KR101975831B1 - 영구자석형 동기모터 구동식 연료펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 LPI 또는 LPDI 시스템에서 하프마그넷 브러시리스 DC 모터의 구동력으로 펌핑하는 연료펌프에 있어서: 회전자(31)에 복수의 마그넷(35)을 에어갭(33a)과 더불어 매립형으로 탑재하고, 샤프트(13)의 단부를 지지하는 베어링(21)에 스냅링(24)과 웨이브와셔(37)를 구비하는 모터유니트(30); 및 상기 모터유니트(30)의 샤프트(13)와 동심으로 결합되고, 3개의 챔버(45)를 사용하여 연료의 펌핑을 유발하는 펌프유니트(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 자동차의 LPG 연료를 공급하는 시스템에 희토류 BLDC 모터 구동식 펌프를 탑재하면서 경박단소 구조로 성능 개선과 더불어 소음 저감, 소비 전류 감소, 제조원가 절감을 구현하는 효과가 있다.

Description

영구자석형 동기모터 구동식 연료펌프 {Fuel pump having permanent magnet synchronous motor}

본 발명은 자동차의 연료펌프에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 자동차의 LPG 연료를 공급하는 시스템에 적용하기 위한 영구자석형 동기모터 구동식 연료펌프에 관한 것이다.

LPI(Liquid Propane Injection) 또는 LPDI(LPG Direct Injection) 시스템은 LPG 엔진에서 진화된 방식으로서, LPG 연료를 고압의 액상으로 유지하면서 엔진의 흡입구에 있는 인젝터를 이용하여 각 실린더로 분사해주는 장치이다. 이러한 연료펌프에 있어서도 BLDC 모터를 기반으로 하면서 경박단소 구조와 제조원가 축소를 구현함이 중요한 설계요소로 인식된다.

자동차의 BLDC 구동식 연료펌프와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1441367호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제1028129호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 스테이터 모듈의 내측에 사출되어 자력이 발생되는 이너 코어와; 스테이터 모듈의 외주연에 사출되어 이너 코어에서 발생하는 자력을 상호 통전시키는 아웃터 코어를 포함하며, 스테이터 모듈의 내측에 이너 코어가 각각 인서트 사출 성형되어 다수개로 분할된다. 이에, 희토류 금속을 대체하여 연료펌프의 원가가 절감되는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 코어슈들 사이에 권선을 위한 슬롯이 형성되는 고정자코어를 구비하고; 각 코어슈의 내측면에는 고정자코어의 길이방향을 따라 함몰되게 형성된 코어슈홈이 형성되며; 상기 코어슈홈은 코어슈의 중심을 관통하는 직선에 대하여 이격된 코어슈홈중앙선을 중심으로 형성된다. 이에, 내구성과 에너지 효율저하의 문제를 극복하고 우수한 작동특성을 제공하는 효과를 기대한다.

다만, 선행문헌 1에 의하면 LPI 또는 LPDI 펌프에서 높은 신뢰성과 내구성을 유지하기 미흡하고, 선행문헌 2에 의하면 회전자 코어의 영구자석 배치와 관련하여 원가절감을 위한 개선의 여지가 있다.

이외에, 국제공개공보 WO2004/073145호(선행문헌 3), 한국 등록특허공보 제1603662호(선행문헌 4) 등을 참조할 수 있다.

선행문헌 3은 모터 구동의 연료펌프에서 직류 모터(10)로 구동되는 샤프트(7). 연료펌프(1), 모터부(10)의 샤프트(7)와 연결된 펌프부(20)를 포함한다. 선행문헌 4는 회전자(10), 고정자, 고정자의 내부에서 회전축 상에 결합된 희토류 마그넷을(20)을 갖는 하프마그넷 타입의 BLDC 모터를 제시한다.

그러나, 상기한 선행문헌에 의하면 LPI 또는 LPDI 자동차 연료펌프에 적용하면서 경박단소 설계를 접목하기 위한 개선의 여지가 있다.

