KR102404090B1 - 팬 유닛 및 이를 가지는 청소기 - Google Patents

Abstract

콤팩트한 사이즈로 안정적 및 고효율의 팬의 구동을 실현함으로써, 높은 흡인력이 얻어지는 팬 유닛을 제공한다.
청소기에 장착되어 흡입력을 발생시키는 팬 유닛은, 동일한 회전축 상에 일렬로 배치되는 제1 팬 및 제2 팬과, 제1 팬 및 제2 팬을 구동하기 위한 구동모터를 포함한다. 제 2팬은 제 1팬과 반대되는 방향으로 회전하도록 구성된다.

Description

팬 유닛 및 이를 가지는 청소기{FAN UNIT AND CLEANER HAVING THE SAME}

본 발명은 공기의 유동을 효율적으로 발생시킬 수 있는 팬 유닛에 관한 것으로, 특히 청소기에 장착되는 팬 유닛에 관한 것이다.

종래, 배터리 전원을 사용하는 코드리스 스틱형 청소기에서는 일반적으로 브러시가 부착된 DC 모터가 사용되고 있었다. 이 DC 모터는 최대 회전수가 20,000rpm 정도로 낮고 또 콤팩트하기 때문에, 흡입 일률 등의 성능이 일반적인 캐니스터형(Canister) 청소기와 비교하여 아주 낮다(일반적으로 10~20W 정도)는 문제가 있었다.

이 때문에, 최근에는 브러시리스 DC 모터의 사용에 의해 높은 흡입 일률을 구현할 수 있는 코드리스 스틱형 청소기가 등장하고 있다. 이들 스틱형 청소기는 주로 내장된 배터리 전원으로, 70,000~100,000rpm 전후의 고속 회전으로 모터 구동할 수 있기 때문에 편리성이 높다.

또, 리튬 이온 전지의 성능이 향상됨에 따라, 소형 경량으로 대출력의 배터리를 공급받을 수 있게 되었기 때문에, 이러한 종류의 청소기의 수요가 증가하고 있다. 코드리스 스틱형 전기 청소기는 예를 들면, 특허문헌 1에 개시되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허공개 2015-159841호 공보

그러나, 특허문헌 1과 같은 기존의 스틱형 전기 청소기는 일반적인 청소기에 비해 운전시의 흡입 일률이 낮다는 문제가 있다.

즉 일반적인 캐니스터형 전기 청소기의 흡입 일률이 통상 180W 정도인데 비하여, 기존의 스틱형 전기 청소기의 흡입 일률은 강(强) 모드 운전이더라도, 통상 100W 정도여서 만족할 만한 성능이 얻어지고 있다고는 할 수 없다.

이 때문에, 스틱형 전기 청소기는 보조적으로 취급되고 있으며, 메인 청소기로는 여전히 캐니스터형 전기 청소기가 이용되고 있는 경우가 많다. 그 결과, 이들 2대의 청소기를 소유하는 사용자가 많은 것이 현 상황이지만, 소유하는 청소기는 스틱형 전기 청소기만으로 충분하도록 하는 것이 바람직하다.

이를 위해서는, 예를 들면 100W 이상의 높은 흡인 일률을 스틱형 전기 청소기에서 실현할 필요가 있지만, 특허문헌 1과 같은 종래의 구성에서는, 모터나 팬의 대형화를 피할 수 없어, 청소기의 중량이나 사이즈가 커지게 되어 취급하기 어려워진다는 문제가 있다.

따라서 본 발명의 목적은 팬과 그 구동원의 구조를 개선하여, 콤팩트한 사이즈로 안정적 및 고효율의 팬의 구동을 실현함으로써, 스틱형 전기 청소기에서 높은 흡인력이 얻어지는 팬 유닛을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 청소기는 팬 유닛을 포함하고, 상기 팬 유닛은 동일한 회전축 상에 일렬로 배치되는 제1 팬 및 제2 팬과, 상기 제1 팬 및 상기 제2 팬을 구동하기 위한 구동모터를 포함하고, 상기 제1 팬과 연결되는 제1 로터와, 상기 제2 팬과 연결되고, 원통 형상의 아우터 코어와, 상기 아우터 코어의 내주면에 결합되는 복수의 마그넷을 포함하는 제2 로터와, 상기 제1 로터와 상기 제2 로터 사이에 배치되는 스테이터를 포함하고, 상기 제 2팬은 상기 아우터 코어의 일 단부에 결합되고, 상기 제 1팬과 반대되는 방향으로 회전하도록 구성된다.

상기 제1 팬 및 상기 제2 팬 중에서 적어도 하나는 축류(軸流) 팬일 수 있다.

상기 제1 팬 및 상기 제2 팬 중에서 적어도 하나는 사류(斜流) 팬 또는 원심 팬 일 수 있다.

상기 제1 팬의 외경은 상기 제2 팬의 외경보다 작을 수 있다.

삭제

상기 제1 로터는 상기 스테이터의 반경 방향 내측에 위치하는 이너 로터이고, 상기 제2 로터는 상기 스테이터의 반경 방향 외측에 위치하는 아우터 로터일 수 있다.

삭제

상기 스테이터와 상기 제1 로터 사이에 제1 에어 갭이 형성되고, 상기 스테이터와 상기 제2 로터 사이의 제2 에어 갭이 형성되며, 상기 제1 에어 갭과 상기 제2 에어 갭 중 적어도 어느 하나의 크기는 상기 스테이터의 원주 방향을 따라 변할 수 있다.

상기 구동 모터는 단상(單相)의 브러시리스 DC 모터일 수 있다.

상기 청소기는 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터 중 어느 하나의 회전 위치를 검출하는 센서와, 상기 센서에 의해 검출되는 위치 정보에 따라 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터의 회전을 제어하는 프로세서를 포함할 수 있다.

