KR100401412B1 - 3 자유도 브러쉬리스 직류모터 - Google Patents

3 자유도 브러쉬리스 직류모터 Download PDF

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KR100401412B1
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Abstract

본 발명은 기존의 브러쉬리스 직류모터의 장점을 유지하면서 3 자유도 운동을 구현할 수 있도록 한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터에 관한 것으로서, 이를 위해 구형 케이스와, 상기 구형 케이스내에 설치되어 제 1 코일 및 제 1, 2 영구자석을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기 제 1 코일 및 제 1 ,2 영구자석이 X, Y축 방향으로 자화력을 발생시키는 제 1 고정자와, 상기 제 1 고정자내에 설치되어 제 2 코일 및 제 3 영구자석을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기 제 2 코일 및 제 3 영구자석이 Z 축 방향으로 자화력을 발생시키는 제 2 고정자와, 상기 제 2 고정자내에 설치되어 상기 제 1 고정자의 제 1 코일 및 제 1 , 2 영구자석의 자화력에 따라 X, Y 축 방향으로 상기 제 2 영구자석과 함께 회전됨과 동시에 상기 제 2 고정자의 제 2 코일 및 제 3 영구자석의 자화력에 따라 Z 축 방향으로 회전되는 회전자와, 상기 제 1 코일과 제 2 영구자석 사이에 설치되는 코일 커버와, 상기 코일 커버와 제 2 영구자석의 접촉면 사이에 설치되어 상기 회전자를 회전시킬 수 있도록 한 베어링부와, 상기 제 2 영구자석과 상기 회전부사이에 설치되어 상기 제 1 고정자의 자화력을 차폐시키는 자기 절연부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하며, 이에 따라, 기존의 로봇 시스템에서 관절 부위에 들어가는 각종 링크 및 기어 등을 제어하고 하나의 모터에서 세 방향의 운동을 구현함으로, 로봇을 소형화, 단순화, 경량화 할 수 있고, 또한, 인간의 힙 조인트(Hip Joint), 손목 운동, 안구 운동등 인간형 로봇을 개발하는데 있어서도 장점을 가질 수 있을뿐아니라, 산업현장에서 레이저 가공기, 공작기계, 각종 CCD 카메라 및 의용공학등의 활용 범위가 매우 넓게 사용할 수 있으며, 이러한 3 자유도 운동을 하나의 모터를 가지고 1 자유도, 2 자유도 및 3 자유도 운동을 구현함으로써, 제품에 필요한 부품수를 줄여 모터의 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

3 자유도 브러쉬리스 직류모터 { Brushless DC motor with 3 Degrees of Freedom }
본 발명은 3 자유도 브러쉬리스 직류모터에 관한 것으로, 특히, 기존의 브러쉬리스 직류모터의 장점을 유지하면서 3 자유도 운동을 구현할 수 있도록 모터의 성능개선함으로써, 모터의 기능 및 신뢰도를 향상시킬 수 있도록 한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터에 관한 것이다.
일반적으로 3 자유도 모터는 로봇 시스템 등에서 로봇의 끝단 3관절, 인간의 힙 조인트(Hip Joint), 손목 운동, 안구 운동, 레이저 가공기 등의 운동과 유사한 운동을 한다.
이 기구는 자동화 시스템이 있는 산업 현장에서 뿐만아니라 의용공학분야에서도 광범위 하게 활용된다.
3 자유도 모터에 대한 기존의 연구들은 그 구동방식에 따라 VR 모터의 특성을 갖는 모터와 DC 서보 모터의 특성을 갖는 모터로 분류될 수 있다.
DC(Direct Current) 서보 모터는 DC 사이리스터 가변모터(DC thyristor variable motor)로도 불리워 지며, 직류 모터를 사이리스터로 무단계로 속도를 제어할 수 있고, 또한 정도가 높으며 소형이기 때문에 1980년대 초기 메커트로 기기의 주축 구동의 핵심 이었다.
VR 모터는 자장을 평면 형태로 만들어 평면형태의 가동부(아마튜어)가 평면의 고정부(스테이터) 위에 만들어지는 자장의 변화에 따라서 평면 위를 직선적으로 움직이므로, 에너지 손실이 적은 것이 특징이다.
