KR100795208B1 - 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터 및그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

본 발명은 특히, 복수의 돌극이 설치된 전기자와 영구자석 계자를 가지는 선형 모터에서 계자 영구자석의 수를 정수 P에 대하여 (2P+1), 슬롯 수를 T, 여자권선의 상수를 Q, 정수 n은 (P±n)Q > 2P인 관계를 만족할 때, 돌극의 개수 "T"는 다음의 식 T=(P±n)Q+1을 만족하도록 하는 구성으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 모터의 설계를 단순화 시키고, 출력토크를 실질적으로 상승시키면서도 디텐트 력을 감소시켜 진동이나 소음을 방지하게 되는 것이다.

슬롯, 돌극, 디텐트 력, 코깅력, 선형모터

Description

영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터 및 그 제조방법{A Linear Motor Having Field Permanent Magnet And Armature With Salient Poles And Method for Manufacture Thereof}

도1은 종래의 3상8극12슬롯 구조를 갖는 영구자석 선형 모터의 도해도

도2는 도1에서 집중권을 실시하기 위하여 1개의 돌극을 추가하고 각각의 전기자 슬롯에 여자 권선을 설치한 상태를 나타내는 도해도

도3은 도1의 3상8극12슬롯의 구조를 갖는 영구자석 선형모터의 각 슬롯에 의하여 발생하는 코깅력과 이들의 합성 코깅력의 나타낸 파형도

도4는 본 발명에 따른 3상9극10슬롯 구조를 갖는 전기자의 각 돌극과 영구자석의 위치를 표시한 도해도

도5는 도4에서 각각의 전기자 슬롯에 집중권 여자 권선을 설치한 상태를 나타내는 도해도

도6은 도4의 3상9극10슬롯 구조를 갖는 영구자석 선형모터의 전기자 슬롯에서 각각 발생하는 코깅력과 이들의 합성 코깅력의 나타낸 파형도

도7은 도1에 나타난 종래의 3상8극12슬롯과 도4와 같은 본 발명에 따른 3상9극10슬롯의 코깅력을 대비한 파형도

도8a는 도1에 나타난 종래의 선형 모터에서 1개의 계자 자석이 전기자 돌극의 자속을 유효하게 받는 전기각의 범위를 나타내는 파형도

도8b는 도4에 나타난 본 발명에서 1개의 계자 자석이 전기자 돌극의 자속을 유효하게 받는 전기각의 범위를 표시한 파형도

도9a는 도1에 나타난 종래의 3상8극12슬롯 구조의 모터에서 추력의 크기를 표시한 벡터도

도9b는 도4에 나타난 바와같은 본 발명의 3상9극10슬롯 구조의 모터에서 추력의 크기를 표시한 벡터도

도10은 본 발명에 따른 3상9극10슬롯 구조의 모터와 종래의 3상8극12슬롯 구조의 모터에서 전기자 권선에 흐르는 전류에 의하여 발생하는 추력을 비교하는 파형도

도11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 5상9극16슬롯 구조의 선형모터에서 전기자 코어의 각 돌극과 영구자석의 위치를 표시한 도해도

도12는 도11에서 각각의 전기자 슬롯에 전기자 권선을 설치한 도해도

도13a는 본 발명의 5상9극16슬롯 구조의 선형모터와 대비되는 종래의 5상8극20슬롯 구조의 선형 모터에서 1개의 계자자석이 돌극의 자속을 유효하게 받는 전기각의 범위를 표시한 파형도

도13b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 5상9극16슬롯 구조의 선형모터에서 1개의 계자자석이 돌극의 자속을 유효하게 받는 전기각의 범위를 표시한 파형도

도14a는 종래의 5상8극20슬롯 구조의 선형모터에서의 추력 크기를 표시한 벡터도

도14b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 5상9극16슬롯 구조의 선형모터에서의 추력 크기를 표시한 벡터도

도15는 종래의 5상8극20슬롯 구조의 선형 모터와 본 발명의 다른 실시예에 따른 5상9극16슬롯 구조의 선형 모터에서 전기자 전류에 의하여 발생하는 추력을 비교한 파형도

도16a는 본 발명에 따른 전기자의 양단부에 위치한 전기자 돌극의 폭 조절에 따른 단부력을 변화를 도시한 그래프도.

