KR20200120897A - 스핀들을 구비한 지로터 - Google Patents

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KR20200120897A
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리핑 왕
리차드 무이젤라
안제이 코발스키
블라디미르 부카스
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스택폴 인터내셔널 엔지니어드 프로덕츠, 엘티디.
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Abstract

제1 축선 상에 장착된 내측 기어와, 제2 축선 상에 장착되어 내부적으로 상기 내측 기어와 오프셋 방식으로 맞물리는 외측 기어, 그리고 반경 방향으로 서로의 사이에 반경 방향 간극을 갖는 로터와 스테이터를 포함하는 전기 모터를 포함하는 지로터 펌프가 개시된다. 펌프는 또한, 외측 기어에 고정적으로 결합되어 반경 방향 간극의 유지를 가능하게 하는 스핀들을 포함한다. 스핀들은 제2 축선을 중심으로 하는 회전을 위해 회전 가능하게 결합되어 있다. 이러한 스핀들은 지로터 펌프의 작동 동안 일정한 반경 방향 간극의 유지를 돕는 역할을 한다. 내측 기어는 기어를 구동시키기 위한 구동 샤프트에 결합될 수 있다. 지로터 펌프는 전기식 또는 기계식 구동부를 통해 구동될 수 있다. 압력 판이 또한 하우징의 내부에서 지로터 기어에 인접하여 위치할 수 있다. 스핀들과 압력 판은 펌프 부품을 축 방향 뿐만 아니라 반경 방향으로 고정하는 것을 돕는 역할을 한다.

Description

스핀들을 구비한 지로터
관련 출원의 상호 참조
본 특허 출원은 2018년 2월 14일자로 출원된 가특허출원 제62/630,523호를 우선권 주장하며, 상기 가출원의 대상이 전체적으로 본 명세서에 참조로서 인용되고 있다.
본 개시는 개괄적으로 지로터 펌프에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 지로터의 기어 장치(gear arrangement)에 결합된 스핀들을 구비한 지로터 펌프에 관한 것이다.
지로터 펌프는 양변위(positive displacement) 펌프로서 사용될 수 있다. 전형적으로, 지로터는 외측 기어(또는 로터)와 맞물리는 내측 기어(또는 로터)를 포함한다. 외측 기어는 내측 기어보다 많은 개수의 기어이(teeth)를 갖고 있다. 내측 기어의 축선은 외측 기어의 축선으로부터 오프셋되어 있으며, 이들 양 기어는 개개의 축선 상에서 회전한다. 이러한 오프셋에 의해 양 기어 사이에 가변 용적의 공간이 생성된다. 회전 사이클 동안, 유체가 지로터의 흡입측으로 들어가, 가변 용적의 공간으로 인해 가압될 수 있으며, 가압된 유체는 지로터의 배출 포트에서 배출된다. 이러한 지로터는 여러 가지의 기계적 손실 및 마찰 손실을 경험할 수 있으며, 부피가 클 수 있다.
본 개시의 일 양태는, 회전을 위해 제1 축선 상에 장착된 내측 기어와, 제2 축선에 대해 장착되어 내부적으로 상기 내측 기어와 오프셋 방식으로 맞물리는 외측 기어와, 수용된 유체를 가압하여 가압 유체로서 출력하기 위하여 상기 내측 기어에 결합되어 상기 내측 기어를 상기 제1 축선을 중심으로 구동시키는 구동 샤프트, 그리고 반경 방향으로 서로의 사이에 반경 방향 간극을 갖는 로터와 스테이터를 포함하는 전기 모터를 포함하는 지로터 펌프를 제공한다. 상기 로터는 상기 외측 기어의 외측 표면 상에 배치된다. 지로터 펌프는 또한, 상기 외측 기어에 고정적으로 결합되어 상기 반경 방향으로 상기 로터와 상기 스테이터 사이의 상기 반경 방향 간극의 유지를 가능하게 하는 스핀들을 포함한다. 상기 스핀들은 또한 상기 제2 축선을 중심으로 회전하도록 구성된다.
본 개시의 다른 양태는 엔진 또는 트랜스미션과 함께 전술한 지로터 펌프를 구비한 시스템을 포함한다.
본 개시의 그외 다른 양태 및 특징은 아래의 상세한 설명, 첨부 도면 및 청구범위로부터 명백해질 것이다.
본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면은 하나 이상의 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 이들 실시예를 설명한다. 첨부 도면은 반드시 실제 비율로 도시되어야 하는 것은 아니다. 첨부된 그래프 및 도면에 예시된 임의의 값 또는 치수는, 단지 예시를 위한 것이며, 실제의 값 또는 치수나 바람직한 값 또는 치수를 나타내거나 또는 나타내지 않을 수 있다. 적용 가능한 경우, 근본적인 특징의 설명을 돕기 위해 일부 또는 모든 특징이 도시되지 않을 수 있다:
도 1a는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 제1 사시도이며;
도 1b는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 제2 사시도이고;
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 분해도이며;
도 3a는 본 개시의 일 실시예에 따른 제1 배향의 지로터 펌프의 구성요소를 보여주는 지로터 펌프의 다른 분해도이며;
도 3b는 본 개시의 일 실시예에 따른 제2 배향의 지로터 펌프의 구성요소를 보여주는 지로터 펌프의 다른 분해도이고;
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 구성요소로 이루어진 하나의 부분 집합을 보여주는 지로터 펌프의 다른 분해도이며;
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 구성요소로 이루어진 다른 부분 집합을 보여주는 지로터 펌프의 다른 분해도이고;
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 중간 커버 또는 분리기를 포함하는 지로터 펌프 구성요소로 이루어진 하위 조립체의 저면 사시도이며;
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 스핀들을 포함하는 지로터 펌프 구성요소로 이루어진 다른 하위 조립체의 측면 사시도이고;
도 8a는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 제1 단면도이며;
도 8b는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 제2 단면도이고;
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 지로터 펌프의 구성요소로 이루어진 부분 집합을 갖는 지로터 펌프의 제3 단면도이다.
