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WO2015064993A1 - 유도분극 bldc 모터 - Google Patents

유도분극 bldc 모터 Download PDF

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WO2015064993A1
WO2015064993A1 PCT/KR2014/010156 KR2014010156W WO2015064993A1 WO 2015064993 A1 WO2015064993 A1 WO 2015064993A1 KR 2014010156 W KR2014010156 W KR 2014010156W WO 2015064993 A1 WO2015064993 A1 WO 2015064993A1
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phase
motor
phases
bridge
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PCT/KR2014/010156
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이이수
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Individual
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Priority to US15/032,540 priority patent/US20160261155A1/en
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    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • H02K1/2766Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
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    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S74/00Machine element or mechanism
    • Y10S74/09Perpetual motion gimmicks

Definitions

  • the present invention relates to a BLDC motor maximizing efficiency by induced polarization, and more particularly, to doubling magneto-motive force (Active Energy) by inducing polarization of the magnetic field of the stator, Induction polarization BLDC motor that maximizes the torque and efficiency of the combined motor by doubling the magnetic force by allowing the magnetic plane of the rotor to have magnetic flux concentration. It is about.
  • the electric vehicle depends on the TRACION MOTOR and BATTERY technology. A breakthrough new motor would have to be developed, and a new Running Costs Free Motor-Generator would have to be born.
  • Robot technology the next-generation convergence technology, aims to realize a "war that does not shed human blood with the advent of battle robots."
  • Two of the three element technologies of the robot are the reasons why new motors and new mo-gens should be born.
  • Neodymium Magnet (Nd 1 Fe 14 B 1 ), which generates 14,500 Gauss as the element technology of the motor, paved the way for the great horsepower of BLDE motor.
  • Patent Document 1 US 6,710,581 B1
  • the BLDC motor has a cost and manufacturing limitations on the surface where the magnet rotor of the semi-permanent magnet is installed, and the controller is expensive and does not have a constant output.
  • BLDC motors are widely used as small motors, but they have not completely solved problems such as uneven rotation, torque ripple, and heat generation.
  • the present invention further improves the BLDC motor of the prior art document, the magneto-motive force (active energy) of the stator and the rotor By maximizing the magnetic force (Passive Energy), it is intended to provide an inductively polarized BLDC motor that can further maximize the torque and efficiency of the combined motor.
  • the stator consists of 2n winding slots in the core laminated silicon steel sheets, 2n induced polarization slits between each slot, and 2n winding slots. Distributed winding in n slots among
  • the number of phases and the number of poles are the number of phases; 2, 3, 4,... , n phase
  • the coils of each phase are connected to each H-Bridge of the switching stage for each phase so that each phase can be independently bipolar switched.
  • the two magnetic fields of the winding slots are connected to each other. It characterized in that the rotor (ROTOR) to rotate by the induction polarization of the induced polarization slit (Induced Polarization Slit),
  • the rotor consists of a plate-type permanent magnet that is double-sided magnetized in the core on which the silicon steel sheet is laminated so as to face the same pole radially to the shaft, and the number of poles of the rotor corresponds to the stator.
  • the magnetic surface of the permanent magnet is as large as possible to increase the flux density of the magnetic surface of the rotor, and the differential permeability is formed on the magnetic surface of the rotor, thereby making the magnetic flux on the magnetic surface of the rotor.
  • Magnetic Flux Concentration is achieved, and this rotor installs Dove Tail type Non-magnetic Holding Core to prevent the magnet from scattering at high speed without any mechanical device. To reduce the weight of the rotor by configuring a space),
  • the commutation encoder is installed on one side of the shaft, and is divided into a sensing region and a non-sensing region in a cup form.
  • the distance (angle) of the detection area is the distance (angle) of the detection area
  • Optical sensor is composed of two sensors placed on each one to operate in correspondence with COMMUTATION ENCODER, and each sensor is placed on the PCB board according to a fixed mechanical angle. Is arranged to be positioned on each other magnetic pole of the rotor,
  • the spacing of the sensor is the first
  • OPTICAL SENSOR When OPTICAL SENSOR is located in the sensing region of COMMUTATION ENCODER, SENSOR generates positive pulse and accordingly, H-Bridge is switched and current direction and Excited Width Modulation are made.
  • SWITCHING STAGE connects the input terminals of each H-BRIDGE in parallel with DC power, the output terminals to the winding coil of each phase, and the base of each half H-BRIDGE of each H-BRIDGE
  • Each circuit is configured by connecting to OPTICAL SENSOR.
