KR20240032119A - 브러시리스 모터 - Google Patents

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KR20240032119A
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해리 몰리
토마스 스태퍼드
자펫 리 모라베
크리스토퍼 타운엔드
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다이슨 테크놀러지 리미티드
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Abstract

브러시리스 모터는 고정자 어셈블리 및 고정자 어셈블리가 수용되는 프레임을 갖는다. 고정자 어셈블리는, 고정자 코어, 고정자 코어에 부착된 보빈, 및 보빈에 권취된 권선을 각각 포함하는 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리를 포함한다. 각각의 보빈은 고정자 어셈블리 내 인접하는 보빈에 연결하기 위한 연결 부분을 가지며, 프레임은 고정자 어셈블리에 오버몰딩된다.

Description

브러시리스 모터
본 발명은 브러시리스 모터 및 브러시리스 모터를 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 브러시리스 모터와 같은 전기 기계를 다양한 방면으로 개선하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 크기, 무게, 출력 밀도(power density), 제조 비용, 효율, 신뢰성, 및 소음 측면에서 개선이 필요할 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따르면, 고정자 어셈블리 및 고정자 어셈블리가 수용되는 프레임을 포함하는 브러시리스(brushless) 모터가 제공되며, 고정자 어셈블리는, 고정자 코어, 고정자 코어에 부착된 보빈(bobbin), 및 보빈에 권취된 권선을 각각 포함하는 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리(sub-assembly)를 포함하고, 각각의 보빈은 고정자 어셈블리 내 인접하는 보빈에 연결하기 위한 연결 부분을 포함하며, 프레임은 고정자 어셈블리에 오버몰딩(overmoulded)된다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 브러시리스 모터는, 제조 시 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 동안 보빈의 연결 부분이 고정자 코어 하위 어셈블리들의 정렬을 도울 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩함에 따라, 예를 들어 고정자 코어 하위 어셈블리들이 프레임에 개별적으로 접착될 필요성을 없앨 수 있고, 이는 고정자 코어 하위 어셈블리들이 프레임에 개별적으로 접착되는 제조 공정에 비해 더 적은 수의 단계를 포함하는 제조 공정을 제공할 수 있다. 일부 예에서, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩함에 따라, 고정자 코어 하위 어셈블리가 프레임에 접착되는 실시예에 비해 고정자 코어 하위 어셈블리로부터 프레임으로 증가된 열 전달을 제공할 수 있다.
프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩함에 따라, 예를 들어 고정자 코어 하위 어셈블리가 프레임에 개별적으로 접착되는 브러시리스 모터에 비해 전체적으로 더 큰 강성(stiffness)을 갖는 브러시리스 모터를 제공할 수 있다. 또한, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 것은, 예를 들어 프레임이 개별 고정자 코어 하위 어셈블리가 장착되는 어퍼처(apertures)들을 갖는 배열에 비해, 대체로 밀봉된(sealed) 베어링 카트리지(bearing cartridge)를 갖는 브러시리스 모터의 제조를 용이하게 할 수 있다. 밀봉된 베어링 카트리지는, 사용 시 베어링들이 수용된 프레임의 영역으로 기류(airflow)가 유입되는 것을 억제하여 배출량(emissions)을 줄일 수 있다.
각각의 보빈은 제 1 연결 부분 및 제 2 연결 부분을 포함할 수 있으며, 제 1 연결 부분은 보빈의 제 1 측에 위치하고, 제 2 연결 부분은 그 반대편인 보빈의 제 2 측에 위치한다. 따라서, 보빈은 제조 중에 고정자 어셈블리 내 인접한 보빈들에 연결될 수 있다. 연결 부분(들)은 대응하는 돌기부(projections) 및 오목부(recesses)를 포함할 수 있다. 연결 부분들은, 연결 시에 인접한 보빈들의 반경방향 및/또는 원주방향 분리를 방지하도록 성형될 수 있다. 연결 부분들은, 연결 시에 인접한 보빈들 간의 상대적인 축방향 이동은 허용하도록 성형될 수 있다. 이는, 필요한 경우, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 동안 지그(jig) 상의 보빈들의 상대적인 축방향 위치설정이 조정되도록 할 수 있다.
각각의 보빈은 각자의 고정자 코어에 오버몰딩될 수 있다. 보빈들을 각자의 고정자 코어에 오버몰딩함에 따라, 보빈이 별도의 부품으로서 형성된 후 고정자 코어에 연결되는 배열에 비해, 더 작은 벽면 두께를 가진 보빈을 얻을 수 있고, 이는 고정자 코어들을 권취할 때 증가한 가용 공간으로 인해 보다 높은 권선 충전율(fill factor)을 얻도록 한다.
보빈들은 제 1 재료를 포함할 수 있으며, 프레임은 제 1 재료와는 상이한 제 2 재료를 포함할 수 있다. 이는, 보빈 및 프레임에 요구되는 기능에 적합한 재료들이 선택될 수 있도록 한다. 프레임은 열가소성 재료를 포함할 수 있다. 프레임은 적어도 1.5W/mK의 열 전도율[예를 들어 면 관통(through-plane) 열 전도율]을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 프레임은 적어도 10 내지 45GPa, 예를 들어 약 25GPa의 영률(Young's modulus)을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 각각의 보빈은 각각의 제 1 오버몰딩 공정에서 각자의 고정자 코어에 오버몰딩될 수 있으며, 프레임은 제 1 오버몰딩 공정과는 상이한 제 2 오버몰딩 공정에서 고정자 어셈블리에 오버몰딩될 수 있다. 이는, 개별 고정자 하위 어셈블리들을 먼저 생성한 후 후속적으로 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩할 수 있도록 한다.
보빈은, 권선에 의해 권취된 영역에서 0.6mm 미만의 벽면 두께, 예를 들어 약 0.4mm의 벽면 두께를 포함할 수 있다. 보빈은, 보빈을 권취하는 동안 권선을 가이딩하기 위한 가이드부를 포함할 수 있다.
고정자 어셈블리는, 권선이 부착되는 제 1 단말부 및 제 2 단말부, 그리고 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 오버몰딩되는 슬리브를 포함할 수 있다. 슬리브를 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 오버몰딩함에 따라 권선을 단말부에 부착(예: 융착)하는 동안 단말부를 지지할 수 있고, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 동안 제 1 단말부 및 제 2 단말부를 지지할 수 있으며, 이에 따라 동일한 어셈블리 라인에서 제조된 브러시리스 모터 간에 보다 일관된 벽면 두께를 얻을 수 있다. 권선 및 제 1 단말부와 제 2 단말부를 포함하는 고정자 어셈블리에 프레임을 오버몰딩함에 따라, 제조된 브러시리스 모터의 권선 및 융착된 조인트부(joints)를 지지할 수 있어, 충돌/쇼크 및/또는 피로(fatigue) 및/또는 진동으로 인한 사용 중 고장을 줄일 수 있다. 권선 및 제 1 단말부와 제 2 단말부를 포함하는 고정자 어셈블리에 프레임을 오버몰딩함에 따라, 연면거리(creepage) 및 클리어런스(clearance)를 위해 어셈블리가 제 1 단말부 및 제 2 단말부 사이에서 절연될 것을 보장할 수 있다.
제 1 단말부 및 제 2 단말부는 브러시리스 모터의 권선에 대한 입력 및 출력 전기 연결부를 포함할 수 있다.
제 1 단말부 및 제 2 단말부는 슬리브 내 어퍼처들을 통해 노출될 수 있으며, 권선은 어퍼처들을 통해 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 부착될 수 있다. 이에 따라, 슬리브가 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 오버몰딩되면 권선이 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 연결될 수 있다. 슬리브는, 제 1 및 제 2 오버몰딩 공정과는 상이한 제 3 오버몰딩 공정에서 단말부들에 오버몰딩될 수 있다. 슬리브 및 프레임은 동일한 재료를 포함할 수 있다.
슬리브는, 보빈으로부터 어퍼처로 권선을 가이딩하기 위한 복수의 권선 가이드부를 포함할 수 있다. 이는 권선의 올바른 위치 설정을 보장할 수 있다.
슬리브는, 슬리브를 보빈에 대하여 위치 설정하기 위한 위치 설정 특징부를 포함할 수 있다. 위치 설정 특징부는, 제 1 단말부 및 제 2 단말부를 보빈으로부터 이격시키기 위한 돌기부를 포함할 수 있다. 슬리브는 복수의 위치 설정 특징부를 포함할 수 있으며, 각각의 위치 설정 특징부는 제 1 단말부 및 제 2 단말부를 보빈으로부터 이격시키기 위한 돌기부를 포함할 수 있다.