상기 프로세서는, 상기 구동 모터의 초기 구동 시, 상기 스테이터에 유도 전류가 공급되도록 하여 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터가 각각 정해진(predetermined) 시작 위치에 배치되도록 제어할 수 있다.

상기 제1 로터와 상기 제2 로터가 각각 상기 시작 위치에 배치된 상태에서, 상기 제1 로터와 상기 제2 로터의 전기각은 모두 0°보다 크고 180°보다 작을 수 있다.

상기 프로세서는 상기 제1 로터와 상기 제2 로터가 각각 상기 시작 위치에 배치되기 전에, 상기 스테이터에 전류가 공급되도록 제어할 수 있다.

상기 제1 팬은 복수의 제1 날개를 포함하고, 상기 제2 팬은 상기 제1 팬과 이격되고, 복수의 제2 날개를 포함하며, 상기 제1 날개가 상기 구동모터의 구동축에 대해 경사지는 방향과 상기 제2 날개가 상기 구동모터의 구동축에 대해 경사지는 방향은 서로 다를 수 있다.

상기 청소기는 흡입구가 마련된 주행 유닛;과, 상기 주행 유닛에 연결된 조작 유닛을 더 포함하고, 상기 팬 유닛은 상기 조작 유닛의 내부에 배치되어, 상기 흡입구를 통해 먼지가 흡입되도록 흡입력을 발생시키고, 상기 팬 유닛은, 공기가 유입되는 유입구와, 상기 유입구로부터 유입된 공기가 배출되는 배기구를 가지는 케이스를 더 포함하고, 상기 제1 팬은 상기 제2 팬보다 상기 유입구에 더 가깝게 배치될 수 있다.

상기 제1 로터는 상기 스테이터의 내주면을 마주하도록 배치되고, 상기 제2 로터는 상기 스테이터의 외주면을 마주하도록 배치되고, 상기 제1 로터는 상기 구동축을 통해 상기 제1 팬과 연결될 수 있다.

삭제

상기 복수의 제1 날개는, 판 형상을 가지는 복수의 메인 날개와, 상기 메인 날개보다 짧은 길이를 가지는 복수의 서브 날개를 포함하며, 상기 복수의 메인 날개와 상기 복수의 서브 날개는 상기 제1 팬의 원주 방향을 따라 서로 교대로 이격 배치될 수 있다.

상기 복수의 제2 날개는 상기 복수의 제1 날개와 다른 방향으로 경사지게 배치될 수 있다.

상기 구동모터의 구동축이 연장되는 방향으로, 상기 제1 팬의 길이는 상기 제2 팬의 길이보다 클 수 있다.

본 발명의 팬 유닛에 따르면, 안정적 및 고효율의 팬의 구동을 실현할 수 있으며 고성능의 스틱형 전기 청소기의 제공이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스틱형 청소기를 나타낸 개략도이다.
도 2는 팬 유닛의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 팬 기구의 측면도이다.
도 4는 팬 기구 및 DC 모터를 수용하고 있는 전방부 케이스의 내부 구조를 나타낸 개략도이다.
도 5는 DC 모터의 횡단면도이다.
도 6은 이너 로터에 작용하는 토크(분력)를 나타낸 도면이다.
도 7은 아우터 로터에 작용하는 토크(분력)를 나타낸 도면이다.
도 8은 무통전(無通電) 시의 제1 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 무통전(無通電) 시의 제2 상태를 나타낸 도면이다.
도 10은 제1 상태로부터 기동한 경우의 각 로터에 작용하는 토크 변동을 나타낸 도면이다.
도 11은 제2 상태로부터 동한 경우의 각 로터에 작용하는 토크 변동을 나타낸 도면이다.
도 12는 기동 시작 위치의 상태를 나타낸 도면이다.
도 13은 이너 로터의 기동 시작 위치(안정점)를 나타낸 도면이다.
도 14는 아우터 로터의 기동 시작 위치(안정점)를 나타낸 도면이다.
도 15는 기동 시작 위치부터 기동한 경우에서의, 각 로터에 작용하는 토크 변동을 나타낸 도면이다.
도 16은 이중 반전 팬의 풍량-정압 특성의 측정 결과를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 의거하여 상세하게 설명한다. 단, 이하의 설명은 본질적으로 예시에 불과하고, 본 발명, 그 적용물 혹은 그 용도를 제한하는 것이 아니다. 한편, 이하의 설명에 있어서, "전방"은 청소기의 흡입구측을 나타내고 "후방"은 청소기의 손잡이측을 나타내는 것으로 한다.

도 1에, 본 발명의 팬 유닛을 적용한 청소기(100)를 나타낸다. 이 청소기(100)는 핸디한 형태의 스틱형 청소기이며 (간단히 청소기(100)라고도 함), 주행부(101)와 조작부(102)로 구성된다.

주행부(101)는 바닥면 등의 위를 주행하는 부분이고, 그 하면에, 먼지를 빨아 들이는 흡입구(101a)가 형성된다. 주행부(101)의 상부에는 빨아 들인 먼지를 수용하는 더스트 박스(10lb)가 탈착 가능하게 구비된다.

조작부(102)는 주행부(101)의 후방부에 굴곡 가능하게 연결된 스틱 형상의 부분이며, 그 후단부에는 손잡이(102a)가 설치된다. 조작부(102)의 하부에, 팬 유닛(1)이나 배터리(8) 등이 수용된다. 배터리(8)는 선단에 플러그(8a)가 부착된 전원 코드를 통하여 충전 가능하게 구성된다 (사용하지 않을 때에는 전원 코드는 조작부(102)에 수용된다). 팬 유닛(1)은 배터리(8)로부터 전력을 공급받아서 작동하고, 공기의 유동을 형성하여, 흡입구(101a)로부터 먼지를 빨아 들이는 흡입력을 발생시킨다.

