KR20060103872A - 3상 ｄｃ 브러시리스 모터 및 코일 권선 방법 - Google Patents

3상 ｄｃ 브러시리스 모터 및 코일 권선 방법 Download PDF

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KR20060103872A
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히데키 니시노
기요타카 다니모토
다이시 이와나가
신이치 구로시마
요시아키 이가라시
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

PWM 센서리스(sensorless) 구동 방식에 있어서, 모터 코일 권선(捲線)의 불균형에 의해 생기는 유도 전압의 DC 오프셋(offset) 성분의 발생을 억제하여, 안정적인 시동을 실행하기 위한 코일 권선을 채용한 3상(相) DC 브러시리스(brushless) 모터 및 코일 권선 방법을 제공한다. 3상 DC 브러시리스 모터의 전기자(電機子) 권선 방법은 상호 인덕턴스 차이가 거의 영(zero)이 되게 한다.
브러시리스(brushless), 3상 DC 모터, 코일, 권선, 상호 인덕턴스

Description

3상 ＤＣ 브러시리스 모터 및 코일 권선 방법{THREE-PHASE DC BRUSHLESS MOTOR AND WINDING METHOD}
도 1은 DC 브러시리스(brushless) 모터의 구조를 나타낸다.
도 2는 제1 실시예의 모터 코일 권선(捲線)을 나타낸다.
도 3은 제2 실시예의 모터 코일 권선을 나타낸다.
도 4는 제3 실시예의 모터 코일 권선을 나타낸다.
도 5는 센서리스(sensorless) 구동시 모터 코일 전류의 파형도(waveform diagram)다.
도 6은 PWM 센서리스 모터 구동장치의 도식적인 다이어그램이다.
도 7은 회전자(rotor) 위치에서 유도 전압 파형(waveform)을 나타낸다.
도 8은 비통전상(非通電相)의 유도 전압을 측정하는 것을 나타낸다.
본 발명은, 복수의 슬롯(slot)을 가지는 3상 DC 브러시리스(brushless) 모터의 고정자 철심에 사용할 수 있는 코일 권선(捲線) 방법에 관한 것이며, 특히 펄스폭 변조(pulse width modulation, PWM) 동작을 하는 센서리스(sensorless) 구동에 적합한 모터를 제공하는 것이다.
DC 브러시리스 모터는 소형화, 박형화(薄型化), 저비용화에 대한 강한 필요성을 충족시키기 위하여 위치 검출소자가 필요 없는 센서리스 구동 방식이 이용되고 있다. 또한, 낮은 소비전력에 대한 필요성이 증가하고 있기 때문에, 모터 구동 전류의 펄스 폭 변조에 의해 낮은 소비전력을 실현하는 PWM 센서리스 구동 방법이 이용되어 왔다. 일반적으로 DC 브러시리스 모터의 센서리스 구동 방식은, 모터의 회전수에 비례하여 발생하는 각 상(相)의 역기전력과, 3상 코일이 스타(star) 모양으로 연결되는 중심 탭(center tap)의 중심 탭 전압(center tap voltage)이 같아지는 점을 검출함으로써 회전자의 위치를 검출하고, 적절한 통전(通電)의 순서를 결정함으로써 모터를 회전시킨다.
구체적인 회전자 위치 검출 방법의 한 예로서, 2상(相)에 전류를 흘리고 나머지 1상(相)을 통전(通電)시키지 않음으로써 출력 단자에 나타나는 역기전력과 중심 탭 전압을 비교하여 출력 단자의 위치를 검출하는 방식이 있다.
그러나 PWM 센서리스 구동에서는, 모터 출력 전압을 PWM으로 구동하기 때문에 모터 단자전압이 크게 변동한다. 그 결과, 모터 코일로 흐르는 전류는 모터의 코일 상수에 의해 결정되는 시상수(時常數)의 기울기를 가진다. 이때, 비통전상(非通電相)의 단자에는 전류의 시간 변화에 따라서 유도 전압이라고 불리는 전압이 발생한다. 이 현상은, 3상(相)의 각 1상(相)이 다른 2상(相)에 영향을 미치는 상호 인덕턴스와 전류의 시간변화에 기인한다. 종래의 선형(linear) 센서리스 구동에서 는, 모터 출력 전압이 선형적으로 변화되고, 선형적인 전류가 모터 코일에 흐른다. 그러므로 상호 인덕턴스의 영향은 영(zero)이다.
