KR102406274B1 - 액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 워터 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 워터 펌프에 관한 것이다.
본 발명의 워터 펌프(EWP)용 액시얼 갭 타입 전동기는 펌프 커버와 바디 케이스 사이의 유체 흐름 통로에 회전 가능하게 지지된 로터; 상기 바디 케이스와 어퍼 커버에 의해 형성되는 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터; 및 상기 바디 케이스의 상부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 격벽;을 포함하며, 상기 스테이터는 각각 코일이 권선되는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어를 포함하며; 상기 복수의 티스는 각각 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)로 이루어지고, 상기 백요크는 전기강판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 워터 펌프{Axial Gap Type Electric Motor and Electric Water Pump Using the Same}

본 발명은 액시얼 갭 타입 전동기에 관한 것으로, 상세하게는 액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 전동식 워터 펌프에 관한 것이다.

일반적으로, 차량에 적용되는 워터 펌프(water pump)는 냉각수를 순환시키는 기능을 하는 장치로서, 벨트에 의해 강제 구동되어 펌프 임펠러를 회전시켜 냉각수를 흡입 및 토출시킴으로써 냉각수를 순환시키는 구성을 가지고, 그 내부에는 냉각수의 유출 방지를 위해 실 유닛(seal unit)이 조립되어 구성되는 엔진 구동식 워터 펌프와, 배터리 등에서 제공하는 전기에 의하여 전동모터를 구동시키고, 상기 전동모터에 의하여 임펠러가 회전하여 냉각수를 흡입 및 토출함으로써 냉각수를 순환시키는 전동식 워터 펌프가 대표적으로 사용되고 있다.

그 중, 상기 전동식 워터 펌프는 상기 엔진 구동식 워터 펌프에 비하여 차량의 엔진 구동력을 요구하지 않기 때문에 상기 엔진 구동식 워터 펌프에 비하여 엔진 효율이 증대되고, 이에 따라 연비가 향상되는 장점을 가지고 있으며, 더 나아가 냉각수의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 장점을 제공하여 최근 다양한 차종에 널리 적용되고 있다.

또한, 전기자동차, 하이브리드 자동차 또는 연료전지 차량의 경우, 엔진 구동이 정지된 상태로 주행이 이루어지는 상황(하이브리드 자동차의 경우), 또는, 심지어 워터 펌프를 구동시킬 엔진이 구비되지 않은 상황(전기자동차, 연료전지 차량의 경우)이기 때문에 상기 엔진 구동식 워터 펌프에 비하여 전동식 워터펌프의 중요성이 갈수록 증대되고 있다.

한편, 상기 전동식 워터 펌프 중, 캔드 타입 전동식 워터 펌프(Canned Type Electric Water Pump)는 고정자(固定子)의 안쪽에 캔(CAN) 형상의 밀폐용 용기를 가진 전동기에 의해 구동되는 펌프로서, 로터와 스테이터 사이에 캔 구조물을 삽입하고, 수력부를 로터부까지 연장하여 상기 로터가 냉각수에 잠기도록 함으로써, 투입되는 물이 로터에서 발생되는 마찰열을 적절히 냉각시키는 구조로 이루어진다.

한국 등록특허공보 제10-0900120호(특허문헌 1)에는 액체를 흡입 배출하는 임펠러를 구비한 펌프부와, 상기 펌프부를 구동하는 모터부와, 상기 펌프부를 내장하는 케이싱과, 상기 모터부와 상기 펌프부를 격리하는 칸막이 판과, 상기 모터부를 보호하기 위해서 상기 모터부와 일체 성형된 몰드 수지를 구비하는 펌프가 제안되어 있다.

특허문헌 1의 종래 펌프 구조는 레이디얼(Radial) 방향으로 자석과 스테이트 코어가 위치하여 자석에 물이 유입되는 형태의 구조로서 스테이터(코어 권선부)에는 물이 유입되면 안되는 구조가 필요하여 방수용 캔(Can) 또는 사출물을 이용한 방수 구조를 가지고 있다. 그 결과, 로터와 스테이터 코어 사이의 에어 갭(Air gap)이 증대되어 자속 로스(Loss)가 많이 발생되어 일반 자석으론 원하는 펌프(모터) 용량을 맞추기 어렵기 때문에 일반적으로 고가의 희토류 자석을 많이 사용하고 있다.

일반적으로 워터 펌프(EWP), 컴프레셔, 오일 펌프 등에는 인너 로터(Inner rotor) 형태의 내전형 전동기를 채용하고 있으나 인너 로터형 모터일 경우 자석 단면적(즉, 유효면적)이 작아 희토류를 사용하면서 성능을 구현하고 있어 단가가 높다.

또한, 워터 펌프용 모터는 인너 로터형 모터로서 로터에 채용되는 희토류 자석(Nd-Fe-B)은 철 성분을 함유하고 있어 물과 접촉할 때 자석에 녹이 발생되는 문제가 있어 로터 부분도 방수 구조를 채용하고 있다. 따라서, 워터 펌프용 모터는 로터와 스테이터 사이의 에어 갭(Air gap)이 커져서 로터 자석으로 Nd 사용량을 증대시킬 수 밖에 없는 구조이다.

더욱이, 인너 로터형 모터에서 로터의 자석과 대향한 스테이터의 코어의 내측 슈(Shoe) 부분은 일반적으로 “라운딩(R)“ 처리가 되어 있지 않기 때문에 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형을 사인(sine) 곡선으로 만들지 못해 소음 및 진동에 문제가 있다. 즉, 일반적으로 코어의 내측이 센터를 기준으로 동심원을 이루도록 설계가 되어 있다. 따라서, 종래의 스테이터의 코어 구조는 별도로 소음 및 진동 문제를 개선하기 위한 보조 부품이나 설계가 필요하다.

이러한 진동 및 소음 발생을 개선하기 위해 종래에는 일반적으로 로터의 자석에 “R”을 주는 형태로 진행한다. 그러나, 자석이 세그먼트(segment) 구조일 경우는 문제가 없으나, 자석이 분할착자되는 일체형 구조인 경우는 “R" 형성이 불가능하다.

한편, 종래의 워터 펌프용 모터는 스테이터의 코어와 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB) 사이에 접지를 해서 EMC(Electro Magnetic Compatibility), EMI(Electro Magnetic Interference) 개선 효과를 보기 위해서는 별도 부품이 추가되어야 하는 문제가 있다.

