KR20090086654A - Coreless type dc blushless motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 단상 구동방식의 BLDC모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 전기적으로 불기동점이 존재하는 단상 구동방식의 편평형 진동모터에서 코깅토크(Cogging Torque)를 발생시켜 정지시 불기동점에서 정지하지 않게 하고 전기적으로 발생하는 토크와 합성되어 회전 토크의 변동을 감소시켜 회전 특성이 안정화 된 BLDC 모터에 관한 것이다. 여러 응용 사례가 있을 수 있으나 최근에 용도가 증가하고 있는 휴대폰이나 PDA, 게임기 등에 사용되는 진동 발생용 모터의 사례로 설명을 하고자 한다.The present invention relates to a single-phase drive type BLDC motor, and more particularly, to generate a cogging torque in a single-phase drive type flat vibration motor having an electrical starting point, so as not to stop at the starting point when stopping. The present invention relates to a BLDC motor in which rotational characteristics are stabilized by reducing fluctuations in rotational torque combined with an electrically generated torque. There may be several applications, but I will explain it as an example of a vibration generating motor used in mobile phones, PDAs, game machines, etc., which are recently increasing in usage.
일반적으로 최근 통신기술 발달과 함께 대중들에게 가장 널리 보급된 것 중에 하나가 휴대폰, PDA 등이다. 이러한 기기들은 그 크기가 갈수록 작아져 휴대가 간편할 뿐만 아니라 언제 어디서나 음성 및 데이타 교환이 가능하기 때문에 필수 휴대품으로서 자리를 굳혀가고 있다. 요즘은 공공 에티켓으로 진동 기능이 필수로 되었을 뿐 아니라 게임 기능에도 진동 기능을 이용하는 것들이 제공되고 있어 장시간 수명 보증 요구가 늘어나고 있다. 또, 일반 게임기에서도 총을 쏘거나 스포츠 게임에서 공을 칠 때 등의 경우에 진동을 발생시켜 게임자가 보다 실감 있게 게임 을 할 수 있는 기능을 제공하기 시작했다. 이런 경우 모두 진동을 발생하는 모터를 채용하는데 이와 같이 다양한 경우에 진동 기능을 사용하게 됨으로써 모터 사용 빈도 증가하게 되어 모터에 대해 장수명화, 높은 신뢰성의 요구가 증대되고 있다.In general, with the recent development of communication technology, one of the most widely distributed to the public is a mobile phone, a PDA, and the like. These devices are becoming smaller as they become smaller, making them portable as well as being able to exchange voice and data anywhere, anytime. Nowadays, not only vibrating function is required for public etiquette, but also the vibrating function is provided for game functions, which increases the demand for long-term lifetime guarantee. In addition, in general game consoles, when shooting a gun or hitting a ball in a sports game, and the like to generate vibrations, gamers began to provide a more realistic game. In all of these cases, a motor generating vibration is employed. In this case, the use of the vibration function increases the frequency of use of the motor, thereby increasing the life expectancy and high reliability of the motor.
종래의 브러시를 사용하는 형태의 진동 모터로는 브러시와 정류자와 같은 접점부품의 마모를 수반하기 때문에 기술적으로 긴 수명을 보장하기에 한계가 있다. 이에 대한 대응으로 BLDC 모터가 등장하였다.The vibrating motor of the conventional brush type is limited in technically ensuring a long life because it involves the wear of contact parts such as brushes and commutators. In response, BLDC motors have emerged.
이와 같은 BLDC 진동모터는 대개 상부의 케이스(Case)와 하부의 브라켓(Bracket), 브라켓 상부에 코일, 구동회로소자가 회로기판(PCB)에 고정되어 브라켓에 다시 조립되고 브라켓 중앙에 샤프트를 고정하여 고정자를 구성한다. 마그네트와 마그네트 한 쪽 바깥에 편심 중량체를 위치시켜 회전 요크와 같이 조립하고 중앙에 통상 소결함유베어링이 조립된 회전자를 구성하고 샤프트에 조립되어 브라켓과 회전자 사이에 슬라이딩 와셔를 두어 축 방향 슬라이딩 회전을 가이드 하게 하고 반경 방향으로는 회전자 내부 베어링과 샤프트에 가이드 되어 회전 가능하게 되어 있다. 상기 고정자의 회로기판에 전류를 흘리면 코일에 자기력이 생기고 이 자기력이 회전자의 마그네트와 작용하여 회전 토크가 발생하게 된다. 회전자는 편심 중량체로 인하여 회전시에 진동을 발생하게 된다. Such a BLDC vibration motor usually has a case at the top, a bracket at the bottom, a coil at the top of the bracket, and a driving circuit element fixed to the circuit board (PCB) to reassemble the bracket and fix the shaft at the center of the bracket. Construct the stator. Place the eccentric weight on the outside of the magnet and the magnet and assemble it with the rotating yoke and assemble the rotor with the sintered bearing in the center, and assemble the shaft and put a sliding washer between the bracket and the rotor to axially slide It guides the rotation and is rotatably guided to the rotor inner bearing and shaft in the radial direction. When a current flows through the stator's circuit board, a magnetic force is generated in the coil, and the magnetic force acts on the magnet of the rotor to generate rotational torque. The rotor generates vibrations during rotation due to the eccentric weight.
