KR100724542B1

KR100724542B1 - Brushless DC Motor

Info

Publication number: KR100724542B1
Application number: KR1020050071391A
Authority: KR
Inventors: 류세현; 정중기; 이종배
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2005-08-04
Filing date: 2005-08-04
Publication date: 2007-06-07
Also published as: KR20070016589A

Abstract

본 발명은 브러쉬리스 직류모터에 관한 것으로서, 정현적 자화분포를 갖도록 착자된 마그네트와 상기 마그네트의 자극 피치의 1/2피치 간격마다 상기 마그네트와 이격되고 대향하게 위치된 한 쌍의 홀 소자와 위치연산부를 가지며 상기 한 쌍의 홀 소자와는 전기적으로 연결된 회로기판을 구비하여 저가형 및 소형화 제작이 가능한 직류모터를 제공해 줄 수 있는 효과를 얻는다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a brushless DC motor, comprising a magnet magnetized to have a sine magnetization distribution and a pair of Hall elements spaced apart from and opposed to the magnet at 1/2 pitch intervals of the magnetic pole pitch of the magnet. With a circuit board electrically connected to the pair of Hall elements has an effect that can provide a direct-current motor capable of low-cost and small size manufacturing.

브러쉬리스, 직류, 모터, 홀, 소자, 마그네트, 회로기판 Brushless, DC, Motor, Hall, Device, Magnet, Circuit Board

Description

Brushless DC Motor

도 1은 일반적인 브러쉬리스 직류모터를 도시한 단면도,1 is a cross-sectional view showing a general brushless DC motor,

도 2는 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류모터를 도시한 분해 사시도,2 is an exploded perspective view showing a brushless DC motor according to the present invention;

도 3은 도 2의 마그네트와 회로기판을 도시한 부분 분해 사시도,3 is a partially exploded perspective view illustrating the magnet and the circuit board of FIG. 2;

도 4는 도 2의 마그네트와 회로기판을 결합하여 보여준 단면도, 4 is a cross-sectional view showing a combination of the magnet and the circuit board of FIG.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Explanation of symbols for the main parts of the drawings *

100 : 고정자 101 : 요크100: stator 101: yoke

102 : 돌극 103 : 코일102: salient pole 103: coil

200 : 회전자 201 : 샤프트 200: rotor 201: shaft

202 : 영구자석 203 : 절연체 링 202: permanent magnet 203: insulator ring

204 : 마그네트 300 : 회로기판204: magnet 300: circuit board

본 발명은 정현적 자화분포를 갖도록 착자된 마그네트와 상기 마그네트의 자극 피치의 1/2피치 간격마다 상기 마그네트와 이격되고 대향하게 위치된 한 쌍의 홀 소자와 위치연산부를 가지며 상기 한 쌍의 홀 소자와는 전기적으로 연결된 회로 기판을 구비하여 저가형 및 소형화 제작이 가능한 브러쉬리스 직류모터에 관한 것이다.The present invention includes a magnet magnetized to have a sine magnetization distribution and a pair of Hall elements and a position calculating portion spaced apart from and opposed to the magnets at 1/2 pitch intervals of the magnetic pole pitch of the magnets. The present invention relates to a brushless DC motor having an electrically connected circuit board and capable of being manufactured at low cost and miniaturization.

일반적으로, 브러시리스 직류모터는 정류자가 구비되어 있지 않은 모터로서 수명이 길고, 전기적 및 기계적 노이즈가 발생하지 않아 각종 전기 및 전자 제품의 가전기기는 물론 사무기기, 자동차 전장용 등의 구동모터로서 폭 넓게 사용되고 있다. In general, the brushless DC motor is a motor without a commutator and has a long lifespan, and does not generate electrical and mechanical noise. Therefore, the brushless DC motor is a drive motor for office appliances, automotive electronics, as well as home appliances of various electrical and electronic products. It is widely used.

도 1은 이러한 통상의 브러시리스 직류 모터를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a diagram schematically showing such a conventional brushless DC motor.

