KR20000054867A - 무브러시 직류 모터 - Google Patents

Abstract

효율이 향상된 무브러시 직류 모터가 개시된다. 개시된 무브러시 직류 모터는, 복수의 얇은 강판을 적층하여서된 철심과, 이 철심의 축공 둘레에 형성된 다수의 삽입공에 삽입되어 자장을 형성하는 것으로써, 철심의 반경 방향에 대하여 직각으로 배치되는 몸체부와 이 몸체부의 양측으로부터 철심의 외측을 향하여 소정 각도로 연장된 한 쌍의 절곡부를 가지는 다수의 영구자석으로 이루어지는 회전자; 영구자석에 의한 자장과 상호 작용하여 토크를 발생시키는 전기장을 형성하는 아마튜어 코일을 가지는 고정자; 및 회전자의 위치를 검출하여 아마튜어 코일에 통전 신호를 인가하는 위치검출회로를 포함한다. 여기서, 영구자석의 절곡부가 이루는 각도는 120 내지 150°가 바람직하며, 영구자석의 수는 4개가 바람직하다. 이에 따르면, 회전자의 영구자석 형상을 변경하는 것에 의해 영구자석에 발생되는 기본 토크 외에 회전자의 돌극 형상에 의한 자기저항 토크가 증대되어 효율이 크게 향상된다.

Description

무브러시 직류 모터{BLDC motor}

본 발명은 직류 모터, 보다 구체적으로는 브러시(Brush)를 가지지 않는 무브러시 직류 모터(BLDC Motor)에 관한 것이다.

일반적으로, 무브러시 직류 모터는 정류자와 브러시라는 기계적 접촉부가 없기 때문에 전기적, 기계적 노이즈가 발생되지 않고 수명이 길어 널리 사용되고 있다. 이러한 무브러시 직류 모터는 자장 형성을 위한 다수의 영구자석을 갖춘 회전자, 이 회전자의 영구자석에 의한 자장과의 상호 작용으로 회전자를 회전시키는 토크를 발생시키는 아마튜어 코일이 감긴 고정자 및 회전자의 위치를 검출하여 아마튜어 코일에 통전 신호를 인가하는 위치검출회로 등으로 이루어져 있다.

상기와 같은 구조를 가지는 일반적인 무브러시 직류 모터의 개략적인 구조가 도 1에 분해 사시도로 도시되어 있는 바, 이를 간단히 살펴보면 다음과 같다.

도면에서 참조부호 10은 회전자, 20은 고정자이다.

도시된 바와 같이, 상기 회전자(10)는 철심(12)과 다수의 영구자석(16)으로 이루어져 있다.

상기 철심(12)은 다수의 전기강판을 적층하는 것에 의해 형성되며, 중앙에는 축공(13)이 형성되어 있고 축공(13)의 둘레에 다수의 삽입공(14)이 형성되어 있다.

상기 영구자석(16)은 도 2에 도시된 바와 같이, 철심(12)의 삽입공(14)에 삽입되어 있다. 이 영구자석(16)은 원만한 호 형상을 하고 있으며, 철심(12)에 원형으로 배치되어 있다.

그리고, 상기 고정자(20)는 그 내주면에 아마튜어 코일을 권선하기 위한 다수의 반개구 슬롯(20a)이 형성되어 있다.

또한, 도시하지는 않았으나, 일반적인 무브러시 직류 모터는 회전자의 위치를 검출하여 아마튜어 코일에 통전 신호를 인가하는 위치검출회로를 구비하고 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 무브러시 직류 모터는, 영구자석이 원만한 호 형상을 이루면서 철심에 원형으로 배치됨으로써, 영구자석에 의한 기본토크 외에 모터의 효율 향상에 기여하는 자기저항 토크(reluctance torque)가 없어 모터의 효율이 낮다는 단점이 있었다. 즉, 도 2에서 영구자석(16)의 자속(flux) 중심축을 d축(마그네트 토크축), 이것에 대해 전기각 90°의 위상을 갖는 축(자기저항 토크축)을 q축이라하면, 상기 d축과 q축 방향에서의 영구자석(16)의 외주면과 고정자(20)의 내주면 사이의 거리가 동일하기 때문에 자기저항 토크가 발생되지 않는다(Lq/Ld = 1, 여기서 Ld : d축 인덕턴스, Lq ; q축 인덕턴스). 따라서 자기저항 토크에 의한 모터의 효율 향상을 기대할 수 없다.

이러한 단점을 개선하고자 영구자석의 형상을 도 3a 및 도 3b에 도시한 바와 같이, 변형시킨 예가 알려지고 있다. 이 경우에 있어서, d축과 q축 방향에서의 영구자석(16)의 외주면과 고정자(20)의 내주면 사이의 거리가 서로 달라, 어느 정도의 자기저항 토크가 발생되는 것을 기대할 수 있으나, 그 크기가 미미하여 모터의 효율을 향상시키는데는 한계가 있다.

