KR101573457B1

KR101573457B1 - 단극 코일 모터

Info

Publication number: KR101573457B1
Application number: KR1020130128690A
Authority: KR
Inventors: 제환영
Original assignee: 유피모터주식회사
Priority date: 2013-10-28
Filing date: 2013-10-28
Publication date: 2015-12-01
Also published as: WO2015064909A1; CN104578652A; KR20150048519A

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 단극코일 모터는 직류 전동기의 회전자 코일과 같이 시작과 끝이 없는 링 연결(Ring Connection)로 이루어진 코일을 일정한 간격으로 나누어 배열된 다수 개의 서로 대칭되는 두 개의 단자를 연결하여 한 상으로 하는 다상 단극코일과, 각 상의 단극코일을 구동하기 위한 구동회로로 이루어져 있다. 상기 구동회로는 자극의 위치를 검출하기 위한 광학 센서나 홀 센서(Hall Sensor)의 신호를 받아서 두 개의 트리거(Trigger) 신호를 생성하여, 전원의 음극과 양극에 단극코일을 연결하는 두 개의 스위치에 공급하여 일정한 시간 동안 단극 코일을 전원에 연결하여 모터를 구동한다.

Description

단극 코일 모터 {UNIPOLAR COIL MOTOR}

본 발명은 단극코일을 사용하는 단극코일 모터에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 단극코일을 사용하여 구동회로를 모터와 일체화 한 구동회로 일체형 브러쉬리스 단극코일 모터에 관한 것이다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 삼상 브러쉬리스 모터가 와이결선(Y-connection)인 경우 모터에 감긴 코일의 2/3가 모터의 구동에 사용되는데 반하여, 삼상 단극코일의 경우 모터에 감긴 코일의 1/3만 모터의 구동에 사용된다.

자극의 위치를 검출하기 위한 센서로 포토트랜지스터(Phototransistor)를 사용한 종래의 이극 삼상 단극코일 모터를 도 1에 나타내 보였다.

도 1을 참조하면, 세 개의 포토트랜지스터(PT1, PT2, PT3)는 120도 간격을 두고 위치하고 있으며, 모터의 축에 연결된 회전 셔터(SH)를 통해 차례로 빛에 노출된다.

도시한 바와 같이, 회전자(RT)의 S극이 고정자(ST)의 돌극(P2)와 일치해 있으면, 포토트랜지스터(PT1)은 빛을 감지하고 트랜지스터(Tr1)을 켜서(turn on) 코일(W1)에 전류를 흘림으로써 S극이 된 돌극(P1)이 화살표 방향으로 회전자(RT)의 N극을 끌어당기게 된다. 회전자(RT)의 N극이 돌극(P1)에 일치되는 위치에 올 때에 회전자(RT) 축에 결합되어 있는 셔터(SH)가 포토트랜지스터(PT1)을 가리게 되고 포토트랜지스터(PT2)은 빛에 노출되어 트랜지스터(Tr2)를 켜고 코일(W2)에 전류가 흐르고 돌극(P2)은 S극이 되며 회전자(RT)의 N극을 화살표 방향으로 회전시켜 돌극(P2)와 일치시킨다. 이 순간 셔터(SH)는 포토트랜지스터(PT2)를 가리고 포토트랜지스터(PT3)은 빛에 노출되고 코일(W3)에 전류가 흘러 돌극(P3)이 회전자 N극을 끌어당겨 계속해서 회전자(RT)를 회전시키게 된다.

종래의 단극코일 모터는 각 상에 대하여 자극의 위치를 검출하기 위한 센서와 단극코일을 전원에 연결하기 위한 스위치와 단극코일로 구성되어 있으며, 구동회로가 단순하여 구동회로를 모터에 내장하기가 용이하지만, 상술한 바와 같이 매 순간 코일의 1/3만 모터의 구동에 사용되어 코일의 2/3를 사용하는 삼상 브러쉬리스 모터에 비하여 출력과 성능이 뒤떨어진다.

