KR101926472B1 - 다층 인쇄회로기판을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 쿨링 팬 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 쿨링 팬에 관한 것이다.
본 발명의 적층형 스테이터는 관통구멍을 가지며 적층되어 일체화된 다층 기판; 상기 다층 기판의 각 기판 위에 패터닝된 코일 패턴; 및 상기 다층 기판을 관통하여 형성되며, 상기 코일 패턴을 연결하기 위한 스루홀;을 포함하며, 상기 코일 패턴은 상기 관통구멍과 동심상으로 배치된 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 내측 및 외측 회전방향패턴부; 및 상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 방사방향을 따라 배치되는 방사방향패턴부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 인쇄회로기판을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 쿨링 팬{Integrated Type Stator Using Multiple PCBs, Single Phase Motor and Cooling Fan Using the Same}

본 발명은 모터에 관한 것이며, 보다 구체적으로는 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 쿨링 팬에 관한 것이다.

일반적으로 컴퓨터 등의 전자제품이나 냉장고 등의 가전 제품에 사용되는 팬 모터는 그 설치공간을 고려하여 지름방향 및 축 방향에 대하여 컴팩트화가 가능한 아우터 로터형 팬 모터가 많이 채용되고 있다.

종래의 아우터 로터형 팬 모터는 레이디얼형(radial type) 모터로서, 크게 모터부와 상기 모터부의 회전축의 회전에 의하여 상기 모터부의 외부에서 회전하는 팬 부로 구성된다.

상기 모터부는 다수개의 코어들이 배치된 고정자와, 상기 고정자의 외주면에 일정 간격(공극부)을 두고 상기 다수개의 코어들과 대향되게 하여 N극과 S극이 교대로 다수개 착자된 환형 마그네트가 배치된 회전자로 구성되어 외부 전기 신호에 의하여 상기 고정자의 외주면에 배치된 회전자가 회전축의 회전에 의하여 회전하는 구조로 되어 있다.

종래의 아우터 로터형 팬 모터는 고정자가 코어형을 채용함에 따라 모터의 높이를 줄이지 못하며, 또한 고정자의 중앙부에 설치되어 회전축을 지지하는 베어링의 직경이 제한되므로 그 내부에 충분한 오일을 함유하지 못하는 문제가 있다.

한편, 초경량, 초소형, 장수명을 기대하여 코어레스 편평 브러시리스 모터를 이용한 축류팬이 제안되고 있다.

한국 공개실용신안공보 제20-1987-0013976호(특허문헌 1)에 개시된 축류팬은 회전팬의 계자마그넷과 전기자 코일이 면대향하는 액시얼형(axial type)으로 모터를 구성하고 있으나, 코일배설부에 공심형 전기자 코일이 배설된 구조를 채용함에 따라 스테이터의 높이를 더 이상 줄이지 못하는 문제가 있다.

또한, 한국 공개특허공보 제10-2000-0044146호(특허문헌 2)에 개시된 팬모터의 고정자(스테이터)는 PCB의 상부에 스테이터 요크와 단상의 아마츄어 코일이 차례로 적층되어 구성되고, 중앙부에는 베어링 홀더 내부에 한쌍의 볼 베어링이 내장되어 회전축을 지지하고 있으나, 여전히 스테이터를 박막화하지 못하는 문제가 있다.

최근 진동모터는 종래의 회전자(rotor) 코일 또는 권선 코일을 인쇄회로기판을 이용한 박막코일로 대체함으로써 보다 얇은 두께에서 필요한 권선수를 증가시키고 있다. 이와 같이 회전자 코일 또는 권선 코일을 대체한 박막코일, 즉 코일패턴 기판은 로렌쯔 힘(Lorentz Force)의 원리를 이용하여 회전력을 발생시키는 방법을 이용하고 있다.

진동모터용 박막코일을 제작할 때에는 기판에 일반적인 텐팅(tenting) 공법 등을 이용하여 코일패턴을 형성하며, 복수의 박막코일을 순차적으로 적층하여 진동모터의 회전자를 구성하게 된다.

한국 등록특허공보 제10-0678429호(특허문헌 3)에 제시된 박막코일은 3상 반파 구동을 위해 각 상의 코일을 공통으로 연결시키기 위한 제1코일층, 제2, 3, 4, 5 코일층을 연결하기 위한 제6코일층, 브러쉬 타입 모터에 필요한 브러쉬 접촉단자가 배선된 제7코일층을 구비함에 따라 다수층의 PCB가 사용되고 있다. 그러나, 상기 특허문헌 3에 제시된 박막코일은 단상 모터의 스테이터에 적용하기 위한 효과적인 구조를 제시하지 못하고 있다.

한편, 소형 팬모터는 크기를 줄이고, 원가 부담을 고려하여 단일 코일을 갖는 단상 모터가 사용되고 있다. 이 경우, 단일 코일은 4각형 또는 3각형의 코어레스/보빈레스 타입으로 권선되어 한국 등록실용신안공보 제20-0296035호(특허문헌 4)에 개시된 바와 같이 PCB 위에 실장되어 사용되고 있다.

BLDC 모터는 동적 반응이 빠르고, 낮은 로터 관성을 가지고 있으며, 속도 제어가 용이한 동기 전동기이다.

상기 단상 모터로서 브러시레스 직류(BLDC) 모터를 사용하는 경우 로터의 N극 및 S극 자극을 검출하여 스테이터 코일에 대한 구동전류의 절환신호를 발생하기 위한 로터위치검출용 홀(Hall)소자가 필요하며, 홀소자는 고가이므로 1개만을 사용한 구동회로를 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우 1개의 홀소자를 사용하는 경우는 홀소자가 로터 자극의 경계면에 위치할 때 홀소자의 자극검출이 이루어지지 않아 스테이터 코일에 대한 전류공급이 이루어지지 못하므로 기동이 이루어지지 못하는 데드 포인트(Dead Point)가 존재한다.

이러한 단일 홀소자 방식에서는 데드 포인트를 피하여 자기기동 방안으로서 스테이터에 고정용 자석을 이용하여 홀소자가 로터의 자극 경계면(즉, 중성점)을 벗어나도록 보조자석을 사용하는 방법, 특허문헌 1과 같이 코일배설부에 자성체 나사를 설치하는 방법, 특허문헌 4와 같은 특수 형상의 데드 포인트 방지 요크를 사용하는 방법이 있다.

상기한 스테이터 코일에 대한 구동전류의 절환신호를 발생하기 위한 로터위치검출용 홀(Hall)소자를 사용하는 경우는 고가의 홀소자 사용과 동시에 자기기동을 위해 추가적인 부품을 장착하여야 하는 원가 증가요인이 발생하므로, 홀소자를 사용하지 않고 원가 증가요인을 최소화하면서 로터위치검출신호를 발생하는 방안이 요구되고 있다.

또한, 홀소자를 사용하지 않고 로터위치검출신호를 검출하는 다양한 센서레스 모터구동방식이 제안되고 있다. 그 중에 주 코일을 먼저 감고 로터위치 검출용 보조 코일을 다시 한번 감아서 각각의 코일로부터 연장하여 구동회로에 접속하는 2중 권선방식을 채택할 수 있다. 그런데 이러한 2중 결선방식은 구조가 복잡하고 권선도 복잡하여 사용하기 어려운 단점이 있다.

더욱이, 특허문헌 4와 같이, 소형 팬(Fan)일 경우 스테이터 코일을 보빈에 권선하거나 보빈레스 타입으로 권선하거나 또는 코어에 권선하는 일반 코일 권선 방식에서 코일은 세선(細線)으로 구성되어 있다. 따라서, 코일의 굵기가 시작선과 끝선이 일정하다 보니, 시작선과 끝선을 PCB의 솔더 랜드 또는 터미널에 납땜시에 취급 부주위나 진동에 의해 단선 등이 발생하거나 수작업에 의한 납땜 공정이 불량이 발생하는 문제점을 가지고 있다.

한편, 무선충전기는 단말기로 무선전력전송(특히, 급속 충전)이 이루어질 때, 전송 코일 및 전자 부품에서 많은 열이 발생되면서 충전효율이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 따라서 무선충전기 내부에 공냉방식으로 온도 상승을 막기 위한 쿨링 팬(cooling fan)이 요구되고 있으며, 이러한 쿨링 팬에는 상기 특허문헌 1 및 2의 팬모터보다 슬림형이면서 소형인 팬모터가 요구되고 있다.

: 한국 공개실용신안공보 제20-1987-0013976호 : 한국 공개특허공보 제10-2000-0044146호 : 한국 등록특허공보 제10-0678429호 : 한국 등록실용신안공보 제20-0296035호

따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 단상 모터용 적층형 스테이터를 구성하며, 각 층의 코일 패턴이 복수의 회전방향패턴부와 방사방향패턴부가 교대로 연결된 별 형상 패턴을 가지며, 방사방향패턴부가 방사방향으로 배향되어 있어 대향한 로터에 가해지는 회전력이 최대로 얻어질 수 있는 다층 인쇄회로기판을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 쿨링 팬을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 복수의 배선 패턴 PCB를 사용하지 않고 다층 구조의 도전성 패턴 코일을 연결함에 의해 최소한의 PCB를 사용하여 구현되는 적층형 스테이터, 이를 이용한 슬림형 단상 모터와 쿨링 팬을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 로터와 대향한 PCB의 일면 중 패턴 코일이 형성되지 않은 빈 공간에 로터위치검출용 센싱 코일을 동시에 배치함에 의해 저렴하고 간단하게 센서레스(sensorless) 구동회로를 구현할 수 있는 적층형 스테이터 및 이를 이용한 슬림형 단상 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하부 케이스에 풍입구를 형성하면서 로터 자극수에 대응하는 브리지를 형성함에 의해 별도의 데드 포인트 방지 요크(yoke)를 사용하지 않고 데드 포인트 방지 기능을 구현할 수 있는 쿨링 팬을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 박막형 스테이터를 이용한 액시얼형(axial type) 구조를 채용함에 따라 종래에 레이디얼형(radial type) 모터에 채용되었던 코어형 스테이터를 제거한 공간을 활용하여 로터의 회전축을 지지하는 슬리브 베어링의 직경을 충분한 오일을 함유할 수 있도록 확장할 수 있어 신뢰성 및 내구성 향상을 도모할 수 있는 슬림형 단상 모터와 이를 구비한 쿨링 팬을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 적층형 스테이터에서 각층 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게 형성하여 코일 패턴을 상호 연결하거나 배선 패턴 등과 연결이 쉽고 연결의 신뢰성을 도모할 수 있는 적층형 스테이터 및 이를 이용한 슬림형 단상 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명은 관통구멍을 가지며 적층되어 일체화된 다층 기판; 상기 다층 기판의 각 기판 위에 패터닝된 코일 패턴; 및 상기 다층 기판을 관통하여 형성되며, 상기 코일 패턴을 연결하기 위한 스루홀;을 포함하며, 상기 코일 패턴은 상기 관통구멍과 동심상으로 배치된 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 내측 및 외측 회전방향패턴부; 및 상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 방사방향을 따라 배치되는 방사방향패턴부;를 포함하는 단상 모터용 적층형 스테이터를 제공한다.

