KR100692388B1 - 단상 선형 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 단상 선형 모터는 내측 벽에 코어(C) 수용 공간을 가진 영구자석(21)을 포함하고, 단부에서 수평 방향으로 절곡되어 그 하부에 가이드 블록(24)을 장착한 수평단(23)을 구비한 이동자(20); 상기 이동자(20)에서 상기 영구자석(21)의 양 단 주변 부위에 각각 형성된 제 2밀집돌기(22); 상기 이동자(20)의 하부에 위치하여 양단에 상기 가이드 블록(24)과 접하는 가이드 레일(38)을 구비한 고정자(30); 상기 고정자(30)의 중심 부근에서 상부로 돌출 형성되어 있는 제 1밀집돌기(34); 상기 고정자(30)의 양 측에서 상부로 돌출되어 상기 제 2밀집돌기(22)와 대향하여 그 사이 제 2전달공극(42)을 형성하는 제 3밀집돌기(35); 상기 제 1밀집돌기(34) 상에 고정코일(32)의 두께만큼 형성된 제 1전달공극(41)을 사이에 두고 고정 위치되어 상기 영구자석(21)에 의해 작용 공극(40)의 거리만큼 이격되어 둘러 싸여 있되, 강자성체로 이루어진 코어 요크(31)의 외주를 권취하고 있는 고정코일(32)로 이루어진 코어(C);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

영구자석, 자기력순환, 이동자, 고정자, 코어, 요크, 고정코일, 선형모터,

Description

단상 선형 모터{SINGLE-PHASE LINEAR MOTOR}

도 1은 종래기술에 따른 선형 모터의 대표적 구조를 도시한 사시도.

도 2는 종래기술에 따른 선형 모터에 이용되는 영구자석을 이루는 코일의 결합 구성도.

도 3은 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 전체 구성을 도시한 단면도.

도 4는 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 고정코일 평면도 및 단면도.

도 5a및 5b와 5c는 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 작동 원리 사시도.

도 6은 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 영구자석에 대한 다른 실시 예를 도시한 단면도.

도 7은 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 영구자석에 대한 또 다른 실시 예를 도시한 단면도.

도 8은 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 고정 코일에 대한 다른 실시 예를 도시한 평면도 및 부분확대 단면도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20: 이동자 33: 코일 가이드

21,21': 영구자석 34: 제 1밀집돌기

22: 제 2밀집돌기 35: 제 3밀집돌기

23: 수평단 36: 외부단자판

24: 가이드 블록 38: 가이드 레일

30: 고정자 40: 작용 공극

31: 코어요크 41: 제 1전달공극

32: 고정코일 42: 제 2전달공극

C: 코어

본 발명은 단상 선형 모터에 관한 것으로, 보다 상세히는 고정자에 구비된 코어의 코어 요크에 의하여 영구자석에서 코어로 유입되는 수직 밀집 자기장의 일정 유도로 인하여 이동자의 구동을 위해 필요한 자계 손실을 줄이고, 더불어 센서를 이용하지 않아 구조상의 간편화를 추구하는 동시에 효율적인 단상 전원 공급을 제공하는 단상 선형 모터에 관한 것이다.

선형 모터는 직선형 전동기 내지 리니어 모터로도 명명되는 것으로, 영구자석에 의하여 발생되는 자기장과 제어 시스템에서 공급되는 전류에 의하여 코일에 발생하는 기전력 간의 상호 전자기적 반응으로 이동자와 고정자 간의 공극에 작용하는 전자기력에 의하여 구동이 되는데 영구자석과 코일의 소재 내지 권선 수와 같 은 기본적인 구성 및 배치 구조에 의하여 그 성능이 결정된다.

선형 모터는 기종에 따라 이동자와 고정자 일 측에 자극을 형성하고 타 측에 코일을 형성하여 코일에 전력을 공급하여 전자력을 발생하는 '동기형'과, 이동자와 고정자 일 측에 도체 플레이트를 형성하고 타 측에 형성된 판상 코일에 홈을 형성하여 3상 권선을 삽입하여 3상 교류 방식으로 전자력을 발생하는 '비동기형'으로 구분이 되고, 또한 이동자 내지 고정자의 구성에 따라 코일을 이동자로, 영구자석을 고정자로 사용하는 방식과 그 반대의 방식 두 종류가 존재한다.

