KR20000017432A - 토오크 모터 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

영구 자석의 직류 토오크 모터는 기저부상에 회전을 위해서 저널 결합된 컵형상의 로터안에 안착되고 기저부로부터 외팔보식으로 장착된 고정자를 가진다. 영구 자석은 로터의 내주부 둘레에 배치된다. 고정자 코어는 그 둘레에 코일을 갖는 복수개의 반경방향 외향으로 배향된 웨브를 가지며, 일 피이스로 일체형으로 형성되거나 적층될 수도 있다. 극 세그먼트는 웨브와 일체형으로 형성되거나 또는 개별 부재로서 부착될 수도 있다. 극 세그먼트는 로터 자석과 반경방향으로 공극을 형성하는 머리가 절단된 실린더형 극 슈우 표면을 가진다. 극 세그먼트는 웨브를 지나 축방향 및 횡방향으로 연장된다. 축방향 극 세그먼트 연장부는 암페어 권선의 전기적 여자의 증가 없이 소정의 모터 체적에 대해서 증가된 총 플럭스를 제공한다. 본 발명에 따른 모터는 엔진 공기 쓰로틀 액츄에이터로서 특히 적절하다.

Description

토오크 모터 및 그 제조 방법{DIRECT CURRENT TORQUE MOTOR WITH EXTENDED STATOR POLES}

본 발명은 모터 로터의 완전 1 회전이 못되는 회전운동을 더 진행시키거나 역회전시키도록 의도된 타입의 직류 토오크 모터에 관한 것이다. 보통 이런 유형의 토오크 모터는, 샤프트의 부분 회전(fractional revolution rotation)이 일 기능을 수행하기 위해서 요구되는 서보 액츄에이터 디바이스에 채용되었다. 특히, 전자 콘트롤러에 의해서 제공되는 제어 신호에 대응하여 내연 기관의 공기 흡입 쓰로틀 밸브를 작동시키기 위해서 토오크 모터를 이용하는 것이 요구되었다. 이것은 부분적으로는 차량 엔진의 작동 파라미터의 전자 제어가 필수적인 자동차에 대해서 최근에 엄격하게 부가되는 엔진 배기가스 배출량 요구조건때문이다.

이러한 내연 기관의 쓰로틀 적용예, 특히 자동차용 엔진 쓰로틀 적용예에 있어서, 토오크 모터는 엔진 쓰로틀 바디 구조체에 부착되어야 하고, 엔진 구조체에 의한 상승된 온도와 진동을 겪게 되기 때문에, 토오크 모터의 크기와 중량을 최소화시키는 것이 요구된다. 게다가, 토오크 모터는 자동차에서 보통 직류 전압으로 12 내지 24 볼트 정도의 비교적 낮은 전압으로 작동하기 때문에 최소의 모터 코일 여기 전류를 갖는 실질적인 토오크 출력을 제공하여야 한다. 따라서, 전기적으로 작동되는 자동차 엔진 쓰로틀 액츄에이터가 로터와 고정자내의 최소 자극 구조체에 의한 최대 토오크를 가지며, 온보드(onboard) 전자 콘트롤러로부터의 전기적 쓰로틀 제어 신호에 응답하여 차량 쓰로틀의 정확한 위치설정을 제공하도록 소정의 코일 여자 전류에 대해서 로터 위치설정이 견고하고 정확히 되는 토오크 모터를 제공하는 것이 바람직하였다. 게다가, 자기 투과율이 큰 비교적 신종의 고가 물질로 극 구조체를 제조할 필요없이 차량 쓰로틀 적용시 최소 질량과 크기의 저전압 직류 토오크 모터를 제공하는 것이 요구되었다.

지금까지, 소정의 제어 신호에 대해서 적절한 쓰로틀 위치설정을 보증하는 필수 토오크를 제공하는 직류 토오크 모터를 차량 엔진용 쓰로틀 작동용으로 제공할 수 있음을 발견하였다. 그러나, 공지된 토오크 모터 장치는 고밀도의 체적에 적용하기 위해서 엄청난 제조 비용을 제공하여야 하거나 또는 엄청나게 부피가 크고 무거웠다.