상기 코일 패턴은 자석의 극수에 따라 복수의 돌기부와 요홈부가 반복되는 형상으로 형성될 수 있다.

상기 코일 패턴은 복수의 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝될 수 있다.

또한, 상기 코일 패턴은 순차적으로 적층되는 제1층 내지 제3층 기판에 각각 형성되는 제1층 내지 제3층 코일 패턴을 포함하며, 상기 제1층 및 제3층 코일 패턴은 동일한 형상으로 이루어지고, 제2 코일 패턴은 제1 코일 패턴에서 (360°/로터 자극수) 만큼 관통구멍의 중심으로 회전된 위치에 위치설정될 수 있다.

본 발명에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터는 상기 제3층 기판의 하부에 적층되는 제4층 기판을 더 포함하며, 상기 제4 기판의 노출면에는 상기 코일 패턴과 연결되어 구동전류를 인가하는 모터구동회로가 실장되는 배선패턴이 형성되고, 상기 배선패턴과 연결된 다수의 전자 부품이 실장될 수 있다.

이 경우, 상기 코일 패턴은 제3층 기판의 하부에 적층되는 제4층 기판에 형성되는 제4 및 제5 코일 패턴을 더 포함하며, 상기 제4 및 제5 코일 패턴은 선대칭 구조로 배치될 수 있다.

상기 스루홀은 상기 코일 패턴이 오버랩될 때, 상기 내측 회전방향패턴부의 외주부와 외측 회전방향패턴부의 내주부 사이에 위치한 스루홀 영역과 코일 패턴의 외측에 위치한 외측 영역에 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터는 상기 제4 및 제5 코일 패턴을 연결하는 데 사용되는 적어도 하나의 점퍼선 패턴을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터는 상기 다층 기판 중 제1기판에 패턴형성되며, 상기 코일 패턴의 복수의 요홈부 중 하나에 형성되어 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일을 더 포함할 수 있다.

상기 코일 패턴의 방사방향패턴부는 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 결선이 이루어지며, 이에 의해 로터에 접선방향의 회전력을 발생할 수 있다.

상기 방사방향패턴부의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나로 설정되고, 상기 인접한 방사방향패턴부 사이의 각도는 360°/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 값을 가질 수 있다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 관통구멍을 가지는 다층 기판의 각 기판 위에 상기 관통구멍의 주변을 따라 2 이상의 돌기부와 요홈부를 갖는 복수의 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝된 복수의 코일 패턴이 상기 기판을 관통하여 형성된 복수의 스루홀에 의해 연결된 적어도 하나의 코일 패턴층; 및 상기 코일 패턴층의 저면에 적층되며 상기 코일 패턴에 구동전류를 인가하기 위한 모터구동회로가 실장된 구동회로층;을 포함하며, 상기 복수의 코일 패턴은 각각 360°/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 각도마다 방사방향을 따라 배치되어 전류 흐름에 따라 로터에 접선방향의 회전력을 발생하는 복수의 방사방향패턴부; 상기 인접한 방사방향패턴부의 내측을 상호 연결하는 복수의 내측 회전방향패턴부; 및 상기 인접한 방사방향패턴부의 외측을 상호 연결하는 복수의 외측 회전방향패턴부;를 포함하는 단상 모터용 적층형 스테이터를 제공한다.

상기 코일 패턴층은 홀수층과 짝수층의 코일 패턴이 상이하게 구성될 수 있으며, 이 경우, 상기 홀수층 코일 패턴은 내측에서 외측으로 시계방향(CW)의 권선을 이루고, 상기 짝수층 코일 패턴은 내측에서 외측으로 반시계방향(CCW)의 권선을 이루도록 형성될 수 있다.

또한, 상기 코일 패턴층은 모든 층의 코일 패턴이 동일한 형상으로 이루어지고, 상기 홀수층 코일 패턴은 내측에서 외측으로 시계방향(CW)의 권선을 이루고, 상기 짝수층 코일 패턴은 외측에서 내측으로 시계방향(CW)의 권선을 이루도록 형성될 수 있다

더욱이, 상기 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 코일을 형성하는 부분보다 더 넓게 형성되어 있고, 적어도 하나의 스루홀과 상기 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드가 배치될 수 있다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 본 발명은 회전축; 상기 회전축이 중앙에 지지되고 복수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링; 상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더; 및 상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 형성된 상술한 바와 같은 적층형 스테이터;를 포함하는 단상 모터를 제공한다.

본 발명에 따른 단상 모터는 상기 적층형 스테이터의 하부에 배치되며, 상기 로터가 초기상태일 때 복수의 자석의 센터가 대향하여 배치되는 다각형 모서리를 갖는 데드 포인트 방지 요크; 및 상기 적층형 스테이터의 기판에 설치되며 로터의 초기상태일 때, 로터 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭 또는 3/4 자극폭 만큼 편이된 위치의 배치되어 로터위치검출신호를 발생하는 홀센서;를 더 포함하며, 상기 홀센서는 스테이터의 방사방향패턴부 중 하나와 중첩된 위치에 배치될 수 있다.

이 경우, 상기 로터는 링 형상으로 형성되고, 상기 링의 폭은 적어도 방사방향패턴부의 길이보다 더 크게 형성되며, 방사방향패턴부와 대향하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 제4특징에 따르면, 본 발명은 중앙부에 회전축이 지지되고 외주부에 임펠러용 복수의 블레이드가 형성되며 복수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링; 상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더; 상기 베어링 홀더를 지지하는 하부 케이스; 상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 형성되고 하부 케이스에 지지된 상술한 바와 같은 적층형 스테이터; 상기 하부 케이스에 대향하여 배치된 상부 케이스; 및 상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이를 연결하는 측벽;을 포함하는 쿨링 팬을 제공한다.

상기 쿨링 팬은 상부 케이스와 하부 케이스의 적어도 하나에 풍입구가 형성되고, 상기 측벽의 일부에 풍출구가 형성된 시로코형 또는 상기 상부 케이스와 하부 케이스에 각각 풍입구와 풍출구가 형성된 축류형으로 구성될 수 있다.

상기 로터의 백요크는 중앙부에 회전축이 고정되는 관통구멍이 형성되고 내향으로 돌출된 결합부; 내측에 베어링 홀더가 수용되는 제1단 수용홈을 형성하는 제1원통부; 외측에 복수의 자석이 설치되는 제2단 수용홈을 형성하며 스테이터에 대응하는 크기로 형성되는 제2원통부; 및 상기 제1원통부와 제2원통부 사이를 연결하는 단차부;로 구성되며, 상기 임펠러를 구성하는 복수의 블레이드는 백요크의 제2단 수용홈을 둘러싸면서 제2원통부와 동일한 레벨로 연장 형성될 수 있다.

또한, 상기 임펠러를 구성하는 복수의 블레이드는 백요크의 제1단 및 제2단 수용홈을 둘러싸면서 연장 형성될 수 있다.

상기 하부 케이스는 상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성되는 링부; 및 상기 링부와 하부 케이스 본체 사이를 연결하는 복수의 브리지를 포함하며, 상기 복수의 브리지는 로터 자극수와 동일하거나 (자극수/2)의 개수로 형성되어 데드 포인트 방지 요크 기능을 가질 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 로터를 회전 구동시키기 위한 스테이터 코일을 다층 PCB에 형성된 도전성 패턴 코일을 이용하며 박막형으로 구현함에 의해 생산성 향상, 원가 절감이 가능한 슬림형 단상 모터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 각종 전자기기용 슬림형 쿨링 팬을 제공할 수 있다. 특히, 상기 쿨링 팬은 무선 충전기 등의 슬림형 전자기기에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에서는 박막형 스테이터를 이용한 액시얼형(axial type) 구조를 채용함에 따라 종래에 레이디얼형(radial type) 모터에 채용되었던 코어형 스테이터를 제거한 공간과 코일 터미널 연결 부위를 생략하여 얻어지는 공간을 활용하여 로터의 회전축을 지지하는 슬리브 베어링의 직경을 충분한 오일을 함유할 수 있도록 확장할 수 있어 신뢰성 및 내구성 향상을 도모할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 단상 모터용 적층형 스테이터를 구성하며, 각 층의 코일 패턴을 복수의 회전방향패턴부와 방사방향패턴부가 교대로 연결된 별 형상 패턴을 갖도록 형성함에 의해 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있게 설계하여 모터 효율 상승을 도모할 수 있다. 즉, 상기 방사방향패턴부는 방사방향으로 배향되어 있어 스테이터 코일이 통전될 때 접선방향의 힘이 발생되어 효과적인 토크가 얻어지게 된다.

