KR20170039740A - 모터 어셈블리 및 모터 구동을 위한 집적 회로 - Google Patents

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유에 리
치핑 선
바오팅 리우
엔후이 왕
페이 신
싱힌 융
시우웬 양
리셍 리우
얀윤 쿠이
슈주안 후앙
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존슨 일렉트릭 에스.에이.
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Abstract

모터 어셈블리 및 모터 구동을 위한 집적 회로(18)가 제공된다. 모터 어셈블리는 AC 전원(24)에 의해 전력 공급될 수 있는 모터(10) 및 모터 구동 회로를 포함한다. 모터는 고정자 및 고정자에 대해 회전할 수 있는 회전자(11)를 포함한다. 고정자는 고정자 철심(12) 및 상기 고정자 철심에 감긴 고정자 권선(16)을 포함한다. 구동 회로는 집적 회로 및 집적 회로에 연결된 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)를 포함한다. 제어 가능 양방향 AC 스위치 및 고정자 권선은 AC 전원에 연결되도록 구성되는 두 단자 사이에 직렬 연결된다. 정류기(28), 검출 회로(20) 및 스위치 제어 회로(30) 중 적어도 2개가 집적 회로에 일체화된다. 스위치 제어 회로는 AC 전원의 극성 및 검출 회로의 회전자 자계의 극성에 따라 미리 설정된 방식으로 스위치 온 상태와 스위치 오프 상태 사이에서 스위치되도록 제어 가능 양방향 AC 스위치를 제어하도록 구성된다. 따라서, 집적 회로는 에너지가 공급되는 매번 고정된 방향을 따라 회전하도록 모터가 기동되는 것을 보장할 수 있다.

Description

모터 어셈블리 및 모터 구동을 위한 집적 회로{MOTOR ASSEMBLY AND INTEGRATED CIRCUIT FOR MOTOR DRIVE}
본 발명은 모터를 위한 구동 회로에 관한 것이며, 특히 단상 영구 자석 동기 모터를 구동하기 위하여 적용되는 집적 회로에 관한 것이다.
동기식 모터의 기동 공정에서, 고정자의 전자석은 순방향 회전 자계 및 역방향 회전 자계의 결과적 자계에 등가인 교류 자계를 생성하며, 교류 자계는 편향으로 진동하도록 영구 자석 회전자를 드래그한다. 최종적으로, 회전자의 일 방향으로의 회전은 회전자의 편향 진동 진폭이 증가되는 경우 고정자의 교류 자계와 동기화되도록 신속하게 가속된다. 종래 기술의 동기식 모터의 기동을 보장하기 위하여, 일반적으로 모터의 기동 토크는 크게 설정되며, 따라서 모터는 낮은 효율을 갖는 작업점에서 동작한다. 또한, 영구 자석 회전자의 정지 위치와 초기 에너지 공급시 교류(AC)의 극성이 고정되지 않으므로, 회전자가 기동될 때마다 매번 동일한 방향으로 회전자가 회전하는 것이 보장될 수 없다. 따라서, 팬 및 물 펌프와 같은 응용에서, 일반적으로 회전자에 의해 구동되는 임펠러는 낮은 효율을 갖는 직선 방사 베인을 가지며, 이는 팬 및 물 펌프의 낮은 동작 효율을 초래한다.
본 발명의 실시예에 따른 모터 컴포넌트가 제공된다. 상기 모터 컴포넌트는 모터 및 교류(AC) 전원에 의해 전력 공급되는 상기 모터를 위한 구동 회로를 포함한다. 상기 모터는 고정자 및 상기 고정자에 대해 회전 가능한 회전자를 포함한다. 상기 고정자는 고정자 코어 및 상기 고정자 코어에 감긴 고정자 권선을 포함한다. 상기 구동 회로는 집적 회로 및 상기 집적 회로에 연결된 제어 가능 양방향 AC 스위치를 포함한다. 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치 및 상기 고정자 권선은 상기 AC 전원에 연결되도록 구성되는 두 단자 사이에서 직렬로 연결된다. 정류기, 검출 회로 및 스위치 제어 회로 중 적어도 2개는 상기 집적 회로에 일체화된다. 상기 정류기는 적어도 상기 검출 회로에 공급되는 직류(DC) 전압을 생성하도록 구성된다. 상기 검출 회로는 상기 회전자의 자계 극성을 검출하도록 구성된다. 상기 스위치 제어 회로는 상기 검출 회로에 의해 검출된 상기 회전자의 자계 극성 및 상기 AC 전원의 극성을 기초로 미리 설정된 방식으로 스위치-온 상태 및 스위치-오프 상태 사이에서 스위치되도록 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치를 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 상기 스위치 제어 회로는 상기 AC 전원이 양의 절반 사이클에 있고 상기 검출 회로에 의해 상기 회전자의 상기 자계 극성이 제1 극성임이 검출되는 경우에 또는 상기 AC 전원이 음의 절반 사이클에 있고 상기 검출 회로에 의해 상기 회전자의 자계 극성이 상기 제1 극성에 반대인 제2 극성임이 검출되는 경우에 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치를 스위치 온 하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동 회로는 상기 정류기에 연결되는 전압 드로퍼(dropper)를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 정류기 및 상기 전압 드로퍼는 2개의 노드를 통해 연결되어 브랜치를 형성하며, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치는 상기 브랜치에 병렬로 연결된다.
바람직하게는, 상기 구동 회로는 DC 전압을 안정화하도록 구성된 전압 안정기를 더 포함한다. 상기 정류기, 상기 전압 안정기, 전압 레귤레이터, 상기 검출 회로 및 상기 스위치 제어 회로는 상기 집적 회로에 일체화된다.
선택적으로는, 상기 정류기는 상기 집적 회로에 일체화되고, 상기 전압 드로퍼는 상기 집적 회로 외부에 배치된다.
바람직하게는, 상기 DC 전압을 안정화하도록 구성되는 전압 안정기가 상기 집적 회로에 또한 일체화된다.
