KR20210108854A - 레이디얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 차량용 루프 팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있는 레이디얼 갭 타입의 전동기 및 이를 이용한 차량용 루프 팬에 관한 것이다.
본 발명의 차량용 루프 팬은 임펠러; 상기 임펠러를 회전 구동시키는 전동기; 상기 전동기에 구동신호를 인가하는 모터구동회로; 링 형상의 외곽프레임, 상기 외곽프레임의 내부에 위치하며 상기 전동기의 하부를 지지하는 전동기지지부 및 양단부가 상기 외곽프레임과 전동기지지부를 연결하는 복수의 브리지를 구비하며, 차량의 천정에 설치된 루프 팬 설치 모듈에 상기 브리지 각각의 선단부가 고정된 하우징; 및 상기 복수의 브리지 중 하나의 브리지 및 전동기지지부와 결합하여 공냉유로부를 형성하는 커버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

레이디얼 갭 타입 전동기 및 이를 이용한 차량용 루프 팬{Radial Gap Type Electric Motor and Roof Fan for Vehicle Using the Same}

본 발명은 차량용 루프 팬에 관한 것으로, 상세하게는 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있는 레이디얼 갭 타입의 전동기 및 이를 이용한 차량용 루프 팬에 관한 것이다.

일반적으로, 루프 팬(Roof Fan) 환기장치는 주택, 공장이나 비닐하우스, 돈/축사 등의 건물 지붕에 설치되어 팬으로 실내 공기를 강제로 외부로 배출하거나 흡입함으로써, 외기와 환기시키고 실내를 적정 항온으로 유지시킴과 함께 습도를 조절하는 기능을 한다.

소형의 임펠러와 전동기를 포함하는 루프 팬은 소형으로 제작하기 때문에 고속 회전을 하게 되는데, 이로 인해 RPM(revolution per minute)이 높아짐에 따라 진동과 소음이 발생되는 문제점이 있었다.

이러한 점을 고려하여 다른 종래기술에서는 루프 팬을 기존 것보다 크게 제작(예를 들어, 루프 팬의 직경을 3m 정도로 제작함)하여 RPM(revolution per minute)을 낮춤으로써, 진동 및 소음을 크게 줄이고 환기능력을 크게 향상시킨 루프 팬 환기장치가 제시되고 있다. 이 루프 팬 환기장치는, 팬 날개와 구동모터가 분리 설치되고, 구동모터와 팬 날개 사이에 벨트-풀리 방식의 동력전달수단을 사용하여 동력을 전달하고 있다.

또한, 종래의 루프 팬은 대부분 다소 복잡한 구조를 가지고 있어 제조가 용이하지 않으며, 구조적 강도가 약해 내구성이 떨어지고 있다.

이로한 점을 고려하여 대한민국 등록특허공보 제10-2001198호(특허문헌 1)에는 콤팩트하면서도 효율적인 구조를 가짐에 따라 제조 및 유지보수가 용이하며, 높은 구조적 강도로 인해 내구성을 높일 수 있는 루프 팬이 제안되어 있다.

일반적으로 루프 팬 환기장치는 팬을 형성하는 임펠러, 임펠러를 구동하는 전동기(Motor) 및 임펠러와 전동기를 지붕에 설치하기 위한 하우징 등을 포함하고 있다.

임펠러는 특허문헌 1과 같이 전동기에 의해 직접 구동되거나, 벨트-풀리 방식의 동력전달수단을 사용하여 임펠러를 구동할 수 있다.

종래의 루프 팬 환기장치에서는 진동과 소음 문제를 루프 팬의 크기와 RPM의 높고 낮음에 기인한 문제로 인식하고 있고, 전동기 자체의 구조적인 문제로 인하여 발생되는 것은 인식하고 있지 못하다.

루프 팬 구동에 사용되는 전동기는 그 설치공간을 고려하여 지름방향 및 축 방향에 대하여 컴팩트화가 가능한 아우터 로터형 팬 모터가 많이 채용되고 있다.

종래의 아우터 로터형 팬 모터는 레이디얼 갭 타입(radial gap type) 모터로서, 크게 모터부와 상기 모터부의 회전축의 회전에 의하여 상기 모터부의 외부에서 회전하는 팬부로 구성된다.

상기 모터부는 복수개의 티스가 방사상으로 뻗어 있는 스테이터 코어를 구비한 스테이터와, 상기 스테이터 코어의 외주면에 일정 간격(공극부)을 두고 상기 스테이터 코어와 대향되게 하여 N극과 S극이 교대로 착자된 환형 자석이 배치된 로터로 구성되어, 외부 구동신호에 의하여 스테이터의 외주면에 배치된 로터가 회전축의 회전에 의하여 회전하는 구조를 가지고 있다.

역기전압(Back-EMF)은 착자된 자석에 의해 스테이터 코일에 유기되는 전압으로 회전 속도가 빠를수록, 강한 자석을 사용할 수록 높음 전압이 유기된다. 영구자석 모터를 사용하는 BLDC 모터인 경우 역기전압은 도 7a에 도시된 바와 같이 사다리꼴 형태로 나타난다.

아우터 로터형 또는 인너 로터형 모터에서 로터의 자석과 대향한 스테이터의 코어의 외측 또는 내측 슈(Shoe) 부분은 일반적으로 “라운드(R)“ 처리가 되어 있지 않기 때문에 Back EMF(Electromotive Force) 파형을 사인(sine) 곡선으로 만들지 못해 소음 및 진동에 문제가 있다. 즉, 일반적으로 코어의 외측 또는 내측 슈(Shoe) 부분은 센터를 기준으로 동심원을 이루도록 설계가 되어 있다. 따라서, 종래의 스테이터의 코어 구조는 별도로 소음 및 진동 문제를 개선하기 위한 보조 부품이나 설계가 필요하다.

