KR20080095031A - Ｂｌｄｃ 모터용 스테이터, 이를 이용한 더블로터/싱글스테이터 구조의 ｂｌｄｃ 모터 및 자동차용 냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 BLDC 모터용 스테이터, 이를 이용한 더블로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터 및 자동차용 냉각 장치에 관한 것으로, 스테이터 코어 조립체의 조립 위치를 자동 설정하는 조립용 PCB를 이용하여 작업자가 스테이터를 조립하기 용이하고, 방수성, 걍량화 및 고출력을 확보할 수 있도록 하는 것이다.

본 발명의 BLDC 모터용 스테이터는, 지지부와, 상기 지지부의 중앙부로부터 수직 신장되고, 회전축을 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링이 내장되며, 내주부에 상기 회전축을 회전 가능하게 하는 보스와, 다수의 분할형 스테이터 코어의 내측 및 외측에 중앙 하단에 제1 및 제2 결합 돌기가 형성되는 내부 및 외부 플랜지를 구비하는 보빈을 둘러싸고, 상기 보빈 각각에 코일이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체와, 상기 각 스테이터 코어 조립체가 자동 위치 설정되어 조립되며, 각 상(U, V, W)별로 상기 코일의 양단부가 상호 결선되는 조립용 PCB를 포함한다.

BLDC 모터, 자동차 냉각 장치, 조립성, 경량화

Description

ＢＬＤＣ 모터용 스테이터, 이를 이용한 더블로터/싱글 스테이터 구조의 ＢＬＤＣ 모터 및 자동차용 냉각 장치{Stator for BLDC motor, BLDC motor having double rotors/single stator and vehicle cooler using the same}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BLDC 모터를 이용하는 자동차용 냉각 장치를 개략적으로 설명하기 위한 도면.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터를 설명하기 위한 정면도, 도 2a의 A-A' 선 단면도 및 B-B' 선 단면도.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 사용되는 완전 분할형 스테이터 코어의 사시도 및 도 2a의 C-C'선 단면도.

도 3c는 본 발명에 따른 조립용 PCB를 설명하기 위한 도면.

도 4a 내지 도 4c는 조립용 PCB에 스테이터 코어 조립체가 조립되어 동일 상의 코일간 양단부가 상호 결선된 상태를 도시하는 도면. 스테이터 코어의 배치도 및 3상(U,W,V) 구동 방식에서 동일 상의 코일간 양단부가 상호 결선된 상태를 설명하기 위한 도면.

도 5a 내지 도 5c는 각각 코일과 코일 사이의 상호 결선구조를 예시하기 위한 도면.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 스테이터 평면도, 배면도 및 도 6a의 D-D'선 단면도.

도 7a 및 도 7b는 스큐 방식이 적용된 스큐 스테이터 코어의 중앙 단면도 및 스큐 스테이터 조립체를 외측에서 바라본 측면도.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터의 요크 프레임을 평면도 및 도 7a의 E-O-E' 선 단면도.

도 9a는 이중 요크 프레임을 이용하는 더블 로터 구조의 단면도이고, 도 9b는 인서트 몰딩 방식을 이용한 일체형 더블 로터 구조의 단면도.

도 10a 내지 도 10e는 요크 프레임을 일체화하기 위한 다양한 결합구조(C)를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

3a : 스테이터 코어 3b : 코일

3c : 스테이터 코어 조립체 6 : 자석

8 : 요크 프레임 9 : 회전 축

10 : BLDC 모터 20 : 보빈

20a, 20b : 플랜지 21a, 21b : 결합 돌기

30 : 스테이터 40 : 조립용 PCB

41a, 41b : 결합홈 44 : 도전 라인

50 : 로터

본 발명은 BLDC 모터용 스테이터, 이를 이용한 더블로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터 및 자동차용 냉각 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 스테이터 코어 조립체의 조립 위치를 자동 설정하는 조립용 PCB를 이용하여 작업자가 스테이터를 조립하기 용이하도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있고, 스테이터의 전 표면을 절연물로 몰딩시켜 스테이터가 방수 처리되며, 하나의 BLDC 모터만으로도 자동차의 성능을 향상시키기 위한 고출력을 확보할 수 있도록 함은 물론, 자동차의 전체 중량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 자동차 내에 BLDC 모터가 차지하는 공간을 최소화할 수 있는 BLDC 모터용 스테이터, 이를 이용한 더블로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터 및 자동차용 냉각 장치에 관한 것이다.

오늘날, 화석 연료(가솔린)로부터 구동 에너지를 얻지 않고, 전기 에너지로부터 구동 에너지를 얻는 전기 자동차에 대한 관심이 공해 문제 등과 같은 이유로 증폭되고 있다. 이러한 전기 자동차는 전기 에너지로부터 구동 에너지를 얻기 때문에 배기 가스가 전혀 없으며, 소음이 아주 작은 장점이 있다.

그러나, 전기 자동차에서는 대용량의 전지(배터리)로부터 공급되는 직류 전력을 인버터를 통해 가변 주파수를 가지는 교류 전력으로 변환하여 구동 에너지를 얻기 과정 중에 다량의 열을 방출하기 때문에 반드시 냉각 또는 방열시켜야 한다.

일반적으로 자동차의 냉각 장치는 회전력을 발생시키는 모터와, 모터의 로터에 결합되어 공기를 순환시키는 임펠러과, 열을 방열 또는 냉각시키는 냉각 수단인 라지에이터를 구비한다.

현재 연료 전지 전기 자동차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle)나 하이브리드 자동차에 있어서는 전기 모터를 구동하기 위한 구동 시스템에 파워 IC 칩, MOSFET, IGBT와 같은 소자들을 사용하고 있으며, 연료 전지나 파워 소자들은 미리 설정된 온도 이상으로 상승하지 않도록 냉각시키는 것이 요구된다.

상기 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우에는 자동차의 속력이 제한되거나, 연료 전지의 수명이 단축되는 문제를 발생시키므로, 이들을 냉각시키기 위한 냉각 장치가 요구되며, 냉각 장치에는 브러시 타입의 DC 모터가 적용되고 있다.

또한, 일반적인 가솔린 엔진의 자동차에 있어서도 엔진의 온도가 설정된 온도 이상으로 상승하는 경우를 방지하기 위하여 250W의 출력을 가지는 모터가 적용되는 냉각 장치를 작동시키고 있다.

상술한 브러시 타입의 DC 모터는 전기 자동차의 냉각 장치의 임펠러를 구동시키기에는 적합하지 않다. 즉, 전기 자동차의 냉각 성능을 강화하기 위해서는 모터의 출력을 증가시켜야 하는데 고출력, 예를 들어, 400~500W의 고출력 DC 모터를 사용하는 경우, 브러시의 큰 마모율로 인하여 250W 용량의 2개 DC 모터를 이용하는 것이 일반적인데, 이 경우, 전기 자동차의 구조 설계가 복잡해짐은 물론, 냉각 장치의 전력 소모량이 증가하게 되는 문제가 있다. 또한, 전기 자동차 중 수소 연료 전지가 장착된 자동차인 경우에는 수소 가스와 브러시 타입의 브러시에서 발생되는 불꽃으로 인한 화재의 위험성이 매우 높다.

또한, 기존에 전기 자동차에 적용되는 DC 모터는 방수 구조를 갖지 않는 제 품이 사용되므로, 눈, 비 또는 안개 등과 같은 악천후에 영향을 많이 받게 된다.

따라서, 브러시로 인한 문제가 발생하지 않으면서 날씨에 영향을 받지 않는, 예를 들어, 방수 처리되어 날씨 상황에 영향을 받지 않으며, 전기 자동차의 냉각 장치에 적용할 수 있는 BLDC 모터가 제시되어야 한다.

또한, 전기 자동차의 성능이 향상됨에 따라 요구되는 고출력의 BLDC 모터가 제시되어야 하며, 자동차의 성능을 향상시키기 위한 냉각 장치에 사용되는 모터가 날씨 상황에 영향을 받지 않도록 방수 처리가 되면서 크기를 최소화하여 자동차내에서 차지하는 공간을 최소화할 수 있음은 물론, 동일한 크기의 다른 모터보다 높은 출력을 가지도록 해야 한다.

한편, 본 출원인은 공개 특허 공보 제 2004-2349호를 통하여 레이디얼 코어 타입 더블로터 방식의 BLCD 모터를 제안한 바 있다.

상기 선행 기술은 더블 로터/싱글 스테이터 구조를 취함에 의해 스테이터 코어의 완전 분할을 가능하게 하여 코일의 권선 효율성을 극대화할 수 있도록 하는 것이다.

