KR20090029439A - 영구자석 매입형 모터 및 이를 이용한 공기흡입장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 도입공기의 통과경로를 스테이터 내부와 회로소자를 공냉시키는 경로로 설정함에 의해 별도의 방열수단 없이 냉각시킬 수 있는 고속, 고효율 IPM 모터 및 이를 이용한 슬림형 공기흡입장치에 관한 것이다.

본 발명의 IPM 모터는, 실린더 형상의 몸체 내주벽에 다수의 슬롯을 형성하도록 돌출된 다수의 티스와 상기 슬롯에 부분적으로 감겨진 다수의 스테이터 코일을 구비하는 스테이터와; 중앙측에 회전축이 장착되는 로터 코어와 상기 로터 코어의 동일 원주상에 형성된 다수의 영구자석 삽입구멍에 끼워지는 다수의 영구자석을 구비하는 IPM 방식 로터를 포함하며, 상기 다수의 영구자석은 전체적으로 2극의 자극 구조를 갖도록 다수의 제1그룹 영구자석과, 다수의 제2그룹 영구자석으로 이루어지고, 상기 제1그룹 영구자석과 제2그룹 영구자석 사이에는 각각 원주방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 제1 및 제2 스페이서가 형성되어 있다.

상기 공기흡입장치는 IPM 모터를 사용하여 구현되며, 임펠러에 의해 흡입된 도입공기의 통과경로를 스테이터 내부와 회로소자를 공냉시키는 경로로 설정함에 의해 별도의 방열수단 없이 냉각이 이루어진다.

공기흡입장치, IPM 모터, 대출력, 고효율, 소형화, 발열

Description

영구자석 매입형 모터 및 이를 이용한 공기흡입장치{IPM Motor and Vacuum Inhaling Apparatus Using the Same}

본 발명은 IPM 모터 및 이를 이용한 공기흡입장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, IPM(Interior Permanent Magnet) 모터를 채용하여 로터 내부의 전류에 의한 발열이 거의 없고, 도입공기의 통과경로를 스테이터 내부와 회로소자를 공냉시키는 경로로 설정함에 의해 별도의 방열 수단없이 냉각시킬 수 있는 고속, 고효율 IPM 모터 및 이를 이용한 슬림형 공기흡입장치에 관한 것이다.

오늘날 많은 가전제품들이 개발되어 시판되고 있으며, 이러한 가전제품 중에 주거 환경의 청결을 위해 개발된 진공청소기가 있다.

진공청소기는 청소기 본체 내부에 장착되는 임펠러와 BLDC(Brushless DC) 모터에 의해 발생되는 진공압을 이용하여 먼지 등과 같은 이물질이 포함된 공기를 흡입한 후 본체 내부에서 이물질을 걸러내는(filtering) 가전제품이다.

이러한 청소기에서는 진공압을 발생시키기 위해 진공발생장치에 소비전력이 낮은 고효율의 BLDC 모터를 채용할 필요가 있다.

BLDC 모터는 파워구동소자를 포함하는 드라이버가 필요하고 100W 이상의 고 출력을 내기 위해서는 파워구동소자로부터 발생되는 열을 빠르게 방열시키기 위한 방열 대책이 필요하다. 상기와 같이, 청소기에서 발생되는 열을 방열시키기 위해서는 별도의 방열 핀(fin)을 마련하거나, BLDC 모터를 감싸거나, BLDC 모터가 장착되는 하우징을 알루미늄과 같이 열전도성이 높은 금속으로 형성하여야 한다.

따라서, 종래의 공기흡입장치에서는 BLDC 모터의 파워구동소자를 방열 핀 또는 방열 하우징에 부착시키는 구조에 의해 방열을 행하였기 때문에 BLDC 모터를 공기흡입장치의 에어 가이드에 밀착시킨 슬림형 구조를 채용하기 어려웠다. 즉, 에어 가이드와 콘트롤 PCB 사이 공간에 구동 모터를 위치시키는 내장형으로 설계할 수 없었다.

또한, BLDC 모터에서 발생되는 열을 방열시키기 위한 방열 핀 또는 방열 하우징과 같은 방열 구조물을 마련하는 경우에는 청소기의 공기흡입장치 내부에 방열 구조물을 장착해야 하므로, 청소기 내부 구조가 복잡해짐은 물론, 방열 구조물을 장착하기 위한 공간으로 인해 공기흡입장치의 크기가 커지게 된다. 또한, BLDC 모터의 하우징을 방열 구조물로 형성하는 경우에는 공기흡입장치의 무게가 증가하게 되고 이는 소모 전력의 증가를 야기하게 된다.

따라서, 청소기의 공기흡입장치로부터 발생되는 열을 효율적으로 방열할 수 있는 수단이 요구되며, 이를 통하여 청소기의 크기를 콤팩트(compact)하게 함과 동시에 무게를 경량화하는 것이 요구된다.

아울러, 청소기는 기본적으로 세정도가 높고 넓은 지역을 짧은 시간에 청소하기 위해서는 공기를 흡입하는 흡입력과 효율을 최대화하는 것이 요구된다. 따라 서, 청소기의 청소 효율을 최대화하기 위해서는 공기를 흡입하는 공기흡입장치의 모터의 출력 및 회전력을 최대화하여야 하나, 기존 공기흡입장치에 적용되는 모터의 출력 및 회전력은 요구되는 수준에 미치지 못하며, 소비되는 전력 역시 큰 단점을 가진다. 종래에는 30,000 rpm 이상, 1Kw 이상의 고속, 대출력을 내는 BLDC 모터를 구현하기 어려웠다.

한편, 종래에는 임펠러의 중심부가 직경이 작은 임펠러 부싱에 의해 로터 부싱에 압착 지지되는 구조에 의해 로터의 회전력이 임펠러의 중심부를 통하여 전달되었다. 그 결과 로터의 회전시에 임펠러가 회전축으로부터 미끄러지는 현상이 발생하여 로터의 회전력이 임펠러로 효과적으로 전달되지 못하는 문제가 있다.

또한, BLDC 모터에는 회전자의 내부에 영구자석이 삽입되는 IPM 타입(Interior permanent magnet type) BLDC 모터와, 영구자석이 회전자의 표면에 부착되어 있는 SPM 타입(surface permanent magnet type) BLDC 모터 등이 사용된다. 이 경우 고속 회전용으로는 고속 회전시 원심력에 의한 영구자석의 비산과 Nd 자석이 녹스는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 큰 토크를 발생시킬 수 있는 IPM 타입이 주로 사용된다.

종래의 IPM 타입 BLDC 모터는 중앙측에 공간을 갖는 스테이터와, 이 스테이터의 중앙측 공간에 일정 간격을 두고 회전 가능하게 배치되는 로터로 이루어진다.

상기 스테이터는 외측에 형성되는 스테이터 코어와, 이 스테이터 코어의 중앙측 공간부 둘레방향으로 일정 간격으로 "T" 형상으로 돌출되어 이들 사이에 다수의 슬롯이 형성되는 다수의 티스와, 상기 티스에 권선되는 스테이터 코일로 구성된 다.

상기 로터는 중앙측에 회전축이 장착되는 로터 코어와, 상기 로터 코어의 원주방향으로 서로 다른 극을 갖고 균등 간격으로 설치되는 다수의 영구자석으로 구성되며, 이 영구자석은 극성이 각기 다른 양측 끝부분에 일정 공간을 갖는 스페이서가 형성되는 공간에 삽입된다. 여기에서, 스페이서는 영구자석의 양쪽 끝부분에 형성되는 일정 공간으로 자기저항을 크게 하여 자속 누설을 방지한다.

이와 같은 종래의 IPM 타입 BLDC 모터는 스테이터 코일에 전원이 인가되면 토크 리플이 발생되고, 이 토크 리플에 의해 공극 자속밀도의 변화 및 전류의 왜곡이 필연적으로 존재하기 때문에 코킹 토크 및 릴럭턴스 토크 리플이 발생된다.

즉, 로터가 회전될 때 스페이스의 자기저항이 크기 때문에 자기저항이 작은 코어 부분으로 대부분의 자속이 통과하므로 정현파에 가깝지 않은 공극 자속 밀도를 가지게 되고, 회전각 변화에 따라 에너지 변화가 더욱 커지게 되어 코킹 토크가 커지게 된다.

