KR102477058B1 - 허브 타입 전동식 구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터 케이싱 역할을 겸하는 하우징 내부에 모터를 내장한 허브 타입 전동식 구동장치에 관한 것이다.
본 발명의 허브 타입 전동식 구동장치는 컵 형상으로 이루어진 휠과 외주부가 상기 휠의 개구부에 결합되는 커버를 구비하는 하우징; 상기 하우징 외부의 본체에 양단부가 고정설치되는 모터샤프트; 상기 휠과 커버의 중앙에 형성된 각각의 관통구멍에 설치되어 모터샤프트를 중심으로 하우징을 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링; 및 상기 하우징 내부에 내장되며 모터샤프트를 중심으로 하우징을 회전시키는 BLDC 모터;를 포함하며, 상기 BLDC 모터는 상기 컵 형상으로 이루어진 휠의 원통형 내벽에 백요크와 마그넷이 적층된 로터; 및 외주부가 상기 로터의 마그넷과 에어갭을 갖고 대향하고 중앙부가 모터샤프트의 외주에 결합되어 고정되며, 상기 로터에 회전자기장을 인가하기 위한 스테이터;를 포함하고, 상기 스테이터는 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장되고, 상기 환형 요크의 내측에 모터샤프트와 결합되는 내륜이 복수의 브리지를 통하여 연결된 일체형 코어 프레임을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

허브 타입 전동식 구동장치{Electrically-driven Apparatus of Hub Type}

본 발명은 허브 타입 전동식 구동장치에 관한 것으로, 상세하게는 모터 케이싱 역할을 겸하는 하우징 내부에 구동모터를 내장한 허브 타입 전동식 구동장치에 관한 것이다.

전기자전거(Electric Bicycle)는 일반 자전거의 바퀴 허브 혹은 크랭크축에 직류모터를 장착하고 동력을 보조함에 의해 평지 및 오르막 길에서의 쾌적한 주행이 가능하다.

전기자전거의 적용범위의 기준은 사람의 힘을 보충하기 위하여 전기모터 동력을 장착한 이륜자전거를 말한다. 전기자전거는 반드시 페달 주행기능이 있으며, 전기 모터 동력으로 움직이는 자전거를 말하며 구동방식에 따라 다음과 같이 분류된다.

첫째, 스로틀(Throttle) : 전기자전거 가속기 레버를 조작하여 전기 모터의 동력만으로 움직이는 자전거.

둘째, 페달 어시스트 시스템(PAS: Pedal Assist System) : 전기자전거 페달과 전기 모터의 동시 동력으로 움직이는 자전거.

셋째, 스로틀(Throttle)/PAS : 전기자전거 스로틀(Throttle)과 PAS 구동방식 모두를 지원하는 자전거.

스로틀(Throttle) 방식 전기자전거는 엑셀러레이터(Accelerator)를 조작하여 모터의 회전력을 조절함으로써, 저속에서부터 고속까지 자전거의 속도를 제어할 수 있게 되며, 이러한 엑셀러레이터에 의한 구동방식을 스쿠터식이라고 칭하고 있다.

PAS(Pedal Assist System) 방식 전기자전거는 페달을 구를 때 이를 감지하여 자동으로 모터가 회전되도록 하는 페달도움식으로서, 토크센서는 자전거 운전자가 페달에 가하는 답력을 측정하여 계산된 토크정보를 전기자전거 컨트롤러에 제공하는 역할을 하며 페달에 가해지는 답력이 커질 수록 모터의 출력도 커지게 되므로 운전자가 페달에 가하는 답력을 조절하여 전기자전거의 직류모터 출력을 능동적으로 제어할 수 있다.

상기 전기자전거를 포함하여 전기자동차, 전기오토바이의 구동을 위해 허브 내부에 모터를 내장한 허브 타입 구동모터(hub type driving motor)가 한국 공개특허공보 제10-2012-0096634호(특허문헌 1)에 제안되어 있다.

특허문헌 1은 케이싱몸체와 케이싱커버로 이루어진 모터 케이싱 내부에 더블 로터 및 싱글 스테이터형 BLDC 모터가 내장되고, 모터샤프트에 스테이터가 결합되고 로터가 모터 케이싱에 설치되어 모터샤프트를 중심으로 모터 케이싱이 회전하는 BLDC 모터로서, 내부 회전자의 S극 내부 자석과 외부 회전자의 N극 외부 자석을 미리 설정한 각도로 편위시킴에 의해 모터의 초기 기동성을 향상시키는 기술을 개시하고 있다.

특허문헌 1은 본체의 프레임에 모터샤프트의 양 단부가 고정 결합되고 고정된 모터샤프트를 중심으로 모터 케이싱이 회전하는 방식의 더블 로터 및 싱글 스테이터형 BLDC 모터이다.

전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등의 허브 타입 전동식 구동장치는 모터 케이싱 역할을 겸하는 하우징 내부에 전동모터가 내장된 구조이고 하우징이 타이어를 통하여 지면에 접촉한 상태로 회전구동되므로 하우징 뿐아니라 하우징 내부에 내장된 로터와 스테이터 및 모터샤프트 사이의 상호 결합구조도 충격과, 진동, 동적 및 정적 하중을 견딜 수 있는 구조적인 강성을 갖는 것이 요구된다.

특허문헌 1은 케이싱 몸체에 인너 로터와 아우터 로터가 일체로 형성되고 인너 로터와 아우터 로터 사이에 스테이터가 배치되며, 스테이터로부터 축방향으로 연장된 스테이터 프레임과 모터샤프트의 외주에 연장된 고정자 연결부 사이에 결합되는 구조를 가지므로, 스테이터와 모터샤프트에 결합력이 약하여 내구성이 떨어질 수 있다.

또한, 특허문헌 1은 모터 케이싱 내부에 비대칭 구조의 더블 로터 및 싱글 스테이터형 BLDC 모터가 내장되는 것이므로, 모터의 무게 중심이 편향되어 편마모나 소음 발생 요인이 될 수 있다.

더욱이, 모터 케이싱 역할을 겸하는 하우징 내부에는 전자부품을 냉각시킬 수 있는 환경이 구현되기 어려우므로 전동모터를 제어하는 제어부(즉, 드라이버 등)는 최소한으로 남겨두고 제어부는 하우징 외부에 배치하는 것이 바람직하다.

또한, 특허문헌 1의 BLDC 모터는 모터샤프트가 중공형 또는 솔리드형 샤프트 형상을 갖는 것으로서, 케이싱커버용 베어링을 지지하기 위한 샤프트전방부와, 샤프트전방부의 후방의 원주면에서 돌출된 원형판 형상의 고정자샤프트연결부와, 고정자샤프트연결부의 후방에서 케이싱몸체용 베어링을 지지하도록 샤프트전방부에 비해 상대적으로 큰 직경의 원형 블록 형상을 갖는 샤프트후방부를 포함하고, 샤프트후방부에 전원선을 통과시키기 위한 인입구멍이 형성되어 있다.

일반적으로 전기자동차, 전기오토바이, 전기자전거 등은 휠의 회전구동을 위해 허브 내부에 전동모터를 내장하고 허브의 외부에 전원공급용 밧데리가 설치되어 있다.

특허문헌 1의 BLDC 모터는 모터 케이싱 외부로부터 전원 공급을 위해 전원선이 중공형 또는 솔리드형 샤프트 형상을 갖는 모터샤프트 내부를 통하여 제어부에 공급하고 있다. 특허문헌 1은 모터샤프트의 샤프트후방부의 인입구멍을 통하여 전원선을 통과시키는 구조를 개시하고 있으나, 전원선이 통과하는 인입구멍의 실링방안은 제안되어 있지 않다.

일반적으로 모터샤프트는 고강도 금속재로 이루어지므로 정밀 가공이 용이하지 않으며, 모터샤프트의 인입구멍 내부에 실링용 O-링 등을 설치하는 것이 어려워 인입구멍을 전원선이 통과할 때 전원선 통과 부위의 완벽한 실링이 어렵고, 별도의 실링구조를 채용하는 경우 인입구멍을 통한 케이블 인출은 조립작업 생상성을 떨어트리는 문제가 발생한다.

한편, 분할 코어 스테이터를 구비한 BLDC 모터에서 각 상별로 코일이 권선된 1개의 분할 코어에서 각 상별로 교대로 배치되거나 또는 일체형 스테이터 코어에서 각 상별로 코일이 티스에 교대로 권선된 모터는 “1결선 방식 모터”라 한다.

상기 1결선 방식 모터에서 로터는 슬롯 수가 적으면 적을수록 인접된 S극 자석과 N극 자석이 겹쳐지는 부분에서 서로 상쇄가 이루어지지 않아 소음이 발생하게 된다.

또한, 종래의 1결선 방법에 따라 설계된 BLDC 모터는 모터의 슬롯과 폴이 18슬롯 12폴, 27슬롯 36폴, 36슬롯 48폴과 같이 설정되어, 슬롯 수와 폴 수의 비율이 30~40% 정도로 차이가 있기 때문에 이로 인하여 로터 회전시에 회전 각도에 따라 자석과 코어 간의 자력(자속)의 유효 면적 차이가 발생하며, 그 결과 코깅(cogging)이 심하게 발생하며 자속 누설이 발생하는 문제가 있다.

또한, 일체형 스테이터 코어의 티스에 코일의 권선 순서가 순방향 및 역방향으로 권선된 2권선 방식의 코일이 각 상별로 순차적으로 배치된 스테이터를 이용한 "2권선 방식 모터"가 제안된바 있다.

상기 2결선 방식 모터는 코깅 소음이 1결선 방식 모터보다 작아지나 3결선 방식 모터보다 결선 부위가 증가하는 문제가 있다. 따라서, 상기 2결선 방식 모터는 효율보다는 코깅을 줄이기 위한 목적으로 적용되었다.

상기한 바와 같이, 종래의 1결선 또는 2결선 방식 모터는 공통적으로 코깅 소음이 높고 효율이 떨어지며, 결선 부위가 많은 문제점이 있다.

