KR20010094208A - 2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로터의 일부인 허브(12)가 베어링(14)으로 지지되는 축(13)에 의해 스테이터의 일부인 베이스 플레이트(11) 상에 회전 가능하게 결합되는 모터에 있어서: 상기 베이스 플레이트(11)의 상면에서 상기 축(13)을 중심으로 일정한 간격을 유지하며 고정되어 스테이터를 구성하는 PCB 권선(17); 및 상기 PCB 권선(17)의 상하로 일정한 간격을 유지하도록 상기 허브(12)의 저면에 각각의 요크(15)(16)를 개재하여 고정되어 로터를 구성하는 한 쌍의 영구자석(25)(26)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이에 따라 코일대신 PCB 패턴을 사용하여 코깅 토크가 없고 박형화 및 제작이 간편하며 또한 2중 공극 구조를 채택하여 축방향 흡인력이 베어링에 전달되는 것을 차단하고 효율이 높을 뿐 아니라 외륜 회전형으로 인해 기계적으로 안정적이고 회전디스크 장착이 용이한 효과가 있다.

Description

2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터{Axial BLDC motor using dual air gap and PCB coil}

본 발명은 2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 코일대신 PCB 패턴을 사용하여 코깅 토크가 없고 박형화 및 제작이 간편하며 또한 2중 공극 구조를 채택하여 축방향 흡인력이 베어링에 전달되는 것을 차단하고 효율이 높을 뿐 아니라 외륜 회전형(고정축)으로 인해 기계적으로 안정적이고 회전디스크 장착이 용이한 2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터에 관한 것이다.

정보기억 장치용으로 사용되는 비엘디시(BLDC) 모터는 컴퓨터 주변장치(HDD, CD, DVD)나 VCR, 캠코더 등 멀티미디어 장비에 사용되는 소형 정밀 브러시리스 직류 모터이다.

도 1 내지 도 4는 종래의 비엘디시 모터의 일예를 단면으로 나타내는 구성도가 도시된다.

도 1a 및 도 1b에 나타낸 것처럼 공극의 위치 및 자속의 흐름 방향에 따라 일반적으로 반경방향 BLDC 모터(radial gap type BLDC motor)와 축방향 BLDC 모터(axial gap type BLDC motor)로 나눌 수 있다.

그림 2는 대표적인 정보 기억 장치인 3.5인치 외륜(outer race) 회전형 하드 디스크 드라이브용 스핀들 모터의 개략도를 나타낸 것으로 반경방향 BLDC 모터의 일종이다. 허브·요크·영구자석으로 구성된 회전자부와 축·고정자 철심, 베이스 플레이트·권선으로 구성된 고정자부 그리고 회전자부와 고정자부를 연결시켜 주는베어링으로 구성되어 있다.

도 3은 외륜 회전형 축방향 하드디스크 드라이브용 스핀들 모터를 나타낸 것으로 허브·요크·영구자석으로 구성된 회전자부와 축·PCB 권선·스테이터 요크로 구성된 고정자부 그리고 베어링으로 구성되어 있다.

도 4는 더블 로터 방식의 축방향 BLDC 모터로 몰딩된 코일·스테이터 요크·상하부 케이스·콘트롤 PCB로 구성된 고정자부와 축·영구자석·영구자석 요크·부싱으로 구성된 회전자부 그리고 베어링으로 구성되어 있다.

도 2의 BLDC 모터는 일반적으로 3상 Y결선 또는 Δ결선으로 권선을 시행하는데 고정자 치와 슬롯에 권선을 시행하는 방법이 사용되고, 도 3에서는 PCB에 프린트된 패턴을 코일로 이용하는 방법이 사용되고, 도 4에서는 코일을 몰딩하여 사용하는 방법이 사용된다. 그리고 콘트롤 PCB위에 스테이터 코일을 권선하는 방법도 사용된다.

이와 같은 BLDC 모터를 구동하기 위해서는 홀센서 또는 역기전력이나 인덕턴스의 변화를 이용한 센서리스 방법에 의해 회전자의 위치를 검출하고 인버터를 통하여 정현파 또는 구형파의 전류를 인가하여 공극에 회전자계를 발생시킨다. 이때 영구자석으로 구성된 회전자는 발생 토크에 의해 회전력을 받게 되므로 회전 자계와 동일한 속도 즉 동기 속도로 회전하게 되며 디스크 등을 구동시켜 정보를 기록 및 재생하게 된다.

