KR20070054366A - 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 ｂｌｄｃ모터 - Google Patents

연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 ｂｌｄｃ모터 Download PDF

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KR20070054366A
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Abstract

본 발명은 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터에 관한 것으로서, 구동시 회전하는 로터에 마그네트가 설치되는 BLDC 모터에 있어서, 로터와 공극을 가지도록 케이싱에 고정되고, 코일이 권선되는 다수의 투스가 마련되며, 로터를 향하는 측에 홈 또는 홀 형태의 장착부가 마련되도록 연자성 분말의 압축에 의해 형성되는 스테이터와, 스테이터의 장착부에 삽입 장착되며, 마그네트의 자력을 센싱하는 홀센서를 포함한다. 따라서, 본 발명은 스테이터에 홀센서를 고정시킴으로써 설계자의 노하우에 따라 홀센서의 높이나 각도에 대한 차이가 나지 않아 BLDC 모터가 일정한 특성을 가지도록 제어될 수 있고, 홀센서의 부착 위치가 작업자의 숙련도에 따라 차이가 나지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 특성값 변화를 최소화하며, 홀센서의 부착에 필요한 별도의 공간확보가 필요하지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 소형화에 기여하고, 구동시 진동에 의한 영향으로 인해 홀센서의 위치가 변화되는 것을 방지함으로써 홀센서에 의해 센싱되는 자력의 손실값을 감소시켜서 BLDC 모터의 정확한 제어 및 효율 증대를 가져오는 효과를 가지고 있다.
스테이터, 투스, 홀센서, 연자성 분말, BLDC 모터

Description

연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 ＢＬＤＣ 모터{BRUSHLESS DC MOTOR HAVING A STATOR FORMED FROM SOFT MAGNETIC POWDER MATERIAL}
도 1은 종래의 기술에 따른 BLDC 모터를 도시한 평면도이고,
도 2는 종래의 기술에 따른 BLDC 모터의 요부를 도시한 측면도이고,
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 분해사시도이고,
도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 측단면도이고,
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 분해사시도이고,
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 측단면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
110,210 : 스테이터 111,211 : 장착부
112,212 : 투스 113 : 전선삽입홈
114,214 : 센서보호하우징 115 : 인출홈
120,220 : 홀센서 121,221 : 전선
215 : 인출홀
본 발명은 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터에 관한 것으로서, 스테이터에 홀센서를 고정시킴으로써 홀센서를 원하는 위치에 정확하게 고정시킬 수 있으며, 구동시에 홀센서의 위치가 변하는 것을 방지하여 정확한 제어 및 효율 증대를 가져오는 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터에 관한 것이다.
일반적으로, 모터라 함은 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자제품뿐만 아니라 산업용 기기 등에 광범위하게 사용된다.
이러한 모터중에서 BLDC 모터(Brushless DC Motor)는 로터에 계자, 스테이터에 전기자 권선을 설치하고, 홀센서(hall sensor), 보통 포토 다이오드(photo diode)를 이용하여 권선의 전류방향을 결정함으로써 브러쉬형의 모터와 같은 특성을 갖도록 한 모터로서, 일반적인 유도전동기나 AC 모터가 전류의 방향 전환을 위해 3상 또는 4상 인터버를 이용하고 있는 것과는 달리 내부드라이브에서 손쉽게 방향전환이 가능하고, 저속 및 고속에서 토오크가 비교적 높으며, 고속회전이 가능하고, 무접점의 반도체 소자로 코일의 전류를 드라이브할 수 있어 그 수명이 매우 길뿐만 아니라 소음과 전자적인 잡음을 거의 발생시키지 않으며, 모터 드라이브 회로 자체에서 직접 속도조절을 할 수 있는 장점을 가지고 있다. 특히, BLDC 모터는 최근에 홀센서의 신뢰도가 향상되면서 매우 여러 가지의 형태로 개발되고 있다.