도 7의 곡선 101은, 도 8에 나타낸 바와 같이 U상(相)으로부터 Ⅴ상(相)으로 펄스 전압을 인가할 때에 비통전상(非通電相)으로 발생하는 유도 전압과 회전자 위치의 관계를 나타낸다. 도 7의 곡선 101에 나타낸 바와 같이, 유도 전압의 크기가 회전자 위치에 따라서 변동한다. 회전자의 위치는 고정되어서 도 7에 나타낸 곡선 101을 측정하고 있지만, 실제로는 회전자가 회전하고 있어, 이 유도 전압과 회전자의 회전에 의해 발생하는 역기전력의 총합 전압이 비통전상으로 발생한다. 이 총합 전압과 중심 탭 전압을 비교해서 회전자 위치를 검출하여 모터 코일 전류 스위치를 넣음으로써 모터가 회전한다.
또한, 모터 코일의 권선 수나 권선 방법의 불균형이 발생하면, 각 상(相)의 상호 인덕턴스에 불균형이 생길 것이므로, 유도 전압은 도 7의 곡선 100에 나타낸 바와 같은 DC 오프셋(offset) 전압을 가질 것이다. 이 DC 오프셋 전압이 발생하면, 회전자가 원래 검출되어서는 안 되는, 도 7의 구간 1에서 회전자 위치가 잘못 검출될 수 있다.
그러나 종래의 선형 센서리스 구동 방식에서는, 이 유도 전압이 발생하지 않기 때문에, 모터 코일 권선 방법을 고려하지 않아도 정확하게 회전자의 위치를 검출할 수 있었다.
그러나 PWM 센서리스 구동 방식의 경우, 모터 코일의 권선 수나 권선 방법의 불균형에 의해, 회전자가 실제로 위치하지 않는 곳에서 검출될 수 있기 때문에, 시 동의 실패나 시동의 지연이 생긴다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 제1 양태에 따른 3상 DC 브러시리스 모터는, 스타 패턴(star pattern)으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상(相) 코일과, 그 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상(相) 코일과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상(相) 코일을 포함하며, 제1상, 제2상, 제3상 코일 중 어느 2개의 코일의 상호 인덕턴스(inductance)의 차이가 거의 영(zero)이 된다.
본 발명 제2 양태에 따른 3상 DC 브러시리스 모터는, 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과, 그 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고, 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출하며, 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출하고, 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출한다.
본 발명 제3 양태에 따른 3상 DC 브러시리스 모터는, 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과, 그 다음의 세 번째 마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고, 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후 최종의 제3상 고정자에 역방향으로 1회 여분으로 감고 나서 최종의 제2상 고정자와 최종의 제3상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출하며, 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출하고, 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후 최초의 제1상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서 소정의 위치로부터 인출한다.
본 발명 제4 양태에 따른 3상 DC 브러시리스 모터는, 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과, 그 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고, 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후 최종의 제1상 고정자와 최종의 제2상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출하며, 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서 상기 소정의 위치로부터 인출하고, 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후 최종의 제2상 고정자에 역방향으로 1/2회 감고 나서 상기 소정의 위치로부터 인출한다.
본 발명 제5 양태는, 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과, 그 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코 일과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고, 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출하며, 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출하고, 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출하는 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법이다.
본 발명 제6 양태는, 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과, 그 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고, 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제3상 고정자에 역방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 최종의 제2상 고정자와 최종의 제3상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출하며, 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후 소정의 위치로부터 인출하고, 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최초의 제1상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 소정의 위치로부터 인출하는 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법이다.
본 발명 제7 양태는, 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과, 그 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고, 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제1상 고정자와 최종의 제2상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출하며, 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 소정의 위치로부터 인출하고, 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제2상 고정자에 역방향으로 1/2회 감고 나서, 소정의 위치로부터 인출하는 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법이다.
본 발명의 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법에 의해, PWM 센서리스 구동시에도 유도 전압의 DC 오프셋(offset) 전압의 영향을 받지 않고 안정적으로 모터의 시동을 걸 수 있다.
본 발명의 더 깊은 이해와 다른 목적들은 도면과 함께 다음의 상세한 설명과 청구항들을 참조하면 분명하게 알 수 있을 것이다.
(제1 실시예)
본 발명의 바람직한 제1 실시예에 대해서, 도면을 참조하여 아래에서 설명한다.
도 1은, W상(相) 고정자(202), Ⅴ상(相) 고정자(203), U상(相) 고정자(204)와 회전자(201)를 가지는 3상 DC 브러시리스 모터의 구조를 나타낸 것이다. W상 고정자(202), Ⅴ상 고정자(203), U상 고정자(204)의 상(相)들은 90도마다 4부분으로 분할되어, 시계방향으로 W1, V1, U1, W2, V2, U2, W3, V3, U3, W4, V4, U4로 표시되는 12개의 고정자가 있다. 회전자(201)는, 8개의 N극 영구자석(205)과 8개의 S극 영구자석(206)이 교대로 배치되어 모두 16개의 영구자석으로 구성된다. 본 발명의 이 실시예에는 12개의 고정자 자극(磁極)과 16개의 회전자 자극(磁極)이 있고, 고 정자와 영구자석의 자극(磁極) 수의 비가 3:4이다. 고정자와 영구자석의 자극(磁極) 수의 비가 3:4인 범위 내에서는, 고정자의 자극(磁極) 수와 영구자석의 자극(磁極) 수를 변경할 수 있다.
