WO2018139827A1 - 브러시 모터 - Google Patents

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WO2018139827A1
WO2018139827A1 PCT/KR2018/000987 KR2018000987W WO2018139827A1 WO 2018139827 A1 WO2018139827 A1 WO 2018139827A1 KR 2018000987 W KR2018000987 W KR 2018000987W WO 2018139827 A1 WO2018139827 A1 WO 2018139827A1
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WO
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rotor
motor
stator
brush motor
pole
Prior art date
Application number
PCT/KR2018/000987
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English (en)
French (fr)
Inventor
강인근
한규익
Original Assignee
한온시스템 주식회사
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Publication date
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Priority claimed from KR1020170044648A external-priority patent/KR20180113296A/ko
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Priority to CN201880003270.4A priority patent/CN109643916A/zh
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    • H02K23/00—DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F04D25/00—Pumping installations or systems
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    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the present invention relates to a brush motor, and more particularly, has a structure of two poles of four poles 24 slots, minimizing by optimizing the pole arc / pole angle ratio, which is the ratio of the magnet width to the pole spacing And it is possible to reduce the weight, and also to a brush motor that can improve the rotational performance of the motor by minimizing the generation of "cogging torque” and "ripple current” due to the change in the magnetic field between the rotor and the stator.
  • the vehicle is equipped with an air conditioner to control the temperature in the cabin.
  • an air conditioning apparatus is provided with various actuators, for example, a blower motor.
  • the blower motor rotates the blower fan while being operated in accordance with an applied control signal. Therefore, the blower fan can suck air inside and outside the vehicle.
  • blower motor for the air conditioner is configured as a 2-pole 12-slot 2-brush type, as shown in FIG.
  • the air conditioning apparatus In particular, in recent years, according to the trend of miniaturization, slimming, and lightweighting of the vehicle, the air conditioning apparatus must also be miniaturized, slimmed, and lightened, and the conventional two-pole 12-slot type blower motor, which is heavy and bulky, has become smaller, slimmer, and lighter. The difficulty is pointed out.
  • the conventional blower motor in the process of applying electricity to the coil (6) of the rotor (8), due to the cyclic change of attraction between the coil 6 and the stator (7) and the resulting magnetic field Ripple current (ripple current) is generated, which has the disadvantage that the ripple current is very large due to the structure of the two-pole 12-slot type.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, the object is to provide a brush motor that can significantly reduce the weight and size through structural improvements.
  • Another object of the present invention is to provide a brush motor that can be reduced in size and weight, by being configured to reduce the weight and size, through which the air conditioning apparatus can be miniaturized, slimmed, lightweight.
  • Another object of the present invention is to provide a brush motor that can reduce cogging torque generated between the coil and stator of the rotor during rotation by improving the internal structure.
  • Another object of the present invention by configuring to reduce the cogging torque, it is possible to reduce the vibration and rotational speed change of the rotor due to the cogging torque, thereby providing a brush motor that can improve the rotational performance There is.
  • Still another object of the present invention is to provide a brush motor that can minimize generation of ripple current in the process of applying electricity to the coil of the rotor.
  • Another object of the present invention by configuring to minimize the generation of ripple current in the process of applying electricity to the coil of the rotor, to prevent the noise caused by the ripple current and to prevent damage to the battery and various electrical devices To provide a brush motor that can
  • the brush motor according to the present invention, the motor housing, a plurality of stators are provided at intervals on the inner peripheral surface of the motor housing, a rotor rotatably installed inside the stators, and And a plurality of commutators installed on the rotational axis of the rotor and a plurality of brushes for applying electricity to the commutators, wherein the rotor includes a plurality of slots formed at intervals on an outer circumferential surface thereof and wound around the slots.
  • a brush motor comprising a plurality of coils, the four stators provided on an inner circumferential surface of the motor housing, and two brushes for applying electricity to each commutator of the rotor; When excited or demagnetized by the applied electricity, a slot of the rotor which generates rotational torque while attracting and repulsing with the four stators, respectively, and a 4-pole 24-slot having 24 coil parts wound around the slot. (Slot) It is characterized in that it is a brush structure.
  • the stator has a different thickness according to the width direction corresponding to the circumferential direction of the rotor.
  • Each stator is characterized in that the thickness of the middle portion of the width direction portion corresponding to the circumferential direction of the rotor is the thickest, and has a thickness gradually thinner toward both edges.
  • Each stator is characterized in that the thickness ratio of the center portion and both edge portions of the widthwise portions corresponding to the circumferential direction of the rotor is 10: 4.
  • Each stator has a pole arc / pole angle ratio of 0.88 to 0.92, which is a ratio of magnet width to pole spacing.
  • each of the stators characterized in that the polar ratio is formed so as to satisfy the following formula (1).
  • L1 is the length of one permanent magnet provided in the stator 20
  • R1 is the length of the circumferential length of the circle formed by the surface on which the permanent magnet is located divided by the number n of permanent magnets.
  • the brush motor according to the present invention since it has a 4-pole 24-slot 2-brush structure, while reducing the size of the coil and stator of the rotor, it can have an output equivalent to the brush motor of the conventional 2-pole 12 slot 2-brush structure. , Through this, there is an effect that it is possible to compact, lightweight.