또한, 공개 특허 공보 제 2005-245호를 통하여 분할형 스테이터 코어의 조립성을 향상시키기 위하여 환형의 코어 지지부에 다수의 스테이터 코어 조립체를 자동으로 위치 설정하여 고정시켜서 분할된 코일을 결선할 수 있는 스테이터 구조와 이를 이용한 BLCD 모터를 제안한 바 있다.

그런데 상기 코어 지지부는 하부면에 코일을 상호 연결하는데 필요한 다수의 도전 라인과 연결 패드를 구비한 환형 밴드 구조의 결선용 PCB에 분할형 스테이터 코어 조립체를 자동 위치 설정하는데 필요한 한쌍의 가이드 플랜지 및/또는 다수의 결합 돌기 쌍을 일체로 형성하기 위한 인서트 몰딩 공정이 요구된다.

더욱이, 상기 코어 지지부는 PCB로 이루어지는 환형판과 한쌍의 가이드 플랜지내에 다수의 스테이터 코어 조립체가 가조립되어 BMC 몰딩이 이루어지는 구조이나, BMC 몰딩재는 상기 PCB 환형판과의 상호 결합력이 약한 재료이므로, PCB의 상/하부면을 둘러싸는 스테이터 지지체는 상/하부간에 접촉 면적이 작아서 결합력이 약한 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 필요성을 충족시기키 위하여 창안된 것으로, 그 목적은 다수의 스테이터 코어 조립체의 조립 위치를 자동 설정하는 조립용 PCB를 코일 결선에 필요한 최소한의 부분만을 갖도록 패턴 형성함에 의해 조립용 PCB의 상/하부에 몰딩되는 열경화성 수지의 접촉 면적을 극대화하며, 작업자가 스테이터를 조립하기 용이하도록 하여 생산성을 향상시킬 수 있는 BLDC 모터용 스테이터를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스테이터의 전 표면을 절연물로 몰딩시켜 추가적인 절연물이 요구되지 않으며, 스테이터가 절연물에 의해 방수 처리되어, 자동차의 라지에이터에 적용되는 경우, 날씨 환경(눈, 비, 안개 등과 같은 고습도 환경)에 영향을 받지 않도록 함은 물론, 스테이터의 외형상으로도 조립 작업자에게 상해를 주는 날카로운 부위가 돌출되지 않도록 하여 작업자의 안전성을 확보할 수 있는 BLDC 모터용 스테이터를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터를 자동차의 냉각 장치에 적용하여 하나의 BLDC 모터만으로도 자동차의 성능을 향상시키기 위한 고출력을 확보할 수 있는 BLDC 모터용 스테이터 및 이를 이용한 더블로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하나의 BLDC 모터를 자동차의 냉각 장치에 적용하여 자동차의 전체 중량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 자동차 내에 BLDC 모터가 차지하는 공간을 최소화할 수 있는 더블로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터 및 이를 이용한 자동차용 냉각 장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일측면에 따른 BLDC 모터용 스테이터는, 지지부와, 상기 지지부의 중앙부로부터 수직 신장되고, 회전축을 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링이 내장되며, 내주부에 상기 회전축을 회전 가능하게 하는 보스와, 다수의 분할형 스테이터 코어의 내측 및 외측에 중앙 하단에 제1 및 제2 결합 돌기가 형성되는 내부 및 외부 플랜지를 구비하는 보빈을 둘러싸고, 상기 보빈 각각에 코일이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체와, 상기 각 스테이터 코어 조립체가 자동 위치 설정되어 조립되며, 각 U, V, W상별로 상기 코일의 양단부를 상호 결선하는 조립용 PCB를 포함하며, 상기 조립용 PCB는, 환원형으로 형성되며, 상기 코일을 상기 각 상별로 상호 결선하기 위하여 하부면에 인쇄된 다수의 도전 라인을 구비하는 중앙 영역과, 상기 스테이터 코어 조립체의 하단 면적보다 작으면서 상기 중앙 영역으로부터 방사형으로 신장되어 형성되며, 상기 스테이터 코어의 제1 및 제2 결합 돌기에 상응하는 위치에 상기 제1 및 제2 결합 돌기를 수용하는 제1 및 제2 결합 홈이 마련되어 상기 각 스테이터 코어 조립체를 자동 위치 설정하는 다수의 결합 영역을 포함한다.

상기 BLDC 모터용 스테이터는, 상기 보빈의 내부 또는 외부 플랜지의 모서리에 일체로 삽입되어 상기 각 코일의 일단을 전기적으로 연결하는 연결핀과, 상기 외부 또는 내부 플랜지에 상기 코일의 타단이 인출되는 관통 구멍을 더 구비하고, 상기 스테이터 코어 조립체를 상기 조립용 PCB에 결합한 이후에 상기 결합 영역이 형성되지 않은 영역에 돌출되는 상기 연결핀을 상기 도전 라인에 연결하고, 상기 코일의 타단을 상기 플랜지의 관통 구성을 관통시켜 상기 도전 라인에 연결하여 동일 상의 코일간 연결한다.

상기 스테이터는, 상기 조립용 PCB에 상기 각 스테이터 코어 조립체를 가조립한 상태에서 열경화성 수지를 이용하여 인서트 몰딩함에 의해 상기 지지부와 상기 보스를 일체로 형성한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터는, 임펠러와, 상측면에 상기 임펠러가 결합되고, 각각 다수의 N극 및 S극 자석이 서로 다른 동심원상에 환원상으로 교대로 배치되며, 내/외부간에 일정한 이격 거리를 가지고, 서로 대향한 자석이 반대극성을 갖도록 배치되는 내부 및 외부 로터로 이루어진 더블 로터와, 상기 내부 및 외부 로터 사이에 서로 공극을 갖고 설치되며, 각각 분할형 스테이터 코어가 내부에 내장된 보빈에 코일이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체를 자동 위치 설정이 가능한 조립용 PCB에 가조립한 상태로 열경화성 수지를 사용하여 인서트 몰딩에 의해 환원형으로 일체로 형성되고, 지지부로부터 연장되는 다수의 체결부를 통해 장치에 고정되는 일체형 스테이터와, 일단부가 상기 더블 로터의 중앙에 고정된 회전축과, 상기 회전축을 상기 스테이터 지지부의 중앙에 회전 가능하게 지지하기 위한 한쌍의 베어링으로 구성되며, 동일 상(U,V,W)별의 코일 양단부가 상기 조립용 PCB의 환원형 중앙 영역에 배열된 다수의 도전 라인을 통해 연결되고, 각각 한쌍의 결합 홈이 마련되는 다수의 결합 영역이 상기 스테이터의 중심부에서 방사형으로 상기 중앙 영역으로부터 신장되며, 상기 각 분할형 스테이터 코어의 하단에 형성되는 한쌍의 결합 돌기가 상기 결합 홈에 결합한다.

상기 일체형 스테이터는, 하단부에 상기 한쌍의 결합 돌기가 형성된 다수의 분할형 스테이터 코어와, 상기 다수의 분할형 스테이터 코어를 둘러싸는 다수의 절연성 보빈과, 상기 다수의 보빈 각각의 외주에 권선된 다수의 코일과, 상기 다수 코일을 동일 상별로 연결 가능하도록 하는 다수 도전 라인이 배열된 중앙 영역과 상기 스테이터 코어의 상기 한쌍의 결합 돌기를 수용하여 상기 다수의 스테이터 코어 조립체가 일정한 간격으로 자동 위치 설정되도록 하는 다수의 결합 영역을 갖는 조립용 PCB를 포함한다.

상기 일체형 스테이터는, 상기 내부 로터의 하부에 대향하도록 위치 설정되며, 상기 자석의 극성을 검출하는 홀 소자를 더 구비한다.

상기 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터는, 상기 절연성 보빈의 내부 또는/및 외부 플랜지의 모서리에 일체로 삽입되고, 상기 코일의 일단을 전기적 으로 연결되는 적어도 하나의 연결 핀을 더 포함하며, 상기 조립용 PCB에 상기 스테이터 코어 조립체를 조립한 이후에 상기 결합 영역에 형성되지 않은 영역에서 돌출되는 상기 연결 핀을 상기 도전 라인에 전기적으로 연결하여 동일 상별 코일간 연결한다.

상기 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터는, 상기 절연성 보빈의 내부 또는/및 외부 플랜지의 상기 코일을 인출할 수 있는 관통 구멍을 더 포함하고, 상기 조립용 PCB에 상기 스테이터 코어 조립체를 조립한 이후에 상기 코일을 상기 관통 구멍을 관통시켜 상기 중앙 영역의 도전 라인에 전기적으로 연결하여 동일 상별 코일간 연결한다.

