KR101456597B1 - 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조 - Google Patents

Abstract

전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조를 개시하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조는 임펠러의 회전에 의해 냉각수가 유입되어 배출되는 유입구 및 배출구가 형성된 임펠러 케이스; 상기 임펠러 케이스의 하부에 결합된 모터 케이스; 상기 모터 케이스의 중앙 하부에 하단이 고정되고, 상단에는 상기 임펠러가 회전가능하게 결합되는 고정 샤프트; 전자석이 인서트되어 상기 고정 샤프트에 압입되는 스테이터; 상기 임펠러와 결합되어 상기 모터 케이스와 스테이터의 사이에 삽입되는 튜브형 마그네트; 및 모터 제어용의 PCB 기판이 내장되어 상기 모터 케이스의 하부에 부착되는 드라이버 케이스를 포함하되, 상기 모터 케이스와 드라이버 케이스의 결합력에 의해 상기 스테이터의 전선이 상기 PCB 기판에 접속되는 접속구조를 가진다.

Description

전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조{MOTOR CONNECTING STRUCTURE OF AN ELECTRIC WATER PUMP}

본 발명은 자동차 엔진을 냉각하기 위한 냉각수를 순환시키는 전동식 워터 펌프에 관한 것으로, 특히 PCB 기판과 스테이터 전선의 접속을 용이하게 할 수 있는 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조에 관한 것이다.

최근 자동차의 개발 방향이 친환경, 고효율 및 고연비 차량으로 관심이 집중되고 있는 실정이며, 이러한 목표를 달성하고자, 자동차 부품의 전동화가 이루어지고 있으며, 자동차 엔진의 냉각시스템 및 실내 난방을 위하여 엔진 및 히터에 냉각수를 순환시키기 위한 핵심 부품인 워터 펌프의 전동화를 위한 연구가 활발히 진행되고 있다.

워터 펌프에서 토출된 냉각수는 엔진, 히터, 또는 라디에이터와 열교환을 행하며, 순환한 후에 다시 워터 펌프로 유입된다.

이러한 워터 펌프는 크게 기계식 워터 펌프(mechanical water pump)와 전동식 워터 펌프(electric water pump)로 나누어진다.

기계식 워터 펌프는 엔진의 크랭크 샤프트에 고정된 풀리와 벨트로 연결되어 크랭크 샤프트의 회전, 즉 엔진의 회전 구동력에 의해서 구동됨에 따라, 기계식 워터 펌프에서 토출되는 냉각수의 유량은 엔진의 회전 속도에 따라 결정된다.

그런데, 히터 및 라디에이터에서 필요로 하는 냉각수의 유량은 엔진의 회전 속도와 상관없이 정해져 있다. 따라서 엔진 회전수가 낮은 영역에서는 히터 및 라이에이터가 정상적으로 작동하지 못하였고, 히터 및 라디에이터를 정상적으로 작동시키기 위해서는 엔진 회전수를 높여야 하였다. 이로 인하여 차량의 연비가 떨어지는 문제점이 발생하였다.

또한 기계식 워터 펌프는 엔진의 회전과 함께 구동하므로, 엔진 냉각을 최적의 상태에서 임의로 제어할 수 없고, 엔진 부하를 증대시켜 차량 전체의 연비를 저감시키며, 엔진 주위의 구조가 복잡해지고 부피가 커진다는 문제점이 있다.

이에 따라 기계식 워터 펌프의 문제점을 개선하고자 전동식 워퍼 펌프가 개발되었으며, 전동식 워터 펌프는 기계식 워터 펌프와 달리 동력원이 배터리가 되며, 제어장치에 의해 전원의 공급이 제어되는 모터에 의해 구동됨에 따라 엔진의 회전 속도와 상관없이 냉각수의 유량을 결정할 수 있는 장점이 있다.

그렇지만, 전동식 워터 펌프에 사용되는 부품들은 전기에 의해 작동하므로, 전기적으로 작동하는 부품들이 충분한 방수 성능을 갖도록 하는 것이 중요하며, 충분한 방수 성능의 확보가 전동식 워터 펌프의 성능과 내구성을 증가시키는 관건이 되고 있다.