이러한 진동 및 소음 발생을 개선하기 위해 종래에는 일반적으로 로터의 자석에 “R”을 주는 형태로 진행한다. 그러나, 자석이 세그먼트(segment) 구조일 경우는 문제가 없으나, 자석이 분할착자되는 일체형 구조인 경우는 각 자극마다 “R" 형성이 불가능하다.

또한, 정현파(sine curve) 역기전력을 발생시키면, 정현파 역기전력과 공간적으로 동상인 정현파 전류 여자하면 모터에 일정토크를 발생시킬 수 있다. 따라서, 모터의 운전 효율을 최대화하고 기계적인 진동을 최소화하기 위해 역기전력의 위상과 PWM에 의한 출력 전류의 위상을 동일하게 해주는 것이 요구된다.

더욱이, 차량용 루프 팬은 낮은 레벨의 소음/진동일지라도 차량의 품질 향상과 실내 탑승자의 쾌적화를 위해 소음 및 진동의 최소화가 요구된다.

: 대한민국 등록특허공보 제10-2001198호

본 발명은 이러한 종래 문제점을 감안하여 고안된 것으로, 그 목적은 전기강판(S-60)의 타발 성형방법으로 스테이터 코어를 제작할 때 코어의 슈(Shoe) 부분 형상에 “라운드(R)”를 형성하여 Back EMF(Electromotive Force) 파형을 사인 곡선(sine curve) 형태로 얻어지도록 하여 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있는 레이디얼 갭 타입의 전동기 및 이를 이용한 차량용 루프 팬(Roof Fan)을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하우징의 브리지와 커버에 의해 형성된 공냉유로를 이용하여 모터구동회로의 발열 전자부품을 냉각시킬 수 있는 레이디얼 갭 타입의 전동기 및 이를 이용한 차량용 루프 팬(Roof Fan)을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 로터 회전축의 수직도를 향상시킴에 의해 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있는 레이디얼 갭 타입의 전동기 및 이를 이용한 차량용 루프 팬(Roof Fan)을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 루프 팬 구동용 전동기는 회전축; 반전된 컵 형상으로 이루어지며 중앙부에 상기 회전축이 결합되는 백요크와 상기 백요크의 내측에 부착된 자석을 포함하는 로터; 외주부가 상기 로터의 자석과 에어갭을 갖고 대향하며 상기 로터에 회전자기장을 인가하기 위한 스테이터; 상기 스테이터의 중앙부를 관통하여 설치되며 상부와 하부에 단차부가 형성된 베어링 부쉬; 및 상기 베어링 부쉬의 상부 및 하부 단차부에 설치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 상부 및 하부 베어링;을 포함하며, 상기 스테이터는 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장된 스테이터 코어를 구비하고, 상기 복수의 티스는 각각의 선단부가 "라운드(R)" 처리된 것을 특징으로 한다.

상기 백요크는 내측에 상기 자석이 부착되는 제1원통부; 상기 제1원통부로부터 2단 절곡되어 연장된 제2원통부; 및 상기 제2원통부의 상부로부터 1단 절곡되고 복수의 관통구멍을 갖는 상판부;를 포함하며, 상기 제1 및 제2 원통부의 외주에 임펠러의 원통지지부가 결합되고, 상기 회전축의 상부는 상기 상판부의 내외부에 형성되는 임펠러의 상판에 의해 로터와 일체로 결합될 수 있다.

또한, 상기 스테이터는 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장되어 있는 스테이터 코어; 상기 스테이터 코어의 외주를 둘러싸며 내주부에 베어링 부쉬가 삽입되는 보빈; 및 상기 스테이터 코어의 티스를 둘러싸는 보빈의 외주에 권선되는 코일;을 포함하며, 상기 보빈과 베어링 부쉬 사이에 회전축의 수직도를 높이기 위한 원통형 인서트가 삽입될 수 있다.

상기 보빈은 각 티스의 선단부에 상측 및 하측으로 연장되어 코일이 권선되는 코일권선영역을 한정하는 상부 및 하부 돌기;를 더 포함하며, 상기 하부 돌기는 인쇄회로기판(PCB)과 조립될 때, 미리설정된 간격을 유지하는 역할을 한다.

상기 스테이터는 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고, 상기 3상(U,V,W) 코일의 스타트 단자와 엔드 단자는 6개의 터미널핀을 통하여 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)에 전기적으로 연결될 수 있다.

이 경우, 상기 3개의 터미널핀은 인쇄회로기판(PCB)의 도전패턴에 공통접속되어 중성점을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 루프 팬은 임펠러; 상기 임펠러를 회전 구동시키는 전동기; 상기 전동기에 구동신호를 인가하는 모터구동회로; 링 형상의 외곽프레임, 상기 외곽프레임의 내부에 위치하며 상기 전동기의 하부를 지지하는 전동기지지부 및 양단부가 상기 외곽프레임과 전동기지지부를 연결하는 복수의 브리지를 구비하며, 차량의 천정에 설치된 루프 팬 설치 모듈에 상기 브리지 각각의 선단부가 고정된 하우징; 및 상기 복수의 브리지 중 하나의 브리지 및 전동기지지부와 결합하여 공냉유로부를 형성하는 커버;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 경우, 상기 전동기지지부는 공냉유로부의 배출구 역할을 하는 적어도 하나의 관통구멍을 포함하고, 상기 관통구멍을 통하여 배출되는 공냉바람은 모터구동회로가 구현된 인쇄회로기판(PCB)에 실장된 발열 전자부품을 공냉시킬 수 있다.

