KR20130049580A - 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각수의 순환을 위한 자동차용 워터펌프의 구성을 단순화하여 고정자와 회전자가 견고한 자기적 결합 상태의 유지가 가능하게 함으로써, 진동의 영향을 최소화한 채 회전자 및 임펠러가 동기 회전 구동 되게 한 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프에 관한 것이다.
그 구성은, 자동차용 워터펌프(A)에 있어서, 하부의 모터커버(1)와 상부의 펌프 케이스(4) 사이에 설치되며, 중앙에는 상면이 개방된 공간부(32)를 형성하여 그 정 중앙에 샤프트(31)를 직립 설치하고, 상기 공간부(32)의 바깥 둘레로 링형의 고정자(2)가 설치되게 한 모터 케이스(3)와; 슬리브 두께부의 삽입홈(51a) 내에 영구자석(6)이 삽입되어 커버링(56)으로 융착ㆍ마감한 슬리브 형태의 회전자 본체(51)와, 평판 형태의 상면에 베인 부착홈(52a)을 형성하여 덮개를 갖는 베인(54)의 하단이 융착 되도록 한 임펠러 몸통부(52)로 되는 회전자(5)와; 모터 작동을 제어하는 PCB 기판(11);으로 이루어진다.
이로써 워터펌프를 구성하는 임펠러와 회전자가 별도의 연결축이나 고정축에 연결되지 않고 서로 일체화된 상태에서 회전자 둘레가 고정자의 내측에 위치되어 자기적으로 안정적인 설치상태를 유지할 수 있게 되므로, 워터펌프 작동시 유량손실에 따른 유량효율의 저하를 막고, 고정자에 대한 방열 효과를 높여, 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되므로, 자동차의 상품성을 제고할 수 있게 된다.

Description

영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프{Water pump for automobile having a inner type rotator with a permanent magnet}

본 발명은 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 임펠러와 함께 자동차용 워터펌프를 구성하는 주요 구성 부품인 회전자를 엔지니어링 플라스틱 재의 슬리브 형태로 되는 회전자 본체와, 이 회전자 본체 상면에 다수의 베인이 일체로 융착ㆍ설치되는 임펠러 몸통부로 일체화하여 구성하되, 상기 슬리브 형태로 되는 회전자 본체의 슬리브 두께부 내에는 삽입홈을 형성하여 네오디움(Nd)계 자석이나, 페라이트 소결자석으로 되는 영구자석을 삽입함으로써, 회전자 본체가 모터케이스 중앙의 공간부에 설치된 샤프트에 조립되어 링형의 고정자 내측에 설치되게 하는 것에 의해, 고정자에 대응하여 상부에 임펠러 몸통부가 일체로 형성된 회전자가 회전 구동되도록 한 것이다.

이와 같이 임펠러와 일체화된 회전자가 고정자 내부에서 회전 구동되게 됨에 따라 회전자가 고정자에 대해 뛰어난 자기적 특성으로 진동의 영향을 최소화한 채 동기 회전 구동되도록 함으로써, 워터펌프의 필수 구성 요소인 임펠러와 회전자가 별도의 연결축이나 고정축에 연결되지 않고 일체화되어, 워터펌프 작동시 유량손실에 따른 유량효율의 저하를 막음과 동시에, 고정자에 대한 방열 효과를 높여, 워터펌프의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있게 되므로, 전체적인 자동차의 상품성을 제고할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 자동차에는 차량의 엔진냉각 및 실내 난방을 위한 엔진 및 히터에 냉각수를 안정적으로 순환시키기 위하여 전기식 워터펌프가 설치된다.

이들 워터펌프는 상부의 임펠러가 영구자석으로 되는 회전자에 축 결합으로 연결된 상태에서, 회전자가 고정자로부터 발생 되는 자기장에 의해 회전되도록 하여 회전자와 연결된 임펠러가 회전하면서 냉각수를 순환시킬 수 있도록 하고 있는 것이었다.

