KR100454556B1 - 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 비엘디씨 모터용스테이터 및 그의 제조방법과 비엘디씨 모터 - Google Patents

세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 비엘디씨 모터용스테이터 및 그의 제조방법과 비엘디씨 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상호 연결된 보빈을 이용하여 세그먼트형 스테이터 코어를 일체화시키는 구조로 우수한 코일의 권선작업성, 코어 소재 이용률의 극대화, 금형투자비의 최소화, 권선작업의 최소화를 도모하고 도체점적률의 최대화로 모터 효율을 극대화시킬 수 있는 BLDC 모터용 스테이터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명은 슬롯수에 대응하여 분할 형성되고 중앙부에 원주의 중심방향으로 T형 치가 일정길이로 연장 형성된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어와; 각각 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 각각을 상/하부에서 결합하여 코일을 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지를 포함하는 상부 및 하부 보빈과; 상기 상부 및 하부 보빈으로 둘러싸인 다수의 세그먼트형 스테이터 코어의 치 부분에 권취된 스테이터 코일로 구성되며; 상기 스테이터 코일은 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 둘러싼 상부 및 하부 보빈을 일직선으로 전개한 상태에서 권취가 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 비엘디씨 모터용 스테이터 및 그의 제조방법과 비엘디씨 모터{Stator for BLDC Motor Using Segmental Stator Cores, Fabricating Method thereof and BLDC Motor Using the Same}
본 발명은 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 비엘디씨 모터용 스테이터 및 그의 제조방법과 비엘디씨 모터에 관한 것으로, 특히 상호 연결된 보빈을 이용하여 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 일체화시킬 수 있는 구조로 코일의 권선작업성이 우수하면서도 코어 소재 이용률의 극대화, 금형투자비의 최소화, 권선작업의 최소화를 통하여 저가격화를 도모하고 제한된 권선용적내에 도체점적률의 최대화로 모터 효율을 극대화시킬 수 있는 비엘디씨 모터 및 그의 제조방법에 관한 것이다.
일반적인 인너 로터형(Inner Rotor Type) 3상 4극 6슬롯 구조를 갖는 BLDC(Brushless DC) 모터는 스테이터의 스테이터 코어(Stator Core)(10)가 도 1a 및 도 1b과 같이 환형의 프레임(1)에 6개의 "T"형 치(3)가 축방향으로 연장되어 있고, 6개의 "T"형 치(齒)(3)와 치(3) 사이에 6개의 슬로트 구멍(Slot Opening)(5)이 있어 그 사이로 권선 지그(JIG)를 넣고 코일(7: L1-1-L3-2)을 권선하는 구조로 되어 있다. 도 1a에서 미설명 부재번호 8은 회전축, 9는 N극과 S극이 교대로 착자된 환형의 로터, H1-H3는 로터의 위치를 검출하기 위한 홀소자를 가리키며, 화살표 방향을 따라 자로가 형성된다.
그러나 이러한 스테이터 코어 구조는 폭이 좁은 슬로트(5)를 통하여 코일(7)의 권선작업이 이루어지기 때문에 권선시간이 길고 고가의 전용 권선기가 필요하여 초기 생산시에 설비투자 비용이 많이 들고 생산성 저하에 따른 제조비용의 상승으로 경쟁력 있는 제품생산이 어려운 여러 가지 문제점을 안고 있었다.
이를 개선하기 위하여 도 2a와 같은 6개의 세그먼트 스테이터 코어(Segment Stator Core)(11a-11f)를 분할하여 제작한 후 도 2c와 같이 각각에 스테이터 코일(17: L1-1-L3-2)을 권선하고, 권선된 스테이터 코어(11a-11f)를 도 2b와 같은 결합부(A) 구조를 이용하여 환형으로 결합시키는 구조가 제안되었다. 상기 결합부(A)의 구조는 원주방향으로는 결합이 이루어지지 못하고 축방향을 따라 슬라이딩 결합되면 원주방향으로 분리가 이루어지지 않는 요홈구조를 이루고 있다. 도 2a에서 8은 1이러한 세그먼트 스테이터 코어 구조의 경우 개별 권선에 따른 권선작업의 효율은 향상되었으나 각각의 세그먼트 스테이터 코어(11a-11f)는 도 2c와 같은 개별 단자를 필요로 하였고, 각각의 단자를 위상(Phase)별로 결선(즉, 솔더링)시켜야 하는 부수적인 문제를 안고 있었다. 즉, 상기한 종래 구조에서는 분극이 많아질수록 단자의 처리 및 결선 포인트(Point)(6개의 코일군으로 이루어진 경우 12개의 솔더링 포인트가 필요)의 증가 등 새로운 문제점이 야기되었다.
