KR20230050481A - 콤팩트 기어 모터 - Google Patents

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마티유 워트린
앤서니 밀레아
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송스보즈 오토모티브 에쓰아
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Abstract

본 발명은, 쉘(1)과, 전기 코일에 의해 활성화되는 고정자(32) 및 자화된 로터(71)에 의해 형성되는 3상 전기 모터를 포함하는 하우징으로 이루어진 메카트로닉 액추에이터로서, 출력 휠(17)을 기어 트레인 방식으로 구동하고, 상기 로터(71)의 축, 출력 샤프트(17)의 축 및 중간 톱니 휠들(18 내지 21)의 축들은 서로 평행하며, 상기 고정자(32)는 3개의 권취된 폴들(41 내지 43)이 별의 가지들을 형성하는 방사형의 삼각형 별 모양을 가지고, 2개의 연속하는 권취된 폴들의 대칭축들은 120°의 기계적 각도를 형성하며, 하우징은 전기 신호를 필터링하기 위한 커패시터(51)를 포함하는 전자 회로(22)를 더 포함하고, 쉘(1)은 종축(L)을 가지며, 상기 고정자(32)는 상기 3개의 권취된 폴들(41 내지 43) 중 하나의 대칭축(46)이 종축(L)과 70° 내지 110° 사이의 각도를 이루도록 하우징 내에 위치되는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터에 관한 것이다.

Description

콤팩트 기어 모터{COMPACT GEAR MOTOR}
본 발명은 자동차의 기계적 구성 요소들(예를 들어 통기구, 에어컨 플랩들(flaps) 또는 보다 일반적으로 밸브 셔터)의 제어를 위해 특별히 고안된 메카트로닉 액추에이터(mechatronic actuators)에 관한 것이다. 이것들은 수십 도의 변위와 5도 이하의 일반적인 위치설정 정확도 및 최소 공간 소요와 함께, 상대적으로 높은 토크를 필요로 하는 구성 요소들이다.
독일특허공개공보 DE102014107900호는 전기모터를 갖는 액추에이터, 특히 고정자(stator)를 갖는 브러시리스(brushless) DC 모터 및, 적어도 하나의 중간 휠을 갖는 기어 트레인(train)에 운동을 전달하는 구동 피니언(drive pinion)을 갖는 로터(rotor)를 개시하는데, 이는 종래 기술로서 공지되어 있다.
독일특허공개공보 DE102011054955호는 이러한 종래 기술의 액추에이터의 다른 예를 개시한다.
종래 기술의 해결책들은 공간 소요량에 대해 최적화되지 않았다. 하우징(housing) 내측 용적의 충진이 최대로 이루어질 수 없으므로, 과도한 치수 및 공간 소요량을 야기한다.
또한, 진동 저항성 및 충격 저항성이 자동차 애플리케이션(application)들에 전적으로 만족스럽지는 못하며, 진동으로 인해 인쇄 회로가 예기치 않게 지지부를 이탈하거나, 특정 기계 또는 전자부품들의 우발적인 분해를 초래할 수 있다.
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 광의의 의미에서 쉘과, 전기 코일에 의해 활성화되는 고정자 및 자화된 로터에 의해 형성되는 3 상 전기 모터를 포함하는 하우징으로 이루어진 메카트로닉 액추에이터에 관한 것으로서, 출력 휠을 기어 트레인 방식으로 구동하고, 상기 로터의 축, 출력 휠의 축 및 중간 톱니 휠들의 축들은 서로 평행하며, 상기 고정자는 그 3개의 권취된 폴(wound pole)들이 별의 3개의 가지(branch)들을 형성하고 방사형의 삼각형 별 모양을 가지고, 2개의 연속하는 권취된 폴들의 대칭축들은 120°의 기계적 각도를 형성하며, 하우징은 전기 신호를 필터링하기 위한 커패시터를 포함하는 전자 회로를 더 포함하고, 쉘(1)은 종축(L)을 가지며,
상기 고정자는 상기 3개의 권취된 폴들 중 하나의 대칭축이 종축(L)과 70° 내지 110° 사이의 각도를 형성하도록 하우징 내에 위치되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 고정자는 상기 3개의 권취된 폴들 중 하나의 대칭축이 종축(L)과 90°의 각도를 형성하도록 하우징 내에 위치된다.