  • the structure can be reduced in size and weight, there is an effect that the air conditioner can be reduced in size, slim, and light in weight.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a conventional brush motor
  • FIG. 2 is a graph showing an operation example of a conventional brush motor, and shows a change in torque ripple of the motor according to the application of electricity;
  • FIG. 3 is a side sectional view showing a configuration of a brush motor according to the present invention.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV of FIG. 3, showing in detail the main features of the brush motor according to the present invention
  • FIG. 5 is a graph showing an example of the operation of the brush motor according to the present invention, showing a change in torque ripple of the motor according to the application of electricity;
  • FIG. 6 is a graph showing cogging torque according to polar ratio in a DC motor having a 4-pole 24-slot 2-brush structure
  • FIG. 9 is a perspective view showing in detail the stator constituting the brush motor of the present invention.
  • the brush motor has a cylindrical motor housing 10.
  • the stators 20 are installed at regular intervals 20a on the inner circumferential surface of the motor housing 10, and inside the stators 20, the rotor 30 is rotatably installed.
  • the rotor 30 has a plurality of slots 32 formed at intervals on the outer circumferential surface, and commutators 34 installed at regular intervals on the outer surface of the rotation center shaft 30a.
  • the slots 32 are formed at intervals along the circumferential direction of the rotor 30, and the coil 36 is wound.
  • the brush motor has a pair of brushes 40 installed from the motor housing 10 toward the commutator 34 of the rotor 30, and the pair of brushes 40 are commutators of the rotor 30. Intermittently supplying electricity to each commutator 34 of the rotor 30 in frictional contact with the (34).
  • the brush motor When the brush motor is supplied with electricity to the commutator 34 through the brush 40, the coils 36 of the rotor 30 are excited and demagnetized by the applied electricity and the outer stator 20 and the attraction force. The repulsive force is generated, and the rotor 30 rotates while the rotating torque is generated by the attraction force and the repulsive force with the stators 20.
  • the brush motor of the present invention includes stators 20 installed on an inner circumferential surface of the motor housing 10, but the stator 20 has four structures.
  • the four stators 20 are installed at regular intervals 20a on the inner circumferential surface of the motor housing 10, but are arranged such that the S poles and the N poles are alternately arranged alternately.
  • These four stators 20 generate rotational torque while attracting and repulsing the coils 36 when the coils 36 wound on the rotor 30 are excited and demagnetized.
  • the rotor 30 can be rotated due to the generated rotational torque.
  • the brush motor of this invention is comprised by the slot 32 formed in the rotor 30, and 24 commutator 34 provided in the rotation center shaft 30a of the rotor 30.
  • the coil 36 wound by the slot 32 also has 24 structures.
  • the brush motor of the present invention can be configured in a four-pole 24-slot two brush structure having four stators 20 and twenty-four slots 32.
  • the brush motor having the 4-pole 24-slot 2-brush structure has the same size condition as the motor of the 2-pole 12-slot 2-brush structure.
  • the attractive force and repulsive force generated between the coils 36 and the stator 20 of the rotor 30 and the rotational torque thereof may be increased.
  • the brush motor can be made smaller and lighter, and as a result, the air conditioner can be made smaller, slimmer and lighter.
  • the brush motor of the four-pole 24-slot two brush structure the number of slots 32, the coil 36 and the stator 20 is increased, thereby, the coil 36 and the stator of the rotor 30 While reducing the size of 20), it has an output equivalent to that of a blower motor having a 2-pole 12 slot 2-brush structure.
  • the "cogging torque" generated between the coil 36 portion and the stator 20 of the rotor 30 remarkably Can be reduced.
  • the "cogging torque" generated between the rotor 30 and the stator 20 of the two-pole 12-slot two brush type brush motor can be significantly reduced.
  • the brush motor of the 4-pole 24-slot two-brush structure by increasing the number of slots 32, the coil 36 and the stator 20, the attraction and repulsion between the rotor 30 and the stator 20 and Without losing the torque, the size of the coil 36 and the stator 20 of the rotor 30 can be reduced.
  • the amplitude of the "ripple current" can be significantly reduced.
  • the brush motor of the present invention is characterized in that a pole arc / pole angle ratio of 0.88 to 0.92, which means a ratio of a magnet width to a pole spacing.
  • stator 20 may have a polar ratio defined by Equation 1 below.
  • L1 is the length of one permanent magnet provided in the stator 20
  • R1 means the length of the circumference of the circle formed by the surface on which the permanent magnet is located divided by the number n of permanent magnets.
  • FIG. 6 is a graph illustrating cogging torque according to polar ratios in a DC motor having a 4-pole 24-slot two brush structure.
  • FIG. 7 is a graph illustrating an unbalanced electromagnetic force according to the polar ratios.
  • 8 is a table summarizing the cogging torque and the unbalanced electromagnetic force in the polar ratio within the range of 0.88 to 0.92, respectively.
  • the DC motor of the 4-pole 24-slot two-brush structure has the same structure, the characteristics of the cogging torque and the unbalanced electromagnetic force vary depending on the polar ratio, so that the cogging torque and the unbalanced electromagnetic force are different. In order to be minimized, it is desirable that the polar ratio is designed in the range of 0.88 to 0.92.
