KR100917368B1

KR100917368B1 - 감속기 일체형 비엘디씨 모터

Info

Publication number: KR100917368B1
Application number: KR1020070122739A
Authority: KR
Inventors: 김주한; 허진
Original assignee: 전자부품연구원
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-09-16
Also published as: KR20090055879A

Abstract

본 발명은 비엘디씨(BLDC) 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비엘디씨 모터와 감속기를 일체화시켜 동심도 또는 동축도의 향상에 따른 소음 및 진동의 감소와 함께 동력전달효율을 증대시킬 수 있고, 비엘디씨 모터에 감속기를 용이하게 조립할 수 있는 감속기 일체형 비엘디씨 모터에 관한 것이다.

비엘디씨 모터, 고정자, 회전자, 감속기, 태양기어, 유성기어, 링기어

Description

감속기 일체형 비엘디씨 모터{REDUCTION-GEARS INTEGRATED BLDC MOTOR}

일반적으로 모터(MOTOR)는 전기적 에너지를 기계적 에너지로 변환시켜서 회전력을 얻는 장치로서, 가정용 전자제품뿐만 아니라 산업용 기기 등에도 광범위하게 사용되고 있다.

기존의 직류 모터가 정류자와 브러시의 기계적 접촉에 의한 스위칭 구동에 따라 제기되는 신뢰성의 저하, 수명 단축 및 그에 따른 유지 보수의 필요성에 대한 개선이 요구되어 왔고, 그에 따라 최근에는 반도체 소자를 이용한 전자 스위칭 방식의 비엘디씨 모터로 대체되어 가고 있다.

비엘디씨(BLDC, Brushless DC) 모터는 회전자(rotor)에 계자 및 고정 자(stator)에 전기자 권선을 설치하고, 홀 센서(hall sensor), 보통 포토 다이오드(photo diode)를 이용하여 권선의 전류방향을 결정함으로써 브러쉬형의 모터와 같은 특성을 갖도록 한 모터이다.

이러한 비엘디씨 모터는 반도체 소자를 이용한 스위칭 방식을 사용함으로써, 기계적 접촉의 소요를 제거하여 모터의 수명이 길고, 고 에너지밀도를 갖는 영구자석(magnet)을 이용함으로써 고효율 및 소형화에 유리하며, 변속제어가 용이하다는 등의 장점이 있어 그 수요가 날로 증대되어 가고 있다.

상기와 같은 비엘디씨 모터는 회전자 및 고정자의 내외 구조에 따라 내전형(interior rotor type)과 외전형(exterior rotor type)으로 구별된다. 내전형 모터는 원통형의 마그네트에 축을 넣거나 또는 접착하는 것에 따라 일체화한 회전자 주위에 구동코일이 감긴 고정자가 배치되는 것이며, 외전형 모터는 코일이 감긴 고정자를 중심으로 그 주위에 마그네트가 구비된 회전자가 회전하는 구조, 즉 컵 모양의 회전자가 구동코일을 감싸는 구조로 되어 있다. 이 중 특히 내전형 모터는 회전관성이 작고, 회전자의 균형을 맞추는 것도 용이하기 때문에 널리 이용된다.

이러한 내전형 비엘디씨 모터는 회전자에 구비되는 마그네트의 구조에 따라 마그네트 부착형 모터와 마그네트 매입형 모터로 구별된다.

도 1은 종래의 마그네트 부착형 비엘디씨 모터를 도시한 단면도로서, 마그네트 부착형 비엘디씨 모터는 고정자(20)의 내측으로 회전자(10)가 회전 가능하게 설치된다. 고정자(20)는 박판의 규소 강판을 복수로 적층함으로써 형성되고, 복수의 투스(tooth)(24)가 내주면을 따라 일정 간격으로 마련되며, 투스(24)와 함께 투 스(24)에 의해 형성되는 슬롯(26)을 코일(22)로부터 절연시키기 위하여 인슐레이터(28)가 설치되고, 내부에 회전자(10)가 공극을 두고서 회전 가능하게 설치된다. 회전자(10)는 고정자(20)와 마찬가지로 요크(13) 역시 복수의 규소 강판을 적층함으로써 원주형상으로 형성되고, 중심에 회전축(11)이 관통하여 고정되며, 스테이터(20)에 권선된 코일(22)에서 발생되는 자기장과의 상호작용에 의해 토크를 발생시키는 마그네트(12)가 상기 요크(13)의 외주면을 따라 부착된다.

