KR100245483B1 - 하이브리드형 스텝 모터 - Google Patents

Abstract

하이브리드형 스텝 모터는 고정축상에 설치된 고정자 요크 상의 코일 또는 고정자 요크의 내부 원주상에 감긴 코일을 갖는다. 하이브리드형 스텝 모터는 코일을 감기가 용이하며, 충분히 높은 코일 밀도를 제공하며, 가격을 절감시킨다. 고정자 요크의 양 측면상에 보조 원통 자석과 보조 자기 플랜지를 사용하여 고정자 요크 몸체의 양 측면상에 자기 회로를 형성할 수 있다. 이러한 배치는 토크를 증가시킨다. 다중 상 모터가 용이하게 구성될 수 있다.

Description

하이브리드형 스텝 모터 {HYBRID-TYPE STEPPING MOTOR}

본 발명은 하이브리드형 스텝 모터(hybrid-type stepping motor)에 관한 것으로, 특히 권선 및 코일의 배치를 용이하게 하고, 코일의 밀도를 고밀도로 하여 고 효율, 저가의 구성을 성취할 수 있으며, 2 상, 3 상 및 5 상 구동과 같은, 어떤 임의 개수의 상(相)으로 구동할 수 있는 하이브리드형 스텝 모터의 새로운 개선점에 관한 것이다.

도 1 에 도시된 바와 같이, 종래기술의 하이브리드 모터는 케이스(4)의 양 단부에 고정된 한쌍의 베어링(2, 3)에서 회전가능하게 지지된 회전축(1)을 갖는다. 고정자 케이스(4)의 내면(4a)에 고정자 코일(5)을 갖는 일반적인 환상의 고정자 요크(6)가 설치된다. 고정자 요크(6)의 내부 원주둘레에는 복수개의 고정자 톱니(7)가 일정한 간격을 두고 이격되어 있다. 베어링(2, 3)의 사이에는 평면자석(8)이 삽입되어 있는 회전축상에 단일체로에 배열된 환상의 제 1 및 제 2 의 회전자 요크(9, 10)가 배치되어 있다. 각각의 회전자 요크(9, 10)는 그의 원주상에 회전자 톱니(9a, 10a)를 가지고 있으며, 회전자 요크(9, 10)는 극성이 서로 교번하여 나타난다. 미도시의 구동 회로로부터 고정자 코일(5)에 구동 펄스를 공급함으로써 회전자 요크(9, 10)가 점차적으로 회전하게 된다.

따라서, 종래기술의 하이브리드형 스텝 모터는 다음의 문제점을 갖는다.

평면자석이 삽입된 회전자 요크를 갖는 하이브리드형 스텝 모터에서, 케이스의 내측에 고정자 코일이 각 고정자 요크의 톱니둘레에 감겨져 위치된다. 각 톱니에 코일을 감는 것이 어려우므로, 코일의 밀도를 증가시키는 것도 어렵다. 더 큰 토크를 발생시키기 위해 복수개의 모터를 결합하는 경우, 샤프트의 길이방향의 크기가 너무 길어진다. 이러한 배치는 코일 감기를 더욱 어렵게 한다.

종래기술의 하이브리드형 스텝 모터에서, 각각의 2 상, 3 상 및 5 상 모터는 자신의 적당한 고정자 코어를 필요로 한다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 개발되었으며, 본 발명의 목적은 코일의 감기와 배치가 용이하고, 코일의 밀도가 증가되어 고효율을 제공하며, 필요하면, 동일한 고정자 요크와 회전자 요크를 사용하여, 2 상, 3 상, 5 상 및 n 상 모터를 제조하며, 평면자석이 강한 여자를 제공하는 구성에 의해 토크가 증가되고, 또한 필요하면, N 개의 n 상 모터를 축방향으로 효과적으로 캐스캐이드 결합시킬 수 있는 저가의 하이브리드형 스텝 모터를 제공하는 것이다.

도 1 은 종래기술의 모터 구성의 도면.

도 2 는 본 발명의 외부 회전자 3 상 하이브리드 스텝 모터를 나타낸 횡단면도.

도 3 은 도 2 의 X-X' 를 따라 절단한 횡단면도.

도 4 는 평면자석에 의해 형성된 자속의 흐름을 나타낸 설명도.

도 5 는 코일에 의해 형성된 자속의 흐름을 나타낸 설명도.

도 6 의 (A) 는 스텝 구동을 (B) 는 마이크로 스텝 구동 또는 사인파 구동을 나타낸 설명도.

도 7 은 코일에 전류가 통전되는 경우에 평면자석 및 코일에 의해 초래되는 각각의 상태에서의 자속을 나타낸 설명도.

도 8 은 도 7 에 대응하여 각 고정자 톱니와 회전자 톱니의 상대적인 위치를 나타낸 도면.

도 9 는 도 2 의 구성의 2 상 형태의 도면.

도 10 은 도 2 의 구성의 5 상 형태의 도면.

도 11 은 도 9 의 2 개의 고정자 요크 몸체를 갖는 캐스캐이드 접속된 2 개의 2 상 모터를 나타낸 도면.

도 12 는 도 2 의 내부 회전자형의 구성을 나타낸 도면.

도 13 은 또 다른 실시예의 구성을 나타낸 횡단면도.

도 14 는 평면자석에 의해 형성된 자속의 흐름을 나타낸 설명도.

도 15 는 코일에 의해 형성된 자속의 흐름을 나타낸 설명도.

도 16 은 전류가 코일을 흐를 때 원통 자석과 코일에 의해 초래되는 각각의 상태에서의 자속을 나타낸 설명도.

