KR100205332B1 - 선형 모터 구동장치 - Google Patents

Abstract

이 발명은 영구자석을 갖는 선형 교류모터에서 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 모터 구동장치에 관한 것이다.

이 발명의 구조는 고정된 가이드 요크 중간에 서로 극을 달리하는 영구자석이 일렬로 배열되어 있고, 양 끝단에 롤러가 지나가도록 레일이 설치되어 있으며, 옆면에 영구자석을 취부한 고정자부와, 외부에서 권선인출부를 통해서 3상 교류전원이 공급되고, 공급된 3상전원이 120도씩 위상차를 가지며 교번하는 3개의 코일권선을 가지며, 각 코일권선의 내부에 위상센서가 위치하여 각 위상을 감지하고, 상기의 고정자부의 롤로를 지나는 4개의 롤러가 있고, 상기의 롤러를 지지해주는 가동자 요크를 가지며, 가동자 요크 양면에 영구자석을 취부하여 상기의 고정자부에 추가로 취부된 영구자석과 자기적 반발력을 발생시키며, 상기의 고정자부의 상부를 움직이는 가동자부로 이루어진다.

이 발명의 효과는, 기계적 강성이 우수하고, 고속으로 주행할 때 자기적 가이드 때문에 탈조현상이나 주행 행정의 굴곡이 없어지며, 인덕터에 롤러 베아링을 사용하여 일정한 공극을 유지시켜 여자전류를 흘려줄 때 균일한 자속 분포를 보여 자속 제어 특성을 향상시킬 수 있는 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 모터 구동장치를 제공할 수 있다.

Description

선형 모터 구동장치

제 1도는 종래의 선형 교류모터 구동장치의 구성도이고,

제 2도는 이 발명의 실시예에 따른 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 교류모터 구동장치의 구성도.

제 3도는 이 발명의 실시예에 따른 고정자부와 가이드 요크와 가동자부의 롤러를 도시.

제 4도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄷ자형 고정자부의 영구자석 취부구조와 레일 구조를 도시.

제 5도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄴ자형 고정자부의 영구자석 취부구조와 레일 구조를 도시.

제 6도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄷ자형 교류모터의 구조를 도시.

제 7도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄴ자형 교류모터의 구조를 도시하고 있다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10, 100 : 고정자부 20, 200 : 가동자부

11, 101, 104, 208 : 영구자석 21, 201 : 권선인출부

12, 102 : 가이드 요크 13, 103 : 가이드 레일

26, 206 : 롤러 209 : 롤러 고정용축

301 : 공극 27, 207 : 가동자 요크

22, 23, 24, 202, 203, 204 : 코일권선 25, 205 : 위상센서

이 발명은 선형 모터 구동장치에 관한 것으로써, 특히 영구자석을 갖는 선형 교류모터에서 자기반발 가이드(Guide)와 레일 구조를 갖는 선형 모터 구동장치에 관한 것이다.

영구자석을 갖는 선형 교류모터(Linear Brushless DC Motor)는 칩 마운터(Chip Mounter), 와이어 본더(Wire Bonder) 등의 반도체 전용장비와 물류시스템과 같은 빈번한 직선운동을 하는 이송장치 등의 엑추에이터(Actuator)로 사용되고 있으며, 선형 모터는 구조적으로 길이 방향에 대한 추력 특성이 좋고, 그 구조가 간단하여 제작이 용이하다. 여기에서 추력이란 로타리 모터(Rotary Motor)의 토크(Torque)에 해당하며, 길이 방향으로 작용하게 된다.

또한 영구자석을 갖는 선형 교류모터는 공압을 전혀 사용하지 않기 때문에 인덕터(Inductor) 쪽의 공압노즐 설계가 용이하고, 공압유도로를 설치하지 않아서 그 구조가 공압 사용시 보다 대폭 축소되며, 공기 베아링(Bearing)을 쓸 때 보다도 공극 자속이 균일하게 분포되어 자속왜곡을 개선할 수 있어 정지제어와 순간가속 및 정지 특성이 개선된다.

