KR100712451B1 - 부상력 및 추력을 동시에 발생하는 구조의 직선형 전동기 - Google Patents

Abstract

부상력과 추력을 동시에 발생하는 직선형 전동기가 개시된다. 직선형 전동기는 고정자와 이동자 중 어느 일측에 설치된 영구 자석과, 다른 일측에 설치된 권선이 서로 마주보도록 배치된 직선형 전동기로서, 고정자는 복수개로서 서로 마주보도록 배치되고 이동자는 복수의 고정자 사이에 위치하고 복수의 고정자와 각각 작용하는 자기 회로가 서로 분리되도록 하는 자기 회로 분리부를 포함한다. 서로 마주보도록 배치된 복수의 고정자 사이에 이동자를 위치시킴으로써, 마찰에 의한 에너지 손실이나 소음 발생이 없이 이동자를 이동시킬 수 있게 된다. 특히, 이동자 내에서 각 고정자와 대응하는 자기 회로를 분리시킴으로써 더욱 안정적으로 이동자의 위치를 제어할 수 있게 된다.

직선형 전동기, 권선, 영구 자석, 고정자, 이동자

Description

부상력 및 추력을 동시에 발생하는 구조의 직선형 전동기{linear motor for generating levitation force and thrust simultaneously}

도 1은 종래의 직선형 전동기 구성의 일예를 도시한 개략적인 도면.

도 2는 본 발명에 따른 직선형 전동기 구성의 일 실시예를 도시한 개략적인 도면.

도 3은 도 2의 고정자에서의 영구 자석의 배치를 도시한 개략적인 도면.

본 발명은 전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 직선형 전동기에 관한 것이다.

직선형 전동기는 직선 모양으로 면하는 이동자와 고정자 사이에서 추력을 발생하는 구조로 되어 있는 전동기를 말하는 것으로, 리니어 모터(linear motor)라고도 한다.

1차 권선을 고정시키고, 2차 권선을 회전시키는 일반 전동기와는 구조적으로 다르지만, 직선형 전동기는 회전형 전동기의 회전자측과 고정자측을 각각 반지름 방향으로 잘라서 평판 모양으로 전개한 것이라고 보면 직선형 전동기도 원리적으로 는 회전형 전동기와 다를 바가 없다.

직선형 전동기의 기종은 동기형(회전형 전동기의 동기기·직류기에 해당)과 비동기형(회전형 전동기의 유도 전동기에 해당)으로 구분되며, 구조도 여러 종류가 있다.

동기형의 직선형 전동기는 이동자측과 고정자측의 어느 한쪽에 고정된 자극을 놓고, 나머지 쪽에 교번하는 전력을 보내면 양자 사이에 전자력이 작용한다.

한쪽 방향으로 추력을 내기 위해서는 항상 자극의 극성을 검출하고, 그 극성에 대응해서 전류의 방향을 바꿀 필요가 있다. 속도 제어는 속도에 동기시켜서 주파수를 연속적으로 변화시킴으로써 이루어진다. 고정된 자극을 이동자측에 설치한 구조도 있다.

영구 자석형 직선형 동기 전동기(Permanent Magnetic Linear Synchronous Motor; PMLSM)는 계자 원으로 영구 자석을 사용함으로써 효율 및 추력 밀도가 높다.

도 1은 종래의 직선형 전동기 구성의 일예를 도시한 개략적인 도면이다.

도 1에는 코어 삽입 공심형 PMLSM가 도시되어 있다. 코어 삽입 공심형 PMLSM은 상대적으로 큰 추력을 발생시키고 추력 리플의 저감시킬 수 있는 구조로서 최근 각광받고 있다.

도 1에서 전동기는 이동자(10)와 고정자(20)를 포함하고 있으며, 이동자(10)는 권선(11)이 감긴 철심(12)을 포함하고 있고 고정자(20)는 이동자(10) 방향으로 위치된 영구 자석(22)을 포함하고 있다.

철심(12)의 권선이 감긴 부분과 영구 자석(22)은 서로 마주 보도록 위치되어 있으며, 도면에 명확하게 도시되어 있지 않지만 상기 영구 자석(22)은 이동자(10)의 이동 방향으로 N극과 S극이 교대하도록 위치되어 있다.

선형 운동을 위해서는 회전형 전동기에 볼스크류 등을 연결하여 회전 운동을 선형 운동으로 변환할 수도 있으나 이 경우 회전 운동을 직선 운동으로 변환하기 위해 스크류, 체인 기어 등의 기계적인 에너지 변환 장치가 필요하기 때문에 마찰에 의한 에너지 손실과 소음 발생으로 인해 전체 구동 모듈에 있어서는 직선형 전동기를 사용하는 경우에 비해 불리하다.

