KR101628961B1 - 편평형 브러시리스용 회전자 및 그 회전자를 포함한 편평형 브러시리스 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 편평형 브러시리스 모터용 회전자는, 한 평면상에 원형으로 이격되도록 배치된 복수의 영구자석; 상기 영구자석을 고정하도록 도넛 형태의 판상 구조물로 형성되며 자기적으로 양호한 도체인 철계 소재로 형성된 백 요크; 및 상기 백 요크의 중앙부위에 상기 백 요크에 고정되도록 배치되며, 베어링에 의해 회전축에 회전가능하게 결합되는 중심 회전 부재;를 포함하며, 상기 중심 회전 부재는 상기 백 요크보다 비중이 작은 비철 금속으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

편평형 브러시리스용 회전자 및 그 회전자를 포함한 편평형 브러시리스 모터{Rotor for axial flux permanent magnet motor and the motor including thereof}

본 발명은 편평형 브러시리스 모터에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 변환하는 장치이다. 모터는 가정용 전자제품 뿐만 아니라 산업용 기기 등에 광범위하게 사용된다. 모터는 크게 직류 모터(DC motor)와 교류 모터(AC motor)로 구분한다. 직류 모터는 브러시(brush)에 의해 정류자에 전원을 공급하여 회전자를 회전시키는 형태와, 브러시를 사용하지 않는 브러시리스 형태의 모터가 있다.

브러시리스 모터 중에서도 크기를 작게 구성하기 위한 모터로서 모터의 회전축과 자속의 방향을 동일하게 형성하는 편평형 모터가 있다. 편평형 모터가 채용되는 대표적인 예는 휴대폰의 진동 모터이다. 편평형 모터는 그 크기를 작게 구성할 수 있으므로 전자 제품과 같은 작은 부피가 필요한 곳에 널리 사용된다.

최근에는 이러한 편평형 브러시리스 모터는 전기 자동차에도 적용되고 있다. 이러한 편평형 브러시리스 모터의 일 예가 대한민국 공개특허 제2002-0066674호에 개시되어 있다.

종래의 편평형 브러시리스 모터에 있어서 회전자의 구조는 판 상의 철계 강판을 원판 형태로 가공한 후 그 원판의 하면에 복수의 영구자석을 원주 방향으로 서로 이격되도록 부착한 구조이며. 상기 회전자는 회전축에 베어링을 매개로 회전가능하게 결합 된다. 이와 같은 구조에서, 영구자석이 부착되는 판상의 구조물은 소위 백 요크(back yoke)라 불린다. 즉, 상기 백 요크는 영구자석을 지지하는 받침대 구조물이며 양호한 도전성이 구비된 철계 소재로 이루어진다.

그런데 종래의 백 요크(back yoke)의 구조는 탄소강판을 유압 프레스로 절단 가공하여 일체로 제조하거나, 링(ring) 형태 또는 프레스 구조물로 구성하고 중앙부분은 합성수지에 인서트 사출 방식으로 결합하여 구성하기도 하였다.

이와 같은 종래의 회전자 구조에서 일체로 된 탄소강판 소재의 백 요크는 회전자의 중량을 증가시켜 회전축에 가해지는 응력이 커져서 회전자의 내구성을 떨어뜨리는 문제점이 있다. 또한, 회전자의 편심 현상을 제거하기 위한 회전 밸런스(동심도) 조정 작업 과정에서 상기 백 요크의 일부를 연마하여 제거하는 소위 마이너스 보정을 하게 되는데 이 과정에서 연마되는 백 요크 부분은 쉽게 부식될 수 있는 문제점이 있다.

한편, 백 요크를 링 형태나 프레스 구조물로 구성하고 중앙부분을 합성수지로 인서트 사출하여 결합하는 구조는 차량용 팬 모터로 사용되는 경우와 같이 회전자의 구조가 커지는 경우에는 충분한 하중을 견딜 수 없어서 회전자의 내구성이 떨어지는 문제점이 있을 뿐 아니라 인서트 사출 공정으로 인하여 제조 비용이 비싸고 생산성이 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 회전자의 백 요크 구조를 개선함으로써 중량이 감소하며, 회전 밸런스의 조정이 용이하고 내구성이 향상되며, 제조 비용이 절감되는 편평형 브러시리스 모터를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 실시 예에 따른 편평형 브러시리스 모터용 회전자는, 한 평면상에 원형으로 이격되도록 배치된 복수의 영구자석;

상기 영구자석을 고정하도록 도넛 형태의 판상 구조물로 형성되며 자기적으로 양호한 도체인 철계 소재로 형성된 백 요크; 및

상기 백 요크의 중앙부위에 상기 백 요크에 고정되도록 배치되며, 베어링에 의해 회전축에 회전가능하게 결합되는 중심 회전 부재;를 포함하며,

상기 중심 회전 부재는 상기 백 요크보다 비중이 작은 비철 금속으로 이루어진 점에 특징이 있다.

