KR101239713B1

KR101239713B1 - 스위칭-레스 ｄｃ 모터

Info

Publication number: KR101239713B1
Application number: KR1020110092430A
Authority: KR
Inventors: 이이수
Original assignee: 이이수
Priority date: 2011-09-14
Filing date: 2011-09-14
Publication date: 2013-03-06
Also published as: WO2013039346A3; WO2013039346A2

Abstract

본 발명은 전류 교번 없이(Switching-less) 직류로 구동되는 DC 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정자의 전기에너지(Active energy)와 회전자의 자기에너지(Passive energy)가 합성되어 모터의 운동에너지(Kinetic Energy)가 고효율이 되게 하는 스위칭-레스 DC 모터에 관한 것이다.
이 모터의 고정자(STATOR)는 비자성체 원판(Non magnetic Disk Board)에 코일을 방사상(Radial to Shaft)으로 휘감아서 분포권선(Distributed Winding)하여 고정자의 양 측면에 자기장(Magnetic Field)을 형성하도록 하여 2개의 회전자 중앙에 위치되도록 구성한다.
이 모터의 회전자(ROTOR)는 상기 고정자의 자계면에 대응되는 크기의 원형·평판형 영구자석 2개(Dual Disk magnetic ROTOR)를 양면 착자하여 고정자의 양측 자계면에 각 자석의 같은 극(N)이 대향되도록 구성한다.
이 모터의 고정자(전기자)에 직류 전기를 통전하면 "맥스웰의 역학적 모델(자기적 원리)"에 따라 회전자는 기동·회전하게 되고, 이 때 회전방향은 "플레밍의 왼손법칙"에 의하여 결정되며, 모터는 고효율과 콘스탄트 파워(Constant-Power)를 제공한다.

Description

스위칭-레스 ＤＣ 모터{Dual Disk Magnet Rotor Switching-less DC Motor}

본 발명은 전류 교번 없이(Switching-less) 직류로 구동되는 DC 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정자의 전기에너지(Active Energy)와 회전자의 자기에너지(Passive Energy)가 합성되어 모터의 운동에너지(Kinetic Energy)가 고효율이 되게 하는 스위칭-레스 DC 모터에 관한 것이다.

21세기 물리학이 해결해야 할 지구촌적 과제는 "에너지 문제"와 "기후변화 문제"의 해결이다. 이 과제의 핵심은 전기자동차이다. 전기자동차, 고속전철, 전투로봇 등의 핵심적 요소기술은 견인모터(Traction Motor)이다. 이 모터는 팬-케이크(Pan-cake) 형의 인-휠(In-Wheel) 모터로서, 고효율과 콘스탄트 파워(Constant Power)를 요구한다. 이 기능을 충족할 수 있는 모터가 개발되어야 할 것이다.

세계를 주도할 차세대 융합기술인 로봇기술은 "노모(老母)를 잘 돌보는 로봇", 로봇 병사의 출현으로 "인간의 피를 흘리지 않는 전쟁"의 실현을 목표로 하고 있다. 로봇기술의 3 요소기술 중 하나가 모터(Servo Motor)기술이다. 이 모터는 양 방향제어(Bidirectional Control)가 원활하고, 우수한 위치 제어기능, 무단변속, 정속기능을 갖고, 플랜지(Flange)형 모터여야 한다. 이를 충족할 혁신적인 모터가 개발되어야 한다.

또한, 가전제품, 자동차 전장, 전자완구, 의료 건강기기 등의 고기능화, 고성능화를 지원하는 요소기술로서, 모터기술의 혁신을 요구하고 있다.

60,000RPM 이상으로 회전하는 스핀들모터(Spindle Motor)는 절삭유를 사용하지 않는 공작기계를 개발할 수 있다. 고속모터가 개발되어야 할 필요성이다.

100,000RPM 이상으로 회전하는 모터는, 원심분리기의 기술 혁신을 가져오고, 300,000RPM 이상의 모터는 신 섬유를 개발할 수 있다고 한다. 초고속 모터가 개발되어야 할 것이다. 초고속 모터는 마그네트 베어링(Magnet Bearing)이 필수적이다.