첨부 도면과 관련하여 이하에 제시된 설명은 개시된 대상의 다양한 실시예를 설명하기 위한 것이며, 반드시 실시예(들)만을 나타내기 위한 것은 아니다. 특정한 경우, 개시된 실시예(들)의 이해를 제공할 목적으로 이러한 설명에 구체적인 세부 사항이 포함된다. 그러나, 당업자라면 개시된 실시예(들)가 이러한 구체적인 세부 사항 없이 실시될 수 있다는 점을 명백히 알 수 있을 것이다. 경우에 따라, 개시된 대상의 개념이 모호해지는 것을 방지하기 위하여, 잘 알려진 구조 및 구성요소가 블록도 형태로 도시될 수 있다.
명세서 전반에 걸쳐 "하나의 실시예(one embodiment)" 또는 "일 실시예(an embodiment)"에 대한 언급은 일 실시예와 관련하여 설명된 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 개시된 대상의 적어도 하나의 실시예에 포함된다는 것을 의미한다. 따라서, 명세서 전반에 걸쳐 다양한 장소에서 출현하고 있는 어구 "하나의 실시예에 있어서" 또는 "일 실시예에 있어서"가 반드시 동일한 실시예를 언급하는 것은 아니다. 또한, 특정한 특징, 구조, 또는 특성이 하나 이상의 실시예에서 임의의 적절한 방식으로 조합될 수 있다. 또한, 개시된 대상의 실시예는 그 변경예 및 변형예를 커버하도록 의도된다.
"상단(top)", "하단(bottom)", "측면(side)", "높이", "상부(upper)", "하부(lower)", "내부(interior)", "외부(exterior)", "내측(inner)", "외측(outer)" 등과 같은 용어는 본원에서 단지 기준점을 설명하기 위해 사용될 수 있으며, 반드시 본 개시의 실시예를 임의의 특정한 배향 또는 구성으로 제한하는 것은 아니다. 더욱이, "제1", "제2", "제3" 등과 같은 용어는 단지 본원에 개시된 바와 같은 다수의 부분, 구성요소, 단계, 동작, 기능 및/또는 기준점 중 하나를 구별하기 위한 것이며, 마찬가지로 반드시 본 개시의 실시예를 임의의 특정한 구성 또는 배향으로 또는 각각의 숫자가 포함되어야 하는 임의의 요건으로 제한하는 것은 아니다.
또한, 용어 "유체(fluid)" 및 "윤활제(lubricant)"는 본 개시 전반에 걸쳐 상호 호환 가능하게 사용되며, 어떠한 방식으로든 본 개시를 제한할 의도가 있는 것은 아니다. 실시예에 따라, 유체 또는 윤활제가, 예를 들어 엔진 오일과 같은 오일을 지칭할 수 있다. 그외 다른 실시예에서는, 유체 또는 윤활제가 트랜스미션 유체를 지칭할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 일 실시예에 따른 지로터 펌프(10)의 서로 다른 사시도를 나타낸다. 지로터 펌프(10)는 하단 케이싱(600)에 장착되어 하우징 조립체(150)[본원에서 하우징(150) 또는 지로터 하우징(150)이라고도 함]를 형성하는 상단 커버(100)를 포함한다. 지로터 펌프(10)는 또한, 하우징(150)에 동봉된 한 세트의 지로터 기어(400)[예컨대, 도 3a에 도시된 내측 기어(401)와 외측 기어(402)]를 포함한다. 하단 케이싱(600)은 공급원으로부터의 유체(예컨대, 오일 또는 윤활제)가 통과하여 하우징 조립체(150) 내로 들어갈 수 있도록 하는 유입(또는 입구) 포트(601) 그리고 가압 유체가 통과하여 운반을 위해 시스템으로 빠져나갈 수 있도록 하는 배출 또는 유출 포트(603)를 포함한다. 작동 시에, 지로터 기어(400)는 유입 포트(601)에서 흡입을 발생시켜 유체가 하우징 조립체(150)에 들어가게 하며, 또한 지로터 기어는, 기어가 회전함에 따라, 유체를 압축 또는 가압하여 가압 유체를 배출 또는 유출 포트(603)를 통해 배출 또는 유출한다. 펌프 유출 포트(603)는 가압 유체 또는 윤활제를, 예를 들어 트랜스미션 또는 엔진과 같은 시스템으로 배출 또는 운반하기 위해 사용된다.
일 실시예에 있어서, 지로터 펌프(10)는 전기적으로 구동되거나 기계적으로 구동될 수 있다. 예컨대, 전기 구동식 지로터 펌프는 지로터 기어 중 하나[예컨대, 외측 기어(402)]를 회전시키도록 구성된 한 세트의 전기 코일을 포함할 수 있다. 상단 커버(100)의 주둥이(spout)(101)를 통과한 전선을 통해 전력 공급이 제공될 수 있다. 이하 설명에는 지로터 펌프(10)의 개념과 작용을 예시하기 위해 전기식 구동부가 포함되고 있고, 이러한 설명은 본 개시의 범위를 제한하는 것은 아니다. 지로터 펌프(10)는, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 기계식 구동부를 포함하도록 변경될 수 있다. 예컨대, 기계적으로 구동되는 지로터의 경우, 입력 샤프트(도시 생략)가 하우징의 하단 케이싱(600)을 통해 지로터 기어 중 하나[예컨대, 내측 기어(401)]에 결합되어 지로터 펌프(10)를 구동시킬 수 있다.
도 2는 전기 구동식 지로터 펌프(10)의 일부를 구성할 수 있는 전기 회로 기판(200)을 구비한 제어부를 나타내는 지로터 펌프(10)의 분해도이다. 전기 회로 기판(200)은 주둥이(101)를 통과한 전선을 통해 전력 또는 그외 다른 통신/제어 신호를 수신할 수 있다. 전기 회로 기판은 저항기, 커패시터(예를 들어, 201, 202, 204), 전력 회로(203), 및/또는 예를 들어 전류 및 전압을 제어하여 지로터 펌프(10)를 작동시키도록 구성된 그외 다른 전기 구성요소와 같은 여러 개의 전기 구성요소를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 전기 회로 기판(200)은 지로터의 기어[예를 들어, 외측 기어(402)]를 구동시키도록 사용될 수 있는 자기장을 생성하는 전기 코일(아래에서 논의됨)을 통해 전류 또는 전압을 제어하도록 구성될 수 있다. 전기 회로 기판(200)은, 당업자라면 이해할 수 있는 바와 같이, 본원에서 인쇄 회로 기판(PCB) 또는 제어부로 지칭될 수 있다. PCB(200) 또는 제어부는 일 실시예에 따라 버스 바(bus bar)의 형태로 제공될 수 있다.
