KR200329099Y1 - 모터 유닛 - Google Patents

Abstract

본 고안의 모터 유닛은, 균등한 간격의 N과 S의 도메인으로 번갈아 자화된 둥근 링 형상의 영구자석을 포함하는 회전자와, 센서코일, 구동코일, 그리고 모터 컨트롤러 들로 이루어져 있으며, 회전자가 회전할 때 다극 영구자석 링에 의해 센서코일에 야기되는 유도전압을 모터 컨트롤러가 측정하여, 이를 기준으로 타이밍을 맞추어 구동코일에 적절한 방향의 전류를 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

모터 유닛 {Motor Unit}

원주방향과 직각으로 자화된 링 형상의 다극 영구자석을 갖는 회전자를 회전시킬 때는, 종래에는 홀센서를 이용하여 회전하는 영구자석 상의 각 각의 도메인의극성과 위치를 감지한 후 영구자석에 가까이 위치한 고정된 구동코일에 타이밍을 맞추어 적절한 방향의 전류를 흘려 영구자석을 계속 회전시켰다. 그러나 이 방법은 모터의 크기가 작아지면서 홀센서의 크기도 작아져야 하므로, 모터를 신뢰성있게 구동하기 위해 필요한, 감도가 높으면서도 균일한 감도의 홀센서 제작이 어려워지는 단점이 있다. 특히 휴대용 전화에 진동모터로 사용되는 초소형 모터를 제작할 시에는 모터 구동을 위한 반도체칩도 초소형 모터에 내재되어야 하는데 이때는 반도체칩의 크기도 작아져야 하므로 감도가 높으면서도 균일한 감도의 홀센서를 내포하는 반도체칩의 제작이 어려워지는 단점이 있다.

본 고안은 홀센서 대신에 센서코일을 이용하여 다극 영구자석 링의 회전각도에 따른 극성의 변화를 감지한 후, 이에 따라 구동코일들에 적절한 방향의 전류가 흐르도록 하여 다극 영구자석 링, 즉 회전자를 회전시키는 것을 특징으로 한다.

도1은 본 고안의 모터 유닛의 일부인, 둥근 링 형상이며 균등한 영역들이 번갈아 N극, S극의 도메인으로 자화된 영구자석을 포함하는 회전자의 조감도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 다극 영구자석 링 2: 원판

3: 회전축

도2는 도1의 회전자의 다극 영구자석 링 부분만을 위에서 내려다보는 평면도. 영구자석이 4등분으로 자화되어 있고, N극의 도메인들 상에 구동코일이 위치하고 있다.

4: 구동코일 5: 구동코일

도3은 4극 영구자석 링의 회전위치를 감지하기 위한 센서코일과 영구자석 링에 회전시키는 힘을 주기 위한 두개의 구동코일들이 4등분으로 자화되어 있는 영구자석 상에 90도 간격으로 위치하고 있는 것을 보여 주는 평면도.

도4는 센서코일이 영구자석 링의 N극의 중심선에 위치하고, 두개의 구동코일들이 각각 S극의 중심선에 위치하고 있는 것을 보여주는 평면도.

도5는 4극 영구자석 링이 시계 반대 방향으로 회전할 때 영구자석 링의 회전각도에 따라 센서코일에 야기되는 전압의 변화를 정성적으로 보여 주는 그래프. 야기되는 전압에 의해 전류가 시계 반대 방향으로 흐르면 양의 값으로, 전류가 시계 방향으로 흐르면 음의 값으로 나타내었다.

도6은 센서코일에 야기되는 전압이 임의로 정한 양의 값과 음의 값의 기준전압들을 초과할 때의 영구자석 링의 회전각도 구간을 보여주는 그래프.

도7은 4극 영구자석 링이 시계 방향으로 회전할 때 영구자석의 회전각도에 따라 센서코일에 야기되는 전압의 변화를 정성적으로 보여 주는 그래프. 4극 영구자석 링이 시계 반대 방향으로 회전할 때와 동일한 모양임을 보여 준다.

