KR100426616B1 - 베어링리스 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래의 리니어 모터에 있어서, 막대형상의 이동자 본체와, 상기 이동자 본체의 외주부에 형성된 돌기가 상기 이동자 본체의 길이 방향으로 여러 개 배치되어 형성된 2이상의 코어부와, 상기 코어부에 장착된 수 개의 코일을 구비한 이동자와, 극성이 교대로 배열된 수 개의 영구자석으로 이루어지며, 상기 코어부에 대응하는 위치에 일정한 간극을 두고 설치된 2이상의 고정자와, 상기 이동자와 상기 고정자간의 간극을 측정하는 비접촉 변위계와, 상기 비접촉 변위계로부터 측정한 간극이 작은 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 줄이고, 큰 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 강하게 하여 상기 이동자가 상기 고정자에 비접촉 부상 이동하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 별도의 베어링 없이 자기 부상 및 선형구동이 가능한 소형, 고효율의 베어링리스 리니어 모터를 제공한다.

Description

베어링리스 리니어 모터{BEARINGLESS LINEAR MOTOR}

본 발명은 리니어 모터에 관한 것으로서, 상세하게는 별도의 베어링이 없이 리니어 모터에 발생하는 인력을 이용하여 이동자의 자기 부상 및 선형구동이 가능한 베어링리스 리니어 모터에 관한 것이다.

리니어 모터란 회전형 모터를 축 방향으로 잘라서 펼쳐 놓은 형태로, 직접 직선 구동력을 발생시키는 모터를 말한다. 회전형 모터를 이용하여 직선 구동력을 발생시키려면, 복잡한 기계 변환 장치가 필요한 반면, 리니어 모터는 직접 직선 구동력을 발생시키므로 에너지 손실이나 소음이 적으며 운전 속도에 있어서 제한을 받지 않는다. 이러한 리니어 모터는 이미 다양한 원리와 구조로 개발되어 상용화되어 있다.

도1 및 도2는 종래의 리니어 모터의 구조를 도시한 도면으로서, 도1은 리니어 모터의 영구자석과 코일의 배치를 나타낸 평면도, 도2는 리니어 모터의 정면도이다.

리니어 모터의 종류에 따라 코일의 권선방법과 코어(12)의 형상, 구동전류 등이 달라질 수 있고, 영구자석을 고정자 혹은 이동자로 할 수도 있다. 코일(13)에 모터 구동용 상(phase)전류가 흐르면, 전류의 진폭 및 영구 자석과의 위상차 등에 의해 이동자(10)를 이동시킬 수 있는 추력이 발생한다. 이와 동시에 이동자(10)와 고정자(2) 사이에 인력이 발생한다. 따라서, 이동자(10)와 고정자(2)의 충돌을 방지하고 일정한 간격을 유지하기 위해서는 별도의 리니어 베어링(linear bearing)(미도시)이 요구된다.

이러한 베어링은 리니어 모터의 제어 정밀도, 수명의 관점에서 매우 중요한 요소이다. 현재 채용하고 있는 지지방법으로는 롤러(roller) 또는 리니어 슬라이드(linear slide)를 쓰는 기계식, 정압 슬라이드를 쓰는 공기식, 그리고 전자기력 제어 또는 초전도 반발을 이용한 자기 부상 방식이 있다.

가장 일반적으로 쓰이는 기계식은 마찰과 윤활 문제로 인해 첨단 분야에서 그 사용이 제한되는 문제점이 있으며, 공기식은 비접촉 구동이 가능하지만, 하중지지 능력이 다소 떨어지며, 소음이 크고 별도의 공압장비가 필요하며, 진공이나 청정실 내에서는 사용이 불가능하다는 약점이 있다. 자기 부상 방식은 정밀 구동이 가능하고 고온, 진공, 청정등의 환경에서도 사용할 수 있다는 장점이 있지만, 5 자유도의 지지를 위해 각각에 대해 자기 베어링을 장착하기에는 이동자의 무게와 크기가 크게 증가하며 높은 제작비가 문제가 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 별도의 베어링 없이 자기 부상 및 선형구동이 가능한 소형, 고효율의 베어링리스 리니어 모터를 제공함을 그 목적으로 한다.

