KR100427791B1

KR100427791B1 - 다상모터

Info

Publication number: KR100427791B1
Application number: KR10-1999-0034058A
Authority: KR
Inventors: 홍알렉스; 홍인-넝; 차이밍-치; 옌헝-센; 황치엔-친
Original assignee: 선온웰스 일렉트릭 머신 인더스트리 컴퍼니 리미티드
Priority date: 1999-08-18
Filing date: 1999-08-18
Publication date: 2004-04-30
Also published as: KR20010018206A

Abstract

본 발명의 다상모터는 적어도 두 개의 자기전도세트 및 각각의 자기전도세트를 구동하는 구동회로를 포함한다. 각 위상에 대한 구동회로는 홀센서(Hall sensor)에 의하여 제어된다. 자기전도세트는 특정 기계적 각위상차(mechanical angular phase difference)를 갖도록 위치된다. 또한, 홀센서도 특정 기계적 각위상차를 갖도록 위치되어 검출시간이 특정 위상만큼 시프트된다. 따라서, 각각의 위상 구동회로의 전류파형이 특정 전기적 위상각차(electrical phase angle difference)를 발생시켜 브러시리스 직류모터(brushless D.C. motor)가 다상모터로의 기능을 할 수 있다.

Description

다상모터 {MULTIPHASE MOTOR}

본 발명은 브러시리스 직류모터(brushless direct current motor)구조, 특히 고정자 기계구조의 각위치(angular position)를 변경시킴으로써 다상모터의 기능을 가지는 브러시리스 직류모터 구조에 관한 것이다.

종래의 단상 직류모터는 한 세트의 코일, 두 세트의 실리콘 강판, 및 홀센서에 의한 검출의 조정하에 코일의 여자(excitation)를 제어하는 제어회로를 포함하는 것이 일반적이다. 자석 여자작용은 제어회로가 2상 전원의 일방향 또는 단상전원의 양방향을 단지 제어할 수 있기 때문에 단상/전파형(single phase/full wave type)이라고 할 수 있다.

다양한 구조의 브러시리스 직류모터가 있다. 예를 들면, 1999년 1월 1일 "STATOR HAVING DUAL LAYER WINDINGS"라는 명칭으로 공고된 대만실용신안 공보 제349711호에는 다층 구조를 사용하여 코일의 개수를 증가시키고, 따라서 모터토크가 증가되는 다층 자기전도세트에 관하여 개시되어 있다. 그러나, 시동에 대한 불감대(dead zone) 문제 및 코깅토크(cogging torque) 문제는 해소되지 않고 있다.

1997년 8월 21일 "MOTOR STRUCTURE"라는 명칭으로 공고된 대만실용신안 공보 제314284호에는 두 세트의 자기전도세트 사이에 실리콘 강판의 보조 극 (auxiliary pole)을 제공하고 두 세트의 자기전도세트의 권선방향을 서로 동일하거나 또는 반대로 하여 상이한 극성을 제공함으로써 시동에 대한 불감대가 제거되는 것으로 제안되어 있다. 그러나, 상기 모터는 단상/전파 자석여자의 범위 이내에서 동작한다. 즉, 단상/전파 자석여자로 인한 코깅토크 문제 및 원활하지 못한 회전은 여전히 남아있다. 따라서, 종래의 단상 전파 브러시리스 모터는 높은 동작 정밀도 및 안정성을 필요로 하는 생산 적용, 예를 들면, 모터를 DVD(digital versatile discs) 또는 CD-ROM(compact disc-read only memory)에 적용할 때 경쟁력이 부족하다.

전술한 단상모터와 달리, 종래의 3상모터는 코일을 여자할 때 120°의 전기적 위상각차를 가지는 3상 자석 여자코일을 사용하여 시동할 때 불감대 문제 및 전술한 단상모터의 코깅토크 문제를 방지함으로써 모터의 전후 회전을 위한 스위칭이 원활하게 될 수 있다. 그러나, 이러한 기술은 3상모터가 3상 전원 및 단상 직류모터의 회로와 크게 상이한 회로를 사용하기 때문에 단상 직류모터에는 적용될 수 없다.

