KR20160084541A - 집중권 모터 - Google Patents

Abstract

집중권 모터가 개시된단. 본 발명의 실시 예에 따른 집중권 모터는 링 형상의 요크에 방사상으로 돌출되는 복수의 티스 및 티스에 권선되는 각선 코일로 구성되는 스테이터와, 스테이터의 중앙에 소정 간격을 두고 회전 가능하게 설치되는 로터와, 이웃하는 티스 사이의 각선 코일을 결선하며 로터의 위치를 검출하기 위한 복수의 홀센서를 갖는 PCB 버스바를 포함한다.

Description

집중권 모터{Concentrated Type motor}

본 발명은 집중권 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 각선 코일을 결속하고 로터의 위치를 감지하기 위한 홀센서를 PCB 버스바에 마련한 집중권 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 모터는 스테이터와 스테이터의 중앙부에 소정 간격을 두고 회전 가능하게 설치되는 로터로 구성된다. 스테이터는 소정의 곡률을 갖는 링 형태의 요크에 일정 간격을 유지하면서 방사상으로 돌출되는 복수 개의 T자형 티스 및 티스 사이에 슬롯이 형성되는 코어와, 복수 개의 T자형 티스에 권선되는 코일로 구성된다.

또한, 모터는 T자형 티스에 코일이 권선되는 방식에 따라 집중권 방식(concentrated winding)과 분포권 방식(distributed winding)으로 구분된다. 집중권 방식은 하나의 슬롯에 모든 코일을 권선하는 것이며, 분포권은 전체 슬롯에 일정 간격으로 코일을 권선하는 것이다. 집중권 방식은 분포권 방식보다 저속 및 고토크에 적합하다.

분포권 방식의 모터는 별도의 코일 결선이 필요없는 구조지만, 집중권 방식의 모터는 반드시 코일 결선 구조가 필요하다. 집중권 방식에서, 인접하는 T자형 티스의 코일 간 결선을 위해서는 버스바(busbar)를 이용한다. 버스바는 일종의 클립으로 T자형 티스에 권선된 코일의 출력단을 인접한 다른 코일의 입력단에 각각 순차 결선한다.

한편, 최근 출시되고 있는 모터는 높은 출력과 사이즈를 콤팩트하기 위해 환선(round wire) 대신 각선(rectangular wire)을 채용하고 있다. 각선은 환선에 비해 점정율(fill factor)이 높아 효율성은 우수하지만, 권선 시 밴딩이 용이하지 않다. 물론 종래 방식처럼 버스바를 이용하여 결선할 수 있지만, 이 경우 버스바로 결선하고 다시 절연을 위해 몰딩해야 하기 때문에, 제조 공정이 복잡하고 단가가 높아진다. 또한, 링 형상의 티스 특성 상 결선하기 위해서는 코일에 비틀림이 발생하며, 이로 인해 코일이 끊어지거나 크랙이 발생하고 코팅이 벗겨져 구리가 노출되기 때문에 제조가 용이하지 않았다.

또 한편, 모터의 구동회로는 로터측 코일의 각 상으로 전류를 흘려주며, 모터의 스테이터는 구동회로로부터 공급되는 전류로 형성한 자계에 의해 회전한다. 모터의 로터를 일방향으로 계속 회전시키기 위해서는 로터의 위치(회전자의 자계의 세기)를 검출하고, 검출된 로터의 위치에 따라 코일의 각 상에 흐르는 전류의 방향을 전환시키기 위한 스위칭 소자들을 순차적으로 온, 오프 시켜야 한다. 종래에는 이 로터의 위치를 검출하기 위한 수단으로 복수의 홀센서를 이용하였으며, 이 홀센서들은 센서 기판을 이용하여 모터에 설치되었다.

본 발명의 실시 예에 따른 집중권 모터는 각선 코일 간의 결선을 용이하게 하는 한편 내부 구조를 보다 단순화하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 링 형상의 요크에 방사상으로 돌출되는 복수의 티스 및 티스에 권선되는 각선 코일로 구성되는 스테이터와, 스테이터의 중앙에 소정 간격을 두고 회전 가능하게 설치되는 로터와, 이웃하는 티스 사이의 각선 코일을 결선하며 로터의 위치를 검출하기 위한 복수의 홀센서를 갖는 PCB 버스바를 포함하는 집중권 모터가 제공될 수 있다.

또한, 상기 PCB 버스바는 링 형상으로 마련되며, 상기 복수의 티스에 권선되는 각선 코일의 입력단과 출력단을 각각 접속하기 위한 복수의 접점은 원주를 따라 마련되고, 상기 홀센서는 상기 복수의 접점과 이격해서 마련될 수 있다.

또한, 상기 홀센서는 로터와 인접하도록 PCB 버스바의 내주에 마련될 수 있다.