상기한 문제를 개선하기 위해 도 3a 내지 도 3c에 도시된 구조를 갖는 새로운 권선방법이 제안되었다. 이 권선방법은 스테이터 코어(21)를 도 3c와 같이 각각 T형 치(23)를 포함하는 12개의 코어 유닛(21a-21l)으로 타발 성형하되 각각의 코어 유닛(21a-21l) 사이에는 0.5mm 이하의 연결부(25)를 통하여 순차적으로 연결된 구조를 갖게 제작하여, 이들을 도 3b와 같이 직선상으로 펼쳐진 상태에서 스테이터 코일(L1-L3)을 각각의 치(23)에 쉽게 권선하고 도 3a와 같이 원형으로 조립하는 방식이다. 도 3a에서 8은 회전축, 9는 로터, H1-H3는 로터의 위치를 검출하기 위한홀소자를 가리킨다.
이러한 스테이터 코어 구조는 코일(L1-L3)의 권선 작업성 개선에 많은 기여를 하였으나, 스테이터 코어(21)의 금형 제작시 12개의 코어 유닛(21a-21l)이 펼쳐진 상태에 대응하는 단일 재료가 가공되어야 하므로, 가공되는 단일 재료의 크기가 커서 금형이 대형으로 커야하므로 금형 제작비가 높고, 또한 각 코어 유닛에 대한 금형 정밀도가 높지 못한 경우 조립시에 문제가 발생할 수 있어 정밀 금형 설계가 필요하고, 가공되는 단일 재료의 크기가 커서 소재 이용률 또한 나쁜 단점이 있었다.
따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 상호 연결된 보빈(즉, 코어 절연체)을 이용하여 슬롯별로 분리된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 일체화시킬 수 있는 구조를 채용함에 의해 일반권선기로도 권선작업이 이루어질 수 있어 코일의 권선작업성이 우수한 BLDC 모터용 스테이터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 상호 결합시켜서 스테이터 코어를 형성하므로 단위 스테이터 코어 제작에 따른 코어 소재 이용률의 극대화와 금형의 소형화에 따른 금형투자비의 최소화를 도모할 수 있는 BLDC 모터용 스테이터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 4개의 코일을 각각 2개의 권선군으로 조합하여 권선작업을 1/2로 줄일 수 있는 바이-파일러(Bi-Filer) 권선방법을 채용하여 권선작업의 최소화와 함께, 4개의 코일에서 발생되는 위상 전환시에 발생되는 스위칭 노이즈를 최소화시키고 토오크를 최대화시킬 수 있는 BLDC 모터용 스테이터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 제한된 권선용적내에 도체점적률의 최대화로 모터 효율을 극대화시킬 수 있는 BLDC 모터용 스테이터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기한 바이-파일러 권선방법과 반파구동회로의 채용으로 모터 전체의 부품, 재료비를 최소화시켜 종래의 3상 BLDC 모터와 대비하여 20% 정도 저가격화를 실현할 수 있는 BLDC 모터 및 그의 제조방법을 제공하는 데 있다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 일체형 스테이터 코어 구조를 갖는 3상 4극 6슬롯 BLDC 모터의 단면 구성도 및 스테이터 코일 결선도,
도 2a 내지 도 2c는 각각 종래의 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 구조를 갖는 3상 4극 6슬롯 BLDC 모터의 단면 구성도, 코어 결합부 확대 구조도 및 단일 세그먼트 스테이터 코어에 대한 권선 구조도,
도 3a 내지 도 3c는 각각 종래의 다수의 코어 유닛이 상호 연결된 구조를 갖는 3상 8극 12슬롯 BLDC 모터의 단면 구성도, 코일 권선방법 설명도 및 코어 유닛의 전개도,
도 4a 내지 도 4d는 각각 본 발명에 따른 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 BLDC 모터의 단면 구성도, 단일 세그먼트형 스테이터 코어의 사시도, 스테이터 코어 소재의 기본 단위 타발성형 패턴과 금형의 크기를 설명하기 위한 설명도 및 코어 결합부의 확대도,
도 5는 본 발명에 따른 세그먼트형 스테이터 코어와 보빈에 대한 분해 사시도,
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 세그먼트형 스테이터 코어를 이용하여 스위칭 노이즈의 최소화와 토오크의 최대화를 도모할 수 있는 바이-필러 권선방법을 설명하기 위한 평면도 및 정면도,