도8은 6극으로, 즉 3개의 N극과 3개의 S극으로, N극과 S극이 수직으로 교대로 자화된 링 형상의 영구자석의 N극의 중앙에 센서코일이, 그리고 S극들의 중앙에 구동코일들이 위치되어 배열되어 있는 것을 보여주는 평면도.

도9는 구동코일들이 센서코일과 같은 극성을 갖는 도메인에 위치하도록 배열되어 있는 것을 보여 주는 평면도.

도10은 구동코일의 하나는 센서코일과 같은 극성을 갖는 도메인에, 그리고 다른 하나는 센서코일과 반대의 극성을 갖는 도메인에 위치하는 것을 보여 주는 평면도.

본 고안의 모터 유닛은 기본적으로, 다극으로 자화된 링 형상의 영구자석을 포함하는 회전자와, 다극 영구자석 링의 자화된 도메인의 극성과 회전각도를 감지하기 위한 센서코일과, 다극 영구자석 링에 회전 힘을 주기 위한 구동코일과 센서코일의 전압을 측정하여 이를 기준으로 삼아 구동코일에 적절한 타이밍과 방향의 전력을 공급하는 모터 컨트롤러로 구성되어 있다. 이하 예시 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 고안의 모터의 회전자는 도1에 나타난 바와 같이 기본적으로, 다극으로자화된 링 형상의 영구자석(1)과, 영구자석 링과 회전축을 연결하여 주는 원판(2)과, 원판의 중심에 고정되어 있는 회전축(3)으로 이루어져 있다. 회전축의 양단을 전후좌우와 위아래로 움직이지 못하도록 베어링으로 고정하고 영구자석의 주위에 자력장을 발생시키면 회전자가 회전될 수 있다.

도2는 본 고안의 동작 원리를 알기 쉽게 설명하기 위하여 회전자에서 영구자석만을 보여 주는 평면도로서, 링 형상의 영구자석이 90도 간격으로 균등하게 N과 S의 도메인으로 번갈아 4극으로 자화되어 있고, 영구자석의 위에는 두개의 구동코일들(4, 5)이 180도 간격으로 벌어져 위치하고 있는 것을 보여 준다. 도2에서 보여주는 영구자석의 자화 방향은 회전축의 방향과 평행하게, 즉 도면의 종이면에 수직방향으로 되어있다. "N"으로 표시된 도메인은 영구자석의 표면이 N극으로, 즉 자력선의 방향이 종이면에서 보는 사람의 눈쪽으로 올라오는 방향이며, "S"로 표시된 도메인은 영구자석의 표면이 S극으로, 즉 자력선의 방향이 종이면의 아래쪽으로 뚫고 내려가는 방향이다. 도2에서 보여주는 구동코일들(4, 5)에게 시계 방향으로 전류가 흐르도록 전력을 공급하면 오른손의 법칙에 따라 종이면의 아래 방향으로 자력장이 발생하므로, N극이 밀리고 S극은 당겨지므로 영구자석 링, 즉 회전자는 시계 반대 방향으로 회전하게 되고, 시계 반대 방향으로 전류를 흘리면 회전자는 시계 방향으로 움직이게 된다. (오른손의 법칙: 엄지를 세운 상태에서 주먹을 쥐고, 쥐고 있는 다른 손가락들의 방향으로 전류를 흘리면 발생되는 자장의 방향은 엄지의 방향과 같다.)

