KR20030057835A - Axial Core Type Brushless DC Motor - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 액시얼 코어 타입 BLDC 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액시얼 타입의 BLDC 모터의 자기저항을 감소시켜 자속밀도를 증가시킴으로써 모터의 토크를 향상시켜 주는 액시얼 코어 타입 BLDC 모터에 관한 것이다.The present invention relates to an axial core type BLDC motor, and more particularly, to an axial core type BLDC motor that improves torque of a motor by reducing magnetic resistance of an axial type BLDC motor to increase magnetic flux density. .
BLDC 모터를 스테이터 코어의 여부에 따라 분류하면 일반적으로 컵(원통) 구조를 가지는 코어형(또는 레이디얼형)과 코어레스형(또는 액시얼형)으로 나누어진다.When the BLDC motor is classified according to the stator core, it is generally divided into a core type (or radial type) and a coreless type (or axial type) having a cup (cylindrical) structure.
코어형 구조의 BLDC 모터는 내주부에 형성된 다수의 돌기에 전자석 구조를 갖기 위해 코일이 권취된 원통형의 스테이터와 원통형 영구 자석으로 이루어진 로터로 구성된 도 2의 내부 자석형과, 스테이터가 외주부에 형성된 다수의 돌기에 상하 방향으로 코일이 권취되어 있고 그 외부에 다극 착자된 원통형 영구자석으로 된 로터로 구성된 도 1의 외부 자석형으로 분류된다.The core type BLDC motor has an inner magnet type of FIG. 2 consisting of a rotor composed of a cylindrical stator and a cylindrical permanent magnet wound with coils to have an electromagnet structure on a plurality of protrusions formed on the inner circumference, and a plurality of stators formed on the outer circumference. The coil is wound up and down in the up and down direction of the projection of and is classified into the external magnet type of FIG. 1 composed of a rotor made of a cylindrical permanent magnet magnetized outside.
외부 자석형의 경우 도 1에 나타낸 바와 같이, 코일(도면에 미도시됨)이 감겨진 스테이터 코어(1a)가 지지대를 통하여 베이스 상에 고정자로 설치되며, 컵 모양의 회전자가 중심부에 회전축을 통하여 설치되어 상기 고정자 중심에 설치된 베어링을 통하여 자유롭게 회전하며, 회전자 내측면에 영구 자석(1b)이 원형으로 부착되어 상기 고정자에 대하여 소정의 틈새 즉, 공극이 형성되어 있다.In the case of the external magnet type, as shown in Fig. 1, a stator core 1a wound with a coil (not shown in the drawing) is installed as a stator on the base via a support, and a cup-shaped rotor is rotated through a rotating shaft in the center thereof. It is installed and rotates freely through a bearing installed in the center of the stator, the permanent magnet (1b) is attached to the inner side of the rotor in a circular shape, a predetermined gap, that is, a void is formed with respect to the stator.
전원이 인가되면 고정자의 스테이터에 감겨진 코일에 자계가 형성되어 회전자에 설치된 영구자석(1b)에 의한 자속과의 상호 작용에 의해 회전자 케이스가 회전한다.When power is applied, a magnetic field is formed in the coil wound around the stator of the stator, and the rotor case rotates by interaction with the magnetic flux by the permanent magnet 1b installed in the rotor.
상기와 같은 종래의 BLDC 모터에서의 자속의 주 경로는 회전자의 영구자석에서 진행하여 공극을 통하여 고정자의 스테이터를 통하여 다시 영구자석과 요크의 방향으로 진행하는 자기회로를 형성한다.The main path of the magnetic flux in the conventional BLDC motor as described above forms a magnetic circuit traveling in the permanent magnet of the rotor and traveling in the direction of the permanent magnet and the yoke again through the stator of the stator through the gap.
내부 자석의 경우에는 도 2에 나타낸 바와 같이, 코일이 감겨진 스테이터 코어(2a)의 코어가 외부에서 내측방향으로 돌출 형성되어 있고, 각 코어의 내측 종단부가 일정한 지름의 원을 형성하며, 그 내부의 공간에 회전축을 포함한 원통형 영구자석 혹은 중심에 회전축을 포함한 원통형 요크에 링형 영구자석이 부착된 회전자가 장착된다. 모터가 회전하는 방식은 상기 외부자석형과 같다.In the case of the inner magnet, as shown in Fig. 2, the core of the coiled stator core 2a protrudes from the outside inward, and the inner end of each core forms a circle of a constant diameter. A rotor with a ring permanent magnet attached to a cylindrical permanent magnet including a rotating shaft in the space of a cylinder or a cylindrical yoke including a rotating shaft in a center of the space is mounted. The method of rotating the motor is the same as the external magnet type.
