KR101183903B1 - 브러쉬리스 직류 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전자에 삽입되는 영구자석의 형상변화를 통해 유도전압의 파형이 정현파에 가깝게 되어 효율이 향상되고 진동 및 소음이 저감되는 브러쉬리스 직류 모터에 관한 것이다.

본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터는, 내부에 중공이 형성된 고정자; 상기 고정자의 중공내에 회전가능하게 설치되는 회전자; 상기 회전자내에 원주방향으로 다수개가 매설되며, 서로 인접하게 되는 소정영역의 양단부가 상기 회전자의 외주연을 따라 돌출되게 형성된 마그네트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

브러쉬리스 직류 모터{Brush-less D.C Motor}

도 1은 종래의 브러쉬리스 직류 모터의 단면도이다.

도 2는 종래의 브러쉬리스 직류 모터에서 유기전압의 파형도이다.

도 3은 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터의 단면도이다.

도 4는 도 3에서 회전자를 별도로 나타낸 단면도이다.

도 5는 원판형 결합판에 대한 정면도이다.

도 6은 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터에 대한 유기전압의 파형도이다.

도 7은 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터와 종래의 모터의 토오크 리플을 비교한 그래프이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명*

10 : 고정자, 11 : 티스부,

20 : 회전자, 21 : 결합홈,

22 : 핀홀, 23 : 회전축,

30 : 마그네트, 31 : 양단부,

31a : 내측면, 33 : 수평부,

본 발명은 브러쉬리스 직류 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자에 삽입되는 영구자석의 형상변화를 통해 유도전압의 파형이 정현파에 가깝게 되어 효율이 향상되고 진동 및 소음이 저감되는 브러쉬리스 직류 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 브러쉬리스 직류 모터는 회전자 코어에 영구자석이 삽입된 구조에 따라 표면 부착형(SPM: Surface-mounted Permanent Magnet)과 매입형(IPM: Interior Permanent Magnet)으로 분류된다.

이 중에서 매입형의 경우, 회전자의 형상에 따라 코깅 토크(cogging torque)가 발생되며 이에 따라 토크 리플이 발생되어 모터의 특성을 저하시키게 된다.

도 1은 종래의 매입형 브러쉬리스 직류 모터의 횡단면도이다.

고정자(1)는 단면이 환형으로 형성되며, 내부에는 등간격으로 배치되는 다수개의 티스부(2)와, 이 티스부(2)를 연결하는 요크부(3)를 포함하며, 티스부(2)사이에는 슬롯(3)이 마련되고, 이 슬롯에는 3상의 코일이 감겨져 있다.

고정자(1)의 내부에는 원통형의 회전자(5)가 회전가능하게 설치되는데, 그 내부에는 원주방향을 따라 판상의 영구자석(6)이 등간격으로 배치되며, 이 영구자석(6)들은 인접하는 극이 서로 다른 극성을 갖게 된다.

이때, 영구자석(6)의 극간에는 자속단락 방지구조(7)가 마련되어 서로 인접하는 두 극간의 자속을 차단하게 된다.

이러한 종래의 모터는 자속단락 방지구조(7)가 영구자석 매설홈에 접하고 연장선상에서 영구자석 양단부에 형성되어 있고, 이에 따라 자기저항을 크게 하여 자속의 누설을 방지하여 모터의 효율을 향상시키는 구조였다.

그러나, 티스부(2)의 선단과 대향되는 회전자의 자극부에서 자속이 급격하게 변화하여 고정자의 코일에 유도되는 유기전압의 파형에 많은 고조파 성분이 포함되며, 도 2는 이와 같이 고조파 성분이 포함된 유기전압의 파형을 나타낸 것이다.

