KR101396613B1 - 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기자의 양끝단에 계단 형태의 보조치를 설치함으로써 전기자의 단부 코깅력을 저감시키는 리니어 모터에 관한 것으로, 적어도 둘 이상의 전기자가 분산 배열되어 가동자를 이동시키는 리니어 모터에서, 상기 전기자의 양끝단에는 상기 가동자를 향하여 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 계단 형태의 보조치가 설치되는 것을 특징으로 한다.

Description

리니어 모터{LINEAR MOTOR}

본 발명은 리니어 모터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기자의 양끝단에 계단 형태의 보조치를 설치함으로써 전기자의 단부 코깅력을 저감시키는 리니어 모터에 관한 것이다.

최근 여러 산업 분야에서 전기기기를 이용한 직선 운동 구동 시스템의 필요성이 증가되고 있다. 과거에는 회전기를 구동시켜 이를 직선 운동으로 변환하는 기계장치를 사용하여 직선운동을 구현해 왔으나, 점차적으로 기계적 변환 장치 없이 선형 전동기로 직접 구동하는 방식이 증가되고 있다.

기계적 변환 장치는 구조적으로 복잡하고, 소음, 마찰, 진동으로 인해 시스템 효율의 저하는 물론 위치제어 및 고속화에 한계가 있다. 이에 반해 선형 전동기는 직선 추력을 발생시키므로 동력 변환 시스템에서 발생되는 근본적인 문제점을 해결할 수 있어 리니어 시스템의 전체적인 효율 및 성능 향상을 기대할 수 있다.

현재 선형 전동기는 많은 연구가 진행되어 그 응용분야가 산업전반에 확대되고 있다. 이 중 영구자석 선형 동기 전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor : PMLSM)는 기존의 회전기를 이용하여 직선운동으로 변환하는 시스템보다 정밀 제어성 및 높은 에너지 밀도, 고효율성 등의 특성으로 인하여 전기철도, 공장 자동화 반송시스템, 반도체 제조장비 등과 같은 FA(Factory Automation)분야에서 널리 이용되고 있다. 현재 PMLSM은 주로 단거리 반송장치의 구동원으로 적용되고 있으나 장거리용 고하중 반송장치의 필요성이 꾸준히 증가되고 있다.

장거리용 PMLSM은 추진자계를 발생시키는 전기자를 반송 경로 전장에 설치해야하기 때문에 반송 경로가 길어지면 길어질수록 초기 비용이 상승하는 문제점이 발생한다. 이러한 초기 비용 상승의 문제점을 해결하기 위해 분산배치 방식의 전기자가 제시되고 있다.

도 1에 전기자 분산배치 PMLSM을 나타내었다. 도 1에 도시된 바와 같이 전기자 분산배치 PMLSM은 구조상 필연적으로 발생하는 단부에 의해 가동자가 전기자 위치에 진입하거나 또는 전기자 위치에서 반출될 때에 코깅력(Cogging force)이 크게 발생하여 기기의 소음과 진동을 유발한다. 즉 가동자가 전기자 설치 부위와 비설치 부위의 경계를 통과할 때에, 전기자측 철심과 가동자측 영구자석 사이에서 발생하는 흡인력(Attractive force)이 크게 변동한다.

도 2는 전기자의 단부가 가동자에 미치는 영향을 도시한 측면도이다.

가동자가 전기자에 진입하는 진입부에서 발생하는 흡인력은 가동자의 진행 방향과 같은 방향의 힘으로서, 즉 가동자를 전기자 측으로 끌어들이는 힘으로 작용하여 가동자를 가속시킨다. 또한, 가동자가 전기자를 벗어나는 반출부에서 발생하는 흡인력은 가동자의 진행 방향과 역방향의 힘으로서, 즉 가동자를 전기자측에 되돌리는 힘으로 작용하여 가동자를 감속시킨다. 그러므로 이러한 단부 코깅력을 감소시켜야 한다.

