KR20020086780A

KR20020086780A - 스큐잉에 의하여 코깅토크를 저감한 다상 양극성 병렬권선형 무정류자 직류 전동기

Info

Publication number: KR20020086780A
Application number: KR1020010025532A
Authority: KR
Inventors: 김학용
Original assignee: 김학용
Priority date: 2001-05-10
Filing date: 2001-05-10
Publication date: 2002-11-20

Abstract

본 발명은 다상 양극성(Full wave) 병렬권선형 무정류자 직류전동기(BLDC motor)에 있어서, 권선을 제어하는 바이폴라 구동회로를 개선하여 전체시스템의 신뢰성을 제고하고 모터의 제조원가를 절감하며, 아울러 스큐잉(skewing)에 의하여 코깅토크를 저감한 다상 양극성(Full wave) 병렬권선형 무정류자 직류전동기(BLDC motor) 관한 것이다.

일반적인 다상 병렬권선형 무정류자 직류전동기는 각상의 권선을 독립적으로 별개의 바이폴라 구동회로를 사용하여 제어함으로써 회로를 구성하는 전력용 반도체 소자가 많이 소요되어 제조원가가 상승하게 된다.

본 발명은 각각의 병렬권선을 일정정도 3상씩 결합하여 회로를 구성함으로써, 같은 성능을 유지하면서도 회로를 구성하는 반도체 소자의 수를 줄여서, 제조원가를 절감할 수 있도록 하고, 아울러 전체 시스템의 신뢰성을 제고하도록 하였다.

또한 본 발명은 BLDC 모터에서 토크맥동의 원인이 되고 속도변동을 일으키며 위치제어에도 영향을 끼치고 소음과 진동의 주원인이 되는 코깅 토크를 스큐를 주는 방법(skewing)에 의하여 현격하게 저감함으로써 소음과 진동을 줄인 고성능의 전동기 구동이 가능하도록 하였다.

Description

다상 양극성 병렬권선형 무정류자 직류 전동기 {Full Wave BLDC motor}

본 발명은 다상 양극성(Full wave) 병렬권선형 무정류자 직류전동기(BLDC motor)에 관한 것이다.

종래의 일반적인 다상 병렬권선형 무정류자 직류전동기는 각상의 권선을 독립적으로 전력용 반도체 소자(IC)를 사용하여 제어하고 있다. 따라서 각 상마다 별개의 바이폴라(Bipolar) 구동회로를 사용함으로써 구성소자가 많이 소요되므로 원가가 상승하게 된다.

또한 종래의 BLDC 모터에 있어서는 코깅 토크(Cogging Torque)가 발생하는 바, 이 코깅 토크(Cogging Torque)가 맥동의 원인이 되고 속도 변동을 일으키며 위치 제어에도 영향을 끼치고, 한편으로는 소음과 진동의 주원인이 되기도 한다. 따라서 BLDC 모터에 있어서는 이와 같은 코깅 토크를 어떻게 저감시키느냐 하는 점이 문제점으로 대두되어 왔다.

본 발명은 이상에서 지적한 바와 같은 문제점을 해결하고자 한다.

첫째로, 각상의 권선을 독립적으로 전력용 반도체 소자(IC)를 사용하여 제어하는 종래의 일반적인 다상 병렬권선형 무정류자 직류전동기가 지니는 문제점, 즉 각 상의 권선을 독립적으로 별개의 바이폴라(Bipolar) 구동회로를 사용하여 제어하기 때문에 회로를 구성하는 전력용 반도체 소자(IC)가 많이 소요되어 제조원가가 상승하게 되는 문제점을 해결하고자 한다

둘째로 종래의 BLDC 모터에 있어서는 코깅 토크(Cogging Torque)가 발생되는 문제점, 즉 BLDC 모터에 있어서 맥동의 원인이 되고 속도 변동을 일으키며 위치 제어에도 영향을 끼치고 소음과 진동의 주원인이 되기도 하는 코깅 토크(Cogging Torque)를 어떻게 저감시키느냐 하는 문제점을 해결하고자 한다.

