KR100439199B1

KR100439199B1 - 병렬결선 구조를 가진 무브러시 직류 전동기 및 그 제어회로

Info

Publication number: KR100439199B1
Application number: KR10-2001-0074909A
Authority: KR
Inventors: 김상욱
Original assignee: (주)지엔더블유테크놀러지
Priority date: 2001-11-29
Filing date: 2001-11-29
Publication date: 2004-07-07
Also published as: WO2003047072A1; US6934468B2; AU2002365529A1; KR20030044226A; US20050007043A1

Abstract

본 발명은 병렬결선 구조를 가진 집중권 독립 다상 무브러시 직류 전동기 및 그 제어회로에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 전동기는 회전자가 M극의 영구자석으로 이루어지고, 고정자가 권선이 감긴 N개의 돌극치와 슬롯으로 구성되는 무브러시 직류전동기에 있어서, 돌극치에 권선된 동일 여자상의 권선이 각각 병렬결선으로 되어 구동토오크 및 회전속도가 개선된 것을 특징으로 한다. 그리고 제어회로는 회전자가 M극의 영구자석으로 이루어지고, 고정자가 N개의 돌극치와 슬롯에 감긴 N개의 권선을 포함하는 무브러시 직류전동기를 구동신호에 따라 스위칭부가 전원을 스위칭하여 해당 고정자 권선에 전류를 인가하기 위한 전동기 제어회로에 있어서, 스위칭부가 서로 직렬로 연결되는 상부 스위칭소자와 하부 스위칭 소자로 이루어지고, 전원은 하부 스위칭소자들에 공통으로 전원을 인가하기 위한 하나의 하부전원과 상부 스위칭소자들에 각각 전원을 인가하기 위한 N개의 상부전원으로 이루어지고, 각 권선은 상부 스위칭소자와 하부 스위칭소자의 공통 연결점과 상부전원과 하부전원의 공통 연결점 사이에 접속되어 있다.

Description

병렬결선 구조를 가진 무브러시 직류 전동기 및 그 제어회로 { Brushless dc motor having parallel connected windings and control circuit for it }

본 발명은 무브러시 직류 전동기(BLDC: Brushless DC motor)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 병렬결선 구조를 가진 집중권 독립 다상 무브러시 직류 전동기 및 그 제어회로에 관한 것이다.

일반적으로, 무브러시 직류 전동기(BLDC motor)는 회전자(Rotor)가 영구자석으로 이루어지고 고정자(Stator)가 코어에 권선이 감긴 전기자로 구성되는데, 전기자에 공급되는 전류파형에 따라 정현파 전류 구동방식과 구형파 전류 구동방식으로 나눌 수 있다. 이러한 무브러시 직류 전동기는 영구자석 모터라고도 하며, 사다리꼴 형태의 역기전력 파형을 가지고, 유도전동기에 비해 같은 크기의 출력에 대해 무게가 가볍고 부피가 작으며 효율이 높고 관성이 작을 뿐 아니라 구동회로를 간단히 할 수 있어 가변속 구동기로서 고성능 구동분야에서 널리 사용되고 있다.

그러나 BLDC 전동기는 회전을 위한 구동토크 외에 코깅토크(Cogging Torque)나 상간 중첩 또는 공간고조파 등에 의해 맥동토크와 기계적인 진동이 발생되고, 효율을 저하시킨다. 여기서 코깅토크는 고정자의 슬롯과 회전자의 자계가 상호작용하여 발생하는 것으로, 고정자 슬롯이나 회전자의 자석을 1슬롯 피치만큼 스큐잉시킴으로써 크게 감소시킬 수 있다. 그리고 각 상 토크의 중첩영역에서 발생하는 상호토크에 의한 맥동성분은 고정자 전류를 적절하게 여자시킴으로써 억제시킬 수 있다.

