KR100200667B1 - 브러시리스 직류모터 - Google Patents

Abstract

주로 컴퓨터의 하드디스크 드라이브나 레이저 스캐닝 유니트 등의 스핀들 모터로서 사용되는 것으로서, 코깅 토오크의 저감과 구동 토오크의 향상을 위하여 개선된 10극 9슬롯의 브러시리스 직류모터가 개시되어 있다. 이 모터는 계자속을 위하여 10개의 자극이 반경방향으로 착자되어 있는 환형의 영구자석과, 9개씩 형성된 돌극과 슬롯을 가지는 철심에 3상으로 결선된 코일이 감겨 있는 전기자를 구비하여, 3상으로 결선된 코일이 만드는 회전자계에 의해 회전력을 얻는다. 이 모터에 있어서는 회전시의 코깅 토오크 주기가 짧고 그 값도 현저하게 저감되어 안정성이 있으며, 또한 구동 토오크의 리플이 적고 그 크기가 커지는 등 효율이 좋다.

Description

브러시리스 직류모터

제1도는 종래 12극 9슬롯 브러시리스 직류모터의 구조를 보인 평면도이며,

제2도는 제1도에 도시된 모터의 전기자 권선 결선도이며,

제3도는 종래 8극 9슬롯 브러시리스 직류모터의 구조를 보인 평면도이며,

제4도는 제3도에 도시된 모터의 전기자 권선 결선도이며,

제5도는 본 발명에 따른 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터의 구조를 보인 평면도이며,

제6도는 제5도에 도시된 모터의 전기자 권선 결선도이며,

제7도는 제5도에 도시된 모터의 전기자 권선의 등가 회로도이며,

제8도는 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터의 코깅 토오크 특성을 종래와 비교하여 나타낸 그래프이며, 그리고

제9도는 본 발명에 다른 브러시리스 직류모터의 구동 토오크 특성을 종래와 비교하여 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,11,21 : 영구자석 2,12,22 : 전기자 철심

3,13,23 : 돌극 4,14,24 : 슬롯

5,15,25 : 코일

본 발명은 주로 컴퓨터의 하드디스크 드라이브(hard disk drive)나 레이저 스캐닝 유니트(laser scanning unit) 등의 스핀들 모터(spindle motor)로 사용되는 브러시리스(brushless) 직류모터에 관한 것으로서, 특히 코깅 토오크(cogging torque)가 낮고 구동 토오크 특성은 향상된 브러시리스 직류모터에 관한 것이다.

컴퓨터 하드디스크 드라이브나 레이저 스캐닝 유니트 등에 사용되는 스핀들 모터의 요구되는 사양은 고속화, 소형화, 고정도화(高精度化)에 있다. 특히 하드디스크 드라이브 경우에는, 최근 고밀도화 추세에 따라 디스크 상의 기록 데이터 간의 간격이 점점 좁아져 하드디스크를 구동하는 스핀들 모터의 진동에 기인하는 규칙적/불규칙적인 런아웃(repeatable/non-repeatble run-out)이 심각한 문제가 되고 있다. 이러한 요구사양을 만족시키기 위하여 스핀들 모터는 낮은 코깅 토오크와 고효율을 동시에 요구한다. 그러나 종래의 스핀들 모터는 상기한 두가지 요구사양을 동시에 만족시켜 주지 못하였다.

일례로, 스핀들 모터로서 종래에는 제1도에 도시된 바와 같이, 계자속(界磁束)을 발생하는 환형의 영구자석(1)은 상호 인접된 것과 반대의 극성(N극, S극)을 띠도록 반경방향으로 착자된 12개의 자극을 가지며, 전기자 철심(2)에 9개씩의 돌극(3)과 슬롯(4)이 형성되고 각 돌극(3) 주위에 코일(5)이 감겨 있는, 이른바 12극 9슬롯 브러시리스 직류모터가 많이 사용되고 있다. 여기서 코일(5)은 3개의 군으로 나뉘어 각 군에 서로 다른 위상(A상,B상,C상)을 가지는 전압이 인가되는 것으로서, 제2도의 결선도에서 보는 바와 같이 A상의 코일(5_A1,5_A2,5_A3)은 첫 번째와 네 번째 및 일곱 번째 돌극(3a,3d,3g)에 차례로 감기고, B상의 코일(5_B1,5_B2,5_B3)은 두 번째와 다섯 번째 및 여덟 번째 돌극(3b,3e,3h)에 차례로 감기고, 그리고 C상의 코일(5_C1,5_C2,5_C3)은 세 번째와 여섯 번째 및 아홉번째 돌극(3c,3f,3i)에 차례로 감겨 있다. 상기한 영구자석(1)의 각 자극 사이를 경유하는 자속과 상기한 전기자 권선이 형성하는 회전자계 상호간에 작용하는 회전력에 의해 그 영구자석(1)이 전기자에 대해 회전하도록 된 것이다.

이러한 모터에 있어서는, 일반적으로 계자속을 발생하는 상기한 영구자석이 가지고 있는 자기 에너지가 높으면 토오크 값이 커지며 이와 아울러서 코깅 토오크도 커지게 된다. 한편, 코깅 토오크의 주기는 다음과 같이 정의된다.

