KR102571343B1 - Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator - Google Patents

Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator Download PDF

Info

Publication number
KR102571343B1
KR102571343B1 KR1020230048807A KR20230048807A KR102571343B1 KR 102571343 B1 KR102571343 B1 KR 102571343B1 KR 1020230048807 A KR1020230048807 A KR 1020230048807A KR 20230048807 A KR20230048807 A KR 20230048807A KR 102571343 B1 KR102571343 B1 KR 102571343B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
rotor
motor
magnetic field
stator
permanent magnet
Prior art date
Application number
KR1020230048807A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
이상민
Original Assignee
이상민
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 이상민 filed Critical 이상민
Priority to KR1020230048807A priority Critical patent/KR102571343B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102571343B1 publication Critical patent/KR102571343B1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/30Structural association with control circuits or drive circuits
    • H02K11/33Drive circuits, e.g. power electronics
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/12DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having excitation produced by current sources independent of the armature circuit
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P25/00Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details
    • H02P25/02Arrangements or methods for the control of AC motors characterised by the kind of AC motor or by structural details characterised by the kind of motor
    • H02P25/022Synchronous motors
    • H02P25/03Synchronous motors with brushless excitation
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64Electric machine technologies in electromobility

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

영구자석을 회전자에, 전기자 코일을 고정자에 배치한 브러시리스(Brushless) 방식의 직류전동기에 있어서,
상기 영구자석은 회전축을 기준으로 대칭구조로 극성방향이 동일하게, 원주면을 따라 회전방향 또는 축방향 중 일방향으로 선택적으로 배열되어, 동일한 회전방향 또는 축방향으로 각각 분할된 자기장을 형성시키며,
상기 전기자 코일은 상기 영구자석 수의 2xN배수(N=자연수)로 구비하고, 상기 원주면을 따라 영구자석과 반대구조의 회전방향 또는 축방향 구조로 하여 직류전원 인가시 동일한 회전방향 또는 축방향으로 각각 분할된 자기장을 형성시킬수 있도록 회전축을 중심으로 대칭 배열되며,
상기 전기자코일에 전원을 인가하여 공극주위에 발생하는 대칭 분할된 고정자 자계와 회전자 자계 상호간에 발생되는 흡인력과 반발력을 이용하여 상기 회전자를 회전시키는 것을 특징으로 하는 무정류(commutation-less) 직류전동기
In a brushless DC motor in which a permanent magnet is disposed in a rotor and an armature coil is disposed in a stator,
The permanent magnets are selectively arranged in one direction of the rotational direction or the axial direction along the circumferential surface with the same polarity direction in a symmetrical structure with respect to the rotation axis to form a magnetic field divided respectively in the same rotational direction or axial direction,
The armature coil is provided in a 2xN multiple (N = natural number) of the number of permanent magnets, and has a rotational or axial structure opposite to the permanent magnet along the circumferential surface, so that when DC power is applied, the same rotational direction or axial direction Arranged symmetrically around the axis of rotation so that each divided magnetic field can be formed,
A commutation-less direct current characterized by applying power to the armature coil to rotate the rotor by using the attractive force and the repulsive force generated between the symmetrically divided stator magnetic field and the rotor magnetic field generated around the air gap electric motor

Description

공극주위에 원주면을 따라 대칭 분할된 동일방향의 회전방향 자계와 축방향 자계를 생성시키는 구조와 이를 활용한 무정류 직류전동기 {Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator}A structure that generates a rotational magnetic field and an axial magnetic field in the same direction symmetrically divided along the circumferential surface around the air gap, and a commutation-less DC motor using the same {Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator}

본 발명은 직류전동기에 관한 것으로서 구조는 직류 발전기와 같다. 계자 권선에 의해 발생한 자속과 전기자 권선에 전류가 흐르면서 생기는 자속에 의해 반발력과 흡인력에 의한 회전력이 발생하며, 이때 회전 방향은 플레밍의 왼손 법칙을 따른다. The present invention relates to a DC motor and has the same structure as a DC generator. The magnetic flux generated by the field winding and the magnetic flux generated by the flow of current in the armature winding generate rotational force due to repulsive force and attractive force, and the direction of rotation at this time follows Fleming's left-hand rule.

직류전동기는 여자방식에 따라 타여자식과 자여자식, 그리고 자여자식은 전기자코일과 계자코일의 접속방법에 따라 직권식, 분권식 및 복권식으로 구분할 수 있다. DC motors can be divided into direct winding type, shunt winding type and lottery winding type according to the excitation method, and self excitation type according to the method of connecting the armature coil and the field coil.

본 발명은 자석(영구자석 또는 전자석)을 활용하여 일정한 자기장을 제공하는 계자와 전류가 흐르는 전기자코일로 구성되고, 전기자코일을 고정자로 계자를 회전자로 구비한 직류전동기에서 자석(영구자석 또는 전자석)이 한 몸체에 N극과 S극을 동시에 가지는 쌍극자 구조, 자력선이 N극에서 S극으로 회귀하는 특성, N극과 S극간 발생하는 흡인력과 반발력, 자기저항이 적은 곳으로 자력선이 흐르는 자기릴럭턴스 특성 그리고 전원을 인가하면 자석의 성질을 가지는 솔레노이드형 코일(이하 코일)의 특성을 이용하여, 공극주위에서 회전자에 영구자석을 원주면을 따라 동일한 회전방향의 자계를 생성시키도록 자석을 배치(이하 회전방향) 또는 원주면을 따라 동일한 축 방향의 자계(이하 축방향)를 생성시키도록 배치하고, 상대측 고정자에는 회전자와 반대되는 배열구조로 하여 서로 대응하는 회전방향 자계 또는 축방향 자계를 생성시키도록 코일을 배치한다. The present invention consists of a field providing a constant magnetic field using a magnet (permanent magnet or electromagnet) and an armature coil through which current flows, and in a DC motor having an armature coil as a stator and a field as a rotor, magnets (permanent magnets or electromagnets) ) has a dipole structure that has N and S poles in one body at the same time, the characteristics of magnetic force lines returning from N pole to S pole, attraction and repulsion generated between N and S poles, and magnetic force lines flowing where magnetic resistance is low By using magnetic reluctance characteristics and characteristics of a solenoid-type coil (hereinafter referred to as a coil) that has properties of a magnet when power is applied, a permanent magnet is placed around the air gap in the rotor to generate a magnetic field in the same rotational direction along the circumferential surface of the magnet. Arrange (hereinafter referred to as rotational direction) or arranged to generate a magnetic field in the same axial direction (hereinafter referred to as axial direction) along the circumferential surface, and the stator on the other side has an arrangement structure opposite to the rotor, so that the rotational direction magnetic field or axial direction corresponding to each other Arrange the coils to create a magnetic field.

여기서 전기자에 직류전원을 인가하면 고정자코일이 전자석이 되어 회전자와 고정자가 생성하는 자계간에 공극주위에서 흡인력과 반발력이 생기고, 이를 이용하여 회전력(Torque)을 얻어 구동시키는 구조의 무정류(commutation-less) 직류전동기에 관한 것이다.Here, when DC power is applied to the armature, the stator coil becomes an electromagnet, and attraction and repulsion are generated around the gap between the magnetic field generated by the rotor and the stator. less) about DC motors.

직류전동기란 외부에서 직류전원을 공급받아 역학적 일(work)을 하는 장치로 보통 브러시(Brush)가 존재하지만, 브러시(Brush)가 없는 브러시리스(Brushless) DC 모터 줄여서 BLDC 모터도 있다. A DC motor is a device that receives DC power from the outside and performs mechanical work. It usually has a brush, but there is also a BLDC motor for short, a brushless DC motor without a brush.

