KR20090004179U - 디스크형 모터 구조 - Google Patents

Abstract

본 고안은 디스크형 모터 구조에 있어서, 특히 디스크형 로터와 디스크형 스테이터를 구비하여 최적화된 전류 공급으로 모터 회전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 디스크형 모터 구조에 관한 것으로,

소정의 두께와 외경을 갖는 디스크에 복수개의 권선 코일이 삽입되어 이루어진 스테이터 디스크가 일정 간격을 두고 모터케이스에 고정 결합되어 구성된 스테이터와;

소정의 두께와 외경을 갖는 디스크 내부에 영구자석이 상기 권선 코일과 대응되도록 삽입되어 이루어진 로터 디스크가 상기 스테이터 디스크의 사이에 교번되게 위치함과 아울러 그 중심에 삽입되는 모터축에 고정 결합되는 로터를 포함하여 구성함이 특징이며;

본 발명은 디스크형 스테이터와 디스크형 로터를 사용하므로 스테이터의 디스크면에 감은 코일을 통해 자기력을 발생되어 디스크형 로터에 회전동력을 제공함으로서 모터에 제공되는 전기에너지의 활용을 최적화할 수 있다.

디스크, 모터

Description

디스크형 모터 구조{A Motor Structure of Disk Shape}

본 고안은 디스크형 모터 구조에 관한 것으로, 특히 디스크형 로터와 디스크형 스테이터를 구비하여 최적화된 전류 공급으로 모터 회전이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 디스크형 모터 구조에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 전기적인 에너지를 운동에너지로 전환시켜 외부로 동력을 출력하게 된다. 상기 모터는 그 종류가 다양하며, 모터의 일예로 디스크형 모터(Disk type motor; 일명 Axial-flux type motor)는 레코드 플레이어(Record player), 브이씨알 플레이어(VCR player), 씨디 플레이어(CD player) 등의 고속 회전과 저 출력을 요구하는데 적용되다가 요즘은 압축기와 같은 고속 회전 및 고출력이 요구되는 분야까지 그 적용이 확대되고 있다.

이하에서 일반적으로 사용되는 모터구조에 대해 설명하면 다음과 같다.

1. DC브러쉬모터

일반적인 DC모터이며, 플레밍의 왼손법칙을 이용한 전동기로서, Commutation(전류를 흘렸다 끊었다 하는 일련의 과정)마다 전류의 방향을 반대로 해주어야 하기 때문에, 필시 브러시라는 기계적인 요소가 필요하다. 브러시는 정류 자편에 전류를 공급해 주지만, 기계적인 요소라, 브러시가 닳아 없어지는 단점이 있다. 따라서 주기적으로 브러시를 교체하지 않으면 안된다. 또한 브러시가 닳아가면서 모터의 성능또한 저하되고, 분진이 날리는 등 환경적인 문제가 대두된다. 장점은 제어가 간편하고, 토오크가 전류에 비례하므로 단순히 전류제어만으로 토오크 직접제어를 행할 수 있다.

2. BLDC(BrushLess DC)모터, PMSM(Permanent Magnet Syncronous Motor), Syncronous Motor(동기전동기)

BLDC, PMSM 둘다 기본적인 구조는 비슷하다. 대개 3상으로 구성되어 있습니다. 단지 두개의 차이라면, 역기전력(Back EMF)가 사다리꼴파인가 정현파인가의 차이이다. BLDC는 대부분 집중권으로 권선이 감겨져 있고, PMSM은 분산권으로 권선이 감겨져 있다. PMSM의 경우는 요즈음의 대부분의 산업용 서보모터의 방식이다. 회전하는 부분(회전자)는 영구자석으로 이루어져 있고, 전류를 주는 부분(고정자)는 3상의 권선이 감겨져 있다. 3상이기 때문에 3상의 전원을 투입하면 내부에 회전자계가 생겨나고, 회전자(자석)는 회전자계와 동기화(Syncronous)하여 회전하게 된다. 브러시가 없기 때문에, 브러시의 마모가 없는 것이 가장 큰 장점이고, 공간벡터제어(Space Vector Control)기법의 상용화로 기존의 DC모터를 대체해가면서 DC모터와 유사한 방법으로 전동기를 제어한다. 이또한 토오크 직접제어가 가능하고, 속도제어, 위치제어 등에서 탁월한 성능을 발휘한다.

