KR20080068303A - The structure of the brushless dc motor using a hybrid type roter - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 종래의 4상 반파통전식 BLDC모터의 개략적인 회로도1 is a schematic circuit diagram of a conventional four-phase half-wave energized BLDC motor
도 2는 종래의 3상 양파통전식 BLDC모터의 개략적인 회로도2 is a schematic circuit diagram of a conventional three-phase onion energized BLDC motor
도 3은 종래의 4상 반파통전식 BLDC모터의 개략적인 평면도3 is a schematic plan view of a conventional four-phase half-wave energized BLDC motor
도 4는 종래의 4상 반파통전식 BLDC모터의 개략적인 단면도(A-A`)4 is a schematic cross-sectional view (A-A`) of a conventional four-phase half-wave energized BLDC motor
도 5는 본 발명에 따른 4상 반파통전식 BLDC모터의 평면도(@L1)5 is a plan view (@ L1) of a four-phase half-wave energized BLDC motor according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 4상 반파통전식 BLDC모터의 단면도(A-A`)6 is a cross-sectional view (A-A`) of a four-phase half-wave energized BLDC motor according to the present invention.
도 7은 본 발명에 따른 4상 반파통전식 BLDC모터의 회로도.7 is a circuit diagram of a four-phase half-wave energized BLDC motor according to the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of reference numerals for main parts of the drawings>
110: 회전자(roter) 111: 회전축(shaft) 110: rotor 111: shaft
112: 마그네트(PM) 013: 전자연철(E-wrought iron) 112: magnet (PM) 013: E-wrought iron
120: 고정자(stator) 121: 외함(case) 120: stator 121: case
122: 계철(yoke) 123: 계자권선(field coil) 122: yoke 123: field coil
024: 지지대(bracket) 130: 스위칭소자(power transister) 024: bracket 130: power transister
031: 상위스위치(upper S/W) 032: 하위스위치(lower S/W) 031: upper switch (upper S / W) 032: lower switch (lower S / W)
[문헌1] KR10-1999-0024346(엘지전자(주)구자홍) 1999.06.25 [문헌2] KR10-1998-0006903(엘지전자(주)구자홍) 1998.03.03 [문헌3] 도서출판 세운,소형모터의 사용법,서울: 김재현,1993 제4장 브러시레스 모터와 그 사용법, 87 ~ 108 [Document 1] KR10-1999-0024346 (LG Electronics Co., Ltd. Gujahong) 1999.06.25 [Document 2] KR10-1998-0006903 (LG Electronics Co., Ltd. Gujahong) 1998.03.03 [Document 3] Book publishing, small motor , Seoul: 1993 Chapter 4 Brushless Motors and Their Uses, 87-108
본 발명은 무쇄자 직류모터(이하 BLDC모터)의 구조에 관한 것이다. 일반적인 BLDC모터의 개략적인 회로도는 도 1에 나타낸 4상 반파통전식의 회로로 구성된 BLDC모터의 원형을 기점으로, 도 2에 나타낸 3상 양파통전식(스타결선형)의 회로로 구성된 BLDC모터로 발전하여 가전제품뿐 만 아니라 정보처리 기기에 이르기 까지 폭넓은 분야에서 주로 사용되고 있다. 여자시퀀스에 있어서는, 일반적으로 스테핑 모터등에서 적용하는 2상 여자방식으로 구성하고 있고, BLDC모터가 스테이터에서 발생된 자기력으로 로터를 연속적으로 회전시키기 위해서 도 1에 나타낸 4상 반파통전식 BLDC모터는 스위칭소자(030)가 4스텝(@90°)으로 교번도통하여 동작하고 있으며, 도 2에 나타낸 3상 양파통전식 BLDC모터는 상위스위치(031)와 하위스위치(032)가 6스텝(@60°)으로 교번도통하여 동작하고 있다. 