KR20060110124A

KR20060110124A - 편심 회전자를 갖는 ｂｌｄｃ 모터

Info

Publication number: KR20060110124A
Application number: KR1020050032342A
Authority: KR
Inventors: 최기정
Original assignee: 최기정
Priority date: 2005-04-19
Filing date: 2005-04-19
Publication date: 2006-10-24

Abstract

본 발명은 편심회전자를 갖는 BLDC 모터에 관한 것으로서, 무정류자 직류 전동기인 BLDC 모터의 회전자에 편심 웨이트를 구비하고, 배면에 인버터 회로가 내장되는 PCB 기판상에 서로 120 °간격을 갖게 설치된 두개의 모터 코일과 홀 IC 에 의해 간소하면서도 리플이 적은 진동 발생이 가능하여 진동모터(vibration motor)에 사용될 수 있는 BLDC 모터에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 핸드폰 단말기 등의 소형 정밀 기기에서 사용되어지는 진동 모터에 브러쉬를 갖지 않는 BLDC 모터를 적용할 수 있어 진동발생시 기계적 접점이 발생하지 않아 잡음과 리플 및 마찰이 발생하지 않고 수명이 길어지는 효과를 가진다. 그리고, 진동을 발생시키고자 하는 본래의 목적을 훌륭하게 달성하면서도 종래에 비해 훨씬 간소하고 저렴한 구성이 제공되어 제조 단가가 절감되고 공정이 단축되는 효과가 있다.

BLDC 모터, 편심 회전자

Description

편심 회전자를 갖는 ＢＬＤＣ 모터{BLDC MOTOR HAVING A UNBALANCED WEIGHT ROTOR}

도 1은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 바람직한 실시예의 구조를 나타내기 위한 분해 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 단면 구조를 나타내기 위한 단면도.

도 3은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 평면 중첩 상태를 나타내기 위한 평면도.

도 4는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 인버터 회로의 바람직한 실시예를 나타내기 위한 회로도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10: 링형 회전자 마그네틱 20: 편심 웨이트

30: 제 1상 원형 모터 코일 40: 제 2상 원형 모터 코일

50: 샤프트축 60: 홀 IC

70: 환원상 지지체 80: 모터 캡

90: 터미널 100: BLDC 모터

110: A상 스위칭 소자 120: B상 스위칭 소자

130: 편심 회전자 140: 인버터 회로

본 발명은 편심회전자를 갖는 BLDC 모터에 관한 것으로서, 무정류자 직류 전동기인 BLDC 모터의 회전자에 편심 웨이트를 구비하고, 배면에 인버터 회로가 내장되는 PCB 기판상에 서로 120°간격을 갖게 설치된 두개의 모터 코일과 홀 IC 에 의해 간소하면서도 리플이 적은 진동 발생이 가능하여 진동모터(vibration motor)에 사용될 수 있는 BLDC 모터에 관한 것이다.

일반적으로 무정류자 직류 전동기(BLDC 모터)는 종래의 브러쉬(Brush)를 부착한 직류 전동기의 기계적 접점을 가지고 있지 않으므로 잡음이 발생하지 않고 수명도 길어지는 장점이 있어 세탁기와 같은 가전기기, 산업용 기기, 운송기기 등의 모터로서 최근 많이 사용되고 있다.

이러한 BLDC 모터는 영구자석으로 된 회전자의 자극에 맞춰 복수 개의 고정자 권선인 모터 코일에 인가될 전류의 상을 제어하기 위해 회전자의 위치센서로서 홀 센서 IC를 통상적으로 많이 사용하고 있다.

그리고, 홀 센서를 이용하지 않고 정류 엔코더와 광센서를 이용하여 회전자의 위치를 감지하는 개선된 BLDC 모터는 각 상을 극별로 독립적 병렬로 권선하고 상호 연결없이 각 코일 권선은 N개의 풀(full) H 브릿지에 연결되는 N개의 다상으로 된 고정자와, 필요한 수의 자극으로 구성된 회전자와, 감지영역과 비 감지 영역으로 구분 구성되고, 축에 구성된 정류 인코더와, 감지영역에서 하이펄스를 생성하 는 2n개의 광센서로 구성되어 있다.

