KR100447603B1 - 단상 브러시리스 직류 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명인 단상 브러시리스 직류 모터는 상, 하 중심면에 메탈 베어링이 개재된 하우징과; 하우징의 메탈 베어링상에 양측면이 회전 가능하게 미끄럼 지지되는 회전축과; 회전축의 외주면에 형성되며, 2극 착자된 로터 마그네트와; 하우징의 내주면에 형성되어 로터 마그네트와 함께 회전력을 발생시키며, 2 슬롯의 직렬 접속된 스테이터와; 하우징이 하부 일측면에 형성되며, 일측에는 로터 마그네트의 극성을 판단하는 홀소자가 형성된 회로기판을 포함하여 구성된 것이다.

본 발명은 가장 단순한 2슬롯 구조 스테이터와 인너 로터 방식으로 성형됨으로써 제조공정이 단순화 될 뿐만 아니라 코스트 절감을 도모할 수 있는 이점이 있으며, 하우징을 플래트(flat)형으로 형성 가능함으로써 슬림화가 가능한 이점이 있다. 또한 종래의 브러시 모터와 브러시리스 모터의 장점을 모두 갖춤으로써 고정밀도 고회전의 회전력을 얻을 수 있는 이점이 있다.

Description

단상 브러시리스 직류 모터{Single-phase direct current brushless motor}

본 발명은 단상 브러시리스 직류 모터에 관한 것으로 특히, 종래 브러시리스 직류(DC)모터의 기계적 접점부의 내구성 및 제조 공정상의 조립성의 문제를 극복할 수 있도록 종래 브러시리스 직류 모터의 장점인 브러시와 정류자(commutator)를 갖지 않는 구조를 유지하면서도, 원가적으로 직류 브러시 모터와 경쟁 가능한 단순한 구조의 단상 브러시리스 직류 모터에 관한 것이다.

일반적으로 전자 및 기계장치에서 구동력을 발생시키는 모터는 교류형 모터와 직류형 모터, 방식면에서는 펄스 구동을 하는 스테핑모터 등으로 구분된다. 직류 모터의 경우에는 가변속도구동에 널리 이용되며 높은 기동토크를 제공하면서도 교류전동기에 비하여 구조적인 면에서 보다 간단하고 가격면에서도 저렴한 장점을 가지고 있다.

적용되는 분야를 살펴보면, 교류 소형 모터는 주로 냉장고, 에어콘과 같은 가전기기와 소형 공작기계, 자동화 전용기를 포함한 산업기기에 주로 사용되고, 이에 반하여 직류 소형 모터는 VIDEO, PRINTER, LDP, Cassette CDP 등의 A/V기기, 시계, 카메라 등의 정밀기기, VCR, 면도기, 헤어드라이어 등의 가정기기, 데이타 레코드, HDD, FDD 등의 사무기기 등 폭 넓은 분야에서 사용되고 있다.

직류 모터는 대표적으로 첨부한 도면 도 1과 도 2에 도시되어 있는 2가지 종류로 분류된다. 도 1은 전형적인 직류 브러시 모터의 단면 구조 예시도이고, 도 2는 직류 브러시리스 모터의 단면 구조 예시도이다.

도 1에 도시된 종래의 직류 브러시 모터의 구성과 작용을 간략히 설명하면, 하우징(3)의 내주면에는 고정마그네트(4)가 설치되고, 상기 고정마그네트(4)의 내경에는 코어에 코일이 권선된 아마츄어 코일유니트인 회전자(5)가 설치된다. 그리고 상기 하우징(3)의 상, 하 양측에서 압입된 메탈 베어링(2)에 지지되는 회전축(1)이 상기 회전자(5)의 중심부를 관통하여 회전자(5)에 고정설치된다. 그리고 회전자(5)의 코일은 외부전극(8)에 연결된 브러시(7)에 코뮤테이터인 정류자(6)를 통하여 전류를 인가받도록 구성된다.

