KR20150112265A - 브러시리스 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 작은 전류로서 큰 구동력을 얻을 수 있고 모터의 크기를 줄일 수 있도록 브러시리스 모터의 철심의 구조와 철심에 링 연결 단극코일(Ring Connected Unipolar Coil)을 권선하는 방법을 개선한 브러시리스 모터에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 모터는, 코일을 권선하기 위한 다수의 코일 슬롯이 형성된 철심; 상기 다수의 코일 슬롯에 권선된 각 인접 코일에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자속이 상쇄되는 것을 방지하도록 상기 코일 슬롯 사이에 형성되는 다수의 자속 상쇄 방지 슬롯;을 포함할 수 있다.

Description

브러시리스 모터 {BRUSHLESS MOTOR}

본 발명은 작은 전류로서 큰 구동력을 얻을 수 있고 모터의 크기를 줄일 수 있도록 브러시리스 모터의 철심의 구조와 철심에 링 연결 단극코일(Ring Connected Unipolar Coil)을 권선하는 방법을 개선한 브러시리스 모터에 관한 것이다.

즉, 본 발명은 무게가 가벼우면서도 토크가 크고 큰 출력을 낼 수 있는 브러시리스 모터(Brushless Motor)에 관한 것이다.

당업자에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 기존의 브러시리스 모터의 철심은 모터의 출력을 키우기 위하여 코일을 권선할 수 있는 공간을 늘리고 철심이 차지하는 비중을 줄임으로써 자속밀도가 낮아서 큰 구동력을 얻기 위하여 많은 전류를 필요로 한다.

즉, 도 1에 도시한 바와 같이 기존의 브러시리스 모터의 철심(1)은 모터의 출력을 키우기 위하여 코일을 권선할 수 있는 공간을 늘리고 철심이 차지하는 비중을 줄임으로써 상기 코일에 도 1과 같은 전류가 흐를 때, 도 2에 도시한 바와 같이 자속의 분포가 균일하지 않아서 자속밀도가 작기 때문에 큰 구동력을 얻기 위해서는 큰 전류를 필요로 한다.

또한, 삼상 브러시리스 모터의 델타결선(Delta-connection)은 링 연결 단극코일과 같이 모든 코일이 모터의 구동에 참여함으로써 큰 출력을 낼 수 있지만, 서로 반대 방향으로 흐르는 전류가 비대칭이고, 삼상 브러시리스 모터의 구동회로는 복잡하여 출력이 작은 모터를 제외하고 구동회로를 내장하여 구동회로 일체형 브러시리스 모터를 만들기가 매우 어렵다.

이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진하기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.

따라서, 본 발명이 해결하려는 과제는, 작은 전류로서 큰 구동력을 얻을 수 있고 모터의 크기를 줄일 수 있도록 브러시리스 모터의 철심의 구조와 철심에 링 연결 단극코일(Ring Connected Unipolar Coil)을 권선하는 방법을 개선한 브러시리스 모터를 제공하는 것이다.

본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 코일의 권선 수를 증대시키지 않으면서 권선된 코일 주위에 강한 자장을 형성함으로써 코일의 인덕턴스를 크게 하여 빠른 전류의 변화에도 모터를 쉽게 제어할 수 있는 브러시리스 모터를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 모터는, 코일을 권선하기 위한 다수의 코일 슬롯이 형성된 철심; 상기 다수의 코일 슬롯에 권선된 각 인접 코일에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자속이 상쇄되는 것을 방지하도록 상기 코일 슬롯 사이에 형성되는 다수의 자속 상쇄 방지 슬롯;을 포함한다.

상기 코일 슬롯과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯은 각각 폭이 좁은 직사각형이고, 상기 코일 슬롯은 상기 자속 상쇄 방지 슬롯 보다 상대적으로 더 크게 형성될 수 있다.

상기 코일 슬롯과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯 간의 간격은 상기 코일 슬롯에 권선된 코일의 전류에 의한 자속과 상기 브러시리스 모터의 영구자석의 자속에 의해서 자기포화가 생기지 않는 크기의 간격이고; 상기 코일 슬롯의 폭은 정해진 평각선 코일을 일렬로 권선할 수 있는 크기일 수 있다.

상기 코일 슬롯과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯의 수는 상기 브러시리스 모터에 적용되는 상(phase)의 수와 자극의 수를 곱한 수의 배수일 수 있다.

상기 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 모터는 상기 다수의 코일 슬롯에 일렬로 권선된 평각선 코일을 포함하고, 상기 평각선 코일은 토로이달 방향으로 권선될 수 있다.