: 한국 등록특허공보 제10-0900120호

본 발명은 이러한 종래 문제점을 감안하여 고안된 것으로, 그 목적은 로터와 스테이터 사이에 박판의 격벽을 이용하여 분리함에 따라 에어갭(air gap)을 줄이는 것이 가능하여 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할지라도 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 자기에너지를 갖는 액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 워터 펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 종축형 전동기의 스테이터 코어(티스)는 일반 전기강판(S-60)이 아닌 SMC(Soft Magnetic Composites)를 적용하여 전동기에서 발생되는 철손(Core Loss)을 최소화하도록 코어 형태를 최적화시킨 액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 워터 펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 SMC(Soft Magnetic Composites) 분말를 이용한 압축 성형방법으로 스테이터 코어의 티스를 제작함에 의해 코어(티스) 형상에 “R”을 형성하여 Back EMF(Electromotive Force) 파형을 사인 곡선(sine curve) 형태로 얻어지도록 하여 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있는 액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 워터 펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 간단한 구조로 방수를 위해 설계되어 완전 방수 구현이 가능한 액시얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 워터 펌프를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 워터 펌프(EWP)용 액시얼 갭 타입 전동기는 펌프 커버와 바디 케이스 사이의 유체 흐름 통로에 회전 가능하게 지지된 로터; 상기 바디 케이스와 어퍼 커버에 의해 형성되는 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터; 및 상기 바디 케이스의 상부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 격벽;을 포함하며, 상기 스테이터는 각각 코일이 권선되는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어를 포함하며; 상기 복수의 티스는 각각 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)로 이루어지고, 상기 백요크는 전기강판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 로터는 환형으로 배치된 복수의 자석; 및 상기 자석의 배면에 설치되어 자기회로를 형성하는 백요크;를 포함하며, 상기 로터는 임펠러의 하측에 일체로 형성되고, 상기 격벽에 일단부가 지지된 지지축에 회전 가능하게 지지될 수 있다.

이 경우, 상기 격벽은 상기 로터와 스테이터 사이의 에어갭(air gap)으로 역할을 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 펌프(EWP)용 액시얼 갭 타입 전동기는 상기 지지축의 외주에 결합되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 슬리브 베어링; 및 상기 임펠러의 하판에 일체로 형성되어 내부에 상기 슬리브 베어링을 수용하는 베어링 하우징;을 더 포함할 수 있다.

상기 스테이터는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어; 상기 복수의 티스 각각의 코일이 권선될 외주면을 감싸도록 일체로 형성되는 절연성 재질의 복수의 보빈; 및 상기 보빈의 외주면에 권선되는 코일;을 포함할 수 있다.

또한, 상기 복수의 티스는 각각 상기 코일이 권선되는 코일권선부; 및 상기 코일권선부로부터 플랜지가 연장 형성된 슈;를 포함하며, 상기 슈의 측면과 선단면 사이의 모서리와 슈의 선단면은 “라운딩(R)" 처리될 수 있다.

더욱이, 상기 코일권선부는 3각형 기둥으로 이루어지고, 상기 슈는 단면이 사다리꼴 형상으로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 복수의 티스는 각각 백요크의 조립구멍 또는 조립요홈에 압입결합될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 워터 펌프는 일측 및 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구를 갖는 펌프 커버; 상기 펌프 커버와 결합되어 펌프 커버 내부에 유체 흐름 통로를 형성하며, 하부공간을 갖는 바디 케이스; 상기 바디 케이스의 하단에 결합되어 상기 하부공간을 실링상태로 설정하는 어퍼 커버; 상기 유체 흐름 통로에 회전 가능하게 지지된 로터; 상기 로터의 상측에 로터와 일체로 형성되는 임펠러; 상기 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터; 및 상기 바디 케이스의 상부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 격벽;을 포함하며, 상기 스테이터는 각각 코일이 권선되는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어를 포함하며; 상기 복수의 티스는 각각 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)로 이루어지고, 상기 백요크는 전기강판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 펌프는 일측에 실링상태의 공간을 구비하고 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구가 유체 흐름 통로를 통하여 연결된 펌프 하우징; 상기 유체 흐름 통로에 회전 가능하게 지지된 로터; 상기 로터의 상측에 로터와 일체로 형성되는 임펠러; 상기 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터; 상기 펌프 하우징의 내부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 격벽; 및 상기 격벽에 일단부가 지지된 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 지지축;을 포함하며, 상기 스테이터는 각각 코일이 권선되는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어를 포함하며; 상기 복수의 티스는 각각 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)로 이루어지고, 상기 백요크는 전기강판으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 로터는 비희토류 자석, 예를 들어, 페라이트(Ferrite) 자석을 구비할 수 있다.

또한, 상기 로터와 스테이터는 액시얼 갭 타입 전동기를 형성할 수 있다.

이 경우, 상기 복수의 티스는 각각 상기 로터와 대향하는 슈는 코일권선부로부터 플랜지가 연장 형성되어 있으며, 상기 슈의 측면과 선단면 사이의 모서리는 “라운딩(R)" 처리될 수 있다.

더욱이, 상기 티스는 비정질 금속 분말, 구형 연자성 분말 또는 비정질 금속 분말과 구형 연자성 분말을 혼합한 합금분말 중 어느 하나에 의해 압축 성형되거나, 압출 성형될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 액시얼 갭 타입 전동기에서는 일반적인 내전형 전동기와 동일 외경을 갖는 종축형 전동기를 적용할 때 로터와 스테이터 사이에 박판의 격벽을 이용하여 분리함에 따라 에어갭(air gap)을 줄이는 것이 가능하여 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할지라도 Nd를 포함하는 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 자기에너지를 갖는다.

본 발명에서는 스테이터가 내장되는 바디 케이스의 격벽에 의해 로터와 스테이터 사이를 분리시킴에 따라 간단한 구조로 설계되어 완전 방수 구현이 가능하다.

또한, 본 발명에서는 박판의 격벽을 이용하여 로터와 스테이터 사이를 분리함에 따라 로터의 자석(Magnet)을 저렴한 비희토류 자석인 페라이트(Ferrite) 자석을 사용할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 전동기는 박판의 격벽을 사이에 두고 로터와 스테이터가 대향한 액시얼 갭 타입으로서, 희토류 자석과 같은 별도의 자석 방수 구조가 필요없이 오픈(open) 구조로 사용할 수 있다. 따라서, 희토류 자석을 채용하는 종래의 전동기보다 에어갭(air gap)을 더욱 줄여서 전동기 효율 증대를 도모할 수 있다.

