KR100213572B1 - 더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터 - Google Patents

더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 코어레스 브러시레스 디씨(Coreless brushless D.C.)(이하 코어레스형 비엘디씨(BLDC)라 한다)모터에 관한 것으로, 특히 스테이터용 코일을 로터의 상/하부에 대칭구조로 배치하는 것에 의해 코어/코어레스형의 장점은 극대화시키고 단점을 제거하여 로터의 축방향 진동을 억제하고 고토크(torque) 및 저소비전력화를 실현할 수 있는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터에 관한 것이다.
본 발명의 코어레스형 BLDC 모터는 상하방향으로 다수의 자석이 균등하게 배치된 디스크형 로터와, 상기 로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 상부/하부 케이스와, 각각 상기 상부/하부 케이스의 내주부에 설치되어 상기 로터에 서로 반대방향의 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비한 상부/하부 스테이터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는 로터를 중심으로 대칭구조의 자기 회로가 형성되기 때문에 축방향의 진동이 적으며, 토크가 크고 소비전력이 적은 고효율의 모터가 제공될 수 있다.

Description

더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터
제1도는 종래의 코어레스형 BLDC 모터 구조를 보여주는 축방향 단면도.
제2도는 제1도의 로터의 구조를 보여주는 평면도.
제3도는 본 발명에 따른 더블 스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터구조를 보여주는 축방향 단면도.
제4a도 및 제4b도는 각각 제3도에 도시딘 로터의 평면도 및 측면도.
제5a도 및 제5b도는 본 발명의 더블 스테이터 BLDC 모터와 종래의 싱글 스테이터 BLDC 모터의 진동량을 나타낸 그래프.
제6도는 본 발명에 따른 2단 더블 스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터 구조를 보여주는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
21 : 자석 22 : 지지체
23, 23A : 로터 25, 26 : 스테이터 코일
27, 27A : 상부 스테이터 29, 29A : 하부 스테이터
31,31A : 부싱 33 : 회전축
35 : 상부 PCB 37 : 상부케이스
39 : 요홈 41 : 하부 PCB
43 : 하부케이스 45 : 요홈
47,49 : 상/하부 베어링 51 : 판스프링
53,53A : E-링
본 발명은 코어레스 브러시레스 디씨(Coreless brushless D.C.)(이하 코어레스형 비엘디씨(BLDC)라 한다)모터에 관한 것으로, 특히 스테이터용 코일을 로터의 상/하부에 대칭 구조로 배치하는 것에 의해 코어/코어레스형의 장점은 극대화시키고 단점을 제거하여 로터의 축방향 진동을 억제하고 고토크(torque) 및 저소비전력화를 실현할 수 있는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터에 관한 것이다.
BLDC 모터는 스테이터 코어를 갖고 있는지 여부에 따라 일반적으로 컵(원통) 구조를 갖는 코어형(또는 레이디얼형)과 코어레스형(또는 액시얼형)으로 나뉘어진다.
코어형 구조의 BLDC 모터는 내주부에 형성된 다수의 돌기에 전자석 구조를 갖기 위해 코일이 권취된 원통형의 스테이터와 원통형 영구자석으로 이루어진 로터로 구성된 내부자석형과, 또는 스테이터가 외주부에 형성된 다수의 돌기에 상/하 방향으로 코일이 권취되어 있고, 그 외부에 다극 착자된 원통형 영구자석으로 로터가 구성된 외부자석형으로 분류된다.
이러한 코어형 BLDC 모터는 자기회로가 축을 중심으로 레이디얼 방향으로 대칭인 구조를 갖고 있으므로 진동성 노이즈가 적고, 저속회전에 적합하며 토크가 양호한 장점을 갖고 있는 반면에 스테이터 제작시에 계철(yoke)의 재료 손실이 크고 양산시에 설비투자 비용이 높다는 단점을 갖고 있다. 또한 스테이터 및 로터의 구조가 복잡하며, 박형화가 불리하고, 고효율화에 어려움이 있으며 코깅(cogging) 토크가 발생하는 문제점이 있다.
한편, 상기한 코어형 BLDC 모터의 단점을 개선하기 위하여 제안된 종래의 코어레스형 BLDC 모터는 제1도에 도시된 바와 같이 환형 마그네트(1)와 요크(3)로 이루어진 로터(5)가 회전축(7)에 고정결합되고, 인쇄회로기판(PCB)(9)에 다수의 스테이터 코일(11)이 권선되어 이루어진 스테이터(13)에 베어링(15)을 통하여 회전축(7)이 결합된 구조를 갖고 있다.
