KR102464334B1 - 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기 - Google Patents

위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기 Download PDF

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KR102464334B1
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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기는 회전축을 관통하여 결합되도록 형성된 레졸버, 레졸버를 내측에 결합하고 교류전원이 인가되도록 1차측 권선이 구비되는 고정부, 고정부와 이격되도록 회전축에 관통 결합되며 1차측 권선에 기초하여 유기전압이 형성되도록 2차측 권선이 구비되는 회전부, 회전부에서 형성되는 유기전압을 직류로 변환하는 정류기를 포함한다.

Description

위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기{POSITION SENSOR INTEGRATED BRUSHLESS EXCITATION FIELD WINDING MOTOR}
본 발명은 계자 권선 전동기에 대한 것으로써, 구체적으로는 계자권선용 모터의 슬립링 및 브러쉬 구조를 대체하고, 위치 센서를 일체화한 로터리 트랜스포머를 적용한 브러쉬리스 계자 권선 전동기에 관한 것이다.
계자권선형 모터의 로터에는 자속을 발생하기 위해 코일이 감겨져 있고 전류를 인가 위해 브러쉬 및 슬립링이 모터 하우징 외부에 구비되어 있다. 슬립링 및 브러쉬는 로터 권선에 전류를 인가하기 위해 항상 기계적인 접촉을 하고 있다.
다만, 슬립링의 면적 대비, 전류 인가를 위한 슬립링 및 브러쉬의 접촉면적이 작다. 또한, 고전류 입력시 접촉저항이 증가하여 발열 및 손실이 발생한다.
또한, 초기 모터 작동시 문제는 없으나, 시간이 지날수록 기계적인 접촉으로 인해 접촉면이 마찰 및 마모가 발생한다. 이러한 마찰 및 마모는 금속가루 등의 이물질이 생겨나 모터에 수명에 영향을 줄 수 있고, 스파크 등이 발생할 수 있어 안전성에 문제가 발생할 수 있다.
또한, 요구되는 접촉면적을 확보하기 위해 접촉 면적이 넓어지고 이는 슬립링의 축방향 길이 증가로 인해 사이즈가 커지고 있다.
최근에는 슬립링 및 브로쉬를 리졸버 스테이터 및 리졸버 로터로 대체하여 문제를 해결하고 있다.
다만, 리졸버 로터의 두께가 일정하지 않아 로터 조립시 압입 면적이 불균일하여 제작성 및 조립성에 문제가 발생하거나, 리졸버 로터의 외경이 상대적으로 증대하여 고속 회전시 관성 증가로 인한 회전 불안정이 발생할 수도 있다.
또한, 기존 리졸버에서는 열이 상당히 발생하는데 열을 외부로 방출하는 방열 구조가 없다.
하기 선행문헌은 회전자에 삽입되는 영구자석의 형상변화를 통해 유도전압의 파형이 정현파에 가깝게 되어 효율이 향상되고 진동 및 소음이 저감되는 브러쉬리스 직류 모터에 관한 것으로서 중공이 형성된 고정자, 중공내 회전가능하게 설치되는 회전자. 회전자 외주면을 따라 돌출되게 형성된 마그네트에 관련된 기술이 개시되어 있으며, 본 발명의 기술적 요지는 포함하고 있지 않다.
대한민국특허공개공보 10-2007-0071405
본 발명의 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기는 다음과 같은 해결과제를 목적으로 한다.
첫째, 종래의 슬립링과 브러쉬에 의하여 발생되는 접촉 저항 증가, 사이즈 증가를 해결한 전동기를 제공하고자 한다.
둘째, 열 방출이 용이한 회전변압기가 설치된 전동기를 제공하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정하지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기는 회전축을 관통하여 결합되도록 형성된 레졸버, 레졸버를 내측에 결합하고 교류전원이 인가되도록 1차측 권선이 구비되는 고정부, 고정부와 이격되도록 회전축에 관통 결합되며 1차측 권선에 기초하여 유기전압이 형성되도록 2차측 권선이 구비되는 회전부, 회전부에서 형성되는 유기전압을 직류로 변환하는 정류기를 포함한다.
고정부는 링 형상이며, 1차측 권선을 수용할 수 있게 회전축의 일측방향으로 제1수용홈이 형성된 1차측 컨덕터, 1차측 컨덕터를 수용하도록 1차측 컨덕터의 형상에 대응하는 제2수용홈이 형성된 1차측 프레임를 포함한다.
제1수용홈에 몰딩재가 도포된다.