이러한 코깅력을 저감시키기 위해 영구자석의 스큐, 보조극 및 보조치 설치 등 현재 많은 연구가 진행되고 있으나, 적은 비용으로 뚜렷한 효과를 발생시키는 대안은 아직까지도 마련되지 못하고 있는 실정이다. 또한 종래에는 전기자 권선방식이 분포권에만 치중되어 있어 집중권 방식에 대한 기술도 부족한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 전기자의 끝단에 계단 형태의 보조치를 설치함으로써 전기자의 단부 코깅력을 저감시키는 리니어 모터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면, 적어도 둘 이상의 전기자가 분산 배열되어 가동자를 이동시키는 리니어 모터에서, 상기 전기자의 양끝단에는 상기 가동자를 향하여 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 계단 형태의 보조치가 설치되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터를 제공한다.

바람직하게는, 상기 전기자는 판부 상에 다수의 주치가 돌출되어 형성되고, 상기 주치의 말단에는 주치에 비해 넓은 단면적으로 갖는 캡이 형성되며, 캡과 판부의 사이에 코일을 권선시킬 수 있는 슬롯이 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보조치는 전기자의 판부에 연결되는 연결부와, 상기 연결부에서 연장되며 상면에 다수의 단차진 외면을 가져 상면이 계단 형태로 형성되는 본체부로 구성되며, 상기 단차는 직각 형태로 형성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보조치에서 계단형 보조치 1 단의 높이는 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 주치의 높이와 캡의 높이의 합으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보조치에서 계단형 보조치 1 단의 너비는 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 주치의 너비 대비 15 내지 20% 증가된 너비를 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보조치에서 단과 단 사이의 간격은 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 슬롯 개구폭 대비 40 내지 60% 증가된 간격을 갖는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보조치에서 전기자로부터의 이격거리는 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 슬롯 개구폭의 절반으로 결정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 보조치에서 단수는 3단인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전기자의 끝단에 계단 형태의 보조치를 설치함으로써 전기자의 단부 코깅력을 저감시키는 효과가 있다.

특히 전기자의 끝단에 계단 형태의 보조치를 설치하지 않은 모델에 비해 단부 코깅력이 약 50% 가 저감되었고, 일반적인 보조치를 설치한 모델보다 18.16% 이상 단부 코깅력이 저감될 수 있었다.

도 1은 종래 기술에 따른 분산 배치 방식의 리니어 모터를 도시한 측면도.
도 2는 종래 기술에 따른 분산 배치 방식의 리니어 모터에서 전기자의 단부가 가동자에 미치는 영향을 설명하기 위한 도면.
도 3은 보조치를 적용하지 않은 리니어 모터 모델의 형상을 도시한 도면.
도 4는 보조치를 적용하지 않은 리니어 모터 모델의 코깅력을 측정한 그래프.
도 5는 일반적인 보조치를 적용한 리니어 모터 모델의 형상을 도시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터 모델의 형상을 도시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터 모델의 최적 형상을 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터 모델의 코깅력을 이전 예와 비교하기 위한 그래프.
도 9는 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터 모델의 고조파를 이전 예와 비교하기 위한 그래프.

이하 본 발명에 따른 리니어 모터에 대하여 첨부한 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

먼저 도 3 내지 도 5를 참조하여 보조치를 적용하지 않은 리니어 모터의 모델과 일반적인 보조치를 적용한 리니어 모터의 모델에 대하여 유한요소법을 이용한 2차원 수치해석을 통해 코깅력의 변화 특성을 고찰하고, 도 6 내지 도 9를 참조하여 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터에 대하여 상세히 살펴보기로 한다.

본 발명이 적용되는 리니어 모터는 극성이 교번되게 영구자석이 배치된 가동자, 전기자코어에 전기자코일이 권선된 전기자를 포함하여 구성되며, 상기 전기자코일에 전류가 인가됨에 따라 전기자코일에서 발생하는 자기력과 영구자석의 자기력 사이의 상호 작용에 의해 직선의 추력이 발생되게 된다.

기본적으로 영구자석 선형 동기 전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor : PMLSM)의 가동자 총길이는 264 mm로, Nd-Fe-B 타입 영구자석 8극을 자로강판에 배치하였다. 또한, 전기자의 길이는 360 mm 이고 권선법은 집중권으로써 한 상당 코일 수는 75 턴스(turns)이다. 슬롯 간격은 40 mm 이며 9 슬롯으로 구성하였다.

다음의 표 1에 상술한 PMLSM의 구체적인 사양이 나타나 있다.

