KR100415493B1

KR100415493B1 - 무변출력 무정류자 직류전동기

Info

Publication number: KR100415493B1
Application number: KR10-2001-0051145A
Authority: KR
Inventors: 이이수
Original assignee: 이이수
Priority date: 2001-08-23
Filing date: 2001-08-23
Publication date: 2004-01-24
Also published as: KR20030017042A

Abstract

본 발명은 무정류자 직류 전동기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하 변동시에도 출력을 안정되게 하는 무변 출력 무정류자 직류전동기에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 고정자와, 회전자와, 감지영역과 비감지 영역으로 구분 구성되고, 축의 한 끝에 외부형으로 구성된 정류 엔코더와, 각 상에 2개씩 설치되고 각 상의 하프 H 브리지에 연결되어 각 하프 H 브리지의 온/오프(ON/OFF)를 담당하는 광센서를 구비하여 이루어진 전동기에 있어서, 회전자는 막대형 영구자석을 다수의 공극이 형성된 규소강판의 적층판 속에 삽입 고정시키고, 적층판은 비자성 허브(hub)의 더브 테일형 홀더에 조합된 내부형 회전자이고, 정류 엔코더는 상기 n개의 상(相) 중에서 a( 1<a≤n-1)개의 상이 여자되도록 a개의 광센서가 감지할 수 있게 감지영역의 간격을 구성한 것이다. 따라서 본 발명에 의하면, 고정자를 상별, 극별로 병렬 권취함으로써 저전압으로도 고출력을 낼 수 있는 전동기를 구현할 수 있고, 상호 연결이 없는 권취방식이므로 자동생산이 가능하여 비용이 절감되고, 대량 생산이 가능하고, 극변경 영역에 위치한 상에는 전류를 입력하지 아니하므로 냉각시스템이 필요 없고, 전동기의 효율이 향상되는 효과가 있다

Description

무변출력 무정류자 직류전동기 { Constant-power brushless DC motor }

본 발명은 무정류자 직류 전동기(Brushless DC motor: BLDC)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 부하 변동시에도 출력을 안정되게 하는 무변 출력 무정류자 직류전동기에 관한 것이다.

일반적으로, 무정류자 직류 전동기(BLDC 전동기)는 종래의 브러시(Brush)를 부착한 직류 전동기와 같이 기계적인 접점을 가지지 않으므로 잡음이 발생되지 않고 수명도 길어지는 장점이 있기 때문에 산업용기기, 가전기기, 운송기기 등의 전동기로서 널리 사용되고 있다. 이러한 무정류자 직류 전동기는 영구자석으로 된 회전자의 자극에 맞춰 고정자 권선에 인가되는 전류의 상을 제어하기 위해 회전자의 위치센서로서 홀(hole) 센서를 사용하고 있다.

한편, 종래의 전동기에서 직류 전동기는 브러쉬와 정류자가 마모되고,파워(power)형 전동기의 경우 6,000rpm 이상의 고속회전이 불가능하며, 그 구조가 복잡함과 아울러 비용도 비싼 문제점이 있고, 교류 인버터 전동기(AC invertor motor)는 기동 토오크(start torque)가 약하고, 제어기의 비용이 고가이며, 무변 출력(constant-power)이 되지 않는 문제점이 있다. 그리고 자기저항 전동기(Reluctance motor)는 비용과 크기 및 무게 면에서 다른 전동기에 비하여 열악하고, 제어기의 비용도 고가이며, 무변 출력이 되지 않는 문제점이 있다.

