KR20110139433A - 드럼세탁기의 직결형 구동장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치에 관한 것으로, 백요크의 내주면과 외주면에 자석이 장착된 더블 로터를 내부 스테이터 및 외부 스테이터에 대향하도록 사이에 배치함으로써 내부 및 외부 스테이터 각각에 대해 단축된 자기 경로를 갖는 자기 회로를 형성하여 효율 상승을 도모할 수 있는, 더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명의 더블 스테이터/더블 로터형 모터는, 백요크의 내주면에 장착된 제1 영구자석과 상기 백요크의 외주면에 장착된 제2 영구자석을 구비하는 로터; 상기 제1 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 내부 스테이터; 및 상기 제2 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 외부 스테이터;를 포함한다.

Description

더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치{MOTOR HAVING DOUBLE STATOR AND DOUBLE ROTOR, AND DIRECT DRIVE APPARATUS FOR WASHING MACHINE USING THE SAME}
본 발명은 더블 스테이터/더블 로터형 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 백요크의 내주면과 외주면에 자석이 장착된 더블 로터를 내부 스테이터 및 외부 스테이터에 대향하도록 사이에 배치함으로써 내부 및 외부 스테이터 각각에 대해 단축된 자기 경로를 갖는 자기 회로를 형성하여 효율 상승을 도모할 수 있는, 더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치에 관한 것이다.
BLDC 모터를 스테이터 코어의 존재 여부에 따라 분류하면 일반적으로 컵(원통) 구조를 가지는 코어형(또는 레이디얼형)과 코어레스형(또는 액시얼형)으로 구분된다.
코어형 구조의 BLDC 모터는 내주부에 형성된 다수의 돌기에 전자석 구조를 갖기 위해 코일이 권선된 원통형의 스테이터와 원통형 영구 자석으로 이루어진 로터로 구성된 내부 자석형과, 스테이터가 외주부에 형성된 다수의 돌기에 상하 방향으로 코일이 권선되어 있고 그 외부에 다극 착자된 원통형 영구자석으로 된 로터로 구성된 외부 자석형으로 분류된다.
종래의 외부 자석형 BLDC 모터에서의 자속의 주 경로는 로터의 영구자석에서 진행하여 공극을 통해 스테이터로 이어지고 다시 영구자석과 요크의 방향으로 진행하는 자기회로를 형성한다.
내부 자석형의 경우에는 코일이 감겨진 스테이터 코어의 다수의 "T형" 코어부가 외부에서 내측방향으로 돌출 형성되어 있고, 각 코어부의 내측 종단부가 일정한 지름을 갖는 원을 형성하며, 그 내부의 공간에 회전축을 포함한 원통형 영구자석 혹은 중심에 회전축을 포함한 원통형 요크에 링형 영구자석이 부착된 로터가 장착된다. 모터가 회전하는 방식은 외부 자석형과 같다.
이러한 코어형 BLDC 모터는 자기회로가 축을 중심으로 레이디얼 방향으로 대칭인 구조로 되어 있어 축방향 진동성 노이즈가 적고, 저속 회전에 적합하며, 자로의 방향에 대하여 공극이 차지하는 부분이 극히 적어 성능이 낮은 자석을 사용하거나 자석의 양을 줄여도 높은 자속 밀도를 얻을 수 있어 토크가 크고 효율이 높다는 장점이 있다.
본 출원인은 한국 공개특허공보 제2004-2349호에 레이디얼 코어 타입으로 단일 스테이터/더블 로터 구조를 가짐에 의해 스테이터 코어를 완전 분할형으로 구성할 수 있는 BLDC 모터를 제안한 바 있다. 한국 공개특허공보 제2004-2349호는 스테이터 코어의 내측 및 외측에 동시에 로터를 배치하여 자로의 흐름을 내측과 외측의 영구자석 및 요크에 의해 형성함으로써 스테이터 코어의 완전 분할이 가능하여 개별적인 코일 권선에 의해 스테이터 코어의 생산성과 모터의 출력을 크게 높일 수 있는 구조를 제안하고 있다.
또한, 한국 공개특허공보 제2008-30667호 및 제2008-666호에 개시된 단일 스테이터/더블 로터 구조의 모터에서 동일한 개수의 내외측 슬롯 사이의 요크에 코일이 토로이달(toroidal) 권선된 구조는, 채움률(fill factor)을 높게 사용할 수 없어 효율 상승에 제약이 있다.
한편, 종래의 분할 코어 더블 로터형 모터는 도 1과 같이 나타낼 수 있다. 도 1은 종래의 분할 코어 더블 로터형 모터에 대한 단면도이다.
도 1에 도시된 분할 코어 더블 로터형 모터는 분할형 스테이터 코어(즉, 분할 코어, 1)가 내측 로터(2)와 외측 로터(3) 사이에 위치한다. 이러한 분할 코어 더블 로터형 모터는 분할형 스테이터 코어(1)가 내측 로터(2)와 외측 로터(3)에 소정의 자기갭을 통해 대향하여 자기 회로(L0)를 형성한다. 이때, 자기 회로(L0)는 스테이터 코어(1)로부터 내측 로터(2)로 이어지고 다시 스테이터 코어(1)로부터 외측 로터(3)로 이어지는 단일 경로로 나타난다.