여기에서, 상기 코킹 토크는 스테이터의 비균일 토크로서, 모터 시스템의 자기에너지가 최소인 위치로 이동하려는 접선 방향의 힘을 말하는 데, 부하전류와는 상관없이 로터 외경과 스테이터 내경 간에 에어 갭에 자기 에너지가 변화함으로써 발생하는 릴럭턴스 토크를 말한다. 이러한 코킹토크는 영구자석 타입 모터에서는 필연적으로 발생되며 모터의 진동 소음의 원인이 된다.

특허 제416771호에는 중앙측에 일정 간격으로 스테이터 슬롯이 형성되는 스테이터와, 상기 스테이터의 내측면에 다른 극을 갖는 복수개의 영구자석이 폴 슈와 링크 및 웨브 사이의 공간에 삽입되는 로터를 포함하며, 폴 슈는 외측으로 에어 갭 공간을 구성하고, 내측으로 영구자석을 통과한 자속의 일부가 스페이스를 통해 누설될 수 있도록 스페이스와 공기 등의 비자성체와 접촉되는 폴 슈 돌기부가 형성된 IPM 타입 BLDC 모터가 제안되어 있다.

상기 IPM 타입 BLDC 모터는 폴 슈의 하단에 스페이스와 접촉되는 폴 슈 돌기부를 형성하여 영구자석으로부터 발생된 자속 중 일부가 스페이스를 통해 누설되도록 하여 정현파에 가까운 공극 자속밀도를 가지도록 함으로써, 코킹 토크를 저감시켜 모터의 진동 및 소음을 저감시키고 있다.

특허 제436147호는 회전자에 매립되는 영구자석의 형상을 개선하여 고정자와 회전자 사이의 공극에서의 자속밀도 분포를 균일하게 함으로써 전동기의 효율을 향 상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 토오크 리플을 감소시킬 수 있는 영구자석 매립형 전동기를 제안하고 있다.

특허 제436147호에서는 이를 위하여 복수의 영구자석이 코어에 매립된 회전자에서 영구자석은 상기 코어의 중심을 향해 일정 곡률로 볼록하게 형성된 내주면과, 코어의 외주면을 향해 볼록하게 형성된 외주면으로 형성되며, 외주면은 상기 내주면의 양단으로부터 연장하며 일정 곡률을 가진 제 1 곡면부와, 상기 제 1 곡면부의 양단을 연결하여 형성되되 제 1 곡면부보다 더 큰 곡률을 가진 제 2 곡면부로 이루어져 있다.

상기한 종래의 IPM 타입 BLDC 모터는 다수의 N극 및 S극이 교대로 배치된 다극-다수의 슬롯으로 이루어진 구조를 가지고 있어, 이러한 구조를 공기흡입장치에 적용하는 경우 임펠러를 통과한 인입 공기를 배출하기 위한 공기통로를 모터의 외측으로 설계하는 경우 장치의 하우징이 커지게 되고, 방열에 대한 대책을 별도로 마련하여야 하는 문제가 있고, 모터 내부로 공기통로를 형성하는 것은 모터 구조의 큰 변경을 요구하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 IPM 모터를 채용하여 로터 내부의 전류에 의한 발열이 거의 없고, 도입공기의 통과 경로를 스테이터 내부와 회로소자를 공냉시키는 경로로 설정함에 의해 별도의 방열 수단없이 냉각시킬 수 있는 IPM 모터 및 이를 이용한 슬림형 공기흡입장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 진공 흡입되는 외부공기의 통과 경로를 짧게 하면서도 마찰 저항이 적게 곡선화 설계함에 의해 흡입효율이 증가하여 소비전력이 작아지고, 그 결과 파워구동소자에서 발생되는 열을 쉽게 냉각시킬 수 있는 공기흡입장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 도입공기의 통과경로를 스테이터 내부를 통과하도록 작은 수의 슬롯 구조를 채용함에 따라 스테이터 구조에 대응하도록 IPM 모터의 로터에 대한 자기회로 구조를 변경하여 고효율과 소형화를 도모할 수 있는 IPM 모터 및 이를 이용한 슬림형 공기흡입장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 큰 토크 영역에서 효율이 좋아 모터의 소형화가 가능 한 IPM 모터를 사용하여 청소기의 공기흡입장치에서 발생되는 발열을 최소화하고, 소형화시킬 수 있는 고효율 공기흡입장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실린더 형상의 몸체 내주벽에 다수의 슬롯을 형성하도록 돌출된 다수의 티스와 상기 슬롯에 부분적으로 감겨진 스테이터 코일을 구비하는 스테이터와, 상기 스테이터의 내부에 일정 간극 이격되어 회전 가능하게 배치되며 중앙측에 회전축이 장착되는 로터 코어와 상기 로터 코어의 원주상에 형성된 다수의 영구자석 삽입구멍에 끼워지는 다수의 영구자석을 구비하고, 상기 스테이터에 의해 회전이 이루어지는 IPM 방식 로터로 구성되는 IPM 모터와; 상기 IPM 모터의 상부 및 외주면을 보호하며 도입 공기가 통과하는 다수의 제1 관통구멍이 형성된 원통형 상부 하우징과; 외주부가 상기 상부 하우징의 하단과 결합되며, 상기 IPM 모터를 지지하며 상기 도입 공기가 통과하는 다수의 제2 관통구멍이 형성된 중간 하우징과; 상기 로터의 중앙에 고정 결합되며 양 단부가 상부 및 중간 하우징에 회전 가능하게 지지되는 회전축과; 상기 상부 하우징의 상측에 배치되며, 상기 회전축의 상단에 하부판이 고정 결합되어 상기 회전축이 회전함에 따라 다수의 나선형 가이드 베인에 의해 상부판 중앙에 위치한 제1 원형 흡입구를 통하여 흡입력을 발생시키는 임펠러와; 상단부에 상기 임펠러의 원형 흡입구에 대응하는 제2 원형 흡입구를 구비하고 상기 임펠러를 둘러싸면서 하단부가 상부 하우징에 고정 결합되어 상기 도입 공기를 중심방향으로 안내하는 커버와; 상기 임펠러와 상기 상부 하우징 사이에 배치되어 상기 중심방향으로 안내되는 도입 공기를 상부 하 우징의 제1 관통구멍으로 안내하는 에어 가이드를 포함하며, 상기 상부 하우징의 제1 관통구멍으로 안내된 도입 공기가 상기 스테이터 코일이 권선되지 않은 슬롯의 중앙 공간을 통하여 중간 하우징의 제2 관통구멍으로 배출되는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치를 제공한다.

상기 본 발명의 공기흡입장치에서는 상기 에어 가이드에 의해 중앙으로 안내된 도입 공기를 상부 하우징의 제1 관통구멍으로 안내함과 동시에 내주부에 제1 베어링 수용홈이 형성된 환형 돌기부가 상기 상부 하우징의 중앙으로부터 에어 가이드의 중앙으로 돌출 형성되고, 상기 제1 베어링 수용홈에 내장되어 회전축의 일측을 회전 가능하게 지지하는 제1 베어링과, 중간 하우징에 마련된 제2 베어링 수용홈에 내장되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 제2 베어링을 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 상기 임펠러 하부판의 상부면 및 하부면에 각각 고정되며 중앙부에 회전축이 결합되는 제1 및 제2 임펠러 와셔와, 상기 제2 임펠러 와셔와 제2 베어링 사이에 삽입되며 중앙부에 회전축이 삽입되는 폴리 슬라이더와, 상기 제1 임펠러 와셔의 상부에 결합되며 중앙부에 회전축이 삽입되는 임펠러 부싱과, 상기 회전축의 상단부에 나사 결합되는 고정 너트를 더 포함하며, 상기 고정너트의 조임에 따라 임펠러 부싱이 제1 및 제2 임펠러 와셔를 임펠러 하부판의 중심부에 압착 지지하면서 폴리 슬라이더를 통하여 제1 베어링에 회전 가능하게 밀착 고정되는 것이 바람직하다.

