KR20140010575A - 더미 자석을 구비한 스테이터 및 이를 이용한 저비용, 고효율 ｂｌｄｃ 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스테이터의 요크에 자속밀도를 증대시킬 수 있고 가격이 저렴한 더미 자석을 IPM 방식으로 추가로 구비하여, 더블 로터 모터와 동등한 성능을 발휘하면서 더블 로터 모터보다 제조비용이 저렴한 더미 자석을 구비한 스테이터 및 이를 이용한 저비용, 고효율 BLDC 모터에 관한 것이다.
본 발명의 브러쉬레스 직류(BLDC) 모터는 다수의 N극 및 S극 자석이 백요크에 교대로 배치된 로터; 환형 요크로부터 다수의 티스가 상기 로터와 에어갭을 두고 대향하도록 돌출된 코어를 구비하고, 상기 티스에 코일이 권선되는 스테이터; 및 상기 다수의 티스에 대응하여 환형 요크에 매입된 다수의 더미 자석을 포함하며, 상기 다수의 더미 자석은 각각 대응하는 티스로부터 발생되는 자속의 방향과 동일한 방향의 자속을 발생하도록 자석의 극성이 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

더미 자석을 구비한 스테이터 및 이를 이용한 저비용, 고효율 ＢＬＤＣ 모터{Stator Having Dummy Magnets and BLDC Motor of Low Cost and High Efficiency Using th Same}

본 발명은 더미 자석을 구비한 스테이터 및 이를 이용한 저비용, 고효율 BLDC 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 스테이터의 요크에 자속밀도를 증대시킬 수 있고 가격이 저렴한 더미 자석을 IPM 방식으로 추가로 구비하여, 더블 로터 모터와 동등한 성능을 발휘하면서 더블 로터 모터보다 제조비용이 저렴한 더미 자석을 구비한 스테이터 및 이를 이용한 저비용, 고효율 BLDC 모터에 관한 것이다.

BLDC 모터를 스테이터 코어의 존재 여부에 따라 분류하면 일반적으로 컵(원통) 구조를 가지는 코어형(또는 레이디얼 갭형)과 코어레스형(또는 액시얼 갭형)으로 나뉘어진다.

코어형 구조의 BLDC 모터는 내주부에 형성된 다수의 돌기(티스)에 전자석 구조를 갖기 위해 코일이 권취된 원통형의 스테이터와 원통형 영구 자석으로 이루어진 로터로 구성된 내부 자석형과, 스테이터가 외주부에 형성된 다수의 돌기(티스)에 상하 방향으로 코일이 권취되어 있고 그 외부에 다극 착자된 원통형 영구자석으로 된 로터로 구성된 외부 자석형으로 분류된다.

코어형 BLDC 모터는 자기회로가 축을 중심으로 레이디얼 방향으로 대칭인 구조를 가지고 있으므로 축방향 진동성 노이즈가 적고, 저속 회전에 적합하며, 자로의 방향에 대하여 공극이 차지하는 부분이 극히 적어 성능이 낮은 자석을 사용하거나 자석의 양을 줄여도 높은 자속 밀도를 얻을 수 있으므로 토크가 크고 효율이 높다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 이러한 코어, 즉 요크 구조는 스테이터를 제작할 때에 요크(yoke, 계철)의 재료 손실이 크고, 양산할 때에 요크의 복잡한 구조로 인하여 요크에 코일을 권선하는 데 특수한 고가의 전용권선기를 사용하여야 하며, 스테이터 제작시 금형 투자비가 높아 설비 투자비용이 높다는 단점을 가지고 있다.

코어형 AC 또는 BLDC 모터, 특히 레이디얼 갭 타입의 코어 모터에서는 스테이터 코어를 완전 분할형으로 구성하면 값이 싼 범용 권선기를 사용하여 고효율로 분할 코어에 코일을 권선할 수 있기 때문에, 높은 경쟁력을 갖게 된다. 그러나, 이와 반대로 일체형 스테이터 코어 구조인 경우는 값이 비싼 전용 권선기를 사용하며 저효율 권선이 이루어지므로 모터의 제조비용이 높아지게 된다.

액시얼 갭형 더블로터 모터와 레이디얼 갭형 코어 모터의 장점은 살리고 단점을 개선할 수 있는 레이디얼 갭형(코어 타입) 더블 로터 구조의 BLDC 모터가 본 출원인에 의해 등록특허 제10-432954호를 통하여 제안된 바 있다.

상기 등록특허 제10-432954호에서는 스테이터 코어의 내측 및 외측에 동시에 영구자석 회전자를 배치함에 의해 자로의 흐름을 내측과 외측의 영구자석 및 회전자 요크에 의해 형성시킴으로써 스테이터 코어의 완전 분할이 가능하여 저가의 범용 권선기를 이용하여 개별적인 코일을 권선함에 의해 스테이터 코어의 생산성을 높이고 코어 재료 로스를 줄일 수 있으며, 더블 로터와 조합함에 의해 모터의 출력을 크게 높일 수 있는 구조를 제안하고 있다.

한편, 일반적인 BLDC 모터에서는 일체형 코어일 때 스테이터 코일의 권선 순서가 U,V,W 각 상별로 교대로 배치되는 스테이터 구조를 사용하며, 인버터 회로에 구비된 스위칭 트랜지스터의 순차적인 스위칭 구동에 의해 각 상별로 교대로 스테이터 코일에 흐르는 전류를 절환하여 회전 자계를 발생시켜 로터를 회전 구동하고 있다.

예를 들어, 공개특허 제10-2005-245호 및 공개특허 제10-2010-73449호 등에는 코일이 권선된 다수의 분할 코어를 U,V,W 각 상 별로 교대로 배치한 스테이터를 구비한 더블 로터-싱글 스테이터 구조의 모터를 제안하고 있다.