또한, 상기 하우징은 상기 임펠러의 하단을 수용하는 환형 요홈을 갖는 링 형상의 외곽프레임; 상기 전동기의 베어링 부쉬의 하부가 중앙의 관통구멍에 결합되어 상기 전동기를 지지하는 원형의 전동기지지부; 및 상기 외곽프레임과 전동기지지부를 연결하기 위한 복수의 브리지;를 포함하며, 상기 브리지 각각의 선단부는 상기 루프 팬 설치 모듈에 고정될 수 있다.

이 경우, 상기 하우징의 브리지와 전동기지지부는 커버와 결합되어 공냉유로부를 형성하며, 상기 브리지의 선단부에 공냉유로부의 흡입구 역할을 하는 관통구멍이 형성되어 있고, 상기 전동기지지부는 공냉유로부의 배출구 역할을 하는 적어도 하나의 관통구멍을 포함할 수 있다.

더욱이, 상기 커버는 내부에 공간을 형성하면서 전동기지지부를 둘러싸는 원형 중앙부; 및 상기 중앙부로부터 연장되어 하우징의 하나의 브리지와 결합하여 공냉유로부를 형성하는 유로형성부;를 포함하며, 상기 전동기에 의해 임펠러가 회전될 때, 인쇄회로기판(PCB) 주변의 공기가 임펠러로 공급되면서 부압이 발생하며, 상기 인쇄회로기판(PCB)과 대향하여 배치된 전동기지지부와 공냉유로부에도 부압이 발생하면서 공냉유로부를 통하는 공냉기류가 형성될 수 있다.

상기 임펠러는 원형 상판; 상기 원형 상판의 저면에 외주로부터 방사상으로 뻗어 있는 복수의 날개; 상기 복수의 날개의 하부를 연결하여 지지하는 환형 하판; 상기 원형 상판의 저면 내측에 원통형상으로 뻗어 있으며 하단부가 로터의 백요크의 측면을 둘러싸는 원통지지부; 및 상기 로터의 회전축 상부와 백요크의 상판부를 둘러싸는 축지지부;를 포함하며, 상기 축지지부의 형성시에 회전축 상부와 백요크의 상판부가 인서트 몰딩방식으로 일체로 형성될 수 있다.

상기 전동기의 베어링 부쉬는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)을 통과하여 상기 하우징의 전동기지지부에 지지되고, 상기 전동기는 스테이터의 복수의 티스에 형성된 보빈의 하부 돌기가 인쇄회로기판(PCB)에 일정한 거리를 두고 지지되며, 상기 스테이터의 코어에 권선되는 3상(U,V,W) 코일의 스타트 단자와 엔드 단자를 인쇄회로기판(PCB)의 모터구동회로에 전기적으로 연결하는 6개의 터미널핀을 통하여 상기 스테이터와 인쇄회로기판(PCB)은 물리적으로 고정결합될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 전기강판(S-60)의 타발 성형방법으로 스테이터 코어를 제작할 때 코어의 슈(Shoe) 부분 형상에 “R”을 형성하여 Back EMF(Electromotive Force) 파형을 사인 곡선(sine curve) 형태로 얻어지도록 하여 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 스테이터 지지체와 베어링 부쉬(Bearing Bush) 사이에 인서트를 구비함에 따라 로터 회전축의 수직도를 향상시켜서 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있다.

본 발명은 하우징의 브리지와 커버에 의해 형성된 공냉유로를 이용하여 모터구동회로의 발열 전자부품을 냉각시킬 수 있다.

도 1a 내지 도 1d는 각각 본 발명에 따른 레이디얼 갭 타입의 전동기를 이용한 루프 팬(Roof Fan)을 보여주는 평면도, 배면도, 커버를 분리한 배면도 및 측면도이다.
도 2는 도 1a에 도시된 루프 팬의 축방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 레이디얼 갭 타입의 전동기를 이용한 루프 팬을 보여주는 분해 사시도이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명에 따른 루프 팬에 채용된 레이디얼 갭 타입의 전동기의 평면도 및 측면도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 루프 팬에 채용된 레이디얼 갭 타입의 전동기의 직경방향 및 축방향을 따라 절단한 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 레이디얼 갭 타입의 전동기의 분해사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 종래의 아우터 로터형 전동기에서 스테이터 코어의 슈 부분에 "R" 처리가 이루어지지 않은 경우 얻어지는 구형파 형태의 Back EMF 파형과 본 발명에 따른 전동기에서 스테이터 코어의 슈 부분에 "R" 처리가 이루어진 경우 얻어지는 사인파 형태의 Back EMF 파형을 나타낸 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 설명한다.

이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.

도 1a 내지 도 3을 참고하면, 본 발명에 따른 차량용 루프 팬(Roof Fan)(200)은 크게 하우징(10), 커버(12), 레이디얼 갭 타입의 전동기(100) 및 임펠러(20)를 포함한다.

차량용 선풍기는 발생된 바람을 직하방으로 배출하여 인근에 위치한 사용자(또는 승객)에게 무차별적으로 직접 공급하는데 사용자(또는 승객) 중에는 이러한 직접적인 강한 선풍기 바람을 싫어하거나 피하는 경우도 있다.

상기 차량용 루프 팬(200)은 에어콘이 설치되지 않은 차량의 천정에 설치되어 임펠러 또는 팬에 의해 발생된 바람을 직하방으로 배출하지 않고 측면으로 공급하여 차량의 실내 공기를 순환시키면서 하절기에 승객의 더위를 식혀주는 역할을 할 수 있다.

본 발명에 따른 차량용 루프 팬(Roof Fan)(200)은 차량의 천정에 부착된 루프 팬 설치 모듈(도시되지 않음)에 장착되어 설치된다.

상기 하우징(10)은 임펠러(20)의 하단을 수용하는 링 형상의 외곽프레임(10a), 전동기(100)의 하부가 결합되어 전동기(100)를 지지하는 원형의 전동기지지부(10b) 및 상기 외곽프레임(10a)과 전동기지지부(10b)를 연결하기 위해 3개의 브리지(10c-10e)를 포함하고 있다.