그런데 동일 면에 다수 개의 극을 교번적으로 형성한 대개의 다극 모터의 경우, 대부분의 경우 극과 극 사이의 영역에 필연적으로 모터의 구동 불능 영역이 존재할 수밖에 없다는 치명적 약점을 내재하고 있다.

1990년대 이후 구동 불능 영역 최소화(이론상 Zero point 까지 가능)를 위하여 연구가 활발히 진행되었는데 대부분 센서를 이용한 센싱(sensing), 구동 방법에 의한 해결방법 제시 등의 회로 내지 시스템적인 측면의 결과로 편중되어 제어 시스템 자체가 복잡해지는 결과를 초래하였으며 이로 인해 저렴한 제조비용의 대안적인 역할을 수행할 수 있는 경제적 측면의 이점은 제공되지 못하였다.

도 1은 종래 기술에 따른 전형적인 선형 모터의 개략적인 구조에 대한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 영구자석을 고정자(3)로 하고 코일을 이동자(2)로 하는 방식의 선형모터는 이동자(2)의 무게가 가볍고 고정자(3)의 구조가 단순한 장점을 가진 반면에 이동자(2)에 전원을 공급할 때 케이블의 외란이 발생하여 정확한 이동자(2)의 제어가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

반면, 영구자석을 이동자로 하고 코일을 고정자로 할 경우에는 이동자에 가해지는 외란을 최소화하여 이동성을 향상할 수 있고 이동자의 관리가 용이하다는 장점을 가지나 코일로의 전원 공급이 어렵다는 단점을 가지고 있다.

이러한 문제를 해소하기 위하여, 대한민국 등록특허 제 10-0399423호는 '코일의 도체부를 수직방향으로 절곡하여 대략 U자 형태로 꺾어서 이룬 다음 3개의 코일을 3상 전원으로 구동 가능하게 하고, 이동자는 소정의 길이를 갖는 각 부재를 결합하여 M 자 형상의 이동자 베이스를 이루는 것'을 특징으로 하여 체적 대비 추력이 큰 선형모터를 이룰 수 있고 이동자로 영구자석을 사용하여 전원 케이블로 인한 외란 발생이 최소화되는 효과를 가진다고 개시되어 있다.

상기 기술에 따르면, 케이블의 외란을 해소한다고 하였으나 3상 전원을 사용하는 방식을 이용한 상태에서 문제 해결을 접근하여 코일로의 전원공급이 어렵다는 종래의 문제점을 그대로 안고 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 영구자석을 이루는 코일(4)의 구조가 복잡할 뿐 아니라 작동 불능 영역을 제거하기 위해 센서를 이용하는 방식을 취하고 있어 제작비용의 상승을 초래하고 설치의 어려움을 갖게 되어 상용화를 이루는데 무리가 있다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 작용 공극 내의 영구자석 자기장의 방향이 수직 선형으로 일정하여 자계 손실이 적으며 전원 공급의 용이성을 확보하는 선형 모터를 구현하는 것을 주 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 센서를 이용하지 않으면서 작동 불능 영역을 제거하는 동시에 단상 전원을 이용하여 전원 공급의 용이성을 확보함과 아울러 편리하고 실용적인 구조를 가지는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 초소형으로부터 초대형까지의 제조범위를 갖으면서 고속 구동 기능을 구현할 수 있는 고 효율 SLDC(Sensorless and Direct Current) 단상 선형 모터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 단상 선형 모터는 지상을 향해 곡률지게 볼록 위치하는 중앙부 내측 벽에 코어(C) 수용 공간을 가진 영구자석(21)을 포함하고, 단부에서 수평 방향으로 절곡되어 그 하부에 가이드 블록(24)을 장착한 수평단(23)을 구비한 이동자(20); 상기 이동자(20)에서 상기 영구자석(21)의 양 단 주변 부위에 각각 형성된 제 2밀집돌기(22); 상기 이동자(20)의 하부에 위치하여 양단에 상기 가이드 블록(24)과 접하는 가이드 레일(38)을 구비한 고정자(30); 상기 고정자(30)의 중심 부근에서 상부로 돌출 형성되어 있는 제 1밀집돌기(34); 상기 고정자(30)의 양 측에서 상부로 돌출되어 상기 제 2밀집돌기(22)와 대향하여 그 사이 제 2전달공극(42)을 형성하는 제 3밀집돌기(35); 상기 제 1밀집돌기(34) 상에 고정코일(32)의 두께만큼 형성된 제 1전달공극(41)을 사이에 두고 고정 위치되어 상기 영구자석(21)에 의해 작용 공극(40)의 거리만큼 이격되어 둘러 싸여 있되, 강자성체로 이루어진 코어 요크(31)의 외주를 권취하고 있는 고정코일(32)로 이루어진 코어(C);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 3은 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 개략적인 구성을 나타내는 단면도이다.