브러시리스 모터는 회전자 어셈블리를 포함할 수 있으며, 회전자 어셈블리는, 샤프트, 샤프트에 부착된 회전자 코어, 샤프트의 제 1 단부에 부착된 제 1 베어링, 및 샤프트의 제 1 단부의 반대편에 있는 샤프트의 제 2 단부에 부착된 제 2 베어링을 포함할 수 있다. 프레임은, 제 1 베어링 및 제 2 베어링 각각에 대한 제 1 베어링 시트 및 제 2 베어링 시트, 및 회전자 코어가 위치하는 채널을 획정(define)할 수 있다. 이러한 방식으로, 프레임은 회전자 어셈블리가 위치되고 유지되는 지지 구조체를 획정할 수 있다.
회전자 어셈블리는, 회전자 어셈블리의 회전 시에 기류를 생성하기 위한 임펠러를 포함할 수 있고, 프레임은 임펠러용 슈라우드(shroud)를 획정할 수 있다. 오버몰딩된 프레임을 사용하여 슈라우드를 획정함에 따라, 프레임과 슈라우드가 별도의 구성요소를 이루는 배열에 비해 구성요소 개수를 줄일 수 있다.
프레임은, 고정자 코어의 일부가 프레임을 통해 노출되도록 고정자 어셈블리에 오버몰딩될 수 있다. 이는 향상된 자기 및/또는 열적 특성을 제공할 수 있다.
프레임은, 고정자 코어들의 극면(pole faces)이 노출되도록 고정자 어셈블리에 오버몰딩될 수 있으며, 예를 들어, 회전자 어셈블리가 위치하는 채널의 경계 벽면의 일부를 획정하도록 할 수 있다. 이는, 예를 들어, 극면이 오버몰딩되는 배열에 비해 유효 에어갭(effective airgap)을 감소시킬 수 있으며, 극면과 영구 자석 사이에 개선된 쇄교자속(flux linkage)를 제공할 수 있다.
프레임은 돌출부(protrusions)들을 갖는 본체를 포함할 수 있으며, 각각의 돌출부는 각자의 고정자 코어 위로 오버라잉되고, 각각의 돌출부는, 고정자 어셈블리의 인접한 고정자 코어들 사이의 본체 영역에 비해 반경이 증가된 영역을 포함한다. 이는, 예를 들어 프레임이 고정자 코어들 위로 오버라잉되면서 일정한 반경을 갖는 배열에 비해, 인접한 고정자 코어들 사이의 영역에서 고정자 어셈블리를 덮는 재료의 두께 부피를 줄일 수 있다. 본체는 대체로 원통형의 형태일 수 있으며, 돌출부들은 본체로부터 바깥쪽으로 연장된다.
각각의 고정자 코어는 백부(back), 백부로부터 연장되는 제 1 아암 및 제 2 아암을 갖는다. 프레임은, 각각의 고정자 코어의 제 1 아암 및 제 2 아암 및 백부의 일부가 프레임을 통해 노출되도록 고정자 어셈블리에 오버몰딩될 수 있다. 이러한 방식으로, 각각의 고정자 코어의 제 1 아암 및 제 2 아암 및 백부의 일부가 사용 중인 브러시리스 모터를 통과하는 기류에 노출될 수 있고, 이는 고정자 코어에 대한 냉각 효과를 제공할 수 있다. 일부 예에서, 각각의 고정자 코어의 적어도 10%가 프레임을 통해 노출된다. 일부 예에서, 각각의 고정자 코어는 프레임을 통해 30%를 초과하여 노출되지 않는다.
각각의 고정자 코어는 대체로 C자형(C-shaped) 형태일 수 있고, 각각의 C자형 고정자 코어의 숄더부(shoulder), 예컨대 백부로부터 제 1 아암 및 제 2 아암으로의 전이 영역(regions of transition)이 프레임을 통해 노출될 수 있다. 각각 따로 권취된 개별 C자형 고정자 코어들을 사용함에 따라 비교적 높은 권선 충전율(fill factor)을 얻을 수 있다.
프레임은, 사용 중인 브러시리스 모터를 통과하는 기류에 와류(vortices)를 생성하기 위한 복수의 터뷸레이터(turbulator), 예를 들어 복수의 돌기부(projections)를 포함할 수 있다. 이러한 와류의 생성에 따라, 사용 중인 고정자 코어로부터의 열 전달을 향상시킬 수 있다.
터뷸레이터는, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 공정 중에 형성될 수 있다. 동일한 오버몰딩 공정의 일부로서 프레임과 터뷸레이터를 일체로 형성하는 것은, 예를 들어 터뷸레이터가 프레임에 접착되는 배열에 비해, 사용 중 프레임으로부터 터뷸레이터가 분리되는 위험을 줄일 수 있다. 동일한 오버몰딩 공정의 일부로서 프레임과 터뷸레이터를 일체로 형성하는 것은, 브러시리스 모터의 제조 단계 수를 줄일 수 있다.
프레임은 고정자 코어의 백부 위로 오버라잉(overlie)되는 복수의 터뷸레이터를 포함할 수 있는데, 이는 예를 들어 고정자 코어의 백부 상에 배치된 권선 위로 오버라잉될 수 있다. 이에 따라 고정자 코어의 백부 영역에서 와류가 생성될 수 있으며, 이는 사용 중에 고정자 코어의 백부로부터의 열 전달(예를 들어, 고정자 코어의 백부에 배치된 권선으로부터의 열 전달)에 도움이 될 수 있다.
복수의 터뷸레이터는, 브러시리스 모터의 중심 세로축(longitudinal axis)에 실질적으로 평행한 축에 대하여 빗각(obliquely angled)을 이룰 수 있다. 이는, 사용 중인 브러시리스 모터를 통과하는 대체로 층류인(laminar) 기류와 생성된 와류 사이의 절충안을 제공할 수 있다. 브러시리스 모터의 중심 세로축은, 브러시리스 모터의 유입구 단부(inlet end)로부터 브러시리스 모터의 유출구 단부(outlet end)까지 연장될 수 있으며, 예를 들어 회전자 어셈블리의 샤프트를 관통하는 중심에 위치할 수 있다.
복수의 터뷸레이터는 축에 대하여 45에서 75도 사이의 각도를 이룰 수 있는데, 예를 들어 축에 대하여 약 60도 각도를 이룰 수 있다. 이는 고정자 코어의 백부로부터의 적절한 열 전달을 위한 와류를 생성하는 데 특히 효과적일 수 있다. 각도는, 각각의 터뷸레이터의 트레일링 단부(trailing end)(예를 들어, 각각의 터뷸레이터에 대하여, 임펠러를 향하는 방향으로 가장 멀리에 있는 단부)와 축 사이에서 측정될 수 있다. 각각의 터뷸레이터의 트레일링 단부는, 터뷸레이터의 리딩 단부(leading end)에 비해 축에 더 가까울 수 있다.
각각의 터뷸레이터의 피치 대 높이(pitch to height) 비율은 약 8:1 내지 12:1일 수 있으며, 예를 들어 약 10:1일 수 있다. 이는 고정자 코어의 백부로부터의 적절한 열 전달을 위한 와류를 생성하는 데 특히 효과적일 수 있다. 각각의 터뷸레이터의 높이는 약 0.3 내지 0.9mm일 수 있으며, 예를 들어 약 0.6mm일 수 있다. 이에 따라 사용 중인 브러시리스 모터를 통과하는 기류가 중대하게 막히게 하지 않으면서도 냉각 효과를 제공할 수 있다.
복수의 터뷸레이터는 복수의 터뷸레이터 쌍을 포함할 수 있으며, 각각의 터뷸레이터 쌍은 대체로 V자형인 형태로 배열될 수 있다. 이는 고정자 코어의 백부로부터의 적절한 열 전달을 위한 와류를 생성하는 데 특히 효과적일 수 있다. 한 쌍의 터뷸레이터 중 제 1 터뷸레이터는 코어 백부의 제 1 측에 배치되고, 한 쌍의 터뷸레이터 중 제 2 터뷸레이터는 코어 백부의 제 2 측에 배치될 수 있다.