도 1에 도시된 바와같이, 상기 VR 모터의 특성을 갖는 대표적인 3 자유도 모터를 나타낸 것이다. 이 모델은 크게 네 부분으로 나눌 수 있으며, 주요 부분은 회전자(1), 고정자(2) 베어링 시스템, 계측기구로 구분된다. 회전자(1)는 구 형태로 되어 있으며, 이곳에는 다섯 개의 철심(3)이 박혀 있고 정팔면체의 여섯 개의 꼭지점 중 윗부분을 제외한 나머지 부분에 위치해 있다. 고정자(2)는 속이 빈 쉘 모양의 구형태이고, 여러개의 전자석(4)과 회전자(1)를 지지하는 베어링(5)이 장착되어 있다.
고정자(2)의 코어들은 고정자 쉘 내의 자기 절연층으로 연결되어 있고, 공극을 통하여 자기 회로를 형성한다. 베이링 시스템은 모터의 각종 회전부위의 회전을 원활히 하기 위해 사용되며, 엔코더(6a∼6c)는 회전자(1)의 각축에 대한 회전각을 측정하기 위해 회전자(1)의 출력 축에 연결되며 이는 회전이 가능한 두 개의 엔코더 암(7)들에 의해 지지된다.
엔코터 암(7)은 고정자 좌표계의 X축과 Y축에 대해 자유롭게 회전할 수 있고 직교한다. 세 번째 엔코더(6a)는 출력축의 회전을 측정한다. 이 모터의 회전자(1)는 공극 내의 축적된 에너지가 최소화 되는 방향으로 움직인다. 즉 고정자(2)내의 전자석(4)이 개별적으로 입력을 받아 자기장이 발생하게 되고 공극내에 자기에너지가 쌓인다.
이때, 발생된 에너지는 회전자(1)와 고정자(2)의 상대위치의 함수 이다. 이러한 형태의 모터는 작업 영역이 넓고 에너지 손실이 적으며 스토퍼(Stopper)역활이 가능하지만 제작이 어렵고 임의의 위치로의 이동이 어렵다.
도 2에 도시된 바와같이, DC 서보 모터의 특성을 갖는 대표적인 3 자유도 모터를 나타낸 것이다. 도 1의 경우와 마찬가지로 이 모델도 주요 부분은 크게 네 부분으로 나누어지며, 회전자(10), 고정자(12), 베어링 시스템, 계측기구로 구분된다.
도 2에서 요크(11)부분이 회전자(10)로서 네 개의 영구자석(13)이 각 방향에 대칭각을 이루면서 부착되어 있고 아랫부분에는 회전을 측정하기 위한 계측 메커니즘으로 엔코더(14)가 부착되어 있다.
또한, 고정자(12)의 X축과 Y축에 대한 회전각을 측정하기 위해 각 축에 대한 엔코더(14a,14b)가 부착되어 있으며, 회전자(10)의 회전을 돕기 위해 각 축의 회전부 적소에 베어링(15)이 사용되고 있다.
이와 같은 모터의 구성을 짐발(Gimbal) 형태라 한다.
도 3은 도 2에서 고정자(12)부에 감기는 코일의 감는 방향과 토크 발생의 원리에 대해서 나타내고 있다. 즉 굵은 선이 코일을 나타내고 있고 코일내에 표시한 화살표는 전류의 방향을 나타낸다. 즉 코일은 세가지 전류(Ix, Iy, Iz)가 독립적으로 흐를수 있도록 세 부분으로 되어 있다. 그림에서 B는 자기장의 방향을 나타내는데 이것은 회전자(10)에 부착된 영구자석(13)에 의해서 발생하게 된다.
회전자(10)는 이러한 자기장과 코일에 흐르는 세가지 전류에 의해 플레밍의 왼손법칙에 의해 힘이 발생하게 된다. 즉 세 전류를 조절함으로써, 회전자(10)를 임의의 방향으로 힘을 발생시킨다.
