KR20200069129A - 동축 반전 모터 및 그를 포함하는 드론 - Google Patents

동축 반전 모터 및 그를 포함하는 드론 Download PDF

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KR20200069129A
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김래은
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김주한
이정종
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    • B64C2201/042—

Abstract

본 발명은 동축 반전 모터 및 그를 포함하는 드론에 관한 것으로, 모터의 구조를 간소화 하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 동축 반전 모터는 고정자; 상기 고정자를 중심으로 하부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 하부면과 마주보게 하부 영구자석이 설치되고, 중심에 하부 회전축이 설치된 하부 회전자; 및 상기 고정자를 중심으로 상부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 상부면과 마주보게 상부 영구자석이 설치되며, 중심에 상부 회전축이 설치되는 상부 회전자;를 포함하고, 상기 상부 영구자석의 극수가 상기 하부 영구자석의 극수와 상이하고, 상기 하부 회전축과 상기 하부 회전축의 회전 방향 및 회전 속도가 상이하다.

Description

동축 반전 모터 및 그를 포함하는 드론{Coaxial motor and drone comprising the same}
본 발명은 드론(drone)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동축 반전 모터 및 그를 포함하는 드론에 관한 것이다.
드론은 조종사 없이 무선전파의 유도에 의해서 비행 및 조종이 가능한 비행기나 헬리콥터 모양의 무인항공기(UAV; unmanned aerial vehicle 또는 uninhabited aerial vehicle)의 총칭이다
이러한 드론은 날개부가 회전하는지 여부에 따라 회전익(Rotary wing) 드론, 고정익(Fixed wing) 드론 및 틸트 로터(Tilt rotor) 드론으로 구분할 수 있다.
이 중 회전익 드론은 회전축에 장착된 프로펠러가 돌면서 나오는 양력으로 비행하는 비행체이다. 회전익 드론의 경우 제어가 편해 방송 촬영, 물품 운송 등의 분야에서 많이 이용되고 있다.
회전익 드론은 로터 블레이드의 회전을 통하여 양력을 발생하여 비행을 하게 된다. 로터 블레이드가 수평면 내를 적당한 피치각으로 회전하면 위로 양력이 발생하며, 피치각을 제어하여 양력을 증감시키며 수직 방향의 균형과 운동을 실현할 수 있다. 이때 로터 블레이드의 회전에 따라 작용-반작용의 원리로 공기의 저항이 생기고, 이로 인하여 발생하는 반동 토오크 때문에 기체가 로터 블레이드의 회전 방향과 반대 방향으로 회전하게 되는 문제가 발생하게 된다. 이러한 반동 토오크를 상쇄하기 위해 다양한 형식의 회전익 드론이 등장하였다.
반동 토오크를 상쇄 방법 중 동축 반전 방식은 동일한 축 중심을 따라 서로 반대 방향으로 회전하는 상부 로터 블레이드 및 하부 로터 블레이드를 이용하여 반동 토오크를 상쇄시킨다.
최근에는 제어가 쉽고 구조가 비교적 간단한 여러 개의 로터가 다른 축 상에서 회전하여 양력을 발생시키는 멀티 콥터, 특히 쿼드 콥터가 유행하고 있다. 하지만 동축 반전 방식을 이용한 회전익 드론은 멀티 콥터보다 동일한 크기 대비 더 큰 양력을 발생시킬 수 있고, 보다 안정적이며, 소음이 작다는 장점이 있다.
