KR102200620B1 - 고효율 직류모터 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 자동차, 무선 진공청소기, 드론 등 산업 전반에 사용되는 직류 모터에 관한 것으로 기존에 고안된 고효율 직류모터가 상단과 하단에 영구자석이 다른 극성으로 중심점이 같게 마주보고 상단과 하단의 영구자석 중앙에 전자석을 배치하여 전자기력을 최대한 이용하여 회전력을 얻을려는 방식이였으나 최초 회전자의 위치에 따라 회전방향이 일정하지 않은 문제점과 상단과 하단의 영구자석이 전자석의 자성체를 끌어당겨 회전을 방해하는 현상이 발생하여 일반적인 BLDC모터 대비 효율이 크게 증가되지 않는 문제점이 있어, 이에 상단과 하단의 영구자석를 상단과 하단의 영구자석이 마주봤을 때 다른면의 영구자석 사이에 영구자석의 중심점이 위치하도록 배치함으로써 기존에 발명된 모터들의 문제점을 해결하고 일반적인 BLDC모터보다도 회전력과 토크가 우수한 직류모터를 제공한다.

Description

고효율 직류모터{High Efficiency Direct Current Motor}
본 발명은 자동차, 드론, 전자제품 및 산업기기 등 산업 전반에 사용되는 직류모터에 관한 것으로 모터의 전자석에서 발생하는 자기장을 최대로 사용하고 모터의 무게를 줄여 모터 효율을 높인 것으로 상단과 하단에 영구자석을 배열하고 그 사이에 전자석을 배열하여, 전자석에서 발생되는 전자기장이 상단과 하단의 영구자석과 동시에 힘을 받아 회전하는 형태의 직류모터에 관한 것이다.
현재 산업 전반에 사용되는 직류모터는 브러쉬드모터와 브러쉬리스모터(BLDC)방식으로 크게 구분되어 사용되고 있다. BLDC모터의 구동방식은 모터내의 수개의 전자석을 동시에 사용하는 것이 아니고 전자석 일부에 순차적으로 전기를 넣어 전자기력을 발생시켜서 영구자석이 전자석의 자력 이동에 따라서 회전하는 방식이다. 이때 전자석에는 N극과 S극이 발생하지만 실제 회전자를 회전시키는데는 한쪽 극성만을 이용하여 회전시킴으로 전기로 생전된 다른 한쪽 극성의 에너지는 손실되는 것이다. 다만, 철심을 이용하여 자기력을 다른 전자석으로 흘러보내긴 하지만 손실이 발생하게 된다. 또한 BLDC모터는 제조과정에서 철심에 코일을 감는 공정이 자동화가 어렵고 자동화가 되더라도 제작 시간이 오래걸리기 때문에 제조단가가 높다는 문제점을 가지고 있다. 또한 별도로 고가의 모터 구동 컨트롤러가 필요하여 전체적인 비용도 증가하게 된다.
본 발명에서 제시하는 직류모터의 기본적인 배열방법인 상단과 하단에 영구자석을 배치하고 중간에 전자석을 배치하는 방법은 이미 공개특허에서 발명이 되었던 것이다. 그러나 공개특허들의 공통점은 상단과 하단의 영구자석이 다른 극성으로 자석의 중심점이 일치하게 마주보고 있다는 것이다. 이런 경우에는 2가지 문제점이 발생할 수 있는데 첫번째로, 정지상태에서 회전자의 위치가 상황에 따라 일정하지 않아 초기 회전이 안되거나 회전방향이 달라지는 문제점과 두번째로, 회전자의 회전속도가 빨라질수록 전자석에 전원의 극성을 교차하면서 입력하는 전원극성 변화시간과 자기장의 변화시간도 빨리지는데 전자석에서 발생한 자기장이 코일이나 철심에 남아있는 잔류 전류 및 자기장으로 인해 극성변화가 지연되어 영구자석이 회전자의 회전을 방해하는 방향으로 힘이 작용하여 결과적으로 기존의 BLDC모터보다 회전속도가 느리다는 문제가 있다.
