KR20060115930A - 2상 무정류자 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2상 무정류자 모터(Brushless DC motor)의 회전자계 퍼미언스(permeance)계수를 최대한 늘려 효율과 기동특성을 개선하고, 토오크 리플(torque ripple)과 소음을 감쇄시킬 수 있는 무정류자 모터를 제공하기 이한 것으로서,

본 발명의 무정류자 모터는 4배수의 극을 갖는 2상 권선과 보극(Auxiliary salient pole)이 형성된 전기자와, 6배수 회전자극의 3상 회전자각을 갖는 영구자석 회전자(Rotor)를 결합시켜 구성하여, 2상 모터용 전력 변환 및 전자 정류제어장치에 의해 구동될 수 있는 2상 무정류자 모터에 관한 것이다.

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Description

2상 무정류자 모터{Brushless DC motor}

도 1은 종래 2상 무정류자 모터의 회전동력 변환 구성을 나타낸 도면.

도 2는 종래 2상 무정류자 모터의 구동 스텝을 보이기 위한 회전 토오크를 나타낸 도면.

도 3은 종래 3상 무정류자 모터의 회전 동력 변환 구성을 나타낸 도면.

도 4는 종래 3상 무정류자 모터의 구동 스텝을 나타내기 위한 회전 토오크를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명 2상 무정류자 모터(4S6R)의 회전동력 변환 구성을 나타낸 도면.

도 6은 본 발명에 있어서, 2상 무정류자 모터의 구동스텝을 나타낸 회전토오크를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명에 있어서, 2상 무정류자 모터의 구동회로를 구성한 예를 나타낸 도면.

도 8은 본 발명에 있어서, 무정류자 모터의 퍼미언스 계수를 나타낸 도면.

본 발명은 무정류자 모터에 관한 것으로, 더 상세하게는 90도의 위상차를 갖는 2상 무정류자 모터 구동 전류로 30도의 위상차를 갖는 회전 토오크를 발생시켜 무정류자 모터의 토크(torque)의 토오크 맥동을 줄이고 기동 토오크를 증대시킬 뿐만 아니라 60도의 위상차를 갖는 3상 무정류자모터 회전자보다 회전자 자기회로의 퍼미언스(permeance) 계수를 증가시켜 모터효율을 높일 수 있도록 하는 2상 무정류자 모터(Brushless DC motor)에 관한 것이다.

일반적으로 무정류자 모터는, 기계적인 부분인 브러시, 정류자를 전기적인 수단으로 변경한 DC 모터를 의미한다.

따라서 마모, 먼지의 발생이 없고, 전기적인 노이즈가 없으며, 출력, 효율이 좋아 고속회전형의 모터에 적합하여 차세대 모터로서 다각적인 연구와 개발이 이루어지고 있다.

이와 같은 무정류자 모터는 코일이 감겨있는 직류모터의 회전자를 영구자석으로 대체하고 속도 제어방법도 전압제어식에서 여자위상제어 방식으로 바꾼 것으로 구동회로를 필요로 한다.

일반적으로 무정류자 모터는 영구자석 회전자와 전자 스위칭 회로의 정류된 전압에 의해 여자되는 전기자로 구성된다.

2상 무정류자 모터는 90도 위상차를 갖는 전기 여자 각으로 구동되고, 2 x n 개의 극을 갖는 영구자석 회전자와 4 x n 개의 극 권선을 갖는 전기자로 구성된다.

한편, 3상 무정류자 모터는 60도 위상차를 갖는 여자 각으로 구동되고, 2 x n 개의 극을 갖는 영구자석 회전자와 6 x n 개의 극 권선을 갖는 전기자로 구성된 다.

도 1은 종래의 2상 무정류자 모터의 회전동력 변환 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 이와 같은 종래의 2상 무정류자 모터의 구동 스텝을 보이기 위한 회전 토오크 파형도이다.

종래의 2상 무정류자 모터는 도 1에 도시된 바와 같이, 기본적인 2극의 회전자(2)와, 4개의 극 권선을 갖는 전기자(1)로 구성된다.

이와 같은 2상 무정류자 모터는 도 2에 도시된 바와 같이 90도의 위상차로 회전 토오크를 발생하게 된다.

이때 0~ 180도 사이에 권선전류가 흐르고 0~45도 사이에 역기전력이 작아 대전류가 흐르므로 구동회로에 주의를 요하며 토오크 리플(Torque Ripple) 각이 크다.

또한 모터 자기회로의 퍼미언스 계수를 증대시켜 자기에너지를 최대한 이용하기 위해서는 회전자(2)의 영구자석 극간 거리를 짧게 하고, 회전자(2) 영구자석의 극면적에 대응한 전기자(1)의 극 면적으로 넓게 하고 에어갭(air gap)은 줄이는 것이 좋다.

