KR20240010231A - 전원 가변용 제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은, 전원의 극성 및 크기 중 적어도 하나를 변경시킬 수 있는, 전원 가변용 제어장치를 제공하는 것이다.

Description

전원 가변용 제어장치{Control apparatus For Power Change}

본 발명은 모터의 공급전원을 가변시킬 수 있는 제어장치에 관한 것이다.

종래의 직류 모터에서는, 브러시를 사용하여 정류자의 전극이 바뀌어지며, 이에 따라, 전동기의 회전이 지속될 수 있다. 그러나, 브러시의 짧은 수명과 정류자와의 마찰로 인해, 여러 문제점들이 발생될 수 있으며, 이에 따라, 직류 모터가 정상적으로 구동되지 않을 수 있다.

브러시와 정류자 없이 모터가 구성되는 경우, 전압의 극성을 변경시킬 수 있는 제어장치가 필요하다. 그러나, 이러한 모터에 이용될 수 있는 제어장치가 제공되지 못하고 있다.

상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 본 발명의 목적은, 전원의 극성 및 크기 중 적어도 하나를 변경시킬 수 있는, 전원 가변용 제어장치를 제공하는 것이다.

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치는, 다양한 크기의 전원을 공급하는 전원장치; 상기 전원장치에 연결되어 제1 출력단, 제2 출력단 및 제3 출력단으로 공급되는 전류의 방향을 바꾸어주는 전류방향변환장치; 및 상기 전원장치 및 상기 전류방향변환장치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 출력단, 상기 제2 출력단 및 제3 출력단으로 인가되는 전원의 크기 및 극성 중 적어도 하나를 변경시키는 판단부를 포함한다.

본 발명에 따른 제어장치를 통해 전원의 극성 및 크기가 간편하게 변경될 수 있다. 따라서, 본 발명이 적용되는 전자장치의 구성이 단순화될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치의 구성을 나타낸 예시도.
도 2는 직류 모터와 교류 모터의 성능을 비교한 도표.
도 3은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 예시도.
도 4는 도 3에 도시된 A-A'라인을 따라 절단된 단면을 나타낸 예시도.
도 5는 도4에 도시된 B-B'라인을 따라 절단된 단면을 나타낸 예시도.
도 6은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 동작 방법을 설명하기 위한 예시도.
도 7은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 또 다른 예시도.
도 8은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 또 다른 예시도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치의 구성을 나타낸 예시도이고, 도 2는 직류 모터와 교류 모터의 성능을 비교한 도표이고, 도 3은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 예시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 A-A'라인을 따라 절단된 단면을 나타낸 예시도이고, 도 5는 도4에 도시된 B-B'라인을 따라 절단된 단면을 나타낸 예시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 동작 방법을 설명하기 위한 예시도이다.

본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 다양한 크기의 전원을 공급하는 전원장치(220), 상기 전원장치에 연결되어 제1 출력단(240)과 제2 출력단(250), 제3 출력단(260)으로 공급되는 전류의 방향을 바꾸어주는 전류방향변환장치(230) 및 상기 전원장치 및 상기 전류방향변환장치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 출력단, 상기 제2 출력단 및 제3 출력단으로 인가되는 전원의 크기 및 극성 중 적어도 하나를 변경시키는 판단부(210)를 포함한다. 여기서, 전원의 크기란 직류전압 또는 전압의 스위칭 펄스의 폭을 변조한 평균 전압의 크기를 포함할 수 있다. 전류방향변환장치(230)는 전력비교기형 전류방향변환장치를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치는 다양한 종류의 전자장치들에 적용될 수 있다. 이하의 설명에서는, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 모터에 적용되는 예가 본 발명의 설명을 위해 설명된다.

첫째, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치는 전원장치(220)를 포함한다. 변환 방법의 종류와 전력 제어의 방향에 기초하여, 스위치 모드 전원 장치, 공진 전원 장치, 양방향성 전원 장치 중 어느 하나가 전원장치로 이용될 수 있다. 또한, 스위치 모드 전원 장치도 인버터단의 스위치 모드 또는 PWM 동작을 갖는 플라이백(Flyback), 포워드(Forward), 푸시풀(Push-Pull), 하프 브리지(Half Bridge), 풀 브리지(Full Bridge) 등의 구조를 가질 수 있다.

전원장치에는 자동 이득 제어(Automatic Gain Control) 기능이 추가될 수 있다. 전원장치는 자동 이득 제어 기능을 이용하여 모터에서 사용자가 요구하는 회전자의 속도와 가속도가 얻어질 수 있도록 출력전압을 제어할 수 있다.

둘째, 상기 전원장치(220)와 출력단(제1 출력단(240), 제2 출력단(250) 및 제3 출력단(260)) 사이에는, 상기 제1 출력단(240), 상기 제2 출력단(250) 및 제3 출력단(260)에 인가되는 전류의 방향을 바꿀 수 있는 전류방향변환장치(Current Polarity Exchange Device)(230)가 구비될 수 있다.

전류방향변환장치에는 하프 브리지, 풀 브리지, 삼상(3 phase) 또는 다상(multiphase) bridge 형태의 스위치 모드형이 포함될 수 있다.

셋째, 상기 전류변환장치(230)는 상기 제1 출력단, 상기 제2 출력단 및 제3 출력단 중 어느 하나에는 고정된 전압을 공급하며, 또 다른 하나에는 상기 고정된 전압에 대비하여 +전압 또는 -전압을 인가하는 전력비교기형 전류방향변환장치(Power Comparator type Current Polarity Exchange Device)를 포함할 수 있다.

넷째, 상기 제어장치(200)에 포함된 판단부(210)는 외부로부터 인가되는 감지신호를 이용하여 모터를 구성하는 회전자(120)의 위치 및 회전속도를 판단할 수 있다. 이를 위해, 모터에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제2 센서 및 상기 제1 센서 중 적어도 하나가 구비될 수 있으며, 상기 제2 센서 및 상기 제1 센서 중 적어도 하나는 상기 회전자(120)의 위치 및 방향을 감지하여, 감지된 신호(감지신호)를 상기 판단부(210)로 전송할 수 있다.

상기 판단부는 상기 감지신호를 이용하여 상기 제1 출력단(240), 상기 제2 출력단(250) 및 제3 출력단(260)으로 인가되는 전원의 극성 및 크기 중 적어도 하나를 변경시킴으로써, 상기 회전자의 회전속도, 가속도 및 회전방향 중 적어도 하나를 변경시킬 수 있다.

본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.

첫째, 본 발명에 의하면, 모터의 가변 속도의 조절이 용이해질 수 있다.

즉, 일반적으로, 직류 모터는 회전자의 속도, 방향 및 가속도를, 전류의 흐름과 전압의 크기를 바꾸는 것에 의해, 쉽게 조절할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 성능적으로는 교류 모터에 비해, 직류 모터의 기동 토크가 월등히 크다. 그러나, 종래의 직류 모터는 브러시와 정류자의 여러 문제점 때문에 사용이 제한적이다. 그러나, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치(120)를 이용하는 모터(직류 모터)는 상기한 바와 같은 문제점을 해결할 수 있으며, 따라서, 본 발명에 의하면, 모터를 구성하는 회전자의 속도, 방향 및 가속도가 간편하게 조절될 수 있다.

둘째, 본 발명에 의하면, 아래의 [수학식 1]에 의해 모터의 시작 토크(Starting Torque)가 커질 수 있다.

즉, 모터가 회전을 시작할 때, 이 되고, 이 경우, 가 되므로, 모터의 시작 토크(T)는 최대가 된다.

부연하여 설명하면, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터는, 회전을 시작할 때부터 종래보다 큰 토크를 발생할 수 있다. 따라서, 회전자의 속도가 신속하게 사용자가 원하는 속도에 도달할 수 있다.

셋째, 본 발명이 적용되는 모터에서는 회전자(120)와 연결된 회전축(140)에 베어링(제1 베어링 및 제2 베어링)이 직접 연결되며, 베어링을 통해 회전자(120)에 감겨진 코일(130)에 전기가 공급된다. 따라서, 본 발명이 적용되는 모터의 구조는 종래보다 간결해질 수 있다.

