KR101248201B1

KR101248201B1 - 영구 자석형 스테핑모터

Info

Publication number: KR101248201B1
Application number: KR1020117007300A
Authority: KR
Inventors: 스티브 종핑 자오
Original assignee: 무그 인코포레이티드
Priority date: 2008-08-29
Filing date: 2008-08-29
Publication date: 2013-04-01
Also published as: EP2324563A1; ES2479391T3; CN102160267A; WO2010024793A1; US9006941B2; JP5462877B2; CA2734444C; JP2012501622A; EP2324563B1; KR20110059742A; US20110156506A1; CA2734444A1; CN102160267B

Abstract

영구 자석형 스테핑모터(도면 부호 20)는 인접한 자극 상호간에는 반대되는 극성을 갖도록 배열되고, 자극의 개수가 하나의 상수와 위상 수 그리고 원하는 스텝 간격의 함수로 결정되는, 표면에 다수의 자극(도면 부호 21)을 가진 가동부(예: 회전자)와, 가동부의 표면에 마주하여 같은 간격으로 배치된 다수의 치부들(도면 부호 22)을 갖고 있고, 각각의 치부는 상기 가동부의 표면을 마주하도록 배치된 다수개의 핑거들(도면 부호 23)을 가지며, 치부들의 개수가 상수와 상기 자극의 개수와 각각의 치부가 갖는 핑거들의 개수와 위상 수로 이루어진 함수로 표현되는, 고정부(예: 고정자)를 포함한다.

Description

영구 자석형 스테핑모터 {PERMANENT MAGNET-TYPE STEPPING MOTORS}

본 발명은 일반적으로는 인덱싱 스테핑모터에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는 더 소형인 제품으로도 향상된 성능(예: 토크)을 갖는 개선된 영구 자석형(permanent magnet-type) 스테핑모터에 관한 것이다. 성능의 향상은 새롭게 발명된 설계를 통해 얻어진 두 가지의 장점, 즉 (가) 모터 토크 밀도특징들의 증가와, (나) 스텝 동기화 및 안정성의 증대를 통해 이루어진다.

일반적으로 세 가지 종류의 스테핑모터, 즉 가변 자기저항형(VR형), 복합형(HB형), 그리고 영구 자석형(PM형) 스테핑모터들이 존재한다. 세 가지 방식 모두, 적절한 드라이버(즉 제어기)의 사용을 통해 넓은 범위의 각 회전 스테핑이나 인덱싱 동작 및 특성을 제공한다. 스테핑모터의 제어에 관한 일반적인 정보는 더글라스 존스(Douglas W. Jones)의 http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ 에서 참조할 수 있다. 본 발명은 영구 자석형 모터에 관한 것이다.

복합형과 영구 자석형의 스테핑모터는 가동부(예: 회전자)와 고정부(예: 고정자)에 하나 또는 다수 개의 영구 자석을 사용한다. 이러한 모터들은 모터 드라이버의 관점에서는 동일하게 보일 수 있다. 전통적으로 복합형 스테핑모터의 회전자는 두 개의 회전자 자극들 중앙에 위치한 도넛 형태의 자석으로 구성되며, 자석으로부터 두 개의 회전자 자극으로 흐르는 축방향의 자속 흐름을 형성한다. 영구 자석을 포함하는 다양한 스테핑모터 설계들은 자극과 자성체의 자기적 회로 제어를 통해 이루어진다. 본 발명과 기본적으로 관련된 영구 자석형 스테핑모터에 대해서는 쉐퍼(Schaeffer)의 미국 특허 제4,190,779호와 제4,315,171호에 설명되어 있는데, 이들 특허의 개시 내용을 본 명세서에 원용하여 참고로 포함한다.

쉐퍼(Schaeffer)에 의해 공개된 영구 자석형 스테핑모터는 작은 스테핑 각도를 제공하기 위하여 다수의 고정자 치부들과 함께 회전자 위에 방사상의 방향으로 자화된 다수의 자성체들을 가지고 있다. 이러한 모터들은 높은 무동력 및 유동력 정지 토크, 축 방향으로 상대적으로 짧은 모터 크기(즉, 팬케이크 형태), 작은 회전자 관성력과, 회전자 상에 큰 빈 공간을 가질 수 있다는 장점이 있다. 이러한 모터들은 최근의 30여년 간, 솔라 어레이 드라이브의 동력공급이나 안테나 방향제어 메커니즘과 같은, 우주항공 응용분야에서 큰 성공을 거두어 왔다. 이러한 응용 사례들은 가벼운 중량, 높은 무동력과 유동력 정지 토크, 작은 회전자 관성력, 큰 회전축, 그리고/또는 회전자를 관통하는 다수의 하니스들을 필요로 한다.

진보된 응용 사례들은 큰 토크, 작은 크기와 중량, 높은 토크 밀도, 더 작은 회전자 관성력, 줄어든 비용, 일정한 순간 동력 및 무동력 정지 토크, 그리고 일정한 순간 구동 토크를 갖는 첨단의 스테핑모터 설계를 필요로 한다. 스테핑모터 설계에 있어서 고유한 문제로서, 동기화 유지, 즉 모터와 출력 하중이 모터의 모든 입력 명령 신호에 대응하여 회전을 유지시킬 수 있어야 하는 문제가 있다. 일반적으로 스테핑모터와 출력 하중의 동기화 작동이 이루어지도록 하는 피드백이 존재하지 않음을 고려할 때, 스테핑모터의 출력은, 토크 생성 능력뿐만 아니라, 하중을 구동하는 동안의 스텝 명령에 응답하는 모터의 동작 안정성에도 좌우되게 된다. 스테핑모터는 오픈 루프에서 작동하므로 공진 등과 같은 시스템의 문제들이 보다 향상된 모터 안정성을 통해 완화될 수 있다. 따라서 최첨단의 스테핑모터 기술을 향상시키기 위해서는 토크 밀도와 스텝 안정성을 모두 향상시킬 필요가 있다.

본 발명의 일반적인 목표는 향상된 스테핑모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목표는 향상된 영구 자석형 스테핑모터를 제공하는 것이다.

상기한 본 발명의 목적, 기타 목표 및 장점들은 후술하는 상세 사양, 도면과 첨부된 청구범위들을 통해 상세히 설명한다.

본 발명은 넓은 의미로는 가동부와 고정부를 갖는 향상된 영구 자석형 스테핑모터(예, 도면 부호 20)를 제공하는 것으로, 한정이 아닌 예시를 위한 목적으로 설명하는 실시예에서는 부품, 부분, 또는 표면 뒤의 괄호 안에 해당 도면 부호를 병기하여 설명하고 있다. 향상된 모터는 가동부와 고정부 중 어느 한쪽의 구성부의 표면(예, 도면 부호 24) 위에 다수의 자극들(예, 도면 부호 21)을 포함한다. 인접한 회전자 자극들은 서로 반대의 극성을 갖는다. 자극들의 개수는 상수, 위상 수, 그리고 원하는 스텝 간격의 함수로 결정된다. 본 발명은 가동부와 고정부 중 다른쪽 구성부의 표면에 상기 한쪽 구성부를 향하여 대면하도록 등 간격으로 배치된 다수의 치부들(예, 도면 부호 22)을 포함하는데, 각각의 치부는 상기 한쪽 구성부 표면을 향하여 대면하도록 배치된 다수개의 핑거들(예, 도면 부호 23)을 갖는다. 치부들의 개수는 상수, 자극의 수, 각각의 치부가 갖는 핑거들의 개수, 그리고 위상 수의 함수로 결정된 정수 값이 된다. 각각의 핑거는 동일한 치부의 핑거들이 모두 같은 극성의 자극들과 정렬되도록 서로 일정한 간격이 유지하여 배치된다.

가동부는 외곽 표면을 갖는 회전자(rotor)일 수 있다. 고정부는 고정자(stator)일 수 있다. 소정의 스텝 간격은 소정의 스텝 각도일 수 있다. 치부들은 고정자 상에, 회전자의 외곽 표면을 향하여 대면하도록 원형으로 배치될 수 있다.

