KR101858234B1

KR101858234B1 - 구형 휠 모터

Info

Publication number: KR101858234B1
Application number: KR1020110116256A
Authority: KR
Inventors: 김민기; 양일석
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2011-11-09
Filing date: 2011-11-09
Publication date: 2018-05-17
Also published as: KR20130051101A; US9391481B2; US20130113307A1

Abstract

본 발명은 구형 휠 모터에 관한 것으로서, 주위의 자화 방향에 따라 회전의 자유도를 가지는 구 형태의 회전자; 상기 회전자를 감싸는 돔 형태로 이루어지고, 내부에 분포된 다수의 코일이 다양한 각도에서 자화를 내어 상기 회전자에 회전의 자유도를 부여하는 고정자; 및 상기 회전자의 위치를 식별하고, 상기 회전자의 위치에 따라 상기 고정자의 각각의 코일에 전류를 공급하여 상기 회전자를 구동시키는 구동부를 포함한다.

Description

구형 휠 모터{Spherical Wheel Motor}

본 발명은 구형 휠 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2극 구형 회전자와 방사형 코일 구조를 갖는 고정자를 포함하는 구형 휠 모터에 관한 것이다.

모터는 전기 에너지를 기계적 에너지로 전달해주는 장치로서 각종 기계, 전기제품 및 전자제품에 다양하게 사용되고 있다. 기존의 모터들은 한 축을 기준으로 회전하고 축으로 인해 회전 방향이 두 방향으로 고정되기 때문에 제한적인 운동을 한다. 따라서, 종래의 모터는 회전 방향의 제어 한계로 인해 모터 응용의 한계가 있었다.

이와 같은 문제점을 해결하고 모터의 다 자유도 운동을 구현하기 위해, 여러 개의 모터를 하나의 조인트에 연결하는 방법이 제안되었지만, 많은 링크와 복잡한 변환 장치를 필요로 하는 단점이 있다. 이러한 단점을 보완하기 위해, 구 형태의 3-자유도의 특성을 가진 모터가 소개되었으며, 대표적인 것으로서 국내등록특허 제0954772호(등록일: 2010년 4월 29일)에 '구형 모터(Spherical Motor)'가 개시된 바 있다. 상기 특허에 개시된 회전 방향의 자유도를 갖는 구형 휠 모터는 자동차 및 모터보트의 조향운동, 로봇의 안구운동 및 팔, 목, 힙의 조인트 등에 이용될 수 있다.

한편, 자동차 등과 같은 운송수단의 바퀴를 대체하기 위한 구형 휠 모터는 축이 없는 회전 운동을 해야 하고, 회전자의 정확한 위치 제어와 구조적인 간단함을 요구한다. 그러나, 종래의 구형 휠 모터의 회전자는 축(Shaft)을 기준으로 구성되고, 다수의 영구자석을 사용하여 구조적으로 복잡하며, 회전 자유도에 있어서도 제한적인 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 회전 방향에 제한이 없으며, 비교적 간단한 형태의 구형 휠 모터를 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 고정자가 회전자를 보다 쉽게 제어하여 구동의 용이성을 갖출 수 있는 구형 휠 모터를 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 구형 휠 모터는, 주위의 자화 방향에 따라 회전의 자유도를 가지는 구 형태의 회전자; 상기 회전자를 감싸는 돔 형태로 이루어지고, 내부에 분포된 다수의 코일이 다양한 각도에서 자화를 내어 상기 회전자에 회전의 자유도를 부여하는 고정자; 및 상기 회전자의 위치를 식별하고, 상기 회전자의 위치에 따라 상기 고정자의 각각의 코일에 전류를 공급하여 상기 회전자를 구동시키는 구동부를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 회전 방향에 제한이 없는 구형 휠 모터를 제공함으로써, 자동차 등과 같은 운송 수단의 바퀴로 사용될 수 있고, 모터보트 추진체 및 카메라 렌즈의 운동 등에 응용될 수 있는 구형 휠 모터를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구형 휠 모터의 구성을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전자의 구성을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고정자의 구성을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구형 휠 모터의 회로도이다.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 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 1은 본 발명의 일실시예에 따른 구형 휠 모터의 구성을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 구형 휠 모터는 회전자 덮개(100), 회전자(110), 고정자(120) 및 구동부(130) 등을 포함한다. 이외에도, 구형 휠 모터는 고정자(120)와 회전자(110) 사이의 마찰력을 줄여주기 위한 공극 또는 베어링 등을 더 포함할 수 있다.

회전자(110)는 구(Sphere) 형태로 이루어지고, 모터 운동의 시발점이 되는 자계를 발생한다. 이를 위해, 회전자(110)는 영구자석을 포함하고, 이때 영구자석은 표면형 또는 매립형의 형태로 형성될 수 있다. 본 발명에 따른 회전자(110)의 자세한 구성에 대해서는 도 2에서 설명하기로 한다.