도 17 은 도 16 에 대응하여 각 고정자 톱니와 회전자 톱니의 상대적 위치를 나타낸 도면.

도 18 은 2 상 구성의 도면.

도 19 는 5 상 구성의 도면.

도 20 은 2 개의 고정자 요크 몸체를 갖는 캐스캐이드 접속된 2 개의 2 상 모터를 나타낸 도면.

도 21 은 내부 회전자형 구성의 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : 고정축 2, 3 : 베어링

4 : 회전자 케이스 6 : 회전자 요크

7 : 회전자 톱니 8 : 평면자석

9, 10, 11 : 고정자 요크 9a, 10a, 11a : 고정자 톱니

20u, 20v, 20w : 코일슬롯 22, 23, 24 : 코일

100 : 고정자 요크 몸체 101, 102 : 보조 평면자석

103, 104 : 보조 자기판 300 : 케이스

106, 107, 108 : 고정자 요크 109 : 회전자 요크

109a : 회전자 톱니 200 : 회전축

본 발명에 따른 하이브리드형 스텝 모터는, 고정축상에 서로 이격되어 형성된 한쌍의 베어링과, 이 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전자 케이스와, 이 회전자 케이스상에 설치된 복수개의 회전자 톱니를 갖는 환상의 회전자 요크와, 이 고정축상에 평면자석을 매개로 축방향으로 배열된 n 개의 고정자 요크로 이루어진 고정자 요크 몸체와, 각각의 고정자 요크의 외주에 형성된 복수개의 고정자 톱니와, 이 각각의 고정자 요크의 축방향으로 중앙위치인 외주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯과, 이 원형 코일슬롯에 설치된 n 개의 코일과, 상기 고정자 요크 몸체의 양단에 평면자석을 매개로 고정축상에 설치된 한쌍의 보조 자기판을 구비하며, 각 고정자 요크는 서로 다른 극성을 구성함과 동시에, 보조 평면자석으로부터의 자속이 보조 자기판을 통과하도록 한 외부 회전자형 구성을 갖는다.

더 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 3 상 구동을 위한 3 개의 요크를 구비한다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 2 상 구동을 위한 2 개의 요크를 구비한다.

본 발명에 따른 하이브리드형 스텝 모터는 케이스의 양단부에 설치된 한쌍의 베어링과, 이 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전축과, 상기 케이스의 내면의 축방향으로 환상의 평면자석을 매개로 배열된 n 개의 환상의 고정자 요크로 구성된 고정자 요크 몸체와, 각 환상의 고정자 요크의 내면에 형성된 복수개의 고정자 톱니와, 고정자 요크 몸체의 양단에 보조 평면자석을 매개로 상기 케이스에 설치된 한쌍의 보조 자기판과, 각 환상의 고정자 요크의 축방향으로 중앙위치인 내주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯과, 각 원형 코일슬롯에 설치된 n 개의 코일과, 상기 회전축에 설치된 각 고정자 요크에 대응하여 위치되며 상기 회전축에 설치된 회전자 요크, 및 상기 회전자 요크의 외주에 설치된 복수개의 회전자 톱니를 구비하며, 상기 보조 평면자석으로부터의 자속이 상기 보조 자기판을 통과하도록 한 내외부 회전자형의 구성을 갖는다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 3 상 구동을 위한 3 개의 요크를 갖는다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 2 상 구동의 2 개의 요크를 갖는다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 N 개의 고정자 요크 몸체가 상기 평면자석을 매개로 캐스캐이드 접속되도록 구성된 외부 회전자형의 구성을 갖는다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 N 개의 고정자 요크 몸체가 상기 평면자석을 매개로 캐스캐이드 접속되도록 구성된 내부 회전자형의 구성을 갖는다.

본 발명에 따른 하이브리드형 스텝 모터는 고정축상에 서로 이격되어 설치된 한쌍의 베어링과, 상기 각 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전자 케이스와, 상기 회전자 케이스에 설치되며 복수개의 회전자 톱니를 갖는 환상의 회전자 요크와, 상기 고정축상에 축방향으로 배열된 n 개의 고정자 요크로 이루어진 고정자 요크 몸체와, 상기 각 고정자 요크의 외주에 형성된 복수개의 고정자 톱니와, 상기 각 고정자 요크의 축방향의 중앙위치인 외주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯과, 상기 각 코일슬롯에 설치된 n 개의 코일과, 상기 고정자 요크 몸체의 양단에 보조 원통자석을 매개로 상기 고정축상에 설치된 한쌍의 보조 자기 플랜지를 구비하며, 상기 각 고정자 요크는 서로 다른 극성을 구성함과 동시에, 상기 보조 원통자석으로부터의 자속이 상기 보조 자기 플랜지를 통과하도록 한 외부 회전자형의 구성을 갖는다.

더 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 3 상 구동을 위한 3 개의 요크를 구비한다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 2 상 구동을 위한 2 개의 요크를 갖는다.

본 발명에 따른 하이브리드형 스텝 모터는 케이스의 양단에 설치된 한쌍의 베어링과, 상기 각 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전축과, 상기 케이스의 내면의 축방향으로 환상의 평면자석을 매개로 배열된 n 개의 환상의 고정자 요크로 구성된 고정자 요크 몸체와, 상기 각 환상의 고정자 요크의 내면에 형성된 복수개의 고정자 톱니와, 상기 고정자 요크 몸체의 양단에 보조 자기 플랜지를 매개로 상기 케이스에 설치된 한쌍의 보조 자기 플랜지와, 상기 각 환상의 고정자 요크의 축방향의 중앙위치인 내주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯과, 상기 각 원형 코일슬롯에 형성된 n 개의 코일과, 상기 회전축에 형성된 상기 각 고정자 요크에 대응하여 위치되며 상기 회전축에 설치된 회전자 요크와, 상기 회전자 요크의 외주에 설치된 복수개의 회전자 톱니를 구비하며, 상기 보조 원통자석으로부터의 자속이 상기 보조 자기 플랜지를 통과하도록 한 내외부 회전자형의 구성을 갖는다.