그러나 2상 무정류자 모터는 구조적으로 2 x n극의 회전자(2)와 4 x n 극의 전기자(1) 권선을 구성할 수 밖에 없어서 전기자의 권선 극에 비해 회전자(2)의 영구자석 극간 거리가 길며 영구자석 극 면적에 대응한 전기자(1)의 자기적 면적이 적어 퍼미언스 계수가 적고 자기에너지 이용 효율이 낮다.

따라서 이러한 2상 무정류자 모터는 대체로 토오크 리플이 크며 기동 토오크 가 약하고 대형 모터에는 적합하지 않다.

도 3은 종래 3상 무정류자 모터의 회전 동력 변환 구성을 나타낸 도면이고, 도 4는 이러한 3상 무정류자 모터의 구동 스텝을 나타내기 위한 회전 토오크 파형도이다.

한편, 종래 3상 무정류자 모터는 도 3에 도시된 바와 같이, 기본적인 2극의 회전자(20)와 6개의 극 권선을 갖는 전기자(10)로 구성된다.

이와 같은 3상 무정류자 모터는 도4에서와 같이, 60도의 위상차로 회전 토오크를 발생하게 되며, 0~ 120도 사이에 권선 전류가 흐르고 0~ 30도 사이에 역기전력이 작은 토오크 리플 각이 존재한다.

이와 같은 3상 무정류자 모터도 2상 무정류자 모터보다는 유리하지만 구조적으로 2 x n 극의 회전자(20)와 6 x n 극의 전기자(10) 권선을 구성할 수 밖에 없어서 회전자(20)의 영구자석의 극간거리가 길며 영구자석 극 면적에 대응한 전기자의 자기적 극 면적이 적어 퍼미언스 계수와 자기 에너지 이용 효율이 크지는 않다.

이와 같이 종래 최적의 구동방식인 전파 바이폴라 여자 방식의 2상 또는 3상 무정류자 모터라도 그 원리적인 구조에 있어서 자기 에너지를 최대한 활용하는데 한계가 있었고 효율을 향상시키는데도 구조적인 문제가 있다.

본 발명은 이와 같은 종래기술의 문제와 한계를 해결하기 위해 제안한 것으로, 전기자의 권선 극 보다 많은 분할 극 수를 갖는 영구자석 회전자를 구성하여, 모터의 자기에너지 이용율을 극대화하고 회전 구동 위상차를 30도로 최소화하여 대 용량의 회전 토오크 특성과 효율을 향상시킬 수 있는 2상 무정류자 모터를 제공하고자 한 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적으로는 회전자의 극수를 종래의 2 x n 개의 기본 극을 갖는 2상 또는 3상 모터와 달리 3배나 많은 6 x n개의 영구자석 극을 갖는 회전자를 구성시켜 회전자의 영구자석 단체의 퍼미언스 계수를 늘리고 4 x n 개의 권선 극을 갖는 전기자를 배치하므로써, 회전자의 영구자석 극의 대향면적과 동일한 면적의 전기자 극을 확보할 수 있게 하여 동작 점의 퍼미언스 계수를 증가시켜 유효 자기 에너지를 최대로 활용할 수 있는 2상 무정류자 모터를 제공하고자 한 것이다.

또한 본 발명의 또 다른 목적은 전기자의 각 권선 극 사이에 보극(Auxiliary salient pole)을 구성시켜 6 x n 개의 극을 갖는 회전자 상호작용으로 발생할 수 있는 코깅을 최소화할 수 있는 자기회로를 구성시키고, 회전자극 대비 전기자 권선 량을 4 x n 개로 최소화시켜 동손을 줄이고 재료비 코스트를 절감시킬 수 있는 2상 무정류자 모터를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은,

4배수(4 x n) 개의 권선극과 상기 권선극과 권선극사이에 보극을 형성을 형성한 2상 권선 전기자와, 동일한 분할각을 갖는 6배수(6 x n)의 영구자석 회전자극으로 구성된 회전자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이와 같은 본 발명은 4개의 권선극을 형성한 2상 권선 전기자와 60도의 분할 각으로 나누어진 6극의 영구자석 회전자를 조합한 모터 구성을 기본으로 하여 4 x n개의 극을 갖는 전기자와 6 x n 개의 극을 갖는 영구자석 회전자를 조합한 모터를 만들 수 있는 바, 본 발명의 기본단위로 구성된 4극 전기자 권선과 6극의 회전자극(4S6R)을 갖는 모터를 예를 나타낸 도 5 내지 도 7을 참조하여 그 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5에서와 같이, 4개의 2상 권선으로 구성된 전기자(100)와, 60도의 분할 각을 이룬 영구자석으로 이루어진 회전자(200)와, 전기자(100)의 각 권선극(101)과 권선극(101)사이에 형성된 4개의 보극(300)을 포함하여 구성되며,

상기 전기자(100)는 회전자(200) 영구자석 한 극의 분할 면과 같은 권선극(101)을 90도 분할 위치마다 각각 한 개씩 배치하도록 구성된다.

