KR100791462B1 - 브러시리스 직류모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 회전자수용부를 갖는 고정자와, 회전자수용부에 소정의 공극을 두고 수용되어 회전하는 회전자를 포함하는 브러시리스 직류모터에 관한 것으로서, 회전자는, 원주방향을 따라 등각도 간격으로 형성되어 축선방향에 평행하게 영구자석을 각각 수용하는 영구자석수용부와; 영구자석들의 상호 인접한 원주방향 단부들 사이에 관통 형성되는 자속누설방지부와; 자속누설방지부의 영역에서 외주연으로부터 반경방향 내측으로 함몰 형성된 외주연함몰부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 의하여, 토크리플을 방지하여 소음 및 진동을 줄이고 모터의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

브러시리스 직류모터{BRUSHLESS DC MOTOR}
도 1은 종래 기술에 의한 브러시리스 직류모터에서 회전자의 요부 단면도,
도 2는 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터의 단면도,
도 3은 도 1의 요부 단면도,
도 4a는 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터에서, 시간 경과에 따른 고정자 코일의 선간전압의 변화를 나타낸 그래프,
도 4b는 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터에서, 시간 경과에 따른 고정자 코일의 상전압의 변화를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 브러시리스 직류모터 100 : 고정자
110 : 티스 120 : 슬롯
130 : 팁 140 : 공극
200 : 회전자 210 : 리벳홀
220 : 영구자석수용부 221 : 영구자석
230 : 자속누설방지부 231 : 메인홀
233 : 서브홀 240 : 외주연함몰부
241 : 브릿지부
본 발명은, 브러시리스 직류모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회전자의 구조를 개선한 브러시리스 직류모터에 관한 것이다.
브러시리스 직류모터(BLDC, Brushless DC motor)는 정류자와 브러시라는 기계적 접촉부가 없어 전기적, 기계적 노이즈가 발생하지 않으며, 수명이 길다는 장점이 있어 널리 이용되는 구동장치이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 브러시리스 직류모터는 회전자(10) 내에 복수의 영구자석(11, 12)을 매립하고, 영구자석(11, 12)에서 발산된 자속이 고정자(미도시)로 쇄교하도록 하여 회전자의 회전을 위한 토크(torque)를 형성한다. 또한, 영구자석(11, 12)의 길이방향 단부와 회전자(10)의 외주연 사이에 하나 이상의 홀(13)을 형성하여, 영구자석(11)의 단부에서 발산된 자속이 인접한 영구자석(12)으로 흐르게 되는 자속의 단락 현상을 억제한다.
그런데, 이러한 종래의 브러시리스 직류모터에 있어서는, 홀(13)이 회전자(10)의 외주연을 따라서 형성되므로, 영구자석(11) 단부에서 발산된 자속이 회전자(10)의 외주연과 홀(13) 사이를 따라서, 인접한 영구자석(12)으로 흐르게 되는 문제점이 있다. 이 때문에, 홀(13)에 의한 자속 단락의 방지가 효율적으로 이루어지지 못하여, 코깅토크(cogging torque) 또는 토크리플(torque ripple)의 발생에 의해 토크의 특성이 저하되며, 소음 및 진동이 커지고 모터의 운전 효율이 떨어지 게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은, 회전자에 매립된 영구자석의 길이방향 쪽의 단부에서 발생하여 회전자의 외주연을 따라서 인접한 영구자석으로 흐르는 자속을 고정자로 유도함으로써, 자속 단락을 방지하는 브러시리스 직류모터를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 회전자수용부를 갖는 고정자와, 상기 회전자수용부에 소정의 공극을 두고 수용되어 회전하는 회전자를 포함하는 브러시리스 직류모터에 있어서, 상기 회전자는, 원주방향을 따라 등각도 간격으로 형성되어 축선방향에 평행하게 영구자석을 각각 수용하는 영구자석수용부와; 상기 영구자석들의 상호 인접한 원주방향 단부들 사이에 관통 형성된 자속누설방지부와; 상기 자속누설방지부의 영역에서 외주연으로부터 반경방향 내측으로 함몰 형성된 외주연함몰부를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터에 의해 달성된다.
