KR100336489B1 - 무정류자 직류 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무정류자 직류 전동기에 관한 것으로, 각각의 코일에 탭을 형성하여 각상이 연속적으로 구성되도록 함으로써, 상변화 시점시에서 발생하는 코일의 역기전력을 상쇄시켜 전자소자의 파손을 방지하고, 고속구간에서의 안정성이 확보되어 저속과 고속 구간의 속도 가변폭을 대폭 늘임으로써 전동기의 적용영역을 확대시키며, 저속에서 고속까지의 속도변화가 매우 원활하게 이루어지도록 하고, 고정자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 복수개의 코일에 일방향의 전류를 흐르게 하여 복수개의 폴에서 발생하는 자극의 폭을 결정하여 전동기의 회전속도 또는 그 회전력을 가변시킬 수 있도록 하며, 전동기의 회전자를 2극, 4극, 6극....n극으로 구성할 수 있도록 함과 아울러, 고정자도 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 구성할 수 있도록 하여 전동기를 매우 다양하게 구성할 수 있도록 한다.

Description

무정류자 직류 전동기{Brushless DC motor}

본 발명은 무정류자 직류 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 각각의 코일에 탭을 형성하여 각상이 연속적으로 구성되도록 함으로써, 상변화 시점시에서 발생하는 코일의 역기전력을 상쇄시켜 전자소자의 파손을 방지하고, 고속구간에서의 안정성이 확보되어 저속과 고속구간의 속도 가변폭을 대폭 늘임으로써 전동기의 적용영역을 확대시키며, 저속에서 고속까지의 속도변화가 매우 원활하게 이루어지도록 한 무정류자 직류 전동기에 관한 것이다.

대한민국 특허공보 제1667호(공고번호 89-4099), 공개특허공보 제171호(공개번호 86-739), 실용신안공보 제801호(공고번호 86-2724) 및 특허공보 제1483호(공고번호 88-2475)등에는 본 발명과 관련된 종래기술의 무정류자 직류 전동기가 개시되어 있다.

이와 같은 종래기술중 예로서, 상기 특허공보 제1667호의 기술내용을 살펴보면, 종래기술은 직류다상 양극성 무정류자 전동기에 관한 것으로, 고정자를 전기자로 회전자를 영구자석으로 구성하고, 고정자의 권선을 통형선륜형으로 구성하면 정현파의 토오크리플을 생성하게 되는 원리의 전동기로서, 마이크로 모터에 적합하도록 하였으며, 고정자 권선을 체인와인딩으로 권선하여 사다리꼴의 토오크리플을 생성하는 원리의 전동기로서 파워모터에 적합하도록 한 것이다.

즉, 도 1은 일반적인 무정류자 직류 전동기의 구성을 나타낸 블록도로서, 도시된 바와 같이 전원공급부(10), 전원스위칭부(20), 고정자(30)와 회전자(31)로 구성된 모터, 정류인코우더(40), 펄스폭변조제어로직(50), 입력버퍼로직(60), 정류로직(70) 및 제어인코우더로직(80)으로 구성된다. 여기서, 정류인코우더(40)에서 회전자(31)의 위치를 감지하여 신호를 발생하면, 정류로직(70)은 전원스위칭부(20)의 트랜지스터(Q1~Q12)를 작동시켜 회전자(31)에 교번전류를 흐르게 하여 전동기가 구동되도록 한다.

도 2a, 도 2b는 종래의 무정류자 직류 전동기의 구성을 나타낸 것으로 도 2a는 고정자의 결선도이고, 도 2b는 4극 회전자의 구성도이다. 또한, 도 3은 도 1의 전원스위칭부와 엔코더의 구성을 상세히 나타낸 회로도이고, 도 4는 도 3의 구성에 따른 회전자의 3상(A,B,C상) 변화상태를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 종래기술은 구동시스템이 각상별로 독립하여 구성된 것이 특징이며, 한 개의 직류전원부에 각상의 구동시스템을 병렬로 연결하였으며, 따라서 전동기의 각상의 코일에는 구형파의 교번전류를 흐르게 함으로서 전동기를 원활하게 구동되도록 한다는 것이다.

또한, 전동기의 회전자(도 2의 A)는 2극, 4극, 6극, 8극....2n극으로 구성할 수 있고, 고정자(도 2의 B)는 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 구성할 수 있다.

또한, 전원스위칭부(도 3 참조)는 각상의 코일 양단에 트랜지스터(Q1~Q12)를 연결하여 1상의 4개의 트랜지스터 Q1~Q4로 구성되고, 각상의 코일양단의 트랜지스터 2개를 1개의 포토트랜지스터에 연결하여 각상은 1상에서 포토트랜지스터 2개를 보유하여 전류방향 결정을 포토트랜지스터의 작동에 따라 행하도록 구성하였다.

