KR20080051141A - 비대칭 극을 갖는 직류 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자에 회전 가능하게 배치된 자화된 회전자와 함께 상기 고정자를 가지는 모터에 관한 것이다. 상기 고정자 및 회전자는 각각 적어도 2개의 자극들을 가진다. 고정자 극들 중의 적어도 하나는 다른 고정자 극들과는 다른, 상기 회전자의 극들에 직면하는 영역을 가진다. 에어 갭은 상기 적어도 2개의 고정자 극들 및 적어도 2개의 회전자 극들의 각각 사이에 위치한다. 각각의 고정자 극 및 각각의 회전자 극간의 에어 갭의 간격은 상이하다. 상기 고정자 극들 중의 적어도 하나의 주위에 배치되는 보빈 위에 코일이 감겨진다. 상기 고정자 극들의 직면 영역을 바꾸는 것은 더 큰 보빈 및 코일이 고정자 극의 주위에 배치될 수 있게 한다.

Description

비대칭 극을 갖는 직류 모터{DC MOTOR WITH ASYMMETRICAL POLES}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 2005년 10월 6일에 출원된 미국 출원 번호 제11/245,340호의 이익을 청구한다. 상기 출원의 내용은 참고사항으로서 본 명세서에 포함되어 있다.

본 발명은 개조된 고정자 극들(stator poles)을 가지는 무 브러시(brushless) 직류 모터들을 지향하고 있다.

원하는 작동 (action)이 명령 신호에 응답하여 부품들을 위치시키기 위한 것인 용도들을 포함한 수 많은 용도들에 전기 모터들은 사용되나 그 사용이 이 용도들에 한정되지는 않는다. 이 용도들을 위한 장치들은 모터 토크를 증가시키기 위하여 기어 감속과 같은 어떠한 형태의 기계적 이점을 포함할 수 있는 전기 액츄에이터(electrical actuator)들로서 분류된다. 게다가, 복귀 스프링(return spring)은 전류가 인가되지 않는 때에 상기 액츄에이터를 디폴트(default) 위치에 위치시키기 위하여 자주 사용된다. 직류 모터의 전류 운반 권선들이 유용한 토크와 운동을 생성하기 위하여 반응할 수 있는 자기장을 제공하기 위하여, 이러한 액츄에이터들은 회전 부재 또는 고정 부재상에 있는 영구 자석들을 갖는 직류 모터를 일반적으로 이용한다.

모터들은 그들의 동작에 영향을 주는 몇개의 특징들을 가진다. 제1의 특징은 주어진 모터의 치수에 대해 물리적으로 사용될 수 있는 전도체 재료(통상 구리)의 양이다. 일반적으로 모터는 고정자(stator)의 주위에 감긴 전도체 재료의 몇 개의 영역들을 가진다. 일반적으로 증가된 권선 질량은 전기적 열 손실을 감소시키며, 상기 모터는 더 큰 토크를 전달할 수 있다. 모터의 동작을 한정하는 제2의 요인은 비에너지화 또는 보지 토크 (non-energized or detent torque)이다. 이는 전류없이 모터를 회전시키는 데 필요한 토크의 양이다. 이 토크는 각 위치(angular position)의 함수로서 상기 고정자의 자극들과 상기 회전자(rotor)의 개별적인 자극들의 자력(magnetic force)간의 상호작용에 의해 야기된다. 낮은 보지 토크는 상기 모터를 회전시키는 데 필요한 전자기 모터 토크를 최소화할 것이다. 실제 응용들에서, 이는 유용한 토크를 증가시키고 모터 발열을 최소화하는 복귀 스프링 토크를 감소시킬 수 있다.