바람직하게는, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치는 TRIAC이다.
바람직하게는, 상기 검출 회로는 자기 센서를 포함하며, 상기 집적 회로는 상기 회전자 주위에 설치되며, 상기 자기 센서는 상기 회전자의 자계 극성 및 상기 자계 극성의 변화를 감지할 수 있다.
선택적으로는, 상기 검출 회로는 자기 센서를 포함하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 상기 구동 회로는 마이크로프로세서를 포함하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 상기 모터 컴포넌트는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하지 않을수 있다.
바람직하게는, 상기 모터는 단상 영구 자석 동기식 모터이며, 상기 회전자는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하며, 상기 고정자와 상기 영구 자석 회전자 사이에 불균일 자기 회로가 형성되며, 상기 영구 자석 회전자의 극축은 상기 영구 자석 회전자가 휴지 상태에 있는 경우에 상기 고정자의 중심축에 대해 각도 오프셋을 가지며, 상기 회전자는 상기 고정자 권선이 에너지 공급된 이후에 정상 상태 위상 동안 60f/p rpm의 일정 회전 속도로 동작하며, 여기서 f는 AC 전원의 주파수이며, p는 상기 회전자의 극 쌍의 개수이다.
본 발명의 다른 측면에서, 모터 구동을 위한 집적 회로가 제공된다. 상기 집적 회로는 하우징, 상기 하우징으로부터 밖으로 연장하는 수개의 핀, 및 반도체 기판 상에 배치된 스위치 제어 회로를 포함하며, 상기 반도체 기판 및 스위치 제어 회로는 하우징 내에 패키징되며, 상기 스위치 제어 회로는 상기 모터의 회전자의 자계 극성을 기초로 스위치 온 또는 스위치 오프되도록 양방향 AC 스위치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 모터에 대한 에너지 공급 모드를 제어하도록 구성될 수 있다.
바람직하게는, 상기 모터의 회전자의 자계 극성을 검출하도록 구성되는 검출 회로가 또한 상기 반도체 기판에 집적될 수 있다.
바람직하게는, 적어도 상기 검출 회로에 공급되는 DC 전압을 생성하도록 구성되는 정류기가 또한 상기 반도체 기판에 집적될 수 있다.
바람직하게는, DC 전압을 안정화하도록 구성되는 전압 안정기가 또한 상기 반도체 기판에 집적될 수 있다.
바람직하게는, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치가 상기 하우징에 패키징될 수 있다.
바람직하게는, 상기 집적 회로는 마이크로프로세서를 포함하지 않을 수 있다.
바람직하게는, 상기 집적 회로의 핀의 개수는 4개 보다 적을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 집적 회로로, 모터는 모터가 에너지 공급될 때마다 기동하고 동일한 방향으로 회전하는 것을 보장할 수 있다. 팬 및 물 펌프와 같은 응용에서, 회전자에 의해 구동되는 임펠러 및 프라벨럼(flabellum)은 곡선의 베인을 가질 수 있으며, 따라서 팬 및 물 펌프의 효율이 개선된다. 또한, 모터를 위한 구동 회로의 전부 또는 일부가 집적 회로 내에 패키징되어, 회로의 비용을 절감하고, 회로의 신뢰도를 개선한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터를 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터의 개략적 회로도를 도시한다.
도 3은 도 2에 도시된 집적 회로의 구현 방식의 회로 블럭도를 도시한다.
도 4는 도 2에 도시된 집적 회로의 구현 방식의 회로 블럭도를 도시한다.
도 5는 실시예에 따른 도 2에 도시된 모터의 회로를 도시한다.
도 6은 도 5에 도시된 모터의 회로의 파형을 도시한다.
도 7 내지 도 9는 다른 실시예에 따른 도 2에 도시된 모터의 회로를 도시한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터의 개략적 회로도를 도시한다.
도 11은 도 10에 도시된 집적 회로의 구현 방식의 회로 블록도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터의 개략적 회로도를 도시한다.
도 13은 상술한 모터를 포함하는 물 펌프를 도시한다.
도 14는 상술한 모터를 포함하는 팬 이용을 도시한다.
이하, 본 발명의 특정 실시예가 도면과 함께 상세히 설명되어, 본 발명의 기술적 솔루션 및 다른 유리한 효과가 명백하다. 또한, 도면은 오직 참조 및 설명을 위해 제공되며 본 발명을 제한하는 데 사용되지 않음이 이해될 수 있다. 도면에 도시된 치수는 명확한 설명의 용이성을 위한 것이고 비례 관계에 한정하려는 것이 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터를 도시한다. 동기식 모터(10)는 고정자 및 고정자에 대해 회전 가능한 회전자(11)를 포함한다. 고정자는 고정자 코어(12) 및 고정자 코어(12)에 감긴 고정자 권선(16)을 포함한다. 고정자 코어는 순철, 주철, 주강, 전기강, 실리콘 강과 같은 연자성체로 만들어질 수 있다. 회전자(11)는 하나 이상의 영구 자석을 포함한다. 회전자(11)는 고정자 권선(16)이 AC 전원과 직렬로 연결되는 경우에 정상 상태 위상 동안 60f/p RPM(분당 회전)의 일정 회전 속도로 동작하며, 여기서 f는 AC 전원의 주파수이며, p는 회전자의 극 쌍의 개수이다. 실시예에서, 고정자 코어(12)는 서로 대향하는 2개의 극(14)을 포함한다. 각 극(14)은 극 호(15)를 포함하며, 회전자(11)의 외면은 극 호(15)에 대향하고, 대체로 균일한 공기 갭(13)이 회전자(11)의 외면과 극 호(15) 사이에 형성된다. 본 명세서에서 "대체로 균일한 공기 갭"은 균일한 공기 갭이 고정자와 회전자 사이의 대부분의 공간에 형성되고, 불균일 공기 갭이 고정자와 회전자 사이의 공간의 작은 부분에 형성됨을 의미한다. 바람직하게는, 오목한 기동 홈(17)이 고정자의 극의 극 호(15)에 형성될 수 있으며, 기동 홈(17)을 제외한 극 호(15)의 부분은 회전자와 동심일 수 있다. 상술한 구성으로, 불균일 자계가 형성될 수 있으며, 회전자의 극 축(S1)은 도 1에 도시된 것처럼 회전자가 휴지 상태인 경우에 고정자의 극(14)의 중심축(S2)에 대해 경사진 각도를 가지며, 회전자는 구동 회로의 작동하에 모터가 에너지 공급될 때마다 기동 토크를 가질 수 있다. 구체적으로, "회전자의 극 축(S1)"은 상이한 극성을 갖는 두 자극 사이의 경계를 칭하는 것이며, "고정자의 극(14)의 중심축(S2)"은 고정자의 두 극(14)의 중심점을 통과하는 연결선을 칭하는 것이다. 실시예에서, 고정자 및 회전자 모두 2개의 자극을 포함한다. 고정자의 자극의 개수는 회전자의 자극의 개수와 동일하지 않을 수 있으며, 고정자 및 회전자는 다른 실시예에서는 4개 또는 6개와 같은 그 이상의 자극을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터(10)의 개략적 회로도를 도시한다. 모터의 고정자 권선(16) 및 집적 회로(18)는 AC 전원(24)의 두 단자에 걸쳐 직렬로 연결된다. 모터를 위한 구동 회로는 집적 회로(18)에 일체화되며, 구동 회로는 모터가 에너지 공급될 때마다 고정된 방향으로 기동하는 것을 가능하게 한다.
