표면의 원주를 둘러싸는 것에 의하여 고주파를 차폐할 수 있다고 생각했다.

스키핑 로프(skipping rope) 현상은 금속 샤프트를 사용했을 경우에는, 양단 베어링만으로는 방지할 수 없다. 또한, 도전성이 너무 높기 때문에, 전파암실에 사용하기에는 적합하지 않다.

고속 회전하는 샤프트를 도전성 강체통인 차폐 박스로 차폐하고, 차폐 박스의 양 날개에 있어서 금속 베어링을 이용하여 회전 샤프트를 지지하여, 그랜딩의 효과를 노릴 수 있다.

또한, 차폐 박스의 양쪽 끝에 도전성 수지 브러시를 샤프트의 주위에 접촉시켜, 공간을 막음으로써 차폐 효과를 향상시킨다.

차폐 박스는 전기 전도성이며, 전자기 차폐벽과 전기적으로 연결되어 전자기 차폐를 유지한다.

본 발명에서는 감속기는 사용하지 않고 부하모터의 토크 능력을 최대한 이용한다. 감속기를 사용하지 않기 때문에, 시험장비인 전기모터와 전파암실외의 부하모터의 거리가 길어지지만, 탄소섬유강화 수지제의 샤프트를 사용하므로, 경량 고강성이 되어, 저속 회전으로부터 고속 회전에도 문제가 발생하지 않는다.

본 명세서에 있어서, 도전성 강체통이라는 용어는 알루미늄, 철, 구리, 황동 등의 금속류의 도전성, 즉 실온에서 2x10-8Ωm~100x10-8Ωm의 체적 저항값을 갖는 재질을 도전성으로 칭하고, 강체라는 용어는 이들 금속이 갖는 정도의 강성을 갖는다는 것을 의미한다.

또한, 테스트 벤치라는 용어는 바닥에 고정된 회전력 구동원과, 동일한 바닥에 고정된 피구동 회전장치를 연결하여, 회전 구동원의 출력 시험이나, 회전 상태에 있어서의 전파 시험 등의 어떠한 시험을 실시하는 설비를 의미한다.

또한, 「샤프트 길이」라는 용어는 도전성 강체통의 양단의 베어링간 거리를 말한다.

도전성 강체통은 원통이 가장 바람직하고, 강체이기 때문에 회전축의 정확한 위치결정을 위해서는 도전성 강체통이 바닥에 고정되면 충분하다. 도전성 강체통의 양단에 가까운 위치에서 각각 고정해야 회전 샤프트의 위치 결정이 가장 정확해진다.

이 바닥은 회전축의 양단의 상대 위치가 확정되어 부동이 되도록 정반이 될 수 있다.

또한, 회전 샤프트의 하우징이 되는 도전성 강체통은 강체이기 때문에, 벽을 관통시킨 경우의 벽과의 접합부의, 운전시의 위치 변동도 매우 작다.

본원발명에 의해 전파암실의 벽에 구멍을 뚫어도 전자파의 누설이 없고, EMC 시험에 필요한 낮은 토크로부터 높은 토크까지의 광범위한 토크와 분당 수십 회전의 저속에서 분당 수만 회전까지 고속 회전을 실현하여 국제 규격에서 규정된 EMC 시험이 가능해진다.

또한, 샤프트를 탄소섬유강화 수지로 함으로써 스키핑 로프(skipping rope) 현상의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

따라서, 종래보다 높은 토크 및 고속 회전을 전달하는 것이 가능해지고, 예를 들면, 분당 2만 회전, 전달 토크 350Nm을, 샤프트 길이 900mm에서도, 그것을 초과하는 것에서도 실현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 장치의 일례를 나타내는 도면이다.　
도 2는 본 발명의 장치의 도전성 유연쉴드를 갖는 예를 나타내는 도면이다.

도 1에 기초하여 설명한다. 경량으로 고속 회전을 견디는 회전 샤프트를 실현하기 위해, 샤프트(1)는 탄소섬유강화 수지제의 중공 샤프트를 사용한다.