프레임은 복수의 스트럿(strut)을 포함할 수 있으며, 각각의 스트럿은, 코어 백부 위로 오버라잉된 각자의 프레임 영역으로부터 슈라우드까지 연장된다. 복수의 스트럿은, 사용 중인 고정자 코어 및/또는 권선에 대한 증가된 냉각 효과를 제공할 수 있는 열 싱크(heat sink) 역할을 할 수 있다. 복수의 스트럿은 각자의 권선 상에 각각 오버라잉될 수 있다. 각각의 스트럿의 리딩 단부는, 스트럿이 오버라잉된 권선의 리딩 에지(leading edge)와 실질적으로 정렬될 수 있다. 이는 스트럿에 의해 제공되는 열 싱크가 열원, 즉 권선과 실질적으로 동일한 위치에 배치되는 것을 보장할 수 있다. 각각의 스트럿의 리딩 단부는 공기역학적으로 성형된 표면을 포함할 수 있다. 각각의 스트럿은, 한 쌍의 터뷸레이터의 제 1 터뷸레이터와 제 2 터뷸레이터 사이에 위치할 수 있다.
일부 예에서 각각의 터뷸레이터는 대체로 V자형인 터뷸레이터를 포함할 수 있다. 프레임은, 스트럿의 양측에 배치된 대체로 V자형인 터뷸레이터를 복수 개 포함할 수 있다.
프레임은, 사용 중에 회전자 어셈블리 내로, 예를 들어 채널 내로 기류를 주입하기 위한 복수의 어퍼처(aperture)를 포함할 수 있다. 이는, 사용 중에 채널을 통해 회전자 어셈블리로(예를 들어 회전자 어셈블리의 영구 자석으로) 냉각 기류를 제공할 수 있다. 복수의 어퍼처는 각각의 유입구 및 유출구 어퍼처 쌍들을 포함할 수 있으며, 유입구 어퍼처들은 프레임의 유입구 단부에 위치하고, 유출구 어퍼처들은 프레임의 유출구 단부에 위치한다. 유입구 어퍼처들은 제 1 베어링의 하류(downstream)에 위치할 수 있고, 유출구 어퍼처들은 제 2 베어링의 상류(upstream)에 위치할 수 있다.
본 발명의 제 2 양태에 따르면, 본 발명의 제 1 양태에 따른 브러시리스 모터를 포함하는 진공청소기가 제공된다.
본 발명의 제 3 양태에 따르면, 브러시리스 모터의 제조 방법이 제공되며, 방법은: 고정자 코어, 고정자 코어에 부착된 보빈, 및 보빈에 권취된 권선을 각각 포함하는 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리를 얻는 단계 - 각각의 보빈은 고정자 어셈블리 내 인접하는 보빈에 연결하기 위한 연결 부분을 포함함 - ; 보빈의 연결 부분을 통해 인접한 고정자 코어 하위 어셈블리들을 연결하여 고정자 어셈블리를 형성하는 단계; 및 고정자 어셈블리를 오버몰딩하여 고정자 어셈블리가 수용되는 프레임을 획정하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제 3 양태에 따른 방법은, 제조 시 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 동안 보빈의 연결 부분이 고정자 코어 하위 어셈블리들의 정렬을 도울 수 있다는 점에서 유리할 수 있다.
프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩함에 따라, 예를 들어 고정자 코어 하위 어셈블리들이 프레임에 개별적으로 접착될 필요성을 없앨 수 있고, 이는 고정자 코어 하위 어셈블리들이 프레임에 개별적으로 접착되는 제조 공정에 비해 더 적은 수의 단계를 포함하는 제조 공정을 제공할 수 있다. 일부 예에서, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩함에 따라, 고정자 코어 하위 어셈블리가 프레임에 접착되는 실시예에 비해 고정자 코어 하위 어셈블리로부터 프레임으로 증가된 열 전달을 제공할 수 있다.
프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩함에 따라, 예를 들어 고정자 코어 하위 어셈블리가 프레임에 개별적으로 접착되는 브러시리스 모터에 비해 전체적으로 더 큰 강성을 갖는 브러시리스 모터를 제공할 수 있다. 또한, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 것은, 예를 들어 프레임이 개별 고정자 코어 하위 어셈블리가 장착되는 어퍼처들을 갖는 배열에 비해, 대체로 밀봉된 베어링 카트리지를 갖는 브러시리스 모터의 제조를 용이하게 할 수 있다. 밀봉된 베어링 카트리지는, 사용 시 베어링들이 수용된 프레임의 영역으로 기류가 유입되는 것을 억제하여 배출량을 줄일 수 있다.
방법은, 회전자 어셈블리를 프레임에 의해 획정되는 채널 내로 삽입함에 따라 회전자 어셈블리가 고정자 어셈블리에 대해 회전 가능하도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
각각의 보빈은 각각의 제 1 오버몰딩 공정에서 각자의 고정자 코어에 오버몰딩될 수 있으며, 프레임은 제 1 오버몰딩 공정과는 상이한 제 2 오버몰딩 공정에서 고정자 어셈블리에 오버몰딩될 수 있다. 이는, 개별 고정자 하위 어셈블리들을 먼저 생성한 후 후속적으로 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩할 수 있도록 한다.
방법은, 슬리브를 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 오버몰딩하는 단계 및 권선을 단말부들에 부착하여 고정자 어셈블리를 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 슬리브를 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 오버몰딩함에 따라 권선을 단말부에 부착(예: 융착)하는 동안 단말부를 지지할 수 있고, 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 동안 제 1 단말부 및 제 2 단말부를 지지할 수 있으며, 이에 따라 동일한 어셈블리 라인에서 제조된 브러시리스 모터 간에 보다 일관된 벽면 두께를 얻을 수 있다. 권선 및 제 1 단말부와 제 2 단말부를 포함하는 고정자 어셈블리에 프레임을 오버몰딩함에 따라, 제조된 브러시리스 모터의 권선 및 융착된 조인트부를 지지할 수 있어, 피로 및/또는 진동으로 인한 사용 중 고장을 줄일 수 있다. 권선 및 제 1 단말부와 제 2 단말부를 포함하는 고정자 어셈블리에 프레임을 오버몰딩함에 따라, 연면거리 및 클리어런스를 위해 어셈블리가 제 1 단말부 및 제 2 단말부 사이에서 절연될 것을 보장할 수 있다.
슬리브는 프레임과 동일한 재료를 포함할 수 있으며, 슬리브 및 프레임은 개별적인 오버몰딩 공정에서 형성될 수 있다. 이에 따라 프레임을 고정자 어셈블리에 오버몰딩하기 전에 고정자 어셈블리를 생성할 수 있으며, 이는 제조 중 고정자 코어 하위 어셈블리들의 정렬에 대한 제어를 보장할 수 있다.
본 발명의 양태들의 선택적인 특징들은, 적절한 경우, 본 발명의 다른 양태들에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 1은, 브러시리스 영구 자석 모터의 사시도이다.
도 2는, 도 1의 브러시리스 영구 자석 모터의 고정자 어셈블리의 사시도이다.
도 3은, 도 2의 고정자 어셈블리의 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리의 사시도이다.
도 4는, 도 2의 고정자 어셈블리의 종단(termination) 어셈블리의 사시도이다.
도 5는, 도 2의 고정자 어셈블리의 하나의 고정자 코어 하위 어셈블리의 사시도이다.
도 6은, 도 5의 고정자 코어 하위 어셈블리를 관통하는 단면도이다.
도 7은, 도 1의 브러시리스 영구 자석 모터의 회전자 어셈블리의 사시도이다.
도 8은, 도 1의 브러시리스 영구 자석 모터를 관통하는 단면도이다.
도 9는, 회전자 어셈블리 및 디퓨저(diffuser)가 제거된 도 1의 브러시리스 영구 자석 모터를 관통하는 단면도이다.
도 10은, 도 1의 브러시리스 영구 자석 모터의 단부 캡(cap)의 사시도이다.
도 11은, 도 1의 브러시리스 영구 자석 모터의 유입구 단부의 확대된 단면도이다.
도 12는, 브러시리스 영구 자석 모터를 제조하는 제 1 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 13은, 브러시리스 영구 자석 모터를 제조하는 제 2 방법을 예시하는 흐름도이다.
도 14는, 도 1의 브러시리스 영구 자석 모터가 통합된 진공 청소기의 개략적인 사시도이다.
본 발명에 따른 브러시리스 영구 자석 모터(일반적으로 도면부호 1로 지정됨)가 도 1에 도시되며, 브러시리스 영구 자석 모터의 구성요소들은 도 2 내지 도 7에 도시된다. 본 명세서에서는 브러시리스 영구 자석 모터와 관련하여 설명되어 있으나, 당업자라면 본 명세서에 개시된 교시내용 중 적어도 일부가 다른 유형의 브러시리스 모터에도 적용될 수 있다는 점을 이해할 것이다.