외부전극(8)을 통하여 전류가 회전자(5)에 권선된 코일로 흐르게 되면 코일은 여자되어 주변으로 일정 자속이 발생되고, 이는 고정마그네트(4)와 상호간 전자기력으로 회전자(5)를 일정속도로 회전시키게 된다. 이에 따라 회전자(5)와 결합된 회전축(1)은 메탈 베어링(2)의 지지를 받아 동시에 회전을 하게 된다.

직류 브러시 모터는 정류자인 코뮤테이터(commutator)와 브러시로 이루어지는 기계적 접점부의 내구성 및 제조공정상의 조립성이 문제가 된다. 즉, 브러시와 정류자가 마찰이 진행되면 마모가 진행되므로 금속분말이나 흑연이 비산하게 되어 모터의 수명이 감소하게 된다. 또한 마모가 진행되어 접점간에 발생되는 아크로 인하여 플레시 오버 현상이 일어나 화재의 위험도 발생하게 된다.

상술한 바와 같은 직류 브러시 모터의 단점을 해결하고자 한 것이 첨부한 도면 도 2에 도시되어 있는 직류 브러시리스 모터이다. 도 2는 종래 직류 브러시리스 모터의 한 유형으로, 직류 브러시 모터의 정류자와 브러시의 기계적인 접점부를 반도체 I.C로 대체한 것이다. 즉 직류 브러시 모터와 다르게 브러시와 정류자의 기계적인 접점을 대신하여 전자적인 무접점 정류가 행하여지는 구성을 가진다.

이러한 무접점 방식에서는 자기적 또는 광학적 방식으로 설계될 수 있지만 직류 브러시리스 모터는 일반적으로 회전자가 영구자석으로 되어 있어 홀소자를 회전자의 위치검출에 사용하는 경우 회전자로부터 자속을 이용하는 것이 가능하다.

홀소자를 위치검출센서로 사용하는 경우에는 특별한 자계를 새로이 설치할 필요가 없고 단순한 구조로 가능하다. 따라서 홀소자가 채용된 브러시리스 모터는 모터 구성을 소형으로 하는 것이 가능해지는 장점이 있다.

브러시리스 모터를 그 구조에 따라 크게 구분하여 보면 인너 로터형(INNER ROTER TYPE), 아우터 로터형(OUTTER ROTER TYPE), 디스크 로터형(DISK ROTER TYPE) 등으로 구분된다.

인너 로터형은 원주형의 마그네트에 회전축을 장착하고 이것이 구동코일내에서 회전하는 구조로 된 것으로 주로, 이너셔(innertia)가 낮고 제어성이 뛰어나서 정, 역회전을 빈번하게 하는 용도에 주로 사용된다.

아우터 로터형은 스테이터(고정자)부가 내측에 있고 그 외측에 스테이터부를 둘러싸는 형태로 로터 마그네트가 배치되는데, 구조상 로터 마그네트인 회전자의 이너셔가 증가되어 급격한 동작을 반복하는 용도에는 부적합하다. 주로 레코드 플레이어의 턴 테이블모터, VTR의 실린더 모터로 사용된다.

그리고, 브러시리스 모터는 구동방식이 특히 중요한데, 이것은 출력파워와 구동회로에 직접 관계되기 때문이다. 모터를 가능한 단순하게 하고 구동회로와 싼 제품을 필요로 하는 경우에는 2상 반파방식이 좋으며, 릴 모터나 레이저 프린트의 스캐너용 모터 등 토크, 회전의 불균일에 관한 그 사양이 엄격한 경우에는 3상 전파방식이 많이 선호된다. 반파방식에 비하여 전파방식은 구동회로가 복잡해지는 문제점이 있다.

도 2에서 도시된 바와 같이 직류 브리시리스 모터는, 하우징(17) 내부에 코일 유니트인 고정자(13)가 설치되고 그 외부로는 구동마그네트(15)가 내주연에 고정설치된 회전자(14)가 구비되며, 메탈 베어링(12)에 지지되어 회전되는 회전축(11)이 또한 회전자(14)와 일체로 구성된다. 도면 부호 16은 외부전극이다.

