KR20180073102A - 다층 인쇄회로기판을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 인카 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 인카 센서에 관한 것이다.
본 발명의 적층형 스테이터는 다층 기판; 및 상기 다층 기판의 각 기판 위에 복수의 기준 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝되고 스루홀을 통하여 상호 연결된 복수의 코일 패턴;을 포함하며, 상기 복수의 코일 패턴은 각각 방사방향을 따라 간격을 두고 배치되는 복수의 토크발생부와 상기 인접한 토크발생부의 내측 단부 또는 외측 단부를 상호 연결하는 복수의 비토크발생부를 포함하고, 상기 복수의 비토크발생부는 각각 복수 개씩 기준 턴이 통합되어 적어도 하나의 통합 턴을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

다층 인쇄회로기판을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 인카 센서{Integrated Type Stator Using Multiple PCBs, Single-phase Motor and In-car Sensor Using the Same}

본 발명은 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있는 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 인카 센서에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 실내의 난방 또는 냉방을 위한 공조장치가 내장되어 있다.

자동차의 공조장치는 운전자의 편리성을 향상시키기 위하여 자동화 장치로 전환되고 있고, 이를 위해 자동차 실내 온도를 자동으로 측정하기 위한 인카 센서(In-Car sensor)가 필수적으로 공조장치에 포함된다.

인카 센서(In-Car Sensor)는 자동차의 그릴 또는 인스트루먼트 패널 등의 배면에 설치되며, 어스피레이터(aspirator) 방식 또는 송풍 방식에 의해 자동차 실내 공기를 흡입하여 자동차 외부 또는 실내로 공기를 배출시키고, 공기의 흐름 내에 설치된 온도 센서로 자동차 실내 공기의 온도를 감지한다.

여기서, 어스피레이터 방식의 인카 센서는 자동차의 실내 온도를 측정하기 위하여 자동차 실내 공기를 흡입하기 위하여 로터에 임펠러가 일체로 형성된 어스피레이션 모터(Aspiration Motor)를 사용한다.

BLDC 모터는 동적 반응이 빠르고, 낮은 로터 관성을 가지고 있으며, 속도 제어가 용이한 동기 전동기이다.

어스피레이션 모터는 구조가 간단하고, 공조장치와의 공조를 위해 제어성이 좋은 브러시레스 직류(BLDC) 모터가 사용되며, 그 구조는 박형화를 위해 축방향에 공극을 갖는 액셜 갭 구조의 디스크형 BLDC 모터를 채용하고 있다.

한편, 어스피레이션 모터는 크기를 줄이고, 원가 부담을 고려하여 단일 코일을 갖는 단상 모터가 사용되고 있다. 단상 모터에서 단일의 스테이터 코일은 4각형 또는 3각형의 코어레스/보빈레스 타입으로 권선되어 PCB(인쇄회로기판) 위에 실장되어 사용되고 있다.

이러한 단상 모터에서 로터를 회전시키는 토크(Torque)(즉, 회전 모멘트)는 자기장 속에 놓인 전류가 흐르는 도선에 발생하는 힘 벡터와 회전 중심과 힘의 작용점 사이의 거리 백터의 백터 곱으로 표현된다.

따라서, 종래의 3각형 형상의 스테이터 코일은 로터가 회전할 때 스테이터 코일(권선)의 꼭지점 부분을 제외한 코일(권선)의 직선부와 자석이 대향하는 부분의 총면적이 작기 때문에 로터를 회전시키기 위한 토크가 작게 발생되는 문제가 있다.

또한 이러한 단상 모터는 단일의 스테이터 코일이 4각형 또는 3각형의 코어레스/보빈레스 타입으로 권선되어 PCB(인쇄회로기판) 위에 접착제로 부착하여 사용되므로, 저렴한 비용으로 제조하기 어렵고 조립불량이 발생할 수 있으며, 후막 구조를 갖는다.

한국 등록특허공보 제10-1491051호(특허문헌 1)에는 종래의 코어레스/보빈레스 타입으로 권선된 코일을 PCB(인쇄회로기판) 위에 부착하는 공정을 개선하기 위하여 베어링 홀더에 일체로 보빈을 형성하고 보빈에 코일을 권선한 구조를 제안하고 있다. 그러나 특허문헌 1의 구조는 후막 구조이고, 코일권선 생산성이 낮으며, 모터구동회로를 구비하기 위해 별도의 제어용 PCB를 채용하여야 하는 문제가 있다.

일반적으로 모터의 스테이터 코일은 병렬접속되거나 직렬접속될 수 있으며, 스테이터 코일이 병렬접속되는 경우, 코일의 저항값이 작아져서 전류값과 전력 소모량도 증가한다. 그 결과, 높은 구동 RPM과 구동 토크가 필요한 모터인 경우 코일을 병렬접속한다.

이와 반대로 스테이터 코일이 직렬접속되는 경우, 코일의 저항값이 증가하여 전류값과 전력 소모량은 감소한다. 그 결과, 모터의 구동 RPM과 구동 토크는 감소하게 되며, 낮은 전력 소모량의 저 RPM에 적합한 모터를 구성하게 된다. 따라서, 사용되는 모터의 용도에 따라 스테이터 코일의 접속방식을 선택할 수 있다.

한편, 종래에 스테이터 코일을 병렬로 연결하려면 2개 코일의 스타트와 엔드 부분을 묶어서 2개의 와이어를 동시에 권선하여야 하는 어려움이 있어 단상 모터에서는 스테이터 코일을 병렬로 구성하기 어렵다.

그러나, 높은 구동 RPM과 구동 토크가 필요한 단상 모터는 스테이터 코일을 병렬로 연결하면서도 생산성과 효율이 높은 방식으로 설계되는 것이 요구된다.

: 한국 등록특허공보 제10-1491051호

따라서, 본 발명은, 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 각각 코일 패턴이 형성된 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 슬림형 스테이터를 구현할 때, 방사방향으로 배치되어 토크를 발생하는 토크발생부와 토크발생부를 상호 연결하는 비토크발생부를 포함하여 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있는 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 인카 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 토크발생부는 미리 설정된 수의 기준 턴을 유지하여 토크를 발생시키고, 비토크발생부는 복수 개씩 기준 턴을 통합(즉, 단락(short-circuit))시켜서 넓은 폭을 갖도록 패터닝하여 코일의 저항을 최소화함에 의해 저항(resistance)과 동손(coil loss)을 줄여서 코일 온도를 낮추고 효율은 증대시킬 수 있는 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 인카 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 토크발생부는 코일을 구성하는 턴의 밀도를 최대한 높게 하여 토크를 증대시키고, 비토크발생부는 개별 턴을 통합(즉, 단락)시켜서 저항을 최소화한 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 인카 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 로터를 회전 구동시키기 위한 스테이터 코일을 다층 PCB에 형성된 도전성 패턴 코일을 이용하며 적층형으로 구현함에 의해 생산성 향상, 원가 절감이 가능한 슬림형 단상 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 제1특징에 따르면, 본 발명은 다층 기판; 및 상기 다층 기판의 각 기판 위에 복수의 기준 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝되고 스루홀을 통하여 상호 연결된 복수의 코일 패턴;을 포함하며, 상기 복수의 코일 패턴은 각각 방사방향을 따라 간격을 두고 배치되는 복수의 토크발생부와 상기 인접한 토크발생부의 내측 단부 또는 외측 단부를 상호 연결하는 복수의 비토크발생부를 포함하고, 상기 복수의 비토크발생부는 각각 복수 개씩 기준 턴이 통합되어 적어도 하나의 통합 턴을 갖는 적층형 스테이터를 제공한다.

상기 통합 턴은 상기 기준 턴보다 넓은 폭을 가질 수 있고, 2 내지 3개씩 기준 턴이 통합될 수 있다.

또한, 상기 복수의 비토크발생부는 각각 하나의 통합 턴을 가질 수 있다.

상기 코일 패턴은 상기 다층 기판의 중앙부에 형성된 관통구멍의 외주에 돌기부와 요홈부가 반복되는 지그재그 패턴을 가질 수 있다.

더욱이, 상기 다층 기판은 제1 내지 제3 코일 패턴이 각각 형성되는 제1 내지 제3 기판; 및 상기 제1 내지 제3 코일 패턴에 구동전류를 인가하기 위한 모터구동회로가 실장된 제4 기판;을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 다층 기판의 각 기판 위에 형성된 복수의 코일 패턴은 각각 동일한 형상으로 이루어질 수 있다.