종래의 BLDC 모터를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 기술에 따른 BLDC 모터를 도시한 평면도이고, 도 2는 종래의 기술에 따른 BLDC 모터의 요부를 도시한 측면도이다. 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 BLDC 모터(10)는 케이싱(11) 내주면에 고정됨과 아울러 코일(12a)이 권선되는 스테이터(stator; 12)와, 스테이터(12) 내측에 설치됨과 아울러 마그네트(magnet)(미도시)가 고정되는 로터(rotor; 13)와, 마그네트의 자력을 센싱하는 홀센서(hall sensor; 15)를 포함한다.
스테이터(12)는 박판의 규소 강판을 다수로 적층함으로써 형성되고, 다수의 투스(tooth)(12b)가 내주면을 따라 일정 간격으로 마련되며, 투스(12b)와 함께 투스(12b)에 의해 형성되는 슬롯(12c)을 코일(12a)로부터 절연시키기 위하여 인슐레이터(12d)가 설치되고, 내부에 로터(13)가 공극을 두고서 회전 가능하게 설치된다.
로터(13)는 스테이터(12)와 마찬가지로 다수의 규소 강판을 적층함으로써 원주형상으로 형성되고, 중심에 회전축(13a)이 관통하여 고정되며, 스테이터(12)에 권선된 코일(12a)에서 발생되는 자기장과의 상호작용에 의해 토오크를 발생시키는 마그네트(미도시)가 외주면을 따라 일정 간격으로 삽입 고정된다.
홀센서(15)는 마그네트(미도시)의 자력을 센싱함으로써 로터(13)의 위치를 검출하며, 스테이터(12)의 하측에 설치되는 PCB(16) 상에 설치된다.
이와 같은 종래의 BLDC 모터(10)는 홀센서(15)가 로터(13)에 설치되는 마그 네트(미도시)의 자극 위치를 센싱하고, 센싱된 값을 콘트롤러(미도시)로 전달함으로써 콘트롤러가 마그네트의 자극 배열에 맞도록 스테이터(12)에 권선된 코일(12a)에 특정 방향의 전류를 흘려준다. 따라서, 스테이터(12)의 코일(12a)에 전류 흐름의 방향에 맞는 극성의 자기력이 발생함으로써 스테이터(12)의 코일(12a)에서 발생되는 자기력과 마그네트의 자극으로 인해 스테이터(12)와 로터(13)사이에 유도전류가 발생하여 로터(13)가 회전한다.
그러나, 이러한 종래의 BLDC 모터(10)는 홀센서(15)가 스테이터(12)로부터 이격된 PCB(16)상에 부착되어 마그네트의 자력을 센싱함으로써 홀센서(15)의 위치, 즉 높이나 각도가 설계자의 노하우에 따라서 차이가 나기 때문에 특성이 일정하지 못하며, 이로 인해 BLDC 모터(10)를 정확하게 제어하지 못할 뿐만 아니라 BLDC 모터(10)의 효율을 감소시키는 문제점을 가지고 있었다.
또한, 홀센서(15)를 PCB(16)상에서 정확한 위치에 부착하기가 힘들뿐만 아니라 작업자의 부주의에 의해 미세하게 부착부위가 변화하게 되면, 이에 따라 BLDC 모터(10)의 특성값이 크게 변화되는 문제점을 가지고 있었다.
그리고, 홀센서(15)를 PCB(16)상에 부착하기 위해서 별도의 공간 확보가 필요하게 됨으로써 BLDC 모터(10)의 소형화에 어려움을 초래하는 원인이 되었다.
