WO2011162500A2 - 더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치 - Google Patents

더블 스테이터／더블 로터형 모터 및 이를 이용한 세탁기의 직결형 구동 장치 Download PDF

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WO2011162500A2
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Definitions

  • the present invention relates to a double stator / double rotor type motor, and more particularly, by placing a double rotor with magnets mounted on the inner and outer circumferential surfaces of the back yoke between the inner and outer stators so as to face the inner and outer stators.
  • the present invention relates to a double stator / double rotor type motor and a direct drive device for a washing machine using the same, by which a magnetic circuit having a shortened magnetic path can be formed for each, thereby increasing the efficiency of the motor.
  • the BLDC motor When the BLDC motor is classified according to the presence of the stator core, it is generally classified into a core type (or radial type) and a coreless type (or axial type) having a cup (cylindrical) structure.
  • the core type BLDC motor has an inner magnet type consisting of a rotor made of a cylindrical stator and a cylindrical permanent magnet wound around a coil to have an electromagnet structure on a plurality of protrusions formed on the inner circumference, and a plurality of protrusions formed on the outer circumference of the stator. It is classified as an external magnet type consisting of a rotor made of a cylindrical permanent magnet, in which a coil is wound up and down and multipole magnetized outside thereof.
  • the main path of the magnetic flux travels in the permanent magnet of the rotor, leads to the stator through the air gap, and forms a magnetic circuit traveling in the direction of the permanent magnet and the yoke again.
  • a plurality of “T” core parts of the stator core wound with the coil are formed to protrude from the outside inward, and the inner end portions of the core parts form a circle having a constant diameter, and the space therein.
  • the rotor is fitted with a cylindrical permanent magnet with a rotating shaft or a ring permanent magnet attached to a cylindrical yoke with a rotary shaft in the center.
  • the motor rotates like an external magnet.
  • the core type BLDC motor has a structure in which the magnetic circuit is symmetrical in the radial direction about the axis, there is little vibrational noise in the axial direction, and is suitable for low-speed rotation. High magnetic flux density can be obtained even by using low magnets or reducing the amount of magnets, which has the advantage of high torque and high efficiency.
  • the present applicant has proposed a BLDC motor in the Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-2349 capable of constituting the stator core in a completely split type by having a single stator / double rotor structure as a radial core type.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2004-2349 discloses a rotor with inner and outer sides of the stator core simultaneously to form a flow of magnetic paths by permanent magnets and yokes on the inner and outer sides, so that the stator core can be completely divided into individual coil windings. This suggests a structure that can greatly increase the productivity of the stator core and the output of the motor.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional split core double rotor type motor.
  • a split stator core (i.e., split core 1) is located between the inner rotor 2 and the outer rotor 3.
  • the split stator core 1 faces the inner rotor 2 and the outer rotor 3 through a predetermined magnetic gap to form a magnetic circuit L0.
  • the magnetic circuit L0 appears as a single path from the stator core 1 to the inner rotor 2 and back to the outer rotor 3 from the stator core 1.
  • the conventional split core double rotor type motor forms a magnetic circuit L0 that circulates the inner rotor 2 and the outer rotor 3 with the split stator core interposed therebetween, so as to compare with the single rotor type structure.
  • the magnetoresistance is large and the loss of magnetomotive force is large, resulting in an inefficient structure.
  • Korean Patent Laid-Open Publication No. 2008-30667 discloses a motor having a single stator / double rotor structure for reducing cogging torque and torque ripple by combining a stator with a coil wound on a tooth protruding inward and outward and a double rotor. .
  • the present invention forms a magnetic circuit having a shortened magnetic path for each of the inner and outer stators by disposing a double rotor having magnets mounted on the inner and outer surfaces of the back yoke so as to face the inner and outer stators, thereby increasing efficiency. It is an object of the present invention to provide a double stator / double rotor type motor and a direct drive device for a washing machine using the same.
  • Another object of the present invention is to provide a double stator / double rotor type motor having a different number of slots of the internal stator and the external stator to reduce cogging torque and torque ripple, and a direct drive device for a washing machine using the same. There is this.
  • the double stator / double rotor type motor of the present invention having a first permanent magnet mounted on the inner peripheral surface of the back yoke and a second permanent magnet mounted on the outer peripheral surface of the back yoke;
  • An internal stator having a gap with the first permanent magnet and generating a magnetic field that rotates the rotor to face the first permanent magnet;
  • an external stator having a gap with the second permanent magnet and generating a magnetic field that rotates the rotor to face the second permanent magnet.