상기 직류전동기별 작동방식은 상이하나 공히 일정한 자기장을 제공하는 계자와 이러한 자기장 하에서 전류가 흐르는 도체인 전기자를 고정자와 회전자로 구비하여 배치하고, 직류전원을 전기자에 인가하여 발생하는 자기장이 계자에서 제공하는 자기장과 상호작용을 하여 생기는 반발력과 흡인력을 이용하여 회전력을 얻는 구조의 전동기이다. Although the operation method for each DC motor is different, a field providing a constant magnetic field and an armature, which is a conductor through which current flows under this magnetic field, are provided as a stator and a rotor, and the magnetic field generated by applying DC power to the armature is disposed in the field. It is a motor with a structure that obtains rotational force by using the repulsive force and the attractive force generated by interaction with the provided magnetic field.

이때 일정한 위치에서 전기자에서 발생하는 자기장의 방향을 반전시키면서 연속회전을 하는 구조의 전동기인데, 이러한 전기자의 극성을 반전시키는 자기장을 만들기 위해 전기자에 전류의 방향을 반전(commutation)시키면서 공급한다.At this time, it is a motor with a structure that continuously rotates while reversing the direction of the magnetic field generated from the armature at a certain position.

전류방향을 반전시키기 위해 브러시(Brush)전동기에서는 브러시(Brush)와 정류자(commutator)를 사용하여 기계적으로 전류의 방향을 변환시키고, BLDC 모터는 인버터를 사용하여 전자적으로 전류의 방향을 변환시켜서 사용할 수 있다.In order to reverse the direction of current, a brush motor uses a brush and a commutator to mechanically change the direction of current, while a BLDC motor uses an inverter to electronically change the direction of current. there is.

이와 같이 통칭 직류전동기로 칭하여 사용하고 있으나 전동기 시스템 내에서는 N극/S극 자기장의 반전을 위해 전기자에 공급되는 전류방향이 수시로 반전되는 교류 형태의 전류가 사용되고 있다. 이러한 전류의 방향을 바꾸는 정류과정에서 Brush Type 에서는 잡음. 분진, 불꽃, 고조파 발생, 마모, 출력 저하 등 많은 문제가 발생하고 BLDC 전동기에서는 구형파 전류사용으로 소음, 코깅 토크 리플이 발생하고 전기각 120도의 비대칭 자기장을 사용하는 관계로 구조상 고출력과 고토크 용도로는 사용이 제한적인 문제를 가지고 있는 실정이다.In this way, it is commonly referred to as a DC motor, but in the motor system, an alternating current in which the direction of the current supplied to the armature is frequently reversed is used to reverse the N-pole/S-pole magnetic field. In the rectification process of changing the direction of this current, in the brush type Noise. Many problems such as dust, flame, harmonic generation, wear, and output degradation occur, and in BLDC motors, noise and cogging torque ripple occur due to the use of square wave current, and an asymmetric magnetic field with an electrical angle of 120 degrees is used. has a limited use problem.

한편 환경보호 및 에너지의 효율적 이용을 위해 전기자동차, 로봇, 드론, UAM, 전기자전거 등 전기구동 모빌리티 산업이 급격하게 성장하고 있다. 이러한 모빌리티 산업은 에너지원으로 독립된 배터리 직류전원을 사용하기 때문에 구동을 위해 기동토크가 높고 속도조정이 용이한 직류전동기를 사용하여야 하나 상기와 같은 문제점으로 인해 고성능의 구동전동기를 필요로 하는 곳에서는 직류전원을 인버터를 사용하여 교류전원으로 변환시켜 교류전동기인 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor), 유도전동기(Induction Motor) 구조의 값비싼 전동기로 만들어 사용하고 있다.Meanwhile, for environmental protection and efficient use of energy, electric vehicles, robots, drones, UAMs, and electric bicycles are growing rapidly. Since this mobility industry uses an independent battery DC power source as an energy source, a DC motor with high starting torque and easy speed adjustment must be used for driving. Power is converted into AC power using an inverter, and AC motors such as PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) and induction motors are used to make expensive motors.

특히 고출력, 고토크, 속도제어를 필요로 하는 전기자동차, 대형드론, UAM 등에 전력손실과 주파수, 역율, 위상 불균형 등 상대적으로 어려운 제어에도 불구하고, 상기와 같이 변형된 형태의 전동기를 사용하고 있는 실정이다. In particular, despite relatively difficult control such as power loss, frequency, power factor, and phase imbalance in electric vehicles, large drones, and UAMs that require high power, high torque, and speed control, the above-described modified type of motor is used. The situation is.

상기 기술한 바와 같이 직류 전동기의 정류과정에서 생기는 제반 문제와 전동기 구조에 기인하는 출력, 효율, 비용면에서의 여러가지 문제점을 해결하기 위해 종래에는 아래와 같은 기술이 제안되었으나, 여전히 이러한 문제점들이 일거에 해결되지 못하고 있는 실정이다.As described above, the following techniques have been proposed in the past to solve various problems in the commutation process of DC motors and various problems in terms of output, efficiency, and cost due to the structure of the motor, but these problems are still solved at once. It is currently not possible.

대한민국 등록특허공보 제2189243호(2020. 12. 03)가 등록된바 있다.Republic of Korea Patent Registration No. 2189243 (2020. 12. 03) has been registered. 대한민국 등록특허공보 제0635640호(2006. 10. 11)가 등록된바 있다.Republic of Korea Patent Registration No. 0635640 (2006. 10. 11) has been registered.

본 발명은 상기와 같은 종래 직류전동기의 문제점을 해소하기 위하여 개발된 것으로, The present invention was developed to solve the problems of the conventional DC motor as described above,

본 발명의 제1 목적은 직류전동기의 가장 큰 단점인 브러시와 정류자를 사용하여 기계적으로 또는 BLDC에서 인버터를 사용하여 전자적으로 전기자에 전류의 방향을 전환(commutation) 해주는 정류과정에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해, 브러시리스 방식의 무정류(commutation-less) 직류전동기를 구현하는 것이고,The first object of the present invention is to solve all the problems that occur in the commutation process of electronically converting the direction of current to the armature using an inverter in BLDC or mechanically using brushes and commutators, which are the biggest disadvantages of DC motors. To solve this, it is to implement a brushless commutation-less DC motor,

제2 목적은 고효율, 고출력, 속도제어 등을 요하는 전기자동차 등 전기구동 모빌리티에 직류를 인버터를 사용하여 교류로 전환하여 교류전동기인 PMSM(Permanent Magnet Synchronous Motor), 유도전동기(Induction Motor) 구조로 변환시켜 사용하는 고가의 전동기를 대신하여, 교류로 변환하지 않고 직류만으로 고효율, 고출력, 속도제어가 가능한 Inverter-less 방식의 보다 단순한 구조의 경쟁력 있는 직류전동기를 구현하는 것이고,The second purpose is to convert direct current into alternating current using an inverter for electric drive mobility such as electric vehicles that require high efficiency, high output, and speed control, and use an AC motor PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor) and induction motor structure. It is to implement a competitive DC motor with a simpler structure of an inverter-less method that can control high efficiency, high output, and speed only with direct current without converting to alternating current instead of expensive motors that are converted to alternating current.

