KR200156409Y1 - 영구자석 회전자를 갖는 모터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 회전자계를 발생시키는 고정자코일 이외에 회전자가 회전하는 경우 영구자석으로부터 발생된 자계에 의해 역기전력이 발생되도록 별도의 역기전력 발생용 코일을 고정자측에 설치하여서 비교적 부하가 작은 타 기기로 전원으로 사용할 수 있도록 한 영구자석 회전자를 갖는 모터에 관한 것이다.

그 구성은, 모터의 외관을 형성하는 본체(10)와, 상기 본체(10) 내부에 고정설치되고 그 중심부에 회전공간부가 형성되며 회전공간부의 내주변에 다수의 슬롯(6)이 형성되어진 원통상의 고정자(4)와, 상기 고정자(4)의 회전공간부에 회전가능하게 설치되고 그 외주면에 영구자석(2')이 취부된 회전자(2)와, 상기 회전자(2)가 회전되도록 전원인가시 회전자계를 발생시키며 상기 고정자(4)의 내주면에 형성된 슬롯(6)에 권선되어진 고정자코일(5)과, 상기 회전자(2)가 회전하는 경우, 상기 회전자(2)의 외주면에 취부된 영구자석(2')의 자계로부터 역기전력을 유기받아 외부의 타 기기로 전원을 공급할 수 있도록 출력단(a, c, e)이 상기 본체(10) 외부로 인출되며 상기 고정자코일(5)과 전기적으로 절연된 채 상기 슬롯(6)에 권선되어진 역기전력 발생용 코일(7)을 구비한 것을 특징으로 한다.

Description

영구자석 회전자를 갖는 모터

본 고안은 영구자석 회전자(Permanent Magnet Rotor)를 갖는 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회전자계를 발생시키는 고정자코일 이외에 회전자가 회전하는 경우 영구자석으로부터 발생된 자계에 의해 역기전력이 발생되도록 별도의 역기전력 발생용 코일을 고정자측에 설치하여서 비교적 부하가 작은 타 기기로 전원으로 사용할 수 있도록 한 영구자석 회전자를 갖는 모터에 관한 것이다.

영구자석 회전자를 갖는 모터는 일반적인 모터와는 달리 영구자석을 회전자로, 전기자의 권선을 고정자에 위치시킨다. 따라서, 모터의 구동시 브러시와 정류자가 불필요하게 되고 이를 대신하여 고정자에 인가되는 전원을 전자회로에 의해 스위칭하여 모터를 구동시키게 된다.

이러한 영구자석 회전자를 사용하는 모터, 일례로 브러시레스모터는 도1에서 도시한 바와 같이 회전자계를 발생시키기 위해 코일이 권선된 고정자(4), 고정자 내부에 공극을 두고 위치하며 영구자석(2')을 갖는 회전자(2), 회전자(2)의 위치를 감지하기 위한 위치검출부(1)로 이루어진다.

고정자(4)는 얇은 규소강판을 축 방향으로 성층하여 형성되고 그 중심부에 회전공간부가 설치되며 회전공간부의 내주면에 슬롯이 형성된다. 그리고 이 슬롯에는 전원공급시 회전자계를 형성하는 고정자코일(5)이 권선되어 있다.

또, 회전자(2)는 외주면이 영구자석(2')으로 이루어지며 고정자(4)의 회전공간부에 설치되고, 고정자의 극수와 일정한 규칙을 갖은 채 극수가 형성되어진다.

또한, 위치검출부(1)는 회전자(2) 축에 회전판을 고정하여 광원과 광전소자의 사이를 회전하게 하여 광전소자의 수광에 따라 회전자(2)의 위치를 검출하고, 검출된 정보를 기초로하여 고정자코일(5)의 각상에 인가되는 전원을 스위칭함으로써 고정자코일(5)을 여자시켜 회전자계를 형성시킨다.

전술한 바와 같은 구성을 갖는 일반적인 브러시레스모터의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.

