KR20240014810A - 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터를 구성하는 스테이터에 배치되어 전원이 인가되어 로터가 회전할 때 스테이터의 코일로 대전류가 전달되고 로터가 회전할 때 상기 스테이터에 배치된 홀센서의 감지 동작 에러가 발생하는 것을 방지하기 위한 확장부가 구비된 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 다수 개의 영구자석이 방사상으로 배치되는 로터의 외측을 감싸며 배치되며 코일이 감긴 모터용 스테이터에 있어서, 상기 스테이터에 상호 간격을 두고 형성된 다수 개의 센싱홀; 상기 센싱홀에 배치되는 홀센서; 상기 센싱홀의 일측에서 연장 형성된 확장부;를 포함하되, 상기 확장부는, 상기 센싱홀의 폭과 동일한 폭을 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터{Stator for motor with extension for preventing error when Hall sensor is detected}

본 발명은 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 모터를 구성하는 스테이터에 배치되어 전원이 인가되어 로터가 회전할 때 스테이터의 코일로 대전류가 전달되고 로터가 회전할 때 상기 스테이터에 배치된 홀센서의 감지 동작 에러가 발생하는 것을 방지하기 위한 확장부가 구비된 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터에 관한 것이다.

각종 기계장치에서 동력을 제공하기 위해 사용하는 구동모터는 인가된 전원에 의해 동작하면서 구동력을 발생하는 장치이다.

이러한 구동모터의 일반적인 구조는 코일이 감긴 스테이터와, 상기 스테이터의 안쪽으로 배치되며 다수 개의 영구 자석이 방사상으로 삽입된 로터를 포함한 것으로, 여기서 상기 스테이터는 고정된 위치를 유지하는 고정자이며 상기 로터는 회전하는 회전자이다.

상기와 같은 구동모터는 인가된 전기 에너지로부터 전자계를 매개체로 하여 기계에너지로 변환한 후 이를 구동력으로 발생시키는 것으로, 상기 스테이터의 코일에 전기가 전달되어 전류가 흐를 때 발생하는 전자기장과 상기 로터의 영구자석에서 발생한 자기장의 상호 작용에 의해 로터가 회전하고 로터의 회전력을 회전축으로 전달하여 회전축이 부하를 구동하는 것이다.

에너지로부터 전자계를 매개체로 하여 기계에너지로 변환을 통해 구동력을 발생시키는 장치이다.

근래에는 구동모터가 하이브리드 전기자동차(HEV : Hybrid Electric Vehicle) 및 플러그인 하이브리드 자동차 등에서 동력원으로 사용하는 것을 지칭하기도 한다.

이러한 구동모터에서 상기 영구자석은 전자계를 구성하는 것으로, 형태에 따라 링 형태 또는 세그먼트 형태로 크게 분류되며, 링 형태의 영구자석은 조립이 용이하고 로터의 밸런싱(balancing) 작업이 필요 없기 때문에 생산성 측면에서 장점이 있고, 단점으로는 용량이 커질 경우 영구자석의 제조 비용이 상승하고, 내구성이 취약한 것이다.

따라서 고용량의 구동모터에서는 대부분 세그먼트 즉, 낱개로 구성된 영구자석을 다수 개 배치하는 형태로 이루어진다.

세그먼트 형태의 영구자석을 이용하는 경우 자석의 형상 및 적용 위치에 따라서 SPM(Surface Permanent Magnet)형과 IPM(Interior Permanent Magnet)형 구조로 분류된다.

여기서 상기 SPM형은 영구자석에 의한 마그네틱 토크만 이용할 수 있는 반면에 IPM형은 영구자석에 의한 마그네틱 토크와 철심의 요철형상에 따른 릴럭턴스 토크를 함께 이용할 수 있기 때문에 높은 토크가 요구되는 곳에는 주로 IPM형이 사용된다.

한편 구동모터가 고용량, 고전압이 될수록 로터의 크기가 커지거나 로터의 회전속도가 빨라지는데, 로터의 회전속도가 빨라질수록 발생하는 전류도 커지게 된다.

이러한 고용량, 고전압 구동모터의 경우 동작 중 구동모터의 상태를 점검해야 하고, 이를 위해 동작 중 발생하는 자기장과 전자기장 등을 실시간으로 측정하며 이를 위해 위치가 고정된 고정자인 스테이터에 홀센서가 구비된다.

종래의 홀센서는 자기장의 세기에 따라 전압이 변하는 홀 효과(hall effect)를 이용한 소자를 사용하여 자기장을 측정하는 것으로, 영구자석의 N극과 S극을 감지도록 구성되어 모터에 적용하는 홀센서가 있고 전선에 흐르는 자기장의 세기를 측정하여 전류량을 측정하는 전류센서가 있다.

