KR101111673B1 - 전기 모터 - Google Patents

Abstract

전기 모터는, 축 주위로 연장하고 회전 자계가 생성되는 에어-갭(air-gap)을 갖는 고정자(stator)(1, 5, 8), 및 베어링(10)에 의해 회전가능하게 유지되는 샤프트(11) 및 상기 에어-갭에 유지되고 상기 회전 자계에 의해 상기 축 주위를 회전하도록 구동되는 영구 자석(13)을 포함하는 로터(11, 12, 13)를 포함한다. 고정자(1, 5, 8)는, 상기 회전 자계 이외에, 상기 축에 회전가능하게 비대칭인 고정 자계를 생성하도록 적응된다.

Description

전기 모터{ELECTRIC MOTOR}

도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 모터의 분할도.

도 2는 도 1의 모터의 축 단면을 도시한 도면.

도 3은 도 1의 모터의 하부측을 도시한 사시도.

도 4는 도 1의 모터의 상부측을 도시한 사시도.

도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 모터를 도시하고 도 1과 유사한 분할도.

도 6은 제 2 실시예에 따른 모터의 축 단면을 도시한 도면.

도 7은 도 5의 모터의 상부측을 도시한 사시도.

도 8은 도 5의 모터의 하부측을 도시한 사시도.

도 9는 모터의 제 3 실시예에 따른 회로 기판의 평면도.

도 10은 모터의 제 4 실시예에 따른 회로 기판의 평면도.

도 11은 모터의 제 3 실시예에 따른 회로 기판의 평면도.

도 12는 모터의 제 5 실시예에 따라 코일(9a 및 9b)의 전기적 연결 및 배치 구성을 도시한 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1, 5, 8: 고정자 7: 스포크

8: 회로 기판 9: 코일

10: 베어링 11, 12, 13: 로터

13: 영구 자석 14: 금속 코어

본 발명은 전기 모터에 관한 것으로, 특히 하지만 배타적이지 않게 브러쉬리스(brushless) DC 모터에 관한 것이다.

최근 수 년 동안, 플로피 디스크, CD-ROM, DVD 등과 같은 디스크형 데이터 캐리어용 평평한 드라이브를 구축하는데 사용될 수 있는 매우 평평한 설계로 된 소형 전기 모터에 대한 요구가 증가하고 있다.

그러한 모터의 샤프트는 샤프트를 동요시키는 특정 베어링 유극을 갖는다. 명백하게, 샤프트의 동요 각(sway angle)이 더 커질수록, 베어링의 축 치수는 더 작아지거나(만약 샤프트가 단일 베어링에 의해 유지되는 경우), 또는 샤프트의 대향 단부에서 베어링 사이의 거리는 더 작아진다. 디스크가 모터에 의해 회전되면, 디스크의 회전축은 일정 거리(in space) 이동할 수 있고, 그 배향은 변할 수 있다. 이는 데이터가 디스크로부터 판독될 때 문제점을 야기한다: 종래에, 데이터는 디스크의 표면상의 동심 트랙 상에 배열되고, 만약 디스크의 회전축이 이동하면, 디스크 드라이브의 작동된 판독 헤드의 서보시스템은 디스크의 회전 동안 트랙을 뒤따라가도록 많은 문제점을 가질 수 있어서, 데이터는 연속적으로 판독될 수 없다. 헤 드와 디스크의 표면 사이의 거리는 추가로 변경될 수 있고, 때때로 판독이 가능한 범위를 벗어날 수 있다.

이러한 변형의 부분은 주기적이며, 주기는 디스크의 회전 주기와 동일하다. 이러한 변형은 관찰에 기초하여 매우 정밀하게 예측될 수 있고, 판독 헤드를 주기적으로 이동시킴으로써 보상될 수 있어서, 디스크의 동일한 트랙에 면하고, 회전이 완료될 동안 적절한 판독 거리 범위를 벗어나지 않는다. 이러한 주기적 변형은 또한 반복가능 런아웃(repeatable runout)이라 불린다.

