KR20200089911A - Bldc motor with double stator structure - Google Patents

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김영식
모규석
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주식회사 대창그린텍
김영식
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Abstract

The present invention relates to a brushless direct current (BLDC) motor and, more particularly, to a BLDC motor with a double stator structure which can obtain high output with low power since a magnetic field of both surfaces of a permanent magnet can be simultaneously used by installing a plurality of pairs of inner and outer coils each adjacent to both surfaces of the permanent magnet inside and outside a round rotator housing in which the permanents are installed at regular intervals, and can achieve an effect of increasing mobility, stability and durability of various devices including an electric vehicle. According to the present invention, the BLDC motor with a double stator structure comprises: a rotor including a concentric rotor housing, a plurality of permanent magnets installed in the rotor housing, and a rotating shaft fixed to the rotor housing; and a stator axially supported on the rotating shaft by a bearing and including a stator housing having a structure of separately installing a coil at the concentric outside and inside of the rotator housing, and a plurality of coils installed in the stator housing and installed outside and inside the rotator housing in pairs.

Description

이중 고정자 구조를 가진 비엘디시 모터{BLDC MOTOR WITH DOUBLE STATOR STRUCTURE}BLDC MOTOR WITH DOUBLE STATOR STRUCTURE with double stator structure

본 발명은 BLDC(Brushless Direct Current) 모터에 관한 것으로, 특히 다수개의 영구자석이 등간격으로 설치된 둥근 회전자 하우징의 내측와 외측에 영구자석 양면에 각각 인접되게 내측 코일과 외측 코일 쌍을 다수 개 설치함으로써 영구자석의 양면 자장을 동시에 사용할 수 있어 저전력으로 고출력을 얻을 수 있고, 전기 자동차를 비롯한 다양한 장치들의 기동성과 안정성 및 내구성의 증대 효과를 달성할 수 있도록 한 이중 고정자 구조를 가진 BLDC 모터에 관한 것이다.The present invention relates to a brushless direct current (BLDC) motor, in particular, by installing a plurality of inner and outer coil pairs adjacent to both sides of the permanent magnet on the inside and outside of a round rotor housing in which a plurality of permanent magnets are installed at equal intervals. The present invention relates to a BLDC motor having a double stator structure capable of simultaneously using a double-sided magnetic field of a permanent magnet to obtain high power at low power and to increase the mobility, stability, and durability of various devices including electric vehicles.

일반적인 DC 모터는 정류자와 브러쉬의 접촉에 의해 코일에 전류가 흐르고, 동시에 정류시키는 기능을 하지만, 브러쉬가 마모되고 기계적 접촉에 의한 스파크 발생 등의 문제점이있었다. 이러한 문제점을 극복하기 위해 브러쉬를 사용하지 않는 BLDC 모터가 개발되어 내구성 및 제어의 정밀성까지 높아졌다.In a typical DC motor, a current flows through a coil by contact between a commutator and a brush, and functions to rectify at the same time, but there is a problem in that a brush is worn and sparks are caused by mechanical contact. To overcome this problem, BLDC motors without brushes have been developed to increase durability and precision of control.

이러한 BLDC 모터는 영구자석이 설치된 회전자와 전자석의 역할을 하는 코일이 설치된 고정자를 포함하여 구성된다. 즉, 회전축과, 회전축에 고정되고 회전축을 중심으로 동심원상으로 형성된 회전자 하우징과, 회전자 하우징에 등간격으로 다수개 설치된 영구자석을 포함하여 회전자가 구성된다. 그리고 회전자 하우징의 내측(내전형) 또는 외측(외전형)에 동심원상으로 형성된 고정자 하우징과, 고정자 하우징에 설치되어 전류의 인가로 전자석이 되고 동일 직선상에 마주보고 쌍을 이루어 함께 전류가 통하도록 설치된 다수의 코일을 포함하여 고정자가 구성된다.The BLDC motor includes a rotor with a permanent magnet and a stator with a coil that serves as an electromagnet. That is, the rotor comprises a rotating shaft, a rotor housing fixed to the rotating shaft and formed concentrically around the rotating shaft, and a permanent magnet installed at a plurality of equal intervals in the rotor housing. In addition, the stator housing formed concentrically on the inside (inner pronation) or the outer (outer progeny) of the rotor housing, is installed in the stator housing, becomes an electromagnet by the application of electric current, and faces on the same straight line to pass the current together. The stator is configured to include a plurality of coils.