도1은 종래 기술로서 공지된 모터(10)의 단면 평면도이다. 상기 모터(10)는 작동되는 상기 모터(10)의 부분을 포함하는 고정자(12)를 가진다. 가동(movable) 회전자(14)는 상기 고정자(12)내에서 회전한다. 상기 회전자(14)는 그 외주를 따라서 배열된 극들(16)을 갖는다. 상기 고정자(12)는 상기 회전자(14)상의 상기 극들(16)과 상호 작용하기 위해 기능을 한다. 도1에는, 교호하는 외부 권선 극들(alternating outside winding poles; 22)과 함께 3개의 코일 중심 극들(coil center poles; 20)이 도시되어 있다. 에어 갭(26)은 상기 회전자(14)의 극들(16)과 각각의 코일 중심 극(20)사이와, 상기 회전자(14)의 극들(16)과 각각의 외부 권 선 극(22)사이에 배치된다. 상기 코일 중심 극들(20)은 보빈(bobbin; 21)상에 감긴 전자기 코일(23)을 갖는 상기 보빈(21)을 수용하도록 구성된다. 상기 보빈(21)은 각각의 코일 중심 극(20)에 대해 미끄러져 움직이고 각각의 코일 중심 극(20)을 둘러싸도록 구성된다. 각각의 외부 권선 극(22)은 상기 코일 중심 극들(20)에 의해 발생된 자력들을 균형잡는 기능을 하는 이(tooth)(24)를 갖는다. 이 구조의 문제점은 상기 이(24)가 상기 코일 중심 극들(20)의 주위에 배치될 수 있는 전자기 코일(23)과 상기 보빈(21)의 폭을 억제하는 것이다. 이에 따라, 더 넓은 보빈(21)과 코일(23)이 사용될 수 있는 모터 구조를 갖는 것이 바람직하다.

본 발명은 고정자에 회전 가능하게 배치된 자화된(magnetized) 회전자와 함께 상기 고정자를 가지는 모터에 관한 것이다. 상기 고정자 및 회전자는 각각 적어도 2개의 자극들을 가진다. 상기 고정자 극들의 적어도 하나는 다른 고정자 극들과는 다른, 상기 회전자의 극들과 직면하는 폭 및 영역을 가진다. 에어 갭은 적어도 2개의 고정자 극들 및 적어도 2개의 회전자 극들 각각의 사이에 위치한다. 각각의 고정자 극 및 각각의 회전자 극 간의 에어 갭의 간격은 상이하다. 코일은 상기 고정자 극들의 적어도 하나의 주위에 배치되는 보빈에 감겨진다. 상기 고정자 극들의 직면하는 영역을 바꾸는 것은 보다 넓은 보빈 및 코일이 상기 고정자 극 주위에 배치되게 하는 것이다.

본 발명의 적용 가능성의 추가 영역들은 이하에 제공되는 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하지만 상세한 설명 및 구체적인 예들은 단지 예시를 위한 것으로, 본 발명의 범위를 제한할 의도는 없다고 이해된다.

본 발명은 상세한 설명 및 첨부된 도면으로부터 더 상세하게 이해될 것이다.

도1은 종래 기술의 전자기 모터의 단면 평면도.

도2는 본 발명에 따른 전자기 모터의 단면 평면도.

도3은 도2에 도시된 것과 같은 본 발명에 따른 고정자의 외부 권선 극들과 코일 중심 극의 부분 확대도.

도4는 본 발명의 또 다른 실시예의 측면도.

바람직한 실시예(들)의 다음의 설명은 단지 예시적인 것이며, 본 발명, 그 응용 또는 사용을 제한하려는 의도는 전혀 없다.

도2는 모터(100)를 보여주는 본 발명의 실시예를 나타낸다. 상기 모터(100)는 모터 고정자(102) 및 회전 가능한 자화된 회전자(104)를 포함하는 모터 하우징(101)을 갖는다. 상기 자화된 회전자(104)는 그 외면의 주위에 구성된 5 극 쌍들(pole pairs;106)을 가진다. 상기 극 쌍들(106)은 N극(north pole)이 S극(south pole)에 인접하도록 교호 방식으로 배열된다. 그러나, 이보다 더 적거나 많은 수의 극 쌍을 갖는 것 및/또는 N극과 S극들이 상기와 상이한 구성을 갖는 것들도 본 발명의 범위내에 속한다. 게다가, 각각의 극의 표면적들의 양을 상이하게 하는 것이 또한 가능하다. 예를 들면, S극을 N극 보다 넓게 하는 것과 그 반대로 하는 것 이 가능하다.