고정자(120)는 회전자(110)를 감싸기 위해 돔(Dome) 형태로 이루어지고, 내부 표면에는 다수의 코일이 중심 코일을 기준으로 회전자(110)를 감싸면서 방사형으로 배치되어 있다. 이때, 각 코일은 회전자(110)의 중심을 기준으로 대칭되는 코일과 반대극성의 자계를 발생한다. 본 발명에 따른 고정자(120)의 자세한 구성에 대해서는 도 3에서 설명하기로 한다.

구동부(130)는 회전자(110)의 위치를 식별하고, 회전자(110)의 위치에 따라 고정자(120)의 각각의 코일에 전류를 공급하여 회전자(110)를 구동시킨다. 이를 위해, 구동부(130)에는 모터 구동을 위한 전력소자 및 구동회로가 탑재되어 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 도 4에서 하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 회전자의 구성을 나타낸 도면이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 회전자(110)는 N극과 S극을 각각 하나씩 가지는 영구자석(112)을 포함한다. 영구자석(112)은 도면에 도시된 바와 같이, 매립형 영구자석으로서 회전자(110) 내부에 삽입된다. 따라서, 회전자(110)는 모터 동작시 고정자(120)의 코일에서 발생하는 자력에 의해 힘을 받아 회전하여 직접적인 동작을 하며, 구 형태를 취하고 있기 때문에 회전방향이 쉽게 전환될 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 고정자의 구성을 나타낸 도면이다. 자세하게는, 도 3의 (a)는 본 발명의 일실시예에 따른 고정자의 구성을 나타낸 측면도이고, 도 3의 (b)는 본 발명의 일실시예에 따른 고정자의 구성을 나타낸 평면도이다.

본 발명에 따른 고정자(120)는 정상부 중심에 위치하는 중심 코일을 기준으로 방사형으로 배치되는 다수의 코일을 포함한다. 따라서, 고정자(120)는 정상부 중심에서 방사되는 방향의 개수에 따라 방향제어의 정밀도가 결정되며(θ = 360°/2n, θ: 방사 방향 간의 각도, n: 방향의 개수), 방향의 개수가 많을수록 각을 정밀하게 제어할 수 있다. 단, 방향의 개수가 많아질수록 코일의 개수(x = 4n+1, x: 코일의 개수, n: 방향의 개수)가 증가하고, 코일의 개수가 증가할수록 구동부(130)의 전력소자의 개수 또한 증가한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 다수의 제1 코일(A1, A2, B1, B2, C1, C2)은 고정자(120)의 정상부 중심에 위치하는 중심 코일(T)을 지나 3개 방향으로 배치되고, 고정자(120)의 정상부를 중심으로 원을 그렸을 때, 60도 간격(θ = 360°/2n, n = 3)으로 방향이 결정된다. 또한, 다수의 제2 코일(a1, a2, b1, b2, c1, c2)은 각각의 방향에서 다시 60도 간격으로 배치된다. 고정자(120)의 돔 구조로 인해 회전자(110)의 맨 아랫부분은 코일이 배제된다. 따라서, 본 발명에 따른 고정자(120) 내에 배치되는 총 코일의 개수(x = 4n+1, n: 방향의 개수)는 13개이다.

또한, 중심 코일(T)을 제외하고, 각 코일은 구 형태의 회전자(110)의 중심을 기준으로 대칭을 이룬다. 자세하게는, A1 코일과 a1 코일이 서로 대칭을 이루고, A2 코일과 a2 코일이 서로 대칭을 이룬다. 또한, B1 코일과 b1 코일이 서로 대칭을 이루고, B2 코일과 b2 코일이 서로 대칭을 이룬다. 또한, C1 코일과 c1 코일이 대칭을 이루고, C2 코일과 c2 코일이 서로 대칭을 이룬다.

한편, 전술한 다수의 코일(T, A1, A2, B1, B2, C1, C2, a1, a2, b1, b2, c1, c2)을 구동시키기 위해, 7개의 상(Phase)을 필요로 하고, 1개의 상당 2개의 코일이 직렬 연결되며, 각각의 상은 N노드 즉, 중심 코일(T)에서 만난다. 따라서, 모터 구동시 코일에 전류가 흐를 때 한 상에 위치하는 두 코일에 흐르는 전류는 같지만, 두 코일이 회전자(110)를 중심으로 대칭되어 있어 회전자(110)의 내면과 접하는 곳에서 전류의 방향이 다르므로, 두 코일이 각각 원 중심에 대하여 서로 반대의 자기력을 내게 되어, 고정자(120)는 회전자(110)의 양극을 제어하게 된다. 이러한 구조로 인하여, 본 발명에 따른 고정자(120)는 코일에 전류가 인가될 때 회전자(110)의 양극을 동시에 제어할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 구형 휠 모터는 회전자(110)의 위치를 검출하기 위한 위치검출부를 더 구비한다. 위치검출부를 구현할 수 있는 일예로 고정자(120)의 내측에 자기력을 검출할 수 있는 홀-센서(미도시)가 설치될 수 있다. 위치검출부로서 홀-센서(미도시)를 적용한 경우 각 상당 한 개의 홀-센서가 부착된다. 이에 따라, 홀-센서(미도시)는 회전자(110)의 영구자석(112)으로부터 발생되는 자기력을 검출하여 N극과 S극에 대응되는 신호를 발생한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 구형 휠 모터의 회로도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 구동부(130)는 위치 검출부(132), 모터 제어부(134) 및 전력소자 구동부(136) 등을 포함한다.