이와 같이 코일은 마주보고 있는 것끼리 함께 같은 방향의 전류가 흐르게 되면 N극과 S극이 만들어 진다. 이때 회전자의 N극과 S극이 고정자에 의해 끌려오게 되고, 인접된 곳의 고정자는 반대 방향의 자기장을 만들어 회전자를 밀어내게 된다. 즉, 회전자가 회전자를 당기는 첫 번째 코일(전자석)과 같이 있을 때, 그 회전하는 방향의 뒤에 있는 코일에 회전자를 미는 방향으로 전압을 가하면, 동일한 전류가 2번째 코일에 가면 결합된 효과로 인해 모터에서 더 많은 토크와 힘이 출력된다. 이와같이 N극과 S극의 극성을 수시로 변화시켜 움직이게 해야 하므로, 코일에 전류를 흘려주는 타이밍은 영구자석이 회전에 의해 생기는 자기장의 변화에 의한 전압 상승을 신호로 검출하는 홀 센서를 이용하게 된다.In this way, when the currents in the same direction flow together between the opposite facing coils, N and S poles are created. At this time, the N-pole and the S-pole of the rotor are pulled by the stator, and the stator in the adjacent place creates a magnetic field in the opposite direction to push the rotor. That is, when the rotor is with the first coil (electromagnet) that pulls the rotor, if a voltage is applied to the coil behind the rotating direction in the direction of pushing the rotor, the same current goes to the second coil, resulting in a combined effect. This results in more torque and force output from the motor. Since the polarity of the N-pole and the S-pole must be changed and moved as described above, the timing of passing the current to the coil uses a Hall sensor that detects the voltage rise due to the change in the magnetic field caused by rotation of the permanent magnet as a signal.

BLDC 모터는 마모되기 쉬운 부분(Brush)을 제거해 내구성을 높이고, 오래 사용해도 소음이 늘거나 성능이 떨어지지 않으며 정밀한 속도 제어가 가능하고 에너지 효율이 높아 경제적이다. 이와 같은 장점으로 BLDC 모터는 일반 자동차, 전기 자동차 및 하이브리드 자동차 등의 기동 모터로 사용되고, 다양한 산업 분야에서 활용되는 드론의 구동 모터로 사용되는 등 다양한 장치에 적용되어 사용된다.BLDC motor is economical because it removes brittle parts to increase durability, increases noise, and does not degrade performance over long periods, enables precise speed control, and has high energy efficiency. Due to these advantages, BLDC motors are used as starting motors for general vehicles, electric vehicles, and hybrid vehicles, and are used as a driving motor for drones used in various industries.

비행체인 드론의 경우 본체와 배터리의 경량화를 위하여 비행시간을 오래 확보할 수가 없다. 그리고 전기 자동차의 경우도 한 번 충전으로 주행할 수 있는 거리가 매우 중요하므로, 차량의 많은 공간과 무게가 배터리로 채워진다. 이처럼 배터리를 이용하는 여러 장치에 있어서는 전기 사용량을 줄여 장치들의 정상적인 작동 시간을 오래 유지하도록 할 필요성이 있고, 뿐만아니라 저전력으로 고출력을 얻을 수 있는 장치의 개발이 요구된다.In the case of a drone that is a flight chain, it is not possible to secure a long flight time to reduce the weight of the body and battery. Also, in the case of an electric vehicle, since the distance that can be driven by a single charge is very important, a lot of space and weight of the vehicle are filled with batteries. As described above, in various devices using batteries, it is necessary to reduce the amount of electricity used to maintain the normal operating time of the devices, and development of a device capable of obtaining high power with low power is also required.

따라서 본 발명은 다양한 산업분야 및 장치들에 사용되는 BLDC 모터의 사용전력을 낮추면서도 고출력을 얻을 수 있도록 이중 고정자 구조를 가진 BLDC 모터를 제공함에 목적이 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a BLDC motor having a double stator structure so that a high power can be obtained while lowering the power consumption of the BLDC motor used in various industrial fields and devices.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 이중 고정자 구조를 가진 BLDC 모터는 영구자석이 설치된 회전자 하우징의 내측에 코일을 설치한 내전형과, 회전자 하우징의 외측에 코일을 설치한 외전형을 하나의 고정자 하우징을 이용하여 동시에 구현함으로써, 영구자석의 양측면에 형성된 모든 자장을 사용할 수 있도록 한 구조를 제공한다.The BLDC motor having a double stator structure of the present invention for achieving the above object has an inner type with a coil installed inside the rotor housing with a permanent magnet and an outer type with a coil installed outside the rotor housing. Simultaneously implemented by using one stator housing, a structure is provided so that all magnetic fields formed on both sides of the permanent magnet can be used.

