KR101439377B1 - 3결선 구조의 스테이터를 이용한 bldc 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3결선 방법으로 코일 권선이 이루어짐에 따라 슬롯과 폴의 비율을 최소화할 수 있어 코깅(cogging) 소음을 줄이고, 코어와 코어 사이의 간격을 작게 설정함에 따라 마그넷과 코어 사이의 유효면적을 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있는 3결선 구조의 스테이터를 이용한 BLDC 모터에 관한 것이다.
본 발명은 서로 대향하는 위치에 반대 극성으로 이루어진 다수의 N극 및 S극 자석이 교대로 배치된 내부 로터와 외부 로터를 구비하는 더블로터; 상기 내부 로터와 외부 로터 사이에 배치되며, 3상 구동방식으로 3상 코일이 권선된 다수의 분할 코어를 구비하는 스테이터; 및 상기 로터의 위치신호를 검출하는 다수의 홀소자를 포함하며, 상기 3상 코일은 각각 연속된 3개의 분할 코어에 순방향, 역방향 및 순방향의 순서로 권선되어 인접된 분할 코어는 서로 반대방향으로 자속이 발생되는 다수의 코어 그룹을 포함하며, 상기 홀소자가 3개인 경우 홀소자 사이의 각도는 (360°/폴 수)×2÷3으로 설정되고, 상기 홀소자가 2개인 경우 홀소자 사이의 각도는 (360°/폴 수)÷2로 설정되며, 상기 코일에 대한 구동신호는 상기 홀소자에 의해 검출된 로터의 위치신호를 이용하여 인가되는 것을 특징으로 한다.

Description

3결선 구조의 스테이터를 이용한 BLDC 모터{BLDC Motor Using Stator Having 3-Core Connection Structure}

본 발명은 3결선 구조의 스테이터를 이용한 BLDC 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 슬롯과 폴의 비율을 최소화할 수 있어 코깅(cogging) 소음을 줄이고, 마그넷과 코어 사이의 유효면적을 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있는 3결선 구조의 스테이터를 이용한 BLDC 모터에 관한 것이다.

BLDC 모터를 스테이터 코어의 존재 여부에 따라 분류하면 일반적으로 컵(원통) 구조를 가지는 코어형(또는 레이디얼 갭형)과 코어레스형(또는 액시얼 갭형)으로 나뉘어진다.

코어형 구조의 BLDC 모터는 내주부에 형성된 다수의 돌기(티스)에 전자석 구조를 갖기 위해 코일이 권취된 원통형의 스테이터와 원통형 영구 자석으로 이루어진 로터로 구성된 내부 자석형과, 스테이터가 외주부에 형성된 다수의 돌기(티스)에 상하 방향으로 코일이 권취되어 있고 그 외부에 다극 착자된 원통형 영구자석으로 된 로터로 구성된 외부 자석형으로 분류된다.

코어형 BLDC 모터는 자기회로가 축을 중심으로 레이디얼 방향으로 대칭인 구조를 가지고 있으므로 축방향 진동성 노이즈가 적고, 저속 회전에 적합하며, 자로의 방향에 대하여 공극이 차지하는 부분이 극히 적어 성능이 낮은 자석을 사용하거나 자석의 양을 줄여도 높은 자속 밀도를 얻을 수 있으므로 토크가 크고 효율이 높다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 이러한 코어, 즉 요크 구조는 스테이터를 제작할 때에 요크(yoke, 계철)의 재료 손실이 크고, 양산할 때에 요크의 복잡한 구조로 인하여 요크에 코일을 권선하는 데 특수한 고가의 전용권선기를 사용하여야 하며, 스테이터 제작시 금형 투자비가 높아 설비 투자비용이 높다는 단점을 가지고 있다.

코어형 AC 또는 BLDC 모터, 특히 레이디얼 갭 타입의 코어 모터에서는 스테이터 코어를 완전 분할형으로 구성하면 값이 싼 범용 권선기를 사용하여 고효율로 분할 코어에 코일을 권선할 수 있기 때문에, 높은 경쟁력을 갖게 된다. 그러나, 이와 반대로 일체형 스테이터 코어 구조인 경우는 값이 비싼 전용 권선기를 사용하며 저효율 권선이 이루어지므로 모터의 제조비용이 높아지게 된다.

액시얼 갭형 더블로터 모터와 레이디얼 갭형 코어 모터의 장점은 살리고 단점을 개선할 수 있는 레이디얼 갭형(코어 타입) 더블 로터 구조의 BLDC 모터가 본 출원인에 의해 등록특허 제10-432954호를 통하여 제안된 바 있다.

상기 등록특허 제10-432954호에서는 스테이터 코어의 내측 및 외측에 동시에 영구자석 회전자를 배치함에 의해 자로의 흐름을 내측과 외측의 영구자석 및 회전자 요크에 의해 형성시킴으로써 스테이터 코어의 완전 분할이 가능하여 저가의 범용 권선기를 이용하여 개별적인 코일을 권선함에 의해 스테이터 코어의 생산성을 높이고 코어 재료 로스를 줄일 수 있으며, 더블 로터와 조합함에 의해 모터의 출력을 크게 높일 수 있는 구조를 제안하고 있다.

또한, 공개특허 제10-2005-245호에서는 일반적인 분할 코어의 연결구조는 내구성이 약하므로 코일이 권선된 다수의 분할형 코어 조립체를 준비한 후, 코일이 권선된 다수의 분할형 코어 조립체를 인쇄회로기판(PCB)에 배열하여 고정시켜서 코일을 결선한 후 열경화성 수지를 이용한 인서트 몰딩에 의해 환원형의 형상으로 성형하여 일체형 스테이터를 제안하고 있다. 더욱이, 상기 공개특허 제10-2005-245호에서는 스테이터 코일이 권선된 분할 코어가 U,V,W 각 상별로 교대로 배치되는 스테이터 구조를 제안하고 있다.

한편, 일반적인 BLDC 모터에서는 일체형 코어일 때 스테이터 코일의 권선 순서가 U,V,W 각 상별로 교대로 배치되는 스테이터 구조를 사용하며, 인버터 회로에 구비된 스위칭 트랜지스터의 순차적인 스위칭 구동에 의해 각 상별로 교대로 스테이터 코일에 흐르는 전류를 절환하여 회전 자계를 발생시켜 로터를 회전 구동하고 있다.

예를 들어, 상기 공개특허 제10-2005-245호 및 공개특허 제10-2010-73449호 등에는 코일이 권선된 다수의 분할 코어를 U,V,W 각 상 별로 교대로 배치한 스테이터를 구비한 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 모터를 제안하고 있다.