DC 서보 모터의 특성을 갖는 이러한 3 자유도 모터는 회전이 원활하고, 구조가 간단한 반면 코일 감기가 복작하고 작업 범위가 비교적 좁다.
도 4에 도시된 바와같이, 영구자석과 전자석 사이의 인력 및 척력을 이용한 직류형 3 자유도 모터(20)를 나타낸 것이다. 이 모델의 주요 구성은 어퍼케이스(21), 회전자(22), 전자석(23), 전자석 서포트(24), 베이스(25)로 이루어져 있다.
상기 회전자(22)는 두 개 또는 네 개의 영구자석으로 이루어져 있으며 고정자에는 다섯 개의 전자석(23)이 정오각형으로 이루져 배치되어 있다. 회전자(22)에 부착되어 있는 영구자석과 고정자에 부착되어 있는 전자석간의 상호 작용에 의해 서로간에 인력 또는 척력이 작용하여 회전자의 회전 중심에 토크가 발생한다.
이때, 전자석에 인가되는 전류를 조절하여 전자석의 자기장의 세기를 조절하고 이러한 상호작용을 조절함으로써, 회전자의 회전 중심에 원하는 크기와 방향을 갖는 토크를 발생한다.
도 5a에 도시된 바와같이, 3 자유도 구형 영구 자석 모터(30)를 나타낸 것이다. 이 모델의 주요 구성을 살펴보면, 고정자(31)는 네 세트로 감겨진 코일(32)로 구성되어 있고, 회전자(33) 및 영구자석(미도시)으로 이루어져 있다.
도 5c에 도시된 바와같이, 고정자는 A-A', B-B', C-C', D-D'로 감겨져 있는 코일(32)이 철로 된 구형 쉘(Spherical Shell)과 함께 공심 또는 철심을 둘러싸고 있다. 도 5b에 도시된 바와같이, 회전자는 두 쌍의 영구자석이 1/4 구형으로 자화되어 코일(32)과 영구자석(미도시)의 상호작용에 의해 3 자유도 운동을 구현한다.
도 6a,b,c에 도시된 바와같이, 구형 스텝(Step) 모터(40)를 나타낸 것이다. 이 모텔의 주요 구성은 외부의 구케이스(41), 다수개의 고정자(42) 및 회전자(43)로 이루어져 있다.
상기 도 6a는 구형 스텝 모터의 사시도를 나타낸 것이고, 도 6b는 구형 스텝 모터(40)의 고정자(42)를 나타낸 것으로 총 16개의 전자석이 정 오각형을 이루며 구케이스(41)내에 배열되어 있다.
도 6c는 회전자(43)를 나타낸 것으로 영구자석이 구케이스내의 전체을 감쌀 수 있도록 일정한 간격으로의 패킹(Regular Packing)과 반일정한 간격으로 패킹(Semiregular Packing)이 섞여서 영구자석이 배열되어 있다. 이러한 회전자(43)의 영구자석과 고정자(42) 코일의 적절한 정류(Commutation)에 의해 회전자(43)는 스텝(Step)회전을 하게 된다.
이와 같이 VR 모터, DC 서보 모터, 구형 영구자석 모터 및 구형 스텝 모터의 특성을 갖는 3 자유도 모터는 나름대로 장단점 갖는다
구체적으로 도 1의 VR 모터는 제작이 어럽고, VR 모터의 특성을 가지므로 임의의 위치로의 이동이 어렵다. 즉 회전자의 위치를 정밀하게 이동시키기 위해서는 회전자와 고정자의 극의 수를 늘려야 한다. 또한 3 자유도 운동에 비해 입력수가 매우 많으므로 최적화 과정을 통하여 각 전자석에 인가되는 입력 전류를 결정하여야 하므로 실시간 제어시 미리 최적화 과정을 거친 룩업(Looc Up) 테이블의 사용을 필요로 한다, 그리고, 회전자를 지지하고 있는 베어링 시스템이 회전자와 완전히 밀착되지 않는다면 회전시 소음이 발생하고 고속회전이 어려운 문제점이 있었다.
