KR890004099B1 - 직류다상 양극성 무정류자 전동기(multi-phase bipolar brushless d.c motor) - Google Patents

직류다상 양극성 무정류자 전동기(multi-phase bipolar brushless d.c motor) Download PDF

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Abstract

내용 없음.

Description

직류다상 양극성 무정류자 전동기(MULTI-PHASE BIPOLAR BRUSHLESS D.C MOTOR)
제1도는 본 발명의 계통도.
제2도는 본 발명의 속도감지센서와 센서부를 나타낸 것으로, 제2a)도는 속도감지센서와 금석검출판과 감지센서의 분리 사시도. 제2b)도는 제2a도를 결합시킨 상태의 단면도.
제3도는 본 발명의 3상4극 전동기 권선과 회전자를 나타낸 것으로서, 제3a)도는 3상4극 전동기의 권선 및 원형독립결선도. 제3b)도는 4극 회전자의 구성도. 제3c)도는 3상4극 전동기의 직렬독립결선도.
제4도는 본 발명의 센서부와 회전자 및 구동회로도를 나타낸 것으로서, 제4a)도는 3상전동기의 구동회로도. 제4b)도는 회전자와 센서부를 나타낸 구성도.
제5도는 본 발명의 전동기 권선과 회전자 및 센서부를 나타낸 것으로서, 제4a)도는 3상4극 전동기의 구성도. 제5b)도는 4상4극 전동기의 구성도.
제6도는 제3도의 출력토오크리플 파형도.
제7도는 본 발명의 위치감지센서의 배치를 나타낸 것으로서, 제7a)도는 위치감지센서의 위치와 그에 따른 토오크리플 파형도. 제7b)도는 위치감지센서의 보정위치와 그에 따른 토오크리플 파형도.
제8도는 본 발명의 위치감지센서의 여자폭 조정상태를 나타낸 것으로서, 제8a)도는 극성검출판의 위치감지센서를 보정된 각도에 부착시킨 위치와 그에 따른 토오크리플 파형도. 제8b)도는 극성검출판의 위치감지센서를 최적 보정위치에 부착시킨 상태와 그에 따른 토오크리플 파형도.
제9도는 본 발명의 3상4극 전동기의 정액센서의 구성도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 전동기본체
2 : 극성검출판(COMMUTATION ENCODER)
3 : 엔코더(SPEED CONTROL RNCODER)
4 : 고정자 5 : 감지센서(극성)
6 : 감지센서(속도) 7 : 회전자
11 : 축 21 : 빛차단부분
22 : 빛검출부분
본 발명은 직류다상 양극성 무정류자 전동기에 관한 것으로서, 고정자를 전기자로 회전자를 영구자석으로 구성한다. 고정자의 권선을 통형선륜형(Solenoid Winding)으로 구성하면 정현파의 토오크리플을 생성하게 되는 원리의 전동기로서, 마이크로 모우터에 적합하도록 하였으며, 고정자 권선을 체인와인딩(Chain Winding)으로 권선하여 사다리꼴의 토오크리플을 생성하는 원리의 전동기로서 파워모우터에 적합하도록 한 것이다.
그리고 양극성(Bipolar) 방식을 채택하여 여자코일의 동손을 최대로 극소화시켜 전동기의 효율을 향상시킬 수 있게 하며, 다상화 하여 코일의 이용을 높혀 컴팩트 디자인이 가능하게 하고, 토오크리플을 개선하였으며, 극성검출판과 센서부를 간단하고 안전하게 구성하여 전동기의 기동, 회전특성을 향상시킴과 동시에 구조가 간단한 전동기를 제작할 수 있게 됨에 따라 전동기의 생산원가를 절감시킬 수 있게 한 것에 주안점을 둔 것이다.
종래의 분권전동기의 원리는 회전자에 계자코일(여자코일)을 권선하여 적당한 극수로서 제작하였으며 회전자에 브러쉬를 장착한 코일을 권선하여 회전되도록 구성하였으므로 사용중에 정류자편 사이에 분진등의 이물질이 끼게 되거나 합선 또는 마모등으로 인하여 브러쉬를 교체하여 주어야 되는 등의 결점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고자, 회전자에 계자코일 대신 영구자석을 사용하고, 고정자에 권선을 독립 권선으로 회권시키고, 회전자의 측에 극성검출판을 고정하여 회동되게 하며, 이에 센서부를 부설하여 구동회로부에 연결시키므로서, 전동기가 원활히 기동, 회전하도록 함과 동시에 간단한 구성원리를 창안하므로서, 생산원가가 저렴한 전동기를 제작할 수 있게 한 것에 목적을 둔 것이다.
