KR20230081426A - 유도모터의 엔드 코일 냉각구조 - Google Patents

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최진호
박상진
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차경수
김재현
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Abstract

본 발명은 모터 하우징 내부에 엔드 코일이 배치되는 영역을 둘러싸고 폐공간을 구성하도록 형성되는 차폐 부재 및 상기 폐공간을 채우고 상기 엔드 코일과 접촉하도록 배치되는 복수의 열전도 입자를 포함하는 엔드 코일 냉각구조에 대한 것이다.

Description

유도모터의 엔드 코일 냉각구조{Cooling Structure for End Coil of Induction Motor}
본 발명은 유도모터의 엔드 코일 냉각구조에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
모터의 중량 대비 출력은 차량 구동용 전기 모터의 핵심 성능 중 하나이다. 출력 및 주행거리를 동시에 확보하기 위해 차량용 모터는 콤팩트 하면서도 고출력을 낼 필요가 있다. 모터의 출력을 높이기 위해서는 전기자의 전류밀도가 높아져야 한다. 그러나 전류밀도가 증가하면 전기자에서 손실 및 발열이 함께 증가한다. 특히 유도모터의 경우 발열 억제가 모터 성능에 미치는 영향이 크다.
모터의 주요 발열원은 전기자 권선이며, 유도모터의 고정자 권선의 양측면으로 노출되는 엔드 코일은 냉각이 용이하지 않고 가장 발열이 심한 부위로 알려져 있다(도 1 참조).
고정자 코어와 직접 접촉하는 전기자 권선 부위의 발열은 열전달에 의해 모터 하우징을 통해 용이하게 열을 방출할 수 있으나, 엔드 코일 부위는 열전도에 의한 방열이 곤란한 구조이며 주로 자연 대류에 의한 방열에 의존하므로 냉각 효율이 매우 낮다.
특히, 엔드 코일은 구조 및 제조상의 특징으로 인해 모터마다 형상이 다르다고 간주할 수 있다. 이 때문에 엔드 코일의 냉각 방법으로는 엔드 코일에 냉매를 흘려주거나 분사하여 직접 냉각을 시도하는 방법(특허문헌 0001 참조), 전도 열전달을 위한 부재(예컨대, 금속 핀, 금속 판 등) 또는 냉매가 지나는 냉각 파이프 등을 조립 완료된 엔드 코일에 밀착되도록 소성 변형시켜 접촉시키는 방법 등이 알려져 있다(특허문헌 0002 참조).
냉매를 직접 분사하는 방식은 냉매가 회전자를 타고 에어 갭(air gap) 영역에 침투하여 냉매의 점성에 의한 회전력 손실을 유발할 수 있다. 또한, 냉매 순환 방식은 조립성이 떨어지고 냉각 시스템을 추가로 필요로 하며 유지보수가 힘들다는 단점이 있다.
한편, 고정자의 원주 방향으로 배치되는 복수의 극(pole)을 제공하는 각각의 코일 권선 간에 균일한 냉각이 이루어지지 못해 온도 차이가 생기면 권선 저항 크기가 달라지고 발생 자속에 오차가 생겨 제어 정밀도가 저하될 소지가 있다. 이에, 냉각 불균일 정도를 저감하기 위한 소정 체적 이상의 냉매가 원주 방향을 따라 채워지는 리저버(reservoir)를 형성하는 경우도 있다(특허문헌 0003 참조). 이러한 관점을 고려하면 엔드 코일에 냉매를 직접 분사하는 방식은 균일 냉각이 어려워 결과적으로 제어 정밀도를 저하시킬 수 있다.
JP 2015-116101 A (2015.06.22) JP 4670942 (2011.01.28) JP 2015-119595 A (2015.06.25)
본 개시는 유도모터의 엔드 코일 발열을 효과적으로 냉각하는 냉각 구조를 제공한다.
이와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 개시에 따른 엔드 코일 냉각구조는 모터 하우징 내부에 엔드 코일이 배치되는 영역을 둘러싸고 폐공간을 구성하도록 형성되는 차폐 부재; 및 폐공간을 채우고 엔드 코일과 접촉하도록 배치되는 복수의 열전도 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 열전도 입자는 알루미나 세라믹스 또는 질화알루미늄(AlN: Aluminum Nitride)인 것을 특징으로 한다.
또한, 열전도 입자는 구형(sphere shape)인 것을 특징으로 한다.
또한, 열전도 입자의 크기는 단분산성(mono-dispersity)인 것을 특징으로 한다.
