KR910008678Y1

KR910008678Y1 - 무정류자 자기콘트롤 전동기

Info

Publication number: KR910008678Y1
Application number: KR2019910010012U
Authority: KR
Inventors: 이종섭; 김우진
Original assignee: 이종섭; 김우진
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1991-07-02
Publication date: 1991-10-26

Abstract

내용 없음.

Description

무정류자 자기콘트롤 전동기

제1도는 종래의 직류전동기.

제2a도는 본 고안의 구조를 보인 요부 측면도.

제2b도는 본 고안의 자기 콘트롤 회로 구성도.

제3도는 본 고안의 작동을 보인 작동도.

제4도는 본 고안의 실제 조립의 실시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 2, 3, 4 : 계자코어 5, 12 : 회전자

7, 15 : 축 10 : 계자자석

11 : 회전자코일 6 : 영구자석

13 : 브러쉬 14 : 정류자

L : 계자코일 SN : 자기센서

TR₃, TR₈, TR₃', TR₆' : 스위칭 게이트 T : 트리거 게이트

PC : 외부 콘트롤 단자 28 : 자기콘트롤 회로조립기판

본 고안은 정류자가 없는 직류전동기에 관한 것으로 특히 회전자의 자극위치에 따라 계자코일의 자극이 변위되는 자기콘트롤 회로를 내장한 무정류자 전동기에 관한 것이다.

종래에는 종동기의 케이스 내측에 계자자석을 설치하고 계자자석의 내측에 회전자가 축을 중심으로 회전되게 구성하였다. 이러한 전동기는 회전자에 회전자 코일을 감아 자장을 형성하도록 구성되어 있으므로 회전자 코일이 전원을 공급하기 위해서 정류자를 필요로 하였다. 즉, 회전자에 고정부착된 정류자와 정류자에 전원을 공급하기 위한 브러쉬를 사용하여 브러쉬와 정류자의 회전에 의해서 회전자에 교반자계를 발생하여 회전하도록 하였다. 그러나 이러한 방식은 정류자와 브러쉬의 마찰접촉으로 접점이 손상되는 결점을 가지고 있다.

따라서 최근에는 무접점 방식의 전동기가 필요하게 되었다.

무접점 방식의 전동기는 회전자에 고정자석을 사용하고, 계자코어의 자기극성을 바꾸어서 회전자를 회전시키는 방식을 사용하고 있다.

이러한 방식은 대한민국 특허 86-2085에서 나타나있다. 즉 직류다상 양극성 무정류자 전동기(MULT1 PHASE BEPOLAR BRUSHLESS DC MOTOR)를 구성하기 위하여 각 상(PHASE)은 각 상별로 독립된 구동회로부(ELECTRONIC COMMUTATOR)및 여자코일부(ROTARYMACHINE)와 센서부(POSITION SENSOR)를 갖고서 각 상을 한개의 직류 전원부(VOLTAGE CONTROLLER)에 병렬로 연결하여 각 센서의 기계각(SHAFT ANGLE)(2π/극수÷상의 수)의 간격으로 배치하고 각 상은 각 상별로 회전자의 전기적 위치를 센서가 감지하여 구동 회로부에 신호를 전달함으로써 각 상의 코일에 교반전류가 흐르도록 하여 전동가 원활히 기동 및 회전되도록 센서판과 센서의 위치를 조명하여 3상 이상으로 구성하며 전동기의 상의(수에 따라서 각 상간의 전기각(ELECTRIC ANGLE)(π+상의 수)이 되도록 함으로써 상의 수가 증가함에 따라서 토오크리플(TORQUE-RIPPLE)이 향상되도록 하여 3상 이상으로 구성한 구조로 되어 있다. 그러나 이러한 방식은 계자코어의 수가 많아지고 3상 이상의 전류를 필요로 한다. 더욱 각 상별로 독립된 구동 회로부를 가지고 있으므로 회로의 구성이 복잡하고 초기 구동이 어려운 결점을 가지고 있다.