도3은 영구자석의 회전위치를 감지하기 위한 센서코일과 회전자를 회전시키기 위한 두개의 구동코일들이 4등분으로 자화되어 있는 영구자석의 위에 90도 간격으로 위치하고 있는 것을 보여 주는 평면도로서 센서코일이 S극과 N극과의 사이에 위치하고 있는 것을 보여준다. 이때 구동코일들에 시계 방향으로 전류를 흘리면 영구자석 링은 시계 반대 방향으로 힘을 받으며, 구동코일들에게 시계 반대 방향으로 전류를 흘리면 영구자석 링은 시계 방향으로 힘을 받게 된다. 따라서 다극 영구자석 링이 회전할 때 계속적으로 원활히 회전할 수 있도록 하려면 구동코일들에게 타이밍을 맞추어 적정한 방향의 전류를 흘려주는 것이 매우 중요하다. 또한 도3에 보이는 것처럼 센서코일과 두개의 구동코일들이 4등분으로 자화되어 있는 영구자석 위에 떠서 90도 간격으로 위치하면 4극 영구자석 링이 회전할 때 센서코일 밑의 도메인의 극성과 구동코일들 밑의 도메인의 극성은 항상 서로 반대인 것을 알 수 있다.

도4는 센서코일에 야기되는 전압을 이용하여 구동코일에 흘려 주는 전류의 방향을 결정하는 방법을 설명하기 위한 평면도로서, 모터 작동 초기에 일시적으로 구동코일들에 시계 방향의 전류를 유지하면 S극들의 중심이 구동코일과 정렬하게 된다. 이후 바로 구동코일들에게 시계 반대 방향의 전류를 공급하면 S극들이 밀리는 힘을 받으므로 영구자석 링은 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 회전하게 된다. 이하 시계 반대 방향으로 회전하는 경우로 한 예를 들어 설명한다.

센서코일에는 회전하는 다극 영구자석 링에 의해 변화되는 자장에 의하여 파라데이의 법칙과 렌츠의 법칙에 따라 유도전압이 발생하는데, 고정되어 있는 센서코일에 다극 영구자석 링의 N극 도메인의 중심이 정렬한 후 시계 반대 방향으로 회전하게 되면 N극의 자장이 감소하게 되므로 센서코일에는 N극의 자장을 계속 유지하려하는 시계 반대 방향의 전압이 발생하게 된다. 이 때 S극 도메인의 중심이 벗어나고 있는 구동 코일들에 시계 반대 방향의 전류를 통하면 S극 도메인이 밀리는 힘을 받으므로 다극 영구자석 링은 계속하여 시계 반대 방향으로 회전하여, 센서코일에는 S극이 정렬되고 구동코일들에는 N극 도메인들이 정렬되는 위치까지 회전되게 된다.

센서코일에 S극의 중심이 정렬되는 순간에는 좌우가 대칭이므로 영구자석 링이 회전하는 중에도 자장의 순간적인 변화가 없으므로 파라데이의 법칙에 따라 센서코일에는 유도되는 전압이 없게 된다. 센서코일에 야기되는 유도전압이 없는 순간에 구동 코일들에의 전류의 공급을 중단시키면 영구자석 링은 관성의 법칙에 따라 계속 회전하게 되며 센서코일의 중심에서 S극의 중심이 벗어나는 순간 좌우의 대칭이 깨지며 S극의 자장의 강도가 감소하게 되므로 파라데이의 법칙에 따라 센서코일에 유도전압이 발생하는데 유도전압의 방향은 렌츠의 법칙에 따라 S극의 강도를 유지하는 방향이므로 유도전압의 방향은 시계 방향이 된다. 이하 영구자석 링이 균등한 간격으로 4극으로 자화되어 있고, 센서코일의 중심과 구동코일의 중심에 서로반대의 극성의 도메인이 정렬되도록 센서코일과 구동코일이 90도의 간격으로 배열되어 고정되고 있는 경우를 들어, 센서코일에 4극 영구자석 링의 한 N극 도메인의 중심선이 정렬한 후 시계 반대 방향으로 회전하고 있을 때의 자장의 극성변화, 센서코일에 야기되는 유도 전압 방향, 영구자석 링을 계속 같은 방향으로 회전시키기 위하여 구동코일에 공급되어야 하는 구동전류의 방향을 4극 영구자석 링의 회전각도에 따라 고찰하면 다음과 같다.