특히, 도 1에서와 같이 회전자가 회전할 때 자속단락 방지구조(7)의 자기저항으로 인해 자속이 고정자(1)의 티스부(2) 끝단을 통과하기 때문에 비 정현적인 유기전압이 나타나며, 이에 따라 회전각의 변화에 따라 에너지의 변화가 커서 모터 작동시 소음 및 진동이 크게 발생되는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 모터 작동시 회전자의 코일에 유발되는 유기전압을 정현파에 가깝게 하여 모터의 효율이 향상되고, 진동 또는 소음 발생이 감소되는 브러쉬리스 직류 모터를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터는, 내부에 중공이 형성된 고정자; 상기 고정자의 중공내에 회전가능하게 설치되는 회전자; 상기 회전자내에 원주방향으로 다수개가 매설되며, 서로 인접하게 되는 소정영역의 양단부가 상기 회전자의 외주연을 따라 돌출되게 형성된 마그네트;를 포함하 는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양단부 사이는 상기 회전자의 외주연 내측으로 오목하게 형성된 수평부로 마련된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정자는 코일이 설치되고 원주방향을 따라 배치되는 슬롯과, 상기 슬롯사이에 구획하는 티스부를 포함하며, 상기 양단부가 형성되는 영역은 상기 회전자의 중심과 이루는 중심각인 θ가 360°/(상기 티스부의 개수)/2 이내인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양단부의 폭(Wa)은 상기 수평부의 폭(Wb) 보다 작게 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양단부의 내측면은 상기 수평부와 수직을 이루는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 양단부는 그 외측면이 인접하는 다른 마그네트의 양단부의 외측면과 이격되어 상기 회전자의 반경방향으로 서로 평행하게 형성된 것을 특징으로 한다.

이하에는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 살펴본다.

도 3을 참조하면, 고정자(10)는 단면이 환형으로 형성되어 내부에는 중공이 형성되며, 이 중공에는 원통형의 회전자(20)가 회전가능하게 설치된다.

고정자(10)에는 회전자(20)의 위상에 따라 자기장이 발생하도록 3상코일(13)이 설치되는데, 이 코일(13)은 고정자(10)내에 원주방향을 따라 등간격으로 배치되 는 슬롯에 설치되며, 슬롯과 슬롯사이는 티스부(11)에 의해 구획되고, 티스부(11)는 그 외주방향에 마련되는 요크부(12)와 연결된다.

고정자(10)의 내부에는 회전자(20)가 일정한 공극을 가지며 설치되는데, 그 내부에는 원주방향을 따라 영구자석인 마그네트(30)가 내접하는 구조로 설치되며 서로 등간격으로 배치되는데, 이 마그네트(30)들은 인접하는 극이 서로 다른 극성을 갖게 된다.

상기 마그네트(30)는 회전자(20)의 축(23)과 평행하도록 설치되며, 이를 위해 회전자(20)에는 마그네트 설치홈(21)이 마련되어 있고, 마그네트(30)가 상기 마그네트 설치홈(21)에 삽입, 설치된 상태에서 회전자(20)의 축방향 양단에 도 3에 도시한 바와 같이 핀홀(22)이 마련된 원판형 결합판(25)을 위치시킨 상태에서 핀홀(22)에 리벳 핀을 결합하는 구조로 조립된다.

한편, 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터에서 마그네트(30)는 도 1에 도시한 바와 같이 회전자(20)의 내부에서 원주방향을 따라 다수개가 매설되는데, 이때 마그네트(30) 간에 서로 인접하게 되는 양단부(31)는 회전자(20)의 외주연을 따라 돌출된 구조로 형성되어 있다.

또한, 하나의 마그네트(30)는 돌출된 형상의 두 양단부(31)사이에 상대적으로 오목하게 형성된 수평부(33)를 포함하는데, 하나의 양단부(31)의 폭(Wa)은 수평부(33)의 폭(Wb)보다는 작게 형성된다.

특히, 마그네트(30)에서 양단부(31)로 형성된 영역을 회전자(20)의 중심을 기준으로 한 중심각 θ 로 나타냈을 때, 인접하는 두 양단부(31)는 하나의 티스부 (11)가 형성하는 영역을 벗어나지 않는 것이 바람직하므로 중심각 θ는 0〈θ〈 (360°/N)/2 로 나타낼 수 있으며, 이때 N 은 고정자(10)에 마련된 티스부(11)의 개수를 의미한다.

즉, 도시된 실시예의 경우 여섯개의 티스부(11)가 배열되고, 이를 적용하면 하나의 양단부(31)가 이루는 중심각은 30° 이내이어야 하는 것이다.

두 양단부(31) 사이에 서로 대향되는 양단부(31)의 내측면(31a)은 상기 수평부(33)와 수직을 이루도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 인접하는 두 마그네트(30) 사이의 양단부(31)는 그 외측면(31b)이 인접하는 다른 마그네트(30)의 양단부(31)의 외측면(31b)과 소정간격 이격됨과 동시에 상기 회전자(20)의 반경방향으로 서로 평행하게 형성되어 있다.