이런 BLDC 진동 모터를 구성함에 있어 부품 수를 줄여 원가도 줄이고 소형화도 달성하기 위하여 통상 4극의 마그네트에 90도 각도의 코일을 두 개 사용하거나 6극의 마그네트에 60도 각도의 2개 코일을 사용하여 단상 바이폴라 구동을 일반적 으로 채용한다. 이때의 문제는 불기동점이라 불리는 지점이 있어 전기를 흘려도 회전 토크를 발생하지 못하는 위치가 있다는 것이다. 이를 위해서 통상 브라켓 측에 연자성체를 일정 위치에 돌출시켜 회전자 측의 마그네트와 연자성 사이에서 발생하는 회전 코깅토크(Cogging Torque)를 이용하여 전기적으로 회전 토크가 발생 않는 지점에서는 정지 않게 하여 전원만 인가하면 항시 회전할 수 있게 하고자 하고 있다. In constructing such a BLDC vibrating motor, in order to reduce the number of parts and to reduce the cost, it is usually used to use two coils of 90 degree angles on a 4-pole magnet or two coils of 60 degree angles on a 6-pole magnet. Single phase bipolar driving is generally employed. The problem at this time is that there is a point called the starting point, there is a position that does not generate a rotational torque even if electricity is flowing. To this end, the soft magnetic material is generally projected to a certain position on the bracket side, so that the stop is not stopped at the point where the rotation torque is not generated electrically by using the rotating cogging torque generated between the magnet and the soft magnetic on the rotor side. When applied, it is intended to be able to rotate at all times.
종래의 BLDC모터는 상기 불기동점에서 모터를 정지시키지 않게 하기 위해 마그네트와 면대항하는 브라켓 측에 일정 위치에 연자성체 돌기를 만들거나 일정한 위치에 구멍을 내거나 일정한 부위만 비자성체 재질을 사용하거나 하여 마그네트와의 작용에 의한 코깅 토크를 발생시킨다.Conventional BLDC motors are made of soft magnetic protrusions at a certain position on the side of the bracket facing the magnet so as not to stop the motor at the starting point or by making holes at a certain position or using a nonmagnetic material only at a certain portion. Cogging torque is generated by the action of.
그러나 이런 방법에는 두 가지 문제점이 있다.However, there are two problems with this method.
첫째로, 브라켓과 마그네트 사이의 흡인력은 회전자와 브라켓 사이의 슬라이딩 와셔에 몰리게 되고 이 힘은 슬라이딩 저항력으로 작용하게 되어 회전자가 설계시 의도된 위치 즉, 불기동점이 아닌 위치에 정지시키고자 하는 의도에서 벗어나게 하는 요인으로 작용하게 된다.First, the suction force between the bracket and the magnet is attracted to the sliding washer between the rotor and the bracket, and this force acts as a sliding resistance so that the rotor is intended to stop at the intended position in the design, that is, not the starting point. It acts as a factor to get out of.
둘째로, 상기 코깅 토크는 마그네트와 브라켓 측의 연자상체 사이의 작용을 이용하는 것이나 마그네트와 브라켓 사이에는 회로기판, 코일 등이 존재하게 되어 있어 거리를 가깝게 하기가 힘들고 그만큼 회전자 정지 위치를 정밀하게 하기가 힘들어 진다. Secondly, the cogging torque uses the action between the magnet and the soft magnetic body on the bracket side, but there is a circuit board and a coil between the magnet and the bracket, so that it is difficult to close the distance and to precisely stop the rotor stop position. Gets harder.
