WO2026014751A1 - 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프 - Google Patents

액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프

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WO2026014751A1
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김병수
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Amotech Co Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to an axial gap type electric motor, and more particularly, to a water pump using an axial gap type electric motor, which forms a stator core (teeth) by using a multi-stage laminated core formed by laminating a plurality of sub-laminated cores of different shapes in an axial gap type electric motor that separates a rotor and a stator using a waterproof partition, thereby minimizing core loss due to eddy current and thereby increasing motor efficiency.
  • a water pump applied to a vehicle is a device that functions to circulate coolant, and is configured to circulate coolant by rotating a pump impeller by being forcibly driven by a belt to suck in and discharge coolant, and an engine-driven water pump in which a seal unit is assembled inside to prevent coolant from leaking, and an electric water pump that drives an electric motor by electricity provided by a battery or the like, and circulates coolant by rotating an impeller by the electric motor to suck in and discharge coolant are representatively used.
  • the electric water pump has the advantage of increasing engine efficiency and thus improving fuel efficiency compared to the engine-driven water pump because it does not require engine driving power of the vehicle compared to the engine-driven water pump, and furthermore, it provides the advantage of being able to precisely control the temperature of the coolant, and thus has been widely applied to various vehicle models recently.
  • the canned type electric water pump is a pump driven by an electric motor having a can-shaped sealed container inside a stator, and is structured such that a can structure is inserted between a rotor and a stator, and the hydraulic section is extended to the rotor section so that the rotor is immersed in cooling water, thereby allowing the injected water to appropriately cool the frictional heat generated in the rotor.
  • the above can type electric water pump is typically structured so that the magnets and stator core are positioned radially so that water flows into the magnets.
  • the stator core winding part
  • it has a waterproof structure using a waterproof can or injection molding.
  • the air gap between the rotor and the stator core increases, resulting in a large magnetic flux loss. Therefore, it is difficult to achieve the desired pump (motor) capacity with a general magnet, so expensive rare earth magnets are generally used.
  • EWP water pumps
  • compressors oil pumps
  • etc. use an internal rotor type motor, but in the case of an inner rotor type motor, the magnetic cross-sectional area (i.e., effective area) is small, so rare earth elements are used to achieve performance, resulting in a high unit price.
  • water pump motors are inner rotor type motors, and the rare earth magnets (Nd-Fe-B) used in the rotor contain iron components, which can cause rust when in contact with water. Therefore, the rotor portion also adopts a waterproof structure. Therefore, the air gap between the rotor and the stator of water pump motors is large, which inevitably increases the amount of Nd used in the rotor magnet. However, if a rotor using rare earth magnets is adopted in this way, the manufacturing cost of water pump motors cannot be prevented from increasing.
  • the primary reason for using non-rare-earth magnets instead of rare-earth magnets in motors is their relative lower cost. Accordingly, the design goal of a motor is to achieve a motor with magnetic energy equivalent to that of a motor using rare-earth magnets, even when using less expensive, lower-magnetic non-rare-earth magnets.
  • Patent Document 1 Korean Patent Publication No. 10-2021-0108844
  • Patent Document 2 Korean Patent Publication No. 10-2021-0108844
  • the axial gap type electric motor for a water pump (EWP) of the above patent document 1 uses SMC (Soft Magnetic Composites) as a stator core, so it is not only about three times more expensive than a laminated core, but also has a problem of reduced motor efficiency due to core loss caused by eddy current.
  • SMC Soft Magnetic Composites
  • the present invention has been designed in consideration of such conventional problems, and its purpose is to provide a water pump using an axial gap type electric motor that forms a plurality of split teeth by first laminating a plurality of thin steel sheets to form a plurality of sub-laminated cores of different shapes, and secondarily laminating the obtained plurality of sub-laminated cores, and forms the shoes of the split teeth facing the rotor in a hexagonal shape, thereby maximizing the effective magnetic flux density and minimizing core loss due to eddy current, thereby increasing the efficiency of the motor and reducing the cost.
  • Another object of the present invention is to provide a water pump using an axial gap type electric motor that can use a ferrite magnet, which is a non-rare earth magnet, by minimizing the air gap by separating the rotor and the stator using a thick waterproof baffle and waterproofing the surface of the stator core facing the rotor with an ultra-thin waterproof coating film.
  • a water pump comprises: a pump housing having a sealed lower space on one side and an inlet for introducing fluid and an outlet for discharging the introduced fluid connected to each other through a fluid flow passage; an electric motor having a rotor rotatably supported in the fluid flow passage and a stator disposed in the lower space for generating a rotating magnetic field to rotate the rotor; and a waterproof partition disposed inside the pump housing for separating the rotor and the stator; wherein the stator cores of the stator are arranged in an annular shape parallel to the axial direction on the same circumference so as to face the magnets of the rotor, and a plurality of split teeth having a front end embedded in the waterproof partition; And it includes an annular back yoke which is connected to the rear ends of the plurality of split teeth at right angles to form a magnetic circuit, and the plurality of split teeth each have the same length but the same or different widths and a pair of flange portions
  • the above plurality of sub-laminated cores include first and second sub-laminated cores having different shapes obtained by first laminating two types of a plurality of thin plate iron sheets having a "T" shape, each having the same length and width and a pair of flange portions extending left and right from a tip end portion with different lengths; and a third sub-laminated core formed by first laminating a plurality of thin plate iron sheets having a "T" shape, each having the same length but a narrow width and a pair of flange portions extending left and right from a tip end portion with a shorter length than the two types of thin plate iron sheets; wherein the plurality of split teeth can be formed by second laminating the first to third sub-laminated cores, respectively.
  • the waterproof coating film formed on the exposed plane of the shoe may be formed in advance before the tip portions of the plurality of split teeth are embedded in the waterproof bulkhead by an insert molding method, or the waterproof coating film formed on the exposed plane of the shoe may be formed simultaneously with the formation of the waterproof bulkhead when the tip portions of the plurality of split teeth are embedded in the waterproof bulkhead by an insert molding method.
  • the plurality of split teeth may be supported by a pair of extended inclined surfaces of the shoe embedded in the waterproof bulkhead so as to prevent each of the plurality of split teeth from being separated by the magnetic force of the rotor magnet.
  • the number of layers of the sub-laminated cores for forming the split teeth can be set in the range of 2 to 5 layers, and the plurality of thin plate iron pieces of the plurality of split teeth are each made of S18, and the back yoke can be made of a laminated core made by laminating a plurality of thin plate iron pieces formed in a ring shape by punching an electrical steel plate of S60.
  • the plurality of thin steel plates forming the plurality of split teeth each include a rectangular body having a preset width and length and a pair of flange portions extending perpendicularly from both upper sides of the body so that the width thereof gradually narrows, the body having a rectangular shape in which both sides in the longitudinal direction are parallel and the upper side and the lower side are also parallel, and the pair of flange portions may each have a shape in which the lower side extends perpendicularly from the body and the upper side is inclined from the upper side of the body so that the width thereof gradually narrows.
  • the stator includes a stator core having a plurality of split teeth and a back yoke interconnected with the plurality of split teeth to form a magnetic circuit; a plurality of bobbins made of an insulating material integrally formed to surround an outer circumferential surface on which a coil of each of the plurality of teeth is wound; and a coil wound on the outer circumferential surface of the bobbin; wherein the plurality of bobbins each have a coil winding body having a through hole formed in the center into which a coil winding part of the tooth is inserted and a coil wound on the outer circumference thereof; and upper and lower flanges are formed at both ends of the body to define an area on which the coil is wound, wherein the upper and lower flanges are formed in a hexagonal shape whose width narrows toward the center, and a shoe insertion portion into which a bottom surface of a shoe of the split teeth is inserted is formed around an entrance of the body, and the shoe of the split teeth is formed in
  • the pump housing includes a pump cover having an inlet for introducing fluid on one side and an outlet for discharging the introduced fluid on the other side; a body case coupled to the pump cover to form a fluid flow passage inside the pump cover and having a lower space; an upper cover coupled to a lower end of the body case to seal the lower space; and a waterproof partition disposed on an upper end of the body case to separate the rotor and the stator; wherein the water pump further includes a support shaft receiving portion integrally formed to extend in the direction of the lower space at the center of the waterproof partition and having first-stage to third-stage grooves formed at the center; a support shaft having a lower end supported in the third-stage groove of the support shaft receiving portion; a sleeve bearing coupled to an outer periphery of the support shaft to rotatably support the rotor and having a lower end supported in the second-stage groove; and a bearing housing receiving the sleeve bearing and having a lower end inserted into the first-stage groove; wherein the
  • the water pump further includes a plurality of fixing screws or fixing bolt fastening fixing projections protrudingly formed on the inner periphery of the cylindrical portion of the body case in correspondence to the number of the plurality of split teeth of the stator, and some of the plurality of fixing screws or fixing bolt fastening fixing projections are used to fix the back yoke of the stator core, and the remaining fixing projections can be used to fix a printed circuit board (PCB) of a driver for driving the motor.
  • PCB printed circuit board
  • a stator core is formed by combining a plurality of split teeth with an annular back yoke in an axial gap type motor that separates the rotor and the stator using a waterproof bulkhead, and the plurality of split teeth are formed by using a multi-layer laminated core formed by first laminating a plurality of thin steel sheets to form a plurality of sub-laminated cores of different shapes, and secondarily laminating the obtained plurality of sub-laminated cores, and by forming the shoe of the split teeth facing the rotor in a hexagonal shape, the effective magnetic flux density is maximized and the core loss due to eddy current is minimized, thereby promoting an increase in the efficiency of the motor and a reduction in the cost.
  • the unit price of the SMC (Soft Magnetic Composites) type core is 3,700 to 4,900 won/kg, while the silicon steel typically used in laminated cores costs 1,300 to 1,500 won/kg. Therefore, the SMC (Soft Magnetic Composites) type core has a cost burden more than three times higher than that of laminated cores.
  • the core of the stator facing the rotor in an axial gap type motor can form a core with a high effective magnetic flux density by optimizing the shoe surface of the SMC type core, which is a laminated core obtained by stamping and forming thin silicon steel sheets and laminated with multiple thin iron sheets.
  • a plurality of sub-laminated cores of different shapes are formed by first laminating a plurality of thin steel sheets, and a multi-layer laminated core having a hexagonal shoe is formed by second laminating the obtained plurality of sub-laminated cores, thereby forming a plurality of split teeth.
  • the effective magnetic flux density is maximized like an SMC type core, and core loss due to eddy current is minimized, thereby improving the efficiency of the motor.
  • the air gap can be minimized by using a waterproof bulkhead between the rotor and the stator to separate them, and by waterproofing the surface of the stator core facing the rotor with an ultra-thin waterproof coating film, so that a ferrite magnet, which is a non-rare earth magnet, can be used.
  • the waterproof bulkhead which is conventionally installed to separate the rotor and the stator, must also support the rotor's support shaft in the center. Therefore, for example, the waterproof bulkhead made of a resin such as PPS must be formed to a thickness of 0.9 mm, and there is a limit to reducing the thickness.
  • the waterproof coating film can be formed to a thickness of 0.2 mm, and thus the air gap can be significantly reduced compared to a thick-film waterproof baffle structure, making it possible to use a ferrite magnet with a relatively low magnetic density compared to a rare earth magnet.
  • the electric motor of the present invention is an axial gap type in which the rotor and stator are opposed to each other with a waterproof bulkhead interposed between them, using ferrite magnets, and can be used in an open structure without the need for a separate magnet waterproof structure, such as a rare earth magnet. That is, since the main component of a ferrite magnet is an oxide of iron (Fe), it does not rust easily, and therefore, unlike when a rare earth magnet (Nd magnet) is used, there is no need to consider a waterproof structure for the surface of the magnet exposed to water. Therefore, when a ferrite magnet is employed in the rotor, a waterproof structure is not required for the part in contact with water, so the air gap can be further reduced. This reduction in the air gap minimizes the leakage magnetic flux between the stator core and the magnets of the rotor, which can help increase the efficiency of the electric motor.
  • a separate magnet waterproof structure such as a rare earth magnet.
  • the axial gap type electric motor for the water pump (EWP) of the present invention is provided with a support shaft receiving portion in which a support shaft for rotatably supporting the rotor is integrally formed in the center of a waterproof bulkhead of a thick film for separating the rotor and the stator, which is disposed on the upper part of the body case, and the support shaft may be press-fitted and fixed to the support shaft receiving portion.
  • the air gap between the rotor and the stator core (teeth) is determined by an ultra-thin waterproof coating film formed on the surface of the stator core (teeth), so that the air gap can be determined regardless of the thickness of the waterproof bulkhead.
  • FIG. 1 is a perspective view of a water pump using an axial gap type electric motor according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a front view of the water pump illustrated in Figure 1.
  • Figures 3a and 3b are axial cross-sectional views of a water pump according to the present invention, respectively.
  • Figure 4 is a cross-sectional view taken along line B-B of Figure 2.
  • Figures 5 and 6 are an exploded perspective view and a completely exploded perspective view, respectively, of an assembly of a water pump according to one embodiment of the present invention.
  • Figures 7a and 7b are cross-sectional views taken along the line C-C and the line D-D, respectively, of the stator illustrated in Figure 6.
  • FIG. 8a and FIG. 8b are a perspective view and an exploded perspective view, respectively, of a stator according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9A to 9D are a perspective view, an exploded view, a cross-sectional view, and a perspective view of a split core, respectively, showing an assembly of a split core and a bobbin according to one embodiment of the present invention.
  • FIGS. 9E and 9F are exploded perspective views of first to third sub-laminated cores used in manufacturing a split core according to one embodiment of the present invention, respectively, and plan views showing thin iron sheets used in the sub-laminated cores.
  • Coils are widely used in electronic components such as electromagnets, inductors, transformers, electric motors, and generators.
  • Adding a ferromagnetic or ferrimagnetic material to the center of the coil can increase the magnetic field by hundreds or thousands of times.
  • the coil's magnetic field penetrates the core material, magnetizing it, and the strong magnetic field of the core adds to the field generated by the wire.
  • the degree to which the magnetic field is enhanced by the core depends on the permeability of the core material. Because frequency-dependent energy losses can occur due to adverse effects such as eddy currents and hysteresis, it is desirable to use different core materials for coils used at different frequencies.