한편, 통상의 전동기는 고정자나 회전자 중 적어도 어느 일측에 전기회로로서 삽입되는 권선을 가지는데, 권선방식은 철심(코어)에 형성된 돌극치(teeth)마다 독립된 권선으로 감는 집중권(concentrated winding)과, 수개의 돌극치에 수개의 권선을 분포시켜 1상을 만드는 분포권(distributed winding)으로 구분된다. 이중 전자의 집중권을 갖는 전동기의 경우, 권선작업을 외부에서 행한 후 각 치의 주위로 삽입할 수 있으므로 분포권보다 자동화가 가능하여 널리 사용된다.

그런데 종래의 돌극 집중권 다상 BLDC 전동기의 경우에는 고속구동을 위해서 높은 전류 토오크의 발생이 필요하기 때문에 저속으로 구동되는 경우보다 더 많은 전류의 투입이 필요하나 종래의 직렬결선 구조를 갖는 돌극 집중권 다상 BLDC 전동기는 개개의 상을 구성하고 있는 코일이 직렬로 결선되어 있는 구조를 갖기 때문에 그 저항값이 높고, 따라서 전동기에 투입 가능한 전류의 양 역시 작은 값으로 제한되므로 높은 토오크를 발생하기 어렵고, 고속 운전 역시 불가능한 문제점이 있다.

도 1a는 외부 회전자 구조의 전동기에서 종래 직렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면이고, 도 1b는 내부 회전자 구조의 전동기에서 종래 직렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면이며, 도 1c는 도 1a 및 도 1b와 같은 직렬결선시 A상 권선의 등가회로도이다.

통상의 무브러시 직류(BLDC) 전동기는 회전자(rotor)가 영구자석으로 이루어지고, 고정자(stator)가 돌극치(teeth)와 슬롯(slot)의 연속적인 배열에 코일이 권선된 구조로 되어 있다. 이때 회전자가 고정자의 외부에 위치하는 것을 외부 회전자(outer rotor) 구조라 하고, 회전자가 고정자의 내부에 위치하는 것을 내부 회전자(inner rotor) 구조라 한다.

도 1a 및 도 1b를 참조하면, 고정자(12)는 9개의 돌극치(teeth:13)와 9개의 슬롯(slot: 14)으로 이루어지고, 9개의 돌극치(13)는 A, B, C 상 순으로 각각 3개의 돌극치에 코일(15)이 감긴 집중권으로 권선되어 있고, 각 상은 직렬로 권선되어 있다. 그리고 이와 같은 직렬결선의 경우 등가회로는 도 1c에 도시된 바와 같이, 3개의 저항성분(R₁,R₂,R₃)이 직렬로 연결된 형태로 이루어져 상대적으로 저항(R__A)이 크고, 이에 따라 구동전류가 제한되어 고속 구동이 어려운 문제점이 있다. 즉, 저항손실은 I²R에 비례하는 형태로 발생하는데, 개개의 상을 구성하고 있는 코일이 직렬결선되어 저항값이 높은 기존의 직렬결선 구조를 갖는 돌극 집중권 다상 무브러시 직류 전동기는 그 저항 손실 역시 높아 고효율의 운전이 불가능하다. 더욱이 종래와 같은 직렬결선 구조를 갖는 돌극 집중권 다상 무브러시 직류 전동기는 각 상을 구성하는 여러개의 코일이 직렬로 연결되어야 하므로 모든 코아가 조립된 상태에서 권선작업이 수행되어야 한다. 따라서 자동화 설비에 적합하지 않은 구조인 동시에 그 생산성이 낮고, 동일 설비에서 제작된 전동기의 경우에도 각각의 특성이 달라진다.

다른 한편, 기존 독립다상 무브러시 직류 전동기의 고정자를 A, B, C 3상으로 구동하는 종래의 스위칭회로는 도 2에 도시된 바와 같이, 각 상마다 4개의 스위칭 소자(Q1~Q4)를 필요로 한다. 이때 스위칭 소자(Q1~Q4)로는 전력용 반도체인IGBT, MOSFET, FET 등이 널리 사용된다.