제3 목적은 회전계자에 사용하는 영구자석을 슬립링 등 적절한 구조의 전원공급장치를 통해 전자석으로 대치하여 희토류 자원 문제가 없는 Magnet-Free 구조의 친환경 직류전동기를 구현하는 것이고,The third purpose is to replace the permanent magnet used in the rotating field with an electromagnet through a power supply device with an appropriate structure such as a slip ring to realize an eco-friendly DC motor with a magnet-free structure without problems with rare earth resources,

제4 목적은 제3 목적하에서 슬립링과 같은 직류전원 공급장치 대신에 전원부에 쵸파회로를 구비해서 맥동(Pulse wave) 직류를 만들어 전자유도 코일을 통한 전자유도 방식으로 전력을 공급해주는 무선 전원공급 방식의 Magnet-Free 구조의 직류전동기를 구현하는 것이고,The fourth purpose is to provide a chopper circuit in the power supply unit instead of a DC power supply device such as a slip ring under the third purpose to create pulse wave direct current and supply power by electromagnetic induction method through an electromagnetic induction coil. A wireless power supply method It is to implement a DC motor of Magnet-Free structure of

제5 목적은 상용 교류전원을 사용하는 교류전동기에서도 고출력, 고효율, 속도제어를 위해 상용 교류전원을 직류로 전환하고, 고가의 인버터를 이용하여 다시 3상 교류전원으로 재전환하는 교류전동기를 만들어 사용하고 있는 실정인데, 고가의 인버터 사용 없이도 상기와 같은 직류전동기를 접목하여 보다 단순하면서도 고출력, 고효율, 속도제어가 가능한 경쟁력 있는 교류전동기를 구현하는 것이다.The fifth purpose is to make and use an AC motor that converts commercial AC power into DC for high output, high efficiency, and speed control even in an AC motor using commercial AC power, and converts it back to 3-phase AC power using an expensive inverter. The current situation is to implement a competitive AC motor that is simple, high-power, high-efficiency, and capable of speed control by grafting the DC motor as described above without using an expensive inverter.

기존의 직류전동기의 많은 문제점 중의 하나가 정류(commutation) 과정을 필요로 하는데서 발생하는데, 종래의 직류전동기 구조가 고정자에서 발생시킨 자기장이 회전자를 통과하여 회전자축을 기준으로 좌.우로 N극과 S극이 존재하는 구조이므로, 회전자의 일정한 극성의 자기장과 상호작용을 하면서 연속회전을 시키기 위해서는 전기자의 자기장 극성을 브러시(Brush) 모터에서는 전기각 180°에서, BLDC 모터에서는 전기각 120°에서 전환시키는 정류작용이 반드시 필요하다.One of the many problems of existing DC motors arises from requiring a commutation process. In the conventional DC motor structure, the magnetic field generated by the stator passes through the rotor and connects the N poles to the left and right with respect to the rotor axis. Since the structure has an S pole, in order to continuously rotate while interacting with the magnetic field of constant polarity of the rotor, the magnetic field polarity of the armature must be set at 180° electrical angle in brush motors and 120° electrical angle in BLDC motors. Rectification action to convert is necessary.

본 발명에서는 전기자에 공급하는 전류의 방향을 전환하여 자기장의 극성을 바꾸는 구조 대신에, 자석이 한 몸체에 N극/S극을 동시에 보유하는 쌍극자 구조를 활용하여 자석 자체의 자극이 변화는 위치에서 고정자 자계와 회전자 자계가 상호 작용하는 구조로 해결한다. In the present invention, instead of a structure in which the polarity of the magnetic field is changed by changing the direction of the current supplied to the armature, a dipole structure in which the magnet simultaneously holds N and S poles in one body is used to change the magnetic pole of the magnet itself. It is solved by a structure in which the stator magnetic field and the rotor magnetic field interact.

또 하나의 문제인 직류전동기의 구조에 기인한 낮은 출력과 토크리플로 인해 고출력, 고토크력을 필요로 하는 전기자동차와 같은 모빌리티용 구동 전동기로 사용하기 위해 불가피하게 고가의 인버터(Inverter)를 활용하여 교류전동기인 PMSM/ Induction Motor 구조로 변환하여 사용하였으며, 이러한 고출력, 고효율의 교류전동기 구조가 인가되는 3상 정현파 교류로 고정자에서 회전자 축방향으로 통과하는 연속 회전자계를 만들어 회전자 자계와 자기적 결합을 통해 회전시키는 구조인 반면에, 본 발명에서는 이러한 교류전동기의 연속 회전자계 구조를 차용하여, 공극주위에 원주면을 따라 연속적으로 동일한 회전방향의 자계를 발생시키는 구조의 직류전동기로 해결한다. Due to the low output and torque ripple due to the structure of the DC motor, which is another problem, it is necessary to use an expensive inverter to use it as a drive motor for mobility such as electric vehicles that require high output and high torque. It was converted into an AC motor PMSM/Induction Motor structure and used. This high-output, high-efficiency AC motor structure creates a continuous rotating magnetic field that passes from the stator to the rotor axis with a 3-phase sinusoidal alternating current applied to the rotor magnetic field and magnetic While it is a structure that rotates through coupling, the present invention borrows the continuous rotating magnetic field structure of this AC motor and solves it with a DC motor with a structure that continuously generates a magnetic field in the same rotational direction along the circumferential surface around the air gap.

정리하면 BLDC 모터와 같은 영구자석 회전자 구조인 브러시리스(Brushless) 방식의 구조를 취하여 브러시(Brush)로 인한 문제를 해결하고, 고정자가 회전자를 통과하여 발생시키는 자기장으로 인해 필요로 하는 정류과정의 출력 저하, 소음, 진동 등의 문제점은, 전기자에 공급하는 전류의 방향을 전환하여 자기장의 극성을 바꾸어주는 정류방식 대신에, 자석이 가지는 쌍극자 구조를 활용하여 자석 자체의 자극이 변하는 위치에서 각각의 자석과 코일에 발생하는 자기장이 상호간 직접 대응하여 회전하는 무정류(commutation-less) 구조를 취함으로서 해결하고, 출력과 효율을 증대시키기 위해 고출력, 고효율 구조를 내는 교류전동기의 회전자계 방식을 차용하여 해결하는 원리이다. In summary, by taking a brushless structure, which is a permanent magnet rotor structure like a BLDC motor, the problem caused by the brush is solved, and the commutation process required due to the magnetic field generated by the stator passing through the rotor Problems such as output degradation, noise, vibration, etc. are solved by using the dipole structure of the magnet instead of the rectification method that changes the polarity of the magnetic field by changing the direction of the current supplied to the armature. It is solved by adopting a commutation-less structure in which the magnetic fields generated in the magnet and coil of the motor rotate in direct response to each other, and borrows the rotating magnetic field method of an AC motor that creates a high-power and high-efficiency structure to increase output and efficiency. It is a principle to solve

보다 상세하게는 브러시(Brush)로 인한 문제는, 전기자를 고정자에, 계자를 회전자에 위치시키고 영구자석을 사용하는 영구자석 계자 회전형 Brushless 구조로 하여 Brush 사용으로 인한 구조상의 문제를 해결한다. More specifically, the problem caused by the brush solves the structural problem caused by the use of the brush by placing the armature in the stator and the field in the rotor and using a permanent magnet field rotating brushless structure.

정류작용에 따른 문제는, 전기자에 공급하는 전류의 방향을 바꾸어 자기장의 자극을 바꾸어주는 방식을 대신하여, 전기자 코일에 직류전원을 인가하면 전자석이 되고 이때 전자석이 한 몸체에 N/S 극을 동시에 가지는 쌍극자 구조를 가지므로 회전계자의 영구자석과 전기자의 전자석간 회전하면서 스스로 자극을 변화시키는 위치에서 고정자 자계와 회전자 자계가 상호 작용을 하도록 하는 원리로 해결한다. The problem with the rectification action is that instead of changing the direction of the magnetic field by changing the direction of the current supplied to the armature, when DC power is applied to the armature coil, it becomes an electromagnet. Since it has a dipole structure, it is solved by the principle that the stator magnetic field and the rotor magnetic field interact at a position where the magnetic pole changes by itself while rotating between the permanent magnet of the rotating field and the electromagnet of the armature.