대안적인 해결책에 따르면, 상기 고정자는, 종축(L)과 70° 내지 110° 사이의 각도를 형성하는 3개의 권취된 폴들 중 하나의 대칭축이 측면과 가장 인접한 영역에 챔퍼(chamfer)를 갖도록, 하우징 내에 위치되는 것을 특징으로 한다.
특정 실시예에 따르면, 상기 필터링 캐패시터는 인쇄 회로의 평면에 수직하게 장착된 관형의 부품으로 구성되며, 일측은 중앙 평면에 대해 70° 내지 110° 사이에 위치된 2개의 연속하는 고정자 폴들(42, 43)에 의해, 그리고 타측은 상기 2개의 상보적인 고정자 폴들에 대향하게 위치된 하우징의 모서리에 의해 구획되는 공간에 위치된다.
바람직하게는, 모든 전자 부품들은 고정자와 마주하는 인쇄 회로의 표면 상에 납땜되고, 상기 인쇄 회로는 상기 로터 축을 통과시키기 위한 구멍과, 상기 전기 커넥터의 핀들 및 3개의 전기 코일들의 연결 스터드(stud)들을 삽입하기 위한 주석 도금 구멍들을 가지며, 상기 핀들은 모두 인쇄 회로의 표면을 향하여 기계적 축들에 평행하게 연장된다.
유리하게는, 상기 인쇄 회로는 상기 톱니 휠들 중 하나의 기계적 축을 통과시키기 위한 적어도 하나의 구멍 또는 노치(notch)를 갖는다.
바람직하게는, 상기 인쇄 회로는 횡단면에서의 그 투영이 상기 고정자에 외접하는 원의 상기 횡단면에서의 투영에 내접하도록 하는 치수를 가지며, 상기 전기 커넥터의 연결부에 대응하는 상기 인쇄 회로의 후방부를 제외하고는, 상기 인쇄 회로는 상기 하우징의 내측 폭의 10%보다 큰 공간을 그 양쪽 측면에 대해 유지하도록 상기 하우징에 대해 위치된다.
본 발명에 따른 액추에이터는, 특정 실시 방법에 따라, 상기 고정자의 원통형 헤드의 비 절연 구역과 인쇄 회로의 전도성 접지 트랙 사이에 압축 상태로 위치된 금속 스프링을 포함한다.
유리하게는, 상기 고정자는 상기 스프링의 하부를 수용하기 위한 비 절연 구멍을 가지며, 스프링이 인쇄 회로에 의해 압축될 때 상기 스프링의 주변 표면이 상기 구멍의 비 절연 내측 표면과 접촉하게 된다.
특정 대안적인 해결책에 따르면, 상기 하우징은 상보적인 쉘 및 폐쇄 커버를 포함하며, 상기 쉘의 측면들 중 하나는 2개의 톱니 휠들 사이에 위치된 관통 공동에 의해 관통되는 내측 돌출부 및 원형이 아닌 횡단면을 갖는 공동에 의해 관통된 제 2 돌출부를 갖고, 상기 커버는 상기 공동들과 정합되며 그 길이가 연결 다른 연결 스터드들보다 긴 2개의 스터드들을 가지고, 커버는 또한 기계적 축들의 상단을 가이드 하기 위한 베어링들을 갖는다.
유리하게는, 상기 커버는 인쇄 회로를 위한 스토퍼를 형성하는 적어도 하나의 스터드를 가지며, 상기 스토퍼는 인쇄 회로가 공칭위치(nominal position)에 있을 때 인쇄 회로와 접촉하지 않는다.