이와 같은 종래의 워터펌프는, 첨부도면 중, 도 1에 대한민국 공개특허 제10-2011-0055277호의 '전기식 워터펌프'의 구성을 단면도로 도시하고 있는 바와 같이, 이는 고정자(102)(104)(108)(109)에 의해 회전되는 회전자(84)(86)(88)(90) 중앙에 설치된 샤프트(83) 선단에 임펠러(22)를 설치하여, 회전자가 고정자로부터 발생되는 자기장에 대응, 반응하면서 회전되도록 하여 회전자 선단에 부착, 설치된 임펠러(22)가 회전하면서 목적한 냉각수의 순환이 이루어지도록 하는 것인바, 이는 임펠러와 회전자가 분리 구성되는데 따른 펌프의 크기가 대형화되는 문제와 함께 회전자의 영구자석이 장시간 냉각수에 노출되어 부식을 초래할 수 있는 문제를 막기 위해 영구자석의 외주면을 감싸는 2차적인 케이스를 이용하여 영구자석이 냉각수에 노출되는 것을 막도록 하는 구성으로 되어있다.

그러나 상기한 2차적인 케이스는 저수축재인 칼륨계를 포함한 복합원료 (Bulk Mold Compound ; BMC)를 고온에서 녹여 영구자석을 포함한 회전자 결합체와 함께 고온에서 사출 성형해야하므로, 고온에서 취약한 영구자석의 자기적 특성상 그 성능이 저하될 우려가 있고, 자기적 특성이 저하된 회전자는 모터의 회전력 손실을 초래할 뿐만 아니라, 워터펌프의 성능 저하 원인이 될 수 있는 등의 문제점이 있는 것이었다.

또한 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, 대한민국 특허출원 제10-2008-0131459호의 경우에는, 하우징(010) 내부에 설치되는 회전모터(013) 선단부에 회전축(011)을 연결하고, 이 회전축(011) 선단에 시일(016)과 함께 임펠러(012)를 설치하여 회전모터(013)의 회전력이 임펠러(012)에 전달되게 하여 임펠러(012)가 회전되면서 냉각수의 순환이 이루어지도록 하는 구성인 바, 이는 회전모터(013)의 회전축(011)에 시일(016)이 설치되어 회전축(011)에 시일(016)이 습동하여 회전하는 구조로서, 회전모터(013)의 장시간 작동시 시일(016)의 내마모성 저하로 인하여 냉각수의 유입에 따른 베어링 파손과 함께, 하우징(010) 내부로 냉각수가 유입되는 것을 막기 위해 배출 홀(드레인 홀)을 형성하였으나, 이는 원천적으로 모터부와 펌프부를 분리하여 방수하는 구조가 아니므로 통전으로 인한 파손을 미연에 방지할 수 없게 되는 등의 문제점이 있는 것이었다.

또한 미국특허 제7896626호의 전동펌프가 제안되어 있는바, 이는 워터펌프를 주 케이스와 펌프케이스로 분리 구성하여 각 격벽에 의해 원천방수 되도록 하는 구조로서 센서와 고정자를 일체로 구성하는 모터와 유동저항을 감소시키는 유동관로 및 홀을 구성하는 회전자 일체형 임펠러 케이스와 씰링 및 펌프의 성능을 향상시키는 구성으로서, 펌프 케이스와 축을 고정하는 구조로 되는 것이다.

이 역시도 대한민국 공개특허 제10-2011-0055277호의 '전기식 워터펌프'의 구성과 동일하게 영구자석 및 영구자석을 고정하기 위한 요크(Yoke)를 포함한 회전자 결합체를 고온에서 사출 성형하여 영구자석의 외주면을 감싸는 2차적인 케이스를 구성하는 것에 의해, 영구자석의 냉각수 노출을 차단하는 구조이므로, 이는 고온에 취약한 영구자석의 자기적 특성이 저하될 수 있고, 자기적 특성이 저하된 회전자는 모터의 회전력 손실을 초래하게 될 뿐만 아니라, 워터펌프 성능 저하의 원인이 되는 등의 문제점이 있는 것이었다.

그리고 유럽특허 공개번호 제2004-EP1 635064 A1호의 펌프의 경우는, 펌핑장치와 모터를 연결함에 있어서, 이 경우 펌핑실의 격벽을 관통하여 모터를 연결하여야 할 뿐만 아니라, 모터제어기를 측면에 설치하는 구조이므로 펌프의 구조가 복잡해짐과 동시에, 그만큼 펌프의 작동성능이 저하되게 되는 문제점이 있으며,

또한 대한민국 특허출원 제10-2004-0073241호의 "차량용 워터펌프 임펠러 조립체의 제조방법"은 원판 상면에 특정각도로 경사각을 갖는 복수의 베인을 구비한 상태에서 이 베인에 대응하는 다수의 홈을 갖는 덮개를 덮어 초음파 융착하여 목적한 임펠러 조립체를 제조할 수 있도록 하는 것으로, 이는 단순히 임펠러의 제작을 덮개와 베인으로 구분 구성하여, 서로 초음파 융착 함으로써 일체와 시키도록 한 구성이다.