아울러 고출력, 고효율 구조는 교류전동기의 회전자계 방식을 차용하여 해결하는 구조이다. 이는 자석의 쌍극자 구조, 자력선이 N극에서 S극으로 이동하는 특성을 이용하여 회전축을 기준으로 대칭 분할되는 구조로 회전자에는 복수의 영구자석을, 고정자에는 복수의 코일이 동일한 극성방향으로 공극주위의 원주면을 따라 회전자 또는 고정자에 순차적으로 배열되는 구조(이하 회전방향 구조)로 하여 공극주위의 원주면을 따라 동일방향의 회전방향의 자계를 얻는 구조이다. In addition, the high-power, high-efficiency structure is a structure that is solved by borrowing the rotating magnetic field method of the AC motor. This is a structure that uses the dipole structure of magnets and the characteristic that magnetic force lines move from N pole to S pole. It is a structure that is divided symmetrically based on the rotation axis. It is a structure in which a magnetic field in the same direction of rotation is obtained along the circumferential surface around the air gap by having a structure (hereinafter referred to as a rotational direction structure) sequentially arranged on the rotor or stator along the circumferential surface of.

그리고 상대측의 회전자 또는 고정자에는 영구자석 또는 전자석코일이 동일한 극성방향으로 축 방향으로 순차적으로 배열되는 구조로 하여 공극주위에 동일방향의 축방향 자계를 얻는 구조이며, 이러한 회전방향 자계와 축방향 자계 상호간에 발생하는 자계가 자석의 특성인 N극/S극간 흡인력과 반발력을 발생시켜 전동기를 회전시키는 원리로 한다. And the rotor or stator on the other side has a structure in which permanent magnets or electromagnet coils are sequentially arranged in the axial direction in the same polarity direction, so that the axial direction in the same direction around the gap It is a structure that obtains a magnetic field, and the magnetic field generated between the rotational magnetic field and the axial magnetic field generates attraction and repulsion between the N pole and S pole, which are characteristics of the magnet, and rotates the motor.

그리고 연속적인 회전구조를 취하도록 회전자에는 짝수개의 영구자석을 배치하고, 고정자에는 영구자석 수의 2xN(N=자연수) 배수의 코일을 배치하는 구조를 취하고, 고정자회로를 코일이 서로 대칭되는 구조로 제1회로, 제2회로 분할하고, 고정자 제1회로와 제2회로에 전류를 인가하여 회로별로 활성화/비활성화를 시키면, 이때 활성화된 회로의 코일이 전자석이 되어 회전자와 고정자간 공극주위에 동일한 회전방향의 자계와 동일한 축방향의 자계가 생기고 전자석이 쌍극자 구조를 가지므로, 상호간 자극의 전환이 일어나는 위치에서 전기자의 제1회로와 제2회로를 순차적으로 회로 전환(활성화/비활성화) 시켜 전동기를 연속적으로 회전시키는 구조이다. and Arrange an even number of permanent magnets in the rotor to take a continuous rotation structure, and 2xN of the number of permanent magnets in the stator (N = natural number) Taking a structure of arranging multiple coils, dividing the stator circuit into a first circuit and a second circuit with a structure in which the coils are symmetrical to each other, and applying current to the stator first and second circuits to activate / deactivate each circuit , At this time, the coil of the activated circuit becomes an electromagnet, and a magnetic field in the same rotational direction and the same axial direction is generated around the air gap between the rotor and the stator, and the electromagnet is a dipole Since it has a structure, it is a structure in which the first circuit and the second circuit of the armature are sequentially switched (activated/deactivated) at the position where mutual magnetic poles are switched to continuously rotate the motor.

이는 교류전동기가 고정자에서 회전축을 통과하는 연속 회전자계를 만들고 회전자 자계와 자기적으로 결합시켜 고출력, 고효율 전동기로 만드는 회전자계 구조를 차용하여, 본 발명 직류전동기에서는 고정자에서 공극주위의 원주면을 따라 발생시키는 연속 회전방향의 자계 또는 축방향의 자계가 회전자 자계와 생성시키는 흡인력과 반발력을 이용하여 회전시키는 구조로 전동기내 손실을 줄이고 회전력을 강화시켜 고출력, 고효율을 낼수 있도록 하는 구조의 직류전동기이다.This borrows a rotating magnetic field structure in which the AC motor creates a continuous rotating magnetic field passing through the rotating shaft from the stator and magnetically couples it with the rotor magnetic field to make a high-power, high-efficiency motor. A DC motor with a structure that rotates using the attraction and repulsion generated by the magnetic field in the continuous rotation direction or the magnetic field in the axial direction generated with the rotor magnetic field, reducing loss in the motor and strengthening the rotational force to produce high output and high efficiency. am.

본 발명 전동기는 무정류(commutation-less) 방식의 직류전동기로 정류(commutation) 과정에서 일어나는 출력감소, 소음, 진동, 불꽃, 고주파 발생 등을 억제하여 직류전동기의 효율과 품질을 대폭 향상시킨다,The motor of the present invention is a commutation-less DC motor, which significantly improves the efficiency and quality of the DC motor by suppressing power reduction, noise, vibration, spark, and high frequency generation that occur during the commutation process.

본 발명 전동기는 전기자에 직류를 공급하는 Brushless 방식으로 전동기 내에서 발생하는 철손, 마찰손 등 손실을 최소화시키고 철심, 코일의 감소설계가 가능한 구조로 직류전동기의 출력을 높이고 크기를 감소시켜 직류전동기의 성능을 향상시킬 수 있도록 한 것이다.The motor of the present invention is a brushless method that supplies direct current to the armature, which minimizes losses such as iron loss and friction loss generated within the motor and reduces the size of the DC motor by increasing the output and reducing the size of the DC motor with a structure that can be designed to reduce iron cores and coils. This is to improve performance.

본 발명 전동기는 회전계자에 영구자석 대신에 전자석을 구비하고 슬립링과 같은 적절한 전원공급장치를 통해 직류를 인가하여 사용시는 희토류 자원의 공급상 문제점 등을 해소하고 친환경으로 사용할 수 있는 Magnet-free 형태의 전동기로 사용할 수 있다. The motor of the present invention is equipped with an electromagnet instead of a permanent magnet in the rotating field, and when used by applying direct current through an appropriate power supply device such as a slip ring, it solves problems in the supply of rare earth resources and is a magnet-free type that can be used in an eco-friendly way. Can be used as an electric motor.

또한 상기에서 계자에 공급하는 전원을 쵸파를 이용한 맥동전류를 사용하여 자기유도코일을 통한 무선전원공급방식으로 접촉에 따른 문제점을 해소하여 품질향상과 설계상의 자유도를 높일 수 있다. In addition, the wireless power supply method through the magnetic induction coil using the pulsating current using the chopper as the power supplied to the field as described above solves the problem caused by the contact, thereby improving the quality and increasing the degree of freedom in design.

또한 전기자동차 등 고출력, 고효율을 요하는 부하에 대해 고가의 Inverter 를 사용하여 교류로 전환하는 과정없이 직류사용만으로 고출력, 고효율을 구현하는 구조를 가지므로 직류전동기의 무게, 크기 비용을 줄여 경제적인 직류전동기를 제공한다In addition, for loads that require high power and high efficiency, such as electric vehicles, it has a structure that realizes high power and high efficiency only by using direct current without using an expensive inverter to convert to alternating current. provide an electric motor

그리고 본 발명은 전기자 회로별로 동시에 다(多) POINT 토크 발생 구조로 토크가 증대되어 모터의 성능을 높이거나 모터크기를 감소시킬 수 있도록 한 것이다.Further, according to the present invention, a multi-POINT torque generating structure for each armature circuit simultaneously increases torque, thereby increasing motor performance or reducing the size of the motor.

덧붙여 본 발명은 직류전원 사용으로 제반 전동기 제어는 기존의 직류전동기 제어방식에 준하여 제어할 수 있게 된다.In addition, the present invention can control all motors according to the existing DC motor control method by using DC power.

본 발명은 상기한 효과로 인해 직류전동기의 품질과 성능,그리고 경제성을 향상시킬 수 있도록 한 매우 유용한 발명인 것이다.The present invention is a very useful invention that can improve the quality, performance, and economy of a DC motor due to the above effects.

