KR100346129B1 - Ｓｒ 모터, ｓｒ 리니어모터 및 하물이동적재장치 - Google Patents

Abstract

회전식 SR 모터를 그대로 평면 전개한 SR 리니어모터에 비교하여, 동일한 전류밀도에서 추진력이 커지고 또 발생추진력이 0 이 되는 포인트가 없는 SR 리니어모터를 제공하는 것이다.

동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용한 SR 리니어모터 (15) 는 고정자 (16) 의 극 수와 고정자 (16) 와 대응하는 부분의 가동자 (19) 의 돌출부 (19a) 수의 비가 3:4 로 설정되어 있다. 각 극 (17a ∼ 17f) 은 등피치로 형성되고 각 극 (17a ∼ 17f) 에는 코일 (18) 이 모두 동일한 방향으로 많은 양이 감겨져 있다. 각 코일 (18) 은 3 상이 되도록 구성되고 극 (17a,17d), 극 (17b,17e) 및 극 (17c,17f) 에 대응하는 코일 (18) 에는 각각 u 상, v 상, w 상의 전류가 범용 3 상 인버터를 통해 공급된다. 제어장치는 SR 리니어모터 (15) 를 정현파 구동하도록 인버터를 제어한다.

Description

ＳＲ 모터, ＳＲ 리니어모터 및 하물이동적재장치{SR MOTOR, SR LINEAR MOTOR AND LOAD TRANSFER EQUIPMENT}

본 발명은 스위치드 릴럭턴스 (Switched Reluctance) 모터 (이하 SR 모터라 함), 스위치드 릴럭턴스 리니어모터 (이하 SR 리니어모터라 함) 및 SR 리니어모터를 구비한 하물이동적재장치에 관한 것이다.

자동창고의 하역기계로서 사용되어 온 스태커 크레인에는 하물이동적재장치 (슬라이드포크) 가 장비되어 있다. 하물이동적재장치는 고정포크 (고정부) 와 고정포크에 대해 수평으로 빼낼 수 있는 복수의 가동포크 (가동부) 를 구비하고, 최상단의 가동포크에 하물이 적재된다. 그리고, 각 가동포크가 고정포크에 설치된 구동장치의 구동에 의해 연동하여 신축하도록 구성되어 있다. 이런 종류의 포크장치로서 가동포크의 출입동작용 구동부로서 리니어모터를 내장시킨 것이 개시되어 있다 (예컨대 일본 공개특허공보 소57-77199 호). 공보에는 명시되어 있지 않지만 리니어모터로는 리니어유도모터가 사용되어 온 것으로 추정된다.

또, 종래 회전기에 대응한 여러가지 리니어모터가 알려져 있으며, 일부는 실시되고 있다. 리니어모터 중 리니어직류모터, 리니어펄스모터 및 리니어유도모터가 실용화되고 있다. 이 중 리니어유도모터가 팰릿반송장치 등의 비교적 대형 장치에 사용되고 있다.

리니어유도모터는 단효과 (end effect) 라 하는 현상이 있어 특히 고속영역에서 추진력이 저하된다는 문제가 있다. 그 결과 큰 추진력을 얻기 위해서는장치가 대형화된다는 문제가 있었다. 또, 리니어펄스모터는 가동부가 입력펄스신호에 동기하여 전진하기 때문에, 열림루프제어가 가능하고 변위오차가 누적되지 않는 등 특징이 있으나, 이동을 매끄럽게 행하기 위해서는 소정 피치로 설정되는 자극 (磁極) 이나 톱니 (돌출부) 의 간격을 좁게 (1 ∼ 2 ㎜ 정도로) 할 필요가있으며, 하물이동적재장치 등과 같이 큰 이동거리가 필요한 장치에서는 자극 및 톱니의 가공이나 코일 감기에 시간이 걸린다는 문제가 있다.

또한, 추진력을 크게 하기 위해 영구자석의 자력을 이용하는 것을 생각할 수 있지만, 영구자석을 사용한 리니어모터를 하물이동적재장치에 사용한 경우 수납선반 등에 방치된 철 등의 자성체제의 볼트나 너트가 자석에 흡착되어 고장의 원인이 될 우려가 있다.

본원 발명자는 종래 거의 실용화의 검토가 이루어지지 않았던 SR 리니어모터에 대해 검토하여 동작원리로서 자기인덕턴스를 이용하는 종래의 회전식 SR 모터에 적용된 권선결과방식을 그대로 평면 전개한 SR 리니어모터를 작성하였다. 그리고, 종래의 회전식 SR 모터에 적용되고 있는 구동회로방식을 적용하여 발생추진력을 측정하였다. 구동회로방식으로는 1 상 여자구동 (유니폴라회로) 및 2 상 여자구동 (바이폴라회로) 을 실시하였다.

그 결과 종래의 리니어 유도모터에 비교하여 수배의 평균추진력을 얻을 수 있고, 1 상 여자구동이 2 상 여자구동보다 평균추진력이 커짐을 발견하였다. 그러나, 1 상 여자구동의 경우에는 발생추진력이 0 이 되는 포인트가 있음과 동시에 추진력의 변동이 크다는 문제가 있다. 또, 1 상 여자구동의 경우에는, 전용 구동회로가 필요해진다는 문제도 있다. 한편, 2 상 여자구동의 경우에는 발생추진력이 0 이 되는 포인트는 없고 추진력의 변동도 작다. 그러나, 추진력이 반드시 만족할 만한 것이 아니다. 또, 회전식 SR 모터에서도 동일한 전류밀도에서 토크가 큰 것이 요구되고 있다.