따라서, 삼상 단극코일 모터는 성능과 출력이 삼상 브러쉬리스 모터에 비하여 열등하였다. 그러나 삼상 브러쉬리스 모터의 구동회로는 복잡하여 출력이 작은 모터를 제외하고 구동회로를 내장하여 구동회로 일체형 브러쉬리스 모터를 만들기가 매우 어려워 센서리스 모터(Sensorless Motor)가 아닌 경우 센서를 모터와 구동회로 사이에 연결하여야만 모터를 구동할 수 있어서 배선이 복잡한 문제점이 있다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 단극코일을 사용하면서도 삼상 브러쉬리스 모터의 성능과 출력을 능가하는 단극코일 모터를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 브러쉬리스 모터의 구동회로를 내장하기 위하여 단극코일을 사용하는 구동회로 일체형 브러쉬리스 모터를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 또 다른 과제는, 직류 전동기의 회전자 코일과 같이 시작과 끝이 없는 링 연결(Ring Connection)로 이루어진 코일을 일정한 간격으로 나누어 배열된 다수 개의 서로 대칭되는 두 개의 단자를 연결하여 한 상으로 하는 다상 단극코일과 각 상의 단극코일을 구동하기 위한 구동회로로 이루어진 단극코일 모터를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 단극코일 모터는, 회전자를 형성하기 위한 적어도 2개 이상의 자극과, 고정자를 형성하기 위해 다수개의 코일이 링 연결(ring connection)되는 단극코일; 및 상기 다수개의 코일이 링 연결되는 각 연결점에 형성되는 단자로서, 상기 단자는 상기 자극에 대하여 서로 대칭되는 두 개의 단자끼리 전원에 연결되는 단자;를 포함하고, 상기 서로 대칭되는 두 개의 단자와 이 두 개의 단자 사이에 개재된 코일은 상기 모터의 각 상(phase)에 대한 단극코일을 형성한다.

상기 단극코일을 형성하기 링 연결되는 코일의 수는 상기 자극의 수에 상(phase)의 수를 곱한 수의 배수일 수 있다.

상기 단극코일은 상기 고정자의 슬롯(Slot)에 감긴 코일, 또는 스롯리스(slotless) 모터의 경우 고정자에 균등하게 감긴 코일일 수 있다.

상기 모터의 각 상마다 자극의 위치를 검출하기 위한 센서와, 상기 모터를 구동하기 위한 전원의 음극과 양극에 상기 단극코일을 연결하기 위한 적어도 2개의 스위치, 및 상기 센서의 신호를 받아서 상기 적어도 2개의 스위치에 트리거(trigger) 신호를 보내기 위한 적어도 한 개의 트리거 스위치를 포함하는 구동회로를 더 포함할 수 있다.

상기 구동회로의 트리거 스위치는 상기 자극의 위치를 검출하기 위한 상기 센서에 전원이 공급되지 않을 때, 상기 단극코일의 연결을 끊기 위하여 P-MOSFET 또는 PNP 트랜지스터를 포함하고; 상기 전원의 음극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치는 N-MOSFET 또는 NPN 트랜지스터를 포함하고; 상기 전원의 양극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치는 P-MOSFET 또는 PNP 트랜지스터를 포함할 수 있다.

상기 트리거 스위치의 상기 P-MOSFET의 트리거(trigger) 단자 또는 상기 PNP 트랜지스터의 베이스(Base) 단자와 전원의 양극 사이와 상기 자극의 위치를 검출하는 상기 센서의 출력 사이에 각각 저항을 연결하여 상기 자극의 위치를 검출하는 상기 센서의 출력 신호에 따라서 트리거 스위치를 켜고 끌 수 있다.

상기 트리거 스위치의 상기 P-MOSFET의 소스(source) 단자에, 상기 전원의 양극에 연결된 저항을 연결하고, 상기 P-MOSFET의 드레인(Drain) 단자에, 전원의 음극에 연결된 저항을 연결하거나; 또는 상기 트리거 스위치의 상기 PNP 트랜지스터의 에미터(Emitter) 단자에, 전원의 양극에 연결된 저항을 연결하고, 상기 PNP 트랜지스터의 콜렉터 단자에, 전원의 음극에 연결된 저항을 연결하여, 상기 트리거 스위치가 켜지면 상기 두 개의 저항을 통하여 상기 전원의 양극에서 상기 전원의 음극으로 전류가 흐르면서, 상기 전원의 음극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치에 제1 트리거 신호를 공급하고, 상기 전원의 양극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치에 상기 제1 트리거와 반대 위상인 제2 트리거 신호를 공급하여 상기 단극코일에 상기 전원을 연결할 수 있다.

상기 트리거 스위치로서 P-MOSFET를 사용하여 상기 트리거 스위치의 P-MOSFET의 소스(Source) 단자와 전원의 양극 사이에 연결된 저항과, 상기 트리거 스위치 P-MOSFET의 드레인(Drain) 단자와 전원의 음극 사이에 연결된 저항의 전압 분배를 통하여 전압이 분배된 트리거 신호를 상기 전원의 음극과 양극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 두 개의 스위치에 제공할 수 있다.