더구나, 첫 째 요인이 더해지게 되므로 상기 두 요인으로 인해 회전자를 전기적으로 불기동점이 아닌 곳에 세우고자 하는 의도를 벗어나는 경우가 발생할 수가 있게 된다. 더구나 장시간 모터를 사용하게 되면 슬라이딩 와셔 주변에 마그네트 흡인력부하를 받으면서 슬라이딩 회전을 한 결과에 따른 마모에 의한 찌꺼기가 모이게 되면 정지 위치 오차는 더 커지게 되어 전원을 인가해도 회전하지 않는 불량이 발생 하게 된다. 소비자가 제품을 툭 툭 쳐주어 회전자가 정지된 위치를 이동시키게 되어 회전자가 돌아가기도 하고 불량 현상이 심하면 아예 돌지 않게도 된다. Moreover, since the first factor is added, the above two factors may cause a deviation from the intention to place the rotor at an electric non-start point. In addition, if the motor is used for a long time, the stop position error becomes bigger when the garbage is gathered due to the wear caused by the sliding rotation under the magnet suction load around the sliding washer, resulting in a failure that does not rotate even when the power is applied. . The customer taps the product, which causes the rotor to move to a stationary position, causing the rotor to spin, and even worse if it is bad.
여러 가지 변형 방법이 있을 수 있으나 대표적인 방법을 소개한다.There are many variations, but a representative one is introduced.
마그네트를 조립한 연자성체 재질의 회전 요크에 각 마그네트 자극 중앙부에 해당하는 부위를 제거하여 자속이 케이스 쪽으로 통하게 하여 회전자의 브라켓 부로의 흡인력을 감소시키고 회전 요크에서 일부 제거한 부위에 해당하는 위치에 케이스에 돌기 수단과 같이 코깅 토크를 발생하는 수단을 설치하면서 그 수단의 위상을 코일에 전류가 흐르지 않아 회전자가 정지할 때에 그 회전자의 정지 위치를 불기동점이 아닌 곳에서 정지하게 위치를 설정한다. Remove the part corresponding to the center of each magnetic pole to the rotating yoke made of soft magnetic material, and the magnetic flux passes through the case to reduce the suction force of the rotor to the bracket part, and the case at the part corresponding to the part removed from the rotating yoke When a means for generating a cogging torque is provided in the same manner as the protruding means, the position of the means is set to stop the stop position of the rotor when the rotor stops because no current flows through the coil.
상기와 같은 설계로 축 방향의 마그네트 흡인력을 줄여 정지 위치 정밀도를 올리고 슬라이딩 와셔 마모를 줄이므로 장기 신뢰성을 향상 시키고, 마그네트와 더욱 가까운 거리에서 코깅 토크를 발생시킬 수 있으므로 회전자 정지 위치를 더욱 정밀하게 하여 기동 불량 문제를 획기적으로 개선하게 하여 결과적으로 안정적이고 신뢰성이 좋은 모터를 제공할 수 있게 한다.The above design reduces the magnet attraction force in the axial direction to increase the stopping position accuracy and reduces the sliding washer wear, thus improving long-term reliability and generating cogging torque at a closer distance from the magnet. Therefore, it is possible to drastically improve the problem of starting failure, and as a result, it is possible to provide a stable and reliable motor.
첨부 도면과 관련하여 설명을 하고자 한다.It will be described with reference to the accompanying drawings.
