KR100954772B1

KR100954772B1 - 구형 모터

Info

Publication number: KR100954772B1
Application number: KR1020080019084A
Authority: KR
Inventors: 원성홍; 강동우; 최재훈; 이주
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2010-04-28
Also published as: KR20090093523A; US8080911B2; US20090230787A1

Abstract

안정적인 회전자의 위치 결정력을 가지는 구형 모터(spherical motor)가 개시된다. 구형 모터는 내부가 빈 구 형상으로, 내벽에 합성기자력을 발생시키는 코일이 감긴 2층 구조의 보빈(bobbin)이 결합된 고정자(stator); 및 상기 고정자의 내부에 위치하며 상기 합성기자력에 의해 기울어짐이 조정되는 회전축을 중심으로 회전하는 회전자(rotor)를 포함한다. 이에 의하면, 다 자유도 운동을 구현할 필요가 있는 부분에 적용함으로써 로봇의 사이즈를 축소하고 보다 자연스러운 구동이 가능하다.

다 자유도, 구형 모터, 권선, 보빈

Description

구형 모터{Spherical motor}

본 발명은 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 안정적인 회전자의 위치 결정력을 가지는 구형 모터(spherical motor)에 관한 것이다.

최근 로봇 산업의 르네상스를 일으킬 만큼 휴머노이드에 대한 기술 개발이 활발하였다. 휴머노이드라 함은 인간과 같은 행동, 감정, 생각을 할 수 있는 기기를 말한다. 이러한 휴머노이드의 특징 중 하나인 인간과 같은 행동을 구현함에 있어서 보다 자연스럽고 크기가 작으며 기기 효율성을 높일 수 있는 방향으로 기술 개발이 진행 중에 있다.

특히 모터 분야는 로봇의 동작을 담당하는 가장 중요한 부분으로서, 소형화 및 고효율을 달성하기 위해서는 기존의 1 자유도(degree of freedom) 모터의 특성에서 벗어나 새로운 개념의 모터가 도입될 필요성이 있다.

도 1은 기존의 다 자유도 운동을 구현하기 위한 구동 장치를 도시한 도면이 다.

도 1에 도시된 구동 장치는 다중 프레임 구조를 가지고 있으며, 각각의 프레임에 동력을 발생시키기 위한 모터가 연결되어 있다. 이러한 구동 장치는 다 자유도 운동을 구현하기 위하여 여러 개의 모터를 사용하여야 하기 때문에, 필요한 출력을 내기 위해서 1 자유도를 가진 구동 장치보다 몇 배 이상의 중량 및 부피를 차지하게 되는 한계를 가지게 된다.

또한, 로봇 팔의 손목, 어깨 또는 골반 등의 관절 부위 등은 다 자유도의 구동 장치를 하나의 연결점에집중하여 구현하기 때문에 매우 복잡한 구동 매커니즘을 가지게 되는데, 많은 모터를 배치하기 위한 공간을 마련하기 위하여 로봇의 전체적인 크기가 대형화되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 다 자유도 운동을 구현할 필요가 있는 부분에 적용함으로써 로봇의 사이즈를 축소하고 보다 자연스러운 구동이 가능한 구형 모터를 제공한다.

또한, 본 발명은 2층 구조의 보빈(bobbin)을 구비하여 상대적으로 간단한 제어 시스템을 통해서도 안정적인 위치결정 토크(positioning torque)를 획득할 수 있는 구형 모터를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 내부가 빈 구 형상으로, 내벽에 합성기자력을 발생시키는 코일이 감긴 2층 구조의 보빈(bobbin)이 결합된 고정자(stator); 및 상기 고정자의 내부에 위치하며 상기 합성기자력에 의해 기울어짐이 조정되는 회전축을 중심으로 회전하는 회전자(rotor)를 포함하는 구형 모터가 제공된다.

상기 고정자는 등 간격으로 배치된 둘 이상의 보빈이 결합될 수 있다.

상기 회전자는 하나 이상의 영구 자석을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 회전자는 상기 보빈에 감긴 코일을 흐르는 전류와 상기 영구 자석 간의 상호 작용에 의해 다 자유도 운동을 구현할 수 있다.

상기 회전자는 상기 보빈의 제1 층에 감긴 코일의 권선 수 및 제2 층에 감긴 코일의 권선 수의 조정에 의하여 위치결정 토크가 조정되는 것을 특징으로 하는 구형 모터.