도 3을 참조하여 본 발명의 구성을 개략적으로 설명하면, 본 발명에 따른 단상 선형 모터는 베이스 플레이트 형상을 가지고 있어 양 측단에 가이드 레일(38)을 구비하고 중앙부에서 이동자(20)를 향하여 돌출 형성되어 있는 코어(C)를 구비한 고정자(30)와, 이 고정자(30)의 지상 방향 상단에 구비되어 전자기력에 근거한 추력 발생에 의하여 이동이 되되 전자기력 발생의 근원이 되는 영구자석(21)을 구비한 이동자(20)로 구성이 되어 있다.

즉, 이동자(20)는 작용공극(40) 일 측면에 영구자석(21)을 구비한 상태에서 영구자석(21)의 자기력의 통로인 자로의 기능을 수행하여 궁극적으로 가이드 레일(38)을 따라 직선 이동하는 주체를 이루고, 고정자(30)는 일정방향의 권취 및 쇄교 자속 회전 방향을 갖는 고정코일(32)이 외측으로 권선되어 있는 동시에 작용 공극 (40) 반대 면에 형성되어 있는 코어 요크(31)를 포함하는 코어(C)가 형성되어 있어 상기 이동자(20)에 구비된 영구자석(21)의 자기력 전달을 유도하며, 이동자(20)의 가이드 블록(24)과 고정자(30)의 가이드 레일(38)이 서로 요철 내지 레일 접촉 결합을 하여 추력에 의하여 이동자(20)가 직선 이동할 때 외측으로 이탈되지 않도록 이동자(20)의 이동 방향을 인도한다.

이하, 첨부된 도면을 토대로 보다 구체적으로 본 발명의 구성요소를 설명하기로 한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 이동자(20)는 기본적으로 중앙부가 반타원 형상(물론, 반타원 형상 이외의 형상도 도출가능하나 도시된 반타원 형상 중심으로 설명한다.)으로 형성되어 양 단에서 수직 절곡되어 고정자(30)와 평행을 이루는 수평단(23)이 형성되어 길이 방향으로 길게, 개념상으로는 무한 길이로 형성되어 내부에 고정자(30)의 코어(C)가 위치할 수 있는 내부 공간을 구비하고 있다. 고정자(30)의 단면 구조 상 중앙부위의 내측벽은 마치 말굽 형상 내지 U 형상과 유사한 형상을 가지고 있으며, 이러한 내측벽을 따라 역시 말굽 형상과 같은 영구자석(21)이 구비된다.

이동자(20)의 수평단(23)의 하부에는 고정자(30)의 가이드 레일(38)과 요철 내지 레일 결합을 이루는 가이드 블록(24)이 형성되어 있어 추후 이동자(20)가 이러한 가이드 레일(38) 및 가이드 블록(24)의 조합체를 기반으로 바깥으로 이탈되지 않으면서 추력에 의하여 직선 이동된다. 가이드레일(38) 및 가이드 블록(24)은 추후 추력 발생을 위한 자로의 변형에 영향을 주지 않도록 전부 비자성 내지 반자성체로 이루어지는 것이 바람직하다.