본 발명은 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 제 1 목적은 종래의 SR 모터에 비교하여 동일한 전류밀도에서 토크 또는 추진력이 커지는 SR 모터를 제공하는 것이다. 또, 제 2 목적은 회전식 SR 모터를 그대로 평면 전개한 SR 리니어모터에 비교하여 동일한 전류밀도에서 추진력이 커지고 또 발생추진력이 0 이 되는 포인트가 없는 SR 리니어모터를 제공하는 것이다. 또한, 제 3 목적은 상기 SR 리니어모터를 구비한 하물이동적재장치를 제공하는 것이다.

도 1 은 제 1 실시형태의 SR 리니어모터의 모식측면도이다.

도 2 는 제 1 실시형태의 포크장치의 단면도이다.

도 3 은 포크장치의 개략사시도이다.

도 4 는 1 상 여자 (勵磁) 구동의 전류패턴을 나타내는 그래프이다.

도 5 는 2 상 여자구동의 전류패턴을 나타내는 그래프이다.

도 6 은 정현파 구동의 전류패턴을 나타내는 그래프이다.

도 7 은 상호 인덕턴스 병용시의 2 상 여자구동의 자속선도이다.

도 8 은 상호 인덕턴스 병용시의 정현파 구동의 자속선도이다.

도 9 는 상호 인덕턴스 병용시의 추진력 특성을 나타내는 그래프이다.

도 10 은 자기 인덕턴스 이용시의 1 상 여자구동의 자속선도이다.

도 11 은 자기 인덕턴스 이용시의 2 상 여자구동의 자속선도이다.

도 12 는 자기 인덕턴스 이용시의 정현파 구동의 자속선도이다.

도 13 은 자기 인덕턴스 이용시의 추진력 특성을 나타내는 그래프이다.

도 14 는 1-2 상 여자구동의 전류패턴을 나타내는 그래프이다.

도 15 는 1-2 상 여자구동과 정현파 구동의 추진력 특성을 나타내는 그래프이다.

도 16 은 자기 인덕턴스 이용시의 1-2 상 여자구동의 자속선도이다.

도 17a 는 제 2 실시형태의 SR 모터의 모식도, 도 17b 는 종래의 SR 모터의 모식도이다.

도 18a 는 제 2 실시형태의 SR 모터의 정현파 구동의 자속선도, 도 18b 는 종래의 SR 모터의 정현파 구동의 자속선도이다.

도 19 는 회전식의 SR 모터의 토크 특성을 나타내는 그래프이다.

*도면의주요부분에대한간단한설명*

1 : 하물이동적재장치로서의 포크장치 2 : 고정부로서의 고정포크

3 : 가동부로서의 세컨드포크 4 : 가동부로서의 서드포크

5 : 가동부로서의 업포크 15 : SR 리니어모터

16,36 : 고정자 17a∼17f, 36a∼36f : 극

18 : 코일 19 : 가동자

19a : 돌출부 35 : SR 모터

38 : 가동부로서의 회전자 38a : 돌출부로서의 톱니

과제를 해결하기 위한 수단

상기 제 1 목적을 달성하기 위해 청구항 제 1 항에 기재된 발명은, 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용한다.

청구항 제 2 항에 기재된 발명은, 청구항 제 1 항에 기재된 발명에 있어서 고정자의 극수와 이 고정자와 대응하는 부분의 가동자의 돌출부 수의 비가 3:4 로 설정되며 또한 고정자의 극수가 3n (n 은 자연수) 으로 각 극의 코일이 모두 동일한 방향으로 감겨져 있다.

청구항 제 3 항에 기재된 발명은, 청구항 제 1 항 또는 청구항 제 2 항에 기재된 발명에 있어서, 고정자의 극이 등피치로 형성되어 있다.

청구항 제 4 항에 기재된 발명은, 청구항 제 1 항 또는 청구항 제 2 항에 기재된 발명에 있어서 구동방식이 바이폴라의 정현파 구동이다.

제 2 목적을 달성하기 위해, 청구항 제 5 항에 기재된 발명은, 청구항 제 1 항 또는 청구항 제 2 항에 기재된 발명에 있어서 상기 SR 모터 는 SR 리니어모터이다.

또, 청구항 제 6 항에 기재된 발명은, 동작원리로서 자기 인덕턴스를 이용하고 구동방식을 유니폴라의 1-2 상 여자구동으로 한다.

제 3 목적을 달성하기 위해 청구항 제 7 항 또는 청구항 제 8 항에 기재된 발명은, 1 개의 고정부와 이 고정부에 대해 순서대로 수평하게 빼낼 수 있는 복수의 가동부를 구비하고, 상기 고정부 및 가동부 중 적어도 1 개에 가동부의 출입동작용 구동부로서 청구항 제 5 항 또는 청구항 제 6 항에 기재된 SR 리니어모터를 각각 내장한다.

청구항 제 1 항에 기재된 발명에 의하면 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스가 병용되며 고정자의 코일에 전류가 흐르면 가동자는 항상 자력의 작용을 받아 소정 방향으로 이동한다.

청구항 제 2 항에 기재된 발명에 의하면, 청구항 제 1 항에 기재된 발명에 있어서, 고정자의 극수와 이 고정자와 대응하는 부분의 가동자의 돌출부 수의 비가 3:4 로 설정되어 있어 가동자가 원활히 이동한다. 또한, 각 극의 코일이 모두 동일한 방향으로 감겨져 있어 코일 감기작업이 간단해진다.

청구항 제 3 항에 기재된 발명은 청구항 제 1 항 또는 청구항 제 2 항에 기재된 발명에 있어서, 고정자의 극이 등피치로 형성되어 있어 가동자가 원활히 이동된다.

청구항 제 4 항에 기재된 발명은 청구항 제 1 항 또는 청구항 제 2 항에 기재된 발명에 있어서, 구동방식이 바이폴라의 정현파 구동이기 때문에, 구동회로로서 범용 인버터를 유용할 수 있다.

청구항 제 5 항에 기재된 발명은 청구항 제 1 항 또는 청구항 제 2 항에 기재된 발명에 있어서, SR 모터가 SR 리니어모터이기 때문에, 가동자가 직선 이동한다.