본 고안의 목적은 계자코일의 구동회로가 간단한 무정류자 전동기를 제공하는 데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 초기 구동을 신속하게 할수 있는 무전류자 전동기를 제공하는데 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 전동기는 케이스의 내측에 돌출된 복수개의 계자코어, 계자코어에 감겨져 있는 계자자화코일, 최소한 일부가 영구자석으로 구성된 회전자, 그리고 회전자의 영구자석의 자극을 감지하기 위한 위치검출센서로 구성된다.

케이스의 내측에 출출한 복수개의 계자코어의 갯수는 우수개이고 이 계자코어는 계자코어의 계자자화 코일의 전류에 따라서 인접하는 계자코어와 서로 다른 극성을 나타내게 배치된다. 즉 하나의 자기코어가 +-의 극성을 나타내면 인접 자기코어는 -+의 극성을 나타내도록 배치된다. 이때 초기 구동을 신속히 하고 회전속도를 균일하게 하기 위해서 자기코어는 인접하는 자기코어의 서로 다른 크기의 자력을 발생한다. 서로 다른 크기의 자력은 인접하는 자기코어와 서로 다른 크기의 자력을 발생하기 위해서는 계자코어의 크기를 서로 다르게 하거나 계자자화코일의 권선의 수를 서로 다르게 하므로써 달성할 수 있다. 그러나 서로 맞은편의 계자코어와는 회전력을 균일하게 하기 위해서 같은 크기의 자력을 발생하도록 한다. 회전자의 자극의 위치를 감지하기 위한 위치검출센서는 2개 이상의 우수개의 센서가 사용되는 데 이것은 양단면부의 반대편 전동기 케이스에 설치될 수 있다. 위치검출센서는 광센서 또는 자기센서 또는 이와 유사한 것들이 사용될 수 있다. 위치검출센서에 의해서 서로 다른 위상을 발생하는 구동회로부는 전동기 외부에 설치된다. 이러한 구동회로부는 전동기의 기계적인 구조와 무관하게 설치될 수 있다.

따라서 이러한 구성으로 된 전동기는 시동을 위해 초기 전류를 인가하면 하나의 위치검출센서에 의해서 회전자의 자극의 위치가 검출되고 계자코어에 전류가 인가되어 자화된다. 이때 계자코어의 자극은 회전자에 설치된 영구자석과 자극이 서로 다르게 발생하므로 반발력에 의하여 초기 구동이 시작한다.

회전자가 약간 회전하여 다른 또 하나의 위치검출센서에 의해서 회전자의 자극의 위치가 검출되고 또 다시 계자코어에 전류가 인가되어 자화되고, 계자코어의 자극과 영구자석의 자극이 서로 다르게 발생하여 반발력이 발생하므로 회전을 계속하게 된다. 이때 인접하는 계자코어가 발생하는 자력이 크기는 서로 다르므로 전동기 내부는 불평등 자계가 발생하므로 구동이 손쉽게 된다. 더욱 불평등 자계에 의해서 종래 전동기가 가지고 있던 사점(계자코일의 자력선과 회전자의 자극이 서로 직교하던가 평행이 되어 회전력이 발생하지 않은 위치)이 발생하지 않으므로 회전속도가 균일해진다. 이러한 장점을 가지고 있는 본 고안의 기술을 실시예를 통하여 설명하면 다음과 같다.

종래에는 제1도와 같이 전동기의 케이스(9)의 내측에는 계자자석(10)이 설치되어 있으며 계자의 내측에는 회전자(12)가 축(15)을 중심으로 회전되게 구성되며 회전자(12)에는 회전자코일(11)을 감아 회전자에 자장을 형성하도록 구성되어 있어서 회전자코일(11)의 전원 공급은 회전자에 고정 부착된 정류자(14)와 케이스에 고정부착된 브러쉬(13)과의 회전마찰 접촉으로 전원이 회전하는 회전자코일(11)에 공급되어 자장을 형성하여 회전가능토록 되어 있었으나, 이러한 정류자 방법에는 전기마찰접촉으로 인한 스파크 현상에 의하여 접점이 손상되며 하이팩크 정비에 사용시의 문제점인 전기적 잡음과 고장이 잦아 유지 보수상 문제점이 많았다. 다음은 본 고안에 대한 구성을 상세히 설명한다.