상기 브러시리스 모터의 철심에 권선되는 각 상(phase)의 코일은 단극코일로 형성되되, 상기 단극코일은: 상기 브러시리스 모터의 자극의 수가 4극 이상일 때, 상기 자극의 수에 상기 브러시리스 모터에 인가되는 상(phase)의 수를 곱한 수의 코일을 링 연결로 연결하는 과정; 상기 상의 수에 두 배가 되는 코일을 조합하여 상기 자극의 수를 반으로 나눈 수만큼의 코일을 만드는 과정; 상기 각 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자끼리 병렬 연결하여 상기 브러시리스 모터에 인가되는 전원의 양극에 연결하는 과정; 상기 각 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자끼리 병렬 연결하여 상기 전원의 음극에 연결하는 과정;을 포함하여 형성될 수 있다.

상기 브러시리스 모터의 철심에 권선되는 각 상(phase)의 코일은 단극코일로 형성되되, 상기 단극코일은: 상기 브러시리스 모터의 자극의 수가 4극 이상일 때, 상기 상의 수에 두 배가 되는 코일을 조합하여 독립된 링 연결 코일을, 상기 자극의 수를 반으로 나눈 수만큼 만드는 과정; 선행하는 제1 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 후행하는 제2 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자에 직렬 연결하고, 상기 제2 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 후행하는 제3 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자에 직렬 연결하고, 상기 제3 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 후행하는 제4 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자에 직렬 연결하는 방식으로 최후단 코일까지 순차적으로 직렬 연결하는 과정; 상기 제1 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자를 전원의 양극에 연결하고, 상기 최후단 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 상기 전원의 음극에 연결하는 과정;을 포함하여 형성될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 모터의 무게가 가벼우면서도 작은 전류로서 큰 구동력을 얻을 수 있고 큰 출력을 낼 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 코일의 권선 수를 증대시키지 않으면서 권선된 코일 주위에 강한 자장을 형성함으로써 코일의 인덕턴스를 크게 할 수 있다.

도 1은 기존의 4극 3상 브러시리스 모터의 철심 및 전류 방향을 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 4극 3상 브러시리스 모터의 전류에 의한 철심에서의 자속 분포도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 4극 3상 브러시리스 모터의 개략적인 철심 구조도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 모터의 평각선 코일이 토로이달 방향으로 권선된 형태를 도시한 개념도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 4극 3상 브러시리스 모터의 철심 및 전류 방향을 나타낸 개략도이다.
도 6은 도 5의 4극 3상 브러시리스 모터의 전류에 의한 철심에서의 자속 분포도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 링 연결로 이루어진 2극 3상 단극코일의 연결 구성도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 링 연결로 이루어진 4극 3상 단극코일의 연결 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 병렬연결로 이루어진 4극 3상 링 연결 단극코일의 연결 구성도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 직렬연결로 이루어진 4극 3상 링 연결 단극코일의 연결 구성도이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 4극 3상 브러시리스 모터의 개략적인 철심 구조도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 모터의 철심(100)은 자속 밀도를 극대화하기 위해서 코일(미도시)을 권선할 수 있는 가늘고 긴 틈(예를 들면 "ㄷ"자 형상)으로 이루어진 코일 슬롯(C1, C2, C3, …)을 등간격으로 배치하고, 인접한 코일 슬롯에 권선된 코일에 흐르는 전류에 의해서 발생한 자속과 서로 상쇄되는 것을 방지하기 위한 가늘고 긴 틈으로 이루어진 자속 상쇄 방지 슬롯(D1, D2, D3, …)을 상기 코일을 권선하기 위한 코일 슬롯(C1, C2, C3, …) 사이에 형성한다.

상기 코일을 권선하기 위한 상기 코일 슬롯(C1, C2, C3, …)과 상기 인접한 전류에 의해서 발생한 자속과 서로 상쇄되는 것을 방지하기 위한 자속 상쇄 방지 슬롯(D1, D2, D3, …) 사이의 철심의 간격은 상기 권선된 코일의 전류에 의한 자속과 영구자석의 자속에 의해서 자기포화가 생기지 않을 만큼 좁게 하는 것을 특징으로 한다.

상기 코일을 권선하기 위한 코일 슬롯(C1, C2, C3, …)의 폭은 코일을 일렬로 감을 수 있는 크기로 하여 자속밀도를 극대화할 수 있고, 도 4에 도시한 바와 같이 철심(100)에 평각선 코일(140)로 토로이달 방향으로 조밀하게 감을 수 있다.