즉, 본 발명의 3상 DC 브러시리스 모터는, 보통의 중심점(center point)에서 방사상으로 연장되는 3N(N은 양의 정수)개의 고정자(202, 203, 204)와, N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석(205, 206)을 가지는 회전자(201)와, 세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상(W상) 권선(LW)과, 그 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상(V상) 권선(LV)과, 그 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상(U상) 권선(LU)을 포함한다.
W상 고정자(W1, W2, W3, W4)에는 1개의 코일 권선(LW)이 감겨 있다. 이 코일 권선(LW)은, 고정자 W1과 고정자 U4 사이로부터 시작하여, 고정자 W1의 제1면(즉, 도 1에서 보이는 면), 고정자 W1과 고정자 V1 사이, 고정자 W1의 제2면(도 1에 숨겨져 있는 면으로서 모터의 기판 접촉면), 고정자 W1과 고정자 U4 사이를 지남으로써, 고정자 W1을 정방향(반시계방향이라고도 함)으로 1회 감게 된다. 따라서 코일 권선(LW)의 시작 단(starting end)은 고정자 W1과 고정자 U4 사이에 있고, 거기로부터 고정자 W1의 제2면을 감고 있다. 이와 같이, 코일 권선(LW)은 고정자 W1에 소정(所定)의 회수로, 고정자 W2에 소정의 회수로, 고정자 W3에 소정의 회수로, 마지막으로 고정자 W4에 소정의 회수로 감겨져 있다, 코일 권선(LW)의 종단(terminating end)은, 고정자 V4와 고정자 U4 사이의, 고정자 V4의 제2면의 소정의 위치 Com으로부터 인출된다.
아래에서는, 이 예에서 고정자 W1와 같이 최초에 감기는 고정자를 최초의 고정자라고 하며, 이 예에서 고정자 W4와 같이 최후에 감기는 고정자를 최종의 고정자라고 한다.
V상 고정자(V1, V2, V3, V4)에는 1개의 코일 권선(LV)이 감겨져 있다. 이 코일 권선(LV)은, 고정자 V1과 고정자 W1 사이로부터 시작하여, 고정자 V1의 제1면(즉, 도 1에 보이는 면), 고정자 V1과 고정자 U1 사이, 고정자 V1의 제2면(도 1에 숨겨져 있는 면으로서 모터의 기판 접촉면), 고정자 V1과 고정자 W1 사이를 지남으로써, 고정자 V1을 정방향(반시계방향이라고도 함)으로 1회 감게 된다. 따라서 코일 권선(LV)의 시작 단은 고정자 V1과 고정자 W1 사이에 있고, 거기로부터 고정자 V1의 제2면을 감고 있다. 이와 같이, 코일 권선(LV)은, 고정자 V1에 소정(所定)의 회수로, 고정자 V2에 소정의 회수로, 고정자 V3에 소정의 회수로, 마지막으로 고정자 V4에 소정의 회수로 감겨져 있다, 코일 권선(LV)의 종단은, 고정자 V4와 고정자 U4 사이의, 고정자 V4의 제2면의 소정의 위치 Com으로부터 인출된다.
U상 고정자(U1, U2, U3, U4)에는 1개의 코일 권선(LU)이 감겨져 있다. 이 코일 권선(LU)은, 고정자 U1과 고정자 V1 사이로부터 시작하여, 고정자 U1의 제1면(즉, 도 1에 보이는 면), 고정자 U1과 고정자 W2 사이, 고정자 U1의 제2면(도 1에 숨겨져 있는 면으로서 모터의 기판 접촉면), 고정자 U1과 고정자 V1 사이를 지남으로써, 고정자 U1을 정방향(반시계방향이라고도 함)으로 1회 감게 된다. 따라서 코일 권선(LU)의 시작 단은 고정자 U1과 고정자 V1 사이에 있고, 거기로부터 고정자 U1의 제2면을 감고 있다. 이와 같이, 코일 권선(LU)은, 고정자 U1에 소정(所定)의 회수로, 고정자 U2에 소정의 회수로, 고정자 U3에 소정의 회수로, 마지막으로 고정자 U4에 소정의 회수로 감겨져 있다, 코일 권선(LU)의 종단은, 고정자 V4와 고정자 U4 사이의, 고정자 V4의 제2면의 소정의 위치 Com으로부터 인출된다.
도 2는 본 발명 제1 실시예의 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법을 나타낸다. 명확히 하기 위해서, 도 1의 W상 고정자(202), Ⅴ상 고정자(203), U상 고정자(204)를 도 2에 일렬로 나타내었다. 도 2에 나타낸 각 고정자의 단부(end)는 회전자와 접하는 단부이며, 반대쪽 단부(종이의 반대쪽으로 통과하는 단부)는 고정자의 중심 쪽이고, 각 고정자의 상측이 위에서 언급된 제1면이며, 각 고정자의 하측이 제2면이다.