도16b는 본 발명에 따른 전기자의 양단부에 위치한 전기자 돌극에 챔퍼링을 설치함에 따른 단부력을 변화를 도시한 그래프도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

N: 계자 영구자석의 N극 S: 계자 영구자석의 S극

τ_ｐ: 계자 영구자석의 극간격 τ_ｓ: 전기자의 슬롯간격,

S12₁~S12₁₂ : 8극12슬롯 구조를 갖는 종래의 선형 모터의 슬롯

S13₁~S13₁₃ : 8극12슬롯 구조를 갖는 종래의 선형 모터에서 하나의 돌극을 추가로 설치한 선형모터의 슬롯

T10₁~T10₁₁ : 본 발명의 일 실시예인 9극10슬롯 구조를 갖는 선형 모터의 전기자 돌극

S10₁~S10₁₀ : 본 발명의 일 실시예인 9극10슬롯 구조를 갖는 선형 모터의 슬 롯

T16₁~T16₁₇ : 본 발명의 다른 실시예인 9극16슬롯 구조를 갖는 선형 모터의 전기자 돌극

S16₁~S16₁₆ : 본 발명의 다른 실시예인 9극16슬롯 구조를 갖는 선형 모터의 슬롯

본 발명은 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터에 관한 것으로서 보다 상세하게로는, 계자 영구자석의 수를 정수 P에 대하여 (2P+1), 슬롯 수를 T, 여자권선의 상수를 Q, 정수 n은 (P±n)Q > 2P 일때, 돌극의 개수 "T"는 (P±n)Q+1을 만족하도록 하는 구성으로 선형모터의 설계를 단순화 시키고, 출력의 추력을 실질적으로 상승시키면서도 디텐트 력을 감소시켜 진동이나 소음을 방지하도록 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 영구자석 선형 모터는, 선형으로 반복하여 돌극(Salient pole)이 설치된 전기자와, 역시 주기적으로 N극과 S극이 반복하여 배치된 영구자석 계자를 가지는 것으로, 최근에 선형운동을 요하는 곳에 널리 이용되고 있다.

그리고, 상기와 같은 영구자석 선형 모터는 전기자 또는 영구자석 계자의 움 직임에 따라 돌극이 설치된 전기자와 영구자석 계자간의 상대적인 위치가 변하게 됨으로서 전기자의 돌극과 영구자석 사이에 작용하는 힘은 평형과 불평형을 반복하게 된다.

이러한 이유로 영구자석 선형 모터에서는 전기자 권선에 전류를 인가하지 않은 상태에서도 정방향 또는 역방향의 추력이 발생하게 되는데 이를 디텐트력 (Detent force) 라고 한다.

상기 디텐트력은, 영구자석 선형 모터가 직선운동을 함에 따라 추력의 맥동을 유발하여 모터의 원활한 운동을 방해하며, 선형모터의 운동과정에서 기계적인 진동 및 소음을 야기 시킨다.

상기와 같은 디텐트력은, 크게 전기자의 슬롯(또는 돌극)에서 발생하는 코깅력(Cogging force)과 양쪽 단부에서 발생하는 단부력(End force)로 구성된다.

이와같은 기술과 관련 종래에 널리 이용되는 영구자석 선형 모터는, 계자 영구자석의 개수와 전기자 권선이 설치되는 슬롯의 개수의 비가 인가전원이 3상인 경우, 2:3인 것이 사용되고 있다.

이러한 구성을 갖는 한 방법으로, 도1에서 계자 영구자석과 전기자 슬롯이 각각 8개와 12개이면서 3상 전원에 의하여 구동되는 영구자석 선형 모터를 나타낸다.

이러한 구조의 모터에서 코깅력을 줄이기 위한 종래의 기술은 주로 전기자 돌극(Salient pole) 또는 계자 영구자석의 형상을 변화시키거나, 전기자 돌극 또는 계자 영구자석을 배치함에 있어 동일하지 않는 피치로 배열하는 것이었다.

예를 들면, 일본공개특허공보 평14-209371, 일본공개특허공보 평16-15978에서는 전기자 돌극 또는 계자 영구자석의 표면 형상을 원호, 포물선, 쌍곡선 또는 코사인의 역수로 표현되는 형상으로 만들어 코깅력을 저감시키는 방법을 제시하고 있다.

그러나, 이러한 방법들은, 영구자석 계자에 의하여 공극에 발생되는 자속밀도의 분포를 정현파 형태로 만들기 위한 것으로서 그 효과는 인정되나 형상이 복잡해지고, 이로 인하여 생산성이 저하되며 코깅력을 근본적으로 없앨 수 없다는 단점이 있다.

또한, 일본공개특허공보 평14-119040, 일본공개특허공보 평16-297977에서는 피치가 어긋나게(일정하지 않게) 계자 영구자석 또는 전기자 돌극을 배치함으로써 코깅력을 저감시키는 방법을 제시하고 있다.

그러나, 이러한 방법역시, 각각의 전기자 돌극(또는 전기자 슬롯)에서 발생하는 코깅력이 중첩되는 것을 피하는 방법으로, 그 효과는 인정되나 추력이 다소 감소하는 단점이 있다.

