KR101916265B1

KR101916265B1 - 슬림형 스테이터, 이를 이용한 센서레스 단상 모터 및 쿨링 팬

Info

Publication number: KR101916265B1
Application number: KR1020160042725A
Authority: KR
Inventors: 김병수; 김진관
Original assignee: 주식회사 아모텍
Priority date: 2016-04-07
Filing date: 2016-04-07
Publication date: 2018-11-07
Also published as: KR20170115288A; US10748689B2; WO2017176062A1; US20190115129A1; CN109075621B; CN109075621A

Abstract

본 발명은 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 슬림형 스테이터에서 최상층 기판에 코일 패턴을 패턴형성하면서 동시에 여백부에 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일을 일체로 형성함에 의해 간단하게 센서레스(sensorless) 구동을 실현할 수 있는 슬림형 스테이터, 센서레스 단상 모터와 이를 이용한 쿨링 팬에 관한 것이다.
본 발명의 스테이터는 다층 기판; 상기 다층 기판의 각 기판 위에 패터닝되고 스루홀을 통하여 연결된 코일 패턴; 및 상기 다층 기판의 최상층 기판에 패턴형성되어, 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴;을 포함하며, 상기 센싱 코일 패턴은 로터가 초기상태일 때 데드 포인트 방지 요크에 의해 위치설정된 로터의 자극 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정되는 것을 특징으로 한다.

Description

슬림형 스테이터, 이를 이용한 센서레스 단상 모터 및 쿨링 팬{Slim Type Stator, Sensorless Type Single Phase Motor and Cooling Fan Using the Same}

본 발명은 모터의 스테이터에 관한 것으로, 구체적으로는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 슬림형 스테이터에서 최상층 기판에 코일 패턴을 패턴형성하면서 동시에 여백부에 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴을 일체로 형성함에 의해 간단하게 센서레스(sensorless) 구동을 실현할 수 있는 슬림형 스테이터, 이를 이용한 센서레스 단상 모터 및 쿨링 팬에 관한 것이다.

소형 팬모터는 크기를 줄이고, 원가 부담을 고려하여 단일 코일을 갖는 단상 모터가 사용되고 있다. 이 경우, 단일 코일은 4각형 또는 3각형의 코어레스/보빈레스 타입으로 권선되어 한국 등록실용신안공보 제20-0296035호(특허문헌 1)에 개시된 바와 같이 PCB 위에 실장되어 사용되고 있다.

BLDC 모터는 동적 반응이 빠르고, 낮은 로터 관성을 가지고 있으며, 속도 제어가 용이한 동기 전동기이다.

상기 단상 모터로서 브러시레스 직류(BLDC) 모터를 사용하는 경우 로터의 N극 및 S극 자극을 검출하여 스테이터 코일에 대한 구동전류의 절환신호를 발생하기 위한 로터위치검출용 홀(Hall)소자가 필요하며, 홀소자는 고가이므로 1개만을 사용한 구동회로를 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우 1개의 홀소자를 사용하는 경우는 홀소자가 로터 자극의 경계면에 위치할 때 홀소자의 자극검출이 이루어지지 않아 스테이터 코일에 대한 전류공급이 이루어지지 못하므로 기동이 이루어지지 못하는 데드 포인트(Dead Point)가 존재한다.

이러한 단일 홀소자 방식에서는 데드 포인트를 피하여 자기기동 방안으로서 스테이터에 고정용 자석을 이용하여 홀소자가 로터의 자극 경계면(즉, 중성점)을 벗어나도록 보조자석을 사용하는 방법, 코일배설부에 자성체 나사를 설치하는 방법, 특허문헌 1과 같은 특수 형상의 데드 포인트 방지 요크를 사용하는 방법이 있다.

상기한 스테이터 코일에 대한 구동전류의 절환신호를 발생하기 위해 홀(Hall)소자를 사용하는 경우는 고가의 홀소자 사용과 동시에 자기기동을 위해 추가적인 부품을 장착하여야 하는 원가 증가요인이 발생하므로, 홀소자를 사용하지 않고 원가 증가요인을 최소화하면서 로터위치검출신호를 발생하는 방안이 요구되고 있다.

또한, 홀소자를 사용하지 않고 로터위치검출신호를 검출하는 다양한 센서레스 모터구동방식이 제안되고 있다. 이 경우, 3상 코일을 사용하는 3상 BLDC 모터인 경우는 중성점을 이용하여 역기전력(Back EMF)을 검출하고, 중성점이 없는 경우는 가상의 중성점을 구성하여 간접적으로 역기전력을 검출하고 이를 U,V,W 구동신호와 비교하여 홀센서 출력과 유사한 출력을 얻는다.

그러나, 단일의 코일로 이루어진 스테이터를 이용하는 단상 모터인 경우 상기한 방식은 적용할 수 없다.

단상 모터인 경우는 주 코일을 먼저 감고 로터위치검출용 센싱 코일을 다시 한번 감아서 각각의 코일로부터 연장하여 구동회로에 접속하는 2중 권선방식을 채택할 수 있다. 이 경우는 로터 회전시에 센싱 코일로부터 발생하는 역기전력(back emf)을 검출하여 검출된 신호에 기초하여 모터구동회로의 스위칭 소자를 구동하여 회전방향을 결정한다.

그런데 이러한 2중 결선방식의 스테이터는 구조가 복잡하고 권선도 복잡하여 사용하기 어려운 단점이 있다. 또한, 2중 결선방식의 스테이터는 코어 타입을 채용하고 있어 슬림형 구조를 실현하기 어렵다.

한편, 일반적으로 컴퓨터 등의 전자제품이나 냉장고 등의 가전 제품에 사용되는 팬 모터는 그 설치공간을 고려하여 지름방향 및 축 방향에 대하여 컴팩트화가 가능한 아우터 로터형 팬 모터가 많이 채용되고 있다.

종래의 아우터 로터형 팬 모터는 레이디얼형(radial type) 모터로서, 크게 모터부와 상기 모터부의 회전축의 회전에 의하여 상기 모터부의 외부에서 회전하는 팬 부로 구성된다.

아우터 로터형 팬 모터는 고정자가 코어형을 채용함에 따라 모터의 높이를 줄이지 못하며, 또한 고정자의 중앙부에 설치되어 회전축을 지지하는 베어링의 직경이 제한되므로 그 내부에 충분한 오일을 함유하지 못하는 문제가 있다.

한국 공개실용신안공보 제20-1987-0013976호(특허문헌 2)에 축류팬이 개시되어 있다. 특허문헌 2에 개시된 축류팬은 회전팬의 계자마그넷과 전기자 코일이 면대향하는 액시얼형(axial type)으로 모터를 구성하고 있으나, 코일배설부에 공심형 전기자 코일이 배설된 구조를 채용함에 따라 스테이터의 높이를 더 이상 줄이지 못하는 문제가 있다.

또한, 한국 공개특허공보 제10-2000-0044146호(특허문헌 3)에 개시된 팬모터의 고정자(스테이터)는 PCB의 상부에 스테이터 요크와 단상의 아마츄어 코일이 차례로 적층되어 구성되고, 중앙부에는 베어링 홀더 내부에 한쌍의 볼 베어링이 내장되어 회전축을 지지하고 있으나, 여전히 스테이터를 박막화하지 못하는 문제가 있다.

한편, 특허문헌 1의 단상 모터는 스테이터 코일이 3개의 직선부와 3개의 직선부를 연결하는 3개의 꼭지점으로 구성되어 있다. 스테이터 코일의 직선부에서 자석과 대향하는 부분은 토크 발생에 필요한 자계를 형성하나 꼭지점은 단지 직선부를 연결하는 역할만하고 토크 발생에 기여하지 못한다.

종래의 3각형 형상의 스테이터 코일은 로터가 회전할 때 코일(권선)의 직선부와 자석이 대향하는 부분의 총면적이 작기 때문에 로터를 회전시키기 위한 토크는 작으며, 결국 종래의 3각형 형상의 스테이터 코일은 토크를 효과적으로 발생시키기 위한 코일 패턴을 가지고 있지 못하다.

더욱이, 소형 팬(Fan)일 경우 스테이터 코일을 보빈에 권선하거나 보빈레스 타입으로 권선하거나 또는 코어에 권선하는 일반 코일 권선 방식에서 코일은 세선(細線)으로 구성되어 있다. 따라서, 코일의 굵기가 시작선과 끝선이 일정하다 보니, 시작선과 끝선을 PCB의 솔더 랜드 또는 터미널에 납땜시에 취급 부주위나 진동에 의해 단선 등이 발생하거나 수작업에 의한 납땜 공정 불량이 발생하는 문제점을 가지고 있다.

한편, 무선충전기는 단말기로 무선전력전송(특히, 급속 충전)이 이루어질 때, 전송 코일 및 전자 부품에서 많은 열이 발생되면서 충전효율이 떨어지는 문제가 발생하게 된다. 따라서 무선충전기 내부에 공냉방식으로 온도 상승을 막기 위한 소형의 슬림형 쿨링 팬(cooling fan)이 요구되고 있다.

: 한국 등록실용신안공보 제20-0296035호 : 한국 공개실용신안공보 제20-1987-0013976호 : 한국 공개특허공보 제10-2000-0044146호

따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 슬림형 스테이터에서 표면층 기판에 코일 패턴을 패턴형성하면서 동시에 여백부에 로터위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴을 일체로 형성함에 의해 저렴하고 간단하게 센서레스(sensorless) 구동을 실현할 수 있는 슬림형 스테이터, 이를 이용한 센서레스 단상 모터 및 쿨링 팬을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 단상 모터용 슬림형 스테이터를 구성할 때, 각 층의 코일 패턴이 다수의 회전방향패턴부와 방사방향패턴부가 교대로 연결된 패턴을 가지며, 방사방향패턴부가 방사방향으로 배향되어 있어 대향한 로터에 가해지는 회전력이 최대로 얻어질 수 있는 슬림형 스테이터, 이를 이용한 센서레스 단상 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 하부 케이스에 풍입구를 형성하면서 로터 자극수에 대응하는 브리지를 형성함에 의해 별도의 데드 포인트 방지 요크(yoke)를 사용하지 않고 데드 포인트 방지 기능을 구현할 수 있는 슬림형 쿨링 팬을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명은 다층 기판; 상기 다층 기판의 각 기판 위에 형성되고 스루홀을 통하여 연결된 코일 패턴; 및 상기 다층 기판의 최상층 기판에 형성되어, 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴;을 포함하며, 상기 센싱 코일 패턴은 로터가 초기상태일 때 데드 포인트 방지 요크에 의해 위치설정된 로터의 자극 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정되는 슬림형 스테이터를 제공한다.