청구항 제 6 항에 기재된 발명은 동작원리로서 자기 인덕턴스가 이용된다. 그리고, 구동방식으로 유니폴라의 1-2 상 여자구동이 사용된다.

청구항 제 7 항 또는 제 8 항에 기재된 발명의 하물이동적재장치는 고정부 및 가동부 중 적어도 1 개에 가동부 출입동작용 구동부로서 청구항 제 5 항 또는 청구항 제 6 항에 기재된 SR 리니어모터가 각각 사용되고 있다.

발명의 실시형태

(제 1 실시형태)

이하 본 발명을 구체화시킨 제 1 실시형태를 도 1 ∼ 도 13 에 따라 설명한다.

먼저, 하물이동적재장치로서의 포크장치 구성을 설명한다. 도 2 및 도 3 에 나타낸 바와 같이 포크장치 (1) 는 고정부로서의 고정포크 (2) 와 고정포크 (2) 에 대해 순서대로 빼낼 수 있는 복수의 가동부로서의 세컨드포크 (3), 서드포크 (4) 및 업포크 (5) 를 구비하고 있다.

도 2 에 나타낸 바와 같이 세컨드포크 (3) 의 바닥면에는 길이방향을 따라 연장된 1 쌍의 레일 (6) 이 고정되고, 각 레일 (6) 은 고정포크 (2) 의 길이방향 중앙부에 고정된 리니어가이드블럭 (7) 을 통해 고정포크 (2) 의 길이방향을 따라이동할 수 있게 지지되고 있다. 고정포크 (2) 의 양단부에는 각각 1 쌍의 지지롤러 (8) (도 3 에 도시) 가 설치되어 있다. 그리고, 세컨드포크 (3) 는 리니어가이드블럭 (7) 및 지지롤러 (8) 에 지지된 상태에서 고정포크 (2) 에 대해 길이방향으로 이동할 수 있게 되어 있다.

마찬가지로 서드포크 (4) 의 바닥면에 1 쌍의 레일 (9) 이 고정되고, 세컨드포크 (3) 에는 리니어가이드블럭 (10) 과 지지롤러 (11) 가 설치되어 있다. 그리고, 서드포크 (4) 는 리니어가이드블럭 (10) 및 지지롤러 (11) 에 지지된 상태에서 세컨드포크 (3) 에 대해 길이방향으로 이동할 수 있게 되어 있다. 또, 업포크 (5) 도 마찬가지로 그 바닥면에 고정된 레일 (12) 을 통해 서드포크 (4) 에 고정된 리니어가이드블럭 (13) 에 지지되고 있다. 그리고, 리니어가이드블럭 (13) 및 서드포크 (4) 의 양단에 설치된 지지롤러 (14) 에 지지된 상태에서 서드포크 (4) 에 대해 길이방향으로 이동할 수 있게 되어 있다.

고정포크 (2) 의 중앙부에는 SR 리니어모터 (15) 의 1 차측으로서의 고정자 (16) 가 고정되어 있다. 고정자 (16) 는 도 1 에 나타낸 바와 같이 극수가 3n (이 실시형태에서는 n=2) 로, 각 극 (17a ∼ 17f) 이 등피치로 형성되어 있다. 각 극 (17a ∼ 17f) 에는 코일 (18) 이 모두 동일한 방향으로 많은 양이 감겨져 있다. 각 코일 (18) 은 3 상이 되도록 구성되고, 극 (17a,17d) 과 대응하는 코일 (18) 에는 u 상, 극 (17b,17e) 과 대응하는 코일 (18) 에는 v 상, 극 (17c,17f) 과 대응하는 코일 (18) 에는 w 상의 전류가 각각 도시되지 않은 구동회로를 통해 공급되도록 되어 있다. 구동회로로서는 범용 3 상 인버터가 사용되고 도시되지 않은 제어장치를 통해 제어되도록 되어 있다. 제어장치는 SR 리니어모터 (15) 를 정현파 구동하도록 인버터를 제어하도록 되어 있다.

SR 리니어모터 (15) 의 2 차측으로서의 가동자 (19) 는 세컨드포크 (3) 의 바닥면에 그 길이방향 거의 전체길이에 걸쳐 연장되도록 형성된 홈 (3a) 내에 볼트 (20) 에 의해 고정되어 있다. 가동자 (19) 에는 등피치로 돌출부 (19a) 가 형성되고, 돌출부 (19a) 가 극 (17a ∼ 17f) 과 대향 가능하게 배치되어 있다. 고정자 (16) 의 극 (17a ∼ 17f) 수와 이 고정자 (16) 와 대응하는 부분의 가동자 (19) 의 돌출부 (19a) 수의 비는 3:4 로 설정되어 있다. 극 (17a ∼ 17f) 및 돌출부 (19a) 는 그 폭이 거의 동일하게 형성되어 있다. 그리고, 각 코일 (18) 에 전류가 공급되면 세컨드포크 (3) 가 그 길이방향으로 이동되도록 되어 있다.

고정포크 (2) 의 일방측 (도 2 의 우측) 의 상면에 형성된 홈 내에는 랙(rack) (21) 이 고정되어 있다. 서드포크 (4) 의 하면에 형성된 홈 내에는 랙 (22) 이 고정되어 있다. 세컨드포크 (3) 에는 각 랙 (21, 22) 과 각각 맞물리는 피니언 (23,24) 이 양단에 고정된 회전축 (25) 이 축받이 (26) 을 통해 회전운동할 수 있게 지지되어 있다. 피니언 (23,24) 은 동일하게 형성되어 있다.