종래의 BLDC 모터는 회전자에 설치된 영구자석의 한쪽 면의 자력만을 이용하여 회전력을 얻었으나, 본 발명은 내전형과 외전형을 동시에 구현하였으므 동일한 전력으로 영구자석의 양쪽 면의 자력을 동시에 이용할 수 있게 되어, 종래에 비하여 증대된 전력 효율을 얻을 수 있다.Conventional BLDC motors have obtained rotational force using only the magnetic force of one side of the permanent magnet installed on the rotor, but the present invention simultaneously implements the internal and external rotation types, so the magnetic force of both sides of the permanent magnet can be used at the same time with the same power. This makes it possible to obtain increased power efficiency compared to the prior art.

도 1은 본 발명의 내부 구조도
도 2는 본 발명의 단면도1 is an internal structure diagram of the present invention
2 is a cross-sectional view of the present invention

이하 본 발명에 따른 이중 고정자 구조를 가진 BLDC 모터의 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세히 기술하고자 한다.Hereinafter, an embodiment of a BLDC motor having a double stator structure according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 링 또는 원통형상 등의 동심원상의 구조를 가진 회전자 하우징(1)과, 회전자 하우징(1)에 설치된 다수개의 영구자석(2a)(2b)과, 회전자 하우징(1)에 고정된 회전축(3)으로 회전자(50)가 구성된다. 그리고, 회전축(3)에 베어링(4) 등으로 회전가능하게 축지되고, 회전자 하우징(1)의 동심원상 외측과 내측에 각각 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)이 설치될 수 있는 구조를 가진 고정자 하우징(7)과, 고정자 하우징(7)에 설치되되 회전자 하우징(1)의 외측과 내측에 각각 쌍으로 설치된 다수 개의 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)로 고정자(60)가 구성된다.The present invention is fixed to a rotor housing (1) having a concentric structure such as a ring or a cylindrical shape, a plurality of permanent magnets (2a) (2b) installed in the rotor housing (1), and the rotor housing (1) The rotor 50 is composed of the rotating shaft 3. Then, the rotary shaft 3 is rotatably supported by a bearing 4 or the like, and the outer coils 5a, 5b and inner coils 6a, 6b are respectively located on the outer and inner sides of the rotor housing 1 concentrically. A stator housing (7) having a structure that can be installed, and a plurality of outer coils (5a) (5b) and an inner side installed in the stator housing (7) and installed in pairs on the outside and inside of the rotor housing (1), respectively The stator 60 is composed of the coils 6a and 6b.

상기의 고정자 하우징(7)은 도 2의 실시 예와 같이 그 단면이 회전자 하우징(1)에 설치된 영구자석(2a)(2b)의 양 측면을 마주보도록 다수 번 절곡된 형상을 가질 수 있다. 따라서 영구자석(2a)(2b)의 양 측면을 마주보는 고정자 하우징(7) 부분에 각각 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)을 설치할 수 있는 구조이다.The stator housing 7 may have a shape in which its cross section is bent a number of times so as to face both sides of the permanent magnets 2a and 2b installed in the rotor housing 1 as shown in the embodiment of FIG. 2. Therefore, the outer coils 5a and 5b and the inner coils 6a and 6b are respectively installed in the stator housing 7 portions facing both sides of the permanent magnets 2a and 2b.

상기의 영구자석(2a)(2b)은 상하 착자된 자석의 구조로서 N극과 S극이 회전자 하우징(1)의 회전 궤적의 방향으로 설치될 수 있다. 그리고 상하 착자된 자석의 구조로서 N극과 S극이 회전자 하우징(1)의 중심에서 사방으로 바퀴살처럼 뻗어 나간 모양의 방사상 방향으로 위치되게 설치될 수도 있다. 즉, 영구자석(2a)(2b)의 경우 일반적인 상하 착자의 구조, 외경 2극 착자 구조, 단면 2극 착자 구조 등으로 제조될 수 있는데, 본 발명의 영구자석(2a)(2b)은 가장 효율적인 작동을 위하여 상하 착자 구조를 가진다.The permanent magnet (2a) (2b) is a structure of a magnet magnetized up and down, the N pole and the S pole may be installed in the direction of the rotational trajectory of the rotor housing (1). In addition, as the structure of the magnet magnetized up and down, the N-pole and the S-pole may be installed to be positioned in a radial direction in a shape extending like a spoke in all directions from the center of the rotor housing 1. In other words, in the case of the permanent magnets 2a and 2b, the structure of a normal upper and lower magnetizer, an outer diameter 2-pole magnetization structure, and a cross-section 2-pole magnetization structure may be manufactured. The permanent magnets 2a and 2b of the present invention are the most efficient. It has a vertical magnetization structure for operation.