  • a laminated magnetic core consists of a stack of thin iron sheets coated with an insulating layer, arranged as parallel as possible to the magnetic flux lines.
  • the insulating layer acts as a barrier to eddy currents, allowing them to flow only in narrow loops within the thickness of each single layer. Since the current in an eddy current loop is proportional to the loop area, this prevents most current from flowing, reducing eddy currents to a very small level. Since power dissipation is proportional to the square of the current, dividing a large core into narrower layers significantly reduces power losses. This suggests that thinner layers lead to lower eddy current losses.
  • a stator core is formed by combining a ring-shaped back yoke with a plurality of split teeth, and the plurality of split teeth use a multi-layer laminated core formed by laminating a plurality of sub-laminated cores of different shapes, thereby increasing the effective magnetic flux density and minimizing core loss due to eddy current, thereby improving the efficiency of the motor.
  • the axial gap type electric motor employing the non-rare earth magnet of the present invention is applied to a water pump (EWP), a compressor, an oil pump, etc., and in the following description, the axial gap type electric motor is applied to a water pump (EWP) as an example.
  • EWP water pump
  • EWP water pump
  • a water pump (EWP) (200) using an axial gap type electric motor largely includes a pump housing (10), an axial gap type electric motor (100), an impeller (20), and a driver (50).
  • the above pump housing (10) has an inlet (11a) for introducing a fluid such as a coolant at the center of one end, an outlet (11b) for discharging the introduced fluid is formed extending at one end of the other end, a pump cover (11) having an open center at the other end, a body case (12) having an inverted cup shape that covers the open portion of the pump cover (11) to form a fluid flow passage (P) inside the pump cover (11), and has a lower space (15) at the lower side of the fluid flow passage (P), and an upper cover (13) that forms a sealed lower space (15) inside the body case (12) and houses a stator (40) of an electric motor (100) and a driver (50) for driving the stator (40), and is coupled to the lower end of the body case (12).
  • the above pump cover (11) and body case (12) are preferably formed in a cylindrical shape and have a mutually fixed joint structure.
  • fixing extensions (11c, 12a) are protruded between the pump cover (11) and the body case (12) for mutual fixing connection, and fixing screws or fixing bolts are fastened to the connecting holes formed in the center of the fixing extensions (11c, 12a).
  • one fixing extension (12a) of the body case (12) has an alignment groove formed to align the coupling position with the fixing extension (11c) of the pump cover (11), and the fixing extension (11c) of the pump cover (11) has a coupling protrusion formed to be coupled to the alignment groove.
  • a circular protrusion and a circular groove are formed on each flange between the pump cover (11) and the body case (12), and an O-ring (17a) for sealing is inserted into the groove.
  • a sealing O-ring (17b) can be inserted into the joint between the body case (12) and the upper cover (13) to maintain the sealing state of the lower space (15).
  • a connector housing (13b) is extended from the lower surface of the upper cover (13) to which a terminal terminal (18) for applying a driving signal to the driver (50) from the outside is arranged.
  • the pump cover (11), body case (12) and upper cover (13) forming the above pump housing (10) can be formed using a resin such as, for example, PPS (Poly Phenylene Sulfide).
  • An impeller (20) having a rotor (30) of an electric motor (100) integrally formed on the lower side is disposed in a fluid flow passage (P) of a folded portion between the inlet (11a) and the outlet (11b) of the pump cover (11).
  • the open bottom of the pump cover (11) is extended to secure a wider space than the inlet (11a) so that the impeller (20) can be placed in the fluid flow passage (P), and a flange is extended to form a groove structure on the upper part of the body case (12) corresponding to the open bottom of the pump cover (11).
  • the impeller (20) has a plurality of blades (23) radially arranged between a circular upper plate (21) and a lower plate (22) so as to discharge a fluid such as cooling water flowing in from an inlet (11a) through an outlet (11b) arranged on the side.
  • the upper plate (21) has a through hole formed in the center and has a shape of a narrow upper and lower plate with a diameter that increases from the top to the bottom, and the lower plate (22) is formed as a circular plate that surrounds the upper side and a part of the outer surface of the rotor (30). Therefore, the lower plate (22) functions as a rotor support, and the lower plate (22) and the rotor (30) can be integrated by an insert molding method.
  • a bearing housing (24) is formed to protrude downward in the central portion of the lower plate (22), and a sleeve bearing (61) that rotatably supports the rotor (20) on a support shaft (60) is built into the bearing housing (24).
  • an oilless bearing such as a carbon bearing or a plastic bearing.
  • the water pump (200) employs an axial gap type electric motor (100) including a core-type stator (40) arranged in a sealed lower space (15) inside the body case (12) as a driving means for rotating the impeller (20), and a rotor (30) arranged opposite the stator (40) in a fluid flow passage (P) outside the body case (12).
  • an axial gap type electric motor (100) including a core-type stator (40) arranged in a sealed lower space (15) inside the body case (12) as a driving means for rotating the impeller (20), and a rotor (30) arranged opposite the stator (40) in a fluid flow passage (P) outside the body case (12).
  • the rotor (30) is configured as a single body with the impeller (20) by sequentially installing a ring-shaped back yoke (31) and a magnet (32) on the lower surface of the lower plate (22).
  • the magnet (32) of the rotor (30) may be formed of a plurality of N-pole and S-pole split magnet pieces, or a magnet in which the N-pole and S-pole are multi-polarly split and magnetized in a ring-shaped magnet may be used.
  • the back yoke (31) may be formed by, for example, punching an electro-galvanized iron (EGI) plate into a ring shape and installing it on the back surface of the magnet (32) to form a magnetic circuit.
  • EFI electro-galvanized iron
  • a thick waterproof partition (16) is installed on the upper part of the body case (12) to separate the stator (40) and the rotor (30), thereby implementing a completely waterproof structure for the stator (40). That is, the stator (40) placed in the sealed lower space (15) inside the body case (12) can be completely blocked from contact with water by the waterproof partition (16).
  • a support shaft receiving portion (12e) formed integrally with the lower portion of the support shaft (60) by an insert molding method is formed extending into the lower space (15), and a rotor (30) is rotatably supported on the support shaft (60) through a sleeve bearing (61).
  • the above-mentioned support shaft receiving portion (12e) has a three-step stepped groove (19) formed in the center, and a support shaft (60) is installed in the center of the groove (19), i.e., the third-step stepped portion, and a sleeve bearing (61) and the lower portion of the bearing housing (24) are supported in the first and second-step stepped portions of the groove (19), respectively.
  • a support washer (62) is inserted in the second-step stepped portion of the groove (19) to minimize friction with the lower portion of the sleeve bearing (61).
  • a washer (63) is attached to the upper portion of the above support shaft (60), and a fixing bolt (64) is fastened to the support shaft (60) to prevent the rotor (30) and impeller (20) from being separated from the support shaft (60).
  • the fixing bolt (64) prevents the washer (63), which minimizes friction when the rotor (30) and impeller (20) rotate, from being separated.
  • the waterproof bulkhead (16) for separating the stator (40) and the rotor (30) on the upper portion of the body case (12) may be formed to have a thickness equal to or thicker than the cylindrical portion (12c) of the body case (12) so that the support shaft (60) formed in the support shaft receiving portion (12e) can have sufficient support strength when the rotor (30) and the impeller (20) rotate.
  • the air gap between the magnet (32) of the rotor (30) and the shoes (412) of the plurality of split teeth (41) forming the stator core (45) of the stator (40) is designed to have a significantly reduced gap compared to a conventional structure. That is, an ultra-thin waterproof coating film (14) having a thickness of about 0.2 mm is formed on the exposed plane (414a) of the shoe (412) of the tooth (41) facing the magnet (32) of the rotor (30).
  • the plurality of split teeth (41) are formed integrally with their respective ends embedded in the waterproof bulkhead (16), as illustrated in Fig. 7b.
  • a waterproof coating film (14) may be formed in advance on the rectangular exposed plane (414a) of the shoe (412) of the plurality of split teeth (41).
  • the waterproof coating film (14) can be formed together with the waterproof bulkhead (16) when forming the body case (12) by an insert molding method in which the tip portions of the plurality of split teeth (41) are embedded in the waterproof bulkhead (16) during injection molding.
  • the upper surface of the waterproof coating film (14) is set to form the same plane as the upper surface of the waterproof bulkhead (16).
  • the overall air gap is determined to be 1.1 mm, which is the minimum distance of 0.9 mm between the magnet (32) and the waterproof bulkhead (16) plus 0.2 mm of thickness of the waterproof coating film (14), but the air gap of the conventional structure is determined to be 1.8 mm, which is the minimum distance of 0.9 mm between the magnet (32) and the waterproof bulkhead (16) plus 0.9 mm of thickness of the waterproof bulkhead (16).
  • the air gap is greatly shortened compared to the air gap of a conventional structure in which the stator core is placed in the internal space of a waterproof bulkhead, and thus the leakage magnetic flux is greatly reduced.
  • a ferrite magnet which is a non-rare earth magnet that can be purchased at a low price, can be used as the magnet of the rotor (30), as described below.
  • the electric motor (100) of the present invention is an axial gap type in which the rotor (30) and the stator (40) face each other with an ultra-thin waterproof coating film (14) therebetween, and can be used in an open structure without the need for a separate waterproof magnet structure such as a rare earth magnet. That is, since the electric motor (100) according to the present invention uses a ferrite magnet as the magnet (32) of the rotor (30), even if it is operated for a long time in contact with the cooling water flowing in the fluid flow passage (P) inside the pump cover (11), the performance of the magnet does not deteriorate. Therefore, the electric motor (100) of the present invention can further reduce the air gap and increase efficiency compared to a conventional electric motor that employs a rare earth magnet having a waterproof magnet structure.
  • the above support shaft (60) may be formed integrally by insert molding in a manner in which a portion of the support shaft (60) is inserted into a support shaft receiving portion (12e) integrally formed in the central portion of the waterproof bulkhead (16) during injection molding of the body case (12), or may be fixed by being pressed into the support shaft receiving portion (12e) integrally formed in the central portion of the waterproof bulkhead (16).
  • a portion of the support shaft receiving portion (12e) extends from the waterproof bulkhead (16) to the lower space (15) and has a sufficient contact area to firmly support the lower portion of the support shaft (60).
  • stator of an axial gap type motor according to one embodiment of the present invention is described.
  • the stator (40) is placed in a lower space (15) that maintains a sealed state and is formed integrally with a waterproof bulkhead (16) and an ultra-thin waterproof coating film (14), and is placed axially opposite to the rotor (30) to form an axial gap type motor.
  • the above stator (40) includes a stator core (45) having a plurality of split teeth (41) and an annular back yoke (42) that interconnects the plurality of split teeth (41) to form a magnetic circuit, as shown in FIGS. 8a to 9e, a plurality of bobbins (43) made of an insulating material that are joined to the outer periphery of the coil winding portion (410) of each of the plurality of split teeth (41), and a coil (44) wound on the outer periphery of the bobbin (43).
  • the axial gap type electric motor (100) of the present invention includes a rotor (30) having an annular magnet (32) and a stator (40) having a plurality of split teeth (41) arranged in an annular shape facing the annular magnet (32).
  • each of the split teeth (41) and the bobbin (43) be formed evenly within a circumferential angle of 60 degrees.
  • the upper and lower flanges (431a, 431b) of the plurality of bobbins (43) have a leading end in a trapezoidal shape and a rear end in a rectangular shape combined to form an overall hexagonal shape while minimizing the distance between adjacent flanges to secure the maximum coil winding area inside.
  • the above plurality of bobbins (43) each have a through hole (432) formed inside into which a coil winding part (410) of a split tooth (41) is inserted, a coil winding body (430) on the outer periphery of which a coil (44) is wound, and upper and lower flanges (431a, 431b) are formed at both ends of the body (430) to define an area in which the coil (44) is wound.
  • a shoe insertion part (433) into which the bottom surface of the shoe (412) of the tooth (41) is inserted is provided, and the shoe insertion part (433) is formed in a shape corresponding to the shape of the bottom surface of the shoe (412) of the split tooth (41).
  • the lower flange (431b) has first and second alignment guide protrusions (434, 435) protruding in a “U” shape to align the start line and end line of the coil (44) at regular intervals after winding them around one turn and fixing them.
  • the above coil winding body (430) is formed into a hexagonal shape overall by combining a square shape at the rear end and a trapezoidal shape at the front end, and the upper and lower flanges (431a, 431b) are formed to extend perpendicularly from both ends of the body (430), and the rectangular shape at the rear end and the trapezoidal shape at the front end are combined to form an overall hexagonal shape.
  • the shape of the shoe insertion portion (433) also forms an approximately hexagonal shape overall.
  • the plurality of split teeth (41) according to the present invention include a plurality of laminated structures each having a “T” shape, as shown in FIGS. 9d and 9e, for example, at least three layers of first to third sub-laminated cores (Laminated cores) (41a-41c).
  • the number of layers of the sub-laminated cores (41a-41c) required to form the above-mentioned split teeth (41) can be varied in the range of 2 to 5 layers as needed, and have the same length (L).
  • the split tooth (41) in which the first to third sub-laminated cores (41a-41c) are laminated and combined is formed into an overall “T” shape, and includes a coil winding portion (410) in which a bobbin (43) made of an insulating material is coupled to the outer periphery to wind the coil (44); and a shoe (412) having an exposed plane (414a) arranged on the upper end of the coil winding portion (410) and a pair of extended inclined surfaces (414b, 414c) formed on the front surface by extending flanges on both sides from the exposed plane (414a).
  • the above split teeth (41) may be formed in a hexagonal shape so that the coil winding part (410) and the shoe (412) correspond to the body (430) or upper and lower flanges (431a, 431b) of the bobbin (43).
  • the first sub-laminated core (41a) includes a first coil winding portion (410a) having a rectangular cross-section and a first shoe (412a) formed to extend left and right on the upper portion of the first coil winding portion (410a), the second sub-laminated core (41b) includes a second coil winding portion (410b) having a rectangular cross-section and a second shoe (412b) formed to extend left and right on the upper portion of the second coil winding portion (410b), and the third sub-laminated core (41c) includes a third coil winding portion (410c) having a rectangular cross-section and a third shoe (412c) formed to extend left and right on the upper portion of the third coil winding portion (410c).
  • the first sub-laminated core (41a) and the second sub-laminated core (41b) have first and second coil winding parts (410a, 410b) of the same width (W1) and the same volume.