한편, 근래 모바일(mobile) 기술의 발달과 이동통신 기술의 발달에 힘입어 핸드폰이나 PDA 와 같은 개인휴대 단말기의 발전이 진일보하고 있으며, 개인휴대 단말기의 소형화와 고성능화를 위해 진동(vibration)과 음성발생을 함께 수행할 수 있는 다양한 형태의 진동모터 복합형 스피커가 출시되고 있다.

통상적으로 진동모터 복합형 스피커에는 진동을 발생시키기 위한 편심웨이트를 구비한 진동 모터를 내부에 갖고, 진동 모터의 외측에는 음성 발생을 위한 스피커가 외자형 또는 내자형으로 일체로 형성된 형태를 띄며, 이때 사용되는 대부분의 진동 모터는 회전자에 권선된 모터 코일에 정류자(brush)가 접촉되어 전류를 인가하는 형태를 갖는다.

이와 같은 정류자를 갖는 진동모터 복합형 스피커의 진동 모터는 일반적인 모터들과 같이 브러쉬에 의한 기계적 접점을 가지므로 BLDC 모터에 비해 잡음이 많이 발생되며, 브러쉬와 모터 코일간의 기계적 마찰에 의해 수명이 줄어드는 단점이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 진동모터 복합형 스피커 등에서 사용되어지는 진동 모터에 잡음 발생이 적고 기계적 마찰이 없어 수명이 길어질 수 있는 무정류자 직류 전동기(BLDC 모터)를 적용가능하도록 함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 진동 발생을 그 목적으로 하는 진동 모터에서 모터의 구동과 원활한 진동 발생 등 최대한 양호한 성능이 발휘되도록 하면서도 간소하고 저렴한 구성을 가질 수 있도록 하여 제조 단가를 저감시키고 제조 공정을 단축시킴에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 후술될 구성 및 작용에서 더욱 상세히 설명될 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편심회전자를 갖는 BLDC 모터는,

제 1상 원형 모터 코일과 제 2상 원형 모터 코일이 환원상 지지체상에서 120 °간격을 갖도록 내삽되어지고, 제 1상 원형 모터 코일과 제 2상 원형 모터 코일로부터 120 °간격을 갖는 위치에 회전자의 회전위치신호를 감지하는 회전자 위치 감지 수단이 배치되며, 제 1상 원형 모터 코일과 제 2상 원형 모터 코일은 2상 구동방식으로 결선되어 상기 환원상 지지체 배면에 PCB 회로로 형성된 스위칭 제어수단에 결선되고, 상기 환원상 지지체의 중심에 축결합되는 샤프트축상에는 적어도 반원 이상의 평판 형태를 갖는 편심 웨이트가 결합되고, 상기 편심 웨이트의 둘레에 형성된 링형 몸체에는 n개의 N, S극 자석이 교번 배치되도록 착자가 이루어진 링형 회전자 마그네틱이 형성되어 상기 환원상 지지체와는 평행한 에어갭을 갖도록 수평으로 배치되는 편심 회전자를 이루되, 상기 편심 회전자는 링형 회전자 마그네틱의 링형 몸체가 상기 제 1상 원형 모터 코일과 제 2상 원형 모터 코일 및 회전자 위치 감지 수단의 수직 상부에서 위치되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 회전자 위치 감지 수단은 홀 IC 소자이며, 홀 IC 소자로부터 발생되는 회전위치신호는 50%의 듀티를 갖는 구형파 신호이고, 상기 2상 구동방식으로 결선된 제 1상 원형 모터 코일과 제 2상 원형 모터 코일간의 통전은 180 °마다 이루어진다.

그리고, 스위칭 제어수단으로서는 바람직하게 인버터 회로로서, 하나의 상을 구동하기 위해서 4개의 전력용 스위칭 소자를 H자 형태로 연결한 H 브릿지 형태의 스위칭 회로의 연결 중앙에 해당 원형 모터 코일이 연결되고, 스위칭 제어수단에 의해 180 °마다 반전된 위상신호값을 인가받는 해당 원형 모터 코일은 자기력선을 순차적으로 교번형성하여 그 상부의 링형 회전자 마그네틱이 반발 자기력에 의해 회전할 수 있도록 구성된다.