: 한국 공개특허공보 제10-2012-0096634호

본 발명은 이러한 종래 문제점을 감안하여 고안된 것으로, 그 목적은 그 목적은 하우징 뿐아니라 하우징 내부에 내장된 로터와 스테이터 및 모터샤프트 사이의 상호 결합구조도 충격과, 진동, 동적 및 정적 하중을 견딜 수 있는 구조적인 강성을 갖는 허브 타입 전동식 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스테이터에 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장되고, 환형 요크의 내측에 모터샤프트와 결합되는 내륜이 복수의 브리지를 통하여 연결된 일체형 코어 프레임을 이용함에 따라 조립성과 내구성을 향상시킨 허브 타입 전동식 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 휠에 고정되는 로터와 모터샤프트에 고정되는 스테이터가 축방향 및 원주방향으로 모두 편향되지 않고 균형된 지지구조를 가지고 있어 편마모가 없고 소음발생을 억제할 수 있는 허브 타입 전동식 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 3결선 방법으로 일체형 스테이터 코어의 티스에 3상 코일을 권선할 때, 한번에 모든 코일 권선이 연속됨에 따라 코일 사이의 연결 부위 없이 코일 권선이 이루어질 수 있는 허브 타입 전동식 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 3결선 방법으로 코일 권선시에 각 코어그룹 사이에 병렬접속함에 의해 코일의 저항을 최소화함에 의해 저항(resistance)과 동손(coil loss)을 줄여서 코일 온도를 낮추고 효율은 증대시키며 가는 직경의 와이어를 2가닥 권선방식으로 턴수를 확보하여 고속 RPM을 구현할 수 있는 허브 타입 전동식 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스테이터의 슬롯과 로터의 폴과의 비율을 최소화하여 낮은 코깅(cogging) 소음과 효율 상승을 도모할 수 있는 허브 타입 전동식 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 모터샤프트의 외부에 결합되는 케이블 가이드 브라켓을 이용하여 휠 내부와 외부를 관통하는 케이블관통구멍을 통하여 케이블을 인출함에 의해 케이블의 인출과 실링이 용이하게 이루어질 수 있는 허브 타입 전동식 구동장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 허브 타입 전동식 구동장치는 컵 형상으로 이루어진 휠과 외주부가 상기 휠의 개구부에 결합되는 커버를 구비하는 하우징; 상기 하우징 외부의 본체에 양단부가 고정설치되는 모터샤프트; 상기 휠과 커버의 중앙에 형성된 각각의 관통구멍에 설치되어 모터샤프트를 중심으로 하우징을 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링; 및 상기 하우징 내부에 내장되며 모터샤프트를 중심으로 하우징을 회전시키는 BLDC 모터;를 포함하며, 상기 BLDC 모터는 상기 컵 형상으로 이루어진 휠의 원통형 내벽에 백요크와 마그넷이 적층된 로터; 및 외주부가 상기 로터의 마그넷과 에어갭을 갖고 대향하고 중앙부가 모터샤프트의 외주에 결합되어 고정되며, 상기 로터에 회전자기장을 인가하기 위한 스테이터;를 포함하고, 상기 스테이터는 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장되고, 상기 환형 요크의 내측에 모터샤프트와 결합되는 내륜이 복수의 브리지를 통하여 연결된 일체형 코어 프레임을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 스테이터는 일체형 코어 프레임; 상기 로터의 마그넷과 대향한 외주면을 제외한 복수의 티스의 4측면을 둘러싸는 절연필름; 각각 복수의 티스와 환형 요크에 대응하도록 환형 몸체와 상기 환형 몸체로부터 방사상으로 뻗어있는 복수의 연장부를 구비하고, 상기 일체형 코어 프레임의 일측 및 타측에 조립되는 제1 및 제2 인슐레이터; 및 상기 절연필름과 제1 및 제2 인슐레이터에 의해 둘러싸인 티스 부분에 권선되는 코일;을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 허브 타입 전동식 구동장치는 상기 환형 몸체에 인서트 몰딩되어 3개의 공통터미널단자가 환형 몸체의 상부로 돌출되며, 3상(U,V,W) 코일을 스타-결선방식으로 결선할 때, 중성점(Neutral Point)을 형성하기 위한 공통터미널; 및 상기 환형 몸체에 일체로 형성되며 상기 3상(U,V,W) 코일의 입력단자가 연결되는 U상, V상 및 W상 터미널단자;를 더 포함할 수 있다.

이 경우 상기 제1인슐레이터는 환형 몸체의 내측방향으로 연장형성되는 환형 연장부를 더 포함하며, 상기 환형 연장부는 버스 바(bus bar)용 볼트를 고정시키기 위해 매입되며 U상, V상 및 W상 터미널단자와 각각 연결된 3개의 너트를 포함할 수 있다.

또한, 상기 환형 몸체에는 복수의 티스에 코일을 권선할 때 코일의 가이드 역할을 하는 복수의 권선 가이드 돌기가 일체로 형성될 수 있다.

더욱이, 상기 BLDC 모터는 20극 싱글 로터와 18슬롯(slot) 구조의 싱글 스테이터로 구성되며, 상기 스테이터는 18개의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고, 상기 3상(U,V,W) 코일 각각은 3개의 티스에 연속적으로 권선된 6개의 코어그룹을 포함하며, 상기 18개의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일은 1번의 권선으로 권선이 이루어질 때, 각 상의 코어그룹의 입력은 각 상의 터미널단자에 공통 연결되고, 각 상의 코어그룹의 출력은 중성점(Neutral Point)을 형성하기 위한 공통터미널에 연결되도록 권선될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 스테이터는 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고, 상기 3상(U,V,W) 코일 각각은 3개의 티스에 연속적으로 권선된 복수의 코어그룹을 포함하며, 상기 코어그룹 각각은 연속된 3개의 티스에 순방향, 역방향 및 순방향의 순서로 연속 권선되며, 인접된 2개상의 연속된 6개의 티스는 대향하여 배치된 로터의 마그넷을 동일한 방향으로 회전하도록 서로 반대방향으로 자속이 발생되며, 상기 스테이터의 코일에 6스텝(step) 방식으로 구동신호가 인가될 때, 2개 상의 연속된 6개의 티스는 활성화 상태로 설정되고, 상기 연속된 6개의 티스 사이에 배치된 나머지 1개 상의 연속된 3개의 티스는 비활성화 상태로 설정될 수 있다.

상기 스테이터는 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고, 상기 3상(U,V,W) 코일 각각은 3개의 티스에 연속적으로 권선된 복수의 코어그룹을 포함하며, 각 상의 코어그룹은 병렬접속되고 각 상별로 교대로 배치될 수 있다.

이 경우, 상기 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일은 1번의 권선으로 권선이 완료될 수 있으며, 2가닥 와이어를 사용하여 권선될 수 있다.

또한, 인접하여 배치된 2개의 코어그룹에 포함된 연속된 6개의 티스는 구동신호가 인가될 때 모두 대향한 로터의 마그넷의 자극과 동일한 극성 또는 반대 극성으로 설정되어, 로터를 동일 방향으로 회전시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 허브 타입 전동식 구동장치는 상기 모터샤프트의 외주에 형성되어 상기 제2 베어링과 모터샤프트 사이를 실링상태로 설정하는 오링을 더 포함할 수 있다.

상기 케이블 가이드 조립체는 상기 제1베어링과 모터샤프트 사이에 설치되며, 중앙에 모터샤프트가 관통결합되는 축관통구멍이 형성되고, 상기 축관통구멍으로부터 일측으로 편향되어 케이블이 통과하는 케이블관통구멍이 형성되어 있는 케이블 가이드 브라켓; 상기 케이블관통구멍에 삽입되며 케이블의 외주에 끼워지는 실리콘 러버 링; 및 선단부가 상기 실리콘 러버 링을 고정하도록 케이블관통구멍에 끼워지는 케이블 브라켓 커버;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 케이블 가이드 브라켓은 상기 축관통구멍과 케이블관통구멍이 형성되어 있는 몸체; 축관통구멍이 케이블관통구멍보다 더 긴 길이를 가지도록 몸체로부터 휠의 외부로 연장되어 있는 원통관; 및 상기 휠 내측에 연장형성되어 제1베어링의 내주에 걸리는 스토퍼 역할을 하는 환형 플랜지;를 포함하며, 상기 케이블관통구멍에는 케이블 브라켓 커버가 끼워질 때 실리콘 러버 링의 위치를 한정하는 단차부를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치는 전기자전거, 전기자동차, 전기오토바이, 전동스쿠터, 전동킥보드 중 어느 하나에 이용될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 전기자전거, 전기자동차, 전기오토바이, 전동스쿠터, 전동킥보드의 구동을 위해 모터 케이싱 역할을 겸하는 하우징 내부에 모터를 내장한 허브 타입 구동모터(hub type driving motor)에 적용된다.

본 발명에서는 하우징 뿐아니라 하우징 내부에 내장된 로터와 스테이터 및 모터샤프트 사이의 상호 결합구조도 충격과, 진동, 동적 및 정적 하중을 견딜 수 있는 구조적인 강성을 갖는다.

또한, 본 발명에서는 스테이터에 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장되고, 환형 요크의 내측에 모터샤프트와 결합되는 내륜이 복수의 브리지를 통하여 연결된 일체형 코어 프레임을 이용함에 따라 조립성과 내구성을 향상시킬 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 휠에 고정되는 로터와 모터샤프트에 고정되는 스테이터가 축방향 및 원주방향으로 모두 편향되지 않고 균형된 지지구조를 가지고 있어 편마모가 없고 소음발생을 억제할 수 있다.

본 발명에서는 BLDC 모터를 구동하는 데 필수적인 로터회전위치를 감지하기 위한 홀센서와 온도센서만을 하우징 내부에 설치된 홀센서 조립체에 실장하고 BLDC 모터를 구동하는 데 필요한 나머지 모터구동회로(제어부 등)는 하우징 외부의 본체에 배치할 수 있어 모터구동회로(제어부 등)의 방열이 쉽게 이루어질 수 있고, 충격과 진동 환경을 피하여 안정된 지지가 이루어질 수 있다.

종래에는 모터 케이싱(하우징) 내부의 스테이터에 연결하기 위해 중공형 또는 솔리드형 샤프트 형상을 갖는 모터샤프트 내부를 통하여 공급하고 있다. 모터 케이싱(하우징)에 내장된 모터가 3상 구동방식의 BLDC 모터인 경우, BLDC 모터에 대한 3상 구동신호 공급용 와이어와 모터 케이싱(하우징)의 외부에 배치된 구동회로(드라이버)로부터 모터 구동 제어를 위한 복수의 각종 신호선 와이어도 인출되어야 한다. 따라서, 이러한 복수의 와이어를 하나의 케이블 내부에 내장하는 경우 케이블의 직경이 커지므로 모터샤프트 내부를 통하여 인출하는 방식은 작업성과 실링구조를 형성하는 데 용이하지 못하다.

본 발명에서는 모터샤프트의 외부에 결합되는 케이블 가이드 브라켓을 이용하여 휠 내부와 외부를 관통하는 케이블관통구멍을 통하여 케이블을 도입함에 의해 케이블의 도입과 실링이 용이하게 이루어질 수 있다.

본 발명에서는 각상의 각 코어그룹마다 연속된 3개의 티스에 순방향, 역방향 및 순방향의 순서로 연속 권선하는 3결선 방법으로 일체형 스테이터 코어의 티스에 3상 코일을 권선할 때, 한번에 모든 코일 권선이 연속됨에 따라 결선 부위 없이 코일 권선이 이루어질 수 있어, 생산성 증대와 원가절감을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 연속된 3개의 코어(티스) 중 중간에 위치한 코어(티스)에 역방향 코일 권선이 이루어짐에 따라 연속된 3개의 코일에 동일한 상(phase)의 모터구동신호가 인가될 때, 3개의 코어(티스) 모두가 대향한 로터의 마그넷을 동일한 방향으로 회전시키는 자속을 발생하여 로터에 대한 효과적인 힘 전달이 이루어지게 된다.