세컨드포크 (3) 의 타방측 (도 2 의 좌측) 의 상면에 형성된 홈 내에는 랙 (27) 이 고정되어 있다. 업포크 (5) 의 타방측의 하면에 형성된 홈 내에는 랙 (28) 이 고정되어 있다. 서드포크 (4) 에는 각 랙 (27,28) 과 각각 맞물리는 피니언 (pinion : 29,30) 이 양단에 고정된 회전축 (31) 이 축받이 (26) 를 통해회전운동할 수 있게 지지되어 있다. 피니언 (29,30) 은 피니언 (23,24) 과 동일한 직경으로 동일한 톱니 수로 형성되어 있다. 따라서, 세컨드포크 (3) 가 이동하면 랙 (21,22,27,28) 및 피니언 (23,24,29,30) 의 작용으로 서드포크 (4) 및 업포크 (5) 가 그 하단의 포크에 대해 동일하게 거리 이동된다.

고정포크 (2) 의 측면 중앙부에는 세컨드포크 (3) 가 중앙 기준위치에서 도 3 의 어느 방향으로 이동하고 있는지를 검지하는 센서 (S1,S2) 가 설치되어 있다. 세컨드포크 (3) 의 바닥면에는 띠형상의 피검지부재 (32) (도 2 에 도시) 가 도 3 의 중앙보다 우측에서 거의 우단까지 연장된 상태에서 센서 (S1) 와 대향할 수 있는 위치에 고정되어 있다. 센서 (S1) 는 세컨드포크 (3) 가 기준위치 및 기준위치보다 도 3 의 좌측으로 이동한 상태에서 피검지부재 (32) 를 검지할 수 있는 위치에 설치되어 있다. 세컨드포크 (3) 의 바닥면에는 띠형상의 피검지부재 (33) (도 2 에 도시함) 가 도 3 의 중앙보다 좌측에서 거의 좌단까지 연장된 상태에서 센서 (S2) 와 대향할 수 있는 위치에 고정되어 있다. 센서 (S2) 는 세컨드포크 (3) 가 기준위치 및 기준위치보다 도 3 의 우측으로 이동한 상태에서 피검지부재 (33) 를 검지할 수 있는 위치에 설치되어 있다.

센서 (S1,S2) 의 검지신호는 도시되지 않은 제어장치에 입력되고 제어장치는 그 신호에 의거하여 세컨드포크 (3) 등이 기준위치에 있거나 또는 기준위치에 대해 도 3 의 어느쪽 방향으로 이동하고 있는지를 인식한다. 제어장치는 양 센서 (S1,S2) 에서 ON 신호가 출력되면, 세컨드포크 (3) 등이 기준위치에 있는 것으로 판단된다. 또, 센서 (S1) 에서만 ON 신호가 출력되면 세컨드포크 (3) 등이 기준위치에 대해 도 3 의 왼쪽으로 이동한 것으로 판단하며, 센서 (S2) 에서만 ON 신호가 출력되면 세컨드포크 (3) 등이 기준위치에 대해 도 3 의 오른쪽으로 이동한 것으로 판단한다.

도 2 에 나타낸 바와 같이 세컨드포크 (3) 의 바닥면에는 피검지부재 (33) 보다 내측에 피검지부 (34) 가 고정되어 있다. 피검지부 (34) 는 도 3 의 세컨드포크 (3) 의 바닥면의 좌우 양단부에 설치되고, 그 선단이 고정포크 (2) 에 형성된 홈 (2a) 내로 돌출하도록 고정되어 있다. 고정포크 (2) 에는 중앙 및 도 3 의 좌우 양단부에 각각 피검지부 (34) 를 검지할 수 있는 센서 (S3) 가 설치되어 있다. 센서 (S3) 는 각각 복수개씩 설치되고 제어장치는 각 센서 (S3) 로부터의 검지신호에 의거하여 SR 리니어모터 (15) 의 감속지령 및 정지지령을 출력하도록 되어 있다.

이어서, 상기와 같이 구성된 포크장치 (1) 의 작용을 설명한다. 포크장치 (1) 는 예컨대 자동창고의 스컷 클레인에 장비된다.

각 포크 (3 ∼ 5) 가 기준위치에 배치된 상태에서 SR 리니어모터 (15) 의 고정자 (16) 의 코일 (18) 에 정현파 구동으로 순서대로 전류가 공급되면 극 (17a ∼ 17f) 및 대응하는 돌출부 (19a) 를 통과하는 자속의 양이 순서대로 변화한다. 그리고, 가동자 (19) 의 돌출부 (19a) 에 작용하는 흡인력이 순서대로 변화하고 가동자 (19) 가 고정된 세컨드포크 (3) 가 소정 방향으로 이동한다. 도 1 에서 극 (17a ∼ 17f) 에 대해 좌측에 위치하는 돌출부 (19a) 및 그 돌출부 (19a) 와 대응하는 극을 통과하는 자속은 가동자 (19) 에 우방향으로의 추진력을 부여하고, 우측에 위치하는 돌출부 (19a) 및 그 돌출부 (19a) 에 대응하는 극을 통과하는 자속은 가동자 (19) 에 좌방향으로의 추진력을 부여한다. 따라서, 좌방향으로의 추진력을 부여하는 자속의 양이 많아지도록 각 극 (17a ∼ 17f) 을 순서대로 여자하면 가동자 (19) 는 좌방향으로 이동하고, 우방향으로의 추진력을 부여하는 자속의 양이 많아지도록 각 극 (17a ∼ 17f) 을 순서대로 여자하면 가동자 (19) 는 우방향으로 이동한다.

세컨드포크 (3) 의 이동에 따라 세컨드포크 (3) 에 지지된 회전축 (25) 이 일체적으로 이동하고, 랙 (21) 과 맞물려 있는 피니언 (23) 이 회전축 (25) 과 일체 회전한다. 그리고, 회전축 (25) 에 고정된 피니언 (24) 이 일체 회전하고 피니언 (24) 과 맞물려 있는 랙 (22) 이 세컨드포크 (3) 의 고정포크 (2) 에 대한 이동량과 동일한 양만큼 이동된다. 따라서, 랙 (22) 이 고정된 서드포크 (4) 가 세컨드포크 (3) 에 대해 동일량 상대 이동된다.