이와 같이, 종래의 직류 전동기는 비용과 제작에서 한계성이 있고, 제어기(controller)도 4 상한 제어(4 quadrant control)가 요구되므로 비용이 고가이며, 무변출력이 되지 않는 문제점이 있다. 또한, 소형 전동기로서 무정류자 직류전동기가 널리 사용되고 있지만 회전의 불균일과, 토오크 리플(torque-ripple), 발열 등의 문제로 인해 사용상에 제한이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 부하 변동시에도 출력을 안정시킬 수 있는 무변출력 무정류자 직류전동기를 제공함을 그 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 무변출력 무정류자 직류전동기에 관한 블록도,

도 2a, 2b는 본 발명에 따른 무변출력 무정류자 직류전동기의 개략도,

도 3a는 본 발명에 따른 5상 6극 전동기의 고정자를 도시한 도면,

도 3b는 본 발명에 따른 5상 6극 전동기의 고정자 권선의 도면,

도 4a, 4b, 4c는 본 발명에 따른 회전자의 예,

도 5는 본 발명에 따른 5상 전동기의 극성 제어 계통을 도시한 회로도,

도 6은 5상 6극 전동기에서 3상이 여자되는 경우, 출력되는 토오크 개략도,

도 7a는 8상 6극 전동기에서 3상 간격이 어드밴스드 정류되는 것을 나타내는 도면,

도 7b는 8상 6극 전동기에서 5상 간격이 어드밴스드 정류되는 것을 나타내는 도면,

도 8은 본 발명의 무변 출력 무정류자 직류전동기의 무변 출력 특성을 나타내는 도면이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

102: 직류전원부 104: 전원 스위칭부

106: 구동부 108: 입력부

110: PWM제어부 112: 속도제어부

114: 극성제어부 120: BLDC 전동기

121: 본체 122: 정류 엔코더

123: 제어 엔코더 125: 고정자

126: 회전자 127: 축

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 본 발명은, 각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 고정자 권선하고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며, n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류전원에 연결되고, n개의 다상으로 구성된 고정자와; 여자 영역(exciting area)에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성된 회전자와; 감지영역과 비감지 영역으로 구분 구성되고, 축의 한 끝에 외부(external)형으로 구성된 정류 엔코더와; 각 상에 2개씩 설치되고 각 상의 하프 H 브리지에 연결되어 각 하프 H 브리지의 온/오프(ON/OFF)를 담당하는 광센서를 구비하여 이루어진 전동기에 있어서, 상기 회전자는 막대형(bar type) 영구자석을 다수의 공극이 형성된 규소강판의 적층판 속에 삽입 고정시키고, 적층판은 비자성 허브(hub)의 더브 테일형(dove tail type) 홀더(holder)에 조합된 내부형 회전자이고, 상기 정류 엔코더는 상기 n개의 상(相) 중에서 a( 1<a≤n-1)개의 상이 여자되도록 a개의 광센서가 감지할 수 있게 감지영역의 간격을 구성하되 n개의 상(相)중 몇 개의 상을 여자할 것인가는 상기 감지영역의 간격에 따라 결정되며, 감지영역의 간격(축 각도)은 다음 수학식 1에 의하여 결정되고, 엔코더상의 감지영역의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정되며, 센서판 상의 각 광센서의 설치 간격은 다음 수학식 2에 의해 결정되어 n개의 상 중에서 a 개의 상은 항시 여자되고 b(b=n-a)개의 상은 항시 여자되지 않는 것을 특징으로 한다.

(수학식 1)

감지영역의 간격(°) = (360°×여자하고자 하는 상수)/(회전자의 극수×전동기의 상수),

(수학식 2)

각 광센서의 간격(°)=360°/(회전자의 극수×전동기의 상수)

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 양호한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 직류 전동기의 전체 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 직류(DC)전원부(102)와 전원 스위칭부(104), 구동부(106), 입력부(108), PWM제어부(110), 속도제어부(112), 극성제어부(114), 무정류자 직류(BLDC) 전동기(120)로 구성된다.

