KR20170034081A - 직류 브러쉬 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직류 브러쉬 모터에 관한 것으로서, 원통형의 요크; 전기자부; 상기 요크와 상기 전기자부 사이에 서로 이격되어 배치되는 복수 개의 마그넷; 및 상기 요크의 내주면 또는 외주면 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 요크의 자속 밀도 포화도를 완화시키는 저감부를 포함한다. 이에 따라, 저감부를 이용하여 요크의 자속 밀도 포화도를 저감시킬 수 있다.

Description

직류 브러쉬 모터{DC Brush Motor}

본 발명은 직류 브러쉬 모터에 관한 것이다.

직류 브러시모터(DC MOTOR)는 회전하는 힘이 세며 인가전압에 대하여 회전특성이 직선적으로 비례하고, 입력전류에 대하여 출력되는 힘이 직선적으로 비례하며, 또한 출력 효율이 양호하다. 그리고 가격 또한 저렴한 특징이 있다.

좀 더 상세하게는, T-I 특성(토크 대 전류)에 따라 흘린 전류에 대해 토크가 비례한다. 또한, T-N 특성(토크 대 회전수)에 따라 토크에 대하여 회전수는 직선적으로 반비례한다.

이러한 2가지 특성은 서로 연동하고 있기 때문에 중요한 관계를 형성하며, 이들 특성에서 알 수 있는 것은 회전수나 토크를 일정하게 하는 제어를 하기 위해서는 전류를 제어하면 된다. 그에 따라, 직류 브러시 모터는 제어하기가 매우 용이하다.

이러한 상기 직류 브러시 모터는 마그넷(Magnet)에 의해 자속을 발생시키고, 마그넷의 자로를 형성하기 위해 요크라는 강자성체의 금속체가 마그넷의 외측에 배치될 수 있다.

이때, 요크의 두께가 충분히 확보되어야 자속의 흐름이 원활하게 되고, 마그넷을 효율적으로 사용할 수 있으나, 일반적으로 상기 직류 브러시 모터의 무게 및 크기(size)의 제약으로 인해 누설자속이 발생하지 않는 충분한 요크의 두께를 확보하지 못하는 문제가 있다.

특히, 마그넷의 극이 변경되는 부위는 자속이 집중되는 영역으로서, 자속 밀도 포화가 발생하게 되며, 이로 인해 누설자속이 증가하게 된다. 그에 따라, 마그넷의 효율성 또한 감소하게 되는 문제가 있다.

또한, 이런 현상을 해결하기 위해서 요크의 두께를 증가하게 되면, 상기 직류 브러시 모터의 무게 및 사이즈가 증가되어 원가가 증가하는 문제가 발생한다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 요크의 일영역에 발생하는 자속 밀도 포화도를 완화하고 그에 따라 성능을 유지하면서도 크기를 축소할 수 있는 직류 브러쉬 모터를 제공하는데 있다.

상기 과제는 본 발명의 일실시예에 따라, 원통형의 요크; 전기자부; 상기 요크와 상기 전기자부 사이에 서로 이격되어 배치되는 복수 개의 마그넷; 및 상기 요크의 내주면 또는 외주면 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 요크의 자속 밀도 포화도를 완화시키는 저감부를 포함하는 직류 브러쉬 모터에 의하여 달성된다.

상기 저감부는, 상기 요크의 내주면에 배치되되 상기 마그넷 사이에 배치되는 내측 저감부 또는 상기 마그넷 사이에 형성된 이격 공간에 대응되게 상기 요크의 외주면에 배치되는 외측 저감부일 수 있다.

여기서, 상기 내측 저감부는 중심측으로 갈수록 두께가 두꺼워질 수 있다.

또한, 상기 요크의 반지름 방향을 기준으로 상기 내측 저감부와 상기 외측 저감부 각각의 두께는 상기 요크의 두께 대비 10% 이상일 수 있다.

즉, 상기 요크의 반지름 방향을 기준으로 상기 내측 저감부와 상기 외측 저감부 각각의 두께는 상기 요크의 두께 대비 10%~230%일 수 있다.

또한, 상기 요크의 원주 방향을 기준으로 상기 내측 저감부의 폭은 상기 요크의 내경 원주의 5% 이상일 수 있다.

또한, 상기 요크의 원주 방향을 기준으로 상기 외측 저감부의 폭은 상기 요크의 외경 원주의 5% 이상일 수 있다.

또한, 상기 내측 저감부와 상기 외측 저감부가 상기 요크를 사이에 두고 배치시, 상기 내측 저감부의 두께와 상기 외측 저감부의 두께의 합은 상기 요크의 두께 대비 10% 이상일 수 있다.

또한, 상기 요크의 원주 방향을 기준으로 상기 내측 저감부의 폭은 상기 외측 저감부의 폭보다 작을 수 있다.