  • the rotor may be disposed between the inner stator and the outer stator to form a separate magnetic circuit for each of the inner stator and the outer stator to perform a double rotor function.
  • the first and second permanent magnets of the rotor may be arranged such that magnets having the same polarity face each other.
  • the back yoke of the rotor by forming a projection on the inner circumference and the outer circumference, respectively, to form a slot of the adjacent projection and the channel structure, characterized in that the first and second permanent magnets are inserted into the slot fixed to the slot. do.
  • the inner stator forms a plurality of outer teeth protruding to the outside of the reducing body
  • the outer stator forms a plurality of inner teeth protruding to the inner side of the reducing body, the outer teeth, the It is characterized by minimizing each of the cogging torque and torque ripple by forming different from the number and opening angle of the inner tooth.
  • the inner stator and the outer stator are characterized by having a split core structure.
  • the double stator / double rotor type motor is characterized in that it is applied to a drum washing machine or an automatic washing machine having an inner rotor structure.
  • the double stator / double rotor type motor is characterized in that it is applied to a drum washing machine or an automatic washing machine having an outer rotor structure.
  • the direct type drive device for a drum washing machine of the present invention is a direct drive type drive device for a drum washing machine installed in a tub of the drum washing machine, the first permanent magnet and the bag mounted on the inner circumferential surface of the back yoke.
  • a first bearing rotatably supporting one end of the rotating shaft;
  • a second bearing installed at the tub to rotatably support the other end of the rotating shaft.
  • the stator may be mounted to the tub in a cover structure surrounding the rotor from the outside.
  • the first bearing is characterized in that it is attached to the central portion or the tub of the stator.
  • the drive device is characterized in that the stator is disposed on the outside of the tub, the rotor has an outer-rotor structure disposed on the outside of the stator.
  • the present invention is a double rotor-type motor, by forming independent dual magnetic circuits inside and outside the motor, respectively, the path of the magnetic circuit is reduced and thus the magnetic resistance is reduced, thereby reducing the loss of magnetic force, reduction and leakage flux. By minimizing this, the motor efficiency can be increased.
  • the present invention increases the output torque of the rotor by the double stator has an effect that is suitable for large output torque.
  • the present invention can be applied to the inner cylinder or the drum driving apparatus of the drum type washing machine in a fully automatic washing machine, cover integrated type or slim type.
  • the present invention can reduce the time and cost required for the mold through the inner and outer core mold with a single mold.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a conventional split core double rotor type motor
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a double stator / double rotor type motor according to a first embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a double stator / double rotor type motor according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 4a is a graph showing the period of the cogging torque for the inner stator and outer stator of the rotor
  • 4b is a graph showing the period of torque ripple for the inner and outer stators of the rotor
  • FIG. 5 is an axial cross-sectional view showing an embodiment in which the cover integrated structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • FIG. 6 is an axial cross-sectional view showing a modified embodiment in which the cover integrated structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • FIG. 7 is an axial cross-sectional view showing an embodiment in which the slim structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • FIG. 8 is an axial sectional view showing a modified embodiment in which the slim structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • the double stator / double rotor type motor of the present invention is implemented by applying a structure in which a double rotor is disposed between an internal and an external stator.
  • the double stator / double rotor type motor arranges the integral rotor between the inner and outer stators, by actually mounting magnets inside and outside the back yoke of the rotor to form independent magnetic circuits for each of the inner and outer stators, It can provide a double rotor function opposite each of the internal and external stators.
  • the output torque obtained from the internal and external stators is transmitted to the rotor, and as a result, the output torque of the rotating shaft connected to the rotor is increased, which is suitable for a large capacity motor.
  • the magnetic circuit of the motor increases the magnetoresistance and leakage flux as the magnetic path is longer, and thus the loss of magnetomotive force is increased.
  • the double stator / double rotor type motor of the present invention forms an independent magnetic circuit inside and outside, thereby providing a large output torque as an advantage of the double type motor (for example, a double rotor type motor).
  • a long magnetic path can be prevented to reduce the efficiency of the magnetomotive force.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a double stator / double rotor type motor according to a first embodiment of the present invention.
  • the double stator / double rotor type motor 100 includes a rotor 11a, an inner stator 21a, and an outer stator 31a.
