KR101071663B1 - 전기자전거용 ｂｌｄｃ 모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기자전거용 BLDC 모터에 관한 것으로, 특히 전기자전거의 후륜에 회전력이 전달되도록 구동되는 전기자전거용 BLDC 모터에 있어서, 환형의 회전자 어셈블리의 내경에 영구자석들이 배치되는 구조로 형성되는 외전형의 회전자; 상기 회전자 어셈블리의 내경 수용공간에 삽입 장착되며, 방사상으로 배치되는 고정자 코어의 각각에 권선코일이 장착되는 구조로 형성되는 고정자; 및 상기 고정자의 일측에 설치되어, 상기 회전자내 영구자석들의 위치를 검출하기 위한 홀 센서를 구비하는 센서 어셈블리;를 포함하되, 상기 회전자는, 상기 고정자의 권선코일로 향하는 유효 자속량이 최대가 되고, 상기 회전자 어셈블리의 철 파이프로 향하는 손실 자속량이 최소가 될 수 있도록 모터의 중심 축 방향에서 바라볼 때 인접하는 영구자석들이 세로와 가로를 번갈아서 서로 직교하게 순차 배치되는 배열구조로 구성됨을 특징으로 하는 전기자전거용 BLDC 모터를 개시한다.

Description

전기자전거용 ＢＬＤＣ 모터{Brushless DC motor for electric bicycle}
본 발명은 전기자전거용 BLDC 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 모터의 제한된 구조내에서 고정자의 권선코일로 향하는 유효 자속량이 최대가 되고 손실되는 자속량이 최소가 될 수 있도록 인접하는 영구자석들이 서로 직교하여 순차 배치되는 자석배치 구조를 가지는 고효율의 전기자전거용 BLDC 모터에 관한 것이다.
에너지의 고갈 및 친환경 산업의 끊임없는 요구에 의하여 석탄 에너지원에서 전기 에너지원으로의 이동이 요구되는 환경적 요인에 의하여 에너지 절약형(ECO) 전기자전거의 개발이 요구되고 있다.
에너지 절약형 전기자전거의 구동용으로 적용되는 BLDC 전동기는 비접촉식 고효율 모터로서, 배터리의 소모량을 최소화하고, 주행거리를 늘리며, 출력을 높이는 것을 목적으로 한다.
이러한 BLDC 전동기는 구조적으로는 외륜회전형(outer-rotor) 타입의 모터를 기어 감속장치를 통하여 자전거의 회전 바퀴에 전달하여 사람의 이동을 용이하게 한다.
특히, BLDC 모터는 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식으로 수명이 길고, 고 에너지 밀도를 갖는 마그네트를 이용하여 고효율 및 소형화에 유리하고, 변속제어가 용이하다는 등의 장점이 있어 그 수요가 날로 증대되어 가고 있다.
도 1은 종래의 BLDC 모터의 회전자에 배치되는 영구자석의 배치구조를 설명하기 위해 나타낸 일례의 구성도이다.
종래의 BLDC 모터는, 내경에 영구자석(11)들이 배치되는 회전자(10)와, 권선코일(22)이 장착된 고정자(20)를 포함하며, 상기 회전자(10)의 수용공간으로 상기 권선코일(22)이 장착된 전기자인 고정자(20)가 삽입 체결되는 구조로 이루어진다.
상기와 같은 종래의 BLDC 모터의 회전자(10)에 배치되는 영구자석(11)들의 배치구조는 도시된 바와 같이, N/S극이 순차로 일렬 배열되는 구조를 나타내며, 이러한 영구자석(11)의 일렬 배치는 모터의 구동시, 상기 고정자(20)에 장착된 권선코일(22)을 향하여 나아가는 유효 자속량과 상기 회전자(10)의 철 파이프로 흐르는 손실 자속량이 동일하므로 유효 자속량의 손실이 많고, 그로 인하여 회전자(10)의 철 파이프에 열이 많이 발생하게 된다.
