KR20230171790A - 모터의 전식 방지 구조 - Google Patents

모터의 전식 방지 구조 Download PDF

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KR20230171790A
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Abstract

본 발명은 샤프트의 외측에 접지 베어링이 설치되고, 리어커버에 도체바가 설치되며, 도체바가 베어링과 접촉되어 샤프트를 접지시킴으로써 고정 베어링 측에서 발생하는 전식 현상을 방지할 수 있는 모터의 전식 방지 구조에 관한 것이다.

Description

모터의 전식 방지 구조{ANTI EROSION STRUCTURE OF MOTOR}
본 발명은 모터의 전식 방지 구조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 샤프트의 외측에 접지 베어링이 설치되고, 리어커버에 도체바가 설치되며, 도체바가 베어링과 접촉되어 샤프트를 접지시킴으로써 고정 베어링 측에서 발생하는 전식 현상을 방지할 수 있는 모터의 전식 방지 구조에 관한 것이다.
최근 전기 자동차 또는 연료전지 자동차 등의 순수 전기동력 친환경 차량이 주목을 받고 있다. 이러한 전기동력 친환경 차량에는 기존 엔진 등의 내연기관 대신에 전기 에너지로 회전력을 얻는 구동원으로서 전기모터(이하 '모터'라고 함)가 탑재된다.
친환경 차량의 동력원으로 이용되는 모터는 하우징과, 하우징의 내부에 고정되게 설치되는 고정자와, 고정자와 일정 공극을 두고 배치되며 구동축으로서의 샤프트를 중심으로 회전하는 회전자를 포함한다. 친환경 차량에 쓰이는 모터는 인버터를 통해 3상 교류 전력을 공급받는다. 인버터는 배터리의 직류 전력을 파워모듈 스위칭을 통해 3상 AC로 변환시킨다. 이때 3상전압은 완전한 정현파 형태가 아니며 구형파 형태로 3상전압의 총합은 0이 아니게 된다. 이를 동상전압(Common Mode Voltage)라 한다. 모터의 코일에 인가되는 동상전압으로 인하여 모터 내부의 기생 커패시턴스 영향으로 샤프트에 축전압이 발생하게 된다. 축전압은 샤프트를 지지하는 구동 베어링의 내륜 및 외륜 사이에 전위 차를 야기시키며, 구동 베어링 내부의 방전 메커니즘에 의해 구동 베어링의 전식(EROSION)을 유발하고, 이러한 전식은 구동 베어링을 파손시키는 등 모터의 내구성에 심각한 영향을 끼치고 있다.
도 1은 종래 기술을 나타낸 도면으로서, 종래 기술에서는 모터의 샤프트에 야기되는 축전압을 저감시키기 위해 하우징과 샤프트를 통전하는 접지링(SGR, Shaft Ground Ring)을 샤프트와 하우징 사이에 설치하고, 이와 동시에 또는 별개로, 접지링 반대측의 구동 베어링을 스틸 볼 베어링이 아닌 절연성을 가진 세라믹 볼 베어링으로 구성하고 있다. 접지링은 회전하고 있는 샤프트와 고정되어 있는 하우징을 전기적으로 접지연결 시켜야 하므로, 접지링과 샤프트 사이에서 마찰이 발생되고, 발생된 마찰로 인해 접지링의 내구성이 악화될수 밖에 없다. 또한, 모터 내부의 냉각 오일이 접지링 내부로 유입되게 되는 경우, 접지링에 적용되는 브러시에 냉각 오일이 묻어 코팅되는 현상이 발생하게 되어 접지링 측 저항이 증가하게 되고, 이에 따라 접지링을 통해 흐르는 전류의 양이 감소하게 되어 접지링의 접지 성능이 크게 감소하는 문제가 있다. 나아가 접지링과 세라믹 볼 베어링은 가격이 비싼 단점이 존재한다.
한국 등록특허공보 제10-1442414호(2014.09.12. 등록)
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 샤프트의 접지 성능을 안정적으로 확보할 수 있고, 단순한 구조를 가져 제작이 용이하며 제작 비용이 저렴한 모터의 전식 방지 구조를 제공하기 위한 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 예에 따른 모터의 전식 방지 구조는, 스테이터와, 상기 스테이터 내부에 배치되는 로터와, 상기 로터 내부에 배치되는 샤프트를 수용하는 하우징; 상기 하우징의 후방에 결합되는 리어커버; 및 상기 샤프트를 접지시키기 위한 접지 구조;를 포함하고, 상기 접지 구조는 상기 샤프트의 외측에 설치되는 접지 베어링과, 일측이 상기 리어커버에 고정되고 타측이 상기 베어링과 접촉되는 도체바를 포함할 수 있다.
