KR102628300B1 - 전기 드라이브 - Google Patents

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KR102628300B1
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데이빗 콜린 워커
리처드 이아인 막릿지
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

전기 드라이브(10)는 모터(12) 및 토크를 모터(12)로부터 툴로 전달하기 위한 트랜스미션(14)을 포함한다. 트랜스미션(14)은, 모터의 회전 샤프트(18)에 의해 구동되는 복수 개의 유성 롤러(32, 34, 36), 및 툴에 연결가능하고 유성 롤러에 의해 구동되는 출력 링(52)을 포함한다. 트랜스미션은, 모터의 하우징(20)에 고정되고, 롤러 케이싱에 상대적인 회전을 위하여 유성 롤러가 그 위에 장착되는 평행 유성 샤프트(38, 40, 42)를 지지하는 롤러 케이싱(22), 및 롤러 케이싱과 결속되는 내부 레이스(56) 및 출력 링의 내측 주연부와 결속되는 외부 레이스(58)를 가지는 베어링(54)을 포함한다.

Description

전기 드라이브
본 발명은 전기 머신에 관한 것이다. 전기 드라이브는 진공 청소기와 같은 표면 처리 기기의 브러시 바를 회전시키기 위하여 사용될 수 있다. 또한, 전기 드라이브는 차량, 자율 디바이스 또는 가정용 제품의 컴포넌트를 구동하기 위하여 사용될 수 있다.
청소기 헤드는 전기 모터 또는 터빈을 포함하는 드라이브에 의해 구동되는 표면 교반기(agitator), 예를 들어 회전식 브러시 바를 포함할 수 있다. 드라이브는 청소기 헤드의 전체 크기가 줄어들 수 있도록 브러시 바 내에 수용될 수 있다.
브러시 바용 전기 드라이브는 일반적으로 모터 및 토크를 모터로부터 브러시 바로 전달하기 위한 트랜스미션을 포함한다. 트랜스미션은, 맞물리는 톱니들을 가지는 기어의 세트를 가지는 유성형(epicyclic) 기어 박스를 포함한다.
본 발명은 전기 드라이브로서,
회전 샤프트를 가지는 모터; 및
트랜스미션을 포함하고, 상기 트랜스미션은,
상기 회전 샤프트에 의해 구동되는 복수 개의 유성 롤러(planetary roller);
상기 유성 롤러에 의해 구동되는 출력 링;
상기 모터의 하우징에 고정되는 롤러 케이싱 - 상기 롤러 케이싱은 상기 롤러 케이싱에 상대적인 회전을 위하여, 상기 유성 롤러가 그 위에 장착되는 평행 유성 샤프트를 지지함 -; 및
상기 롤러 케이싱에 결속되는 내부 레이스(race) 및 상기 출력 링의 내측 주연부에 결속되는 외부 레이스를 가지는 베어링을 포함하며,
상기 유성 롤러는 적어도 하나의 상대적 대직경 유성 롤러 및 복수 개의 상대적 소직경 유성 롤러를 포함하고,
상기 상대적 소직경 유성 롤러 중 하나는, 상기 회전 샤프트 및 상기 출력 링에 의해 형성되는 수렴형 웨지 갭(convergent wedge gap) 내로의 부하 하에서 움직일 수 있는, 전기 드라이브를 제공한다.
본 발명은, 모터의 회전 샤프트 및 트랜스미션의 출력 링 사이의 환형 공간에 위치된 유성 롤러가 있는 맞물리는 기어를 가지는 종래의 유성형 기어 박스를 대체한다. 롤러는 회전 샤프트로부터의 토크를, 회전 샤프트의 회전 시에 회전 샤프트의 외측 주연부 유성 롤러의 외측 주연부 사이에 생성되는 마찰력, 그리고 유성 롤러의 회전 시에 유성 롤러의 외측 주연부 및 출력 링의 내측 주연부 사이에서 생성되는 마찰력을 통해서 출력 링으로 전달한다. 토크가 회전 샤프트로부터 유성 롤러로, 그리고 유성 롤러로부터 출력 링으로, 윤활제의 박층을 통해서 전달되도록, 윤활제, 또는 트랙션 구리스가 트랜스미션 내에 제공되는 것이 바람직하다.