도 3의 3상2여자 전동기를 예로서 설명하면, 포토트랜지스터 PA1이 극성검출판(2)의 감지구간에 있으면 신호를 발생시키고 따라서 트랜지스터 Q1, Q4가 작동(ON)하여 전류는 트랜지스터 Q1에서 Q4방향으로 흐른다.

이 경우 포토트랜지스터 PA2는 작동할 수 없는 위치에 있게 된다. 위치가 바뀌어 포토트랜지스터 PA2가 극성검출판(2)의 감지구간에 있게 되면 트랜지스터 Q2. Q3가 작동(ON)하여 전류방향은 반대가 되어 트랜지스터 Q2에서 트랜지스터 Q3로 흐르게 된다. 이 경우 역시 포토트랜지스터 PA1은 작동할 수 없는 위치에 있게 된다.

그러나, 상기와 같은 종래기술들은, 각각의 코일이 각상별로 독립하여 구성되어 있기 때문에, 예로서 3상의 경우 A상에서 B상으로, B상에서 C상으로, C상에서 다시 A상으로 변화하는 시점에서 즉, 트랜지스터의 온/오프 시점에서 순간적으로 코일의 역기전력(통상 입력전압의 3~12배의 전압)이 발생하여 트랜지스터 또는 FET 등의 전자소자를 파손시키는 문제점이 있었다.

더욱이, 상기와 같은 역기전력의 단점을 제거하지 못하므로 고속구간에서 안정성이 확보되지 못하여, 통상의 4극 전동기의 경우 대략 1800RPM, 2극 전동기의 경우 대략 3600RPM의 한계를 넘지 못함으로써 속도의 가변폭이 매우 좁은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래기술의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로 그 목적은, 각각의 코일에 탭을 형성하여 각상이 연속적으로 구성되도록 함으로써, 상변화 시점시에서 발생하는 코일의 역기전력을 상쇄시켜 전자소자의 파손을 방지하고, 고속구간에서의 안정성이 확보되어 저속과 고속구간의 속도 가변폭을 대폭 늘임으로써 전동기의 적용영역을 확대시키며, 저속에서 고속까지의 속도변화가 매우 원활하게 이루어지도록 한 무정류자 직류 전동기를 제공하는데 있다.

또한, 고정자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 복수개의 코일에 일방향의 전류를 흐르게 하여 복수개의 폴에서 발생하는 자극의 폭을 결정하여 전동기의 회전속도 또는 그 회전력을 가변시킬 수 있도록 한 무정류자 직류 전동기를 제공하는데 있다.

또한, 전동기의 회전자를 2극, 4극, 6극....n극으로 구성할 수 있도록 함과 아울러, 고정자도 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 구성할 수 있도록 하여 전동기를 매우 다양하게 구성할 수 있도록 하는 무정류자 직류 전동기를 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 무정류자 직류 전동기의 구성을 나타낸 블록도.

도 2a, 도 2b는 종래의 무정류자 직류 전동기의 구성을 나타낸 것으로,

도 2a는 고정자의 결선도이고,

도 2b는 4극 회전자의 구성도이다.

도 3은 도 1의 전원스위칭부와 엔코더의 구성을 상세히 나타낸 회로도.

도 4는 도 3의 구성에 따른 회전자의 3상(A,B,C상) 변화상태를 나타낸 도면.

도 5a, 도 5b는 본 발명에 따른 무정류자 직류 전동기의 구성을 나타낸 것으로

도 5a는 고정자의 결선도,

도 5b는 4극 회전자의 구성도.

도 6은 도 5의 전원스위칭부의 구성을 상세히 나타낸 회로도.

도 7는 도 6의 구성에 따른 회전자의 3상(A,B,C상) 변화상태를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 전원공급부 20 : 전원스위칭부

30 : 고정자 31 : 회전자

40 : 정류인코우더 50 : 펄스폭변조제어로직

60 : 입력버퍼로직 70 : 정류로직

80 : 제어인코우더로직 L1~L12 : 코일

Q1~Q24 : 트랜지스터

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 다수의 폴에 연속적으로 권선된 코일에 각각의 탭을 형성하여 n개의 상을 구성하는 고정자와, 상기 고정자에 대응되는 수의 자극을 구성하는 회전자와, 상기 탭이 형성된 코일 양단에 4개씩의 트랜지스터를 연속적으로 구성하여 정류인코우더의 입력신호에 의한 상기 트랜지스터의 온/오프 조합으로 전류방향을 결정하도록 하는 전원스위칭부로 구성된다.