더욱이, 본 발명의 공기흡입장치에서는 상기 IPM 모터에 대한 구동 전압을 인가하기 위한 구동회로의 회로소자가 장착되는 콘트롤 PCB와, 바닥에 상기 콘트롤 PCB가 설치되며 외주부에서 수직 연장된 다수의 다리가 상기 중간 하우징과 결합되고, 상기 스테이터의 슬롯과 중간 하우징의 제2 관통구멍을 통하여 유입된 상기 도입 공기가 상기 회로소자를 냉각시킨 후 다리 사이의 배출구를 통하여 배출되게 하는 PCB 커버를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 공기흡입장치는 비자성체로 형성되어 상기 영구자석이 외부로 이탈되지 않도록 로터의 양 단면에 각각 설치되며 모터의 고속 회전시 편심을 방지하는 데 이용되는 제1 및 제2 밸런스 웨이트와, 상기 제2 밸런스 웨이트의 하단에 설치된 센싱 마그넷 브라켓에 고정 결합되어 상기 로터와 동일한 위치에 동일한 자극으로 착자되어 상기 로터의 회전 위치를 검출하는데 이용되는 센싱 마그넷과, 상기 센싱 마그넷에 대향하는 중간 하우징에 설치되어 센싱 마그넷으로부터 로터의 회전 위치를 검출하는 홀 센서를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 중간 하우징은 외주부에 다수의 장공이 형성되어 있고, 상기 홀 센서가 로터의 회전 위치를 검출하는 타이밍을 결정하기 위하여 중간 하우징을 상부 하우징에 결합되는 위치를 상기 장공을 이용하여 조정하며, 상기 스테이터 코일에 전류가 가장 적게 흐르는 타이밍에 스테이터 코일에 대한 구동신호를 인가할 수 있게 로터의 회전 위치를 검출하는 타이밍이 설정되는 것이 바람직하다.

더욱이, 상기 다수의 영구자석은 전체적으로 2극의 자극 구조를 갖도록 직경 방향으로 원주면이 N극으로 착자되며 인접하여 배치된 4개 제1그룹 영구자석과, 직경 방향으로 원주면이 S극으로 착자되며 인접하여 배치된 4개 제2그룹 영구자석으 로 이루어지고, 상기 제1그룹 영구자석과 제2그룹 영구자석 사이에는 각각 원주방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 제1 및 제2 스페이서가 형성되어 있는 것이 바람직하다.

이 경우, 상기 다수의 영구자석은 각각 바 형상으로 이루어지고, 그 단면은 외주면이 상기 영구자석 삽입구멍의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고, 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루면서 영구자석 삽입구멍에 대응하는 형상을 가지며, 양 측면은 각각 내측면과 직각으로 설정될 수 있다.

또한, 상기 영구자석 삽입구멍은 외주면이 로터 코어의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루고 있으며, 양 측면에는 각각 측면방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 영구자석이 삽입되지 않는 제3 및 제4 스페이서가 돌출 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명의 공기흡입장치에서, 상기 IPM 모터는 2극-3슬롯 구조를 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 상부 하우징의 제1 관통구멍과 중간 하우징의 제2 관통구멍은 각각 2개 및 3개로 이루어지고, 스테이터의 3개의 슬롯에 의해 상호 연통되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 실린더 형상의 몸체 내주벽에 다수의 슬롯을 형성하도록 돌출된 다수의 티스와 상기 슬롯에 부분적으로 감겨진 다수의 스테이터 코일을 구비하는 스테이터와; 상기 스테이터의 내부에 일정 간극 이격되어 회전 가능하게 배치되며 중앙측에 회전축이 장착되는 로터 코어와 상기 로터 코어의 동일 원주상에 형성된 다수의 영구자석 삽입구멍에 끼워지는 다수의 영구자석을 구비하고, 상기 스테이터에 의해 회전이 이루어지는 IPM 방식 로터를 포함하며, 상기 다수의 영구자석은 전체적으로 2극의 자극 구조를 갖도록 직경 방향으로 원주면이 N극으로 착자되며 인접하여 배치된 다수의 제1그룹 영구자석과, 직경 방향으로 원주면이 S극으로 착자되며 인접하여 배치된 다수의 제2그룹 영구자석으로 이루어지고, 상기 제1그룹 영구자석과 제2그룹 영구자석 사이에는 각각 원주방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 제1 및 제2 스페이서가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 IPM 모터를 제공한다.

이 경우, 상기 스테이터의 다수의 슬롯은 각각 스테이터 코일이 권선되는 제1 및 제2 영역과 상기 스테이터 코일이 권선되지 않은 제1 및 제2 영역 사이의 제3 영역으로 나누어지며, 상기 제3 영역을 통하여 공기가 유통되는 것을 특징으로 한다.

상기 IPM 모터에서 상기 다수의 영구자석은 각각 바 형상으로 이루어지고, 그 단면은 외주면이 상기 영구자석 삽입구멍의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고, 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루면서 영구자석 삽입구멍에 대응하는 형상을 가지며, 양 측면은 각각 내측면과 직각으로 설정되고, 상기 영구자석 삽입구멍은 외주면이 로터 코어의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루고 있으며, 양 측면에는 각각 측면방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 영구자석이 삽입되지 않는 제3 및 제4 스페이서가 돌출 형성되는 것이 바람직하다.

상기 IPM 모터는 2극-3슬롯 구조로 이루어지며, 진공청소기용 공기흡입장치의 회전력 발생수단으로 이용될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 공기흡입장치에서는 임펠러의 회전에 따라 외부공기는 커버의 원형 흡입구, 임펠러, 에어 가이드, 모터의 스테이터, PCB 커버의 배출구로 이어지는 최단거리의 통과 경로를 곡선화하여 자연스런 공기 흐름 경로를 갖도록 설정함에 의해 마찰 저항 요소를 최소화하였다.

또한, 상기 상부 하우징을 통과한 도입 공기는 모터 내부로 이동하여 스테이터와 콘트롤 PCB에 실장된 파워구동소자 등의 회로소자를 공냉 방식으로 냉각시키면서 PCB 커버의 배출구를 통하여 배출되는 경로로 설정함에 의해 별도의 방열수단 없이 냉각시킬 수 있게 된다.

더욱이, 본 발명의 공기흡입장치에서는 로터의 회전력이 임펠러에 효과적으로 전달이 이루어지면서 통과 경로가 짧고 마찰 저항이 적은 경로를 거치면서 고속 공기 흐름이 모터 내부를 냉각시키기 때문에 흡입효율이 종래에 비하여 크게 증가하여 소비전력이 작아지고, 그 결과 파워구동소자에서 발생되는 발열량이 감소하여 별도의 방열 수단(예를 들어, Al 방열 핀)없이 냉각시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 공기흡입장치는 종래와 같은 파워구동소자를 냉각시키는데 필요한 부피가 크고, 무게를 증가시키는 Al 방열 구조물 등을 채용하지 않는 것이 가능하여, 에어 가이드와 콘트롤 PCB 사이 공간에 IPM 모터를 위치시키는 내장형으로 설계하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 IPM 모터에서는 영구자석 각각으로부터 발산되는 자력선과 영구자석 각각으로 수렴되는 자력선이 균일한 분포된 패턴을 이룸에 따라 로터와 스테이터 사이의 공극에서의 자속밀도 분포가 균일하게 되어 전동기의 효율 향상과 토오크 리플의 감소를 도모할 수 있게 되었다.