	Parameter	Value ( Unit )
전기자 ( Armature )	Number of slot	9 (slots)
	Slot width (x-axis)	24 (mm)
	Teeth width (x-axis)	16 (mm)
	Teeth height (y-axis)	14 (mm)
	Armature length	360 (mm)
	Slot pitch	40 (mm)
	Winding	Concentrated
가동자 ( Mover with PM )	Number of poles	8 (poles)
	Magnet length (x-axis)	26 (mm)
	Magnet thickness(y-axis)	3 (mm)
	Type	Nd-Fe-B
	Pole pitch	30 (mm)
	Back iron height	6 (mm)
	Back iron length	264 (mm)
Air gap		5 (mm)
Stack length		50 (mm)

먼저 보조치를 적용하지 않은 리니어 모터 모델(이하, 기본 모델)을 살펴보기로 한다.

도 3은 보조치를 적용하지 않은 리니어 모터 모델의 형상을 도시한 도면이고, 도 4는 보조치를 적용하지 않은 리니어 모터 모델의 코깅력을 측정한 그래프이다.

본 발명에서는 단부에서 발생하는 코깅력의 영향을 분석하기 위해 2-D 유한요소 해석 프로그램을 사용하였다.

도 3에 기본 모델 형상을 나타내었다. 이때의 노드(Node) 수는 13133, 요소(Element) 수는 24576이며 1 step당 1mm 씩 이동하도록 설정하였다.

도 4에 상술한 기본 모델의 단부 코깅력이 도시되어 있다. 가동자가 전기자에 진입 및 반출하는 부분에서 발생하는 최대 단부 코깅력은 ±27.73N이고, 가동자와 전기자가 완전하게 대항하고 있는 부분에서 발생하는 최대 코깅력은 ±0.8N이다.

다음으로, 일반적인 보조치를 적용한 리니어 모터 모델(이하, 일반 보조치 모델)을 살펴보기로 한다.

도 5는 일반적인 보조치를 적용한 리니어 모터 모델의 형상을 도시한 도면이다.

단부에서 발생하는 코깅력을 저감하기 위해 전기자의 끝단에 일반적인 보조치를 설치하였다. 도 5에 보조치를 설치한 모델이 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와 같이 보조치 최적설계를 위한 설계 변수는 다음의 3가지로 선택하였다.

여기에서 설계 변수 X는 전기자로부터의 이격거리이고, 설계 변수 D는 보조치의 폭이며, 설계 변수 Y는 보조치의 높이를 의미한다. 또한 적층폭은 전기자와 동일하게 하였다.

그 결과, 최적화된 보조치의 설계 변수 X는 슬롯 개구폭과 동일한 2mm, 설계 변수 Y는 전기자 치의 높이와 동일한 14mm, 설계 변수 D는 전기자 치의 폭과 동일한 16mm로 결정되었다.

그 결과, 전기자의 끝단에 보조치를 설치하지 않은 모델(기본 모델)보다 단부 코깅력이 38.84 %가 저감되어 최적화된 보조치로 인해 단부 효과가 줄어듬을 확인할 수 있었다.

다음으로, 본 발명에서는 전기자 단부에서 발생하는 코깅력의 크기를 더욱 감소시키기 위해 전기자 끝단에 보조치를 응용한 계단 형태의 보조치를 제안한다.

도 6은 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터 모델의 형상을 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명이 적용된 리니어 모터는 극성이 교번되게 영구자석(11)이 배치된 가동자(10)와, 상기 가동자(10)와 대향하여 분산 배열되는 적어도 둘 이상의 전기자(20)로 구성된다.

상기 전기자(20)는 코어(21)에 코일(26)이 권선되어 구성되며, 상기 코일(26)에 전류가 인가됨에 따라 코일(26)에서 발생하는 자기력과 영구자석(11)의 자기력 사이의 상호 작용에 의해 직선의 추력이 발생되게 된다.

상기 전기자(20)는 판부(22) 상에 다수의 주치(23)가 돌출되어 형성되며, 말단에 주치(23)에 비해 넓은 단면적으로 갖는 캡(24)이 형성되는 상기 주치(23)는 캡(24)과 판부(22)의 사이에 코일(26)을 권선시킬 수 있는 슬롯(25)이 형성된다.