그리고, 일본공개특허공보 평13-95225에서는 폐 슬롯 구조의 전기자를 이용하여 코깅력을 없애는 방법을 제시하고 있다.

이 방법 역시, 이론상 코깅력의 발생을 억제할 수는 있을 것으로 기재되나 영구자석 계자에서 발생한 자속 중 상당 부분이 누설 자속이 되기 때문에 추력이 다소 감소하고, 이로 인하여 효율이 다소 감소하는 단점이 있다.

또한, 일본공개특허공보 평15-189589에서는 영구자석을 배치함에 있어 스큐(skew)를 줌으로써 코깅력을 저감시키는 방법을 제시하고 있으나, 이 방법도 코깅력을 저감시키는 그 효과는 인정되나 동일한 조건에서 추력이 감소하는 단점을 갖는다.

계속하여, 일본공개특허공보 평16-364374 및 일본공개특허공보 평11-206100에서는 코깅력 저감을 위하여 계자 영구자석의 극수와 전기자 슬롯의 수의 비가 8:9인 구조를 제시하고 있으며, 이는 회전자에 코깅 토크를 저감한 일본 특허출원 S62-153778호를 선형모터에 적용한 것으로 코깅력 저감 측면에서는 매우 우수하다.

그러나, 이 경우에는 그 자체로서 전기자의 단부에서 발생하는 단부력을 저감 할 수 없게 되었다.

이와같은 문제점을 해결하도록 일본공개특허공보 평16-364374에서는 3상8극9슬롯 구조의 선형모터의 한쪽 끝에 하나의 돌극을 추가로 설치하고, 양단에 설치되는 돌극의 위치, 길이 그리고 폭을 조절하여 전기자의 단부에서 발생하는 단부력을 감소시키고 있다.

그러나, 이 경우 역시, 새로 설치된 보조 돌극으로 인하여 엄밀한 의미에서 3상8극9슬롯의 구조에서 어긋나게 되고, 이로 인하여 코깅력이 다시 커지는 문제점을 안고 있다.

또한, 일본공개특허공보 평11-206100에서는 3상8극9슬롯 구조의 선형 모터 양단에서 하나의 돌극을 추가로 설치하고, 양단에 위치한 돌극의 적층 깊이를 조절하여 단부에서 발생하는 디텐트력을 저감하는 방법을 제시하고 있다.

그러나, 상기와 같은 방법은 전기자에 하나의 돌극을 반드시 설치하여야 하여 가공에 따른 원가가 상승되고, 엄밀한 의미에서 3상8극9슬롯의 구조에서 어긋나 게 되어 코깅력이 다시 커지게 되는 문제점이 있다.

이와같은 선형 모터는 3상8극12슬롯의 구조를 갖는 종래의 선형모터를 예로 설명하면, 도1에서와 같이, 일정한 간격(τ_ｐ)으로 N극과 S극이 교번하는 8극의 영구자석과, 또한 일정한 간격(τ_ｓ)으로 배치되는 12개의 슬롯을 갖는 전기자로 구성된다.

또한, 도2와 같은 집중권을 실시하기 위하여 1개의 전기자 돌극을 추가로 설치하고, 전기자 슬롯 (S13₁ - S13₁₃)에 각각 a, b 및 c상의 분할 권선을 설치한다.

이와 같이하여, 도1 및 도2 에서와 같이 3상8극12슬롯 구조인 영구자석 선형 모터가 구성되며, 이는 권선이 시행되지 않는 돌극을 제외한 모든 전기자 돌극의 폭(ｐ_ｗ)이 동일하고, 마찬가지로 모든 슬롯의 폭(ｐ_s)도 일정하고, 영구자석의 극 피치를 τ_ｐ, 전기자 돌극(또는 슬롯)의 피치를 τ_ｓ라고 할 때 다음의 관계식 (1)을 만족한다.

[관계식1] 8τ_ｐ=12τ_ｓ

그리고, 전기자 권선 (a,a'), (b,b') 및 (c,c')에는 각각 대응하는 상의 전압이 인가되고, 권선에 흐르는 전류에 의하여 이동자계가 발생하고, 계자 영구자석 (N₁-N₄) 와 (S₁-S₄)에 의하여 발생되는 자계사이에 상호 작용하는 흡인력 또는 반발력에 의하여 전기자 또는 영구자석 계자에 추력이 발생한다.

상기와 같은 선형모터에서 전기자의 슬롯 수 (T)와 계자 영구자석의 자극 수 (2P), 그리고 전기자 권선의 상수 (Q)는 사이에는 다음 관계식 (2)을 만족한다.