BLDC는 최근 많은 연구가 진행되고 있고, 상용화가 한창인 전동기이다. PMSM이 주로 정밀 서보용인 반면에, BLDC는 고토오크 및 고속도 제어에 많이 이용된다. 미사일의 속도제어, 러닝머신의 벨트제어 등이다. Syncronous Motor는 PMSM과 완전히 같은 구조이지만, 차이점이 회전자가 권선으로 사실상 전자석인 구조이다. 따라서 회전자에 직류전원을 투입해야 전자석이 유지된다. Syncronous Motor에는 슬립링(Slip Ring)이라는 구조가 있어서 외부 DC전원을 슬립링을 통해서 회전자에 공급하게 된다. Syncronous Motor는 발전기 및 제철소의 압연기 등의 일정한 속도를 요구하는데 많이 쓰이고, 영구자석으로는 도저히 만들 수 없는 초대형 모터에 주로 사용된다.

3. 유도전동기(Induction Motor)

유도전동기는 변압기의 구조와 완전히 동일하며, 1차측과 2차측이분리된 그러한 형태이다. 유도전동기는 최초 3상유도전동기가 먼저 상용화 되었고, 후에 일반 단상유도전동기가 상용화된다. 이유는 단상전원으로는 회전자계를 만들 수가 없었고, 3상은 각상이 120도의 위상차를 가지면서 공급되므로, 적절한 구조에 의해서 쉽게 3상회전자계를 구성할 수 있기 때문이다. 단상유도전동기는 보조권선을 첨가하여 자기(磁氣)벡터를 전기벡터와 위상차게 생기게끔해서 회전시킨다. 유도전동기는 말그대로 회전자에 전류를 유도시킨다. 회전자는 권선 또는 다람쥐챗바퀴처럼 생긴(농형) 형태로 되어 있다. 회전자에는 자석도 없고, 따로 외부에서 전원을 공급해 주지 않지만, 고정자의 회전자계가 회전자를 훑고 지나가면 회전자에서는 발전기와 같은 역할이 되어서, 회전자도 자성체가 된다.

회전자는 슬립주파수(Slip Frequency)라는 게 있는데, 회전자의 회전속도는 고정자의 회전자계속도와 일치하지 않는다. 왜냐하면 완전히 일치하면 회전자계가 훑고 지나갈 수 없으므로 전동기의 토오크는 0가 된다. 따라서 늘 회전자계보다 조금 늦은 속도로 회전하게 된다.

4. 릴럭턴스 모터(Reluctance Motor)

공기와 철은 자속을 흘리는데 있어서 6000배의 차이를 보인다. 이 원리를 이용한 것이 바로 릴럭턴스(자계저항)모터라고 한다. 회전자는 자석도 아니고 그냥 쇳덩어리 이다. 단 뾰족뾰족 튀어나온 부분이 있어서 튀어나온 부분은 자속이 잘 지나갈 것이고, 들어간 부분은 잘 지나갈 수 없다. 고정자에서 자속을 공급하면 회전자는 자속이 좀더 잘 지나가는 방향으로 회전을 하게 된다. 이모터는 매우 튼튼한 것이 장점이지만, 토오크리플이 크고 소음이 있는 것이 단점이다.

5. 스테핑모터(Stepping Motor)

스테핑 모터는 위에서 열거한 모터들과 크게 다르지 않으나, 단지 한 스텝씩 작은회전을 정밀하게 하고 싶을 때 사용한다. 종류는, 릴럭턴스타입, 영구자석타입, 하이브리드타입이 있다. 스테핑 모터는 사무용기기등에 많이 사용되며 위의 2번에서 4번까지의 전동기가 각도를 알려주는 엔코더가 필요한 반면, 이 스테핑 전동기는 엔코더가 없이도 사용이 가능한 장점이 있다. 최근에는 스테핑모터의 위치를 PMSM이 점차 잠식하고 있는 추세이다.