이러한 코어형 BLDC 모터는 자기 회로가 축을 중심으로 레이디얼 방향으로 대칭인 구조를 가지고 있으므로 축방향 진동성 노이즈가 적고, 저속 회전에 적합하며, 자로의 방향에 대하여 공극이 차지하는 부분이 극히 적어 성능이 낮은 자석을 사용하거나 자석의 양을 줄여도 높은 자속 밀도를 얻을 수 있으므로 토크가 크고 효율이 높다는 장점을 가지고 있으나, 스테이터를 제작할 때에 요크(yoke, 계철)의 재료 손실이 크고, 양산할 때에 설비 투자 비용이 높다는 단점을 가지고 있다.Since the core type BLDC motor has a structure in which the magnetic circuit is symmetrical in the radial direction about the axis, there is little vibrational noise in the axial direction, suitable for low speed rotation, and extremely small portion of the air gap in the direction of the magnetic path. High magnetic flux density can be obtained even by using low magnet or reducing the amount of magnet, which has the advantage of high torque and high efficiency.However, the material loss of yoke is high when producing stators, and the cost of equipment investment when mass production. This has the disadvantage of being high.
또한, 권선이 어려우며 스테이터 및 로터의 구조가 복잡하며, 박형화가 불리하다는 단점을 가지고 있다.In addition, the winding is difficult, and the structure of the stator and the rotor is complicated, and the thinning is disadvantageous.
한편, 상기한 코어형 BLDC 모터의 단점을 개선하기 위하여, 제안된 종래의 코어레스형 BLDC 모터는 특허공고번호 제 99-213573호를 통해 회전자가 회전할 때 발생되는 축방향 진동을 서로 상쇄시키고 동시에 토크를 2배 이상 증가시킬 수 있는 더블로터 방식의 형태로 제시되어 있다.On the other hand, in order to improve the disadvantages of the core type BLDC motor described above, the proposed conventional coreless type BLDC motor cancels the axial vibrations generated when the rotor rotates through patent publication No. 99-213573 and at the same time It is presented in the form of a double rotor type which can increase the torque by more than two times.
상기 더블로터 타입의 BLDC 모터의 상세한 구조는 도 3a 및 도 3b에 나타낸 바와 같이, 환형의 제 1 및 제 2요크(3k, 3l)에 다수의 자석(3b)이 장착된 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)와, 상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)의 중앙에 부싱을 통해 결합되는 회전축(3j), 상기 회전축(3j)을 회전 가능하게 지지하는 제 1 및 제 2케이스(3f, 3g), 상기 회전축(3j)이 원활하게 회전 가능하도록 상기 제 1 및 제 2케이스(3f, 3g)와 회전축(3j) 사이에 장착되는 제 1 및 제 2베어링(3h, 3i), 상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)에 대한 회전 구동력을 발생하면서 회전 구동력 발생과 관련하여 축방향 진동을 방지하기 위한 스테이터(3a)로 구성된다.Detailed structure of the double rotor type BLDC motor is shown in Figs. 3a and 3b, the first and second rotor in which a plurality of magnets 3b are mounted on the annular first and second yokes 3k, 3l. 3d and 3e, a rotating shaft 3j coupled to the center of the first and second rotors 3d and 3e via bushings, and first and second cases rotatably supporting the rotating shaft 3j. 3f and 3g) and the first and second bearings 3h and 3i mounted between the first and second cases 3f and 3g and the rotation shaft 3j so that the rotation shaft 3j can be rotated smoothly. It is composed of a stator 3a for preventing axial vibration in connection with generating rotational driving force while generating rotational driving force for the first and second rotors 3d and 3e.
상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)에 장착되는 다수의 자석(3b)은 인접한 자석에 대하여 서로 대향된 극성을 가지게 배치되며, 특히 상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)를 구성하는 제 1 및 제 2요크(3k, 3l)에 서로 대향된 극성을 가지게 배치된다.The plurality of magnets 3b mounted on the first and second rotors 3d and 3e are arranged to have polarities opposite to each other with respect to adjacent magnets, and particularly constitute the first and second rotors 3d and 3e. The first and second yokes 3k and 3l are disposed to have polarities opposite to each other.
그리고, 상기 스테이터(3a)는 상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)의 사이에 소정의 간극을 두고 설치되며, 인가된 DC 전류에 응답하여 상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)에 전자기력을 인가하기 위한 다수의 보빈레스 코일(3c)이 권선되어 있다.In addition, the stator 3a is provided with a predetermined gap between the first and second rotors 3d and 3e, and the first and second rotors 3d and 3e in response to an applied DC current. A plurality of bobbinless coils 3c are wound to apply electromagnetic force to them.
상기 코일(3c)은 각각 상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)의 대응한 자석(3b)이 반대 극성을 가질 때 동일한 축방향 극성 방향을 가지는 자기 플럭스를 발생하며, 상기 제 1 및 제 2로터(3d, 3e)에 반대 방향으로 인가되는 전자기력을 발생하도록 전류가 공급된다.The coil 3c generates magnetic flux having the same axial polarity direction when the corresponding magnets 3b of the first and second rotors 3d and 3e have opposite polarities, respectively, and the first and second The current is supplied to generate the electromagnetic force applied in the opposite directions to the two rotors 3d and 3e.