그러나, 또한 쉽게 보상되지 않고 심각한 트래킹 문제를 야기할 수 있는 비-반복가능 런아웃이 존재한다. 베어링 유극을 감소시킴으로써 이러한 비-반복가능 런아웃을 감소시키는 것은 상기 문제에 대해 다소 비용이 많이 드는 해결책인데, 이는 모터의 구성요소가 매우 엄격한 허용오차로 제조되어야 하기 때문이다.

US 2004/0007929 A1은, 베어링이 모터의 축 치수 대부분에 걸쳐 연장하는 평평한 전기 모터를 개시한다. 이러한 모터에는 샤프트가 베어링 유극에 의해 허용된 전체 각도에 걸쳐 동요하지 못하게 할 수 있는 것이 없다.

본 발명의 목적은, 로터 샤프트가 샤프트를 유지하는 베어링의 유극에 의해 허용된 전체 각도에 걸쳐 동요하지 못하게 하는 전기 모터를 제공하는 것이다.

본 목적은, 축 주위로 연장하고 회전 자계가 생성되는 에어-갭(air-gap)을 갖는 고정자(stator), 및 베어링에 의해 회전가능하게 유지되는 샤프트 및 상기 에어-갭에 유지되고 상기 회전 자계에 의해 상기 축 주위를 회전하도록 구동되는 영 구 자석을 포함하는 로터를 포함하는 전기 모터에 의해 달성되며, 상기 전기 모터는, 상기 고정자가 상기 회전 자계 이외에, 상기 축에 대해 회전가능하게 비대칭인 고정 자계를 생성하도록 적응되는 것을 특징으로 한다.

이러한 비대칭 고정 자계는, 회전 축 주위의 로터 상의 회전 토크에 특히 수직이고 그러므로 로터를 기울이도록 하는 로터 상의 편심력을 가할 것이다. 그러한 편심력은 토크 벡터에 수직인 로터의 각 모멘트 벡터의 변화를 야기한다. 상기 로터는 베어링 유극이 허용하는 한 이러한 각 모멘트의 변화에 로터의 축을 맞출 수 있다. 그러므로, 로터의 축은 베어링 유극이 얼마나 더 큰지에 상관없이 일정하고 잘-한정된 배향을 간주할 것이다. 비-반복가능 런아웃은 크게 감소된다.

바람직하게, 고정자는 연자성 물질로 만들어진 다수의 방사상 배향된 스포크(spoke)를 포함한다. 고체 디스크 대신에 방사상 스포크를 사용하는 것은 와류 전류의 형성을 감소시키고, 이것은 로터 운동을 중화시킨다.

제 1 바람직한 실시예에 따라, 비대칭 고정 자계를 생성하는 매우 간단한 수단으로서, 고정자의 제 1 섹터에서 소프크의 단면 및 길이 중 적어도 하나는, 제 2 섹터의 소프크의 예를 들어 두께 또는 길이와 상이하게 이루어진다.

대안적으로, 제 1 섹터에서 단위 각도당 소프크의 수는 제 2 섹터에서의 수와 상이하게 이루어질 수 있다. 제 1 및 제 2 섹터는 각각 고정자의 원주(circumference) 중 대략 절반에 걸쳐 연장할 수 있다.

모터의 조립을 용이하게 하기 위해, 스포크는 링에 단일체로 연결된 외부 단부 또는 내부 단부를 갖는 것이 바람직하다. 대안적으로, 스포크는 비-전도성 물질 내에 내장되거나 그 위에 장착될 수 있다. 바람직하게, 이러한 비-전도성 물질은 회로 기판이다.

제 2 바람직한 실시예에 따라, 고정자는 축 주위에 균일하게 분배된 복수의 코일을 포함하고, 고정자의 제 1 섹터에서, 코일 내의 물질의 투자율은 고정자의 제 2 섹터에서 코일의 투자율과 상이하다.

제 3 바람직한 실시예에 따라, 고정자는 자계를 생성하기 위해 축 주위에 균일하게 분배된 복수의 코일을 포함하고, 고정자의 제 1 섹터에서, 코일당 권선의 수는 비대칭 자계 성분을 생성하기 위해 제 2 섹터에서의 코일당 권선 수와 상이하다.