U상의 코일 권선(LU)을 고정자 U1의 우하측(右下側)을 시작점으로 하여 반시계방향으로 소정의 회수로 감은 후, 고정자 W2와 고정자 V2의 하측(제2면)을 지나 고정자 U2에 도달한다. 또한, 고정자 U1과 같은 방식으로 코일을 우하측(右下側)으로부터 시작하여 고정자 U2에 반시계방향으로 소정의 회수를 감는다. 고정자 U3과 고정자 U4도 같은 방식으로 감으며, Ⅴ상, W상에 대해서도 똑같은 방식으로 감는다. 각 권선의 종점(終點)은 고정자 U4, 고정자 V4, 고정자 W4의 좌하측(左下側)으로부터 인출되어, 그 종점들(ends)이 고정자 U4와 고정자 V4 사이의 위치 Com에서 한 다발(bundle)로 모아지고, 그 다발은 고정자 바깥쪽에서 한 노드(node)에 접속된다. 권선들은 다른 상(相)에 대한 상호 인덕턴스의 영향을 제거하기 위하여 고정자의 바깥쪽에서 한 노드에 접속되어 있다.
이와 같이, 제1 실시예에서는, 제1상(相) 권선을 최종의 제1상(相) 고정자에 정방향으로 감은 후, 소정의 위치로부터 인출하고, 제2상 권선을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후, 소정의 위치로부터 인출하며, 제3상 권선을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 소정의 위치로부터 인출한다.
이어서, 본 발명의 이 실시예에 대해 상호 인덕턴스의 영향을 수식을 이용하여 설명한다.
도 5는, 3상 DC 브러시리스 모터의 통전(通電) 전류를 나타내는 파형도(waveform diagram)이다. Eu-dn, Ew-up, Ev-dn, Eu-up, Ew-dn, Ev-up이 비통전상(非通電相) 1, 2, 3, 4, 5, 6에서 PWM 구동에 의해 발생하는 유도 전압의 DC 오프셋 성분을 각각 나타낸다고 하면, Eu-dn은 식 (1)로 표현될 수 있다.
Eu-dn = Mvu*(dIv/dt)+Mwu*(dIw/dt) (1)
여기서, Mvu는 Ⅴ상(相)으로부터 U상(相)에의 상호 인덕턴스이고, Mwu는 W상(相)으로부터 U상(相)에의 상호 인덕턴스이다.
이어서, 도 2의 구성에 대해서 두 가지 경우를 생각한다.
첫 번째 경우는 특정한 상(相)의 한 고정자로부터 동일한 상(相)의 다른 고정자로 코일을 건네주는 방법이며(이하, 브리지(bridge)라고 함), 두 번째 경우는 각 상(相)의 권선의 회전수 차이이다. 이러한 두 가지 양태를 사용하여 위의 식 (1)을 아래와 같이 고쳐 쓸 수 있다.
Eu-dn=Eu-dn(브리지）+ Eu-dn(회전수)
우선, 코일을 건네주는 방법에 대해서 설명한다.
도 5에 나타낸 것처럼 Iw = -Iv이고 dIv/dt = -1이면, 식 (1)은 다음과 같이 쓸 수 있다.
Eu-dn(브리지) = -Mvu+Mwu
Ev-dn(브리지) = -Mwv+Muv
Ew-dn(브리지) = -Muw+Mvw
여기서는 Eu-dn, Ev-dn, Ew-dn만 나타냈지만, Eu-up, Ev-up, Ew-up도 마찬가지이다.
또한, Mvu와 Muv는 같기 때문에, 위의 식을 Muv, Mvw, Mwu를 사용하여 아래와 같이 고쳐 쓸 수 있다.
Eu-dn(브리지) = -Muv+Mwu
Ev-dn(브리지) = -Mvw+Muv
Ew-dn(브리지) = -Mwu+Mvw
다음으로, 각 고정자에 대한 코일 회전수를 n이라고 하여, 한 상(相)의 코일의 브리지와 다른 상(相)의 고정자 사이의 상호 인덕턴스를 고찰한다.
도 2에 나타낸 구성에서는, Muv는 U1, V2, U2, V3, U3, V4 사이의 상호 인덕턴스에 의해 영향을 받는다.
Muv = [n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[-1/2*n] = -3*n
Mvw = -3*n
Mwu = -3*n
따라서
Eu-dn(브리지) = Ev-dn(브리지) = Ew-dn(브리지) = 0 이 된다.
이어서, 각 상(相)의 회전수 차이에 대해서 설명한다.