여기서, 상기 외주연함몰부의 영역에서 상기 자속누설방지부와 상기 외주연 사이의 두께는 상기 공극보다 크지 않은 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
도 2와 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터(1)는, 회전자수용부(미도시)를 가지는 고정자(100)와, 회전자수용부(미도시)에 수용되어 회전하는 회전자(200)를 포함한다.
고정자(100)는 내부 중심에 회전자(200)를 수용하도록 회전자수용부(미도시)를 가진다. 고정자(100)는 내주면에 복수의 티스(Teeth)(110)가 돌출되며, 티스(110) 사이에 슬롯(slot)(120)을 가진다. 고정자(100)는 티스(110)의 끝단 양측에 팁(tip)(130)이 돌출되며, 팁(130) 사이에는 슬롯(120)과 연통된 개구부(미도시)가 형성된다.
또한, 고정자(100)는, 전류가 인가됨으로써 각 티스(110)가 순차적으로 N극과 S극의 교번 극성을 가지게 하여, 후술할 영구자석(221)과의 전자기적 상호 작용에 의해 회전자(200)를 회전시키도록 마련된 코일(미도시)이 티스(110)의 양측 슬롯(120)에 권선된다. 코일(미도시)은 3상코일로 마련되는 것이 일반적이다.
회전자(200)는 회전자수용부(미도시)에 소정의 공극(140)을 두고 수용된다. 회전자(200)는 소정의 직경을 가지는 원형 강판이 다수 적층된, 원통형 구조를 가진다.
회전자(200)는 상부커버(미도시) 및 하부커버(미도시)를 리벳 결합하기 위한 리벳홀(210)과, 원주방향을 따라 등각도 간격으로 형성되어 축선방향에 평행하게 관통 형성된 복수의 영구자석수용부(220)와, 각 영구자석수용부(220)에 수용되는 영구자석(221)과, 영구자석(221)들의 상호 인접한 원주방향 단부에 인접하게 관통 형성된 자속누설방지부(230)와, 자속누설방지부(230)의 영역에서 회전자(200)의 외주연으로부터 반경방향 내측으로 함몰 형성된 외주연함몰부(240)를 포함한다.
리벳홀(210)은 회전자(200)의 축선방향을 따른 상면과 하면을 각각 차폐하는 상부커버(미도시)와 하부커버(미도시)를 리벳 결합시키도록 회전자(200)의 축선방 향을 따라서 복수로 관통된다. 리벳홀(210)은 이에 의하여 영구자석(221)이 영구자석수용부(220)로부터 이탈되지 않도록 한다.
영구자석수용부(220)는 영구자석(221)을 수용하도록 영구자석(221)의 크기 및 형상에 대응하게, 회전자(200)의 원주방향에 등각도 간격으로, 회전자(200)의 축선방향을 따라 관통 형성된다. 본 발명의 실시예에서의 영구자석수용부(220)는 회전자(200)에 네 개가 직사각형 형상으로 관통 형성되나, 영구자석수용부(220)의 수량, 크기 및 형상은 이에 한정되지 않는다.
영구자석(221)은 영구자석수용부(220)에 수용됨으로써 회전자(200) 내측에 매립된다. 회전자(200)에 매립된 영구자석(221)은, 코일(미도시)에 전류가 인가된 고정자(100)와의 사이에 자속 루프(loop)를 형성함으로써 회전자(200)를 회전시킨다. 즉, 영구자석(221)에서 나온 자속이 고정자(100)로 쇄교됨으로써 회전자(200)를 회전시키는 토크가 형성된다. 그런데, 영구자석(221)들의 상호 인접한 회전자(200) 원주방향의 단부, 즉 영구자석(221)의 길이방향 단부에서 나온 자속은 고정자(100)로 쇄교되지 않고 회전자(200)를 통해 인접한 영구자석(221)으로 흐르는, 자속의 단락 또는 누설이 일어난다.