한편, 지구의 75%는 바다이다. 이제 바다 밑에서 자원을 찾아야 한다. 해저개발에는 침수형 모터(Immersible Motor)가 있어야 한다. 침수형 로봇(Immersible Robot)이 개발되기 위하여 모터기술에 혁신이 있어야 할 것이다.

또한, 자기부상식 고속철도(Mag-Lev)를 실현하기 위해서는 획기적인 리니어 모터(Linear Motor)가 개발되어야 한다. 새로운 모터가 개발되어야 할 필요성이다.

오늘날 기가비트(Giga-Bit), 나노기술(Nano-Technology)의 시대에 모터기술만이 발전이 없는 상태이다.

기존의 AC 모터, DC 모터, BLDC 모터 등은 원통형의 구조로서, 견인모터(Traction Motor)가 요구하는 팬 케이크 모터(Pan-cake Motor)는 제작이 어렵다.

또한, 교번 전류를 사용하는 관계로 속도의 증가에 비례하여 증가하는 와류손실(Eddy Current Loss)과 자기이력손실(Hysteresis Loss)로 인하여 고속에서 기능·성능이 나쁘며, 초고속은 불가능하다.

본 발명은 이상의 문제들을 획기적으로 해결하는 스위칭-레스 DC 모터(Switching-less DC Motor)를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 스위칭-레스 DC 모터를 구성함에 있어서, 고정자는 비자성체의 원형·평판형에 코일을 방사상으로 휘감는 방식으로 분포권선(Distributed Winding)하여 고정자의 양면에 자기장을 구성하고 2개의 회전자의 중앙에 설치하며, 회전자는 상기 고정자의 자계면에 대응되는 크기의 원형·평판형 영구자석 2개를 양면 착자하여 각 회전자의 자계면이 상기 고정자의 양측 자계면에 대향되게 구성하되, 각 회전자의 같은 극이 고정자의 자계면에 대향되게 구성하여, 상기 고정자에 직류 전기를 통전하면 "맥스웰의 역학적 모델"에 따라 회전자는 기동·회전하며, 회전방향은 "플레밍의 왼손법칙"에 의하여 정해지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 고정자는, 코어레스 모터(Core-less Motor)를 성취하기 위하여, 양 측 자계면에 다수의 권선 홈(Winding Ditch)을 구성하고, 한 권선 홈에 다수의 코일을 평행·인접하도록 한 겹으로 분포 권선하여 코어레스 모터를 구성한다.

전술한 구성에 있어서, 파워모터(Power Motor)를 성취하기 위하여, 양측 자계면에 2n개의 규소강판을 적층한 와인딩 코어(Winding Core)를 방사상으로 설치하여 분포권선하되, 각 2개의 와인딩 코어는 평행·인접하도록 설치함으로써 자계면에 자속집중(Magnetic Flux Concentration)이 되도록 구성된다.

또한, 상기 권선은 N등분으로 영역 분할되고, 분할된 각 권선은 독립·다상(Independent Multi-Phase)으로 구성된다.

여기서, 일부의 권선은 모터(Motor)로 기능하고, 나머지의 권선은 제너레이터(Generator)로 기능하여, 모터-제너레이터(Motor-Generator) 일체형으로 구성된다.

또한, 상기 회전자의 자계면 바깥면에 회전자 바깥면과 같은 극이 마주보도록 원형·평판형 자석을 설치하여, 회전자를 부양(levitation)시키는 자석 베어링(Magnet Bearing)을 더 포함한다.

본 발명에 따른 스위칭-레스 직류 모터(Switching-less DC Motor, 이하, "SL DC 모터"라 함)는 다음과 같은 효과가 있다.

1. 본 발명의 SL DC 모터는 전류교번장치(Switching Stage)가 없어 안정성이 높고, 원가가 싸다.

2. 본 발명의 SL DC 모터는 권선이 쉽고, 내부결선(Inter Connection)이 없으므로 자동권선·결선이 용이하다.

3. 본 발명의 SL DC 모터는 영구자석 회전자의 구성이 쉽다.

4. 본 발명의 SL DC 모터는 코어레스 모터(Core-less Motor)나 파워 모터(Power Motor) 제작에 제약이 없다.

