KR100914304B1

KR100914304B1 - Ｂｌｄｃ 모터

Info

Publication number: KR100914304B1
Application number: KR1020080100275A
Authority: KR
Inventors: 조중영
Original assignee: 주식회사 이우인더스트리
Priority date: 2008-10-13
Filing date: 2008-10-13
Publication date: 2009-08-28

Abstract

본 발명은, 적어도 하나의 N극과 S극을 갖는 회전자와, 두 개의 코일이 각각 권취된 고정 보빈이 복수 개 형성된 고정자와, 하나의 상기 고정 보빈에 있어서, 이 고정 보빈이 상기 두 개의 코일 중 하나의 코일에 의해 N극으로 자화되고 나머지 하나의 코일에 의해 S극으로 자화되도록 상기 두 개의 코일에 흐르는 전류를 제어하는 구동부를 포함하는 BLDC 모터를 제공한다.

BLDC 모터, 코일, 스위칭 IC

Description

ＢＬＤＣ 모터{BRUSH-LESS DIRECT CURRENT ELECTRIC MOTOR}

본 발명은 BLDC 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저렴하게 구성할 수 있는 BLDC 모터 및 그 구동 회로에 관한 것이다.

일반적으로, BLDC 모터는 직류 모터에서 정류자(commutator)와 브러시(brush) 등의 기계적 접촉부를 없앴기 때문에 전기적, 기계적 노이즈가 발생되지 않고 수명이 길어 널리 사용되고 있다.

이러한 BLDC 모터는 자기장 형성을 위한 다수의 영구자석을 갖춘 회전자(rotor)와, 이 회전자의 영구자석에 의한 자기장과 상호 작용하여 회전자를 회전시키는 토크를 발생시키는 고정자(stator)를 포함한다. 고정자에는 코일이 권취되어 있고, 이 코일의 전류의 흐름을 제어하여 회전 자계를 형성함으로써 영구 자석인 회전자가 회전하게 된다. 이때 회전자가 고정자의 외부에 위치하는 구조를 외부 회전자(outer rotor) 구조라 하고, 회전자가 고정자의 내부에 위치하는 구조를 내부 회전자(inner rotor) 구조라고 한다.

BLDC 모터는 고정자의 코일에서 발생하는 자계의 자극이 회전자에 설치된 자극과 항상 90°가 되도록 코일에 전류를 공급하기 위한 구동부를 구비한다.

도 1은 종래 기술에 의한 3상 BLDC 모터의 구조를 나타낸 회로 블록도이다. 도 1을 참조하면, 종래 기술에 의한 BLDC 모터는 스위칭 IC(10), 스위칭부(20), 고정자(30) 및 회전자(50)를 포함한다.

고정자(30)는 상하가 개방된 원통형으로 형성된 요크(34)와 요크(34)의 내벽에서 회전자(50)를 향해 원주 방향으로 일정 간격을 두고 돌출 형성된 두 개 이상의 고정 보빈(tooth)(36)을 포함한다. 고정 보빈(36)에는 코일(32)이 권취 형성되어 있고, 코일(32)에 공급되는 전류의 방향에 따라 고정 보빈(36)이 각각 N극 또는 S극으로 자화된다. 고정 보빈(36)은 두 개씩 쌍을 이루며, 쌍이 되는 고정 보빈(36)의 코일(32)은 하나의 도선으로 연결되고 그 권취된 방향은 서로 반대방향이 된다. 이에 의해 쌍이 되는 고정 보빈(36)은 항상 서로 반대 방향의 자극을 띠게 된다.

회전자(50)는 N극과 S극이 대향하도록 배치된 적어도 한 쌍 이상의 자극을 갖는 영구 자석으로 이루어진다. 회전자(50)의 회전축(40)은 모터의 구동력을 전달한다.

스위칭 IC(10)와 스위칭부(20)는 구동부를 구성한다. 스위칭 IC(10)는 고정 보빈(36)에 권취된 코일(32)에 전류를 선택적으로 공급하도록 하는 스위칭 신호를 생성 및 출력하고, 스위칭부(20)는 출력되는 스위칭 신호에 따라 코일(32)에 공급하는 전류의 방향을 결정하는 풀 브릿지(full bridge) 회로 등으로 이루어진다. 스위칭부(20)는 예를 들면, 스위칭 신호를 전달받아 정방향 또는 역방향의 전류를 코일(32)에 공급한다. 이와 같은 전류의 방향에 따라 고정 보빈(36)은 각각 N 극 S극으로 교번하여 자화된다.

