KR101905270B1 - 워터펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 외부에서 냉각수를 공급받아 소정 부위로 공급하는 임펠러; 상기 임펠러와 결합하여, 상기 임펠러를 회전시키는 구동축; 상기 구동축의 외주연에 형성되는 회전자; 상기 회전자의 외측에 이격되어 배치되는 고정자; 상기 고정자의 일부를 감싸도록 형성되어 상기 고정자를 지지하고, 상기 고정자와 상기 회전자 사이에 격벽을 형성하며, 상기 구동축의 일단을 회전가능하게 지지하는 고정자 지지사출부; 상기 고정자 지지사출부가 내부에 수용되며, 일측에 제어부가 수용되는 수용공간이 형성되는 모터몸체부; 및 상기 모터몸체부의 수용공간에 배치되어, 상기 고정자에 인가되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하는 워터펌프를 제공한다.
본 발명에 따른 워터펌프에 의하면, 모터의 고정자와 이를 지지하는 지지부를 사출 성형하여 일체로서 형성시킴으로써, 오링(O-ring)을 하나만 사용하여 기밀을 유지할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 워터펌프에 의하면, 캔(CAN)을 사용함에 따라 불필요하게 발생하는 비용을 저감하며, 워터펌프 제조 절차를 간단하게 할 수 있다.

Description

워터펌프{Waterpump}

본 발명은 워터펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 동력 효율을 향상시키는 구조를 구비한 워터펌프에 관한 것이다.

워터펌프란 냉각수를 엔진 내부로 강제로 순환시키는 펌프 및 차량 내부의 전장품을 냉각 시켜주는 제품을 의미한다. 일반적으로, 자동차의 엔진과 같이 연료의 폭발력을 이용하여 동력을 얻는 기관은, 작동 중 고온의 열을 발생하게 된다. 이를 적절히 제어하지 못하면, 엔진 자체는 물론 인접하는 다른 기관에 대해서도 악영향을 미치게 된다. 따라서 위와 같은 열을 식혀주기 위한 수단으로서 냉각수가 필수적으로 사용된다.

워터펌프는, 엔진의 크랭크샤프트와 연결된 벨트에 의해 강제 구동되어 펌프 내부의 임펠러를 회전시키는 타입이 있고, 자체적으로 구비하는 모터로부터 구동력을 받아 임펠러를 회전시키는 타입이 있다. 전자를 기계식 워터펌프, 후자를 전동식 워터펌프(EWP, Electric WaterPump)라고 하며, 친환경 자동차인 하이브리드 자동차, 전기 자동차, 수소 연료전지 자동차에서, 차량의 전력기기 냉각을 위해서, 위와 같은 전동식 워터펌프를 확대 적용하고 있다.

전동식 워터펌프는, 차량의 연비향상에 일조하고 있으며, 이에 따라 기존 기계식 워터펌프를 조금씩 대체하고 있는 실정이다. 하지만, 전동식 워터펌프 그 자체로서도 연비를 극대화시키는 데에는 한계가 있는 바, 구체적인 것은 후술한다.

전동식 워터펌프는, 모터의 구동을 위해서 제어부를 구비하고 있다. 이는 전기모터에 전력을 공급하고, 전력신호를 제어하기 위한 제어장치이다. 제어부가 모터를 제어하는 방식은, 회전자의 위치를 검출하는 위치센서를 사용하는 센서 제어방식, 위와 같은 위치센서를 사용하지 않고 모터 파라미터 등을 이용하여 회전자의 위치정보를 이용하는 센서리스 제어 방식이 있는데, 전동식 워터펌프에는 센서리스 제어 방식이 일반적으로 사용된다.

이 때, 제어부는 모터를 구동하면서 많은 열을 발생하게 된다. 제어부는 전선의 복합체로 이루어져 있어, 차량을 장시간 구동하면 상기 전선에서 전기 저항에 의한 전열이 꾸준히 발생하게 되는 것이다. 따라서 차량 구동을 위해서 엔진을 냉각수로 식혀주듯이, 상기 제어부도 식혀주는 구조가 반드시 필요하다.

위와 같은 구조로서, 캔(CAN)(1)이라는 기계부품을 이용한 전동식 워터펌프가 있다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 캔(1)을 워터펌프 모터의 회전자(2)와 고정자(3) 사이에 삽입하여, 캔(1)이 형성하는 냉각수로를 통해, 워터펌프 임펠러로 유입되는 냉각수가 상기 냉각수로를 통해 제어부(4)와 인접한 공간으로 유동하게 하여, 상기 제어부(4)를 냉각시킨다.