또한, 상기 코일은 U 상 코일과, V 상 코일과, W 상 코일을 포함하며, 상기 U,V,W 상 코일과 중성점은 PCB 버스바에 다층 형태로 마련되고, 상기 복수의 홀센서는 120도 간격으로 배치될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 집중권 모터는 다층으로 이루어진 PCB 버스바를 이용하여 각선 코일을 결선하기 때문에 코일의 비틀림이 발생하지 않으며 접점 연결이 간단하여 결선이 용이하다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따른 집중권 모터는 각선의 연결에 필요한 PCB 버스바에 홀센서를 마련함으로써 홀센서를 장착하기 위해 별도로 마련되는 센서 기판이 불필요하게 되어 모터 구조의 단순화 및 제조 원가를 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집중권 모터를 도시한 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집중권 모터의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집중권 모터의 티스와 PCB 버스바를 일부 분해 도시한 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집중권 모터의 PCB 버스바를 도시한 평면도이다.
도 5 (a) 내지 도 5 (c)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 집중권 모터의 PCB 버스바에 마련되는 3 상 코일의 결선을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집중권 모터의 PCB 버스바의 단면도이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 집중권 모터를 도시한 사시도이며, 도 2는 도 1의 평면도이다.

도면을 참조하면, 본 실시 예의 집중권 모터는 외관을 형성하는 모터 케이싱(1)과, 모터 케이싱(1)의 내측에 마련되는 스테이터(10)와, 스테이터(10)의 내측에 마련되어 스테이터(10)와 전자기적 작용에 의해 회전되는 링 형상의 로터(30)와, 로터(30)의 중앙에 설치되는 샤프트(40)를 포함한다.

스테이터(10)는 도 2에 도시한 바와 같이 소정의 곡률을 갖는 링 형상의 요크(12)와, 요크(12)에 일정 간격을 유지하면서 방사상으로 돌출 마련되는 복수 개의 T자형 티스(14)와, 티스(14) 사이에 형성되는 슬롯(16)과, 티스(14)에 권선되는 코일(18)을 포함한다.

요크(12)는 복수개의 철편이 적층되어 자속의 통로 역할을 수행하는 구조물로서, 본 실시 예에서는 15 슬롯을 일례로 예시하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 6 슬롯, 9 슬롯 등에도 적용될 수 있다. 또한, 본 실시 예에서는 도 3에 도시한 바와 같이 호 형상의 요크(12)와 티스(14)가 일체로 마련된 코어 단품을 이용하여, 필요한 슬롯 개수 만큼 지그(미도시)에 링 형상으로 복수의 코어를 적층 조립하여 스테이터를 마련한다.

코일(18)은 슬롯-충전재 비율(SFR; Slot-Fill-Ratio)(또는 점정율(fill factor)이 높은 직사각형 또는 다른 직선형 단면을 가진 와이어로 마련된다. SFR은 하나의 슬롯 내 노출되는 구리 전도체의 총 단면적과 슬롯 자체의 단면적을 비교한 것으로, 슬롯 내 전도체의 높은 단면적은 슬롯의 주어진 크기에 대해 전도체의 저항과 페이즈(phase) 저항(즉, 파워 손실)을 감소시킨다. 따라서, 전기 장치가 높은 SFR을 가지면, 즉 전도체 와이어가 원형 단면보다 직사각형 단면을 가지면, 전기 장치의 효율이 향상된다.

코일(18)은 절연 코팅된 와이어를 사용하며, 회전자계를 생성하기 위해 3상(U상, V상, W상)으로 구성된다. 3상의 코일(18)은 전기적으로 120°의 위상차를 갖도록 배치되며, 스위칭소자(미도시)를 통해 각 상의 코일들을 선택적으로 통전시키면, 그에 따라 선택적으로 자화되는 티스(14)와 로터(30)에 구비된 영구자석(32)의 자극 상호간에 작용하는 자기력에 의해 로터(30)가 회전한다.

각 티스(14)에 권선된 코일(18)은 이웃하는 티스의 코일과 PCB 버스바(20)로 결선된다. 각 티스에 권선된 코일(18)은 도 3에 도시한 바와 같이 입력단(18a)과 출력단(18b)을 갖는다.

PCB 버스바(20)는 링 형상으로 마련되며, 원주면을 따라 코일(18)의 입력단(18a) 및 출력단(18b)을 각각 접속하기 위한 복수의 접점(22)을 구비한다. 예컨대, 접점(22)은 PCB 버스바(20)의 외주에 마련되는 입력접점(22a)과 내주에 마련되는 출력접점(22b)을 포함한다. 접점(22)과 코일(18)은 땜, 원터치 단자 등의 다양한 결합 방식을 통해 전기적으로 연결될 수 있다.