상기 트리거 스위치로서 PNP 트랜지스터를 사용하여 상기 PNP 트랜지스터의 베이스(Base) 단자와 전원의 양극 사이와 상기 자극의 위치를 검출하는 상기 센서의 출력 사이에 각각 연결된 저항과, 상기 PNP 트랜지스터의 에미터(Emitter) 단자와 전원의 양극 사이에 연결된 저항과 상기 PNP 트랜지스터의 콜렉터 단자와 전원의 음극 사이에 연결된 저항의 상관관계에 의해서, 단극코일을 전원에 연결하는 상기 MOSFT 스위치의 트리거(trigger)와 소스(Source) 사이의 전압을 낮추거나, 상기 트랜지스터의 베이스(Base)와 에미터(Emitter) 사이의 전압을 낮추어서 설정 전압 이상의 전압에도 구동할 수 있다.

상기 자극의 위치를 감지하여 상기 단극코일을 일정한 시간동안 상기 전원에 연결시키기 위한 원판형 홀 자석을 포함하되, 상기 모터가 이극 삼상 모터인 경우 한 개의 120° 간격의 N극과 두 개의 120° 간격의 S극으로 이루어진 원판형 홀 자석을 한 개의 N극을 두 개의 S극 사이에 배치하고; 상기 모터가 사극 삼상 모터인 경우 두 개의 60° 간격의 N극과 네 개의 60° 간격의 S극으로 이루어진 원판형 홀 자석을 두 개의 N극 자석을 마주 보게 대칭적으로 배치하고, 두 개의 S극 자석을 두 개의 N극 사이에 각각 배치할 수 있다.

상기 N극과 S극의 위치가 교체될 수 있다.

상기 모터가 이극 삼상 모터인 경우 한 개의 N극의 간격을 120° 보다 작게 하고, 상기 사극 삼상 모터인 경우 두 개의 N극의 간격을 60° 보다 작게 하고, 상기 전원의 음극과 양극에 상기 단극코일을 연결하는 스위치와 병렬로 커패시터를 연결할 수 있다.

상기 모터의 각 상마다 상기 단극코일의 +전류 방향에 상응하는 자극 위치 감지 센서와, 상기 단극코일의 -전류 방향에 상응하는 자극 위치 감지 센서를 구비하여, 이들 자극 위치 감지 센서를 상기 트리거 스위치에 연결하고, 상기 단극코일의 +전류 방향에 상응하는 자극 위치 감지 센서를 상기 전원에 연결하여 상기 회전자의 자석을 정방향으로 회전시키거나, 또는 상기 단극코일의 -전류 방향에 상응하는 상기 자극 위치 감지 센서를 상기 전원에 연결하여 상기 회전자의 자석을 역방향으로 회전시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 링 연결로 이루어진 단극코일을 사용함으로써, 즉 일부분의 코일로써 모터를 구동하는 것이 아니라 모든 코일을 사용함으로써 모터의 출력과 성능이 삼상 브러쉬리스 모터를 능가할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 모터의 각 상마다 자극의 위치를 검출하기 위한 센서와, 전원의 음극과 양극에 단극코일을 연결하기 위한 두 개의 스위치와, 상기 센서의 신호를 받아서 상기 두 개의 스위치에 트리거 신호를 보내기 위한 한 개의 스위치로 이루어진 구동회로를 구비함으로써 구동회로를 내장한 브러쉬리스 모터를 소형의 모터에도 적용할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 모터 각 상의 자극의 위치를 검출하기 위한 센서의 대칭되는 곳에 같은 센서를 배치하여 해당되는 센서를 활성화함으로써 용이하게 모터의 정회전과 역회전이 가능하게 할 수 있다.

