KR100213573B1 - 더블로터방식의 코어레스형 비엘디씨 모터 - Google Patents

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KR100213573B1 KR1019960000977A KR19960000977A KR100213573B1 KR 100213573 B1 KR100213573 B1 KR 100213573B1 KR 1019960000977 A KR1019960000977 A KR 1019960000977A KR 19960000977 A KR19960000977 A KR 19960000977A KR 100213573 B1 KR100213573 B1 KR 100213573B1
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Abstract

본 발명은 코어레스 브러시레스 디씨(Coreless brushless D.C.)(이하 코어레스 형 비엘디씨(BLDC)라 한다) 모터에 관한 것으로, 특히 스테이터의 상/하부에 한쌍의 로터를 대칭 구조로 배치하는 것에 의해 코어/코어레스형의 장점은 극대화시키고 단점을 제거하여 로터의 축방향 진동을 억제하고 고 토크(torque) 및 저소비전력화를 실현할 수 있는 더블 로터 방식의 코어레스형 BLDC 모터에 관한 것이다.
본 발명의 코어레스형 BLDC 모터는 다수 세트의 자석이 교대로 배치된 디스크형 제1 및 제2 로터와, 상기 로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 좌/우측 케이스와, 각각 상기 제1 및 제2 로터 사이에 소정의 간극을 두고 설치되어 상기 제1 및 제2 로터에 서로 반대방향의 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스-스테이터 코일을 구비한 제1 및 제2 스테이터로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는 스테이터를 중심으로 대칭구조의 자기회로가 형성되기 때문에 축방향의 진동이 적으며, 토크가 크고 소비전력이 적은 고효율의 모터가 제공될 수 있다.

Description

더블로터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터
제1도는 종래의 코어레스형 BLDC 모터 구조를 보여주는 축방향 단면도.
제2도는 본 발명에 따른 더블 로터/스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터 구조를 여주는 축방향 단면도.
제3도는 제2도에 도시된 로터 구조를 보여주는 평면도.
제4a도 및 4b도는 또다른 로터 구조를 보여주는 평면도 및 측면도.
제5도는 제2도에 도시된 본 발명의 모터 조립 방법을 설명하기 위한 일부분해 사시도.
제6a도 및 6b도는 본 발명에 따른더블 로터/스테이터 BLDC 모터와 종래의 싱글 로터 BLDC 모터의 진동량을 나타낸 그래프.
제7도는 본 발명에 따른 2단 더블 로터/스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터 구조를 보여주는 단면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
5 : 자석 5A, 5B : N극 및 S극 자석
20A : 좌측케이스 20B : 우측케이스
20C : 중간 케이스 21 : PCB
23, 23A : 부싱 25, 26 : 스테이터 코일
27, 29 : 제1 및 제2 스테이터 31 : 회전축
33, 35 : 제1 및 제2 로터 37 : 요크
39, 41 : 좌측 및 우측 베어링 43A, 43B : E-링
45A~45D : N극 자석 45E~45H : S극 자석
본 발명은 코어레스 브러시레스 디씨(Coreless brushless D.C.)(이하 코어레스 형 비엘디씨(BLDC)라 한다)모터에 관한 것으로, 특히 스테이터의 상/하부에 한쌍의 로터를 대칭 구조로 배치하는것에 의해 코어/코어레스형의 장점은 극대화시키고 단점을 제거하여 로터의 축방향 진동을 억제하고 고 토크(torque) 및 저소비전력화를 실현할 수 있는 더블 로터 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 마그네스(1)와 요크(3)로 이루어진 로터(5)가 회전축(7)에 고정 결합되고, 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 동일방향을 갖는 상/하 방향의 자기회로가 형성되므로 스테이터의 흡입 또는 반발력과 스테이터의 불균일한 착자에 기인하여 베어링(15) 사이에 완충 스프링(17)을 삽입시킬지라도 축방향의 진동이 구조걱으로 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 없는관계로 양호한 반면에 회전소음에 진동 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 더블로터/단일 스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 적층형 다단구조에 의해 출력증가가 용이하며, 저소비 전력화와 저렴한 비용으로 제조 가능한 구조를 갖는 코어레스형 BLDC 모터를 제공하는데 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 각각 다수 세트의 N극과 S극의 자석이 교대로 배치된 디스크 형태로 서로 소정 간격으로 배치되며, 각 로터의 대향한 자석이 서로 반대극성을 갖는 제1 및 제2 로터와, 상기 로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상긱회전축을 회전가능하게 지지하는 좌/우측 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 제1 및 제2 로터 사이에 소정이 간극을 두고 설치되며 인가되는 DC 전류에 응답하여 상기 제1 및 제2 로터에 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비한 제1 및 제2 스테이터로 구성되고, 상기 제1 및 제2 스테이트 코일은 각각 상기 제1 및 제2 로터의 대응한 자석이 반대극성을 가질 때 동일한 축방향 극성 방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 제1 및 제2 로터에 반대방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 더블 로터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터를제공한다.
