KR100820168B1 - 자속 역전 전동기 및 이를 이용한 직선 이송 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자속 역전 전동기 및 이를 이용한 직선 이송 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자속 역전 선형전동기 및 회전형 전동기와, 자속 역전 선형전동기를 이용한 직선 이송 시스템에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 하단이 넓은 다수의 치형을 갖는 이동자 철심이 적층된 이동자와; 상기 이동자철심의 치형 사이공간에 관통 형성된 권선의 권취공간과; 상기 권취공간의 아래쪽과 일치되는 위치에 상기 치형과 일체로 형성된 권선 걸림단과; 상기 권취공간에 권취되는 권선과; 상기 치형 하단의 치형표면에 N-S-N-S... 형으로 부착되는 영구자석과; 상기 영구자석의 바로 아래에 배열되며, 요철 형상의 고정자 철심이 적층된 구조의 고정자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자속역전 선형전동기 및 이를 이용한 직선 이송 시스템을 제공하고, 그리고 자석 배치 방식을 N-S-N-S 방식으로 개선하여 회전자 치형 개수와 고정자 치형 개수를 각각 4와 3으로 줄여줌에 따라, 고속 회전시에 드라이브의 스위칭 부담을 절반으로 줄임과 동시에 구동 주파수 저감에 따른 철심에서의 철손을 크게 저감할 수 있는 구조의 자속 역전 회전형 전동기를 제공한다.

자속 역전 선형전동기, 자속 역전 회전형 전동기, 직선 이송 시스템

Description

자속 역전 전동기 및 이를 이용한 직선 이송 시스템{Flux Reversal Motor and Linear Motion System}

도 1은 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기의 구조를 나타내는 구성도로서, (a)도면은 1-PM 구조를, (b)도면은 2-PM 구조를 나타내는 구성도,

도 2는 디텐트력 주기만큼의 고정자를 스큐한 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 전체 구성 사시도,

도 3은 프로그레시브 금형을 이용한 본 발명의 이동자 철심 제작 방법을 설명하는 도면으로서, (a)도면은 1-PM 구조를, (b)도면은 2-PM 구조를 나타내는 도면,

도 4는 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기로서, 에폭시 몰딩을 적용한 이동자의 구성도로서, (a)도면은 1-PM 구조를, (b)도면은 2-PM 구조를 나타내는 구성도,

도 5는 본 발명에 따른 자속 역전 선형 전동기의 분할 철심을 나타내는 구성도로서, (a)도면은 1-PM 구조를, (b)도면은 2-PM 구조를 나타내는 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 자속 역전 선형 전동기의 일구성으로서, 다수의 분할 철심이 결합된 상태의 이동자 구성도를 나타내며, (a)도면은 1-PM 구조를, (b)도면 은 2-PM 구조를 나타내는 구성도,

도 7은 프로그레시브 금형을 이용한 본 발명의 고정자 철심 제작 방법을 설명하는 도면,

도 8은 본 발명의 일구성으로서, 고정자측의 자속 누설을 저감하는 고정자 치형 형상을 설명하는 도면이며, (a)도면은 치형상 변경을, (b) 치폭 변경을 설명하는 도면,

도 9는 알루미늄 압출물에 에폭시 몰딩된 본 발명의 고정자 모듈을 나타내는 구성도,

도 10은 직선 이송시스템과 일체화 된 본 발명의 자속 역전 선형전동기에 대한 구성도,

도 11은 본 발명의 자속 역전 선형전동기에서, 초기 자극 검출을 위한 센서부를 나타내는 구성도,

도 12는 냉각 장치를 구비한 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 이동자 구성도,

도 13은 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 자속 역전 원리(치형에 2개의 영구자석 사용)를 설명하는 도면으로서, 이동자/고정자 상대 위치에 따른 각 상의 자속(Φ) 방향을 설명하는 도면,

도 14은 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 자속 역전 원리(치형에 1개의 영구자석 사용)를 설명하는 도면으로서, 이동자/고정자 상대 위치에 따른 각 상의 자속(Φ) 방향을 설명하는 도면,

도 15는 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 이동자 위치에 따른 상 권선의 자속쇄교량(λ)을 나타내는 파형도,

도 16은 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 각 상권선에 유기되는 역기전력(BEMF)을 나타내는 파형도,

도 17은 종래 영구자석 선형 동기전동기의 자속선도,

도 18은 종래 영구자석 선형 동기전동기의 디텐트력,

도 19는 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 자속선도,

도 20은 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 디텐트력,

도 21은 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 수직력,

도 22는 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 영구자석 개수에 따른 추력,

도 23은 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 영구자석 개수에 따른 수직력,

도 24는 종래의 자속 역전 회전형전동기의 구성도,

도 25는 1개의 치형에 1개의 영구자석을 사용하는 본 발명의 자속 역전 회전형전동기의 구성도,

도 26은 돌출 치형의 좌우에 동일 극성을 가지는 본 발명의 자속 역전 선형전동기의 구성도,

도 27은 회전자/고정자 치형수가 4/3인 본 발명의 자속 역전 회전형 전동기 구성도,

도 28은 고정자 치형에 1개의 영구자석을 사용하는 회전자/고정자 치형수가 4/3인 본 발명의 자속 역전 회전형 전동기의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