맞물리는 톱니가 없기 때문에, 트랜스미션을 사용하는 중에 생성되는 노이즈가 종래의 유성형 기어 박스를 사용하는 중에 생성되는 것보다 훨씬 낮아질 수 있다. 맞물린 기어 대신에 유성 롤러를 사용하면, 주어진 공간 엔벨로프 내에 더 넓은 범위의 기어비가 얻어질 수 있게 되고, 그러면 출력 토크 및 트랜스미션의 출력 회전 속도에 대하여 더 넓은 범위의 옵션을 제공할 수 있게 된다.
유성 롤러는 적어도 하나의 상대적 대직경 유성 롤러 및 복수 개의 상대적 소직경 유성 롤러를 포함한다. 따라서, 출력 링의 회전축은 모터의 회전 샤프트의 회전축으로부터 오프셋된다. 부하 하에서, 상대적 소직경 유성 롤러 중 하나는 회전 샤프트 및 출력 링에 대한 접선에 의해 규정되는 수렴형 웨지 갭 내로 측방 이동될 수 있어서, 유성 롤러, 샤프트 및 출력 링 사이에 큰 접촉력을 생성한다. 이러한 (가동) 유성 롤러는 유성 롤러가 실질적으로 부하가 없는 경우 위치되는 위치로 웨지 갭을 향해 편향되는 것이 바람직하다. 편향력은, 롤러 케이싱 및 가동 유성 롤러가 그 위에 장착되는 유성 샤프트 사이에 위치된 탄성 요소에 의해 인가되는 것이 바람직하다.
웨지 각도는 충분한 크기의 접촉력을 제공하는 것과 트랜스미션의 허용가능한 피로 수명 사이에 평형을 제공하도록 선택된다. 부하가 트랜스미션에 인가되지 않을 때, 웨지 각도는 바람직하게는 12° 미만이고, 바람직한 실시예에서는 3 내지 6°의 범위이다. 부하가 트랜스미션에 인가됨에 따라, 가동 유성 롤러가 회전 샤프트 및 외측 링 사이에 형성된 웨지 갭 내로 이동한다. 롤러 케이싱 및 모터 하우징에 상대적인 외측 링의 방사상 위치가 롤러 케이싱 및 외측 샤프트 사이에 위치된 베어링에 의해 고정되기 때문에, 가동 유성 롤러가 웨지 갭 내로 이동하는 것은 모터 하우징에 상대적인 회전 샤프트의 측방향 이동에 의해 수용된다. 이것은, 회전 샤프트를 트랜스미션으로부터 멀리 있는 그 후단부에서 또는 후단부를 향해서만 지지함으로써, 또는 상대적으로 느슨한, 또는 떠 있는 플레인 베어링(plain bearing)만을 회전 샤프트의 전단부를 향해 제공함으로써 달성될 수 있다.
이러한 트랜스미션을 측방향 가동 유성 샤프트와 함께 사용하면, 트랜스미션의 조립도 쉬워진다. 출력 링을 유성 롤러 주위에 위치시키기 위하여, 출력 링이 유성 롤러 주위의 위치로 이동될 수 있도록, 다른 유성 롤러에 상대적인 가동 유성 롤러의 위치를 조절하기 위하여 부하가 인가된다.
커버 플레이트는 롤러 케이싱에 상대적인 회전을 위하여 유성 롤러를 지지하기 위한 베어링을 수용하는 것이 바람직하다. 베이스 플레이트는 전기 드라이브의 공간 엔벨로프를 감소시키도록 모터의 하우징에 고정되는 것이 바람직하다.