또한, 조립시 부주의로 PCB(16)를 정확한 위치에 고정하지 못하거나, PCB(16)를 정확한 위치에 고정시키더라도 BLDC 모터(10)의 구동시 진동 등으로 인해 PCB(16)의 위치가 변화되는 경우 홀센서(15)의 위치 변동을 가져오며, 이로 인해 BLDC 모터(10)의 특성이 변하게 될 뿐만 아니라 BLDC 모터(10)의 효율을 감소시 키는 문제점을 발생시킨다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 스테이터에 홀센서를 고정시킴으로써 설계자의 노하우에 따라 홀센서의 높이나 각도에 대한 차이가 나지 않아 BLDC 모터가 일정한 특성을 가지도록 제어될 수 있고, 홀센서의 부착 위치가 작업자의 숙련도에 따라 차이가 나지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 특성값 변화를 최소화하며, 홀센서의 부착에 필요한 별도의 공간확보가 필요하지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 소형화에 기여하고, 구동시 진동에 의한 영향으로 인해 홀센서의 위치가 변화되는 것을 방지함으로써 홀센서에 의해 센싱되는 자력의 손실값을 감소시켜서 BLDC 모터의 정확한 제어 및 효율 증대를 가져오는 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터를 제공하는데 있다.
이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은, 구동시 회전하는 로터에 마그네트가 설치되는 BLDC 모터에 있어서, 로터와 공극을 가지도록 케이싱에 고정되고, 코일이 권선되는 다수의 투스가 마련되며, 로터를 향하는 측에 홈 또는 홀 형태의 장착부가 마련되도록 연자성 분말의 압축에 의해 형성되는 스테이터와, 스테이터의 장착부에 삽입 장착되며, 마그네트의 자력을 센싱하는 홀센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설 명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 분해사시도이고, 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터는 장착부(111)가 마련되도록 연자성 분말의 압축에 의해 형성되는 스테이터(110)와, 스테이터(110)에 공극을 두고서 회전 가능하게 설치됨과 아울러 다수의 마그네트(미도시)가 설치되는 로터(13)(도 1에 도시)와, 스테이터(110)의 장착부(111)에 장착되는 홀센서(120)를 포함한다.
스테이터(110)는 케이싱(11)(도 1에 도시) 내측에 고정되고, 내주면에 코일(12a)(도 1에 도시)이 각각 권선되는 다수의 투스(112)가 마련되고, 내부에 로터(13)(도 1에 도시)가 공극을 두고서 회전 가능하도록 설치된다.
스테이터(110)는 본 실시예에서 내부에 로터가 설치되나, 이에 한하지 않고, 투스가 외주면을 따라 형성됨과 아울러 외측에 로터가 공극을 두고서 설치되는 구조를 가질 수도 있다.
스테이터(110)는 로터(13)(도 1에 도시)를 향하는 측, 즉 본 실시예에서 내측에 장착부(111)가 마련된다.
장착부(111)는 본 실시예에서 일측이 막힌 홈 형태로 형성되고, 내측에 장착되는 홀센서(120)가 마그네트(미도시)의 자력을 정확하게 센싱하기 위하여 마그네트와 최대한 인접하도록 스테이터(110)의 투스(112)에서 로터(13)(도 1에 도시)와 마주보는 면에 형성됨이 바람직하다.
장착부(111)는 홀센서(120)가 장착시 홀센서(120)에 전기적으로 연결되는 전선(121)이 로터(13)(도 1에 도시)와의 간섭을 일으키지 않도록 전선(121)이 삽입되어 고정되기 위한 전선삽입홈(113)이 일측으로부터 연장되도록 형성된다.
스테이터(110)는 장착부(111)에 홀센서(120)를 보호하기 위하여 홀센서(120)가 끼워진 상태로 장착되는 센서보호하우징(114)이 구비된다.
센서보호하우징(114)은 홀센서(120)를 스테이터(110)와 절연시킴으로써 홀센서(120)의 오동작을 방지하도록 합성수지 등과 같은 절연재질로 형성될 수 있으며, 홀센서(120)의 위치에 변동을 최소화하는 상태에서 홀센서(120)로의 진동 전달을 감소시키는 재질로 형성될 수 있다.