더 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 3 상 구동을 위한 3 개의 요크를 갖는다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 2 상 구동을 위한 2 개의 요크를 갖는다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 외부 회전자 구성형이다. 여기서, 원통 자석을 매개로 N 개의 고정자 요크 몸체가 캐스캐이드 접속된다.

더욱 상세하게로는, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터는 내부 회전자 구성형이며, 여기서, 원통 자석을 매개로 N 개의 고정자 요크 몸체가 캐스캐이드 접속된다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터의 실시예를 설명한다. 종래기술의 소자와 동일하거나 동등한 소자는 동일한 참조번호로 표시된다.

도 2 는 외부 회전자 구성의 하이브리드형 스텝 모터를 나타낸다. 참조번호 1 은 한쌍의 베어링(2, 3)이 이격되어 탑재되어 있는 비자성 재료로 된 고정축을 지칭한다. 전단 케이스(4a), 후단 케이스(4b) 및 원통 회전자 요크(6)로 구성된 회전자 케이스(4)는 베어링(2, 3)에 의해 회전가능하도록 설치된다. 복수개의 회전자 톱니(7)는 회전자 케이스(4)의 회전자 요크(6)의 내부 원주상에 설치된다.

먼저, 고정축(1)상에 각 평면자석(8)을 매개로 고정축의 방향으로 배열된 환상의 제 1, 제 2 및 제 3 의 고정자 요크(9, 10, 11)는 이 평면자석(8)을 포함하는 상태로 일체형으로 구성되며, 각 고정자 요크(9, 10 및 11)의 축방향의 중앙위치인 외주위치에는 제 1, 제 2 및 제 3 의 원형 코일슬롯(20u, 20v 및 20w)이 각각 형성된다. 각 고정자 요크(9 내지 11)에 고정자 요크 몸체(100)를 더 구성하며, 이 고정자 요크 몸체(100)의 양단에는 보조 평면자석(101, 102)을 매개로 제 1 및 제 2 보조 자기판(103, 104)이 고정축(1)상에 고정되어 있다. 각 코일슬롯(20u, 20v 및 20w)에는 솔레노이드형으로 감긴 U 상의 제 1 코일(22), V 상의 제 2 코일(23) 및 W 상의 제 3 의 코일(24)이 설치되어 있다(즉, 이 각 코일(22, 23 및 24)은 권선기에 의해 자동권선되어 있다). 제 1 고정자 요크(9)의 외주에는 제 1 코일(22)을 사이에 끼고 제 1 및 제 2 의 N 극(N1, N2)이 형성되며, 제 2 고정자 요크(10)의 외주에는 제 2 코일(23)을 사이에 끼고 제 1 및 제 2 의 S 극(S1, S2)이 형성되며, 제 3 의 고정자 요크(11)의 외주에는 제 3 의 코일(24)을 사이에 끼고 제 3 및 제 4 의 N 극(N3, N4)이 형성되며, 각 극(N1, N2, S1, S2, N3 및 N4)은 상기 회전자 톱니(7)에 대응됨과 동시에, 각 극(N1, N2, S1, S2, N3 및 N4)의 외주에는 상기 회전자 톱니(7)의 피치와 동일한 피치의 복수개의 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)가 형성되어 있다. 도 8 에 예시되어 있는 바와 같이, 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)는 서로 1/2 피치(1π)만큼 극(N1 및 N2)이 시프트되도록 구성된다. 극(S1 및 S2)은 서로 1/2 피치(1π)만큼 시프트된다. 극(N3 및 N4)은 서로 1/2 피치(1π)만큼 시프트된다. 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)는 극(N1 및 N2), 극(S1 및 S2) 및 극(N3 및 N4)이 각각 1/6 피치만큼(π/3)(1/2n 피치, n은 위상 수)만큼 시프트되도록 구성된다. 보조 자기판(103, 104)은 자속 통로를 형성하기 위해서만 사용된다.

다음으로, 모터의 동작에 대해 설명한다. 도 4 는 평면자석(8)과 보조 평면자석(101, 102)이 형성하는 자속의 흐름을 나타냄과 동시에 각 보조 자기판(103, 104)에 의해 자속의 흐름이 등분된 것을 나타낸다. 여기서, 보조 평면자석(101, 102)과 보조 자기판(103, 104)이 사용되지 않는 경우에는, 2 개의 평면자석(8)이 만들어 내는 자속은 중앙의 V 상 고정자 요크(10)에 집중되게 되며, 그 양측의 U 상 또는 W 상보다 강하게(2배) 되어 각 상의 균일성이 손상되게 된다. 그 결과, 모터로서 사용할 수 없게 되므로, 보조 평면자석과 보조 자기판의 중요하다. 또한, 이에 의한 자속은 강할수록 균일성이 확보된다. 또한, 보조 평면자석에 의해 각 상에서의 균일성이 보장된다. 도 5 는 U 상, V 상 및 W 상의 코일(22, 23 및 24)에 의해 발생되는 자속을 나타내며, 이 자속의 흐름의 방향은 각 코일(22, 23 및 24)에 흐르는 전류의 방향에 의해 결정된다.

