KR20110100463A - 유니버셜 비엘디시 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절전형모터 또는 고효율모터에 관한 것이다.
모터의 전기적 고효율을 구현하는 방법에 있어 본 발명은 하나의 모터에 AC기동, DC운전이라는 특유의 운전방식과 그 모터의 축(shaft)에 AC회전자(ac rotor)와 DC회전자(dc rotor)가 설치된 특유의 구조를 가졌다. 그리고 AC기동 및 방향제어에 사용되어진 운전권선과 기동권선을 모터 기동 후 스위칭회로를 통해 DC운전시 주권선과 제어권선로 사용하는 운영방식을 사용하였고, TR제어방식과 보호회로로 간단히 구성하여 과부하로 인한 모터의 소손을 예방토록 하였으며, 이를 통해 고효율 모터를 제조하는데 있어 제조원가 절감과 제품의 신뢰성을 높이도록 하였다. 또한, 널리 사용되어지는 AC모터 대비 높은 전기적 효율이 가능하도록 구현 한 것에 특징이 있다.

Description

유니버셜 비엘디시 모터{Universal Brushless Direct Current motor}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 절전형 모터 또는 고효율 모터에 관한 것이다. 본 발명은 일반적으로 사용하는 AC모터의 대체품으로 발명이 속하는 기술분야는 AC모터, DC모터,전자석 모터, BLDC모터, 유니버셜모터, 고효율모터, 고효율전기 모터, 브러쉬리스 모터, 영구자석을 이용한 선풍기, 무정류자 모터, 엑시얼 폴 모터등 이다.

본 발명은 AC기동 DC운전을 하는 특유의 운전방법과 하나의 축(shaft)에 AC회전자(rotor)와 DC회전자(rotor)를 설치하고 제어를 간단히 하여, 운전시 전기적 효율을 높인 유니버셜 BLDC모터에 관한 것이다.

AC모터의 기동 및 방향 제어방법은 널리 사용 되어지는 일반적인 것이고, 전자석 모터, 전자석을 이용한 고효율 모터, 영구자석을 이용한 선풍기 등은 전기적 효율이 좋으나 상업적으로 접근이 어려운 문제점을 크게 3가지 정도로 정리 할 수 있다 하겠다.

1. 기동토오크.

2. 정격속도에 이르는 시간.

3. 부하가 설치된 기기 및 설비에서 전원 투입전에 외부영향(예 : 바람, 기타 회전부하)에 의해 정방향 또는 역방향으로 회전하고 있을때, 원하는 방향으로 제어를 하기가 까다롭고 시간이 지연이 길다 하겠다.

1번 기동토오크의 문제점을 해결하기위해 보다 강한 영구자석과 그에 상응하는 권선의 량이 필요로 하다. 또한 제어가 복잡해지는 것은 당연 한 것이다. 이는, 제조원가 상승으로 이어 질것이고 널리 사용되어 지고 있는 BLDC모터와 가격 경쟁에서 유리 할 수 없다.

2번 정격속도에 이르는 시간의 문제점을 해결하기 위해선 기동토오크를 해결하는 방법 과 제어는 BLDC모터와 유사한 제어방법 또는 권선의 순차 제어를 위한 마이컴은 필수 사항이 된다.

1번과 2번의 문제점을 해결하려면 부품값은 고가가 되고, 제조공정은 당연히 복잡 해 진다

3번의 문제점은 전자석모터 또는 전자석과 영구자석을 이용한 모터등의 구조적 한계라 하겠다

이를 해결하기 위한 방법으로 주권선, 제어권선 그리고 위상을 만들기 위한 제3의 권선이 필요로 하다. 그리고 이를 센씽하기 위한 홀소자등이 필요로 하다 하겠다. 이로인해 제어는 복잡해지고, 다수의 부품과 고가의 제어부품 및 제어를 위한 프로그램이 개발 되어져야 한다.

전자부품이 많아지면 노이즈에 취약하게 되고, 노이즈에 영향을 덜 받도록 PCB가 제작되어져야 하기 때문에 제조원가의 상승은 당연 한 것이 된다.