도 3은 집적 회로(18)의 구현 방식을 도시한다. 집적 회로는 하우징(19), 하우징(19)으로부터 연장하는 2개의 핀(21), 및 하우징(19) 내에 패키징되는 구동 회로를 포함한다. 구동 회로는 반도체 기판 상에 배치되며, 구동 회로는 모터의 회전자의 자계 극성을 검출하도록 구성되며, 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)는 두 핀(21)에 걸쳐 연결되며, 스위치 제어 회로(30)는 검출 회로(20)에 의해 검출되는 회전자의 자계 극성을 기초로 미리 설정된 방식으로 스위치 온 상태와 스위치 오프 상태 사이에서 스위치되도록 제어 가능 양방향 AC 스위치(30)를 제어하도록 구성된다.
바람직하게는, 스위치 제어 회로(30)는 AC 전원(24)이 양의 절반 사이클에 있고 상기 검출 회로(20)에 의해 상기 회전자의 상기 자계 극성이 제1 극성임이 검출되는 경우에 또는 상기 AC 전원(24)이 음의 절반 사이클에 있고 상기 검출 회로(20)에 의해 상기 회전자의 자계 극성이 상기 제1 극성에 반대인 제2 극성임이 검출되는 경우에, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)를 스위치 온 하도록 구성된다. 구성은 고정자 권선(16)이 모터의 기동 위상에서 고정된 방향으로만 회전자를 드래그하는 것을 가능하게 한다.
도 4는 집적 회로(18)의 구현 방식을 도시한다. 도 4에 도시된 집적 회로는 두개의 핀(21) 사이에서 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)와 병렬로 연결되는 정류기(28)를 더 포함하고, 검출 회로(20)를 위해 공급되는 DC를 생성할 수 있다는 점에서 도 4는 도 3과는 상이하다. 실시예에서, 바람직하게는, 검출 회로(20)는 자기 센서(또한 위치 센서로도 칭함)일 수 있으며, 집적 회로는 회전자 주위에 설치되어 자기 센서는 회전자의 자계 변화를 감지할 수 있다. 검출 회로(20)는 자기 센서를 포함하지 않을 수 있으며, 회전자의 자계 변화는 다른 실시예에서는 다른 방식으로 검출될 수 있음이 이해될 수 있다. 본 발명에 따른 실시예에서, 모터를 위한 구동 회로는 집적 회로에 패키징되고, 따라서 회로의 비용은 감소될 수 있으며, 회로의 신뢰도는 개선될 수 있다. 또한, 모터는 PCB를 포함하지 않을 수 있으며, 집적 회로를 단지 적절한 위치에 고정하고, 집적 회로를 리딩 와이어(leading wire)를 통해 모터의 전원 및 라인 그룹에 연결하기만 하면 된다.
본 발명에 따른 실시예에서, 고정자 권선(16) 및 AC 전원(24)은 2개의 노드 A와 B 사이에 직렬로 연결된다. 바람직하게는, AC 전원(24)은 50Hz 또는 60Hz와 같은 고정된 주파수를 갖는 주 AC 전원일 수 있으며, 공급 전압은 예를 들면 110V, 220V 또는 230V일 수 있다. 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)는 2개의 노드 A와 B 사이에서 직렬 연결된 고정자 권선(16) 및 AC 전원(24)과 병렬로 연결된다. 바람직하게는, 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)는 TRIAC일 수 있으며, 이는 2개의 노드가 각각이 2개의 핀(21)에 연결된다. 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)는 병렬로 역방향으로 연결된 2개의 단방향 사이리스터를 포함할 수 있으며, 대응하는 제어 회로는 미리 설정된 방식으로 2개의 단방향 사이리스터를 제어하도록 배치될 수 있다. 정류기(28) 및 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)는 2개의 핀(21) 사이에서 병렬로 연결된다. 2개의 핀(21) 사이의 AC 전력이 정류기(28)에 의해 저전압 DC 전력으로 변환된다. 검출 회로(20)는 정류기(28)에 의해 출력되는 저전압 DC 전력에 의해 전력 공급될 수 있으며, 동기식 모터(10)의 영구 자석 회전자(11)의 자극 위치를 검출하고, 대응하는 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 스위치 제어 회로(30)는 정류기(28), 검출 회로(20) 및 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)에 연결되며, 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)가 검출 회로(20)에 의해 검출된 영구 자석 회전자의 자극 위치 및 정류기(28)로부터의 AC 전원(24)의 극성을 기초로 미리 설정된 방식으로 스위치 온 상태와 스위치 오프 상태 사이에서 스위치될 수 있도록 제어하여 고정자 권선(16)이 모터의 기동 위상에서 전술한 고정된 기동 방향으로만 회전하도록 회전자(14)를 드래그하도록 구성된다. 본 발명에 따르면, 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)가 스위치 온되는 경우, 2개의 핀(21)은 단락되고, 정류기(28)를 통해 전류가 흐르지 않으므로 정류기(28)는 전기 에너지를 소비하지 않으며, 따라서, 전기 에너지의 이용 효율이 현저히 개선된다.