그런데 도 2와 같은 반경방향 BLDC 모터는 고정자 철심에 권선을 시행하므로 요크의 재료 손실이 크고 양산시에 설비투자 비용이 높다는 단점을 가지고 있으며박형화 및 소형화에 불리하다. 또한 모터의 회전자가 회전할 때 공극의 퍼미언스 변화에 의해 발생하는 토크를 코깅 토크 또는 릴럭턴스 토크라고 하는데 반경방향 BLDC 모터는 돌극 형태의 치와 슬롯구조를 가지고 있으므로 공극의 퍼미언스(자기 저항의 역수)가 일정하지 못하여 코깅 토크를 유발하게 된다. 이는 토크의 변동량을 크게 하여 정속 운전에 나쁜 영향을 미칠 뿐 아니라 진동 및 소음을 유발시키는 원인이 되며 코깅 토크가 클 경우 큰 기동 토크를 필요로 하므로 기동 전류가 증가하는 단점이 있다. 또한 고정자 치 부분에서 부분적으로 자기 포화가 발생하여 손실을 증가시키고 열을 발생시켜 모터의 성능에 나쁜 영향을 미치게 된다.

도 3과 같은 축방향 BLDC 모터의 경우 회전하고 있는 영구자석과 정지하고 있는 스테이터 요크 사이에 큰 흡인력이 발생하게 되는데 이는 기동시 큰 기동 전류를 필요로 할 뿐 아니라 마찰 손실을 증가시키고 베어링의 내륜이나 외륜에 하중을 가하여 베어링 수명을 단축시키는 단점을 가지고 있다.

또한 도 2 및 도 3의 BLDC 모터의 경우 고정자는 치와 슬롯에 시행되어 있는 권선과 더불어 정지하고 있으므로 고정자 철심에는 코일과 영구자석에 의해 발생하는 자속이 시간에 따라 변화하게되어 히스테리시스 손실 및 와류 손실과 같은 철손이 발생한다. 이와 같은 철손은 철심과 쇄교하는 자속이 변화하는 주파수에 비례하여(히스테리시스 손실의 경우 1승배 와류 손실의 경우 2승배)증가하게 되는데 정보기억 장치용 모터의 속도는 데이터 전송 시간을 빨리하기 위해 점점 고속화되어가고 있는 추세이므로 기존 모델은 속도 증가에 따라 철손이 증가하고 이에 따라 고속에서 모터 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

도 4와 같은 축방향 BLDC 모터의 경우 축이 회전하고 있는 구조이므로 허브 회전형에 비해 HDD, CD, DVD등의 회전디스크를 장착하기가 곤란하다. 또한 여러 단품들로 구성되어 있어 제작이 어렵고 몰딩된 코일로 인해 유효 공극이 증가하여 공극의 자속 밀도가 감소하므로 동일한 체적에 비해 토크가 떨어지는 단점을 가지고 있다. 그리고 상부 하부 로터와 상부 하부 케이스 사이에 일정한 간격을 유지해야 하므로 박형화 및 소형화하기 어렵고 베어링의 내륜이 회전하는 구조를 가지고 있어 외륜 회전형에 비해 기계적으로 안정적이지 못하다. 일반적으로 정보 기억 장치용 BLDC 모터의 경우 제작단계에서 베어링에 가해주는 예압(preload)은 회전체의 동특성에 큰 영향을 미치게 되는데 도 4의 모터 구조에서는 이와 같은 예압을 주기가 매우 어려운 구조로 되어있는 단점을 가지고 있다.

그러므로 본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 코일대신 PCB 패턴을 사용하여 코깅 토크가 없고 박형화 및 제작이 간편하며 또한 2중 공극 구조를 채택하여 축방향 흡인력이 베어링에 전달되는 것을 차단하고 효율이 높을 뿐 아니라 외륜 회전형으로 인해 기계적으로 안정적이고 회전디스크 장착이 용이한 2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터를 제공한다.