또한, 본 발명에서는 제어장치(200)가 회전자(120)의 회전속도 및 회전자의 위치를 감지할 수 있으며, 사용자에 의해 요구되는 회전속도와 감지된 회전속도를 비교하여, 사용자에 의해 요구되는 회전속도에 대응되도록 직류전압이 변경될 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 사용자에 의해 요구되는 회전속도가 신속하고 정확하게 달성될 수 있다.

이하에서는, 상기에서 설명된 바와 같은 목적, 구성 및 효과를 갖는 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 구성이 설명된다.

본 발명이 적용되는 모터는, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 회전축(140), 상기 회전축에 연결된 제1 베어링(150), 상기 제1 베어링과 이격되어 상기 회전축에 연결된 제2 베어링(160), 상기 제1 베어링을 지지하며, 상기 제1 베어링에 전원을 공급하는 제1 지지부(150a), 상기 제2 베어링을 지지하며, 상기 제2 베어링에 전원을 공급하는 제2 지지부(160a), 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성 및 크기 중 적어도 하나를 지속적으로 바꾸어주는 제어장치(200), 상기 회전축의 일측 끝단에 연결어 있는 회전자(120), 상기 회전자에 감겨져 있고, 일측 끝단은 상기 제1 베어링과 전기적으로 연결되어 있으며, 타측 끝단은 상기 제2 베어링과 전기적으로 연결되어 있는 코일(130), 상기 회전자를 감싸도록 상기 회전자 외곽에 배치되는 N극과 S극을 포함하는 자석 및 상기 회전자의 양쪽 끝단들 중 어느 하나가 상기 N극 및 상기 S극이 인접되어 있는 위치에 배치되어 있는지의 여부를 감지하는 제2 센서(172)를 포함한다. 이 경우, 상기 제어장치(200)는, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 될 수 있다. 상기 제어장치(200)는, 다양한 크기의 전원을 공급하는 전원장치(210), 상기 전원장치에 연결되어 제1 출력단(240)과 상기 제2 출력단(250)으로 공급되는 전류의 방향을 바꾸어주는 전류방향변환장치(230) 및 상기 제2 센서로부터 전송되는 감지신호에 따라, 상기 전원장치 및 상기 전류방향변환장치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부로 인가되는 전원의 크기 및 극성 중 적어도 하나를 변경시키는 판단부(210)를 포함한다. 이하의 설명에서, 전원은 전압 및 전류 중 적어도 하나를 의미한다. 또한, 상기 제1 베어링 및 상기 제2 베어링을 통칭하여 베어링이라 한다. 또한, 상기 제2 센서와 이하에서 설명될 제1 센서를 통칭하여 센서라 한다.

우선, 회전축(140)은 속이 빈 원통이 될 수 있으며, 속인 찬 원통일 수 있다.

다음, 상기 제1 베어링(150)과 상기 제2 베어링(160)은 일정한 간격을 두고 상기 회전축에 연결된다.

상기 제1 베어링(150)은, 상기 회전축에 연결되어 있는 제1 내륜(151), 상기 제1 내륜과 이격되어 상기 제1 내륜을 감싸고 있는 제1 외륜(152) 및 상기 제1 내륜 및 상기 제1 외륜 사이에 구비되는 적어도 두 개의 제1 볼(153)들을 포함할 수 있다.

상기 제2 베어링(160)은, 상기 회전축에 연결되어 있는 제2 내륜(161), 상기 제2 내륜과 이격되어 상기 제2 내륜을 감싸고 있는 제2 외륜(162) 및 상기 제2 내륜과 상기 제2 외륜 사이에 구비되는 적어도 두 개의 제2 볼(163)들을 포함할 수 있다.

상기 제1 내륜(151) 및 상기 제2 내륜(161) 각각은 상기 회전축(140)과 연결되어 있다. 따라서, 상기 회전축(140)이 회전할 때, 상기 제1 내륜 및 상기 제2 내륜 역시 상기 회전축과 함께 회전한다.

상기 제1 외륜(152)과 상기 제1 내륜(151) 사이에는 적어도 두 개의 제1 볼(153)들이 구비된다. 상기 제1 볼(153)들은 상기 제1 외륜(152)과 상기 제1 내륜(151) 사이에서 회전할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 내륜(151)이 회전할 때, 상기 제1 내륜에 의해 상기 제1 볼이 회전할 수 있다. 그러나, 상기 제1 내륜이 회전하더라도 상기 제1 외륜(152)은 회전하지 않을 수 있다. 즉, 상기 제1 내륜(151)이 상기 회전축과 함께 회전하더라도, 상기 제1 외륜(152)은 회전하지 않을 수 있다.

상기 제2 외륜(162)과 상기 제2 내륜(161) 사이에는 적어도 두 개의 제2 볼(163)들이 구비된다. 상기 제2 볼(163)들은 상기 제2 외륜(162)과 상기 제2 내륜(161) 사이에서 회전할 수 있다. 이 경우, 상기 제2 내륜(161)이 회전할 때, 상기 제2 내륜에 의해 상기 제2 볼이 회전할 수 있다. 그러나, 상기 제2 내륜이 회전하더라도 상기 제2 외륜(162)은 회전하지 않을 수 있다. 즉, 상기 제2 내륜(161)이 상기 회전축과 함께 회전하더라도, 상기 제2 외륜(162)은 회전하지 않을 수 있다.

상기 제1 내륜, 상기 제1 볼 및 상기 제1 외륜은 도체로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제어장치(200)를 통해 상기 제1 지지부(150a)로 공급된 전원은 상기 제1 외륜(151) 및 상기 제1 볼(153)을 통해 상기 제1 내륜(152)으로 인가될 수 있다. 상기 제1 내륜(152)에 인가된 전원은 상기 코일의 일측 끝단으로 인가될 수 있다.

상기 제2 내륜, 상기 제2 볼 및 상기 제2 외륜은 도체로 형성될 수 있다. 따라서, 상기 제어장치(200)를 통해 상기 제2 지지부(160a)로 공급된 전원은 상기 제2 외륜(161) 및 상기 제2 볼(163)을 통해 상기 제2 내륜(162)으로 인가될 수 있다. 상기 제2 내륜(162)에 인가된 전원은 상기 코일의 타측 끝단으로 인가될 수 있다.

다음, 상기 제1 지지부(150a)는 상기 제1 베어링을 지지하며, 상기 제1 베어링에 전원을 공급한다. 상기 제2 지지부(160a)는 상기 제2 베어링을 지지하며, 상기 제2 베어링에 전원을 공급한다.

상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부는 지지대(190)에 장착될 수 있다.

상기에서 설명된 바와 같이, 상기 회전축과 함께 상기 제1 내륜(151)이 회전하더라도, 상기 제1 볼에 의해 상기 제1 외륜(152)은 회전하지 않을 수 있으며, 특히, 상기 제1 외륜은 상기 제1 지지부에 고정되어 있고, 상기 제1 지지부는 상기 지지대(190)에 장착되어 있기 때문에, 상기 제1 외륜은 회전하지 않는다.

상기에서 설명된 바와 같이, 상기 회전축과 함께 상기 제2 내륜(161)이 회전하더라도, 상기 제2 볼에 의해 상기 제2 외륜(162)은 회전하지 않을 수 있으며, 특히, 상기 제2 외륜은 상기 제2 지지부에 고정되어 있고, 상기 제2 지지부는 상기 지지대(190)에 장착되어 있기 때문에, 상기 제2 외륜은 회전하지 않는다.

상기 제1 지지부(150a)는 상기 제어장치의 상기 제1 출력단(240)에 연결되며, 상기 제2 지지부(160a)는 상기 제어장치의 상기 제2 출력단(250)에 연결된다.

다음, 상기 회전자(120)는 상기 회전축(140)의 일측 끝단에 연결되어 있다. 따라서, 상기 회전자(120)는 상기 회전축, 상기 제1 내륜 및 상기 제2 내륜과 함께 회전한다.

다음, 상기 코일은 상기 회전자(120)의 외부에 감겨진다.

상기 코일의 일측 끝단은 상기 제1 베어링과 전기적으로 연결되어 있으며, 특히, 상기 제1 내륜과 연결되어 있다.

상기 코일의 타측 끝단은 상기 제2 베어링과 전기적으로 연결되어 있으며, 특히, 상기 제2 내륜과 연결되어 있다.