상기 회전자(104)가 회전함에 따라, 상기 고정자(102)는 상기 자화된 회전자(104)의 극 쌍들(106)과 상호 작용하도록 구성된다. 도2에 도시된 것처럼, 상기 고정자(102)는 6개의 외부 권선 극들(112)과 함께 3개의 코일 중심 극들(110)을 가진다. 상기 외부 권선 극들(112) 및 코일 중심 극들(110)은 교호 방식으로 배열된다. 상기 코일 중심 극들(110)은 상기 자화된 회전자(104)의 원주의 주위에 등간격으로 배치된다. 상기 극 쌍들(106)은 상기 코일 중심 극들(110) 및 외부 권선 극들(112)에 직접 인접하거나 또는 인접하게 배치된다. 에어 갭(114)은 상기 자화된 회전자(104)의 극 쌍들(106)과 각각의 개별 코일 중심 극(110) 및 각각의 개별 외부 권선 극(112) 사이에 있다.

그 주위에 감긴 전자기 코일(118)과 함께 보빈(116)은 각각의 코일 중심 극(110) 주위에 배치된다. 본 발명의 이 특정 실시예는 이(24)를 가지지 않는다(도1에 도시). 이에 따라, 상기 코일 중심 극(110)의 주위에 상기 보빈(116)과 전자기 코일(118)을 배치하기 위한 더 넓은 간극이 있으므로 상기 보빈(116) 주위에 감긴 전자기 코일(118)은 더 넓어질 수 있다.

상기 고정자(102)의 구성을 바꾸는 것에 의해 더 넓은 전자기 코일(118)을 수용하는 것이 가능하다. 도3은 코일 중심 극(110) 및 하나의 외부 권선 극(112)의 분해도이다. 상기 코일 중심 극(110) 및 상기 외부 권선 극(112)의 폭들 사이에는 차이가 있으며, 이에 따라 더 넓은 전자기 코일이 포함되도록 허용하지만, 두 극들 사이의 폭들에서의 차이는 상기 외부 권선 극(112)과 상기 코일 중심 극(110) 의 자력들을 불균형하게 한다. 상기 불균형된 자력들은 상기 코일 중심 극(110)에서의 에어 갭(114)과 외부 권선 극(112)에서의 에어 갭(114)을 조정함으로써 제어될 수 있다. 도3에 도시된 예에서, 상기 외부 권선 극(112)은 상기 코일 중심 극(110)보다 더 작은 폭을 가지며, 이에 따라, 각각의 극들 사이의 에어 갭(114)은 상이하다. 이는 또한 자력들을 변경하며, 적절히 수행될 때 각각의 코일 중심 극(110) 및 외부 권선 극(112)을 위한 자력이 균형을 이루도록 한다.

상기 회전자(104)의 보지 토크를 제어하기 위한 또 다른 구성은 상기 극 쌍들(106)의 표면적 또는 배열을 조정함으로써 얻어진다. 이에 따라, 각각의 개별 극이 상이한 표면적을 가지는 것이 또한 가능하다. 예를 들면, 보지 토크를 생성하기 위해 N극이 S극보다 더 큰 표면적을 가질 수도 있다.

본 발명은 상기 모터 고정자에 의해 점유된 공간의 양을 최소화하는 이점을 제공한다. 게다가, 보다 큰 전자기 코일(118)을 사용하는 것은 모터 토크를 증가시키고/거나 모터 동작중 경험하게 될 모터 발열 및 마모를 최소화한다.