도 6 은 각 코일(22, 23 및 24)에 전류가 어떻게 통전되는가를 나타낸 것이며, (A)에는 구동전류(I)의 세기를 변화시키지 않고 온/오프시킨 경우의 스텝구동을 나타낸 것이다. (B)에는 구동전류(I)의 세기를 점차적으로 변화시켜 종래기술의 마이크로 스텝 구동 또는 사인파 구동으로 한 경우를 나타낸 것이다. 각각의 경우, 1 주기를 6 개의 상태(상태 1 내지 상태 6)로 나눠서 도 7 과의 관계를 나타내고 있다. 도 7 은 도 6(A)의 스텝 구동 또는 도 6(B)의 마이크로 스텝 또는 사인파 구동시킨 경우의 전술한 각 스텝 구동상태 1 내지 상태 6에서의 전류와 평면자석(8)과 보조 평면자석(101, 102)이 만들어내는 종래기술의 자속의 합성상태를 나타낸다.

또한, 이 경우도, 본 발명에 따른 각 보조 자기판(103, 104) 및 보조 평면자석(101, 102)의 전체 자속이 합성되어 분포되면서 효과적 및 규칙적으로 작용하고 있는 상태를 나타낸다.

다음으로, 도 8 은 도 7 에 대응하여 각 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)와 회전자 톱니(7)의 상대적인 위치를 나타내며, 전술한 각 상태 1 내지 상태 6에서 규칙적으로 그 장소가 이동하여 변화상태를 나타내며, 회전자 톱니(7)가 순차적으로 회전하여 가는 모양을 나타내고 있다. 그러므로, 이러한 3 상 모터는 고정자 요크 몸체(100)의 양측에 설치된 보조 자기판(103, 104) 및 보조 평면자석(101, 102)에 의해 최초로 모터로서의 기능이 달성되는 것이다.

도 9 는 도 2 의 구성을 2 상 구성으로 적용한 경우를 나타낸다.

고정자 요크(9, 10)에서 톱니(A1 및 A2)는 1/2 피치만큼 서로 시프트되며, 톱니(B1 및 B2)는 1/2 피치만큼 서로 시프트되며, 고정자 요크(9, 10)의 위상(A 및 B)은 1/2n 피치, 즉 1/4 피치만큼 시프트된다. 2 상의 경우에는, 어떤 경우에도 보조 평면자석(101, 102)과 보조 자기판(103, 104)이 없더라도 모터로서 동작된다. 그러나, 본 발명의 도 9 에 나타낸 바와 같이, 이들을 사용한 경우가 고정자 요크(9, 10)가 보조 평면자석(101, 102)에 의해, 양측으로부터 균등하게 강한 여자가 일어나게 되어, 보다 강한 출력 토크가 얻어짐과 동시에, 토크발생의 불규칙성도 억제되게 된다.

도 10 은 본 발명을 5 상으로서 적용한 경우의 모터를 나타내며, 동일한 U 상의 극 U1 과 U2 사이와, V 상의 극 V1 과 V2 사이와, W 상의 극 W1 과 W2 사이와, X 상의 극 X1 과 X2 사이 및, Y 상의 극 Y1 과 Y2 사이에는 1/2 피치씩 시프트되어 있으며, 내부 위상 시프트는 1/2n = 1/10(n=5)이다.

도 2 내지 도 10 의 구성에서 나타낸 바와 같이, 홀수 또는 짝수 상 모터에 무관하게, 2 상 또는 3 상 내지 n 상의 모터가 실현될 수 있다.

도 11 은 도 9 의 2 상 모터(M1 및 M2)를 2개 캐스캐이드 접속한 상태를 나타내고 있다. 즉, 도 11 의 M1 및 M2 는 도 9 의 고정자 요크 몸체(100)를 2 개 사용하여 각 고정자 요크 몸체(100)의 사이에 평면자석(8)을 설치하고, 다른 보조 평면자석(101, 102) 및 보조 자기판(103, 104)은 도 9 와 동일한 방식으로 양단에 설치된다. 따라서, 이 고정자 요크 몸체(100)를 복수개 예를 들어 N 개 캐스캐이드 접속시킴으로써, 임의 개수의 N 개의 고정자 요크 몸체(100)를 갖는 형식의 캐스캐이드 접속된 외부 회전자형 또는 내부 회전자형 모터를 구성할 수 있다. 이 경우에도, 단순히 M1 및 M2 사이의 평면자석(8) 및 보조 평면자석(101, 102) 및 보조 자기판(103, 104)이 도 2 의 구성과 동일한 방식으로 효과적으로 작용한다.

도 9 의 2 상에 관해 도 11을 나타내었지만, 마찬가지로 도 2, 도 10 및 후술하는 도 12 에도 적용할 수 있음은 명백하다. 일반적으로, N 개의 n 상 모터를 캐스캐이드 접속하여 더 큰 소망 토크를 발생시킬 수 있다.

도 12 는 종래 사용되던 도 1 에 도시된 내부 회전자 구성의 하이브리드형 스텝 모터를 본 발명의 구성에 적용하여 내부 회전자 하이브리드형 스텝 모터를 구성한 경우의 예를 나타낸 것으로, 여기서 비자성 재료로 된 고정자 케이스(300)의 내면에 각각 환상의 평면자석(8)을 매개로 축방향으로 배열된 환상의 제 1, 제 2 및 제 3 의 환상의 고정자 요크(106, 107 및, 108)가 축방향으로 서로 일체형으로 배치되어 3 상 고정자 요크 몸체(100)로 구성되며, 각 고정자 요크(106, 107 및 108)는 서로 다른 극성이 되도록 구성되어 있다.