한편, 이러한 전력용 스위칭 소자로는 전력용 반도체인 IGBT, MOSFET, FET 등이 이용될 수 있으며, 편심 웨이트(20)의 둘레에 형성된 링형 몸체에는 편심 웨이트와 링형 몸체가 일체로 제작된 뒤에 바람직하게 각각 2개의 N, S극 자석이 교번 배치되도록 착자가 이루어진다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하고자 하며, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 설정된 용어들로서 이는 생산자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있으므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

먼저, 도 1은 본 발명에 따른 BLDC 모터(100)의 바람직한 실시예의 구조를 나타내기 위한 분해 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 BLDC 모터의 단면 구조를 나타내기 위한 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 BLDC 모터의 평면 중첩 상태를 나타내기 위한 평면도이다.

도 1에 나타난 BLDC 모터(100)는 크게 모터 캡(80)과 편심 회전자(130) 및 환원상 지지체(70)로 분해되어 도시되어 있으며, 편심 회전자(130)는 샤프트축(50)에 끼움고정되어 환원상 지지체(70)중심의 홈과 모터 캡(80)의 내측 중심의 홈 사이에 지지되도록 배치되며, 모터 캡(80)은 환원상 지지체(70)의 둘레에 눌러 끼워 결합시킬 수 있도록 되어 있으나, 모터 캡(80)과 환원상 지지체(70)사이의 결합은 이 실시예에 국한되지 않고 얼마든지 다양하게 변형될 수 있다.

도 1의 BLDC 모터(100)의 특징적 구성에 대해 보다 구체적으로 설명하려면 편심 회전자(1310)와 환원상 지지체(70)에 대하여 설명이 이루어져야 하고, 특히 편심 회전자(130) 둘레의 링형 회전자 마그네틱(10)과 환원상 지지체(70)상의 원형 모터 코일들과의 구조와 작용관계가 나타나야 한다.

보다 상세히 설명하면, 먼저 편심 회전자(130)는 도 2의 단면도에서와 같이 샤프트축(50)의 길이방향 중심 부위 정도에 끼워지는 적어도 반원 이상의 평판 형태를 갖는 편심 웨이트(20)와 편심 웨이트(20)의 둘레에 형성된 링형 몸체를 갖는 링형 회전자 마그네틱(10)으로 이루어져 있는데, 편심 웨이트(20)가 적어도 반원 이상의 평판 형태를 띄어야 하는 것은 일측으로 편향된 무게 하중에 의해 회전자가 회전함에 따라 진동을 발생시키기 위한 근본적인 구성이며, 반원 이상으로 편심 웨이트(20)를 구성한 것은 안정적으로 진동이 발생되게 하기 위함이며, 보다 가벼운 진동을 원할 경우에는 반원 이하의 평판 형태를 띄는 편심 웨이트로도 얼마든지 구현할 수 있다.

이러한 편심 웨이트(20)와 링형 회전자 마그네틱(10)은 일체로 제작된 뒤에 링형 회전나 마그네틱(10)에 n개의 N, S극 자석, 바람직하게는 각각 2개의 N, S극 자석이 교번 배치되어 쌍을 이루도록 착자가 이루어지며, 각각의 쌍을 이루는 자석은 서로 동일한 거리를 두고 배치된다.

그리고, 환원상 지지체(70)상의 내삽되는 제 1상 원형 모터 코일(30), 제 2상 원형 모터 코일(40)은 도 1의 사시도에서 나타나는 바와 같이 그 사이 간격이 120 °를 띄는데, 이것은 각각 제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2상 원형 모터 코일(40)로부터 공통적으로 120°간격을 띄도록 배치되는 회전자 위치 감지 수단인 홀 IC(60)까지 포함하여 360°의 영역을 정확히 동일한 크기로 3등분하도록 배치하여 거리상의 대칭이 정확하게 이루어지도록 하기 위한 구성이다.