도 1에서, 직류전원부(102)는 상용 교류전원을 정류하여 직류로 변환하여 사용하거나 배터리로 구현되어 전원 스위칭부(104)에 직류전원(V+,V-)을 제공하고, 전원 스위칭부(104)는 구동부(106)의 구동신호에 따라 전력반도체소자(스위칭소자)를 온/오프하여 직류전원부(102)의 전원을 BLDC 전동기(120)의 고정자 권선에 전달한다. 여기서, 전원 스위칭부(104)는 고정자 권선에 직류전원을 인가하기 위한 것이므로, 전동기의 종류(즉, 고정자 권선의 상 수)에 따라 구성이 달라질 수 있는데, 본 발명의 실시예에서는 고정자 권선을 5상으로 한 경우를 보여 준다. 그리고 하나의 상을 구동하기 위해서는 4개의 스위칭소자(Q1~Q4)가 필요한데, 이들이 'H'자 형태로 연결되므로 'H브리지'라고 하고, 전원 스위칭부(104)는 다수의 H브리지로 이루어진다. 스위칭 소자로는 트랜지스터, IGBT, MOSFET, FET 등이 널리 사용된다.

입력부(108)는 조작자의 조작에 의해 전동기의 회전속도를 지령하는 지령신호를 제공하고, PWM제어부(110)는 입력부(108)의 지령값과 속도제어부(112)의 제어신호에 따라 전동기의 회전속도를 제어하기 위한 PWM신호를 발생한다. 예컨대, 전기자전거의 경우에 자전거의 핸들에 장착된 그립의 조작에 따라 지령값이 정해진다.

속도제어부(112)는 폐루프 제어시에 BLDC 전동기(120)로부터 제어 엔코더 신호를 입력받아 속도제어신호를 PWM제어부(110)에 제공하고, 극성제어부(114)는 BLDC 전동기(120)로부터 광센서신호를 입력받아 구동부(106)에 제공하며, 구동부(106)는 극성제어부(114)의 광센서신호와 PWM제어부(110)의 PWM신호를 입력받아 전원 스위칭부(104)의 스위칭 소자를 제어하기 위한 구동신호를 제공한다.

본 발명에 따른 BLDC 전동기(120)는 고정자의 상수와 회전자의 극수를 적용대상의 요건에 따라 자유롭게 설계할 수 있으나 본 발명의 실시예에서는 고정자가 5상이고, 회전자 극수는 6극(3개의 N극과 3개의 S극)으로 된 경우를 예로 들어 설명한다. 이러한 본 발명의 전동기(120)는 2, 3, 4, 5, 6....n개 상의 다상형의 전동기로서, 여자되는 2, 3, 4, 5, .... a(<1a≤n-1)개의 상과 여자되지 않는 2, 3, 4, 5, ....b(b=n-a)개 상으로 구성하여 1개의 상(相)씩 교번(交番)하여 기동, 회전하는 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명의 BLDC 전동기(120)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 고정자(125)와 회전자(126)로 된 전동기 본체(121)와, 회전자(126)와 동일 축(127)상에 연결되는 정류 엔코더(122), 및 제어 엔코더(123)로 이루어진다.

본 발명의 실시예에서 정류 엔코더(122)와 제어 엔코더(123)는 본체의 뒷면브래킷 밖의 회전자의 축(shaft) 한쪽에 외부형으로 설치되어 회전자(126)와 함께 회전한다. 그리고 정류 엔코더(122)는 감지영역과 비감지영역을 갖는 원형판(502)과 광센서(PA1~PE2)가 설치된 센서판(sensor board:504)으로 구성되는데, 센서판(504)은 브래킷의 원주상에 설치된다. 이때, 센서판(504)은 어드밴스드 정류(advanced commutation)가 될 수 있는 위치로 조정하여 설치하는 것이 바람직하다.

제어 엔코더(123)는 환상판에 필요한 홈을 파서 광센서가 펄스를 방출할 수 있도록 구성하는데, 홈의 크기와 분할 각도는 전동기의 속도제어나, 위치제어의 특성에 따라 적절히 구성한다. 도 2b에서 참조번호 124는 본체 케이스이다.

그리고 본 발명에 따른 BLDC 전동기의 고정자(125)는 도 3a에 도시된 바와 같이, 규소강판(이하, 적층판이라고도 한다)에 권취용 슬롯(winding slot)(302)이 형성되어 있고, 이와 같은 슬롯(302)에 도 3b에 도시된 바와 같은 고정자 권선이 권취되어 있다.