일반적으로, 자기 회로의 경로는 길어질수록 자기저항이 증가함으로써 기자력의 손실이 커진다. 이에 따라, 종래의 분할 코어 더블 로터형 모터는 분할형 스테이터 코어를 사이에 두고 내측 로터(2)와 외측 로터(3)를 순환하는 자기 회로(L0)를 형성함으로써, 단일 로터형 구조와 비교할 때 자기 저항이 크며 그에 따른 기자력의 손실이 커져 비효율적인 구조로 되어 있다.
따라서, 종래의 분할 코어 더블 로터형 모터는 자기 회로의 경로를 줄임에 따라 자기 저항을 줄여 기자력의 손실을 방지할 필요가 있다.
한편, 한국 공개특허공보 제2008-30667호에는 내외측으로 돌출된 톱니에 코일이 권선된 스테이터와 더블 로터가 조합되어 코깅 토크 및 토크 리플을 저감시키기 위한 단일 스테이터/더블 로터 구조의 모터가 개시되어 있다.
따라서 본 발명은 백요크의 내주면과 외주면에 자석이 장착된 더블 로터를 내부 스테이터 및 외부 스테이터에 대향하도록 사이에 배치함으로써 내부 및 외부 스테이터 각각에 대해 단축된 자기 경로를 갖는 자기 회로를 형성하여 효율 상승을 도모할 수 있는, 더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 내부 스테이터와 외부 스테이터의 슬롯수를 서로 다르게 설정하여 코깅 토크 및 토크 리플을 저감시킨 더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 더블 스테이터/더블 로터형 모터는, 백요크의 내주면에 장착된 제1 영구자석과 상기 백요크의 외주면에 장착된 제2 영구자석을 구비하는 로터; 상기 제1 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 내부 스테이터; 및 상기 제2 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 외부 스테이터;를 포함한다.
또한, 상기 로터는, 상기 내부 스테이터와 상기 외부 스테이터 사이에 배치되어, 상기 내부 스테이터 및 상기 외부 스테이터 각각에 대해 독립된 자기 회로를 형성하여 더블 로터 기능을 수행하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 로터의 제1 및 제2 영구자석은, 서로 동일한 극성의 자석이 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 로터의 백요크는, 내주와 외주에 각각 돌기를 형성하여 인접 돌기와 채널 구조의 슬롯을 형성함으로써, 상기 슬롯에 상기 제1 및 제2 영구자석이 슬라이딩 방식으로 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 스테이터는, 환원형 몸체의 외측으로 돌출된 복수의 외측 티스를 형성하고, 상기 외부 스테이터는, 환원형 몸체의 내측으로 돌출된 복수의 내측 티스를 형성하며, 상기 외측 티스는, 상기 내측 티스의 개수 및 개방각과 상이하게 형성하여 코깅 토크 및 토크 리플 각각을 최소화하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 스테이터 및 상기 외부 스테이터는, 분할 코어 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 더블 스테이터/더블 로터형 모터는, 이너-로터(inner rotor) 구조를 갖는 드럼세탁기 또는 전자동 세탁기에 적용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 더블 스테이터/더블 로터형 모터는, 아우터-로터(outer rotor) 구조를 갖는 드럼세탁기 또는 전자동 세탁기에 적용되는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 드럼세탁기의 직결형 구동장치는, 드럼세탁기의 터브에 설치되어 바스켓을 구동하기 위한 드럼세탁기의 직결형 구동장치에 있어서, 백요크의 내주면에 장착된 제1 영구자석과 상기 백요크의 외주면에 장착된 제2 영구자석을 구비하는 로터; 상기 제1 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 내부 스테이터와, 상기 제2 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 외부 스테이터를 구비하고, 상기 로터를 회전구동시키기 위한 전자계를 발생하는 스테이터; 상기 로터의 중앙부에 외주부가 지지되며, 선단부에 바스켓이 결합된 회전축; 상기 회전축의 일단을 회전가능하게 지지하는 제1 베어링; 및 상기 터브에 설치되어 상기 회전축의 타단을 회전가능하게 지지하는 제2 베어링;을 포함한다.