상기 중심 회전 부재는 알루미늄 합금으로 이루어진 것이 바람직하다.

상기 백 요크로부터 상기 중심 회전 부재 쪽으로 돌출 배치되며, 상기 백 요크의 상면과 하면을 관통하는 결합공을 구비하며, 상기 백 요크의 내주를 따라 복수 배치된 연결 고정부; 및

상기 중심 회전 부재에 형성되며 상기 결합공에 결합된 후 소성 변형에 의해 상기 결합공으로부터 이탈되지 않도록 가공된 돌출 결합부;를 포함할 수 있다.

상기 돌출 결합부의 중심부에는 구멍이 형성된 것이 바람직하다.

상기 백 요크와 상기 중심 회전 부재는 용접, 볼팅, 접착, 강제 압입 구조 중 어느 하나의 구조로 결합될 수 있다.

상기 중심 회전 부재에는 고정자를 향해 공기를 유동시킬 수 있도록 임펠러 구조가 구비된 것이 바람직하다.

상술한 어느 하나의 회전자를 포함한 편평형 브러시리스 모터를 제조할 수 있다.

본 발명에 따른 편평형 브러시리스 모터용 회전자 및 그 회전자를 포함한 편평형 브러시리스 모터는, 백 요크의 중앙 부분에 그 백 요크보다 비중이 작은 비철 금속 소재로 된 중심 회전 부재를 구비함으로써, 회전자의 중량이 감소하며, 회전 밸런스의 조정이 용이하고 내구성이 향상되며, 제조 비용이 절감되는 편평형 브러시리스 모터를 제공하는 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 편평형 브러시리스 모터의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 포함된 회전자를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 회전자의 분리 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도이다.
도 5는 도 4에 대응하는 도면으로써 돌출 결합부가 소성 변형된 상태를 보여주는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 회전자의 하부 구조를 보여주는 도면이다.
도 7은 도 2에 도시된 회전자를 구성하는 중심 회전 부재의 사시도이다.
도 8은 도 7에 도시된 중심 회전 부재의 하부 구조를 보여주는 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 편평형 브러시리스 모터의 개략적인 사시도이다. 도 2는 도 1에 포함된 회전자를 보여주는 도면이다. 도 3은 도 2에 도시된 회전자의 분리 사시도이다. 도 4는 도 2에 도시된 Ⅳ-Ⅳ 선 단면도이다. 도 5는 도 4에 대응하는 도면으로써 돌출 결합부가 소성 변형된 상태를 보여주는 도면이다. 도 6은 도 2에 도시된 회전자의 하부 구조를 보여주는 도면이다. 도 7은 도 2에 도시된 회전자를 구성하는 중심 회전 부재의 사시도이다. 도 8은 도 7에 도시된 중심 회전 부재의 하부 구조를 보여주는 도면이다.

본 발명에 따른 편평형 브러시스 모터(10)는 차량용 팬 모터와 같이 통상의 편평형 브러시리스 모터에 비하여 크기가 큰 모터에 채용되는 것이 바람직하다.

도 1 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 편평형 브러시리스 모터(10)는 고정자(20)와 회전자(30)를 포함한다. 이하에서는 상기 회전자(30)를 포함한 모터(10)를 설명함으로써 본원 발명에 따른 회전자(30)의 구조도 함께 설명하기로 한다.

상기 고정자(20)는 고정자 케이스(22)와, 외부로부터 전원이 공급되는 터미널(24)과, 회로 부재(미도시)등을 포함한다. 상기 고정자(20)는 종래의 공지된 구조를 그대로 채용하여 구성할 수 있으며 본원 발명의 특징적인 부분이 아니므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

상기 회전자(30)는 상기 고정자(20)의 상방으로 돌출 고정된 회전축(26)에 회전가능하게 결합 된다.

더 구체적으로 상기 회전자(30)는 상기 고정자(20)에 공급된 전원에 의해 발생하는 전자기력과 상호작용에 의해 상기 회전축(26)을 중심으로 회전하도록 구성된다.