특정 실시예에 따르면, 상기 커버는 또한 고정자를 위한 스토퍼를 형성하는 적어도 하나의 스터드를 가지며, 상기 스토퍼는 고정자가 공칭 위치에 있을 때 고정자와 접촉하지 않는다.
또 다른 특정 실시예에 따르면, 상기 하우징은 그 3개의 모서리에 배치된 3개의 부착 연장부들을 가지며, 상기 연장부들 각각은 모터 및 톱니 휠들의 기계적 축에 평행한 축을 갖는 구멍에 의해 관통되고, 상기 연장부들 중 하나는 정합 하우징에 위치설정(positioning) 탭을 가지며, 상기 연장부들 중 다른 하나는 하우징이 상기 위치설정 탭에 대해 피봇(pivot)된 상태에서 클립 갈고리(clip claw)를 갖는다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하면서 비 제한적인 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 읽을 때 가장 잘 이해 될 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 액추에이터의 3/4 평면시에서의 사시도이다;
도 2는 커버 및 인쇄 회로가 제거된 상태에서의 본 발명에 따른 액추에이터의 중간 횡단면도이다;
도 3은 커버가 제거된 상태에서의 본 발명에 따른 액추에이터의 중간 횡단면도이다;
도 4는 고정자와 인쇄 회로 사이의 전기적 연결을 보여주는 상세도이다;
도 5는 커버의 저면도이다.
도 1은 커버(2)에 의해 폐쇄된 쉘(1)로 구성된 예시적인 액추에이터의 외측을 보여주는 사시도이다.
쉘(1)은 3개의 모서리에 3개의 연장부들(3, 4, 5)을 갖는다. 각각의 연장부는 1개의 구멍(6, 7, 8)을 각각 가진다.
2개의 연장부들(4, 5)은,
- 구멍들(7, 8)을 통한 나사 결합 또는 리벳팅(riveting)에 의한,
- 또는 클리핑(clipping)에 의한 이중 부착 기능을 가진다.
클립-온(clip-on) 부착을 허용하기 위해, 하나의 연장부(5)는 수용 구조체에 구비되는 하우징에 장착될 수 있는 탭(9)을 갖는다.
탭이 장착된 연장부(5)와 동일한 측면(10)에 구비된 연장부(4)는, 수용 구조체의 정합부와 협동하는 갈고리(11)를 갖는다. 탭(9)을 수용 영역 내에 결합시킴으로써 액추에이터를 위치시킨 후에, 갈고리(11)가 수용 구조체의 정합부에 결합될 때까지, 탭의 하부 에지(edge)(12)에 대해 액추에이터를 기울임으로써 설치가 이루어진다.
횡방향 면들 중 하나의 면(13)에는 연결 케이블에 구비되는 수 커넥터(male connector)의 삽입을 위한 중공 슬리브(14)가 연장 형성된다.
커버(2)는 출력 휠을 안내하기 위한 베어링(16)이 그 내부에 설치된 개구부(15)를 갖는다.
선택적으로, 하우징은 또한 대칭적으로 천공되어, 관통 전동 축을 통과시키거나 또는 2개의 전동 축들을 액추에이터에 연결시킬 수 있다.
출력 휠은 서로 다른 횡단면들의 축들을 연결하기 위해, 한쪽 면과 다른쪽 면에서 상이한 횡단면을 가질 수 있다.
도 2는 커버(2)가 제거된 상태에서의 액추에이터의 평면도이다.
출력 휠(17)은 커버(2)와 쉘(1) 사이의 연결 평면에 수직인, 평행한 축들에 장착된 일련의 톱니 휠들(17 내지 21)로 구성된 기어 트레인에 의해 구동된다.
전기 모터의 로터(71)는 기어 트레인을 구동하는 휠(21)을 구동한다.
로터 축은 인쇄 회로(22)의 구멍을 관통한다.