팬 유닛(1)은 스틱 형상의 조작부(102)에 수용될 수 있는 컴팩트(소형) 형상으로, 강력한 흡입력(송풍력)이 효율적으로 얻어지도록, 그 구조가 고안되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 팬 유닛(1)은 1개의 흡입구(2)가 전단에 마련되고, 복수개의 배기구(11f)가 후단에 마련된 모터 케이스(11)를 가진다. 모터 케이스(11)의 내부에, 흡입구(2)로부터 공기를 빨아 들여서 배기구(11f)로부터 공기를 배출하는 송풍로(15)가 형성된다. 송풍로(15)에, 팬 기구(5), DC 모터(4), 전장품 수용부(6)가 DC 모터(4)의 회전축(O)을 따라서 앞에서부터 순차로 나란히 배치된다.

모터 케이스(11)는 팬 기구(5) 및 DC 모터(4)를 덮는 전방부 케이스(11a)와, 전방부 케이스(11a)의 후방측에 연결되는 중간 케이스(1lb)와, 중간 케이스(1lb)의 후방측에 연결되는 후방부 케이스(11c)를 구비한다.

전방부 케이스(11a)는 예를 들면, 절연성 재료로 형성 또는 피복되어 있으며, 이에 따라 DC 모터(4)와의 사이에서 절연 거리를 유지하여 안전성을 확보할 수 있다. 중간 케이스(1lb)는 예를 들면 알루미늄제로, 전장품 수용부(6)의 전방측을 덮도록 구성된다. 전장품 수용부(6)의 후방측은 후방부 케이스(11c)에 의해 덮여 있다. 후방부 케이스(11c)에는 복수개의 배기구(11f)가 그 둘레 방향을 따라 동일한 간격으로 이격 형성된다.

팬 기구(5), DC 모터(4), 전장품 수용부(6)는 모두 동일한 외경 Φ1 (예를 들면, Φ1=70mm)을 가지며, 길이가 H(예를 들면, H=110mm)인 모터 케이스(11)로 덮여짐으로써, 일체로 구성된다.

도 3 및 도 4에, 팬 기구(5)를 나타낸다. 팬 기구(5)는 회전축(O)을 중심으로 전후 방향으로 직렬로 나란히 배치된, 제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)으로 구성된다. 구체적으로는, 제1 팬(5a)은 제2 팬(5b)보다 송풍로(15)의 상류측에 위치하고 제1 팬(5a)의 후방측에 제2 팬(5b)이 배치된다.

팬 기구(5)에서는, 형상이 상이한 2개의 팬의 조합에 의해 정압을 높임으로써, 강력한 흡인력이 얻어지게 된다.

제1 팬(5a)은 원추대 형상의 외관을 갖는 원심 팬이다. 제1 팬(5a)은 베이스부(51), 복수개의 메인 날개(52) 및 복수개의 서브 날개(53)를 가진다. 베이스부(51)는 그 중심에, 축 구멍이 형성된 보스부(51a)를 가진다. 베이스부(51)의 표면(전면)은 보스부(51a)로부터 반경 방향 외측으로 외측 가장자리부를 향함에 따라서 아래로 경사지는 경사면으로 마련된다. 베이스부(51)의 표면에는 복수개의 메인 날개(52)와 서브 날개(53)가 둘레 방향으로 번갈아 나란히 형성된다.

각 메인 날개(52)는 사각 판 형상을 가지며, 둘레 방향으로 소정의 간격을 두어 베이스부(51)의 표면에 세워져 형성된다. 각 메인 날개(52)는 베이스부(51) 중심의 보스부(51a)로부터 외측 가장자리부를 향하여 제1 팬(5a)의 회전 방향과 같은 방향으로, 비스듬히 경사지게 연장되도록 배치된다. 또한, 각 메인 날개(52)는 베이스부(51) 중심의 보스부로부터 외측 가장자리부를 향하여 점차로 만곡되게 비틀어져 있으며, 중심부의 측이 외측 가장자리부의 측보다도 베이스부(51)의 표면에 대하여 더 경사진 상태 (누운 상태)로 마련된다.

각 서브 날개(53)는 삼각 판 형상을 가지며, 베이스부(51)의 표면에 있어서의, 인접하는 2개의 메인 날개(52)의 사이에 세워져 형성된다. 각 서브 날개(53)는 메인 날개(52)보다 길이가 짧게 형성되며, 베이스부(51)의 외측 가장자리부로부터 중심부를 향함에 따라, 메인 날개(52)와 동일하게 경사진 상태로 연장된다.

제2 팬(5b)은 환 형상의 외관을 갖는 축류 팬이다. 제2 팬(5b)은 베이스부(56) 및 복수개의 축류 날개(57)를 가진다. 베이스부(56)는 두께가 있는 환 형상을 가지며, 그 중심에, 직경이 큰 축 구멍(56a)이 형성된다. 각 축류 날개(57)는 사각 판 형상을 가지며, 베이스부(56)의 외주 단면에, 둘레 방향으로 소정의 간격을 두어 세워져 형성된다.

각 축류 날개(57)는 베이스부(56)의 외주 단면에 있어서의, 전방측의 가장자리로부터 후방측의 가장자리를 향하여 제1 팬(5a)의 회전 방향과 다른 방향(제1 팬(5a)의 메인 날개(52) 및 서브 날개(53)와는 역방향)으로, 비스듬히 경사지게 연장되도록 배치된다. 또한, 각 축류 날개(57)는 그 중간 부분이 전방측으로 돌출하도록, 완만하게 만곡된다.

즉 제1 팬(5a)의 각 메인 날개(52) 및 각 서브 날개(53)의 회전 중심에 대하여 경사지는 방향과, 제2 팬(5b)의 축류 날개(57)의 회전 중심에 대하여 경사지는 방향은 서로 역방향으로 마련된다 (이중 반전 팬).

제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)의 크기와 관련하여, 회전축(O)이 연장되는 방향(전후 방향)의 길이는 제1 팬(5a)이 제2 팬(5b)보다 크게 형성되고 (L1>L2), 외경은 제2 팬(5b)이 제1 팬(5a)보다 크게 형성된다 (D2>D1).

