KR20010057864A - 단상의 무정류자 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 마그네트와 대향하는 코어의 돌극부가 비대칭적으로 형성되게 하므로서 자기 중심을 간편하게 조정하여 불기동점이 제거될 수 있도록 하는 단상의 무정류자 전동기에 관한 것으로서, 이를 위한 수단으로 본 발명은 중앙에 홀더(11)가 형성되는 프레임(10)과, 상기 프레임(10)의 상부면에 부착되는 기판(20)과, 평판의 철편을 다수 적층시켜 상기 홀더(11)의 외주면으로 안착되는 코어(30)와, 상기 코어(30)의 아암부(31)에 권선시킨 단상의 코일(40)로 이루어지는 스테이터와,

일단이 상기 홀더(11)에 회전 가능하게 끼워지는 샤프트(50)와, 상기 샤프트(50)의 타단에 결합되면서 상기 코어(30)의 돌극부(32)와 균일한 공극을 두고 반경방향의 내주면에 마그네트(61)를 부착한 허브(60)로 이루어지는 로터로 구성되는 단상의 무정류자 전동기에 있어서,

상기 코어(30)의 하단부에 위치하는 철편의 돌극부(32)에는 일측으로 치우친 편심 위치의 주면이 일부 하향 연장되도록 하여 코깅발생용 돌기(33)가 일체로 형성되게 하므로서 상기 돌극부(32)에서의 자기 중심이 이동되도록 하는 구성으로 이루어지도록 하는데 특징이 있다.

Description

단상의 무정류자 전동기{A brushless motor of single phase}

본 발명은 마그네트와 대향하는 코어의 돌극부가 비대칭적으로 형성되게 하므로서 자기 중심을 간편하게 조정하여 불기동점이 제거될 수 있도록 하는 단상의 무정류자 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 HDD(하드 디스크 드라이버), FDD(플로피 디스크 드라이버), 쿨링 팬(cooling fan)등과 같은 소형의 정밀기기에서 디스크의 구동 또는 팬 구동을 위해 사용하게 되는 스핀들 모터는 그 종류가 매우 다양하다.

그중에서도 정밀제어가 필요치 않는 단순한 구동만을 목적으로 하는 쿨링 팬등에는 주로 저렴한 제작이 요구되는 무정류자 전동기가 채용되는 것이 대부분이다.

이러한 무정류자 전동기는 대개가 코어에 대해서 마그네트가 코어의 반경방향으로 구비되는 레이디얼 타입의 3상 구동방식이 대부분이나 최근에는 보다 구성을 간소화시키는 추세에 따라 구동방식을 단상 또는 2상으로 적용하는 경우도 점차 많아지고 있다.

도 1은 이같은 종래의 쿨링 팬에 적용되는 단상의 무정류자 전동기를 도시한 것으로서, 저부에는 평판의 프레임(1)을 구비하고, 이 프레임(1)에는 상부면으로 기판(2)이 부착되며, 또한 프레임(1)의 중앙에는 상향 돌출되게 하여 관형상의 홀더(1a)가 일체로 결합되도록 한다.

그리고 홀더(1a)에는 외주면에 다수의 철편을 적층시킨 구성의 코어(3)가 결합되도록 하고, 이 코어(3)에는 코일(4)이 권선되게 하므로서 스테이터(stator)를 이룬다.

이때 코어(3)는 통상 도 2 에서와 같이 원통형의 본체를 방사상으로 연장되게 하여 아암부(3a)을 균일한 간격으로 형성하고, 이 아암부(3a)는 다시 끝단부를 양측으로 균일한 길이로 연장하여 원호형상으로 돌극부(3b)가 형성되도록 하고 있다.

또한 관형상의 홀더(1a) 내경부로는 캡형상의 허브(6)를 일체로 결합한 샤프트(5)가 회전 가능하게 끼워지게 하여 로터(rotor)를 구성한다.

이때 허브(6)의 외측단부를 하향 연장시킨 외주연부의 내주면에는 코어(3)의 끝단부에 형성된 돌극부(3b)와 균일한 공극(air gap)을 갖는 마그네트(6a)가 부착되도록 하고 있다.

상기한 구성의 전동기는 스테이터의 코일(4)에 통전되는 전류에 의해 코어(3)의 돌극부(3b)에 형성되는 전기장과 그와 대응되게 형성되는 마그네트(6a)의 자기장과의 상호 작용에 의해 발생되는 전자기력에 의해 구동력을 발생시키게 되며, 이러한 구동력에 의해서 허브(6)가 회전되도록 하는 작동 구조를 갖는다.

한편 상기의 구조에서 서로 대응되는 돌극부(3b)와 마그네트(6a)는 서로 동일한 개수로서 형성되도록 하거나 마그네트(6a)가 돌극부(3b)의 배수로서 형성되도록 한다.

