KR910008679Y1

KR910008679Y1 - 무정류자 자기콘트롤 전동기

Info

Publication number: KR910008679Y1
Application number: KR2019910010013U
Authority: KR
Inventors: 이종섭; 김우진
Original assignee: 이종섭; 김우진
Priority date: 1988-09-12
Filing date: 1991-07-12
Publication date: 1991-10-26

Abstract

내용 없음.

Description

무정류자 자기콘트롤 전동기

제1도는 종래의 직류 전동기.

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 8, 9 : 케이스

5 : 실린더 6, 12 : 회전자

7, 15 : 축 13 : 브러쉬

10 : 계자자석 14 : 정류자

11 : 회전자코일 L₁, L₂: 계자코일

SN : 자기센서 T : 트리거게이트

TR₃-TR₆, TR₃', TR₆' : 스위칭게이트

PC : 외부콘트롤단자 23 : 자기콘트롤회로조립기판

본 고안은 정류자가 없는 직류 전동기에 관한 것으로 특히 회전자의 자극 위치에 따라 계자코일의 자극이 변위되는 자기 콘트롤 회로를 내장한 무 정류자 전동기에 관한 것이다.

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

따라서 최근에는 무접점 방식의 전동기가 필요하게 되었다. 무접점 방식의 전동기는 회전자에 고정 자석을 사용하고, 계자코어의 자기 극성을 바꾸어서 회전자를 회전시키는 방식을 사용하고 있다. 이러한 방식은 대한민국 특허 제86-2085호에 나타나 있다. 즉 직류다상양극성 무정류자 전동기(MULTI PHASE BIROLAR BRUSHLESS DC MOTOR)를 구성하기 위하여 각상(PHASE)은 각상별로 독립된 구동회로부(ELECTRONIC COMMUTATOR)를 갖고서 각상을 한개의 직류전원부(VOLTAGE CONTROLLER)에 병렬로 연결하여 각 센서의 기계각(SHAFT ANGLE)(2π/극수÷상의수)의 간격으로 배치하고 각상은 각상별로 회전자의 전기적 위치를 센서가 감지하여 구동 회로부에 신호를 전달함으로서 각상의 코일에 교반 전류가 흐르도록 하여 전동기가 원활히 가동 회전되도록 센서판과 센서의 위치를 조명하여 3상 이상으로 구성하며 전동기의 상의(수에 따라서 각 상간의 전기각(ELECTRIC ANGLE)(π+상의 수)이 되도록 함으로써 상의수가 증가함에 따라서 토오크리플(TORQUE-RIPPLE)이 향상되도록 하여 3상 이상으로 구성한 구조로 되어있다. 그러나 이러한 방식은 계자코어의 수가 많아지고 3상이 상의 전류를 필요로 한다. 더욱 각상별로 독립된 구동회로부를 가지고 있으므로 회로의 구성이 복잡하고 초기 구동이 어려운 결점을 가지고 있다.

본 고안의 목적은 계자코어의 구동회로가 간단한 무 정류자 전동기를 제공하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 회전력이 매우 큰 무 정류자 전동기를 제공하는데 있다.

본 고안의 또다른 목적은 초기 구동을 신속하게 할수 있는 무정류자 전동기를 제공하는데 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 전동기는 케이스의 내측의 원통형으로 된 최소한 일부분이 영구자석으로 형성된 회전자, 회전자의 원통형 내측에 위치한 계자코어, 계자코어에 감겨져 있는 계자자화코일, 자석의 자극을 감지하기 위한 위치검출 센서로 구성된다.