본 발명에서는 종축형 전동기의 스테이터 코어(티스)는 일반 전기강판(S-60)이 아닌 SMC(Soft Magnetic Composites)를 적용하여 전동기에서 발생되는 철손을 최소화하도록 코어(티스) 형태를 최적화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 SMC(Soft Magnetic Composites) 분말를 이용한 압축 성형방법으로 스테이터 코어(티스)를 제작함에 의해 코어(티스) 형상에 “R”을 형성하여 Back EMF(Electromotive Force) 파형을 사인 곡선(sine curve) 형태로 얻어지도록 하여 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프의 정면도이다.
도 2는 도 1의 A-A 선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프의 어셈블리별 분해사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프의 분해사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프에서 바디 케이스 상단에 격벽을 설치하여 스테이터와 로터 사이의 완전 방수 구조를 구현한 것을 보여주는 축방향 단면도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 액시얼 갭 타입 전동기에서 제1실시예에 따른 스테이터 코어의 티스와 백요크 사이의 결합관계를 나타내는 도면으로서, 각각 스테이터 코어의 평면도, 백요크의 평면도, 도 7a의 B-B 선 단면도 및 사시도를 나타낸다.
도 8a 내지 도 8d는 본 발명의 액시얼 갭 타입 전동기에서 제2실시예에 따른 스테이터 코어의 티스와 백요크 사이의 결합관계를 나타내는 도면으로서, 각각 스테이터 코어의 평면도, 백요크의 평면도, 도 8a의 C-C 선 단면도 및 사시도를 나타낸다.
도 9a 내지 도 9d는 본 발명의 액시얼 갭 타입 전동기에서 제3실시예에 따른 스테이터 코어의 티스와 백요크 사이의 결합관계를 나타내는 도면으로서, 각각 스테이터 코어의 평면도, 백요크의 평면도, 도 9a의 D-D 선 단면도 및 사시도를 나타낸다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 액시얼 갭 타입 전동기에서 제4실시예에 따른 스테이터 코어의 티스와 백요크 사이의 결합관계를 나타내는 도면으로서, 각각 스테이터 코어의 평면도, 백요크의 평면도, 도 10a의 E-E 선 단면도 및 사시도를 나타낸다.
도 11a 내지 도 11d는 본 발명의 액시얼 갭 타입 전동기에서 제5실시예에 따른 스테이터 코어의 티스와 백요크 사이의 결합관계를 나타내는 도면으로서, 각각 스테이터 코어의 평면도, 백요크의 평면도, 도 11a의 F-F 선 단면도 및 사시도를 나타낸다.
도 12a 및 도 12b는 각각 종래의 내전형 전동기에서 스테이터 코어의 내측 슈 부분에 "R" 처리가 이루어지지 않은 경우 얻어지는 구형파 형태의 Back EMF 파형과 본 발명에 따른 액시얼 갭 타입 전동기에서 얻어지는 사인파 형태의 Back EMF 파형을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

본 발명의 비희토류 자석을 채용한 액시얼 갭 타입 전동기는 종축형 전동기로 구현될 수 있으며 내장한 워터 펌프(EWP), 컴프레셔, 오일 펌프 등에 적용되며, 이하의 설명에서 액시얼 갭 타입 전동기가 워터 펌프(EWP)에 적용되는 것을 예를 들어 설명한다.

도 1 내지 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프(EWP)(200)는 크게 펌프 하우징(10), 액시얼 갭 타입 전동기(100), 임펠러(20) 및 드라이버(50)를 포함하고 있다.

상기 펌프 하우징(10)은 일측단 중앙에 냉각수와 같은 유체가 도입되는 유입구(11a)가 배치되고 타측단 일측에 도입된 유체가 배출되는 배출구(11b)가 연장 형성되어 있으며, 타측단 중앙부는 개방되어 있는 펌프 커버(11)와, 상기 펌프 커버(11)의 개방부를 커버링하여 펌프 커버(11) 내부에 유체 흐름 통로(P)를 형성하며, 상기 유체 흐름 통로(P)의 외부에 하부공간(14)을 갖도록 반전된 컵 형상으로 이루어지는 바디 케이스(12)와, 상기 바디 케이스(12) 내부의 밀폐된 하부공간(14)에 내장된 전동기(100)의 스테이터(40)와 스테이터(40)를 구동하기 위한 드라이버(50)가 내장되며, 바디 케이스(12)의 하단에 결합되는 어퍼 커버(13)를 포함하고 있다.

상기 펌프 커버(11)와 바디 케이스(12)는 바람직하게는 원통형상으로 이루어져 있고, 상호 고정 결합구조를 가지고 있다.

상기 펌프 커버(11)와 바디 케이스(12) 사이에는 상호 고정 결합을 위해 예를 들어, 4개의 고정용 연장부(11c)가 돌출되어 결합구멍에 고정나사 또는 고정볼트의 체결이 이루어진다.

또한, 상기 펌프 커버(11)와 바디 케이스(12) 사이에는 각각의 플랜지에 원형의 돌출부(11d)와 원형의 요홈(12a)이 형성되어 있으며, 상기 요홈(12a)에는 실링용 O-링(63)이 삽입되어 있다.

더욱이, 상기 바디 케이스(12)와 어퍼 커버(13) 사이의 결합부에도 O-링(64)이 삽입되어 하부공간(14)의 실링상태를 유지할 수 있다. 또한, 상기 바디 케이스(12)와 어퍼 커버(13) 사이의 결합부는 레이저 용접방법을 이용하여 접합시키는 방법으로 보다 완벽한 실링상태를 실현하는 것도 가능하다.

상기 어퍼 커버(13)의 하부면에는 외부로부터 드라이버(50)에 대한 구동신호를 인가하기 위한 터미널단자가 배치되는 콘넥터 하우징(13a)이 연장되어 있다.

상기 펌프 하우징(10)을 형성하는 펌프 커버(11), 바디 케이스(12) 및 어퍼 커버(13)는 예를 들어, PPS(Poly Phenylene Sulfide) 등의 수지를 사용하여 형성될 수 있다.

펌프 커버(11)의 유입구(11a)와 배출구(11b) 사이의 절곡 부분의 유체 흐름 통로(P)에는 전동기(100)의 로터(30)가 하측에 일체로 형성되어 있는 임펠러(20)가 배치되어 있다.

또한, 유체 흐름 통로(P)에 임펠러(20)가 배치될 수 있도록 펌프 커버(11)의 개방된 하단은 유입구(11a) 보다 더 넓은 공간을 확보하도록 확장되어 있고, 펌프 커버(11)의 개방된 하단과 대응하는 바디 케이스(12)의 상부에는 요홈 구조를 형성하도록 플랜지가 연장되어 있다.

상기 임펠러(20)는 유입구(11a)로부터 유입되는 냉각수와 같은 유체를 측면에 배치된 배출구(11b)를 통하여 배출하도록 원판 형태의 상판(21)과 하판(22) 사이에 다수의 날개(23)가 방사상으로 배치되어 있다. 상기 상판(21)은 중앙에 관통구멍이 형성되고 상측으로부터 하측으로 직경이 증가하는 상협하광 형상으로 이루어지고, 하판(22)은 로터(20)의 상측과 외곽을 둘러싸는 원형판으로 이루어져 있다. 상기 하판(22)과 로터(20)는 인서트 몰딩방법으로 일체화될 수 있다.