도 7a는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 로터와 스테이터를 직선상으로 전개한 전개도, 도 7b는 2홀소자를 사용한 스테이터 코일 구동신호에 대한 타이밍도 및 도 7c는 도 7b의 스테이터 코일 구동신호를 이용한 4상 반파 유니폴러 코일구동회로도,
도 8a 내지 도 8d는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 로터 회전원리를 설명하기 위한 전개도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
31,31a-31h ; 스테이터 코어 32a ; 요홈
32b ; 돌기 33 ; T형 치
34a,34b ; 연결 플랜지 35,37 ; 상부 및 하부 보빈
35a-35h,37a-37h ; 보빈 몸체 36 ; 플랜지
38 ; 회전축 39 ; 로터
40 ; 코어 소재 41 ; 구동신호발생회로
B ; 결합부 H1,H2 ; 홀소자
L1-L4 ; 스테이터 코일 T1-T4 ; 트랜지스터
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 슬롯수에 대응하여 분할 형성되며 각각 원주방향을 따라 양단부에 상호 결합을 위한 요홈과 돌기가 형성되고 중앙부에 원주의 중심방향으로 T형 치가 일정길이로 연장 형성된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어와; 각각 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 각각을 상/하부에서 결합하여 외측을 둘러쌀 때 치 부분에 권취될 코일을 수용하면서 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지를 포함하는 상부 및 하부 보빈과; 상기 상부 및 하부 보빈으로 둘러싸인 다수의 세그먼트형 스테이터 코어의 치 부분에 권취된 스테이터 코일로 구성되며; 상기 스테이터 코일은 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 둘러싼 상부 및 하부 보빈을 일직선으로 전개한 상태에서 권취가 이루어지는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터를 제공한다.
상기 세그먼트형 스테이터 코어의 양단부에 상호 결합을 위한 요홈과 돌기는 원주방향으로 결합위치결정용 가이드로서 역할을 한다.
또한, 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체는 각각 서로 조립될 때 스테이터 코어의 T형 치를 둘러싸면서 치 부분에 권취되는 코일을 수용하도록 상하측에 플랜지가 절곡되어 있다.
상기 스테이터는 스테이터 코일이 4개로 이루어질 때, 각각 2개의 권선군으로 나누어서 2개의 권선군을 동시에 권선하는 바이-파일러(Bi-Filer) 권선방법으로 권취되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 본 발명은 슬롯수에 대응하여 분할 형성되며 각각 원주방향을 따라 양단부에 상호 결합을 위한 요홈과 돌기가 형성되고 중앙부에 원주의 중심방향으로 T형 치가 일정길이로 연장 형성되어 환원형으로 조립되는 다수의 세그먼트형 스테이터 코어와, 각각 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 각각을 상/하부에서 결합하여 외측을 둘러쌀 때 치 부분에 권취될 코일을 수용하면서 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지를 포함하는 상부 및 하부 보빈과, 상기 상부 및 하부 보빈으로 둘러싸인 다수의 세그먼트형 스테이터 코어의 치 부분에 권취된 다수의 스테이터 코일을 포함하는 스테이터와; 상기 스테이터의 내주에 회전 가능하게 지지된 다극 로터로 구성되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 BLDC 모터를 제공한다.
상기 모터가 4상 6극 8슬롯 구조로 이루어지는 경우, 회전되는 로터의 각 자극으로부터 발생되는 자속에 의해 로터의 자극을 검출하여 위상차를 갖는 제1 및 제2 자극검출신호를 발생하기 위한 제1 및 제2 홀소자와, 상기 제1 및 제2 자극검출신호에 따라 4상 구동에 필요한 제1 내지 제4 코일구동신호를 순차적으로 발생하기 위한 구동신호발생회로와, 상기 제1 내지 제4 코일구동신호에 응답하여 순차적으로 제1 내지 제4 스테이터 코일을 교대로 통전시키기 위한 스위칭 제어수단을 더 포함한다.