본 발명은 이러한 점을 감안하여 안출된 것으로, 영구자석의 형상을 d축과 q축 방향에서의 자기저항 차가 최대로 되도록 변경하여 자기저항 토크를 크게 발생시킴으로써 효율의 향상을 도모한 무브러시 직류 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 일반적인 무브러시 직류 모터를 개략적으로 나타낸 분해 사시도.

도 2는 도 1에 도시된 무브러시 직류 모터의 조립 평면도.

도 3a 및 도 3b는 종래 공지된 무브러시 직류 모터의 다른 예를 보인 평면도.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 직류 모터를 나타낸 분해 사시도.

도 5는 도 4에 나타낸 무브러시 직류 모터의 조립 평면도.

도 6은 도 5에 나타낸 무브러시 직류 모터의 영구자석의 자속 집중 효과를 보인 요부 평면도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 ; 회전자 110 ; 철심

120 ; 영구자석 122 ; 영구자석의 몸체부

124 ; 영구자석의 절곡부 200 ; 고정자

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 무브러시 직류 모터는, 복수의 얇은 강판을 적층하여서된 철심과, 이 철심의 축공 둘레에 형성된 다수의 삽입공에 삽입되어 자장을 형성하는 것으로써, 철심의 반경 방향에 대하여 직각으로 배치되는 몸체부와 이 몸체부의 양측으로부터 철심의 외측을 향하여 소정 각도로 연장된 한 쌍의 절곡부를 가지는 다수의 영구자석으로 이루어지는 회전자; 영구자석에 의한 자장과 상호 작용하여 토크를 발생시키는 전기장을 형성하는 아마튜어 코일을 가지는 고정자; 및 회전자의 위치를 검출하여 아마튜어 코일에 통전 신호를 인가하는 위치검출회로를 포함한다. 여기서, 영구자석의 절곡부가 이루는 각도는 120 내지 150°가 바람직하며, 영구자석의 수는 4개가 바람직하다.

이에 따르면, 영구자석의 형상이 d축(마그네트 토크축)과 q축(자기저항토크축) 방향에서의 영구자석의 외측면과 고정자의 내주면 사이의 거리가 서로 다르기 때문에, 회전자의 돌극 형상에 의한 자기저항토크가 크게 발생한다. 따라서 영구자석에 의해 발생되는 기본 토크 외에 큰 자기저항토크가 발생되므로 모터의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 보다 상세하게 설명한다.

첨부한 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 직류 모터를 분해 사시도 이고, 도 5는 도 4에 나타낸 모터의 조립 평면도 이며, 도 6은 도 5에 도시한 모터의 영구자석의 자속 집중 효과를 보인 요부 평면도이다.

도면에서 참조부호 100은 회전자, 200은 고정자 이며, 110은 철심, 120은 영구자석이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 직류 모터는, 다수의 영구자석(120)이 장착된 회전자(100), 회전자(100)의 영구자석(120)에 의한 자장과의 상호 작용으로 토크를 발생시키는 전기장을 형성하는 아마튜어 코일이 감긴 고정자(200) 및 회전자(100)의 위치를 검출하여 아마튜어 코일에 통전 신호를 인가하는 위치검출회로(도시되지 않음) 등을 포함하는 기본적인 구조는 상술한 종래의 무브러시 직류 모터의 구성과 동일하다. 본 발명의 특징은 회전자(100)의 영구자석(120)의 형상이 자기저항토크를 크게 발생시킬 수 있는 형상으로 되어 있다는데 있다.

즉, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 영구자석(120)은 철심(110)의 축공(111) 둘레에 형성된 다수의 삽입공(112)에 각각 삽입되어 있으며, 몸체부(122)와 한 쌍의 절곡부(124)를 가지고 있다. 상기 몸체부(122)는 철심(110)의 반경 방향에 대하여 직각으로 배열되어 있고, 상기 절곡부(124)는 몸체부(122)의 양측단으로부터 철심(110)의 외측을 향하여 소정 각도로 연장되어 있다. 여기서 몸체부(122)와 절곡부(124)의 각도는 대략 120° 내지 150°며, 바람직하게는 135°다. 또한, 영구자석(120)의 수는 4개가 바람직하다.