이러한 홀센서는 배치된 위치에서 회전하는 로터의 위치 정보를 정확하게 감지해야 하는데, 로터의 회전속도가 빠르거나 로터의 용량이 커지는 경우 스테이터에 감긴 코일에 대전류가 흐르게 되고, 스테이터 코일에 대전류가 흐를 경우 스테이터에 구비된 홀센서가 로터의 위치 정보를 감지하는 과정에서 에러가 발생한다.

특히 도 10에 상기 스테이터에 형성된 홀센서 배치홀의 크기가 홀센서의 크기와 일치하는 경우, 홀센서의 감지 영역에 도달하기 이전에 자기장의 극성과 자속의 방향이 변경되기 때문에 이로 인해 도전체(영구자석)에 흐르는 전류의 이동 방향 및 변경되기 때문에 로터의 정확한 위치 정보를 감지하기 어려운 문제점이 있었다.

즉, 도 10은 (a) 부터 (d)는 로터가 회전하는 과정에서 홀센서의 감지 영역을 통과하는 것을 순서대로 도시한 것으로, 홀센서의 감지영역에 영구자석이 통과하면서 해당 영구자석의 위치를 감지하여야 하나, 도 10에 도시된 바와 같이 종래의 스테이터 배치홀은 영구자석이 배치홀에 배치된 홀센서의 감지영역을 통과하기 이전에 영구자석에서 발생한 자기장의 극성이 변경되기 때문에 이로 인해 전류의 흐름이 변경되어 홀센서의 감지 동작 중 에러가 발생하는 문제점이 있었다.

대한민국 공개특허 10-2020-0059857호(2020.05.29., 공개)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 스테이터에 센서홀을 배치하기 위한 센싱홀이 형성되되, 상기 센싱홀의 폭과 동일한 폭을 가지는 확장부가 형성되어 로터의 회전에 의해 발생한 자기장이 상기 확장부의 테두리를 따라 이동하도록 함으로써 홀센서의 감지 영역을 통과하는 자석의 극성과 자속의 방향이 일치하도록 하여 홀센서의 감지 에러가 발생하지 않도록 한 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명은 상기 확장부의 폭 방향 중앙에서 외측을 향해 반원형으로 확장된 연장부가 형성되어 대량의 자속이 발생하여 철심을 통과할 때 홀센서의 감지 영역을 통과하는 자석의 극성이 변경되는 것을 방지하여 로터의 위치 정보를 정확하게 감지할 수 있는 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터를 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 다수 개의 영구자석이 방사상으로 배치되는 로터의 외측을 감싸며 배치되며 코일이 감긴 모터용 스테이터에 있어서,

상기 스테이터에 상호 간격을 두고 형성된 다수 개의 센싱홀;

상기 센싱홀에 배치되는 홀센서;

상기 센싱홀의 일측에서 연장 형성된 확장부;를 포함하되,

상기 확장부는,

상기 센싱홀의 폭과 동일한 폭을 가지도록 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 확장부에는, 상기 확장부의 폭의 중앙부에서 반원형으로 확장된 연장부가 더 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 센싱홀에는, 상기 홀센서와 맞닿게 배치되며 상기 센싱홀을 구획하는 차폐부재가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 고용량, 고전압의 구동모터를 동작하는 과정에서 구동력을 생성 및 전달하는 로터의 위치 정보를 정확하게 감지할 수 있어 로터의 회전속도를 정확하게 판별할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 로터의 위치 정보를 감지하는 과정에서 홀센서의 감지 에러 발생을 방지하여 설정된 목표속도로 회전이 가능하도록 함에 있어 에러 발생에 의한 과부하가 발생하지 않도록 하여 안정성을 향상시킨 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명을 구성하는 센싱홀을 확대 도시한 확대도.
도 3은 도 2의 센싱홀에 홀센서가 배치된 상태를 도시한 예시도.
도 4a 내지 도 4d는 도 3의 구성에 모터가 동작시 발생하는 자속의 흐름을 도시한 예시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 센싱홀을 도시한 예시도.
도 6a 내지 도 6c는 도 5의 실시예에서 모터가 동작시 발생하는 자속의 흐름을 도시한 예시도.
도 7은 도 6에서 홀센서의 감지영역을 확대 도시한 확대도.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 예시도.
도 9는 도 8의 실시예에서 모터가 동작시 발생하는 자속의 흐름을 도시한 예시도.
도 10a 내지 10d는 종래 스테이터의 센싱홀과 홀센서로 극성이 전달되는 상태를 도시한 예시도.
도 11은 본 발명을 구성하는 센싱홀과 종래 센싱홀을 비교 도시한 예시도.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터의 바람직한 구현예를 설명하도록 한다.