그리고, 차폐성을 부여하기 위해서, 샤프트는 도전성 강체통으로서의 원통인 하우징(2) 안을 통과하고, 하우징(2)의 양단에 있어서, 베어링(4) 및 도전성 섬유 브러시(5)를 사용하여, 샤프트와의 도전성 및 전자파 차폐를 확보한다.

도전성 하우징 (2)은 차폐벽 (3)에 접합되고 장치가 설치된 바닥에 고정된다.

회전축(1)을 차폐하는 도전성 하우징(2)은 전파암실의 차폐벽(3)에 전기적으로 접합하여, 전자파의 누설을 방지한다. 벽의 한쪽에서 다른 쪽으로의 전류 또는 전자기파의 누설은 전류가 전도성 샤프트를 통해 침입하지 않고, 회전 샤프트와 하우징(2) 사이의 전도 수단을 통해 하우징(2)에서 벽으로 빠져나가기 때문에 예방된다. 차폐벽과 전도성 하우징은 전자기파 누설이 충분히 작으면 완전히 밀폐될 필요가 없다.

이 전파암실은 예를 들면 전기 자동차용 전동기의 EMC 시험에 사용하기에 적합한 전파암실이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 차폐벽(3)과 도전성 하우징(2)의 접합은 도전성 유연쉴드(6)에 의해 수행될 수도 있다. 도전성 유연쉴드(6)는 예를 들면, 금속제 벨로우즈, 유연한 도전성 메쉬 재료, 도전성 직물 등을 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 회전전달기구는 전자기 차폐성을 유지하면서 기존에 없었던 높은 토크로 고속 회전하는 회전 운동을 전달하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 이것을 이용한 EMC 시험용 전파암실은 종래에 없었던 고속 회전으로의 시험을 가능하게 하는 것이다.

본 발명에 따른 전파암실은 EMC 시험에 필요한 9kHz 내지 수 GHz의 전파를 유효하게 차단할 수 있다.

1 회전 샤프트
2 도전성 강체 원통(도전성 하우징)
3 전파암실 차폐벽
4 베어링
5 도전성 섬유 브러시
6 도전성 유연쉴드

Claims (7)

1. 양단부를 정반에 대하여 고정한 도전성 강체통과, 상기 도전성 강체통의 양단부에 설치한 베어링과, 베어링에 지지된 도전성 섬유강화 플라스틱제의 샤프트를 갖는 회전전달장치로서, 샤프트 길이가 900mm 이상이고, 회전수는 분당 1만 6천 회전 이상이 가능하며, 도전성 강체통의 양단에서 샤프트 주위에 접촉시켜 공간을 막는 도전성 수지 섬유 브러시에 의해 전자파 차폐를 수행하는 회전전달장치.
   
2. 제1항에 있어서, 도전성 강체통과, 상기 도전성 강체통의 양단부에 설치한 베어링과, 베어링에 지지된 도전성 섬유강화 플라스틱제의 샤프트를 포함하는 전자기 차폐 경계용 회전전달장치이고, 강체통의 양단부에서 샤프트와 도전성 강체통의 전기적 도통을 확보한 회전전달장치.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 도전성 섬유강화 플라스틱은 탄소섬유를 포함하는 것인 회전전달장치.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 장치와, 전자기 차폐 경계벽을 포함하는 전자기 차폐 경계용 회전전달장치로서, 도전성 강체통 양단부에서 샤프트와 도전성 강체통의, 및, 경계벽에서 도전성 강체통과 경계벽의 전기적 도통을 확보하여 전자기 차폐를 수행하는 회전전달장치.
   
5. 제4항에 있어서, 도전성 강체통과 전자기 차폐 경계벽의 접합부는 차폐벽에 접합된 도전성 유연쉴드를 통해 경계벽과 도전성 강체통이 접합되는 구성을 포함하는 회전전달장치.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 기재된 회전전달장치를 갖는 전파암실.
   
7. 제6항에 있어서, 분당 16,000회 이상의 회전 속도로 작동될 수 있는 구동 부하를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전파암실.
   

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