KR100694673B1 - 원통형 영구자석을 이용한 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형상의 전기자 요크에 코일을 감아 고정자로 하고 전기자에 3상 전류를 흘릴 수 있게 하여 가동자인 영구자석과 상호 전자기적인 작용에 의하여 가동자가 고정자 위에서 직선 운동할 수 있는 구조의 리니어 모터에 관한 것이다. 이러한 본 발명의 리니어 모터는 축의 외측에 고정되는 원통상의 모듈타입으로 제작된 다수의 전기자 모듈로 이루어진 고정자와, 고정자와 일정 간격의 공극을 유지하며 고정자를 감싸는 원통상의 영구자석형 가동자를 포함한다. 각 전기자 모듈은 코일이 감긴 한쌍의 보빈과, 축에 삽입될 수 있도록 관통공이 형성된 내부 원통과 내부 원통과 중앙부분이 연결되어 양 개구부를 구분하는 격벽이 형성되고 개구된 양 방향으로 보빈을 삽입하기 위한 소정의 공간이 형성된 외부원통으로 이루어진 전기자 철심으로 구성되고, 가동자는 원통형상의 영구자석과, 영구자석을 감싸는 원통형상의 자석요크로 구성된다. 본 발명에 따르면 전기자를 고정자로 하므로 자석을 고정자로 하는 기존의 리니어 모터보다도 싼 가격에 제작이 가능하고, 전기자 코아를 모듈식으로 제작하여 스트로크에 따라 조립이 가능하기 때문에 제작 기간이 짧아지고, 여러 종류의 길이의 리니어 모터 공급이 가능하다.

리니어 모터, 영구자석, 고정자, 가동자, 원통형, 모듈화, 추력

Description

원통형 영구자석을 이용한 리니어 모터{ Linear Motor using Cylindrical Permanent Magnet }

도 1은 종래의 리니어 모터의 구조를 도시한 도면,

도 2는 본 발명에 따른 리니어 모터의 사시도,

도 3은 본 발명에 따른 리니어 모터의 횡단면도,

도 4는 본 발명에 따른 리니어 모터의 종단면도,

도 5는 본 발명에 따른 리니어 모터의 전기자모듈의 조립 전개도,

도 6은 본 발명에 따른 리니어 모터의 동작 원리를 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명에 따른 리니어 모터의 동작 원리를 설명하기 위한 전류 공급도,

도 8은 본 발명에 따라 코깅을 줄이기 위한 자석 및 전자석 코아의 형상을 도시한 도면,

도 9은 본 발명에 따라 추력을 배가하기 위한 리니어 모터의 구성도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100: 리니어모터 102: 축

110: 베이스 베드 112: 리니어 가이드

114: 리니어 블록 120: 고정자

121: 전기자모듈 130: 가동자

132: 영구자석 134: 자석요크

136: 브라켓 140: 공극

본 발명은 리니어 모터에 관한 것으로, 특히 원통형상의 전기자 요크에 코일을 감아 고정자로 하고 전기자에 3상 전류를 흘릴 수 있게 하여 가동자인 영구자석과 상호 전자기적인 작용에 의하여 가동자가 고정자 위에서 직선 운동할 수 있는 구조의 리니어 모터에 관한 것이다.

일반적으로, 리니어 모터는 직선 모양으로 면하는 가동자 및 고정자 사이에 추력(推力)을 발생하는 구조로 되어 있다. 영구자석형 리니어 모터는 가동자 및 고정자 중 어느 한 쪽에 고정된 자석을 놓고 나머지 한 쪽에 교번하는 전력을 보내 양자 사이에 전자력이 작용하도록 하고, 어느 일 방향으로 추력이 작용할 수 있도록 하기 위해 항상 영구자석의 극성을 검출하여 이에 대응하여 최대의 추력이 발생하게 전류의 방향을 바꾸어 주는 것이다.