영구자석이 동일한 조건으로 착자된 경웅 그 자기 에너지는 동일하다. 이러한 조건하에서 코깅 토오크의 주기가 길 때 한 주기동안에 많은 에너지를 포함해야 하므로 그 값이 커지고, 반대로 주기가 짧으면 그만큼 그 값도 작아진다. 그래서 코깅 토오크의 영향을 줄이고자, 종래에 전기자 철심의 돌극에 보조 슬롯을 형성하거나 또는 슬롯에 보조 돌극을 돌출시킴으로써 그 코깅 토오크의 주기를 짧게 하면서 그 값을 줄이려는 시도도 있었다. 그러나 이 경우에는 전기자 철심의 가공이 어려운 데다 코일을 감는 일도 상당히 번거로워 바람직하지 않은 것이다.

한편, 미국특허 4,847,712에는 제3도에 도시된 바와 같이, 영구자석(11)이 8개의 자극을 가지며, 전기자 철심(12)에는 9개씩의 돌극(13)과 슬롯(14)이 형성되고, 각 돌극(3) 주위에 감긴 코일들(5)은 역시 A상과 B상 및 C상으로 나뉘어 제4도와 같이 결선되는, 8극 9슬롯 브러시리스 직류모터가 제안되어 있다. 이러한 브러시리스 직류모터에 있어서는 코깅 토오크의 주기가 5˚로 전술한 12극 9슬롯의 10˚보다 1/2배로 짧고 그 값도 많이 줄어듦을 알 수 있다(제8도 참조). 그러나 이것은 코깅 토오크의 감소뿐 아니라 전체의 토오크 성능도 크게 줄어서(제9도 참조) 그 효율이 전술한 종래의 12극 9슬롯의 경우보다도 10∼20%나 떨어지는 문제점을 가진다.

본 발명이 목적은 전기자 철심에 보조 슬롯이나 보조 돌극을 형성하는 등 그 본래의 형태를 변형시키지 않고 코깅 토오크가 저감되면서 높은 효율로 전체적인 토오크 특성이 향상되도록, 극수와 슬롯수 그리고 코일결선이 개선된 브러시리스 직류모터를 제공하는데 있다.상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

계자속을 발생하는 수단과 회전자계를 발생하는 수단을 구비하여 그 계자속과 회전자계 사이에 작용하는 회전력으로 동력을 발생하는 브러시리스 직류모터에 있어서,

상기한 계자속을 발생하는 수단에 원주방향의 일정한 간격으로 배치되고 상호 인접한 것과 반대 극성을 띠도록 반경방향으로 착자된 10개의 자극을 가지는 환형의 영구자석을 포함시키고,

상기한 회전자계를 발생하는 수단에는 상기한 영구자석의 자극과 대향하여 원주방향의 등간격으로 형성된 9개의 돌극과 이 돌극 사이에 슬롯이 형성된 전기자 철심과 각 돌극 주위에 적어도 하나씩 감긴 복수의 코일을 포함시켜 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터를 구성하는 것을 그 특징으로 한다.

본 발명은 또한, 상기한 구성에 있어서 전기자 철심의 연속된 3개의 돌극에 감긴 코일들과 그 다음 연속된 3개의 돌극에 감긴 코일들 그리고 그 다음 연속된 코일들로 이루어지는 3개의 군으로 나누어 각 군의 코일들을 직렬접속하고 각 군에는 서로 다른 위상을 가지는 전압이 인가되도록 3상으로 결선하여 구성하는 것을 그 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명을 그 구체적인 실시예가 도시된 도면 제5도 내지 제7도를 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터는 제5도와 같이, 계자속을 발생하는 수단으로서 10개의 자극을 가지는 환형의 영구자석(21)을 가지며, 회전자계를 형성하는 수단으로서 9개씩의 돌극(23)과 슬롯(24)이 형성되어 있는 전기자 철심(22)과 그 돌극(23)에 각각 감긴 복수의 코일(25)을 가진다. 여기서 영구자석(21)의 10개의 자극은 원주방향에 등간격으로 배치되어 있고 상호 인접한 것과 반대극성(N극, S극)을 띠도록 반경방향으로 착자된 것이다. 이 영구자석(21)은 계자요크(26)에 고착되어 함께 회전하게 된 것이다.제6도의 결선도를 참조하면, 전술한 코일은 처음 연속된 3개의 돌극(23a,23b,23c)에 감긴 코일(25_A1,25_A2,25_A3)과 다음에 연속된 3개의 돌극(23d,23e,23f)에 감긴 코일(25_B1,25_B2,25_B3), 그리고 그 다음에 연속된 3개의 돌극(23g,23h,23i)에 감긴 코일(25_C1,25_C2,25_C3)로 되는 3개의 군으로 구분되고 각 군에 서로 다른 위상(A상,B상,C상)을 가지는 전압이 각각 인가된다. 또한 제7도를 참조하면 A상의 코일(25_A1,25_A2,25_A3)과 B상의 코일(25_B1,25_B2,25_B3) 및 C상의 코일(25_C1,25_C2,25_C3)은 3상 4선식의 Y결선으로 되어있다.

