KR100932687B1 - 고 토크밀도 하이브리드 스테핑 모터 - Google Patents

고 토크밀도 하이브리드 스테핑 모터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드 스테핑 모터에 관한 것이다. 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터는, 외주에 다수의 회전자 치를 각각 가지는 제1 회전자 요크 및 제2 회전자 요크; 제1 및 제2 회전자 요크 사이에 위치하여 제1 및 제2 회전자 요크를 동일 축 상에 지지하며 축 방향으로 자화된 적어도 하나의 영구자석을 포함하는 회전축; 그리고 코어부와 코어부에 감긴 코일과 코어부의 양단에서 축에 평행하게 연장되어 있는 복수개의 고정자 치를 각각 가지며, 고정자 치의 반경방향 내면과 회전자 치의 반경방향 끝면 사이에 일정 공극이 유지되도록 회전축 둘레에 등간격으로 배치된 복수개의 고정자 요크를 포함하며, 코일들 중 서로 대향하는 한 쌍의 코일에는 양의 전류가 나머지 코일에는 음의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가되는 것을 특징으로 한다. 상기 구성에 의하면, 모터 작동시 유휴 코일이 없고 전자석의 자속밀도가 증가되어 효율과 토크밀도가 높다.
하이브리드 스테핑 모터, 토크밀도, 요크, 고정자 치, 회전차 치,

Description

고 토크밀도 하이브리드 스테핑 모터{HYBRID STEPPING MOTOR HAVING HIGH TORQUE DENSITY}
본 발명은 코어의 형상과 권선 구조가 개선된 하이브리드 스테핑 모터에 관한 것이다.
최근들어 영구자석을 내장한 하이브리드 스테핑 모터가 다양하게 연구 및 개발되고 있다. 이러한 하이브리드 스테핑 모터는 일반적인 스테핑 모터에 비해 동일한 토크를 발생하는데 거의 절반의 전력이 소모되는 장점을 가진다.
도 1은 종래기술의 하이브리드 스테핑 모터의 일 예로서 공개특허 제1998-046512호에 개시된 하이브리드 스테핑 모터를 단면도로 도시한다. 도 1을 참조하면, 종래기술의 하이브리드 스테핑 모터(1)에서는 고정자 케이싱(14)의 양단부에 배치된 한 쌍의 베어링(2, 3) 상에 회전축(10)이 회전가능하게 지지되어 있다. 고정자 케이싱(14) 내에는 축방향을 따라 링형상의 자석판(30)을 사이에 장착한 링형상의 제1 및 제2 고정자 요크(16, 16A)가 배치된다. 제1 및 제2 고정자 요크(16, 16A)의 내주를 따라서 1차 및 2차 코일 설치부(20a, 21a)가 각각 형성되어 있으며, 이 코일 설치부(20a, 21a)에 1차 및 2차 코일(22, 23)이 각각 설치되어 있다. 따 라서, 제1 고정자 요크(16)에 2개의 코어가 형성되고 제2 고정자 요크(16A)에 2개의 코어가 형성된다. 각 코어의 표면 상에는 복수개의 고정자 치(17, 17a)가 형성되어 있다. 제1 및 제2 고정자 요크(16, 16A)의 4개의 코어 표면에 형성된 고정자 치(17, 17a)들은 90°위상차로 각각 1/4치 만큼 어긋나 있다. 회전자 요크(19)는 회전축(10) 상에 고정자 요크(16, 16A)에 대응하도록 설치되어 있다. 회전자 요크(19)의 외주에는 복수개의 회전자 치(19a)가 형성되어 있다.
이러한 구성의 종래기술의 하이브리드 스테핑 모터(1)에서는 1차 및 2차 코일(22, 23)에 교대로 인가되는 전류에 의한 자속과 링형상 자석(30)에 의해 생성되는 자속의 중첩 및 상쇄에 의해 4개의 코어에 순차적으로 자속이 집중되어 회전자 요크(19)의 회전이 지속된다.