상기와 같이 본 발명에 있어서는 제1 및 제2 더블 로터의 중간에 각각 다수의 권선된 스테이터 코일이 PCB 좌우측에 실장된 이중 스테이터 구조를 갖고 있어, 전체적으로 스테이터 및 로터 회전축에 대하여 대칭구조의 자기회로를 형성한다.
이 경우 대응하는 제1 및 제2 스테이터의 스테이터 코일은 제1 및 제2 회전로터의 대응하는 각 자석편을 서로 흡인하거나 또는 서로 반발하게 코일의 권선 방향과 전류흐름 방향이 설정되어 있다. 따라서 제1 및 제2 로터는 제1 및 제2 스테이터에 의해 서로 반대방향의 흡인력 또는 반발력을 받게 되어, 각 스테이터에 의해 제1 및 제2 로터에 작용되는 흡인력 또는 반발력은 서로 상쇄되므로 로터의 축방향 진동은 최소화된다.
더욱이 제1 및 제2 더블 로터 및 더블 스테이터에 의해 단일 로터/스테이터 구조보다 스테이터 코일이 2배로 증가하게 되고 필드 자석 또한 2배로 증가하였으므로 구동전류 및 자속밀도가 2배로 증가하게 된다. 그 결과 단일 로터/스테이터 구조보다 적어도 2배 이상이 토크를 얻을 수 있다.
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
제2도는 본 발명에 따른 더블 로터/스테이터 방식의 코어레스형 BLDC 모터구조를 보여주는 축방향 단면도이고, 제3도는 로터에 대한 평면도, 제4a도 및 4b도는 또다른 로터 구조를 보여주는 평면도 및 측면도이다.
제2도는 도시된 바와 같이 본 발명의 BLDC 모터는 좌/우측 케이스(20A,20B)의 중간에 고정된 PCB(21)의 양면에 배치되며, 각각 다수의 세트의 보빈레스 스테이터 코일(25,26)이 실장되어 구성되는 제1 및 제2 스테이터(27,29)와, 상기 제1 및 제2 스테이터(27,29)의 좌/우측에 소정의 에어갭을 두고 각각 N극과 S극이 교대로 착자된 디스크 형상으로 중앙부가 부싱(23)을 통하여 회전축(31)에 고정결합된 제1 및 제2 로터(33,35)를 구비하고 있다.
상기 제1 및 제2 로터(33,35)는 각각 제3도에 도시된 바와같은 환형 디스크 형상을 이루며, N극(5A)과 S극(5B)이 교대로 착자된 필드자석(5)과 요크(37)로 구성되어 있다.
한편, 상기 제1 스테이터(27)와 제2 스테이터(29)는 서로 동일한 구조를 갖고 있으며, 예를들어 제1 스테이터(27)는 PCB(21)의 좌측면에 3상 구동 방식에서는 3개의 스테이터 코일(25)이 6개로 나뉘어져서 보빈레스 방식으로 권선되어 실장된후 Y방식으로 결선되고, 2상 구동의 전파구동 방식에서는 2개의 스테이터 코일(25)이 8개로 권선 실장되어 직렬방식으로 결선된다. 또한 제2 스테이터(29)는 PCB(21)의 우측면에 같은 방식으로 스테이터 코일(26)이 실장된 구조를 갖는다.
좌측 케이스(20A)와 우측 케이스(20B)의 중앙부는 각각 좌/우측 베어링(39,41)를 통하여 로터(33,35)의 회전축(31)과 회전 가능하게 결합되어 있다. 더욱이 부싱(23)과 회전축(31) 사이에는 부싱(23)을 고정시키기 위한 E-링(43A,43B)이 결합되어 있다. 또한 PCB(21)의 일측편에는 스테이터 코일(25,26)에 대한 구동전류를 공급하기 위한 콘넥터(44)가 고정되어 있다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 코어레스형 BLDC 모터의 작용 및 효과를 이하에 설명한다.
제2도에 도시된 바와 같이 본 발명에서는 제1 및 제2 로터(33,35)를 회전구동시키기 위한 제1 및 제2 스테이터(27,29)가 제1 및 제2 로터(33,35)의 중간에 대칭구조로 배치되어 있고, 제1 및 제2 스테이터(27,29)의 대응하는 스테이터 코릴(25,26)은 서로 반대 방향의 자속방향을 이루도록 코일의 권선방향과 전류 흐름 방향이 설정되어 있다.