대한민국 공개 특허 제10-2011-0055277호 대한민국 특허 출원 제10-2008-0131459호 미국특허 제7896626호 유럽특허 공개 제2004-EP1 635064 A1호 대한민국 특허 출원 제10-2004-0073241호

따라서 본 발명의 목적은 상기와 같이 자동차의 엔진 냉각과 실내 난방을 위한 냉각수 순환을 위해 사용되는 종래의 자동차용 워터펌프가 지닌 제반 문제점을 해결하기 위하여, 회전자를 슬리브 형태의 회전자 본체와 임펠러 몸통부로 일체로 구성한 상태에서, 모터커버 상에 설치되는 모터케이스 중앙의 고정자 설치측 내측공간부에, 슬리브 형태로 되는 회전자 본체를 회전 가능한 상태로 설치하되, 상기 회전자 본체의 두께부 내에는 삽입홈을 형성하여 네오디움 계 자석이나 페라이트 소결자석으로 되는 영구자석을 삽입설치 하고, 회전자 본체의 상면에 평판 형태로 형성되는 임펠러 몸통부의 베인 부착홈에는 덮개를 갖는 복수의 베인 하단을 일체로 융착ㆍ설치한다.

상기 회전자의 슬리브 두께부 내에 삽입 설치된 영구자석은, 슬리브 드께부를 둘러싸고 있는 고정자로부터의 자기장에 강하게 반응하여 회전자가 회전하게 됨에 따라, 회전자의 임펠러 몸통부에 융착ㆍ설치된 복수의 베인이 회전하면서 냉각수를 지속적으로 순환시킴으로써, 임펠러와 회전자를 별도의 연결축이 필요없이 하나의 부품으로 설치ㆍ사용 가능하게 하여, 워터펌프의 구성 부품을 단순화할 수 있을 뿐 만 아니라, 냉각수의 유동저항에 대응하는 강한 자기력에 의해, 회전자와 고정자의 동기화 해제 가능성을 크게 낮추어, 모터의 뛰어난 토크 성능 및 내구성을 향상시킬 수 있도록 함과 동시에, 고정자의 방열성을 높여 자동차용 워터펌프의 유동손실을 최소화하여 워터펌프의 성능을 향상시킨 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프를 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프는, 자동차용 워터펌프에 있어서, 하부의 모터커버와 상부의 펌프 케이스 사이에 설치되며, 중앙에는 상면이 개방된 공간부를 형성하여 그 정 중앙에 샤프트를 직립 설치하고, 상기 공간부의 바깥 둘레로 링형의 고정자가 설치되게 한 모터 케이스와; 슬리브 두께부의 삽입홈 내에 영구자석이 삽입되어 커버링으로 융착ㆍ마감한 슬리브 형태의 회전자 본체와, 평판 형태의 상면에 베인 부착홈을 형성하여 덮개를 갖는 베인의 하단이 융착 되도록 한 임펠러 몸통부로 되어, 상기 슬리브 형태의 회전자 본체가 부시를 개재하여 모터 케이스의 공간부 중앙에 직립 설치된 샤프트에 조립되어, 고정자 내측으로 회전자 본체가 위치되게 한 회전자;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프에 의하면, 워터펌프를 구성하는 임펠러와,이 임펠러를 회전구동시키는 회전자를, 복수의 베인이 일체로 융착ㆍ설치되는 임펠러 몸통부와 회전자 본체로 일체화하여 단일 부품으로 구성하되, 슬리브 형태의 회전자 본체의 슬리브 두께부에 형성된 삽입홈내에는 네오디움계 영구자석을 삽입시킴으로써, 회전자를 둘러싼 고정자로 부터의 자기력에 의해 회전자가 강한 회전력으로 회전되도록 함으로써, 뛰어난 자력특성으로 인해 고정자와 회전자 간의 동기화가 해제될 우려가 없어 자기특성의 유지가 용이하게 되므로, 적은 전력소모만으로 워터펌프의 성능 향상을 기대할 수 있을 뿐만 아니라, 자동차 차체에서 발생되는 진동에 대해서도 방진용 브라켓을 설치하지 않고서도 진동의 영향을 최소화 할 수 있게 됨과 동시에, 고정자의 뛰어난 방열효과로 인해 워터펌프의 작동 성능을 향상시킬 수 있게 되어 결과적으로 자동차의 성능을 제고할 수 있게 되는 등의 유용한 효과를 제공한다.