BLDC 진동모터는 도 1과 도 2에서의 상부의 케이스(8)와 하부의 브라켓(1)의 결합으로 전체 외형을 구성하며 브라켓(1) 상부에 코일(3)과 면 대항하는 마그네트(12)의 N, S 자극을 구분 인식하여 전류의 방향을 바꾸게 하는 홀 센서(4a)를 내장하는 집적회로(4)를 회로기판(2)에 연결하고 다시 브라켓(1)에 조립한 후 브라켓(1) 중앙에는 샤프트(5)를 고정하여 고정자를 구성한다. 마그네트(12)와 마그네트(12) 한쪽 바깥에 텅스텐과 같은 고비중 분말로 소결 성형한 편심중량체(13)을 위치시키고 연자성체로 구성한 회전 요크(11)에 같이 조립하여 중앙에 소결함유베어링(10)을 조립하여 회전자를 구성하고 샤프트(5)에 조립되어 브라켓(1)과 회전자 사이 슬라이딩 와셔(6)를 두고 케이스(8)과 회전자에 조립된 소결함유베어링(10)의 사이에도 슬라이딩 저항이 적고 마모 특성이 좋은 와셔(7)를 두어 축 방향 슬라이딩 회전을 가이드 하게 하고 반경 방향으로는 회전자 내부 소결함유베어링(10)과 샤프트(5)에 가이드 되어 회전 가능하게 되어 있다. 상기 고정자의 회로기판(2)에 단자(2a, 2b)에 전류를 흘리면 그림은 생략된 회로를 통해 코일(3)에 전류가 흐르고 코일(3)에 자기력이 생기면 이 자기력이 회전자의 마그네트(12)와 작용하여 회전 토크가 발생하게 된다. 회전자는 편심 중량체(13)로 인하여 회전시에 진동을 발생하게 된다. The BLDC vibration motor constitutes the overall appearance by combining the
이런 BLDC 진동 모터를 구성함에 있어 부품 수를 줄여 원가도 줄이고 소형화도 달성하기 위하여 통상 4극의 마그네트에 90도 각도의 코일을 두 개 사용하거나 6극의 마그네트에 60도 각도의 2개 코일을 사용하여 단상 바이폴라 구동을 채용할 수 있다. 60도 각도의 코일과 6극의 마그네트를 사용하는 사례를 설명하면 단상 바이폴라 권선 방식에 의해 도 3의 전기적 토크 그래프와 같은 토크를 얻을 수 있다. 문제는 (3), (7)의 위치에서는 전기적으로 토크를 발생할 수가 없고 이 점을 불기동점이라 부른다. 다시 말하자면 단상 모터는 전원이 인가되는 시점에 모터가 이 불기동점의 위치에 있지 않도록 하는 수단이 필요하게 된다. In constructing such a BLDC vibrating motor, in order to reduce the number of parts and to reduce the cost, it is usually used to use two coils of 90 degree angles on a 4-pole magnet or two coils of 60 degree angles on a 6-pole magnet. Single phase bipolar driving can be employed. Referring to the case of using a 60-degree coil and a six-pole magnet it is possible to obtain a torque as shown in the electrical torque graph of Figure 3 by the single-phase bipolar winding method. The problem is that torque cannot be generated electrically at the positions (3) and (7), and this point is called a starting point. In other words, the single-phase motor needs a means to prevent the motor from being at this starting point at the time power is applied.
이를 위해 본 고안의 일 예에서는 마그네트(12)를 조립한 연자성체 재질의 회전 요크(11)에 6개의 각 마그네트 자극 중앙부에 해당하는 부위(11a)를 예를 들어 원형으로 부분적으로 제거하여 자속이 케이스(8) 쪽으로 통하게 하여 케이스(8)와 흡인력이 생기게 하여 브라켓(1)과의 흡인력을 상대적으로 감소하게 하고 그 반경 위치에 해당하는 위치에 케이스(8)에 예를 들어 원형의 돌기 수단(8a)을 6개소 설치하면서 그 돌기 수단(11a) 위치가 전원이 꺼졌을 때 회전자의 정지 위치를 불기동점이 아닌 곳에서 정지하게 위상을 설정한다. 다시 말하면 도 3의 전기적 토크에 대해 도 3의 코깅 토크의 위상 관계를 갖도록 고정자의 코일(3)과 홀 센서(4a)를 내장하는 집적회로(4)에 대해 특정 위치가 되도록 해야 하며 60도 각도의 코일과 6극의 마그네트를 사용하는 사례에서는 케이스(8) 상의 돌기 수단(8a)의 중심은 코일(3)의 중심에서 15도 벗어난 지점에 설정할 수 있다. 이렇게 하면 도 3에서의 합성 토크와 같이 위상 설계가 되어 불기동점에서 정지하지 않고 토크의 변동도 적어진 모터를 구현할 수 있게 된다. To this end, in one example of the present invention, the magnetic flux is partially removed by circularly removing, for example, a portion 11a corresponding to each of the six magnetic pole magnetic poles in the