  • DC is applied to the motor
  • each H-BRIDGE generates Part Square Wave to provide alternating current to each coil so that the motor starts and rotates. It is done.
  • the induction polarization BLDC motor of the present invention sets the distance (angle) of the sensing region to n> b> 1 [n; Number of phases, b; Excited Width Modulation with In-excited Phases to allow Advanced Commutation, thereby eliminating Hysteresis Loss so that the motor becomes Constant Power and improves efficiency.
  • the induction polarization BLDC motor of the present invention is distributed in two-phase winding slots (independent and multi-phase winding), some windings function as a motor and the remaining windings function as a generator, and the motor-generator is integrated. It is characterized by.
  • Inductive polarization BLDC motor of the present invention (hereinafter referred to as 'IP BLDC motor') has the following effects.
  • the stator of the IP BLDC motor does not have an internal connection (Inter Connection), so automatic winding and automatic production are possible.
  • the rotor of the IP BLDC motor is a simple configuration of the permanent magnet assembly is possible automatic production.
  • the controller of the IP BLDC motor is simple in configuration, high in safety, and low in manufacturing cost.
  • IP BLDC motor is easy to manufacture large horsepower.
  • the IP BLDC motor since the IP BLDC motor is composed of independent and polyphase, it becomes a large horsepower motor at low voltage.
  • IP BLDC motor is easy to manufacture an immersion motor (Immersible Motor).
  • the IP BLDC motor is free from heat, noise and vibration.
  • the IP BLDC motor has no Eddy Current Loss.
  • the IP BLDC motor has no hysteresis loss.
  • the IP BLDC motor has no Back EMF.
  • the IP BLDC motor is a constant power motor in all shift sections, and particularly has a large stall torque.
  • the IP BLDC motor generates about 200% efficiency due to the induction polarization effect of the stator, and generates about 200% efficiency due to the magnetic flux concentration effect of the rotor, and the total efficiency of the motor reaches about 400%.
  • FIG. 1 is a view showing an inductive polarization BLDC motor of the present invention
  • FIG. 2 is a view showing a sensor unit of the present invention
  • FIG. 3 shows a stator of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor
  • FIG. 4 is a diagram showing a stator winding of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor
  • FIG. 5 is a view showing a rotor of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor
  • FIG. 6 is a view showing a drive current of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor
  • FIG. 7 is a diagram showing an output torque of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor.
  • FIG. 1 is a view showing an induction polarization BLDC motor of the present invention
  • Figure 2 is a view showing the sensor portion of the present invention
  • Figure 3 is a view showing a stator of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor
  • Figure 4 is a three-phase A diagram showing a stator winding of a 6-pole inductive polarization BLDC motor
  • FIG. 5 is a diagram showing a rotor of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor.
  • an inductive polarization BLDC motor of the present invention includes a stator, a rotor, a commutation encoder, a velocity encoder, a controller, and a power supply system.
  • the sensor board further includes a sensor board.
  • stator as shown in Figure 3 and 4, constitutes 2n winding slots (winding slot) in the core laminated silicon steel sheet, and between each slot (2n) inductive polarization slits ( Configure Induced Polarization Slit.
  • 2n induced polarization slits form a closed opening as shown in FIG. 3.
  • distributed winding is performed in n-slot among 2n winding slots in an independent and multi-phase manner.
  • the number of phases is 2, 3, 4,... , n phases
  • the number of poles is 2, 4, 6, 8,... , 2n pole.
  • Each phase coil is connected to each H-Bridge of the switching stage for each phase so that each phase is independently bipolar switched.
  • both rotors of the winding slot are rotated by the induction polarization of the induced polarization slit.
  • stator distributes windings in 2 phase winding slots independently and in multiple phases, so that some windings function as motors and the other windings function as generators. ) May be integrally formed.
  • the rotor is formed by embedding the plate-shaped permanent magnet magnetized on both sides of the core laminated silicon steel sheet radially (the radial to the Shaft) so that the same pole is facing,
  • the number of poles of the electrons is configured to correspond with the stator.
  • the magnetic surface of the permanent magnet is as large as possible to increase the flux density of the magnetic field of the rotor, and the differential permeability is formed in the magnetic field of the rotor, thereby forming the magnetic surface of the rotor.