11 : 이동자철심의 치형 12 : 권선

13 : 영구자석 14 : 치형표면

15 : 에폭시수지 16 : 분할철심

18 : 이동자철심 18' : 볼트

19 : 고정자철심 20 : 고정자철심의 치형

21 : 알루미늄 압출물 22 : 직선 이송 테이블

23 : 베이스 24 : 리니어 가이드 레일

25 : 리니어 가이드 블록 26 : 포토마이크로센서 차광 기구물

27 : 포토마이크로센서 29 : 인가홀

30 : 차단판 31 : 이동자 압출물

32 : 히트파이프 33 : 알루미늄 흡열블록

34 : 냉각핀 36 : 회전자

37 : 권선 38 : 고정자

39 : 영구자석 40 : 외접 돌출 치형

42 : 내접 돌출 치형 43 : 돌출 철심 치형

44 : 권취공간 45 : 권선걸림단

46 : 철부 47 : 요부

100 : 이동자 200 : 고정자

본 발명은 자속 역전 전동기 및 이를 이용한 직선 이송 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 자속 역전 선형전동기 및 회전형 전동기와, 자속 역전 선형전동기를 이용한 직선 이송 시스템에 관한 것이다.

종래의 회전형전동기와 볼 스크류를 통한 직선 이송시스템의 경우 복잡한 구조와 진동/소음, 발진, 수명, 속도, 가감속 특성 및 정밀도의 문제가 발생하고 있으며, 고속화 고정밀화 되어가는 응용시스템에 적용하는데는 한계를 보이고 있다.

이러한 점을 감안한 대안으로 제시되어, 점차 응용 분야를 넓혀가고 있는 영구자석 선형 동기전동기의 경우는 이송 거리만큼 영구자석이 부착된 고정자가 요구되므로 대형화 추세에 있는 직선 이송시스템의 제조 원가 상승을 유발시키고 있으며, 또한 누설 자속이 주변에 미치는 악영향을 효과적으로 제거하기 어려운 구조를 가지고 있고, 단부 효과에 의한 추력의 리플로 인한 정밀 위치 제어 및 정속 운전에 문제가 발생할 수 있다.

첨부한 도 17은 종래 영구자석 선형 동기전동기의 자속 흐름을 나타내고 있으며, 도 17에 도시된 바와 같이 그 입구단(Entry end)과 출구단(Exit end)에서의 자계 불평형이 발생하고 있다.

이러한 단부의 영향으로 스큐를 적용하더라도, 디텐트력이 효과적으로 저감되기 어려우며, 첨부한 도 18은 단부의 영향으로 인해 스큐를 적용한 후에도 제거 되지 않고 남아 있는 τp 주기를 가지는 디텐트력을 보여주고 있다.

즉, 종래의 영구자석 선형 동기전동기의 경우는 이송 거리만큼 영구자석이 부착된 고정자를 필요로 하기 때문에 긴 이송 거리를 가지는 이송시스템과 대형화 추세에 있는 반도체, LCD 공정용 정밀 이송시스템에 적용하기에는 비용의 문제가 발생하고 있으며, 또한 특정 응용 시스템에 있어서는 고정자 누설 자속에 의한 자계가 주변에 미치는 영향으로 인해 영구자석 선형 동기전동기의 적용이 제한되고 있다.

종래의 자속 역전 회전형 전동기는 첨부한 도 24에 도시된 바와 같이, 영구자석의 배치가 N-S-S-N-N-S..의 형태이고, 권선의 방향도 이웃하는 권선간에는 반대방향으로 권선되는 방식으로 구성되어 있으며, 하나의 치형에 2개의 영구자석을 사용하는 형태를 취하고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 연구된 결과물로서,

ⅰ) 자속 역전 구동 방식을 이용한 선형전동기를 적용하여, 이동자를 철심, 권선, 영구자석으로 구성할 수 있고, 고정자는 치형이 있는 적층형 철심을 적용하여 이송 거리와는 관계 없이 이동자에만 영구자석을 부착하는 것이 가능하며, 종래 영구자석 선형 동기전동기의 고정자에서 발생하는 누설 자속에 의한 악영향을 제거할 수 있도록 한 점,

ⅱ) 이동자 철심 또는 고정자 철심에 효과적으로 스큐를 적용하여 디텐트력 을 저감할 수 있고, 전동기의 형태상 가동 영구 자석형에 해당하고 각각의 치형의 거리를 전기적으로 120°의 정수배 만큼 이격하여 이웃하는 영구자석간의 자계 간섭을 배제하면서, 종래의 철심형 영구자석 선형 동기전동기에서 추력 리플의 원인으로 작용하는 단부 효과를 효과적으로 저감할 수 있으므로 저소음/저진동, 정속, 정밀 운전이 가능한 점,

ⅲ) 종래의 자속 역전 구동 방식에서 제시하는 방식인 쌍으로 부착되는 영구자석의 N극 또는 S극 중 하나를 제거하고, 고정자 치형의 형상 설계를 통해 한 쌍의 영구자석을 사용할 때와 동일한 효과를 얻는 것이 가능하여, 종래의 자속 역전 회전형전동기 보다 영구자석 배치 구조와 권선을 간단하게 구성하면서 영구자석의 사용을 절반으로 저감할 수 있으며, 또한 동일한 구성 방식을 회전형전동기에 응용하면 종래의 자속 역전 회전형전동기 보다 영구자석을 절반으로 저감이 가능하여 제조원가의 절감이 가능한 점,

ⅳ) 영구자석과 권선을 이동자에 부착하는 것이 가능하게 되어 긴 이송 거리를 가지는 응용시스템에서 영구자석을 절감할 수 있는 점,

ⅴ) 본 발명의 선형전동기는 형태상 영구자석이 이동하는 가동 영구자석형 선형전동기 형태를 취하고 있어서 기존의 가동 코일형 선형전동기가 가지는 단부효과를 이동자 또는 고정자에 스큐를 적용하여 효과적으로 저감할 수 있으므로 추력의 리플을 크게 저감할 수 있는 점,