제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)을 이러한 크기로 형성함으로써, 제1 팬(5a)에서 발생한 공기류를 원활하게 제2 팬(5b)으로 유도할 수 있고, 흡입 성능(송풍 성능)을 향상시킬 수 있다.

도 4에 나타낸 바와 같이, 제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)은 전방부 케이스(11a)의 전방측에 수용된다. 전방부 케이스(11a)는 제1 팬(5a)을 수용하는 제1 부재(11a1)와, 제2 팬(5b) 및 DC 모터(4)를 수용하는 제2 부재(11a2)를 가진다. 제1 부재(11a1)는 제1 팬(5a)에 대응한 원추대 형상으로 형성되며, 제2 부재(11a2)는 원통 형상으로 형성된다.

제1 부재(11a1)가 접속되는 제2 부재(11a2)의 전단부에는 제1 팬(5a)과 제2 팬(5b) 사이에 배치되는 지지 벽부(11a3)가 형성된다. 지지 벽부(11a3)의 중심에는 봉 형상의 축(21)이 삽입 통과되는 개구가 형성된다. 축(21)은 상기 개구의 내측에 끼워맞춰진 이너 베어링(21a)을 통하여, 회전축(O)을 중심으로 회전 자유롭게 지지된다.

지지 벽부(11a3)로부터 전방으로 돌출한 축(21)의 선단부가 보스부(51a)의 축 구멍에 삽입됨으로써, 축(21)에 제1 팬(5a)이 고정된다. 지지 벽부(11a3)의 외주부에는 송풍로(15)를 구성하는 개구(11a4)가 형성된다.

제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)은 1:1의 회전 비율로 서로 역방향으로 회전하고, 공기의 유동에 의한 에너지 손실을 억제하여 높은 흡입력이 얻어지도록 설계되어 있다.

즉 제1 팬(5a)의 회전으로 흡입구(2)로부터 흡인된 공기는 선회하면서 그 반경 방향 외측으로 안내되고, 개구(11a4)를 통하여 제2 팬(5b)으로 유도된다. 제2 팬(5b)으로 유도된 공기의 흐름은 다시, 제2 팬(5b)의 회전에 의해 반대의 선회력이 가해짐으로써 정류되고, 공기 흐름의 선회 성분이 상쇄된다. 이에 따라, 공기의 흐름은 직진 성분만 남게 되고, 직선적인 공기의 흐름이 형성된다. 그 결과, 선회에 따른 에너지 손실이 경감되어, 정압을 높일 수 있다.

이들 제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)의 회전은 DC 모터(4)에 의해 구동된다.

제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)을 회전 구동하여 강력한 흡입력을 발생시키기 위해서는, 모터 출력의 증가가 필수적이다. 그 결과, 배터리(8)의 소비가 커지고, 1회의 충전으로 운전할 수 있는 시간이 적어져 사용 편리성이 저감될 우려가 있다.

따라서, 본 발명의 팬 유닛(1)에서는 콤팩트한 사이즈로 높은 효율이 얻어지도록, DC 모터(4)가 고안되어 있다. 즉 도 4나 도 5에 나타낸 바와 같이, DC 모터(4)는 브러시리스 모터이며, 1개의 스테이터(4c)와 2개의 로터로 구성된다 (듀얼 로터). 구체적으로는, DC 모터(4)에는 이너 로터(4a)와 아우터 로터(4b) 및 스테이터(4c)가 구비된다.

이너 로터(4a)와 아우터 로터(4b)의 회전은 예를 들면, 3상에 의한 구동이라면 1:2이나 2:1 등, 다른 회전 비율로 서로 역방향으로 회전하도록 설계할 수 있지만, 본 실시형태에서는 간소한 구조를 실현하기 위하여, 단상에 의한 구동이 적용되고 있으며, 고정된 1:1의 회전 비율로, 이너 로터(4a)와 아우터 로터(4b)가 원활하고도 효율적으로 서로 역방향으로 회전(상반 회전)하도록 설계된다.

이너 로터(4a)는 자화된 직경이 작은 원주 형상의 자성체로 이루어진다. 이너 로터(4a)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 2개의 N극과 2개의 S극이 둘레 방향으로 번갈아 배치되도록 자화된다. 즉 이너 로터(4a)의 극수는 4극이다. 이너 로터(4a)의 외주면의, 축방향에서 본 횡단면은 진원이며, 회전축(O)으로부터 그 외주면까지의 거리는 일정하다.

이너 로터(4a)의 중심에는 관통 구멍이 형성된다. 상기 관통 구멍에는 축(21)의 기단부가 삽입 고정된다. 이에 따라, 이너 로터(4a)는 축(21)을 통하여 제1 팬(5a)과 일체로 연결된다.

스테이터(4c)는 회전축(O)을 중심으로, 축방향 단면의 두께가 두꺼운 원통 형상으로 이루어지고, 모터 케이스(11)에 고정된다. 스테이터(4c)는 4개의 요소 코어(4c1)와 4개의 코일(4c2) 등으로 구성된다.

각 요소 코어(4c1)는, 이너 로터(4a)와 대향한 상태로 둘레 방향으로 연장되는 원호 형상의 내측 티스부(teeth)(41)와, 아우터 로터(4b)와 대향한 상태로 둘레 방향으로 연장되는 원호 형상의 외측 티스부(43)와, 스테이터(4c)의 반경 방향으로 연장되어 내측 티스부(41) 및 외측 티스부(43)를 연결하는 연결부로 구성된다. 내측 티스부(teeth)(41)는 스테이터(4c)의 반경 방향으로 외측 티스부(43)의 내측에 배치된다.