도 5는 실시예에 따른 도 2에 도시된 모터의 회로를 도시한다. 모터의 고정자 권선(16)은 집적 회로(18)의 두 핀(21) 사이에서 AC 전원(24)과 직렬로 연결된다. 2개의 노드 A 및 B는 각각 2개의 핀(21)에 연결된다. TRIAC(26)의 제1 아노드(T2)는 노드 A에 연결되고, TRIAC(26)의 제2 아노드(T1)는 노드 B에 연결된다. 정류기(28)는 2개의 노드 A와 B 사이에서 TRIAC(26)와 병렬로 연결된다. 2개의 노드 A 와 B 사이의 AC 전력은 정류기(28)에 의해 저전압 DC 전력(바람직하게는, 3V 내지 18V 범위에 있는 저전압)으로 변환된다. 정류기(28)는 2개의 노드 A와 B 사이에서 제1 저항(R1) 및 제2 저항(R2)를 통해 각각 역방향으로 병렬로 연결되는 제1 제너 다이오드(Z1) 및 제2 제너 다이오드(Z2)를 포함한다. 정류기(28)의 고전압 출력 단자(C)는 제1 저항(R1)과 제1 제너 다이오드(Z1)의 캐소드의 연결점에 형성되며, 정류기(28)의 저전압 출력 단자(D)는 제2 저항(R2)과 제2 제너 다이오드(Z2)의 아노드의 연결점에 형성된다. 전압 출력 단자(C)는 위치 센서(20)의 양의 전원 단자에 연결되고, 저전압 출력 단자(D)는 위치 센서(20)의 음의 전원 단자에 연결된다. 스위치 제어 회로(30)의 3개의 단자는 정류기(28)의 고전압 출력 단자(C), 위치 센서(20)의 출력 단자(H1) 및 TRIAC(26)의 제어 전극(G)에 각각 연결된다. 스위치 제어 회로(30)는 제3 저항(R3), 제5 다이오드(D5), 및 제4 저항(R4)과 위치 센서(20)의 출력 단자(H1)와 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)의 제어 전극(G) 사이에 직렬로 연결된 제6 다이오드(D6)를 포함한다. 제6 다이오드(D6)의 아노드는 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)의 제어 전극(G)에 연결된다. 제3 저항(R3)의 일 단자는 정류기(28)의 고전압 출력 단자(C)에 연결되며, 제3 저항(R3)의 다른 단자는 제5 다이오드(D5)의 아노드에 연결된다. 제5 다이오드(D5)의 캐소드는 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)의 제어 전극(G)에 연결된다.
도 6을 참조로, 상술한 회로의 동작 원리가 설명된다. 도 6에서, Vac는 AC 전원(24)의 전압의 파형을 나타내며, Iac는 고정자 권선(16)을 통과하여 흐르는 전류의 파형을 나타낸다. 고정자 권선(16)의 유도성 특성으로 인하여, 전류 Iac의 파형은 전압 Vac의 파형보다 지상(lag)된다. V1은 제너 다이오드(Z1)의 두 단자 사이의 전압의 파형을 나타내고, V2는 제너 다이오드(Z2)의 두 단자 사이의 전압의 파형을 나타내며, Vdc는 정류기(28)의 2개의 출력 단자(C 및 D) 사이의 전압의 파형을 나타내며, Ha는 위치 센서(20)의 출력 단자(H1)로부터 출력된 신호의 파형을 나타내며, Hb는 위치 센서(20)에 의해 검출되는 회전자 자계를 나타낸다. 이 실시예에서, 위치 센서(20)가 정상적으로 전력 공급되는 경우, 출력 단자(H1)는 검출된 회전자 자계가 북인 경우에 로직 하이 레벨을 출력하고, 검출된 회전자 자계가 남인 경우에 로직 로우 레벨을 출력한다.