상기 코일 양단의 4개의 트랜지스터 중 적어도 2개의 트랜지스터는 그 양단에 인접한 각각의 코일의 전류방향 결정에 영향을 주도록 구성된다.

상기 트랜지스터의 수는 코일 수의 2배(트랜지스터 수 = 코일 수 ×2)인 것이 바람직하다.

상기 고정자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 복수개의 코일에 일방향의 전류를 흐르게 하여 복수개의 폴에서 발생하는 자극의 폭을 결정하여 전동기의 회전속도 또는 그 회전력을 가변시킬 수 있다.

상기 회전자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 2극, 4극, 6극....n극으로 구성할 수 있다.

상기 고정자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 단상, 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 구성할 수 있다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 5a, 도 5b는 본 발명에 따른 무정류자 직류 전동기의 구성을 나타낸 것으로 도 5a는 고정자의 결선도이고, 도 5b는 4극 회전자의 구성도이다. 또한, 도 6은도 5의 전원스위칭부의 구성을 상세히 나타낸 회로도이고, 도 7는 도 6의 구성에 따른 회전자의 3상(A,B,C상) 변화상태를 나타낸 도면이다.

본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 전원공급부(10), 전원스위칭부(20),고정자(30)와 회전자(31)로 구성된 모터, 정류인코우더(40), 펄스폭변조제어로직(50), 입력버퍼로직(60), 정류로직(70) 및 제어인코우더로직(80)으로 구성됨은 종래기술을 통하여 설명한 바와 같다.

다만, 본 발명의 특징은 도 5에 도시된 바와 같이, 고정자(30)는 다수의 폴에 연속적으로 권선된 코일(L1~L12)에 각각의 탭(1~12)을 형성하여 n개의 상(도 5에서는 A,B,C 3상)을 구성하고, 회전자(31)는 상기 고정자(30)에 대응되는 수의 자극을 구성하며, 전원스위칭부(20)는 상기 탭(1~`2)이 형성된 코일(L1~L12) 양단에 4개씩의 트랜지스터(Q1~Q24)를 연속적으로 구성하여 정류인코우더(40)의 입력신호에 의한 상기 트랜지스터(Q1~Q24)의 온/오프 조합으로 전류방향을 결정하도록 한다.

또한, 상기 코일(L1~L24) 양단의 4개의 트랜지스터(Q1~Q4) 중 적어도 2개의 트랜지스터(Q1,Q3 또는 Q2,Q4)는 그 양단에 인접한 각각의 코일(L12,L1 또는 L1,L2)의 전류방향 결정에 영향을 주도록 구성되며, 상기 트랜지스터(Q1~Q24)의 수는 코일(L1~L12) 수의 2배(트랜지스터 수 = 코일 수 ×2)인 것이 바람직하다.

또한, 상기 고정자(30)는 상기 정류인코우더(40)의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부(20)의 트랜지스터(Q1~Q24)의 온/오프 상태에 따라 복수개의 코일(L1~L12)에 일방향의 전류를 흐르게 하여 복수개의 폴에서 발생하는 자극의 폭을 결정하여 전동기의 회전속도 또는 그 회전력을 가변시킬 수 있다.

또한, 상기 회전자(31)는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 2극, 4극, 6극....n극으로 구성할 수 있고, 상기 고정자(30)는 단상, 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 구성할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 작용을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 5에 구성된 3상(A,B,C상) 4극 전동기를 예로서 설명하면, 먼저 A상을 구성하기 위하여 정류인코우더(40)에서는 A11, A12, A13 및 A14에 입력신호를 발생시킨다.

따라서, 전원스위칭부(20)에서는 상기 정류인코우더(40)의 신호에 의하여 상기 트랜지스터(Q1~Q24)중 트랜지스터 Q1,Q4와, Q9, Q8과, Q13,Q16과, Q20,Q21이 각각 작동(ON)한다. 이때 전류는 Q1에서 Q4방향으로, Q9에서 Q8방향으로, Q13에서 Q16방향으로, Q21에서 Q20방향으로 흐른다.

마찬가지로 B상과 C상을 구성하기 위하여 B11, B12, B13, B14와, C11, C12, C13, C14에도 입력신호가 발생되며, 고정자(30)의 코일(L1~L12)에는 도 7에 도시된 바와 같은 방향으로 전류가 발생하게 되어 전동기가 회전한다.