일반적으로, 전동식 워터 펌프는 냉각수가 유입되는 유입구 및 냉각수가 배출되는 배출구가 형성되며, 내부에 임펠러가 회전가능하게 구비되어 냉각수를 펌핑하는 임펠러 케이스와, 상기 임펠러 케이스의 하부에 결합되어, 상기 임펠러를 회전시키도록 내부에 전동 모터를 구비하는 모터 케이스를 포함한다.

이때, 전동 모터가 DC 모터인 경우에는, DC 모터의 회전축과 임펠러가 결합된 임펠러 샤프트가 치합되어 회전하고, 임펠러 샤프트는 기계식 워터 펌프와 같이 베어링에 의해 회전 지지됨에 따라, DC 모터를 사용하는 전동식 워터 펌프는 DC 모터 및 임펠러 샤프트의 길이만큼 부피가 커지고, 베어링의 내부로 냉각수가 침습하는 것을 방지하는 별도의 실링이나 바이패스 라인 등이 필요하다는 단점이 있다.

이에 전동식 워터 펌프를 콤팩트하면서 최적화된 구성으로 탈바꿈시키기 위하여 상기 전동 모터를 BLDC 모터를 사용하고, 모터케이스의 내부 중앙에 임펠러 샤프트를 고정하고, 스테이터 및 로터를 설치하되, 로터의 임펠러와 함께 인서트 사출 성형하여 임펠러 샤프트에 회전 가능하게 삽입시켜 로터의 회전으로 임펠러가 회전하도록 구성된 전동식 워터 펌프가 개발되어 있다.

그렇지만, 이상과 같은 구성의 종래 기술에 따른 전동식 워터 펌프의 경우, 고정된 임펠러 샤프트에 로터 및 임펠러 일체형 인서트 사출물이 삽입되어 회전하므로, 임펠러 샤프트와 맞닿은 내경면이 고속 회전에 따라 열화되어 흠집이 나거나 훼손되기 쉽고, 열팽창에 의해 회전중심이 미세하게 틀어져서 정량 펌핑의 어려움이 있다.

발명의 배경이 되는 선행기술로서 검색된 특허문헌 1의 전자식 워터 펌프는 전기적으로 작동하는 고정자와 회전자가 방수성능을 가지는 수지재의 케이스로 덮어서 그 성능과 내구성을 증가하고, 또한 홀 센서와 홀 센서 기판을 인서트 몰ELD에 의해 고정자 내에 장착하여 고정자의 제작이 간단함과 동시에, 회전자의 초기 위치에 따라 제어 신호를 변화시킴으로써 초기 기동성을 높이는 구성이 개시되어 있다.

다른 특허문헌 2의 전동식 워터 펌프에는 하부에 로터가 인서트되어 스테이터의 내경방향으로 배치되는 임펠러 일체형 사출물로서, 임펠러 샤프트에 삽입되는 회전체와, 임펠러 샤프트의 외경면에 접촉하면서 회전체의 회전을 지지하는 그라파이트 재질의 부싱을 포함하는 구성에 의해, 회전체의 회전시 열화를 방지하고 흠집이나 훼손되지 않으며, 회전중심이 틀어지는 것을 차단하도록 하고 있다.

한국특허공개 제10-2011-0055289호(2011.5.25. 공개) 한국특허공개 제10-2012-0117416호(2012.10.24. 공개)

본 발명은 상기와 같은 종래의 상황을 고려하여 안출된 것으로서, 그 목적은 간단한 구조로 충분한 방수 성능을 확보하여 펌프의 성능과 내구성을 증가시키는 동시에, 제작이 간단한 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 PCB 기판과 스테이터 전선의 접속구를 일체형 캡을 이용하여 드라이버 케이스와의 결합 시 간단하게 접속할 수 있는 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 관점에 따르는 전동식 워터 펌프는 임펠러의 회전에 의해 냉각수가 유입되어 배출되는 유입구 및 배출구가 형성된 임펠러 케이스; 상기 임펠러 케이스의 하부에 결합된 모터 케이스; 상기 모터 케이스의 중앙 하부에 하단이 고정되고, 상단에는 상기 임펠러가 회전가능하게 결합되는 고정 샤프트; 전자석이 인서트되어 상기 고정 샤프트에 압입되는 스테이터; 상기 임펠러와 결합되어 상기 모터 케이스와 스테이터의 사이에 삽입되는 튜브형 마그네트; 및 모터 제어용의 PCB 기판이 내장되어 상기 모터 케이스의 하부에 부착되는 드라이버 케이스를 포함하되, 상기 모터 케이스와 드라이버 케이스의 결합력에 의해 상기 스테이터의 전선이 상기 PCB 기판에 접속되는 접속구조를 가진다.