종래에 상용되고 있는 3상 양파통전식 BLDC모터의 토크리플을 줄이는 구동방법에 있어서는, 기동초기의 과전류로 인하여 저주파 대역에서 발생되는 모터의 불안정한 토크발생을 개선하기 위하여 펄스폭변조(PWM)전압과 직류전압의 인가시점을 조절하여 전류량을 제어하는 구동방법이 있으며, 공통점의 제로위상과 교차할 때마다 반전되는 역기전력이 제로교차점신호(zero-EMF)에 따라 제어하는 마이컴에 프리휠링 전류의 소멸시점을 정확하게 예측하여 다른 코일에 전압을 인가하도록 프로그래밍해 주므로써 모터를 보다 안정적으로 동작시키는 구동방법등의 다양한 회로기법이 있다. 모터의 구조적인 토크리플 저감방법으로는 고정자의 슬롯이나 회전자의 마그네트를 스큐처리하는 방법등도 있다. The present invention relates to a structure of a chainless direct current motor (hereinafter referred to as BLDC motor). A schematic circuit diagram of a general BLDC motor is a BLDC motor composed of a three-phase onion energized circuit (star connection type) shown in FIG. 2 based on a prototype of a BLDC motor composed of a four-phase half-wave energized circuit illustrated in FIG. 1. It is developed and used mainly in a wide range of fields from home appliances to information processing devices. In the excitation sequence, it is generally composed of a two-phase excitation method applied to a stepping motor, and the four-phase half-wave conductive BLDC motor shown in FIG. 1 is switched so that the BLDC motor rotates the rotor continuously by the magnetic force generated in the stator. The
그런데, 상술한 종래의 BLDC모터의 구동방법이나 구조는 스테이터의 자기력 변화로 로터간에 척력과 인력을 발생시키므로써 동작하는 모터의 상호작용에 있어서 필연적으로 수반되는 자체 및 상호유도 발전작용에 의한 제동(damping)현상으로 발생하는 토크리플을 현저하게 줄이는 대책으로 그 한계성이 있다는 문제점이 있다.However, the above-described method or structure for driving a BLDC motor is a brake due to self and mutual induction power generation which is inevitably involved in the interaction of a motor operated by generating repulsion and attraction between rotors due to a change in magnetic force of the stator. As a countermeasure for remarkably reducing torque ripple caused by damping phenomenon, there is a problem in that there is a limit.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로 BLDC모터의 회로기법뿐 만 아니라 구조적인 개선방법까지 병용하므로써 토크리플을 근본적으로 줄이는 모터구조를 제공하는 데에 그 목적이 있다. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to provide a motor structure that fundamentally reduces torque ripple by using not only a circuit technique of a BLDC motor but also a structural improvement method.
본 발명에 의한 BLDC모터의 구조는 한개의 회전축(one-shaft)에 복합형 회전자와 고정자를 각 상별로 분리하여 배열하는 구조적인 토크리플 저감방법과 서지전압 흡수회로(snubber)에 통전되는 프리휠링 전류를 활용하는, 반파통전식 전압인가 회로로 구성된 것을 그 특징으로 한다.The structure of the BLDC motor according to the present invention is a structural torque ripple reduction method and a surge voltage absorbing circuit (snubber) is energized by a separate rotor and stator arranged separately for each phase on one rotation shaft (one-shaft) It is characterized by consisting of a half-wave energized voltage application circuit utilizing a wheeling current.
이하, 첨부된 도면과 함께 설명하도록 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings.