또, 서드포크 (4) 의 이동에 따라 서드포크 (4) 에 지지된 회전축 (31) 이 일체적으로 이동하고 랙 (27) 과 맞물려 있는 피니언 (29) 이 회전축 (31) 과 일체 회전한다. 그리고, 회전축 (31) 에 고정된 피니언 (30) 이 일체 회전하고 피니언 (30) 과 맞물려 있는 랙 (28) 이 서드포크 (4) 의 세컨드포크 (3) 에 대한 이동량과 동일양만큼 이동된다. 따라서, 랙 (28) 이 고정된 업포크 (5) 가 서드포크 (4) 에 대해 동일량 상대 이동된다. 즉, SR 리니어모터 (15) 의 구동으로 세컨드포크 (3) 가 이동되는 거리의 3 배의 거리로 업포크 (5) 가 이동된다.

제어장치는 센서 (S1) 및 센서 (S2) 의 출력신호에 의거하여 세컨드포크 (3)의 위치를 인식하고 센서 (S3) 의 출력신호에 의거하여 감속위치 및 정지위치를 인식한다. 그리고, 감속위치에서 감속지령을 출력하고 정지위치에서 정지지령을 출력한다.

이어서, 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 SR 리니어모터 (15) 와 종래의 회전식 SR 모터에 적용된 권선결선방식을 그대로 평면 전개하고, 동작원리로 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 리니어모터에 대해 FEM (유한요소법) 을 이용하여 평균추진력을 비교한 결과를 설명한다.

해석모델로서 도 1 에 나타낸 고정자 (16) 의 극수가 6 이고, 고정자 (16) 의 극수와 가동자 (19) 의 돌출부 (19a) 수의 비가 3:4 인 것을 사용하였다. 동작원리에 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 것으로 도 1 에 나타낸 코일 방향이 되는 권선방식의 것에 대해 2 상 여자구동 및 정현파 구동으로 실시하였다. 또, 비교예로서 동작원리에 자기 인덕턴스를 이용하는 것에 대해 1 상 여자구동, 2 상 여자구동 및 정현파 구동으로 실시하였다. 1 상 여자구동의 것과 2 상 여자구동 및 정현파 구동의 것은 많은 양의 코일이 동일하게 감겨져 있으나, 감긴 방향은 다르다. 감긴 방향은 도 10 ∼ 12 에 부호로 나타냈다.

전류밀도는 각 전류파형에 대해 6.175 ×10⁶AT/㎡ 로 일정하게 하였다. 도 4 에서는 1 상 여자구동의 경우 u 상, v 상, w 상의 전류패턴을, 도 5 에서는 2 상 여자구동의 경우 u 상, v 상, w 상의 전류패턴을, 도 6 에서는 정현파 구동의 경우 u 상, v 상, w 상의 전류패턴을 각각 나타낸다.

도 7 에서는 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 것에 대해 2 상 여자구동을 실시하였을 때의 자속선도를, 도 8 에서는 정현파 구동의 경우 자속선도를 각각 나타낸다. 도 9 에 2 상 여자구동 및 정현파 구동을 실시하였을 때 추진력 특성의 결과를 나타낸다. 또, 도 7 및 도 8 은 가동자 (19) 를 동일도면의 우방향으로 이동시키는 경우를 예시하고 있다.

또한, 도 10 에서는 자기 인덕턴스를 이용하는 것에 대해 1 상 여자구동을 실시하였을 때의 자속선도를, 도 11 에서는 2 상 여자구동의 경우의 자속선도를, 도 12 에서는 정현파 구동의 경우의 자속선도를 각각 나타낸다. 도 13 에서는 1 상 여자구동, 2 상 여자구동 및 정현파 구동을 실시하였을 때의 추진력 특성의 결과를 나타낸다. 또, 도 10 ∼ 12 는 가동자 (19) 를 동일 도면의 우방향으로 이동시키는 경우를 예시하고 있다.

자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 SR 리니어모터 (15) 에서는 평균추진력이, 2 상 여자구동의 경우에 160 N 이 되고, 정현파 구동의 경우에 230 N 이 된다. 한편, 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 리니어모터에서는 평균추진력이 1 상 여자구동의 경우에 200 N 이 되고, 2 상 여자구동의 경우에 156 N 이 되며 정현파 구동의 경우에 154 N 이 된다. 즉, 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 리니어모터에서는 2 상 여자구동의 경우와 정현파 구동의 경우에 평균추진력은 거의 동일하며, 1 상 여자구동의 경우에는 양 여자구동방식에 비교하여 20 % 이상 평균추진력이 증가되었다. 그러나, 1 상 여자구동의 경우에는 도 13 에서 알 수 있듯이 추진력의 변동이 커 발생추진력이 0 이 되는 포인트가 있다는 문제가 있다.

한편, 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 SR 리니어모터 (15) 에서는 2 상 여자구동의 경우에는 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 리니어모터에 비교하여 평균추진력의 향상은 약 3 % 로 적었다. 반면에, 정현파 구동의 경우에는 2 상 여자구동에 비교하여 추진력이 40 % 이상 향상되었다. 또, 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 리니어모터의 1 상 여자구동의 경우와 비교하여도 15 % 향상되었다. 따라서, 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 SR 리니어모터 (15) 에서 정현파 구동방식을 채택하면 평균추진력이 대폭으로 향상됨이 판명되었다.