도 1은 종래기술에 따른 이극 삼상 단극코일 모터를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 이극 삼상 단극코일 모터의 구동원리를 하나의 상에 대해서 나타낸 개념도이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 링 연결로 이루어진 이극 삼상 단극코일, 및 링 연결로 이루어진 사극 삼상 단극코일을 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 저전압 단상 구동회로도, 및 고전압 단상 구동회로도이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 저전압 이극 삼상 구동회로도, 및 고전압 이극 삼상 구동회로도이다.
도 6a 및 도 6b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 이극 삼상 홀 자석의 배치도, 및 사극 삼상 홀 자석의 배치도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전류의 단락을 방지하기 위하여 커패시터를 추가한 구동회로도이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 정역회전을 위한 이극 삼상 단극코일 모터의 홀 IC와 단극코일의 배치도, 및 정역회전을 위한 사극 삼상 단극코일 모터의 홀 IC와 단극코일의 배치도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 정회전 역회전 기능을 구비한 삼상 단극코일 모터의 구동회로도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저, 본 발명의 실시예에 따른 단극코일 모터의 단극코일(UC; Unipolar Coil)과 구동회로는, 종래의 단극코일 모터와 다르지만 종래의 단극코일 모터와 동일한 방법으로 구동될 수 있다.

도 2에 본 발명의 실시예에 따른 회전자를 형성하는 자극의 위치를 검출하기 위한 센서로서 홀 센서(Hall Sensor)를 사용한 이극 삼상 단극코일 모터의 구동원리를 하나의 상에 대해서 나타내 보였다.

세 개의 홀 IC(H; 도 2에서는 편의상 1개만 도시함)는 120도 간격으로 배치되고, 모터의 축에 결합된 120도 간격의 N극과 240도 간격의 S극으로 이루어진 홀 자석이 홀 IC(H)와 대면해 있다.

홀 IC(H)는 홀 자석의 N극에 의해서 로우(Low) 상태로 되고 S극에 의해서 하이(High) 상태로 될 수 있다. 도 2와 같이 링 연결로 이루어진 단극코일(UC)의 서로 대칭되는 두 개의 단자(TM)를 경계로 회전자의 N극과 S극이 위치할 때, 경계에서 회전자가 ±60도 사이에 있을 동안에 홀 IC(H)에 의해서 트리거 스위치(q)가 켜진다.

트리거 스위치(q)가 켜지면, 스위치(q)를 사이에 두고 전원의 음극(-)과 양극(+)에 연결된 저항(R1, R2)에 전류가 흐르고, 전원의 음극(-)에 연결된 저항(R1)을 통하여 전압이 로우에서 하이로 바뀌는 트리거 신호가 생성되고, 전원의 양극(+)에 연결된 저항(R2)을 통하여 전압이 하이에서 로우로 바뀌는 트리거 신호가 생성된다.

전원의 음극(-)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q1)는 N-MOSFET나 NPN 트랜지스터로서 전압이 로우에서 하이로 바뀌는 트리거 신호에 의해서 켜지고, 전원의 양극(+)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q2)는 P-MOSFET나 PNP 트랜지스터로서 전압이 하이에서 로우로 바뀌는 트리거 신호에 의해서 켜진다.

두 개의 스위치(Q1, Q2)에 의해서 전원에 단극코일(UC)이 연결되면 단극코일(UC)에 화살표 방향으로 전류가 흐르고, 회전자의 자장과 + 방향과 - 방향으로 표시된 단극코일(UC)의 전류에 의해서 회전자가 회전한다.

본 발명의 실시예에 따른 단극코일 모터는 삼상 이상의 다상 단극코일로 모터를 구동할 수 있으며, 상이 많을수록 전류와 토크의 리플이 작지만 구동회로의 소자수가 상의 배수로 많아질 수 있다. 본 명세서에서는, 가장 간단한 삼상 단극코일 모터를 기준으로 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 단극코일(UC)은, 도 3에 도시한 바와 같이 자극 수에 상의 수를 곱한 코일을 링 연결(Ring Connection)로 연결하고, 각 코일의 연결점에 단자를 만들고 자극에 대하여 서로 대칭되는 두 개의 단자끼리 전원에 연결하여 각 상의 단극코일(UC)을 형성할 수 있다.

이극 삼상 단극코일(UC)이 도시된 도 3a와 같이 여섯 개의 코일(UC1 ~ UC6)의 연결점을 C1, C2, C3, C4, C5, C6라 하면, 자극에 대하여 서로 대칭된 코일의 연결점 C1과 C4을 단자로 하는 U상의 단극코일을 만들어 전원의 양극을 C1에 연결하고 전원의 음극을 C4에 연결하며, 연결점 C3과 C6를 단자로 하는 V상의 단극코일을 만들어 전원의 양극을 C3에 연결하고 전원의 음극을 C6에 연결하며, 연결점 C5과 C2를 단자로 하는 W상의 단극코일을 만들어 전원의 양극을 C5에 연결하고 전원의 음극을 C2에 연결하는 방식으로 삼상 단극코일(UC)을 형성할 수 있다.