본 발명에서는 슬롯 수를 3상 구동에 필요한 최소한의 수로 줄여서 흡입공기의 통과 경로를 스테이터 내부에 설계함에 의해 IPM 모터의 직경을 최소화하고, 그 결과 공기흡입장치 또한 콤팩트한 구조를 갖게 하여 청소기의 소형화를 도모할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에서는 상기와 같이 IPM 모터를 콤팩트한 구조로 구현하면서도 BLDC 방식으로 고속, 대출력을 실현할 수 있게 되어 진공청소기, 전기자동차 등에 응용 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 IPM 모터를 이용한 진공청소기의 공기흡입장치를 도시한 단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 청소기의 공기흡입장치(100)는 스테이터(10) 및 로터(20)로 구성되어, 회전력을 발생시키는 IPM 모터(1)와, 상기 IPM 모터(1)의 상부 및 외주면을 보호하는 상부 하우징(2)과, 주연부가 상기 상부 하우 징(2)의 하단과 고정 결합되며, 상기 IPM 모터(1)를 지지하는 중간 하우징(3)과, 상기 로터(20)의 중앙에 고정 결합되어 회전하는 회전축(5)과, 상기 로터(20) 상부에 위치되며, 상기 회전축(5)의 상단에 결합 고정되어 상기 회전축(5)이 회전함에 의해 상부판(40c) 중앙에 위치한 원형 흡입구(40d)를 통하여 흡입력을 발생시키는 임펠러(40)와, 상기 임펠러(40)와 상기 IPM 모터(1) 사이에 배치되어 임펠러(40)에 의해 발생되는 흡입력에 의해 흡입되는 공기의 흐름을 상기 IPM 모터(1) 내부로 가이드하는 에어 가이드(50)와, 중앙부에 위치한 흡입구(71)가 상기 임펠러의 원형 흡입구(40d)로 연장 형성되고 외주부가 상기 임펠러(40)와 에어 가이드(50)를 둘러쌈과 동시에 공기 통과경로를 형성하도록 연장되어 상기 에어 가이드의 외주부에 결합되는 커버(70)를 포함하고 있다.

또한, 상기 공기흡입장치(100)는 트랜지스터 등의 회로소자(61)를 실장하고, 상기 IPM 모터(1)에 대한 구동 전압을 인가하는 콘트롤 PCB(60)와, 선단부가 상기 중간 하우징(3)과 결합되고, 상기 콘트롤 PCB(60)를 보호하도록 바닥면에 콘트롤 PCB(60)가 장착되며, 상기 모터 내부로 인입된 도입공기를 측면에 형성된 배출구(4c)를 통하여 배출하는 PCB 커버(4)를 포함하고 있다.

이하에 상기 공기흡입장치(100)의 각 구성 소자별로 그 구성과 작용을 상세하게 설명한다.

상기 IPM 모터(1)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 상부 하우징(2)과 도 3에 도시된 중간 하우징(3)에 각각 제1 및 제2 베어링(81, 82)이 설치되고, 상기 상부 하우징(2)의 내주부에 스테이터(10)가 고정 설치되며, 상기 스테이터(10)의 중앙에 형 성된 공간에 로터(20)가 배치되고, 상기 로터(20)의 중앙부에 결합되는 회전축(5)은 제1 및 제2 베어링(81, 82)에 회전 가능하게 지지되어 있다.

상기 상부 하우징(2)은 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 에어 가이드(50)의 중앙부로 돌출 형성된 환형 돌기부(2a)의 내주부에 제1 베어링(81)을 수용하는 베어링 수용홈(2f)이 형성되고, 환형 돌기부(2a)의 중앙에 회전축(5)이 통과하는 원형 관통구멍(2d)이 형성되어 있으며, 돌기부(2a)의 일측 및 타측에는 에어 가이드(50)를 통하여 유도된 도입공기를 모터(1) 내부로 도입하기 위한 한쌍의 관통구멍(2b,2c)이 대략 반원형의 형상으로 형성되어 있다.

상기 원형 돌기부(2a)는 한쌍의 연결부(2g,2h)에 의해 환형 몸체(2i)에 지지되어 있으며, 환형 몸체(2i)의 배면에는 스테이터(20)의 측면을 둘러싸는 원통부(2j)가 연장되어 있다. 상기 한쌍의 연결부(2g,2h)에 형성된 작은 구멍(2k)은 스테이터(20)를 고정시키는 데 이용되는 것이고, 원통부에 형성된 작은 구멍(2e)은 중간 하우징(3)과 PCB 커버(4)를 상호 고정시키는 데 이용되는 것이다.

상기 중간 하우징(3)은 도 3에 도시된 바와 같이, PCB 커버(4)의 내측으로 돌출 형성된 원형 돌기부(3a)의 내주부에 제2 베어링(82)을 수용하는 베어링 수용홈(3e)이 형성되고, 원형 돌기부(3a)의 중앙에 회전축(5)의 하단이 통과하는 원형 관통구멍(3f)이 형성되어 있으며, 돌기부(3a)의 주변에는 모터(1)의 스테이터(10)를 통과하여 외부로 배출하기 위한 3개의 관통구멍(3l-3n)이 각각 대략 180도의 원호 형상으로 형성되어 있다.

관통구멍(3l-3n)이 각각 대략 180도의 원호 형상을 이루도록 상기 원형 돌기 부(3a)는 3개의 연결부(3g-3i)에 의해 환형 몸체(3k)에 지지되어 있으며, 환형 몸체(3k)의 상부면에는 환형 몸체(3k)를 따라 3개의 장공(3b-3d)이 형성되어 있다.

상기 장공(3b-3d)은 상기 PCB 커버(4)로부터 상부 하우징(2)의 원통부에 형성된 작은 구멍(2e)에 체결되는 고정볼트 또는 리벳이 통과하는 구멍으로서, 중간 하우징(3)은 장공(3b-3d)의 범위 내에서 설정 위치의 변경이 이루어질 수 있는 구조를 갖는다.

베어링 수용홈(3e)의 외측 상부면에는 후술하는 보조 PCB(31)를 고정시키기 위한 고정홀(3j)이 형성되어 있고, 이에 고정되는 보조 PCB(31)에는 로터(20)의 회전 위치를 검출하기 위한 3개의 자기센서, 예를 들어, 홀센서(Hall sensor)가 배치되어 있으며, 상기 보조 PCB(31)와 대향한 로터(20)의 하측에는 센싱 마그넷 브라켓(33)이 회전축에 지지되어 있고, 센싱 마그넷 브라켓(33)의 외주부에는 로터(20)에 포함된 마그넷의 자극과 동일한 자극을 갖도록 착자된 환형의 센싱 마그넷(32)이 설치되어 있다.

따라서, 로터(20)가 회전할 때 센싱 마그넷 브라켓(33)과 센싱 마그넷(32)도 회전하므로 보조 PCB(31)에 설치된 3개의 홀센서는 로터(20)의 회전 위치를 검출할 수 있게 된다. 상기 홀센서의 로터 회전위치신호는 스테이터 코일에 대한 구동신호를 인가하는 타이밍을 결정하게 된다.

상기 홀센서는 스테이터에 전류가 가장 적게 흐르는 타이밍에 스테이터 코일에 대한 구동신호를 인가하도록 위치 설정되는 것이 고효율을 도모할 수 있기 때문에, 상기 중간 하우징(3)의 장공(3b-3d)은 상기한 타이밍에 홀센서가 로터(20)의 회전 위치를 검출할 수 있도록 중간 하우징(3)을 미세 조정하는데 이용된다.

상기 PCB 커버(4)는 도 4a-도 4c에 도시된 바와 같이, 원형의 바닥판(4a)과 바닥판(4a)으로부터 수직으로 돌출된 3개의 다리(4b)로 이루어져 있으며, 상기 3개의 다리(4b) 사이의 공간은 IPM 모터(1)를 통하여 배출되는 도입공기를 배출하는 배출구(4c)를 형성한다.

상기 바닥판(4a)에는 공기흡입장치(100)를 청소기 본체에 고정하는 데 이용되는 한쌍의 세트고정구멍(4d)이 형성되어 있고, 상기 3개의 다리(4b)에는 PCB 커버(4)를 중간 하우징(3)과 상부 하우징(2)에 고정시킬 때 사용되는 관통구멍(4e)이 각각 형성되어 있다.

상기 PCB 커버(4)의 바닥판(4a)에는 도 1과 같이 스테이터(10)에 대한 구동전압을 인가하기 위한 구동회로의 회로소자(61)가 장착된 콘트롤 PCB(60)가 도시되지 않은 고정수단을 사용하여 바닥판(4a)과 간격을 두고 설치되며, PCB 커버(4)의 바닥판(4a)과 콘트롤 PCB(60) 사이의 공간에는 도시되지 않은 모터 구동용 파워구동소자가 배치될 수 있다.

