KR101332545B1

KR101332545B1 - 비엘디씨 모터

Info

Publication number: KR101332545B1
Application number: KR1020060035129A
Authority: KR
Inventors: 이동일; 신현정
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2013-11-22
Anticipated expiration: 2026-04-18
Also published as: KR20070103253A

Abstract

비엘디씨 모터가 개시된다. 본 발명에 따른 비엘디씨 모터는, 마그네틱을 구비한 회전자; 상기 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치검출소자; 상기 회전자를 회전시키는 토크를 발생시키는 아마추어코일; 및 상기 회전자를 감싸며 자로를 형성하는 고정자;를 포함하며, 상기 마그네틱의 표면자속밀도분포는 상기 회전자의 회전각도에 따라 사다리꼴(Trapezoidal form)로 변하는 것을 특징으로 한다.

비엘디씨 모터, 마그네틱, 마그네틱의 표면자속밀도분포, 사다리꼴

Description

비엘디씨 모터{BLDC MOTOR}

도 1은 종래 비엘디씨 모터의 회전자의 회전각도에 따라 코깅토크를 측정한 그래프,

도 2는 도 1의 회전자의 회전수에 따라 소음을 측정한 그래프,

도 3은 도 1의 회전자의 회전각도에 따라 회전자의 마그네틱 표면자속밀도분포의 변화를 나타낸 그래프,

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 비엘디씨 모터의 사시도,

도 5는 도 4의 단면 Ⅱ-Ⅱ을 나타낸 도면,

도 6은 도 4의 비엘디씨 모터의 회전자의 회전각도에 따라 회전자의 마그네틱의 표면자속밀도분포를 1차, 2차, 3차의 3가지 형태로 변화시켜 이를 상호 비교한 그래프,

도 7은 도 6의 표면자속밀도분포의 형태 변화에 따라 소음의 크기를 상호 비교한 막대그래프,

도 8은 도 6의 마그네틱의 표면자속밀도분포 3차 형태만을 발췌하여 나타낸 그래프,

도 9는 도 8의 마그네틱의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따른 코깅토크와, 종래 마그네틱의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크를 회전자의 회전각도에 따라 상호 비교하여 나타낸 그래프,

도 10은 도 8의 마그네틱의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따른 코깅토크의 진폭과, 종래 마그네틱의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크의 진폭을 고조파성분에 따라 나타낸 그래프,

도 11은 도 8의 마그네틱의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따라 착자된 마그네틱을 구비한 본 발명의 비엘디씨 모터에서 발생하는 소음과, 종래 마그네틱의 표면자속밀도분포에 따라 착자된 마그네틱을 구비한 종래의 비엘디씨 모터에서 발생하는 소음을 회전자의 회전속도에 따라 상호 비교하여 나타낸 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 회전자 11 : 마그네틱

12 : 휠 C1 : 축공

20 : 고정자 S1, S2 : 공극

H1,H2 : 개구 30 : 위치검출소자

PA,PB: 아마추어 코일 LM : N/S극 분리선

본 발명은 비엘디씨 모터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 회전자와 고정자의 위치변화에 따른 공극에서의 자기저항의 변화에 의해 발생하는 코깅토크(cogging torque)의 고차 고조파성분을 감소시켜, 고차 고조파성분으로 인해 야 기되는 공진에 의한 소음 및 진동을 줄인 비엘디씨 모터에 관한 것이다.

일반적으로 비엘디씨 모터(BLDC Motor: 무정류자 전동기)는 종래의 브러시(Brush)를 부착한 직류전동기와 같이 기계적인 접점을 가지지 않으므로, 잡음이 발생되지 않고 수명도 길어지는 장점이 있어 산업용기기, 가전기기, 운송기기등의 전동기로서 널리 사용되고 있다.

이러한 비엘디씨 모터는 필드(field)를 형성하고 토크를 외부로 전달하기 위한 마그네틱을 구비한 회전자와, 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치검출소자와, 필드와의 상호작용에 의해 토크를 발생시키는 아마추어코일과, 상기 회전자를 감싸며 자로를 형성하는 고정자를 포함하여 구성된다.