상기 토크발생부의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나로 설정될 수 있다.

본 발명에 따른 적층형 스테이터는 상기 다층 기판에 배치되며, 로터가 초기상태일 때, 로터 자극의 경계면으로부터 편위된 위치에 배치되어 로터의 자극을 검출하는 홀센서; 및 상기 로터가 초기상태일 때 상기 홀센서가 로터의 자석 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정되게 상기 로터의 위치를 설정하는 데드 포인트 방지 요크;를 더 포함하며, 상기 데드 포인트 방지 요크는 스테이터의 하부에 적층 배치되며, 외주가 (자극 수)/N(여기서 N은 자극 수의 약수)개의 다각형 형상으로 이루어질 수 있다.

이 경우, 상기 홀센서는 자극의 경계면 또는 자극의 센터로부터 1/4 자극폭 만큼 편위된 위치에 설치될 수 있다.

또한, 상기 홀센서는 로터가 초기상태일 때 데드 포인트 방지 요크에 의해 위치설정된 로터의 자극 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정됨과 동시에 상기 토크발생부 중 하나와 중첩된 위치에 배치될 수 있다.

상기 복수의 코일 패턴의 복수의 토크발생부는 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 결선이 이루어지며, 전류 흐름에 따라 로터에 접선방향의 회전력을 발생할 수 있다.

본 발명의 제2특징에 따르면, 본 발명은 회전축; 상기 회전축이 중앙에 지지되고 다수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터; 및 상기 로터와 대향하여 배치되며, 관통구멍이 중앙에 형성된 적층형 스테이터를 포함하는 단상 모터를 제공한다.

본 발명의 제3특징에 따르면, 본 발명은 회전축; 상기 회전축이 중앙부에 지지되고 다수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터; 상기 로터의 일단에 고정되고, 상기 로터와 함께 회전하는 임펠러; 상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링; 상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더; 상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성된 적층형 스테이터; 상기 적층형 스테이터를 내부에 지지하는 하부 하우징; 상기 하부 케이스에 대향하여 배치되며 임펠러가 회전될 때 선단부로부터 차량의 실내 공기가 유입되며, 상기 임펠러와 대향한 부분에 유입된 공기가 배출되는 다수의 관통구멍을 갖는 상부 하우징; 및 상기 상부 하우징의 공기가 유입되는 기류 경로 내에 배치되어 흡입되는 공기의 온도를 측정하는 온도센서;를 포함하는 인카 센서를 제공한다.

상기한 바와 같이, 본 발명에서는 로터를 회전 구동시키기 위한 스테이터 코일을 다층 PCB에 형성된 도전성 패턴 코일을 이용하며 적층형으로 구현함에 의해 생산성 향상, 원가 절감이 가능한 슬림형 단상 모터를 구현할 수 있어, 이를 이용하여 인카 센서용 슬림형 단상 모터를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 각각 코일 패턴이 형성된 다층 인쇄회로기판(PCB)을 이용하여 슬림형 스테이터를 구현할 때, 방사방향으로 배치되어 토크를 발생하는 토크발생부와 토크발생부를 상호 연결하는 비토크발생부를 포함하여 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있다.

본 발명에서는 토크발생부는 미리 설정된 수의 기준 턴을 유지하여 토크를 발생시키고, 비토크발생부는 복수 개씩 기준 턴을 통합(즉, 단락(short-circuit))시켜서 넓은 폭을 갖도록 패터닝하여 코일의 저항을 최소화함에 의해 저항(resistance)과 동손(coil loss, copper loss)을 줄여서 코일 온도를 낮추고 효율은 증대시킬 수 있다.

본 발명에서는 토크발생부는 코일을 구성하는 턴의 밀도를 최대한 높게 하여 토크를 증대시키고, 비토크발생부는 개별 턴을 통합(즉, 단락)시켜서 각 턴의 저항을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 각 층의 코일 패턴이 토크 발생 효율을 극대화할 수 있는 방사방향으로 배향된 토크발생부를 포함하여 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있어 모터 효율 상승을 도모할 수 있다. 즉, 로터가 회전할 때 스테이터 코일(권선)의 토크발생부와 자석이 대향하는 부분의 총면적을 증가시키는 코일 패턴을 설계하여 토크의 증가를 도모할 수 있다.

더욱이, 본 발명에서는 각 층의 코일 패턴을 다수의 비토크발생부와 토크발생부가 교대로 연결된 지그재그 패턴을 갖도록 형성함에 의해 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있다. 즉, 상기 토크발생부는 방사방향으로 배향되어 있어 스테이터 코일이 통전될 때 접선방향의 힘이 발생되어 효과적인 토크가 얻어지게 된다.

이 경우, 홀센서를 로터가 초기상태일 때 데드 포인트 방지 요크에 의해 위치설정된 로터의 자극 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정하고 동시에 토크발생부 중 하나와 중첩된 위치에 배치하면, 자석으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대이므로 홀소자는 가장 좋은 감도의 로터위치검출신호를 발생할 수 있고, 스테이터는 최대의 자기 플럭스를 발생하는 로터 위치에 토크발생부 중 하나가 중첩되어 있어 가장 큰 자기장이 최대의 자기 플럭스와 상호 작용하여 로터를 기동시키는 데 필요한 최적의 조건을 갖게 된다.

더욱이, 본 발명에서는 각 층 PCB의 스루홀을 동일한 위치에 설정함에 의해 다수의 배선 패턴 PCB를 사용하지 않고 다층 구조의 코일 패턴을 직렬 또는 병렬 접속으로 연결하여 슬림형으로 적층할 수 있다.

도 1은 3각형 형상의 스테이터 코일을 사용하는 종래의 단상 모터에서 스테이터 코일과 자석 사이에 발생하는 힘의 벡터 합성을 설명하는 설명도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터를 나타내는 평면도이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 적층형 스테이터의 각 층별 코일 패턴을 나타내는 전개도이다.
도 4는 도 2의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명에 따른 단상 모터에서 자기기동용 데드 포인트 방지 요크와 홀소자와의 배치 관계를 설명하기 위한 설명도이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터의 각 층별 코일 패턴을 나타내는 전개도이다.
도 7은 본 발명에 따른 적층형 스테이터를 사용하여 구현된 슬림형 단상 모터를 나타내는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 슬림형 인카 센서를 나타내는 축방향 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다.

본 발명을 설명하기 전에 먼저 종래의 3각형 형상의 단일의 스테이터 코일을 사용하는 단상 모터를 도 1을 참고하여 설명한다.

종래의 어스피레이션 모터 등에 적용되는 단상 모터는 도 1에 도시된 바와 같이, 3각형의 코어레스/보빈레스 타입의 스테이터 코일(1)이 지지브라켓(5)에 설치되어 있으며, 스테이터 코일(1)과 간격을 두고 대향하여 N극 및 S극 자석(3)이 교대로 배치된 로터가 회전축(9)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 여기서, 부재번호 7은 슬리브 지지용 보스, 8은 슬리브 베어링을 가리킨다.

이러한 단상 모터에서 로터를 회전시키는 토크(Torque: τ)(즉, 회전 모멘트)를 구하면 하기 수학식 1과 같이 백터 곱으로 표현될 수 있다.

[수학식 1]

τ = r×F

여기서, F는 플레밍의 왼손법칙으로 표현되는 힘(force)(F = Bil)으로서, 자기장(B) 속에 놓인 전류(i)가 흐르는 도선(여기서는 권선)에 발생하는 힘 벡터이고, r은 회전 중심(O)과 힘의 작용점 사이의 거리 벡터이다. 거리 백터(r)와 힘 벡터(F)는 항상 같은 회전하는 평면에 놓여 있으므로 토크(τ)의 방향은 항상 축방향이 된다.

도 1에서 스테이터 코일(1)은 3개의 직선부(1a)와 3개의 직선부를 연결하는 3개의 꼭지점(1b)을 갖는 3각형 형상의 스테이터 코일로 구성되어 있다.

스테이터 코일(1)의 직선부(1a)에서 자석(3)과 대향하는 부분(1c)(빗금친 영역)은 토크 발생에 필요한 자계를 형성하는 영역에 해당된다. 스테이터 코일(1)에 시계방향으로 전류가 흐르고 S극 자석(3)과 대향하는 경우 스테이터 코일(1)의 직선부(1a)와 직각방향으로 힘(F)이 발생된다. 이 경우, 힘(F)과 거리 벡터(r)가 이루는 내각이 θ 각도를 이루고 있기 때문에 로터를 회전시키는 토크(τ)는 Frsinθ(스칼라값)로 구하여진다.