먼저 본 발명에 따른 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터(1)는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 다수 개의 영구자석이 방사상으로 배치되는 로터(R)의 외측을 감싸며 배치되며 코일이 감긴 모터용 스테이터(1)에 있어서, 상기 스테이터(1)에 상호 간격을 두고 형성된 다수 개의 센싱홀(20)과, 상기 센싱홀(20)에 배치되는 홀센서(30)와, 상기 센싱홀(20)의 일측에서 연장 형성된 확장부(40)를 포함한다.

상기 센싱홀(20)은 상기 스테이터(1)의 내주연을 따라 다수 개가 상호 간격을 두고 형성되되, 도면 중 도시된 바와 같이 다수 개가 방사상으로 배치된다.

각각의 센싱홀(20)은 상기 스테이터(1)의 내주연에서 요입 형성된 것으로, 배치되는 홀센서(30)가 내주연에서 외부로 노출되도록 상기 센싱홀(20)은 일측단이 개구된 형태로 이루어진다.

이러한 센싱홀(20)의 배치 개수 및 상호간의 간격은 스테이터(1)의 직경, 로터의 직경 등에 따라 변경 가능한 것으로, 도면 중 도시된 개수 및 간격에 한정되지 않음은 물론이다.

한편 상기 센싱홀(20)은 인입되는 홀센서(30)의 하단을 지지하도록 바닥면(도면 중 미도시됨)이 구비된 형태로 이루어지는 것이 바람직하고, 여기서 상기 바닥면은 상기 홀센서(30)와 연결된 전원케이블 또는 신호전달케이블 등이 삽입될 수 있는 삽입공이 형성된다.

한편, 도 11은 본 발명에 따른 센싱홀(20)과 종래 센싱홀을 비교 도시한 것으로, 본 발명에 따른 센싱홀(20)은 도 11의 (a)에 도시된 바와 같이 일측면이 유선형 또는 반원형으로 이루어지고, 도 11의 (b)에 도시된 종래 센싱홀은 직각으로 각진 형태를 이룬다.

이러한 센싱홀(20)의 차이는, 자기(磁氣)가 통과하는 특성인 자성의 통과량이 강판의 단면적 크기에 따라 변경될 때, 강판 즉, 스테이터의 단부와 센싱홀 단부 사이의 면적(D1)을 최대로 형성함으로써 자기저항(릴럭턴스)를 줄이고, 이를 통해 발열을 낮춤으로써 발열에 의한 효율 감소를 줄일 수 있는 것이다.

즉, 도 11의 (b)에 도시된 바와 같이 종래 센싱홀이 직각으로 각진 형태를 이루는 경우 센싱홀의 단부와 스테이터의 단부 사이의 면적(D2)이 본 발명의 면적(D1)에 비해 좁기 때문에 자기저항이 증가하고, 이로 인한 열이 발생하며 특히 자속 포화시 열 발생이 가장 심한 것은 물론 발산된 열에 의해 효율이 낮아지며 출력도 저하되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 센싱홀(20)은 도면 중 도시된 바와 같이, 일측면을 유선형 또는 반원형으로 형성하여 자기저항을 낮추고 이를 통한 발열의 감소 및 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

상기 홀센서(30)는 상기 센싱홀(20)에 배치되어 로터(R)의 위치를 감지하는 것으로, 이러한 홀센서(30)는 인가된 전원에 의해 동작하면서 회전하는 로터(R)의 위치 정보를 감지하고, 감지한 위치 정보를 모터의 동작을 제어하는 제어부(도면 중 미도시됨)로 전달한다.

이러한 홀센서(30)는 알려진 바와 같이 자극을 측정하는 것으로, 본 발명에서는 로터(R)에 배치된 영구자석(M)이 회전 중 변화되는 자극을 감지하여 로터의 위치 정보를 감지한다.

종래 홀센서의 경우 도 10d에 도시된 바와 같이, 대전류가 흘러 자속밀도가 높은 경우, 홀센서 주변의 자속의 방향이 교란되어 홀센서 감지동작에서 에러가 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명에서는 상기의 문제점을 해결하기 위해 홀센서(30)가 배치되는 센싱홀(20)에 확장부(40)를 형성하여 자극의 이동을 확장부의 테두리를 따라 이동하도록 유도함으로써 홀센서(30)이 감지 동작 중 에러 발생을 방지한다.

