KR20160011920A - 이중 회전자, 이중 고정자 및 이중 센서 구조를 포함한 bldc 모터 및 이를 포함하는 전기식 선형 액추에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 이중 회전자, 이중 고정자 및 이중 센서 구조를 포함한 BLDC 모터 및 이를 적용한 전기식 선형 액추에이터에 관한 것이다. 이에 본 발명은 모터의 회전 축이 되는 모터 샤프트(9); 모터 샤프트(9)의 둘레에 축 방향으로 일정한 간격을 유지하면서 배치되는 이중 회전자(3, 4); 상기 이중 회전자(3, 4)의 둘레에 모터 샤프트(9)의 축 방향으로 배치되고, 상기 이중 회전자(3, 4)와의 사이에 공극을 두고 위치하는 이중 고정자(1, 2); 모터 샤프트(9)에 연결되어 모터 샤프트(9)와 동시에 회전하고, 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)에 모터의 회전정보를 전달하기 위한 자석이 배치되는 홀 센서 자석부(10); 모터 샤프트(9)의 일단에 배치되고 모터 케이스(20)에 고정되며 상기 홀 센서 자석 부(10)의 자기신호를 감지하는 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17) 및 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)를 설치하기 위한 기판을 포함하는 홀 센서 기판조립체(11)로 구성된 BLDC 모터를 제공한다. 본 발명은 종래의 홀 센서가 3개이고 회전자 및 고정자가 하나만 있었던 BLDC 모터를, 이중구조의 회전자, 이중구조의 고정자 및 이중구조의 홀 센서구조로 배치함으로써 어느 하나의 홀 센서 세트, 어느 하나의 회전자 또는 고정자가 작동하지 않더라도 BLDC 모터가 정상작동 할 수 있도록 한다. 이에 따라 BLDC 모터 및 이를 적용한 액추에이터의 신뢰성을 확보할 수 있다.

Description

이중 회전자, 이중 고정자 및 이중 센서 구조를 포함한 BLDC 모터 및 이를 포함하는 전기식 선형 액추에이터{BLDC motor including dual-rotor, dual-stator and dual-sensor structure, and electric linear actuators including BLDC motor}
본 발명은 이중 회전자, 이중 고정자 및 이중 센서 구조를 포함한 BLDC 모터 및 이를 포함하는 전기식 선형 액추에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 기존의 BLDC 모터는 단일의 회전자, 단일의 고정자 및 단일의 센서 구조인 것에 비해, 회전자, 고정자 및 센서를 이중 구조화하여 장치의 신뢰성을 확보하는 BLDC 모터 및 이를 이용한 액추에이터에 관한 것이다.
전기식 액추에이터의 구동원으로서는 DC모터, Stepping 모터, SR 모터, BLDC 모터 등 다양한 종류의 모터가 이용되며, 그중 BLDC 모터는 브러시가 없는 모터로서 외부에서 유입된 전류에 의해 회전자 계를 형성하는 고정자와 상기 고정자의 내부에 장착되고 영구자석이 설치되는 회전자로 구성된다. BLDC 모터의 경우 DC 모터의 특징인 기계적 접점이 없으므로, DC모터 보다 수명이 길며, 고장율 또한 현저히 낮다. BLDC 모터는 DC모터의 기계적 정류(Commutation)부분을 전자식 스위치로 구성하여 전기적 및 제어적 특성이 DC 모터와 유사하여, 전자식 스위치의 작동을 위해서는 필수적으로 회전자의 위치정보가 필요하다. 이에 본 발명에서는 회전자 위치를 감지하기 위해 홀 센서를 이용하였다. BLDC 모터의 경우 전기적 결함이 가장 발생하기 쉬운 부분은 회전자 위치인식을 위한 홀 센서와 회전자 계를 형성하는 고정자의 코일 권선 부분이다. 