모터는, 코일이 회전축에 평행하게 배향된 축을 갖는 경우 특히 평평하게 만들어질 수 있다. 코일은 회로 기판을 프린트함으로써 더욱 더 경제적으로 형성될 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예의 이후 설명으로부터 명백해질 것이다.

모터의 제 1 실시예는 도 1 내지 도 4를 참조하여 설명될 것이다. 모터는 베이스 부재(1)를 갖는데, 상기 베이스 부재(1)는 비-자성 물질, 즉 알루미늄으로 이루어지고, 실린더의 외부 둘레 주위로 연장하는 2개의 숄더(2, 3) 및 내부 공동(cavity)에 있는 제 3 숄더(4)를 갖는 짧은 속이 빈 실린더의 형상을 갖는다. 숄더(2)는 철 시트(sheet iron)로부터 절단된 요크(5)를 지지한다. 요크(5)는 중심 링 (6)과, 상기 링(6)으로부터 방사상 연장하는 다수의 스포크(7a, 7b)로 형성된다. 도 1에서 관찰자를 향하는 요크(5)의 제 1 절반에서, 스포크(7a)는 다른 절반의 스포크(7b)보다 더 짧다. 긴 스포크(7b)는 베이스 부재(1)의 숄더(3)에 의해 지지되는 고리형 회로 기판(8)의 외부 에지까지 연장한다. 6개의 코일(9)은 요크(5)와 마주보는 회로 기판(8)의 상부 표면 상에 프린트된다. 베이스 부재(1), 요크(5) 및 회로 기판(8)은 모터의 고정자를 형성한다.

베이스 부재(1)의 내부 숄더(4) 상에, 볼 베어링(10)의 외부 링이 지지된다. 샤프트(11)는 볼 베어링(10)의 내부 링에 꼭 맞춰진다. 볼 베어링(10)은 유극을 갖는다.

샤프트(11)의 방사상 플랜지는 로터 디스크(12), 및 코일(9)을 향하는 자극을 갖는 링 자석(13)을 수용한다. 회로 기판의 표면에 수직인 코일(9)의 자계 축은 샤프트(11)의 축에 평행하다.

종래 기술에 알려진 바와 같이, 샤프트(11), 디스크(12) 및 링 자석(13)으로 형성된 로터는 상이한 위상의 교류 전류를 코일(9)에 공급함으로써 생성되는 회전 자계에 의해 구동되며, 이는 링 자석(13), 로터 디스크(12), 샤프트(11), 볼 베어링(10), 베이스 부재(1) 및 요크(5)로 형성된 자기 회로에서 자기 플럭스를 야기한다.

요크(5)의 스포크(7a 및 7b)의 상이한 길이로 인해, 에어 갭 폭은 더 커지고, 요크 면적은 긴 스포크(7b)를 갖는 섹터보다 더 짧은 스포크(7a)를 갖는 섹터에서 더 작아지고, 이에 따라, 짧은 스포크(7a)에 면하는 링 자석(13)의 섹터에 의 해 가해진 자력은 긴 스포크(7b)에 면하는 섹터의 자력보다 작다. 그러므로, 모터가 동작 중일 때마다, 토크는 로터에 가해지고, 이것은 로터의 회전을 야기하는 각 모멘트 벡터에 수직인 축 주위로 로터를 기울이는 경향이 있다.

자유 스핀 상부에서, 그러한 토크는 각 모멘트 벡터의 축 변동, 이에 따라 상부의 축의 축 변동을 야기한다는 것이 알려져 있다. 이는, 스핀 상부에서, 토크 벡터가 상부가 경사지는 방향에 동기적으로 회전하여, 토크 벡터가 각 모멘트 벡터에 항상 직교이기 때문이다. 본 경우에, 대조적으로, 토크 벡터는 회전하지 않아서, 로터 축은 볼 베어링(10)의 유극이 허용되는 한 미리 결정된 방향으로만 경사질 것이다. 따라서, 샤프트(11)를 동요시키는 유극에도 불구하고, 샤프트(11)는 코일(9)의 자계에 의해 회전하도록 구동될 때, 잘-한정된 위치 및 배향을 간주하고, 비-반복가능한 런아웃은 최소로 감소된다.