도 2 및 도 3의 DC 서보 모터는 코일 감기가 어렵고 작업범위가 비교적 좁다 또한 회전자는 네 개의 영구자석이 각 방향에 대칭각을 이루어진 짐발(Ginbal) 형태로 구성되어 있기 때문에 구조를 간단히 할 수가 없고, 3 자유도 모터의 메커니즘을 완벽히 갖고 있다고 할 수 없다.
도 4의 영구자석과 전자석 사이의 인력 및 척력을 이용한 직류형 3 자유도 모터는 전자석의 코어가 갖는 비선형성으로 인하여 제어가 어렵고 구조상 에너지 손실이 크다. 또한 회전가가 짐발(Gimbal) 형태로 구성되어 있어 구조를 간단히 할 수가 없으며 정밀한 운동과 토크를 크게 하기 위해서는 회전자의 영구자석과 고정자의 전자석의 개수를 늘려야 함으로 제작비용이 상승하는 단점이 있었다.
도 5의 3 자유도 구형 영구 자석 모터는 코일을 감는 방향이 여러 방향이므로, 코일을 감는데 어려움이 많고, 토크를 놀리기 위하여 철심을 사용하는 경우에는 철심이 갖는 비선형성으로 인하여 제어에 어려움이 있다. 또한, 비선형 마찰에 의하여 오일러 각(Euler Angles)의 비연성화(Decoupling)가 어렵기 때문에 정밀한3 자유도 운동을 구현하는데 어려움이 많은 단점이 있었다.
도 6의 구형 스텝 모터는 정밀한 스텝 운동을 나타내기 위해서는 더 많은 고정자의 코일과 회전자의 영구자석의 배열이 필요하다. 또한, 이 모터는 스텝 모터이기 때문에 서보 모터로서의 역할을 하기가 어려운 단점이 있있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 기존의 1 자유도 브러쉬리스 모터의 구동 및 선형 브러쉬리스 모터의 구동을 가능케 함과 동시에 3 자유도의 운동도 구현할 수 있도록 한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 제품의 구동방향에 따라 격자형 코일 및 반구형 영구자석을 구비함으로써, 제품의 작업영역이 넓고, 모터의 고속회전이 용이하도록 한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 제품의 구동방향에 따라 격자형 코일 및 반구형 영구자석을 구비함으로써, 정밀하고 임의의 위치에서의 제어가 가능하도록 한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 3 자유도 브러쉬리스 직류모터는, 구형 케이스와, 상기 구형 케이스내에 설치되어 제 1 코일 및 제 1, 2 영구자석을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기 제 1 코일 및 제 1 ,2 영구자석이 X, Y축 방향으로 자화력을 발생시키는 제 1 고정자와, 상기 제 1 고정자내에 설치되어 제 2 코일 및 제 3 영구자석을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기제 2 코일 및 제 3 영구자석이 Z 축 방향으로 자화력을 발생시키는 제 2 고정자와, 상기 제 2 고정자내에 설치되어 상기 제 1 고정자의 제 1 코일 및 제 1 , 2 영구자석의 자화력에 따라 X, Y 축 방향으로 상기 제 2 영구자석과 함께 회전됨과 동시에 상기 제 2 고정자의 제 2 코일 및 제 3 영구자석의 자화력에 따라 Z 축 방향으로 회전되는 회전자와, 상기 제 1 코일과 제 2 영구자석 사이에 설치되는 코일 커버와, 상기 코일 커버와 제 2 영구자석의 접촉면 사이에 설치되어 상기 회전자를 회전시킬 수 있도록 한 베어링부와, 상기 제 2 영구자석과 상기 회전부사이에 설치되어 상기 제 1 고정자의 자화력을 차폐시키는 자기 절연부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 종래의 일 실시예에 따른 3 자유도 VR 모터 방식을 나타낸 분해사시도,
도 2는 종래의 일 실시예에 따른 3 자유도 DC 서보 모터 방식을 나타낸 사시도,
도 3은 도 2의 모터가 구동하기 위한 코일 감는 방법 및 발생 원리를 나타낸 도면,
도 4는 종래의 또 다른 실시예에 따른 직류형 3 자유도 모터를 나타낸 분해 사시도,
도 5a는 종래의 또 다른 실시예에 따른 3 자유도 구형 영구자석 모터를 나타낸 사시도,
도 5b는 도 5a의 3 자유도 구형 영구자석 모터의 구성중 회전자의 자화방향을 나타낸 도면,
도 5c는 도 5a의 3 자유도 구형 영구자석 모터의 구성중 고정자의 코일 감는 방향을 나타낸 도면,
도 6a은 종래의 또 다른 실시예에 따른 구형 3 자유도 스텝 모터를 나타낸사시도,
도 6b는 도 6a의 구형 3 자유도 스텝 모터의 구성중 고정자를 나타낸 도면,
도 6c는 도 6a의 구형 3 자유도 스텝 모터의 구성중 회전자를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 구성을 나타낸 분해사시도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 결합상태를 나타낸 사시도,
도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 절단면을 나타낸 사시도.