또한, 본 발명에서는 각 층 PCB의 스루홀을 동일한 위치에 설정함에 의해 복수의 배선 패턴 PCB를 사용하지 않고 다층 구조의 코일 패턴을 직렬 또는 병렬 접속으로 연결하여 슬림형으로 적층할 수 있다.

본 발명은 하부 케이스에 풍입구를 형성하면서 로터 자극수에 대응하는 브리지를 형성함에 의해 별도의 데드 포인트 방지 요크(yoke)를 사용하지 않고 데드 포인트 방지 기능을 구현할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 로터위치검출용 홀소자를 사용하지 않고 로터와 대향한 PCB의 일면 중 패턴 코일이 형성되지 않은 빈 공간에 로터위치검출용 센싱 코일을 함께 배치함에 의해 저렴하고 간단하게 센서레스(sensorless) 구동회로를 구현할 수 있다.

본 발명에서는 적층형 스테이터에서 각층 코일 패턴의 굵기를 조절하여 스타트 부분과 엔드 부분은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게 예를 들어, 물방울(tear drop) 형태로 설계해서 연결의 신뢰성 증대를 꾀할 수 있다.

즉, 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 물방울(tear drop) 형태로 형성하고, 스루홀과 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드(soldering land)를 배치함에 의해 코일 패턴을 상호 연결하거나 배선 패턴 등과 연결이 쉽고 연결의 신뢰성을 보장할 수 있다.

또한, 신뢰성 증대를 위하여 각층에 스타트 부분과 엔드 부분을 연결하는 스루홀은 적어도 1개 이상으로 형성하여 단선이나 스루홀의 불량에 따른 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터를 나타내는 평면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 제1실시예에 따른 적층형 스테이터의 각 층별 코일 패턴을 나타내는 전개도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 제1층 및 제4층 PCB의 솔더링 패턴을 나타낸 평면도이다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명에 따른 적층형 스테이터를 이용한 단상 모터의 동작을 설명하기 위한 설명도로서, 로터가 초기 위치에 있을 때 전류의 방향을 나타낸 설명도이다.
도 5a 내지 도 5d는 각각 로터의 회전 위치별 전류의 방향을 나타낸 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 적층형 스테이터의 각 층별 코일 패턴을 나타내는 전개도이다.
도 7은 본 발명에 따른 단상 모터에서 자기기동용 데드 포인트 방지 요크와 홀소자와의 배치 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 8은 본 발명에 따른 센서레스(sensorless) 구동회로를 구현하기 위해 로터위치검출용 센싱 코일을 코일 패턴과 함께 배치한 제1층 PCB의 패턴도이다.
도 9는 본 발명에 따른 적층형 스테이터를 사용하여 구현된 슬림형 단상 모터를 이용한 쿨링 팬을 나타내는 사시도이다.
도 10 및 도 11은 본 발명에 따른 슬림형 쿨링 팬의 제1 및 제2 실시예를 나타내는 축방향 단면도이다.
도 12a는 본 발명의 제3실시예에 따른 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖는 하부 케이스에 적층형 스테이터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이고, 도 12b는 도 12a에서 스테이터에 로터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이며, 도 12c는 도 12b에서 로터에 블레이드가 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.

도 1 내지 도 3b를 참조하면, 본 발명에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터(110)는 복수층이 적층되어 일체화되고 절연재료로 이루어진 복수의 기판(10); 스테이터 코일을 구성하는 데 필요한 복수의 턴(turn)을 형성하도록 상기 각층 기판 위에 적층된 동박을 패터닝하여 얻어진 나선형상의 도전성 패턴으로 이루어진 복수의 코일 패턴(21~25); 및 상기 복수의 기판(10)을 관통하여 형성된 관통홀에 도금되어, 상기 복수의 코일 패턴(21~25) 등을 연결하기 위한 복수의 스루홀(T1~T7);을 포함하고 있다.

상기 복수의 코일 패턴(21~25)은 각각 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 복수의 내측 및 외측 회전방향패턴부(20a-20f); 및 상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 중심으로부터 방사방향을 따라 배치되는 복수의 방사방향패턴부(20g-20l)를 포함하고 있다.

상기 적층형 스테이터(110)는 각 층이 기판(10)에 동박이 적층된 동박적층판(CCL)으로 이루어진 다층 기판(10a)을 사용하여 구성될 수 있으며, 각층 기판의 동박을 패터닝하고 적층한 후, 도전성 스루홀을 형성하여 구성될 수 있다.

이하의 설명에서는 다층 기판이 동박적층판을 패터닝하여 코일 패턴을 형성하는 것을 예로 설명하나, 동박적층판을 사용하지 않고 일반 기판에 은-페이스트나 동-페이스트를 이용하여 코일 패턴을 인쇄하여 형성하는 것도 가능하며, 이 경우도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 한다.

상기 기판(10)은 기판 재료가 예를 들어, 글래스 에폭시 라미네이트(glass epoxy laminate)로 이루어진 FR-4나 CEM-3와 같은 절연성 수지로 이루어질 수 있다. 다층 기판(10a)은 각 층의 기판(10)에 동박이 적층된 구조를 가지며, 다층 PCB를 구성할 수 있다면 어떤 절연성 수지도 기판의 재료로 사용할 수 있으며, 적층되는 기판의 층수는 단상 모터의 원하는 RPM에 비례하여 1층 내지 10층 범위 내에서 설정될 수 있다. 높은 RPM을 얻기 위해서는 높은 토크값이 얻어지도록 코일 턴수가 많은 것이 요구되므로, 복수의 코일 패턴(21~25)을 이용하도록 적층되는 PCB의 수를 증가시키는 것이 필요하다.

다층 PCB가 적층된 다층 기판(10a)을 사용하는 경우, 최하부의 PCB는 코일 패턴과 전자 부품을 상호 연결하기 위한 인쇄배선(17)이 형성되고, 각종 전자 부품(16)이 인쇄배선(17)에 실장되어 모터구동회로(30)를 형성하며, 인쇄배선(17)의 전원단자(Vcc)와 접지 패턴(GND)에는 구동전원이 연결된다.

본 발명에 따른 단상 모터용 스테이터는 높은 RPM을 필요로 하지 않는 경우, 기판(10)의 양면에 동박이 적층된 양면 기판을 사용하여 구성될 수 있으며, 이 경우 기판(10)의 일면에 코일 패턴(21)이 형성되고, 배면에 모터구동회로(30)가 실장되는 구조로 구성될 수 있다.

이하의 실시예 설명에서는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 다층 기판(10a)이 4층 구조의 제1 내지 제4 PCB(11~14)가 적층된 다층 PCB로 구성된 것을 예로 들어 설명한다.

제1 내지 제3 PCB(11~13)에는 각각 기판(10)의 상부면에, 예를 들어, 별 형상을 갖는 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)이 형성되고, 최하층의 제4 PCB(14)에는 각각 예를 들어, 부채꼴 형상의 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)이 분리되어 형성되어 있으며, 예를 들어, 동박(Cu)과 같은 도전성 금속을 미세하게 패터닝하여 형성되어 있다. 각각의 PCB(11~14)는 예를 들어, 0.4mm, 0.8mm 등의 다양한 두께를 가지는 것 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 본 실시예에 적용된 코일 패턴(21~25)은 예를 들어, 패턴 폭이 0.12mm이고, 인접한 패턴 사이의 간격이 0.13mm로 패터닝한 것이다. 상기 코일 패턴의 폭과 패턴 사이의 간격은 필요에 따라 증가 또는 감소할 수 있다.

제1, 제3 코일 패턴(21,23) 및 제4 코일 패턴(24)은 각각 내측에서 외측으로 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 크게 보면 대략 별 형상을 이루도록 3개의 돌기부와 요홈부를 가지도록 지그재그 형태를 가지고 있으며, 제2 코일 패턴(22)과 제5 코일 패턴(25)은 각각 내측에서 외측으로 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 크게 보면 대략 별 형상을 이루도록 3개의 돌기부와 요홈부를 가지도록 지그재그 형태를 가지고 있다.

물론, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은 각각 나선형상을 가지며, 스루홀을 이용한 코일 패턴의 연결방식에 따라 내측에서 외측으로 또는 외측에서 내측으로 향하며, 시계방향(CW) 또는 반시계방향(CCW)으로 향하는 패턴을 조합하여 구성될 수 있고, 크게 보면 2개 이상의 돌기부와 요홈부를 가지도록 지그재그 형태를 가질 수 있다.

제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 각각 3개씩의 외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)와, 상기 외측 회전방향패턴부(20a~20c)와 내측 회전방향패턴부(20d~20f)를 연결하는 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)가 교대로 연결되어 전체적으로 별 형상을 이루고 있다.

외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)는 각각 외측 원주와 내측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되어 있고, 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)는 각각 전체적으로 기판(10)의 중심으로부터 방사하는 방향을 따라 배향되어 있으며, 내측 단부는 2개씩 서로 간격이 좁아지도록 패턴 형상을 가지고 있다.

제1 및 제3 PCB(11,13)의 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)은 동일한 형상으로 이루어지며, 제2 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)은 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)과 동일한 형상으로 이루어지나 60° 위상차를 가지고 편위되어 있다.

그 결과, 제1 내지 제3 PCB(11~13)가 적층된 경우 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에서 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)는 동일한 위치에 배치된 구조를 가진다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 3층의 PCB가 적층되는 경우 방사방향패턴부(20g~20l)는 각각 3층으로 적층된 코일 패턴이 로터의 자석과 동시에 대향하는 위치를 갖게 되고 전류의 흐름방향이 동일하게 설정됨에 따라 합력된 토크를 발생한다.

