KR200318359Y1 - 무정류자 직류전동기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 무정류자 직류전동기에 관한 것으로서, 회전자의 N극과 S극의 교번구간에 자력선이 분포되지 않도록 자력선의 유도로를 구성하여 고정자에 권선되는 코일의 역기전력을 줄여 안정적으로 모터가 구동되도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적 달성을 위하여 본 고안의 무정류자 직류전동기는 복수의 상에 각각 코일 권선되는 고정자(3)와, 상기 고정자의 선택되는 상에 자속이 집중되도록 소정의 필요한 극 수로 구성되는 회전자(4)와, 상기 각상의 코일에 트랜지스터를 구성하고 극성검출엔코더(5)의 입력신호에 따라 상기 트랜지스터의 온/오프 조합으로 상기 각상의 코일에 흐르는 전류방향을 결정하도록 하는 전원스위칭부(2)를 포함하여 구비한다.

특히, 상기 회전자(4)는 실리콘재를 포함하는 강자성체(규소강판,철,니켈, 코발트 등) 연철판(12)과, 상기 연철판에 등간격으로 배치되는 영구자석(11)과, 상기 영구자석이 배치된 연철판을 고정하는 비자성 샤프트축(13)으로 이루어지고, 상기 각각의 영구자석의 외측 단부가 위치하는 연철판 부분을 소정 형상으로 제거하여 그 위치의 영구자석의 자장을 유도하는 자장유도로(15)를 구성한다.

Description

무정류자 직류전동기{Brushless DC motor}

본 고안은 무정류자 직류전동기에 관한 것으로서, 더 상세히는 영구자석을 회전자 내부에 매입하여 회전자 표면의 자속 집중 효과 및 자속밀도를 높게 하되, 회전자의 구조를 개량하여 필요한 부분에만 자력선이 공급되도록 하여 모터의 토오크리플, 부토오크 작용, 발전기 작용, 리액턴스 등을 줄일 수 있도록 하는 무정류자 직류 전동기에 관한 것이다.

무정류자 직류전동기에 대한 다양한 기술이 개발되어 모터에 적용되고 있으나 한국 특허공개번호 1989-13292호 및 한국 특허공개번호 1999-13313호를 예로 들어 종래 무정류자 직류모터의 기술 구성에 대하여 설명한다.

도 1은 종래의 무정류자 직류전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 종래의 무정류자 직류전동기의 고정자의 결선도이고, 도 3은 도 1의 전원 스위칭부와 극성검출엔코더 및 엔코더제어로직의 구조를 나타내는 회로도이고, 도 4는 종래의 무정류자 직류전동기의 고정자와 회전자의 구성을 나타내는 도면이다.

상기 도면에 도시된 바와 같이 직류 다상 양극성 무정류자 전동기는 고정자를 전기자로 회전자를 영구자석으로 각각 구성하고, 고정자의 권선은 분포 권선하는 방법으로 몇 개의 슬롯에 분포되며, 고정자나 회전자의 구조를 더욱 유용하게 사용할 수 있으며 고조파 기자력도 감소 시킨다.

상기 종래의 무정류자 전동기는 전원공급부(1), 전원스위칭부(2), 고정자(3)와,회전자(4)로 구성된 모터, 극성검출엔코더(5), 펄스폭변조제어로직(6), 입력버퍼로직(7), 정류로직(8) 및 엔코더제어로직(9)으로 구성된다.

상기 극성검출엔코더(5)는 회전자(4)의 위치를 감지하여 신호를 발생시키면 정류로직(8)이 전원스위칭부(2)의 트랜지스터(Q1∼Q12)를 작동시켜 회전자(4)에 교번전류를 흐르게 하여 전동기가 구동되도록 한다.

고정자의 3상(A,B,C상)은 각 상별로 독립하여 구성되는 것이 특징이고, 또는 각상별로 독립하여 구성된 것을 다시 병렬 연결하여 한 개의 직류 전원부에 각 상의 구동시스템을 병렬로 연결하여 각 상의 코일에는 교번전류를 흐르게 함으로써 전동기를 원활하게 구동하도록 한다.