도 1 내지 도 4는 종래의 비엘디시 모터의 일예를 단면으로 나타내는 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 비엘디시 모터를 단면상태로 나타내는 구성도,

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 변형예에 따른 모터를 나타내는 구성도,

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 PCB 권선을 층별로 분해하여 나타내는 구성도,

도 8은 본 발명에 따른 다층 PCB 권선을 나타내는 사진,

도 9는 본 발명에 따른 스핀들 모터를 조립 완료한 상태를 나타내는 사진.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *

11 : 베이스 플레이트 12 : 허브

13 : 축 14 : 베어링

15 : 상부 요크 16 : 하부 요크

17 : PCB 권선 18 : 부싱

25 : 상부 영구자석 26 : 하부 영구자석

이러한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 로터의 일부인 허브(12)가 베어링(14)으로 지지되는 축(13)에 의해 스테이터의 일부인 베이스 플레이트(11) 상에 회전 가능하게 결합되는 모터에 있어서: 상기 베이스 플레이트(11)의 상면에서 상기 축(13)을 중심으로 일정한 간격을 유지하며 고정되어 스테이터를 구성하는 PCB 권선(17); 및 상기 PCB 권선(17)의 상하로 일정한 간격을 유지하도록 상기 허브(12)의 저면에 각각의 요크(15)(16)를 개재하여 고정되어 로터를 구성하는 한 쌍의 영구자석(25)(26)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 PCB 권선(17)은 패턴 도선이 양면(double layer) 혹은 다층 기판(multi layer)위에 형성되는 관통홀(through hole)을 통해 상하층 간에 직렬 또는 병렬로 연결되며 최외곽층의 중성점에서 3상이 만나는 구성이다.

한편 상기 상하측의 요크(15)(16) 및 영구자석(25)(26) 중 일측의 것이 생략되는 구성도 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 비엘디시 모터를 단면상태로 나타내는 구성도이다.

본 발명의 BLDC 모터에서 로터(회전자부)는 허브(12), 상부 요크(15), 하부 요크(16), 상부 영구자석(25), 하부 영구자석(26), 부싱(18)으로 구성되고, 스테이터(고정자부)는 베이스 플레이트(11), 축(13), PCB 기판위에 프린트된 PCB 권선(17)으로 구성되며, 이러한 로터와 스테이터는 상하의 베어링(14)에 의해 상대적인 회전운동이 가능하게 연결된다. 로터에서 요크(15)(16)는 부싱(18)에 의해 지지되고, 영구자석(25)(26)은 요크(15)(16)에 의해 지지된다.

이때 상기 PCB 권선(17)은 패턴 도선이 양면(double layer) 혹은 다층 기판(multi layer)위에 형성되는 관통홀을 통해 상하층 간에 직렬 또는 병렬로 연결되며 최외곽층의 중성점에서 3상이 만나는 구성으로서, 후술하는 도 7a 내지 도 7f의 설명을 참조한다.

영구자석(25)(26)은 모터의 특성에 따라 페라이트 또는 NdFeB계열로 본드자석(bonded magnet)또는 소결자석(sintered magnet)을 사용하여 링 형태로 제작한다. 상하의 요크(15)(16) 및 부싱(18)은 영구자석(25)(26)과 PCB 권선(17)에 의한 자속의 통로를 만들어주고 공극의 길이를 일정하게 유지하는 역할을 수행한다.

일반적인 축방향 BLDC 모터의 경우 영구자석과 요크 사이의 흡인력이 발생하여 마찰 손실을 증가시키고 베어링에 하중이 가해져서 베어링의 수명을 단축시키는 단점이 있었다. 본 발명에 따른 비엘디시 모터에서 2중 공극 구조를 제시함으로서 축방향 흡인력이 베어링에 전달되지 않아 효율 및 동특성에 미치는 영향을 상쇄시킬 수 있다.

BLDC 모터에 사용되는 영구자석은 대부분 NdFeB 계열의 희토류 계통 자석으로 온도에 민감한 특성을 가지고 있으므로 모터에서 발생하는 열은 영구자석의 성능을 저하시켜 모터 전체의 성능을 떨어뜨리게 된다. 2중 공극 구조를 채용하면 대부분의 열이 발생하는 코일을 기준으로 위와 아래에 공기를 순환시켜 자연 냉각되도록 할 수 있다.

도 6a 및 도 6b는 본 발명의 변형예에 따른 모터를 나타내는 구성도이다.