ⅵ) 아울러, 생산성 향상을 위해 이동자와 고정자 철심을 프로그레시브 금형을 이용하여 원하는 길이만큼 제작하는 것이 가능하여, 하나의 금형으로 여러 가지 형태의 이동자와 고정자 제작이 가능하고, 이동자 철심의 경우 분할 철심 구조를 사용하여 철심, 권선, 영구자석을 하나의 모듈로 제작한 후 조립하는 것이 가능하여, 권선의 점적율을 높임과 동시에 용이한 권선 구조를 제공할 수 있는 점,

등의 효과를 얻고자, 본 발명은 이동자 철심이 고정자 철심과의 상대적인 위치에 따라 이동자 철심 치형표면에 부착된 영구자석으로부터 발생한 자속의 흐름이 변화하는 원리를 이용한 자속 역전 방식을 적용한 선형전동기 및 회전형 전동기, 그리고 선형전동기를 이용한 직선 이송 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자속 역전 선형전동기는:

하단이 넓은 다수의 치형을 갖는 이동자 철심이 적층된 이동자와; 상기 이동자철심의 치형 사이공간에 관통 형성된 권선의 권취공간과; 상기 권취공간의 아래쪽과 일치되는 위치에 상기 치형과 일체로 형성된 권선 걸림단과; 상기 권취공간에 권취되는 권선과; 상기 치형 하단의 치형표면에 N-S-N-S... 형으로 부착되는 영구자석과; 상기 영구자석의 바로 아래에 배열되며, 요철 형상의 고정자 철심이 적층된 구조의 고정자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 직선 이송 시스템은:

베이스의 중앙부 요부에 에폭시 수지 등으로 일체화 된 고정자 철심과; 상기 베이스의 양단에 배치되는 리니어 가이드 레일과; 직선 이송 테이블과; 상기 직선 이송 테이블의 양단 저면에 일체로 형성되어 상기 리니어 가이드 레일에 직선 이송 가능하게 삽입되는 리니어 가이드 블럭과; 상기 직선이송 테이블의 중앙부 저면에 일체로 결합된 이동자 철심 또는 분할 철심과; 상기 베이스의 일측쪽에서 리니어 가이드 레일의 안쪽에 부착되는 포토마이크로센서 차광 기구물과; 상기 차광 기구물상에 배치되면서 상기 직선 이송 테이블에 통상의 연결기구로 장착되는 다수개의 포토마이크로센서; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자속 역전 회전형 전동기는:

8개의 외접 돌출 치형을 갖는 회전자와; 상기 회전자의 외주부에 배치되는 고정자와; 상기 고정자의 내주면에 일체로 형성된 6개의 내접 돌출 치형과; 각 내접 돌출 치형에 권취되는 권선과; 각 내접 돌출 치형의 치형표면중 한쪽 절반의 표면에 부착되는 1개의 영구자석을 포함하여 구성된다.

상기한 목적을 달성하기 위한 다른 형태의 자속 역전 회전형 전동기는:

4개의 외접 돌출 치형을 갖는 회전자와; 상기 회전자의 외주부에 배치되는 고정자와; 상기 고정자의 내주면에 일체로 형성된 3개의 내접 돌출 치형과; 각 내접 돌출 치형에 권취되는 권선과; 각 내접 돌출 치형의 치형표면에 부착되는 하나 또는 두 개의 영구자석을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 자속 역전 선형전동기에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기를 나타내는 구성도로 서, 이동자(100)는 치형(11)을 가지며 적층 구성되는 이동자철심(18)과, 이 이동자철심(18)의 치형표면(14)에 부착된 영구자석(13)과, 치형에 권취되어 있는 권선(12)으로 구성되고, 고정자(200)는 치형상을 가지는 고정자 철심(19)이 적층되어 구성된다.

보다 상세하게는, 상기 이동자(100)의 이동형 철심(18)은 하단이 넓은 다수의 치형을 가지며, 이 치형 사이공간은 권선의 권취공간(44)으로 형성되며, 또한 상기 권취공간(44)의 아래쪽과 일치되는 위치에는 권선걸림단(45)이 상기 치형과 일체로 형성된다.

상기 치형(11) 하단의 치형표면에는 각각 영구자석이 N-S-N-S... 형으로 부착되는 바, 상기 영구자석(13)은 하나의 치형표면(14)에 상하로 착자된 영구자석(13)이 부착되고, 이때 극간격을 τp라고 정의하면 각각의 치형은 2/3τp의 정수배 간격으로 배치되며, 3상을 구성하기 위해서는 3의 정수배만큼의 치형이 필요하게 된다.

상기 고정자(200)의 치형상은 2τp 간격으로 배치되어 구성된다.

이때, 도 1의 (a)는 치형표면(14)에 1개의 영구자석을 적용한 경우이고, (b)는 치형표면(14)에 2개의 영구자석을 적용한 경우를 나타낸다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기의 구성을 나타내는 바, 디텐트력 저감을 위해 상기 고정자(200)에 디텐트력 주기만큼의 스큐를 준 구조를 나타내며, 제작상의 편의를 위해 경우에 따라 이동자 철심에 스큐를 적용하는 것도 가능하다.

도 2에서 보듯이, 본 발명의 자속 역전 선형전동기는 다수의 이동자철심(18)이 적층된 상태에서 치형(11) 사이공간에 권선(12)이 권취되어 있고, 치형표면(14)의 일측쪽에 1개의 영구자석(13)이 부착되어 있으며, 그 아래쪽에는 적층된 고정자 철심(19)이 배치되어 있다.

