KR950008390B1 - 브러시리스(Brush less) 직류 서보모터의 전기자 권선 방법 - Google Patents

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내용 없음.

Description

브러시리스(Brush less) 직류 서보모터의 전기자 권선 방법

제1도는 종래 브러시리스 직류 서보모터의 스테이터 코어 권선 단면도.

제2도는 구형파 구동시 3상의 권선에 공급되는 전류 파형도.

제3도는 제2도의 각 통전구간에서 제1도의 브러시리스 직류 서보모터 스테이터의 여자상태 및 회전자 위치를 나타낸 동작 상태도.

제4도는 본 발명에 의한 브러시리스 직류 서보모터의 권선 입체도로서,

(a)는 '+' 방향 권선을 나타낸 것이고,

(b)는 '-' 방향 권선을 나타낸 것이다.

제5도는 본 발명에 의한 브러시리스 직류 서보모터의 권선 단면도.

제6도는 제2도의 각 통전구간에서 본 발명 방법에 의해 제작된 모터의 스테이터 여자상태 및 회전자 위치를 나타낸 동작 상태도.

제7도는 본 발명 방법을 적용한 4극 브러시리스 직류 서보모터의 바람직한 권선 구성 실시예도.

제8도는 본 발명 방법을 적용한 8극 브러시리스 직류 서보모터의 바람직한 권선 구성 실시예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 전기자 권선 110 : 영구자석

120 : 스테이터 코어 130 : 돌극

200 : 슬롯 210 : 코일

본 발명은 회전자에 영구자석을 사용하여 구형파 전류로 구동하는 동기 기동형 브러시리스 직류 서보모터의 전기자 권선 방법에 관한 것이다.

이에 의한 브러시리스 직류 서보모터는 소형으로 빠른 응답이 요구되며 제어 정밀도가 높은 로보트에 또는 중,소형으로 공장 자동화기기 및 사무자동화 기기의 구동원으로 활용된다.

일반적으로 브러시리스 직류 서보모터는 전기자에 공급되는 전류파형에 따라서 정현파 전류 구동방식과, 구형파 전류 구동방식으로 나눌 수 있다.

구형파 전류 구동방식은 토크리플이 크고 위상 보상이 어려운 단점에도 불구하고 제어회로가 간단하고 저가로 구성할 수 있는 장점등으로 많이 사용되고 있다.

이러한 구형파 전류 구동방식으로 구동되는 종래의 브러시리스 직류 서보모터에 있어 그 권선도를 살펴보면 제1도 또는 제3도에서와 같이 영구자석(110)의 극수를 6개, 스테이터 코어(120)의 돌극(130)수를 9개로서 집중권을 적용하고 구형파 구동방식을 채택하고 있다.

1극 한 상 당의 슬롯수가 0.5이고, 한 상(相)으로 공급되는 전류에 의해 전기자 자속을 만드는 돌극이 3개로서 전체중에 1/3(33.3%)를 차지하고 있다.

이에 따른 U상은 슬롯(#1-#2)사이에 돌극(1), 슬롯(#4-#5)사이에 돌극(4), 슬롯(#7-#8)사이에 돌극(7)을 두며, V상은 슬롯(#2-#3)사이에 돌극(2), 슬롯(#5-#6)사이에 돌극(5), 슬롯(#8-#9)사이에 돌극(8)을 두고, W상은 슬롯(#3-#4)사이에 돌극(3), 슬롯(#6-#7)사이에 돌극(6), 슬롯(#9-#1)사이에 돌극(9)을 두어 직접 권선되어 있다(제1도 참조).

이와 같은 브러시리스 직류 서보모터에 제2도와 같은 3상 구형파 전류를 공급할때 영구자석 회전자는 제3도의 (b)에 도시한 화살표 방향으로 회전한다.

이때 제3도의 (a) - (f)에 걸쳐 나타낸 영구자석의 위치는 각 통전구간의 전류공급 상태일때, 최대 토크를 전달하는 상태가 된다.

이에 회전자가 회전하면서 계자 자속이 변화함에 따라 전기자에 공급되는 각 상 전류를 구형파로 위상을 맞추어 항상 일정한 토크를 발생시킨다.

한편 각 상에 공급되는 전류가 구형파이므로 각 통전구간에서 전기자 자속을 만드는데 전체 돌극중 2/3만이 이용되며 주회전력의 전달은 각 통전구간에서 구형파의 피크값을 나타내는 상에 의해 이루어진다.

따라서 상기한 권선 방법에 의한 직류 서보모터는 제2도의 통전구간(Ⅰ)에서 (Ⅵ)구간으로 바뀜에 따라서 각 통전구간 사이에서 전류자속의 급격한 변화로 토크리플이 커지게 되고, 또한 각 통전구간에서 전기자 자속에 영향을 주지 않는 돌극이 3개로 매 구간마다 1/3(33.3%)의 돌극이 이용되지 않게 되어 스테이터 코어(돌극)의 전체공간 활용을 효율적으로 이용할 수가 있다.