어떤 상(相)의 각 고정자 구성요소에 대한 권선의 회전수가 다른 상(相)의 고정자 구성요소에 대한 회전수와 같고 상호 인덕턴스가 같은 M이라면, 인접하는 다른 상(相)에 대해 분할된 상(相)으로부터 발생하는 유도 전압은, 반대 극성으로 진폭을 반분(半分)할 것이다. 따라서 위의 식 (1)은
Eu-dn(회전수) = -1/2*[M*(dIv/dt)+M*(dIw/dt)]
Ev-dn(회전수) = -1/2*[M*(dIw/dt)+M*(dIu/dt)]
Ew-dn(회전수) = -1/2*[M*(dIu/dt)+M*(dIv/dt)] 가 된다.
여기서는 Eu-dn, Ev-dn, Ew-dn만 나타냈지만, Eu-up, Ev-up, Ew-up도 마찬가지이다.
여기서, 각 고정자에 대한 코일 권선의 회전수를 n이라고 하면, 도 2에 나타낸 구성에서, 회전수 차이는 전혀 없다. 따라서
Eu-dn(회전수) = Ev-dn(회전수) = Ew-dn(회전수) = 0
Eu-dn = Eu-dn(브리지)+Eu-dn(회전수) = O
Ev-dn = Ew-dn = 0 이 된다.
마찬가지로,
Eu-up = Ev-up = Ew-up = 0 이다.
따라서 유도 전압의 DC 오프셋 성분은 전혀 발생하지 않으며, PWM 센서리스 구동 방식에서도 확실하게 안정적인 시동을 걸 수 있다.
(제2 실시예)
다음으로 본 발명의 제2 실시예에 대해서 설명한다. 도 3은 본 발명 제2 실시예의 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법을 나타낸 것이다. 도 3은, 본 발명의 제1 실시예를 나타내는 도 2와 마찬가지로, 도 1의 W상(相) 고정자(202), Ⅴ상(相) 고정자(203), U상(相) 고정자(204)를 일렬로 순서를 정하여 배열한 것을 나타낸다.
이 실시예가 제1 실시예와 다른 점은 코일 권선(LU, LV, LW)의 종단 부분을 감는 방법이다. 보통의 권선 종단은 제1 실시예와 마찬가지로 고정자 U4와 고정자 V4 사이의 위치 Com으로부터 인출되지만, 코일 권선 LU, LV, LW의 종단은 모두 제1면으로부터 제2면으로 감긴 후, 고정자 U4와 고정자 V4 사이로부터 인출된다.
모터 코일이 느슨해지지 않도록 하기 위해 중성점(neutral)을 당기는 방법으로서 상기 두 개의 고정자 사이에서 중성점 종단(neutral ends)을 인출한다. 이것으로 인해 최종의 고정자가 감긴 후에 권선의 종단 부분이 여분으로 1회 정방향으로 회전하지만, 역방향(시계방향을 말함)으로 1회전을 더함으로써, 상호 인덕턴스의 영향을 상쇄할 수 있다.
또한, 도 3의 제2 실시예의 권선 방법에 대해서 아래에서 설명하겠지만, 각 코일 권선을 코일 권선의 시작 부분으로부터 최종의 고정자를 감는 끝 부분까지 제1 실시예와 같은 방식으로 감고 있기 때문에, 그 설명은 아래에서 생략한다.
V상(相) 코일 권선(LV)의 종단을 중성점 위치 Com에서 제1면으로부터 제2면으로 감기 때문에, 제1 실시예와 똑같은 방식으로 감긴다.
U상(相) 코일 권선(LU)을, 최종의 U상(相) 고정자(U4)에 소정의 회수로 감은 후, 최초의 W상(相) 고정자로서 인접하는 고정자 W1에 반시계방향(정방향)으로 1회 여분으로 감고 나서, 고정자 U4의 상측(제1면)을 지나서 중성점 종단인 위치 Com으로부터 인출한다.
W상(相) 코일 권선(LW)을, 최종의 W상(相) 고정자(W4)에 소정의 회수로 감은 후, 고정자 V4의 제2면을 지나서 최종의 U상(相) 고정자(U4)에 시계방향(역방향)으로 1회 여분으로 감고 나서, 중성점 종단인 위치 Com으로부터 인출한다.
U상(相) 코일 권선(LU)을 여분으로 정방향으로 감은 것과, W상(相) 코일 권선(LW)을 여분으로 역방향으로 감은 것의 상호 인덕턴스는 상쇄되기 때문에, 이 권선 방법은 유도 전압 오프셋을 감소시킬 수 있다.
위의 설명으로부터 알 수 있는 것 같이, 제1상 권선을, 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제3상 고정자에 역방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 최종의 제2상 고정자와 최종의 제3상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출한다. 또한, 제2상 권선을, 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후, 그대로 소정의 위치로부터 인출한다. 제3상 권선을, 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최초의 제1상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 소정의 위치로부터 인출한다.