도 3a 및 도 3b는 각각, 제1 배향과 제2 배향의 지로터 펌프의 구성요소를 보여주는 지로터 펌프(10)의 서로 다른 분해도이다. 지로터 펌프(10)는 상단 커버(100), PCB(200), 중간 커버 또는 분리기(300), 한 세트의 지로터 기어(400)[내측 기어(401) 및 외측 기어(402)를 포함], 스핀들(405), 베어링(407), 핀(410), 모터 스테이터(500), 그리고 하단 케이싱(600)을 포함한다. 대안으로서 또는 추가적으로, 압력 판(610)이, 예를 들어 지로터 펌프 유닛의 축 방향 공차를 보상하기 위해 하우징(150)의 하단 케이싱(600)에 포함된다. 지로터 펌프(10)의 이들 구성요소가 함께 결합되어 하우징 내부에 소형의 조립체를 형성할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 중간 분리기(300)는 제1 측면 상에서[즉, 상단 커버(100)와 분리기(300)의 상단측 사이에서; 예컨대, 도 8a 참조] PCB/제어부(200)를 지지할 수 있으며, 제2 측면 아래에서[즉, 하단 케이싱(600)과 분리기(300)의 하단측 사이에서; 예컨대, 도 8a에 도시된 바와 같이] 지로터 기어(400)(401, 402)와 모터 스테이터(500)를 덮어 에워쌀 수 있다. 일 실시예에 있어서, 분리기(300)는 그 제1 측면에는 어떠한 유체도 포함되어 있지 않고 제2 측면에는 유체가 포함되도록 구성될 수 있으며, 따라서 분리기(300)는 제2 측면으로부터 제1 측면으로 유체가 유동하는 것을 방지하는 벽(wall)의 역할을 한다. 즉, PCB/제어부(200)가 있는 측면은 건조한 상태로 유체가 전혀 존재하지 않고, 펌프 요소가 있는 측면에는 유체가 포함되어 있다. 그러므로, 분리기(300)는 각각의 측면 상에 구성요소를 지지하면서 또한 유체 차단막 또는 격벽으로서의 역할을 수행하는 이중 기능을 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 분리기(300)의 제1 측면(예컨대, 상측) 상에서, 인쇄 회로 기판(200)이 분리기(300)에 지지되거나 결합될 수 있다. 도 3b 및 도 8a를 참조하면, 분리기(300)는 제1 측면 상에 환형 포켓(302), 플랜지(305) 및 베어링 지지부(307)를 포함한다. 베어링 지지부(307)는 분리기(300)의 중앙에 위치한 중공의 샤프트형 부분일 수 있다. 분리기(300)의 상측에서 보면, 샤프트형 부분은 축 방향을 따라 제1 측면[즉, 상단 커버(100)]을 향해 상방으로 돌출되며, 분리기(300)의 하단측에서 보면(도 8a 및 도 9 참조), 중공 부분이 형성되어 하단측으로부터 접근 가능할 수 있다. 베어링 지지부(307)의 중공형 부분은 베어링(407)을 지지하거나 수용하도록 구성될 수 있다[분리기(300)의 제2 측면과 관련하여 아래에 추가로 설명됨].
샤프트형 부분의 주위에는, 환형 포켓(302)이 PCB(200)와 그 구성요소[예컨대, 전기 구성요소(201, 202, 203, 204) 등]를 수용하도록 형성되어, 분리기(300)의 제1 측면 상에 소형의 하위 조립체를 형성할 수 있다. 또한, 지로터 펌프(10)의 조립 시에 그리고 지로터 펌프의 작동 동안, 분리기(300)는 펌프 요소가 위치한 반대측 상의 유체와 PCB(200)가 접촉하는 것을 방지한다. 바람직하게는, 전기 구성요소는 분리기(300)와 직접 접촉하는 커패시터, 저항기, 그리고 그외 다른 발열 요소를 포함하며, 분리기(300)는 열 전도성 재료로 형성된다. 이에 따라, 전도에 의해 열이 타측의 유체로 전달될 수 있도록 함으로써[즉, 분리기(300)의 벽을 통해 열이 전달됨], 제어부(200) 및 그 구성요소가 효과적으로 냉각될 수 있다.
플랜지(305)가 중간 분리기(300)의 둘레부 주위에 형성될 수 있고, 일 측면 상에서 상단 커버(100)에 그리고 제2 측면 상에서 하단 케이싱(600)에 연결되도록 사용될 수 있다. 플랜지(305)의 형상은, 상단 커버(100) 및 하단 케이싱(600)의, 예를 들어 둘레부의 형상에 대응하여, 지로터 펌프(10)의 이음매 없는 조립체를 형성할 수 있다. 도시된 예시적인 실시예에 있어서, 상단 커버(100), 분리기(300) 및 하단 케이싱(600)의 가장자리는, 상단 커버(100), 분리기(300) 및 하단 케이싱(600) 각각에 제공되는 돌출부를 제외하고는, (돌출부들 사이에서) 실질적으로 곡선형으로 형성될 수 있고 및/또는 실질적으로 원형일 수 있다. 이러한 형태는 제한적인 것으로 의도되어 있지 않지만, 플랜지(305)/분리기(300), 상단 커버(100) 및 하단 케이싱(600)의 둘레부/외측 표면의 형상이 서로 대응할 수 있음으로써, 이들 부품이 하우징(150)을 형성하도록 정렬 및 연결될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 일 실시예에 있어서, 상단 커버(100), 분리기(300) 및 하단 케이싱(600)이 함께 고정을 위해 정렬될 수 있도록, 이들 부품 각각에 돌출부가 제공된다. 하나의 실시예에 있어서, 이들 부품 각각에 제공된 돌출부는, 상단 커버(100), 분리기(300) 및 하단 케이싱(600)이 함께 적층될 수 있도록, 서로 정렬되도록(예컨대, 도 1b 및 도 8a 참조) 설계된 수용 개구를 포함하며, 정렬된 수용 개구는 펌프의 이들 하우징 부품을 함께 고정하여 하우징 조립체(150)를 형성하기 위하여, 내부에 체결구(예를 들어, 볼트)(도시 생략)를 수용할 수 있다.