이하에 분할 코어 스테이터를 구비한 BLDC 모터에서 각 상별로 코일이 권선된 1개의 분할 코어가 각 상별로 교대로 배치된 모터(이하 “1결선 구조 모터”라 한다) 설계 방법에 대하여 설명한다.

우선, 일반적으로 1결선 구조 모터를 설계할 때 스테이터의 슬롯(slot)과 로터의 자석(자극) 간에 설정은 하기 수학식 1과 같이 설정된다.

단, 모터 설계시에 슬롯의 수가 예를 들어, 27과 같이 큰 경우 슬롯 수보다 자석 폴 수가 많도록 설정한다. 그 결과, 상기 수학식 1에 따라 모터의 슬롯과 폴 수는 예를 들어, 18슬롯 12폴, 27슬롯 36폴, 36슬롯 48폴과 같은 비율로 설정하고 있다.

이하에 도 1a 내지 도 3을 참고하여 종래의 코일이 권선된 분할 코어가 각 상별로 교대로 배치된 분할 코어 타입의 스테이터를 이용한 더블 로터/싱글 스테이터 구조의 1결선 방법에 따라 설계된 BLDC 모터를 설명한다.

도 1a는 종래의 1결선 방법에 따라 설계된 18슬롯 12폴 방식으로 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터의 구조를 나타낸 것이고, 도 1b는 코깅 소음을 감소시키기 위해 변형된 형상의 코어 및 자석으로 이루어진 더블로터 구조의 BLDC 모터의 구조를 나타낸 것이며, 도 2는 도 1a에 적용된 3상(U,V,W) 구동 코일의 코일 결선도와 모터 구동회로를 나타내며, 도 3은 분할 코어의 조립시에 배치순서와 상호 결선관계를 나타내는 설명도이다.

도 1a 내지 도 3을 참고하면, 종래의 1결선 방법에 따라 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터(10)는 18슬롯 12폴 방식인 경우, 각각 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)이 권선된 18개의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)가 환형으로 배치된 스테이터(1)의 내측 및 외측에 각각 N극 및 S극 자석이 교대로 배치된 내부 로터(3a)와 외부 로터(3b)가 간격을 두고 배치되어 있다.

상기 스테이터(1)는 각 U,V,W 상별로 6개의 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)이 상호 연결되어 있고, 각 상의 일측은 도 2와 같이 모터 구동회로를 구성하는 인버터 회로(5)의 U,V,W 출력에 연결되고, 각 상의 타측은 상호 결선되어 중성점(NP)을 형성한다.

상기 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)은 모두 각각의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)에 순방향으로 권선되어 있으며, 도 3과 같이 U,V,W 각 상별로 교대로 배치되어 조립된다. 즉, 18개의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 u1,v1,w1,u2, ... , w5,u6,v6,w6 순서로 조립되어 수지를 이용한 인서트 몰딩에 의해 스테이터 지지체에 일체화되어 환형으로 형성된다.

이하에 상기한 종래의 1결선 방법에 따라 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터(10)에 대한 동작을 하기 표 1을 참고하여 설명한다.

전기각	0°	60°	120°	180°	240°	300°	360°, 0°
기계각	0°	10°	20°	30°	40°	50°	60°, 0°
H1	N	N	S	S	S	N	N
H2	S	N	N	N	S	S	S
H3	S	S	S	N	N	N	S
입력	U	V	V	W	W	U	U
출력	W	W	U	U	V	V	W
상측 FET	FET1	FET3	FET3	FET5	FET5	FET1	FET1
하측 FET	FET2	FET2	FET4	FET4	FET6	FET6	FET2

표 1과 같이, 종래에는 3개의 홀소자(H1-H3)가 각각 슬롯과 슬롯 사이에 순차적으로 배치되며, (360/슬롯 수)에 따라 결정되는 각도, 즉 20°간격으로 설치되어, 각 단계별로 로터(3a,3b)의 자극(N극 또는 S극)을 검출하여 모터 구동회로로 전송한다.

도 1a에 도시된 모터는 0°일 때의 상태를 나타낸 것으로, 6스텝 방식으로 10°마다 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)에 흐르는 전류의 방향을 절환하여 인가함에 의해 해당 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 전자석을 형성하여 자기장이 발생된다.

모터 구동회로는 제어부(도시되지 않음)와 인버터 회로(11)를 포함하며, 인버터 회로(5)는 3쌍의 스위칭 트랜지스터(FET)가 각각 토템폴 접속되어 구성되며, 상측 FET(FET1,FET3,FET5)와 하측 FET(FET4,FET6,FET2) 사이의 접속점으로부터 각 상의 출력(U,V,W)이 발생되어 모터(10)의 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)로 인가된다.

모터 구동회로의 제어부(도시되지 않음)는 각각의 각도에서 홀소자(H1-H3)에 의해 로터(3a,3b)의 위치신호가 검출되면, 상기 표 1에 따라 인버터 회로(5)는 1쌍의 스위칭 트랜지스터(FET)를 턴온시켜 전류 흐름 경로를 설정한다.

예를 들어, 도 1a와 같이 홀소자(H1-H3)가 외부 로터(3b)의 극성을 "N,S,S"로 검출하면, 제어부는 로터의 회전 위치가 0°인 것으로 판단하여, 상측의 FET1과 하측의 FET2를 턴온시키도록 구동신호를 인가하면, 전류가 FET1-U상 코일(u1-u6)-W상 코일(w6-w1)-FET2를 경유하여 접지로 흐른다.

이에 따라, 분할 코어(u11)는 내측 방향의 자속이 발생되고, 분할 코어(w11)는 외측 방향을 향하는 자속이 발생되어, 화살표로 표시된 바와 같이 자기회로가 설정되고, 내부 로터(3a)와 외부 로터(3b)가 N극 및 S극 자석으로 대향하여 설정된 더블로터(3)는 시계방향으로 회전이 이루어지게 된다.

도 1a의 BLDC 모터(10)에서 예를 들어, 내측 방향의 자속을 발생하는 분할 코어(u11)는 코어의 외측이 외부 로터(3b)의 단지 N극 자석(13)만 대향하는 것이 바람직하나 분할 코어(u11)의 일부가 인접된 S극 자석(14)과도 대향하고 있고, 코어의 내측이 내부 로터(3a)의 단지 S극 자석(13a)만 대향하는 것이 바람직하나 분할 코어(u11)의 일부가 인접된 N극 자석(14a)과도 대향하고 있어 효율이 떨어지게 된다.