이하 첨부도면에 따라서 설명하면 다음과 같다.
우수한 직류무정류가 전동기의 구성여부는 전동기 본체와 센서부 및 구동회로부를 여하히 구성결합 하느냐가 최대의 과제인바 본 발명의 직류무정류자 전동기는 제1도의 계통도에서 보는 바와같이 구동 시스템(SYSTEM OF COMMUTATION)은 센서부(COMMUTATION ENCODER & PHOTO TRANSISTOR)에서 회전자의 위치를 감지하여 신호를 발생하면→전자 컴무테이터(ELECTRONIC COMMUTATOR)는 코일 양단에 연결된 트렌지스터(POWER TRANSISTOR)를 작동시켜→전동기 본체(ROTARY MACHINE)에 교번전류를 흐르게 하여 전동기가 구동되도록 하였다.
상기 센서부는 제2도와 같이 전동기 본체(1)의 축(11)에 극성검출판(2)을 고정 부착시켜 회동 가능하게 하며, 이 극성검출판(2)에는 빛차단부(21)와 빛검출부(22)를 형성시키고 극성검출판(2)의 측면에 설치된 극성감지센서(5)로서 회전자의 위치를 감지하는 신호를 발생하도록 구성하였다.
이 구동시스템은 각상별로 독립하여 구성된 것이 특징이며, 한개의 직류전원부(VOLTAGE CONTROLLER)에 각상의 구동시스템을 병렬로 연결하였으며, 따라서 전동기의 각 상의 코일에는 구형파(SQUARE WAVE)의 교번전류를 흐르게 함으로서 전동기를 원활하게 구동되도록 창안한 것이다.
본 원리에 의하여 구동되는 직류다상 양극성 무정류자 전동기의 구체적인 내용을 전동기 본체, 전자컴무데이터, 센서부, 전원부 순으로 직류무정류자 전동기의 기본요소(BASIC ELEMENT)별로 구분하여 설명하기로 한다.
첫째 : 전동기본체(ROTARY MACHINE)는 고정자(4)(STATOR)를 전기자로 회전자(7)(ROTOR)를 영구자석으로 구성한 전동기 본체(1)의 회전자는 2극, 4극, 6극, 8극 ……2n극으로 구성할 수 있고, 고정자는 2상, 3상, 4상, 5상, 6상 ……n상으로 구성할 수 있다. 따라서 극수나 상수를 필요에 따라 용이하게 증감할 수 있고 전동기 본체(1)의 길이나 두께, 형태를 필요에 따라 용이하게 변형할 수 있는 것을 특징으로 한다. 제3도에서 도시된 바와같이 전동기의 권선은 △형, Y형 권선과는 구별되는 독립상 권선형으로 전동기의 각상별 코일은 다상의 전동기가 되더라도 항상 각 코일의 여자조건(EXCITING CONDITION)이 동일 하도록 구성된 것이다.
둘째 : 전자컴무데이터(ELECTRONIC COMMUTATOR)는 제4도와 같이 각상의 코일 양단에 트랜지스터(POWER TRANSISTOR)를 연결하여 1상은 4개의 트랜지스터 Q1-Q4로 구성되고, 각 상의 코일양단의 트랜지스터 2개를 1개의 포토 트랜지스터(PHOTO TRANSISTOR)에 연결하여 각 상은 1상에 포토 트랜지스터 2개를 보유하여 전류방향 결정을 포토 트랜지스터의 작동에 따라 행하도록 구성하였다. 제4도의 3상 2여자 전동기를 예로서 설명하면 포토 트랜지스터 PA1이 극성검출판(2)의 감지구간(SENSING AREA)에 있으면 신호(POSITIVE PULSE)를 발생시키고 따라서 트랜지스터 Q1, Q4가 작동(ON)하여 전류는 트랜지스터 Q1에서 트랜지스터 Q4로 흐르게 된다.
이 경우 포토 트랜지스터 PA2는 작동할 수 없는 위치에 있게 된다. 위치가 바뀌어 포토 트랜지스터 PA2가 극성검출판(2)의 감지구간에 있게 되면 트랜지스터 Q2, Q3가 작동(ON)하여 전류방향은 반대가 되어 트랜지스터 Q2에서 트랜지스터 Q3로 흐르게 된다. 이 경우 역시 포토 트랜지스터 PA1은 작동할 수 없는 위치에 있게 된다.