이는 코일(4)에 흐르는 전류와 마그네트(6a)의 자속간 서로 직각을 이루는 구성에서 가장 큰 토크를 발생하게 되므로 만일 돌극부(3b)와 마그네트(6a)가 서로대칭을 이루지 못하게 되면 구동 토크는 더욱 저감되는 역효과를 유발하기 때문이다.

즉 돌극부(3b)와 마그네트(6a)의 극수가 서로 다르게 형성되면 일측의 돌극부(3b)와 마그네트(6a) 사이에서는 전류와 자속이 서로 직각을 이루면서 토크를 최대한으로 발휘할 수가 있게 되는데 반해 그와 대응되는 방향에서의 돌극부(3b)와 마그네트(6a)는 직각으로 교차되지 않게 되므로 구동력을 저감시키거나 도리어 역방향의 토크가 발휘되기도 하는바 이로서 로터의 구동력은 대폭적으로 저감되거나 구동 불능상태가 될 수 밖에 없다.

따라서 현재는 전술한 바와같이 돌극부(3b)와 마그네트(6a)를 동일한 수 및 배수로서 형성되게 하므로서 최대의 토크를 발휘할 수 있도록 하고 있다.

한편 전기한 구조에서 전류를 3상이나 2상으로 통전시키게 되는 경우에는 전류의 통전을 단속하는 홀소자가 3개 또는 2개가 필요하고, 그에 필요한 제어 로직이 추가되어야만 하므로 제작 비용이 대폭적으로 상승되는 비경제적인 단점이 있다.

또한 전기한 구조를 단상으로 형성하게 되면 코일(4)을 통해 유도되는 전류에 의해 발생하는 코어(3)에서의 자속과 이 코어(3)에 마주보게 구비되는 마그네트(6a)간에는 상호작용에 의해 도 3 에서와 같은 토크 파형을 발생시키게 되는데 이때 코일에 의해 발생되는 토크에는 주기적으로 기동이 불가능하게 되는 불기동점(dead point)이 존재하게 된다.

즉 구동직후 코일(4)에 전류 공급을 중지하게 되면 로터는 마그네트(6a)의극중심에 돌극부(3b)의 극중심이 위치되려고 하는 성질이 작용하게 된다.

이렇게 돌극부(3b)와 마그네트(6a)간 극 중심끼리 서로 대향하는 상태가 되면 재 구동을 위해 코일(4)에 전류를 통전시키게 되더라도 돌극부(3b)와 마그네트(6a)간에는 서로 밀거나 당기는 작용만 하게 되므로 로터를 더 이상 회전시키지 못하게 되는 것이다.

이와같이 코일(4)에 전류가 통전되면서 발생하게 되는 코일 토크가 ??그부(3b)와 마그네트(6a)의 극 중심에서 정지하게 되는 시점이 불기동점이며, 이러한 불기동점을 해소시키기 위해서 종전에는 별도의 코깅수단을 마련하였다.

즉 마그네트(6a)에 대해서 코어(3)의 돌극부(3b)측 자기 중심을 극 중심과 어긋나게 하므로서 불기동점이 제거되도록 하는 것이다.

다시말해 돌극부(3b)와 마그네트(6a)가 서로 마주보는 자기 중심이 비대칭이 되게 하거나 별도로 코깅발생용 돌기를 형성하여 불기동점이 제거되도록 하는 것이다.

그러나 상기와 같은 불기동점 제거를 위한 수단에서 특히 돌극부(3b)의 자기 중심이 비대칭이 되도록 하는 구성은 매우 다양한 방법으로 실시되고는 있으나 그와같은 형상의 코어(3)를 제작하기 위해서는 코어(3)의 돌극부(3b) 전체의 형상을 개선시켜야만 하는 번거로움이 있다.

또한 별도로 불기동점 제거를 위한 코깅발생용 돌기를 형성하는 것은 제작 비용을 상승시키는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 시정 보완하기 위한 것으로서, 이를위해 본 발명은 마그네트의 공극면에 대해서 균일한 공극을 갖도록 형성되는 코어 중 하단부에 위치되는 철편의 돌극부가 편심된 위치의 일부를 하향 돌출되게 하므로서 자기 중심이 편심되게 하여 불기동점이 제거될 수 있도록 하는데 주된 목적이 있다.

또한 본 발명은 불기동점의 제거를 위한 코깅발생수단이 코어에 일체로 형성되도록 하여 보다 손쉬운 제작이 될 수 있도록 하는데 다른 목적이 있다.