따라서, 오래동안 최소 질량과 체적을 가지며, 소정의 모터 코일 여기 전류에 대한 토오크 출력을 극대화하여 비교적 고 비용의 물질을 필요로 하지 않는, 비교적 저 전압에서 작동하는 서보 액츄에이터용 직류 토오크 모터, 특히 차량 엔진 쓰로틀 위치설정용 직류 토오크 모터를 제공하는 것이 요구되었다.

본 발명의 목적은 비교적 저전압에서 작동할 수 있고 정회전 방향으로 또는 역회전방향으로 모터 샤프트의 부분 회전에 대해서 최대 토오크 출력을 제공하고, 소정의 전기 여자 레벨에 대하여 모터의 질량과 체적에 관해 최대의 출력 밀도를 갖는 비교적 저 비용의 콤팩트한 토오크 모터를 제공하는 것이다.

본 발명은 자기 플럭스 루프 구성요소, 특히 고정자와 로터를 갖는 토오크 모터를 제공하는데, 상기 고정자와 로터는 저 탄소강과 같은 저 비용의 제 1 철 재료로 형성되며 고정자가 그 내주부 둘레에 영구 자석이 배치된 컵형상의 실린더형 로터안에 안착되어 있다. 모터는 베이스 장착벽으로부터 외팔보식으로 장착되도록 구성되어 있으며, 특히 엔진 쓰로틀 밸브를 작동시키기 위해서 내연 기관의 공기 유입구의 쓰로틀 밸브에 장착하기에 적합하다. 상기 모터의 고정자는 그 위에 권취된 고정자 코일을 갖는 복수개의 반경방향으로 연장된 웨브를 가지며 각각의 웨브는 웨브를 지나 횡방향으로 연장되는 실린더형 극 세그먼트를 그 위에 형성하고 있다. 또한 각각의 폴 세그먼트는 웨브를 지나 축방향으로 연장되어 자기 투과성 물질에 의해서 플럭스를 집중함으로써 그 양을 최대로 한다. 각각의 극성 세그먼트는 머리가 절단된 실린더형 표면이나 극 표면을 가지며 이들은 반경방향의 공극을 가로질러 플럭스를 로터상에서 회전하는 영구 자석에 전도하도록 배치되어 있다. 고정자 웨브와 극 표면은 일 피이스로서 또는 적층에 의해서 일체형으로 형성될 수도 있다. 변형예로서, 고정자의 극 표면부는 코일이 그 위에 배치된 후에 일체형으로 형성된 고정자 코어상의 고정자 웨브에 부착된 개별 피이스일 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 토오크 모터의 적층형 고정자 실시예의 단면도,

도 2a는 도 1의 실시예에 대한 적층형 일 피이스 고정자의 사시도,

도 2b는 도 1의 모터에 대한 고정자의 일 피이스의 변형예의 도면,

도 3은 고정자의 변형예를 채용한 도 1의 모터의 코일과 로터를 갖는 고정자의 전개도,

도 4는 도 3의 모터 고정자 서브조립체의 전개도,

도 5는 도 4의 고정자 서브조립체의 변형예의 도면,

도 6은 도 1의 모터에 대한 고정자 서브조립체의 또 다른 실시예의 도면,

도 7은 엔진의 공기 쓰로틀 밸브를 작동시키기 위해서 설치된 본 발명에 따른 토오크 모터의 변형예의 도면,

도 8은 여러 레벨의 코일 전류(Amp)에서 본 발명에 따른 두개의 극에 대한 샤프트의 회전각도의 함수로서 그린 모터 샤프트 토오크(N.M.)의 곡선군,

도 9는 본 발명에 따른 4개의 극에 대한 도 8과 유사한 그래프.