도 1은 종래 워터펌프의 단면도.
도 2는 종래 워터펌프의 다른 예의 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 워터펌프의 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 워터펌프의 분해 사시도.
도 5는는 본 발명에 의한 워터펌프의 조립 단면도
도 6은 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자의 사시도.
도 7은 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자의 분해 사시도.
도 8은 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자 본체의 단면도.
도 9는 본 발명에 의한 워터펌프의 구성요부인 회전자의 조립 단면도.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프(A)는, 크게 고정자(2), 모터케이스(3), 펌프케이스(4) 및 회전자(5)로 이루어진다.

상기한 고정자(2)는 대략 링 형태로 되어 모터케이스(3) 중앙에 상부가 개방되게 형성된 공간부(32) 외측에 끼워지게 설치된 상태에서, 그 하부의 모터커버(1) 내에 설치된 PCB 기판(11)에 의해 작동 인가되어, 이 고정자(2) 내측의 공간부(32) 내에 고정자(2) 중앙에 끼워지는 형태로 설치되는 회전자 본체(51)의 영구자석(6)에 대해 강한 자력이 작용하도록 하고 있다.

상기한 모터케이스(3)는 엔지니어링 프라스틱(PPS) 재질로 사출성형 되는 것으로, 상측에는 펌프케이스(4)가 덮혀 설치되며, 그 하측은 워터펌프(A)의 최하부에 설치되는 모터커버(1) 상에 설치된다.

이때 상기 모터케이스(3)의 중앙부에는 상면이 개방된 오목한 원형의 공간부(32)를 형성하여 그 정 중앙에 샤프트(31)를 직립설치 하고, 상기 공간부(32)의 바깥 둘레로는 링 형태의 고정자(2)를 끼워 설치하며, 상기 공간부(32) 내부, 즉 고정자(2) 내측으로는 후술하는 회전자(5)의 회전자 본체(51)가 회전 가능한 상태로 끼워져 설치되도록 하고 있다.

또한 상기 모터케이스(3)는 그 상부의 펌프케이스(4)와 하부의 모터커버(1)의 결합부에 각각 0링(8)을 설치하여 기밀을 유지할 수 있도록 하고 있다.

상기한 펌프케이스(4)는 내부를 중공부로 하여 상측에 흡입구(41)를 일측에 토출구(42)를 각각 형성한 것으로, 내부의 중공부에는 임펠러 일체형의 회전자(5)가 회전 가능한 상태로 설치된다.

상기한 회전자(5)는 엔지니어링 플라스틱 재질로 되어, 표면에 복수의 베인 부착홈(52a)을 갖는 평판 형태의 상면을 임펠러 몸통부(52)로 하고, 하부를 슬리브 형태의 회전자 본체(51)로 구성하여 일체로 사출 성형한 것으로, 상기 모터케이스(3) 중앙의 공간부(32)에 직립 설치된 샤프트(31)에 세리믹재로 되는 부시(7)를 개재하여 슬리브 형태의 회전자 본체(51)가 회전 가능한 상태로 끼워져 설치되어, 결과적으로 고정자(2) 내측으로 회전자 본체(51)가 위치되어 고정자(2)에 대해 회전자 본체(51)가 자기적으로 반응하여 회전하는 것에 의해, 그 상면의 임펠러 몸통부(52)에 설치된 복수의 베인(54)이 회전함으로써, 실질적으로 냉각수를 순환 시키게 된다.

상기 모터케이스(3) 중앙의 공간부(32)에 회전가능한 상태로 위치되는 상기 슬리브 형태로 되는 회전자 본체(51)의 슬리브 두께부 내에는 바닥으로부터 일정 깊이만큼 삽입홈(51a)을 형성하여, 고정자(3)의 자기장에 대응하여 회전가능한 네오디움계 자석이나 페라이트 소결 자석으로 되는 영구자석(6)을 삽입하고, 그 하단의 개구부는 커버링(56)으로 융착ㆍ일체화하여 마감 처리된다.

이때 상기 영구자석(6)은 세그멘트형이나 원통형 등 다양한 형태로 구성할 수 있다.

또한 상기 회전자(5)의 평판 형태로 형성된 임펠러 몸통부(52) 상면의 복수의 베인 부착홈(52a)에는, 상부에 덮개(shroud)(55)가 일체로 형성된 베인(54)을 출구각 20°~35°로 하여 다수 융착ㆍ설치함으로써, 회전자 본체(51)와 일체형으로 구성되는 임펠러를 밀폐형(closed type)의 임펠러 방식으로 구성하는 것에 의해, 유체의 유동손실을 최소화하고 축추력(axial force)을 감소시킬 수 있도록 하고 있다.