이러한 유효 자속량의 손실 및 열 발생의 문제는 모터의 전체 효율 및 성능을 저하시키는 문제로 작용하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 모터의 제한된 구조내에서 고정자의 권선코일로 향하는 유효 자속량이 최대가 되고 손실되는 자속량이 최소가 될 수 있도록 인접하는 영구자석들이 서로 직교하여 순차 배치되는 자석배치 구조를 가지는 고효율의 전기자전거용 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 유효 자속량의 손실 및 열 발생의 문제를 최소화시킴으로써, 전기자전거에 적용되는 모터의 전체 효율 및 성능이 증대될 수 있는 전기자전거용 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 전기자전거의 후륜에 회전력이 전달되도록 구동되는 전기자전거용 BLDC 모터에 있어서, 환형의 회전자 어셈블리의 내경에 영구자석들이 배치되는 구조로 형성되는 외전형의 회전자; 상기 회전자 어셈블리의 내경 수용공간에 삽입 장착되며, 방사상으로 배치되는 고정자 코어의 각각에 권선코일이 장착되는 구조로 형성되는 고정자; 및 상기 고정자의 일측에 설치되어, 상기 회전자내 영구자석들의 위치를 검출하기 위한 홀 센서를 구비하는 센서 어셈블리;를 포함하되, 상기 회전자는, 상기 고정자의 권선코일로 향하는 유효 자속량이 최대가 되고, 상기 회전자 어셈블리의 철 파이프로 향하는 손실 자속량이 최소가 될 수 있도록 모터의 중심 축 방향에서 바라볼 때 인접하는 영구자석들이 세로와 가로를 번갈아서 서로 직교하게 순차 배치되는 배열구조로 구성됨을 특징으로 하는 전기자전거용 BLDC 모터를 개시한다.
바람직하게는, 상기 회전자의 회전되는 동력을 전기자전거의 후륜에 전달하기 위한 유성치차로 구성되는 감속장치;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 회전자 어셈블리에 서로 직교하여 배치되는 영구자석들은, 세로로 배치되는 영구자석을 기준으로 좌우에 가로로 배치되는 영구자석의 전체 배치 형상을 볼 때, 상기 고정자를 향해 "N의 극성"이 최대가 되고, 상기 회전자 어셈블리를 향해 "N의 극성"이 최소가 되는 배치구조로 구성된다.
바람직하게는, 상기 세로의 영구자석을 기준으로 좌우에 가로로 배치되는 영구자석의 결합 형상은, 상기 고정자를 향해 최대가 되는 N극 혹은 S극이 상기 회전자 어셈블리를 향해 최소가 되는 S극 혹은 N극을 감싸는 형상 구조로 구성된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 전기자전거용 BLDC 모터에 의하면, 모터의 제한된 구조내에서 고정자의 권선코일로 향하는 유효 자속량이 최대가 되고 손실되는 자속량이 최소가 될 수 있도록 인접하는 영구자석들이 서로 직교하여 순차 배치되는 자석배치 구조를 적용함으로써, 고효율 및 고토크를 가지는 전기자전거용 BLDC 모터를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 유효 자속량의 손실 및 열 발생의 문제를 최소화시킴으로써, 전기자전거에 적용되는 모터의 전체 효율 및 성능이 증대되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 전기자전거에 적용되는 동일 출력의 모터를 제작할 경우, 일렬로 순차 배치되는 영구자석을 가지는 모터에 비해 마그네트의 두께가 줄고, 또한 크기가 줄어 가볍고 소형화된 전기자전거용 모터의 생산이 가능해지는 작용효과가 있다.
