KR102207482B1 - 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터 - Google Patents

유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터이 개시된다. 고정자는 링 형상으로 형성되고, 링 형상의 내주연으로부터 중심방향으로 신장되는 복수의 고정자 돌극이 포함되는 고정자 철심 및 복수의 고정자 돌극에 정방향 및 역방향으로 각각 권취하는 복수의 고정자 권선을 포함한다.

Description

유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터{The stator improving the asymmetry of magnetic flux density in the unipolar type and step motor comprising the same}
본 발명은 스텝 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 고정자 권선이 정방향 및 역방향의 이중구조로 형성되어 자속밀도의 대칭성을 확보하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터에 관한 것이다.
일반적으로, 2상 여자방식일 경우, 유니폴라(unipolar) 구동방식은 전류가 플러스(+) 방향으로만 흐르는 반면 바이폴라(bipolar) 구동방식은 플러스 방향과 마이너스(-) 방향으로 흐르는 차이를 가지고 있다. 따라서, 유니폴라 구동방식은 스텝마다 전류가 바뀌며 두 개의 상에 플러스 방향으로 전류가 흐르고, 바이폴라 구동방식은 제1 스텝일 때 A상 및 역B(
Figure 112015103007797-pat00001
)상에 플러스 방향 전류가 흐르고, 역A(
Figure 112015103007797-pat00002
)상 및 B상에 마이너스 방향 전류가 흐른다.
이 때, 바이폴라 구동방식은 2극이 형성되어 대칭성을 가지는 반면, 유니폴라 구동방식은 대칭성이 없고, 3극으로 형성되므로 토크를 발생시키기가 부적합하고, 미세한 토크 발생에도 자속의 비대칭성에 의해 구동시 진동 및 소음이 크게 발생한다.
이러한 문제점을 극복하기 위해, 종래의 유니폴라 스텝 모터는 고정자 또는 회전자가 축방향으로 교차하는 2단 구성을 하고 있다. 하지만 2단 구성은 1단 구성에 비하여 제작 및 조립성이 복잡하고, 기계 구성요소가 많이 추가되는 단점이 있다.
따라서, 유니폴라 구동방식을 적용하면서 스텝 모터를 1단 구성으로 자속밀도의 비대칭성을 개선하기 위한 노력이 이루어지고 있는 실정이다.
한국등록특허공보 제10-0245483호(2000.02.15)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 정방향 및 역방향의 이중구조로 고정자 권선을 권취하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 회전자 및 고정자의 반경 방향 힘(radial force)을 감소시키는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자는, 링 형상으로 형성되고, 상기 링 형상의 내주연으로부터 중심방향으로 신장되는 복수의 고정자 돌극이 포함되는 고정자 철심 및 상기 복수의 고정자 돌극에 각각 정방향 및 역방향으로 권취하는 복수의 고정자 권선을 포함한다.
또한 상기 복수의 고정자 권선은, 상기 정방향 및 역방향을 트위스트(twist) 형상으로 권취되는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 복수의 고정자 권선은, 상기 정방향 및 역방향에 대한 권취되는 횟수를 동일하게 하는 것을 특징으로 한다.
유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자를 포함하는 스텝 모터는, 회전축과 연결되고, 영구자석을 포함하는 회전자 및 링 형상으로 형성되고, 상기 링 형상의 내부에 상기 회전자를 구비하는 고정자;를 포함하되, 상기 고정자는, 상기 링 형상의 내주연으로부터 중심방향으로 신장되는 복수의 고정자 돌극이 포함되는 고정자 철심 및 상기 복수의 고정자 돌극에 각각 정방향 및 역방향으로 권취되는 복수의 고정자 권선을 포함한다.
또한 1상 여자방식 또는 2상 여자방식을 적용하는 것을 특징으로 한다.
또한 상기 회전자 및 고정자의 반경 방향 힘(radial force)을 감소하는 것을 특징으로 한다.
유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터에 의하면, 정방향 및 역방향의 이중구조로 고정자 권선을 권취하여 자속밀도의 대칭성을 확보할 수 있다.
또한 회전자 및 고정자의 반경 방향 힘을 감소시켜 소음, 진동을 저감시킬 수 있다.