상기 구성에 있어서, 임펠러 몸통부(52)상에 복수의 베인(54)을 일체화시키거나, 회전자 본체(51)의 삽입홈(51a)에 영구자석(6)을 삽입 설치한 후, 그 개구부를 커버링(56)으로 일체화 시키는 융착 작업은, 초음파 융착 이나 고주파 융착 또는 열 융착 중, 선택적으로 실시되는 것으로, 그 융착 방법을 특정하는 것은 아니다.

이와 같은 구성으로 되는 본 발명에 의한 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프(A)는, 자동차용 워터펌프(A)의 핵심구성 요소인 임펠러를 회전자(5)와 별도로 구성하는 것이 아닌, 회전자(5)를 회전자 본체(51)와 임펠러 몸통부(52)로 형성하되, 상기 회전자 본체(51)는 일정 길이의 슬리브 형태로 구성하고, 그 슬리브 두께부 내의 삽입홈(51a)에는 강한 보자력을 갖는 네오디움계 자석이나, 페라이트 소결자석으로 되는 영구자석(6)을 삽입ㆍ설치하고, 상기 임펠러 몸통부(52)는 상기 회전자 본체(51) 상측에 평판 형태로 형성되게 한 상태에서, 이 임펠러 몸통부(52)에 형성된 베인 부착홈(52a)에 상측에 덮개(55)를 갖는 베인(54)의 하단이 일체로 융착ㆍ형성되게 하는 것에 의해, 임펠러가 회전자(5)와 일체로 형성되게 함으로써, 임펠러와 회전자(5)의 구성을 단순화함과 동시에, 회전자 본체(51)의 고정자(2)에 대한 강한 자기적 특성의 유지가 가능하게 하여, 회전동력 손실을 막아 임펠러의 구동 효율을 좋게 하는 것에 의해, 임펠러 몸통부(52)에 일체로 융착 설치된 베인(54)에 의한 냉각수 순환 작동 효율을 높여 자동차용 워터펌프(A)의 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이상에서와 같이 본 발명은 비록 상기의 구체적인 예에 대하여 설명하였지만 반드시 여기에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주와 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당 업자에 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

1 : 모터커버 2 : 고정자
3 : 모터케이스 4 : 펌프케이스
5 : 회전자 6 : 영구자석
7 : 부시 8 : O링
11 : PCB기판 31 : 샤프트
41 : 흡입구 42 : 토출구
51 : 회전자 본체 51a: 삽입홈
52 : 임펠러 몸통부 54 : 베인
55 : 덮개 56 : 커버링

Claims (4)

1. 자동차용 워터펌프(A)에 있어서,
   하부의 모터커버(1)와 상부의 펌프 케이스(4) 사이에 설치되며, 중앙에는 상면이 개방된 공간부(32)를 형성하여 그 정 중앙에 샤프트(31)를 직립 설치하고, 상기 공간부(32)의 바깥 둘레로 링형의 고정자(2)가 설치되게 한 모터 케이스(3)와;
   슬리브 두께부의 삽입홈(51a) 내에 영구자석(6)이 삽입되어 커버링(56)으로 융착ㆍ마감한 슬리브 형태의 회전자 본체(51)와, 덮개를 갖는 베인(54)의 하단이 상면에 융착ㆍ설치 되도록 한 임펠러 몸통부(52)로 되어, 상기 슬리브 형태의 회전자 본체(51)가 부시(7)를 개재하여 모터 케이스(3)의 공간부(32) 중앙에 직립 설치된 샤프트(31)에 조립되어, 고정자(2) 내측으로 회전자 본체(51)가 위치되게 한 회전자(5);로
   이루어지는 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 임펠러 몸통부(52)의 상면은 평판 형태로 되는 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 임펠러 몸통부(52)의 상면에는 복수의 베인 부착홈(52a)을 형성하여, 베인(54)의 하단이 베인 부착홈(52a)에 끼워진 상태에서 서로 융착ㆍ일체화 되도록 한 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.
4. 제 1 또는 3항에 있어서,
   상기 융착은 초음파 융착, 고주파 융착 또는 열 융착으로 되는 것을 특징으로 하는 영구자석이 삽입된 내장형 회전자를 갖는 자동차용 워터펌프.

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