이것은 도 7, 8, 10 ∼ 12 의 자속선도에서도 알 수 있다. 예컨대, 도 7 및 도 8 을 비교하면 v 상의 극 (17b,17e) 을 통과하는 자속의 양은 도 7 및 도 8 에서 거의 동일하지만, u 상의 극 (17a,17d) 을 통과하는 자속의 양은 도 7 이 많다. 또, w 상의 극 (17c,17f) 을 통과하는 자속의 양은 도 8 이 많고, 극 (17c,17f) 에 대해 도 7 및 도 8 의 좌측에 위치하는 돌출부 (19a) 및 극 (17c,17f) 을 통과하는 자속의 양도 도 8 이 많다. 따라서, 가동자 (19) 에 우방향으로의 추진력을 부여하는 자속의 양이 많은 도 8 이 추진력이 커진다.

자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 SR 리니어모터 (15) 에서는, 극 (17a ∼ 17f) 을 통과하는 자속의 양은 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 모터에 비교하여 많아진다. 그러나, SR 리니어모터 (15) 에서 2 상 여자구동의 경우에는 설정된 조건에서는 도 7 에 나타낸 바와 같이 역방향의 추진력을 부여하는 자속의 비율이 정현파 구동에 비교하여 많아지므로 자속의 합계량이 많아져도 전체의 추진력은 커지지 않았다. 극의 형상 (예컨대 폭) 이나 돌출부 (19a) 의 형상 (예컨대 폭) 을 변경함으로써 역방향의 추진력을 부여하는 자속의 비율을 적게 하면 추진력이 커지는 가능성은 있다.

본 실시형태에서는 이하의 효과를 갖는다.

(1) SR 리니어모터 (15) 의 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하였기 때문에 자기 인덕턴스를 이용한 SR 리니어모터에 비교하여 극 (17a ∼ 17f) 을 통과하는 자속의 양이 증가하여 큰 추진력을 얻을 수 있다.

(2) 고정자 (16) 의 극 (17a ∼ 17f) 수와 고정자 (16) 와 대응하는 부분의 가동자 (19) 의 돌출부 (19a) 수의 비가 3:4 로 설정되며 또 고정자 (16) 의 극수가 3 n (n 은 자연수) 로, 각 극의 코일 (18) 이 모두 동일한 방향으로 감겨져 있다. 따라서, 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 구성을 간단히 형성할 수 있으며, 극과 돌출부 (19a) 사이에 작용하는 자기에 의한 흡인력이 가동자 (19) 의 추진력으로서 효율적으로 작용한다.

(3) 극 (17a ∼ 17f) 및 돌출부 (19a) 가 거의 동일한 폭으로 형성되어 있기 때문에, 극 (17a ∼ 17f) 수와 돌출부 (19a) 수의 비가 3:4 로 설정되어 있음과 함께 극과 돌출부 (19a) 사이에 작용하는 자기에 의한 흡인력이 가동자 (19) 의 추진력으로서 효율적으로 작용한다.

(4) 고정자 (16) 의 극 (17a ∼ 17f) 이 등피치로 형성되어 있기 때문에, 등피치가 아닌 경우와 비교하여 고정자 (16) 의 가공이 간단해지고 제어도 간단해진다.

(5) 구동방식이 바이폴라의 정현파 구동이기 때문에 구동회로로서 범용 인버터를 사용할 수 있으며, 전용 구동회로를 필요로 하는 유니폴라의 1 상 여자구동의 것에 비교하여 제조비용을 저감할 수 있다.

(6) 포크장치 (1) 의 가동부의 출입동작용 구동부로서 상기 SR 리니어모터 (15) 를 사용하기 때문에, 동일한 크기의 유도리니어모터나 회전식 SR 모터를 그대로 평면 전개한 SR 리니어모터에 비교하여 동일한 전류밀도에서 추진력이 커진다. 따라서, 리니어모터의 크기가 동일하면 무거운 하물의 이동적재를 할 수 있으며 하물의 이동적재에 필요한 추진력이 동일하면 리니어모터를 소형화시킬 수 있다.

(7) 영구자석을 사용하지 않아도 추진력을 크게 할 수 있어 SR 리니어모터 (15) 를 포크장치 (1) 의 구동부로서 사용한 경우 선반 등에 방치된 볼트 등을 흡착하는 것에서 기인하는 고장을 일으키는 것을 회피할 수 있다.

(제 2 실시형태)

이어서, 제 2 실시형태를 도 14 ∼ 도 16 에 따라 설명한다. 본 실시형태는 SR 리니어모터로서 동작원리로 자기 인덕턴스를 이용하고 구동방식을 유니폴라의 1-2 상 여자구동으로 한 점이 상기 실시형태와 크게 다르다. 코일 (18) 은 집중적으로 감겨져 있으며, 감기방향은 상기 1 상 여자구동의 SR 리니어모터와 동일하게 설정되어 있다.

상기 실시형태와 동일한 조건에서 FEM (유한요소법) 을 이용하여 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 SR 리니어모터 (15) 를 정현파 구동한 경우와 비교하였다. 도 14 는 1-2 상 여자구동의 경우 u, v, w 상의 전류패턴을 나타내고, 도 16 은 1-2 상 여자구동의 경우의 자속선도를 나타낸다. 또, 도 15 는자기 인덕턴스 이용시에 1-2 상 여자구동의 경우의 추진력 특성과 상호 인덕턴스 병용시에 정현파 구동의 경우의 추진력 특성을 나타낸다.

상호 인덕턴스를 병용하는 SR 리니어모터 (15) 에서는 평균추진력이 정현파 구동의 경우에 230 N 에 대해, 자기 인덕턴스를 이용함과 동시에 1-2 상 여자구동의 SR 리니어모터에서는 평균추진력이 225 N 이 되었다. 제 1 실시형태에서 비교예로 든 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 리니어모터에서 평균추진력이 최대였던 1 상 여자구동에 비교하여 평균추진력이 10 % 이상 향상되었다. 또, 추진력의 변동은 상호 인덕턴스를 병용한 정현파 구동의 경우에 비교하여 적어졌다. 즉, 1 상 여자구동을 대신하여 1-2 상 여자구동을 채택하면 1 상 여자구도에 비교하여 평균추진력이 10 % 이상 향상됨과 동시에 1 상 여자구동의 경우와 달리 추진력의 변동이 작고 발생추진력이 0 이 되는 포인트도 없다.

