KR20010025110A

KR20010025110A - 브러시리스 모터

Info

Publication number: KR20010025110A
Application number: KR1020007013437A
Authority: KR
Inventors: 후쿠시마신지
Original assignee: 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date: 1999-03-31
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2001-03-26
Also published as: CN1297603A; KR100567482B1; ID27258A; US6713924B1; CN1224158C; JP2000287427A; WO2000060726A1

Abstract

자극수 P개(P는 2 이상의 정수)의 영구 자석을 갖는 로터와, 상기 로터에 대향하여 배치되고, 각각 대략 삼각형 또는 사다리꼴 형상으로 형성된 복수의 코일을 갖는 스테이터를 포함하는 3상 브러시리스 모터에 있어서, 인접하는 상호 코일간 거리를 (360°/P)×(5/3)로 하고, 로터의 위치 검출을 실행하는 3개의 위치 검출 소자를 (360°/P)×(2/3)의 간격으로 코일이 배치되지 않은 범위에 배치한다. 이 구성에 의해, 코일의 형상 및 배치를 최적화 함으로써, 코일수의 감소 및 모터 특성의 향상을 실현한다.

Description

브러시리스 모터{BRUSHLESS MOTOR}

종래의 브러시리스 모터(이하, 모터라고 칭함)에 있어서, 고출력을 얻기 위해서는 단위 전류당 발생 토크를 나타내는 모터정수(Kt)를 크게 할 필요가 있다. 그 모터정수를 크게 하기 위해서, 일반적으로 영구 자석(이하, 자석이라고 칭함)을 구비한 원반형 로터의 자석 면적과 동일하거나 그 이상의 면적에 권선 코일을 배치하여, 코일수(S)를 증가시키거나, 각 코일의 권취수를 증가시키는 방법이 취해진다. 그러나, 이 경우에 스테이터로서 편평공심권선의 코일을 프린트 배선판에 배치하는 구성에서는, 코일 수가 증가됨으로써, 설비비 및 가공 공정수가 증가되어 고가이면서 생산성이 불량한 제품이 된다.

또한, 모터의 소형화가 진행된 경우, 코일의 선속을 배치할 수 있는 면적이 감소하므로, 권취수를 증가시킬 수 없게 되어, 결과적으로 모터정수를 크게 할 수 없다. 이러한 과제로부터, 모터의 소형화에 따라 모터정수가 작아지는 것을 제거하거나, 또는 소형화에 따른 모터정수 저하의 영향을 작게 하기 위해, 권선이나 자석 등을 고성능 및 고가의 재료로 변경하는 등의 선택을 행하고 있다.

도 2a 내지 도 2c에 종래의 평면대향형 3상 브러시리스 모터를 도시한다.

또한, 상기 평면대향형이란 로터와 스테이터가 축방향으로 이격되어 서로 마주보는 구조를 말한다.

도 2b에서, 모터의 크기는 코일군의 외륜 직경(OD)으로 표시된다. 직경(OD)이 약 40㎜인 모터의 경우, 코일군의 내륜 직경(ID)은 베어링 등의 배치로 인한 제약때문에 일반적으로 약 20㎜로 되고, 또한 코일의 직경 방향과 원주 방향의 길이에 균형을 맞추기 위해 9코일로 하는 경우가 많다. 이 경우, 도 2c에 도시된 원반형 로터의 자극수(P)는 12가 되므로, 자극의 폭(360°/P)은 중심각이 30°인 부채꼴로 된다. 또한, 코일의 배치는 도 2b에 도시된 바와 같이 코일간 거리는 40°(360°/9)로 되고, 자극 폭의 4/3배로 된다. 즉, 자극 폭과 코일간 거리와의 관계(코일 배치 조건)는 자극 배치와의 관계를 고려하면 (360°/P)×(4/3) 내지 40° 간격으로 된다.