도1 및 도2는 종래의 리니어 모터의 구조를 도시한 도면으로서,

도1은 리니어 모터의 영구자석과 코일의 배치를 나타낸 평면도

도2는 리니어 모터의 정면도

도3 내지 도9는 본 발명의 실시례의 구조를 도시한 도면으로서,

도3은 제1실시례의 종단면도

도4는 제2실시례의 횡단면도

도5는 제3실시례의 횡단면도

도6은 제4실시례의 횡단면도

도7은 제5실시례의 횡단면도

도8은 제6실시례의 영구자석과 코일의 배치를 도시한 평면도

도9는 제6실시례의 종단면도이다

도10은 제7실시례의 종단면도

도11은 제7실시례의 횡단면도

**도면의 주요부분에 대한 부호의 설명**

2: 고정자 10: 이동자

11: 이동자 본체 12: 코어부

13: 코일

본 발명은 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 막대형상의 이동자 본체와, 상기 이동자 본체의 외주부에 형성된 돌기가 상기 이동자 본체의 길이 방향으로 여러 개 배치되어 형성된 2이상의 코어부와, 상기 코어부에 장착된 수 개의 코일을 구비한 이동자와, 극성이 교대로 배열된 수 개의 영구자석으로 이루어지며, 상기 코어부에 대응하는 위치에 일정한 간극을 두고 설치된 2이상의 고정자와, 상기 이동자와 상기 고정자간의 간극을 측정하는 비접촉 변위계와, 상기 비접촉 변위계로부터 측정한 간극이 작은 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 줄이고, 큰 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 강하게 하여 상기 이동자가 상기 고정자에 비접촉 부상 이동하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터를 제공한다.

또한, 상기 코어부가 상기 이동자의 외주부중 윗면과 아랫면에 2개 형성되며, 상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 2개 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 상기 코어부가 상기 이동자의 외주부 4면에 4개 형성되며, 상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 4개 설치되어 구현될 수도 있다.

한편, 상기 코어부가 상기 이동자의 외주부에 삼각형 형태로 3개 형성되며,

상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 3개 설치되어 구현될 수도 있다.

한편, 상기 코어부가 상기 이동자의 상하면에 각각 2개씩 4개 형성되며, 상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 4개 설치되어 구현될 수도 있다.

또한, 상기 이동자의 피칭 운동의 불안전성을 방지하기 위해서, 상기 코일은 상기 코어부에 길이 방향으로 각각 두 그룹으로 분리되어 설치되고, 상기 비접촉 변위계는 상기 이동자 양끝단에서 상기 고정자와의 간극을 측정할 수 있도록 설치되는 것이 바람직하다.

한편, 파이프형상의 고정자 본체와, 상기 고정자 본체의 내주부에 형성된 돌기가 상기 고정자 본체의 길이 방향으로 여러 개 배치되어 형성된 2이상의 코어부와, 상기 코어부에 각각 장착된 코일을 구비한 고정자와, 극성이 교대로 배열된 수 개의 영구자석으로 이루어지며, 상기 고정자의 내부에 삽입되어 상기 코어부와 일정한 간극을 유지하며 부상 이동할 수 있도록 형성된 이동자와, 상기 이동자와 상기 고정자간의 간극을 측정하는 비접촉 변위계와, 상기 비접촉 변위계로부터 측정한 간극이 작은 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 줄이고, 큰 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 강하게 하여 상기 이동자가 상기 고정자에 비접촉 부상 이동하도록 제어하는 제어부를 포함하여 구현될 수도 있다.

또한, 상기 고정자는 원통형으로 형성되며, 4개의 상기 코어가 상기 이동자를 사이에 두고 상하좌우에 위치하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 실시례에 관하여 상세히 설명한다.

도3 내지 도9는 본 발명의 실시례의 구조를 도시한 도면으로서, 도3은 제1실시례의 종단면도, 도4는 제2실시례의 횡단면도, 도5는 제3실시례의 횡단면도, 도6은 제4실시례의 횡단면도, 도7은 제5실시례의 횡단면도, 도8은 제6실시례의 영구자석과 코일의 배치를 도시한 평면도, 도9는 제6실시례의 종단면도, 도10은 제7실시례의 종단면도, 도11은 제6실시례의 횡단면도이다.