상기 회전자(30)는 영구자석(40)과, 백 요크(50)와, 중심 회전 부재(60)를 포함한다.

상기 영구자석(40)은 소결, 주물 또는 단조 방식으로 제조될 수 있다. 상기 영구자석(40)은 자기 입자가 특정한 방향으로 고르게 배열되어 항상 특정한 방향으로 N극과 S극이 형성되는 부재이다. 본 발명에서 상기 영구자석(40)은 복수 구비된다. 상기 영구자석(40)은 한 평면상에 서로 이격되도록 원형으로 배치된다.

상기 백 요크(50)는 상기 영구자석을 고정하기 위해 채용된다. 상기 백 요크(50)는 자기적으로 양호한 도체인 철계 소재로 제조될 수 있다. 상기 백 요크(50)는 예컨대, 탄소강으로 제조될 수 있다. 상기 백 요크(50)는 도넛 형태의 판상 구조물로 형성될 수 있다. 상기 백 요크(50)는 프레스에 의한 절단이나 주조 등의 방식으로 가공될 수 있다.

상기 백 요크(50)는 복수의 결합공(54)을 구비한다.

상기 결합공(54)은 상기 백 요크(50)로부터 후술하는 중심 회전 부재(60) 쪽으로 돌출된 위치에 배치된다. 더 구체적으로 상기 결합공(54)은 상기 백 요크(50)의 상면과 하면을 관통하는 구멍으로 형성된다. 상기 결합공(54)은 상기 백 요크(50)의 내주를 따라 복수 배치된 연결 고정부(52)에 구비된다. 상기 연결 고정부(52)는 상기 백 요크(50)의 내주 모서리에서 회전축(26)으로 향해 돌출된 외팔보 형상의 구조물이다. 상기 연결 고정부(52)는 상기 결합공(54)에 각각 대응하도록 동일한 수가 구비된다.

상기 백 요크(50)의 하면 또는 상면에는 상기 영구자석(40)이 부착 고정된다. 상기 백 요크(50)와 상기 영구자석(40)의 고정 방법은 다양하게 채용될 수 있으며, 예컨대 접착제를 사용하여 고정할 수 있다.

상기 중심 회전 부재(60)는 상기 백 요크(50)의 중앙 부위에 배치된다. 상기 중심 회전 부재(60)는 상기 백 요크(50)에 고정됨으로써 상기 백 요크(50)와 일체로 회전한다. 상기 중심 회전 부재(60)는 베어링(70)에 의해 회전축(26)에 회전가능하게 결합 된다. 상기 베어링(70)은 상기 회전축(26)의 길이 방향으로 스페이서(75)에 의해 이격되도록 배치된 2개가 구비될 수 있다. 서로 이격된 2개의 상기 베어링(70)은 상기 중심 회전 부재(60)의 회전 중심이 상기 회전축(26)과 잘 정렬되도록 하는 역할을 한다.

상기 중심 회전 부재(60)는 상기 백 요크(50)보다 비중이 작은 비철 금속으로 이루어다. 상기 중심 회전 부재(60)는 예컨대 알루미늄 합금으로 다이캐스팅(die-casting) 방식을 이용하여 가공될 수 있다. 상기 중심 회전 부재(60)의 중앙부에는 상면과 하면을 관통하는 축공(62)이 형성되어 상기 회전축(26)과 베어링(70)을 매개로 결합 된다.

상기 중심 회전 부재(60)는 돌출 결합부(64)와, 임펠러 구조(66)를 구비한다.

상기 돌출 결합부(64)는 상기 중심 회전 부재(60)에 일체로 형성될 수 있다. 상기 돌출 결합부(64)는 상기 결합공(54)에 결합된 후 소성 변형에 의해 상기 결합공(54)으로부터 이탈되지 않도록 가공될 수 있다. 상기 돌출 결합부(64)는 상기 연결 고정부(52)에 대응하는 형상의 외팔보 구조물로 형성된 연결 지지부(63)에 형성될 수 있다. 상기 연결 지지부(63)의 좌우측 단부에는 상기 연결 고정부(52)를 감싸는 유동 방지턱(65)이 구비될 수 있다.