이와 같이 다수의 주치(23)를 갖는 전기자(20)의 양끝단에는 상기 가동자(10)를 향하여 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 계단 형태의 보조치(30)가 설치된다. 여기에서 상기 단차는 직각 형태로 형성되는 것이 바람직하다.

상기 보조치(30)는 전기자(20)의 판부(22)와 연결되는 연결부(31)와, 상기 연결부(31)에서 연장되며 상면에 다수의 단차진 외면을 가져 상면이 직각 계단 형태로 형성되는 본체부(32)로 구성된다. 여기에서 상면이라 함은 상기 가동자(10)측을 의미한다.

도 6에 도시된 바와 같이 계단 형태의 보조치(30)에 대한 최적설계를 위한 설계변수는 전기자(20)로부터의 이격거리, 계단형 보조치 1 단의 너비, 계단형 보조치 1 단의 높이, 단과 단 사이의 간격, 단수로 선정하였다. 적층 폭 역시 전기자와 동일하게 하였다.

여기에서 상기 전기자(20)로부터의 이격거리 X는 전기자(20)의 코어로부터의 이격거리를 의미하며, 도 6을 참조하면 연결부(31)의 길이를 의미한다.

상기 계단형 보조치 1 단의 너비 D는 계단을 이루는 수평면들의 수평 길이를 의미한다.

상기 계단형 보조치 1 단의 높이 Y는 연결부(31)로부터 최상위 단까지의 높이를 의미한다.

상기 단과 단 사이의 간격 Z는 계단을 이루는 두 수직면의 수직 높이를 의미한다.

상기 단수 S는 계단의 수를 의미한다.

아래의 표 2에 다양한 설계 변수에 따른 PMLSM의 최대 단부 코깅력을 나타내었다.

		X (Unit)	Y (Unit)	D (Unit)	Z (Unit)	S (Unit)	최대 단부 코깅력 (Unit)
기본 모델		-					27.73 (N)
일반적인 보조치를 적용한 리니어 모터 모델		2 (mm)	14 (mm)	16 (mm)	-		16.96 (N)
Case No .	1	2 (mm)	20 (mm)	16 (mm)	2 (mm)	3 (steps)	17.18 (N)
	2	2 (mm)	17 (mm)	16 (mm)	2 (mm)	3 (steps)	17.21 (N)
	3	2 (mm)	14 (mm)	16 (mm)	2 (mm)	3 (steps)	19.71 (N)
	4	2 (mm)	11 (mm)	16 (mm)	2 (mm)	3 (steps)	22.24 (N)
	5	2 (mm)	20 (mm)	13 (mm)	2 (mm)	3 (steps)	18.83 (N)
	6	2 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	2 (mm)	3 (steps)	14.43 (N)
	7	2 (mm)	20 (mm)	22 (mm)	2 (mm)	3 (steps)	18.41 (N)
	8	2 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	4 (mm)	3 (steps)	15.35 (N)
	9	2 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	3 (mm)	3 (steps)	14.11 (N)
	10	2 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	1 (mm)	3 (steps)	19.13 (N)
	11	3 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	3 (mm)	3 (steps)	14.46 (N)
	12	1 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	3 (mm)	3 (steps)	13.88 (N)
	13	1 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	3 (mm)	2 (steps)	19.81 (N)
	14	1 (mm)	20 (mm)	19 (mm)	3 (mm)	4 (steps)	16.14 (N)

표 2로부터, 먼저 계단형 보조치 1 단의 높이 Y의 최적 길이를 결정하기 위한 모델은 Case No. 1 내지 4일 것이다.

여기에서 전기자로부터의 이격거리 X는 전기자(20)의 슬롯(25)의 개구폭인 2mm이며, 계단형 보조치 1 단의 폭 D는 전기자 주치의 너비와 동일한 16 mm이며, 단과 단 사이의 간격 Z는 2mm이며, 단수 S는 3단으로 선정하였다.