한편, 본 발명의 공기흡입장치(100)에 사용되는 IPM 모터(1)는 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이, 다수의 자성 강판을 적층하여 실린더 형상으로 만들어지며, 그 내주벽에 3개의 슬롯(14a-14c)을 형성하도록 대략 "T" 형상으로 돌출된 3개의 티스(13a-13c)와 자기적으로 3상의 N극과 S극을 발생시키도록 상기 슬롯(14a-14c)에 감겨진 스테이터 코일(11)을 구비하는 스테이터(10)와, 상기 스테이터(10)와 마찬가지로 다수의 자성 강판을 적층하여 형성되며, 상기 스테이터(10)의 내부에 일 정 간극 이격되어 회전가능하게 배치되는 로터(20)로 구성된다.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 IPM 모터의 로터에 대한 외관을 보여주는 측면도 및 원주방향 단면도이고, 도 6a 및 도 6b는 본 발명의 스테이터를 나타낸 평면도와 측면도이다.

먼저 도 1, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 발명에 따른 IPM 모터의 로터(20)는 다수의 자성 강판을 적층하여 만들어지는 로터 코어(21)와, 로터 코어(21)의 중앙부에 축방향으로 형성된 축구멍(27)과, 로터 코어(21)의 중앙부의 외측에 동일 원주상에 형성된 8개의 영구자석 삽입구멍(24)과, 이 영구자석 삽입구멍(24)에 끼워지는 8개의 영구자석(22a-22h)을 구비하며, 상기 축구멍(27)에는 로터(20)와 함께 회전하여 회전구동력을 발생시키는 회전축(5)이 결합되어 있다.

상기 로터 코어(21)를 형성하는 각각의 자성 강판은 로터(20)의 축구멍(27)과 영구자석 삽입구멍(24) 사이에 형성된 복수의 결합구멍(26)에 리벳이 체결됨으로써 서로 결합되며, 로터(20)의 상부와 하부에는 축방향의 자속의 누설을 방지함과 동시에 고속 회전시에 로터 코어(21)에 삽입된 영구자석(22a-22h)의 이탈을 방지하고 편심이 이루어지는 것을 제거하는데 이용되는 원형의 비자성체, 예를 들어 SUS 또는 Cu로 이루어지는 밸런스 웨이트(23a,23b)가 부착되어 있다. 상기 밸런스 웨이트(23a,23b)는 각각 로터(20)의 고속 회전시에 편심이 이루어질 때 외주면에 미세한 홈을 부여함에 의해 편심을 제거하는 데 이용된다.

상기 밸런스 웨이트(23b)의 하부에는 센싱 마그넷(32)을 고정 결합하는 센싱 마그넷 브라켓(33)이 형성되며, 상기 센싱 마그넷 브라켓(33)의 하부면에는 센싱 마그넷(32)이 결합된다.

상기 영구자석(22a-22h)은 높은 자속밀도를 갖는 Nd 마그넷을 이용하여 구현되는 것이 바람직하며, 로터(20)의 반경방향으로 착자되어 양극을 형성함으로써 영구자석(22a-22h)에 의한 자속과 스테이터(10)의 코일(11)에 흐르는 전류에 의하여 형성되는 회전 자장 사이의 상호 작용에 의해 영구자석 토오크를 발생시키게 된다.

이 경우, 본 발명의 로터(20)는 전체적으로 2극의 자극 구조를 갖도록 4개의 제1그룹 영구자석(22a-22d)은 직경방향으로 원주면이 N극, 내측면이 S극이 설정되도록 착자하고, 나머지 4개의 제2그룹 영구자석(22e-22h)은 제1그룹 영구자석(22a-22d)과 반대로 원주면이 S극, 내측면이 N극이 설정되도록 착자한 것을 사용하고 있다. 그 결과 원주면을 기준으로 할 때, 제1그룹 영구자석(22a-22d)은 전체적으로 하나의 N극 자석, 제2그룹 영구자석(22e-22h)은 전체적으로 하나의 S극 자석으로 역할을 하게 된다.

이를 위하여 제1그룹 영구자석(22a-22d)과 제2그룹 영구자석(22e-22h) 사이에는 각각 측면(즉, 원주)방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 누설방지구멍, 즉 스페이서(25)가 형성되어 있으며, 상기 스페이서(25)는 자기저항을 크게 하여 자속 누설을 방지한다.

또한, 본 발명의 로터(20)에서는 도 5c와 같이, 각각의 영구자석(22a-22h)이 삽입되는 영구자석 삽입구멍(24)이 외주면(24c)은 로터 코어(21)의 외주면 곡률과 동일하게 설정하고 이에 대향하는 내측면(24d)은 직선 형상을 이루고 있고, 양 측면에는 각각 영구자석(22a-22h)이 삽입되지 않는 빈 공간을 부분적으로 형성하여 각각 측면방향으로 자속의 누설을 방지하는 소형 스페이서(24a,24b)가 추가로 돌출 형성되어 있다. 이 경우 스페이서(24a,24b)는 직경방향의 길이가 영구자석(22a-22h)이 삽입되는 부분의 길이보다 상대적으로 짧게 형성되어 있다.

더욱이, 본 발명의 영구자석(22a-22h) 각각은 도 5c 및 도 5d와 같이 외주면(22i)은 영구자석 삽입구멍(24)의 외주면 곡률과 동일하게 설정하고 이에 대향하는 내측면(22j)은 직선 형상을 이루면서 영구자석 삽입구멍(24)에 대응하는 형상을 가지고 있고, 양 측면(22k)은 각각 내측면(22j)과 직각으로 설정된 바(bar) 형상을 가지고 있다. 따라서, 영구자석 삽입구멍(24)에 삽입되는 영구자석(22a-22h)은 원주방향 및 직경방향의 유동이 제한된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 영구자석(22a-22h) 각각은 외주면(22i)이 내주면(22j) 보다 상대적으로 길이가 길게 형성됨과 동시에 양측면에 각각 측면방향으로 자속의 누설을 방지하는 소형 스페이서(24a,24b)가 형성되어 있기 때문에 그 결과 영구자석(22a-22d)으로부터 발생된 자속이 영구자석(22a-22d)의 양측 모서리에 집중하여 자력선이 발산되고, 영구자석(22e-22h)의 모서리에 집중하여 자력선이 수렴되는 패턴을 수정하여, 도 5b와 같이 영구자석(22a-22d) 각각으로부터 발산되는 자력선과 영구자석(22e-22h) 각각으로 수렴되는 자력선이 균일한 분포된 패턴을 이루게 수정되었다.

그 결과 본 발명의 IPM 모터(1)에서는 로터(20)와 스테이터(10) 사이의 공극에서의 자속밀도 분포를 균일하게 함으로써 전동기의 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 토오크 리플을 감소시킬 수 있게 되었다.

또한, 상기 영구자석 삽입구멍(24)은 로터 코어(21)의 외주면에 최대한 근접하여 배치함에 의해 영구자석으로부터 발산되는 자속량을 증대시켜 토오크 증대를 도모할 수 있게 하였다.

한편, 도 1, 도 6a, 도 6b 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 스테이터(10)는 다수의 자성 강판을 적층하여 실린더 형상을 이루며 용접에 의해 일체화되는 환형 몸체(13d)와 환형 몸체(13d)의 내주벽에 3개의 슬롯(14a-14c)을 형성하도록 대략 "T" 형상으로 돌출된 3개의 티스(13a-13c)로 이루어지는 스테이터 코어(13)와, 자기적으로 3상의 N극과 S극을 발생시키도록 상기 슬롯(14a-14c)에 감겨진 스테이터 코일(11)로 이루어져 있다. 환형 몸체(13d)의 외주면에는 적층된 다수의 자성 강판을 용점하기 위한 3개의 용접홈(13e)이 구비되어 있다.

이 경우, 상기 몸체(13d)와 티스(13a-13c)는 일체형 스테이터 코어(13)를 형성하며, 도 6a 및 도 6b와 같이, 스테이터(10)는 환형 몸체(13d)의 외주면과 티스(13a-13c)의 내주면을 제외하고 스테이터 코일(11)이 권선되는 환형 몸체(13d)의 내주면과 상부면 및 하부면, 그리고 티스(13a-13c)의 상부면과 하부면은 절연성 수지로 이루어지는 보빈(12)이 일체로 형성되어 있다.