여기서 토크(τ)가 최대로 되려면 힘(F)과 거리 벡터(r) 사이에 이루는 각도(θ)가 90°인 경우, 즉 스테이터 코일(1)의 직선부(1a)가 중심을 향하고 있을 때 직선부(1a)에 수직인 방향, 즉, 접선방향으로 힘(F)이 발생하므로 가장 큰 값의 로터(자석)를 회전시키는 회전력이 얻어지는 것을 알 수 있다.

이와 반대로, 스테이터 코일(1)의 꼭지점(1b)에서는 스테이터 코일(1)에 전류가 흐를 때 발생되는 힘(F)의 방향이 방사방향이므로, 힘(F)과 거리 벡터(r) 사이에 이루는 각도(θ)가 0°으로 되어, 로터(자석)를 회전시키는 회전 토크(τ)는 "0"이 된다.

따라서, 종래의 스테이터 코일(1)에서 발생되는 토크(τ)는 스테이터 코일(1)(권선)의 꼭지점(1b) 부분을 제외한 스테이터 코일(1)(권선)의 직선부(1a)와 회전되는 자석(3)이 대향하는 부분(1c)에 비례하여 발생되고, 자석(3)을 회전시키면서 자석(3)과 만나는 스테이터 코일의 면적의 합을 구하여 얻어진다.

따라서, 종래의 3각형 형상의 스테이터 코일(1)은 로터가 회전할 때 코일(1)(권선)의 직선부(1a)와 자석(3)이 대향하는 부분(1c)의 총면적이 작기 때문에 로터를 회전시키기 위한 토크는 작으며, 결국 3각형 형상의 스테이터 코일(1)은 토크를 효과적으로 발생시키기 위한 코일 패턴 형상을 가지고 있지 못하다.

본 발명에서는 이러한 종래기술의 문제점을 해결함과 동시에 스테이터 코일의 저항을 최소화함에 의해 상 저항과 동손(coil loss)을 줄여서 코일 온도를 낮추고 효율은 증대시킬 수 있는 적층형 스테이터와, 이를 이용한 단상 모터를 제안하는 것으로 이하에 첨부도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 인카 센서에 적용되는 어스피레이션 모터도 단일 코일을 갖는 단상 모터가 사용되고 있으며, 슬림형이면서 토크 발생 효율을 극대화하여 모터 효율 상승을 도모하도록 다층 기판을 이용한 적층형 스테이터를 채용하고 있다.

도 2 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 적층형 스테이터(110)는 복수층이 적층되어 일체화되고 절연재료로 이루어진 다층 기판(10a); 스테이터 코일을 구성하는 데 필요한 복수의 턴(turn)을 형성하도록 상기 다층 기판 각각에 적층된 동박을 패터닝하여 얻어진 나선형상의 도전성 패턴으로 이루어진 복수의 코일 패턴(21~25); 및 상기 다층 기판(10a)을 관통하여 형성된 관통홀에 도금되어, 상기 복수의 코일 패턴(21~25) 등을 연결하기 위한 복수의 스루홀(T1~T7);을 포함하고 있다.

상기 복수의 코일 패턴(21~25)은 나선형상을 가지도록 패턴 형성되고, 크게 보면 복수, 예를 들어, 3개의 돌기부와 요홈부를 120도 간격으로 교대로 가지도록 원형 기판에 환형으로 배치되어 지그재그 형태를 가지고 있다.

그 결과, 상기 복수의 코일 패턴(21~25)은 각각 내측 원주와 외측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되는 복수의 내측 및 외측 비토크발생부(20a-20f); 및 인접한 외측 비토크발생부(20a-20c)와 내측 비토크발생부(20d-20f)를 상호 연결하며 중심으로부터 방사방향을 따라 배치되는 복수의 토크발생부(20g-20l)를 포함하고 있다.

상기 적층형 스테이터(110)는 각 기판(10)에 동박이 적층된 동박적층판(CCL)으로 이루어진 다층 기판(10a)을 사용하여 구성될 수 있으며, 각층 기판의 동박을 패터닝하고 적층한 후, 도전성 스루홀(T1~T7)을 형성하여 구성될 수 있다.

이하의 설명에서는 다층 기판이 동박적층판을 패터닝하여 코일 패턴을 형성하는 것을 예로 설명하나, 동박적층판을 사용하지 않고 일반 기판에 은-페이스트나 동-페이스트를 이용하여 코일 패턴을 인쇄하여 형성하는 것도 가능하며, 이 경우도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 한다.

상기 기판(10)은 기판 재료가 예를 들어, 글래스 에폭시 라미네이트(glass epoxy laminate)로 이루어진 FR-4나 CEM-3와 같은 절연성 수지로 이루어질 수 있다. 다층 기판(10a)은 각 층의 기판(10)에 동박이 적층된 구조를 가지며, 다층 PCB를 구성할 수 있다면 어떤 절연성 수지도 기판의 재료로 사용할 수 있으며, 적층되는 기판의 층수는 단상 모터에 의해 구현되는 원하는 RPM에 비례하여 1층 내지 10층 범위 내에서 설정될 수 있다. 높은 RPM을 얻기 위해서는 높은 토크값이 얻어지도록 코일 턴수가 많은 것이 요구되므로, 복수의 코일 패턴(21~25)을 이용하도록 적층되는 PCB의 수를 증가시키는 것이 필요하다.

다층 PCB가 적층된 다층 기판(10a)을 사용하는 경우, 최하부의 PCB는 배면에 코일 패턴과 전자 부품을 상호 연결하기 위한 인쇄배선(17)이 형성되고, 각종 전자 부품(16)이 인쇄배선(17)에 실장되어 모터구동회로(30)를 형성하며, 인쇄배선(17)의 전원단자와 접지 패턴(GND)에는 구동전원(Vcc)이 연결된다.

본 발명에 따른 단상 모터용 적층형 스테이터(110)는 높은 RPM을 필요로 하지 않는 경우, 기판(10)의 양면에 동박이 적층된 양면 기판을 사용하여 구성될 수 있으며, 이 경우 기판(10)의 일면에 코일 패턴(21)이 형성되고, 배면에 모터구동회로(30)가 실장되는 구조로 구성될 수 있다.

이하의 실시예 설명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 다층 기판(10a)이 4층 구조의 제1 내지 제4 PCB(11~14)가 적층된 것을 예로 들어 설명한다.

제1 내지 제3 PCB(11~13)에는 각각 기판(10)의 상부면에 3개의 돌기부와 요홈부를 120도 간격으로 교대로 가지도록 원형 기판에 환형으로 배치되어 나선형으로 코일링된 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)이 각각 형성되고, 최하층의 제4층 PCB(14)에는 예를 들어, 부채꼴 형상의 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)이 상하로 분리되어 형성되어 있으며, 예를 들어, 동박(Cu)과 같은 도전성 금속을 미세하게 패터닝하여 형성되어 있다.

각각의 PCB(11~14)는 예를 들어, 0.4mm, 0.8mm 등의 다양한 두께를 가지는 것 중에서 선택하여 사용할 수 있으며, 본 실시예에 적용된 코일 패턴(21~25)에서 토크발생부(20g-20l)는 예를 들어, 패턴 폭이 0.12mm이고, 인접한 패턴 사이의 간격이 0.13mm로 패터닝한 것이다. 상기 코일 패턴의 폭과 패턴 사이의 간격은 필요에 따라 증가 또는 감소할 수 있다.

제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은 각각 내측에서 외측으로 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 동일하게 형성되고, 제4 코일 패턴(24)은 내측에서 외측으로 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 형성되며, 제5 코일 패턴(25)은 외측에서 내측으로 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되어 있다.

물론, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은 각각 나선형상을 가지며, 스루홀을 이용한 코일 패턴의 연결방식에 따라 내측에서 외측으로 또는 외측에서 내측으로 향하며, 시계방향(CW) 또는 반시계방향(CCW)으로 향하는 패턴을 조합하여 구성될 수 있고, 크게 보면 2개 이상의 돌기부와 요홈부를 가지고 관통구멍(15)의 주변을 따라 배열되어 지그재그 형태를 가질 수 있다.

제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은, 각각 3개씩의 외측 및 내측 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)와, 상기 외측 비토크발생부(20a~20c)와 내측 비토크발생부(20d~20f)를 연결하는 6개의 토크발생부(20g~20l)가 교대로 연결되어 전체적으로 지그재그 형태를 이루고 있다.