그러나, 상술한 종래기술의 하이브리드 스테핑 모터(1)에서는 고정자 요크(16, 16A)의 4개의 코어 중 단지 하나만이 토크 발생에 기여한다. 즉, 1차 코일(22)에 전류가 인가될 때 2차 코일(23)에는 전류가 인가되지 않는다. 그러면, 전류가 인가되지 않는 제2 고정자 요크(16A) 측의 공극을 통해 링형상 자석판(30)에 의한 편향자속(bias flux)이 흐르는데, 이러한 편향자속은 제2 고정자 요크(16A)의 2개의 코어 중 회전자 요크(19)의 회전자 치(19a)의 어긋남이 작은 치를 통해서 특히 많이 흐르게 된다. 이로 인해 종래기술의 하이브리드 스테핑 모터(1)에서는 회전자 요크(19)의 회전방향의 역방향으로 토크가 발생되어 하이브리드 스테핑 모터(1)의 효율이 저감되는 문제점이 있다. 또한, 회전자 요크(19)의 바깥쪽에 고정자 요크(16, 16A)의 코일 설치부(20a, 21a)와 코일(22, 23)이 위치하기 때 문에, 정해진 하이브리드 스테핑 모터(1)의 직경에 대하여 회전자 요크(19)의 직경을 증가시키는 데 한계가 있는 문제점도 있다.
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 발생 토크가 크고 토크밀도가 높은 하이브리드 스테핑 모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공극에서 영구자석에 의한 편향자속과 코어 및 코일에 의한 자속이 그 방향에 따라 가감되도록 구성되어 원하는 코어에 자속이 집중되도록 구성된 하이브리드 스테핑 모터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 간단한 구조로 구성되고 모터의 직경 대비 회전자의 직경을 크게할 수 있으며 공간효율이 높은 하이브리드 스테핑 모터를 제공하는 것이다.
위와 같은 목적 및 그 밖의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터는, 외주에 다수의 회전자 치를 각각 가지는 제1 회전자 요크 및 제2 회전자 요크; 제1 및 제2 회전자 요크 사이에 위치하고 제1 및 제2 회전자 요크를 동일 축 상에 지지하며 축 방향으로 자화된 적어도 하나의 영구자석을 포함하는 회전축; 그리고 코어부와 코어부에 감긴 코일과 코어부의 양단부에서 축에 평행하게 연장되어 있는 복수개의 고정자 치를 각각 가지며, 고정자 치의 반경방향 내 면과 회전자 치의 반경방향 끝면 사이에 일정 공극이 유지되도록 회전축 둘레에 등간격으로 배치된 복수개의 고정자 요크를 포함하며, 코일들 중 서로 대향하는 한 쌍의 코일에는 양의 전류가, 나머지 코일에는 음의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가되는 것을 특징으로 한다.
코어부는 축에 평행하게 배향되고 상기 제1 회전자 요크와 상기 제2 회전자 요크 사이에서 회전자 치들의 끝면의 반경반향 내측에 위치할 수 있다.
또한, 코어부는 축에 수직하게 배향되고 제1 회전자 요크와 제2 회전자 요크 사이에 위치할 수 있다.
회전축의 일단부는 축 방향으로 자화된 제1 영구자석으로 구성되고, 회전축의 타단부는 축 방향으로 자화된 제2 영구자석으로 구성되며, 제1 영구자석 및 제2 영구자석은 동일한 극이 대향하도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명은, 외주에 다수의 회전자 치를 각각 가지는 제1 회전자 요크 및 제2 회전자 요크; 제1 및 제2 회전자 요크 사이에 위치하고 제1 및 제2 회전자 요크를 동일 축 상에 지지하는 회전축; 축에 수직하게 배향된 코어부와 코어부에 감긴 코일과 코어부의 양단부에서 축에 평행하게 연장되어 있는 복수개의 고정자 치를 각각 가지며, 고정자 치의 반경방향 내면과 회전자 치의 반경방향 끝면 사이에 일정 공극이 유지되도록 회전축 둘레에 등간격으로 배치된 복수개의 고정자 요크; 그리고 코어부들의 반경방향 말단부에 걸쳐서 부착되고 회전축이 통과하는 적어도 하나의 링형상 영구자석을 포함하며, 코일들 중 서로 대향하는 한 쌍의 코일에는 양의 전류가, 나머지 코일에는 음의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 스테핑 모터를 제공한다.
이 경우, 축 방향으로 자화된 링형상의 제1 영구자석 및 제2 영구자석이 구비될 수 있고, 제1 영구자석 및 제2 영구자석은 동일한 극이 대향하도록 배치될 수 있다.
4개 또는 6개의 고정자 요크가 상기 하이브리드 스테핑 모터에 구비될 수 있다.
본 발명의 하이브리드 스테핑 모터에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
첫째, 모든 코일에 동일한 크기의 전류가 인가되므로, 고정자 요크가 구성하는 전자석의 자속밀도를 높일 수 있고 유휴 코일이 없어 효율이 향상된다.