전원이 인가되면 위치검출부(1)의 회전판이 정지된 상태에서 회전판에 가려지지 않는 부분의 광전소자는 광원을 수광하게 되어 회전자(2)의 위치를 검출하게 된다. 이 검출된 정보를 기초로 하여 위치검출부(1)의 트랜지스터나 MOSFET를 이용한 전자회로에서 고정자코일(5)에 인가되는 전원을 스위칭함으로써, 고정자(4)를 여자시키게 되고 여자된 고정자(4)는 영구자석(2')으로 마련된 회전자(2)와 자기회로를 구성하며 상호 전자기적 현상을 발하여 구동력을 얻게 된다. 이처럼, 어떤 광전소자가 수광하고 있는가에 따라 회전자의 위치를 검출하게 되고, 이 검출된 정보를 기초로 하여 고정자코일(5)에 인가되는 전원을 스위칭하게 된다. 즉, 전자회로의 스위칭을 회전자의 위치를 검출하면서 실행해 나가기 때문에 브러시레스모터는 반드시 기동하게 된다.

도2는 도1의 브러시레스모터의 고정자코일을 개략적으로 보인 것으로, 고정자(4)의 내주면에 형성된 슬롯에 전원공급시 회전자계를 형성시키는 고정자코일이 권선되어져 있다.

또, 슬롯에 권선된 고정자코일은 교류전원을 공급받아 회전자계를 발생시킬 수 있도록 U, V, W의 3상으로 권선되는 것이 일반적이다.

즉, 고정자의 슬롯(6)에 권선된 고정자코일(5)은 U-I, V-I, W-I를 입력단으로 하고 U-O, V-O, W-O를 출력단으로하여 3상(phase)로 권선되어지며, 각 코일단이 델타결선 또는 와이결선에 의해 접속되어진다.

이와 같이 구성된 모터는 전원인가시 각 상에 따라 회전자계를 형성하며, 이 회전자계에 변화에 따라 회전자는 회전하게 된다.

그러나, 종래 영구자석 회전자를 갖는 모터는 회전자 회전시 영구자석의 자계에 의해 고정자코일에 유기되는 역기전력을 이용하지 못하고 모두 모터 내부에서 소비되어 버리는 문제점이 있었다.

본 고안은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 회전자계를 발생시키는 고정자코일 이외에 회전자가 회전하는 경우 영구자석으로부터 발생된 자계에 의해 역기전력이 발생되도록 별도의 역기전력 발생용 코일을 고정자측에 설치하여서, 발생된 역기전력을 비교적 부하가 작은 타 기기의 전원으로 이용할 수 있도록 한 영구자석 회전자를 갖는 모터를 제공하는데 있다.

도1은 일반적인 영구자석 회전자를 갖는 모터의 구조를 보인 개략도,

도2는 도1의 고정자코일의 권선을 보인 개략도,

도3은 본 고안에 따른 영구자석 회전자를 갖는 모터의 구조를 보인 개략도,

도4는 도3의 역기전력 발생용 코일의 권선을 보인 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 위치감지부 2 : 회전자

2' : 영구자석 4 : 고정자

5 : 고정자 권선 7 : 역기전력 발생용 코일

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안의 구성은, 모터의 외관을 형성하는 본체와, 상기 본체 내부에 고정설치되고 그 중심부에 회전공간부가 형성되며 회전공간부의 내주변에 다수의 슬롯이 형성되어진 원통상의 고정자와, 상기 고정자의 회전공간부에 회전가능하게 설치되고 그 외주면에 영구자석이 취부된 회전자와, 상기 회전자가 회전되도록 전원인가시 회전자계를 발생시키며 상기 고정자의 내주면에 형성된 슬롯에 권선되어진 고정자코일을 구비한 영구자석 회전자를 갖는 모터에 있어서, 상기 회전자가 회전하는 경우, 상기 회전자의 외주면에 취부된 영구자석으로부터 발생된 자계로부터 역기전력을 유기받아 외부의 타 기기로 공급할 수 있도록 출력단이 외부로 인출되며 상기 고정자코일과 전기적으로 절연된 채 상기 슬롯에 권선되어진 역기전력 발생용 코일을 구비한 것을 특징으로 한다.