대부분의 BLDC 모터의 경우 이러한 홀 센서가 3개, 회전자 및 고정자가 하나만 있어 이상결함 발생시 대처가 어려우며, 특히 높은 신뢰도가 요구되는 항공용 모터와 같은 경우 연계된 시스템에 심각한 피해를 미칠 수 있으며 크게는 항공기 자체의 신뢰성 확보에도 큰 영향을 미칠 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단일의 회전자, 단일의 고정자 및 단일의 센서 구조의 BLDC 모터를 탈피하고, 이중구조의 회전자, 이중구조의 고정자 및 이중구조의 센서의 BLDC모터를 적용하여 신뢰성이 확보된 액추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 다음과 같은 기술적 구성을 제공한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면 모터의 회전 축이 되는 모터 샤프트(9); 모터 샤프트(9)의 둘레에 축 방향으로 일정한 간격을 유지하면서 배치되는 이중 회전자(3, 4); 상기 이중 회전자(3, 4)의 둘레에 모터 샤프트(9)의 축 방향으로 배치되고, 상기 이중 회전자(3, 4)와의 사이에 공극을 두고 위치하는 이중 고정자(1, 2); 모터 샤프트(9)에 연결되어 모터 샤프트(9)와 동시에 회전하고, 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)에 모터의 회전정보를 전달하기 위한 자석이 배치되는 홀 센서 자석부(10); 모터 샤프트(9)의 일단에 배치되고 모터 케이스(20)에 고정되며 상기 홀 센서 자석 부(10)의 자기신호를 감지하는 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17) 및 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)를 설치하기 위한 기판을 포함하는 홀 센서 기판조립체(11)로 구성된 BLDC 모터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 제 1 홀 센서 세트(18)와 제 2 홀 센서 세트(19)로 구별되고, 상기 제 1 홀 센서 세트(18)와 상기 제 2 홀 센서 세트(19)는 서로 전원이 분리되고 서로 독립적으로 작동되고, 상기 제 1 홀 센서 세트(18) 및 상기 제 2 홀 센서 세트(19)는 홀 센서 기판 조립체(11)에 이중으로 배치되어 6개의 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)가 배치되는 이중센서구조를 특징으로 하는 BLDC 모터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 원판형의 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 중심을 기준으로 일정한 각도를 이루면서, 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 일 측면에 원주방향으로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17) 사이의 각도는 하기의 수식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터를 포함한다.
Figure pat00001
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 상기 회전자(3, 4)는 상기 고정자(1, 2)에 의해 발생하는 유도자기장에 의해 모터의 회전력을 발생시키는 자석(5, 6)과 상기 자석(5, 6)을 모터 샤프트(9)에 고정하기 위한 지지 링(7, 8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터를 포함한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면 상기 BLDC 모터를 포함하는 전기식 선형 액추에이터를 포함한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 전술한 과제 해결 수단 및 후술할 구성과 결합, 작동관계에 의해서 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.
본 발명은 종래의 홀 센서가 3개이고 회전자 및 고정자가 하나만 있었던 BLDC 모터를, 이중구조의 회전자, 이중구조의 고정자 및 이중구조의 홀 센서구조로 배치함으로써 어느 하나의 홀 센서 세트, 어느 하나의 회전자 또는 어느 하나의 고정자가 작동하지 않더라도 BLDC 모터가 정상적으로 작동할 수 있도록 한다. 이에 따라 BLDC 모터 및 이를 적용한 액추에이터의 신뢰성을 확보할 수 있다.
도 1은 이중 회전자, 이중 고정자 및 이중 센서구조를 포함한 BLDC 모터의 단면도이다.
도 2는 모터 샤프트, 회전자 및 고정자의 결합체의 측면도이다.
도 3은 홀 센서 기판 조립체의 측면도이다.