본 발명은 전술한 문제를 경감 및/또는 제거하는 다상모터를 제공하려는 것이다.

본 발명의 주된 목적은 종래의 단상 브러시리스 직류모터 구조로부터 다상을 가진 브러시리스 직류모터를 제공하도록 직접 변형된 브러시리스 직류모터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 비자성물질(non-magnetic material)에 의하여 분리되고 각각의 구동회로와 협동하는 두 개의 자기전도세트를 사용하여 모터 고정자 구조를 형성한다. 두 개의 홀센서가 검출위치 사이의 위상 각(phase angle)차가 위상의 개수 및 자극의 개수에 관련된 특정의 검출위치에 제공된다. 홀센서의 특정의 검출위치에 의하여, 두 개의 자기전도세트 상의 코일의 여자시간이 특정의 위상차(예를 들면, 90°전기 위상각차)를 가져서 다상 브러시리스 직류모터 구조를 형성한다.

본 발명의 다른 목적, 구체적인 장점, 및 신규 특징은 첨부도면을 참조하여 개시된 다음의 상세한 설명 및 바람직한 실시예로부터 더욱 명백하게 될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다상모터의 고정자 및 회전자의 분해사시도이고,

도 2 (A) ∼ (D)는 극판, 홀센서, 및 회전자의 자극 사이의 관련위치를 예시하는 개략도로서, 도 2 (A)에서 t=to, 도 2 (B)에서 t=to + T/4, 도 2 (C)에서 t= to + T/2, 및 도 2 (D)에서 t=to + 3T/4이고,

도 3은 회전자 자석의 상이한 위치에서의 구동전류의 동작도이고,

도 4는 본 발명에 따른 다상모터의 바람직한 실시예의 분해사시도이고,

도 5는 본 발명에 따른 다상모터의 고정자의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다상모터(multiphase motor)는 두 개의 자기전도세트(magnetic conducting set)(1, 2), 자기차폐판(magnetic shielding plate)(3), 회전자 자석(rotor magnet)(4), 및 회로판(circuit board)(5)을 포함하는 것이 일반적이다. 각각의 자기전도세트(1, 2)는 실리콘 강판(silicon steel plate) 및 권선(winding)(13, 23)으로 제조된 상측 및 하측 극판(polar plate)(11, 12) 및 (21, 22)을 포함한다. 자기전도세트(1, 2)는 자기차폐판(3)에 의하여 분리되어 자기전도세트(1, 2)의 적절한 자기회로루프(magnetic circuit loop)가 보장된다. 회로판(5)은 코일(13, 23)을 각각 자석 여자시키는 구동회로를 포함한다. 구동회로는 검출기(detector)로서 작용하는 독립된 홀센서(Hall sensor)(51, 52)를 포함한다. 각각의 코일(13, 23)은 법선(normal)이 그 축방향을 따라 연장되도록 감겨서 축방향 자속(magnetic flux)이 발생된 다음 극판(11, 12, 21, 22)에 의하여 안내되어 반경방향 자속으로 되어 에어갭으로 들어간다. 대안으로서, 코일(13, 23)은 법선이 반경방향을 따라 연장되도록 감길 수 있다. 회전자 자석(4)은 자기전도세트(1, 2)와 동축으로 장착되고 여자된 극판(11, 12, 21, 22)에 의하여 제공된 회전토크에 의하여 회전하도록 구동될 수 있다.

도 2 (A) ∼ (D)는 극판, 홀센서(51, 52), 및 회전자 자석(4)의 극 사이의 상대적인 위치를 예시한다. 각각의 자기전도세트(1, 2)에는 3개의 돌출된 극이 있다. 회전자 자석(4)은 세 쌍의 N-S극을 가진다. 홀센서(51, 52)가 자기전도세트(1, 2)용의 구동회로를 각각 제어한다. 도 2 (A) 및 도 2 (B)를 참조하면, N극이 인접하는 N극으로 회전하는데 필요한 시간을 "T"로 한정한다. 회전자 자석(4)의 상이한 위치에 대응하는 극판의 여자된 자극 변화는 다음과 같다:

(1) 도 2 (A)는 시간 t=to일 때 회전자 자석(4)의 위치를 예시한다. 이 때, 두 개의 상측 극판(11, 21) 양자 모두는 N극으로 여자되는 한편 두 개의 하측 극판(12, 22) 양자 모두는 S극으로 여자된다.