자속누설방지부(230)는 이러한 현상을 방지하기 위하여, 상호 인접한 영구자석수용부(220) 및 회전자(200)의 외주연 사이에 적어도 하나 관통 형성된다. 자속누설방지부(230)는 회전자(200)의 축선방향을 따라 관통된 홀로 마련되며, 영구자석(221)에서 나온 자속이, 인접한 영구자석(221)으로 흐르는 것을 방해하고 자속을 고정자(100)로 유도한다.
자속누설방지부(230)는 영구자석(221)들의 상호 인접한 회전자(200) 원주방향의 단부에 인접하게, 영구자석(221)의 길이방향에 대한 가로방향으로 형성된 메인홀(231)과, 메인홀(231)에 인접하게 회전자(200)의 외주연을 따라 형성된 두 개의 서브홀(233)을 포함한다. 여기서, 메인홀(231)과 서브홀(233)의 크기, 형상, 수량 및 위치는 자속누설방지부(230)의 목적을 이루며 회전자(200)의 회전을 위한 토크의 특성을 고려하여 다양하게 변형 적용될 수 있다.
외주연함몰부(240)는 자속누설방지부(230)가 마련된 영역에서, 회전자(200)의 외주연으로부터 회전자(200)의 반경방향 내측으로 함몰 형성된다. 외주연함몰부(240)는 회전자(200)의 외주연으로부터 소정 거리의 함몰간격(d)만큼 함몰되며, 함몰간격(d)은 회전자(200)의 토크 특성 및 소음, 진동문제 등 여러 요인을 고려하여 결정될 수 있다.
외주연함몰부(240)는 메인홀(231)과 서브홀(233)에 인접하게 형성되며, 외주연함몰부(240)에 의하여 자속누설방지부(230)와 회전자(200)의 외주연 사이에 브릿지부(241)가 절곡 형성된다.
브릿지부(241)는, 자속누설방지부(230)와 회전자(200)의 외주연 사이, 즉 메인홀(231) 및 서브홀(233)과 회전자(200)의 외주연 사이에 형성된, 회전자(200)의 절취되지 않은 부분이다. 브릿지부(241)는 회전자(200)의 외주연을 따라서 형성되며, 외주연함몰부(240)에 의해 회전자(200)의 반경방향 내측으로 절곡됨으로써, 함몰간격(d) 만큼의 단차를 가진다.
브릿지부(241)는 상호 인접한 영구자석(221)의, 회전자(200) 원주방향의 단 부에서 나온 자속이 브릿지부(241)로 흐르는 경우, 상기 단차에 의해 자속의 진행을 방해하여, 자속을 고정자(100)로 유도한다.
브릿지부(241)의 폭, 즉 외주연함몰부(240)가 형성된 영역에서의 자속누설방지부(230)와 회전자(200)의 외주연 사이의 간격은 공극(140)보다 크지 않게 마련됨이 바람직하다. 이에 의하여, 자속이 브릿지부(241)로 흐르는 것을 억제하고 고정자(100)로 유도되도록 할 수 있다.
본원발명의 실시예에서는 브릿지부(241)가 한번 절곡되어 하나의 단차를 가지는 것으로 표현했으나, 외주연함몰부(240)가 중복 형성됨으로써 여러 개의 단차를 가진 브릿지부(241)가 적용될 수도 있다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 브러시리스 직류모터(1)의 작동에 대하여, 도 2와 도 3을 참조하여 설명한다.
영구자석(221)에서 발산된 자속은 회전자(200)를 거쳐 공극(140)을 지나서 티스(110)를 통과한다. 그리고, 다시 공극(140)을 지나 회전자(200)를 거쳐서, 인접한 반대 극성의 영구자석(221)에 수렴된다. 이렇게 회전자(200)와 고정자(100) 간에 자속 루프를 형성함으로써, 토크가 발생하여 회전자(200)가 회전한다.