분리기(300)의 제2 측면(예컨대, 하단측) 상에는, 도 8a에 도시된 바와 같이 베어링(407)을 수용하도록 제공될 수 있는 중공의 샤프트형 부분이 마련될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 베어링(407)은 볼 베어링, 저널 베어링, 또는 다른 유형의 베어링(들)일 수 있다. 베어링의 종류에 따라, 베어링 지지부(307)의 중공 부분은 베어링(407)이 축 방향으로 끼워지도록 구성될 수 있다. 베어링(407)은 스핀들(405)과 분리기(300)의 사이에[또는, 보다 구체적으로는 스핀들(405)과 분리기(300)의 중공의 샤프트형 부분의 사이에] 배치될 수 있다. 또한, 스핀들(405)의 스핀들 샤프트(406)가 베어링(407) 내로 축 방향으로 통과할 수 있고, 하나의 실시예에 있어서, 스핀들 샤프트(406)는 베어링(407)을 지나 베어링 지지부(307)에 닿거나 접촉하도록 더 연장될 수 있다. 이와 같이, 작동 동안, 스핀들(405)은 베어링(407) 및 중간 분리기(300)에 대해 상대 회전할 수 있는 반면, 분리기(300)는 고정되어 있다. 또한, 베어링(407)의 내부에 스핀들(405)이 이와 같이 배치됨으로써, 해당 영역에 여분의 반경 방향 간격을 필요로 하지 않으면서 스핀들(405)이 하우징 내에서 회전 가능하게/회전하도록 장착될 수 있다. 전형적으로, 종래 기술의 해결 방안에서는, 이들 부품의 이동을 위해 여분의 반경 방향 간격을 필요로 하거나 이러한 여분의 반경 방향 간격이 마련되는 경향이 있으며, 이로 인해 지로터 외측 기어(402) 상에 제공된 로터 코일(403) 및 스테이터(500)의 고정된 스테이터 코일 사이의 긴밀한 모터 공극을 유지할 수 있는 능력이 감소되거나(후술됨), 지로터 펌프(10)의 작동 또는 조립 동안 또는 작동 및 조립 모두의 경우에 오정렬이 야기된다. 그러나, 본 개시의 설계 구조에 따르면 스핀들(405)/베어링(407)의 영역에 임의의 여분의 반경 방향 간격을 필요로 하거나 남기지 않는다. 대신에, 자성 로터의 반경 방향 위치가 고정될 수 있고[즉, 긴밀한 모터 공극 또는 반경 방향 간극(810)을 갖는 상태로], 또는 실질적으로 고정될 수 있으며, 이에 의해 모터 성능 중 편심성의 영향을 배제하거나 실질적으로 배제할 수 있다. 따라서, 스핀들(405)을 통해, 펌프의 작동 동안 로터 코일(403), 지로터 기어(400), 그리고 모터 스테이터(500)의 사이의 반경 방향 간극(810)(도 8a 참조)이 긴밀한 공차로 유지될 수 있다. 이에 따라, 특히, 안정적인 자속 간극이 제공되며, 지로터 펌프(10)의 소음 및 진동 성능이 향상된다. 또한, 중간 분리기(300)의 이러한 구성에 의하면 지로터 펌프(10)의 조립체가 소형화된다. 예컨대, 중간 분리기(300)의 제2 측면 상의 지로터 펌프(10)의 구성요소의 조립 시에, 중간 분리기(300)와 하단 케이싱(600) 사이에 챔버(602)(도 9 참조)가 형성될 수 있다. 챔버(602)는 지로터 기어(400)와 모터 스테이터(500)를 수용하여 소형 조립체를 형성하도록 구성될 수 있다.
스핀들(405)은, 모터 스테이터(500)에 대하여 지로터 기어(400)의 반경 방향 이동이 제어되거나 유지될 수 있도록, 한 세트의 지로터 기어(400)를 유지하도록 구성된 임의의 구성요소일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스핀들(405)은 스핀들 샤프트(406), 플랜지 부분(415), 상면(417)(도 4 참조), 그리고 상면(417)의 관통 홀(412)(도 4 참조)로 이루어진 단일체형 구성일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스핀들(405)은, 상면(417)의 중앙에 있고 상면(417)으로부터 제1 측면[즉, 상단 커버(100)가 위치한 곳]을 향해 또는 상방으로 축 방향으로 돌출되는 스핀들 샤프트(406)를 갖고, 실질적으로 원형이거나 곡선형일 수 있다. 플랜지 부분(415)은 상면(417)의 둘레부에 제2 측면[즉, 하단 케이싱(600)이 위치한 곳]을 향해 또는 하방으로 돌출되도록 형성될 수 있다. 플랜지 부분(415)은 지로터 기어(400)의 외측 기어(402)의 외측 표면(425)의 일부를 파지하도록 구성될 수 있다. 또한, 스핀들(405)은 핀(410)이 홀(412, 413)을 관통함으로써 외측 기어(402)에 고정적으로 결합될 수 있다[스핀들(405)과 한 세트의 기어가 함께 적층되는 경우; 예컨대, 도 8b 참조]. 홀(412, 413)이 서로 축 방향으로 정렬됨으로써, 도 8b에 도시된 바와 같이, 핀(410)이 홀을 통과할 수 있게 되며, 이에 의해, 스핀들(405)과 지로터 기어(400)의 외측 기어(402) 사이의 상대 회전이 방지된다. 일 실시예에 있어서, 홀(412, 413)은 스핀들(405)의 회전 축선[축선(405a)]으로부터 오프셋되거나 또는 거리를 두고 형성되며; 예컨대, 홀(412, 413)은 외측 기어(402)[예컨대, 외측 표면(425)]와 플랜지 부분(415)의 둘레부와 스핀들 샤프트(406)의 사이에 형성될 수 있다. 예컨대, 홀(413)은 스핀들 샤프트(406)와 플랜지(415) 사이의 대략 중간에 형성될 수 있다. 유사하게, 홀(412)은 외측 기어(402)의 몸체 내부를 관통하여 홀(413)에 대응하는 거리에 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 홀(412)이 외측 기어(402)의 내측 기어이와 외측 표면(425)의 사이에 그리고 회전 축선(405a)으로부터 오프셋되어 배치될 수 있다. 본 개시가 홀(413)[및 외측 기어(402)의 대응하는 홀(412)]의 치수, 홀의 개수, 또는 홀의 위치에 의해 제한되는 것은 아니다. 일 실시예에 있어서, 홀(412, 413)과 핀(410) 사이의 상호 작용을 제한(또는 방지)하기 위해 홀(412, 413)의 직경이 핀(410)의 직경보다 작거나 실질적으로 동일할 수 있다.