그러나 직선형 전동기의 경우에도 마찰에 의한 에너지 손실이나 소음 발생의 문제로부터 자유로울 수는 없는데, 선형 운동을 위해 이동자와 고정자 사이에 일정한 간극을 필요로 하며, 간극을 일정하게 유지하기 위해 사용되는 지지대에서 베어링 등이 사용되기 때문이다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 마찰에 의한 에너지 손실이나 소음 발생이 없는 직선형 전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 직선형 전동기는 고정자와 이동자 중 어느 일측에 설치된 영구 자석과, 다른 일측에 설치된 권선이 서로 마주보도록 배치된 직선형 전동기로서, 고정자는 복수개로서 서로 마주보도록 배치되고 이 동자는 복수의 고정자 사이에 위치하고 복수의 고정자와 각각 작용하는 자기 회로가 서로 분리되도록 하는 자기 회로 분리부를 포함한다.

서로 마주보도록 배치된 복수의 고정자 사이에 이동자를 위치시킴으로써, 마찰에 의한 에너지 손실이나 소음 발생이 없이 이동자를 이동시킬 수 있게 된다. 특히, 이동자 내에서 각 고정자와 대응하는 자기 회로를 분리시킴으로써 더욱 안정적으로 이동자의 위치를 제어할 수 있게 된다.

영구 자석은 이동자의 이동 방향으로 극성이 교대하도록 위치되며, 각 극성은 이동자의 이동 방향 및 권선 방향과 수직 방향으로 배열된 동일한 극성의 복수의 영구 자석으로 형성될 수 있다.

고정자의 영구 자석 배열을 이동자의 이동 방향 및 권선 방향과 수직 방향으로 배열함으로써, 이동자의 제어 성능 및 이동 성능을 개선할 수 있게 된다.

권선은 이동자의 이동 방향으로 이동자에 설치되며, 각 고정자에 대응하여 3의 복수배의 개수로 설치될 수 있다.

이동자의 철심 및 권선이 이동자의 이동 방향으로 3의 복수배의 개수로 설치됨으로써 또한, 이동자의 제어 성능 및 이동 성능을 개선할 수 있게 된다.

또한, 권선 및 영구 자석은 권선 3개에 대해 4개의 영구 자석이 대응되도록 형성될 수 있다. 이러한 구조는 직선형 전동기에서의 추력과 부상력을 극대화시킬 수 있도록 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 직선형 전동기 구성의 일 실시예를 도시한 개략적인 도면이다.

도 2에는 부상력(levitation force; y축 방향의 힘)과 추력(thrust force; x축 방향의 힘)을 동시에 발생할 수 있는 구조의 직선형 전동기(linear motor)가 도시되어 있다.

전동기는 이동자(mover; 100)와 고정자(stator; 200)로 구성되어 있다. 이동자(mover;100)는 상하부 코어(140), 이동자 플레이트(mover plate; 160), 권선(windings;120)으로 구성되어 있고, 고정자(200)는 영구자석(permanent magnet; 220) 및 고정자 플레이트(stator plate; 240)로 구성되어 있다.

이동자(100)의 상하부 코어(140)는 권선을 감을 수 있도록 슬롯(slot; 146) 및 돌출한 치(teeth: 148)를 가지고 있다. 이동자 플레이트(160)는 비자성체로 되어 있어 권선(120)에 의해 생성된 자속에 의해 상부 코어(142)와 하부 코어(144)에 형성된 자로를 서로 분리되도록 끊어 주어 자기적으로 차폐를 시켜주는 역할을 한다.

이동자(100)의 상부 코어(142) 및 하부 코어(144)의 치(148)는 각각 3개씩 총 6개가 한 조가 되고 복수개(N)의 조로 구성되며 권선(120)은 6 x N개가 감기며 상부 코어(142) 및 하부 코어(144)의 각각 3개의 치(148) 및 권선(120)이 하나의 자기 회로를 구성하여 총 2 x N개의 자기 회로가 구성된다.

고정자의 영구자석(220)은 N극, S극이 고정자 플레이트(240)에 교대로 배열되어 있고 상하부에 설치 구성되어 있다. 부상력과 추력은 이동자(100)의 권선에 3상 교류 또는 직류가 PWM 신호 및 인버터에 의해 발생된 전류를 인가하면 이동자(100)와 고정자(200)의 전자기적인 상호 작용에 의해 발생하게 된다.

즉, 이동자(100)의 권선(120)에 3상 동기 전동기와 같이 3상의 교류를 인가하면 이동자(100)와 고정자(200)의 추력이 발생하여 선형 운동하게 되고 부상력은 상부 코어(142)와 상부 고정자(242)에 의해 발생하는 힘과 하부 코어(144)와 하부 고정자(244)에 발생하는 힘이 서로 반대로 작용하여 이동자(100)는 일정한 공극을 가지고 자기 부상하게 된다.

이미 언급한 바와 같이, 종래의 직선형 진동기에서는 이동자와 고정자가 일정한 간격(공극)을 두고 이동하기 위하여 이동자가 지지대를 사용하였다.