상기 코일 슬롯(C1, C2, C3, …)과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯(D1, D2, D3,…)의 수는 브러시리스 모터의 상(phase)의 수와 자극의 수를 곱한 수의 배수로 하되, 상기 코일을 권선하기 위한 코일 슬롯(C1, C2, C3, …)과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯(D1, D2, D3, …) 사이의 철심의 간격과 상기 코일 슬롯(C1, C2, C3, …)에 상기 평각선 코일을 일렬로 권선할 수 있는 크기를 감안하여 정할 수 있다.

상기 철심(100)의 상기 코일 슬롯에 권선된 코일에 도 5에 도시한 바와 같은 전류가 흐를 때, 도 6에 도시한 바와 같은 균일한 자속분포가 발생하여 작은 전류만으로 큰 자속밀도를 만들 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 브러시리스 모터의 단극코일은 도 7에 도시한 바와 같이 자극 수에 상(phase)의 수를 곱한 코일을 링 연결(Ring Connection)로 연결하고, 각 코일의 연결점에 단자를 만들고 자극(N, S)에 대하여 서로 대칭되는 두 개의 단자끼리 전원(미도시)에 연결하여 각 상의 단극코일을 구성할 수 있다.

2극 3상 단극코일이 도시된 도 7과 같이 여섯 개의 코일 연결점을 C1, C2, C3, C4, C5, C6라 하면, 자극(N, S)에 대하여 서로 대칭된 코일의 연결점 C1과 C4을 단자로 하는 U상의 단극코일을 만들어 전원의 양극(+)을 C1에 연결하고; 전원의 음극(-)을 C4에 연결하고; 코일의 연결점 C3과 C6를 단자로 하는 V상의 단극코일을 만들어 전원의 양극을 C3에 연결하고; 전원의 음극을 C6에 연결하게 하며; 코일의 연결점 C5과 C2를 단자로 하는 W상의 단극코일을 만들어 전원의 양극을 C5에 연결하고; 전원의 음극을 C2에 연결하게 하는 방식으로 삼상 단극코일을 구성할 수 있다.

4극 3상 단극코일의 경우, 도 8에 도시한 바와 같이 열두 개의 코일 연결점을 C1, C2, C3, …, C12라 하면, 코일의 연결점 C1과 C4를 단자로 하는 단극코일에 전원의 양극을 C1에 연결하고 전원의 음극을 C4에 연결하게 한 단극코일과, 코일의 연결점 C7과 C10를 단자로 하는 단극코일에 전원의 양극을 C7에 연결하고 전원의 음극을 C10에 연결하게 한 단극코일을 직렬 연결하거나 병렬 연결하여 U상의 단극코일을 구성하고; 같은 방식으로 V상과 W상의 단극코일을 구성하는 방식으로 3상 단극코일을 형성할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 링 연결 단극코일은, 자극이 4극 이상인 경우에 병렬연결과 직렬연결 방식으로 할 수 있으며; 상기 병렬연결은 도 9에 도시한 바와 같이 U1, V1, W1상을 조합으로 하는 코일과, U2, V2, W2상을 조합으로 하는 코일에서 U1+ 단자와 U2+ 단자를 병렬 연결하여 전원의 양극에 연결하고; U1- 단자와 U2- 단자를 병렬 연결하여 전원의 음극에 연결하여 U상의 단극코일을 만들고; V1+ 단자와 V2+ 단자를 병렬 연결하여 전원의 양극에 연결하고, V1- 단자와 V2- 단자를 병렬 연결하여 전원의 음극에 연결하여 V상의 단극코일을 만들고; W1+ 단자와 W2+ 단자를 병렬 연결하여 전원의 양극에 연결하고, W1- 단자와 W2- 단자를 병렬 연결하여 전원의 음극에 연결하여 W상의 단극코일을 만드는 방식으로 3상 단극코일을 구성할 수 있다.

상기 직렬연결은 도 10에 도시한 바와 같이 U1, V1, W1상을 조합으로 코일과 U2, V2, W2상을 조합으로 하는 코일을 독립하여 링 연결 코일을 만들고; U1- 단자와 U2+ 단자를 직렬 연결한 뒤에 U1+ 단자를 전원의 양극에 연결하고 U2- 단자를 전원의 음극에 연결하여 U상의 단극코일을 만들고; V1- 단자와 V2+ 단자를 직렬 연결한 뒤에 V1+ 단자를 전원의 양극에 연결하고 V2- 단자를 전원의 음극에 연결하여 V상의 단극코일을 만들고; W1- 단자와 W2+ 단자를 직렬 연결한 뒤에 W1+ 단자를 전원의 양극에 연결하고 W2- 단자를 전원의 음극에 연결하여 W상의 단극코일을 구성하는 방식으로 3상 단극코일을 만들 수 있다.