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 모터 조립체 14 : 베어링

16 : 내부 레이스 18 : 샤프트

24 : 고정자 서브조립체 26, 28 : 관통 볼트

30 : 베어링 캡 34, 36 : 코일

40, 42 : 웨브부 52, 54 : 극 슈우 표면

51, 53 : 축방향 연장부

도 1 및 도 2a를 참조하면, 본 발명은 모터 조립체(10)로 구현되며, 모터 조립체(10)는 샤프트(18)에 고정된 내부 레이스(16)와, 내부 레이스(16)에 바로 저널 결합(journalling)될 수 있지만 바람직하게는 이들 사이에 복수개의 볼 레이스(22)를 갖는 외부 레이스(20)를 구비한 베어링(14)을 갖는 베이스 또는 장착 구조체(12)를 포함한다.

고정자 서브조립체(24)는 현재의 바람직한 실시에 있어서는 베어링 캡(30)안의 홈(27)을 통해서 수용되는 복수개의 관통 볼트(26, 28)를 포함하는 어떤 적절한 고정 수단에 의해서 베이스(12)상에 외팔보식으로 보유되며, 또한 관통 볼트(26, 28)는 고정자 서브조립체(24)내의 홈(29)을 통해서 연장된다. 제 2 베어링(32)은 캡(30)안에 형성된다. 베어링(32)은 베어링(14)과 마찬가지 방식으로 구성될 수도 있다. 따라서, 베어링(32)은 베이스(12)의 반대측상의 고정자(24)의 단부상에 샤프트의 단부를 지지한다.

고정자 서브조립체(24)는 웨브부(40, 42) 둘레에 각기 권취되어 있는 복수개의 코일(34, 36)를 가지는데, 이 웨브부(40, 42)는 고정자안에 형성된 간극 구멍(46)을 통과하는 샤프트(18)의 양 측에서 반경방향으로 연장된다. 도 1 및 도 2a의 고정자 실시예는 스택형 적층체(48)로 형성되며 웨브(40, 42)를 지나 연장되는 축방향 연장부(51, 53)로 이루어진 스택 단부 적층체(50)를 가진다. 고정자 웨브의 외부 표면은 반원통형 극 슈우 표면(pole shoe surface)(52, 54)으로 형성된다. 그리고, 단부 적층체(50)에 있어서, 표면(52, 54)은 웨브(40, 42)를 지나 축방향으로 연장된다. 고정자 극 세그먼트의 단부의 일부분(51, 53)은 자기 플럭스를 집중시키는 표면적을 증가시키는 역할을 한다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 일반적으로 컵형상의 로터(56)는 고정자(24)의 표면위에 안착되며 베어링(32)을 지나 연장되는 샤프트(18)의 단부에 부착되는 반경방향으로 연장되는 웨브(58)를 구성하는 밀폐 단부를 가진다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 로터(56)는 2개의 피이스로 형성되어 있다. 그러나, 변형예로서 예컨대 딥 드로잉(deep drawing) 또는 충격 사출(impact extrusion)에 의해서 로터는 일 피이스 부재로 형성될 수도 있다.

로터(56)는 극 슈우 표면의 갯수에 대응하는 갯수의 자석을 그 내주부 둘레에 배치하는 복수개의 기다란 영구 자석(60, 62)을 가진다. 도 2a의 실시예에 있어서, 로터는 도 3에 실선으로 도시된 바와 같이 2개의 영구 자석을 가질 것이다.

도 2b를 참고하면, 변형예에 따른 고정자(24')에 있어서 고정자 웨브와 극 슈우는 웨브(42')와 일체형으로 형성되는 외부 극 표면(52', 54')을 형성하는 극 세그먼트(50')와 일 피이스로서 일체형으로 형성된다.

고정자(50, 50')의 외부 세그먼트는 웨브(40, 42)를 지나 횡방향으로 연장되는 것을 쉽게 알 수 있다. 이러한 특징은 본 발명의 다양한 실시예에 있어서 공통적이다.