위치 센서(20)에 의해 검출되는 회전자 자계(Hb)가 북인 경우, AC 전원의 제1 양의 절반 사이클에서, 전원 전압은 시각 t0에서 시각 t1까지의 기간에 점차 증가하고, 위치 센서(20)의 출력 단자(H1)는 하이 레벨을 출력하며, 전류가 저항(R1), 저항(R3), 다이오드(D5) 및 TRIAC(26)의 제어 전극(G) 및 제2 아노드(T1)를 차례로 통과하여 흐른다. TRIAC(26)은 제어 전극(G) 및 제2 아노드(T1)을 통해 흐르는 구동 전류가 게이트 트리거링 전류(Ig) 보다 큰 경우에 스위치 온된다. TRIAC(26)가 일단 스위치 온되면, 2개의 노드 A 및 B는 단락되고, 모터 내에서 고정자 권선(16)을 통해 흐르는 전류는 큰 순방향 전류가 고정자 권선(16)을 통해 흐를 때까지 점차 증가하고, 회전자(14)는 예를 들면 시계 방향으로 회전하도록 구동된다. 2개의 노드 A 및 B가 단락되므로, 시각 t1에서 시각 t2까지의 기간에 정류기를 통해 전류가 흐르지 않는다. 그러므로, 저항(R1 및 R2)은 전기 에너지를 소비하지 않으며, 위치 센서(20)의 출력은 전원 전압이 없음으로 인하여 중지된다. TRIAC(26)의 두 아노드(T1 및 T2)를 통해 충분히 큰 전류가 흐르므로(TRIAC(26)의 홀드 전류(Ihold) 보다 더 큼), TRIAC(26)은 제어 전극(G)과 제2 아노드(T1)을 통해 구동 전류가 흐르지 않는 경우에 스위치 온을 유지한다. AC 전원의 음의 절반 사이클에서, 시각 t3 이후에, T1 및 T2를 통해 흐르는 전류는 홀드 전류(Ihold) 보다 더 적으며, TRIAC(26)은 스위치 오프되고, 전류는 정류기(28)를 통해 흐르기 시작하고, 위치 센서(20)의 출력 단자(H1)는 다시 하이 레벨을 출력한다. 지점(C)에서의 전위가 지점(E)에서의 전위 보다 더 낮으므로, TRIAC(26)의 제어 전극(G) 및 제2 아노드(T1)을 통해 전류가 흐르지 않으며, TRIAC(26)은 스위치 오프를 유지한다. 정류기(28)에서의 저항(R1 및 R2)의 저항값이 모터 내의 고정자 권선(16)의 저항값 보다 훨씬 크므로, 고정자 권선(16)을 현재 통해 흐르는 전류는 시각 t1에서 시각 t2까지의 기간에 고정자 권선(16)을 통해 흐르는 전류 보다 훨씬 적으며, 기본적으로 회전자(14)에 대한 구동력이 없다. 따라서, 회전자(14)는 관성 효과로 인하여 시계 방향으로의 회전을 계속한다. AC 전원의 제2 양의 절반 사이클에서, 제1 양의 절반 사이클과 유사하게, 전류는 저항(R1), 저항(R3), 다이오드(D5) 및 TRIAC(26)의 제어 전극(G) 및 제2 아노드(T1)를 통해 순차적으로 흐른다. TRIAC(26)은 다시 스위치 온되고, 고정자 권선(16)을 통해 흐르는 전류는 회전자(14)를 시계 방향으로 회전하도록 구동을 계속한다. 유사하게, 저항(R1 및 R2)은 2개의 노드(A 및 B)가 단락되므로 전기 에너지를 소비하지 않는다. 전원의 음의 절반 사이클에서, TRIAC(26)의 두 아노드(T1 및 T2)를 통해 흐르는 전류가 홀드 전류(Ihold) 보다 적은 경우, TRIAC(26)은 다시 스위치 오프되고, 회전자는 관성 효과로 인하여 시계 방향으로 회전을 계속한다.
시각 t4에서, 위치 센서(20)에 의해 검출된 회전자 자계(Hb)는 북에서 남으로 변하고, AC 전원은 양의 절반 사이클에 있고, TRIAC(26)는 스위치 온되고, 2개의 노드(A 및 B)는 단락되며, 정류기(28)를 통해 전류가 흐르지 않는다. AC 전원이 음의 절반 사이클에 있는 이후에, TRIAC(26)의 두 아노드(T1 및 T2)를 통해 흐르는 전류는 점차 감소되며, TRIAC(26)는 시각 t5에서 스위치 오프된다. 다음으로, 전류는 TRIAC(26)의 제2 아노드(T1) 및 제어 전극(G), 다이오드(D6), 저항(R4), 위치 센서(20), 저항(R2) 및 고정자 권선(16)을 통해 순차적으로 흐른다. 구동 전류가 점차 증가됨에 따라, TRIAC(26)은 시각 t6에서 다시 스위치 온되고, 2개의 노드(A 및 B)는 다시 단락되며, 저항(R1 및 R2)은 전기 에너지를 소비하지 않으며, 위치 센서(20)의 출력은 전원 전압이 없음으로 인해 중지된다. 고정자 권선(16)을 통해 큰 역방향 전류가 흐르고, 회전자(14)는 회전자 자계가 남이므로 계속 시계 방향으로 구동된다. 시각 t5에서 시각 t6까지의 기간에, 제1 제너 다이오드(Z1) 및 제2 제너 다이오드(Z2)는 스위치 온되며, 따라서 정류기(28)의 2개의 출력 단자(C 및 D) 사이에는 전압 출력이 존재한다. 시각 t7에서, AC 전원은 다시 양의 절반 사이클에 있고, TRIAC(26)를 통해 흐르는 전류가 영점을 교차하는 경우 스위치 오프된다. 전압이 점차 증가됨에 따라, 전류는 정류기(28)를 통해 흐르기 시작하고, 위치 센서(20)의 출력 단자(H1)는 로우 레벨을 출력하고, TRIAC(26)의 제어 전극(G)과 제2 아노드(T1)를 통해 구동 전류가 흐르지 않으며, 따라서 TRIAC(26)는 스위치 오프된다. 고정자 권선(16)을 통해 흐르는 전류가 작으므로, 회전자(14)에 대해 구동력이 생성되지 않는다. 시각 t8에서, 전원은 양의 절반 사이클에 있고, 위치 센서는 로우 레벨을 출력하며, TRIAC(26)은 전류가 영점을 교차한 이후에 스위치 오프됨이 유지되며, 회전자는 관성 효과로 인하여 시계 방향으로 회전을 계속한다. 본 발명에 따르면, 회전자는 고정자 권선이 에너지 공급된 이후에 단지 1 회전(revolution)의 회전에 의해 고정자의 전계와 동기화되도록 가속될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회로로, 모터는 모터가 에너지 공급될 때마다 기동하고 동일 방향으로 회전하는 것이 보장될 수 있다. 팬 및 물 펌프와 같은 응용에서, 회전자에 의해 구동되는 임펠러는 곡선의 베인을 가질 수 있고, 따라서 팬 또는 물 펌프의 효율은 개선된다. 