따라서, 본 실시형태에서는 제 1 실시형태의 (3) 및 (4) 의 효과를 갖는 것 이외에 다음 효과를 갖는다.

(8) 회전식 SR 모터에 적용된 권선결선방식을 그대로 평면 전개하고 동작원리로서 자기 인덕턴스를 이용하는 SR 리니어모터에서 구동방식을 1-2 상 여자구동을 대신할 뿐이고 평균추진력이 커서 추진력의 변동이 작으며, 또한 발생추진력이 0 이 되는 포인트가 없는 SR 리니어모터를 얻을 수 있다.

(제 3 실시형태)

이어서, 제 3 실시형태를 도 17 ∼ 도 19 에 따라 설명한다. 본 실시형태에서는 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용한 회전식 SR 모터에적용한 점이 상기 두 실시형태와 크게 다르다.

도 17a 는 본 발명을 구체화시킨 SR 모터 (35) 의 모식도이다. SR 모터 (35) 는 3 n (n 은 자연수로 본 실시형태에서는 n=2) 개의 극 (36a ∼ 36f) 을 갖는 원통형 고정자 (36) 를 구비하고 있다. 각 극 (36a ∼ 36f) 은 등간격 (등피치) 으로 설정되고 각 극 (36a ∼ 36f) 에는 코일 (37) 이 모두 동일한 방향으로 많은 양이 감겨져 있다. 또, 도 17a 에서 P 는 중성점이다. 각 코일 (37) 은 3 상이 되도록 구성되고, 극 (36a,36d) 과 대응하는 코일 (37) 에는 u 상, 극 (36b,36e) 과 대응하는 코일 (37) 에는 v 상, 극 (36c,36f) 과 대응하는 코일 (37) 에는 w 상의 전류가 각각 도시되지 않은 구동회로를 통해 공급되도록 되어 있다. 가동자로서의 회전자 (38) 에는 톱니 (38a) 가 등간격 (등피치) 으로 8 개 형성되어 있다.

도 17b 는 종래의 SR 모터 (39) 를 나타낸다. 이 SR 모터 (39) 는 코일 (37) 의 감기방법과 결선방법이 실시형태의 SR 모터와 다르며, 기타 구성은 동일하다. 각 극 (36a ∼ 36f) 의 각 코일 (37) 은 그 감기방향이 교대로 역방향이 되도록 감겨져 있다.

상기와 같이 구성된 SR 모터 (35,39) 에 대해 FEM (유한요소법) 을 이용하여 특성을 비교하였다. 도 18a 는 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 SR 모터, 즉 도 17a 에 나타낸 SR 모터 (35) 에 대해 정현파 구동을 실시하였을 때의 자속선도를 나타낸다. 도 18b 는 동작원리로서 자기 인덕턴스를 사용하는 종래의 SR 모터, 즉 도 17b 에 나타낸 SR 모터 (39) 에 대해 동일한 전류밀도에서 정현파 구동을 실시하였을 때의 자속선도를 나타낸다. 또, 도 19 는 각 SR 모터 (35, 39) 의 정현파구동을 실시하였을 때의 SR 모터의 기계각과 토크의 관계 (토크 특성) 를 나타낸 그래프이다. 또, 도 18a 및 도 18b 는 모두 회전자 (38) 를 각각 각 도의 반시계방향 (좌방향) 으로 회전운동시키는 경우를 나타내고 있으며 각각 3 극분 (절반) 만 도시하고 있다.

도 18a 는 v 상의 극 (36b,36e) 에 공급되는 전류밀도가 최대가 되는 상태에 대응하고, 도 18b 는 u 상의 극 (36a,36d) 에 공급되는 전류밀도가 최대가 되는 상태에 대응하고 있다. 도 18a 의 극 (36b) 및 대응하는 톱니 (38a) 를 통과하는 자속의 양과 도 18b 의 극 (36a) 및 대응하는 톱니 (38a) 를 통과하는 자속의 양을 비교하면 극 (36b) 을 통과하는 것이 많다. 또, 도 18a 의 u 상의 극 (36a) 및 대응하는 톱니 (38a) 를 통과하면서 회전자 (38) 에 좌측회전의 흡인력을 가하는 자속의 양과 도 18b 의 v 상의 극 (36b) 및 대응하는 톱니 (38a) 를 통과하면서 회전자 (38) 에 좌측회전의 흡인력을 가하는 자속의 양을 비교하면, u 상의 극 (36a) 을 통과하는 것이 많다. 따라서, 회전식 SR 모터에서 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용한 SR 모터 (35) 가 토크가 커진다.

이것은 도 19 에 나타낸 SR 모터의 토크 특성을 나타낸 그래프에서도 확인할 수 있다. SR 모터 (35) 의 평균토크는 종래의 SR 모터 (39) 에 대해 약 5 % 향상되었다. 즉, 회전식 SR 모터에서도 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용한 구성에서는 동작원리로서 자기 인덕턴스를 사용한 종래의 SR 모터에 비교하여 토크가 향상된다.

또, 실시형태는 상기에 한정된 것이 아니라 예컨대 다음과 같이 구체화시켜도 된다.

고정자 (16) 의 극 수는 6 개에 한정되지 않고 3 개 또는 9 개 이상의 3 배수여도 된다. 즉, 고정자 (16) 의 극 수는 3 n (n 은 자연수) 이면 된다. 이 경우 구동회로로서 범용 3 상 인버터를 이용하기 쉬워진다.

극 (17a ∼ 17f) 및 돌출부 (19a) 의 폭은 반드시 거의 동일하게 형성할 필요는 없고, 극 및 돌출부 (19a) 의 각각의 피치는 동일하며 폭을 달리해도 된다.