  • the first shoe (412a) of the first coil winding part (410a) is formed to extend longer left and right than the second shoe (412b) of the second coil winding part (410b).
  • the widths (W1) of the first sub-laminated core (41a) and the second sub-laminated core (41b) are exemplified as being the same, but it is also possible for the width (W1) of the first sub-laminated core (41a) to be formed wider than the width of the second sub-laminated core (41b).
  • the width (W2) of the third sub-laminated core (41c) is formed to be narrower than the widths (W1) of the first sub-laminated core (41a) and the second sub-laminated core (41b), and the third shoe (412c) of the third sub-laminated core (41c) is formed to extend shorter to the left and right than the second shoe (412b) of the second coil winding portion (410b).
  • first shoe (412a) of the first coil winding portion (410a), the second shoe (412b) of the second coil winding portion (410b), and the third shoe (412c) of the third sub-laminated core (41c) be set so that the left and right extension lengths gradually decrease to correspond to the hexagonal shape of the upper flange (431a) of the bobbin (43), as shown in FIG. 9d.
  • the reason for forming the split tooth (41) according to the present invention into a multi-layered structure is to maximize the area of the shoe (412) facing the annular magnet (32) of the rotor (30) within a preset limited circumferential angle, and to increase the efficiency of the motor by increasing the effective magnetic flux density by reducing the leakage magnetic flux between the magnet (32) and the shoe (412) by maximizing the area of the shoe (412).
  • the first to third sub-laminated cores (41a-41c) are prepared by forming a plurality of thin-film electrical steel plates (silicon steel) into a "T" shape by punching, as shown in FIG. 9f, and then, as shown in FIG. 9e, by laminating a plurality of thin-film steel plates (411) into a "T" shape at a preset thickness.
  • the plurality of thin plate iron pieces (411) each include a rectangular body (411a) having a preset width and length, and a pair of flange portions (411c, 411d) extending perpendicularly from both sides of the upper end of the body (411a) so that the width thereof gradually narrows.
  • the above main body (411a) is formed into a rectangular shape with both sides in the longitudinal direction being parallel, and the upper side (411b) and the lower side also being parallel, and a pair of flange portions (411c, 411d) each have a lower side extending perpendicularly from the main body (411a) and an upper side having a shape inclined from the upper side (411b) of the main body (411a) so that the width of the flange portion gradually narrows.
  • the thin plate iron sheet (411) for the first and second sub-laminated cores (41a, 41b) is set to have the same width (W1) and length (L), and only the length of a pair of flange portions (411c, 411d) is manufactured to be different.
  • the sheet metal plate (411) for the third sub-laminated core (41c) has the same length (L) as the sheet metal plate (411) for the first and second sub-laminated cores (41a, 41b), but the width (W2) and the extension length of the pair of flange portions (411c, 411d) are formed shorter.
  • the thin plate iron pieces (411) are laminated in a plurality of layers at a preset thickness to form the first to third sub-laminated cores (41a-41c), respectively.
  • split tooth (41) as shown in Fig. 9d can be obtained, and a plurality of split teeth (41), for example, six split teeth (41) required to construct the stator (40) are prepared in the same manner as above.
  • the split teeth (41) formed by stacking the first to third sub-stacked cores (41a-41c) have an overall “T” shape as shown in FIG. 9d, and each includes a coil winding portion (410) on which a coil (44) is wound around the outer periphery, and a shoe (412) that extends perpendicularly to both sides from the tip of the coil winding portion (410) to expand to a larger area than the coil winding portion (410) and opposes the magnet (32) of the rotor (30).
  • the split tooth (41) has a shoe (412) arranged at the tip end with flanges extending to both sides, and is provided with an exposed plane (414a) located at the center of the tip end and parallel to the lower end of the coil winding portion (410), and a pair of extended inclined planes (414b, 414c) extending left and right to form inclined planes from the exposed plane (414a).
  • a waterproof coating film (14) made of a thinner film than the waterproof bulkhead (16) is formed on the exposed plane (414a) of the shoe (412), and the pair of extended inclined surfaces (414b, 414c) are embedded in and supported by the waterproof bulkhead (16).
  • the plurality of split teeth (41) are supported by a pair of extended inclined surfaces (414b, 414c) of the shoe (412) being embedded in the waterproof bulkhead (16), so that the waterproof bulkhead (16) is formed to extend so as to prevent the split teeth (41) from being separated by the magnetic force of the magnet (32) of the rotor (30).
  • An ultra-thin waterproof coating film (14) having a thickness of, for example, about 0.2 mm is formed on the exposed plane (414a) of the shoe (412) of the split tooth (41) facing the magnet (32) of the rotor (30), and the upper surface of the waterproof coating film (14) can be set to form the same plane as the upper surface of the waterproof bulkhead (16).
  • the above back yoke (42) is connected at right angles to a plurality of split teeth (41) to form a magnetic circuit, and is formed by laminating a thin electrical steel plate (silicon steel) with a predetermined thickness, similarly to the teeth.
  • the back yoke (42) has a plurality of coupling holes (42c) through which a plurality of split teeth (41) are coupled to an annular body (42a) having a through hole (42b) formed in the center.
  • the plurality of split teeth (41) must be arranged on the same circumference in the same direction as the axial direction at a predetermined distance from the support shaft (60), and therefore, the plurality of coupling holes (42c) of the back yoke (42) are arranged on the same circumference.
  • the outer circumference of the annular body (42a) has a plurality of, for example, three protrusions (42d), and a through hole formed in each of the three protrusions (42d) is used to fasten the back yoke (42) to the through hole of the fixing protrusion (12f) with a fixing screw or bolt.
  • the outer circumference of the annular body (42a) has a plurality of, for example, three recesses (42e), and when assembling the back yoke (42) to the inner circumference of the cylindrical portion (12c) of the body case (12) in order to assemble the back yoke (42) with the rear end of the plurality of split teeth (41), the recesses (42e) serve to guide the assembly position of the back yoke (42) as three fixing protrusions (12d) for fixing a printed circuit board (PCB) (51) are inserted.
  • PCB printed circuit board
  • stator core (45) of the present invention has a plurality of split teeth (41) arranged on the same circumference at a constant distance from the support shaft (60) in the same direction as the axial direction, and the rear ends of the plurality of split teeth (41) are each connected to a plurality of assembly holes (42c) of the back yoke (42).
  • a driver (50) is installed at the lower portion of the stator (40) to generate a rotating magnetic field by applying a driving signal to the U, V, and W three-phase coils (44) of the stator (40).
  • the driver (50) includes a printed circuit board (PCB) (51) on which various electronic components forming a motor drive circuit are mounted.
  • Three fixing through holes (52) are formed on the outer periphery of the printed circuit board (PCB) (51) to fix the printed circuit board (PCB) (51) to the body case (12).
  • the start line and end line of the coil (44) are assembled into the coil assembly through holes (53) of the printed circuit board (PCB) (51) and soldered.
  • the number of the fixing projections (12d, 12f) may be formed corresponding to the number of the plurality of split teeth (41) of the stator (40).
  • the number of the fixing projections (12d, 12f) may also be six, formed at the same circumferential angle on the inner periphery of the cylindrical portion (12c) of the body case (12) to partition and support the six split teeth (41).
  • a female thread for fastening a fastening screw or fastening bolt is formed in the center of the above-mentioned fixing protrusions (12d, 12f).
  • the three fixing protrusions (12f) are used to fasten the back yoke (42), and the remaining three fixing protrusions (12d) are used to fasten the printed circuit board (PCB) (51).
  • the assembly of the stator according to the present invention is performed as follows.
  • the first to third sub-laminated cores (41a-41c) obtained are laminated to manufacture a plurality of split teeth (41).
  • the split teeth (41) include a coil winding portion (410) to which a bobbin (43) is coupled and a shoe (412) facing a magnet (32) of a rotor (30).
  • an exposed plane (414a) of a shoe (412) facing the magnet (32) of the rotor (30) is coated with epoxy, for example, to a thickness of 0.2 mm, to form an ultra-thin waterproof coating film (14) (S12).
  • the start line and end line of the coil (44) are wound around the alignment guide protrusions (434, 435) for one turn and fixed, and then the ends of the start line and end line are aligned at a constant interval and extended to a predetermined length (S17).
  • a plurality of split teeth (41) having an ultra-thin waterproof coating film (14) formed on an exposed plane (414a) of a shoe (412) are arranged in a ring shape with the support shaft receiving portion (12e) as the center, as shown in FIG. 7b, and the exposed surface of the waterproof bulkhead (16) arranged on the upper portion of the body case (12) and the waterproof coating film (14) of the teeth (41) form a plane of the same height, and injection molding is performed so that only a pair of extended inclined surfaces (414b, 414c) of the shoe (412) of the teeth (41) is insert-molded into the waterproof bulkhead (16), thereby forming the body case (12) (S13).
  • a plurality of split teeth (41) are used in which an ultra-thin waterproof coating film (14) is formed on the exposed plane (414a) of the shoe (412) so that the exposed surface of the waterproof bulkhead (16) arranged on the upper part of the body case (12) and the waterproof coating film (14) of the teeth (41) form a plane of the same height, but the present invention is not limited thereto.
  • one end of the support shaft (60) be insert-molded into the groove (19) of the support shaft receiving portion (12e) and become integrated.
  • a support washer (62) may be inserted into the groove (19) of the support shaft receiving portion (12e) to minimize friction with the lower portion of the sleeve bearing (61), so that insert molding can be performed.
  • a bobbin (43) having a coil (44) wound on the coil winding portion (410) of the tooth (41) extending toward the lower portion of the body case (12) is assembled (S14).
  • the extension portions of the start line and end line of the coil (44) are directed toward the lower portion of the body case (12).
  • the lower part of the coil winding part (410) protruding from the lower part of the bobbin (43) is joined to the assembly hole (42c) of the back yoke (42), and a fixing screw or fixing bolt is fastened to the through hole of the protrusion (42d) to prevent the back yoke (42) from coming off (S15).
  • the bobbin (43) serves as a stopper that determines the assembly depth.
  • the diameter of the back yoke (42) is set smaller than the circumference formed by the start line and the tip of the end line of the coil (44).
  • the start and end wire ends of the coil (44) facing the bottom of the body case (12) are exposed to the bottom of the printed circuit board (PCB) (51) by passing through 12 through holes formed with coil assembly through holes (53) of the printed circuit board (PCB) (51), and then fixing screws or bolts are first fastened to three PCB fixing through holes (52) to fix the printed circuit board (PCB) (51), and then the start and end wire ends of the coil (44) exposed to the bottom of the printed circuit board (PCB) (51) are soldered and connected to the motor drive circuit of the printed circuit board (PCB) (51) (S16).
  • the water pump (200) may be configured as a BLDC motor having, for example, a 12-pole-9-slot or 8-pole-6-slot structure, with an axial gap type electric motor (100).
  • the electric motor (100) has an 8-pole-6-slot structure
  • the coil (44) of the stator (40) is wound around six teeth (41) in a U, V, and W three-phase structure to form a circuit
  • the coils (U1-U2, V1-V2, W1-W2) may be wound around two split teeth (41) for each of the U, V, and W phases.
  • the axial gap type electric motor (100) for a water pump has a stator (40) disposed in a lower space (15) inside a body case (12), which is a waterproof space completely separated from a fluid flow passage (P) inside a pump cover (11), a rotor (30) formed integrally with an impeller (20) and disposed in the fluid flow passage (P), and the stator (40) and the rotor (30) have a structure separated by a thick-film waterproof partition (16).
  • a plurality of split teeth (41) of a stator (40) facing a magnet (32) of a rotor (30) are formed by forming a plurality of thin electrical steel plates (silicon steel plates) in a "T" shape, each having the same length (L) but different widths (W1, W2), and a pair of flange portions (411c, 411d) extending left and right from a tip portion, by punching and laminating a plurality of each type of thin steel plates (411) to prepare first to third sub-laminated cores (41a-41c), and then laminating the obtained first to third sub-laminated cores (41a-41c).
  • the above-described plurality of split teeth (41) are formed of a laminated core formed by laminating first to third sub-laminated cores (41a-41c) of different shapes, and an ultra-thin waterproof coating film (14) is formed on an exposed plane (414a) forming the leading edge of a shoe (412), and a pair of extended inclined surfaces (414b, 414c) are insert-molded between the waterproof bulkhead (16) of the thick film of the body case (12).
  • the air gap between the stator (40) and the rotor (30) is set by an ultra-thin waterproof coating film (14) formed on the tip exposed plane (414a) of the split tooth (41) and the magnet (32) having an open structure without requiring a magnetic waterproof structure.
  • the electric motor (100) of the present invention can minimize the air gap compared to a conventional electric motor in which the tip of the tooth is arranged inside the waterproof bulkhead (16) of the thick film, thereby minimizing the leakage magnetic flux, and thus can achieve the same efficiency and torque increase as an electric motor using a rare earth magnet even when a ferrite magnet, which is a non-rare earth magnet, is used.
  • the electric motor (100) of the present invention is an axial gap type electric motor that uses a waterproof partition (16) to separate the rotor (30) and the stator (40), and the plurality of split teeth (41) use a multi-layer laminated core formed by laminating a plurality of sub-laminated cores (41a-41c) of different shapes, thereby increasing the effective magnetic flux density and minimizing core loss due to eddy current, thereby promoting an increase in the efficiency of the motor.
  • the driver (50) applies a drive signal to the stator coil (44) of the axial gap type motor (100) from the driver (50) when receiving a rotor position signal from a hall sensor (not shown), and the stator (40) generates a rotating magnetic field from a plurality of split teeth (41).
  • the impeller (20) and the rotor (30) disposed inside the fluid flow passage (P) are driven by the stator (40) of the electric motor (100) disposed outside the fluid flow passage (P) in a magnetic coupling manner, thereby realizing complete waterproofing of the stator (40) of the axial gap type electric motor (100).
  • the stator (40) of the electric motor (100) is completely isolated from the fluid flow passage (P), a separate waterproofing treatment can be omitted, and thus the air gap between the rotor (30) and the stator (40) of the electric motor (100) can be set to an optimal state, thereby improving the efficiency of the electric motor (100).
  • the present invention relates to an axial gap type electric motor employing a non-rare earth magnet, and can be particularly applied to a longitudinal permanent magnet synchronous motor.