이와 같이, 스위칭 IC(10)의 스위칭 신호에 의해 스위칭부(20)가 구동하여 고정 보빈(36)마다에 권취되어 있는 각각의 코일(32)에 정방향 또는 역방향의 전류를 공급하게 되면, 코일(32)에 의해 자화된 고정 보빈(36)의 N극 또는 S극의 자극과 회전자(50)의 영구자석의 N극 및 S극 사이의 인력 및 척력에 의한 상호 작용에 의해 회전자(50)가 회전하게 된다.

도 2는 종래 기술에 의한 BLDC 모터에서 코일이 권취된 고정자 구조를 나타낸 사시도로서, 상하가 개방된 원통형으로 형성된 요크(34)의 내벽에 돌출 형성된 각 고정 보빈(36)에 코일(32)이 권취되어 있는 상태를 나타낸다.

한편, 이러한 종래의 BLDC 모터에서는 고정 보빈(36)에 형성된 코일(32)에 공급되는 전류의 방향을 정방향 또는 역방향으로 교번하는 스위칭에 의해 고정 보빈(36)의 자극을 N극 또는 S극으로 교번하는 방법을 이용한다. 그러나 이와 같이 전류의 방향이 정반대로 바뀌는 순간 코일(32)에서는 고압의 역기전력이 발생하게 된다. 이에 따라 종래의 BLDC모터는 고압의 역기전력이 발생하는 상황하에서도 안정하게 동작할 수 있도록, 내전압 성능이 큰 소자들을 사용해야 했기 때문에 이에 의해 BLDC 모터의 가격이 비싸질 수밖에 없었다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 고정 보빈의 자극을 반전시키기 위하여 코일에 공급하는 전류의 방향을 반전시킬 때에 발생하는 고압의 역기전력을 효율적으로 감쇠시킬 수 있는 개선된 구조의 BLDC 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 해결하고자 하는 본 발명은, 적어도 하나의 N극과 S극을 갖는 회전자와, 두 개의 코일이 각각 권취된 고정 보빈이 복수 개 형성된 고정자와, 하나의 상기 고정 보빈이 상기 두 개의 코일 중 하나의 코일에 의해 N극으로 자화되고 나머지 하나의 코일에 의해 S극으로 자화되도록 상기 두 개의 코일에 흐르는 전류를 제어하는 구동부를 포함하는 BLDC 모터를 제공한다.

또한, 상기 두 개의 코일은 도선이 동시에 동일 방향으로 권취되어 형성된다.

또한, 상기 두 개의 코일 중에서 하나의 코일의 일단과 나머지 하나의 코일의 타단이 서로 전기적으로 연결된다.

또한, 상기 고정자의 모든 코일의 양단들이 각각 접속되는 다수의 접속점을 갖는 PCB를 더 포함하고, 상기 서로 전기적으로 연결되어 있는 하나의 코일의 일단과 나머지 하나의 코일의 타단은 하나의 상기 접속점에 접속된다.

또한, 본 발명은, 적어도 하나의 N극과 S극을 갖는 회전자와, 두 개의 코일이 각각 권취된 고정 보빈이 복수 개 형성된 고정자와, 상기 두 개의 코일에 전류가 흐르도록 스위칭 신호를 발생하는 스위칭 IC와, 상기 스위칭 신호에 따라 상기 두 개의 코일 중 하나의 코일에만 전류가 흐르도록 스위칭하는 스위칭부를 포함하는 BLDC 모터를 제공한다.

또한, 상기 스위칭부는 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터를 포함한다.

또한, 상기 스위칭부는 인버터를 더 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 어떠한 하나의 코일에 의해 자화된 고정 보빈을 반대의 극성으로 자화시킬 때, 이 코일 내에 발생하게 되는 고압의 역기전력을 폐루프를 형성하는 다른 하나의 코일에 의해 감쇠시킬 수 있게 되어, BLDC 모터를 구성하는 각 소자들의 내전압 성능을 낮출 수 있게 되고, 결과적으로는 BLDC 모터의 제조 비용의 감소를 도모할 수 있게 된다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

먼저, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 구성을 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터에서 실제 전기 회로를 구성하는 스위칭 IC(100), 스위칭부(200), 고정자(300) 및 스위칭부(200)의 스위칭에 의해 코일들에 전류를 공급하기 위한 전원 공급부(600)를 블록으로 나타 낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회로 구성 및 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.