또한, 외측 및 내측 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)는 각각 외측 원주와 내측 원주에 간격을 두고 원주방향을 따라 배치되어 있고, 6개의 토크발생부(20g~20l)는 각각 전체적으로 기판(10)의 중심으로부터 방사하는 방향으로 설정되도록 내측 단부는 2개씩 서로 간격이 좁아지는 패턴 형상을 가지고 있다.

제1실시예에서 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은 도 4와 같이, 각각 24턴(401~424)의 나선형 코일로 이루어져 있다. 이 경우, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)의 토크발생부(20g~20l)는 각각 미리 설정된 24개의 기준 턴(401~424)을 유지하여 토크를 발생시키고, 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)는 24개의 기준 턴(401~424)을 예를 들어, 2개씩 통합(즉, 단락)시켜서 넓은 폭을 갖는 12개의 통합 턴(431~442)을 이루고 있다.

비토크발생부(20a~20c,20d~20f)에서 통합되는 기준 턴(401~424)의 갯수는 2개 내지 3개로 이루어지거나, 제2실시예와 같이 전체의 기준 턴(401~424)을 통합하는 것도 가능하다.

일반적으로 저항(R)은 길이(l)에 비례하고 단면적(S)에 반비례한다. 따라서, 통합 턴(431~442)의 폭이 기준 턴(401~424)의 2배인 경우, 즉 1/2 저항값을 가지는 경우, 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)의 24개의 기준 턴(401~424)을 2개씩 통합시켜서 12개의 통합 턴(431~442)으로 설계하는 경우, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)으로 구성되는 스테이터 코일의 전체 저항은 통합이 이루어지기 전과 비교할 때 대략 1/4로 감소하게 된다.

동손(copper loss, coil loss)은 저항 RΩ인 도체에 전류(I)가 흐를 때 (P = I²R)의 에너지가 열로 발생하기 때문에 생기는 현상으로, 에너지 손실은 온도 상승의 원인이 된다.

본 발명에서는 저항과 동손을 크게 줄여서 에너지 손실을 줄임에 의해 코일 온도를 낮추고, 그 결과 모터 효율은 증대시킬 수 있게 된다.

본 발명에서는, 제1 내지 제3 PCB(11~13)가 적층된 경우 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에서 6개의 토크발생부(20g~20l)는 모두 동일한 위치에 배치된 구조를 가진다. 따라서, 후술하는 바와 같이, 3층의 PCB가 적층되는 경우 토크발생부(20g~20l)는 각각 3층으로 적층된 코일 패턴이 로터의 자석과 동시에 대향하는 위치를 갖게 되고 전류의 흐름방향이 동일하게 설정됨에 따라 합력된 토크를 발생할 수 있다.

본 발명에 따른 스테이터(110)는 다층 기판(10a)에 형성된 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)을 상호 연결하여 스테이터 코일을 형성하며, 스테이터 코일에서 토크발생부(20g~20l)의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나의 값을 가지며, 동시에 인접한 토크발생부(20g~20l) 사이의 각도는 360/n(여기서, n은 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나)으로 결정된다.

따라서, 6개의 토크발생부(20g~20l)를 갖는 스테이터인 경우 인접한 토크발생부(20g~20l) 사이의 각도는 60°이고, 단상 모터를 구성하기 위해 이에 결합되어 회전되는 로터의 자극(N극 자석과 S극 자석)의 수는 6극을 갖도록 구성된다.

제4 PCB(14)에는 단상 모터를 구동하는 데 필요한 구동회로(30)를 일체로 형성하도록 각종 전자 부품(16)을 실장하고 결선하는 데 필요한 인쇄 배선(17)이 도전성 패턴으로 형성되어 있다.

또한, 제4 PCB(14)에는 구동회로 부품을 실장하고 남는 공간을 활용하여 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)에 추가되는 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)을 형성할 수 있으며, 제4 및 제5 코일 패턴(24,25)은 로터를 회전시키는 데 필요한 토크값에 따라 생략할 수도 있다.

도시된 제4 PCB(14)는 투시된 상태를 나타낸 것으로 각종 패턴, 즉, 제4 및 제5 코일 패턴(24,25), 인쇄 배선(17)과 이에 실장되는 전자 부품(16)은 다층 기판(10a)의 배면에 위치한 것을 나타낸 것이다.

상기 제4 코일 패턴(24)은 외측에서 내측으로 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 부채꼴로 형성한 패턴이고, 제5 코일 패턴(25)은 내측에서 외측으로 반시계방향(CCW)으로 나선형상을 가지도록 부채꼴로 형성한 패턴이다.

본 발명의 제1 내지 제4 PCB(11~14)가 적층된 경우 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 제1실시예인 경우, 제1 내지 제7 스루홀(T1~T7)을 통하여 직렬방식으로 상호 연결된 것을 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)에 대해서는 24개의 기준 턴(401~424)을 2개씩 통합(즉, 단락)시켜서 12개의 통합 턴(431~442)을 이루도록 패터닝하여 하나의 스테이터 코일을 형성한다. 제1 내지 제7 스루홀(T1~T7)은 홀 내부가 도전성 재료로 도금 또는 충전되어 있다.

본 발명에 따른 단상 모터용 스테이터는 각각 기판(10)의 상부면에 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)이 형성되는 제1층 내지 제3층 PCB(11~13)는 코일 패턴층을 형성하며, 제4층 PCB(14)는 모터구동회로(30)가 실장된 구동회로층을 형성한다.

본 발명에서는 제1 내지 제4 PCB(11~14)의 동일한 위치에 7개의 스루홀(T1~T7)을 형성하고, 스루홀(T1~T7) 주변에 솔더링 랜드(soldering land)(18)가 도전성 패턴으로 형성되어 있다. 도 3에 도시된 바와 같이 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 스타트 부분(S1~S5)과 엔드 부분(E1~E4)은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게, 예를 들어, 물방울(tear drop) 형태로 형성되어 있고, 스루홀(T1~T7)과 스루홀(T1~T7)을 둘러싸는 솔더링 랜드(soldering land)(18)가 배치되어 있다.

그 결과, 본 발명에서는 적층형 스테이터에서 각층 코일 패턴(21~25)의 굵기를 조절하여 스타트 부분(S1~S5)과 엔드 부분(E1~E4)은 코일(권선)을 형성하는 부분보다 더 넓게 설계해서 연결의 신뢰성 증대를 꾀할 수 있다.

즉, 코일 패턴의 스타트 부분과 엔드 부분은 물방울(tear drop) 형태로 형성하고, 스루홀과 스루홀을 둘러싸는 솔더링 랜드(soldering land)를 배치함에 의해 코일 패턴을 상호 연결하거나 배선 패턴 등과 연결이 쉽고 연결의 신뢰성을 보장할 수 있다.

또한, 신뢰성 증대를 위하여 각층에 스타트 부분과 엔드 부분을 연결하는 스루홀(T1~T7)은 적어도 1개 이상 복수로 형성하여 단선이나 스루홀의 불량에 따른 신뢰성 저하를 방지할 수 있다.

제3 PCB(13)에는 제4 PCB(14)의 상측과 하측에 분리되어 형성된 제4 코일 패턴(24)과 제5 코일 패턴(25)을 연결하기 위해 스루홀(T3)과 스루홀(T4)을 연결하는 제1점퍼선 패턴(J1)이 제3 코일 패턴(23)의 내주부를 따라 형성되어 있고, 또한 제5 코일 패턴(25)의 외부에서 내부의 스타트 부분(S5)을 연결하기 위해 스루홀(T5)과 스루홀(T6)을 연결하는 제2점퍼선 패턴(J2)이 형성되어 있으며, 제4 PCB(14)에는 스루홀(T4)과 스루홀(T5)을 연결하는 제3점퍼선 패턴(J3)이 제5 코일 패턴(25)의 외곽을 따라 형성되어 있다.

본 발명의 제1 내지 제4 PCB(11~14)가 적층된 경우 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 스루홀(T1~T7)과 제1 내지 제3 점퍼선 패턴(J1~J3)을 통하여 상호 연결되어 하나의 스테이터 코일을 형성한다.

즉, 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)은 엔드 부분(E1)이 스루홀(T2)을 통하여 제2 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)의 스타트 부분(S2)에 연결되고, 제2 코일 패턴(22)의 엔드 부분(E2)은 스루홀(T7)을 통하여 제3 PCB(13)의 제3 코일 패턴(23)의 스타트 부분(S3)에 연결된다.