상기 더블 로터는, 내부 요크와, 상기 내부 요크의 외주면에 환원상으로 교대로 배치된 다수의 제1 N극 및 S극 자석으로 이루어진 내부 로터와, 상기 내부 요크와 일정한 거리를 유지하도록 내부 요크의 직경보다 상대적으로 더 큰 직경을 갖는 외부 요크와, 상기 외부 요크의 내주면에 환원상으로 교대로 배치되며 다수의 제1 N극 및 S극 자석과 서로 대향한 자석이 반대극성을 갖도록 배치된 다수의 제2 N극 및 S극 자석으로 이루어진 외부 로터와, 상기 내부 요크 및 외부 요크를 고정 지지하고, 상측에 상기 임펠러를 결합할 수 있는 다수의 고정 홈이 형성되는 요크 프레임을 포함하며, 상기 내부 요크의 길이는 상기 외부 로터의 길이보다 상기 홀 소자의 높이만큼 짧게 형성된다.

상기 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터는 18코어-24극 방식으로 이루어지고, 상기 스테이터 코어에는 360°/코어(슬롯)수로 정의되는 1피치 범위 이 내의 스큐(skew)가 적용되어, 상기 보빈의 외부 및 내부 플랜지가 연장될 수 있으며, 상기 장치는, 자동차용 냉각 장치의 라지에이터이다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 자동차용 냉각 장치는, 자동차의 엔진 블럭에서 발생되는 열을 수냉 방식으로 냉각시키는 라지에이터와, 상기 라지에이터가 상기 열을 냉각시킬 수 있도록 기류를 발생시키는 냉각 수단으로 구성되며, 상기 냉각 수단은, 각각 다수의 N극 및 S극 자석이 서로 다른 동심원상에 환원상으로 교대로 배치되며, 내/외부간에 일정한 이격 거리를 가지고, 서로 대향한 자석이 반대극성을 갖도록 배치되는 내부 및 외부 로터로 이루어진 더블 로터와, 상기 내부 및 외부 로터 사이에 서로 공극을 갖고 설치되며, 각각 분할형 스테이터 코어가 내부에 내장된 보빈에 코일이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체를 각각 한쌍의 결합 홈에 마련되는 조립용 PCB의 다수의 결합 영역에 조립하고, 동일 상(U,V,W)별의 코일 양단부가 상기 조립용 PCB에 마련된 다수의 도전 라인을 통해 연결된 상태로 열경화성 수지를 사용하여 인서트 몰딩에 의해 환원형으로 일체로 형성되고, 지지부로부터 연장되는 다수의 체결부를 통해 상기 라지에이터에 고정되는 일체형 스테이터와, 상기 더블 로터의 상측면에 결합되고, 상기 더블 로터의 회전에 의해 상기 열을 상기 라지에이터가 냉각시킬 수 있도록 상기 기류를 발생시키는 임펠러와, 일단부가 상기 더블 로터의 중앙에 고정된 회전축과, 상기 회전축을 상기 스테이터 지지부의 중앙에 회전 가능하게 지지하기 위한 한쌍의 베어링을 포함한다.

상술한 본 발명에 따르면, 열경화성 수지의 접촉면을 최대화하며, 스테이터 코어 조립체의 조립 위치를 자동 설정하는 조립용 PCB를 이용하므로 스테이터의 생 산성을 향상시키면서 스테이터의 내구성을 강화할 수 있고, 스테이터의 전 표면이 절연물로 몰딩되므로 방수 처리되어, 날씨 환경(눈, 비, 안개 등과 같은 고습도 환경)에 영향을 받지 않으며, 하나의 BLDC 모터만으로도 자동차의 성능을 향상시키기 위한 냉각 장치의 고출력을 확보할 수 있으므로, 자동차의 전체 중량 및 냉각 장치가 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 모터용 스테이터, 이를 이용한 더블로터/싱글 스테이터 모터 및 자동차용 냉각 장치를 첨부한 도면을 참조하여 상세 설명한다.

이하 본 발명에 따른 냉각 장치가 사용되는 자동차는 전기 자동차에 한정되지 않고, 하이브리드카(HEV : hybrid electric vehicle), 연료전지 전기자동차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle) 및 내연기관 자동차 등에 모두 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 BLDC 모터를 이용하는 자동차용 냉각 장치를 라지에이터를 통해 냉각시키는 적용된 것을 예를 들어 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 냉각 장치는, 저면에 라지에이터(radiator)(70)에 연결되는 스테이터(30) 및 로터(50)를 구비하는 BLDC 모터(10)와, 로터(50)의 중앙부에 위치하며, 로터(50)와 일체로 형성된 회전축(9)과, 로터(50)의 상측 상에 임펠러 결합부(61)를 통해 결합되는 임펠러(60)를 포함한다.

본 발명에 따른 냉각 장치는 상기 도 1과 같이 라지에이터(70)를 통해 자동차의 열을 냉각시키거나, 연료 전지 전기 자동차의 구동 장치 또는 연료 전지를 냉각시킬 수 있는 위치에 설치될 수 있다.

라지에이터(70)는 예를 들어, 내연 기관의 자동차인 경우, 자동차의 엔진에서 발생하는 열을 수냉 방식으로 냉각시키기 위한 냉각 수단으로, 라지에이터 그릴을 통해 흡입되는 찬 공기로 냉각이 이루어질 수 있으며, 라지에이터 뒤쪽에 뜨거운 공기가 정체되는 것을 방지하지 위한 임펠러를 구비한다.

임펠러(60)는 로터(50)와 결합되어, 로터(50)의 회전에 의해 자동차에서 발생되는 열을 라지에이터(70)에서 방열 및 냉각시킬 수 있도록 하는 기류(1)를 발생시킨다.

로터(50) 상측 상에 임펠러(60)가 결합되는 방식은, 로터(50) 상부에 다수의 스터드 너트(도 2c의 17)를 마련하고, 스터드 너트(17)에 대응되는 임펠러(50)에 관통 홀을 형성하고, 다수 볼트를 임펠러(60)의 관통 홀을 통과하여 스터드 너트(17)에 볼트/너트 결합시키거나, 기타 주지된 다양한 방식으로 임펠러(60)를 로터(50) 상부에 직접 결합 장착할 수 있다.

또한, 스테이터(30)는 외주상으로 신장되어 형성되는 체결부(62)를 통해 라지에이터(70)에 결합되어 고정된다.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터를 설명하기 위한 정면도, 도 2a의 A-A' 선 단면도 및 B-B' 선 단면도이다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 실시예는 예를 들어, 로터(50)의 상측에 임펠러(60)가 결합되어 자동차에서 발생되는 열을 방열 및 냉각시키기에 적합한 냉각 장치에 적용되기 용이한 구조를 가지고 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 도 2b에서는 설명의 편의를 위해 스테이터 코어(3a)에 코일(14)이 권선되지 않은 상태를 도시하였다.

도 2a 내지 도 2c에 도시된 더블 로터/싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터(10)는 스테이터 지지부(14)가 자동차의 라지에이터(70)에 체결부(62)를 통해 볼트/너트와 같은 다양한 체결 수단에 의해 고정되며, 다수의 완전 분할형 스테이터 코어(3a)에 코일(3b)이 권선되어 환원형으로 조립된 스테이터(30)와, 스테이터(30)의 내주부 및 외주부에 소정의 자기갭(gap)을 두고, 환원형으로 다수의 자석(6a,6b)이 배치되어, 내부 로터(5a)와 외부 로터(5b)가 요크 프레임(8)에 지지되어 있는 더블 구조의 로터(50) 및 로터(50)와 일체형으로 형성되어, 스테이터 지지부(14)의 중앙부에서 수직 신장된 보스(13)가 마련하는 공간 내에서 베어링(11a, 11b)에 의해 지지되어 회전하며, 로터(50)의 중심부에 연결되는 회전축(9)을 포함한다.

스테이터(30)는 다수의 분할형 스테이터 코어(3a)의 보빈 외주에 코일(3b)이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체(3c)를 자동 위치 설정 수단인 조립용 PCB(40) 상에 가조립한 상태에서 열경화성 수지를 사용하여 인서트 몰딩함에 의해 환원형으로 일체로 형성된다.

미설명된 참조 번호 15는 신호 인출 단자로 코일(3b)에 구동 신호를 인가하기 위한 것이고, 참조 번호 12는 슬리브이다.

그리고, 스냅링(9a)은 회전축(9)의 하부 상에 위치하여 베어링(11a)의 이탈을 방지하고, 러버 캡(50)은 먼지 등과 같은 이물질이 회전축(9)이 위치하는 공간에 흡입되는 것을 차단한다.

스테이터 지지부(14)에는 내부 자석(6a)의 극성을 검출할 수 있도록 홀 소자(16)가 내부 자석(6a)의 하단부에 대향한 위치에 일체로 형성되어 배치된다. 따라서, 홀 소자(16)가 내부 자석(6a)의 극성을 검출하는 데 영향을 미치지 않도록 내무 요크(8a)의 길이는 하단부가 홀 소자(16)의 높이 정도로 제거되어, 외부 요크(8b)보다 짧게 형성된다.