위치 검출부(132)는 구동신호의 전처리부로서, 회전자(110)의 위치를 식별하여 위치신호를 출력한다. 여기서, 위치 검출부(132)는 고정자(120) 내측에 부착된 홀-센서로부터 회전자(110)의 자기장에 따른 신호를 수신하여 회전자(110)의 위치를 식별하거나, 각 상의 출력전류신호 및 전압신호를 감지하여 역기전력을 산출함으로써 회전자(110)의 위치를 식별할 수 있다. 본 발명의 일실시예에서 위치 검출부(132)는 홀-센서를 이용하여 회전자(110)의 위치를 식별한다.

모터 제어부(134)는 위치 검출부(132)로부터 수신한 위치신호에 따라 구동신호를 출력하는 모터 구동의 중추적인 역할을 하는 부분으로서, MCU(Micro Controller Unit), FPGA(Field-programmable Gate Array) 및 A/D 혼성회로 모듈 등을 포함할 수 있다. 즉, 모터 제어부(134)는 위치 검출부(132)로부터 회전자(110)의 위치신호를 수신하여 전력소자 구동부(136)로 구동신호를 출력한다. 모터 제어부(134)의 구동 알고리즘은 기존의 BLDC(Brushless DC)/BLAC(Brushless AC)에서 이용되는 구형파 방식(Trapezoidal), 정현파 방식(Sinusoidal) 및 벡터 방식(Vector) 등이 이용될 수 있다.

전력소자 구동부(136)는 모터 제어부(134)로부터 수신한 구동신호에 따라 고정자(120) 내부에 배치된 각 코일에 전류를 공급하기 위한 스위칭 역할을 한다. 전력소자와 코일이 묶음으로 연결되어 있고, 이에 따라 전력소자 구동부(136)는 코일에 전류를 공급하여 코일로 하여금 자기력을 발생하도록 함으로써 회전자(110)를 구동시킨다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

100: 회전자 덮개 110: 회전자
120: 고정자 130: 구동부

Claims

주위의 자화 방향에 따라 회전의 자유도를 가지는 구 형태의 회전자;
상기 회전자를 감싸는 돔 형태로 이루어지고, 내부에 분포된 다수의 코일이 자화를 내어 상기 회전자에 회전의 자유도를 부여하는 고정자; 및
상기 회전자의 위치를 식별하고, 상기 회전자의 위치에 따라 상기 고정자의 각각의 코일에 전류를 공급하여 상기 회전자를 구동시키는 구동부;를 포함하고,
상기 다수의 코일은 상기 회전자의 중심을 기준으로 서로 대칭되는 제1 코일 및 제2 코일을 포함하고,
상기 구동부는,
상기 회전자의 위치를 식별하여 위치신호를 출력하는 위치 검출부;
상기 위치 검출부로부터 수신한 위치신호에 따라 구동신호를 출력하는 모터 제어부; 및
상기 모터 제어부로부터 수신한 구동신호에 따라 각각의 코일에 전류를 공급하는 전력소자 구동부;를 포함하고,
상기 전력소자 구동부는 구동전압 단자와 연결되는 제1 전력소자 및 상기 제1 전력소자와 접지 단자를 연결하는 제2 전력소자를 포함하고,
상기 제1 코일 및 그와 대칭되는 상기 제2 코일은 상기 제1 전력소자 및 상기 제2 전력소자 사이의 노드와 직렬 연결되는 구형 휠 모터.
제1항에 있어서,
상기 회전자는 N극과 S극을 가지는 영구자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 구형 휠 모터.
제2항에 있어서,
상기 영구자석은 표면형 또는 매립형인 것을 특징으로 하는 구형 휠 모터.
제1항에 있어서,
상기 다수의 코일은 중심 코일을 기준으로 상기 회전자를 감싸면서 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 구형 휠 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 코일 및 상기 제2 코일은 서로 반대극성의 자계를 발생시키는 것을 특징으로 하는 구형 휠 모터.
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