도 1은 종래의 모터 제어시스템 회로도

도 2는 본 발명에 의하여 개선된 모터 제어시스템 회로도

도 3은 스큐잉을 한 고정자

우선 본 발명에서는 종래의 일반적인 다상 병렬권선형 무정류자 직류전동기가 지니는 첫번째의 문제점, 즉 각 상의 권선을 독립적으로 별개의 바이폴라(Bipolar) 구동회로를 사용하여 제어하기 때문에 회로를 구성하는 전력용 반도체 소자(IC)가 많이 소요되어 제조원가가 상승하게 되는 문제점을 다음과 같이 해결한다.

종래의 일반적인 다상 양극성((Full wave) 병렬권선형 무정류자 직류전동기(BLDC motor)에서는 <도 1>에서 보는 바와 같이 각각의 권선을 독립적으로 별개의 바이폴라(Bipolar) 구동회로를 사용하여 제어하고 있다. 따라서 바이폴라(Bipolar) 구동회로를 구성하는 전력용 반도체 소자(IC)가 많이 소요될 수 밖에 없고, 따라서 제조원가가 상승하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는 <도 2>에서 보는 바와 같이 각각의 병렬권선을 3상씩 묶어서 구성한다. 이렇게 각각의 병렬권선을 3상씩 묶어서 구성하면, 구동회로가 간단하면서도 같은 성능을 얻을 수 있다. 또한 권선을 제어하는 전력용 반도체 회로 소자(IC)의 수를 절반으로 줄일 수 있으므로, 제조원가를 절감하고 전체 시스템의 신뢰성을 제고할 수 있게 된다.

각각의 권선을 별도의 구동회로로 구동하는 경우에 소요되는 전력용 반도체 소자수와 3상씩 결합한 회로로 구동하는 경우에 소요되는 전력용 반도체 소자의 수를서로 비교하면 다음과 같다.

각각의 권선을 별도의 구동회로로 구동하는 경우에 소요되는 전력용 반도체 소자의 수 :4*3*n(여기서 n은 병렬회로의 수를 뜻한다)

권선을 3상씩 결합한 회로로 구동하는 경우에 소요되는 전력용 반도체 소자의 수 :6*n

따라서 권선을 3상씩 결합한 회로로 구동하는 경우에 소요되는 전력용 반도체 소자의 수는 반으로 절감되어, 그만큼 제조원가를 절감할 수 있다.

뿐만아니라, 소자의 수를 줄임으로써 노이즈의 영향을 줄일 수 있으며, 같은 성능을 발휘하는 모터를 보다 소형으로 제작할 수 있게된다.

다음으로 본 발명에서는 종래의 BLDC 모터가 지니는 두번째의 문제점,즉 종래의 BLDC 모터에 있어서 코깅 토크(Cogging Torque)가 발생되는 문제점을 다음과 같은 방법으로 코깅 토크(Cogging Torque)를 저감시켜 해결한다.

코깅 토크(Cogging Torque)는 모터내의 비균일 토크로서 모터내의 공극에서 고정자(Stator)와 회전자 코어(Rotor Core)사이에 자기에너지가 최소인 위치로 이동하려는 접선방향의 힘인데, 부하전류와는 상관없이 회전자의 영구자석과 고정자 슬롯의 상호작용에 의해 발생한다.

이러한 코깅토크는 항상 토크맥동으로 작용하여 모터의 속도변동을 일으키며 위치제어에 영향을 끼치고 소음 진동의 주원인이 되기도 한다. 실제로 이러한 코깅토크는 진동 뿐만이 아니라 모터 프레임의 고유 주파수와 만나게 되는 점에서 공명현상을 일으키며, 특히 다른 기기와 연결할 경우 또는 풀리를 달고 회전할 경우 일정 속도에서 크게 작용한다.

측정결과에 의하면 고정자 슬롯수가 36개이고 회전자 극수가 6인 경우, 600 rpm영역과 1200rpm 영역에서 90dB 이상 소음이 증가하였다.