하지만 기존의 동축 반전 드론은 동축 반전 로터 헬리콥터의 매우 복잡한 구조를 거의 그대로 이용하고 있어, 정비 작업 자체가 어렵고 유지 관리 비용이 많이 든다는 문제가 존재한다.
그리고 기존의 동축 반전 드론은 상부 브레이드 및 하부 블레이드에 각각 독립된 모터가 필요하고, 두 개의 모터를 제어하기 위한 전자 속도 제어기(ESC; Electronic Speed Controls)를 필요로 한다.
공개특허공보 제2018-0088017호 (2018.08.03. 공개)
따라서 본 발명의 목적은 모터의 구조를 간소화할 수 있는 동축 반전 모터 및 그를 포함하는 드론을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정자; 상기 고정자를 중심으로 하부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 하부면과 마주보게 하부 영구자석이 설치되고, 중심에 하부 회전축이 설치된 하부 회전자; 및 상기 고정자를 중심으로 상부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 상부면과 마주보게 상부 영구자석이 설치되며, 중심에 상부 회전축이 설치되는 상부 회전자;를 포함하고,
상기 상부 영구자석의 극수가 상기 하부 영구자석의 극수와 상이하고, 상기 하부 회전축과 상기 하부 회전축의 회전 방향 및 회전 속도가 상이한 것을 특징으로 하는 드론용 동축 반전 모터를 제공한다.
상기 고정자는, 판 형상의 고정자 본체; 상기 고정자 본체의 하부면에 형성된 복수의 하부 고정자 코어; 상기 복수의 하부 고정자 코어에 권취된 하부 권선; 상기 고정자 본체의 상부면에 형성된 복수의 상부 고정자 코어; 및 상기 복수의 상부 고정자 코어에 권취된 상부 권선;을 포함한다.
상기 하부 영구자석의 극수가 상기 상부 영구자석의 극수보다는 많다.
본 발명에 따른 동축 반전 모터는, 배터리 전원을 입력받아 3상 주파수를 발생시켜 상기 하부 권선 및 상기 상부 권선에 인가하여 상기 상부 회전축 및 상기 하부 회전축의 회전 속도를 제어하는 전자 속도 제어기(ESC);를 더 포함한다.
상기 드론용 동축 반전 모터는 엑시얼 타입의 모터이다.
그리고 본 발명은 하부 및 상부에 각각 서로 반대 방향으로 상이한 속도로 회전하는 하부 회전축과 상부 회전축을 구비하는 상기 동축 반전 모터; 상기 하부 회전축에 결합된 하부 블레이드; 및 상기 상부 회전축에 결합된 상부 블레이드;를 구비하는 동축 반전 모터를 포함하는 드론을 제공한다.
본 발명에 따른 동축 반전 모터는 고정자를 중심으로 상하로 하부 및 상부 회전자가 설치된 엑시얼 타입의 모터로 구현되고, 하부 및 상부 회전자의 영구자석의 극수를 달리함으로써, 하부 및 상부 회전자에 각각 설치된 하부 회전축 및 상부 회전축을 서로 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.
따라서 본 발명에 따른 동축 반전 모터는 하나의 엑시얼 타입의 모터로 상부 블레이드 및 하부 블레이드를 서로 반대 방향으로 회전시킬 수 있기 때문에, 동축 반전 모터의 구조를 간소화할 수 있다.
본 발명에 따른 동축 반전 모터는 하나의 전자 속도 제어기(ESC)로 동축 반전 제어가 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동축 반전 모터를 포함하는 드론을 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 동축 반전 모터를 보여주는 도면이다.