둘째, 모든 코일에 항상 양 또는 음의 전류가 인가되므로, 전류가 분산되어 발열이 적고 자속 효율이 높다.
셋째, 하나의 코일 또는 상에 양의 전류가 나머지 코일 또는 나머지 상에 음의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가되므로, 영구자석에 의한 편향자속과 전류 인가에 의한 자속이 가감 또는 상쇄될 수 있다. 따라서, 어느 하나의 코일 또는 상에서는 자속밀도가 최대로 되면서 나머지 코일 또는 상에서는 자속밀도가 0으로 될 수 있다.
넷째, 고정자 요크의 양단부의 고정자 치와 두개의 회전자 요크가 각각 상호작용하여 구동 토크가 발생되므로, 토크밀도(토크/모터 부피)가 높다.
다섯째, 코일이 권선되는 코어부가 양측의 회전자 요크의 사이에서 회전자 치의 내측에 배치되므로, 모터의 전제 직경을 증가시키지 않고서 회전자 요크의 직경을 최대로 할 수 있다.
이하에서는, 첨부된 도면의 실시예를 통해 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터에 대해 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터의 제1 실시예를 나타낸 사시도이고, 도 3은 그 분해사시도이며, 도 4는 그 종단면도이다.
도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 하이브리드 스테핑 모터(100)는 회전자부와 고정자부로 구성된다. 상기 회전자부는 자력에 의해 회전하는 요소인 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)와, 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)를 동일 축(A) 상에 지지하는 회전축(113)을 포함한다. 상기 고정자부는 회전축(113) 둘레에 등간격으로 배치되고 서로 분리되어 있으며 각기 회전자 요크들(111, 112)과 상호 작용하는 제1 내지 제6 고정자 요크(121 내지 126)를 포함한다.
제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)는 동일한 형상으로 이루어진다. 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)는 동일한 축(A)상에 배치된다. 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)는 그 외주에 다수의 회전자 치(111a, 112a)를 가진다.
회전축(113)은 상기 축(A) 상에 그 중심이 지나가도록 배치된다. 회전축(113)의 양단부는 제1 회전자 요크(111)의 내면의 중심과 및 제2 회전자 요크(112)의 내면의 중심에 각각 결합되어 있다. 따라서, 제1 및 제2 회전자 요 크(111, 112)와 회전축(113)이 결합된 구조는 대체로 보빈의 형태가 되며, 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)와 회전축(113)은 일체로 회전한다.
회전축(113)은 축(A) 방향으로 자화되어 있는 적어도 하나의 영구자석(도 4 참조)을 포함한다. 이 실시예에서는 회전축(113) 자체가 영구자석으로 이루어져 있다. 영구자석의 회전축(113)은 봉형상 또는 막대형상을 가질 수 있다.
하이브리드 스테핑 모터(100)는 제1 회전자 요크(111)의 외면의 중심과 제2 회전자 요크(112)의 외면의 중심에 다른 회전축(미도시)이 구비되고 이 회전축을 회전가능하게 지지하며, 자속의 영향을 받지 않는 베어링(미도시)이 구비되도록 구성될 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)와 회전축(113)의 결합체에 의한 회전이 외부로 전달될 수 있다.
고정자 요크들(121 내지 126)은 축(A)에 대하여 방사상으로 또한 회전축(113) 둘레에 등간격으로 배치되어 있다. 고정자 요크들(121 내지 126)은 모두 동일한 형상을 가지며, 이 실시예에서는 도 4에 도시된 바와 같이 중간 부분이 하이브리드 스테핑 모터(100)의 내측으로 돌출한 종단면 형상을 가진다. 고정자 요크들(121 내지 126)은 하이브리드 스테핑 모터(100)의 외관을 형성하기 위한 케이싱 또는 하우징(미도시)과 같은 요소에 장착될 수 있다. 고정자 요크들(121 내지 126)은 제1 회전자 요크(111)와 제2 회전자 요크(112) 사이의 거리에 해당하는 길이를 가진다.
고정자 요크들(121 내지 126)의 각각은, 축(A)에 평행한 코일권선부(121b 내지 126b)를 각각 포함하는 코어부(121a 내지 126a)와, 각 코일권선부(121b 내지 126b) 둘레에 감긴 코일(121c 내지 126c)과, 코어부의 양단부에서 축(A)에 평행하게 연장되는 복수개의 고정자 치(121d 내지 126d)를 구비한다.
고정자 요크들(121 내지 126)은 각자의 고정자 치(121d, 122d, 123d, 124d, 125d, 126d)의 반경방향 내면과 회전자 치(111a, 112a)의 치면(회전자 치(111a, 112a)의 반경방향 끝면)이 일정 공극을 두고 서로 대향하도록 하이브리드 스테핑 모터(100) 내에 위치한다.
코일권선부(121b 내지 126b)는 제1 회전자 요크(111)와 제2 회전자 요크(112) 사이에서 회전자 치들(111a, 112a)의 치면보다 반경방향 내측에 위치하도록 각 코어부에 형성되어 있다. 따라서, 코일(121c 내지 126c)은 대체로 회전자 치들(111a, 112a)의 반경방향 내측에서 코일권선부(121b 내지 126b)에 감겨진다. 그러므로, 하이브리드 스테핑 모터(100)의 전체 직경은 대체로 회전자 요크들(111, 112)의 직경에 맞추어 정해질 수 있고, 동일한 직경의 다른 하이브리드 스테핑 모터에 비하여 회전자 요크들(111, 112)의 직경을 최대로 할 수 있다.
이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100)에서는 제1 내지 제6 고정자 요크(121 내지 126)의 코어부 및 코일 중 축(A)을 중심으로 서로 대향하는 두 개가 하나의 상을 이루도록 구성된다. 6개의 코어부와 코일이 구비되어 있으므로, 하이브리드 스테핑 모터(100)는 3상 구동을 실행한다. 이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100)에서는, 제1 및 제4 고정자 요크(121, 124)의 코어부 및 코일(121a, 121c)과 코어부 및 코일(124a, 124c)은 ‘U상’으로, 제2 및 제5 고정자 요크(122, 125)의 코어부 및 코일(122a, 122c)과 코어부 및 코일(125a, 125c)은 ‘V상’으로, 제3 및 제6 고정자 요크(123, 126)의 코어부 및 코일(123a, 123c)과 코어부 및 코일(126a, 126c)은 ‘W상’으로 구성된 것으로 설명한다.
이웃하는 고정자 요크 사이의 간격은, 하나의 고정자 요크의 가장 바깥쪽 고정자 치와 이에 대향하는 이웃하는 다른 하나의 고정자 요크의 가장 바깥쪽 고정자 치 사이의 거리가 회전자 치의 1피치에서 회전자 치의 1/3치를 감한 거리(즉, 회전자 치 사이의 틈과 하나의 회전자 치의 2/3치를 더한 거리)에 해당하도록 정해진다. 도 2를 참조하면, 제1 고정자 요크(121)의 가장 바깥쪽 고정자 치(121d′)와 제6 고정자 요크(126)의 가장 바깥쪽 고정자 치(126d″)의 간격이 회전차 치 사이의 틈(d1)과 하나의 치의 2/3치에 해당하는 길이(d2)를 합한 거리에 해당하도록, 고정자 요크 사이의 간격이 정해진다.
도 5는 제1 회전자 요크 측에서 본 개략적인 단면도로서, 하이브리드 스테핑 모터(100)의 배선을 나타낸다. 도 6은 하이브리드 스테핑 모터(100)의 구동을 위한 입력전압의 파형을 보이는 파형도이다. 도 4 내지 도 6을 참조하여 하이브리드 스테핑 모터(100)의 회전에 대하여 설명한다.
하나의 영구자석으로 구성되는 회전축(113)에 의해 생성된 편향자속(bias flux)은 회전축(113)의 N극으로부터 시작되어 제1 회전자 요크(111)에서 반경방향으로 퍼져 나가 제1 회전자 요크(111) 측의 공극을 가로질러 각 상들의 코어부를 통해 흐르고, 다시 제2 회전자 요크(112) 측의 공극을 통과한 후 제2 회전자 요크(112)의 중심에 모여서 회전축(113)의 S극으로 들어간다.
도 6에 도시된 파형의 전압이 스텝별로 각 상에 인가된다. 한 스텝을 진행 할 때, U상에는 양(+)/음(-)/음(-)의 전류가 V상에는 음(-)/양(+)/음(-)의 전류가 W상에는 음(-)/음(-)/양(+)의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가된다. 즉, 한 스텝의 회전과 관련하여, 하나의 상에는 양(+)의 전류가 인가되고 나머지 두 개의 상에는 음(-)의 전류가 인가된다. 따라서, 하이브리드 스테핑 모터(100)의 구동시 항상 모든 코일(121c 내지 126c)에 양(+) 또는 음(-)의 전류가 인가된다.