상기 링 형상의 외곽프레임(10a)의 플랜지에는 진동흡수용 패드(Pad)(13)가 설치되어 있으며, 상기 진동흡수용 패드(Pad)(13)는 하우징(10)과 루프 팬 설치 모듈(도시되지 않음) 사이에 배치되어, 임펠러(200)나 전동기(100)의 진동이 루프 팬 설치 모듈에 전달되는 것을 막는다.

이 경우, 상기 3개의 브리지(10c-10e)에는 각각 루프 팬(Roof Fan)(200)을 루프 팬 설치 모듈에 설치하기 위한 원형 돌기(10f)가 연장형성되어 있고, 원형 돌기(10f)의 중앙에는 고정나사 또는 고정볼트를 체결하기 위한 관통구멍이 각각 형성되어 있다. 이 경우, 상기 관통구멍에 고정나사 또는 고정볼트의 체결시에는 러버 부쉬(11)를 개재하여 체결하면, 고정나사 또는 고정볼트의 풀림을 방지하며 임펠러(200)의 회전시 발생되는 진동이 고정나사 또는 고정볼트를 통하여 루프 팬 설치 모듈에 전달되는 것을 막을 수 있다.

상기 3개의 브리지(10c-10e) 중 하나의 브리지(10e)는 나머지 2개의 브리지(10c,10d)보다 넓은 폭으로 형성되고, 이에 결합되는 커버(12)와 함께 공냉유로부(10h)를 형성한다.

상기 커버(12)는 내부에 공간을 형성하면서 전동기지지부(10b)를 둘러싸는 원형 중앙부(12a)와, 상기 중앙부(12a)로부터 연장되어 하우징(10)의 브리지(10e)를 둘러싸면서 브리지(10e)와 함께 공냉유로부(10h)를 형성하는 유로형성부(12b)를 포함하고 있으며, 원형 중앙부(12a)의 외주에는 전동기지지부(10b)에 스냅결합방식으로 결합고정이 이루어지도록 복수개의 스냅결합돌기(12c)가 돌출되어 있다.

또한, 브리지(10e)의 선단부에는 공냉유로부(10h)의 흡입구 역할을 하는 관통구멍(10g)이 형성되어 있고, 상기 전동기지지부(10b)에는 공냉유로부(10h)의 배출구 역할을 하는 적어도 하나의 관통구멍(10i,10j)을 포함하고 있다.

상기 전동기지지부(10b)는 중앙에 전동기(100)의 하부, 즉 베어링 부쉬(61)가 결합되는 관통구멍(10k)이 형성되어 있고, 전동기지지부(10b)의 대향한 부분에는 전동기(100)를 구동제어하는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)(50)이 배치되어 있다.

상기 인쇄회로기판(PCB)(50)에는 모터구동회로를 구성하는 집적회로(IC)와 트랜지스터와 같은 발열 전자부품이 실장되어 있다.

후술하는 바와 같이, 전동기(100)에 의해 임펠러(20)가 동작하면 인쇄회로기판(PCB)(50) 주변의 공기가 임펠러(20)로 공급되면서 부압이 발생한다. 이에 따라 인쇄회로기판(PCB)(50)과 대향하여 배치된 전동기지지부(10b)와 공냉유로부(10h)에도 부압이 발생하면서 브리지(10e)의 선단부에 있는 관통구멍(10g)으로 흡입된 공기는 공냉유로부(10h)를 통과한 후, 전동기지지부(10b)에 형성된 관통구멍(10i,10j)을 통하여 인쇄회로기판(PCB)(50)에 실장된 발열 전자부품에 공냉바람을 배출하여 공냉이 이루어지게 된다.

상기 임펠러(20)는 원형 상판(21), 상기 원형 상판(21)의 저면에 외주로부터 방사상으로 뻗어 있는 복수의 날개(25), 상기 복수의 날개(25)의 하부를 연결하여 지지하는 환형 하판(22), 상기 원판부(21)의 저면 내측에 원통형상으로 뻗어 있으며 하단부가 후술하는 로터(30)의 백요크(31)의 측면을 둘러싸는 원통지지부(23) 및 상기 로터(30)의 회전축(60) 상부와 백요크(31)의 상판부(31c)를 둘러싸는 축지지부(21a)를 포함하고 있다.

이 경우, 축지지부(21a)의 형성시에 회전축(60)이 인서트되는 인서트 몰딩방식으로 상기 로터(30)의 회전축(60)과 축지지부(21a)는 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 회전축(60)에는 축지지부(21a)와의 결합력을 높이기 위해 외주부에 복수의 요홈(60a)이 형성되는 것이 바람직하다.

상기 로터(30)의 백요크(31)는 도 6에 도시된 바와 같이, 내측에 자석(32)이 부착되어 있는 제1원통부(31b), 상기 제1원통부(31b)로부터 2단 절곡되어 제1원통부(31b)보다 작은 직경으로 연장된 제2원통부(31a) 및 상기 제2원통부(31a)의 상부에서 직각으로 절곡되고 복수의 관통구멍(31d)이 형성된 상판부(31c)를 포함하고 있다.

상기 임펠러(20)는 로터(30)와 일체화시키기 위해 원형 상판(21), 원통지지부(23) 및 축지지부(21a)의 형성시에 백요크(31)와 회전축(60)이 인서트되고, 상판(21)의 일부는 백요크(31)의 상판부(31c)에 구비된 복수의 관통구멍(31d)을 통하여 상판부(31c)의 양측면에 형성되어 임펠러(20)와 로터(30)의 결합력을 높이고 있다.