따라서 1상에 2개의 포토 트랜지스터를 설치하여 출력신호(POSITIVE PLUSE)만 사용함으로서 신호 분리 회로(DIVIDE DEVICE)를 제거하였으며 1상의 각 포토 트랜지스터는 교번시
Figure kpo00001
도의 기계각(SHAFT ANGLE)동안 작동하지 못하도록 구성함으로서 크로스파이어 방지 연동장치(CROSSFIRE PREVENTION INTERLOCK)를 제거하였다. 따라서 복잡한 논리회로를 제거하여 안전하고 간편한 전자컴무데이터를 완성한 것이다.
셋째 : 센서부(COMMUTATION ENCODER & PHOTO TRANSISTOR)의 구성은 제1도 및 제4도에 도시된 바와같이 전동기의 축한쪽 끝 부위에 별도로 극성검출판(2)와 1상에 2개의 포토 트랜지스터(PHOTO TRANSISTOR)를 설치한 외부 설치형(EXTERNAL TYPE) 센서부를 구성한 것으로 3상(PHASE)4극형 전동기를 예로서 설명하면 다음과 같다. 제5도의 3상4극형 전동기는 도시된 바와같이 극성검출판(2)은 감지구간(SENSING AREA)을 2(회전자의 극수÷2)곳으로 구성하며 감지구간의 폭을
Figure kpo00002
도의 기계작(SHAFT ANGLE)으로 구성하였다. A상, B상, C상의 포토 트랜지스터 PA1, PB1, PC1, PA2, PB2, PC2는
Figure kpo00003
도의 기계각으로 배치하였다.
따라서 A상의 포토 트랜지스터 PA1과 포토 트랜지스터 PA2의 간격은
Figure kpo00004
도의 기계각을 보유하게 되고 B상, C상도 같은 상태가 된다. 센서부의 작동원리에 있어서 A상의 작동원리를 설명하면 포토 트랜지스터 PA1이 극성검출판(2)의 감지 구간안에 있을 동안 포토 트랜지스터 PA1은 신호(POSITIVE PULSE)를 발생시켜서 구동회로에 전달하는바 그 구간은 기계각 60도 구간이며, 기계각 30도 구간은 포토 트랜지스터 PA1, PA2는 모두 작동하지 않는 구간이다. 포토 트랜지스터 PA2가 작동하는 구간도 기계각 60도이다.
따라서, 포토 트랜지스터 PA1이 작동할때에는 포토 트랜지스터 PA2는 작동하지 않으며, 포토 트랜지스터 PA2가 작동할때에는 포토 트랜지스터 PA1이 작동하지 않으며, 포토 트랜지스터 PA1, PA2가 모두 작동하지 아니하는 구간이 기계각 30도가 되는 것이다. 이렇게 하여 구성된 센서부는 2상1여자(EXCITING), 3상 2여자, 4상3여자, 5상4여자, 6상5여자……가 되어 n상중(n-1)상 여자의 전동기를 완성케 함으로서 직류다상 양극성 무정류자 전동기(MULTI-PHASE BIPOLAR BRUSHLESS D.C MOTOR)를 실현한 것이다.
넷째 : 포토 트랜지스터(PHOTO TRANSISTOR)의 전진배치(ADVANCED COMMUTATION). 제7도에 도시된 바와같이 프토 트랜지스터가 이론적 위치에서 전동기가 회전시 극성검출판(2)의 감지구간에 이르면 포토 트랜지스터는 신호(PULSE)를 송출시켜 담당한 상의 코일에 정해진 한 방향으로 전류를 흐르도록 트랜지스터를 작동(ON)시키고, 극성검출판(2)의 감지 구간을 벗어나는 순간 신호의 송출은 정지(OFF)되고 따라서 트랜지스터는 작동이 정지(OFF)되며 코일에 전류의 흐름은 중단된다. 이때, 포토 트랜지스터가 발생시킨 신호의 시작 및 종료하는 시간보다 코일의 여자시작 및 종료시작은 θ도 만큼 늦어진다.