상기 마그네트 부착형 비엘디씨 모터는 가전용 기기와 같은 일반 소형 전동기에서는 사용에 큰 문제가 없으나, 중, 대형 모터의 경우 회전자(10) 반경이 커짐에 따른 마그네트(12) 무게의 증가로 인하여 소정의 회전수 이상에서 원심력에 의한 마그네트(12)의 이탈 및 파손 문제가 발생한다. 그에 따라 마그네트 매입형 비엘디씨 모터가 제안되어 그 적용을 넓히고 있다.

도 2는 종래의 마그네트 매입형 비엘디씨 모터를 도시한 단면도로서, 종래의 마그네트 매입형 비엘디씨 모터는 마그네트 부착형 비엘디씨 모터의 고정자(20)와는 차이가 없으나, 회전자(10)의 구조에 있어서 큰 차이가 있다. 즉, 요크(13)에 복수의 마그네트(12)가 각각 매입될 수 있도록 매입홈(14)이 형성되어 있으며, 상기 요크(13)의 매입홈(14)에 복수의 마그네트(12)가 각각 매입된다.

상기와 같은 종래의 비엘디씨 모터는 회전자(10)에 관통 삽입되는 회전축(11)이 회전자(10)와 함께 회전함으로써, 회전축(11)과 연결된 각종 기계 장치로 회전력을 전달한다. 그러나, 상기 기계 장치가 모터의 회전축(11)의 회전력을 그대로 전달받는 경우도 있겠지만, 각 기계의 적절한 작동에 필요한 회전수로 변환시 켜 회전력을 전달받는 경우가 대부분이다. 그에 따라, 모터의 회전축(11)에 감속기를 연결하여 적절한 회전수로 변환시키게 된다.

상기 감속기 중 유성 감속기는 체적이 작고, 동력 전달 효율이 높기 때문에 소형 경량화가 요구되는 항공기, 자동차, 사무기기, 공작기계 등에 주로 사용되고 있으며, 최근에는 엑츄에이터와 결합하여 초소형 고출력화가 요구되는 정밀 메카니즘 기술 분야까지 그 사용범위가 확장되고 있는 추세이다.

도 3 및 4는 일반적인 유성 감속기를 도시한 사시도 및 분해사시도로서, 유성 감속기는 바깥쪽에 내접기어인 링기어(32)를 배치하고, 상기 링기어(32)에 맞물리는 복수의 유성기어(34)를 원주상으로 배치하며, 상기 유성기어(34)와 맞물리는 태양기어(36)를 중앙에 배치하여 동심을 이루도록 구성한 것이다.

상기 유성 감속기는 유성기어(34)를 사용함에 따라 전달하중이 분산되어 전체적인 크기를 줄일 수 있으며, 유성기어(34)를 대칭으로 배열할 경우 유성기어(34)의 반경 방향 하중이 서로 상쇄되어 축방향 하중만 고려하면 된다. 또한, 가공이 용이하며, 접촉 선속도가 작고, 전달하중의 분산으로 마찰손실이 감소하므로 소음이 줄어들고 효율이 향상되는 이점이 있다.

상기와 같은 유성 감속기는 모터의 입력축(11)의 회전력이 태양기어(36)로 전달되고, 태양기어(36)의 회전에 따라 유성기어(34)가 회전한다. 링기어(32)는 고정되어 있어 유성기어(34)는 링기어(32)의 내측으로 회전하게 된다. 유성기어(34)를 각각 지지하여 함께 회전하는 캐리어(38)와 연결된 출력축(40)에 감속된 회전력이 전달됨으로써, 입력축(11)의 회전수가 출력축(40)에 전달될 때에는 사용 자가 원하는 회전수로 감속된 상태로 전달되는 것이다.