상기와 같은 종래의 더블로터 방식의 BLDC 모터는 상기 제 1 및 제2로터(3d, 3e)의 중간에 각각 다수의 권선된 코일(3c)이 PCB에 실장된 구조를 가지고 있어, 전체적으로 스테이터(3a) 및 회전축(3j)에 대하여 대칭 구조의 자기 회로를 형성한다.The conventional double rotor type BLDC motor has a structure in which a plurality of wound coils 3c are mounted on a PCB in the middle of the first and second rotors 3d and 3e, respectively, and thus the stator 3a as a whole. ) And a magnetic circuit having a symmetrical structure with respect to the rotation axis 3j.
이 경우 대응하는 스테이터(3a)의 코일(3c) 권선 방향과 전류 흐름 방향이 설정되어 있다.In this case, the winding direction and the current flow direction of the coil 3c of the corresponding stator 3a are set.
따라서, 제 1 및 제 2로터는 스테이터에 의해 서로 반대 방향의 흡인력 또는 반발력을 받게 되어 스테이터에 의해 제 1 및 제 2로터에 작용되는 흡인력 또는 반발력은 서로 상쇄되므로 로터의 축방향 진동은 최소화된다.Accordingly, the first and second rotors are subjected to suction or repulsive forces in opposite directions by the stator so that the suction or repulsive forces acting on the first and second rotors by the stator cancel each other, thereby minimizing the axial vibration of the rotor.
더욱이 제 1 및 제 2로터 및 스테이터에 의해 단일 로터 구조보다 스테이터 코일이 2배로 증가하고, 필드 자석 또한 2배 증가하였으므로 구동 전류 및 자속 밀도가 2배로 증가한다. 그 결과 단일 로터 구조보다 적어도 2배 이상의 토크를 얻을 수 있다.Furthermore, the first and second rotors and the stator double the stator coils and the field magnets twice as well as the single rotor structure, thereby doubling the drive current and magnetic flux density. The result is at least twice as much torque as a single rotor structure.
액시얼 코어리스 방식의 모터는 여러 장점을 가지고 있으나, 전기자 권선이 차지하는 부분이 공극으로 형성되어 있으므로 자기 저항이 높아 사용한 자석의 양에 비하여 공극의 자속 밀도가 낮다.The axial coreless motor has several advantages, but since the portion occupied by the armature winding is formed by the air gap, the magnetic flux density of the air gap is lower than that of the used magnet due to the high magnetic resistance.
다시 말하면, 도 6에서와 같이 자석 m1∼m4에 의하여 형성되는 자기 회로에서 자석 m1과 m2, 자석 m3과 m4 사이에 형성된 공극(G) 부분에서 자기 저항이 매우 크게 증가하여 자속의 손실이 발생하기 때문에 모터의 효율이 저하되는 것이다.In other words, in the magnetic circuit formed by the magnets m1 to m4, as shown in FIG. 6, the magnetic resistance is greatly increased in the space G formed between the magnets m1 and m2 and the magnets m3 and m4, resulting in loss of magnetic flux. Therefore, the efficiency of the motor is reduced.
또한, 높은 토크의 모터를 구현하기 위해 전기자 권선의 권수를 증가시키려면 공극을 더 증가시켜야 하기 때문에 자속 밀도가 오히려 감소하여 효율이 더 감소하는 결과를 초래한다.In addition, to increase the number of turns of the armature winding to realize a high torque motor, the air gap must be further increased, resulting in a decrease in the magnetic flux density, resulting in a further decrease in efficiency.
따라서, 액시얼 코어리스 방식의 모터는 동등 출력의 레이디얼 코어 타입에 비하여 고성능 자석을 사용하거나 자석의 양을 증가시켜하는 특징을 가지고 있으며 궁극적으로 제품의 가격을 상승시키는 문제점을 안고 있다.Therefore, the axial coreless motor has a feature of using a high-performance magnet or increasing the amount of the magnet compared to the radial core type of the equivalent output, and ultimately has a problem of raising the price of the product.
따라서, 본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 액시얼 갭 타입의 BLDC 모터에서 전기자 스테이터가 존재하는 영역인 공심에 자성체 코어를 도입하여 공극의 간격을 최소한으로 줄여서 자기 저항을 감소시킴으로써 자기 효율을 높이면서 기존의 액시얼 갭 타입이 안고 있는 장점을 유지하고, 기존의 설비를 이용함으로써 설비 투자 비용이 절감되고, 생산성이 높고 효율이 높은 액시얼 코어 타입의 BLDC 모터를 제공하는데 있다.Accordingly, the present invention has been made in view of the problems of the prior art, and its object is to introduce a magnetic core into an air core, an area in which an armature stator exists in an axial gap type BLDC motor, thereby reducing the gap between pores to a minimum. By reducing the resistance, it maintains the advantages of the conventional axial gap type while increasing the magnetic efficiency, and reduces the capital investment cost by using the existing equipment, and uses the axial core type BLDC motor with high productivity and efficiency. To provide.