서로 인접하는 요소 코어(4c1)의 사이에는 4개의 슬롯(4c3)(와이어를 수용하는 공간)이 형성된다. 슬롯(4c3)을 통하여 각 연결부의 둘레에 감긴 와이어에 의해 각 코일(4c2)이 형성된다. 각 요소 코어(4c1) 및 각 코일(4c2)은 수지에 매설됨으로써, 원통 형상으로 일체화 된다(몰드 형성). 내측 티스부(41)의, 이너 로터(4a)와 대향하는 내측 대향면, 및 외측 티스부(43)의, 아우터 로터(4b)와 대향하는 외측 대향면은 모두 수지로부터 노출된다.

스테이터(4c)의 외주면의 축 방향에서 본 각 외측 티스부의 외측 대향면의 횡단면은 진원이며, 회전축(O)으로부터 외측 대향면까지의 거리는 일정하다. 이에 비하여, 각 내측 티스부의 내측 대향면(단면 원호형상)의, 회전축(O)으로부터의 거리는 일정하지 않고, 둘레 방향의 일단측으로부터 타단측을 향하여 점차로, 회전축(O)으로부터의 거리가 작아지도록 형성된다.

이에 따라, 각 내측 티스부(41)의 내측 대향면과 이너 로터(4a)의 외주면과의 간격(이너 에어 갭)(d1)은 둘레 방향의 일단부 (도 5에서 반시계 방향의 선단부)에 있어서 가장 작고, 타단부에 있어서 가장 커지도록, 그 일단부로부터 타단부를 향하여 점차로 커지도록 구성된다. 각 이너 갭(d1)은 회전축(O)에 대하여 회전 대칭이 되도록 배치된다.

그 결과, 이너 로터(4a)는 이너 에어 갭(d1)이 작은 둘레 방향의 일단부측에서 더욱 자력을 받기 쉬워지므로, 일단부의 측, 즉 도 5에서 반시계 방향으로, 회전이 유도된다.

아우터 로터(4b)는 직경이 큰 원통 형상의 아우터 코어(4b1)와, 4개의 아우터 마그넷(4d)을 구비하고 있다. 그 축방향으로 아우터 코어(4b1)의 내주면의 단면은 진원이며, 그 내주면의 회전축(O)으로부터의 거리는 일정하다. 아우터 코어(4b1)의 상부에는 그 중심에 위치하는 보스부(4b1-1)와, 보스부의 반경 방향 외측에 배치된 팬 부착부(4b1-2)가 형성된다. 보스부(4b1-1)에는 축(21)보다도 약간 직경이 큰 통과 구멍이 형성되어 있으며 상기 통과 구멍을 통해 축(21)이 삽입된다.

팬 부착부(4b1-2)에는 제2 팬(5b)이 부착된다. 이에 따라, 아우터 로터(4b)는 아우터 코어(4b1)를 통하여, 제2 팬(5b)와 일체로 연결된다. 보스부(4b1-1)가 한 쌍의 베어링(46)을 통하여 지지 벽부(11a3)와 스테이터(4c)에 의해 지지됨으로써, 아우터 로터(4b)는 회전축(O)을 중심으로 회전 자유롭게 된다.

한 쌍의 베어링(46)은 회전축(O)과 직교하는 방향에서 볼 때, 제2 팬(5b)의 적어도 일부와 겹치는 위치에 배치된다. 이에 따라, 레이아웃성을 향상시키면서 제2 팬(5b)의 회전을 안정화시킬 수 있다.

각 아우터 마그넷(4d)은 아우터 코어(4b1)의 내주면에, 둘레 방향을 따라 등간격으로 배치된다. 각 아우터 마그넷(4d)은 2개의 N극과 2개의 S극이 둘레 방향으로 번갈아 배치되고, 같은 극이 서로 대향한다. 즉 아우터 로터(4b)의 극수는 4극이다.

각 아우터 마그넷(4d)은 둘레 방향의 일단측으로부터 타단측을 향하여 두께(반경 방향의 크기)가 점차로 작아지도록 형성된다.

이에 따라, 각 아우터 마그넷(4d)의 내주면과 스테이터(4c)의 외주면 사이의 간격(아우터 에어 갭)(d2)이 둘레 방향의 일단부 (도 5에서 반시계 방향의 선단부)에 있어서 가장 작고, 타단부에 있어서 가장 커지도록, 그 일단부로부터 타단부를 향하여 점차로 커지도록 구성된다. 각 아우터 에어 갭(d2)은 회전축(O)에 대하여 회전 대칭이 되도록 배치된다.

그 결과, 아우터 로터(4b)는 아우터 에어 갭(d2)이 작은 둘레 방향의 일단부측에서 더욱 자력을 받기 쉬워지고, 이너 로터(4a)와는 반대의, 도 5에서 시계 방향으로, 회전이 유도된다. 회전하는 이너 로터(4a)와 아우터 로터(4b)가 회전하지 않는 스테이터(4c)에 대하여 내외에 배치되어 있기 때문에, 이너 로터(4a)의 회전 방향과 아우터 로터(4b)의 회전 방향이 반대가 된다.

이와 같이 이너 로터(4a)와 아우터 로터(4b)가 서로 역방향으로 회전이 유도되기 때문에, 상반 회전이 원활하게 유도될 수 있고, 효율성이 향상된다.

또한, DC 모터(4)의 생산성도 향상된다. 즉 내외의 에어 갭(d1, d2)을 불균일하게 하기 위하여, 내측에서는 요소 코어(4c1)의 내측 티스부(41)의 형상을 조정하고, 외측에서는 요소 코어(4c1)의 외측 티스부(43)의 형상을 조정하는 것이 아니라, 아우터 마그넷(4d)의 형상을 조정했다. 이에 따라, 비교적 간단한 작업으로, 내외의 에어 갭(d1, d2)을 정밀도 높게 구성할 수 있다.