  • the electric motor can be applied to a water pump (EWP), compressor, oil pump, etc. for cooling devices that circulate coolant for electrical components, batteries, fuel cell stacks, etc., in hybrid, electric, and fuel cell vehicles.
  • EWP water pump
  • compressor oil pump
  • coolant for electrical components, batteries, fuel cell stacks, etc., in hybrid, electric, and fuel cell vehicles.

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Abstract

본 발명은 다단 적층 코어로 분할형 코어를 형성함에 의해 와전류에 의한 코어 로스를 최소화하여 모터의 효율 상승과 비용 절감을 도모할 수 있는 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프에 관한 것이다. 본 발명의 워터 펌프(EWP)는 펌프 하우징의 내부에 로터와 스테이터가 방수 격벽에 의해 분리되는 액시얼 갭 타입 전동기에서, 상기 스테이터의 스테이터 코어는 각각 선단부가 상기 방수 격벽에 매입된 복수의 분할형 티스; 및 상기 복수의 분할형 티스에 연결되어 자기회로를 형성하는 환형 백요크를 포함하며, 상기 복수의 분할형 티스는 각각 상기 코일이 권선되는 코일권선부; 및 상기 코일권선부의 상단에 배치된 노출 평면과 상기 노출 평면으로부터 각각 양측으로 플랜지가 연장 형성되어 한쌍의 연장경사면을 갖는 슈;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프
본 발명은 액시얼 갭 타입 전동기에 관한 것으로, 상세하게는 로터와 스테이터 사이에 방수 격벽을 이용하여 분리하는 액시얼 갭 타입 전동기에서 각각 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어를 적층하여 형성되는 다단 적층 코어(Laminated core)를 사용하여 스테이터 코어(티스)를 형성함에 의해 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)를 최소화하여 모터의 효율 상승을 도모할 수 있는 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프에 관한 것이다.
일반적으로, 차량에 적용되는 워터 펌프(water pump)는 냉각수를 순환시키는 기능을 하는 장치로서, 벨트에 의해 강제 구동되어 펌프 임펠러를 회전시켜 냉각수를 흡입 및 토출시킴으로써 냉각수를 순환시키는 구성을 가지고, 그 내부에는 냉각수의 유출 방지를 위해 실 유닛(seal unit)이 조립되어 구성되는 엔진 구동식 워터 펌프와, 배터리 등에서 제공하는 전기에 의하여 전동모터를 구동시키고, 상기 전동모터에 의하여 임펠러가 회전하여 냉각수를 흡입 및 토출함으로써 냉각수를 순환시키는 전동식 워터 펌프가 대표적으로 사용되고 있다.
그 중, 상기 전동식 워터 펌프는 상기 엔진 구동식 워터 펌프에 비하여 차량의 엔진 구동력을 요구하지 않기 때문에 상기 엔진 구동식 워터 펌프에 비하여 엔진 효율이 증대되고, 이에 따라 연비가 향상되는 장점을 가지고 있으며, 더 나아가 냉각수의 온도를 정밀하게 제어할 수 있는 장점을 제공하여 최근 다양한 차종에 널리 적용되고 있다.
상기 전동식 워터 펌프 중, 캔드 타입 전동식 워터 펌프(Canned Type Electric Water Pump)는 고정자(固定子)의 안쪽에 캔(CAN) 형상의 밀폐용 용기를 가진 전동기에 의해 구동되는 펌프로서, 로터와 스테이터 사이에 캔 구조물을 삽입하고, 수력부를 로터부까지 연장하여 상기 로터가 냉각수에 잠기도록 함으로써, 투입되는 물이 로터에서 발생되는 마찰열을 적절히 냉각시키는 구조로 이루어진다.
상기 캔드 타입 전동식 워터 펌프는 통상적으로 레이디얼(Radial) 방향으로 자석과 스테이트 코어가 위치하여 자석에 물이 유입되는 형태의 구조로서 스테이터(코어 권선부)에는 물이 유입되면 안되는 구조가 필요하여 방수용 캔(Can) 또는 사출물을 이용한 방수 구조를 가지고 있다. 그 결과, 로터와 스테이터 코어 사이의 에어갭(Air gap)이 증대되어 자속 로스(Loss)가 많이 발생되어 일반 자석으론 원하는 펌프(모터) 용량을 맞추기 어렵기 때문에 일반적으로 고가의 희토류 자석을 많이 사용하고 있다.
일반적으로 워터 펌프(EWP), 컴프레셔, 오일 펌프 등에는 인너 로터(Inner rotor) 형태의 내전형 전동기를 채용하고 있으나 인너 로터형 모터일 경우 자석 단면적(즉, 유효면적)이 작아 희토류를 사용하면서 성능을 구현하고 있어 단가가 높다.
또한, 워터 펌프용 모터는 인너 로터형 모터로서 로터에 채용되는 희토류 자석(Nd-Fe-B)은 철 성분을 함유하고 있어 물과 접촉할 때 자석에 녹이 발생되는 문제가 있어 로터 부분도 방수 구조를 채용하고 있다. 따라서, 워터 펌프용 모터는 로터와 스테이터 사이의 에어갭(Air gap)이 커져서 로터 자석으로 Nd 사용량을 증대시킬 수 밖에 없는 구조이다. 그러나, 이와 같이 희토류 자석을 사용하는 로터를 채용한 경우 워터 펌프용 모터는 제조 비용의 상승을 막을 수 없다.
전동기에서 희토류 자석 대신에 비희토류 자석을 사용하려는 주된 이유는 비희토류 자석이 희토류 자석과 비교하여 상대적으로 가격이 저렴하다는 것이다. 이에 따라 전동기의 설계 목표는 가격이 저렴하고 낮은 자력의 비희토류 자석을 사용할지라도 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 자기에너지를 갖는 전동기를 구현하는 것이다.
본 발명자는 이러한 점을 고려하여 액시얼 갭 타입 전동기에서 로터와 스테이터 사이에 박판의 방수 격벽을 이용하여 완전히 분리함에 따라 에어갭(air gap)을 줄임에 의해 비희토류 자석인 저가의 페라이트 자석을 사용할지라도 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 자기에너지를 갖는 워터 펌프를 한국 공개특허공보 제10-2021-0108844호(특허문헌 1)에 제안한 바 있다.
상기 특허문헌 1의 워터 펌프(EWP)용 액시얼 갭 타입 전동기는 스테이터 코어로서 SMC(Soft Magnetic Composites)를 적용하고 있어 적층 코어보다 가격이 3배 정도 비쌀뿐 아니라 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)에 기인하여 모터 효율이 떨어지는 문제를 안고 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 문제점을 감안하여 고안된 것으로, 그 목적은 복수의 박판 철편을 1차 적층하여 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어를 형성하고 얻어진 복수의 서브 적층 코어를 2차 적층하여 형성되는 다단 적층 코어(Laminated core)를 사용하여 복수의 분할형 티스를 형성하며, 로터와 대향하는 분할형 티스의 슈를 6각형 형상으로 형성함에 의해 유효 자속밀도를 최대로 높이며 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)를 최소화하여 모터의 효율 상승과 비용 절감을 도모할 수 있는 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 로터와 스테이터 사이에 후막의 방수 격벽을 이용하여 분리하면서 로터와 대향한 스테이터 코어의 표면에는 초박막의 방수 코팅막에 의해 방수 처리함에 의해 에어갭(air gap)을 최소한으로 줄이는 것이 가능하여 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할 수 있는 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프를 제공하는 데 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 워터 펌프(EWP)는 일측에 실링상태의 하부공간을 구비하고 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구가 유체 흐름 통로를 통하여 연결된 펌프 하우징; 상기 유체 흐름 통로에 회전 가능하게 지지된 로터와 상기 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터를 구비하는 전동기; 및 상기 펌프 하우징의 내부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 방수 격벽;을 포함하고, 상기 스테이터의 스테이터 코어는 각각 상기 로터의 자석과 대향하여 배치되도록 동일한 원주상에 축방향과 평행하게 환형으로 배열되어 있으며, 선단부가 상기 방수 격벽에 매입된 복수의 분할형 티스; 및 상기 복수의 분할형 티스의 후단부와 각각 직각으로 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 환형 백요크를 포함하며, 상기 복수의 분할형 티스는 각각 동일한 길이를 가지나 폭이 갖거나 서로 다르며 선단부로부터 좌우로 연장된 길이만 다른 한쌍의 플랜지부를 가지며 "T" 형상으로 이루어진 복수의 박판 철편을 1차 적층하여 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어를 준비한 후, 얻어진 상기 복수의 서브 적층 코어를 2차 적층하여 형성되며, 상기 복수의 분할형 티스는 각각 상기 코일이 권선되는 코일권선부; 및 상기 코일권선부의 상단에 배치된 노출 평면과 상기 노출 평면으로부터 각각 양측으로 플랜지가 연장 형성되어 한쌍의 연장경사면을 갖는 슈;를 포함하고, 상기 슈의 노출 평면에는 상기 방수 격벽보다 박막으로 이루어진 방수 코팅막이 형성되고, 상기 한쌍의 연장경사면은 상기 방수 격벽에 매입되어 지지되며, 상기 방수 격벽과 방수 코팅막은 동일한 레벨의 평면을 이루는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 서브 적층 코어는 길이와 폭이 동일하고 선단부로부터 좌우로 연장된 길이만 다른 한쌍의 플랜지부를 가지는 "T" 형상으로 이루어진 2종류의 복수의 박판 철편을 종류별로 1차 적층하여 얻어지는 서로 다른 형상으로 이루어진 제1 및 제2 서브 적층 코어; 및 상기 2종류의 복수의 박판 철편과 비교하여 길이는 동일하나 폭이 좁고 선단부로부터 좌우로 연장된 길이도 상기 2종류의 복수의 박판 철편보다 짧은 한쌍의 플랜지부를 가지는 "T" 형상으로 이루어진 복수의 박판 철편을 1차 적층하여 이루어진 제3 서브 적층 코어;를 포함하며, 상기 복수의 분할형 티스는 각각 상기 제1 내지 제3 서브 적층 코어를 2차 적층하여 형성될 수 있다.
이 경우, 상기 슈의 노출 평면에 형성되는 상기 방수 코팅막은 복수의 분할형 티스의 선단부를 상기 방수 격벽에 인서트 몰딩방법으로 매입 형성하기 전에 미리 형성하거나, 또는 상기 슈의 노출 평면에 형성되는 상기 방수 코팅막은 복수의 분할형 티스의 선단부를 상기 방수 격벽에 인서트 몰딩방법으로 매입 형성할 때 상기 방수 격벽의 형성과 동시에 형성할 수 있다.
또한, 상기 복수의 분할형 티스는 각각 상기 로터 자석의 자력에 의해 이탈하는 것을 잡아주도록 상기 슈의 한쌍의 연장경사면이 상기 방수 격벽에 매입되어 지지될 수 있다.
이 경우, 상기 분할형 티스를 구성하기 위한 상기 서브 적층 코어의 적층 단수는 2층 내지 5층 범위에서 설정될 수 있으며, 상기 복수의 분할형 티스의 복수의 박판 철편은 각각 S18로 이루어지고, 상기 백요크는 S60의 전기강판을 타발하여 형성된 환형으로 이루어진 복수의 박판 철편을 적층하여 이루어진 적층형 코어로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 분할형 티스를 형성하는 상기 복수의 박판 철편은 각각 미리 설정된 폭과 길이를 갖는 직사각 형상의 본체와 상기 본체의 상단 양측으로부터 각각 폭이 점차적으로 좁아지도록 직각으로 연장된 한쌍의 플랜지부를 포함하며, 상기 본체는 길이방향의 양측변이 평행하고, 상변과 하변도 평행한 직사각 형상으로 이루어져 있고, 상기 한쌍의 플랜지부는 각각 하변은 본체로부터 직각으로 연장되고 상변은 폭이 점차적으로 좁아지도록 본체의 상변으로부터 경사진 형상을 가질 수 있다.
또한, 상기 스테이터는 상기 복수의 분할형 티스와 상기 복수의 분할형 티스와 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어; 상기 복수의 티스 각각의 코일이 권선될 외주면을 감싸도록 일체로 형성되는 절연성 재질의 복수의 보빈; 및 상기 보빈의 외주면에 권선되는 코일;을 포함하며, 상기 복수의 보빈은 각각 중앙에 티스의 코일권선부가 삽입되는 관통구멍이 형성되고 외주에 코일이 권선되는 코일권선용 몸통; 및 상기 몸통의 양단부에 상기 코일이 권선될 영역을 한정하도록 상부 및 하부 플랜지를 포함하며, 상기 상부 및 하부 플랜지는 중앙부를 향하여 폭이 좁아지는 6각형 형상으로 이루어지고, 상기 몸통의 입구 주변에는 상기 분할형 티스의 슈의 저면이 삽입되는 슈삽입부가 형성되며, 상기 분할형 티스의 슈는 6각형 형상으로 이루어지고 상기 상부 플랜지보다 작게 형성될 수 있다.
더욱이, 상기 펌프 하우징은 일측 및 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구를 갖는 펌프 커버; 상기 펌프 커버와 결합되어 펌프 커버 내부에 유체 흐름 통로를 형성하며, 하부공간을 갖는 바디 케이스; 상기 바디 케이스의 하단에 결합되어 상기 하부공간을 실링상태로 설정하는 어퍼 커버; 및 상기 바디 케이스의 상부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 방수 격벽;을 포함하며, 상기 워터 펌프는 상기 방수 격벽의 중앙에 상기 하부공간 방향으로 일체로 연장 형성되고 중앙에 제1단 내지 제3단 요홈이 형성된 지지축 수용부; 상기 지지축 수용부의 제3단 요홈에 하단부가 지지된 지지축; 상기 지지축의 외주에 결합되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하며 하단부가 상기 제2단 요홈에 지지되는 슬리브 베어링; 및 상기 슬리브 베어링을 수용하며 하단부가 상기 제1단 요홈에 삽입되는 베어링 하우징;을 더 포함하며, 상기 임펠러의 하판에 일체로 형성되며 내부에 상기 로터를 수용하는 로터 지지체는 중앙부에 베어링 하우징이 연결될 수 있다.