도4를 참조하여, 본 발명의 또 다른 실시예가 개시된다. 모터(200)는 고정자(202)내에서 회전 가능하게 배치된 회전자(204)와 함께 상기 고정자(202)를 가지는 것으로 도시된다. 상기 회전자(204)는 그 위에 회전 가능하게 배치된 극 쌍들(206)을 가진다. 상기 고정자(202)는 코일 중심 극(210) 및 외부 권선 극(212)을 가진다. 도4에 도시된 것보다 더 적거나 더 많은 수의 고정자 또는 회전자 극들을 가지는 것도 본 실시예의 범위에 속한다. 에어 갭(214)은 상기 회전자(204)의 극 쌍들(206)과 상기 고정자(202)의 극들(210, 212)사이에 위치된다.

본 실시예는 코일 중심 극들(210) 및 외부 권선 극들(212)의 폭들이 넓지 않다는 점에서 다른 실시예들과 상이하지만, 이들은 상기 코일 중심 극(210)이 외부 권선 극(212)보다 더 큰 높이를 갖는다는 점에서 더욱 상이하다. 이에 따라, 상기 고정자 극(210)의 전체 높이가, 이전의 실시예들에서 기술된 더 큰 넓이와는 반대로, 더 크다. 이것은 고정자 극들(210, 212)과 회전자(204)의 극들(206)사이의 동일한 직면 영역이, 이전의 실시예에서 발견되는 것처럼, 얻어지게 한다. 그러나, 본 실시예는, 더 큰 전자기 코일(218)이 상기 코일 중심 극(210)의 주위에 감겨지는 것을 허용하면서 더 두꺼워지는 것과 반대로, 상기 고정자 극(210)을 더 길게 만드는 이점을 제공한다.

본 발명의 설명은 고정자에 감긴 코일을 가지는 모터에 관한 것이나, 회전자에 배치된 코일을 가지는 모터에 적용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 이러한 모터들은 상기 회전자에 장착된 코일에 전기 구동을 행하는 방법을 사용한다. 이러한 방법의 하나는 브러시 및 정류기를 사용하는 것이 될 것이다.

본 발명의 설명은 단지 예시적이며, 이에 따라 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 변형들은 본 발명의 범위내에 포함된다. 이러한 변형들은 본 발명의 정신과 범위를 벗어난 것으로 간주되지 않는다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 개조된 고정자 극들(stator poles)을 가지는 무 브러시(brushless) 직류 모터들에 이용된다.

Claims (16)

1. 적어도 2개의 자기 고정자 극들을 가지는 고정자; 및

   상기 고정자에 회전 가능하게 배치된 회전자를 포함하고, 상기 회전자는 적어도 2개의 자기 회전자 극들을 가지고, 상기 적어도 2개의 고정자 극들의 각각은 상기 적어도 2개의 회전자 극들과 직면하는 상이한 영역을 가지며;

   각각의 상기 적어도 2개의 회전자 극들 및 상기 적어도 2개의 고정자 극들간의 에어 갭을 포함하고, 각각의 상기 적어도 2개의 고정자 극들 및 상기 적어도 2개의 회전자 극들간의 상기 에어 갭의 간격은 상이하며;

   상기 적어도 2개의 고정자 극들 중의 상기 적어도 하나 또는 상기 적어도 2개의 회전자 극들 중의 적어도 하나를 포함하는 군으로부터 선택된 하나를 둘러싸는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
2. 제1항에 있어서, 상기 에어 갭의 간격은 상기 고정자 극들 중의 하나와 다른 모든 고정자 극들의 직면하는 영역에서의 차이에 의존하는 것을 특징으로 하는 모터.
3. 제1항에 있어서, 상기 코일의 폭은 상기 코일에 인접한 상기 고정자 극의 폭에 의존하는 것을 특징으로 하는 모터.
4. 제1항에 있어서, 상기 적어도 두개의 회전자 극들의 각각은 적어도 하나의 N극과 적어도 하나의 S극을 가지고, 상기 적어도 하나의 N극의 회전자의 표면적은 상기 적어도 하나의 S극의 회전자의 표면적과는 다른 것을 특징으로 하는 모터.
5. 하우징; 및