따라서 영구자석을 갖는 선형 교류모터는 고속, 고정도의 위치 제어를 필요로 하는 반도체 장비와 관련산업에 파급효과가 큰 특성을 가지고 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 종래의 선형 모터 구동장치에 대하여 설명하기로 한다.

제1도는 종래의 선형 모터 구동장치의 구성도이다.

제1도에 도시되어 있는 바와 같이, 종래의 선형 모터 구동장치의 구성은, 고정된 가이드 요크(Guide Yoke)(12) 중간에 서로 극을 달리하는 영구자석(11)이 일렬로 배열되어 있으며, 양 끝단에 롤러(Roller)가 지나가도록 레일(Rail)(13)이 설치되어 있는 고정자부(10)와, 외부에서 권선인출부(21)를 통해서 3상 교류전원이 공급되고, 공급된 3상전원이 120도씩 위상차를 가지며 교번하는 3개의 코일권선(22,23,24)을 가지며, 각 코일권선의 내부에 위상센서(25)가 위치하여 각 위상을 감지하고, 상기의 고정자부(10)의 레일(13)을 지나는 4개의 롤러(26)가 있고, 상기의 롤러(26)를 지지해주는 가동자 요크(27)를 가지며, 상기의 고정자부(10)의 상부를 움직이는 가동자부(20)로 이루어져 있다.

상기의 구성에 의한 종래의 선형 모터 구동장치의 동작은 다음과 같다.

종래의 선형 교류모터는 제1도와 같이 가동자부(20)의 보빈(Bobbin)의 코어에 코일을 감고 인덕터를 장착한 코일권선(22,23,24)과, 고정자부(10)의 윗면에 영구자석(11)을 장착하여 자기적 반발력과 전기자 코일에 120도 위상을 갖는 3상 교류전류를 흘려주어 고정자부(10)의 영구자석(11)과의 자속쇄교로 자기반발력을 만들어 위상과 전류를 제어하여 가이드 요크(12)를 따라 직선운동을 하게 된다.

이때, 가동자부(20)의 구조를 살펴보면, 보빈 속 코어(Core)에 결선한 3상의 코일권선(22,23,24)은 보빈에 들어가는 강자성체의 규소강판 코어로 이루어지며, 가동자 요크(27) 양쪽면에 설치된 4개의 롤러(26)에 의해 고정자부(10)의 레일(13)을 주행한다. 각각의 위상을 갖는 코일권선(22,23,24)에 위상센서(25)를 취부하여 각각의 위상의 주행중 자속밀도를 검출한다.

즉, 종래의 선형 교류모터는, 제1도를 참고로 하여, 고정자부(10)는 고정된 가이드 요크(12) 중간에 서로 극을 달리하는 영구자석(11)이 일렬로 배열되어 있으며, 양 끝단에 롤러가 지나가도록 레일(13)이 설치되어 있다. 그리고, 가동자부(20)에서는 외부에서 권선인출부(21)를 통해서 3상 교류전원이 공급되고, 공급된 3상전원이 120도씩 위상차를 가지며 교번하는 3개의 코일권선(22,23,24)을 가지며, 각 코일권선의 내부에 위상센서(25)가 위치하여 각 위상을 감지하고, 상기의 고정자부(10)의 롤러(13)을 지나는 4개의 롤러(26)가 있고, 상기의 롤러(26)를 지지해주는 가동자 요크(27)를 가지며, 상기의 고정자부(10)의 상부를 움직이게 된다.

결국, 종래의 선형 모터 구동장치는 고정자부(10)의 영구자석(11)과 가동자부(20)의 코일권선(22,23,24)의 자극에 따라 교번하는 자기장의 위상에 따라 가이드 요크(12) 위에서 구동된다.

또한, 선형 모터의 동작원리는 3상권선으로 설치된 가동자에 영구자석이 취부된 고정자와 일반 로타리 모터의 동작원리와 동일하며, 보빈의 설치방법도 코일권선을 목형을 이용하여 감은 후에, 가동자의 기구부에 끼워 넣을 수 있는 구조로 되어 있기 때문에 가공 및 제작 공수가 대폭 감소된다.