도 3은 도 2의 고정자의 상부면을 보여주는 평면도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 동축 반전 모터를 포함하는 드론을 보여주는 개략도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 드론(100)은 동축 반전 모터(70), 하부 블레이드(81) 및 상부 블레이드(83)를 포함한다. 동축 반전 모터(70)는 하부 및 상부에 각각 서로 반대 방향으로 상이한 속도로 회전하는 하부 회전축(35)과 상부 회전축(45)을 구비한다. 하부 블레이드(81)는 하부 회전축(35)에 결합된다. 그리고 상부 블레이드(83)는 상부 회전축(45)에 결합된다.
동축 반전 모터(70)는 엑시얼 타입의 모터로서 고정자(10)와 회전자(20)를 포함한다. 이때 회전자(20)는 고정자(10)를 중심으로 하부 및 상부에 각각 배치된 하부 회전자(30) 및 상부 회전자(40)를 포함한다. 고정자(10)를 중심으로 양쪽으로 하부 회전자(30) 및 상부 회전자(40)에 각각 하부 회전축(35) 및 상부 회전축(45)이 설치된다.
이러한 동축 반전 모터(70)는 모터 본체(50)와 전자 속도 제어기(60)를 포함한다. 모터 본체는 고정자(10), 하부 회전자(30) 및 상부 회전자(40)를 포함한다.
전자 속도 제어기(60)는 배터리 전원을 입력받아 3상 주파수를 발생시켜 모터 본체(50)의 회전을 제어한다. 즉 전자 속도 제어기(60)는 배터리 전원을 입력받아 3상 주파수를 발생시켜 모터 본체(50)를 제어하는 모듈이다. 전자 속도 제어기(60)는 모터 본체(50)의 회전을 위해서 지속적으로 다른 위상의 고주파 신호를 만들어 모터 본체(50)에 인가하여 속도를 조절하는 것으로서, 배터리의 전원을 모터 본체(50)에 제공하는 역할을 한다. 후술되겠지만, 전자 속도 제어기(60)는 발생한 3상 주파수를 고정자(10)의 하부 권선(17) 및 상부 권선(19)에 인가하여 하부 회전축(35) 및 상부 회전축(45)의 회전 속도를 제어한다.
이와 같은 본 실시예에 따른 동축 반전 모터(70)에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 동축 반전 모터(70)를 보여주는 도면이다. 그리고 도 3은 도 2의 고정자(10)의 상부면을 보여주는 평면도이다.
본 실시예에 따른 동축 반전 모터(70)는 전술된 바와 같이 모터 본체(50)와 전자 속도 제어기(60)를 포함한다.
모터 본체는 고정자(10), 하부 회전자(30) 및 상부 회전자(40)를 포함한다. 하부 회전자(30)는 고정자(10)를 중심으로 하부에 회전 가능하게 설치되며, 고정자(10)의 하부면과 마주보게 하부 영구자석(33)이 설치되고, 중심에 하부 회전축(35)이 설치된다. 그리고 상부 회전자(40)는 고정자(10)를 중심으로 상부에 회전 가능하게 설치되며, 고정자(10)의 상부면과 마주보게 상부 영구자석(43)이 설치되며, 중심에 상부 회전축(45)이 설치된다. 이때 하부 영구자석(33)의 극수가 상부 영구자석(43)의 극수와 상이하고, 하부 회전축(35)과 하부 회전축(45)의 회전 방향 및 회전 속도가 상이하다.
고정자(10)는 판 형상의 고정자 본체(11), 하부 고정자 코어(13), 하부 권선(17), 상부 고정자 코어(15) 및 상부 권선(19)을 포함한다. 즉 고정자(10)는 고정자 본체(11)를 중심으로 하부면에 하부 회전자(30)에 매칭되는 하부 고정자 코어(13) 및 하부 권선(17)이 설치되고, 고정자 본체(11)의 상부면에 상부 회전자(40)에 매칭되는 상부 고정자 코어(15) 및 상부 권선(19)이 설치된다.
하부 및 상부 고정자 코어(13,15)는 고정자 본체(11)의 양면에 방사형으로 돌출되게 형성될 수 있다.
하부 및 상부 고정자 코어(13,15)는 고정자 본체(11)의 양면에 원주 방향을 따라 소정의 각도만큼 이격되어 배치될 수 있다. 하부 및 상부 고정자 코어(13,15)의 외측면은 하나의 폐곡선을 형성할 수 있다. 각각의 하부 및 상부 고정자 코어(13,15)의 상부면 형상은 사다리꼴 형태가 될 수 있다. 이러한 하부 및 상부 고정자 코어(13,15)는 대응되는 하부 및 상부 회전자(30,40)의 회전축(35,45) 방향으로 고정자 본체(11)로부터 돌출되어 형성될 수 있다.