상기 3 티스(13a-13c)에 의해 형성되는 3개의 슬롯(14)은 각각 스테이터 코일(11)이 권선되는 제1 및 제2 영역(141a,141b)과, 코일이 권선되지 않는 제3 영역(141c)으로 구획되며, 상기 코일이 권선되지 않는 제3 영역(141c)은 임펠러(40)를 통하여 흡입된 흡입공기의 통과 경로를 이루게 된다. 이 경우, 스테이터(10)는 상기 코일이 권선되지 않는 제3 영역(141c)이 상부 하우징(2)의 한쌍의 관통구 멍(2b,2c) 및 중간 하우징의 관통구멍(3l-3n)과 일치하도록 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명의 스테이터(10)에서는 슬롯(14)에서 코일이 권선되지 않는 제3 영역(141c)을 흡입공기의 통과 경로로 사용하기 위하여 슬롯의 수를 3상 구동에 필요한 최소한의 수 즉, 3으로 줄여서 설계하였다. 종래 IPM 모터의 경우 다 슬롯이 형성되는데 반하여 본 발명의 경우 슬롯 수가 감소하여 코일(11)의 권선이 보다 용이해 진다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 스테이터(10)의 슬롯(14)을 이용하여 흡입공기의 통과 경로를 IPM 모터(1)의 내부를 관통하여 콘트롤 PCB(60)의 상부 공간으로 배출되도록 형성함에 의해 도 1 및 도 7에 도시된 바와 같이 IPM 모터(1)의 직경을 최소화하는 것이 가능하게 되었고, 그 결과 공기흡입장치(100) 전체적으로도 콤팩트한 구조를 갖게 되어 청소기에 차지하는 공간을 최소화하게 된다.

또한, 공기흡입장치(100)에서는 흡입공기의 통과 경로를 스테이터 내부와 콘트롤 PCB(60)에 장착된 회로소자(61)를 공냉시키는 경로로 설정함에 의해 별도의 방열수단 없이 냉각시킬 수 있게 된다.

도 7에는 상기한 전체적으로 2극 자극 구조를 갖도록 8개의 영구자석(22a-22h)이 서로 다른 자극으로 설정되어 제1 및 제2 그룹으로 분리된 로터(20)와 3상 구동방식의 스테이터 코일(11)이 3개의 슬롯(14a-14c)에 권선되어 있는 스테이터(10) 사이에 형성되는 자력선의 흐름을 나타내었다.

도 8에는 스테이터 코어에 대한 변형예가 도시되어 있으며, 변형예의 스테이 터 코어는 3개의 "T"형 티스에 의해 3개의 슬롯(14a-14c)이 형성되는 것은 동일하며, 단지 티스에 대응하는 몸체(131)의 외주면에 요홈(141)을 형성하여 상부 하우징(2)의 내주면 사이의 공간을 흡입공기의 통과 경로로서 부가적으로 더 형성하는 구조이다.

이하에, IPM 모터(1)의 상측에 배치되는 임펠러(40), 에어 가이드(50) 및 커버(70)에 대하여 상세하게 설명한다.

상부 하우징(2)의 상부면에 형성되는 에어 가이드(50)는 임펠러(40)에 의해 발생되는 흡입력에 의해 흡입되는 도입 공기를 상기 IPM 모터(1)의 내부로 가이드하도록 나선형상으로 이루어진 다수의 가이드판이 중심방향으로 배치되어 있다.

또한, 상기 에어 가이드(50)의 상부에 배치되는 임펠러(40)는 상측에 원형의 흡입구(40d)가 소정의 경사각을 갖고 돌출된 환원형의 상부판(40c)과, 상기 상부판(40c)과 대향하여 배치되며 중앙부에 로터(20)의 회전축(10)이 결합되는 원형의 하부판(40b)과, 상기 상부판(40c)과 하부판(40b) 사이에 나선형 칸막이 형태로 배치되어 회전시에 흡입구(40d)로 흡입된 공기를 원주부로 안내하는 공기 통과경로를 형성하는 다수의 가이드 베인(40a)으로 이루어진다.

상기 임펠러(40)는 로터(20)와의 결합(즉, 동력 전달)을 위해 먼저, 임펠러(40)의 하부판(40b)의 중앙부 상부면과 하부면에 한쌍의 상부 및 하부 임펠러 와셔(41a,41b)가 결합되어 리벳팅 등의 방법으로 고정되고, 임펠러(40)의 하부판(40b)과 상부 및 하부 임펠러 와셔(41a,41b)의 중앙에 형성된 관통구멍에 회전축(5)이 결합된다.

또한, 상기 하부 임펠러 와셔(41b)와 제1 베어링(81) 사이에는 폴리 슬라이더(42)가 삽입되어 있고, 상기 상부 임펠러 와셔(41b)의 상부에는 임펠러 부싱(43)이 결합되고, 임펠러 부싱(43)의 상부에는 고정너트(44)가 나사 체결되어 있다.

상기 고정너트(43)는 임펠러 부싱(43)과 한쌍의 임펠러 와셔(41a,41b)의 이탈을 방지하며, 회전축(5)과 임펠러의 결합력을 더욱 강하게 하는 역할을 한다.

따라서, 임펠러(40)는 고정너트(44)의 조임에 따라 임펠러 부싱(43)이 접촉면적이 큰 한쌍의 임펠러 와셔(41a,41b)를 임펠러 하부판(40b)의 중심부에 압착 지지시킴에 의해 임펠러(40)는 폴리 슬라이더(42)를 통하여 제1 베어링(81)에 회전 가능하게 밀착 고정되며, 그 결과 로터(20)의 회전시에 임펠러(40)가 미끄럼없이 로터와 함께 회전하게 되어 로터(20)의 회전력이 임펠러(40)로 효과적으로 전달된다.

또한, 상기 임펠러(40) 상부에는 공기흡입장치(100)의 내부 구성을 보호하면서 외형을 형성하는 커버(70)가 결합되며, 상기 커버(70)의 하부측은 상부 하우징(2)의 외주부에 결합된다. 상기 커버(70)의 중앙 부분에는 공기가 유입되는 원형 흡입구(71)가 형성되어 있으며, 그의 내주부는 임펠러(40)의 흡입구(40d)로 연장 형성되어 흡입되는 외부공기를 임펠러(40)의 흡입구(40d)로 안내한다. 또한, 커버(70)의 하부측이 상부 하우징(2)의 외주부에 밀폐 결합됨에 따라 임펠러(40) 및 에어 가이드(50)의 외주부와 소정 간격을 이루는 커버의 원통형 하단부는 임펠러(40)로부터 배출되는 도입공기를 에어 가이드(50)의 다수의 가이드판 사이로 안내하는 통과 경로를 형성한다.

상기와 같이 구성된 청소기의 공기흡입장치(100)에서는 IPM 모터(1)에 콘트롤 PCB(60)로부터 스테이터 코일(11)에 구동 전압이 인가되면, 로터(20)의 회전에 따라 임펠러(40)가 고속으로 회전하게 된다. 임펠러(40)가 고속 회전하면, 임펠러(40)의 내부에 나선형으로 배치된 다수의 가이드 베인(40a)의 작용에 의해 임펠러(40)의 내부에 있던 공기가 커버(70)의 내주부에서 반사되어 나선형 에어 가이드(50)를 따라 중앙부로 도입된 후, 상부 하우징(2)의 원형 돌기부(2a)에 반사되어 IPM 모터(1)의 스테이터(10) 내부로 빠르게 배출되면서 임펠러(40)의 흡입구(40d)에 강한 부압이 발생한다.

이러한 강한 부압이 발생하면 커버(70)의 원형 흡입구(71)를 통해 외부공기가 흡입된 후, 임펠러(40)에 의해 에어 가이드(50)로 강하게 배출되고, 에어 가이드(50)로 배출된 가압공기는 상부 하우징(2)의 흡입구멍(2c)을 통하여 모터(1) 내부로 진입된다. 모터(1) 내부로 진입된 도입공기는 스테이터(10)의 슬롯(14a-14c)과 중간 하우징(3)의 관통구멍(3l-3n)을 통과하여 콘트롤 PCB(60)의 상부면으로 공급된 후, PCB 커버(4)의 3개의 다리(4b) 사이의 배출구(4c)를 통하여 공기흡입장치(100)의 외부로 배출된다.