이하에 분할 코어 스테이터를 구비한 BLDC 모터에서 각 상별로 코일이 권선된 1개의 분할 코어가 각 상별로 교대로 배치된 1결선 구조 모터에 대하여 설명한다.

우선, 일반적으로 1결선 구조 모터를 설계할 때 스테이터의 슬롯(slot)과 로터의 자석(자극) 간에 설정은 하기 수학식 1과 같이 설정된다.

[수학식 1]

자석 폴(pole) 수 = (슬롯 수/3)×2의 배수

단, 모터 설계시에 슬롯의 수가 예를 들어, 27과 같이 큰 경우 슬롯 수보다 자석 폴 수가 많도록 설정한다. 그 결과, 상기 수학식 1에 따라 모터의 슬롯과 폴 수는 예를 들어, 18슬롯 12폴, 27슬롯 36폴, 36슬롯 48폴과 같은 비율로 설정하고 있다.

이하에 도 1a 내지 도 3을 참고하여 종래의 코일이 권선된 분할 코어가 각 상별로 교대로 배치된 분할 코어 타입의 스테이터를 이용한 더블 로터-싱글 스테이터 구조의 3상 전파 구동방식에 따라 결선된 BLDC 모터를 설명한다.

도 1은 종래의 3상 전파 구동방식에 따라 결선된 18슬롯 12폴 방식으로 설계된 더블 로터 구조의 BLDC 모터의 구조를 나타낸 것이고, 도 2는 도 1에 적용된 3상(U,V,W) 구동 코일의 코일 결선도와 3상 전파 구동방식의 모터 구동회로(드라이버)를 나타내며, 도 3은 분할 코어의 조립시에 배치순서와 상호 결선관계를 나타내는 설명도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 종래의 3상 전파 구동방식에 따라 결선된 더블로터 구조의 BLDC 모터(10)는 18슬롯 12폴 방식인 경우, 각각 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)이 권선된 18개의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)가 환형으로 배치된 스테이터(1)의 내측 및 외측에 각각 N극 및 S극 자석이 교대로 배치된 내부 로터(3a)와 외부 로터(3b)가 간격을 두고 배치되어 있다.

상기 스테이터(1)는 각 U,V,W 상별로 6개의 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)이 상호 연결되어 있고, 각 상의 일측은 도 2와 같이 모터 구동회로를 구성하는 인버터 회로(5)의 U,V,W 출력에 연결되고, 각 상의 타측은 상호 결선되어 중성점(NP)을 형성한다.

상기 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)은 모두 각각의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)에 순방향으로 권선되어 있으며, 도 3과 같이 U,V,W 각 상별로 교대로 배치되어 조립된다. 즉, 18개의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 u1,v1,w1,u2, ... , w5,u6,v6,w6 순서로 조립되어 수지를 이용한 인서트 몰딩에 의해 스테이터 지지체에 일체화되어 환형으로 형성된다.

이하에 상기한 종래의 3상 전파 구동방식에 따라 결선된 더블 로터 구조의 BLDC 모터(10)에 대한 동작을 하기 표 1을 참고하여 설명한다.

전기각	0°	60°	120°	180°	240°	300°	360°, 0°
기계각	0°	10°	20°	30°	40°	50°	60°, 0°
H1	N	N	S	S	S	N	N
H2	S	N	N	N	S	S	S
H3	S	S	S	N	N	N	S
입력	U	V	V	W	W	U	U
출력	W	W	U	U	V	V	W
상측 FET	FET1	FET3	FET3	FET5	FET5	FET1	FET1
하측 FET	FET2	FET2	FET4	FET4	FET6	FET6	FET2

표 1과 같이, 종래에는 3개의 홀소자(H1-H3)가 각각 슬롯과 슬롯 사이에 순차적으로 배치되며, (360/슬롯 수)에 따라 결정되는 각도, 즉 20°간격으로 설치되어, 각 단계별로 로터(3a,3b)의 자극(N극 또는 S극)을 검출하여 모터 구동회로로 전송한다.

도 1에 도시된 모터는 0°일 때의 상태를 나타낸 것으로, 6스텝 방식으로 10°마다 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)에 흐르는 전류의 방향을 절환하여 인가함에 의해 해당 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 전자석을 형성하여 자기장이 발생된다.

3상 전파 구동방식에 따른 모터 구동회로는 시스템 제어부로부터 인가되는 제어신호와 홀소자로부터 로터 위치신호를 수신하여 PWM(펄스폭 변조) 제어신호를 발생하는 제어부(도시되지 않음)와 상기 PWM(펄스폭 변조) 제어신호에 기초하여 스테이터 구동신호를 출력하는 인버터 회로(5)를 포함한다.

상기 인버터 회로(5)는 3쌍의 스위칭 트랜지스터(FET)가 각각 토템폴 접속되어 구성되며, 상측 FET(FET1,FET3,FET5)와 하측 FET(FET4,FET6,FET2) 사이의 접속점으로부터 각 상의 출력(U,V,W)이 발생되어 모터(10)의 스테이터 코일(u1-u6,v1-v6,w1-w6)로 인가된다.

모터 구동회로의 제어부(도시되지 않음)는 각각의 각도에서 홀소자(H1-H3)에 의해 로터(3a,3b)의 위치신호가 검출되면, 상기 표 1에 따라 인버터 회로(5)에 구비된 3쌍의 스위칭 트랜지스터(FET) 중 1쌍의 스위칭 트랜지스터(FET)를 턴온시켜 전류 흐름 경로를 설정하고, 턴온되는 상측 FET에 PWM(펄스폭 변조) 제어신호를 인가한다.

예를 들어, 도 1과 같이 홀소자(H1-H3)가 외부 로터(3b)의 극성을 "N,S,S"로 검출하면, 제어부는 로터의 회전 위치가 0°인 것으로 판단하여, 상측의 FET1과 하측의 FET2를 턴온시키도록 구동신호를 인가하면, 전류가 FET1-U상 코일(u1-u6)-W상 코일(w6-w1), FET2를 경유하여 접지로 흐른다.