센서보호하우징(114)은 일측에 홀센서(120)의 전선(121)을 전선삽입홈(113)으로 인출시키기 위한 인출홈(115)을 형성한다.
스테이터(110)는 연자성 분말의 압축에 의해 성형됨으로써 제작되는데, 연자성 분말은 철계(iron-based)의 입자들을 기초로 하며, 연자성 분말 각각은 전기적으로 절연되도록 코팅되어 있다.
스테이터(110)는 연자성 분말로 압축 성형되기 위하여 압축성형기에 스테이터(110)와 상응하는 형상을 포함하는 성형공간을 마련하고, 성형공간에 연자성 분말을 채운 다음 펀치 등과 같은 압축부재로 압축시켜서 투스(112)는 물론 장착부(111)와 전선삽입홈(113)을 가지도록 제작된다. 이 때, 연자성 분말에 윤활제 및/또는 결합제를 함유하여 함께 압축시킬 수 있다.
스테이터(110)는 연자성 분말의 압축 프로세스에 의해 3차원 형상을 가지는 연자성 복합체(soft magnetic composite; "SMC"라고도 함)가 되며, 규소 강판을 이용하는 종래의 경우보다 높은 자유도(degree of freedom)가 허용됨으로써 종래 동일한 형상을 가지는 규소 강판을 다수로 적층하는 구조와 달리 장착부(111)와 전선삽입홈(113)의 형성을 가능하도록 한다.
홀센서(120)는 센서보호하우징(114)에 끼워져서 센서보호하우징(114)과 함께 스테이터(110)의 장착부(111)에 장착된다.
홀센서(120)는 신호의 출력을 위하여 플레시블 PCB 타입 또는 피복에 의해 절연되는 구리선 등과 같은 전선(121)을 가지며, 전선(121)이 일측으로 인출되어 센서보호하우징(114)의 인출홈(115)을 통해서 전선삽입홈(113)에 삽입되어 PCB(16)(도 2에 도시)에 전기적으로 연결되며, 마그네트(미도시)의 자력을 센싱하여 로터(13)(도 1에 도시)의 위치를 검출하도록 한다.
도 5는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 분해사시도이고, 도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 요부를 도시한 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터는 제 1 실시예와 마찬가지로 장착부(211)가 마련되도록 연자성 분말의 압축에 의해 형성되는 스테이터(210)와, 스테이터(210)에 공극을 두고서 회전 가능하게 설치됨과 아울러 다수의 마그네트(미도시)가 설치되는 로터(13)(도 1에 도시)와, 스테이터(210)의 장착부(211)에 장착되는 홀센서(220)를 포함하는데, 제 1 실시예와 동일한 부분은 생략하고 차이를 가지는 부분에 대해서 설명하기로 하겠다.
스테이터(210)는 투스(212)에서 로터(13)(도 1에 도시)와 마주보는 면에 외측으로 관통하도록 홀 형태의 장착부(211)가 형성됨으로써 홀센서(220)가 장착부(211)에 마그네트(미도시)의 자력을 정확하게 센싱하도록 장착되고, 장착부(211)에 장착되는 홀센서(220)의 전선(221)이 회전하는 로터(13)(도 1에 도시)와의 간섭을 일으키지 않도록 장착부(211)를 통해서 외측으로 인출되어 PCB(16)(도 2에 도시)에 연결된다.
스테이터(210)는 장착부(211)에 홀센서(220)의 보호를 위한 센서보호하우징(214)이 구비되며, 센서보호하우징(214) 후측에 홀센서(220)의 전선(221)이 외측으로 인출되기 위한 인출홀(215)을 형성한다.
스테이터(210)는 종래의 동일한 형상을 가지는 규소 강판을 다수로 적층하는 구조와 달리 홀 형태의 장착부(211) 형성을 위해 연자성 분말의 압축에 의해 성형되어 연자성 복합체(SMC)를 이루게 되는 것은 이전 실시예와 동일하다.