도 3은 제1실시례의 종단면도이다.

이동자(10)는 막대 형상의 이동자 본체(11)와, 상기 이동자 본체(11)의 상하외주부에 형성된 돌기(14)와, 상기 돌기(14)가 이동자 본체(11)의 길이방향으로 일렬로 배치되어 형성된 코어부(12)와, 상기 코어부(12)에 장착된 수 개의 코일(13)로 이루어지며, 상기 코어부(12)는 이동자 본체(11)의 상하면에 2개가 형성된다.

상기 코일(13)은 단상 혹은 다상의 코일이 사용될 수 있다.

고정자(2)는 영구자석이 수 개가 극성이 교대가 되도록 연결되어 이루어지며, 상기 코어부(12)에 대응하여, 코어부(12)와 일정한 간격을 두고 2개가 설치된다.

비접촉 변위계(미도시)는 상기 고정자(2)와 이동자(10)사이의 간극을 측정할 수 있도록 설치된다.

제어부(미도시)는 상기 비접촉 변위계(미도시)가 측정한 값을 이용하여, 간극이 적은 쪽 코어부(12)에 설치된 코일(13)의 전류의 세기를 줄여주고, 간극이 넓은 쪽 코어부(12)에 설치된 코일(13)의 전류의 세기를 강하게 해주도록 구성된다.

이하, 제1실시례의 동작에 관하여 설명한다.

코일(13)에 모터 구동용 상(phase)전류가 흐르면, 전류의 진폭 및 영구 자석과의 위상차 등에 의해 이동자(10)를 도면상의 좌우방향으로 이동시킬 수 있는 추력이 발생한다. 이와 동시에 이동자(10)와 고정자(2) 사이에 상하방향으로 인력이 발생한다.

상기 인력에 의해 고정자(2)와 이동자(10)가 접촉상태가 될 수 있으나, 도3에 도시된 바와 같이, 고정자(2)가 이동자(10)의 상하에 위치하고 있어, 상하 방향으로 발생한 인력의 차이가 중력과 평형을 이루는 경우에는 상기 이동자(10)는 고정자(2)와 일정한 간극을 유지한 상태로 추력에 의해 이동할 수 있다.

이동 중 이동자(10)가 어느 한 방향으로 치우치는 경우에는, 비접촉 변위계(미도시)가 간극을 측정하여, 그 신호를 제어부(미도시)에 송신하면, 신호를 받은 제어부(미도시)는 이동자(10)가 치우친 방향에 장착된 코일(13)에 공급되는 전류의 세기를 줄이고, 그 반대방향에 장착된 코일(13)에 공급되는 전류의 세기를 강하게 한다. 따라서, 이동자(10)는 치우친 방향의 반대방향으로 인력을 받게되어, 고정자(2)에 접촉하지 않고 이동을 하게 된다.

도3에 도시된 바와 같이 x, y,,를 정의하고, z 방향을 지면 위를 향하는 방향,를 도면을 보았을 때 반시계 방향으로 정의하였을 때, 제1실시례의 경우 이동자(10)의 x, y 방향은 제어가 가능하나, 그 외의 방향은 제어가 어렵다.

다만, z,,방향으로 변위가 발생하는 경우, 고정자(2)의 y방향 인력이 간접적인 복원력으로 작용하므로 이들 방향에 대해서도 수동적으로 안정(passively stable)하다.

그러나, 이러한 수동 안정성에 의존한 구동은 감쇠가 작기 때문에 정밀 구동이나 고속 구동에는 적합하지 않다. 따라서, 정밀 고속 구동의 경우에는, 모든 자유도에 대한 제어성을 확보할 수 있는 구조가 요구된다.

다만, 모든 자유도에 대한 제어성을 확보하기 위해서는 다수의 리니어 모터가 요구되므로, 소형화가 어렵고 제작비가 증가하는 문제점이 있다.

이하, 좀더 많은 자유도를 구속하는 구성을 가진 실시례들을 살펴보겠다.