[관계식2] T=PQ

상기와 같은 관계식에 의해 P=4 그리고 Q=3인 경우에,

T=12가 되어 종래의 3상8극12슬롯 구조의 선형모터가 구성된다.

이때, 상기와 같은 3상8극12슬롯 구조인 종래의 선형 모터는, 2극3슬롯 구조의 선형 모터 4개를 붙여놓은 형상이므로, 2극 3슬롯 구조의 선형 모터에서 발생하는 코깅력이 4배로 증폭되어 나타난 결과가 된다.

그리고, 상기 모터에서 슬롯(S12₁~S12₁₂)에서 발생하는 코깅력은 계자 영구자석의 극 간격 (τ_ｐ)을 주기로 하여 발생하며, 1, 4, 7, 10번째 슬롯(S12₁, S12₄, S12₇, S12₁₀)과 2, 5, 8, 11번째 슬롯(S12₂, S12₅, S12₈, S12₁₁), 그리고 3, 6, 9, 12번째 슬롯(S12₃, S12₆, S12₉, S12₁₂)에서 발생하는 코깅력은 각각 공간적으로 τ_ｐ/3 만큼 차이 난다.

따라서, 전체 코깅력은 공간적으로 τ_ｐ/3 만큼 차이 나는 1, 2, 3번째 슬롯(S12₁, S12₂, S12₃)에서 발생하는 합성 코깅력이 4배 증폭된 것으로서 나타나는 것이다.

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 영구자석 선형 모터에서 전기자에 설치된 돌극의 수와 계자 영구자석의 수의 비를 변화시키 는 새로운 구조의 모터를 제공하면서 이에 적합한 권선방법을 제공함으로써 전기자 슬롯에서 발생하는 코깅력을 저감시키도록 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명은, 코깅력과 디텐트력을 저하시키면서도 추력은 동일 내지 상승시키도록 하며, 전기자의 길이조절 및 챔퍼링을 통하여 전기자의 길이를 자유롭게 조절할 수 있도록 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 돌극이 일정한 간격으로 반복하여 배치된 전기자와, 역시 주기적으로 N극과 S극이 교번하여 반복적으로 배치된 영구자석 계자를 가지며, 계자 영구자석의 수를 정수 P에 대하여 (2P+1), 슬롯 수를 T, 여자권선의 상수를 Q, 정수 n은 (P±n)Q > 2P인 관계를 만족할 때, 돌극의 갯수 "T"는 다음의 식 T=(P±n)Q+1을 만족하도록 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 조건을 만족하는 선형모터에서 각 상에 해당하는 전기자 권선의 이상적인 위치로 부터 최소의 위상차이를 갖는 전기자 돌극에 해당하는 전기자 권선을 실시하도록 하는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시 예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도4 내지 도16에서 도시한 바와 같이 본 발명은, 전기자와 영구자석 계자로 구 성되고, 다음과 같은 조건을 만족하는 새로운 구조의 영구자석 선형모터를 제시하는 것이다.

본 발명은, 전기자가 동일한 피치로 배치되는 복수의 슬롯을 가지고, 상기 전기자 슬롯에는 각각의 상에 해당하는 권선이 권선되고, 영구자석 계자는 서로 다른 극성이 동일한 피치로 교번하여 배치되는 복수의 영구자석을 가지며, 상기 전기자의 슬롯과 영구자석 계자는 서로 마주 보도록 설치된다.

그리고, 상기에서의 전기자 슬롯의 개수를 T, 계자 영구자석의 개수를 (2P+1), 여자권선의 상수를 Q라고 할 때 (P±n)Q>2P 을 만족하는 정수 n에 대하여, 다음 식을 만족한다.

T=(P±n)Q+1.....(1)

T·τ_ｓ=(2P+1)τ_ｐ.....(2)

여기서, τ_ｓ와 τ_ｐ는 각각 전기자 돌극(또는 슬롯)과 영구자석 계자의 피치이다.

상기 식 (1)과 (2)에 있어서 정수 n에 대하여 (P±n)Q>2P 인 관계를 만족한다는 것은 T>2P+1을 의미하며, 이 조건을 부여하는 이유는 다음과 같다.

상기 전기자 슬롯의 수 T가 커지면 슬롯 피치는 점점 작아지므로, 권선영역을 고려하면 전기자 돌극의 폭은 점점 작아진다.

반대로, 상기 전기자 슬롯의 수 T가 작아지면 전기자 돌극의 폭은 커지게 된다.