본 발명에 따른 스테이터(110)는 다층 PCB에 형성된 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)을 상호 연결하여 스테이터 코일을 형성하며, 스테이터 코일에서 방사방향패턴부(20g~20l)의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 값을 가지며, 동시에 대향한 로터의 자극수와 동일하게 설정되며, 인접한 방사방향패턴부(20g~20l) 사이의 각도는 360/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)으로 결정된다.

따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)를 갖는 스테이터인 경우 인접한 방사방향패턴부(20g~20l) 사이의 각도는 60°이고, 단상 모터를 구성하기 위해 이에 결합되어 회전되는 로터의 자극(N극 자석과 S극 자석)의 수는 6극을 갖도록 구성된다.

제4 PCB(14)에는 단상 모터를 구동하는 데 필요한 구동회로(30)를 형성하도록 각종 전자 부품(16)을 실장하고 결선하는 데 필요한 인쇄 배선(17)이 도전성 패턴으로 형성되어 있다.

또한, 제4 PCB(14)에는 구동회로 부품을 실장하고 남는 공간을 활용하여 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에 추가되는 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)을 형성할 수 있으며, 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)은 로터를 회전시키는 데 필요한 토크값에 따라 생략할 수도 있다.

도 2b에 도시된 제4 PCB(14)는 투시된 상태를 나타낸 것으로 각종 패턴, 즉, 제4 및 제5 코일 패턴(24,25), 인쇄 배선(17)과 이에 실장되는 전자 부품(16)은 기판(10)의 배면에 위치한 것을 나타낸 것이다.

상기 제4 코일 패턴(24)은 외측에서 내측으로 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 부채꼴로 형성한 패턴이고, 제5 코일 패턴(25)은 내측에서 외측으로 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 부채꼴로 형성한 패턴이다.

본 발명의 제1 내지 제4 PCB(11~14)가 적층된 경우 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 제1 내지 제7 스루홀(T1~T7)을 통하여 직렬 또는 병렬 방식으로 상호 연결되면 하나의 스테이터 코일을 형성한다. 제1 내지 제7 스루홀(T1~T7)은 홀 내부가 도전성 재료로 도금 또는 충전되어 있다.

본 발명에 따른 단상 모터용 스테이터는 각각 기판(10)의 상부면에 별 형상을 갖는 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)이 형성되는 제1 내지 제3 PCB(11~13)는 코일 패턴층을 형성하며, 제4 PCB(14)는 모터구동회로(30)가 실장된 구동회로층을 형성한다.

본 발명에서는 도 3a와 같이 제1 내지 제4 PCB(11~14)의 동일한 위치에 7개의 스루홀(T1~T7)을 형성하고, 도 3b와 같이 솔더링 랜드(soldering land)(18)가 도전성 패턴으로 형성되어 있다. 도 3b 및 도 4에 도시된 바와 같이 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 스타트 부분(S1~S5)과 엔드 부분(E1~E4)은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게, 예를 들어, 물방울(tear drop) 형태로 형성되어 있고, 스루홀(T1~T7)과 스루홀(T1~T7)을 둘러싸는 솔더링 랜드(soldering land)(18)가 배치되어 있다.

그 결과, 본 발명에서는 적층형 스테이터에서 각층 코일 패턴(21~25)의 굵기를 조절하여 스타트 부분(S1~S5)과 엔드 부분(E1~E4)은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게 설계해서 연결의 신뢰성 증대를 꾀할 수 있다.

즉, 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 물방울(tear drop) 형태로 형성하고, 스루홀과 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드(soldering land)를 배치함에 의해 코일 패턴을 상호 연결하거나 배선 패턴 등과 연결이 쉽고 연결의 신뢰성을 보장할 수 있다.

또한, 신뢰성 증대를 위하여 각층에 스타트 부분과 엔드 부분을 연결하는 스루홀(T1~T7)은 적어도 1개 이상 복수로 형성하여 단선이나 스루홀의 불량에 따른 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.

제2 PCB(12)에는 제4 PCB(14)의 상측과 하측에 분리되어 형성된 제4 코일 패턴(24)과 제5 코일 패턴(25)을 연결하기 위해 스루홀(T3)과 스루홀(T4)을 연결하는 제1점퍼선 패턴(J1)이 제2 코일 패턴(22)의 외곽에 형성되어 있고, 제3 PCB(13)에는 제4 PCB(14)에서 제5 코일 패턴(25)의 외부에서 내부의 스타트 부분(S5)을 연결하기 위해 제4스루홀(T4)과 제5스루홀(T5)을 연결하는 제2점퍼선 패턴(J2)이 제3 코일 패턴(23)의 외측에 형성되어 있다.

본 발명의 제1 내지 제4 PCB(11~14)가 적층된 경우 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 스루홀(T1~T7)과 제1 및 제2 점퍼선 패턴(J1,J2)을 통하여 상호 연결되어 하나의 스테이터 코일을 형성한다.

즉, 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)은 엔드 부분(E1)이 제2스루홀(T2)을 통하여 제2 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)의 스타트 부분(S2)에 연결되고, 제2 코일 패턴(22)의 엔드 부분(E2)은 제6스루홀(T6)을 통하여 제3 PCB(13)의 제3 코일 패턴(23)의 스타트 부분(S3)에 연결된다.

또한, 제3 코일 패턴(23)의 엔드 부분(E3)은 제1스루홀(T1)을 통하여 제4 PCB(14)의 제4 코일 패턴(24)의 스타트 부분(S3)에 연결되고, 제4 코일 패턴(24)의 엔드 부분(E4)과 제5 코일 패턴(25)의 스타트 부분(S5)은 상기 스루홀(T3)과 스루홀(T4)을 연결하는 제1 점퍼선 패턴(J1)과 스루홀(T4)과 스루홀(T5)을 연결하는 점퍼선 패턴(J2)을 통하여 상호 연결이 이루어진다.

그 결과, 스테이터 코일의 일단, 즉 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분은 구동회로의 제1출력단자(Out1)에 연결되고, 스테이터 코일의 타단, 즉 제1 코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)은 제6스루홀(T6)을 통하여 구동회로의 제2출력단자(Out2)에 연결된다.

본 발명에서는 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)의 외측 회전방향패턴부(20a~20c)의 내주부와 제2 코일 패턴(22)의 내측 회전방향패턴부의 외주부 사이, 그리고 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)의 내측 회전방향패턴부(20d~20f)의 외주부와 제2 코일 패턴(22)의 외측 회전방향패턴부의 내주부 사이에는 코일 패턴이 상호 겹쳐지지 않는 6개의 스루홀 영역(R1~R6)이 존재하도록 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 폭을 설정하며, 제1 내지 제7 스루홀(T1~T7)은 6개의 스루홀 영역(R1~R6)과 제1 내 제5 코일 패턴(21~25)의 외측 공간(R10)을 활용하여 배치한다.

그 결과, 본 발명에서는 제1 내 제5 코일 패턴(21~25)의 내부에 배치된 스타트 또는 엔드 단자를 타층의 코일 패턴과 연결하려할 때 6개의 스루홀 영역(R1~R6) 중 하나를 이용하여 형성된 스루홀(T2,T3,T5~T7)을 이용할 수 있다.

본 발명에서는 상기 스루홀 영역(R1~R6)과 외측 공간(R10)을 적절히 활용하여 스루홀(T1~T7)을 배치함에 의해 별도의 배선 패턴 PCB를 사용하지 않고도 다층 PCB의 코일 패턴을 직렬 또는 병렬 접속으로 연결할 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에서는 제4 PCB(14)에 단상 모터를 구동하기 위한 구동회로(30)가 실장되어 있는 것을 예시하고 있으나, 구동회로가 별도로 구성되는 것도 가능하다. 즉, 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같이, 스테이터와 스테이터가 장착되는 하부 케이스 사이에 충분한 공간이 확보되지 않는 경우에는 최소한의 구동회로 부품만이 제4 PCB(14)의 배면에 실장될 수 있다.

이하에 도 4 내지 도 5d를 참고하여 본 발명의 적층형 스테이터를 이용한 단상 모터를 설명한다. 도 5a 내지 도 5d에서 로터의 회전 위치별 전류 흐름은 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)과 제2 내지 제4 PCB(12-14)의 제2 내지 제5 코일 패턴(22~25)에 대한 전류 흐름은 동일하므로 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)만을 설명한다.

도시된 단상 모터(40)는 6슬롯-6폴 구조의 스테이터(110)와 로터(120)가 액시얼 타입으로 서로 대향하여 배치된 구조를 가지나, 도 4에는 설명의 편의상 동일 평면에 함께 표현한 것이다.

로터(120)가 초기 위치(즉, 0°)에 있을 때, 모터구동회로(30)에 구동전원(Vcc)이 공급되면 홀센서(H1)는 로터의 자극(S극)을 인식하여 로터의 회전방향(즉, 반시계방향(CCW))을 내포하는 한쌍의 제1로터위치검출신호를 발생하여 모터구동회로(30)의 2개의 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터에 인가하면, 제1 스위칭 트랜지스터는 턴-온되고 제2 스위칭 트랜지스터는 턴-오프되면서 스테이터 코일, 즉 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향이 결정된다.

로터의 회전방향이 반시계방향(CCW)으로 결정됨에 따라 제1코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)으로부터 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분 방향으로 전류가 흐르게 되며, 전류가 흐르는 방향을 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 화살표로 나타내었다.

이 경우, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)는 거의 동심원 형태로 배열되어 있으므로 플레밍의 왼손법칙에 따라 발생되는 힘(F)의 방향이 방사방향으로 향하기 때문에 토크 발생에 영향을 주지 못한다.

제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 각각 동일한 위치의 방사방향패턴부에 흐르는 구동전류의 흐름 방향이 동일하도록 스루홀(T1~T7)과 점퍼선 패턴(J1,J2)을 통하여 상호 연결이 이루어진다.