상기 캔을 구비하는 워터펌프는 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 캔은 임펠러에서 발생된 냉각수의 압력을 견딜 수 있을 정도의 강성을 지녀야 하므로, 강도를 견딜 수 있도록 상대적으로 두꺼운 두께를 가진다. 한편, 상기 캔은 회전자와 고정자 사이에 배치되어, 회전자와 고정자 사이에 Air Gap을 결정하는데, 상술한 바와 같이 상기 캔은 상대적으로 두꺼운 두께로 이루어질 수밖에 없으므로, Air Gap 역시 커지고, 이에 따라, 모터의 효율이 감소된다는 문제점을 가진다.

둘째, 상기 캔은 모터 본체부와 결합하면서 상단과 하단에서 각각 틈새를 발생시키므로, 도 2를 참조하면, 캔의 상단과 하단 모두에 모터 내부로 냉각수가 유입되지 않게 하기 위한 한 쌍의 오링(5)을 각각 장착해야 한다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 별도의 부품을 사용하지 않고 워터펌프 모터의 제어부를 안정적으로 냉각시킴과 동시에, 워터펌프 모터의 효율을 향상시키고, 모터를 포함한 워터펌프의 제조비용 절감 및 제조절차 간소화를 도모할 수 있는 워터펌프를 제공하는 데에 목적이 있다.

본 발명은, 외부에서 냉각수를 공급받아 소정 부위로 공급하는 임펠러; 상기 임펠러와 결합하여, 상기 임펠러를 회전시키는 구동축; 상기 구동축의 외주연에 형성되는 회전자; 상기 회전자의 외측에 이격되어 배치되는 고정자; 상기 고정자의 일부를 감싸도록 형성되어 상기 고정자를 지지하고, 상기 고정자와 상기 회전자 사이에 격벽을 형성하며, 상기 구동축의 일단을 회전가능하게 지지하는 고정자 지지사출부; 상기 고정자 지지사출부가 내부에 수용되며, 일측에 제어부가 수용되는 수용공간이 형성되는 모터몸체부; 및 상기 모터몸체부의 수용공간에 배치되어, 상기 고정자에 인가되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하는 워터펌프를 제공한다.

상기 모터몸체부는 상기 구동축의 타단을 회전가능하게 지지할 수 있다.

상기 구동축은 내부에 냉각수가 흐르는 유로가 형성될 수 있다.

상기 고정자는, 전류가 흐르는 코일; 상기 코일이 외측에 감기며, 상기 코일로부터 발생되는 자속이 통하는 철심코어를 포함할 수 있다.

상기 모터몸체부는, 상기 고정자 지지사출부가 내측으로 삽입되는 모터바디와; 상기 모터바디의 일측에 결합되며, 상기 모터바디의 반대측에 상기 제어부가 형성되는 수용공간이 형성되는 제어부바디를 포함할 수 있다.

상기 워터펌프는, 상기 고정자 지지사출부의 저면과 상기 제어부바디 사이에 형성되는 오링을 더 포함할 수 있다.

상기 워터펌프는, 상기 고정자 지지사출부와 상기 제어부바디 사이에 냉각수가 수용되는 냉각수수용공간이 형성될 수 있다.

상기 워터펌프는, 일단이 상기 고정자와 연결되고, 타단은 상기 제어부와 연결되며, 상기 고정자 지지사출부를 관통하여 형성되는 터미널을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 워터펌프에 의하면, 모터의 고정자와 이를 지지하는 지지부를 사출 성형하여 일체로서 형성시킴으로써, 오링(O-ring)을 하나만 사용하여 기밀을 유지할 수 있다. 또한 본 발명에 따른 워터펌프에 의하면, 캔(CAN)을 사용함에 따라 불필요하게 발생하는 비용을 저감하며, 워터펌프 제조 절차를 간단하게 할 수 있다.

도 1은 종래의 전동식 워터펌프에 포함되는 캔을 도시한 사시도이다.
도 2는 캔을 포함하는 종래의 전동식 워터펌프를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프의 결합관계를 도시한 분해도이다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프는, 임펠러(110), 구동축(120), 회전자(130), 고정자(140), 고정자 지지사출부(150), 모터몸체부(160), 제어부(170)를 포함한다.

상기 임펠러(110)는, 외부에서 냉각수를 공급받아 소정 부위로 공급한다. 더욱 상세하게는, 차량의 엔진 및 후술하는 제어부(170) 등으로 냉각수를 이송하여, 차량 부품으로부터 발생된 열을 냉각시킨다.