이어서, 본 발명의 이 실시예 구성에 근거한 상호 인덕턴스의 영향을 수식을 사용해서 설명한다.
제1 실시예와 마찬가지로, 도 3에서, Muv는 U1, V2, U2, V3, U3, V4 사이의 상호 인덕턴스에 의해 영향을 받는다.
Muv = [n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[-1/2*n] = -3*n
Mvw는 V1, W2, V2, W3, V3, W4, V4 사이의 상호 인덕턴스에 의해 영향을 받는다.
Mvw = [n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)] = -3.5*n
Mwu는 U1, W2, U2, W3, U3, W4, U4, W1 사이의 상호 인덕턴스에 의해 영향을 받는다.
Mwu = [-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[-1/2*n]+[n*(-1／2)]+[-1/2*n]+[n*(-1/2)]+[n*(-1)]+[1*n] = -3*n
따라서
Eu-dn(브리지) = O
Ev-dn(브리지) = 0.5*n
Ew-dn(브리지) = -0.5*n
3상 간의 회전수의 차이는 제1 실시예에서와 같다.
Eu-dn(회전수) = -1/2*[M*(dIv/dt)+M*(dIw/dt)]
Ev-dn(회전수) = -1/2*[M*(dIw/dt)+M*(dIu/dt)]
Ew-dn(회전수) = -1/2*[M*(dIu/dt)+M*(dIv/dt)]
여기서는, Eu-dn, Ev-dn, Ew-dn만 나타냈지만, Eu-up, Ev-up, Ew-up도 똑 같다.
여기서, 각 고정자에 대한 코일 권선의 회전수를 n이라고 하면, 도 3의 구성에서, W1, U4에 회전수의 차이가 있다. W1에는 U상(相) 코일이 1회 감기며, U4에는 U상(相) 코일이 0.5회, W상(相) 코일이 반대방향으로 1회 감긴다.
또한, 도 5에 나타낸 바와 같이,
dIv/dt = -(dIw/dt) = 1,
dIw/dt = -(dIu/dt) = 1,
dIu/dt = -(dIv/dt) = 1,
Eu-dn(회전수) = -1/2*[{n*(1-0.5)*(-1)}+{n*(-0.5)*(1)}] = 0.5*n
Ev-dn(회전수) = -1/2*[{n*(-1)*(-1)}+{n*(1-0.5)*(1)}] = -0.75*n
Ew-dn(회전수) = -1/2*[{n*(-0.5)*(-1)}+{n*(-1)*(1)}] = 0.25*n
따라서
Eu-dn = 0.5*n,
Ev-dn = -0.25*n,
Ew-dn = -0.25*n
이와 같이, 본 발명의 이 실시예는 유도 전압의 DC 오프셋 성분을 줄일 수 있으며, 이것에 의해 PWM 센서리스 구동 방식에서도 안정적인 시동을 걸 수 있다.
(제3의 실시예)
도 4는 본 발명의 제3 실시예를 나타낸다. 도 4의 제3 실시예가 도 3의 본 발명 제2 실시예와 다른 점은, 중성점 종단이 고정자 V4와 고정자 W4 사이의 위치 Com으로부터 인출되어 있는 점이다.
또한, 도 4의 제3 실시예 권선 방법에 대해서 아래에서 설명하겠지만, 각 코일 권선을 코일 권선의 시작 부분으로부터 최종의 고정자를 감는 끝 부분까지 제1 실시예와 같은 방식으로 감고 있기 때문에, 그 설명은 아래에서 생략한다.
W상(相) 코일 권선(LW)을 최종의 고정자 W4에 소정의 회수로 감은 후, 종단을 다시 제1면에 감고 나서, 고정자 W4와 고정자 V4 사이의 중성점 위치 Com으로부터 인출한다.
U상(相) 코일 권선(LU)은 최종의 고정자 U4에 소정의 회수로 감긴 후, 최종의 V상(相) 고정자 V4의 상측(제1면)을 지나서, 중성점 위치 Com으로부터 인출된다. 따라서 U상(相) 코일 권선(LU)은 최종의 V상 고정자 V4에 시계방향(역방향)으로 0.5회 여분으로 감긴다.
V상(相) 코일 권선(LV)은 최종의 고정자 V4에 소정의 회수로 감긴 후, 최종의 U상(相) 고정자 U4에 반시계방향(정방향)으로 여분으로 1회 감고 나서, 최종의 V상(相) 고정자 V4의 상측(제1면)을 지나서 중성점 위치 Com으로부터 인출된다.
1/2회 여분으로 감는 것에 의해 U상(相)과 Ⅴ상(相)의 상호 인덕턴스를 상쇄할 수 있기 때문에, 이러한 권선 방법은 유도 전압의 오프셋을 줄일 수 있다.