예를 들어, 제1 코일 패턴(21)의 방사방향패턴부(20g,20h)는 제2 코일 패턴(22)의 방사방향패턴부(22g,22h), 제3 코일 패턴(23)의 방사방향패턴부(23g,23h), 제4 코일 패턴(24)의 방사방향패턴부(24g,24h)와 모두 동일한 방향으로 전류 흐름 방향이 설정된다. 그 결과, 방사방향패턴부(20g~20l)는 로터(120)의 회전방향(원주방향)과 직각인 방사방향(즉, 법선방향)으로 배향되어 있어 플레밍의 왼손법칙에 따라 반시계방향(CCW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생된다.

따라서, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)은 단지 전류가 흐르는 경로 역할을 하고, 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)으로부터 접선방향으로 힘이 발생되어 로터(120)의 회전이 이루어지게 된다.

또한, 인접한 방사방향패턴부(20g~20l) 사이에 코일에 흐르는 전류의 방향은 반대로 설정되고, 이에 대응하는 로터(120)의 자석의 자극도 반대로 위치하게 되므로, 모두 동일한 방향으로 로터의 자석을 밀거나 끌어당기는 힘을 발생하게 되어 로터를 반시계방향(CCW)으로 회전시키게 된다.

이어서, 로터(120)가 기계각으로 15°(전기각 45°) 회전한 경우가 도 5a에 표시되어 있고, 기계각으로 30°(전기각 90°) 회전한 경우가 도 5b에 표시되어 있으며, 기계각으로 45°(전기각 135°) 회전한 경우가 도 5c에 표시되어 있다.

도 5c의 위치에 로터(120)가 위치한 경우, 홀센서(H1)는 N극 자석(121a)과 S극 자석(121f)의 경계면에 위치하게 되어 자극을 인식하지 못하며, 전류의 흐름 방향을 결정하지 못한다.

회전 관성에 의해 로터(120)가 계속 회전하여 기계각으로 60°(전기각 180°) 회전한 경우가 도 5d에 표시되어 있다. 로터가 기계각으로 45°(전기각 135°)를 넘어서 회전하게 되면, 홀센서(H1)는 N극 자석(121a)을 인식하게 된다. 이 경우, 홀센서(H1)는 상기한 제1로터위치검출신호와 반대 극성의 한쌍의 제2로터위치검출신호 출력을 발생하여 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터에 인가함에 따라, 제1 스위칭 트랜지스터는 턴-오프되고 제2 스위칭 트랜지스터는 턴-온되면서 스테이터 코일, 즉 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향이 도 5d에 표시된 바와 같이 반대로 설정된다.

그 결과, 도 5d에 표시된 바와 같이 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향이 반대로 설정되면, 방사방향패턴부(20g~20l)는 플레밍의 왼손법칙에 따라 반시계방향(CCW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생되어 로터(120)의 회전이 이루어진다.

상기와 같이 모터구동회로(30)는 홀센서(H1)가 기계각으로 60°(전기각 180°) 회전할 때마다 로터의 자극을 검출하여 제1로터위치검출신호와 제2로터위치검출신호를 교대로 발생함에 따라 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터는 교대로 턴-온과 턴-오프되면서 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향을 변경한다.

이하에 도 6을 참고하여 본 발명의 제2실시예에 따른 적층형 스테이터를 설명한다.

먼저, 도 2에 도시된 제1실시예에 따른 적층형 스테이터(110)는 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)과 제4 코일 패턴(24)은 각각 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 제2 코일 패턴(22)과 제5 코일 패턴(25)은 각각 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 형성되어 있다.

즉, 제1실시예에서 홀수층 PCB의 코일 패턴은 시계방향(CW)의 나선형상을 가지도록 형성되고, 짝수층의 코일 패턴은 반시계방향(CCW)의 나선형상을 가지도록 형성된다.

도 6에 도시된 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제1 내지 제4 코일 패턴(21~24)은 모두 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 단지 제5 코일 패턴(25)만 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 형성되어 있다.

단지, 제1, 제3 코일 패턴(21,23)은 내측에 스타트 부분(S1,S3)이 배치되고, 외측에 엔드 부분(E1,E3)이 배치되나, 제2 코일 패턴(22)은 외측에 스타트 부분(S2)이 배치되고, 내측에 엔드 부분(E2)이 배치되어 있다.

제2실시예에서 모든 층 PCB의 코일 패턴(21~23)은 시계방향(CW)의 나선형상을 가지도록 형성되어 있다는 점에서 제1실시예와 상이하다.

단, 제4 PCB(14)의 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)은 선대칭 구조로 서로 대향한 위치에 배치되어 있으므로, 제1 및 제2 실시예 모두 제4 코일 패턴(24)은 시계방향(CW)으로 권선되고, 제5 코일 패턴(25)은 반시계방향(CCW)으로 권선된 패턴을 가진다.

제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 모든 층 PCB의 코일 패턴(21~23)이 시계방향(CW)의 나선형상을 갖는 권선으로 형성될 때, 홀수층 PCB(11,13)의 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)은 내측에 스타트 부분(S1,S3)이 배치되고, 외측에 엔드 부분(E1,E3)이 배치되며, 짝수층 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)은 외측에 스타트 부분(S2)이 배치되고, 내측에 엔드 부분(E2)이 배치되어 있다.

제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 모든 코일 패턴(21~23)이 시계방향(CW)의 나선형상을 갖는 권선으로 형성한 후, 제4 PCB(14)의 제4 코일 패턴(24)과 제5 코일 패턴(25)을 연결하기 위해 제3 PCB(13)에 제3 및 제4 점퍼선 패턴(J11,J12)을 형성하고, 제4 PCB(14)에 제5 점퍼선 패턴(J13)을 형성한다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)이 동일한 형상으로 동일한 위치에 배치되므로, 제1실시예와 비교하여 각층의 코일 패턴을 상호 연결하는 데 사용되는 스루홀을 배치할 수 있는 공간을 더 넓게 확보할 수 있다.

제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에 제4 코일 패턴(24)과 제5 코일 패턴(25)이 오버랩된 영역을 제외한 나머지 부분이 제11 내지 제18 스루홀(T11~T18)을 배치할 수 있는 스루홀 영역(R11~R16)이 된다.

즉, 제1 PCB(11)를 기준으로 볼 때, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)의 상측 돌기부의 좌/우측의 요홈부와 내측 영역의 일부, 하측 돌기부의 내측 영역과 요홈부의 일부가 스루홀 영역(R11~R16)에 해당된다.

상기한 스루홀 영역(R11~R16)에 제11 내지 제18 스루홀(T11~T18)을 배치하고 제3 내지 제5 점퍼선 패턴(J11~J13)을 이용하여 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)을 연결하면 하나의 스테이터 코일이 형성된다.

즉, 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)은 스타트 부분(S1)에서 시계방향으로 권선이 이루어진 후 엔드 부분(E1)이 제12스루홀(T12)을 통하여 제2층 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)의 스타트 부분(S2)에 연결되고, 제2 코일 패턴(22)의 엔드 부분(E2)은 제17스루홀(T17)을 통하여 제3 PCB(13)의 제3 코일 패턴(23)의 스타트 부분(S3)에 연결된다.

또한, 제3 코일 패턴(23)의 엔드 부분(E3)은 제11스루홀(T11)을 통하여 제4 PCB(14)의 제4 코일 패턴(24)의 스타트 부분(S4)에 연결되고, 제4 코일 패턴(24)의 엔드 부분(E4)과 제5 코일 패턴(25)의 스타트 부분(S5)은 제3 내지 제5 점퍼선 패턴(J11~J13)을 통하여 상호 연결이 이루어진다.

그 결과, 스테이터 코일의 일단, 즉 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분(E5)은 모터구동회로(30)의 제1출력단자(Out1)에 연결되고, 스테이터 코일의 타단, 즉 제1 코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)은 제17스루홀(T17)을 통하여 모터구동회로의 제2출력단자(Out2)에 연결된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제4 PCB(14)에 실장되는 모터구동회로(30)의 일부가 좌측에 배치되고, 일부가 우측에 분산되어 배치되어 있다. 제4 PCB(14)의 모터구동회로(30)에 구동전원(Vcc)이 공급되면 상기한 제1실시예와 동일하게 대향한 로터를 회전시키게 된다.

한편, 본 발명에 따른 적층형 스테이터를 이용한 단상 모터는 로터위치검출을 위해 하나의 홀센서(H1)가 스테이터를 형성하는 PCB에 배치되고, 자기기동 방안으로서 철판 또는 실리콘 스틸로 이루어진 데드 포인트 방지 요크를 채용할 수 있다. 데드 포인트 방지 요크를 이용하면 로터의 초기 위치를 미리 설정된 위치에 정지하게 설정할 수 있으며, 홀센서를 로터의 초기 위치를 고려하여 데드 포인트 방지할 수 있는 위치에 설치하면 자기기동 불능 현상을 피할 수 있다.

본 발명에서 하나의 홀센서를 채용하면서 데드 포인트 방지 요크를 스테이터의 하측에 배치하여 채용하는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 데드 포인트 방지 요크(170)의 형상은 로터의 자극 수(6극)와 동일하게 외주면이 육각형상을 이루며, 내주면이 원형을 갖도록 구성되어 있다. 이 경우, 로터(120)가 초기상태일 때, 로터(120)의 자석(121)과 데드 포인트 방지 요크(170) 사이에는 자기현상에 의해 도 7과 같이 각 자석의 센터가 데드 포인트 방지 요크(170)의 실효면적 폭이 가장 넓은 지점(즉, 모서리)과 대향하여 위치하게 된다.

따라서, 홀소자(H1)는 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚) 또는 3/4 자극폭 만큼 편이된 위치에 설치하는 것이 바람직하다. 홀소자(H1)를 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭 만큼 편이된 위치에 설치하는 이유는 이 지점이 자석으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대이므로 홀소자(H1)는 가장 좋은 감도의 로터위치검출신호를 발생할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 스테이터의 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23) 중에 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭이 되는 지점에 홀소자(H1)를 배치함과 동시에 방사방향패턴부(20g~20l) 중 하나가 위치하도록 설정한다.