한국 등록특허공보 제1441367호 "차량의 BLDC 연료펌프용 스테이터부의 구조" (공개일자 : 2014.08.19.) 한국 등록특허공보 제1028129호 "유체펌프용 브러쉬리스모터" (공개일자 : 2010.07.06.) 국제공개공보 WO2004/073145호 "DC 모터 타입의 연료펌프" (공개일자 : 2004.08.26.) 한국 등록특허공보 제1603662호 "BLDC 모터 하프마그넷 구조의 토크리플 저감방법" (공개일자 : 2016.03.16.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 자동차의 LPG 연료를 공급하는 시스템에 희토류 자석을 탑재한 BLDC 모터 구동식 펌프를 사용하면서 경박단소 구조로 성능을 향상하고 제조원가를 절감하는 영구자석형 동기모터 구동식 연료펌프를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 LPI 또는 LPDI 시스템에서 하프마그넷 브러시리스 DC 모터의 구동력으로 펌핑하는 연료펌프에 있어서: 회전자에 복수의 마그넷을 에어갭과 더불어 매립형으로 탑재하고, 샤프트의 단부를 지지하는 베어링에 스냅링과 웨이브와셔를 구비하는 모터유니트; 및 상기 모터유니트의 샤프트와 동심으로 결합되고, 3개의 챔버를 사용하여 연료의 펌핑을 유발하는 펌프유니트;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트는 3개의 희토류 마그넷을 탑재하여 하프마그넷 브러시리스 DC 모터를 구성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트는 스큐 방식으로 적층된 코어에 비대칭형 에어갭을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트는 토크 변동에 대응하여 유도전압 위상과 전류 위상을 0~35˚ 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트는 설정된 회전속도 이상에서 약계자 제어로 구동하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 자동차의 LPG 연료를 공급하는 시스템에 희토류 BLDC 모터 구동식 펌프를 탑재하면서 경박단소 구조로 성능 개선과 더불어 소음 저감, 소비 전류 감소, 제조원가 절감을 구현하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 연료펌프를 종단 및 횡단한 상태로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 연료펌프를 종단 및 횡단한 상태로 나타내는 구성도
도 3은 종래와 본 발명의 연료펌프를 비교하여 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 연료펌프의 IPM 릴럭턴스 토크를 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 연료펌프의 약계자 제어를 나타내는 모식도
도 6 내지 도 8은 본 발명에 따른 연료펌프의 실험 데이터를 나타내는 도표

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 LPI 또는 LPDI 시스템에서 하프마그넷 브러시리스 DC 모터의 구동력으로 펌핑하는 연료펌프에 관하여 제안한다. 자동차의 LPI 또는 LPDI 시스템에 탑재되는 BLDC 모터 구동식 연료펌프를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 샤프트(13)는 후술하는 모터유니트와 펌프유니트를 일체로 연결한다.

한편, 도 1 및 도 2의 상태를 기준으로 모터유니트(10)가 위치한 부분을 상측으로 펌프유니트(40)가 위치한 부분을 하측으로 명명한다.

본 발명에 따르면 샤프트(13)의 단부를 지지하는 베어링(21)에 스냅링(24)과 웨이브와셔(37)를 구비하는 모터유니트(30)가 회전자(31)에 복수의 마그넷(35)을 에어갭(33a)과 더불어 매립형으로 탑재되는 구조이다.

종래의 연료펌프(도 1 참조)는 회전자(12)가 고정자(11)보다 외측에 배치되는 아우터-로터 구조인 반면, 본 발명의 연료펌프(도 2 참조)는 회전자(31)가 고정자(32)보다 내측에 배치되는 이너-로터 구조이다. 회전자(31)에 구비된 마그넷(35)은 네오디뮴(Nd) 등의 희토류 또는 동등 이상의 물성을 지닌 소재를 사용한다.

도 1에서, 회전자(12)가 링마운트(22)와 볼트(23)를 개재하여 샤프트(13)와 연결되고, 샤프트(13) 상에는 베어링(21), 스냅링(24), 오일웜(25), 스프링(26)이 장착된다. 반면, 도 2의 경우 회전자(31)가 샤프트(13)와 직결되므로 링마운트(22), 볼트(23)를 배제하는 동시에, 샤프트(13) 상의 오일웜(25)과 스프링(26)도 배제하여 경박단소 설계에 유리하다. 회전자(31)와 일체로 결합된 샤프트(13)는 베어링(21)의 하측으로 스냅링(24)을 상측으로 웨이브와셔(37)를 구비한다. 이에 따라, 본 발명의 연료펌프는 회전자(31)가 내측으로 배치되어 관성모멘트에 의한 요동(진동)이 축소되고, 고정자(32)의 코일이 외측으로 배치되어 종래와 같이 오일웜(25)을 이용한 복잡한 냉각이 불필요하다.

도 1(a)은 내측의 고정자(11)로 전선을 유입하기 위한 와이어실링(28)이 측면에 형성되지만, 도 2(a)는 외측의 고정자(32)로 전선을 유입하므로 상단에 와이어실링(28)이 상면에 형성된다.

도 2(b)는 코어(33)에 마그넷(35)을 매립한 IPM(Interior permanent magnet) 타입의 BLDC 모터를 예시하지만 이에 한정되지 않는다.