그러나, 상기한 종래의 선형 모터 구동장치는 자기흡입력을 균일한 에어갭으로 유지하기 위해 가이드 레일(13)을 이용하는 주행 메커니즘을 사용하였으나, 가이드 요크(12)가 구조적으로 주행중 떨림이 발생하고 기계적 마찰에 의한 마모로 인하여 위치 정밀도 및 급가감속 특성이 나쁘고, 즉, 고속 주행의 경우 심한 진동과 공극의 불균일로 인한 자속분포의 불안정 때문에 위치제어의 정도가 떨어지는 문제점이 있다.

그러므로, 이 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가동자부 양쪽면에 영구자석을 설치하고, 고정자부의 옆면에 같은 극성의 영구자석을 취부하여 자기적 반발력으로 가이드 역할을 하고, 진동을 억제하며, 영구자석에 의한 자기 부상으로 적절한 에어갭이 형성되어 중고속 구간에서의 정지제어 정밀도, 가감속 특성, 진동 억제등 모터 주행성능이 개선된 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 모터 구동장치를 제공하기 위한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 수단으로써, 이 발명의 구성은, 고정된 가이드 요크 중간에 서로 극을 달리하는 영구자석이 일렬로 배열되어 있고, 양 끝단에 롤러가 지나가도록 레일이 설치되어 있으며, 옆면에 영구자석을 취부한 고정자부와, 외부에서 권선인출부를 통해서 3상 교류전원이 공급되고, 공급된 3상전원이 120도씩 위상차를 가지며 교번하는 3개의 코일권선을 가지며, 각 코일권선의 내부에 위상센서가 위치하여 각 위상을 감지하고, 상기의 고정자부의 롤러를 지나는 4개의 롤러가 있고, 상기의 롤러를 지지해주는 가동자 요크를 가지며, 가동자 요크 양면에 영구자석을 취부하여 상기의 고정자부에 추가로 취부된 영구자석과 자기적 반발력을 발생시키며, 상기의 고정자부의 상부를 움직이는 가동자부로 이루어진다.

상기의 구성에 의한 이 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 설명하면 다음과 같다.

제2도는 이 발명의 실시예에 따른 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 교류모터 구동장치의 구성도이고, 제3도는 이 발명의 실시예에 따른 고정자부와 가이드 요크와 가동자부의 롤러를 도시하고 있고, 제4도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄷ자형 고정자부의 영구자석 취부구조와 레일 구조를 도시하고 있고, 제5도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄴ자형 고정자부의 영구자석 취부구조와 레일 구조를 도시하고 있고, 제6도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄷ자형 교류모터의 구조를 도시하고 있고, 제7도는 이 발명의 실시예에 따른 ㄴ자형 교류모터의 구조를 도시하고 있다.

첨부한 제2도에 도시되어 있듯이, 이 발명의 실시에에 따른 선형 모터 구동장치의 구성은, 고정된 가이드 요크(102) 중간에 서로 극을 달리하는 영구자석(101)이 일렬로 배열되어 있고, 양 끝단에 롤러가 지나가도록 레일(103)이 설치되어 있으며, 옆면에 영구자석(104)을 취부한 고정자부(100)와, 외부에서 권선인출부(201)를 통해서 3상 교류전원이 공급되고, 공급된 3상전원이 120도씩 위상차를 가지며 교번하는 3개의 코일권선(202,203,204)을 가지며, 각 코일권선의 내부에 위상센서(205)가 위치하여 각 위상을 감지하고, 상기의 고정자부(100)의 레일(103)을 지나는 4개의 롤러(206)가 있고, 상기의 롤러(206)를 지지해주는 가동자 요크(207)를 가지며, 가동자 요크(207) 양면에 영구자석(208)을 취부하여 상기의 고정자부(100)에 취부된 영구자석(104)과 자기적 반발력을 발생시키며, 상기의 고정자부(100)의 상부를 움직이는 가동자부(200)로 이루어진다.