따라서, 마그네트(30)는 전체적으로 양단부(31)가 형성된 영역은 외면이 회전자의 외주연을 따라 형성되고, 수평부(33)는 회전자의 중심방향으로 오목하게 단차진 홈으로 형성된다.

이와 같이 마그네트(30)의 형상은 마그네트(30)의 양단부(31)가 티스부(11)를 통과할 때 극성이 반대인 두 극이 지나면서 자속이 급속하게 변하는 것을 방지하기 위한 구성이다.

이하에는 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터의 작동과정 및 효과에 대하여 살펴본다.

고정자(10)에 마련된 슬롯에 감겨져 있는 코일(13)에 전류가 인가되는데, 전류는 코일(13)의 극성이 순차적으로 변하도록 인가된다.

따라서, 고정자(10)의 티스부(11)에는 회전자계가 발생되며, 회전자(20)에 매설된 마그네트(30)에 의해서도 자계가 발생된다.

이때, 회전자계의 극성과 마그네트(30)에 의한 자계의 극성이 동일한 경우에는 상호 반발력이, 극성이 다른 경우에는 인력이 작용하여 이러한 자계간의 상호작용에 의해 회전자(20)에는 회전력이 발생한다.

회전자(20)가 회전하여 회전자(20)의 마그네틱 양단부(31)가 고정자(10)의 티스부(11) 선단을 통과할 때 고조파가 많이 발생할 수 있는데, 상기 양단부(31)는 소정영역이 상술한 바와 같이 외주연을 따라 돌출되게 형성되어 있으므로 자속의 급속한 변화가 억제되어 고조파의 발생을 줄일 수 된다.

따라서, 회전자(20)의 회전에 따른 자속변화가 정현적으로 되어 도 8에서와 같이 기본파를 제외한 모든 고조파 성분이 줄어들면서 정현파에 가까운 유기전압 파형을 얻을 수 있게 되며, 이에 따라 전 고조파 왜형률(THD: Total Harmonic Distortion factor)에 있어 종래에는 9.87% 정도였던 것이 본 발명에 따른 모터의 경우 4.87%로 나타나 대략 50% 정도 개선되는 효과가 있다.

도 7은 회전각에 따른 모터의 토오크 상태를 나타낸 것으로, 유기전압의 파형이 정현적으로 형성됨에 따라 토오크 리플이 종래에 비하여 개선된 것을 확인할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류 모터는 마그네트의 양단부가 회전자의 외주연을 따라 돌출되게 형성된다.

따라서, 공극의 자속변화를 정현적으로 하여 왜형률을 최소화하는 정현적인 유기전압을 생성함으로써 토오크 리플을 저감할 수 있기 때문에 모터의 부하 구동시 발생되는 소음 또는 진동이 최소화되고, 제품의 신뢰성이 향상되는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 내부에 중공이 형성된 고정자; 상기 고정자의 중공내에 회전가능하게 설치되는 회전자; 상기 회전자내에 원주방향으로 다수개가 매설되며, 서로 인접하게 되는 소정영역의 양단부가 상기 회전자의 외주연을 따라 돌출되게 형성된 마그네트;를 포함하며,

   상기 양단부는 그 외측면이 인접하는 다른 마그네트의 양단부의 외측면과 이격되는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 양단부 사이는 상기 회전자의 외주연 내측으로 오목하게 형성된 수평부로 마련된 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 고정자는 코일이 설치되고 원주방향을 따라 배치되는 슬롯과, 상기 슬롯사이에 구획하는 티스부를 포함하며, 상기 양단부가 형성되는 영역은 상기 회전자의 중심과 이루는 중심각인 θ가 360°/(상기 티스부의 개수)/2 이내인 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터.
4. 제2항에 있어서, 상기 양단부의 폭(Wa)은 상기 수평부의 폭(Wb) 보다 작게 형성되는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터.
5. 제2항에 있어서, 상기 양단부의 내측면은 상기 수평부와 수직을 이루는 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터.
6. 제1항에 있어서, 상기 양단부는 그 외측면이 인접하는 다른 마그네트의 양단부의 외측면과 상기 회전자의 반경방향으로 서로 평행하게 형성된 것을 특징으로 하는 브러쉬리스 직류 모터.

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