상기 고정자에는 회전자의 기동 및 정확한 회전을 위해, 회전자의 위치를 감지하기 위한 복수개의 공극이 형성되어 있다. 또한, 고정자를 제작하는 과정에서 생성되는 복수개의 개구가 형성되어 있다.

한편, 상기 공극과 개구에서 회전자와 고정자의 위치변화에 따라 자기저항의 변화가 일어나 코깅토크(cogging torque)가 발생한다. 이로 인해 특정 회전수에서 소음이 크게 발생한다. 이를 도 1 내지 도 3을 참조하여, 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 1은 종래 비엘디씨 모터의 회전자의 회전각도에 따라 코깅토크를 측정한 그래프이고, 도 2는 도 1의 회전자의 회전수에 따라 소음을 측정한 그래프이고, 도 3은 도 1의 회전자의 회전각도에 따라 회전자의 마그네틱 표면자속밀도분포의 변화를 나타낸 그래프이다.

도 1을 참조하면, 코깅토크는 회전자의 회전각도가 대략 45도, 225도인 경우에 가장 크게 발생한다. 도 2를 참조하면, 이러한 코깅토크로 인해 회전자가 특정 회전수인 1600rpm, 2100rpm로 회전하는 경우에 소음이 가장 크게 발생함을 알 수 있다. 도 3을 참조하면, 이때 회전자의 마그네틱의 표면자속밀도분포는 회전자의 회전각도에 따라 거의 사각파로 나타남을 알 수 있다.

한편, 이러한 코깅토크로 인한 소음을 감소시키는 방안으로, 마그네틱의 표면자속밀도분포를 사각파에서 정현파로 바꾸어 코깅토크의 고차 고조파성분을 줄이는 방법이 있다. 즉, 마그네틱의 표면자속밀도분포를 사각파에서 정현파로 바꿀 경우, 코깅토크의 고차 고조파성분이 줄어들어 소음이 감소한다.

그러나, 마그네틱의 표면자속밀도분포를 정현파로 바꾸는 과정이 쉽지않고, 마그네틱의 표면자속밀도분포를 사각파에서 정현파로 바꾸어주는 과정에서 원치 않는 고조파성분이 포함될 수 있어, 오히려 이러한 고조파성분에 의한 불필요한 진동 및 소음이 추가로 발생할 수 있는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 마그네틱의 표면자속밀도분포를 변화시켜 비엘디씨 모터의 코깅토크(cogging torque)의 고차 고조파성분을 감소시키는 데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비엘디씨 모터는, 마그네틱을 구비한 회전자; 상기 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치검출소자; 상기 회전자를 회전시키는 토크를 발생시키는 아마추어코일; 및 상기 회전자를 감싸며 자로를 형성하는 고정자;를 포함하며, 상기 마그네틱의 표면자속밀도분포는 상기 회전자의 회전각도에 따라 사다리꼴(Trapezoidal form)로 변하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 비엘디씨 모터를 상세히 설명한다.

도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 비엘디씨 모터의 사시도이고, 도 5는 도 4의 단면 Ⅱ-Ⅱ을 나타낸 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예 따른 비엘디씨 모터는 마그네틱(11)을 구비한 회전자(10); 회전자(10)의 위치를 검출하기 위한 위치검출소자(30); 회전자(10)를 회전시키는 토크를 발생시키는 아마추어코일(PA,PB); 및 회전자(10)를 감싸며 자로(磁路)를 형성하는 고정자(20);를 포함하며, 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포는 회전자(10)의 회전각도에 따라 사다리꼴(Trapezoidal form)로 변한다.

상기 회전자(10)는 링형의 마그네틱(11)과, 이러한 마그네틱(11)의 내주면을 지지하며 회전축(40)이 삽입되는 축공(C1)을 구비한 휠(12)로 구성되어 있다. 상기 마그네틱(11)은 N/S극 분리선(LM)을 기준으로 N극과 S극이 절반씩 상호 맞붙어있다.

상기 위치검출소자(30)는 홀센서(Hall sensor)로 구성되며, N/S극 분리선(LM)의 위치를 감지한다.