이하, 본 고안에 따른 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하고자 한다.

도3은 본 고안에 따른 영구자석 회전자를 갖는 모터의 구조를 보인 개략도, 도4는 도3의 역기전력 발생용 코일의 권선을 보인 개략도이다.

도3 및 도4의 도시한 바와 같이, 모터의 외관을 형성하는 본체(10)와, 본체(10) 내부에 고정설치되고 그 중심부에 회전공간부가 형성되며 회전공간부의 내주변에 다수의 슬롯(6)이 형성되어진 원통상의 고정자(4)와, 고정자(4)의 회전공간부에 회전가능하게 설치되고 그 외주면에 영구자석(2')이 취부된 회전자(2)와, 회전자(2)가 회전되도록 전원인가시 회전자계를 발생시키며 상기 고정자(4)의 내주면에 형성된 슬롯(6)에 권선되어진 고정자코일(5)과, 회전자(2)가 회전하는 경우 회전자(2)의 외주면에 취부된 영구자석(2')의 자계로부터 역기전력을 유기받아 외부의 타 기기로 전원을 공급할 수 있도록 출력단(a, c, e)이 본체(10) 외부로 인출되며 고정자코일(5)과 전기적으로 절연된 채 슬롯(6)에 권선되어진 역기전력 발생용 코일(7)로 이루어진다.

전술한 구성에서, 고정자코일(5)는 3상으로 권선(U, V, W)된 것을 예시한 것으로, 고정자(4) 내주면에 형성된 슬롯(6)상에 권선되어져 자기회로를 형성하며, 권선된 코일(5)은 동일한 권수와 동일한 코일 피치를 가지고 있다.

따라서, 영구자석 회전자를 갖고 있는 모터, 일례로 브러시레스모터는 회전자(2)가 영구자석(2')이기 때문에 영구자석(2')의 위치 즉, 극성에 따라 고정자코일(5)을 통전시킨다. 따라서, 고정자(4)의 각상의 극과 반발, 흡인하게끔 회전자계를 발생되고 회전자(2)인 영구자석(2')의 회전으로 인해 고정자코일(5)과 별도로 권선된 역기전력 발생용 코일(7)에 역기전력이 유기된다.

이들의 원리는 모터에서는 플레밍의 왼손법칙, 보조권선을 이용한 역기전력 발생에서는 플레밍의 오른손 법칙으로 설명되어 진다. 상기 역기전력을 발생시키는 원리를 좀 더 알아보면, 자계내에서 자력선을 자르도록 도체(conductor)를 이동하면 도체는 전압을 유기한다. 발생전압(generated voltage)의 크기는 자계의 세기 및 도체가 자력선을 자르는 속도에 달려있다. 자계의 세기가 강할수록 또는 자력선을 자르는 속도가 빠를수록 유기전압은 커진다. 즉, 전기를 얻으려면 세 가지 요소가 필요하다. 이것들은 자력선(자속)과 도체 그리고, 도체에 의한 자속의 절단이다.

다음은 역기전압인 유기기전력을 구하는 식이다.

Ea = z/a * p * Φ* n = Ke * n

Ea : 코일의 유기기전력, z : 한상당 코일 도체수, a : 병렬회로수, p : 극수, Φ : 유효자속, n : 회전수, Ke : 역기전력 상수, n : 회전수

상기 식에서 본 바와 같이, 역기전압은 그 크기가 회전자(2)의 회전속도와 자속, 그리고 한상당 코일도체수에 비례하고 방향은 영구자석(2') 극의 경계면에서 반전되는 것을 이용하는 것으로서, 보조권선(a, c, e)에서 얻어진 역기전력을 외부로 인출하여 사용할 수 있게 된다. 또한, 권선수와 유기기전력의 크기는 비례하므로 특정부하를 사용하기 위해 고정자(4)에 취부된 보조권선(a, c, e)의 권선수를 조작함으로써 부하에 알맞는 전압을 얻게된다.