그 이유는 트랜지스터의 지연시간(DELAY TIME) 저장시간(STORAGE TIME)과 코일의 여자특성 등으로 기인한다. 따라서 포토 트랜지스터의 회전자(ROTOR) 회전 방향의 반대방향으로 전진배치(ADVANCED COMMUTATION)하여 푸어 토오크(POOR TORQUE) 부분을 제거하여 효율을 향상시키고 아울러 동손(COPPER LOSS)을 극소화 시킨다. 이때 전진배치는 전동기를 운전상태에 두고 가장 좋은 위치에 포토 트랜지스터를 θ도 만큼 전진배치 조정하여 셋팅(SETTING)하는 것이 이상적이며, 센서부가 외부설치형(EXTERNAL TYPE)이므로 여사한 조정이 가능하다.
다섯째 : 여자폭의 조정(EXCITING WIDTH MUDULATION)의 제8도에서 도시한 바와같이 포토 트랜지스터와 극성검출판(2)간의 거리를 조정하므로서 여자폭을 조정(EXCITING WIDTE MODULATION)하도록 고안한 것이다.
포토 트랜지스터가 송출하는 신호폭(PULSE WIDTH)과 코일의 여자폭(EXCITING WIDTH)은 일치하지 않는다. 트랜지스터의 저장시간(STORAGE TIME) 소멸시간(FALLING TIME) 특성과 코일의 여자특성등으로 포토 트랜지스터의 신호폭 보다 코일의 여자폭은 크게 마련이다. 따라서, 제8도에서 도시된 것과 같이 푸어 토오크(POOR TORQUE)영역에서의 여자(EXCITING)는 코일의 동손(COPPER LOSS)을 많게 하여 전동기의 열이 발생하고, 효율은 저하되게 된다.
이를 제거하기 위하여 본 발명에서 도시된 특수 극성검출판(2)을 활용하여 여자폭을 조절하므로서 전동기의 효율은 극대화하고, 따라서 열을 극소화 시키도록 고안한 것이다. 이때, 포토 트랜지스터와 극성검출판(2)과의 거리 조정은 전동기를 운전상태에 두고 가장 좋은 효율과 토오크 리프(TORQUE RIPPLE)이 가장 좋은 위치에 포토 트랜지스터를 조정하여 셋팅하는 것이 이상적이며 센서부가 외부 설치형(EXTERNAL TYPE)이므로 여사한 조정이 가능하다.
여섯째 : 정, 역회전(FORWARD, REVERSE) 제9도에서 도시된 바와같이 정회전시에 전진배치된 포토 트랜지스터조와는 별도로 대칭된 위치에 역회전시에 사용되는 포토 트랜지스터를 구성하므로서 완벽한 정, 역회전을 하도록 센서부를 구성하였다. 따라서 무접점 전자식 조작에 의하여 센서부의 정회전 포토 트랜지스터조나 역회전 포토 트랜지스터조의 선택에 따라 전동기는 원활한 정, 역회전이 되도록 발명된 것이다.
일곱째 : 전원부(VOLTAGE CONTROL) 직류전원인 경우는 직접, 교류전원인 경우는 직류로 정류하여 컴무테이션 시스템을 제1도와 같이 병렬로 연결하여 전동기가 원활히 구동되도록 구성하고, 전원부를 전압 조정 하므로서 전동기의 속도가 콘트롤(CONTROL) 되도록 구성하였다. 이와같은 본 발명(특허 POWER MOTOR로서)의 작용효과를 설명하면 다음과 같다.
특수하게 발명된 극성검출판(2)에 프토 트랜지스터(PHOTO TRANSISTOR)를 한상에 2개씩 배열 구성하므로서 신호분리(DIVIDE DEVICE)와 크로스 파이어 방지 언동 장치(CROSS-FIRE PREVENTION INTERLOCK)를 제거함으로서 안전하고 간단한 회로를 구성하였으며 전동기를 용이하게 다상화 및 다극화 함으로서 토오클 리플(TORQUE RIPPLE)을 현적하게 개선하였으며, 토오크가 좋지 못한 부분을 제거함으로써 동손(COPPER LOSS)을 극소화 하여 전동기의 열을 최소화 시킴으로서 효율을 향상하였으며, 상별로 독립된 코일에 최대의 전류가 흐를수 있도록 구성하였으며, 다상화 하여 코일 이용을(2상1여자, 3상2여자, 4상3여자, 5상4여자, 6상5여자……)을 높혀 컴팩트 디자인(COMPACT DESIGN)을 실현하였으며, 전동기의 효율향상과 토오크 리플을 개선하므로서 상대적으로 속응성은 향상되었으며 센서부를 정, 역회전용으로 독립하여 구성하여 어드밴스 컴무테이션(ADVANCED COMMUTATION)이 되도록 함으로서, 정, 역회전이 원활하게 하였음은 물론, 독립상으로 구성된 드라이빙(DRIVING)단의 트랜지스터(TRANSISTOR) 용량을 적게 할수 있어 제조가격을 저렴화 할수 있는 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.