여기서, 케이스(8)에 돌기 수단(8a)을 설치하는 방법으로는 케이스(8)의 형상을 변형 시켜 별도의 부품을 추가하지 않는 것이 바람직하나 돌기 형상을 포함하 는 별도 부품을 케이스(8)에 결합하는 방법도 본 고안의 범주 안이라는 것은 쉽게 알 수 있을 것이다.Here, as a method of installing the protruding means 8a in the
또, 마그네트(12)의 자속의 일부를 케이스(8) 쪽으로 누설시키는 방법은 회전 요크(11)의 일부를 기구적으로 제거하는 상기 방법 외에도 사용 재질의 투자율(Permeabilty)이 상대적으로 낮은 재질을 사용하여 부분적으로 자속을 누설시키는 방법도 본 고안으 lekfms 응용 사례라 할 수 있다. In addition, the method of leaking a part of the magnetic flux of the
이 사례들에서의 도 3에서의 전기적 토크, 코깅토크가 얻어지는 위치별 관계를 도 4에서 펼친 그림 형상으로 순차적으로 나타내었다. 위치 1에서의 상태를 설명하면 홀 센서(4a)는 N극을 인식하여 두 개의 코일(3)에 각 각 반시계방향과 시계방향으로 전류를 흘리고 이 두 개의 코일(3)은 각 각 N, S와 S, N극 경계 아래에 있어 두 코일 모두 마그네트(12)를 왼쪽으로 밀게 되며 이때 코깅판이라 명명한 케이스(8)상의 돌기 수단(8a)과 회전 요크에서 일부 제거한 부위(11a)로 나온 마그네트(12)의 자속 사이에 발생한 코깅 토크는 마그네트(12)를 오른쪽으로 밀지만 전기적인 토크보다는 약하여 마그네트(12)는 왼쪽으로 이동하게 된다. In these cases, the positional relationship in which the electric torque and the cogging torque are obtained in FIG. 3 is sequentially shown in the figure in FIG. 4. Referring to the state at
위치 2에서는 마그네트(12)의 이동에 따라 전기적 토크는 조금 약해졌지만 코깅토크는 더 작아져서 마그네트(12)는 동일 방향으로 진행한다. In
위치 3에서는 앞에서 수차 설명한 소위 불기동점 위치가 되어 전기적 토크가 작용할 수 없는 위치이지만 이때는 고안의 설계에 따라 코깅토크가 마그네트(12)를 왼쪽으로 밀게 된다.In
위치 4에서는 홀 센서(4a)는 S극을 인식하여 두 개의 코일(3)에 각 각 시계 방향과 반 시계방향으로 전류를 바꾸어 흘리고 이때는 두 개의 코일(3)은 이미 각 각 S, N와 N, S극 경계 아래에 있게 되어 두 코일 모두 마그네트(12)를 계속 왼쪽으로 밀게 되며 이때 코깅 토크는 영향을 미치지 않으므로 마그네트(12)를 왼쪽으고 밀게 된다. In
위치 5에서 위치 8에 이르기까지도 위치 1에서 위치 4까지의 과정으로 홀 센서(4a)에 의한 코일(3)에의 전류 절환에 의한 전기적 토크가 순차적으로 발생하고 코깅토그도 불기동점에서 동일한 방향으로의 회전을 일으키게 되어 전원을 인가하기만 하면 한 방향으로 지속적으로 회전할 수 있게 한다. From the
이렇게 회전 요크(11)의 방향으로 마그네트(12)의 일부 자속을 누설하도록 하여 한쪽 축 방향으로 마그네트 흡인력을 감소 시키고 이 누설 자속을 이용하여 가까운 위치에서 코깅토크를 발생시켜 불기동점에 정지하지 않게 하는 단상 편평형 BLDC 모터는 휴대폰, PDA, 게임기 등에서 진동을 발생하는 모터로서 아주 유용하며, 장 수명을 요구하는 고급 장난감용과 같이 고의로 진동을 발생할 필요가 없이 회전력만 필요한 경우의 응용 사례에서는 도 1의 편심 중량체(13)를 제외한 형태로 설계를 활용하기만 하면 된다. In this way, the magnetic flux of the
도 1은 본 발명의 제1 실시의 형태를 도시하는 것으로, 축 고정형의 축 방향 공극형 코어리스(Coreless) 방식의 브러시리스(Brushless) 진동모터를 횡 방향으로 절단한 단면도이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows a first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of a axially fixed axial void coreless brushless vibration motor cut in the lateral direction.
도 2는 코일, 홀 센서를 포함하는 집적회로 부품이 조립된 회로기판 형태도이다.2 is a circuit board assembly diagram of an integrated circuit component including a coil and a hall sensor.
도 3은 전기 토크와 불기동점을 피하게 하는 코깅토크와 위상 관계를 설명하는 그림이다.3 is a diagram for explaining a cogging torque and a phase relationship to avoid an electric torque and a starting point.
도 4는 도 3에서의 동작 원리를 위치별로 순차적으로 상세하게 나타낸 모터의 동작 원리도이다. FIG. 4 is a diagram illustrating an operation principle of a motor in detail showing the operation principle of FIG. 3 in sequence.
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