회전각도: 0도

센서코일 주변 극성변화: N극 중심 /유도 전압: 없음 /

구동코일 주변 극성변화: S극 중심 / 구동 전류: 없음

4극 영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 없음

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 22.5도

센서코일 주변 극성변화: N극 감소 / 유도 전압 방향: 시계 반대 방향 /

구동코일 주변 극성변화: S극 감소 / 구동 전류 방향: 시계 반대 방향 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 시계 반대 방향

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 45도

센서코일 주변 극성변화: N -> S (N-S 경계) / 유도 전압 방향: 시계 반대 방향 /

구동코일 주변 극성변화: S -> N (S-N 경계) / 구동 전류 방향: 시계 반대 방향 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 시계 반대 방향

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 67.5도

센서코일 주변 극성변화: S극 증가 / 유도 전압 방향: 시계 반대 방향 /

구동코일 주변 극성변화: N극 증가 / 구동 전류 방향: 시계 반대 방향 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 시계 반대 방향

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 90도

센서코일 주변 극성변화: S극 중심 / 유도 전압: 없음 /

구동코일 주변 극성변화: N극 중심 / 구동 전류: 없음 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 없음

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 112.5도

센서코일 주변 극성변화: S극 감소 / 유도 전압 방향: 시계 방향 /

구동코일 주변 극성변화: N극 감소 / 구동 전류 방향: 시계 방향 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 시계 반대 방향

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 135도

센서코일 주변 극성변화: S -> N (S-N 경계) / 유도 전압 방향: 시계 방향 /

구동코일 주변 극성변화: N -> S (N-S 경계) / 구동 전류 방향: 시계 방향 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 시계 반대 방향

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 157.5도

센서코일 주변 극성변화: N극 증가 / 유도 전압 방향: 시계 방향 /

구동코일 주변 극성변화: S극 증가 / 구동 전류 방향: 시계 방향 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 시계 반대 방향

회전상태: 시계 반대 방향

회전각도: 180도

센서코일 주변 극성변화: N극 중심 / 유도 전압: 없음 /

구동코일 주변 극성변화: S극 중심 / 구동 전류: 없음 /

영구 자석 링에 가하여 지는 힘의 방향: 없음

회전상태: 시계 반대 방향

도5는 4극 영구자석 링이 시계 반대 방향으로 회전할 때 센서코일에 야기되는 유도전압을 정성적으로 보여주는 그래프로서, 회전 각도는 X축에 따라 표현되고 회전 각도의 원점은 N극의 중심이 센서코일에 정렬되는 순간으로 하였으며, 유도전압은 Y축에 표현되고 시계 반대 방향의 유도전압을 양의 값으로 정의하였다.

본 고안의 설명에서, 영구자석의 회전위치를 감지하기 위한 센서코일과 회전자를 회전시키기 위한 두개의 구동코일들이 4등분으로 자화되어 있는 영구자석 상에 90도 간격으로 고정되어 위치하면, N극 또는 S극의 중심이 센서코일의 중심에 정렬되었을 때 S극 또는 N극의 중심도 구동코일의 중심에 일치되는 것으로 가정하여 설명하였으나 실제로는 그처럼 정확한 간격으로 자화된 다극 영구자석 링을 대량생산하는 것은 대단히 어렵다. 따라서 실제의 경우에는 자화된 도메인의 중심이 구동코일의 중심 부근에 있을 때는 구동코일에 전류를 흘려주지 않아야 영구자석 링이 원활히 회전하게 된다.

도6은, +기준전압과 -기준전압을 정하여, 센서코일에 야기되는 유도전압이 기준전압치 내의 값을 갖는 회전각도의 범위를 보여 주는 그래프로서, a-b와 c-d의 범위에서 구동코일에 구동전류를 흘려주면 4극 영구자석 링이 원활히 회전하게 된다.