더욱이, 본 발명에서는 3결선 방법으로 코일 권선이 이루어져서 3개의 코어(티스)가 1세트와 같이 동작하므로, 코어(티스)의 선단부와 대향하는 싱글 로터에서 인접한 S극 및 N극 자석 사이에 겹쳐지는 부분이 존재하여도 효과적인 자속 경로가 설정되어 자석의 유효면적이 커지게 되고 효율 상승을 도모할 수 있다.

본 발명은 인접한 분할 코어(티스)가 서로 반대방향으로 자속이 발생되도록 권선방향과 3상 구동회로의 구동신호 절환이 이루어짐에 따라 서로 반대극성으로 설정된 로터와의 사이에 동일한 방향으로 흡인력과 반발력이 동시에 발생하여 효과적으로 싱글 로터에 대한 회전 구동이 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 3결선 방법으로 코일 권선시에 각 코어그룹 사이에 병렬접속함에 의해 코일의 저항을 최소화함에 의해 저항(resistance)과 동손(coil loss)을 줄여서 코일 온도를 낮추고 효율은 증대시키며, 가는 직경의 와이어를 2가닥 권선방식으로 턴수를 확보하여 고속 RPM을 구현할 수 있으며, 순시 파워(Instantaneous power)가 요구되는 허브 타입 전동식 구동장치에 유용하다.

본 발명은 스테이터의 슬롯과 로터의 폴과의 비율을 최소화하여 낮은 코깅 소음과 효율 상승을 도모할 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 각각 본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치의 정면도, 우측면도 및 좌측면도이다.
도 2는 도 1c에서 A-A선 단면도이다.
도 3은 도 1c에서 B-B선 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치의 분해 사시도이다.
도 5a 내지 도 5d는 각각 본 발명의 제2실시예에 따른 스테이터를 나타내는 사시도, 분해사시도, 직경방향 단면도 및 제1인슐레이터의 확대 평면도이다.
도 6a 내지 도 6d는 각각 본 발명에 따른 싱글 로터형 BLDC 모터에서 스테이터 코어와 로터의 마그넷이 대향한 상태를 나타내는 평면도, 스테이터 코어에 3상 코일을 3결선 방법으로 권선하는 방법을 설명하는 설명도, 도 6b의 권선방법에 따라 권선된 3상 코일의 등가회로도 및 도 6a에 도시된 스테이터 코어에 3상 코일을 3결선 방법으로 권선한 코일 결선도를 나타내는 설명도이다.
도 7은 도 6d에 도시된 3상 코일의 코일 결선도와 모터 구동회로를 함께 나타낸 회로도이다.
도 8a 내지 도 8d는 각각 본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치에서 케이블 도입구조를 설명하기 위한 전방 사시도, 후방 사시도, 일부 절단 단면도 및 케이블 제거상태의 일부 절단 단면도이다.

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 허브 타입 전동식 구동장치는 전기자전거, 전기자동차, 전기오토바이, 전동스쿠터, 전동킥보드의 구동을 위해 모터 케이싱 역할을 겸하는 휠 내부에 모터를 내장한 허브 타입 구동모터(hub type driving motor)에 적용되며, 이하의 설명에서 구동장치가 적용되는 대상은 "본체"로 정의한다.

본 발명의 허브 타입 전동식 구동장치는 본체가 2륜인 전기자전거, 전기오토바이, 전동스쿠터, 전동킥보드 중 하나인 경우 전륜 구동 또는 후륜 구동 여부에 따라 설치위치가 결정된다. 본체가 4륜 차량인 전기자동차나 전동카트인 경우 후륜 구동인 경우 후륜 양측 바퀴에 적용되고, 4륜 구동인 경우 4바퀴에 모두 적용된다.

도 1a 내지 도 4를 참고하면, 본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치(100)는 크게 하우징(110), 모터샤프트(120), 로터(130), 스테이터(140), 브레이크장치(150), 제1 및 제2 베어링(161,162), 홀센서 조립체(170), 케이블(180) 및 케이블 가이드 조립체(190)를 포함하고 있다.

본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치(100)는, 모터샤프트(120)가 회전되지 않고 모터샤프트(120)의 양단부가 본체에 고정되는 것으로, 하우징(110) 내부에 내장된 BLDC 모터(200)의 로터(130)와 하우징(110)은, 모터샤프트(120)에 고정된 스테이터(140)의 회전자기장에 따라 회전이 이루어진다.

이하에 본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치(100)의 구성을 상세하게 설명한다.

하우징(110)은 외주부에 타이어(101)가 결합되는 림(111a)이 형성되고 일측이 개방된 컵 형상으로 이루어진 휠(111)과 외주부가 상기 휠(111)의 개구부에 실링 결합되는 커버(112)를 포함한다.

상기 휠(110)의 개구부와 커버(112)의 외주부 사이에는 실링 결합을 위해 O-링(114)이 삽입되어 있고, 휠(110)과 커버(112)의 조립상태를 유지하도록 복수의 고정볼트(113)를 체결하여 고정시킨다.

상기 휠(110)과 커버(112)의 중앙에는 관통구멍이 형성되어 있고, 각각 관통구멍의 외주에는 제1 및 제2 베어링 하우징(111b,112a)이 형성되며, 제1 및 제2 베어링 하우징(111b,112a)에는 하우징(110)을 모터샤프트(120)을 중심으로 회전 가능하게 지지하도록 제1 및 제2 베어링(161,162)이 설치되어 있다.

상기 제2 베어링(162)과 모터샤프트(120) 사이에는 실링용 O-링(189)이 삽입되어 있다.

모터샤프트(120)는 양단부에 본체의 프레임과 나사결합되도록 나사산이 형성된 제1 및 제2 본체결합부(121,126), 케이블 가이드 브라켓(191)이 결합되는 케이블 가이드 브라켓결합부(122), 중간부분에 스테이터(140)와 결합되는 스테이터결합부(123), 브레이크 바디(151)가 결합되는 브레이크 바디결합부(125)를 포함하고 있다. 제1본체결합부(121), 케이블 가이드 브라켓결합부(122), 스테이터결합부(123), 브레이크 바디결합부(125), 제2본체결합부(126) 사이에는 각각 직경이 증가 또는 감소하는 복수의 단차부가 형성되어 있으며, 이들 단차부는 각 부분의 설치위치를 한정하는 역할을 한다.

상기 커버(112)의 외측에는 원형 요홈(112a)이 형성되어 있으며, 이 요홈(112a)에는 하우징의 회전을 제동하기 위한 브레이크장치(150)가 설치되어 있다. 브레이크장치(150)는 요홈(112a)에 브레이크 링(152)이 설치되어 있으며, 그의 내측에는 브레이크 작동에 따라 수축 및 신장되어 외주부가 브레이크 링(152)의 내주면에 압착되는 브레이크 패드(153)가 배치되어 있으며, 요홈(112a)의 입구에는 브레이크 바디(151)가 결합되어 입구를 차단한다. 브레이크 바디(151)는 중앙부가 모터샤프트(120)에 고정결합되어 있다.

본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치(100)는, 하우징(110) 내부에 싱글 로터(130)와 싱글 스테이터(140)로 구성되는 3상 구동방식의 BLDC 모터(200)를 포함하고 있다.

상기 컵 형상으로 이루어진 휠(110)의 원통형 벽에는 백요크(131)와 마그넷(132)이 적층되어 로터(130)를 형성하고 있다. 상기 마그넷(132)은 N극과 S극이 교대로 배치된 복수의 분할 마그넷으로 이루어지거나, 분할착자된 원통형 마그넷을 사용할 수 있다.

상기 컵 형상으로 이루어진 휠(110)의 바닥에는 로터 마그넷(132)과 대응하는 자극을 갖는 환형의 센싱 마그넷(172)이 설치되어 있다. 상기 센싱 마그넷(172)과 대향한 부위에는 로터의 회전시에 로터의 회전위치를 감지할 수 있도록 홀센서가 PCB에 장착된 홀센서 조립체(170)가 후술하는 스테이터(140)에 설치되어 있다.

상기 로터(130)의 마그넷(132)과 대향하여 에어갭을 갖고 스테이터(140)가 배치되어 있으며, 스테이터(140)는 중앙부가 모터샤프트(120)의 외주에 키(key)(124)를 이용한 키결합방식으로 결합되어 고정되며, 로터(130)에 회전자기장을 인가함에 의해 로터(130)를 회전시킨다.

본 발명의 제1실시예에 따른 스테이터(140)는 예를 들어, 복수의 티스(teeth)(즉, 코일 권선부)(141b)가 링형태의 요크(몸체)(141a)로부터 방사방향으로 연장된 일체형 스테이터 코어(141)의 티스에 조립 또는 인서트 몰딩방식으로 형성된 절연성 보빈(142)에 3상(U,V,W) 코일(143)이 권선된 구조를 가지고 있다. 상기 티스(141b)의 표면에 일체로 형성되는 보빈(142)은 스테이터 지지체(145)와 함께 열경화성 수지나 열가소성 수지를 이용한 인서트 몰딩방식으로 형성될 수 있다.

상기 스테이터(140)는 하우징(110)의 외부로부터 모터 구동에 필요한 3상(U,V,W) 구동신호를 전달하는 3개의 와이어가 하나의 케이블(180)에 내장되어 하우징(110) 내부로 도입된 후, 스테이터(140)의 스테이터 지지체(145)에 설치된 3개의 버스바에 고정된 후 복수의 티스(141b)에 권선된 3상(U,V,W) 코일(143)과 각각 연결된다.

이경우, 본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치(100)는 일체형 스테이터 코어(141) 대신에 복수의 분할 코어를 이용하여 3상(U,V,W) 코일(143)을 권선한 후, 몰딩용 수지를 사용하여 환형으로 일체화하면서 스테이터 지지체(145)를 동시에 형성하는 분할코어방식으로 구성될 수 있다.

상기 스테이터(140)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 외측으로부터 내측의 축방향으로 스테이터 코어(141)와 스테이터 프레임(144)이 배치된 상태로 열경화성 수지, 예를 들어 폴리에스터와 같은 BMC(Bulk Molding Compound) 몰딩재 또는 열가소성 수지로 몰딩하여 스테이터 지지체(145)를 형성함에 의해 일체화될 수 있다. 이 경우, 상기 스테이터 코어(141)의 티스(141b)에도 로터의 마그넷(132)과 대향한 부분을 제외하고 코일(143)이 권선되는 영역을 정의하는 보빈(142)을 일체로 형성할 수 있다.

또한, 상기 스테이터(140)는, 스테이터 코어(141)에 보빈(142)과 스테이터 지지체(145)를 일체로 형성하고 티스(141b)에 3상(U,V,W) 코일(143)을 권선한 상태에서 스테이터 프레임(144)과 끼움결합에 의해 조립될 수 있다. 이 경우, 스테이터 프레임(144)은 금속재로 이루어지며 외륜과 내륜(보스)(144b)이 복수의 연결부(144a)으로 연결된 구조를 가질 수 있다. 즉, 스테이터 프레임(144)은 도 5b에 도시된 일체형 코어 프레임(146)에서 복수의 티스(141b)가 제거된 형상을 가질 수 있다. 스테이터 프레임(144)은 예를 들어, 알루미늄합금을 이용한 다이케스팅 방식으로 제작되거나, 텅스텐 소재를 이용하여 분말야금법으로 성형될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 스테이터(140)는 복수의 티스(teeth)(141b)에 조립방식으로 절연성 보빈과 스테이터 지지체를 형성하고 3상(U,V,W) 코일(143)을 권선하는 방식으로 형성될 수 있다.