도 3a 및 3b를 참조하면, 본 발명의 실시예에서 5상 6극형의 고정자의 권선을 위해 30개의 슬롯이 형성되어 있고, 5상(A~E상)은 각 상별로 독립적으로 병렬로 권취되어 있다.

그리고 본 발명에 따른 직류전동기의 회전자는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 영구자석으로 구성되거나 도 4c에 도시된 바와 같이 전자석으로 구성된다.

도 4a는 본 발명에 따른 6극형 영구자석 회전자(126)의 일 실시예인 내부형 회전자(17)를 도시한 도면이다. 도 4a를 참조하면, 내부형 회전자(17)는막대형(bar type) 영구자석(171)을 다수의 공극(172)이 형성된 규소강판의 적층판(173) 속에 삽입 고정시키고, 적층판은 비자성 허브(hub)의 더브 테일형(dove tail type) 홀더(holder)(174)에 조합하여 내부형 회전자(17)를 구성한다.

도 4b는 본 발명에 따른 6극형 영구자석 회전자(126)의 다른 실시예인 외부형 회전자(27)로서 팬케이크형(pan-cake type)의 영구자석 회전자(27)를 도시한 도면이다. 도 4b를 참조하면, 외부형 회전자(27)는 영구자석(271), 공극(272), 적층판(273), 홀더(274)로 이루어진다.

도 4c는 본 발명에 따른 6극형 영구자석 회전자(126)의 다른 실시예로서, 슬립 링형(slip ring type)의 전자석 회전자(37)를 도시한 도면이다. 도 4c를 참조하면, 규소강판으로 된 적층판(373)에 다수의 공극(372)이 형성되어 있고, 그 내부에 코일(375)이 권취되어 있으며, 자성 허브로 된 홀더(374)에 적층판을 조합하여 구성하였으며 회전자 축(11)을 거쳐 결선된 코일을 통해 통전된다. 도 4a, 4b에서 미설명부호 11은 축을 나타낸다.

한편, 본 발명에 따른 정류 엔코더(commutator encoder)(122)는 도 5에 도시된 바와 같이, 감지영역(506)과 비감지영역을 갖는 원형판(502)과 광센서들(PA1~PE2)이 부착된 센서판(504)으로 구성된다. 원형판(504)의 감지영역(오목하게 파인 부분:506)과 비감지영역(나머지 부분)은 후술하는 바와 같이, 고정자 상수와 회전자 극수 및 여자되는 상수에 따라 정해지는데, 원형판(504)은 회전자의 축(127)과 함께 회전하면서 감지영역(506)에서 광센서(photo sensor)를 온시켜 해당 고정자 권선이 여자되게 하고, 비감지영역에서는 해당 광센서를 오프시켜 해당 고정자 권선이 여자되지 못하도록 한다. 특히, 본 발명에서는 감지영역의 크기를 적절히 조절하여 n개의 상중에서 a개의 상만이 여자되게 한다.

그리고 본 발명에서 각 상은 2개의 광센서(Photo Sensor) (PA1,PA2; PB1, PB2; ..; PE1, PE2)를 갖고 정류 엔코더(122)와 연계하여 작동할 수 있도록 구성된다. 한 상이 갖는 한 개의 광센서와 다른 한 개의 광센서는 회전자의 극(極) 간격 각도 상에 격리하여 배치되고, 각 상의 각 광센서는 상의 간격 각도 상에 순서대로 배치된다. 이와 같이 n상일 경우 2n개의 광센서가 회전자의 위치를 감지하고, 광센서의 감지신호는 전원 스위칭부(switching stage)(104)에 전달되어 고정자 권선에 흐르는 전류의 방향과 간격(interval)을 지시하여 전동기를 기동하고 회전하게 한다.

한편, 본 발명에서 전원 스위칭부(104)는 도 5에 도시된 바와 같이, 5개의 풀 H 브리지 (full H bridge)로 구성되어 정류 엔코더(122)의 광센서신호에 따라 해당 스위칭 소자(Q₁~Q₂₀)를 온/오프한다.