상기 구동축(120)은, 상기 임펠러(110)와 결합하여, 상기 임펠러(110)를 회전시킨다. 바람직하게는, 상기 구동축(120)은 상기 임펠러(110)의 하면 중심부에 결합한다. 상기 구동축(120)은, 내부에 냉각수가 흐르는 유로(120a)가 형성될 수 있다. 따라서 상기 구동측의 외주연에서 상기 제어부(170)측으로 흘러간 냉각수가 다시 상기 임펠러(110)로 유입되어, 워터펌프(100)의 외부로 토출될 수 있도록 한다.

상기 회전자(130)는, 상기 구동축(120)의 외주연에 형성된다. 회전자(130)는 모터에서 고정자(140)로부터 발생되는 자기장과 상호 작용함으로써 일정 방향으로 회전하는 부품이다. 상기 회전자(130)는 극성이 상이한 영구자석이 교번하게 배치되어 형성된다. 본 실시예에서는 영구자석이 사용되었으나, 전자석이 사용될 수 있음은 물론이다.

상기 고정자(140)는, 상기 회전자(130)의 외측에 이격되어 배치된다. 더욱 바람직하게는, 상기 고정자(140)는 상기 회전자(130)의 원주 바깥에서 상기 회전자(130)를 감싸도록 배치되어, 상기 회전자(130)로 균일한 자기장을 제공한다.

상기 고정자(130)는, 전류가 흐르는 코일(141), 상기 코일(141)이 외측에 감기며, 상기 코일로부터 발생되는 자속이 통하는 철심코어(142)를 포함할 수 있다. 상기 철심코어(142)로부터 발생하는 자속은 상기 회전자(130)의 외주면에 수직인 방향으로 형성된다. 이 때, 후술하는 제어부(170)가 전류의 방향을 바꿈으로써, 형성되는 자속의 방향을 바꿔서 상기 회전자(130) 및 상기 임펠러(110)의 회전방향을 제어할 수 있다.

상기 고정자 지지사출부(150)는, 상기 고정자(140)의 일부를 감싸도록 형성되어 상기 고정자(140)를 지지하고, 상기 고정자(140)와 상기 회전자(130) 사이에 격벽(150a)을 형성하며, 상기 구동축(120)의 일단을 회전가능하게 지지한다.

상기 고정자 지지사출부(150)는, 상기 고정자(140)의 일부를 감싸는 구조로 사출 형성된다. 상기 고정자 지지사출부(150)는 격벽(150a)을 형성한다. 상기 고정자 지지사출부(150)는, 상기 고정자(140)의 일부가 일체로 사출 형성되므로, 상기 격벽(150a)부분이 얇게 형성되어도 소정의 강도를 가질 수 있다. 이에 따라 모터의 출력밀도를 향상시킬 수 있으며, 동일한 출력을 내고자 하는 경우에는 모터의 크기를 축소시킬 수 있다. 또한 고정자(140)와 고정자 지지사출부(150)를 일체로 제작함으로써, 워터펌프(100)에 모터를 조립하는 공정을 간단하게 할 수 있다.

상기 고정자 지지사출부(150)의 저면에, 후술하는 오링(180)이 삽입될 수 있는 삽입홈이 형성될 수 있다. 상기 고정자 지지사출부(150)의 저면과, 후술하는 제어부바디(162)의 사이에 상기 오링(180)이 삽입되어 형성될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 지지사출부(150)의 상기 임펠러(110) 측 상부와, 후술하는 제어부바디(162)의 상기 회전자(130) 측 상부에는, 각각 제1 및 제2 관통홀(150c)이 형성될 수 있다. 상기 임펠러(110)로 유입된 냉각수가, 상기 제1 관통홀(150c)을 통해 모터의 내부로 유입되고, 유입된 냉각수가 냉각수수용공간(150b)으로 유입되어, 제어부(170)를 냉각할 수 있다. 유입된 냉각수는 상기 제2 관통홀(150c)을 통과하여 상기 유로(120a)로 빠져나간다. 이 때, 유입된 냉각수가 상기 회전자(130)와 직접 접촉되지 않게 하기 위해, 상기 회전자(130)의 외측에 별도의 밀폐막을 더 구비할 수 있다. 다만, 이는 어디까지나 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 관통홀(150c)이 아닌 다른 구조에 의해 냉각수가 유입될 수 있으며, 상기 회전자(130)가 밀폐막이 아닌 다른 구조를 통해 기밀성을 유지할 수 있다고 할 것이다.