상기한 BLDC 모터용 스테이터의 제조방법은 슬롯수에 대응하여 분할 형성되며 각각 원주방향을 따라 양단부에 상호 결합을 위한 결합 요홈과 돌기가 형성되고 중앙부에 원주의 중심방향으로 T형 치가 일정길이로 연장 형성된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 성형하는 단계와; 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 각각을 상/하부에서 결합하여 외측을 둘러쌀 때 치 부분에 권취될 코일을 수용하면서 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지를 포함하는 상부 및 하부 보빈을 성형하는 단계와; 상기 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체 사이에 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 삽입하여 조립하는 단계와; 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 둘러싼 상부 및 하부 보빈을 일직선으로 전개한 상태에서 스테이터 코일을 치 부분에 권선하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 BLDC 모터가 4상 6극 8슬롯 구조인 경우 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어는 8개로 분할되어 있으며, 제2 및 제4코일이 각각 제1 및 제2 스테이터 코어에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고, 제5 및 제6 스테이터 코어에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되며, 제1 및 제3코일이 각각 제3 및 제4 스테이터 코어에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고, 제7 및 제8 스테이터 코어에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 스테이터 코일이 권선된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어의 결합 요홈과 돌기를 결합하여 환원상으로 조립하는 단계를 더 포함한다.
상기한 바와같이 본 발명에서는 상호 연결된 코어 절연체를 이용하여 슬롯별로 분리된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 감싸서 일체화시킬 수 있는 구조를 채용함에 의해 일반권선기로도 권선작업이 이루어질 수 있어 코일의 권선작업성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명에서는 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 제작한 후 상호 결합시켜서 스테이터 코어를 형성하므로 단위 스테이터 코어 제작에 따른 코어 소재 이용률의 극대화와 금형의 소형화에 따른 금형투자비의 최소화를 도모할 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명은 4개의 코일을 각각 2개의 권선군으로 조합하여 권선작업을 1/2로 줄일 수 있는 바이-파일러(Bi-Filer) 권선방법을 채용하여 권선작업의 최소화와 함께, 4개의 코일에서 발생되는 위상 전환시에 발생되는 스위칭 노이즈를최소화시키고 토오크를 최대화시킬 수 있고, 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 일렬로 전개한 상태에서 권선이 이루어질 수 있어 권선에 제약이 없으므로 제한된 권선용적내에 도체점적률의 최대화로 모터 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에서는 상기한 바이-필러 권선방법과 반파구동회로의 채용으로 모터 전체의 부품, 재료비를 최소화시켜 종래의 3상 BLDC 모터와 대비하여 20% 정도 저가격화를 실현할 수 있다.
(실시예)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.
첨부된 도 4a 내지 도 4c는 각각 본 발명에 따른 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 BLDC 모터의 단면 구성도, 단일 세그먼트형 스테이터 코어의 사시도, 스테이터 코어의 성형에 필요한 금형의 크기를 설명하기 위한 설명도 및 코어 결합부의 확대도, 도 5는 본 발명에 따른 세그먼트형 스테이터 코어와 보빈에 대한 분해 사시도이다.
먼저 본 발명의 BLDC 모터는 도 4a와 같이 다수, 예를들어 슬롯수에 대응한 8개의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)를 사용하여 스테이터 코어(31)를 구성하며, 상호 연결된 상/하부 보빈(즉, 코어 절연체)(35,37)에 의해 외측이 둘러싸인 채로 외주부에 스테이터 코일(L1-L4)이 권취되고 그후 결합부(B)의 조립 요홈(32a)에 돌기(32b)를 끼워 맞춤하여 조립되는 구조를 갖고 있다. 이 경우 결합부(B)의 조립 요홈(32a)과 돌기(32b)는 단순하게 원주방향, 즉 측방향에서 끼워 맞춤/분리가 이루어질 수 있는 구조로서 결합위치결정용 가이드 역할을 갖도록 형성된다.
이를 위하여 각각의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)는 도 4b와 같이 슬롯별로 서로 분리되며 일측 및 타측에 결합부(B)용 조립 요홈(32a)과 돌기(32b)가 형성되고 중앙부에 T형 치(33)가 내측으로 뻗어있는 형상을 갖는다.
본 발명에서는 이러한 다수의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)를 사용하여 조립되는 것이므로 단위 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)를 제작하는 경우 기본 단위 타발성형 패턴은 예를들어, 도 4c와 같이 1회에 1개, 바람직하게는 2개의 단위 스테이터 코어(31a,31b)를 동시에 타발 성형으로 얻어질 수 있는 크기의 코어 소재(40)이면 코어 가공에 사용 가능하다.
따라서, 본 발명에서는 가공되는 기본 단위의 코어 소재 크기가 작아 코어 소재 이용률의 극대화와 함께 금형의 소형화에 따른 금형투자비의 최소화와 정밀도의 향상을 도모할 수 있다.