또, 전동기의 회전자는 2극,4극,6극 ...n극 으로 구성할 수 있고, 고정자는 2상,3상,4상 ...n상으로 구성할 수 있다.

상기 전원스위칭부(2)는 각 상의 코일 양단에 트랜지스터 Q1∼Q12를 연결하여 A상에 4개의 트랜지스터(Q1∼Q4)로 구성하고, A상의 코일의 양단의 트랜지스터 2개를 1개의 포토트랜지스터(PA1, PA2)에 각각 연결하여 전류방향 결정을 포토트랜지스터의 작동에 따라 행하도록 하였다.

동일한 방법으로 B상에 4개의 트랜지스터(Q5∼Q8)로 구성하고, 코일의 양단의 트랜지스터 2개를 1개의 포토트랜지스터(PB1,PB2)에 연결하고, C상에 4개의 트랜지스터(Q9∼Q12)로 구성하고, 코일의 양단의 트랜지스터 2개를 1개의 포토트랜지스터(PC1,PC2)에 연결하여 그 포토트랜지스터의 작동에 따라 코일에 흐르는 전류방향이 결정되도록 구성한다.

예를 들어 포토트랜지스터 PA1이 극성검출판(10)의 감지구간에 있으면 신호를 발생시켜 트랜지스터 Q1,Q4가 작동하여 전류는 트랜지스터 Q1방향에서 Q4방향으로 흐르게 된다.

이 경우에 포트트랜지스터 PA2는 극성검출판의 작동할 수 없는 위치에 있게 된다.

위치가 바뀌어 포토트랜지스터 PA2가 극성검출판(10)의 감지구간에 있게되면 포토트랜지스터(Q2,Q3)가 작동하여 전류방향은 반대가 되어 트랜지스터 Q2에서 Q3로 흐르게 되고, 역시 포토트랜지스터 PA1은 작동할 수 없는 위치에 있도록 설정된다.

한편, 종래의 회전자(4)는 도 4에 도시되는 바와 같이 막대형 영구자석(11)을 실리콘 금속을 포함하는 규소강판, 철, 니켈, 코발트 등으로 된 연철판(12)에 삽입 고정시키고, 연철판은 비자성 샤프트축(13)에 조합하여 구성된다. 상기 회전자의 외주면에 코일이 권선되는 고정자(3)가 구성된다.

상기와 같이 구성되는 종래의 고정자(3) 및 회전자(4)의 결합구조는 자력선이 분포되어 있는 N극과 S극의 교번 구간이 코일이 권선된 각 상 영역을 통과할 때 코일 인덕턴스에 의한 전압 유기 즉, 리액턴스 전압이 유기되어 각 상 사이에서 전압 충돌을 일으키므로 모터의 회전력을 방해하고 전자소자에 충격을 주어 파괴시키는 문제점을 일으킨다.

더 구체적으로 설명하면 트랜지스터가 온/오프되어 A상에서 B상으로, B상에서 C상으로, C상에서 A상으로 변화하는 시점에서 코일에 순간적으로 역기전력이 발생하여 토오크 리플 불량이나 트랜지스터 등의 전자부품을 파괴시킨다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 고안의 목적은 N극과 S극의 영구자석이 부착되는 회전자의 연철판에 코일의 역기전력을 줄일 수 있는 자장유도로를 구성하여 토오크 리플, 부 토오크 작용, 리액턴스 등으로 인한 고조파의 발생을 줄 일수 있도록 하는데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 코일의 역기전력을 줄여 안정적으로 구동되는 모터를 제공하는 데 있다.