위의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 제1상 권선을, 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제1상 고정자와 최종의 제2상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출하고, 제2상 권선을, 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서 소정의 위치로부터 인 출하며, 제3상 권선을, 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제2상 고정자에 역방향으로 1/2회 감고 나서 소정의 위치로부터 인출한다.
도 3의 제2 실시예와 도 4의 제3 실시예에 대해서 설명하였지만, 위에서 설명한 식을 만족하는 어떠한 코일 권선 방법에 의해서도 안정적인 센서리스 PWM 구동 방식이 실현될 수 있다는 것이 분명할 것이다.
(모터 구동장치)
이어서, 본 발명에서 이용하는 모터 구동장치에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
도 6은, 위에서 설명한 바와 같은, 본 발명의 제1 또는 제2 실시예를 사용하여 구동하는 모터 구동장치를 나타내는 도식적인 다이어그램이다. 또한, 도 5는 이 모터 구동 장치를 사용하는 모터 코일 전류의 파형도(waveform diagram)이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 이 모터 구동 장치는, 회전자 위치 검출부(1), 전기각(electrical angle) 신호 생성부(2), 통전(通電) 전환부(4), 토크 지령 제어부(5), 전류 검출부(6), 비교부(7), 전류 합성부(8), 상기 제1 및 제2 실시예에서 설명한 3상 DC 브러시리스 모터(9), 외부 토크 지령 입력단자(10), 전류 제어부(11), 시동부(12), 전환 제어부(13)를 포함한다.
센서리스 구동은, 회전자의 회전에 의해 발생하는 역기전력을 검출함으로써 모터를 구동하는 제어방법이다. 이것은 회전자가 정지되어 있을 때에는 역기전력이 발생하지 않기 때문에 회전자의 위치를 검출할 수 없다는 것을 의미한다. 따라서 시동(startup)시에는, 주지의 소정의 주파수로 전류를 전환하는 통전 신호를 시동 부(12)에 의해 강제적으로 인가하여 회전자를 초기에 회전시킨다. 이 통전신호에 의해 회전자가 회전하여, 회전자의 위치를 검출할 수 있다. 그러나 PWM 구동에 의해 발생하는 유도 전압에서 DC 오프셋이 생기면 회전자 위치를 정확하게 검출하지 못하기 때문에, 시동 실패가 발생할 수 있다. 제1 실시예와 제2 실시예에서 설명한 모터를 사용하여 유도 전압 오프셋을 억제함으로써, 시동시에 회전자 위치를 안정적으로 검출할 수 있다.
회전자의 회전에 의해 발생하는 3상 역기전력은 회전자 위치 검출부(1)에 입력된다. 이때, 역기전력은 도 5의 비통전상 구간 1~6에서 검출된다. 회전자 위치 검출부(1)의 신호는, 전기각 신호 생성부(2)와 전환 제어부(13)에 입력된다. 전환 제어부(13)는 회전자 위치 검출부(1)의 출력 신호로부터 회전자의 회전수를 계수하며, 소정의 회전수가 되면 시동부(12)로부터 전기각 신호 생성부(2)로 신호를 전환한다. 전기각 신호 생성부(2)는, 회전자 위치 검출부(1)의 신호에 근거하여 전기각(electrical angle) 60도마다 신호를 생성한다. 이 전기각 60도의 신호는 전류 제어부(11)와 통전 전환부(4)에 입력된다.
이어서, 통전 전환부(4)에 입력된 전기각 60도 신호에 대해서 설명한다.
통전 전환부(4)에 입력된 전기각 60도 신호는, 전기각 60도마다 통전을 바꾸는 통전 전환 신호이다. 모터 구동 전류의 1주기 전체는 전기각 360도이기 때문에, 전기각 60도 신호의 6개 구간이 모터 구동 전류 1주기가 된다.
여기서, 이 전기각 60도의 각 구간에서의 모터 구동 전류는, 증가 전류와 감소 전류의 2가지 상태를 가진다. 이 2가지 모터 구동 전류는 모터로 흘러들어가는 방향과 모터로부터 흘러나가는 방향의 2가지 방향으로 흐른다. 이 4가지 상태는 전기각 60도마다 전환되어, 전기각 360도를 1주기로 하여 모터 구동 전류를 생성한다.
이어서, 전류 제어부(11)에 입력된 전기각 60도 신호에 대해서 설명한다.
전류 제어부(11)에 입력된 전기각 60도 신호와 외부 토크 지령신호(10)는 토크 지령 제어부(5)에 입력되고 병합되어 목표값 신호를 생성한다.
전류 검출부(6)에 의해 검출되어 모터에 흐르는 구동 전류와 이 목표값 신호는 비교부(7)에 입력되고, 이 비교부(7)는 코일 전류가 목표값에 도달하면 전류 공급을 멈추는 통전(通電) 신호를 출력한다. 그리고 나서, PWM 제어는 소정의 주기로 전류 공급을 시작하고, 모터 구동 전류가 목표값에 도달하면 전류 공급을 중단하며, 이러한 제어 사이클(cycle)을 반복한다.