도7은 4극 영구자석 링이 시계 방향으로 회전할 때 센서코일에 야기되는 유도전압을 정성적으로 보여주는 그래프로서, 회전 각도는 X축에 표현되고 원점은 N극의 중심이 센서코일에 정렬되는 점으로 하였으며, 유도전압은 Y축에 표현되고 시계 반대 방향의 유도전압을 양의 값으로 정의하였다. 그래프에 보이는 바와 같이 회전방향에 관계없이 회전각도의 절대값에 따라 양의 값 또는 음의 값의 유도전압이 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 4극 영구자석 링이 시계 방향으로 회전하는 경우에도 역시 시계 반대 방향으로 회전하는 경우와 마찬가지로, 센서코일에 야기되는 유도전압의 방향과 같은 방향의 전류를 구동코일에 흘려 주면 영구자석 링은 계속하여 원활히 회전하게 된다.

도8은 6극으로 균등하게 번갈아 자화되어 있는 영구자석 링의 경우를 보여주는 것으로서, 4극 영구자석 링의 예와 같이 센서코일의 중심과 구동코일의 중심에 서로 반대의 극성의 도메인이 정렬되도록 센서코일과 구동코일이 60도의 간격으로 배열되어 있어, 4극 영구자석 링의 경우와 동일한 원리에 따라 6극 영구자석 링을 회전시킬 수 있다. 단지 회전각도에 따라 센서코일에 발생하는 유도전압의 주기가 4극 영구자석 링의 경우에는 180도이나 6극 영구자석 링의 경우에는 120도인 점이 다르다.

도9는 6극 영구자석 링 상에 센서코일과 구동코일이 120도 간격으로 벌어져 배열되어 있어 센서코일의 중심과 구동코일의 중심에 서로 같은 극성의 도메인이 정렬되는 것을 보여준다. 이 경우, 예를 들어, 영구자석 링이 시계 반대 방향으로 회전하여 15도 회전각도에 도달하였을 때, 센서코일에는 파라데이 법칙과 렌츠의 법칙에 따라 시계 반대 방향의 유도전압이 발생하게 된다. 이때 구동코일들에는 시계 방향으로 전류을 흘려야 영구자석 링이 시계 반대 방향으로 회전하도록 하는 힘이 작용하게 된다. 즉 도9의 경우에는 센서코일에 야기되는 유도전압과 반대되는 방향의 전류를 구동코일에 흘려주어야 영구자석 링이 계속하여 원활히 회전하게 된다.

도10의 경우에는 센서코일의 중심은 한 극성의 도메인에, 두개의 구동코일들은 각 각 서로 다른 극성의 도메인에 정렬되도록 배열되어 있는 경우를 보여 주는 것으로서, 센서코일과 같은 극성의 도메인에 정렬되도록 배열되어 있는 구동코일A는 센서코일에 야기되는 유도전압과 반대되는 방향의 전류를 흘려 주고, 센서코일에 정렬된 도메인의 극성에 반대되는 극성에 정렬되도록 배열되어 있는 구동코일B에는 센서코일에 야기되는 유도전압과 같은 방향의 전류를 흘려 주면 영구자석 링이 계속하여 원활히 회전하게 된다.

본 고안의 설명에서는 고안의 동작 원리를 쉽게 설명하기 위하여 4극과 6극으로 자화된 영구자석 링을 이용하였지만 동일한 원리를 이용하여 2극으로 자화된 영구자석 링도 사용할 수 있으며 또한 8극, 10극, 16극 등 더욱 더 세분되게 다극으로 자화된 영구자석 링도 사용할 수 있고, 또한 구동코일도 1개 또는 자화된 도메인 수에서 1을 뺀 만큼의 수까지, 즉 예를 들어 8극의 경우에는 구동코일을 7개까지도 사용할 수 있다.