이와 같은 결과로, 상기 전기자 돌극의 폭이 커지면 동일한 권선수의 권선을 시 행하였을 때 전기자 돌극의 폭이 작은 경우에 비하여 저항손실이 커지게 되고, 상기와 같은 저항손실을 줄이기 위하여 전기자 돌극의 폭을 적당히 작게 할 필요가 같게 된다.

그리고, 식 (1)과 식 (2)를 만족하는 본 발명의 선형 모터는, 영구자석의 극수 (2P+1)와 슬롯 수(T)의 최대공약수가 1이 되고, 이에의하여 최소공배수가 크게 되어 코깅력이 작아진다.

또한, 선형모터와 회전모터의 구조를 비교하면 선형모터에는 그 특성상 슬롯보다 돌극이 하나 더 많은 구조를 하고 있으며, 특히 집중권을 행하는 경우에는 전기자의 단부에서 발생하는 단부력을 저감하기 위하여 전기자의 길이를 조절해야 하기 때문에, 양 끝의 두개의 돌극에는 권선을 설치할 수 없게 되는데, 본 발명에 따른 새로운 구조의 선형 모터에서는 전기자의 돌극 수가 권선의 상수 Q의 정수배보다 항상 두 개 더 많게 되므로 전기자의 길이를 자유롭게 조절할 수 있는 장점이 있다

도4에서는, P=4, Q=3, 그리고 ±n=-1 일 때, 식 (1)과 식(2)를 만족하는 본 발명의 실시예인 3상9극10슬롯 구조의 영구자석 선형 모터를 도시하였다.

상기 모터에서 각각의 슬롯(S10₁~S10₁₀)에서 발생하는 코깅력은 도6에서와 같이 계자 영구자석의 극 간격 (τ_ｐ)을 주기로 하고 있으며, 서로 간에는 공간적으로 τ_ｐ/10 만큼 차이 난다.

따라서, 본 발명은 도7에서 나타난 코깅력 비교도에서와 같이 3상8극12슬롯을 갖는 종래의 선형모터에서와 같이 코깅력이 중첩되어 배수로 증가되는 것이 아니라 코깅력이 중첩되는 부분이 없어 전체적인 합성 코깅력이 작아진다.

결론적으로, 본 발명의 3상9극10슬롯 구조를 갖는 선형모터는, 영구자석의 극 피치를 주기로 할 때 10의 배수인 고조파 성분의 코깅력이 발생하고, 이것은 영구자석의 극 피치의 9배를 주기로 하는 경우에는 90의 배수인 고조파 성분, 즉 주파수가 90, 180, 270 등인 고조파 성분이 된다.

그런데, 고조파 성분의 크기는 그 차수가 높아질수록 급격하게 작아지기 때문에 코깅력도 따라서 매우 작아지게 된다.

계속하여, 종래의 선형모터는 도8a 및 9a에서와 같이, 돌극과 돌극 사이의 간격은 영구자석의 극 피치(τ_ｐ)를 π로 하는 전기각으로 2/3π이므로 영구자석의 1극에 의하여 공극에 발생하는 자속밀도를 B=B₀sinθ[T]라 하면, 영구자석에 의하여 발생한 자속 중에서 1개의 돌극이 쇄교하는 자속의 범위는 π/6부터 5π/6 까지의 2/3π가 된다.

따라서, 1개의 돌극이 쇄교하는 자속 Φ는 다음과 같다.

한편, 도8b 및 9b에서와 같이, 본 발명의 실시예인 3상9극10슬롯 구조의 선형모터는, 돌극과 돌극 사이의 간격이 전기각으로 9/10π이므로 영구자석 1극에 의한 자속밀도를 B=B₀sinθ[T] 라 하면, 1개의 돌극이 쇄교하는 자속의 범위는 π/20부터 19π/20까지의 9/10π이다.

따라서 1개의 돌극이 쇄교하는 자속 Φ는 다음과 같다

그 결과, 종래의 선형 모터와 본 발명의 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터를 비교하면, 각각 돌극에 시행되는 권선수가 동일한 경우, 3상8극12슬롯 구조를 갖는 종래의 선형 모터에 대하여 본 발명의 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터의 자속의 비 q는 다음과 같다.

그런데, 각 돌극에 시행되는 권선수가 균등하고 전체 돌극에 시행되는 총 권선수가 동일하면, 각 돌극에 시행되는 권선수는 돌극의 수에 반비례하게 되고, 종래의 3상8극12슬롯 구조를 갖는 선형모터에서 권선이 시행되는 돌극의 수는 12이고, 본 발명의 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터에서 권선이 시행되는 돌극의 수가 9이므로, 종래의 선형 모터에 대한 본 발명 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터는 각 돌극의 전기자 권선의 비ｒ은 다음과 같다.