이에 도시된 바와 같이, 브러시리스 직류모터는 크게 고정자(100)와 회전자(200)로 구성되는데, 고정자(100)는 상호 이격되어 중앙의 수용공을 향하는 방향으로 방사상 돌출된 복수의 돌극(102)과 상기 복수의 돌극(102)들을 원주방향을 따라 상호 연결하는 요크(101), 그리고 상기 복수의 돌극(102)에 각기 권선된 코일(103)로 구성되며, 회전자(rotor)는 샤프트 및 상기 샤프트의 일부를 감싸는 영구자석(permanent magnet)을 가지고 상기 고정자의 수용공에 수용되는 구조를 가진다.As shown therein, the brushless DC motor is composed of a stator 100 and a rotor 200. The stator 100 is spaced apart from each other and a plurality of protrusions 102 protruding radially in a direction toward the center receiving hole. ) And a yoke 101 interconnecting the plurality of salient poles 102 along the circumferential direction, and a coil 103 wound around the plurality of salient poles 102, respectively, and the rotor includes a shaft and It has a structure that is received in the receiving hole of the stator having a permanent magnet (permanent magnet) surrounding a portion of the shaft.

한편, 이러한 구조를 가지는 통상의 브러시리스 직류모터의 위치를 검출하기 위해 엔코더(encoder)를 주로 사용한다.Meanwhile, an encoder is mainly used to detect the position of a conventional brushless DC motor having such a structure.

이러한 엔코더는 예를 들면, 브러쉬리스 직류모터와 일체화된 구조를 가지며, 회전자의 회전축에 설치되는 패턴판, 상기 패턴판에 광을 조사하는 광원, 상기 패턴판에서 선택적으로 반사되는 광을 수광하는 광검출기를 가지고서 광검출기의 검출신호로부터 상기 회전자의 회전수를 검출하는데, 상기 패턴판에는 그 원주를 따라 반사부와 비반사부가 교대로 배치되므로 상기 모터의 회전에 따라 상기 반사 부에서 광이 반사되는 횟수를 계수하면, 모터의 회전수를 알 수 있다.Such an encoder has a structure integrated with, for example, a brushless DC motor, and includes a pattern plate installed on a rotating shaft of a rotor, a light source for irradiating light onto the pattern plate, and a light selectively reflected from the pattern plate. The rotation speed of the rotor is detected from the detection signal of the photodetector with a photodetector. The reflector and the non-reflective portion are alternately disposed along the circumference of the pattern plate so that light is reflected from the reflector according to the rotation of the motor. By counting the number of reflections, the rotation speed of the motor can be known.

하지만, 이러한 통상의 엔코더는 회전자의 회전축에 그 패턴판이 설치되므로 모터의 크기를 줄이는데 한계가 있고, 또한 자체의 부품 가격이 고가일 뿐만 아니라, 정밀하게 제작되어야 하는 패턴판으로 인해 제조 단가가 상당히 높아지는 문제점이 발생된다. However, such a conventional encoder is limited in reducing the size of the motor because the pattern plate is installed on the rotating shaft of the rotor, and the manufacturing cost is considerably high due to the high cost of the parts and the pattern plate to be manufactured precisely. Higher problems arise.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해소시키기 위하여 개발된 것으로, 모터의 크기를 줄일 수 있으면서 저렴하게 제조할 수 있도록 하는 브러쉬리스 직류모터를 제공하는데 그 목적이 있다.Accordingly, the present invention was developed to solve the above problems, and an object thereof is to provide a brushless DC motor which can be manufactured inexpensively while reducing the size of the motor.

이러한 목적에 따른 본 발명의 브러쉬리스 직류모터는Brushless DC motor of the present invention according to this object is

종래의 선형적인 슬로프를 가진 파형이나 구형파를 이용해 회전 위치를 검출하는 구조와는 달리, 90°의 위상차를 가진 사인파와 코사인파를 이용해 회전 위치를 검출하는 구조인 것을 특징으로 한다. Unlike the structure of detecting the rotation position by using a waveform or a square wave having a conventional linear slope, it is characterized in that the structure to detect the rotation position using a sine wave and cosine wave having a phase difference of 90 °.