전술한 실시예에서, 요크(5)는 베이스 부재(1)의 숄더(2) 상에 지지되는 내부 링(6)을 갖고, 이러한 내부 링으로부터 스포크(7a, 7b)는 방사상 외부로 연장한다. 스포크(7a, 7b)는 길이만 다르고, 단면은 다르지 않다.

대안적으로, 샤프트의 위치 및 배향을 한정하는데 필요한 비대칭 자계는, 길이만 다르고 단면적은 다르지 않은 스포크(7a, 7b)에 의해 야기될 것이다.

다른 대안으로서, 스포크의 각도 이격은 요크(5)의 제 1 및 제 2 섹터에서 상이하게 이루어질 것이다.

추가 대안으로서, 스포크는 외부 링에 의해 한 부분에 연결되며, 자유단은 내부로 방사상 연장하고, 베이스 부재(1)의 숄더(2) 상에 지지된다. 이 경우에, 전 기적인 절연 층은, 제 1 스포크 및 베이스 부재를 통해 외부 링으로부터 제 2 요크를 통해 외부 링으로 다시 흐르는 와류 전류의 흐름을 방지하기 위해 스포크의 자유단과 베이스 부재 사이에 제공되어야 한다. 다른 대안은, 외부 링에 의해 한 부분에 연결된 스포크(7a 및 7b)가 베이스 부재(1)로 연장하지 않고, 예를 들어 접착(glueing)에 의해 회로 기판(8)에 연결함으로써만 지지된다.

모터의 제 2 실시예는 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명된다. 제 1 실시예의 모터에서 동일한 대응부(counterparts)를 갖는 이러한 모터의 구성요소는 이들과 동일한 참조 번호를 가져서 다시 설명되지 않는다.

이러한 제 2 실시예의 모터에서, 요크(5)는 일정한 각도 간격에서 내부 링으로부터 외부로 방사상 연장하는 동일한 형태의 스포크(7)를 갖는다. 비대칭 자계 구성요소는, 회로 기판(8) 상의 코일(9) 중에서, 금속 코어(14)를 갖는 3개의 연속적인 코일(9b)로 형성된 하나의 그룹이 있는 반면, 다른 그룹을 형성하는 나머지 3개의 코일(9a)은 존재하지 않는다는 사실로 인해 이러한 실시예에서 생성된다. 이들 금속 코어(14)는, 예를 들어 접착에 의해 회로 기판(8)의 표면에 간단히 고정될 수 있고; 바람직하게는, 도 6의 단면 및 도 8의 평면도에 도시된 바와 같이, 금속 코어는 회로 기판(8)에 형성되는 구멍에 맞춰진다. 금속 코어(14)는 또한 코일(9b)에 의해 점유된 회로 기판(8)의 절반에서의 에어 갭 폭을 감소시키는데 효과적이므로, 이러한 절반에서, 링 자석(13)은 빈 코일(9a)을 지탱하는 절반에서보다 더 강한 자력을 받는다. 제 1 실시예에서와 마찬가지로, 자계의 비대칭은 샤프트(11)가 잘 한정되고 다소 경사진 배향을 나타내도록 한다.

도 9는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 회로 기판의 평면도이다. 이 실시예에서, 단일 요크 대신에, 직접 상호 연결되지 않고 예를 들어 접착에 의해 회로 기판(8)의 하부측에 고정되는 다수의 방사상 스포크(7)만이 존재한다. 도 5 내지 도 8의 실시예와 유사하게, 미도시된, 회로 기판(8)의 상부측 상에 형성된 코일의 부분은 회로 기판(8)의 구멍을 통과하여 연장하는 금속 코어(14)를 갖는다. 회로 기판(8) 상에 스포크(7)를 장착하기 위해, 별도의 구성요소로부터 전자 회로를 조립하는 종래의 기술이 사용될 수 있다. 다른 대안은, 통합 스포크(7)와 함께 단일 플라스틱 요크 부분(8a)일 수 있는데, 상기 플라스틱 요크 부분은 도 11에 따라 예를 들어 사출 성형 공정에 의해 만들어진다.