이에 따라, 분할 코어(u11)는 내측 방향의 자속이 발생되고, 분할 코어(w11)는 외측 방향을 향하는 자속이 발생되어, 화살표로 표시된 바와 같이 자기회로가 설정되고, 내부 로터(3a)와 외부 로터(3b)가 N극 및 S극 자석으로 대향하여 설정된 더블로터(3)는 시계방향으로 회전이 이루어지게 된다.

도 1의 BLDC 모터(10)에서 예를 들어, 내측 방향의 자속을 발생하는 분할 코어(u11)는 코어의 외측이 외부 로터(3b)의 단지 N극 자석(13)만 대향하는 것이 바람직하나 분할 코어(u11)의 일부가 인접된 S극 자석(14)과도 대향하고 있고, 코어의 내측이 내부 로터(3a)의 단지 S극 자석(13a)만 대향하는 것이 바람직하나 분할 코어(u11)의 일부가 인접된 N극 자석(14a)과도 대향하고 있어 효율이 떨어지게 된다.

이 경우, BLDC 모터(10)에서 스테이터(1)의 분할 코어(u11-u16,v11-v16,w11-w16)는 각 스탭마다 U,V,W 3상 중에 하나의 상에 해당하는 분할 코어를 건너뛰면서 코일에 구동신호가 인가되어 활성화가 이루어진다.

예를 들어, 도 1과 같이 로터(3)의 회전 위치가 0°때 스테이터(1)의 분할 코어(u11-u16,w11-w16)는 V상의 분할 코어(v11-v16)를 걸러 U 및 W상의 연속된 2개의 분할 코어(u11-u16,w11-w16)에 권선된 코일(u1-u6,w1-w6)에 구동신호가 인가되어 활성화가 이루어지며, 그 결과 활성화가 이루어지는 연속된 2개의 분할 코어는 서로 반대방향의 자속이 발생한다.

이때 BLDC 모터(10)는 상기한 바와 같이, 분할 코어(u11)의 외측이 N극 자석(13) 이외에 인접된 S극 자석(14)과도 대향하고 있고, 분할 코어(u11)의 내측이 S극 자석(13a) 이외에 인접된 N극 자석(14a)과도 대향하고 있으며, 대향하는 S극 자석(14)과 N극 자석(14a) 사이에 비활성화 상태의 분할 코어(v11)가 배치되어 있어, 로터(3)를 일측 방향으로 회전시키는데 효과적인 자기회로의 구성이 이루어지지 못하고 있다.

또한, 도 1에 도시된 모터에서 로터(3)는 슬롯 수가 적으면 적을수록 인접된 S극 자석과 N극 자석이 겹쳐지는 부분에서 서로 상쇄가 이루어지지 않아 소음이 발생하게 된다.

더욱이, 종래의 3상 전파 구동방식에 따라 결선된 BLDC 모터(10)는 모터의 슬롯과 폴이 18슬롯 12폴, 27슬롯 36폴, 36슬롯 48폴과 같이 설정되어, 슬롯 수와 폴 수의 비율이 30~40% 정도로 차이가 있기 때문에 이로 인하여 로터(3) 회전시에 회전 각도에 따라 자석(13-16)과 코어 간의 자력(자속)의 유효 면적 차이가 발생하며, 그 결과 코깅(cogging)이 심하게 발생하며 자속 누설이 발생하는 문제가 있다.

이에 따라 종래의 BLDC 모터(10)는 코깅(cogging)에 기인한 소음을 최소화하기 위하여 슬롯과 슬롯 사이의 오프닝(opening) 폭을 넓게 하고 외주면을 라운드(R) 처리하거나, 각 자석(13-16)의 모서리 부분을 라운드(R) 처리하는 에지 가공하는 것이 요구되므로, 이는 생산비의 상승 및 효율 저하를 초래한다.

더욱이, 종래의 1결선 방식의 BLDC 모터(10)는 상기한 바와 같이, 홀소자(H1-H3)가 (360도/슬롯 수) 또는 {(360도/폴수)×2극÷3}에 따라 결정되는 각도로 순차적으로 배치되어야 하기 때문에 3개의 홀소자가 실장되는 홀소자 인쇄회로기판(PCB)은 40° 범위의 각도를 커버하는 크기로 제작되어야 하는 문제도 있다.

상기한 바와 같이, 3상 전파 구동방식은 인버터 회로에 6개의 스위칭 트랜지스터(FET)와 3개의 홀소자를 사용하며, 코일에 대한 통전은 양방향으로 이루어지고, 각 스텝마다 전체 슬롯의 2/3을 사용하는 구동방식으로 토크 리플이 적어 고효율이다.

3상 전파 구동방식의 인버터 회로에서는 토템폴 구조의 상측 스위칭 트랜지스터(FET)로서 PNP형 트랜지스터를 사용하여야 하나 가격이 NPN형 트랜지스터의 1.5 내지 3배 정도 비싸기 때문에 상측 스위칭 트랜지스터(FET)로서 NPN형 트랜지스터를 사용하면서 인버터 회로의 전단에 게이트 드라이버를 채용하고 있다.

3상 반파 구동방식은 인버터 회로에 3개의 스위칭 트랜지스터(FET)와 3개의 홀소자를 사용하며, 코일에 대한 통전은 일방향으로 이루어지고, 각 스텝마다 전체 슬롯의 1/3을 사용하는 구동방식이다.

또한, 2상 전파 구동방식은 구동 회로에 4개의 스위칭 트랜지스터(FET)와 2개의 홀소자를 사용하며, (슬롯×2)의 배수로 정해지는 폴수(자석 수)로 모터를 구성하며 코일에 대한 통전은 쌍방향으로 이루어진다.