  • 11a is disposed between the inner stator 21a and the outer stator 31a.
  • the inner stator 21a and the outer stator 31a cover the rotating rotor 11a to reduce vibration noise generated when the rotor 11a is rotated.
  • an inner stator 21a and an outer stator 31a are disposed on the inner and outer sides, and an inner magnet 13a and an outer magnet 14a of the same polarity are disposed on the inner and outer sides.
  • the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment compared to the motor of the single stator / single rotor structure, the forces applied in the radial direction to the rotor 11a are opposite to each other. Work to offset. Therefore, the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment has less vibration than the single stator / single rotor type motor, thereby extending the life of the bearing supporting the rotating shaft 40.
  • One end of the rotor 11a is connected to the rotating shaft 40 to rotate about the rotating shaft 40, and is inserted into the reduced back yoke 12a and the inner protrusion 15a formed on the inner circumference of the back yoke 12a.
  • the inner magnet 13a and the outer magnet 14a inserted into the outer protrusion 16a formed on the outer circumference of the back yoke 12a are included.
  • the internal stator 21a may be a plurality of windings wound on the first body 23a and the plurality of first teeth 24a protruding outward from the first body 23a and the first teeth 24a.
  • the first coil 25a is included.
  • the first body 23a and the first tooth 24a are collectively referred to as "inner stator core 22a".
  • outer stator 31a may be a plurality of wound around the second body 33a of the reduction type, the plurality of second teeth 34a protruding inward from the second body 33a, and the second teeth 34a.
  • the second coil 35a is included.
  • the second body 33a and the second tooth 34a are collectively referred to as "outer stator core 32a".
  • the back yoke 12a of the rotor 11a, the inner stator core 22a of the inner stator 21a, and the outer stator core 32a of the outer stator 31a can perform one core mold. This saves you time and money.
  • the rotor 11a is independent of the inner magnet 13a and the outer magnet 14a disposed along the inner and outer circumferences, respectively.
  • the double rotor functions for the inner stator 21a and the outer stator 31a are performed. This actually performs a double rotor function even if the rotor 11a is an integral rotor in configuration, and therefore, the sum of the output torques generated by the inner stator 21a and the outer stator 31a serves as the output torque of the rotation shaft 40.
  • An internal magnetic circuit L1 is formed between the back yokes 12a.
  • An external magnetic circuit L2 is formed between the first outer magnet 14a and the back yoke 12a.
  • each of the inner protrusions 15a and the outer protrusions 16a formed on the inner and outer circumferences of the back yoke 12a may have a slot having an adjacent protrusion and a channel structure to accommodate the inner magnet 13a or the outer magnet 14a. slots).
  • the inner protrusions 15a and the outer protrusions 16a are formed on the inner and outer circumferences of the reduced back yoke 12a, their sizes are different from each other, but the same number is formed in the same shape in a tee shape. And formed at the same position on the back yoke 12a to correspond to each other. Accordingly, the inner magnet 13a and the outer magnet 14a may be inserted into and fixed to the slots formed in the back yoke 12a.
  • the rotor 21a of the present invention may arrange a ring-shaped magnet in which the N-pole and the S-pole are magnetized in place of the split piece structure inside / outside the back yoke 12a.
  • the internal stator core 22a has been described with respect to the integrated stator core (ie, the barrel core), the internal stator core 22a may be applied to the case of the divided stator core (ie, the split core). That is, in the case of the split stator core, as described in Korean Patent No. 666441 or Korean Patent No. 930011, the coil is wound around the outer periphery of the bobbin in an integrally formed insulation bobbin surrounding the internal split core. After assembling in an annular shape, the outer surface is molded with a thermosetting resin by an insert molding method to obtain an annular integral stator. Detailed description thereof will be omitted since it will be easily understood by those skilled in the art. In addition, when the split stator core structure is employed, the efficiency of the filling factor can be maximized and the winding of the alignment can be increased.
  • the first coil 25a is a state in which individual coils of three phases (U phase, V phase, and W phase) are wound around each first tooth 24a, and a three phase star connection or a three phase delta connection is made.
  • the first coil 25a is energized to generate torque in relation to the internal magnet 13a to rotate the rotor 11a in a predetermined direction.