상기와 같은 종래의 비엘디씨 모터에 감속기를 결합하는 경우에는 비엘디씨 모터와 감속기를 각각 단품으로 제작하여 연결하므로 모터의 입력축과 감속기의 출력축의 동심도 또는 동축도가 틀어져 동력전달이 원활히 이루어지지 않는 문제가 있다.

또한, 비엘디씨 모터에 감속기를 결합하는 경우 조립 공수가 많고, 조립 오차로 인해 소음 및 진동이 발생하여 모터의 신뢰성 및 품질 저하를 가져오는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 비엘디씨 모터와 감속기를 일체화시켜 동심도 또는 동축도의 향상에 따른 소음 및 진동의 감소와 함께 동력전달효율을 증대시킬 수 있고, 비엘디씨 모터에 감속기를 용이하게 조립할 수 있는 감속기 일체형 비엘디씨 모터를 제공하는 데 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 감속기 일체형 비엘디씨 모터는, 전류를 공급받아 자기력을 발생시키는 고정자와, 상기 고정자의 내부에 회전 가능하게 설치되고, 마그네트가 구비되어 상기 자기력에 의해 회전하는 회전자와, 상기 회전자에 관통 삽입되어 함께 회전하는 입력축과, 상기 입력축에 결합되어 함께 회전하는 태양기어와, 상기 태양기어에 외접하여 회전하는 복수의 유성기어와, 상기 복수의 유성기어와 내접하는 링기어와, 상기 복수의 유성기어를 각각 지지하여 함께 회전하는 캐리어와, 상기 캐리어에 연결된 출력축과, 양단이 개구된 중공의 원통 형상이고, 일측 내주면을 따라 상기 고정자가 고정되며, 타측 내주면을 따라 상기 링기어가 고정되는 케이싱과, 상기 케이싱의 양단을 폐쇄하도록 결합되고, 상기 입력축 및 상기 출력축을 각각 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 케이싱 커버를 포함하여 이루어진다.

또한, 상기 링기어는 상기 케이싱의 타측 내주면을 따라 일체로 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전자 및 태양기어를 구획하도록 상기 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 입력축이 관통되는 입력축 지지부재와, 상기 입력축 및 입력축 지지부재 사이에 설치되는 입력축 지지베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 입력축 지지부재 및 상기 케이싱은 일체로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 캐리어는 원판 형상이고, 상기 케이싱 및 상기 캐리어 사이에 설치되는 캐리어 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전자는 외주면을 따라 마그네트가 부착된 마그네트 부착형 회전자인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 회전자는 내부에 마그네트가 매입된 마그네트 매입형 회전자인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 태양기어, 유성기어 및 링기어는 인벌루트 치형을 가진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 태양기어, 유성기어 및 링기어는 사이클로이드 치형을 가진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 감속기 일체형 비엘디씨 모터는, 비엘디씨 모터와 감속기를 하나의 케이싱 내부에 일체로 결합하고, 더욱이 링기어 및 입력축 지지부재를 케이싱과 일체로 형성하여 비엘디씨 모터의 회전축과 감속기의 동심도 및 동축도를 향상시켜 진동 및 소음 발생을 감소시킬 수 있고, 동력전달효율을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한, 케이싱 및 캐리어 사이에 설치된 캐리어 베어링을 통하여 조립 오차에 의한 진동 및 소음을 더욱 획기적으로 줄일 수 있다.