상기 목적 달성을 위하여 본 고안의 무정류자 직류 전동기는 복수의 상에 각각 코일 권선되는 고정자와, 상기 고정자의 선택되는 상에 자속이 집중되도록 소정의 필요한 극 수로 구성되는 회전자와, 상기 각상의 코일에 트랜지스터를 구성하고 극성검출엔코더의 입력신호에 따라 상기 트랜지스터의 온/오프 조합으로 상기 각상의 코일에 흐르는 전류방향을 결정하도록 하는 전원스위칭부로 구성되는 무정류자 직류전동기에 있어서,

상기 회전자는 실리콘재를 포함하는 연철판과, 상기 연철판에 등간격으로 배치되는 영구자석과, 상기 영구자석이 배치된 연철판을 고정하는 비자성 샤프트축으로 이루어지되, 상기 각각의 영구자석의 외측 단부가 위치하는 연철판 부에 그 영구자석의 자장을 유도하는 자장유도로를 형성한다.

상기 자장유도로는 영구자석의 단부가 위치하는 영역의 연철판의 일부를 제거하여 구성할 수 있다.

도 1은 종래의 무정류자 직류전동기의 구조를 설명하기 위한 도면이고,

도 2는 종래의 무정류자 직류전동기의 고정자의 결선도 예이고,

도 3은 도 1의 전원스위칭부와 극성검출엔코더 및 엔코더제어로직의 구조를 나타내는 회로도의 예 이고,

도 4는 종래 무정류자 직류전동기의 고정자와 회전자의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5는 본 고안의 무정류자 직류전동기의 고정자와 회전자의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 - 전원공급부 2 - 전원스위칭부

3 - 고정자 4 - 회전자

5 - 극성검출엔코더 6 - 펄스폭변조제어로직

7 - 입력버퍼로직 8 - 정류로직

9 - 엔코더제어로직 10 - 극성검출판

11- 영구자석 12 - 연철판

13 - 비자성 샤프트축 15 - 자장유도로

16 - 공극

상기와 같이 구성되는 본 고안의 무정류자 직류 전동기는 종래의 무정류자 직류 전동기의 구동원리 및 회로 구성을 이용할 수 있고, 다만 회전자의 기술 구성이 상이하다.

이하, 본 고안의 기술적 구성 및 작용 효과를 구체적으로 설명한다.

본 고안의 무정류자 직류전동기는 도 1내지 도 3의 구조에서 설명한 바와 같이 전원공급부(1), 전원스위칭부(2)를 구비하고, 고정자(3)와, 회전자(4)로 구성된 모터를 구비하고, 극성검출엔코더(5), 펄스폭변조제어로직(6), 입력버퍼로직(7), 정류로직(8) 및 엔코더제오로직(9) 등을 구비한다.

극성검출엔코더는 회전자의 위치를 감지하여 신호를 발생시키면 정류로직이 전원스위칭부의 트랜지스터를 작동시켜 회전자에 교번전류를 흐르게 하여 전동기가 구동되도록 한다.

상기 전원스위칭부는 A상에 4개의 트랜지스터(Q1∼Q4)로 구성하고, A상의 코일의 양단의 트랜지스터 2개를 1개의 포토트랜지스터(PA1, PA2)에 각각 연결하여 전류방향 결정을 포토트랜지스터의 작동에 따라 행하도록 한다.

또, B상에 4개의 트랜지스터(Q5∼Q8)로 구성하고, 코일의 양단의 트랜지스터2개를 1개의 포토트랜지스터(PB1,PB2)에 연결하고, C상에 4개의 트랜지스터(Q9∼Q12)로 구성하고, 코일의 양단의 트랜지스터 2개를 1개의 포토트랜지스터(PC1,PC2)에 연결하여 그 포토트랜지스터의 작동에 따라 각상의 코일에 흐르는 전류방향이 결정되도록 구성한다.

상기 각각의 포토트랜지스터는 극성검출판(10)에 배치되어 감지구간을 통과할 때만 작동하도록 구성된다.