도 2를 참조하면, A상 H브리지(202)에서 각 스위칭소자(Q1~Q4)는 A1+, A1-, A2+, A2- 구동신호에 따라 각각 제어되고, B상 H브리지(204)에서 각 스위칭소자(Q1~Q4)는 B1+, B1-, B2+, B2- 구동신호에 따라 제어되며, C상 H브리지(206)에서 각 스위칭 소자(Q1~Q4)는 C1+, C1-, C2+, C2- 구동신호에 따라 제어된다.

이와 같은 구조에서 전동기 제어는 각 스위칭 소자(Q1~Q4)들을 온/오프 제어하기 위한 게이트 구동신호를 생성하는 것이다. H브리지를 구동함에 있어서, 종래에는 4개의 스위칭 소자중에서 2개의 스위칭소자에 PWM신호를 인가하여 서로 엇갈리게 스위칭소자를 온/오프시킨다. 즉, 종래에는 회전자의 N극 위치에서 A1+ 구동신호와 A2- 구동신호를 동시에 하이로 하여 제1 스위칭소자(Q1)와 제4 스위칭소자(Q4)를 온시킴으로써 H브리지에서 전류 흐름이 "└┐"형이 되게 하고, S극 위치에서 A2+ 구동신호와 A1- 구동신호를 하이로 하여 제3 스위칭소자(Q3)와 제2 스위칭소자(Q2)를 온시킴으로써 전류 흐름이 "┌┘"형이 되게 하며, A1+ 구동신호와 A1- 구동신호 혹은 A2+ 구동신호와 A2- 구동신호가 동시에 하이가 되지 않도록 휴지기간(dead time)을 둔다.

그런데 이와 같은 종래의 스위칭회로는 하나의 상을 구동하기 위하여 4개의 스위칭소자가 필요하므로 상 수(number of phases)가 K인 경우 무브러시 직류 전동기의 상전류를 임의의 크기와 임의의 방향으로 구동하기 위해서는 4*K 개 만큼의 전력 스위칭소자가 필요하여 제조비용이 상승하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 전체 상이 서로 독립적으로 권선되어 독립제어할 수 있으므로 제어회로의 스위칭소자를 줄일 수 있는 독립 다상 무브러시 직류 전동기 및 그 제어회로를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 각 개별상이 병렬로 결선되어 저전압에서 고속 구동 및 고 토오크 구동이 가능하도록 된 병렬결선 구조를 가진 집중권 다상 무브러시 직류 전동기를 제공하는 것이다.

도 1a는 외부 회전자 구조의 BLDC 전동기에서 종래 직렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면,

도 1b는 내부 회전자 구조의 BLDC 전동기에서 종래 직렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면,

도 1c는 도 1a 및 도 1b에서 A상 직렬결선의 등가회로도,

도 2는 기존독립 다상 무브러시 직류(BLDC) 전동기의 고정자에 전류를 인가하기 위한 종래의 스위칭회로를 도시한 도면,

도 3은 본 발명이 적용되는 BLDC 전동기의 제어 구성을 도시한 구성도,

도 4a는 외부 회전자 구조의 BLDC 전동기에서 본 발명에 따른 병렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면,

도 4b는 내부 회전자 구조의 BLDC 전동기에서 본 발명에 따른 병렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면,

도 4c는 도 4a 및 도 4b에서 A상 권선의 병렬결선의 등가회로를 도시한 도면,

도 5는 본 발명에 따른 스위칭회로를 도시한 회로도,

도 6은 본 발명에 따른 독립 다상 제어 개념을 설명하기 위하여 도시한 개략도,

도 7은 고정자 상과 회전자 극의 비가 6:2인 경우의 본 발명에 따른 제어절차를 도시한 개략도,

도 8은 고정자 상과 회전자 극의 비가 6:4인 경우의 본 발명에 따른 제어절차를 도시한 개략도,

도 9는 고정자 상과 회전자 극의 비가 6:6인 경우의 본 발명에 따른 제어절차를 도시한 순서도이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