또한, 상기 스테이터는, 외부에서 상기 로터를 둘러싸는 커버 구조로 상기 터브에 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 베어링은, 상기 스테이터의 중앙부 또는 상기 터브에 장착되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 구동장치는, 상기 스테이터가 상기 터브의 외측에 배치되고, 상기 로터는 상기 스테이터의 외측에 배치되는 아우터-로터 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 더블 로터형 모터임에도 불구하고 모터의 내부 및 외부에 각각 독립적인 듀얼 자기 회로를 형성함으로써 자기 회로의 경로를 줄이고 그에 따라 자기 저항을 줄여 기자력의 손실, 저감 및 누설 플럭스를 최소화함에 의해 모터 효율 상승을 도모하는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 더블 스테이터에 의한 로터의 출력토크를 증가시켜 대용량의 출력토크용으로 적합한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전자동 세탁기, 커버일체형 또는 슬림형으로 드럼형 세탁기의 내통 또는 드럼 구동 장치에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은 금형 1벌로 내외측 코어금형을 통해 금형에 필요한 시간과 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 분할 코어 더블 로터형 모터에 대한 단면도,
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터에 대한 단면도,
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터에 대한 단면도,
도 4a는 로터의 내부 스테이터 및 외부 스테이터에 대한 코깅 토크의 주기를 나타낸 그래프,
도 4b는 로터의 내부 스테이터 및 외부 스테이터에 대한 토크 리플의 주기를 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 커버 일체형 구조를 드럼세탁기에 적용한 일실시예를 나타낸 축방향 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 커버 일체형 구조를 드럼세탁기에 적용한 변형 실시예를 나타낸 축방향 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 슬림형 구조를 드럼세탁기에 적용한 일실시예를 나타낸 축방향 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 슬림형 구조를 드럼세탁기에 적용한 변형 실시예를 나타낸 축방향 단면도이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예를 설명하기에 앞서, 본 발명의 더블 스테이터/더블 로터형 모터는, 내부 및 외부 스테이터(stator) 사이에 더블 로터(rotor)를 배치하는 구조를 적용한 경우로 구현된다.
여기서, 더블 스테이터/더블 로터형 모터는 내부 및 외부 스테이터 사이에 일체형 로터를 배치하더라도, 실제로 내부 및 외부 스테이터 각각에 대해 독립된 자기 회로를 형성하기 위한 자석을 로터의 백요크 내부 및 외부에 장착함으로써, 내부 및 외부 스테이터 각각에 대향하는 더블 로터 기능을 제공할 수 있다. 이러한 더블 스테이터/더블 로터형 모터는 내부 및 외부 스테이터로부터 얻어지는 출력 토크의 합력이 로터에 전달되므로 결과적으로 로터에 연결된 회전축의 출력 토크가 커지며, 대용량 모터에 적합하다.
일반적으로, 모터의 자기 회로는 자로가 길어질수록 자기저항과 누설 플럭스가 증가하며, 그에 따라 기자력에 대한 손실이 커진다. 하지만, 본 발명의 더블 스테이터/더블 로터형 모터는 내부 및 외부에 각각 독립적인 자기 회로를 형성함으로써, 더블형 모터(일례로, 더블 로터 방식 모터)의 장점으로서 대용량의 출력 토크를 제공할 뿐만 아니라 더블형 모터의 단점으로서 자로가 길게 형성되어 기자력의 효율이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
이하, 더블 스테이터/더블 로터형 모터에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터에 대한 단면도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는, 로터(11a), 내부 스테이터(21a), 외부 스테이터(31a)를 포함하며, 로터(11a)를 내부 스테이터(21a)와 외부 스테이터(31a) 사이에 배치한다. 이때, 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)는 회전하는 로터(11a)를 커버링하여 로터(11a)의 회전시에 발생하는 진동소음을 감소시킨다.
또한, 로터(11a)에는 내외측에 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)가 배치되고, 내외측에 동일한 극성의 내부자석(13a)과 외부자석(14a)이 배치되어 있다. 이를 통해, 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는, 단일 스테이터/단일 로터 구조의 모터와 비교할 때, 로터(11a)에 대한 직경 방향으로 인가되는 힘이 서로 반대 방향으로 작용하여 상쇄가 이루어진다. 따라서, 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는, 단일 스테이터/단일 로터형 모터에 비해 진동이 적어 회전축(40)을 지지하는 베어링의 수명을 연장할 수 있다.
로터(11a)는 일단부가 회전축(40)에 연결되어 회전축(40)을 중심으로 회전하며, 환원형의 백요크(12a), 백요크(12a)의 내주에 형성된 내측돌기(15a)에 삽입된 내부자석(13a), 백요크(12a)의 외주에 형성된 외측돌기(16a)에 삽입된 외부자석(14a)을 포함한다.
또한, 내부 스테이터(21a)는 환원형의 제1 몸체(23a), 제1 몸체(23a)로부터 외측을 향해 돌출된 복수의 제1 티스(24a), 제1 티스(24a)에 권선된 복수의 제1 코일(25a)을 포함한다. 이때, 제1 몸체(23a) 및 제1 티스(24a)를 통칭하여 "내부 스테이터 코어(22a)"라 한다.
아울러, 외부 스테이터(31a)는 환원형의 제2 몸체(33a), 제2 몸체(33a)로부터 내측을 향해 돌출된 복수의 제2 티스(34a), 제2 티스(34a)에 권선된 복수의 제2 코일(35a)을 포함한다. 이때, 제2 몸체(33a) 및 제2 티스(34a)를 통칭하여 "외부 스테이터 코어(32a)"라 한다.
특히, 로터(11a)의 백요크(12a), 내부 스테이터(21a)의 내부 스테이터 코어(22a) 및 외부 스테이터(31a)의 외부 스테이터 코어(32a)는 금형 1벌의 코어 금형을 할 수 있어 금형에 들어가는 시간과 비용을 절감할 수 있다.