그리고 일반적으로 사용되어 지는 AC모터는 제조방법이 간단하고 제조비용 또한 저렴하나 전기적 효율이 낮고, 과부하시 권선 과열에 의한 화재 사고가 빈번하여 과부하 방지용 장치를 별도로 설치하여 운영한다. AC를 사용하는 유니버셜모터는 기동토오크와 회전토오크는 좋으나 정류자와 브러쉬를 사용하기 때문에 불꽃이 발생 되어지면 안되는 현장에는 사용 할 수 없고, 기기의 수명이 짧으며 브러쉬를 정기적으로 교체 해주어야 하는 지속적인 관리비가 발생되어 진다. 전기적 효율이 높은 BLDC(Brushless Direct Current motor) 모터는 제어가 복잡하며 모터를 구동하기 위한 드라이버 또는 콘트롤러가 필수사항이다. 이로 인해 제조공정이 복잡하고 전기적 효율은 좋지만 가격이 고가인 관계로 제품에 장착시 완제품이 시장에서 가격 경쟁력을 가질 수 없어, 기계 설비 제작 또는 고가의 완제품에만 주로 사용되어 지는 문제점이 있다.

본 발명, 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor)는 일반적으로 사용되어 AC모터를 경제적인 비용으로 높은 전기적 효율이 가능하도록 구현 하고자 하는 것이다. AC모터는 구조는 간단하나 전기적 효율이 낮고, BLDC모터는 효율은 높으나 모터 가격이 고가이고, 제어가 복잡하며 콘트롤러 또한 고가 이다. 그래서 본발명은 AC모터의 장점(저비용)과 BLDC모터의 장점(고효율)을 결합하고, 각각의 단점을 일부 보완하여 보다 높은 전기적 효율을 이루도록 하였고, 구성 과 제어를 간단히 하여, 고효율 전기기기를 제품으로 제작시는 가격경쟁력을 확보토록 하였으며, 완제품을 이용시는 경제적인 생활이 가능토록 하였다.

본 발명, 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor)는 특유의 구조 및 제어방법을 통해 동급{60W(와트)-전력비교임} AC모터 대비 최소 50％의 전력을 절감 할 수 있다(부하 설치시). 이는 국가적으로도 각종 모터를 사용하는 전기기기의 전력 사용량이 줄어들어 발전 및 송배전 설비 운영에 있어 다소의 여유를 가질 수 있도록 하는 것에 그 목적이 있다.

일반적으로 사용되어지는 AC모터를 경제적인 비용으로 고효율화 하는데 있어서, 본 발명은 하나의 모터에 AC기동, DC운전 이라는 특유의 운전방식과 그 모터의 축(shaft)에 AC회전자(ac rotor)와 DC회전자(dc rotor)가 설치된 특유의 구조와 AC기동 및 방향제어에 사용되어진 운전권선과 기동권선을 모터 기동 후 스위칭회로를 통해 DC운전시 주권선과 제어권선으로 사용하는 권선의 운영 방식을 사용 하였고, TR에 의한 운전제어방식과 보호회로로 구성하여, 제어회로 보호 및 과부하로 인한 모터의 소손을 예방토록 구성 되어진 것에 특징이 있다.

본 발명은 일반적으로 사용 되어지는 AC모터를 경제적인 비용으로 전기적 효율이 높은 BLDC 모터화 하여 대체 하고자 한 것으로, 전기적 효율이 낮은 AC 모터와 전기적 효율은 좋으나 고가인 BLDC 모터를,구조를 변경하고 제어를 간단히 하여, 일반적인 BLDC모터에 비해 상당히 낮은 제조원가를 구현 하였다. 또한 일반적으로 사용되어 지고 있는 AC모터에 비해 전기적 효율을 크게 개선 하였으며, 유니버셜 모터와 같이 브러시와 정류자를 교체하는 불편함도 개선한 경제적이고 저렴한 고효율모터의 제조 및 판매가 가능하다.

참고로, 출력 60[w]와트급을 시장가격으로 단순비교 하면, AC 모터가 1 이라고 할때, 범용 BLDC 모터는 콘트롤러 포함가가 16이고, 본 발명 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor)는 1.5 수준에 제조 판매가 가능하다.

소비전력량 절감은 동급 AC 모터에 비해 약 50％이상 구현이 가능하다.