영구자석(21)은 바람직하게는 희토류 영구자석(NdFeB)으로 이루어져 이동자(20)의 내측벽에 장착되어 있되, 내부가 중공구조로 이루어져 있는 도우넛 내지 원통형상으로 이루어져 있으며 이러한 단면구조는 이동자(20)의 내측벽과 마찬가지로 U 형상 내지 말굽형상과 유사하게 형성되어 있다. 이러한 영구자석(21)은 U형상의 이동자(20)의 내측벽을 따라 균일하게 연장 형성되어 있는 것을 기본으로 하나, 이에 한정되지 않고 이동자(20)의 내측벽에서 적절한 개수로 분할 구성이 가능하다.

도 6 및 7은 본 발명에 따른 영구자석(21')의 변형예로서, 상기 서술한 영구자석(21)의 배치와 다른 구조를 나타내고 있는 단면도이다.

영구자석(21,21')은 상기 서술한 바와 같이, 이동자(20)의 내측벽을 따라 연속적으로 균일 형성되는 것도 가능하나 코어(C)를 향해 수직으로 작용하는 자기력의 이동 경로를 보장하는데 무리가 없는 범위 내에서 도면에 도시된 바와 같이 이동자(20)의 내측벽을 따라 각각 수직을 이루도록 3개로 분리 구성을 이루거나 아니면 서로 대향하도록 2개로서 분리 구성이 가능하다. 이러한 영구자석(21')의 구성으로 인하여 본 발명에서 추구하는 수직 자기력 이동성 보장이 저해되지는 않는다.

영구자석(21)은 내측 면과 외측 면이 서로 다른 극으로 착자되어 있되, 일 측 면이 예를 들어 N극이라면 일 측면 전체가 N극으로 구성이 되고, 타 측은 자연스럽게 S 극으로 구성이 될 것이고, 역시 타 측면 전체가 S극으로 이루어져 있다.

보다 현실적으로 구현 가능하게 하기 위해, 본 발명에 따른 영구자석(21)은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 말굽 형태의 절반씩 분리 구성하여 조립 시 말굽형태로 조합하는 것으로 되는 것이 바람직하다.

이동자(20)에 구비된 영구자석(21)의 양 단부 주변에는 각각 외측으로 일정길이 돌출되어 있는 돌출부가 형성되어 있는데(도면에서는 크게 눈에 띠지 않게 표시됨), 본 발명에서는 이 돌출부를 제 2밀집돌기(22)라고 명명한다.

이러한 제 2밀집돌기(22)는 후술하겠지만 고정자(30)의 제 3밀집돌기(35)와 대향하여 자기장 순환 구조를 가지도록 하는 중요한 자로로서의 역할을 담당한다.

본 발명에 따른 고정자(30)는 바닥 면 등과 같은 지면 평탄부에 안착되어 고정 베이스 플레이트의 역할을 수행한다. 고정자(30)는 연질의 강자성체로 이루어져 있고 외측 양단의 상면에 가이드 레일(38)이 형성되어 상기 가이드 블록(24)과 결합을 한다.

또한, 고정자(30)는 이동자(20)의 수직 중심선을 향해 돌출되어 있는 제 1 밀집돌기(34)를 구비하고 있으며, 이러한 제 1밀집돌기(34)는 후술할 고정코일(32)이 권선된 코어(C)와 긴밀한 밀착 결합의 역할을 수행한다.

더불어, 제 1밀집돌기(34)의 양측 주변에는 각각 제 2밀집돌기(22)와 대향하도록 제 3밀집돌기(35)가 형성되어 있다. 이러한 제 2밀집돌기(22)와 제 3밀집돌기(35)의 간극을 제 2전달공극(42)으로 명명한다.

이러한 제 2전달공극(42)에는 현실적으로 공극 거리가 넓을수록 자력 손실이 크게 발생되는 단점이 내재되어 있는데 그렇다고 이러한 단점을 줄이기 위해 이 공극을 거의 밀착 내지 소멸시키도록 각 돌기(22,35)를 접촉시키면 실제 이동자(30)가 직선 이동할 때 이 부위에서로부터 불필요한 마찰력을 발생할 수 있기 때문에 이러한 문제를 적절히 해결하여 자성체 점유밀도를 향상하기 위해 액상의 자성유체(Ferro- fluid)를 추가적으로 주입하여 위치시킬 수가 있다.