이하의 설명에서의 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터는, 4개의 자극을 갖는 회전자(도시하지 않음)를 예로 들어 설명한다. 이에 대응하여, 고정자(300)에는 4개의 고정 보빈들(361, 362, 363, 364)이 구비된다. 또한, 4개의 고정 보빈들(361, 362, 363, 364)에는, 각각 2개씩 배치되어 고정 보빈들(361, 362, 363, 364)에 대하여 전류를 공급하는 8개의 스위치들(201a 및 201b, 202a 및 202b, 203a 및 203b, 204a 및 204b)을 포함하는 스위칭부(200)를 포함한다. 이와 같은 스위칭 IC(100), 스위칭부(200) 및 전원 공급부(600)는 BLDC 모터의 구동부가 된다.

본 발명의 일 실시예에 대한 설명에 있어서는, 4개의 자극을 갖는 회전자 및 고정자를 예로 하여 설명하지만, 이 개수는 한정적인 것이 아니라, 당업자의 기술 정도에 따라서 증가 또는 감소될 수 있음은 자명하다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회로 구성 및 그 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 4를 참조하면, 제1 고정 보빈(361)에는 2개의 코일들(L1와 L2)이 배치되어 있으며, 2개의 도선이 동시에 동일한 방향으로 권선됨으로써 형성되어 있다. 그리고 고정자(300)에는 제1 고정 보빈(361)에 권취된 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)의 각각의 양단을 고정자(300)의 외부로 노출시키기 위한 4개의 접속점(380a, 380b, 380c, 380d)이 배치된 PCB(도시하지 않음)를 구비하고, 이 접속점(380a, 380b, 380c, 380d)은 각각 제1 스위치(201a)의 출력 및 제2 스위치(201b)의 출력, 그리고 접지에 연결된다. 즉, 예를 들면, 접속점(380a)은 제1 코일(L1)의 일단으로서 제1 스위치(201a)의 출력에 연결되고, 접속점(380b)은 제2 코일(L2)의 타단으로서 접지에 연결되고, 접속점(380c)은 제2 코일(L2)의 일단으로서 제2 스위치(201b)의 출력에 연결되고, 접속점(380d)은 제1 코일(L1)의 타단으로서 접지에 연결된다.

이러한 구성에서, 2개의 코일들(L1와 L2)의 각각은 2개의 스위치(201a 및 201b)에 의해 전류의 공급이 제어된다. 본 발명의 실시예에서는 하나의 고정 보빈에 배치되는 2개의 코일들(L1와 L2)을 2개의 도선을 동시에 동일한 방향으로 권선하여 형성하고 전류의 입력 방향을 각각 반대로 한다. 이로써, 고정 보빈(361)에 도선을 권취하여 코일(L1와 L2)을 형성하는 제조 공정에 있어서, 두 가닥의 도선을 동시에 요크(340) 내에 삽입하여 권선할 수 있으므로, 제조 공정이 간단해져서 전체적인 BLDC 모터의 제조 비용이 감소하게 된다는 장점이 있다.

상술한 제1 고정 보빈(361)과 마찬가지로, 제2 고정 보빈(362)에는 제3 코일(L3)과 제4 코일(L4)이 배치되며, 제3 고정 보빈(363)에는 제5 코일(L5)과 제6 코일(L6)이 배치되는 구성을 갖는다. 이외의 다른 고정 보빈(364)에도 동일한 방식으로 2개씩의 코일이 배치되며, 스위치들의 배치도 각각 동일하게 적용된다.

이와 같이, 고정 보빈(361)에 권취되어 형성된 2개의 코일들(L1와 L2)이 동일한 방향으로 권취된 상태에서 각각의 코일들(L1와 L2)에 교대로 서로 반대 방향의 전류가 공급되면, 각각의 코일들(L1와 L2)이 권취되어 있는 고정 보빈(361)은 정반대의 자극으로 자화된다. 즉, 제1 코일(L1)에 제1 스위치(201a)에 의해 전류가 공급되는 경우에는 제1 고정 보빈(361)은 N극으로 자화되고, 제2 코일(L2)에 제2 스위치(201b)에 의해 전류가 공급되는 경우에는 제1 고정 보빈(361)은 S극으로 자화된다.

마찬가지로, 제3 코일(L3)에 제3 스위치(202a)에 의해 전류가 공급되는 경우에는 제2 고정 보빈(362)은 N극으로 자화되고, 제4 코일(L4)에 제4 스위치(202b)에 의해 전류가 공급되는 경우에는 제2 고정 보빈(362)은 S극으로 자화되게 된다. 이러한 동작은 다른 고정 보빈들(363, 364)에 대해서도 동일하다.