또한, 이 고정자 요크 몸체(100)의 양측에 보조 평면자석(101, 102) 및 보조 자기판(103, 104)이 설치되어, 양단부에서 자기회로를 형성하고 있다. 각 환상의 고정자 요크(106, 107 및 108)의 각 코일슬롯(20u, 20v 및 20w)에는 솔레노이드형상의 제 1, 제 2 및 제 3 의 코일(22, 23, 24)이 각각 형성되어 있으며, 자성재로 된 회전축(200)상에는 3 개의 각 고정자 요크(106, 107 및 108)에 대응되는 회전자 요크(109)가 설치되며, 이 회전자 요크(109)의 외주에는 복수개의 회전자 톱니(109a)가 형성되어 있다. 따라서, 도 12 의 구성은 도 2 와 대조적인 내부 회전자형으로 구성된 것이므로, 그 스텝 구동 상태는 도 4 내지 도 8 에 도시된 동작과 동일한 원리로 스텝 구동이 행해진다. 또한, 도 9 및 도 11 에 대응하여 2 상 내부 회전자형, 5 상 내부 회전자형이 도 12 와 동일한 방식으로 형성되며, 또한 일반화하여 n 상 내부 회전자 하이브리드형 모터가 구성된다.

전술한 바와 같이, 도 9 가 도 10 과 같이 캐스캐이드 접속되도록 일반화시킨 n 상 내부 회전자 하이브리드형 모터도 도 11 과 동일한 방식으로 캐스캐이드 접속된다. 즉, 전술한 각 코일(22, 23)은 종래기술의 바이폴라 권선으로 한 경우를 가정하여 설명하였지만, 종래기술의 유니폴라 권선으로 한 경우도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 실시예는 종래기술의 단상 여자로 하였지만, 2 상 여자 또는 1-2 상 여자에 의해 구동될 수 있다. 또한, 각 톱니(7, 9a, 10a, 11a 및 109a)의 피치로 시프트는 상대적인 값으로서, 어느 측을 시프트시킨 경우도 전술한 것과 동일한 동작을 얻을 수 있다. 또한, 모터의 형상도, 예를 들면, 평면의 큰 직경을 갖는 구성과, 얇은 두께를 갖는 구성과, 양호하게 연장된 구성으로 임의로 구성될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 하이브리드형 스텝 모터의 또 다른 실시예를 설명한다. 종래기술에서 언급된 소자와 유사하거나 동일한 소자에는 동일한 참조번호로써 지칭한다.

도 13 및 도 3 은 외부 회전자 구성의 하이브리드형 스텝 모터를 나타내며, 여기서 참조번호 1 은 고정축으로서, 이 고정축(1)에 서로 이격하여 설치된 한쌍의 베어링(2, 3)에는 전단 케이스(4a), 후단 케이스(4b) 및 원통 회전자 요크(6)로 구성된 회전자 케이스(4)가 회전가능하도록 설치된다. 이 회전자 케이스(4)의 회전자 요크(6)의 내면에는, 복수개의 회전자 톱니(7)가 설치되어 있다.

고정축(1)의 고정축 고정체(1A)의 외주의 고정축 요크(1B)상에는 원통 자석(8)을 매개로 축방향으로 배열된 환상의 제 1, 제 2 및 제 3 의 고정자 요크(9, 10 11)가 설치되며, 이 원통 자석(8)을 직경방향으로 포함하는 상태로 구성되며, 각 고정자 요크(9, 10 및 11)의 축방향의 중앙위치인 외주위치에는 제 1, 제 2 및 제 3 의 원형 코일슬롯(20u, 20v 및 20w)이 각각 형성되어 있다. 상기 각 고정자 요크(9 내지 11)에 의해 고정자 요크 몸체(100)를 구성하며, 이 고정자 요크 몸체(100)의 양단에는 상기 원통 자석(8)의 양측에 형성된 보조 원통 자석(101, 102)을 매개로 제 1 및 제 2 보조 자기 플랜지(103, 104)가 고정축(1)과 일체로 고정되어 있다. 상기 각 코일슬롯(20u, 20v 및 20w)에는 솔레노이드상으로 감긴 U 상의 제 1 코일(22)과, V 상의 제 2 코일(23) 및 W 상의 제 3 의 코일(24)이 형성되어 있다(즉, 이 각 코일(22, 23 및 24)은 권선기에 의해 외주측으로부터 미리 자동권선되어 있다). 제 1 고정자 요크(9)의 외주에는 제 1 코일(22)을 사이에 끼고 제 1 및 제 2 의 N 극(N1, N2)이 형성되며, 상기 제 2 고정 요크(10)의 외주에는 제 2 코일(23)을 사이에 끼고 제 1 및 제 2 의 S 극(S1, S2)이 형성되며, 상기 제 3 의 고정자 요크(11)의 외주에는 제 3 의 코일(24)을 사이에 끼고 제 3 및 제 4 의 N 극(N3, N4)이 형성되며, 각 극(N1, N2, S1, S2, N3 및 N4)은 상기 회전자 톱니(7)에 대응됨과 동시에, 각 극(N1, N2, S1, S2, N3 및 N4)의 외주에는 상기 회전자 톱니(7)의 피치와 동일 피치의 복수개의 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)가 형성되어 있다. 도 17 에 예시되어 있는 바와 같이, 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)는 극(S1 및 S2)이 1/2 피치(1π)만큼 서로 시프트되어 있으며, 극(N3 및 N4)이 1/2 피치(1π)만큼 서로 시프트되어 구성되어 있으며, 또한 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)는 극(N1 및 N2)과 극(S1 및 S2) 및 극(N3 및 N4)이 1/6 피치(π/3)(1/2n 피치 n : 상의 수)만큼 각각 시프트되어 구성되어 있다. 보조 자기 플랜지(103 및 104)는 자속 통로를 형성하기 위해서만 사용된다.

