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KR101541693B1 - 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 bldc 모터 - Google Patents

트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 bldc 모터 Download PDF

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KR101541693B1
KR101541693B1 KR1020140018824A KR20140018824A KR101541693B1 KR 101541693 B1 KR101541693 B1 KR 101541693B1 KR 1020140018824 A KR1020140018824 A KR 1020140018824A KR 20140018824 A KR20140018824 A KR 20140018824A KR 101541693 B1 KR101541693 B1 KR 101541693B1
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KR
South Korea
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rotor
electromagnet
winding
bldc motor
phase
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KR1020140018824A
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김기덕
김상헌
Original Assignee
김기덕
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Abstract

본 발명은 BLDC 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 트렉션을 위한 저속 고토크 구동이 가능한 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에 관한 것이다.
본 발명에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 원통 형상을 이루며 내주면을 따라 복수개의 영구자석이 서로 일정 간격으로 이격되어 장착되며 이웃하는 영구자석 사이에 비여자 격벽이 형성되는 회전자; 회전자의 내측에서 영구자석에 대응하는 권선돌기에, N상별로 직렬을 이루며 각 상별로 병렬로 권선된 복수의 전자석 권선이 마련되는 고정자; 고정자에 대한 회전자의 위상을 감지하기 위하여 권선돌기 각각의 끝단에서 영구자석을 향하여 마련되며, 회전 중에 전자석 권선이 영구자석에 대응할 때 여자구간으로 감지하고, 전자석 권선이 비여자 격벽에 대응할 때 비여자구간으로 감지하는 복수의 홀센서; 및 감지되는 회전자의 위상에 따라, 각 상에 대하여 풀 H 브리지 형태로 마련되어, 전자석 권선의 (+)측에 대응하는 한 쌍의 상단 스위칭소자 및 전자석 권선의 (-)측에 대응하는 한 쌍의 하단 스위칭소자를 구비하여, 전자석 권선으로의 동작전원의 공급을 스위칭하는 스위치를 포함한다.

Description

트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터{BLDC MOTOR FOR TRACTION DIRECT DRIVE}
본 발명은 BLDC 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 트렉션을 위한 저속 고토크 구동이 가능한 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에 관한 것이다.
일반적으로, 무정류자 직류 전동기(Brushless Direct Current Motor : BLDC MOTOR)는 종래의 브러시(Brush)를 부착한 직류 전동기와 같이 기계적인 접점을 가지지 않으므로 잡음이 발생되지 않고 수명도 길어지는 장점이 있기 때문에 산업용기기, 가전기기, 운송기기등의 전동기로서 널리 사용되고 있다.
이러한 무정류자 직류 전동기는 영구자석으로 된 회전자의 자극에 맞춰 고정자 권선에 인가되는 전압의 상을 제어하기 위해 회전자의 위치센서로서 홀(hole)센서를 사용하고 있다. 한편, 종래의 전동기에서 직류 전동기는 브러쉬와 정류자가 마모되고 파워형 전동기의 경우 6,000rpm 이상의 고속회전이 불가능하며 그 구조가 복잡함과 아울러 비용도 비싼 문제점이 있고 교류 인버터 전동기(AC Invertor Motor)는 기동 토크가 약하고 제어기의 비용이 고가이며 무변출력(Constant-power)이 되지 않는 문제점이 있다. 그리고 자기저항 전동기(Reluctance Motor)는 비용과 크기 및 무게 면에서 다른 전동기에 비하여 열악하고 제어기의 비용도 고가이며 무변출력이 되지 않는 문제점이 있다.
이와 같이, 종래의 직류 전동기는 비용과 제작에서 한계성이 있고 제어기도 4상한 제어(Four-Quadrant Control)가 요구되므로 비용이 고가이며, 무변출력이 되지 않는 문제점이 있다. 또한, 소형 전동기로서 무정류자 직류전동기가 널리 사용되고 있지만 회전의 불균일과, 토크 리플(Torque-ripple), 발열 등의 문제로 인해 사용상에 제한이 있었다.