  • the 4-pole 24-slot two-brush motor of the present invention with optimized polar ratio is minimized cogging torque and unbalanced electromagnetic force. Therefore, vibration and noise generated when the rotor 30 is rotated can be minimized, and as a result, the rotational performance of the motor can be improved.
  • the brush motor of the present invention includes stators 20, wherein each of the stators 20 has a width W corresponding to the circumferential direction of the rotor 30. It is configured to have different thicknesses t.
  • the thickness t1 of the middle portion is the thickest, and is configured to have a thickness t2 that gradually becomes thinner toward both edge portions.
  • the thickness ratio of the center portion and both edge portions of the width direction W portion of the stator 20 is preferably configured to be 10: 4.
  • the stator 20 of this structure has a thickness in which the center portion is thick and gradually thinner toward both edge portions, so that the magnetic force in the center portion is increased and the magnetic force decreases toward both edge portions.
  • the central magnetic force of the stator 20 is increased, the boundary magnetic force between the stator 20 is reduced.
  • the rotor 30 is not lost while the rotational torque of the rotor 30 due to the attraction force and repulsive force between the coil 36 portion of the rotor 30 and the stator 20 is reduced.
  • the cogging torque generated due to the attraction force change between the coil 36 portion and the stator 20 boundary portion can be significantly reduced.
  • the vibration of the rotor 30 generated by the "cogging torque" and the change in the rotational speed of the rotor 30 can be significantly reduced, thereby improving the rotational performance of the motor.
  • stator 20 has a thickness that gradually becomes thinner from the center portion to both edge portions, and as a result, the magnetic force of the boundary between the stators 20 is reduced, so that the coil 36 and the stator 20 are reduced. It is possible to reduce the "ripple current" caused by the change in attraction between the boundary and the resulting magnetic field.
  • the amplitude of the "ripple current” can be significantly reduced, thereby preventing the generation of noise due to the "ripple current” and damaging the battery and various electric devices.
  • the brush motor of the present invention includes a pair of brushes 40 for supplying electricity to each commutator 34 of the rotor 30, wherein the brushes 40 are provided with the commutator. It is fixedly installed on the inner peripheral surface of the motor housing 10 corresponding to the (34).
  • the pair of brushes 40 are fixedly installed on the inner circumferential surface of the motor housing 10 corresponding to the commutators 34, but are installed at an angle of 90 ° on the inner circumferential surface of the motor housing 10. do.
  • these brushes 40 are configured to frictionally contact at least two or more commutators 34 per piece simultaneously, and the brushes 40 thus configured apply electricity to at least two or more commutators 34 per piece. It is configured to.
  • the brush motor of the present invention having such a configuration, since it has a 4-pole 24-slot two-brush structure, the conventional two-pole 12-slot 2 is reduced even though the size of the coil 36 and the stator 20 of the rotor 30 is reduced. It can have the same output as the blower motor of the brush structure, through which a small size, light weight is possible.
  • the air conditioning apparatus can be reduced in size, weight, and weight.
  • the size of the coil 36 and the stator 20 of the rotor 30 can be reduced without losing the rotational torque of the rotor 30, through which the rotor ( It is possible to significantly reduce the "cogging torque" generated between the coil 36 portion and the stator 20 of the 30.
  • the size of the coil 36 and the stator 20 of the rotor 30 can be reduced without losing the rotational torque of the rotor 30, through which the coil ( 36, the "ripple current" due to the magnetic field change between the part and the stator 20 can be reduced.
  • the structure to optimize the polar ratio which is the ratio of the magnet width to the pole spacing, not only can be miniaturized and light weight, but also between the rotor 30 and the stator 20 It is possible to minimize the generation of cogging torque and ripple current due to the change of magnetic field.

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Abstract

본 발명은 브러시 모터에 관한 것으로서, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지되, 극 간격에 대한 자석 폭의 비율인 극호비를 최적화하여, 소형, 경량화가 가능하고, 아울러 로터와 스테이터들 사이에서의 자기장 변화에 따른 "코깅토크"와 "리플전류"의 발생을 최소화하여, 모터의 회전성능을 개선시키는 것을 목적으로 한다. 이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 모터 하우징과, 모터 하우징의 내주면에 간격을 두고 설치되는 복수의 스테이터들과, 스테이터들의 내측에 회전가능하게 설치되는 로터와, 로터의 회전중심축에 설치되는 복수의 정류자들 및 각 정류자에 전기를 인가하는 복수의 브러시들을 구비하며, 로터는, 외주면에 간격을 두고 형성되는 다수의 슬롯들과, 각 슬롯에 권선되는 복수의 코일을 포함하는 브러시 모터에 있어서, 모터 하우징의 내주면에 설치되는 스테이터들이 4개이고, 로터의 각 정류자에 전기를 인가하는 브러시가 2개이며; 인가되는 전기에 의해 여자 또는 소자될 시에, 4개의 스테이터들과 각각 인력 및 척력작용을 하면서 회전토크를 발생시키는 로터의 슬롯과, 슬롯에 권선되는 코일부분이 24개인 4극 24슬롯(Slot) 2브러시(Brush) 구조이다.