상기 센싱 코일 패턴은 자극의 경계면 또는 자극의 센터로부터 1/4 자극폭 만큼 편위된 위치에 설치될 수 있다.

또한, 상기 데드 포인트 방지 요크는 외주가 로터의 자극 수와 동일한 다각형 형상을 이루며, 내주면이 원형으로 이루어질 수 있으며, 스테이터의 하부에 적층 배치될 수 있다.

본 발명에 따른 단상 모터용 스테이터는 상기 다층 기판의 최하층 기판에 실장되어, 상기 코일 패턴에 의해 형성되는 스테이터 코일에 구동전류를 인가하는 모터구동회로를 더 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 모터구동회로는 상기 센싱 코일 패턴에 의해 형성되는 센싱 코일이 대향하는 로터의 자극에 대응하는 유도기전력을 발생할 때 상기 로터 자극에 대응하는 로터위치신호를 발생하는 로터위치신호발생부; 및 상기 로터위치신호발생부로부터 대향한 로터의 자극에 대응하여 발생되는 로터위치신호에 대응하여 상기 스테이터 코일에 인가하는 구동전류의 방향을 전환하는 스위칭회로를 포함할 수 있다.

또한, 상기 데드 포인트 방지 요크는 상기 단상 모터의 스테이터가 설치되는 케이스에 로터의 자극 수에 대응하여 형성되는 복수의 브리지를 이용하여 구현될 수 있다.

상기 코일 패턴은 동심상으로 배치된 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 내측 및 외측 회전방향패턴부; 및 상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 방사방향을 따라 배치되는 방사방향패턴부를 포함할 수 있으며, 상기 코일 패턴은 각각 상기 내측 및 외측 회전방향패턴부와 방사방향패턴부가 복수의 돌기부와 요홈부가 반복되는 형상으로 이루어지고, 상기 센싱 코일 패턴은 상기 코일 패턴의 복수의 요홈부 중 하나에 형성될 수 있다.

상기 코일 패턴과 센싱 코일 패턴은 각각 복수의 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝될 수 있다.

상기 방사방향패턴부의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나로 설정되고, 상기 인접한 방사방향패턴부 사이의 각도는 360°/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 값을 가질 수 있다.

또한, 상기 코일 패턴은 각 기판 위에 동일한 형상으로 패터닝되거나, 또는 상기 코일 패턴은 홀수층 기판 위에 형성되는 제1패턴과 짝수층 기판 위에 형성되는 제2패턴이 다르며, 상기 제2패턴은 상기 제1패턴이 (360°/로터의 자극수) 만큼 중심으로부터 회전된 형상을 가질 수 있다.

상기 코일 패턴의 복수의 방사방향패턴부는 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 결선이 이루어지며, 상기 로터에 접선방향의 회전력을 발생할 수 있다.

상기 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 코일을 형성하는 부분보다 더 넓게 형성되어 있고, 적어도 하나의 스루홀과 상기 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드가 배치될 수 있다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 회전축이 중앙에 지지되고 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링; 상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더; 상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 형성되며, 다층 기판의 각 기판 위에 형성되고 스루홀을 통하여 연결된 코일 패턴을 갖는 스테이터; 상기 다층 기판의 최상층 기판에 형성되어, 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴; 및 상기 로터가 초기상태일 때 상기 센싱 코일 패턴이 로터의 자석 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정되게 설정하는 데드 포인트 방지 요크;를 포함하는 센서레스 단상 모터를 제공한다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 본 발명은 중앙부에 회전축이 지지되고 외주부에 다수의 블레이드가 형성되며 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링; 상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더; 상기 베어링 홀더를 지지하는 하부 케이스; 상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 형성되며, 다층 기판의 각 기판 위에 형성되고 스루홀을 통하여 연결된 코일 패턴을 갖는 스테이터; 상기 다층 기판의 최상층 기판에 형성되어, 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴; 상기 하부 케이스에 대향하여 배치된 상부 케이스; 및 상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이를 연결하는 측벽을 포함하며, 상기 하부 케이스는 상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성되는 링부; 및 상기 링부와 하부 케이스 본체 사이를 연결하는 복수의 브리지를 포함하며, 상기 복수의 브리지는 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖도록 로터의 자극 수와 동일하거나 (자극 수/2)의 개수로 형성되는 쿨링 팬을 제공한다.

상기 코일 패턴은 동심상으로 배치된 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 내측 및 외측 회전방향패턴부; 및 상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 방사방향을 따라 배치되는 방사방향패턴부를 포함하며, 상기 로터는 링 형상으로 형성되고, 상기 링의 폭은 적어도 방사방향패턴부의 길이보다 더 크게 형성될 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 로터위치검출용 홀소자를 사용하지 않고 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 슬림형 스테이터에서 표면층 기판에 코일 패턴을 패턴형성하면서 동시에 여백부에 로터위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴을 일체로 형성함에 의해 저렴하고 간단하게 단상 모터용 센서레스(sensorless) 모터구동회로를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 단상 모터용 슬림형 스테이터를 구성할 때, 각 층의 코일 패턴을 다수의 회전방향패턴부와 방사방향패턴부가 교대로 연결된 예를 들어, 별 형상 패턴을 갖도록 형성함에 의해 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있게 설계하여 모터 효율 상승을 도모할 수 있다. 즉, 상기 방사방향패턴부는 방사방향으로 배향되어 있어 스테이터 코일이 통전될 때 접선방향의 힘이 발생되어 효과적인 토크가 얻어지게 된다.

본 발명에서는 로터를 회전 구동시키기 위한 스테이터 코일을 다층 PCB에 형성된 도전성 패턴 코일을 이용하며 박막형으로 구현함에 의해 생산성 향상, 원가 절감이 가능한 슬림형 단상 모터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 각종 전자기기용 슬림형 쿨링 팬을 제공할 수 있다. 특히, 상기 쿨링 팬은 무선 충전기 등의 슬림형 전자기기에 적용될 수 있다.

본 발명에서는 하부 케이스에 풍입구를 형성하면서 로터 자극수에 대응하는 브리지를 형성함에 의해 별도의 데드 포인트 방지 요크(yoke)를 사용하지 않고 슬림형 쿨링 팬에 데드 포인트 방지 기능을 구현할 수 있다.

본 발명에서는 적층형 스테이터에서 각층 코일 패턴의 굵기를 조절하여 스타트 부분과 엔드 부분은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게 예를 들어, 물방울(tear drop) 형태로 설계해서 연결의 신뢰성 증대를 꾀할 수 있다.

즉, 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 물방울(tear drop) 형태로 형성하고, 스루홀과 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드(soldering land)를 배치함에 의해 코일 패턴을 상호 연결하거나 배선 패턴 등과 연결이 쉽고 연결의 신뢰성을 보장할 수 있다.

또한, 신뢰성 증대를 위하여 각층에 스타트 부분과 엔드 부분을 연결하는 스루홀은 적어도 1개 이상으로 형성하여 단선이나 스루홀의 불량에 따른 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 센서레스 단상 모터용 슬림형 스테이터를 나타내는 평면도이다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 센서레스 단상 모터용 슬림형 스테이터의 각 층별 코일 패턴을 나타내는 전개도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 따른 슬림형 스테이터를 이용한 단상 모터의 동작을 설명하기 위한 설명도로서, 로터가 초기 위치에 있을 때 전류의 방향을 나타낸 설명도이다.
도 4a 내지 도 4d는 각각 로터의 회전 위치별 전류의 방향을 나타낸 설명도이다.
도 5는 본 발명에 따른 슬림형 스테이터를 사용하여 구현된 센서레스 단상 모터를 이용한 쿨링 팬을 나타내는 사시도이다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 슬림형 쿨링 팬의 제1 및 제2 실시예를 나타내는 축방향 단면도이다.
도 8a는 본 발명의 제3실시예에 따른 쿨링 팬에서 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖는 하부 케이스를 나타내는 평면도이다.
도 8b는 도 8a에서 하부 케이스에 적층형 스테이터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 8c는 도 8b에서 스테이터에 로터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 8d는 도 8c에서 로터에 블레이드가 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.
도 9는 본 발명에 따른 단상 모터에서 자기기동용 데드 포인트 방지 요크와 로터와의 배치 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 10은 본 발명에 따른 센서레스 단상 모터를 구동하기 위한 센서레스(sensorless) 모터구동회로의 회로도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.

도 1, 도 2a, 도 2b 및 도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 센서레스 단상 모터용 슬림형 스테이터(110)는 복수층이 적층되어 구성되고 절연재료로 이루어진 복수의 기판(10); 스테이터 코일(L1)을 구성하는 데 필요한 복수의 턴(turn)을 형성하도록 상기 각층 기판 위에 적층된 동박을 패터닝하여 얻어진 나선형상의 도전성 패턴으로 이루어진 복수의 코일 패턴(21~25); 센서레스(sensorless) 모터구동회로(30)를 구현하기 위해 로터위치검출용 센싱 코일(Ls)을 형성하는 센싱 코일 패턴(26); 상기 복수의 기판(10)을 관통하여 형성된 관통홀에 도금되어, 상기 복수의 코일 패턴(21~25)을 상호 연결하기 위한 복수의 스루홀(T11~T18); 및 상기 센싱 코일 패턴(26)을 모터구동회로(30)에 연결하기 위한 한쌍의 스루홀(T19~T20)을 포함하고 있다.

상기 복수의 코일 패턴(21~25)은 각각 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 복수의 내측 및 외측 회전방향패턴부(20a-20f); 및 상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 중심으로부터 방사방향을 따라 배치되는 복수의 방사방향패턴부(20g-20l)를 포함하고 있다.

상기 슬림형 스테이터(110)는 각 층이 기판(10)에 동박이 적층된 동박적층판(CCL)으로 이루어진 다층 기판(10a)을 사용하여 구성될 수 있으며, 각층 기판의 동박을 패터닝하고 적층한 후, 도전성 스루홀을 형성하여 구성될 수 있다.