통전 신호와 전류 전환 신호는 전류 합성부(8)에 입력된다. 각 상(相)의 소정의 모터 구동 전류가 소정의 모터 코일 전류가 되도록 하기 위해, 전류 합성부(8)는 전기각 60마다 상태를 전환하는 제어를 한다.
위에서 설명한 구성과 제어방법은 사다리꼴의 목표값 신호를 생성하여, 모터 구동 전류를 소망하는 사다리꼴 파형(wave shape)이 되도록 PWM 제어에 의해 제어한다.
위에서 설명한 구동장치와 제1 실시예, 제2 실시예 또는 제3 실시예에서 설명한 코일을 가진 모터를 사용함으로써 안정적인 시동을 보장할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 센서리스 PWM 구동 방식에 가장 적합한 3상 DC 브러시리스 모터를 제공한다.
첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예와 연결해서 본 발명을 설명하였지만, 주지하는 바와 같이, 다양한 수정과 변경이 그 기술분야의 당업자에게는 명백한 것이다. 이러한 수정과 변경은, 청구범위를 벗어난 것이 아니라면, 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위 안에 포함되는 것이라고 볼 수 있다.

Claims (7)

  1. 스타 패턴(star pattern)으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와,
    N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와,
    세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과,
    상기 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과,
    상기 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고,
    상기 제1상, 제2상, 제3상 코일 중 어느 2개의 코일의 상호 인덕턴스(inductance)의 차이가 거의 영(zero)이 되는 것을 특징으로 하는 3상 DC 브러시리스(brushless) 모터.
  2. 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와,
    N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와,
    세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과,
    상기 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과,
    상기 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고,
    상기 제1상 코일은 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 소정의 위치로부터 인출되며,
    상기 제2상 코일은 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감긴 후. 소정의 위치로부터 인출되고,
    상기 제3상 코일은 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 소정의 위치로부터 인출되는 것을 특징으로 하는 3상 DC 브러시리스 모터.
  3. 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와,
    N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와,
    세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과,
    상기 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과,
    상기 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고,
    상기 제1상 코일은 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 최종의 제3상 고정자에 역방향으로 1회 여분으로 감기고 나서, 최종의 제2상 고정자와 최종의 제3상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출되며,
    상기 제2상 코일은 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 소정의 위치로부터 인출되고,
    상기 제3상 코일은, 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 최초의 제1상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감기고 나서, 소정의 위치로부터 인출되는 것을 특징으로 하는 3상 DC 브러시리스 모터.
  4. 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와,
    N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와,
    세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과,
    상기 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과,
    상기 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고,
    상기 제1상 코일은 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 최종의 제1상 고정자와 최종의 제2상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출되며,
    상기 제2상 코일은 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감기고 나서, 상기 소정의 위치로부터 인출되고,
    상기 제3상 코일은 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감긴 후, 최종의 제2상 고정자에 역방향으로 1/2회 감기고 나서, 상기 소정의 위치로부터 인출되는 것을 특징으로 하는 3상 DC 브러시리스 모터.
  5. 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와,
    N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와,
    세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과,
    상기 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과,
    상기 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고,
    상기 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후, 소정의 위치로부터 인출하며,
    상기 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후, 소정의 위치로부터 인출하고,
    상기 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 소정의 위치로부터 인출하는 것을 특징으로 하는 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법.
  6. 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와,
    N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와,
    세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과,
    상기 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과,
    상기 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고,
    상기 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제3상 고정자에 역방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 최종의 제2상 고정자와 최종의 제3상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출하며,
    상기 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후, 소정의 위치로부터 인출하고,
    상기 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최초의 제1상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 소정의 위치로부터 인출하는 것을 특징으로 하는 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법.
  7. 스타 패턴으로 배치한 3N(N은 양의 정수)개의 고정자와,
    N극과 S극을 교대로 배치한 4N개의 영구자석을 가지는 회전자와,
    세 번째마다의 고정자에 감긴 제1상 코일과,
    상기 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제2상 코일과,
    상기 다음 다음의 세 번째마다의 고정자에 감긴 제3상 코일을 포함하고,
    상기 제1상 코일을 최종의 제1상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제1상 고정자와 최종의 제2상 고정자 사이의 소정의 위치로부터 인출하며,
    상기 제2상 코일을 최종의 제2상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 1회 여분으로 감고 나서, 상기 소정의 위치로부터 인출하고,
    상기 제3상 코일을 최종의 제3상 고정자에 정방향으로 감은 후, 최종의 제2상 고정자에 역방향으로 1/2회 감고 나서, 상기 소정의 위치로부터 인출하는 것을 특징으로 하는 3상 DC 브러시리스 모터의 코일 권선 방법.
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