회전부는 링 형상이며, 2차측 권선을 수용할 수 있도록 회전축의 타측방향으로 제3수용홈이 형성된 2차측 컨덕터, 2차측 컨덕터를 수용하도록 2차측 컨덕터의 형상에 대응하는 제4수용홈이 형성된 2차측 프레임을 포함한다.
회전부는 2차측 권선의 이탈을 방지하도록 제4수용홈을 덮을 수 있게 형성된 고정 보빈을 더 포함한다.
회전부 내측에 구비되고 회전축에 관통 부착되도록 형성된 회전팬을 더 포함하고, 회전부에는 제1통풍구가 회전축방향으로 관통 형성되고 고정부에는 제2통풍구가 회전축방향으로 관통 형성된다.
회전팬이 회전축 방향으로 이탈되는 것을 방지하는 회전팬링을 더 포함한다.
레졸버는 고정자 내측에 부착되는 레졸버 스테이터, 레졸버 스테이터 내측에 이격되어 회전축에 관통결합되도록 형성된 레졸버 로터를 포함한다.
레졸버는 레졸버 스테이터가 회전축방향으로 이탈되는 것을 방지하는 스테이터링, 레졸버 로터가 회전축방향으로 이탈되는 것을 방지하는 로터링을 더 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기는 종래의 슬립링 및 브러쉬를 대신하여 회전변압기를 구비함으로써 슬립링 및 브러쉬에서 발생하는 접촉 저항을 저감시키고, 사이즈를 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 통풍구를 구비하고 있어 권선에서 발생하는 열을 외부로 방출할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당해 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가 진자가 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기를 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 고정부 및 회전부를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 회전부, 고정부 및 레졸버를 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 회전부 및 고정부 각가의 프레임 및 코어를 나타내는 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 회전부 및 고정부를 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 회전부 및 고정부에 형성된 자속을 나타내는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 회전팬을 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 제1통풍구를 나타내는 사시도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 제2통풍구를 나타내는 사시도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 통풍로를 나타내는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 레졸버를 나타내는 사시도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하겠다. 첨부한 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부되 도면에 의해 본 발명의 사항이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기는 레졸버(40), 고정부(10), 회전부(20), 정류기(50), 로터, 스테이터를 포함한다.
레졸버(40)는 회전축(25)에 관통하여 결합되도록 형성된다. 레졸버(40)에 일정한 크기 및 일정한 주파수의 전압이 인가되면 레졸버(40)는 레졸버 로터(24)의 위치에 대한 사인 함수와 코사인 함수로 진폭 변조된 신호를 컨버터(301)로 출력한다. 이후 컨버터(301)는 레졸버 로터(24)의 위치를 계산한다. 이러한 레졸버 로터(24)의 위치 계산으로 로터의 위치를 감지할 수 있다.
고정부(10)는 레졸버(40)를 내측에 결합하고 교류전원이 인가되도록 1차측 권선(13)이 구비된다.
회전부(20)는 고정부(10)와 회전축(25)의 방향으로 이격되도록 회전축(25)에 관통 결합되며 1차측 권선(13)에 기초하여 유기전압이 형성되도록 2차측 권선(23)이 구비된다.
정류기(50)는 회전부(20)에서 형성되는 유기전압을 직류로 변환한다.
따라서, 고정부(10)의 1차측 권선(13)에 전원을 인가하면 회전부(20)의 2차측 권선(23)에 전압이 유도된다.
이후, 2차측 권선(23)에 유도된 전압은 정류기(50)를 통과하고 직류로 변환되어 로터의 권선(123)에 인가되고 로터의 코어(122)에 자속이 형성된다.
스테이터는 스테이터 권선(113) 및 스테이터 코어를 포함하고 로터는 로터권선 및 로터코어를 포함한다. 로터와 로터 권선(123)은 스테이터내에서 회전하여 스테이터 권선(113)에 기전력을 유기시킨다.
이처럼 회전부와 고정부 내부에 레졸버를 설치하여 종래 대비 전동기의 회전축(25)방향 길이가 줄어든다.
또한, 회전부(20)와 고정부(10)의 회전축(25) 방향을 기준으로 외경 크기가 같고 종래 대비 회전부(20)의 외경이 작아 관성이 줄어들어 고속 회전시 회전 불안정이 줄어든다.
도 3, 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 고정부(10)는 1차측 컨덕터(12), 1차측 프레임(11)을 포함할 수 있다.
1차측 컨덕터(12)는 링 형상으로 1차측 권선(13)을 수용할 수 있게 회전축(25)의 일측방향으로 제1수용홈(53)이 형성된다.