따라서, 스핀들(405)이 [예를 들어, 핀(410)을 통해] 외측 기어(402)에 고정되어 베어링(407)의 내부에서 제1 축선(405a)을 중심으로 함께 회전하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스핀들(405)과 외측 기어(402)(지로터에 대하여 종래부터 알려진 바와 같은)는 축선(405a)을 중심으로 회전할 수 있는 반면, 내측 기어(401)는 제2 축선(401a)을 중심으로 회전할 수 있다. 제1 축선(405a) 및 제2 축선(401a)이 서로 오프셋됨으로써, 내측 기어(401)가 외측 기어(402)에 대해 편심적인 방식으로 회전하는 것을 허용한다.
일 실시예에 있어서, 언급한 바와 같이, 한 세트의 지로터 기어(400)는 내측 기어(401) 및 외측 기어(402)를 포함한다. 내측 기어(401)는 외측 기어(402)와 맞물려 있다(도 3b, 도 4, 도 5, 도 8a, 도 8b 및 9에 또한 도시됨). 일 실시예에 있어서, 내측 기어(401)는 외측 기어(402)의 내부 중공 부분의 내부에서 오프셋 방식으로 결합될 수 있다. 예를 들어, 내측 기어(401)는 스핀들(405)[및 외측 기어(402)]의 회전 축선(405a)으로부터 오프셋되어 있는 축선(401a)을 중심으로 회전하는 하단 케이싱(600)을 관통하여 연장되는 샤프트(605)(즉, 도 8a에 도시된 바와 같은 구동 샤프트) 상에 장착될 수 있다. 이들 기어(401, 402)의 오프셋 배치는 유체의 펌핑을 가능하게 하는 내측 기어(401)와 외측 기어(402) 사이의 가변 용적의 공간을 생성한다. 일 실시예에 있어서, 내측 기어(401)는 샤프트(605)의 축선[즉, 제2 축선(401a)]을 중심으로 회전할 수 있고, 외측 기어(402)는 스핀들(405)[즉, 제1 축선(405a)]을 중심으로 회전할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 샤프트(605)는 기계적으로 구동될 수 있는 입력 샤프트일 수 있고, 내측 기어(401)의 회전을 야기할 수 있으며[즉, 샤프트(605)가 내측 기어(401)를 구동시키며], 추가로 외측 기어(402)를 구동시킴으로써, 펌핑 효과를 발생시킨다. 구동 샤프트(605)는 그 축선(401a)을 중심으로 회전하여 지로터 펌프(10)를 구동시키도록 구동부(도시 생략)에 의해 구동되도록 구성될 수 있다. 이러한 구동부는, 예를 들어 구동 풀리, 구동 샤프트, 엔진 크랭크, 기어, 또는 전기 모터를 포함할 수 있다. 하나 이상의 지지 베어링이 구동 샤프트를 지지할 수 있다.
내측 기어(401)는 외측 기어(402)의 내측 기어이[즉, 도 3b에 도시된 바와 같이 외측 기어(402)의 내측에 형성됨]와 맞물리는 외측 기어이[즉, 예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이 내측 기어(401)의 외측에 형성됨]를 구비한다. 내측 기어(401)가 외측 기어(402)와 회전/맞물림에 따라, 이들 기어(401, 402)의 기어이 사이에 초승달 모양의 형상부(들)가 형성될 수 있다. 이러한 형상부 내에서, 기어가 회전함에 따라 (유입) 유체가 압축되거나 가압된다. 또한, 일 실시예에 있어서, 외측 기어(402)가 내측 기어(401)보다 많은 개수의 기어이를 가질 수 있으므로, 내측 기어(401)는 외측 기어(402)에 비해 느린 속도로 회전할 수 있다. 예를 들어, 외측 기어(402)는 여섯 개(6개)의 내측 기어이를 가질 수 있으며, 내측 기어(401)는 다섯 개(5개)의 외측 기어이를 가질 수 있다. 일 실시예에 있어서, 지로터 펌프(10)는, 예컨대 인벌류트 기어를 구비하며 내측 기어 상의 기어이의 개수가 외측 기어와 하나 이상 차이가 나는 초승달 형상의 내부 펌프일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 지로터 펌프(10)는 회전 동안 내측 기어(401)와 외측 기어(402)의 사이에 초승달 모양의 형상부(들)를 포함하지 않을 수 있다. 회전하는 동안 유체를 수용하고 가압하는 기어들 사이에 형성된 형상부 또는 영역은 제한되는 것으로 의도되어 있지 않다. 내측 기어(401), 외측 기어(402), 기어 자체 및 이들과 함께 사용되는 부품의 기어이의 유형, 개수 및 형상 또한 제한되는 것으로 의도되어 있지 않다.