회전자의 내측에 위치한 복수개의 계자코어의 갯수는 우수개이고 이 계자코어의 계자자화코일의 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 회전 속도를 균일하기 위해서 자기코어는 인접하는 자기코어와 서로 다른 크기의 자력을 발생한다. 이러한 서로 다른 크기의 자력은 자기코어의 크기를 자기코어와 서로 다르게 하거나, 계자자화코일의 권선의 수를 서로 다른 크기의 자력은 자기코어의 크기를 자기코어와 서로 다르게 하거나, 계자자화코일의 권선의 수를 서로 다르게 하므로서 달성할수 있다. 그러나 서로 맞은 편의 계자코어와는 회전력을 균일하게 하기 위해서 같은 크기의 자력을 발생하도록 한다. 회전자의 자극의 위치를 감지하기 위한 위치 검출센서는 2개 이상의 우수개의 센서가 양 단면부위 반대편 전동기 케이스에 설치될 수 있다. 위치검출 센서에 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 위치검출 센서에 의해서 회전자의 자극의 위치가 검출되고 계자코어에 전류가 인가되어 자화된다. 이때 계자코어의 자그기온 회전자에 설치된 영구자석과 자극이 서로 다르게 발생하므로 반발력에 의하여 초기 구동이 시작된다.

회전자가 약간 회전하여 다른 또하나의 위치검출 센서에 의해서 회전자의 자극의 위치가 검출되고 또다시 계자코어에 전류가 인가되어 자화되고, 계자코어의 자극과 영구자석의 자극이 서로 다르게 발생하여 반발력이 발생하므로 회전을 계속하게 된다. 이때 인접하는 계자코어가 발생하는 자력의 크기는 서로 다르므로 전동기내부는 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 회전 속도가 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)를 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 정류자(14)와 케이스에 고정 부착된 브러쉬(13)와의 회전마찰 접촉으로 전원이 회전하는 회전자코일(11)에 공급되어 자장을 형성하여 회전 가능토록 되어 있었다. 이러한 종래의 방법에서는 전기 마찰 접촉으로 인한 스파크 현상에 의하여 접점이 손상되며 계자내부의 회전자가 회전 하므로서 동력을 발생되었던 바 모터의 용량을 크게 설계할 경우 회전자의 지름을 크게 구성하거나 또는 써보모터 종류에서는 회전자의 길이를 길게 구성하므로 용량의 증대를 가져왔다. 이로 인하여 전동기의 부피는 커지지 않을 수 없으며, 이러한 종래의 직류모터 구성은 전기마찰 접촉으로 인한 스파크 잡음을 유발하고 고장이 잦아 유지 보수상 문제점이 많으며 특히 전동기 부피의 크기가 자동화 정밀기기의 소형화에 한계를 가져 왔다.

이에 대하여 본고안을 설명하면 다음과 같다.

제2a도 케이스(8)의 내측에는 회전축(7)에 고정되어 회전 가능토록 지지되어 영구자석으로 구성된 회전자(6)이 설치되고 회전자(6)의 내측에는 케이스 후면의 계자코어 실린더(5)에 의하여 압축 삽입되어 고정 부착된 계자코어로서(1, 2, 3, 4) 4개의 돌출 구성된 계자철심이 고정되어 있으며 코어(1, 2, 3, 4)의 돌출 내측에는 계자코일(L1, L2)이 감겨 있어서 계자코일(L1)은 코일(1, 3)에, 계자코일(L2)은 계자코어(2, 4)에 운전시 자화되어 각각 상반된 자극을 형성하도록 구성하고 케이스(8)의 측면 내측 좌단과 좌상부에는 소형 자기센서(SN), (SN')를 케이스(8)에 고정 설치하여 영구자석으로 구성된 회전자(6)의 자극 위치를 감지가능토록 계자코어의 숫자와 회전자 극성에 의하여 구성 설치한다.

제2도, 제3도, 제4도에서는 계자코어 4개와 회전자 극성을 N과 S로 도시 설명했으나 회전토르크 및 용도에 따라 자기센서의 위치 및 숫자와 동시에 달리 구성될 수 있다.

제2a도의 구성에서 계자코일(L1, L2)의 전류극서 변환시기 및 수성에 있어서 자기센서(SN, SN')와 회전자(6)의 자극에 대한 관계를 제2b도에 나타냈다.