302: DC전원부 304: 스위칭부

306: BLDC모터 308: 엔코더

310: 제어부 312: 게이트 구동부

402: 케이스 404: 회전자

406: 고정자 408: 돌극치

410: 슬롯 412: 권선

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전동기는 회전자가 M극의 영구자석으로 이루어지고, 고정자가 N 개의 돌극치에 권선되어 K 상으로 동작하도록 된 무브러시 직류전동기에 있어서, 상기 돌극치에 권선된 K 상의 권선이 서로 독립적으로 결선되어 스위칭부를 통해 개별 전원에 각각 연결되어 독립제어가 가능하도록 구성되고, 본 발명의 제어회로는 상기 스위칭부가 서로 직렬로 연결되는 상부 스위칭소자와 하부 스위칭 소자로 이루어지고, 상기 전원은 상기 하부 스위칭소자들에 공통으로 전원을 인가하기 위한 하나의 하부전원과 상기 상부 스위칭소자들에 각각 전원을 인가하기 위한 N개의 상부전원으로 이루어지고, 각 권선은 상기 상부 스위칭소자와 하부 스위칭소자의 공통 연결점과 상기 상부전원과 하부전원의 공통 연결점 사이에 접속되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기와 같은 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 전동기는 회전자가 M극의 영구자석으로 이루어지고, 고정자가 권선이 감긴 N개의 돌극치와 슬롯으로 구성되는 무브러시 직류전동기에 있어서, 상기 돌극치에 권선된 동일 여자상의 권선이 각각 병렬결선으로 되어 구동토오크 및 회전속도가 개선된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 자세히 설명하기로 한다.

본 발명이 적용되는 BLDC 전동기의 제어 구성은 도 3에 도시된 바와 같이, DC전원부(302)와 스위칭부(304), BLDC 전동기(306), 엔코더(308), 제어부(310), 게이트 구동부(312)로 구성된다.

도 3을 참조하면, 직류전원부(302)는 본 발명에 따라 스위칭부(304)에서 필요로 하는 V+, Vo, V- 전원을 공급하는데, 스위칭부(304)의 하부 스위칭소자에는 하나의 전원(V+)을 이용하여 공통으로 전원을 공급할 수 있으나, 상부 스위칭소자는 각각 전원을 공급해야 하므로 K상의 경우 K+1개의 전원을 필요로 한다.

스위칭부(304)는 후술하는 바와 같이 서로 직렬 연결된 2개의 전력스위칭 반도체소자로 구현되어 게이트 구동신호에 따라 직류 전원부(302)의 각 전원을 BLDC 전동기(306)의 고정자 권선에 인가한다.

본 발명에 따른 BLDC 전동기(306)는 회전자(Rotor)가 영구자석으로 이루어지고, 고정자(Stator)가 코어에 권선이 감긴 전기자로 구성되는데, 후술하는 바와 같이 외부 회전자 구조 혹은 내부 회전자 구조가 모두 가능하다. 그리고 고정자는돌극치(teeth)와 슬롯(slot)의 연속적인 배열에 코일이 권선된 구조로서, 집중권방식으로 결선되어 있고, 스위칭부(304)를 통해 인가되는 전류에 따라 고정자 권선이 자기장을 발생하여 영구자석으로 된 회전자의 자기장과 상호 작용하여 회전자를 회전시킨다. 이러한 BLDC 전동기(306)는 통상 고정자의 슬롯수 N과 영구자석의 극수 M에 따라 N상 M극 BLDC 전동기로 명칭한다. 여기서, BLDC 전동기를 제어하기 위한 전기적인 상(K)과, 하나의 동일한 전기적인 상을 다수의 돌극치에 직렬권선 혹은 병렬권선하여 이루어지는 여자상(j), 돌극치(혹은 슬롯)의 수를 나타내는 기계적인 상(N)을 구분하는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서 상(phase)은 전기적인 상(K)을 의미한다.