상기 접지 베어링의 중공에 상기 샤프트가 압입되어 상기 접지 베어링의 내륜이 상기 샤프트의 외주면에 밀착되고, 상기 도체바는 상기 접지 베어링의 외륜과 접촉될 수 있다.
상기 도체바는 상기 리어커버에 고정되는 고정부와, 상기 고정부로부터 상기 샤프트 측으로 연장형성되는 연장부를 포함하고, 상기 연장부의 연장방향 단부가 상기 접지 베어링의 외륜의 반경방향 외측으로 연장되어 상기 접지 베어링의 외륜의 외주면과 접촉될 수 있다.
상기 도체바의 연장부는 상기 접지 베어링의 외륜을 반경방향 내측으로 가압하는 구조로 이루어질 수 있다.
상기 도체바는 막대 부재로서, 중앙부분이 반경방향 내측으로 휘어진 구조로 이루어지고, 상기 샤프트 측의 단부가 상기 접지 베어링의 외륜에 접촉되고, 상기 리어커버 측의 단부가 상기 리어커버에 고정될 수 있다.
상기 도체바는 상기 샤프트 측의 단부가 직선으로 곧게 형성될 수 있다.
상기 접지 베어링의 외륜의 외주면에는, 상기 도체바의 연장부 중 상기 접지 베어링의 외륜과 접촉되는 부분이 안착될 수 있도록, 내측으로 소정 만입된 가이드 홈이 형성될 수 있다.
상기 도체바는 다수개로 이루어질 수 있다.
상기 도체바는 상기 리어커버에 볼팅결합될 수 있다.
상기 접지 베어링의 내부에는 도전성 그리스가 충진될 수 있다.
상기 하우징에는 상기 샤프트 상에 설치되어 상기 샤프트를 지지하는 구동 베어링이 더 수용되고, 상기 구동 베어링의 베어링 볼은 스틸 볼로 구성될 수 있다.
본 발명에 의하면 구동 베어링에서의 전식이 방지됨에 따라 전식에 의한 구동 베어링의 손실을 저감할 수 있고, 전식 현상에 의해 구동 베어링에서 발생되는 진동 및 소음을 줄일 수 있으며, 나아가 종래 전식 방지를 위해 세라믹 볼을 적용하던 것을 스틸 볼로 환원할 수 있게 되어 모터의 제작 비용을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 모터의 분해 사시도이다.
도 3은 도 2를 반대 방향에서 바라본 도면이다.
도 4는 하우징과 리어커버의 조립 이전의 단면 사시도이다.
도 5는 도 4를 측면에서 바라본 도면이다.
도 6은 하우징과 리어커버의 조립이 완료된 단면 사시도이다.
도 7은 도 6을 측면에서 바라본 도면이다.
도 8은 리어커버 내측에 도체바가 설치된 것을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 7의 A 영역을 확대하여 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일 예에 따른 모터의 분해 사시도이고, 도 3은 도 2를 반대 방향에서 바라본 도면으로서, 도시된 바와 같이 본 발명의 모터(1)는 크게 하우징(10), 리어커버(20), 및 접지 구조(30)를 포함한다.
하우징(10)은 내부에 모터의 각종 구성요소를 수용하는 커버부재로서, 하우징(10) 내부에는 스테이터, 로터, 샤프트(11), 및 구동 베어링(12) 등이 수용될 수 있다. 스테이터는 하우징 내부의 가장 외측에 배치되고, 스테이터 내부에 로터가 배치되고, 로터 내부에 샤프트(11)가 배치되며, 구동 베어링(12)은 샤프트 상에 배치되어 샤프트를 지지할 수 있다(도 1, 4 참조). 샤프트(11)는 중공 샤프트이거나 중실 샤프트일 수 있고, 중실 샤프트인 경우에는 샤프트 중앙에 홈이 형성되어 있을 수 있으며, 그에 따라 샤프트(11)의 중앙에는 축방향을 따라 중공(11C)이 형성될 수 있다.
리어커버(20)는 하우징(10)의 후방에 결합되어 하우징(10)의 개방된 후방을 폐쇄하는 커버부재이다. 리어커버(20)는 금속 재질로 이루어지며, 접지되어 있을 수 있다.
접지 구조(30)는 샤프트(11)를 접지시키기 위한 구성이다. 본 발명은 모터의 전식 방지 구조에 관한 것으로, 접지 구조(30)를 통해 샤프트(11)를 접지시킴으로써, 샤프트(11)에 흐르는 축전류에 의한 구동 베어링의 전식을 방지할 수 있다.