또한, 상기와 같이 모터와 감속기의 일체화에 따른 조립 공정의 감소와 함께 조립의 용이성, 생산성의 향상, 고신뢰성 및 고품질의 비엘디씨 모터를 제공할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 감속기 일체형 비엘디씨 모터의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 감속기 일체형 비엘디씨 모터의 일 실시예를 도시한 사시도이고, 도 6은 도 4의 A-A선에서 바라본 제1 실시예를 도시한 단면도이며, 도 7은 도 4의 A-A선에서 바라본 제2 실시예를 도시한 단면도이고, 도 8은 도 4의 A-A선에서 바라본 제3 실시예를 도시한 단면도이며, 도 9는 도 7의 실시예에서 하우징을 도시한 사시도이고, 도 10은 도 8의 B-B선에서 바라본 단면도이다.

본 발명에 따른 감속기 일체형 비엘디씨 모터는, 도 5 및 6에 도시된 바와 같이 고정자(100), 회전자(200), 입력축(300), 태양기어(420), 유성기어(440), 링기어(460), 캐리어(480), 출력축(500), 케이싱(600) 및 케이싱 커버(700)를 포함하여 이루어진다. 또한, 본 발명의 감속기 일체형 비엘디씨 모터는 도 7에 도시된 바와 같이 입력축 지지부재(800), 입력축 지지베어링(850)을 더 포함할 수 있고, 도 8에 도시된 바와 같이 캐리어 베어링(485)을 더 포함하여 이루어질 수 있다.

고정자(100)는 도 6 내지 8, 도 1 및 2를 참조할 때, 코일이 권선된 박판의 규소 강판을 복수로 적층함으로써 형성되고, 복수의 투스(tooth)가 내주면을 따라 일정 간격으로 마련되며, 투스와 함께 투스에 의해 형성되는 슬롯을 코일로부터 절연시키기 위하여 인슐레이터가 설치된다. 고정자(100)는 코일에 전류를 공급받아 자기력을 발생시킨다.

회전자(200)는 상기 고정자(100)의 내측에 설치되고, 마그네트(미도시)가 구 비되어 상기 고정자(100)에 발생된 자기력에 의해 회전한다. 또한, 회전자(200)는 고정자(100)와 마찬가지로 도 1 및 2를 참조할 때, 복수의 규소 강판을 적층함으로써 원주형상으로 형성되는 요크와, 도 6 내지 8에 도시된 바와 같이 중심에 입력축(300)이 관통하여 고정되며, 고정자(100)에 권선된 코일에서 발생되는 자기장과의 상호작용에 의해 토크를 발생시키는 마그네트가 구비된다. 상기 회전자(200)는 도 1 및 2에 도시된 바와 같이, 외주면을 따라 마그네트가 부착된 마그네트 부착형 회전자일 수 있고, 내부에 마그네트가 매입된 마그네트 매입형 회전자일 수도 있다.

상기와 같은 고정자(100) 및 회전자(200)는 일반적인 비엘디씨 모터에서와 같이 종래 기술로 구현 가능하므로 그 상세한 설명은 생략한다.

도 6 내지 8에 도시된 바와 같이, 태양기어(420)는 상기 회전자(200)에 관통 삽입되어 함께 회전하는 입력축(300)에 결합되고, 유성기어(440)는 복수가 구비되어 상기 태양기어(420)에 외접하여 회전하며, 링기어(460)는 상기 복수의 유성기어와 내접하고, 캐리어(480)는 상기 복수의 유성기어를 각각 지지하여 함께 회전하며, 출력축(500)은 상기 캐리어(480)에 연결된다.

따라서, 고정자(100)에 권선된 코일에 전류가 인가되어 자기력을 발생시키면, 회전자(200)는 상기 코일에 발생된 자기력에 의해 회전하고, 회전자(200)의 회전에 따라 입력축(300)이 회전하게 된다. 입력축(300)의 회전과 함께 태양기어(420)가 회전하며, 태양기어(420)와 외접하여 맞물려 회전하는 복수의 유성기어(440)로 회전력이 전달된다. 이 경우, 링기어(460)는 후술할 케이싱(600)에 고 정되어 있으므로 복수의 유성기어(440)를 거쳐 캐리어(480)가 함께 회전하고, 캐리어(480)와 연결된 출력축(500)에 결국 회전력이 전달되는 것이다. 즉, 상기와 같은 과정을 거쳐 입력축(300)의 회전수를 사용자가 원하는 감속된 회전수로 출력축(500)에 전달하게 되는 것이다.