이때, 제1 스위칭부(201)에 있어서, 제1 코일(L1)로의 전류의 공급과 제2 코일(L2)로의 전류의 공급은 동시에 이루어지는 것은 아니다. 즉, 스위칭 IC(100)로부터의 스위칭 신호에 따라, 제1 스위칭부(201)는 제1 스위치(201a)에 의해 제1 코일(L1)에 전류를 공급하는 동안에는 제2 코일(L2)에는 전류를 공급하지 않고 단지 제2 스위치(201b)를 접지에 연결함으로써 제2 코일(L2)만으로 이루어지는 폐루프를 만든다. 마찬가지로, 스위칭 IC(100)로부터의 스위칭 신호에 따라 제1 스위칭부(201)가 제2 스위치(201b)를 통해 제2 코일(L2)에 전류를 공급하는 동안에는 제1 코일(L1)에는 전류를 공급하지 않고 제1 스위치(201a)를 접지에 연결함으로써 제1 코일(L1)의 양단이 접지에 연결된 폐루프를 만들게 된다. 이러한 제어는 제2 내지 제4 고정 보빈(362, 363, 364)에도 동일하게 적용된다.

이러한 구성에 의하면, 하나의 코일(예를 들면, L1)에 의해 자화된 고정 보빈(361)을 반대의 극성으로 자화시키고자 전류를 공급하는 순간에 발생하는 고압의 역기전력을 폐루프를 형성하는 다른 하나의 코일(예를 들면, L2)에 의해 감쇠시킬 수 있게 되어, BLDC 모터를 구성하는 각 소자들의 내전압 성능을 낮추더라도 충분히 안정적인 동작을 보장할 수 있게 된다. 이에 의해 내전압 성능이 낮은 소자를 사용하여 동일한 성능을 발휘할 수 있으므로 BLDC 모터의 제조 비용의 감소를 도모할 수 있게 된다.

이러한 동작을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다. 스위칭부(201)는 제1 코일(L1)에 연결된 제1 스위치(201a)와 제2 스위치(201b)를 포함하여 이루어진다. 또한, 제1 스위치(201a)는 NMOS 소자(T1)와 PMOS(T2) 소자를 포함하고, 제2 스위치 역시 NMOS 소자(T2)와 PMOS 소자(T4)를 포함하여 이루어진다.

먼저, 스위칭 IC(100)에서는 교대로 HIGH 및 LOW로 동작하는 스위칭 신호를 생성하여 제1 스위칭부(201) 측으로 출력한다. 이 스위칭 신호는 제1 스위치(201a)측으로 I+ 신호가 출력되고, 제2 스위치(201b) 측으로는 I- 신호가 출력된다. 여기에서, 신호 I+와 I-는 서로 반대의 위상을 가지는 신호임을 의미한다. 즉, I+ 신호가 HIGH인 경우에는 I-는 LOW의 상태이고, I+가 LOW 인 경우에는 I-는 HIGH를 나타내게 된다.

이때, I+ 스위칭 신호에 의해 제1 스위치(201a)에 HIGH가 입력되고, I- 신호에 의해 제2 스위치(201b)에 LOW가 입력되면, 제1 스위치(201a)의 T1의 게이트는 ON되고, T2의 게이트는 OFF된다. 이에 의해 전원이 T1의 소스를 통해 접속점(380a)에 연결되어 제1 코일(L1)에 전류를 공급하게 된다. 이에 의해 제1 고정 보빈(361)은 예를 들면 N극으로 자화된다. 동시에 T3의 게이트는 OFF되고 T4의 게이트는 ON되어 접속점(380c)은 접지에 연결되게 된다. 결과적으로 제2 코일은 양단이 접지에 연결되는 폐루프를 형성하게 된다.

반대로, I+ 스위칭 신호가 LOW가 되고, I- 스위칭 신호가 HIGH가 되면, 제1 스위치의 T1이 OFF가 되고 T2는 ON으로 되어 접속점(380a)이 접지에 연결되고 제1 코일(L1)은 접지를 통한 폐루프를 형성한다. 그리고 제2 스위치(201b)의 T3은 ON되고 T4가 OFF가 되어 전원이 T3을 통해 제2 코일(L2)로 공급되게 된다. 이에 의해 제1 고정 보빈(361)은 예를 들면 S극으로 자화된다.

이와 같이 제1 코일(L1) 및 제2 코일(L2)에 교대로 전류가 공급됨으로써 고정 보빈(361)은 각 코일의 동작에 따라 반대의 자극으로 자화되어 회전자(500)를 회전시키게 된다. 한편, 전류가 공급되는 코일 이외의 코일은 접지에 연결된 폐루프를 형성하게 되어, 반대 방향으로 입력되는 전류에 의해 자극이 변환되는 순간에 발생하게 되는 고압의 역기전력을 감쇠시키는 역할을 한다.