도 1은 종래의 영구자석형 리니어 모터를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1과 같이 종래의 리니어 모터(10)는 판 형상의 고정자(12) 위에 영구자석(12a)을 설 치하고, 그 위에 코일 권선된 가동자(14)가 있어 이 가동자(14)의 코일에 전류를 공급하면 고정자(12)의 영구자석과 전자기적 작용에 의해 추력이 발생하게 된다. 코일의 전류 방향을 바꾸면 가동자의 운동 방향도 바뀌게 된다.

그러나 종래의 리니어 모터(10)는 영구자석이 판 형상의 고정자 위에 부착되므로 가동자의 운동 범위를 넓히려면 그 만큼 고가의 영구자석을 더 많이 부착하여야 하므로 전체 코스트가 급격히 상승하게 된다.

또한 종래의 리니어 모터는 모듈화된 개념의 리니어 모터를 제작하기가 불가능하므로 사용자의 요구에 의하여 스트로크에 따라, 혹은 원하는 추력에 따라 리니어 모터를 재설계하여야 하고, 이에 따라 제작 단가도 높아지고 납기가 길어지는 문제점이 있다.

또한 종래의 리니어 모터는 추력외에 자석과 전기자 사이에 흡인력이 발생하여 시스템의 정밀도가 떨어지는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 제작 단가를 낮추고 모듈화된 개념의 설계 기법을 도입한 리니어 모터를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 다른 목적은 원통형상의 전기자 요크에 코일을 감아 고정자로 하고 전기자에 3상 전류를 흘릴 수 있게 하여 가동자인 영구자석과 상호 전자기적인 작용에 의하여 가동자가 고정자 위에서 직선 운동할 수 있는 구조의 리니어 모터를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 기구적인 구성에 의해 지지되는 축과, 상기 축의 외측에 고정되는 원통상의 모듈타입으로 제작된 다수의 전기자 모듈로 이루어진 고정자와, 상기 고정자와 일정 간격의 공극을 유지하며 상기 고정자를 감싸는 원통상의 영구자석형 가동자를 포함하여 요구되는 스트로크와 소요 길이에 따라 상기 전기자모듈의 수를 변경하여 조립할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

상기 각 전기자 모듈은 코일이 감긴 한쌍의 보빈; 상기 축에 삽입될 수 있도록 관통공이 형성된 내부 원통과, 상기 내부 원통과 중앙부분이 연결되어 양 개구부를 구분하는 격벽이 형성되고, 상기 개구된 양 방향으로 상기 보빈을 삽입하기 위한 소정의 공간이 형성된 외부원통으로 이루어진 전기자 철심으로 구성되고, 상기 가동자는 원통형상의 영구자석과, 상기 영구자석을 감싸는 원통형상의 자석요크와, 가동자의 구동력을 전달하기 위한 브라켓으로 구성된다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석형 리니어 모터의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 리니어 모터의 종 단면도이며, 도 4는 그 횡단면도이다.

본 발명의 영구자석형 리니어 모터(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 긴 원통상의 축의 외측에 고정된 전기자로 이루어진 고정자(stator: 120)와, 고정자(120)와 일정 간격의 공극을 유지하는 원통상의 영구자석형 가동자(mover: 130)와, 고정자(120)와 가동자(130)를 지지하기 위한 기구적인 메커니즘으로 구성되어 있다.

고정자(120)는 베이스 베드(110) 위 양측에 있는 지지대(116a,116b)에 의해 지지되는 축(도 3의 102)에 복수의 전기자 모듈(121)이 고정되어 구성되고, 가동자(130)는 계자속을 발생하는 영구자석(132)과 자석요크(134)로 되어 원통형의 고정자(120)를 감싸고 있으며, 가동자 브라켓(136)을 지지하는 리니어 블록(114)에 의해 베이스 베드(110)상에 구현된 리니어 가이드(112)를 타고 직선운동을 한다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 가동자(130)는 가동자 브라켓(136) 내부에 환형의 영구자석(132)을 길이방향으로 N,S 순으로 배열하고, 반경방향으로 영구자석(132) 바깥에 자석의 계자자로를 형성하기 위하여 규소강판이나 철 등으로 이루어진 자석 요크(134)를 배치한다. 이때 자석의 자화 방향은 반경 방향이다. 영구자석(132)의 안쪽에는 공극(140) 만큼의 간격을 두고 고정자(120)가 조립된다.