위에서 언급된 바와 같이, 드라이브는 베어링을 포함하고, 이것이 출력 링을 모터 하우징에 상대적으로 방사상 및 축상 방향 양자 모두로 지지한다. 모터 하우징에 상대적인 출력 링의 위치를 고정하기 위하여, 그리고 그 대신에 가동 유성 롤러의 이동을 트랜스미션 내에 수용하도록 회전 샤프트가 모터 하우징에 상대적으로 이동하게 함으로써, 출력 링에 연결된 툴의 축상 및 방사상 위치도 유사하게 고정된다. 이것은, 툴의 고정된 방사상 및 축상 위치를 유지하는 것이 표면 처리 기기의 브러시 바와 같은 툴의 성능에 유리한 경우에 특히 유용하다. 더욱이, 툴을 사용하는 중에 툴에 가해지는 임의의 측방 충격이 베어링을 통해서 모터 하우징으로 전달되고, 유성 롤러 및 모터의 회전 샤프트와 같이 전기 드라이브의 더 민감한 컴포넌트로 전달되지 않는다.
베어링은 롤러 케이싱과 결속되는 내부 레이스(race), 및 출력 링의 내측 주연부와 결속되는 외부 레이스를 가진다. 롤러 케이싱의 외측 주연부는, 원주면 및 적어도 하나의 축면을 가지는 환형 케이싱 홈을 포함하는 것이 바람직하고, 베어링의 내부 레이스는 케이싱 홈의 표면과 결속된다. 출력 링의 내측 주연부는, 원주면 및 적어도 하나의 축면을 가지는 환형 출력 링 홈을 포함하는 것이 바람직하고, 베어링의 외부 레이스는 상기 출력 링 홈의 표면과 결속된다. 따라서 베어링은 트랜스미션의 내부를 외부 먼지와 쓰레기로부터 격리시키고 트랜스미션으로부터 윤활제가 유출되는 것을 방지하기 위한 시일(seal)을 더 제공한다.
전기 드라이브의 기어비는 바람직하게는 2:1 내지 10:1의 범위에 있다. 일 실시예에서, 모터의 회전 샤프트의 최대 회전 속도는 약 25,000rpm이고, 출력 링의 최대 회전 속도는 3,000 내지 3,500rpm의 범위에 있다. 이러한 출력 속도는 카페트의 섬유를 교반시키도록 적응된 브러시 바를 구동하기에 적합할 것이다. 다른 실시예에서, 모터의 회전 샤프트의 최대 회전 속도는 약 8,000rpm이고, 출력 링의 최대 회전 속도는 800 내지 1,200rpm의 범위에 있다. 이러한 출력 속도는 단단한 바닥면으로부터 먼지를 교반시키도록 적응된 브러시 바를 구동하기에 적합할 것이다.
또한, 본 발명은 진공 청소기용 청소기 헤드로서, 케이싱, 브러시 바, 상기 케이싱에 상대적인 상기 브러시 바의 회전을 구동하기 위한, 전술된 바와 같은 전기 드라이브를 포함하고, 상기 브러시 바는 트랜스미션의 출력 링에 직간접적으로 연결되는, 청소기 헤드를 제공한다.
또한, 전기 드라이브는 차량, 자율 디바이스 및 가정용 제품의 컴포넌트를 구동하기 위하여 사용될 수 있다.
본 발명의 바람직한 특징들은 첨부 도면을 참조하여 오직 비한정적인 예시에 의하여 이제 설명될 것이다:
도 1은 전기 드라이브의 사시도이다;
도 2는 전기 드라이브의 분해도이다;
도 3은 전기 드라이브의 부분 단면 사시도이다;
도 4는 전기 드라이브의 측단면도이다;
도 5a는 스핀들이 제거된 전기 드라이브의 정면도이고, 도 5b는 전기 드라이브의 정면 단면도이다; 그리고
도 6은 전기 드라이브를 사용할 때 전기 드라이브의 유성 롤러 중 하나의 측방향 이동을 개략적으로 도시한다.
도 1은 전기 드라이브(10)를 예시한다. 전기 드라이브(10)는 모터(12) 및 모터(12)에 연결되고 모터에 의해 구동되는 트랜스미션(14)을 포함한다. 트랜스미션(14)은 모터(12)로부터의 토크를 트랜스미션(14)에 연결된 스핀들(16)에 전달한다. 도 2 내지 도 6을 참조하면, 모터(12)는 모터(12)의 하우징(20)으로부터 연장되는 회전 샤프트(18)를 가진다. 트랜스미션(14)은 모터(12)의 하우징(20)에 연결된 케이싱(22)을 포함한다. 케이싱(22)은, 스크류(26)에 의해 하우징(20)에 고정되는 베이스 플레이트(24), 및 스크류(30)에 의해 베이스 플레이트(24)에 연결되는 커버 플레이트(28)를 포함한다. 회전 샤프트(18)가 케이싱(22)으로부터 이격되도록, 회전 샤프트(18)는 베이스 플레이트(24)를 통해 케이싱(22) 내로 돌출된다.