하부 및 상부 고정자 코어(13,15)의 외측면에는 각각 하부 및 상부 권선(17,19)이 권취될 수 있다. 여기서 하부 및 상부 권선(17,19)은 각각의 하부 및 상부 고정자 코어(13,15)의 외면을 따라 권선될 수 있다.
하부 및 상부 고정자 코어(13,15)의 상부면은 자속 발생면이 될 수 있다. 하부 및 상부 고정자 코어(13,15)의 상부면은 하부 및 상부 회전자(30,40) 사이에 공극을 형성하며 인접 배치되는 하부 및 상부 회전자(30,40)와 대향되게 배치된다.
하부 및 상부 회전자(30,40)는 고정자(10)의 자속 흐름에 유도되어 실질적으로 회전하는 구성이다. 하부 및 상부 회전자(30,40)는 고정자(10)의 중심축 방향으로 고정자(10)와 미리 설정된 공극 간격만큼 이격되어 나란하게 배치될 수 있다. 여기서 하부 및 상부 회전자(30,40) 사이에 고정자(10)가 배치된다.
하부 및 상부 회전자(30,40)는 고정자(10)에 대응되게 판 형상으로 고정자(10)와 마주보는 면에 각각 하부 영구자석(33) 및 상부 영구자석(43)이 배치되어 있다. 즉 하부 및 상부 회전자(30,40)는 하부 및 상부 회전자 본체(31,41), 하부 및 상부 영구자석933,43), 하부 및 상부 회전축(35,45)을 포함한다.
그리고 하부 회전자(30)의 하부 회전축(35)에 결합되는 하부 블레이드(81)와 상부 회전자(40)의 상부 회전축(45)에 결합되는 상부 블레이드(83)가 서로 회전 방향 및 회전 속도가 상이할 수 있도록, 하부 영구자석(33)과 상부 영구자석(43)의 극수가 상이하다. 즉 하부 영구자석(33)과 상부 영구자석(43)의 개수가 상이하다.
전자 속도 제어기(60)를 통해서 하부 및 상부 권선(17,19)에 인가되는 3상 주파수를 달리함으로써, 하부 블레이드(81)와 상부 블레이드(83)의 회전 방향을 반대로 할 수 있다. 예컨대 하부 영구자석(33)의 극수가 상부 영구자석(43)의 극수의 2배인 경우, 하부 블레이드(81)의 회전 속도는 상부 블레이드(83)의 회전 속도의 2배가 될 수 있다.
이와 같이 본 실시예에 따른 동축 반전 모터(70)는 고정자(10)를 중심으로 상하로 하부 및 상부 회전자(30,40)가 설치된 엑시얼 타입의 모터로 구현되고, 하부 및 상부 회전자(30,40)의 영구자석(33,43)의 극수를 달리함으로써, 하부 및 상부 회전자(30,40)에 각각 설치된 하부 회전축(35) 및 상부 회전축(45)을 서로 반대 방향으로 회전시킬 수 있다.
따라서 본 실시예에 따른 동축 반전 모터(70)는 하나의 엑시얼 타입의 모터로 하부 블레이드(81) 및 상부 블레이드(83)를 서로 반대 방향으로 회전시킬 수 있기 때문에, 동축 반전 모터(70)의 구조를 간소화할 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 동축 반전 모터(70)는 하나의 전자 속도 제어기(60)로 동축 반전 제어가 가능하다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 고정자
11 : 고정자 본체
13 : 하부 고정자 코어
15 : 상부 고정자 코어
17 : 하부 권선
19 : 상부 권선
20 : 회전자
30 : 하부 회전자
31 : 하부 회전자 본체
33 : 하부 영구자석
35 : 하부 회전축
40 : 상부 회전자
41 : 상부 회전자 본체
43 : 상부 영구자석
45 : 상부 회전축
50 : 모터 본체
60 : 전자 속도 제어기(ESC)
70 : 동축 반전 모터
81 : 하부 블레이드
83 : 상부 블레이드
100 : 드론