또한, 본 발명의 실시예에서, TRIAC가 일단 스위치 온되면 TRIAC을 통해 구동 전류가 흐르지 않더라도 TRIAC는 스위치 온을 유지한다는 TRIAC의 특징을 취함에 의해, TRIAC가 스위치 온된 이후에 정류기(28) 내의 저항(R1) 및 저항(R2)이 여전히 전기 에너지를 소비하는 것을 방지하게 되어, 전기 에너지의 이용 효율이 현저히 개선될 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 도 2에 도시된 모터의 회로를 도시한다. 모터의 고정자 권선(16)은 집적 회로(18)의 두 핀(21) 사이에서 AC 전원(24)과 직렬로 연결된다. 2개의 노드(A 및 B)는 각각 두 핀(21)에 연결된다. TRIAC(26)의 제1 아노드(T2)는 노드 A에 연결되며, TRIAC(26)의 제2 아노드(T1)은 노드 B에 연결된다. 정류기(28)는 2개의 노드(A 및 B) 사이에서 TRIAC(26)과 병렬로 연결된다. 2개의 노드(A 및 B) 사이의 AC 전력은 정류기(28)에 의해 저전압 DC 전력으로 변환되며, 바람직하게는, 저전압은 3V 내지 18V 범위에 있다. 정류기(28)는 2개의 노드 A 및 B 사이에 직렬로 연결된 제1 저항(R1) 및 전파 브리지 정류기를 포함한다. 제1 저항(R1)은 전압 드로퍼로서 이용될 수 있으며, 전파 브리지 정류기는 병렬로 연결된 2개의 정류기 브랜치를 포함할 수 있으며, 2개의 정류기 브랜치 중 하나는 역방향으로 직렬로 연결된 제1 다이오드(D1) 및 제3 다이오드(D3)를 포함하며, 2개의 정류기 브랜치 중 다른 하나는 역방향으로 직렬로 연결된 제2 제너 다이오드(Z2) 및 제4 제너 다이오드(Z4)를 포함하며, 정류기(28)의 고전압 출력 단자(C)는 제1 다이오드(D1)의 캐소드 및 제3 다이오드(D3)의 캐소드의 연결점에 형성되며, 정류기(28)의 저전압 출력 단자(D)는 제2 제너 다이오드(Z2)의 아노드와 제4 제너 다이오드(Z4)의 아노드의 연결점에 형성된다. 출력 단자(C)는 위치 센서(20)의 양의 전원 단자에 연결되며, 출력 단자(D)는 위치 센서(20)의 음의 전원 단자에 연결된다. 스위치 제어 회로(30)는 제3 저항(R3), 제4 저항(R4), 및 위치 센서(20)의 출력 단자(H1)와 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)의 제어 전극(G) 사이에 역방향으로 직렬로 연결된 제5 다이오드(D5) 및 제6 다이오드(D6)를 포함한다. 제5 다이오드(D5)의 캐소드는 위치 센서의 출력 단자(H1)에 연결되며, 제6 다이오드(D6)의 캐소드는 제어 가능 양방향 AC 스위치의 제어 전극(G)에 연결된다. 제3 저항(R3)의 일 단자는 정류기의 고전압 출력 단자(C)에 연결되며, 제3 저항(R3)의 다른 단자는 제5 다이오드(D5)의 아노드와 제6 다이오드(D6)의 아노드 사이의 연결점에 연결된다. 제4 저항(R4)의 2개의 단자는 각각 제5 다이오드(D5)의 캐소드와 제6 다이오드(D6)의 캐소드에 연결된다.
도 8은 실시예에 따른 도 2에 도시된 모터의 회로를 도시한다. 이 실시예는 도 7에서의 제너 다이오드(Z2 및 Z4)가 도 8에서의 일반 다이오드(D2 및 D4)로 대체된다는 점에서 이전 실시예와 상이하다. 또한, 전압 안정기로서의 제너 다이오드(Z7)는 도 8에서 정류기(28)의 2개의 출력 단자(C 및 D) 사이에 연결된다.
도 9는 실시예에 따른 도 2에 도시된 모터의 회로를 도시한다. 동기식 모터의 고정자 권선(16)은 집적 회로(18)의 2개의 핀(21) 사이에서 AC 전원(24)과 직렬로 연결된다. 2개의 노드(A 및 B)는 각각 2개의 핀(21)에 연결된다. TRIAC(26)의 제1 아노드(T2)는 노드 A에 연결되며, TRIAC(26)의 제2 아노드(T1)는 노드 B에 연결된다. 정류기(28)는 2개의 노드(A 및 B) 사이에서 TRIAC(26)와 병렬로 연결된다. 2개의 노드(A 및 B)사이의 AC 전력은 정류기(28)에 의해 저전압 DC 전력으로 변환되며, 바람직하게는 저전압은 3V 내지 18V 범위내에 있다. 정류기(28)는 2개의 노드(A 및 B) 사이에서 직렬로 연결된 제1 저항(R1) 및 전파 브리지 정류기를 포함한다. 제1 저항(R1)은 전압 드로퍼로서 이용될 수 있다. 전파 브리지 정류기는 병렬로 연결된 2개의 정류기 브랜치를 포함하며, 2개의 정류기 브랜치 중 하나는 역방향으로 직렬로 연결된 2개의 실리콘 제어 정류기(S1 및 S3)를 포함하며, 2개의 정류기 브랜치 중 다른 하나는 역방향으로 직렬로 연결된 제2 다이오드(D2) 및 제4 다이오드(D4)를 포함한다. 정류기(28)의 고전압 출력 단자(C)는 실리콘 제어 정류기(S1)의 캐소드와 실리콘 제어 정류기(S3)의 캐소드의 연결점에 형성되며, 정류기(28)의 저전압 출력 단자(D)는 제2 다이오드(D2)의 아노드와 제4 다이오드(D4)의 아노드의 연결점에 형성된다. 출력 단자(C)는 위치 센서(20)의 양의 전원 단자에 연결되고, 출력 단자(D)는 위치 센서(20)의 음의 전원 단자에 연결된다. 스위치 제어 회로(30)는 제3 저항(R3), NPN 트리오드(T6), 및 위치 센서(20)의 출력 단자(H1)와 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)의 제어 전극(G) 사이에서 직렬로 연결된 제4 저항(R4) 및 제5 다이오드(D5)를 포함한다. 제5 다이오드(D5)의 캐소드는 위치 센서의 출력 단자(H1)에 연결된다. 제3 저항(R3)의 하나의 단자는 정류기의 고전압 출력 단자(C)에 연결되고, 제3 저항(R3)의 다른 단자는 위치 센서의 출력 단자(H1)에 연결된다. NPN 트리오드(T6)의 베이스는 위치 센서의 출력 단자(H1)에 연결되고, NPN 트리오드(T6)의 에미터는 제5 다이오드(D5)의 아노드에 연결되며, NPN 트리오드(T6)의 콜렉터는 정류기의 고전압 출력 단자(C)에 연결된다.