상기 기판(10)은 기판 재료가 예를 들어, 글래스 에폭시 라미네이트(glass epoxy laminate)로 이루어진 FR-4나 CEM-3와 같은 절연성 수지로 이루어질 수 있다. 다층 기판(10a)은 각 층의 기판(10)에 동박이 적층된 구조를 가지며, 다층 PCB를 구성할 수 있다면 어떤 절연성 수지도 기판의 재료로 사용할 수 있다

슬림형 스테이터(110)에 적층되는 기판의 층수는 단상 모터의 원하는 RPM에 비례하여 1층 내지 10층 범위 내에서 설정될 수 있다. 높은 RPM을 얻기 위해서는 높은 토크값이 얻어지도록 코일 턴수가 많은 것이 요구되므로, 복수의 코일 패턴(21~25)을 이용하도록 적층되는 PCB의 수를 증가시키는 것이 필요하다.

슬림형 스테이터(110)에서 최하부의 PCB는 코일 패턴과 전자 부품을 상호 연결하기 위한 인쇄배선(17)이 형성되고, 각종 전자 부품(16)이 인쇄배선(17)에 실장되어 모터구동회로(30)를 형성하며, 인쇄배선(17)은 전원단자(Vcc)와 접지 패턴(GND)을 포함하며 여기에는 외부전원이 연결된다.

본 발명에 따른 단상 모터용 스테이터(110)는 높은 RPM을 필요로 하지 않는 경우, 기판(10)의 양면에 동박이 적층된 양면 기판을 사용하여 구성될 수 있으며, 이 경우 기판(10)의 일면에 스테이터 코일(L1)을 구성하는 데 필요한 코일 패턴(21)이 형성되고, 배면에 모터구동회로(30)가 실장되는 구조로 구성될 수 있다.

이하의 실시예 설명에서는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 슬림형 스테이터(110)가 4층 구조의 제1층 내지 제4층 PCB(11~14)가 적층된 다층 PCB로 구성된 것을 예로 들어 설명한다.

제1층 내지 제3층 PCB(11~13)에는 각각 기판(10)의 상부면에 예를 들어, 별 형상을 갖는 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)이 형성되고, 최하층의 제4층 PCB(14)에는 각각 예를 들어, 부채꼴 형상의 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)이 분리되어 형성되어 있으며, 예를 들어, 동박(Cu)과 같은 도전성 금속을 미세하게 패터닝하여 형성되어 있다. 각각의 PCB(11~14)는 예를 들어, 0.4mm, 0.8mm 등의 다양한 두께를 가지는 것 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 본 실시예에 적용된 코일 패턴(21~25)은 예를 들어, 패턴 폭이 0.12mm이고, 인접한 패턴 사이의 간격이 0.13mm로 패터닝한 것이다. 상기 코일 패턴의 폭과 패턴 사이의 간격은 필요에 따라 증가 또는 감소할 수 있다.

도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예에서 슬림형 스테이터(110)는 제1 내지 제4 코일 패턴(21~24)이 모두 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 단지 제5 코일 패턴(25)만 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 형성되어 있다.

이 경우, 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)은 내측에 스타트 부분(S1,S3)이 배치되고, 외측에 엔드 부분(E1,E3)이 배치되나, 제2 및 제4 코일 패턴(22)은 외측에 스타트 부분(S2)이 배치되고, 내측에 엔드 부분(E2)이 배치되어 있다.

도시된 실시예에서 제1층 내지 제3층 PCB의 코일 패턴(21~23)은 모두 시계방향(CW)의 나선형상을 가지도록 형성되어 있다.

단, 제4층 PCB(14)의 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)은 선대칭 구조로 서로 대향한 위치에 배치되어 있으므로, 제4 코일 패턴(24)은 시계방향(CW)으로 권선되고, 제5 코일 패턴(25)은 반시계방향(CCW)으로 권선된 패턴을 가진다.

본 실시예에 따른 슬림형 스테이터는 모든 층 PCB의 코일 패턴(21~23)이 시계방향(CW)의 나선형상을 갖는 권선으로 형성될 때, 홀수층 PCB(11,13)의 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)은 내측에 스타트 부분(S1,S3)이 배치되고, 외측에 엔드 부분(E1,E3)이 배치되며, 짝수층 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)은 외측에 스타트 부분(S2)이 배치되고, 내측에 엔드 부분(E2)이 배치되어 있다.

본 실시예에 따른 슬림형 스테이터는 모든 코일 패턴(21~23)이 시계방향(CW)의 나선형상을 갖는 권선으로 형성한 후, 최하층, 즉 제4층 PCB(14)의 제4 코일 패턴(24)과 제5 코일 패턴(25)을 연결하기 위해 제3층 PCB(13)에 제1 및 제2 점퍼선 패턴(J11,J12)을 형성하고, 제4층 PCB(14)에 제3 점퍼선 패턴(J13)을 형성한다.

본 발명에 따른 슬림형 스테이터는 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)이 동일한 형상으로 동일한 위치에 배치되므로, 각층의 코일 패턴을 상호 연결하는 데 사용되는 스루홀을 배치할 수 있는 공간을 더 넓게 확보할 수 있다.

제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에 제4 코일 패턴(24)과 제5 코일 패턴(25) 및 센싱 코일 패턴(26)이 오버랩된 영역을 제외한 나머지 부분이 제11 내지 제20 스루홀(T11~T20)을 배치할 수 있는 스루홀 영역(R11~R16)이 된다.

즉, 제1 PCB(11)를 기준으로 볼 때, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)의 상측 돌기부의 좌측의 요홈부와 내측 영역의 일부, 센싱 코일 패턴(26)의 내부, 하측 돌기부의 내측 영역과 요홈부의 일부가 스루홀 영역(R11~R16)에 해당된다.

상기한 스루홀 영역(R11~R16)에 제11 내지 제20 스루홀(T11~T20)을 배치하고 제1 내지 제3 점퍼선 패턴(J11~J13)을 이용하여 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)을 직렬 연결하면 하나의 스테이터 코일(L1)이 형성된다.

즉, 제1층 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)은 스타트 부분(S1)에서 시계방향으로 권선이 이루어진 후 엔드 부분(E1)이 제12스루홀(T12)을 통하여 제2층 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)의 스타트 부분(S2)에 연결되고, 제2 코일 패턴(22)의 엔드 부분(E2)은 제17스루홀(T17)을 통하여 제3층 PCB(13)의 제3 코일 패턴(23)의 스타트 부분(S3)에 연결된다.

또한, 제3 코일 패턴(23)의 엔드 부분(E3)은 제11스루홀(T11)을 통하여 제4층 PCB(14)의 제4 코일 패턴(24)의 스타트 부분(S4)에 연결되고, 제4 코일 패턴(24)의 엔드 부분(E4)과 제5 코일 패턴(25)의 스타트 부분(S5)은 제1 내지 제3 점퍼선 패턴(J11~J13)을 통하여 상호 연결이 이루어진다.

그 결과, 스테이터 코일(L1)의 일단, 즉 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분(E5)은 모터구동회로(30)의 제1출력단자(Out1)에 연결되고, 스테이터 코일(L1)의 타단, 즉, 제1 코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)은 제18스루홀(T18)을 통하여 모터구동회로(30)의 제2출력단자(Out2)에 연결된다.

본 발명의 실시예에 따른 슬림형 스테이터(110)는 제4층 PCB(14)에 실장되는 모터구동회로(30)의 일부가 좌측에 배치되고, 일부가 우측에 분산되어 배치되어 있다. 제4층 PCB(14)의 모터구동회로(30)에 배치된 전원단자(Vcc)와 접지 패턴(GND) 사이에 DC 전원이 공급되면 후술하는 바와 같이 모터구동회로(30)는 주기적으로 전류 흐름 방향을 변경하면서 스테이터 코일(L1)에 구동전류를 인가함에 따라 스테이터 코일(L1)로부터 회전자계가 발생되어 대향한 로터를 회전시키게 된다.

상기한 실시예 설명에서는 제1층 내지 제3층 PCB(11~13)의 코일 패턴(21~23)이 서로 동일한 형상으로 구성되어 있으나, 본 발명은 다양한 형태로 변형이 이루어질 수 있다.

예를 들어, 제1 및 제3 PCB(11,13)의 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)은 동일한 형상으로 이루어지나, 제2 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)은 제1 및 제3 코일 패턴(21,23)과 동일한 형상으로 이루어지나 60° 위상차를 가지고 편위된 형태로 배치될 수 있다. 즉, 홀수층 코일 패턴과 짝수층 코일 패턴의 편위 각도는 (360°/로터의 자극수) 만큼 관통구멍을 중심으로 회전된 위치에 설정된다.

본 발명에서는 도 2a 및 도 2b와 같이 홀수층 코일 패턴과 짝수층 코일 패턴이 동일하거나 변형예와 같이 상이한 경우에도, 제1층 내지 제3층 PCB(11~13)가 적층된 경우 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에서 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)는 동일한 위치에 배치된 구조를 가진다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 3층의 PCB가 적층되는 경우 방사방향패턴부(20g~20l)는 각각 3층으로 적층된 코일 패턴이 로터의 자석과 동시에 대향하는 위치를 갖게 되고 전류의 흐름방향이 동일하게 설정됨에 따라 합력된 토크를 발생한다.

제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은 각각 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 크게 보면 대략 별 형상을 이루도록 3개의 돌기부와 요홈부를 가지도록 지그재그 형태를 가지고 있다.

물론, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은 각각 나선형상을 가지며, 스루홀을 이용한 코일 패턴의 연결방식에 따라 내측에서 외측으로 또는 외측에서 내측으로 향하며, 시계방향(CW) 또는 반시계방향(CCW)으로 향하는 패턴을 조합하여 예를 들어, 별 형상을 이루도록 구성될 수 있고, 크게 보면 2개 이상의 돌기부와 요홈부를 가지도록 지그재그 형태를 가질 수 있다.

제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 각각 3개씩의 외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)와, 상기 외측 회전방향패턴부(20a~20c)와 내측 회전방향패턴부(20d~20f)를 연결하는 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)가 교대로 연결되어 전체적으로 대략 별 형상을 이루고 있다.

외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)는 각각 외측 원주와 내측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되어 있고, 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)는 각각 전체적으로 기판(10)의 중심으로부터 방사하는 방향을 따라 배향되어 있으며, 내측 단부는 중심에 수렴하도록 2개씩 서로 간격이 좁아지는 패턴 형상을 가지고 있다.