상기 하우징(10)의 전동기지지부(10b)에 하단부가 지지되고 임펠러(20)를 회전 구동하는 전동기(100)는 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 외주부에 임펠러(20)가 결합되는 로터(30)와 상기 로터(30)의 내측에 배치되어 로터(30)를 회전 구동하기 위한 회전 자계를 발생하는 스테이터(40)를 포함하고 있다. 그 결과, 상기 전동기(100)는 레이디얼 갭 타입의 아우터 로터형 모터를 형성한다.

상기 로터(30)는 반전된 컵형상으로 이루어진 백요크(31)와 상기 백요크(31)의 내측에 부착된 자석(32)을 포함하고 있다.

상기 로터(30)의 자석(32)은 복수의 N극 및 S극의 분할 자석편으로 이루어지거나 또는 링형상의 자석에 N극 및 S극이 다극으로 분할 착자된 자석을 사용할 수 있으며, 백요크(31)는 예를 들어, 전기강판(S-60)으로 이루어질 수 있고, 자석(32)의 배면에 설치되어 자기회로를 형성한다.

상기한 바와 같이, 백요크(31)는 제1원통부(31b), 제2원통부(31a) 및 상판부(31c)를 포함하는 반전된 컵형상으로 이루어지며, 제1원통부(31b)와 제2원통부(31a) 사이의 절곡부를 이용하여 제1원통부(31b)의 내측에 자석(32)이 부착되어 있다.

상기 스테이터(40)는 스테이터 코어(41)에 U,V,W 3상 코일(43)이 권선되어 있으며, 인쇄회로기판(PCB)(50)에 실장되어 전동기(100)를 구동제어하는 모터구동회로는 인쇄회로기판(PCB)(50)에 실장된 홀(Hall) 센서(도시되지 않음)로부터 로터위치신호를 수신하는 것에 연동하여 스위칭 구동신호를 U,V,W 3상 코일(43)에 교대로 인가함에 따라 로터(30)를 회전 구동하기 위한 회전 자계를 발생한다.

상기 스테이터(40)는 복수의 티스(teeth)(즉, 코일 권선부)(41b)가 링 형태의 요크(몸체)(41a)로부터 방사방향으로 연장된 일체형 스테이터 코어(41), 상기 스테이터 코어(41)의 외주에 조립 또는 인서트 몰딩방식으로 형성된 절연성 보빈(42) 및 상기 절연성 보빈(42)의 외주에 권선된 3상(U,V,W) 코일(43)을 포함하고 있다.

이 경우, 상기 스테이터 코어(41)는 박판의 전기강판(T-60)(보통 실리콘 스틸 사용)을 복수개 타발한 후, 이를 적층하여 형성된다. 복수개 적층되어 형성되는 스테이터 코어(41)의 복수의 티스(teeth)(41b)는 도 6에 도시된 바와 같이 로터의 자석(32)과 대향하는 선단부(41c), 즉 슈(Shoe) 부분의 프로필은 각각 “라운드(R)”를 형성하고 있다.

그 결과, 레이디얼 갭 타입의 본 발명의 전동기(100)는 동작시에 Back EMF(Electromotive Force) 파형을 사인 곡선(sine curve) 형태로 얻어질 수 있으며, 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있게 된다.

상기 스테이터 코어(41)의 외주에 일체로 형성되는 보빈(42)은 열경화성 수지, 예를 들어 폴리에스터와 같은 BMC(Bulk Molding Compound) 몰딩재 또는 열가소성 수지를 이용한 인서트 몰딩방식으로 형성될 수 있다.

복수의 티스(teeth)(41b)는 각각 "T"자 형상으로 이루어지며, 상기 절연성 보빈(42)은 스테이터 코어(41)에서 로터의 자석(32)과 대향하는 선단부를 제외한 전 표면을 둘러싸도록 형성되며, 복수의 티스(teeth)(41b)를 둘러싸는 부분은 3상(U,V,W) 코일(43)이 권선되는 코일권선영역을 형성한다.

상기 절연성 보빈(42)은 "T"자 선단부의 상하측으로 상부 및 하부 돌기(42a,42b)가 일체로 형성되어 있으며, 3상(U,V,W) 코일(43)이 권선되는 코일권선영역을 한정하는 역할을 한다. 상기 하부 돌기(42b)는 스테이터(40)와 인쇄회로기판(PCB)(50)이 조립될 때, 미리설정된 간격을 유지하는 역할을 하며, 그 결과 스테이터(40)와 인쇄회로기판(PCB)(50)의 공냉이 이루어질 수 있다.

또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 절연성 보빈(42)은 3상(U,V,W) 코일(43)의 스타트 단자와 엔드 단자가 연결되는 6개의 터미널핀(51)이 인서트 몰딩방식으로 일체로 형성될 수 있다.

더욱이, 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 요크(몸체)(41a)의 내측에 위치한 절연성 보빈(42)은 그의 내주에 요홈42c)이 형성되어 회전축(60)의 수직도 향상을 위한 원통형 인서트(65)가 삽입되어 있다.

상기 원통형 인서트(65)의 내측에는 원통형 베어링 부쉬(61)가 삽입되어 있으며, 상기 원통형 베어링 부쉬(61)의 내측에는 회전축(60)을 회전 가능하게 지지하는 상부 및 하부 베어링(62a,62b)이 상부와 하부에 압입결합되어 있다.

이 경우, 상부 및 하부 베어링(62a,62b)은 슬리브 베어링 또는 볼 베어링이 사용될 수 있다. 슬리브 베어링이 적용되는 경우 카본 베어링 또는 플라스틱 베어링과 같은 오일레스 베어링 또는 오일 베어링을 사용할 수 있다.