그리고, 상기 저감부는 상기 요크와 일체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 마그넷은 N극과 S극이 서로 교호되게 이격되어 배치될 수 있다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 브러쉬 모터는 저감부를 이용하여 요크의 자속 밀도 포화도를 저감시킬 수 있다.

그에 따라, 동일한 성능을 유지하면서도 직류 브러쉬 모터의 크기를 축소시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 브러쉬 모터을 나타내는 도면이고,
도 2는 저감부가 없는 직류 브러쉬 모터의 자속 밀도 포화도를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 직류 브러쉬 모터의 자속 밀도 포화도를 나타내는 도면이고,
도 4는 저감부가 없는 직류 브러쉬 모터와 본 발명의 일실시예에 따른 직류 브러쉬 모터의 자속 밀도 포화도의 비교를 나타내는 도면이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 직류 브러쉬 모터의 저감부 두께에 따른 성능 변화를 나타내는 도면이고,
도 6은 저감부가 없는 직류 브러쉬 모터와 본 발명의 일실시예에 따른 직류 브러쉬 모터의 누설자속량을 비교하는 도면이고,
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 직류 브러쉬 모터의 자속 밀도 포화도를 나타내는 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

실시 예의 설명에 있어서, 어느 한 구성요소가 다른 구성요소의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소가 상기 두 구성요소 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 '상(위) 또는 하(아래)(on or under)'로 표현되는 경우 하나의 구성요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지게 된다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1 내지 도 9를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일실시예에 따른 직류 브러쉬 모터(1)는 샤프트(100), 샤프트(100)의 외주면에 배치되는 전기자부(200), 요크(300), 마그넷(400) 및 저감부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 저감부는 요크(300)의 내주면 또는 외주면 중 적어도 어느 하나에 배치될 수 있다. 그에 따라, 상기 직류 브러쉬 모터(1)의 상기 저감부를 설명함에 있어서, 상기 저감부의 배치 위치에 따라 요크(300)의 내주면에 위치하는 저감부는 내측 저감부(500)로 구분하고, 요크(300)의 외주면에 위치하는 저감부는 외측 저감부(500a)로 구분하여 명확히 한다.

샤프트(100)는 전기자부(200)의 중심에 배치될 수 있다.

전기자부(200)는 전기자(210)와 도체(220)를 포함할 수 있다. 그리고, 도체(220)에 전류가 인가되면 전기자(210)는 샤프트(100)를 기준으로 회전할 수 있다.

요크(300)는 원통형의 형상으로 형성될 수 있으며, 전기자부(200)의 외주면과 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 요크(300)는 소정의 요크 두께(t1)로 형성될 수 있다. 그리고, 요크(300)는 강자성체의 금속체로 형성될 수 있다.

마그넷(400)은 전기자부(200)의 외주면과 요크(300)의 내주면 사이에 복수 개가 서로 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 마그넷(400)은 호 형상으로 형성될 수 있으며, 요크(300)의 내주면에 고정되게 배치될 수 있다. 그리고, 마그넷(400)은 N극과 S극이 서로 교호되게 배치될 수 있다. 그에 따라, 자속이 발생할 수 있다.

내측 저감부(500)는 N극과 S극이 서로 교호되게 배치되는 마그넷(400) 사이에 배치될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 저감부가 배치되지 않는 경우, 마그넷(400)이 배치되지 않는 위치의 요크(300) 일영역(A)에 자속 밀도 포화가 발생하고 누설자속이 증가됨을 알 수 있다. 그에 따라, 마그넷(400)의 효율성은 감소된다.

도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, 내측 저감부(500)는 마그넷(400) 사이에 배치되되, 요크(300)의 내주면에 배치될 수 있다. 그에 따라, 도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, 내측 저감부(500)는 요크(300)의 일영역에서 자속 밀도 포화도를 감소시킬 수 있다.

도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 저감부(500)가 배치되지 않는 경우 자속 밀도 포화가 발생하고 있는 것을 확인할 수 있으며, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 내측 저감부(500)가 배치된 상기 직류 브러쉬 모터(1)의 경우 요크(300)자속 밀도 포화도가 완화되었음을 확인할 수 있다.

여기서, 내측 저감부(500)는 반지름 방향(r)을 기준으로 기 설정된 저감부 두께(t2)로 형성될 수 있다. 그리고, 내측 저감부(500)는 강자성체 재질의 금속편으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내측 저감부(500)는 Br(잔류 자속 밀도)가 1T 이상의 재질로 형성될 수 있다.

내측 저감부(500)의 저감부 두께(t2)는 요크 두께(t1) 대비 10% 이상이 되어야 요크(300)의 자속 밀도 포화도의 저감 효과가 발생할 수 있다.