상기한 코어레스형 BLDC 모터는 제2도에 도시된 바와 같이 다수 세트의 자석이 일체형으로 이루어진 로터(5)와 그 하측에 배치된 다수세트의 전자기력을 발생하는 스테이터 코일로 이루어진 스테이터(13) 사이에 축방향과 동일 방향을 갖는 상/하 방향의 자기회로가 형성되므로 스테이터의 흡입 또는 반발력과 스테이터의 불균일한 착자에 기인하여 베어링(15) 사이에 완충 스프링(17)을 삽입시킬지라도 축방향의 진동이 구조적으로 크게 발생한다.
또한 이 축방향의 진동은 모터 장착 회전 구동시에 전체 시스템의 공진을 유발시켜 회전소음을 증가시키게 된다. 따라서 고속 회전시에 모터 전체의 효율은 손실(loss)이 없는 관계로 양호한 반면에 회전소음에 진동성 소음이 합성되어 이상음을 유발시킬 수 있다.
그 결과 코어형 BLDC 모터에 비하여 재료손실을 최소화할 수 있고, 양산성이 좋으며, 박형화 및 소형화가 가능하여 저가격 및 고효율화를 이룰 수 있으나 회전시에 축방향 진동으로 소음발생이 크다는 치명적인 결점을 갖고 있다.
따라서 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 로터 회전시 발생되는 축방향 진동을 서로 상쇄시킴과 동시에 토크를 2배 이상 증가시킬 수 있는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 적층형 다층구조에 의해 출력증가가 용이하며, 저소비 전력화와 저렴한 비용으로 제조 가능한 구조를 갖는 코어레스형 BLDC 모터를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상하방향으로 다수 세트의 N극과 S극의 자석이 교대로 배치된 디스크형 로터와, 상기 로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 상부/하부 케이스와, 상기 로터에 대한 회전 구동력을 발생하며 상기 회전 구동력 발생과 관련하여 축방향 진동을 방지하기 위한 전자기 구동/축방향 진동방지 수단으로 구성되며, 상기 전자기 구동/축방향 진동방지 수단은 각각 상기 상부/하부 케이스의 내주부에 설치되어 인가되는 DC 전류에 응답하여 상기 로터에 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비한 상부/하부 스테이터로 구성되고, 상기 제1 및 제2 스테이터 코일은 각각 동일한 축방향 극성 방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 로터에 반대방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터를 제공한다.
상기와 같이 본 발명에 있어서는 로터의 상/하부에 각각 다수의 권선된 스테이터 코일이 PCB에 실장된 더블 스테이터 구조를 갖고 있어, 전체적으로 로터 및 로터 회전축에 대하여 대칭구조의 자기회로를 형성한다.
이 경우 대응하는 상/하 스테이터의 스테이터 코일은 회전로터의 각 자석편을 서로 흡인하거나 또는 서로 반발하게 코일의 권선 방향과 전류흐름 방향이 설정되어 있다. 따라서 로터는 상/하 스테이터에 의해 서로 반대방향의 흡인력 또는 반발력을 받게 되어 각 스테이터에 의한 흡인력 또는 반발력에 따라 발생하는 축방향 진동은 서로 상쇄된다.
더욱이 상/하부 더블스테이터에 의해 단일 스테이터 구조보다 스테이터 코일이 2배로 증가하게 되므로 구동전류 및 자속밀도가 2배로 증가하게 된다. 그 결과 단일 스테이터 구조보다 2배 이상의 토크를 얻을 수 있다.
또한 본 발명의 구조에서는 로터와 스테이터를 축방향의 적층형 다층구조로서 추가하는 것에 의해 쉽게 고출력의 모터를 설계할 수 있고 단순한 구조의 채택에 따라 고신뢰성의 모터를 제공할 수 있다.
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
제3도는 본 발명에 따른 더블 스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터구조를 보여주는 축방향 단면도이고, 제4a도 및 제4b도는 로터의 평면도 및 측면도를 가리킨다.
제3도에 도시된 바와 같이 본 발명의 BLDC 모터는 중간에 다수 세트의 자석(21)의 지지체(22)에 관통 삽입된 로터(23)와, 로터(23)의 상/하부에 배치되며 각각 다수의 세트의 보빈레스 스테이터 코일(25,26)이 실장된 상부 스테이터(27)와 하부 스테이터(29)로 구성되어 있다.