제 4 실시예에 따라, 회로 기판(8) 상에 개별적으로 동일한 요크(7)를 위치시킴으로써, 도 10에 도시된 회로 기판을 형성하기가 특히 쉬운데, 여기서 비대칭 자계는 회로 기판(8)의 하나의 절반에서의 각도 간격이 다른 절반보다 더 작게 스포크를 위치시킴으로써 얻어진다는 것이 주지되어야 한다.

비대칭 자계를 얻기 위한 다른 접근법은 도 12에 도시되며, 도 12는, 본 발명의 제 5 실시예에 따라, 상이한 양의 권선(n)과 함께, 코일(9a), 즉 n개의 권선을 갖는 도 12에서의 코일(1, 3, 5), 및 코일(9b), 즉 n+x개의 권선을 갖는 도 12에서의 코일(2, 4, 6)의 전기적 연결 구성 및 배치 구성을 도시한다. 회로 기판(8)의 하나의 절반에서의 코일(5, 1, 3)은 다른 절반의 코일(4, 2, 6)보다 더 작은 수의 권선을 가지므로, 2개의 코일 그룹이 동일한 전류로 공급될 때, 도 12의 연결 구성에 도시된 바와 같이, 링 자석과 코일(9a) 사이의 자력은 링 자석과 코일(9b) 사이보다 더 작아질 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명은, 로터 샤프트가 샤프트를 유지하는 베어링의 유극에 의해 허용된 전체 각도에 걸쳐 동요하지 못하게 하는 전기 모터 등에 효과적이다.

Claims (13)

1. 축 주위로 연장하고 회전 자계가 생성되는 에어-갭(air-gap)을 갖는 고정자(stator)(1, 5, 8), 및 베어링(10)에 의해 회전가능하게 유지되는 샤프트(11) 및 상기 에어-갭에 유지되고 상기 회전 자계에 의해 상기 축 주위를 회전하도록 구동되는 영구 자석(13)을 포함하는 로터(11, 12, 13)를 포함하는, 전기 모터로서,

   상기 고정자(1, 5, 8)는 연자성 물질로 이루어진 복수의 방사상-배향된 스포크(spoke)(7; 7a, 7b)를 포함하며, 상기 회전 자계 이외에, 상기 축에 대해 회전가능하게 비대칭인 고정 자계 구성요소를 생성하도록

   상기 고정자의 제 1 섹터에서, 상기 스포크(7a)의 단면 중 적어도 하나는 제 2 섹터에서의 스포크(7b)의 단면과 상이하거나,

   상기 고정자(1, 5, 8)의 제 1 섹터에서, 코일(9a)당 권선의 수는 제 2 섹터에서 상기 코일(9b)의 권선 수와 상이하거나,

   상기 고정자(1, 5, 8)의 제 1 섹터에서, 상기 코일(9b) 내의 물질(14)의 투자율은 제 2 섹터에서의 상기 코일(9a)의 투자율과 상이한 것을 특징으로 하는, 전기 모터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 고정자의 상기 제 1 섹터에서, 상기 스포크(7a)의 적어도 하나의 길이는 상기 제 2 섹터에서의 스포크(7b)의 길이와 상이한, 전기 모터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 고정자(1, 5, 8)의 상기 제 1 섹터에서, 단위 각도당 스포크(7)의 수는 제 2 섹터에서의 수와 상이한, 전기 모터.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스포크(7; 7a, 7b)는 링(6)에 의해 단일체로 연결된 외부 단부 또는 내부 단부를 갖는, 전기 모터.
5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스포크(7)는 비-전도성 물질(8) 내에 내장되거나 그 위에 장착되는, 전기 모터.
6. 제 5항에 있어서, 상기 비-전도성 물질은 회로 기판(8)인, 전기 모터.
7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고정자(1, 5, 8)는 상기 축 주위에 균일하게 분배된 복수의 코일(9; 9a, 9b)을 포함하는, 전기 모터.
8. 제 7항에 있어서, 상기 코일(9a, 9b)은 회전축에 평행하게 배향된 축을 갖는, 전기 모터.
9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영구 자석(13)을 유지하는 샤프트(11)의 하나의 단부만이 베어링(10)에 지지되는, 전기 모터.
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