도 6a에서는 도 5에서 위 아래로 나누어진 영구자석(25)(26)을 위쪽의 상부 영구자석(25)으로 대체한 경우로 아래쪽에는 자속의 흐름을 가이드하는 하부 요크(16)만 남아서 허브(12)와 같이 회전하게 되는 구조이다. 물론 PCB 권선(17)의 아래쪽에만 하부 영구자석(26)을 설치할 수도 있으며 이 경우 PCB 권선(17)의 위쪽에는 자속의 흐름을 가이드하는 상부 요크(15)를 남겨둔다.

또 다른 변형예로 도 6b는 PCB 권선(17) 아래쪽의 하부 영구자석(26)과 하부 요크(16)를 모두 제거하고 상부 영구자석(25)에 의해서만 자속을 만들어주는 구조이다. 이와 같은 구조는 자속의 폐회로를 만들어주지 못하므로 누설 자속이 증가하는 단점이 있는 반면 허브(12)와 결합되어 회전하는 부분만 존재하므로 회전시 동특성을 개선할 수 있고 모터의 전체적인 두께를 줄여 박형화할 수 있는 장점을 가지고 있다.

도 7a 내지 도 7f는 본 발명에 따른 PCB 권선을 층별로 분해하여 나타내는 구성도이다.

코일은 양면(double layer) 혹은 다층 기판(multi layer)위에 관통홀을 통해 직렬 또는 병렬로 연결되어 있으며 필요한 모터의 성능에 따라 턴수, 패턴 폭 및 두께를 조절하여 프린트된다. 도 7a 내지 도 7f에 나타내는 것처럼 6층 기판에 1층당 9개의 집중권을 프린팅하여 1상당 3개의 권선을 관통홀을 통해 각 층을 연결해서 Y결선한다. 그 한 예로 A상에 대한 권선 방법은 도 7a의 첫번째 층에서 "start"로 표시하는 부분에서 출발하여 번호 순서에 의해 각 층을 관통홀을 통해 연결해서 도 7f의 여섯번째 층에서 "neutral"로 표시하는 중성점에서 B상 및 C상의 권선과 만나게 한다.

도 8은 도 8은 본 발명에 따른 다층 PCB 권선을 나타내는 사진으로서, 도 8에서 제시한 설계에 의해 권선되도록 각층의 PCB에 코일을 프린트한 것을 알 수있다. PCB 권선(17)에 사용되는 PCB는 전기적인 절연을 위해 에나멜 등으로 양면을 코팅시킨다.

이와 같이 종래의 권선을 PCB로 대체함으로서 권선기(winding machine) 및 고정자 철심을 구성하는 규소 강판이 필요없는 구조이기 때문에 제작이 간편하고 제작비가 저렴하여 양산적용시에도 유리하다.

코깅 토크는 발생 토크의 변동량을 크게 하여 정속 운전에 나쁜 영향을 미칠 뿐 아니라 소음 진동 열등 모든 면에서 모터의 성능을 저하시킨다. 또한 고정자 치부분의 국부적인 자기포화도 손실 및 열을 발생시킨다. 그러므로 본 발명에서는 돌극(salient pole)구조를 가지고 있는 고정자의 치와 슬롯에 시행되어 있는 권선 또는 몰딩된 코일을 대신하여 PCB(Printed Circuit Board)에 코일을 프린팅하여 공극의 퍼미언스 변화를 없앰으로서 코깅 토크를 없애고 기동 전류가 줄어들도록 할 수 있다.

본 발명에 따른 비엘디시 모터의 조립 순서는 다음과 같다.

① 열판에 베이스 플레이트(11)를 상치하고 가열한 다음 축(13)을 열간 압입한다. 이때 베이스 플레이트(11) 및 축(13)의 열팽창 계수를 고려해야 한다.

② 허브(12)의 베어링(14) 취부 부분에 접착제(Loctite사의 648)를 바르고 베어링(14) 압입을 위해 허브(12)를 열간한다.

③ 상하의 베어링(14)에 접착제(Loctite사의 7649)를 바른 다음 지그를 이용해서 베어링(14)을 허브(12)에 압입한다.

④ 상부 영구자석(25)을 상부 요크(15)에 접착하고 상부 요크(15)를허브(12)에 접착한다.

⑤ 하부 영구자석(26)을 하부 요크(16)에 접착한다.

⑥ 부싱(18)을 상부 요크(15)에 접착하여 압입한 다음 PCB 권선(17)을 끼워 넣고 하부 요크(16)에 접착제를 바른 후 부싱(18)에 끼워 압입한다. 이때 PCB 권선(17)은 자유로운 상태이다.