본 발명의 직선형 전동기는 상하로 마주보도록 배치된 고정자(200)와 고정자 사이에 위치하는 이동자(100)를 포함하고 있다. 또한, 이동자(100)는 상부 코어(142)와 하부 코어(144)에 치(148)를 가지고 있고, 상하부 코어 중간에 비자성체 플레이트(160)를 가지고 있어 이동자(100)의 상하부가 분리되어 있다.

본 발명의 직선형 전동기는 이와 같은 구조에 의해 이동자(100)가 자기부상하게 되어 종래와 같이 고정자와 이동자 사이의 공극을 일정하게 하기 위한 지지대가 필요하지 않게 된다.

상부 코어와 상부 고정자에 의해 발생하는 부상력과 하부 코어와 하부 고정자에 발생하는 부상력이 서로 반대로 작용하여 이동자에 받는 부상력이 서로 평형을 이루어 이동자가 스스로 자기 부상하기 때문이다.

또한, 도 2에서 권선(120) 및 영구 자석(210)은 치(148) 또는 권선(120) 3개에 대해 4개의 영구 자석(210)이 대응되도록 형성되어 있다. 이러한 구조는 직선 형 전동기에서의 추력과 부상력을 극대화시킬 수 있도록 한다.

본 발명의 직선형 전동기는 추력과 부상력을 동시에 발생하는 구조를 가지기 때문에, 종래의 직선형 전동기가 사용되는 분야는 물론 고도의 청정 환경을 요구하는 반도체 공정 및 진공 등의 특수한 환경 조건에서 사용할 수 있게 된다.

도 3은 도 2의 고정자에서의 영구 자석의 배치를 도시한 개략적인 도면이다.

도 3에서 고정자 플레이트 상에서 복수의 영구 자석이 x축 방향으로 극성을 바꾸어 가며 배열되어 있고, 각 극성에 대해 z축 방향으로 동일한 극성의 영구 자석이 복수개 배열되어 있는 것을 확인할 수 있다.

이와 같이, 고정자의 영구 자석(220)의 배열을 z축 방향으로 복수개로 배치하는 경우 x축 방향(

)의 회전 관성 모먼트를 줄여줌으로써 추력 및 부상력 제어가 용이하게 되고 직선형 전동기의 진동이 저감된다.

또한, 도 2에서 직선형 전동기 코어의 치(148)는 상하부에 각각 3개씩 배치하여 6개로 구성되고 권선도 각 치에 감기게 되어 한조를 이루게 도시되어 있다.

상하부 각각 3개의 치 및 권선이 하나의 자기 회로를 구성하여 2개의 자기 회로가 구성되고 상부와 하부가 대칭이 되도록 구성되어 있다. 도 2에서 코어 상하부 및 권선이 x축 방향으로 복수조로 배열된 구성이 도시되어 있다.

이동자의 코어 및 권선이 x축 방향으로 복수조로 배열함으로써, z축 방향(

)의 회전 관성모멘트를 줄여줌으로써 추력 및 부상력 제어를 용이하게 하 며 진동을 저감할 수 있게 된다.

본 발명의 직선형 전동기는 추력과 부상력을 동시에 발생하는 구조를 가지기 때문에, 마찰에 의한 에너지 손실이나 소음 발생이 최소화할 수 있게 된다.

따라서 종래의 직선형 전동기가 사용되는 분야는 물론 고도의 청정 환경을 요구하는 반도체 공정 및 진공 등의 특수한 환경 조건에서 사용할 수 있게 된다.

본 발명이 비록 일부 바람직한 실시예에 의해 설명되었지만 본 발명의 범위는 이에 의해 제한되어서는 아니 되고, 특허청구범위에 의해 뒷받침되는 상기 실시예의 변형이나 개량에도 미쳐야할 것이다.

Claims (4)

1. 고정자와 이동자 중 어느 일측에 설치된 영구 자석과, 다른 일측에 설치된 권선이 서로 마주보도록 배치된 직선형 전동기로서,

   상기 고정자는 복수개로서 서로 마주보도록 배치되고,

   상기 이동자는 상기 복수의 고정자 사이에 위치하고 상기 복수의 고정자와 각각 작용하는 자기 회로가 서로 분리되도록 하는 자기 회로 분리부를 포함하는 것을 특징으로 하는 직선형 전동기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 영구 자석은 상기 이동자의 이동 방향으로 극성이 교대하도록 위치되며,

   상기 각 극성은 상기 이동자의 이동 방향 및 상기 권선 방향과 수직 방향으로 배열된 동일한 극성의 복수의 영구 자석으로 형성되는 것을 특징으로 하는 직선형 전동기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 권선은 상기 이동자의 이동 방향으로 상기 이동자에 설치되며, 상기 각 고정자에 대응하여 3의 복수배의 개수로 설치되는 것을 특징으로 하는 직선형 전동기.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 권선 및 영구 자석은 상기 권선 3개에 대해 4개의 상기 영구 자석이 대응되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 직선형 전동기

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