브러시리스 영구 자석 모터는 고정자 어셈블리(10), 회전자 어셈블리(12), 및 프레임(14)을 포함한다.
고정자 어셈블리(10)는 도 2에 별도로 도시되며, 4개의 고정자 코어 하위 어셈블리(16) 및 종단 어셈블리(18)를 포함한다. 4개의 고정자 코어 하위 어셈블리는 도 3에 연결된 상태로 도시되어 있으며, 종단 어셈블리(18)는 도 4에 별도로 도시된다. 하나의 개별 고정자 코어 하위 어셈블리(16)가 도 5 및 도 6에 도시되며, 각각의 고정자 코어 하위 어셈블리(16)는 실질적으로 동일한 구조를 갖는다는 점이 이해될 것이다.
고정자 코어 하위 어셈블리(16)는 고정자 코어(20), 보빈(22), 및 보빈(22)에 권취된 권선(24)을 포함한다. 고정자 코어(20)는 백부(26), 백부(26)로부터 연장되는 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)을 갖는다. 고정자 코어(20)는 대체로 C자형의 형태를 가지며, C-코어라고도 지칭할 수 있다. 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)은 각각의 제 1 부분(32, 34) 및 각각의 제 2 부분(36, 38)을 포함한다. 각각의 제 1 부분(32, 34)은 백부(26)로부터 실질적으로 직각으로 연장되고, 각각의 제 2 부분(36, 38)은 각각의 제 1 부분(32, 34)에 대하여 약 28도의 각도를 이룬다. 각각의 제 2 부분(36, 38)은 각각의 제 1 부분(32, 34) 길이의 약 2배이다.
제 2 부분(36, 38)은 서로를 향해 내측으로 기울어져 있으며, 백부(26) 및 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)은 권선(24)이 내부에 위치하는 권선 채널(40)을 집합적으로 획정한다. 백부(26) 및 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)의 상대적 배향(orientations)을 고려할 때, 권선 채널(40)은 도 6에 도시된 바와 같이 대체로 사다리꼴의 단면 영역을 갖는다. 대체로 사다리꼴형인 권선 채널(40)을 제공함에 따라 권선(24)의 비교적 높은 충전율을 달성하는 권취 패턴을 얻을 수 있으며, 한편 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)의 제 2 부분(36, 38)을 서로를 향해 내측으로 기울임에 따라 고정자 코어(20)의 높이를 줄일 수 있는 것으로 밝혀졌다.
고정자 코어(20)는, 각각의 제 2 부분(36, 38)의 단부에 배치된 극면(42, 44)을 포함하고, 극면(42, 44)은 각각의 제 2 부분(36, 38)의 양측으로 연장된다. 극면(42, 44)은 서로 이격되어 슬롯 간극(46)을 획정하며, 슬롯 간극(46)은 권선 채널(40)로의 진입 지점을 획정한다. 극면(42, 44)은 돌극성(saliency)을 제공하기 위해 비대칭형이고, 각각의 극면(42, 44)이 상이한 곡률 중심을 갖는 만곡형(curved)이다. 극면(42, 44)의 비대칭성으로 인해, 각각의 극면(42, 44)으로부터 슬롯 간극(46)의 중심선 B까지의 거리는 서로 다르다. 각각의 극면(42, 44)은 다른 극면(44, 42)에 대하여 비대칭이지만, 각각의 개별 극면(42, 44) 또한 해당 극면의 중심선을 기준으로 비대칭형이다.
사용 중에 고정자 코어(20)와 회전자 어셈블리(12) 사이의 쇄교자속을 최대화하기 위해, 극면(42, 44)은 가능한 한 폭이 넓은 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 극면(42,44)의 폭을 내측 방향으로 증가시키는 것은 슬롯 간극(46)의 폭을 감소시켜 고정자 코어(20)의 권취를 어렵게 할 수 있다. 극면(42, 44)의 폭을 외측 방향으로 증가시키는 것은 고정자 어셈블리(10) 내 인접한 고정자 코어(20)들 사이에 자속 누설(flux leakage)을 증가시킬 수 있다. 이러한 대립되는 요인들 사이의 절충안을 제공하기 위해, 슬롯 간극(46)의 폭에 대한 극면(42, 44)들의 폭의 합계의 비율은 약 3:1 내지 7:1이다.
고정자 코어(20)는 각각이 전술된 형태를 갖는 복수의 적층체(laminations)로 형성된다. 돌출부(48)가 각각의 제 2 부분(36, 38)의 외부 표면에 위치하며, 돌출부(48)들은 고정자 코어(20)를 형성하기 위해 적층체들을 함께 용접하는 데 사용된다. 다른 예에서, 적층체들은 용접되는 대신 서로 접착된다. 돌출부(48) 들은 사용 중인 고정자 어셈블리(10)의 주 자속 루프(main flux loop) 밖에 위치될 수 있으며, 이는 고정자 철손(iron loss)을 최소화할 수 있다. 돌출부(48) 들은 각각의 해당 제 2 부분(36, 38)을 따라 동일한 거리에 위치될 수 있으며, 이는 두 지점 사이의 유도 전압 전위를 최소화하여 손실을 최소화할 수 있다. 백부(26)는 슬롯 간극의 중심선(B)을 기준으로 비대칭형이며, 이는 제조 중 고정자 코어(20)가 올바르게 배향되도록 한다.
보빈(22)은, 보빈(22)이 백부(26)의 내부 및 외부 표면, 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)의 제 1 부분(32, 34)의 내부 표면, 그리고 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)의 제 2 부분(36, 38)의 내부 및 외부 표면 위로 오버라잉되도록 고정자 코어(20)에 오버몰딩된다. 따라서 보빈(22)은 권선 채널(40)을 라이닝(line)하고, 권선(24)이 고정자 코어(20)의 백부(26) 주위로 권취되도록 한다. 보빈(22)을 고정자 코어(20)에 오버몰딩함에 따라 보빈이 권선 채널(40) 내에서 약 0.4mm의 벽면 두께를 가질 수 있으며, 이는 권선(24)으로 채워질 수 있는 가용 단면적을 최대화할 수 있다.
아래에서 논의되는 이유에 따라, 보빈(22)은, 고정자 코어(20)의 숄더부[즉, 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30)의 제 1 부분(32, 34)과 백부(26)를 연결하는 고정자 코어 부분] 가 노출되고 극면(42, 44)이 노출되도록 고정자 코어(20)에 오버몰딩된다.
제 1 아암(28)의 제 2 부분(36)의 외부 표면 상의 보빈(22)의 영역은 제 1 연결 부분(50)을 획정하고, 제 2 아암(30)의 제 2 부분(38)의 외부 표면 상의 보빈(22)의 영역은 제 2 연결 부분(52)을 획정한다. 제 1 연결 부분(50)은 보빈(22)의 길이를 따라 부분적으로 연장되는 둥근 돌기부를 포함하고, 제 2 연결 부분(52)은 보빈(22)의 길이를 따라 부분적으로 연장되는 둥근 오목부(recess)를 포함한다. 제 1 연결 부분(50) 및 제 2 연결 부분(52)은 상보적인 형상을 가지며, 이에 따라 고정자 어셈블리(10) 내 인접한 보빈(22)들이 해당 연결 부분(50, 52)을 함께 축방향으로 슬라이딩함으로써 서로 연결될 수 있도록 한다. 연결 부분(50, 52)은 연결된 보빈(22)들의 상대적인 축방향 이동은 허용하는 한편 보빈(22)들의 원주방향 및 반경방향 분리를 방지한다. 연결 부분(50, 52)은, 후술되는 바와 같이, 개별 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들이 제조 중에 함께 연결될 수 있도록 한다.
도 6의 단면도에 도시된 바와 같이, 보빈(22)은 백부(26)의 외부 표면 영역에 위치한 권선 가이드부(56)를 포함한다. 권선 가이드부(56)는, 고정자 코어(20)의 권취 중에 권선(24)을 가이딩하는 역할을 한다.
도 6의 단면도에 도시된 바와 같이, 권선(24)은 권취되었을 때 권선 채널(40) 내에서 대체로 사다리꼴 형태를 갖는다. 이는 비교적 높은 충전율을 제공할 수 있다. 권선(24)은 백부(26)에 대하여 비대칭인데, 백부(26)의 외부 표면 위로 오버라잉되는 권선(24) 부분은 권선 채널(40) 내에 위치한 권선(24) 부분과 상이한 단면 형상을 획정한다. 이는 권선 채널(24) 내에서 비교적 높은 충전율을 얻을 수 있도록 하면서도 종단 어셈블리(18)의 단말부(terminals)로의 연결을 위한 유연성을 여전히 제공할 수 있다.