이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 직류 모터는, 자기저항 토크가 크게 발생됨으로써, 모터의 효율이 향상될 수 있는 바, 이를 살펴보면 다음과 같다. 도 2에 도시된 종래의 모터는 마그네트 토크축(d축)과 자기저항 토크축(q축) 방향에서의 영구자석(16)의 외주면과 고정자(20)의 내주면 사이의 거리가 동일하여 자기저항토크가 발생되지 않는다. 그러나, 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 모터는 마그네트 토크축(d축)과 자기저항 토크축(q축) 방향에서의 영구자석(120)의 외주면과 고정자(200)의 내주면 사이의 거리가 서로 다르기 때문에, 자기저항토크가 크게 발생된다(Lq/Ld＞1). 따라서, 종래의 모터에 비하여 영구자석(120)에 의한 기본 토크 외에 자기저항에 의한 토크가 발생되므로 모터 효율이 향상될 수 있는 것이다.

표 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 무브러시 직류 모터와 종래의 무브러시 직류 모터의 효율을 비교한 실험 데이터가 나타나 있다. 참고로 표 1에서 본 발명의 모터와 비교된 종래의 영구자석 형상은 도 3b에 도시된 경우이며, 동일한 권선 사양시의 비교 데이터다.

	종래	본 발명
회전수	토크	전류	전압	출력파워	입력파워	효율	토크	전류	전압	출력파워	입력파워	효율
3502	16.570	5.401	100.46	595.95	706.40	84.364	16.519	5.129	94.84	594.09	685.20	86.703
3502	16.601	5.389	100.52	596.97	705.10	84.665	16.489	5.127	94.83	592.94	684.70	86.599
3502	16.591	5.393	100.57	596.59	705.80	84.527	16.530	5.128	94.85	594.47	684.80	86.809
3502	16.581	5.393	100.63	596.25	705.60	84.503	16.479	5.126	94.80	592.57	684.50	86.570
3502	16.560	5.395	100.65	595.49	705.80	84.371	16.499	5.131	84.85	593.33	684.20	86.592
3502	16.550	5.398	100.64	595.19	705.60	84.233	16.458	5.121	94.79	591.90	683.20	86.636
3502	16.601	5.390	100.65	596.98	705.00	84.678	16.468	5.123	94.79	592.23	684.00	86.583
5005	16.489	5.524	141.72	847.53	1027.40	82.493	16.591	5.258	134.36	852.68	1000.90	85.191
5005	16.519	5.525	141.75	849.10	1026.60	82.710	16.591	5.257	134.34	852.72	1000.70	85.212
5005	16.499	5.522	141.73	848.00	1027.20	82.555	16.601	5.258	134.35	852.71	1001.70	85.176
5005	16.499	5.525	141.78	848.04	1027.30	82.550	16.581	5.257	134.36	852.25	1000.50	85.182
5005	16.489	5.526	141.73	847.52	1027.20	82.508	16.621	5.262	134.39	852.29	1002.30	85.233
5005	16.519	5.531	141.81	849.10	1027.40	82.646
모터 전압 220.00 기어비 1 : 3 전압 레인지 1 AC 240V 전류 레인지 1 AC 30A 전압 레인지 2 AC 470V 전류 레인지 2 AC 30A 전압 레인지 3 AC 470V 전류 레인지 3 AC 30A

상기의 실험 데이터에 의하면, 종래 모터의 평균 효율은 83.6% 이고, 본 발명에 의한 모터의 효율은 86.04%로, 본 발명의 모터가 종래에 비하여 대략 2.44% 높은 효율을 보임을 알 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 모터는 영구자석에 의한 기본 토크외에 자기저항토크가 크게 발생되기 때문에, 효율이 향상되는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 영구자석(120)을 도 6과 같이 착자함으로써 반경 방향의 자속을 고정자(200)에 효과적으로 집중시킬 수 있고, 또 영구자석(120)의 절곡부(124)의 두께(t)를 증대시키는 것에 의해 체적 증대를 통한 모터 효율의 향상을 도모할 수 있다.

이상에서는 본 발명의 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였다. 그러나, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능할 것이다.

Claims (3)

1. 복수의 얇은 강판을 적층하여서된 철심과, 이 철심의 축공 둘레에 형성된 다수의 삽입공에 삽입되어 자장을 형성하는 것으로써, 철심의 반경 방향에 대하여 직각으로 배치되는 몸체부와 이 몸체부의 양측으로부터 철심의 외측을 향하여 소정 각도로 연장된 한 쌍의 절곡부를 가지는 다수의 영구자석으로 이루어지는 회전자;

   상기 영구자석에 의한 자장과의 상호 작용으로 토크를 발생시키는 전기장을 형성하는 아마튜어 코일을 가지는 고정자; 및

   상기 회전자의 위치를 검출하여 아마튜어 코일에 통전 신호를 인가하는 위치검출회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 무브러시 직류 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 소정 각도는 120∼150°인 것을 특징으로 하는 무브러시 직류 모터.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 영구자석의 수는 4개인 것을 특징으로 하는 무브러시 직류 모터.