DC 모터(4)는 자력을 갖는 2 개의 로터를 가진다. 이 때문에, 비여자(非勵磁) 상태에 있어서, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b) 각각에는 스테이터(4c)에 기인하는 코깅 토크와는 별도로, 서로의 자력에 의해 생기는 토크(자기 기어 토크)가 작용한다. 또한, 회전 구동 시에는 코일(4c2)의 여자(勵磁)에 의해 발생하는 여자 토크도 작용한다.

도 6 및 도 7에, 회전 구동 시, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)에 작용하는 토크의 분력을 나타낸다. 도 6은 이너 로터(4a)에 작용하는 분력을 나타내고, 도 7은 아우터 로터(4b)에 작용하는 분력을 나타내고 있다.

이너 로터(4a)에는 코일(4c2)의 여자(勵磁)에 기인하여 발생하는 여자 토크 TIi, 자성을 갖는 스테이터(4c)와의 사이에서 구조적으로 발생하는 코깅 토크 TIc, 아우터 로터(4b)와의 사이에서 구조적으로 발생하는 자기 기어 토크 TIO가 작용한다. 따라서, 회전 구동 시, 이너 로터(4a)에 작용하는 토크 TI(θI)는 다음과 같이 표현된다.

TI(θI)=TIi(θI)+TIc(θI)+TIO(θO)

θI: 이너 로터(4a)의 전기각, θO: 아우터 로터(4b)의 전기각

아우터 로터(4b)도, 마찬가지로, 코일(4c2)의 여자(勵磁)에 기인하여 발생하는 여자 토크 TOi, 자성을 갖는 스테이터(4c)와의 사이에서 구조적으로 발생하는 코깅 토크 TOc, 이너 로터(4a)와의 사이에서 구조적으로 발생하는 자기 기어 토크 TOI가 작용한다.

따라서, 회전 구동 시, 아우터 로터(4b)에 작용하는 토크 TO(θO)는 다음과 같이 표현된다.

TO(θO)=TOi(θO)+TOc(θO)+TOI(θI)

따라서, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b) 각각은 통전(通電) 시에는 이들 토크 TI(θI) 및 토크 TO(θO)의 작용으로 회전하게 된다.

그리고, 무통전(無通電) 시에는 코깅 토크와 자기 기어 토크의 작용으로, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)는 정지하지만, 본 실시예에 따른 DC 모터(4)의 경우, 그 정지 위치로 두 개의 위치가 존재한다.

구체적으로는 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)는 도 8에 나타낸 위치(제1 자연 정지 위치)와, 도 9에 나타낸 위치(제2 자연 정지 위치)의 두 위치에서 균형이 잡혀서 정지한다. 구체적으로는, TI(θIa)=TIc(θIa)+TIO(θOa)=0, TO(θOa)=TOc(θOa)+TOI(θIa)=0이 되는, 전기각 θIa 및 θOa의 위치에서 정지한다.

제1 자연 정지 위치로부터 DC 모터(4)를 기동한 경우에 있어서의 토크 TI(θI) 및 토크 TO(θO)의 변화를 도 10에 나타낸다. 이 도면에서는 적정한 방향으로 회전시키는 토크를 양(+)으로 나타내고 있다(이하의 도면도 마찬가지). 도 10에 나타낸 바와 같이, 제1 자연 정지 위치로부터 DC 모터(4)를 기동한 경우, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)에 작용하는 토크는 모두 양(+)이 된다. 즉 이 경우, 상반 회전하는 방향으로 토크가 작용한다.

제2 자연 정지 위치로부터 DC 모터(4)를 기동한 경우에 있어서의 토크 TI(θI) 및 토크 TO(θO)의 변화를 도 11에 나타낸다.

도 11에 나타낸 바와 같이, 제2 자연 정지 위치로부터 DC 모터(4)를 기동한 경우, 이너 로터(4a)에 작용하는 토크는 음(-)이 된다. 즉 이 경우, 이너 로터(4a)에는 아우터 로터(4b)와 동일 방향으로 회전하는 토크가 작용한다.

즉 기동 시작 전에 이너 로터(4a)와 아우터 로터(4b)가 정지하는 위치에 의해, 이너 로터(4a)와 아우터 로터(4b)가 서로 역방향으로 회전하거나 동일 방향으로 회전할 수 있다.

만약, 로터가 1개인 일반적인 단상 모터라면, 정지점은 하나의 위치가 되기 때문에 안정되게 모터를 기동할 수 있고, 적어도 어느 한쪽의 에어 갭을 불균일하게 함으로써 로터를 일정 방향으로 회전시킬 수 있다.

또, 로터가 1개라면, 전기각으로 0도~180도의 사이에 로터가 위치할 때에 양의 전류(通電)를 통전하고, 180도~360도의 사이에 로터가 위치할 때에 음의 전류를 통전(通電)함으로써 로터를 연속하여 회전시킬 수 있다.

그러나, 로터가 2개인 경우, 양쪽의 로터 위치를 0도~180도 또는 180도~360도 중 어느 한쪽에 모두 배치되도록 하지 않으면, 양쪽의 로터를 일정 방향으로 회전시킬 수 없다.

따라서, 본 발명의 DC 모터(4)는 기동 시작 시에, 일정한 유도 전류를 흘려서 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)를 소정의 기동 시작 위치에 유도하고, 상기 기동 시작 위치부터 회전을 기동시키도록 구성된다.

구체적으로는, 유도 전류로서 예를 들면 -30A를 통전(通電)하고, 도 12에 나타낸 바와 같이, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)를 소정의 기동 시작 위치에 유도한다. 즉 도 13에 나타낸 바와 같이, 이너 로터(4a)는 토크가 제로가 되는 소정의 기동 시작 위치(θIb=7.1도)에 유도되고, 도 14에 나타낸 바와 같이, 아우터 로터(4b)도, 토크가 제로가 되는 소정의 기동 시작 위치(θOb=7.2도)에 유도된다.