Description

브러시 모터
본 발명은 브러시 모터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지되, 극 간격에 대한 자석 폭의 비율인 극호비(Pole arc/pole angle ratio)를 최적화하여, 소형화 및 경량화가 가능하고, 아울러 로터와 스테이터들 사이에서의 자기장 변화에 따른 “코깅토크”와 “리플전류”의 발생을 최소화하여, 모터의 회전성능을 개선시킬 수 있는 브러시 모터에 관한 것이다.
자동차는 차실내의 온도를 조절하기 위한 공조장치를 갖추고 있다. 이러한 공조장치는, 각종 액츄에이터들을 구비하고 있으며, 그 일례로서, 블로어 모터(Blower Motor)가 있다.
블로어 모터는, 인가되는 제어신호에 따라 작동되면서 블로어 팬을 회전시킨다. 따라서, 블로어 팬이 차실내,외 공기를 흡입할 수 있게 한다.
통상적으로, 공조장치용 블로어 모터는, 도 1에 도시된 바와 같이, 2극 12슬롯(Slot) 2브러시(Brush) 타입으로 구성된다.
이러한 구조의 블로어 모터는, 브러시(1)들을 통해 정류자(3)들에 전기가 인가되면, 인가된 전기에 의해 슬롯(5)의 코일(6)부분에 자기장이 발생되고, 발생된 자기장이 둘레의 스테이터(Stator)(7)들과 인력과 척력작용을 하면서 회전토크를 발생시키며, 발생된 회전토크로 인해 로터(Rotor)(8)가 회전된다.
그런데, 이러한 종래의 블로어 모터는, 출력에 비해 비교적 무게가 무겁고, 부피가 크다는 단점이 있으며, 이러한 단점 때문에 공조장치의 소형, 경량화에 많은 지장을 주고 있다는 문제점이 있다.
특히, 최근 들어, 차량의 소형화, 슬림화, 경량화 추세에 따라 공조장치도 소형화, 슬림화, 경량화해야 하는데, 무겁고 부피가 큰 종래의 2극 12슬롯 타입 블로어 모터로는 공조장치의 소형화, 슬림화, 경량화가 어렵다는 문제점이 지적되고 있다.
또한, 종래의 블로어 모터는, 2극 12슬롯 타입의 구조이므로, 회전 시에, 로터(8)의 코일(6)부분과 스테이터(7)들 사이의 인력변화로 인해 발생하는 “코깅토크(Cogging Torque)”가 매우 크다는 단점이 있다.
그리고 이러한 큰 “코깅토크”로 인해, 로터(8)에 진동이 발생되고, 로터(8)의 회전속도에 변화가 발생된다는 문제점이 있다.
이 밖에도, 종래의 블로어 모터는, 로터(8)의 코일(6)에 전기를 인가하는 과정에서, 코일(6)부분과 스테이터(7)들 간의 주기적인 인력변화와 그로 인한 자기장의 변화로 인해 리플전류(맥동전류: Ripple Current)가 발생되는데, 이러한 리플전류가 2극 12슬롯 타입의 구조 때문에 매우 크게 발생한다는 단점이 있다.
특히, 블로어의 회전속도를 높이기 위해서 모터의 인가전압을 증가시킬 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 리플전류의 진폭이 더욱 커져서 소음을 발생시키고, 배터리와 각종 전기장치를 손상시킨다는 결점이 지적되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 그 목적은, 구조 개선을 통해 무게와 크기를 현저하게 줄일 수 있는 브러시 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 무게와 크기를 줄일 수 있도록 구성함으로써, 소형, 경량화가 가능하고, 이를 통해, 공조장치의 소형화, 슬림화, 경량화를 도모할 수 있는 브러시 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 내부구조를 개선함으로써, 회전 시에 로터의 코일과 스테이터들 사이에서 발생되는 코깅토크를 저감시킬 수 있는 브러시 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 코깅토크를 저감시킬 수 있도록 구성함으로써, 코깅토크로 인한 로터의 진동과 회전속도 변화를 저감시킬 수 있고, 이를 통해, 회전성능을 개선시킬 수 있는 브러시 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 로터의 코일에 전기를 인가하는 과정에서 리플전류의 발생을 최소화할 수 있는 브러시 모터를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 로터의 코일에 전기를 인가하는 과정에서 리플전류의 발생을 최소화할 수 있도록 구성함으로써, 리플전류로 인한 소음을 방지함과 아울러 배터리와 각종 전기장치의 손상을 방지할 수 있는 브러시 모터를 제공하는 데 있다
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 브러시 모터는, 모터 하우징과, 상기 모터 하우징의 내주면에 간격을 두고 설치되는 복수의 스테이터들과, 상기 스테이터들의 내측에 회전가능하게 설치되는 로터와, 상기 로터의 회전중심축에 설치되는 복수의 정류자들 및 상기 각 정류자에 전기를 인가하는 복수의 브러시들을 구비하며, 상기 로터는, 외주면에 간격을 두고 형성되는 다수의 슬롯들과, 상기 각 슬롯에 권선되는 복수의 코일을 포함하는 브러시 모터에 있어서, 상기 모터 하우징의 내주면에 설치되는 상기 스테이터들이 4개이고, 상기 로터의 각 정류자에 전기를 인가하는 상기 브러시가 2개이며; 인가되는 전기에 의해 여자 또는 소자될 시에, 상기 4개의 스테이터들과 각각 인력 및 척력작용을 하면서 회전토크를 발생시키는 상기 로터의 슬롯과, 상기 슬롯에 권선되는 코일부분이 24개인 4극 24슬롯(Slot) 2브러시(Brush) 구조인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 각 스테이터는, 상기 로터의 원주방향에 대응되는 폭방향에 따라 각기 다른 두께를 갖는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 각 스테이터는, 상기 로터의 원주방향에 대응되는 폭방향부분 중, 가운데부분의 두께가 가장 두껍고, 양쪽 가장자리부분으로 갈수록 점차 얇아지는 두께를 갖는 구조인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 각 스테이터는, 상기 로터의 원주방향에 대응되는 폭방향부분 중, 가운데부분과 양쪽 가장자리부분의 두께 비율이 10 : 4인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 각 스테이터는, 극 간격에 대한 자석 폭의 비율인 극호비(Pole arc/pole angle ratio)가 0.88~0.92인 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 각 스테이터는, 극호비가 아래의 [식 1]을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
[식 1]
0.88 ≤ L1/R1 ≤ 0.92
여기서, L1은 스테이터(20)에 구비된 영구자석 하나의 길이이고, R1은 영구자석이 위치하는 면이 이루는 원의 원주길이를 영구자석의 개수 n으로 나눈 길이이다.