코일이 권선된 고정자(13)로 전류가 인가되어 구동마그네트(15)내의 자계와 전자기력이 발생되면 회전자(14)가 회전하게 되는데, 이러한 종래의 직류 브러시리스 모터의 상세한 구성과 작용은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 공지된 기술임으로 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

직류 브러시리스 모터는 브러시가 없는 구성이므로 노이즈가 발생되지 않고 설계가 용이하고 정, 역회전에도 강한 장점이 있어 내구성과 조립성이 우수하다. 그러나 반도체 I.C로 인한 별도 제어회로의 구성에 따른 제어의 편리성과 제품가격(COST)측면에서 첨부한 도 1에 도시되어 있는 직류 브러시 모터에 비하여 상대적으로 불리하다.

한편, 최근에는 직류 모터에 대한 급격한 SET 제품의 판매가 하락으로 인하여 그 어느 때보다 치열한 가격인하 요구에 직면하게 되었다. 이로 인해, 각 모터제조업체는, 부품수 절감 및 원가적으로 유리한 신소재의 개발 및 공정 간소화를 통한 제조생산비의 절감 등을 강력히 추진하고 있다.

이러한 경향은, 과거 1980~2000년대에 걸쳐 개발 상품화된 직류 브러시리스 모터의 극단적 단순화, 이를테면 센서리스(sensor less) 브러시리스 직류 모터와 같이 부품수 및 구조적으로 상당히 단순화제품의 보편화를 가져왔으며, 이러한 경향은 컴퓨터주변기기 및 디지털 A/V관련기기에 사용되는 직류 모터에서도 공통적으로 나타나고 있다.

따라서 이러한 기술적인 흐름과 모터의 고속화와 저진동 그리고 저소음화를 위해서는 새로운 형태의 직류 브러시리스 모터의 개발이 필요한 실정이다.

상술한 문제점을 해소하기 위해 제안된 본 발명에 따른 단상 브러시리스 직류 모터의 목적은, 종래 브러시리스 직류 모터의 기계적 접점부의 내구성 및 제조 공정상의 조립성의 문제를 극복할 수 있도록 종래 브러시리스 직류 모터의 장점인 브러시와 정류자(commutator)를 갖지 않는 구조를 유지하면서도 원가적으로 직류 브러시 모터와 경쟁 가능한 단순한 구조의 단상 브러시리스 직류 모터를 제공하는 데 있다.

도 1 및 도 2는 종래 직류 모터의 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 단상 브러시리스 직류 모터의 단면도.

도 4 및 도 5는 본 발명의 여러 실시예를 보인 요부 발췌 평면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 하우징 20 : 회전축

21,22 : 메탈 베어링 30 : 로터 마그네트

40 : 스테이터 50 : 회로기판

51 : 홀소자 W : 와이어

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단상 브러시리스 직류 모터는, 상, 하 중심면에 메탈 베어링이 개재된 하우징과; 상기 하우징의 메탈 베어링상에 양측면이 회전 가능하게 미끄럼 지지되는 회전축과; 상기 회전축의 외주면에 형성되며, 2극 착자된 로터 마그네트와; 상기 하우징의 내주면에 형성되어 로터 마그네트와 함께 회전력을 발생시키며, 2 슬롯의 직렬 접속된 스테이터와; 상기 하우징이 하부 일측면에 형성되며, 일측에는 로터 마그네트의 극성을 판단하는 홀소자가 형성된 회로기판을 포함하여 구성된 것을 그 특징으로 한다.

본 발명의 바람직한 한 특징은, 상기 로터 마그네트는 대칭상태로 2극 착자되고, 상기 스테이터의 제1, 2 슬롯은 비대칭 구조로 형성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 다른 특징은, 상기 로터 마그네트는 비대칭상태로 2극 착자되고, 상기 스테이터의 제1, 2 슬롯은 대칭구조로 형성된 것에 있다.