또한, 하판(22)의 중앙부에는 베어링 하우징(62)이 돌출 형성되며, 베어링 하우징(62)에는 지지축(60)에 로터(20)를 회전 가능하게 지지하는 슬리브 베어링(61)이 설치되어 있다.

상기 슬리브 베어링(61)은 유체와 접촉이 이루어지는 것을 고려하여 카본 베어링 또는 플라스틱 베어링과 같은 오일레스 베어링을 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명에서는 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 임펠러(20)를 회전 구동하기 위한 구동수단으로서 상기 바디 케이스(12) 내부의 밀폐된 하부공간(14)에 배치된 코어형 스테이터(40)와, 바디 케이스(12) 외부의 유체 흐름 통로(P)에 스테이터(40)에 대향하여 배치된 로터(30)를 포함하는 액시얼 갭 타입 전동기(100)를 채용하고 있다.

우선, 로터(30)는 하판(22)의 저면에 링형상의 백요크(31)와 자석(32)이 순차적으로 설치되어 임펠러(20)와 단일체를 구성한다. 로터(30)의 자석(32)은 복수의 N극 및 S극의 분할 자석편으로 이루어지거나 또는 링형상의 자석에 N극 및 S극이 다극으로 분할 착자된 자석을 사용할 수 있으며, 백요크(31)는 자석(32)의 배면에 설치되어 자기회로를 형성한다.

상기 바디 케이스(12)의 상부에는 스테이터(40)와 로터(30)를 분리시키기 위한 박판의 격벽(12b)이 설치되어 스테이터(40)에 대한 완전 방수 구조를 구현한다. 즉, 바디 케이스(12) 내부의 밀폐된 하부공간(14)에 배치된 스테이터(40)는 물과의 접촉을 완벽하게 차단할 수 있다.

상기 격벽(12b)은 바디 케이스(12)의 원통부와 비교할 때 상대적으로 얇은 두께로 형성함에 의해 이하에 설명하는 바와 같이 로터(30)의 자석(Magnet)을 비희토류 자석인 페라이트(Ferrite) 자석을 사용할 수 있다.

즉, 본 발명의 전동기(100)는 박판의 격벽(12b)을 사이에 두고 로터(30)와 스테이터(40)가 대향한 액시얼 갭 타입으로서, 희토류 자석과 같은 별도의 자석 방수 구조가 필요없이 오픈(open) 구조로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전동기(100)는 로터(30)의 자석(32)이 펌프 커버(11) 내부에 유체 흐름 통로(P)를 흐르는 냉각수와 접촉된 상태로 장시간 운영될지라도 자석의 성능 하락이 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 전동기(100)는 자석 방수 구조를 갖는 희토류 자석을 채용하는 전동기보다 에어갭(air gap)을 더욱 줄여서 효율 증대를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 일반적인 내전형 전동기와 동일 외경을 갖는 종축형 전동기를 적용할 때 로터(30)와 스테이터(40) 사이에 박판의 격벽(12b)을 이용하여 분리함에 따라 에어갭(air gap)을 줄이는 것이 가능하여 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할지라도 Nd를 포함하는 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 자기에너지를 갖는 액시얼 갭 타입 전동기를 구현할 수 있다.

상기 지지축(60)은 바디 케이스(12)의 사출성형시에 상기 격벽(12b)의 중앙부에 지지축(60)의 일부를 삽입한 형태로 몰딩하는 인서트 몰딩(insert molding) 방식으로 일체화하거나 또는 격벽(12b)의 중앙부에 형성된 일체로 지지축 수용부(12c)에 압입하여 고정된다.

지지축 수용부(12c)의 일부는 격벽(12b)으로부터 하부공간(14)으로 연장되고, 일부는 격벽(12b)의 상측으로 연장형성되어 돌출되어 있으며, 충분한 접촉면적을 가지고 지지축(60)의 하단부를 견고하게 지지한다.

이하에 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기의 스테이터에 대하여 설명한다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 스테이터(40)는 실링상태를 유지하는 하부공간(14)에 설치되며, 박판의 격벽(12b)을 사이에 두고 로터(30)와 축방향으로 대향하여 배치되어 액시얼 갭 타입 전동기를 구성한다.

상기 스테이터(40)는 복수의 티스(41)와 상기 복수의 티스(41)를 상호 연결하여 자기회로를 형성하는 백요크(42)를 구비하는 스테이터 코어(45)와, 상기 복수의 티스(41) 각각의 코일이 권선될 외주면을 감싸도록 일체로 형성되는 절연성 재질의 복수의 보빈(43)과, 상기 보빈(43)의 외주면에 권선되는 코일(44)을 포함한다.

상기 스테이터 코어(45)를 형성하는 복수의 티스(41)는 각각 "T" 형상으로 이루어지며 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)을 압축 성형하여 제조될 수 있으며, 슈(shoe) 부분이 로터(30)의 자석을 대향하여 배치되도록 동일한 원주상에 축방향과 평행하게 환형으로 배열되어 있다.

상기 티스(41)는 연자성 분말(SMC)로서 자기 투자율이 높고, 낮은 보자력 및 높은 포화자기 유도를 가진 등방성 자기재료, 예를 들어, Fe-Ni, Fe-Co, Fe-Si 합금 분말을 사용할 수 있다. 이러한 연자성 분말(SMC)로 티스(41)를 압축 성형 또는 압출 성형 방법으로 제조하면 3D 구조로 형성이 가능하고 티스(41)는 등방성 성질을 갖는다.

후술하는 바와 같이, 연자성 분말(SMC)로 티스(41)를 압축 성형방법은 로터(30)의 자석(32)과 대향하는 티스(41)의 선단부, 즉, 슈 부분에 곡면 형성에 필요한 “라운딩(R)"을 쉽게 형성할 수 있어 중요하다.

본 발명의 티스(41)는 연자성 분말(SMC)의 압축 성형 이외에 투자율이 높은 비정질 금속 분말과 바인더를 혼합하여 성형하거나, 또한 비정질 금속 분말, 구형 연자성 분말(SMC) 및 바인더를 소정 비율로 혼합하여 성형할 수 있다. 이 경우, 비정질 금속 분말을 100% 사용하는 경우에 비하여 구형 연자성 분말(SMC)을 소정 비율 혼합하는 경우가 고압 소결의 어려움을 해소할 수 있으며, 투자율을 높일 수 있다.

상기 복수의 티스(41)의 후단부에는 박판으로 이루어진 복수의 전기강판(실리콘 강판)이 적층되어 형성되고 복수의 티스(41)와 결합되어 자기회로를 형성하는 소정의 폭을 갖는 환형의 백요크(42)가 배치되어 있다.

상기 복수의 보빈(43)은 각각 코일(44)이 권선될 영역을 한정하도록 양단부에 플랜지(43a,43b)가 형성되어 있다.