먼저, 로터(11a)는 환원형의 백요크(12a)의 내부에 N극 및 S극으로 착자된 분할편으로 이루어진 다수개의 내부자석(13a)을 교대로 배치하여 내부 스테이터(21a)에 대향하여 내부 로터로서 기능을 수행하며, 환원형의 백요크(12a)의 외부에 N극 및 S극으로 착자된 분할편으로 이루어진 다수개의 외부자석(14a)을 교대로 배치하여 외부 스테이터(31a)에 대향하여 외부 로터로서 기능을 수행한다. 이 경우 내부자석(13a)과 외부자석(14a) 사이에 서로 대향된 자석은 서로 동일한 극성을 갖도록 배치된다. 이러한 내부자석(13a) 및 외부자석(14a)은 모두 8극(극대수=2)으로 자화된다.
이와 같이, 로터(11a)는 내부 스테이터(21a)와 외부 스테이터(31a) 사이에 배치된 일체형 로터라도, 내주와 외주를 따라 각각 배치된 내부자석(13a)과 외부자석(14a)에 의해 독립적인 로터 기능(즉, 내부 및 외부 로터 기능)을 수행함으로써, 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대한 더블 로터 기능을 수행한다. 이는 로터(11a)가 구성상 일체형 로터일지라도 실제적으로 더블 로터 기능을 수행하므로, 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 의해 발생되는 출력 토크의 합을 회전축(40)의 출력 토크로 작용함을 의미한다.
이때, 로터(11a)를 기준으로 모터(100)의 내부에는, N극의 내부자석(13a), 내부 스테이터 코어(22a), N극의 내부자석(13a)에 인접한 S극의 내부자석(13a), 백요크(12a) 간에 내부 자기 회로(L1)가 형성된다. 또한, 로터(11a)를 기준으로 모터(100)의 외부에는, N극의 제1 외측자석(14a), 외부 스테이터 코어(32a), N극의 제1 외측자석(14a)에 인접한 S극의 제1 외측자석(14a), 백요크(12a) 간에 외부 자기 회로(L2)가 형성된다.
아울러, 백요크(12a)의 내주와 외주에 형성된 각각의 내측돌기(15a) 및 외측돌기(16a) 각각은 내부자석(13a) 또는 외부자석(14a)을 수용하기 위해 인접 돌기와 채널 구조의 슬롯(slot)을 형성한다. 또한, 내측돌기(15a) 및 외측돌기(16a)는 환원형인 백요크(12a)의 내주와 외주에 형성되는 특징 때문에 그 크기가 서로 다르지만 티(T)자 형으로 동일한 모양으로 동일한 개수가 형성되어 있고, 백요크(12a) 상에 서로 대응하도록 같은 위치에 형성된다. 이에 따라, 내부자석(13a) 및 외부자석(14a)은 백요크(12a)에 형성된 슬롯에 슬라이딩 방식으로 삽입되어 고정될 수 있다.
부가적으로, 본 발명의 로터(21a)는 분할편 구조 대신에 N극 및 S극이 분할 착자된 링 형상의 자석을 백요크(12a)의 내/외측에 배치할 수도 있다.
여기서, 내부 스테이터 코어(22a)는 일체형 스테이터 코어(즉, 통 코어)에 대해 설명하고 있으나, 분할형 스테이터 코어(즉, 분할 코어)일 경우에도 적용될 수 있다. 즉, 분할형 스테이터 코어일 경우에는 한국 등록특허 제663641호 또는 한국 등록특허 제930011호에 개시된 바와 같이, 내부의 분할 코어를 감싸는 절연용 보빈을 일체로 형성한 상태에서 보빈의 외주에 코일을 권선하여 환형으로 조립한 후, 인서트 몰딩방식에 의해 외측면을 열경화성 수지로 몰딩하여 환형의 일체형 스테이터를 얻는다. 이에 대한 자세한 설명은 당업자라면 쉽게 이해할 수 있으므로 생략하기로 한다. 또한, 분할형 스테이터 코어 구조를 채용하는 경우에는 채움률(fill factor)의 극대화와 정렬권선이 가능하므로 효율의 상승을 도모할 수 있다.
제1 코일(25a)은 각각의 제1 티스(24a)에 3상(U상, V상, W상)의 개별 코일이 감긴 상태이며, 3상 스타 결선 또는 3상 델타 결선이 이루어진다. 이러한 제1 코일(25a)은 통전됨으로써, 내부자석(13a)과의 관계에서 토크를 발생시켜 로터(11a)를 소정 방향으로 회전시킨다.
부가적으로, 제1 코일(25a)의 재료는 일반적으로 구리(Cu)가 사용되나, 모터의 무게를 줄일 수 있도록 구리에 비하여 비중이 1/3이고, 가격이 상대적으로 저렴한 알루미늄(Al)을 사용할 수도 있다. 일반적으로, 알루미늄은 산화 문제가 발생하여 모터 코일로 적용하기 어려우나, 알루미늄을 이용하려 할 때 코일이 권선된 스테이터 코어 조립체를 열경화성 수지를 사용하여 외부를 피복하여 산화 문제를 해결한다.