상기 태양기어(420), 유성기어(440) 및 링기어(460)는 인벌루트 곡선(involute curve)을 기본으로 생성된 치형을 가질 수 있고, 사이클로이드 곡선(cycloide curve)을 기본으로 생성된 치형을 가질 수도 있다. 인벌루트 치형 곡선이 사이클로이드 치형 곡선보다는 가공이 용이하다는 장점이 있으나, 선접촉을 한다는 점에서 사이클로이드 치형 곡선보다는 진동 및 소음이 크다는 단점이 있다. 즉, 상기 태양기어(420), 유성기어(440) 및 링기어(460)는 각각의 기계 장치에 맞게 제조원가, 생산성 및 정밀성 등을 고려하여 설계되어야 할 것이다.

케이싱(600)은 도 6 내지 10에 도시된 바와 같이, 양단이 개구된 중공의 원통 형상이고, 일측 내주면을 따라 상기 고정자(100)가 고정되며, 타측 내주면을 따라 상기 링기어(460)가 고정된다. 즉, 본 발명의 감속기 일체형 비엘디씨 모터의 케이싱(600)은 종래 모터 및 감속기를 각각 단품으로 따로 제작하여 결합시켰던 방식에서 탈피하여 하나의 케이싱(600) 내부에 모터 및 감속기의 각 구성요소를 용이하게 조립하여 일체형으로 제작하는 것이다.

또한, 상기 링기어(480)는 도 9 및 10에 도시된 바와 같이, 상기 케이싱(600)의 타측 내주면을 따라 일체로 형성될 수 있다. 즉, 케이싱(600)을 제작할 때, 링기어(480)의 형상을 함께 일체로 형성시켜 조립 공수를 현저하게 감소시킬 수 있다.

케이싱 커버(700)는 한 쌍이 구비되어 상기 케이싱(600)의 양단을 폐쇄하도록 결합되고, 상기 입력축(300) 및 출력축(500)을 각각 회전 가능하게 지지한다. 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 케이싱 커버(700)가 상기 입력축(300) 및 출력축(500)을 각각 회전 가능하게 지지하기 위하여 베어링(750)이 설치된다.

입력축 지지부재(800)는 상기 회전자(200) 및 태양기어(420)를 구획하도록 상기 케이싱(600)의 내부에 설치되고, 상기 입력축(300)이 관통된다. 또한, 상기 입력축(300) 및 입력축 지지부재(800) 사이에 입력축 지지베어링(850)이 설치됨으로써, 입력축(300)이 반경 방향으로 요동치는 것을 방지할 수 있다. 그에 따라, 비엘디씨 모터의 진동 및 소음을 더욱 저감시킬 수 있는 것이다. 이 경우, 상기 입력축 지지부재(800)는 도 10에 도시된 바와 같이 상기 케이싱(600)과 일체로 형성할 수 있다.

한편, 캐리어(480)는 도 8에 도시된 바와 같이 원판 형상으로 설치할 수 있고, 이 경우 상기 케이싱(600) 및 캐리어(480) 사이에 캐리어 베어링(485)을 설치할 수 있다. 유성기어(440)가 태양기어(420)로부터 회전력을 받아 링기어(460)의 외주면을 따라 회전할 때, 기어 간 가공 공차나 백래쉬(backlash) 등에 의하여 발생되는 진동이 캐리어(480)로 전달되어 캐리어(480)가 미세하게 흔들리며 회전하는 경향이 있다. 그러나, 상기와 같이 캐리어(480)를 원판형으로 가공한 후 케이싱(600)과 캐리어(480) 사이에 캐리어 베어링(485)을 설치함으로써, 상기와 같은 미세한 흔들림을 원천적으로 방지할 수 있게 되는 것이다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 실시예는, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