따라서 본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 감안하여 1상에 공급되는 전류로 만드는 전기자 자속의 분포를 개선하기 위해 스테이터 코어의 돌극을 증가시키고 각 전류 통전구간 사이에서 생성되는 전류자속의 변화를 감소시키기 위해 각 통전구간에서 전기자 자속을 만드는데 사용되지 않는 돌극이 없도록 권선 구성하는 새로운 전기자 권선 방법을 제공하여 서보모터의 토크 정수 및 역기전력 정수를 증가시키고 토크, 속도리플 및 맥동성분의 소음등을 충분히 제거하여 출력 향상과 함께 보다 안정된 동작을 행할 수 있도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구체적인 수단은 구형파 자속을 만들기 위한 각 상의 기본 권선을 돌극 2개씩에 걸쳐 홀수번째 슬롯에 삽입하고, 비어있는 짝수번째 슬롯에 돌극 2개씩에 걸쳐 각 상의 보조권선을 삽입하며, 이를 만족하기 위한 돌극수(슬롯구)는 3상×1(자속을 만들기 위한 단위 권선수)×2(각 단위 권선의 돌극수 2개로 구성)=6의 배수가 되고, 6개의 돌극에 3상의 전류자속에 의해 회전력을 전달할 수 있는 영구자석의 최소극수는 2극으로서 적용되며 극수와 슬롯수의 관계는 슬롯수=6×극수를 만족하는 조건이면 가능하게 됨을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다.

제4도는 본 발명 방법에 의해 실시되는 직류 서보모터의 권선입체도를 나타낸 것으로, (a)는 '+'방향 권선을 나타낸 것이고, (b)는 '-'방향 권선을 나타낸 것이다.

즉 제4도의 (a)에서와 같이 '+'방향 권선실시는 처음 표시한 슬롯(200)에 코일(210)이 지면을 뚫고 지나가는 방향으로 들어가 턴하여 두번째 표시한 슬롯(200)으로 지면을 뚫고 나오는 방향으로 권선 배치하고, '-'방향 권선 실시는 제5도의 (b)에서와 같이 두번째 표시한 슬롯(200)에 코일(210)이 지면을 뚫고 지나가는 방향으로 들어가 턴하여 처음 표시한 슬롯(200)으로 지면을 뚫고 나오는 방향으로 권선 배치한다.

이 원칙은 영구자석(110)을 회전자로 사용하는 동기 기동형 브러시리스 직류 서보모터에서 구형파 전류 구동방식을 적용할 경우 영구자석(110)의 극수=n, 상(相)수=3일 때 3n개의 돌극(130)수를 갖는 스테이터 코어(120)의 권선법으로 이용된다.

이 방법의 실시예로 3상 구동원으로 U,V,W상으로 표기하면 각 상 권선은 각 슬롯(200)중 아래와 같은 식에 의해 위치하게 된다.

Ux상 ; 슬롯(3x-2)에서 슬롯(3x)으로 권선 …………………………………(1)

Vx상 ; 슬롯(3x)에서 슬롯(3x+1)으로 권선 …………………………………(2)

Wx상 ; 슬롯(3x+1)에서 슬롯(3x+3)으로 권선 …………… ………………(3)

단 슬롯번호가 3n보다 큰 경우는 슬롯번호=슬롯번호-(3n-1)

1≤X≤n, X=자연수 ………………………………………………………………(4)

상기 (1)식 내지 (4)식에 의해 6극의 회전자를 사용하고 이를 구형파 전류로 구동할때 적용되는 스테이터 코어의 18개 슬롯에 대한 3상의 권선 구성은 제5도 또는 제6도에 도시한 바와 같다.

즉, U상 권선은 슬롯 #1-#3(돌극 1,2), 슬롯 #6-#4(돌극 4,5), 슬롯 #7-#9(돌극 7,8), 슬롯 #12-#10(돌극 10,11), 슬롯 #13-#15(돌극 13,14), 슬롯 #18-#16(돌극 16,17)에 위치하고, V상 권선은 슬롯 #3-#5(돌극 3,4), 슬롯 #8-#6(돌극 6,7), 슬롯 #9-#11(돌극 9,10), 슬롯 #14-#12(돌극 12,13), 슬롯 #15-#17(돌극 15,16), 슬롯 #2-#18(돌극 18,1)에 위치하며, W상 권선은 슬롯 #5-#7(돌극 5,6), 슬롯 #10-#8(돌극 8,9), 슬롯 #11-#13(돌극 11,12), 슬롯 #16-#14(돌극 14,15), 슬롯 #17-#1(돌극 17,18), 슬롯 #4-#2(돌극 2,3)에 각각 위치한다.

이때 각 상의 권선에 제2도에서와 같은 구형파 전류를 공급하게 되면 스테이터 코어 각 돌극을 제6도의 (a) - (f)순으로 여자된다.