도 1은 종래의 일반적인 BLDC 모터에 적용되는 영구자석의 배치구조를 설명하기 위해 나타낸 일례의 구성도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자전거용 BLDC 모터를 설명하기 위해 나타낸 개략구성도,
도 3은 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터의 구성을 좀 더 상세히 나타낸 일례의 개략 측면도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터의 완성된 조립 상태를 일례로 나타낸 개략사시도 및 단면도,
도 6은 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터에 적용되는 영구자석의 배치구조에 의한 자속량의 변화원리를 설명하기 위해 나타낸 참고도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자전거용 BLDC 모터를 설명하기 위한 개략구성도를 나타내고, 도 3은 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터의 구성을 좀더 상세히 나타낸 일례의 측면도를 나타내며, 도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터의 완성된 조립 상태를 설명하기 위한 개략사시도 및 단면도를 일례로 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자전거용 BLDC 모터는 회전자(110), 고정자(120), 센서 어셈블리(130), 및 감속장치(140)를 포함한다.
상기 회전자(110)는 원통형상으로 구성되는 환형의 회전자 어셈블리(111)와, 상기 환형의 회전자 어셈블리(111)의 내경에 배치되는 영구자석(112)들을 포함하며, 상기 영구자석(112)들의 배치구조는, 상기 고정자(120)의 권선코일(122)로 향하는 유효 자속량이 최대가 되고, 상기 회전자 어셈블리(111)의 철 파이프로 향하는 손실 자속량이 최소가 될 수 있도록 모터의 중심 축 방향에서 바라볼 때 인접하는 영구자석(112)들이 세로와 가로를 번갈아서 서로 직교하게 순차 배치되는 배열구조로 구성된다.
즉, 상기 영구자석(112)들은 도 1에 도시된 종래의 일렬식 자석배치 구조와 달리 일렬 및 직각 방향으로 순차 배치된다.
상기 회전자 어셈블리(111)에 서로 직교하여 배치되는 영구자석(112)들은 도 2에 도시되는 바와 같이, 세로로 배치되는 영구자석(112)을 기준으로 좌우에 가로로 배치되는 영구자석(112)의 전체 배치 형상을 볼 때, 상기 고정자(120)의 권선코일(122)을 향해 "N의 극성"이 최대가 되고, 상기 회전자 어셈블리(111)의 철 파이프를 향해 "N의 극성"이 최소가 된다.
또한, 상기 세로의 영구자석(112)을 기준으로 좌우에 가로로 배치되는 영구자석(112)의 결합 형상은, 상기 고정자(120)를 향해 최대가 되는 N극 혹은 S극이 상기 회전자 어셈블리(111)의 철 파이프를 향해 최소가 되는 S극 혹은 N극을 감싸는 형상 구조로 이루어지게 된다.
도 6은 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터에 적용되는 영구자석의 배치구조에 의한 자속량의 변화원리를 설명하기 위해 나타낸 참고도이다.
도 6의 (a)는 3개의 자석이 각각 단독 배치일 때의 자속량을 나타내고, 도 6의 (b)는 3개의 자석이 붙어 있을 때의 자속량의 변화를 나타내며, 인접하는 자석들이 서로 직교하여 배치될 때 어느 한 방향으로 자속량이 증가되고, 반대의 방향으로 자속량이 감소됨을 알 수 있다.
본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터는 도 6에 도시된 자석배치의 원리가 상기 회전자(110)에 적용된 것이다.
상기 고정자(120)는 도 3에 도시되는 바와 같이, 상기 회전자 어셈블리(111)의 내경 수용공간에 삽입 장착되며, 방사상으로 배치되는 고정자 코어(121)의 각각에 권선코일(122)이 장착되는 구조로 형성된다.
상기 센서 어셈블리(130)는 도 3에 도시되는 바와 같이, 상기 고정자(120)의 일측에 설치되어, 상기 회전자(110)내 영구자석(112)들의 위치를 검출하기 위한 홀 센서(131)를 구비하며, 상기 홀 센서(131)는 모터의 구동시 회전자(110)내 영구자석(112)의 위치를 검출한다.