그런데, 영구자석(221)의 길이방향의 단부에서 발산된 자속은, 고정자(100)로 쇄교되지 않고 인접한 영구자석(221)으로 직접 흐르는, 자속의 단락이 발생하는 경우가 있다. 이러한 단락 자속은 자속누설방지부(230)에 의해서 인접한 영구자석(221)으로의 흐름이 방해를 받게 되며, 일부는 고정자(100)로 유도된다.
그러나, 고정자(100)로 유도되지 않은 나머지 일부 자속은 회전자(200)의 외 주연을 따라서 브릿지부(241)로 흐른다. 브릿지부(241)는 외주연함몰부(240)에 의해 함몰간격(d) 만큼 절곡되어 단차를 가진다. 브릿지부(241)로 흐르는 자속은, 상기 단차에 의하여 인접한 영구자석(221)으로의 진행에 방해를 받으며, 자속은 고정자(100)로 유도된다.
이에 의하여, 자속누설방지부(230) 및 외주연함몰부(240)에 의해 상호 인접한 영구자석(221)의, 회전자(200) 원주방향의 단부에서 발산된 자속을 고정자(100)로 유도함으로써, 자속의 단락을 방지할 수 있다.
한편, 도 4a는 본 발명의 브러시리스 직류모터(1)에서, 시간 경과에 따른 고정자(100) 코일(미도시)의 선간전압의 변화를, 도 4b는 시간 경과에 따른 고정자(100) 코일(미도시)의 상전압의 변화를 각각 나타낸 그래프이다.
고정자(100)에 3상코일이 권선된 경우, 선간전압은 코일(미도시)을 형성하는 어느 한 상과 다른 한 상 사이의 전위차를 말하며, 상전압은 코일(미도시)을 형성하는 상들 간의 중심선과 어느 한 상 사이에 걸리는 전압을 말한다.
종래 기술에 따른 브러시리스 직류모터(1)의 경우, 시간에 따라서 고정자(100) 코일(미도시)의 선간전압 및 상전압의 변화를 측정하면, 그래프가 구형파(square wave)에 가깝게 형성된다. 그래프가 구형파에 가까워질수록 모터의 소음 및 진동이 심해지며, 정현파(sine curve)에 가까워질수록 소음 및 진동이 감소한다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 브러시리스 직류모터(1)에 있어서, 시간 경과에 따른 선간전압 및 상전압 변화 그래프 모두, 정현파에 매우 근접하게 형성된다. 이로써, 본 발명의 브러시리스 직류모터(1)에서 자속 단락이 방지됨으로써 모터에서 발생하는 소음 및 진동이 현저히 감소함을 알 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 영구자석의 단부에서 발산된 자속을 고정자로 유도하여 자속의 단락을 방지함으로써, 소음 및 진동을 저감시키고 운전 효율을 향상시킨 브러시리스 직류모터가 제공된다.

Claims (2)

  1. 회전자수용부를 갖는 고정자와, 상기 회전자수용부에 소정의 공극을 두고 수용되어 회전하는 회전자를 포함하는 브러시리스 직류모터에 있어서,
    상기 회전자는,
    원주방향을 따라 등각도 간격으로 형성되어 축선방향에 평행하게 영구자석을 각각 수용하는 영구자석수용부와;
    상기 영구자석들의 상호 인접한 원주방향 단부들 사이에 관통 형성된 자속누설방지부와;
    상기 자속누설방지부의 영역에서 외주연으로부터 반경방향 내측으로 함몰 형성된 외주연함몰부와;
    상기 자속누설방지부와 상기 외주연함몰부 사이에 단차지게 형성되어, 상기 자속누설방지부와 상기 외주연 사이 및 상기 외주연함몰부 사이로의 자속 흐름을 방해하는 브릿지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 외주연함몰부의 영역에서 상기 자속누설방지부와 상기 외주연 사이의 두께는 상기 공극보다 크지 않은 것을 특징으로 하는 브러시리스 직류모터.
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