KR20090132219A

KR20090132219A - 브러시리스 모터

Info

Publication number: KR20090132219A
Application number: KR1020080058376A
Authority: KR
Inventors: 박현각
Original assignee: 동양기전 주식회사
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2009-12-30

Abstract

본 발명은, 회전축과 상대고정되며, 그 회전축의 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수의 영구자석과, 그 영구자석을 고정하기 위한 자석 프레임들을 구비한 회전자; 및 상기 회전자와 동축적으로 상기 회전축의 둘레방향을 따라 상기 영구자석과 일정한 비율을 가지도록 복수의 슬롯에 의해 서로 이격되며, 상기 회전자의 외측에 그 회전자의 외주면과 간격을 가지도록 배치된 고정자 치들을 구비한 고정자; 를 포함하는 브러시리스 모터에 있어서, 상기 회전축의 길이방향에 대해 수직한 단면에서 상기 각 자석 프레임의 외주면 또는 상기 각 고정자 치의 내주면은 3개의 원호로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

브러시리스 모터{Brushless motor}

본 발명은 회전축과 일체로 회전하는 회전자에 영구자석이 포함되고 그 회전자의 외측에 복수의 고정차 치를 가지는 고정자가 포함된 브러시리스 모터에 관한 것이다.

일반적으로 브러시리스 모터(Brushless Motor)는 일반 모터에서 정류자와 브러시의 기계적인 구조를 영구자석을 회전자로, 계자극을 고정자로 배치된 구조로 변경하여, 홀 센서, 포토센서 등의 센서 방식과 역기전력 검출, 전류의 검출을 통한 센서리스 방식의 회전자 위치 검출 방식을 이용하여 상 전환 스위칭을 통하여 모터를 구동시키는 형태의 모터이다.

이러한 브러시리스 모터는 일반 모터의 단점을 개선하여 높은 토크, 고효율 및 낮은 소음의 특성을 갖으며, 제어특성 및 수명이 우수하여 차량용 전장 부품에 일반 모터를 대체하여 널리 사용되고 있다.

종래의 브러시리스 모터는 도 1에 도시된 바와 같이 회전자의 코어부에 영구자석을 삽입하는 형태로 회전자의 d축과 q축 간의 릴럭턴스의 차이가 크게 발생하 여 토크가 증가하는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다. 회전자 외곽 표면(R₀)과 고정자 치의 외곽 표면(S₀)등이 원의 형태로 이루어 있어 고정자와 고정자의 사이의 공극이 일정하게 유지된 구조를 갖는다. 이러한 구조는 도면 2에 도시된 바와 같이 영구자석에 의한 코깅토크(cogging torque)가 크게 발생하여 모터 회전시 토크 응답(reply)에 큰 영향을 주며, 진동, 소음에 악영향을 미치게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 종래의 브러시리스 모터의 출력 특성의 변화없이 코깅 토크를 현저하게 감소시켜 높은 부하 조건에서도 원활한 구동이 가능하도록 구조가 개선된 브러시리스 모터를 제공함에 있다.

상기 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, 회전축과 상대고정되며, 그 회전축의 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수의 영구자석과, 그 영구자석을 고정하기 위한 자석 프레임들을 구비한 회전자; 및

상기 회전자와 동축적으로 상기 회전축의 둘레방향을 따라 상기 영구자석과 일정한 비율을 가지도록 복수의 슬롯에 의해 서로 이격되며, 상기 회전자의 외측에 그 회전자의 외주면과 간격을 가지도록 배치된 고정자 치들을 구비한 고정자; 를 포함하는 브러시리스 모터에 있어서,

상기 회전축의 길이방향에 대해 수직한 단면에서 상기 각 자석 프레임의 외주면 또는 상기 각 고정자 치의 내주면은 3개의 원호로 이루어진 점에 특징이 있다.