본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해서 안출된 것으로, 특별한 제어기를 부착하지 않으며, 기본적인 구동이 가능하고 속도 가변을 할 수 있어, 저속 고토크가 가능한 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 집중권식 구조로 저비용으로 자동생산이 가능한 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 모터의 회전과 제어에 악영향을 주는 요소가 발생되지 않고 부하 변동시에도 출력을 안정시킬 수 있는 무변출력의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 여기에 언급되지 않은 본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 원통 형상을 이루며 내주면을 따라 복수개의 영구자석이 서로 일정 간격으로 이격되어 장착되며 이웃하는 영구자석 사이에 비여자 격벽이 형성되는 회전자; 회전자의 내측에서 영구자석에 대응하는 권선돌기에, N상별로 직렬을 이루며 각 상별로 병렬로 권선된 복수의 전자석 권선이 마련되는 고정자; 고정자에 대한 회전자의 위상을 감지하기 위하여 권선돌기 각각의 끝단에서 영구자석을 향하여 마련되며, 회전 중에 전자석 권선이 영구자석에 대응할 때 여자구간으로 감지하고, 전자석 권선이 비여자 격벽에 대응할 때 비여자구간으로 감지하는 복수의 홀센서; 및 감지되는 회전자의 위상에 따라, 각 상에 대하여 풀 H 브리지 형태로 마련되어, 전자석 권선의 (+)측에 대응하는 한 쌍의 상단 스위칭소자 및 전자석 권선의 (-)측에 대응하는 한 쌍의 하단 스위칭소자를 구비하여, 전자석 권선으로의 동작전원의 공급을 스위칭하는 스위치를 포함한다.
또한, 본 발명의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, N상별로 N개 단위로 마련되는 전자석 권선 중 여자시키고자 하는 개수의 전자석 권선의 권선돌기 폭과, 영구자석의 폭이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, N상별로 N개 단위로 마련되는 전자석 권선 중 비여자시키고자 하는 개수의 전자석 권선의 권선돌기 폭과, 비여자 격벽의 폭이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에서, 영구자석의 폭은, 영구자석의 폭(°)=(360°/회전자의 극수)-(360°/(회전자의 극수× 전동기의 상 수))의 수학식 1에 의해 결정되며, 비여자 격벽의 폭은, 비여자 격벽의 폭(°)=(360°/(회전자의 극수× 전동기의 상 수))의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 비여자 격벽 사이에 회전자의 내주면을 따라 영구자석이 장착되는 장착홈이 더 형성되며, 상기 권선돌기는 하단에서 상단으로 직육면체 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는 특별한 제어기를 부착하지 않으며, 기본적인 구동이 가능하고 속도 가변을 할 수 있어, 저속 고토크가 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 집중권식 구조로 저비용으로 자동생산이 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명의 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 모터의 회전과 제어에 악영향을 주는 요소가 발생되지 않고 부하 변동시에도 출력을 안정시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에 관한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 횡단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 횡단면의 일부를 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 종단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에 관한 파형도이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 스위치의 구성을 도시한 회로도이다.
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에 관한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 발명에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 전체 시스템은, 전원입력부(101), 메인전원부(102), 로직전원부(105), 속도제어부(104), 컨트롤부(106), 파워소자 구동부(107), 파워소자(103), BLDC 모터(108)를 포함한다.
전원입력부(101)는 상용 교류전원을 정류하여 직류로 변환하여 사용하거나 배터리로 구현되어 메인전원부(102)에 직류전원을 제공한다.
메인전원부(102)는 로직전원부(104), 파워소자(103)에 안정화된 전원을 공급한다.
로직전원부(105)는 속도제어부(104), 파워소자구동부(107), 컨트롤부(106)의 구동을 위해 직류전원을 공급한다.