또한, 제3 코일 패턴(23)의 엔드 부분(E3)은 스루홀(T1)을 통하여 제4 PCB(14)의 제4 코일 패턴(24)의 스타트 부분(S3)에 연결되고, 제4 코일 패턴(24)의 엔드 부분(E4)과 제5 코일 패턴(25)의 스타트 부분(S5)은 상기 스루홀(T3)과 스루홀(T4)을 연결하는 제1 점퍼선 패턴(J1)과, 스루홀(T4)과 스루홀(T5)을 연결하는 제3 점퍼선 패턴(J3)과, 스루홀(T5)과 스루홀(T6)을 연결하는 제2 점퍼선 패턴(J2)을 통하여 상호 연결이 이루어진다.

그 결과, 스테이터 코일의 일단, 즉 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분은 모터구동회로(30)의 제1출력단자(Out1)에 연결되고, 스테이터 코일의 타단, 즉 제1 코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)은 스루홀(T7)을 통하여 모터구동회로의 제2출력단자(Out2)에 연결된다.

본 발명에서는 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)의 외측 비토크발생부(20a~20c)의 내주부와 외주부에 코일 패턴이 상호 겹쳐지지 않는 영역이 존재하도록 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 폭을 설정하여, 스루홀(T1~T7)을 배치한다.

그 결과, 본 발명에서는 별도의 배선 패턴 PCB를 사용하지 않고도 제1 내 제5 코일 패턴(21~25)의 내부에 배치된 스타트 또는 엔드 단자를 타층의 코일 패턴과 연결이 쉽게 이루어질 수 있다.

도 3에 도시된 제1실시예에서는 제4 PCB(14)에 단상 모터를 구동하기 위한 모터구동회로(30)가 실장되어 있는 것을 예시하고 있으나, 모터구동회로가 별도로 구성되는 것도 가능하다. 즉, 스테이터와 스테이터가 장착되는 지지부 사이에 충분한 공간이 확보되지 않는 경우에는 최소한의 구동회로 부품만이 제4 PCB(14)의 배면에 실장될 수 있다.

이하에 도 5를 참고하여 본 발명의 제1실시예에 따른 적층형 스테이터를 이용한 단상 모터를 설명한다. 도 5에서 로터의 회전 위치별 전류 흐름(화살표 참고)은 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)과 제2 내지 제4 PCB(12-14)의 제2 내지 제5 코일 패턴(22~25)에 대한 전류 흐름은 동일하므로 제1층 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)만을 설명한다.

도시된 단상 모터(40)는 단상 모터로서 6슬롯-6폴 구조의 스테이터(110)와 로터(120)가 액시얼 타입으로 서로 대향하여 배치된 구조를 가지나, 도면에는 설명의 편의상 동일 평면에 함께 표현한 것이다.

단상 모터용 모터구동회로(30)는 예를 들어, 홀센서(H1)로부터 자석의 자극을 검출하여 서로 반대 극성의 한쌍의 제1로터위치검출신호를 발생할 때 이에 따라 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터 중 하나는 턴-온되고, 다른 하나는 턴-오프되어, 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터 사이에 연결된 스테이터 코일을 흐르는 전류의 흐름방향을 결정한다.

도 5와 같이, 도시된 실시예에서는 홀센서(H1)는 N극 자석(121e)과 S극 자석(121f) 사이의 경계면(121g)으로부터 15°만큼 편위된 위치에 설치되어 있다.

로터(120)가 초기 위치(즉, 0°)에 있을 때, 모터구동회로(30)에 구동전원(Vcc)이 공급되면 홀센서(H1)는 로터(120)의 S극 자석(121f)을 인식하여 로터의 회전방향(즉, 반시계방향(CCW))을 내포하는 한쌍의 제1로터위치검출신호를 발생하여 모터구동회로(30)의 2개의 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터에 인가하면, 제1 스위칭 트랜지스터는 턴-온되고 제2 스위칭 트랜지스터는 턴-오프되면서 스테이터 코일, 즉 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향이 결정된다.

로터의 회전방향이 반시계방향(CCW)으로 결정됨에 따라 제1코일 패턴(21)의 스타트 부분(S1)으로부터 제5 코일 패턴(25)의 엔드 부분 방향으로 전류가 흐르게 되며, 전류가 흐르는 방향을 제1 코일 패턴(21)에 화살표로 나타낸다. 제2 내지 제5 코일 패턴(22~25) 또한 제1 코일 패턴(21)과 동일한 방향으로 전류가 흐른다.

이 경우, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 외측 및 내측 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)는 거의 동심원 형태로 배열되어 있으므로 플레밍의 왼손법칙에 따라 발생되는 힘(F)의 방향이 방사방향으로 향하기 때문에 로터의 회전 토크에 영향을 주지 못한다.

제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)은 각각 동일한 위치의 토크발생부(20g~20l)에 흐르는 구동전류의 흐름 방향이 동일하도록 스루홀(T1~T7)과 점퍼선 패턴(T1~J3)을 통하여 상호 연결이 이루어져 있다. 그 결과, 토크발생부(20g~20l)는 로터(120)의 회전방향(원주방향)과 직각인 방사방향(즉, 법선방향)으로 배향되어 있어 플레밍의 왼손법칙에 따라 반시계방향(CCW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생된다.

따라서, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)의 외측 및 내측 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)은 단지 전류가 흐르는 경로 역할을 하고, 6개의 토크발생부(20g~20l)으로부터 접선방향으로 힘(F)이 발생되어 로터(120)의 회전이 이루어지게 된다.

또한, 인접한 토크발생부(20g~20l) 사이에 코일에 흐르는 전류의 방향은 반대로 설정되고, 이에 대응하는 로터(120)의 자석의 자극도 반대로 위치하게 되므로, 모두 동일한 방향으로 로터의 자석을 밀거나 끌어당기는 힘을 발생하게 되어 로터를 반시계방향(CCW)으로 회전시키게 된다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 적층형 스테이터를 이용한 단상 모터에서 토크발생부(20g~20l)는 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 결선이 이루어지며, 전류 흐름에 따라 로터에 접선방향의 회전력을 발생할 수 있다.

이어서, 로터(120)가 회전되어 기계각으로 45°(전기각 135°) 회전한 경우, 홀센서(H1)는 N극 자석(121a)과 S극 자석(121f)의 경계면(121g)에 위치하게 되어 자극을 인식하지 못하며, 전류의 흐름 방향을 결정하지 못한다.

회전 관성에 의해 로터(120)가 계속 회전하여 기계각으로 45°(전기각 135°)를 넘어서 기계각으로 60°(전기각 180°) 회전하게 되면, 홀센서(H1)는 N극 자석(121a)을 인식하게 된다. 이 경우, 홀센서(H1)는 상기한 제1로터위치검출신호와 반대 극성의 한쌍의 제2로터위치검출신호 출력을 발생하여 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터에 인가함에 따라, 제1 스위칭 트랜지스터는 턴-오프되고 제2 스위칭 트랜지스터는 턴-온되면서 스테이터 코일, 즉 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향이 반대로 설정된다.

그 결과, 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향이 반대로 설정되면, 토크발생부(20g~20l)는 플레밍의 왼손법칙에 따라 반시계방향(CCW)으로 접선방향의 힘(F)이 발생되어 로터(120)의 회전이 이루어진다.

상기와 같이 모터구동회로(30)는 홀센서(H1)가 기계각으로 60°(전기각 180°) 회전할 때마다 로터의 자극을 검출하여 제1로터위치검출신호와 제2로터위치검출신호를 교대로 발생함에 따라 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터는 교대로 턴-온과 턴-오프되면서 제1 내지 제5 코일 패턴(21~25)에 대한 구동전류의 전류 흐름방향을 변경한다.

상기와 같이 본 발명의 제1실시예에 따른 적층형 스테이터(110)는 스테이터 코일을 다층 PCB에 형성된 도전성 패턴 코일(21~25)을 이용하며 적층형으로 구현함에 의해 생산성 향상과 원가 절감이 가능한 슬림형 스테이터를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 적층형 스테이터는 각 층의 코일 패턴이 토크 발생 효율을 최대화할 수 있도록 방사방향으로 배향된 토크발생부(20g~20l)를 포함하며, 로터(120)가 회전할 때 스테이터 코일(권선)의 토크발생부(20g~20l)와 자석(121a~121f)이 대향하는 부분의 총면적이 최대화하도록 설계된다.