예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 코일의 일측 끝단은 상기 회전축의 내부 공간을 통해 상기 제1 내륜(151)과 연결될 수 있으며, 상기 코일의 타측 끝단은 상기 회전축의 내부 공간을 통해 상기 제2 내륜(161)과 연결될 수 있다.

이 경우, 상기 제1 볼은 상기 제1 외륜과 상기 제1 내륜을 전기적으로 연결시키며, 상기 제2 볼은 상기 제2 외륜과 상기 제2 내륜을 전기적으로 연결시킨다.

따라서, 상기에서 설명된 바와 같이, 상기 제어장치(200)를 통해 상기 제1 지지부(150a)로 공급된 전원은 상기 제1 외륜(151), 상기 제1 볼(153) 및 상기 제1 내륜(151)을 통해 상기 코일의 일측 끝단으로 인가될 수 있다.

또한, 상기 제어장치(200)를 통해 상기 제2 지지부(160a)로 공급된 전원은 상기 제2 외륜(161), 상기 제2 볼(163) 및 상기 제2 내륜(161)을 통해 상기 코일의 타측 끝단으로 인가될 수 있다.

다음, 상기 자석은 상기 회전자를 감싸도록 상기 회전자 외곽에 배치되는 N극(111)과 S극(112)을 포함한다. 이 경우, 자석은 N극과 S극을 포함하고 있으므로, 도면부호 111 및 112 각각은 하나의 자석이 될 수 있다. 즉, 도 1에는 N극과 S극이 서로 마주보도로 배치되는 구조를 설명하기 위해, N극(111)과 S극(112)이 서로 마주보도록 배치되어 있는 두 개의 자석들이 도시되어 있다. 상기 표현은 이하의 설명에서도 적용될 수 있다.

다음, 제1 센서(171)는 상기 회전자의 양쪽 끝단들 중 어느 하나가 상기 N극에 인접되어 있는지의 여부를 감지할 수 있으며, 상기 제2 센서(172)는 상기 회전자의 양쪽 끝단들 중 어느 하나가 상기 N극 및 상기 S극이 인접되어 있는 위치에 배치되어 있는지의 여부를 감지하는 기능을 수행할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 센서(171)는 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 N극과 상기 S극이 마주보는 수평 라인에 수직한 방향에 구비되어, 상기 회전자가 상기 N극에 인접되어 있는지의 여부를 감지할 수 있다. 또한, 상기 제2 센서(172)는 도 3 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 N극과 상기 S극이 인접되어 있는 위치에 배치되어, 상기 회전자(120)의 일측 끝단(또는 타측 끝단)이 상기 N극에서 상기 S극으로 이동하는지의 여부를 감지할 수 있다. 부연하여 설명하면, 상기 제2 센서(172)는 상기 N극의 일측 끝단(예를 들어, 도 3 및 도 6에서, N극의 하단부) 및 상기 S극의 일측 끝단(예를 들어, 도 3 및 도 6에서, S극의 하단부)이 인접되어 있는 위치에 배치되어, 상기 회전자(120)의 일측 끝단(또는 타측 끝단)이 상기 위치에 배치되어 있는지의 여부를 감지할 수 있다.

상기 제2 센서(172) 및 상기 제1 센서(171) 이외에도, 상기 회전자(120)의 정확한 위치를 감지하기 위해, 상기 회전자와 상기 자석 주변에는 또 다른 센서들이 더 구비될 수 있다.

그러나, 본 발명에는 상기 제1 센서(171) 및 상기 제2 센서(172) 중 어느 하나만이 포함될 수도 있다.

상기 제2 센서 및 상기 제1 센서는 위치 감지를 위해 현재 이용되고 있는 다양한 종류의 센서들 중 하나가 될 수 있으며, 예를 들어, 적외선이 수신되는지의 여부를 감지하는 센서가 될 수 있다. 또한, 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서 각각은, 홀 센서, 포토 센서, 리졸버 센서 등과 같은 다양한 종류의 센서들 중 어느 하나가 될 수 있다.

마지막으로, 상기 제어장치는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성 또는 크기 중 적어도 하나를 지속적으로 바꾸어 줄 수 있다.

특히, 상기 제어장치는 상기 제1 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제1 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제2 전압을 인가할 수 있으며, 상기 제1 센서에서 감지신호가 수신된 후, 상기 제2 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제1 전압을 인가할 수 있다. 상기 제1 전압과 상기 제2 전압은 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 부연하여 설명하면, 종래의 모터에서는, 브러시와 정류자에 의해 코일의 양쪽 끝단들로 인가되는 전원의 극성이 주기적으로 변경되었으나, 본 발명에서는 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서 중 적어도 하나에 의해 판단된 상기 회전자의 위치에 따라, 상기 제어장치가 상기 코일의 양쪽 끝단들로 인가되는 전원의 극성을 변경시킬 수 있다.

이를 위해, 상기 제어장치(200)는 도 1 및 상기에서 설명된 바와 같이, 상기 전원장치(220), 상기 전류방향변환장치(230), 및 상기 판단부(210)를 포함한다. 상기 전류방향변환장치(230)는 상기 전력비교기형 전류방향변환장치(231)를 포함한다. 상기 전력비교기형 전류방향변환장치(231)에는 상기 제1 출력단(240)과 제2 출력단(250)이 연결된다. 상기 제1 출력단(240)은 상기 제1 지지부(150a)에 연결되며, 상기 제2 출력단(250)은 상기 제2 지지부(160a)에 연결된다.

전압 및 전극 변환 장치인 상기 제어장치(본 발명에서는 싱크로버터(Synchroverter)라고도 함)(200)에 의해 회전하는 회전자(rotor)(120)의 회전속도 및 위치는 상기 제2 센서 및 상기 제1 센서를 통하여 검출된다.

상기 제어장치는, 검출된 정보를 모터의 사용자가 요구하는 속도와 비교하여 전압 및 전류 방향을, 요구되는 회전 방향 및 속도에 부합하도록 변경할 수 있다.

이 경우, 상기 제어장치를 통해 공급된 전원은 상기 제1 베어링 및 상기 제2 베어링을 통해 상기 코일에 공급된다.

상기 제어장치를 이용한 전자적 제어 방식 및 상기 제1 베어링과 상기 제2 베어링을 이용하는 기계 장치를 통하여, 모터의 속도 제어가 용이해질 수 있으며, 모터의 수명이 늘어날 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 제어장치(200)를 이용한 모터는, 예를 들어, 싱크로버터를 사용하는 동기형 직류전동기(SVDCM: Synchroverter DC Motor)라고 할 수 있다.

본 발명이 적용되는 모터에서 회전자(Rotor)(120)는 권선형이 될 수 있으며, 고정자(Stator)로는 권선형 전자석 또는 영구자석이 사용될 수 있다.

상기 제어장치는 별도의 센서(상기 제1 센서 및 상기 제2 센서가 될 수 있으며, 특히, 제1 센서가 될 수 있음, 또한, 또 다른 센서가 될 수도 있음)를 통하여 검출된 회전자의 속도와 방향 그리고 가속도를, 사용자의 요구사항과 비교하여 바꿀 수 있다. 즉, 상기 제어장치는 전류의 방향을 변경하는 것에 의해 회전자의 회전 방향을 바꿀 수 있으며, 전압의 크기를 변경하는 것에 의해 회전속도를 바꿀 수 있다.

상기 모터에 적용되는 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서 각각은, 홀 센서, 포토 센서, 리졸버 센서 등과 같은 다양한 종류의 센서들 중 어느 하나가 될 수 있다.

예를 들어, 홀 센서는 전류가 흐르는 도체에 자기장을 걸어 주면 전류와 자기장에 수직 방향으로 전압이 발생하는 홀 효과를 이용하여 자기장의 방향과 크기를 알아낸다. 홀 센서는 상기 과정에서 발생된 전압에 전류차가 발생하는 효과를 이용하는 센서이다.

포토 센서는 광 에너지 또는 광자를 전기(전자) 신호로 변환하는 광전자 기기이다. 포토 센서는 입력 광 에너지에 대응하는 에너지를 갖는 전기적 출력 신호를 생성한다.

리졸버 센서는 기계 동작을 아날로그 전자 신호로 변경하는 전기 기계 장치이다. 리졸버 센서는 샤프트의 각 위치를 따라 AC 전압이 출력되는 회전식 변압기를 이용한다.