종단 어셈블리(18)는 상부의 제 1 단말부(58), 하부의 제 2 단말부(60), 및 슬리브(62)를 포함한다. 제 1 단말부(58) 및 제 2 단말부(60) 각각은 대체로 환형(annular)의 형태이며, 제 1 단말부(58)는 제 2 단말부(60) 위로 오버라잉된다. 슬리브(62)는, 제 1 단말부(58) 및 제 2 단말부(60)의 상대적 위치가 유지되도록 제 1 단말부(58) 및 제 2 단말부(60)에 오버몰딩된다. 슬리브(62)는, 고정자 코어 하위 어셈블리(16)의 권선(24)이 제 1 단말부(58) 및 제 2 단말부(60)에 연결될 수 있도록 하는 복수의 어퍼처(64)를 포함한다. 슬리브(62)는, 제조 중에 보빈(22)을 기준으로 슬리브(62)를 위치 설정하기 위한 복수의 위치 설정 특징부(66), 및 위치 설정 특징부(66) 상에 형성된 와이어 가이드부(68)를 더 포함한다. 위치 설정 특징부(66)는 각각 대응하는 어퍼처(64)에 인접하여 위치한다.
회전자 어셈블리(12)는 도 7에 별도로 도시되어 있다. 회전자 어셈블리(12)는 샤프트(70), 영구 자석(72), 제 1 베어링(74) 및 제 2 베어링(76), 제 1 밸런싱 링(first balancing ring : 78), 제 2 밸런싱 링(80), 및 제 3 밸런싱 링(82), 그리고 임펠러(84)를 포함한다.
샤프트(70)는 유입구 단부(86) 및 유출구 단부(88)를 갖는 세장형(elongate)의 형태이며, 유입구 및 유출구는 사용 중인 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통과하는 기류의 방향을 일반적으로 지칭한다. 영구 자석(72)은 샤프트(70)를 따라 대체로 중심에 장착된다. 제 1 밸런싱 링(78)은 유입구 단부(86)에서 샤프트(70)에 장착되며, 제 1 베어링(74)은 제 1 밸런싱 링(78)에 인접하여 샤프트(70)에 장착된다. 제 2 밸런싱 링(80)은 제 1 베어링(74)과 영구 자석(72) 사이에서 샤프트(70)에 장착된다.
임펠러(84)는 샤프트(70)의 유출구 단부(88)에 장착된다. 제 2 베어링(76)은 임펠러(84)에 인접하여 샤프트(70)에 장착되며, 제 3 밸런싱 링(82)은 제 2 베어링(76)과 영구 자석(72) 사이에서 샤프트(70)에 장착된다. 제 2 베어링(76)은 접착제를 수용하기 위한 환형 홈(77)들을 포함한다.
회전자 어셈블리(12)는, 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 제 1 베어링(74)에 예압(pre-load)을 가하기 위한 예압 스프링(90), 예압 스프링(90) 및 제 1 베어링(74)의 외부 레이스(outer race)와 접촉하는 환형 와셔(washer : 91), 및 제 1 베어링(74) 주위에 위치한 O-링(o-ring : 92)을 더 포함한다.
프레임(14)은 도 1, 8, 및 9에 도시되어 있으며, 본체(94), 슈라우드(96), 및 본체(94)와 슈라우드(96) 사이에서 연장되는 복수의 스트럿(98)을 포함한다. 본체(94)는 대체로 원통형의 형태이며, 제 1 베어링(74) 및 제 2 베어링(76) 각각에 대한 제 1 베어링 시트(100) 및 제 2 베어링 시트(102)를 획정하고, 내부에 회전자 어셈블리(12)가 수용되는 채널(104)을 획정한다. 슈라우드(96)는 본체(94)로부터 반경방향으로 이격되고, 임펠러(84) 위로 오버라잉되는 중앙 어퍼처를 가짐에 따라 사용 중 기류가 임펠러(84)와 상호작용할 수 있다.
프레임(14)을 제조하기 위해, 프레임(14)은 오버몰딩 공정을 통해 고정자 어셈블리(10)에 오버몰딩된다. 권취된 고정자 코어 하위 어셈블리(16)의 형태를 고려할 때, 프레임(14)의 오버몰딩으로 인해, 프레임(14)의 본체(94)는 고정자 코어(20)의 백부(26)에 위치하는 권선(24) 위로 오버라잉되는 돌출부(110)를 갖게 된다. 돌출부(110)들은 고정자 코어(20)의 숄더부가 프레임(14)에 의해 덮이지 않도록 형성된다. 이는 고정자 코어(20)의 숄더부가 사용 중인 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통과하는 기류에 노출될 수 있도록 하고, 이에 따라 고정자 코어(20)에 대한 냉각 효과를 제공할 수 있다. 프레임(14)은 또한 고정자 코어(20)의 극면(42, 44)이 채널 내부로 노출되도록 오버몰딩된다. 집합적으로, 각각의 고정자 코어의 적어도 10%가(다만 30%를 초과하지 않음) 프레임(14)에 의해 덮이지 않는다.
돌출부(110)는, 인접한 고정자 코어 하위 어셈블리들 사이에 있는 본체(94)의 영역에 비해 반경이 증가된 영역을 획정한다. 이는, 일정한 반경을 갖는 프레임에 비해 프레임(14)에 필요한 재료의 부피를 줄이고, 불필요한 프레임 재료를 제거함에 따라 개선된 열 전달 효과를 제공할 수 있다.
사용 중 회전자 어셈블리(12) 및 고정자 어셈블리(10)로부터의 열 전달을 돕기 위해, 프레임(14)은 적어도 1.5W/mK의 면 관통 열 전도율을 갖는 재료로 형성된다. 브러시리스 영구 자석 모터(1)에 내구력을 제공하기 위해, 프레임은 약 10 내지 45GPa, 예를 들어 약 25GPa의 영률을 갖는다.
권선(24)으로부터의 열 전달을 더욱 돕기 위해, 프레임(14)은 돌출부(110) 상에 형성된 복수의 터뷸레이터(112)를 포함한다. 각각의 터뷸레이터(112)는 돌출부(110)로부터 직립하는 돌기부이며, 터뷸레이터(112)는 프레임(14)의 나머지 부분을 획정하는 동일한 오버몰딩 공정의 일부로서 형성된다. 대안적인 실시예에서 터뷸레이터(112)는 프레임(14)의 나머지 부분과는 별도의 구성요소로서 형성될 수 있으며, 접착제 등을 통해 여하한의 적절한 방식으로 프레임(14)에 부착될 수 있다는 점이 이해될 것이다.
터뷸레이터(112)들은 각각의 돌출부(110)의 길이를 따라 쌍을 이루어 배열된다. 각각의 터뷸레이터(112)는, 브러시리스 영구 자석 모터(1)의 중심 세로축에 평행한 축, 즉 샤프트(70)에 평행한 축에 대하여 약 60도의 각도를 이룬다. 집합적으로 한 쌍의 터뷸레이터(112)는 대체로 쉐브론(chevron)형인 형상을 획정하며, 쉐브론 형상은 임펠러(84)를 향한다. 본 명세서에 예시되지 않은 대안적인 실시예에서, 각각의 터뷸레이터(112) 자체가 쉐브론형 형상을 포함할 수 있다.
사용 중 고정자 어셈블리(10)의 권선(24)으로부터의 열 전달을 돕기 위해 터뷸레이터(112)가 돌출부(110) 영역에서 와류를 발생시키도록 하는 것과, 사용 중 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통과하는 기류가 막히지 않도록 방지하는 것 사이에 절충안을 찾아야 할 수 있다. 각각의 터뷸레이터에 대해 약 10:1의 피치 대 높이 비율이 효과적인 절충안인 것으로 확인되었으며, 이때 각각의 터뷸레이터의 높이는 약 0.6mm이고, 예를 들어 약 0.58mm이다.
전술한 터뷸레이터(112)의 형태는, 고정자 코어(20)의 백부(26) 상의 권선(24) 위로 오버라잉되는 돌출부(110) 영역에서 와류를 생성하는데 효과적일 수 있으며, 이러한 와류는 사용 중 고정자 어셈블리(10)의 권선(24)으로부터의 열 전달에 도움이 된다.