BLDC 전동기의 회전은 도시되지 않은 홀센서나 광센서에 의해 극 위치가 감지됨과 아울러 엔코더(308)에 회전속도가 감지되어 제어부(310)로 전달되고, 제어부(310)는 지령신호와 센서신호를 이용하여 사용자가 원하는 속도로 회전하도록 제어신호를 출력한다.

게이트구동부(312)는 제어부(310)로부터 제어신호를 입력받아 스위칭부(304)를 구성하는 전력반도체 소자를 구동하기 위한 게이트 구동신호를 생성하여 스위칭부(304)의 각 전력 반도체소자의 게이트에 인가한다.

도 4a는 외부 회전자 구조의 BLDC 전동기에서 본 발명에 따른 병렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면이고, 도 4b는 내부 회전자 구조의 BLDC 전동기에서 본 발명에 따른 병렬결선을 설명하기 위하여 도시한 도면이며, 도 4c는 본 발명에 따른 A상 병렬결선의 등가회로를 도시한 도면이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, BLDC전동기는 케이스(402) 안에 위치한 회전자(404)와 고정자(406)로 이루어지고, 고정자(406)는 각 돌극치(408)와 슬롯(410)에 권선된 각 상의 권선(412)이 병렬로 연결되어 있으며, 이러한 병렬결선의 등가회로는 도 4c에 도시돤 바와 같이 각 권선의 저항(R₁,R₂,R₃)이 병렬로 연결된 구조이므로 전체 저항(R__A)은 더욱 낮아지게 되는 것을 알 수 있다. 이와 같이 본 발명에 따르면 무브러시 직류 전동기의 각 상을 구성하는 다수개의 코일을 병렬로 결선하여 각 상당 저항값을 낮게 설정할 수 있고, 이에 따라 본 발명의 무브러시 직류 전동기는 저항손에 의한 발열량이 낮으며 효율이 높고, 저전압-고속운전 및 저전압-고토오크 운전이 가능하게 된다.

한편, 이러한 BLDC 직류 전동기에서, 상기 고정자(406)의 권선에 동시에 전류가 인가되는 여자상 수를 j라하고 임의의 자연수를 k라 할 때, 상기 고정자의 극수 대 회전자의 극수의 최적비는 3*j 대 2*k이고, 3*j > 2*k이다. 그리고 상기 돌극치(teeth)의 최적 길이는 2π*j/(회전자의 극수*N)이다.

도 5는 본 발명에 따른 한 상에 대한 스위칭부를 도시한 회로도로서, 본 발명에 따라 각 고정자의 돌극치에 병렬로 권선된 코일(권선)에 구동신호에 따라 전류를 인가하기 위한 스위칭부는 서로 직렬 연결된 2개의 전력 스위칭 반도체소자(Q1,Q2)로 구성된다.

도 5를 참조하면, 2개의 전원(Vd+,Vd-)이 직렬 연결되어 있고, 상부 스위칭소자(Q1)와 하부 스위칭소자(Q2)가 직렬로 연결되어 아암을 구성하고 있으며, 스위칭소자(Q1,Q2)의 공통 연결점과 전원의 공통 연결점(Vo) 사이에 고정자의 돌극치에 권선되는 코일(권선)이 연결되어 있다.

이와 같은 회로에서 게이트 구동신호에 의해 상부 스위칭 소자(Q1)가 온되고 하부 스위칭소자(Q2)가 오프되어 있으면, Vd+ 전원에 의한 전류는 상부 스위칭소자(Q1)의 드레인과 소스를 거쳐 코일을 통해 화살표① 방향으로 흐른다. 만일, 게이트 구동신호에 의해 하부 스위칭 소자(Q2)가 온되고 상부 스위칭 소자(Q1)가 오프되어 있으면, 전류는 공통점(Vo)으로부터 코일을 거쳐(화살표② 방향) 하부 스위칭소자(Q2)의 드레인과 소스로 흐른다.