도 1은 종래의 외부 자석형 코어타입 BLDC 모터의 구조를 설명하기 위한 단면도.1 is a cross-sectional view for explaining the structure of a conventional external magnetic core type BLDC motor.
도 2는 종래의 내부 자석형 코어타입 BLDC 모터의 구조를 설명하기 위한 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view for explaining the structure of a conventional internal magnet core type BLDC motor.
도 3a, 도 3b는 종래의 더블 로터 방식 코어리스타입 BLDC 모터의 구조를 설명하기 위한 평면도와 단면도.3A and 3B are a plan view and a sectional view for explaining the structure of a conventional double rotor type coreless type BLDC motor;
도 4a∼도 4c는 공극을 가지는 토로이달 영구자석을 설명하기 위한 설명도.4A to 4C are explanatory diagrams for explaining a toroidal permanent magnet having voids;
도 5는 자기 회로를 설명하기 위한 설명도.5 is an explanatory diagram for explaining a magnetic circuit;
도 6은 기존 액시얼 갭 타입의 자기회로를 설명하기 위한 설명도.6 is an explanatory diagram for explaining a conventional axial gap type magnetic circuit;
도 7a∼도 7c는 본 발명에 따른 듀얼 로터 방식의 BLDC 모터의 구조를 설명하기 위한 단면도.7A to 7C are cross-sectional views illustrating the structure of a dual rotor type BLDC motor according to the present invention.
도 8은 본 발명의 자기 회로를 설명하기 위한 설명도.8 is an explanatory diagram for explaining a magnetic circuit of the present invention;
* 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 케이스의 중심에 회전축을 통하여 회전 가능하게 장착되며, 환형의 제 1 및 제 2요크가 장착된 제 1 및 제 2로터와; 상기 제 1 및 제 2로터의 제 1 및 제 2요크의 내측면에 대향 극성으로 장착되는 다수의 자석과; 다수의 공심이 형성되어 상기 제 1 및 제 2요크 사이에 설치되는 스테이터와; 상기 스테이터의 공심에 장착되는 코어와; 상기 코어에 권선된 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 액시얼 코어 타입 BLDC 모터를 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a first and second rotor rotatably mounted to the center of the case through a rotation shaft, the first and the second yoke is mounted; A plurality of magnets mounted on opposite inner surfaces of the first and second yokes of the first and second rotors with opposite polarities; A stator formed with a plurality of hollow cores and installed between the first and second yokes; A core mounted to the air core of the stator; It provides an axial core type BLDC motor comprising a coil wound on the core.
상기 코어는 자성체로 이루어져, 상기 제 1 및 제 2요크에 부착된 자석에 의하여 형성된 자기 회로의 자속을 집중시키는 것을 특징으로 하며, 상기 코어는 다수의 규소 강판으로 적층되어 이루어지거나 자기적 특성이 우수하면서도 전기저항이 높은 재질의 연자성체 분말(soft magnetic compound) 재질을 소결하여 사용한다.The core is made of a magnetic material, characterized in that to concentrate the magnetic flux of the magnetic circuit formed by the magnets attached to the first and second yoke, the core is made of a plurality of silicon steel sheet or excellent magnetic properties At the same time, it is used by sintering soft magnetic compound material of high electrical resistance material.
상기한 바와 같이 본 발명에서는 액시얼 타입의 BLDC 모터가 가지고 있는 장점을 취하면서 자속의 누설을 최소화시켜서 같은 자속의 조건에서 토크를 높여 주는 이점이 있다.As described above, the present invention has an advantage of minimizing the leakage of magnetic flux while taking advantage of the axial type BLDC motor to increase torque under the same magnetic flux conditions.
(실시예)(Example)
이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부 도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings showing a preferred embodiment of the present invention described above in more detail.
첨부한 도면, 도 7a∼도 7c는 본 발명에 따른 듀얼 로터 방식의 BLDC 모터의 구조를 설명하기 위한 단면도, 도 8은 본 발명의 자기 회로를 설명하기 위한 설명도이다.7A to 7C are cross-sectional views for explaining the structure of a dual rotor type BLDC motor according to the present invention, and FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining the magnetic circuit of the present invention.
본 발명에 대하여 설명하기 전에 이상적인 자기 회로에 대하여 설명한다. 도 4a와 같이 공극(lg)을 가지는 토로이드 형태의 자석이 있고, 공극(lg)에 높은 투자율의 자성체 보조물로 채워져 있을 때 자석의 상태는 도 4c의 감자 곡선 상의 a 위치라고 생각할 수 있다. 이 상태는 외부 자계가 없는 상태에서 Bm값(자속 밀도)이 가장 높은 점으로 자기 저항이 가장 낮은 상태라고 말할 수 있다.Before describing the present invention, an ideal magnetic circuit will be described. Condition of the magnet when there is also have a toroidal shape of the magnet with an air gap (l g), such as 4a, filled with a magnetic material aid of high permeability to the air gap (l g) may be thought of as a position on the demagnetization curve of Figure 4c . This state is the state with the highest B m value (magnetic flux density) in the absence of an external magnetic field and can be said to have the lowest magnetoresistance.