도 5를 참조하면, A상의 H브리지는 PA1 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q₁,Q₄)와 PA2 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q₂,Q₃)로 이루어지고, 그 사이에는 A상의 고정자 권선이 연결되어 있다. B상의 H브리지는 PB1 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q₅,Q₈)와 PB2 광센서신호에 의해 온/오프되는 스위칭소자(Q₆,Q₇)로 이루어지고, 그 사이에는 B상의 고정자 권선이 연결되어 있으며, 동일한 방식으로 C상 내지 E상의 H브리지가 연결되어 있다.

그리고 정류 엔코더의 센서판(504)에는 A상에 대응하는 한쌍의 광센서 PA1과 PA2가 소정의 방식으로 정해진 간격을 두고 설치되어 있고, B상에 대응하는 한쌍의 광센서 PB1과 PB2가 PA1과 PA2에 이어 설치되어 있으며, 동일한 방식으로 광센서 PC1, PD1, PE1, .. PC2, PD2, PE2가 연결되어 있다. 이 때, 한쌍의 광센서는 회전자의 극을 감지하기 위한 것으로서, PA1이 회전자의 N극을 감지할 때 PA2는 회전자의 S극을 감지하도록 배치되어야 하고, 동일한 방식으로 광센서들이 배치되어 한쌍의 광센서가 동시에 온되는 경우가 발생되지 않도록 해야 한다. 특히, 본 발명에서는 n개의 상 중에서 여자되는 상수를 n-1 이하로 하고, 어드밴스드 정류를 위해 광센서의 위치를 적절히 조절하여 성능을 개선하였다.

도 5에 도시된 본 발명의 실시예에서는 5상 중에서 3상이 여자되는 경우를 보여준다. 즉, PA1과 PE1으로 순차 배열된 N극을 감지하는 광센서 중에서 PA1, PB1, PC1 광센서가 감지영역에서 온되어 A상 H브리지의 스위칭소자(Q₁,Q₄), B상 H브리지의 스위칭소자(Q₅,Q₈), C상 H브리지의 스위칭 소자(Q₉,Q₁₂)를 온시키고 나머지 스위칭 소자는 오프되어 있다. 따라서, A상 내지 C상의 고정자 권선에는 화살표 방향으로 전류가 흐르게(즉, 여자) 된다.

다른 한편, 본 발명에 따라 정류 엔코더(122)를 구현함에 있어서 감지영역(506) 즉, 발광을 인식하는 부분에 위치하는 광센서의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정된다. 그리고 감지영역의 간격(축의 각)은 다음의 수학식 1에의해 결정된다.

따라서, 예시된 5상 6극 전동기에서는 3상만 여자되는 전동기를 구성하므로 감지영역의 축의 각은 36°이다.

도 5에서 한 상이 여자되는 예를 들면, 한 상의 하프 H 브리지 Q₁과 Q₄에 연결된 광센서(PA1)와 한 상의 다른 하프 H 브리지 Q₂와 Q₃에 연결된 광센서(PA2)는 각각 다른 극의 같은 위치에 설치된다. 따라서, 회로에 통전이 되면 한 상의 광센서(PA1)는 감지영역 안에 위치하고 있으므로 정(+) 펄스를 송출하게 되고, 이에 따라 H 브리지의 Q₁과 Q₄를 온(on)하게 되어 고정자 권선이 통전되어 Q₁과 Q₄가 루프(loop)시킨 해당 고정자 권선이 여자(exciting)된다.

한편, 회전자(126)가 회전을 하는 동안, 하프 H 브리지 Q₁과 Q₄의 온(on)되는 간격은 정류 엔코더(122)의 감지영역의 폭과 같게 된다. 즉, Q₁과 Q₄의 하프 H 브리지의 여자되는 간격은 축각도 36°이다. 다음 축각도 24°(60°∼36°) 동안은 광센서(PA1) 및 광센서(PA2)도 비감지 영역 상에 있게 되어 한 상의 H 브리지의 Q₁,Q₄,Q₂,Q₃는 모두 오프(off) 상태에 있게 된다. 다음에 광센서(PA2)가 광센서(PA1)와 같이 정류 엔코더(122)의 회전에 따라 Q₂, Q₃를 온(on)하게 되어 한 상은 독립적으로 회전자(126)를 기동 회전하도록 통전된다.