한편, 본 발명의 스테이터 코어(31)는 코일의 권취시에 도 5와 같이 상기한 다수의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)를 중간에 두고, 대략 대칭구조를 갖는 상부 보빈(35)과 하부 보빈(37)이 조립된 상태에서 권취가 이루어진다.
상기 상부 및 하부 보빈(35,37)은 각각 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h) 각각을 상/하부에서 결합하여 외측을 둘러쌀 때 치 부분에 권취될 코일을 수용하면서 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체(35a-35h,37a-37h)와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체(35a-35h,37a-37h)를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지(34a,34b)로 이루어져 있다.
또한 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체(35a-35h,37a-37h)는 각각 서로 조립될 때 스테이터 코어(31)의 T형 치(33)를 둘러싸면서 도 6a와 같이 치(33) 부분에 권취되는 코일(L1-L4)을 수용하도록 상하측에 플랜지(36)가 절곡되어 있고, 또한 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체(35a-35h,37a-37h)를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지(34a,34b)는 보빈 몸체의 외주부로부터 절곡되어 일체로 형성되어 있다.
본 발명에서는 스테이터 코어(31)에 코일(L1-L4)을 권취하기 위하여 먼저 도 5의 다수의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)를 중간에 두고 상부 보빈(35)과 하부 보빈(37)을 조립한다. 이 경우, 상부 보빈(35)과 하부 보빈(37)을 절연재인 플라스틱 재료로 사출 성형하면 연결 플랜지(34a,34b)가 탄성력을 가지므로 도 6a와 같이 일직선으로 전개시킬 수 있게 된다. 따라서, 일직선으로 전개된 이 상태는 코일(L1-L4)의 권취가 전용권선기 대신 범용권선기로 권선이 가능하게 된다. 그 결과 초기 설비 투자비용을 절약할 수 있게 된다.
상기한 본 발명의 경우 스테이터 코어(31a-31h)를 일직선으로 전개한 상태에서 제약없이 권선이 이루어지므로 제한된 권선용적내에 도체점적률을 최대화할 수 있게 되어 모터 효율의 극대화를 도모할 수 있다.
각 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)에 대한 코일 권선이 완료되면 도 4a와 같이 각 스테이터 코어(31a-31h)의 결합부(B)의 조립 요홈(32a)과 돌기(32b)를 끼워 맞춤하여 스테이터 코어(31)를 조립하여 모터 케이스에 고정시킨다.
이 경우 6극 로터(39)의 위치검출용으로 본 발명에서는 기계각30˚(혹은 90°) 위상차를 두고 배치된 예를들어, 2개의 홀소자(H1,H2)가 사용된다. 상기 로터(39)는 회전축(38)에 지지된다.
또한 본 발명에서는 코일의 권선시에 종래의 도 3b와 같이 3개의 코일(L1-L3)을 각각 2개씩 걸러서 T형 치에 순차적으로 권선하는 방식으로 권취하지 않고, 도 6a 및 도 6b와 같이 4개의 코일(L1-L4)을 각각 2개의 권선군(예를들어, L1과 L3 : L2와 L4)으로 나누어서 2개의 권선군(L1과 L3 : L2와 L4)을 동시에 권선하는 바이-파일러(Bi-Filer) 권선방법의 채용으로 권선작업을 1/2로 줄일 수 있게 되었다.
이 경우 8개의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)에는 우선 제2 및 제4코일(L2과 L4)이 제1 및 제2 스테이터 코어(31a,31b)에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고 이어서 제5 및 제6 스테이터 코어(31e,31f)에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되며, 제1 및 제3코일(L1과 L3)이 제3 및 제4 스테이터 코어(31c,31d)에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고 이어서 제7 및 제8 스테이터 코어(31g,31h)에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되며, 4개의 코일(L1-L4)의 일단은 공통 접속되며 구동전원(VM)이 인가된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 BLDC 모터의 동작에 대하여 이하에 상세하게 설명한다.
도 7a는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 로터와 스테이터를 직선상으로 전개한 전개도, 도 7b는 2 홀소자를 사용한 스테이터 코일 구동신호에 대한 타이밍도, 도 7c는 도 7b의 스테이터 코일 구동신호를 이용한 4상 반파 유니폴러 코일구동회로도이다.