따라서, 내부 요크(6a)는 외부 요크(6b)의 길이보다 홀 소자(16)의 높이만큼 작게 형성하거나, 홀 소자(16)가 위치하는 스테이터 지지부(14)의 상부면의 높이를 홀 소자(16)의 높이만큼 낮추어 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터(10)는 상기한 공개 특허 공보 제2004-2349호와 동일한 방식으로 더블 로터 구조의 로터(50)가 스테이터(30)에 의해 회전되므로 이에 대한 상세한 동작설명은 생략한다.

즉, 도 2b의 화살표의 흐름과 같이 내부 로터(5a)와 외부 로터(5b)의 자석(6a,6b)과 분할형 스테이터 코어(3a)가 하나의 완전한 자기 회로(2)를 형성하므로, 스테이터 코어(3a)의 완전 분할이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 스테이터(30)를 다수의 분할형 스테이터 코어(3a)로 제작하는 것이 가능하며, 더블 로터(50)를 채용하여, BLDC 모터(10)의 출력과 토크를 증가시킬 수 있으므로, 자동차에서 발생되는 열을 방열 및 냉각시키는 성능을 보다 강화시킬 수 있다.

또한, 상기한 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터(10)를 자동차의 냉각 장치에 적용하면, 하나의 BLDC 모터만으로도 자동차의 성능을 향상시키기 위한 고출력, 예를 들어, 700 내지 1000W의 고출력을 확보할 수 있으며, 하나의 BLDC 모터를 자동차의 냉각 장치에 적용하므로 자동차의 전체 중량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 더블 로터/싱글 스테이터 구조를 가지므로 자동차 내에 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명에 사용되는 완전 분할형 스테이터 코어의 사시도 및 도 3a의 C-C'선 단면도이고, 도 3c는 본 발명에 따른 조립용 PCB를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a 및 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 완전 분할형 스테이터 코어(3a)는 예를 들어, 단면이 대략 'I' 자형('T' 자형도 가능함)의 형상을 이루고 있고, 양측면에는 열경화성 수지와 같은 절연성 재질로 이루어진 보빈(20)이 결합되고, 보빈(20)의 중간부분에는 중공부가 배치된 통형부분과, 통형부분의 내측 및 외측에는 각각 플랜지(20a,20b)가 연장되어 있으며, 이들 플랜지(20a,20b) 사이에는 코일(3b)이 권선될 수 있는 공간이 형성되어 있다.

또한, 보빈(20)은 열경화성 수지로 사출 성형될 수 있으며, 각각의 상(U, V W)별로 권선된 코일(3b)의 상호 연결을 위하여 연결핀을 박아서 사용하거나, 코일(3b)을 통과시키기 위한 관통구멍을 보빈(20)의 내부 플랜지(20a)의 일측 또는 크로스된 양측 위치에 형성될 수 있다.

이러한 경우, I형 스테이터 코어(3a)와 보빈(20) 간의 조립은 열경화성 수지를 사용한 인서트 몰딩방식으로 일체로 성형되는 것이 바람직하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

그리고 분할형 스테이터 코어(3a)의 외부 및 내부 플랜지(20a, 20b) 중앙 하단에는 조립용 PCB(40)에 결합할 수 있는 제1 및 제2 결합 돌기(21a,21b)가 형성된다.

한편, 분할형 스테이터 코어(3a)의 보빈(20)에 의해 마련되는 공간에 코일(3b)을 권선한 스테이터 코어 조립체(3c)를 자동 위치 설정하면서 코일(3b)의 양단부를 상호 결선하기 위하여 도 3c에 도시된 바와 같은 조립용 PCB(40)를 이용한다.

도 3c에 도시된 바와 같이, 조립용 PCB(40)는 전체적으로 환원형이며, 다수의 스테이터 코어 조립체(3c)가 결합되는 결합 영역(43), 예를 들어, 15개의 결합 영역(43)에는 분할형 스테이터 코어(3c)의 제1 및 제2 결합 돌기(21a,21b)를 끼울 수 있는 제1 및 제2 결합 홈(41a, 41b)이 양단부에 마련된다. 이러한, 조립용 PCB(40)의 결합 영역(43)의 개수는 BLDC 모터(10)에 적용되는 스테이터 코어(3a)의 개수에 따라 달라질 수 있으며, 예를 들어, BLDC 모터(10)가 18슬롯(스테이터 코어)-24극 방식이면, 결합 영역(43)은 18개가 마련된다.

조립용 PCB(40)의 중앙 영역(42)은 스테이터(30)의 형상과 유사한 환원형으로 이루어지고, 스테이터 코어 조립체(3c)가 결합되는 15개의 결합 영역(43)은 스테이터 코어 조립체(43)의 하단 면적보다 적은 면적을 가지며, 스테이터(30)의 중 심에서 방사 형태로 형성된다.

즉, 조립용 PCB(40)는 스테이터(30)의 환원형 형상에 따라 스테이터 코어 조립체(3c)가 결합되도록 지지하는 중앙 영역(42)과, 스테이터 코어 조립체(3c)가 위치 설정되어 결합되도록 하는 결합 영역(43)과, 홀 소자(16)로부터 자석(6)의 극성에 따라 발생된 위치 검출 신호를 수신하고, 코일(3b)에 구동 신호를 인가하는 코일 인출 단자(15)를 연결하기 위한 회로 영역(46)을 구비한다.

또한, 결합 영역(43) 이외의 중앙 영역(42) 내측 및 외측은 PCB를 형성하지 않으므로 스테이터(30)를 열경화성 수지를 이용하여 인서트 몰딩 방식으로 사출 성형하였을 때에 열경화성 수지와 조립용 PCB(40) 사이의 접착력을 최대화하여 BLDC 모터(10)의 스테이터(30)를 견고하게 제작할 수 있으며, 스테이터(30)를 사출 성형한 이후에 내구성을 강화시킬 수 있다.

이러한, 조립용 PCB(40)의 중앙 영역(42)은 띠 형상으로 환형형으로 이루어지고, 결합 영역(43)은 스테이터 코어 조립체(3c)의 하단 면적보다 적어지도록 중앙 영역(42)으로부터 수직 신장되어, 열경화성 수지의 접촉 면적을 최대화하는 것이 바람직하다.

스테이터 코어 조립체(3c)와 조립용 PCB(40)의 결합 방식을 간단하게 설명하면, 먼저 분할형 스테이터 코어(3a)에 절연성 재질의 보빈(20)이 인서트 몰딩 방식으로 일체 결합되고, 보빈(20)에 의해 마련되는 공간에 코일(3b)을 권선한 스테이터 코어 조립체(3c)를 조립용 PCB(40)에 결합한다.

이때, 보빈(20)의 내부 및 외부 플랜지(20a, 20b) 하단에 형성된 제1 및 제2 결합 돌기(21a, 21b)가 대응하는 조립용 PCB(40)의 결합 영역(43)에 형성된 제1 및 제2 결합 홈(41a, 41b)에 끼워져 자동 위치 설정되면서 조립된다.

이때, 조립용 PCB(40)의 결합 영역(43)간의 이격 거리는 스테이터 코어 조립체(3c)의 크기에 따라 결정될 수 있으며, 결합 영역(42)간의 이격 거리는 일정하게 유지되도록 한다.

따라서, 본 발명의 스테이터(30)에서는 조립용 PCB(40)를 이용하여 다수의 스테이터 코어 조립체(3c)를 조립하는 경우, 보빈(20)의 제1 및 제2 결합 돌기(21a, 21b) 및 조립용 PCB(40)의 제1 및 제2 결합 홈(41a, 41b)에 따라 조립 위치가 자동적으로 결정되므로 비숙련자도 용이하게 조립작업이 가능하여 조립 생산성이 매우 우수해진다.

더욱이, 조립용 PCB(40)의 PCB가 형성된 부분을 최소화하여 열경화성 수지의 접촉면을 최대화할 수 있으며, 스테이터 코어 조립체의(3c) 조립 위치를 자동 설정하는 조립용 PCB(40)를 이용하여 스테이터(30)를 조립할 수 있으므로, 스테이터(30)의 생산성을 향상시키면서 스테이터(30)의 내구성을 강화할 수 있다.

또한, 스테이터(30)의 전 표면이 절연물로 몰딩되므로 추가적인 절연물이 요구되지 않으며, 자동차의 냉각 장치에 적용되는 경우, 날씨 환경(눈, 비, 안개 등과 같은 고습도 환경)에 영향을 받지 않는 효과를 얻을 수 있으며, 외형상으로도 조립 작업자에게 상해를 주는 날카로운 부위가 모두 절연물 내로 감추어지게 되어 작업자의 안전성을 확보할 수 있다.