제 1밀집돌기(34)의 종단에는 고정코일(32)이 권취/권선된 코어요크(31)를 포함하는 코어(C)가 형성되어 있는데, 이러한 코어(C)는 고정코일(32)의 두께만큼 제 1밀집돌기(34)와 미세 간극을 가지게 되며, 이 간극을 제 1전달공극(41)이라 한다.

코어요크(31) 역시 강자성체로 이루어져 있고 고정코일(32)이 귄취되는 보빈의 역할을 동시에 수행하며, 이를 감싸는 고정코일(32)은 제 1밀집돌기(34)의 중심선을 관통하여 고정자(30)의 외측단, 즉 바닥 면을 향해 연장되어 있는 전선(36a)과 전기적으로 연결되어 있으며, 전선(36a)의 각 연장 단부는 고정자(30)의 일 측 단, 즉 바닥 면에 형성되어 있는 외부단자판(36)과 연결이 되어 있고, 외부단자판(36)에는 외부전극접점(37)이 다수 개 형성되어 있다.

고정코일(32)의 외부 면은 그 외주 형상을 따라 형성되어 있는 코일 가이드(33)에 의하여 감싸여 있는데, 이러한 코일 가이드(33)는 영구자석(21)의 내부 공간에 밀착 위치하게 되고, 영구자석(21)과 코일 가이드(33)의 배열에 따라 발생되는 U자 형상의 간극을 작용 공극(40)이라 한다.

도 4는 본 발명에 따른 코어(C)의 구성을 나타내는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 단상 방식으로 전류 공급을 이루는 코어(C)는 단면 구조상 도우넛 내지 타원형과 유사한 형상으로 이루어져 길이 방향으로 이론 상 무한 연장 되어 있다.

이러한 코어(C)에는 도면에 도시되어 있지는 않으나 전원 및 제어수단 등을 구비한 구동 시스템과 전기적으로 연결되어 있는 전선(36a)이 전원의 인출입을 위해 고정자(30)의 일 측단에 구성된 외부전극접점(37)을 구비한 외부 단자판(36)과 연계되어 있고, 이러한 전선(36a)은 고정코일(32)의 연계선 내지 도면에 도시되어 있지 않으나 코어(C) 내부에 구비된 별도의 단자판의 돌출부를 연장하여 구성할 수도 있다. 강자성체의 코어요크(31)를 권취하고 있는 고정코일(32)은 일 방향으로 균일 밀집하여 구성되어 있어 궁극적으로 본 발명에 따른 모터의 구동력을 위한 전원 제공의 역할을 담당한다.

도 8은 본 발명에 따른 코어(C)의 다른 실시예를 나타내고 있는 평면도 및 부분확대 단면도이다.

도 8을 보아 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 코어(C)는 분할권선 상태를 지원한다. 즉, 코어(C)의 길이 방향을 따라 고정코일(32)이 분할 권선되어 있고, 이 코일 귄선부위 내측에 고정요크(31)를 구비하고 있다. 이러한 실시 예를 통해 보다 현실적이고 효율적인 전기력 발생으로 인하여 본 발명의 구현 상태를 적절히 이룰 수가 있다.

다시 말해 이러한 변형 예에서도 고정코일(32)은 그 내부에 위치한 보빈 역할을 동시 수행하는 코어요크(31)를 권취하고 있는 본 발명의 기본 상태를 유지하며, 이렇게 복수 개로 분할 구성되는 고정코일(32) 역시 동일 전력 이동 방향을 유지하도록 권취되어 있다. 이러한 구성으로, 누설전류가 감소하고 효율적인 전류 공급 상태를 유지하여 보다 원활한 전원 공급을 도모할 수가 있게 된다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 작용에 대해 도 5a, b, c를 참조하여 보다 중점적으로 설명한다.