이들 기동 시작 위치에 있어서의 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b) 각각에 작용하는 토크의 균형은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

TI(θIb)=TIi(θIb)+TIc(θIb)+TIO(θOb)=0

TO(θOb)=TOi(θIb)+TOc(θOb)+TOI(θIb)=0

또, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b) 양쪽이 일정 방향으로 회전하도록, 이들 기동 시작 위치는 추가적으로 0≤θIb<180, 0≤θOb<180 또는 180≤θIb<360, 180≤θOb<360을 만족하도록 설정된다. 이와 같이 설정함으로써, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)를 0도~180도 또는 180도~360도 중 어느 한쪽에 모두 배치되도록 할 수 있고, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)를 일정 방향으로 회전시킬 수 있다.

이와 같이 설정된 기동 시작 위치부터 기동시킨 경우에서의, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)에 작용하는 토크를, 도 15에 나타내었다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 전장품 수용부(6)에는 각종 콘덴서나 스위칭 소자 등의 전장품(6a)이 수용된다. 이들 전장품(6a)에 의해 DC 모터(4)를 구동하는 구동 회로(구동 프로세서)가 구성된다. 구동 회로에는 단상 구동 때문에, H-Bridge 회로가 채용된다. 통상, 2개의 로터를 구동하는 경우, 구동 회로에는 2개의 인버터가 필요하지만, 본 발명의 DC 모터(4)에서는 1개의 인버터만이 구동 회로에 배치된다.

구동 회로에는 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)의 적어도 어느 한쪽의 회전 위치를 검출하는 위치 센서(도시하지 않음)가 구비된다. 상기 위치 센서에 의해 검출되는 위치 정보에 의거하여 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)의 회전이 제어된다.

전장품 수용부(6)에는 보조 기판(38) 및 주 기판(61)이 전후 방향으로 간격을 두어 배치된다. 주 기판은 모터 케이스(11)의 후단부에 배치된다. 보조 기판(38)은 연결 부품(37, 37)을 통하여 DC 모터(4)에 지지되며, 모터 케이스(11)의 중간부에 배치된다.

보조 기판(38) 및 주 기판(61)은 각각 원형으로 마련된다. 보조 기판의 사이즈Φ2는 팬 기구(5)의 직경Φ1보다 작다(Φ2<Φ1). 따라서, 보조 기판(38)에 의해 공기의 흐름이 방해받는 것을 방지할 수 있다. 전장품(6a)은 이들 기판(38, 61)에 분산되어 부착된다. 이와 같이 나누어 배치한 기판을 이용함으로써, 대전류에의 대응이 용이하게 된다.

구동 회로에는 DC 모터(4)의 구동을 제어하여, 팬 유닛(1)을 작동시키는 제어 프로그램이 실장된다.

다음으로, DC 모터(4)의 구동 제어 및 팬 유닛(1)의 작동에 대하여 설명한다.

사용자가 스위치를 조작하여 청소기(100)의 운전이 개시되면, 구동 회로에 의한 제어에 의해, DC 모터(4)의 스테이터(4c)에 소정의 유도 전류가 공급된다. 이에 따라, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)는 소정의 기동 시작 위치에 유도된다.

그 후, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)를 기동 시작 위치에 정지시키고, 정지 후에 기동을 시작하면, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)를 기동 시작 위치에 위치 결정하기 위한 전류와 위치 결정한 상태로부터 기동시키는 전류가 필요하게 되어 전력 소비가 커진다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 팬 유닛(1)에서는 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)가 기동 시작 위치에 정지하기 직전에, 스테이터(4c)에 구동 전류가 공급되도록 한다. 이렇게 함으로써 과잉의 유도 전류에 의한 배터리(88)의 소모를 억제할 수 있고, 이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)를 원활하게 상반 회전시킬 수 있다.

이너 로터(4a) 및 아우터 로터(4b)가 회전하면, 이에 따라 제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)도 역방향으로 회전한다. 제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)의 회전 속도는 위치 센서에서 검출되는 위치 정보에 의거하여 제어된다. 제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)은 이중 반전 팬으로 구성되어 있기 때문에, 싱글 팬과 비교하여 고정압화(高靜壓化)를 실현할 수 있으며 높은 흡입력(송풍력)이 얻어진다.

팬 유닛(1)의 내부에서는 전장품 수용부(6)가 송풍로(15)의 일부를 구성하고 있기 때문에, 냉각 장치를 설치하지 않아도 전장품(6a)의 냉각 효과를 얻을 수 있다.

팬 유닛(1)이 채용하는 이중 반전 팬의 풍량-정압 특성을 측정한 결과를 도 16에 나타낸다. 비교예는 종래의 싱글 팬(실시형태에 있어서의 제1 원심 팬)이다. 이중 반전 팬은 싱글 팬과 비교하여, 풍량-정압 특성을 전체적으로 향상시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

기동을 안정화하기 위하여, 이너 로터(4a)의 기동 시작 위치(θIb)와 아우터 로터(4b)의 기동 시작 위치(θOb)의 차이는 작을수록 바람직하다.

에어 갭의 크기는 가장 좁은 부분과 가장 넓은 부분의 차이가 작으면, 유도 전류가 커지고, 감자(減磁)나 전류 리미트 등의 문제가 생길 수 있다. 한편, 그 차이가 크면, 자기 효율의 저하가 문제가 된다. 이 때문에, 에어 갭의 최대차는 이너 갭에서 2.2배, 아우터 갭에서 2.8배로 하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써, 유도 전류를, 감자(減磁)나 전류 리미트에 문제가 없는 -30A로 할 수 있다.

제1 팬(5a)은 원심 팬 대신에 사류 팬으로 해도 무방하다. 메인 날개(52)나 서브 날개(53), 축류 날개(57)의 개수는 사양에 따라서 선택할 수 있다. 제1 팬(5a) 및 제2 팬(5b)은 동일 방향으로 상이한 속도로 회전하도록 해도 무방하다.