또한, 열전도 입자의 크기는 엔드 코일의 열변형을 수용하도록 폐공간을 채운 상태에서 유동 가능하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 열전도 입자는 엔드 코일의 열변형을 수용하도록 폐공간을 완전히 채우지 않고 소정의 빈 공간을 허용하도록 채워지는 것을 특징으로 한다.
또한, 폐공간 및 열전도 입자 사이의 틈새를 채우는 냉매를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉매는 열전도 입자의 마멸에 의한 파손을 방지하도록 윤활 성분을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 모터 하우징은 냉매가 순환하도록 폐공간과 유체 연통(fluid connection) 되도록 형성되는 유입구 및 배출구를 포함하고, 유입구 및 배출구와 유체 연통되는 냉각 장치를 모터 하우징 외부에 포함하고, 냉매가 폐공간을 유동한 후 냉각 장치에서 열을 외부로 방출하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉매는 고정자 코어 내부를 관통하여 유동하도록 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 폐공간에 배치되어 모터 하우징 외부에 배치되는 냉각 장치와 유체 연통 되도록 형성되는 냉매 배관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉매 배관은 고정자 코어 내부를 관통하여 설치되도록 더 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 냉매 배관은 엔드 코일과 적어도 일부 영역에서 접촉하도록 배치되되, 엔드 코일의 열변형을 수용하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 개시에 따른 엔드 코일 냉각구조는 규정되지 않은 형태로 엔드 코일 주변을 채우는 열전도 입자 및/또는 열전도 입자를 함침하도록 채워지는 비유동/유동 냉매 및/또는 냉각 파이프를 포함함으로써 형태가 일정하지 않은 엔드 코일 부위를 열전도 입자의 열전도를 통해 효과적으로 냉각하여 유도모터의 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 모터 고정자의 엔드 코일을 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 입자를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 입자 및 비유동 냉매를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 입자 및 유동 냉매를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 입자 및 냉매 유동 파이프를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 '부', '모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 열전도 입자를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
도 2를 참조하면, 제1실시예에 따른 엔드 코일 냉각구조(20)는 고정자(110)의 엔드 코일(100)이 배치되는 영역(150)을 둘러싸고 폐공간을 구성하도록 형성되는 차폐 부재(210) 및 폐공간을 채우는 열전도 입자(200)를 포함한다.
도 1을 다시 참조하면, 엔드 코일(100)은 고정자(110)의 양측면으로 돌출 배치된다. 엔드 코일(100)은 제조되는 각 모터마다 조금씩 형상이 다를 수 있다. 또한, 엔드 코일(100)은 고정자(110) 내부의, 하우징(140)과 직접 접촉하여 열전달에 의해 온도 상승이 억제되는 영역과는 다르게, 일반적으로 공기 중에 노출된 상태로 배치되어 대류에 의한 냉각에 의존할 수밖에 없다. 따라서, 엔드 코일은(100)은 실질적으로 가장 고온으로 온도가 상승하는 부위이며, 열변형까지 고려하면 일정한 형상을 유지하지 않는 것으로 보는 것이 타당하다.
차량용 구동 모터는 모터의 중량 대비 출력이 주요한 성능인자이다. 이를 증가시키고자 더 높은 전류 및 온도를 허용하도록 전력 제어 소자의 성능도 개선되고 있는 추세이다. 이에 따라 더 높은 전류가 고정자 권선에 공급되면 모터의 발열은 더욱 증가한다. 엔드 코일(100)에서의 과도한 발열은 모터의 성능 및 내구성을 저하시킨다.
일 실시예에 따른 엔드 코일 냉각구조(20)는 열전도를 통해 엔드 코일(100)의 열을 방열하기 위해 열전도 입자(200)를 사용한다.
열전도 입자(200)는 비전도성, 비자성체인 것이 바람직하다. 열전도 입자(200)는 공기의 열전도율 0.025 W/m·K인 것과 비교하여 열전달에 유리한, 열전도율 16-29 W/m·K 수준인 알루미나 세라믹스, 열전도율 90-170 W/m·K 수준인 질화알루미늄(AlN: Aluminum Nitride) 등이 사용될 수 있다. 이외에도 적절한 크기로 성형하기에 유리하고 열전도율이 높은 소재라면 일 실시예에 따른 엔드 코일 냉각구조(20)에 적용될 수 있다.