상기 고정자 지지사출부(150)와 상기 구동축(120)의 사이에 베어링을 삽입 배치할 수 있다. 이에 따라, 상기 구동축(120)의 일단 및 타단, 더욱 자세하게는 상기 구동축(120)의 상단 및 하단을 회전가능하게 지지할 수 있다. 베어링은 외주면이 외부물체에 고정되고, 내주면이 축에 고정되어 상기 축이 외부물체에 고정된 채로 회전가능하게 하는 기계요소이다. 상기 베어링은 볼 베어링인 것이 바람직하나, 이는 일 실시예에 불과하며, 다양한 종류의 베어링이 본 발명의 워터펌프에 사용될 수 있다.

상기 모터몸체부(160)는, 상기 고정자 지지사출부(150)가 내부에 수용되며, 일측에 수용공간(160a)을 형성하여, 상기 제어부(170)가 수용될 수 있게 한다. 더욱 상세하게는, 상기 모터몸체부(160)는, 상기 고정자 지지사출부(150)가 내측으로 삽입되는 모터바디(161)와, 상기 모터바디(161)의 일측에 결합되며, 상기 모터바디(161)의 반대측에 상기 제어부(170)가 형성되는 수용공간이 형성되는 제어부바디(162)를 포함할 수 있다. 이는, 상기 모터몸체부(160)를 분리할 수 있게 함으로써, 모터의 조립을 쉽게 하기 위함이다.

상기 워터펌프(100)는, 상기 모터바디(161)의 상단에 결합하며, 상기 임펠러(110)를 내부에 수용하는 임펠러 커버(163)를 더 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 임펠러 커버(163)의 상부에는 냉각수가 흡입되는 흡입관이 형성될 수 있다.

상기 고정자 지지사출부(150)와 상기 제어부바디(162) 사이에 냉각수가 수용되는 냉각수수용공간(150b)이 형성될 수 있다. 상기 냉각수수용공간(150b)으로 유입된 냉각수가, 상기 제어부(170)와 인접한 공간으로 유동하게 하여, 상기 제어부(170)를 냉각시킨다. 상기 제어부(170)로부터 발생한 열을 흡수한 냉각수는, 이후 상기 유로(120a)를 통해 상기 임펠러(110)로 흘러나가게 된다.

상기 제어부(170)는, 상기 수용공간(160a)에 배치되어, 상기 고정자(140)에 인가되는 전원을 제어한다. 상기 제어부(170)가 모터를 제어하는 방식은, 회전자의 위치를 검출하는 위치센서를 사용하는 센서 제어방식, 위와 같은 위치센서를 사용하지 않고 모터 파라미터 등을 이용하여 회전자의 위치정보를 이용하는 센서리스 제어 방식이 있는데, 전동식 워터펌프에는 센서리스 제어 방식이 일반적으로 사용된다. 다만 이는 일 실시예에 불과하며, 본 발명의 고정자(140)를 제어하기 위한 방법으로서 여러 가지의 제어방식이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프(100)는, 오링(180)을 더 포함할 수 있다. 오링(O-ring)은 단면이 원형으로 되어 있는 탄성재료 링으로서, 밀봉작용을 하는 기계요소이다. 냉각기능을 수행하기 위해서 워터펌프(100) 내부로 유입되는 냉각수가, 전류가 공급되는 고정자(140)가 수용된 내부 공간으로 흘러들어갈 경우, 사고가 발생할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 상기 오링(180)을 배치한다.