트랜스미션(14)은 샤프트(18)에 의해 구동되는 유성 롤러(32, 34, 36)를 더 포함한다. 유성 샤프트(38, 40, 42)가 회전 샤프트(18)에 평행하게 정렬되도록, 유성 롤러(32, 34, 36)는 커버 플레이트(28)에 의해 지지되는 유성 샤프트(38, 40, 42)에 장착된다. 각각의 유성 롤러(32, 34, 36)는 베어링(44, 46, 48)의 쌍 사이에 지지되어, 유성 롤러(32, 34, 36)가 케이싱(22)에 상대적으로 자유롭게 회전하게 한다. 오일 또는 구리스인 윤활제가, 회전 샤프트(18) 및 유성 롤러(32, 34, 36) 사이에 토크를 전달하고, 트랜스미션(14)의 이동하는 부분들 사이의 마찰 및 마모를 감소시키도록 제공되는 것이 바람직하다.
유성 롤러(32, 34, 36)는 상대적 대직경을 가지는 제 1 롤러(32) 및 상대적 소직경을 가지는 제 2 롤러(34)를 포함한다. 제 1 롤러(32) 및 제 2 롤러(34) 각각은 회전 샤프트(18)의 회전축 X에 상대적인 위치에 고정되는 축들 중심으로 회전한다. 유성 롤러(32, 34, 36)는 제 2 롤러(34)와 같은 직경을 가지는 제 3 롤러(36)를 더 포함한다. 제 3 롤러(36)는 회전 샤프트(18) 및 트랜스미션(14)의 출력 링(52) 사이에서 형성되는 환형 공간(50) 내에서 제 1 롤러(32) 및 제 2 롤러(34)에 상대적으로 측방향 이동할 수 있다. 제 3 롤러(36)는 도 6에서 A로 표시되는 제 1 위치를 향해 편향되고, 이것은 부하가 모터(12)에 의해 트랜스미션(14)에 인가되지 않을 때에 제 3 롤러(36)에 의해 취해지는 위치이다. 제 3 롤러(36)는, 바람직하게는 스프링의 형태이고 케이싱(24) 및 유성 샤프트(42) 사이에 위치되는 탄성 요소(53)에 의해 제 1 위치(A)를 향해 편향된다. 부하 하에서, 제 3 롤러(36)는 제 1 위치(A)로부터, 회전 샤프트(18)에 대한 접선 및 출력 링(52)에 의해 형성되는 수렴형 웨지 갭(G) 내에 위치된 제 2 위치(B)로 측방향 이동한다. 이러한 실시예에서, 웨지 갭(G)의 각도 γ는 부하가 트랜스미션(14)에 인가되지 않을 때에 4.5°이다.
출력 링(52)은 유성 롤러(32, 34, 36)에 의해 구동된다. 윤활제가 유성 롤러(32, 34, 36) 및 출력 링(52) 사이에 토크를 전달하기 위하여 제공되는 것이 바람직하다. 유성 롤러(32, 34, 36)의 직경이 상이한 것을 고려하면, 출력 링(52)은 회전 샤프트(18)에 편심되어 있고, 출력 링(52)의 회전 축 Y는 회전 샤프트(18)의 회전축 X에 평행하지만 그로부터 이격되어 있다.