그리고, 역기전력을 얻기위한 권선구조를 보면, 보조권선은 일반적으로 3상권선법에 의해 권선된 고정자 슬롯상에 각 상을 절연한 다음 그위에 역기전력 발생용 코일(7)을 감게되는데, 이는 고정자코일(5)보다 얇고 권선수고 적게 마련된다. 또한 권선 방법에 있어서는 다양하게 실행될 수 있다. 예를 들어, 고정자코일(5)과 별도로 역기전력 발생용 코일(7)만을 권선할 수 있도록 슬롯을 재구성한다거나, 고정자코일(5)의 어느 일측에 역기전럭 발생용 코일(7)을 권선하기 위한 구조를 더 포함하도록 한다거나, 역기전력 발생용 코일(7)을 단상으로 하여 상기의 구성으로 하는 등, 일반적으로 알려진 권선법에 의해 양호하게 실시될 수 있다.

일례로, 도4에 도시된 구성에서, 고정자권선(5)인 U, V, W상에 회전자의 위치 정보에 근거하여 전원이 공급되면, U, V, W상에 의해 회전자계가 발생되어 회전자(2)가 회전하게 된다.

회전자(2)가 회전되면, 회전자(2)의 외주면에 취부된 영구자석(2') 역시 회전되며 동일 장소를 기준으로 할 때 영구자석(2')에서 발생되는 자계는 그 극성이 바뀌게 된다. 따라서, 고정자(4)의 슬롯(6)에 권선된 역기전력 발생용 코일(7)에 기전력이 유기되게 된다.

이와 같이 유기된 기전력은 역기전력 발생용 코일(7)의 출력단 a, c, e를 통하여 모터 외부로 출력되게 된다. 그리고 b, d, f는 통상의 델타결선 또는 와이결선에 의해 타 단과 접속되어진다.

본 고안에 따르면, 회전자계를 발생시키는 고정자코일 이외에 회전자가 회전하는 경우 영구자석으로부터 발생된 자계에 의해 역기전력이 발생되도록 별도의 역기전력 발생용 코일을 고정자측에 설치함으로써, 역기전력 발생용 코일에서 발생된 전기 에너지를 비교적 부하가 작은 기기의 전원으로 사용함으로써 전체적인 소비전력을 줄일 수 있다는 효과가 있다.

Claims (1)

1. 모터의 외관을 형성하는 본체(10)와, 상기 본체(10) 내부에 고정설치되고 그 중심부에 회전공간부가 형성되며 회전공간부의 내주변에 다수의 슬롯(6)이 형성되어진 원통상의 고정자(4)와, 상기 고정자(4)의 회전공간부에 회전가능하게 설치되고 그 외주면에 영구자석(2')이 취부된 회전자(2)와, 상기 회전자(2)가 회전되도록 전원인가시 회전자계를 발생시키며 상기 고정자(4)의 내주면에 형성된 슬롯(6)에 권선되어진 고정자코일(5)를 구비한 영구자석 회전자를 갖는 모터에 있어서, 상기 회전자(2)가 회전하는 경우, 상기 회전자(2)의 외주면에 취부된 영구자석(2')의 자계로부터 역기전력을 유기받아 외부의 타 기기로 전원을 공급할 수 있도록 출력단(a, c, e)이 상기 본체(10) 외부로 인출되며 상기 고정자코일(5)과 전기적으로 절연된 채 상기 슬롯(6)에 권선되어진 역기전력 발생용 코일(7)을 구비한 것을 특징으로 하는 영구자석 회전자를 갖는 모터.