상기 자석 프레임의 외주면을 이루는 원호들 중 중앙에 있는 원호를 R_m이라 하고 그 R_m의 양측에 있는 원호를 각각 R₁ 및 R₂라 할 때 R_m은 상기 회전자의 외주에 접하는 원의 원호이고, R₁ 및 R₂은 R_m의 반경보다 큰 반경을 가지며 R_m의 일측단으로부터 상기 자석 프레임의 최측단 변의 임의의 지점을 지나는 원호이며, 상기 R₁ 및 R₂는 상기 R_m으로부터 멀어질수록 일 상기 고정자와의 간격이 커지는 것이 바람직하다.

상기 R₁ 및 R₂의 반경은 무한대의 값을 가져서 직선형태가 될 수 있다.

상기 R₁과 R₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지는 것이 바람직하다.

상기 R₁ 및 R₂의 반경은 같은 크기를 가지는 것이 바람직하다.

상기 고정자 치의 내주면을 이루는 원호들 중 중앙에 있는 원호를 S_m이라 하고 그 S_m의 양측에 있는 원호를 각각 S₁ 및 S₂라 할 때 S_m은 상기 고정자의 내주에 접하는 원의 원호이고, S₁ 및 S₂는 S_m의 반경보다 큰 반경을 가지며 S_m의 일측단으로부터 상기 고정자 치의 최측단 변의 임의의 지점을 지나는 원호이며, 상기 S₁ 및 S₂는 상기 S_m으로부터 멀어질수록 일 상기 회전자와의 간격이 커지는 것이 바람직하다.

상기 S₁ 및 S₂의 반경은 무한대의 값을 가져서 직선형태가 될 수 있다.

상기 S₁과 S₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지는 것이 바람직하다.

상기 S₁ 및 S₂의 반경은 같은 크기를 가지는 것이 바람직하다.

상기 R_m의 원호 각도는 360/{j(영구자석의 수)²}의 값을 가지며, 상기 j의 값은 0.35 내지 0.55인 것이 바람직하다.

상기 S_m의 원호 각도는 360/{k(슬롯의 수)²}의 값을 가지며, 상기 k의 값은 0.6 내지 0.9인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 브러시리스 모터는, 그 모터에 공급되는 전류의 증가에 따른 토크의 증가 비율을 개선시켜서 회전자의 원활한 회전과 코깅토크의 저감을 통해 모터의 구동을 안정되게 유지시킬 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 브러시리스 모터의 개략적 단면도이다. 도 3b는 도 3a에 도시된 "A" 부위의 부분 확대도이다. 도 4는 도 3a에 도시된 브러시리스 모터의 회전자의 개략적 단면도이다. 도 5는 도 3a에 도시된 브러시리스 모터의 고정자의 개략적 단면도이다. 도 6은 도 3a에 도시된 브러시리스 모터의 코깅토크를 보여주는 그래프이다.

도 3a 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 브러시리스 모터(10)는, 회전자(20)와 고정자(30)를 포함하고 있다.

상기 회전자(20)는 회전축(22)과, 영구자석(24)과, 자석 프레임(26)을 포함하고 있다. 상기 회전축(22)은 상기 회전자(20)의 중심에 상대고정되어 있다. 상기 영구자석(24)은 상기 회전축(22)의 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 복수개가 배치되어 있다. 본 실시예에서 상기 영구자석(24)의 수는 10개가 마련되어 있다. 상기 자석 프레임(26)은 상기 영구자석(24)을 고정하기 위해 그 영구자석(24)들 사이에 배치되어 있다.

상기 고정자(30)는 복수의 고정자 치(32)를 포함하고 있다. 상기 고정자 치(32)들은 상기 회전자(20)와 동축적으로 상기 회전축(22)의 둘레방향을 따라 상기 영구자석(24)과 일정한 비율을 가지도록 복수의 슬롯(34)에 의해 서로 이격되어 있다. 본 실시예에서 상기 슬롯(34)의 수는 15의 값을 가진다. 상기 고정자 치(32)는 상기 회전자(20)의 외측에 그 회전자(20)의 외주면과 간격을 가지도록 배치되어 있다.