출력 링(52)은 베어링(54)에 의하여 방사상 및 축상 방향 양자 모두로 지지된다. 이러한 실시예에서, 베어링(54)은, 케이싱(22)에 대해 고정된 위치에 유지되는 내부 레이스(56), 외부 레이스(58) 및 외부 레이스(58)가 내부 레이스(56)에 대해 회전하게 하기 위한 롤링 요소(60)의 세트를 가지는 롤링 베어링이다. 윤활제가 베어링(54)의 이동하는 부품들 사이의 마찰 및 마모를 줄이기 위해 제공된다. 내부 레이스(56)는 케이싱(22)의 외측 주연부 상에 형성된 환형 홈(62) 내에 수용된다. 환형 홈(62)은, 케이싱(22) 주위에서 연장되고 환형 홈(62)의 축상 단부(extremities)에 있는 축면에 대향하는 원주면을 가지고, 내부 레이스(56)는 환형 홈(62)의 표면에 결속된다. 외부 레이스(58)는 출력 링(52)과 결속되고 출력 링과 함께 회전한다. 외부 레이스는 출력 링(22)의 내측 주연부 상에 형성된 환형 홈(64) 내에 수용된다. 환형 홈(64)은, 케이싱(22)의 베이스 플레이트(24)에 근접한 출력 링(52)의 단부에 위치되는 것이 바람직하다. 환형 홈(64)은, 출력 링(52)의 내측 주연부 주위에서 연장되는 원주면 및 출력 링(52)의 단부로부터 멀리 있는 환형 홈(64)의 단부에 있는 숄더(shoulder)를 가지고, 외부 레이스(58)는 환형 홈(64)의 이러한 표면과 결속된다. 출력 링(52)의 끝에 있는 베어링(54)의 위치에 의하여, 먼지 및 다른 쓰레기가 트랜스미션(14) 내로 유입되는 것을 막고, 윤활제가 트랜스미션(14)으로부터 유출되는 것을 막기 위한 시일을 베어링(54)이 제공할 수 있게 된다.
스핀들(16)은 스크류(66)에 의해 출력 링(52)에 연결된다. 스핀들(16)은 출력 링(52)의 회전축 Y 주위에서 회전한다. 스핀들(16)은 전기 드라이브(10)에 의해 구동되는 툴(미도시)에 연결가능하다. 이러한 툴 중 하나는 진공 청소기와 같은 표면 처리 기기의 청소기 헤드의 브러시 바이다.
이러한 실시예에서, 모터(12)는 회전 샤프트(18)를 25,000rpm에 달하는 속도로 회전시키도록 구성되고, 및 전기 드라이브(10)의 기어비는 7.5:1 이다. 회전 샤프트(18)가 회전하면서, 회전 샤프트는 접선력(tangential force)을 위치 A로부터 위치 B로 측방향 이동하는 제 3 롤러(36)에 인가하고, 따라서 회전 샤프트(18)에 대한 접선 및 출력 링(52) 사이에 형성되는 웨지 갭(G) 내로 인가하는데, 여기에서 제 3 롤러(36)가 단단히 수용된다. 유성 롤러(32, 34, 36) 및 출력 링(52) 사이의 접점에서의 힘이 증가함에 따라 회전 샤프트(18) 및 유성 롤러(32, 34, 36) 사이의 접점에서의 힘이 증가하고, 그러면 충분한 토크가 출력 링(52), 및 따라서 스핀들(16)에 전달될 수 있게 되어, 툴의 사용 중에 스핀들(16)에 연결된 툴의 회전을 유지한다. 트랜스미션(14)의 기어비가 이와 같으면, 출력 링(52), 및 따라서 스핀들(16)의 최대 회전 속도는 3,000 내지 3,500rpm의 범위에 있다.
모터(12)의 하우징(20)에 상대적인 출력 링(52)의 위치가 고정되기 때문에, 제 3 롤러(36)의 측방향 이동이 출력 링(52)에 상대적인 회전 샤프트(18)의(~노출된) 전단부의 측방향 이동을 통해 수용된다. 이것은, 예를 들어 회전 샤프트(12)의 전면 섹션 및 하우징(20) 사이에서 상대적으로 느슨한 플레인 베어링(70)을 사용함을 통하여, 하우징(20)에 상대적으로 회전 샤프트(18)의 전면 단부를 상대적으로 느슨하게 지지함을 통하여 달성되는데, 그러면 회전 샤프트(18)가 하우징(20)에 상대적으로 피벗할 수 있게 된다.