본 발명에 따른 스테이터(110)는 다층 PCB에 형성된 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)을 상호 연결하여 스테이터 코일(L1)을 형성하며, 스테이터 코일에서 방사방향패턴부(20g~20l)의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나로 설정되며, 인접한 방사방향패턴부(20g~20l) 사이의 각도는 360/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)으로 결정된다.

따라서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 방사방향패턴부(20g~20l)의 수가 로터 자극수와 동일한 수로 설정되는 경우, 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)를 갖는 스테이터인 경우 인접한 방사방향패턴부(20g~20l) 사이의 각도는 60°이고, 단상 모터를 구성하기 위해 이에 결합되어 회전되는 로터의 자극(N극 자석과 S극 자석)의 수는 6극을 갖도록 구성된다.

제4층 PCB(14)에는 단상 모터를 구동하는 데 필요한 모터구동회로(30)를 형성하도록 각종 전자 부품(16)을 실장하고 결선하는 데 필요한 인쇄 배선(17)이 도전성 패턴으로 형성되어 있다.

또한, 제4 PCB(14)에는 구동회로 부품을 실장하고 남는 공간을 활용하여 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에 추가되는 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)을 형성할 수 있으며, 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)은 로터를 회전시키는 데 필요한 토크값에 따라 생략할 수도 있다.

도 2b에 도시된 제4층 PCB(14)는 투시된 상태를 나타낸 것으로 각종 패턴, 즉, 제4 및 제5 코일 패턴(24,25), 인쇄 배선(17)과 이에 실장되는 전자 부품(16)은 기판(10)의 배면에 위치한 것을 나타낸 것이다.

상기 제4 코일 패턴(24)은 외측에서 내측으로 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 부채꼴로 형성한 패턴이고, 제5 코일 패턴(25)은 내측에서 외측으로 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 부채꼴로 형성한 패턴이다.

본 발명의 제1층 내지 제4층 PCB(11~14)가 적층된 경우 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 제11 내지 제18 스루홀(T11~T18)을 통하여 직렬 또는 병렬 방식으로 상호 연결되면 하나의 스테이터 코일을 형성한다. 제11 내지 제18 스루홀(T11~T18)은 홀 내부가 도전성 재료로 도금 또는 충전되어 있다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예는 직렬방식으로 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)을 연결하여 스테이터 코일(L1)을 형성하는 구성을 나타낸 것이다.

또한, 제1층 PCB(11)에는 우측 요홈부에 내측에서 외측으로 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 부채꼴로 형성한 센싱 코일 패턴(26)이 배치되어 있으며, 제19 및 제20 스루홀(T19,T20)을 통하여 제4층 PCB(14)의 모터구동회로(30)에 연결되며, 홀 내부가 도전성 재료로 도금 또는 충전되어 있다.

본 발명에서는 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)을 상호 연결하며 이에 의해 형성된 스테이터 코일(L1)과 센싱 코일 패턴(26)을 모터구동회로(30)에 연결하기 위해 제1층 내지 제4층 PCB(11~14)의 동일한 위치에 10개의 스루홀(T11~T20)을 형성하고, 스루홀(T11~T20) 주변에 솔더링 랜드(soldering land)(18)가 도전성 패턴으로 형성되어 있다. 도 1에 도시된 바와 같이 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 스타트 부분(S1~S5)과 엔드 부분(E1~E4), 제1 내지 제3 점퍼선 패턴(J11~J13)의 양단부, 센싱 코일 패턴(26)의 스타트 부분(Ss)과 엔드 부분(Es)은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게, 예를 들어, 물방울(tear drop) 형태로 형성되어 있다. 물방울 형태의 가장 넓은 지역에는 스루홀(T11~T20)과 스루홀(T11~T20)을 둘러싸는 솔더링 랜드(18)가 배치되어 있다.

상기와 같이, 본 발명에서는 적층형 스테이터에서 각종 코일 패턴(21~25)의 굵기를 조절하여 스타트 부분과 엔드 부분은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게 설계해서 각종 도전성 코일 패턴을 연결하고 또한 모터구동회로(30)를 구성하는 인쇄 배선(17)과 연결할 때, 연결의 신뢰성 증대를 꾀할 수 있다.

예를 들어, 코일 패턴(21~25)의 스타트 부분과 엔드 부분은 물방울(tear drop) 형태로 형성하고, 스타트 부분(S1~S5)과 엔드 부분(E1~E4)에 스루홀과 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드(soldering land)를 배치함에 의해 코일 패턴을 상호 연결하거나 인쇄 배선 등과 연결이 쉽고 연결의 신뢰성을 보장할 수 있다.

또한, 신뢰성 증대를 위하여 각층에 스타트 부분과 엔드 부분을 연결하는 스루홀(T11~T20)은 적어도 1개 이상으로 형성하여 코일 패턴의 단선이나 스루홀의 도금 및 충전 불량에 따라 연결이 끊어지는 문제를 방지할 수 있다.

제3층 PCB(13)에는 제4층 PCB(14)의 상측과 하측에 분리되어 형성된 제4 코일 패턴(24)과 제5 코일 패턴(25)을 연결하기 위해 제13스루홀(T13)과 제14스루홀(T14)을 연결하는 제1점퍼선 패턴(J11)이 제3 코일 패턴(23)의 내부를 따라 형성되어 있고, 또한 제3층 PCB(13)에는 제4층 PCB(14)에서 제5 코일 패턴(25)의 외부에서 내부의 스타트 부분(S5)을 연결하기 위해 제15스루홀(T15)과 제16스루홀(T16)을 연결하는 제2점퍼선 패턴(J12)이 제3 코일 패턴(23)의 하측 요홈부에 형성되어 있다. 제4층 PCB(14)에는 제1점퍼선 패턴(J11)의 제14스루홀(T14)과 제2점퍼선 패턴(J12)의 제15스루홀(T15)을 연결하기 위한 제3점퍼선 패턴(J13)이 제5 코일 패턴(25)의 외부에 형성되어 있다.

본 발명의 제1 내지 제4 PCB(11~14)가 적층된 경우 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 스루홀(T11~T20)과 제1 내지 제3 점퍼선 패턴(J11,J12,J13)을 통하여 상호 연결되어 하나의 스테이터 코일을 형성한다.

그 결과, 스테이터 코일의 일단, 즉 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분은 모터구동회로의 제1출력단자(Out1)에 연결되고, 스테이터 코일의 타단, 즉 제1 코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)은 제18스루홀(T18)을 통하여 모터구동회로의 제2출력단자(Out2)에 연결된다.

도 2b에 도시된 실시예에서는 제4층 PCB(14)에 단상 모터를 구동하기 위한 모터구동회로(30)가 실장되어 있는 것을 예시하고 있으나, 모터구동회로가 별도로 구성되는 것도 가능하다.

이하에 센서레스 단상 모터를 구동하기 위한 센서레스 모터구동회로(30)를 도 10을 참고하여 설명한다.

센서레스 모터구동회로(30)는 일측에 외부 전원(Vcc)이 인가될 때, 이로부터 후단의 비교기에 제공되는 일정한 구동전원(Vdd)을 발생하는 정전압회로(90)가 연결되어 있다.

센서레스 모터구동회로(30)는 연산증폭기를 이용하여 구성되는 제1비교기(OP1)를 포함하고 로터의 회전에 따라 주기적으로 하이레벨(H)과 로우레벨(L)이 반복되는 로터위치신호를 발생하는 로터위치신호발생부(31); 및 연산증폭기를 이용하여 구성되는 제2비교기(OP2)를 포함하고 로터위치신호발생부(31)로부터 입력되는 로터위치신호의 출력레벨에 따라 스테이터 코일(L1)로 흐르는 전류의 방향을 절환시키는 스위칭 회로(32)를 포함한다.

로터위치신호발생부(31)는 정전압회로(90)의 출력단자와 접지 사이에 저항(R3)와 저항(R6)에 의해 형성되는 전압분압회로가 병렬로 접속되어, 저항(R3)와 저항(R6)의 접속점으로부터 일정한 제1기준전압(Vref1)이 저항(R4)을 통하여 제1비교기(OP1)의 비반전입력단자(+)에 인가되고, 제1비교기(OP1)의 반전입력단자(-)에는 저항(R3)와 저항(R6)의 접속점으로부터 센싱 코일 패턴(26)에 의해 구성되는 로터위치검출용 센싱 코일(Ls)을 통하여 제1기준전압(Vref1)에 센싱 코일(Ls)에 유도된 유도기전력이 부가되어 인가된다.

제1비교기(OP1)의 비반전입력단자(+)와 출력단자 사이에 연결된 저항(R7)은 제1비교기(OP1)의 출력을 정귀환시키기 위해서 사용된 것으로 제1비교기(OP1)의 출력이 구형파 형태로 출력되게 한다.

스위칭회로(32)는 반전입력단자(-)에 로터위치신호발생부(31)로부터 발생되는 로터위치신호가 인가되고, 비반전입력단자(+)에 전압분압회로의 저항(R3)와 저항(R6)의 접속점으로부터 일정한 제2기준전압(Vref2)이 저항(R5)을 통하여 인가된다. 제2비교기(OP2)의 비반전입력단자(+)와 출력단자 사이에 연결된 저항(R9)은 제2비교기(OP2)의 출력을 정귀환시키기 위해서 사용된 것으로 제2비교기(OP2)의 출력이 구형파 형태로 출력되게 한다.

스위칭회로(32)의 출력단자와 반전입력단자(-) 사이에는 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 의해 구성되는 스테이터 코일(L1)과 저항(R8)이 병렬로 접속되어 있다.

또한, 제2비교기(OP2)의 출력에는 FG(Frequency Generator)신호 출력부(34)가 연결되어 있으며, FG신호 출력부(34)는 모터의 속도를 제어하는 데 사용할 수 있도록 저항(R10)을 통하여 모터 속도를 피드백 받기 위한 FG신호 출력단자가 구비되어 있다. 미설명 부재번호 C1은 FG신호에 포함된 고주파 노이즈를 바이패스시키기 위한 용도로 사용된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에서는 스테이터(110)의 제1층 PCB(11)에 센싱 코일 패턴(26)이 배치되어 있기 때문에 N극 및 S극 자석이 교대로 배치된 로터(40)가 회전하여 먼저 N극 자석이 대향하게 되면 센싱 코일(Ls)로부터 전자기유도에 따라 유도기전력(즉, 역기전력(Back EMF))이 발생하며 센싱 코일(Ls)을 따라 흐르는 전류의 방향은 앙페르의 오른손법칙에 의해 결정된다.