도4는 제2실시례의 횡단면도이다.

이동자(10)는 상하좌우에 4개의 코어부(12)를 구비하고 있고, 상기 코어부(12)에는 수 개의 코일(13)이 감겨있다.

고정자(2)는 상기 코어부(12)에 대응하는 위치에 코어부(12)와 일정한 간격을 두고 4개가 설치되어 있다.

비접촉 변위계(미도시)와 제어부(미도시)는 제1실시례와 동일하다.

도5는 제3실시례의 횡단면도이다.

이동자(10)는 3면에 3개의 코어부(12)를 구비하고 있고, 상기 코어부(12)에는 수 개의 코일(13)이 감겨있다.

고정자(2)는 상기 코어부(12)에 대응하는 위치에 코어부(12)와 일정한 간격을 두고 3개가 설치되어 있다.

비접촉 변위계(미도시)와 제어부(미도시)는 제1실시례와 동일하다.

제2실시례와 제3실시례는 모두 z방향의 운동을 추가적으로 제어할 수 있는 구조이다.

다만,방향의 유동, 즉 구동축을 중심으로 한 회전운동에 대해서는 여전히 수동 안정성에 의존할 수밖에 없으며,,방향의 회전운동에 대해서는 불안정하다.

도6은 제4실시례의 횡단면도이다.

이동자(10)는 상하면에 각각 2개씩 모두 4개의 코어부(12)를 구비하고 있고,상기 코어부(12)에는 수 개의 코일(13)이 감겨있다.

고정자(2)는 상기 코어부(12)에 대응하는 위치에 코어부(12)와 일정한 간격을 두고 4개가 설치된다.

비접촉 변위계(미도시)와 제어부(미도시)는 제1실시례와 동일하다.

제4실시례는방향의 변위, 즉 구동축을 중심으로 한 회전운동을 추가적으로 제어할 수 있는 구조이다. 다만, z,방향의 운동은 수동 안전성에 의존할 수 밖에 없으며,방향으로는 불안정하다.

도7은 제5실시례의 횡단면도이다.

제4실시례와 유사하나, 코어부(12)가 제4실시례에서 약간 비스듬히 설치가 되고, 그에 따라 고정자(2)도 상기 코어부(12)에 대응하여 일정한 간격을 두고 설치된다.

제4실시례는,를 제외한 모든 방향의 운동에 대해 제어가 가능하다.

도8 및 도9는 제6실시례의 구조를 도시한 것이다.

제6실시례는 제1실시례와 유사하나, 코일(13)이 이동자(10) 길이방향으로 두 그룹으로 나뉘어 형성되며, 비접촉 변위계(미도시)가 이동자의 양끝단에서 고정자와의 간극을 측정할 수 있도록 설치되는 것에 특징이 있다.

y방향의 변위에 대한 제어는 제1실시례와 동일한 방법으로 제어를 하며, 피칭 운동(pitching motion) 즉방향의 운동의 경우, 상기 비접촉 변위계(미도시)가 이동자의 양끝단에서의 간극을 측정하며, 측정된 값을 이용하여, 제어부(미도시)는 간극이 넓은 모서리 부분의 코일(13)에 흐르는 전류의 세기를 강하게 하고, 간극이 좁은 모서리 부분의 코일(13)에 흐르는 전류의 세기를 약하게 하여, 이동자(10)가 z축을 중심으로 회전하는 것을 방지한다.

제6실시례는 제2실시례 내지 제5실시례의 경우와 조합되어 구성됨이 바람직하며, 이 경우, 모든 불안정한 자유도를 제거할 수 있다.

도10 및 도11은 제7실시례의 구조를 도시한 것이다.

고정자(2)는 원통 파이프형상의 고정자 본체(21)와, 상기 고정자 본체(21)의 내주부에 형성된 고정자 돌기(24)와, 상기 고정자 돌기(24)가 고정자 본체(21)의 길이방향으로 일렬로 배치되어 형성된 코어부(22)와, 상기 코어부(22)에 장착된 수 개의 코일(23)로 이루어지며, 상기 코어부(22)는 고정자 본체(21) 내주면의 상하좌우 4면에 4개가 형성된다.