선행기술에서 고안되었던 고효율 직류모터는 전자석을 지면을 기준으로 한쪽 극성이 위로, 다른 극성은 아래로 생길 수 있도록하여 수개를 원형으로 배치하고 전자석의 상단과 하단에 수개의 영구자석을 중심점이 같게 마주보게 배치하여 전자석의 전자기력을 최대한 활용하여 모터를 회전하는 방식이였다. 그러나 이 방법으로 모터를 제작하여 실험한 결과, 최초 모터의 회전자 위치에 따라 회전이 안되거나 회전 방향이 달라지는 문제가 있으며 이를 위해서 추가적인 기술과 장치들이 필요로 한다. 또 다른 문제는 회전자를 회전시키기 위해서 영구자석의 위치에 따라 전자석의 전류 극성을 바꿔가며 전자석에서 생성되는 자기장의 극성을 바꾸는데 극성이 바뀌는 순간동안에 상단과 하단의 영구자석이 전자석의 자성체를 회전을 방해하도록 끌어당기는 현상이 발생되어 결과적으로 기존의 BLDC모터보다도 회전속도가 느리다는 문제를 가지고 있다. 이런 이유로 해서 이 선행기술이 1990년도부터 개발되었고 최근까지도 비슷한 기술들이 개발되고 있지만 BLDC모터를 대체할 만큼 상용화되지 못하고 있다. 본 발명에서는 위에서 언급한 선행기술에서 제시되었던 상단과 하단에 영구자석이 배치되고 중간에 전자석이 배치된 형태의 고효율 직류모터의 2가지 문제점를 해결하고 기존모터 대비 고속회전과 큰 토크가 발생활 수 있는 직류모터를 제공한다.
이러한 목적 달성을 위하여 고효율 직류모터는 기존 선행기술에서 제시되었던 상단과 하단의 영구자석이 다른 극성으로 중심점이 마주보고 중앙에 전자석이 배치되는 형태의 모터에서 회전축의 수직방향 상단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열된 상단 영구자석, 회전축의 수직방향 하단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열되며 상단 영구자석 사이에 하단 영구자석의 중심점이 위치하도록 배열된 하단 영구자석, 상단 및 하단 영구자석 사이에 원기둥 모양으로 상단 및 하단 영구자석 수량만큼 원형으로 배치되고 전기 인가시 인접 전자석간에 같은 방향의 극성이 서로 다른 복수의 전자석, 상기 상단 영구자석 및 하단 영구자석과 상기 전자석 사이에 전자석과 고정핀으로 고정되는 하단 금속판을 포함하고, 영구자석의 중심이 서로 어긋나 있는 상기 상단 및 하단 영구자석과 상기 복수의 전자석 사이의 인력 및 척력을 이용하여 회전자가 회전하는 직류모터를 제공한다.
현재 상용화된 직류모터 대비 고효율, 저비용, 큰 토크의 직류모터를 제공할 수 있어 기존의 모터를 대체함으로써 에너지 절약 및 사용자의 모터 운용 비용 감소 효과가 발생한다. 또한 전기자동차, 플라잉카, 드론 등에 사용함으로써 해당 장비의 성능을 크게 향상 시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 고효율 직류모터의 결합사시도.
도 2는 본 발명의 고효율 직류모터의 분해사시도.
도 3은 본 발명의 고효율 직류모터의 전자석 결합판의 단면도.
도 4는 본 발명의 고효율 직류모터의 하단 영구자석 결합판의 단면도.
도 5는 본 발명의 고효율 직류모터의 전자석 확대도.
도 6은 본 발명의 고효율 직류모터의 동작원리를 설명한 1번 설명도.
도 7은 본 발명의 고효율 직류모터의 동작원리를 설명한 2번 설명도.
본 발명은 회전축의 수직방향 상단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열된 상단 영구자석, 회전축의 수직방향 하단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열되며 상단 영구자석 사이에 하단 영구자석의 중심점이 위치하도록 배열된 하단 영구자석, 상단 및 하단 영구자석 사이에 원기둥 모양으로 상단 및 하단 영구자석 수량만큼 원형으로 배치되고 전기 인가시 인접 전자석간에 같은 방향의 극성이 서로 다른 복수의 전자석, 상기 상단 영구자석 및 하단 영구자석과 상기 전자석 사이에 전자석과 고정핀으로 고정되는 하단 금속판을 포함하고, 영구자석의 중심이 서로 어긋나 있는 상기 상단 및 하단 영구자석과 상기 복수의 전자석 사이의 인력 및 척력을 이용하여 회전자가 회전하는 직류모터이다.