또한 영구자석 또는 고정자 형상을 회전축 방향으로 비틀지 않고, 고정자 권선의 패턴만을 트위스트로 구성하여 자기적인 비대칭 구조를 대칭적으로 구현함으로써 비용절감을 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따른 스텝 모터에 대한 고정자 권선을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예를 따른 스텝 모터의 유니폴라 구동방식을 적용한 자속패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 일 실시예를 따른 스텝 모터의 바이폴라 구동방식 및 유니폴라 구동방식을 적용한 공극 자속 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예를 따른 스텝 모터의 유니폴라 구동방식을 적용한 공극 자속 분포를 설명하기 위한 도면이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 당업자에게 자명하거나 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예를 따른 스텝 모터에 대한 고정자 권선을 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예를 따른 스텝 모터의 유니폴라 구동방식을 적용한 자속패턴을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 스텝 모터(1)는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선하여 고정자(10) 및 회전자(20)의 반경 방향 힘(radial force)을 감소시킨다.
스텝 모터(1)는 고정자(10), 회전자(20) 및 회전축(30)을 포함한다. 회전축(30)은 스텝 모터(1)의 중심에 구비되어 회전자(20)와 연결되고, 회전축(30)의 회전에 따라 회전자(20)가 회전하게 된다. 회전자(20)는 영구자석을 포함하고 있으며, 고정자(10)의 내부에 구비된다. 이 때, 회전자(20)가 회전축(30)에 의해 회전을 하는 경우, 회전자(20)에 포함된 영구자석과 고정자(10)에 권취된 고정자 권선(13, 15, 17, 19)이 서로 간에 자성을 발생하여 전류를 생성한다.
이 때, 스텝 모터(1)는 1상 여자방식 또는 2상 여자방식을 적용할 수 있다.
따라서, 스텝 모터(1)는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선할 수 있는 고정자(10)를 포함하며, 고정자(10)는 고정자 철심(stator core)(11) 및 복수의 고정자 권선(stator winding)(13, 15, 17, 19)를 포함한다.
고정자 철심(11)은 링 형상으로 형성되고, 링 형상의 내주연으로부터 중심방향으로 신장되는 복수의 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)을 포함한다. 고정자 철심(11)은 복수의 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)을 일정한 각도를 유지하며 형성할 수 있다. 이 때, 복수의 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)의 신장되는 길이는 회전자(30)와 일정한 간격만큼 이격되도록 형성된다.
복수의 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)은 제1 고정자 돌극(11a), 제2 고정자 돌극(11b), 제3 고정자 돌극(11c) 및 제4 고정자 돌극(11d)으로 분류할 수 있으며, 제1 내지 제4 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)은 서로 90의 각도를 유지하며 형성될 수 있다.
또한, 복수의 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)은 도 1과 같이 4개로 한정하지 않는다. 예를 들면, 복수의 고정자 돌극은 6개, 8개, 10개, 12개와 같은 짝수개로 형성된 고정자 돌극 또는 비대칭인 홀수개로 형성된 고정자 돌극을 포함할 수 있다.
복수의 고정자 권선(13, 15, 17, 19)은 각각 제1 내지 제4 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)에 정방향 및 역방향의 이중구조로 권취된다. 바람직하게는, 복수의 고정자 권선(13, 15, 17, 19)은 트위스트(twist) 형상으로 권취가 될 수 있다.
제1 고정자 돌극(11a) 및 제2 고정자 돌극(11b)은 A상의 여자용 권선인 제1 고정자 권선(13)과, 역A상의 여자용 권선인 제2 고정자 권선(15)이 권취된다. 제1 고정자 돌극(11a) 및 제2 고정자 돌극(11b)은 제1 고정자 권선(13)이 제2 고정자 권선(15)보다 회전자(30)와 가깝도록 권취될 수 있다. 또한 제1 고정자 권선(13) 및 제2 고정자 권선(15)은 서로 역방향으로 권취된다.
예를 들면, 제2 고정자 돌극(11b)으로부터 제1 고정자 돌극(11a)을 향하도록 전류가 흐르는 경우, 제1 고정자 권선(13)의 권취 방향은 제1 고정자 돌극(11a)을 N극으로 설정되도록 하고, 제2 고정자 돌극(11b)을 S극으로 설정되도록 한다. 또한 제2 고정자 권선(15)의 권취 방향은 제1 고정자 돌극(11a)을 S극으로 설정되도록 하고, 제2 고정자 돌극(11b)을 N극으로 설정되록 한다.
이 때, 권선이 권취되는 횟수는 제1 고정자 권선(13) 및 제2 고정자 권선(15)이 동일하다. 즉, 정방향 및 역방향에 대한 권취하는 횟수가 동일하다.
제3 고정자 돌극(11c) 및 제4 고정자 돌극(11d)은 B상의 여자용 권선인 제3 고정자 권선(17)과, 역B상의 여자용 권선인 제4 고정자 권선(19)이 권취된다. 제3 고정자 돌극(11c) 및 제4 고정자 돌극(11d)은 제3 고정자 권선(17)이 제4 고정자 권선(19)보다 회전자(30)와 가깝도록 권취될 수 있다. 또한 제3 고정자 권선(17) 및 제4 고정자 권선(19)은 서로 역방향으로 권취된다.