  • the rotor is equipped with a non-magnetic holding core of a Dove Tail type so that the magnet does not scatter during high-speed rotation without a separate mechanical device, and forms an empty space between the magnets. To reduce the weight of the rotor.
  • the rotor of this structure can produce a large horsepower BLDC motor, thereby improving the power factor and efficiency of the motor.
  • the commutation encoder is installed on one side of the rotor shaft as illustrated in FIGS. 1 and 2, and has a cup-type sensing region and a non-sensing region. It is divided into sensing regions.
  • the distance (angle) of the detection area is n; total phase, 1, 2, 3,... , a; excited phases, 1, 2, 3,... , b; In terms of in-excited phases,
  • the number of sensing zones is characterized by a criterion of (the number of poles) / 2.
  • the distance (angle) of the sensing region is set to n> b> 1 [n; Number of phases, b; Excited Width Modulation with In-excited Phases to allow Advanced Commutation, eliminating Hysteresis Loss, making the motor constant power and improving efficiency.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a drive current of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor
  • FIG. 7 is a diagram illustrating an output torque of a three-phase six-pole inductive polarization BLDC motor.
  • the optical sensor OPTICAL SENSOR
  • the optical sensor is arranged to operate in correspondence with the commutation encoder by arranging two sensors (SENSOR) on each one.
  • each sensor is arranged on the PCB board according to a predetermined machine angle, the two sensors of each phase is arranged so as to be located on the different magnetic pole of the rotor.
  • the arrangement interval of the sensor is based on the criterion of ⁇ 2 ⁇ / (the number of poles in the rotor) ⁇ x ⁇ 1 / (the number of phases) ⁇ (degrees).
  • the optical sensor when the optical sensor is located in the sensing region of the commutation encoder, the sensor generates a positive pulse, and accordingly, the H-bridge is switched, and the direction and excitation of the current are Enable Excited Width Modulation.
  • the switching stage SWITCHING STAGE
  • the input terminal of each H-BRIDGE is connected in parallel by DC power
  • the output terminal is connected to the winding coil of each phase
  • the base of each half H-BRIDGE of each H-BRIDGE Each circuit is connected to the OPTICAL SENSOR of each phase.
  • each H-BRIDGE when the DC is energized, each H-BRIDGE generates a Part Square Wave to provide alternating current to each coil to start and rotate the motor. At this time, the rotation direction of the motor is determined according to Fleming's Left Hand Rule, and the motor has no torque ripple, provides constant-power, and exhibits high efficiency.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

본 발명은 유도분극(Induced Polirization)으로 효율을 극대화한 BLDC 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정자의 자계면을 유도분극되게 하여 기자력(Magneto-motive Force; Active Energy)를 배가(doubling)하고, 회전자의 자계면을 자속집중(Magnetic Flux Concentration)되게 하여 자기력(Magnetic Force; Passive Energy)를 배가(doubling)함으로써, 두 에너지가 합성된 모터의 회전력(Torque)과 효율을 극대화시킨 유도분극 BLDC 모터에 관한 것이다. 고정자(STATOR)는 규소강판 적층 코어에 2n 개의 권선 슬롯(slot)과 2n 개의 유도분극 슬릿(Slit)을 구성하고, n개의 슬롯에만 독립·다상으로 분포권선하여 구성한다. 회전자(ROTOR)는 규소강판 적층 코어에 양면 착자된 평판 자석을 방사상으로 매립 구성한다. 정류 엔코더(COMMUTATION ENCODER)는 컵 형으로 감지 영역(Sensing Region)과 비감지 영역(Non-sensing Region)으로 분할 구성하며, 축(SHAFT) 한 쪽 외부에 설치한다. 광학 센서(OPTICAL SENSOR)는 각 상에 2개씩 설치하여 각 상의 H-BRIDGE에 연결하여 회로를 구성한다. 스위칭 스테이지(SWITCHING STAGE)는 각 상에 한 개씩 H-BRIDGE를 설치하여 구성한다. 따라서, 모터에 직류를 통전하면 각 상은 독립적으로 Switching 하여 모터는 기동·회전하며, 이때 모터의 회전 방향은 플레밍의 왼손 법칙(Fleming's Left Hand Rule)에 의하여 결정된다.