이 경우, BLDC 모터(10)에서 스테이터(1)의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 각 스탭마다 U,V,W 3상 중에 하나의 상에 해당하는 분할 코어를 건너뛰면서 코일에 구동신호가 인가되어 활성화가 이루어진다.

예를 들어, 도 1a과 같이 로터(3)의 회전 위치가 0°때 스테이터(1)의 분할 코어(u11-u16,w11-w16)는 V상의 분할 코어(v11-v16)를 걸러 U 및 W상의 연속된 2개의 분할 코어(u11-u16,w11-w16)에 권선된 코일(u1-u6,w1-w6)에 구동신호가 인가되어 활성화가 이루어지며, 그 결과 활성화가 이루어지는 연속된 2개의 분할 코어는 서로 반대방향의 자속이 발생한다.

이때 BLDC 모터(10)는 상기한 바와 같이, 분할 코어(u11)의 외측이 N극 자석(13) 이외에 인접된 S극 자석(14)과도 대향하고 있고, 분할 코어(u11)의 내측이 S극 자석(13a) 이외에 인접된 N극 자석(14a)과도 대향하고 있으며, 대향하는 S극 자석(14)과 N극 자석(14a) 사이에 비활성화 상태의 분할 코어(v11)가 배치되어 있어, 로터(3)를 일측 방향으로 회전시키는데 효과적인 자기회로의 구성이 이루어지지 못하고 있다.

또한, 도 1a에 도시된 모터에서 로터(3)는 슬롯 수가 적으면 적을수록 인접된 S극 자석과 N극 자석이 겹쳐지는 부분에서 서로 상쇄가 이루어지지 않아 소음이 발생하게 된다.

더욱이, 종래의 1결선 방법에 따라 설계된 BLDC 모터(10)는 모터의 슬롯과 폴이 18슬롯 12폴, 27슬롯 36폴, 36슬롯 48폴과 같이 설정되어, 슬롯 수와 폴 수의 비율이 30~40% 정도로 차이가 있기 때문에 이로 인하여 로터(3) 회전시에 회전 각도에 따라 자석(13-16)과 코어 간의 자력(자속)의 유효 면적 차이가 발생하며, 그 결과 코깅(cogging)이 심하게 발생하며 자속 누설이 발생하는 문제가 있다.

이에 따라 종래의 1결선 방식의 BLDC 모터(10)는 코깅(cogging)에 기인한 소음을 최소화하기 위하여 도 1b에 도시된 바와 같이, 슬롯과 슬롯 사이의 오프닝(opening) 폭을 넓게 하고 외주면을 라운드(R) 처리하거나, 각 자석(13-16)의 모서리 부분을 라운드(R) 처리하는 에지 가공하는 것이 요구되므로, 이는 생산비의 상승 및 효율 저하를 초래한다.

결국, 종래의 1결선 방식의 BLDC 모터(10)는 슬롯과 슬롯 사이의 오프닝(opening) 폭이 넓어야 효율이 좋고, 소음이 감소하며, 일정 수준 이상의 오프닝 폭이 있어야 한다.

또한, 종래의 1결선 방식의 BLDC 모터(10)는 각각의 분할 코어에 권선된 코일을 상호 연결하여야 하므로 결선부위가 많은 단점도 있다.

더욱이, 종래의 1결선 방식의 BLDC 모터(10)는 상기한 바와 같이, 홀소자(H1-H3)가 (360도/슬롯 수)에 따라 결정되는 각도로 순차적으로 배치되어야 하기 때문에 3개의 홀 소자가 실장되는 홀소자 인쇄회로기판(PCB)은 40° 범위의 각도를 커버하는 크기로 제작되어야 하는 문제도 있다.

한편, 상기 공개특허 제10-2005-245호는 다수의 분할형 코어 조립체에 대한 코일 결선 및 조립을 위해 고가의 대형 인쇄회로기판(PCB)을 사용하여야 하는 문제가 있어, 조립용 대형 인쇄회로기판을 배제하고, 결선 문제를 해결하고자 등록특허 제10-663641호를 제안하였다.

등록특허 제10-663641호는 이를 위해 U,V,W 각 상별로 할당된 9개의 분할코어에 코일을 연속적으로 순방향으로 권선하여, 이들을 3개의 코어 그룹으로 분류하고, 각 상별로 3결선된 3개의 코어 그룹을 상별로 돌아가면서 교대로 배치한 스테이터를 제안하고 있다.

이 경우, 3결선된 각 코어 그룹은 조립용 PCB를 제거함과 동시에 각 분할 코어 사이의 결선 문제를 해결하기 위한 목적으로 이루어진 것으로, 3결선된 3개의 분할 코어는 코일이 모두 순방향으로 권선되어 있다.

그 결과, 상기한 27슬롯 24극 구조의 3결선 구조 모터는 연속된 3개의 분할 코어에 모두 코일이 순방향으로 권선되어 있기 때문에 3결선된 3개의 분할 코어 중 중간에 위치된 분할 코어는 전단 및 후단에 배치된 다른 분할 코어의 자속을 오히려 상쇄시킴에 따라 로터를 회전시키는 데 효과적으로 기여하지 못하여 효율이 개선이 이루어지지 못하였다.

한편, 일체형 스테이터 코어의 티스에 코일의 권선 순서가 순방향 및 역방향으로 권선된 2권선 방식의 코일이 각 상별로 순차적으로 배치된 스테이터를 이용한 모터가 제안된바 있다.

상기 2결선 방식 모터는 코깅 소음이 1결선 방식 모터보다 작아지나 3결선 구조 모터보다 결선 부위가 증가하는 문제, 홀소자의 배치위치가 2칸의 슬롯(30°)마다 위치해야 하므로 홀소자 조립용 PCB가 커져야 하는 문제가 있으며, 일체형 스테이터 코어는 권선기의 노즐이 슬롯과 슬롯 사이로 들어가야 하므로 코어간 오프닝 폭을 일정 범위 이상 유지해야 권선이 가능하다. 따라서, 상기 2결선 방식 모터는 효율보다는 코깅을 줄이기 위한 목적으로 적용되었다.