제2a도 케이스(8)의 내측에 계자코어(1, 2, 3, 4)가 돌출 구성되어 있으며 계자코어(1, 3)에는 계자코어를 자화시키는 계자자화 코일(L1)이 감겨져 있으며 계자코어(2, 4)에는 계자코일(L2)가 감겨져 가동시 자장을 형성하도록 구성되어 있다.

여기서 계자코어(1)과 계자코어(3)은 크기가 같아서 동일한 자력을 발생하고, 계자코어(2)와 계자코어(4)는 크기가 같아서 동일한 크기의 자력을 발생하나, 계자코어(1)과 계자코어(3)은 서로 다른 크기의 자력을 발생한다. 계자코어의 내부에는 영구자석(6)으로 회전자(5)를 압축 삽입하고 회전자(5)의 내부 중심은 회전축(7)에 고정되어 축(7)을 중심으로 회전 가능토록 한다. 한편 케이스(8)의 전면 내측 좌단과 상부에는 자기센서(SN, SN')를 고정 부착하여 회전자자극(6)의 자극위치를 감지 가능토록 하였다. 제2도, 제3도, 제4도에서는 계자코어 4개와 회전자 극성을 N과 S로 설명했으나 회전토오크 및 회전속도에 따라 자기센서의 위치 및 숫자와 동시에 달리 구성될 수 있다.

제2a도 구성의 계자코일(L1, L2)의 전류극성 변환시기 및 구성에 있어서, 자기센서(SN, SN')와 회전자의 자극(6)에 대한 관계를 제2b도에 나타냈다. 자기센서(SN, SN')는 센서위치에 회전자극 S극이 근접되면구형파 펄스를 발생하게 되는 것으로 이펄스는 센서의 위치에서 S극이 벗어나고 N극이 근접되면로 복귀되는 센서이다. 트리거 게이트(T1-T4)는 스위칭 게이트(TR3-TR6, TR3'-TR6')를 트리거 하기위한 게이트로 자기센서의 펄스 위상에 의하여 동작되며 자기센서의 위상이일 때는 트리거 게이트(T1, T3)가 반전되어 출력이로 전위되고 게이트(T2, T4)는 ON으로 되어 출력이전위로 유지된다. 이때(T2, T4)는일 때는 ON상태이다. 반면에 자기센서의 펄스 위상이일 때는 트리거게이트(T1, T3)의 출력은전위로 반전되고 트리거 게이트(T2, T4)는 ON 으로 되어 출력이상태로 유지되기 때문에 해당 스위칭 게이트를 선택적으로 트리거한다.

스위칭 게이트는 TR(트랜지스터) 또는 SCR(스위칭 소자)로서 구성한 것으로 스위칭 게이트(TR3, TR3')는 트리거 세이트(T1, T3)의 상태가 반전 증폭 상태일 때 즉, 자기센서의 펄스 위상이일때 계자코일(L1)의 A점에전류를 계자코일(L2)의 B점에 각각전류를 스위칭 하게 되며 코일(L)의 반대편 스위칭 게이트(TR6, TR6')의 A', B' 지점에는전류가 스위칭 되게 되고 한편 자기센서의 위치에서 회전자 자극의 N극이 벗어나고 S극이 근접되면 센서의 위상은에서로 기입하여 트리거 게이트(T1, T3)는 노말상태로 유지되고 게이트(T2, T4)는 반전되어 스위칭 게이트(TR5, TR5')를 트리거시켜 계자코일(L1, L2)의 A', B' 지점에전류를 스위칭 게이트(TR4, TR4')의 A, B 지점에는전류로 스위칭되게 회로의 구성이 되어 있어서 자기센서의 위치에 회전자의 S극이 근접되면 계자코일(L1)의 양단은 A' 점에는전류가 A지점에는전류가 스위칭되며 회전자의 S극이 센서(SN)에서 벗어나고 N극이 근접되면 S극 근접시와 반대로 계자코일(L1)의 A 점에 A'지점에는로 전류의 극성변환이 성립되고자기센서(SN')의 경우에도 계자코일(L2)의 양극 전류방향은 자기센서(SN')의 펄스 위상이일때는 코일(L2)의 B점에전류가 B'점에는전류가 스위칭되게 되며 센서(SN')의 위상이일 때는 B점에는B'점에는전류가 스위칭되므로 제2a도의 계자코어(1, 3)의 계자코일(L1)의 극성고 계자코어(2, 4)의 계자코일(L2)의 전류극 전환이 가능토록 되므로 회전자의 극성 위치에 따라 계자의 자극도 상대적으로 변화하게 되고 인접 계자코어와 불평등 자계가 발생하여 전동기의 회전자(5)는 회전하게 되며 종래 전압콘트롤에 의하여 속도 조종이 이루어지던 것을 본 발명의 전동기에서는 자기센서의 펄스 위상을 지연시킴으로 인하여 회전속도 조짐이 되게 되므로 저속에서와 고속에서의 회전력 상의 차이점이 없어지게 된다. 외부 콘트롤 단자(PC)를 통하여 전동기의 속도 및 회전방향 조절이 되게 되며 다수의 전동기가 동일 속도와 회전방향이 요구된 때 2중 형태의 전동기에 자기센서(SN, SN')의 펄스를 다른 다수대의 전동기외부 접속단자(PC)에 입력하게 되면 동시에 자기 센서를 부착한 전동기와 일치되는 회전속도 및 회전방향을 다수대의 전동기에서 얻을 수 있다. 위와 같은 무정류자가 자기콘트롤 전동기의 구성과 원리에 의하여 제3도에서는 실제 작동상태를 보인다.