상기한 바와 같은 구성들을 갖는 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치를 이용한 모터는, 종래의 직류 모터와는 달리 베어링(제1 베어링 및 제2 베어링)을 통하여 전류를 공급받고 있다. 즉, 본 발명이 적용되는 모터에는 브러시와 정류자가 구비될 필요가 없기 때문에, 브러시와 정류자의 마찰로 인한 소음이 발생되지 않으며, 모터의 수명이 종래보다 연장될 수 있다.

이하에서는, 도 1 내지 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치를 이용하는 모터의 동작 방법이 설명된다.

우선, 사용자로부터 모터의 회전속도를 입력받는다. 회전속도는 상기 제어장치에 구비된 입력부를 통해 입력될 수 있으며, 또는, 상기 판단부에 구비된 입력부를 통해 입력될 수 있다. 입력된 회전속도는 상기 제어장치에 구비된 저장부(211)에 구비될 수 있으며, 또는, 상기 판단부에 저장될 수 있다.

다음, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부로 제1 전압을 인가하고 상기 제2 지지부로 제2 전압을 인가할 수 있다. 즉, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 전원을 공급한다.

상기 제1 지지부로 인가된 제1 전압은 상기 제1 외륜, 상기 제1 볼 및 상기 제1 내륜을 통해 상기 코일의 일측 끝단으로 인가된다.

상기 제2 지지부로 인가된 제2 전압은 상기 제2 외륜, 상기 제2 볼 및 상기 제2 내륜을 통해 상기 코일의 타측 끝단으로 인가된다.

다음, 상기 회전자에 감겨진 상기 코일의 일측 끝단과 타측 끝단으로 인가된 제1 전압 및 제2 전압에 의해 상기 코일에 전류가 흐르면, 상기 코일이 힘을 받아 움직이며, 이에 따라, 상기 회전자(120) 및 상기 회전축(140)이 회전한다.

즉, 상기 자석에 의해 발생된 자기장 속에 놓여 있는 상기 코일에 전류가 흐르면, 상기 코일은 힘을 받아 움직이며, 이 경우, 상기 코일이 받는 힘의 방향은 플레밍의 왼손법칙에 의해 정해진다.

상기 제어장치(200)는 상기 회전자(120)가 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변환될 때마다, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경시킨다. 이에 따라, 상기 회전자(120)는 360도 회전할 수 있으며, 이러한 동작이 반복됨에 따라, 상기 회전자(120) 및 상기 회전축(140)은 지속적으로 회전할 수 있다.

즉, 상기 제어장치가 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 지속적으로 바꾸어줌으로써, 상기 회전자(120) 및 상기 회전축(140)은 지속적으로 회전할 수 있으며, 상기 회전축(140)에 연결된 장치에 회전력이 인가될 수 있다.

이를 위해, 상기 제어장치는 기 설정된 타이밍마다 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 제어장치(200)에는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 전원이 공급된 후, 상기 회전자(120)가 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변경될 때까지의 기간에 대한 정보 및 이후의 동작에서 상기 회전자가 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변경될 때까지의 기간들에 대한 정보를 저장할 수 있으며, 이러한 정보에 따라, 특정 타이밍이 도달하면 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경시킬 수 있다.

즉, 상기 제어장치는 기 설정되어 있는 정보를 이용하여 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경하는 타이밍을 선택할 수 있다.

이 경우, 상기 회전자(120)가 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변경되는 타이밍에, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성이 정확하게 변경되어야, 상기 회전축이 지속적으로 회전할 수 있으며, 상기 회전축의 회전에 의해 발생되는 에너지의 효율이 증가될 수 있다.

이를 위해, 상기 제어장치는 상기 제1 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제1 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제2 전압을 인가할 수 있으며, 상기 제1 센서에서 감지신호가 수신된 후, 상기 제2 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제1 전압을 인가할 수 있다.

예를 들어, 상기 회전자(120)가 도 3에 도시된 바와 같은 위치에 놓여진 상태에서 상기 제1 지지부에 제1 전압을 인가되고 상기 제2 지지부에 제2 전압이 인가되면, 상기 회전자(120)는 회전한다.

상기 회전자(120)가 회전하여, 상기 회전자가 도 6에 도시된 바와 같은 위치에 도달하면, 상기 제2 센서(172)로부터 상기 회전자(120)가 감지된 신호가 수신된다. 도 6에 도시된 위치는 상기 회전자(120)의 끝단이 상기 N극에서 상기 S극으로 이동하는 위치이다.

이 경우, 상기 제어장치가 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제1 전압을 인가하면, 상기 코일로 흐르는 전류의 방향이 변하게 되며, 이에 따라, 상기 코일 및 상기 회전자(120)는 지속적으로 회전될 수 있다.

이후, 상기 제1 센서에 의해 상기 회전자가 다시 도 3에 도시된 바와 같은 위치에 도달하였음이 감지될 수 있으며, 다시, 상기 회전자가 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치에 도달하여 상기 제2 센서로부터 상기 회전자가 감지되면, 상기 제어장치가 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제2 전압을 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 코일, 상기 회전자(120) 및 상기 회전축은 지속적으로 회전될 수 있다.

다음, 상기 회전축 및 상기 회전자의 회전방향이 변경되어야 할 필요가 있는 경우, 상기 제어장치는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부에 인가되는 전압의 극성을 변경시킬 수 있다. 회전방향의 변경과 관련된 타이밍에 대한 정보는 사용자에 의해 미리 상기 제어장치에 저장되어 있을 수 있으며, 또는, 필요한 경우, 상기 제어장치를 통해 사용자로부터 입력될 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서, 상기 제1 지지부에 제1 전압이 인가되고 상기 제2 지지부에 제2 전압이 인가되어, 상기 회전자 및 상기 회전축이 반시계방향으로 회전할 때, 상기 제1 지지부에 제2 전압이 인가되고 상기 제2 지지부에 제2 전압이 인가되면, 상기 회전자 및 상기 회전축은 시계방향으로 회전할 수 있다.

다음, 상기 회전축 및 상기 회전자의 회전속도가 변경되어야 할 필요가 있는 경우, 상기 제어장치는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부에 인가되는 전압의 크기 또는 전류의 크기를 변경시킬 수 있다. 회전속도의 변경과 관련된 타이밍에 대한 정보는 사용자에 의해 미리 상기 제어장치에 저장되어 있을 수 있으며, 또는, 필요한 경우, 상기 제어장치를 통해 사용자로부터 입력될 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부에 1V의 전압이 인가되어, 상기 회전자 및 상기 회전축이 제1 속도로 회전할 때, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부에 2V의 전압이 인가되면, 상기 회전자 및 상기 회전축은 제2 속도로 회전할 수 있다. 이 경우, 제2 속도는 제1 속도보다 클 수 있다.

마지막으로, 상기 회전축 및 상기 회전자의 가속도가 변경되어야 할 필요가 있는 경우, 상기 제어장치는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부에 인가되는 전압의 크기 또는 전류의 크기를 변경시킬 수 있다. 가속도의 변경과 관련된 타이밍에 대한 정보는 사용자에 의해 미리 상기 제어장치에 저장되어 있을 수 있으며, 또는, 필요한 경우, 상기 제어장치를 통해 사용자로부터 입력될 수 있다.

예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 위치에서, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부에 1V의 전압이 인가되어, 상기 회전자 및 상기 회전축이 제1 가속도로 회전할 때, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부에 지속적으로 1V의 전압이 추가되면, 상기 회전자 및 상기 회전축의 가속도가 변경될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 또 다른 예시도이다.