이와 같은 구성을 갖는 본 발명 실시예는,

전기자(100)는 60도의 분할 각을 이룬 회전자 영구자석 한극의 분할면과 같은 권선극(101)을 90도 분할 위치마다 각각 한 개씩 배치하여 4개의 2상 권선(101a)을 형성한다.

따라서 전기자(100)의 권선극(101)과 권선극(101) 사이에는 30도의 분할 각 여유가 생기므로, 이와 같은 전기자(100)의 권선극(101)과 권선극(101) 사이 분할 여유각내에 상기 보극(300)이 형성되며, 상기 보극(300)의 면 크기는 권선 코일의 삽입이 가능한 2~3㎜의 길이를 제외한 크기로 결정한다.

상기 회전자(200)는 60도의 분할 각을 갖는 6개의 영구자석 극을 N과 S극으로 교대 배치하여 구성시킨다.

상기 전기자(100)의 권선(101a)은 각 전기자(100)의 권선극(101) 슬롯에 90도의 위상차를 갖는 2상권선(??A,??B)을 삽입한다.

이와 같이 구성된 본 발명 보극을 형성한 2상 무정류자 모터의 각 상의 여자 전류 특성은 도 6에 도시된 바와 같이, 30도/Step의 위상차를 갖게되며, 1회전 당 3Hz/상의 스위칭 주파수 특성을 갖는다.

이와 같은 것은 도 2에 도시한 종래의 90도/Step 위상차를 갖는 2상 무정류자 모터의 여자 전류특성과 도 4에 도시된 60도/Step의 위상차를 갖는 3상 무정류자 모터보다 회전 스텝 각이 적어 매우 안정적인 회전 토오크 및 기동특성을 갖게 된다.

본 발명의 2상 무정류자 모터는 4배수의 전기자극과 6배수의 회전자 극을 갖게 되므로, 8극 전기자와 30도의 분할 극을 갖는 12극 회전자극으로 조합된 모터 또는 12 전기자와 20도의 분할 극을 갖는 18극 회전자 극으로 조합된 모터를 만들 수 있다.

도 8은 본 발명에 있어서, 무정류자 모터의 퍼미언스 계수를 나타낸 도면이다.

이와 같이 전기자의 권선 극 보다 많은 분할 극 수를 갖는 본 발명의 영구자석 회전자의 퍼미언스 계수(P3)는 자석 단체의 극간 거리가 짧아져서 도 8에 도시한 바와 같이, 종래의 2상 무정류자의 퍼미언스 계수(P1)보다 크고, 종래 3상 무정류자 모터의 퍼미언스 계수(P2)보다 커서 모터의 유효 자기 에너지를 최대한 이용할 수 있는 효율적인 설계가 용이해진다.

도 7은 본 발명에 있어서, 본 발명 2상 무정류자 모터의 구동회로를 구성한 예를 나타낸 도면이다.

도 7에 도시한 바와 같이, 회전자 위치검출센서(400,400')와, 회전자 위치 검출센서(400,400')에 의해 검출된 회전자의 위치에 따라 2상 여자 스위칭 신호를 구동하는 2상 논리회로(500)와, 2상 논리회로(500)의 2상 여자 스위칭 신호에 따라 전기자(100)의 2상 권선에 전류를 흘려 모터를 동작시키는 스위칭회로(600)와 같은 구동회로를 구성하여, 본 발명의 2상 무정류자 모터를 구동시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 2상 무정류자 모터를 적용하면서, 2상 무정류자 모터의 구동장치로 3상 무정류자 모터 보다 세분화된 회전 토오크 각을 얻을 수 있어서, 안정되고, 강한 기동 토오크와 회전특성을 얻을 수 있으며, 특히 중,저속에서 고효율 특성을 얻을 수 있다.

유효 자기 에너지를 효율적으로 이용할 수 있어서, 모터의 설계치수를 줄일 수 있고, 전기자와 코일 권선량을 줄일 수 있어, 부피와 무게를 줄일 수 있으며, 이에 따라 제조 원가를 감소시켜 경제성을 향상시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 4배수(4 x n) 개의 권선극과 상기 권선극과 권선극 사이에 보극을 형성한 2상 권선 전기자와,

   동일한 분할각을 갖는 6배수(6 x n)의 영구자석 회전자극으로 구성된 회전자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 2상 무정류자 모터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전기자의 권선극은 회전자의 영구자석 회전자극의 한 극면과 일치하는 것을 특징으로 하는 2상 무정류자 모터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 보극은 권선극과 권선극사이의 형성된 여유각에서 권선극에 권선되는 코일의 삽입을 위한 공간을 고려하여 결정하는 것을 특징으로 하는 2상 무정류자 모터.

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