상기 베어링 부쉬(61)의 상부와 하부에는 내측에 각각 단차부(61a,61b)가 형성되어 있으며, 상부 베어링(62a)은 상측 단차부(61a)에 설치되어 있다. 하부 베어링(62b)은 스프링(64)과 함께 하측 단차부(61b)에 설치되며, 하부 베어링(62b)의 하측에는 하부 베어링(62b)의 이탈을 저지하기 위한 C-링(63)이 회전축(60)에 결합되어 있다. 상기 스프링(64)은 소음과 슬립을 방지하는 목적으로 사용된다.

상기 베어링 부쉬(61)의 하부는 인쇄회로기판(PCB)(50)의 중앙에 형성된 중앙 관통구멍(50a)을 통과하여 인쇄회로기판(PCB)(50)의 하측으로 뻗어 있으며, 상기 전동기지지부(10b)의 중앙에 위치한 관통구멍(10k)에 결합되어 전동기(100) 및 임펠러(20)를 지지한다. 즉, 상기 전동기(100) 및 임펠러(20)는 베어링 부쉬(61)의 하부가 일차적으로 인쇄회로기판(PCB)(50)의 중앙 관통구멍(50a)에 삽입된 후 하단부가 전동기지지부(10b)의 관통구멍(10k)에 결합되어 안정된 지지가 이루어진다.

상기 스테이터(140)는 하측에 위치한 모터구동회로(인버터회로)로부터 모터 구동에 필요한 3상(U,V,W) 구동신호가 3개의 터미널핀(51)을 통하여 3상(U,V,W) 코일(43)의 스타트 단자에 연결되고, 3상(U,V,W) 코일(43)의 엔드 단자는 3개의 터미널핀(51)을 통하여 인쇄회로기판(PCB)(50)에 도달한 후, 도전패턴을 이용하는 방식으로 상호 결선되어 Y-결선에 필요한 중성점(NP; Neutral Point)을 형성한다.

즉, 3상(U,V,W) 코일(43)은 각 상의 일측(스타트 단자)은 모터구동회로를 구성하는 인버터 회로의 U,V,W 출력에 연결되고, 각 상의 타측(엔드 단자)은 인쇄회로기판(PCB)(50)에서 Y-결선방식으로 상호 결선되며, 3상(U,V,W) 코일(43)과 인쇄회로기판(PCB)(50)의 모터구동회로(인버터회로) 사이에는 6개의 터미널핀(51)을 통하여 전기적으로 연결되어 있다. 또한, 6개의 터미널핀(51)은 하단부가 인쇄회로기판(PCB)(50)의 관통구멍(50b)을 통과한 후, 솔더링에 의해 인쇄회로기판(PCB)(50)에 고정되면서 전동기(100)를 인쇄회로기판(PCB)(50)에 안정되게 지지하는 역할을 한다.

상기 인쇄회로기판(PCB)(50)은 하측면에 모터구동회로(인버터회로)를 형성하는 각종 전자 부품이 실장되며, 3상(U,V,W) 코일(43)의 엔드 단자는 3개의 터미널핀(51)을 통하여 인쇄회로기판(PCB)(50)에 도달한 후, 도전패턴을 이용하는 방식으로 상호 결선되어 Y-결선에 필요한 중성점(NP)을 형성한다. 인쇄회로기판(PCB)(50)의 일측에는 와이어링 하네스(wiring harness)를 통하여 컨넥터(52)가 연결되어 있다.

상기 스테이터 코어(41)는 도 6에 도시된 바와 같이, 선단부가 T자 형상으로 이루어진 복수 개(12개)의 티스(41b)가 환형의 백요크(41a)로부터 방사상으로 연장된 일체형 스테이터 코어로 구현되거나, 선단부가 T자 형상으로 이루어지고 후단부가 상호 연결되어 환형의 백요크를 형성하는 복수 개의 분할 코어로 구현될 수 있다.

이 경우, 본 발명에 따른 전동기(100)는 일체형 스테이터 코어(41) 대신에 복수의 분할 코어를 이용하여 3상(U,V,W) 코일(43)을 권선한 후, 몰딩용 수지를 사용하여 환형으로 일체화하면서 스테이터 지지체를 동시에 형성하는 분할코어방식으로 구성될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 스테이터(40)는 복수의 티스(teeth)(41b)에 조립방식으로 절연성 보빈과 스테이터 지지체를 형성하고 3상(U,V,W) 코일(43)을 권선하는 방식으로 형성될 수 있다.

본 발명에서 싱글 로터 방식의 BLDC 모터에 포함되는 로터(30)를 구현하는 마그넷(폴)의 개수와 티스(슬롯)의 개수는 12슬롯 10폴 이외에 다양한 조합의 개수를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 전동기(100)는 예를 들어, 10극 싱글 로터(30)와 12슬롯(slot) 구조의 싱글 스테이터(40)로 구성되는 BLDC 모터로 구성될 수 있다. 스테이터(40)는 3상(U,V,W) 코일(43)이 스테이터 코어(41)의 티스(41b)에 권선되어 있으며, 인쇄회로기판(PCB)(50)에 설치된 모터구동회로로부터 3상(U,V,W) 코일(43)에 6-스텝(step) 방식으로 구동신호를 인가하도록 6개의 터미널핀(51)을 통하여 전달된다.

도 7a 및 도 7b는 각각 종래의 아우터 로터형 전동기에서 스테이터 코어의 외측 슈 부분에 "R" 처리가 이루어지지 않은 경우 얻어지는 구형파 형태의 Back EMF 파형과 본 발명에 따른 전동기에서 얻어지는 사인파 형태의 Back EMF 파형을 나타낸다.

종래의 아우터 로터형 전동기는 백요크(back yoke)의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 배열된 스테이터 코어를 사용한다. 백요크와 티스(Teeth) 부분에 대하여 박판의 전기강판(실리콘 강판)을 타발한 후 적층시킬 때, 코어 형상, 특히 로터의 자석과 대향하는 티스의 선단부(즉, 슈 부분)는 코어의 외측 슈(Shoe) 부분은 센터를 기준으로 동심원을 이루도록 설계가 되어 있다.