도 1을 참고하면, 모터(10)는 로터위에 배치되고 그 단부가 베이스(12)에 부착되어 로터에 대한 폐쇄부를 형성하는 외측 덮개(64)를 가진다. 베이스는 리드선(67)에 의해서 코일(36, 38)에 저널 결합된 적어도 하나의 전기적 연결 터미널(65)이 형성되어 있는 전기적 리셉터클(66)을 가진다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 2극 모터용 고정자 서브조립체의 다른 실시예가 일반적 참조번호(24")로 나타내는 데, 그 중앙에 형성된 샤프트 구멍(46")을 갖는 일-피이스 부재로서 일체형으로 형성된 웨브부(40", 42")를 가진다. 코일(36", 38")은 웨브(40", 42")의 표면상에 사전권취되어 배치된다. 실린더형 극 표면(52", 54")은 개별 극 슈우 부재(70, 72)에 형성되며 이것은 또한 각각 웨브(40", 42")에 체결구(74)와 같은 적절한 수단에 의해서 부재(70, 72)에 형성된 구멍을 통해서 상기 고정자 웨브(40", 42")에 나사결합되거나 또는 용접에 의해서 부착된다.

도 5를 참조하면, 4극 모터용 고정자 서브조립체의 다른 실시예가 일반적 참조번호(124)로 나타내는 데, 단면이 네모꼴 또는 십자형 배열체인 4개의 반경방향 외향으로 배향된 웨브(126, 128, 130 132)를 갖는 기다란 일-피이스 부재로 형성된 고정자 코어를 가진다. 고정자의 개별 극 세그먼트 또는 극 슈우(134, 136, 138, 140)가 형성되어 극 세그먼트의 구멍안에 수용되며 고정자 코어의 웨브와 나사결합하는 도시된 체결구(140)와 같은 적절한 수단에 의해서 각각의 웨브(126, 128, 130, 132)에 각각 부착된다. 극 세그먼트(134, 136, 138, 140) 각각은 머리가 절단된 실린더형 외부 극 슈우(144, 146, 148, 150)를 가지며, 이들 각각의 표면은 로터 자석과의 사이에 반경방향으로 공극을 규정한다.

한 쌍의 고정자 코일 권취부(131, 133)는 제거될 코어(도시안함)의 표면위에 권취됨으로써 바람직하게 달성된다. 그 다음으로 코일은 웨브(126, 130)를 갖는 대향하여 배치된 한쌍의 고정자 코어중 하나의 표면위에 조립된다. 극 세그먼트 또는 슈우는 그 다음에 코일을 그 위에 보유하는 웨브상에 부착된다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한 극 세그먼트(134, 136, 138, 140)는 각각의 웨브(126, 128, 130, 132)의 가장자리를 지나 축방향과 횡방향으로 연장된다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 도 5의 실시예는 로터(56) 등과 사용될 것이 의도되는 4극 고정자를 제공하지만, 그 내주부 둘레에 배치된, 도 3에 점선으로 나타낸 4개의 영구 자석(56')이 다르다. 따라서 도 5의 실시예는 단지 두개의 코일을 갖는 4극 토오크 모터를 제공한다.

도 6을 참조하면, 4극 고정자 서브조립체의 변형예는 일반적으로 도면번호(124')로 나타내는 데, 반경방향 외향으로 연장되는 웨브(126', 128', 130', 132')와 단면이 기다란 거의 십자형 트랜스버스 형상인 일체형 또는 일-피이스 고정자 코어를 채용하며, 웨브(126', 128', 130', 132')는 각기 그 세그먼트 또는 슈우(134', 136', 138', 140')와 일체형으로 형성되었다. 극 세그먼트 각각은 머리가 절단된 실린더형 외부 극 슈우 표면(144', 146', 148', 150')을 가진다. 각각의 웨브(126', 128', 130', 132')는 바람직하게는 플라이 와인딩(fly winding)이라는 공지된 기술에 의해서 고정자 코일(152, 154, 156, 158) 둘레에 권취되었다. 도 6의 고정자 서브조립체(124')는 도 3의 교호형 4개의 자석 로터(56')를 이용한다는 것을 알 수 있다.