이로써, 본 발명의 실시예에 따르면, 브러시리스 모터의 철심은 코일을 권선할 수 있는 가늘고 긴 틈으로 이루어진 슬롯과 인접한 전류에 의해서 발생한 자속과 서로 상쇄되는 것을 방지하기 위한 가늘고 긴 틈으로 이루어진 슬롯을 철심에서 자기포화가 일어나지 않을 만큼 많이 만들고, 평각선 코일을 일렬로 코일을 권선하기 위한 슬롯에 권선함으로써 권선된 코일 주위에 강한 자장이 형성되어 코일의 인덕턴스를 크게 할 수 있고, 작은 전류로써 큰 구동력을 얻을 수 있으며, 평각선 코일을 철심에 토로이달 방향으로 권선함으로써 브러시리스 모터의 크기를 줄일 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 링 연결 단극코일은 일부분의 코일로써 모터를 구동하는 것이 아니라 모든 코일이 모터의 구동에 관여함으로써 모터의 출력과 성능이 3상 브러쉬리스 모터를 능가하고, 링 연결 단극코일을 구동하는 구동회로가 단순하여 구동회로를 내장하기가 용이하다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (7)

1. 브러시리스 모터에 있어서,
   코일을 권선하기 위한 다수의 코일 슬롯이 형성된 철심;
   상기 다수의 코일 슬롯에 권선된 각 인접 코일에 흐르는 전류에 의해서 발생되는 자속이 상쇄되는 것을 방지하도록 상기 코일 슬롯 사이에 형성되는 다수의 자속 상쇄 방지 슬롯;
   를 포함하는 것을 특징으로 브러시리스 모터.
   
2. 제1항에서,
   상기 코일 슬롯과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯은 각각 "ㄷ"자 형상이고, 상기 코일 슬롯은 상기 자속 상쇄 방지 슬롯 보다 상대적으로 더 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
   
3. 제1항에서,
   상기 코일 슬롯과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯 간의 간격은 상기 코일 슬롯에 권선된 코일의 전류에 의한 자속과 상기 브러시리스 모터의 영구자석의 자속에 의해서 자기포화가 생기지 않는 크기의 간격이고; 상기 코일 슬롯의 폭은 정해진 평각선 코일을 일렬로 권선할 수 있는 크기의 간격인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
   
4. 제1항에서,
   상기 코일 슬롯과 상기 자속 상쇄 방지 슬롯의 수는 상기 브러시리스 모터에 적용되는 상(phase)의 수와 자극의 수를 곱한 수의 배수인 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
   
5. 제1항에서,
   상기 다수의 코일 슬롯에 일렬로 권선된 평각선 코일을 포함하고,
   상기 평각선 코일은 토로이달 방향으로 감긴 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
   
6. 제1항에서,
   상기 브러시리스 모터의 철심에 권선되는 각 상(phase)의 코일은 단극코일로 형성되되, 상기 단극코일은:
   상기 브러시리스 모터의 자극의 수가 4극 이상일 때, 상기 자극의 수에 상기 브러시리스 모터에 인가되는 상(phase)의 수를 곱한 수의 코일을 링 연결로 연결하는 과정;
   상기 상의 수에 두 배가 되는 코일을 조합하여 상기 자극의 수를 반으로 나눈 수만큼의 코일을 만드는 과정;
   상기 각 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자끼리 병렬 연결하여 상기 브러시리스 모터에 인가되는 전원의 양극에 연결하는 과정;
   상기 각 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자끼리 병렬 연결하여 상기 전원의 음극에 연결하는 과정;을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 브러시리스 모터.
   
7. 제1항에서,
   상기 브러시리스 모터의 철심에 권선되는 각 상(phase)의 코일은 단극코일로 형성되되, 상기 단극코일은:
   상기 브러시리스모터의 자극의 수가 4극 이상일 때, 상기 상의 수에 두 배가 되는 코일을 조합하여 독립된 링 연결 코일을, 상기 자극의 수를 반으로 나눈 수만큼 만드는 과정;
   선행하는 제1 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 후행하는 제2 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자에 직렬 연결하고, 상기 제2 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 후행하는 제3 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자에 직렬 연결하고, 상기 제3 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 후행하는 제4 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자에 직렬 연결하는 방식으로 최후단 코일까지 순차적으로 직렬 연결하는 과정;
   상기 제1 코일에 있는 각 상의 플러스(+) 단자를 전원의 양극에 연결하고, 상기 최후단 코일에 있는 각 상의 마이너스(-) 단자를 상기 전원의 음극에 연결하는 과정;을 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 브러시리스모터.

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