종래의 레이디얼 갭 타입(Radial gap type) 전동기는 백요크(back yoke)의 내주 또는 외주에 복수의 티스가 방사상으로 배열된 스테이터 코어를 사용한다. 백요크와 티스(Teeth) 부분에 대하여 전기강판(실리콘 강판)을 한 통으로(서로 연결된 형태로) 타발한 후 적층시킬 때, 코어 형상, 특히 로터의 자석과 대향하는 티스의 선단부(즉, 슈 부분)에 곡면 형성에 필요한 “라운딩(R)"을 쉽게 형성할 수 없다.

그 결과, 종래의 레이디얼 갭 타입(Radial gap type) 전동기는 도 12a에 도시된 바와 같이 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형이 구형파(square wave) 형태로 얻어지게 되어, 전동기 회전시 소음 및 진동의 발생을 막을 수 없다.

본 발명의 스테이터 코어(45)는 상기한 레이디얼 갭 타입(Radial gap type) 전동기의 스테이터 코어와 다르게 액시얼 갭 타입의 전동기에 적용하는 것으로, 복수의 티스(41)와 백요크(42)가 직각으로 연결되는 구조이므로 복수의 티스와 백요크를 일체화된 박판 적층체로 구성하는 것이 불가능하다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 발명의 스테이터 코어(45)는 복잡한 3D 형상을 갖는 티스(41)는 연자성 분말(SMC)을 압축 성형하여 제조하고, 백요크(42)는 종래와 같이 전기강판(실리콘 강판)을 타발 성형하여 준비한 후, 도 7d에 도시된 바와 같이, 백요크(42)에 복수의 연자성 분말(SMC) 티스(41)를 조립하여 얻어질 수 있다.

상기 "T" 형상으로 이루어지는 복수의 티스(41)는 각각 연자성 분말(SMC)을 압축 성형하여 제조됨에 따라 코어 형상에 “라운딩(R)"을 쉽게 형성하여 도 12b에 도시된 바와 같이 이상적인 사인 곡선(sine curve)(S2: 점선)에 근접한 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형(S1: 실선)이 얻어지도록 할 수 있으며(왜곡률: 0.5%), 그 결과 전동기 회전에 따른 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명의 스테이터 코어(45)는 복수의 티스(41)와 백요크(42)가 직각으로 연결되는 구조로서 종축형 전동기에 특화된 것이며, 스테이터 코어(45)의 티스(41)는 일반 전기강판이 아닌 SMC(Soft Magnetic Composites)를 적용하여 전동기에서 발생되는 철손(Core Loss)을 최소화하도록 티스 형상에 “라운딩(R)"을 도입함에 의해 코어(티스) 형태를 최적화하였다.

본 발명에 따른 스테이터(40)는 먼저, 연자성 분말(SMC)로 복수의 티스(41)를 제조하고, 복수의 전기강판(실리콘 강판)을 타발성형하여 소정의 폭을 갖는 환형의 백요크(42)를 준비한다.

이어서, 복수의 티스(41)에는 각각 절연성 재질의 열경화성 수지로 인서트 몰딩함에 의해 티스(41)에 보빈(43)을 일체로 형성하여 코일이 권선될 영역을 한정한다.

그 후, 티스(41)에 일체로 형성된 보빈(43)에 코일(44)을 권선하고, 백요크(42)의 조립구멍(42b)에 티스(41)의 일단부를 결합하면 도 7d에 도시된 스테이터(40)의 조립이 완료된다.

상기 보빈(43)에 대한 코일(44)의 권선은 먼저 보빈이 일체로 형성된 티스(41)를 백요크(42)에 결합한 상태에서 코일(44)을 권선하는 것도 가능하다.

상기 스테이터(40)의 하부에는 스테이터(40)의 3상 코일에 구동신호를 인가하여 회전자계를 발생시키기 위한 드라이버(50)가 설치되어 있다. 상기 드라이버(50)는 모터구동회로를 형성하는 각종 전자부품(54)이 실장된 인쇄회로기판(PCB)(51)을 포함하고 있다.

상기 인쇄회로기판(PCB)(51)의 외주에는 복수, 예를 들어, 3개의 돌기(52)가 연장 형성되어 있으며, 3개의 돌기(52)에는 각각 인쇄회로기판(PCB)(51)을 바디 케이스(12)의 내부에 설치된 고정부(12d)에 고정나사, 또는 고정볼트(53)를 사용하여 고정시키기 위한 관통구멍이 형성되어 있다.

인쇄회로기판(PCB)(51)의 상측에 위치한 백요크(42) 또한 인쇄회로기판(PCB)(51)의 3개의 돌기(52)에 대응하는 부분에 3개의 돌기(42c)가 연장형성되어 있으며, 각각의 돌기(42c)에는 고정부(12d)에 고정나사, 또는 고정볼트(53)를 체결할 때 통과하는 관통구멍이 형성되어 있다.

본 발명의 스테이터 코어(41)는 도 7a 내지 도 11d를 참고로 이하에 설명하는 바와 같이, 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(42)의 조립 구조에 따라 다양한 변형이 가능하다.

도 7a 내지 도 7d를 참고하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 스테이터 코어(45)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(42)를 포함하고 있다.

상기 티스(41)는 연자성 분말(SMC)의 압축 성형에 의해 "T" 형상으로 이루어지며, 로터의 자석과 대향하는 선단부, 즉 슈(41a)는 코일(44)이 권선되는 코일권선부(41b)로부터 플랜지가 연장 형성된 구조를 가지고 있다.

상기 코일권선부(41b)는 대략 3각형 기둥을 이루고 있고, 슈(41a)는 대략 4각형 기둥을 이루고 있다. 슈(41a)와 코일권선부(41b)는 단면이 대략 사다리꼴 형상을 이루며, 슈(41a)와 코일권선부(41b)의 각 면과 면의 경계부인 모서리에는 “라운딩(R)" 처리하여 곡면으로 형성되어 있다.

따라서, 제1실시예에 따른 스테이터 코어(45)를 채용한 전동기는 도 12b에 도시된 바와 같이 이상적인 사인 곡선(sine curve)(S2)에 근접한 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형(S1)이 얻어지도록 할 수 있으며(왜곡률: 0.5%), 그 결과 전동기 회전에 따른 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있고, 또한, 전동기에서 발생되는 철손(Core Loss)을 최소화할 수 있다.

본 발명의 제1실시예에 따른 스테이터 코어(45)는 9개의 티스(41)가 9개의 조립구멍(42b)을 갖는 백요크(42)에 조립되어 있다.

상기 백요크(42)는 복수의 전기강판(실리콘 강판)을 타발성형한 후 적층함에 의해 얻어지며, 인접한 티스(41) 사이에 자기회로경로로서 역할을 하도록 소정의 폭을 갖는 링형상을 이루도록 중앙부에 관통구멍(42a)이 형성되고, 동일 원주상에 9개의 조립구멍(42b)이 형성되어 있다.