도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 구성을 나타낸 측단면도,
도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 작동상태를 나타낸 측단면도,
도 9d는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 X, Y축 회전을 위한 코일이 감기는 방향을 나타낸 사시도,
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 구성중 회전자의 Z축 회전을 나타낸 사시도,
도 10b는 10a의 직류모터의 자전원리를 나타낸 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 본체 101 : 하부 구형 케이스
102 : 상부 구형 케이스 103 : 제 1 고정자
103a, c : 제 1, 2 영구자석 103b : 제 1 코일
104 : 코일 커버 105 : 베어링부
106 : 자기 절연부 107 : 제 2 고정자
107a : 제 2 코일 107b : 제 3 영구자석
108 : 회전자 108a : 회전자측 영구자석
108b : 샤프트 1000 : 공극
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 구성을 나타낸 분해사시도 이고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 결합상태를 나타낸 사시도 이고, 도 9a는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 절단면을 나타낸 사시도 이고, 도 9b는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 구성을 나타낸 측단면도 이고, 도 9c는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 작동상태를 나타낸 측단면도 이고, 도 9d는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 X, Y축 회전을 위한 코일이 감기는 방향을 나타낸 사시도 이고, 도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 구성중 회전자의 Z축 회전을 나타낸 사시도 이고, 도 10b는 10a의 직류모터의 자전원리를 나타낸 도면 이다.
도 7 내지 도 10a,b에 도시된 바와같이, 3 자유도 브러쉬리스 직류모터 본체(100)는 상,하부 나누어지는 구형 케이스(101)(102)와, 제 1, 2 고정자(103)(107)와, 제 1 ,2 코일(103b)(107a) 및 제 1 ,2, 3 영구자석(103a)(103c)(107b)과, 회전자(108)와, 코일 커버(104)와, 베어링부(105)와, 자기 절연부(106)로 이루어져 있다.
상기 제 1 고정자(103)는 제 1 코일(103b) 및 제 1 ,2 영구자석(103a)(103c)을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기 제 1 코일(103b) 및 제 1, 2 영구자석(103a)(103c)을 반경방향으로 자화시켜 상기 제 2 영구자석(103c)에 구비된 상기 회전자(108)를 상기 제 2 영구자석(103c)과 함께 X, Y 축 반경방향으로 회전시키도록 상기 하부측 반구형 케이스(101)내에 설치되어 있다.
상기 제 1 코일(103b)은 상기 회전자(108)를 X, Y축 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 격자형으로 감겨져 상기 제 1 고정자(103)의 내측에 설치되어 있다.
또한, 제 1 코일(103b)의 다른실시예로 별도의 Z축 회전부를 구비할 필요없이 상기 회전자(108)를 X, Y, Z축 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 세 방향의 격자형 코일로도 감길 수 있다.
상기 제 2 코일(107a)은 상기 회전자(108)를 Z 축 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 상기 제 3 영구자석(107b)의 원둘레 따라 감싸져 후술하는 제 2고정자(107)에 설치되어 있다.
또한, 상기 제 1 ,2 코일(103b)(107a)은 단상(Single Phase)이 아닌 하나이상의 다상 코일(Multi Phase)로 이루어져 있다.