팬 유닛(1)을 적용할 수 있는 것은 청소기(100)에 한정되지 않는다. 예를 들면, 에어컨 등의 공조 설비 등, 콤팩트하고 강력한 흡인력이나 송풍력이 요구되는 장치라면 적용 가능하다.

이상에서는 특정의 실시예에 대하여 도시하고 설명하였다. 그러나, 상기한 실시예에만 한정되지 않으며, 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상의 요지를 벗어남이 없이 얼마든지 다양하게 변경 실시할 수 있을 것이다.

1: 팬 유닛
4: DC 모터부 (구동부)
4a: 이너 로터
4b: 아우터 로터
4c: 스테이터
5: 팬 기구
5a: 제1 팬
5b : 제2 팬
11: 모터 케이스
15: 송풍로
100: 청소기
O: 회전축

Claims (20)

1. 팬 유닛을 포함하는 청소기에 있어서, 상기 팬 유닛은,
   동일한 회전축 상에 일렬로 배치되는 제1 팬 및 제2 팬과,
   상기 제1 팬 및 상기 제2 팬을 구동하기 위한 구동모터를 포함하고,
   상기 구동모터는,
   상기 제1 팬과 연결되는 제1 로터와,
   상기 제2 팬과 연결되고, 원통 형상의 아우터 코어와, 상기 아우터 코어의 내주면에 결합되는 복수의 마그넷을 포함하는 제2 로터와,
   상기 제1 로터와 상기 제2 로터 사이에 배치되는 스테이터를 포함하고,
   상기 제 2팬은 상기 아우터 코어의 일 단부에 결합되고, 상기 제 1팬과 반대되는 방향으로 회전하도록 구성되고,
   상기 스테이터와 상기 제1 로터 사이에 제1 에어 갭이 형성되고, 상기 스테이터와 상기 제2 로터 사이에 제2 에어 갭이 형성되며,
   상기 복수의 마그넷은 일정한 간격을 갖도록 상기 스테이터의 원주 방향 전체에 배열되고,
   상기 제2 에어 갭의 크기는 상기 복수의 마그넷 사이의 일정한 간격을 제외한 나머지 부분에서 상기 스테이터의 원주 방향을 따라 변하는 청소기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 팬 및 상기 제2 팬 중에서 적어도 하나는 축류(軸流) 팬인 청소기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 팬 및 상기 제2 팬 중에서 적어도 하나는 사류(斜流) 팬 또는 원심 팬인 청소기.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 팬의 외경은 상기 제2 팬의 외경보다 작은 청소기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 로터는 상기 스테이터의 반경 방향 내측에 위치하는 이너 로터이고,
   상기 제2 로터는 상기 스테이터의 반경 방향 외측에 위치하는 아우터 로터인 청소기.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 구동 모터는 단상(單相)의 브러시리스 DC 모터인 청소기.
8. 제5항에 있어서,
   상기 제1 로터 및 상기 제2 로터 중 어느 하나의 회전 위치를 검출하는 센서와,
   상기 센서에 의해 검출되는 위치 정보에 따라 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터의 회전을 제어하는 프로세서를 포함하는 청소기.
9. 제8항에 있어서,
   상기 프로세서는, 상기 구동 모터의 초기 구동 시, 상기 스테이터에 유도 전류가 공급되도록 하여 상기 제1 로터 및 상기 제2 로터가 각각 정해진(predetermined) 시작 위치에 배치되도록 제어하는 청소기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 로터와 상기 제2 로터가 각각 상기 시작 위치에 배치된 상태에서, 상기 제1 로터와 상기 제2 로터의 전기각은 모두 0°보다 크고 180°보다 작은 청소기.
11. 제9항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 제1 로터와 상기 제2 로터가 각각 상기 시작 위치에 배치되기 전에, 상기 스테이터에 전류가 공급되도록 제어하는 청소기.
12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 팬은 복수의 제1 날개를 포함하고,
    상기 제2 팬은 상기 제1 팬과 이격되고, 복수의 제2 날개를 포함하며,
    상기 제1 날개가 상기 구동모터의 구동축에 대해 경사지는 방향과 상기 제2 날개가 상기 구동모터의 구동축에 대해 경사지는 방향은 서로 다른 청소기.
13. 제1항에 있어서,
    흡입구가 마련된 주행 유닛;
    상기 주행 유닛에 연결된 조작 유닛을 더 포함하고,
    상기 팬 유닛은 상기 조작 유닛의 내부에 배치되어, 상기 흡입구를 통해 먼지가 흡입되도록 흡입력을 발생시키고,
    상기 팬 유닛은, 공기가 유입되는 유입구와, 상기 유입구로부터 유입된 공기가 배출되는 배기구를 가지는 케이스를 더 포함하고,
    상기 제1 팬은 상기 제2 팬보다 상기 유입구에 더 가깝게 배치되는 청소기.
14. 제12항에 있어서,
    상기 제1 로터는 상기 스테이터의 내주면을 마주하도록 배치되고,
    상기 제2 로터는 상기 스테이터의 외주면을 마주하도록 배치되고,
    상기 제1 로터는 상기 구동축을 통해 상기 제1 팬과 연결되는 청소기.
15. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 제1 날개는,
    판 형상을 가지는 복수의 메인 날개와,
    상기 메인 날개보다 짧은 길이를 가지는 복수의 서브 날개를 포함하며,
    상기 복수의 메인 날개와 상기 복수의 서브 날개는 상기 제1 팬의 원주 방향을 따라 서로 교대로 이격 배치되는 청소기.
16. 제 12항에 있어서,
    상기 복수의 제2 날개는 상기 복수의 제1 날개와 다른 방향으로 경사지게 배치되는 청소기.
17. 제 12항에 있어서,
    상기 구동모터의 구동축이 연장되는 방향으로, 상기 제1 팬의 길이는 상기 제2 팬의 길이보다 큰 청소기.
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

Images