도 3b에 도시한 바와 같이, 사극 삼상 단극코일의 경우, 열두 개의 코일 연결점을 C1 ~ C12라 하면, 코일의 연결점 C1과 C4를 단자로 하는 단극코일에 전원의 양극을 C1에 연결하고 전원의 음극을 C4에 연결하게 한 단극코일과, 코일의 연결점 C7과 C10를 단자로 하는 단극코일에 전원의 양극을 C7에 연결하고 전원의 음극을 C10에 연결하게 한 단극코일을 직렬 연결하거나 병렬 연결하여 U상의 단극코일을 형성하고, 같은 방식으로 V상과 W상의 단극코일을 형성하는 방식으로 삼상 단극코일(UC)을 형성할 수 있다.

여기서 이극 삼상 단극코일의 여섯 개의 코일(UC1 ~ UC6)과, 사극 삼상 단극코일의 열두 개의 코일(UC1 ~ UC12)은 슬롯에 감긴 코일일 수 있고, 스롯리스(Slotless) 모터와 같이 균등하게 감긴 코일일 수 있다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 단극코일 모터의 구동회로에 대해 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 단극코일(UC)을 전원의 음극과 양극에 연결하는 스위치로서 MOSFET나 트랜지스터를 사용하면, MOSFET의 소스(Source)와 트리거(Trigger) 사이의 전압과 트랜지스터의 베이스(Base)와 에미터(Emitter) 사이의 전압에 한계가 있으며, 이 전압의 한계를 기준으로 저전압 구동회로와 고전압 구동회로로 나눌 수 있다.

상기 저전압 구동회로는 도 4a에 도시한 대로 자극의 위치를 검출하는 홀 IC(H)의 신호가 하이에서 로우로 바뀜에 따라서 전원의 양극(+)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q2)가 작동하고, 동시에 트리거 스위치(q)가 작동하면 트리거 스위치(q)와 전원의 음극(-) 사이에 연결된 저항(R)에 전류가 흘러서 로우에서 하이로 바뀌는 트리거 신호가 생기고, 상기 트리거 신호에 의해서 전원의 음극(-)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q1)이 작동함으로써 일정한 시간 동안 해당하는 단극코일(UC)에 전류를 통하여 회전자인 영구자석을 구동할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는, 홀 IC(H) 대신에 광학 센서를 사용할 수 있으며, 트리거 스위치(q)는 홀 IC(H)에 전원을 끊을 때 단극코일(UC)의 연결을 끊기 위하여 P-MOSFET를 적용할 수 있다. 전원의 음극(-)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q1)는 N-MOSFET나 NPN 트랜지스터를 사용하고, 전원의 양극(+)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q2)는 P-MOSFET나 PNP 트랜지스터를 사용할 수 있다.

트리거 스위치(q)가 P-MOSFET이므로 홀 IC(H)는 하이에서 로우로 바뀌는 신호로써 트리거 스위치(q)를 작동하여 단극코일(UC)에 전원을 연결할 수 있다.

고전압 구동회로는 도 4b에 도시된 대로 자극의 위치를 검출하는 홀 IC(H)의 신호가 하이에서 로우로 바뀜에 따라서 트리거 스위치(q)가 작동하면, 전원의 음극(-)에 연결된 저항(R1)과 전원의 양극(+)에 연결된 저항(R2)에 전류가 흘러서, 저항(R1)에서는 로우에서 하이로 바뀌는 트리거 신호를 전원의 음극(-)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q1)에 제공하여 스위치(Q1)을 작동하고, 저항 (R2)에서는 하이에서 로우로 바뀌는 트리거 신호를 전원의 양극(+)에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q2)에 제공하여 스위치(Q2)를 작동하여 일정한 시간 동안 해당하는 단극코일(UC)에 전류를 통하여 회전자인 영구자석을 구동할 수 있다.

홀 IC(H)와 전원의 양극에 연결된 저항(r1, r2)의 전압 분배를 통하여 트리거 스위치(q)로 사용되는 P-MOSFET의 소스(Source)와 트리거(Trigger) 사이의 전압을 조정하거나 PNP 트랜지스터의 베이스(Base)와 에미터(Emitter) 사이의 전압을 조정하고, 트리거 스위치(q)를 사이에 두고 전원의 음극과 양극에 연결된 저항(R1, R2)의 전압 분배를 통하여 전원의 음극에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q1)으로 사용되는 N-MOSFET의 소스(Source)와 트리거(Trigger) 사이의 전압을 조정하거나 NPN 트랜지스터의 베이스(Base)와 에미터(Emitter) 사이의 전압을 조정하고, 전원의 양극(+)에 단극코일(UC)을 연결하는 P-MOSFET의 소스(Source)와 트리거(Trigger) 사이의 전압을 조정하거나 PNP 트랜지스터의 베이스(Base)와 에미터(Emitter) 사이의 전압을 조정한다.