이때, 대향한 N극 자석의 회전에 따라 센싱 코일(Ls)에 가해지는 자기력선속(자기장 세기)의 변화가 정현파 형태로 발생되고 이에 따라 센싱 코일(Ls)에 유도되는 유도기전력도 자기력선속의 변화와 1/4(90도)의 위상차를 가지고 정현파 형태로 변화가 발생된다.

따라서, 상기 센싱 코일(Ls)에 유도되는 유도기전력은 제1기준전압(Vref1)에 부가되어 제1비교기(OP1)의 반전입력단자(-)에 입력된다.

이에 따라 제1비교기(OP1)는 반전입력단자(-)의 전압이 비반전입력단자(+)에 인가된 제1기준전압(Vref1) 보다 더 크게 되므로, 제1비교기(OP1)의 출력에는 로우레벨(L)의 로터위치신호가 발생된다.

따라서, 제2비교기(OP2)는 반전입력단자(-)에 인가된 로우레벨(L)의 로터위치신호보다 비반전입력단자(+)에 인가된 제2기준전압(Vref2)이 더 크기 때문에 제2비교기(OP2)의 출력은 하이레벨(H)로 된다. 이에 따라 스테이터 코일(L1)은 제2비교기(OP2)의 출력측에서 제2비교기(OP2)의 반전입력단자(-) 방향으로 전류가 흐르게 된다.

그 후, 로터가 계속 회전하여 S극 자석이 대향하게 되면 센싱 코일(Ls)로부터 전자기유도에 의해 유도기전력(즉, 역기전력(Back EMF))이 발생되고, 센싱 코일(Ls)을 따라 흐르는 전류의 방향은 앙페르의 오른손법칙에 의해 N극 자석이 대향한 경우와 반대로 결정된다.

이때, 대향한 S극 자석의 회전에 따라 센싱 코일(Ls)에 가해지는 자기력선속(자기장 세기)의 변화가 정현파 형태로 발생되고 이에 따라 센싱 코일(Ls)에 유도되는 유도기전력도 자기력선속의 변화와 1/4(90도)의 위상차를 가지고 정현파 형태로 변화가 발생된다.

따라서, 상기 센싱 코일(Ls)에 유도되는 유도기전력은 제1기준전압(Vref1)에 차감되어 제1비교기(OP1)의 반전입력단자(-)에 입력된다.

이에 따라 제1비교기(OP1)는 반전입력단자(-)의 전압이 비반전입력단자(+)에 인가된 제1기준전압(Vref1) 보다 더 작게 되므로, 제1비교기(OP1)의 출력에는 하이레벨(H)의 로터위치신호가 발생된다.

이에 따라 제2비교기(OP2)는 반전입력단자(-)에 인가된 하이레벨(H)의 로터위치신호보다 비반전입력단자(+)에 인가된 제2기준전압(Vref2)이 더 작기 때문에 제2비교기(OP2)의 출력은 로우레벨(L)로 된다. 따라서, 스테이터 코일(L1)은 제2비교기(OP2)의 반전입력단자(-)에서 제2비교기(OP2)의 출력측 방향으로 전류가 흐르게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 센싱 코일(Ls)에 유도된 유도기전력(즉, 역기전력(Back EMF))에 의해 스테이터 코일(L1)에 흐르는 전류의 방향이 주기적으로 전환이 이루어짐에 의해 홀(Hall)센서와 같은 고가의 로터위치 검출센서를 사용하지 않고 모터구동회로(30)에서 스테이터 코일(L1)에 흐르는 전류의 방향을 주기적으로 전환할 수 있다. 그 결과, 로터는 회전하던 방향과 동일한 방향으로 회전이 지속되게 된다.

이하에서는 센싱 코일(Ls)에 유도된 유도기전력(즉, 역기전력(Back EMF))에 의해 스테이터 코일(L1)에 흐르는 전류의 방향이 결정된 경우, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25), 즉 스테이터 코일(L1)에 의해 로터가 회전되는 센서레스 단상 모터의 동작에 대하여 설명한다.

도 3a 내지 도 4d를 참고하여 본 발명의 슬림형 스테이터를 이용한 단상 모터를 설명한다. 도 4a 내지 도 4d에서 로터의 회전 위치별 전류 흐름은 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)과 제2 내지 제4 PCB(12~14)의 제2 내지 제5 코일 패턴(22~25)에 대한 전류 흐름이 동일하므로 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)만을 설명한다.

도시된 단상 모터(40)는 6슬롯(slot)-6폴(pole) 구조의 스테이터(110)와 로터(120)가 액시얼 타입으로 서로 대향하여 배치된 구조를 가지나, 설명의 편의상 동일 평면에 함께 표현한 것이다.

로터(120)가 초기 위치(즉, 0°)에 있을 때, 모터구동회로(30)에 구동전원(Vcc)이 공급되면 센싱 코일(Ls)은 대향한 로터(120)의 자석이 S극이므로 이에 대응하는 유도된 유도기전력(즉, 역기전력(Back EMF))을 발생하고, 이에 따라 모터구동회로(30)는 스테이터 코일(L1)에 흐르는 전류의 방향을 결정하여 스테이터 코일(L1)에 전류를 인가한다.

한편, 단상 모터(40)는 로터위치검출을 위해 소형의 홀소자를 1개 사용하는 경우 로터(120)가 초기 위치(즉, 0°)에 있을 때, 홀소자가 로터 자극의 경계면에 위치하면 홀소자의 자극검출이 이루어지지 않아 스테이터 코일에 대한 전류공급이 이루어지지 못하므로 자기기동이 이루어지지 못하는 데드 포인트(Dead Point)가 존재한다.

본 발명에서는 후술하는 도 8a 내지 도 8d에 도시된 바와 같이, 하부 케이스(201)를 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있는 금속재를 사용하며, 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖도록 로터(120)의 자극 수(예를 들어, 6)에 대응하는 6개의 브리지(bridge)(201a)를 통하여 중앙부의 환형 링부(201b)에 연결하거나, 도 9에 도시된 바와 같이 스테이터의 하부에 데드 포인트 방지 요크(170)를 배치하는 방법을 채용할 수 있다.

먼저, 도 9를 참고하여 본 발명에 따른 데드 포인트 방지 요크(170)를 사용한 데드 포인트 방지 구조에 대하여 설명한다.

도 9에 도시된 바와 같이 데드 포인트 방지 요크(170)는 로터의 자극 수(6극)와 동일하게 외주면이 육각형상을 이루며, 내주면이 원형을 갖도록 구성되어 있으며, 스테이터(110)의 하부에 배치된다. 이 경우, 로터(120)가 초기상태(즉, 0°)일 때, 로터(120)의 자석(121)과 데드 포인트 방지 요크(170) 사이에는 자기현상에 의해 각 자석의 센터가 데드 포인트 방지 요크(170)의 실효면적 폭이 가장 넓은 지점(즉, 모서리)과 대향하여 위치하게 된다.

데드 포인트 방지 요크(170)는 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있도록 규소강이나 순철과 같은 보자력이 낮은 연자성체를 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 센싱 코일(Ls)을 구성하는 센싱 코일 패턴(26)이 스테이터(110)의 제1층 PCB(11)에 배치되며, 바람직하게는 센싱 코일 패턴(26)의 중간이 자극의 경계면(121g)으로부터 1/4 자극폭 만큼 편위된 위치에 설치한다.

센싱 코일 패턴(26)을 이 위치에 설치하는 이유는 로터(120)의 초기상태를 고려할 때, 이 지점이 데드 포인트를 피함과 동시에 자석(121)으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대이므로 센싱 코일 패턴(26)은 가장 좋은 감도의 로터위치검출신호를 발생할 수 있기 때문이다.

즉, 로터(120)의 초기상태를 고려하여 센싱 코일 패턴(26)은 자극의 경계면(121g)으로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚) 또는 자극의 센터로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚) 만큼 편위된 위치의 스테이터(110)에 설치한다.

모터구동회로에 구동전원이 인가되어 로터의 기동이 이루어질 때, 센싱 코일 패턴(26)은 로터의 자극 경계면(즉, 중성점)을 벗어나 자석(121b)으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대인 지점에 센싱 코일 패턴(26)이 대향해 있기 때문에 쉽게 자기기동이 이루어지게 된다.

센싱 코일 패턴(26)이 로터의 S극 자석(121b)과 대향하게 되면 센싱 코일(Ls)로부터 전자기유도에 의해 유도기전력(즉, 역기전력(Back EMF))이 발생되고, 센싱 코일(Ls)을 따라 흐르는 전류의 방향은 앙페르의 오른손법칙에 의해 N극 자석이 대향한 경우와 반대로 결정된다.

따라서, 상기 센싱 코일(Ls)에 유도되는 유도기전력은 제1기준전압(Vref1)에 차감되어 제1비교기(OP1)의 반전입력단자(-)에 입력되므로, 제1비교기(OP1)는 반전입력단자(-)의 전압이 비반전입력단자(+)에 인가된 제1기준전압(Vref1) 보다 더 작게 되므로, 제1비교기(OP1)의 출력에는 하이레벨(H)의 로터위치신호가 발생된다.

따라서, 제2비교기(OP2)는 반전입력단자(-)의 로터위치신호(하이레벨(H))가 비반전입력단자(+)의 제2기준전압(Vref2)보다 더 크기 때문에 제2비교기(OP2)의 출력은 로우레벨(L)로 된다. 따라서, 스테이터 코일(L1)은 제2비교기(OP2)의 반전입력단자(-)에서 제2비교기(OP2)의 출력측 방향으로 전류가 흐르게 된다.

이 경우, 도 9의 모터구동회로(30)에서 제2비교기(OP2)의 반전입력단자(-)와 연결되는 스테이터 코일(L1)의 일단이 도 2b의 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분, 즉 제1출력단자(Out1)이고, 제2비교기(OP2)의 출력단자와 연결되는 스테이터 코일(L1)의 타단이 제1 코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)이 제18스루홀(T18)을 통하여 연결되는 제2출력단자(Out2)로 설정하면, 로터의 S극 자석(121b)이 센싱 코일 패턴(26)과 대향한 상태에서 로터의 기동이 이루어지면, 전류가 흐르는 방향은 도 3a 및 도 3b에 도시된 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 화살표로 나타내었다.