본 발명의 바람직한 또 다른 특징은, 상기 스테이터의 제1, 2 슬롯은 서로직렬 접속되는 분할 슬롯쌍으로 분할 구성된 것에 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 단상 브러시리스 직류 모터의 바람직한 일실시예를 통하여 본 발명의 구성과 작용을 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단상 브러시리스 직류 모터의 단면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 여러 실시예를 보인 요부 발췌 평면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 본 발명인 단상 브러시리스 직류 모터는, 대분하면 하우징(housing;10)과 회전축(20)과 로터 마그네트(rotor magnet;30) 그리고 스테이터(stator;40)와 회로기판(50)으로 구성된다.

하우징(10)의 상, 하 중심면에는 메탈 베어링(21,22)이 개재되며, 이 메탈 베어링(21,22)으로는 회전축(20)의 상, 하 양측이 회전 가능하게 미끄럼 지지된다.

로터 마그네트(30)는 회전축(20)의 대략 중심 외주면에 설치되어 회전축(20)과 함께 회전되는 것으로서, 2극 착자 구조를 갖는다.

스테이터(40)는 상기 하우징(10)의 내주면에 고정설치되며, 코어와 이에 권선되는 코일로 이루어진 복수의 슬롯 즉, 제 1 슬롯(41) 및 제2 슬롯(42)으로 구성된 다.

코어에 권선된 코일은 와이어(W)를 통해 외부로부터 전원을 인가받으며, 코일에 흐르는 전류가 발생하는 자속과 전술한 로터 마그네트(30)가 발생하는 자속의 상호 작용에 기인한 전자기력으로 로터 마그네트(30)가 회전되도록 한다.

회로기판(50)은, 하우징(10)의 하부 일측면에 설치되는 것으로서, 특히 로터 마그네트(30)의 하부와 인접된 일측면에는 로터 마그네트(30)의 극성을 판단하는홀소자(hall sesnor;51)가 설치된다.

로터 마그네트(30)가 회전하는 경우 로터 마그네트(30)의 자극위치가 회전에 대응하여 변화하게 되고, 로터 마그네트(30)의 지속적인 정, 역회전을 위해서는 자극위치에 대응한 스테이터(40)의 코일을 여자시켜야 하므로 로터 마그네트(30)의 자극을 감지하도록 자기센서인 홀소자(51)가 필요하다.

단상 브러시리스 직류 모터에서는 정류자와 브러시의 역할을 위치센서인 홀소자(51)를 통하여 이루어지므로, 홀소자(51)가 회전하는 로터 마그네트(30)의 극성을 감지하고 그 출력에 따라 스테이터(40)의 슬롯(41,42)에 권선된 코일로 인가되는 전류가 교번되고, 스테이터(40)와 로터 마그네트(30)간의 상호 전자기력으로 로터 마그네트(30)가 정, 역회전하게 된다.

그리고 제1, 제2 슬롯(41,42)으로 인가되는 전류를 교번하기 위해서는 홀소자(51)의 출력에 따라 전류의 방향을 제어하는 제어회로(도면 미도시)가 부가되는데, 제어회로는 모터의 운전특성이 양호하도록 적절하게 구성되는 것이 바람직하며, 트랜지스터와 같은 반도체 스위칭 소자와, 홀소자(51)에 연결되어 스위칭 소자를 온/오프 시키는 구동부 등으로 구성될 수 있다. 또한 홀소자(51)의 출력신호를 증폭하기 위한 증폭수단이 구비될 수도 있다.

한편, 이러한 구성을 가진 단상 2 슬롯의 직류 모터에 있어서, 가장 중요한 것 중의 하나는 초기에 스스로 동작할 수 있는 초기 자기동(self-starting)이다.