고정자(120)는 다수의 전기자 모듈(121)로 구성되는데, 하나의 전기자 모듈(121)은 도 5에 도시된 바와 같이, 코일이 감긴 한쌍의 보빈(124a,124b)과, 축에 삽입될 수 있도록 관통공이 형성된 내부 원통(122a)과 내부 원통(122a)과 중앙부분이 연결되어 양 개구부를 구분하는 격벽이 형성되고 개구된 양 방향으로 보빈(124a,124b)을 삽입하기 위한 소정의 공간이 형성된 외부원통(122b)으로 이루어진 전기자 철심(122)으로 구성된다. 즉, 코일(도 4의 126)을 감은 보빈(124a,124b)을 전기자 철심(122) 양쪽에 삽입한 후 보빈(124a,124b)을 함침액으로 함침하여, 전기자 철심(122)을 축(102)에 끼워 셋 스크류(미도시)를 체결하여 고정시킨다. 이 때, 보빈(124a,124b)에 감긴 코일(126)은 전기자 철심(122) 하부의 구멍(미도시)을 통하여 축(102)의 개구부(104)로 빼 내어 모터 드라이브(미도시)와 연결하여 3상 교류전류를 공급할 수 있도록 되어 있다. 이런 구조로 인하여 가동자(130)는 고정자의 코일 전선에 방해 받지 않으면서 직선운동을 할 수 있다.

또한 축(102)은 전열 특성을 좋게 하기 위하여 알루미늄 봉으로 만들 수도 있으며, 알루미늄 봉의 안쪽으로 냉각 구멍을 형성한 후 유체나 공기를 냉각 구멍에 불어 넣어 전기자에서 발생되는 열을 제거시킬 수도 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명에 따른 리니어 모터의 동작 원리를 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

앞서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 리니어 모터의 고정자는 다수의 전기자모듈(121)로 구성되고, 각 전기자 모듈(121)에는 3상 교류전원이 순차적으로 인가되고 있다. 도 3 및 도 6에서 w상이 인가되는 전기자모듈은 참조번호 "121w"로 표기하고, u상이 인가되는 전기자모듈은 "121u"로 표기하며, v상이 인가되는 전기자모듈은 참조번호 "121v"로 표기한다.

도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 리니어 모터의 동작 원리를 설명하기 위한 도면으로서, 도 7은 본 발명에 따른 리니어 모터에 인가되는 전류 공급도이고, 도 6의 (A) 내지 (C)는 도 7의 전류인가 시점에서 각 전기자 모듈(121w,121u,121v)의 자화상태를 도시한 도면이다.

모터 드라이브에서 도 7에서와 같이 삼상 정현파 전류를 공급하면, 시간 "A" 일 때에는 도 6의 (A)에서와 같이 v상 전기자모듈(121v)은 S극, w상 전기자모듈(121w)은 N 극이 되며, 영구자석(132)의 N, S 극이 서로 반발하여 도 6의 (A)에서 오른쪽으로 이동하게 된다. 즉, 도 7의 A시점에서 u상 전류는 0이므로 중성이 되고, w상 전류는 +로서 w상 전기자모듈(121w)이 N극이 되게 하며, v상 전류는 -로서 v상 전기자모듈(121v)은 S극이 되게 한다. 따라서 영구자석(132)의 N극과 w상 전기자모듈(121w)의 N극이 서로 반발하고, 영구자석(132)의 S극과 v상 전기자모듈(121v)의 S극이 서로 반발하여 가동자(130)가 화살표 방향을 따라 우측으로 이동하게 된다.

또한 도 7에서 시간 "B"일 때, w상 전류는 0, u상 전류는 +, v상 전류는 -가 되어 u상 전기자 모듈(121u)은 N극, v상 전기자모듈(121v)은 S극을 띄며, 도 6의 (B)와 같이 가동자(130)가 오른쪽으로 이동하게 된다.