첨부한 도 3은 본 발명에 따른 이동자 철심(18)을 나타내는 바, 이 이동자 철심(18)을 구성함에 있어서 일정 간격으로 동일한 형상이 반복되며 적층되는 이동자 철심(18)을 프로그레시브 금형(Progressive die)을 통해 제작하게 되며, 결국 원하는 개수만큼의 치형(11)을 가지는 이동자 철심(18)을 하나의 금형에 제작할 수 있게 된다.

이러한 이동자 철심(18)을 제작함에 있어서 일정 치형 개수를 가지는 철심을 하나의 금형으로 제작하는 것도 물론 가능하며, 도 3의 (a)는 치형(11)의 치형표면(14)에 1개의 영구자석을 부착할 수 있는 구조의 경우이고, (b)는 치형(11)의 치형표면(14)에 2개의 영구자석을 부착할 수 있는 구조를 나타낸다.

첨부한 도 4는 본 발명의 이동자를 구성하는 하나의 과정을 나타내는 도면으로서, 이동자 철심(18)의 치형(11) 사이공간 즉, 권선(12)이 권취되는 공간을 에폭시수지(15)로 몰딩하게 된다.

즉, 상기 이동자 철심(18)의 치형 사이공간에 에폭시수지(15)를 주입하여 몰딩함으로써, 이동자철심(18), 권선(12), 영구자석(13)이 에폭시 수지(15)에 의하여 하나로 몰딩되면서 견고하게 고정하는 구조로 제작된다.

이때, 상기 에폭시 수지(15)에 의한 몰딩은 이동자(100)의 형태에 국한되지 않고, 하나의 치형에 1개 또는 2개의 영구자석(13)을 사용하는 두 가지 형태 모두 가능하게 적용된다.

첨부한 도 5는 본 발명에 따른 이동자 철심을 하나의 치형 주기만큼을 금형에서 제작후, 서로 적층하여 이동자 철심(18)으로 제작한 형태로 나타낸다.

소정의 높이를 가지도록 적층한 치형 철심에 절연 처리후, 직접 권선(12)을 시행하고, 각 치형표면(14)에 영구자석(13)을 부착하여 각각의 분할 철심(16)으로 제작할 수 있다.

이때, 영구자석(13)은 착자되지 않은 상태에서 부착후에 착자를 하는 것도 가능하고, 착자된 상태의 영구자석(13)을 부착하는 것도 가능하며, 또한 상기 분할 철심(16)의 치형표면(14)에 1개의 영구자석(13)을 부착하는 경우 또는 2개의 영구자석(13)을 부착하는 것 모두 가능하다.

첨부한 도 6은 도 5에 도시된 분할 철심(16)을 다수의 분할 철심(16)으로 조합하여 이동자를 구현한 예를 나타낸다.

즉, 각각의 분할 철심(16)의 상면에 고정 기구물(17)을 안착시킨 다음, 고정 기구물(17)의 외부로부터 각 분할 철심(16)쪽으로 볼트(18')를 체결하여 고정하고, 전술한 바와 같이 필요에 따라서 이동자 구성 요소 즉, 분할 철심(16), 권선(12), 영구자석(13)들이 서로 결합 고정되도록 에폭시 수지(15)로 몰딩함으로써, 견고하게 고정된 구조의 이동자 구성이 가능하다.

이때, 상기 각각의 분할철심의 양단부에는 각각 요부(47) 및 철부(46)가 형성되어, 각 분할철심(16)이 요부(47) 및 철부(46)에 의하여 결합된다.

첨부한 도 7은 본 발명에 따른 고정자 철심(19)을 나타내는 바, 일정 간격으로 동일한 형상이 반복되는 고정자 철심을 프로그레시브 금형을 통해 제작하여 원하는 길이의 고정자 철심을 하나의 금형으로 제작한 것이다.

상기 고정자 철심을 제작함에 있어서 일정 길이의 고정자 철심을 금형으로 제작하는 것도 물론 가능하다.

첨부한 도 8은 본 발명에 따른 고정자 철심이 갖는 치형(20)의 또 다른 형태를 나타낸다.

도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 철심(19)의 치형(20)을 그 상단이 옆으로 돌출된 형상으로 형성함으로써, 이동자(100)의 영구자석(13)에서 나온 자속이 고정자 철심(19)의 치형(20) 옆으로 누설되는 것을 저감할 수 있다.

또는, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이, 상기 고정자 철심(19)의 치형(20)이 갖는 치폭 τw를 전술한 극간격 τp보다 크거나 작게 하여 추력을 증가시키고 추력 및 수직력의 리플을 저감할 수 있도록 한다.

첨부한 도 9는 본 발명에 따른 고정자 모듈의 구성을 나타낸다.

도 9에서 보는 바와 같이, 상기 고정자 철심(19)을 알루미늄 압출물(21)에 한꺼번에 넣어 배치한 다음, 이들을 에폭시 수지(15)로 몰딩하여 모듈화로 제작하는 것도 가능하다.

한편, 상기 이동자 철심의 구조에 대한 다른 구현예로서, 첨부한 도 26에 도시된 바와 같이, 이동자 철심(18)에 돌출 철심 치형(43)을 형성한 점에 특징이 있다.

즉, 상기 돌출 철심 치형(43)을 기준으로 좌우에 동일 극성의 영구자석(13)이 각각 하나씩 부착되는 구조를 가지게 되며, 이때 돌출 철심 치형(43)의 폭은 부착된 영구자석(13)과 동일한 폭으로 형성된다.