도 4는 모터 샤프트 및 회전자의 결합체의 단면도이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 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. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예인 이중 회전자, 이중 고정자 및 이중 센서구조를 포함한 BLDC 모터의 단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시 예의 BLDC 모터는 중심에 모터의 회전축이 되는 원기둥형태의 모터 샤프트(9)와, 모터 샤프트(9)의 둘레에 장착되는 원통 형태의 회전자A(3) 및 상기 회전자A(3) 및 모터 샤프트의 축 방향으로 상기 회전자A(3)와 일정한 거리를 두고 모터 샤프트의 둘레에 장착되는 원통 형태의 회전자B(4)가 배치된다. 상기 회전자A,B(3, 4) 각각의 둘레에 일정한 공극을 두고 원통 형태의 고정자A,B(1, 2)가 배치된다. 상기 모터 샤프트(9)를 회전하도록 하기 위해 상기 BLDC 모터의 모터 케이스(20)에 베어링(21)이 배치되고, 상기 베어링(21)이 상기 모터 샤프트(9)를 지지한다.
상기 BLDC모터의 전방부로 뻗어있는 모터 샤프트(9)의 축의 한쪽 끝에는 회전자 자석의 위치를 판단하기 위한 별도의 홀 센서용 자석 부(10)가 존재하며, 상기 홀 센서용 자석 부(10)는 홀 센서 기판조립체(11)에 의해 둘러싸여 있어, 회전자(3, 4)가 회전 시 홀 센서용 자석 부(10)의 자석이 회전자(3, 4)의 위치와 동일한 위치를 가지고 회전하며, 이때 상기 회전자(3, 4)의 위치정보는 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)를 통해서 전기적 신호로 변화되어 액추에이터 구동 드라이브로 공급된다.
본 발명에서는 이중 구조의 회전자 및 이중 구조의 고정자를 하나의 샤프트(9)에 나란히 배치하였다. 이러한 발명의 장점은 액추에이터의 구동을 담당하는 구동드라이브와 연계되어, 어느 하나의 고정자의 코일의 절연파괴 또는 단락과 같은 전기적 이상 발생 시에 나머지 하나의 정상적인 고정자 및 이에 대응되는 회전자를 통하여 모터를 구동시킬 수 있는 것이다. 본 발명을 통하여 높은 수준의 신뢰성을 필요로 하는 분야에 본 발명의 액추에이터를 적용할 수 있다.
도 2는 모터 샤프트, 고정자, 회전자의 결합체의 정면도이다. 모터 샤프트(9)를 중심으로 회전자(3, 4)가 모터 샤프트의 둘레에 연결되고, 상기 회전자(3, 4)와 일정한 공극을 두고 고정자(1, 2)가 배치된다.
도 3은 홀 센서 조립체(11)를 나타내는 도면이다. 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 제 1 홀 센서 세트(18)와 제 2 홀 센서 세트(19)로 구별된다. 제 1 홀 센서 세트(18)는 상기 홀 센서(12, 13, 14)를 포함하고, 상기 제 2 홀 센서 세트(19)는 상기 홀 센서(15, 16, 17)를 포함한다. 상기 제 1 홀 센서 세트(18) 및 제 2 홀 센서 세트(19)는 서로 전원이 분리되어 독립적으로 작동되고, 상기 제 1 홀 센서 세트(18) 및 상기 제 2 홀 센서 세트(19)는 홀 센서 기판 조립체(11)에 이중으로 배치되어 6개의 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)가 배치되는 이중센서구조를 특징으로 한다. 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 원판형의 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 중심을 기준으로 일정한 각도를 이루면서, 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 일 측면에 원주방향으로 대칭되게 배치된다.
일반적인 BLDC모터는 3개의 홀 센서를 통해서 회전자의 위치를 파악하여 모터를 구동시킨다. 본 발명에서는 6개의 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)를 통해서 회전자의 위치가 파악되며, 비정상적인 상황에서 발생할 수 있는 홀 센서의 전기적 결함을 보완할 수 있다. 즉 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 제 1 홀 센서 세트(18)와 제 2 홀 센서 세트(19)로 구별되고, 상기 제 1 홀 센서 세트(18)와 제 2 홀 센서 세트(19)는 서로 전원이 분리되어 서로 독립적으로 작동되므로, 어느 하나의 홀 센서 세트가 동작하지 않더라도, 다른 하나의 홀 센서 세트를 통해 모터를 구동시킬 수 있다. 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 원판형의 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 중심을 기준으로 일정한 각도를 이루면서, 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 일 측면에 원주방향으로 대칭되게 배치된다.