이하에서는 이러한 효과 달성을 위한 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention for achieving these effects will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 무정류 직류전동기를 구동하기 위한 시스템의 실시예이다.
도 2는 본 발명에 따른 무정류 직류전동기에 상용 교류 전원을 공급하여 구동하기 위한 시스템의 실시예이다.
도 3은 본 발명에 따른 직류 전동기(100)의 일 실시예이다.
도 4는 상기 회전자(130)의 내주면에 일정 간격으로 구비되는 복수개의 영구자석(150)이 구비되는 다른 실시예이다.
도 5는 본 발명에 따른 무정류 직류전동기의 작동 원리를 보여주는 실시예이다.
도 6은 본 발명에 따른 무정류 직류전동기의 작동 원리를 보여주는 다른 실시예이다.
도 7 내지 9는 본 발명의 실시예에 따른 직류 전동기의 다른 실시예이다.
1 is an embodiment of a system for driving a non-rectified direct current motor according to the present invention.
2 is an embodiment of a system for driving by supplying commercial AC power to a non-rectified DC motor according to the present invention.
3 is an embodiment of a DC motor 100 according to the present invention.
4 is another embodiment in which a plurality of permanent magnets 150 provided at regular intervals on the inner circumferential surface of the rotor 130 are provided.
5 is an embodiment showing the operating principle of the non-rectified DC motor according to the present invention.
6 is another embodiment showing the operating principle of the non-rectified DC motor according to the present invention.
7 to 9 are other embodiments of a DC motor according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 적용된 대칭구조 분할 자기장 내 축방향 영구자석과 회전방향 전자석 또는 회전방향 영구자석과 축방향 전자석을 활용한 직류전동기는 도 1 내지 도 11 에 도시된 바와 같이 구성되는 것이다.The DC motor using the axial permanent magnet and the rotating electromagnet or the rotating permanent magnet and the axial electromagnet in the symmetrical divided magnetic field applied to the present invention is configured as shown in FIGS. 1 to 11 .

본 발명에 적용된 대칭구조 분할 자기장 내에서 회전방향 영구자석과 축방향 전자석을 활용한 직류전동기는 시간상 좌측에서 우측으로 작동하는 것으로 설명하고 있으며, 역방향으로의 작동은 상기와 유사한 구조를 가지므로 회전 역방향 작동구조의 도면은 생략한다. 아울러 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.The DC motor using the rotating permanent magnet and the axial electromagnet in the symmetrical divided magnetic field applied to the present invention is described as operating from left to right in time, and operation in the reverse direction has a structure similar to the above, so it rotates in the reverse direction. Drawings of the operating structure are omitted. In addition, in the following description of the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known function or configuration may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description will be omitted.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In addition, the terms to be described later are terms set in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of the producer, so the definitions should be made based on the contents throughout this specification.

또한 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.In addition, since the size and thickness of each component shown in the drawings are arbitrarily shown for convenience of description, the present invention is not necessarily limited to those shown in the drawings.

먼저, 본 발명 내용중 대칭구조 분할 자기장내 축방향 영구자석과 회전방향 전자석 또는 회전방향 영구자석과 축방향 전자석을 활용한 직류전동기(100)에 관한 것으로 다음과 같이 구성된다.First, the present invention relates to a DC motor 100 utilizing an axial permanent magnet and a rotational electromagnet or a rotational permanent magnet and an axial electromagnet in a symmetrical divided magnetic field, and is configured as follows.

도 1은 본 발명에 따른 무정류 직류전동기를 구동하기 위한 시스템의 실시예이다. 1 is an embodiment of a system for driving a non-rectified direct current motor according to the present invention.

직류 전류를 제1 회로 및 제2 회로에 교번하여 공급하는 스위칭 회로;a switching circuit that alternately supplies direct current to the first circuit and the second circuit;

무정류 직류전동기의 회전자의 회전 속도 및 위치를 센싱하여 제어부로 데이터를 전송하는 속도 센싱 소자 및 위치 센싱 소자;a speed sensing element and a position sensing element for sensing the rotational speed and position of the rotor of the non-rectified DC motor and transmitting data to the control unit;

무정류 직류전동기에 공급되는 전류를 센싱하는 전류 센싱 소자;A current sensing element for sensing the current supplied to the non-rectified DC motor;

전류, 위치, 및 속도 센싱 값에 따라서 무정류 직류전동기에 공급되는 전류를 스위칭 제어하는 제어부;를 포함한다. A control unit for switching and controlling the current supplied to the non-rectified DC motor according to current, position, and speed sensing values.

도 2는 본 발명에 따른 무정류 직류전동기에 상용 교류 전원을 공급하여 구동하기 위한 시스템의 실시예이다. 2 is an embodiment of a system for driving by supplying commercial AC power to a non-rectified DC motor according to the present invention.

상용 교류 전원을 직류로 정류하는 정류 회로;a rectifier circuit that rectifies commercial AC power to DC;

정류 회로로부터 공급되는 직류 전류를 제1 회로 및 제2 회로에 교번하여 공급하는 스위칭 회로;a switching circuit that alternately supplies the DC current supplied from the rectification circuit to the first circuit and the second circuit;

무정류 직류전동기의 회전자의 회전 속도 및 위치를 센싱하여 제어부로 데이터를 전송하는 속도 센싱 소자 및 위치 센싱 소자;a speed sensing element and a position sensing element for sensing the rotational speed and position of the rotor of the non-rectified DC motor and transmitting data to the control unit;

무정류 직류전동기에 공급되는 전류를 센싱하는 전류 센싱 소자;A current sensing element for sensing the current supplied to the non-rectified DC motor;

전류, 위치, 및 속도 센싱 값에 따라서 무정류 직류전동기에 공급되는 전류를 스위칭 제어하는 제어부;를 포함한다. A control unit for switching and controlling the current supplied to the non-rectified DC motor according to current, position, and speed sensing values.

도 3은 본 발명에 따른 직류 전동기(100)의 일 실시예이다. 3 is an embodiment of a DC motor 100 according to the present invention.

고정자(110)의 내주면에 일정 간격으로 복수개의 전기자 코일(120)이 구비된다.A plurality of armature coils 120 are provided at regular intervals on the inner circumferential surface of the stator 110 .

회전자(130)의 내주면에 일정 간격으로 구비되는 복수개의 전자석(140)이 구비된다.A plurality of electromagnets 140 are provided on the inner circumferential surface of the rotor 130 at regular intervals.

상기 전자석(140)의 외주면에는 솔레노이드형 코일이 귄취됨이 바람직하다.It is preferable that a solenoid-type coil is wound around the outer circumferential surface of the electromagnet 140 .

전자석(140)은 척력/인력 강화 및 철심 구조체에 삽입하기 좋은 형상으로 이루어짐이 바람직하다.The electromagnet 140 is preferably formed in a shape suitable for reinforcing repulsive force/attractive force and being inserted into an iron core structure.

상기 회전자(130)의 내부에 일정 간격으로 복수개의 전자석이 구비되며, 중앙에 샤프트가 삽입되는 샤프트삽입홀을 중심으로 외곽에 다수의 자기장 구역을 형성할 수 있도록 전자석의 극성이 동일한 방향으로 대칭 배열되는 회전자(130)가 구비된다.A plurality of electromagnets are provided inside the rotor 130 at regular intervals, and the polarities of the electromagnets are symmetrical in the same direction so that a plurality of magnetic field regions can be formed around the shaft insertion hole into which the shaft is inserted in the center. An arranged rotor 130 is provided.

상기 회전자(130)는 얇은 규소강판을 복수개 적층하여 철심으로 사용하게 된다.The rotor 130 is used as an iron core by stacking a plurality of thin silicon steel plates.

도 4는 상기 회전자(130)의 내주면에 일정 간격으로 구비되는 복수개의 영구자석(150)이 구비되는 다른 실시예이다.4 is another embodiment in which a plurality of permanent magnets 150 provided at regular intervals on the inner circumferential surface of the rotor 130 are provided.