또한, 도 2의 단면에서와 같이 링형 회전자 마그네틱(10)과 단면상 수직으로 마주하는 위치에 제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2상 원형 모터 코일(40) 및 홀 IC(60)이 배치되어 있는데, 이는 제 1 상 및 제 2 상 모터 코일(30),(40)에서 교번 발생되는 기전력이 정확하게 링형 회전자 마그네틱(10)의 N,S 자석과 대향되도록 하기 위한 것이며, 홀 IC(60)가 링형 회전자 마그네틱(10)이 회전하는 회전위치신호를 정확하게 감지하도록 배치된 것이다.

홀 IC(60)에서 발생되는 회전위치신호는 50% 듀티를 갖는 구형파 신호로서, 2상 결선된 제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2 상 원형 모터 코일(40) 사이의 통전이 180 ° 마다 이루어지도록 스위칭 제어 수단, 즉, 환원상 지지체(70) 면상 또는 배면에 PCB 회로로 형성된 인버터 회로(140)에 결선되고, 인버터 회로는 도 4에서와 같이 하나의 상을 구동시키기위해 4개의 전력용 스위칭 소자(Q1~Q4)를 H자 형태로 연결한 H 브릿지 형태의 스위칭 회로의 연결 중앙에 해당 원형 모터 코일이 연결되는 구성을 가지며, 각 스위칭 소자 부분을 암(ARM)이라고도 한다.

그리고, 제 1 스위칭 소자(Q1)과 제 2 스위칭 소자(Q2)가 직렬 연결되어 있으며, 제 3 스위칭 소자(Q3)와 제 4 스위칭 소자(Q4)가 직렬 연결되어 있으며, 이러한 전력용 스위칭 소자로는 전력용 반도체인 IGBT, MOSFET, FET 등이 이용될 수 있다.

도 4를 참고하면, A상 브릿지의 각 스위칭 소자(Q1~Q4)(110)는 A1+, A1-, A2+, A2- 구동신호에 따라 각각 제어되고, B상 브릿지의 각 스위칭 소자(Q1~Q4)(120)는 B1+, B1-, B2+, B2- 구동신호에 따라 각각 제어되고, 4개의 스위칭 소자 중에서 2개의 스위칭 소자에 PWM 신호를 인가하여 서로 엇갈리게 스위칭 소자를 온오프시킴으로서 편심 회전자가 홀IC(60)상에서 N극을 띄면 A1+ 구동신호와 A2- 구동신호를 동시에 하이(HIGH)로 하여 제 1 스위칭 소자(Q1)과 제 4 스위칭 소자(Q4)를 온시킴으로써 H 브릿지에서 전류의 흐름이 " ┐"형이 되게 하고, S극 위치에서 A2+구동신호와 A1- 구동신호를 하이(HIGH)로 하여 제 3 스위칭 소자(Q3)와 제 2 스위칭 소자(Q2)를 온시킴으로써 전류의 흐름이 " ┌" 형이 되도록 하며, A1+ 구동신호와 A1- 구동신호 혹은 A2+ 구동신호와 A2- 구동신호가 동시에 하이가 되지 않도록 휴지기간(DEAD TIME)을 두거나 휴지기간을 거의 0에 가깝도록 하여 리플(RIFFLE)의 발생을 최대한 줄일 수 있다.

그리고, 도 5에서 게시되는 바와 같이, 홀 IC(60)는 5 PIN을 갖는 IC 소자인데, 그중에서 도면번호 61은 기준전압(Vnn)을 인가받는 단자이며, 도면번호 62는 접지를 위한 단자, 그리고, 도면번호 63과 64는 각각 제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2상 원형 모터 코일(40)에 출력 전압을 인가하여 기전력을 발생시키기 위한 단자이며, 도면번호 65는 FG(Frequency Generator) 기능을 위한 단자로서, FG 단자(65)로부터 출력되는 신호는 모터의 회전 속도를 반영하는 시그널(SIGNAL) 이다.