유니폴라 모터 드라이버에서의 회전자 자극의 개수는 다음과 같은 공식에 의해 결정되는 짝수의 정수이어야 한다.

... 식 (1)

바이폴라 모터 드라이버에서의 회전자 자극의 개수는 다음과 같은 공식에 의해 결정되는 짝수의 정수이어야 한다.

... 식 (2)

회전자 자극들은 회전자 지지면에 등 간격으로 배치되는데, 회전자 지지면은 고형 연자성강(들), 전기적 적층재(들), 또는 이러한 재료들의 조합으로 구성된다.

위상 당 최대 고정자 치부 개수는 다음과 같은 공식에 의해 결정될 수 있다.

... 식 (3)

여기서 식, int(x)는 입력 값 x의 정수부만을 반환하는 정수함수이다. 하나의 고정자 치부 위에서 인접한 두 개의 핑거들 간의 거리는, 회전자 자극들과 정렬된 상태에서 그 핑거들이 같은 극성의 자극들과 정렬되도록 결정될 수 있다.

치부들은 고정자 상에서 같은 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

고정자는 고형 연자성강(들), 전기 강 적층재(들), 또는 이러한 재료들의 조합으로 구성된다.

위상 A 와 위상 B를 갖는 2상 모터의 경우에 고정자 치부의 위상 A 핑거들이 회전자 자극들과 정렬되었을 때 각각의 위상 B 핑거들이 인접한 두 회전자 자극들의 중앙에 정렬되도록, 회전자와 고정자가 구성되어 배치될 수 있다.

위상 A, 위상 B 및 위상 C를 갖는 3상 모터의 경우에 위상 A 핑거들이 한 극성을 가진 회전자 자극들과 정렬할 때 각각의 위상 B와 위상 C 고정자 핑거가 다른 극성을 가진 회전자 자극들과 정렬하도록, 회전자와 고정자가 구성되어 배치될 수 있다. 만약 각각의 위상 B 고정자 핑거가 해당 회전자 자극의 선수 가장자리와 정렬된다면, 각각의 위상 C 고정자 핑거는 해당 회전자 자극의 후미 가장자리와 정렬될 수 있다. 반대로, 각각의 위상 B 고정자 핑거가 해당 회전자 자극의 후미 가장자리와 정렬된다면, 각각의 위상 C 고정자 핑거는 해당 회전자 자극의 선수 가장자리와 정렬될 수 있다.

위상 A, 위상 B, 위상 C 및 D를 갖는 4상 모터의 경우에는 고정자 치부 위의 위상 A 핑거들이 회전자 자극들과 정렬할 때 각각의 위상 B 핑거들이 인접한 두 개의 회전자 자극들 중앙에 위치하고, 각각의 위상 C 핑거들은 위상 A 핑거들이 정렬된 자극들과 반대의 자극들과 정렬하며, 각각의 위상 D 핑거들은 위상 B 핑거들이 정렬된 자극들과 반대의 자극들과 정렬하도록, 회전자와 고정자가 구성되어 배치될 수 있다.

도 1은 3개의 배선, Y자형 연결, 3상, 스텝 당 1.5°, 바이폴라 방식을 이용하고, 80개의 교대로 반복되는 극성을 가진 회전자 자극들과, 각각 두 개의 핑거를 가지면서 등 간격으로 배치된 24개의 고정자 치부들을 가진, 향상된 스테핑모터의 첫 번째 예의 개략적인 단면도이다.
도 2는 상기 도 1에서 도시된 스테핑모터의 고정자 치부 상의 물리적 배선도이다.
도 2a는 상기 도 2에 표시된 원 안의 부분을 확대한 확대도이다.
도 2b는 상기 도 2의 예를 위한 개략적인 전기 배선도이다.
도 2c는 상기 도 2에서 도시된, 보다 안정된 무동력 순간 정지 토크, 동력 순간 정지 토크, 그리고 순간 가동 토크를 가진 회전자를 만들기 위하여 자성체간 자력의 변동 량을 줄이는 기법을 위한 대안적인 회전자를 보이는 도면이다.
도 3은 도 1과 마찬가지로 3개의 배선, Y자형 연결, 3상, 스텝 당 1.5°, 바이폴라 방식을 이용하고, 80개의 교대로 반복되는 극성을 가진 회전자 자극들을 가지고 있으나, 각각 세 개의 핑거를 가지면서 등 간격으로 배치된 15개의 고정자 치부들을 가진, 향상된 스테핑모터의 두 번째 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 3a는 도 3에서 표시된 원 안의 부분을 확대한 확대도이다.
도 4는 2상 혹은 4상 스테핑모터로서, 120 개의 교대로 반복되는 극성을 가진 회전자 자극들과, 각각 세 개의 핑거들을 가지면서 등 간격으로 배치된 16개의 고정자 치부들로 구성된 예의 개략적인 단면도이다.
도 4a는 도 4에서 표시된 원 안의 부분을 확대한 확대도이다.
도 5는 도 4에서 보인 스테핑모터가 5개의 배선, 4상, 스텝 당 1.5°, 유니폴라 방식인 경우를 개략적으로 표현한 물리적 배선도이다.
도 5a는 도 5에서 표시된 원 안의 부분을 확대한 확대도이다.
도 5b는 도 5의 예를 위한 개략적인 전기 배선도이다.
도 6은 도 4에서 보인 스테핑모터가 4개의 배선, 2상, 스텝 당 1.5°, 바이폴라 방식인 경우를 개략적으로 표현한 물리적 배선도이다.
도 6a는 도 6에서 표시된 원 안의 부분을 확대한 확대도이다.
도 6b는 도 6의 예를 위한 개략적인 전기 배선도이다.
도 7은 일반적으로 도 4와 유사한, 2상 혹은 4상 스테핑모터의 또 다른 실시예로서, 120개의 교대로 반복되는 극성을 가진 회전자 자극들과, 각각 4개의 핑거들을 가지면서 등 간격으로 배치된 16개의 고정자 치부들로 구성된 예의 개략적인 단면도이다.
도 8은 도 4 및 도 7과 동일한 회전자를 갖는 3상 스테핑모터로서, 120개의 교대로 반복되는 극성을 가진 회전자 자극들과, 각각 3개의 핑거들을 가지면서 등 간격으로 배치된 18개의 고정자 치부들로 구성된 예의 개략적인 단면도이다.
도 9는 도 8과 동일한 고정자 치부로서, 3개의 배선, 3상, 스텝 당 1.0°, 바이폴라 방식인 경우에 대한 물리적 배선을 보여주는 개략도이다.

먼저, 본 명세서에서 사용된 동일한 참조 번호들은 여러 도면들에 걸쳐 동일한 구조적 요소, 부분 또는 표면을 일관되게 지칭하도록 사용되었으며, 그러한 요소, 부분 또는 표면들은 하기 구체적 내용과 이를 통합된 일부분으로 하는 전체 명세서를 통해서도 추가로 더 묘사되고 설명되고 있음을 주지할 필요가 있다. 달리 명시하지 않는 한, 도면들은 명세서와 함께 파악할 수 있도록 했는데(예, 단면표시, 부품의 배열, 비율, 각도 등), 이 도면들은 본 발명의 전체 문서의 일부로서 고려되어야 한다. 후술하는 설명에서 사용되듯이, "수평", "수직", "좌", "우", "상향", "하향"과 같은 형용사들과 형용사형 파생어들(예, "수평적", "우향의", "상향의" 등)은 해당 도면이 독자를 마주하는 상태에서의 묘사되는 구조물의 방향을 지칭할 뿐이다. 마찬가지로, '안쪽'그리고 '바깥쪽'과 같은 용어는, 필요에 따라 연장축 또는 회전축에 대한 표면의 방향을 일반적으로 지칭한다.