상기 회전자는 회전력을 전달하는 샤프트를 구비하고 있으며, 상기 고정자는 상기 샤프트가 임의의 방향으로 기울어질 수 있도록 일부가 개방될 수 있다.

상기 보빈은 제1 층의 코일이 감긴 권선부재와 제2 층의 코일이 감긴 권선부재가 일부분 겹칠 수 있다. 여기서, 상기 제1 층의 코일에 의한 기자력 중심과 상기 제2 층의 코일에 의한 기자력 중심이 임계 각도 이하의 각도를 이룰 수 있다.

상기 보빈은, 외층에 제1 외층 권선부재가 구비되고 내층에 제1 내층 권선부재가 상기 제1 외층 권선부재의 표면 일측 상에 부착된 휘어진 'ㄱ'자 형상의 제1 보빈 세그먼트와, 내층에 제2 내층 권선부재가 구비되고 외층에 제2 외층 권선부재가 상기 제2 내층 권선부재의 표면 일측 상에 부착된 휘어진 'ㄴ'자 형상의 제2 보빈 세그먼트를 포함하되, 상기 제1 보빈 세그먼트와 상기 제2 보빈 세그먼트는, 상기 제1 내층 권선부재가 부착되지 않은 상기 제1 외층 권선부재의 표면 타측과 상기 제2 외층 권선부재가 부착되지 않은 상기 제2 내층 권선부재의 표면 타측이 마주보며, 상기 제1 외층 권선부재와 상기 제2 외층 권선부재가 외층에 위치하고 상기 제2 내층 권선부재와 상기 제1 내층 권선부재가 내층에 위치하도록 결합될 수 있다. 여기서, 상기 제1 외층 권선부재의 표면 타측과 상기 제2 내층 권선부재의 표면 타측 상에는 서로 결합되는 가이드가 형성되어 있을 수 있다. 또한, 상기 보빈은 플라스틱으로 구성될 수 있다.

전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.

본 발명에 따른 구형 모터는 다 자유도 운동을 구현할 필요가 있는 부분에 적용함으로써 로봇의 사이즈를 축소하고 보다 자연스러운 구동이 가능하다.

또한, 2층 구조의 보빈(bobbin)을 구비하여 상대적으로 간단한 제어 시스템을 통해서도 안정적인 위치결정 토크(positioning torque)를 획득할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

우선 하나의 모터로 여러 개의 자유도를 구현할 수 있는 구형 모터에 대하 여 이하 설명하기로 한다.

도 2는 구형 모터의 프레임 구조를 나타낸 도면이고, 도 3은 1층 구조의 보빈을 구비한 구형 모터의 입체사시도이며, 도 4는 도 3에 도시된 구형 모터에서의 코일과 자석 사이의 토크를 나타낸 그래프이다.

구형 모터의 경우 지지구조를 구형 베어링과 원형의 회전자로 구성하게 되면 기울어지는 각도의 한계가 없어질 수 있다. 하지만, 이하에서는 발명의 이해와 설명의 편의를 위해 도 2에 도시된 것과 같은 회전자를 지지하기 위한 프레임 구조를 이용하는 경우를 가정하여 설명하기로 한다.

3 자유도를 가지는 프레임 구조가 도 2에 도시되어 있다. 자이로스코프와 같이, 두 개 이상의 회전이 가능한 프레임(10, 12)을 사용하며, 프레임(10, 12) 내에 고정자(stator)(20), 회전자(rotor)(30), 샤프트(shaft)(32)로 구성되는 구형 모터가 지지되어있다.

프레임(10, 12) 내에 지지되어 있는 구형 모터는 도 3에서 보다 상세히 도시되어 있다. 구형 모터는 내부가 빈 구 형상의 고정자(20)와, 고정자(20) 내부에 위치하며 회전축을 중심으로 회전하는 회전자(30)를 포함한다. 샤프트(32)는 회전자(30)의 회전력을 외부로 전달하며, 회전축에 해당한다. 고정자(20)의 내벽에는 여러 개의 코일(22a, 22b)이 분산 배치되어 회전자(30)의 3 자유도 움직임을 구현할 수 있도록 한다. 회전자(30)는 회전축 자체가 임의의 방향으로 기울어질 수 있으며, 샤프트(32)를 중심으로 영구 자석(34)이 대칭적으로 배치되어 있다. 도 3을 참조하면, 회전자(30)는 4개의 영구 자석(34)을 포함하며, 고정자(20)의 상부 내벽 에 6개의 코일(22a)이, 그리고 하부 내벽에 6개의 코일(22b)이 분산 배치되어 12 채널 전류원(12-channels of current source)에 의해 제어된다.