고정자(110)의 내주면에 일정 간격으로 복수개의 전기자 코일(120)이 구비된다.A plurality of armature coils 120 are provided at regular intervals on the inner circumferential surface of the stator 110 .

상기 회전자(130)의 내부에 일정 간격으로 영구자석이 복수개가 구비되며, 중앙에 샤프트가 삽입되는 샤프트삽입홀을 중심으로 외곽에 다수의 자기장 구역을 형성할 수 있도록 영구자석의 극성이 동일한 방향으로 대칭 배열되는 회전자(130)가 구비된다.A plurality of permanent magnets are provided inside the rotor 130 at regular intervals, and the polarity of the permanent magnets is the same so that a plurality of magnetic field regions can be formed around the shaft insertion hole into which the shaft is inserted in the center. A rotor 130 arranged symmetrically is provided.

이때 상기 회전자(130)는 얇은 규소강판을 복수개 적층하여 철심으로 사용하게 된다.At this time, the rotor 130 is used as an iron core by stacking a plurality of thin silicon steel plates.

상기의 도 3 및 도 4의 실시예에 따르면 회전자의 내주면에 삽입홀을 형성하여 전자석 또는 영구자석을 삽입하는 삽입형 회전자 구조를 개시하고 있으나, 상기 회전자의 측면에 전자석 또는 영구자석을 부착하는 부착형 회전자를 구성할 수도 있다. According to the embodiments of FIGS. 3 and 4, an insertion-type rotor structure is disclosed in which an electromagnet or permanent magnet is inserted by forming an insertion hole on the inner circumferential surface of the rotor, but the electromagnet or permanent magnet is attached to the side surface of the rotor. It is also possible to configure an attached rotor that does.

도 5는 본 발명에 따른 무정류 직류전동기의 작동 원리를 보여주는 도면이다. 5 is a view showing the operating principle of the non-rectified DC motor according to the present invention.

도면은 회전자와 고정자의 평면도이고, 시간상 좌측에서 우측으로 작동하는 것으로 설명한다. The drawing is a plan view of the rotor and stator, and is described as running from left to right in time.

실시예에 따른 내부 회전자에는 4개의 전자석 또는 영구자석을 포함하고 있으며, 바깥쪽의 고정자에는 8개의 전기자 코일을 포함한다. The inner rotor according to the embodiment includes 4 electromagnets or permanent magnets, and the outer stator includes 8 armature coils.

즉, 내부 회전자의 자석에서 생성되는 회전방향 자계와 바깥쪽 고정자의 전기자 코일에서 생성되는 축방향 자계가 상호 반응하여 반발력과 흡인력을 발생한다. That is, the rotational magnetic field generated by the magnet of the inner rotor and the axial magnetic field generated by the armature coil of the outer stator react with each other to generate a repulsive force and an attractive force.

8개의 전기자 코일은 다시 제1 회로 및 제2 회로로 분할되고, 상기 좌측 도면에서 전류가 공급되어 활성화된 4개의 전기자 코일(S1, S3, S5, S7)을 제1 회로, 전류가 공급되지 않고 비활성화되어 있는 4개의 전기자 코일(S2, S4, S6, S8)을 제2 회로라고 편의상 부른다. The eight armature coils are again divided into a first circuit and a second circuit, and in the left drawing, the four armature coils S1, S3, S5, and S7 activated by supplying current are referred to as the first circuit, and without current being supplied. For convenience, the four armature coils S2, S4, S6, and S8 that are inactive are referred to as a second circuit.

제1 회로에 전류가 공급되면 4개의 전기자 코일 S1, S3, S5, S7에 각각 축방향의 자계가 형성되며, 제2 회로는 전류가 공급되지 않고 4개의 전기자 코일 S2, S4, S6, S8는 비활성화된다. When current is supplied to the first circuit, an axial magnetic field is formed in each of the four armature coils S1, S3, S5, and S7, and no current is supplied to the second circuit, and the four armature coils S2, S4, S6, and S8 deactivated

S1과 R1, S3과 R2, S5와 R3, S7과 R4 사이에 반발력이 생성되고, S3과 R1, S5와 R2, S7과 R3, S1과 R4 사이에 흡인력이 생성되어, 내부 회전자가 회전축을 중심으로 시계방향으로 회전하는 힘을 받게 된다. A repelling force is generated between S1 and R1, S3 and R2, S5 and R3, and S7 and R4, and a suction force is generated between S3 and R1, S5 and R2, S7 and R3, and S1 and R4, so that the inner rotor is centered on the rotation axis. is subjected to a clockwise rotation force.

내부 회전자가 시계방향으로 회전하여 R1이 S2를 통과하여 지나면 이번에는 제1 회로에 전류 공급을 중단하고, 제2 회로에 전류를 공급하여 S2, S4, S6, S8을 활성화하여 자계를 형성한다. When the internal rotor rotates clockwise and R1 passes through S2, current supply to the first circuit is stopped and current is supplied to the second circuit to activate S2, S4, S6, and S8 to form a magnetic field.

우측과 같이 제1 회로는 비활성화, 제2 회로는 활성화하면, 전기자 코일 S2, S4, S6, S8 와 회전자 R1, R2, R3, R4 사이에 반발력이 생성되고, S4, S5, S8, S2 와 회전자 R1, R2, R3, R4 사이에 흡인력이 생성되어 내부 회전자가 회전축을 중심으로 시계방향으로 회전하는 힘을 받게 된다. As shown on the right, when the first circuit is deactivated and the second circuit is activated, a repulsive force is generated between the armature coils S2, S4, S6, S8 and the rotor R1, R2, R3, R4, and S4, S5, S8, S2 and A suction force is generated between the rotors R1, R2, R3, and R4 so that the inner rotor rotates clockwise around the axis of rotation.

내부 회전자가 시계방향으로 회전하여 R1이 S3를 통과하여 지나면 이번에는 제2 회로에 전류 공급을 중단하고, 제1 회로에 전류를 공급하여 S1, S3, S5, S7을 활성화하여 자계를 형성한다. When the internal rotor rotates clockwise and R1 passes through S3, current supply to the second circuit is stopped, and current is supplied to the first circuit to activate S1, S3, S5, and S7 to form a magnetic field.

이와 같이 회전자의 회전에 따라 외부 전기자 코일에 공급되는 전류를 제1 회로 및 제2 회로에 교번적으로 스위칭함으로써 전기자 코일과 회전자 사이의 반발력과 흡인력을 이용하여 직류 전동기를 구동할 수 있다. In this way, by alternately switching the current supplied to the external armature coil to the first circuit and the second circuit according to the rotation of the rotor, the DC motor can be driven using the repulsive force and the attractive force between the armature coil and the rotor.

도 6은 본 발명에 따른 무정류 직류전동기의 작동 원리를 보여주는 다른 실시예이다. 6 is another embodiment showing the operating principle of the non-rectified DC motor according to the present invention.

내부 회전자의 자석에서 생성되는 축방향 자계와 바깥쪽 고정자의 전기자 코일에서 생성되는 회전방향 자계가 상호 반응하여 반발력과 흡인력을 발생한다. The axial magnetic field generated by the inner rotor's magnet and the rotational magnetic field generated by the armature coil of the outer stator interact with each other to generate repulsive force and attractive force.

8개의 전기자 코일은 제1 회로 및 제2 회로로 분할되고, 상기 좌측 도면에서 전류가 공급되어 활성화된 4개의 전기자 코일(S1, S3, S5, S7)을 제1 회로, 전류가 공급되지 않고 비활성화되어 있는 4개의 전기자 코일(S2, S4, S6, S8)을 제2 회로라고 편의상 부른다. The eight armature coils are divided into a first circuit and a second circuit, and in the left drawing, the four armature coils S1, S3, S5, and S7, which are activated by supplying current, are inactivated without supplying current to the first circuit. The four armature coils S2, S4, S6, and S8 are referred to as a second circuit for convenience.