컨트롤부(106)는 BLDC 모터(108)의 홀센서(130)로부터 회전자(110)의 영구자석(111) 극성의 위치를 받고, 속도제어부(104)로부터 받은 속도제어값과 맞추어 파워소자 구동부(107)에 신호를 공급한다.
파워소자 구동부(107)는 공급받은 신호를 파워소자(103)를 온.오프 하여 BLDC 모터(108)의 고정자(120)의 전자석 권선(121)에 공급한다.
파워소자(103)는 전자석 권선(121)에 직류전원을 인가하기 위한 것이므로 전동기의 종류 즉, 모터의 상 수에 따라 구성이 달라질 수 있다. 본 발명의 일실시예에서는 고정자(120)의 전자석 권선(121)을 3상으로 한 경우를 예를 들어 나타낸다. 그리고 하나의 상을 구동하기 위해서는 4개의 스위칭소자(QA1~QA4)가 필요한데, 이들이 'H'자 형태로 연결되므로 'H브리지'라고 하고 파워소자(103)는 다수의 H 브리지로 이루어진다. 여기서, 스위치(140)의 스위칭 소자로는 트랜지스터, IGBT, MOSFET 등이 사용 가능하다.
속도제어부(104)는 BLDC 모터(108)의 속도를 지령하고 지령값을 컨트롤부(106)에 전달한다.
컨트롤부(106)는 폐루프 제어시에 BLDC 모터(108)로부터 제어 신호를 입력받고 속도제어부(104)의 속도지령치와 연산을 하여 BLDC 모터(108)를 제어한다.
도 2 내지 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터를 설명하기 위한 도면이다. 구체적으로, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 횡단면도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 횡단면의 일부를 확대하여 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 종단면도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 회전자(110), 고정자(120), 홀센서(130) 및 스위치(140)를 포함한다.
회전자(110)는 원통 형상을 이루며 내주면을 따라 복수개의 영구자석(111)이 서로 일정 간격으로 이격되어 장착되며 이웃하며 다른 극성을 가지는 영구자석(111N, 111S) 사이에 비여자 격벽(113)이 형성된다. 구체적으로, 회전자(110)는 축(150)과 체결되어 회전하는 아우터로터(outer rotor) 형태이며, N극(111N)과 S극(111S)이 교번하여 고정자(111) 주위를 둘러싸도록 배치된다. 다른 실시예로서, 회전자(110)가 이너로터(inner rotor) 형태인 경우에는, 회전자(110)가 고정자(120)에 의해 둘러싸이는 모양이 된다. 비여자 격벽(113)은 영구자석(111N, 111S) 사이에서 형성되어, 이웃하는 여자 구간 사이를 구획하는 빈 공간 또는 실질적으로 중심방향으로 돌출되는 돌기 형상 중 어느 하나로 형성 가능하다.
고정자(120)는 회전자(110)의 내측에서 영구자석(111)에 대응하는 권선돌기(121)에, N상별로 직렬을 이루며 각 상별로 병렬로 권선된 복수의 전자석 권선(121, 권선의 도시를 생략하므로, 권선돌기와 도면부호를 함께 사용하도록 함)이 마련된다.
홀센서(130)는 복수개를 이루며, 고정자(120)에 대한 회전자(110)의 위상을 감지하기 위하여 권선돌기(121) 각각의 끝단에서 영구자석(111)을 향하여 마련되며, 회전 중에 전자석 권선(121)이 영구자석(111)에 대응할 때 여자구간으로 감지하고, 전자석 권선(121)이 비여자 격벽(113)에 대응할 때 비여자구간으로 감지한다.