본 발명에서는 이러한 코깅 토크를, <도 3>에서 보는 바와 같이, 고정자(Stator)에 스큐를 주는 방법(skewing)에 의하여 정격 토크의 1%이하로 저감함으로써, 고성능의 전동기 구동이 가능하도록 하였다.

코깅 토크(Cogging Torque)를 저감하기 위하여 스큐를 주는 방법(skewing)을 다양하게 모색하였는 바, 측정 결과, 스큐각(Skew Angle)을 한 슬롯 주는 경우,600rpm과 1200rpm영역대에서 60dB이하로 소음이 낮아졌으며 진동 또한 줄어 들었다.

이러한 코깅토크(Cogging Torque) 저감효과는 스큐각(Skew Angle)을 크게 할수록 증대함을 알 수 있다. 즉 스큐각(Skew Angle)이 커짐에 따라 공극내의 에너지 및 퍼미언스(permeance)의 변화로 설명할 수 있는데, 코깅토크(Cogging Torque)는 영구자석에 의한 상대 퍼미언스(permeance)의 변화가 크게 발생하는 경우에 생기고, 상대 퍼미언스(permeance)의 변화는 자석과 자석의 경계부분에서 가장 크다고 할 수 있다.

스큐(Skew)를 주는 경우 회전자의 회전에 따른 자계의 변화가 스큐(Skew)가 없는 경우와 비교하여 보다 균일하게 분포한다. 따라서 자석에 의한 퍼미언스(permeance)의 변화를 줄이게 되어 그 결과 코깅토크(Cogging Torque)도 줄어들게 된다.

일반적인 다상 병렬권선형 무정류자 직류전동기는 각상의 권선을 독립적으로 별개의 바이폴라 구동회로를 사용하여 제어함으로써, 회로를 구성하는 전력용 반도체 소자가 많이 소요되어, 제조원가가 상승하게 된다.

본 발명에서는 각각의 병렬 권선을 일정 정도 3상씩 결합하여 회로를 구성함으로써, 회로를 구성하는 반도체 소자(IC)의 수를 절반으로 줄일 수 있고, 간단한 회로구성으로 전체 시스템의 신뢰성이 제고된다. 또한 소자의 수를 줄임으로써 노이즈의 영향을 줄일 수 있고, 같은 성능을 발휘하는 모터를 보다 소형으로 제작할 수 있게된다.

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또한 본 발명에서는 BLDC 모터에 있어서 토크맥동의 원인이 되고 속도변동을 일으키며 위치제어에도 영향을 끼치고 소음 진동의 주원인이 되기도 하는 코깅 토크를 고정자(Stator)에 스큐를 주는 방법(skewing)에 의하여 정격 토크의 1%이하로 저감함으로써, 고성능의 전동기 구동이 가능하도록 하였다.

코깅 토크(Cogging Torque)를 저감하기 위하여 스큐를 주는 방법(skewing)을 다양하게 모색하여 측정한 결과, 스큐각(Skew Angle)을 한 슬롯 주는 경우, 600rpm과 1200rpm영역대에서 60dB이하로 소음이 낮아졌으며 진동 또한 줄어 들었다.

Claims

다상 양극성((Full wave) 병렬권선형 무정류자 직류전동기(BLDC motor)에 있어서,

첫째로 각각의 병렬권선을 몇개의 상씩 묶어서 구성하여 간단하면서도 같은 성능을 얻는 신뢰성이 제고된 구동회로를 사용하고,

둘째로 고정자(Stator)에 스큐를 주는 방법(skewing)에 의하여 코깅 토크(Cogging Torque)를 저감함으로써, 소음과 진동이 현격히 줄어들도록 한, 다상 양극성((Full wave) 병렬권선형 무정류자 직류전동기(BLDC motor).
제1항에 있어서, 각각의 병렬권선을 3상씩 묶어서 구성한 다상 양극성((Full wave) 병렬권선형 무정류자 직류전동기(BLDC motor).