여기서 일례로 제6도(a)의 각 돌극의 여자상태 및 로터위치를 살펴보면 각 통전구간(Ⅰ)에서 나타나는 상태로서 제2도의(Ⅰ)의 구간에서는 U상이 +Ip, V상이 -Ip, W상이 0이 된다.

U상 권선에는 전류가 '+'이므로 슬롯 #1-#3,#7-#9,#13-#15에 감긴 권선에 의해 돌극 1,2,7,8,13,14는 N극(스테이터 코어 외면에서 영구자석으로 향하는 자속을 만듬)으로 여자되며, 슬롯 #6-#4,#12-#10,#18-#16에 감긴 권선에 의해 돌극 4,5,10,11,16,17은 S극(로터 중심에서 스테이터 코어로 향하는 자속을 만듬)으로 여자되어 회전력을 전달하는 전기자 자속을 만들게 된다.

이와 동시에 V상 권선에는 '-'전류가 공급되며 슬롯 #3-#5,#9-#11,#15-#17에 감긴 권선에 의해 돌극 3,4,9,10,15,16은 S극이고, 슬롯 #8-#6,#14-#12,#2-#18에 감긴 권선에 의해 돌극 6,7,12,13,18,1은 N극으로 여자된다(제6도의 a참조).

따라서, 제6도의 (a)와 같이 18개 돌극 전체에 걸쳐 자속이 형성되고 이는 영구자석이 만드는 자속과 상호 작용으로 회전력을 발생하게 되며, 또 각 돌극에 만들어지는 자속이 상쇄되는 부분이 제한적이어서 직류 서보모터의 효율면에 있어 우수한 성능을 얻을 수가 있다.

또한 제2도의 나머지 각 통전구간(Ⅱ-Ⅵ)에서도 상기한 바와 마찬가지로 제6도의 (b-f)와 같은 상태로 각 돌극이 여자되어 로터를 회전시키게 된다.

한편 상기한 6극수의 다른 실시예로서 전술 설명의 권선법 이용으로 영구자석의 극수(n)를 4 또는 즉 8극수로 구성할 경우 스테이터 코어의 돌극수는 제7도 또는 제8도에서와 같이 3×4(n)=12, 또는 3×8(n)=24개를 갖는 직류 서보모터를 구성할 수가 있다.

이 방법의 실시예에 의해 기존의 6극 9슬롯 집중권 방식으로 하는 직류 서보모터를 3상 구형파 전류로 구동시켰을때의 성능 비교 및 시험해 본 결과 정격토크, 정수 및 순시 최대토크가 증가되어 적용되는 기계장치의 가시간(Tack time)을 결정하는데 중요한 기계적 시정수를 감소시킬 수가 있었으며, 또한 토크리플, 속도리플 및 전류리플의 감소로 모터 회전 동작을 안정화시킬 수가 있었음은 물론 인덕턴스 증가로 고속회전시 발생되는 전자소음의 감소효과를 얻을 수가 있었다.

Claims (4)

1. 영구자석을 회전자로 사용하는 동기 기동형 브러시리스 직류 서보모터를 구형파 자속을 생성하는 각 상의 기본권선(슬롯이 홀수번째 위치의 각 상 권선)을 돌극 2개조에 걸쳐 홀수번째 슬롯에 삽입하여 '+'방향으로 권선하고, 상기 정현파 자속에 여자되어 전기자 자속으로 주회전력을 전달하는 각 상의 보조권선(슬롯이 짝수번째 위치의 각 상 권선)은 이 역시 돌극 2개조에 걸쳐 비어있는 짝수번째 슬롯에 삽입하여 '-'방향으로 권선하는 수단에 있어서, 각 상(U,V,W)의 권선위치를,

   Ux상은 슬롯(3x-2)에서 슬롯(3x)으로,

   Vx상은 슬롯(3x)에서 슬롯(3x+1)으로,

   Wx상은 슬롯(3x+1)에서 슬롯(3x+3)

   으로 배치한 브러시리스 직류 서보모터의 전기자 권선 방법.
2. 제1항에 있어서, '+'방향 권선은 처음 표시한 슬롯에 코일이 지면을 뚫고 자나가는 방향으로 들어가 두번째 표시한 슬롯으로 지면을 뚫고 나오는 방향으로 권선 배치하고 '-'방향 권선은 두번째 표시한 슬롯에 코일에 코일이 지면을 뚫고 자나가는 방향으로 들어가 처음 표시한 슬롯으로 지면을 뚫고 나오는 방향으로 권선 배치하는 직류 서보모터의 전기자 권선 방법.
3. 제1항에 있어서, 돌극 또는 슬롯수는 3상과 자속을 만들기 위한 단위 권선수와 각 단위 권선의 돌극수를 곱한 수로 설정되어 6 또는 6의 배수로 이루어짐을 특징으로 하는 브러시리스 직류 서보모터의 전기자 권선 방법.
4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 설정된 돌극수에 의해 회전자인 영구자석의 최소 극수가 적어도 2 또는 2의 배수로 이루어짐을 특징으로 하는 브러시리스 직류 서보모터의 전기자 권선 방법.