본 발명에 따른 브러시 모터에 의하면, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지므로, 로터의 코일과 스테이터들의 크기를 줄이고서도 종래의 2극 12슬롯 2브러시 구조의 브러시 모터와 동등한 출력을 가질 수 있으며, 이를 통해, 소형, 경량화가 가능하다는 효과가 있다.
또한, 소형, 경량화가 가능한 구조이므로, 공조장치의 소형화, 슬림화, 경량화를 도모할 수 있는 효과가 있다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지므로, 로터의 회전토크 손실없이 로터의 코일부분과 스테이터들의 크기를 줄일 수 있고, 이를 통해, 로터의 코일부분과 스테이터들 사이에서 발생하는 “코깅토크”를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 로터와 스테이터들 사이의 “코깅토크”를 저감시킬 수 있으므로, “코깅토크”로 인한 로터의 진동과, 로터의 회전속도에 변화를 저감시킬 수 있으며, 이를 통해, 모터의 회전성능을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지므로, 로터의 회전토크 손실없이 로터의 코일부분과 스테이터들의 크기를 줄일 수 있고, 이를 통해, 코일부분과 스테이터들 간의 자기장 변화로 인한 “리플전류”를 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 로터와 스테이터들 간의 자기장 변화로 인한 “리플전류”를 저감시킬 수 있으므로, “리플전류”로 인한 소음의 발생을 방지하고, 배터리와 각종 전기장치의 손상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지되, 극 간격에 대한 자석 폭의 비율인 극호비를 최적화하는 구조이므로, 소형화 및 경량화가 가능할 뿐만 아니라, 로터와 스테이터 사이에서의 자기장 변화에 따른 코깅토크 및 리플전류의 발생을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래의 브러시 모터의 구성을 나타내는 단면도,
도 2는 종래의 브러시 모터의 작동예를 나타내는 그래프로서, 전기의 인가에 따른 모터의 토크리플 변화를 나타내는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 브러시 모터의 구성을 나타내는 측단면도,
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선 단면도로서, 본 발명에 따른 브러시 모터의 주요 특징부를 상세하게 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 브러시 모터의 작동예를 나타내는 그래프로서, 전기의 인가에 따른 모터의 토크리플 변화를 나타내는 도면,
도 6은 4극 24슬롯 2브러시 구조의 DC 모터에서 극호비에 따른 코깅토크를 나타낸 그래프,
도 7은 극호비에 따른 불평형 전자기력을 해석한 그래프,
도 8은 극호비가 0.88~0.92 범위 내에서의 코깅토크 및 불평형 전자기력을 각각 수치로 정리한 표,
도 9는 본 발명의 브러시 모터를 구성하는 스테이터를 상세하게 나타내는 사시도이다.
이하, 본 발명에 따른 브러시 모터의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 브러시 모터의 특징부를 살펴보기에 앞서, 도 3과 도 4를 참조하여 브러시 모터에 대해 간략하게 설명한다.
브러시 모터는, 원통형 모터하우징(10)을 구비한다. 모터하우징(10)의 내주면에는 스테이터(20)들이 일정한 간격(20a)을 두고 설치되며, 스테이터(20)들의 내측에는, 로터(30)가 회전가능하게 설치된다.
로터(30)는, 외주면에 간격을 두고 형성되는 다수의 슬롯(32)들과, 회전중심축(30a)의 외면에 일정 간격을 두고 설치되는 정류자(34)들을 갖추고 있다. 특히, 슬롯(32)들은, 로터(30)의 원주방향을 따라 간격을 두고 형성되는 것으로, 코일(36)이 권선된다.
그리고 브러시 모터는, 모터하우징(10)으로부터 로터(30)의 정류자(34)를 향해 설치되는 한 쌍의 브러시(40)들을 갖추고 있으며, 이들 한 쌍의 브러시(40)들은 로터(30)의 정류자(34)들과 마찰 접촉하면서 상기 로터(30)의 각 정류자(34)에 전기를 단속적으로 공급한다.