도 2, 3을 다시 참조하면, 본 발명의 접지 구조(30)는 접지 베어링(100)과 도체바(200)를 포함하며, 고정부재(300)를 더 포함한다.
접지 베어링(100)은 내륜과 외륜, 그리고 내륜과 외륜 사이에 개재되는 베어링 볼을 포함하며, 내부에 그리스가 충진되어 있을 수 있다. 도체바(200)는 전도성 부재로서, 일 예로 금속 재질로 이루어질 수 있다. 고정부재(300)는 도체바(200)를 고정하기 위한 부재로서, 일 예로 볼트일 수 있다.
본 발명의 접지 구조(30)는, 접지 베어링(100)이 샤프트(11)의 후방 단부측에서 샤프트(11)의 외측에 설치되며, 도체바(200)가 일측이 리어커버(20)에 고정되고 타측이 접지 베어링(100)과 접촉되는 구조로 이루어진다. 즉, 도체바(200)를 통해 접지 베어링(100)과 리어커버(20)가 전기적으로 연결되고, 접지 베어링(100)이 샤프트(11)와 전기적으로 연결됨으로써, 샤프트(11)와 리어커버(20)가 서로 통전되게 되며, 접지되어 있는 리어커버(20)에 의해 최종적으로 그와 전기적으로 연결된 샤프트(11)가 접지되게 된다.
이와 같이, 접지 구조(30)를 통해 샤프트(11)와 리어커버(20)가 전기적으로 연결됨으로써, 샤프트 상의 축전류가 하우징(리어커버 포함)으로 전달되는 새로운 경로가 생성되게 되고, 이는 기존의 구동 베어링을 지나는 전류 경로와 병렬 구조를 이루게 된다. 이에 따라, 샤프트의 축전류가 접지 구조(30)를 통해 리어커버(20)로 분산되어 전달되어 구동 베어링을 지나는 전류의 양이 감소되게 됨으로써, 구동 베어링에서의 전식을 방지할 수 있다.
즉, 본 발명에 의하면 구동 베어링에서의 전식이 방지됨에 따라 전식에 의한 구동 베어링의 손실을 저감할 수 있고, 전식 현상에 의해 구동 베어링에서 발생되는 진동 및 소음을 줄일 수 있으며, 나아가 종래 전식 방지를 위해 세라믹 볼을 적용하던 것을 스틸 볼로 환원할 수 있게 되어 모터의 제작 비용을 감소시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 접지 구조(30)에 대해 구체적인 실시예를 통해 보다 상세히 살펴보기로 한다.
도 4는 하우징과 리어커버의 조립 이전의 단면 사시도이고, 도 5는 도 4를 측면에서 바라본 도면이고, 도 6은 하우징과 리어커버의 조립이 완료된 단면 사시도이고, 도 7은 도 6을 측면에서 바라본 도면이며, 도 8은 리어커버 내측에 도체바가 설치된 것을 나타낸 도면이다.
우선, 접지 베어링(100)의 중공(100C)에 샤프트(11)가 압입되어 접지 베어링의 내륜(110)이 샤프트(11)의 외주면에 밀착된다. 예를 들어, 접지 베어링의 중공(100C)의 직경은 샤프트(11)의 직경에 비해 작거나 같게 형성되어, 접지 베어링의 중공(100C)에 샤프트(11)가 중간 끼워 맞춤이나 억지 끼워 맞춤될 수 있다. 이에 따라 샤프트와 접지 베어링이 밀착 결합되고, 샤프트와 접지 베어링 간 연결성이 확보될 수 있다.
그리고, 도체바(200)는 접지 베어링의 외륜(120)과 접촉된다. 이때, 도체바(200)는 접지 베어링의 외륜(120)을 반경방향 내측으로 가압하는 구조로 이루어져, 접지 베어링의 외륜(120)의 짐쇄량을 증가시킬 수 있으며, 그에 따라 베어링 볼(130)과 내외륜(110, 120)이 더욱 견고하게 밀착되어 항시적인 연결성이 확보될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 7을 참조하면, 도체바(200)는 리어커버(20)에 고정되는 고정부(210)와, 고정부(210)로부터 샤프트(11) 측으로 연장형성되는 연장부(220)를 포함하고, 연장부(220)의 단부가 접지 베어링의 외륜(120)의 반경방향 외측으로 연장되어 접지 베어링의 외륜(120)의 외주면과 접촉된다. 이때, 도체바의 연장부(220)는 중앙 부분이 반경방향 내측으로 휘어져 접지 베어링의 외륜(120)을 반경방향 내측으로 가압할 수 있다.