상기의 구성에 의한 이 발명의 실시예에 따른 선형 모터 구동장치의 작용은 다음과 같다.

제2도는 가동자부(200)와 고정자부(100)의 전체 구조를 나타내며, 가동자와 고정자의 자기 반발력에 의한 에너지로 주행하게 되는데 그 원리는 로터리 교류모터와 동일하다. 가동자부(200)에 보빈 코일을 설치하고, 목형으로 코일을 형성한 후에 코어에 코일을 끼워 넣고, 다음에 보빈과 코일을 고정하기 위해 함침을 한다. 가동자 요크(207) 옆면에 영구자석(208)을 설치하고, 고정자부(100) 옆면에도 영구자석(104)을 취부하여, 에폭시 수지로 몰딩한다.

다만, 구조적으로 가동자인 인덕터(Inductor)와 고정자인 스테이터(Stator) 사이에 영구자석을 취부하여 자기 반발력에 의한 자기 부상을 얻어 주행중 가이드 레일(103)을 안내하는데 고속 주행시 모터 진동을 억제하고, 가이드 탈조를 막는 구조로 되어 있다. 고정자부(100)인 스테이터 윗면에는 영구자석(101)이 일렬로 배치되어 있고, 극성은 교번으로 바뀌게 취부하는 구조로 되어 있다.

제3도는 고정자부(100)의 가이드 요크(102)와 가동자부(200)의 롤러(206)를 도시하고 있고, 고정자부(100)의 가이드 요크(102)는 공극에서의 자석의 쇄교에 의한 추력의 지지를 위한 롤러기구를 나타낸다.

제4도와 제5도는 고정자부(100)의 영구자석 취부구조와 레일 구조를 나타내는데, 규소강판을 적층한 코어에 코일을 감은 가동자부(200)와 고정자부(100) 가이드 요크(102)에 가이드 레일(103)을 설치함으로써 일정한 공극(301)을 가지고 직선 주행을 한다. 여기에서 공극(301)은 고정자부(100) 옆면의 영구자석(104)과 가동자부(200) 옆면의 영구자석(208) 사이에 작용하는 인력과 척력의 평형점으로써, 가동자부(200)가 고정자부(100)의 상부를 움직일 때 서로 다른 극성끼리 인력이 작용할 수 있고, 서로 같은 극성끼리 척력이 작용하게 되는데, 그 중간 정도의 힘이 작용하도록 거리를 둔 것을 말한다. 또한 가동자부(200)의 코일권선(202,203,204)과 고정자부(100)의 영구자석(101)도 같은 작용을 하게 된다.

고정자부(100) 옆면에 영구자석(104)을 취부하여 자기 부상시켜 자기적 이동을 하고, 고정자부(100) 윗면에 영구자석(101)을 취부하고, 에폭시 몰딩을 하여 가동자부(200)의 코일권선(202,203,204)과 자속쇄교에 의한 자기반발력이 발생하도록 한다.

즉, 제4도와 제5도의 고정자부(100) 옆면의 영구자석(104)은 가동자부(200)의 옆면 영구자석(208)과 자기적 반발력에 의한 자기 평형점을 이루기 위한 구조이고, 같은 극성의 영구자석은 자기반발력이 발생하여 서로 밀어내기 때문에 제4도의 ㄷ자나 제5도의 소자 형상으로 만듦으로써, 고정자부(100)와 가동자부(200)가 일정한 자기 부상을 하여 주행중의 모터 진동을 억제하고, 고속 주행시의 탈조를 방지한다. 이때 ㄴ자형 형상의 경우는 한쪽면에만 영구자석(104)을 취부하고, 다른 한쪽은 기구적으로 고정하여 탈조를 방지하게 되어 있다.

이러한 구조는 종래의 공압을 이용한 방법보다는 구조가 간단하고, 고속 주행시의 모터의 높은 신뢰성과 주행속도를 높일 수 있는 장점이 있다.