상기 로터(23)는 부싱(31)을 통하여 회전축(33)에 고정 결합되어 있으며, 제3a도 및 제3b도에 도시된 바와 같이 4개의 N극 및 S극 자석(21A∼21D, 21E∼21H)으로된 8극의 디스크형 자석(21A∼21H)이 비자성체로 된 지지체(22)에 관통 삽입되어 있는 구조를 갖고 있다.
이러한 자석분할 다극 배치 구조는 제2도에 도시된 종래의 일체형 디스크형상의 다극 착자 구조에서 각 N극과 S극간의 접합부분(19)은 자력이 약한 부분으로서 로터(23)의 기동에 영향을 주지 않는 부분이므로 접합부분(19)의 자석면적을 절감시켜 자성재료의 최적화와 로터(23)의 무게를 경량화가 가능하게 한 구조이다.
다시 제3도를 참고하면, 상기 상부 스테이터(270와 하부 스테이터(29)는 서로 동일한 구조를 갖고 있으며, 예를 들어 상부 스테이터(27)는 상부 PCB(35)에 3상 구동 방식에서는 3개의 스테이터 코일(25)이 6개로 권선 실정되어 Y방식으로 결선되고, 2상 구동의 전파 구동 방식에서는 2개의 스테이터 코일(25)이 8개로 권선 실정되어 직렬방식으로 결선되어 있다.
또한 상부 스테이터 코일(25)이 실정된 상부 PCB(35)는 상부 케이스(37)의 내측에 형성된 요홈(39)에 고정설치되고, 하부 스테이터 코일(26)이 실장된 하부 PCB(41)는 하부케이스(43)의 내측에 형성된 요홈(45)에 고정설치되어 있으며, 상부 케이스(37)와 하부케이스(43)의 중앙부는 각각 상/하부 베어링 (47,49)을 통하여 로터(23)의 회전축(33)과 회전가능하게 결합되어 있다. 더욱이 하부베어링(49)과 하부케이스(43) 사이에는 로터(23)의 상하진동을 완충시키기 위한 판스프링(51)이 삽입되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 코어레스형 BLDC 모터의 작용 및 효과를 이하에 설명한다.
제3도에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 로터(23)를 회전구동시키기 위한 상/하부 스테이터(27,29)가 로터(23)의 상/하부에 대칭구조로 배치되어 있고, 상/하부 스테이터(27,29)의 대응하는 상/하부 스테이터 코일(25,26)은 서로 반대방향의 자속방향을 이루도록 코일의 권선방향과 전류흐름방향이 설정되어 있다.
따라서 이와 같이 상/하부 스테이터(27,29)의 대응하는 상/하부 스테이터 코일(25,26)에 의해 형성되는 상/하부 기자력의 방향이 서로 반대가 되도록 설정되어 있으므로 로터(23)의 회전에 따라 상하방향으로 N-S 또는 S-N 자석 방향을 갖는 N극 자석(21∼21D) 또는 S극 자석(21E∼21H)이 위치할 경우, 상/하부 스테이터 코일(25,26) 사이에 서로 동일하게 반발력(F1) 또는 흡입력 (F2)이 작용하게 된다.
이 경우 상/하부 스테이터(27,29)와 로터(23) 사이의 반발력(F1) 또는 흡인력(F2)은 서로 반대방향으로 작용하므로 상쇄되게 된다. 그 결과 종래와 같은 축방향의 진동이 최소화된다.
또한 상기한 본 발명의 더블 스테이터 구조에서는 스테이터 코일이 이중이므로 코일에 흐르는 전류와 이에 의한 자속밀도가 종전의 단일 스테이터 구조보다 2배로 증가하게 되므로 구동 토크 또한 2배 이상 증가하게 되며, 그 결과 모터의 출력도 증가된다.
[실시예]
제1도 및 제3도에 도시된 종래 모터와 본 발명 모터를 동일한 측정 조건하에서 전기적 특성(DC 24 V 기준) 및 진동 모드를 하기장치들을 이용하여 측정하고, 전기적 특성을 하기 표 1에 도시하고 진동 모드 측정 결과를 제5a도 및 제5b도에 도시하였다.
* 테스트 장치 *
A 진동 픽업 및 증폭부 : KEYENCE GA-245
B. 스토리지 스코프 : TEKTRONICD TDS 320
C. DC 전원 : HANIL ELECTRONIC CO 303 B
D. 적용 토오크 : 1kg·cm
E. V·A 미터 : YOKOGAWA
상기 표로 알 수 있듯이 부하가 걸린 경우 본 발명의 모터가 종래의 모터에 비하여 부하전류가 크게 적은 것을 알 수 있다. 즉, 이는 본 발명의 모터 소비 전력이 종래에 비하여 크게 작다는 것을 의미한다.