국내 등록특허 제10-432954호 국내 공개특허 제10-2005-245호 국내 공개특허 제10-2010-73449호 국내 등록특허 제10-663641호

상기한 바와 같이, 종래의 1결선 또는 2결선 방식 모터는 공통적으로 코깅 소음이 높고 효율이 떨어지며, 결선 부위가 많고 홀소자 조립용 PCB의 크기가 커야되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 3결선 방법으로 코일 권선이 이루어짐에 따라 슬롯과 폴의 비율을 최소화할 수 있어 코깅(cogging) 소음을 크게 줄이고, 코어와 코어 사이의 간격을 작게 설정함에 따라 마그넷과 코어 사이의 유효면적을 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있는 3결선 구조의 스테이터, 이를 이용한 BLDC 모터 및 그의 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 연속된 3개의 코일에 동일한 상(phase)의 모터구동신호가 인가될 때, 3개의 코어 모두가 대향한 로터의 마그넷을 동일한 방향으로 회전시키는 자속을 발생하도록 연속된 3개의 코어 중 중간에 위치한 코어에 역방향 코일 권선이 이루어진 3결선 구조의 스테이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 3결선 방법으로 코일 권선이 이루어져서 3개의 코어가 1세트와 같이 동작하므로, 코어의 양단부와 대향하는 더블 로터에서 인접한 S극 및 N극 자석 사이에 겹쳐지는 부분이 존재하여도 효과적인 자속 경로가 설정되어 자석의 유효면적이 커지게 되고 효율 상승을 도모할 수 있는 3결선 구조의 스테이터를 이용한 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 로터 위치신호를 검출하는 홀소자의 배치간격을 최소화하여 홀소자 조립체를 소형화할 수 있는 3결선 구조의 스테이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 분할 코어에 3결선 방법을 사용하여 연속 권선함에 따라 권선 방법 및 결선 방식이 간단한 3결선 구조의 스테이터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 코어의 오프닝 폭이 좁을수록 자석과의 대향하는 유효면적이 커지게 되어 효율이 상승하며, 그 결과 스테이터 코어 및 자석의 모서리 부분을 라운드 처리할 필요가 없는 3결선 구조의 스테이터를 이용한 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 인접한 분할 코어가 서로 반대방향으로 자속이 발생되도록 권선방향과 3상 구동회로의 구동신호 절환이 이루어짐에 따라 서로 반대극성으로 설정된 내부 및 외부 로터와의 사이에 동일한 방향으로 흡인력과 반발력이 동시에 발생하여 효과적으로 로터에 대한 회전 구동이 이루어질 수 있는 3결선 구조의 새로운 모터 구동방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 스테이터의 슬롯과 로터의 폴과의 비율을 최소화하여 낮은 코깅 소음과 효율 상승을 도모할 수 있는 3결선 구조의 새로운 모터 구동방법을 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 BLDC 모터는 서로 대향하는 위치에 반대 극성으로 이루어진 다수의 N극 및 S극 자석이 교대로 배치된 내부 로터와 외부 로터를 구비하는 더블로터; 상기 내부 로터와 외부 로터 사이에 배치되며, 3상 구동방식으로 3상 코일이 권선된 다수의 분할 코어를 구비하는 스테이터; 및 상기 로터의 위치신호를 검출하는 다수의 홀소자를 포함하며, 상기 3상 코일은 각각 연속된 3개의 분할 코어에 순방향, 역방향 및 순방향의 순서로 권선되어 인접된 분할 코어는 서로 반대방향으로 자속이 발생되는 다수의 코어 그룹을 포함하며, 상기 다수의 코어 그룹은 U,V,W 각 상별로 교대로 배치되어 조립되고, 상기 홀소자가 3개인 경우 홀소자 사이의 각도는 (360°/폴 수)×2÷3으로 설정되고, 상기 홀소자가 2개인 경우 홀소자 사이의 각도는 (360°/폴 수)÷2로 설정되며, 상기 코일에 대한 구동신호는 상기 홀소자에 의해 검출된 로터의 위치신호를 이용하여 인가되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 3결선 방법으로 코일 권선이 이루어짐에 따라 슬롯과 폴의 비율을 최소화할 수 있어 코깅(cogging) 소음을 크게 줄이고, 코어와 코어 사이의 간격을 작게 설정함에 따라 마그넷과 코어 사이의 유효면적을 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 연속된 3개의 코어 중 중간에 위치한 코어에 역방향 코일 권선이 이루어짐에 따라 연속된 3개의 코일에 동일한 상(phase)의 모터구동신호가 인가될 때, 3개의 코어 모두가 대향한 로터의 마그넷을 동일한 방향으로 회전시키는 자속을 발생하여 로터에 대한 효과적인 힘 전달이 이루어지게 된다.

더욱이, 본 발명에서는 3결선 방법으로 코일 권선이 이루어져서 3개의 코어가 1세트와 같이 동작하므로, 코어의 양단부와 대향하는 더블 로터에서 인접한 S극 및 N극 자석 사이에 겹쳐지는 부분이 존재하여도 효과적인 자속 경로가 설정되어 자석의 유효면적이 커지게 되고 효율 상승을 도모할 수 있다.

본 발명은 로터 위치신호를 검출하는 홀소자의 배치간격을 최소화하여 홀소자 조립체를 소형화할 수 있다.

본 발명은 분할 코어에 3결선 방법을 사용하여 연속 권선함에 따라 권선 방법 및 결선 방식이 간단하다.

본 발명은 코어의 오프닝 폭이 좁을수록 자석과의 대향하는 유효면적이 커지게 되어 효율이 상승하며, 그 결과 스테이터 코어 및 자석의 모서리 부분을 라운드 처리할 필요가 없다.

본 발명은 인접한 분할 코어가 서로 반대방향으로 자속이 발생되도록 권선방향과 3상 구동회로의 구동신호 절환이 이루어짐에 따라 서로 반대극성으로 설정된 내부 및 외부 로터와의 사이에 동일한 방향으로 흡인력과 반발력이 동시에 발생하여 효과적으로 로터에 대한 회전 구동이 이루어질 수 있다.

도 1a는 종래기술의 1결선 방법에 따라 18슬롯 12폴 방식으로 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터를 나타낸 직경방향 단면도,
도 1b는 코깅 소음을 감소시키기 위해 변형된 형상의 코어 및 자석으로 이루어진 더블로터 구조의 BLDC 모터의 구조를 나타낸 직경방향 단면도,
도 2는 도 1a에 적용된 3상(U,V,W) 구동 코일의 코일 결선도와 모터 구동회로,
도 3은 도 1에 도시된 모터에서 분할 코어의 조립시에 배치순서와 상호 결선관계를 나타내는 설명도,
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 3결선 방법에 따라 18슬롯 16폴 방식으로 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터로서, 로터가 “0°”와 “7.5°”일 때를 나타낸 직경방향 단면도,
도 5는 도 4에 도시된 3상(U,V,W) 구동 코일의 코일 결선도와 모터 구동회로,
도 6은 도 4에 도시된 모터에서 분할 코어의 조립시에 배치순서와 상호 결선관계를 나타내는 설명도,
도 7a 및 도 7b는 6개의 분할 코어에 본 발명에 따른 3결선 방법으로 연속권선하기 위한 분할 코어와 지그의 결합도 및 6개 분할 코어에 연속 권선된 스테이터 코일의 결선도,
도 8은 본 발명에 따른 변형된 홀소자의 배치 위치를 설명하기 위한 로터가 “0°” 위치일 때의 직경방향 단면도이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이하의 실시예 설명에서는 분할 코어 구조의 스테이터와 더블로터가 결합된 모터를 예를 들어 설명하나, 본 발명은 일체형 코어 구조를 갖는 스테이터와 단일 로터를 결합하여 구성된 모터에도 적용 가능하다.