또한, PCB 버스바(20)는 로터의 위치를 감지하기 위한 복수의 홀센서(24)를 로터(30)에 최대한 인접하도록 내주에 구비한다. 홀센서(24)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 적어도 세 개(24a,24b,24c)가 120도 간격으로 설치된다. 예컨대, 3상(UVW) 모터의 구동 및 제어를 위해 제1홀센서(24a)는 임의의 기준 신호로부터 U상 홀센서 신호를 출력하고, 제2홀센서(24b)는 V상 홀센서 신호를 출력하고, 제3홀센서(24c)는 W상 홀센서 신호를 출력할 수 있다. 미설명된 참조부호 28은 PCB 버스바(20)의 홀센서(24)와 모터 제어장치(미도시)를 전기적으로 연결하기 위한 것이다. 또한, 도시하지는 않았지만 PCB 버스바(20)에는 홀센서(24)에 전원을 공급하기 위한 정전압 회로와, 홀센서의 신호를 모터 제어 장치로 출력하기 위한 출력수단으로 증폭기와 A/D컨버터 등이 마련될 수 있다.

한편, PCB 버스바(20)는 3상을 각각 연결하는 복수의 도선라인을 포함하는 다층 PCB로 이루어진다.

도 5 (a) 내지 도 5 (c)는 PCB 버스바(20)의 각 층을 나타내는 것으로, 도 4 (a)는 1층의 U 상 결선 상태를 도시한 것이며, 도 4 (b)는 2층의 V상 결선 상태를 도시한 것이며, 도 4 (c)는 3층의 W상 결선 상태를 도시한 것이다. 각 상은 위상차에 의해 시작 접점과 끝 접점(중성점)만 다를 뿐 결속 방식은 동일하므로, U상을 일례로 설명한다.

U 상은 U11에서 코일(18)의 입력단(18a)이 접속되고 U31에서 코일(18)의 출력단(18b)이 접속된다. 제1도전라인(L1)을 통해 U31의 출력 접속은 U14로 입력 접속되고, U14는 U34로 출력 접속된다. 이어서, U34는 U17로, U37은 U20으로, U40은 U23으로, U43은 최종 중성점이다.

마찬가지로, V 상과 W 상은 시작점만 다를 뿐 동일한 방식으로 제2도전라인(L2) 및 제3도전라인(L3)을 통해 중성점(V43, W43)까지 연결되며, 중성점(U43, V43, W43)에서 3 상은 제4도전라인(L4)을 통해 결선된다.

도 6은 PCB 버스바의 단면을 도시한 것으로서, 절연체(S1) 위 1층에 U상의 제1도전라인(L1)이 형성되고, 절연체(S2) 위 2층에 V상의 제2도전라인(L2)이 형성되며, 절연체(S3) 위 3층에 W상의 제3도전라인(L3)이 형성되고, 절연체(S4) 위 4층에 3 상의 중성점(U43, V43, W43)을 연결하는 제4도전라인(L4)이 적층 마련된다. 보다 높은 출력 전류가 필요할 경우는, 높이 증가 없이 PCB 버스바의 절연층 높이는 줄이고 도전라인이 형성된 도전층의 개수를 증설함으로써 콤팩트 하면서도 높은 출력을 용이하게 구현할 수 있다.

한편, 로터(30)는 스테이터(10)와의 사이에 일정 크기의 공극이 형성되도록 스테이터(10) 내측에 배치된 링 형상의 백요크(31)와, 백요크의 외주면에 N극과 S극의 영구자석(32)이 교대로 장착된 구조를 갖는다. 백요크(31)의 중앙에는 회전축(40)이 결합되어 있다.

또한, 본 실시 예에서는 집중권 모터의 결선 방식에 대해 구체적으로 언급하지 않았으나 일반적으로 사용되는 Y 결선, 델타 결선 방식 모두 사용가능하며, 일례로 PCB 회로 패턴의 변경 및 수정을 통해 두 방식을 선택적으로 채용할 수 있다.

10..스테이터 14..티스
16..슬롯 18..코일
20..PCB 버스바 22..접점
24..홀센서 24a,24b,24c..제1,2,3홀센서
30..로터

Claims (4)

1. 링 형상의 요크에 방사상으로 돌출되는 복수의 티스 및 티스에 권선되는 각선 코일로 구성되는 스테이터와,
   스테이터의 중앙에 소정 간격을 두고 회전 가능하게 설치되는 로터와,
   이웃하는 티스 사이의 각선 코일을 결선하며, 로터의 위치를 검출하기 위한 복수의 홀센서를 갖는 PCB 버스바를 포함하는 집중권 모터.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 PCB 버스바는 링 형상으로 마련되며,
   상기 복수의 티스에 권선되는 각선 코일의 입력단과 출력단을 각각 접속하기 위한 복수의 접점은 원주를 따라 마련되고,
   상기 홀센서는 상기 복수의 접점과 이격해서 마련되는 집중권 모터.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 홀센서는 로터와 인접하도록 PCB 버스바의 내주에 마련되는 집중권 모터.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코일은 U 상 코일과, V 상 코일과, W 상 코일을 포함하며,
   상기 U,V,W 상 코일과 중성점은 PCB 버스바에 다층 형태로 마련되고,
   상기 복수의 홀센서는 120도 간격으로 배치되는 집중권 모터.

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