5. 본 발명의 SL DC 모터는 플랜지형 모터(Flange type Motor)로 설치·장착이 쉽다.

6. 본 발명의 SL DC 모터는 Outer-Rotor형, Direct-Drive형, Pan-Cake형 In-Wheel 모터의 제작이 용이하다.

7. 본 발명의 SL DC 모터는 침수형 모터(Immersible Motor)의 제작이 용이하다.

8. 본 발명의 SL DC 모터는 선형 모터(Linear Motor)의 제작이 용이하다.

9. 본 발명의 SL DC 모터는 와전류 손실(Eddy Current Loss), 자기이력손실(Hysteresis Loss) 등이 없다.

10. 본 발명의 SL DC 모터는 열, 소음, 진동이 없다.

11. 본 발명의 SL DC 모터는 고효율을 제공한다.

12. 본 발명의 SL DC 모터는 기동시에 강력한 기동토크(Stall Torque)에 무단 변속이 되면서 고속회전시에도 콘스탄트 파워(Constant Power)를 제공한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 직류 모터의 단면을 도시한 개략도,
도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 나타낸 평면도 및 정단면도,
도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고정자를 나타낸 평단면도 및 정단면도,
도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고정자에 사용된 코어를 나타낸 사시도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 4상 모터를 나타낸 예시도, 및
도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석 베어링이 적용된 모터를 나타낸 단면도이다.

본 발명과 본 발명의 실시에 의해 달성되는 기술적 과제는 다음에서 설명하는 바람직한 실시예들에 의해 명확해질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 직류 모터의 단면을 도시한 개략도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 고효율 스위칭-레스 직류 모터(100, Switching-less DC Motor, 이하 "SL DC 모터"라 함)에는 교류전원을 직류전원으로 변환하는 전원부(10), 사용자 제어명령을 입력하기 위한 입력 버퍼부(20), 주파수속도(FV) 변환회로(30), 입력버퍼부(20)와 FV 변환회로(30)의 제어에 따라 고효율 직류 모터(100)를 전압 제어하는 PWM 스테이지(40)가 연결되는 구성을 이룬다. 그리고 SL DC 모터(100)의 샤프트(Shaft, 130)에는 속도를 감지하기 위한 엔코더(50)가 부착되어 FV 변환회로(30)와 연결되어 있다.

본 발명의 SL DC 모터(100)는 2개의 영구자석 회전자(Rotor, 120) 사이에 하나의 고정자(110)가 배치된 구조로 되어 있다. 고정자(110)는 중앙부에 홀이 형성된 원형·평판형으로 방사상으로 코일(112)이 감겨지고, 전류의 흐름으로 자기장이 발생되어 양 측면에 자계면을 형성한다. 회전자(120)는 강력한 영구자석인 네오디뮴 마그네트(Neodymium magnet: Nd₁Fe₁₄B₁)가 이용될 수 있으며, 동일한 극(N-N)이 서로 마주보도록 고정자(110)의 양 측에서 각 자계면을 향하도록 배치된다. 이때, 샤프트(130)와 하우징(150)은 볼 베어링(140)에 의하여 연결될 수 있다.

도 2a 및 2b는 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자를 나타낸 평면도 및 정단면도이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 고정자(110)는, 원형·평판형의 비자성체 원판(Non-magnetic Disk Board, 111)에 직접 코일(112)이 방사상으로 휘감는 방식으로 분포권선하여 양면에 자계면(Magnetic Field)을 형성한다. 이때, 코일이 권선되기 위하여 원판의 양 표면에는 소정의 깊이를 가지는 방사상의 권선 홈(114)이 형성되고, 상기 권선 홈(114)을 따라 코일(112)이 권선된다.

도 3a 및 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고정자를 나타낸 평단면도 및 정단면도이고, 도 3c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 고정자에 사용된 코어를 나타낸 사시도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 고정자는 코일(112)이 와인딩 코어(113)를 매개로 비자성체 원판(111)에 휘감겨진다.

즉, 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 비자성체 원판(111)의 양면에는 방사상으로 다수개의 코어(113)가 결합되고, 코일(112)은 코어(113)의 권선 홈(114)에 따라 방사상으로 휘감는 방식으로 분포권선하여 양면에 자계면(Magnetic Field)을 형성한다.