상기 돌출 결합부(64)와 상기 결합공(54)의 결합 구조는 도 4 및 도 5를 참조하여 용이하게 이해될 수 있다. 이와 같은 구조는 소위 코킹(caulking) 또는 리벳팅(rivetting) 구조라고도 한다. 상기 돌출 결합부(64)의 중심부에는 하방이 막힌 구멍이 형성된 것이 바람직하다. 상기 돌출 결합부(64)에 하방이 막힌 구멍이 형성될 경우 그 구멍에 외력을 가하여 쉽게 소성 변형이 일어나도록 유도할 수 있는 장점이 있다.

한편, 상기 백 요크(50)와 상기 중심 회전 부재(60)는 도면에 구체적으로 도시하지는 않았지만, 2개의 구성요소를 서로 고정하는 공지된 구조인 용접, 볼팅, 접착, 강제 압입 구조 중 어느 하나의 구조로 결합 될 수 있다.

상기 임펠러 구조(66)는 상기 중심 회전 부재(60)에 형성될 수 있다. 상기 임펠러 구조(66)는 상기 회전축(26)을 중심으로 회전하는 상기 중심 회전 부재(60)의 하면에 요철 구조를 형성함으로써 상기 중심 회전 부재(60)가 회전할 때, 상기 중심 회전 부재(60)의 하측에 배치된 상기 고정자(20)를 향해 공기를 유동시키는 역할을 한다. 상기 임펠러 구조(66)는 상기 중심 회전 부재(60)를 다이캐스팅 방식으로 제조하는 과정에서 금형의 형상을 구비함으로써 형성될 수 있다. 상기 임펠러 구조(66)의 형태는 도 6 및 도 8을 참조하여 용이하게 이해할 수 있다.

이제, 상술한 바와 같은 구성요소를 구비한 상기 회전자(30)의 작용 효과를 상세하게 설명하기로 한다.

도 2를 참조하면, 상기 백 요크(50)의 하면에 복수의 영구자석(40)을 접착제 등으로 한 평면상에 원형으로 부착한다. 그리고 상기 중심 회전 부재(60)의 축공(62)에 2개의 베어링(70)과 스페이서(75)를 조립한다. 그리고 상기 중심 회전 부재(60)의 상면에 커버 부재(56)를 조립한다. 이와 같이 조립된 상태의 중심 회전 부재(60)는 도 7에 도시되어 있다. 또한, 상기 중심 회전 부재(60)의 하면에는 상기 회전축(26)의 둘레 방향을 따라 배치된 임펠러 구조(66)가 형성되어 있음을 도 8을 참조하여 이해할 수 있다.

이제 상기 중심 회전 부재(60)에 상기 영구자석(40)과 상기 백 요크(50)가 결합 된 서브 조립체를 결합한다. 이 과정에서 상기 연결 고정부(52)에 구비된 결합공(54)에 상기 돌출 결합부(64)를 삽입한다. 이와 같은 과정을 거친 후의 구조가 도 4에 도시된다. 이제 상기 결합공(54)의 상방에서 프레스 공구를 사용하여 상기 결합공(54) 상부로 돌출된 상기 돌출 결합부(64)를 소성변형시킨다. 상기 돌출 결합부(64)가 소성변형에 의해 확장됨으로써 상기 돌출 결합부(64)가 상기 결합공(54)으로부터 하방으로 이탈되는 것이 방지되는 동시에 상기 백 요크(50)와 상기 중심 회전 부재(60)가 서로 고정된다. 이와 같은 상태는 도 5를 참조하여 잘 이해할 수 있다.

이와 같이 상기 백 요크(50)와 상기 중심 회전 부재(60)가 결합된 상태에서, 상기 중심 회전 부재(60)의 축공(62)을 상기 고정자(20)에 구비된 회전축(26)에 베어링(70)을 매개로 회전가능하게 결합한다.

이와 같은 과정을 통하여 상기 고정자(20)와 상기 회전자(30)는 하나의 편평형 브러시리스 모터(10)를 구성한다. 상기 회전자(30)가 상기 회전축(26)을 중심으로 회전할 때 회전 밸런스를 조정하는 방법은 상기 중심 회전 부재(60)에 마이너스 보정을 한다. 마이너스 보정이란 상기 중심 회전 부재(60)의 일부를 연마하여 제거함으로써 편심 현상을 제거하는 것을 의미한다. 이 과정에서 상기 중심 회전 부재(60)의 일부가 연마에 의해 제거되더라도, 상기 중심 회전 부재(60)는 알루미늄 합금으로 구성되어 있으므로 부식에 민감하지 않다. 따라서, 종래에 백 요크를 연마하여 제거하는 경우에 비하여 회전자의 부식을 억제할 수 있으므로 내구성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기 중심 회전 부재(60)는 알루미늄 합금으로 구성되므로, 철계 소재로 이루어진 상기 백 요크(50)에 비하여 비중이 작아서 상기 회전자(30)의 중량이 감소하므로 상기 회전축(26)에 작용하는 힘이나 응력이 줄어들어서 상기 회전자(30)의 내구성이 향상되는 효과가 있다.

