KR100775784B1 - 영구자석 여자 횡자속 선형전동기 - Google Patents

영구자석 여자 횡자속 선형전동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 영구자석 여자 횡자속 선형전동기에 관한 것으로서, 'ㄱ'자 형상으로 좌우 대칭되게 배치되어 'T'자 형상을 가지며 각각 서로 길이방향으로 번갈아 배치되어 있는 이동부 영구자석 및, 수직방향으로 적층된 이동부 성층철심과, 상기 이동부 영구자석 및 이동부 성층철심을 감고 전류가 흐르는 여러겹의 코일인 이동부 권선으로 이루어진 이동부와; 외곽틀을 이루는 'U'자형 형상의 성층 구조인 고정부 틀 성층철심과, 상기 고정부 틀 성층철심의 양측면과 하단면에 각각 설치되며 일정한 높이 및 폭을 갖는 치와 홈으로 이루어진 요철 형상의 성층 구조인 고정부 측면 성층철심 및 고정부 하단면 성층철심으로 이루어진 고정부로 구성함으로써, 상기 이동부 성층철심의 측면에서 발생하는 흡인력이 서로 상쇄하도록 배치하여 소음을 감소시키고, 3차원 자속 경로를 완전한 성층철심으로 구성하여 철손을 최소함에 따라 높은 전원 주파수의 고속영역에서 성능을 향상시킬 수 있으며, 단위 무게 당 추력을 증가시켜 궁극적으로 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기에 관한 것이다.
영구자석 여자 횡자속 선형 전동기, 이동부, 고정부

Description

영구자석 여자 횡자속 선형전동기{Permanent magnet excited transverse flux motor}
도 1은 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기를 나타내는 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기의 이동부를 나타내는 사시도,
도 3은 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기의 고정부를 나타내는 사시도,
도 4는 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기의 고정부를 나타내는 평면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 이동부 11 : 이동부 영구자석
12 : 이동부 성층철심 13 : 이동부 권선
20 : 고정부 21 : 고정부 틀 성층철심
22 : 고정부 측면 성층철심 23 : 고정부 하단면 성층철심
본 발명은 영구자석 여자 횡자속 선형전동기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 성층철심을 이동부 및 고정부에 적용하여 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 소음을 줄일 수 있는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기에 관한 것이다.
일반적으로, 전동기는 전기에너지를 기계에너지로 변환하는 장치로서, 근본적으로 고출력(출력/전동기무게: kW/kg)과 고효율(출력/입력)의 성능을 요구하고 있으며, 자속의 흐름 방향에 따라 종자속 전동기와 횡자속 전동기로 구분할 수 있는 바, 자속의 흐름 방향이 전동기의 이동 방향과 동일한 경우 종자속형 기기라 하고 자속의 흐름 방향이 전동기의 이동방향과 횡방향인 경우 횡자속형 전동기라고 한다.
즉, 종자속형 전동기의 경우 인가되는 전류의 방향과 전동기의 이동 방향이 수직이고 횡자속형 전동기의 경우 인가되는 전류의 방향은 전동기의 이동 방향과 일치한다.
여기서, 상기 횡자속형 전동기는 권선을 시행할 수 있는 공간(전기 회로)과 자속이 흐를 수 있는 공간(자기 회로)이 서로 분리되어 있기 때문에 전기 회로와 자기 회로가 서로 연성되어 있는 종자속형 전동기에 비해 출력 밀도를 높일 수 있을 뿐 아니라 여러 형태의 형상 설계가 가능하다.
또한, 상기 횡자속형 전동기는 링형태로 권선을 시행하여 많은 엔드-와인딩(end-winding)을 가지고 있는 종자속형 전동기에 비해 사용하는 동의 양과 손실이 적다.
그러나, 이와 같은 장점과는 별도로 횡자속형 전동기는 일반적으로 3차원적인 자속의 흐름을 가지고 있기 때문에 기존의 종자속형 전동기에 비해 제작이 용이하지 못하고 3차원적인 자속 흐름에 알맞는 적층형 구조를 채택하기가 쉽지 않다는 문제점을 가지고 있다.
또한, 제작상의 편의를 위해 일반적인 벌크타입의 철심을 사용할 경우 저속에서는 철손이 그다지 크지 않지만, 주파수가 높은 고속 영역에서는 철손이 증가하므로 성능이 저하되어 효율 및 출력밀도가 낮아지는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 'ㄱ'자 형상으로 좌우 대칭되게 배치되어 'T'자 형상을 가지며 각각 서로 길이방향으로 번갈아 배치되어 있는 이동부 영구자석 및, 수직방향으로 적층된 이동부 성층철심과, 상기 이동부 영구자석 및 이동부 성층철심을 감고 전류가 흐르는 여러겹의 코일인 이동부 권선으로 이루어진 이동부와; 외곽틀을 이루는 'U'자형 형상의 성층 구조인 고정부 틀 성층철심과, 상기 고정부 틀 성층철심의 양측면과 하단면에 각각 설치되며 일정한 높이 및 폭을 갖는 치와 홈으로 이루어진 요철 형상의 성층 구조인 고정부 측면 성층철심 및 고정부 하단면 성층철심으로 이루어진 고정부로 구성 함으로써, 상기 이동부 성층철심의 측면에서 발생하는 흡인력이 서로 상쇄하도록 배치하여 소음을 감소시키고, 3차원 자속 경로를 완전한 성층철심으로 구성하여 철손을 최소함에 따라 높은 전원 주파수의 고속영역에서 성능을 향상시킬 수 있으며, 단위 무게 당 추력을 증가시켜 궁극적으로 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기를 제공하는데 그 목적이 있다.