높은 동력 및 무동력 정지 토크를 유지하면서 동시에 높은 가동 토크를 얻기 위하여, 새로운 영구 자석형 스테핑모터가 본 명세서에서 개시하고 있는 바와 같이 발명되었다.

다수의 서로 다른 실시예의 향상된 스테핑모터가 제안되었다. 제1 실시예는 도 1, 도 2, 도 2a, 도 2b 및 도 2c에 묘사되어있고; 제2 실시예는 도 3 및 도 3a; 제3 실시예는 도 4 및 도 4a; 제4 실시예는 도 5, 도 5a 및 도 5b; 제5 실시예는 도 6, 도 6a 및 도 6b; 제6 실시예는 제1 실시예와 제4 실시예의 참조로서; 제7 실시예는 도 7; 제8 실시예는 도 8 및 도 9에 각각 묘사되어 있다.

이러한 다양한 실시예들은 2상, 3상 및 4상의, 바이폴라 또는 유니폴라 모터 드라이버들을 위한 스텝 당 1.5°의 인덱싱 모션이 어떻게 성취될 수 있는지를 보여준다. 또한 이러한 실시예들은 120개의 교대로 반복되는 극성의 자극들을 가진 동일한 회전자가 어떻게 2상, 3상 및 4상 모터들에 사용될 수 있는지를 보여준다. 각각의 실시예는 고정자 치부는 2개, 3개, 4개, 또는 그 이상의 핑거들을 가지도록 설계될 수 있음을 보여준다. 또 실시예들은 가변 자기저항형(VR형), 복합형(HB형) 및 영구 자석형(PM형) 스테핑모터들에 공통적으로 사용되는 4개, 5개, 6개, 그리고 8개의 배선 구성을 위한 모터 여자 시퀀스와 배선방식을 보여주고 있다.

비록 2상, 3상, 그리고 4상 스테핑모터들을 위한 80개 및 120개 자극을 특징으로 하는 회전자들만이 본 문서에 서술되었지만, 표 1에 나와 있는 것과 같은 다른 실시예들 또한 스테핑모터 설계 분야에 통상적인 지식을 가진 자라면 쉽게 이해할 수 있다.

회전자의 외곽 표면에 있는 자극들의 바람직한 개수는 원하는 스텝 각도, 위상 수, 그리고 모터 드라이버의 구성에 의해 결정된다. N 자극의 수와 S 자극의 수는 같아야 한다. 인접한 N 자극 및 S 자극들은 첨부된 도면상에서, 반대되는 극성을 표현하기 위하여 각각 안쪽과 바깥쪽 방향의 방사상의 화살표들을 이용하여 개략적으로 표현되어 있다. 따라서 N 자극과 S 자극의 숫자가 같아야 하므로, 회전자 자극들의 전체 개수는 짝수의 정수이어야 한다.

바이폴라 모터 드라이버의 경우, 회전자 자극들의 개수는 다음과 같은 공식에 의해 결정되는 짝수의 정수이어야 한다.

... 식 (4)

예를 들어, 3상, 스텝 당 1.5°, 바이폴라 방식의 스테핑모터의 경우, 필요한 자극들의 수는 360 / ( 3 x 1.5° ) = 80 이다. 이 예는 도 1 과 도 3 의 설계에서 볼 수 있다.

2상, 스텝 당 1.5°, 바이폴라 방식의 스테핑모터의 경우, 필요한 자극들의 수는 360 / ( 2 x 1.5° ) = 120 이다. 이 예는 도 4 와 도 7 의 설계에서 볼 수 있다.

유니폴라 방식의 모터 드라이버의 경우, 필요한 자극들의 수는 다음과 같은 공식에 의해 결정되는 짝수의 정수 이어야 한다.

... 식 (5)

예를 들어, 4상, 스텝 당 1.5°인 유니폴라 방식의 스테핑모터의 경우, 필요한 자극들의 수는 2 x 360 / ( 4 x 1.5° ) = 120 이다. 이 예는 도 4 와 7 의 설계에서 볼 수 있는데, 해당 도면들은 상기 2상의 예에서 권선을 제외하고 동일한 것들이다.

상기의 세 가지의 실시예들은 2상 그리고 3상 바이폴라 모터 드라이버와 4상 유니폴라 모터 드라이버에 의해 구동되는 스텝 당 1.5°의 스텝 모터를 위한 회전자 자극들의 필요 개수를 설명하였다.

모든 자극들은 회전자의 표면에 인접한 자극들이 서로 반대 방향 또는 교대로 자화된 방향을 유지하도록 같은 간격으로 배치될 수 있으며, 사전에 자화된 요소들을, 연자성강(들), 전기 강 적층재(들), 또는 이러한 재료들의 조합으로 이루어진 회전자 표면의 지지면에 부착함으로써 만들어질 수 있다. 또 다른 방법으로는, 자화되지 않은 자성 재료를 회전자의 외곽 표면에 입힌 후, 반복되는 극성을 갖도록 국소적으로 자화시킴으로써 회전자 자극들을 생성할 수 있다. 그러나 이 방법을 취하는 경우, 오직 한정된 개수의 자극만이 회전자의 외곽 표면에 만들어질 수 있을 뿐이고, 다수의 자극을 만드는 것은 불가능하거나 비현실적이다.

회전자의 지지면에 있는 슬롯으로 결정되는 인접한 자극간의 간격을 적절히 조절함으로써 모든 자극이 같은 간격으로 배치될 수 있도록 할 수 있다. 미국 특허 제6,329,729호와 제6,657,353호에서 보이는 것처럼, 인접한 자극 간에 간격을 두지 않는 경우에는, 자극 간격이 자성체의 폭에 의해 결정되기 때문에, 자극을 등 간격으로 배치하는 것이 어렵게 된다. 설사 상기 특허에서처럼 자극 간격이 없이 회전자를 만든다고 할지라도, 자성체의 차이로 인해 일정한 순간 동력 및 무동력 정지 토크와 일정한 순간 가동 토크를 얻는 것이 어렵게 된다.

큰 직경의 회전자 위에 작은 수의 자극을 두는 것은 인접한 자극 사이에 빈 공간을 둠으로써 스테핑모터를 콤팩트하지 않게 만든다. 반면, 작은 직경의 회전자 위에 다수의 자극을 두는 것은 얇은 자성체를 필요로 하며, 가공을 더욱 어렵게 만든다.

표 1 은 식 (1)과 식 (2)에 의해 계산된, 선택된 회전자 자극 개수와 바이폴라 및 유니폴라 모터 드라이버의 경우 스텝 각도 및 위상 수의 관계를 보여주고 있다. 스텝 각도의 계산 과정에서 일정 정밀도 이하의 분수 값이 나오는 경우가 있을 수밖에 없으나, 가공 및 기술적 정확도 등의 현실적인 이유를 위하여 회피할 수 있다.

	바이폴라 드라이버의 스텝 각도				유니폴라 드라이버의 스텝 각도
회전자 자극 수	위상 수				위상 수
회전자 자극 수	2	3	4	5	2	3	4	5
12	15	19	7.5	6	30	20	15	12
16	11.25	7.5	5.625	4.5	22.5	15	11.25	9
18	10	6.6667	5	4	20	13.3333	10	8
20	9	6	4.5	3.6	18	12	9	7.2
24	7.5	5	3.75	3	15	10	7.5	6
30	6	4	3	2.4	12	8	6	4.8
32	5.625	3.75	2.8125	2.25	11.25	7.5	5.625	4.5
36	5	3.3333	2.5	2	10	6.6667	5	4
40	4.5	3	2.25	1.8	9	6	4.5	3.6
48	3.75	2.5	1.875	1.5	7.5	5	3.75	3
50	3.6	2.4	1.8	1.44	7.2	4.8	3.6	2.88
60	3	2	1.5	1.2	6	4	3	2.4
72	2.5	1.6667	1.25	1	5	3.3333	2.5	2
80	2.25	1.5	1.125	0.9	4.5	3	2.25	1.8
90	2	1.3333	1	0.8	4	2.6667	2	1.6
96	1.875	1.25	0.9375	0.75	3.75	2.5	1.875	1.5
100	1.8	1.2	0.9	0.72	3.6	2.4	1.8	1.44
120	1.5	1	0.75	0.6	3	2	1.5	1.2

동일한 회전자 자극과 위상 수를 갖는 경우, 바이폴라 모터 드라이버를 이용한 스테핑모터는 유니폴라 모터 드라이버를 이용하는 스테핑모터의 스텝 각도 크기 절반으로 작동할 수 있다. 반대로, 동일한 스텝 각도를 얻기 위해서는, 유니폴라 드라이버를 이용한 스테핑모터는 바이폴라 드라이버를 이용한 스테핑모터에 비해 두 배 더 많은 회전자 자극 수를 요구한다.