도 7a에 도시된 본 발명의 BLDC 모터는 4상 6극 8슬롯 구조로서 도 7c와 같은 4상 반파 유니폴러(Unipolar) 구동회로를 사용하여 스테이터 코일(L1-L4)에 대한 구동전원(VM)을 스위칭 공급한다.
본 발명에서는 2개의 홀소자(H1,H2)를 사용하여 도 7b와 같이 회전각 60˚마다 주기가 반전되는 구형파 자극검출신호(S1,S2)를 30˚의 위상차를 두고 발생하면 이 자극검출신호(S1,S2)에 따라 구동신호발생회로(41)는 표 1과 같은 로직에 따라 4상 구동에 필요한 4개의 코일구동신호(Va-Vd)를 순차적으로 발생한다.
자극검출신호 코일구동신호
S1 S2 Va Vb Vc Vd
1 1 1 0 0 0
1 0 0 1 0 0
0 0 0 0 1 0
0 1 0 0 0 1
상기와 같이 코일(L1-L4)에 대한 코일구동신호(Va-Vd)가 트랜지스터(T1-T4)에 순차적으로 인가되면 순차적으로 트랜지스터(T1-T4)가 턴온되면서 구동전원(VM)이 코일(L1-L4)을 따라 흐르게 된다.
그 결과 상기한 본 발명에 따른 4상 6극 8슬롯 구조의 BLDC 모터는 도 8a 내지 도 8d에 도시된 바와 같은 원리에 의해 로터(39)가 회전하게 된다.
먼저 1단계로 코일구동신호(Va)가 발생되어 트랜지스터(T1)이 턴온되어 코일(L1)에 전류가 순방향으로 흐르게 되면 도 8a와 같이 제3 스테이터 코어(31c)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정되고 제4 스테이터코어(31d)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정되며, 제7 스테이터 코어(31g)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정되고 제8 스테이터 코어(31h)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정된다.
그 결과 제3 및 제4 스테이터 코어(31c,31d)와 제7 및 제8 스테이터 코어(31g,31h)는 각각 로터(39)의 N극과 S극을 흡인(↙)/반발(↖) 작용이 발생하여 로터를 좌측으로 이동시키게 된다.
이어서 2단계로 코일구동신호(Vb)가 발생되어 트랜지스터(T2)이 턴온되어 코일(L2)에 역방향으로 전류가 흐르게 되면 도 8b와 같이 제6 스테이터 코어(31f)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정되고 제5 스테이터 코어(31e)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정되며, 제2 스테이터 코어(31b)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정되고 제1 스테이터 코어(31a)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정된다.
그 결과 제1 및 제2 스테이터 코어(31a,31b)와 제5 및 제6 스테이터 코어(31e,31f)는 각각 로터(39)의 N극과 S극을 흡인(↙)/반발(↖) 작용이 발생하여 계속하여 로터(39)를 좌측으로 이동시키게 된다.
또한 3단계로 코일구동신호(Vc)가 발생되어 트랜지스터(T3)이 턴온되어 코일(L3)에 역방향의 전류가 흐르게 되면 도 8c와 같이 제8 스테이터 코어(31h)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정되고 제7 스테이터 코어(31g)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정되며, 제2 스테이터 코어(31b)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정되고 제1 스테이터 코어(31a)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정된다.
그 결과 제1 및 제2 스테이터 코어(31a,31b)와 제5 및 제6 스테이터 코어(31e,31f)는 각각 로터(39)의 N극과 S극을 흡인(↙)/반발(↖) 작용이 발생하여 계속하여 로터(39)를 좌측으로 이동시키게 된다.
마지막으로 제4단계에서 코일구동신호(Vd)가 발생되어 트랜지스터(T4)이 턴온되어 코일(L4)에 순방향으로 전류가 흐르게 되면 도 8d와 같이 제1 스테이터 코어(31a)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정되고 제2 스테이터 코어(31b)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정되며, 제5 스테이터 코어(31e)는 반시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 N극으로 설정되고 제6 스테이터 코어(31f)는 시계방향으로 코일이 권선되어 있으므로 S극으로 설정된다.
그 결과 제1 및 제2 스테이터 코어(31a,31b)와 제5 및 제6 스테이터 코어(31e,31f)는 각각 로터(39)의 N극과 S극을 흡인(↙)/반발(↖) 작용이 발생하여 로터를 좌측으로 이동시키게 된다.
상기 제1 내지 제4단계가 순차적으로 반복되면서 로터(39)는 좌측으로 이동, 즉 회전이 이루어진다.