이에, 전술한 영구자석 저감 효과가 동일하게 적용되어, 3개의 영구자석이 아닌 2개의 영구자석만으로도 3개의 영구자석을 사용한 경우보다 추력은 증가하며 영구자석의 사용은 2/3로 저감하는 것이 가능하다.

또한, 자석 부착에 있어서도 돌출 철심 치형은 자석 부착의 기준점으로 사용이 가능하며, 돌출 철심 치형(43)의 좌우에 위치된 영구자석(13)이 모두 동일한 극성이므로, 영구자석(13)을 부착한 후에 영구자석을 착자하는 것도 가능하여 제작의 용이성을 제공할 수 있다.

여기서, 본 발명의 다른 실시예로서, 상기한 자속 역전 선형전동기를 직선 이송시스템에 적용한 것을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 10은 자속 역전 선형전동기를 직선 이송시스템에 적용한 실시예를 나타낸 것으로서, 이동자(100)를 직선 이송 테이블(22)에 부착하여 이동자(100)와 이송 테이블(22)을 일체화시키고, 고정자(200)도 이송시스템의 구성중 베이스(23)의 중앙부에 형성된 요부에 일체화시킴으로써, 이동자(100)와 고정자(200)를 모듈화하는 것이 가능하여, 전체 직선 이송 시스템의 구조를 간단하게 구성할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기를 이용한 직선 이송시스템은 상기 베이스(23)의 중앙부 요부에 에폭시 수지 등으로 일체화 된 고정자 철심(19)과, 상기 베이스(23)의 양단에 배치되는 리니어 가이드 레일(24)과, 상기 직선이송 테이 블(22)의 양단 저면에 일체로 형성되어 상기 리니어 가이드 레일(24)에 직선 이송 가능하게 삽입되는 리니어 가이드 블럭(25)과, 상기 직선이송 테이블(22)의 중앙부 저면에 일체로 결합된 이동자 철심 또는 분할 철심(16,18)을 포함하여 구성된다.

이때, 상기 베이스(23)의 일측쪽에서 리니어 가이드 레일(24)의 안쪽에는 포토마이크로센서 차광 기구물(26)이 부착되고, 이 차광 기구물(26)의 소정 위치에는 다수개의 포토마이크로센서(27)가 배치된다.

첨부한 도 11은 선형전동기의 초기 자극 위치 검출을 위한 센서 구성의 실시예를 도시하고 있다.

본 발명에 따른 선형전동기는 가동 영구자석의 형태이므로, 종래의 홀센서를 이용한 초기 자극 위치 검출이 곤란한 형태이다.

따라서, 본 발명에서는 초기 자극을 검출하기 위해 3개의 포토마이크로센서(27: a,b,c)를 선형전동기 진행 방향으로 2/3τp(전기적으로 120°의 정수배)간격으로 배치하고 포토마이크로센서(27)의 출력 신호를 인가(on) 또는 차단(off) 시키기 위하여 인가홀(29)과 차단판(30)이 교번으로 형성된 구조의 박판 차광 기구물(26)로 구성하여 선형전동기의 초기 자극 위치를 검출한다.

보다 상세하게는, 상기 포토마이크로센서(27)와 차광 기구물(26)은 상역기전력이 양의 값을 가지는 동안 온(on)되고 음의 값을 가지는 동안 오프(off)가 되도록 구성하며, 이때 상기 차광 기구물(26)은 경우에 따라 고정자 제작에 사용된 고정자 철심(19)을 그대로 사용하는 것이 가능하며, 이 차광 기구물(26)의 치형 돌출부 즉, 차단판(30)은 2τp 간격으로 선형전동기 이송거리 만큼 연속적으로 구비되 도록 구성된다.

이때, 상기 포토마이크로센서(27)의 장착 위치는 선형전동기 각상의 역기전력과 동상으로 온-오프(on-off)되도록 선형전동기 시스템의 이동부, 직선이송 테이블(22)에 기구적으로 일체가 되게 부착한다.

첨부한 도 12는 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기의 이동자 구성에 있어서 냉각장치를 구비한 형태를 도시하고 있다.

상기 냉각장치는 이동자 철심(18)에 권취된 각 권선(12) 사이에 배치된 알루미늄 흡열블록(33)과, 상기 이동자 철심(18)의 상부 및 양측부를 감싸며 배치되는 이동자 압출물(31)과, 상기 이동자 압출물(31)의 양측부에 관통 형성된 홀에 삽입되어 그 안쪽끝단이 상기 알루미늄 흡열블록(33)의 양측면에 체결 고정되는 히트파이프(32)를 포함하여 구성된다.

따라서, 각각의 권선(12) 사이에 위치한 알루미늄 흡열블록(33)을 통해 열이 흡수되고, 흡수된 열은 히트파이프(32)를 경유하여 알루미늄 냉각핀(34)을 가진 이동자 압출물(31)을 통하여 외부로 배출되어 효과적인 열방출 성능 즉, 냉각 성능을 발휘하게 된다.

첨부한 도 13은 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기의 동작을 설명하는 도면으로서, 2개의 영구자석을 사용한 경우에 대해 이동자와 고정자의 상대위치에 따른 자속의 흐름을 나타내고 있다.

도 13의 (a)는 이동자(100)의 정지상태를, 도 13의 (b)는 이동자(100)가 X축방향으로 2/3τp 이송된 상태를, 도 13의 (c)는 이동자(100)가 X축 방향으로 4/3τ p 이송된 상태에서 이동자와 고정자의 상대위치에 따른 자속의 흐름을 나타내고 있다.