이때, 진공청소기는 공기흡입장치(100)의 흡입구(71)에 발생되는 강한 진공 흡입력을 이용하여 외부로부터 공기와 함께 이물질을 청소기 내부로 흡입하여 공기흡입장치(100)의 전단에 형성된 집진장치에서 집진한 후, 이물질이 제거된 공기를 공기흡입장치(100)를 거쳐 외부로 배출한다.

상기한 바와 같이 본 발명의 공기흡입장치(100)에서는 임펠러(40)의 회전에 따라 외부공기는 커버(70)의 원형 흡입구(71), 임펠러(40), 에어 가이드(50), 모터(1)의 스테이터(10), PCB 커버(4)의 배출구(4c)로 이어지는 최단거리의 통과 경로(90)를 곡선화하여 자연스런 공기 흐름 경로를 갖도록 설정함에 의해 마찰 저항 요소를 최소화하였다.

또한, 상기 상부 하우징(2)을 통과한 도입 공기는 모터 내부로 이동하여 스테이터(10)와 콘트롤 PCB(60)에 실장된 파워구동소자 등의 회로소자(61)를 공냉 방식으로 냉각시키면서 PCB 커버(4)의 배출구(4c)를 통하여 배출되는 경로로 설정함에 의해 별도의 방열수단 없이 냉각시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 청소기는 로터(20) 내부의 전류에 의한 발열이 거의 없고, 공기흡입장치(100)에서 발생되는 열을 공냉방식으로 냉각시킬 수 있게 된다.

더욱이, 본 발명의 공기흡입장치(100)에서는 로터(20)의 회전력이 임펠러(40)에 효과적으로 전달이 이루어지면서 통과 경로(90)가 짧고 마찰 저항이 적은 경로를 거치면서 고속 공기 흐름이 모터 내부를 냉각시키기 때문에 흡입효율이 종래에 비하여 크게 증가하여 소비전력이 작아지고, 그 결과 파워구동소자에서 발생되는 발열량이 감소하여 별도의 방열 수단(예를 들어, Al 방열 핀)없이 냉각시킬 수 있게 된다.

따라서, 본 발명의 공기흡입장치(100)는 종래와 같은 파워구동소자를 냉각시키는데 필요한 부피가 크고, 무게를 증가시키는 Al 방열 구조물 등을 채용하지 않는 것이 가능하여, 에어 가이드(50)와 콘트롤 PCB(60) 사이 공간에 IPM 모터(1)를 위치시키는 내장형으로 설계하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 IPM 모터(1)에서는 영구자석(22a-22d) 각각으로부터 발산되는 자력선과 영구자석(22e-22h) 각각으로 수렴되는 자력선이 균일한 분포된 패턴을 이룸에 따라 로터(20)와 스테이터(10) 사이의 공극에서의 자속밀도 분포가 균일하게 되어 전동기의 효율 향상과 토오크 리플의 감소를 도모할 수 있게 되었다.

본 발명에서는 슬롯 수를 3상 구동에 필요한 최소한의 수로 줄여서 흡입공기의 통과 경로를 스테이터(10) 내부에 설계함에 의해 IPM 모터(1)의 직경을 최소화하고, 그 결과 공기흡입장치(100) 또한 콤팩트한 구조를 갖게 하여 청소기의 소형화를 도모할 수 있게 된다.

본 발명에서는 상기와 같이 IPM 모터(1)를 콤팩트한 구조로 구현하면서도 BLDC 방식으로 40,000 RPM의 고속, 2,400W의 대출력을 실현할 수 있게 되어 진공청소기, 전기자동차 등에 응용 가능하다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 청소기의 공기흡입장치를 도시한 단면도.

도 2a 및 도 2b는 각각 공기흡입장치의 상부 하우징을 나타낸 평면도 및 저면도.

도 3은 공기흡입장치의 중간 하우징을 나타낸 평면도.

도 4a 내지 도 4c는 각각 공기흡입장치의 PCB 커버를 나타낸 평면도, 저면도 및 측면도.

도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 IPM 모터의 로터에 대한 외관을 보여주는 측면도 및 원주방향 단면도.

도 5c 및 도 5d는 각각 도 5b의 부분 확대도 및 영구자석을 나타낸 사시도.

도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명에 따른 스테이터를 나타낸 평면도 및 측면도.

도 7은 본 발명에 따른 IPM 모터에서 로터와 스테이터 사이의 자기 흐름 경로를 나타낸 도면.

도 8은 스테이터 코어에 대한 변형예를 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

1: IPM 모터 2: 상부 하우징

2b,2c,3l-3n: 관통구멍 3: 중간 하우징

4: PCB 커버 4c: 배출구

5: 회전축 10: 로터

11: 스테이터 코일 12: 보빈

13: 스테이터 코어 14: 슬롯

20: 로터 21: 로터 코어

22,22a-22h: 영구자석 23a,23b: 밸런스 웨이트

24a,24b,25: 스페이서 31: 보조 PCB

32: 센싱 마그넷 33: 센싱 마그넷 브라켓

40: 임펠러 40a: 가이드 베인

40b: 하부판 40c: 상부판

40d,71: 흡입구 41a,41b: 임펠러 와셔

42: 폴리 슬라이더 43: 임펠러 부싱

44: 고정너트 50: 에어 가이드

60: 콘트롤 PCB 61: 회로소자

70: 커버 100: 공기흡입장치

Claims (19)

1. 실린더 형상의 몸체 내주벽에 다수의 슬롯을 형성하도록 돌출된 다수의 티스와 상기 슬롯에 부분적으로 감겨진 스테이터 코일을 구비하는 스테이터와, 상기 스테이터의 내부에 일정 간극 이격되어 회전 가능하게 배치되며 중앙측에 회전축이 장착되는 로터 코어와 상기 로터 코어의 원주상에 형성된 다수의 영구자석 삽입구멍에 끼워지는 다수의 영구자석을 구비하고, 상기 스테이터에 의해 회전이 이루어지는 IPM 방식 로터로 구성되는 IPM 모터와;

   상기 IPM 모터의 상부 및 외주면을 보호하며 도입 공기가 통과하는 다수의 제1 관통구멍이 형성된 원통형 상부 하우징과;

   외주부가 상기 상부 하우징의 하단과 결합되며, 상기 IPM 모터를 지지하며 상기 도입 공기가 통과하는 다수의 제2 관통구멍이 형성된 중간 하우징과;

   상기 로터의 중앙에 고정 결합되며 양 단부가 상부 및 중간 하우징에 회전 가능하게 지지되는 회전축과;

   상기 상부 하우징의 상측에 배치되며, 상기 회전축의 상단에 하부판이 고정 결합되어 상기 회전축이 회전함에 따라 다수의 나선형 가이드 베인에 의해 상부판 중앙에 위치한 제1 원형 흡입구를 통하여 흡입력을 발생시키는 임펠러와;

   상단부에 상기 임펠러의 원형 흡입구에 대응하는 제2 원형 흡입구를 구비하고 상기 임펠러를 둘러싸면서 하단부가 상부 하우징에 고정 결합되어 상기 도입 공기를 중심방향으로 안내하는 커버와;

   상기 임펠러와 상기 상부 하우징 사이에 배치되어 상기 중심방향으로 안내되는 도입 공기를 상부 하우징의 제1 관통구멍으로 안내하는 에어 가이드를 포함하며,

   상기 상부 하우징의 제1 관통구멍으로 안내된 도입 공기가 상기 스테이터 코일이 권선되지 않은 슬롯의 중앙 공간을 통하여 중간 하우징의 제2 관통구멍으로 배출되는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 에어 가이드에 의해 중앙으로 안내된 도입 공기를 상부 하우징의 제1 관통구멍으로 안내함과 동시에 내주부에 제1 베어링 수용홈이 형성된 환형 돌기부가 상기 상부 하우징의 중앙으로부터 에어 가이드의 중앙으로 돌출 형성되고,

   상기 제1 베어링 수용홈에 내장되어 회전축의 일측을 회전 가능하게 지지하는 제1 베어링과,

   중간 하우징에 마련된 제2 베어링 수용홈에 내장되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 제2 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 임펠러 하부판의 상부면 및 하부면에 각각 고정되며 중앙부에 회전축이 결합되는 제1 및 제2 임펠러 와셔와,