도 5a는 본 발명에 따른 선형 모터에서 발생되는 자기력선의 전달 경로를 도시한 작용 상태도이고, 도 5b는 본 발명에 따른 선형 모터의 자기장 발생에 의하여 코어(C)에 작용하는 힘의 방향을 나타낸 작용 상태도이며, 도 5c는 본 발명에 따른 모터에서 발생된 자기장에 의하여 이동자(20)에 작용하는 힘의 방향, 즉 추력의 방향을 나타낸 작용상태도이다.

본 발명에 따른 작용의 구현을 위한 전제는, 영구자석(21)의 동일 면은 종래기술과 달리 상호 반대 극의 조합으로 이루어진 다극 구성과 달리 동일 극으로 이루어져 있고, 작용공극(40)의 자력 이동에 따라 고정코일(32)이 권취된 코어요크(31) 및 고정코일(32)의 외부 면 역시 각각 동일 극으로 이루어져 있으며 자로가 영구자석(21)으로의 순환 구조를 이룬다는 것이다.

본 발명에 따른 공극(40,41,42)은 자로의 역할을 하는 것으로, 먼저 작용공극(40)은 영구자석(21)의 자기력을 코어요크(31)를 향해 수직으로 전달하며 이로 인해 발생된 자기장에 의하여 실질적으로 구동력을 발생시키는 구성요소이고, 제 1전달공극(41)은 가장 바람직하게는 최소 거리로 유지되도록 구성되어 코어요크(31) 외주 면에 권취된 고정코일(32)의 권취 두께에 해당하는 미세 간극으로 영구자석(21)으로부터 코어요크(31)에 전달된 자기력을 다시 제 1밀집돌기(34)로 전달하는 작용을 한다.

또한, 이동자(20) 및 고정자(30)의 몸체는 강자성체로 이루어져 자기력의 유출 없이 충실한 자로의 역할을 수행하는데 손색이 없도록 되어 있으며 마지막으로 제 2전달공극(42)은 고정자(30)의 몸체를 따라 이동한 자력이 제 3밀집돌기(35)에 밀집되어 그 대향 면인 제 2밀집돌기(22)에 전달하는 역할을 수행한다.

특히, 앞서 잠시 언급하였듯이 고정자(30)와 이동자(20) 간의 제 2전달공극(42)은 자기저항을 최소화하여 자력 손실을 줄이는 것이 가장 중요한데, 이는 결국 제 2전달공극(42)의 간격을 거의 0에 가까이 수렴되도록 하는 것을 의미하는 것으로 이해가 가능하나 만일 제 2전달공극(42)이 Zero인 경우 즉 고정자(30)와 이동자(20)가 서로 밀착된 경우는 서로간의 인력으로 이동자(30)의 움직임은 제한될 수밖에 없으므로 이러한 제 2전달공극(42)의 간격을 줄이는 데에는 한계가 있다.

그러므로 상기의 제 2전달공극(42)의 간격은 서로 밀착되지 아니하고 이동자(20)의 움직임을 제한하지 않는다는 조건 내에서 결정되어야 하는데, 이 때 발생되는 자기저항을 줄이기 위해 필요한 것이 제 2전달공극(42)의 자성체 밀도를 증가 하면서도 이동자(20)에 영향을 주지 않는 유체성분의 강자성 물질이다.

본 발명은 상기의 제 2밀집돌기(22)와 제3밀집돌기(35) 사이의 제 2전달공극(42)에 자성유체(Ferro-Fluid)를 추가적으로 사용할 수 있는 것으로 구성되어 있으며, 이러한 자성유체는 오래전 개발되어 자기력의 누설을 방지 또는 밀집시키기 위한 용도로 이미 사용 중인 바, 이를 적용하여 본 발명 실체화시 일정 거리만큼 이격되어 있는 제 2전달공극(42)의 간격과 상관없이 최초 영구자석(21)의 내측 면으로부터 발생된 자기력을 영구자석(21)의 외측의 다른 극으로 상당 부분 되돌리는 것이 가능하므로 본 발명에서 추구하는 핵심인 영구자석(21) 내측에서 발생된 일정극의 자기력이 코어(C)를 수직 관통하여 다시 영구자석(21)의 외측의 다른 극으로의 순환하는 구현이 가능하다. 상기 자성유체는 상기 제 3밀집돌기(35) 상에 적층되어 있고 더불어 교체 가능하도록 구성되는 것이 현실적으로 바람직하다.