이 경우, 상기 워터 펌프는 상기 바디 케이스의 원통부 내주에 상기 스테이터의 복수의 분할형 티스의 수에 대응하여 돌출 형성된 복수의 고정나사 또는 고정볼트 체결용 고정돌기를 더 포함하며, 상기 복수의 고정나사 또는 고정볼트 체결용 고정돌기 중 일부는 상기 스테이터 코어의 백요크를 고정시키는 데 사용되고, 나머지 고정돌기는 상기 전동기를 구동하기 위한 드라이버의 인쇄회로기판(PCB)을 고정시키는 데 사용될 수 있다.
일반적으로 SMC(Soft Magnetic Composites) 타입의 스테이터 코어는 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)가 증가하는 것을 피하기 어렵다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 로터와 스테이터 사이에 방수 격벽을 이용하여 분리하는 액시얼 갭 타입 전동기에서 복수의 분할형 티스에 환형의 백요크를 결합하여 스테이터 코어를 형성하며, 복수의 분할형 티스는 복수의 박판 철편을 1차 적층하여 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어를 형성하고 얻어진 복수의 서브 적층 코어를 2차 적층하여 형성되는 다단 적층 코어(Laminated core)를 사용하여 형성하며, 로터와 대향하는 분할형 티스의 슈(Shoe)를 6각형 형상으로 형성함에 의해 유효 자속밀도를 최대로 높이며 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)를 최소화하여 모터의 효율 상승과 비용 절감을 도모할 수 있다.
이 경우, SMC(Soft Magnetic Composites) 타입의 코어는 단가가 3,700~4,900원/kg이고, 적층 코어에 사용되는 일반적인 실리콘 스틸은 1,300~1,500원/kg이다. 따라서, SMC(Soft Magnetic Composites) 타입의 코어는 적층 코어보다 3배 이상 높은 원가 부담을 갖게 된다.
그러나, 일반적으로 액시얼 갭 타입 전동기에서 로터와 대향하는 스테이터의 코어는 SMC 타입의 코어가 박판의 실리콘 스틸을 타발 성형하여 얻어진 박판 철편을 복수개 적층한 적층 코어보다 슈(shoe)의 면을 최적화할 수 있어 유효 자속밀도가 높은 코어를 형성할 수 있다.
이에 따라 본 발명에서는 복수의 박판 철편을 1차 적층하여 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어를 형성하고 얻어진 복수의 서브 적층 코어를 2차 적층하여 6각형 형상의 슈를 구비하는 다단 적층 코어(Laminated core)를 사용하여 복수의 분할형 티스를 형성함에 의해 단가가 저렴한 적층 코어를 사용하면서도 SMC 타입의 코어와 같이 유효 자속밀도를 최대로 높이며 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)를 최소화하여 모터의 효율 상승을 도모할 수 있다
더욱이, 본 발명에서는 로터와 스테이터 사이에 후막의 방수 격벽을 이용하여 분리하면서 로터와 대향한 스테이터 코어의 표면에는 초박막의 방수 코팅막에 의해 방수 처리함에 의해 에어갭(air gap)을 최소한으로 줄이는 것이 가능하여 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할 수 있다.
종래에 로터와 스테이터를 분리하기 위해 설치되는 방수 격벽은 중앙부에 로터의 지지축을 지지하는 역할도 동시에 수행하여야 하므로 예를 들어, PPS와 같은 수지로 이루어지는 방수 격벽은 0.9mm 두께로 형성되어야 하고 두께를 줄이는 데 한계가 있다.
그러나, 적층 코어로 이루어진 스테이터 코어(티스)의 표면을 초박막의 방수 코팅막에 의해 방수 처리하는 경우 방수 코팅막은 0.2mm 두께로 형성하는 것이 가능하여 후막의 방수 격벽 구조와 비교하여 에어갭(air gap)을 크게 줄이는 것이 가능하여 희토류 자석과 비교하여 상대적으로 자석밀도가 낮은 페라이트(Ferrite) 자석을 사용하는 것이 가능하게 된다.
더욱이, 본 발명의 전동기는 방수 격벽을 사이에 두고 페라이트(Ferrite) 자석을 사용하는 로터와 스테이터가 대향한 액시얼 갭 타입으로서, 희토류 자석과 같은 별도의 자석 방수 구조가 필요없이 오픈(open) 구조로 사용할 수 있다. 즉, 페라이트 자석은 주성분이 철(Fe)의 산화물이므로 잘 녹슬지 않기 때문에 희토류 자석(Nd 자석)을 사용할 때와 다르게 물에 노출되는 자석의 표면에 방수 구조를 고려할 필요가 없다. 따라서, 로터에 페라이트 자석을 채용하는 경우 물과 접촉하는 부분에 방수 구조가 필요없어 에어갭(air gap)을 더 줄일 수 있다. 이러한 에어갭의 축소는 스테이터 코어와 로터의 자석 사이의 누설자속을 최소화시키므로 전동기 효율 증대를 도모할 수 있다.
이 경우, 본 발명의 워터 펌프(EWP)용 액시얼 갭 타입 전동기는 바디 케이스의 상부에 배치되어 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 후막의 방수 격벽의 중앙부에 로터를 회전 가능하게 지지하는 지지축이 일체로 형성되는 지지축 수용부를 구비하고 있으며, 지지축은 지지축 수용부에 압입 고정될 수도 있다.
본 발명에서는 지지축 수용부가 후막의 방수 격벽에 형성될지라도 로터와 스테이터 코어(티스) 사이에 에어갭(air gap)을 결정하는 부분에는 스테이터 코어(티스)의 표면에 형성된 초박막의 방수 코팅막에 의해 에어갭(air gap)이 결정되므로 방수 격벽의 두께와 무관하게 에어갭이 결정될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 워터 펌프의 정면도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명에 따른 워터 펌프의 축방향 단면도이다.
도 4는 각각 도 2의 B-B 선 단면도이다.
도 5 및 도 6은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 펌프의 어셈블리별 분해사시도 및 완전 분해사시도이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 도 6에 도시된 스테이터의 C-C 선 단면도 및 D-D 선 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 스테이터의 사시도 및 분해사시도이다.
도 9a 내지 도 9d는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 분할형 코어와 보빈의 조립체를 나타낸 사시도, 분해도, 단면도 및 분할형 코어의 사시도이다.
도 9e 및 도 9f는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 분할형 코어의 제조할 때 사용되는 제1 내지 제3 서브 적층 코어의 분해 사시도 및 상기 서브 적층 코어에 사용되는 박판 철편을 나타내는 평면도이다.
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.
코일에 감겨진 전선을 통해 전류가 흐르면 앙페르의 회로 법칙에 따라 코일 중심을 통해 자기장이 생성된다. 코일은 전자석, 인덕터, 변압기, 전기 모터 및 발전기와 같은 전자 부품에 널리 사용된다.
코일 중앙에 강자성(ferromagnetism) 또는 페리자성(ferrimagnetism) 물질을 추가하면 자기장이 수백 또는 수천 배 증가할 수 있다. 코일의 자기장은 코어 물질을 관통하여 자화시켜 코어의 강한 자기장이 와이어에 의해 생성된 자기장에 추가된다.
코어에 의해 자기장이 증가하는 정도는 코어 재료의 투자율에 따라 달라진다. 와전류 및 히스테리시스와 같은 부작용으로 인해 주파수에 따른 에너지 손실이 발생할 수 있으므로, 서로 다른 주파수에서 사용되는 코일에는 서로 다른 코어 재료가 사용되는 것이 바람직하다.
금속의 전기 전도성으로 인해 고체(solid) 일체형(one-piece) 금속 코어는 변압기 및 인덕터와 같은 교류(AC) 응용 분야에 사용될 때, 변화하는 자기장은 그 내부에서 순환하는 큰 와전류, 즉 자기장에 수직인 평면에 전류의 폐쇄 루프를 유도한다.
금속의 저항을 통해 흐르는 전류는 줄(Joule) 열에 의해 금속을 가열하여 상당한 전력 손실을 초래한다. 따라서, 고체 철심(solid iron core)은 변압기나 인덕터에 사용되지 않고, 적층 또는 분말 철심이나 페라이트와 같은 비전도성 코어로 대체된다.
적층 자기 코어(Laminated magnetic core)는 절연층으로 코팅된 얇은 철 시트 스택으로 구성되며, 자속 선과 가능한한 평행하게 놓여 있다. 절연층은 와전류에 대한 장벽 역할을 하므로 와전류는 각 단일 적층의 두께 내에서 좁은 루프로만 흐를 수 있다. 와전류 루프의 전류는 루프 면적에 비례하므로 대부분의 전류가 흐르는 것을 방지하여 와전류를 매우 작은 수준으로 줄인다. 소비되는 전력은 전류의 제곱에 비례하므로 큰 코어를 좁은 적층으로 나누면 전력 손실이 크게 줄어들게 된다. 이것으로부터 적층이 얇을수록 와전류 손실이 낮아지는 것을 알 수 있다.
본 발명에서는 복수의 분할형 티스에 환형의 백요크를 결합하여 스테이터 코어를 형성하며 복수의 분할형 티스는 각각 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어를 적층하여 형성되는 다단 적층 코어(Laminated core)를 사용함에 의해 유효 자속밀도를 높이며 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)를 최소화하여 모터의 효율 상승을 도모할 수 있다.
본 발명의 비희토류 자석을 채용한 액시얼 갭 타입 전동기는 워터 펌프(EWP), 컴프레셔, 오일 펌프 등에 적용되며, 이하의 설명에서 액시얼 갭 타입 전동기가 워터 펌프(EWP)에 적용되는 것을 예를 들어 설명한다.
도 1 내지 도 7b를 참고하면, 본 발명에 따른 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프(EWP)(200)는 크게 펌프 하우징(10), 액시얼 갭 타입 전동기(100), 임펠러(20) 및 드라이버(50)를 포함하고 있다.
상기 펌프 하우징(10)은 일측단 중앙에 냉각수와 같은 유체가 도입되는 유입구(11a)가 배치되고 타측단 일측에 도입된 유체가 배출되는 배출구(11b)가 연장 형성되어 있으며, 타측단 중앙부는 개방되어 있는 펌프 커버(11)와, 상기 펌프 커버(11)의 개방부를 커버링하여 펌프 커버(11) 내부에 유체 흐름 통로(P)를 형성하며, 상기 유체 흐름 통로(P)의 하측에 하부공간(15)을 갖도록 반전된 컵 형상으로 이루어지는 바디 케이스(12)와, 상기 바디 케이스(12) 내부의 밀폐된 하부공간(15)을 형성하여 전동기(100)의 스테이터(40)와 스테이터(40)를 구동하기 위한 드라이버(50)가 내장되며, 바디 케이스(12)의 하단에 결합되는 어퍼 커버(13)를 포함하고 있다.
상기 펌프 커버(11)와 바디 케이스(12)는 바람직하게는 원통형상으로 이루어져 있고, 상호 고정 결합구조를 가지고 있다.
상기 펌프 커버(11)와 바디 케이스(12) 사이에는 상호 고정 결합을 위해 예를 들어, 4개의 고정용 연장부(11c,12a)가 돌출되어 있고, 고정용 연장부(11c,12a)의 중앙에 형성된 결합구멍에 고정나사 또는 고정볼트의 체결이 이루어진다.
상기 4개의 고정용 연장부(11c,12a) 중 바디 케이스(12)의 하나의 고정용 연장부(12a)에는 상기 펌프 커버(11)의 고정용 연장부(11c)와 결합위치를 정렬시키기 위한 정렬요홈이 형성되고, 상기 펌프 커버(11)의 고정용 연장부(11c)에는 상기 정렬요홈에 결합되는 결합돌기가 형성되어 있다.
또한, 상기 펌프 커버(11)와 바디 케이스(12) 사이에는 각각의 플랜지에 원형의 돌출부와 원형의 요홈이 형성되어 있으며, 상기 요홈에는 실링용 O-링(17a)이 삽입되어 있다.
더욱이, 상기 바디 케이스(12)와 어퍼 커버(13) 사이의 결합부에도 실링용 O-링(17b)이 삽입되어 하부공간(15)의 실링상태를 유지할 수 있다. 또한, 상기 바디 케이스(12)와 어퍼 커버(13) 사이의 결합부는 레이저 용접방법을 이용하여 접합시키는 방법으로 보다 완벽한 실링상태를 실현하는 것도 가능하다.
상기 어퍼 커버(13)의 하부면에는 외부로부터 드라이버(50)에 대한 구동신호를 인가하기 위한 터미널단자(18)가 배치되는 콘넥터 하우징(13b)이 연장되어 있다.
상기 펌프 하우징(10)을 형성하는 펌프 커버(11), 바디 케이스(12) 및 어퍼 커버(13)는 예를 들어, PPS(Poly Phenylene Sulfide) 등의 수지를 사용하여 형성될 수 있다.
펌프 커버(11)의 유입구(11a)와 배출구(11b) 사이의 절곡 부분의 유체 흐름 통로(P)에는 전동기(100)의 로터(30)가 하측에 일체로 형성되어 있는 임펠러(20)가 배치되어 있다.
또한, 유체 흐름 통로(P)에 임펠러(20)가 배치될 수 있도록 펌프 커버(11)의 개방된 하단은 유입구(11a) 보다 더 넓은 공간을 확보하도록 확장되어 있고, 펌프 커버(11)의 개방된 하단과 대응하는 바디 케이스(12)의 상부에는 요홈 구조를 형성하도록 플랜지가 연장되어 있다.
상기 임펠러(20)는 유입구(11a)로부터 유입되는 냉각수와 같은 유체를 측면에 배치된 배출구(11b)를 통하여 배출하도록 원판 형태의 상판(21)과 하판(22) 사이에 다수의 날개(23)가 방사상으로 배치되어 있다. 상기 상판(21)은 중앙에 관통구멍이 형성되고 상측으로부터 하측으로 직경이 증가하는 상협하광 형상으로 이루어지고, 하판(22)은 로터(30)의 상측과 외곽의 일부를 둘러싸는 원형판으로 이루어져 있다. 따라서, 상기 하판(22)은 로터지지체 역할을 하면서 하판(22)과 로터(30)는 인서트 몰딩방법으로 일체화될 수 있다.
또한, 하판(22)의 중앙부에는 하측방향으로 베어링 하우징(24)이 돌출 형성되며, 베어링 하우징(24)에는 지지축(60)에 로터(20)를 회전 가능하게 지지하는 슬리브 베어링(61)이 내장 설치되어 있다.