본 발명의 제2실시예에 따른 스테이터(140a)는 일체형 코어 프레임(146), 절연필름(147), 제1 및 제2 인슐레이터(148,149) 및 코일(143)을 포함한다. 상기 절연필름(147)과 제1 및 제2 인슐레이터(148,149)는 제1실시예에 따른 스테이터의 절연성 보빈과 스테이터 지지체와 동일한 역할을 한다.

제2실시예에 따른 스테이터(140a)는, 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같이, 스테이터 코어(141)와 스테이터 프레임(144)이 일체화된 일체형 코어 프레임(146)을 사용할 수 있으며, 박막의 규소강판을 복수개 적층하여 이루어질 수 있다. 일체형 코어 프레임(146)은 환형 요크(141a)의 외주에 복수의 티스(141b)가 방사상으로 연장되고, 환형 요크(141a)의 내측에 모터샤프트(120)와 결합되는 내륜(보스)(144b)이 복수의 연결부(144a)를 통하여 연결된 구조를 가질 수 있다.

일체형 코어 프레임(146)의 방사상으로 연장된 복수의 티스(141b)에는 로터의 마그넷과 대향한 외주면을 제외한 4측면을 둘러싸도록 대략 직사각통 형상으로 이루어지는 박막의 절연필름(147)이 구비되어, 코일(143)이 티스(141b)에 권선된 경우 절연상태를 유지한다.

또한, 스테이터(140a)는 일체형 코어 프레임(146)의 복수의 티스(141b)와 환형 요크(141a)를 일측 및 타측에서 커버하도록 제1 및 제2 인슐레이터(148,149)가 일체형 코어 프레임(146)에 끼움결합방식으로 조립된다. 제1 및 제2 인슐레이터(148,149)는 코일(143)이 티스(141b)에 권선된 경우 절연필름(147)과 함께 절연상태를 유지한다.

제1 및 제2 인슐레이터(148,149)는 각각 복수의 티스(141b)와 환형 요크(141a)에 대응하도록 환형 몸체(148a)와 상기 환형 몸체(148a)로부터 방사상으로 뻗어있는 복수의 연장돌기부(148b)를 포함하고 있다.

또한, 상기 제1인슐레이터(148)는 환형 몸체(148a)의 내측방향으로 환형 연장부(148c)가 연장형성되어 있다. 환형 연장부(148c)에는 홀센서 조립체(170)의 PCB를 고정볼트 또는 고정나사(171)를 사용하여 고정시키기 위한 홀센서 고정부(170a)가 배치되고, 버스 바(bus bar)용 볼트를 고정시키기 위한 3개의 버스바 고정너트(139)가 간격을 두고 매입되어 있다.

더욱이, 상기 제1인슐레이터(148)에는 3상(U,V,W) 코일(143)을 스타(star) 결선(즉, Y-결선)방식으로 결선할 때, 중성점(Neutral Point)을 형성하기 위한 공통터미널(138)이 인서트 몰딩되어 3개의 공통터미널단자(138a)가 제1인슐레이터(148)의 상부로 돌출될 수 있다.

상기 제1인슐레이터(148)의 환형 몸체(148a)에는 필요에 따라 어느 하나의 티스(141b)에 권선 후 다른 티스에 코일을 권선하기 위해 텐션을 유지하면서 다른 티스로 이동하거나 권선방향을 바꾸려고 할 때 가이드 역할을 하는 복수의 권선 가이드 돌기(148d)를 구비할 수 있다.

또한, 상기 제1인슐레이터(148)의 환형 몸체(148a)에는 인버터 회로(50)(도 7 참조)의 3상(U,V,W) 출력이 연결되는 U상, W상 및 V상 터미널단자(UT,WT,VT)가 간격을 두고 배치되어 있다.

상기 U상, W상 및 V상 터미널단자(UT,WT,VT)는 각각 3개의 버스바 고정너트(139) 중 하나와 제1인슐레이터(148) 내부적으로 연결되어 있다. 3개의 버스바 고정너트(139)에는 각각 버스 바(bus bar)용 볼트가 체결되어 있다. 따라서, 인버터 회로(50)의 3상(U,V,W) 출력은 하우징(110)의 외부로부터 케이블(180)을 통하여 내부로 도입된 후 3개의 버스 바(bus bar)용 볼트에 연결됨에 따라 U상, W상 및 V상 터미널단자(UT,WT,VT)에 안정되게 연결된다.

상기 스테이터 코어(141)와 분리된 스테이터 프레임(144) 또는 일체형 코어 프레임(146)은 내륜(보스)(144b)이 도 3에 도시된 바와 같이 키(124)를 이용하여 모터샤프트(120)에 고정될 수 있으며, 또한, 스테이터 프레임(144)과 일체형 코어 프레임(146)은 스플라인 결합방식으로 모터샤프트(120)에 고정결합될 수 있다.

그 결과, 스테이터(140)와 모터샤프트(120) 사이의 결합은 원주방향이나 축방향으로도 편향되지 않고 안정된 지지구조를 가지므로, 모터 케이싱(훨)의 회전시에도 편향되지 않아 편마모 발생이 없고 내구성 향상과 소음발생을 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치(100)는 예를 들어, 20극 싱글 로터(130)와 18슬롯(slot) 구조의 싱글 스테이터(140)로 구성되는 BLDC 모터(200)로 구성될 수 있다. 스테이터(140)는 3상(U,V,W) 코일(143)이 스테이터 코어(141)의 티스(141b)에 권선되어 있으며, 하우징(110)의 외부에 설치된 모터구동장치로부터 3상(U,V,W) 코일(143)에 6-스텝(step) 방식으로 구동신호를 인가하도록 케이블(180)을 통하여 전달된다.

상기 BLDC 모터(200)는 3상(U,V,W) 구동방식으로 구동될 때, 예를 들어, 로터위치검출소자로서 홀(Hall)센서를 이용하여 로터(130)의 회전위치를 감지할 수 있다. 이를 위해 로터(130)와 동시에 회전되는 센싱 마그넷(172)이 휠(110)의 바닥에 설치되어 있으며, 로터(130)가 회전될 때 센싱 마그넷(172)과 대향하여 스테이터(140)에 설치된 홀센서 조립체(170)에 의해 로터(130)의 회전위치를 감지할 수 있다.

로터의 위치신호를 검출하는 로터위치검출소자는 3상 구동방식인 경우, 예를 들어, 2개 또는 3개의 홀(Hall)소자를 사용할 수 있다. 홀센서 조립체(170)는 인쇄회로기판(PCB)에 3개의 홀센서와 주변회로소자가 실장된 구조를 가질 수 있다.

이하에 도 6a 내지 도 6d를 참고하여 본 발명에 따른 싱글 로터형 BLDC 모터에서 3상 코일의 3결선 방법에 대하여 설명한다.

도 6a는 본 발명에 따른 싱글 로터형 BLDC 모터에서 스테이터 코어와 로터의 마그넷이 대향한 상태를 나타내는 것으로, 상기 스테이터 코어는 스테이터 코어(141)와 스테이터 프레임(144)이 조립되어 구성되는 본 발명의 제1실시예에 따른 스테이터(140)를 나타낸 것이나, 스테이터 코어(141)와 스테이터 프레임(144)이 일체화된 일체형 코어 프레임(146)을 사용하는 제2실시예에 따른 스테이터(140a)에도 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명에 따른 싱글 로터형 BLDC 모터는 예를 들어, 18슬롯 20폴 방식의 모터로서, 스테이터(140)와 스테이터(140)의 외부에 간격을 두고 배치된 로터(130)를 포함한다. 도 6a에 도시된 실시예 설명에서는 스테이터의 외측에 로터가 배치된 아웃터 로터 모터를 예를 들어 설명하나, 본 발명은 이와 반대로 로터가 스테이터의 내측에 배치되는 인너 로터 모터에도 적용될 수 있다.

상기 로터(130)는 복수 개(20개)의 서로 다른 극성(N극 및 S극)을 가지는 마그넷(즉, 폴)(211-230)이 순차적으로 환형으로 백요크(도시되지 않음)에 부착된 구조로 구현될 수 있다.

스테이터 코어(141)는 도 6a에 도시된 바와 같이, 선단부가 T자 형상으로 이루어진 복수 개(18개)의 티스(T11-T28)가 환형의 백요크로부터 방사상으로 연장된 일체형 스테이터 코어로 구현되거나, 선단부가 T자 형상으로 이루어지고 후단부가 상호 연결되어 환형의 백요크를 형성하는 복수 개(18개)의 분할 코어로 구현될 수 있다.

본 발명에서 스테이터(140)에서 코일이 권선되고 자기회로 경로를 형성하는 스테이터 코어(141)는 상기한 바와 같이, 일체형 코어 또는 분할 코어를 사용할 수 있다.

따라서, 설명의 편의상 티스, 분할 코어, 또는 티스와 티스 사이에 형성되는 슬롯은 특별한 경우를 제외하고 서로 동일한 의미로 사용하며, 동일한 부재번호(T11-T28)를 부여한다.

싱글 로터 방식의 BLDC 모터에 포함되는 로터(130)를 구현하는 마그넷(폴)의 개수와 티스(슬롯)의 개수는 18슬롯 20폴 이외에 다양한 조합의 개수를 가질 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의상 도 6a에 도시된 18슬롯 20폴로 구현되는 BLDC 모터를 예를 들어 설명한다.

본 발명에 따른 BLDC 모터는 18슬롯 20폴 방식인 경우, 각각 코일(U1-U6,v1-v6,w1-w6)이 권선되는 18개의 티스(T11-T28)가 환형으로 배치된 스테이터 코어(141)를 구비한 스테이터(140)와, 스테이터(140)의 외측에 각각 N극 및 S극 마그넷이 교대로 배치된 환형으로 구현된 로터(130)를 포함한다.

이하에 본 발명에 따라 코일이 인접한 3개의 티스에 각 상별로 교대로 권선된 모터(이하 “3결선 구조 모터”라 한다)의 설계 방법에 대하여 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 3결선 구조 모터를 설계할 때 스테이터의 슬롯(slot)과 로터의 마그넷(자극)은 예를 들어, 18슬롯 20폴 비율로 설정된다. 따라서, 본 발명에서는 슬롯 수와 폴 수의 비율이 10% 정도의 차이가 발생되며, 이로 인하여 로터의 회전시에 발생되는 코깅은 1선 결선방식과 비교하여 크게 감소하며, 코어와 코어(즉, 슬롯과 슬롯) 사이의 간격은 좁게 설정되며, 그 결과 마그넷과 코어(즉, 티스) 사이의 대향하는 유효 면적이 증가하여 효율 증대를 도모할 수 있게 된다.