도 7과 같이 방사방향패턴부(20g~20l) 중 하나의 방사방향패턴부(20l)가 홀소자(H1)와 일치하며, 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭이 되는 지점에 배치된 상태에서, 모터구동회로에 구동전원이 인가되어 로터의 기동이 이루어지면, 자석(121f)으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대인 지점에 방사방향패턴부(20l)가 대향해 있기 때문에 보다 쉽게 자기기동이 이루어지게 된다.

또한, 로터의 회전 방향이 반시계방향(CCW)인 경우는 데드 포인트 방지 요크(170)의 6각형 모서리로부터 반시계방향으로 1/4 자극폭 지점에 홀소자(H1)가 설치되는 것이 바람직하고, 회전 방향이 시계방향(CW)인 경우는 데드 포인트 방지 요크(170)의 6각형 모서리로부터 시계방향으로 1/4 자극폭 지점에 홀소자(H1)가 설치되는 것이 자기기동 불능 현상을 피할 수 있게 된다.

한편, 도 8에는 본 발명에 따른 센서레스(sensorless) 구동회로를 구현하기 위해 로터위치검출용 센싱 코일(26)이 코일 패턴(21)과 함께 배치한 제1 PCB(11)에 형성된 변형예가 도시되어 있다.

로터위치검출용 센싱 코일(26)은 제1 PCB(11)의 제1코일 패턴(21)과 중복되지 않은 공간, 즉 별 형상을 이루는 3개의 돌기부 사이에 위치한 3개의 요홈 중에서 선택되어야 하고, 또한, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)과 겹치지 않는 공간에 센싱 코일(26)의 양단부를 제4 PCB(14)로 인출하기 위한 한쌍의 스루홀(T8,T9)을 배치할 수 있어야 하며, 제4 PCB(14)에 형성되는 구동회로(30)와의 연결관계를 고려할 필요가 있다.

본 발명에 따른 로터위치검출용 센싱 코일(26)은 상기한 사항들을 고려하여 제1 PCB(11)의 요홈에 배치되고, 전체적으로 부채꼴 형상을 가지며 내측에서 외측으로 시계방향(CW)으로 나선형상으로 형성한 도전성 패턴으로 구성된다.

도 8과 같이, 로터와 대향한 제1 PCB(11)에 로터위치검출용 센싱 코일(26)이 형성되어 있으면, 로터의 회전시에 로터위치검출용 센싱 코일(26)에 자석이 근접하면 센싱 코일(26)로부터 전자기 유도에 의해 유도기전력이 발생하며, 모터 구동회로(30)는 이 유도기전력을 이용하여 스위칭소자를 턴온시킴에 의해 스테이터 코일에 흐르는 전류의 방향을 변경한다.

본 발명에서는 도 8과 같이 배치 프로세스에 의해 PCB 기판의 동박을 패터닝하여 스테이터 코일을 형성하면서 동시에 로터위치검출용 센싱 코일(26)을 함께 형성하는 것이 가능하므로, 제조비용의 증가를 야기하지 않는다.

이하에 상기한 적층형 스테이터를 이용한 쿨링 팬에 대하여 설명한다.

도 9에는 본 발명에 따른 적층형 스테이터를 사용하여 구현된 슬림형 단상 모터를 이용한 쿨링 팬이 도시되어 있고, 도 10 및 도 11에는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 슬림형 쿨링 팬을 나타내는 축방향 단면도가 도시되어 있다.

도 9 및 도 10을 참고하면, 본 발명에 따른 슬림형 단상 모터를 이용한 쿨링 팬(100)은 상부 케이스(103)와 측벽(102)이 형성된 하부 케이스(101)가 결합되어 케이스를 형성하고 있고, 케이스 내부에 적층형 스테이터(110)를 사용하여 구현된 슬림형 단상 모터(40)가 설치되어 있다.

단상 모터(40)는 적층형 스테이터(110), 슬리브 베어링(150), 회전축(140) 및 로터(120)를 포함한다.

하부 케이스(101)에는 중앙부에 슬리브 베어링(150)을 수용하기 위한 베어링 홀더(160)가 예를 들어, 인서트 몰딩에 의해 일체로 형성되어 있으며, 베어링 홀더(160)는 원통형상으로 돌출된 보스(160a) 내부에 슬리브 베어링(150)이 삽입되어 있다.

또한, 슬리브 베어링(150)과 베어링 홀더(160)의 내부 바닥면 사이에는 로터(120)의 회전축(140)을 지지하기 위한 스러스트 플레이트(thrust plate)(또는 베어링 시트)(106)가 설치되어 있다.

하부 케이스(101)의 바닥면에는 도 2에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 적층형 스테이터(110)가 장착되어 있으며, 스테이터(110)의 중앙부에는 베어링 홀더(160)의 보스(160a)의 외경보다 더 큰 관통구멍(15)이 형성되어 있다.

상기 슬리브 베어링(150)의 관통구멍에는 로터(120)의 회전축(140)이 결합되어 있으며, 회전축(140)은 로터(120)의 중앙에 고정되어 있다.

로터(120)는 자로(磁路) 역할을 하도록 자성재료로 이루어진 백요크(123)와 복수의 자석(121)을 포함하고 있으며, 자석(121)이 스테이터(110)의 코일에 면대향하여 배치된 액시얼형(axial type) 구조로 단상 모터(40)를 구성하고 있다.

상기 복수의 자석(121)은 N극 및 S극이 교대로 배치되며, 자극수는 코일 패턴(21)의 방사방향패턴부(20g~20l)의 갯수와 동일하게 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 1의 스테이터를 사용하여 구성되는 단상 모터(40)는 6 슬롯(slot)/6 폴(pole) 구조를 가진다.

상기 백요크(123)는 중앙부에 회전축(140)이 고정되는 관통구멍이 형성된 결합부(123e)가 형성되고, 외향으로 돌출되어 있다.

백요크(123)는 내측에 제1단 수용홈(123a)을 형성하며 베어링 홀더(160)의 보스(160a)의 외경보다 더 크게 형성되는 제1원통부(123b)와, 외측에 제2단 수용홈(123c)을 형성하며 스테이터(110)에 대응하는 크기로 형성는 제2원통부(123d)로 구성되며, 제1원통부(123b)와 제2원통부(123d) 사이에는 단차부가 중간에 형성되어 2단 구조의 수용홈을 형성하고 있다.

백요크(123)의 제1단 수용홈(123a)에는 베어링 홀더(160)가 수용되고, 제2단 수용홈(123c)에는 스테이터(110)의 코일 패턴(21)에 대응하여 복수의 자석(121)이 설치되어 있다.

상기 복수의 자석(121)은 Nd 합금이나 Co 합금과 같은 보자력이 큰 희토류 자석 또는 페라이트 자성체를 사용하여 분할 착자함에 의해 N극 및 S극 구조로 형성되거나, 디스크 형태의 Nd 자석을 로터 지지체에 접착제로 고정하여 사용할 수 있다.

로터(120)의 백요크(123)의 외측면에는 인서트 몰딩에 의해 복수의 블레이드(130)가 일체로 형성되어 임펠러(105)를 구성한다. 이 경우, 블레이드(130)는 백요크(123)의 단차부(123b)의 외측면과 제2단 수용홈(123c)을 둘러싸면서 제1원통부(123b)와 동일한 레벨로 연장되어 있으며, 복수의 블레이드(130)는 도 9과 같이 백요크(123)로부터 경사각도를 가지고 연장 형성되거나 방사방향으로 연장 형성될 수 있다.

더욱이, 상기 하부 케이스(101)에는 스테이터(110)에 시스템 본체로부터 전원 및 제어신호를 인가하는 데 필요한 콘넥터 또는 케이블이 결합되도록 관통 슬롯이 형성될 수 있고, 하부 케이스(101)에 대향한 방향으로부터 본체(예를 들어, 무선충전기 등) 내부의 발열된 공기를 흡입할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통구멍이 형성된 풍입구(108)를 가질 수 있다.

상기 하부 케이스(101)에는 외주부에 측벽(102)이 직각으로 형성되어 있으며, 상부 케이스(103)와 함께 결합되어 시로코 타입(Sirocco Type)의 팬을 구성하도록 도 9에 도시된 바와 같이 측벽(102)의 일측은 개방되어 흡입된 공기를 배출하는 풍출구(107)가 형성되어 있다. 이 경우 측벽(102)은 상기한 베어링 홀더(160)와 동일하게 수지로 형성되며, 인서트 몰딩에 의해 금속재의 하부 케이스(101)에 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

그러나, 측벽(102)은 하부 케이스(101) 대신에 상부 케이스(103)와 함께 인서트 몰딩에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기한 베어링 홀더(160)와 하부 케이스(101)는 모두 수지를 사용하여 인서트 몰딩에 의해 일체로 형성될 수 있다.

상기 상부 케이스(103)도 하부 케이스(101)와 유사하게 상부 케이스(103)에 대향한 방향으로부터 본체(예를 들어, 무선충전기 등) 내부의 발열된 공기를 흡입할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통구멍이 형성된 풍입구(104)를 가질 수 있다.