상기 제 2 고정자(107)는 제 2 코일(107a) 및 제 3 영구자석(107b)을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기 제 2 코일(107a) 및 제 3 영구자석(107b)을 반경방향으로 자화시켜 상기 회전자(108)를 Z 축 반경방향으로 회전시키도록 상기 제 1 고정자(103)내에 구비되어 있다.
상기 제 1, 2 영구자석(103a)(103c)은 상기 회전자(108)를 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 반구형으로 이루어져 있다.
상기 제 3 영구자석(107b)은 상기 회전자(108)를 Z축 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 링형으로 이루어져 있다.
상기 회전자(108)는 상기 제 1 고정자(103)의 제 1 코일(103b) 및 제 1, 2 영구자석(103a)(103c)의 자화력에 따라 X, Y 축 반경방향으로 제 2 영구자석(103c)과 함께 회전됨과 동시에 상기 제 2 고정자(107)의 제 2 코일 및 제 3 영구자석(107b)의 자화력에 따라 Z축 반경방향으로 회전되도록 상기 제 2 고정자(107)내에 설치되어 있다.
상기 제 2 고정자(107)와 회전자(108)는 상기 제 2 영구자석(103c)내에 구비되어 있다.
또한, 상기 회전자(108)는 회전자측 영구자석(108a)과, 샤프트(108b)로 이루어져 있다.
상기 회전자측 영구자석(108a)은 상기 제 2 코일(107a) 및 제 3 영구자석(107b)과 대응되어 자화되도록 상기 회전자(108)의 바깥쪽 원둘에 구비되어 있다.
상기 샤프트(108b)는 상기 회전자(108)의 회전력을 전달하도록 상기 회전자측 영구자석(108a)내에 구비되어 있다.
상기 코일 커버(104)는 후술하는 베어링부(105)의 회전이 용이하도록 상기 제 1 코일(103b)과 제 2 영구자석(103c) 사이에 설치되어 있다.
상기 베어링부(105)는 상기 회전자(108)를 구비한 제 2 영구자석(103c)을 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 상기 코일 커버(104)와 제 2 영구자석(103c)의 접촉면 사이에 설치되어 있다.
상기 자기 절연부(106)는 상기 제 1 고정자(103)의 자화력을 차폐시켜 제 2 고정자(107)에 영향을 미치지 않도록 상기 제 2 영구자석(103c)과 상기 회전부사이에 설치되어 있다.
또한 자기 절연부(106)는 제 1, 2 절연부(106a)(106b)로 이루어져 있다.
상기 제 1 절연부(106a)는 반구형으로 이루어져 상기 제 2 영구자석(103c)과 제 2 고정자(107)사이에 설치되어 있다.
상기 제 2 절연부(106b)는 링형으로 이루어져 상기 제 1 절연부(106a)와 제 3 영구자석(107b)사이에 설치되어 있다.
그러면, 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터의 동작과정을 첨부된 도 7 내지 도 10a,b를 참조하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 7 및 도 8에 도시된 바와같이, 3 자유도 브러쉬리스 직류모터 본체(100)는 구형케이스(101)(102)가 상, 하부로 나누어지고, 상기 구형 케이스(101)(102)내에 회전자(108)를 X, Y축 반경방향으로 회전시키는 제 1 고정자(103)가 설치되어 있으므로, 전원의 인가에 따라 상기 제 1 고정자(103)의 제 1 코일(103b) 및 제 1 ,2 영구자석(103a)(103c)을 자화시켜 상기 회전자(108)를 X, Y축 반경방향으로 회전시킨다.
이때, 도 9a, b, c에 도시된 바와같이, 상기 제 1 코일(103b)과 제 2 영구자석(103c) 사이에 코일 커버(104)가 설치되고, 상기 코일 커버(104)와 제 2 영구자석(103c)의 접촉면 사이에 제 2 영구자석(103c)을 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 베어링부(105)가 구비되어 있으므로, 상기 베어링부(105)에 의해 상기 제 2 영구자석(103c)내에 구비된 제 2 고정자(107)와 회전자(108)를 X, Y 축 반경방향으로 회전시킨다.
여기서, 상기 코일 커버(104)는 베어링부(105)의 회전을 원활히 하기 위하여 설치된다.