이 상태에서 보조물이 제거되면 공기의 투자율은 보조물보다 낮기 때문에 자기 회로의 자기 저항(릴럭턴스)이 증가하고 자석의 상태는 감자 곡선 상(도 4c)의b점으로 이동한다. 자속 밀도 Bm이 감소하는 것이다.When the auxiliary is removed in this state, the magnetic permeability (reluctance) of the magnetic circuit increases because the permeability of air is lower than that of the auxiliary, and the state of the magnet moves to point b on the potato curve (Fig. 4C). The magnetic flux density B m decreases.
공극이 존재하는 부분을 제외하면 자속은 자석 내에만 분포할 것이며, 자석의 단면에 일정하게 분포할 것이다. 공극에서는 도 4b에서처럼 자속 분포에 약간의 퍼짐 현상이 존재하며, 따라서 공극의 단면적 Ag는 자석의 단면적 Am보다 약간 크다고 간주되어야 할 것이다.Except for the presence of voids, the magnetic flux will be distributed only within the magnet and will be uniformly distributed in the cross section of the magnet. In the voids there is some spreading phenomenon in the flux distribution as in FIG. 4b, so the cross-sectional area A g of the voids should be considered to be slightly larger than the cross-sectional area A m of the magnet.
자계에 대한 암페어 적분 법칙을 적용하면 자유 전류가 없으므로 수학식 1이 되고, 이를 다시 쓰면 수학식 2가 된다.The application of the ampere integration law for the magnetic field results in Equation 1 because there is no free current.
수학식 2를 통해서 공극의 존재는 영구 자석의 내부에 자속의 반대 방향과 반대 방향의 자계(감자계)를 적용시키는 것과 같은 효과를 유발한다는 사실을 알 수 있다(Hm과 Hg의 부호가 반대).It can be seen from Equation 2 that the presence of voids causes an effect such as applying a magnetic field (magnetic field) in the opposite and opposite directions of the magnetic flux inside the permanent magnet (H m and H g Opposition).
회로 전체를 통틀어 자속은 연속이어야 하므로, 수학식 3과 같이 성립하고, 공극에서의 자속 밀도와 자계와의 관계는 수학식 4와 같으므로, 수학식 1 및 수학식 2에 의해 수학식 5를 얻을 수 있다.Since the magnetic flux must be continuous throughout the circuit, it is established as in Equation 3, and the relationship between the magnetic flux density in the gap and the magnetic field is the same as in Equation 4. Therefore, Equation 5 can be obtained by Equation 1 and Equation 2. Can be.
여기서, 상기 μ0는 진공 혹은 공기의 투자율로 SI 단위계에서 4π×10-7[N/A2] 혹은 4π×10-7[H/m]의 값을 가지며, 공간에 분포하는 자계와 자속 밀도의 관계를 나타내 주는 계수이다. 철과 같은 강자성체의 투자율은 약 5000μ0에 이르는 경우도 있다. 자기 저항 Rm은 l/μS로 나타낼 수 있는데, l은 자속이 지나는 자기 회로의 길이, S는 단면적을 나타낸다. 이 식에서 투자율은 자기 저항에 반비례함을 알 수 있다.Here, μ 0 is the permeability of vacuum or air and has a value of 4π × 10 −7 [N / A 2 ] or 4π × 10 −7 [H / m] in the SI unit system, and magnetic field and magnetic flux density distributed in space. Coefficient representing the relationship between. Ferromagnetic materials such as iron sometimes have a magnetic permeability of about 5000 μ 0 . The magnetoresistance R m can be expressed as l / μS, where l is the length of the magnetic circuit through which the magnetic flux passes and S is the cross-sectional area. In this equation, the permeability is inversely proportional to the magnetoresistance.
수학식 5는 도 4c의 직선(0,b)을 나타내는 식인데, 감자 곡선과의 교점 b가 보조물을 제거한 상태의 자기적 상태(동작점)를 나타낸다. 이러한 직선의 기울기를 나타내는 값을 퍼미언스 계수라고 한다.Equation 5 is a formula representing the straight line (0, b) of Figure 4c, the intersection of the potato curve b represents the magnetic state (operation point) in the state of removing the auxiliary. The value representing the slope of such a straight line is called a permission coefficient.