인쇄 회로(22)의 상부 측에는 전자 부품들이 장착되지 않아서, 웨이브 납땜(wave soldering) 공정이 단 한번의 기계 경로로 수행될 수 있다.
인쇄 회로(22)는 커넥터 핀들에 대한 연결용으로, 중간면에 수직으로 연장된, 일련의 주석 도금 구멍들(23 내지 26)을 갖는다.
또한, 전기 코일들의 전원 공급 스터드들을 연결하기 위한 주석 도금 구멍들(27 내지 31-제 6 주석 도금 구멍은 도 2에서 톱니휠(20)에 의해 가려져 있음-)을 갖는다. 예를 들어, 이러한 스터드들은 인쇄 회로(22)의 표면에 수직한 방향으로 직립된 스터드 위의 인쇄 회로(22)를 간단히 전방으로 밀어냄으로써, 인쇄 회로(22)의 무납땜(solderless) 전기 연결이 이루어지도록 하는 압입(press-fit) 스터드들이다.
인쇄 회로(22)의 표면은 고정자(32)의 주변 표면을 덮지 않는다.
고정자(32)에 외접된 원의 횡단면 상의 투영면은, 커넥터와 연결되는 인쇄 회로(22)의 부분(33)을 제외하고, 동일 평면상의 인쇄 회로(22)의 투영면을 완전히 덮는다.
또한, 인쇄 회로(22)는 쉘(1)의 에지들과 접촉하지 않지만, 쉘(1)의 내측 폭의 10% 보다 큰 폭을 갖는 공간들(34, 35)을 양 쪽에 유지하고 있다.
쉘(1)의 측벽(38)의 내측 표면은 제 1 내측 돌출부(36) 및 제 2 내측 돌출부(37)를 갖는다.
제 1 내측 돌출부(36)는 출력 휠(17)과 중간 톱니 휠(19) 사이의 수용 가능한 공간에 위치된다. 제 1 내측 돌출부는, 도 5에서 볼 수 있듯이 커버(2) 상에 구비되며 원형 단면을 갖는 위치설정 핀(60)을 수용하기 위한 6각형 단면을 갖는 공동(39)을 갖는다.
제 2 내측 돌출부(37)는 외측 연장부가 없는 쉘(1)의 모서리에 위치된다. 제 2 내측 돌출부는 설명된 예에서, 쉘(1)에 대한 커버(2)의 위치 설정을 용이하게 하기 위해 측벽(38)에 평행한 주축을 갖는 길쭉한 관통 공동(40)을 갖는다.
이 관통 공동(40)은, 도 5에서 볼 수 있듯이 십자형 단면을 갖고 커버(2)의 내측 표면에 수직하게 연장되는 회전 방지 핀(61)을 수용하기 위한 것이다.
도 3은 커버(2) 및 인쇄 회로(22)를 제거한 후의 액추에이터 내측의 도면이다.
고정자(32)는 3개의 반경 방향으로 뻗은 권취된 폴들(41 내지 43)을 가지며, 시트들이 적층된 구조로 형성된다. 각각의 폴(41 내지 43)은 코일에 의해 둘러싸인 중심 톱니를 갖는다.
각각의 권선된 폴(41 내지 43)의 중심 축(44 내지 46)은 2개씩 짝지어 120°의 기계적 각도를 형성한다. 따라서, 고정자는 별의 가지를 갖는 삼각형의 별 모양을 갖는다.
쉘(1)은 커넥터(14)와 출력 휠(17)을 연결하는 종축(L)을 갖는다. 이 종축은 각각 종방향으로 연장돤 쉘(1)의 2개의 측면들에 평행하다.
고정자(32)는, 폴들 중 하나(43)가 쉘(1)의 종축(L)에 대해 약 90°의 각도를 형성하게 배향되도록 쉘(1) 내에 위치된다. 이러한 위치 설정은 쉘의 폭을 감소시키고 따라서 액추에이터의 전체적인 치수를 감소시키며, 쉘(1)의 내측 공간 점유를 최적화시킨다.