제3a도는 자극감지기(SN)의 위치에 회전자 자극(6)의 S극이 근접시의 상태며 자극감지기(SN')의 위치에는 회전자 자극(6)의 극성이 N극으로 근접되어 있으므로 계자코어(1, 3) 및 계자코어(2, 4)의 극성은 (제2b도)의 원리에 의하여 계자코일(L1) 및 양극 극성은 자기센서(SN)의 위상에 좌우되고, 크기가 다르므로 지급 자기센서의 위상은 회전자극(6)의 S극으로 인하여위상이므로 트리거게이트(T1)가 반전되고, 스위칭 게이트(TR4), (TR5)를 트리거하게 되어 계자코일(L1)의 양단 중 A점에는전류가 A'점에는전류로 스위칭 되므로 A'점에전류 극성일 때는 계자코어(1, 3)에 감겨있는 계자코일(L1)의 전류방향에 의하여 계자코일(1)에는 N극이 계자코어(3)에는 S극이 자화되도록 감겨 있으므로 제3a도의 계자코어(1)에는 N극이 계자코어(3)에는 S극이 자화되게 된다.

한편, 자기센서(SN')는 N극으로 펄스 위상이이므로 제2b도 상에서 저항(R10)을 통한펄스에 의하여 트리거 게이트(T4)는 반전되고(R5, R6)를 통하여 스위칭 게이트(TR3', TR6')를 트리거하여 계자코일(L2)의 양단 구성을(L2)의 B점에B'점에전류 극성이 스위칭시켜 계자코일(L2)가 감겨 있는 계자코일(2, 4)의 극성은 코일(L2)의 B점에전류일 때는 계자코일(2)가 S극이 되도록 코일(L2)가 감겨 있으므로 코어(2)는 S극 코어(4)는 N극으로 자화시키게 되어 제3a도 상에서 코어(1)는 N극 코어(2)는 S극 코어(3)는 S극 코어(4)는 N극이 자화되어 회전자 자극(6)에 대하여 계자코어(1, 3)는 회전자의 자극과 동일한 극으로 서로 반발하게 되며 계자코어(2, 4)는 서로 상이한 극으로 서로 당기게 되므로 계자코어는 고정되어 있으므로 회전자 자극(6)은 축(7)을 중심으로 화살표 방향으로 회전하게 되고 불평등 자계에 의해서 회전이 손쉽게 된다.