1차측 프레임(11)은 1차측 컨덕터(12)를 수용하여 보호할 수 있게 1차측 컨덕터(12)의 형상에 대응하도록 제2수용홈(54)이 형성된다.
또한, 1차측 컨덕터(12) 내부에 수용된 1차측 권선(13)이 고정되도록 상기 1차측 컨덕터(12)의 제1수용홈(53)에 몰딩재가 도포될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 회전부(20)는 2차측 컨덕터(22), 2차측 프레임(21)을 포함할 수 있다.
2차측 컨덕터(22)는 링 형상으로 2차측 권선(23)을 수용할 수 있게 회전축(25)의 타측방향으로 제3수용홈(55)이 형성된다.
2차측 프레임(21)은 2차측 컨덕터(22)를 수용하여 보호할 수 있게 2차측 컨덕터(22)의 형상에 대응하도록 제4수용홈(56)이 형성된다.
또한, 2차측 권선(23)의 이탈을 방지하도록 제4수용홈(56)을 덮을 수 있게 형성된 고정 보빈(29)을 더 포함할 수 있다.
또한, 2차측 프레임(21)에 압입하여 조립할 수 있도록 고정 보빈(29) 및 2차측 프레임(21)에 서로 대응되는 단차 형상이 형성될 수 있다.
결국, 도 6에 도시된 바와 같이 1차측 권선(13)에 교류전원을 인가하면 자속이 자성체인 1차측 컨덕터(12)에 발생하고 이러한 자속(도 6 화살표 방향)은 1차측 프레임(11)과 2차측 프레임(21)의 이격 거리를 통과하여 2차측 컨덕터(22)에 형성된다. 2차측 컨덕터(22)에 형성된 자속은 2차측 권선(23)에 유기전압을 발생시키며 유기전압은 정류기(50)에 들어가 직류로 변환된다. 이러한 고정부(10)와 회전부(20)는 정지상태의 변압기 기능과 동일한 회전변압기의 역할을 한다.
한편, 1차측 컨덕터(12) 및 2차측 컨덕터(22)는 전기강판 적층 또는 SMC(Soft Magnetic Composite)를 소결하여 제작할 수 있다. 전기강판이 적용되는 경우, 1차측 권선(13) 및 2차측 권선(23)을 먼저 감은 후 각각 1차측 프레임(11) 및 2차측 프레임(21)에 조립할 수 있다.
SMC의 경우는 1차측 프레임(11) 및 2차측 프레임(21)에 사출성형하여 1차측 권선(13) 및 2차측 권선(23)을 감아 조립할 수 있다.
이외에도 1차측 컨덕터 및 2차척 컨덕터의 재질은 성능 또는 환경 요구사항에 맞게 변경할 수 있다.
또한, 1차측 프레임(11), 2차측 프레임(21) 및 고정 보빈(29)은 레졸버(40)에 자속이 들어가는 것을 방지하기 위해 반자성체인 알루미늄 등으로 제작할 수 있다.
도 7, 도 8 및 도9에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기는 회전팬(26)을 더 포함하고, 제1통풍구(51) 및 제2통풍구(52)가 형성될 수 있다.
회전팬(26)은 회전부(20) 내측에 구비되고 회전축(25)에 관통 부착되도록 형성된다.
또한, 회전부(20)에는 제1통풍구(51)가 회전축(25) 방향으로 관통 형성되고, 고정부(10)에는 제2통풍구(52)가 회전축(25) 방향으로 관통 형성될 수 있다.
즉, 제1통풍구(51)는 2차측 프레임(21)에 형성되고, 제2통풍구(52)는 1차측 프레임(11)에 형성된다. 사용환경에 따라 제1통풍구(51) 및 제2통풍구(52)는 다수개로 형성될 수 있다.
또한, 제1통풍구(51)와 제2통풍구(52)에 의하여 고정부(10) 및 회전부(20)의 무게가 감소된다.
이러한 회전팬(26), 제1통풍구(51) 및 제2통풍구(52)는 회전부(20), 고정부(10) 레졸버(40), 정류기(50) 등 본 발명의 전동기에서 발생하는 열을 외부로 방출한다.
결국 도 10에 도시된 바와 같이, 열이 회전팬(26)에 의하여 제1통풍구로 들어오게 되면 고정부(10)와 회전부(20)가 이격된 공간 및 제2통풍구(52)를 통하여 외부로 토출된다.
또한, 이러한 구조는 본 발명 전동기 내부의 먼지를 외부로 토출할 수 있다.
또한, 회전팬(26)이 상기 회전축(25) 방향으로 이탈되는 것을 방지하는 회전팬링(27)을 포함할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 레졸버(40)는 레졸버 스테이터(14), 레졸버 로터(24)를 포함할 수 있다.