이와 같이 본 발명에 따른 스위칭회로에서는 한 상에 대해 단지 2개의 전력반도체 소자만으로 코일에 흐르는 전류의 방향을 제어할 수 있으므로 전체적으로 제어회로에 소요되는 회로부품의 수를 줄여 제조비용을 절감할 수 있다. 이때, 스위칭부가 K개의 상을 구동하기 위하여 K개의 아암으로 이루어진 경우, 각 아암의 하부 스위칭소자는 하나의 Vd+ 전원을 이용하여 공급할 수 있으나 상부 스위칭소자는 각각의 개별전원을 필요로 하므로 전체적으로 K+1개의 전원이 필요함에 유의할 필요가 있다. 그리고 각 상의 권선은 서로 독립권선되어 해당 전원에 개별적으로 연결되어 있어야 한다.

도 6은 본 발명에 따른 독립 다상 제어 개념을 설명하기 위하여 도시한 개략도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따라 A, B, C 3개의 코일(3상)은 서로 독립권선되어 있고, 6개의 스위치(SW1~SW6)를 독립제어하여 전류를 공급하도록 되어 있다.즉, A코일에는 제1 스위치(SW1)가 온되고 제2 스위치(SW2)가 오프될 때 Vd+와 제1 스위치(SW1)를 거쳐 Vo로 전류가 흐르고, 제2 스위치(SW2)가 온되고 제1 스위치(SW1)가 오프될 때 Vo로부터 제2 스위치(SW2)를 거쳐 Vd-로 전류가 흐른다. B코일에는 제3 스위치(SW3)가 온되고 제4 스위치(SW4)가 오프될 때 Vd+와 제3 스위치(SW3)를 거쳐 Vo로 전류가 흐르고, 제4 스위치(SW4)가 온되고 제3 스위치(SW3)가 오프될 때 Vo로부터 제4 스위치(SW4)를 거쳐 Vd-로 전류가 흐른다. C코일에는 제5 스위치(SW5)가 온되고 제6 스위치(SW6)가 오프될 때 Vd+와 제5 스위치(SW5)를 거쳐 Vo로 전류가 흐르고, 제6 스위치(SW6)가 온되고 제5 스위치(SW5)가 오프될 때 Vo로부터 제6 스위치(SW6)를 거쳐 Vd-로 전류가 흐른다. 이와 같이 본 발명에 따르면 각 상에 전원이 독립적으로 결선되어 있으므로, 각 상의 전류를 독립적으로 제어할 수 있다.

도 7은 고정자의 슬롯(돌극치)이 6개이고 회전자의 극이 2개인 전동기를 본 발명에 따라 독립 제어하는 절차를 도시한 개략도이다

도 7을 참조하면, (가)에 도시된 고정자는 돌극치에 A, B, C, A', B', C'로 표시되는 6개의 권선이 독립적으로 감겨져 앞서 설명한 스위칭 회로를 통해 전원이 각각 인가되도록 되어 있고, 내부의 회전자는 하나의 N극과 S극을 갖는 영구자석으로 되어 있다.

이때 독립제어를 위해서는 각 상을 구성하는 권선의 결선방식이 직렬결선 혹은 병렬결선과 무관하며, 각 상의 권선이 독립적으로 결선되어야 함에 유의할 필요가 있다. 즉, 도 1c 는 A상을 구성하는 권선이 직렬로 연결된 상태이며, 도 4c는A상을 구성하는 권선이 병렬로 연결된 상태인데, 본 발명에 따른 독립제어는 A상을 구성하는 권선이 직렬결선 혹은 병렬결선 되었느냐가 중요한 것이 아니라, A상과 B상이 서로 독립적으로 결선되어 분리된 전원에 연결되어 있어야 한다.

이와 같은 구조의 전동기를 제어하기 위한 각 권선의 전류는 그래프로 (나)에 도시된 바와 같이 A, B, C, A', B', C'순으로 순차적으로 전류가 인가되어 회전자를 회전시킨다. 그래프에서 횡축은 1회전의 각도(360°)를 나타내고, 종축은 각 권선을 나타내며 해당 권선이 하이이면 전류가 인가되어 토오크가 발생되는 것을 나타내고, 그래프의 하단에는 전체 토오크의 합이 나타나 있다.