이 경우, 제1 코일 패턴(21)의 방사방향패턴부(20g,20h), 제2 코일 패턴(22)의 방사방향패턴부(22g,22h), 제3 코일 패턴(23)의 방사방향패턴부(23g,23h), 제4 코일 패턴(24)의 방사방향패턴부(24g,24h)는 모두 동일한 방향으로 전류 흐름 방향이 설정된다. 그 결과, 방사방향패턴부(20g~20l)에는 플레밍의 왼손법칙에 따라 시계방향(CW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생되어, 로터는 시계방향(CW)으로 회전된다.

또한, 방사방향패턴부(20g,20h) 사이를 연결하는 외측 회전방향패턴부(20a), 방사방향패턴부(22g,22h) 사이를 연결하는 외측 회전방향패턴부(22a), 방사방향패턴부(23g,23h) 사이를 연결하는 외측 회전방향패턴부(23a), 방사방향패턴부(24g,24h) 사이를 연결하는 외측 회전방향패턴부(24a)는 플레밍의 왼손법칙에 따라 발생되는 힘(F)의 방향이 방사방향으로 향하기 때문에 토크 발생에 영향을 주지 못한다.

그러나, 로터가 초기상태(즉, 0°)일 때, S극 자석(121b) 대신에 N극 자석이 센싱 코일 패턴(26)과 대향한 상태에서 로터의 기동이 이루어질 수 있다. 이 경우에 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 전류가 흐르는 방향은 도 3a 및 도 3b에 도시된 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 화살표 방향과 반대로 설정된다.

이와 같이 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 전류가 흐르는 방향이 반대로 설정되면, 방사방향패턴부(20g~20l)에는 플레밍의 왼손법칙에 따라 반시계방향(CCW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생되어, 로터는 반시계방향(CCW)으로 회전된다.

상기한 바와 같이, 센싱 코일(Ls)을 사용하는 센서레스 단상 모터(40)는 홀센서를 사용하는 경우와 다르게 로터의 회전방향을 시계방향(CW))과 반시계방향(CCW) 중 어느 하나로 미리 결정하여 회전 구동할 수 없다.

따라서, 본 발명에서는 초기상태에서 로터의 기동이 이루어진 후, 로터가 시계방향(CW) 또는 반시계방향(CCW) 중 어느 하나의 방향으로 회전이 이루어지면 로터의 극성이 바뀔때 마다 주기적으로 스테이터 코일(L1)에 대한 전류의 흐름 방향을 변경시킴에 의해 로터가 회전되는 방향으로 계속 회전이 이루어지도록 한다.

전류가 흐를 때 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)는 거의 동심원 형태로 배열되어 있으므로 플레밍의 왼손법칙에 따라 발생되는 힘(F)의 방향이 방사방향으로 향하기 때문에 토크 발생에 영향을 주지 못한다.

따라서, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 외측 및 내측 회전방향패턴부(20a~20c,20d~20f)는 단지 전류가 흐르는 경로 역할을 하고, 6개의 방사방향패턴부(20g~20l)으로부터 접선방향으로 힘이 발생되어 로터(120)의 회전이 이루어지게 된다.

또한, 인접한 방사방향패턴부(20g~20l) 사이에 코일에 흐르는 전류의 방향은 반대로 설정되고, 이에 대응하는 로터(120)의 자석의 자극도 반대로 위치하게 되므로, 모두 동일한 방향으로 로터의 자석을 밀거나 끌어당기는 힘을 발생하게 되어 로터를 반시계방향(CCW)으로 회전시키게 된다.

만약 로터가 반시계방향(CCW)으로 회전하여 로터(120)가 기계각으로 15°(전기각 45°) 회전한 경우가 도 4a에 표시되어 있다.

도 4a의 위치에 로터(120)가 위치한 경우, 센싱 코일 패턴(26)은 S극 자석(121b)과 N극 자석(121c)의 경계면에 위치하게 되어 자극을 인식하지 못하며, 전류의 흐름 방향을 결정하지 못한다.

회전 관성에 의해 로터(120)가 계속 회전하여 기계각으로 30°(전기각 90°) 회전한 경우가 도 4b에 표시되어 있으며, 기계각으로 45°(전기각 135°) 회전한 경우가 도 4c에 표시되어 있고, 기계각으로 60°(전기각 180°) 회전한 경우가 도 4d에 표시되어 있다.

로터가 기계각으로 15°(전기각 45°)를 넘어서 회전하게 되면, 센싱 코일 패턴(26)은 N극 자석(121c)을 인식하게 된다. 이 경우, 센싱 코일 패턴(26)은 S극 자석(121b)을 인식한 경우와 반대의 유도기전력이 발생됨에 따라 제1비교기(OP1) 및 제2비교기(OP2)의 출력도 반대로 설정되고 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 전류가 흐르는 방향도 도 4b에 도시된 화살표 방향으로 변경된다.

이와 같이 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 전류가 흐르는 방향이 반대로 설정되면, 방사방향패턴부(20g~20l)에는 플레밍의 왼손법칙에 따라 반시계방향(CCW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생되어, 로터는 반시계방향(CCW)으로 계속 회전된다.

그 결과, 도 4b 내지 도 4d에 표시된 바와 같이 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향이 반대로 설정되면, 방사방향패턴부(20g~20l)는 플레밍의 왼손법칙에 따라 반시계방향(CCW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생되어 로터(120)의 회전이 이루어진다.

상기와 같이 모터구동회로(30)의 로터위치신호발생부(31)는 로터(120)가 기계각으로 60°(전기각 180°) 회전할 때마다 로터의 자극을 검출하여 하이레벨(H)과 로우레벨(L)의 로터위치검출신호를 교대로 발생함에 따라 스위칭회로(32)는 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향을 변경한다.

이하에 상기한 센서레스 단상 모터를 이용한 쿨링 팬에 대하여 설명한다.

도 5에는 본 발명에 따른 슬림형 스테이터를 사용하여 구현된 센서레스 단상 모터를 이용한 쿨링 팬이 도시되어 있고, 도 6 및 도 7에는 본 발명의 제1 및 제2 실시예에 따른 슬림형 쿨링 팬을 나타내는 축방향 단면도가 도시되어 있다.

도 5 및 도 6을 참고하면, 본 발명에 따른 센서레스 단상 모터를 이용한 쿨링 팬(100)은 상부 케이스(103)와 측벽(102)이 형성된 하부 케이스(101)가 결합되어 케이스를 형성하고 있고, 케이스 내부에 슬림형 스테이터(110)를 사용하여 구현된 슬림형 단상 모터(40)가 설치되어 있다.

단상 모터(40)는 슬림형 스테이터(110), 슬리브 베어링(150), 회전축(140) 및 로터(120)를 포함한다.

하부 케이스(101)에는 중앙부에 슬리브 베어링(150)을 수용하기 위한 베어링 홀더(160)가 예를 들어, 인서트 몰딩에 의해 일체로 형성되어 있으며, 베어링 홀더(160)는 원통형상으로 돌출된 보스(160a) 내부에 슬리브 베어링(150)이 삽입되어 있다.

또한, 슬리브 베어링(150)과 베어링 홀더(160)의 내부 바닥면 사이에는 로터(120)의 회전축(140)을 지지하기 위한 스러스트 플레이트(thrust plate)(또는 베어링 시트)(106)가 설치되어 있다.

하부 케이스(101)의 바닥면에는 도 1에 도시된 바와 같은 본 발명에 따른 슬림형 스테이터(110)가 장착되어 있으며, 스테이터(110)의 중앙부에는 베어링 홀더(160)의 보스(160a)의 외경보다 더 큰 관통구멍(15)이 형성되어 있다.

상기 슬리브 베어링(150)의 관통구멍에는 로터(120)의 회전축(140)이 결합되어 있으며, 회전축(140)은 로터(120)의 중앙에 고정되어 있다.

로터(120)는 자로(磁路) 역할을 하도록 자성재료로 이루어진 백요크(123)와 다수의 자석(121)을 포함하고 있으며, 자석(121)이 스테이터(110)의 코일에 면대향하여 배치된 액시얼형(axial type) 구조로 단상 모터(40)를 구성하고 있다.

상기 다수의 자석(121)은 N극 및 S극이 교대로 배치되며, 자극수는 코일 패턴(21)의 방사방향패턴부(20g~20l)의 갯수와 동일하게 구성되는 것이 바람직하다. 따라서, 도 1의 스테이터(110)를 사용하여 구성되는 단상 모터(40)는 6 슬롯(slot)/6 폴(pole) 구조를 가지며, 스테이터(110)는 센서레스 구동을 위한 센싱 코일 패턴(26)을 구비하고 있으며, 모터구동회로(30)는 상기한 바와 같이, 센싱 코일(Ls)을 이용하여 스테이터 코일(L1)에 대한 센서레스 구동을 실행한다.

상기 백요크(123)는 중앙부에 회전축(140)이 고정되는 관통구멍이 형성된 결합부(123e)가 형성되고, 외향으로 돌출되어 있다.

백요크(123)는 내측에 제1단 수용홈(123a)을 형성하며 베어링 홀더(160)의 보스(160a)의 외경보다 더 크게 형성되는 제1원통부(123b)와, 외측에 제2단 수용홈(123c)을 형성하며 스테이터(110)에 대응하는 크기로 형성는 제2원통부(123d)로 구성되며, 제1원통부(123b)와 제2원통부(123d) 사이에는 단차부가 중간에 형성되어 2단 구조의 수용홈을 형성하고 있다.

백요크(123)의 제1단 수용홈(123a)에는 베어링 홀더(160)가 수용되고, 제2단 수용홈(123c)에는 스테이터(110)의 코일 패턴(21)에 대응하여 다수의 자석(121)이 설치되어 있다.

상기 다수의 자석(121)은 Nd 합금이나 Co 합금과 같은 보자력이 큰 희토류 자석 또는 페라이트 자성체를 사용하여 분할 착자함에 의해 N극 및 S극 구조로 형성되거나, 디스크 형태의 Nd 자석을 로터 지지체에 접착제로 고정하여 사용할 수 있다.

로터(120)의 백요크(123)의 외측면에는 인서트 몰딩에 의해 다수의 블레이드(130)가 일체로 형성되어 임펠러(105)를 구성한다. 이 경우, 블레이드(130)는 백요크(123)의 단차부(123b)의 외측면과 제2단 수용홈(123c)을 둘러싸면서 제1원통부(123b)와 동일한 레벨로 연장되어 있으며, 다수의 블레이드(130)는 도 6과 같이 백요크(123)로부터 경사각도를 가지고 연장 형성되거나 방사방향으로 연장 형성될 수 있다.