백요크(42)에는 외주에 3개의 돌기(42c)가 연장형성되어 있으며, 각각의 돌기(42c)에는 관통구멍이 형성되어 있어, 인쇄회로기판(PCB)(51)의 고정시에 함께 고정부(12d)에 고정볼트(53)를 사용하여 고정된다.

본 발명의 제1실시예에 따른 스테이터 코어(45)는 9개의 티스(41)가 백요크(42)의 9개 조립구멍(42b)에 조립될 때, 압입결합되거나 동일 선상에 위치 고정하는 구조를 채택할 수 있으며, 이 경우 스토퍼(stopper) 역할은 코일(44)이 권선되어 있는 보빈(43)이 할 수 있다.

도 8a 내지 도 8d를 참고하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 스테이터 코어(45a)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(421)를 포함하고 있다.

제2실시예에 따른 스테이터 코어(45a)에서 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)는 제1실시예와 동일하고, 백요크(421)에 차이가 있다.

상기 백요크(421)는 인접한 티스(41) 사이에 자기회로경로로서 역할을 하도록 소정의 폭을 갖는 링형상을 이루도록 중앙부에 관통구멍(42a)이 형성되고, 동일 원주상에 9개의 조립요홈(421b)이 형성되어 있다.

상기 제2실시예에 따른 백요크(421)는 조립요홈(421b)을 형성하는 부분에는 관통구멍이 형성되고, 조립요홈(421b)의 하측에 전기강판(실리콘 강판)을 추가로 적층하여 완성될 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 스테이터 코어(45a)는 9개의 티스(41)가 백요크(421)의 9개 조립요홈(421b)에 조립될 때, 압입결합되는 구조를 채택할 수 있으며, 이 경우 스토퍼(stopper) 역할은 코일(44)이 권선되어 있는 보빈(43)이 할 수 있다.

그 결과, 상기 백요크(421)의 조립요홈(421b)에 티스(41)의 일단부가 조립되면, 티스(41)와 백요크(421) 사이의 접촉면적이 제1실시예와 비교하여 증가하게 된다.

따라서, 본 발명의 제2실시예에 따른 스테이터 코어(45)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(421) 사이의 접촉면적이 증가함에 따라 티스(41)에 권선된 코일(44)로부터 열이 발생할 때 티스(41)로부터 넓은 면적의 백요크(421)를 통하여 빠르게 열이 분산되므로, 제1실시예보더 더 우수한 방열 기능을 갖게 된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 스테이터 코어(45a)는 백요크(421)를 제외한 연자성 분말(SMC) 티스(41)의 구성은 제1실시예와 동일하게, 슈(41a)와 코일권선부(41b)의 각 면과 면의 경계부인 모서리에는 “라운딩(R)" 처리하여 곡면으로 형성되어 있다.

따라서, 제2실시예에 따른 스테이터 코어(45a)는 각 면과 면의 경계부인 모서리에 “라운딩(R)" 처리하여 도 12b에 도시된 바와 같이 이상적인 사인 곡선(sine curve)(S2)에 근접한 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형(S1)이 얻어지도록 할 수 있으며(왜곡률: 0.5%), 그 결과 전동기 회전에 따른 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있고, 또한, 전동기에서 발생되는 철손(Core Loss)을 최소화할 수 있다.

도 9a 내지 도 9d를 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 스테이터 코어(45b)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(411)와 백요크(421)를 포함하고 있다.

제3실시예에 따른 스테이터 코어(45b)에서 백요크(421)는 제2실시예와 동일하고, 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(411)에 차이가 있다.

상기 티스(411)는 연자성 분말(SMC)의 압축 성형에 의해 "T" 형상으로 이루어지며, 로터의 자석과 대향하는 선단부, 즉 슈(411a)는 코일(44)이 권선되는 코일권선부(41b)로부터 플랜지가 연장 형성된 구조를 가지고 있다.

상기 티스(411)를 형성하는 코일권선부(41b)는 대략 3각형 기둥, 슈(411a)는 대략 4각형 기둥을 이루고 있으며, 슈(411a)는 단면이 대략 사다리꼴 형상을 이루며, 슈(411a)와 코일권선부(41b)의 각 면과 면의 경계부인 모서리에는 “라운딩(R)" 처리하여 곡면으로 형성되어 있다. 또한, 로터의 자석과 대향하는 슈(411a)는 도 9c에 도시된 바와 같이, 선단부가 곡면 형상을 이루고 있다.

따라서, 제3실시예에 따른 스테이터 코어(45b)는 각 면과 면의 경계부인 모서리에 “라운딩(R)" 처리하여 도 12b에 도시된 바와 같이 이상적인 사인 곡선(sine curve)(S2)에 근접한 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형(S1)이 얻어지도록 할 수 있어, 전동기 회전에 따른 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있다.

또한, 제3실시예에 따른 스테이터 코어(45b)는 전동기에서 발생되는 철손(Core Loss)을 최소화할 수 있고, 우수한 방열 기능을 갖게 된다.

본 발명의 제3실시예에 따른 스테이터 코어(45b)는 제2실시예와 동일하게 티스(411)가 백요크(421)의 조립요홈(421b)에 조립될 때, 압입결합되는 구조를 채택할 수 있으며, 이 경우 스토퍼(stopper) 역할은 코일(44)이 권선되어 있는 보빈(43)이 할 수 있다.

도 10a 내지 도 10d를 참고하면, 본 발명의 제4실시예에 따른 스테이터 코어(45c)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(422)를 포함하고 있다.

제4실시예에 따른 스테이터 코어(45c)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)는 제1실시예와 동일하고, 백요크(422)는 차이가 있다.

제4실시예에서 백요크(422)는 도 10b에 도시된 바와 같이, 인접한 티스(41) 사이에 자기회로경로로서 역할을 하도록 소정의 폭을 갖는 링형상을 이루도록 중앙부에 관통구멍(42a)이 형성되고, 티스(41)의 일단부가 조립되는 조립구멍은 형성되지 않는 구조이다.

본 발명의 제4실시예에 따른 스테이터 코어(45c)는 도 10c에 도시된 바와 같이, 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(422) 사이에 면대면 접합이 이루어진다.

따라서, 제4실시예에 따른 스테이터 코어(45c)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(422) 사이의 조립을 위해 백요크(422)의 외주에 형성된 복수의 조립슬롯(42d)에 고정나사, 또는 고정볼트(53)를 체결하여 바디 케이스(12)의 내부에 구비된 고정부에 고정시킬 수 있다.

도 11a 내지 도 11d를 참고하면, 본 발명의 제5실시예에 따른 스테이터 코어(45d)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(42)를 포함하고 있다.