상기 슬리브 베어링(61)은 유체와 접촉이 이루어지는 것을 고려하여 카본 베어링 또는 플라스틱 베어링과 같은 오일레스 베어링을 사용하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 워터 펌프(200)는 도 3 내지 도 9e에 도시된 바와 같이, 상기 임펠러(20)를 회전 구동하기 위한 구동수단으로서 상기 바디 케이스(12) 내부의 밀폐된 하부공간(15)에 배치된 코어형 스테이터(40)와, 바디 케이스(12) 외부의 유체 흐름 통로(P)에 스테이터(40)에 대향하여 배치된 로터(30)를 포함하는 액시얼 갭 타입 전동기(100)를 채용하고 있다.
우선, 상기 로터(30)는 상기 하판(22)의 저면에 링형상의 백요크(31)와 자석(32)이 순차적으로 설치되어 임펠러(20)와 단일체를 구성한다. 로터(30)의 자석(32)은 복수의 N극 및 S극의 분할 자석편으로 이루어지거나 또는 링 형상의 자석에 N극 및 S극이 다극으로 분할 착자된 자석을 사용할 수 있으며, 백요크(31)는 예를 들어, 전기아연도금강판(EGI; Electro Galvanized Iron)을 링 형상으로 타발하여 자석(32)의 배면에 설치하여 자기회로를 형성할 수 있다.
상기 바디 케이스(12)의 상부에는 스테이터(40)와 로터(30)를 분리시키기 위한 후막의 방수 격벽(16)이 설치되어 스테이터(40)에 대한 완전 방수 구조를 구현한다. 즉, 바디 케이스(12) 내부의 밀폐된 하부공간(15)에 배치된 스테이터(40)는 방수 격벽(16)에 의해 물과의 접촉을 완벽하게 차단할 수 있다.
상기 방수 격벽(16)의 중앙부에는 지지축(60)의 하부가 인서트 몰딩 방법으로 일체로 형성되는 지지축 수용부(12e)가 하부공간(15)으로 연장 형성되어 있으며, 지지축(60)에는 슬리브 베어링(61)을 통하여 로터(30)가 회전 가능하게 지지되어 있다.
상기 지지축 수용부(12e)에는 중앙에 3단계 단차 구조의 요홈(19)이 형성되어 있으며, 요홈(19)의 중앙, 즉 제3단 단차부에 지지축(60)이 설치되어 있고, 요홈(19)의 제1단 및 제2단 단차부에는 슬리브 베어링(61)과 베어링 하우징(24)의 하단부가 각각 지지되어 있다. 이 경우, 요홈(19)의 제2단 단차부에는 슬리브 베어링(61)의 하단부와의 마찰을 최소화하도록 서포트 와셔(62)가 삽입되어 있다.
상기 지지축(60)의 상부에는 와셔(63)가 결합되어 있으며, 상단에는 로터(30)와 임펠러(20)가 지지축(60)으로부터 이탈하는 것을 잡아주기 위한 고정볼트(64)가 지지축(60)에 체결되어 있다. 상기 고정볼트(64)는 로터(30)와 임펠러(20)가 회전할 때 마찰을 최소화하는 와셔(63)의 이탈을 저지한다.
상기 바디 케이스(12)의 상부에 스테이터(40)와 로터(30)를 분리시키기 위한 방수 격벽(16)은 지지축 수용부(12e)에 형성된 지지축(60)이 로터(30)와 임펠러(20)가 회전될 때 충분한 지지강도를 가질 수 있도록 바디 케이스(12)의 원통부(12c)와 비교할 때 동일하거나 더 두꺼운 두께로 이루어지는 것도 가능하다.
본 발명에서는 후술하는 바와 같이, 로터(30)의 자석(32)과 스테이터(40)의 스테이터 코어(45)를 형성하는 복수의 분할형 티스(41)의 슈(412) 사이의 에어갭(air gap)은 종래의 구조보다 크게 축소된 간격을 가지도록 설계되어 있다. 즉, 로터(30)의 자석(32)과 대향하는 티스(41)의 슈(412)의 노출 평면(414a)에는 약 0.2mm 두께의 초박막의 방수 코팅막(14)이 형성되어 있다.
이 경우, 후술하는 바와 같이, 복수의 분할형 티스(41)는 각각 도 7b에 도시된 바와 같이, 선단부가 방수 격벽(16)에 매입되어 일체로 형성된다. 이 경우, 복수의 분할형 티스(41)의 슈(412)의 직사각형 노출 평면(414a)에는 방수 코팅막(14)이 미리 형성될 수 있다.
또한, 상기 방수 코팅막(14)은 바디 케이스(12)의 사출성형시에 복수의 분할형 티스(41)의 선단부를 방수 격벽(16)에 매입하는 인서트 몰딩방법으로 형성할 때, 방수 격벽(16)과 함께 형성될 수 있다. 그 결과, 상기 방수 코팅막(14)의 상부면은 방수 격벽(16)의 상부면과 동일한 평면을 이루도록 설정된다.
따라서, 본 발명의 전동기에서 전체적인 에어갭(air gap)은 자석(32)과 방수 격벽(16) 사이의 최소한의 거리 0.9mm에 방수 코팅막(14)의 두께 0.2mm를 더한 1.1mm로 결정되나, 종래 구조의 에어갭(air gap)은 자석(32)과 방수 격벽(16) 사이의 최소한의 거리 0.9mm에 방수 격벽(16)의 두께 0.9mm를 더한 1.8mm로 결정된다.
본 발명의 전동기에서 에어갭(air gap)은 스테이터 코어가 방수 격벽의 내부공간에 배치되는 종래 구조의 에어갭과 비교하여 에어갭이 크게 단축됨에 따라 누설자속도 크게 감소하게 된다.
그 결과, 본 발명에서는 로터(30)의 자석(32)과 대향하는 티스(41)의 슈(412)의 노출 평면(414a)에 방수 코팅막(14)을 상대적으로 얇은 두께로 형성함에 의해 이하에 설명하는 바와 같이 로터(30)의 자석(Magnet)을 저가로 구입할 수 있는 비희토류 자석인 페라이트(Ferrite) 자석을 사용할 수 있다.
그 결과, 본 발명의 전동기(100)는 초박막의 방수 코팅막(14)을 사이에 두고 로터(30)와 스테이터(40)가 대향한 액시얼 갭 타입으로서, 희토류 자석과 같은 별도의 자석 방수 구조가 필요없이 오픈(open) 구조로 사용할 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 전동기(100)는 로터(30)의 자석(32)으로 페라이트(Ferrite) 자석을 사용하기 때문에 펌프 커버(11) 내부에 유체 흐름 통로(P)를 흐르는 냉각수와 접촉된 상태로 장시간 운영될지라도 자석의 성능 하락이 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 전동기(100)는 자석 방수 구조를 갖는 희토류 자석을 채용하는 종래의 전동기보다 에어갭(air gap)을 더욱 줄여서 효율 증대를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 로터(30)와 스테이터(40) 사이에 초박막의 방수 코팅막(14)을 이용하여 분리함에 따라 에어갭(air gap)을 줄이는 것이 가능하여 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할지라도 Nd를 포함하는 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 자기에너지를 갖는 액시얼 갭 타입 전동기를 구현할 수 있다.
상기 지지축(60)은 바디 케이스(12)의 사출성형시에 상기 방수 격벽(16)의 중앙부에 일체로 형성된 지지축 수용부(12e)에 지지축(60)의 일부를 삽입한 형태로 몰딩하는 인서트 몰딩(insert molding) 방식으로 일체화하거나, 또는 방수 격벽(16)의 중앙부에 일체로 형성된 지지축 수용부(12e)에 압입하여 고정될 수 있다. 이 경우, 지지축 수용부(12e)의 일부는 방수 격벽(16)으로부터 하부공간(15)으로 연장되고, 충분한 접촉면적을 가지고 지지축(60)의 하단부를 견고하게 지지한다.
이하에 본 발명의 일 실시예에 따른 액시얼 갭 타입 전동기의 스테이터에 대하여 설명한다.
도 3 내지 도 9e에 도시된 바와 같이, 스테이터(40)는 실링상태를 유지하는 하부공간(15)에 배치되며 방수 격벽(16) 및 초박판의 방수 코팅막(14)과 일체로 형성되어, 상기 로터(30)와 축방향으로 대향하여 배치되어 액시얼 갭 타입 전동기를 구성한다.
상기 스테이터(40)는 도 8a 내지 도 9e에 도시된 바와 같이, 복수의 분할형 티스(41)와 상기 복수의 분할형 티스(41)를 상호 연결하여 자기회로를 형성하는 환형의 백요크(42)를 구비하는 스테이터 코어(45)와, 상기 복수의 분할형 티스(41) 각각의 코일권선부(410)의 외주부에 결합되는 절연성 재질의 복수의 보빈(43)과, 상기 보빈(43)의 외주면에 권선되는 코일(44)을 포함하고 있다.
본 발명의 액시얼 갭 타입 전동기(100)는 환형의 자석(32)을 구비하는 로터(30)와 상기 환형의 자석(32)과 대향하여 환형으로 배치된 복수의 분할형 티스(41)를 구비하는 스테이터(40)를 포함하고 있다.
이 경우, 상기 복수의 분할형 티스(41)와 복수의 보빈(43)은 예를 들어, 도 8a 도 8b에 도시된 바와 같이 6개로 구성되는 경우 각각의 분할형 티스(41)와 보빈(43)은 60도의 원주각 내에서 균등하게 형성되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 복수의 분할형 티스(41)와 복수의 보빈(43)은 각각 도 4에 도시된 바와 같이 선단부가 중앙부를 향하여 배치되기 때문에 후술하는 바와 같이, 복수의 보빈(43)의 상부 및 하부 플랜지(431a,431b)는 내부에 최대의 코일권선영역을 확보하도록 인접한 플랜지 사이의 거리를 최소화하면서 최대한 넓은 면적을 갖도록 선단부가 사다리꼴 형상으로 이루어지고 후단부가 직사각 형상이 조합되어 전체적으로 6각형 형상을 이루고 있다.
상기 복수의 보빈(43)은 각각 내부에 분할형 티스(41)의 코일권선부(410)가 삽입되는 관통구멍(432)이 형성되고 외주에 코일(44)이 권선되는 코일권선용 몸통(430)과, 상기 몸통(430)의 양단부에 코일(44)이 권선될 영역을 한정하도록 상부 및 하부 플랜지(431a,431b)가 형성되어 있다.
상기 몸통(430)의 입구 주변에는 티스(41)의 슈(412)의 저면이 삽입되는 슈삽입부(433)가 구비되어 있으며, 상기 슈삽입부(433)는 상기 분할형 티스(41)의 슈(412)의 저면의 형상과 대응하는 형상으로 이루어져 있다.
또한, 상기 하부 플랜지(431b)에는 코일(44)의 스타트선과 엔드선을 일회전 감아서 고정시킨 후, 일정한 간격으로 정렬시키기 위한 제1 및 제2 정렬용 가이드 돌기(434,435)가 각각 "U"자 형태로 돌출되어 있다.
상기 코일권선용 몸통(430)은 대략 후단부의 정사각형과 선단부의 사다리꼴 형상이 조합되어 전체적으로 6각형 형상의 통으로 이루어지며, 상기 상부 및 하부 플랜지(431a,431b)는 각각 상기 몸통(430)의 양단부로부터 직각으로 연장 형성되며 후단부의 직사각형과 선단부의 사다리꼴 형상이 조합되어 전체적으로 6각형 형상을 이루고 있다. 상기 슈삽입부(433)의 형상도 대략 전체적으로 6각형 형상을 이루고 있다.
본 발명에 따른 복수의 분할형 티스(41)는 도 9d 및 도 9e에 도시된 바와 같이, 각각 "T" 형상으로 이루어진 복수 층의 적층 구조, 예를 들어, 적어도 3층의 제1 내지 제3 서브 적층 코어(Laminated core)(41a-41c)를 포함하고 있다.
상기 분할형 티스(41)를 구성하는 데 필요한 상기 서브 적층 코어(41a-41c)의 적층 단수는 필요에 따라 2층 내지 5층 범위에서 변형이 이루어질 수 있고, 동일한 길이(L)를 가지고 있다.
상기 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)가 적층되어 조합된 상기 분할형 티스(41)는 전체적으로 "T" 형상으로 이루어지며, 외주부에 절연성 재질의 보빈(43)이 결합되어 상기 코일(44)이 권선되는 코일권선부(410); 및 상기 코일권선부(410)의 상단에 배치된 노출 평면(414a)과 상기 노출 평면(414a)으로부터 각각 양측으로 플랜지가 연장 형성되어 전면에 한쌍의 연장경사면(414b,414c)을 갖는 슈(412);를 포함하고 있다.
상기 분할형 티스(41)는 전체적으로 코일권선부(410)와 슈(412)도 상기 보빈(43)의 몸통(430)이나 상부 및 하부 플랜지(431a,431b)와 대응하도록 6각형 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 제1서브 적층 코어(41a)는 단면이 직사각 형상의 제1코일권선부(410a)와 상기 제1코일권선부(410a)의 상부에 좌우로 연장 형성된 제1슈(412a)를 포함하고 있고, 상기 제2 서브 적층 코어(41b)는 단면이 직사각 형상의 제2코일권선부(410b)와 상기 제2코일권선부(410b)의 상부에 좌우로 연장 형성된 제2슈(412b)를 포함하고 있으며, 상기 제3서브 적층 코어(41c)는 단면이 직사각 형상의 제3코일권선부(410c)와 상기 제3코일권선부(410c)의 상부에 좌우로 연장 형성된 제3슈(412c)를 포함하고 있다.
이 경우, 상기 제1서브 적층 코어(41a)와 제2 서브 적층 코어(41b)는 서로 동일한 폭(W1)과 동일한 체적의 제1 및 제2 코일권선부(410a,410b)를 가지고 있다. 그러나, 상기 제1코일권선부(410a)의 제1슈(412a)는 상기 제2코일권선부(410b)의 제2슈(412b)보다 좌우로 더 길게 연장 형성되어 있다.