이때, 상기 검출된 위치에 해당하는 권선코일(122)로 전원이 인가되면, 상기 권선코일(122)과 영구자석(112) 사이에는 유도자기가 발생되면서 일정 공극을 사이에 두고 상기 회전자(110)가 회전하게 된다.
상기 감속장치(140)는 도 4 및 도 5에 도시되는 바와 같이, 상기 회전자(110)의 회전되는 동력을 전기자전거의 후륜(미도시)에 전달하기 위한 유성치차로 구성된다.
도 4의 (a)는 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터의 조립의 완성 상태를 사시도로 나타내며, 도 4의 (b)는 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터의 조립의 완성 상태에서, 모터에 조립되는 외부의 케이스(150)를 제거한 상태를 나타낸다.
도 4의 (b)를 통해 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 BLDC 모터의 일측으로는 전기자전거의 후륜에 체결되어 회전 동력을 전달하기 위한 유성치차로 구성되는 감속장치(140)가 체결된다.
도 5는 본 발명에 따른 전기자전거용 BLDC 모터의 완성된 조립 상태를 일례로 나타낸 단면도이다.
미설명된 부호 151은 모터의 중심 축을 이루는 샤프트이다.
따라서, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 전기자전거용 BLDC 모터는, 동일 출력을 가지는 모터와 비교시 크기 및 무게가 줄어 소형화로 구현이 가능하며, 전기자전거의 전체적인 모터 성능 및 효율성이 증대되는 잇점을 제공한다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.
110 : 회전자 111 : 회전자 어셈블리
112 : 영구자석 120 : 고정자
121 : 고정자 코어 122 : 권선코일
130 : 센서 어셈블리 131 : 홀 센서
140 : 감속장치 150 : 케이스
151 : 샤프트

Claims (4)

  1. 전기자전거의 후륜에 회전력이 전달되도록 구동되는 전기자전거용 BLDC 모터에 있어서,
    환형의 회전자 어셈블리의 내경에 영구자석들이 배치되는 구조로 형성되는 외전형의 회전자;
    상기 회전자 어셈블리의 내경 수용공간에 삽입 장착되며, 방사상으로 배치되는 고정자 코어의 각각에 권선코일이 장착되는 구조로 형성되는 고정자; 및
    상기 고정자의 일측에 설치되어, 상기 회전자내 영구자석들의 위치를 검출하기 위한 홀 센서를 구비하는 센서 어셈블리;를 포함하되,
    상기 회전자는,
    상기 고정자의 권선코일로 향하는 유효 자속량이 최대가 되고, 상기 회전자 어셈블리의 철 파이프로 향하는 손실 자속량이 최소가 될 수 있도록 모터의 중심 축 방향에서 바라볼 때 인접하는 영구자석들이 세로와 가로를 번갈아서 서로 직교하게 순차 배치되는 배열구조로 구성됨을 특징으로 하는 전기자전거용 BLDC 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 회전자의 회전되는 동력을 전기자전거의 후륜에 전달하기 위한 유성치차로 구성되는 감속장치;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전기자전거용 BLDC 모터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 회전자 어셈블리에 서로 직교하여 배치되는 영구자석들은,
    세로로 배치되는 영구자석을 기준으로 좌우에 가로로 배치되는 영구자석의 전체 배치 형상을 볼 때, 상기 고정자를 향해 "N의 극성"이 최대가 되고, 상기 회전자 어셈블리를 향해 "N의 극성"이 최소가 되는 배치구조로 구성됨을 특징으로 하는 전기자전거용 BLDC 모터.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 세로의 영구자석을 기준으로 좌우에 가로로 배치되는 영구자석의 결합 형상은, 상기 고정자를 향해 최대가 되는 N극 혹은 S극이 상기 회전자 어셈블리를 향해 최소가 되는 S극 혹은 N극을 감싸는 형상 구조인 것을 특징으로 하는 전기자전거용 BLDC 모터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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