⑦ 베이스 플레이트(11)에서 축(13) 및 PCB 권선(17)이 안착되는 부분에 접착제 (Loctite사의 648)를 바르고 PCB 권선(17)에도 접착제(Loctite사의 7649)를 바른다.

⑧ 상기의 조립 완료된 회전자부를 축(13)에 끼워 넣는다.

⑨ PCB 권선(17)을 베이스 플레이트(11)에 접착시킨다.

⑩ 베어링(14)에 예압을 준다.

도 9는 본 발명에 따른 스핀들 모터를 조립 완료한 상태를 나타내는 사진이다.

구동 방법에 있어서, 도 5 및 도 6에서 제시한 3가지 모델 모두 3상 Y결선 또는 Δ결선으로 구성된 코일에 정현파 또는 구형파의 전압을 인가하고 전기각 60도마다 정류를 수행하여 회전자계를 발생시킴으로서 회전자를 동기속도로 회전시켜 허브(12)에 클램프로 고정되어 있는 디스크를 구동시킨다.

정보 기억 장치용 BLDC 모터의 경우 정보 전송 속도를 높이기 위해 점점 고속화되어 가는데 모터에서 발생하는 히스테리시스 손실과 와류손실은 철심과 쇄교하는 자속이 변화하는 주파수에 비례하여(히스테리시스 손실의 경우 1승배 와류 손실의 경우 2승배) 증가하므로 회전속도가 증가할수록 손실이 증가하여 효율이 떨어지는 문제점을 가지고 있다. 또한 이 같은 단점을 극복하기 위해 제안된 모델의 경우(도 4) 상하부 로터와 상하부 케이스 사이에 일정한 간격을 유지해야 하므로 박형화 및 소형화에 불리하였다. 본 발명의 비엘디시 모터의 경우에는 PCB에 프린팅되어 있는 코일을 중심으로 상하 영구자석 및 요크가 회전자계와 동기 속도로 회전하므로 속도에 무관하게 아주 작은 철손실을 유지할 수 있을 뿐 아니라 소형화 및 박형화에 유리하다.

본 발명의 BLDC 모터는 외륜 회전형(고정축)으로 기계적으로 보다 안정적이고 허브 회전형 구조로 회전 디스크를 장착하기에 용이하여 고속 고정밀의 정보 기억 장치에 사용할 수 있다.

또한 회전 디스크를 장착하기에 편리하며 고속 회전에 적합하여 하드디스크 드라이브 뿐 아니라 CD, DVD등의 각종 멀티미디어 장비에도 적용이 가능하다.

이상의 구성 및 작용에 따르면 본 발명은 코일대신 PCB 패턴을 사용하여 코깅 토크가 없고 박형화 및 제작이 간편하며 또한 2중 공극 구조를 채택하여 축방향 흡인력이 베어링에 전달되는 것을 차단하고 효율이 높을 뿐 아니라 외륜 회전형으로 인해 기계적으로 안정적이고 회전디스크 장착이 용이한 효과가 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

Claims (3)

1. 로터의 일부인 허브(12)가 베어링(14)으로 지지되는 축(13)에 의해 스테이터의 일부인 베이스 플레이트(11) 상에 회전 가능하게 결합되는 모터에 있어서:

   상기 베이스 플레이트(11)의 상면에서 상기 축(13)을 중심으로 일정한 간격을 유지하며 고정되어 스테이터를 구성하는 PCB 권선(17); 및

   상기 PCB 권선(17)의 상하로 일정한 간격을 유지하도록 상기 허브(12)의 저면에 각각의 요크(15)(16)를 개재하여 고정되어 로터를 구성하는 한 쌍의 영구자석(25)(26)을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 PCB 권선(17)은 패턴 도선이 양면(double layer) 혹은 다층 기판(multi layer)위에 형성되는 관통홀을 통해 상하층 간에 직렬 또는 병렬로 연결되며 최외곽층의 중성점에서 3상이 만나는 것을 특징으로 하는 2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 상하측의 요크(15)(16) 및 영구자석(25)(26) 중 일측의 것이 생략되는 것을 특징으로 하는 2중 공극 및 피시비 권선을 이용한 축방향 비엘디시 모터.