종래의 전동식 워터펌프는 오링을 2개씩 사용하였으나, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프(100)는 오링(180)을 하나만 사용하여, 기밀성을 더욱 높일 수 있게 된다. 이는, 기존의 캔의 상부에 해당하는 부위가, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프(100)에서는 고정자 지지사출부(150)에 의해 사출되어 일체로서 형성됨으로써, 상기 캔의 상부에 배치되던 오링을 대체하기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프(100)는, 실링(150d)을 더 포함할 수 있다. 상기 실링(150d)은, 상기 임펠러 커버(163)의 내부로 유입된 냉각수가 상기 임펠러(110)의 회전력을 받아 외부로 토출될 시에, 토출되는 냉각수가 상기 모터바디(161) 및 고정자 지지사출부(150)의 사이로 스며드는 것을 방지한다. 또한 상기 실링(150d)은, 워터펌프(100) 외부에 존재하는 수증기가, 상기 모터바디(161) 및 고정자 지지사출부(150)의 사이로 스며드는 것을 방지한다. 상기 고정자(140)에는 전기가 통하므로, 상기 모터바디(161) 및 고정자 지지사출부(150)의 사이로 냉각수나 수증기가 유입될 경우, 감전사고가 발생할 수 있기 때문이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 워터펌프(100)는, 터미널(190)을 더 포함할 수 있다. 상기 터미널(190)은, 일단이 상기 제어부(170)와 연결되어 상기 제어부(170)로부터 전류를 공급받는다. 그리고 상기 터미널(190)은, 타단이 상기 고정자(140)와 연결되어, 공급받은 전류를 상기 고정자(140)로 인가한다. 이에 따라 상기 철심코어(142)의 주위로 감겨진 상기 코일(141)로 전류가 흘러, 상기 철심코어(142)가 자기장을 띄게 되고, 따라서 상기 회전자(130)가 회전할 수 있게 된다.

상기 터미널(190)은 고정자 지지사출부(150)를 관통하여 형성될 수 있다. 바람직하게는, 상기 터미널(190)은 냉각수가 누수될 염려가 없는 상기 오링(180)의 둘레 바깥쪽에 배치된다. 상기 터미널은 전류가 흐르는 금속 단자에 해당하며, 냉각수와 접촉될 경우 사고가 발생할 수 있기 때문이다.

상기 터미널(190)을 금형내에 삽입하여, 상기 고정자(140)와 함께 상기 고정자 지지사출부(150)를 사출 성형할 수도 있다. 이 경우, 터미널(190)만을 별도로 사출하여 제조할 필요가 없게 된다. 다만 이는 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 상기 터미널(190)을 상기 고정자 지지사출부(150)와 별도로 제작하여 상기 고정자 지지사출부(150) 및 상기 제어부바디(162)에 결합할 수도 있다.

100 : 워터펌프 110 : 임펠러
120 : 구동축 120a : 유로
130 : 회전자 140 : 고정자
141 : 코일 142 : 철심코어
150 : 고정자 지지사출부 150a : 격벽
150b : 냉각수수용공간 160 : 모터몸체부
160a : 수용공간 161 : 모터바디
162 : 제어부바디 170 : 제어부
180 : 오링 190 : 터미널

Claims (8)

1. 외부에서 냉각수를 공급받아 소정 부위로 공급하는 임펠러;
   상기 임펠러와 결합하여 상기 임펠러를 회전시키며, 내부에 상기 임펠러 측으로 냉각수를 토출시키는 유로가 형성된 구동축;
   상기 구동축의 외주연에 형성되는 회전자;
   상기 회전자의 외측에 이격되어 배치되는 고정자;
   상기 고정자의 일부를 감싸도록 형성되어 상기 고정자를 지지하고, 상기 고정자와 상기 회전자 사이에 격벽을 형성하며, 상기 구동축의 일단을 회전가능하게 지지하는 고정자 지지사출부;
   상기 고정자 지지사출부가 내부에 수용되는 모터바디와, 상기 임펠러의 반대측에 해당하는 상기 모터바디의 일측에 결합되며 상기 고정자 지지사출부와의 사이에 냉각수가 수용되는 냉각수수용공간이 형성되는 제어부바디를 포함하는 모터몸체부; 및
   상기 제어부바디의 내부에 수용되어, 상기 고정자에 인가되는 전원을 제어하는 제어부를 포함하되,
   상기 고정자 지지사출부는 상기 임펠러 측 상부에 상기 회전자 측으로 냉각수가 유입되는 제1관통홀이 형성되며, 상기 제어부바디는 상기 회전자 측 상부에 상기 유로와 냉각수수용공간을 연통하며 상기 냉각수수용공간으로 유입된 냉각수를 상기 유로로 공급하는 제2관통홀이 형성되는 워터펌프.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 모터몸체부는 상기 구동축의 타단을 회전가능하게 지지하는 워터펌프.
3. 삭제
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정자는, 전류가 흐르는 코일;
   상기 코일이 외측에 감기며, 상기 코일로부터 발생되는 자속이 통하는 철심코어를 포함하는 워터펌프.
5. 삭제
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정자 지지사출부의 저면과 상기 제어부바디 사이에 형성되는 오링을 더 포함하는 워터펌프.
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   일단이 상기 고정자와 연결되고, 타단은 상기 제어부와 연결되며, 상기 고정자 지지사출부를 관통하여 형성되는 터미널을 포함하는 워터펌프.

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