또한, 도 9e에 도시된 실시예에서는 상기 제1서브 적층 코어(41a)와 제2 서브 적층 코어(41b)의 폭(W1)이 서로 동일한 것을 예시하고 있으나, 상기 제1서브 적층 코어(41a)의 폭(W1)이 제2 서브 적층 코어(41b)의 폭보다 더 넓게 형성되는 것도 가능하다.
더욱이, 상기 제3서브 적층 코어(41c)의 폭(W2)은 상기 제1서브 적층 코어(41a)와 제2 서브 적층 코어(41b)의 폭(W1) 보다 좁게 형성되어 있으며, 상기 제3서브 적층 코어(41c)의 제3슈(412c)는 상기 제2코일권선부(410b)의 제2슈(412b)보다 좌우로 더 짧게 연장 형성되어 있다.
상기 제1코일권선부(410a)의 제1슈(412a), 상기 제2코일권선부(410b)의 제2슈(412b) 및 상기 제3서브 적층 코어(41c)의 제3슈(412c)는 도 9d에 도시된 바와 같이, 상기 보빈(43)의 상부 플랜지(431a)의 6각형 형상과 대응하도록 좌우의 연장 형성된 길이가 점차적으로 감소하도록 설정되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 분할형 티스(41)를 복수 층의 적층 구조로 형성하는 이유는 미리 설정된 제한된 원주각 내에서 상기 로터(30)의 환형의 자석(32)과 대향하는 슈(412)의 면적을 최대로 높이기 위한 것이며, 상기 슈(412)의 면적을 최대화함에 의해 자석(32)과 슈(412) 사이의 누설 자속을 줄임에 의해 유효 자속밀도를 높여서 모터의 효율 증대를 도모하기 위한 것이다.
상기 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)는 각각 도 9f에 도시된 바와 같이, 박막의 전기강판(실리콘 스틸)을 "T" 형상으로 이루어진 박판 철편(411)을 복수개 타발 성형하여 준비한 후, 도 9e에 도시된 바와 같이, "T" 형상으로 이루어진 복수의 박판 철편(411)을 미리 설정된 두께로 적층하여 형성한다.
이 경우, 상기 복수의 박판 철편(411)은 각각 미리 설정된 폭과 길이를 갖는 직사각 형상의 본체(411a)와 상기 본체(411a)의 상단 양측으로부터 각각 폭이 점차적으로 좁아지도록 직각으로 연장된 한쌍의 플랜지부(411c,411d)을 포함하고 있다.
상기 본체(411a)는 길이방향의 양측변이 평행하고, 상변(411b)과 하변도 평행한 직사각 형상으로 이루어져 있으며, 한쌍의 플랜지부(411c,411d)는 각각 하변은 본체(411a)로부터 직각으로 연장되고 상변은 플랜지부의 폭이 점차적으로 좁아지도록 본체(411a)의 상변(411b)으로부터 경사진 형상을 가지고 있다.
상기 제1 및 제2 서브 적층 코어(41a,41b)용 박판 철편(411)은 동일한 폭(W1)과 길이(L)를 갖도록 설정되고, 한쌍의 플랜지부(411c,411d)의 길이만 다르게 제작된다.
그러나, 제3서브 적층 코어(41c)용 박판 철편(411)은 상기 제1 및 제2 서브 적층 코어(41a,41b)용 박판 철편(411)과 비교할 때, 길이(L)는 동일하나, 폭(W2)과 한쌍의 플랜지부(411c,411d)의 연장 길이는 짧게 형성된다.
상기 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)용 박판 철편(411)이 각각 복수개씩 준비되면 상기 박판 철편(411)을 미리 설정된 두께로 복수개씩 적층하여 상기 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 각각 형성한다.
그 후, 상기 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 다시 적층하면, 도 9d에 도시된 하나의 분할형 티스(41)를 얻을 수 있으며, 상기와 동일한 방식으로 상기 스테이터(40)를 구성하는 데 필요한 복수개, 예를 들어 6개의 분할형 티스(41)를 준비한다.
상기와 같이 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 적층하여 형성되는 분할형 티스(41)는 도 9d에 도시된 바와 같이, 전체적으로 "T" 형상을 이루고 있으며, 각각 외주부에 코일(44)이 권선되는 코일권선부(410)와 상기 코일권선부(410)의 선단부로부터 양측으로 직각으로 연장되어 코일권선부(410)보다 넓은 면적으로 확장되어 로터(30)의 자석(32)과 대항하는 슈(412)를 포함한다.
이 경우, 상기 분할형 티스(41)는 선단부에 배치된 슈(412)가 각각 양측으로 플랜지가 연장 형성되며, 선단 중앙부에 위치하며 코일권선부(410)의 하단부와 평행한 노출 평면(414a)과 상기 노출 평면(414a)으로부터 경사면을 형성하도록 좌우로 연장된 한쌍의 연장경사면(414b,414c)을 구비하고 있다.
상기 슈(412)의 노출 평면(414a)에는 상기 방수 격벽(16)보다 박막으로 이루어진 방수 코팅막(14)이 형성되고, 상기 한쌍의 연장경사면(414b,414c)은 상기 방수 격벽(16)에 매입되어 지지된다.
즉, 상기 복수의 분할형 티스(41)는 슈(412)의 한쌍의 연장경사면(414b,414c)이 상기 방수 격벽(16)에 매입되어 지지됨에 따라 상기 분할형 티스(41)가 로터(30) 자석(32)의 자력에 의해 이탈하는 것을 잡아주도록 방수 격벽(16)이 연장 형성되어 있다.
상기 로터(30)의 자석(32)과 대향하는 분할형 티스(41)의 슈(412)의 노출 평면(414a)에는 예를 들어, 약 0.2mm 두께의 초박막의 방수 코팅막(14)이 형성되며, 상기 방수 코팅막(14)의 상부면은 방수 격벽(16)의 상부면과 동일한 평면을 이루도록 설정될 수 있다.
상기 백요크(42)는 복수의 분할형 티스(41)와 직각으로 연결되어 자기회로를 형성하는 것으로, 티스와 동일하게 박막의 전기강판(실리콘 스틸)을 소정 두께로 적층하여 이루어진다. 이를 위해 상기 백요크(42)는 중앙부에 관통구멍(42b)이 형성된 환형 몸체(42a)에 복수의 분할형 티스(41)가 결합되는 복수의 결합구멍(42c)을 구비하고 있다. 이 경우, 상기 복수의 분할형 티스(41)는 지지축(60)과 일정한 거리를 두고 동일한 원주상에 축방향과 동일한 방향으로 배치되어야 하므로, 백요크(42)의 복수의 결합구멍(42c)은 동일한 원주상에 배치되어 있다.
상기 환형 몸체(42a)의 외주부에는 복수개, 예를 들어, 3개의 돌기부(42d)가 돌출되어 있으며, 3개의 돌기부(42d)에는 각각 백요크(42)를 고정돌기(12f)의 관통구멍에 고정나사 또는 고정볼트를 체결 고정시킬 때 이용되는 관통구멍이 형성되어 있다. 또한, 상기 환형 몸체(42a)의 외주부에는 복수개, 예를 들어, 3개의 요홈(42e)이 형성되어 있으며, 상기 요홈(42e)은 상기 백요크(42)를 상기 복수의 분할형 티스(41)의 후단부와 조립하기 위해 상기 바디 케이스(12)의 원통부(12c) 내주에 조립할 때, 인쇄회로기판(PCB)(51)을 고정시키기 위한 3개의 고정돌기(12d)가 삽입됨에 따라 백요크(42)의 조립위치를 가이드하는 역할을 한다.
또한, 본 발명의 스테이터 코어(45)는 복수의 분할형 티스(41)가 지지축(60)과 일정한 거리를 두고 동일한 원주상에 축방향과 동일한 방향으로 배치되어 있으며, 복수의 분할형 티스(41)의 후단부는 각각 백요크(42)의 복수의 조립구멍(42c)에 결합되어 있다.
상기 스테이터(40)의 하부에는 스테이터(40)의 U,V,W 3상 코일(44)에 구동신호를 인가하여 회전자계를 발생시키기 위한 드라이버(50)가 설치되어 있다. 상기 드라이버(50)는 모터구동회로를 형성하는 각종 전자부품이 실장된 인쇄회로기판(PCB)(51)을 포함하고 있다.
상기 인쇄회로기판(PCB)(51)의 외주에는 인쇄회로기판(PCB)(51)을 바디 케이스(12)에 고정시키기 위한 3개의 고정용 관통구멍(52)이 형성되어 있다. 또한, 상기 코일(44)의 스타트선과 엔드선은 인쇄회로기판(PCB)(51)의 코일 조립용 관통구멍(53)에 조립되어 솔더링이 이루어진다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 바디 케이스(12)의 원통부(12c) 내주에는 6개의 고정나사 또는 고정볼트 체결용 고정돌기(12d,12f)가 돌출되어 있다. 상기 고정돌기(12d,12f)의 갯수는 상기 스테이터(40)의 복수의 분할형 티스(41)의 수에 대응하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 분할형 티스(41)가 도 4에 도시된 바와 같이, 6개로 이루어진 경우 상기 고정돌기(12d,12f)의 갯수도 6개가 상기 바디 케이스(12)의 원통부(12c) 내주에 동일한 원주각마다 형성되어 6개의 분할형 티스(41)를 구획하여 지지할 수 있다.
상기 고정돌기(12d,12f)의 중앙에는 고정나사 또는 고정볼트 체결용 암나사산이 형성되어 있다. 상기 3개의 고정돌기(12f)는 백요크(42)를 고정시키는 데 사용되고, 나머지 3개의 3개의 고정돌기(12d)는 인쇄회로기판(PCB)(51)을 고정시키는 데 사용된다.
본 발명에 따른 스테이터의 조립은 다음과 같이 이루어진다.
먼저, 예를 들어, 0.3~0.5T의 박막의 무방향성(Non-oriented) 전기강판(Electrical Steel)(실리콘 스틸)으로서 상대적으로 S60보다 실리콘 함량이 더 높은 S18을 사용하여 도 9f에 도시된 바와 같은 "T" 형상으로 이루어진 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)용 3종류의 박판 철편(411)을 각각 복수개 타발 성형하여 준비한 후, 각각의 종류별로 미리 설정된 두께로 적층하여 도 9e에 도시된 바와 같은 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 제조한다(S11).
그 후 얻어진 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 적층하여 분할형 티스(41)를 복수개 제조한다. 이 경우, 상기 분할형 티스(41)는 보빈(43)이 결합되는 코일권선부(410)와 로터(30)의 자석(32)과 대향하는 슈(shoe)(412)를 포함한다.
그 후, 로터(30)의 자석(32)과 대향하는 슈(shoe)(412)의 노출 평면(414a)에는 에폭시를 예를 들어, 0.2mm 두께로 코팅하여 초박막의 방수 코팅막(14)을 형성한다(S12).
또한, 상기 보빈(43)의 몸통(430)에 코일(44)을 권선한 후, 정렬용 가이드 돌기(434,435)에 코일(44)의 스타트선과 엔드선을 일회전 감아서 고정시킨 후, 스타트선과 엔드선의 선단부를 일정한 간격으로 정렬시켜 소정 길이만큼 연장한다(S17).
이어서, 슈(shoe)(412)의 노출 평면(414a)에 초박막의 방수 코팅막(14)이 형성된 복수의 분할형 티스(41)가 도 7b에 도시된 바와 같이, 지지축 수용부(12e)를 중심으로 환형으로 배치되고, 바디 케이스(12)의 상부에 배치된 방수 격벽(16)의 노출면과 티스(41)의 방수 코팅막(14)이 동일한 높이의 평면을 형성하며, 방수 격벽(16)에는 티스(41)의 슈(412)의 한쌍의 연장경사면(414b,414c) 부분만 인서트 몰딩되도록 사출성형을 실시하여 바디 케이스(12)를 형성한다(S13).
상기 실시예 설명에서는 바디 케이스(12)의 상부에 배치된 방수 격벽(16)의 노출면과 티스(41)의 방수 코팅막(14)이 동일한 높이의 평면을 형성하도록 슈(shoe)(412)의 노출 평면(414a)에 초박막의 방수 코팅막(14)이 형성된 복수의 분할형 티스(41)를 사용하는 것을 예시하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명에서는 슈(shoe)(412)의 노출 평면(414a)에 초박막의 방수 코팅막(14)이 형성되지 않은 복수의 분할형 티스(41)를 사용하여 바디 케이스(12)의 상부에 배치된 방수 격벽(16)에 인서트 몰딩시킨 후, 슈(shoe)(412)의 노출 평면(414a)에 초박막의 방수 코팅막(14)을 형성하는 것도 물론 가능하다.
상기 바디 케이스(12)의 사출성형시에는 지지축 수용부(12e)의 요홈(19)에는 지지축(60)의 일단부가 인서트 몰딩되어 일체화되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 바디 케이스(12)의 사출성형시에는 지지축 수용부(12e)의 요홈(19)에 슬리브 베어링(61)의 하단부와의 마찰을 최소화하도록 서포트 와셔(62)가 삽입되어 인서트 몰딩이 이루어질 수 있다.
이어서, 바디 케이스(12)의 하부로 뻗어있는 티스(41)의 코일권선부(410)에 코일(44)이 권선된 보빈(43)을 조립한다(S14). 이 경우 코일(44)의 스타트선과 엔드선의 연장부는 바디 케이스(12)의 하부로 향하고 있다.
그 후, 상기 보빈(43)의 하단부로 돌출된 코일권선부(410)의 하단부에 백요크(42)의 조립구멍(42c)을 결합하고, 백요크(42)의 이탈을 방지하도록 돌기(42d)의 관통구멍에 고정나사 또는 고정볼트를 체결한다(S15). 이 경우, 코일권선부(410)의 하단부를 S60의 박막의 무방향성(Non-oriented) 전기강판(Electrical Steel)(실리콘 스틸)을 적층하여 형성된 백요크(42)의 조립구멍(42c)에 결합할 때 상기 보빈(43)은 조립 깊이를 결정하는 스토퍼 역할을 한다.
또한, 백요크(42)의 직경은 코일(44)의 스타트선과 엔드선의 선단부가 이루는 원주보다 작게 설정되어 있다.