스위치(140)는 감지되는 회전자(110)의 위상에 따라, 각 상에 대하여 풀 H 브리지 형태로 마련되어, 전자석 권선의 (+)측에 대응하는 한 쌍의 상단 스위칭소자 및 전자석 권선의 (-)측에 대응하는 한 쌍의 하단 스위칭소자를 구비하여, 전자석 권선(121)으로의 동작전원의 공급을 스위칭한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, N상별로 N개 단위로 마련되는 전자석 권선(121) 중 여자시키고자 하는 개수의 전자석 권선(121)의 권선돌기 폭과, 영구자석(111)의 폭이 동일하게 형성되며, N상별로 N개 단위로 마련되는 전자석 권선(121) 중 비여자시키고자 하는 개수의 전자석 권선(121)의 권선돌기 폭과, 비여자 격벽(113)의 폭이 동일하게 형성되도록 형성한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에서, 영구자석의 폭은 다음의 수학식 1에 따라 결정된다.
Figure 112014016057514-pat00001
또한, 비여자 격벽의 폭은 다음의 수학식 2에 따라 결정된다.
Figure 112014016057514-pat00002
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 비여자 격벽(113) 사이에 회전자(110)의 내주면을 따라 영구자석(111)이 장착되는 장착홈(112)이 더 형성되며, 권선돌기(121)는 하단에서 상단으로 직육면체 형상으로 형성되는 것이 가능하다. 이와 같은 구성에 의해 BLDC 모터의 제작을 용이하게 할 수 있으며 자동 생산을 가능하게 한다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는 특별한 제어기를 부착하지 않으며, 기본적인 구동이 가능하고 속도 가변을 할 수 있어, 저속 고토크가 가능하며, 집중권식 구조로 저비용으로 자동생산이 가능하며, 모터의 회전과 제어에 악영향을 주는 요소가 발생되지 않고 부하 변동시에도 출력을 안정시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 BLDC 모터(108)는 고정자(120)의 상수와 회전자(110)의 극수를 적용대상의 요건에 따라 자유롭게 설계할 수 있으나, 도 2 내지 도 4와 같이 본 발명의 일실시예에서는 고정자(120)가 3상이고, 회전자(110) 극수는 32극(16개의 N극과 16개의 S극)으로 된 경우를 나타낸다. 이러한 본 발명의 BLDC 모터(108)는 3, 4, 5, 6, , N개 상으로 구성하여 1개의 상씩 교번하여 기동 회전하는 것이 가능하다.
이러한 본 발명의 BLDC 모터(108)는 고정자(120)와 회전자(110)로 된 BLDC 모터(108)와 회전자(110)와 고정자(120)의 권선돌기의 끝단, 즉 보빈 가장자리에 설치되어 있는 홀센서(130)로 이루어진다.
또한, 본 발명의 일실시예에서 3상 32극형의 고정자(120)의 전자석 권선(121)을 위해 96개의 권선돌기(121), 즉 보빈슬롯이 형성되어 있고, 3상(A~C상)은 각 상별로 독립적으로 권취되며, 영구자석(111)은 적절히 조절하여 영구자석(111)의 폭만큼 전자석 권선(121)에 전기를 공급한다.
그리고, 홀센서130a, 130b, 130c)는 영구자석(111)의 극이 N극일 경우 Sa, Sb, Sc파형을 발생시키고, S극일 경우 /Sa, /Sb, /Sc방향의 파형을 발생시키도록 감지 신호를 발생시키며, Sa, Sb, Sc 파형일 경우, 파워 소자(QA1, QA4), (QB1, QB4), (QC1, QC4)를 /Sa, /Sb, /Sc 파형일 경우, 파워 소자(QA2, QA3), (QB2, QB3), (QC2, QC3)을 온오프한다.