따라서, 소정의 상의 수 소정의 극의 수로 구성되는 전동기를 몇 개의 상이 항상 여자되게 구성할 것인가는 극성검출판의 각 포토트랜지스터의 감지영역의 간격을 적절히 조절함으로 가능하게 된다.

특히, 본 고안의 회전자(4)의 구조는 한 예로 도 5와 같이 공극(16)을 갖는 연철판(12)에 영구자석(11)을 배치하고, 상기 영구자석이 배치된 연철판을 비자성 샤프트축(13)에 고정하여 구성한다. 상기 연철판(12)에는 영구자석(11)의 자장유도로(15)가 구성된다. 상기 자장유도로는 영구자석의 외측 단부 영역에 위치하는 연철판 부분을 소정형상으로 제거하여 N극과 S극의 교번구간에 자력선이 분포되지 않도록 유도한다. 상기와 같이 구성되는 본 고안의 회전자(4)는 고정자(3) 내에 매입형으로 배치되어 구성된다.

상기 N극과 S극의 교번구간에 자력선이 분포하는 경우 고정자의 상을 구성하는 코일이 이 지역을 통과할 때 코일 인덕턴스로 인하여 전류변화의 지연이 일어나고 N극의 전류가 S극 또는 S극의 전류가 N극으로 늦추어져 전압 유기 즉, 리액텅스 전압이 유기되어 전압충돌을 일으키므로 모터의 회전력을 방해하는 문제가 발생하는데 본 고안의 자장유도로(15)는 상기와 같은 문제점을 해소하여 모터의 토오크 리플, 부토오크, 발전기 작용으로 인한 고조파의 문제점을 해소할 수 있도록 작용한다.

또, 본 고안의 회전자는 비교적 형상 제조가 용이한 연철판에 자장유도로를 구성함으로써 막대형의 영구자석을 간단히 결합하여 구성할 수 있으므로 모터의 제조 원가에도 상당한 이점으로 작용할 수 있다.

본 고안은 상기 실시예 및 도면의 형태에 한정되지 않고, 본 고안의 목적을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 구조의 변경이 가능하다.

본 고안은 회전자의 연철판(12)에는 영구자석(11)의 자장유도로(15)를 구성함으로써 N극과 S극의 교번구간에 자력선이 분포되지 않도록 자력선을 유도하는 것을 특징으로 한다.

따라서, 본 고안은 매입형 무정류자 직류 전동기에 있어서, 토오크 리플, 부 토오크 작용, 리액턴스 등으로 인한 고조파의 발생을 줄 일수 있고, 코일의 역기전력을 줄여 안정적으로 구동되는 모터를 제공하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 복수의 상에 각각 코일 권선되는 고정자(3)와, 상기 고정자의 선택되는 상에 자속이 집중되도록 소정의 필요한 극 수로 구성되는 회전자(4)와, 상기 각상의 코일에 트랜지스터를 구성하고 극성검출엔코더(5)의 입력신호에 따라 상기 트랜지스터의 온/오프 조합으로 상기 각상의 코일에 흐르는 전류방향을 결정하도록 하는 전원스위칭부(2)를 포함하는 무정류자 직류전동기에 있어서,

   상기 회전자는 실리콘재를 포함하는 연철판(12)과, 상기 연철판에 등 간격으로 배치되는 영구자석(11)과, 상기 영구자석이 배치된 연철판을 고정하는 비자성 샤프트축(13)으로 이루어지되, 상기 각각의 영구자석의 외측 단부가 위치하는 연철판 부에 그 영구자석의 자장을 유도하는 자장유도로(15)가 구성되는 것을 특징으로 하는 무정류자 직류전동기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 자장유도로는 영구자석의 단부가 위치하는 영역의 연철판의 일부를 소정형상으로 제거하여 이루어지고, 상기 연철판은 규소강판, 철, 니켈, 코발트 중 선택되는 어느 하나의 물질로 된 것을 특징으로 하는 무정류자 직류전동기.