또한, 2상 반파 구동방식은 구동 회로에 2개의 스위칭 트랜지스터(FET)와 2개의 홀소자를 사용하며, (슬롯×2)의 배수로 정해지는 폴수(자석 수)로 모터를 구성하며 코일에 대한 통전은 일방향으로 이루어지고, 각 스텝마다 전체 슬롯의 1/2을 사용하는 구동방식이다.

단상 전파 및 단상 반파 구동방식은 구동 회로에 2개 또는 4개의 스위칭 트랜지스터(FET)와 2개의 홀소자를 사용하며, (슬롯×1 또는 슬롯×2)의 배수로 정해지는 폴수(자석 수)로 모터를 구성하며 각 스텝마다 전체 슬롯의 1/2을 사용하는 구동방식이다.

상기 2상 반파 또는 단상 반파 구동방식은 슬롯 수와 폴 수의 비율이 50% 정도로 차이가 있기 때문에 이로 인하여 로터 회전시에 회전 각도에 따라 자석과 코어 간의 자력(자속)의 유효 면적 차이가 발생하며, 그 결과 코깅(cogging)이 심하게 발생하며 자속 누설이 발생하는 문제가 3상 구동방식보다 더 크게 발생된다.

상기 종래의 BLDC 모터는 코깅(cogging)에 기인한 소음을 최소화하기 위하여 슬롯과 슬롯 사이의 오프닝(opening) 폭을 넓게 하고 외주면을 라운드(R) 처리하거나, 각 자석의 모서리 부분을 라운드(R) 처리하는 에지 가공하는 것이 요구되므로, 이는 생산비의 상승 및 효율 저하를 초래한다.

상기 2상 반파 또는 단상 반파 구동방식은 모터구동회로에 사용되는 스위칭 트랜지스터(FET)와 홀소자의 수를 3상 전파 구동방식과 비교하여 크게 절감할 수 있으나, 각 스텝마다 구동되는 슬롯의 수가 3상 전파 구동방식과 비교하여 크게 작기 때문에 효율이 떨어지며, 코깅 소음이 큰 문제가 있다.

따라서, 2상 반파나 2상 전파 구동방식은 효율이 낮아 고효율을 요구하는 분야에는 사용하지 못하고, 그 대신 에어콘이나 백색 가전제품과 같이 로우 코스트(low cost) 모델이나 효율이 낮아도 되는 모터에 주로 사용되고 있다.

일반적으로 로터에 사용되는 자석은 코깅(cogging)에 기인한 소음을 최소화하기 위해 각 자석의 모서리 부분을 라운드(R) 처리하는 에지 가공이 요구되나, 에지 가공비가 전체 자석 비용의 약 1/3을 차지하고 있어 로우 코스트(low cost) 모델에서는 원가 상승요인이 되고 있다.

국내 등록특허 제10-432954호 국내 공개특허 제10-2005-245호 국내 공개특허 제10-2010-73449호

상기한 바와 같이, 종래의 2상 또는 단상 전파 또는 반파 구동방식 드라이버를 구비한 모터는 3상 전파 구동방식 드라이버를 구비한 모터에 비하여 효율이 떨어지나 드라이버의 비용이 저렴하여 가격 경쟁력이 우수하다.

또한, 싱글 로터와 비교하여 더블 로터 구조는 스테이터의 내부 및 외부 로터에 각각 자석을 구비함에 따라 자속이 2배로 증가하여 효율 상승을 기대할 수 있으나, 내부 및 외부 로터를 연결하는 구조가 복잡하고 제조비용이 증가하는 단점이 존재한다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 스테이터의 백요크에 자속밀도를 증대시킬 수 있고 가격이 저렴한 더미 자석을 IPM 방식으로 추가로 구비하여, 더블 로터 모터와 동등한 성능을 발휘하면서 더블 로터 모터보다 제조비용이 저렴한 더미 자석을 구비한 스테이터 및 이를 이용한 저비용, 고효율 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 모서리 부분을 라운드 처리할 필요가 없어 제조비용을 절감할 수 있고 코깅 소음을 줄일 수 있는 더미 자석을 구비한 스테이터 및 이를 이용한 저비용, 고효율 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 2상 반파 또는 단상 반파 구동방식을 채용함에 의해 3상 전파 구동방식과 비교하여 스위칭 트랜지스터와 홀소자의 수를 최소한으로 줄이고 게이트 드라이버를 삭제하여 모터 구동회로에 소요되는 비용을 최소한으로 줄이며, 이에 따른 효율 저하를 저렴한 더미 자석을 부가함에 의해 3상 전파 구동방식과 동등한 효율을 구현할 수 있는 저비용, 고효율 BLDC 모터를 제공하는 데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 브러쉬레스 직류(BLDC) 모터는 다수의 N극 및 S극 자석이 백요크에 교대로 배치된 로터; 환형 요크로부터 다수의 티스가 상기 로터와 에어갭을 두고 대향하도록 돌출된 코어를 구비하고, 상기 티스에 코일이 권선되는 스테이터; 및 상기 다수의 티스에 대응하여 환형 요크에 매입된 다수의 더미 자석을 포함하며, 상기 다수의 더미 자석은 각각 대응하는 티스로부터 발생되는 자속의 방향과 동일한 방향의 자속을 발생하도록 자석의 극성이 결정되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 특징에 따르면, 2상 구동방식으로 로터를 회전 구동시키는 스테이터는 각각 환형으로 상호 조합될 때 양 단부가 상호 접촉되어 환형 외주부를 형성하여 자기회로 경로를 형성하는 요크와 상기 요크로부터 돌출되어 선단부가 상기 로터의 자석과 대향하며 코일이 권선되는 티스를 구비하는 다수의 분할 코어; 상기 다수의 분할 코어의 티스에 각 상별로 교대로 권선되는 2상 코일; 및 상기 다수의 분할 코어 각각에 삽입되는 다수의 더미 자석을 포함하며, 상기 더미 자석으로부터 발생된 제2자속이 대응하는 티스에 권선된 코일로부터 발생된 제1자속과 동일방향으로 설정되도록 더미 자석의 극성이 결정되는 것을 특징으로 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 스테이터의 백요크에 자속밀도를 증대시킬 수 있고 가격이 저렴한 다수의 더미 마그넷을 IPM 방식으로 추가로 구비하여, 더블 로터 모터와 동등한 성능을 발휘하면서 더블 로터 모터보다 제조비용이 저렴한 저비용, 고효율 BLDC 모터를 제공한다.