상기 접속구조는 상기 스테이터의 전선을 인입하도록 상기 PCB 기판에 삽입된 관통핀과, 단부를 조임에 의해 틈이 없어져서 인입된 전선의 유동을 방지하도록 상기 관통핀에 형성된 절결홈과, 상기 모터 케이스와 드라이버 케이스의 체결력에 의해 상기 관통핀의 단부를 조이도록 상기 관통핀에 압입되어 체결캡을 포함할 수 있다.

상기 체결핀은 상기 관통핀에 압입 시, 상기 관통핀의 단부를 조일 수 있도록 경사지되, 그 경사 하면은 상기 관통핀의 직경보다 작을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 전자석이 인서트된 스테이터를 지지축에 압입한 다음 지지축의 하단이 중심에 위치되도록 모터 케이스를 부착하고, 스테이터와 모터 케이스 사이에 임펠러와 결합된 튜브형 마그네트를 삽입하고, 이 튜브형 마그네트가 임펠러를 지지축의 상부에 회전가능하게 결합된 임펠러에 결합됨에 따라, 전기적으로 작동하는 고정자와 회전자를 충분히 방수함과 동시에, 제작이 간단하며, 또한 튜브형 마그네트와 스테이터사이의 공간에 들어찬 물도 배출할 수 있으므로, 동일한 사이즈라 하더라도 냉각용량이 커지는 효과를 가진다.

또한 본 발명의 실시예에 의하면, 모터 케이스와 드라이버 케이스의 결합 시의 결합력을 이용하여 관통핀이 체결캡에 의해 압입됨에 의해, PCB 기판과 스테이터 전선의 접속을 용이하게 할 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 워터 펌프를 나타내는 사시도이고,
도 2는 도 1 펌프의 분해 사시도이고,
도 3은 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도이고,
도 4는 도 1 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조를 나타내는 상세 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운영자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 워터 펌프를 나타내고 있고, 도 2는 도 1 펌프의 분해 사시도이고, 도 3은 도 1의 A-A 선을 따라 취한 단면도이다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 워터 펌프(100)는 상부의 임펠러 케이스(20) 및 하부의 모터 케이스(40)가 상하에 밀봉링(12)이 개재되어 서로 실링되면서 고정 결합되고, 내부에 각종 구성요소가 설치된다. 또한 모터 케이스(40)의 하부에는 모터 케이스(40) 내부에 구비되는 전기모터의 구성요소에 전기를 공급하는 모터 제어용의 PCB 기판(90)이 내장된 드라이버 케이스(80)가 부착된다.

임펠러 케이스(20)는 냉각수가 유입되는 유입구(22)와 냉각수를 배출하는 배출구(24)가 형성된다. 즉 임펠러 케이스(20)의 내부에는 임펠러(30)가 회전가능하게 설치되며, 임펠러(30)의 회전에 의해 유입구(22)로부터 유입되는 냉각수를 배출구(24)로 배출한다.

모터 케이스(40)는 임펠러 케이스(20)의 하부에 결합되고, 전기모터의 구성요소인 고정 샤프트(70)와, 튜브형 마그네트(50) 및 스테이터(60)가 내부에 배치된다.

상기 임펠러(30)의 회전 중심이 되는 고정 샤프트(70)는 모터 케이스(40)의 중앙 하부에 하단이 고정되고, 상단에는 상기 임펠러(30)가 회전가능하게 결합되고, 임펠러(30)에는 튜브형 마그네트(50)가 결합됨에 따라, 임펠러(30)의 회전에 따라 튜브형 마그네트(50)가 회전하게 된다.

임펠러(30)는 원판(32)과, 그 상면의 복수개의 베인(34)과, 링플레이트(36)로 포함할 수 있다.