본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터는, 도 7에 도시된 바와 같이, 회전축(140), 상기 회전축에 연결된 제1 베어링(150), 상기 제1 베어링과 이격되어 상기 회전축에 연결된 제2 베어링(160), 상기 제1 베어링을 지지하며, 상기 제1 베어링에 전원을 공급하는 제1 지지부(150a), 상기 제2 베어링을 지지하며, 상기 제2 베어링에 전원을 공급하는 제2 지지부(160a), 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 지속적으로 바꾸어주는 제어장치(200), 일측 끝단(131)은 상기 회전축의 일측 끝단을 통해 상기 제1 베어링과 전기적으로 연결되어 있으며, 타측 끝단(132)은 상기 회전축의 일측 끝단을 통해 상기 제2 베어링과 전기적으로 연결되어 있는 코일(130), 상기 코일(130)을 감싸도록 상기 코일 외곽에 배치되는 N극과 S극을 포함하는 자석을 포함한다. 이 경우, 상기 제어장치(200)는, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 될 수 있다. 상기 제어장치(200)는, 다양한 크기의 전원을 공급하는 전원장치(210), 상기 전원장치에 연결되어 제1 출력단(240)과 제2 출력단(250)으로 공급되는 전류의 방향을 바꾸어주는 전류방향변환장치(230) 및 센서로부터 전송되는 감지신호에 따라, 상기 전원장치 및 상기 전류방향변환장치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 지지부 및 상기 제2 지지부로 인가되는 전원의 크기 및 극성 중 적어도 하나를 변경시키는 판단부(210)를 포함한다.

또한, 본 발명이 적용되는 모터는 상기 코일의 양측들 중 어느 하나가 상기 N극에 인접되어 있는 지의 여부를 감지하는 제1 센서(171) 및 상기 코일의 양측들 중 어느 하나가 상기 N극 및 상기 S극 사이에 배치되어 있는 지의 여부를 감지하는 제2 센서(172)를 더 포함할 수 있다.

이하의 설명에서, 전원은 전압 및 전류 중 적어도 하나를 의미한다. 또한, 상기 제1 베어링 및 상기 제2 베어링을 통칭하여 베어링이라 한다. 또한, 상기 제1 센서와 이하에서 설명될 제2 센서를 통칭하여 센서라 한다.

또한, 도 7에 도시된 모터는 도 3에 도시된 모터와 유사한 구성들을 포함하고 있다. 즉, 도 3에 도시된 모터와 비교할 때, 도 7에 도시된 모터에는, 도 3에 도시된 회전자(120)가 구비되어 있지 않으며, 도 3에 도시된 회전자(120)에 감겨져 있던 코일(130)이 직접 상기 회전축(140)에 연결되어 있다. 따라서, 이하에서는, 도 3에 도시된 모터에 구비된 구성과 동일한 구성에는 도 3에 도시된 도면부호와 동일한 도면부호가 부여된다. 또한, 이하에서는, 도 1에 도시된 모터와 다른 특징들이 상세히 설명되며, 나머지 구성들은 간단히 설명된다.

우선, 회전축(140)은 속이 빈 원통이 될 수 있으며, 속인 찬 원통일 수 있다.

다음, 상기 제1 베어링(150)과 상기 제2 베어링(160)은 일정한 간격을 두고 상기 회전축에 연결된다.

상기 제1 베어링(150) 및 상기 제2 베어링(160)의 구성 및 기능은 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명된 제1 베어링(150) 및 제2 베어링(160)의 구성 및 기능과 동일하다.

다음, 상기 제1 지지부(150a)는 상기 제1 베어링을 지지하며, 상기 제1 베어링에 전원을 공급한다. 상기 제2 지지부(160a)는 상기 제2 베어링을 지지하며, 상기 제2 베어링에 전원을 공급한다.

상기 제1 지지부(150a) 및 상기 제2 지지부(160a)의 구성 및 기능은 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명된 제1 지지부(150a) 및 제2 지지부(160a)의 구성 및 기능과 동일하다.

다음, 상기 코일의 일측 끝단(131)은 상기 회전축(140)의 일측 끝단에 연결되어 있으며, 상기 코일의 타측 끝단(132) 역시 상기 회전축(140)의 일측 끝단에 연결되어 있다.

상기 코일의 일측 끝단(131)은 상기 제1 베어링(150)과 전기적으로 연결되어 있으며, 특히, 상기 제1 내륜과 연결되어 있다.

상기 코일의 타측 끝단(132)은 상기 제2 베어링(160)과 전기적으로 연결되어 있으며, 특히, 상기 제2 내륜과 연결되어 있다.

즉, 상기 코일(130)은 도 7에 도시된 바와 같이 사각형 형태로 형성되어 있고, 상기 코일의 일측 끝단(131)과 타측 끝단(132)은 상기 회전축(140)의 일측 끝단에 연결되어 있으며, 상기 코일의 일측 끝단(131)과 타측 끝단(132)은 전기선을 통해 제1 베어링(150)과 제2 베어링(160)에 연결되어 있다.

이 경우, 상기 코일(130)의 일측 끝단(131) 및 타측 끝단(132)은, 도 3에 도시된 코일(130)의 일측 끝단 및 타측 끝단이 제1 베어링(150)과 제2 베어링(160)에 연결된 형태와 동일한 형태로, 상기 제1 베어링(150)과 상기 제2 베어링(160)에 연결되어 있다.

다음, 상기 자석은 상기 회전자를 감싸도록 상기 회전자 외곽에 배치되는 N극(111)과 S극(112)을 포함한다.

상기 자석의 구성 및 기능은 도 3을 참조하여 설명된 자석의 구성 및 기능과 동일하다.

다음, 상기 제1 센서(171)는 상기 코일(130)의 양측들 중 어느 하나가 상기 N극에 인접되어 있는 지의 여부를 감지할 수 있으며, 상기 제2 센서(172)는 상기 코일(130)의 양측들 중 어느 하나가 상기 N극 및 상기 S극이 인접되어 있는 위치에 배치되어 있는 지의 여부를 감지하는 기능을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 코일(130)의 양측들은, 도 7에 도시된 코일(130)의 좌측 및 우측으로 돌출되어 있는 부분들을 의미한다. 즉, 상기 코일(130)은 사각형 형태로 형성될 수 있으며, 사각형을 형성하는 네 개의 변들 중 상기 N극 및 상기 S극에 인접되어 있는 두 개의 변들이 상기 코일(130)의 양측들이 될 수 있다. 상기 코일이 양측들은 상기 자석의 N극 및 S극 사이에서 회전될 수 있다.

상기 제1 센서 및 상기 제2 센서의 구성 및 기능은 도 3을 참조하여 설명된 제1 센서 및 상기 제2 센서의 구성 및 기능과 동일하다.

마지막으로, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성 및 크기 중 적어도 하나를 지속적으로 바꾸어 줄 수 있다. 상기에서 설명된 바와 같이, 상기 제어장치(200)는, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 될 수 있다.

특히, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제1 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제2 전압을 인가할 수 있으며, 상기 제1 센서에서 감지신호가 수신된 후, 상기 제2 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제1 전압을 인가할 수 있다. 상기 제1 전압과 상기 제2 전압은 서로 다른 극성을 가질 수 있다. 부연하여 설명하면, 종래의 모터에서는, 브러시와 정류자에 의해 코일의 양쪽 끝단들로 인가되는 전원의 극성이 주기적으로 변경되었으나, 본 발명에서는 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서 중 적어도 하나에 의해 판단된 상기 회전자의 위치에 따라, 상기 제어장치(200)가 상기 코일의 양쪽 끝단들로 인가되는 전원의 극성을 변경시킬 수 있다.

이하에서는, 도 7을 참조하여, 본 발명이 적용되는 모터의 동작 방법이 설명된다. 이 경우, 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명된 내용들 중 회전자(120) 및 코일(130)에 대한 설명을 제외한 내용들은 도 7에 도시된 모터의 동작 방법 설명에도 적용될 수 있다.

우선, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부로 제1 전압을 인가하고 상기 제2 지지부로 제2 전압을 인가할 수 있다. 즉, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 전원을 공급한다.

상기 제1 지지부로 인가된 제1 전압은 상기 제1 외륜, 상기 제1 볼 및 상기 제1 내륜을 통해 상기 코일의 일측 끝단으로 인가된다.

상기 제2 지지부로 인가된 제2 전압은 상기 제2 외륜, 상기 제2 볼 및 상기 제2 내륜을 통해 상기 코일의 타측 끝단으로 인가된다.

다음, 상기 코일의 일측 끝단과 타측 끝단으로 인가된 제1 전압 및 제2 전압에 의해 상기 코일에 전류가 흐르면, 상기 코일이 힘을 받아 움직이며, 이에 따라, 상기 회전축이 회전한다.

즉, 상기 자석에 의해 발생된 자기장 속에 놓여 있는 상기 코일에 전류가 흐르면, 상기 코일은 힘을 받아 움직이며, 이 경우, 상기 코일이 받는 힘의 방향은 플레밍의 왼손법칙에 의해 정해진다.