  • the material of the first coil 25a is generally made of copper (Cu), but in order to reduce the weight of the motor, specific gravity is 1/3, and aluminum (Al), which is relatively inexpensive, is used. Can also be used. Generally, aluminum is difficult to apply as a motor coil due to oxidation problems, but when using aluminum, the coil is wound around the stator core assembly using a thermosetting resin to solve the oxidation problem.
  • the external stator core 32a has been described with respect to the integrated stator core, the external stator core 32a may be applied to the case of the split stator core.
  • the second coil 35a In the second coil 35a, individual coils of three phases (U phase, V phase, and W phase) are wound around each second tooth 34a, and a three phase star connection or a three phase delta connection is performed.
  • the second coil 35a is energized to generate torque in relation to the external magnet 14a to rotate the rotor 11a in a predetermined direction.
  • FIG. 2 does not specifically show a state in which the first coil 25a and the second coil 35a are wound for convenience of description. That is, it is obvious that the inner stator 21a and the outer stator 31a should be manufactured in a state in which coils of three phases (U phase, V phase, and W phase) are wound.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a double stator / double rotor type motor according to a second embodiment of the present invention.
  • the double stator / double rotor type motor 200 according to the second embodiment shown in FIG. 4 is a modified embodiment of the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment, and the double stator of the first embodiment.
  • the double stator / double rotor type motor 200 includes a rotor 11b, an internal stator 21b, and an external stator 31b.
  • the rotor 11b includes a back yoke 12b, an inner magnet 13b, and an outer magnet 14b
  • the inner stator 21b includes a first body 23b, a first tooth 24b, and a first one.
  • Coil 25b is included
  • outer stator 31b includes a second body 33b, a second tooth 34b and a second coil 35b.
  • first body 23b and the first tooth 24b are collectively referred to as an “internal stator core 22b”, and the second body 33b and the second tooth 34b are collectively referred to as an “external stator core ( 32a).
  • internal stator core 22b the first body 23b and the first tooth 24b
  • second body 33b and the second tooth 34b are collectively referred to as an “external stator core ( 32a).
  • Detailed description thereof will be omitted since the description of the corresponding components is duplicated corresponding to the components of the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment.
  • the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment is different in the structure of the double stator / double rotor type motor 200 and the internal stator according to the second embodiment. That is, the first teeth 24a of the first embodiment are formed twice as many as the first teeth 24b of the second embodiment, and the first teeth 24a of the first embodiment are the first teeth of the second embodiment.
  • the opening angle is narrower than the tooth 24b.
  • 'open angle' means an angle formed by two lines passing through both ends of the teeth of the stator with respect to the center of the rotation axis 40, and is represented by an electric angle instead of a mechanical angle.
  • the double stator / double rotor type motor 100 includes the cogging torque of the 'rotor 11a and the internal stator 21a' and the 'rotor 11a and the external stator 31a'.
  • the overall cogging torque and torque ripple can be minimized while maintaining a high torque constant (average torque).
  • the opening angle of the first tooth 24a is an angle formed by two lines passing through both ends of the first tooth 24a with respect to the center of the rotation shaft 40
  • the opening angle of the second tooth 34a is Two lines passing through both ends of the two teeth 34a form an angle with respect to the center of the rotation axis 40.
  • the phase of the second cogging torque existing between the rotor 11a and the external stator 31a is inverted with respect to the phase of the first cogging torque existing between the rotor 11a and the internal stator 21a.
  • the phase of the second torque ripple existing between the rotor 11a and the external stator 31a is inverted with respect to the phase of the first torque ripple existing between the rotor 11a and the internal stator 21a.
  • the cogging torque (see FIG. 4A) and torque ripple (see FIG. 4B) for the inner stator 21a and the outer stator 31a of the rotor 11a are the polarization points at which the phase is changed in the A range and the B range. It has a (minimum point) and consists of a sine wave waveform having a maximum point and a minimum point.
  • FIG. 4A is a graph showing the period of cogging torque for the inner stator 21a and the outer stator 31a of the rotor 11a
  • FIG. 4B shows the inner stator 21a and the outer stator 31a of the rotor 11a. This is a graph showing the torque ripple period.
  • the opening angle is selected so that the torque constant (average torque) corresponds within a high range. This is to reduce the overall cogging torque and torque ripple while improving the output torque.
  • the double stator / double rotor-type motor 200 selects the opening angles for the first teeth 24a and the second teeth 34a of the first embodiment.