이하, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기는, 'ㄱ'자 형상으로 좌우 대칭되게 배치되어 'T'자 형상을 가지며 각각 서로 길이방향으로 번갈아 배치되어 있는 이동부 영구자석 및, 수직방향으로 적층된 이동부 성층철심과, 상기 이동부 영구자석 및 이동부 성층철심을 감고 전류가 흐르는 여러겹의 코일인 이동부 권선으로 이루어진 이동부와;
외곽틀을 이루는 'U'자형 형상의 성층 구조인 고정부 틀 성층철심과, 상기 고정부 틀 성층철심의 양측면과 하단면에 각각 설치되며 일정한 높이 및 폭을 갖는 치와 홈으로 이루어진 요철 형상의 성층 구조인 고정부 측면 성층철심 및 고정부 하단면 성층철심으로 이루어진 고정부로 구성된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성에 대해 상세하게 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기를 나타내는 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기의 이동부를 나타내는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기의 고정부를 나타내는 사시도이다.
또한, 도 4는 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속 선형전동기의 고정부를 나타내는 평면도이다.
본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이, 이동부 영구자석(11)과, 이동부 성층철심(12)과, 이동부 권선(13)으로 구성된 이동부(10)와; 고정부 틀 성층철심(21)과, 고정부 측면 성층철심(22)과, 고정부 하단면 성층철심(23)으로 구성된 고정부(20)로 이루어져 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이동부(10)는 상기 이동부 영구자석(11) 및 이동부 성층철심(12)이 'ㄱ'자 형상으로 좌우 대칭되게 배치되어 'T'자 형상을 가지며 각각의 이동부 영구자석(11) 및, 수직방향으로 적층된 이동부 성층철심(12)이 서로 길이방향으로 번갈아 배치되어 있다.
즉, 'ㄱ'자 형상의 이동부 영구자석(11) 및 이동부 성층철심(12)이 좌우로 배치되면서 'T'자 형상을 이루고, 이동부 성층철심(12)의 앞뒤 사이에 이동부 영구자석(11)이 삽입되며, 이 이동부 영구자석(11)의 자극이 서로 방향이 반대가 되도록 X방향을 따라 가면서 교대로 배치됨에 따라 이동부 성층철심(12)에는 N, S의 자극이 번갈아서 생기게 된다.
이때, 이동부 영구자석(11) 및 이동부 성층철심(12)의 한주기는 이동하는 길이방향으로 2τp가 된다.
여기서, 상기 τp는 극 간격을 의미한다.
즉, N극 이동부 성층철심(12)과, ← 방향의 이동부 영구자석(11a)과, S극 이동부 성층철심(12)과, → 방향의 이동부 영구자석(11b)이 한주기를 이루고, N극 이동부 성층철심(12)과, ← 방향의 이동부 영구자석(11c)이 한 극 간격을 이루게 된다.
상기 이동부 권선(13)은 이와 같이 배치되어 있는 이동부 영구자석(11)과 이동부 성층철심(12)을 타원형 형상으로 감싸고 있으며, 전류가 흐르는 여러겹의 코일로 이루어져 있다.
또한, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 고정부(20)는 성층 구조로 이루어져 있는 바, 상기 고정부 측면 성층철심(22)은 수직 방향으로 적층되고, 상기 고정부 틀 성층철심(21)은 'U'자 형상으로서, 그 길이방향으로 적층된 성층 구조로 되어 있다.
이는 상기 이동부(10)의 측면에서 나온 자속이 고정부 측면 성층철심(22)을 거쳐서 중앙의 고정부 하단면 성층철심(23)으로 원활하게 나갈 수 있도록 하기 위함이다.
이때, 상기 고정부 측면 성층철심(22) 및 고정부 하단면 성층철심(23)은 일정한 높이 및 폭을 갖는 치와 홈으로 이루어진 요철 구조로 이루어져 있는 바, 도 4에 도시된 바와 같이, 고정부 측면 성층철심(22)의 치와 고정부 하단면 성층철심(23)의 치 간격은 이동부 영구자석(11) 및 이동부 성층철심(12)의 한주기 2τp가 된다.
또한, 상기 이동부(10)의 측면과 하부에서 일정한 방향으로 힘을 발생시키기 위하여 고정부 측면 성층철심(22)의 치와 고정부 하단면 성층철심(23)의 치는 상대적으로 극 간격(τp)만큼 이동하도록 배치하게 된다.