이 실시예에서, 기준 전압이 단자(SC1)를 통해 2개의 실리콘 제어 정류기(S1 및 S3)의 캐소드에 입력될 수 있으며, 제어 신호는 단자(SC2)를 통해 S1 및 S3의 제어 단자에 입력될 수 있다. S1 및 S3는 단자(SC2)로부터 입력된 제어 신호가 하이 레벨인 경우에 스위치 온되고, 단자(SC2)로부터 입력된 제어 신호가 로우 레벨인 경우 스위치 오프된다. 이러한 구성을 기초로, S1 및 S3는 구동기 회로가 정상적으로 동작하는 경우에 단자(SC2)로부터 하이 레벨을 입력함에 의해 미리 설정된 방식으로 스위치 온 상태와 스위치 오프 상태 사이에서 스위치될 수 있다. 이 경우, TRIAC(26), 정류기(28) 및 위치 센서(20)는 스위치 오프되어, 전체 회로가 0 전력 상태에 있음을 보장한다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터(10)의 개략적 회로도를 도시한다. 모터의 고정자 권선(16)은 AC 전원(24)의 두 단자에 걸쳐 집적 회로(18)와 직렬로 연결된다. 모터를 위한 구동 회로는 집적 회로(18)에 일체화되고, 구동 회로는 모터가 에너지 공급될 때마다 고정된 방향으로 기동하도록 한다. 본 발명에서, 모터를 위한 구동 회로는 집적 회로에 패키징되며, 따라서 회로의 비용은 감소될 수 있으며, 회로의 신뢰성은 개선될 수 있다.
본 발명에서, 실제 상황을 기초로, 정류기의 전체 또는 일부, 검출 회로, 스위치 제어 회로, 제어 가능 양방향 AC 스위치는 집적 회로에 일체화될 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 것처럼, 검출 회로, 스위치 제어 회로 및 제어 가능 양방향 AC 스위치만이 집적 회로에 일체화될 수 있고, 정류기는 집적 회로의 외부에 배치될 수 있다.
예를 들면, 도 10 및 도 11의 실시예에 도시된 것처럼, 전압 드로핑 회로(32) 및 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)는 집적 회로의 외부에 배치되고, 정류기(정류기 브리지만을 포함하고 전압 드로핑 저항 또는 다른 전압 드로핑 성분을 포함하지 않음), 검출 회로 및 스위치 제어 회로는 집적 회로에 일체화된다. 실시예에서, 저전력 부분은 집적 회로에 일체화되고, 고전압 부분인 전압 드로핑 회로(32) 및 제어 가능 양방향 AC 스위치(26)는 집적 회로의 외부에 배치된다. 도 12에 도시된 실시예에서, 전압 드로핑 회로(32)는 집적 회로에 일체화될 수 있으며, 제어 가능 양방향 AC 스위치는 집적 회로의 외부에 배치된다.
도 13은 상술한 모터를 이용하는 물 펌프(50)를 도시한다. 물 펌프(50)는 펌프 챔버(52), 펌프 챔버와 소통하는 입구(56) 및 출구(58), 펌프 챔버 내에 회전식으로 배치된 임펠러(60), 및 임펠러를 구동하도록 구성된 모터 컴포넌트를 갖는 펌프 하우징(54)을 포함한다. 도 14는 상술한 모터를 이용하는 팬을 도시한다. 팬은 모터의 출력 축을 통해 직접적으로 또는 간접적으로 구동되는 임펠러(70)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 단상 영구 자석 동기식 모터로, 단상 영구 자석 동기식 모터는 단상 영구 자석 동기식 모터가 에너지 공급될 때마다 기동하고 고정된 방향으로 회전하는 것이 보장된다. 배기 팬 및 레인지 후드 팬과 같은 팬 및 순환 펌프 및 드레인 펌프와 같은 물 펌프의 응용에서, 회전자에 의해 구동되는 임펠러는 곡선의 베인(vane)을 가질 수 있으며, 따라서 팬 및 물 펌프의 효율이 개선된다.
상술한 것은 단지 본 발명의 양호한 실시예이며, 본 발명의 보호 범위를 규정하려는 것은 아니다. 본 발명의 기술 사상 및 원리 내에서의 임의의 변경, 등가 대체, 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 있는 것이다. 예를 들면, 본 발명에 따른 구동 회로는 단상 영구 자석 동기식 모터에만 적용되는 것이 아니라, 단상 브러시리스 DC 모터와 같은 다른 유형의 영구 자석 모터에도 적용된다.