본 발명의 쿨링 팬(100)은 도 9에 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101) 모두에 풍입구가 형성된 실시예를 예시하였으나, 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101) 중 하나, 예를 들어, 상부 케이스(103)에만 풍입구(104)가 형성되는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 쿨링 팬(100)은 측벽(102)의 일측에 풍출구(107)를 형성하는 대신에 모든 측벽(102)에 관통구멍을 형성하지 않고, 일펠러(105)의 블레이드 형상에 따라 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101)의 일측으로부터 도입되어 타측으로 배출되는 축류형으로 구성되는 것도 가능하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 쿨링 팬(100)은 액시얼형(axial type) 구조를 단상 모터(40)를 채용하며, 단상 모터는 박막형의 적층형 스테이터를 이용하여 구성되고 있다. 그 결과, 본 발명의 쿨링 팬(100)은 종래의 코어형 스테이터를 채용한 팬모터보다 더 슬림한 구조의 단상 모터(40)를 실현할 수 있어 슬림한 쿨링 팬(100)을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 쿨링 팬(100)은 종래에 레이디얼형(radial type) 모터에 채용되었던 코어형 스테이터를 제거한 공간을 활용하여 로터(120)의 회전축(140)을 지지하는 슬리브 베어링(150)의 직경을 충분한 오일을 함유할 수 있도록 확장할 수 있다.

도 11을 참고하면, 본 발명의 제2실시예는 상기한 제1실시예와 로터와 임펠러의 구조에 대하여만 차이가 있고, 다른 부분은 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

제2실시예에서 로터(120)의 백요크(122)는 중앙부에 회전축(140)이 고정되는 관통구멍이 형성된 결합부(123f)가 형성되고, 내향으로 돌출되어 있다.

백요크(122)는 내측에 제1단 수용홈(123a)을 형성하며 베어링 홀더(160)의 보스(160a)의 외경보다 더 크게 형성되는 제1원통부(123b)와, 외측에 제2단 수용홈(123c)을 형성하며 스테이터(110)에 대응하는 크기로 형성되는 제2원통부(123d)로 구성되며, 제1원통부(123b)와 제2원통부(123d) 사이에는 단차부가 중간에 형성되어 2단 구조의 수용홈을 형성하고 있다.

백요크(122)의 제1단 수용홈(123a)에는 베어링 홀더(160)가 수용되고, 제2단 수용홈(123c)에는 스테이터(110)의 코일 패턴(21)에 대응하여 복수의 자석(121)이 설치되어 있다.

상기 로터(120)의 백요크(122)는 회전축(140)이 고정되는 관통구멍이 형성된 결합부(123f)가 내향으로 돌출 형성되고, 결합부(123f)의 내향 돌출된 길이만큼 슬리브 베어링(150)의 길이는 제1실시예와 비교할 때 축소된 길이로 설정된다.

제1실시예에서 임펠러(105)를 구성하도록 백요크(123)의 외측면에 인서트 몰딩에 의해 일체로 형성되는 복수의 블레이드(130)는 백요크(123)의 제2단 수용홈(123c)을 둘러싸면서 제2원통부(123d)와 동일한 레벨로 연장 형성된다.

또한, 제2실시예의 블레이드(130)는 제1실시예의 블레이드와 비교하여 좁은 폭으로 설정되고, 백요크(122)와 회전축(140)의 노출면은 상부 케이스(103)와 거의 동일한 레벨로 설정되며, 그 결과, 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101) 사이의 측벽(102)의 높이를 낮추는 것이 가능하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 쿨링 팬(100)은 백요크(122)의 결합부(123f)를 내향으로 형성과 동시에 슬리브 베어링(150), 회전축(140), 블레이드(130) 및 측벽(102)의 높이를 낮추는 것에 의해 쿨링 팬(100) 전체의 두께를 보다 슬림하게 설계할 수 있다.

도 12a는 본 발명의 제3실시예에 따른 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖는 하부 케이스에 적층형 스테이터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이고, 도 12b는 도 12a에서 스테이터에 로터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이며, 도 12c는 도 12b에서 로터에 블레이드가 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.

도 12a 내지 도 12c를 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 쿨링 팬(100)은 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖는 하부 케이스(201)를 채용한 점에서 상기 제1 및 제2 실시예와 차이가 있다.

제3실시예의 하부 케이스(201)는 철판과 같이 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있는 금속재를 사용하며, 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖도록 로터(120)의 자극 수에 대응하는 개수, 예를 들어, 6개의 브리지(bridge)(201a)를 통하여 중앙부의 환형 링부(201b)에 연결되어 있다.

하부 케이스(201)는 예를 들어, 정사각형 형태로 형성될 수 있으며, 측벽(102)이 형성되지 않은 일측은 상부 케이스(103)가 결합될 때, 풍출구(107)를 형성한다.

이 경우, 상기 환형 링부(201b)의 중앙에는 베어링 홀더(160)가 통과할 수 있도록 관통구멍이 형성되어 있다.

상기 도 12a 내지 도 12c에는 로터(120)의 자극 수에 대응하는 개수의 브리지(bridge)(201a)를 사용하고 있으나, (자극 수/2)의 개수를 갖는 브리지(201a)를 사용하는 것도 가능하다.

상기와 같이 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있는 금속재로 이루어진 하부 케이스(201)에 로터(120)의 자극 수에 대응하는 개수의 브리지(bridge)(201a)가 형성된 경우, 로터(120)가 초기상태일 때, 로터(120)의 자석(121)과 브리지(bridge)(201a) 사이에는 자기현상에 의해 각 자석의 센터가 브리지(bridge)(201a)와 대향하여 위치하게 된다.

따라서, 로터의 초기상태를 고려하여 홀소자(H1)를 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚) 또는 3/4 자극폭 만큼 편이된 위치에 스테이터(110)에 설치한다(도 7 참조). 또한, 홀소자(H1)를 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚)에 배치함과 동시에 코일 패턴의 방사방향패턴부가 대향하도록 설정하는 것이 바람직하다.

상기한 조건을 만족하게 되면 로터가 기동할 때 각 자석으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대인 지점에 홀소자(H1)와 방사방향패턴부가 대향해 있기 때문에 보다 쉽게 자기기동이 이루어지게 된다.

그 결과, 하부 케이스(201)에 형성된 6개의 브리지(bridge)(201a)는 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖게 됨과 동시에, 상기 브리지(201a) 사이의 공간은 풍입구(108)로서 역할을 한다.

이 경우, 상기 로터(120)의 자석(121)은 링 형상으로 형성되고 다극 착자되어 N극과 S극이 교대로 배치되며, 상기 링의 폭은 적어도 방사방향패턴부(20g~20l)의 길이보다 더 크게 형성되며, 방사방향패턴부(20g~20l)와 대향하도록 배치되는 것이 바람직하다.

도 12c에서 미설명 부재번호 130은 로터(120)에 일체로 형성된 복수의 블레이드(130)로서, 임펠러(105)를 구성하며, 부재번호 102a는 측벽에 일체로 형성되어 상부 케이스(103)와 스냅결합될 때 사용되는 스냅결합부를 가리킨다.

상기한 실시예 설명에서는 단상 모터를 팬모터로 사용한 것을 예시하였으나, 팬모터 이외에 소형이면서 슬림형 모터를 필요로 하는 다른 분야에도 적용 가능하다.

또한, 상기한 실시예의 단상 모터는 단상 전파방식 구동 뿐 아니라 단상 반파방식 구동에 의해 동작될 수 있다.

상기한 실시예 설명에서는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 적층한 적층형 스테이터를 단상 모터에 이용한 것을 예시하였으나, 스테이터 코일을 형성하는 데 필요한 턴(turn) 수가 작은 모터인 경우는 양면 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 슬림형 스테이터를 구성하는 것도 가능하다. 즉, 양면 인쇄회로기판(PCB)의 일면에 코일 패턴을 형성하고 타면에 모터 구동회로를 형성하는 것도 가능하다.

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 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있는 코일 패턴을 갖는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 슬림형으로 구현될 수 있는 적층형 스테이터, 이를 이용한 슬림형 단상 모터와 쿨링 팬에 적용 가능하다.

10: 기판 11-14: PCB
15: 관통구멍 16: 전자 부품
17: 인쇄배선 18: 솔더링 랜드
20a-20f: 회전방향패턴부 20g-20l: 방사방향패턴부
21-26; 코일 패턴 30: 구동회로
40: 단상 모터 100: 쿨링 팬
101,201: 하부 케이스 102: 측벽
102a: 스냅결합부 170: 데드 포인트 방지 요크
103: 상부 케이스 104,108: 풍입구
105: 임펠러 106: 스러스트 플레이트
107: 풍출구 110: 스테이터
120: 로터 121: 자석
123; 백요크 123a,123c: 수용홈
123b,123d: 원통부 123e,123f: 결합부
130,130a: 블레이드 140: 회전축
150: 슬리브 베어링 160: 베어링 홀더
201a: 브리지 201b: 링부
E1-E4: 엔드 부분 J1,J2: 점퍼선 패턴
R1-R6: 스루홀 영역 R10: 외측 공간
S1-S5: 스타트 부분 T1-T7: 스루홀
H1: 홀센서

Claims (27)