상기 확장부(40)는 상기 센싱홀(20)과 동일한 폭을 가지도록 형성되되 상기 스테이터(1)의 외주연측으로 연장 형성되어 상기 홀센서(30)가 센싱홀(20)에 인입되며 상기 확장부(40)는 상기 홀센서(30)의 후방에 빈 공간을 형성하게 된다.

도 4a 내지 도 4d는 상기 확장부(40)에 의해 자속이 안내되는 것을 도시한 것으로, 도 4a 내지 도 4d에서 적색(赤色)과 황색(黃色)계열의 화살표로 표시된 자속은 상기 센싱홀(20) 및 확장부(40)의 테두리를 따라 이동하는 것을 확인할 수 있고, 청색(靑色)계열의 화살표로 표시된 자속은 상기 센싱홀(20)을 통과하는 것을 확인할 수 있다.

따라서 센싱홀(20)에 배치된 홀센서(30)는 청색 계열의 화살표로 표시된 자속을 감지하여 영구자석(M)의 위치 정보를 정확하게 감지할 수 있는 것이다.

이러한 도 도 4a 내지 도 4d와 종래 센싱홀을 통과하는 자속의 이동 상황을 도시한 도 10a 내지 10d를 비교하면 본 발명에 따른 확장부(40)에 의해 대량의 자속이 흐를 때 홀센서(30)의 감지 영역을 통과하는 자속의 극성이 바뀌지 않은 상태에서 통과하기 때문에 홀센서(30)이 감지 동작에서 오류를 발생시키지 않는 것이다.

한편 본 발명의 다른 실시예로 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 확장부(40)의 폭 방향 중앙에서 상기 스테이터(1)의 외주연측을 향해 돌출되되 반원형으로 이루어진 연장부(50)가 더 형성되는데, 상기 연장부(50)를 통해 자속의 이동 방향을 안내하는 경로를 제공한다.

즉 일측으로 반원형으로 돌출된 연장부(50)의 테두리를 따라 자속이 이동하는 경로가 홀센서(30)의 감지 영역의 반대 방향으로 이동하도록 유도하여 홀센서(30)가 자극을 감지하는 과정에서 에러가 발생하는 것을 방지한다.

이러한 연장부(50)의 곡률은 확장부(40)의 폭에 따라 변경 가능한 것으로 도면 중 도시된 비율에 한정되지 않음은 물론이다.

그리고, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예를 도시한 것으로, 상기 스테이터측에서 발생한 자성이 홀센서(30)측으로 이동하여 홀센서(30)의 감지 에러가 발생하는 것을 방지하기 위한 차폐부재(60)가 더 구비된 것이다.

상기 차폐부재(60)는 편평한 판재 형태로 이루어져 상기 센싱홀(20)에 삽입되되, 바람직하게는 홀센서(30)의 후면과 맞닿도록 배치되어 상기 연장부(50)가 독립적으로 구획될 수 있도록 한다.

도 9는 상기 차폐부재(60)가 배치된 상태에서 자속이 이동하는 것을 도시한 것으로, 스테이터의 외주연에서 내주연측으로 자성이 전달되는 것을 차단함으로써 자성에 의해 자속의 흐름이 변하거나 홀센서(30)의 감지에 영향을 주는 것을 차단한다.

이러한 차폐부재(60)를 통해 홀센서(30)로 전달되는 자성을 차단하여 홀센서의 감지 정확도를 향상시킬 수 있는 것이다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1 : 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터
20 : 센싱홀
30 : 홀센서
40 : 확장부
50 : 연장부
60 : 차폐부재

Claims (4)

1. 다수 개의 영구자석이 방사상으로 배치되는 로터(R)의 외측을 감싸며 배치되며 코일이 감긴 모터용 스테이터(1)에 있어서,
   상기 스테이터(1)에 상호 간격을 두고 형성된 다수 개의 센싱홀(20);
   상기 센싱홀(20)에 배치되는 홀센서(30);
   상기 센싱홀(20)의 일측에서 연장 형성된 확장부(40);를 포함하되,
   상기 확장부(40)는,
   상기 센싱홀(20)의 폭과 동일한 폭을 가지도록 형성된 것을 특징으로 하는 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 확장부(40)에는,
   상기 확장부(40)의 폭의 중앙부에서 반원형으로 확장된 연장부(50)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 센싱홀(20)에는,
   상기 홀센서(30)와 맞닿게 배치되며 상기 센싱홀(20)을 구획하는 차폐부재(60)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 센싱홀(20)은,
   일측면이 유선형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 홀센서 감지시 에러 방지용 확장부가 구비된 모터용 스테이터.

Images