도 3a 및 도 3b는 또한, 하단 케이싱(600)에 제공될 수 있는 (선택적인) 압력 판(610)을 보여준다(예를 들어, 또한 도 8a 참조). 내측 기어(401)는 내측 기어(401)와 포트 사이의 임의의 간격을 보상하도록 압력 판(610)에 맞대어 배치될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 구동 샤프트(605)가 압력 판(610)을 관통하여 하우징 조립체(150) 내로 연장될 수 있다. 또한, 압력 판(610)은 부분적으로 반경 방향으로 연장되며 서로 분리되어 있는 두 개의 반경 방향 슬롯을 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 하나의 반경 방향 슬롯은 입구 포트(601)로부터 지로터 기어(400)로의 유체 경로를 제공할 수 있으며, 제2 반경 방향 슬롯은 지로터 기어(400)로부터 배출 포트(603)로의 유체 경로를 제공할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 한 세트의 지로터 기어(400)는 외측 기어(402)를 통해 전자기적으로 구동될 수 있다. 외측 기어(402)는 모터 스테이터(500)에 자기적으로 결합될 수 있는 일련의 자석을 포함함으로써 전자기 모터 구성을 형성할 수 있다. 이러한 구성에서, 기어(400)와 모터 스테이터(500)의 상대 회전에 따라 로터(403)는 모터 로터로 지칭될 수 있고 모터 스테이터(500)는 스테이터로 지칭될 수 있고, 그 반대도 가능하다. 로터(403)는 도시된 바와 같이 외측 기어(402)의 외측 표면에 배치될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 로터[즉, 외측 기어(402)]는 스테이터[즉, 모터 스테이터(500)] 상의 유사한 개수의 극(pole)에 대응하는 4극 로터, 6극 로터, 또는 8극 로터 등일 수 있다. 예를 들어, 로터 코일(403)은, 제1 극이 제2 극과 직경 방향으로 정반대 위치에 마련될 수 있는, 적어도 두 개의 자극(북극 및 남극)을 형성하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 로터(403)는 모터 스테이터(500)에 대응하는 극을 구비한 영구 자석일 수 있다. 일 실시예에 있어서, 모터 구성은 릴럭턴스 모터와 같은 임의의 다른 유형의 모터에 대응할 수 있다. 예를 들어, 강자성 로터 상의 자극이 비영구적인 릴럭턴스 모터 구성이 외측 기어(402) 상에 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 외측 기어(402)는 반경 방향으로 반경 방향 간극(810)(도 8a 및 도 8b에 도시)을 두고서 모터 스테이터(500)에 대해 내부에 배치될 수 있다. 도 8a 및 도 8b에서, 모터 스테이터(500)의 극과 자석 사이에 반경 방향 간극(810)이 형성될 수 있다. 반경 방향 간극(810)은, 작은 크기(예를 들어, 대략 0.5 ㎜ 미만)로 형성되는 것이 바람직하며, 지로터 펌프(10)의 원활하고 효율적인 작동을 위해, 모터 스테이터(500)와 외측 기어(402) 사이에 비교적 많은 양의 자속을 최소의 편차로 유지하기 위하여, 펌프의 작동 동안 그 크기/치수가 대략 그리고 비교적 일정하도록, 유지되거나 실질적으로 유지되어야 한다. 예를 들어, 개시된 펌프에서는 선택된 간극 또는 원하는 간극(810)의 ±2%의 공차 또는 편차가 유지될 수 있다. 간극(810)이 커지면, 자속이 기하급수적으로 떨어져서, 지로터 펌프(10)의 효율을 감소시킬 수 있다. 일 실시예에 따르면, 이러한 반경 방향 간극(810)은 외측 기어(402)와 스핀들(405) 사이의 결합으로 인해 타이트하게 유지되거나 제어될 수 있다. 예를 들어, 전술한 바와 같이 그리고 도 3a, 도 3b, 도 4, 도 5, 도 8a, 도 8b 및 도 9에 도시된 바와 같이, 일 실시예에 따르면, 외측 기어(402)가 핀(410)을 통해 스핀들(405)에 고정적으로 결합될 수 있다. 대안적인 실시예에 있어서 하나 이상의 핀이 사용될 수 있다.
모터 스테이터(500)는 케이싱(600)에 장착되며, 지로터 기어(400)에 대해 상대 회전하도록 설계된다. 모터 스테이터(500)는 모터 스테이터(500)를 활성화시켜 외측 기어(402)의 회전을 야기하도록 구성될 수 있는 PCB(200)에 결합될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 모터 스테이터(500)는 케이싱(600)에 지지되거나 장착되는 오버 몰딩 스테이터, 케이싱(600) 내에 배치된 권선부를 구비한 코어를 갖춘 스테이터, 또는 케이싱의 내부에 배치된 다른 유형의 스테이터로서 제조될 수 있다. 오버 몰딩 모터 스테이터(500)는, 예를 들어 오버 몰딩 수지를 통해 함께 유지되는 적층 스택을 포함할 수 있다. 오버 몰딩 모터 스테이터(500)는 또한, 지로터의 작동 동안 진동을 감소시키는 것을 도울 수 있다.
일 실시예에 따르면, 작동 시에, 모터 스테이터(500)가 활성화되면 모터 스테이터에 의해 외측 기어(402)[및 스핀들(405)]가 축선(405a)을 중심으로 회전하게 된다. 또한, 외측 기어(402)의 회전에 의해 내측 기어(401)가 축선(401a)을 중심으로 편심적으로 회전하게 된다. 또한, 기어(401, 402) 사이의 초승달 모양의 형상부(들)에 의해, 기어이가 맞물림 해제될 때에는, 예를 들어 하우징의 흡입 단부(601)에서 흡입이 야기되고, 기어이가 맞물릴 때에는, 하우징의 배출 단부(603)에서 압축이 야기된다.
일 실시예에 있어서, 지로터의 하나 이상의 구성요소는, 지로터의 작동 동안 마찰 손실을 제한하여 지로터의 효율을 증대시키기 위해, 분말형 재료로 제조될 수 있다.