제3b도의 상태는 자기센서(SN, SN')에 회전자극(6)의 S극이 동시에 근접되어 있는 경우로 자기센서(SN)의 위상은로 제3a도의 계자코일(L1)의 극성 상태와 동일하므로 계자코일(L1)에 의하여 계자코어(1)은 N극코어(3)은 S극 상태를 유지하게 되며 계자코어(2) 및 코어(4)는 자기센서(SN')의 위상이로 저항(R12)를 통하여 트리거 게이트(T4)를 반전시켜 스위칭 게이트(TR4', TR5')을 트리거시키게 되므로 계코일(L2) 양단에 있어서 B'점에B점에전류를 스위칭 하게 되어 코어(2, 4)에 감겨 있는 코일(22)의 전류방향에 의하여 제3a도 코어(2, 4)와 반대의 극성으로 제3b도 코어(2)는 N극, 코어(4)는 S극으로 되므로 회전자 자극(6)에 대하여 코어(1)은 N극으로 회전자 자극 N극을 반발하고 회전자 자극 S극의 중심을 코어(1)쪽으로 끌어당기게 되고 계자코어(3)도 S극으로 회전자 자극 S극을 반발하고 회전자 자극 N극의 중심을 끌어당기게 되며 계자코어(2, 4)는 회전자 자극과 같은 극으로 반발하게 되어 계자코어(1, 3)의 작용방향에 의하여 코어(2)는 코어(3)의 방향으로 코어(4)는 코어(1)의 방향으로 회전자 자극을 밀게 되어 회전자 자극은 축(7)을 중심으로 화살표 방향으로 회전하게 된다.

제3c도의 상태는 회전자 자극의 위치가 제3a도와 반대의 상태로 자기센서(SN)에는 회전자 자극의 N극이 근접되어 있으므로 자기센서(NS)의 펄스 위상은며, (SN')의 위상은 회전자 자극의 S극에 근접되어 있으므로전위로 계자코어(2, 4)는 계자코일(22)의 극성이 (제3b도의 계자코일(22)극성과 동일하여 계자코어(2)는 N극 계자코어(4)는 S극 상태로 유지되고 계자코어(1, 3)만 변하게 되어야 한다.

제2b도에서 자기센서(SN)의 펄스 위상이일 때는 트리거게이트(T1)을 반전시키게 되어 저항(R1, R2)를 통하여 스위칭 게이트(TR₃, TR₆')를 트리거 시킴으로 계자코일(L1)의 양단 극성에 있어서 A점에는, A'점에는전류로 스위칭 게이트가 구성됨으로 계자코일(L1)에는 제3b도의 경우와 반대로 전류가 흐르게 되어 계자코어(1)에는 S극이 계자코어(3)에는 N극이 자화되게 된다.

이때 계자코어(2)는 N극 계자코어(4)는 S극으로 자화되어 있으므로 회전자 자극(6)에 대하여 계자코어(1)는 같은 S극으로 반발하고 계자코어(2)는 N극으로 회전자 자극의 S극으로 당기게 되며 계자코어 (3)는 N극으로 회전자 자극의 N극을 같은 극으로 계자코어(4)의 S극 방향으로 밀어 계자코어(4)의 S극에 의하여 회전자 자극 N이 당겨지게 되므로 회전자 자극은 축(7)을 중심으로 화살표 방향으로 회전하게 된다.

제3b도의 상태는 회전자 자극의 위치가 제3b도와 반대의 극성 위치로 되어 있으며 자기센서(SN) 및 (SN')의 펄스 위상은 회전자 자극의 N극이 자기센서(SN, SN')에 근접되어 있으므로 모두로 있게 된다.

먼저 자기센서(SN)의 펄스 위상이이므로 트리거 게이트(T1)을 반전시키고 게이트(T1)의 트리거 신호는 스위칭 게이트(TR₃, TR₆)를 트리거하여 계자코일(L1)의 양단 극성 A점에는A'점에는전류가 스위칭되고 자기센서(SN')의 펄스 위상 역시이므로 트리거 게이트(T3)가 반절되어 반전신호는 후단 스위칭 게이트(TR₃', TR₆')를 트리거하여 계자코일(L2)의 양단에 B점에는, B'점에는전류가 스위칭 되므로 계자코일(L1)에 의하여 자화되는 계자코어(1)는 S극으로 계자코어(3)는 N극으로 자화되고 계자코일(L2)에 의하여 자화되는 계자코어(2)는 S극 계자코어(4)는 N극으로 자화되므로 화전자 자석(6)에 대하여 계자코어(1)는 S극으로 자극 S극을 반발하여 상대극 N극을 당기게 되고 계자 코어(2)는 S극으로 너자 자극 S극을 반발하는 힘이 작용하여 계자코어(3)의 위치로 밀게 되며 코어(3)는 N극으로 회전자 자극의 N극은 밀게 되고 상대극 S극을 당기게 되므로 회전 자극(6)은 계자코어(4)의 위치로 작용된다.