±20°, 바람직하게는 ±10°의 허용 오차는, 이러한 각도 변화의 코사인 효과로 인해 공간 소요량에 대한 영향이 최소화되기 때문에 가능하다. 최적인 90° 위치로부터의 약간의 각도 오프셋(offset)의 영향은 측면(47)과 접촉하는 고정자의 각도에 챔퍼(chamfer)(48)를 제공함으로써 더욱 감소될 수 있다.
또한, 고정자(32)의 이러한 배치는 고정자의 두 폴들(42, 43)과 쉘의 모서리(50) 사이에 공간(49)을 생성하는 것을 가능하게 한다. 이 공간은, 인쇄 회로(22)에 납땜된, 일반적으로 화학적이고 원통인 형태의 필터 커패시터(filter capacitor)(51)를 위치시킬 수 있게 한다.
고정자 접지에 대한 상세한 설명
도 4는 고정자(32) 및 인쇄 회로(22)의 부분 확대도이다.
고정자(32)의 전기적 접지를 달성하기 위해, 액추에이터는 고정자 요크(yoke)에 형성된 관통 구멍(53) 내에 삽입된 금속 스프링(52)을 갖는다. 쉘(1)의 바닥은 횡단면에 평행하지 않은 스프링의 하단부(54)를 수용하기 위한 영역을 형성하기 위해, 이 구멍(53)에 대향하는 계단면이나 경사면을 갖는다. 이러한 구성은 스프링이 눌려질 때 스프링의 좌굴로 이어져서, 스프링 권선들(52)과 구멍(53)의 내측 표면 사이에 기계적 접촉 및 그에 따른 전기적 접촉을 일으킨다.
반대편에서는, 스프링(52)이 지면과 연결되는 인쇄 회로(22)의 전도성 트랙과 접촉된다.
인쇄 회로가 위치될 때, 인쇄 회로는 스프링(52) 상에 놓이고 그 스프링을 압축하여, 고정자 요크와 지면에 연결된 전도성 트랙 사이의 양호한 전기적 및 기계적 연결을 보장한다.
커버에 대한 상세한 설명
도 5는 커버의 내측 표면을 보여주는 도면이다.
커버는 출력 휠(17)을 위치시키고 안내하기 위한 베어링(16)과, 톱니 휠들(18 내지 21)의 축들의 단부를 각각 위치시키고 안내하기 위한 베어링들(62 내지 65)을 갖는다.
또한, 커버(2)는 커버(2)가 쉘(1) 및 기계적 요소들, 특히 중간 톱니 휠들, 출력 휠 및 로터(71)의 축에 대해 정확하게 위치될 수 있게 하는 방법으로서, 베어링들(62 내지 65)보다 길이가 긴 2개의 연결 핀들(60, 61)을 가짐으로써, 커버(2)가 쉘(1)에 더 가깝게 이동될 때, 축들의 단부들이 대응하는 베어링들과 용이하게 결합된다.
또한, 커버는 진동으로 인한 인쇄 회로(22)의 의도하지 않은 움직임들을 제한하기 위해 4개의 스토퍼(66 내지 69)를 갖는다. 이들 스토퍼(66 내지 69)는, 인쇄 회로(22)가 그 공칭 위치에 있을 때는 인쇄 회로(22)의 표면과 접촉하지 않지만, 충격 또는 진동이 있는 경우 연결 스터드들을 분리시킬 수 있는 과도한 움직임을 방지한다.
스터드(70)는 그 공칭 위치에 있을 때 고정자(32)와 접촉하지 않으면서 고정자(32)의 변위를 유사하게 제한한다.