Claims (8)

  1. 고정자;
    상기 고정자를 중심으로 하부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 하부면과 마주보게 하부 영구자석이 설치되고, 중심에 하부 회전축이 설치된 하부 회전자; 및
    상기 고정자를 중심으로 상부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 상부면과 마주보게 상부 영구자석이 설치되며, 중심에 상부 회전축이 설치되는 상부 회전자;를 포함하고,
    상기 상부 영구자석의 극수가 상기 하부 영구자석의 극수와 상이하고, 상기 하부 회전축과 상기 하부 회전축의 회전 방향 및 회전 속도가 상이한 것을 특징으로 하는 드론용 동축 반전 모터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 고정자는,
    판 형상의 고정자 본체;
    상기 고정자 본체의 하부면에 형성된 복수의 하부 고정자 코어;
    상기 복수의 하부 고정자 코어에 권취된 하부 권선;
    상기 고정자 본체의 상부면에 형성된 복수의 상부 고정자 코어; 및
    상기 복수의 상부 고정자 코어에 권취된 상부 권선;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 드론용 동축 반전 모터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 하부 영구자석의 극수가 상기 상부 영구자석의 극수보다는 많은 것을 특징으로 하는 드론용 동축 반전 모터.
  4. 제2항에 있어서,
    배터리 전원을 입력받아 3상 주파수를 발생시켜 상기 하부 권선 및 상기 상부 권선에 인가하여 상기 상부 회전축 및 상기 하부 회전축의 회전 속도를 제어하는 전자 속도 제어기(ESC);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 드론용 동축 반전 모터.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 드론용 동축 반전 모터는 엑시얼 타입의 모터인 것을 특징으로 하는 드론용 동축 반전 모터.
  6. 하부 및 상부에 각각 서로 반대 방향으로 상이한 속도로 회전하는 하부 회전축과 상부 회전축을 구비하는 동축 반전 모터; 및
    상기 하부 회전축에 결합된 하부 블레이드;
    상기 상부 회전축에 결합된 상부 블레이드;를 포함하고,
    상기 동축 반전 모터는,
    고정자;
    상기 고정자를 중심으로 하부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 하부면과 마주보게 하부 영구자석이 설치되고, 중심에 상기 하부 회전축이 설치된 하부 회전자; 및
    상기 고정자를 중심으로 상부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 고정자의 상부면과 마주보게 상부 영구자석이 설치되며, 중심에 상기 상부 회전축이 설치되는 상부 회전자;를 포함하고,
    상기 상부 영구자석의 극수가 상기 하부 영구자석의 극수와 상이하고, 상기 하부 회전축과 상기 하부 회전축의 회전 방향 및 회전 속도가 상이한 것을 특징으로 하는 동축 반전 모터를 포함하는 드론.
  7. 제6항에 있어서, 상기 고정자는,
    판 형상의 고정자 본체;
    상기 고정자 본체의 하부면에 형성된 복수의 하부 고정자 코어;
    상기 복수의 하부 고정자 코어에 권취된 하부 권선;
    상기 고정자 본체의 상부면에 형성된 복수의 상부 고정자 코어; 및
    상기 복수의 상부 고정자 코어에 권취된 상부 권선;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 반전 모터를 포함하는 드론.
  8. 제7항에 있어서, 상기 동축 반전 모터는,
    배터리 전원을 입력받아 3상 주파수를 발생시켜 상기 하부 권선 및 상기 상부 권선에 인가하여 상기 상부 회전축 및 상기 하부 회전축의 회전 속도를 제어하는 전자 속도 제어기(ESC);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 동축 반전 모터를 포함하는 드론.
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Citations (1)

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180088017A (ko) 2017-01-26 2018-08-03 엘지전자 주식회사 동축 반전 로터를 이용한 드론

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