또한 본 고안의 설명에서는 자화의 방향이 회전축에 평행된 것으로 예를 들어 설명하였지만, 회전축과 원주의 방향과 직각되게, 즉 지름 방향으로 다극으로 자화된 영구자석도 역시 센서코일과 구동코일들의 위치를 지름 방향으로 적절히 선정하면 동일한 원리로 회전자를 동작시킬 수 있다.

본 고안에 따르면 단 한개의 센서코일을 이용하여 구동코일들에 공급해야 할 전류의 방향과 타이밍을 결정할 수 있으므로 모터 컨트롤을 위한 반도체 칩에 홀센서를 내재시키지 않아도 되므로 반도체 칩을 작게 할 수 있고 또한 반도체 칩의 회로 설계가 간단하여지므로 반도체 칩의 제작 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.

Claims (3)

1. 균등한 간격의 N과 S의 도메인으로 번갈아 반대 방향으로 자화된 링 형상의 다극 영구자석을 포함하는 회전자와, 센서코일, 구동코일, 그리고 모터 컨트롤러를 포함하는 모터 유닛에 있어서, 링 형상의 다극 영구자석의 주위에 배열된 센서코일과 구동코일의 각도가 링 형상의 다극 영구자석에 균등한 간격으로 번갈아 반대 방향으로 자화된 도메인들 간의 각도와 같거나 또는 그 배수이며, 회전자가 회전할 때 상기 다극 영구자석 링에 의해 변화되는 자장에 의해 센서코일에 야기되는 유도전압을 모터 컨트롤러가 측정하여, 센서코일과 같은 극성의 도메인에 위치하도록 배열되어 있는 구동코일에는 센서코일에 야기되는 전압과 반대되는 방향으로 전류를 공급하고, 센서코일과 반대의 극성의 도메인에 위치하도륵 배열되어 있는 구동코일에는 센서코일에 야기되는 전압과 같은 방향으로 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 모터 유닛.
2. 제1항에 있어서, 모터 구동의 시작시 모터 컨트롤러에 의해, 같은 극성의 도메인들에 위치하도록 배열되어 있는 구동코일들에는 같은 방향의 전류가 공급되고, 그와 반대 극성의 도메인에 위치하도록 배열되어 있는 구동코일들에는 상기의 전류와 반대되는 방향의 전류가 공급됨과 동시에 센서코일의 전압이 관측되어 일정시간동안 센서코일에서 전압이 측정되지 않으면, 곧바로 상기 각 각의 방향들과 반대되는 방향들의 전류들이 구동코일들에 공급됨과 동시에 센서코일에 야기되는 유도전압의 관측이 수행되어, 일정시간 동안 또 센서코일에서 유도전압이 측정되지 않으면 다시 반대 방향 전류들의 공급과 센서코일의 전압 측정이 반복되어, 센서코일에서 유도전압이 측정되어 회전자의 회전이 확인되면, 회전하는 다극 영구자석 링에 의해 센서코일에 야기된 유도전압의 절대값이 정해진 기준값을 초과할 때, 센서코일에 위치되어 있는 도메인의 극성과 같은 극성의 도메인에 위치하도록 배열되어 있는 구동코일에는 센서코일에 야기되는 전압과 반대되는 방향으로 전류가 공급되고, 센서코일과 반대의 극성의 도메인에 위치하도록 배열되어 있는 구동코일에는 센서코일에 야기되는 전압과 같은 방향으로 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 모터 유닛.
3. 제1항에 있어서, 회전하는 다극 영구자석 링에 의해 센서코일에 야기되는 유도전압을 모터 컨트롤러가 증폭하여, 센서코일과 같은 극성의 도메인에 위치하도록 배열되어 있는 구동코일에는 센서코일에 야기되는 전압과 반대되는 방향으로 전류를 공급하고, 센서코일과 반대의 극성의 도메인에 위치하도록 배열되어 있는 구동코일에는 센서코일에 야기되는 전압과 같은 방향으로 전류를 공급하는 것을 특징으로 하는 모터 유닛.