또, 본 발명에 따르면 3개의 챔버(45)를 사용하여 연료의 펌핑을 유발하는 펌프유니트(40)가 상기 모터유니트(30)의 샤프트(13)와 동심으로 결합되는 구조를 지닌다. 챔버(45)는 모터유니트(30)의 구동에 의한 샤프트(13)의 회전으로 연료의 펌핑을 수행한다. 상기 펌프유니트(40)는 다이아프램 방식의 경우 플란저 수량, 임펠러 방식의 경우 날개 수량, 사이클로이트 기어 방식 등을 적용할 수 있다. 소형/중형/대형 엔진 배기량 별로 필요한 연료 유량에 큰 차이가 발생된다. 펌프유니트(40)에 3개의 챔버(45)를 적용함은 경박단소 설계에 부합하면서 모터유니트(30)와 연계하여 성능적 개선을 도모한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트(30)는 3개의 희토류 마그넷(35)을 탑재하여 하프마그넷 브러시리스 DC 모터를 구성하는 것을 특징으로 한다. 종래의 도 1(b)를 참조하면 회전자(12)에 4개의 원호형 마그넷(15)이 인접하게 설치된 상태를 예시하고, 본 발명의 도 2(b)를 참조하면 회전자(31)에 3개의 직선형 마그넷(35)이 이격되게 설치된 상태를 예시한다. 이 경우 3개의 마그넷(35) 영역은 인접한 철심 영역과 더불어 6극(N)을 형성하므로 N/2개의 마그넷(35)을 지닌 하프 마그넷 방식 BLDC 모터를 구현할 수 있다. 종래의 12극의 절반에 해당되어 제어 측면에서 절반의 제어 주파수로도 동일한 회전을 구현할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트(30)는 스큐 방식으로 적층된 코어(33)에 비대칭형 에어갭(33a)을 구비하는 것을 특징으로 한다. 마그넷(35)의 수량이 축소되어 원가절감에 유리한 반면 토크리플이 증대되므로 설계변수 변경을 통한 보완을 요한다. 스큐 방식과 비대칭형 에어갭(33a)을 병용하면 토크리플을 최소화하면서 모터의 성능은 유지하는 최적화 설계에 유리하다. 도 2(b)에서 각각의 마그넷(35)의 양측으로 형성되는 에어갭(33a)은 d축으로 중심으로 대칭이면서 자석폭과 철심폭이 상이하여 특정 직선을 기준으로 비대칭으로 형성된다. 즉, 마그넷(35)의 중심을 지나는 d축을 중심으로 좌우 대칭을 이루지만 자석폭과 철심폭에 상이한 비대칭 구조로 형성하는 것이 성능과 토크리플을 절충하는 요체이다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트(30)는 토크 변동에 대응하여 유도전압 위상과 전류 위상을 0~35˚ 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다. d축과 q축의 인덕턴스 차이가 있으며 릴럭턴스 토크가 발생한다. 릴럭턴스 토크는 마그넷(35)의 자속에 티스가 끌려서 발생하는 힘에 의한 토크이다. 도 3(a)는 d축과 q축의 자기 저항이 동일한 상태를 나타내고, 도 3(b)는 인덕턴스 차이가 발생하는 상태를 나타낸다. 전체 토크(총 토크)를 T라 할 때 마그넷(35)에 의한 자석토크와 인덕턴스 차이에 의한 릴럭턴스 토크의 합이다.

여기서,

는 자석토크

는 릴럭턴스 토크를 나타낸다.

도 3(c)를 참조하면, 유도전압 위상과 전류 위상이 같을 때(전류 위상 제로) 토크의 합이 최대로 된다. 릴럭턴스 토크가 발생하지 않는 모터는 유도전압 위상과 전류 위상을 일치시킨다. 반면, 본 발명은 IPM 모터의 돌극성을 이용하여 전기각 제어시 위상차 제어하며, 자석 토크와 릴럭턴스 토크가 최대로 되도록 전류 위상 제어를 구현한다. 이러한 위상은 자석 토크와 릴럭턴스 토크의 크기에 따라 변화하므로 0~35˚의 범위내에서 최대토크가 발생되는 위상각으로 설정하는 것이 경박단소 구조의 연료펌프가 최적의 효율을 갖는데 바람직하다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 모터유니트(30)는 설정된 회전속도 이상에서 약계자 제어로 구동하는 것을 특징으로 한다. 추가적인 릴럭턴스 토크를 이용하여 최대 토크를 증대시킬 뿐만 아니라 하프마그넷 기술의 구조적인 특성으로 발생되는 큰 돌극성은 약자속 제어시 보다 큰 제어 범위를 제공한다. 도 4(a)에서 약계자 제어는 전류 위상을 진행하고 코일 자석에 의해 회전자(31)의 마그넷(35)에 반대 계자를 걸어 명백한 토크 상수(유기전압 상수)를 저하시킨다. 토크 상수가 내려가면 고속 회전이 가능하다. 전류 위상을 제어함으로써 토크 상수를 임의로 변경할 수 있다. 도 4(b)처럼 약계자를 이용하지 않는 경우 모터유니트(30)의 크기가 상대적으로 증대되고, 도 4(c)처럼 약계자 제어를 이용하는 경우 모터유니트(30)의 크기를 축소할 수 있다.