바이폴라와 유니폴라 두 경우 모두, 위상 당 고정자 치부의 최대 개수, m은 다음과 같은 식을 만족하여야 한다.

...식 (6)

여기서 항 int(x)는 입력값 x의 정수부만을 반환하는 정수함수이다. 상기 식은 다음과 같이 단순하게 표현될 수 있다.

... 식 (7)

하나의 고정자 치부 위에 있는 인접한 핑거들 간의 거리는, 회전자 자극들과 정렬하였을 때, 핑거들이 같은 극성을 갖는 회전자 자극들과 정렬되도록 결정되어야 한다. 따라서 상기 식 (6)과 (7)에 포함된 다음의 항,

은 각 고정자 치부가 뒤덮게 되는 회전자 자극들의 총 수를 의미한다.

3상, 스텝 당 1.5°, 80개의 자극으로 이루어지고, 고정자 치부 당 두 개의 핑거들을 갖는 바이폴라 스테핑모터의 경우, 위상 당 고정자 치부의 최대 개수는 다음과 같다.

... 식 (8)

그러므로 고정자 치부들의 최대 개수는 다음과 같다.

... 식 (9)

본 예는 도 3의 설계에 나타나 있다.

동일한 3상, 스텝 당 1.5°, 80개의 자극으로 이루어지고, 고정자 치부 당 세 개의 핑거들을 갖는 바이폴라 스테핑모터의 경우, 위상 당 고정자 치부의 최대 개수는 다음과 같다.

... 식 (10)

그러므로 고정자 치부들의 최대 개수는 다음과 같다.

... 식 (11)

본 예는 도 3의 설계에 나타나 있다.

4상, 스텝 당 1.5°, 120개의 자극으로 이루어지고, 고정자 치부 당 네 개의 핑거를 갖는 유니폴라 스테핑모터의 경우, 위상 당 고정자 치부의 최대 개수는 다음과 같다.

... 식 (12)

따라서 고정자 치부들의 최대 개수는 다음과 같다.

... 식 (13)

본 예는 도 7의 설계에 나타나 있다.

식 (7)이 만족되는 한, 고정자 치부의 개수와 핑거 개수의 최대치를 사용할 것인지의 여부는 선택사항이다. 도 1과 도 3 둘 모두 동일하게 80개의 교대로 자화된 회전자 자극을 갖는 3상 스테핑모터를 보여주고 있다. 도 1의 설계는 치부 당 두 개의 핑거들을 가진, 등 간격으로 배치된 24개의 치부들을 가진 회전자를 사용한다. 그러나 도 3의 설계는 치부 당 세 개의 핑거들을 가진, 등 간격으로 배치된 15개의 치부들을 가진 회전자를 사용하고 있다. 도 3의 설계가 등 간격으로 배치된 15개의 치부들 각각에 대하여 치부 당 2개의 핑거들을 사용할 수도 있다는 것은 명백하다. 유사하게, 도 4와 도 7은 모두 교대로 자화된 120개의 회전자 자극들과 등 간격으로 배치된 16개의 고정자 치부들을 사용하는 2상 또는 4상 스테핑모터들을 보여준다. 도 7의 설계는 각각의 고정자 치부 상에 네 개의 핑거들을 가지고 있는 반면, 도 4의 설계는 각각의 고정자 치부 상에 세 개의 핑거들을 가지고 있다.

고정자 치부들의 개수와 회전자 자극들의 개수의 선택은 모터의 정지 토크, 모터의 가동 토크, 그리고 권선이 맨드럴 상에 먼저 이루어진 후 고정자 치부로 옮겨가는 경우에 권선 저항에 영향을 준다. 도 7의 설계와 같이 2상 또는 4상, 스텝 당 1.5°, 그리고 네 개의 핑거들을 갖는 스테핑모터들은 도 4에 보인 세 개의 핑거들을 갖는 설계보다 더 큰 무동력 정지 토크를 갖는다. 그러나 만약 권선이 먼저 맨드럴 상에 이루어진 후 고정자 치부로 옮겨간다면, 도 7의 설계에 필요한 권선의 회전 길이는 도 4의 설계에서의 길이보다 더 길게 된다. 이러한 현상은 도 7의 권선에서 도 4의 권선보다 더 큰 위상 저항을 유발한다.

상기 실시예들은 아래에서 순차적으로 설명한다.

제1 실시예 (도 1, 도 2, 도 2a, 도 2b 및 도 2c)

도 1의 도면 부호 20번에 일반적으로 묘사된, 세 개의 배선, Y자형 연결, 3상, 스텝 당 1.5°의 특성을 갖는 바이폴라 스테핑모터는, 지난 30년간 쉐퍼 마그네틱스(Schaeffer Magnetics)와 무그 인크.(Moog Inc.)에서 생산해 온 동일한 위상 저항과 기계적 크기와 무동력 정지 토크를 갖는 쉐퍼(Schaeffer-)방식의 스테핑모터에 비하여, 몇 배 더 많은 토크를 생성한다.

도 1은, 도면 부호 21번으로 표시된 교대로 자화된 80개의 회전자 자극들과, 도면 부호 22번으로 표시된 등 간격으로 배치된 24개의 고정자 치부들을 갖는, 3상 스테핑모터의 단면도를 보여주고 있다. 각각의 고정자 치부는 도면 부호 23번으로 표시된 두 개의 핑거들을 가지고 있다. 고정자 주변의 장착을 위한 구멍들과 일반 장착 플랜지, 그리고 회전자의 주축은 여기서 묘사된 모든 모터에 대하여 공통적으로 적용된다. 본 문서에서 개시된 다른 모든 모터들에도 공통적으로 적용되는 고정자와 장착 플랜지는, 낮은 스테핑 속도를 갖는 응용범위를 위한 경우, 고형 연자성강을 이용하여 하나의 부품으로 제작될 수 있다. 높은 스테핑 속도를 갖는 응용분야에서는, 전기 강 적층재로 적층되거나 구조적 보호물 내부에 장착될 수 있다.

도 2는 도 1에서 보인, Y자형 연결, 3개의 배선, 3상, 스텝 당 1.5°의 특성을 갖는, 80개의 회전자 자극과 24개의 고정자 치부를 갖는 바이폴라 스테핑모터의 물리적 배선도를 보여주고 있다. 24개의 고정자 치부와 세 개의 위상이 존재하므로, 각각의 위상은 8개의 순차적으로 연결된 코일들을 갖게 된다. 총 6개의 여자 상태가 존재한다. 각각의 여자 상태에서 같은 극성을 갖는 두 개의 터미널은 함께 연결되어, 배선 연결점(즉, A2, B2 그리고 C2)으로부터 두 터미널을 잇는 두 개의 권선을 따라 병렬적인 전류 경로를 형성하게 된다. 여자 시퀀스는 표 2에서 보는 바와 같다.