이와 같이 0°~60°구간에서는 A상 권선에 의해 토오크가 생성되고, 60°~120°구간에서는 B상 권선에 의해 토오크가 생성되며, 120°~180°구간에서는 C상 권선에 의해 토오크가 생성된다. 그리고 180°~240°구간에서는 A'상 권선에 의해 토오크가 생성되고, 240°~300°구간에서는 B'상 권선에 의해 토오크가 생성되며, 300°~360°구간에서는 C'상 권선에 의해 토오크가 생성된다.

제어부(310)는 이와 같은 순서대로 각 권선에 전류를 인가하기 위한 구동신호를 생성하여 게이트 구동부(312)로 출력하면, 게이트 구동부(312)는 해당 스위칭소자를 온/오프하여 해당 권선에 전류가 인가되도록 함으로써 BLDC 직류 전동기의 회전을 제어할 수 있다.

도 8은 고정자의 슬롯(돌극치)이 6개이고 회전자의 극이 4개인 전동기를 본 발명에 따라 제어하는 절차를 도시한 개략도이다.

도 8을 참조하면, (가)에 도시된 고정자는 돌극치에 A, B, C, A', B', C'로표시되는 6개의 권선이 감겨져 앞서 설명한 스위칭회로를 통해 전원이 인가되도록 되어 있고, 내부의 회전자는 두개의 N극과 S극을 갖는 영구자석으로 되어 있다.

이와 같은 구조의 전동기를 제어하기 위한 각 권선의 전류는 그래프로 (나)에 도시된 바와 같이 A, B, C와 A', B', C'순으로 순차적으로 전류가 인가되어 회전자를 회전시킨다. 그래프에서 횡축은 1회전의 각도(360°)를 나타내고, 종축은 각 권선을 나타내며 해당 권선이 하이이면 전류가 인가되어 토오크가 발생되는 것을 나타내고, 그래프의 하단에는 전체 토오크의 합이 나타나 있다.

도 8에서 각 상은 균등간격으로 2번 구동하는데, A상은 0°~60°구간과 180°~240°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되고, B상은 60°~120°구간과 240°~300°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되며, C상은 120°~180°구간과 300°~360°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성된다. 그리고 A'상은 90°~150°구간과 270°~330°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되고, B'상은 330°~360° 0°~30 구간과 150°~210°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되며, C'상은 30°~90°구간과 210°~270°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성된다.

도 9는 고정자의 슬롯(돌극치)이 6개이고 회전자의 극이 6개인 전동기를 본 발명에 따라 제어하는 방법을 도시한 순서도이다.

도 9를 참조하면, (가)에 도시된 고정자는 돌극치에 A, B, C, A', B', C'로 표시되는 6개의 권선이 감겨져 앞서 설명한 스위칭회로를 통해 개별적으로 전원이 인가되도록 되어 있고, 내부의 회전자는 3개의 N극과 S극을 갖는 영구자석으로 되어 있다.

도 9에서 각 상은 균등간격으로 3번 구동하는데, A상은 0°~60°구간과 120°~180°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되고, B상은 60°~120°구간과 180°~240°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되며, C상은 A상과 동일하게 0°~60°구간과 120°~180°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성된다.