상기 구조는 마그네트와 상기 마그네트의 자극 피치의 1/2피치 간격에 위치되어진 한 쌍의 홀 소자를 가지는 것을 특징으로 한다.The structure is characterized in that it has a magnet and a pair of Hall elements located at a 1/2 pitch interval of the magnetic pole pitch of the magnet.

그리고, 위치연산부를 가지며 상기 한 쌍의 홀 소자와는 전기적으로 연결된 회로기판을 추가로 구비하는 것을 특징으로 한다.The apparatus may further include a circuit board having a position calculation unit and electrically connected to the pair of hall elements.

또한, 상기 마그네트는 정현적 자화분포를 갖도록 착자된 것을 특징으로 한다.In addition, the magnet is characterized in that the magnetized to have a sine magnetization distribution.

상기 마그네트는 링 형상을 가지는 것을 특징으로 한다.The magnet is characterized in that it has a ring shape.

상기 구조의 바람직한 양태는, 상호 이격되어 중앙의 수용공을 향하는 방향으로 방사상 돌출된 복수의 돌극 및 상기 복수의 돌극들을 원주방향을 따라 상호 연결하는 요크를 가진 고정자와, 샤프트 및 상기 샤프트의 일부를 감싸는 영구자석을 가지고 상기 고정자의 수용공에 수용되는 회전자를 구비한 브러시리스 직류모터에 있어서, 정현적 자화분포를 갖도록 착자되어 상기 샤프트의 끝단부에 결합된 마그네트와 상기 마그네트의 자극 피치의 1/2피치 간격마다 상기 마그네트와 이격되어 마주보게 위치한 한 쌍의 홀 소자를 포함하여 이루어지는 구조인 것을 특징으로 한다.A preferred aspect of the structure comprises a stator having a plurality of protrusions radially projecting apart from each other and radially protruding in a direction toward the center receiving hole, and a yoke for interconnecting the plurality of protrusions along the circumferential direction, the shaft and a portion of the shaft. A brushless direct current motor having a rotor that is enclosed in a receiving hole of a stator and having a permanent magnet wrapped therein, the magnet being magnetized to have a sine magnetization distribution and coupled to an end of the shaft and one of the magnetic pole pitches of the magnet. It is characterized in that the structure comprises a pair of Hall elements facing each other spaced apart from the magnet at every / 2 pitch interval.

그리고, 일부에 형성된 수용공을 가지고 상기 마그네트를 수용하며 일단과 타단이 상기 한 쌍의 홀 소자와 전기적으로 연결되는 회로기판을 바람직한 구조에서 더 포함할 수 있다.And, it may further include a circuit board having a receiving hole formed in a portion to receive the magnet and one end and the other end electrically connected to the pair of Hall elements in a preferred structure.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described the present invention in more detail.

도 1에 도시된 브러쉬리스 직류모터는 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류모터의 일예로서, 90°의 위상차를 가진 사인파와 코사인파를 이용해 회전 위치를 검출하는 구조로서 종래의 선형적인 슬로프를 가진 파형이나 구형파를 이용해 회전 위치를 검출하는 것과는 상이한 구조이다.Brushless DC motor shown in Figure 1 is an example of a brushless DC motor according to the present invention, a structure that detects the rotation position using a sine wave and cosine wave having a phase difference of 90 ° as a waveform having a conventional linear slope or The structure is different from detecting the rotation position using a square wave.