동일한 방식으로 도 7에서 시간 "C"일 때, w상 전류는 -, u상 전류는 +, v상 전류는 0이 되어 u상 전기자 모듈(121u)은 N극, w상 전기자 모듈(121w)은 S 극을 띄며, 도 6의 (C)와 같이 가동자(130)가 오른쪽으로 이동하게 된다.

이와 같이 하여 가동자(130)가 직선 운동을 하게 되며 최대의 추력을 얻기 위해서는 영구자석(132)의 자극의 위치에 따라 삼상 전류를 적당히 흘려주는데, 자극 위치 검출에는 홀소자를 사용할 수 있다. 또한 속도 및 위치 제어용으로 사용할 때는 리니어 스케일을 부착할 수도 있다.

한편, 이러한 리니어 모터(100)는 N극 및 S극의 절환이 부드럽지 못하고, 전기자 코아에 슬롯이 있기 때문에 운동시 코깅이 발생하여 속도 및 위치 제어 정밀도를 떨어뜨릴 수 있다.

본 발명에서는 이를 방지하기 위하여 도 8에 도시된 바와 같이 가동자의 영구자석(132)을 원호상의 자석으로 제작하여 부착하거나 전기자 코아(122)의 끝 부분에 홈(122h)을 파서 코깅을 줄일 수 있다.

또한 도 2에 도시된 바와 같은 리니어 모터(100-1,100-2)를 도 9와 같이 운동의 직각방향으로 평행하게 2개 연결하면 추력을 2배로 올릴 수 있다. 만일, N개를 평행하게 병렬로 연결할 경우에는 N배의 추력을 얻을 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 전기자를 고정자로 하므로 자석을 고정자로 하는 기존의 리니어 모터보다도 싼 가격에 제작이 가능하고, 전기자 코아를 모듈식으로 제작하여 스트로크에 따라 조립이 가능하기 때문에 제작 기간이 짧아지고, 여러 종류의 길이의 리니어 모터 공급이 가능하며, 리니어 모터를 운동의 직각방향으로 평행하게 연결하면 추력을 증가시킬 수 있다.

또한 전기자가 외기에 항상 노출되어 있기 때문에 냉각에 유리하고, 별도의 간단한 장치로 강제 냉각도 가능하며, 고정자와 가동자가 원통 모양으로 이루어져 있으므로 영구자석과 전기자 요크 사이의 흡인력이 서로 상쇄되어 전체적으로는 흡인력이 발생하지 않아 시스템이 안정되고 정밀도를 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 기구적인 구성에 의해 지지되는 축과, 상기 축의 외측에 고정되는 원통상의 모듈타입으로 제작된 다수의 전기자 모듈로 이루어진 고정자와, 상기 고정자와 일정 간격의 공극을 유지하며 상기 고정자를 감싸는 원통상의 영구자석형 가동자를 포함하여 요구되는 스트로크와 소요 길이에 따라 상기 전기자모듈의 수를 변경하여 조립할 수 있도록 된 리니어 모터에 있어서,

   상기 각 전기자 모듈은

   코일이 감긴 한쌍의 보빈;

   상기 축에 삽입될 수 있도록 관통공이 형성된 내부 원통과, 상기 내부 원통과 중앙부분이 연결되어 양 개구부를 구분하는 격벽이 형성되고 상기 개구된 양 방향으로 상기 보빈을 삽입하기 위한 소정의 공간이 형성된 외부원통으로 이루어진 전기자 철심으로 구성된 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
3. 제2항에 있어서, 상기 전기자 철심은

   코깅을 줄이기 위하여 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
4. 제2항에 있어서, 상기 전기자 철심의 내부 원통은 상기 보빈에 감긴 코일의 양단을 축측으로 인출하기 위한 구멍이 형성되어 있고,

   상기 축에는 상기 코일의 양단을 배선하기 위한 홈이 형성된 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
5. 삭제
6. 삭제

Images