상기와 같은 구조를 가진 본 발명은 영구자석(2a)(2b)과 전류의 순차적인 인가와 단속으로 수시로 변화하는 극성을 가진 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)에 의하여 자력의 인력과 척력에 의하여 회전자(50)가 회전하게 된다. 특히, 전자석의 역할을 하는 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)이 회전자 하우징(1)의 내측과 외측에 동시에 설치있어, 하나의 영구자석(2a)(2b)에 내외측 두 개의 코일, 즉 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)에 의해 인력과 척력이 배가되어 회전력이 증대되고, 특히 초기 구동시의 토크가 증대되어 기동이 부드럽고 안정적으로 이루어진다.The present invention having the structure as described above is to the outer coil (5a) (5b) and the inner coil (6a) (6b) having a permanent magnet (2a) (2b) and a polarity that changes frequently with sequential application and interruption of current. By this, the rotor 50 is rotated by the attractive force and repulsive force of the magnetic force. In particular, the outer coils 5a, 5b and the inner coils 6a, 6b, which serve as electromagnets, are installed on the inside and outside of the rotor housing 1 at the same time, so that one permanent magnet 2a, 2b The inner and outer two coils, that is, the outer coils 5a, 5b and the inner coils 6a, 6b double the attraction force and repulsive force to increase the rotational force. It is done stably.

외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)에 전류가 인가되어 구동되는 순서대로 설명하면 다음과 같다.If the current is applied to the outer coil (5a) (5b) and the inner coil (6a) (6b) is described in the following order.

외측 코일(5a)과 내측 코일(6a)에 동시에 전원이 공급되어 각각 회전자 하우징(1)을 향하는 부분에 N극이 형성되게 하면, 회전하는 방향으로 S극이 먼저 위치되게 설치된 영구자석(2a)을 자력의 인력으로 끌어 당기게 된다. 이와 동시에 외측 코일(5b)과 내측 코일(6b)에도 동시에 전원이 공급되어 각각 회전자 하우징(1)을 향하는 부분에 N극이 형성되게 하면, 회전하는 방향으로 N극이 뒤에 위치되게 설치된 영구자석(2b)을 자력의 척력으로 밀어 내게 된다.When power is supplied to the outer coil 5a and the inner coil 6a at the same time so that N poles are formed in portions facing the rotor housing 1, permanent magnets 2a are installed so that the S poles are positioned first in the rotating direction. ) To the magnetic attraction. At the same time, when power is supplied to the outer coil 5b and the inner coil 6b at the same time so that the N poles are formed at portions facing the rotor housing 1, the permanent magnets are installed such that the N poles are located behind in the rotating direction. (2b) is pushed out by the repulsive force of the magnetic force.

외측 코일(5a)과 내측 코일(6a)의 쌍과, 외측 코일(5b)과 내측 코일(6b)의 쌍은 동시에 전류를 인가할 수도 있고, 순차적으로 인가할 수도 있는데, 그 각각의 경우는 영구자석(2a)(2b)의 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)과의 상대적인 위치관계의 설치에 따라 달리 할 수 있다.The pair of the outer coil 5a and the inner coil 6a, and the pair of the outer coil 5b and the inner coil 6b may be applied with current at the same time or may be applied sequentially, in each case permanent It can be made different depending on the installation of the relative positional relationship between the outer coils 5a, 5b of the magnets 2a, 2b and the inner coils 6a, 6b.

그리고 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)의 회전자 하우징(1)을 향하는 부분에 S극을 형성하도록 전류를 인가할 수도 있고 이 경우에는 회전 방향이 반대가 된다.In addition, a current may be applied to form an S-pole at portions facing the rotor housing 1 of the outer coils 5a, 5b and the inner coils 6a, 6b, and in this case, the rotational direction is reversed.