영구 자석(34)은 일정한 방향으로 회전하도록 고정되어 있지 않고 어느 방향으로든 회전할 수 있으며, 회전의 중심이 고정되어 중심으로부터 방사방향으로는 움직일 수 있다. 고정자(20)의 내벽에는 배치된 코일(22a, 22b)들은 영구 자석(34)으로부터 일정한 공극(air gap)을 두고 떨어져 있는 전자석으로 표현된 자극을 생성한다. 코일(22a, 22b)에 흐르는 전류에 의해 발생된 합성 기자력에 의해 전자석의 위치가 결정되며, 전자석의 위치에 따라 영구 자석(34)이 배치된 회전자(30)를 임의의 방향으로 회전시키거나 기울일 수 있다. 즉, 각 코일(22a, 22b)의 전류치를 적절한 값으로 조절하여 원하는 방향으로 회전자(30)의 위치를 움직이게 하는 것이 가능하다.

따라서, 회전자(30)의 구동과 위치 결정에 있어서 고정자(20)의 코일(22a, 22b) 구조에 의해 많은 영향을 받게 된다.

도 3에 도시된 것과 같이 1층 구조의 원형바 형태의 보빈(bobbin)에 코일(22a, 22b)이 감겨 있는 경우를 가정한다. 이러한 코일(22a, 22b) 배치를 가지는 경우 코일(22a, 22b)과 영구 자석(34) 사이의 토크에 대해서 도 4에 도시되어 있다.

X-Y 평면을 기준으로 고정자(20)의 상측 내벽에 배치된 코일(22a)(이하, 상측 코일(22a)이라 함)에 의한 기자력에 상응하는 토크는 제1 곡선(41a)으로, 고정자(20)의 하측 내벽에 배치된 코일(22b)(이하, 하측 코일(22b)이라 함)에 의한 기 자력에 상응하는 토크는 제2 곡선(43a)으로 도시되어 있다. 상측 코일(22a)과 하측 코일(22b)에 의한 기자력이 함께 작용하므로, 토크 역시 제1 곡선(41a)에 의한 값과 제2 곡선(43a)에 의한 값을 합성하면 제3 곡선(45a)과 같은 합성 토크를 나타내게 된다.

이 경우 참조번호 40a으로 표시된 영역 내에서는 합성 토크의 기울기가 양(+)이므로, 불안정적인 위치 결정력을 가지고 있음을 알 수 있다. 합성 토크의 기울기가 양(+)이라는 것은 외력이 가해지는 경우 현재 위치에서 양방향으로 회전이 쉽게 될 수 있음을 의미하며, 합성 토크의 기울기가 음(-)이라는 것은 외력이 가해지더라도 현재 위치로 되돌아오려고 함을 의미한다.

회전자(30)의 안정적인 위치 결정을 위해서는 코일에 의한 합성 토크의 기울기가 음(-)이 되어야 할 필요가 있다. 이를 위해서는 도 3에 도시된 것보다 많은 수의 코일을 사용하거나 중심축 무게 보정을 하여야 한다. 하지만, 많은 수의 코일을 사용하게 되는 경우 각 코일에 흐르는 전류를 제어하는 제어 시스템이 복잡해지며, 이를 구동하는 드라이버의 수가 증가하는 문제점이 있다. 그리고 중심축 무게 보정을 하는 경우 무게추를 위한 별도의 공간을 필요로 하는 문제점이 있다.

따라서, 많은 수의 코일을 사용하거나 중심축 무게 보정을 하지 않고서도 코일에 의한 합성 토크의 기울기를 음(-)으로 만들 수 있는 구조가 요구된다.

도 5는 합성 토크의 발생 원리를 설명하기 위한 회전자의 영구 자석 및 코일의 일부를 도시한 도면이며, 도 6은 코일 위치에 따른 토크의 변화를 나타낸 도 면이다.

상측 코일(22a)과 하측 코일(22b)이 A 방향과 B 방향으로 이동하여 상측 코일(22a)에 의한 기자력 중심과 하측 코일(22b)에 의한 기자력 중심이 이루는 각도가 점차 작아지는 경우, 도 6에 도시된 것과 같이 상측 코일(22a)에 의한 기자력에 상응하는 토크(41b)의 피크가 A' 방향으로 이동하고, 하측 코일(22b)에 의한 기자력에 상응하는 토크(43b)의 피크가 B' 방향으로 이동한다. 따라서, 합성 토크의 기울기가 양(+)에서 음(-)으로 변화되어 안정적인 위치 결정력을 가질 수 있게 된다.