한편, 상기 이동부 권선(13)에 따른 전류에 의한 자속 경로는 이동부 성층철심(12), 고정부 하단면 성층철심(23), 고정부 틀 성층철심(21), 고정부 측면 성층철심(22) 순서대로 이루어지게 되므로 모든 통로에서 철심이 성층되어 있다.　
특히, 상기 고정부 측면 성층철심(22)과, 고정부 틀 성층철심(21)이 만나는 면에서 자속의 방향이 바뀌게 되며, 마찬가지로 고정부 하단면 성층철심(23)과 고정부 틀 성층철심(21)이 만나는 면에서 자속의 방향이 바뀌게 된다.
즉, 상기 이동부(10)에서 나온 자속이 고정부 틀 성층철심(21), 고정부 측면 성층철심(22) 및 고정부 하단면 성층철심(23)으로 3차원적인 자속 경로를 만들어주게 된다.
한편, 상기 고정부 틀 성층철심(21)에 분말 철심을 적용하는 경우, 통상의 성층철심에 비해 대량의 물량이 요구될 시에 가격이 유리하며, 또한 높은 주파수에서 운전이 가능하고, 일반 철심을 적용하는 경우, 성층철심에 비해 소량의 물량이 요구될 시에는 경우에 따라 가격이 유리하며, 또한 낮은 속도에서 운전이 가능하게 된다.
한편, 상기 이동부(10)와 고정부(20)의 고정부 틀 성층철심(21) 내에 배치되어 있는 고정부 측면 성층철심(22) 및 고정부 하단면 성층철심(23) 사이에는 공극 이 형성되어 있는 바, 그 공극 사이에서 추진력과 흡인력이 발생하게 된다.
이때, 상기 이동부(10)는 이동부 성층철심(12)의 중앙과 측면에서 추력이 발생되며, 그 추력으로 인해 이동부(10)의 측면과 고정부 측면 성층철심(22)에서 발생하는 흡인력은 서로 상쇄 되어 소음을 감소시킬 수 있게 된다.
또한, 종래의 일반적인 철 대신에, 성층 철심을 적용하여 철손을 최소화하게 되어 고속이동을 위한 고주파수에서 속도특성을 향상시킬 수 있고, 상기 이동부 영구자석(11) 및 이동부 성층철심(12)에 이동부 권선(13)을 감아 상기 이동부 권선(13)의 양을 절약하므로 고효율화가 가능하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 에 의하면, 영구자석 여자 횡자속 선형전동기에 의하면, 발생하는 측면 흡인력의 절반을 서로 상쇄 하도록 배치하여 소음을 감소시킬 수 있고, 단위 무게 당 추력을 증가시켜 추진 시스템을 경량화시키며, 3차원 자속 경로를 완전한 성층철심으로 구성하여 철손을 최소함에 따라 높은 전원 주파수의 고속영역에서 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 'ㄱ'자 형상으로 좌우 대칭되게 배치되어 'T'자 형상을 가지며 각각 서로 길이방향으로 번갈아 배치되어 있는 이동부 영구자석 및, 수직방향으로 적층된 이동부 성층철심과, 상기 이동부 영구자석 및 이동부 성층철심을 감고 전류가 흐르는 여러겹의 코일인 이동부 권선으로 이루어진 이동부와;
    외곽틀을 이루는 'U'자형 형상의 성층 구조인 고정부 틀 성층철심과, 상기 고정부 틀 성층철심의 양측면과 하단면에 각각 설치되며 일정한 높이 및 폭을 갖는 치와 홈으로 이루어진 요철 형상의 성층 구조인 고정부 측면 성층철심 및 고정부 하단면 성층철심으로 이루어진 고정부로 구성된 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동부와, 고정부의 고정부 측면 성층철심 및 고정부 하단면 성층철심 사이에는 공극이 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동부 영구자석은 그 자극이 서로 방향이 반대가 되도록 X방향을 따라 가면서 교대로 배치되어, 이동부 성층철심(12)에 N, S의 자극이 번갈아서 생기게 되도록 한 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 이동부 영구자석 및 이동부 성층철심의 한주기는 이동하는 길이방향으로 2τp가 되는 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부 측면 성층철심은 수직 방향으로 적층되고, 상기 고정부 틀 성층철심은 그 길이방향으로 적층된 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부 측면 성층철심의 치와 고정부 하단면 성층철심의 치 간격은 이동부 영구자석 및 이동부 성층철심의 한주기인 2τp인 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  7. 청구항 1 또는 청구항 6에 있어서,
    상기 고정부 측면 성층철심의 치와 고정부 하단면 성층철심의 치는 극 간격(τp)만큼 이동하도록 배치된 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부 측면 성층철심과, 고정부 틀 성층철심이 만나는 면에서 자속의 방향이 바뀌게 되며, 고정부 하단면 성층철심과 고정부 틀 성층철심이 만나는 면에서 자속의 방향이 바뀌는 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부 틀 성층철심은 분말 철심으로 대체 가능한 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정부 틀 성층철심은 일반 철심으로 대체 가능한 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속 선형전동기.
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