자기센서(SN, SN')는 센서 위치에 회전자극 S극이 근접되면 구형파 +펄스를 발생하게 되는 것으로 이 +펄스는 센서의 위치에서 회전자의 S극이 벗어나고 N극이 근접되면 -로 복귀되는 센서이다. 트리거게이트(T₁-T₂)는 스위칭게이트(TR₃-TR₆, TR₃'-TR₆')를 트리거 하기 위한 게이트로 자기센서의 펄스 위상에 의하여 동작되며 자기센서의 위상이일때는 트리거게이트(T₁, T₂)가 반전되어 출력이로 전위되고 반대편 게이트(T₂, T₄)는 노발 상태로 유지된다. 반면에 자기센서의 펄스 위상이일때는 트리거게이트(T₂, T₄)는전위로 반전되고 반대편 트리거게이트(T₁, T₃)는 노마 상태로 유지되는 게이트로 센서의 위상이일때는 게이트(T₁, T₃)는 ON되며, 게이트(T₂, T₄)는 OFF센서의 위상이일때는 게이트(T₂, T₄)가 ON되고 게이트(T₁, T₃)는 OFF되도록 구성되어 있다.

스위칭게이트(TR₃-TR₆, TR₃'-TR₆')는 TR(트랜지스터) 및 SCR(스위칭소자)로서 구성한 것으로 게이트(TR₃-TR₃'), (TR₆-TR₆')는 트리거게이트(T₂, T₄)의 상태가 반전 증폭상태일때 즉 자기 센서의 펄스 위상이일때 구동되는 게이트로 계자코일(L1)의 양극중에서 A점에 +전류를 A'점에서전류를 스위칭 하며, 계자코일(L2)에서도 B점에B'점에는전류를 스위칭 하도록 되어 있으며, 한편 자기센서의 위치에서 회전자의 N극이 벗어나고 S극이 근접도면 센서의 위상은에서로 기립하여 트리거게이트(T₂, T₄)는 노말 상태로되고 게이트(T₁, T₃)는 반전되어 스위칭게이트(TR₄-TR₄'), (TR₅-TR₅")을 트리거시켜 계자코(L1, L2)의 양끝상에서 A, B점에는-전류로 A', B'점에는 +전류로 스위칭 하게 구성되어 있어서 자기센서(SN)의 위치에 회전자의 S극이 근접되면 스위칭게이트(TR₄)는 +전류로, 게이트(TR₅)는 -전류로 스위칭 되며 자기센서의 위치에 N극이 근접되면 스위칭게이트(TR₃)는 +전류로, 게이트(TR₁)는 -상태로 스위칭 되므로 자기센서의 펄스위상에 의하여 계자코일(L1)의 양쪽 극성이 전환 되도록 되어 있다. 자기센서(SN')의 경우에도 회전자의 S극이 근접되면 스위칭게이트(TR₄')은 +전류로, 게이트(TR₅')은 -전류로 스위칭 되며 자기센서(SN')의 위치에 N극이 근접되면 스위칭게이트(TR₅', TR₃')에 +전류가, 게이트(TR₆')에는 -전류가 스위칭 되므로 자기센서(SN')의 펄스 위상에 의하여 계자코일(L2)의 양끝 극성의 방향이 전환되도록 함으로 제2a도 계자코어(1, 3)의 계자코일(L1)의 극성과 계자코어(2, 4)에 감겨 있는 계자코일(L2)의 극성이 전환 가능함으로 따라서 회전자의 위치에 따라 계자코어의 자극도 상대적으로 자회되게 되므로 회전자(6)은 계속 회전하게 되며 종래 전압콘트롤에 의하여 속도 조종이 이루어지던 것을 본 고안의 전동기에서는 자기 센서의 펄스 위상의 시간을 지연시킴으로 간단히 회전속도 조절이 되므로 초저속 및 초고속에 이르기까지 회전력에서 차이점이 없이 일정한 힘을 유지하게 된다.

외부 콘트롤단자(PC)는 외부로 부터 본 전동기의 속도 및 회전 방향의 조절을 할수 있으며 다수의 전동기를 동일 속도와 동일 방향으로의 운전이 요구될때 그중 한대의 전동기에만 자지센서를 부착하여(SN, SN')의 펄스를 다른 다수대의 전동기 외주 접속단자(PC)에 입력하게 되면 자기센서를 부착한 전동기와 일치되는 회전속도 및 회전방향을 동시에 얻을 수 있다.

위와같은 무정류자 계자회전 자기콘트롤 전동기의 구성과 원리에 대한 실제 작동상태가 제3도에 나타나 있다.