따라서, 종래의 선형 모터의 효율을 1로 하면, 본 발명의 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터의 효율 η은 다음과 같이 약 50%이상 증가할 것으로 기대된다.

그러나, 종래의 3상8극12슬롯 구조를 갖는 선형 모터에서는 각 상의 권선이 이상적인 위치의 돌극에 시행되는 반면, 본 발명의 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터에 서는 각 상의 권선이 실시되는 돌극의 위치가 이상적인 위치로부터 약간씩 빗나가고 있다.

따라서, 상기 식에서의 효율 η이 그대로 제안된 모델에 적용되는 것은 아니고 각 상의 권선이 이상적인 위치에서 어긋나게 실시되는 점을 고려한 실제 효율은 다음과 같이 된다.

즉, 상기에서와 같이 본 발명의 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터는 종래의 3상8극12슬롯 구조를 선형모터에 비하여 그 효율이 대략 10% 정도 증가함을 알 수 있다.

또한, 도13a,b 및 도11에서 도시한 바와같이, 본 발명의 다른 실시예로 제시되고 있는 5상9극16슬롯 구조의 선형 모터와 종래의 5상8극20슬롯을 갖는 선형모터는 그 추력을 비교하면, 도14a,b에서와 같이 본 발명의 5상9극16슬롯 구조의 선형 모터 추력이 종래의 5상8극20슬롯을 갖는 선형 모터의 추력에 비하여 증가됨을 알 수 있다.

한편, 상기와 같은 구조를 갖는 3상9극10슬롯 및 5상9극18슬롯의 구조를 갖는 선형모터에서 본 발명의 권선방법을 적용하여 전기자 권선을 다음과 같이 실시한다.

도4 및 도5에 나타난 본 발명의 3상9극10슬롯 구조를 갖는 선형모터는, 전기자의 길이 조정이 가능하게 하기 위하여, 총 11개의 전기자 돌극(T10₁~T10₁₁)들 중에 서 양 끝에 위치한 두개의 전기자 돌극(T10₁, T10₁₁)을 제외한 9개의 전기자 돌극(T10₂~T10₁₀)에 전기자 권선을 분할하여 시행한다.

그리고, 계자 영구자석은 동일한 피치로 위치하며 교번하여 N극과 S극으로 착자되고 그 한 쌍이 전기각 360°도를 이룬다.

이때, 전기자 권선이 시행될 9개의 전기자 돌극 중, 정 가운데에 위치한 돌극(T10₆)을 기준(전기각 0도)으로 하여 각 돌극의 위치를 전기각으로 표현하면 아래의 표1과 같다.

[표 1] 3상9극10슬롯 구조의 선형모터에서 각 돌극의 위치

그리고, 아래의 표2에는 일반적으로 3상 권선이 실시되는 경우 각 상의 이상적인 위치를 전기각으로 표시한 것이다.

[표 2] 3상9극10슬롯 구조의 선형모터에서 각 상 권선의 이상적인 위치

본 발명의 실시예인 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터에 있어서는 각 돌극의 위치가 표2에 표시한 이상적인 위치에 존재하지 않기 때문에 표1에 나타낸 각 돌극의 실제 위치와 표2에 나타낸 이상적인 위치를 비교하여 이상적인 위치에 가장 가까운 상의 전기자 권선을 시행한다.

예를 들면, 돌극 T10₂의 위치는 표1에 표시한 바와 같이 전기각으로 72°이고 이것은 이상적인 위치인 전기각 60°에 가장 가까우므로 -W상의 전기자 권선이 시행된다.

또한, 돌극 T10₃의 위치는 표1에 표시한 바와 같이 234°이고 이것은 이상적인 위치 240°에 가장 가까우므로 +W상의 전기자 권선이 시행되고, 이와 같은 방법으로 각각의 돌극에 적절한 상의 권선을 시행한다.

그리고, 아래의 표3에 각각의 돌극에 대하여 그 실재의 위치와 이상적인 3상 권선을 위한 위치와의 차이를 전기각으로 나타내었고, 또한 설치되는 전기자 권선의 상을 나타내었다.

[표 3] 3상9극10슬롯 구조의 선형모터에서 돌극의 위치, 이상적인 위치와의 차이 및 권선의 상

상기 표3에서, 두번째 줄의 위치(전기각)은, 실재위치의 전기각을 나타낸다.

더하여, 도5에서는 본 발명의 실시예인 3상9극10슬롯 구조의 선형 모터에서 각각의 전기자 돌극에 집중권 여자 권선을 분할하여 실시한 모습을 나타낸다.