계자코어(4)는 N극으로 자화되어 회전자 자극과 반발 작용되며 이때 계자코어(2, 4)의 반발방향은 계자코어(1, 3)의 작용방향과 같게 되므로 회전자(6)은 회전축(7)을 중심으로 화살표 방향으로 회전되게 되며 제3a도, 제3b도, 제3c도, 제3d도의 작용이 연속되므로 본 고안 무정류자 자기콘트롤 전동기는 회전작용을 계속할 수 있는 것이다.

이상의 작동원리를 가진 무정류자 자기콘트롤 전동기를 구성하는 데 적합한 실시예로서 제4도에서 보인 바 제4도는 본 무정류자 자기콘트롤 전동기의 조립 단면도로서 구성을 설명하면 케이스(16)의 내측에는 계자코일(19)를 감아 자장을 형성할 수 있도록 고안된 계자코어(18)를 케이스에 고정 삽입 설치하고 내측에는 베이스(16), (16')의 외측 중앙부에 삽입 설치된 베어링(22, 22')에 지지되어 회전가능토록 설치된 회전축(25) 중앙부에 영구자석(20)의 내부에 회전자 코어(21)를 압축 삽입하여 설치됨으로 케이스에 의하여 지지된 베어링을 축으로 회전 가능토록 설치된 영구자석(20)과 회전자 코어(21)로서, 회전자를 구성하고 케이스(6)의 내측면에는 회전자 영구자석(20)의 자극을 감지하는 자기센서(26, 26')를 회전자 영구자석(20)의 자극 범위에 설계된 각에 의하여 설치하고 케이스(16')의 외면에는 자기콘트롤 회로기판(28)을 내장 설치하고 오면 케이스(16")를 씌워 조립 구성한다.

이상의 실시예에 있어서 회전자의 구성에서 소형일 경우에는 회전자 코어(21)를 없애고 영구자석 코어(20)를 회전축(25)에 직접 설치 구성할 수 있으며 중형 및 대형일 경우 가격의 절감 문제로 알루미늄 및 기타 소제의 회전자 코어(21)를 영구자석 코어(20)안에 압축 삽입하여 구성하는 것이 유리하다.

이상과 같이 본 무정류자 자기콘트롤 전동기는 종래의 직류전동기의 문제점인 정류자를 없애고 1c써보 모타나 스태핑 모타에서와 같이 별도의 콘트롤 인버터 장치 등을 사용하지 않고 본 고안의 전동기는 회로 구성이 간단하여 본 고안 전동기의 내부에 회로 전부가 삽입되므로 작동이 간편하고 구조가 간단하며 시중에 쉽게 구할 수 있는 자기센서 및 게이트 부품 등을 사용함으로 가격이 저렴하며 유지보수가 필요없고 정밀 자동화 기기 등에 신뢰성 있게 사용될 수 있는 여러가지 잇점을 갖고 있다.

Claims

전동기의 케이스 내측에 중심부를 향해 돌출되고, 인접한 것과는 서로 다른 크기의 자력을 발생하고 맞은편과는 동일한 크기의 자력을 발생는 제어코어; 계자코어 내측에 위치하고 최소한 일부분이 영구자석으로 형성된 회전자; 회전자의 영구자석 위치를 검출하기 위한 위치검출센서의 신호에 의해서 계자코어를 자화시키기 위한 구동 회로부로 구성된 무정류자 자기콘트롤 정류기.
제1항에 있어서, 서로 다른 크기의 자력이 서로 다른 크기의 계자코어에 의해서 발생되는 무정류자 자기콘트롤 정류기.
제1항에 있어서, 서로 다른 크기의 자력이 서로 다른 크기의 계자코어에 의해서 발생되는 무정류자 자기콘트롤 정류기.
제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서, 위치검출센서는 자기센서의 무정류자 자기콘트롤 정류기.