역방향 회전시에는 상기 정류인코우더(40)에서 A21, A22, A23, A24와, B21, B22, B23, B24와, C21, C22, C23, C24에 입력신호를 발생시켜 전동기를 역방향으로 회전시킬 수 있다.

또한, 상기 고정자(30)는 상기 정류인코우더(40)의 입력신호 및 이에 따른전원스위칭부(20)의 트랜지스터(Q1~Q24)의 온/오프 상태에 따라 복수개의 코일(L1~L12)에 일방향의 전류를 흐르게 하여 복수개의 폴에서 발생하는 자극의 폭을 결정하여 전동기의 회전속도 또는 그 회전력을 가변시킬 수 있다.

또한, 본 발명은 전원스위칭부(20) 및 정류인코우더(40)의 입력신호에 의하여 상기 회전자(31)를 2극, 4극, 6극....n극으로 구성할 수 있고, 상기 고정자(30)를 단상, 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 다양하게 구성할 수 있다.

따라서, 본 발명은 각각의 코일(L1~L12)에 탭(1~12)을 형성하여 각상이 연속적으로 구성되도록 함으로써, 상변화 시점시에서 발생하는 코일(L1~L12)의 역기전력을 상쇄시켜 전자소자(Q1~Q24)의 파손을 방지하고, 고속구간에서의 안정성이 확보되어 저속과 고속구간의 속도 가변폭을 대폭 늘임으로써 전동기의 적용영역을 확대시키며, 저속에서 고속까지의 속도변화가 매우 원활하게 이루어지는 것이다.

또한, 전동기의 안정성이 확보되어 헌팅의 문제가 없으므로 저속구간에서 이너셔와 토크가 대단히 좋게 되며, 특히 중속구간 즉 저속에서 고속으로 전환하는 시점에서의 안정성이 대단히 높은 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 또한 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 기재된 청구범위 내에 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 의하면, 각각의 코일에 탭을 형성하여 각상이 연속적으로 구성되도록 함으로써, 상변화 시점시에서 발생하는 코일의 역기전력을 상쇄시켜 전자소자의 파손을 방지하고, 고속구간에서의 안정성이 확보되어 저속과 고속구간의 속도 가변폭을 대폭 늘임으로써 전동기의 적용영역을 확대시키며, 저속에서 고속까지의 속도변화가 매우 원활하게 이루어지는 효과가 있다.

또한, 상기 고정자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 복수개의 코일에 일방향의 전류를 흐르게 하여 복수개의 폴에서 발생하는 자극의 폭을 결정하여 전동기의 회전속도 또는 그 회전력을 가변시킬 수 있는 효과도 있다.

또한, 전동기의 회전자를 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 2극, 4극, 6극....n극으로 구성할 수 있도록 함과 아울러, 고정자도 단상, 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 구성할 수 있도록 하여 전동기를 매우 다양하게 구성할 수 있도록 하는 효과도 있다. 또한, 전동기의 안정성이 확보되어 헌팅의 문제가 없으므로 저속구간에서 이너셔와 토크가 대단히 좋게 되며, 특히 중속구간 즉 저속에서 고속으로 전환하는 시점에서의 안정성이 대단히 높은 효과도 있다.

Claims (6)

1. 다수의 폴에 연속적으로 권선된 코일에 각각의 탭을 형성하여 n개의 상을 구성하는 고정자와,

   상기 고정자에 대응되는 수의 자극을 구성하는 회전자와,

   상기 탭이 형성된 코일 양단에 4개씩의 트랜지스터를 연속적으로 구성하여 정류인코우더의 입력신호에 의한 상기 트랜지스터의 온/오프 조합으로 전류방향을 결정하도록 하는 전원스위칭부로 구성되는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 전동기.
2. 제 1항에 있어서, 상기 코일 양단의 4개의 트랜지스터 중 적어도 2개의 트랜지스터는 그 양단에 인접한 각각의 코일의 전류방향 결정에 영향을 주도록 구성되는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 전동기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 트랜지스터의 수는

   코일 수의 2배(트랜지스터 수 = 코일 수 ×2)인 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 전동기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 고정자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 복수개의 코일에 일방향의전류를 흐르게 하여 복수개의 폴에서 발생하는 자극의 폭을 결정하여 전동기의 회전속도 또는 그 회전력을 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 전동기.
5. 제 1항에 있어서, 상기 고정자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 단상, 2상, 3상, 4상, 5상, 6상....n상으로 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 전동기.
6. 제 1항에 있어서, 상기 회전자는 상기 정류인코우더의 입력신호 및 이에 따른 전원스위칭부의 트랜지스터의 온/오프 상태에 따라 2극, 4극, 6극....n극으로 구성할 수 있는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류 전동기.