	터미널
상태	A1	B1	C1
1	+	+	-
2	+	-	-
3	+	-	+
4	-	-	+
5	-	+	+
6	-	+	-

1번 상태로부터 6번 상태에 이르는 이러한 여자 시퀀스는 도 2에서 시계방향("CW")으로의 회전자 회전을 일으킨다. 상기 여자 시퀀스를 반대로 하는 경우, 회전자의 회전은 도 2에서 시계반대방향("CCW")으로 발생하게 된다. 유사하게, 도 2와 도 2a에 보인 것과 같은 고정자 치부 위의 권선 방향을 반대방향으로 바꾸는 경우에도, 회전자의 회전이 반대방향으로 발생한다.

도 2a는 도 1과 도 2에 보인, 회전자 자극들과 고정자 치부들과 물리적 권선의 물리적 관계를 확대하여 표현한 것이다. 위상 A의 고정자 핑거들이 한 극성의 회전자 자극들과 정렬할 때, 위상 B 또는 위상 C의 고정자 핑거들은, 위상 A의 핑거들이 정렬한 것과는 반대의 극성을 가진 회전자 자극들의 선수 가장자리(또는 후미 가장자리)와 후미 가장자리(또는 선수 가장자리)에 각각 정렬하게 된다. 이와 같이, 회전자 자극들과의 관계에서 각 위상에 대응하여 세 가지로 독특하게 배치된 고정자 치부들이 구성된다. 그러므로 등 간격으로 배치된 24개의 고정자 치부들은 세 가지 고정자 치부들의 조합이 8번 반복되는 형태를 갖는다. 이러한 고정자 치부와 회전자 자극들의 정렬은, 회전형 형태, 선형 형태, 구역(sectional) 형태 또는 단편적(fractional) 형태, 역진형(reversed) 형태, 그리고 축 방향 공극 형태들을 위한, 본 명세서에 개시된 모든 3상 스테핑모터들에서 공통적으로 요구된다.

자기력의 편차는 동력 및 무동력 상태에서의 순간 정지 토크의 편차와 모터 순간 가동 토크의 편차를 유발한다. 도 2c는, 보다 더 안정적인 순간 동력 및 무동력 정지 토크와 순간 가동 토크를 가지는 모터를 만들기 위한, 자성체 간의 자기력의 편차를 줄이기 위한 기법을 보여준다. 도 2a, 도 3a, 도 4a, 도 5a 및 6a의 회전자의 확대도면들과 비교해 볼 때, 도 2c에서는, 연자성강 또는 적층형 전기 적층재로 이루어진 회전자 지지면 위의 자성체 슬롯들이 더욱 깊고 넓은 형태를 보여준다.

도 2b는, 도 2의 공동 연결점에서의 Y자형 연결의 전기적 배선을 나타낸 것이다.

제2 실시예 (도 3과 도 3a)

도 3은, 도면 부호 30번으로 표시된 바와 같이, 도 1, 도 2 및 도 2a에 보인 설계와 비슷하게 교대로 자화된 80개의 회전자 자극들(도면 부호 31)을 가졌지만, 등 간격으로 분포된 15개의 고정자 치부들(도면 부호 32)을 가지며 각각의 고정자 치부 상에 세 개의 핑거들(도면 부호 33)을 가진 또 다른 3상 스테핑모터의 단면도를 보여준다. 도 3a에 나타난 것처럼, 회전자 자극들과의 관계에서 각 위상에 대응하여 세 가지로 독특하게 배치된 고정자 치부들이 구성된다. 그러므로 도 3의 15개 고정자 치부들은 세 가지 독특한 위치의 고정자 치부들의 조합이 다섯 번 반복되는 형태를 갖는다. 물리적 그리고 전기적 배선도는 상기 도 2, 도 2a 및 도 2b와 동일한 원칙으로 구성되며, 따라서 생략되었다.

제3 실시예 (도 4 및 도 4a)

도 4는, 도면 부호 40번으로 표시된 바와 같이, 교대로 자화된 120개의 회전자 자극들(도면 부호 41)과 등 간격으로 배치된 16개의 고정자 치부들(도면 부호 42)을 갖는 2상 또는 4상 스테핑모터의 단면도를 보여준다. 각각의 고정자 치부는 세 개의 핑거들(도면 부호 43)을 가지고 있다. 도 4a는 회전자 자극들과 고정자 치부들 간의 물리적인 정렬 관계를 확대하여 보여주고 있다. 정렬 관계의 상세한 내용은 아래에서 물리적 배선도와 함께 설명될 것이다.

제4 실시예 (도 5, 도 5a 및 도 5b)

도 5는, 도면 부호 50번으로 표시된 바와 같이, 도 4에서 보인 대로 120개의 회전자 자극들(도면 부호 51)과 16개의 고정자 치부들(도면 부호 52)과 고정자 치부 당 세 개의 핑거들(도면 부호 53)을 갖는 5개의 배선, 4상, 스텝 당 1.5°를 특징으로 하는 유니폴라 스테핑모터의 물리적 배선도를 보여주고 있다. 각각의 위상은 4개의 순차적으로 연결된 코일들을 갖는다. 각각의 위상별로 네 개가 여자 상태가 존재한다. 중앙 탭(CT) 전압은 양 또는 음의 값을 가질 수 있는데, 아래의 여자 상태표는 중앙 탭에서의 전압 극성이 오직 양인 경우만을 보여주고 있다.

여자 시퀀스는 다음의 표 3과 같다.

	터미널
상태	A1	B1	C1	D1	CT
1	-				+
2		-			+
3			-		+
4				-	+

상태 1로부터 상태 4에 이르는 이러한 여자 시퀀스는 도 5에서 시계방향("CW")으로의 회전자 회전을 유발한다. 상기 여자 시퀀스를 반대로 하는 경우에는 회전자 회전이 도 5에서 반시계방향("CCW")으로 이루어지게 된다. 유사하게, 도 5와 도 5a에 보인 것과 같은 고정자 치부 위의 권선 방향을 반대방향으로 바꾸는 경우에도, 회전자의 회전이 반대방향으로 발생한다.

도 5a는, 도면 부호 50번으로 표시된 바와 같이, 도 5에서 보인 4상, 스텝 당 1.5°의 특성을 갖는 유니폴라 스테핑모터에서의 회전자 자극, 고정자 치부, 그리고 물리적 권선 간의 관계를 확대하여 보여준다. 이러한 구성은 120개의 회전자 자극들(도면 부호 51)을 가지고, 16개의 고정자 치부들(도면 부호 52)을 가지며, 각 치부 당 세 개의 핑거들(도면 부호 53)을 갖는다. 고정자 치부 위에 있는 위상 A의 핑거들이 회전자 자극들과 정렬할 때, 각각의 위상 B 핑거들은 두 개의 인접한 자극들의 중앙에 위치하게 되고, 각각의 위상 C 핑거들은 위상 A 핑거들과 정렬된 자극들과는 반대되는 자극들과 정렬되며, 각각의 위상 D 핑거들은 위상 B 핑거들이 정렬한 자극들과 반대되는 자극들과 정렬된다. 따라서 회전자 자극들과의 관계에서 각 위상에 대응하여 네 가지로 독특하게 배치된 고정자 치부들이 구성된다. 그러므로 도 5에서 보인, 등 간격으로 배치된 16개의 고정자 치부들은 상기 네 가지 독특하게 배치된 고정자 치부들의 조합이 네 번 반복되는 형태를 갖게 된다. 도 5a에 표현된 이러한 고정자 핑거와 회전자 자극의 정렬은, 회전형 형태, 선형 형태, 구역 형태 또는 단편적 형태, 역진형(reversed) 형태, 그리고 축 방향 공극 형태들을 위한, 본 문서에 개시된 모든 4상 스테핑모터들에서 공통적으로 요구된다.

도 5b는, 도 5의 공동 중앙 탭에서의 전기적 배선을 나타낸 것이다. 흔히 사용되는 또 다른 4상 유니폴라 모터 드라이버는 두 개의 중앙 탭과 6개의 배선을 필요로 한다. 이러한 구성도 마찬가지로 성취될 수 있는데, 예를 들어 도 5와 5b에서, 도면 부호 A2와 도면 부호 B2를 하나의 중앙 탭에 연결하고, 도면 부호 C2와 도면 부호 D2를 다른 중앙 탭에 연결하면 된다. 두 개의 중앙 탭들은 도 5b에서 보인 하나의 중앙 탭과 동일한 역할을 수행한다. 4상 여자 극성 시퀀스는 추가적인 중앙 탭의 경우에도 표 3에 보인 것과 동일하게 유지된다.