제6도와 제7도는 ㄷ자 교류모터와 ㄴ자 교류모터의 전체 시스템을 조합했을 때의 구성도이다. 가동자부(200)의 코일권선(202,203,204) 보빈은 자속(Magnetic Flux)과 교차하는 방향으로 코일을 감았기 때문에, 고정자부(100)의 영구자석(101)과 코일권선(202,203,204) 보빈의 코일 전류의 자속쇄교에 의해 자기반발력이 발생하고, 이러한 자기반발력에 의해 자기 에너지가 발생하게 된다.

그리고, 가동자부(200)의 코일권선(202,203,204) 부분과 고정자부(100)의 영구자석(101) 사이의 공극(301)에 따라 모터 특성에 영향을 끼치는데, 기구적 레일(103)을 설치함으로써 공극을 일정하게 유지하여 전체 모터 성능을 개선시키게 된다.

결국, 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 교류모터는 제2도를 참고로 하여, 고정자부(100)는 고정된 가이드 요크(102) 중간에 서로 극을 달리하는 영구자석(101)이 일렬로 배열되어 있고, 양 끝단에 롤러가 지나가도록 레일(103)이 설치되어 있으며, 옆면에 영구자석(104)을 취부하고 있다.

그리고, 가동자부(200)는 외부에서 권선인출부(201)를 통해서 3상 교류전원이 공급되고, 공급된 3상전원이 120도씩 위상차를 가지며 교번하는 3개의 코일권선(202,203,204)을 가지며, 각 코일권선의 내부에 위상센서(205)가 위치하여 각 위상을 감지하고, 상기의 고정자부(100)의 레일(103)을 지나는 4개의 롤러(206)가 있고, 상기의 롤러(206)를 지지해주는 가동자 요크(207)를 가지며, 가동자 요크(207) 양면에 영구자석(208)을 취부하여 상기의 고정자부(100)에 취부된 영구자석(104)과 자기적 반발력을 발생시키며, 상기의 고정자부(100)의 상부를 움직이게 된다.

그러므로 상기와 같이 동작하는 이 발명의 효과는, 기계적 강성이 우수하고, 고속으로 주행할 때 자기적 가이드 때문에 탈조현상이나 주행 행정의 굴곡이 없어지며, 인덕터에 롤러 베어링을 사용하여 일정한 공극을 유지시켜 여자전류를 흘려줄 때 균일한 자속 분포를 보여 자속 제어 특성을 향상시킬 수 있고, 동시에 균일한 자속이 넓은 면적에 분포되어 자기적 평평도가 개선된 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 모터 구동장치를 제공할 수 있다.

Claims (3)

1. 고정된 가이드 요크 중간에 서로 극을 달리하여 일렬로 배열된 영구자석과, 상기 가이드 요크 옆면에 취부된 영구자석을 포함하는 고정자부와, 상기 고정자부의 가이드 요크에 배열된 영구자석에 대응하도록 가동자 요크에 설치되며 외부 교류전원을 공급받아서 교번하는 복수의 코일권선과, 상기 고정자부의 가이드 요크 옆면에 취부된 영구자석에 대응하도록 상기 가동자 요크 옆면에 취부된 영구자석을 포함하며, 상기 고정자부의 가이드 요크 중간에 배열된 영구자석과 상기 코일권선의 자기적 반발력으로 상기 고정자부의 상부에서 이동 가능하도록 설치된 가동자부를 포함하며, 상기 고정자부의 가이드 요크 옆면에 취부된 영구자석과 상기 가동자 요크 옆면에 취부된 영구자석의 자기적 반발력으로 상기 고정자부의 옆면과 상기 가동자부의 옆면 사이에 공극이 형성되는 것을 특징으로 하는 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 교류모터 구동장치.
2. 제1항에 있어서, 상기의 가동자부는, ㄷ자 형상인 것을 특징으로 하는 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 교류모터 구동장치.
3. 제1항에 있어서, 상기의 고정자부의 옆면에 취부한 영구자석은, 양쪽면에 취부하는 것을 특징으로 하는 자기반발 가이드와 레일 구조를 갖는 선형 교류모터 구동장치