하지만, 상측 코일(22a)과 하측 코일(22b)이 동일한 층에 위치하는 경우 각 코일에 의한 기자력 중심 사이의 각도를 줄이는 데에는 한계가 있다. 따라서, 본 발명은 상술한 것과 같이 상측 코일(22a)에 의한 기자력 중심과 하측 코일(22b)에 의한 기자력 중심이 임계 각도 이내가 되도록 하기 위해서 코일이 감기게 되는 보빈을 2층 구조로 설계하고, 각 층의 코일의 권선 수를 조정하여 위치 결정을 위한 토크를 조정할 수 있도록 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 보빈 세그먼트의 측면도이며, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 보빈 세그먼트의 측면도이고, 도 9는 제1 보빈 세그먼트와 제2 보빈 세그먼트가 결합된 보빈의 입체사시도이며, 도 10은 고정자와 보빈이 결합 상태를 나타내는 부분 입체사시도이다. 도 11은 회전자의 입체 사시도 및 평면도이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2층 구조의 보빈이 부착된 고정자와 회전자를 포함하는 구형 모터의 입체사시도이며, 도 13은 도 12에 도시된 구형 모터에서의 코일과 자석 사이의 토크를 나타낸 그래프이다.

여기서, 보빈(90)은 2층 구조를 가지며, 고정자(100)의 내벽에 근접한 층을 외층, 회전자(110)에 근접한 층을 내층이라 가정한다.

도 7을 참조하면, 제1 보빈 세그먼트(70)는 외층에 제1 외층 권선부재(72)가 구비되고 내층에 제1 내층 권선부재(74)가 구비되어 있다. 제1 외층 권선부재(72)의 면적이 제1 내층 권선부재(74)의 면적보다 크며, 제1 내층 권선부재(74)는 제1 외층 권선부재(72)의 표면 일측 상에 결합되어 있다. 제1 보빈 세그먼트(70)는 2층 구조를 가지고 있으며, 구 형상의 고정자 내벽에 부착 가능하도록 휘어진 'ㄱ'자 형상이다. 제1 외층 권선부재(72)와 제1 내층 권선부재(74)에는 각각 코일이 감겨 기자력을 발생시킨다.

도 8을 참조하면, 제2 보빈 세그먼트(80)는 내층에 코일이 감기는 제2 내층 권선부재(82)가 구비되고 외층에 제2 외층 권선부재(84)가 구비되어 있다. 제2 내층 권선부재(82)의 면적이 제2 외층 권선부재(84)의 면적보다 크며, 제2 외층 권선부재(84)는 제2 내층 권선부재(82)의 표면 일측 상에 결합되어 있다. 제2 보빈 세그먼트(80)는 2층 구조를 가지고 있으며, 구 형상의 고정자 내벽에 부착 가능하도록 휘어진 'ㄴ'자 형상이다. 제2 내층 권선부재(82)와 제2 외층 권선부재(84)에는 각각 코일이 감겨 기자력을 발생시킨다.

제1 보빈 세그먼트(70)와 제2 보빈 세그먼트(80)는 각각 'ㄱ'자 형상과 'ㄴ'자 형상을 가지고 있는 바 서로 결합 가능하다. 제1 외층 권선부재(72)와 제2 외층 권선부재(84)가 외층을 형성하며, 제2 내층 권선부재(82)와 제1 내층 권선부재(74)가 내층을 형성하는 2층 구조로 결합될 수 있다. 제1 보빈 세그먼트(70)의 제1 외층 권선부재(72)의 표면 중 제1 내층 권선부재(74)가 부착되지 않은 표면과, 제2 보빈 세그먼트(80)의 제2 내층 권선부재(82)의 표면 중 제2 외층 권선부재(84)가 부착되지 않은 표면이 서로 마주보도록 결합된다. 제1 보빈 세그먼트(70)와 제2 보빈 세그먼트(80)는 각각 결합부재(76, 86)를 포함할 수 있으며, 각 결합부재(76, 86)는 가이드가 형성되어 있어 용이하게 서로 결합될 수 있다.