첨부한 도 14는 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기의 동작을 설명하는 도면으로서, 1개의 영구자석을 사용한 경우에 대해 이동자와 고정자의 상대위치에 따른 자속의 흐름을 나타내고 있다.

도 14의 (a)는 이동자(100)의 정지상태를, 도 14의 (b)는 이동자(100)가 X축방향으로 2/3τp 이송된 상태를, 도 14의 (c)는 이동자(100)가 X축 방향으로 4/3τp 이송된 상태에서 이동자와 고정자의 상대위치에 따른 자속의 흐름을 나타내고 있다.

첨부한 도 15의 그래프는 이동자 혹은 고정자에 스큐를 적용한 후에 이동자와 고정자의 상대위치에 따른 쇄교자속량을 나타낸 것으로, 이 그래프에서 보듯이 종래의 전동기에서와 동일하게 스큐를 적용하면 정현파형의 쇄교자속량을 가지게 됨을 알 수 있다.

첨부한 도 16은 본 발명에서 제시하는 자속 역전 전동기의 이동자와 고정자 상대위치에 따른 상권선의 유기전압, 즉 도 15의 쇄교자속량의 미분으로 정의되는 유기전압 선도를 나타내고 있으며, 종래의 전동기와 동일하게 스큐를 적용한 경우에 대해 정현파형의 유기전압을 발생시키게 됨을 알 수 있다.

첨부한 도 19는 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기의 자속 흐름을 나타내고 있으며, 즉, 특정한 모델에 대해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 자속의 흐름을 나타내기 위한 예시이며, 도 17에 도시된 종래의 영구자석 선형 동기전동기의 자속선도 와 비교해보면, 입구단과 출구단의 자계 불평형 영향이 매우 낮음을 알 수 있다.

첨부한 도 20은 본 발명에 따른 자속 역전 선형 전동기의 디텐트력을 나타내는 바, 이 디텐트력 또한 앞서 언급한 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 특정 모델의 디텐트력 계산 결과에서 디텐트력의 크기값 표시를 하지 않고 상대적인 차이만을 도시한 것이다.

다시말해서, 도 20은 도 18에 나타나 있는 종래의 영구자석 동기 선형 전동기의 디텐력과의 비교를 위한 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 나타내고 있으며, 도 18에 도시된 종래의 영구자석 선형동기전동기의 디텐트력과 비교하면, 디텐트력의 주기만큼 스큐를 적용할 경우 효과적으로 디텐트력의 저감이 가능함을 알 수 있다.

첨부한 도 21은 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기의 이동자와 고정자 사이에서 발생하는 수직력을 나타낸 것으로, 이 수직력 결과 또한 앞서 언급한 특정한 모델에 대한 컴퓨터 시뮬레이션 결과로 스큐를 적용하면 수직력의 리플이 저감됨을 도식적으로 나타낸 결과이며, 스큐를 적용한 후에는 수직력의 리플 또한 저감되어 진동과 소음의 발생을 억제할 수 있음을 보여주고 있다.

첨부한 도 22 및 도 23은 본 발명에 따른 자속 역전 선형전동기에 1개의 영구자석을 적용한 경우의 추력과 수직력을 나타낸 것으로, 이 추력 및 수직력 또한 앞서 언급한 특정 모델에 대한 컴퓨터 시뮤레이션 결과로 동일한 치수조건에서 영구자석이 1개인 경우와 2개인 경우로 나누어서 스큐를 적용한 후의 추력과 수직력의 크기를 상대적으로 비교한 결과를 나타내고 있다.

즉, 도 22 및 도 23은 1개의 영구자석을 사용한 경우가 2개의 영구자석을 사 용한 경우와 거의 동일하거나 더 높은 추력을 보이는 동시에 수직력의 크기는 저감됨을 도시한 컴퓨터 시뮬레이션 결과로서, 전술한 고정자 치형 설계와 같은 형상 설계를 통해 영구자석 사용량을 절반으로 저감하더라도 추력은 오히려 증가하고 수직력은 감소함을 보여주고 있다.

여기서, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 자속 역전 회전형전동기에 대하여 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 25는 본 발명에 따른 자속 역전 회전형전동기의 구조를 나타내는 도면으로서, 8개의 외접 돌출 치형(40)을 갖는 회전자(24)와, 이 회전자의 외주부에 배치되는 고정자(38)와, 이 고정자(38)의 내주면에 일체로 형성된 6개의 내접 돌출 치형(42)과, 각 내접 돌출 치형(42)에 권취되는 권선(37)과, 각 내접 돌출 치형(42)의 치형표면중 한쪽 절반의 표면에 부착되는 영구자석(39)을 포함하여 구성된다.

종래의 자속 역전 회전형전동기(도 24 참조)에 비하여, 본 발명에 따른 자속 역전 회전형전동기는 영구자석의 사용을 절반으로 줄임과 동시에 그 제작을 용이하게 할 수 있는 점에 특징이 있다.

첨부한 도 27은 본 발명에 따른 자속 역전 회전형 전동기로서, N-S-N-S 방식의 영구자석 배치 방식을 적용한 실시예를 나타낸다.

종래의 3상 자속 역전 회전형 전동기의 회전자 치형 개수와 고정자 치형 개수의 최소 개수가 각각 8과 6이었으나, 본 발명에 따르면 자석 배치 방식을 N-S-N-S 방식으로 개선하여 회전자 치형 개수와 고정자 치형 개수를 각각 4와 3으로 줄일 수 있다.