이와 같은 구조로 이루어진 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터의 작용은 다음과 같이 이루어진다.
스테이터(110,210)가 연자성 분말의 압축에 의해 제작됨으로써 종래의 동일형상의 규소 강판만을 적층하는 구조와는 달리, 스테이터(110,210)내에 홀센서(120,220)의 장착을 위한 홈 또는 홀 형태의 장착부(111,211) 형성을 가능하도록 한다.
그러므로, 케이싱(11)(도 1에 도시)에 고정되는 스테이터(110,210)의 장착부(111,211)에 홀센서(120,220)를 장착시킴으로써 설계자의 노하우에 따라 홀센서(120,220)의 높이나 각도에 대한 차이가 나지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 특성을 일정하도록 할 수 있다.
또한, 홀센서(120,220)가 스테이터(110,210)에 미리 형성된 장착부(111,211)에 설치하게 됨으로써 홀센서(120,220)의 용이한 설치는 물론, 작업자의 숙련도에 따라 홀센서(120,220)의 위치 변화가 발생하지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 특성값 변화를 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 홀센서(120,220)의 부착에 필요한 별도의 공간확보가 필요하지 않게 되어 BLDC 모터의 소형화에 도움이 된다.
그리고, 로터(13)(도 1에 도시)와 항상 일정한 공극을 유지한 상태로 단단하게 고정되는 스테이터(110,210)에 홀센서(120,220)를 장착시킴으로써 구동시 진동에 의한 영향으로 인해 홀센서(120,220)의 위치가 변화되는 것을 방지하여 홀센서(120,220)에 의해 센싱되는 자력의 손실값을 감소시켜서 BLDC 모터의 정확한 제어를 가능하게 할 뿐만 아니라 효율 증대를 가져온다.
또한, 센서보호하우징(114,214)에 의해 장착부(111,211)에 장착된 홀센서(120,220)를 오동작이나 심한 충격으로부터 보호한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터는 스테이터에 홀센서를 고정시킴으로써 설계자의 노하우에 따라 홀센서의 높이나 각도에 대한 차이가 나지 않아 BLDC 모터가 일정한 특성을 가지도 록 제어될 수 있고, 홀센서의 부착 위치가 작업자의 숙련도에 따라 차이가 나지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 특성값 변화를 최소화하며, 홀센서의 부착에 필요한 별도의 공간확보가 필요하지 않게 됨으로써 BLDC 모터의 소형화에 기여하고, 구동시 진동에 의한 영향으로 인해 홀센서의 위치가 변화되는 것을 방지함으로써 홀센서에 의해 센싱되는 자력의 손실값을 감소시켜서 BLDC 모터의 정확한 제어를 가능하게 함과 아울러 효율을 증대시키는 효과를 가지고 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (3)

  1. 구동시 회전하는 로터에 마그네트가 설치되는 BLDC 모터에 있어서,
    상기 로터와 공극을 가지도록 케이싱에 고정되고, 코일이 권선되는 다수의 투스가 마련되며, 상기 로터를 향하는 측에 홈 또는 홀 형태의 장착부가 마련되도록 연자성 분말의 압축에 의해 형성되는 스테이터와,
    상기 스테이터의 장착부에 삽입 장착되며, 상기 마그네트의 자력을 센싱하는 홀센서
    를 포함하는 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스테이터는,
    상기 투스에서 상기 로터와 마주보는 면에 상기 장착부가 형성되는 것
    을 특징으로 하는 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스테이터는,
    상기 홀센서가 끼워진 상태로 상기 장착부에 장착되는 센서보호하우징
    을 더 포함하는 연자성 분말 재료로 제조된 스테이터를 가지는 BLDC 모터.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20180034804A (ko) 2016-09-28 2018-04-05 김학기 외전형 브러시 리스 직류 전동기의 조립장치 및 그 외전형 브러시 리스 직류 전동기의 조립방법

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