여기서, 제1 외층 권선부재(72)와 제2 내층 권선부재(82)는 일부가 겹치며, 각 권선부재에 감긴 코일에 의한 기자력 중심 사이의 각도는 1층 구조의 2개의 코일에 의한 기자력 중심 사이의 각도보다 작아 합성 토크의 기울기가 음(-)이므로, 안정적인 위치 결정력을 획득할 수 있다. 각 권선부재에 감긴 코일에 의한 기자력 중심 사이의 각도는 임계 각도 이하일 수 있다. 여기서, 임계 각도는 합성 토크의 기울기가 양(+)에서 음(-)으로 변경되는 각도를 의미한다.

제1 보빈 세그먼트(70) 및/또는 제2 보빈 세그먼트(80)는 플라스틱으로 구성될 수 있다. 또한, 제1 보빈 세그먼트(70) 및/또는 제2 보빈 세그먼트(80)는 일체로 구성될 수도 있다.

제1 보빈 세그먼트(70)와 제2 보빈 세그먼트(80)가 결합된 보빈(90)은 고정자(100)의 내벽에 부착될 수 있도록 하나 이상의 체결구(92)가 형성되어 있을 수 있다. 체결구(92)를 통해 볼트 결합 등이 가능하다.

회전자(110)는 회전자 코어(112)와, 회전자 코어(112)를 관통하며 회전력을 전달하는 샤프트(118)와, 샤프트(118)를 중심으로 회전자 코어(112)의 외벽에 대칭적으로 배치되는 영구 자석(114)을 포함한다. 영구 자석(114)은 Nd-계로써, 그 수 는 1개, 2개, 4개, 6개 등일 수 있다. 회전자(110)는 폴 슈(pole shoe)(116)를 더 포함할 수 있다. 폴 슈(116)는 외측으로 고정자(100)와의 사이에 공극을 형성하고, 내측으로 영구 자석(114)을 지지하고 자속의 통로 역할을 한다.

고정자(100)는 회전자(110)를 수용할 수 있도록 내부가 빈 구 형상을 가지고 있다. 여기서, 구(sphere)라 함은 완전한 구체의 일부, 즉 구체의 반 미만인 경우도 포함한다. 고정자(100)는 회전자(110)의 샤프트(118)가 임의의 방향으로 기울어질 수 있도록 일부가 개방되어 있을 수 있다.

고정자(100)의 내벽에는 둘 이상의 2층 구조의 보빈(90)이 분산 배치된다. 2층 구조의 보빈(90)은 등 간격으로 분산 배치됨이 바람직하다. 보빈(90)은 6개, 12개, 24개 등이 분산 배치될 수 있다.

구형 모터(200)는 2층 구조의 보빈(90)이 분산 배치된 고정자(100)의 내부에 회전자(110)가 배치되며, 보빈(90)의 코일과 영구 자석 사이에는 공극이 형성된다.

이러한 구형 모터(200)에서의 합성 토크는 도 13에 도시되어 있다.

제1 보빈 세그먼트(70)에 의한 기자력에 상응하는 토크는 제1 곡선(41c)으로, 제2 보빈 세그먼트(80)에 의한 기자력에 상응하는 토크는 제2 곡선(43c)으로 도시되어 있다. 두 기자력이 함께 작용하므로, 토크 역시 제1 곡선(41c)에 의한 값과 제2 곡선(43c)에 의한 값을 합성하면 제3 곡선(45c)과 같은 합성 토크를 나타내게 된다.

이 경우 참조번호 40c으로 표시된 영역 내에서는 합성 토크의 기울기가 음(-)이므로, 안정적인 위치 결정력을 가지고 있음을 알 수 있다.

또한, 제1 보빈 세그먼트(70)의 제1 외층 권선부재(72) 및 제1 내층 권선부재(74)에 감기는 코일의 권선 수를 조정함으로써, 제1 곡선(41c)을 변화시킬 수 있어 위치 결정력에 대해서 사용자가 원하는 수준의 안정성을 확보할 수 있다.

또한, 제2 보빈 세그먼트(80)의 제2 내층 권선부재(82) 및 제2 외층 권선부재(84)에 감기는 코일의 권선 수를 조정함으로써, 제2 곡선(43c)을 변화시킬 수 있어 위치 결정력에 대해서 사용자가 원하는 수준의 안정성을 확보할 수 있다.

본 발명에 따르면, 다 자유도 운동이 가능한 하나의 모터를 가지고 1 자유도, 2 자유도 또는 3 자유도 운동 등을 구현함으로써, 제품에 필요한 부품 수를 줄여 모터의 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

그리고 복잡한 움직임을 위해 하나의 모터를 사용함으로 중량당 출력을 크게 할 수 있다. 다 자유도 구현을 위한 동력변환장치에 의한 오차를 줄일 수 있어 정밀한 제어가 가능하며, 각 방향으로의 회전축이 한 점에 집중되어 있어 제어가 용이하다. 다수의 모터를 위한 공간을 하나의 모터로 구현하므로 전체적인 시스템의 소형화와 효율화가 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 기존의 다 자유도 운동을 구현하기 위한 구동 장치를 도시한 도면.