이하, 모터의 동작에 대해 설명한다. 도 14 는 원통 자석(8)과 보조 원통 자석(101, 102)을 통과하는 자속의 흐름과, 이 자속의 흐름이 자기 플랜지(103, 104)에 의해 등분되는 것을 나타낸 것이다. 여기서, 보조 원통 자석(101, 102) 및 보조 자기 플랜지(103, 104)가 사용되지 않는 경우에는, 2 개의 원통 자석(8)이 만들어 내는 자속은 중앙의 V 상 고정자 요크(10)에 집중되게 되어, 그 양측의 U 상 또는 W 상 고정자내의 자속보다 (2배) 더 강해지므로, 각 상에서의 강도가 불균일하게 된다. 그 결과, 모터로서 사용할 수 없게 되므로, 보조 원통 자석과 보조 자기 플랜지의 기능은 중요하며, 이에 의해 자로가 추가적으로 형성되어 각 상에서의 자속이 균일하게 된다. 도 15 는 U 상, V 상 및 W 상의 코일(22, 23 및 24)에 의해 형성된 자속을 나타낸 것이며, 그 자속의 방향은 코일(22, 23, 24)을 통해 흐르는 전류의 방향에 의해서 각각 결정된다.

도 6 은 각 코일(22, 23, 24)에 구체적으로 통전되는 상태를 나타낸 것으로, (A) 는 구동전류(I)의 강도를 변화시키지 않고 온/오프시킨 경우의 스텝 구동을 나타내고 있다. (B) 는 점차적으로 전류(I)의 세기를 변화시켜 종래기술의 마이크로 스텝 구동 또는 사인파 구동으로 한 경우를 나타내고 있다. 각각의 경우에, 1 주기를 6 개의 상태(상태 1 내지 상태 6)로 나눠서 도 16 과의 관계를 나타내고 있다.

도 16 은 도 6(A)의 스텝 구동 또는 도 6(B)의 마이크로 스텝 또는 사인파 구동시킨 경우의 전술한 각 스텝 구동상태 1 내지 상태 6 에서의 전류와 원통 자석(8)과 보조 원통 자석(101, 102)이 만들어 내는 종래기술의 자속의 합성상태를 나타낸다.

또한, 이 경우에도, 본 발명에 따른 각 보조 자기 플랜지(103, 104) 및 보조 원통 자석(101, 102)의 전체 자속이 합성 및 분포되어 효과적이며 규칙적으로 작용한다.

다음으로, 도 17 은 전술한 도 16 에 대응하여 각 고정자 톱니(9a, 10a 및 11a)와 회전자 톱니(7)의 상대적 위치를 나타내며, 전술한 각 상태 1 내지 상태 6에서 규칙적으로 그 장소가 이동해 가는 변화상태를 나타내고 있으며, 회전자 톱니(7)가 순차로 회전해 가는 모양을 나타내고 있다. 이와 같이, 3 상 모터는 고정자 요크 몸체(100)의 양측에 설치된 보조 자기 플랜지(103, 104) 및 보조 원통 자석(101, 102)에 의해서 최초로 모터로서의 기능이 달성되게 된다.

도 18 은 전술한 도 13 의 구성을 2 상 구성으로 적용한 경우를 나타낸 것이다.

고정자 요크(9, 10)에서, 톱니(A1 및 A2)는 1/2 피치만큼 서로 시프트되며, 톱니(B1 및 B2)는 1/2 피치만큼 서로 시프트며, 고정자 요크(9, 10)의 위상(A 및 B)은 1/2n 피치, 즉 1/4 피치만큼 시프트된다. 2 상의 경우에는, 반드시 보조 원통 자석(101, 102)과 보조 자기 플랜지(103, 104)가 없어도 모터로서 기능을 수행한다. 그러나, 본 발명의 도 18 에 나타낸 바와 같이 이들을 이용한 경우가 고정자 요크(9, 10)가 보조 원통 자석(101, 102)에 의해, 양측으로부터 균등하게 강한 여자가 일어나서, 보다 강한 출력 토크가 얻어질 수 있음과 동시에, 토크발생의 불규칙성도 억제된다.

도 19 는 5 상으로서 본 발명을 적용한 경우를 나타내며, U 상의 극 U1 과 U2 사이와, V 상의 극 V1 과 V2 사이와, W 상의 극 W1 과 W2 사이와, X 상의 극 X1 과 X2 사이 및 Y 상의 극 Y1 과 Y2 사이는 1/2 피치만큼 시프트되어 있으며, 내부 위상 시프트는 1/2n = 1/10(n=5)이다.

도 13 내지 도 19 의 구성에 나타낸 바와 같이, 홀수 또는 짝수 상 모터에 무관하게, 2 상 또는 3 상 내지 n 상의 모터가 실현될 수 있다.

도 20 은 도 18 의 2 상 구성 모터(M1 및 M2)를 2 개 캐스캐이드 접속시킨 상태를 나타낸다. 도 20 의 M1 및 M2 는 도 18 의 고정자 요크 몸체(8)를 2 개 사용하여 각 고정자 요크 몸체(100)에 원통 자석(8)을 설치하고, 다른 보조 원통 자석(101, 102), 보조 자기 플랜지(103, 104)는 도 18 과 동일한 방식으로 양단에 설치된다. 그러므로, 이 고정자 요크 몸체(100)를 복수개인 예를 들어 N 개 설치함으로써 임의의 개수의 N 개의 고정자 요크 몸체를 갖는 형식의 캐스캐이드 접속시킨 외부 회전자 또는 내부 회전자형(미도시)의 하이브리드 스텝 모터를 얻을 수 있다. 이 경우에도, 단순히 M1 및 M2 을 2 개 독립하여 동일 축 상에 구성한 경우와는 달리, M1 및 M2 사이에 자로가 형성되어, 보조 원통 자석(101, 102)과 보조 자기 플랜지(103, 104)가 도 13 의 구성과 동일하게 효과적으로 작용한다.