   상기 하우징에 회전 가능하게 배치된 자화된 회전자를 포함하고, 상기 회전자는 대향하는 극들의 적어도 하나의 쌍을 가지며;

   적어도 하나의 코일 중심 극과 적어도 2개의 외부 권선 극들을 갖는 상기 하우징에 형성된 고정자를 포함하고;

   보빈 상에 감긴 코일을 포함하고, 상기 코일 및 상기 보빈은 상기 적어도 하나의 코일 중심 극을 둘러싸며; 및

   각각의 상기 코일 중심 극과 상기 자화된 회전자 및 각각의 상기 외부 권선 극과 상기 자화된 회전자 사이의 에어 갭을 포함하고, 상기 에어 갭의 치수는 상기 코일 중심 극 및 하나의 상기 외부 권선 극 사이의 영역의 차이에 의존하는 것을 특징으로 하는 모터.
6. 제5항에 있어서, 각각의 상기 적어도 하나의 중심 극의 폭이 각각의 상기 적어도 2개의 외부 권선 극들의 영역보다 큰 것을 특징으로 하는 모터.
7. 제6항에 있어서, 상기 보빈에 감긴 상기 코일의 폭은 상기 외부 권선 극의 영역에 의존하는 것을 특징으로 하는 모터.
8. 제5항에 있어서, 각각의 상기 극 쌍들은 N극 및 S극을 가지며, 상기 N극의 회전자 표면적은 상기 S극의 회전자 표면적과 상이한 것을 특징으로 하는 모터.
9. 제5항에 있어서, 상기 에어 갭의 치수는 상기 적어도 하나의 코일 중심 극의 영역과 상기 적어도 2개의 고정자 극들의 영역에 의존하는 것을 특징으로 하는 모터.
10. 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 코일 중심 극 및 상기 적어도 2개의 고정자 극들은 상이한 높이들을 갖는 것을 특징으로 하는 모터.
11. 모터 고정자; 및

    상기 고정자에 회전 가능하게 배치된 자화된 회전자를 포함하고, 상기 회전자는 대향하는 극들의 적어도 하나의 쌍을 가지며;

    3개의 코일 중심 극들 및 6개의 외부 권선 극들을 가지는 고정자를 포함하고, 상기 코일 중심 극들이 상기 회전자의 원주의 주위에 배치되고, 상기 회전자의 원주의 주위에 있는 각각의 상기 코일 중심 극 사이의 간격은 동일하며;

    각각의 상기 코일 중심 극 사이에서 고정자에 형성된 2개의 상기 외부 권선 극들을 포함하고, 각각의 상기 코일 중심 극의 폭이 각각의 상기 외부 권선 극들의 폭보다 크며;

    각각의 상기 코일 중심 극과 상기 자화된 회전자 및 각각의 상기 외부 권선 극과 자화된 회전자 사이의 에어 갭을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
12. 제11항에 있어서, 상기 회전자와 각각의 상기 코일 중심 극 및 상기 회전자와 각각의 상기 외부 권선 극 사이의 상기 에어 갭의 치수는 상기 코일 중심 극들 중의 하나와 상기 외부 권선 극들 중의 하나의 폭의 차이에 의존하는 것을 특징으로 하는 모터.
13. 제11항에 있어서, 상기 보빈에 감긴 상기 코일의 폭은 각각의 상기 외부 권선 극의 폭에 의존하는 것을 특징으로 하는 모터.
14. 제11항에 있어서, 상기 자화된 회전자는 상기 회전자의 주위에 교호 방식으로 배치된 5개의 극 쌍들을 갖는 것을 특징으로 하는 모터.
15. 제 14 항에 있어서, 각각의 상기 극 쌍들은 동일한 표면적들을 갖는 N극과 S극을 갖는 것을 특징으로 하는 모터.
16. 제 14 항에 있어서, 각각의 상기 극 쌍들은 N극과 S극을 가지며, 상기 N극의 회전자의 표면적은 상기 S극의 회전자의 표면적과 상이한 것을 특징으로 하는 모 터.

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