도 7을 참조하면, 도 1의 변형예에 따른 모터(200)는 차량 쓰로틀 액츄에이터 조립체(80)에 채용되며 버터플라이 밸브 부재(86)와 공기 유입 통로(84)를 갖는 밸브체로 구성된 베이스(82)를 가지고 통로(84)의 양측에 배치된 한 쌍의 베어링(100, 102)에 저널 결합된 샤프트(88)에 배치된다. 샤프트(88)는 베어링(100)을 통하여 베이스(82)안에 형성된 리세스 또는 캐비티(104)속으로 연장되는데 이 캐비티는 토오크 모터(200)의 로터(106)안에 형성되어 있으며 로터는 샤프트(88)의 단부에 부착된 그 밀폐 단부(108)와 거의 컵형상을 이룬다. 로터(106)는 도 3의 실시예에 대해서 도시된 것과 마찬가지의 방식으로 내주부 둘레에 배치된 복수개의 영구 자석(90, 92)을 가진다. 고정자 코어(94)는 로터(106)안에 안착되어 있다. 그리고, 고정자 코어(94)는 예컨대 스크류(98)와 같은 임의의 적절한 수단에 의해서 기저부에 고정되는 판(96)에 부착된다. 고정자 코어는 도 2a, 도 2b, 도 3, 도 4, 도 5 및 도 6에 도시된 임의의 형상으로 형성될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 고정자 코어는 전술한 임의의 특정 고정자 서브조립체에 대해서 전술한 방식으로 그 둘레에 복수개의 권취부(110, 112)를 가진다. 또한 고정자 극 세그먼트의 갯수는 전술한 실시예에 대해서 전술한 바와 같이 많은 자석에 일치하여야 함을 알 수 있다.

따라서, 도 7의 실시예는 전기적으로 작동되는 엔진 공기 쓰로틀을 토오크 모터에 제공하는데, 이 토오크 모터는 샤프트가 고정자 코어를 통과하지 않는 도 1의 실시예에 대한 변환 구성을 이룬다. 그러므로, 도 7의 실시예(80)에 있어서, 모터(200)의 구성은 샤프트의 간극 구멍을 제거하기 위해서 고정자안에 많은 양의 자기 투과성 물질을 제공하며, 쓰로틀 바디 구조체로부터 고정자를 용이하게 지지할 수 있어서 적절하다.

본 발명에 따른 실시예에 있어서, 표 1에 개시된 파라미터를 갖는 2극 모터는 도 8에 도시된 토오크 특성을 제공한다는 것을 알 수 있었다. 그리고, 표 1에 따라 제조된 4극 모터는 도 9에 나타낸 토오크 특성을 제공한다.

표 1
	2 극	4극
로터 OD(mm)	50	46.5
로터 길이(mm)	50	50
코어 길이(mm)	45	35
질량: 고정자 및 회전자자석, 코일(gms)	335	264
N.M/Ampere＠20°	0.26	0.19
코일 감은 수	62	120/극 피이스
코일 와이어*(AWG)	25	25

따라서, 본 발명은 컵형상의 로터안에 안착된 고정자를 갖는 신규한 토오크 모터 구조체를 제공한다. 그리고, 이 고정자는 고정자 코일이 배치된 고정자 웨브를 지나 축방향과 횡방향으로 연장되는 극 슈우 세그먼트를 가진다.

본 발명을 따라 도시된 여러 실시예는 보통 축방향 연장부(51, 53)를 채용하며, 이들은 전기적 여자의 암페어 회전수의 증가없이 소정의 모터 체적에 대해 총 플럭스를 증가시킨다.

이 로터는 그 내주면 둘레에 배치되며 고정자 극의 수에 대응하는 많은 영구 자석을 채용한다. 본 발명에 따른 토오크 모터의 구성은 로터가 완전 1 회전 미만의 각변위로 양 방향으로 회전되며 최소 체적과 질량을 갖는 모터로부터 비교적 큰 토오크가 요구되는 경우에 적용되는 것으로 의도된다. 본 발명에 따른 토오크 모터는 내연 기관용 유입 쓰로틀 액츄에이터용으로 특히 적절하다.

본 발명을 도시된 실시예에 관하여 설명하였지만, 본 발명은 이하의 청구범위에 의해서 제한되는 범위안에서 변형 및 수정이 가능하다.