이와 같이 N상일 경우 N개의 홀센서(130)가 회전자(110)의 영구자석(111)의 위치, 극성을 감지하고 홀센서(130)의 감지신호는 파워소자(103)에 전달되어 고정자(120)의 전자석 권선(121)에 흐르는 전류의 방향과 감지역역을 지시하여 BLDC 모터(108)를 기동하고 회전하게 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터에 관한 파형도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터의 스위치의 구성을 도시한 회로도이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 일실시예에서 파워소자(104)는 3개의 풀 H 브리지로 구성되어 홀센서 신호에 따라 해당 파워소자를 온/오프한다. A상의 H브리지는 Sa 홀센서 신호에 의해 온/오프되는 파워소자(QA1, QA4)와 /Sa 홀센서 신호에 의해 온/오프되는 파워소자(QA2, QA3)로 이루어지고, 그 사이에는 A상의 고정자의 전자석 권선이 연결되어 있고, B상의 H브리지는 Sb 홀센서 신호에 의해 온/오프 되는 스위칭소자(QB1, QB4)와 /Sb 홀센서 신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(QB2, QB3)로 이루어지고, 그 사이에는 B상의 고정자의 전자석 권선이 연결되어 있으며, C상의 H브리지는 Sc 홀센서 신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(QC1, QC4)와 /Sc 홀센서 신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(QC2, QC3)로 이루어지고, 그 사이에는 C상 의 고정자의 전자석 권선이 연결되어 있다.
그리고, 홀센서(130)는 각각의 상(A, B, C)의 권선돌기(121) 즉, 권선보빈 가장자리에 설치되고, 본 발명의 실시예에서는 3상 중에서 2상이 여자되는 경우를 보여준다. 즉, N극이 a, b 홀센서(130a, 130b)에 위치할 경우 A상 H브리지의 스위칭소자(QA1, QA4), B상 H브리지의 스위칭소자 (QB1,QB4)를 온시키고 나머지 파워소자는 오프되어 있다. 따라서 A상, B상의 권선(OA, OB)에는 정(+)방향으로 전류가 흐르게 된다.
그리고, 회전자(110)가 회전을 하여 N극이 b, c홀센서(130b, 130c)에 위치할 경우 B상 H브리지의 스위칭소자(QB1, QB4), C상 H브리지의 스위칭소자 (QC1,QC4)를 온시키고 나머지 파워소자는 오프되어 있다. 따라서 B상, C상의 권선(OB, OC)에는 정(+)방향으로 전류가 흐르게 된다.
그리고 회전자(110)가 다시 회전을 하여 N극이 c홀센서(130c)에 위치하고 S극이 a홀센서(130a)에 위치할 경우 C상 H브리지의 스위칭소자(QC1, QC4), A상 H브리지의 스위칭소자(QC2, QC3)를 온시키고 나머지 파워소자는 오프되어 있다. 따라서 C상의 권선(OC)에는 정(+)방향으로 전류가 흐르고 A상의 권선(OA)에는 역(-)방향으로 전류가 흐르게 된다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에서 예시된 3상 32극 BLDC 모터에서는 2상만 여자되는 모터를 구성하므로 여자영역, 즉 감지영역의 각은 수학식 1에 따라 7.5°이며, 영구자석(111)의 폭과 같다. 비여자영역, 즉 비감지 영역의 각은 수학식 2에 따라 3.75°(7.5°~11.25°)이며, 비여자 격벽(113)의 폭과 같으며 이 동안은 홀센서(111b)가 비감지 영역 상에 있게 되어 한 상의 H 브리지의 QB1, QB4, QB2, QB3는 모두 오프 상태에 있게 된다.
다음에 홀센서(111a)가 회전자(110)의 S극(111S) 위에 위치하여 파워소자(QA2, QA3)를 온(on)하게 되어 한 상은 독립적으로 회전자(110)를 기동 회전하도록 통전된다. 이때, 홀센서(130)는 3개(130a, 130b, 130c)이고, 설치간격은 3.75°이다.