6. 초음파 모터(Ultrasonic Motor)

압전전동기라고도 하며, 두개의 울룩불룩한 판에 고주파의 전원을 넣어준다. 두개의 판이 미세하게 진동을 일으키며 회전을 하게 된다. 이모터는 소형밖에 제작할 수 없지만, 매우 고토오크가 나온다. 따라서 카메라의 렌즈촛점조절용 모터 등 에서 많이 쓰이고 있다.

7. 리니어 모터(Linear Motor)

일반적인 전동기가 회전운동을 하는 반면에 이 모터는 직선운동을 한다. 주로 PCB기판 자동화용 기기 및 반도체 제작장비등에 많이 사용된다. 예전에는 볼네지 라는 스크류를 이용해서 일반적인 회전모터를 사용했지만, 볼네지의 백러쉬(Backlash) 및 마모문제로 마이크로미터 정도의 정밀한 단위에서 오차가 발생하고, 효율이 낮은 등의 문제가 있어서 요즈음 리니어 모터가 많은 각광을 받고 있다. 리니어 모터를 대형화하면 리니어모터식 전기철도가 된다.

그러나, 이러한 모터들은 모두 원통형 스테이터과 그 내부에 존재하는 원통형 로터를 이용하기 때문에 코일의 완전한 자기력을 사용할 수 없는 단점이 있다.

즉, 원통형 스테이터에 감는 코일은 원통형의 내주연에 존재하는 코일만이 로터에 작용하기 때문에 원통형 스테이터의 외주연에 감기는 코일은 자기력 손실이 발생하게 되는 것이다.

이에 따라 종래의 모터 구조는 전기적 에너지를 회전동력에 완전히 공급하지 못하고 절반의 에너지만을 사용하기 때문에 에너지 효율이 떨어지는 단점으로 작용하고 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제를 해결코자 하는 것으로, 모터에 가해지는 전기에너지를 모두 회전동력에 사용할 수 있는 스테이터 및 로터구조를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 수단으로,

본 고안은 소정의 두께와 외경을 갖는 디스크(10)에 복수개의 권선 코일(11)이 삽입되어 이루어진 스테이터 디스크(100)가 일정 간격을 두고 모터케이스(200)에 고정 결합되어 구성된 스테이터와; 소정의 두께와 외경을 갖는 디스크(30)에 영구자석이 상기 권선 코일(11)과 대응되도록 삽입되어 이루어진 로터 디스크(300)가 상기 스테이터 디스크(100)의 사이에 교번되게 위치함과 아울러 그 중심에 삽입되는 모터축(400)에 고정 결합되는 로터를 포함하여 구성함이 특징이다.

본 발명은 디스크형 스테이터와 디스크형 로터를 사용하므로 스테이터의 디스크면에 감은 코일을 통해 자기력을 발생되어 디스크형 로터에 회전동력을 제공함으로서 모터에 제공되는 전기에너지의 활용을 최적화할 수 있다.

이에 따라 최소한의 전력공급으로 최대한의 모터 토크를 생산할 수 있어 고효율성을 갖는 모터를 제공하게 된다.

이하에서 도면을 통해 본 고안을 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 고안의 분해사시도이고,

도 2는 본 고안의 결합상태도로서,

도시한 바와 같이 본 고안은 소정의 두께와 외경을 갖는 디스크(10)에 복수 개의 권선 코일(11)이 삽입되어 이루어진 스테이터 디스크(100)가 일정 간격을 두고 모터케이스(200)에 고정 결합되어 구성된 스테이터와;

소정의 두께와 외경을 갖는 디스크(30)에 영구자석이 상기 권선 코일(11)과 대응되도록 삽입되어 이루어진 로터 디스크(300)가 상기 스테이터 디스크(100)의 사이에 교번되게 위치함과 아울러 그 중심에 삽입되는 모터축(400)에 고정 결합되는 로터를 포함하여 구성된다.