이러한 기능을 수행하는 도체바의 구체적인 일 예로서, 도시된 바와 같이 도체바(200)는 막대 부재로서, 중앙 부분이 반경방향 내측으로 적어도 1회 이상 휘어진 구조로 이루어지고, 연장방향 단부가 접지 베어링의 외륜(120)에 접촉되고, 반대측 단부가 리어커버(20)에 고정된다. 도체바(200)는 소정의 탄성을 가질 수 있으며, 중앙 부분이 반경방향 내측으로 휘어짐으로써 샤프트 측 단부가 반경방향 내측을 향하는 구조로 이루어져, 외륜(120)에 대한 가압력이 증가하게 될 수 있다. 또한, 도체바(200)의 구조가 매우 단순하며 제작 및 설치가 편리한 이점이 있다.
그리고, 도체바(200)는 연장방향 단부, 즉 샤프트(11) 측의 단부가 직선으로 곧게 형성될 수 있다. 즉, 도체바(200)의 연장방향 단부는 축방향과 나란하게 일자로 평평한 형태로 형성될 수 있으며, 이에 따라 도체바의 단부와 접지 베어링의 외륜과의 밀착 면적이 증대되어 도체바와 접지 베어링 간의 연결성이 향상될 수 있다.
도 9는 도 7의 A 영역을 확대하여 나타낸 도면으로, 도시된 바와 같이 접지 베어링의 외륜(120)의 외주면에는 내측으로 소정 만입된 가이드홈(120G)이 형성되며, 가이드홈(120G)에 도체바의 연장부(220) 중 접지 베어링의 외륜(120)과 접촉되는 부분이 안착되어 고정됨에 따라, 도체바(200)가 외륜(120) 상에서 슬립되는 것이 방지될 수 있다. 가이드홈(110G)은 외륜(120)의 외주면 상의 특정 위치(예를들어, 도체바에 대응되는 위치)에서 축방향으로 소정 요입된 구조로 이루어지거나, 외륜(120)의 외주면 상에서 반경방향으로 소정 요입되어 링홈 형태로 이루어질 수 있다. 그리고, 도체바의 연장부(220) 중 외륜(120)과 접촉되는 부분은 상술한 바와 같이 평평한 일자 구조로 이루어져, 외륜과의 접촉 면적이 증가되어 외륜과 도체바 간의 연결성이 향상될 수 있다.
나아가, 도 7 등을 다시 참조하면, 본 발명의 접지 구조(30)는 도체바가 다수개로 이루어질 수 있다. 도 7의 예에서는 샤프트의 축방향을 기준으로 상부와 하부에 각각 도체바가 설치된 것이 도시되어 있으나, 이외에도 도체바 간 소정 각도를 이루어 3개, 4개 또는 그 이상 설치될 수 있다. 그리고, 이에 대응하여 상술한 가이드홈(110G) 역시 다수개가 형성될 수 있다. 이와 같이 도체바가 다수개 구비됨으로써, 어느 하나의 도체바와 베어링 간의 연결에 문제가 생긴다 하더라도 다른 도체바에 의해 여전히 베어링과 리어커버 간의 연결이 유지될 수 있으므로, 샤프트와 접지 베어링 간 연결성이 더욱 안정적으로 확보될 수 있다.
이상에서 살펴본 도체바는 본 발명을 구현하기 위한 일 실시예에 해당하는 것으로, 이외에도 따로 도시하지는 않았으나, 상술한 실시예와 같이 도체바가 반경방향 내측으로 휘어진 막대 구조로 형성되는 것이 아니라, 베어링의 외륜을 전부 감싸도록 일측이 개방된 구 형상으로 형성될 수도 있다.
한편, 상술한 바와 같이 본 발명의 접지 구조(30)는 고정부재(300)를 포함하고, 고정부재(300)에 의해 도체바(200)가 리어커버(20)에 고정될 수 있으며, 이때 고정부재(300)는 볼트일 수 있다. 도 7 등을 다시 참조하면, 도체바(200)는 리어커버(20)에 볼팅결합될 수 있다. 보다 구체적으로, 도체바(200)의 리어커버(20) 측 단부에 해당하는 고정부(210)가 볼트(300)에 의해 리어커버(20)에 볼팅결합됨에 따라, 도체바(200)가 리어커버(20)에 설치 및 고정될 수 있다. 이와 같이 볼팅결합을 통해 도체바를 쉽고 간단하게 리어커버에 고정할 수 있고, 동시에 도체바와 리어커버 간 전기적 연결을 확보할 수 있으며, 나아가 기존 모터의 리어커버의 설계변경 없이 그대로 도체바를 리어커버에 설치할 수 있는 이점이 있다.