그 후, 바디 케이스(12)의 하부로 향하고 있는 코일(44)의 스타트선과 엔드선의 선단부가 인쇄회로기판(PCB)(51)의 코일 조립용 관통구멍(53)이 형성된 12개의 관통구멍을 통과하여 인쇄회로기판(PCB)(51)의 하부로 노출시킨 후, 먼저 3개의 PCB 고정용 관통구멍(52)에 고정나사 또는 고정볼트를 체결하여 인쇄회로기판(PCB)(51)을 고정시킨 후, 인쇄회로기판(PCB)(51)의 하부로 노출된 코일(44)의 스타트선과 엔드선의 선단부를 인쇄회로기판(PCB)(51)의 모터구동회로에 솔더링하여 연결한다(S16).
본 발명에 따른 워터 펌프(200)는 액시얼 갭 타입 전동기(100)가 예를 들어, 12폴(pole)-9슬롯(slot) 또는 8폴(pole)-6슬롯(slot) 구조의 BLDC 모터로 구성될 수 있다. 상기 전동기(100)가 8폴(pole)-6슬롯(slot) 구조인 경우 스테이터(40)의 코일(44)을 U,V,W 3상 구조로 6개의 티스(41)에 권선하여 회로를 구성할 때, 코일(U1-U2,V1-V2,W1-W2)이 U,V,W 각 상마다 2개의 분할형 티스(41)에 권선될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 따른 워터 펌프용 액시얼 갭 타입 전동기(100)는 스테이터(40)가 펌프 커버(11) 내부의 유체 흐름 통로(P)와 완전히 분리된 방수 공간인 바디 케이스(12) 내부의 하부공간(15)에 배치되고, 로터(30)는 임펠러(20)와 일체로 형성되어 유체 흐름 통로(P)에 배치되어 있으며, 스테이터(40)와 로터(30)는 후막의 방수 격벽(16)에 의해 분리된 구조를 가지고 있다.
또한, 본 발명에서는 로터(30)의 자석(32)과 대향하는 스테이터(40)의 복수의 분할형 티스(41)가 박판의 전기강판(실리콘 강판)을 각각 "T" 형상으로 이루어지며 동일한 길이(L)를 가지나 폭(W1,W2)이 갖거나 서로 다르며 선단부로부터 좌우로 연장된 길이만 다른 한쌍의 플랜지부(411c,411d)를 갖는 박판 철편(411)을 복수 종류로 복수개 타발 성형하여 각각의 종류별로 복수개씩 적층하여 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 준비하고 얻어진 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 적층하여 형성된다.
더욱이, 상기 복수의 분할형 티스(41)는 서로 다른 형상의 제1 내지 제3 서브 적층 코어(41a-41c)를 적층하여 형성된 적층형 코어로 이루어져 있으며, 슈(shoe)(412)의 선단면을 이루는 노출 평면(414a)에는 초박막의 방수 코팅막(14)이 형성되고 한쌍의 연장경사면(414b,414c)이 바디 케이스(12)의 후막의 방수 격벽(16) 사이에 인서트 몰딩되어 있다.
따라서, 본 발명에 따른 워터 펌프용 액시얼 갭 타입 전동기(100)는 스테이터(40)와 로터(30) 사이의 에어갭(air gap)은 자석 방수 구조가 필요없이 오픈(open) 구조를 갖는 자석(32)과 분할형 티스(41)의 선단 노출 평면(414a)에 형성된 초박막의 방수 코팅막(14)에 의해 설정된다.
그 결과, 본 발명의 전동기(100)는 후막의 방수 격벽(16) 내측에 티스의 선단부가 배치된 종래 전동기와 비교하여 에어갭(air gap)을 최소한으로 줄이는 것이 가능하여 누설자속을 최소화할 수 있어 비희토류 자석인 페라이트 자석을 사용할지라도 희토류 자석을 사용한 전동기와 동등한 효율과 토크 증대를 도모할 수 있다.
또한, 본 발명의 전동기(100)는 상기 로터(30)와 스테이터(40) 사이에 방수 격벽(16)을 이용하여 분리하는 액시얼 갭 타입 전동기로서, 상기 복수의 분할형 티스(41)는 각각 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어(41a-41c)를 적층하여 형성되는 다단 적층 코어(Laminated core)를 사용함에 의해 유효 자속밀도를 높이며 와전류에 의한 코어 로스(Core Loss)를 최소화하여 모터의 효율 상승을 도모할 수 있다.
본 발명에 따른 액시얼 갭 타입 전동기(100)는 차량 내부의 워터 펌프(200) 제어장치로부터 워터펌프 제어신호가 드라이버(50)에 인가되면, 드라이버(50)는 홀센서(도시되지 않음)로부터 로터의 위치신호를 수신할 때 드라이버(50)로부터 액시얼 갭 타입 전동기(100)의 스테이터 코일(44)에 대한 구동신호를 인가하며, 스테이터(40)는 복수의 분할형 티스(41)로부터 회전 자기장이 발생한다.
상기 스테이터(40)의 복수의 분할형 티스(41)로부터 회전 자기장이 발생하면, 초박막의 방수 코팅막(14)을 통하여 유체 흐름 통로(P)에 배치된 로터(30)는 임펠러(20)와 함께 지지축(60)을 중심으로 회전이 이루어지며, 그 결과 임펠러(20)의 회전에 따라 펌프 커버(11)의 유입구(11a)로부터 냉각수가 도입되고, 도입된 냉각수는 유체 흐름 통로(P)를 따라 배출구(11b)로 배출된다.
본 발명에서는 유체 흐름 통로(P)의 외부에 배치된 전동기(100)의 스테이터(40)에 의해 유체 흐름 통로(P)의 내부에 배치된 임펠러(20)와 로터(30)를 자기결합방식으로 구동함에 의해 액시얼 갭 타입 전동기(100)의 스테이터(40)에 대한 완전한 방수를 실현할 수 있다.
더욱이, 본 발명에서는 전동기(100)의 스테이터(40)를 유체 흐름 통로(P)와 완전히 격리시킴에 따라 별도의 방수처리를 생략할 수 있고 이로 인해 전동기(100)의 로터(30)와 스테이터(40) 사이의 에어갭을 최적 상태로 설정하여 전동기(100)의 효율화를 도모할 수 있다.
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 비희토류 자석을 채용한 액시얼 갭 타입 전동기에 관한 것으로, 특히 종축형 영구자석 동기 전동기에 적용될 수 있으며, 전동기는 하이브리드, 전기자동차 및 연료전지자동차에 적용되어 전장부품, 배터리, 연료전지스택 등의 냉각수를 순환시키는 냉각장치용 워터 펌프(EWP), 컴프레셔, 오일 펌프 등에 적용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 일측에 실링상태의 하부공간을 구비하고 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구가 유체 흐름 통로를 통하여 연결된 펌프 하우징;
    상기 유체 흐름 통로에 회전 가능하게 지지된 로터와 상기 하부공간에 배치되어 회전자기장을 발생하여 상기 로터를 회전 구동하기 위한 스테이터를 구비하는 전동기; 및
    상기 펌프 하우징의 내부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 방수 격벽;을 포함하고,
    상기 스테이터의 스테이터 코어는 각각 상기 로터의 자석과 대향하여 배치되도록 동일한 원주상에 축방향과 평행하게 환형으로 배열되어 있으며, 선단부가 상기 방수 격벽에 매입된 복수의 분할형 티스; 및 상기 복수의 분할형 티스의 후단부와 각각 직각으로 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 환형 백요크를 포함하며,
    상기 복수의 분할형 티스는 각각 동일한 길이를 가지나 폭이 갖거나 서로 다르며 선단부로부터 좌우로 연장된 길이만 다른 한쌍의 플랜지부를 가지며 "T" 형상으로 이루어진 복수의 박판 철편을 1차 적층하여 서로 다른 형상의 복수의 서브 적층 코어를 준비한 후, 얻어진 상기 복수의 서브 적층 코어를 2차 적층하여 형성되며,
    상기 복수의 분할형 티스는 각각 상기 코일이 권선되는 코일권선부; 및 상기 코일권선부의 상단에 배치된 노출 평면과 상기 노출 평면으로부터 각각 양측으로 플랜지가 연장 형성되어 한쌍의 연장경사면을 갖는 슈;를 포함하고,
    상기 슈의 노출 평면에는 상기 방수 격벽보다 박막으로 이루어진 방수 코팅막이 형성되고, 상기 한쌍의 연장경사면은 상기 방수 격벽에 매입되어 지지되며,
    상기 방수 격벽과 방수 코팅막은 동일한 레벨의 평면을 이루는 워터 펌프.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 서브 적층 코어는
    길이와 폭이 동일하고 선단부로부터 좌우로 연장된 길이만 다른 한쌍의 플랜지부를 가지는 "T" 형상으로 이루어진 2종류의 복수의 박판 철편을 종류별로 1차 적층하여 얻어지는 서로 다른 형상으로 이루어진 제1 및 제2 서브 적층 코어; 및
    상기 2종류의 복수의 박판 철편과 비교하여 길이는 동일하나 폭이 좁고 선단부로부터 좌우로 연장된 길이도 상기 2종류의 복수의 박판 철편보다 짧은 한쌍의 플랜지부를 가지는 "T" 형상으로 이루어진 복수의 박판 철편을 1차 적층하여 이루어진 제3 서브 적층 코어;를 포함하며,
    상기 복수의 분할형 티스는 각각 상기 제1 내지 제3 서브 적층 코어를 2차 적층하여 형성되는 워터 펌프.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 슈의 노출 평면에 형성되는 상기 방수 코팅막은 복수의 분할형 티스의 선단부를 상기 방수 격벽에 인서트 몰딩방법으로 매입 형성하기 전에 미리 형성하는 워터 펌프.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슈의 노출 평면에 형성되는 상기 방수 코팅막은 복수의 분할형 티스의 선단부를 상기 방수 격벽에 인서트 몰딩방법으로 매입 형성할 때 상기 방수 격벽의 형성과 동시에 형성하며,
    상기 복수의 분할형 티스는 각각 상기 로터 자석의 자력에 의해 이탈하는 것을 잡아주도록 상기 슈의 한쌍의 연장경사면이 상기 방수 격벽에 매입되어 지지되는 워터 펌프.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 분할형 티스를 구성하기 위한 상기 서브 적층 코어의 적층 단수는 2층 내지 5층 범위에서 설정되며,
    상기 복수의 분할형 티스의 복수의 박판 철편은 각각 S18로 이루어지고,
    상기 백요크는 S60의 전기강판을 타발하여 형성된 환형으로 이루어진 복수의 박판 철편을 적층하여 이루어진 적층형 코어로 이루어지는 워터 펌프.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 박판 철편은 각각 미리 설정된 폭과 길이를 갖는 직사각 형상의 본체와 상기 본체의 상단 양측으로부터 각각 폭이 점차적으로 좁아지도록 직각으로 연장된 한쌍의 플랜지부를 포함하며,
    상기 본체는 길이방향의 양측변이 평행하고, 상변과 하변도 평행한 직사각 형상으로 이루어져 있고,
    상기 한쌍의 플랜지부는 각각 하변은 본체로부터 직각으로 연장되고 상변은 폭이 점차적으로 좁아지도록 본체의 상변으로부터 경사진 형상을 가지는 워터 펌프.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스테이터는
    복수의 분할형 티스와 상기 복수의 분할형 티스와 상호 연결되어 자기회로를 형성하는 백요크를 구비하는 스테이터 코어;
    상기 복수의 분할형 티스 각각의 코일이 권선될 외주면을 감싸도록 일체로 형성되는 절연성 재질의 복수의 보빈; 및
    상기 보빈의 외주면에 권선되는 코일;을 포함하며,
    상기 복수의 보빈은 각각
    중앙에 상기 분할형 티스의 코일권선부가 삽입되는 관통구멍이 형성되고 외주에 코일이 권선되는 코일권선용 몸통; 및
    상기 몸통의 양단부에 상기 코일이 권선될 영역을 한정하도록 상부 및 하부 플랜지를 포함하며,
    상기 상부 및 하부 플랜지는 중앙부를 향하여 폭이 좁아지는 6각형 형상으로 이루어지고,
    상기 몸통의 입구 주변에는 상기 분할형 티스의 슈의 저면이 삽입되는 슈삽입부가 형성되며,
    상기 분할형 티스의 슈는 6각형 형상으로 이루어지고 상기 상부 플랜지보다 작게 형성되는 워터 펌프.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 펌프 하우징은
    일측 및 타측에 유체가 도입되는 유입구와 도입된 유체가 배출되는 배출구를 갖는 펌프 커버;
    상기 펌프 커버와 결합되어 펌프 커버 내부에 유체 흐름 통로를 형성하며, 하부공간을 갖는 바디 케이스;
    상기 바디 케이스의 하단에 결합되어 상기 하부공간을 실링상태로 설정하는 어퍼 커버; 및
    상기 바디 케이스의 상부에 배치되어 상기 로터와 스테이터를 분리시키기 위한 방수 격벽;을 포함하며,
    상기 워터 펌프는
    상기 방수 격벽의 중앙에 상기 하부공간 방향으로 일체로 연장 형성되고 중앙에 제1단 내지 제3단 요홈이 형성된 지지축 수용부;
    상기 지지축 수용부의 제3단 요홈에 하단부가 지지된 지지축;
    상기 지지축의 외주에 결합되어 상기 로터를 회전 가능하게 지지하며 하단부가 상기 제2단 요홈에 지지되는 슬리브 베어링; 및
    상기 슬리브 베어링을 수용하며 하단부가 상기 제1단 요홈에 삽입되는 베어링 하우징;을 더 포함하며,
    상기 임펠러의 하판에 일체로 형성되며 내부에 상기 로터를 수용하는 로터 지지체는 중앙부에 베어링 하우징이 연결된 워터 펌프.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 바디 케이스의 원통부 내주에 상기 스테이터의 복수의 분할형 티스의 수에 대응하여 돌출 형성된 복수의 고정나사 또는 고정볼트 체결용 고정돌기를 더 포함하며,
    상기 복수의 고정나사 또는 고정볼트 체결용 고정돌기 중 일부는 상기 스테이터 코어의 백요크를 고정시키는 데 사용되고, 나머지 고정돌기는 상기 전동기를 구동하기 위한 드라이버의 인쇄회로기판(PCB)을 고정시키는 데 사용되는 워터 펌프.
PCT/KR2025/008502 2024-07-09 2025-06-19 액시얼 갭 타입 전동기를 이용한 워터 펌프 Pending WO2026014751A1 (ko)

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