상기 아마추어코일(PA,PB)은 A상(A-A')과 B상(B-B')으로 구성된다. 상기 위치검출소자(30)가 제공하는 N/S극 분리선(LM)의 위치정보에 의해, 구형파 전압이 180도 간격으로 한 회전당 2회씩 A상(A-A')과 B상(B-B')에 교대로 인가된다.

상기 고정자(20)에는 회전자(10)의 기동 및 정확한 회전을 위해, 회전자(10)의 위치를 감지하기 위한 공극 2개(S1,S2)가 상호 마주보며 형성되어 있다. 또한, 고정자(20)를 제작하는 과정에서 생성된 2개의 개구(H1,H2)가 상호 마주보며 형성되어 있다.

도 6은 도 4의 비엘디씨 모터의 회전자의 회전각도에 따라 회전자의 마그네틱의 표면자속밀도분포를 1차, 2차, 3차의 3가지 형태로 변화시켜 이를 상호 비교한 그래프이고, 도 7은 도 6의 표면자속밀도분포의 형태 변화에 따라 소음의 크기를 상호 비교한 막대그래프이다.

도 6을 참조하면, 코깅토크의 고차 고조파성분을 감소시키기 위해 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포를 사다리꼴이 되도록 한다. 이를 위해 가우스메타를 회전자(10)의 마그네틱(11)에 근접시켜 표면자속밀도를 측정하면서, 착자요크를 사용하여 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포가 사다리꼴이 되도록 변화시킨다.

여기서, 착자요크는 이미 공지된 국내실용신안(출원번호:20-1991-13169, 직류 무정류자 전동기의 영구자석 착자요크) 또는 국내실용신안(출원번호: 20-1998-17771, 브러쉬레스모터의 착자장치)의 착자요크를 사용할 수 있다.

이러한 착자요크를 사용하여 회전자(10)의 회전각도에 따라 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포를 3가지 형태(1차, 2차, 3차)로 변화시킨 결과가 도 6에 도시되어 있다.

이렇게 변화된 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포의 기울기(θ)를 회전자(10)의 회전각도에 따라 분석하면 다음과 같다.

회전자(10)의 회전각도가 0도에서 45도로 증가할 경우 기울기는 40도 내지 45도이며, 회전자(10)의 회전각도가 45도에서 135도로 증가할 경우 기울기는 0도이며, 회전자(10)의 회전각도가 135도에서 225도로 증가할 경우 기울기는 -40도 내지 -45도이며, 회전자(10)의 회전각도가 225도에서 315도로 증가할 경우 기울기는 0도이며, 회전자(10)의 회전각도가 315도에서 360도로 증가할 경우 기울기는 40도 내지 45도이다.

다음으로, 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포의 크기의 변화를 회전자(10)의 회전각도에 따라 분석하면 다음과 같다.

회전자(10)의 회전각도가 0도에서 180도로 증가할 경우 마그네틱(11)의 N극에서 표면자속밀도분포의 크기는 다음과 같다.

회전자(10)의 회전각도가 0도에서 45도로 증가할 경우 크기는 0에서 900 내지 1200가우스로 증가한다. 회전자(10)의 회전각도가 45도에서 135도로 증가할 경우 크기는 900 내지 1200가우스를 유지한다. 회전자(10)의 회전각도가 135도에서 180도로 증가할 경우 크기는 900~1200가우스에서 0가우스로 감소한다.

회전자(10)의 회전각도가 180도에서 360도로 증가할 경우 마그네틱(11)의 S극에서 표면자속밀도분포의 크기는 다음과 같이 측정된다.

회전자(10)의 회전각도가 180도에서 225도로 증가할 경우 크기는 0에서 900내지 1200가우스로 증가한다. 회전자(10)의 회전각도가 225도에서 315도로 증가할 경우 크기는 900 내지 1200가우스를 유지한다. 회전자(10)의 회전각도가 315도에서 360도로 증가할 경우 크기는 900~1200가우스에서 0가우스로 감소한다.

도 7을 참조하면, 마그네틱(11)의 표면자속밀도를 3가지 형태(1차, 2차, 3차)로 변화시킨 결과, 모두 종래보다 소음이 감소하였음을 알 수 있다.