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 3결선 방법에 따라 18슬롯 16폴 방식으로 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터가 “0°”와 “7.5°”일 때를 나타낸 직경방향 단면도, 도 5는 도 4에 도시된 3상(U,V,W) 구동 코일의 코일 결선도와 모터 구동회로, 도 6은 도 4에 도시된 모터에서 분할 코어의 조립시에 배치순서와 상호 결선관계를 나타내는 설명도이다.

도 4a 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3결선 방법의 BLDC 모터(100)는 본 발명의 3결선 방법에 따라 예를 들어, 18슬롯 16폴 방식으로 설계되어 있으며, 분할 코어 스테이터(102)-더블로터(103) 구조를 갖고 있다.

이하에 본 발명에 따라 분할 코어 스테이터(102)를 구비한 BLDC 모터(100)에서 각 상별로 코일이 권선된 3개의 분할 코어가 각 상별로 교대로 배치된 모터(이하 “3결선 구조 모터”라 한다) 설계 방법에 대하여 설명한다.

우선, 본 발명에 따른 3결선 구조 모터를 설계할 때 스테이터의 슬롯(slot)과 로터의 자석(자극) 간에 설정은 하기 수학식 2와 같이 설정된다.

상기 수학식 2에서 슬롯 수는 9의 배수로 결정되며, 수학식 2에 따라 모터의 슬롯과 폴 수는 예를 들어, 18슬롯 16폴, 27슬롯 24폴, 36슬롯 32폴과 같은 비율로 설정하고 있다. 따라서, 본 발명에서는 슬롯 수와 폴 수의 비율이 12% 정도의 차이가 발생되며, 이로 인하여 로터의 회전시에 발생되는 코깅은 1선 결선방식과 비교하여 약 1/10로 감소하며, 코어와 코어(즉, 슬롯과 슬롯) 사이의 간격은 좁게 설정되며, 그 결과 자석과 코어 사이의 대향하는 유효 면적이 증가하여 효율 증대를 도모할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 3결선 구조 모터를 설계할 때 로터의 위치신호를 검출하는 로터 위치검출소자는 3상 구동방식인 경우 예를 들어, 2개 또는 3개의 홀소자를 사용할 수 있다.

3개의 홀소자를 사용하는 경우 홀소자(H1-H3) 사이의 각도는 하기 수학식 3 또는 수학식 4와 같이 설정된다.

2개의 홀소자를 사용하는 경우 홀소자(H1,H2) 사이의 각도는 하기 수학식 5와 같이 설정된다.

이 경우, 나머지 하나의 홀소자(H3)에 대한 로터 위치검출은 소프트웨어적으로 계산하여 적용한다.

본 발명에서는 홀소자가 수학식 4에 따라 3결선된 연속된 3개의 분할 코어마다 배치되거나 또는 수학식 3에 따라 2개의 폴(자극) 내에 3개의 홀소자가 배치되도록 설정할 수 있다. 상기 수학식 3에 따라 3개의 홀소자를 배치하는 경우 소형의 홀소자 조립용 PCB를 사용할 수 있게 된다.

도 4a 내지 도 6을 참고하면, 본 발명의 3결선 방법에 따라 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터(100)는 18슬롯 16폴 방식인 경우, 각각 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)이 권선된 18개의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)가 환형으로 배치된 스테이터(102)와, 상기 스테이터(102)의 내측 및 외측에 각각 N극 및 S극 자석이 교대로 배치된 내부 로터(103a)와 외부 로터(103b)가 간격을 두고 배치된 더블로터(103)를 포함하고 있다.

상기 내부 로터(103a)와 외부 로터(103b)를 포함하는 더블로터(103)는 로터지지체(도시되지 않음)에 의해 내부 로터(103a)와 외부 로터(103b)가 일체화가 이루어지고, 내부 로터(103a)의 중앙부에는 회전축(도시되지 않음)이 결합되며, 회전축의 일단에는 부하가 연결된다.

상기 내부 로터(103a)와 외부 로터(103b)는 서로 대향하는 자석(11-26: 11a-26a)이 반대 극성을 갖도록 배치된다. 또한, 상기 내부 로터(103a)와 외부 로터(103b)는 각각 인접한 자석 사이의 자기회로 통로를 이루도록 내주 및 외주에 환형의 백요크(화살표 부분)가 구비되어 있으나, 설명의 편의상 생략하였다.

상기 스테이터(102)는 각 U,V,W 상별로 6개의 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)이 상호 연결되어 있고, 각 상의 일측(스타트 단자)은 도 5와 같이 모터 구동회로를 구성하는 인버터 회로(50)의 U,V,W 출력에 연결되고, 각 상의 타측(엔드 단자)은 상호 결선되어 중성점(NP)을 형성한다.

상기 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)은 모두 각 상의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)가 3개씩 하나의 코어 그룹(G1-G6)을 형성하며, 도 6과 같이 U,V,W 각 상별로 교대로 코어 그룹(G1-G6)이 배치되어 조립된다. 즉, 18개의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 G1(u11,u12,u13), G3(v11,v12,v13), G5(w11-w31), G2(u14,u15,u15), G4(v14,v15,v16), G6(w14,w15,w16) 순서로 조립되어, 수지를 이용한 인서트 몰딩에 의해 스테이터 지지체에 일체화되어 환형으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)이 권선될 때 절연을 위해 코어 외주에 형성된 절연용 보빈(61-66)에 상호 결합구조를 형성하여 이를 이용한 다른 조립방법에 의해 환형으로 조립될 수 있다.

본 발명에서는 각각 하나의 코어 그룹에 포함되는 3개의 분할 코어는 예를 들어, U상 G1(u11-u13)인 경우, 순방향(u11), 역방향(u12), 순방향(u13)으로 권선되어 있어, 각 코어 그룹 내부의 분할 코어는 상호 반대방향의 자속이 발생된다.