Claims (22)

  1. 모터 컴포넌트로서: 모터 및 교류(AC) 전원에 의해 전력 공급되는 상기 모터를 위한 구동 회로를 포함하며, 상기 모터는 고정자 및 상기 고정자에 대해 회전 가능한 회전자를 포함하며, 상기 고정자는 고정자 코어 및 상기 고정자 코어에 감긴 고정자 권선을 포함하며, 상기 구동 회로는 집적 회로 및 상기 집적 회로에 연결된 제어 가능 양방향 AC 스위치를 포함하며, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치 및 상기 고정자 권선은 상기 AC 전원에 연결되도록 구성되는 두 단자 사이에서 직렬로 연결되며, 정류기, 검출 회로 및 스위치 제어 회로 중 적어도 2개는 상기 집적 회로에 일체화되고, 상기 정류기는 적어도 상기 검출 회로에 공급되는 직류(DC) 전압을 생성하도록 구성되며, 상기 검출 회로는 상기 회전자의 자계 극성을 검출하도록 구성되며, 상기 스위치 제어 회로는 상기 검출 회로에 의해 검출된 상기 회전자의 자계 극성 및 상기 AC 전원의 극성을 기초로 미리 설정된 방식으로 스위치-온 상태 및 스위치-오프 상태 사이에서 스위치되도록 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치를 제어하도록 구성되는, 모터 컴포넌트.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 스위치 제어 회로는 상기 AC 전원이 양의 절반 사이클에 있고 상기 검출 회로에 의해 상기 회전자의 상기 자계 극성이 제1 극성임이 검출되는 경우에 또는 상기 AC 전원이 음의 절반 사이클에 있고 상기 검출 회로에 의해 상기 회전자의 자계 극성이 상기 제1 극성에 반대인 제2 극성임이 검출되는 경우에 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치를 스위치 온 하도록 구성되는, 모터 컴포넌트.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 구동 회로는 상기 정류기에 연결되는 전압 드로퍼(dropper)를 더 포함하는, 모터 컴포넌트.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 정류기 및 상기 전압 드로퍼는 2개의 노드를 통해 연결되어 브랜치를 형성하며, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치는 상기 브랜치에 병렬로 연결되는, 모터 컴포넌트.
  5. 청구항 3에 있어서, 상기 구동 회로는 DC 전압을 안정화하도록 구성된 전압 안정기를 더 포함하며, 상기 정류기, 상기 전압 드로퍼, 상기 전압 안정기, 상기 검출 회로 및 상기 스위치 제어 회로는 상기 집적 회로에 일체화되는, 모터 컴포넌트.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 정류기는 상기 집적 회로에 일체화되고, 상기 전압 드로퍼는 상기 집적 회로 외부에 배치되는, 모터 컴포넌트.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 DC 전압을 안정화하도록 구성되는 전압 안정기가 상기 집적 회로에 또한 일체화되는, 모터 컴포넌트.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치는 TRIAC인, 모터 컴포넌트.
  9. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 회로는 자기 센서를 포함하며, 상기 집적 회로는 상기 회전자 주위에 설치되며, 상기 자기 센서는 상기 회전자의 자계 극성 및 상기 자계 극성의 변화를 감지할 수 있는, 모터 컴포넌트.
  10. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출 회로는 자기 센서를 포함하지 않는, 모터 컴포넌트.
  11. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 구동 회로는 마이크로프로세서를 포함하지 않는, 모터 컴포넌트.
  12. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터 컴포넌트는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하지 않는, 모터 컴포넌트.
  13. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 단상 영구 자석 동기식 모터이며, 상기 회전자는 적어도 하나의 영구 자석을 포함하며, 상기 고정자와 영구 자석 회전자 사이에 불균일 자기 회로가 형성되며, 상기 영구 자석 회전자의 극축은 상기 영구 자석 회전자가 휴지 상태에 있는 경우에 상기 고정자의 중심축에 대해 각도 오프셋을 가지며, 상기 회전자는 상기 고정자 권선이 에너지 공급된 이후에 정상 상태 위상 동안 60f/p rpm의 일정 회전 속도로 동작하며, 여기서 f는 AC 전원의 주파수이며, p는 상기 회전자의 극 쌍의 개수인, 모터 컴포넌트.
  14. 모터 구동을 위한 집적 회로로서: 하우징, 상기 하우징으로부터 밖으로 연장하는 핀, 및 반도체 기판 상에 배치된 스위치 제어 회로를 포함하며, 상기 반도체 기판 및 스위치 제어 회로는 하우징 내에 패키징되며, 상기 스위치 제어 회로는 상기 모터의 회전자의 자계 극성을 기초로 스위치 온 또는 스위치 오프되도록 양방향 AC 스위치를 제어하기 위한 제어 신호를 생성하여 상기 모터에 대한 에너지 공급 모드를 제어하도록 구성되는 집적 회로.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 모터의 회전자의 자계 극성을 검출하도록 구성되는 검출 회로가 또한 상기 반도체 기판에 일체화되는, 집적 회로.
  16. 청구항 15에 있어서, 적어도 상기 검출 회로에 공급되는 DC 전압을 생성하도록 구성되는 정류기가 또한 상기 반도체 기판에 일체화되는, 집적 회로.
  17. 청구항 16에 있어서, DC 전압을 안정화하도록 구성되는 전압 안정기가 또한 상기 반도체 기판에 일체화되는, 집적 회로.
  18. 청구항 14에 있어서, 상기 제어 가능 양방향 AC 스위치가 상기 하우징에 패키징되는, 집적 회로.
  19. 청구항 14에 있어서, 상기 집적 회로는 마이크로프로세서를 포함하지 않는, 집적 회로.
  20. 청구항 14 내지 청구항 19 중 어느 한 항에 있어서, 상기 집적 회로의 핀의 개수는 4개 보다 적은, 집적 회로.
  21. 펌프로서: 펌프 챔버, 상기 펌프 챔버와 소통하는 입구 및 출구, 상기 펌프 챔버에 회전식으로 배치된 임펠러, 및 상기 임펠러를 구동하도록 구성되는 모터 컴포넌트를 갖는 펌프 하우징을 포함하며, 상기 모터 컴포넌트는 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 구성 요소들을 갖는, 펌프.
  22. 팬으로서: 임펠러 및 상기 임펠러를 구동하도록 구성되는 모터 컴포넌트를 포함하며, 상기 모터 컴포넌트는 청구항 1 내지 청구항 13 중 어느 한 항에 기재된 구성 요소들을 갖는, 팬.
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