열전도 입자(200)는 구형 입자의 형태일 수 있다. 열전도 입자(200)의 크기는 열전도 입자(200)가 채워지는 영역(150) 내에서 필요에 따라 스스로 이동될 수 있는 정도가 바람직하다. 즉, 엔드 코일(100)의 열변형을 수용하도록 영역(150) 내에서 열전도 입자(200)가 채워진 형태가 손쉽게 변형될 수 있는 크기를 가지는 것이 바람직하다. 이를 위해 열전도 입자(200)의 크기는 일정 범위 이내의 크기 편차를 가지고 단분산성(mono-dispersity)을 가지는 것이 바람직할 수 있다.
단지 엔드 코일(200)과 접촉하여 엔드 코일(200) 주변에 채워진 상태에서 열전달에 의한 열 방출을 용이하게 하기 위한 구성이라면, 열전도 입자(200)는 다중 분산성(poly-dispersity)을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 즉, 큰 직경의 입자와 이들 큰 입자가 채워진 틈새에 적절히 채워질 수 있는 작은 직경의 입자가 동시에 영역(150)에 충진 되는 것이 열전도에 의한 열전달에 유리하도록 접촉 면적을 최대화할 것이다. 그러나, 일 실시예에 따른 엔드 코일 냉각구조(20)는 엔드 코일(100)의 열팽창을 수용하고 모터의 잦은 발열 및 냉각에 따른 엔드 코일(100)의 크기 및/또는 형상의 변화에도 엔드 코일(100)에 기계적인 응력을 주지 않도록 형성된다. 따라서, 열전도 입자(200)의 자유로운 변형 및/또는 유동을 허용하기 위해서는 열전달 효율이 조금 낮더라도 열전도 입자(200)의 단분산성이 바람직할 수 있다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전도 입자 및 비유동 냉매를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
도 3을 참조하면, 제2실시예에 따른 엔드 코일 냉각구조(22)는 영역(150)을 채우는 열전도 입자(200) 간에 형성되는 틈새(220)를 채우는 냉매를 더 포함한다. 냉매는 영역(150) 내를 채우도록 열전도 입자(200) 충진 후 주입될 수 있다. 냉매는 엔드 코일(100)와 열전도 입자(200) 그리고 영역(150)의 주변 하우징(140) 부분 간의 열전도에 의한 열전달을 향상시킬 수 있다.
냉매는 열전도 입자(200) 간의 물리적 접촉에 소정의 윤활제 역할을 추가로 할 수 있어, 열전도 입자(200) 간의 충돌에 따른 입자 파손 또는 미립자 탈락 등이 방지되는 효과를 기대할 수 있다. 따라서, 이 경우, 일 실시예에 따른 냉매는 소정의 윤활 성분을 더 포함하여 구성될 수 있다. 또한, 열전도 입자(200)는 마멸을 최소화하기 위해 가급적 구(sphere)에 가까운 형태로 제조되는 것이 바람직할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 열전도 입자 및 유동 냉매를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
도 4를 참조하면, 제3실시예에 따른 엔드 코일 냉각구조(24)는 모터 하우징(140)을 통해 열전도 입자(200)가 채워진 영역(150)의 일측(212)에서 냉매가 공급되고 타측(214)에서 냉매가 나오는 형태로 구성될 수 있다. 열전도 입자(200) 주변을 지나며 열을 흡수한 냉매는 모터 하우징(140) 외부에 배치되는 냉각 장치(미도시)에서 냉각된 후 다시 영역(150)으로 공급될 수 있다.
도 4에 도시한 예는 일측 엔드 코일(100) 배치 영역(150)을 지난 냉매가 고정자 코어(110)를 축 방향으로 관통하여 흐른 후 타측 엔드 코일(100) 배치 영역(150)으로 유입되고, 이를 지난 후 모터 하우징(140) 외부로 나와 냉각 장치로 전달되는 형태를 나타낸다. 제3실시예는 도시한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 냉매가 고정자 코어(110)를 관통하여 흐르지 않고, 일측 엔드 코일(100) 배치 영역(150) 및 타측 엔드 코일(100) 배치 영역(150)만을 흐르도록 형성될 수도 있다.
제3실시예의 경우 열전도 입자(200)의 크기는 냉매의 유동이 원활하도록 충분히 큰 것이 바람직할 수 있다. 즉, 열전도 입자(200)는 영역(150)에 채워진 상태에서 냉매의 유동에 필요한 충분한 틈새를 제공할 수 있는 크기를 가질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 열전도 입자 및 냉매 유동 파이프를 포함하는 엔드 코일 냉각구조를 도시한다.
제4실시예에 따른 엔드 코일 냉각구조(26)는 냉매의 누설 방지가 보다 확실하도록 별도의 냉매 배관(250)을 가지는 경우를 예시한다.