이와 같이 전기자 권선을 시행하는 경우, 3상8극12슬롯 구조를 갖는 종래의 모터와 본 발명의 실시예인 3상9극10슬롯 구조를 갖는 선형모터에 대하여 발생하는 추력의 크기는 도9a,b 및 도10 나타난 바와 같이 본 발명에서 오히려 증가되고 있음을 알 수 있다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시예인 5상8극20슬롯 구조를 갖는 선형모터에서 본 발명의 권선방법에 의한 전기자 권선을 다음과 같이 실시한다.

도11 및 도12는 본 발명의 실시예인 5상9극16슬롯 구조의 영구자석 선형 동기전동기를 표시한다.

여기에서, 전기자의 길이 조정이 가능하게 하기 위하여, 총 17개의 전기자 돌극(T16₁~T16₁₇)들 중에서 양 끝에 위치한 두개의 전기자 돌극(T16₁, T16₁₇)을 제외한 15개의 전기자 돌극(T16₂~T16₁₆)에 전기자 권선을 분할하여 시행한다.

그리고, 계자 영구자석은 동일한 피치로 위치하며 교번하여 N극과 S극으로 착자되고 그 한 쌍이 전기각 360°도를 이룬다.

계속하여, 전기자 권선이 시행될 15개의 전기자 돌극 중, 정 가운데에 위치한 돌극(T10₉)을 기준(전기각 0도)으로 하여 각 돌극의 위치를 전기각으로 표현하면 아래의 표4와 같다.

[표 4] 5상9극16슬롯 구조의 선형모터에서 각 돌극의 위치

상기 표4는 각 돌극의 전기각을 표현한 그림으로서 각각의 돌극은 동일한 간격으로 위치하고 있으며, 그 간격은 전기각으로 나타내면 101.25°이다.

또한, 아래의 표5에는 일반적으로 5상 권선이 실시되는 경우 각 상의 이상적인 위치를 전기각으로 표시한 것이다.

[별표 5] 5상9극16슬롯 구조의 선형모터에서 각 상 권선의 이상적인 위치

이상에서와 같이, 본 발명의 다른 실시예인 5상9극16슬롯 구조의 선형 모터는, 각 돌극의 위치가 표5에 표시한 이상적인 위치에 존재하지 않기 때문에 표4에 나타낸 각 돌극의 실제 위치와 표5에 나타난 이상적인 위치를 비교하여 이상적인 위치에 가장 가까운 상의 전기자 권선을 시행한다.

예를 들면, 돌극 T16₂의 위치는 표4에 표시한 바와 같이 실제 전기각으로 11.25°이고, 이것의 이상적인 위치인 전기각 0°에 가장 가까우므로 1상의 전기자 권선이 시행된다.

또한, 돌극 T16₃의 위치는 표4에 표시한 바와 같이 112.5°이고, 이것은 이상적인 위치 108°에 가장 가까우므로 -V상의 전기자 권선이 시행되고, 이와 같은 방법으로 각각의 돌극에 적절한 상의 권선을 시행한다.

그리고, 아래의 표6에 각각의 돌극에 대하여 그 실재의 위치와 이상적인 5상 권선을 위한 위치와의 차이를 전기각으로 나타내었고, 또한 설치되는 전기자 권선의 상을 나타내었다.

[표 6] 5상9극16슬롯 구조의 선형모터에서 돌극의 위치, 이상적인 위치와의 위 상차 및 권선의 상

상기 표6에서, 두번째 줄의 위치(전기각)은, 실재위치의 전기각을 나타낸다.

이상과 같이 본 발명의 다른 실시 예에 의한 5상9극16슬롯 구조의 선형 모터는, 각각의 전기자 돌극에 집중권 여자 권선을 분할하여 실시할 때 도14a,b 및 도15에서와 같이 종래의 5상8극20슬롯 구조를 갖는 종래의 모터와 비교하여 본 발명의 5상9극18슬롯을 갖는 선형모터의 추력이 증가 된 것을 알 수 있다.

그리고, 상기 권선은 소정의 방향으로 권선되도록 그 권선방향이 미리 결정되고, 상기 권선방향은 각각의 돌극이 이상적인 위치에 존재하는 경우의 권선방향과 동일한 방향으로 코일을 권선한다.

한편, 본 발명의 전기자는 그 길이방향 양단부에 형성되는 돌극의 폭조절 및 챔퍼링을 통하여 단부력의 조절이 가능토록 된다.

즉, 도16a에서 도시한 바와 같이, 162mm의 길이로 이루어지면서 동일한 슬롯간격을 갖는 9극10슬롯 전기자의 양단에서 가변되는 돌극의 전체폭을 6~15mm의 범위로 변화시켰을 때, 12mm에서 최소의 단부력이 발생한다는 것을 알 수 있어 전기자의 총길이는 174mm로 결정되었으며, 상기 결과에서 단부력은 전기자의 길이조절이 의해 20%정도 저하시킬 수 있다는 것을 확인하였다.