상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17) 사이의 각도는 하기의 수식에 의해 결정된다.
Figure pat00002
본 발명의 실시 예에서는 6극 모터를 기준으로 했으므로, 각 홀 센서는 40도 각도마다 배치된다. 단 6극 모터 이외의 경우에는 각 홀 센서 사이의 각도가 달라질 수 있다.
도 4는 모터 샤프트(9)와 회전자(3, 4)의 결합체의 단면도이다. 상기 회전자(3, 4)는 상기 고정자(1, 2)에 의해 발생하는 유도자기장에 의해 모터의 회전력을 발생시키는 자석(5, 6)과 상기 자석(5, 6)을 모터 샤프트(9)에 고정하기 위한 지지 링(7, 8)을 포함한다.
앞서 살펴본 실시 예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자(이하 '당업자'라 한다)가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하는 바람직한 실시 예일 뿐, 전술한 실시 예 및 첨부한 도면에 한정되는 것은 아니므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 한정되는 것은 아니다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 당업자에게 있어 명백할 것이며, 당업자에 의해 용이하게 변경가능한 부분도 본 발명의 권리범위에 포함됨은 자명하다.
1 고정자A
2 고정자B
3 회전자A
4 회전자B
5 자석A
6 자석B
7 지지링A
8 지지링B
9 모터 샤프트
10 홀 센서용 자석부
11 홀 센서 기판 조립체
12 ~ 17 홀 센서
18 제 1 홀 센서 세트
19 제 2 홀 센서 세트
20 모터 케이스
21 베어링

Claims (6)

  1. 모터의 회전 축이 되는 모터 샤프트(9);
    상기 모터 샤프트(9)의 둘레에 축 방향으로 일정한 간격을 유지하면서 배치되는 이중 회전자(3, 4);
    상기 이중 회전자(3, 4)의 둘레에 상기 모터 샤프트(9)의 축 방향으로 배치되고, 상기 이중 회전자(3, 4)와의 사이에 공극을 두는 이중 고정자(1, 2);
    상기 모터 샤프트(9)에 연결되어 상기 모터 샤프트(9)와 동시에 회전하고, 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)에 모터의 회전정보를 전달하기 위해 자석이 배치된 홀 센서 자석부(10);
    상기 모터 샤프트(9)의 축의 한쪽 끝에서 상기 모터 샤프트(9)의 축과 수직으로 배치되고, 모터 케이스(20)에 고정되며, 상기 홀 센서 자석 부(10)의 자기신호를 감지하는 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17) 및 상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)를 설치하기 위한 기판을 포함하는 홀 센서 기판조립체(11)를 포함하는 BLDC 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 제 1 홀 센서 세트(18)와 제 2 홀 센서 세트(19)로 구별되고, 상기 제 1 홀 센서 세트(18) 및 상기 제 2 홀 센서 세트(19)는 서로 독립적으로 작동되고, 상기 제 1 홀 센서 세트(18) 및 상기 제 2 홀 센서 세트(19)는 상기 홀 센서 기판 조립체(11)에 이중으로 배치되어 6개의 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)가 배치되는 이중센서구조를 특징으로 하는 BLDC 모터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17)는 원판형의 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 중심을 기준으로 일정한 각도를 이루면서, 상기 홀 센서 기판 조립체(11)의 일 측면에 원주방향으로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 홀 센서(12, 13, 14, 15, 16, 17) 사이의 각도는 하기의 수식에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
    Figure pat00003
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 회전자(3, 4)는 상기 고정자(1, 2)에 의해 발생하는 유도자기장에 의해 모터의 회전력을 발생시키는 자석(5, 6)과 상기 자석(5, 6)을 모터 샤프트(9)에 고정하기 위한 지지 링(7, 8)을 포함하는 것을 특징으로 하는 BLDC 모터.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 BLDC 모터를 포함하는 전기식 선형 액추에이터.
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