또한, 본 발명은 싱글 로터 구조 모터이면서도 모서리 부분을 라운드 처리할 필요가 없어 제조비용을 절감할 수 있는 더미 마그넷을 스테이터의 백요크에 구비함에 따라 자속밀도를 증대시켜 더블 로터 모터와 동등한 성능을 발휘할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 2상 반파 또는 단상 반파 구동방식을 채용함에 의해 모터 구동회로에 소요되는 비용을 최소한으로 줄이며, 이에 따른 효율 저하를 저렴한 더미 자석을 부가함에 의해 3상 전파 구동방식과 동등한 효율을 구현할 수 있어, 에어콘이나 백색 가전제품과 같이 로우 코스트(low cost) 모델에 높은 경쟁력을 가질 수 있게 된다.

도 1a는 종래기술의 1결선 방법에 따라 18슬롯 12폴 방식으로 설계된 더블로터 구조의 BLDC 모터를 나타낸 직경방향 단면도,
도 2는 도 1에 적용된 3상(U,V,W) 구동 코일의 코일 결선도와 모터 구동회로,
도 3은 도 1에 도시된 모터에서 분할 코어의 조립시에 배치순서와 상호 결선관계를 나타내는 설명도,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 2상 반파 구동방식으로 설계된 싱글 로터 구조의 저비용, 고효율 BLDC 모터를 나타낸 직경방향 단면도,
도 5a 및 도 5b는 각각 도 4a에 도시된 분할 코어를 환형으로 조합할 때 사용되는 결합구조를 구비한 보빈이 분할 코어에 결합된 상태를 나타내는 평면도 및 3개의 분할 코어를 조합한 결합상태를 나타내는 정면도,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따라 단상 전파방식으로 설계된 싱글 로터 구조의 BLDC 모터를 나타낸 직경방향 단면도이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 더욱 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

이하의 실시예 설명에서는 분할 코어 구조의 스테이터와 싱글 로터가 결합된 모터를 예를 들어 설명하나, 본 발명은 일체형 코어 구조를 갖는 스테이터와 단일 로터를 결합하여 구성된 모터에도 적용 가능하다. 또한, 실시예 설명에서는 아우터 로터 모터를 예를 들어 설명하나 본 발명은 인너 로터 모터에도 동일하게 적용될 수 있다.

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따라 2상 반파 구동방식으로 설계된 싱글 로터 구조의 저비용, 고효율 BLDC 모터를 나타낸 직경방향 단면도, 도 5a 및 도 5b는 각각 도 4에 도시된 분할 코어를 환형으로 조합할 때 사용되는 결합구조를 구비한 보빈이 분할 코어에 결합된 상태를 나타내는 평면도 및 3개의 분할 코어를 조합한 결합상태를 나타내는 정면도이다.

도 4, 도 5a 및 도 5b를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 BLDC 모터(100)는 각각 코일(23)이 권선되는 다수, 예를 들어, 8개의 분할 코어(u1-u4,v1-v4: 130)를 구비하는 스테이터(20)와, 상기 스테이터(20)의 내측에 일정 에어갭을 두고 배치되고 중앙부에 회전축(40)에 고정되는 로터(30)와, 상기 분할 코어(u1-u4,v1-v4)에 각각 형성된 삽입홈(27a)에 고정되어 자속밀도를 보강하는 다수, 예를 들어, 8개의 더미 자석(27)을 포함한다.

상기 로터(30)는 도 4와 같이 SPM(Surface Permanent Magnet) 방식으로 백요크(34)의 중앙에 형성된 구멍에 회전축(40)이 고정되고, 백요크(34)의 외주면에 방사상으로 배열되는 다수의 자석(32)을 포함하거나, 또는 IPM(Interior Permanent Magnet) 방식으로 백요크의 중앙에 형성된 구멍에 회전축(40)이 고정되고, 백요크의 내부에 방사상으로 형성된 자석 삽입홈에 삽입되는 다수의 자석(32)을 포함할 수 있다. 상기 다수의 자석(32)은 N극 및 S극이 교대로 배치되며, SPM 방식인 경우 분할편 구조 또는 분할 착자된 링 형태로 이루어질 수 있다.

상기 스테이터(20)는 각각 "T"자 형상으로 이루어진 예를 들어, 8개의 분할 코어(u1-u4,v1-v4)를 구비하며, 분할 코어(u1-u4,v1-v4) 각각은 환형으로 상호 조합될 때 양 단부가 상호 접촉되어 환형 외주부를 형성하여 자기회로 경로를 형성하는 요크(131)와, 상기 요크(131)의 내측으로 돌출되어 선단부가 자석(32)과 대향하며 코일(23)이 감기는 티스(133)를 포함한다.

상기 분할 코어(u1-u4,v1-v4)는 자로형성재료, 예를 들어 "T"자 형 전기 강판을 적층 성형하여 이루어지거나, 비정질 합금 분말 또는 판상의 비정질 합금분말과 구형의 연자성 분말로 이루어진 혼합분말로 성형될 수 있다.