제5 실시예 (도 6, 도 6a 및 도 6b)

도 6는, 도면 부호 60번으로 표시된 바와 같이, 도 4와 도 4a에서 보인 120개의 회전자 자극들(도면 부호 61)과 16개의 고정자 치부들(도면 부호 62)과 고정자 치부 당 세 개의 핑거들(도면 부호 63)을 가지며 4개 배선, 2상, 스텝 당 1.5°를 특징으로 하는 바이폴라 방식의 구성에서의 물리적 배선도를 보여주고 있다. 여자 시퀀스는 다음의 표 4와 같다.

	터미널
상태	A1	B1	A2	B2
1	+		-
2		+		-
3	-		+
4		-		+

상태 1로부터 상태 4에 이르는 이러한 여자 시퀀스는 도 6에서 시계방향("CW")으로의 회전자 회전을 유발한다. 상기 여자 시퀀스를 반대로 하는 경우에는 회전자 회전이 도 6에서 반시계방향("CCW")으로 이루어지게 된다. 유사하게, 도 6와 도 6a에 보인 것과 같은 고정자 치부 위의 권선 방향을 반대방향으로 바꾸는 경우에도, 회전자의 회전이 반대방향으로 발생한다.

도 6a는, 도면 부호 60번으로 표시된 바와 같이, 도 6에서 보인 2상, 스텝 당 1.5°의 특성을 갖는 바이폴라 스테핑모터에서의 회전자 자극, 고정자 치부, 그리고 물리적 권선 간의 관계를 확대하여 보여준다. 이러한 구성은 120개의 회전자 자극들(도면 부호 61)을 가지고, 16개의 고정자 치부들(도면 부호 62)을 가지며, 각 치부 당 세 개의 핑거들(도면 부호 63)을 갖는다. 고정자 치부 위에 있는 위상 A의 핑거들이 회전자 자극들과 정렬할 때, 각각의 위상 B 핑거들은 두 개의 인접한 자극들의 중앙에 위치하게 된다. 그 다음의 위상 A 핑거들은 이전 위상 A 핑거들이 정렬된 자극들과 반대되는 자극들과 정렬하게 되고, 그 다음의 위상 B 핑거들은 이전 위상 B 핑거들이 정렬했던 것과는 반대의 자극들과 정렬되게 된다. 도 6에 보인 바와 같이 위상 A의 핑거들에 대하여는 +A, -A, +A, -A 과 같은 패턴으로, 또 위상 B의 핑거들에 대하여는 +B, -B, +B, -B와 같은 패턴으로 배선이 연결될 때, 회전자의 자극들과의 관계에서 각 위상에 대응하여 두 가지로 독특하게 배치된 고정자 치부들이 구성된다. 그러므로 도 6에서 보인, 등 간격으로 배치된 16개의 고정자 치부들은, 도 6a에서 보인 두 가지 독특하게 배치된 고정자 치부들의 조합이 여덟 번 반복되는 형태를 갖게 된다. 이러한 고정자 핑거와 회전자 자극 간의 정렬은, 회전형 형태, 선형 형태, 구역 형태 또는 단편적 형태, 역진형(reversed) 형태, 그리고 축 방향 공극 형태들을 위한, 본 문서에 개시된 모든 2상 스테핑모터들에서 공통적으로 요구된다.

상기 세 가지 방식의 물리적 배선도들, 즉 3상을 위한 도 2와 도 2a, 4상을 위한 도 5와 도 5a, 그리고 2상을 위한 도 6과 도 6a에서, 각 위상에 해당하는 각각의 치부를 위한 권선 방향은, 각 위상 별로 고정자 핑거들과 정렬하는 회전자 자극들의 극성에 의해 결정된다. 예를 들어, 도 2에서 위상 A에 대응하는 8개의 모든 고정자 치부들 위의 고정자 핑거들은 모두 동일한 극성의 회전자 자극들과 정렬하므로, 8개 모든 고정자 치부들을 위한 배선 방향은 모두 동일하다. 위상 B와 위상 C의 경우에도 마찬가지이다. 도 5의 경우에도 동일한 배선 방향이 적용된다. 그러나 도 6에 보인 위상 A 배선도에서는, 회전자 자극 극성이 위상 A에 해당하는 고정자 치부들 중에서 반복적으로 바뀌므로, 고정자 치부 위의 권선 방향이 한 번씩 건너뛰어 반대 방향으로 바뀌어져야 한다. 위상 B의 경우에도 마찬가지이다.

제6 실시예

각 위상 당 2개, 총 8개의 배선으로 이루어진 구성이 중앙 탭 없이 (도 5, 도 5a, 및 도 5b에 보인 중앙 탭들과는 달리) 만들어질 수 있으며, 이는 유니폴라 또는 바이폴라 4상 모터의 구동에 있어서 더 많은 유연성을 제공한다. 유사하게 3상 모터의 경우에는, 각 위상 당 2개, 총 6개의 배선으로 이루어진 구성이 중앙의 연결점 없이 (도 2와 도 2b에 보인 중앙 연결점들, 즉 도면 부호 A2, 도면 부호 B2 및 도면 부호 C2와 달리) 만들어질 수 있으며, 이는 유니폴라 또는 바이폴라 3상 모터의 구동에 있어서 더 많은 유연성을 제공한다.

상기 4상 모터를 위한 표 1에 따르면, 8개 배선의 바이폴라 구동 방식은 스텝 당 0.75°의 스텝 각도-즉 유니폴라 드라이버의 경우에 가능한 스텝 각도의 절반임-를 가능하게 한다. 유사하게 상기 3상 모터의 경우, 6개 배선의 유니폴라 구동 방식은 바이폴라 구동 방식의 스텝 각도를 두 배로 증가시킨다.

제7 실시예 (도 7)

도 7은, 도 4와 일반적으로 유사하게 교대로 자화된 120개의 회전자 자극들과 등 간격으로 배치된 16개의 고정자 치부들을 가지지만, 각각의 고정자 치부 상에 네 개의 핑거들을 갖는 2상 또는 4상 스테핑모터의 또 다른 실시예의 단면도이다. 물리적 및 전기적 배선도와 여자 극성 시퀀스는 4상의 경우 도 5, 도 5a, 도 5b에 보인 것과 동일하며, 2상 모터의 경우 도 6, 도 6a 및 도 6b에 보인 것과 동일하다.

제8 실시예 (도 8, 도 9)

도 8는, 도면 부호 80번으로 표시된 바와 같이, 도 4와 도 7과 마찬가지로 교대로 자화된 120개의 회전자 자극들(도면 부호 81)을 가진 동일한 회전자를 가지지만, 등 간격으로 배치된 18개의 고정자 치부들(도면 부호 82)을 갖는, 3상, 스텝 당 1.0°, 바이폴라의 스테핑모터의 단면도를 보여준다. 각각의 고정자 치부는 세 개의 핑거들(도면 부호 83)을 가지고 있다.

도 9는, 도 8에서 보인 것처럼, 120개의 회전자 자극들과 18개의 고정자 치부들을 갖는, Y자형 연결, 3개 배선, 3상, 스텝 당 1.0°, 바이폴라 스테핑모터의 물리적 배선도를 보여준다. 각 위상은 여섯 개의 순차적으로 연결된 코일들을 갖는다. 전기적 배선도는 도 2b에 보인 것과 동일하며, 여자 극성 시퀀스는 표 2에 보인 것과 동일하다.