Claims (5)

  1. 직류무정류자 전동기(BRUSHLESS D.C MOTOR)를 구성함에 있어서 ; 한개의 직류전원부(VOLTAGE CONTROLLER)와 각상에 센서부(COMMUTATION ENCODER & PHOTO TRANSISTOR), 여자코일부(EXCITING COIL), 전자컴무테이터부(ELECTRONIC COMMUTATOR)를 갖고 각 상별로 독립된 다상으로 구성하였으며, 각상들은 1개의 직류 전원부에 병렬로 연결하였으며, 각상은 각상마다 2개의 포토 트랜지스터(PHOTO TRANSISTOR)를 갖고 극성검출판(ENCODER)(2)와 상관하여 회전자(ROTOR)의 회전방향에 상응하는 전류방향과 필요한 여자폭(EXCITING WIDTH)을 정하여 줌으로서 전동기가 원활히 기동 및 구동되도록 코일에 쌍방향(양극성 : BIPOLAR)으로 전류를 흐르도록 된 것을 특징으로 하는 직류다상 양극성 무정류자 전동기(MULTI-PHASE BIPOLAR BRUSHLESS D.C MOTER).
  2. 제1항에 있어서, 센서부의 극성검출판(COMMUTATION ENCODER)(2)는 감지구간(SENSING AREA)을 "회전자의 극수÷2"곳으로 구성하며 감지 구간의 폭을 "
    Figure kpo00005
    "도의 기계각(SHAFT ANGLE)으로 구성하므로서 전동기가 2상1여자, 3상2여자, 4상3여자, 5상4여자, 6상5여자……n상(n-1) 여자가 되도록 하여 코일의 이용율을 높혀 토오크리플(TORQUE RIPPLE)을 향상시켜 컴팩트 디자인(COMPACT DESIGN)이 되도록 된 것을 특징으로 하는 직류다상 양극성 무정류자 전동기.
  3. 제1항에 있어서의 센서부는 외부 설치형(EXTERNAL TYPE)으로서 포토 트랜지스터(조)를 이론적 위치에서 임의의 각도만큼 회전방향과 반대 방향으로 전진배치(ADVANCED COMMUTATION)하여 트랜지스터의 지연시간(DELAY TIME)과 저장시간(STORAGE TIME) 및 코일의 여자특성등으로 기인한 푸어 토오크(POOR TORQUE) 부분을 제거하여 동손을 극소화하여 효율을 극대화 하였으며, 전동기는 운전상태에서 포토 트랜지스터(조)를 전진배치하여 셋팅 하도록 된 것을 특징으로 하는 직류다상 양극성 무정류자 전동기.
  4. 제1항에 있어서 센서부는 특수 고안된 극성검출판(2)와 포토 트랜지스터의 조합으로 극성검출판의 감지구간의 폭 "
    Figure kpo00006
    "도의 기계각을, 포토 트랜지스터와 극성검출판과의 거리 이동조정에 따라 여자폭 조절(EXCITING WIDTH MODULATION)dl이 가능하도록 하였으며, 이 여자폭 조정이 가능해지므로 코일의 동손(COPPER LOSS)을 제거하여 전동기의 효율을 극대화 한 것으로 이는 전동기를 운전상태에서 포토 트랜지스터를 조정하여 셋팅(SETTING)하도록 된 것을 특징으로 하는 직류다상 양극성 무정류자 전동기.
  5. 제1항에 있어서의 센서부는 정회전(FORWARE)시에 전진배치된 포토 트랜지스터(조)의 배열과는 별도로 대칭된 위치에 역회전(REVERSE)시에 사용되는 포토 트랜지스터(조)의 배열을 구성하므로서 완벽하게 정, 역회전 하도록 센서부를 구성하여 무접점 전자식 조작에 의해 정회전 센서나 역회전 센서를 선택함에 따라 전동기의 정회전 혹은 역회전이 가능토록 된 것을 특징으로 하는 직류다상 양극성 무정류자 전동기.
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