제1 회로에 전류가 공급되면 4개의 전기자 코일 S1, S3, S5, S7에 각각 회전방향의 자계가 형성되며, 제2 회로는 전류가 공급되지 않고 4개의 전기자 코일 S2, S4, S6, S8는 비활성화된다. When current is supplied to the first circuit, a magnetic field in the rotational direction is formed in the four armature coils S1, S3, S5, and S7, respectively, and no current is supplied to the second circuit, and the four armature coils S2, S4, S6, and S8 deactivated

S1과 R1, S3과 R2, S5와 R3, S7과 R4 사이에 반발력이 생성되고, S3과 R1, S5와 R2, S7과 R3, S1과 R4 사이에 흡인력이 생성되어, 내부 회전자가 회전축을 중심으로 시계방향으로 회전하는 힘을 받게 된다. A repelling force is generated between S1 and R1, S3 and R2, S5 and R3, and S7 and R4, and a suction force is generated between S3 and R1, S5 and R2, S7 and R3, and S1 and R4, so that the inner rotor is centered on the rotation axis. is subjected to a clockwise rotation force.

내부 회전자가 시계방향으로 회전하여 R1이 S2를 통과하여 지나면 이번에는 제1 회로에 전류 공급을 중단하고, 제2 회로에 전류를 공급하여 S2, S4, S6, S8을 활성화하여 자계를 형성한다. When the internal rotor rotates clockwise and R1 passes through S2, current supply to the first circuit is stopped and current is supplied to the second circuit to activate S2, S4, S6, and S8 to form a magnetic field.

우측과 같이 제1 회로는 비활성화, 제2 회로는 활성화하면, 전기자 코일 S2, S4, S6, S8 와 회전자 R1, R2, R3, R4 사이에 반발력이 생성되고, S4, S5, S8, S2 와 회전자 R1, R2, R3, R4 사이에 흡인력이 생성되어 내부 회전자가 회전축을 중심으로 시계방향으로 회전하는 힘을 받게 된다. As shown on the right, when the first circuit is deactivated and the second circuit is activated, a repulsive force is generated between the armature coils S2, S4, S6, S8 and the rotor R1, R2, R3, R4, and S4, S5, S8, S2 and A suction force is generated between the rotors R1, R2, R3, and R4 so that the inner rotor rotates clockwise around the axis of rotation.

내부 회전자가 시계방향으로 회전하여 R1이 S3를 통과하여 지나면 이번에는 제2 회로에 전류 공급을 중단하고, 제1 회로에 전류를 공급하여 S1, S3, S5, S7을 활성화하여 자계를 형성한다. When the internal rotor rotates clockwise and R1 passes through S3, current supply to the second circuit is stopped, and current is supplied to the first circuit to activate S1, S3, S5, and S7 to form a magnetic field.

이와 같이 회전자의 회전에 따라 외부 전기자 코일에 공급되는 전류를 제1 회로 및 제2 회로에 교번적으로 스위칭함으로써 전기자 코일과 회전자 사이의 반발력과 흡인력을 이용하여 직류 전동기를 구동할 수 있다.In this way, by alternately switching the current supplied to the external armature coil to the first circuit and the second circuit according to the rotation of the rotor, the DC motor can be driven using the repulsive force and the attractive force between the armature coil and the rotor.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 직류 전동기의 측면도이다. 7 is a side view of a DC motor according to an embodiment of the present invention.

본 발명에 따른 제어부는 회전자의 위치를 확인할 수 있는 홀센서(160)와 톤휠(165)을 사용한 위치 센싱을 통해 직류 전원을 전기자 코일에 공급하는 방식을 채택하고 있다. 구체적으로, 전기자코일을 단속 및 활성화시킬 회전자의 위치를 확인할 수 있도록 전원에 홀센서(160)를 연결하고, 샤프트에는 톤휠(165)을 구비함이 바람직하며 포토커플러 등 유사기능 센서를 활용할 수도 있다.The control unit according to the present invention adopts a method of supplying DC power to the armature coil through position sensing using the hall sensor 160 and the tone wheel 165 capable of checking the position of the rotor. Specifically, it is preferable to connect a hall sensor 160 to the power source and to provide a tone wheel 165 to the shaft so as to check the position of the rotor to regulate and activate the armature coil. there is.

도 8은 본 발명에 따른 무정류 직류전동기가 회전계자에 영구자석 대신에 전자석을 구비하고, 슬립링(170)과 같은 적절한 전원공급장치를 통해 직류를 인가하여 사용시는 희토류 자원의 공급상 문제점 등을 해소하고 친환경으로 사용할 수 있는 Magnet-free 형태의 전동기로 사용할 수 있음을 개시하고 있다.8 shows problems in the supply of rare earth resources when the non-rectified DC motor according to the present invention has an electromagnet instead of a permanent magnet in the rotating field and applies DC through an appropriate power supply device such as a slip ring 170. It discloses that it can be used as a magnet-free type motor that can be used in an environmentally friendly way.

도 9는 본 발명에 따른 무정류 직류전동기가 회전계자에 영구자석 대신에 전자석을 구비하고 회전계자에 공급하는 전원을 쵸파를 이용한 맥동전류를 공급하여 자기유도코일(180)을 통한 무선전원공급방식을 채택할 수 있음을 개시하고 있다. 9 is a wireless power supply method through a magnetic induction coil 180 by providing a non-rectified DC motor according to the present invention with an electromagnet instead of a permanent magnet in a rotating field and supplying a pulsating current using a chopper as power supplied to the rotating field It is disclosed that can be adopted.

상기와 같은 무선전원공급방식은 접촉에 따른 문제점을 해소하여 품질향상과 설계상의 자유도를 높일 수 있다. The wireless power supply method as described above can solve problems caused by contact, thereby improving quality and increasing freedom in design.

본 발명에 따른 무정류 직류전동기는 각 분할 자기장내에서 회전방향 영구자석과 축방향 전자석 또는 축방향 영구자석과 회전방향 전자석을 이용하여 모터 중심점을 기준으로 원주방향으로 분할된 자기장 내 회전방향 영구자석과 축방향 전자석 또는 축방향 영구자석과 회전방향 전자석 간에 발생하는 흡인력과 반발력이 조화롭게 회전토크를 만들수 있도록 다수의 회전구조를 구성하고, 전자석을 활성화시켜 자기장 내에서 영구자석 회전자 또는 전자석 회전자가 회전하도록 한 것이다.The non-rectifying DC motor according to the present invention uses a rotating permanent magnet and an axial electromagnet or an axial permanent magnet and a rotating electromagnet in each divided magnetic field, and uses a rotating permanent magnet in a magnetic field divided in the circumferential direction based on the motor center point. A plurality of rotating structures are configured so that the attractive force and repulsive force generated between the axial electromagnet or the axial permanent magnet and the rotating electromagnet harmoniously create a rotational torque, and the electromagnet is activated to rotate the permanent magnet rotor or electromagnet rotor in the magnetic field. it was made to do

한편 본 발명은 상기의 구성부를 적용함에 있어 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있다.Meanwhile, the present invention may be variously modified and take various forms in applying the above components.