즉, 상기 회전자(36)의 외접 돌출 치형(40)을 4개로 줄이고, 상기 고정자(38)의 내접 돌출 치형(42)을 3개로 줄일 수 있다.

보다 상세하게는, 도 27에 도시된 본 발명의 자속 역전 회전형 전동기는 4개의 외접 돌출 치형(40)을 갖는 회전자(24)와, 이 회전자의 외주부에 배치되는 고정자(38)와, 이 고정자(38)의 내주면에 일체로 형성된 3개의 내접 돌출 치형(42)과, 각 내접 돌출 치형(42)에 권취되는 권선(37)과, 각 내접 돌출 치형(42)의 치형표면에 절반씩 부착되는 한 쌍의 영구자석(39)을 포함하여 구성된다.

물론, 상기 회전자 및 고정자의 치형 개수가 4/3인 자속 역전 회전형 전동기의 경우, 회전자와 고정자의 치형 개수가 4개 및 3개인 경우가 바람직하지만, 그의 정수배인 8/6, 12/9 ..등의 조합도 가능함은 물론이다.

이와 같이, 자석 배치 방식을 N-S-N-S 방식으로 개선하여 회전자 치형 개수와 고정자 치형 개수를 각각 4와 3으로 줄여줌에 따라, 고속 회전시에 드라이브의 스위칭 부담을 절반으로 줄임과 동시에 구동 주파수 저감에 따른 철심에서의 철손을 크게 저감할 수 있다.

첨부한 도 28은 도 27에 도시된 실시예와 달리, 상기 고정자(38)의 내접 돌출 치형(42)의 치형표면중 한쪽 절반의 표면에만 1개의 영구자석(39)이 부착될 수 있으며, 이는 그 제작의 용이성을 제공할 수 있게 한다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 자속 역전 전동기 및 이를 이용한 직선 이송 시스템은 다음과 같은 효과를 제공한다.

1) 자속 역전 구동 방식을 이용한 선형전동기를 적용하여, 이동자를 철심, 권선, 영구자석으로 구성할 수 있고, 고정자는 치형이 있는 적층형 철심을 적용하여 이송 거리와는 관계 없이 이동자에만 영구자석을 부착하는 것이 가능하며, 종래 영구자석 선형 동기전동기의 고정자에서 발생하는 누설 자속에 의한 악영향을 제거할 수 있다.

2) 이동자 철심 또는 고정자 철심에 효과적으로 스큐를 적용하여 디텐트력을 저감할 수 있고, 전동기의 형태상 가동 영구 자석형에 해당하고 각각의 치형의 거리를 전기적으로 120°의 정수배 만큼 이격하여 이웃하는 영구자석간의 자계 간섭을 배제하면서, 종래의 철심형 영구자석 선형 동기전동기에서 추력 리플의 원인으로 작용하는 단부 효과를 효과적으로 저감할 수 있으므로 저소음/저진동, 정속, 정밀 운전이 가능한 장점이 있다.

3) 종래의 자속 역전 구동 방식에서 제시하는 방식인 쌍으로 부착되는 영구자석의 N극 또는 S극 중 하나를 제거하고, 고정자 치형의 형상 설계를 통해 한 쌍의 영구자석을 사용할 때와 동일한 효과를 얻는 것이 가능하여, 종래의 자속 역전 회전형전동기 보다 영구자석 배치 구조와 권선을 간단하게 구성하면서 영구자석의 사용을 절반으로 저감할 수 있으며, 또한 동일한 구성 방식을 회전형전동기에 응용하면 종래의 자속 역전 회전형전동기 보다 영구자석을 절반으로 저감이 가능하여 제조원가의 절감이 가능한 장점이 있다.

4) 영구자석과 권선을 이동자에 부착하는 것이 가능하게 되어 긴 이송 거리를 가지는 응용시스템에서 영구자석을 절감할 수 있다.

5) 본 발명의 선형전동기는 형태상 영구자석이 이동하는 가동 영구자석형 선형전동기 형태를 취하고 있어서 기존의 가동 코일형 선형전동기가 가지는 단부효과를 이동자 또는 고정자에 스큐를 적용하여 효과적으로 저감할 수 있으므로 추력의 리플을 크게 저감할 수 있다.

6) 생산성 향상을 위해 이동자와 고정자 철심을 프로그레시브 금형을 이용하여 원하는 길이만큼 제작하는 것이 가능하여, 하나의 금형으로 여러 가지 형태의 이동자와 고정자 제작이 가능하고, 이동자 철심의 경우 분할 철심 구조를 사용하여 철심, 권선, 영구자석을 하나의 모듈로 제작한 후 조립하는 것이 가능하여, 권선의 점적율을 높임과 동시에 용이한 권선 구조를 제공할 수 있다.