또한, 도16b는, 상기와 같은 전기자의 길이 조절과 동시에 돌극의 챔퍼링을 실 시함으로서 단부력이 40%정도 저하시킬 수 있다는 것을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 영구자석 선형 모터에서 전기자에 설치된 돌극의 수와 계자 영구자석의 수의 비를 변화시키는 새로운 구조의 선형모터와 이에 적합한 권선방법을 제공함으로써 전기자 슬롯에서 발생하는 코깅력을 저감시키는 효과를 가져온다.

또한, 본 발명은 선형모터의 코깅력 및 디텐트력을 획기적으로 저하시키면서도 추력은 동일 내지 상승시키며, 전기자의 길이를 자유롭게 조절하는 효과를 가져온다.

본 발명한 실시 예에 관련하여 도시하고 설명 하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 알 수 있음을 밝혀 두고자 한다.

Claims (10)

1. 전기자가 소정의 피치로 배치되는 복수의 슬롯을 가지고, 상기 전기자 슬롯에는 각각의 상에 해당하는 코일이 권선되고, 상기 전기자의 슬롯과 대향하도록 설치되는 영구자석 계자는 서로 다른 극성이 소정의 피치로 교번하여 배치되며,

   상기 전기자 슬롯의 개수를 T, 계자 영구자석의 개수를 (2P+1), 여자권선의 상수를 Q, 정수 n은 (P±n)Q>2P 일 때, 전기자 슬롯의 개수 "T"가,

   T=(P±n)Q+1를 만족하도록 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법
2. 제1항에 있어서, 상기 전기자 슬롯의 개수 "T"와 계자 영구자석의 개수(2P+1)는, T = (2P+1)τ_ｐ/τ_ｓ를 만족하도록 하며, 여기서 τ_ｓ와 τ_ｐ는 각각 전기자 돌극과 영구자석 계자의 피치인 것을 특징으로 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법
3. 제1항에 있어서, 상기 코일에 각 상의 권선은, 공급되는 전원의 위상에 대응되면서 원래의 이상적인 전기각과 각 전기자 돌극의 실제위치의 전기각을 비교한 후 이상적인 전기각에 대하여 최소의 위상차를 갖는 돌극에 권선하도록 하는 것을 특징으로 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법
4. 제1항에 있어서, 상기 전기자는, 양측단에 위치한 돌극에 그 폭 조절 또는 챔퍼링중에서 선택되는 어느 하나 이상의 공정을 수행하여 단부력을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법
5. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 권선은, 소정방향에 권선되도록 미리 결정되고, 적어도 하나 이상의 돌극에는 해당권선이 이상적인 전기각에 권선되는 경우의 권선방향과 동일한 방향으로 코일이 권선되도록 하는 것을 특징으로 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법
6. 제1항에 있어서, 상기 선형모터는, 3상 구동의 9극10슬롯으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법
7. 제1항에 있어서, 상기 선형모터는, 5상 구동의 9극16슬롯으로 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 영구자석 계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터의 제조방법
8. 돌극이 일정한 간격으로 반복하여 배치된 전기자;

   주기적으로 N극과 S극이 교번하여 반복적으로 배치된 영구자석 계자로서 구성되며,

   상기 전기자는,

   계자 영구자석의 수를 정수 P에 대하여 (2P+1), 슬롯 수를 T, 여자권선의 상수를 Q, 정수 n은 (P±n)Q > 2P인 관계를 만족할 때, 돌극개수"T"가

   T=(P±n)Q+1을 만족하도록 하는 3상9극10슬롯의 구성으로 이루어진 전기자를 갖는 영구자석계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터
9. 제8항에 있어서, 상기 전기자는, 그 양단에 각각 형성되는 돌극에 챔퍼링을 갖는 것을 특징으로 하는 전기자를 갖는 영구자석계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터
10. 돌극이 일정한 간격으로 반복하여 배치된 전기자;

    주기적으로 N극과 S극이 교번하여 반복적으로 배치된 영구자석 계자로서 구성되며,

    상기 전기자는,

    계자 영구자석의 수를 정수 P에 대하여 (2P+1), 슬롯 수를 T, 여자권선의 상수를 Q, 정수 n은 (P±n)Q > 2P인 관계를 만족할 때, 돌극개수"T"가

    T=(P±n)Q+1을 만족하도록 하는 5상9극16슬롯의 구성으로 이루어진 전기자를 갖는 영구자석계자와 돌극이 있는 전기자를 갖는 선형 모터

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