이 경우, 상기 로터(120)는 도 8과 같이 자석을 링 형상으로 형성하고, 상기 링의 폭은 적어도 토크발생부(20g~20l)의 길이보다 더 크게 형성하여 토크발생부(20g~20l)와 대향하도록 배치하면, 토크발생부(20g~20l)와 자석(121a~121f)이 대향하는 부분의 총면적을 최대화할 수 있게 되어 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 적층형 스테이터를 이용한 단상 모터는 로터위치검출을 위해 하나의 홀센서(H1)가 스테이터를 형성하는 PCB에 배치되고, 자기기동 방안으로서 철판 또는 실리콘 스틸로 이루어진 데드 포인트(dead point) 방지 요크를 채용할 수 있다. 데드 포인트 방지 요크를 이용하면 로터의 초기 위치를 미리 설정된 위치에 정지하게 설정할 수 있으며, 홀센서를 로터의 초기 위치를 고려하여 데드 포인트를 방지할 수 있는 위치에 설치하면 자기기동 불능 현상을 피할 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 단상 모터에서 자기기동용 데드 포인트 방지 요크와 홀소자와의 배치 관계를 설명하기 위한 설명도이다.

도 8에 도시된 인카 센서와 같이, 본 발명에서 하나의 홀센서를 채용하면서 데드 포인트 방지 요크를 스테이터의 하측에 배치하여 채용하는 경우, 도 5에 도시된 바와 같이 데드 포인트 방지 요크(170)는 로터(120)의 자극 수(6극)와 동일하게 외주면이 육각형상을 이루며, 관통구멍의 내주면이 원형을 갖는 평판 플레이트로 구성되어 있다.

데드 포인트 방지 요크(170)는 요크(yoke) 역할을 수행할 수 있도록 규소강이나 순철과 같은 보자력이 낮은 연자성체를 사용하는 것이 바람직하다.

이 경우, 로터(120)가 초기(정지) 상태일 때, 로터(120)의 자석(121)과 데드 포인트 방지 요크(170) 사이에는 자기현상에 의해 도 5와 같이 각 자석의 센터가 데드 포인트 방지 요크(170)의 실효면적 폭이 가장 넓은 지점(즉, 모서리)과 대향하여 위치하게 된다.

따라서, 홀소자(H1)는 자극의 경계면(121g)으로부터 1/4 자극폭(6극 로터인 경우는 15˚) 또는 3/4 자극폭 만큼 편이된 위치에 설치하는 것이 바람직하다. 홀소자(H1)를 자극의 경계면(121g)으로부터 1/4 자극폭 만큼 편이된 위치에 설치하는 이유는 이 지점이 자석으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대이므로 홀소자(H1)는 가장 좋은 감도의 로터위치검출신호를 발생할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명에서는 스테이터의 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23) 중에 자극의 경계면(121g)으로부터 1/4 자극폭이 되는 지점에 홀소자(H1)를 배치함과 동시에 토크발생부(20g~20l) 중 하나가 위치하도록 설정한다.

도 5와 같이 토크발생부(20g~20l) 중 하나, 예를 들어, 토크발생부(20l)가 홀소자(H1)와 일치하며, 자극의 경계면(121g)으로부터 1/4 자극폭이 되는 지점에 배치된 상태에서, 모터구동회로(30)에 구동전원이 인가되어 로터의 기동이 이루어지면, 홀소자(H1)로부터 가장 좋은 감도의 로터위치검출신호가 얻어질 수 있고 자석(121f)으로부터 발생되는 자기 플럭스가 최대인 지점에 토크발생부(20l)가 대향해 있기 때문에 보다 쉽게 자기기동이 이루어지게 된다.

또한, 로터의 회전 방향이 반시계방향(CCW)인 경우는 데드 포인트 방지 요크(170)의 6각형 모서리로부터 반시계방향으로 1/4 자극폭 지점에 홀소자(H1)가 설치되는 것이 바람직하고, 회전 방향이 시계방향(CW)인 경우는 데드 포인트 방지 요크(170)의 6각형 모서리로부터 시계방향으로 1/4 자극폭 지점에 홀소자(H1)가 설치되는 것이 자기기동 불능 현상을 피할 수 있게 된다.

이하에 도 6을 참고하여 본 발명의 제2실시예에 따른 적층형 스테이터를 설명한다.

먼저, 도 2 및 도 3에 도시된 제1실시예에 따른 적층형 스테이터(110)는 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은 각각 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 토크발생부(20g~20l)는 24개의 기준 턴(401~424)을 유지하며, 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)의 24개의 기준 턴(401~424)은 2개씩 통합시켜서 12개의 통합 턴(431~442)으로 설계한 것이다.

제2실시예에 따른 적층형 스테이터에서 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)은, 토크발생부(20g~20l)는 24개의 기준 턴(401~424)을 유지하며, 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)의 24개의 기준 턴(401~424)은 모두 하나로 통합시킨 것을 제외하고 나머지는 제1실시예와 동일한 구조이다.

제2실시예와 같이 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)의 24개의 기준 턴(401~424) 모두를 기준 턴(401~424)으 4배 내지 6배 정도의 더 넓은 폭을 갖는 하나의 턴(450;451)으로 통합시킨 경우, 제1 내지 제3 코일 패턴(21~23)으로 구성되는 스테이터 코일의 전체 저항은 통합이 이루어지기 전과 비교할 때 1/4 이하로 크게 감소하게 된다.

그 결과 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제1실시예보다 더 저항과 동손을 크게 줄여서 에너지 손실을 줄임에 의해 코일 온도를 낮추고, 그 결과 모터 효율은 증대시킬 수 있게 된다.

도 6에 도시된 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제1 내지 제4 코일 패턴(21~24)은 모두 시계방향(CW)으로 나선형상을 가지도록 형성되고, 단지 제4 코일 패턴(24)만 5개의 토크발생부(20g~20k)만 형성되고, 하나의 토크발생부(20l)는 생략되고 그 자리에 모터구동회로(30)가 배치되어 있다.

제2실시예에서 제1 내지 제3 PCB(11~13)의 코일 패턴(21~23)은 동일한 형상의 패턴으로 이루어져 있고, 시계방향(CW)의 나선형상을 가지도록 형성되어 있다는 점에서 제1실시예와 동일하다.

제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제1 내지 제4 PCB(11~14)의 코일 패턴(21~24)이 시계방향(CW)의 나선형상을 갖는 권선으로 형성한 후, 4개의 스루홀(T11~T14)을 통하여 상호 연결이 이루어진다.

또한, 본 발명의 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제1 내지 제4 코일 패턴(21~24)이 동일한 형상으로 동일한 위치에 배치되며, 스루홀(T11~T14)을 이용하여 제1 내지 제4 코일 패턴(21~24)을 연결하면 하나의 스테이터 코일이 형성된다.

즉, 제1 PCB(11)의 제1 코일 패턴(21)은 스타트 부분(S11)(즉, 스루홀(T12))에서 시계방향으로 권선이 이루어진 후 엔드 부분(E11)이 스루홀(T12)을 통하여 제2 PCB(12)의 제2 코일 패턴(22)의 스타트 부분(S12)에 연결되고, 제2 코일 패턴(22)의 엔드 부분(E12)은 스루홀(T13)을 통하여 제3 PCB(13)의 제3 코일 패턴(23)의 스타트 부분(S13)에 연결된다.

또한, 제3 코일 패턴(23)의 엔드 부분(E13)은 스루홀(T14)을 통하여 제4 PCB(14)의 제4 코일 패턴(24)의 스타트 부분(S14)에 연결되고, 제4 코일 패턴(24)의 엔드 부분은 연장배선에 연결된다.

그 결과, 스테이터 코일의 일단, 즉 제4 코일 패턴(24)의 엔드 부분은 연장배선을 통하여 모터구동회로(30)의 제1출력단자(Out1)에 연결되고, 스테이터 코일의 타단, 즉 제1 코일 패턴(21)의 스타트 부분(S11)은 스루홀(T11)을 통하여 모터구동회로(30)의 제2출력단자(Out2)에 연결된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제4 PCB(14)에 실장되는 모터구동회로(30)는 전부가 좌측에 배치되어 있다.

제4 PCB(14)의 모터구동회로(30)에 구동전원(Vcc)이 공급되면 상기한 제1실시예와 동일하게 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 대향한 로터를 회전시키게 된다.