이동자(10)는 영구자석이 수 개가 극성이 교대로 연결되어 이루어지며, 상기 고정자(2)의 내공에 삽입되어 구동된다.

비접촉 변위계(미도시)는 상기 고정자(2)와 이동자(10)사이의 간극을 측정할 수 있도록 최소 4개가 설치된다.

제어부(미도시)는 상기 비접촉 변위계(미도시)가 측정한 값을 이용하여, 간극이 작은 쪽 코어부(22)에 설치된 코일(23)의 전류의 세기를 줄여주고, 간극이 넓은 쪽 코어부(22)에 설치된 코일(23)의 전류의 세기를 강하게 해주도록 구성된다.

제6실시례의 동작은 제2실시례와 동일하며, 단지 이동자와 고정자의 구성요소에만 차이점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 실시례 이외에도 다양한 형태로 구성될 수 있다.

본 발명은 별도의 베어링 없이 자기 부상 및 선형구동이 가능하므로, 자기 베어링 방식의 장점을 모두 포함하고 있으며, 자기 베어링의 전자석과, 자성체 가이드가 불필요하므로, 소형화가 가능하며, 부상용 전류와 모터용 전류가 같은 코일에 흐르므로 효율이 높고, 다수의 리니어 모터의 조합으로 구성되므로 높은 추진력을 얻을 수 있다.

Claims (8)

1. 막대형상의 이동자 본체와, 상기 이동자 본체의 외주부에 형성된 돌기가 상기 이동자 본체의 길이 방향으로 여러 개 배치되어 형성된 2이상의 코어부와, 상기 코어부에 장착된 수 개의 코일을 구비한 이동자와;

   극성이 교대로 배열된 수 개의 영구자석으로 이루어지며, 상기 코어부에 대응하는 위치에 일정한 간극을 두고 설치된 2이상의 고정자와;

   상기 이동자와 상기 고정자간의 간극을 측정하는 비접촉 변위계와;

   상기 비접촉 변위계로부터 측정한 간극이 작은 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 줄이고, 큰 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 강하게 하여 상기 이동자가 상기 고정자에 비접촉 부상 이동하도록 제어하는 제어부를;

   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 코어부가 상기 이동자의 외주부중 윗면과 아랫면에 2개 형성되며,

   상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 2개 설치된 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 코어부가 상기 이동자의 외주부 4면에 4개 형성되며,

   상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 4개 설치된 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 코어부가 상기 이동자의 외주부에 삼각형 형태로 3개 형성되며,

   상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 3개 설치된 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 코어부가 상기 이동자의 상하면에 각각 2개씩 4개 형성되며,

   상기 고정자가 상기 코어부에 대응하는 위치에 4개 설치된 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 이동자의 피칭 운동의 불안전성을 방지하기 위해서,

   상기 코일은 상기 코어부에 길이 방향으로 각각 두 그룹으로 분리되어 설치되고,

   상기 비접촉 변위계는 상기 고정자와 상기 이동자 양끝단 사이의 간극을 측정할 수 있도록 설치는 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.
7. 파이프형상의 고정자 본체와, 상기 고정자 본체의 내주부에 형성된 돌기가 상기 고정자 본체의 길이 방향으로 여러 개 배치되어 형성된 2이상의 코어부와, 상기 코어부에 각각 장착된 코일을 구비한 고정자와;

   극성이 교대로 배열된 수 개의 영구자석으로 이루어지며, 상기 고정자의 내부에 삽입되어 상기 코어부와 일정한 간극을 유지하며 부상 이동할 수 있도록 형성된 이동자와;

   상기 이동자와 상기 고정자간의 간극을 측정하는 비접촉 변위계와;

   상기 비접촉 변위계로부터 측정한 간극이 작은 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 줄이고, 큰 쪽의 상기 코일의 전류의 세기를 강하게 하여 상기 이동자가 상기 고정자에 비접촉 부상 이동하도록 제어하는 제어부를;

   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 고정자는 원통형으로 형성되며, 4개의 상기 코어가 상기 이동자를 사이에 두고 상하좌우에 위치하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 리니어 모터.