Description

유도분극 BLDC 모터
본 발명은 유도분극(Induced Polirization)으로 효율을 극대화한 BLDC 모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 고정자의 자계면을 유도분극되게 하여 기자력(Magneto-motive Force ; Active Energy)를 배가(doubling)하고, 회전자의 자계면을 자속집중(Magnetic Flux Concentration)되게 하여 자기력(Magnetic Force ; Passive Energy)를 배가(doubling)함으로써, 두 에너지가 합성된 모터의 회전력(Torque)과 효율을 극대화시킨 유도분극 BLDC 모터에 관한 것이다.
21세기 물리학이 해결해야 할 지구촌적 과제는 "에너지 문제"와 "기후 변화 문제"이다. 이 문제의 핵심적 과제는 전기자동차 기술이다.
○ 전기자동차는 TRACION MOTOR와 BATTERY 기술에 달려 있다. 획기적인 신(新) 모터가 개발되어야 하고, 신(新) 모-젠(Running Costs Free Motor-Generator)이 탄생하여야 할 것이다.
○ 차세대 융합 기술인 로봇 기술은 "전투 로봇의 출현으로 인간의 피를 흘리지 않는 전쟁"의 실현을 목표로 하고 있다. 로봇의 3 요소 기술(IT 기술, MOTOR 기술, BATTERY 기술) 중 2 가지가 신 모터와 신 모-젠이 탄생하여야 할 이유이다.
○ 절삭유를 사용하지 않는 공작 기계의 기술 혁신은 60,000 RPM 이상의 고속 모터가 개발되어야 한다.
○ 산업 기계의 기술 혁신에는 고기능·고성능의 모터가 필요하다.
○ 가전제품, 자동차 전장, 전자완구, 고령화 시대에 대응하는 의료·건강 기기 등 각 분야에 걸쳐 고기능·고성능을 지원할 요소 기술로서 소형·정밀 모터의 개발이 절실하다.
○ 지구의 3/4 이 바다이다. 해저 자원 개발을 위하여는 수중 모터(Immersible Motor)의 개발이 절실하다.
○ 모터의 요소 기술로서 14,500 Gauss 를 생성하는 Neodymium Magnet(Nd1Fe14B1)이 개발된 것은 BLDE 모터의 대마력(大馬力)의 길을 연 것이다.
(특허문헌 1) US 6,710,581 B1
일반적으로 BLDC 모터는 반영구의 마그네트 회전자가 설치된 면의 비용과 제작 상의 한계성이 있고, 제어기도 비용이 고가이며, 무변 출력이 되지 않는다.
한편, 소형 모터로서 일반적으로 BLDC 모터가 널리 사용되고 있지만 회전의 불균일, 토크리플(Torque-ripple), 발열 등의 문제를 완벽히 해결하지 못하고 있었다.
본 출원인은 선행기술문헌(US 6,710,581 B1)에서 상기한 문제를 해결하였으며, 본 발명은 상기 선행기술문헌의 BLDC 모터를 더욱 개량하여, 고정자의 기자력(Magneto-motive Force ; Active Energy)과 회전자의 자기력(Magnetic Force ; Passive Energy)를 극대화함으로써, 두 에너지가 합성된 모터의 회전력(Torque)과 효율을 더욱 극대화시킬 수 있는 유도분극 BLDC 모터를 제공하고자 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 유도분극 BLDC 모터에 있어서,
고정자(STATOR)는 , 규소강판을 적층한 코어에 2n 개의 권선 슬롯(Winding Slot)을 구성하고, 각 슬롯(Slot) 사이에 2n 개의 유도분극 슬릿(Induced Polarization Slit)을 구성하고, 2n 개의 권선 슬롯 중 n 개의 슬롯에 독립·다상으로 분포권선(Distributed Winding)하며,
상의 수와 극의 수는, 상의 수 ; 2, 3, 4, …, n 상
극의 수 ; 2, 4, 6, 8, …, 2n 극의 기준에 의하여 정해지며,
각 상의 코일은 스위칭 스테이지(Switching Stage)의 H-Bridge 에 상 별로 연결하여 각 상은 독립적으로 Bipolar Switching 하도록 하고, 권선 코일(Winding Coil)에 통전하면, 권선 슬롯(Winding Slot)의 양 쪽 자계면을 유도분극 슬릿(Induced Polarization Slit)의 유도분극에 의하여 회전자(ROTOR)를 회전하게 하는 것을 특징으로 하고,