(2) 도 2 (B)는 시간 t=to + T/4일 때 회전자 자석(4)의 위치를 예시한다. 이 때, 홀센서(51)는 최대 자계를 발생하는 회전자 자석의 N극에 가장 근접하여 위치된다. 따라서, 신호가 전송되어 극판(12, 21)은 N극으로 여자되는 한편 극판(11, 22)은 S극으로 여자되도록 극판(11, 12)의 극성을 변경시킨다.

(3) 도 2 (C)는 시간 t=to + T/2일 때 회전자 자석(4)의 위치를 예시한다. 이 때, 홀센서(52)는 최대 자계를 발생하는 회전자 자석의 S극에 가장 근접하여 위치된다. 따라서, 신호가 전송되어 극판(12, 22)은 N극으로 여자되는 한편 극판(11, 21)은 S극으로 여자되도록 극판(21, 22)의 극성을 변경시킨다.

(4) 도 2 (D)는 시간 t=to + 3T/4일 때 회전자 자석(4)의 위치를 예시한다. 이 때, 홀센서(51)는 최대 자계를 발생하는 회전자 자석의 S극에 가장 근접하여 위치된다. 따라서, 신호가 전송되어 극판(11, 22)은 N극으로 여자되는 한편 극판(12, 21)은 S극으로 여자되도록 극판(11, 12)의 극성을 변경시킨다.

(5) 시간 t=to + T일 때 회전자 자석(4)은 도 2 (A)에 나타낸 위치로 복귀한다. 이 때, 홀센서(52)는 최대 자계를 발생하는 회전자 자석의 N극에 가장 근접하여 위치된다. 따라서, 신호가 전송되어 극판(11, 21)은 N극으로 여자되는 한편 극판(12, 22)은 S극으로 여자되도록 극판(21, 22)의 극성을 변경시킨다.

상기 다섯 단계는 정확하게 코일(13, 23) 중 어느 하나의 여자전류의 스퀘어 펄스파(square pulse waves)(도 3 참조) 기간인 기간 T를 갖는 사이클을 형성한다. 두 개의 자기전도세트(1, 2) 여자 사이의 전기적 위상각차는 90°(1/4 전기적 위상각)이고, 한편 기계적 각위상차는 90°/회전자 극의 개수(3) = 30°이다. 각각의 완전한 사이클에 4번의 전기적 위상변화가 있어서 2상 전파 모터로서 작용한다. 본 발명은 2상 전파형 구동회로를 사용하여 두 개의 자기전도세트(1, 2)의 여자를 제어하기 때문에 시동에 대한 불감대 문제가 방지된다. 또한, 구동회로 사이의 전기적 위상각차가 90°이기 때문에 전후 회전 및 원활한 회전이 효과적으로 제어될 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 다상모터의 바람직한 실시예의 분해사시도이다. 모터는 고정자코일 어셈블리(6), 회전자 자석(64), 회로판(65), 차축관(axle tube)(66), 및 베이스(67)를 포함한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 고정자코일 어셈블리(6)는 두 개의 자기전도세트(61, 62) 및 자기차폐판(63)을 포함한다. 각각의 자기전도세트(61, 62)는 보빈(bobbin)(613, 623)이 그들 사이에 샌드위치된 두 세트의 극판(611, 612)(621, 622)을 포함한다. 각각의 극판은 일체로 형성되거나 또는 복수로 적층된 얇은 실리콘 강판을 포함한다. 극판은 이 극판과 회전자 자석(64) 사이의 반경방향 에어갭을 통과하도록 그 둘레에 감긴 권선(winding)에 의하여 발생된 축방향 자속을 안내하려는 것이다. 극판은 플럭스 안내기능이 달성되도록 다른 자기전도물질로 형성될 수 있다. 각각의 자기전도세트(61, 62)는 6개의 반경방향으로 돌출된 극을 포함한다. 그러나, 돌출된 극의 개수는 다른 양의 정수일 수 있다. 돌출된 극의 개수(K)는 회전자의 영구자석 극의 개수에 비례하여야 한다. 이 비율은 특정의 양의 정수이거나 또는 특정의 양의 정수의 역수일 수 있다. 자기전도세트(61, 62)의 각을 이룬 위치 사이의 간격은 회전자 자석(64)의 극에 관계가 있다. 보빈(613, 623)에 코일이 감겨서 축방향 자속을 발생한다. 보빈(613, 623)은 비자성물질로 제조되며 자기차폐판(63)의 대응하는 구멍(631)과 결합되는 페그(peg)(614, 624)를 포함한다. 보빈(613, 623)은 플라스틱 성형사출에 의하여 형성되는 것이 바람직하다. 자기차폐판(63)은 보빈(613)과 보빈(624) 사이에 장착되어 자기회로를 분리하고, 구멍(631)을 포함하여, 전술한 바와 같이, 보빈(613, 623)의 페그(614, 624)와 결합된다. 자기차폐판(63)은 구리, 알루미늄, 고무 또는 다른 비자성물질로 형성되어 자기회로를 두 개의 자기전도세트(1, 2) 상에 분리시킬 수 있다.