한편, 제1 고정 보빈(361)이 자화되어 어떠한 자극을 띠게 되면, 인접한 양측의 고정 보빈들은 제1 고정 보빈(361)과는 다른 자극을 띠도록 제어된다. 예를 들어, 제1 고정 보빈(361)을 제1 코일(L1)에 의해 N극으로 자화시킨다면, 제2 고정 보빈(362)은 제4 코일(L4)에 의해 S극으로 자화시키고 동시에 제4 고정 보빈(364)도 제8 코일(L8)에 의해 S극으로 자화시킨다. 또한, 제3 고정 보빈(363)은 N극으로 자화시킨다.

이후, 회전자(500)의 회전에 따라 제1 고정 보빈(361)을 제2 코일(L2)에 의해 S극으로 자화시키게 되고, 다른 고정 보빈에 대해서도 이전과 다른 코일들에 의해 극성을 반전시킨다. 이러한 동작은 지속적으로 교대로 발생하게 되며, 이에 의해 회전자(500)가 지속적으로 회전하게 된다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 BLDC 모터의 구성을 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 BLDC 모터의 구성은 도 4의 구성에서 스위칭 IC(100)와 스위칭부(200) 간의 결선 부분이 다르다. 즉, 제1 스위치(201a)로 입력되는 스위칭 신호를 인버터를 통해 반전시켜 제2 스위치(201b)로 입력할 수도 있다. 이러한 구성에 의하면, 스위칭 IC(100)에서 각각의 스위치들(201a 및 201b)로 출력하는 스위칭 신호의 개수를 줄일 수 있다는 장점이 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 3상 BLDC 모터의 구조를 나타낸 회로 블록도이다.

도 2는 종래 기술에 의한 BLDC 모터에서 코일이 권취된 고정자 구조를 나타낸 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터에서 실제 전기 회로를 구성하는 스위칭 IC, 스위칭부 및 고정자만을 블록으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 BLDC 모터의 회로 구성 및 그 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 BLDC 모터의 구성을 나타낸 도면이다.

Claims

적어도 하나의 N극과 S극을 갖는 회전자와,

한 쌍의 도선을 동시에 동일 방향으로 권취하여 제1 코일 및 제2 코일을 코일을 형성한 고정 보빈을 복수 개 구비한 고정자와,

상기 제1 코일 및 상기 제2 코일을 형성하는 도선의 양단들을 각각 고정하고, 상기 제1 코일의 도선의 제1단과 상기 제2 코일의 도선의 제2단을 접지점에 연결한 PCB부와,

교대로, 상기 고정 보빈이 N극으로 자화되도록 상기 제1 코일의 도선의 제2단에 전류를 공급하고, 상기 고정 보빈이 S극으로 자화되도록 상기 제2 코일의 도선의 제1단에 전류를 공급하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
제1항에 있어서,

상기 구동부는 상기 고정 보빈이 N극으로 자화되도록 상기 제1 코일의 도선의 제2단에 전류를 공급하기 위한 제1 스위칭 소자와 상기 고정 보빈이 S극으로 자화되도록 상기 제2 코일의 도선의 제1단에 전류를 공급하기 위한 제2 스위칭 소자를 포함하고,

상기 제1 스위칭 소자 및 상기 제2 스위칭 소자는 각각 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
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적어도 하나의 N극과 S극을 갖는 회전자와,

한 쌍의 도선을 동시에 동일 방향으로 권취하여 제1 코일 및 제 2코일을 형성한 고정 보빈을 복수 개 구비한 고정자와,

상기 제1 코일 및 상기 제2 코일을 형성하는 도선의 양단들을 각각 고정하고, 상기 제1 코일의 도선의 제1단과 상기 제2 코일의 도선의 제2단을 접지점에 연결하는 PCB부와,

상기 제1 코일 및 상기 제2 코일에 전류를 공급하기 위한 스위칭 신호를 발생하는 스위칭 IC와,

상기 스위칭 신호에 따라, 교대로 상기 고정 보빈이 N극으로 자화되도록 상기 제1 코일의 도선의 제2단에 전류를 공급하는 제1 스위칭 소자와, 상기 고정 보빈이 S극으로 자화되도록 상기 제2 코일의 제1단에 전류를 공급하는 제2 스위칭 소자를 구비한 스위칭부를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
제5항에 있어서,

상기 제1 스위칭소자 및 상기 제2 스위칭소자는 각각 NMOS 트랜지스터와 PMOS 트랜지스터로 이루어진 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
제6항에 있어서,

상기 제2 스위칭소자는 인버터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.