그리고 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.And it should be understood that the present invention is not limited to the particular forms mentioned in the above detailed description, but rather includes all modifications, equivalents and substitutes within the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims. should be understood as

Claims (5)

영구자석을 회전자에, 전기자 코일을 고정자에 배치한 브러시리스(Brushless) 방식의 직류전동기에 있어서,
상기 영구자석은 회전축을 기준으로 대칭구조로 극성방향이 동일하게, 원주면을 따라 회전방향 또는 축방향 중 일방향으로 선택적으로 배열되어, 동일한 회전방향 또는 축방향으로 각각 분할된 자기장을 형성시키며,
상기 전기자 코일은 상기 영구자석 수의 2xN배수(N=자연수)로 구비하고, 상기 원주면을 따라 영구자석과 반대구조의 회전방향 또는 축방향 구조로 하여 직류전원 인가시 동일한 회전방향 또는 축방향으로 각각 분할된 자기장을 형성시킬수 있도록 회전축을 중심으로 대칭 배열되며,
상기 전기자코일에 전원을 인가하여 공극주위에 발생하는 대칭 분할된 고정자 자계와 회전자 자계 상호간에 발생되는 흡인력과 반발력을 이용하여 상기 회전자를 회전시키는 것으로서,
상기 전기자 코일은 2개의 대칭되는 제1 회로 및 제2 회로로 분할되고, 위치 센서와 속도 센서가 제공하는 신호와 연계하여 상기 제1 회로 및 제2 회로가 교번하여 활성화 또는 비활성화되는 것을 특징으로 하는 무정류(commutation-less) 직류전동기
In a brushless DC motor in which a permanent magnet is disposed in a rotor and an armature coil is disposed in a stator,
The permanent magnets are selectively arranged in one direction of the rotational direction or the axial direction along the circumferential surface with the same polarity direction in a symmetrical structure with respect to the rotation axis to form a magnetic field divided respectively in the same rotational direction or axial direction,
The armature coil is provided in a 2xN multiple (N = natural number) of the number of permanent magnets, and has a rotational or axial structure opposite to the permanent magnet along the circumferential surface, so that when DC power is applied, the same rotational direction or axial direction Arranged symmetrically around the axis of rotation so that each divided magnetic field can be formed,
Applying power to the armature coil to rotate the rotor by using the attraction and repulsion generated between the symmetrically divided stator magnetic field and the rotor magnetic field generated around the air gap,
The armature coil is divided into two symmetric first and second circuits, and the first and second circuits are alternately activated or deactivated in association with signals provided by a position sensor and a speed sensor. Characterized in that commutation-less DC motor
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 회전자의 영구자석 대신에 전자석을 포함하고, 슬립링을 구비한 전원 공급장치를 통해 상기 회전자에 전원을 제공하여 회전시킴으로써, 영구자석을 사용하지 않는 Magnet-free 구조를 특징으로 하는 무정류(commutation-less) 직류전동기
The method of claim 1,
Non-rectification characterized by a magnet-free structure that does not use a permanent magnet by including an electromagnet instead of a permanent magnet of the rotor and providing power to the rotor through a power supply having a slip ring to rotate it (commutation-less) DC motor
삭제delete 삭제delete
KR1020230048807A 2023-04-13 2023-04-13 Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator KR102571343B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230048807A KR102571343B1 (en) 2023-04-13 2023-04-13 Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230048807A KR102571343B1 (en) 2023-04-13 2023-04-13 Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102571343B1 true KR102571343B1 (en) 2023-08-29

Family

ID=87802247

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230048807A KR102571343B1 (en) 2023-04-13 2023-04-13 Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102571343B1 (en)

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990088653A (en) * 1998-05-29 1999-12-27 이토가 미찌야 Direct-current brushless motor, and polygon scanner and image forming apparatus having the same
KR20010025465A (en) * 2000-12-29 2001-04-06 정보순 Blushless dc motor
JP2001128432A (en) * 1999-09-10 2001-05-11 Jianzhun Electric Mach Ind Co Ltd Ac power supply drive type dc brushless electric motor
KR20040012670A (en) * 2000-10-16 2004-02-11 얼티메이트 모트롤러 코포레이션 Multi-phase bipolar brushless d.c. motor
KR100635640B1 (en) 2005-08-19 2006-10-18 주식회사 대우일렉트로닉스 Rotor structure of pan-cake type brushless dc motor
JP2008161038A (en) * 2006-12-01 2008-07-10 Honda Motor Co Ltd Axial-gap electric motor
JP2010130777A (en) * 2008-11-27 2010-06-10 Toshiba Corp Brushless motor
KR20110072896A (en) * 2009-12-23 2011-06-29 충남대학교산학협력단 Toroidally-wound self-bearing brushless dc motor
KR101364177B1 (en) * 2013-09-24 2014-02-19 이두영 Free voltage hair dryer bldc motor
KR101768363B1 (en) * 2016-03-11 2017-08-30 최승권 BLDC motor having Slip-ring
KR102189243B1 (en) 2019-05-30 2020-12-16 이상경 stator using cartridge and BLDC motor comprising the same
KR20210137726A (en) * 2020-05-11 2021-11-18 주식회사 라이드로 Non-contact power supply and data communication device and lidar system using the same

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR19990088653A (en) * 1998-05-29 1999-12-27 이토가 미찌야 Direct-current brushless motor, and polygon scanner and image forming apparatus having the same
JP2001128432A (en) * 1999-09-10 2001-05-11 Jianzhun Electric Mach Ind Co Ltd Ac power supply drive type dc brushless electric motor
KR20040012670A (en) * 2000-10-16 2004-02-11 얼티메이트 모트롤러 코포레이션 Multi-phase bipolar brushless d.c. motor
KR20010025465A (en) * 2000-12-29 2001-04-06 정보순 Blushless dc motor
KR100635640B1 (en) 2005-08-19 2006-10-18 주식회사 대우일렉트로닉스 Rotor structure of pan-cake type brushless dc motor
JP2008161038A (en) * 2006-12-01 2008-07-10 Honda Motor Co Ltd Axial-gap electric motor
JP2010130777A (en) * 2008-11-27 2010-06-10 Toshiba Corp Brushless motor
KR20110072896A (en) * 2009-12-23 2011-06-29 충남대학교산학협력단 Toroidally-wound self-bearing brushless dc motor
KR101364177B1 (en) * 2013-09-24 2014-02-19 이두영 Free voltage hair dryer bldc motor
KR101768363B1 (en) * 2016-03-11 2017-08-30 최승권 BLDC motor having Slip-ring
KR102189243B1 (en) 2019-05-30 2020-12-16 이상경 stator using cartridge and BLDC motor comprising the same
KR20210137726A (en) * 2020-05-11 2021-11-18 주식회사 라이드로 Non-contact power supply and data communication device and lidar system using the same

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8004141B2 (en) Two-phase brushless DC motor
US7626299B2 (en) Motor
KR100815429B1 (en) A constant-power brushless DC motor and the generator thereby
KR19990013313A (en) Variable Voltage Outputless Rectifier DC Motor
WO2009056879A1 (en) Permanent magnet reluctance machines
CN107078617B (en) Bimorph transducer type rotator
US8373328B2 (en) Pulsed multi-rotor constant air gap switched reluctance motor
CN104158376B (en) A kind of brushed DC motor that can reduce electro-magnetic exciting force
US20070013251A1 (en) PDC motor-generator
KR20090129705A (en) Over-unity energy permanent magnet motor
JP2016540488A (en) Inductive polarization BLDC motor
JP2010063196A (en) Axial gap motor and electromotive fluid drive unit
JP5914618B2 (en) Rotating electric machines and electric vehicles
CN107425626B (en) A kind of built-in tangential excitation vernier magneto
KR20030017042A (en) Constant-power brushless dc motor
KR102571343B1 (en) Commutation-less DC motor using symmetrically structured the same directional rotation-wise magnetic fields and axis-wise magnetic fields generated around air-gap between rotor and stator
CN112910130B (en) Rotor magnetic pole modulation type variable magnetic flux memory motor
JP5650276B2 (en) Rotor and rotating electric machine equipped with the same
CN106981965B (en) A kind of electric vehicle electrical excitation hub motor
JP2009142130A (en) Rotating electric machine and drive device for rotating electric machine
US9099912B2 (en) Electromagnetic coupling
EP2028747A1 (en) Two-phase DC brushless motor
KR20170024744A (en) The high efficiency direct current motor and thereof control method
JP2017121110A (en) Rotary electric machine
US7265513B2 (en) Variable reluctance electric power system

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant