KR100892217B1 - 리니어모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어모터에 관한 것으로, 다른 극성의 영구자석을 직선형태로 나란히 배치한 고정자와, 영구자석을 대향하여 구성된 가동자로 구성되어 있는 리니어모터에 있어서, 가동자 철심의 길이방향 중간에 코일이 권선되지 않는 보조톱니가 형성되며 철심의 양끝단에 위치한 1쌍의 톱니의 길이가 다른 부분에서의 톱니의 길이보다 길게 형성하여, 코깅력이 작은 리니어모터를 제공한다.

리니어모터, 톱니, 가동자, 고정자, 코깅, 단부효과

Description

리니어모터{Linear motor}

도 1은 종래의 리니어모터의 구조를 나타내는 도면

도 2는 단부 효과를 제거하기 위한 종래의 리니어모터를 나타내는 도면

도 3은, 본 발명에 따른 리니어 모터를 나타내는 도면

도 4는 코일의 권선 방향을 나타내는 도면

도 5는 리니어모터의 가동자 철심 단부에 위치한 톱니 1쌍의 길이(Tv1)와 나머지 톱니의 길이(Tv2)가 상이함을 나타내는 도면

도 6은 보조톱니 유/무에 따른 코깅력을 나타내는 그래프

도 7은 가동자 철심 단부에 위치한 톱니 1쌍의 길이에 따른 코깅력 및 정격추력을 나타내는 그래프

본 발명은 리니어모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 코깅력과 단부에서 발생되는 추력 변동률이 최소가 되도록 하는 리니어 모터에 관한 것이다.

리니어모터는 가동자 코일에 통전시 왕복운동을 내는 추력을 얻을 수 있어서, 고정자에 대해 가동자가 왕복 직선 운동을 하는 것으로, 그 구성은 하기의 도 1을 참조하여 살펴본다.

도 1은 종래의 리니어모터의 구조를 나타내는 도면으로, 동일한 피치(Tw)를 가지는 톱니(12)형의 가동자 철심(16)과 상기한 가동자 철심(16)의 톱니(12)를 감고 있는 복수의 코일(18)로 구성된 가동자(10)와, 일정한 폭(Pw)을 갖고 인접하는 것끼리 상호 반대 극성을 가지고 가동자(10)의 진행방향과 직선으로 배치되는 영구자석(22)과 상기한 영구자석(22)을 일정한 피치(Pm)로 배열 고정하는 요크(24)를 포함하는 고정자(20)로 구성된다.

한편, 상기한 구성에서 코일(18)의 권선 방향은 시계 방향 혹은 시계 반대 방향으로 하여, 다수의 코일(18) 모두 동일한 방향으로 권선하고, 미설명부호 Th는 톱니(12)의 폭을 나타내고, Tv는 톱니(12)의 길이를 나타낸다.

하지만, 이러한 형태의 리니어 모터는 고정자(20)의 영구자석(22)과 톱니(12) 사이에 발생하는 인력 및 가동자(10)의 양 끝단에서 발생하는 단부 효과로 인해 코깅력(Cogging Torque)이 발생하게 된다.

도 2는 상기한 단부 효과를 제거하기 위한 리니어모터를 나타내는 도면으로, 가동자(10) 양 종단에 코일(18)이 권선되지 않은 보조 톱니(14a)를 설치하고, 보조 톱니(14a)의 중심 간의 거리(τPO)를 톱니 피치(Tw)의 홀수 배로 한 것이나, 이러한 보조 톱니(14a)를 설치한 경우 보조톱니(14a)의 중심간 거리를 규정하고 있어서 리니어모터의 용도에 따라 고성능화를 꾀하려고 하면 반대로 설계의 자유도가 줄어들기 때문에 코깅력과 정격 추력을 줄일 수 없어 리니어모터의 고성능화에 지장을 초래한다는 문제가 있었다.

그리고 코깅력을 줄이기 위한 방법으로 대한민국 특허공개 10-2005-0021891호에서는 가동자 종단에 구멍을 뚫어서 자성체를 삽입한 기술이 공개되어 있고, 특허공개 10-2003-0066321호에서는 가동자 양단에 다른 톱니에 비하여 길이와 폭을 다르게 제한한 보조톱니를 설치하고 보조톱니의 중심간 거리를 제한한 구성이 공개되어 있다.

그러나 상기한 가동자 종단에 자성체를 삽입하는 기술은 자성체의 치수 등을 정밀하게 제어하는 데 문제가 있어서 코깅력을 완벽하게 제어할 수 없고, 치수를 조절한 보조 톱니를 설치한 경우에도 중심간 거리가 제한되어 설계에 문제가 발생 된다.