또한, 상기 중심 회전 부재(60)는 종래의 합성수지로 백 요크와 인서트 사출되는 구조에 비하여 제조비용이 절감되고 강성이 향상되는 장점이 있다.

상기 중심 회전 부재(60)의 상면에는 커버 부재(56)가 결합 될 수 있다. 상기 커버 부재(56)는 철계 소재의 박판으로 제조되어 알루미늄 합금으로 이루어진 상기 중심 회전 부재(60)를 보호하는 역할을 수행한다.

또한, 상기 중심 회전 부재(60)와 상기 백 요크(50)는 리벳팅, 접합, 용접, 볼팅, 강제 압입 등과 같은 다양한 결합 구조의 채용이 가능하므로 생산성이 향상되는 장점이 있다.

이와 같이 본 발명에 따른 편평형 브러시리스용 회전자 및 그 회전자를 포함한 편평형 브러시리스 모터는, 백 요크의 중앙 부분에 그 백 요크보다 비중이 작은 비철 금속 소재로 된 중심 회전 부재를 구비함으로써, 회전자의 중량이 감소하며, 회전 밸런스의 조정이 용이하고 내구성이 향상되며, 제조 비용이 절감되는 편평형 브러시리스 모터를 제공하는 효과를 제공한다.

이상, 바람직한 실시 예를 들어 본 발명에 대해 설명하였으나, 본 발명이 그러한 예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주 내에서 다양한 형태의 실시 예가 구체화될 수 있을 것이다.

10 : 편평형 브러시리스 모터
20 : 고정자
22 : 고정자 케이스
24 : 터미널
26 : 회전축
30 : 회전자
40 : 영구자석
50 : 백 요크
52 : 연결 고정부
54 : 결합공
56 : 커버 부재
60 : 중심 회전 부재
62 : 축공
63 : 연결 지지부
64 : 돌출 결합부
65 : 유동 방지턱
66 : 임펠러 구조
70 : 베어링
75 : 스페이서

Claims (7)

1. 한 평면상에 원형으로 이격되도록 배치된 복수의 영구자석;
   상기 영구자석을 고정하도록 도넛 형태의 판상 구조물로 형성되며 자기적으로 양호한 도체인 철계 소재로 형성된 백 요크; 및
   상기 백 요크의 중앙부위에 상기 백 요크에 고정되도록 배치되며, 베어링에 의해 회전축에 회전가능하게 결합되는 중심 회전 부재;를 포함하며,
   상기 중심 회전 부재는 상기 백 요크보다 비중이 작은 비철 금속으로 이루어진 것을 특징으로 하는 편평형 브러시리스용 회전자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 중심 회전 부재는 알루미늄 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 편평형 브러시리스용 회전자.
3. 제1항에 있어서,
   상기 백 요크로부터 상기 중심 회전 부재 쪽으로 돌출 배치되며, 상기 백 요크의 상면과 하면을 관통하는 결합공을 구비하며, 상기 백 요크의 내주를 따라 복수 배치된 연결 고정부; 및
   상기 중심 회전 부재에 형성되며 상기 결합공에 결합된 후 소성 변형에 의해 상기 결합공으로부터 이탈되지 않도록 가공된 돌출 결합부;를 포함한 것을 특징으로 하는 편평형 브러시리스용 회전자.
4. 제3항에 있어서,
   상기 돌출 결합부의 중심부에는 하방이 막힌 구멍이 형성된 것을 특징으로 하는 편평형 브러시리스용 회전자.
5. 제1항에 있어서,
   상기 백 요크와 상기 중심 회전 부재는 용접, 볼팅, 접착, 강제 압입 구조 중 어느 하나의 구조로 결합된 것을 특징으로 하는 편평형 브러시리스용 회전자.
6. 제1항에 있어서,
   상기 중심 회전 부재에는 고정자를 향해 공기를 유동시킬 수 있도록 임펠러 구조가 구비된 것을 특징으로 하는 편평형 브러시리스용 회전자.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 회전자를 포함한 편평형 브러시리스 모터.

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