   상기 제2 임펠러 와셔와 제2 베어링 사이에 삽입되며 중앙부에 회전축이 삽 입되는 폴리 슬라이더와,

   상기 제1 임펠러 와셔의 상부에 결합되며 중앙부에 회전축이 삽입되는 임펠러 부싱과,

   상기 회전축의 상단부에 나사 결합되는 고정 너트를 더 포함하며,

   상기 고정너트의 조임에 따라 임펠러 부싱이 제1 및 제2 임펠러 와셔를 임펠러 하부판의 중심부에 압착 지지하면서 폴리 슬라이더를 통하여 제1 베어링에 회전 가능하게 밀착 고정되는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 IPM 모터에 대한 구동 전압을 인가하기 위한 구동회로의 회로소자가 장착되는 콘트롤 PCB와,

   바닥에 상기 콘트롤 PCB가 설치되며 외주부에서 수직 연장된 다수의 다리가 상기 중간 하우징과 결합되고, 상기 스테이터의 슬롯과 중간 하우징의 제2 관통구멍을 통하여 유입된 상기 도입 공기가 상기 회로소자를 냉각시킨 후 다리 사이의 배출구를 통하여 배출되게 하는 PCB 커버를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
5. 제1항에 있어서,

   비자성체로 형성되어 상기 영구자석이 외부로 이탈되지 않도록 로터의 양 단면에 각각 설치되며 모터의 고속 회전시 편심을 방지하는 데 이용되는 제1 및 제2 밸런스 웨이트와,

   상기 제2 밸런스 웨이트의 하단에 설치된 센싱 마그넷 브라켓에 고정 결합되어 상기 로터와 동일한 위치에 동일한 자극으로 착자되어 상기 로터의 회전 위치를 검출하는데 이용되는 센싱 마그넷과,

   상기 센싱 마그넷에 대향하는 중간 하우징에 설치되어 센싱 마그넷으로부터 로터의 회전 위치를 검출하는 홀 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 중간 하우징은 외주부에 다수의 장공이 형성되어 있고,

   상기 홀 센서가 로터의 회전 위치를 검출하는 타이밍을 결정하기 위하여 중간 하우징을 상부 하우징에 결합되는 위치를 상기 장공을 이용하여 조정하며,

   상기 스테이터 코일에 전류가 가장 적게 흐르는 타이밍에 스테이터 코일에 대한 구동신호를 인가할 수 있게 로터의 회전 위치를 검출하는 타이밍이 설정되는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 다수의 영구자석은 전체적으로 2극의 자극 구조를 갖도록 직경 방향으로 원주면이 N극으로 착자되며 인접하여 배치된 4개 제1그룹 영구자석과, 직경 방향으로 원주면이 S극으로 착자되며 인접하여 배치된 4개 제2그룹 영구자석으로 이 루어지고,

   상기 제1그룹 영구자석과 제2그룹 영구자석 사이에는 각각 원주방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 제1 및 제2 스페이서가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 다수의 영구자석은 각각 바 형상으로 이루어지고, 그 단면은 외주면이 상기 영구자석 삽입구멍의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고, 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루면서 영구자석 삽입구멍에 대응하는 형상을 가지며, 양 측면은 각각 내측면과 직각으로 설정된 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 영구자석 삽입구멍은 외주면이 로터 코어의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루고 있으며, 양 측면에는 각각 측면방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 영구자석이 삽입되지 않는 제3 및 제4 스페이서가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
10. 제1항, 제7항, 제8항 및 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 IPM 모터는 2극-3슬롯 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 상부 하우징의 제1 관통구멍과 중간 하우징의 제2 관통구멍은 각각 2개 및 3개로 이루어지고, 스테이터의 3개의 슬롯에 의해 상호 연통되는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
12. 실린더 형상의 몸체 내주벽에 다수의 슬롯을 형성하도록 돌출된 다수의 티스와 상기 슬롯에 부분적으로 감겨진 다수의 스테이터 코일을 구비하는 스테이터와;

    상기 스테이터의 내부에 일정 간극 이격되어 회전 가능하게 배치되며 중앙측에 회전축이 장착되는 로터 코어와 상기 로터 코어의 동일 원주상에 형성된 다수의 영구자석 삽입구멍에 끼워지는 다수의 영구자석을 구비하고, 상기 스테이터에 의해 회전이 이루어지는 IPM 방식 로터를 포함하며,

    상기 다수의 영구자석은 전체적으로 2극의 자극 구조를 갖도록 직경 방향으로 원주면이 N극으로 착자되며 인접하여 배치된 다수의 제1그룹 영구자석과, 직경 방향으로 원주면이 S극으로 착자되며 인접하여 배치된 다수의 제2그룹 영구자석으로 이루어지고,

    상기 제1그룹 영구자석과 제2그룹 영구자석 사이에는 각각 원주방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 제1 및 제2 스페이서가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
13. 제12항에 있어서,

    상기 스테이터의 다수의 슬롯은 각각 스테이터 코일이 권선되는 제1 및 제2 영역과 상기 스테이터 코일이 권선되지 않은 제1 및 제2 영역 사이의 제3 영역으로 나누어지며,

    상기 제3 영역을 통하여 공기가 유통되는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
14. 제12항에 있어서,

    상기 다수의 영구자석은 각각 바 형상으로 이루어지고, 그 단면은 외주면이 상기 영구자석 삽입구멍의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고, 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루면서 영구자석 삽입구멍에 대응하는 형상을 가지며, 양 측면은 각각 내측면과 직각으로 설정되고,

    상기 영구자석 삽입구멍은 외주면이 로터 코어의 외주면 곡률과 동일하게 설정되고 이에 대향하는 내측면은 직선 형상을 이루고 있으며, 양 측면에는 각각 측면방향으로 자속의 누설을 방지하기 위하여 영구자석이 삽입되지 않는 제3 및 제4 스페이서가 돌출 형성되는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
15. 제12항에 있어서,

    상기 IPM 모터의 상부 및 외주면을 보호하며 공기가 통과하는 다수의 제1 관통구멍이 형성된 원통형 제1 하우징과;

    외주부가 상기 제1 하우징의 하단과 결합되며, 상기 IPM 모터를 지지하며 상기 공기가 통과하는 다수의 제2 관통구멍이 형성된 제2 하우징을 더 포함하며,

    상기 로터의 중앙에 고정 결합된 회전축은 양 단부가 제1 및 제2 하우징에 회전 가능하게 지지되는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
16. 제15항에 있어서,

    상기 IPM 모터에 대한 구동 전압을 인가하기 위한 구동회로의 회로소자가 장착되는 콘트롤 PCB와;

    바닥에 상기 콘트롤 PCB가 설치되며 외주부에서 수직 연장된 다수의 다리가 상기 중간 하우징과 결합되고, 상기 스테이터의 슬롯과 제2 하우징의 제2 관통구멍을 통하여 유입된 상기 공기가 회로소자를 냉각시킨 후 다리 사이의 배출구를 통하여 배출되게 하는 제3 하우징을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공기흡입장치.
17. 제15항에 있어서,

    비자성체로 형성되어 상기 영구자석이 외부로 이탈되지 않도록 로터의 양 단면에 각각 설치되며 모터의 고속 회전시 편심을 방지하는 데 이용되는 제1 및 제2 밸런스 웨이트와,

    상기 제2 밸런스 웨이트의 하단에 설치된 센싱 마그넷 브라켓에 고정 결합되어 상기 로터와 동일한 위치에 동일한 자극으로 착자되어 상기 로터의 회전 위치를 검출하는데 이용되는 환형의 센싱 마그넷과,

    상기 센싱 마그넷에 대향하는 상기 제2 하우징에 설치되어 센싱 마그넷으로부터 로터의 회전 위치를 검출하는 홀 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
18. 제17항에 있어서,

    상기 제2 하우징은 외주부에 다수의 장공이 형성되어 있고,

    상기 홀 센서가 로터의 회전 위치를 검출하는 타이밍을 결정하기 위하여 제2 하우징이 제1 하우징에 결합되는 위치를 상기 장공을 이용하여 조정하는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.
19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 IPM 모터는 2극-3슬롯 구조로 이루어지며, 진공청소기용 공기흡입장치의 회전력 발생수단으로 이용되는 것을 특징으로 하는 IPM 모터.

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