예를 들면, 제4 고정자 돌극(11d)으로부터 제3 고정자 돌극(11c)을 향하도록 전류가 흐르는 경우, 제3 고정자 권선(17)의 권취 방향은 제3 고정자 돌극(11c)을 N극으로 설정되도록 하고, 제4 고정자 돌극(11d)을 S극으로 설정되도록 한다. 또한 제4 고정자 권선(19)이 권취되는 방향은 제3 고정자 돌극(11c)을 S극으로 설정되도록 하고, 제4 고정자 돌극(11d)을 N극으로 설정되도록 한다.
이 때, 권선이 권취되는 횟수는 제3 고정자 권선(17) 및 제4 고정자 권선(19)이 동일하다. 즉, 정방향 및 역방향에 대한 권취하는 횟수가 동일하다.
스텝 모터(1)는 제1 내지 제4 고정자 돌극(11a, 11b, 11c, 11d)에 각각 정방향 및 역방향의 고정자 권선(13, 15, 17, 19)을 권취하여 이중구조의 권선 패턴을 형성한다. 스텝 모터(1)는 고정자 권선(13, 15, 17, 19)의 패턴을 통하여 유니폴라 구동방식 및 바이폴라 구동방식에 상관없이 항상 바이폴라 방식과 동일한 자속성분 패턴을 가진다.
예를 들면, N극이 제1 고정자 돌극(11a)이고, S극이 제2 고정자 돌극(11b)일 경우, 스텝 모터(1)의 유니폴라 구동방식을 적용한 자속패턴은 제1 고정자 돌극(11a)을 기준으로 A상의 플러스 방향 및 역A상의 마이너스 방향과 A상의 마이너스 방향 및 역A상의 플러스 방향이 대칭되도록 형성되고, 제2 고정자 돌극(11b)을 기준으로 A상의 플러스 방향 및 역A상의 마이너스 방향과 A상의 마이너스 방향 및 역A상의 플러스 방향이 대칭되도록 형성되며, 제3 고정자 돌극(11c)을 기준으로 B상의 마이너스 방향 및 역B상의 마이너스 방향과 B상의 플러스 방향 및 역B상의 플러스 방향이 대칭되도록 형성되고, 제4 고정자 돌극(11d)을 기준으로 B상의 마이너스 방향 및 역B상의 마이너스 방향과 B상의 플러스 방향 및 역B상의 플러스 방향이 대칭되도록 형성되어 제1 고정자 돌극(11a)과 제2 고정자 돌극(11b)을 기준으로 두 개의 반원을 이루며 자속이 형성된다.
따라서, 스텝 모터(1)는 유니폴라 구동방식인 경우에도 자속성분 패턴을 대칭적인 구조를 가지게 되므로, 자기적으로 안정된다. 이를 통해 스텝 모터(1)는 진동 및 소음에 우수한 성능을 가진다.
특히, 영구자석 또는 고정자 형상을 회전축 방향으로 비틀지 않고, 고정자 권선의 패턴만을 트위스트로 구성하여 자기적인 비대칭 구조를 대칭적으로 구현함으로써 비용절감의 효과를 가질 수 있다.
도 3은 종래의 일 실시예를 따른 스텝 모터의 바이폴라 구동방식 및 유니폴라 구동방식을 적용한 공극 자속 분포를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예를 따른 스텝 모터의 유니폴라 구동방식을 적용한 공극 자속 분포를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 성능 실험은 10개의 고정자 돌극을 포함하는 동일한 스텝 모터에 고정자의 권선 패턴과 구동방식에 차이를 주어 실험하였다. 제1 성능 실험은 일반적인 권선 패턴에 바이폴라 구동방식을 적용한 실험(도 3(a))이고, 제2 성능 실험은 일반적인 권선 패턴에 유니폴라 구동방식을 적용한 실험(도 3(b))이며, 제3 성능 실험은 본 발명에 따른 권선 패턴에 유니폴라 구동방식을 적용한 실험(도 4)이다.
제1 성능 실험은 대칭을 이루면서 공극 자속 분포를 가지는 반면에 제2 성능 실험은 비대칭한 공극 자속 분포를 가지므로, 회전자에 영향을 미치는 반경 방향 힘이 비대칭적이다. 따라서, 종래의 권선 패턴을 통해서는 유니폴라 구동방식을 적용할 경우 바이폴라 구동방식과 같이 대칭을 이루는 공극 자속 분포를 얻을 수 없다.