도 2b에는, U, V 및 W의 3상을 구성하는 각 코일의 배치가 도시되어 있다. U상은 U1, U2 및 U3의 코일로 형성되고, V상은 V1, V2 및 V3의 코일로 형성되고, W상은 W1, W2 및 W3의 코일로 형성되며, 프린트 배선판(2)상에는 합계 9개의 코일이 배치된다. 그리고, 각 코일에 있어서 선속의 폭(A)은 각 코일의 내주 측에 배치된 각 코일 끝단 처리용 납땜 랜드(4) 및 인접한 코일에 의해서 제한된다.

특히, 각 코일은 다수의 선속으로 구성되므로, 선재의 선직경이 약 0.01㎜ 벗어나면, 예를 들어 20회 권취하는 경우, 코일의 외경이 직경 방향으로 약 0.2㎜의 격차를 갖게 된다. 그 격차와 각 코일을 프린트 배선판(2)에 고정할 때의 작업성을 고려하면, 일반적으로 인접 코일과의 간극을 약 1㎜로 취한다. 또한, 로터의 위치 검출에 사용되는 위치 검출 소자인 자기센서(5)를 배치하는 공간이 필요하기 때문에, 9개의 코일중에서 센서(5)를 코일 내측에 배치하는 3개의 코일(U1, V1 및 W1)은 코일 선속의 폭(A)이 다른 6개의 코일의 선속의 폭보다 작다. 이러한 코일 배치상의 제약에 의해, 코일의 권취수가 적어지므로, 모터정수를 크게 함에 있어서 장해가 된다. 이것은 자기센서 및 납땜 랜드의 크기를 모터에 비례하여 작게 하는 것이 곤란하므로, 모터가 소형화될수록 그 영향이 커진다.

또한, 코일에 있어서의 이등변의 각도를 로터 자극을 형성하는 30°에 맞춘 경우, 코일의 외측 방향으로의 권선용 공간이 코일 외륜부의 양 측면에 각각 약 1.7㎜, 코일 내륜부의 양 측면에 각각 약 0.9㎜로 된다. 인접하는 코일과의 간극을 고려하면, 30° 각도선 보다 외측에 코일을 배치하는 공간은 거의 없어진다. 이 때문에 코일의 권취수를 증가시키는 경우에는, 30°각도선의 내측 방향에 대부분의 권선을 배치하게 되고, 결과적으로 코일의 이등변 각도는 실질적으로는 30°보다 작아진다.

이렇게 해서 코일의 이등변 각도가 작아진 경우, 코일에 있어서의 이등변 한쪽의 선속이 최대 토크를 발생하는 위치에 로터 자극이 도달했을 때, 이등변의 다른 한쪽의 선속은 로터 자극이 최대 토크를 발생하는 위치로부터 벗어나게 되고, 한 개의 코일 전체로서 최대 토크를 발생할 수 없게 된다. 그 결과, 코일의 이등변 각도를 실제로 30°로 한 경우에 비해, 모터정수는 작아진다.

또한, 자극의 각도 30°도에 대하여, 코일의 권선을 내측에 보다 많이 배치한 경우, 모터 회전중 정회전 방향에 대하여 역방향의 토크를 발생시키는 지점이 발생하여, 모터정수에 손실을 초래하고 모터 진동의 요인이 된다.

이것을 도 2a를 이용하여 설명한다. 도 2a는 도 2b에 도시하는 스테이터에 있어서의 코일의 선속 단면과 로터의 위치와의 관계를 나타낸다. 로터(6)의 30°마다 배치되는 자극(7)에 대향하여, 코일의 선속(8, 9)이 배치되어 있다. 선속(8)과 선속(9)은 동일한 권선이고, 선속(8)에 전방에서 내부를 향하여 전류가 흐르는 경우, 선속(9)은 내부에서 전방을 향하여 전류가 흐르게 된다. 즉, 선속(8)과 선속(9)에 대하여, 서로 상이한 자극이 대향되는 경우에, 동일한 방향으로 토크가 발생하지만, 선속(8)과 선속(9)이 동일한 자극과 대향되는 경우는, 토크가 역방향으로 발생하여 서로 부정하게 된다. 도 2a와 도 2b로부터 알 수 있는 바와 같이, 30° 각도선에 대하여, 내측에 많은 권선이 배치되는 경우, 로터(6)가 회전하여 자극(7)이 도 2a의 위치로 된 상태에서, 선속(9)의 Z부가 선속(8)과 동일한 자극에 대향하므로, 동일 선속(9)에서 역방향으로 토크가 발생된다.