Claims (12)

  1. 쉘(1)과, 전기 코일에 의해 활성화되는 고정자(32) 및 자화된 로터(71)에 의해 형성되는 3상 전기 모터를 포함하는 하우징으로 이루어진 메카트로닉 액추에이터로서,
    출력 휠(17)을 기어 트레인 방식으로 구동하고,
    상기 고정자는 상기 고정자 요크의 비 절연 구역과 인쇄 회로(22)의 전도성 접지 트랙 사이에 압축 상태로 위치된 스프링(52)의 하부를 수용하기 위한 비 절연 구멍(53)을 가지며, 상기 스프링이 인쇄 회로에 의해 압축될 때 상기 스프링(52)의 주변 표면은 상기 구멍(53)의 비 절연 내측 표면과 접촉하게 되는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 쉘(1)의 바닥은, 횡단면에 평행하지 않은 스프링의 하단부(54)를 수용하기 위한 영역을 형성하기 위해 상기 구멍(53)에 대향하는 계단면 또는 경사면을 갖는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    모든 전자 부품들은 고정자(32)와 마주하는 인쇄 회로(22)의 표면 상에 납땜되고, 상기 인쇄 회로는 상기 로터 축을 통과시키기 위한 구멍을 갓는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로는 3개의 전기 코일들의 연결 스터드들을 삽입하기 위한 주석 도금 구멍들(27 내지 31; 23 내지 26)을 갖는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로는 상기 전기 커넥터의 핀들을 삽입하기 위한 주석 도금 구멍들(27 내지 31; 23 내지 26)을 갖고, 상기 핀들은 모두 인쇄 회로의 표면을 향하여 기계적 축들에 평행하게 연장되는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정자는 3개의 권취된 폴들(41 내지 43)을 가지고, 2개의 연속하는 권취된 폴들의 대칭축들은 120°의 기계적 각도를 형성하며, 하우징은 전자 회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로는 상기 톱니 휠들 중 하나의 기계적 축을 통과시키기 위한 적어도 하나의 구멍 또는 노치를 갖는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄 회로는 상기 전기 커넥터(14)의 연결부에 대응하는 상기 인쇄 회로(22)의 후방부를 제외하고, 횡단면에서의 그 투영이 상기 고정자(32)에 외접하는 원의 상기 횡단면에서의 투영에 내접하도록 하는 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하우징은 상보적인 쉘(1) 및 폐쇄 커버(2)를 포함하며, 상기 쉘의 측면들 중 하나는 2개의 톱니 휠들(17 및 19) 사이에 위치된 관통 공동(39)에 의해 관통되는 내측 돌출부(36) 및 공동(40)에 의해 관통된 제 2 돌출부(37)를 갖고, 상기 커버(2)는 상기 공동들(39, 40)과 정합되고 상기 기계적 축들의 상단부의 가이드 베어링들(62 내지 65)보다 길이가 긴 2개의 스터드들(60, 61)을 가지며, 상기 가이드 베어링들(62 내지 65)은 상기 커버의 내측 표면에서 연장되는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 그 3개의 모서리들에 배치된 3개의 고정용 연장부들(3 내지 5)을 가지며, 상기 연장부들 각각은 모터 및 톱니 휠들의 기계적 축에 평행한 축을 갖는 구멍(6 내지 8)에 의해 관통되고, 상기 연장부들 중 하나(5)는 정합 하우징에 위치설정 탭(9)을 가지며, 상기 연장부들 중 다른 하나(4)는 하우징이 상기 위치설정 탭(9)에 대해 피봇된 상태에서 클립 갈고리(11)를 갖는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하우징은 상보적인 쉘 및 폐쇄 커버를 포함하며, 상기 커버는 상기 인쇄 회로(22)를 위한 스토퍼를 형성하는 적어도 하나의 스터드(66 내지 69)를 가지며, 상기 스토퍼는 인쇄 회로가 공칭 위치에 있을 때 인쇄 회로와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 하우징은 상보적인 쉘 및 폐쇄 커버를 포함하며, 상기 커버는 상기 고정자를 위한 스토퍼를 형성하는 적어도 하나의 스터드(70)를 가지며, 상기 스토퍼는 고정자가 공칭 위치에 있을 때 고정자와 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 메카트로닉 액추에이터.
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