상기 로터 디스크(300)에 결합된 영구자석은, 도 1 및 2에 도시한 바와 같이, 로터 디스크(300)의 내부에 동일 원을 이루도록 결합되며, 또한 상기 로터 디스크(300)에 교번되게 위치하는 스테이터 디스크(100)에 결합되는 권선 코일(11)은 상기 영구자석(31)이 결합되는 원과 동일 원 상에서 일정 간격을 갖도록 결합된다.

상기 스테이터를 이루는 스테이터 디스크(100)와 로터를 이루는 로터 디스크(300)의 수는 모터의 출력에 따라 설정되고, 보통 로터 디스크(300)는 스테이터 디스크(100)의 외측에 위치하게 되고 그 수가 많게 된다.

본 고안의 실시예에서는 스테이터 디스크(100)를 2열 배치하고, 로터 디스크(300)를 3열 배치하였다.

또한, 상기 스테이터 디스크(100)는 모터 케이스(200)에 볼트(210)를 통해 결합 고정되는바, 이를 위해 스테이트 디스크(100)의 외주면에 결합용 홀(110)을 다수개 형성하고, 상기 결합용 홀(110)은 볼트(210)를 통해 모터 케이스(200)의 결합용 홀(220)에 동시에 고정되는 구조이다.

상기와 같이 스테이터 디스크(100)를 모터 케이스(200)에 고정하게 되면 스 테이터 디스크(100)는 고정되고, 스테이터 디스크(100) 사이에 삽입 되는 로터 디스크(300)만이 회전하게 된다.

상기 디스크형 모터의 작동은, 각 권선 코일(11)에 변화되는 전류가 인가되면 권선 코일(11)의 내측으로 변화되는 자속이 형성되며, 상기 권선 코일(11)에 흐르는 전류와 영구자석(31)에서 형성되는 자속의 상호작용력에 의해 로터 디스크(300)가 회전력을 받아 회전하게 된다.

상기 각 로터 디스크(300)로 구성되는 로터의 회전력이 모터축(400)에 전달되어 모터축(400)이 회전하게 된다. 이와 같은 상기 디스크형 모터는 스테이터 디스크(100)와 로터 디스크(300)사이의 간격인 에어갭(air-gap)을 최소화함으로써 효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 상기 스테이터 디스크(100)에 결합되는 권선 코일(11)은, 일정 길이를 갖는 코일이 소정의 폭과 두께를 갖도록 고리형으로 다수회 권선되어 이루어지며, 그 권선되는 턴수는 권선 코일(11)의 두께가 스테이터 디스크(100)의 두께와 상응하는 두께로 권선된다. 그리고 그 권선된 권선 코일(11)의 시작단과 끝단은 권선 코일의 양단자를 이루며, 그 양단자는 외부의 단자와 연결되어 전류가 통하게 된다.

상기와 같이 디스크형 스테이터와 디스크형 로터를 제공하게 되면 코일의 자속이 손실되는 일이 없기 때문에 스테이터에 가해지는 모든 전기력이 로터의 회전동력으로 전환되어 최적의 효율을 갖는 모터를 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 고안의 분해사시도.

도 2는 본 고안의 결합상태도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100: 스테이터 디스크

200: 모터 케이스

300: 로터 디스크

400: 모터 축

Claims (1)

1. 소정의 두께와 외경을 갖는 디스크(10)에 복수개의 권선 코일(11)이 삽입되어 이루어진 스테이터 디스크(100)가 일정 간격을 두고 모터케이스(200)에 고정 결합되어 구성된 스테이터와;

   소정의 두께와 외경을 갖는 디스크(30)에 영구자석이 상기 권선 코일(11)과 대응되도록 삽입되어 이루어진 로터 디스크(300)가 상기 스테이터 디스크(100)의 사이에 교번되게 위치함과 아울러 그 중심에 삽입되는 모터축(400)에 고정 결합되는 로터를 포함하여 구성함을 특징으로 하는 디스크형 모터 구조.

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