  • the opening angles for the first and second teeth 24b and 34b in the example are selected.
  • the double stator / double rotor type motor 200 according to the second embodiment has the structure of the internal stator 21b as described above, and the internal stator of the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment. It is implemented differently from the structure of (21a), in order to easily convert the period of cogging torque and torque ripple between the rotor 21b and the internal stator 21b of the second embodiment. As a result, the double stator / double rotor type motors 100 and 200 according to the first and second embodiments of the present invention can reduce cogging torque and torque ripple as a whole.
  • the double stator / double rotor type motors 100 and 200 according to the first and second embodiments may be applied not only to a drum washing machine but also to a fully automatic washing machine, but will be described in detail in the case where the drum washing machine is applied to the drum washing machine. 5 to 8).
  • the double stator / double rotor type motors 100 and 200 according to the first and second embodiments are applied to a fully automatic washing machine, the upper end of the rotating shaft is connected to an inner tank corresponding to the basket of the drum washing machine and the stator is supported. The part is connected to the outer tub corresponding to the tub of the drum washing machine.
  • the double stator / double rotor type motors 100 and 200 according to the first and second embodiments are driven by applying power to both stators during washing requiring high torque and one stator during dehydration requiring high speed rotation. It can be driven by applying power. In particular, when dehydration, only one stator is driven to reduce power consumption, and field weaking control is not required, thereby increasing efficiency.
  • the double stator / double rotor type motors 100 and 200 according to the first and second embodiments are different in the number of first teeth 24a and 24b of the internal stators 21a and 21b, but are directly connected to the drum washing machine. Since the driving apparatus can be described in the same manner, only the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment will be described for convenience of description.
  • FIG. 5 is an axial cross-sectional view showing an embodiment in which the cover integrated structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • the double stator / double rotor-type motors 100 and 200 are configured to move the rotor 11a with respect to the inner stator 21a and the outer stator 31a in the axial cross section inside the motor (ie, the drum).
  • the double stator / double rotor type motors 100 and 200 according to the first and second embodiments are installed on the back of the tub 51 of the built-in type medium / small drum washing machine, for example, directly inside the tub 51. It can be used to drive the placed basket 52 in the forward / reverse direction, and can also be applied to equipment other than the washing machine. As described above, for convenience of description, the description will be made with reference to the reference numerals of the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment.
  • the rotor 11a has a predetermined magnetic gap with respect to the inner stator 21a and the outer stator 31a, and a plurality of reduction type inside and outside the back yoke 12a.
  • the inner magnet 13a and the outer magnet 14a are disposed.
  • the rotor 11a is connected by the rotor support 45, the bushing 43 is coupled to the bushing 43 by the bushing support 44 extending to the rotor support 45, and the rotational force is transmitted to the rotation shaft 40.
  • the rotation shaft 40 is a reference for assembling the rotor 11a, the inner stator 21a, and the outer stator 31a into one. Accordingly, the rotor 11a uniformly sets the magnetic gap between the inner stator 21a and the outer stator 31a, thereby preventing vibration noise due to magnetic gap unevenness during rotation.
  • the rotating shaft 40 is fastened to the rotor 11a through an involute serration bushing 43 at the center of the rotor 11a, one end of which is integrally installed with the inner extension 46. 41 is rotatably supported, and the other end is rotatably supported via a second bearing 42 provided in the tub 51.
  • the front end of the rotary shaft 40 is rotatably supported inside the tub 51 of the washing machine and the basket 52 for receiving the laundry is coupled, the basket 52 is forward / reverse according to the operation of the motor 100 Drive in the direction of rotation.
  • the inner stator 21a integrally couples the inner stator core 22a to the reducing inner stator support 47 to form a reducing type
  • the outer stator 31a forms the outer stator core 32a as the reducing outer stator support. It is integrally bonded to 48 to form a reduced mold.
  • the inner and outer stator supports 47 and 48 are formed with an inner extension 46 extending inwardly and are coupled to the first bearing 41.
  • the rotation shaft 40 is rotatably supported by the first bearing 41.
  • the internal stator core 24a is integrally formed by the internal stator support 47 manufactured by insert molding using a thermosetting resin after the first coil 25a is wound around the outer periphery of the first bobbin 26a.
  • the external stator core 34a is integrally formed by the external stator support 48 which is manufactured by insert molding using a thermosetting resin after the second coil 35a is wound around the second bobbin 36a. do.