도 1 은 종래의 일반적인 단상의 무정류자 전동기를 도시한 측단면도,

도 2 는 도 1 의 a-a선 단면도,

도 3 은 일반적인 단상의 무정류자 전동기에서의 토크 파형도,

도 4 는 본 발명에 따른 단상의 무정류자 전동기를 도시한 측단면도,

도 5 는 본 발명의 코어를 도시한 사시도,

도 6 은 본 발명에 따른 코어의 돌극부의 정면 사시도,

도 7 은 본 발명에 따라 코어의 돌극부에 대해 마그네트가 정지되는 상태를 도시한 작용 상태도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 프레임 11 : 홀더

20 : 기판 30 : 코어

31 : 아암부 32 : 돌극부

33 : 코깅발생용 돌기 40 : 코일

50 : 샤프트 60 : 허브

61 : 마그네트

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 중앙에 홀더가 형성되는 프레임과, 프레임의 상부면에 부착되는 기판과, 평판의 철편을 다수 적층시켜 홀더의 외주면으로 안착되는 코어와, 코어의 아암부에 권선시킨 단상의 코일로 이루어지는 스테이터와,

일단이 홀더에 회전 가능하게 끼워지는 샤프트와, 샤프트의 타단에 결합되면서 코어의 돌극부와 균일한 공극을 두고 반경방향의 내주면에 마그네트를 부착한 허브로 이루어지는 로터로 구성되는 단상의 무정류자 전동기에 있어서,

코어의 하단부에 위치하는 철편의 돌극부에는 일측으로 치우친 편심 위치의 주면이 일부 하향 연장되도록 하여 코깅발생용 돌기가 일체로 형성되게 하므로서 돌극부에서의 자기 중심이 이동되도록 하는데 특징이 있다.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4 는 본 발명에 따른 단상의 무정류자 전동기의 실시예를 도시한 측단면도로서, 크게 스테이터와 로터로 구성되며, 스테이터에 대해서 로터가 반경방향에서 회전되도록 하는 구성은 종전과 거의 동일하다.

즉 프레임(10)의 중앙에는 원통형 홀더(11)가 일체로 형성되며, 프레임(10)의 상부면에는 기판(20)이 부착된다.

그리고 홀더(11)의 외주면에는 기판(20)의 상부로 평판의 철편을 다수 적층시킨 코어(30)가 안착되어 고정되도록 하며, 코어(30)의 아암부(31)에는 단상의 코일(40)이 권선되게 하므로서 스테이터를 이룬다.

스테이터에 대해서 회전하게 되는 로터는 샤프트(50)와 허브(60)로서 이루어지는 구성으로서 이때 샤프트(50)는 일단이 홀더(11)에 끼워져 회전 가능하게 지지되고, 이러한 샤프트(50)의 타단에는 허브(60)가 샤프트(50)와 함께 회전 가능하게 결합된다.

이때 허브(60)는 하향 개방된 캡형상을 이루고 있으므로 외측단부를 하향 연장시킨 외주연부는 코어(30)와 소정의 공극을 두고 외측에서 감싸는 형상이 된다.

이러한 허브(60)의 외주연부에는 내주면으로 코어(30)의 외측단부인 돌극부(32)과 균일한 공극을 이루면서 상호 작용에 의해 전자기력을 형성하는 마그네트(61)가 부착되어 있다.

상기와 같은 구성에서 본 발명은 도 5 에서 보는바와 같이 코어(30)의 하단부에 위치하는 철편의 돌극부(32)에 일측으로 편심되는 위치로 일부가 하향 돌출되게 하여 코깅발생용 돌기(33)가 일체로 형성되게 하므로서 돌극부(32)에서의 자기 중심이 코깅발생용 돌기(33)측으로 이동될 수 있도록 하는데 가장 두드러진 특징이있다.

다시말해 다수개의 철편을 적층시킨 구성의 코어(30)에서 최하단부에 위치하는 철편의 돌극부(32)에 중심에서 일측으로 치우친 위치에 하향 돌출되게 코깅발생용 돌기(33)가 일체로 형성되도록 하는 구성이다.

이때 코어(30)의 아암부(31)에는 코일(40)이 권선되도록 하되 이들 코일(40)은 단상의 위상을 갖도록 한다.

상기한 구성에 따른 본 발명의 작용에 대해서 설명하면 다음과 같다.

외부로부터 입력되는 전원이 기판(20)을 통해 코어(30)의 아암부(31)에 권선시킨 코일(40)에 통전되면 코어(30)의 각 돌극부(32)에서는 전기장이 형성되며, 이때의 전기장과 각 돌극부(32)에 마주보는 방향에 위치한 마그네트(61)의 자기장간 상호 작용에 의해 전자기력을 발생시키면서 회전력을 유발하게 된다.

이때 돌극부(32)에서의 자기 중심과 마그네트(61)의 자기 중심이 동일하면 비록 로터가 회전하게 되더라도 정지하게 될 때 자기 중심 위치에서 정지하게 되므로 더 이상 회전하지 않게 된다.