1. 각각 관통구멍을 가지며 절연성 수지로 이루어지고 적층되어 일체화된 다층 기판;
   상기 다층 기판의 각 기판 위에 상기 관통구멍의 주변을 따라 2 이상의 돌기부와 요홈부를 갖는 복수의 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝된 복수의 코일 패턴; 및
   상기 다층 기판을 관통하여 형성되며, 상기 복수의 코일 패턴을 상호 연결하여 하나의 단상용 스테이터 코일을 형성하기 위한 복수의 스루홀;을 포함하며,
   상기 복수의 코일 패턴은 각각
   상기 관통구멍과 동심상으로 배치된 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 내측 및 외측 회전방향패턴부; 및
   상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 방사방향을 따라 배치되는 방사방향패턴부;를 포함하며,
   상기 다층 기판의 각 기판에 형성되는 복수의 코일 패턴은 돌기부 내부와 요홈부에 위치한 복수의 스루홀 영역에 배치되는 복수의 스루홀을 통하여 상호 연결이 이루어지는 단상 모터용 적층형 스테이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 코일 패턴은 자석의 극수에 따라 각각 복수의 돌기부와 요홈부가 반복되는 형상을 이루는 단상 모터용 적층형 스테이터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 코일 패턴은 순차적으로 적층되는 제1 내지 제3 기판에 각각 형성되는 제1 내지 제3 코일 패턴을 포함하며,
   상기 제1 및 제3 코일 패턴은 동일한 형상으로 이루어지고, 제2 코일 패턴은 제1 코일 패턴에서 (360°/로터 자극수) 만큼 관통구멍을 중심으로 회전된 위치에 위치설정된 단상 모터용 적층형 스테이터.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제3 기판의 하부에 적층되는 제4 기판을 더 포함하며,
   상기 제4 기판의 노출면에는 상기 코일 패턴과 연결되어 구동전류를 인가하는 모터구동회로가 실장되는 배선패턴이 형성되고, 상기 배선패턴과 연결된 다수의 전자 부품이 실장되는 단상 모터용 적층형 스테이터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 코일 패턴은 상기 제4 기판에 형성되는 제4 및 제5 코일 패턴을 더 포함하며,
   상기 제4 및 제5 코일 패턴은 선대칭 구조로 배치되는 단상 모터용 적층형 스테이터.
6. 삭제
7. 제5항에 있어서,
   상기 제4 및 제5 코일 패턴을 연결하는 적어도 하나의 점퍼선 패턴을 더 포함하는 단상 모터용 적층형 스테이터.
8. 제1항에 있어서,
   상기 다층 기판 중 제1기판에 형성되어 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일을 더 포함하는 단상 모터용 적층형 스테이터.
9. 제1항에 있어서,
   상기 코일 패턴의 방사방향패턴부는 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 결선이 이루어지는 단상 모터용 적층형 스테이터.
10. 제1항에 있어서,
    상기 방사방향패턴부의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나로 설정되는 단상 모터용 적층형 스테이터.
11. 제10항에 있어서,
    상기 인접한 방사방향패턴부 사이의 각도는 360°/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 값을 가지는 단상 모터용 적층형 스테이터.
12. 각각 관통구멍을 가지며 절연성 수지로 이루어지고 적층되어 일체화된 다층 기판;
    상기 다층 기판의 각 기판 위에 상기 관통구멍의 주변을 따라 2 이상의 돌기부와 요홈부를 갖는 복수의 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝된 복수의 코일 패턴; 및
    상기 다층 기판을 관통하여 형성되며, 상기 복수의 코일 패턴을 상호 연결하여 하나의 단상용 스테이터 코일을 형성하기 위한 복수의 스루홀;을 포함하며,
    상기 복수의 코일 패턴은 각각
    360°/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 각도마다 방사방향을 따라 배치되어 전류 흐름에 따라 로터에 접선방향의 회전력을 발생하는 복수의 방사방향패턴부;
    상기 인접한 방사방향패턴부의 내측을 상호 연결하는 복수의 내측 회전방향패턴부; 및
    상기 인접한 방사방향패턴부의 외측을 상호 연결하는 복수의 외측 회전방향패턴부;를 포함하며,
    상기 다층 기판의 각 기판에 형성되는 복수의 코일 패턴은 돌기부 내부와 요홈부에 위치한 복수의 스루홀 영역에 배치되는 복수의 스루홀을 통하여 상호 연결이 이루어지는 단상 모터용 적층형 스테이터.
13. 관통구멍을 가지고 절연성 수지로 이루어진 다층 기판의 각 기판 위에 상기 관통구멍의 주변을 따라 2 이상의 돌기부와 요홈부를 갖는 복수의 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝된 복수의 코일 패턴이 상기 기판을 관통하여 형성된 복수의 스루홀에 의해 상호 연결되어 하나의 단상용 스테이터 코일을 형성하는 적어도 하나의 코일 패턴층; 및
    상기 코일 패턴층의 저면에 적층되며 상기 코일 패턴에 구동전류를 인가하기 위한 모터구동회로가 실장된 구동회로층;을 포함하며,
    상기 복수의 코일 패턴은 각각
    360°/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 각도마다 방사방향을 따라 배치되어 전류 흐름에 따라 로터에 접선방향의 회전력을 발생하는 복수의 방사방향패턴부;
    상기 인접한 방사방향패턴부의 내측을 상호 연결하는 복수의 내측 회전방향패턴부; 및
    상기 인접한 방사방향패턴부의 외측을 상호 연결하는 복수의 외측 회전방향패턴부;를 포함하며,
    상기 다층 기판의 각 기판에 형성되는 복수의 코일 패턴은 돌기부 내부와 요홈부에 위치한 복수의 스루홀 영역에 배치되는 복수의 스루홀을 통하여 상호 연결이 이루어지는 단상 모터용 적층형 스테이터.
14. 제13항에 있어서,
    상기 코일 패턴층은 홀수층과 짝수층의 코일 패턴이 상이한 단상 모터용 적층형 스테이터.
15. 제14항에 있어서,
    상기 홀수층 코일 패턴은 내측에서 외측으로 시계방향(CW)의 권선을 이루고, 상기 짝수층 코일 패턴은 내측에서 외측으로 반시계방향(CCW)의 권선을 이루도록 형성되는 단상 모터용 적층형 스테이터.
16. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 코일 패턴층은 홀수층 코일 패턴과 짝수층 코일 패턴이 동일한 형상으로 이루어지고,
    상기 홀수층 코일 패턴은 내측에서 외측으로 시계방향(CW)의 권선을 이루고, 상기 짝수층 코일 패턴은 외측에서 내측으로 시계방향(CW)의 권선을 이루도록 형성되는 단상 모터용 적층형 스테이터.
17. 제13항에 있어서,
    상기 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 코일을 형성하는 부분보다 더 넓게 형성되어 있고, 적어도 하나의 스루홀과 상기 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드가 배치되어 있는 단상 모터용 적층형 스테이터.
18. 회전축;
    상기 회전축이 중앙에 지지되고 복수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터;
    상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링;
    상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더; 및
    상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성된 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 기재된 적층형 스테이터;를 포함하는 단상 모터.
19. 제18항에 있어서,
    상기 적층형 스테이터의 하부에 배치되며, 상기 로터가 초기상태일 때 복수의 자석의 센터가 대향하여 배치되는 다각형 모서리를 갖는 데드 포인트 방지 요크; 및
    상기 스테이터 기판에 설치되며 로터의 초기상태일 때, 로터 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭 또는 3/4 자극폭 만큼 편이된 위치의 배치되어 로터위치검출신호를 발생하는 홀센서;를 더 포함하며,
    상기 홀센서는 스테이터의 방사방향패턴부 중 하나와 중첩된 위치에 배치되는 단상 모터.
20. 제18항에 있어서,
    상기 로터는 링 형상으로 형성되고, 상기 링의 폭은 적어도 방사방향패턴부의 길이보다 더 크게 형성되며, 방사방향패턴부와 대향하도록 배치되는 단상 모터.
21. 중앙부에 회전축이 지지되고 외주부에 임펠러용 복수의 블레이드가 형성되며 복수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터;
    상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링;
    상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더;
    상기 베어링 홀더를 지지하는 하부 케이스;
    상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성되고 하부 케이스에 지지된 적층형 스테이터;
    상기 하부 케이스에 대향하여 배치된 상부 케이스; 및
    상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이를 연결하는 측벽;을 포함하며,
    상기 적층형 스테이터는 청구항 1 내지 청구항 5, 청구항 7 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 기재된 적층형 스테이터인 쿨링 팬.
22. 제21항에 있어서,
    상기 하부 케이스는
    상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성되는 링부; 및
    상기 링부와 하부 케이스 본체 사이를 연결하는 복수의 브리지를 포함하며,
    상기 복수의 브리지는 로터의 자극 수와 동일하거나 (자극 수/2)의 개수로 형성되어 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖는 쿨링 팬.
23. 제22항에 있어서,
    상기 스테이터 기판에 설치되며 로터의 초기상태일 때, 로터 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭 또는 3/4 자극폭 만큼 편이된 위치에 배치되어 로터위치검출신호를 발생하는 홀센서를 더 포함하며,
    상기 홀센서는 스테이터의 방사방향패턴부 중 하나와 중첩된 위치에 배치되는 쿨링 팬.
24. 제21항에 있어서,
    상기 로터의 백요크는
    중앙부에 회전축이 고정되는 관통구멍이 형성되고 내향으로 돌출된 결합부;
    내측에 베어링 홀더가 수용되는 제1단 수용홈을 형성하는 제1원통부;
    외측에 복수의 자석이 설치되는 제2단 수용홈을 형성하며 스테이터에 대응하는 크기로 형성되는 제2원통부; 및
    상기 제1원통부와 제2원통부 사이를 연결하는 단차부;를 포함하며,
    상기 임펠러를 구성하는 복수의 블레이드는 백요크의 제2단 수용홈을 둘러싸면서 제2원통부와 동일한 레벨로 연장 형성되는 쿨링 팬.
25. 제21항에 있어서,
    상기 로터의 백요크는
    중앙부에 회전축이 고정되는 관통구멍이 형성된 결합부;
    내측에 베어링 홀더가 수용되는 제1단 수용홈을 형성하는 제1원통부;
    외측에 복수의 자석이 설치되는 제2단 수용홈을 형성하며 스테이터에 대응하는 크기로 형성되는 제2원통부; 및
    상기 제1원통부와 제2원통부 사이를 연결하는 단차부;를 포함하며,
    상기 임펠러를 구성하는 복수의 블레이드는 백요크의 제1단 및 제2단 수용홈을 둘러싸면서 연장 형성되는 쿨링 팬.
26. 제21항에 있어서,
    상기 상부 케이스와 하부 케이스의 적어도 하나에 풍입구가 형성되고, 상기 측벽의 일부에 풍출구가 형성된 시로코형 쿨링 팬.
27. 제21항에 있어서,
    상기 상부 케이스와 하부 케이스에 각각 풍입구와 풍출구가 형성된 축류형 쿨링 팬.

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