이하, 본 발명을 첨부 도면에 의하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 고효율 직류모터의 결합사시도이다. 도 2는 본 발명의 고효율 직류모터의 분해사시도이다. 도 3은 본 발명의 고효율 직류모터의 전자석 결합판의 단면도이다. 도 4는 본 발명의 고효율 직류모터의 하단 영구자석 결합판의 단면도이다. 도 5는 본 발명의 고효율 직류모터의 전자석 확대도이다. 도 6은 본 발명의 고효율 직류모터의 동작원리를 설명한 1번 설명도이다. 도 7은 도 6에 이여서 본 발명의 고효율 직류모터의 동작원리를 설명한 2번 설명도이다.
도 1은 도 2의 분해사시도의 모터 구성품을 완전히 결합한 모습이다. 모터의 회전방향은 최초 모터 조립시 영구자석의 배열 위치에 따라 결정된다. 모터의 회전방향을 반대로 하려면 모터 상단 회전판(120)을 180도 돌려서 하단 회전판(310)과 결합하면 반대방향으로 회전하는 모터가 된다.
도 2의 모터를 분해한 사시도에서 상단 회전판(120)에는 복수개의 영구자석(140)을 원형으로 배열하고 인접한 영구자석끼리 극성이 다르도록 배치한다. 상단 회전판(120)에는 모터 샤프트를 결합할 수 있는 나사구멍(110)이 있어 동력전달에 적당한 샤프트의 형태를 제작하여 결합할 수 있다. 상단 회전판(120)에 수직으로 원형으로 배치되어 있는 지지대(150)는 모터내에서 발생되는 열을 순환시키기 위해 모터 중심축을 기준으로 비스듬히 틀어서 수직으로 세우고 상단 회전판(120) 및 하단 회전판(310)을 결합시킨다. 전자석이 배열되어 결합된 고정자(200)에는 전자석(20)이 한쪽면의 영구자석의 수량만큼 원형으로 배열한다. 이때 전자석(20)에 동시에 전류를 인가했을때 인접한 영구자석과는 다른극성이 발생 되도록 전자석(20)을 배열한다. 전자석의 보빈(220)을 고정하기 위해 자성체 금속으로 만들어진 고정핀(210)을 보빈(220)을 통과하여 금속판(240)에 결합한다. 보빈(220)은 전자석(20) 고정역할 외에도 전자기력을 증강시키는 철심의 역할도 한다. 하단 회전체(310)에는 영구자석을 상단 회전판과 동일한 숫자와 배열방법으로 배열하고 상단 회전판(120)과 지지대(150)를 결합했을 때 상단 회전판의 영구자석과 하단 회전판의 영구자석이 마주봤을 때 자석의 중심이 서로 억갈리면서 반대편의 2개의 영구자석 중간에 위치하도록 배열한다. 모터 하단 지지체(400)에는 지지판(410) 위에 영구자석의 위치를 측정하기 위한 홀센서(410)를 2개 이상 배치한다. 홀센서에게 감지한 영구자석의 위치정보를 이용하여 적절한 순간에 모터 전자석에 필요한 극성의 전원을 인가할 수 있다. 홀센서(420)의 숫자는 전자석에 전원을 미인가 시키는 회전구간이 있어 최소 2개 이상의 홀센서(420)가 필요하다. 지지 체(400)에는 전자석(20)이 결합된 금속판(240)을 고정시키기 위한 지지대(450)가 있다. 또한 지지대(450)에 베어링(460)을 결합하여 상단 회전체(120)의 회전축(150)이 베어링(460)에 고정될 수 있도록 한다. 지지체(400)에는 전자회로 및 전자석에 전원을 공급하기 위한 전선(430,440)이 있다.