그리고, 상술한 바와 같이, 접지 베어링(100)의 내부에는 베어링 볼(130)과 내외륜(110, 120) 간의 윤활을 위한 그리스가 충진되어 있을 수 있다. 이때, 그리스는 통전성을 가지는 도전성 그리스일 수 있으며, 이는 베어링 볼과 내외륜 간의 전기적 연결성을 향상시킬 수 있다.
나아가, 상술한 바와 같이, 샤프트(11) 상에는 샤프트(11)를 지지하는 구동 베어링(12)이 설치되며, 이때 본 발명의 모터(1)는 접지 구조(30)를 통해 축전류를 흘려보냄으로써 구동 베어링(12) 측으로 흐르는 전류의 양이 감소되어 구동 베어링 측에서의 전식 현상이 감소됨에 따라, 구동 베어링의 베어링 볼을 스틸 볼로 구성하여도 전식에 의한 구동 베어링 손상이 발생하지 않게 된다. 즉, 본 발명의 모터의 구동 베어링의 베어링 볼은 스틸 볼로 구성될 수 있으며, 이는 세라믹 볼 베어링에 비해 가격이 저렴하여 모터의 전체 제작 비용을 줄일 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.
1: 모터
10: 하우징
11: 샤프트
11C: 샤프트의 중공
12: 구동 베어링
20: 리어커버
30: 접지 구조
100: 접지 베어링
100C: 접지 베어링의 중공
110: 내륜
120: 외륜
130: 베어링 볼
200: 도체바
210: 도체바의 고정부
220: 도체바의 연장부
300: 고정부재

Claims (11)

  1. 스테이터와, 상기 스테이터 내부에 배치되는 로터와, 상기 로터 내부에 배치되는 샤프트를 수용하는 하우징;
    상기 하우징의 후방에 결합되는 리어커버; 및
    상기 샤프트를 접지시키기 위한 접지 구조;를 포함하고,
    상기 접지 구조는
    상기 샤프트의 외측에 설치되는 접지 베어링과,
    일측이 상기 리어커버에 고정되고 타측이 상기 베어링과 접촉되는 도체바를 포함하는,
    모터의 전식 방지 구조.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 접지 베어링의 중공에 상기 샤프트가 압입되어 상기 접지 베어링의 내륜이 상기 샤프트의 외주면에 밀착되고,
    상기 도체바는 상기 접지 베어링의 외륜과 접촉되는,
    모터의 전식 방지 구조.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 도체바는 상기 리어커버에 고정되는 고정부와, 상기 고정부로부터 상기 샤프트 측으로 연장형성되는 연장부를 포함하고,
    상기 연장부의 연장방향 단부가 상기 접지 베어링의 외륜의 반경방향 외측으로 연장되어 상기 접지 베어링의 외륜의 외주면과 접촉되는,
    모터의 전식 방지 구조.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 도체바의 연장부는 상기 접지 베어링의 외륜을 반경방향 내측으로 가압하는 구조로 이루어지는,
    모터의 전식 방지 구조.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 도체바는 막대 부재로서,
    중앙부분이 반경방향 내측으로 휘어진 구조로 이루어지고,
    상기 샤프트 측의 단부가 상기 접지 베어링의 외륜에 접촉되고,
    상기 리어커버 측의 단부가 상기 리어커버에 고정되는,
    모터의 전식 방지 구조.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 도체바는 상기 샤프트 측의 단부가 직선으로 곧게 형성되는,
    모터의 전식 방지 구조.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 접지 베어링의 외륜의 외주면에는, 상기 도체바의 연장부 중 상기 접지 베어링의 외륜과 접촉되는 부분이 안착될 수 있도록, 내측으로 소정 만입된 가이드 홈이 형성되는,
    모터의 전식 방지 구조.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 도체바는 다수개로 이루어지는,
    모터의 전식 방지 구조.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 도체바는 상기 리어커버에 볼팅결합되는,
    모터의 전식 방지 구조.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 접지 베어링의 내부에는 도전성 그리스가 충진되는,
    모터의 전식 방지 구조.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하우징에는 상기 샤프트 상에 설치되어 상기 샤프트를 지지하는 구동 베어링이 더 수용되고,
    상기 구동 베어링의 베어링 볼은 스틸 볼로 구성되는,
    모터의 전식 방지 구조.
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