상기 브러시리스 모터(10)는 상기 회전축(22)의 길이방향에 대해 수직한 단면에서 상기 각 자석 프레임(26)의 외주면과 상기 각 고정자(30) 치의 내주면은 3개의 원호로 이루어져 있다.

먼저, 상기 회전자(20)의 단면을 보다 상세하게 서술하기로 한다.

상기 자석 프레임(26)의 외주면을 이루는 원호들 중 중앙에 있는 원호를 R_m이라 하고 그 R_m의 양측에 있는 원호를 각각 R₁ 및 R₂라 한다. 상기 R_m은 상기 회전자(20)의 외주에 접하는 원(R₀)의 원호이다. 상기 R₁ 및 R₂은 상기 R_m의 반경보다 큰 반경을 가지며 상기 R_m의 일측단으로부터 상기 자석 프레임(26)의 최측단 변(28)의 임의의 지점을 지나는 원호이다. 상기 R₁ 및 R₂는 상기 R_m으로부터 멀어질수록 일 상기 고정자()와의 간격이 커지지도록 되어 있다. 즉, 상기 R_m의 구간에서는 상기 회전자(20)와 상기 고정자(30)가 일정한 간격을 이루고 있다. 반면에 상기 R₁ 및 R₂의 구간에서는 상기 R_m으로부터 멀어질수록 상기 회전자(20)와 상기 고정자(30)의 간격은 커지는 것이다. 결과적으로 상기 R_m의 구간에서 상기 회전자(20)와 상기 고정자(30)의 간격이 최소로 된다. 상기 R₁ 및 R₂의 반경은 무한대의 값을 가져서 직선형태로 될 수도 있다. 그러나 본 실시예에서는 상기 R₁과 R₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지도록 형성되어 있다. 또한, 상기 R₁ 및 R₂의 반경은 같은 크기를 가지도록 되어 있다. 따라서 상기 R₁과 R₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지며 그 교차점은 서로 180°간격으로 배치된다. 따라서 상기 R₁과 R₂는 서로 대칭을 이루는 동일한 길이의 원호이다.

상기 R_m의 원호 각도(α)는 360/{j(영구자석의 수)²}의 값을 가지며, 상기 j의 값은 0.35 내지 0.55인 것이 바람직하다. 상기 j의 값이 0.35 미만인 경우에는 R_m의 원호의 각도(α)가 지나치게 커지며, 상기 고정자(30)와 상기 회전자(20) 사이의 간격을 증가시켜서 코깅 토크의 저감 효과가 저하되는 문제점이 있다. 한편, 상 기 j의 값이 0.55를 초과하는 경우에는 R_m의 원호의 각도(α)가 지나치게 작아지며, 코깅 토크의 저감에 큰 효과가 있으나 상기 고정자(30)와 상기 회전자(20) 사이의 간격을 증가시켜서 모터의 출력을 저하시키는 문제점이 있다.

상기 고정자 치(32)의 내주면을 이루는 원호들 중 중앙에 있는 원호를 S_m이라 하고 그 S_m의 양측에 있는 원호를 각각 S₁ 및 S₂라 한다. 상기 S_m은 상기 고정자(30)의 내주에 접하는 원(S₀)의 원호이다. 상기 S₁ 및 S₂는 S_m의 반경보다 큰 반경을 가지며 S_m의 일측단으로부터 상기 고정자 치(32)의 최측단 변(36)의 임의의 지점을 지나는 원호이다. 상기 S₁ 및 S₂는 상기 S_m으로부터 멀어질수록 일 상기 회전자(20)와의 간격이 커지도록 되어 있다. 즉, 상기 S_m의 구간에서는 상기 회전자(20)와 상기 고정자(30)가 일정한 간격을 이루고 있다. 반면에 상기 S₁ 및 S₂의 구간에서는 상기 S_m으로부터 멀어질수록 상기 회전자(20)와 상기 고정자(30)의 간격은 커지는 것이다. 결과적으로 상기 S_m의 구간에서 상기 회전자(20)와 상기 고정자(30)의 간격이 최소로 된다.