트리거 스위치(q)로써 P-MOSFET를 사용하면, 저항(R1, R2)의 전압 분배를 통하여 분배된 트리거 신호가 전원의 음극과 양극에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q1, Q2)에 제공되며, 트리거 스위치(q)로써 PNP트랜지스터를 사용하면, 저항(r1, r2), 저항(R1, R2)의 상관관계에 의해서 전압이 분배됨으로 인해서 매우 높은 전압의 전원도 용이하게 MOSFET의 소스(Source)와 트리거(Trigger) 사이의 규정된 전압과 트랜지스터의 베이스(Base)와 에미터(Emitter) 사이의 규정된 전압으로 낮출 수 있다.

저전압 삼상 구동회로와 고전압 삼상 구동회로는 저전압 단상 구동회로나 고전압 단상 구동회로를 도 3에 도시된 각 상의 단극코일에 연결함으로써 이루어질 수 있다.

도 5a와 도 5b에 도시된 저전압 삼상 구동회로와 고전압 삼상 구동회로는 도 3a의 이극 삼상 단극코일에 저전압 단상 구동회로나 고전압 단상 구동회로를 각 상의 단극코일에 연결한 것이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 단극코일 모터에 포함되는 홀 자석에 대해 설명한다.

본 발명의 실시예에 따른 홀 IC(H)가 자극의 위치를 검출하여 단극코일에 일정한 시간 동안 전류를 흘려서 회전자인 영구자석을 구동하기 위해서는 홀 IC를 위한 별도의 홀 자석이 필요하다.

이극 삼상 모터인 경우 120° 간격의 N극과 240° 간격의 S극으로 이루어진 홀 자석이나, 120° 간격의 S극과 240° 간격의 N극으로 이루어진 홀 자석이 필요하고, 사극 삼상 모터인 경우 60° 간격의 N극과 120° 간격의 S극으로 이루어진 홀 자석이나, 60° 간격의 S극과 120° 간격의 N극으로 이루어진 홀 자석이 필요하다.

이극 삼상 모터인 경우 도 6a에 도시한 바와 같이 한 개의 120° 간격의 N극과 두 개의 120° 간격의 S극으로 이루어진 원판형 자석(CM)을 한 개의 N극을 두 개의 S극 사이에 배치하고, 한 개의 N극 자석은 120° 보다 작게 하여 인접한 두 개의 단극코일이 동시에 연결되는 것을 방지할 수 있다.

사극 삼상 모터인 경우 도 6b에 도시한 바와 같이 두 개의 60° 간격의 N극과 네 개의 60° 간격의 S극으로 이루어진 원판형 자석(CM)을 두 개의 N극 자석을 마주보게 대칭적으로 배치하고, 두 개의 N극 자석은 60° 보다 작게 하여 인접한 두 개의 단극코일이 동시에 연결되는 것을 방지할 수 있다.

상기 N극과 S극은 홀 IC에 따라서 서로 그 역할을 맞바꾸어도 상관이 없다.

인접해 있는 두 개의 단극코일이 동시에 연결되는 것을 방지하기 위해서 이극 삼상 모터인 경우 자극의 간격을 120° 보다 작게 하고, 사극 삼상 모터인 경우 자극의 간격을 60° 보다 작게 하면 단극코일에 전류가 흐르지 않는 순간이 발생할 수 있다. 상기와 같은 전류의 단락을 막기 위해서 본 발명의 실시예에서는 도 7에 도시한 바와 같이 전원의 음극과 양극에 단극코일(UC)을 연결하는 스위치(Q1, Q2)와 병렬로 커패시터(C1, C2)를 연결할 수 있다.

잘 알려져 있는 바와 같이, 브러쉬리스 모터에서 정역회전은, 스위치가 전류를 반대 방향으로 흘릴 수가 없기 때문에 구동회로를 더욱 복잡하게 하는 요소일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 단극코일 모터는, 정회전을 위한 한 벌의 홀 IC와 역회전을 위한 한 벌의 홀 IC를 각각 활성화시킴으로써 이 문제를 해결할 수 있다.