스트럿(98)은 돌출부로부터 슈라우드(96)까지 연장되어, 스트럿(98) 또한 고정자 코어(20)의 백부(26) 상의 권선(24) 위로 오버라잉되도록 한다. 따라서 스트럿(98)은 권선(24)을 위한 열 싱크 역할을 할 수 있으며, 기류는 사용 중 스트럿(98) 위로 이동하여 스트럿(98)들로부터 열을 멀리 운반한다. 각각의 스트럿(98)의 리딩 에지는, 스트럿(98)이 적절한 열원, 즉 권선(24)과 정렬되도록 하기 위해, 스트럿이 오버라잉된 권선(24)의 리딩 에지와 실질적으로 정렬된다. 각각의 스트럿의 리딩 에지는, 사용 중인 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통한 바람직한 기류 특성을 증진하기 위해 공기 역학적으로 굴곡지게 형성된다.
프레임(14)의 본체(94)는, 복수의 유입구 냉각 어퍼처(114), 복수의 유출구 냉각 어퍼처(116), 및 접착제 주입 어퍼처(도시되지 않음)를 포함한다. 복수의 유입구 냉각 어퍼처(114)는 제 1 베어링 시트(100) 아래의 영역에 위치하고, 본체(94) 주변을 따라 이격된다. 복수의 유입구 냉각 어퍼처(114)는, 사용 중인 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통해 흐르는 기류를 채널(104) 안으로 지향하도록 성형되며, 이는 회전자 어셈블리(12)를 위한 냉각 효과를 제공한다. 프레임(14)의 본체(94)는, 본체(94)의 외부 표면에 형성된 복수의 유입구 가이드 홈 또는 채널(115)을 더 포함하고, 이들 유입구 가이드 홈(115) 각각은, 사용 중인 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통해 흐르는 기류를 각각의 유입구 냉각 어퍼처(114) 안으로 가이딩하도록 배열된다. 복수의 유입구 가이드 홈(115) 각각은, 브러시리스 영구 자석 모터(1)의 중심 세로축에 평행한 방향으로, 프레임(14)의 본체(94)의 상류 단부로부터 각각의 유입구 냉각 어퍼처(114)까지 축방향으로 연장된다.
복수의 유출구 냉각 어퍼처(116)는 제 2 베어링 시트(102)의 영역에 위치하고, 본체(94) 주변을 따라 이격된다. 복수의 유출구 냉각 어퍼처(116)는, 채널(104)을 통해 흐르는 기류가 임펠러(84)를 통과하기 전에 기류를 프레임(14)으로부터 외측으로 지향하도록 성형된다. 접착제 주입 어퍼처는, 접착제가 프레임(14)을 통해 제 2 베어링(76)의 환형 홈(77)들 안으로 삽입되도록 한다.
프레임 본체(94)의 유출구 단부는 임펠러(84)와 래버런스 시일(labyrinth seal)을 획정한다.
브러시리스 영구 자석 모터(1)를 관통하는 단면도가 도 8 및 도 9에 도시된다. 도시된 바와 같이, 회전자 어셈블리(12)는 프레임(14) 내에 안착되며, 이때 제 1 베어링(74)은 제 1 베어링 시트(100)에 위치하고, 제 2 베어링(76)은 제 2 베어링 시트(102)에 위치하고, 영구 자석(72)은 고정자 어셈블리(10)의 고정자 코어(20)들과 정렬된다. 제 2 베어링(76)은, 제 2 베어링(76)의 외부 레이스 상에 형성된 환형 홈(77)들 내에 위치된 접착제에 의해 제 2 베어링 시트(102)에 고정된다.
프레임의 채널(104)은, 제 1 베어링(74)의 영역 내에서 상이한 직경의 제 1 부분(120) 및 제 2 부분(122)을 포함하며, 제 1 부분(120) 및 제 2 부분(122)은 집합적으로 제 1 베어링 시트(100)를 획정한다.
O-링(92)은 제 1 베어링(74)의 축방향 길이를 따라 실질적으로 중간에 위치한다. O-링(92)은 채널(104)의 제 1 부분(120) 내에서 제 1 베어링(74)과 프레임(14) 사이에 안착되며, 이에 따라 O-링(92)은 실질적으로 압축되지 않고(uncompressed) 실질적으로 원형의 단면 프로파일을 갖는다. O-링은 약 75의 쇼어 A 경도(shore A hardness)를 가지며, 약 1.0x106 N/m 내지 4.0x106 N/m, 예를 들어 약 2.5x106 N/m의 반경방향 강성(radial stiffness)을 갖는다. 비교적 높은 반경방향 강성을 가진 O-링(92)를 제공함에 따라 비교적 높은 반경방향 강성을 가진 회전자 어셈블리(12)를 제공할 수 있다. 이는 회전자 어셈블리(12)가 아임계(sub-critical) 회전자 어셈블리로서 동작할 수 있도록 하며, 브러시리스 영구 자석 모터(1)가 회전자 어셈블리(12)의 모든 공진 주파수(resonant frequencies) 미만의 속도 범위에서 동작할 수 있도록 한다. O-링(92)은 적어도 3W/mK의 열 전도율을 가지며, 이는 사용 중 제 1 베어링(74)로부터 열을 멀리 전달하는 데 도움이 될 수 있다.
O-링(92)의 실질적으로 원형의 단면 프로파일과 더불어, 채널(104)의 제 1 부분(120) 내 제 1 베어링(74)과 프레임(14) 사이에서 O-링(92)의 낮은 압축성은, O-링(92)이 브러시리스 영구 자석 모터(1)의 중심 세로축에 평행한 방향으로 축방향으로 구를(roll) 수 있도록 한다. 이는 예압 스프링(90)에 의해 환형 와셔(91)를 통하여 제 1 베어링(74)을 예압하기 용이하게 할 수 있다. 채널(104)의 제 1 부분(120)과 제 2 부분(122) 사이의 단차 변화(step change)는, O-링(92)의 임펠러(84)를 향한 방향으로의 움직임을 억제하기 위한 축방향 정지부(stop)를 획정한다.
채널(104)의 제 3 부분(124)은, 채널(104)의 제 1 부분(120) 및 제 2 부분(122)에 비하여 감소한 직경을 가지며, 영구 자석(72)은 채널(104)의 제 3 부분(124) 내에 안착된다. 채널(104)의 제 2 부분(122)과 제 3 부분(124) 사이의 단차 변화는 예압 스프링(90)을 위한 시트를 획정한다. 채널(104)의 제 4 부분(126)은, 채널(104)의 제 3 부분에 비하여 증가한 직경을 가지며, 채널(104)의 제 4 부분(126)은 제 2 베어링 시트(102)를 획정한다.
O-링(92)은 비교적 강성이지만, 예를 들어 브러시리스 영구 자석 모터(1) 또는 모터가 설치된 제품을 떨어트림으로 인해 브러시리스 영구 자석 모터(1)가 비정상적인 사용 중에 힘을 받게 될 경우 O-링(92)은 여전히 변형 가능하다. 제 1 베어링(74)과 제 1 부분(120) 내 채널(104)의 벽면 사이의 거리는, 제 1 베어링(74)과 제 2 부분(122) 내 채널(104)의 벽면 사이의 거리보다 크다. 이와 유사하게, 제 1 베어링(74)과 제 2 부분(122) 내 채널(104)의 벽면 사이의 거리는, 영구 자석(72)과 제 3 부분(124) 내 채널(104)의 벽면 사이의 거리보다 크고, 영구 자석(72)과 제 3 부분(124) 내 극면(42, 44) 사이의 거리보다 크다. 그 결과, O-링(92)이 비정상적인 사용 중에 압축되는 경우, 영구 자석(72)이 제 3 부분(124)내 채널(104)의 벽면 또는 극면(42, 44)을 접촉할 위험이 있으며, 이는 영구 자석(72)의 손상을 초래할 수 있다.
이를 방지하기 위해, 브러시리스 영구 자석 모터(1)는 도 10에 별도로 도시된 단부 캡(128)을 갖는다.