도 2는 구형 모터의 프레임 구조를 나타낸 도면.

도 3은 1층 구조의 보빈을 구비한 구형 모터의 입체사시도.

도 4는 도 3에 도시된 구형 모터에서의 코일과 자석 사이의 토크를 나타낸 그래프.

도 5는 합성 토크의 발생 원리를 설명하기 위한 회전자의 영구 자석 및 코일의 일부를 도시한 도면.

도 6은 코일 위치에 따른 토크의 변화를 나타낸 도면.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 보빈 세그먼트의 측면도.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 보빈 세그먼트의 측면도.

도 9는 제1 보빈 세그먼트와 제2 보빈 세그먼트가 결합된 보빈의 입체사시도.

도 10은 고정자와 보빈이 결합 상태를 나타내는 부분 입체사시도.

도 11은 회전자의 입체 사시도 및 평면도.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 2층 구조의 보빈이 부착된 고정자와 회전자를 포함하는 구형 모터의 입체사시도.

도 13은 도 12에 도시된 구형 모터에서의 코일과 자석 사이의 토크를 나타낸 그래프.

Claims

구형 모터(spherical motor)에 있어서,

내부가 빈 구 형상으로, 내벽에 합성기자력을 발생시키는 코일이 감긴 2층 구조의 보빈(bobbin)이 결합된 고정자(stator); 및

상기 고정자의 내부에 위치하며 상기 합성기자력에 의해 기울어짐이 조정되는 회전축을 중심으로 회전하는 회전자(rotor)

를 포함하는 구형 모터.
제1항에 있어서,

상기 고정자는 등 간격으로 배치된 둘 이상의 보빈이 결합된 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제1항에 있어서,

상기 회전자는 하나 이상의 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제3항에 있어서,

상기 회전자는 상기 보빈에 감긴 코일을 흐르는 전류와 상기 영구 자석 간의 상호 작용에 의해 다 자유도 운동을 구현하는 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제1항에 있어서,

상기 회전자는 상기 보빈의 제1 층에 감긴 코일의 권선 수 및 제2 층에 감긴 코일의 권선 수의 조정에 의하여 위치결정 토크가 조정되는 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제1항에 있어서,

상기 회전자는 회전력을 전달하는 샤프트를 구비하고 있으며,

상기 고정자는 상기 샤프트가 임의의 방향으로 기울어질 수 있도록 일부가 개방된 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제1항에 있어서,

상기 보빈은 제1 층의 코일이 감긴 권선부재와 제2 층의 코일이 감긴 권선부재가 일부분 겹치는 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제7항에 있어서,

상기 제1 층의 코일에 의한기자력 중심과 상기 제2 층의 코일에 의한 기자력 중심이 임계 각도 이하의 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제1항에 있어서,

상기 보빈은,

외층에 제1 외층 권선부재가 구비되고 내층에 제1 내층 권선부재가 상기 제1 외층 권선부재의 표면 일측 상에 부착된 휘어진 'ㄱ'자 형상의 제1 보빈 세그먼트와, 내층에 제2 내층 권선부재가 구비되고 외층에 제2 외층 권선부재가 상기 제2 내층 권선부재의 표면 일측 상에 부착된 휘어진 'ㄴ'자 형상의 제2 보빈 세그먼트를 포함하되,

상기 제1 보빈 세그먼트와 상기 제2 보빈 세그먼트는, 상기 제1 내층 권선부재가 부착되지 않은 상기 제1 외층 권선부재의 표면 타측과 상기 제2 외층 권선부재가 부착되지 않은 상기 제2 내층 권선부재의 표면 타측이 마주보며, 상기 제1 외층 권선부재와 상기 제2 외층 권선부재가 외층에 위치하고 상기 제2 내층 권선부재와 상기 제1 내층 권선부재가 내층에 위치하도록 결합된 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제9항에 있어서,

상기 제1 외층 권선부재의 표면 타측과 상기 제2 내층 권선부재의 표면 타측 상에는 서로 결합되는 가이드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 구형 모터.
제9항에 있어서,

상기 보빈은 플라스틱으로 구성된 것을 특징으로 하는 구형 모터.