Claims (18)

1. 자속 역전 전동기에 있어서,

   하단이 넓은 다수의 치형을 갖는 이동자 철심이 적층된 이동자와;

   상기 이동자철심의 치형 사이공간에 관통 형성된 권선의 권취공간과;

   상기 권취공간의 아래쪽과 일치되는 위치에 상기 치형과 일체로 형성된 권선 걸림단과;

   상기 권취공간에 권취되는 권선과;

   상기 치형 하단의 치형표면에 N-S-N-S... 형으로 부착되는 영구자석과;

   상기 영구자석의 바로 아래에 배열되며, 요철 형상의 고정자 철심이 적층된 구조의 고정자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 이동자의 치형표면중 한쪽 절반 표면에 1개의 영구자석이 부착되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 이동자의 치형표면중 절반의 표면에 각 1개씩 한 쌍의 영구자석이 부착 되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 영구자석의 극간격이 τp이면, 상기 이동자 철심의 각 치형은 2/3τp의 정수배 간격으로 배치되고, 상기 고정자의 치형상은 2τp 간격으로 배치되어 형성되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자에 디텐트력 주기만큼의 스큐를 형성한 구조를 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 이동자 철심을 구성함에 있어서, 일정 간격으로 동일한 형상이 반복되며 적층되는 이동자 철심은 하나의 프로그레시브 금형(Progressive die)을 이용하여 원하는 개수만큼의 치형을 가지는 형상으로 제작된 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 이동자는:

   요부 및 철부를 각각 양측단부에 갖는 분할철심과;

   각각의 분할 철심의 상면에 안착되는 고정 기구물과;

   상기 고정 기구물의 외부로부터 각 분할 철심쪽으로 체결된 볼트와;

   상기 분할철심의 치형 사이공간에 관통 형성되는 권선의 권취공간과;

   상기 권취공간에 권취되는 권선과;

   상기 분할철심의 치형 하단의 치형표면에 부착되는 영구자석을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
8. 청구항 1 또는 청구항 7에 있어서,

   상기 이동자의 치형 사이 공간을 이루는 권취공간에 에폭시 수지가 충진되는 몰딩을 실시하여, 상기 권선과 영구자석들이 철심에 일체가 되며 결합 고정되는 것을특징으로 하는 자속 역전 전동기.
9. 청구항 1에 있어서, 상기 고정자의 고정자철심을 구성함에 있어서, 일정 간격으로 동일한 형상이 반복되어 적층되는 다수의 고정자 철심이 하나의 프로그레시브 금형을 통해 원하는 길이로 제작되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
10. 청구항 1 또는 청구항 9에 있어서, 상기 영구자석에서 나온 자속이 고정자 철심의 치형 옆으로 누설되는 것을 저감할 수 있도록 상기 고정자 철심의 치형의 상단이 옆으로 돌출된 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
11. 삭제
12. 청구항 1 또는 청구항 9에 있어서, 상기 고정자 철심을 알루미늄 압출물에 한꺼번에 넣어 배치한 다음, 이들을 에폭시 수지로 몰딩하여 모듈화시킨 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
13. 청구항 1에 있어서, 상기 이동자 철심의 각 치형의 하단에 돌출 철심 치형이 돌출 형성되고, 이 돌출 철심 치형을 기준으로 좌우에 동일 극성의 영구자석이 각각 하나씩 부착되며, 상기 돌출 철심 치형과 영구자석은 동일한 폭으로 형성된 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
14. 청구항 1에 있어서,

    상기 이동자 철심에 권취된 각 권선 사이에 배치된 알루미늄 흡열블록과;

    상기 이동자 철심의 상부 및 양측부를 감싸며 배치되는 이동자 압출물과;

    상기 이동자 압출물의 양측부에 관통 형성된 홀에 삽입되어 그 안쪽끝단이 상기 알루미늄 흡열블록의 양측면에 체결 고정되는 히트파이프로 이루어진 냉각장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
15. 베이스의 중앙부 요부에 에폭시 수지 등으로 일체화 된 고정자 철심과;

    상기 베이스의 양단에 배치되는 리니어 가이드 레일과;

    직선 이송 테이블과;

    상기 직선 이송 테이블의 양단 저면에 일체로 형성되어 상기 리니어 가이드 레일에 직선 이송 가능하게 삽입되는 리니어 가이드 블럭과;

    상기 직선이송 테이블의 중앙부 저면에 일체로 결합된 이동자 철심 또는 분할 철심과;

    상기 베이스의 일측쪽에서 리니어 가이드 레일의 안쪽에 부착되는 포토마이크로센서 차광 기구물과;

    상기 차광 기구물상에 배치되면서 상기 직선 이송 테이블에 통상의 연결기구로 장착되는 다수개의 포토마이크로센서;

    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기를 이용한 직선 이 송 시스템.
16. 청구항 15에 있어서, 상기 포토마이크로센서는 3개가 선형전동기 진행 방향으로 2/3τp간격으로 배치되고, 이 포토마이크로센서의 출력 신호를 인가(on) 또는 차단(off) 시키기 위하여 박판 구조를 갖는 상기 차광 기구물에는 인가홀과 차단판이 교번으로 2τp 간격을 이루며 선형전동기 이송거리 만큼 연속적으로 구비 형성된 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기를 이용한 직선 이송 시스템.
17. 자속 역전 회전형 전동기에 있어서,

    8개의 외접 돌출 치형을 갖는 회전자와;

    상기 회전자의 외주부에 배치되는 고정자와;

    상기 고정자의 내주면에 일체로 형성된 6개의 내접 돌출 치형과;

    각 내접 돌출 치형에 권취되는 권선과;

    각 내접 돌출 치형의 치형표면중 한쪽 절반의 표면에 부착되는 1개의 영구자석을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자속 역전 회전형 전동기.
18. 자속 역전 회전형 전동기에 있어서,

    4개의 외접 돌출 치형을 갖는 회전자와;

    상기 회전자의 외주부에 배치되는 고정자와;

    상기 고정자의 내주면에 일체로 형성된 3개의 내접 돌출 치형과;

    각 내접 돌출 치형에 권취되는 권선과;

    각 내접 돌출 치형의 치형표면에 부착되는 1개 또는 2개의 영구자석을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 자속 역전 회전형 전동기.

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