한편, 규소강판을 적층하여 구성된 와인딩 코어(113)는 도 3c에 도시된 바와 같이 사각의 막대 형상을 이루며, 일 예로 길이 40mm, 높이 15mm, 폭 10mm의 사각 막대 형상을 이룰 수 있다. 또한, 길이 방향의 상측 중앙부에는 권선 홈(114)이 형성된다. 상기와 같은 코어(113)가 도 3a 및 3b에 도시된 바와 같이, 비자성체 원판(111)에 결합되는데, 권선 홈(114)이 외측으로 향하며, 하측의 일부가 비자성체 원판(111) 내부에 함몰되도록 결합된다. 또한, 원형의 비자성체 원판(111)에 대하여 방사상으로 양 측에서 결합되며, 이웃하는 코어(113)와는 일정한 간격을 이룬다. 이러한 코어(113)의 권선 홈(114)을 따라 코일(112)이 소정의 분포권선으로 휘감겨져 비자성체 원판(111)의 양면에 자계면을 형성하게 된다. 이때, 코어(113)는 비자성체 원판에 하나씩 결합될 수도 있으나, 도시된 바와 같이 2n개씩 한 쌍으로 결합되는 것이 바람직하다. 각 2개의 와인딩 코어(113)는 평행·인접하도록 결합됨으로써 자계면에 자속집중(Magnetic Flux Concentration)이 되게 한다.

상기와 같은 구조의 고정자(110)는 도 1에 도시된 바와 같이 2개의 회전자(120) 중앙에 위치하도록 배치된다. 고정자(110)의 코일(112)에 직류 전기를 통전하면, "맥스웰의 역학적 모델(자기적 원리)"에 따라 양 측의 회전자(120)는 기동·회전하게 된다["맥스웰의 역학적 모델(자기적 원리)"에 의하면 전류가 같은 방향으로 흐르는 두 코일은 서로 끌어당기고, 전류가 반대방향으로 흐르는 두 코일은 서로 밀어내며, 그 힘의 세기는 거리의 제곱에 반비례한다]. 이때, 회전자(120)의 회전 방향은 "플레밍의 왼손법칙"에 의하여 결정되며, 본 발명의 SL DC 모터(100)는 "맥스웰의 역학적 모델(자기적 원리)"에 따라 고효율의 콘스탄트 파워(Constant Power)를 제공한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 4상 모터를 나타낸 예시도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 SL DC 모터(100)는 2개의 영구자석 회전자(Rotor, 120) 사이에 하나의 고정자(Stator, 110)가 배치된다.

여기서 고정자(110)는 원형·평판형의 비자성체 원판(111)에 코일(112)이 방사상으로 휘감는 방식으로 분포권선하여 양면에 자계면을 형성하고, 회전자(120)는 고정자(110)의 자계면에 대응되는 크기의 원형·평판형 영구자석(121) 2개를 양면 착자하여 각 회전자(120)의 자계면이 고정자(110)의 양측 자계면에 대향되게 구성한다. 이때, 회전자(120)의 같은 극이 고정자(110)의 자계면에 대향되도록 구성한다. 즉, 회전자(120) 영구자석(121)의 N-N극이 서로 마주보거나 S-S 극이 서로 마주보도록 배치된다.

한편, 고정자(110)는 코일(112)이 다수개의 영역으로 등 간격으로 분할되어 감겨질 수 있다. 일 예로 도시된 바와 같이, 4개의 영역으로 분할권선되며 리드 선을 통해 각각 PWM 스테이지(도 1의 40)의 +/- 전원과 연결되어, 4상 모터를 구성한다. 이때, 분할되는 영역은 2, 3, 4, 5, …, n개 등 다수의 상(相)으로 분할이 가능하다.

도 5a 및 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 자석 베어링이 적용된 모터를 나타낸 단면도이다. 도 4의 실시예와 같이, 코일(112)이 분할 권선된 구조에서는 각 코일이 모두 입력단자로 사용되거나, 일부는 입력단자로 사용되고, 나머지는 출력단자로 사용될 수 있다.

즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 모든 분할 영역의 코일(112)이 입력단자로 사용되는 경우, 고정자(110)는 코일(112)의 권선 합에 의하여 강한 자력으로 회전자(120)를 구동시키고, SL DC는 모터(Motor)로 기능한다. 또한, 도 5b에 도시된 바와 같이, 일부는 입력단자로 사용되고 나머지는 출력단자로 사용되는 경우 고정자(110)는 입력단자의 전원에 의해 회전자(120)를 구동시키는 모터로 기능하고, 동시에 회전자(120)의 회전에 의하여 출력단자에는 유도 전류가 발생하므로 모터-제너레이터(Motor-Generator)로 기능한다.

한편, 본 발명의 SL DC 모터(100)에서는 회전자(120)를 가이드 하기 위한 베어링으로 자석 베어링(Magnet bearing, 160)이 구비된다. 즉, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 회전자(120)의 자계면 바깥면에 원형·평판형 자석 베어링(160)이 설치된다. 이때, 자석 베어링(160)은 회전자(120) 사이에 척력이 작용하도록 회전자(120)의 바깥면과 같은 극이 회전자(120)를 마주보도록 설치된다. SL DC 모터(100)의 하우징(150) 내부에서 자석 베어링(160)이 회전자(120)를 부양(levitation)시키게 되므로, 하우징(150) 또는 볼 베어링(도 1의 140)에 의한 어떠한 마찰력이 발생하지 않아 초고속 회전이 가능하다.

이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

10 : 전원부 20 : 버퍼부
30 : FV 변환회로 40 : PWM 스테이지
50 : 엔코더
100 : SL DC 모터
110 : 고정자 111 : 비자성체 원판
112 : 코일 113 : 규소강판 와인딩 코어
114 : 권선 홈
120 : 회전자 121 : 영구자석
130 : 샤프트
140 : 볼 베어링
150 : 하우징
160 : 자석 베어링

Claims

스위칭-레스 DC모터를 구성함에 있어서,
고정자는 비자성체의 원형·평판형에 코일을 방사상으로 휘감는 방식으로 분포 권선하여 고정자의 양면에 자기장을 구성하고 2개의 회전자의 중앙에 설치하며,
회전자는 상기 고정자의 자계면에 대응되는 크기의 원형·평판형 영구자석 2개를 양면 착자하여 각 회전자의 자계면이 상기 고정자의 양측 자계면에 대향되게 구성하되, 각 회전자의 같은 극(N-N 또는 S-S)이 고정자의 자계면에 대향되게 구성하되,
상기 고정자는, 코어레스 모터(Core-less Motor)를 성취하기 위하여, 양 측 자계면에 다수의 권선 홈(Winding Ditch)를 구성하고, 한 권선 홈에 다수의 코일을 평행·인접하도록 한 겹으로 분포 권선하여 코어레스 모터를 구성하여,
상기 고정자에 직류 전기를 통전하면 "맥스웰의 역학적 모델"에 따라 회전자는 기동·회전하며, 회전방향은 "플레밍의 왼손법칙"에 의하여 정해지는 것을 특징으로 하는 스위칭-레스 DC 모터.
삭제
제1항에 있어서,
상기 고정자는, 파워모터(Power Motor)를 성취하기 위하여, 양측 자계면에 2n개의 규소강판을 적층한 와인딩 코어(Winding Core)를 방사상으로 설치하여 분포 권선하되, 각 2개의 와인딩 코어는 평행·인접하도록 설치함으로써 자계면에 자속집중(Magnetic Flux Concentration)이 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭-레스 DC 모터.
제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 분포 권선은,
N등분으로 영역 분할되고, 분할된 각 권선은 독립·다상(Independent Multi-Phase)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭-레스 DC 모터.
제4항에 있어서,
일부의 권선은 모터(Motor)로 기능하고, 나머지의 권선은 제너레이터(Generator)로 기능하여, 모터-제너레이터(Motor-Generator) 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭-레스 DC 모터.
제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 회전자의 자계면 바깥면에 회전자 바깥면과 같은 극이 마주보도록 원형·평판형 자석을 설치하여, 회전자를 부양(levitation)시키는 자석 베어링(Magnet Bearing)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭-레스 DC 모터.