  • the outer stator support 48 is fixed to the tub 51 of the washing machine by the outer extension portion 49 is formed in the outer peripheral portion extending forward to form an annular cover.
  • the stator of the present invention in which the internal stator 21a and the external stator 31a are integrally formed, does not have to have a separate cover, thereby making it possible to slim down and achieve a low noise structure suitable for the built-in type.
  • FIG. 6 is an axial sectional view showing a modified embodiment in which the cover integrated structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • the double stator / double rotor type motor 100 shown in FIG. 6 is an inner-rotor structure (or outer-stator structure) in which the rotor 11a is disposed inside the motor as shown in FIG. Both the first bearing 41 and the second bearing 42 are positioned on the tub 51 to rotatably support the rotating shaft 40, and the inner extension 46, which is an extension of the stator supports 47, 48, is provided. By removing it, it has an open structure which can confirm the operation state of the rotor support 45 from the outside. This is an outer-stator structure, even if the rotor 11a is located inside, it is possible to check the state of the rotor 11a by checking the operating state of the rotor support 45 from the outside.
  • the rotor 11a is disposed on the inner and outer sides of the back yoke 12a in a plurality of inner magnets 13a and outer magnets 14a and is supported by the rotor support 45 connected to the rotating shaft 40. And rotate.
  • the inner stator 21a integrally couples the inner stator core 22a having the first coil 25a wound around the outer periphery of the first bobbin 26a to the inner stator support 47 to be molded into a reducing type.
  • the outer stator 31a integrally couples the outer stator core 32a having the second coil 35a wound around the outer side of the second bobbin 36a to the outer stator support 48 to form a reduction type.
  • FIG. 7 is an axial sectional view showing an embodiment in which the slim structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • the double stator / double rotor type motors 100 and 200 according to the first and second embodiments have the rotor 11a with respect to the inner stator 21a and the outer stator 31a in the axial cross section of the motor (ie, the drum).
  • a slim structure can be implemented as an outer-rotor structure (or an inner-stator structure) disposed on the tub opposite to the washing machine. As described above, for convenience of description, the description will be made with reference to the reference numerals of the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment.
  • the double stator / double rotor type motor 100 has an inner extension portion 46 coupled to the bushing 43 and the tub 51 coupled to the rotation shaft 40.
  • the double stator / double rotor type motor 100 when the double stator / double rotor type motor 100 according to the first embodiment of the outer-rotor method is bolted and fixed to the tub 51 by the inner extension portion 46, the power is applied to the motor. As the tub 51 receives the force by the electromagnetic force, deformation and damage due to stress may occur. However, the first bearing 41 and the second bearing 42 support the rotating shaft 40 to reduce the deformation and damage caused by the force applied to the tub 51 and to prevent distortion, thereby preventing the load generated during rotation. It can be distributed and supported.
  • the first bearing 41 is disposed by arranging the first bearing 41 in the inner extension part 46 and the second bearing 42 in the tub 51.
  • the second bearing 42 may be dropped by a predetermined distance to improve structural stability, thereby increasing durability against washing machine vibration. This means that a drum washing machine or a fully automatic washing machine can be suitably implemented in a low vibration and low noise structure.
  • FIG. 8 is an axial sectional view showing a modified embodiment in which the slim structure of the double stator / double rotor type motor according to the present invention is applied to a drum washing machine.
  • the double stator / double rotor type motor 100 shown in FIG. 8 is an outer-rotor structure (or inner-stator structure) in which the rotor 11a is disposed outside the motor as shown in FIG. Both the bearing 41 and the second bearing 42 are positioned on the tub 51 to rotatably support the rotating shaft 40.
  • the present invention can be applied to the inner cylinder or the drum drive device of the drum type washing machine in a fully automatic washing machine, cover integrated type or slim type.

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
본 발명은 더블 스테이터/더블 로터형 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 백요크의 내주면과 외주면에 자석이 장착된 더블 로터를 내부 스테이터 및 외부 스테이터에 대향하도록 그 사이에 배치함으로써 내부 및 외부 스테이터 각각에 대해 단축된 자기 경로를 갖는 자기 회로를 형성하도록 하여 모터의 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.
본 발명은 전자동 세탁기, 커버일체형 또는 슬림형으로 드럼형 세탁기의 내통 또는 드럼 구동 장치에 적용될 수 있다.

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 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 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 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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