한편, LPI 또는 LPDI 시스템에 적용되는 연료펌프의 영구자석형 동기모터에서 토크리플이나 토크왜곡 현상이 발생되는 경우, d축 전류와 q축 전류 사이의 간섭이 전체 토크에 미치는 영향이 최소가 되도록 고정자(32)에 입력되는 d축, q축 전류의 조합을 변동한다.

본 발명의 경박단소 설계는 도 3을 통하여 검증된다. 도 3(a)에 나타내는 종래의 연료펌프는 폭 89㎜, 높이 114㎜인 반면, 도 3(b)에 나타내는 본 발명의 연료펌프는 폭 76㎜, 높이 101㎜이다. 전술한 것처럼 부품수가 대략 10% 정도 감소하여 경박단소의 설계가 가능해진다. 종래 및 본 발명의 연료펌프에 대한 세부 평가 데이터는 도 6 내지 도 8을 통하여 확인된다.

도 6에서, 부하별 회전속도를 대비하면 대략 8% 정도의 응답성 증가가 확인되고, 입력전류를 대비하면 대략 13.4% 감소하여 연비 증가가 확인된다. 도 7은 부하별 회전속도 및 입력전류의 대비를 나타내는 그래프이다. 이외에 전류밀도 감소에 의한 발열 감소, 코킹토크 감소에 의한 소음 저감, 입력전류 감소에 의한 효율 상승이 확인된다.

도 8에서, 연료펌프의 제1속에서 제5속에 이르기까지 토출유량의 변화는 동등한 수준으로 확인되고, 아우터-로터의 관성력과 원심력을 축소하여 소음이 대략 5% 정도 감소한 것으로 확인된다. 외형의 축소와 더불어 중량은 대략 10% 정도 감소되는 것으로 나타난다. 특히 최대(MAX DUTY) 토출유량에서 양산품 유량 이상으로 확인되었으며, 약자속 제어시 출력이 증대되는 수준을 실증하여 최대출력 증대가 가능함이 확인되었다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 모터유니트 11: 고정자
12: 회전자 13: 샤프트
15: 마그넷 21: 베어링
22: 링마운트 23: 볼트
24: 스냅링 25: 오일웜
26: 스프링 28: 와이어실링
30: 모터유니트 31: 회전자
32: 고정자 33: 코어
33a: 에어갭 35: 마그넷
37: 웨이브와셔 40: 펌프유니트
45: 챔버

Claims (5)

1. LPI 또는 LPDI 시스템에서 하프마그넷 브러시리스 DC 모터의 구동력으로 펌핑하는 연료펌프에 있어서:
   회전자(31)에 복수의 마그넷(35)을 에어갭(33a)과 더불어 매립형으로 탑재하고, 샤프트(13)의 단부를 지지하는 베어링(21)에 스냅링(24)과 웨이브와셔(37)를 구비하는 모터유니트(30); 및
   상기 모터유니트(30)의 샤프트(13)와 동심으로 결합되고, 3개의 챔버(45)를 사용하여 연료의 펌핑을 유발하는 펌프유니트(40);를 포함하여 이루어지되,
   상기 모터유니트(30)는 수직축을 중심으로 회전되는 3개의 희토류 마그넷(35)을 탑재하여 하프마그넷 브러시리스 DC 모터를 구성하고,
   상기 모터유니트(30)는 스큐 방식으로 적층된 코어(33)에 비대칭형 에어갭(33a)을 구비하며,
   상기 모터유니트(30)는 토크 변동에 대응하여 유도전압 위상과 전류 위상을 0~35˚ 범위로 유지하고,
   상기 모터유니트(30)는 설정된 회전속도 이상에서 약계자 제어로 구동하는 것을 특징으로 하는 영구자석형 동기모터 구동식 연료펌프.
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