상기 로터(130)는 N극 마그넷(211,213,215,217,219,221,223,225,227,229)과 S극 마그넷(212,214,216,218,220,222,224,226,228,230)이 교대로 배치되고, 각각 인접한 마그넷 사이의 자기회로 통로를 이루도록 외주에 환형의 백요크(화살표 부분)가 구비되어 있으나, 설명의 편의상 생략하였다.

이하에 도 6a 내지 도 6d를 참고하여 본 발명에 따른 스테이터의 3상 코일의 결선 구조와 스테이터 코어에 3상 코일을 3결선 방법으로 권선하는 방법을 설명한다.

본 발명의 스테이터(140)는 18슬롯 20폴 구조일 때, 3상(U,V,W) 코일(143)은 U,V,W 각상마다 6개의 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)을 포함하며, U,V,W 각상의 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)은 인접한 3개의 티스에 연속적으로 권선되어 하나의 코어그룹을 형성하며, 전체적으로 6개의 제1 내지 제6 코어그룹(G1~G6)을 형성한다.

만약, 스테이터가 9의 배수인 27슬롯인 경우, 각 상마다 9개의 코일(U1-U9,V1-V9,w1-w9)을 포함하며, 인접한 3개의 티스에 연속적으로 권선되어 9개의 코어그룹(G1~G9)을 형성한다.

상기 각 코어그룹(G1~G6)은 도 6c 및 도 6d와 같이 18개의 티스(T11-T28) 중 3개의 티스에 연속적으로 순차적으로 권선되어 스테이터 코어(141)에 환형으로 배치된다. 그 결과, U상의 제1코어그룹(G1)과 제4코어그룹(G4), W상의 제2코어그룹(G2)과 제5코어그룹(G5), V상의 제3코어그룹(G3)과 제6코어그룹(G6)은 스테이터 코어(141)의 중심을 기준으로 서로 대향한 위치에 배치가 이루어지게 된다.

또한, 본 발명의 스테이터(140)는 3상(U,V,W) 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)을 Y-결선방식으로 결선하며, U,V,W 각상의 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)은 각 상의 일측(스타트 단자)은 도 7과 같이 모터 구동회로를 구성하는 인버터 회로(50)의 U,V,W 출력에 연결되고, 각 상의 타측(엔드 단자)은 상호 결선되어 중성점(NP; Neutral Point)을 형성한다.

이 경우, 3상(U,V,W) 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)을 Y-결선방식으로 결선할 때, 중성점(NP)을 형성하기 위한 공통터미널(138)이 제1인슐레이터(148)에 인서트 몰딩되고 공통터미널(138)로부터 제1인슐레이터(148)의 상부로 3개의 공통터미널단자(138a)가 돌출되어 각 상의 타측(엔드 단자)은 3개의 공통터미널단자(138a)에 연결된다.

또한, 인접한 3개의 티스에 연속적으로 권선되는 6개의 코어그룹(G1~G6)은 각각 예를 들어, U상 코어그룹(G1)의 코일(U1-U3)인 경우, 티스(T11-T13)에 와이어가 순방향, 역방향, 순방향으로 권선되어 있어, 각 코어그룹 내부의 각 티스는 상호 반대방향의 자속이 발생된다.

또한, 스테이터(140) 전체적으로 보면 18개의 티스(T11-T28)는, 후술하는 바와 같이, 인접한 티스 사이에 상호 반대방향의 자속이 발생되도록 선택적인 구동신호가 모터 구동회로의 제어부(도시되지 않음)로부터 발생되어 인버터 회로(50)를 통하여 3상 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)에 인가된다.

U,V,W 각상의 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)은 2개의 코어그룹이 병렬접속되어 각 코어그룹의 입력은 인버터 회로(50)의 U,V,W 출력에 공통 연결되고, 각 코어그룹의 출력은 3개의 공통터미널단자(138a)(C1-C3)에 공통 연결되어 중성점(NP)을 형성한다.

즉, U상의 코일(U1-U6)은 3개의 코일(U1-U3)로 이루어진 제1코어그룹(G1)과 3개의 코일(U4-U6)로 이루어진 제4코어그룹(G4)이 입력과 출력이 각각 공통 연결되고, W상 코일(w1-w6)과 V상 코일(V1-V6)도 동일하게 3개의 코일(w1-w3)로 이루어진 제2코어그룹(G2)과 3개의 코일(w4-w6)로 이루어진 제5코어그룹(G5)이 입력과 출력이 각각 공통 연결되며, 3개의 코일(V1-V3)로 이루어진 제3코어그룹(G3)과 3개의 코일(V4-V6)로 이루어진 제6코어그룹(G6)이 입력과 출력이 각각 공통 연결되어 있다.

본 발명에 따른 3결선 방법으로 권선된 스테이터(140)는, 도 6c 및 도 6d에 도시된 바와 같이, 18개의 티스(T11-T28)에 U,V,W 각상의 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)이 권선되어 제1 내지 제6 코어그룹(G1~G6)이 순차적으로 배열되어 있다.

이하에 도 6b를 참고하여 본 발명에 따른 스테이터 코어에 3상 코일을 3결선 방법으로 권선하는 방법을 설명한다.

본 발명에서는 도 6b와 같이, 하나의 와이어를 사용하여 티스(T11-T13)에 U상의 제1코어그룹(G1)을 권선한 후, 티스(T16-T14)에 W상의 제2코어그룹(G2)을 권선하고, 이어서 티스(T23-T25)에 W상의 제5코어그룹(G5)을 권선한 후, 티스(T28-T26)에 V상의 제6코어그룹(G6)을 권선하며, 이어서 티스(T17-T19)에 V상의 제3코어그룹(G3)을 권선한 후, 티스(T22-T20)에 U상의 제4코어그룹(G4)을 권선한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 하나의 와이어를 사용하여 티스(T11)에 U상 제1코어그룹(G1)에 대한 권선을 시작하여 U상 제4코어그룹(G4)의 티스(T20)에 대한 권선을 종료할 때까지 연속하여 권선하면 코일 권선이 완료된다.

그 결과, 본 발명에서는 동일한 상(相)내의 6개 티스에 권선된 코일과 코일 사이 그리고 다른 상의 코일 사이에 어떤 연결도 요구되지 않는다.

이 경우, 각 코어그룹(G1-G6)에 포함된 3티스에 권선되는 코일의 권선방향은 순방향, 역방향, 순방향으로 권선이 이루어진다. 또한, U상의 제1코어그룹(G1)의 코일(U1,U2,U3)을 권선한 후, W상의 제2코어그룹(G2)의 코일(w3,w2,w1)을 권선할 때는 뒤에 위치한 티스(T16)에서 앞에 있는 티스(T14) 방향으로 권선한다. 같은 방식으로 W상의 제5코어그룹(G5)과 V상의 제6코어그룹(G6), V상의 제3코어그룹(G3)과 U상의 제4코어그룹(G4)도 동일하게 코일을 권선한다.

또한, U상의 제1코어그룹(G1)의 코일(U3)로부터 W상의 제2코어그룹(G2)의 코일(w3)로 이동하는 과정에는 공통터미널(138)의 3개의 공통터미널단자(138a)(C1-C3) 중 하나에 와이어 래핑(wire wrapping) 방법으로 1회 권선하는 단계를 거침에 의해 제1코어그룹(G1)과 제2코어그룹(G2)의 일단부가 중성점(NP)에 자연스럽게 연결되도록 한다.

이 경우, 코일을 형성하기 위해 티스에 권선되는 와이어는 예를 들어, 외주에 폴리우레탄이 코팅된 UEW(Polyurethane Enameled Wire) 에나멜선 또는 폴리에스터가 코팅된 PEW(Polyester Enameled Wire) 에나멜선을 사용하므로, 공통터미널단자(138a)(COM)에 와이어 래핑(wire wrapping)한 후 솔더링을 실시하면 와이어와 공통터미널단자(138a)(COM) 사이에 전기적인 접속이 쉽게 이루어지게 된다.

동일한 방식으로 W상의 제5코어그룹(G5)과 V상의 제6코어그룹(G6), V상의 제3코어그룹(G3)과 U상의 제4코어그룹(G4) 사이에도 코어그룹과 코어그룹 사이에 공통터미널단자(138a)(COM)에 연결하여 각 코어그룹의 일단부가 중성점(NP)에 자연스럽게 연결되도록 한다.

또한, U상의 제1코어그룹(G1)의 코일(U1)의 스타트 단자와 U상의 제4코어그룹(G4)의 코일(U4)의 엔드단자는 U상 터미널단자(UT)에 공통 연결하며, 상기 U상 터미널단자(UT)에는 인버터 회로(50)의 U상 출력이 연결된다. 병렬접속된 U상의 제1코어그룹(G1)과 제4코어그룹(G4)의 입력은 U상 터미널단자(UT)에 공통 연결된다.

동일한 방식으로 W상의 제2코어그룹(G2)과 제5코어그룹(G5) 사이에도 제2코어그룹(G2)에서 제5코어그룹(G5)으로 이동하는 과정에 W상 터미널단자(WT)에 와이어 래핑(wire wrapping) 방법으로 1회 권선하는 단계를 거침에 의해 제2코어그룹(G2)과 제5코어그룹(G5)의 일단부가 W상 터미널단자(WT)에 자연스럽게 연결되도록 한다.

V상의 제3코어그룹(G3)과 제6코어그룹(G6) 사이에도 동일한 방식으로 제3코어그룹(G3)과 제6코어그룹(G6)의 일단부가 V상 터미널단자(VT)에 연결한다.

본 발명에서는 도 5d에 도시된 바와 같이, 제1인슐레이터(148)의 환형 몸체(148a)에 18개 티스마다 권선 가이드 돌기(148d), 3개의 공통터미널단자(138a)(C1-C3) 및 U상, W상 및 V상 터미널단자(UT,WT,VT) 중 하나가 배치되어 있어 있다. 이 경우, 3개의 공통터미널단자(138a)(C1-C3)는 상호 인접한 U상의 제1코어그룹(G1)과 W상의 제2코어그룹(G2) 사이, W상의 제5코어그룹(G5)과 V상의 제6코어그룹(G6) 사이, V상의 제3코어그룹(G3)과 U상의 제4코어그룹(G4) 사이에 배치되고, U상, W상 및 V상 터미널단자(UT,WT,VT)는 동일한 상의 U상의 제1코어그룹(G1)과 U상의 제4코어그룹(G4) 사이, W상의 제2코어그룹(G2)과 제5코어그룹(G5) 사이, V상의 제3코어그룹(G3)과 제6코어그룹(G6) 사이에 배치되는 것이 바람직하다.

복수의 권선 가이드 돌기(148d)는 하나의 코어그룹의 티스(141b)에 권선 후 다른 코어그룹의 티스(141b)에 코일을 권선하기 위해 텐션을 유지하면서 다른 티스로 이동하거나 권선방향을 바꾸려고 할 때 가이드 역할을 하도록 이용할 수 있다.

본 발명에서는 3결선 방법으로 일체형 스테이터 코어의 티스에 3상 코일을 권선할 때, 한번에 모든 코일 권선이 연속됨에 따라 결선 부위 없이 코일 권선이 이루어질 수 있다.