따라서 이와같이 제1 및 제2 스테이터(27,29)의 대응하는 스테이터 코일(2다섯가지26)에 의해 형성되는 기자력의 방향이 서로 반대가 되도록 설정되어 있으므로 제1 및 제2 로터(33,35)의 회전에 따라 축방향으로 N-S 또는 S-N자석 방향을 갖는 N극 자석(5A) 또는 S극 자석(5B)이 위치할 경우, 대응하는 스테이터 코일(25,26) 사이에 서로 동일하게 반발력(F1) 또는 흡인력(F2)이 작용하게 된다.
이 경우 제1 및 제2 스테이터(27,29)와 제1 및 제2 로터(33,35) 사이의 반발력(F1) 또는 흡인력(F2)은 서로 반대방향으로 작용하므로 상쇄된다. 그 결과 종래와 같은 축방향의 진동이 최소화된다.
또한 상기한 본 발명의 더블 로터/스테이터 구조에서는 필드자석과 스테이터 코일 각각 이중이므로 코일에 흐르는 전류와 이에 의한 자속밀도가 종전의 단일 로터/스테이터 구조보다 2배로 증가하게 되므로 구동 토크 또한 2배 이상 증가하게 되며, 그 결과 모터의 출력도 증가된다.
[실시예]
제1도 치 제2도에 도시된 종래 모터와 본 발명 모터를 동일한 측정 조건하에서 전기적 특성(DC 24 V 기준0 및 진동 모드를 하기장치들을 이용하여 측정하고, 전기적 특성을 하기 표 1에 도시하고 진동 모드 측정 결과를 제6a도 및 6b도에 도시하였다.
* 테스트 장치 *
A 진동 픽업 및 증폭부 : KEYENCE GA-245
B. 스토리지 스코프 : TEKTRONICS 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 실험에는 1kg·cm)의 부하가 걸린 경우 부하회전수를 볼때에도 종래의 부하회전수 보다 본 발명의 부하 회전수가 더 크게 나타나며 이는 본 발명 모터의 토크가 종래에 비하여 증가된 것을 의미한다.
나타났편 제6a도 및 6b도와 같이 본 발명 모터의 진동 모드는 종래 모터의 진동모드에 비하여 약 1/2로 감소된 것을 알 수 있다.
더욱이 본 발명의 모터에 있어서는 로터(33,35)의 자석구조를 제3도와 같이 일체형으로 디스크 형상을 갖는 다극착자 구조를 갖는 것 이외에 제4a도 및 4b도와 같은 자석 분할 다극 배치 구조를 갖는 것도 물론 가능하다.
자석 분할 다극 배치 구조는 제4도와 같이 4개의 N극 자석(45A∼45D)과 4개의 S극 자석(45E∼45H)으로 된 8개의 분할 자석(45A∼45H)이 비자성체로된 지지체(47)에 관통 삽이된 구조를 갖는다.
이러한 자석 분할 다극 배치 구조는 제3도의 일체형 다극 착자 구조에서 N극 과 S극 간의 접합부분(19)이 자력이 약한 부분으므로 로터의 기동에 영향을 미치지 않는 부분이 자성재료를 최적화시켜서 절감시킬 수 있는 구조이다.
제5도는 본 발명의 BLDC 모터 조립 방법을 설명하기 위한 분해 단면도로서, 설명의 편의상 대칭구조의 절반만을 도시한 것이다.
본 발명의 모터를 조립할 때에는 먼저 좌측 베어링(39)이 중앙부에 고정설치된 좌측 케이스(20A)에 제1 로터(33)가 고정된 회전축(31)을 결합한 후, 제1 및 제2 스테이터(27,290가 설치된 PCB(21)를 조립한다.
이어서 제2로터(35)가 고정된 부싱(23)을 회전축(31)에 결합한 후 E-링(43B)을 사용하여 고정시킨다. 끝으로 우측 베어링(41)이 고정설치된 우측 케이스(20B)를 조립하여 PCB(21)를 고정시킨다.
한편 제7도는 본 발명의 다른실시예에 따른 2단 적층 구조의 BLDC모터를 나타낸 것으로 제2도와 동일한 부재번호는 동일한 요소를 나타낸다. 제2도의 일단 구조와 차이점은 축방향의 2단 구조의 BLDC 모터를 형성한다는 점과 부싱(23,23A)의 좌/우측에 부싱고정용 E-링(43A∼43D)이 결합되어 있는 점과, 좌/우측 케이스(20A,20B)사이에 중간 케이스(20C)가 추가되어 있다는 점이다.
이러한 2단 적층 구조의 작용은 상기한 일단 구조의 작용과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 2단 적층 구조에서는 축방향의 진동을 최소화시킴과 동시에 모터의 출력을 증가시킬 수 있어 모터 설계가 용이해진다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경 과 수정이 가능할 것이다.