한편, 상기한 단부효과 및 코깅력을 감소시키기 위한 다른 기술로는 고정자에 부착한 영구자석에 스큐각을 주는 방안이 있으나, 이러한 방법은 가동자 양 끝단에 발생하는 단부효과를 제거할 수 없는 한계가 있다. 또한, 가동자 코일에 통전시 톱니의 끝단에 발생하는 자속의 밀도와 나머지 부분에서 발생하는 자속 밀도의 불균형으로 인해, 단부효과는 더욱 심화되어 리니어모터의 추력 변동률을 증가시키게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단부효과에 의한 코깅력을 줄이고, 전류 인가시 자속 밀도가 균일하게 분포되도록 하여 추력변동률이 적은 리니어모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 가동자 철심의 중앙에 코일이 권선되지 않는 보조 톱니를 형성하고, 양 단부에 위치되는 1쌍의 톱니는 다른 톱니에 비하여 길이가 길게 형성되도록 한 리니어모터를 제공하여, 코깅력과 정격추력 변동율을 대폭 감소시키는 것이다.

이하 본 발명의 실시예를 하기에서 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은, 본 발명에 따른 리니어 모터를 나타내는 도면이고, 도 4는 코일의 권선 방향을 나타내는 도면이다.

본 발명에 따른 리니어 모터는 도 3에 나타내는 바와 같이 동일한 피치(Pm)로 영구자석(32)이 설치된 요크(34)로 구성된 고정자(30)와, 동일한 피치(Tw)를 갖는 톱니(42)가 일렬로 배치된 가동자 철심(44)에 코일(46)을 권선한 가동자(40)로 구성하되, 상기한 가동자(40)는 왕복운동 방향의 가동자 철심(44) 중앙에 영구자석(32) 피치(Pm)의 정수 배인 m×Pm 피치의 보조 톱니(50)를 한 개 형성하고, 그 보조 톱니(50)의 길이(Sh)는 다른 톱니(42)의 길이(Tv)보다 작게 형성하며, 상기한 보조 톱니(50)에는 코일을 권선하지 않는다.

상기한 구성에서 0 < m (정수 m=1,2,3....)로서, m이 짝수인 경우 복수의 코일(46) 모두 시계 방향, 혹은 시계 반대 방향으로 하여 동일한 방향으로 권선하고, m이 홀수인 경우에는 보조 톱니(50) 기준 좌우 방향으로 전기각이 180° 딜레이 혹은 리드 되기 때문에, 도 4와 같이 보조 톱니(50) 기준 좌측에서의 전류 인가 방향 과 보조톱니(50) 기준 우측에서의 전류 인가 방향이 역상이되도록 권선 방향을 달리하거나, 보조톱니(50) 좌우측에서의 권선 방향을 동일하게 하되 코일 결선 작업과정에서 보조톱니(50) 좌측에서의 코일의 전류 입력단 및 출력단과 보조톱니(50) 우측에서의 코일의 전류 입력단 및 출력단이 서로 반대가 되도록 한다.

도 5는 리니어모터의 가동자 철심(44) 단부에 위치한 톱니(42a) 1쌍의 길이 Tv1과 나머지 톱니(42)의 길이 Tv2가 상이함을 도시한 것이다.

상기한 리니어모터는 가동자 철심(44) 단부에 위치한 1쌍의 톱니(42a)의 길이(Tv1)가 그 내측에 위치한 나머지 톱니(42)의 길이(Tv2)보다 길게 형성된다.

그리고 도시하지는 않았지만 상기한 단부에 위치한 1쌍의 톱니(42a) 및 나머지 톱니(42)에는 코일(46)이 상기한 바와 같이 권선되며, 중앙에 보조톱니(50)가 위치할 경우 보조톱니(50)에는 코일(46)이 권선 되지 않는다.

상기한 바와 같은 리니어모터의 효과를 하기에서 실시예를 참고하여 살펴본다.

실시예

모터의 전류 입력단이 U-V-W 3상으로 구성될 경우, 가동자 철심 중앙에 보조톱니를 설정하기 위해서 코일의 개수는 6의 배수가 되도록 하고 보조 톱니 양측의 전류인가방향이 역상이 되도록 하여 유한요소법을 사용한 결과를 도 6에 나타낸다.