도 3,4는 종래의 4상 반파통전식 BLDC모터의 평면도와 단면도를 나타낸 것이다. 도 3은 기동시점을 기준으로 2상 여자시퀀스에 의해 L1과 L2의 코일이 여자되어 슬롯부위에 S극이 발생되는 스텝 1의 초기상태를 도시한 것이며, 시계방향으로 회전이 시작되는 로터가 스텝 2에서 L3의 코일이 여자됨과 동시에 L1의 코일은 제어소자에 의하여 오픈상태가 된다. 이때, 무여자(open phase) 상태에 돌입하게 되는 코일의 스테이터에서는 고유의 인덕턴스 때문에 필연적으로 자체 및 상호유도 작용으로 인한 발전전압이 유발되어 심한 제동(damping)현상에 따른 토크리플이 발생되므로 반파통전식 BLDC모터의 사용분야는 극히 제한적이며, 상호유도에 의한 발전제동의 저감 및 출력과 코일이용율의 향상등을 위하여, 주로 양파통전식의 회로구조를 가진 모터를 사용하고 있다.3 and 4 show a plan view and a cross-sectional view of a conventional four-phase half-wave energized BLDC motor. 3 shows an initial state of Step 1 in which the coils of L1 and L2 are excited by a two-phase excitation sequence to generate an S pole in the slot part, and the rotor starts to rotate in a clockwise direction. At 2, the coil of L3 is excited and the coil of L1 is opened by the control element. At this time, in the stator of the coil that enters the open phase state, inherent inductance inevitably causes generation voltage due to self and mutual induction, resulting in torque ripple due to severe damping phenomenon. The use of the BLDC motor is very limited and mainly uses the onion energized circuit structure to reduce power generation braking and improve output and coil utilization by mutual induction.
그런데 양파통전식의 BLDC모터에서도 상호유도 작용에 의한 발전제동 현상이 여전히 잔존하고 있으며, 자체유도 작용에 의한 자기력이 유발하는 토크리플을 근본적으로 차단시키지는 못하고 있는 실정이다.However, even in the onion-powered BLDC motor, power generation braking by mutual induction still remains, and it does not fundamentally block torque ripple caused by magnetic force caused by self-induction.
다만, 스테핑 모터등에서는 서지전압 흡수회로(snubber)로 인덕터에 축척된 관성전 력의 대부분을 프리휠링 레지스터(Rf)를 이용하여 방열시키는 회로기법을 주로 사용하여 토크리플을 줄이므로써 고역의 회전동작성을 확보하기도 한다.However, in stepping motors, high-frequency rotation is achieved by reducing the torque ripple by using a circuit technique that mainly dissipates most of the inertia power accumulated in the inductor by the surge voltage absorber circuit using the freewheeling resistor (Rf). It also secures operability.
본발명에 의한 반파통전식(4권선-2상여자형) BLDC모터의 구조는 이러한 유도작용에 의한 토크리플을 근본적으로 저감시키는 해결방법으로써 동작원리는 다음과 같다.The structure of the half-wave energized (4 winding-2 phase excitation) BLDC motor according to the present invention is a solution to fundamentally reduce the torque ripple caused by the inductive action.
먼저, 도 5에 나타낸 것과 같이 여자된 고정자의 자기력에 대응하여 회전자에서 인력작용을 일으키는 마그네트(PM)를 전자연철(E-wrought iron)로 대체하여 회전자를 구성한다.First, as shown in FIG. 5, a magnet (PM), which causes attraction force in the rotor in response to the magnetic force of the excited stator, is replaced with E-wrought iron to configure the rotor.
그래서 역기전력이 반전되는 제로교차점(zero-cross) 이후에 스테이터를 역극성으로 여자하여 인력작용을 일으켰었던 마그네트와 척력작용을 유발하여 회전동작을 지속시켜야 하는 양파통전식의 BLDC모터와는 다르게, 반파통전식 BLDC모터의 스테이터가 무여자(open phase) 기간동안에도 인력작용을 발생시켰었던 마그네트를 전자연철로 대체할 경우에는 발전제동을 일으켰었던 근원이 되는 자기력의 작용점이 존재하지 않으므로 상호유도 현상에 따른 토크리플은 근본적으로 제거된다.So, unlike the onion-powered BLDC motor, which has to maintain the rotational motion by inducing magnetism and repulsive action that caused the attraction of the stator by reverse polarity after zero-cross where the reverse electromotive force is reversed, it is half-wave. When the stator of the energized BLDC motor replaces the magnet that caused the attraction force even during the open phase period with the electro-wrought iron, there is no point of action of the magnetic force that caused the generation braking. The resulting torque ripple is essentially eliminated.