다시말해 돌극부(32)의 자기 중심과 마그네트(61)의 자기 중심이 일치되면 코일 토크는 제로 상태가 되는데 이러한 시점을 불기동점이라 한다.

이에 본 발명은 코어(30)의 최하단에 위치하는 철편의 돌극부(32)에 일측으로 편심되는 위치로 코깅발생용 돌기(33)를 일체로 형성하므로서 코어(30)에서의 자기 중심이 코깅발생용 돌기(33)가 형성되어 있는 방향으로 이동되도록 하는 것이다.

즉 도 6 에서 보는바와 같이 코어(30)의 돌극부(32)에서 극 중심(Pc)과 자기 중심(Pcn)이 서로 어긋나도록 하는 것이다.

이는 통상의 자기 중심(Pcn)이 자기력 발생 면적에 의해 변화되는 성질에 기인하는 것으로 코어(30)의 돌극부(32) 중 일측으로 코깅발생용 돌기(33)를 형성하게 되면 마그네트(61)와 마주보는 자기력 발생 면적이 일측으로 편중되므로 자기 중심(Pcn)은 발생 자기력의 균형을 위해 면적이 부가되는 코깅발생용 돌기(33)가 형성되는 방향으로 미세하게 이동하게 된다.

한편 마그네트(61)는 극 중심(Mcn)과 자기 중심(Mc)이 동일 선상에 위치하므로 돌극부(32)에서의 자기 중심(Pcn)을 극 중심(Pc)과 어긋나게 이동시키게 되면 상호 자기 중심(Pcn)에서 정지하려는 자기력 특성에 의해 도 7 에서와 같이 마그네트(61)의 극 중심(Mcn)이 돌극부(32)에서 코깅발생용 돌기(33)가 형성된 방향의 자기 중심(Pcn)과 일치되면서 돌극부(32)는 전체적으로 마그네트(61)의 극 중심(Mcn)으로부터 일측으로 편심 이동된 상태가 된다.

따라서 코어(30)에 권선되어 있는 코일(40)에 재차 전류를 흘리게 되면 코어(30)의 돌극부(32)에서의 극 중심(Pcn)이 마그네트(61)의 극 중심(Mcn)과 어긋난 비대칭의 상태가 되므로 이들 사이에서 발생되는 전자기력에 의해 마그네트(61)는 일방향으로 회전하려는 성질을 갖게 되므로 로터를 원활하게 회전시킬 수가 있게 된다.

이렇게 본 발명은 코어(30)에 코깅발생용 돌기(33)를 일체로 형성하는 간단한 구조 개선에 의해 단상의 전동기에서 가장 문제시되는 불기동점을 제거시킬 수가 있게 되므로서 안정적으로 구동력을 유지시킬 수가 있게 된다.

특히 본 발명은 코깅발생수단을 별도로 구비하지 않고 오직 하나의 철편만을 변형시키면 되므로 종전과 같은 코깅발생수단을 위한 제작 설계의 어려움을 제거할 수가 있다.

또한 전동기의 조립시 부가되는 공정이 없으므로 보다 신속한 제작을 할 수 있도록 한다.

그러므로 본 발명은 코어(30)의 철편 하나에 코깅발생용 돌기(33)가 일체로 형성되도록 하는 간단한 구성에 의해 단상의 전동기에서 발생되는 불기동점을 제거할 수가 있게 되어 원활한 구동이 이루어지도록 하는 동시에 전동기의 조립 및 제작성과 생산성이 증대되도록 하는 보다 경제적인 이점을 제공하게 된다.

Claims (1)

1. 중앙에 홀더(11)가 형성되는 프레임(10)과, 상기 프레임(10)의 상부면에 부착되는 기판(20)과, 평판의 철편을 다수 적층시켜 상기 홀더(11)의 외주면으로 안착되는 코어(30)와, 상기 코어(30)의 아암부(31)에 권선시킨 단상의 코일(40)로 이루어지는 스테이터와,

   일단이 상기 홀더(11)에 회전 가능하게 끼워지는 샤프트(50)와, 상기 샤프트(50)의 타단에 결합되면서 상기 코어(30)의 돌극부(32)와 균일한 공극을 두고 반경방향의 내주면에 마그네트(61)를 부착한 허브(60)로 이루어지는 로터로 구성되는 단상의 무정류자 전동기에 있어서,

   상기 코어(30)의 하단부에 위치하는 철편의 돌극부(32)에는 일측으로 치우친 편심 위치의 주면이 일부 하향 연장되도록 하여 코깅발생용 돌기(33)가 일체로 형성되게 하므로서 상기 돌극부(32)에서의 자기 중심이 이동되도록 하는 단상의 무정류자 전동기.