이때, 도 10a에 도시된 바와같이, 상기 회전자(108)를 X, Y축 반경방향으로 회전시킴과 동시에 Z축 반경방향으로 회전시킬 경우 상기 제 2 영구자석(103c)과 상기 회전부 사이에 상기 제 1 고정자(103)의 자화력을 차폐시키는 자기 절연부(106)가 설치되어 있으므로, 이 자기 절연부(106)에 의해 제 2 고정자(107)는 상기 회전자(108)를 Z축 반경방향으로 제 1 고정자(103)의 자력의 영향없이 회전시킬 수 있다.
이 상태에서 전원의 인가에 따라 제 2 고정자(107)의 제 2 코일(107a) 및 제 3 영구자석(107b)을 Z축 반경방향으로 자화시켜 상기 회전자(108)를 Z축 반경방향으로 회전시킨다.
이와 같이 제 1, 2 고정자(103)(107)와 회전자(108)의 자화방향이 서로 같게 배치하고, 상기 제 1, 2 고정자(103)(107)와 회전자(108)사이에 공극이 형성됨으로 이 공극(air gap)(1000)에 자기장이 형성되도록 한다.
그러면 도 10b에 도시된 바와같이 플레밍의 왼손 법칙에 의해 공극(1000)사이의 자기장과 코일의 상호작용에 의해 회전자(108)측 영구 자석(108a)에 접선 방향으로 힘이 발생하게 되고, 이 힘에 의해 토크 즉 회전력이 발생하여 회전자(108)가 회전하게 된다.
상기 회전자(108)와 제 1 ,2 고정자(103)(107)는 자전축에 대하여 대칭 모양이기 때문에 회전자(108)와 제 1 ,2 고정자(103)(107)사이의 인력은 합이 ' 0 ' 이되고 회전 방향으로는 연속적인 링형 모양이기 때문에 에지 효과(Edge Effect)가 없어 회전자(108)는 저항없이 회전할 수 있다.
이 때 상기 제 1, 2 고정자(103)(107)와 회전자(108) 사이의 자기장을 B, 자기장의 영향을 받는 제 1 ,2 코일(103b)(107a)의 유효 길이를 l 이라 하면 코일 하나가 받는 힘을 F라 하면,
이 되고, 이때 힘의 방향은 B와 I의 벡터 곱의 방향인 θ방향이다.
코일이 N번 감겨 있고 회전자(108)가 받는 총 힘을이라하면,
그러므로 회전자(108)의 반경을 r이라 할 때 회전자(108)가 받는 토크 τ는
로 나타낼 수 있다.
도 9d에 도시된 바와같이, 상기 회전자(108)를 X, Y축 반경반향으로 회전시킬 수 있도록 제 1 고정자(103)의 제 1 코일(103b)을 X, Y축의 격자형으로 코일을 감는다.
이 상태에서 상기 제 1 고정자(103)의 제 1 ,2 영구자석(103a)(103c)과 제 1 코일(103b)을 전원의 인가에 따라 자화시켜 회전자(108)를 X, Y축 반경방향으로 회전시킨다.
상기 제 1 고정자(103)와 회전자(108)의 자화 방향이 같게 배치하여 공극(1000)에 효과적으로 자기장을 형성하도록 한다.
이와 같이, 상기 제 1 코일(103b)은 격자형으로 감기고, 상기 제 1 고정자(103)의 내부는 격자형으로 감싸져 있으므로, 이 제 1 코일(103b)과 공극(1000)의 자기장의 상호 작용에 의해 X, Y축 반경방향으로 회전할 수 있게 된다. 상기 회전의 원리는 자전의 원리와 같다.
또한, 본 발명에 사용되는 각각의 영구자석(103a)(103c)(107b)(108b)은 ND-Fe-B 계열의 영구자석(103a)(103c)(107b)(108b)등 보자력이 매우 우수한 영구자석(103a)(103c)(107b)(108b)을 사용하여 제 1 ,2 코일(103b)(107a)에 의한 영구자석(103a)(103c)(107b)(108b)의 특성이 변하지 않도록 한다.