마지막으로, 상기 제어장치(200)는 상기 코일(130)이 도 7에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변환될 때마다, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경시킨다. 이에 따라, 상기 코일(130)은 360도 회전할 수 있으며, 이러한 동작이 반복됨에 따라, 상기 회전축(140)은 지속적으로 회전할 수 있다.

즉, 상기 제어장치(200)가 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 지속적으로 바꾸어줌으로써, 상기 회전축(140)은 지속적으로 회전할 수 있으며, 상기 회전축(140)에 연결된 장치에 회전력이 인가될 수 있다.

이를 위해, 상기 제어장치(200)는 기 설정된 타이밍마다 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 제어장치(200)에는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 전원이 공급된 후, 상기 코일(130)이 도 7에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변경될 때까지의 기간에 대한 정보 및 이후의 동작에서 상기 코일(130)이 도 7에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변경될 때까지의 기간들에 대한 정보를 저장할 수 있으며, 이러한 정보에 따라, 특정 타이밍이 도달하면 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경시킬 수 있다.

즉, 상기 제어장치(200)는 기 설정되어 있는 정보를 이용하여 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경하는 타이밍을 선택할 수 있다.

이 경우, 상기 코일(130)이 도 7에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치로 변경되는 타이밍에, 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 공급되는 전원의 극성이 정확하게 변경되어야, 상기 회전축이 지속적으로 회전할 수 있으며, 상기 회전축의 회전에 의해 발생되는 에너지의 효율이 증가될 수 있다.

이를 위해, 상기 제어장치는 상기 제2 1 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제1 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제2 전압을 인가할 수 있으며, 상기 제1 센서에서 감지신호가 수신된 후, 상기 제2 센서에서 감지신호가 수신되면, 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제1 전압을 인가할 수 있다.

예를 들어, 상기 코일(130)이 도 7에 도시된 바와 같은 위치에 놓여진 상태에서 상기 제1 지지부에 제1 전압이 인가되고 상기 제2 지지부에 제2 전압이 인가되면, 상기 코일(130)은 회전한다.

상기 코일(130)이 회전하여, 상기 코일(130)이 도 6에 도시된 바와 같은 위치에 도달하면, 상기 제2 센서(172)로부터 상기 회전자(120)가 감지된 신호가 수신된다. 도 6에 도시된 위치는 상기 코일(130)의 양측들이 상기 N극에서 상기 S극으로 이동하는 위치이다.

이 경우, 상기 제어장치(200)가 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제1 전압을 인가하면, 상기 코일로 흐르는 전류의 방향이 변하게 되며, 이에 따라, 상기 코일 및 상기 코일(130)은 지속적으로 회전될 수 있다.

이후, 상기 제1 센서에 의해 상기 코일이 다시 도 7에 도시된 바와 같은 위치에 도달하였음이 감지될 수 있으며, 다시, 상기 코일이 도 7에 도시된 바와 같은 위치에서 도 6에 도시된 바와 같은 위치에 도달하여 상기 제2 센서로부터 상기 회전자가 감지되면, 상기 제어장치가 상기 제1 지지부에 제2 전압을 인가하고 상기 제2 지지부에 제2 전압을 인가할 수 있다. 이에 따라, 상기 코일 및 상기 회전축은 지속적으로 회전될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 적용되는 모터의 또 다른 예시도이다.

본 발명이 적용되는 모터는, 도 8에 도시된 바와 같이, 회전축(140), 상기 회전축에 연결된 제1 베어링(150), 상기 제1 베어링과 이격되어 상기 회전축에 연결된 제2 베어링(160), 상기 제2 베어링과 이격되어 상기 회전축에 연결된 제3 베어링(170), 상기 제1 베어링을 지지하며, 상기 제1 베어링에 전원을 공급하는 제1 지지부(150a), 상기 제2 베어링을 지지하며, 상기 제2 베어링에 전원을 공급하는 제2 지지부(160a), 상기 제3 베어링을 지지하며, 상기 제3 베어링에 전원을 공급하는 제3 지지부(170a), 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부와 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성을 지속적으로 바꾸어주는 제어장치(200), 상기 회전축의 일측 끝단에 연결되어 있는 세 개의 폴들을 포함하는 회전자(120), 상기 회전자의 제1 폴(121)에 감겨져 있으며, 일측은 상기 제1 베어링(150)과 전기적으로 연결되어 있는 제1 코일(131), 상기 회전자의 제2 폴(122)에 연결되어 있고, 일측은 상기 제1 코일(131)의 타측과 연결되어 있으며, 타측은 상기 제3 베어링(170)과 전기적으로 연결되어 있는 제2 코일(132), 상기 회전자의 제3 폴(123)에 연결되어 있고, 일측은 상기 제2 코일(132)의 타측과 연결되어 있으며, 타측은 상기 제2 베어링(160)과 전기적으로 연결되어 있는 제3 코일(133), 상기 회전자를 감싸도록 상기 회전자 외곽에 배치되는 N극과 S극을 포함하는 자석(110)을 포함한다. 이 경우, 상기 제어장치(200)는, 본 발명에 따른 전원 가변용 제어장치가 될 수 있다. 상기 제어장치(200)는, 다양한 크기의 전원을 공급하는 전원장치(210), 상기 전원장치에 연결되어 제1 출력단(240), 상기 제2 출력단(250) 및 제3 출력단(260)으로 공급되는 전류의 방향을 바꾸어주는 전류방향변환장치(230) 및 센서로부터 전송되는 감지신호에 따라, 상기 전원장치 및 상기 전류방향변환장치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 지지부, 상기 제2 지지부 및 제3 지지부로 인가되는 전원의 크기 및 극성 중 적어도 하나를 변경시키는 판단부(210)를 포함한다.

또한, 본 발명이 적용되는 모터는 상기 회전자의 세 개의 폴들 중 어느 하나가 상기 N극에 인접되어 있는 지의 여부를 감지하는 제1 센서(171) 및 상기 회전자의 세 개의 폴들 중 어느 하나가 상기 N극 및 상기 S극 사이에 배치되어 있는 지의 여부를 감지하는 제2 센서(172)를 더 포함할 수 있다. 상기 제3 센서(173)는 상기 세 개의 폴들(121, 122, 123) 중 어느 하나가 또 다른 N극(또는 S극)에 인접되어 있는 지의 여부를 감지할 수 있다.

이하의 설명에서, 전원은 전압 및 전류 중 적어도 하나를 의미한다. 또한, 상기 제1 베어링, 상기 제2 베어링 및 상기 제3 베어링을 통칭하여 베어링이라 한다. 또한, 상기 제1 센서 및 상기 제2 센서와 이하에서 설명될 제3 센서를 통칭하여 센서라 한다.

또한, 도 8에 도시된 모터는 도 3에 도시된 모터와 유사한 구성들을 포함하고 있다. 즉, 도 3에 도시된 모터와 비교할 때, 도 8에 도시된 모터에는, 세 개의 폴들을 포함하는 회전자(120)가 구비되며, 세 개의 베어링들(150, 160, 170)이 구비된다. 따라서, 이하에서는, 도 3에 도시된 모터에 구비된 구성과 동일한 구성에는 도 3에 도시된 도면부호와 동일한 도면부호가 부여된다. 또한, 이하에서는, 도 3에 도시된 모터와 다른 특징들이 상세히 설명되며, 나머지 구성들은 간단히 설명된다.

우선, 회전축(140)은 속이 빈 원통이 될 수 있으며, 속인 찬 원통일 수 있다.

다음, 상기 제1 베어링(150)과 상기 제2 베어링(160) 상기 제3 베어링(170)은 일정한 간격을 두고 상기 회전축에 연결된다.

상기 제1 베어링(150)은, 상기 회전축에 연결되어 있는 제1 내륜(151), 상기 제1 내륜과 이격되어 상기 제1 내륜을 감싸고 있는 제1 외륜(152) 및 상기 제1 내륜 및 상기 제1 외륜 사이에 구비되는 적어도 두 개의 제1 볼(153)들을 포함할 수 있다.

상기 제2 베어링(160)은, 상기 회전축에 연결되어 있는 제2 내륜(161), 상기 제2 내륜과 이격되어 상기 제2 내륜을 감싸고 있는 제2 외륜(162) 및 상기 제2 내륜과 상기 제2 외륜 사이에 구비되는 적어도 두 개의 제2 볼(163)들을 포함할 수 있다.