이러한 공극(40,41,42)의 작용을 통하여, 도 5a에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 영구자석(21)을 시초로 하는 자기력선 전달경로는 다음과 같이 이루어진다.

영구자석(21)의 내측 면으로부터 일정 극의 자기력발생 --> 작용 공극(40) --> 고정코일(32) 내부의 코어요크(C)로 전달(작용공극의 전 면적으로부터의 선형 자기력선의 이동) --> 제 1전달공극(41) --> 제 1밀집돌기(34) --> 고정자(30)의 몸체를 따라 자력의 밀집을 유도하는 제 3밀집돌기(35)로 이동 --> 제 2전달공극(42)(액상 자성유체 경유 가능) --> 제 2밀집돌기(22) --> 영구자석(21) 외측 면을 향한 이동자(20)의 몸체로의 이동 --> 영구자석(21) 외측 면으로 자기력선 유입.(상기 흐름은 영구자석의 내측이 N극 외측이 S극 일 경우이며 반대 일 때는 자기력 흐름 방향도 반대)

또한, 본 발명에 따른 선형 모터에서 발생되는 자기장의 자로 방향은 다음과 같다.

1. 영구자석(21)의 자기장 방향 : 영구자석(21)의 내측 면에서 밀집 간극을 이루는 작용공극(40)이 영구자석(21)의 내측 면을 형상을 따라 존재하므로 각 작용 공극(40)의 지점마다 수직의 자기력선이 코어(C)를 향해 존재하고 동시에 영구자석(21) 내측 면 전체에 동극이 형성되며, 이에 대비되어 고정코일(32) 내의 코어요크(31)에 반대 극을 형성한다.

2. 고정코일(32)의 자기장 방향 : 고정코일(32)로 외부 전류가 유입될 경우 영구자석(21)의 자기장 방향과 이로부터 수직방향으로 권선되어 있는 고정코일(32)의 작용에 의하여 영구자석(21)에서부터 고정코일(32)에 이르는 자기장 방향은 각 작용공극(40) 지점마다 전부 동일방향 이므로 고정코일(32)에서 발생되는 전자기력선의 방향은 동일/일정하고, 마찬가지로 작용공극(40)에서의 운동 방향은 코어(C)의 외주 면을 따른 각 연속된 지점마다 동일 방향으로 일정하게 작용된다.

이러한 자기장의 영향으로 인해 프레밍의 왼손 법칙에 따라 각 코어(C) 부위와 영구자석(21)의 내측 면에 작용하는 힘이 발생하는 바, 도 5b, c에 도시된 바와 같이 이동자(20)는 발생된 추력에 의하여 이동한다.(만일, 전류 유입방향 반대일 경우는 쇄교되는 전자기장 방향도 반대가 되므로 이동자의 이동 방향도 반대가 됨)

도 6b를 참조하면, 코어(C)의 하부 즉, 제 1밀집돌기(34)의 주변 부위에서는 코어(C)의 다른 부위와 반대의 힘이 작용하게 되는데, 코어(C)는 제 1밀집돌기(34)에 고정 장착 내지 일체화되어 고정되어 있으므로 이러한 반대 힘은 상쇄 또는 무시될 수가 있다.

본 발명에서 만약 코어요크(31)가 생략되었을 경우를 가정하면 자기력선의 유도가 되지 않아 영구자석(21)의 내측 면으로부터의 자기력선의 흐름은 고정코일(32)을 수직 통과하지 못하게 되고 결국 영구자석(21) 뒷면, 외측 면의 반대 자극으로 되돌아간다. 이 경우 힘의 발생은 극히 미약 하거나 상쇄되어 Zero화 된다. 즉 이동자(20)의 정상적인 이동성을 보장하지 못하며 본 발명에 따른 모터의 정상적인 구현은 이루어지지 못하게 된다.