극 (17a ∼ 17f) 및 돌출부 (19a) 의 선단부에 복수의 작은 톱니를 형성시켜도 된다.

포크장치 (1) 는 4 단식에 한정하지 않고 3 단식으로 해도 된다.

SR 리니어모터 (15) 를 포크장치 (1) 의 구동부로서 사용하는 경우 SR 리니어모터 (15) 를 고정포크 (2) 와 세컨드포크 (3) 사이에 배치하는 대신에 세컨드포크 (3) 와 서드포크 (4) 사이 또는 서드포크 (4) 와 업포크 (5) 사이에 배치해도 된다. 그러나, 코일 (18) 에 대한 배선 감기의 용이함을 고려하면 고정포크 (2) 에 고정자 (16) 를 설치하는 것이 바람직하다.

각 가동포크 사이에 모두 SR 리니어모터 (15) 를 설치하고 피니언 및 랙에 의한 가동포크의 구동기구를 없애도 된다. 이 경우 랙과 피니언의 맞물림에 의한 발진이 없어져 클린룸 등에서의 사용에 적합하다.

포크장치 (1) 를 스태커 크레인에 장비하는 대신에 자주형 (自走型) 운송차상에 장비해도 된다. 또, 포크장치 (1) 를 정치식 이동적재장치로서 사용해도 된다.

SR 리니어모터 (15) 의 1 차측을 가동자로서 2 차측을 고정자로 하는 구성으로 해도 된다. 이 구성의 경우 이동체를 안내하는 레일을 따라 고정자를 배치하고 이동체에 가동자를 부착함으로써, 이동체를 SR 리니어모터로 긴 거리 이동시킬 수 있다.

상기 실시형태에서 파악할 수 있는 청구항 기재 이외의 발명 (기술사상) 에 대해 이하에 그 결과와 함께 기재한다.

(1) 청구항 제 7 항 또는 제 8 항에 기재된 하물이동적재장치는, SR 리니어모터의 고정자가 고정부에 설치됨과 동시에 가동자가 대향하는 가동부에 설치되고, 다른 가동부는 피니언과 랙의 조합에 의한 구동기구에서 출입동작이 이뤄진다. 이 경우 하물이동적재장치에 대한 배선 감기가 간단해진다.

이상 상세하게 설명한 바와 같이 청구항 제 1 항 ∼ 청구항 제 6 항에 기재된 발명에 의하면 종래의 SR 모터에 비교하여 동일한 전류밀도에서 토크 또는 추진력이 커진다.

청구항 제 2 항에 기재된 발명에 의하면 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용하는 구성을 간단히 형성할 수 있고, 극과 돌출부 사이에 작용하는 자기에 의한 흡인력이 가동자의 추진력으로서 효율적으로 작용한다.

청구항 제 3 항에 기재된 발명에 의하면 부등피치로 한 경우에 비교하여 고정자 (16) 의 가공이 간단해지고 제어도 간단해진다.

청구항 제 4 항에 기재된 발명에 의하면 구동회로로서 범용 인버터를 유용할 수 있고 전용 구동회로를 필요로 하는 유니폴라의 1 상 여자구동에 비교하여 제조비용을 저감시킬 수 있다.

청구항 제 5 항에 기재된 발명에 의하면 회전식 SR 모터를 그대로 평면 전개한 SR 리니어모터에 비교하여 동일한 전류밀도에서 추진력이 커지고 또 발생추진력이 0 이 되는 포인트가 없는 SR 리니어모터를 얻을 수 있다.

청구항 제 6 항에 기재된 발명에 의하면 회전식 SR 모터를 그대로 평면 전개한 SR 리니어모터를 1 상 여자구동, 2 상 여자구동 혹은 정현파 구동한 경우에 비교하여 동일한 전류밀도에서 추진력이 커지고 또 발생추진력이 0 이 되는 포인트가 없는 SR 리니어모터를 얻을 수 있다.

청구항 제 7 항 또는 제 8 항에 기재된 발명에 의하면 리니어모터의 크기가 동일하면 무거운 하물을 이동적재할 수 있고 하물의 이동적재에 필요한 추진력이 동일하면 리니어모터를 소형화시킬 수 있다.

Claims (8)

1. 동작원리로서 자기 인덕턴스와 상호 인덕턴스를 병용한 SR 모터로서,

   각 극의 코일 (18, 37)이 모두 동일한 방향으로 감겨져 있는 SR 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 고정자 (16,36) 의 극수와 상기 고정자와 대응하는 부분의 가동자 (19,38) 의 돌출부 (19a,38a) 의 수의 비가 3:4 로 설정되며, 또한 고정자의 극수가 3n (n 은 자연수) 인 SR 모터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 고정자의 극이 등피치로 형성되어 있는 SR 모터.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 구동방식이 바이폴라의 정현파 구동인 SR 모터.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 SR 모터는 SR 리니어모터인 SR 모터.
6. 동작원리로서 자기 인덕턴스를 이용하고, 구동방식을 유니폴라의 1-2 상 여자구동으로 한 SR 리니어모터.
7. 1 개의 고정부 (2) 와 상기 고정부에 대해 순서대로 수평하게 빼낼 수 있는 복수의 가동부 (3,4,5) 를 구비하고, 상기 고정부 (2) 및 가동부 (3,4,5) 의 적어도 1 개에 가동부의 출입동작용 구동부로서 청구항 제 5 항에 기재된 SR 모터를 내장한 하물이동적재장치.
8. 1 개의 고정부 (2) 와 상기 고정부에 대해 순서대로 수평하게 빼낼 수 있는 복수의 가동부 (3,4,5) 를 구비하고, 상기 고정부 (2) 및 가동부 (3,4,5) 의 적어도 1 개에 가동부의 출입동작용 구동부로서 청구항 제 6 항에 기재된 SR 리니어모터를 내장한 하물이동적재장치.