이러한 구조는, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 90°의 위상차를 가진 사인파와 코사인파를 발생시킬 수 있도록, 정현적 자화분포를 갖도록 착자된 마그네트와 상기 마그네트의 자극 피치의 1/2피치 간격마다 상기 마그네트와 이격되고 대향하게 위치된 한 쌍의 홀 소자가 구비되며, 상기 한 쌍의 홀 소자에서 각기 발생시킨 90°의 위상차를 가진 사인파와 코사인파를 이용해 마그네트의 회전 위치를 검출하는 회로기판이 상기 한 쌍의 홀 소자와 전기적으로 연결된 구조이다. 여기서 정현적 자화분포란, 마그네트를 회전시켰을 때 외부의 고정점에서 측정한 자기장의 세기 변화가 정현파 그래프로 나타낼 수 있는 형태로 나타남을 의미한다.This structure, as shown in FIG. 1, is a 1/2 pitch interval between the magnet magnetized to have a sinusoidal magnetization distribution and the magnetic pole pitch of the magnet so as to generate a sine wave and a cosine wave having a phase difference of 90 °. Each pair is provided with a pair of Hall elements spaced apart from and opposed to the magnet, and detecting a rotational position of the magnet by using a sine wave and a cosine wave having a phase difference of 90 ° generated by the pair of Hall elements, respectively. The structure is electrically connected to the pair of Hall elements. Here, the sine magnetization distribution means that the change in the intensity of the magnetic field measured at the external fixed point when the magnet is rotated is represented in the form of a sinusoidal graph.

좀 더 구체적으로는, 상호 이격되어 중앙의 수용공을 향하는 방향으로 방사상 돌출된 복수의 돌극 및 상기 복수의 돌극들을 원주방향을 따라 상호 연결하는 요크를 가진 고정자(100)와, 샤프트(201) 및 상기 샤프트(201)의 일부를 감싸는 영구자석(202)을 가지고 상기 고정자(100)의 수용공에 수용되는 회전자를 구비한 브러시리스 직류모터에 있어서, 정현적 자화분포를 갖도록 착자되어 상기 샤프트(201)의 끝단부에 결합된 마그네트(204)와 상기 마그네트(204)의 자극 피치의 1/2피치 간격마다 상기 마그네트(204)와 이격되어 마주보게 위치한 한 쌍의 홀 소자와 위치연산부를 가지며 상기 한 쌍의 홀 소자와는 전기적으로 연결된 회로기판(300)를 가진 구조이다.More specifically, the stator 100 and the shaft 201 having a plurality of protrusions radially projecting in the direction toward the center receiving hole spaced apart from each other and a yoke for interconnecting the plurality of protrusions along the circumferential direction; In a brushless DC motor having a permanent magnet 202 surrounding a part of the shaft 201 and a rotor accommodated in the receiving hole of the stator 100, the shaft is magnetized to have a sine magnetization distribution. The magnet 204 coupled to the end of 201 and a pair of Hall elements and a position calculation part spaced apart from and opposed to the magnet 204 every 1/2 pitch interval of the magnetic pole pitch of the magnet 204 It is a structure having a circuit board 300 electrically connected to a pair of Hall elements.

추가적으로, 본 발명은 효율적인 위치검출을 위해 영구자석(202)과 마그네트(204)사이에 절연체 링(203)를 설치할 수 있다.Additionally, the present invention may install an insulator ring 203 between the permanent magnet 202 and the magnet 204 for efficient location detection.

이러한 구조를 가진 직류모터에서, 상기 고정자(100)는 코일(103)이 감겨진 복수의 돌극과, 요크 및 중앙의 수용공을 구비한 구조로서, 상기 복수의 돌극들은 상호간에 일정 간격을 두고 이격되며 중앙의 수용공을 향하는 방향으로 방사상 돌출된 것이며, 상기 요크는 그 복수의 돌극들을 원주방향을 따라 상호 연결하는 것 으로서, 복수의 돌극과 요크 및 중앙의 수용공을 가진 단판형의 코어판 구조나 상기 복수의 돌극과 요크 및 중앙의 수용공을 구비한 얇은 두께를 가진 박막형의 코어판을 적층시킨 구조 모두 가능하며, 특히, 적층시킨 구조는 프레스 가공된 얇은 규소 강판을 절연시켜 여러장 적층한 구조일 수 있다.In the DC motor having such a structure, the stator 100 has a plurality of salient poles in which the coil 103 is wound, and a yoke and a center receiving hole, and the plurality of salient poles are spaced apart from each other at regular intervals. It is projected radially in the direction toward the center receiving hole, the yoke is to interconnect the plurality of salient poles along the circumferential direction, a single plate-shaped core plate structure having a plurality of salient poles and yoke and the center receiving hole B. A structure in which a plurality of thin film core plates having a thin thickness having a plurality of protrusions and a yoke and a center receiving hole are laminated is possible, and in particular, the laminated structure is formed by stacking a plurality of sheets by insulating an insulated thin silicon steel sheet. It may be a structure.