도 5의 센서판 상에 광센서의 설치간격(°)은 다음 수학식 2에 의해 결정된다.

따라서, 예시된 도 5의 광센서는 10개이고, 설치간격은 12°이다. 각 상의 두 광센서의 간격은 360。/회전자의 극수이다. 따라서, 광센서(PA1)과 광센서(PA2)의 간격은 60°이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 5상 6극 전동기에서 3상은 항상 여자되고, 2상은 항상 비여자 상태가 된다. 따라서, 각 상의 여자되는 간격(전기 각)은 다음 수학식 3에 의하여 결정된다.

그리고 각 상의 비여자되는 간격(전기 각)은 다음 수학식 4에 의하여 결정된다.

따라서, 도 5의 각 상의 여자되는 전기 각은 108°이고, 비여자되는 전기 각은 72°이다.

도 6은 본 발명에 따른 5상 6극 전동기의 각 광센서의 송출펄스와, 전류의 입력방향과 토오크의 간격과 윤곽을 도시한 것이다. 정류 엔코더(122)의 감지영역의 간격에 따라 각 광센서가 송출하는 펄스와 같은 간격의 전류가 코일에 통전되고, 토오크가 생성된다. 따라서, 부분 구형파(partial wave)의 전류가 입력되고, 구형 토오크의 파워가 출력된다. 따라서, 도 6에서 5상 6극 전동기가 3상은 항상 여자되어 있으며, 2상은 항상 비여자 상태인 것을 알 수 있다. 따라서, 토오크의 합계는 직선 토오크 스킴(scheme)이 된다.

도 5와 도 6의 도시에서 알 수 있는 바와 같이, 다상 다극의 전동기를 몇 상이 항상 여자되게 할 것인가의 설계는 정류 엔코더의 감지영역의 간격을 얼마로 할 것인가에 의하여 결정되는 것이다.

따라서, 본 발명의 전동기는 극 변경 영역(pole changing area)에서 발생하는 모든 문제를 해결하고, 또한 고속회전이 원활히 되기 위해서는 어드밴스드 정류(Advanced Commutation)가 필요하여 다상 중 하나의 상 이상의 비여자상이 존재하도록 고안된 것이다. 여기서, 전동기가 전기에너지를 기계에너지로 전환하는 과정에서 고정자의 코일에 통전하여 여자되어서 액티브(active) 자속이 기자력(magnetic motive force)을 발생시키는 타이밍과 고속 회전하는 회전자의 패시브(passive) 자속이 작용되는 타이밍은 액티브 자속이 패시브 자속보다 지연되기 마련이다. 따라서, 이 타이밍을 맞게 하기 위하여 어드밴스드 정류가 필요하게 된다.

도 7a는 본 발명의 다른 실시예에서 8상 6극 전동기에서 5상만 여자되게 한 경우이고, 도 7b는 같은 8상 6극 전동기에서 3상만 여자되게 한 경우이다.

도 7a 및 도 7b를 참조하면, 도 7b의 전동기는 도 7a의 전동기보다 더 고속으로 회전시킬 수가 있다. 나아가 초고속 전동기를 구성할 때에는 극성 제어부(114)에서 마이크로프로세서 장치에 의거 각 광센서를 전진 배치시킨 상기 각 광센서와 전자결합 변경하여서 속도에 맞게 점진적으로 어드밴스드 정류(advanced commutation)할 수가 있다.

도 8은 무변 출력 무정류자 직류전동기의 토오크와 속도의 관계를 나타내는 도면이다. 도 8에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 직류전동기는 토오크와 속도의 관계가 변하지 않는 출력 특성을 가진다.