마찬가지로, 외부 스테이터 코어(32a)는 일체형 스테이터 코어에 대해 설명하고 있으나, 분할형 스테이터 코어일 경우에도 적용될 수 있다.
또한, 제2 코일(35a)은 각각의 제2 티스(34a)에 3상(U상, V상, W상)의 개별 코일이 감긴 상태이며, 3상 스타 결선 또는 3상 델타 결선이 이루어진다. 이러한 제2 코일(35a)은 통전됨으로써, 외부자석(14a)과의 관계에서 토크를 발생시켜 로터(11a)를 소정 방향으로 회전시킨다.
다만, 도 2에서는 설명의 편의를 위해 제1 코일(25a) 및 제2 코일(35a)이 감긴 상태를 구체적으로 도시하지는 않는다. 즉, 실제로 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)는 3상(U상, V상, W상)의 코일이 감긴 상태로 제작되어야 함이 자명하다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터에 대한 단면도이다.
도 4에 도시된 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(200)는 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)의 변형 실시예로서, 제1 실시예의 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)의 주요 구성요소를 갖는다.
즉, 제2 실시에에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(200)는 로터(11b), 내부 스테이터(21b), 외부 스테이터(31b)를 포함한다. 아울러, 로터(11b)는 백요크(12b), 내부자석(13b) 및 외부자석(14b)을 포함하며, 내부 스테이터(21b)는 제1 몸체(23b), 제1 티스(24b) 및 제1 코일(25b)을 포함하고, 외부 스테이터(31b)는 제2 몸체(33b), 제2 티스(34b) 및 제2 코일(35b)을 포함한다. 이때, 제1 몸체(23b) 및 제1 티스(24b)를 통칭하여 "내부 스테이터 코어(22b)"라 하고, 제2 몸체(33b) 및 제2 티스(34b)를 통칭하여 "외부 스테이터 코어(32a)"라 한다. 이에 대한 자세한 설명은 전술한 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)의 구성요소에 대응되어 해당 구성요소의 설명이 중복되므로 생략하기로 한다.
다만, 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(200)와 내부 스테이터의 구조에 있어서 상이하다. 즉, 제1 실시예의 제1 티스(24a)는 제2 실시예의 제1 티스(24b) 보다 2배 많은 개수가 형성되어 있으며, 제1 실시예의 제1 티스(24a)는 제2 실시예의 제1 티스(24b) 보다 개방각이 좁다. 여기서, '개방각'이라 함은 스테이터의 티스의 양단을 통과하는 2개의 선이 회전축(40) 중심에 대해 이루는 각도를 의미하며, 이때 기계각이 아닌 전기각으로 나타낸다.
특히, 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는, '로터(11a)와 내부 스테이터(21a)' 또한 '로터(11a)와 외부 스테이터(31a)'의 코깅 토크(coging torque) 및 토크 리플(torque ripple) 각각에 대한 위상이 반전하도록, 내부 스테이터(21a)의 제1 티스(24a)와 외부 스테이터(31a)의 제2 티스(34a)에 대한 개방각을 선택함으로써, 높은 토크 정수(평균 토크)를 유지한 채 전체 코깅 토크 및 토크 리플을 최소로 할 수 있다. 이때, 제1 티스(24a)의 개방각은 제1 티스(24a)의 양단을 통과하는 2개의 선이 회전축(40)의 중심에 대해 이루는 각도이고, 제2 티스(34a)의 개방각은 제2 티스(34a)의 양단을 통과하는 2개의 선이 회전축(40)의 중심에 대해 이루는 각도이다.
구체적으로, 본 발명에서는 로터(11a)와 내부 스테이터(21a) 간에 존재하는 제1 코깅 토크의 위상에 대해서, 로터(11a)와 외부 스테이터(31a) 간에 존재하는 제2 코깅 토크의 위상을 반전시킨다. 아울러, 본 발명에서는 로터(11a)와 내부 스테이터(21a) 간에 존재하는 제1 토크 리플의 위상에 대해서, 로터(11a)와 외부 스테이터(31a) 간에 존재하는 제2 토크 리플의 위상을 반전시킨다. 일례로, 로터(11a)의 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대한 코깅 토크(도 4a 참조) 및 토크 리플(도 4b 참조)은, A범위 및 B 범위에 대해 위상이 바뀌는 변극점(극소점)을 가지며 극대점 및 극소점을 갖는 정현파 파형으로 이루어진다.
도 4a는 로터(11a)의 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대한 코깅 토크의 주기를 나타낸 그래프이고, 도 4b는 로터(11a)의 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대한 토크 리플의 주기를 나타낸 그래프이다.
여기서, 전체 코깅 토크 및 토크 리플을 최소화하는데 있어서, 가능한 한 진폭이 작은 범위 내에서 위상이 반전하는 지점의 내부 스테이터(21a)의 제1 티스(24a) 및 외부 스테이터(31a)의 제2 티스(34a)에 대한 개방각을 선택한다. 아울러, 개방각은 토크 정수(평균 토크)가 높은 범위 내에 대응하도록 선택된다. 이는 출력 토크를 향상시킨 채 전체 코깅 토크 및 토크 리플을 줄이기 위함이다.