상기 회전자(200)는 중심을 가로지르는 회전축인 샤프트(201)와 상기 샤프트(201)의 일부를 감싸는 링 형상의 영구자석(202)을 가지고 상기 고정자(100)의 중앙에 형성된 수용공에 수용되는 구조이다.The rotor 200 has a shaft 201 which is a rotation axis traversing the center and a ring-shaped permanent magnet 202 surrounding a portion of the shaft 201 and accommodated in a receiving hole formed at the center of the stator 100. It is a structure.

그리고, 상기 마그네트(204)는 상기 샤프트(201)의 끝단부에 결합되는 구조인데, 예를 들면 중앙에 삽입공을 가진 링 형상의 영구자석으로서 그 삽입공내로 샤프트(201)의 끝단부가 삽입되어 샤프트(201)와 맞춤 결합되는 구조일 수 있으며, 주의할 점은 정현적 자화분포를 갖도록 착자된 것이어야 한다. 이와 같이 정현적 자화분포를 갖도록 착자된 대표적인 예는 마그네트(204)의 임의의 대척점 상에 각각 N극과 S극이 형성되도록 배치하는 것이다. 이런 마그네트(204)가 회전하면, 외부의 고정점에서는 자기장의 세기가 정현파의 형태로 변화한다.In addition, the magnet 204 is a structure that is coupled to the end of the shaft 201, for example, a ring-shaped permanent magnet having an insertion hole in the center end of the shaft 201 is inserted into the insertion hole It may be a structure that is custom coupled to the shaft 201, it should be noted that the magnetized to have a sine magnetization distribution. A representative example of the magnetized to have a sinusoidal magnetization distribution is to arrange so that the N pole and the S pole are formed on any opposite point of the magnet 204. When the magnet 204 rotates, the strength of the magnetic field changes in the form of a sine wave at an external fixed point.

상기 한 쌍의 홀 소자는 본 발명에 따라 90°의 위상차를 가진 한 쌍의 사인파와 코사인파를 발생시킬 수 있는 구조이어야 하며, 예를 들면, 상기 마그네트의 자극 피치(pitch)의 1/2피치(pitch) 간격마다 상기 마그네트(204)와 이격되어 마주보게 위치된 구조일 수 있다.According to the present invention, the pair of Hall elements must have a structure capable of generating a pair of sine and cosine waves having a phase difference of 90 °, for example, 1/2 pitch of the magnetic pole pitch of the magnet. Each pitch may be spaced apart from the magnet 204 so as to face each other.

상기 회로기판(300)은 위치연산부를 가지며 상기 한 쌍의 홀 소자와는 전기적으로 연결된 PCB기판으로서, 상기 한 쌍의 홀 소자에서 각기 발생시킨 90°의 위상차를 가진 사인파와 코사인파를 이용해 마그네트(204)의 회전 위치를 검출하는 것으로서, 상기 위치 연산부는 90°의 위상차를 가진 사인파와 코사인파를 이용해 위치를 검출할 수 있는 연산부이면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 어떠한 변형도 가능하다.The circuit board 300 is a PCB substrate having a position calculation unit and electrically connected to the pair of Hall elements, and using a sine wave and a cosine wave having a phase difference of 90 ° generated by the pair of Hall elements, respectively. As the position detecting unit 204, the position calculating unit can detect any position using a sine wave and a cosine wave having a phase difference of 90 °, and any modification can be made without departing from the technical spirit of the present invention. .