상기 분석에 의하면 공극을 가진 영구자석의 동작점은 자석의 형상과 감자 곡선에 의해 결정된다는 것을 알 수 있다. 그러나 실제 상황과는 거리가 멀기 때문에 도 5에서와 같은 좀더 현실적인 상황에 대해서 생각해 볼 수 있다. 자기 회로에서 자석(5a)이 차지하는 부분은 일부에 불과하며, 대부분의 자속이 지나는 경로(pole piece)는 자기 저항이 낮고 투자율이 높은 재질로 되어 있으며, 자성체 보조물(5b)이 삽입된 공극을 가지고 있다. 따라서 자석(5a)에 의하여 발생된 전체 자속(φm)앞에서와 마찬가지로 대부분의 자속(φg)이 폴피스를 통과하게 된다. 만약 보조물이 제거되는 경우를 생각해 본다면 약간의 자속이 누설되어 공극을 통과하지 않고 도 5에서 φl로 표시된 것처럼 상하의 폴피스 사이의 공간으로 지나가게 된다. 이러한 상황을 나타내기 위하여 누설 계수 q가 수학식 6에 포함되어야 한다.The analysis shows that the operating point of the permanent magnet with voids is determined by the shape of the magnet and the potato curve. However, since it is far from the actual situation, a more realistic situation as shown in FIG. 5 can be considered. The magnet 5a occupies only a part of the magnetic circuit, and most of the magnetic poles have a low magnetic resistance and a high permeability, and have pores in which the magnetic aid 5b is inserted. have. Therefore, as in the front of the total magnetic flux φ m generated by the magnet 5a, most of the magnetic flux φ g passes through the pole piece. If we consider the case where the auxiliary is removed, a small amount of magnetic flux will leak and pass through the space between the upper and lower pole pieces as indicated by φ l in FIG. In order to indicate this situation, the leakage coefficient q should be included in Equation 6.
상기 q는 (자석 내부의 자속)/(공극에서의 자속)으로 정의되며, Bm과 Hm과의 관계는 수학식 7과 같이 정의된다.Q is defined as (magnetic flux in the magnet) / (magnetic flux in the void), and the relationship between B m and H m is defined as in Equation (7).
상기 설명에서 다음과 같은 사실을 알 수 있다.In the above description, the following facts can be seen.
1. 영구자석의 상태(동작점)는 자석의 고유특성인 감자 특성과 자석의 크기, 자기회로의 구성에 의해 결정된다.1. The state (operating point) of a permanent magnet is determined by the demagnetization characteristics, the size of the magnet, and the configuration of the magnetic circuit.
2. 동작점의 자속 밀도는 다른 조건들이 같다면 자석이 자화된 방향으로 길수록 커지고 자화 방향과 수직인 면의 면적이 작을수록 커진다.2. The magnetic flux density at the operating point increases if the magnets are the same in the same direction, and the smaller the area of the plane perpendicular to the magnetization direction is.
3. 자기회로의 일부분에 공극과 같이 자기 저항이 큰 부분이 존재할 경우 자속 밀도는 감소한다. 공극의 길이가 길수록 자속 밀도는 감소한다.3. The magnetic flux density decreases when there is a part of the magnetic circuit with a large magnetic resistance such as a void. The longer the pore length, the lower the magnetic flux density.
4. 자기회로의 자기 저항이 클수록 자속밀도는 감소하며, 자석 내부의 자속과 반대 방향의 자계(Hm, 감자계)는 커진다.4. The greater the magnetic resistance of the magnetic circuit, the lower the magnetic flux density, the larger the magnetic field (H m , potato) in the opposite direction to the magnetic flux inside the magnet.
따라서, 본 발명에서는 기존의 액시얼 갭 타입의 BLDC 모터에서 전기자 스테이터가 존재하는 영역인 공심에 자성체 코어를 도입하여 공극의 간격을 최소한으로 줄여서 자기 저항을 감소시킴으로써 자기 효율을 높이면서 기존의 액시얼 갭 타입이 안고 있는 장점을 유지하는 BLDC 모터를 제공하는 것이다.Therefore, in the present invention, by introducing a magnetic core in the air core, which is the region where the armature stator exists in the conventional axial gap type BLDC motor, by reducing the gap of the air gap to the minimum to increase the magnetic efficiency while increasing the magnetic efficiency of the conventional axial It is to provide a BLDC motor that retains the advantages of the gap type.
도 7a, 도 7b에 본 발명에 따른 더블로터 방식의 BLDC 모터의 구조를 나타내었다.7A and 7B illustrate the structure of a double rotor type BLDC motor according to the present invention.
본 발명에 따른 BLDC 모터는 케이스(10, 11)의 상하 중심에 베어링(17, 18)을 통하여 회전 가능하게 장착된 회전축(15)과; 상기 회전축(15)에 장착되어 같이 회전하는 제 1 및 제 2로터(21, 22)와; 상기 제 1 및 제 2로터(21, 22)에 대향 극성으로 장착되는 다수의 자석(27, 28); 상기 제 1 및 제 2로터(21, 22)의 사이에 설치되는 스테이터(30); 상기 스테이터(30)에 권선되는 코일(35); 상기 코일이 권선되는 스테이터의 공심에 장착되어 자기 회로를 형성하는 코어(40) 등으로 구성된다.BLDC motor according to the present invention comprises a rotating shaft 15 rotatably mounted through the bearing (17, 18) in the upper and lower center of the case (10, 11); First and second rotors 21 and 22 mounted on the rotating shaft 15 to rotate together; A plurality of magnets 27 and 28 mounted on the first and second rotors 21 and 22 with opposite polarities; A stator (30) installed between the first and second rotors (21, 22); A coil 35 wound around the stator 30; And a core 40 mounted on the air core of the stator to which the coil is wound to form a magnetic circuit.