또한, 조립용 PCB(40) 상에 스테이터 코어 조립체(3c)가 결합되어 가조립된 스테이터(30)는 스테이터 코어(3a)의 내/외부 연장부(24a,24b)가 각각 소정의 곡률로 내향 및 외향 곡면을 이루고 있으므로, 다수의 스테이터 코어 조립체(3c)의 내주부 및 외주부의 진원도가 높게 되어 스테이터(3d)의 내/외부에 결합되는 내부로터(5a)와 외부로터(5b)와의 사이에 근접되면서도 일정한 자기갭(gap)을 유지할 수 있게 된다.

도 4a는 조립용 PCB에 스테이터 코어 조립체가 조립되어 동일 상의 코일간 양단부가 상호 결선된 상태를 도시하는 도면이고, 도 4b는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 스테이터 코어를 배치하는 것을 설명하기 위한 도면이고, 도 4c는 3상(U,W,V) 구동 방식에서 동일 상의 코일간 양단부가 상호 결선되는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 4a를 참조하면, 본 발명에서는 조립용 PCB(40)를 이용하여 다수(예를 들어, 15개)의 스테이터 코어 조립체(u1-v5, w1-w5, v1-v5)를 3상 'Y' 결선 방식으로 조립하며, 각 상(U, V, W)별로 5개의 코일(3b)의 양단부를 연결하기 위한 다수의 도전 라인(44a~44n)이 조립용 PCB(40) 저면 중앙 영역(42)에 배열되어 있다.

이때, 다수의 도전 라인(44a~44n)은 중앙 영역(42) 상에 결합 영역(43)이 형성되지 않은 위치에 배열되며, 각 상별 코일(3b)의 양단부간 연결을 용이하게 하면서 코일(3b)의 양단부를 결선하는 배선이 중첩되지 않도록 하기 위해서 최소한의 길이로 형성되는 것이 바람직하다.

코일(3b)의 양단부간 연결하는 방식은, 도 5a에 도시된 바와 같이, 스테이터 코어(3a)에 결합되는 보빈(20)에 한쌍의 관통 구멍(대각 방향)을 마련하고, 스테이 터 코어 조립체(3c)의 코일(3b)로부터 인출되는 시작/끝 배선을 각각 관통 구멍에 결합되는 연결 핀(32)에 연결하여 동일 상의 코일(3b)의 시작과 끝 배선을 연결하거나, 도 5b에 도시된 바와 같이, 보빈(20)의 플랜지(20a, 20b)에 관통 구멍을 형성하고, 스테이터 코어 조립체(3c)의 코일(3b)을 플랜지(20a, 20b)에 형성된 관통구멍을 통과시켜 코일(3b)간 양단부를 연결시키거나, 도 5c에 도시된 바와 같이, 코일(3b)의 일측 배선은 연결 핀(32)에 연결하고, 타측 배선은 플랜지의 관통 구멍을 통과시켜 코일(3b)간 양단부를 연결할 수 있다.

예를 들어, 스테이터 코어(3a)에 결합되는 보빈(20)에 한쌍의 관통 구멍(대각 방향)을 마련하고, 코일(3b)로부터 인출되는 시작/끝 배선을 각각 관통 구멍에 결합되는 연결 핀(32a, 32b)을 통해 코일(3b)간 연결하는 경우에 대하여 설명한다.

도 4b를 참조하면, 스테이터 코어 조립체(3c)는 u1-w1-v1-u2-w2-v2-u1-…-u5-w5-v5 순서로 조립용 PCB(40) 상에 조립되며, 이 경우, 제1 단에 위치하는 스테이터 코어 조립체(u1,w1,v1)의 시작 배선은 구동 신호가 입력되는 입력 단자(A,B,C)와 연결되고, 최종단인 제5 단에 위치한 스테이터 코어 조립체(u5,w5,v5)의 끝 배선은 상호 결선되어 중성점(Neutral Point: NP)을 형성한다.

즉, 제1 단의 스테이터 코어 조립체(u1,w1,v1)의 시작 배선에는 입력 단자(A,B,C)로부터 구동 신호가 입력되고, 최종단인 제5 단의 스테이터 코어 조립체(u5,w5,v5)의 끝 배선은 상호 결선되어 중성점을 형성한다.

도 4a에 도시된 (+) 핀이 시작 배선과 연결된 시작 핀(32a)이고, (-) 핀이 끝 배선과 연결되는 끝 핀(32b)인 경우, u1 스테이터 코어 조립체(3c)의 끝 핀(32b)이 u2 스테이터 코어 조립체(3c)의 시작 배선(32a)과 연결될 수 있으면, 각 상별 코일이 연결됨을 알 수 있다.

즉, 도시된 바와 같이, u1 스테이터 코어 조립체(3c)의 끝 핀(32b)과 도전 라인(44)을 연결하고, 도전 라인(44)과 u2 스테이터 코어 조립체(3c)의 시작 핀(32a)을 연결하므로, u1 및 u2 스테이터 코어 조립체(3c)의 코일(3b)간 양단부가 결선된다. 이때, 도전 라인(44)과 시작 및 끝 핀(32a, 32b)은 점프 배선으로 솔더링하여 연결할 수 있다.

도 4c를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 제1 단의 스테이터 코어 조립체(u1, w1, v1)의 시작 배선은 구동 신호를 입력하는 각각의 입력 단자(A, B, C)와 연결된다.

그리고, 조립용 PCB(40)의 결합 영역(43) 사이의 중앙 영역(42)에는 다수의 도전 라인(44a~44n)이 배열되고, u1 스테이터 코어 조립체(3c)의 끝 핀(32b)을 도전 라인(44a)의 일측에 연결하고, 도전 라인(44a)의 타측을 u2 스테이터 코어 조립체(3c)의 시작 핀(32a)과 연결한다. 따라서, 도전 라인(44a)을 통해 u1 스테이터 코어 조립체(3c)의 끝 배선과, u2 스테이터 코어 조립체(3c)의 시작 배선이 연결된다.

이와 동일하게 V 및 W 상의 스테이터 코어 조립체(3c)의 끝 핀(32b)을 이웃하는 동일한 상의 스테이터 코어 조립체(3c)의 시작 핀(32a)과 연결할 수 있다.

또한, 최종단인 제5 단의 스테이터 코어 조립체(u5, w5, v5)의 끝 배선은 최종 도전 라인(44n)에 연결되어 중성점을 형성한다.

조립용 PCB(40)의 중앙 영역(42)에 배열되어 있는 각 도전 라인(44)을 통해 이웃하는 동일 상의 스테이터 코어 조립체(3c)의 코일(3b)간 연결시킬 수 있기 때문에 조립용 PCB(40)에 스테이어 코일 조립체(3c)를 결합하고, 동일 상을 가지는 스테이터 코어 조립체(3c)의 코일(3c)간 연결을 용이하게 할 수 있다.

도 5a 내지 도 5c에는 각각 코일과 코일 사이의 상호 결선 구조가 예시되어 있으며, 스테이터 코어 조립체의 코일(3b)과 코일(3b) 사이의 코일 연결 방식은 첫째, 도 5a와 같이 스테이터 코어 조립체(3c)의 보빈(20)에 한쌍의 연결핀(32)이 인서트 몰딩에 의해 일체로 삽입되어 있으며, 코일(3b)의 일단 및 타단은 연결핀(32)에 미리 연결된다.

그 후 스테이터 코어 조립체(3c)를 조립용 PCB(40)에 결합하면, 한쌍의 연결 핀(32)이 결합 영역(43)이 형성되지 않은 영역에 도출되게 된다. 따라서, 한쌍의 연결 핀(32)을 각각 조립용 PCB(40)의 도전 라인(44)에 연결하여 솔더링하여 코일간 연결시킬 수 있다.

두 번째 코일 연결 방식은 도 5b와 같이 스테이터 코어 조립체(3c)의 코일(3b)의 일단을 보빈(20)의 플랜지(20a)에 형성된 관통 구멍을 통과한 후 조립용 PCB(40)의 결합 영역(43)이 형성되지 않은 영역을 통해 코일(3b)과 도전라인(44)의 일단을 솔더링에 의해 고정시켜 코일(3b)간 연결시킬 수 있다.

세 번째 코일 연결 방식은 도 5c와 같이 스테이터 코어 조립체(3c)의 보빈(20)에 하나의 연결핀(32)을 인서트 몰딩에 의해 일체로 삽입하고, 코일(3b)의 일단은 연결핀(32)의 하단과 미리 연결한다.