도 18의 2 상에 관하여 도 20 을 나타내었지만, 마찬가지로 도 13, 도 19 및 후술하는 도 21 에도 적용할 수 있음은 명백하다. 일반적으로, n 상 모터를 N 개 캐스캐이드 접속시켜, 더 큰 소망 토크를 발생시킬 수 있다.

또한, 도 21 에 나타낸 구성은 종래 사용되었던 도 1 에 나타낸 내부 회전자 구성의 하이브리드형 스텝 모터를 본 발명의 구성과 같이 적용하여 내부 회전자 하이브리드형 스텝 모터를 구성한 경우의 예를 나타낸 것으로서, 고정자 케이스(300)의 내면에 각각 환상의 원통 자석(8)을 매개로 축방향으로 배열된 환상의 제 1, 제 2 및 제 3 의 고정자 요크(106, 107 및 108)가 축방향으로 서로 일체형으로 배치되어 3 상 고정자 요크 몸체(100)로 구성되어 있으며, 각 고정자 요크(106, 107 및 108)는 서로 다른 극성을 갖도록 구성된다.

또한, 이 고정자 요크 몸체(100)의 양측에 보조 원통 자석(101, 102) 및 보조 자기 플랜지(103, 104)가 설치되며, 양단부에서 자기회로를 형성하고 있다. 상기 각 환상의 고정자 요크(106, 107 및 108)의 각 코일슬롯(20u, 20v 및 20w)에는 솔레노이드형의 제 1, 제 2 및 제 3 의 코일(22, 23 및 24)이 각각 설치되어 있으며, 자성재로 된 회전축(200)상에는 상기 3 개의 각 고정자 요크(106, 107 및 108)에 대응되는 연장된 회전자 요크(109)가 설치되며, 이 회전자 요크(109)의 외주에는 복수개의 회전자 톱니(109a)가 형성되어 있다. 따라서, 도 21 의 구성은 도 13 과 달리, 내부 회전자형으로 구성되어 있으므로, 그 스텝 구동 상태는 전술한 도 14 내지 도 17 에 나타낸 동작과 동일한 원리로 스텝 회전이 행해진다.

또한, 도 18 및 도 20 에 대응하여 2 상 내부 회전자형, 5 상 내부 회전자형이 도 21 과 동일한 방식으로 형성되며, 일반적으로 n 상 내부 회전자가 된다.

전술한 바와 같이, 도 18 의 구성이 도 20 과 같이 캐스캐이드 접속되어 일반화된 n 상 내부 회전자 하이브리드형 모터도 도 20 과 동일한 방식으로 캐스캐이드 접속된다. 즉, 전술한 각 코일(22, 23)은 종래기술의 바이폴라 권선인 경우를 전제로 설명하였지만, 종래기술의 유니폴라 권선의 경우도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 상기 실시예는 종래기술의 단상 여자를 바탕으로 하지만, 2 상 여자 또는 1-2 상 여자에 의해 구동될 수 있다. 또한, 전술한 각 톱니(7, 9a, 10a, 11a 및 109a)의 피치 시프트는 상대적으로 것으로서, 어느 측을 시프트시킨 경우도 전술한 것과 동일한 동작을 얻을 수 있다. 또한, 모터의 형상은, 예를 들어 평평하고 큰 직경 구성과, 얇은 두께 구성 및 양호하게 연장된 구성으로 구성될 수 있다.

n 상의 경우에, 고정자 요크는 단순히 1/2n 피치만큼 시프트되며, 2 상 내지 n 상의 경우에 대해 동일한 고정자 요크와 회전자 요크가 사용된다. N 개의 고정자 요크 몸체를 갖는 외부 회전자 또는 내부 회전자 하이브리드형 스텝 모터가 구성될 수도 있다.

상기에 설명된 바와 같이, 도 2 내지 13 의 구성에서, 코일이 고정자 요크의 외부 원주상에 설치되기 때문에, 코일 권선 동작은 매우 용이하며, 이런 형태의 외부 회전자 하이브리드형 스텝 모터의 가격을 실제적으로 절감시킨다. 도 12 와 도 21 의 구성에서, 솔레노이드형으로 감긴 코일은 고정자 요크의 내측으로부터 삽입되고, 그의 제조 가격은 종래기술과 비교하여 실제적으로 낮다. 또한, 보조 원통 자석이 자속 경로로서 모터의 양측상에 제공되기 때문에, 2 개의 자석 측면에 자극이 형성되어, 큰 토크를 용이하게 발생시키며, n 상 스텝 모터도 필요시에 용이하게 구성된다.