더욱이, 상기 하부 케이스(101)에는 스테이터(110)에 시스템 본체로부터 전원 및 제어신호를 인가하는 데 필요한 콘넥터 또는 케이블이 결합되도록 관통 슬롯이 형성될 수 있고, 하부 케이스(101)에 대향한 방향으로부터 본체(예를 들어, 무선충전기 등) 내부의 발열된 공기를 흡입할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통구멍이 형성된 풍입구(108)를 가질 수 있다.

상기 하부 케이스(101)에는 외주부에 측벽(102)이 직각으로 형성되어 있으며, 상부 케이스(103)와 함께 결합되어 시로코 타입(Sirocco Type)의 팬을 구성하도록 도 6에 도시된 바와 같이 측벽(102)의 일측은 개방되어 흡입된 공기를 배출하는 풍출구(107)가 형성되어 있다. 이 경우 측벽(102)은 상기한 베어링 홀더(160)와 동일하게 수지로 형성되며, 인서트 몰딩에 의해 금속재의 하부 케이스(101)에 일체로 형성되는 것이 바람직하다.

그러나, 측벽(102)은 하부 케이스(101) 대신에 상부 케이스(103)와 함께 인서트 몰딩에 의해 형성될 수 있다. 또한, 상기한 베어링 홀더(160)와 하부 케이스(101)는 모두 수지를 사용하여 인서트 몰딩에 의해 일체로 형성될 수 있다.

상기 상부 케이스(103)도 하부 케이스(101)와 유사하게 상부 케이스(103)에 대향한 방향으로부터 본체(예를 들어, 무선충전기 등) 내부의 발열된 공기를 흡입할 수 있도록 적어도 하나 이상의 관통구멍이 형성된 풍입구(104)를 가질 수 있다.

본 발명의 쿨링 팬(100)은 도 6에 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101) 모두에 풍입구가 형성된 실시예를 예시하였으나, 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101) 중 하나, 예를 들어, 상부 케이스(103)에만 풍입구(104)가 형성되는 것도 가능하다.

또한, 본 발명의 쿨링 팬(100)은 측벽(102)의 일측에 풍출구(107)를 형성하는 대신에 모든 측벽(102)에 관통구멍을 형성하지 않고, 일펠러(105)의 블레이드 형상에 따라 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101)의 일측으로부터 도입되어 타측으로 배출되는 축류형으로 구성되는 것도 가능하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 쿨링 팬(100)은 액시얼형(axial type) 구조의 단상 모터(40)를 채용하며, 단상 모터는 박막형의 슬림형 스테이터를 이용하여 구성되고 있다. 그 결과, 본 발명의 쿨링 팬(100)은 종래의 코어형 스테이터를 채용한 팬모터보다 더 슬림한 구조의 단상 모터(40)를 실현할 수 있어 슬림한 쿨링 팬(100)을 구현할 수 있다.

또한, 본 발명의 쿨링 팬(100)은 종래에 레이디얼형(radial type) 모터에 채용되었던 코어형 스테이터를 제거한 공간을 활용하여 로터(120)의 회전축(140)을 지지하는 슬리브 베어링(150)의 직경을 충분한 오일을 함유할 수 있도록 확장할 수 있다.

상기 제1실시예에서 하부 케이스(101)가 연자성체와 같이 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있는 금속재를 사용하는 경우, 제3실시예와 같이 하부 케이스에 데드 포인트 방지 요크 역할을 하는 브리지를 일체로 형성하고, 하부 케이스가 합성수지로 이루어지는 경우는 로터(120)가 초기 위치(즉, 0°)에 있을 때, 센싱 코일 패턴(26)이 로터 자극의 경계면(121g)에 위치하는 것을 피할 수 있도록 스테이터의 하부에 데드 포인트 방지 요크(170)를 배치한다.

도 7을 참고하면, 본 발명의 제2실시예는 상기한 제1실시예와 로터와 임펠러의 구조에 대하여만 차이가 있고, 다른 부분은 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.

제2실시예에서 로터(120)의 백요크(122)는 중앙부에 회전축(140)이 고정되는 관통구멍이 형성된 결합부(123f)가 형성되고, 내향으로 돌출되어 있다.

백요크(122)는 내측에 제1단 수용홈(123a)을 형성하며 베어링 홀더(160)의 보스(160a)의 외경보다 더 크게 형성되는 제1원통부(123b)와, 외측에 제2단 수용홈(123c)을 형성하며 스테이터(110)에 대응하는 크기로 형성되는 제2원통부(123d)로 구성되며, 제1원통부(123b)와 제2원통부(123d) 사이에는 단차부가 중간에 형성되어 2단 구조의 수용홈을 형성하고 있다.

백요크(122)의 제1단 수용홈(123a)에는 베어링 홀더(160)가 수용되고, 제2단 수용홈(123c)에는 스테이터(110)의 코일 패턴(21)에 대응하여 다수의 자석(121)이 설치되어 있다.

상기 로터(120)의 백요크(122)는 회전축(140)이 고정되는 관통구멍이 형성된 결합부(123f)가 내향으로 돌출 형성되고, 결합부(123f)의 내향 돌출된 길이만큼 슬리브 베어링(150)의 길이는 제1실시예와 비교할 때 축소된 길이로 설정된다.

제1실시예에서 임펠러(105)를 구성하도록 백요크(123)의 외측면에 인서트 몰딩에 의해 일체로 형성되는 다수의 블레이드(130)는 백요크(123)의 제2단 수용홈(123c)을 둘러싸면서 제2원통부(123d)와 동일한 레벨로 연장 형성된다.

또한, 제2실시예의 블레이드(130)는 제1실시예의 블레이드와 비교하여 좁은 폭으로 설정되고, 백요크(122)와 회전축(140)의 노출면은 상부 케이스(103)와 거의 동일한 레벨로 설정되며, 그 결과, 상부 케이스(103)와 하부 케이스(101) 사이의 측벽(102)의 높이를 낮추는 것이 가능하다.

상기한 바와 같이 본 발명의 제2실시예에 따른 쿨링 팬(100)은 백요크(122)의 결합부(123f)를 내향으로 형성과 동시에 슬리브 베어링(150), 회전축(140), 블레이드(130) 및 측벽(102)의 높이를 낮추는 것에 의해 쿨링 팬(100) 전체의 두께를 보다 슬림하게 설계할 수 있다.

도 8a는 본 발명의 제3실시예에 따른 쿨링 팬에서 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖는 하부 케이스를 나타내는 평면도이고, 도 8b는 도 8a에서 하부 케이스에 적층형 스테이터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이며, 도 8c는 도 8b에서 스테이터에 로터가 결합된 상태를 나타내는 평면도이고, 도 8d는 도 8c에서 로터에 블레이드가 결합된 상태를 나타내는 평면도이다.

도 8a 내지 도 8d를 참고하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 쿨링 팬(100)은 스테이터에 센서레스 구동을 위한 센싱 코일 패턴(26)을 구비함과 동시에 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖는 하부 케이스(201)를 채용한 점에서 상기 제1 및 제2 실시예와 차이가 있다.

본 발명에서는 도 9에 도시된 데드 포인트 방지 요크(170)를 별도로 사용하는 대신에 하부 케이스(201)에 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖도록 구성할 수 있다.

제3실시예의 하부 케이스(201)는 철판과 같이 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있는 금속재를 사용하며, 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖도록 로터(120)의 자극 수에 대응하는 개수, 예를 들어, 6개의 브리지(bridge)(201a)를 통하여 중앙부의 환형 링부(201b)에 연결되어 있다.

하부 케이스(201)는 예를 들어, 정사각형 형태로 형성될 수 있으며, 측벽(102)이 형성되지 않은 일측은 상부 케이스(103)가 결합될 때, 풍출구(107)를 형성한다.

이 경우, 상기 환형 링부(201b)의 중앙에는 베어링 홀더(160)가 통과할 수 있도록 관통구멍(15)이 형성되어 있다.

도시된 제3실시예에는 로터(120)의 자극 수에 대응하는 개수의 브리지(bridge)(201a)를 사용하고 있으나, (자극 수/2)의 개수를 갖는 브리지(201a)를 사용하는 것도 가능하다.

상기와 같이 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있는 금속재로 이루어진 하부 케이스(201)에 로터(120)의 자극 수에 대응하는 개수의 브리지(bridge)(201a)가 형성된 경우, 로터(120)가 초기상태일 때, 로터(120)의 자석(121)과 브리지(bridge)(201a) 사이에는 자기현상에 의해 각 자석의 센터가 브리지(bridge)(201a)와 대향하여 위치하게 된다.

따라서, 로터의 초기상태를 고려하여 센싱 코일 패턴(26)을 자극의 경계면으로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚) 만큼 편이된 위치에 스테이터(110)에 설치한다. 즉, S극 자석(121b)과 N극 자석(121c)의 경계면(121g)으로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚) 만큼 편이된 위치에 센싱 코일 패턴(26)을 설치한다.

상기한 조건을 만족하게 되면 로터(120)가 초기상태에서 기동할 때 센싱 코일 패턴(26)가 데드 포인트 지역을 회피하여 설치되어 있기 때문에 센싱 코일(Ls)은 대향하는 로터의 자극을 검출하며, 모터구동회로(30)는 이에 대응하는 구동신호를 스테이터 코일(L1)에 인가할 수 있다.

그 결과, 하부 케이스(201)에 형성된 6개의 브리지(bridge)(201a)는 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖게 됨과 동시에, 상기 브리지(201a) 사이의 공간은 풍입구(108)로서 역할을 한다.

이 경우, 상기 로터(120)의 자석(121)은 링 형상으로 형성되고 다극 착자되어 N극과 S극이 교대로 배치되며, 상기 링의 폭은 적어도 방사방향패턴부(20g~20l)의 길이보다 더 크게 형성되며, 방사방향패턴부(20g~20l)와 대향하도록 배치되는 것이 바람직하다.

도 8d에서 미설명 부재번호 130은 로터(120)에 일체로 형성된 다수의 블레이드(130)로서, 임펠러(105)를 구성하며, 부재번호 102a는 측벽에 일체로 형성되어 상부 케이스(103)와 스냅결합될 때 사용되는 스냅결합부를 가리킨다.