도 5를 참조하면, 냉매는 독립된 냉매 배관(250)을 통해서만 흐르도록 형성된다. 냉매 배관(250)은 엔드 코일(100)에 인접하도록 형성 및 배치되고, 열전도 입자(200)는 엔드 코일(100) 및 냉매 배관(250)의 주변에 채워진다. 냉매 배관(250)은 또한 고정자 코어(110) 내부를 축 방향으로 관통하여 배치될 수 있다. 냉매 배관(250)은 모터 하우징(140) 외부에 배치되는 냉각 장치와 연결되어 엔드 코일(100)에서 발생한 열을 외부로 배출하도록 형성될 수 있다.
냉매 배관(250)은 적어도 일부가 엔드 코일(100)과 직접 접촉하도록 형성될 수 있다. 또한, 냉매 배관(250)은 엔드 코일(100)과 접촉하는 부위가 엔드 코일(100)의 열변형을 수용하도록 탄성 변형되는 구조 및/또는 재료일 수 있다. 그러나, 이에 한정하는 것은 아니며 냉매 배관(250)과 엔드 코일(100)은 접촉하지 않고, 그 사이에 열전도 입자(200)가 채워지도록 배치될 수 있다.
한편, 열전도 입자(200)는 영역(150)을 완전히 채우도록 채워질 수도 있지만, 경우에 따라서는 영역(150) 내 일부 빈 공간을 남기도록 채워질 수 있다. 열전도 입자(200)는 모터 회전 및 차량 주행에 수반되는 진동에 의해 수시로 채워진 형태가 변경될 수 있고, 이에 따라 열전도 입자(200)가 항시 엔드 코일(100) 주위에 밀착되도록 형성될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예들에 따른 엔드 코일 냉각구조(20, 22, 24, 26)에서 열전도 입자(200)는 영역(150)을 채우기만 할 뿐 열전도 입자(200) 간에는 결합되지 않기 때문에 모터의 유지보수 및 폐 모터로부터의 소재 재활용 측면에서도 유리할 수 있다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 모터 하우징 내부에 엔드 코일이 배치되는 영역을 둘러싸고 폐공간을 구성하도록 형성되는 차폐 부재; 및
    상기 폐공간을 채우고 상기 엔드 코일과 접촉하도록 배치되는 복수의 열전도 입자
    를 포함하는 엔드 코일 냉각구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 입자는
    알루미나 세라믹스 또는 질화알루미늄(AlN: Aluminum Nitride)인 엔드 코일 냉각 구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 입자는
    구형(sphere shape)인 엔드 코일 냉각 구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 입자의 크기는
    단분산성(mono-dispersity)인 엔드 코일 냉각 구조.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 입자의 크기는
    상기 엔드 코일의 열변형을 수용하도록 상기 폐공간을 채운 상태에서 유동 가능하도록 형성되는 엔드 코일 냉각구조.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열전도 입자는
    상기 엔드 코일의 열변형을 수용하도록 상기 폐공간을 완전히 채우지 않고 소정의 빈 공간을 허용하도록 채워지는 엔드 코일 냉각구조.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 폐공간 및 상기 열전도 입자 사이의 틈새를 채우는 냉매를 더 포함하는 엔드 코일 냉각구조.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 열전도 입자의 마멸에 의한 파손을 방지하도록 윤활 성분을 더 포함하는 엔드 코일 냉각구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 모터 하우징은 냉매가 순환하도록 상기 폐공간과 유체 연통(fluid connection) 되도록 형성되는 유입구 및 배출구를 포함하고,
    상기 유입구 및 상기 배출구와 유체 연통되는 냉각 장치를 상기 모터 하우징 외부에 포함하고,
    상기 냉매가 상기 폐공간을 유동한 후 상기 냉각 장치에서 열을 외부로 방출하도록 형성되는 엔드 코일 냉각구조.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 냉매는 고정자 코어 내부를 관통하여 유동하도록 더 형성되는 엔드 코일 냉각구조.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 폐공간에 배치되어 상기 모터 하우징 외부에 배치되는 냉각 장치와 유체 연통 되도록 형성되는 냉매 배관을 더 포함하는 엔드 코일 냉각구조.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 냉매 배관은 고정자 코어 내부를 관통하여 설치되도록 더 형성되는 엔드 코일 냉각구조.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 냉매 배관은 상기 엔드 코일과 적어도 일부 영역에서 접촉하도록 배치되되, 상기 엔드 코일의 열변형을 수용하도록 형성되는 엔드 코일 냉각구조
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