즉, FG 단자(65)의 출력은 만약 홀 IC(60)의 센서가 N극 영역에 오면 FG 출력은 일예로 "LOW(로우)" 신호를 출력하고, 만약 홀 IC(60)의 센서가 S극 영역에 오면 FG 출력은 "HIGH(하이)" 신호를 출력하며, 모터가 회전을 시작하여 계속 회전하는 동안에는 FG 출력은 하이(HIGH)와 로우(LOW)를 반복적으로 출력하며, 이 FG 단자의 하이/로우 신호를 검사함으로써 모터의 회전 속도를 카운트(COUNT) 하고 모니터링 할 수 있으며, FG 출력에 의한 회전 속도 모니터링은 BLDC 모터의 속도를 컨트롤하는 중요한 신호로 이용되어 질 수 있다.

이러한 구조를 갖는 본 발명의 BLDC 모터는 회전자에 편심 웨이트가 구비되어 있어 모터의 구동시에 진동을 발생시킬 수 있어 진동 발생 모터로서 사용되며, 통상적으로 진동모터 복합형 스피커 등의 소형 모터에서 마찰과 리플의 발생원이던 브러쉬를 제거한 모터를 구현할 수 있게 되며 브러쉬에 의한 구조보다 훨씬 저렴하 고 간소한 공정으로 제작되어질 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 대해 상세히 설명하였지만, 본 발명의 분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범위내에서 얼마든지 변형 또는 변경하여 실시할 수 있음을 잘 알 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2상 원형 모터 코일(40)이 환원상 지지체(70)상에서 120 ° 간격을 갖도록 내삽되어지고, 상기 제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2상 원형 모터 코일(40)로부터 120 °간격을 갖는 위치에 회전자의 회전위치신호를 감지하는 회전자 위치 감지 수단((60)이 배치되며,

상기 제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2상 원형 모터 코일(40)은 2상 구동방식으로 결선되어 상기 환원상 지지체(70) 상면 또는 배면에 PCB 회로로 형성된 스위칭 제어수단(75)에 결선되고,

상기 환원상 지지체(70)의 중심에 축결합되는 샤프트축(50)상에는 적어도 반원 이상의 평판 형태를 갖는 편심 웨이트(20)가 결합되고, 상기 편심 웨이트(20)의 둘레에 형성된 링형 몸체에는 n개의 N, S극 자석이 교번 배치되도록 착자가 이루어진 링형 회전자 마그네틱(10)이 형성되어 상기 환원상 지지체(70)와는 에어갭을 갖게 수평으로 배치된 편심 회전자(130)를 이루되, 상기 편심 회전자(130)는 링형 회전자 마그네틱(10)의 링형 몸체가 상기 제 1상 원형 모터 코일(30)과 제 2상 원형 모터 코일(40) 및 회전자 위치 감지 수단(60)의 수직 상부에서 위치되는 것을 특징으로 하는 편심 회전자를 갖는 BLDC 모터.
제 1항에 있어서,

상기 회전자 위치 감지 수단은 홀 IC인 것을 특징으로 하는 편심 회전자를 갖는 BLDC 모터
제 1항에 있어서,

상기 스위칭 제어수단은 인버터 회로인 것을 특징으로 하는 편심 회전자를 갖는 BLDC 모터
제 1항에 있어서,

상기 인버터 회로는, 각각 4개의 트랜지스터(TR)이 브릿지 회로를 이루는 반전된 위상 신호값을 출력하여 교대로 통전시키는 것을 특징으로 하는 편심 회전자를 갖는 BLDC 모터.
제 1항에 있어서,

상기 편심 웨이트(20)의 둘레에 형성된 링형 몸체에는 각각 2개의 N, S극 자석이 교번 배치되도록 착자가 이루어진 것을 특징으로 하는 편심 회전자를 갖는 BLDC 모터.
제 2항에 있어서,

상기 홀 IC(60)는 모터의 회전 속도를 반영하는 주파수 신호를 발생시키는 FG(Frequency Generator) 단자(65)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 편심 회전자를 갖는 BLDC 모터.