단상 모터에서는 로터 마그네트의 극 중심이 그와 전자기력을 일으키도록 권선된 스테이터 코어의 자기 중심과 일치되는 시점에서 토크가 제로상태가 되어 기동이 일어나지 않게 된다.

이러한 상태에서는 정상적인 스위칭 동작이 어려워지고 전원이 온되어도 모터가 기동되지 않게 된다.

이러한 불기동이 일어나지 않도록 하기 위해서는 로터 마그네트의 극 중심과 스테이터 코어의 자기 중심을 다르게 형성되도록 하는 것이 바람직하다. 특히 초기 기동시 회전자가 어느 곳에 위치하더라도 홀소자에 의한 자극감지가 바람직하게 이루어져 로터 마그네트가 회전되어야 한다.

도 4 및 도 5는 이러한 초기 자기동이 바람직하게 일어나도록 전자기적인 비대칭을 가지는 스테이터와 로터 마그네트 구조의 다른 실시예를 각각 도시하고 있다.

도 4에서는 로터 마그네트(30)의 착자상태를 대칭상태로 2극 착자시키고, 이와 대응되는 스테이터(40)의 제1, 2 슬롯(41,42)은 비대칭 구조로 형성하였으며, 이와는 반대로 도 5에서는 로터 마그네트(30)의 극성을 비대칭상태로 2극 착자시키고, 스테이터(40)의 제1, 2 슬롯(41,42)을 대칭 구조로 형성하였다.

상기의 전자기적인 비대칭 구조를 나타내기 위해 도 4 및 도 5의 참조부호인 각α,β를 도시하여α<β가 되도록 함으로써, 도 4에서는 스테이터(40)의 제 1, 2 슬롯(41,42)이 비대칭 상태임을, 도 5에서는 로터 마그네트(30)의 극성이 비대칭 상태임을 표시하였다.

이때 스테이터(40)의 제1, 2 슬롯(41,42)을 비대칭으로 형성할 때에는 좀 더 효과적인 초기 자기동을 얻을 수 있도록 하기 위하여 서로 직렬 접속되는 분할 슬롯쌍(41a, 41b, 42a, 42b)으로 형성함이 바람직하다.

이하 상기와 같이 구성된 본 발명인 단상 브러시리스 직류 모터의 바람직한 일실시예의 동작을 설명한다.

전체적인 동작은 와이어(W)를 통해 하우징(10)의 내주면에 형성된 스테이터(40)에 전원을 인가하게 되면, 이 스테이터(40)와 회전축(20)상의 로터 마그네트(30)간의 전자기장에 의해 회전축(20)이 고속으로 회전하게 된다.

보다 상세하게 설명하면 먼저, 회전하는 로터 마그네트(30)에 근접하여 설치된 홀소자(51)가 2극으로 착자된 로터 마그네트(30)의 극성을 감지한다.

일반적으로 홀소자는 홀 효과(Hall Effect)라고 불리우는 일종의 전류자기 효과를 이용한 것으로, 전자장의 검출, 자장의 강약, 자극의 판별 능력이 다른 소자에 비교하여 우수한 성질이 있다.

홀소자(51)가 예를 들어, 로터 마그네트(30)의 N극을 검출하고 일정 전압을 출력하여 회로기판(50)에 설치된 제어회로로 전달하면 소정 트랜지스터가 온 되어 전원으로 부터 와이어(W)를 통해 전류가 스테이터(40)의 제1, 제2 슬롯(41,42)에 권선된 코일로 흐르게 된다.

스테이터(40)의 코일측에는 인가되는 전류에 의해 로터 마그네트(30)가 바람직하게 회전되도록 각각 자극이 형성되는데, 2 개의 직렬접속된 슬롯에서 발생된 자극은 2극 착자된 로터 마그네트(30)의 같은 극을 척력으로 밀어내고 반대극을 당김으로써, 로터 마그네트(30)가 안정되게 회전하도록 작동한다.