제3a도는 자극감지기(SN)의 위치에 회전자(6)의 S극이 근접한 상태이고 자극감지기(SN')의 위치에는 회전자(6)의 극성이 N극으로 근접되어 있다. 따라서 계자코어(1, 3) 및 계자코어(2, 4)의 극성은 제2b도의 자기콘트롤 회로 구성에 나타낸 바와같이 되고 계자코일(L1)의 양극성은 자기센서(SN)의 위상에 좌우되고 크기가 다르므로 자기센서의 위상은 회전자(6)의 S극으로 인하여 +위상이므로 트리거게이트(T2)가 반전되어 스위칭게이트(TR₄, TR₅)를 트리거하게 되어 계자코일(L1)의 양단중 A점에는 -전류가, A'점에는 +전류로 스위칭되므로 계자코어(1, 3)에 감겨 있는 계자코일 구성방향은 A점에는 -극성이, A'점에는 +전류극성이 스위칭 될때는 계자코어(1)에는 N극이, 계자코어(3)에는 S극이 자화도록 감겨져 있으므로, 자기센서(SN)에 S극근접시 계자코어(1)는 N극, 코어(3)는 S극으로 자화된다. 한편 자기센서(SN')는 N극이 근접된 상태로 펄스 위상이 -이므로 제2b도 상에서 -펄스에 의하여 트리거게이트(T₄)는 반전되어 스위칭게이트(TR₃', TR₆')을 트리거하여 계자코일(L2)의 양단 극성을 코일(L2)의 B점에 +를, B'점에는 -전류 극성을 스위칭시켜 계자코일(L2)가 감겨 있는 계자코어(2, 4)의 극성을 계자코일에 흐르는 전류의 방향에 의하여 코어(2)는 S극이, 코어(4)는 N극으로 자화시키게 되어 제3a도 상에서 코어(1)는, N극, 코어(2)는 S극, 코어(3)는 S극, 코어(4)는 N극으로 자화되어 회전자(5)에 대하여 계자코어(1, 3)은 회전자의 자극과 동일한 극으로 서로 반발하게되며 계자코어(2, 4)는 서로 상이한 극으로 서로 당기게되므로 계자코어는 고정되어있어서 회전자(5)는 축(7)을 중심으로 화살표방향으로 회전하게된다.

제3b도의 상태는 자기센서(SN, SN')에 회전자(6)의 S극이 동시에 근접되어 있는 경우로 먼저 자기센서(SN)의 경우 펄스 위상이 +로 제3a도의 계자코일(L1)의 극성 상태와 동일하므로 계자코어(1)는 N극 코어(3)는 S극 상태로 자화되며 계자코어(2, 4)는 자기센서(SN')의 위상이 +이므로 트리거게이트(T₃)를 반전시켜 스위칭게이트(TR'₄, TR'₆)를 트리거시키게 되어 계자코일(L2) 양단에 있어서 B'점에는 +전류를 B점에는 -전류 방향에 의하야 제3a도 코어(2, 4)와 반대의 극성으로 자화되어 제3b도 코어(2)는 N극 코어(4)는 S극으로 되므로 회전자(6)에 대하어 코어(1)는 N극으로 회전자(6)의 N극을 반발하고 회전자의 S극 중심을 코어(1)쪽으로 끌어 당기게 되고 계자코어(3)도 S극으로 회전자의 s극으로 회전자의 S극은 반발하고, 회전자 N극 중심을 계자코어(3) 위치로 끌어당기게 되며, 계자코어(2, 4)는 회전자의 자극과 같은 극으로 반발하게 되어 계자코어(1, 3)의 작용 방향에 의하여 코어(2)는 코어(3)의 방향으로 코어(4)는 코어(1)의 방향으로 회전자를 밀게되므로 회전자(6)는 축(7)을 중심으로 화살펴 방향으로 회전하게 된다.