따라서, 종래의 아우터 로터형 전동기는 스테이터 코어의 외측 슈 부분에 "라운드(R)" 처리가 이루어지지 않고 있다. 그 결과, 종래의 아우터 로터형 전동기는 도 7a에 도시된 바와 같이 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형이 구형파(square wave) 형태로 얻어지게 되며, 이는 전동기 회전시 소음 및 진동을 야기한다.

본 발명에 따른 레이디얼 갭 타입의 전동기(100)는 아우터 로터형 모터일 때, 박판의 전기강판(실리콘 강판)을 타발한 후 적층하여 스테이터 코어(41)를 형성할 때, 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 티스(41b) 각각의 선단부(41c), 즉 슈 부분의 프로필이 “R”을 형성하도록 설계가 되어 있다.

본 발명에서는 이와 같이 스테이터 코어(41)의 티스(41b)의 선단부(41c), 슈 부분 형상에 “R”을 형성함에 따라 도 7b에 도시된 바와 같이 이상적인 사인 곡선(sine curve)(S2)에 근접한 백 EMF(Back Electromotive Force) 파형(S1)이 얻어지도록 할 수 있다(왜곡률: 0.5%). 그 결과, 전동기 회전에 따른 소음 및 진동 발생을 개선할 수 있고, 또한, 전동기에서 발생되는 철손(Core Loss)을 최소화할 수 있다.

본 발명에 따른 루프 팬(200)은 인쇄회로기판(PCB)(50)에 설치된 모터구동회로로부터 6개의 터미널핀(51)을 통하여 3상(U,V,W) 코일(43)에 구동신호를 인가하면, 3상(U,V,W) 코일(43)이 권선된 스테이터(40)로부터 회전 자계가 발생하여 로터(30)를 회전시키게 된다.

상기 로터(30)가 회전됨에 따라 로터(30)의 백요크(31)에 일체로 결합된 임펠러(20)도 회전하게 된다.

상기와 같이 임펠러(20)의 회전이 이루어지면, 하우징(10)의 3개의 브리지(10c-10e) 사이의 공간을 통하여 실내공기가 흡입된 후 임펠러(20)의 측면으로 방사되고 루프 팬 설치 모듈(도시되지 않음)에 구비된 덕트를 통하여 차량의 실내 상부 공간으로 배출된다.

즉, 임펠러(20)에 의해 발생된 바람을 직하방으로 배출하지 않고 측면으로 공급하여 차량의 실내 공기를 순환시킴에 따라 승객의 더위를 간접적으로 식혀주는 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 임펠러(20)의 동작시에 하나의 브리지(10e)와 커버(12)에 의해 형성된 공냉유로(10h)에 음압이 발생하여 공냉유로(10h)로 도입된 기류가 전동기지지부(10b)에 형성된 관통구멍(10i,10j)을 통하여 배출되고, 배출된 공냉바람은 인쇄회로기판(PCB)(50)에 실장된 발열 전자부품을 냉각시키게 된다. 이에 따라 전동기(100)의 오작동을 막고 효율 증대를 도모할 수 있다.

본 발명은 레이디얼 갭 타입 전동기에 관한 것으로, 차량의 천정에 설치되어 실내공기를 환기시키는 루프 팬 등에 적용될 수 있다.

10: 하우징 10a: 외곽프레임
10b: 전동기지지부 10c-10e: 브리지
10f: 돌기 10h: 공냉유로부
10g,10i,10j,10k,31d,50a,50b: 관통구멍
11: 러버 부쉬 12: 커버
12a: 중앙부 12b: 유로형성부
12c: 스냅결합부 13,14: 패드
20: 임펠러 21: 상판
22; 하판 23: 원통지지부
25: 날개 21a: 축지지부
30: 로터 31: 백요크
31a: 제1원통부 31b: 제2원통부
31c: 상판부 32: 자석
40: 스테이터 41: 스테이터 코어
41a: 요크 41b: 티스
41c: 선단부 42: 보빈
42a,42b: 돌기 43: 코일
50: PCB 51: 터미널핀
52: 컨넥터 60: 회전축
60a: 요홈 61: 베어링 부쉬
61a,61b: 단차부 62a,62b: 베어링
63: C-링 64: 스프링
65: 인서트 100: 전동기
200: 루프 팬

Claims (13)