결국, 본 발명에 따른 단극 선형 모터의 핵심적인 구성은 고정코일(32) 내부에 강자성체의 코어요크(31)가 존재한다는 것이며 고정코일(32) 내부에 이러한 강자성체의 물질 구성으로 인하여 상기 영구자석(21)의 자계흐름을 유도함으로 영구자석(21) 내측 면으로부터 발생되는 동일 극의 자기력선이 작용공극(40)을 지나 코어요크(31) 외부에 배치된 고정코일(32)을 직각 관통할 수 있으므로 결과적으로 작용공극(40)에서의 최대 추력의 발생이 가능해져 이동자(20)의 구동 원리에 원천이 될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단상 선형 모터의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 단상 선형 모터에 따르면 작용 공극 내의 영구자석 자기장의 방향이 선형으로 일정하여 자력 손실을 줄일 수가 있다는 장점을 가진다.

또한, 3상 선형 모터에 비하여 전원 공급이 안정적이고 용이하며 센서 없이 작동 불능 영역을 제거하고 가동되므로 제작비용의 절감 및 제작 공정의 편의성을 가질 수 있다는 이점이 있다.

더불어, 영구자석으로 구성된 무한 연장 고정 선로가 존재할 경우 전원 공급이 원활하다는 전제가 이루어질 때 고속열차에 적용이 가능하며, 수많은 별도 코일로 구성된 무한궤도 선로 시설 시 완전 자동 무인 전동철 시스템으로서의 기반을 확립할 수 있어 동종 산업 경쟁력 선도, 고 효율 전기 동력을 필요로 하는 유관 전 산업의 활성화, 재생 클린 에너지 유관 산업의 활성화 및, 모터 연관 부품 소재 분야의 경쟁력 동반 상승, 차세대 성장 동력 추가 확보에 따른 국가 간 경쟁력 선도를 기대할 수 있다는 효과를 가진다.

Claims (5)

1. 단상 선형 모터로서,

   지상을 향해 곡률지게 볼록 위치하는 중앙부의 내측 벽에 코어(C) 수용 공간을 가진 영구자석(21,21')을 포함하고, 단부에서 수평 방향으로 절곡되어 그 하부에 가이드 블록(24)을 장착한 수평단(23)을 구비한 이동자(20);

   상기 이동자(20)에서 상기 영구자석(21)의 양 단 주변 부위에 각각 형성된 제 2밀집돌기(22);

   상기 이동자(20)의 하부에 위치하여 양단에 상기 가이드 블록(24)과 접하는 가이드 레일(38)을 구비한 고정자(30);

   상기 고정자(30)의 중심 부근에서 상부로 돌출 형성되어 있는 제 1밀집돌기(34);

   상기 고정자(30)의 양 측에서 상부로 돌출되어 상기 제 2밀집돌기(22)와 대향하여 그 사이 제 2전달공극(42)을 형성하는 제 3밀집돌기(35);

   상기 제 1밀집돌기(34) 상에 고정코일(32)의 두께만큼 형성된 제 1전달공극(41)을 사이에 두고 고정 위치되어 상기 영구자석(21)에 의해 작용 공극(40)의 거리만큼 이격되어 둘러 싸여 있되, 강자성체로 이루어진 코어 요크(31)의 외주를 권취하고 있는 고정코일(32)로 이루어진 코어(C);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 단상 선형 모터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석(21')은 상기 이동자(20)의 내측벽을 따라 분리되어 배치되되, 서로 90도의 각을 형성하며 3개로서 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 단상 선형 모터.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 영구자석(21')은 상기 이동자(20)의 내측벽을 따라 분리되어 배치되되, 서로 180도의 각을 형성하며 2개로서 대향 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 단상 선형 모터.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 코어(C)는 길이방향으로 연장된 몸체에서 분할 권선되어 있는 상기 고정코일(32)을 구비하되, 상기 고정코일(32)의 내부위에는 상기 코어요크(31)가 위치하고 있는 것을 특징으로 하는, 단상 선형 모터.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 제 2밀집돌기(22)와 제 3밀집돌기(35) 사이의 상기 제 2전달공극(42)에는 자성유체(Ferro-fluid)가 추가적으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는, 단상 선형 모터.

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