마찬가지로, 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(200)는, 제1 실시예의 제1 티스(24a) 및 제2 티스(34a)에 대한 개방각을 선택하는 바와 같이, 제2 실시예의 제1 티스(24b) 및 제2 티스(34b)에 대한 개방각을 선택한다.
한편, 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(200)는 전술한 바와 같이 내부 스테이터(21b)의 구조를 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)의 내부 스테이터(21a)의 구조와 상이하게 구현하는데, 이는 제2 실시예의 로터(21b) 및 내부 스테이터(21b) 간의 코깅 토크와 토크 리플의 주기를 쉽게 변환하기 위함이다. 이로써, 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는 전체적으로 코깅 토크 및 토크 리플을 줄일 수 있다.
한편, 제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는 드럼세탁기뿐만 아니라 전자동 세탁기에 있어서도 적용할 수 있으나 드럼세탁기에 적용된 경우에 대해 상세히 설명하기로 한다(후술할 도 5 내지 도 8 참조). 다만, 제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는 전자동 세탁기에 적용할 경우에, 회전축의 상단부를 드럼세탁기의 바스켓(basket)에 대응되는 내조에 연결하고 스테이터 지지부위를 드럼세탁기의 터브(tub)에 대응되는 외조에 연결한다.
이러한 제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는, 고 토크가 요구되는 세탁시에 양쪽 스테이터에 전원을 인가하여 구동하고, 고속회전이 요구되는 탈수시에 한쪽 스테이터에 전원을 인가하여 구동할 수 있다. 특히, 탈수시에는 한쪽 스테이터만 구동시킴으로써 소비전력을 절감하고, 약계자(field weaking) 제어가 필요하지 않아 효율 상승을 도모할 수 있다.
아울러, 제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는 내부 스테이터(21a,21b)의 제1 티스(24a,24b) 개수에 있어 상이하지만 드럼세탁기에 적용되는 직결형 구동 장치에 동일하게 설명할 수 있으므로, 설명의 편의상 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)에 대해서만 설명하기로 한다.
이하, 후술할 도 5 내지 도 8을 참조하여 드럼세탁기의 터브에 설치되어 바스켓을 구동하기 위한 드럼세탁기의 직결형 구동 장치에 대해 상세히 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 커버 일체형 구조를 드럼세탁기에 적용한 일실시예를 나타낸 축방향 단면도이다.
제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는, 축방향 단면에서 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대해 로터(11a)를 모터의 내측(즉, 드럼세탁기의 터브측)에 배치하는 이너-로터(inner-rotor) 구조[또는 아우터-스테이터(outer-stator) 구조]로서 커버 일체형 구조를 이루어 내측에 회전하는 로터 부분의 소음을 차단하는 구조를 나타낸다.
제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는 일례로 빌트-인 타입의 중/소형 드럼세탁기의 터브(51) 배면에 설치되어 직결식으로 터브(51) 내부에 위치한 바스켓(52)을 정/역 방향으로 회전 구동시키는 데 사용될 수 있으며, 또한 세탁기 이외의 다른 기기에도 적용될 수 있다. 전술한 바와 같이, 여기서는 설명의 편의상 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)의 도면부호를 참조하여 설명하기로 한다.
이하, 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터를 적용한 드럼세탁기에 대해 상세히 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 로터(11a)는 내부 스테이터(21a)와 외부 스테이터(31a)에 대해 소정의 자기갭(gap)을 갖고, 백요크(12a)의 내외측에 환원형으로 다수의 내부자석(13a), 외부자석(14a)이 배치된다. 이때, 로터(11a)는 로터 지지체(45)에 의해 연결되며, 로터 지지체(45)에 연장된 부싱 지지체(44)에 의해 부싱(43)과 결합되어 회전력이 회전축(40)에 전달된다.
여기서, 회전축(40)은 로터(11a), 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)를 하나로 조립할 수 있는 기준이 된다. 이에 따라, 로터(11a)는 내부 스테이터(21a)와 외부 스테이터(31a) 사이의 자기갭을 균일하게 설정함으로써, 회전시에 자기갭 불균일로 인한 진동소음을 방지할 수 있다.
회전축(40)은 로터(11a)의 중심부에 인벌류트 세레이션(involute serration) 부싱(43)을 통해 로터(11a)와 체결되는데, 일단이 내측 연장부(46)에 일체로 설치된 제1 베어링(41)을 통해 회전 가능하게 지지되고, 타단이 터브(51)에 설치된 제2 베어링(42)을 통해 회전 가능하게 지지된다.
또한, 회전축(40)의 선단부에는 세탁기의 터브(51) 내부에 회전 가능하게 지지되며 세탁물을 수용하는 바스켓(52)이 결합되어, 모터(100)의 동작에 따라 바스켓(52)을 정/역 방향으로 회전 구동한다.
내부 스테이터(21a)는 내부 스테이터 코어(22a)를 환원형 내부 스테이터 지지체(47)에 일체로 결합시켜 환원형으로 성형하고, 외부 스테이터(31a)는 외부 스테이터 코어(32a)를 환원형 외부 스테이터 지지체(48)에 일체로 결합시켜 환원형으로 성형한다. 이때, 내부 및 외부 스테이터 지지체(47,48)는 내측으로 내측 연장부(46)가 연장 형성되어 제1 베어링(41)과 결합된다. 전술한 바와 같이, 회전축(40)은 제1 베어링(41)에 회전 가능하게 지지된다.