본 발명의 일실시예에 따른 3상 32극 BLDC 모터에서 2상은 항상 여자되고, 1상은 항상 비여자 상태가 된다. 따라서, 각 상의 여자되는 간격(전기 각)은 상술한 수학식 1에 의하여 결정된다. 그리고 각 상의 비여자되는 간격(전기 각)은 상술한 수학식 2에 의하여 결정된다. 각 상의 여자되는 전기 각은 120°이고, 비여자되는 전기 각은 60°이다. 영구자석의 크기에 따라 각 홀센서가 송출하는 펄스와 같은 간격의 전류가 코일에 통전되고, 토크가 생성된다. 이에 따라, 부분 구형파(partial wave)의 전류가 입력되고, 구형 토크의 파워가 출력된다.
따라서, 3상 32극 전동기가 2상은 항상 여자되어 있으며, 1상은 항상 비여자 상태인 것을 알 수 있다. 토크의 합계는 직선 토크 스킴(scheme)이 된다. 다상 다극의 전동기를 몇 상이 항상 여자되게 할 것인가의 설계는 영구자석의 크기를 얼마로 할 것인가에 의하여 결정 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터는 극 변경 영역(pole changing area)을 제거함으로서 발생하는 모든 문제를 해결하고 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터는 토크와 속도의 관계가 변하지 않는 출력 특성을 가진다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터는 순방향(CW) 및 역방향(CCW) 회전 능력을 갖으므로 양방향성 작용(bi-directional operation)을 제공한다. 즉, 컨트롤부(106)에서 홀센서(130)의 출력을 반전 변경하면 전동기는 정방향에서 역방향으로 또는 역방향에서 정방향으로 원활히 기동하고 회전할 수 있다. 그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터는 리니어형으로도 구현될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터는, 각 권선 코일은 파워소자에 연결되며 파워소자는 직류전원에 연결되고 N개의 다상으로 구성된 고정자와 여자 영역에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성된 회전자와 영구자석의 위치, 극성과 파워소자의 온/오프를 담당하는 홀센서로 구성되며 회전자는 영구자석을 회전자의 내벽에 부착하며, N상을 여자되도록 구성 되어있는 홀센서로 구성한 것이다. 홀센서는 영구자석의 길이 부분만을 N상에 전기를 공급하며, 영구자석의 극과 극 사이에 전기를 공급하지 않고, N상의 보빈 가장자리에 N개의 홀센서 설치하고 회전자는 영구자석을 회전자의 내벽에 간격을 주어서 부착, 극 교번점을 제거하는 것이 가능하다.
즉, 고정자를 상별 극별로 직병렬 권취, 결선함으로써 저전압으로도 고출력을 낼 수 있는 모터를 구현할 수 있고, 간단한 권취 방식이므로 자동생산이 가능하여 비용이 절감되고, 대량 생산이 가능하다.
또한, 회전자의 영역에 자속이 집중되게 구성하여 고정자의 액티브 자속에 상응하는 회전자의 패시브 자속이 되게 함으므로써 영구자석으로 된 회전자로 대출력의 전동기를 가능하게 하고, 회전자의 보빈 가이드만 교체함에 따라 공극을 최소화하여 모터의 효율을 향상시켰으며, 회전자의 극수, 크기, 모양을 제약 없이 구성할 수 있으므로 길이방향 전동기나 팬케이크형 전동기 등 용도에 맞게 자유로이 설계할 수 있다.
더욱이, 풀 사인파나 풀 구형파를 사용하는 종래의 전동기는 극 변경영역에서 제동 토크, 역기전력(back EMF), 리액턴스(인덕티브 리액턴스와 캐패시티브 리액턴스), 고조파 등이 발생하여 전동기에 철손이나 동손을 유발시키고, 제어기에 충격을 주며, 전동기에 열을 발생시키므로 냉각시스템이 필요하게 되고 효율이 나빠지는 문제점이 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터는 극변경 영역을 제거하므로 상기한 모든 문제를 해결하여 냉각시스템이 필요 없고, BLDC 모터의 효율이 향상 되는 효과가 있다.