상기 과제에 대하여, 종래에, 도 3에 도시된 바와 같이, 센서(5)를 코일이 배치되지 않은 범위에 집중 배치하고, 종래의 (360°/P)×(4/3)의 간격으로 코일을 배치하는 방법, 예를 들면, 10극 6코일로 하는 것에 의해 개선 가능한 방법이 공지되어 있다. 도 3에 있어서, 상기 종래의 코일 배치 조건으로부터, P=10 에서 48°간격으로 U상, V상 및 W상 코일을 구성하는 각 코일이 배치되어 있다. 즉, U상 코일은 U1과 U2의 두 개의 코일이고, V상 코일은 V1과 V2의 두 개의 코일이고, W상 코일은 W1과 W2의 두 개의 코일로 형성되며, 합계 6개의 코일이 프린트 배선판(2)상에 배치되어 있다.

여기서, 이들 여섯 개의 코일을 48°마다 다섯 개의 범위, 즉 48°×5=240°의 범위에 집중 배치시킴으로써, 센서(5)를 배치하는 공간을 확보할 수 있게 된다. 센서(5)는 (360°/P)×(4/3) 또는 (360°/P)×(2/3)의 간격으로 배치될 수 있고, 도 3에 도시된 실시예에서는 (360°/P)×(2/3)도의 간격, 즉 24°간격으로 배치되어 있다.

그러나, 각 코일의 외륜 사이의 직경(OD)이 작은 경우, 각 코일 끝단의 외주측의 납땜 처리용 랜드(3)와 센서(5)와의 거리가 가까워지므로, 각 코일 끝단의 납땜 작업시에, 코일 끝단선이 센서(5)의 단자와 단락되기 쉬운 문제점이 있다. 특히, 각 코일 끝단은 변형되기 쉬워서 작업도중 위치 제어가 곤란하다는 것, 일반적으로 끝단 처리 작업에 의한 끝단 길이의 격차가 크므로 끝단 길이를 미리 길게 취하는 것, 납땜 랜드(3)가 프린트 배선판(2)상에 설치되지만, 제조상의 문제로 랜드(3)의 위치 정밀도의 격차가 크고, 센서(5)와의 상대 위치가 약 0.2㎜로 이격됨을 예상해야 한다는 것 등으로 인해, 랜드(3)와 센서(5)는 충분한 거리를 가져야한다. 이러한 점으로부터, 직경(OD)이 작은 경우에는, 센서(5)를 코일의 외측에 집중적으로 배치할 수가 없으므로, 코일의 내측에 센서를 배치하지 않을 수 없다.

전술한 바와 같이, 직경(OD)이 40㎜ 이하인 종래의 모터에서는, 각 코일을 배치하는 공간이 작아지고, 납땜 랜드나 자기 센서 등의 배치 공간 및 양호한 작업성 확보를 위해, 각 코일의 권취수를 증가시키는 것이 어렵고 모터정수를 크게 할 수 없는 문제점이 있었다. 특히, 각 코일의 배치 공간과 치수상 제약이 있는 납땜 랜드 또는 자기 센서 등의 공간과의 면적비로부터, 모터를 소형화한 정도에 비례하여, 모터정수가 보다 작아지게 되는 문제점이 있었다.

또한 전술한 바와 같이, 로터 자극을 형성하는 부채꼴의 이등변 각도에 대하여 코일의 이등변 각도가 실질적으로 작으므로, 발생된 토크에 손실이 발생하고, 역방향 토크에 의해 발생된 토크의 손실 또는 모터 진동의 문제점도 있었다.