이를 보다 구체적으로 살펴 보기 위해 1차, 2차, 3차의 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포 중, 소음저감효과가 가장 큰 표면자속밀도분포의 3차 형태와 같이 착자된 마그네틱(11)을 구비한 비엘디씨 모터와 종래 비엘디씨 모터를 코깅토크와 소음측면에서 비교해 보기로 한다.

도 8은 도 6의 마그네틱의 표면자속밀도분포 3차 형태만을 발췌하여 나타낸 그래프이다. 도 8을 참조하면, 표면자속밀도분포의 3차 형태의 기울기(θ)변화를 회전자(10)의 회전각도에 따라 분석하면 다음과 같다. 분석을 편리하게 하기 위해 도 8에는 3차의 표면자속밀도분포의 변화그래프를 직선으로 연결하였다.

회전자(10)의 회전각도가 0도에서 45도로 증가할 경우 기울기는 45도이며, 회전자(10)의 회전각도가 45도에서 135도로 증가할 경우 기울기는 0도이며, 회전자(10)의 회전각도가 135도에서 225도로 증가할 경우 기울기는 -45도이며, 회전자(10)의 회전각도가 225도에서 315도로 증가할 경우 기울기는 0도이며, 회전자(10)의 회전각도가 315도에서 360도로 증가할 경우 기울기는 45도이다.

다음으로, 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포의 3차 형태의 크기변화를 회전자(10)의 회전각도에 따라 분석하면 다음과 같다.

회전자(10)의 회전각도가 0도에서 180도로 증가할 경우 마그네틱(11)의 N극 에서 표면자속밀도분포의 크기는 다음과 같다.

회전자(10)의 회전각도가 0도에서 45도로 증가할 경우 크기는 0에서 1080가우스로 증가한다. 회전자(10)의 회전각도가 45도에서 135도로 증가할 경우 크기는 1080가우스를 유지한다. 회전자(10)의 회전각도가 135도에서 180도로 증가할 경우 크기는 1080가우스에서 0가우스로 감소한다.

회전자(10)의 회전각도가 180도에서 225도로 증가할 경우 크기는 0에서 1080가우스로 증가한다. 회전자(10)의 회전각도가 225도에서 315도로 증가할 경우 크기는 1080가우스를 유지한다. 회전자(10)의 회전각도가 315도에서 360도로 증가할 경우 크기는 1080가우스에서 0가우스로 감소한다.

도 9는 도 8의 마그네틱의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따른 코깅토크와, 종래 마그네틱의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크를 회전자의 회전각도에 따라 상호 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따른 코깅토크는 회전자(10)의 회전각도가 45도, 225도에서 가장 크게 발생하고, 종래의 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크는 60도, 240도에서 가장 크게 발생함을 알 수 있다. 살펴보면, 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포의 3차 변화그래프에 따른 코깅토크가 종래의 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크 보다 8~11 [g-cm]만큼 감소함을 알 수 있다. 이렇게 코깅토크가 감소하는 이 유를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

도 10은 도 8의 마그네틱의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따른 코깅토크의 진폭과, 종래 마그네틱의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크의 진폭을 고조파성분에 따라 나타낸 그래프이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따른 코깅토크의 진폭은 4차 고조파성분에서 종래 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크의 진폭의 35%이고, 5차 고조파성분에서 종래 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크의 진폭의 65%이고, 6차 고조파성분에서 종래 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크의 진폭의 34%이다. 또한, 7차 고조파성분에서의 코깅토크의 진폭은 종래 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크의 진폭의 81%이다. 결과적으로, 4차 이상의 고차 고조파성분이 종래에 비해 크게 감소하기 때문에 종래의 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 코깅토크보다 본 발명의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따른 코깅토크가 감소하게 되는 것이다. 그렇다면, 이하 이러한 고차 고조파 성분의 감소로 인한 소음감소효과가 얼마나 큰지를 살펴보기로 한다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 표면자속밀도분포의 3차 형태에 따라 착자된 마그네틱(11)을 구비한 비엘디씨 모터에서 발생하는 소음은 회전자(10)의 회전속도가 1600rpm에서, 종래 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 착자된 마그네틱(11)을 구비한 종래의 비엘디씨 모터에서 발생하는 소음보다 7~8dB[A]감소한다. 또한, 회전자(10)의 회전속도가 2100rpm에서, 종래 마그네틱(11)의 표면자속밀도분포에 따른 착자된 마그네틱(11)을 구비한 종래의 비엘디씨 모터에서 발생하는 소음보다 3~4dB[A]감소함을 알 수 있다. 따라서, 코깅토크(cogging torque)의 고차 고조파성분의 감소로 인해 종래보다 소음이 크게 줄어드는 효과가 있음을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 비엘디씨 모터는,

회전자의 마그네틱의 표면자속밀도분포가 회전자의 회전각도에 따라 사다리꼴 형태로 변하기 때문에, 코깅토크의 고차 고조파성분의 감소되어 소음 및 진동이 감소한다.

또한, 마그네틱의 형상에 변화를 가하지 않고도 마그네틱의 표면자속밀도분포만을 변화시킴으로서 소음을 감소시킬 수 있어 단시간에 제품적용이 가능하다.

Claims

마그네틱을 구비한 회전자; 상기 회전자의 위치를 검출하기 위한 위치검출소자; 상기 회전자를 회전시키는 토크를 발생시키는 아마추어코일; 및 상기 회전자를 감싸며 자로를 형성하는 고정자;를 포함하며,

상기 마그네틱은, N/S극의 분리선(LM)을 기준으로 N극과 S극이 절반씩 상호 맞붙어 있는 링형으로 구성되고,

상기 위치검출소자(30)는, 홀센서(Hall sensor)로 구성되며, N/S극 분리선(LM)의 위치를 감지하고,

상기 아마추어코일은, A상(A-A')과 B상(B-B')으로 구성되며, 상기 위치검출소자가 제공하는 N/S극의 분리선의 위치정보를 이용하여, 구형파 전압이 180도 간격으로 한 회전당 2회씩 A상(A-A')과 B상(B-B')에 교대로 인가되며,

상기 고정자(20)는, 회전자(10)의 기동 및 정확한 회전을 위해, 회전자(10)의 위치를 감지하기 위한 공극 2개(S1,S2)가 상호 마주보며 형성되고, 2개의 개구(H1,H2)가 상호 마주보며 형성되고,

상기 마그네틱의 표면자속밀도분포는 상기 회전자의 회전각도에 따라 사다리꼴(Trapezoidal form)로 변하고,

상기 마그네틱의 표면자속밀도분포의 기울기는,

상기 회전자의 회전각도가 0도에서 45도로 증가할 경우 40도 내지 45도이며, 상기 회전자의 회전각도가 135도에서 225도로 증가할 경우 -40도 내지 -45도이며, 상기 회전자의 회전각도가 315도에서 360도로 증가할 경우 40도 내지 45도인 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터.
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제 1 항에 있어서,

상기 마그네틱의 표면자속밀도분포의 기울기는,

상기 회전자의 회전각도가 45도에서 135도로 증가할 경우 0도이며, 상기 회전자의 회전각도가 225도에서 315도로 증가할 경우 0도인 것을 특징으로 하는 비엘디씨 모터.
제 1 항에 있어서,

상기 마그네틱의 N극에서 표면자속밀도분포의 크기는,

상기 회전자의 회전각도가 0도에서 45도로 증가할 경우 0가우스에서 900 내지 1200가우스로 증가하고, 상기 회전자의 회전각도가 45도에서 135도로 증가할 경우 900 내지 1200가우스를 유지하고, 상기 회전자의 회전각도가 135도에서 180도로 증가할 경우 900~1200가우스에서 0가우스로 감소하며,

상기 마그네틱의 S극에서 표면자속밀도분포의 크기는,

상기 회전자의 회전각도가 180도에서 225도로 증가할 경우 0가우스에서 900 내지 1200가우스로 증가하고, 상기 회전자의 회전각도가 225도에서 315도로 증가할 경우 900 내지 1200가우스를 유지하고, 상기 회전자의 회전각도가 315도에서 360도로 증가할 경우 900~1200가우스에서 0가우스로 감소하는 비엘디씨 모터.