요약하자면, 전기 드라이브(10)는 모터(12) 및 토크를 모터(12)로부터 툴로 전달하기 위한 트랜스미션(14)을 포함한다. 트랜스미션(14)은, 모터의 회전식 샤프트(18)에 의해 구동되는 복수 개의 유성 롤러(32, 34, 36), 및 툴에 연결가능하고 유성 롤러에 의해 구동되는 출력 링(52)을 포함한다. 트랜스미션은, 모터의 하우징(20)에 고정되고, 롤러 케이싱에 상대적인 회전을 위하여 유성 롤러가 그 위에 장착되는 평행 유성 샤프트(38, 40, 42)를 지지하는 롤러 케이싱(22), 및 롤러 케이싱과 결속되는 내부 레이스(56) 및 출력 링의 내측 주연부와 결속되는 외부 레이스(58)를 가지는 베어링(54)을 포함한다.

Claims (5)

  1. 전기 드라이브로서,
    회전 샤프트를 가지는 모터; 및
    트랜스미션을 포함하고, 상기 트랜스미션은,
    상기 회전 샤프트에 의해 구동되는 복수 개의 유성 롤러(planetary roller);
    상기 유성 롤러에 의해 구동되는 출력 링;
    상기 모터의 하우징에 고정되는 롤러 케이싱 - 상기 롤러 케이싱은 상기 롤러 케이싱에 상대적인 회전을 위하여, 상기 유성 롤러가 그 위에 장착되는 평행 유성 샤프트를 지지함 -; 및
    상기 출력 링을 상기 모터 하우징에 대해 방사상 및 축상 방향으로 지지하도록, 상기 롤러 케이싱에 직접적으로 결속되는 내부 레이스(race) 및 상기 출력 링의 내측 주연부에 직접적으로 결속되는 외부 레이스를 가지는 베어링을 포함하며,
    상기 유성 롤러는 적어도 하나의 상대적 대직경 유성 롤러 및 복수 개의 상대적 소직경 유성 롤러를 포함하고,
    부하 하에서, 상기 상대적 소직경 유성 롤러 중 하나는, 상기 회전 샤프트 및 상기 출력 링에 의해 형성되는 수렴형 웨지 갭(convergent wedge gap) 내로 움직일 수 있고,
    상기 베어링은 상기 출력 링의 축 방향 양 단부 중 상기 모터에 근접한 축 방향 단부에 위치하고, 상기 베어링의 일부는 상기 트랜스미션의 외부로 노출되고, 상기 베어링은, 상기 롤러 케이싱과 상기 모터에 인접한 출력 링의 상기 축 방향 단부 사이의 환형 홈을 메움으로써 상기 트랜스미션의 외부로부터 상기 트랜스미션의 내부를 격리시키기 위한 시일을 형성하고,
    상기 출력 링의 내측 주연부는 원주면 및 축면을 가지는 환형 출력 링 홈을 포함하고, 상기 원주면은 상기 모터에 근접한 상기 출력 링의 축 방향 단부의 말단으로 연장되고, 상기 축면은 상기 모터에 근접한 상기 출력 링의 축 방향 단부의 말단으로부터 이격된 위치에서 상기 모터를 향하고 있으며,
    상기 베어링의 외부 레이스는 상기 출력 링 홈의 상기 원주면 및 상기 축면에 결속되는, 전기 드라이브.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 상대적 소직경 유성 롤러 중 하나는 상기 웨지 갭을 향해 편향되는, 전기 드라이브.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 롤러 케이싱의 외측 주연부는, 원주면 및 적어도 하나의 축면을 가지는 환형 케이싱 홈을 포함하고,
    상기 베어링의 내부 레이스는 상기 케이싱 홈의 표면에 결속되는, 전기 드라이브.
  4. 삭제
  5. 진공 청소기용 청소기 헤드로서,
    케이싱, 브러시 바, 상기 케이싱에 상대적인 상기 브러시 바의 회전을 구동하기 위한, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 전기 드라이브를 포함하고,
    상기 브러시 바는 트랜스미션의 출력 링에 연결되는, 청소기 헤드.
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