발명의 요약

본 발명의 브러시리스 모터는 상기 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 구성을 구비한다. 본 발명의 브러시리스 모터는 자극수 P개(P는 2 이상의 정수)의 영구 자석을 구비한 로터와, 그 로터에 대향하게 배치되고 복수의 코일을 구비한 스테이터를 포함하고, 상기 코일은 자극에 의해 발생되는 자계와 쇄교(鎖交)하는 이등변 형상으로 형성되고, 이등변을 형성하는 두 개의 코일 선속의 중심을 통과하는 로터의 회전축 방향으로의 쌍방의 연장선은 그 회전축 중심에서 교차하고, 또한 360°/P의 각도를 갖는 구성을 포함한다.

이 구성에 의해, 모터의 소형화에 의한 모터정수의 손실을 억제할 수 있다. 또한, 코일의 최적 형상과 최적 배치에 의해, 동일한 크기의 모터에 있어서, 종래에 사용하던 코일의 수를 감소시킬 수 있다.

본 발명은 3상 브러시리스 모터에 관한 것이고, 특히 스테이터 코일 배치에 특징을 갖는 것이다.

도 1a는 본 발명의 실시예에 있어서 브러시리스 모터의 코일의 선속과 로터 위치와의 관계를 도시하기 위한 단면도,

도 1b는 본 발명과 동일한 실시예에 있어서 브러시리스 모터의 스테이터를 도시하는 도면,

도 1c는 동일한 로터를 도시하는 도면,

도 2a는 종래의 실시예에 있어서 브러시리스 모터(12극 9코일)의 코일의 선속과 로터 위치와의 관계를 도시하기 위한 단면도,

도 2b는 동일한 종래의 실시예에 있어서 브러시리스 모터의 스테이터를 도시하는 도면,

도 2c는 동일한 로터를 도시하는 도면,

도 3은 다른 종래의 실시예에 있어서의 브러시리스 모터(10극 6코일)의 스테이터를 도시하는 도면.

본 발명의 실시예에 대한 이하의 내용을 도면을 이용하여 설명한다.

본 발명의 실시예에 대하여, 도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면서 설명한다. 도 1a는 본 발명의 실시예에 있어서 브러시리스 모터의 코일의 선속과 로터 위치와의 관계를 도시하기 위한 단면도, 도 1b는 본 발명과 동일한 실시예에 있어서 브러시리스 모터의 스테이터를 도시하는 도면, 도 1c는 동일한 로터를 도시하는 도면이다.

이들 도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 의해 종래 9개의 코일을 6개로 감소시킬 수 있게 된, 직경이 약 40㎜이고, 로터 자극수(P)가 12극인 3상 브러시리스 모터를 도시한다. 여기서, 각 코일은 편평공심권선으로 형성되고, 형상은 대략 삼각형 또는 사다리꼴형상이 바람직하다. 또한, 로터의 형상은 원반형이다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 각 코일은 (360°/P)×(5/3)의 간격으로, U상, V상 및 W상을 구성하며 배치되어 있다. 여기서, P는 12이므로, 각 코일은 50° 간격으로 배치된다. 즉, U상은 두 개의 코일(U1 및 U2)로 형성되고, V상은 두 개의 코일(V1 및 V2)로 형성되며, W상은 두 개의 코일(W1 및 W2)로 형성된다. 이와 같이, 스테이터의 3상 코일은 각 상에 대하여 두 개씩 합계 여섯 개로 형성되고, 상기 계산식으로부터 50°의 등간격으로 배치된다.

또한, 도 1b에 도시된 바와 같이 V1 코일의 이등변을 형성하는 코일 선속이 360°/P의 각도선을 중심으로 하여 그 내측과 외측에 각각 360°/(4×P)의 범위 내에 배치된다. P가 12인 경우, 두 개의 코일 선속의 중심을 통과하는 각도선은 30°이고, 각 코일 선속은 그 각도선을 중심으로 하여 그 내측과 외측에 각각 7.5°의 범위 내에 배치된다.