이때 스테이터(40)의 제1, 제2 슬롯(41,42)에 감기는 코일의 권수와 감는 방향 및 전류 흐름은 로터 마그네트(30)의 회전이 바람직하게 일어나도록 스테이터(40)의 코일측과 로터 마그네트간(30)의 전자기학적인 특성을 고려하여 설정하면 된다.

다음으로, 상기 과정에서 N극이 홀소자(51)에서 멀어지고 S극이 홀소자(51)로 회전되어 들어오면 홀소자(51)의 출력이 변화된다. 그리고 제어회로는 변화된 홀소자(51)의 출력에 따라서 스위칭소자의 온/오프를 제어하게 되는데, 온 되었던 트랜지스터는 오프되며 소정의 다른 트랜지스터가 온되어 스테이터(40)의 코일에서는 반대방향으로 전류가 인가된다.

상기 과정을 반복함으로써 로터 마그네트(30)는 일정 토크와 회전속도로 안정되게 회전을 하게 된다.

그리고 스테이터(40)와 로터 마그네트(30)가 도 4 및 도 5에서와 같이 어느 일측이 대칭구조일 때 타측이 비대칭구조로 형성되어 있는 경우에는 초기 구동이 더욱 바람직하게 이루어지게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 단상 브러시리스 직류 모터는 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 가장 단순한 2 슬롯 구조 스테이터와 인너 로터 방식으로 성형됨으로써 제조공정이 단순화 될 뿐만 아니라 코스트 절감을 도모할 수 있는 이점이 있다.

둘째, 하우징을 플래트(flat)형으로 형성 가능함으로써 슬림화가 가능한 이점이 있다.

셋째, 종래의 브러시 모터와 브러시리스 모터의 장점을 모두 갖춤으로써 고정밀도 고회전의 회전력을 얻을 수 있는 이점이 있다.

네째, 스테이터와 로터 마그네트를 전자기적인 비대칭 구조를 가지도록 하여 단상모터에서 발생하기 쉬운 초기 자기동 불능문제가 해소되는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 상, 하 중심면에 메탈 베어링이 개재된 하우징과;

   상기 하우징의 메탈 베어링상에 양측면이 회전 가능하게 미끄럼 지지되는 회전축과;

   상기 회전축의 외주면에 형성되며, 2극 착자된 로터 마그네트와;

   상기 하우징의 내주면에 형성되어 로터 마그네트와 함께 회전력을 발생시키며, 제1 및 제2슬롯이 직렬 접속된 스테이터와;

   상기 하우징이 하부 일측면에 형성되며, 일측에는 로터 마그네트의 극성을 판단하는 홀소자가 형성된 회로기판을 포함하여 구성되고,

   상기 로터 마그네트는 대칭상태로 2극 착자되고, 상기 스테이터의 제1 및 제2 슬롯은 비대칭 구조로 형성된 것을 특징으로 하는 단상 브러시리스 직류 모터.
2. 삭제
3. 상, 하 중심면에 메탈 베어링이 개재된 하우징과;

   상기 하우징의 메탈 베어링상에 양측면이 회전 가능하게 미끄럼 지지되는 회전축과;

   상기 회전축의 외주면에 형성되며, 2극 착자된 로터 마그네트와;

   상기 하우징의 내주면에 형성되어 로터 마그네트와 함께 회전력을 발생시키며, 제1 및 제2슬롯이 직렬 접속된 스테이터와;

   상기 하우징이 하부 일측면에 형성되며, 일측에는 로터 마그네트의 극성을 판단하는 홀소자가 형성된 회로기판을 포함하여 구성되고,

   상기 로터 마그네트는 비대칭상태로 2극 착자되고, 상기 스테이터의 제1 및 제2 슬롯은 대칭구조로 형성되면서 서로 직렬 접속되는 분할 슬롯쌍으로 분할 구성된 것을 특징으로 하는 단상 브러시리스 직류 모터.
4. 삭제