하지만 제3 성능 실험을 통하여, 본 발명에 따른 스텝 모터는 유니폴라 구동방식에서도 대칭적인 공극 자속 밀도 특성을 가짐으로써 비대칭 구조를 개선된 것을 증명하였다.
따라서, 본 발명에 따른 스텝 모터는 자기적으로 안정된 구조를 가지므로 진동 및 소음에 대해 우수한 성능을 가진다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
1: 스텝 모터
10: 고정자
11: 고정자 철심
11a: 제1 고정자 돌극
11b: 제2 고정자 돌극
11c: 제3 고정자 돌극
11d: 제4 고정자 돌극
13: 제1 고정자 권선
15: 제2 고정자 권선
17: 제3 고정자 권선
19: 제4 고정자 권선
20: 회전자
30: 회전축

Claims (6)

  1. 링 형상으로 형성되고, 상기 링 형상의 내주연으로부터 중심방향으로 신장되는 복수의 고정자 돌극이 포함되는 고정자 철심; 및
    상기 복수의 고정자 돌극에 각각 정방향 및 역방향으로 권취하는 복수의 고정자 권선;을 포함하되,
    상기 복수의 고정자 권선은,
    A상의 여자용 권선으로 이루어진 제1 고정자 권선;
    역A상의 여자용 권선으로 이루어진 제2 고정자 권선;
    B상의 여자용 권선으로 이루어진 제3 고정자 권선; 및
    역B상의 여자용 권선으로 이루어진 제4 고정자 권선;을 포함하고,
    상기 제1 고정자 권선 및 제2 고정자 권선은 서로 역방향으로 겹치지 않게 권취되고, 상기 제1 고정자 권선이 상기 제2 고정자 권선보다 상기 링 형상의 내부에 구비되는 회전자와 가깝도록 고정자 돌극에 권취되며,
    상기 제3 고정자 권선 및 제4 고정자 권선은 서로 역방향으로 겹치지 않게 권취되고, 상기 제3 고정자 권선이 상기 제4 고정자 권선보다 상기 회전자와 가깝도록 고정자 돌극에 권취되는 것을 특징으로 하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 고정자 권선은,
    상기 정방향 및 역방향을 트위스트(twist) 형상으로 권취되는 것을 특징으로 하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 고정자 권선은,
    상기 정방향 및 역방향에 대한 권취되는 횟수를 동일하게 하는 것을 특징으로 하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자.
  4. 회전축과 연결되고, 영구자석을 포함하는 회전자; 및
    링 형상으로 형성되고, 상기 링 형상의 내부에 상기 회전자를 구비하는 고정자;를 포함하되,
    상기 고정자는,
    상기 링 형상의 내주연으로부터 중심방향으로 신장되는 복수의 고정자 돌극이 포함되는 고정자 철심; 및
    상기 복수의 고정자 돌극에 각각 정방향 및 역방향으로 권취되는 복수의 고정자 권선;을 포함하고,
    상기 복수의 고정자 권선은,
    A상의 여자용 권선으로 이루어진 제1 고정자 권선;
    역A상의 여자용 권선으로 이루어진 제2 고정자 권선;
    B상의 여자용 권선으로 이루어진 제3 고정자 권선; 및
    역B상의 여자용 권선으로 이루어진 제4 고정자 권선;을 포함하며,
    상기 제1 고정자 권선 및 제2 고정자 권선은 서로 역방향으로 겹치지 않게 권취되고, 상기 제1 고정자 권선이 상기 제2 고정자 권선보다 상기 링 형상의 내부에 구비되는 회전자와 가깝도록 고정자 돌극에 권취되며,
    상기 제3 고정자 권선 및 제4 고정자 권선은 서로 역방향으로 겹치지 않게 권취되고, 상기 제3 고정자 권선이 상기 제4 고정자 권선보다 상기 회전자와 가깝도록 고정자 돌극에 권취되는 것을 특징으로 하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자를 포함하는 스텝 모터.
  5. 제 4항에 있어서,
    1상 여자방식 또는 2상 여자방식을 적용하는 것을 특징으로 하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자를 포함하는 스텝 모터.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 회전자 및 고정자의 반경 방향 힘(radial force)을 감소하는 것을 특징으로 하는 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자를 포함하는 스텝 모터.
KR1020150147819A 2015-10-23 2015-10-23 유니폴라 구동방식에서 자속밀도의 비대칭성을 개선한 고정자 및 이를 포함하는 스텝 모터 KR102207482B1 (ko)

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