제5실시예에 따른 스테이터 코어(45d)는 9개의 연자성 분말(SMC) 티스(41)와 백요크(42)는 제1실시예와 동일하다. 제1실시예와 다른 점은 EMC, EMI 개선 효과를 도모하기 위해 백요크(42)와 PCB(51) 사이의 결합을 위해 도 11c에 도시된 바와 같이 백요크(42)에 핀(pin)(55)이 설치된 점에서 차이가 있다.

종래에는 접지를 위해 링을 사용하여 베어링(Bearing) 하우징 또는 코어 밑단에 접지하는 방식으로 구성되어 있어 점퍼선과 같은 별도의 연결구성이 필요하여 단가 및 조립성에 문제가 있다.

본 발명에서는 백요크(42)에 홀을 만들어 핀(55)을 압입하고, PCB(51)를 조립하여 PCB(51) 앞면으로 핀(55)이 나오면 핀(55)에 납땜하여 백요크(42)와 PCB(51)의 GND를 상호 연결하는 방식을 채택함에 의해 EMC, EMI 개선 효과를 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 스테이터 코어(45)는 티스(41)에 권선된 코일(44)로부터 열이 발생할 때 티스(41)로부터 넓은 면적의 백요크(42)를 통하여 빠르게 열이 분산되고, 백요크(42)는 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 고정나사나 고정볼트(53)를 통하여 바디 케이스(12)에 고정시키거나 백요크(42)의 일부를 바디 케이스(12)에 접합시키는 방법으로 방열이 이루어질 수 있다.

상기한 제1 내지 제5 실시예에서는 티스(41)만을 연자성 분말(SMC)로 이루어지고, 백요크(42)는 박판의 전기강판(실리콘 강판)을 타발한 후 적층한 것을 예시하였다. 그러나, 본 발명은 이에 제한되지 않고 티스와 백요크를 모두 연자성 분말(SMC)로 제조한 후, 조립하는 것도 물론 가능하다.

본 발명에 따른 워터 펌프(200)는 액시얼 갭 타입 전동기(100)가 예를 들어, 10폴(pole)-9슬롯(slot) 구조의 BLDC 모터로 구성될 수 있다. 또한, 상기 전동기(100)는 스테이터(40)의 코일(44)이 복수의 티스(41)에 권선될 때, U,V,W 3상 구조로 코일(44)을 권선하고 U,V,W 3상 코일(44)의 타단은 스타-결선방식으로 결선될 수 있다. 더욱이, 상기 전동기(100)는, 예를 들어, 인버터를 이용한 6-스탭방식의 전파구동방식으로 구동될 수 있다.

본 발명에 따른 워터 펌프(200)용 액시얼 갭 타입 전동기(100)는 스테이터(40)가 펌프 커버(11) 내부의 유체 흐름 통로(P)와 완전히 분리된 방수 공간인 바디 케이스(12) 내부의 하부공간(14)에 배치되고, 로터(30)는 임펠러(20)와 일체로 형성되어 유체 흐름 통로(P)에 배치되어 있으며, 스테이터(40)와 로터(30)는 격벽(12b)에 의해 분리된 구조를 가지고 있다.

본 발명에 따른 액시얼 갭 타입 전동기(100)는 차량 내부의 워터 펌프(200) 제어장치로부터 워터펌프 제어신호가 드라이버(50)에 인가되면, 드라이버(50)는 홀센서(도시되지 않음)로부터 로터의 위치신호를 수신할 때 드라이버(50)로부터 액시얼 갭 타입 전동기(100)의 스테이터 코일(44)에 대한 구동신호를 인가하며, 스테이터(40)는 복수의 티스(41)로부터 회전 자기장이 발생한다.

스테이터(40)의 복수의 티스(41)로부터 회전 자기장이 발생하면, 격벽(12b)을 통하여 유체 흐름 통로(P)에 배치된 로터(30)는 임펠러(20)와 함께 지지축(60)을 중심으로 회전이 이루어지며, 그 결과 임펠러(43)의 회전에 따라 펌프 커버(11)의 유입구(11a)로부터 냉각수가 도입되고, 도입된 냉각수는 유체 흐름 통로(P)를 따라 배출구(11b)로 배출된다.

본 발명에서는 유체 흐름 통로(P)의 외부에 배치된 전동기(100)의 스테이터(40)에 의해 유체 흐름 통로(P)의 내부에 배치된 임펠러(20)와 로터(30)를 자기결합방식으로 구동함에 의해 전동기(100)의 스테이터(40)에 대한 완전한 방수를 실현할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 전동기(100)의 스테이터(40)를 유체 흐름 통로(P)와 완전히 격리시킴에 따라 별도의 방수처리를 생략할 수 있고 이로 인해 전동기(100)의 로터(30)와 스테이터(40) 사이의 에어 갭을 최적 상태로 설정하여 전동기(100)의 효율화를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 전동기의 스테이터(40)를 유체 흐름 통로(P)와 완전히 격리시킴에 따라 방수구조를 채용하지 않은 일반 베어링으로 전동기의 지지축(60)을 지지하는 것이 가능하여 원가절감과 함께 내구성 향상을 도모할 수 있다.

본 발명은 내전형 전동기와 동일외경을 갖는 종축형 전동기를 적용하여 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할지라도 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 자기에너지를 가질 수 있다.

본 발명에서는 종축형 전동기의 스테이터 코어부는 일반 전기강판이 아닌 SMC(Soft Magnetic Composites)를 적용하여 전동기에서 발생되는 철손을 최소화하도록 코어 형태를 최적화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에서는 SMC 분말를 이용한 압축 성형방법으로 스테이터 코어의 티스를 제작함에 의해 코어(티스) 형상에 “라운드(R)”을 형성하여 Back EMF(Electromotive Force) 파형을 사인 곡선(sine curve) 형태로 얻어지도록 하여 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있다.

본 발명은 비희토류 자석을 채용한 액시얼 갭 타입 전동기에 관한 것으로, 특히 종축형 영구자석 동기 전동기에 적용될 수 있으며, 전동기는 하이브리드, 전기자동차 및 연료전지자동차에 적용되어 전장부품, 배터리, 연료전지스택 등의 냉각수를 순환시키는 냉각장치용 워터 펌프(EWP), 컴프레셔, 오일 펌프 등에 적용될 수 있다.