이 경우 본 발명에서는 도 6a와 같이 바이-파일러(Bi-Filer) 권선방법에 따라 4개의 코일(L1-L4)을 각각 2개의 권선군(L1과 L3 : L2와 L4)으로 나누어서 2개의 권선군(L1과 L3 : L2와 L4)을 동시에 권선하였기 때문에 1쪽 코일(예를들어, L1또는 L2)의 위상전환 경우 다른쪽 코일(L3 또는 L4)에는 임펄스 형태의 역기전압이 발생하게 되어 스위칭 노이즈(Switching Noise)가 제거되는 효과가 얻어진다.
또한, 본 발명은 다수의 세그먼트형 스테이터 코어(31a-31h)를 타발 성형하기 위한 금형의 크기가 상대적으로 작으므로 쉽게 금형의 정밀도를 높여 정밀 가공이 이루어질 수 있는 이점을 제공한다.
상기한 실시예에서는 4상 유니폴라 구동의 6극 8슬롯 구조를 갖는 BLDC 모터를 예로들었으나, 본 발명의 기본적인 특징은 스테이터 코어를 분할하여 다수의 세그먼트형 스테이터 코어로 제작하여 스테이터 코일의 권취를 용이하게 하였다는 점이다.
따라서, 본 발명은 본 발명의 기본적인 특징을 유지하면서 6극 8슬롯 이외에 이의 배수인 12극 16슬롯 또는 18극 24슬롯 구조로 변형되는 것도 가능하며, 또한 4상 유니폴라 반파 구동방식을 2상 또는 3상 코일 구조로서 바이폴라(Bi-polar), 전파 또는 반파 구동 제어로 변형하는 것도 당업자에게 용이하게 이루어질 수 있다.
상기한 바와같이 본 발명에서는 상호 연결된 코어 절연체를 이용하여 슬롯별로 분리된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 일체화시킬 수 있는 구조를 채용함에 의해 일반권선기로도 권선작업이 이루어질 수 있어 코일의 권선작업성이 매우 우수하다.
또한, 본 발명에서는 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 제작한 후 상호 결합시켜서 스테이터 코어를 형성하므로 단위 스테이터 코어 제작에 따른 코어 소재 이용률의 극대화와 금형의 소형화에 따른 금형투자비의 최소화를 도모할 수 있게 된다.
더욱이, 본 발명은 4개의 코일을 각각 2개의 권선군으로 조합하여 권선작업을 1/2로 줄일 수 있는 바이-파일러(Bi-Filer) 권선방법을 채용하여 권선작업의 최소화와 함께, 4개의 코일에서 발생되는 위상 전환시에 발생되는 스위칭 노이즈를 최소화와 함께 토오크를 최대화시킬 수 있으며, 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 일렬로 전개한 상태에서 권선이 이루어질 수 있어 권선에 제약이 적으므로 제한된 권선용적내에 도체점적률의 최대화로 모터 효율을 극대화시킬 수 있다.
본 발명에서는 상기한 소재 이용률의 극대화와, 세그먼트형 스테이터 코어의 전개된 상태에서의 바이-파일러 권선과, 반파구동회로 채용에 따른 최소 부품 사용으로 모터 전체의 부품, 재료비를 최소화시켜 종래의 3상 BLDC 모터와 대비하여 20% 정도 저가격화를 실현할 수 있게 되었다.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims (13)

  1. 슬롯수에 대응하여 분할 형성되며 각각 원주방향을 따라 양단부에 상호 결합을 위한 요홈과 돌기가 형성되고 중앙부에 원주의 중심방향으로 T형 치가 일정길이로 연장 형성된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어와;
    각각 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 각각을 상/하부에서 결합하여 외측을 둘러쌀 때 치 부분에 권취될 코일을 수용하면서 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지와, 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체 각각이 서로 조립될 때 스테이터 코어의 T형 치를 둘러싸면서 치 부분에 권취되는 코일을 수용하도록 상하측에 절곡된 플랜지를 포함하는 상부 및 하부 보빈과;
    상기 상부 및 하부 보빈으로 둘러싸인 다수의 세그먼트형 스테이터 코어의 치 부분에 권취된 스테이터 코일로 구성되며;
    상기 스테이터 코일은 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 둘러싼 상부 및 하부 보빈을 일직선으로 전개한 상태에서 권취가 이루어지는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 스테이터 코일이 4개로 이루어질 때, 각각 2개의 권선군으로 나누어서 2개의 권선군을 동시에 권선하는 바이-파일러(Bi-Filer) 권선방법으로 권취되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터.