이러한 브러시 모터는, 브러시(40)를 통해 정류자(34)에 전기가 인가되면, 인가된 전기에 의해 로터(30)의 코일(36)들이 여자 및 소자되면서 외측의 스테이터(20)들과 인력과 척력이 발생되고, 이러한 스테이터(20)들과의 인력과 척력에 의해 회전토크가 발생하면서 로터(30)가 회전운동한다.
다음으로, 본 발명에 따른 브러시 모터의 특징부를 도 3 내지 도 9를 참조하여 상세하게 살펴본다.
먼저, 도 3과 도 4를 참조하면, 본 발명의 브러시 모터는, 모터하우징(10)의 내주면에 설치되는 스테이터(20)들을 구비하되, 상기 스테이터(20)들이, 4개인 구조를 갖는다.
4개의 스테이터(20)들은, 모터하우징(10)의 내주면에 일정한 간격(20a)을 두고 설치되어 있되, S극과 N극이 번갈아가며 교번적으로 배열되도록 설치된다.
이러한 4개의 스테이터(20)들은, 로터(30)에 권선된 코일(36)이 여자 및 소자될 시에, 상기 코일(36)들과 인력 및 척력작용을 하면서 회전토크를 발생시킨다. 따라서, 발생된 회전토크로 인해 로터(30)가 회전될 수 있게 한다.
그리고 본 발명의 브러시 모터는, 로터(30)에 형성되는 슬롯(32)과, 로터(30)의 회전중심축(30a)에 설치되는 정류자(34)가 24개로 구성된다.
이러한 구성의 로터(30)는, 정류자(34) 및 슬롯(32)이 24개이므로, 슬롯(32)에 권선되는 코일(36)도 24개인 구조를 갖는다.
따라서, 본 발명의 브러시 모터가 4개의 스테이터(20)와 24개의 슬롯(32)을 갖는 4극 24슬롯(Slot) 2브러시(Brush)의 구조로 구성될 수 있게 한다.
이러한 4극 24슬롯 2브러시 구조의 브러시 모터는, 슬롯(32)과 코일(36) 및 이에 대응되는 스테이터(20)들의 개수가 증가되므로, 2극 12슬롯 2브러시 구조의 모터와 동일한 크기 조건일 경우, 로터(30)의 코일(36)들과 스테이터(20)들의 사이에 발생되는 인력과 척력 및, 그로 인한 회전토크가 증가될 수 있다.
따라서, 2극 12슬롯 2브러시 구조의 모터에 비해, 크기와 무게를 저감시키더라도, 상기 2극 12슬롯 2브러시 구조의 블로어 모터와 동등한 출력을 가질 수 있게 된다.
특히, 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들의 크기를 줄이더라도, 상기 2극 12슬롯 2브러시 구조의 블로어 모터와 동등한 출력을 가질 수 있게 된다.
이로써, 브러시 모터의 소형, 경량화를 가능하게 하고, 그 결과, 공조장치의 소형화, 슬림화, 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시 구조의 브러시 모터는, 슬롯(32)과 코일(36) 및 스테이터(20)들의 개수가 증가됨으로써, 이를 통해, 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들의 크기는 줄이고서도, 2극 12슬롯 2브러시 구조의 블로어 모터와 동등한 출력을 갖도록 한다.
따라서, 줄어든 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들의 크기로 인해, 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들 사이에서 발생하는 “코깅토크”를 현저하게 저감시킬 수 있다. 특히, 2극 12슬롯 2브러시 타입 브러시 모터의 로터(30)와 스테이터(20)들 사이에서 발생하는 “코깅토크”에 비해 현저하게 저감시킬 수 있다.
그 결과, “코깅토크”로 인해 발생하는 로터(30)의 진동과, 로터(30)의 회전속도 변화를 현저하게 저감시킬 수 있으며, 이로써, 모터의 회전성능을 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시 구조의 브러시 모터는, 슬롯(32)과 코일(36) 및 스테이터(20)들의 개수 증가를 통해, 로터(30)와 스테이터(20)들 사이의 인력과 척력과 회전토크의 손실없이도, 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들의 크기를 줄일 수 있다.
따라서, 줄어든 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들의 크기로 인해, 코일(36)부분과 스테이터(20)들 간의 인력변화 및, 그로 인한 자기장의 변화로 인해 발생하는 “리플전류”를 현저하게 저감시킬 수 있다.
특히, 블로어의 회전속도를 높이기 위해서, 모터의 인가전압을 증가시키더라도, 도 5에 도시된 바와 같이, “리플전류”의 진폭을 현저하게 저감시킬 수 있다.
그 결과, “리플전류”로 인한 소음의 발생을 방지하고, 배터리와 각종 전기장치의 손상을 방지할 수 있게 된다.
그리고, 도 4를 참조하면, 본 발명의 브러시 모터는, 극 간격에 대한 자석 폭의 비율을 의미하는 극호비(Pole arc/pole angle ratio)가 0.88~0.92인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 스테이터(20)는 극호비가 하기의 [식 1]에 의해 정의될 수 있다.