상기의 모든 실시 예들에서 고정자 치부들은 균일한 간격으로 배치되며 고정자 치부들의 개수는 위상 수의 정수 배로 결정된다(예, 식 (6)). 그러나 고정자의 치부들은 균일하지 않은 간격으로 배치될 수도 있고, 또한 고정자 치부들의 개수가 위상 수의 정수 배수로 구성되지 않을 수도 있다(이러한 구성이 추천하는 방법은 아니다). 예를 들어, 4상, 스텝 당 3.0°, 60개의 회전자 자극을 특징으로 하는 유니폴라 스테핑모터가, 문단 [0088]에 설명되어 있는 고정자 치부 핑거들과 회전자 자극들의 정렬 조건을 만족하도록, 16개의 고정자 치부들과 치부 당 두 개의 핑거들로 구성될 수 있다. 이러한 설계에서 고정자 치부 간 간격은 21.0°의 크기를 갖는 15개와 45.0°의 크기를 갖는 하나의 간격으로 이루어지게 된다. 이러한 설계에는 두 가지 큰 단점이 있다. 45.0° 치부 간격의 위치에 기인한 일정치 않은 순간 동력 및 무동력 정지토크이다. 또 다른 단점은 45.0°의 치부 간격의 위치에서 고정자 권선 공간이 낭비된다는 점이다. 추가적인 고정자 치부를 45.0° 치부 간격의 위치에 배치하여, 21.0°의 치부 간격 16개와 24.0°의 치부 간격 한 개를 갖는 17개의 고정자 치부들을 갖게 하는 것은, 일정치 않은 순간 동력 및 무동력 정지 토크를 개선할 수 있지만, 추가된 고정자 치부가 배선에 이용되지 않는다는 문제를 남긴다. 그러므로 일정하지 않은 간격을 가진 고정자 치부들, 혹은 위상 수의 정수배가 아닌 치부들의 개수는 바람직하지 않다. 예를 들어, 상기의 4상, 스텝 당 3.0°, 60개의 회전자 자극을 갖는 유니폴라 모터는, 고정자 치부 당 세 개의 핑거들을 갖는, 등 간격으로 배치된 8개의 고정자 치부들로 구성될 수 있다.

도 3, 도 6 및 도 7의 모든 상기 실시예들에 있어서 하나의 고정자 치부 위에 인접한 두 개의 핑거들 간의 거리는, 회전자 자극들과 정렬할 때 모두 같은 극성의 자극들과 정렬되도록 결정된다. 이는 반대 극성의 회전자 자극들이 인접하는 두 개의 핑거들의 사이에서 건너뛰어짐을 의미한다. 그러나 치부들의 핑거들은, 추천되는 방식은 아니지만, 건너뛰어지는 회전자 자극이 발생하지 않도록 설계될 수도 있다. 예를 들어 도 1의 치부 당 두 개 핑거를 갖는 설계는 기존의 두 개의 핑거 사이에 추가적인 핑거가 하나 더 존재하는, 치부 당 세 개 핑거의 형태로 설계될 수도 있다. 이 때 추가적인 핑거는 도 1에서 두 개의 핑거가 정렬하는 회전자 자극들과는 반대의 극성을 가진 자극들과 정렬하게 된다. 마찬가지로 도 4의 치부 당 세 개의 핑거를 가진 설계는 두 개의 추가적인 핑거를 갖는 치부 당 다섯 개의 핑거를 갖는 형태로 설계될 수 있다. 이러한 설계들은, 본 발명에서 개시된 바람직한 실시예들과 비교할 때, 세 가지의 단점들을 가지고 있다. 첫째는 회전자 자극들과 고정자 치부 핑거들 간의 자기적인 단락(short-circuit)으로 인해 매우 큰 무동력 정지 토크가 발생한다는 점이다. 두 번째는 회전자 자극들과 고정자 치부 핑거들 간에 자속(magnetic flux)의 취소현상으로 매우 낮은 동력 정지 토크가 발생한다는 점이다. 세 번째는, 가장 중요한 단점으로서, 매우 높은 무동력 정지토크와 매우 낮은 동력 가동 토크로 인하여 스테핑모터가 불규칙적인 스텝 크기로 작동할 수 있다는 점이다. 그러므로 치부의 핑거들은 서로 다른 극성의 회전자 자극과 정렬되도록 배치되어서는 아니 된다. 하나의 치부 상의 핑거들은 같은 극성을 갖는 회전자 자극들과 정렬되도록 배치되어야 한다.

다섯 혹은 그 이상의 위상들을 갖는 스테핑모터는, 표 1에 5상 모터의 예가 나와 있기는 하지만, 흔히 사용되는 2상, 3상, 혹은 4상의 모터 드라이버들에 비해 높은 비용으로 인하여 본 문서에서는 설명하지 않는다.

본 발명의 설계 개념을 이용하는 선형 스테핑모터는 본 발명의 특수한 예이다. 스테핑모터를 열어 회전자와 고정자를 직선으로 배치함으로써, 회전식 스테핑모터는 선형 스테핑모터가 된다. 그러나 고정자 치부와 회전자 자극들 간의 정렬이나, 전기적 배선도, 그리고 여자 극성 시퀀스가 회전식 스테핑모터와 동일하므로, 본 발명에서는 별도로 설명하지 않는다. 고정자 치부 핑거들과 회전자 자극들의 정렬, 전기적 배선도, 그리고 여자 극성 시퀀스는 각각; (a) 3상 바이폴라 스테핑모터의 경우, 문단 [0076], 도 2b, 그리고 표 2; (b) 4상 유니폴라 스테핑모터의 경우, 문단 [0088], 도 5b, 그리고 표 3; (c) 2상 바이폴라 스테핑모터의 경우, 문단 [0094], 도 6b, 그리고 표 4에 설명되어 있다.

본 발명의 원리에 근거하여 여러 가지의 다른 스테핑모터 설계가 가능하다. 이러한 예들은; (a) 전체 360°회전자와 고정자의 일부만을 이용하는 구역 형태 또는 단편적 형태의 스테핑모터; (b) 내부의 움직이지 않는 고정자와 바깥쪽에 회전하는 회전자를 갖는 고정부와 가동부가 뒤 바뀐 형태의 스테핑모터; (c) 평면으로 구성된 회전자와 고정자가 공통의 축 위에 나란히 정렬된 형태의 축 방향 공극 스테핑모터 등을 포함한다. 상기 여덟 가지의 실시 형태에서 설명한 것과 같은 원형이자 방사형의 공극 설계와 비교할 때, 축 방향 공극 설계는 상기 여덟 가지 실시 형태와 같은 방사상 방향이 아닌, 축 방향으로 회전자 자극들을 자화하여야 하고, 고정자 치부들과 핑거들도 축 방향으로 회전자 자극들을 향하여 대면하도록 배열되어야 한다. 이렇게 변형된 설계 형태에서도, 배선의 원리 및 고정자 치부 핑거들과 회전자 자극들 간의 정렬방식은 상기 2상, 3상 및 4상 모터들의 경우와 동일하다.

2선 방식 또는 중복 권선도 개시된 배선 방식에서 쉽게 구현될 수 있는 특징 중 하나이다. 이 방식들은 상기 개시된 흔히 쓰이는 배선 기법이며, 배선방식의 사소한 변형에 불과하므로, 본 문서에서는 설명하지 않는다.

고형 연자성강(들)을 이용하여 하나의 부분으로 된 고정자 스택과 치부들을 가공하는 방식, 또는 하나의 부분으로 이루어진 고정자 외관과 치부를 가공하는 것은, 본 발명을 낮은 스테핑 속도의 응용분야에 적용함에 있어서, 쉽게 구현할 수 있는 또 하나의 특징이다. 고형 연자성강은 성형된 아이언-파우더(iron-powder) 혼합 재료들, 저탄소강 (미국철강협회 규격 제1010호, 제1015호, 또는 제1018호 등), 견고한 마텐자이트 함유 부식방지 강 (제416호 스테인리스강 등), 또는 견고한 고 투과성 니켈이온(nickel-iron) 또는 아이언-코발트(iron-cobalt) 합금 등을 비한정적으로 포함한다. 이러한 고형 연자성강들은 와상 전류와 히스테리시스 손실이 크게 중요하지 않은 낮은 진동수를 갖는 응용분야의 자성체 설계에 적절한 것으로 알려져 있다. 이러한 특성들은 엽렬현상(de-lamination)을 없애고, 비용을 감소(특히 흔히 사용하는 제1018호 저탄소강 또는 제416호 스테인리스강을 사용하는 경우)시키며, 가공 공정을 단순화시키기 때문에, 저속의 모터와 액추에이터들에 아주 적합한 것으로 판명되어 있다.