본 발명에 따르면, 비교적 저전압에서 작동할 수 있고 정회전 방향으로 또는 역회전방향으로 모터 샤프트의 부분 회전에 대해서 최대 토오크 출력을 제공하고, 소정의 전기 여자 레벨에 대하여 모터의 질량과 체적에 관해 최대의 출력 밀도를 갖는 비교적 저 비용의 콤팩트한 토오크 모터를 제공할 수 있다.

Claims (13)

1. 토오크 모터에 있어서,

   (a) 베이스 구조체와,

   (b) 복수개의 극 세그먼트를 갖는 비교적 자기 투과율이 큰 물질로 이루어진 고정자로서, 각각의 극 세그먼트는 거의 실린더형 표면부를 갖는, 대략 반경방향 외향으로 연장되는 웨브부를 가지며, 상기 각각의 표면부는 상기 웨브부를 지나 축방향으로 연장되는 날개부를 가지는 고정자와,

   (c) 상기 고정자를 상기 베이스 구조체에 부착하는 수단과,

   (d) 상기 고정자의 표면위에 안착되며, 그 내주부상에 복수개의 자석을 갖는 거의 실린더형의 중공형 로터로서, 상기 자석들은 각각 상기 극 세그먼트에 대응하며, 상기 고정자에 대해 회전하도록 상기 베이스상에 장착된 로터와,

   (e) 상기 극 세그먼트 웨브상에 권취된 전도성 물질로 이루어진 적어도 2개의 코일을 포함하며, 전기적 여자시 상기 로터가 시계방향과 반시계방향 각각으로 ½회전 이하로 회전하도록 작동되는 토오크 모터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자는 적층형 재료로 이루어지는 토오크 모터.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자의 상기 날개부는 상기 코일의 외주부와 거의 일치하는 스테이션으로 축방향으로 연장되는 토오크 모터.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자를 상기 베이스 구조체에 부착하는 수단은 복수개의 관통 볼트를 구비하는 토오크 모터.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 각각의 극 세그먼트 표면부는 상기 코일의 주변부를 지나 가로질러 연장되는 토오크 모터.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 베이스 구조체는 상기 고정자의 중앙을 통해서 연장되는 샤프트를 가지며, 상기 로터는 회전을 위해서 상기 샤프트상에 저널 결합되는 토오크 모터.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 로터는 거의 컵 형상의 구성을 가지는 토오크 모터.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자 웨브는 일 피이스 부재로서 일체형으로 형성되며, 상기 표면부는 상기 웨브중 하나에 부착된 슈우 부재상에 형성되는 토오크 모터.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자의 횡단면은 거의 십자형상이며 상기 코일은 두 개의 대향 배치된 웨브 각각의 주위에 감겨져 있는 토오크 모터.
10. 토오크 모터의 제조 방법에 있어서,

    (a) 거의 실린더형 외부면을 갖는 반경방향 외부로 연장되는 웨브를 구비하는 복수개의 극 세그먼트를 포함하는 강자성체 고정자를 형성하여 상기 고정자를 베이스상에 장착하는 단계와,

    (b) 상기 웨브중 적어도 두개상에 와이어 코일을 감고 상기 극 표면을 상기 웨브를 지나 상기 코일의 외주부까지 상기 실린더형 표면에 대해서 축방향으로 연장하는 단계와,

    (c) 거의 컵형상의 로터를 형성하고 상기 로터의 내주부 주위에 복수개의 자석을 배치하는 단계와,

    (d) 상기 로터를 상기 고정자위에 안착하고 상기 로터를 회전을 위해서 상기 베이스상에 저널 결합시키는 단계를 포함하는 토오크 모터의 제조 방법.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 저널 결합단계는 상기 고정자를 통해서 샤프트를 연장하는 단계를 갖는 토오크 모터의 제조 방법.
12. 제 10 항에 있어서,

    상기 고정자를 형성하는 단계는 적층 단계를 포함하는 토오크 모터의 제조 방법.
13. 제 10 항에 있어서,

    상기 극 표면을 상기 로터의 회전 축에 수직한 방향으로 상기 코일의 외주부를 지나 횡방향으로 연장하는 단계를 더 포함하는 토오크 모터의 제조 방법.