상기 제3 베어링(170)은, 상기 회전축에 연결되어 있는 제3 내륜, 상기 제3 내륜과 이격되어 상기 제3 내륜을 감싸고 있는 제3 외륜 및 상기 제3 내륜과 상기 제3 외륜 사이에 구비되는 적어도 두 개의 제3 볼들을 포함할 수 있다. 즉, 상기 제3 베어링(170)의 내부 구조는, 도 4 및 도 5에 도시된 상기 제1 베어링(150) 및 상기 제2 베어링(160)의 내부 구조와 동일한 형태로 형성될 수 있다.

상기 제1 베어링(150), 상기 제2 베어링(160) 및 상기 제3 베어링(170)의 기능은 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명된 제1 베어링(150) 및 제2 베어링(160)의 기능과 동일하다.

다음, 상기 제1 지지부(150a)는 상기 제1 베어링을 지지하며, 상기 제1 베어링에 전원을 공급한다. 상기 제2 지지부(160a)는 상기 제2 베어링을 지지하며, 상기 제2 베어링에 전원을 공급한다. 상기 제3 지지부(170a)는 상기 제3 베어링을 지지하며, 상기 제3 베어링에 전원을 공급한다.

상기 제1 지지부(150a), 상기 제2 지지부(160a) 및 상기 제3 지지부(170a)의 구성 및 기능은 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명된 제1 지지부(150a) 및 제2 지지부(160a)의 구성 및 기능과 동일하다.

다음, 상기 회전자(120)는 상기 회전축(140)의 일측 끝단에 연결되어 있다. 따라서, 상기 회전자(120)는 상기 회전축, 상기 제1 내륜 및 상기 제2 내륜과 함께 회전한다. 상기 회전자(120)는 상기 제1 폴(121), 상기 제2 폴(122) 및 상기 제3 폴(123)을 포함한다.

상기 제1 폴(121)에는 상기 제1 코일(131)이 감겨진다. 상기 제1 코일(131)에 전류가 흐르면, 상기 제1 폴(121)의 양쪽 끝단들에는 도 12에 도시된 바와 같이, N극 및 S극(또는 S극 및 N극)이 형성된다.

상기 제2 폴(122)에는 상기 제2 코일(132)이 감겨진다. 상기 제2 코일(132)에 전류가 흐르면, 상기 제2 폴(122)의 양쪽 끝단들에는 N극 및 S극(또는 S극 및 N극)이 형성된다.

상기 제3 폴(123)에는 상기 제3 코일(133)이 감겨진다. 상기 제3 코일(133)에 전류가 흐르면, 상기 제3 폴(123)의 양쪽 끝단들에는 S극 및 N극(또는 N극 및 S극)이 형성된다.

다음, 제1 코일(131)은 상기 회전자의 제1 폴(121)에 감겨져 있으며, 일측은 상기 제1 베어링(150)의 제1 내륜과 전기적으로 연결되어 있다.

상기 제2 코일(132)은 상기 회전자의 제2 폴(122)에 연결되어 있고, 일측은 상기 제1 코일(131)의 타측과 연결되어 있으며, 타측은 상기 제3 베어링(170)의 제3 내륜과 전기적으로 연결되어 있다.

상기 제3 코일(133)은, 상기 회전자의 제3 폴(123)에 연결되어 있고, 일측은 상기 제2 코일(132)의 타측과 연결되어 있으며, 타측은 상기 제2 베어링(160)의 제2 내륜과 전기적으로 연결되어 있다.

다음, 상기 자석은 상기 회전자를 감싸도록 상기 회전자 외곽에 배치되는 N극(111)과 S극(112)을 포함한다.

상기 자석의 구성 및 기능은 도 3을 참조하여 설명된 자석의 구성 및 기능과 동일하다.

다음, 상기 제1 센서(171)는 상기 세 개의 폴들(121, 122, 123) 중 어느 하나가 상기 N극(또는 S극)에 인접되어 있는 지의 여부를 감지할 수 있으며, 상기 제2 센서(172)는 상기 세 개의 폴들(121, 122, 123) 중 어느 하나가 상기 N극 및 상기 S극이 인접되어 있는 위치에 배치되어 있는 지의 여부를 감지하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 제3 센서(173)는 상기 세 개의 폴들(121, 122, 123) 중 어느 하나가 또 다른 N극(또는 S극)에 인접되어 있는 지의 여부를 감지할 수 있다. 상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 제3 센서 사이의 간격은 120도로 유지되는 것이 바람직하다.

상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 제3 센서의 구성 및 기능은 도 3을 참조하여 설명된 제1 센서 및 상기 제2 센서의 구성 및 기능과 동일하다.

상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 제3 센서는 모터에 반드시 구비될 필요는 없다.

마지막으로, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부, 상기 제2 지지부 및 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성 및 크기 중 적어도 하나를 지속적으로 바꾸어 줄 수 있다.

또한, 도 8에 도시된 실시예에서는, 회전 속도의 입력에 따라 제1 센서 및 제2 센서에서 회전자의 위치와 방향을 감지한다.

또한, 제1 센서 또는 제2 센서에서 감지한 회전자 각각의 폴 위치와 방향에 따라, 제1 출력단, 제2 출력단 및 제3 출력단의 전압의 크기나 전극 또는 전류의 방향이 바뀌도록 제어장치(200)에서 제어한다.

또한, 출력단의 전원은 지지부를 통해 회전자의 각 폴을 둘러싼 코일로 인가된다.

이하에서는, 도 8을 참조하여 본 발명이 적용되는 모터의 동작 방법이 설명된다. 이 경우, 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명된 내용들 중 회전자(120) 및 코일(130)에 대한 설명을 제외한 내용들은 도 8에 도시된 모터의 동작 방법 설명에도 적용될 수 있다.

우선, 세 개의 폴들이 배치되어 있을 때, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부, 즉, 상기 제1 베어링(150)으로 제1 전압을 인가하고 상기 제3 지지부, 즉, 상기 제3 베어링(170)으로 제2 전압을 인가할 수 있다. 즉, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부와 상기 제3 지지부로 전원을 공급한다.

상기 제1 지지부로 인가된 제1 전압은 상기 제1 외륜, 상기 제1 볼 및 상기 제1 내륜을 통해 상기 제1 코일의 일측 끝단으로 인가된다.

상기 제3 지지부로 인가된 제2 전압은 상기 제3 외륜, 상기 제3 볼 및 상기 제3 내륜을 통해 상기 제3 코일의 타측 끝단으로 인가된다.

다음, 상기 제1 폴(121)에는 상기 제1 코일(131)로 흐르는 전류에 의해, 상기 자석(110)의 N극과 마주하는 일측에 S극이 형성되고, 상기 자석(110)의 N극과 반대되는 타측에 N극이 형성된다.

또한, 상기 제2 폴(122)에는 상기 제2 코일(132)로 흐르는 전류에 의해 상기 자석(110)의 S극과 마주하는 일측에 S극이 형성되고, 상기 자석(110)의 S극과 반대되는 타측에 N극이 형성된다.

또한, 상기 제3 폴(123)에는 상기 제3 코일(133)로 흐르는 전류에 의해 상기 회전자의 회전축 방향에 S극이 형성되고, 상기 회전축 방향과 반대되는 방향에 N극이 형성된다. 즉, 상기 제2 지지부에는 상기 제1 폴 내지 상기 제3 폴에 도 12에 도시된 바와 같은 자기장이 발생될 수 있도록 하는 제3 전원이 공급된다.

따라서, 상기 자석(110)의 N극은 상기 제1 폴(121)을 잡아당기며, 상기 자석(110)의 S극은 상기 제2 폴(122)을 밀어낸다.

따라서, 상기 회전자(120)는 시계 방향으로 회전한다.

다음, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 폴(121)이 상기 자석(110)의 N극 방향으로 완전히 이동하고, 상기 제2 폴(122)이 N극과 S극 사이로 이동하며, 상기 제3 폴(123)이 상기 자석(110)의 N극 방향으로 이동하면, 상기 제1 지지부, 즉, 상기 제1 베어링(150)으로 제1 전압을 인가하고 상기 제2 지지부, 즉, 상기 제2 베어링(160)으로 제2 전압을 인가하고, 상기 제3 지지부, 즉, 상기 제3 베어링(170)으로 제3 전압을 인가할 수 있다. 즉, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부와 상기 제2 지지부로 전원을 공급한다.