도 6과 도 7에서 모터의 구동원리를 설명하면, 한개의 전자석이 이동한다고 가정했을때 A구간에서는 모터에 전원이 미인가된 초기 상태로 전자석의 자성체 금속으로 인해 상단과 하단의 영구자석이 전자석을 끌어당기게 되는데 그림에서 보는거 같이 상단의 N극과 하단의 S극 사이에 위치하게 된다. 최초 모터를 제작할 때 상단과 하단의 영구자석과 전자석간의 이격 거리를 다르게 하거나 전자석의 상하단의 자성체가 각각 상단과 하단의 영구자석으로 받는 힘이 다르도록 자성체의 크기를 조정하는 식으로 해서 최초회전자의 위치에서 모터에 전원을 인가했을 때 회전이 가능하도록 해야한다. 만일 전자석의 자성체를 끌어당기는 상단과 하단의 영구자석 힘이 동일하다면 전자석에 전원이 인가 되었을때 좌측으로 가는 힘과 우측으로 가는 힘이 동일하여 회전을 하지 않는 문제점이 발생할 수 있다. 그림은 전자석이 상단의 영구자석과 더 가깝다고 가정하여 설명한다. B구간은 모터에 최초 전원이 인가된 상태로 전자석 상단이 오른쪽으로 이동하려는 힘이 더 크기 때문에 오른쪽으로 전자석이 이동하게 된다. C구간에서는 전자석 상단은 오른쪽으로 이동하는 힘이 가장 강한 상태이고 아래는 위로 밀어내는 힘이 강한상태로 결과적으로 전자석은 오른쪽으로 강하게 이동한다. D구간에서는 전자석 상단과 하단이 모두 오른쪽으로 이동할려는 힘이 강하고 이때 전자석이 가장 강한 힘을 받아 이동하게 된다. E구간에서는 D구간과 동일하게 전자석이 오늘쪽으로 작용하는 힘이 강하여 오른쪽으로 강하게 이동한다. F구간에서는 전자석에 전원이 차단되는 구간으로 전자석의 자성체와 영구자석의 인력으로 전자석이 이동하게 되며 전자석의 하단이 오른쪽으로 이동하려는 힘이 더 크기 때문에 영구자석의 힘만으로 오른쪽으로 이동한다. G구간에서는 F구간부터 시작하여 영구자석의 힘만으로 전자석이 오른쪽으로 지속적으로 이동한다. H구간에서는 전자석에 다시 전원을 인가하지만 B에서 F구간과는 반대 극성의 전원을 인가하여 전자석의 전자기장을 바꾸게 되며, H구간의 전자석의 위치에서는 전자석 상단의 오른쪽으로 이동하려는 힘과 하단의 왼쪽으로 이동하려는 힘이 동일하여 어떠한 힘도 받지 못하고 전자석이 가지고 있는 관성으로 오른쪽으로 계속 이동한다. H구간은 홀센서의 위치를 조절하여 전원을 미인가 시키는 회전 구간을 증가시켜서 제거할 수 있으나 그만큼 전원을 인가하는 회전구간이 줄어들어 회전속도가 줄어들 수 있어 모터 사용 목적에 따라 효율성과 회전력을 고려하여 홀센서의 위치를 조절한다. I구간은 B구간과 동일하게 전자석 상단에 오른쪽으로 작용하는 힘이 더 강하여 오른쪽으로 이동하게 된다. J에서 L구간은 C에서 F구간과 동일하게 동작하게 된다.
본 발명은 산업 전반에 사용되고 있는 직류모터를 대체하여 사용이 가능하며 기존의 직류모터 대비 성능을 크게 향상 시켜 고속회전, 토크, 에너지 효율이 증가되어 사용자의 유지비용이 모터를 사용한 제품의 성능을 크게 향상 시킬 수 있다. 특히, 전지자동차, 플라잉카, 드론 등 무선전자장비에 사용할 시 에너지 효율이 좋아 기존 모터를 사용할 때 보다 배터리 충전없이도 오랫동안 장비 운용이 가능하다. 또한 모터 구조가 간단하고 모듈화가 가능하여 자동화 생산을 통해 제조 단가를 크게 줄일 수 있다.