도 6에 도시된 전압 파형에서 U상에 양(+)의 전류가 인가되고 V상 및 W상에 음(-)의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가되는 경우, U상의 코일(121c, 124c)에서 생성된 자속은 제1 회전자 요크(111)에서 제2 회전자 요크(112) 쪽으로 상기 편향자속과 동일한 방향으로 흐르며, 제2 회전자 요크(112) 측의 공극을 통과한 후에는 회전축(113)(제2 회전자 요크(112)의 중심)으로 모이지 않고 이웃하는 V상의 코어부(122a, 125a) 또는 W상의 코어부(123a, 126a)를 통하여 제1 회전자 요크(111) 측으로 되돌아와서 U상의 코어부(121a, 124a)로 들어가는 경로를 가진다. 한편, V상의 코일(122c, 125c) 또는 W상의 코일(123c, 126c)에 전류가 인가되어 생성되는 자속은 상기 편향자속 및 U상에 의한 자속의 방향에 반대되는 방향으로 흐른다. 즉, V상 또는 W상에 의한 자속은 제2 회전자 요크(112) 쪽에서 제1 회전자 요크(111) 쪽으로 흐르며 제1 회전자 요크(111) 측의 공극을 통과하고 이웃하는 U상의 코어부(121a, 124a)로 모여 제2 회전자 요크(112)로 돌아혼 후 V상의 코어부(122a, 125a) 및 W상의 코어부(123a, 126a)로 각각 돌아가는 경로를 가진다. 이와 관련하여, 도 5에서는 위에서 설명한 각각의 자속의 방향은 화살표로 지시되어 있으며, Φm은 편향자속을 의미한다.
이와 같이, U상의 코어부에서는 편향자속 및 모든 전자석(코어부 및 코일)에서 생성된 자속이 동일한 방향으로 흐르게 되고, V상 또는 W상의 코어부에서는 편향자속의 방향과 전자석(코어부 및 코일)에 의한 자속의 방향이 서로 반대로 된다. 따라서, V상 또는 W상의 고정자 요크 쌍의 고정자 치와 회전자 요크의 회전자 치 사이의 공극에서 전자석(코어부 및 코일)에 의한 자속들의 합의 크기와 편향자속의 크기를 동일하게 하면, 전자석에 의한 자속들의 합과 편향자속은 서로 가감 또는 상쇄되어 V상 또는 W상의 코어에서는 전자기력이 발생하지 않는다. 이에 반하여, U상의 고정자 요크의 고정자 치와 회전자 요크의 회전자 치 사이의 공극에서는 편향자속과 전류인가에 의한 자속이 집중되면서 자속과 전자기력이 최대로 되어, U상의 고정자 요크의 고정자 치와 회전자 요크의 회전자 치의 상대 위치에 따라 회전 토크가 발생한다.
U상, V상, W상에서 자속 밀도가 순차적으로 최대로 되도록 코일(121c 및 124c, 122c 및 125c, 123c 및 126c)에 전류를 인가함으로써 하이브리드 스테핑 모터(100)는 회전을 유지하게 된다.
또한, 모든 상에 동일한 크기의 전류가 동시에 각각 인가되고 한 상에 속하는 코일에 과다한 전류가 인가되지 않으므로, 전류가 분산될 수 있고 발열과 같은 문제가 방지될 수 있으며 자속 효율이 향상된다.
이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100)는 6개의 고정자 요크를 사용하고 서로 마주하는 고정자 요크의 코일들을 하나의 상으로 구성하여 3상 구동을 실행하지만, 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터는 3개의 고정자 요크를 사용하여 3상 구동을 실행하도록 구성될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터의 제2 실시예를 도시하는 일부 분해사시도이고, 도 8은 그 종단면도이다.
이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(200)는 회전자 요크들을 동축으로 연결하는 회전축이 두개의 영구자석을 포함하고 고정자 요크의 코어부는 축(A)에 수직한 코일권선부를 포함하며 코일은 그 권선축이 축(A)에 수직한 방향으로 감아진 것을 제외하고는 제1 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100)와 유사한 구성을 가진다. 제1 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100)와 비교하여 동일한 구성요소에는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
회전축(213)은 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)를 동축으로 결합한다. 회전축(213)의 일단부는 제1 회전자 요크(111)의 내면에 동축으로 결합되는 제1 영구자석(213a)으로 구성되고, 회전축(213)의 타단부는 제2 회전자 요크(112)의 내면에 동축으로 결합되는 제2 영구자석(213b)으로 구성된다. 도 8에 도시한 바와 같이, 제1 및 제2 영구자석(213a, 213b)은 축(A) 방향으로 자화되어 있고, 동일한 극이 서로 대향하도록 배치된다.
회전축(213) 둘레에 복수개의 고정자 요크(221 내지 226)가 등간격으로 배치되어 있다. 이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(200)에서, 복수개의 고정자 요크(221 내지 226)는 제1 내지 제6 고정자 요크(221 내지 226)로 구성된다.
각 고정자 요크의 코어부(221a 내지 226a)는 그 중앙에 축(A)에 수직한 코일권선부(221b 내지 226b)를 포함한다.(도면에서는 제1 및 제4 고정자 요크의 코어부의 코일권선부 만이 표시되어 있다) 따라서, 각 코어부는 대체로 ‘T’자 형태의 종단면 형상을 가진다. 이 코일권선부에 코일(221c 내지 226c)이 코일권선부의 축을 중심으로 감겨진다. 축(A)에 수직한 코일권선부에 코일이 감겨지므로, 코일의 권선작업이 용이해진다. 각 코어부(221a 내지 226a)의 양단부에는 축(A)에 평행하게 연장되어 있는 고정자 치(221d 내지 226d)가 형성되어 있다.
각 고정자 요크는 그 고정자 치(221d 내지 226d)의 반경방향 내면과 회전자 치(111a, 112a)의 치면(회전자 치(111a, 112a)의 반경방향 끝면)이 일정 공극을 두고 서로 대향하도록 축(A)을 중심으로 방사상으로 회전축(213) 둘레에 배치된다.
도시된 바와 같이 제1 및 제2 영구자석(213a, 213b)은 N극에서 서로 대향하므로, 편향자속의 경로는 각 영구자석으로부터 하이브리드 스테핑 모터(200)의 중심부로 모여서 회전축(213)과 6개의 코어부 사이의 공극과 고정자 요크를 거쳐 대칭적으로 양측의 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)로 흐르고 다시 각 영구자석(213a, 213b)의 S극으로 돌아오는 경로이다(제1 및 제2 영구자석(221, 222)이 S극에서 서로 대향하는 경우 편향자속의 경로는 위에서 설명한 경로의 반대이다). 따라서, 제1 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100)와는 달리, 이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(200)에서는 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)의 표면에서 동일한 극성이 나타난다.
6개의 고정자 요크들(221 내지 226)은 3상 구동을 실현하도록 회전축(213)을 중심으로 가장 먼거리에서 대향하는 두개의 고정자 요크의 코어부와 코일이 동일한 상(phase)으로 구성된다. 이 실시예에서는 코어부(221a) 및 코일(221c)과 코어부(224a) 및 코일(224c)은 ‘U상’으로, 코어부(222a) 및 코일(222c)과 코어부(225a) 및 코일(225c)은 ‘V상’으로, 코어부(223a) 및 코일(223c)과 코어부(226a) 및 코일(226c)은 ‘W상’으로 구성된 것으로 설명한다.
U상, V상 및 W상에 도 6에 도시한 전압 파형의 전류를 인가하여 하이브리드 스테핑 모터(200)를 구동한다. 예컨대, U상에 양(+)의 전압이 인가될 때, U상에 속하는 코일(221c, 224c)에 의한 자속은 편향자속과 동일한 방향으로 흘러 고정자 요크(221, 224)에서 양측으로 분기되어 양측의 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)에 도달한 후, 이웃하는 V상 또는 W상의 코어부를 통과하여 되돌아와 U상의 코어부로 들어간다. 이에 반하여, V상의 코일(222c, 225c)과 W상의 코일(223c, 226c)에는 음(-)의 전압이 인가되므로, 이들 상에서의 자속은 먼저 회전축(213)의 중심부로 흘러가서 이웃하는 U상의 코어부(221a, 224a)를 타고 U상에서의 자속과 동일한 경로로 양측의 제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)에 이르며, 다시 회전자 치와 고정자 치 사이의 공극을 지나 각각 V상에 속하는 코어부(222a, 225a)와 W상에 속하는 코어부(223a, 226a)로 돌아온다. 즉, 양(+)의 전압이 인가된 U상과 음(-)의 전압이 인가된 V상 또는 W상에 의한 자속들은 동일한 자속 경로를 가지며, 이들 상들에 의한 자속들은 고정자 치와 회전자 치 사이의 공극에서 서로 가감된다. 따라서, V상과 W상에 속하는 고정자 요크의 고정자 치와 회전자 치 사이의 공극에서의 자속밀도는 거의 0으로 되고, U상에 속하는 고정자 요크의 고정자 치와 회전차 치 사이에 자속이 집중되어 자속밀도가 최대로 되면서, 회전 토크가 발생된다.
도 9는 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터의 제3 실시예를 보인 종단면도이다.
이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(300)는 회전축이 비자성체 재질로 이루어지고 영구자석이 고정자 요크에 설치되어 있는 것을 제외하고는 제1 및 제2 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100, 200)와 유사한 구성을 가진다. 도 9에서 제1 및 제2 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(100, 200)와 비교하여 동일 구성요소에는 동일한 참조부호가 부여되어 있다. 또한, 이하의 설명에서, 이 제3 실시예의 하이브리드 스테핑 모터의 제1 내지 제6 고정자요크는 제2 실시예의 하이브리드 스테핑 모터의 제1 내지 제6 고정자요크(221 내지 226)와 유사한 구성이므로, 동일한 도면부호를 사용하여 설명되며, 제3 실시예에서의 각 고정자 요크의 코어부와 코일권선부는 제2 실시예의 고정자 요크의 코어부(221a 내지 226a)와 코일권선부(221b 내지 226b)와 구별되도록 각각 프라임부호(′)를 붙여서, 코어부(221a′ 내지 226a′)와 코일권선부(221b′ 내지 226b′)로서 설명된다.
제1 및 제2 회전자 요크(111, 112)를 동축으로 연결하는 회전축(313)은 비자성 재질로 이루어진다.
각 코어부(221a′ 내지 226a′)는 축(A)에 수직한 코일권선부(221b′ 내지 226b′)를 포함한다. 코일(221c′ 내지 226c′)은 코일권선부(221b′ 내지 226b′)에 그 축을 중심으로 또한 그 반경방향 말단부로부터 소정 여유를 남기고 감겨진다. 도 9에는 제1 고정자 요크와 제4 고정자 요크의 코어부(221a′, 224a′), 코일권선부(221b′, 224b′), 코일(221c′, 224c′) 만이 도시되어 있다.
편향자속을 발생시키는 제1 및 제2 영구자석(341, 342)은 링형상을 가진다. 제1 및 제2 영구자석(341, 342)은 모든 코일권선부(221b′ 내지 226b′)의 말단부에 걸쳐서 축(A) 방향을 따라서 대칭으로 또한 동일한 극이 서로 대향하도록 부착되어 있다.
제1 영구자석(341)의 편형자속은 축(A) 방향을 따라서 공극을 지나 제1 회전 자 요크(111)를 거치면서 반경방향으로 퍼지고, 제1 회전자 요크(111)의 회전자 치(111a)와 제1 내지 제6 고정자 요크(221 내지 226)의 고정자 치(221d 내지 226d) 사이의 공극을 지나 각 고정자 요크의 코어부(221a 내지 226a)를 통해 제1 영구자석(341)으로 복귀한다. 제2 영구자석(342)의 편향자속은 제1 영구자석(341)의 편향자속의 경로에 대칭되는 경로를 가진다.
U상, V상, W상의 전압의 인가에 따른 자속들의 흐름은 제2 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(200)의 경우와 동일하다.
이 실시예의 하이브리드 스테핑 모터(300)에서는 링형상의 영구자석(341, 342)이 사용되므로, 크기가 큰 영구자석이 채용될 수 있다. 따라서, 하이브리드 스테핑 모터(300)의 토크가 증가될 수 있다. 또한, 영구자석(341, 342)이 코일권선부(221b′ 내지 226b′)의 말단부에 부착되므로, 영구자석의 조립이 용이해진다.
상술한 실시예들에서는 3상 구동 형태의 하이브리드 스테핑 모터에 대해서 설명하였지만, 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터는 2상 구동 형태로도 구현될 수 있다. 이 경우, 상술한 실시예와는 달리 2개 또는 4개의 고정자 요크가 회전축 둘레에 등간격으로 배치되며, 고정자 요크 사이의 간격은 서로 마주하는 고정자 치 사이이 간격이 회전차 치의 1피치에서 1/2치 만큼을 감한 거리가 되도록 정해진다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.
본 발명의 하이브리드 스테핑 모터는 소형 공간에서 모터가 필요한 환경, 예컨대 로봇용 모터나 소형이송시스템 및 가정용 펌프, 산업용 냉장고, 자동판매기, 감시용 카메라, 정수기, 현미경 등에 적용될 수 있다. 또한, 상대적으로 고 토크가 필요한 소형 모터 산업 분야에 널리 적용될 수 있다.