단부 캡(128)은, 본체(130), 본체(130)로부터 연장되는 복수의 핑거(fingers : 132), 및 본체(128)로부터 연장되는 복수의 핑거(133)를 포함한다. 본체(130)는 대체로 원통형의 형태이며, 중공(hollow)형이다. 본체(130)는, 브러시리스 영구 자석 모터(1)가 조립되었을 때, 샤프트(70)의 유입구 단부(86) 및 제 1 밸런싱 링(78) 위로 오버라잉된다. 복수의 핑거(132)는 탄성적으로(resiliently) 변형 가능하며, 브러시리스 영구 자석 모터(1)에 장착되어있지 않을 때 복수의 핑거(132)는 본체(128)로부터 약간 외측으로 벌어진다(splay). 복수의 핑거(132)는 제 1 방향으로 본체(130)로부터 연장되며, 복수의 핑거(133)는 제 1 방향에 실질적으로 수직인 제 2 방향으로 본체(130)로부터 연장된다. 복수의 핑거(133)는 단부 캡(128)이 프레임(14) 안으로 과도하게 삽입되는 것을 방지하기 위해 프레임(14)의 본체(94)에 체결(engage)된다.
샤프트(70)의 유입구 단부(86)에 위치한 단부 캡(128)의 확대된 도면이 도 11에 도시된다.
단부 캡(128)은 채널(104)의 제 1 부분(120) 내에 위치하여, 핑거(132)들이 채널(104)의 제 1 부분(120)의 벽면과 접촉함에 따라 단부 캡(128)이 제 1 부분(120) 내에 유지되도록 한다. 복수의 핑거(132)는 제 1 베어링(74)과 채널(104)의 제 1 부분(120)의 벽면 사이에 위치하며, 이때 복수의 핑거(132)는 제 1 베어링(74)으로부터 이격된다. 제 1 베어링(74)과 복수의 핑거(132) 사이의 거리는, 영구 자석(72)과 제 3 부분(124) 내 채널(104)의 벽면 사이의 거리보다 작고, 영구 자석(72)과 제 3 부분(124) 내 극면(42, 44) 사이의 거리보다 작다.
따라서, 브러시리스 영구 자석 모터(1)가 비정상적인 사용 중에 힘을 받을 때 O-링(92)이 변형되는 경우, 제 1 베어링(74)은 영구 자석(72)이 제 3 부분(124)내 채널(104)의 벽면 또는 극면(42, 44)을 접촉하기 전에 복수의 핑거(132)중 적어도 일부와 접촉한다. 따라서 복수의 핑거(132)는 제 1 베어링(74)의 반경방향 움직임을 억제하기 위한 스토퍼(stopper) 역할을 할 수 있다.
본 명세서에 도시된 바와 같이, 단부 캡(128)은 어퍼처(135)를 포함하며 이를 통해 샤프트(70)가 연장된다. 대안적인 일 실시예에서, 단부 캡(128)은 어퍼처(135)를 포함하지 않을 수 있고, 이는 밀봉된 베어링 카트리지의 생성을 용이하게 할 수 있다. 이와 유사하게, 밀봉된 베어링 카트리지가 바람직한 경우에 복수의 유입구 냉각 어퍼처(114) 및 복수의 유출구 냉각 어퍼처(116)는 생략될 수 있다. 밀봉된 베어링 카트리지는, 사용 시 베어링(74, 76)들이 수용된 프레임(14)의 영역으로 기류가 유입되는 것을 억제하여 배출량을 줄일 수 있다.
브러시리스 영구 자석 모터(1)는 임펠러(84)의 하류에 위치한 디퓨저(134)를 더 포함한다. 디퓨저(134)는 슈라우드(96)에 부착되며, 사용 중 기류가 임펠러(84)로부터 디퓨저(134)를 통과할 때 기류를 회전(turn)시키기 위한 복수의 베인(vanes : 136)을 포함한다. 다중 스테이지 디퓨저, 즉, 두 줄(rows) 이상의 베인을 갖는 디퓨저가 도시되어 있으나, 단일 스테이지 디퓨저와 같은 다른 형태의 디퓨저들 또한 구상될 수 있음이 이해될 것이다.
사용 시, 전류는 고정자 어셈블리(10)의 권선(24)을 통해 전달되어 자기장을 생성하며, 자기장은 영구 자석(72)과 상호작용하여 회전자 어셈블리(12)의 회전 및 그에 따른 임펠러(84)의 회전을 유발한다. 이는 공기가 브러시리스 영구 자석 모터(1) 안으로 빨려들게 하며, 여기서 공기는 임펠러(84)와 상호작용한 후 디퓨저(134)를 통해 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 빠져나간다.
이제 브러시리스 영구 자석 모터(1)의 제조에 수반되는 단계들이 다시 기술될 것이다.
각각의 고정자 코어 하위 어셈블리(16)는 개별적으로 조립되며, 이때 보빈(22)은 고정자 코어(20)에 오버몰딩되고 권선(24)은 보빈(22)에 권취된다. 개별 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들은, 각각의 보빈(22)의 제 1 연결 부분(50) 및 제 2 연결 부분(52)을 통해 서로 연결된다.
슬리브(62)는 제 1 단말부(58) 및 제 2 단말부(60)에 오버몰딩되어 종단 어셈블리(18)를 획정하며, 권선(24)은 제 1 단말부(58) 및 제 2 단말부(60)에 융착(fused)된다. 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들과 종단 어셈블리(18)는 집합적으로 고정자 어셈블리(10)를 획정한다. 슬리브(62) 및 보빈(22)은 상이한 재료로 형성되며, 개별적인 오버몰딩 공정에서 각자의 구성요소에 오버몰딩된다.
프레임(14)은, 보빈(22) 및 슬리브(62) 각각에 대한 공정과는 개별적인 오버몰딩 공정에서 고정자 어셈블리(10)에 오버몰딩되며, 프레임(14)은 슬리브(62)와 동일한 재료로 형성된다.
회전자 어셈블리(12)가 프레임(14) 내로 삽입되며, 단부 캡(128)은 샤프트(70)의 유입구 단부(86) 위로 위치된다.
브러시리스 영구 자석 모터(1)를 제조하는 제 1 방법(200)이 도 12의 흐름도에 도시된다.
방법(200)은, 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리(16)를 얻는 단계(202), 인접하는 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들을 연결하여(204) 고정자 어셈블리(10)를 형성하는 단계, 및 고정자 어셈블리(10)를 오버몰딩(206)하여 고정자 어셈블리(10)가 수용되는 프레임(14)을 획정하는 단계를 포함한다.
고정자 어셈블리(10)를 오버몰딩하여 프레임(14)을 획정함으로써, 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들이 프레임(14)에 개별적으로 접착될 필요성을 없앨 수 있고, 이는 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들이 프레임(14)에 개별적으로 접착되는 제조 공정에 비해 더 적은 수의 단계를 포함하는 제조 공정을 제공할 수 있다. 일부 예에서, 프레임(14)을 고정자 어셈블리(10)에 오버몰딩함에 따라, 고정자 코어 하위 어셈블리(16)가 프레임(14)에 접착되는 실시예에 비해 고정자 코어 하위 어셈블리(16)로부터 프레임(14)으로 증가된 열 전달을 제공할 수 있다.
프레임(14)을 고정자 어셈블리(10)에 오버몰딩함에 따라, 예를 들어 고정자 코어 하위 어셈블리가 프레임에 개별적으로 접착되는 브러시리스 영구 자석 모터에 비해 전체적으로 더 큰 강성을 갖는 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 제공할 수 있다. 또한, 프레임(14)을 고정자 어셈블리(10)에 오버몰딩하는 것은, 예를 들어 프레임이 개별 고정자 코어 하위 어셈블리가 장착되는 어퍼처들을 갖는 배열에 비해, 대체로 밀봉된 베어링 카트리지를 갖는 브러시리스 모터의 제조를 용이하게 할 수 있다. 밀봉된 베어링 카트리지는, 사용 시 베어링(74, 76)들이 수용된 프레임(14)의 영역으로 기류가 유입되는 것을 억제하여 배출량을 줄일 수 있다.
브러시리스 영구 자석 모터(1)를 제조하는 제 2 방법(300)이 도 13의 흐름도에 도시된다.
방법(300)은, 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리(16)를 얻는 단계(302), 및 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리(16)를 오버몰딩하여(304), 각각의 고정자 코어(20)의 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30) 및 백부(26)의 적어도 일부가 프레임(14)을 통해 노출되도록 프레임(14)을 획정하는 단계를 포함한다.