회전자(ROTOR)는 , 규소강판을 적층한 코어에 양면 착자된 평판형 영구 자석을 방사상(Radial to the Shaft)으로 같은 극이 대면되도록 매입하여 구성하고, ROTOR의 극 수는 STATOR와 상응하도록 구성하며, 이때 영구자석의 자계면은 가능한 면적을 크게하여 ROTOR의 자계면의 자속밀도(Flux Density)를 높게 하고, ROTOR의 자계면에 차등 투자율(Differential Permeability)이 조성됨으로써, ROTOR의 자계면에 자속집중(Magnetic Flux Concentration)이 이루어지게 하고, 이 ROTOR는 별도의 기계적 장치 없이 고속 회전시에 자석이 비산되는 일이 없도록 Dove Tail 형의 Non-magnetic Holding Core 를 설치 구성하고, 자석 사이에는 공극(Empty Space)을 구성하여 ROTOR의 무게를 줄이도록 구성하는 것을 특징으로 하고,
정류 엔코더(COMMUTATION ENCODER)는 , 축(Shaft)의 한 쪽에 설치하고, 컵(Cup) 형으로 감지 영역(Sensing Region)과 비감지 영역(Non-sensing Region)으로 분할 구성하고,
감지 영역의 거리(각도)는
n ; total phase
1, 2, 3, …, a ; excited phases
1, 2, 3, …, b ; in-excited phases
{2π/(the number of poles in the rotor)} x {(n-b)phases/(the number of phases)} (degrees) 의 기준에 의하고,
감지 영역의 수는
(the number of poles)/2 의 기준에 의하는 것을 특징으로 하고,
광학 센서(OPTICAL SENSOR)는 , 각 한 상에 2개의 SENSOR를 배치 구성하여 COMMUTATION ENCODER와 상응하여 작동하도록 구성하고, 각 SENSOR는 정해진 기계각에 따라 PCB Board에 배치 구성함에 있어서 각 한 상의 2개의 SENSOR는 ROTOR의 각각 다른 Magnetic Pole 위에 위치하도록 배치 구성하며,
SENSOR의 배치 간격은
{2π/(the number of poles in the rotor)} x {1/(the number of phases)} (degrees) 의 기준에 의하고,
OPTICAL SENSOR가 COMMUTATION ENCODER의 감지 영역(Sensing Region)에 위치 할 때에 SENSOR는 Positive Pulse를 발생시키고, 이에 따라 H-Bridge는 Switching되며, 전류의 방향과 여자 폭 조정(Excited Width Modulation)을 하게 하는 것을 특징으로 하고,
스위칭 스테이지(SWITCHING STAGE)는 , 각 H-BRIDGE의 입력 단자는 직류 전원으로 병렬로 연결하고, 출력 단자는 각 상의 권선 코일에 연결하며, 각 H-BRIDGE의 각 Half H-BRIDGE의 Base는 각 상의 OPTICAL SENSOR에 각각 연결하여 회로를 구성하여, 모터에 직류를 통전하면 각 H-BRIDGE는 부분 구형파(Part Square Wave)를 발생시켜 각 Coil에 교번 전류를 제공하여 모터가 기동·회전하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 유도분극 BLDC 모터는, 감지 영역(Sensing Region)의 거리(각도)를 n > b > 1 [n ; 상의 수, b ; 비여자 상(In-excited Phases)]로 여자 폭 조정(Excited Width Modulation)을 하여, Advanced Commutation 이 되게 함으로써, Hysteresis Loss를 제거하여 모터는 Constant Power가 되게 하고, 효율을 향상시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 유도분극 BLDC 모터는, 2n 개의 권선 슬롯(Winding Slot)에 독립·다상으로 분포권선하여, 일부 권선은 MOTOR로 기능하고 나머지 권선은 GENERATOR로 기능하여, MOTOR-GENERATOR가 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 유도분극 BLDC 모터(이하, 'IP BLDC 모터'라 함)는 다음과 같은 효과가 있다.
1. 본 발명, IP BLDC 모터의 STATOR는 내부 결선(Inter Connection)이 없으므로 자동 권선과 자동 생산이 가능하다.
2. 본 발명, IP BLDC 모터의 ROTOR는 영구자석의 조립식으로 구성이 간단하여 자동 생산이 가능하다.
3. 본 발명, IP BLDC 모터의 CONTROLLER는 구성이 간단하고, 안전성이 높으며, 제조 원가가 저렴하다.
4. 본 발명, IP BLDC 모터는 대마력 제작이 용이하다.
5. 본 발명, IP BLDC 모터는 독립·다상으로 구성하므로, 저전압에서 대마력 모터가 된다.