또한, 스테이터(102) 전체적으로 보면 18개의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는, 후술하는 바와 같이, 인접한 분할 코어 사이에 상호 반대방향의 자속이 발생되도록 선택적인 구동신호가 모터 구동회로의 제어부(도시되지 않음)로부터 발생되어 인버터 회로(50)를 통하여 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)에 인가된다.

상기 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)에 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)을 권선하는 방법은 6개의 코어에 연속권선 방법으로 권선하거나, 또는 3개의 코어에 연속권선한 후 상호 결선할 수 있고, 하나의 코어마다 권선한 후, 상호 결선하는 것도 가능하다.

도 7에는 6개의 코어에 코일을 연속권선 방법으로 권선하는 방법을 설명한다.

도시된 바와 같이 6개의 U상 분할 코어(u11-u16)를 5개의 지그(55)를 사용하여 일렬로 조립한 후, 등록특허 제10-663641호에 제시된 바와 같은 권선기를 이용하여 간단하게 연속권선이 이루어질 수 있다(도 7에서 4개의 지그는 도시하지 않음). 이 경우, 2번째 및 5번째 위치한 분할 코어(u12,u15)는 역방향 권선이 이루어지도록 반대방향으로 배치하여 조립한다. 따라서, 본 발명에서는 각 상의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)에 범용 권선기를 사용하여 3결선 방법으로 연속 권선함에 따라 권선 방법 및 결선 방식이 간단하게 이루어진다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 각각 그의 외주에 절연용 보빈(61-66)이 일체로 형성되고, 각 보빈(61-66)에는 코일 권선영역을 설정하도록 양측에 외측 및 내측 플랜지(67,68)를 구비하고 있고, 내측 플랜지(68)에는 보빈의 상호 결합에 사용되는 결합돌기(69a)와 결합홈(69b)이 형성되어 있다.

이하에 상기한 도 4a 내지 도 6을 참고하여 본 발명의 3결선 방법에 따라 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터(100)에 대한 동작을 하기 표 2를 참고하여 설명한다. 하기 표 2는 인버터 회로(50)의 스위칭 소자(FET1-FET6)를 구동할 때 적용되는 논리테이블이다.

전기각	0°	60°	120°	180°	240°	300°	360°, 0°
기계각	0°	7.5°	15°	22.5°	30°	37.5°	45°, 0°
H1	N	S	S	S	N	N	N
H2	N	N	N	S	S	S	N
H3	S	S	N	N	N	S	S
입력	V	V	W	W	U	U	V
출력	W	U	U	V	V	W	W
상측 FET	FET3	FET3	FET5	FET5	FET1	FET1	FET3
하측 FET	FET2	FET4	FET4	FET6	FET6	FET2	FET2

본 발명에서는 도 4a와 같이, 3개의 홀소자(H1-H3)가 수학식 4에 따라 각각 3슬롯마다, 즉 60°마다 배치되어 120° 범위에 걸쳐 배치되거나, 도 8과 같이 홀소자(H1-H3)가 각각 상기 수학식 3에 따라 계산된 15°마다 배치되어 30° 범위에 걸쳐 배치될 수 있다.

상기와 같이, 본 발명에서는 수학식 3에 따라 로터 위치신호를 검출하는 홀소자(H1-H3)의 배치간격을 최소화하여, 홀소자(H1-H3)가 조립되는 홀소자 조립체용 PCB(즉, 홀소자 조립체)의 크기를 소형화할 수 있다.

즉, 일반적인 종래의 1결선 구조의 18슬롯 구조의 모터인 경우 3개의 홀 소자가 실장되는 홀소자 조립체용 인쇄회로기판(PCB)은 40° 범위의 각도를 커버하는 크기로 제작되고, 2결선 구조의 24슬롯 구조의 모터인 경우 60° 범위의 각도를 커버하는 크기로 제작되어야 하나, 본 발명에서는 18슬롯 구조의 모터인 경우 30° 범위의 각도를 커버하는 크기로 제작 가능하여 소형으로 제작될 수 있다.

홀소자(H1-H3)는 각 스텝 별로 로터(103a,103b)의 자극(N극 또는 S극)을 검출하여 모터 구동회로로 전송한다.

도 4a에 도시된 모터는 0°일 때의 상태를 나타낸 것으로, 6스텝(step) 방식으로 기계각 7.5°마다 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)에 흐르는 전류의 방향을 변경하여 인가함에 의해 해당 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)를 활성화하여 회전 자기장이 발생된다.

모터 구동회로는 제어부(도시되지 않음)와 인버터 회로(50)를 포함하며, 인버터 회로(50)는 3쌍의 전력 스위칭 소자(FET1-FET6)가 각각 토템폴 접속되어 구성되며, 상측 FET(FET1,FET3,FET5)와 하측 FET(FET4,FET6,FET2) 사이의 접속점으로부터 각 상의 출력(U,V,W)이 발생되어 모터(100)의 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)로 인가된다.

모터(100)가 3상 구동방식인 경우 스테이터(102)는 3개의 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)을 포함하고, 예를 들어, 스타(star) 결선 구조인 경우, 코일의 타단은 상호 연결되어 중성점(NP)을 형성한다.

상기 BLDC 모터(100)는 로터(103)의 위치신호에 기초하여 토템폴 접속된 3쌍의 스위칭 소자 중 2개의 스위칭 소자를 선택적으로 구동하여 U상, V상, W상 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6) 중 2개 상의 코일에 전류를 순차적으로 인가함에 의해 2개 상의 스테이터 코일을 순차적으로 여자시켜서 회전자계를 발생함에 따라 로터의 회전이 이루어진다. 즉, 1개상의 코일에는 인버터 회로(50)의 출력으로부터 구동신호가 인가되고, 다른 1개상의 코일에는 중성점을 통하여 인가된다.

모터 구동회로의 제어부(도시되지 않음)는 각각의 각도에서 홀소자(H1-H3)에 의해 로터(103a,103b)의 위치신호가 검출되면, 상기 표 2에 따라 인버터 회로(50)는 1쌍의 스위칭 소자(FET)를 턴온시켜 전류 흐름 경로를 설정한다.

예를 들어, 도 4a와 같이 홀소자(H1-H3)가 외부 로터(103b)의 극성을 "N,N,S"로 검출하면, 제어부는 상기 표 2에 따라 더블로터(103)의 회전 위치가 0°인 것으로 판단하여, 상측의 FET3과 하측의 FET2를 턴온시키도록 구동신호를 인가하면, 전류가 FET3-V상 코일(v1-v3)-V상 코일(v4-v6)-W상 코일(w6-w4)-W상 코일(w3-w1)-FET2를 경유하여 접지로 흐른다.