이러한 구조의 복합형(=마그네트+전자연철) 회전자는 스테핑모터에서도 이미 사용하고는 있지만, 스테핑모터는 단상의 고정자(one-stator) 요철슬롯에 회전자가 다극의 마그네트와 돌극된 전자연철을 대향시킨 상태에서 필요로 하는 소정의 펄스만을 입력시키므로써 유지(detent)토크에 의한 소정의 회전스텝각을 확보해야 하는 정밀한 제어성이 요구되는 것이고, 본 발명에 따른 BLDC모터의 복합형 회전자는 단 상의 고정자가 회전자의 마그네트와 일대일(1:1)의 영역으로만 대향시켜서 동작하도록 구성하여 출력효율 향상에 더 주안점을 두었다.This type of hybrid rotor is already used in stepping motors, but stepping motors have a single-phase stator uneven slot in which the rotor faces a multipolar magnet and a poled electric iron. Precise controllability to secure a predetermined rotation step angle by detent torque is required by inputting only a predetermined pulse required in a state, and a hybrid rotor of a BLDC motor according to the present invention has a stator of a single phase. Is focused on improving the output efficiency by confronting the magnet of the rotor in one-to-one (1: 1) area only.
여기서, 도 5에 도시된 복합형 회전자(110)는 재질별 밀도차에 의한 무게균형을 고려하여 6극자로 구성된 것이며, 이에 따라 대향하는 고정자도 3상이지만 동일한 단일상(L1: L1a ~ L1c)에 해당된다.Here, the
도 6에 나타낸 것과 같이, 이렇게 구조적으로 고정자(stator)와 회전자(rotor)를 각상별로 분리한 이유는 도 3에 도시된 4상 반파통전식 BLDC모터와 같이 단일의 계철(one-yoke)에 4상의 고정자를 일체화 시킨 종래의 모터에 본 발명에 따른 구조의 복합형 회전자를 사용하여도, 2상 여자시퀀스에 의하여 여자된 인근 고정자의 자기선속이 계철을 통하여 쇄교된 자로를 형성하려고 무여자 상태의 고정자에 돌입할때에 자체유도에 의한 감쇄자속과의 트러블 유발을 방지하여야 하기 때문이다.As shown in FIG. 6, the reason for separating the stator and the rotor for each phase structurally is as follows: in a single one-yoke like the four-phase half-wave conductive BLDC motor shown in FIG. 3. Even when a hybrid rotor having a structure according to the present invention is used in a conventional motor incorporating a four-phase stator, the magnetic flux of a neighboring stator excited by a two-phase excitation sequence is attempted to form a cross-linked magnetic path through the yoke. This is because it is necessary to prevent trouble with attenuation flux due to self-induction when entering the stator in the state.
여기서, 도 5에 도시된 본 발명에 따른 4상 반파통전식 BLDC모터는 L1 단상코일만의 평면도이며 로터가 6극자이므로 12스텝(@30°=@90°/3)으로 동작하게 되고, 각상별로 분리된 스테이터의 위치는 평면상으로 동일하나, 대향하는 마그네트의 위치는 각각 30°의 위상차를 갖도록 배열된 것을 나타낸 것이다.Here, the four-phase half-wave conductive BLDC motor according to the present invention shown in FIG. 5 is a plan view of the L1 single-phase coil only, and the rotor is six-pole and operated in 12 steps (@ 30 ° = @ 90 ° / 3). The positions of the stators separated by stars are the same on the plane, but the positions of the opposing magnets are arranged to have a phase difference of 30 ° each.
특히, 별도로 점선인출하여 표기한 권선명(L1~L4)은 시계방향으로 회전동작을 하는 기동시점에서 각상별(총4상)로 스테이터 Lb에 대향하며 상호작용하는 로터에 배열된 마그네트의 중심선을 도시한 것이며, 도 6은 이에 따른 BLDC모터의 단면상태를 나타낸 것이다.In particular, the winding names (L1 to L4) indicated by drawing out the dotted lines separately indicate the centerline of the magnets arranged on the rotors which face each other (total of 4 phases) and interact with each other at the starting time of the clockwise rotation. It is shown, Figure 6 shows a cross-sectional state of the BLDC motor accordingly.