도 1은 종래의 마그네트 부착형 비엘디씨 모터를 도시한 단면도이고,

도 2는 종래의 마그네트 매입형 비엘디씨 모터를 도시한 단면도이며,

도 3은 일반적인 유성 감속기를 도시한 사시도이고,

도 4는 일반적인 유성 감속기를 도시한 분해 사시도이며,

도 5는 본 발명의 감속기 일체형 비엘디씨 모터의 일 실시예를 도시한 사시도이고,

도 6은 도 4의 A-A선에서 바라본 제1 실시예를 도시한 단면도이며,

도 7은 도 4의 A-A선에서 바라본 제2 실시예를 도시한 단면도이고,

도 8은 도 4의 A-A선에서 바라본 제3 실시예를 도시한 단면도이며,

도 9는 도 7의 실시예에서 하우징을 도시한 사시도이고,

도 10은 도 8의 B-B선에서 바라본 단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 고정자

200 : 회전자

300 : 입력축

420 : 태양기어

440 : 유성기어

460 : 링기어

480 : 캐리어 485 : 캐리어 베어링

500 : 출력축

600 : 케이싱

700 : 케이싱 커버

800 : 입력축 지지부재 850 : 입력축 지지베어링

Claims

전류를 공급받아 자기력을 발생시키는 고정자와,

상기 고정자의 내부에 회전 가능하게 설치되고, 마그네트가 구비되어 상기 자기력에 의해 회전하는 회전자와,

상기 회전자에 관통 삽입되어 함께 회전하는 입력축과,

상기 입력축에 결합되어 함께 회전하는 태양기어와,

상기 태양기어에 외접하여 회전하는 복수의 유성기어와,

상기 복수의 유성기어와 내접하는 링기어와,

상기 복수의 유성기어를 각각 지지하여 함께 회전하는 캐리어와,

상기 캐리어에 연결된 출력축과,

양단이 개구된 중공의 원통 형상이고, 일측 내주면을 따라 상기 고정자가 고정되며, 타측 내주면을 따라 상기 링기어가 고정되는 케이싱과,

상기 케이싱의 양단을 폐쇄하도록 결합되고, 상기 입력축 및 상기 출력축을 각각 회전 가능하게 지지하는 한 쌍의 케이싱 커버와,

상기 회전자 및 태양기어를 구획하도록 상기 케이싱의 내부에 설치되고, 상기 입력축이 관통되는 입력축 지지부재와,

상기 입력축 및 입력축 지지부재 사이에 설치되는 입력축 지지베어링을 포함하고,

상기 입력축 지지부재 및 상기 케이싱은 일체로 형성되는 감속기 일체형 비엘디씨 모터.
제1항에 있어서,

상기 링기어는 상기 케이싱의 타측 내주면을 따라 일체로 형성된 것을 특징 으로 하는 감속기 일체형 비엘디씨 모터.
삭제
삭제
제1항에 있어서,

상기 캐리어는 원판 형상이고,

상기 케이싱 및 상기 캐리어 사이에 설치되는 캐리어 베어링을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 감속기 일체형 비엘디씨 모터.
제1항에 있어서,

상기 회전자는 외주면을 따라 마그네트가 부착된 마그네트 부착형 회전자인 것을 특징으로 하는 감속기 일체형 비엘디씨 모터.
제1항에 있어서,

상기 회전자는 내부에 마그네트가 매입된 마그네트 매입형 회전자인 것을 특징으로 하는 감속기 일체형 비엘디씨 모터.
제1항에 있어서,

상기 태양기어, 유성기어 및 링기어는 인벌루트 치형을 가진 것을 특징으로 하는 감속기 일체형 비엘디씨 모터.
제1항에 있어서,

상기 태양기어, 유성기어 및 링기어는 사이클로이드 치형을 가진 것을 특징으로 하는 감속기 일체형 비엘디씨 모터.