이에 따라, 분할 코어(v11)는 내측 방향의 자속이 발생되고, 분할 코어(v12)는 외측 방향을 향하는 자속이 발생되며, 분할 코어(v13)는 내측 방향을 향하는 자속이 발생되어, 화살표로 표시된 바와 같이 자기회로가 설정되고, 내부 로터(103a)와 외부 로터(103b)가 N극 및 S극 자석으로 대향하여 설정된 더블로터(103)는 시계방향으로 회전이 이루어지게 된다.

즉, 도 4a의 BLDC 모터(100)에서 3결선된 분할 코어(v11-v13)는 외측의 우측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(16-18) 사이에 S-S,N-N,S-S와 같이 서로 동일한 극성으로 대향하고, 분할 코어(v11-v13)의 내측의 우측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(16a-18a) 사이에 N-N,S-S,N-N과 같이 서로 동일한 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 분할 코어(v11-v13)와 더블로터(103) 사이에는 반발력이 발생되고 있다.

또한, 분할 코어(v11-v13)의 외측 우측 부분보다 상대적으로 작은 면적으로 외측의 좌측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(15-17) 사이에 N-S,S-N,N-S와 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 분할 코어(v11-v13)의 내측 좌측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(16a-18a) 사이에 S-N,N-S,S-N과 같이 서로 반대 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 분할 코어(v11-v13)와 더블로터(103) 사이에는 흡인력이 발생되고 있다.

따라서, 분할 코어(v11-v13)와 더블로터(103) 사이에는 작은 흡인력과 큰 반발력이 동시에 발생되고 있으며, 더블로터(103)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 일어난다.

또한, 3결선된 분할 코어(v11-v13)에 인접하여 후단에 배치되는 3결선된 분할 코어(w11-w13)는 각각 외측의 좌측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(18-20) 사이에 S-N,N-S,S-N과 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 외측의 우측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(19-21) 사이에 N-N,S-S,N-N과 같이 서로 동일 극성으로 대향하며, 분할 코어(w11-w13)의 내측의 좌측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(18a-20a) 사이에 N-S,S-N,N-S와 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 내측의 우측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(19a-21a) 사이에 N-N,S-S,N-N과 같이 서로 동일 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 분할 코어(w11-w13)와 더블로터(103) 사이에는 흡인력과 반발력이 발생되어 더블로터(103)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 일어난다.

또한, 각각 3결선된 분할 코어(v14-v16) 및 분할 코어(w14-w16)와 더블로터(103) 사이에도 상기와 동일하게 반발력 및 흡인력이 발생되어 더블로터(103)를 밀어주고 당겨주는 작용에 의해 더블로터(103)를 시계 방향으로 회전시킨다.

도 4b를 참고하면, 홀소자(H1-H3)가 외부 로터(103b)의 극성을 "S,N,S"로 검출하면, 제어부는 상기 표 2에 따라 더블로터(103)의 회전 위치가 기계각으로 7.5°인 것으로 판단하여, 상측의 FET3과 하측의 FET4를 턴온시키도록 구동신호를 인가하면, 전류가 FET3-V상 코일(v1-v3)-V상 코일(v4-v6)-W상 코일(w6-w4)-W상 코일(w3-w1)-FET4를 경유하여 접지로 흐른다.

이에 따라, 분할 코어(v11)는 내측 방향의 자속이 발생되고, 분할 코어(v12)는 외측 방향을 향하는 자속이 발생되며, 분할 코어(v13)는 내측 방향을 향하는 자속이 발생되어, 화살표로 표시된 바와 같이 자기회로가 설정되고, 내부 로터(103a)와 외부 로터(103b)가 N극 및 S극 자석으로 대향하여 설정된 더블로터(103)는 시계방향으로 회전이 이루어지게 된다.

즉, 도 4b의 BLDC 모터(100)에서 3결선된 분할 코어(v11-v13)는 각각 외측의 좌측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(15-17) 사이에 N-S,S-N,N-S과 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 외측의 우측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(16-18) 사이에 N-N,S-S,N-N과 같이 서로 동일 극성으로 대향하며, 분할 코어(v11-v13)의 내측의 좌측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(15a-17a) 사이에 S-N,N-S,S-N과 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 내측의 우측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(16a-18a) 사이에 N-N,S-S,N-N과 같이 서로 동일 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 분할 코어(v11-v13)와 더블로터(103) 사이에는 흡인력과 반발력이 동시에 발생되어 더블로터(103)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 일어난다.

또한, 3결선된 분할 코어(v11-v13)에 인접하여 앞단에 배치되는 3결선된 분할 코어(u11-u13)는 각각 외측의 좌측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(12-15) 사이에 S-N,N-S,S-N과 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 외측의 우측 부분이 외부 로터(103b)의 대향하는 자석(13-15) 사이에 N-N,S-S,N-N과 같이 서로 동일 극성으로 대향하며, 분할 코어(u11-u13)의 내측의 좌측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(12a-15a) 사이에 N-S,S-N,N-S와 같이 서로 반대 극성으로 대향하고, 내측의 우측 부분이 내부 로터(103a)의 대향하는 자석(12a-15a) 사이에 S-S,N-N,S-S와 같이 서로 동일 극성으로 대향하여 배치됨에 따라 분할 코어(u11-u13)와 더블로터(103) 사이에는 흡인력과 반발력이 동시에 발생되어 더블로터(103)를 시계 방향으로 회전시켜 주는 작용이 일어난다.

또한, 각각 3결선된 분할 코어(v14-v16) 및 분할 코어(u14-u16)와 더블로터(103) 사이에도 상기와 동일하게 반발력 및 흡인력이 발생되어 더블로터(103)를 밀어주고 당겨주는 작용에 의해 더블로터(103)를 시계 방향으로 회전시킨다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 각 코어 그룹(G1-G6)마다 연속된 3개의 코어 중 중간에 위치한 코어에 역방향 코일 권선이 이루어져 있고, 각 구동 단계(step)마다 회전축을 중심으로 대칭으로 양측에 배치된 인접한 2개의 코어 그룹, 즉, 한쌍의 연속된 6개의 분할 코어는 활성화되고, 한쌍의 연속된 6개의 분할 코어 사이에 배치된 연속된 3개의 분할 코어는 비활성화 상태를 갖게 된다.

이 경우, 상기 인접한 2개의 코어 그룹마다 구동신호가 인가되어 활성화될 때 2개의 코어 그룹에 포함된 6개의 분할 코어는 서로 반대방향으로 자속을 발생한다. 또한, 상기 활성화가 이루어지는 인접한 2개의 코어 그룹 중 하나의 그룹에는 구동신호가 해당 코일의 스타트 단자로부터 인가되고, 다른 하나의 그룹에는 해당 코일의 엔드 단자로부터 인가된다.