본 발명에서는 하부 케이스(201)에 풍입구를 형성하면서 로터 자극수에 대응하는 브리지(201a)를 형성함에 의해 별도의 데드 포인트 방지 요크(yoke)를 사용하지 않고 슬림형 쿨링 팬에 데드 포인트 방지와 함께 센서레스 구동 기능을 구현할 수 있다.

상기한 실시예 설명에서는 단상 모터를 전자기기의 냉각을 위한 쿨링 팬에 적용한 것을 예시하였으나, 차량의 실내온도를 검출하기 위한 인카센서용 어스피레이션 모터에도 적용 가능하며, 팬모터 이외에 소형이면서 슬림형 모터를 필요로 하는 다른 분야에도 적용 가능하다.

또한, 상기한 실시예의 단상 모터는 단상 전파방식 구동뿐 아니라 단상 반파방식 구동에 의해 동작될 수 있다.

상기한 실시예 설명에서는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 적층한 슬림형 스테이터를 단상 모터에 이용한 것을 예시하였으나, 스테이터 코일을 형성하는 데 필요한 턴(turn) 수가 작은 모터인 경우는 양면 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 슬림형 스테이터를 구성하는 것도 가능하다. 즉, 양면 인쇄회로기판(PCB)의 일면에 코일 패턴을 형성하고 타면에 모터 구동회로를 형성하는 것도 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 코일 패턴을 형성하면서 센서레스 구동을 위한 센싱 코일 패턴을 일체로 구비함에 따라 모터구동회로에서 센싱 코일을 이용하여 스테이터 코일에 대한 센서레스 구동을 실행할 수 있어, 슬림형 스테이터, 센서레스 단상 모터 구동 및 데드 포인트 방지 기능을 갖는 쿨링 팬에 적용 가능하다.

10: 기판 11-14: PCB
15: 관통구멍 16: 전자 부품
17: 인쇄배선 18: 솔더링 랜드
20a-20f: 회전방향패턴부 20g-20l: 방사방향패턴부
21-25: 코일 패턴 26: 센싱 코일 패턴
30: 모터구동회로 31: 로터위치신호발생부
32: 스위칭회로 34: FG신호 발생부
40: 단상 모터 90: 정전압회로
100: 쿨링 팬
101,201: 하부 케이스 102: 측벽
102a: 스냅결합부 121g: 자극면
103: 상부 케이스 104,108: 풍입구
105: 임펠러 106: 스러스트 플레이트
107: 풍출구 110: 스테이터
120: 로터 121,121a-121f: 자석
123; 백요크 123a,123c: 수용홈
123b,123d: 원통부 123e,123f: 결합부
130,130a: 블레이드 140: 회전축
150: 슬리브 베어링 160: 베어링 홀더
170: 데드 포인트 방지 요크 201a: 브리지
201b: 링부 E1-E4,Es: 엔드 부분
J11-J13: 점퍼선 패턴 L1: 스테이터 코일
Ls: 센싱 코일 R11-R16: 스루홀 영역
S1-S5,Ss: 스타트 부분 T11-T20: 스루홀

Claims

다층 기판;
상기 다층 기판의 각 기판 위에 형성되고 2 이상의 돌기부와 요홈부를 갖는 복수의 턴을 형성하도록 단일의 나선형상으로 이루어지며 스루홀을 통하여 연결되어 단상 모터용 스테이터 코일을 형성하는 복수의 코일 패턴; 및
상기 다층 기판의 최상층 기판에 형성되고 상기 코일 패턴의 요홈부에 형성되어, 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일을 형성하는 센싱 코일 패턴; 및
상기 다층 기판의 최하층 기판에 실장되어, 상기 스테이터 코일에 구동전류를 인가하는 모터구동회로;를 포함하며,
상기 센싱 코일 패턴은 로터가 초기상태일 때 데드 포인트 방지 요크에 의해 위치설정된 로터의 자극 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정되고,
상기 모터구동회로는 상기 센싱 코일이 로터의 자극에 따라 로터위치신호를 발생하는 것에 응답하여 상기 스테이터 코일에 인가되는 구동전류의 방향을 전환시키며,
상기 센싱 코일 패턴은 센서레스(sensorless) 구동되는 단상 모터에 이용되는 슬림형 스테이터.
제1항에 있어서,
상기 센싱 코일 패턴은 자극의 경계면 또는 자극의 센터로부터 1/4 자극폭 만큼 편위된 위치에 설치되는 슬림형 스테이터.
제1항에 있어서,
상기 데드 포인트 방지 요크는 외주가 로터의 자극 수와 동일한 다각형 형상을 이루며, 내주면이 원형으로 이루어진 슬림형 스테이터.
제3항에 있어서,
상기 데드 포인트 방지 요크는 스테이터의 하부에 적층 배치되는 슬림형 스테이터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 모터구동회로는
상기 센싱 코일 패턴에 의해 형성되는 센싱 코일이 대향하는 로터의 자극에 대응하는 유도기전력을 발생할 때 상기 로터 자극에 대응하는 로터위치신호를 발생하는 로터위치신호발생부; 및
상기 로터위치신호발생부로부터 대향한 로터의 자극에 대응하여 발생되는 로터위치신호에 대응하여 상기 스테이터 코일에 인가하는 구동전류의 방향을 전환하는 스위칭회로를 포함하는 슬림형 스테이터.
제1항에 있어서,
상기 데드 포인트 방지 요크는 스테이터가 설치되는 케이스에 로터의 자극 수에 대응하여 형성되는 복수의 브리지를 이용하는 슬림형 스테이터.
제1항에 있어서,
상기 코일 패턴은
동심상으로 배치된 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 내측 및 외측 회전방향패턴부; 및
상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 방사방향을 따라 배치되는 방사방향패턴부를 포함하는 슬림형 스테이터.
제8항에 있어서,
상기 코일 패턴은 각각 상기 내측 및 외측 회전방향패턴부와 방사방향패턴부가 복수의 돌기부와 요홈부가 반복되는 형상으로 이루어지는 슬림형 스테이터.
삭제
제8항에 있어서,
상기 방사방향패턴부의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나로 설정되는 슬림형 스테이터.
제8항에 있어서,
상기 인접한 방사방향패턴부 사이의 각도는 360°/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)의 값을 가지는 슬림형 스테이터.
제1항에 있어서,
상기 코일 패턴은 각 기판 위에 동일한 형상으로 패터닝되는 슬림형 스테이터.
제1항에 있어서,
상기 코일 패턴은 홀수층 기판 위에 형성되는 제1패턴과 짝수층 기판 위에 형성되는 제2패턴이 다르며,
상기 제2패턴은 상기 제1패턴이 (360°/로터의 자극수) 만큼 중심으로부터 회전된 형상을 갖는 슬림형 스테이터.
제8항에 있어서,
상기 코일 패턴의 복수의 방사방향패턴부는 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 결선이 이루어지며, 상기 로터에 접선방향의 회전력을 발생하는 슬림형 스테이터.
제1항에 있어서,
상기 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 코일을 형성하는 부분보다 더 넓게 형성되어 있고, 적어도 하나의 스루홀과 상기 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드가 배치되어 있는 슬림형 스테이터.
회전축이 중앙에 지지되고 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터;
상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링;
상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더;
상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 형성되며, 다층 기판의 각 기판 위에 형성되고 2 이상의 돌기부와 요홈부를 갖는 복수의 턴을 형성하도록 단일의 나선형상으로 이루어지며 스루홀을 통하여 연결되어 단상 모터용 스테이터 코일을 형성하는 복수의 코일 패턴을 갖는 스테이터;
상기 다층 기판의 최상층 기판에 형성되어, 상기 코일 패턴의 요홈부에 형성되어, 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일을 형성하는 센싱 코일 패턴;
상기 다층 기판의 최하층 기판에 실장되어, 상기 스테이터 코일에 구동전류를 인가하는 모터구동회로; 및
상기 로터가 초기상태일 때 상기 센싱 코일 패턴이 로터의 자석 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정되게 설정하는 데드 포인트 방지 요크;를 포함하며,
상기 모터구동회로는 상기 센싱 코일이 로터의 자극에 따라 로터위치신호를 발생하는 것에 응답하여 상기 스테이터 코일에 인가되는 구동전류의 방향을 전환시키는 센서레스 단상 모터.
제17항에 있어서,
상기 센싱 코일 패턴은 자극의 경계면 또는 자극의 센터로부터 1/4 자극폭 만큼 편위된 위치에 설치되는 센서레스 단상 모터.
중앙부에 회전축이 지지되고 외주부에 다수의 블레이드가 형성되며 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터;
상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링;
상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더;
상기 베어링 홀더를 지지하는 하부 케이스;
상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 형성되며, 다층 기판의 각 기판 위에 형성되고 2 이상의 돌기부와 요홈부를 갖는 복수의 턴을 형성하도록 단일의 나선형상으로 이루어지며 스루홀을 통하여 연결되어 단상 모터용 스테이터 코일을 형성하는 복수의 코일 패턴을 갖는 스테이터;
상기 다층 기판의 최상층 기판에 형성되어, 상기 코일 패턴의 요홈부에 형성되어, 로터회전위치를 검출하기 위한 센싱 코일 패턴;
상기 다층 기판의 최하층 기판에 실장되어, 상기 스테이터 코일에 구동전류를 인가하는 모터구동회로;
상기 하부 케이스에 대향하여 배치된 상부 케이스; 및
상기 상부 케이스와 하부 케이스 사이를 연결하는 측벽;을 포함하며,
상기 하부 케이스는
상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성되는 링부; 및
상기 링부와 하부 케이스 본체 사이를 연결하는 복수의 브리지;를 포함하며,
상기 복수의 브리지는 데드 포인트 방지 요크 기능을 갖도록 로터의 자극 수와 동일하거나 (자극 수/2)의 개수로 형성되며,
상기 모터구동회로는 상기 센싱 코일이 로터의 자극에 따라 로터위치신호를 발생하는 것에 응답하여 상기 스테이터 코일에 인가되는 구동전류의 방향을 전환시키는 쿨링 팬.
제19항에 있어서,
상기 코일 패턴은
동심상으로 배치된 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 내측 및 외측 회전방향패턴부; 및
상기 인접한 내측 회전방향패턴부와 외측 회전방향패턴부를 상호 연결하며 방사방향을 따라 배치되는 방사방향패턴부를 포함하며,
상기 로터는 링 형상으로 형성되고, 상기 링의 폭은 적어도 방사방향패턴부의 길이보다 더 크게 형성되는 쿨링 팬.