이와같이, 본 발명은 기존의 1 자유도, 2 자유도 및 3 자유도 운동을 가능게 함으로써, 하나의 모터에서 세 방향의 운동 구현이 가능하고, 이로인해 인간형 로봇을 개발하는데 있어서도 장점을 가질 수 있을뿐아니라, 제품에 필요한 부품수를 줄여 모터의 제작비용을 절감할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 3 자유도 브러쉬리스 직류모터는 전술한 실시 예 및 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않은 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 3 자유도 브러쉬리스 직류모터에 의하면,
제품의 구동방향에 따라 격자형 코일 및 반구형 영구자석을 구비함으로써, 기존의 로봇 시스템에서 관절 부위에 들어가는 각종 링크 및 기어 등을 제어하고 하나의 모터에서 세 방향의 운동을 구현하므로, 로봇을 소형화, 단순화, 경량화 할 수 있고, 또한, 인간의 힙 조인트(Hip Joint), 손목 운동, 안구 운동등 인간형 로봇을 개발하는데 있어서도 장점을 가질 수 있을뿐아니라, 산업현장에서 레이저 가공기, 공작기계, 각종 CCD 카메라 및 의용공학등의 활용 범위가 매우 넓게 사용할 수 있으며, 이러한 3 자유도 운동을 하나의 모터를 가지고 1 자유도, 2 자유도 및 3 자유도 운동을 구현함으로써, 제품에 필요한 부품수를 줄여 모터의 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 구형 케이스와, 상기 구형 케이스내에 설치되어 제 1 코일 및 제 1, 2 영구자석을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기 제 1 코일 및 제 1 ,2 영구자석이 X, Y축 방향으로 자화력을 발생시키는 제 1 고정자와,
    상기 제 1 고정자내에 설치되어 제 2 코일 및 제 3 영구자석을 구비함과 동시에 전원의 인가에 따라 상기 제 2 코일 및 제 3 영구자석이 Z 축 방향으로 자화력을 발생시키는 제 2 고정자와,
    상기 제 2 고정자내에 설치되어 상기 제 1 고정자의 제 1 코일 및 제 1 , 2 영구자석의 자화력에 따라 X, Y 축 방향으로 상기 제 2 영구자석과 함께 회전됨과 동시에 상기 제 2 고정자의 제 2 코일 및 제 3 영구자석의 자화력에 따라 Z 축 방향으로 회전되는 회전자와,
    상기 제 1 코일과 제 2 영구자석 사이에 설치되는 코일 커버와,
    상기 코일 커버와 제 2 영구자석의 접촉면 사이에 설치되어 상기 회전자를 회전시킬 수 있도록 한 베어링부와,
    상기 제 2 영구자석과 상기 회전부사이에 설치되어 상기 제 1 고정자의 자화력을 차폐시키는 자기 절연부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 3 자유도 브러쉬리스 직류모터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 고정자는, 제 1 고정자내에 반구형으로 이루어진 제 1, 2 영구자석을 설치하는 것을 특징으로 하는 3 자유도 브러쉬리스 직류모터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 고정자는 링형으로 이루어진 제 3 영구자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 3 자유도 브러쉬리스 직류모터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 코일은, 상기 제 1 고정자의 내측에 설치되어 상기 회전자를 X, Y축 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 격자형으로 감겨지는 제 1 코일과,
    상기 제 2 고정자에 상기 회전자를 Z축 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 상기 제 3 영구자석의 원둘레을 따라 감싸져 설치되는 제 2 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 3 자유도 브러쉬리스 직류모터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 코일은 상기 제 1 고정자의 내측에 설치되어 회전자를 X, Y, Z축 반경방향으로 회전시킬 수 있도록 세 방향으로 감겨지는 격자형 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 3 자유도 브러쉬리스 직류모터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 2 코일은 하나이상의 다상 코일로 이루어진 것을 특징으로 하는 3 자유도 브러쉬리스 직류모터.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 자기 절연부는, 제 2 영구자석과 제 2 고정자사이에 설치되는 반구형의 제 1 절연부와,
    상기 제 1 절연부와 제 3 영구자석사이에 설치되는 링형으로 이루어진 제 2 절연부를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 3 자유도 브러쉬리스 직류모터.
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