[식 1]
0.88 ≤ L1/R1 ≤ 0.92
여기서, L1은 스테이터(20)에 구비된 영구자석 하나의 길이이고, R1은 영구자석이 위치하는 면이 이루는 원의 원주길이를 영구자석의 개수 n으로 나눈 길이를 의미한다.
도 6은 4극 24슬롯 2브러시 구조의 DC 모터에서 극호비에 따른 코깅토크를 나타낸 그래프이며, 도 7은 극호비에 따른 불평형 전자기력을 해석한 그래프이다. 아울러, 도 8은 극호비가 0.88~0.92 범위 내에서의 코깅토크 및 불평형 전자기력을 각각 수치로 정리한 표이다.
도 6 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 4극 24슬롯 2브러시 구조의 DC 모터는 그 구조가 동일하다 하더라도, 극호비에 따라 코깅토크 및 불평형 전자기력의 특성이 달라지기 때문에, 코깅토크 및 불평형 전자기력이 최소화될 수 있는 있도록, 극호비가 0.88~0.92 범위 내에서 설계되는 것이 바람직하다.
실례로, 4극 24슬롯 2브러시 구조의 DC 모터인 경우, 영구자석이 이루는 원의 반지름이 5cm라면, R1은 (2π*5)/4=7.85cm이므로, 영구자석 하나의 길이 L1은 6.908cm ≤ L1 ≤ 7.222cm 내로 설계되는 것이 바람직하다.
이렇게, 극호비가 최적화된 본 발명의 4극 24슬롯 2브러시 모터는, 코깅토크 및 불평형 전자기력이 최소화된다. 따라서, 로터(30)의 회전 시에 발생되는 진동과 소음을 최소화시킬 수 있고, 그 결과, 모터의 회전성능을 개선시킬 수 있다.
그리고 도 4와 도 9를 참조하면, 본 발명의 브러시 모터는, 스테이터(20)들을 구비하되, 상기 각 스테이터(20)는, 로터(30)의 원주방향에 대응되는 폭방향(W)에 따라 각기 다른 두께(t)를 갖도록 구성된다.
특히, 스테이터(20)의 폭방향(W)부분 중, 가운데부분의 두께(t1)가 가장 두껍고, 양쪽 가장자리부분으로 갈수록 점차 얇아지는 두께(t2)를 갖도록 구성된다.
바람직하게는, 스테이터(20)의 폭방향(W)부분 중, 가운데부분과 양쪽 가장자리부분의 두께 비율이 10 : 4가 되도록 구성되는 것이 좋다.
이러한 구조의 스테이터(20)는, 가운데부분은 두껍고, 양쪽 가장자리부분으로 갈수록 점차 얇아지는 두께를 가지므로, 가운데부분의 자력은 증가되고, 양쪽 가장자리부분으로 갈수록 자력이 줄어드는 구조를 갖는다.
특히, 스테이터(20)의 가운데부분 자력은 증가되고, 스테이터(20)들 간의 경계부분 자력은 줄어드는 구조를 갖는다.
따라서, 로터(30)의 회전 시에, 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20) 사이의 인력과 척력에 의한 로터(30)의 회전토크는 손실시키지 않으면서도, 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들 경계부 간의 인력변화로 인해 발생하는 “코깅토크”는 현저하게 저감시킬 수 있다.
그 결과, “코깅토크”로 인해 발생하는 로터(30)의 진동과, 로터(30)의 회전속도에 변화를 현저하게 저감시킬 수 있으며, 이로써, 모터의 회전성능을 개선시킬 수 있게 된다.
또한, 상기 스테이터(20)는, 가운데부분으로부터 양쪽 가장자리부분으로 갈수록 점차 얇아지는 두께를 가지고, 이를 통해, 스테이터(20)들 간의 경계부분 자력이 줄어드는 구조이므로, 코일(36)부분과 스테이터(20)들 경계부 간의 인력변화와 그로 인한 자기장의 변화로 인해 발생하는 “리플전류”를 저감시킬 수 있다.
그 결과, 도 5에 도시된 바와 같이, “리플전류”의 진폭을 현저하게 저감시킬 수 있고, 이로써, “리플전류”로 인한 소음의 발생 및, 배터리와 각종 전기장치의 손상을 방지할 수 있다.
다시, 도 4를 참조하면, 본 발명의 브러시 모터는, 로터(30)의 각 정류자(34)에 전기를 공급하는 한 쌍의 브러시(40)들을 구비하되, 상기 브러시(40)들은, 상기 정류자(34)들에 대응되는 모터 하우징(10)의 내주면에 고정적으로 설치되어 있다.
특히, 한 쌍의 브러시(40)들은, 정류자(34)들에 대응되는 모터 하우징(10)의 내주면에 고정적으로 설치되어 있되, 모터 하우징(10)의 내주면 부분에 90°각도의 간격을 이루며 설치된다.
한편, 이러한 브러시(40)들은, 1개당 적어도 2개 이상의 정류자(34)들과 동시에 마찰접촉하도록 구성되며, 이렇게 구성된 브러시(40)들은, 1개당 적어도 2개 이상의 정류자(34)에 전기를 인가하도록 구성된다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 브러시 모터에 의하면, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지므로, 로터(30)의 코일(36)과 스테이터(20)들의 크기를 줄이고서도 종래의 2극 12슬롯 2브러시 구조의 블로어 모터와 동등한 출력을 가질 수 있으며, 이를 통해, 소형, 경량화가 가능하게 된다.