상기와 같은 본 발명의 따른 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터의 운전에는 통상과 같이 다이오드(diode)와 사이리스터(thyristor)로 이루어진 구동회로를 이용하면 된다. 또한 원할한 회전을 위하여 그 회전시의 역기전력(back electro motive force)의 파형으로 그 회전자(영구자석)의 위치를 검출하고 이 회전자가 기계각으로 12˚회전할때마다 각 상의 코일에 흐르는 전류의 방향을 반전(commutation)시켜 준다. 한편, 초기 기동시에 어느 상에 가장 먼저 전류를 흘리는가 하는 것은 그 회전자의 위치에 따라 다르나, 처음에 A상에서 B상으로 전류를 흘렸다고 가정하면, 다음에는 A상에서 C상으로, 그 다음에는 B상에서 C상으로, 다음은 B상에서 A상으로, 다음은 C상에서 A상으로, 다음은 C상에서 B상으로, 그리고 다음은 다시 A상에서 B상으로 그 전류를 흘리는 과정을 반복한다.

상기 실시예와 같은 본 발명의 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터를 컴퓨터 하드 디스크 드라이브용 스피들 모터로서 사용하여본 결과로서, 그 코깅 토오크와 구동 토오크를 종래의 12극 9슬롯, 8극 9슬롯의 그것들과 비교하여 각각 제8도 및 9도에 나타내었다. 이들 그래프의 특성값을 정하면 다음의 표 1, 2와 같다.

상기의 표 1에 의하면 본 발명에 따른 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터에 있어서 코깅 토오크의 주기는 4˚로 아주 짧아졌다. 따라서 그 코깅 토오크의 주파수가 고주파로 되어 비교적 저주파의 작동환경을 가지는 시스템에서는 그 영향이 미치지 아니하므로, 구동시의 진동이 적은 등의 안정성을 높이는데 효과적이다. 한편, 회전자가 1회전하는 동안의 코깅 토오크의 평균값은 영(零)이 되므로 의미가 없다. 따라서 상기의 표 1에 정리된 그 최대값을 비교할 때, 본 발명에 따른 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터는 종래의 12극 9슬롯 및 8극 9슬롯의 그것에 비하여 코깅 토오크가 현저하게 저감된 것이다.

또한 구동 토오크 특성을 비교하더라도, 본 발명의 10극 9슬롯 브러시리스 직류모터는 제9도의 그래프에서 알 수 있듯이 토오크 특성 곡선의 리플(riffle)이 종래의 8극 9슬롯 그것과 거의 비슷하게 큰 변화가 없으면서도 상기의 표 2에 정리된 바와 같이 그 평균값이 그보다 크게 나타나 효율이 아주 높은 것으로 입증되었다.

이상에 설명된 바와 같이 본 발명은 코깅 토오크가 저감되고 구동 토오크는 향상된 고효율의 브러시리스 직류모터를 제공함으로써 컴퓨터 하드디스크 드라이브나 레이저 스캐닝 유니트 등의 스핀들 모터로서 그 요구사양을 충분히 만족시켜 주는 것은 물론 시스템의 안정성을 높인다. 또한 본 발명은 브러시리스 직류모터의 실용성을 높이는 데에도 기여하는 바가 큰 것이다.

이러한 본 발명은 상기에 설명 및 예시된 것에 의하여 한정되는 것은 아니며, 다음에 기재되는 특허청구의 범위 내에서 또 다른 변형 및 그 변용예가 가능한 것임은 물론이다.

Claims (3)

1. 계자속을 발생하는 수단과 회전자계를 발생하는 수단을 구비하여 그 계자속과 회전자계 사이에 작용하는 회전력으로 동력을 발생하는 브러시리스 직류모터에 있어서, 상기한 계자속을 발생하는 수단이 원주방향의 일정한 간격으로 배치되고 상호 인접한 것과 반대 극성을 띠도록 반경방향으로 착자된 10개의 자극을 가지는 환형의 영구자석을 구비하고, 상기한 회전자계를 발생하는 수단이 상기한 영구자석의 자극과 대향하여 원주방향에 등간격으로 배치되게 형성된 9개의 돌극과 이 돌극 사이에 형성된 슬롯을 가지는 전기자 철심과, 각 돌극 주위에 적어도 하나씩 감긴 복수의 코일을 구비하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터.
2. 제1항에 있어서, 상기한 복수의 코일이 상기한 전기자 철심의 연속된 3개의 돌극에 감긴 코일들과 그 다음 연속된 3개의 돌극에 감긴 코일들 그리고 그 다음 연속된 코일들로 이루어지는 3개의 군으로 나뉘고, 각 군에 있는 코일들이 직렬접속되고, 각 군에는 서로 다른 위상을 가지는 전압이 인가되도록 3상으로 결선된 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터.
3. 제2항에 있어서, 상기한 3개의 군이 Y결선을 갖는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터.