1. 회전축;
   반전된 컵 형상으로 이루어지며 중앙부에 상기 회전축이 결합되는 백요크와 상기 백요크의 내측에 부착된 자석을 포함하는 로터;
   외주부가 상기 로터의 자석과 에어갭을 갖고 대향하며 상기 로터에 회전자기장을 인가하기 위한 스테이터;
   상기 스테이터의 중앙부를 관통하여 설치되며 상부와 하부에 단차부가 형성된 베어링 부쉬; 및
   상기 베어링 부쉬의 상부 및 하부 단차부에 설치되어 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 상부 및 하부 베어링;을 포함하며,
   상기 스테이터는 환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장된 스테이터 코어를 구비하고, 상기 복수의 티스는 각각의 선단부가 "라운드(R)" 처리된 루프 팬 구동용 전동기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 백요크는
   내측에 상기 자석이 부착되는 제1원통부;
   상기 제1원통부로부터 2단 절곡되어 연장된 제2원통부; 및
   상기 제2원통부의 상부로부터 1단 절곡되고 복수의 관통구멍을 갖는 상판부;를 포함하며,
   상기 제1 및 제2 원통부의 외주에 임펠러의 원통지지부가 결합되고,
   상기 회전축의 상부는 상기 상판부의 내외부에 형성되는 임펠러의 상판에 의해 로터와 일체로 결합되는 루프 팬 구동용 전동기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는
   환형 요크의 외주에 복수의 티스가 방사상으로 연장되어 있는 스테이터 코어;
   상기 스테이터 코어의 외주를 둘러싸며 내주부에 베어링 부쉬가 삽입되는 보빈; 및
   상기 스테이터 코어의 티스를 둘러싸는 보빈의 외주에 권선되는 코일;을 포함하며,
   상기 보빈과 베어링 부쉬 사이에 회전축의 수직도를 높이기 위한 원통형 인서트가 삽입되어 있는 루프 팬 구동용 전동기.
4. 제3항에 있어서,
   상기 보빈은
   각 티스의 선단부에 상측 및 하측으로 연장되어 코일이 권선되는 코일권선영역을 한정하는 상부 및 하부 돌기;를 더 포함하며,
   상기 하부 돌기는 인쇄회로기판(PCB)과 조립될 때, 미리설정된 간격을 유지하는 역할을 하는 루프 팬 구동용 전동기.
5. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는 복수의 티스에 권선되는 3상(U,V,W) 코일을 포함하고,
   상기 3상(U,V,W) 코일의 스타트 단자와 엔드 단자는 6개의 터미널핀을 통하여 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)에 전기적으로 연결되는 루프 팬 구동용 전동기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 3개의 터미널핀은 인쇄회로기판(PCB)의 도전패턴에 공통접속되어 중성점을 형성하는 루프 팬 구동용 전동기.
7. 임펠러;
   상기 임펠러를 회전 구동시키는 전동기;
   상기 전동기에 구동신호를 인가하는 모터구동회로;
   링 형상의 외곽프레임, 상기 외곽프레임의 내부에 위치하며 상기 전동기의 하부를 지지하는 전동기지지부 및 양단부가 상기 외곽프레임과 전동기지지부를 연결하는 복수의 브리지를 구비하며, 차량의 천정에 설치된 루프 팬 설치 모듈에 상기 브리지 각각의 선단부가 고정된 하우징; 및
   상기 복수의 브리지 중 하나의 브리지 및 전동기지지부와 결합하여 공냉유로부를 형성하는 커버;를 포함하며,
   상기 전동기는 제1항 내지 제6항 중 한 항에 따른 루프 팬 구동용 전동기인 차량용 루프 팬.
8. 제7항에 있어서,
   상기 전동기지지부는 공냉유로부의 배출구 역할을 하는 적어도 하나의 관통구멍을 포함하고,
   상기 관통구멍을 통하여 배출되는 공냉바람은 모터구동회로가 구현된 인쇄회로기판(PCB)에 실장된 발열 전자부품을 공냉시키는 차량용 루프 팬.
9. 제7항에 있어서,
   상기 하우징은
   상기 임펠러의 하단을 수용하는 환형 요홈을 갖는 링 형상의 외곽프레임;
   상기 전동기의 베어링 부쉬의 하부가 중앙의 관통구멍에 결합되어 상기 전동기를 지지하는 원형의 전동기지지부; 및
   상기 외곽프레임과 전동기지지부를 연결하기 위한 복수의 브리지;를 포함하며,
   상기 브리지 각각의 선단부는 상기 루프 팬 설치 모듈에 고정되는 차량용 루프 팬.
10. 제9항에 있어서,
    상기 하우징의 브리지와 전동기지지부는 커버와 결합되어 공냉유로부를 형성하며,
    상기 브리지의 선단부에 공냉유로부의 흡입구 역할을 하는 관통구멍이 형성되어 있고, 상기 전동기지지부는 공냉유로부의 배출구 역할을 하는 적어도 하나의 관통구멍을 포함하는 차량용 루프 팬.
11. 제7항에 있어서,
    상기 커버는
    내부에 공간을 형성하면서 전동기지지부를 둘러싸는 원형 중앙부; 및
    상기 중앙부로부터 연장되어 하우징의 하나의 브리지와 결합하여 공냉유로부를 형성하는 유로형성부;를 포함하며,
    상기 전동기에 의해 임펠러가 회전될 때, 인쇄회로기판(PCB) 주변의 공기가 임펠러로 공급되면서 부압이 발생하며, 상기 인쇄회로기판(PCB)과 대향하여 배치된 전동기지지부와 공냉유로부에도 부압이 발생하면서 공냉유로부를 통하는 공냉기류가 형성되는 차량용 루프 팬.
12. 제7항에 있어서,
    상기 임펠러는
    원형 상판;
    상기 원형 상판의 저면에 외주로부터 방사상으로 뻗어 있는 복수의 날개;
    상기 복수의 날개의 하부를 연결하여 지지하는 환형 하판;
    상기 원형 상판의 저면 내측에 원통형상으로 뻗어 있으며 하단부가 로터의 백요크의 측면을 둘러싸는 원통지지부; 및
    상기 로터의 회전축 상부와 백요크의 상판부를 둘러싸는 축지지부;를 포함하며,
    상기 축지지부의 형성시에 회전축 상부와 백요크의 상판부가 인서트 몰딩방식으로 일체로 형성되는 차량용 루프 팬.
13. 제7항에 있어서,
    상기 전동기의 베어링 부쉬는 모터구동회로가 실장된 인쇄회로기판(PCB)을 통과하여 상기 하우징의 전동기지지부에 지지되고,
    상기 전동기는 스테이터의 복수의 티스에 형성된 보빈의 하부 돌기가 인쇄회로기판(PCB)에 일정한 거리를 두고 지지되며,
    상기 스테이터의 코어에 권선되는 3상(U,V,W) 코일의 스타트 단자와 엔드 단자를 인쇄회로기판(PCB)의 모터구동회로에 전기적으로 연결하는 6개의 터미널핀을 통하여 상기 스테이터와 인쇄회로기판(PCB)은 물리적으로 고정결합되는 차량용 루프 팬.

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