이러한 분할 코어(u1-u4,v1-v4)는 내측 방향의 자속이 발생되도록 코일(23)이 권선된 u상 분할 코어(u1-u4)와 외측 방향의 자속이 발생되도록 코일(23)이 권선된 v상 분할 코어(v1-v4)가 교대로 배치되어 있다. 이 경우, 상기 각상의 분할 코어(u1-u4,v1-v4)에 권선되는 코일(23)은 각각 연속 권선되는 것이 바람직하다.

분할 코어(u1-u4,v1-v4)는 각각 요크(131)의 중앙에 사각형 형태의 삽입홈(27a)이 형성되고, 사각 바 형태의 더미 자석(27)이 삽입홈(27a)에 삽입된다. 상기 더미 자석(27)은 분할 코어(u1-u4,v1-v4)마다 삽입되므로 분할 코어와 동일한 개수로 사용되며, u상 분할 코어(u1-u4)에는 코일(23)의 권선에 따라 발생된 내측 방향의 제1자속에 추가적인 제2자속이 보강되도록 더미 자석(27)은 N극 자석이 사용되고, v상 분할 코어(v1-v4)에는 코일(23)의 권선에 따라 발생된 외측 방향의 제1자속에 추가적인 제2자속이 보강되도록 더미 자석(27)은 S극 자석이 사용된다.

그 결과, 8슬롯-12폴 구조로 설계된 본 발명의 제1 실시예에 따른 BLDC 모터는 도 4와 같이, 로터(30)가 "0°"일 때, u상 분할 코어(u1-u4)와 연결된 스위칭 트랜지스터가 턴온되어 u상 분할 코어(u1-u4)에 권선된 u상 코일에 구동전류가 흐르게 되면, 티스(133)에 권선된 코일(23)로부터 발생된 내측 방향의 제1자속에 N극의 더미 자석(27)으로부터 발생된 추가적인 제2자속이 가산되어 자속밀도가 증가하게 된다. 따라서, 화살표와 같은 자기회로경로(P)를 따라 자속이 흐르면서 로터(30)의 회전이 이루어지게 된다.

이 경우, 상기 자기회로경로(P)를 따라 흐르는 제1자속은 요크(131)에 삽입된 더미 자석(27)의 작용에 의해 집속되면서 자속 누설이 방지되고, 더미 자석(27)으로부터 발생된 추가적인 제2자속이 제1자속에 가산되어 자속밀도가 종래와 비교할 때 1.5배 이상 크게 증가하게 된다.

즉, 본 발명의 제1 실시예에 따른 BLDC 모터는 모터의 직경은 동일하게 유지하면서 로터(30)에 구비된 자석(32)에, 추가적으로 더미 자석(27)을 스테이터의 코어에 구비함에 따라 자속밀도가 크게 증가되어 모터의 효율이 3상 전파 구동방식의 모터와 동등할 정도로 증가하게 된다.

한편, 로터의 백요크에 부착되어 사용되는 분할편 구조의 자석은 코깅(cogging)에 기인한 소음을 최소화하기 위해 각 자석의 모서리 부분을 라운드(R) 처리하는 에지 가공에 전체 자석 비용의 약 1/3 정도의 가공비를 부담하여야 하나, 상기 더미 자석(27)은 사각 바 형상으로 이루어지면 족하므로 상기한 모서리 가공이 필요없기 때문에 가공비를 절약할 수 있다.

그 결과, 본 발명의 모터는 더블 로터 모터와 동등한 성능을 발휘하면서 더블 로터 모터보다 제조비용이 저렴한 저비용, 고효율의 BLDC 모터를 구현할 수 있다.

한편, 제1실시예의 분할 코어(u1-u4,v1-v4)는 환형으로 상호 조합될 때, 각 분할 코어(u1-u4,v1-v4)의 티스 선단과 요크(131)의 외주를 제외한 나머지 부분을 둘러싸는 일체형 보빈을 사용하여 일체화하고, 티스(133)에 코일(23)을 권선할 수 있다.

또한, 분할 코어(u1-u4,v1-v4: 130)는 환형으로 상호 조합될 때, 다수의 분할 코어(u1-u4,v1-v4: 130)를 도 5a 및 도 5b에 도시된 분할형 보빈(120)을 사용하여 환형으로 조합할 수 있다.

즉, 분할 코어(130)는 각각의 외주에 보빈(120)이 인서트 몰딩에 의해 일체형으로 형성된다. 이 경우 티스(133)의 선단부와 요크(131)의 외측면 및 양 측면에는 보빈(120)이 형성되지 않는다.

또한, 수지를 사용한 인서트 몰딩에 의해 보빈(120)이 분할 코어(130)의 외주에 일체형으로 형성될 때, 보빈(120)의 양 측면에는 인접한 보빈간에 상호 결합이 이루어질 수 있는 결합구조를 구비한다. 이를 위해 보빈(120)의 일측에는 수직방향으로 베이스부(124)에 결합돌기(125)가 연장 형성되고, 타측에는 인접한 보빈(120)의 결합돌기(125)에 삽입 결합되는 구멍(127a)이 형성된 결합링(127)이 상측에 형성되어 있다.

상기 도시된 실시예에서는 결합돌기(125)와 결합링(127)이 좌측 및 우측에 배치되어 있으나, 이와 반대로 결합돌기(125)와 결합링(127)이 우측 및 좌측에 배치되는 것도 가능하다.

도 5a에서 보빈(120)의 상면과 하면에는 각각 코일(23)이 권선되는 영역을 한정하기 위한 플랜지(121a,121b)가 돌출되어 있다.

따라서, 인접한 보빈(120) 사이의 결합은 도 5b에 도시된 바와 같이, 분할 코어 조립체(130a)의 결합돌기(125)를 인접한 분할 코어 조립체(130b)의 결합링(127)의 구멍(127a)에 결합시키고, 동일한 방법으로 분할 코어 조립체(130b)의 결합돌기(125)를 인접한 분할 코어 조립체(130c)의 결합링(127)에 결합시키는 방식으로 순차적으로 8개의 분할 코어 조립체를 결합시키면, 환형의 조립 구조를 이루게 된다.