상기 설계에 근거한, 본 발명과 기존의 기술(전술한 예로서, 미국특허 제4,190,779호와 제4,315,171호)의 주요한 차이는 고정자의 형태에 있는데, 다음과 같이 요약될 수 있다: (a) 기존 기술에서는 고정자 치부들이 그룹으로 나뉘어 있고 각각의 그룹들은 일반적인 고정자 치부 간격에 더하여 통상적으로 하나의 스텝각도 만큼 떨어져 있는 반면, 본 발명의 고정자 치부들은 등 간격으로 분포되어 있다. (b) 균일한 고정자 치부 간격으로 인해, 스테핑모터는 기존 기술에 비해 더 안정된 순간 무동력 정지 토크 및 동력 정지 토크를 발생시킨다. (c) 본 발명은 기존 기술에서는 없는, 고정자 치부 상의 핑거들을 사용하고 있다. (d) 본 발명은 작은 스테핑 각도를 위하여 기존 기술보다 더 작은 수의 고정자 치부들을 사용한다. (e) 더 작은 수의 고정자 치부로 인하여, 본 발명의 설계는, 위상 당 회전수를 증가시키거나 위상 당 회전수를 유지하면서 두꺼운 전선을 사용한 권선으로 위상저항을 감소시켜, 모터 토크 또는 토크 밀도를 증가시킬 수 있는 보다 더 많은 여유를 가지고 있다. (f) 고정자 상의 더 많은 여유로 인해, 본 발명에서의 고정자 치부들은 기존 기술에 비해 더 두껍고 강할 수 있어서, 스텝 안정성, 정확도, 그리고 가공성을 향상시킨다. (g) 더 적은 고정자 치부들로 인하여, 본 발명에 따른 설계의 고정자 중량은 기존 방식보다 작을 것이다. (h) 더 적은 고정자 치부들과 그 치부들 간의 균일한 배치로 인해, 배선의 권선 공정은 기존 방식보다 간편해진다.

본 발명과 기존 기술과의 또 다른 차이는, 보다 안정된 무동력 및 동력 상태에서의 정지 토크 및 순간 가동 토크를 얻기 위하여 자력의 편차를 줄이기 위한, 더 넓고 깊은 슬롯을 가진 회전자 지지면의 설계에 있다.

추가적으로, 본 발명은 상기 식 (1), 식 (2) 및 식 (3)에 보인 것과 같이, 고정자 치부와 핑거, 스텝 각도, 위상, 그리고 바이폴라 또는 유니폴라의 드라이버 구성들 간의 관계를 수립하고 제시하였다. 본 발명은 또 3, 4, 5, 6 또는 8개의 배선을 갖는 2상, 3상 및 4상의 스테핑모터를 위한 배선 방식과, 다른 상용 스테핑모터 및 다양한 가변 자기저항방식, 혼합형, 영구 자석형의 바이폴라 또는 유니폴라 방식 드라이버들에 공통되는 구동 극성 시퀀스를 제시하였다.

비록 다수의 향상된 스테핑모터의 실시예들과 그를 기반으로 한 변화된 형태들이 본 문서에서 설명되었지만, 본 기술 분야에 통상적인 지식을 가지고 있는 자는, 후술하는 청구항들에서 정의되고 구별된 본 발명의 원리에서 벗어나지 않는 많은 추가적인 변화와 변경된 형태들이 만들어 질 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims

가동부와 고정부를 가지는 영구 자석형 스테핑모터로서,
인접하는 자극 간에는 반대되는 극성을 갖고 그 개수가 상수와 위상 수와 소정의 스텝 간격의 함수로 결정되는, 가동부와 고정부 중 어느 한쪽의 구성부의 표면에 위치한 다수의 자극들, 그리고
상기 가동부와 고정부 중 다른쪽 구성부에 상기 한쪽의 구성부의 표면을 향하여 등 간격으로 배치되어, 각자 상기 한쪽 구성부의 표면을 향하는 다수의 핑거들을 가지며, 그 개수가 상수와 상기 자극들의 개수와 각 치부 당 핑거 개수와 위상 수의 함수로 결정되는, 다수의 치부들을 포함하는 것으로서,
각각의 핑거는 동일한 치부의 핑거들이 모두 같은 극성의 자극에 정렬되도록 배치되어 있고,
위상 당 고정자 치부들의 최대 개수(m)가 다음 식을 이용하여 결정되고, 그 식에서 항 int(x)는 입력값 x의 정수부만을 반환하는 정수함수인 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제1항에 있어서,
상기 가동부가 외곽 표면을 갖는 회전자이고, 상기 고정부가 고정자로 이루어진 것으로서, 상기 소정의 스텝 간격은 소정의 스텝 각도가 되고, 상기 치부들은 상기 회전자 외곽 표면을 향하여 상기 고정자 상에 원형으로 배치된 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서,
유니폴라 모터 드라이버를 위한 회전자 자극의 개수는 다음 식으로부터 결정되는 짝수의 정수인 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서,
바이폴라 모터 드라이버를 위한 회전자 자극의 개수는 다음의 식으로부터 결정되는 짝수의 정수인 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서,
상기 회전자 자극들이 상기 회전자의 외곽 표면에 동일한 간격으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서,
회전자의 지지면이 고형 연자성강들, 전기 강 적층재들, 또는 이러한 재료들의 조합으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
삭제
제2항에 있어서,
고정자 치부들이 고정자 상에 동일한 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서,
상기 고정자가 고형 연자성강들, 전기 강 적층재들, 또는 그러한 재료들의 조합으로 구성되는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서,
위상 A와 위상 B를 갖는 2상 모터의 경우, 고정자 치부들 위의 위상 A 핑거들이 회전자 자극들과 정렬할 때, 위상 B의 핑거들이 인접한 두 개의 회전자 자극들의 중앙에 위치하도록 상기 회전자와 고정자가 구성되고 정렬된 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서, 위상 A, 위상 B와 위상 C를 갖는 3상 모터의 경우, 고정자 치부들 위의 위상 A 핑거들이 한 극성의 회전자 자극들과 정렬할 때, 위상 B와 위상 C의 각 핑거들이 반대의 극성을 갖는 회전자 자극들과 정렬하도록 상기 회전자와 고정자가 구성되고 정렬된 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제11항에 있어서,
위상 B의 각 핑거가 해당 회전자 자극의 선수 가장자리와 정렬될 때, 위상 C의 각 핑거는 해당 회전자 자극의 후미 가장자리와 정렬되는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제11항에 있어서,
위상 B의 각 핑거가 해당 회전자 자극의 후미 가장자리와 정렬될 때, 위상 C의 각 핑거는 해당 회전자 자극의 선수 가장자리와 정렬되는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.
제2항에 있어서,
위상 A, 위상 B, 위상 C 와 위상 D를 갖는 4상 모터의 경우, 고정자 치부들 위의 위상 A 핑거들이 회전자 자극들과 정렬할 때, 위상 B의 각 핑거는 인접한 두 개의 자극들 중앙에 정렬하고, 위상 C의 각 핑거는 위상 A의 핑거가 정렬한 자극과 반대되는 자극과 정렬하며, 위상 D의 각 핑거는 위상 B의 핑거가 정렬한 것과 반대되는 자극과 정렬하는 것을 특징으로 하는 영구 자석형 스테핑모터.