  5. 슬롯수에 대응하여 분할 형성되며 각각 원주방향을 따라 양단부에 상호 결합을 위한 요홈과 돌기가 형성되고 중앙부에 원주의 중심방향으로 T형 치가 일정길이로 연장 형성되어 환원형으로 조립되는 다수의 세그먼트형 스테이터 코어와,
    각각 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 각각을 상/하부에서 결합하여 외측을 둘러쌀 때 치 부분에 권취될 코일을 수용하면서 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지와, 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체 각각이 서로 조립될 때 스테이터 코어의 T형 치를 둘러싸면서 치 부분에 권취되는 코일을 수용하도록 상하측에 절곡된 플랜지를 포함하는 상부 및 하부 보빈과,
    상기 상부 및 하부 보빈으로 둘러싸인 다수의 세그먼트형 스테이터 코어의 치 부분에 권취된 다수의 스테이터 코일을 포함하는 스테이터와;
    상기 스테이터의 내주에 회전 가능하게 지지된 다극 로터로 구성되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 BLDC 모터.
  6. 제5항에 있어서, 상기 모터가 4상 6극 8슬롯 구조로 이루어지는 경우,
    회전되는 로터의 각 자극으로부터 발생되는 자속에 의해 로터의 자극을 검출하여 위상차를 갖는 제1 및 제2 자극검출신호를 발생하기 위한 제1 및 제2 홀소자와,
    상기 제1 및 제2 자극검출신호에 따라 4상 구동에 필요한 제1 내지 제4 코일구동신호를 순차적으로 발생하기 위한 구동신호발생회로와,
    상기 제1 내지 제4 코일구동신호에 응답하여 순차적으로 제1 내지 제4 스테이터 코일을 교대로 통전시키기 위한 스위칭 제어수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 BLDC 모터.
  7. 제5항에 있어서, 상기 스테이터 코일이 4개로 이루어질 때, 각각 2개의 권선군으로 나누어서 2개의 권선군을 동시에 권선하는 바이-파일러 권선방법으로 권취되는 것을 특징으로 하는 세그먼트형 스테이터 코어를 이용한 BLDC 모터.
  8. 제7항에 있어서, 상기 BLDC 모터가 4상 6극 8슬롯 구조인 경우,
    제2 및 제4코일이 각각 제1 및 제2 스테이터 코어에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고, 제5 및 제6 스테이터 코어에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되며, 제1 및 제3코일이 각각 제3 및 제4 스테이터 코어에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고, 제7 및 제8 스테이터 코어에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터.
  9. 삭제
  10. 슬롯수에 대응하여 분할 형성되며 각각 원주방향을 따라 양단부에 상호 결합을 위한 결합 요홈과 돌기가 형성되고 중앙부에 원주의 중심방향으로 T형 치가 일정길이로 연장 형성된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 성형하는 단계와;
    상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어 각각을 상/하부에서 결합하여 외측을 둘러쌀 때 치 부분에 권취될 코일을 수용하면서 스테이터 코어와 절연시키기 위해 분할 형성된 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체와, 각각 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체를 상호 연결하기 위한 상부 및 하부 연결 플랜지를 포함하는 상부 및 하부 보빈을 성형하는 단계와;
    상기 다수의 상부 및 하부 보빈 몸체 사이에 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 삽입하여 조립하는 단계와;
    상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어를 둘러싼 상부 및 하부 보빈을 일직선으로 전개한 상태에서 스테이터 코일을 치 부분에 권선하는 단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 스테이터 코일의 권선단계에서 스테이터 코일이 4개로 이루어질 때, 각각 2개의 권선군으로 나누어서 2개의 권선군을 동시에 권선하는 바이-파일러 권선방법으로 권취되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 BLDC 모터가 4상 6극 8슬롯 구조인 경우 상기 다수의 세그먼트형 스테이터 코어는 8개로 분할되어 있으며,
    제2 및 제4코일이 각각 제1 및 제2 스테이터 코어에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고, 제5 및 제6 스테이터 코어에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되며, 제1 및 제3코일이 각각 제3 및 제4 스테이터 코어에 시계방향 및 반시계방향으로 권선되고, 제7 및 제8 스테이터 코어에 반시계방향 및 시계방향으로 권선되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 스테이터 코일이 권선된 다수의 세그먼트형 스테이터 코어의 결합 요홈과 돌기를 결합하여 환원상으로 조립하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터용 스테이터의 제조방법.
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