또한, 상기한 실시예에서는 인접한 분할 코어 조립체 사이의 결합에 결합돌기(125)와 결합링(127)을 이용하는 구조를 제시하고 있으나, 보빈(120)의 좌우측에 각각 결합돌기와 결합홈을 구비하여 상호 결합이 이루어지거나, 다른 결합구조를 채용하는 것도 물론 가능하다.

환형의 가조립이 이루어진 경우, 결합링(127)의 상부로 노출된 결합돌기(125)의 선단부를 열 융착 또는 초음파 융착시키면 간단하게 고정이 이루어진다.

본 발명에서는 8개의 분할 코어 조립체를 조립시키기 전에 먼저 각 보빈(120)의 코일권선부(123)에 코일(23)을 권선한다. 즉, 상기 코일(23)은 각각 u,v상별로 분할 코어 조립체를 연결지그를 사용하여 선형상으로 정렬한 상태에서 1축 권선기를 이용하여 연속 권선할 수 있다.

그 후, 조립된 분할 코어 조립체(130a-130c)는 수지를 사용한 인서트 몰딩에 의해 조립된 분할 코어 조립체(130a-130c)를 둘러싸는 스테이터 지지체를 형성하여 티스(132)의 선단부를 제외한 나머지 부분을 둘러싸는 방법으로 일체화시킴에 의해 내구성 향상과 소음발생 억제 및 실링 특성 향상이 이루어지게 할 수 있다.

또한, 조립된 분할 코어 조립체(130a-130c)는 상기한 인서트 몰딩 대신에 보빈(120)의 하측에 결합돌기를 구비하고 환형 지지브라켓을 이용하여 조립함에 의해 내구성을 높이고 경량화를 도모할 수 있다. 분할 코어 조립체(130a-130c)의 조립 후에 수지를 사용한 인서트 몰딩이 필수적인 사항이 아니므로 경량화와 함께 분할 코어 조립체(130a-130c) 사이의 공간을 이용한 공냉이 이루어질 수 있다.

따라서, 상기한 바와 같이 제1실시예에 따른 분할 코어 조립체는 각각이 전기 강판 또는 비정질 합금 분말로 성형된 다수의 분할 코어가 상호 연결된 구조이므로 누설자속을 최소화하면서도 서로 분리된 완전 분할형 구조이므로 각 분할 코어 조립체에 대한 코일의 권선이 저렴한 범용 권선기를 사용하여 코일을 권선함에 의해 권선 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

상기한 제1실시예에 따른 일체형 및 분할 코어형 스테이터는 인너 로터와 조합되어 사용 가능한 구조를 예시하고 있으나, 티스가 외측으로 돌출되는 형태로 분할 코어를 배치하고 동일한 방식으로 일체형 또는 분할형 보빈을 형성한다면 쉽게 아웃터 로터와 조합되어 사용 가능한 스테이터로 변형이 이루어질 수 있다.

도 6을 참고하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 BLDC 모터(100a)는 각각 코일(23)이 권선되는 다수, 예를 들어, 8개의 분할 코어(u1-u4,v1-v4: 130)를 구비하는 스테이터(20)와, 상기 스테이터(20)의 내측에 일정 에어갭을 두고 배치되고 중앙부에 회전축(40)에 고정되는 로터(30a)와, 상기 분할 코어(u1-u4,v1-v4)에 각각 형성된 삽입홈(27a)에 고정되어 자속밀도를 보강하는 다수, 예를 들어, 8개의 더미 자석(27)을 포함한다.

상기 제1 실시예의 BLDC 모터(100)는 8슬롯-12폴 구조로 설계되어 2상 반파방식으로 구동되는 것이나, 제2 실시예의 BLDC 모터(100a)는 8슬롯-8폴 구조로 설계되어 단상 전파방식으로 구동되는 점에서 차이가 있다.

즉, 제2 실시예의 BLDC 모터(100a)는 제1 실시예와 동일한 스테이터(20)를 사용하고, 로터(30a)가 스테이터(20)의 슬롯(slot)과 동일한 폴(pole)수, 즉 자석으로 이루어진 점에서 차이가 있고 나머지 부분은 제1실시예와 동일하다.

상기 제2 실시예에 사용되는 로터(30a)는 SPM(Surface Permanent Magnet) 방식으로 백요크(34)의 중앙에 형성된 구멍에 회전축(40)이 고정되고, 백요크(34)의 외주면에 방사상으로 배열되는 8개의 자석(32)을 포함하거나, 또는 IPM(Interior Permanent Magnet) 방식으로 백요크의 중앙에 형성된 구멍에 회전축(40)이 고정되고, 백요크의 내부에 방사상으로 형성된 자석 삽입홈에 삽입되는 8개의 자석(32)을 포함할 수 있다. 상기 8개의 자석(32)은 N극 및 S극이 교대로 배치되며, SPM 방식인 경우 분할편 구조 또는 분할 착자된 링 형태로 이루어질 수 있다.

제2 실시예의 BLDC 모터(100a)는 모터 구동이 단상 전파방식으로 구동되는 것이므로 제1 실시예와 유사하게 적은 수의 스위칭 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있다.

제2 실시예의 BLDC 모터(100a)는 모터 구동회로의 구동방식만 제1 실시예와 상이할 뿐 실질적으로 제1 실시예와 동일하게 동작된다.

즉, 자기회로경로(P)를 따라 흐르는 제1자속은 요크(131)에 삽입된 더미 자석(27)의 작용에 의해 집속되면서 자속 누설이 방지되고, 더미 자석(27)으로부터 발생된 추가적인 제2자속이 제1자속에 가산되어 자속밀도가 종래와 비교할 때 1.5배 이상 크게 증가하게 된다.

즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 BLDC 모터(100a)는 모터의 직경은 동일하게 유지하면서 로터(30a)에 구비된 자석(32)에, 추가적으로 더미 자석(27)을 스테이터의 코어에 구비함에 따라 자속밀도가 크게 증가하게 된다.

또한, 로터에 사용되는 분할편 자석(32)은 코깅(cogging)에 기인한 소음을 최소화하기 위해 각 자석의 모서리 부분을 라운드(R) 처리하는 에지 가공에 전체 자석 비용의 약 1/3 정도의 가공비를 부담하여야 하나, 상기 더미 자석(27)은 사각 바 형상으로 이루어지면 족하므로 상기한 모서리 가공이 필요없기 때문에 가공비를 절약할 수 있다.

그 결과, 제2 실시예의 BLDC 모터(100a)는 더블 로터 모터와 동등한 성능을 발휘하면서 더블 로터 모터보다 제조비용이 저렴한 저비용, 고효율의 BLDC 모터를 구현할 수 있다.

상기 실시예 설명에서는 스테이터가 다수의 분할 코어로 구성된 것을 예시하였으나, 본 발명은 일체형 코어에도 적용될 수 있다.

20: 스테이터 23: 코일
27: 더미 자석 27a: 삽입홈
30,30a: 로터 32: 자석
34: 백요크 40: 회전축
100,100a: 모터 120: 보빈
121a,121b: 플랜지 124: 베이스부
125: 결합돌기 127: 결합링
127a: 구멍 130a-130c: 분할 코어 조립체
131: 요크 133: 티스
P; 자기회로경로 u1-u4,v1-v4: 분할 코어

Claims (14)

1. 다수의 N극 및 S극 자석이 백요크에 교대로 배치된 로터;
   환형 요크로부터 다수의 티스가 상기 로터와 에어갭을 두고 대향하도록 돌출된 코어를 구비하고, 상기 티스에 코일이 권선되는 스테이터; 및
   상기 다수의 티스에 대응하여 환형 요크에 매입된 다수의 더미 자석을 포함하며,
   상기 다수의 더미 자석은 각각 대응하는 티스로부터 발생되는 자속의 방향과 동일한 방향의 자속을 발생하도록 자석의 극성이 결정되는 것을 특징으로 하는 브러쉬레스 직류(BLDC) 모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 티스에 권선되는 코일은 2상 코일로 구성되고, 상기 2상 코일은 다수의 티스에 교대로 권선되며, 2상 반파 구동방식으로 구동되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 모터는 2상 반파 구동방식으로 구동되며,
   상기 로터의 자석 폴(pole) 수는 (슬롯 수×8)의 배수로 설정되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 모터는 단상 전파 구동방식으로 구동되며,
   상기 로터의 자석 폴(pole) 수는 (슬롯 수× (1 또는 2))의 배수로 설정되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
5. 제1항에 있어서, 상기 스테이터의 코어는
   각각 "T"자 형상으로 이루어진 다수의 분할 코어를 구비하며,
   상기 분할 코어 각각은 환형으로 상호 조합될 때 양 단부가 상호 접촉되어 환형 외주부를 형성하여 자기회로 경로를 형성하는 요크와, 상기 요크의 내측으로 돌출되어 선단부가 자석과 대향하며 코일이 권선되는 티스를 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
6. 제5항에 있어서, 상기 더미 자석은 요크의 중앙부에 배치되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
7. 제5항에 있어서,
   상기 다수의 분할 코어는 각각 외주에 권선되는 코일을 절연시키기 위한 절연성 보빈을 더 포함하며,
   상기 다수의 분할 코어는 보빈의 좌우측에 형성된 결합구조를 이용하여 환형으로 조립되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
8. 제7항에 있어서,
   상기 보빈의 결합구조는
   상기 보빈의 일측에 수직방향으로 베이스부로부터 연장 형성되는 결합돌기와, 상기 보빈의 타측 상부에 형성되어 인접한 보빈의 결합돌기에 삽입 결합되는 구멍이 형성된 결합링으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 더미 자석은 사각 바 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 로터는 스테이터의 내측 또는 외측에 배치되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
11. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스테이터의 코어는 "T"자 형 전기 강판을 적층 성형하여 이루어지거나, 비정질 합금 분말 또는 판상의 비정질 합금분말과 구형의 연자성 분말로 이루어진 혼합분말로 성형되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
12. 2상 구동방식으로 로터를 회전 구동시키는 스테이터에 있어서,
    각각 환형으로 상호 조합될 때 양 단부가 상호 접촉되어 환형 외주부를 형성하여 자기회로 경로를 형성하는 요크와 상기 요크로부터 돌출되어 선단부가 상기 로터의 자석과 대향하며 코일이 권선되는 티스를 구비하는 다수의 분할 코어;
    상기 다수의 분할 코어의 티스에 각 상별로 교대로 권선되는 2상 코일; 및
    상기 다수의 분할 코어 각각에 삽입되는 다수의 더미 자석을 포함하며,
    상기 더미 자석으로부터 발생된 제2자속이 대응하는 티스에 권선된 코일로부터 발생된 제1자속과 동일방향으로 설정되도록 더미 자석의 극성이 결정되는 것을 특징으로 하는 스테이터.
13. 제12항에 있어서,
    상기 더미 자석은 요크의 중앙부에 삽입되며 사각 바 형상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스테이터.
14. 제12항에 있어서,
    상기 다수의 분할 코어는 각각 외주에 권선되는 코일을 절연시키기 위한 절연성 보빈을 더 포함하며,
    상기 다수의 분할 코어는 보빈의 좌우측에 형성된 결합구조를 이용하여 환형으로 조립되는 것을 특징으로 하는 스테이터.

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