레졸버 스테이터(14)는 고정부(10) 내측에 부착되고, 레졸버 로터(24)는 레졸버 스테이터(14) 내측에 이격되어 상기 회전축(25)에 관통결합되도록 형성된다.
또한, 레졸버 스테이터(14)가 상기 회전축(25) 방향으로 이탈되는 것을 방지하는 스테이터링(15), 레졸버 로터(24)가 회전축(25) 방향으로 이탈되는 것을 방지하는 로터링을 더 포함할 수 있다.
레졸버가 제작되는 환경에 따라 로터링 대신 Lock Nut으로 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자 방식의 계자 권선 전동기의 고정부(10)와 회전부(20)가 모터 리어베어링 끝단에 설치될 경우, 회전축(25) 끝단에 모멘트가 발생해 강성이 불리한 경우가 발생할 수 있으므로 1차측 프레임(11)과 회전축(25)사이 공간(60)에 모터 리어베이링이 구비될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 실시 예와 첨부된 도면은 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서 본 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것이 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위내에서 당해 기술분야에 있어서의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10 : 고정부 11 : 1차측 프레임
12 : 1차측 컨덕터 13 : 1차측 권선
14 : 레졸버 스테이터 15 : 스테이터링
16 : 몰딩재 20 : 회전부
21 : 2차측 프레임 22 : 2차측 컨덕터
23 : 2차측 권선 24 : 레졸버 로터
25 : 회전축 26 : 회전팬
27 : 회전팬링 28 : 로터링
29 : 고정 보빈 40 : 레졸버
50 : 정류기 51 : 제1통풍구
52 : 제2통풍구 53 : 제1수용홈
54 : 제2수용홈 55 : 제3수용홈
56 : 제4수용홈 60 : 공간
100 : 전동기 112 : 스테이터코어
113 : 스테이터권선 122 : 로터 코어
123 : 로터 권선 301 : 컨버터

Claims (9)

  1. 회전축을 관통하여 결합되도록 형성된 레졸버;
    상기 레졸버를 내측에 결합하고 교류전원이 인가되도록 1차측 권선이 구비되는 고정부;
    상기 고정부와 상기 회전축의 방향으로 이격되도록 상기 회전축에 관통 결합되며 상기 1차측 권선에 기초하여 유기전압이 형성되도록 2차측 권선이 구비되는 회전부; 및
    상기 회전부에서 형성되는 유기전압을 직류로 변환하는 정류기를 포함하고,
    상기 레졸버는
    상기 고정부의 내측에 부착되는 레졸버 스테이터; 및
    상기 레졸버 스테이터 내측에 이격되어 상기 회전축에 관통결합되도록 형성된 레졸버 로터를 포함하는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 고정부는
    링 형상이며, 상기 1차측 권선을 수용할 수 있게 회전축의 일측방향으로 제1수용홈이 형성된 1차측 컨덕터; 및
    상기 1차측 컨덕터를 수용하도록 보호할 수 있게 상기 1차측 컨덕터의 형상에 대응하는 제2수용홈이 형성된 1차측 프레임을 포함하는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제1수용홈에 몰딩재가 도포되는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 회전부는
    링 형상이며, 상기 2차측 권선을 수용하도록 상기 회전축의 타측방향으로 제3수용홈이 형성된 2차측 컨덕터; 및
    상기 2차측 컨덕터를 수용하도록 상기 2차측 컨덕터의 형상에 대응하는 제4수용홈이 형성된 2차측 프레임을 포함하는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회전부는
    상기 2차측 권선의 이탈을 방지하도록 상기 제4수용홈을 덮을 수 있게 형성된 고정 보빈을 더 포함하는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 회전부의 내측에 구비되고 상기 회전축에 관통 부착되도록 형성된 회전팬을 더 포함하고,
    상기 회전부에는 제1통풍구가 상기 회전축의 방향으로 관통 형성되고,
    상기 고정부에는 제2통풍구가 상기 회전축의 방향으로 관통 형성되는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 회전팬이 상기 회전축의 방향으로 이탈되는 것을 방지하는 회전팬링을 더 포함하는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
  8. 삭제
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 레졸버는
    상기 레졸버 스테이터가 상기 회전축의 방향으로 이탈되는 것을 방지하는 스테이터링; 및
    상기 레졸버 로터가 상기 회전축의 방향으로 이탈되는 것을 방지하는 로터링을 더 포함하는, 위치센서 일체형 브러쉬리스 여자방식의 계자 권선 전동기.
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