6. 본 발명, IP BLDC 모터는 침수형 모터(Immersible Motor) 제작이 용이하다.
7. 본 발명, IP BLDC 모터는 열·소음·진동이 없다.
8. 본 발명, IP BLDC 모터는 Eddy Current Loss 가 없다.
9. 본 발명, IP BLDC 모터는 Hysteresis Loss 가 없다.
10. 본 발명, IP BLDC 모터는 Back EMF 가 없다.
11. 본 발명, IP BLDC 모터는 모든 변속 구간에서 Constant Power Motor 이며, 특히 Stall Torque가 크다.
12. 본 발명, IP BLDC 모터는 STATOR의 유도분극 효과로 약 200%의 효율을 발생하고, ROTOR의 자속집중 효과로 약 200%의 효율을 발생하며, 모터의 총 효율은 약 400%에 이른다.
도 1은 본 발명의 유도분극 BLDC 모터를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 센서부를 나타낸 도면,
도 3은 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 고정자를 나타낸 도면,
도 4는 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 고정자 권선을 나타낸 도면,
도 5는 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 회전자를 나타낸 도면,
도 6은 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 구동 전류를 나타낸 도면,
도 7은 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 출력 토크를 나타낸 도면.
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 유도분극 BLDC 모터를 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 센서부를 나타낸 도면이며, 도 3은 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 고정자를 나타낸 도면이고, 도 4는 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 고정자 권선을 나타낸 도면이며, 도 5는 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 회전자를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 유도분극 BLDC 모터는 고정자(STATOR), 회전자(ROTOR), 정류 인코더(COMMUTATION ENCODER), 속도 인코더(VELOCITY ENCODER) 및 제어기와 전원 시스템을 포함하고 있으며, 도 2에는 센서 보드(SENSOR BOARD)를 더 포함하고 있다.
여기서, 고정자(STATOR)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 규소강판을 적층한 코어에 2n 개의 권선 슬롯(Winding Slot)을 구성하고, 각 슬롯(Slot) 사이에는 2n 개의 유도분극 슬릿(Induced Polarization Slit)을 구성한다. 이때, 2n 개의 유도분극 슬릿(Induced Polarization Slit)은 도 3에 도시된 바와 같이 폐구(閉口)를 구성한다.
또한, 2n 개의 권선 슬롯 중 n 개의 슬롯에 독립·다상으로 분포권선(Distributed Winding)한다. 이때, 상의 수는 2, 3, 4, …, n 상으로 정해지고, 극의 수는 2, 4, 6, 8, …, 2n 극으로 정해진다.
각 상의 코일은 스위칭 스테이지(Switching Stage)의 H-Bridge에 상 별로 연결하여 각 상은 독립적으로 Bipolar Switching 하도록 한다. 이러한 구성에 따라 권선 코일(Winding Coil)에 통전하면, 권선 슬롯(Winding Slot)의 양 쪽 자계면을 유도분극 슬릿(Induced Polarization Slit)의 유도분극에 의하여 회전자(ROTOR)를 회전하게 한다.
따라서, 본 발명에서는 캔슬 현상(Cancel Phenomenon)은 없으며, 피크 전류(Peak Current)도 발생하지 않아 와류 전류 손실(Eddy Current Loss)은 원천적으로 제거된다. 따라서 모터의 효율이 향상된다.
또한, 고정자는 2n 개의 권선 슬롯(Winding Slot)에 독립·다상으로 분포권선하여, 일부 권선은 모터(MOTOR)로 기능하고 나머지 권선은 제너레이터(GENERATOR)로 기능하도록 함으로써, 모터-제너레이터(MOTOR-GENERATOR)가 일체형으로 구성될 수 있다.
그리고, 회전자(ROTOR)는 도 5에 도시된 바와 같이, 규소강판을 적층한 코어에 양면 착자된 평판형 영구 자석을 방사상(Radial to the Shaft)으로 같은 극이 대면되도록 매입하여 구성하고, 회전자의 극 수는 고정자와 상응하도록 구성한다.
이때 영구자석의 자계면은 가능한 면적을 크게하여 회전자의 자계면의 자속밀도(Flux Density)를 높게 하고, 회전자의 자계면에 차등 투자율(Differential Permeability)이 조성되도록 함으로써, 회전자의 자계면에 자속집중(Magnetic Flux Concentration)이 이루어지게 한다.