도 1은 구조를 나타낸 대표도.
도 2는 본 발명의 구조 및 명칭.
도 3은 본 발명의 기동부 구조도로 범용 AC모터의 기동과 동일한 방식을 나타낸다,
도 4는 본 발명의 운전부 구조도로 권선과 영구자석의 배치를 나타낸다.
도 5는 범용 AC단상 모터의 기동방법의 예를 나타낸 것이다.
도6는 운전부의 운전 자계 및 척력을 나타낸 것이다.
도 7은 운전부를 운전하기 위한 회로 구성도 이다.
도 8은 권선의 스위칭회로 구성도 이다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 대표도 이다. 도2는 구조 및 명칭을 나타낸 것으로 영구자석(1), DC회전자(2), 스냅링(3), 베어링(4), 축(5), AC회전자(6), 철심(7), 권선(8), PCB(9)로 구성되어 있다.

먼저 구조적으로 설명을 하면, 본 발명 전체의 구조에서 도3과 도4는 각각의 역할을 분활하여 나타낸 것으로, 도3은 일반적은 AC모터의 구조로, 본 발명에서는 기동 및 회전의 방향(시계, 반시계)을 정하는데 사용되어지고(이를 기동부라 칭함), 도4는 기동부에서 기동되어진 모터를 운전하기 위한 운전부를 나타낸 것 이다.

이를 회전자계 형성 및 전기회로 측면에서 설명을 하면,

도5에 나타낸것 처럼 일반적인 단상 ac모터는 운전권선과 기동권선 그리고 기동권선을 일정속도 및 토오크(정격속도 및 토오크의 약 70％∼75％, 모터특성과 제작별로 다소 차이가 있음)에 도달하면 운전권선과 불리 시켜주는 스위치(원심력스위치, 코일스위치등) 그리고 회전자계를 위한 콘덴서(일정 용량이상, 소용량 단상모터에는 사용되지 않음, 예를들면 shaded pole motor)로 구성되어져 있다.

AC단상 모터중에 콘덴서 기동-콘덴서 운전형 전동기(CSR motor, capacitor start-capacitor run motor)는 콘덴서 기동형 전동기의 운전권선에 running capacitor를 추가한 형태의 전동기로, 기동토르크가 크고 운전효율도 높은, 특성이 아주 좋은 전동기로 알려져 있다. 대부분 밀폐형 또는 반밀폐형 압축기에 사용되며, 고가이기 때문에 개방형 압축기에는 거의 사용되지 않고 있다.

삼상 모터에서는 3상회전자계가 만들어지기 때문에 회전 자계를 만들어 주기위한 기동방식을 사용하지 않고 3상 소용량 모터에는 직입기동, 중대형 모터에는 Y-델타기동이 주로 사용되어 지며, 기타방법으로 리엑터기동, 인버터기동, 컨버터기동 방식이 있다.

본 발명, 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor)의 기동부는 도5와 같이 기동권선 과 운전권선 그리고 절환 스위칭 장치가 있는데, 이는 기동 및 회전의 방향(시계, 반시계)을 정하는데 사용되어 진다. 회전방향 및 기동이 이루어지고 나면, 도4 운전부에서는 DC 모터의 주권선(기동부의 운전권선)과 속도를 제어하기 위한 제어권선(기동부의 기동권선)으로 각각의 역할을 한다.

운전부는 전자석과 영구자석을 이용한 BLDC모터와 유사하게 된다.

도6은 운전부의 운전자계와 척력의 형성을 나타낸 것이고, 운전부는 운전자계와 영구자석간의 척력이 수직으로 형성 되어져야 최고의 척력을 이룬다는 것은 이미 널리 사용되어 지고 있는 DC모터에서 검증이 되어 진 것이다.

도7은 기동부에 의해 임의의 토오크 및 속도에 도달한 후 기동부에 사용 되어졌던 운전권선과 기동권선이 스위칭 회로를 통해 운전부의 주권선과 제어권선으로 전환 되었을 때, 운전하기 위한 회로도 이다.

회로의 동작은 도2의 구조 및 명칭에서, PCB(9)에 설치된 정류회로 및 스위칭회로를 통해, 정류된 전압 DC가 도7에 Vc로 공급되어진다. 이때부터 본 발명 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor)는 DC 모터가 된다.

도2의 구조 및 명칭에서 영구자석(1)이 제어권선에 전압을 유도 시키면 유도된 전압은 Darlington Transfer Resistor(114)의 Base에 전압을 인가하게 되고, Darlington Transfer Resistor(114)의 Base에 인가된 전압에 의해 Emitter와 Collector사이의 저항값이 감소하여, Vc가 주권선에 인가되어 지면 전자석이 되고 척력이 발생되어 지게된다.