상기 다수의 자석(27, 28)은 인접한 다른 자석에 대하여 서로 반대 방향의 극성을 가지게 배치되고, 상기 제 1 및 제 2로터(21, 22)를 구성하는 제 1 및 제 2요크(25, 26)에 대해서도 서로 대향된 극성을 가지게 배치되어야 한다.The plurality of magnets 27 and 28 are disposed to have polarities in opposite directions with respect to other adjacent magnets, and the first and second yokes 25 and 26 that constitute the first and second rotors 21 and 22. ) Should be arranged with polarities opposite to each other.
그리고, 상기 코어(40)는 상기 제 1 및 제 2요크(25, 26) 사이에 배치된 스테이터(30)의 공심에 배치되는데, 상기 코어(40)에는 코일(35)이 권선된다.The core 40 is disposed at an air core of the stator 30 disposed between the first and second yokes 25 and 26, and a coil 35 is wound around the core 40.
상기 코어(40)의 구조는 도 7c에 나타낸 바와 같이, 모터의 회전시에 발생할 수 있는 맴돌이 전류(eddy current)에 의한 자속의 손실을 방지하기 위하여 규소 강판을 적층하여 사용하거나 투자율이 높으면서도 전기 저항이 높은 연자성체 분말(soft magnetic compound)을 소결하여 사용한다 이 경우 코어의 형상을 좀더 자유롭게 만들 수 있다.As shown in FIG. 7C, the core 40 has a structure in which a silicon steel sheet is laminated or high permeability to prevent loss of magnetic flux due to eddy current that may occur when the motor rotates. Soft magnetic compound with high resistance is sintered and used. In this case, the shape of the core can be made more free.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 도 8에서 보는 바와 같이, 자석 m1∼m4와 코어(40)에 의하여 형성되는 자기 회로에서 도 6에 나타낸 바와 같은 실시예와 달리, 자석 m1과 m2사이와 자석 m3와 m4 사이에 코어(40)가 삽입되어 자기 회로를 형성하고, 자석과 코어(40) 사이에 형성된 공극(G1, G2)의 경로가 매우 짧기 때문에 이상적으로 폐쇄된 자기 회로에 가깝게 형성하기 때문에 기존 타입의 자기 회로에 비하여 자속의 손실이 거의 발생하지 않는 것이다.As shown in FIG. 8, the present invention configured as described above differs between the magnets m1 and m2 and the magnet m3 in the magnetic circuit formed by the magnets m1 to m4 and the core 40, as shown in FIG. 6. The core 40 is inserted between and m4 to form a magnetic circuit, and since the paths of the gaps G1 and G2 formed between the magnet and the core 40 are very short, they are ideally formed close to the closed magnetic circuit. Compared to the magnetic circuit of the type, the loss of magnetic flux is hardly generated.
다시 말하면, 도 8에서 코어(40)가 차지하는 부분은 위에서 언급한 바와 같이 투자율이 높은 재질로써 자속을 유도하는 가이드 역할을 하므로 공극으로 볼 수 없으며, 이상적인 경우 즉, 자속의 누설이 없는 경우 길이(lm)가 변해도 영향은 적다.In other words, the portion occupied by the core 40 in FIG. 8 is a material having a high permeability and serves as a guide for inducing magnetic flux, and thus cannot be viewed as a void. Even if l m ) changes, the effect is small.
기존의 액시얼 갭 타입 모터는 공극에 고정자 권선이 위치하므로 레이디얼코어 타입에 비하여 퍼미언스 값이 낮을 수밖에 없으며 자석 사이의 공간을 늘이면 자속 밀도는 더 낮아지므로 고정자 권선이 차지하는 공간에도 제약이 있으며, 따라서 권선 제조 시에 최대한 정렬하여 점적율을 높여야만 했다. 또한 공심 코일의 형상에 따라 모터의 특성이 많이 달라질 수 있었다. 그러나 이 부분에 레이디얼 코어 타입에서처럼 자기적으로 도체인 재질로 코어(40)를 위치시킨다면 코어(34)의 높이를 변화시켜도 공극만 일정하게 유지시킨다면 자기회로에 거의 영향을 미치지 않으며, 권선을 고도로 정렬할 필요도 없다.In the conventional axial gap type motors, stator windings are located in the air gap, so the permeability value is inferior to that of the radial core type. Therefore, the winding ratio had to be aligned as much as possible during manufacture of the winding. In addition, the characteristics of the motor could vary depending on the shape of the air core coil. However, if the core 40 is placed in a magnetically conductive material as in the radial core type, however, if the height of the core 34 is kept, only the air gap is kept constant, the magnetic circuit is hardly affected. There is no need to sort.