아울러, 내부 스테이터 코어(24a)는 제1 보빈(26a)의 외주에 제1 코일(25a)이 권선된 후 열경화성 수지를 사용하여 인서트 몰딩함에 의해 제조되는 내부 스테이터 지지체(47)에 의해 일체로 형성되고, 외부 스테이터 코어(34a)는 제2 보빈(36a)의 외주에 제2 코일(35a)이 권선된 후 열경화성 수지를 사용하여 인서트 몰딩함에 의해 제조되는 외부 스테이터 지지체(48)에 의해 일체로 형성된다.
특히, 외부 스테이터 지지체(48)는 외주부가 전방으로 연장 형성되어 환형 커버를 이루는 외측 연장부(49)에 의해 세탁기의 터브(51)에 고정된다. 이와 같이, 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)가 일체로 연결된 본 발명의 스테이터는 별도의 커버를 구비하지 않아도 되므로 슬림화가 가능하며, 빌트-인 타입에 바람직한 저소음 구조를 도모할 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 커버 일체형 구조를 드럼세탁기에 적용한 변형 실시예를 나타낸 축방향 단면도이다.
도 6에 도시된 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는 도 5와 같이 로터(11a)를 모터의 내측에 배치하는 이너-로터 구조(또는 아우터-스테이터 구조)로서 일종의 커버 일체형 구조지만, 제1 베어링(41) 및 제2 베어링(42)을 모두 터브(51)에 위치시켜 회전축(40)을 회전가능하게 지지하고, 스테이터 지지체(47,48)의 연장부분인 내측 연장부(46)를 제거하여 로터 지지체(45)의 동작 상태를 외부에서 확인할 수 있는 개방형 구조를 갖는다. 이는 아우터-스테이터 구조로서 내부에 로터(11a)가 위치하더라도 외부에서 로터 지지체(45)의 동작 상태를 확인하여 로터(11a)의 상태를 확인할 수 있다.
한편, 로터(11a), 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대한 구체적인 설명은 전술한 도 5와 중복되므로 간단히 설명한다. 즉, 로터(11a)는 백요크(12a)의 내외측에 환원형으로 다수의 내부자석(13a) 및 외부자석(14a)이 배치되며, 회전축(40)과 연결된 로터 지지체(45)에 의해 지지되어 회전한다. 또한, 내부 스테이터(21a)는 제1 보빈(26a)의 외주에 제1 코일(25a)이 권선된 내부 스테이터 코어(22a)를 내부 스테이터 지지체(47)에 일체로 결합시켜 환원형으로 성형하고, 외부 스테이터(31a)는 제2 보빈(36a)의 외주에 제2 코일(35a)이 권선된 외부 스테이터 코어(32a)를 외부 스테이터 지지체(48)에 일체로 결합시켜 환원형으로 성형한다.
도 7은 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 슬림형 구조를 드럼세탁기에 적용한 일실시예를 나타낸 축방향 단면도이다.
제1 및 제2 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100,200)는, 축방향 단면에서 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대해 로터(11a)를 모터의 외측(즉, 드럼세탁기의 터브 반대측)에 배치하는 아우터-로터(outer-rotor) 구조[또는 이너-스테이터(inner-stator) 구조]로서 슬림형 구조를 구현할 수 있다. 전술한 바와 같이, 여기서는 설명의 편의상 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)의 도면부호를 참조하여 설명하기로 한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는, 회전축(40)과 결합되는 부싱(43)과 터브(51)에 결합되는 내측 연장부(46)를 모터의 중심부에 배치하여 모터의 축방향 길이(즉, 두께)를 최소한으로 단축시키고 로터(11a) 회전시에 발생하는 진동을 최소화하는 슬림형 구조를 갖는다. 즉, 내측 연장부(46)는 모터가 축방향으로 두께가 증가하는 것을 차단하기 위해 내측방향으로 1단 절곡되어 연장되며, 그 결과 선단부가 로터(11a)의 회전축(40)과 결합되는 부싱(43)과 동축방향으로 배치된다.
더욱이, 아우터-로터 방식의 제1 실시예에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는, 내측 연장부(46)를 터브(51)에 볼트 체결하여 고정하는 경우 모터에 전원이 인가될 때 전자기력에 의해 터브(51)가 힘을 받으면서 스트레스에 의한 변형 및 손상이 발생할 수 있다. 하지만, 제1 베어링(41) 및 제2 베어링(42)은 회전축(40)을 지지하여 터브(51)에 가해지는 힘에 의한 변형 및 손상을 감축시키고 뒤틀림을 방지하여 회전시에 발생하는 부하를 분산하여 지지할 수 있다.