도 5를 참조하여 살펴보면, Back-EMF가 최대가 되도록 내측 저감부(500)의 저감부 두께(t2)는 마그넷(400)의 요크 두께(t1) 대비 10%~230%일 때 요크(300)의 자속 밀도 포화도 저감의 효과가 발생할 수 있다.

그리고, 내측 저감부(500)의 원주방향의 폭(W1)은 요크(300)의 내경 원주의 5% 이상이 되어야 요크(300)의 자속 밀도 포화도가 저감되는 효과가 발생할 수 있다.

여기서, 내측 저감부(500)의 원주방향의 폭(W1)은 원주 방향의 일측 모서리에서 타측 모서리까지의 폭 평균일 수 있다. 그러나, 요크(300)의 내경 원주의 5% 이상이 되어야하는 조건과 제조 원가의 조건을 고려해 볼 때, 내측 저감부(500)의 원주방향의 폭(W1)은 요크(300)의 내주면과 맞닿는 내측 저감부(500)의 외주면의 폭일 수 있다.

소정의 검토조건에서 도 6의 (a)는 상기 저감부가 배치되지 않는 직류 브러쉬 모터를 나타내는 도면이고, 도 6의 (b)는 내측 저감부(500)가 배치된 상기 직류 브러쉬 모터(1)를 나타내는 도면이다.

여기서, 상기 검토 조건으로서 요크 두께(t1)는 1.8T, 내측 저감부(500)의 저감부 두께(t2)는 3.0T, 마그넷(400)의 두께(t3)는 6.2T 이다.

그에 따라, 도 6에 도시된 바와 같이, 내측 저감부(500)가 배치된 상기 직류 브러쉬 모터(1)의 누설자속량이 22% 감소함을 알 수 있다.

이때, 내측 저감부(500)는 별도의 금속편으로 삽입 설치될 수도 있고, 요크(300)와 일체로 형성될 수 있다.

요크(300)와 일체로 내측 저감부(500)가 요크(300)의 내측면에 형성되는 경우, 마그넷(400)의 조립성은 향상될 수 있다. 즉, 요크(300)와 일체로 저감부(500)가 형성됨에 따라, 마그넷(400) 조립시, 내측 저감부(500)에 의하여 마그넷(400)이 안내되기 때문에 요크(300)에 대한 마그넷(400)의 조립성은 향상될 수 있다.

한편, 내측 저감부(500)는, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 원주방향을 기준으로 중심측으로 갈수록 두께가 증가되는 형상으로 형성될 수 있으며, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 자속 밀도 포화도가 저감되는 효과가 발생한다. 이때, 자속 밀도 포화도의 저감을 위한 내측 저감부(500)의 저감부 두께(t2)는 전체 두께의 평균 두께로 간주될 수 있다.

본 발명에 있어서, 저감부(500)는 원주방향을 기준으로 중심측으로 갈수록 두께가 증가되는 볼록한 형상을 그 예로 하고 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 저감부의 중심부측으로 갈수록 두께가 감소하는 오목한 형상으로 형성될 수도 있다.

상기 볼록한 형상은 내측 저감부(500)의 원주 방향 중심측에서 요크(300)의 자속 밀도 포화도를 더욱 저감시킬 수 있다. 그리고, 상기 오목한 형상은 내측 저감부(500)의 원주 방향 양측 모서리의 두께를 증가시켜 마그넷(400)의 조립성을 더욱 향상시킬 수 있다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 외측 저감부(500a)는 요크(300)의 외측면에 배치될 수도 있다. 그에 따라, 요크(300)를 사이에 두고, 요크(300)의 외주면에 배치되는 외측 저감부(500a)와 마그넷(400) 사이에 형성된 이격 공간(S)이 배치될 수 있다.

여기서, 외측 저감부(500a)는 반지름 방향(r)을 기준으로 기 설정된 저감부 두께(t4)로 형성될 수 있다. 그리고, 외측 저감부(500a)는 강자성체 재질의 금속편으로 형성될 수 있다. 여기서, 외측 저감부(500a)는 Br(잔류 자속 밀도)가 1T 이상의 재질로 형성될 수 있다. 그리고, 외측 저감부(500a)는 제조 공정의 단순화를 통한 원가 절감을 위해 요크(300)와 일체로 형성될 수 있다.

외측 저감부(500a)의 저감부 두께(t4)는 요크 두께(t1) 대비 10% 이상이 되어야 요크(300)의 자속 밀도 포화도가 저감되는 효과가 발생할 수 있다. 예컨데, Back-EMF가 최대가 되도록 외측 저감부(500a)의 저감부 두께(t4)는 마그넷(400)의 요크 두께(t1) 대비 10%~230%일 때 요크(300)의 자속 밀도 포화도가 저감되는 효과가 발생할 수 있다.