또한, 레이디얼 타입에서는 돌극과 돌극이 서로 연결되어 자로를 형성시키기 위해 고정자 코어가 일체형으로 되어 있어 투자비가 높고 재료 손실이 크나 본 발명의 경우 상하의 자석과 요크가 이 역할을 대신하고 있으므로 코어를 간단한 형상으로 분할하여 적용할 수 있으므로 제조에 필요한 설비 투자 비용을 감소시킬 수 있으며 재료 손실도 거의 없다.In addition, in the radial type, the stator cores are integrated to form a magnetic path by connecting the salient poles and the salient poles, so that the investment cost is high and the material loss is large. The application can be divided into shapes, reducing the capital investment required for manufacturing and almost no material loss.
공심 코일에서 발생하는 힘은 로렌츠의 힘이라고 불리는, 자속 밀도(B field) 내부에서 전류가 흐르는 도선이 받는 힘으로 설명될 수 있는데, 공심 코일의 회전방향과 평행한 부분은 발생하는 힘의 방향이 레디이얼(회전방향과 수직) 방향으로 모터의 토크에 기여하는 성분이 없다. 자기 회로에 코어가 포함되면 실제로 권선이 위치한 부분의 자속 밀도는 아주 작은 값이며 영구자석에 의한 자속과 도선에 흐르는 전류에 의한 자기장이 대부분 코어 내부를 통과하며(가이드 작용), 이 과정에서 발생하는 에너지(전류에 의한 자계와 영구자석에 의한 자속 밀도의 곱에 비례함)의 변화에 의해 힘(magnetization force)과 토크가 발생한다.The force generated in the air core coil can be described as the force received by the conducting wire in the magnetic flux density (B field) called Lorentz force. The part parallel to the rotation direction of the air core coil is the direction of the generated force. There is no component contributing to the torque of the motor in the radial direction. When the core is included in the magnetic circuit, the magnetic flux density of the part where the winding is actually located is a very small value, and most of the magnetic field caused by the magnetic flux caused by the permanent magnet and the current flowing through the conductor passes through the core (guide action). Magnetization forces and torques are generated by changes in energy (proportional to the product of magnetic field due to current and magnetic flux density by permanent magnets).
기존의 레이디얼 코어 타입 모터는 코어 형상이 복잡하여 권선이 어렵고 따라서 고가의 장비를 갖추어야 한다.Conventional radial core type motors have a complicated core shape, which makes winding difficult and therefore requires expensive equipment.
본 발명은 도 7c와 같은 실리콘 스틸(규소 강판) 재질로 된 강판을 이용하여 상하로 분리 적층하거나 연자성 분말 소결품을 상하로 분리 제조한 후에 일반 트랜스포머 제조 방식에 의해 절연체 보빈에 먼저 권선을 한 후, 이 보빈에 분리 된 코어 일부를 먼저 삽입하고, 반대 방향에 나머지 부분을 삽입하고 코킹에 의해 두 부분을 접착시켜서 코어(40)를 완성한다.According to the present invention, after winding up and down by using a steel sheet made of silicon steel (silicon steel sheet) as shown in FIG. 7C or separately manufacturing a soft magnetic powder sintered product up and down, the windings are first wound on the insulator bobbin by a general transformer manufacturing method. After that, a part of the separated core is first inserted into the bobbin, the other part is inserted in the opposite direction, and the two parts are bonded by caulking to complete the core 40.
이렇게 하여 제조된 전기자를 인쇄 회로기판에 배열하여 고정시키고 결선한 후 사출 성형하면 스테이터(30)가 완성된다.The stator 30 is completed by arranging the armature thus manufactured on a printed circuit board, fixing the wiring, and then injection molding.
상기와 같이 완성된 스테이터(30)에 제 1 및 제 2로터(21, 22)와 회전축(15)을 결합시키고, 케이스(10, 11)를 조립하면 모터가 완성된다.The first and second rotors 21 and 22 and the rotation shaft 15 are coupled to the completed stator 30 as described above, and the cases 10 and 11 are assembled to complete the motor.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명은 액시얼 타입의 BLDC 모터의 자기 회로를 이상적인 자기 회로에 가깝게 개선하여 자기 효율을 높여서 모터의 토크를 증가시켜 주는 효과를 제공한다.The present invention made as described above provides the effect of increasing the torque of the motor by improving the magnetic efficiency of the axial type BLDC motor close to the ideal magnetic circuit.
이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예로 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.In the above, the present invention has been illustrated and described with reference to specific preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above-described embodiments and the general knowledge in the technical field to which the present invention pertains without departing from the spirit of the present invention. Various changes and modifications will be made by those who possess.
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