예를 들어 모터 구동 방식에 따라 스테이터 PCB에 실장되는 보빈레스 스테이터 코일의 수는 변동될 수 있다. 또한 상기한 방식으로 모터 적층단수를 증가시킴에 의해 모터출력을 용이하게 증가시킬 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명에 있어서는 스테이터를 중심으로 대칭구조의 자기회로가 형성되기 때문에 축방향의 진동이 적으며, 토크가 크고 소비전력이 적은 고효율의 모터가 제공될 수 있다.

Claims (5)

  1. 각각 다수 세트의 N극과 S극의 자석이 교대로 배치된 디스크 형태로 서로 소정 간격으로 배치되며, 각 로터의 대향한 자석이 서로 반대극성을 갖는 제1 및 제2로터와, 상기 로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상기 회전축을 회전가능하게 지지하는 좌/우측 케이스와, 상기 로터에 대한 회전 구동력을 발생하며 있기 회전 구동력 발생과 관련하여 축방향 진동을 방지하기 위하여 전자기 구동/축방향 진동방지 수단으로 구성되며, 상기 전자기 구동/축방향 진동방지 수단은 각각 상기 제1 및 제2 로터 사이에 소정의 간극을 두고 설치되며 인가되는 DC 전류에 응답하여 상기 제1 치 제2 로터에 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비한 제1 및 제2 스테이터로 구성되고, 상기 제1 및 제2 스테이터 코일은 각각 상기 제1 및 제2 로터의 대응한 자석의 반대 극성을 가질 때 동일한 축방향 극성 방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 제1 및 제2 로터에 반대방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 더블로터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 로터는 디스크형 비자성체로 이루어진 지지체와, 상기 지지체에 균등간격으로 교대로 삽입된 다수 세트의 N극 자석과 S극 자석으로 구성된 것을 특징으로 하는 더를 로터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 스테이터는 좌/우측 케이스의 중간에 고정되는 PCB와, 상기 PCB의 좌/우측면에 실장되는 다수의 보빈레스 코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 더블 로터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 로터, 좌/우측 케이스, 회전축, 제1 및 제2 스테이터로 구성되는 1단의 더블 로터/스테이터 구조의 모터에 축방향으로 적어도 일이상의 더블로터/스테이터 구조의 모터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 더블로터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
  5. 각각 다수 세트의 N극과 S극의 자석이 교대로 착자되고 디스크 형태로 서로 소정 간격으로 배치되며, 각 로터의 대향한 자석이 서로 반대극성을 갖는 제1 및 제4 로터와, 상기 제1 및 제3 로터 사이의 중간에 설치되며 다수의 세트의 N극과 S극의 자석이 교대로 착자될 때 대향한 다른 로터의 자석과 서로 반대극성으로 착자된 디스크형이 제2 및 제3로터와, 상기 제1 내지 제4로터의 중앙에 부싱을 통해 결합된 회전축과, 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 좌/우측 케이스와, 상기 좌/우측 케이스를 연결하는중간 케이스와, 상기 제1 내지 제4로터에 대한 회전 구동력을 발생함과 동시에 상기 회전구동력 발생과 관련하여 축방향 진동을 방지하기 위한 전자기 구동/축방향 진동방지 수단으로 구성되며, 상기 전자기 구동/축방향 진동방지 수단은 각각 상기 좌측 케이스와 중간 케이스에 의해 외주부가 고정된 제1 인쇄회로기판의 양측면상에 설치되며 인가되는 DC 전류에 응답하여 상기 제1 및 제2 로터에 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비하며, 상기 스테이터 코일은 각각 상기 제1 및 제2 로터의 대응한 자석이 반대 극성을 가질 때 동일한 축방향 극성 방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 제1 및 제2 로터에 반대방향으로 인가되는 전자지력을 발생하도록 전류가 흐르는 제1 및 제2 스테이터와, 각각 상기 중간 케이스와 우측 케이스에 의해 외주부가 고정된 제2인쇄회로기판의 양측면상에 설치되며 인가되는 DC전류에 응답하여 상기 제3 및 제4로터에 전자기력을 인가하기 위해 다수의 보빈레스 스테이터 코일을 구비하며, 상기 스테이터 코일은 각각 상기 제3 및 제4 로터의 대응한 자석이 반대 극성을 가질 때 동일한 축방향 극성 방향을 갖는 자기 플럭스를 발생하며 상기 제3 및 제4로터에 반대방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 흐르는 제3 및 제4 스테이터로 구성되는 것을 특징으로 하는 더블로터/스테이터 방식의 코어레스형 비엘디씨 모터.
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