10: 펌프 하우징 11: 펌프 커버
11a: 유입구 11b: 배출구
11c: 연장부 12: 바디 케이스
12a: 요홈 12b: 격벽
12c: 지지축 수용부 12d: 고정부
13: 어퍼 커버 13a: 콘넥터 하우징
14: 하부공간 20: 임펠러
21: 상판 22: 하판
23: 날개 30: 로터
31: 백요크 32: 자석
40: 스테이터 41,411: 티스
41a,411a; 슈 41b: 코일권선부
42,421,422: 백요크 42a: 관통구멍
42b: 조립구멍 42c: 돌기
43: 보빈 43a,43b: 플랜지
44: 코일 45-45d: 스테이터 코어
50: 드라이버 51: PCB
52: 돌기 53: 고정볼트
54: 전자부품 60: 지지축
61: 슬리브 베어링 62: 베어링 하우징
63,64: O-링 100: 전동기
200: 워터 펌프 55: 핀

Claims (15)

1. 워터 펌프(EWP)용 액시얼 갭 타입 전동기로서,
   유체 흐름 통로를 형성하면서 내부에 로터가 지지되는 펌프 커버와 바디 케이스 및 내부에 스테이터가 배치되도록 상기 바디 케이스의 하단에 결합되어 하부공간을 형성하는 어퍼 커버를 구비하는 펌프 하우징;
   상기 펌프 커버와 바디 케이스 사이의 유체 흐름 통로에 오픈(open) 구조로 노출된 페라이트(Ferrite) 자석을 구비하고 회전 가능하게 지지된 로터;
   상기 바디 케이스와 어퍼 커버에 의해 형성되는 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터; 및
   상기 바디 케이스의 상부에 배치되며 바디 케이스와 일체로 형성되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키며 에어갭(air gap)으로 역할을 하는 격벽;을 포함하며,
   상기 스테이터는 각각 선단부가 로터의 자석과 대향하도록 동일한 원주상에 축방향과 평행하게 환형으로 배열되고 코일권선부에 코일이 권선되는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어를 포함하며,
   상기 복수의 티스는 각각 상기 코일권선부로부터 플랜지가 연장 형성된 슈의 측면과 선단면 사이의 모서리는 “라운딩(R)" 처리되고,
   상기 복수의 티스는 각각 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)로 이루어지고, 상기 백요크는 전기강판으로 이루어지는 액시얼 갭 타입 전동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 로터는
   환형으로 배치된 복수의 자석; 및
   상기 자석의 배면에 설치되어 자기회로를 형성하는 백요크;를 포함하며,
   상기 로터는 임펠러의 하측에 일체로 형성되고, 상기 격벽에 일단부가 지지된 지지축에 회전 가능하게 지지되는 액시얼 갭 타입 전동기.
3. 삭제
4. 제2항에 있어서,
   상기 지지축의 외주에 결합되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 슬리브 베어링; 및
   상기 임펠러의 하판에 일체로 형성되어 내부에 상기 슬리브 베어링을 수용하는 베어링 하우징;을 더 포함하는 액시얼 갭 타입 전동기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는
   복수의 티스와 상기 복수의 티스와 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어;
   상기 복수의 티스 각각의 코일이 권선될 외주면을 감싸도록 일체로 형성되는 절연성 재질의 복수의 보빈; 및
   상기 보빈의 외주면에 권선되는 코일;을 포함하는 액시얼 갭 타입 전동기.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 코일권선부는 3각형 기둥으로 이루어지고, 상기 슈는 단면이 사다리꼴 형상으로 이루어지는 액시얼 갭 타입 전동기.
8. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 티스는 각각 백요크의 조립구멍 또는 조립요홈에 압입결합되고, 상기 티스의 외주면에 형성된 보빈이 스토퍼 역할을 하는 액시얼 갭 타입 전동기.
9. 제1항에 있어서,
   상기 백요크는 고정나사나 고정볼트를 통하여 바디 케이스에 고정되거나 접합되며, 상기 티스에 권선된 코일로부터 열이 발생할 때, 백요크를 통하여 빠르게 분산된 후 바디 케이스를 통하여 외부로 방열되는 액시얼 갭 타입 전동기.
10. 일측 및 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구를 갖는 펌프 커버;
    상기 펌프 커버와 결합되어 펌프 커버 내부에 유체 흐름 통로를 형성하며, 하부공간을 갖는 바디 케이스;
    상기 바디 케이스의 하단에 결합되어 상기 하부공간을 실링상태로 설정하는 어퍼 커버;
    상기 유체 흐름 통로에 오픈(open) 구조로 노출된 페라이트(Ferrite) 자석을 구비하고 회전 가능하게 지지된 로터;
    상기 로터의 상측에 로터와 일체로 형성되는 임펠러;
    상기 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터; 및
    상기 바디 케이스의 상부에 배치되며 바디 케이스와 일체로 형성되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키며 에어갭(air gap)으로 역할을 하는 격벽;을 포함하며,
    상기 스테이터는 각각 선단부가 로터의 자석과 대향하도록 동일한 원주상에 축방향과 평행하게 환형으로 배열되고 코일권선부에 코일이 권선되는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어를 포함하며,
    상기 복수의 티스는 각각 상기 코일권선부로부터 플랜지가 연장 형성된 슈의 측면과 선단면 사이의 모서리는 “라운딩(R)" 처리되고,
    상기 복수의 티스는 각각 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)로 이루어지고, 상기 백요크는 전기강판으로 이루어지는 워터 펌프.
11. 일측에 실링상태의 하부공간을 구비하고 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구가 유체 흐름 통로를 통하여 연결된 펌프 하우징;
    상기 유체 흐름 통로에 오픈(open) 구조로 노출된 페라이트(Ferrite) 자석을 구비하고 회전 가능하게 지지된 로터;
    상기 로터의 상측에 로터와 일체로 형성되는 임펠러;
    상기 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터;
    상기 펌프 하우징의 내부에 배치되며 바디 케이스와 일체로 형성되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키며 에어갭(air gap)으로 역할을 하는 격벽; 및
    상기 격벽에 일단부가 지지된 상기 로터를 회전 가능하게 지지하는 지지축;을 포함하며,
    상기 스테이터는 각각 선단부가 로터의 자석과 대향하도록 동일한 원주상에 축방향과 평행하게 환형으로 배열되고 코일권선부에 코일이 권선되는 복수의 티스와 상기 복수의 티스와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어를 포함하며,
    상기 복수의 티스는 각각 상기 코일권선부로부터 플랜지가 연장 형성된 슈의 측면과 선단면 사이의 모서리는 “라운딩(R)" 처리되고,
    상기 복수의 티스는 각각 연자성 분말(SMC: Soft Magnetic Composites)로 이루어지고, 상기 백요크는 전기강판으로 이루어지는 워터 펌프.
12. 삭제
13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 로터와 스테이터는 액시얼 갭 타입 전동기를 형성하는 워터 펌프.
14. 삭제
15. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 티스는 비정질 금속 분말, 구형 연자성 분말 또는 비정질 금속 분말과 구형 연자성 분말을 혼합한 합금분말 중 어느 하나에 의해 압축 성형되거나, 압출 성형되는 워터 펌프.

Images