또한, 회전자는 별도의 기계적 장치 없이 고속 회전시에 자석이 비산되는 일이 없도록 Dove Tail 형의 비자성 홀딩 코어(Non-magnetic Holding Core)를 설치 구성하고, 자석 사이에는 공극(Empty Space)을 구성하여 회전자의 무게를 줄이도록 구성한다.
이러한 구조의 회전자는 대마력(大馬力) BLDC 모터를 제작할 수 있으며, 따라서 모터의 역률(Power Factor)과 효율(Efficiency)를 향상되게 한다.
그리고, 정류 엔코더(COMMUTATION ENCODER)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 회전자 축(Shaft)의 한 쪽에 설치하고, 컵(Cup) 형으로 감지 영역(Sensing Region)과 비감지 영역(Non-sensing Region)으로 분할 구성한다.
이때, 감지 영역의 거리(각도)는, n ; total phase, 1, 2, 3, …, a ; excited phases, 1, 2, 3, …, b ; in-excited phases라 할 때,
{2π/(the number of poles in the rotor)} x {(n-b)phases/(the number of phases)} (degrees) 의 기준에 의하여 정해지고,
감지 영역의 수는, (the number of poles)/2 의 기준에 의하여 정하여지는 것을 특징으로 한다.
또한, 감지 영역(Sensing Region)의 거리(각도)를 n > b > 1 [n ; 상의 수, b ; 비여자 상(In-excited Phases)]로 여자 폭 조정(Excited Width Modulation)을 하여, Advanced Commutation 이 되게 함으로써, Hysteresis Loss를 제거하여 모터는 Constant Power가 되게 하고, 효율을 향상시킨다.
도 6은 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 구동 전류를 나타낸 도면이고, 도 7은 3상6극 유도분극 BLDC 모터의 출력 토크를 나타낸 도면이다.
이들 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 광학 센서(OPTICAL SENSOR)는, 각 한 상에 2개의 센서(SENSOR)를 배치 구성하여 정류 엔코더(COMMUTATION ENCODER)와 상응하여 작동하도록 구성한다. 또한, 각 센서는 정해진 기계각에 따라 PCB Board에 배치 구성함에 있어서 각 한 상의 2개의 센서는 회전자의 각각 다른 Magnetic Pole 위에 위치하도록 배치 구성한다.
이때, 센서의 배치 간격은, {2π/(the number of poles in the rotor)} x {1/(the number of phases)} (degrees) 의 기준에 의한다.
이러한 구성에 따라 광학 센서(OPTICAL SENSOR)가 정류 엔코더(COMMUTATION ENCODER)의 감지 영역(Sensing Region)에 위치 할 때에 센서는 Positive Pulse를 발생시키고, 이에 따라 H-Bridge는 Switching되며, 전류의 방향과 여자 폭 조정(Excited Width Modulation)을 하게 한다.
그리고, 스위칭 스테이지(SWITCHING STAGE)는, 각 H-BRIDGE의 입력 단자는 직류 전원으로 병렬로 연결하고, 출력 단자는 각 상의 권선 코일에 연결하며, 각 H-BRIDGE의 각 Half H-BRIDGE의 Base는 각 상의 OPTICAL SENSOR에 각각 연결하여 회로를 구성한다.
이러한 구성에 따라 모터에 직류를 통전하면 각 H-BRIDGE는 부분 구형파(Part Square Wave)를 발생시켜 각 Coil에 교번 전류를 제공하여 모터가 기동·회전하게 된다. 이때, 모터의 회전 방향은 플레밍의 왼손 법칙(Fleming's Left Hand Rule)에 따라 결정되며, 모터는 토크리플(Torque-ripple)이 없고, 무변출력(Constant-power)를 제공하며, 고효율을 나타낸다.