또한 일정한 토크(본 실험예는 1 kg·cm)의 부하가 걸린 경우 부하회전수를 볼때에도 종래의 부하회전수 보다 본 발명의 부하 회전수가 더 크게 나타나며 이는 본 발명 모터의 토크가 종래에 비하여 증기된 것을 의미한다.
한편 제5a도 및 제5b도와 같이 본 발명 모터의 진동 모드는 종래 모터의 진동모드에 비하여 약 1/2로 감소된 것을 알 수 있다.
더욱이 본 발명의 모터에 있어서는 로터(23)의 자석구조를 자석 분할 다극 대치 구조 이외에 제2도에 도시된 일체형으로 디스크 형상을 갖는 다극착자 구조를 갖는 것도 물론 가능하다.
한편 제6도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 2단적층 구조의 BLDC 모터를 나타낸 것으로 제3도와 동일한 부재번호는 동일한 요소를 나타낸다. 제3도의 일단 구조와 차이점은 축방향의 2단 구조를 갖고 있다는 점과 부싱(31,31A)의 하부 또는 상부에 부싱고정용 E-링(53,53A)이 결합되어 있는 점이다.
2단 적층 구조의 작용은 상기한 일단 구조의 작용과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 2단 적층 구조에서는 축방향의 진동을 최소화 시킴과 동시에 모터의 출력을 증가시킬 수 있어 모터 설계가 용이해 진다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.
예를 들어 모터 구동 방식에 따라 스테이터 PCB에 실장되는 보빈레스스테이터 코일의 수는 변동될 수 있다. 또한 상기한 방식으로 적층단수를 증가시킴에 의해 모터출력을 용이하게 증가시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는 로터를 중심으로 대칭구조의 자기 회로가 형성되기 때문에 축방향의 진동이 적으며, 토크가 크고 소비전력이 적은 고효율의 모터가 제공될 수 있다.

Claims (5)

  1. 상하방향으로 다수 세트의 N극과 S극의 자석이 교대로 배치된 디스크형 로터와, 상기 로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 상부/하부 케이스와, 상기 로터에 대한 회전 구동력을 발생하며 상기 회전 구동력 발생과 관련하여 축방향 진동을 방지하기 위한 전자기 구동/축방향 진동방지 수단으로 구성되며, 상기 전자기 구동/축방향 진동방지 수단은 각각 상기 상부/하부 케이스의 내주부에 설치되어 인가되는 DC 전류에 응답하여 상기 로터에 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비한 상부/하부 스테이터로 구성되고, 상기 제1 및 제2스테이터 코일은 각각 동일한 축방향 극성 방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 로터에 반대방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 로터는 디스크형 비자성체로 이루어진 지지체와, 상기 지지체에 균등간격으로 교대로 관통 삽입된 다수 세트의 N극 자석과 S극 자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 각 스테이터는 상부/하부 케이스의 내주부에 고정되는 PCB와, 상기 PCB에 실장되는 다수의 보빈레스 코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 로터, 회전축, 상부/하부 케이스, 상부/하부 스테이터로 구성되는 1단의 더블 스테이터 구조의 모터에 축방향으로 적어도 일이상의 더블 스테이터 구조의 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  5. 각각 다수 세트의 N극과 S극의 자석이 교대로 배치된 디스크형태로 서로 소정 간격으로 배치되며, 각 로터의 대향한 자석이 서로 반대 극성을 갖는 제1 및 제2 로터와, 상기 제1 및 제2로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 상부/하부 케이스와, 상기 제1 및 제2 로터에 대한 회전 구동력을 발생하며 상기 회전 구동력 발생과 관련하여 축방향 진동을 방지하기 위한 전자기 구동/축방향 진동방지 수단으로 구성되며, 상기 전자기 구동/축방향 진동방지 수단은 각각 상기 상부 케이스의 내주부와 중앙부에 위치한 인쇄회로기판에 설치되어 인가되는 DC 전류에 응답하여 상기 제1로터에 전자기력을 인가하기 위한 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비하며, 각각의 코일은 동일한 축방향과 극성 방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 제1로터에 반대방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 흐르는 제1 및 제2 스테이터와, 각각 상기 인쇄회로기판과 하부 케이스의 내주부에 설치되어 인가되는 DC 전류에 응답하여 상기 제2로터에 전자기력을 인가하기 위한 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비하며, 각각의 코일은 동일한 축방향 극성방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 제2로터에 반대방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 흐르는 제3 및 제4 스테이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 더블 스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
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