또한, 소형, 경량화가 가능한 구조이므로, 공조장치의 소형화, 슬림화, 경량화를 도모할 수 있다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지므로, 로터(30)의 회전토크 손실없이 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들의 크기를 줄일 수 있고, 이를 통해, 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들 사이에서 발생하는 “코깅토크”를 현저하게 저감시킬 수 있다.
또한, 로터(30)와 스테이터(20)들 사이의 “코깅토크”를 저감시킬 수 있으므로, “코깅토크”로 인한 로터(30)의 진동과, 로터(30)의 회전속도에 변화를 저감시킬 수 있으며, 이를 통해, 모터의 회전성능을 개선시킬 수 있다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지므로, 로터(30)의 회전토크 손실없이 로터(30)의 코일(36)부분과 스테이터(20)들의 크기를 줄일 수 있고, 이를 통해, 코일(36)부분과 스테이터(20)들 간의 자기장 변화로 인한 “리플전류”를 저감시킬 수 있다.
또한, 로터(30)와 스테이터(20)들 간의 자기장 변화로 인한 “리플전류”를 저감시킬 수 있으므로, “리플전류”로 인한 소음의 발생을 방지하고, 배터리와 각종 전기장치의 손상을 방지할 수 있다.
또한, 4극 24슬롯 2브러시의 구조를 가지되, 극 간격에 대한 자석 폭의 비율인 극호비를 최적화하는 구조이므로, 소형화 및 경량화가 가능할 뿐만 아니라, 로터(30)와 스테이터(20) 사이에서의 자기장 변화에 따른 코깅토크 및 리플전류의 발생을 최소화할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 특허청구범위에 기재된 범주내에서 적절하게 변경 가능한 것이다.

Claims (10)

  1. 모터 하우징(10)과, 상기 모터 하우징(10)의 내주면에 간격(20a)을 두고 설치되는 복수의 스테이터(20)들과, 상기 스테이터(20)들의 내측에 회전가능하게 설치되는 로터(30)와, 상기 로터(30)의 회전중심축(30a)에 설치되는 복수의 정류자(34)들 및 상기 각 정류자(34)에 전기를 인가하는 복수의 브러시(40)들을 구비하며, 상기 로터(30)는, 외주면에 간격을 두고 형성되는 다수의 슬롯(32)들과, 상기 각 슬롯(32)에 권선되는 복수의 코일(36)을 포함하는 브러시 모터에 있어서,
    상기 모터 하우징(10)의 내주면에 설치되는 상기 스테이터(20)들이 4개이고, 상기 로터(30)의 각 정류자(34)에 전기를 인가하는 상기 브러시(40)가 2개이며;
    인가되는 전기에 의해 여자 또는 소자될 시에, 상기 4개의 스테이터(20)들과 각각 인력 및 척력작용을 하면서 회전토크를 발생시키는 상기 로터(30)의 슬롯(32)과, 상기 슬롯(32)에 권선되는 코일(36)부분이 24개인 것을 특징으로 하는 4극 24슬롯(Slot) 2브러시(Brush) 구조의 브러시 모터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 각 스테이터(20)는,
    상기 로터(30)의 원주방향에 대응되는 폭방향(W)에 따라 각기 다른 두께(t)를 갖는 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 각 스테이터(20)는,
    상기 로터(30)의 원주방향에 대응되는 폭방향(W)부분 중, 가운데부분의 두께(t1)가 가장 두껍고, 양쪽 가장자리부분으로 갈수록 점차 얇아지는 두께(t2)를 갖는 구조인 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 각 스테이터(20)는,
    상기 로터(30)의 원주방향에 대응되는 폭방향(W)부분 중, 가운데부분과 양쪽 가장자리부분의 두께 비율이 10 : 4인 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 각 스테이터(20)는,
    극 간격에 대한 자석 폭의 비율인 극호비(Pole arc/pole angle ratio)가 0.88~0.92인 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 각 스테이터(20)는,
    극호비가 아래의 [식 1]을 만족하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
    [식 1]
    0.88 ≤ L1/R1 ≤ 0.92
    여기서, L1은 스테이터(20)에 구비된 영구자석 하나의 길이이고, R1은 영구자석이 위치하는 면이 이루는 원의 원주길이를 영구자석의 개수 n으로 나눈 길이이다.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 정류자(34)들은,
    상기 로터(30)의 코일(36)들의 개수에 상응하도록 24개인 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 브러시(40)들은,
    상기 정류자(34)들과 마찰접촉하면서 전기를 인가할 수 있도록, 상기 정류자(34)들에 대응되는 상기 모터 하우징(10)부분에 고정적으로 설치되어 있되,
    상기 모터 하우징(10)의 내주면 부분에 90°각도의 간격을 이루며 설치되는 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 브러시(40)들은,
    1개당 적어도 2개 이상의 정류자(34)들과 동시에 마찰 접촉하도록 구성되어, 1개당 적어도 2개 이상의 정류자(34)에 전기를 인가하는 것을 특징으로 하는 브러시 모터.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항의 브러시 모터를 구비한 것을 특징으로 하는 차량 공조장치용 블로어.
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