상기 제1 지지부로 인가된 제1 전압은 상기 제1 외륜, 상기 제1 볼 및 상기 제1 내륜을 통해 상기 제1 코일의 일측 끝단으로 인가된다.

상기 제2 지지부로 인가된 제2 전압은 상기 제2 외륜, 상기 제2 볼 및 상기 제2 내륜을 통해 상기 제2 코일의 타측 끝단으로 인가된다.

다음, 상기 제1 폴(121)에는 상기 제1 코일(131)로 흐르는 전류에 의해, 상기 자석(110)의 N극과 마주하는 일측에 S극이 형성되고, 상기 자석(110)의 N극과 반대되는 타측에 N극이 형성된다.

또한, 상기 제3 폴(123)에는 상기 제3 코일(133)로 흐르는 전류에 의해 상기 자석(110)의 S극과 마주하는 일측에 S극이 형성되고, 상기 자석(110)의 S극과 반대되는 타측에 N극이 형성된다.

따라서, 상기 자석(110)의 N극은 상기 제1 폴(121)을 잡아당기며, 상기 자석(110)의 S극은 상기 제3 폴(123)을 밀어낸다.

따라서, 상기 회전자(120)는 지속적으로 시계 방향으로 회전한다.

이 경우, 상기 제2 폴(122)의 양측 끝단에도 상기 제2 코일(132)로 흐르는 전류에 의해 N극과 S극이 형성된다. 즉, 제2 폴(122)에도 제3 지지부로부터 전달된 전압에 의해 전류가 흐르며, 이에 따라 자기장이 발생된다.

다음, 상기 제1 폴(121)이 N극과 S극 사이에 구비되고, 상기 제2 폴(122)이 N극과 마주하는 방향에 구비되며, 상기 제3 폴(123)이 S극과 마주하는 방향에 구비되면, 상기 제2 폴(122)과 상기 제3 폴(123)에는 상기에서 설명된 바와 같은 자기장이 발생된다.

이에 따라, 상기 회전자는 지속적으로 시계 방향으로 회전한다.

마지막으로, 상기 제1 폴 내지 상기 제3 폴에 상기에서 설명된 바와 같은 현상들이 순차적으로 발생됨에 따라, 상기 회전자는 지속적으로 시계 방향으로 회전될 수 있다

이 경우, 상기 세 개의 폴들의 배치 구조, 상기 세 개의 폴들에 연결된 제1 내지 제3 코일들의 연결 구조, 상기 자석(110)의 배치 구조 및 상기 제1 내지 제3 코일들에 인가되는 전원의 종류는, 현재 일반적으로 이용되는 3-Pole-DC- electric motor에 적용되는 구조들 및 종류와 동일할 수 있다. 그러나, 본 발명은 세 개의 코일들에 전원을 인가하기 위해 세 개의 베어링들 및 제어장치가 구비된다는 점에 있어서, 현재 일반적으로 이용되는 3-Pole-DC- electric motor와 차이점이 있다.

즉, 본 발명이 적용되는 모터에서는 상기 제어장치(200)가 상기 제1 지지부 내지 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성을 지속적으로 바꾸어줌으로써, 상기 회전자(120) 및 상기 회전축(140)은 지속적으로 회전할 수 있으며, 상기 회전축(140)에 연결된 장치에 회전력이 인가될 수 있다.

이를 위해, 상기 제어장치(200)는 기 설정된 타이밍마다 상기 제1 지지부 내지 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경시킬 수 있다.

예를 들어, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 지지부와 상기 제3 지지부로 전원이 공급된 후, 상기 제1 폴(121)이 상기 자석(110)의 N극 방향으로 완전히 이동하고, 상기 제2 폴(122)이 N극과 S극 사이로 이동하며, 상기 제3 폴(123)이 상기 자석(110)의 N극 방향으로 이동하면, 상기 제1 지지부 내지 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성들을 변경시킬 수 있다.

즉, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 폴 내지 상기 제3 폴 중 어느 하나가 N극과 S극 사이에 배치되면, 상기 제1 지지부 내지 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성들을 변경시킬 수 있다.

상기 제어장치(200)에는 상기 제1 폴(121) 내지 상기 제3 폴(123)이 N극과 S극 사이에 배치되는 기간들에 대한 정보가 저장될 수 있으며, 이러한 정보에 따라, 상기 제어장치는 특정 타이밍이 도달하면 상기 제1 지지부 내지 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성들을 변경시킬 수 있다.

즉, 상기 제어장치(200)는 기 설정되어 있는 정보를 이용하여 상기 제1 지지부 내지 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성을 변경하는 타이밍을 선택할 수 있다.

이 경우, 상기 제1 폴 내지 상기 제3 폴 중 어느 하나가 N극과 S극 사이에배치되는 타이밍에, 상기 제1 지지부 내지 상기 제3 지지부로 공급되는 전원의 극성이 정확하게 변경되어야, 상기 회전축이 지속적으로 회전할 수 있으며, 상기 회전축의 회전에 의해 발생되는 에너지의 효율이 증가될 수 있다.

이를 위해, 상기 제어장치(200)는 상기 제1 센서, 상기 제2 센서 및 상기 제3 센서에서 수신된 감지신호를 이용할 수 있다.

이것은 상기 2폴의 방식에서 폴이 하나 더 추가된 형식이므로, 이와 같은 방식으로 폴은 4개 이상으로 구성이 가능하다.

발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　 그러므로, 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

120: 회전자 130: 코일
140: 회전축 150: 제1 베어링
160: 제2 베어링 171: 제1 센서
172: 제2 센서 173: 제3 센서
200: 제어장치 210: 판단부
211: 저장부 220: 전원장치
230: 전류방향변환장치
231: 전력비교기형 전류방향변환장치
240: 제1 출력단 250: 제2 출력단
260: 제3 출력단

Claims (6)

1. 다양한 크기의 전원을 공급하는 전원장치;
   상기 전원장치에 연결되어 제1 출력단, 제2 출력단 및 제3 출력단으로 공급되는 전류의 방향을 바꾸어주는 전류방향변환장치; 및
   상기 전원장치 및 상기 전류방향변환장치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 출력단, 상기 제2 출력단 및 상기 제3 출력단으로 인가되는 전원의 크기 및 극성 중 적어도 하나를 변경시키는 판단부를 포함하는 전원 가변용 제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전류방향변환장치는 상기 제1 출력단과 상기 제2 출력단 중 어느 하나에는 고정된 전압을 공급하며, 또 다른 하나에는 상기 고정된 전압에 대비하여 +전압 또는 -전압을 인가하는 전력비교기형 전류방향변환장치를 포함하는 전원 가변용 제어장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 전원장치로는, 스위치 모드 전원 장치, 공진 전원 장치, 양방향성 전원 장치 중 어느 하나가 이용될 수 있으며,
   상기 스위치 모드 전원 장치는 인버터단의 스위치 모드 또는 PWM 동작을 갖는 플라이백(Flyback), 포워드(Forward), 푸시풀(Push-Pull), 하프 브리지(Half Bridge), 풀 브리지(Full Bridge) 중 어느 하나의 구조를 갖는 전원 가변용 제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 전원장치는 자동 이득 제어(Automatic Gain Control) 기능을 포함하고,
   상기 전원장치는 상기 자동 이득 제어 기능을 이용하여 모터에서 사용자가 요구하는 회전자의 속도와 가속도가 얻어질 수 있도록 출력전압을 제어하는 전원 가변용 제어장치.
5. 제 4 항에 있어서
   상기 모터의 동작을 감지하는 센서는, 홀 센서, 포토 센서, 리졸버 센서 중 어느 하나인 전원 가변용 제어장치.
6. 제 1 항에서
   상기 판단부는, 상기 전원장치 및 상기 전류방향변환장치 중 적어도 하나를 제어하여, 상기 제1 출력단, 상기 제2 출력단 및 상기 제3 출력단으로 인가되는 전원의 크기 및 극성 중 적어도 두 개를 변경시키는 전원 가변용 제어장치.