즉, 홀 IC와 단극코일이 도 8과 같이 배치되어 있을 때, 홀 IC(H1, H2, H3)에 전원을 공급하여 활성화 시키면 회전자 자석의 N극이 단극코일의 +전류와 만날 때 해당 단극코일이 전원에 연결되어 회전자 자석을 정방향으로 구동시키고, 홀 IC(H4, H5, H6)에 전원을 공급하여 활성화 시키면 회전자 자석의 N극이 단극코일의 -전류와 만날 때 해당 단극코일이 전원에 연결되어 회전자 자석을 역방향으로 구동시킨다.

본 발명의 실시예에 따라 이극 삼상 단극코일 모터의 홀 IC와 단극코일이 도 8a와 같이 배치되어 있고, 사극 삼상 단극코일 모터의 홀 IC와 단극코일이 도 8b와 같이 배치되어 있을 때, 정회전 역회전 기능을 구비한 구동회로는 도 9에 도시한 바와 같이 형성될 수 있다.

도 9를 참조하면, 홀 IC(H1)(H4)가 짝을 이루어 단극코일 U 상에 연결되어 있고, 홀 IC(H2)(H5)가 짝을 이루어 단극코일 V 상에 연결되어 있으며, 홀 IC(H3)(H6)가 짝을 이루어 단극코일 W 상에 연결되어 있을 때, 전원을 스위치 접점 C1에 연결하여 홀 IC(H1, H2, H3)를 활성화 시키면 회전자 자석은 정방향으로 구동되고, 전원을 접점 C2에 연결하여 홀 IC(H4, H5, H6)을 활성화 시키면 회전자 자석은 역방향으로 구동된다. 여기서 저항(R7, R8)은 전원의 전압을 감압하여 홀 IC에 공급하는 역할을 한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims

단극코일을 사용하는 모터로서,
회전자를 형성하기 위한 적어도 2개 이상의 자극;
고정자를 형성하기 위해 다수개의 코일이 링 연결(ring connection)되는 단극코일; 및
상기 다수개의 코일이 링 연결되는 각 연결점에 형성되는 단자로서, 상기 단자는 상기 자극에 대하여 서로 대칭되는 두 개의 단자끼리 전원에 연결되는 단자;를 포함하고,
상기 서로 대칭되는 두 개의 단자와 이 두 개의 단자 사이에 개재된 코일은 상기 모터의 각 상(phase)에 대한 단극코일을 형성하는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제1항에서,
상기 단극코일을 형성하기 링 연결되는 코일의 수는 상기 자극의 수에 상기모터의 상(phase)의 수를 곱한 수의 배수인 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제1항에서,
상기 단극코일은 상기 고정자의 슬롯(Slot)에 감긴 코일, 또는 스롯리스(slotless) 모터의 경우 고정자에 균등하게 감긴 코일인 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제1항에서,
상기 모터의 각 상마다 자극의 위치를 검출하기 위한 센서와, 상기 모터를 구동하기 위한 전원의 음극과 양극에 상기 단극코일을 연결하기 위한 적어도 2개의 스위치, 및 상기 센서의 신호를 받아서 상기 적어도 2개의 스위치에 트리거(trigger) 신호를 보내기 위한 적어도 한 개의 트리거 스위치를 포함하는 구동회로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제4항에서,
상기 구동회로의 트리거 스위치는 상기 자극의 위치를 검출하기 위한 상기 센서에 전원이 공급되지 않을 때, 상기 단극코일의 연결을 끊기 위한 P-MOSFET 또는 PNP 트랜지스터를 포함하고,
상기 전원의 음극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치는 N-MOSFET 또는 NPN 트랜지스터를 포함하고,
상기 전원의 양극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치는 P-MOSFET 또는 PNP 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제5항에서,
상기 트리거 스위치의 상기 P-MOSFET의 트리거(trigger) 단자 또는 상기 PNP 트랜지스터의 베이스(Base) 단자와 전원의 양극 사이, 그리고 상기 자극의 위치를 검출하는 상기 센서의 출력 사이에 각각 저항을 연결하여 상기 자극의 위치를 검출하는 상기 센서의 출력 신호에 따라서 트리거 스위치를 켜고 끄는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제6항에서,
상기 트리거 스위치의 상기 P-MOSFET의 소스(source) 단자에, 상기 전원의 양극에 연결된 저항을 연결하고, 상기 P-MOSFET의 드레인(Drain) 단자에, 전원의 음극에 연결된 저항을 연결하거나; 또는
상기 트리거 스위치의 상기 PNP 트랜지스터의 에미터(Emitter) 단자에, 전원의 양극에 연결된 저항을 연결하고, 상기 PNP 트랜지스터의 콜렉터 단자에, 전원의 음극에 연결된 저항을 연결하여,
상기 트리거 스위치가 켜지면 상기 두 개의 저항을 통하여 상기 전원의 양극에서 상기 전원의 음극으로 전류가 흐르면서, 상기 전원의 음극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치에 제1 트리거 신호를 공급하고, 상기 전원의 양극에 상기 단극코일을 연결하는 상기 스위치에 상기 제1 트리거와 반대 위상인 제2 트리거 신호를 공급하여 상기 단극코일에 상기 전원을 연결하도록 된 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제6항에서,
상기 트리거 스위치로서 P-MOSFET를 사용하여 상기 트리거 스위치의 P-MOSFET의 소스(Source) 단자와 전원의 양극 사이에 연결된 저항과, 상기 트리거 스위치 P-MOSFET의 드레인(Drain) 단자와 전원의 음극 사이에 연결된 저항의 전압 분배를 통하여 분배된 트리거 신호를 상기 전원의 음극과 양극에 상기 단극코일을 연결하는 스위치에 제공하는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제6항에서,
상기 트리거 스위치로서 PNP 트랜지스터를 사용하여 상기 PNP 트랜지스터의 베이스(Base) 단자와 전원의 양극 사이와 상기 자극의 위치를 검출하는 상기 센서의 출력 사이에 각각 연결된 저항과, 상기 PNP 트랜지스터의 에미터(Emitter) 단자와 전원의 양극 사이에 연결된 저항과 상기 PNP 트랜지스터의 콜렉터 단자와 전원의 음극 사이에 연결된 저항의 상관관계에 의해서 단극코일을 전원에 연결하는 상기 MOSFT 스위치의 트리거(Trigger)와 소스(Source) 사이의 전압을 낮추거나, 상기 트랜지스터의 베이스(Base)와 에미터(Emitter) 사이의 전압을 낮추어서 설정 전압 이상의 전압에도 구동하도록 된 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제4항에서,
상기 자극의 위치를 감지하여 상기 단극코일을 일정한 시간동안 상기 전원에 연결시키기 위한 원판형 홀 자석을 포함하되,
상기 모터가 이극 삼상 모터인 경우 한 개의 120° 간격의 N극과 두 개의 120° 간격의 S극으로 이루어진 원판형 홀 자석을 한 개의 N극을 두 개의 S극 사이에 배치하고;
상기 모터가 사극 삼상 모터인 경우 두 개의 60° 간격의 N극과 네 개의 60° 간격의 S극으로 이루어진 원판형 홀 자석을 두 개의 N극 자석을 마주 보게 대칭적으로 배치하고, 두 개의 S극 자석을 두 개의 N극 사이에 각각 배치하는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제10항에서,
상기 N극과 S극의 위치가 교체된 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제10항에서,
상기 모터가 이극 삼상 모터인 경우 한 개의 N극의 간격을 120° 보다 작게 하고, 상기 사극 삼상 모터인 경우 두 개의 N극의 간격을 60° 보다 작게 하여 인접한 두 개의 단극코일이 동시에 전원에 연결되는 것을 방지하고,
상기 이극 삼상 모터인 경우 한 개의 N극의 간격을 120° 보다 작게 하고, 상기 사극 삼상 모터인 경우 두 개의 N극의 간격을 60° 보다 작게 했을 때, 상기 전원의 음극과 양극에 상기 단극코일을 연결하는 스위치와 병렬로 커패시터를 연결하여 전류가 단락 되는 방지하는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.
제4항에서,
상기 모터의 각 상마다 상기 단극코일의 +전류 방향에 상응하는 자극 위치 감지 센서와, 상기 단극코일의 -전류 방향에 상응하는 자극 위치 감지 센서를 구비하여, 이들 자극 위치 감지 센서를 상기 트리거 스위치에 연결하고, 상기 단극코일의 +전류 방향에 상응하는 자극 위치 감지 센서를 상기 전원에 연결하여 상기 회전자의 자석을 정방향으로 회전시키거나, 또는 상기 단극코일의 -전류 방향에 상응하는 상기 자극 위치 감지 센서를 상기 전원에 연결하여 상기 회전자의 자석을 역방향으로 회전시키는 것을 특징으로 하는 단극코일 모터.