도 3은 브러쉬리스 직류모터에서 마그네트와 한 쌍의 홀 소자를 좀 더 상세히 보여주는 부분 분해 사시도로서, 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류모터는 정현적 자화분포를 갖도록 착자된 마그네트(204), 상기 마그네트(204)의 자극 피치의 1/2피치 간격마다 상기 마그네트(204)와 이격되고 대향하게 위치된 한 쌍의 홀 소자(301-1, 301-2)및 각종 소자들이 조합된 위치연산부(302)를 가지며 상기 한 쌍의 홀 소자(301-1, 301-2)와 전기적으로 연결된 회로기판(300)을 가지는데, 모터 하우징과의 결합을 위해 회로기판의 일단에는 펀칭된 다수의 결합공(303)을 추가적으로 가질 수 있다.3 is a partially exploded perspective view showing the magnet and a pair of Hall elements in a brushless DC motor in more detail, the brushless DC motor according to the present invention magnetized to have a sine magnetization distribution, the magnet (204), the magnet ( The pair of Hall elements 301-1 and 301-2, which are spaced apart from and opposed to the magnet 204, and the position calculation unit 302 in which various elements are combined at 1/2 pitch intervals of the magnetic pole pitch 204 of FIG. And a circuit board 300 electrically connected to the pair of Hall elements 301-1 and 301-2, and a plurality of coupling holes 303 punched at one end of the circuit board for coupling with the motor housing. It may additionally have.

도 4는 본 발명에 따른 위치검출동작을 설명하기 위해 마련한 것으로서, 본 발명에 따라 마련된 한 쌍의 홀 소자(301-1, 301-2)에 각기 전류를 인가하고 정현적 자화분포를 갖도록 착자되어 회로기판(300)내의 중앙에 수용된 마그네트를 회전시키게 되면, 한 쌍의 홀 소자(301-1, 301-2)가 각기 받는 자기장의 세기에 따라 각각은 정현파를 발생시키게 되고, 이 때, 한 쌍의 홀 소자는 각기 동일한 중심점에 대해 회전각 90°를 유지하도록 배치되어 있으므로, 상호간에는 90°의 위상차를 가진 사인파와 코사인파를 출력시키게 되며, 회로기판, 특히 그 내부의 위치연산부는 이렇게 출력된 사인파와 코사인파를 이용해 마그네트의 위치를 검출하게 된다. 상기의 사인파와 코사인파를 이용해 위치를 검출하는 양태는 알려진 기술이며, 여기서는 그에 대한 상세한 설명을 생략하기로 한다.4 is provided to explain the position detection operation according to the present invention, and is magnetized to apply a current to each of the pair of Hall elements 301-1 and 301-2 provided in accordance with the present invention and have a sine magnetization distribution. When the magnet accommodated in the center of the circuit board 300 is rotated, each of the pair of Hall elements 301-1 and 301-2 generates a sine wave according to the strength of the magnetic field received by the pair. Since the Hall elements of are arranged to maintain a rotation angle of 90 ° with respect to the same center point, the sine wave and the cosine wave having a phase difference of 90 ° are output to each other, and the circuit board, in particular, the position calculation unit inside thereof Sine and cosine waves are used to detect the position of the magnet. The aspect of detecting a position using the sine wave and the cosine wave is a known technique, and a detailed description thereof will be omitted herein.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 브러쉬리스 직류모터는 엔코더를 대신하여 마그네트와 홀 센서 및 회로기판 등을 사용하여 모터의 크기를 줄일 수 있고 또한 저가형의 직류모터를 얻을 수 있게 되는 효과를 얻는다.As described in detail above, the brushless DC motor according to the present invention can reduce the size of the motor by using a magnet, a hall sensor, a circuit board, etc., in place of the encoder, and also obtain an inexpensive DC motor. Get

본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the invention has been described in detail only with respect to the specific examples described, it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the spirit of the invention, and such modifications and variations belong to the appended claims.

Claims

The stator has a stator having a plurality of protrusions radially projected in a direction toward the center receiving hole spaced apart from each other and a yoke for interconnecting the plurality of protrusions in the circumferential direction, the shaft and a permanent magnet surrounding a portion of the shaft In the brushless DC motor having a rotor accommodated in the receiving hole of,

A magnet coupled to the end of the shaft and causing a sinusoidal magnetic field change with respect to an external fixed point when rotating; And

Brushless DC motor comprising a pair of Hall elements facing each other spaced apart from the magnet at every 1/2 pitch interval of the magnetic pole pitch of the magnet.

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