그러나, 본 발명의 코일 권선방법은 이에 한정되지 않고 나누어서 권선하는 것도 가능하다. 상호 인접한 2개의 코어그룹씩 예를 들어, 인접한 6개의 티스에 연속권선 방법으로 권선하여 2개의 코어그룹(G1,G2; G3,G4; G5,G6)마다 나누어서 3번에 걸쳐서 권선이 이루어질 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 BLDC 모터(200)는 도 7과 같이, U상의 제1코어그룹(G1)과 제4코어그룹(G4)이 입력과 출력이 각각 공통 연결되고, W상의 제2코어그룹(G2)과 제5코어그룹(G5)이 입력과 출력이 각각 공통 연결되며, V상의 제3코어그룹(G3)과 제6코어그룹(G6)이 입력과 출력이 각각 공통 연결되어, 병렬접속 구조를 가짐에 따라 스테이터 코일(143)의 저항도 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 스테이터 코어의 티스(T11-T28)에 3상 코일(U1-U6,w1-w6,V1-V6)을 권선할 때, 가는 직경의 와이어 2가닥을 사용하여 권선을 진행할 수 있다. 이 경우, 각 코어그룹(G1-G6)의 입력과 출력은 U상, W상 및 V상 터미널단자(UT,WT,VT)와 공통터미널단자(C1-C3)에 공통 연결되므로, 병렬회로를 구성하여 스테이터 코일(143)의 저항을 최소화할 수 있다.

일반적으로 저항(R)은 길이(l)에 비례하고 단면적(S)에 반비례한다. 따라서, 각 코어그룹 사이에 병렬접속이 이루어진 스테이터 코일(143)의 전체 저항은 직력접속 구조와 비교할 때 대략 1/2로 감소하게 된다. 그 결과, 동손(copper loss, coil loss)은 저항 RΩ인 도체에 전류(I)가 흐를 때 (P = I²R)의 에너지가 열로 발생하기 때문에 생기는 현상으로, 에너지 손실은 온도 상승의 원인이 된다.

그 결과, 본 발명에서는 스테이터 코일(143)의 저항이 작아짐에 따라 저항(resistance)과 동손(coil loss)을 줄여서 코일 온도를 낮추고 효율은 증대시키는 것이 가능하다. 또한, 스테이터 코일(143)의 저항을 낮출 수 있어 순시파워(Instantaneous power)가 요구되는 구동장치에서 전력 상승을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 가는 직경의 와이어를 2가닥 권선방식으로 권선하며, 이에 의해 원하는 코일 턴(turn)수를 확보함에 따라 원하는 고속 RPM을 구현할 수 있어 구동장치의 성능향상을 도모할 수 있게 된다.

이하에 상기한 도 6a 내지 도 7을 참고하여 본 발명의 3결선 방법에 따라 설계된 BLDC 모터(200)에 대한 동작을 하기 표 1을 참고하여 설명한다. 하기 표 1은 6스텝(step) 방식으로 BLDC 모터(200)를 구동할 때 인버터 회로(50)의 스위칭 소자(FET1-FET6)를 선택적으로 활성화할 때 적용되는 논리테이블이다.

전기각	0°	60°	120°	180°	240°	300°	360°, 0°
기계각	0°	12°	24°	36°	48°	60°	72°, 0°
H1	N	S	S	S	N	N	N
H2	N	N	N	S	S	S	N
H3	S	S	N	N	N	S	S
입력	V	V	W	W	U	U	V
출력	W	U	U	V	V	W	W
상측 FET	FET3	FET3	FET5	FET5	FET1	FET1	FET3
하측 FET	FET2	FET4	FET4	FET6	FET6	FET2	FET2

도 6d에 도시된 BLDC 모터(200)는 0°일 때의 상태를 나타낸 것으로, 6스텝(step) 방식으로 기계각 12°마다 스테이터 코일(U1-U6,V1-V6,W1-W6)에 흐르는 전류의 방향을 절환하여 인가함에 의해 해당 스테이터 코일(U1-U6,V1-V6,W1-W6)을 선택적으로 활성화하여 회전 자기장이 발생된다.

모터 구동회로는 제어부(도시되지 않음)와 인버터 회로(50)를 포함하며, 인버터 회로(50)는 3쌍의 전력 스위칭 소자(FET1-FET6)가 각각 토템폴 접속되어 구성되며, 상측 FET(FET1,FET3,FET5)와 하측 FET(FET4,FET6,FET2) 사이의 접속점으로부터 각 상의 출력(U,V,W)이 발생되어 BLDC 모터(200)의 스테이터 코일(U1-U6,V1-V6,W1-W6)로 인가된다.

BLDC 모터(200)가 3상 구동방식인 경우 스테이터(140)는 도 7과 같이 각 상마다 병렬접속된 6개의 코일(U1-U3,U4-U6,V1-V3,V4-V6,W1-W3,W4-W6)을 포함하고, 예를 들어, 스타(star) 결선 구조인 경우, 코일의 타단은 상호 연결되어 중성점(NP)을 형성한다.

상기 BLDC 모터(200)는 로터(130)의 위치신호에 기초하여 토템폴 접속된 3쌍의 스위칭 소자 중 2개의 스위칭 소자를 선택적으로 구동하여 U상, V상, W상 코일(U1-U3,U4-U6,V1-V3,V4-V6,W1-W3,W4-W6) 중 2개 상의 코일에 전류를 순차적으로 인가함에 의해 2개 상의 스테이터 코일을 순차적으로 여자시켜서 회전자계를 발생함에 따라 로터의 회전이 이루어진다. 즉, 1개상의 코일에는 인버터 회로(50)의 출력으로부터 구동신호가 인가되고, 다른 1개상의 코일에는 중성점(NP)을 통하여 인가된다.

모터 구동회로의 제어부(도시되지 않음)는 각각의 각도에서 홀소자(H1-H3)에 의해 로터(130)의 위치신호가 검출되면, 상기 표 1에 따라 인버터 회로(50)는 1쌍의 스위칭 소자(FET)를 턴온시켜 전류 흐름 경로를 설정한다.

예를 들어, 도 7과 같이 홀소자(H1-H3)가 로터(130)의 극성을 "N,N,S"로 검출하면, 제어부는 상기 표 1에 따라 로터(130)의 회전 위치가 0°인 것으로 판단하여, 상측의 FET3과 하측의 FET2를 턴온시키도록 구동신호를 인가하면, 전류가 FET3-병렬접속 V상 코일(V1-V3)/(V4-V6)-중성점-병렬접속 W상 코일(W3-W1)/(W6-W4)-FET2를 경유하여 접지로 흐른다.

이에 따라, 티스(T17)는 내측 방향의 자속이 발생되고, 티스(T18)는 외측 방향을 향하는 자속이 발생되며, 티스(T19)는 내측 방향을 향하는 자속이 발생되어, 화살표로 표시된 바와 같이 자기회로가 설정되고, 로터(130)는 시계방향으로 회전이 이루어지게 된다.

즉, 도 6d의 BLDC 모터(200)에서 V상 코일(V1-V3)이 3결선된 티스(T17-T19)는 전자석 역할을 하며 티스의 우측 부분이 로터(130)의 대향하는 마그넷(218-220)과의 사이에 S-S, N-N, S-S와 같이 서로 동일한 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 티스(T17-T19)와 로터(130) 사이에는 큰 반발력이 발생되고 있다.

또한, 티스(T17-T19)의 우측 부분보다 상대적으로 작은 면적으로 티스의 좌측 부분이 로터(130)의 대향하는 마그넷(217-219) 사이에 S-N, N-S, S-N과 같이 서로 반대 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 티스(T17-T19)와 로터(130) 사이에는 작은 흡인력이 발생되고 있다.

따라서, 티스(T17-T19)와 로터(130) 사이에는 작은 흡인력과 큰 반발력이 동시에 발생되고 있으므로, 로터(130)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 일어난다.

또한, V상 코일(V1-V3)이 3결선된 티스(T17-T19)에 인접하여 후단에 배치되며 W상 코일(W1-W3)이 3결선된 티스(T14-T16)는 각각 티스의 좌측 부분이 로터(130)의 대향하는 마그넷(214-216)과의 사이에 N-S, S-N, N-S와 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 티스의 우측 부분은 로터(130)의 대향하는 마그넷(215-217)과의 사이에 N-N, S-S, N-N과 같이 서로 동일 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 티스(T14-T16)와 로터(130) 사이에는 흡인력과 반발력이 발생되어 로터(130)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 동시에 일어난다.

더욱이, V상 코일(V1-V3)이 3결선된 티스(T17-T19)와 W상 코일(W3-W1)이 3결선된 티스(T14-T16)의 대향한 위치에 배치된 V상 코일(V4-V6)이 3결선된 티스(T26-T28)와 W상 코일(W6-W4)이 3결선된 티스(T23-T25)와 로터(130) 사이에도 상기와 동일하게 반발력 및 흡인력이 발생되어 로터(130)를 밀어주고 당겨주는 작용에 의해 로터(130)를 시계 방향으로 회전시킨다.

그 후, 로터(130)가 기계각으로 12°만큼 회전하여, 홀소자(H1-H3)가 로터(130)의 극성을 "S,N,S"로 검출하게 되며, 이에 따라 제어부는 상기 표 1에 따라 로터(130)의 회전 위치가 기계각으로 12°인 것으로 판단한다. 이에 따라 제어부가, 상측의 FET3과 하측의 FET4를 턴온시키도록 구동신호를 인가하면, 전류가 FET3-병렬접속 V상 코일(V1-V3)/(V4-V6)-중성점-병렬접속 U상 코일(U3-U1)/(U6-U4)-FET4를 경유하여 접지로 흐른다.

이에 따라 티스(T17)는 내측 방향의 자속이 발생되고, 티스(T18)는 외측 방향을 향하는 자속이 발생되며, 티스(T19)는 내측 방향을 향하는 자속이 발생되어, 화살표로 표시된 바와 같이 자기회로가 설정되고, 로터(130)는 시계방향으로 회전이 이루어지게 된다.

즉, BLDC 모터(200)에서 3결선된 티스(T17-T19)는 각각 티스의 좌측 부분이 로터(130)의 대향하는 마그넷(217-219) 사이에 S-N, N-S, S-N과 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 티스의 우측 부분이 로터(130)의 대향하는 마그넷(218-220) 사이에 S-S, N-N, S-S와 같이 서로 동일 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 티스(T17-T19)와 로터(130) 사이에는 흡인력과 반발력이 동시에 발생되어 로터(130)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 일어난다.

또한, V상 코일(V1-V3)이 3결선된 티스(T17-T19)에 인접하여 앞단에 배치되는 U상 코일(U1-U3)이 3결선된 티스(T20-T22)는 각각 티스의 좌측 부분이 로터(130)의 대향하는 마그넷(220-222) 사이에 N-S, S-N, N-S와 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 티스의 우측 부분이 로터(130)의 대향하는 마그넷(221-223) 사이에 N-N, S-S, N-N과 같이 서로 동일 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 티스(T17-T19)와 로터(130) 사이에는 흡인력과 반발력이 동시에 발생되어 로터(130)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 일어난다.