제3c도 상태는 회전자의 위치가 제3a도와 반대의 상태로 자기센서(SN)에는 회전자 자극의 N극이 근접되어 있으므로 자기센서(SN)의 위상은 -며 (SN')의 위상은 회전자의 S극이 근접되어 있으므로 +전위로 계자코어(2, 4)는 계자코일(L2)의 극성이 제3b도의 계자코일(L2)의 극성과 동일하며 계자코어(2)는 N극 계자코어(4)는 S극으로 자화되고 계자코어(1, 3)는 제2b도 상에서 자기센서(SN)의 위상이 -이므로 트리거게이트(T2)을 반전시키게 되어 스위칭게이트(TR₃, TR'₆)를 트리거 시킴으로 계자코일(L1)의 양단 극성에 있어 A점에는 +, A'점에는 -전류로 스위칭게이트가 구성되어 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(6)에 대하여 계자코어(1)는 같은 극으로 반발하고, 계자코어(2)는 회전자의 S극을 반대극성으로 당기게 되며 계자코어(3)는 N극으로 회전자의 N극을 반발하고 계자코어(4)는 S극으로 회전자의 N극을 당기게 되므로 회전자(6)는 축(7)을 중심으로 화살표 방향으로 회전하게된다.

이 상태에서 회전자의 N극이 자기센서(SN')위치에 도달되면 계자코일(L2)의 전류 극성이 반위된다.

제3d도의 상태는 회전자의 자극 위치가 제3b도의 극성 위치와 반대로 자기센서(SN, SN')위치에 회전자의 N극이 근접된 상태로 펄스 위상은 모두 -로 된다. 먼저 자기센서(SN)의 위상은 -로 트리거게이트(T2)가 반전되고 스위칭게이트(TR₃, TR'₆)를 트리거하여 계자코일(L1) 양단 극성에 있어 A점에는 +, A'점에는 -전류가 스위칭되어 계자코어(1)는 S극 계자코어(3)는 N극으로 자화되어 자기센서(SN')의 위상 역시 -로 트리계이트(T₄)가 반전되어 스위칭게이트(TR₃, TR'₆을 트리거 하여 계자코일(L2)의 양단에 있어 B점에는 +, B'점에는 -전류가 스위칭되므로 계자코어(2)는 S극 계자코어(4)는 N극으로 자화 되므로 회전자(6)에 대하여 계자코어(1)는 S극으로 회전자의 S극을 반발하고 상대극 N극을 당기게 되며 계자코어(2)는 계자코어(2)는 S극을 반발하는 힘이 작용하여 계자코어(3)의 위치로 밀게 되며 계자코어(3)는 N극으로 회전자 N극을 반발하여 코어(4)쪽으로 밀며 상대극 S를 당기게 되므로 회전자(6)는 계자코어(4)의 위치로 작용된다.

계자코어(4)는 N극으로 자화되며 회전자의 N극과 같은 극으로, 반발하게되며 이때 코어(2, 4)의 작용 방향은 코어(5, 3)의 작용방향과 같게 되므로 회전자(6)는 축(7)을 중심으로 화살표 방향으로 회전하게 되며, 제3a도, 제3b도, 제3c도, 제3d도의 작용이 연속으로 이어지므로 본고안 무정류자 자기코트를 전동기는 회전 작용을 계속하게 된다.

Claims

전동기의 케이스 내측에 위치하고 최소한 일부분이 영구 자석으로된 중공 원통형 회전자; 회전자 내측에 위치하고 인접한 것과는 서로 다른 크기의 자격을 발생하고, 맞은편 것과는 크기의 자력을 발생하는 계자코어; 회전자의 영구 자석의 위치를 검출하기 위한 위치 검출센서; 회전자의 영구자석 위치를 검출하기 위한 검출센서의 신호에 의해서 계자코어를 자화시키기 위한 구동 회로부로 구성된 무정류자 자기콘트롤 정류기.
제1항에 있어서, 서로 다른 크기의 자력이 서로 다른 크기의 계자코어에 의하여 발생되는 무정류자 자기콘트롤 정류기.
제1항에 있어서, 서로 다른 크기의 자력을 계자코어의 서로 다른 계자코일의 권선에 의해서 발생되는 무정류자 자기콘트롤 정류기.
제1항, 제2항, 또는 제3항에 있어서, 위치검출센서는 자기센서인 무정류자 자기콘트롤 정류기.