또한, 본 발명의 직류전동기는 순방향(CW) 및 역방향(CCW) 회전 능력을 갖으므로 양방향성 작용(bi-directional operation)을 제공한다. 즉, 극성제어부(114)에서 각 상이 보유하고 있는 이중 광센서(dual photo sensor)를 전자결합 변경하면 전동기는 정방향에서 역방향으로 또는 역방향에서 정방향으로 원활히 기동하고 회전할 수 있다. 광센서의 전자결합 변경을 5/1000(sec) 이내로 빈번히 하면 양방향성 작용이 원활히 된다. 그리고 본 발명의 전동기는 리니어형으로도 구현될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고정자를 상별, 극별로 병렬 권취함으로써 저전압으로도 고출력을 낼 수 있는 전동기를 구현할 수 있고, 상호 연결이 없는 권취방식이므로 자동생산이 가능하여 비용이 절감되고, 대량 생산이 가능하다.

또한, 회전자의 영역에 자속이 집중되게 구성하여 고정자의 액티브 자속에 상응하는 회전자의 패시브 자속이 되게 하므로써 영구자석으로 된 회전자로 대출력의 전동기를 가능하게 하고, 회전자의 표면을 기계 가공하여 에어갭(공극;air-gap)을 최소화하여 전동기의 효율을 향상시켰으며, 회전자의 극수, 크기, 모양을 제약 없이 구성할 수 있으므로 길이방향 전동기나 팬케이크형 전동기 등 용도에 맞게 자유로이 설계할 수 있다.

더욱이, 풀 사인파나 풀 구형파를 사용하는 종래의 전동기는 극 변경영역에서 제동 토오크, 역기전력(back EMF), 리액턴스(인덕티브 리액턴스와 캐패시티브 리액턴스), 고조파 등이 발생하여 전동기에 철손이나 동손을 유발시키고, 제어기에 충격을 주며, 전동기에 열을 발생시키므로 냉각시스템이 필요하게 되고 효율이 나빠지는 문제점이 있으나, 본 발명의 전동기는 극변경 영역에 위치한 상에는 전류를 입력하지 아니하므로 상기한 모든 문제를 해결하여 냉각시스템이 필요 없고, 전동기의 효율이 향상되는 효과가 있다.

그리고 고정자나 회전자를 같은 규소강판으로 적층하였으므로 자속밀도나 투자율을 동일하게 하여 전류와 토오크의 특성이 양호하고, 전류와 속도의 관계 특성도 양호하므로 불변 출력 특성을 갖게 되며, 모든 속도영역에 걸쳐 효율이 유사하게 된다.

한편, 일반적인 전동기의 토오크는 정현파형(sinusoidal) 토오크이거나 트레피조덜(trapezoidal) 토오크이다. 따라서, 토오크 리플의 문제가 있으나, 본 발명의 전동기는 각 상의 권취 코일에 부분 구형파를 입력하므로서, 각 상은 구형 토오크 설계를 구현하더라도 합계 토오크는 리니어 토오크가 되므로 토오크 리플이 없으며, 이에 따라 원활하게 기동하고 원활히 회전하게 된다. 그리고 부분(partial) 구형파는 rms 토오크 용량과 피크(peak) 토오크 용량을 최대화시킬 수 있으므로, 본 발명에 따른 전동기는 경박 단소(輕薄短小)하고 효율이 높으며, 본 발명의 전동기를 위한 제어기는 크로스 파이어(cross fire) 방지 연동기가 불필요하므로 회로가 간단하여 신뢰성이 우수하고, 비용이 절감된다.