본 개시에 따른 지로터 펌프(10)는 여러 비제한적인 장점을 갖고, 이 중 일부는 전술한 바 있다. 예를 들어, 간극[예를 들어, 반경 방향 간극(810)]이 지로터 펌프의 조립 및 작동 동안 대략 일정하게 유지됨으로써, 반경 방향 간극(810) 전체에 걸쳐 비교적 일정한 자속이 제공되며, 이에 의해 작동 효율 및 작동 속도가 증대될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 여분의 반경 방향 간격이 없는 상태로 스핀들(405)과 베어링(407)을 사용함으로써[및/또는 간극(810)을 여전히 유효하게 유지하면서 반경 방향 간격 및/또는 이동을 제한함으로써], 내측 기어의 보어와 그 안에 수용된 샤프트(605) 사이의 공차에 의해, 기어이의 선단들 사이의 반경 방향 간격을 덜 민감한 문제로서 관리할 수 있다. 또한, 스핀들(405)과 베어링(407)의 배치는, 예컨대 외측 기어(402)와 내측 기어(401)의 사이의 진동을 감소시킴으로써, 모터 스테이터(500)와 외측 기어(402)의 전기 코일 사이의 간극을 긴밀하게 유지할 수 있다. 또한, 진동 감소에 의해 일정한 간극(810)을 유지하는 것이 가능해져, 지로터 기어(400)가 증가된 속도로 회전할 수 있게 된다. 스핀들(405)은 조립 동안 그리고 지로터 작동되고 있을 때 자체 정렬 가능하다. 스핀들(405)[베어링(407)을 구비]과 핀(410)이 기어 세트와 연결됨으로써, 내측 기어(401)와 외측 기어(402) 사이(예를 들어, 맞물려 있는 기어이 사이)의 상당히 정확한 기어 선단 공차의 필요성이 감소된다.
또한, 자계 오리엔테이션 제어(FOC: field orientation control)의 복잡성이 감소됨으로써(예를 들어, 진동 감소로 인해), 펌프의 고속 구동을 허용할 수 있다.
스핀들(405)과 조합하여 압력 판(610)을 사용함으로써 또한, 펌프 유닛의 공차와 관련된 보상이 허용되며, 통합과 관련된 문제를 극복할 수 있다. 부싱을 사용하는 것과 비교하여, 예를 들어 베어링(407)을 사용하면, 회전 부품 간의 마찰 충격이 크게 줄어든다.
하우징 조립체 내부의 분리기(300) 및 유체의 구성을 통해 제어부의 능동적인 냉각이 구현됨으로써, 제어부[예를 들어, PCB(200)]에 대한 향상된 열 측정 및 제어가 가능해질 수 있다. 또한, 일 실시예에 따라, 종래의 버스 바를 대체하기 위해 PCB 버스 바를 사용함으로써 펌프와 관련된 비용을 더 감소시킬 수 있다.
밀봉 문제를 극복하기 위해 오버 몰딩 모터 스테이터(500)가 사용될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 스테이터가 분말형 금속을 사용하여 형성될 수 있다. 또한, 일 실시예에 있어서, 예를 들어, 분말형 금속에 의해 오버 몰딩 로터가 형성될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 스테이터와 로터 모두 오버 몰딩에 의해 형성될 수 있다. 하나의 실시예에 있어서, 예를 들어 로터 코일(403)을 구비한 외측 기어(402)를 제조하기 위하여, 시트 성형 화합물(또는 복합재) 공정(SMC)이 이용될 수 있으며, 이에 의해 제조 비용이 감소될 뿐만 아니라 스테이터로부터의 적층이 배제될 수 있다.
또한, 지로터 펌프(10)는 일정한 공극 및 대응하는 자속에 기초하여 전체 모터(또는 펌프) 효율을 개선하였으며, 회전 부품 사이의 마찰 감소에 기초하여 펌프의 기계적 효율을 개선하였다. 일 실시예에 따르면, 종래 기술의 해결 방안과 비교하여, 개시된 설계에서는 부품 사이의 기존 마찰의 최대 50 퍼센트(%)가 배제될 수 있다. 또한, 일 실시예에 따르면, 외측 로터[예를 들어, 로터 코일(403)] 및 자석용으로 시트 성형 화합물(SMC) 재료를 사용함으로써, 일 실시예에 따라, 모터 통합이 확립될 수 있다. 전기 오일 펌프 조립 공정이 더 견고하게 수행될 수 있다. 스핀들과 베어링 사이의 유체 역학적 윤활을 개선하기 위해 중간 링이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 지로터 펌프(10)는 본 개시의 실시예에 따른 시스템과 연관될 수 있다. 시스템은, 예를 들어 차량 또는 차량의 일부일 수 있다. 이러한 시스템은 엔진(예를 들어, 내연 기관) 및/또는 펌프(10)로부터의 가압 윤활제를 수용하기 위한 자동차의 트랜스미션과 같은 기계적 시스템을 포함할 수 있다. 펌프(10)는 윤활제 공급원으로부터 유체/윤활제(예를 들어, 오일)(펌프 유입구를 통해 유입)를 수용하며 이를 가압하여 엔진 또는 트랜스미션(유출구를 통해 유출)으로 운반한다. 섬프(sump) 또는 탱크가 펌프(10)에 대한 유입측의 윤활제 공급원일 수 있다. 펌프(10)의 제어부는 시스템 및/또는 펌프(10)의 작동을 구현하도록 설계될 수 있다.
본 개시의 원리가 전술한 예시적인 실시예들에서 명백해질 것이지만, 본 개시의 실시에 사용되는 구조, 배치, 비율, 요소, 재료 및 구성요소에 대하여 다양한 변경이 이루어질 수 있음이 당업자에게는 명백할 것이다.
따라서, 본 개시의 특징이 완전히 효과적으로 달성되었음을 알게 될 것이다. 그러나, 전술한 바람직한 특정 실시예는 본 개시의 기능적 및 구조적 원리를 예시하기 위한 목적으로 도시 및 설명되어 있으며, 이러한 원리를 벗어나지 않고 변경될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 이 때문에, 본 개시는 아래의 청구범위의 사상 및 범위 내에 포함되는 모든 변경을 포함한다.