그리고 A'상은 B상과 동일하게 60°~120°구간과 180°~240°구간, 300°~360°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되고, B'상은 C상과 동일하게 0°~60°구간과 120°~180°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성되며, C'상은 A'상과 동일하게 60°~120°구간과 180°~240°구간, 300°~360°구간에서 전류가 흘러 토오크가 생성된다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 구동회로 방식을 사용하는 경우, 상수가 K인 독립권선 구조를 갖는 돌극 집중권 다상 영구자석 전동기의 각 상에 투입되는 전류를 임의의 크기와 임의의 방향으로 구동하기 위한 구동회로는 2*K개 만큼의 전력 스위칭소자를 필요로 하며, 또 이들 전력 스위칭소자를 구동하기 위한 구동부는 (K+1)개의 독립된 전원을 필요로 한다. 따라서 저렴한 비용으로 제어회로를 구현할 수 있고, 각 상 전류의 크기와 방향을 임의로 제어하는 것이 가능한 독립 다상제어가 가능하므로 제어회로 및 제어 알고리즘이 간단하다. 또한 각 개별 상을 구성하는 고정자 권선을 병렬권선함으로써 저전압-고속운전 및 저전압-고토오크 운전이 가능하게 된다.

그리고 본 발명의 전동기는 집중권 구조를 가지고 있으므로 돌극치의 길이 조정만으로 토오크 리플 저감을 기대할 수 있고, 효율이 높으며 진동이 발생되지 않는다. 더욱이 최소한의 스위칭소자를 사용하여 구동회로를 구성하므로 신뢰성의 향상을 기대할 수 있고, 각 코어의 권선을 외부에서 독립적으로 작업한 후 최종적으로 코어를 고정자에 삽입하는 구조의 적용이 가능하므로 자동화 설비에 적합하며 생산성이 높고 수율 향상이 가능하다.

Claims

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회전자가 M극의 영구자석으로 이루어지고, 고정자가 N 개의 돌극치에 코일이 권선되어 K상으로 동작하도록 된 무브러시 직류전동기에 스위칭부가 게이트구동부의 게이트구동신호에 따라 직류전원부의 전원을 인가하도록 된 장치에 있어서,

상기 고정자는 상기 돌극치에 코일이 권선되어 형성된 K상의 권선이 서로 독립적으로 결선되어 구성되고,

상기 직류전원은 상부 스위칭소자들에 전원을 인가하기 위한 콘덴서(C) 및 저항에 의해 분압되어 상기 직류전원의 1/2 크기인 Vd+,Vo전원과, 하부 스위칭소자들에 전원을 인가하기 위한 콘덴서(C) 및 저항에 의해 분압되어 상기 직류전원의 1/2크기인 Vo,Vd-전원으로 구성되고, 상기 상단 콘덴서의 음극과 상기 하단 콘덴서의 양극의 공통 연결점인 서로 독립된 K개의 접지단 Vo을 제공하며,

상기 스위칭부는 일단이 상기 Vd+,Vo전원에 연결된 상기 상부 스위칭소자와, 일단이 Vo,Vd-전원에 연결된 상기 하부 스위칭 소자가 직렬 연결되어 구성되고, 상기 두 스위칭 소자의 직렬 연결점과 상기 접지단 Vo 사이에 각 상의 권선이 서로 독립적으로 접속되어

상기 상부 스위칭소자가 도통되면 Vd+전원에 의한 전류가 도통된 상기 상부 스위칭소자와 해당 권선을 거쳐 Vo로 흐르고, 상기 하부 스위칭소자가 도통되면 Vo의 전원이 해당 권선을 거쳐 도통된 상기 하부 스위칭소자를 통해 Vd-로 흐르도록 된 것을 특징으로 하는 독립 다상 무브러시 직류 전동기의 제어회로.
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회전자는 M극의 영구자석으로 이루어지고, 고정자는 N개의 돌극치에 코일이 권선되어 형성된 K상의 권선이 서로 독립적으로 결선되되, 동일 여자상의 권선은 각각 병렬결선되어 스위칭부를 통해 독립제어가 가능하도록 된 독립 다상 무브러시 직류 전동기에 있어서,

상기 고정자에 동시에 전류가 인가되는 여자상수를 j라하고, 임의의 자연수를 k라 할 때,

상기 고정자의 극수 대 회전자의 극수의 최적비가 3*j 대 2*k이고, 3*j > 2*k인 것을 특징으로 하는 무브러시 직류 전동기.