이상에서 본 발명에 있어서 실시예를 참고로 설명되었으나, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

Claims (3)

  1. 고정자(STATOR)는 ,
    규소강판을 적층한 코어에 2n 개의 권선 슬롯(Winding Slot)을 구성하고, 각 슬롯(Slot) 사이에 2n 개의 유도분극 슬릿(Induced Polarization Slit)을 구성하고, 2n 개의 권선 슬롯 중 n 개의 슬롯에 독립·다상으로 분포권선(Distributed Winding)하며,
    상의 수와 극의 수는,
    상의 수 ; 2, 3, 4, …, n 상
    극의 수 ; 2, 4, 6, 8, …, 2n 극
    의 기준에 의하여 정해지며,
    각 상의 코일은 스위칭 스테이지(Switching Stage)의 H-Bridge 에 상 별로 연결하여 각 상은 독립적으로 Bipolar Switching 하도록 하고,
    권선 코일(Winding Coil)에 통전하면, 권선 슬롯(Winding Slot)의 양 쪽 자계면을 유도분극 슬릿(Induced Polarization Slit)의 유도분극에 의하여 회전자(ROTOR)를 회전하게 하는 것을 특징으로 하고,
    회전자(ROTOR)는 ,
    규소강판을 적층한 코어에 양면 착자된 평판형 영구 자석을 방사상(Radial to the Shaft)으로 같은 극이 대면되도록 매입하여 구성하고, ROTOR의 극 수는 STATOR와 상응하도록 구성하며,
    이때 영구자석의 자계면은 가능한 면적을 크게하여 ROTOR의 자계면의 자속밀도(Flux Density)를 높게 하고, ROTOR의 자계면에 차등 투자율(Differential Permeability)이 조성됨으로써, ROTOR의 자계면에 자속집중(Magnetic Flux Concentration)이 이루어지게 하고,
    이 ROTOR는 별도의 기계적 장치 없이 고속 회전시에 자석이 비산되는 일이 없도록 Dove Tail 형의 Non-magnetic Holding Core 를 설치 구성하고, 자석 사이에는 공극(Empty Space)을 구성하여 ROTOR의 무게를 줄이도록 구성하는 것을 특징으로 하고,
    정류 엔코더(COMMUTATION ENCODER)는 ,
    축(Shaft)의 한 쪽에 설치하고, 컵(Cup) 형으로 감지 영역(Sensing Region)과 비감지 영역(Non-sensing Region)으로 분할 구성하고,
    감지 영역의 거리(각도)는
    n ; total phase
    1, 2, 3, …, a ; excited phases
    1, 2, 3, …, b ; in-excited phases
    {2π/(the number of poles in the rotor)} x {(n-b)phases/(the number of phases)} (degrees) 의 기준에 의하고,
    감지 영역의 수는
    (the number of poles)/2 의 기준에 의하는 것을 특징으로 하고,
    광학 센서(OPTICAL SENSOR)는 ,
    각 한 상에 2개의 SENSOR를 배치 구성하여 COMMUTATION ENCODER와 상응하여 작동하도록 구성하고, 각 SENSOR는 정해진 기계각에 따라 PCB Board에 배치 구성함에 있어서 각 한 상의 2개의 SENSOR는 ROTOR의 각각 다른 Magnetic Pole 위에 위치하도록 배치 구성하며,
    SENSOR의 배치 간격은
    {2π/(the number of poles in the rotor)} x {1/(the number of phases)} (degrees) 의 기준에 의하고,
    OPTICAL SENSOR가 COMMUTATION ENCODER의 감지 영역(Sensing Region)에 위치 할 때에 SENSOR는 Positive Pulse를 발생시키고, 이에 따라 H-Bridge는 Switching되며, 전류의 방향과 여자 폭 조정(Excited Width Modulation)을 하게 하는 것을 특징으로 하고,
    스위칭 스테이지(SWITCHING STAGE)는 ,
    각 H-BRIDGE의 입력 단자는 직류 전원으로 병렬로 연결하고, 출력 단자는 각 상의 권선 코일에 연결하며,
    각 H-BRIDGE의 각 Half H-BRIDGE의 Base는 각 상의 OPTICAL SENSOR에 각각 연결하여 회로를 구성하여,
    모터에 직류를 통전하면 각 H-BRIDGE는 부분 구형파(Part Square Wave)를 발생시켜 각 Coil에 교번 전류를 제공하여 모터가 기동·회전하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유도분극 BLDC 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    감지 영역(Sensing Region)의 거리(각도)를 n > b > 1 [n ; 상의 수, b ; 비여자 상(In-excited Phases)]로 여자 폭 조정(Excited Width Modulation)을 하여, Advanced Commutation 이 되게 함으로써, Hysteresis Loss를 제거하여 모터는 Constant Power가 되게 하고, 효율을 향상시킨 것을 특징으로 하는 유도분극 BLDC 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    2n 개의 권선 슬롯(Winding Slot)에 독립·다상으로 분포권선하여, 일부 권선은 MOTOR로 기능하고 나머지 권선은 GENERATOR로 기능하여, MOTOR-GENERATOR가 일체형으로 구성되는 것을 특징으로 하는 유도분극 BLDC 모터.
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