영구자석이 철심을 완전히 통과하면 Darlington Transfer Resistor(114)의 Base에 인가되는 전압이 소멸되게 되는데 이러면 회로의 동작이 멈추게된다. 그러나, 통과한 영구자석과 반대편 또는 측면에 있는 영구자석이 상기에 기술한 역활을 반복하므로 회로는 원활히 동작한다.회로에서 속도 조절은 가변저항(118)에 의해 Darlington Transfer Resistor(114)의 Base에 인가되는 전압을 가변하면, Emitter와 Collector사이의 저항이 변하여 주권선에 인가되는 전압이 가변되고, 주권선에 인가되는 전압이 줄면 감속, 인가전압이 높아지면 가속인 속도제어방식이다.

도7에서 다이오드 112와 113은 주권선에서 발생되어 지는 역기전압에 의해 Darlington Transfer Resistor(114)의 파손을 방지하고자 하는것이고, 111은 제어권선에 의한 노이즈(방사노이즈등)제거용 이다. TR(116)과 저항(115)은 전류제한 회로이다. 이는 과부하로 인한 권선의 손상과 Darlington Transfer Resistor(114)의 손상을 예방하기 위함이다.

여기서 저항(115)의 값은 회로에 R=V/I의해 결정되어 지며, V=0.65 or 0.7 이다.

저항(115)의 W(와트)는 P=I²R에 의해 결정되어 진다. 제너다이오드(117)는 Darlington Transfer Resistor(114)의 Base 전압 안정화용이고, 저항(120)은 Darlington Transfer Resistor 이므로 높은 전류증폭률(hfe)로 인한 오동작 예방을 목적으로 한다.

도 8은 권선의 스위칭회로 구성을 나타낸 것으로, 본 발명의 기동부에서 AC기동에 사용되어진 운전권선과 기동권선이 원심력스위치에 의해 운전부의 운전회로와 접속이 가능한 구성도 이다.

이를 통해 AC기동 DC운전이라는 본 발명의 특유의 운영방식이 가능하다 하겠다.

AC기동에 사용되어진 운전권선의 한측(121)과 운전권선의 또다른 한측(122) 그리고 기동전선의 양측(123, 124)을 스위칭릴레이의 각각의 공통접점(일반적으로 C 접접이라고 칭함)에 접속을 하고 그에 대응하는 닫힌접점(일반적으로 B 접점이라고 칭함) 과 열린접점(일반적으로 A 접점이라고 칭함)에 접속을 한다. AC는 기동을 해야 하므로 닫힌접점(B 접점)에 각각을 도 8과 같이 접속하고, DC는 스위칭 되고 난 후 운전을 하기 위한 것 이므로 열린접점(A 접점)에 각각을 접속 한다.

이리하면, 전원이 투입된 후 기동부에 의해 임의의 속도에 도달하면 원심력스위치가 작동하고, 원심력스위치가 작동하면 AC기동에 사용되어진 운전권선(121, 122)와 기동권선(123, 124)이 DC운전의 주권선과 제어권선으로 역할이 변경되어 DC운전 가능하게 된다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

Claims (3)

1. 일반적으로 사용되어지는 AC모터를 경제적인 비용으로 높은 전기적 효율이 가능하도록 구현하는 방법에 있어서, AC기동 DC운전을 특징으로 하는 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor).
2. 제1항에 있어, 하나의 축에 AC회전자와 DC회전자가 설치되어 진것과, AC기동을 위해 사용되어진 운전권선과 기동권선이 DC로 운전 할때는 주권선과 제어권선으로 역할 변경이 가능하도록 스위칭릴레이를 사용하는 권선의 운영 방식과, 스위칭릴레이를 통해 운전회로를 구동하는것을 특징으로 하는 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor)
3. 제2항에 있어, DC운전을 할때 운전하기 위한 Darlington Transfer Resistor와 주권선과 제어권선의 결선방법과 Darlington Transfer Resistor를 주권선의 역기전압으로부터 보호하기 위한 다이오드들과, Base 전압의 안정화를 위한 제너다이오드와 저항과, 속도를 가변하기 위한 가변저항과, 제어권선에 의한 노이즈(방사노이즈등) 제거용 콘덴서등을 구비한 제어회로를 사용하는것을 특징으로 하는, 유니버셜 BLDC 모터(Universal Brushless Direct Current motor)

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