또한 임펠러(30)는 도 1의 A를 참조하면, 중앙에 고정 샤프트(70)의 상단이 베어링(76)(도 3)이 개재되어 삽입되는 보스(38)가 돌출될 수 있다. 베인(34) 들은 상기 보스(38)를 중심으로 경사각을 가지면서 방사상으로 돌출되게 배치되어 있다.

링플레이트(36)는 중앙에 보스(38)가 관통되는 체결공(39)이 형성되어 고정 샤프트(70)가 관통되며, 베인(34)의 상부와 면하도록 배치되며, 베인(34)의 평단면 형상과 대응되는 형상의 복수개의 슬릿(37)이 하면에 형성되어 있다.

이러한 임펠러(30)는 원판(32), 베인(34) 및 링플레이트(36)가 엔지니어링 플라스틱과 같은 고강도 수지재질로 이루어져, 각각 금형을 이용한 사출성형으로 제조된 후, 초음파 진동장치를 통한 초음파 융착공법으로 일체로 접합될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 링플레이트(36)의 슬릿(37)에 복수의 베인(34)이 삽입됨에 따라, 초음파 융착 시 융착 면적이 넓어짐에 따라 베인(34)과 링플레이트(36)간의 접착력을 더욱 증대시킬 수 있다.

한편, 튜브형 마그네트(50)의 상단에는 소정 간격을 두고 형성된 복수의 돌기(52)가 형성되며, 이 돌기(52)들이 삽입되어 결합될 수 있도록 임펠러(30)의 원판(32)의 하면에 대응되게 삽입홈(31)에 형성됨에 따라, 튜브형 마그네트(50)의 돌기(52)들을 삽입홈(31)에 삽입하여 결합한 상태에서, 초음파 융착을 실행함에 의해 튜브형 마그네트(50)와 임펠러(30)가 일체로 접합될 수 있다.

고정 샤프트(70)의 상단에 회전가능하게 삽입된 임펠러(30)는 고속회전에 의해 축방향으로 이탈될 수 있으므로, 고정 샤프트(70)의 상단에는 이탈방지홈(72)이 형성되고, 이 이탈방지홈(72)에 체결핀(74)이 결합되어 고속회전하는 임펠러(30)의 축방향 이탈을 방지할 수 있다.

스테이터(60)는 전자석(62)이 인서트 성형되어 고정 샤프트(70)에 압입되며, 모터 케이스(40)와 튜브형 마그네트(50)와의 사이 및 튜브형 마그네트(50)와 스테이터(60)의 사이에 각각 회전간극이 형성될 수 있다.

이러한 구성에 의해, 튜브형 마그네트(50)는 스테이터(60)와 함께 BLDC 모터를 구성하는 것으로, 튜브형 마그네트(50)는 회전자로서의 자석이고, 스테이터(60)는 고정자로서 전자석(62)을 구비하는 권선이다. 즉, 전기적 신호에 따라 스테이터(60)에 회전자계가 형성되어 튜브형 마그네트(50)를 회전하게 되는 것이며, 이러한 BLDC 모터의 고정자 및 회전자간의 작동원리는 종래 기술로 구현가능하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

튜브형 마그네트(50)가 회전함에 따라, 튜브형 마그네트(50)와 결합되고, 또한 고정 샤프트(70)의 상단에 베어링(76)이 개재되어 회전가능하게 결합된 임펠러(30) 역시 회전하게 되고, 이러한 임펠러(30)의 회전을 통해 임펠러 케이스(20)의 유입구(22)로부터 유입된 냉각수는 배출구(24)로 배출되지만, 모터 케이스(40)와 튜브형 마그네트(50)와의 사이 및 튜브형 마그네트(50)와 스테이터(60)와의 사이에 각각 형성된 회전간극으로 유입되기도 한다. 또한 전자석(62)이 인서트된 스테이터(60)와 고정 샤프트(70)의 사이로도 냉각수가 유입될 수 있다.

그렇지만, 회전자로서 튜브형 마그네트(50)로 구성하고, 고정자로서 스테이터(60)가 인서트 성형하여 구성되어 있으므로, 냉각수의 침습에 전혀 영향을 받지 않을 뿐만 아니라, 오히려 회전간극에 유입된 냉각수도 배출할 수 있으므로, 동일 체적의 펌프에 비해 냉각 용량이 커질 수 있다.