그 후 스테이터 코어 조립체(3c)의 연결핀(32)을 조립용 PCB(40)의 도전 라인(44)에 연결하고, 코일(3b)의 타단을 보빈(20)의 플랜지(20a)에 형성된 관통구멍을 통과한 후 조립용 PCB(40)의 도전 라인(44)에 연결하여 코일(3b)간 연결시킬 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명에서는 스테이터 코어 조립체(3c) 사이의 코일(3b) 연결을 조립용 PCB(40)의 도전 라인(44)을 통해 반대면에서 솔더링 등을 통하여 이루어지므로 스테이터 코어(3a)에 감김 부분과 결선부분을 분리시킴에 따라 절연성능이 향상된다.

본 발명에 따른 BLDC 모터(10)의 스테이터(30)의 조립 과정은 다음과 같다.

먼저, 각각 분할형 스테이터 코어(3a)가 보빈(20)의 통형부분의 중공부에 삽입되고 적어도 하나의 연결핀(32)이 보빈(20)의 플랜지(20a,20b)의 모서리에 삽입되도록 인서트 몰딩에 의해 일체로 성형한다.

그 후 스테이터 코어(3a)와 일체로 성형된 보빈(20)의 플랜지(20a,20b) 사이의 외주에 범용 권선기를 이용하여 코일(3b)을 권선하여 다수의 스테이터 코어 조립체(3c)를 준비한다.

이어서, 조립용 PCB(40)의 상부에 다수의 스테이터 코어 조립체(3c)를 결합시키고, 저면부에서 코일(3b)의 양단을 상기한 코일 결선 방법에 따라 각 상별로 연결하여 스테이터(30)를 가조립하며, 홀 소자(16)를 내부 요크 프레임(8a) 하단부에 위치시켜, 인서트 몰딩 방식으로 일체화하기 위하여 스테이터(30) 내주부에 배치한다.

그리고, 인서트 몰딩방식으로 각 스테이터 코어(3a)의 내/외부 연장부(24a,24b)의 외부 대향면을 제외하고, 다수의 스테이터 코어 조립체(3c) 사이의 공간과, 조립용 PCB(40) 하부의 코일 결선부분을 덮도록 하부면을 열경화성 수지, 예를 들어 폴리에스터와 같은 BMC(Bulk Molding Compound)로 몰딩시켜 스테이터를 성형하면, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 것과 같은 스테이터(30)가 얻어진다.

도 6a 내지 도 6c는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 스테이터 평면도, 배면도 및 도 6a의 D-D'선 단면도이다.

도 6a 내지 도 6c를 참조하면, 상술한 과정을 통해 형성되는 상기 스테이터(30)는 대략 삼각 형상의 스테이터 지지부(14)가 일체로 형성되고, 스테이터 지지부(14)의 각 모서리 부분에는 자동차의 라지에이터(70)와의 결합에 이용되는 예를 들어, 3개의 체결 구멍을 가지는 체결부(62)가 일체로 형성된다.

또한, 스테이터 지지부(14)의 하부에는 스테이터(30)의 무게를 감소시키는 효과를 얻을 수 있는 공간(19)과, 스테이터(30)의 지지 강도를 보강하기 위한 직선 형태의 리브(18a)와 환형 형태의 리브(18b)가 방사선 형상으로 형성된다.

즉, 스테이터(30)를 인서트 몰딩할 때, 예컨대 스테이터(30)의 무게를 최소화하기 위한 살빼기를 하여 빈 공간(19)이 형상되고, 스테이터(30)의 지지 강도를 보강하기 위하여 보강용 리브(18a, 18b)가 형성된다.

이와 같이, 전 표면이 절연물로 몰딩된 스테이터(30)는 추가적인 절연물이 요구되지 않으며, 자동차의 냉각 장치에 적용되는 경우, 날씨 환경(눈, 비, 안개 등과 같은 고습도 환경)에 영향을 받지 않으며, 외형상으로도 조립 작업자에게 상 해를 주는 날카로운 부위가 모두 감추어지게 되어 안전성을 확보할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 스테이터(30)를 인서트 몰딩할 때, 스테이터 지지부(14)에 회전축(9)을 지지하기 위한 한쌍의 베어링(11a, 11b)을 장착할 수 있는 베어링 장착용 하우징(19a, 19b)을 동시에 보스(13)에 형성함에 의해 이후 조립되는 한쌍의 베어링(11a, 11b)의 동심도가 정확하게 일치시키도록 하는 것이 가능하며, 이에 결합되는 회전축(9)의 마찰력을 최소화할 수 있다.

아울러, 스테이터(30)를 인서트 몰딩할 때, 홀 소자(16)의 검출 신호를 제어 장치로 전송하고, 각 상별(U,V,W)별 구동 신호를 입력할 수 있는 IC 어셈블리(16a)를 일측에 형성한다.

즉, 스테이터(30)를 몰딩할 때, 보스(13)에 조립되는 한쌍의 베어링(11a, 11b)의 중심이 정확하게 일치하도록 베어링 장착용 하우징(19a, 19b)을 형성하여, 한쌍의 베어링(11a, 11b)에 의해 지지되는 회전축(9)이 로터(50)에 의해 회전할 때, 편심이 발생하지 않도록 한다.

본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터(10)의 로터(50)는 도 2c에 도시된 바와 같이, 다수의 자석(6a,6b)이 상호 대향하도록 배치된 내부 로터(5a)와 외부 로터(5b)가 요크 역할을 겸하는 한쌍의 내부 및 외부 요크 프레임(8a,8b)으로 이루어진 요크 프레임(8)에 지지되어 있다.

한편, 본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 방식의 BLDC 모터(10)는 발생되는 코깅 토크를 상쇄시키기 위하여 스테이터 코어(3a)에 스큐 방식을 적용한다.

도 7a는 스큐 방식이 적용된 스큐 스테이터 코어의 중앙 단면도이고, 도 7b는 스큐 스테이터 조립체를 외측에서 바라본 측면도이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 스큐 스테이터 코어(103a)는 단면 형상이 대략적으로 "I"(또는 "T")자 형상을 이루고, 그 외주부에는 절연성 재질로 이루어진 보빈(124a, 124b)이결합되고, 보빈(124a, 124b)이 마련하는 공간에 코일(3b)이 권선되어, 스큐 스테이터 코어 조립체(103)를 이룬다.

또한, 보빈(124)의 외부 플랜지(124a)는 내부 플랜지(124b) 보다 상대적으로 더 큰 크기로 형성되고, 보빈(124)에 권선된 코일로부터 배선을 인출하기 위한 관통 구멍(123)이 마련될 수 있다.

이와 같은, 관통 구멍(123)은 스큐 방식이 적용되지 않은 스테이터 코어 조립체(3c)의 보빈(24)에도 마련될 수 있다.

상기 보빈(124)은 코일이 권선될 수 있는 중간 부분의 사각통 형상을 가지는 권선 부분과, 권선 부분의 내측 및 외측에 각각 절곡되어 연장된 내부 및 외부 플랜지(124a, 124b)로 이루어지며, 내부 및 외부 플랜지(124a, 124b) 사이의 권선 부분에 코일이 권선된다.

결합 돌기(121a, 121b)가 형성된 외부 및 내부 플랜지(124a, 124b)에 마련된 관통 구멍(123)을 통해 코일의 배선을 인출하여 구동 신호를 입력할 수 있다.

스큐 스테이터 코어(103a)의 직선 형태 몸통의 내측 및 외측에서 각각 절곡 연장되는 내부 및 외부 플랜지(124a, 124b)는 환형의 내부 및 외부 로터(8a, 8b)와 일정한 갭이 유지되도록 내부 플랜지(124a)는 내측으로 라운드되고, 외부 플랜 지(1240b)는 외측으로 라운드되며, 스테이터(30)가 전체적으로 환원형을 이루므로 외부 플랜지(124b)가 내부 플랜지(124a)보다 상대적으로 크게 형성되는 것이 바람직하다.

스큐 스테이터 코어(103a)에 보빈(124)을 조립한 이후에 독립적으로 완전 분할된 스큐 스테이터 조립체(103c) 각각에 코일을 권선한다.

이러한, 스큐 스테이터 코어(103a)에는 코깅 토크 저감, 소음/진동 저감 등의 효과를 얻을 수 있도록 0~1피치(pitch) 범위에서 스큐(skew)가 주어질 수 있으며, 이 경우, 1피치는 (360°/슬롯 수)으로 결정되며, 예를 들어, 슬롯의 수가 18개인 경우 20.0°로 설정된다.

따라서, 본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터(10)는 토크 리플을 최소화함과 아울러, 스큐 스테이터 코어(103a)를 적용하여 증가되는 코깅 토크를 상쇄시킬 수 있다.