또한, 일반적인 전동기의 토크는 정현파형(sinusoidal) 토크이거나 트레피조덜(trapezoidal) 토크이다. 따라서 토크 리플의 문제가 있으나, 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터는 각 상의 권취 코일에 부분 구형파를 입력함으로써, 각 상은 구형 토크 설계를 구현하더라도 합계 토크는 리니어 토크가 되므로 토크 리플이 없으며, 이에 따라 원활하게 기동하고 원활히 회전하게 된다.
그리고, 부분 구형파는 rms 토크 용량과 피크 토크 용량을 최대화시킬 수 있으므로, 본 발명의 일실시예에 따른 BLDC 모터는 경박 단소(輕薄短小)하고 효율이 높으며, BLDC 모터를 제어하기 위한 제어기는 크로스 파이어(cross fire) 방지 연동기가 불필요하므로 회로가 간단하여 신뢰성이 우수하고, 비용이 절감된다.
이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
101 : 전원입력부
102 : 메인전원부
103 : 파워소자
104 : 속도제어부
105 : 로직전원부
106 : 컨트롤부
107 : 파워소자 구동부
108 : BLDC 모터
110 : 회전자
111, 111N, 111S : 영구자석
112 : 장착홈
113 : 비여자 격벽
120 : 고정자
121 : 전자석 권선(권선돌기)
130, 130a, 130b, 130c : 홀센서
140 : 스위치
150 : 축
160 : 베어링

Claims (5)

  1. 원통 형상을 이루며 내주면을 따라 복수개의 영구자석이 서로 일정 간격으로 이격되어 장착되며 이웃하는 영구자석 사이에 비여자 격벽이 형성되는 회전자;
    상기 회전자의 내측에서 상기 영구자석에 대응하는 권선돌기에, N상별로 이웃하는 상 간에는 서로 직렬로 연결되며, 각 상별로 하나의 상 내에서는 서로 병렬로 권선된 복수의 전자석 권선이 마련되는 고정자;
    상기 고정자에 대한 상기 회전자의 위상을 감지하기 위하여 상기 권선돌기 각각의 끝단에서 상기 영구자석을 향하여 마련되며, 회전 중에 상기 전자석 권선이 상기 영구자석에 대응할 때 여자구간으로 감지하고, 상기 전자석 권선이 상기 비여자 격벽에 대응할 때 비여자구간으로 감지하는 복수의 홀센서; 및
    상기 감지되는 회전자의 위상에 따라, 상기 각 상에 대하여 풀 H 브리지 형태로 마련되어, 상기 전자석 권선의 (+)측에 대응하는 한 쌍의 상단 스위칭소자 및 상기 전자석 권선의 (-)측에 대응하는 한 쌍의 하단 스위칭소자를 구비하여, 상기 전자석 권선으로의 동작전원의 공급을 스위칭하는 스위치;
    를 포함하는 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 N상별로 N개 단위로 마련되는 상기 전자석 권선 중 여자시키고자 하는 개수의 상기 전자석 권선의 권선돌기 폭과, 상기 영구자석의 폭이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 N상별로 N개 단위로 마련되는 상기 전자석 권선 중 비여자시키고자 하는 개수의 상기 전자석 권선의 권선돌기 폭과, 상기 비여자 격벽의 폭이 동일하게 형성되는 것을 특징으로 하는 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영구자석의 폭은,
    영구자석의 폭(°)=(360°/회전자의 극수)-(360°/(회전자의 극수× 전동기의 상 수))의 수학식 1에 의해 결정되며,
    상기 비여자 격벽의 폭은,
    비여자 격벽의 폭(°)=(360°/(회전자의 극수× 전동기의 상 수))의 수학식 2에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비여자 격벽 사이에 상기 회전자의 내주면을 따라 상기 영구자석이 장착되는 장착홈이 더 형성되며, 상기 권선돌기는 하단에서 상단으로 직육면체 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 트렉션 다이렉트 드라이브를 위한 BLDC 모터.
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