Claims

(정정)각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 고정자 권선하고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각 풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며, n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류전원에 연결되고, n개의 다상으로 구성된 고정자와; 여자 영역(exciting area)에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성된 회전자와; 감지영역과 비감지 영역으로 구분 구성되고, 축의 한 끝에 외부(external)형으로 구성된 정류 엔코더와; 각 상에 2개씩 설치되고 각 상의 하프 H 브리지에 연결되어 각 하프 H 브리지의 온/오프(ON/OFF)를 담당하는 광센서를 구비하여 이루어진 전동기에 있어서,

상기 회전자가

막대형(bar type) 영구자석을 다수의 공극이 형성된 규소강판의 적층판 속에 삽입 고정시키고, 적층판은 비자성 허브(hub)의 더브 테일형(dove tail type) 홀더에 조합된 내부형 회전자이고,

상기 정류 엔코더는

감지영역과 비감지영역을 갖는 원형판과, 광센서들이 부착된 센서판으로 구성되고, 상기 n개의 상(相) 중에서 a( 1<a≤n-1)개의 상이 여자되도록 a개의 광센서가 감지할 수 있게 감지영역의 간격을 구성하되

n개의 상(相)중 몇 개의 상을 여자할 것인가는 상기 감지영역의 간격에 따라 결정되며, 감지영역의 간격(축 각도)은 다음 수학식 1에 의하여 결정되고, 엔코더상의 감지영역의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정되며, 상기 센서판 상의 각 광센서의 설치 간격은 다음 수학식 2에 의해 결정되어 n개의 상 중에서 a 개의 상은 항시 여자되고, b(b=n-a)개의 상은 항시 여자되지 않으며,

상기 풀 H 브리지는 상기 정류 엔코더의 광센서신호에 따라 해당 스위칭 소자를 온/오프하는 것을 특징으로 하는 무변 출력 무정류자 직류전동기.

(수학식 1)

감지영역의 간격(°) = (360°×여자하고자 하는 상수)/(회전자의 극수×전동기의 상수),

(수학식 2)

각 광센서의 간격(°)=360°/(회전자의 극수×전동기의 상수)
(정정) 각 상(相)을 각 극별로 독립적으로 병렬로 고정자 권선하고 상호 연결 없이 각 권선 코일은 n개의 각 풀 H 브리지(full H bridge)에 연결되며, n개의 풀 H 브리지는 병렬로 직류전원에 연결되고, n개의 다상으로 구성된 고정자와; 여자 영역(exciting area)에 자속 집중이 되도록 필요한 극수로 구성된 회전자와; 감지영역과 비감지 영역으로 구분 구성되고, 축의 한 끝에 외부(external)형으로 구성된 정류 엔코더와; 각 상에 2개씩 설치되고 각 상의 하프 H 브리지에 연결되어 각 하프 H 브리지의 온/오프(ON/OFF)를 담당하는 광센서를 구비하여 이루어진 전동기에 있어서,

상기 회전자는

규소강판으로 된 적층판에 다수의 공극이 형성되고, 그 내부에 코일이 권취되어 있으며, 자성허브로 된 홀더에 상기 적층판이 조합된 슬립 링형(slip ring type)의 전자석 회전자이고,

상기 정류 엔코더는

감지영역과 비감지영역을 갖는 원형판과, 광센서들이 부착된 센서판으로 구성되고, 상기 n개의 상(相) 중에서 a( 1<a≤n-1)개의 상이 여자되도록 a개의 광센서가 감지할 수 있게 감지영역의 간격을 구성하되

n개의 상(相)중 몇 개의 상을 여자할 것인가는 상기 감지영역의 간격에 따라 결정되며, 감지영역의 간격(축 각도)은 다음 수학식 1에 의하여 결정되고, 정류 엔코더상의 감지영역의 수는 회전자의 극수/2에 의해 결정되며, 상기 센서판 상의 각 광센서의 설치 간격은 다음 수학식 2에 의해 결정되어 n개의 상 중에서 a 개의 상은 항시 여자되고 b(b=n-a)개의 상은 항시 여자되지 않으며,

상기 풀 H 브리지는 상기 정류 엔코더의 광센서신호에 따라 해당 스위칭 소자를 온/오프하는 것을 특징으로 하는 무변 출력 무정류자 직류전동기.

(수학식 1)

감지영역의 간격(°) = (360°×여자하고자 하는 상수)/(회전자의 극수×전동기의 상수),

(수학식 2)

각 광센서의 간격(°)=360°/(회전자의 극수×전동기의 상수)