도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 방식 BLDC 모터의 더블 로터에 대한 요크 프레임을 평면도, 도 8a의 E-O-E' 선 단면도이다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 로터(50)의 요크 프레임(8)은 상측에 임펠러(60)과 결합하기 위한 임펠러 결합부(61)인 다수 고정홈(예를 들어, 3개)이 형성되고, 내부 및 외부 요크 프레임(8a, 8b)이 환원형으로 형성된다. 그리고, 내부 및 외부 요크 프레임(8a, 8b)은 일체로 형성된 지지 프레임(8c)을 통해 회전 축(9)에 고정 지지된다.

내부 요크 프레임(8b)의 외주면에는 내부 자석(6a)이 결합하고, 외부 요크 프레임(8a)의 내주면에는 외부 자석(6b)이 결합되어 더블 로터 구조를 이룬다.

그리고, 요크 프레임(8)의 중앙에는 회전 축(9)이 삽입 결합되는 중앙 홀이 형성되고, 요크 프레임(8)의 상측은 다수(예를 들어, 6개)의 지지부(8c)와 지지부(8c)가 형성되지 않는 관통 구멍(8d)으로 구성하여, 요크 프레임(8)의 무게를 최소화하여 더블 로터(50)의 회전을 용이하게 할 수 있어 BLDC 모터(10)의 출력을 향상시킬 수 있게 되며, 관통 구멍(8d)을 통하여 BLDC 모터(10) 내부를 공냉 방식으로 냉각시키기 위한 외부 공기를 흡입할 수 있다. 이때, 요크 프레림 지지부(8c) 및 관통 구멍(8d)은 균등한 간격으로 형성하는 것이 바람직하다.

이러한 더블 로터(50)는 자기 회로를 형성할 수 있는 재료로 이루어진 이중 요크 프레임 구조 또는 인서트 몰딩 방식을 이용하여 일체형 구조로 구현할 수 있다.

도 9a는 이중 요크 프레임을 이용하는 더블 로터 구조의 단면도이고, 도 9b는 인서트 몰딩 방식을 이용한 일체형 더블 로터 구조의 단면도이다.

도 9a를 참조하면, 요크 프레임(8)의 내부 및 외부 요크 프레임(8a,8b)은 각각 프레스에 의해 절곡 성형되어, 내부 요크 프레임(8a)의 절곡된 선단부와 외부 요크 프레임(8b) 사이에 내부 로터(5a)용 내부 자석(6a)을 장착하기 위한 제1 단차 구조(81a)가 형성되고, 외부 요크 프레임(8b)의 선단부에 외부 로터(5b)용 외부 자석(6b)을 장착하기 위한 제2 단차 구조(81b)가 형성되며, 제1 및 제2 단차 구조(81a, 81b)의 사이에는 스테이터(30)가 삽입될 수 있는 환형 홈(82)이 형성된다.

이 경우, 다수의 내부 및 외부 자석(6a,6b)은 각각 N극과 S극이 분할 착자되 어 있거나, 분할편으로 이루어질 수 있으며, 내부 요크 프레임(8a)과 외부 요크 프레임(8b)의 대향면에 위치하는 다수의 대향 자석은 서로 반대의 극성을 이루도록 배치됨과 동시에 인접한 다른 자석에 대하여도 서로 반대 방향의 극성을 가지게 배치된다.

이러한, 내부 및 외부 요크 프레임(8a,8b)은 도 10a 내지 도 10e와 같이 다양한 결합구조(C)를 사용하여 일체화될 수 있다.

즉, 도 9a와 같이 소위 톡스(TOX) 결합 구조, 도 9b에 도시된 톡스 플랫(flat) 결합 구조, 도 9c에 도시된 스폿 용접(spot welding) 결합구조, 도 9d에 도시된 리벳팅(riveting) 결합 구조 및 도 9e에 도시된 코킹(calking) 결합 구조 등과 같은 다양한 결합 구조 중 하나의 구조로 내부 및 외부 요크 프레임(8a, 8b)이 결합될 수 있다.

한편, 도 9b를 참조하면, 일체형 더블 로터(50)는 환원형의 내부 요크(51a)의 외측에 다수의 N극 및 S극 자석(6a)이 교대로 배치되어 내부 로터(50a)를 형성하고, 환원형의 외부 요크(51b)의 내측에 다수의 N극 및 S극 자석(6b)이 교대로 배치되어 외부 로터(50b)를 형성할 수 있으며, 예를 들어 BMC(Bulk Molding Compound)를 이용하여 인서트 몰딩 방식으로 일체로 형성된다.

이 경우 내부 로터(50a)와 외부 로터(50b)의 서로 마주보는 자석(6a,6b)의 대향면을 제외하고 몰딩이 이루어지며, 대향한 자석 사이에는 서로 반대 극성을 갖도록 배치된다. 이때, 내부 및 외부 요크(51a, 51b)는 스테이터 코어(3a)와 내부 및 외부 자석(6a, 6b)간 자기 회로가 형성되도록 한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 일체형 더블 로터(50)는 내부 로터(50a)와 외부 로터(50b)를 형성하는 다수의 자석(6a,6b)이 자체적으로 기본 구조 강도를 가지는 사출물(BMC)을 사용하여 일체화되었기 때문에 별도의 지지 플레이트를 필요로 하지 않는다.

또한, 인서트 몰딩에 의해 내부로터(50a)와 외부로터(50b)의 다수의 자석(6a,6b)이 동심상으로 배치되므로 진원도가 높게 되어 스테이터(30)와 조립될 때 균일한 자기갭(gap)의 유지가 가능하다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 열경화성 수지의 접촉면을 최대화할 수 있으며 스테이터 코어 조립체의 조립 위치를 자동 설정하는 조립용 PCB를 이용하여 스테이터를 조립할 수 있으므로, 스테이터의 생산성을 향상시키면서 스테이터의 내구성을 강화할 수 있다.

또한, 스테이터의 전 표면이 절연물로 몰딩되므로 추가적인 절연물이 요구되지 않으며, 자동차의 냉각 장치에 적용되는 경우, 날씨 환경(눈, 비, 안개 등과 같은 고습도 환경)에 영향을 받지 않는 효과를 얻을 수 있으며, 외형상으로도 조립 작업자에게 상해를 주는 날카로운 부위가 모두 절연물 내로 감추어지게 되어 작업자의 안전성을 확보할 수 있다.

더욱이, 자동차의 냉각 장치에 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터를 적용하여 하나의 BLDC 모터만으로도 자동차의 성능을 향상시키기 위한 고출력, 예를 들어, 700 내지 1000W의 고출력을 확보할 수 있다.

아울러, 하나의 BLDC 모터를 자동차의 냉각 장치에 적용하므로 자동차의 전체 중량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 더블 로터/싱글 스테이터 구조를 가지므로 자동차 내에 차지하는 공간을 최소화할 수 있다.

이와 같이 BLDC 모터를 이용하여 자동차(하이브리드카(HEV : hybrid electric vehicle), 연료전지 전기자동차(FCEV : Fuel Cell Electric Vehicle) 및 내연기관 자동차 등)의 냉각 장치를 구현하면, 더블 로터/싱글 스테이터 구조이므로 동일한 크기의 다른 종류 모터보다 높은 출력을 가질 수 있으며, 스테이터의 스테이터 코어를 조립용 PCB를 이용하여 가조립하고, 인서트 몰딩 방식으로 사출 성형하므로 방수 구조를 갖게 되어, 날씨 상황에 영향을 받지 않는다.