즉, 제2실시예에 따른 적층형 스테이터는 제1 내지 제4 PCB(11~14)의 제1 내지 제4 코일 패턴(21~24)에서 6개의 토크발생부는 동일한 위치에 배치되고, 적층된 코일 패턴이 로터의 자석과 동시에 대향하는 위치를 갖게 되어, 구동전원(Vcc)이 공급될 때, 동일한 위치에 적층된 코일 패턴간에는 전류의 흐름방향이 동일한 방향으로 설정됨에 따라 합력된 토크를 발생할 수 있다.

한편, 로터와 대향한 제1 PCB(11)에 센싱 코일 패턴이 형성되어 있으면, 로터의 회전시에 센싱 코일 패턴에 자석이 근접하면 센싱 코일 패턴로부터 전자기 유도에 의해 유도기전력이 발생하며, 모터구동회로(30)는 이 유도기전력을 이용하여 스위칭소자를 턴온시킴에 의해 스테이터 코일에 흐르는 전류의 방향을 변경할 수 있다.

본 발명에서는 배치 프로세스에 의해 PCB 기판의 동박을 패터닝하여 스테이터 코일용 코일 패턴을 형성하면서 동시에 센싱 코일 패턴을 함께 형성함에 의해 제조비용의 증가를 야기하지 않고 일체로 형성하는 것도 가능하다.

이 경우, 홀(Hall)센서와 같은 고가의 로터위치 검출센서를 사용하지 않고 모터구동회로(30)에서 스테이터 코일에 흐르는 전류의 방향을 주기적으로 전환할 수 있다.

이하에 도 7 및 도 8을 참고하여 적층형 스테이터를 사용하여 구현된 슬림형 단상 모터와 슬림형 인카 센서를 설명한다.

도 7은 본 발명에 따른 적층형 스테이터를 사용하여 구현된 슬림형 단상 모터를 나타내고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 슬림형 인카 센서를 나타낸다.

도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 슬림형 인카 센서(In-Car Sensor)(100)는 통형상의 하우징(200) 내부에 본 발명에 따른 적층형 스테이터(110)를 사용하여 구현된 단상 모터(40)가 수용되어 있다.

하우징(200)은 일측에 공기가 흡입되는 흡입구(211)를 가지며 원통 형상으로 이루어진 상부 하우징(210)과, 상기 상부 하우징(210)의 하부에 상단부가 스냅결합되며 내부에 공간을 형성하면서 하부를 실링하는 하부 하우징(220)을 포함한다.

또한, 단상 모터(40)는 적층형 스테이터(110), 로터(120), 회전축(140), 슬리브 베어링(180) 및 베어링 홀더(300)를 포함한다.

하부 하우징(220)의 내부에는 적층형 스테이터(110)의 하부를 지지하는 단턱(222)이 돌출되어 있고, 하부 하우징(220)의 하부에는 터미널 조립체(160)를 수용하기 위한 터미널 가이드(221)가 연장되어 있다.

터미널 조립체(160)는 적층형 스테이터(110)에 일체로 형성된 모터구동회로(30)에 차량 내부의 공조제어장치(CCM: Climate Control Module)로부터 구동전원(Vcc) 등을 인가하고, FG(Frequency Generator)신호를 수신하기 위한 복수개의 터미널 핀(162)과 복수개의 터미널 핀(162)을 일체화하기 위한 터미널 지지체(161)를 포함하고 있다.

터미널 핀(162)은 터미널 지지체(161)에 의해 복수개가 일체화되어 있으며, 하단부는 하부 하우징(220)에 고정되면서 터미널 가이드(221)의 내부로 연장되고, 상단부는 적층형 스테이터(110)에 일체로 형성된 모터구동회로(30)에 전기적으로 연결됨과 동시에 다층 기판(10a)을 관통하면서 물리적으로 고정되어 있다. 터미널 가이드(221)에는 공조제어장치(CCM)와 연결되는 외부 커넥터가 삽입되어 터미널 핀(162)과 연결된다.

상기 적층형 스테이터(110)의 상부에는 일정 갭을 두고 로터(120)가 액시얼 갭형으로 대향하여 배치되어 있으며, 저면에 N극 및 S극이 교대로 배치된 복수의 자석(121)이 환형으로 배치되고, 자석(121)의 상부에는 환형 백요크(122)가 배치되어 자기회로경로를 형성하며, 복수의 자석(121)과 백요크(122)는 로터 지지체(123)에 의해 환형으로 일체화된다.

로터 지지체(123)의 상부면에는 복수의 블레이드가 돌출되어 임펠러(130)가 일체로 형성되며, 중앙에는 회전축(140)의 상단부가 삽입되어 일체로 형성되어 있다.

로터(120)와 임펠러(130)를 일체로 형성하는 것은, 금형에 백요크(122), 자석(121)을 환형으로 배열하고, 중앙에 회전축(140)을 수직으로 배치한 후 인서트 사출 성형을 실시하면 로터 지지체(123)가 성형되면서 백요크(122), 자석(121) 및 회전축(140)이 로터 지지체(123)와 일체로 형성되고, 로터 지지체(123)의 상면에 둘레방향으로 임펠러(130)가 일체로 형성된다.

상기 로터 지지체(123)의 중앙부는 저면에 상방향으로 요홈(124)이 형성되며, 상기 요홈(124)에는 베어링 홀더(300)의 베이스 플레이트(310)로부터 상기 적층형 스테이터(110)의 관통구멍(15)을 통하여 밑에서 상부로 돌출되고, 중앙부에 슬리브 베어링(180)을 수용하도록 상측에서 하측 방향으로 요홈(331)을 갖는 원통형 보스(330)가 배치되어 있다.

원통형 보스(330)의 요홈(331)에는 슬리브 베어링(180)이 삽입되어 압착결합되어 있고, 슬리브 베어링(180)의 관통구멍에는 회전축(140)이 회전 가능하게 결합되어 있다.

또한, 원통형 보스(330)의 상부에는 회전축(140)의 회전에 따라 요홈(331)에 충진된 오일이 누설되는 것을 차단하기 위한 비산방지오일캡(340)이 결합되어 있다.

베어링 홀더(300)의 베이스 플레이트(310)는 원통형 보스(330)와 수직방향으로 배치되어 있고, 베이스 플레이트(310)의 중앙부에는 로터(120)의 회전축(140)을 지지하기 위한 스러스트 플레이트(thrust plate)(또는 베어링 시트)(320)가 배치되어 있고, 스러스트 플레이트(320)의 외측에는 데드 포인트 방지 요크(170)(도 8 참조)가 배치되어 있다.

상기 스러스트 플레이트(320)와 데드 포인트 방지 요크(170)는 베어링 홀더(300)의 베이스 플레이트(310)와 보스(330)를 사출성형할 때 인서트 몰딩방법으로 내장되어 일체화될 수 있다.

상부 하우징(210)의 하측부(217)에는 흡입구(211)를 통하여 유입된 공기를 측면 방향으로 배출하기 위한 다수의 관통구멍이 형성되어 있으며, 로터(120)와 일체로 형성된 임펠러(130)가 배치되어 있다.

상부 하우징(210)은 상측부(216)과 하측부(217)의 중간 부분에 온도센서(150)를 설치하기 위한 브리지(212)가 형성되어 있고, 브리지(212)의 중앙에는 흡입구(211)의 선단부로 온도센서(150)를 안내하여 지지하기 위한 온도센서 가이드(213)가 돌출되어 있다.

온도센서(150)는 리드 와이어(151)의 일단부가 적층형 스테이터(110)에 형성된 회로부에 연결되며, 일측 벽면에 형성된 관통구멍(214)을 통하여 상부 하우징(210)의 상측부(216)로 인출된 후, 브리지(212)와 온도센서 지지대(213)를 따라 흡입구(211)까지 연장되어 온도센서(150)가 흡입구(211)에 위치되게 한다.

이에 따라 온도센서(150)는 로터(120)와 함께 임펠러(130)가 회전함에 따라 차량 내부의 공기를 상부 하우징(210)의 흡입구(211)를 통하여 흡입할 때 유입된 공기의 온도를 보다 정확하게 측정하며, 측정된 온도값은 차량의 실내온도 조절에 이용될 수 있도록 터미널 핀(160)을 통하여 공조제어장치(CCM)로 전송된다.

상부 하우징(210)의 상측부(216)는 하측부(217)보다 직경이 작게 구성되어 있고, 상측부(216)와 하측부(217) 사이의 경계부에는 인카 센서(100)를 예를 들어, 자동차의 그릴 또는 인스트루먼트 패널 등의 배면에 설치하여 사용할 때 단상 모터(40)의 작동에 따라 발생된 소음이 그릴 또는 인스트루먼트 패널을 통하여 실내로 유입되는 것을 차단하기 위한 완충패드(218)가 배치되어 있다.