상기 S₁ 및 S₂의 반경은 무한대의 값을 가져서 직선형태로 될 수 있다. 본 실시예에서는 상기 S₁과 S₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지고 있다. 또한 상기 S₁ 및 S₂의 반경은 같은 크기를 가지고 있다. 따라서 상기 S₁과 S₂를 이루는 원은 2개의 교차점을 가지며, 그 교차점은 180°간격으로 배치된다. 따라서 상기 S₁과 S₂는 서로 대칭을 이루는 동일한 길이의 원호이다.

상기 S_m의 원호 각도(β)는 360/{k(슬롯의 수)²}의 값을 가지며, 상기 k의 값은 0.6 내지 0.9인 것이 바람직하다. 상기 k의 값이 0.6 미만인 경우에는 S_m의 원호의 각도(β)가 지나치게 커져서 상기 고정자(30)와 상기 회전자(20) 사이의 간격이 작아지며 코깅 토크의 저감 효과가 저하되는 문제점이 있다. 한편, 상기 k의 값이 0.9를 초과하는 경우에는 S_m의 원호의 각도(β)가 지나치게 작아져서 코깅 토크의 저감 효과는 증가하지만 상기 고정자(30)와 회전자(20) 사이의 간격을 지나치게 증가시켜 모터의 출력이 저하되는 문제점이 있다.

이하에서는 이와 같은 구조를 가지는 상기 브러시리스 모터(10)의 작용을 상기 회전자(20)와 고정자(30)의 간격의 변화를 예로 들어 서술하기로 한다.

상기 회전자(20)가 상기 고정자(30)의 내부에서 상대회전할 때 상기 S_m과 상기R_m이 서로 마주하는 구간에서는 상기 회전자(20)와 상기 고정자(30) 사이의 간격이 좁아 공극 자속 밀도를 증가시키게 된다. 또한, 상기 S₁과 S₂, 상기 R₁과 R₂가 서로 마주하는 구간에서는 상기 고정자(30)와 상기 회전자(20) 사이의 간격이 넓어서 코깅 토크를 저감시킨다. 이와 같이 상기 고정자(30)와 상기 회전자(20) 사이의 간격이 상기 회전자(20)가 그 고정자(30)의 내부에서 회전할 때 시간에 따라 일정한 주기를 가지고 변하므로 상기 고정자(30)와 회전자(20)간에 발생하는 코깅 토크가 종래의 브러시리스 모터에 비하여 현저하게 감소하는 효과가 있으며, 그 코깅 토크가 감소하는 정도에 비하면 모터의 출력은 거의 동일하게 유지되는 효과가 있다. 이와 같은 효과는 도 6에 도시한 바와 같이 종래의 브러시리스 모터와 본 발명에 따른 브러시리스 모터(10)에서 발생하는 코깅 토크를 비교한 그래프에서 쉽게 알 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 R₁과 R₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지는 것으로 서술하였으나, 상기 R₁과 R₂를 구성하는 원은 교차점을 갖지 않거나 서로 접하게 구성하더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 R₁ 및 R₂의 반경은 같은 크기를 가지는 것으로 서술하였으나, 상기 R₁ 와 R₂의 반경이 다르더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 S₁과 S₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지는 것으로 서술하였으나, 상기 S₁과 S₂를 구성하는 원은 교차점을 갖지 않거나 서로 접하게 구성하더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 S₁ 및 S₂의 반경은 같은 크기를 가지는 것으로 서술하였으나, 상기 S₁ 와 S₂의 반경이 다르더라도 본 발명의 목적을 달성할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 영구자석을 회전자에 삽입하는 구조의 모든 모터에 적용될 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

도 1은 종래의 브러시리스 모터의 단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 브러시리스 모터에서 발생하는 코깅토크를 보여주는 그래프이다.