도 1은 종래기술의 하이브리드 스테핑 모터의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터의 제1 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 하이브리드 스테핑 모터의 분해사시도이다.
도 4는 도 2의 하이브리드 스테핑 모터의 종단면도이다.
도 5는 하이브리드 스테핑 모터의 배선을 보인 개략적인 단면도이다.
도 6은 하이브리드 스테핑 모터 구동을 위한 입력전압의 파형도이다.
도 7은 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터의 제2 실시예를 나타낸 일부 분해사시도이다.
도 8은 도 7의 하이브리드 스테핑 모터의 종단면도이다.
도 9는 본 발명의 하이브리드 스테핑 모터의 제3 실시예를 나타낸 종단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 : 하이브리드 스테핑 모터
111 : 제1 회전자 요크
111a : 회전자 치
112 : 제2 회전자 요크
112a : 회전자 치
113 : 회전축
121, 122, 123, 124, 125, 126 : 제1 내지 제6 고정자 요크
121a, 122a, 123a, 124a, 125a, 126a : 코어부
121b, 122b, 123b, 124b, 125b, 126b : 코일권선부
121c, 122c, 123c, 124c, 125c, 126c : 코일
121d, 122d, 123d, 124d, 125d, 126d : 고정자 치

Claims (8)

  1. 외주에 다수의 회전자 치를 각각 가지는 제1 회전자 요크 및 제2 회전자 요크;
    상기 제1 및 제2 회전자 요크 사이에 위치하고 상기 제1 및 제2 회전자 요크를 동일 축 상에 지지하며 상기 축 방향으로 자화된 적어도 하나의 영구자석을 포함하는 회전축; 그리고
    코어부와 상기 코어부에 감긴 코일과 상기 코어부의 양단부에서 상기 축에 평행하게 연장되어 있는 복수개의 고정자 치를 각각 가지며, 상기 고정자 치의 반경방향 내면과 상기 회전자 치의 반경방향 끝면 사이에 일정 공극이 유지되도록 상기 회전축 둘레에 등간격으로 배치된 복수개의 고정자 요크를 포함하며,
    상기 코일들 중 서로 대향하는 한 쌍의 코일에는 양의 전류가, 나머지 코일에는 음의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가되는
    하이브리드 스테핑 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 코어부는 상기 축에 평행하게 배향되고 상기 제1 회전자 요크와 상기 제2 회전자 요크 사이에서 상기 회전자 치들의 끝면의 반경반향 내측에 위치하는
    하이브리드 스테핑 모터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코어부는 상기 축에 수직하게 배향되고 상기 제1 회전자 요크와 상기 제2 회전자 요크 사이에 위치하는
    하이브리드 스테핑 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전축의 일단부는 상기 축 방향으로 자화된 제1 영구자석으로 구성되고 상기 회전축의 타단부는 상기 축 방향으로 자화된 제2 영구자석으로 구성되며, 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석은 동일한 극이 대향하도록 배치된
    하이브리드 스테핑 모터.
  5. 외주에 다수의 회전자 치를 각각 가지는 제1 회전자 요크 및 제2 회전자 요크;
    상기 제1 및 제2 회전자 요크 사이에 위치하여 상기 제1 및 제2 회전자 요크를 동일 축 상에 지지하는 회전축;
    상기 축에 수직하게 배향된 코어부와 상기 코어부에 감긴 코일과 상기 코어부의 양단부에서 상기 축에 평행하게 연장되어 있는 복수개의 고정자 치를 각각 가지며, 상기 고정자 치의 반경방향 내면과 상기 회전자 치의 반경방향 끝면 사이에 일정 공극이 유지되도록 상기 회전축 둘레에 등간격으로 배치된 복수개의 고정자 요크; 그리고
    상기 코어부들의 반경방향 말단부에 걸쳐서 부착되고 상기 회전축이 통과하는 적어도 하나의 링형상 영구자석을 포함하며,
    상기 코일들 중 서로 대향하는 한 쌍의 코일에는 양의 전류가, 나머지 코일에는 음의 전류가 동일한 크기로 동시에 인가되는
    하이브리드 스테핑 모터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 축 방향으로 자화된 링형상의 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하고, 상기 제1 영구자석 및 제2 영구자석은 동일한 극이 대향하도록 배치된
    하이브리드 스테핑 모터.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 4개의 고정자 요크가 구비되는 하이브리드 스테핑 모터.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 6개의 고정자 요크가 구비되는 하이브리드 스테핑 모터.
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