10 : 고효율 직류모터
20 : 전자석
100 : 영구자석이 배열되어 결합된 상단 회전체
110 : 모터 샤프트를 결합할 수 있는 나사구멍
120 : 모터 상단 회전판
130 : 모터 하단 회전체를 고정하고 모터 내부 공기 순환을 위한 지지대
140 : 영구자석
150 : 결합된 상단 및 하단 회전판을 베어링에 고정하기 위한 회전축
200 : 전자석이 배열되어 결합된 고정자
210 : 전자석(230)을 금속판에 고정하기 위한 고정핀
220 : 코일 권선용 보빈
230 : 코일
240 : 전자석 고정 및 발열판용 금속판
250 : 회전축(150)이 통과하여 베어링(460)에 고정될 수 있도록 한 구멍
300 : 영구자석이 배열되어 결합된 하단 회전체
310 : 모터 하단 회전판
320 : 지지대(450)가 통과하여 금속판(240)과 결합하기 위한 구멍
400 : 고정자와 회전체를 지탱하고 홀센서를 포함하는 모터 하단 지지체
410 : 모터 하단 지지판
420 : 자기장 감지를 위한 홀센서
430 : 2개의 홀센서로부터 회전자 위치 감지신호 및 회로동작용 5V전압 전선
440 : 전자석에 전압 인가를 위한 전선
450 : 전자석 고정용 금속판을 모터 하단 지지판에 고정하기 위한 지지대
460 : 모터 회전체의 회전축을 고정하고 회전을 도와주는 베어링

Claims (3)

  1. 회전축의 수직방향 상단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열된 상단 영구자석, 회전축의 수직방향 하단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열되며 상단 영구자석 사이에 하단 영구자석의 중심점이 위치하도록 배열된 하단 영구자석, 상단 및 하단 영구자석 사이에 기둥 모양으로 원형으로 배치되고 전기 인가시 인접 전자석간에 극성 방향이 서로 다른 복수 개의 전자석, 상기 상단 영구자석 및 하단 영구자석과 상기 전자석 사이에 전자석을 고정하는 고정체를 포함하고, 상기 복수 개의 전자석은 하단 영구자석 및 상단 영구자석 중 어느 하나에 더 가까이 위치하는 회전 전기기기.
  2. 회전축의 수직방향 상단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열된 상단 영구자석, 회전축의 수직방향 하단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열되며 상단 영구자석 사이에 하단 영구자석의 중심점이 위치하도록 배열된 하단 영구자석, 상단 및 하단 영구자석 사이에 기둥 모양으로 원형으로 배치되고 전기 인가시 인접 전자석간에 극성 방향이 서로 다른 복수 개의 전자석, 상기 상단 영구자석 및 하단 영구자석과 상기 전자석 사이에 전자석을 고정하는 고정체를 포함하고, 상기 하단 영구자석과 하단 영구자석은 서로 크기를 다르게하는 회전 전기기기.
  3. 회전축의 수직방향 상단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열된 상단 영구자석, 회전축의 수직방향 하단에 인접 영구자석들의 극성이 다르도록 원형으로 배열되며 상단 영구자석 사이에 하단 영구자석의 중심점이 위치하도록 배열된 하단 영구자석, 상단 및 하단 영구자석 사이에 기둥 모양으로 원형으로 배치되고 전기 인가시 인접 전자석간에 극성 방향이 서로 다른 복수 개의 전자석, 상기 상단 영구자석 및 하단 영구자석과 상기 전자석 사이에 전자석을 고정하는 고정체를 포함하는 회전 전기 기기의 회전제어방법에 있어서, 순방향으로 회전하는 상기 복수 개의 전자석이 상단 영구자석(n)과 중심선이 일치하고 하단 영구자석들(m,m+1)사이에 위치할 때 순방향 전원인가를 중지하여 순방향으로 회전력 인가를 중단하는 제1단계, 상기 복수 개의 전자석의 중심선이 상단 영구자석(n)과 중심선 및 하단 영구자석들(m,m+1)사이보다 순방향으로 더 이동하면 상기 복수 개의 전자석에 역방향 전원을 인가하여 순방향으로 계속 이동시키는 제2단계, 상기 복수 개의 전자석이 상단 영구자석(n+1)과 중심선이 일치하고 하단 영구자석들(m+1,m+2) 사이에 위치할 때 역방향 전원인가를 중지하여 순방향으로 회전력 인가를 중단하는 제3단계, 상기 복수 개의 전자석의 중심선이 상단 영구자석(n+1)의 중심선 및 하단 영구자석들(m,m+1) 사이보다 순방향으로 더 이동하면 상기 복수 개의 전자석에 순방향 전원을 인가하여 순방향으로 계속 이동시키는 제4단계, 상기 제1단계 내지 제4단계를 반복하여 회전 전기기기를 회전시키는 회전제어방법.
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