그것에 의해, 예를 들면 직경(OD)이 약 40㎜인 모터인 경우, 통상적인 직경(ID)은 베어링등의 제약에 의해 약 20㎜로 된다. 이 때, 각 코일에 있어서의 이등변의 선속의 각도를 30°로 한 경우, 그들 선속의 중심으로부터 적층되어 형성되는 권선폭은 외륜부(직경 40㎜ 부분)에서 양 측면에 각각 약 3.5㎜, 내륜부(직경 20㎜부분)에서 양 측면에 각각 약 1.7㎜로 되고, 필요한 인접 코일과의 간극을 고려하더라도, 30° 각도선의 외측에 권선을 배치할 수 있는 공간이 충분히 확보될 수 있다.

또한, 여섯 개의 코일을 50° 간격으로 배치한 경우, 그들 코일이 배치되지 않는 범위는 60°를 넘는다(실시예에서는 65°로 됨). 이 범위에서, (360°/P)×(2/3) 간격, 즉 20° 간격으로 로터의 위치 검출 소자인 3개의 자기 센서(HU, HV, HW)를 배치한다. 이것에 의해, 자기 센서를 코일의 내측에 배치한 경우와 비교하여, 각 코일의 배치 가능한 공간을 크게 할 수 있다.

도 1b를 참조하여 3상 코일과 3개의 위치 검출 소자와의 물리적 배치 관계를 보다 상세히 설명한다. 스테이터 코일은 U상, V상 및 W상의 3상으로 이루어지고, 전술한 바와 같이 각 상은 각각 코일 U1 및 U2, V1 및 V2, W1 및 W2의 직렬 접속으로 구성된다. U1 코일의 중심과 위치 검출 소자(HU)는 60°의 간격이고, 마찬가지로 V1 코일의 중심과 위치 검출 소자(HV)는 90°의 간격이며, W1 코일의 중심과 위치 검출 소자(HW)는 180°의 간격으로 되어 있다. 각 소자(HU, HV 및 HW)의 상호 간격은 20°로 되어 있다.

여기서, 상기 본 실시예의 3상 브러시리스 모터의 구조가 종래의 브러시리스 모터와 마찬가지로 모터로서 성립되어 있음이 설명된다.

종래의 모터에서는, U상 코일에 의해 검출되는 신호에 대하여, V상 코일에 의해 검출되는 신호는 전기각(電氣角)에서 240° 편위된다. V상 코일에 의해 검출되는 신호에 대하여, W상 코일에 의해 검출되는 신호는 전기각에서 240° 편위된다. 여기서, W상 코일에 의한 신호는 U상 코일에 대하여 480° 편위되지만, 전기각에서 360° 편위는 동일한 위상이므로, 결과적으로 W상 코일은 U상 코일에 대하여 120° 편위된 것과 동일하다. 이와 같이, 3상 코일에 의한 검출 신호가 각각 120°씩 편위된 상태는 3상 브러시리스 모터의 성립 조건이 된다.

이에 대하여, 본 발명의 브러시리스 모터에서는, U1 코일에 의해 검출되는 신호에 대하여, V1 코일에 의해 검출되는 신호는 전기각에서 300° 편위된다. V1 코일에 의해 검출되는 신호에 대하여, W1 코일에 의해 검출되는 신호는 전기각에서 300° 편위된다. 따라서, W1 코일에 의한 신호는 U1 코일에 대하여 600° 편위되고, 전기각에서 360°의 편위는 동일한 위상이므로, 결과적으로 W1 코일은 U1 코일에 대하여 240° 편위된 것과 동일하다. 여기서, V1 코일이 종래의 모터와 마찬가지로, U1 코일에 대하여 480° 편위된다면, 3상 브러시리스 모터의 성립 조건이 만족되지만, 상기에 설명된 바와 같이 300° 편위되어 있으므로, 이 상태로는 모터가 작동될 수 없다. 그러므로, V1 코일을 U1코일과 반대 방향으로 권선을 권취함으로써, 전기각으로서 180° 위상을 편위시키고, V1 코일이 U1 코일에 대하여 480° 편위된 것과 동일하다.