본 실시예에는 세 쌍의 극을 가진 회전자 자석이 사용되었다. 즉, 각각의 자기전도세트(61, 62)의 극의 개수는 회전자 자석의 극의 개수와 동일하다(즉, 비율이 1임). 그러나, 모터의 코깅토크를 감소시켜 양호한 동작 특성을 얻고자 하는 경우 이 비율은 분수일 수 있다. 6개의 극을 가진 각각의 자기전도세트(61, 62)에 대한 기계 완전상(mechanical full phase)이 30°{90°/회전자의 극 쌍의 수(3)}이기 때문에 자기전도세트(61)의 극판(611, 612)은 자기전도세트(62)의 극판(621, 622)에 대하여 30°의 기계적 각위상차로 위치되어야 한다.

자기전도세트(61 및 62) 사이에 기계적 각위상차를 정밀하고 확실하게 고정하기 위하여, 보빈(613, 623)에 그루브가 제공되어 페그(614, 624)외에 추가로 극판(611, 612)(621, 622)이 보빈(613, 623) 및 자기차폐판(63)의 구멍(631)에 위치된다. 보빈(613, 623)에 구멍을 제공하고 자기차폐판(63)의 두 개의 면 상에 페그를 제공하면 동일한 효과가 달성될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

회로판(65)은 구동회로를 포함하여 코일(613, 623)을 각각 여자한다. 홀센서를 검출기로서 사용하여 종래의 브러시리스 직류모터용의 구동회로―여기서 구동회로는 두 개의 홀센서를 사용하여 동시 위상 변화시킴―와 동일한 두 세트의 트랜지스터를 제어한다. 두 개의 홀센서 사이에 특정의 각위치 차이가 있어서 각각의 여자 위상의 시간 차이가 전기적 위상각의 90°이다.

어셈블리에 있어서, 고정자코일 어셈블리(6)는 차축관(66)을 거쳐 회로판(65)과 결합된 다음 베이스(67)에 동축으로 장착된다. 다음에, 회전자 자석(64)이 그 샤프트(641)에 의하여 동축으로 장착되므로 자기토크를 받을 시 고정자에 대하여 회전할 수 있다. 따라서, 다상모터가 형성된다.

상기 개시에 따르면, 브러시리스 직류모터가 다상모터로서의 기능을 할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명을 전술한 바와 같은 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 취지 및 범위를 일탈하지 않고 여러 가지 다른 변형 및 변경이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 첨부된 청구범위가 이러한 변형 및 변경이 본 발명의 진정한 범위에 포함되도록 커버하는 것으로 생각된다.

본 발명은 2상 전파형 구동회로를 사용하여 두 개의 자기전도세트의 여자를제어하기 때문에 시동에 대한 불감대 문제가 방지된다. 또한, 구동회로 사이의 전기적 위상각차가 90°이기 때문에 전후 회전 및 원활한 회전이 효과적으로 제어될 수 있다.

Claims

두 세트의 극판(11, 12)(21, 22) 및 한 세트의 코일(13, 23)을 각각 포함하는 두 개의 자기전도세트(1, 2);

상기 두 개의 자기전도세트(1, 2)와 동축이며 복수 쌍의 극을 포함하는 회전자; 및

상기 두 개의 자기전도세트의 여자 전류를 각각 제어하기 위해 2상 전류파형 출력 및 두 세트의 검출소자(51, 52)를 포함하는 제어회로

를 포함하고,

상기 두 개의 자기전도세트(1, 2) 사이에는 자기차폐판(3)이 제공되고, 상기 두 개의 자기전도세트(1, 2)의 상기 극판(11, 12)(21, 22)은 일정한 기계적 각위상차(fixed mechanical angular phase difference)를 갖도록 위치되며,

상기 검출소자(51, 52) 각각은 상기 두 개의 자기전도세트(1, 2)가 일정한 전기적 위상각차(fixed electrical phase angle difference)를 갖도록 일정한 기계적 각위상차를 갖도록 위치되는 다상모터.
제1항에 있어서,

상기 코일(13, 23)이 축방향을 따라 보빈(613, 623)에 감긴 다상모터.
제1항에 있어서,

상기 두 개의 자기전도세트(1, 2)의 극판(11, 12)(21, 22) 위치의 일정한 기계적 각위상차가 (360°/회전자 극의 쌍의 개수) x 1/4의 식에 의하여 결정되는 다상모터.
제1항에 있어서,

고정자의 돌출 극의 개수 대 상기 회전자의 극의 개수 비율이 양의 정수 또는 양의 분수인 다상모터.
제1항에 있어서,

상기 극판(11, 12)(21, 22)이 복수의 적층된 얇은 실리콘 강판에 의하여 형성되는 다상모터.
극판(611, 612)(621, 622)을 장착하기 위한 두 개의 측면을 포함하는 보빈(613, 623)을 각각 포함하는 두 개의 자기전도세트(61, 62);

상기 두개의 자기전도세트(61, 62) 사이에 제공되어 상기 두 개의 자기전도세트(61, 62)의 자기회로를 분리시키는 자기차폐판(63);

상기 두 개의 자기전도세트(61, 62)와 동축이며 복수 쌍의 극을 포함하는 회전자; 및

상기 두 개의 자기전도세트(61, 62)의 여자 전류를 제어하기 위해 두 개의 검출소자(51, 52), 및 구동회로를 포함하는 제어회로

를 포함하고,

상기 두 개의 자기전도세트(61, 62)의 극판(611, 612)(621, 622)은 일정한 기계적 각위상차를 갖도록 위치되는 다상모터.
제6항에 있어서,

상기 자기차폐판(63)이 자신과 접촉하는 상기 두 개의 보빈(613, 623)의 측면 상에 제공된 페그(peg)(614, 624)와 결합하는 복수의 구멍(631)을 포함하는 다상모터.
두 세트의 극판(11, 12)(21, 22) 및 한 세트의 다상코일(13, 23)을 각각 포함하는 적어도 두 개의 자기전도세트(1, 2);

상기 자기전도세트(1, 2)와 동축이며 복수 쌍의 극을 포함하는 회전자; 및

상기 다상코일(13, 23)의 여자전류를 각각 제어하기 위하여 상기 자기전도세트(1, 2)의 개수에 대응하는 적어도 두 개의 2상 전류파형 출력 및 적어도 두 세트의 검출소자(51, 52)를 포함하는 제어회로

를 포함하고,

인접한 상기 두 개의 자기전도세트(1, 2) 사이에는 자기차폐판(3)이 제공되고, 인접한 상기 두 개의 자기전도세트(1, 2)의 상기 극판(11, 12)(21, 22)은 일정한 기계적 각위상차를 갖도록 위치되며,

상기 검출소자(51, 52) 각각은 각각의 상기 여자전류의 출력이 일정한 전기적 위상각차를 형성하도록 일정한 기계적 각위상차를 갖도록 위치되는 다상모터.