그리고, 도 7은 본 발명에 의한 4상 반파통전식 BLDC모터의 회로구조를 나타낸 것으로 무여자 상태의 고정자에 자체유도 작용으로 축척된 관성전력(Pf=LI2/2)을 스테핑모터등에서 사용하는 서지전압 흡수회로(snubber)와 동일한 방식의 프리휠링 다이오드(D1~D4)를 이용하여 통전시키므로써, 본 발명에 따른 모터의 구조적 특성으로 인하여 출력효율을 증강시키는 기능을 하게 된다.And, Figure 7 is used by the deenergization of inertia power accumulated in its induction in the stator of the state (Pf = LI 2/2) illustrates a four-circuit configuration of the phase half-wave energization type BLDC motor according to the present invention, etc. stepping motor By energizing using the freewheeling diodes D1 to D4 in the same manner as the surge voltage absorption circuit snubber, due to the structural characteristics of the motor according to the present invention, the output efficiency is enhanced.
즉, 무여자 상태의 인덕터에서 감쇄하는 자속은 여자되었을 때와는 반대의 극성을 가지므로 로터의 후속 마그네트에 인력작용만을 일으키므로써 순방향의 회전력을 추가로 얻게 된다.That is, the magnetic flux attenuating in the inductor in the non-excited state has the opposite polarity as when excited, so that only the attractive force acts on the subsequent magnet of the rotor, thereby obtaining additional forward rotational force.
다만, 고정자 철심(stator-core)재의 히스테리시스 특성에 따라 전압인가 시간보다 더 지연되어 토크리플을 일으키는 관성전력은 도 7에 도시한 통합형 프리휠링 레지스터 VR1(Rf)을 이용하여 정확히 계산된 데이터값에 따라 입력조절장치와 연동하여 가변적으로 방열시키므로써 고역의 출력특성을 확보한다.However, the inertial power causing the torque ripple due to the delay of the voltage application time according to the hysteresis characteristics of the stator-core material is added to the data value accurately calculated using the integrated freewheeling resistor VR1 (Rf) shown in FIG. Accordingly, the high frequency output characteristics are secured by variably dissipating heat in conjunction with the input control device.
그리고 회로적 구동방법은 종래의 2상 여자시퀀스로 작동되는 4상 반파통전식 BLDC모터와 동일하다.And the circuit driving method is the same as the conventional four-phase half-wave energized BLDC motor operated by the two-phase excitation sequence.
또한 본발명에 따른 BLDC모터는 정지하기 위해서, 메인스위치로 차단할 경우에는 상호유도작용으로 인하여 접지방향으로만 전자류가 작용하므로 스위칭소자(파워트랜지스터)에 병렬로 내장된 프리휠링 다이오드를 통하여 충전되는 우수한 회생제동 기능도 있다.In addition, the BLDC motor according to the present invention is charged through the freewheeling diode built in parallel to the switching element (power transistor) because the electromagnetic flow acts only in the ground direction due to mutual induction when the main switch is stopped to stop. It also has excellent regenerative braking function.
본 발명에 따른 BLDC모터의 구조는 종래의 모터구조 및 구동방법에 비하여 토크리플의 주요인에 해당되는 자체 및 상호유도 작용현상을 제거하거나 활용하기 위하여 구조 및 회로구성을 근본적으로 개선하므로써 모터의 출력효율을 현저하게 향상시키는 효과가 있다.The structure of the BLDC motor according to the present invention is to improve the output efficiency of the motor by fundamentally improving the structure and circuit configuration in order to eliminate or utilize the self and mutual induction action that is the main factor of torque ripple compared to the conventional motor structure and driving method It is effective to remarkably improve.
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