도 4는 도 1 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조를 나타내는 상세 단면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 모터 케이스(40)의 하부에는 드라이버 케이스(80)가 부착되며, 드라이버 케이스(80)에는 모터 케이스(40) 내부에 구비되는 전기모터의 구성요소에 전기를 공급하는 전기공급세트로서 PCB 기판(90)이 내장될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조는 로터와 스테이터의 전선이 PCB 기판(90)에 접속되는 것을 용이하게 한다.

PCB 기판(90)에는 로터 또는 스테이터의 전선을 인입하기 위한 관통핀(92)이 삽입되어 있다.

관통핀(92)에는 절결홈(94)이 형성되어 있어, 단부를 오므리게 되면, 절결홈(94)의 틈이 없어지면서 입입된 전선을 조임에 따라 전선의 유동을 방지하게 된다.

관통핀(92)의 하부에는 체결캡(96)이 씌여지며, 관통핀(92)이 체결캡(96)에 삽입됨에 따라 관통핀(92)의 단부가 오므라들 수 있도록 경사져 있고, 이때 체결캡(96)의 경사 하면은 관통핀(92)의 직경보다 작은 것이 바람직하다.

체결캡(96)은 모터 케이스(40)와 드라이버 케이스(80)의 결합 시의 결합력에 의해 관통핀(92)을 압입하게 되며, 이에 의해 관통핀(92)이 체결캡(96)의 경사면을 따라 압입됨에 의해 절결홈(94)의 틈이 없어지면서 인입된 전선을 조이게 된다.

이상과 같은 구성에 의해 본원의 일 실시예에 따른 전동식 워터 펌프의 모터 조립 구조는 PCB 기판과 스테이터 전선의 접속을 용이하게 할 수 있다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 전동식 워터 펌프의 모터 조립 구조의 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다. 그리고, 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서 당해 업계 통상의 지식을 가진 자에 있어서는 다른 많은 변형 및 응용 또한 가능함은 물론이다.

20 : 임펠러 케이스 22 : 유입구
24 : 배출구 30 : 임펠러
32 : 원판 34 : 베인
36 : 링플레이트 40 : 모터 케이스
50 : 튜브형 마그네트 60 : 스테이터
70 : 고정 샤프트 80 : 드라이버 케이스
90 : PCB 기판 92 : 관통핀
94 : 절결홈 96 : 체결캡

Claims (3)

1. 임펠러의 회전에 의해 냉각수가 유입되어 배출되는 유입구 및 배출구가 형성된 임펠러 케이스;
   상기 임펠러 케이스의 하부에 결합된 모터 케이스;
   상기 모터 케이스의 중앙 하부에 하단이 고정되고, 상단에는 상기 임펠러가 회전가능하게 결합되는 고정 샤프트;
   전자석이 인서트되어 상기 고정 샤프트에 압입되는 스테이터;
   상기 임펠러와 결합되어 상기 모터 케이스와 스테이터의 사이에 삽입되는 튜브형 마그네트; 및
   모터 제어용의 PCB 기판이 내장되어 상기 모터 케이스의 하부에 부착되는 드라이버 케이스를 포함하되,
   상기 모터 케이스와 드라이버 케이스의 결합력에 의해 상기 스테이터의 전선이 상기 PCB 기판에 접속되는 접속구조를 갖도록, 상기 접속구조는 상기 스테이터의 전선을 인입하도록 상기 PCB 기판에 삽입된 관통핀과, 단부를 조임에 의해 틈이 없어져서 인입된 전선의 유동을 방지하도록 상기 관통핀에 형성된 절결홈과, 상기 모터 케이스와 드라이버 케이스의 체결력에 의해 상기 관통핀의 단부를 조이도록 상기 관통핀에 압입되어 체결캡을 포함하는 전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 체결캡은 상기 관통핀에 압입 시, 상기 관통핀의 단부를 조일 수 있도록 경사지되, 그 경사 하면은 상기 관통핀의 직경보다 작은
   전동식 워터 펌프의 모터 접속 구조.
3. 삭제

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