또한, 각각 3결선된 티스(T17-T19) 및 티스(T20-T22)에 대향한 위치에 배치된 3결선된 티스(T26-T28) 및 티스(T11-T13)와 로터(130) 사이에도 상기와 동일하게 반발력 및 흡인력이 발생되어 로터(130)를 밀어주고 당겨주는 작용에 의해 로터(130)를 시계 방향으로 회전시킨다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 각 코어그룹(G1-G6)은 각 상의 연속된 3개의 티스 중 중간에 위치한 티스에 역방향 코일 권선이 이루어져 있고, 각 구동 단계(step)마다 회전축을 중심으로 대칭으로 양측에 배치된 인접한 2개의 코어그룹, 즉, 한쌍의 연속된 6개의 티스는 활성화되고, 한쌍의 연속된 6개의 티스 사이에 배치된 연속된 3개의 티스는 비활성화 상태를 갖게 된다.

예를 들어, 도 6d와 같이 로터(130)의 회전 위치가 0°인 경우, V상 코일(V1-V3)이 3결선된 티스(T17-T19)(즉, G3)와 W상 코일(W1-W3)이 3결선된 티스(T14-T16)(즉, G2), V상 코일(V4-V6)이 3결선된 티스(T26-T28)(즉, G6)와 W상 코일(W4-W6)이 3결선된 티스(T23-T25)(즉, G5)는 활성화되고, U상 코일(U1-U3)이 3결선된 티스(T11-T13)(즉, G1)와 코일(U4-U6)이 3결선된 티스(T20-T22)(즉, G4)는 비활성화 상태를 갖게 된다.

이 경우, 상기 인접한 2개의 코어그룹마다 구동신호가 인가되어 활성화될 때 2개의 코어그룹에 포함된 6개의 티스는 서로 반대방향으로 자속을 발생한다. 또한, 상기 활성화가 이루어지는 인접한 2개의 코어그룹 중 하나의 코어그룹에는 구동신호가 해당 코일의 스타트(start) 단자로부터 인가되고, 다른 하나의 코어그룹에는 해당 코일의 엔드(end) 단자로부터 인가된다.

또한, 활성화가 이루어지는 연속된 6개의 티스는 로터(130)와의 사이에 티스의 좌측은 서로 반대 극성으로 설정되어 흡인력에 의해 로터(130)를 회전방향으로 당겨주고 티스의 우측은 서로 동일 극성으로 설정됨에 따라 반발력에 의해 로터(130)를 회전방향으로 밀어주는 작용이 이루어진다.

즉, 4개 코어그룹의 각각 연속된 3개의 티스 모두가 대향한 로터(130)의 마그넷을 동일한 방향으로 회전시키는 자속을 발생하여 로터에 대한 효과적인 힘 전달이 이루어지게 된다.

또한, 본 발명에서는 연속된 6개의 티스가 동시에 활성화가 이루어지고, 활성화된 6개의 티스는 서로 반대방향으로 자속을 발생하고 있어, 스테이터의 티스와 대향하는 로터(130)에서 인접한 S극 및 N극 마그넷 사이에 경계면이 배치될 때에도 자속 손실없이 효과적인 자기회로 경로가 설정되어 로터(130)를 회전 구동시키며, 그 결과 인접한 S극 및 N극 마그넷의 모서리를 라운딩 처리 없이 분할 착자된 마그넷을 사용할 수 있어 티스(T11-T28)와 대응하는 마그넷(211-230)의 유효면적이 커지게 되고 효율 상승을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 한쌍의 연속된 6개의 분할 코어가 인접한 분할 코어 사이에 서로 반대방향으로 자속이 발생되도록 코일 권선이 이루어지고, 구동신호가 인가됨에 따라, 코어와 코어 사이의 간격을 작게 설정할지라도 코깅에 따른 자속 누설이 발생하지 않고 마그넷과 코어(티스) 사이의 유효면적을 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있다.

종래에는 슬롯과 슬롯 사이의 오프닝(opening) 폭을 넓게 하고 외주면을 라운드(R) 처리하는 것이 요구되었으나, 본 발명에서는 각 티스는 라운드 처리하지 않고, 18개의 티스 전체가 형성하는 하나의 외측원에 일치하도록 곡률이 설정될지라도 코깅이 크게 발생하지 않게 된다. 그 결과, 마그넷과 코어(티스) 사이의 유효면적을 최대로 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있다.

본 발명에서는 3결선 방법으로 일체형 스테이터 코어의 티스에 3상 코일을 권선할 때, 한번에 모든 코일 권선이 연속됨에 따라 결선 부위 없이 코일 권선이 이루어질 수 있다. 이 경우, 도 6c 및 도 6d에 도시된 실시예에서는 각 코어그룹(G1~G6)이 스테이터 코어의 티스에 G1~G6 순서로 시계방향으로 배치되도록 권선하는 것이나, 코어그룹을 G1-G3-G5-G4-G6-G2의 순서로 시계방향으로 배치하는 것도 가능하다.

상기 실시예 설명에서는 스테이터 코어의 티스에 코일을 권선할 때, G1-G2-G5-G6-G3-G4의 순서대로 권선하는 것을 예시하였으나, G1-G3-G5-G4-G6-G2의 순서로 코어그룹을 배치하고 G1-G2-G5-G3-G6-G4의 순서대로 코일을 권선하는 것도 가능하다.

본 발명에서는 도 6c 및 도 6d에 도시된 바와 같이, U상 코어그룹, W상 코어그룹, V상 코어그룹의 순서대로 3권선 코일을 배치하는 대신에 U상 코어그룹, V상 코어그룹, W상 코어그룹의 순서대로 3권선 코일을 배치하는 것도 가능하다.

본 발명에서 코어그룹의 배치는 각 상의 대응하는 코어그룹이 회전축을 중심으로 대칭으로 서로 대향한 위치에 배치되는 조건을 만족하는 것이 요구되며,

한편, 본 발명에 따른 허브 타입 전동식 구동장치(100)는 케이블(180) 내부에 3상(U,V,W) 구동을 위한 구동신호를 전달하는 3선의 와이어, 홀센서 조립체(170)로부터 로터회전위치감지신호를 모터구동회로(도시되지 않음)에 전송하기 위한 5선의 와이어, 온도센싱용 2선의 와이어를 포함하여 10선의 와이어를 내장하고 있다.

BLDC 모터(200)는 하우징(110)의 외부로부터 하우징 내부로 3상(U,V,W) 구동을 위해 하우징 외부의 모터구동회로로부터 하우징 내부의 스테이터에 3상(U,V,W) 구동신호가 인가되고, 하우징(110) 내부에 설치된 홀센서 조립체(170)로부터 로터회전위치감지신호와 모터 내부의 온도값을 검출한 후 모터구동회로로 전송한다.

허브 타입 전동식 구동장치(100)는 복수의 와이어가 내장된 케이블을 하우징 내부로 도입 또는 인출할 때 실링상태를 유지하는 것이 필요하며, 본 발명은 케이블 가이드 조립체를 이용하여 케이블 실링 구조를 완성한다.

이하에 도 8a 내지 도 8d를 참고하여 본 발명에 따른 케이블 가이드 조립체를 설명한다.

우선, 상기 하우징(110)을 형성하는 휠(110)과 커버(112)의 중앙에는 각각 관통구멍이 형성되어 있고, 각각 관통구멍의 외주에는 제1 및 제2 베어링 하우징(111b,112a)이 형성되며, 제1 및 제2 베어링 하우징(111b,112a)에는 제1 및 제2 베어링(161,162)이 설치되어 있다. 제1 및 제2 베어링(161,162)은 볼베어링으로 이루어지는 것이 바람직하다.

이 경우, 제1베어링(161)은 제2베어링(162)보다 더 큰 직경을 가지고 있고, 제1베어링(161)의 내주에는 케이블 가이드 조립체(190)가 설치되어 있다. 즉, 제1베어링(161)은 내주에 케이블(180)이 통과하는 케이블 가이드 조립체(190)를 설치할 수 있도록 제2베어링(162)보다 더 큰 직경으로 형성되어 있다.

상기 케이블 가이드 조립체(190)는 케이블 가이드 브라켓(191), 실리콘 러버 링(Silicon rubber ring)(192), 케이블 브라켓 커버(198), O-링(195,196,197)를 포함하고 있다.

제1베어링(161)의 내주에는 금속제로 이루어진 케이블 가이드 브라켓(191)이 결합되어 있으며, 케이블 가이드 브라켓(191)의 외주에 구비된 요홈에는 O-링(196)이 삽입되어 제1베어링(161)과 케이블 가이드 브라켓(191) 사이는 실링상태로 설정된다. 상기 케이블 가이드 브라켓(191)은 예를 들어, 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있으며, 다이캐스팅 방식으로 성형될 수 있다.

상기 케이블 가이드 브라켓(191)은 중앙에 모터샤프트(120)가 관통결합되는 축관통구멍(193)이 형성되고, 축관통구멍(193)으로부터 일측으로 편향되어 케이블(180)이 통과하는 케이블관통구멍(194)이 형성되어 있다. 축관통구멍(193)은 케이블관통구멍(194)보다 더 긴 길이를 가지도록 몸체(191a)로부터 원통관(191b)이 휠(110)의 외부로 연장되어 있으며, 원통관(191b)의 선단부에는 실링스토퍼(199)가 모터샤프트(120)에 결합되어 케이블 가이드 브라켓(191)의 이동을 제한하면서 실링상태를 보완한다.

상기 원통관(191b) 상부의 케이블관통구멍(194)의 입구에는 케이블(180)이 쉽게 케이블관통구멍(194)으로 진입 또는 인출될 수 있도록 요홈(191c)이 길게 형성되어 있다.

상기 케이블 가이드 브라켓(191)의 휠(110) 내측에는 외주부에 스토퍼 역할을 하는 환형 플랜지(191d)가 돌출되어 있으며, 플랜지(191d)는 제1베어링(161)의 내주에 걸리게 된다.

상기 플랜지(191d)에는 환형 요홈이 형성되고 환형 요홈에는 환형의 케이블 브라켓 커버(198)가 결합되어 있다. 케이블 브라켓 커버(198)는 합성수지로 이루어질 수 있으며, 상기 케이블 가이드 브라켓(191)의 축관통구멍(193)과 케이블관통구멍(194)에 대응하는 2개의 관통구멍을 구비하고, 후단부는 상기 플랜지(191d)의 환형 요홈(191e)에 삽입되고 선단부는 케이블관통구멍(194)의 내부로 연장된 원통형 연장부(198a)를 구비하고 있다.

상기 케이블 가이드 브라켓(191)은 케이블 브라켓 커버(198)가 결합되는 하우징 내측의 케이블관통구멍(194)의 입구로부터 일정길이만큼 케이블관통구멍(194)의 내경보다 더 큰 내경을 갖는 단차부(191f)를 구비하고 있다.