본 발명의 실시예에 따른 슬림형 인카 센서(100)는 모터구동회로(30)에 의해 도전성 패턴 코일(21~25)에 전류가 흐르게 되면 로터(120)와 함께 임펠러(130)가 회전하면서 상부 하우징(210)의 흡입구(211)를 통하여 차량 내부의 공기를 흡입한다.

이에 따라 온도센서(150)는 유입된 공기의 온도를 정확하게 측정하며, 측정된 온도값은 터미널 핀(160)을 통하여 공조제어장치(CCM)로 전송된다.

본 발명의 실시예에 따른 인카 센서(In-Car Sensor)(100)는 단상 모터(40)가 적층형 스테이터(110)를 사용함에 따라 종래의 단상 모터와 비교할 때, 슬림형 구조를 실현할 수 있다.

또한, 적층형 스테이터(110)는 배치 프로세스(batch process)에 의해 한번에 다수개를 생산 가능하여 생산성이 높아 가격 경쟁력이 높고, 모터구동회로를 내장할 수 있어, 별도의 제어용 PCB를 줄일 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 적층형 스테이터(110)는 각 층의 코일 패턴이 토크 발생 효율을 최대화할 수 있도록 방사방향으로 배향된 토크발생부(20g~20l)를 포함하고 있어, 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있다. 그 결과 어스피레이션 모터에 의해 차량 내부로부터 흡입되는 공기의 흡입량이 증가되어 좀더 정밀한 온도 센싱이 이루어질 수 있다.

더욱이, 인카 센서(In-Car Sensor)(100)에서 토크발생부(20g~20l)는 미리 설정된 수의 기준 턴을 유지하여 토크를 발생시키고, 비토크발생부(20a~20c,20d~20f)는 복수 개씩 기준 턴을 통합(즉, 단락)시켜서 넓은 폭을 갖도록 패터닝하여 코일의 저항을 최소화함에 의해 저항과 동손(coil loss)을 줄여서 코일 온도를 낮추고 모터 효율은 증대시킬 수 있다.

상기한 실시예 설명에서는, 다층 구조의 코일 패턴을 직렬 접속한 것을 예를 들어 설명하였으나, 병렬 접속으로 연결하는 것도 가능하다.

또한, 상기한 실시예 설명에서는, 적층형 스테이터가 인카 센서에 사용되는 단상 모터를 구성하는 것을 예를 들어 설명하였으나, 소형 단상 모터를 사용하는 각종 팬모터에 이용될 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

본 발명은 대향한 로터에 토크 발생이 최대로 얻어질 수 있는 코일 패턴을 갖는 다층 기판을 이용하여 슬림형으로 구현될 수 있는 적층형 스테이터, 이를 이용한 단상 모터와 각종 팬모터 및 인카 센서에 적용 가능하다.

10: 기판 11-14: PCB
15: 관통구멍 16: 전자 부품
17: 인쇄배선 18: 솔더링 랜드
20a-20f: 비토크발생부 20g-20l: 토크발생부
21-25; 코일 패턴 30: 구동회로
40: 단상 모터 100: 인카 센서
110: 스테이터 120: 로터
121-121f: 자석 121g: 경계면
122: 백요크 123: 로터 지지체
130: 임펠러 140: 회전축
150: 온도센서 160: 터미널 조립체
170: 데드 포인트 방지 요크 180: 슬리브 베어링
200: 하우징 210: 상부 하우징
211: 흡입구 212: 브리지
213: 온도센서 지지대 218: 완충패드
220: 하부 하우징 221: 터미널 가이드
222: 단턱부 300: 베어링 홀더
310: 베이스 플레이트 320: 스러스트 플레이트
330: 보스 10a: 다층 기판
T1-T7,T11-T14: 스루홀 H1: 홀소자

Claims (13)

1. 다층 기판; 및
   상기 다층 기판의 각 기판 위에 복수의 기준 턴을 형성하도록 나선형상으로 패터닝되고 스루홀을 통하여 상호 연결된 복수의 코일 패턴;을 포함하며,
   상기 복수의 코일 패턴은 각각 방사방향을 따라 간격을 두고 배치되는 복수의 토크발생부와 상기 인접한 토크발생부의 내측 단부 또는 외측 단부를 상호 연결하는 복수의 비토크발생부를 포함하고,
   상기 복수의 비토크발생부는 각각 복수 개씩 기준 턴이 통합되어 적어도 하나의 통합 턴을 갖는 적층형 스테이터.
2. 제1항에 있어서,
   상기 통합 턴은 상기 기준 턴보다 넓은 폭을 갖는 적층형 스테이터.
3. 제1항에 있어서,
   상기 통합 턴은 2 내지 3개씩 기준 턴이 통합되는 적층형 스테이터.
4. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 비토크발생부는 각각 하나의 통합 턴을 갖는 적층형 스테이터.
5. 제1항에 있어서,
   상기 코일 패턴은 상기 다층 기판의 중앙부에 형성된 관통구멍의 외주에 돌기부와 요홈부가 반복되는 지그재그 패턴을 갖는 적층형 스테이터.
6. 제1항에 있어서,
   상기 다층 기판은,
   제1 내지 제3 코일 패턴이 각각 형성되는 제1 내지 제3 기판; 및
   상기 제1 내지 제3 코일 패턴에 구동전류를 인가하기 위한 모터구동회로가 실장된 제4 기판;을 포함하는 적층형 스테이터.
7. 제6항에 있어서,
   상기 다층 기판의 각 기판 위에 형성된 복수의 코일 패턴은 각각 동일한 형상으로 이루어지는 적층형 스테이터.
8. 제1항에 있어서,
   상기 토크발생부의 수는 로터 자극수와 동일한 수, 로터 자극수의 1/2 배수 및 로터 자극수의 2배수 중 어느 하나로 설정되는 적층형 스테이터.
9. 제1항에 있어서,
   상기 다층 기판에 배치되며, 로터가 초기상태일 때, 로터 자극의 경계면으로부터 편위된 위치에 배치되어 로터의 자극을 검출하는 홀센서; 및
   상기 로터가 초기상태일 때 상기 홀센서가 로터의 자석 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정되게 상기 로터의 위치를 설정하는 데드 포인트 방지 요크;를 더 포함하며,
   상기 데드 포인트 방지 요크는 스테이터의 하부에 적층 배치되며, 외주가 (자극 수)/N(여기서 N은 자극 수의 약수)개의 다각형 형상으로 이루어진 적층형 스테이터.
10. 제9항에 있어서,
    상기 홀센서는 로터가 초기상태일 때 데드 포인트 방지 요크에 의해 위치설정된 로터의 자극 경계면으로부터 편위된 위치에 위치설정됨과 동시에 상기 토크발생부 중 하나와 중첩된 위치에 배치되는 적층형 스테이터.
11. 제9항에 있어서,
    상기 홀센서는 자극의 경계면 또는 자극의 센터로부터 1/4 자극폭 만큼 편위된 위치에 설치되는 적층형 스테이터.
12. 회전축;
    상기 회전축이 중앙에 지지되고 다수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터; 및
    상기 로터와 대향하여 배치되며, 관통구멍이 중앙에 형성된 적층형 스테이터를 포함하며,
    상기 적층형 스테이터는 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 적층형 스테이터인 단상 모터.
13. 회전축;
    상기 회전축이 중앙부에 지지되고 다수의 N극 자석과 S극 자석이 교대로 배치된 로터;
    상기 로터의 일단에 고정되고, 상기 로터와 함께 회전하는 임펠러;
    상기 회전축을 회전 가능하게 지지하는 베어링;
    상기 베어링을 수용하여 고정하는 베어링 홀더;
    상기 베어링 홀더가 통과하는 관통구멍이 중앙에 형성된 적층형 스테이터;
    상기 적층형 스테이터를 내부에 지지하는 하부 하우징;
    상기 하부 케이스에 대향하여 배치되며 임펠러가 회전될 때 선단부로부터 차량의 실내 공기가 유입되며, 상기 임펠러와 대향한 부분에 유입된 공기가 배출되는 다수의 관통구멍을 갖는 상부 하우징; 및
    상기 상부 하우징의 공기가 유입되는 기류 경로 내에 배치되어 흡입되는 공기의 온도를 측정하는 온도센서;를 포함하며,
    상기 적층형 스테이터는 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 따른 적층형 스테이터인 인카 센서.

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