상기와 같이 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)에 전원을 온오프 하는 방식으로 공급하면, 회전자(50)가 회전하게 되고, 빠르게 전원을 온오프 시키면 높은 회전수(RPM)를 얻을 수 있으며, 특히 하나의 영구자석(2a)(2b)에 각각 외측 코일(5a)과 내측 코일(6b)이 쌍으로 작용하게 되므로, 구동 토크가 증대되는 효과가 있다.When the power is supplied to the outer coils 5a, 5b and the inner coils 6a, 6b in a manner that turns the power on and off, the rotor 50 rotates. (RPM) can be obtained. In particular, the outer coil 5a and the inner coil 6b act as a pair, respectively, on one permanent magnet 2a, 2b, thereby increasing driving torque.

따라서, 전기 자동차의 경우 초기 구동시 큰 힘이 필요할 때 효과적인 BLDC 모터의 구조이고, 종래와 같은 토크를 원할 경우 적은 전류만으로도 달성할 수 있으므로 전력의 소모가 적어 장치의 구동 시간이 오래 지속시킬 수 있게 된다.Therefore, in the case of an electric vehicle, it is an effective structure of a BLDC motor when a large force is required during initial driving, and if a conventional torque is desired, it can be achieved with only a small current, so power consumption is low, so that the driving time of the device can be maintained for a long time do.

1 : 회전자 하우징
2a, 2b : 영구자석
3 : 회전축
4 : 베어링
5a, 5b : 외측 코일
6a, 6b : 내측 코일
7 : 고정자 하우징
50 : 회전자
60 : 고정자1: Rotor housing
2a, 2b: permanent magnet
3: rotating shaft
4: bearing
5a, 5b: outer coil
6a, 6b: inner coil
7: Stator housing
50: rotor
60: stator

Claims (3)

동심원상의 회전자 하우징(1)과, 회전자 하우징(1)에 설치된 다수개의 영구자석(2a)(2b)과, 회전자 하우징(1)에 고정된 회전축(3)으로 구성된 회전자(50); 회전축(3)에 베어링(4)으로 축지되고, 회전자 하우징(1)의 동심원상 외측과 내측에 각각 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)이 설치될 수 있는 구조를 가진 고정자 하우징(7)과, 고정자 하우징(7)에 설치되되 회전자 하우징(1)의 외측과 내측에 각각 쌍으로 설치된 다수 개의 외측 코일(5a)(5b)과 내측 코일(6a)(6b)로 구성된 고정자(60);로 구성됨을 특징으로 하는 이중 고정자 구조를 가진 비엘디시 모터
Rotor 50 consisting of a concentric rotor housing 1, a plurality of permanent magnets 2a and 2b installed in the rotor housing 1, and a rotating shaft 3 fixed to the rotor housing 1 ; A structure that is supported by a bearing 4 on the rotating shaft 3 and can be provided with outer coils 5a, 5b and inner coils 6a, 6b, respectively, on the outer and inner sides of the rotor housing 1 concentrically. Stator housing 7 having a plurality of outer coils 5a and 5b and inner coils 6a and 6b installed in the stator housing 7 and installed in pairs on the outer and inner sides of the rotor housing 1, respectively. Stator (60) consisting of; Bieldish motor having a double stator structure characterized in that consisting of
제 1항에 있어서, 영구자석(2a)(2b)은 상하 착자된 자석의 구조로서 N극과 S극이 회전자 하우징(1)의 회전 궤적의 방향으로 설치됨을 특징으로 하는 이중 고정자 구조를 가진 비엘디시 모터
According to claim 1, The permanent magnet (2a) (2b) has a double stator structure, characterized in that the N-pole and S-pole are installed in the direction of the rotational trajectory of the rotor housing (1) as the structure of the magnetized up and down. Bildish motor
제 1항에 있어서, 영구자석(2a)(2b)은 상하 착자된 자석의 구조로서 N극과 S극이 회전자 하우징(1)의 중심에서 방사상 방향으로 위치되게 설치됨을 특징으로 하는 이중 고정자 구조를 가진 비엘디시 모터According to claim 1, The permanent magnet (2a) (2b) is a double stator structure, characterized in that the N-pole and S-pole are installed to be positioned radially from the center of the rotor housing (1) as the structure of the magnetized up and down. With DC motor
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KR20230005644A (en) 2021-07-01 2023-01-10 인천대학교 산학협력단 Dual airgap radial flux permanent magnet vernier machine with yokeless rotor

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