Claims (19)

  1. 공급원으로부터의 유체를 수용하기 위한 유입구;
    시스템으로 가압 유체를 운반하기 위한 유출구;
    회전을 위해 제1 축선 상에 장착된 내측 기어;
    제2 축선에 대해 장착되어 내부적으로 상기 내측 기어와 오프셋 방식으로 맞물리는 외측 기어;
    수용된 유체를 가압하여 가압 유체로서 유출하기 위하여, 상기 내측 기어에 결합되어 상기 내측 기어를 상기 제1 축선을 중심으로 구동시키는 구동 샤프트;
    반경 방향으로 서로의 사이에 반경 방향 간극을 갖는 로터와 스테이터를 포함하며, 상기 로터는 상기 외측 기어의 외측 표면 상에 배치되는 것인 전기 모터; 및
    상기 외측 기어에 고정적으로 결합되어 상기 반경 방향의 상기 로터와 상기 스테이터 사이의 상기 반경 방향 간극을 실질적으로 유지하는 것을 가능하게 하고, 상기 제2 축선을 중심으로 회전하도록 구성되는 것인 스핀들
    을 포함하는 지로터 펌프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 내측 기어, 상기 외측 기어, 상기 전기 모터 및 상기 스핀들은 하우징 내에 들어 있는 것인 지로터 펌프.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하우징 내에서 상기 내측 기어와 상기 외측 기어 아래에 위치하는 압력 판을 더 포함하는 지로터 펌프.
  4. 제2항에 있어서, 상기 하우징은 그 안에 마련된 제어부 및 중간 분리기를 포함하고, 상기 내측 기어, 상기 외측 기어, 상기 전기 모터 및 상기 스핀들은 상기 중간 분리기의 아래에 위치하며, 상기 제어부는 상기 중간 분리기의 위에 위치하는 것인 지로터 펌프.
  5. 제4항에 있어서, 상기 스핀들과 상기 중간 분리기의 사이에 베어링이 마련되며, 상기 중간 분리기는 환형 포켓과 베어링 지지 부분을 포함하고, 상기 환형 포켓은 상기 중간 분리기의 제1 측면 상에 마련되며, 상기 베어링 지지 부분은 상기 중간 분리기의 제2 측면 상에 마련되고 그 내부에 상기 베어링을 수용하도록 구성되는 것인 지로터 펌프.
  6. 제5항에 있어서, 상기 환형 포켓은 상기 제어부를 수용하도록 구성되는 것인 지로터 펌프.
  7. 제4항에 있어서, 상기 내측 기어, 상기 외측 기어, 상기 전기 모터 및 상기 스핀들은 상기 하우징과 상기 중간 분리기의 아래에 들어 있는 유체와 접촉하는 것인 지로터 펌프.
  8. 제1항에 있어서, 상기 스핀들은 핀(pin)을 통해 상기 외측 기어에 고정적으로 결합되는 것인 지로터 펌프.
  9. 제1항에 있어서, 상기 스핀들은 플랜지 부분을 더 포함하며, 상기 플랜지 부분은 상기 외측 기어의 일부를 파지하도록 구성되는 것인 지로터 펌프.
  10. 제3항에 있어서, 상기 구동 샤프트는 상기 압력 판을 관통하여 상기 하우징 내로 연장되는 것인 지로터 펌프.
  11. 제1항에 있어서, 상기 시스템은 트랜스미션 또는 엔진인 것인 지로터 펌프.
  12. 엔진 또는 트랜스미션; 및
    지로터 펌프
    를 포함하고, 상기 상기 지로터 펌프는,
    공급원으로부터의 유체를 수용하기 위한 유입구;
    상기 엔진 또는 트랜스미션으로 가압 유체를 운반하기 위한 유출구;
    제1 축선 상에 장착된 내측 기어;
    내부적으로 상기 내측 기어와 오프셋 방식으로 맞물리도록 상기 제1 축선으로부터 오프셋되어 있는 제2 축선 상에 장착되는 외측 기어;
    수용된 유체를 가압하여 가압 유체로서 유출하기 위하여 상기 내측 기어에 결합되어 상기 내측 기어를 상기 제1 축선을 중심으로 구동시키는 구동 샤프트;
    반경 방향으로 서로의 사이에 반경 방향 간극을 갖는 로터와 스테이터를 포함하며, 상기 로터는 상기 외측 기어의 외측 표면 상에 배치되는 것인 전기 모터; 및
    상기 외측 기어에 고정적으로 결합되어 상기 반경 방향의 상기 로터와 상기 스테이터 사이의 상기 반경 방향 간극을 실질적으로 유지하는 것을 가능하게 하고, 상기 제2 축선을 중심으로 회전하도록 구성되는 것인 스핀들
    을 포함하는 것인 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 상기 내측 기어, 상기 외측 기어, 상기 전기 모터 및 상기 스핀들은 하우징 내에 들어 있는 것인 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 하우징 내에서 상기 내측 기어와 상기 외측 기어의 아래에 위치하는 압력 판을 더 포함하는 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 하우징은 그 내부에 마련된 제어부 및 중간 분리기를 포함하고, 상기 내측 기어, 상기 외측 기어, 상기 전기 모터 및 상기 스핀들은 상기 중간 분리기의 아래에 위치하며, 상기 제어부는 상기 중간 분리기의 위에 위치하는 것인 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 스핀들과 상기 중간 분리기의 사이에 베어링이 마련되고, 상기 중간 분리기는 환형 포켓과 베어링 지지 부분을 포함하며, 상기 환형 포켓은 상기 중간 분리기의 제1 측면 상에 마련되고, 상기 베어링 지지 부분은 상기 중간 분리기의 제2 측면 상에 마련되며 내부에 상기 베어링을 수용하도록 구성되는 것인 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 스핀들은 핀을 통해 상기 외측 기어에 고정적으로 결합되는 것인 시스템.
  18. 제12항에 있어서, 상기 스핀들은 플랜지 부분을 더 포함하고, 상기 플랜지 부분은 상기 외측 기어의 일부를 파지하도록 구성되는 것인 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 상기 구동 샤프트는 상기 압력 판을 관통하여 상기 하우징 내로 연장되는 것인 시스템.
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