그리고, 외측 저감부(500a)의 원주방향의 폭(W2)은 요크(300)의 외경 원주의 5% 이상이 되어야 요크(300)의 자속 밀도 포화도가 저감되는 효과가 발생할 수 있다.

여기서, 외측 저감부(500a)의 원주방향의 폭(W2)은 원주 방향의 일측 모서리에서 타측 모서리까지의 폭 평균일 수 있다. 그러나, 요크(300)의 외경 원주의 5% 이상이 되어야하는 조건과 제조 원가의 조건을 고려해 볼 때, 외측 저감부(500a)의 원주방향의 폭(W2)은 요크(300)의 외주면과 맞닿는 외측 저감부(500a)의 내주면의 폭일 수 있다.

또한, 도 9에 도시된 바와 같이, 내측 저감부(500)와 외측 저감부(500a)는 요크(300)를 사이에 두고 서로 마주보게 배치될 수 있다. 여기서, 내측 저감부(500)는, 상술 된 바와 같이, 요크(300)의 내주면에 배치되되 N극과 S극이 서로 교호되게 배치되는 마그넷(400) 사이의 이격 공간(S)에 배치될 수 있다.

내측 저감부(500)의 저감부 두께(t2)와 외측 저감부(500a)의 저감부 두께(t4)의 합은 요크 두께(t1) 대비 10% 이상이 되어야 요크(300)의 자속 밀도 포화도 저감의 효과가 발생할 수 있다. 예컨데, Back-EMF가 최대가 되도록 내측 저감부(500)의 저감부 두께(t2)와 외측 저감부(500a)의 저감부 두께(t4)의 합은 마그넷(400)의 요크 두께(t1) 대비 10%~230%일 때 요크(300)의 자속 밀도 포화도가 저감되는 효과가 발생할 수 있다.

이때, 외측 저감부(500a)의 원주방향의 폭(W2)은 내측 저감부(500a)의 원주방향의 폭(W2) 보다 넓게 형성될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 수정과 변경에 관계된 차이점들을 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

1 : 직류 브러쉬 모터
100 : 샤프트 200 : 전기자부
300 : 요크 400 : 마그넷
500 : 내측 저감부 500a : 외측 저감부

Claims (11)

1. 원통형의 요크;
   전기자부;
   상기 요크와 상기 전기자부 사이에 서로 이격되어 배치되는 복수 개의 마그넷; 및
   상기 요크의 내주면 또는 외주면 중 적어도 어느 하나에 배치되어 상기 요크의 자속 밀도 포화도를 완화시키는 저감부를 포함하는 직류 브러쉬 모터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 저감부는, 상기 요크의 내주면에 배치되되 상기 마그넷 사이에 배치되는 내측 저감부 또는 상기 마그넷 사이에 형성된 이격 공간에 대응되게 상기 요크의 외주면에 배치되는 외측 저감부인 직류 브러쉬 모터.
3. 제2항에 있어서,
   상기 내측 저감부는 중심측으로 갈수록 두께가 두꺼워지는 직류 브러쉬 모터.
4. 제2항에 있어서,
   상기 요크의 반지름 방향을 기준으로 상기 내측 저감부와 상기 외측 저감부 각각의 두께는 상기 요크의 두께 대비 10% 이상인 직류 브러쉬 모터.
5. 제4항에 있어서,
   상기 요크의 반지름 방향을 기준으로 상기 내측 저감부와 상기 외측 저감부 각각의 두께는 상기 요크의 두께 대비 10%~230%인 직류 브러쉬 모터.
6. 제2항에 있어서,
   상기 요크의 원주 방향을 기준으로 상기 내측 저감부의 폭은 상기 요크의 내경 원주의 5% 이상인 직류 브러쉬 모터.
7. 제2항에 있어서,
   상기 요크의 원주 방향을 기준으로 상기 외측 저감부의 폭은 상기 요크의 외경 원주의 5% 이상인 직류 브러쉬 모터.
8. 제2항에 있어서,
   상기 내측 저감부와 상기 외측 저감부가 상기 요크를 사이에 두고 배치시, 상기 내측 저감부의 두께와 상기 외측 저감부의 두께의 합은 상기 요크의 두께 대비 10% 이상인 직류 브러쉬 모터.
9. 제8항에 있어서,
   상기 요크의 원주 방향을 기준으로 상기 내측 저감부의 폭은 상기 외측 저감부의 폭보다 작은 직류 브러쉬 모터.
10. 제1항에 있어서,
    상기 저감부는 상기 요크와 일체로 형성된 직류 브러쉬 모터.
11. 제1항에 있어서,
    상기 마그넷은 N극과 S극이 서로 교호되게 이격되어 배치되는 직류 브러쉬 모터.

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