Claims (20)

1. (정정) 외부 회전자 구성을 갖는 하이브리드형 스텝 모터에 있어서,

   고정축상에 서로 이격되어 형성된 한쌍의 베어링, 상기 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전자 케이스, 상기 회전자 케이스상에 설치된 복수개의 회전자 톱니를 갖는 환상의 회전자 요크, 상기 고정축상에 평면자석을 매개로 축방향으로 배열된 n 개의 고정자 요크로 이루어진 고정자 요크 몸체, 상기 각각의 고정자 요크의 외주에 형성된 복수개의 고정자 톱니, 상기 각 고정자 요크의 축방향으로 중앙위치인 외주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯, 이 원형 코일슬롯에 설치된 n 개의 코일, 및 상기 고정자 요크 몸체의 양단에 평면자석을 매개로 고정축상에 설치된 한쌍의 보조 자기판을 구비하며,

   상기 고정자 요크는 서로 다른 극성을 구성함과 동시에, 보조 평면자석으로부터의 자속이 보조 자기판을 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
2. (정정) 내부 회전자 구성을 갖는 하이브리드형 스텝 모터에 있어서,

   케이스의 양단부에 설치된 한쌍의 베어링, 상기 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전축, 상기 케이스의 내면의 축방향으로 환상의 평면자석을 매개로 배열된 n 개의 환상의 고정자 요크로 구성된 고정자 요크 몸체, 상기 환상의 고정자 요크의 내면에 형성된 복수개의 고정자 톱니, 상기 고정자 요크 몸체의 양단에 보조 평면자석을 매개로 상기 케이스에 설치된 한쌍의 보조 자기판, 상기 환상의 고정자 요크의 축방향으로 중앙위치인 내주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯, 상기 원형 코일슬롯에 설치된 n 개의 코일, 상기 회전축에 설치된 상기 각 고정자 요크에 대응하여 위치되며 상기 회전축에 설치된 회전자 요크, 및 상기 회전자 요크의 외주에 설치된 복수개의 회전자 톱니를 구비하며,

   상기 보조 평면자석으로부터의 자속이 상기 보조 자기판을 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
3. (정정) 제 1 항에 있어서,

   상기 평면자석이 삽입되어 있는 복수개인 N 개의 고정자 요크 몸체는 캐스캐이드 접속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
4. (정정) 제 2 항에 있어서,

   상기 평면자석이 삽입되어 있는 복수개인 N 개의 고정자 요크 몸체는 캐스캐이드 접속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
5. (정정) 외부 회전자 구성을 갖는 하이브리드형 스텝 모터에 있어서,

   고정축상에 서로 이격되어 설치된 한쌍의 베어링, 상기 각 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전자 케이스, 상기 회전자 케이스에 설치되며 복수개의 회전자 톱니를 갖는 환상의 회전자 요크, 상기 고정축상에 축방향으로 배열된 n 개의 고정자 요크로 이루어진 고정자 요크 몸체, 상기 각 고정자 요크의 외주에 형성된 복수개의 고정자 톱니, 상기 각 고정자 요크의 축방향의 중앙위치인 외주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯, 상기 각 코일슬롯에 설치된 n 개의 코일, 및 상기 고정자 요크 몸체의 양단에 보조 원통자석을 매개로 상기 고정축상에 설치된 한쌍의 보조 자기 플랜지를 구비하며,

   상기 각 고정자 요크는 서로 상이한 극성을 구성함과 동시에, 상기 보조 원통 자석으로부터의 자속이 상기 보조 자기 플랜지를 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
6. (정정) 내부 회전자 구성을 갖는 하이브리드형 스텝 모터에 있어서,

   케이스의 양단에 설치된 한쌍의 베어링, 상기 각 베어링을 매개로 회전가능하게 설치된 회전축, 상기 케이스의 내면의 축방향으로 환상의 평면자석을 매개로 배열된 n 개의 환상의 고정자 요크로 구성된 고정자 요크 몸체, 상기 각 환상의 고정자 요크의 내면에 형성된 복수개의 고정자 톱니, 상기 고정자 요크 몸체의 양단에 보조 자기 플랜지를 매개로 상기 케이스에 설치된 한쌍의 보조 자기 플랜지, 상기 각 환상의 고정자 요크의 축방향의 중앙위치인 내주위치에 형성된 n 개의 원형 코일슬롯, 상기 각 원형 코일슬롯에 형성된 n 개의 코일, 상기 회전축에 형성된 상기 각 고정자 요크에 대응하여 위치되며 상기 회전축에 설치된 회전자 요크, 및 상기 회전자 요크의 외주에 설치된 복수개의 회전자 톱니를 구비하며,

   상기 보조 원통자석으로부터의 자속이 상기 보조 자기 플랜지를 통과하도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
7. (정정) 제 1 항에 있어서,

   상기 3 개의 고정자 요크는 3 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
8. (정정) 제 2 항에 있어서,

   상기 3 개의 고정자 요크는 3 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
9. (정정) 제 3 항에 있어서,

   상기 3 개의 고정자 요크는 3 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
10. (정정) 제 4 항에 있어서,

    상기 3 개의 고정자 요크는 3 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
11. (정정) 제 5 항에 있어서,

    상기 3 개의 고정자 요크는 3 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
12. (정정) 제 6 항에 있어서,

    상기 3 개의 고정자 요크는 3 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
13. (정정) 제 1 항에 있어서,

    상기 2 개의 고정자 요크는 2 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
14. (정정) 제 2 항에 있어서,

    상기 2 개의 고정자 요크는 2 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
15. (정정) 제 3 항에 있어서,

    상기 2 개의 고정자 요크는 2 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
16. (정정) 제 4 항에 있어서,

    상기 2 개의 고정자 요크는 2 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
17. (정정) 제 5 항에 있어서,

    상기 2 개의 고정자 요크는 2 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
18. (정정) 제 6 항에 있어서,

    상기 2 개의 고정자 요크는 2 상 구동을 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
19. (정정) 제 5 항에 있어서,

    상기 원통 자석이 사용된 상기 복수개인 N 개의 고정자 요크 몸체는 캐스캐이드 접속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.
20. (정정) 제 6 항에 있어서,

    상기 원통 자석이 사용된 상기 복수개인 N 개의 고정자 요크 몸체는 캐스캐이드 접속되는 것을 특징으로 하는 하이브리드형 스텝 모터.

    
    

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