또한, 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는, 내측 연장부(46)에 제1 베어링(41)을 배치하고 터브(51)에 제2 베어링(42)을 배치함으로써, 제1 베어링(41)과 제2 베어링(42) 간에 소정 간격만큼 떨어뜨려 구조적인 안정성을 향상시켜 세탁기 진동에 대한 내구성을 높일 수 있다. 이는 드럼세탁기 또는 전자동 세탁기를 저진동 및 저소음 구조에 적합하게 구현할 수 있음을 의미한다.
여기서, 로터(11a), 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대한 자세한 설명은 전술한 도 5 및 도 6과 중복되므로 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 더블 스테이터/더블 로터형 모터의 슬림형 구조를 드럼세탁기에 적용한 변형 실시예를 나타낸 축방향 단면도이다.
도 8에 도시된 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)는 도 7과 같이 로터(11a)를 모터의 외측에 배치하는 아우터-로터 구조[또는 인너-스테이터 구조]로서 일종의 슬림형 구조지만, 제1 베어링(41) 및 제2 베어링(42)을 모두 터브(51)에 위치시켜 회전축(40)을 회전가능하게 지지한다.
한편, 도 8의 더블 스테이터/더블 로터형 모터(100)의 구성요소는 전술한 도 7과 중복되므로 자세한 설명을 생략하기로 하며, 마찬가지로 로터(11a), 내부 스테이터(21a) 및 외부 스테이터(31a)에 대한 설명도 생략하기로 한다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
11a,11b: 로터 12a,12b: 백요크
13a,13b: 내부자석 14a,14b: 외부자석
21a,21b: 내부 스테이터 22a,22b: 내부 스테이터 코어
31a,31b: 외부 스테이터 32a,32b: 외부 스테이터 코어
40: 회전축 41: 제1 베어링
42: 제2 베어링 43: 부싱
44: 부싱 지지체 45: 로터 지지체
46: 내측 연장부 47: 내부 스테이터 지지체
48: 외부 스테이터 지지체 51: 터브
52: 바스켓

Claims (12)

  1. 백요크의 내주면에 장착된 제1 영구자석과 상기 백요크의 외주면에 장착된 제2 영구자석을 구비하는 로터;
    상기 제1 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 내부 스테이터; 및
    상기 제2 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 외부 스테이터;
    를 포함하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 로터는, 상기 내부 스테이터와 상기 외부 스테이터 사이에 배치되어, 상기 내부 스테이터 및 상기 외부 스테이터 각각에 대해 독립된 자기 회로를 형성하여 더블 로터 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 로터의 제1 및 제2 영구자석은, 서로 동일한 극성의 자석이 대향하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 로터의 백요크는, 내주와 외주에 각각 돌기를 형성하여 인접 돌기와 채널 구조의 슬롯을 형성함으로써, 상기 슬롯에 상기 제1 및 제2 영구자석이 슬라이딩 방식으로 삽입되어 고정되는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 스테이터는, 환원형 몸체의 외측으로 돌출된 복수의 외측 티스를 형성하고, 상기 외부 스테이터는, 환원형 몸체의 내측으로 돌출된 복수의 내측 티스를 형성하며, 상기 외측 티스는, 상기 내측 티스의 개수 및 개방각과 상이하게 형성하여 코깅 토크 및 토크 리플 각각을 최소화하는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 스테이터 및 상기 외부 스테이터는, 분할 코어 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 더블 스테이터/더블 로터형 모터는, 이너-로터(inner rotor) 구조를 갖는 드럼세탁기 또는 전자동 세탁기에 적용되는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 더블 스테이터/더블 로터형 모터는, 아우터-로터(outer rotor) 구조를 갖는 드럼세탁기 또는 전자동 세탁기에 적용되는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터/더블 로터형 모터.
  9. 드럼세탁기의 터브에 설치되어 바스켓을 구동하기 위한 드럼세탁기의 직결형 구동 장치에 있어서,
    백요크의 내주면에 장착된 제1 영구자석과 상기 백요크의 외주면에 장착된 제2 영구자석을 구비하는 로터;
    상기 제1 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 내부 스테이터와, 상기 제2 영구자석과 공극을 갖고 대향하여 상기 로터를 회전시키는 자계를 발생하는 외부 스테이터를 구비하고, 상기 로터를 회전구동시키기 위한 전자계를 발생하는 스테이터;
    상기 로터의 중앙부에 외주부가 지지되며, 선단부에 바스켓이 결합된 회전축;
    상기 회전축의 일단을 회전가능하게 지지하는 제1 베어링; 및
    상기 터브에 설치되어 상기 회전축의 타단을 회전가능하게 지지하는 제2 베어링;
    을 포함하는 드럼세탁기의 직결형 구동 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 스테이터는, 외부에서 상기 로터를 둘러싸는 커버 구조로 상기 터브에 장착되는 것을 특징으로 하는 드럼세탁기의 직결형 구동 장치.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 제1 베어링은, 상기 스테이터의 중앙부 또는 상기 터브에 장착되는 것을 특징으로 하는 드럼세탁기의 직결형 구동 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 상기 구동 장치는, 상기 스테이터가 상기 터브의 외측에 배치되고, 상기 로터는 상기 스테이터의 외측에 배치되는 아우터-로터 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 드럼세탁기의 직결형 구동 장치.
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