도 3a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 브러시리스 모터의 개략적 단면도이다.

도 3b는 도 3a에 도시된 "A" 부위의 부분 확대도이다.

도 4는 도 3a에 도시된 브러시리스 모터의 회전자의 개략적 단면도이다.

도 5는 도 3a에 도시된 브러시리스 모터의 고정자의 개략적 단면도이다.

도 6은 도 3a에 도시된 브러시리스 모터의 코깅토크를 보여주는 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 기호의 설명>

10 : 브러시리스 모터 20 : 회전자

22 : 회전축 24 : 영구자석

26 : 자석 프레임 28 : 자석 프레임의 최측단 변

30 : 고정자 32 : 고정자 치

34 : 슬롯 36 : 고정자 치의 최측단 변

Claims

회전축과 상대고정되며, 그 회전축의 둘레방향을 따라 서로 이격되도록 배치된 복수의 영구자석과, 그 영구자석을 고정하기 위한 자석 프레임들을 구비한 회전자; 및

상기 회전자와 동축적으로 상기 회전축의 둘레방향을 따라 상기 영구자석과 일정한 비율을 가지도록 복수의 슬롯에 의해 서로 이격되며, 상기 회전자의 외측에 그 회전자의 외주면과 간격을 가지도록 배치된 고정자 치들을 구비한 고정자; 를 포함하는 브러시리스 모터에 있어서,

상기 회전축의 길이방향에 대해 수직한 단면에서 상기 각 자석 프레임의 외주면 또는 상기 각 고정자 치의 내주면은 3개의 원호로 이루어진 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제1항에 있어서,

상기 자석 프레임의 외주면을 이루는 원호들 중 중앙에 있는 원호를 R_m이라 하고 그 R_m의 양측에 있는 원호를 각각 R₁ 및 R₂라 할 때 R_m은 상기 회전자의 외주에 접하는 원의 원호이고, R₁ 및 R₂은 R_m의 반경보다 큰 반경을 가지며 R_m의 일측단으로부터 상기 자석 프레임의 최측단 변의 임의의 지점을 지나는 원호이며, 상기 R₁ 및 R₂는 상기 R_m으로부터 멀어질수록 일 상기 고정자와의 간격이 커지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제2항에 있어서,

상기 R₁ 및 R₂의 반경은 무한대의 값을 가져서 직선형태인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제2항에 있어서,

상기 R₁과 R₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제4항에 있어서,

상기 R₁ 및 R₂의 반경은 같은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제1항에 있어서,

상기 고정자 치의 내주면을 이루는 원호들 중 중앙에 있는 원호를 S_m이라 하고 그 S_m의 양측에 있는 원호를 각각 S₁ 및 S₂라 할 때 S_m은 상기 고정자의 내주에 접하는 원의 원호이고, S₁ 및 S₂는 S_m의 반경보다 큰 반경을 가지며 S_m의 일측단으로부터 상기 고정자 치의 최측단 변의 임의의 지점을 지나는 원호이며, 상기 S₁ 및 S₂는 상기 S_m으로부터 멀어질수록 일 상기 회전자와의 간격이 커지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제6항에 있어서,

상기 S₁ 및 S₂의 반경은 무한대의 값을 가져서 직선형태인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제6항에 있어서,

상기 S₁과 S₂를 구성하는 원은 2개의 교차점을 가지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제8항에 있어서,

상기 S₁ 및 S₂의 반경은 같은 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제2항에 있어서,

상기 R_m의 원호 각도는 360/{j(영구자석의 수)²}의 값을 가지며, 상기 j의 값은 0.35 내지 0.55인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
제6항에 있어서,

상기 S_m의 원호 각도는 360/{k(슬롯의 수)²}의 값을 가지며, 상기 k의 값은 0.6 내지 0.9인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.