이 경우, 활성화가 이루어지는 한쌍의 연속된 6개의 분할 코어는 더블로터(103)와의 사이에 외측 및 내측 플랜지(60b,60a)의 좌측은 서로 반대 극성으로 설정되어 흡인력에 의해 더블로터(103)를 회전방향으로 당겨주고 외측 및 내측 플랜지의 우측은 서로 동일 극성으로 설정됨에 따라 반발력에 의해 더블로터(103)를 회전방향으로 밀어주는 작용이 이루어진다.

즉, 4개 코어 그룹의 각각 연속된 3개의 분할 코어 모두가 대향한 더블로터(103)의 자석을 동일한 방향으로 회전시키는 자속을 발생하여 로터에 대한 효과적인 힘 전달이 이루어지게 된다.

또한, 본 발명에서는 분할 코어의 양단부와 대향하는 더블로터(103)에서 인접한 S극 및 N극 자석 사이에 경계면이 배치될 때에도 자속 손실없이 효과적인 자기회로 경로가 설정되어 더블로터(103)를 회전 구동시키며, 그 결과 인접한 S극 및 N극 자석의 모서리를 라운딩 처리 없이 분할 착자된 자석을 사용할 수 있어 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)와 대응하는 자석(11-16:11a-26a)의 유효면적이 커지게 되고 효율 상승을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 한쌍의 연속된 6개의 분할 코어가 인접한 분할 코어 사이에 서로 반대방향으로 자속이 발생되도록 코일 권선이 이루어지고, 구동신호가 인가됨에 따라, 코어와 코어 사이의 간격을 작게 설정할지라도 코깅에 따른 자속 누설이 발생하지 않고 자석과 코어 사이의 유효면적을 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있다.

종래에는 슬롯과 슬롯 사이의 오프닝(opening) 폭을 넓게 하고 외주면을 라운드(R) 처리하는 것이 요구되었으나, 본 발명에서는 각 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)의 내측 및 외측 플랜지(60a,60b)는 라운드 처리하지 않고, 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 18개의 분할 코어 전체가 형성하는 하나의 내측원과 외측원에 일치하도록 곡률이 설정될지라도 코깅이 크게 발생하지 않게 된다. 그 결과, 자석과 코어 사이의 유효면적을 최대로 늘려서 누설자속을 줄여줌에 따라 효율 증대를 도모할 수 있다.

상기 실시예 설명에서는 스테이터가 분할 코어로 이루어지고, 더블로터와 조합된 더블로터 모터를 예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 싱글 로터-싱글 스테이터, 더블 로터-더블 스테이터 구조의 모터에도 동일한 원리로 적용될 수 있다. 본 발명은 상기한 레이디얼 갭형 구조의 모터 이외에 액시얼 갭형 모터에도 적용될 수 있다.

또한, 상기 실시예 설명에서는 3상 구동방식으로 스테이터 코일이 스타(star) 결선된 회로를 예시하였으나, 델타 결선방식에도 적용 가능하다.

더욱이, 상기 실시예 설명에서는 로터 위치정보를 검출하기 위해 홀소자를 사용하였으나, 회전되는 로터 마그넷의 극성변화를 검출하는 다른 자기검출소자를 사용하는 것도 가능하다.

또한, 상기 실시예 설명에서는 18홀 16폴 구조의 모터에 대하여 예시하였으나, 동일한 방식으로 27슬롯 24폴, 36슬롯 32폴과 같은 비율로 설정된 모터에 적용될 수 있다.

11-26,11a-26a: 자석 50: 인버터 회로
55: 지그 60a: 내측 플랜지
60b: 외측 플랜지 61-66: 보빈
67: 외측 플랜지 68: 내측 플랜지
69a: 결합돌기 69b: 결합홈
100: 모터 102: 스테이터
103: 더블로터 103a: 내부 로터
103b: 외부 로터 G1-G6: 코어 그룹
u1-u6,v1-v6,w1-w6: 코일 u11-u16,v11-v16,w11-w16: 분할 코어
NP: 중성점

Claims (6)

1. 서로 대향하는 위치에 반대 극성으로 이루어진 다수의 N극 및 S극 자석이 교대로 배치된 내부 로터와 외부 로터를 구비하는 더블로터;
   상기 내부 로터와 외부 로터 사이에 배치되며, 3상 구동방식으로 3상 코일이 권선된 다수의 분할 코어를 구비하는 스테이터; 및
   상기 로터의 위치신호를 검출하는 다수의 홀소자를 포함하며,
   상기 3상 코일은 각각 연속된 3개의 분할 코어에 순방향, 역방향 및 순방향의 순서로 권선되어 인접된 분할 코어는 서로 반대방향으로 자속이 발생되는 다수의 코어 그룹을 포함하며,
   상기 다수의 코어 그룹은 U,V,W 각 상별로 교대로 배치되어 조립되고, 상기 분할 코어에 권선된 3상 코일은 각 상별로 직렬로 접속되며,
   상기 홀소자가 3개인 경우 홀소자 사이의 각도는 (360°/폴 수)×2÷3으로 설정되고, 상기 홀소자가 2개인 경우 홀소자 사이의 각도는 (360°/폴 수)÷2로 설정되며, 상기 코일에 대한 구동신호는 상기 홀소자에 의해 검출된 로터의 위치신호를 이용하여 인가되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 인접한 2개의 코어 그룹에 포함된 6개의 분할 코어는 모두 대향한 내부 로터와 외부 로터의 자석의 자극과 동일한 극성 또는 반대 극성으로 설정되도록 서로 반대방향으로 자속을 발생하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 BLDC 모터는 로터 위치신호를 검출하여 6스텝(step) 방식으로 3상 코일 중 2개 상의 코일에 구동신호를 인가하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 스테이터는 구동신호가 인가될 때, 비활성화 상태의 연속된 3개의 분할 코어가 활성화된 6개의 분할 코어 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
5. 제1항에 있어서,
   U,V,W 각 상별로 교대로 배치되어 조립되는 다수의 코어 그룹은 각각 연속된 3개의 분할 코어 중 중간에 위치된 분할 코어를 반대방향으로 배치한 상태에서 연속권선이 이루어지는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 분할 코어는 각각 외주에 권선되는 코일을 절연시키기 위한 절연성 보빈을 포함하며, 상기 다수의 분할 코어는 보빈의 내측 플랜지에 형성된 결합구조를 이용하여 환형으로 조립되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.

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