상기 케이블 가이드 브라켓(191)의 축관통구멍(193)을 통과하는 모터샤프트(120)의 외주에 구비된 요홈에는 O-링(195)이 삽입되어 축관통구멍(193)과 모터샤프트(120) 사이는 실링 결합되고, 케이블관통구멍(194) 내부에는 탄성과 가요성을 갖는 실리콘 러버 링(Silicon rubber ring)(192)이 삽입되어 케이블관통구멍(194)의 실링이 이루어진다. 실리콘 러버 링(192)은 소정의 폭을 가지면서 내측에 돌출형성된 복수의 돌기가 케이블(180)의 외주에 압착결합되어 있어, 케이블관통구멍(194)과 케이블(180) 사이를 강한 실링상태로 설정하는 케이블 실(cable seal) 역할을 한다.

실리콘 러버 링(192)은 케이블 브라켓 커버(198)의 조립에 따라 케이블 브라켓 커버(198)의 연장부(198a)에 의해 압착되면서 단차부(191f)에 설치위치가 제한된다.

본 발명에서는 케이블관통구멍(194)에 삽입된 실리콘 러버 링(Silicon rubber ring)(192)이 케이블(180)의 외주와 케이블관통구멍(194) 사이에 압착결합되어 있어 케이블(180)의 유동이 발생할지라도 실링상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 케이블(180)은 내부에 복수의 와이어를 내장하고 있어 소정의 직경을 가지고 있다. 따라서, 종래와 같이 중공형태의 모터샤프트를 통과하는 방식은 조립 생산성이 떨어지고 실링구조를 형성하는 데 어려움이 있으나, 본 발명에서는 알루미늄 합금을 이용한 다이캐스팅 방식으로 축관통구멍(193)과 케이블관통구멍(194)을 갖는 케이블 가이드 브라켓(191)을 쉽고 정밀 성형할 수 있으며, 이를 이용하면 케이블의 조립생산성이 높고 실링구조의 형성이 용이하다.

본 발명은 전기자전거, 전기자동차, 전기오토바이, 전동스쿠터, 전동킥보드 등의 구동을 위해 모터 케이싱 역할을 겸하는 휠 내부에 모터를 내장한 허브 타입 구동모터(hub type driving motor)에 적용될 수 있다.

100: 구동장치 110: 하우징
111: 휠 112: 커버
111a: 림 112a: 요홈
113: 고정볼트 114,189: O-링
111b,112a: 베어링 하우징 120: 모터샤프트
121,126: 본체결합부 122: 케이블 가이드 브라켁결합부
123: 스테이터결합부 124: 키
125: 브레이크 바디결합부 130: 로터
131: 백요크 132: 마그넷
138: 공통터미널 138a: 공통터미널단자
139: 고정너트 142: 보빈
140,140a: 스테이터 141: 스테이터 코어
141a: 요크 141b: 티스
143: 코일 144: 스테이터 프레임
144a: 연결부 144b: 내륜
145: 스테이터 지지체 146: 코어 프레임
147: 절연필름 148,149: 인슐레이터
148a: 몸체 148b: 연장돌기부
148c: 연장부 149d: 권선 가이드 돌기
150: 브레이크장치 151: 브레이크 바디
152: 브레이크 링 153: 브레이크 패드
161,162: 베어링 170: 홀센서 조립체
170a: 홀센서 고정부 171: 고정볼트
172: 센싱 마그넷 180: 케이블
190: 케이블 가이드 조립체 191: 케이블 가이드 브라켓
191a: 몸체 191b: 원통관
191c,191e: 요홈 191d: 플랜지
191f: 단차부 192: 실리콘 러버 링
193: 축관통구멍 194: 케이블관통구멍
195-197: O-링 198: 케이블 브라켓 커버
198a: 원통형 연장부 199: 실링스토퍼
50: 인버터 회로 200: BLDC 모터
212-230: 마그넷 C1-C3: 공통터미널
G1-G6: 코어그룹 UT,VT,WT: 터미널단자
T11-T28: 티스

Claims (15)

1. 컵 형상으로 이루어진 휠과 외주부가 상기 휠의 개구부에 결합되는 커버를 구비하는 하우징;
   상기 하우징 외부의 본체에 양단부가 고정설치되는 모터샤프트;
   상기 휠과 커버의 중앙에 형성된 각각의 관통구멍에 설치되어 모터샤프트를 중심으로 하우징을 회전 가능하게 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링; 및
   상기 하우징 내부에 내장되며 모터샤프트를 중심으로 하우징을 회전시키는 BLDC 모터;를 포함하며,
   상기 BLDC 모터는
   상기 컵 형상으로 이루어진 휠의 원통형 내벽에 백요크와 마그넷이 적층된 로터; 및
   외주부가 상기 로터의 마그넷과 에어갭을 갖고 대향하고 중앙부가 모터샤프트의 외주에 결합되어 고정되며, 상기 로터에 회전자기장을 인가하기 위한 스테이터;를 포함하고,
   상기 스테이터는 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장되고, 상기 환형 요크의 내측에 모터샤프트와 결합되는 내륜이 복수의 브리지를 통하여 연결된 일체형 코어 프레임을 구비하며,
   상기 스테이터는
   일체형 코어 프레임;
   상기 로터의 마그넷과 대향한 외주면을 제외한 복수의 티스의 4측면을 둘러싸는 절연필름;
   각각 복수의 티스와 환형 요크에 대응하도록 환형 몸체와 상기 환형 몸체로부터 방사상으로 뻗어있는 복수의 연장돌기부를 구비하고, 상기 일체형 코어 프레임의 일측 및 타측에 조립되는 제1 및 제2 인슐레이터;
   상기 절연필름과 제1 및 제2 인슐레이터에 의해 둘러싸인 티스 부분에 권선되는 코일; 및
   상기 제1인슐레이터의 환형 몸체의 내측방향으로 연장형성되는 환형 연장부를 포함하며,
   상기 환형 연장부는 버스 바(bus bar)용 볼트를 고정시키기 위해 매입되며 U상, V상 및 W상 터미널단자와 각각 연결된 3개의 버스바 고정너트를 포함하는 허브 타입 전동식 구동장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 환형 몸체에 인서트 몰딩되어 3개의 공통터미널단자가 환형 몸체의 상부로 돌출되며, 3상(U,V,W) 코일을 스타-결선방식으로 결선할 때, 중성점(Neutral Point)을 형성하기 위한 공통터미널; 및
   상기 환형 몸체에 일체로 형성되며 상기 3상(U,V,W) 코일의 입력단자가 연결되는 U상, V상 및 W상 터미널단자;를 더 포함하는 허브 타입 전동식 구동장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 환형 몸체에 일체로 형성되며 복수의 티스에 코일을 권선할 때 코일의 가이드 역할을 하는 복수의 권선 가이드 돌기;를 더 포함하는 허브 타입 전동식 구동장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 BLDC 모터는 20극 싱글 로터와 18슬롯(slot) 구조의 싱글 스테이터로 구성되며,
   상기 스테이터는 18개의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고, 상기 3상(U,V,W) 코일 각각은 3개의 티스에 연속적으로 권선된 6개의 코어그룹을 포함하며,
   상기 18개의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일은 1번의 권선으로 권선이 이루어질 때, 각 상의 코어그룹의 입력은 각 상의 터미널단자에 공통 연결되고, 각 상의 코어그룹의 출력은 중성점(Neutral Point)을 형성하기 위한 공통터미널에 연결되도록 권선되는 허브 타입 전동식 구동장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고, 상기 3상(U,V,W) 코일 각각은 3개의 티스에 연속적으로 권선된 복수의 코어그룹을 포함하며,
   상기 코어그룹 각각은 연속된 3개의 티스에 순방향, 역방향 및 순방향의 순서로 연속 권선되며, 인접된 2개상의 연속된 6개의 티스는 대향하여 배치된 로터의 마그넷을 동일한 방향으로 회전하도록 서로 반대방향으로 자속이 발생되며,
   상기 스테이터의 코일에 6스텝(step) 방식으로 구동신호가 인가될 때, 2개 상의 연속된 6개의 티스는 활성화 상태로 설정되고, 상기 연속된 6개의 티스 사이에 배치된 나머지 1개 상의 연속된 3개의 티스는 비활성화 상태로 설정되는 허브 타입 전동식 구동장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고,
   상기 3상(U,V,W) 코일 각각은 3개의 티스에 연속적으로 권선된 복수의 코어그룹을 포함하며,
   각 상의 코어그룹은 병렬접속되고 각 상별로 교대로 배치되는 허브 타입 전동식 구동장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일은 1번의 권선으로 권선이 완료되는 허브 타입 전동식 구동장치.
10. 제8항에 있어서,
    상기 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일은 2가닥 와이어를 사용하여 권선하는 허브 타입 전동식 구동장치.
11. 제8항에 있어서,
    인접하여 배치된 2개의 코어그룹에 포함된 연속된 6개의 티스는 구동신호가 인가될 때 모두 대향한 로터의 마그넷의 자극과 동일한 극성 또는 반대 극성으로 설정되어, 로터를 동일 방향으로 회전시키는 허브 타입 전동식 구동장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 휠을 지지하는 제1베어링과 모터샤프트 사이에 설치되어 상기 모터샤프트와 케이블이 통과하는 축관통구멍과 케이블관통구멍을 제공하며, 상기 축관통구멍과 케이블관통구멍의 실링상태를 유지하는 케이블 가이드 조립체; 및
    상기 하우징 외부에 설치된 모터구동회로로부터 상기 BLDC 모터에 모터 구동신호를 인가하기 위한 복수의 와이어가 내장된 케이블;을 더 포함하는 허브 타입 전동식 구동장치.
13. 제12항에 있어서,
    상기 케이블 가이드 조립체는
    상기 제1베어링과 모터샤프트 사이에 설치되며, 중앙에 모터샤프트가 관통결합되는 축관통구멍이 형성되고, 상기 축관통구멍으로부터 일측으로 편향되어 케이블이 통과하는 케이블관통구멍이 형성되어 있는 케이블 가이드 브라켓;
    상기 케이블관통구멍에 삽입되며 케이블의 외주에 끼워지는 실리콘 러버 링; 및
    선단부가 상기 실리콘 러버 링을 고정하도록 케이블관통구멍에 끼워지는 케이블 브라켓 커버;를 포함하는 허브 타입 전동식 구동장치.
14. 제13항에 있어서,
    상기 케이블 가이드 브라켓은
    상기 축관통구멍과 케이블관통구멍이 형성되어 있는 몸체;
    축관통구멍이 케이블관통구멍보다 더 긴 길이를 가지도록 몸체로부터 휠의 외부로 연장되어 있는 원통관; 및
    상기 휠 내측에 연장형성되어 제1베어링의 내주에 걸리는 스토퍼 역할을 하는 환형 플랜지;를 포함하며,
    상기 케이블관통구멍에는 케이블 브라켓 커버가 끼워질 때 실리콘 러버 링의 위치를 한정하는 단차부를 갖는 허브 타입 전동식 구동장치.
15. 제1항에 있어서,
    상기 제2 베어링과 모터샤프트 사이를 실링상태로 설정하는 오링;을 더 포함하는 허브 타입 전동식 구동장치.

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