다음에, U1 코일에 대하여 U2 코일은 기계각에서 150° 편위되므로, 전기각에서는 900° 편위된 것으로 된다. 전기각 360°마다 동일한 위상이므로, U1 코일과 U2 코일은 180°의 위상차를 갖게 된다. 따라서, U2 코일을 U1 코일에 대하여 역으로 권선 방향을 취함으로써, U2 코일과 U1코일은 전기각으로서 동일한 위상이 될 수 있다.

마찬가지로, V1 코일과 V2 코일 및 W1 코일과 W2 코일에 대해서도, 각각 기계각에서 150° 편위되게 배치되므로, 역으로 상호 권선 방향을 취함으로써, 전기각으로서 동일한 위상의 코일을 얻을 수 있다. 즉, 6개의 코일중, U2, V1 및 W2의 3개의 권선 방향과, U1, V2 및 W1의 3개의 권선 방향을 역으로 취함으로써, 종래의 모터와 마찬가지로 3상의 각 코일의 신호를 서로 전기각에서 120°씩 편위된 형태로 얻을 수 있어, 3상 브러시리스 모터가 성립된다.

전술한 것은, 코일의 권선 방향을 변경하는 것이 아니라, 프린트 배선판 등에 의해 코일 상호간의 결선 방향을 변경함으로써 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상과 같이, 본 발명의 브러시리스 모터에 의하면, 로터 자극에 대하여 모터의 코일을 최적의 배치와 형상으로 만들 수 있고, 모터정수의 손실을 억제할 수 있다. 이것에 의하여, 특히 모터의 소형화시, 코일 배치상의 제약으로부터 발생되는 모터정수의 손실을 개선함으로써, 모터정수를 향상시킬 수 있다. 또한, 코일이 최적의 형상과 최적의 배치를 구비하므로, 동일한 크기의 모터에 있어서, 종래 사용되던 코일의 수를 감소시킬 수 있다.

본 발명은 브러시리스 모터에 적용할 수 있는 스테이터의 코일 배치에 관한 것이다.

구체적으로, 자극수 P개의 영구 자석을 구비한 로터와, 그 로터에 대향하여 배치되고, 각각 대략 삼각형 또는 사다리꼴형상으로 형성된 복수의 코일을 구비한 스테이터를 포함하는 3상 브러시리스 모터에 있어서, 인접하는 상호 코일간 거리를 (360°/P)×(5/3)도로 하고, 로터의 위치 검출을 실행하는 3개의 위치 검출 소자를 (360°/P)×(2/3)도 간격으로 배치하는 것과 함께 코일이 배치되어 있지 않은 범위에 배치한다. 이 구성에 의해, 코일의 형상 및 배치를 최적화함과 동시에, 코일 수의 감소 및 모터정수의 향상을 실현한다.

Claims

브러시리스 모터에 있어서,

자극수 P개(P는 2 이상의 정수)의 영구 자석을 갖는 로터와, 상기 로터에 대향하게 배치되고, 복수의 코일을 갖는 스테이터를 포함하고, 상기 코일은 상기 자극에 의해 발생되는 자계와 쇄교(鎖交)하는 이등변을 갖는 형상으로 형성되고, 상기 이등변을 형성하는 2개의 코일 선속의 중심을 통과하는 로터 회전축 방향으로의 쌍방의 연장선은 상기 회전축 중심에서 교차하고 360°/P의 각도를 갖는

브러시리스 모터.
제 1 항에 있어서,

상기 복수의 코일의 외륜 직경이 40㎜ 이하인

브러시리스 모터.
제 1 항에 있어서,

상기 코일의 이등변을 형성하는 코일 선속이 상기 360°/P의 각도선을 중심으로 하여 그 내측과 외측에 각각 360°/(4×P)의 범위내에 배치된

브러시리스 모터.
제 3 항에 있어서,

인접하는 상기 코일간 거리가 (360°/P)×(5/3)인

브러시리스 모터.
제 4 항에 있어서,

상기 로터의 위치 검출을 실행하는 3개의 위치 검출 소자를 더 포함하며, 상기 위치 검출 소자를 (360°/P)×(2/3) 간격으로, 상기 코일이 배치되어 있지 않은 범위에 배치하는

브러시리스 모터.