즉, 고도의 편차가 크고 고온 저습한 조건을 가지는 날씨 환경에서 전기 자동차를 운행하는 경우에는 연료 전지에 공기가 주입되는 양이 줄어 들어 보상이 필요하고, 중력이 감소되어 공기 밀도가 낮아지므로 공기가 희박한 환경에서 정상적으로 운행되어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터로 전기 자동차의 냉각 장치를 구현하는 경우에 고도의 편차가 크고 고온 저급한 조건의 날씨 환경에서도 모터의 출력이 크기 때문에 정상 운행할 수 있는 효과가 예측 가능하다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체 예에 대해서만 상세히 설명하였지만 본 발명의 기술 사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (12)

1. 지지부와,

   상기 지지부의 중앙부로부터 수직 신장되고, 회전축을 지지하기 위한 제1 및 제2 베어링이 내장되며, 내주부에 상기 회전축을 회전 가능하게 하는 보스와,

   다수의 분할형 스테이터 코어의 내측 및 외측에 중앙 하단에 제1 및 제2 결합 돌기가 형성되는 내부 및 외부 플랜지를 구비하는 보빈을 둘러싸고, 상기 보빈 각각에 코일이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체와,

   상기 각 스테이터 코어 조립체가 자동 위치 설정되어 조립되며, 각 U, V, W상별로 상기 코일의 양단부를 상호 결선하는 조립용 PCB를 포함하며,

   상기 조립용 PCB는,

   환원형으로 형성되며, 상기 코일을 상기 각 상별로 상호 결선하기 위하여 하부면에 인쇄된 다수의 도전 라인을 구비하는 중앙 영역과,

   상기 스테이터 코어 조립체의 하단 면적보다 작으면서 상기 중앙 영역으로부터 방사형으로 신장되어 형성되며, 상기 스테이터 코어의 제1 및 제2 결합 돌기에 상응하는 위치에 상기 제1 및 제2 결합 돌기를 수용하는 제1 및 제2 결합 홈이 마련되어 상기 각 스테이터 코어 조립체를 자동 위치 설정하는 다수의 결합 영역을 포함하는 BLDC 모터용 스테이터.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 보빈의 내부 또는 외부 플랜지의 모서리에 일체로 삽입되어 상기 각 코일의 일단을 전기적으로 연결하는 연결핀과,

   상기 외부 또는 내부 플랜지에 상기 코일의 타단이 인출되는 관통 구멍을 더 구비하고,

   상기 스테이터 코어 조립체를 상기 조립용 PCB에 결합한 이후에 상기 결합 영역이 형성되지 않은 영역에 돌출되는 상기 연결핀을 상기 도전 라인에 연결하고, 상기 코일의 타단을 상기 플랜지의 관통 구성을 관통시켜 상기 도전 라인에 연결하여 동일 상의 코일간 연결하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터.
3. 제1 항에 있어서, 상기 스테이터는,

   상기 조립용 PCB에 상기 각 스테이터 코어 조립체를 가조립한 상태에서 열경화성 수지를 이용하여 인서트 몰딩함에 의해 상기 지지부와 상기 보스를 일체로 형성하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터.
4. 임펠러와,

   상측면에 상기 임펠러가 결합되고, 각각 다수의 N극 및 S극 자석이 서로 다른 동심원상에 환원상으로 교대로 배치되며, 내/외부간에 일정한 이격 거리를 가지고, 서로 대향한 자석이 반대극성을 갖도록 배치되는 내부 및 외부 로터로 이루어진 더블 로터와,

   상기 내부 및 외부 로터 사이에 서로 공극을 갖고 설치되며, 각각 분할형 스 테이터 코어가 내부에 내장된 보빈에 코일이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체를 자동 위치 설정이 가능한 조립용 PCB에 가조립한 상태로 열경화성 수지를 사용하여 인서트 몰딩에 의해 환원형으로 일체로 형성되고, 지지부로부터 연장되는 다수의 체결부를 통해 장치에 고정되는 일체형 스테이터와,

   일단부가 상기 더블 로터의 중앙에 고정된 회전축과,

   상기 회전축을 상기 스테이터 지지부의 중앙에 회전 가능하게 지지하기 위한 한쌍의 베어링으로 구성되며,

   동일 상(U,V,W)별의 코일 양단부가 상기 조립용 PCB의 환원형 중앙 영역에 배열된 다수의 도전 라인을 통해 연결되고, 각각 한쌍의 결합 홈이 마련되는 다수의 결합 영역이 상기 스테이터의 중심부에서 방사형으로 상기 중앙 영역으로부터 신장되며, 상기 각 분할형 스테이터 코어의 하단에 형성되는 한쌍의 결합 돌기가 상기 결합 홈에 결합하는 것을 특징으로 하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
5. 제4 항에 있어서, 상기 일체형 스테이터는,

   하단부에 상기 한쌍의 결합 돌기가 형성된 다수의 분할형 스테이터 코어와,

   상기 다수의 분할형 스테이터 코어를 둘러싸는 다수의 절연성 보빈과,

   상기 다수의 보빈 각각의 외주에 권선된 다수의 코일과,

   상기 다수 코일을 동일 상별로 연결 가능하도록 하는 다수 도전 라인이 배열된 중앙 영역과 상기 스테이터 코어의 상기 한쌍의 결합 돌기를 수용하여 상기 다 수의 스테이터 코어 조립체가 일정한 간격으로 자동 위치 설정되도록 하는 다수의 결합 영역을 갖는 조립용 PCB를 포함하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
6. 제5 항에 있어서, 상기 일체형 스테이터는,

   상기 내부 로터의 하부에 대향하도록 위치 설정되며, 상기 자석의 극성을 검출하는 홀 소자를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
7. 제4 항에 있어서,

   상기 절연성 보빈의 내부 또는/및 외부 플랜지의 모서리에 일체로 삽입되고, 상기 코일의 일단을 전기적으로 연결되는 적어도 하나의 연결 핀을 더 포함하며,

   상기 조립용 PCB에 상기 스테이터 코어 조립체를 조립한 이후에 상기 결합 영역에 형성되지 않은 영역에서 돌출되는 상기 연결 핀을 상기 도전 라인에 전기적으로 연결하여 동일 상별 코일간 연결하는 것을 특징으로 하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
8. 제4 항에 있어서,

   상기 절연성 보빈의 내부 또는/및 외부 플랜지의 상기 코일을 인출할 수 있는 관통 구멍을 더 포함하고,

   상기 조립용 PCB에 상기 스테이터 코어 조립체를 조립한 이후에 상기 코일을 상기 관통 구멍을 관통시켜 상기 중앙 영역의 도전 라인에 전기적으로 연결하여 동일 상별 코일간 연결하는 것을 특징으로 하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
9. 제4 항에 있어서, 상기 더블 로터는,

   내부 요크와, 상기 내부 요크의 외주면에 환원상으로 교대로 배치된 다수의 제1 N극 및 S극 자석으로 이루어진 내부 로터와,

   상기 내부 요크와 일정한 거리를 유지하도록 내부 요크의 직경보다 상대적으로 더 큰 직경을 갖는 외부 요크와, 상기 외부 요크의 내주면에 환원상으로 교대로 배치되며 다수의 제1 N극 및 S극 자석과 서로 대향한 자석이 반대극성을 갖도록 배치된 다수의 제2 N극 및 S극 자석으로 이루어진 외부 로터와,

   상기 내부 요크 및 외부 요크를 고정 지지하고, 상측에 상기 임펠러를 결합할 수 있는 다수의 고정 홈이 형성되는 요크 프레임을 포함하며,

   상기 내부 요크의 길이는 상기 외부 로터의 길이보다 상기 홀 소자의 높이만큼 짧게 형성되는 것을 특징으로 하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
10. 제4 항에 있어서,

    상기 BLDC 모터는 18코어-24극 방식으로 이루어지고, 상기 스테이터 코어에는 360°/코어(슬롯)수로 정의되는 1피치 범위 이내의 스큐(skew)가 적용되어, 상 기 보빈의 외부 및 내부 플랜지가 연장되는 것을 특징으로 하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
11. 제4 항에 있어서, 상기 장치는,

    자동차용 냉각 장치의 라지에이터인 것을 특징으로 하는 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 BLDC 모터.
12. 자동차의 엔진 블럭에서 발생되는 열을 수냉 방식으로 냉각시키는 라지에이터와,

    상기 라지에이터가 상기 열을 냉각시킬 수 있도록 기류를 발생시키는 냉각 수단으로 구성되며,

    상기 냉각 수단은,

    각각 다수의 N극 및 S극 자석이 서로 다른 동심원상에 환원상으로 교대로 배치되며, 내/외부간에 일정한 이격 거리를 가지고, 서로 대향한 자석이 반대극성을 갖도록 배치되는 내부 및 외부 로터로 이루어진 더블 로터와,

    상기 내부 및 외부 로터 사이에 서로 공극을 갖고 설치되며, 각각 분할형 스테이터 코어가 내부에 내장된 보빈에 코일이 권선된 다수의 스테이터 코어 조립체를 각각 한쌍의 결합 홈에 마련되는 조립용 PCB의 다수의 결합 영역에 조립하고, 동일 상(U,V,W)별의 코일 양단부가 상기 조립용 PCB에 마련된 다수의 도전 라인을 통해 연결된 상태로 열경화성 수지를 사용하여 인서트 몰딩에 의해 환원형으로 일 체로 형성되고, 지지부로부터 연장되는 다수의 체결부를 통해 상기 라지에이터에 고정되는 일체형 스테이터와,

    상기 더블 로터의 상측면에 결합되고, 상기 더블 로터의 회전에 의해 상기 열을 상기 라지에이터가 냉각시킬 수 있도록 상기 기류를 발생시키는 임펠러와,

    일단부가 상기 더블 로터의 중앙에 고정된 회전축과,

    상기 회전축을 상기 스테이터 지지부의 중앙에 회전 가능하게 지지하기 위한 한쌍의 베어링을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 냉각 장치.

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