도 6의 점선(1)은 보조톱니를 형성하지 않은 경우 발생되는 코깅력을 나타내며, 도 6의 실선(2)은 보조톱니를 형성할 경우 발생되는 코깅력을 나타내는 것으 로, 보조톱니를 형성한 경우 코깅력이 크게 감소됨을 알 수 있다.

그러나 상기의 발명에 있어서 리니어모터 코일의 통전량이 크게 증가할 경우, 자기회로의 단절로 인해 철심 양 끝단에서의 자속밀도는 해당되는 상의 나머지 부분에서의 자속밀도보다 작게 되어, 코깅력 증가를 피할 수 없다. 자속밀도의 불균형을 보상하기 위해, 도 5에 나타내는 바와 같이 가동자 철심 단부에 위치한 톱니의 길이를 증가시켜서 해당부위의 영구자석과의 공극을 줄이면 철심 양단에서의 자속 공급이 증가되어 철심의 단부에서 발생되는 자속밀도 불균형을 감소시킬 수 있다.

따라서, 본 발명을 통해 제시한 보조톱니를 적용하고, 철심 단부에서 톱니의 길이를 조절하게 되면, 코깅력 감소의 효과가 증대되며, 그 실시예를 도 7에서 살펴본다.

도 7은 리니어모터의 코일에 연속전류를 인가시킬 경우 발생되는 정격추력과 코깅력의 합을 나타낸 것이다. 도 7의 점선(1)은 복수의 톱니길이가 모두 같을 경우의 코깅력과 정격추력의 해석 결과를 나타낸 것이며, 도 7의 실선(2)은 모터 단부에 위치한 2개의 톱니의 길이가 나머지 톱니의 길이보다 큰 경우, 코깅력과 정격추력의 합을 나타낸 것으로, 모터 단부에 위치한 톱니의 길이가 나머지 톱니의 길이보다 길 경우 코깅력과 정격추력이 감소됨을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 의하면 가동자 철심의 단부에서 톱니와 영구자석 사이의 간격이 좁아지면서 전류 인가시 자속 밀도가 균일하게 분포되도록 하여 추력변동률을 감소시키고, 가동자 철심 중앙에 형성된 보조톱니에 의하여 단부효과에 의한 코깅력을 줄일 수 있는 효과가 있다.

따라서, 리니어모터의 동작 정밀성을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

Claims (3)

1. 일정한 피치(Pm)로 영구자석(32)이 설치된 요크(34)로 구성된 고정자(30)와, 동일한 피치(Tw)를 갖는 톱니(42)가 일렬로 배치된 가동자 철심(44)에 코일(46)을 권선한 가동자(40)로 구성되는 리니어 모터에 있어서,

   상기한 가동자(40)에는 왕복운동 방향의 가동자 철심(44) 중앙에 영구자석(32) 피치(Pm)의 정수배인 m×Pm 피치의 보조 톱니(50)를 한 개 형성하고, 그 보조 톱니(50)의 길이(Sh)는 다른 톱니의 길이(Tv)보다 작게 형성하며, 상기한 구성에서 0 < m (정수 m=1,2,3....)인 것을 특징으로 하는 리니어모터.
2. 일정한 피치(Pm)로 영구자석(32)이 설치된 요크(34)로 구성된 고정자(30)와, 동일한 피치(Tw)를 갖는 톱니(42)가 일렬로 배치된 가동자 철심(44)에 코일(46)을 권선한 가동자(40)로 구성되는 리니어 모터에 있어서,

   상기한 가동자 철심의 양단부에 위치한 톱니 1쌍의 길이(Tv1)가 나머지 톱니의 길이(Tv2)보다 긴 것을 특징으로 하는 리니어모터.
3. 일정한 피치(Pm)로 영구자석(32)이 설치된 요크(34)로 구성된 고정자(30)와, 동일한 피치(Tw)를 갖는 톱니(42)가 일렬로 배치된 가동자 철심(44)에 코일(46)을 권선한 가동자(40)로 구성되는 리니어 모터에 있어서,

   상기한 가동자(40)에는 왕복운동 방향의 가동자 철심(44) 중앙에 영구자석(32) 피치(Pm)의 정수배인 m×Pm 피치의 보조 톱니(50)를 한 개 형성하고, 그 보조 톱니(50)의 길이(Sh)는 다른 톱니의 길이(Tv)보다 작게 형성하며, 상기한 구성에서 0 < m (정수 m=1,2,3....)이며,

   가동자 철심(44)의 양종단에 위치되는 톱니(42a) 1쌍의 길이(Tv1)가 나머지 톱니의 길이(Tv2)보다 긴 것을 특징으로 하는 리니어모터.

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