앞서 설명된 바와 같이, 고정자 코어 하위 어셈블리(16)를 오버몰딩하여 프레임(14)을 획정함으로써, 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들이 프레임(14)에 개별적으로 접착될 필요성을 없앨 수 있고, 이는 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들이 프레임(14)에 개별적으로 접착되는 제조 공정에 비해 더 적은 수의 단계를 포함하는 제조 공정을 제공할 수 있다. 일부 예에서, 프레임(14)을 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들에 오버몰딩함에 따라, 고정자 코어 하위 어셈블리(16)가 프레임(14)에 접착되는 실시예에 비해 고정자 코어 하위 어셈블리(16)로부터 프레임(14)으로 증가된 열 전달을 제공할 수 있다.
프레임(14)을 고정자 코어 하위 어셈블리(16)에 오버몰딩함에 따라, 예를 들어 고정자 코어 하위 어셈블리가 프레임에 개별적으로 접착되는 브러시리스 영구 자석 모터에 비해 전체적으로 더 큰 강성을 갖는 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 제공할 수 있다.
그러나, 고정자 코어 하위 어셈블리(16)를 오버몰딩함에 따라, 사용 중인 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통과하는 기류의 영역으로부터 고정자 코어 하위 어셈블리(16)가 제거될 수 있으며, 이로 인해 사용 시 고정자 코어(20) 및/또는 권선(24)의 온도가 증가할 수 있다. 각각의 고정자 코어(20)의 제 1 아암(28) 및 제 2 아암(30) 및 백부(26)의 적어도 일부가 프레임(14)을 통해 노출되도록 고정자 코어 하위 어셈블리(16)들에 프레임(14)을 오버몰딩함으로써, 사용 중인 브러시리스 영구 자석 모터(1)를 통과하는 기류에 각각의 고정자 코어(20)의 적어도 일부분이 노출될 수 있으며, 이는 냉각 효과를 제공하여 고정자 코어 하위 어셈블리(16)의 오버몰딩으로 인한 온도 상승을 경감할 수 있다.
본 명세서에 설명된 브러시리스 영구 자석 모터(1)는, 소형 팩터(small factor)와 높은 출력 밀도를 필요로 하는 분야에서 특히 활용될 수 있다. 일례로서, 브러시리스 영구 자석 모터를 포함하는 진공 청소기가 도 14에 개략적으로 도시된다.
본 명세서에서는 특징들이 조합되어 설명되었으나, 앞서 언급된 특징들 중 일부만이 구현된 브러시리스 모터(1)의 실시예들 또한 구상될 수 있음이 이해될 것이다. 예를 들어, 터뷸레이터(112)들은 고정자 코어(20)의 숄더부가 프레임(14)에 의해 노출되지 않은 배열에서도 여전히 활용될 수 있다.

Claims (22)

  1. 고정자 어셈블리 및 상기 고정자 어셈블리가 수용되는 프레임을 포함하는 브러시리스(brushless) 모터로서,
    상기 고정자 어셈블리는, 고정자 코어, 상기 고정자 코어에 부착된 보빈(bobbin), 및 상기 보빈에 권취된 권선을 각각 포함하는 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리(sub-assembly)를 포함하고, 각각의 보빈은 상기 고정자 어셈블리 내 인접하는 보빈에 연결하기 위한 연결 부분을 포함하며, 상기 프레임은 상기 고정자 어셈블리에 오버몰딩(overmoulded)되는,
    브러시리스 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 보빈은 각자의 고정자 코어에 오버몰딩되는,
    브러시리스 모터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 보빈은 제 1 재료를 포함하며, 상기 프레임은 상기 제 1 재료와는 상이한 제 2 재료를 포함하는,
    브러시리스 모터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 보빈은 각각의 제 1 오버몰딩 공정에서 각자의 고정자 코어에 오버몰딩되고, 상기 프레임은 상기 제 1 오버몰딩 공정과는 상이한 제 2 오버몰딩 공정에서 상기 고정자 어셈블리에 오버몰딩되는,
    브러시리스 모터.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고정자 어셈블리는, 상기 권선이 부착되는 제 1 단말부 및 제 2 단말부, 그리고 상기 제 1 단말부 및 상기 제 2 단말부에 오버몰딩되는 슬리브를 포함하는,
    브러시리스 모터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 단말부 및 상기 제 2 단말부는 상기 슬리브 내 어퍼처(apertures)들을 통해 노출되며, 상기 권선은 상기 어퍼처들을 통해 상기 제 1 단말부 및 상기 제 2 단말부에 부착되는,
    브러시리스 모터.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 슬리브 및 상기 프레임은 동일한 재료를 포함하는,
    브러시리스 모터.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브러시리스 모터는 회전자 어셈블리를 포함하며, 상기 회전자 어셈블리는, 샤프트, 회전자 코어, 상기 샤프트의 제 1 단부에 부착된 제 1 베어링, 및 상기 샤프트의 상기 제 1 단부의 반대편에 있는 상기 샤프트의 제 2 단부에 부착된 제 2 베어링을 포함하고, 상기 프레임은 상기 제 1 베어링 및 상기 제 2 베어링 각각에 대한 제 1 베어링 시트 및 제 2 베어링 시트, 및 상기 회전자 코어가 위치되는 채널을 획정(define)하는,
    브러시리스 모터.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은, 상기 고정자 코어의 일부가 상기 프레임을 통해 노출되도록 상기 고정자 어셈블리에 오버몰딩되는,
    브러시리스 모터.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은 돌출부(protrusions)들을 갖는 본체를 포함하며, 각각의 돌출부는 각자의 고정자 코어 위로 오버라잉(overlying)되고, 각각의 돌출부는, 상기 고정자 어셈블리의 인접한 고정자 코어들 사이의 상기 본체의 영역에 비해 반경이 증가된 영역을 포함하는,
    브러시리스 모터.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 고정자 코어는 백부(back) 및 상기 백부로부터 연장되는 제 1 아암(arm) 및 제 2 아암을 포함하며, 상기 프레임은, 각각의 고정자 코어의 상기 제 1 아암 및 상기 제 2 아암 및 상기 백부의 일부가 상기 프레임을 통해 노출되도록 상기 고정자 어셈블리에 오버몰딩되는,
    브러시리스 모터.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레임은 복수의 터뷸레이터(turbulators)를 포함하는,
    브러시리스 모터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 터뷸레이터는 상기 프레임을 상기 고정자 어셈블리에 오버몰딩하는 공정 중에 형성되는,
    브러시리스 모터.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    각각의 고정자 코어는 백부를 포함하며, 상기 프레임은, 상기 고정자 코어의 상기 백부 위로 오버라잉되는 복수의 터뷸레이터를 포함하는,
    브러시리스 모터.
  15. 제 12 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 터뷸레이터는, 상기 브러시리스 모터의 중심 세로축에 실질적으로 평행한 축에 대하여 빗각을 이루는,
    브러시리스 모터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    각각의 터뷸레이터의 피치 대 높이(pitch to height) 비율은 약 8:1 내지 12:1인,
    브러시리스 모터.
  17. 제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 복수의 터뷸레이터는 복수의 터뷸레이터 쌍(pairs)을 포함하며, 각각의 터뷸레이터 쌍은 대체로 V자형인 형태로 배열되는,
    브러시리스 모터.
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 브러시리스 모터를 포함하는 진공청소기.
  19. 브러시리스 모터의 제조 방법으로서:
    고정자 코어, 상기 고정자 코어에 부착된 보빈, 및 상기 보빈에 권취된 권선을 각각 포함하는 복수의 고정자 코어 하위 어셈블리를 얻는 단계 - 각각의 보빈은 고정자 어셈블리 내 인접하는 보빈에 연결하기 위한 연결 부분을 포함함 - ;
    상기 보빈의 상기 연결 부분을 통해 인접한 고정자 코어 하위 어셈블리들을 연결하여 고정자 어셈블리를 형성하는 단계; 및
    상기 고정자 어셈블리를 오버몰딩하여 상기 고정자 어셈블리가 수용되는 프레임을 획정하는 단계를 포함하는,
    방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    각각의 보빈은 각각의 제 1 오버몰딩 공정에서 각자의 고정자 코어에 오버몰딩되고, 상기 프레임은 상기 제 1 오버몰딩 공정과는 상이한 제 2 오버몰딩 공정에서 상기 고정자 어셈블리에 오버몰딩되는,
    방법.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,
    상기 방법은, 슬리브를 제 1 단말부 및 제 2 단말부에 오버몰딩하는 단계 및 상기 권선을 상기 단말부들에 부착하여 상기 고정자 어셈블리를 형성하는 단계를 포함하는,
    방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 슬리브는 상기 프레임과 동일한 재료를 포함하며, 상기 슬리브 및 상기 프레임은 개별적인 오버몰딩 공정에서 형성되는,
    방법.
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