그 결과, 계단형 보조치 1 단의 높이 Y가 감소함에 따라 단부 코깅력은 점차 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 도 7에 도시된 바와 같이 계단형 보조치 1 단의 높이 Y는 전기자의 캡(24)을 포함한 주치(23)의 높이, 즉 주치(23)의 높이와 캡(24)의 높이의 합인 Case No. 1(Y = 20 mm)에서 17.18N으로 측정되어 기본 모델에 비해 최대 단부 코깅력이 10.55N이 저감됨을 확인할 수 있었다. 이를 통해 계단형 보조치 1 단의 최적 높이 Y는 해당 보조치(30)가 연결되는 전기자(20)에서 주치(23)의 높이와 캡(24)의 높이의 합에서 결정될 때 가장 저감된 최대 단부 코깅력을 가짐을 확인할 수 있었다.

다음으로, 계단형 보조치 1 단의 너비 D의 최적길이를 도출하기 위해 계단형 보조치 1 단의 높이 Y는 Case No. 1 내지 4의 결과에 의해 최대 단부 코깅력이 가장 감소되는 20mm로 선정하고 나머지 변수는 동일하게 선정하였다. 계단형 보조치 1 단의 너비 D를 조절한 모델은 Case No 1 그리고 5 내지 7이다.

그 결과, Case No. 6을 기준으로 Case No. 5와 8은 최대 단부 코깅력이 증가함을 확인할 수 있었다. 따라서 Case No. 6에서 기본 모델의 최대 단부 코깅력 보다 13.3N 이 저감된 14.43N의 최대 단부 코깅력이 발생하여 가장 저감된 양상을 보였다. 일반적인 보조치에서의 보조치 1 단의 너비 D는 전기자 주치의 너비와 동일한 길이에서 저감된 양상을 보였지만 본 발명에 따른 계단 형태의 보조치에서는 전기자 주치의 너비 보다 3mm 더 길어졌을 경우 보다 저감된 최대 단부 코깅력이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 계단형 보조치 1 단의 최적 너비 D는 해당 보조치(30)가 연결되는 전기자(20)에서 주치의 너비 대비 약 15 내지 20%, 가장 바람직하게는 18.75% 증가시켰을 때 가장 저감된 최대 단부 코깅력을 가짐을 확인할 수 있었다.

다음으로, 단과 단 사이의 간격 Z를 결정하기 위해 Case No. 1 내지 7의 결과들을 바탕으로 계단형 보조치 1 단의 높이 Y는 20mm로 고정하고, 계단형 보조치 1 단의 너비 D는 19mm로 고정하였다. 나머지 변수는 상기와 동일하게 선정하였다. 단과 단 사이의 간격 Z를 조절한 모델은 Case No. 6 그리고 8 내지 10이다.

그 결과, Case No. 9를 기준으로 Case No 6, 8, 10은 최대 단부 코깅력이 증가하는 양상을 나타냈다. 따라서 단과 단 사이의 간격 Z는 Case No. 9인 3mm에서 최대 단부 코깅력이 14.11N으로 가장 저감됨을 확인할 수 있었다. 이를 통해 단과 단 사이의 최적 간격 Z는 슬롯 개구폭 대비 약 40 내지 60%, 가장 바람직하게는 50% 증가시켰을 때 가장 저감된 최대 단부 코깅력을 가짐을 확인할 수 있었다.

다음으로, 전기자로부터의 이격거리 X를 도출하기 위해 Case No. 1 내지 10의 결과들을 바탕으로 계단형 보조치 1 단의 높이 Y는 20m로 고정하고, 계단형 보조치 1 단의 너비 D는 19mm로 고정하고, 단과 단 사이의 간격 Z는 3mm로 고정하였다. 전기자로부터의 이격거리 X를 조절한 모델은 Case No. 9, 11, 12이다. Case No. 9, 11, 12의 결과에서 전기자로부터의 이격거리 X는 Case No. 12인 1mm에서 최대 단부 코깅력이 13.88N으로 가장 저감되었고, 전기자로부터의 이격거리 X가 2mm 및 3mm에서는 증가하는 것을 확인하였다. 또한 일반적인 보조치에서의 전기자로부터의 이격거리 X는 슬롯 개구폭인 2mm로 설계되었지만 본 발명에 따른 계단 형태의 보조치에서 전기자로부터의 이격거리 X는 1mm로 설계되는 것이 가장 감소된 최대 단부 코깅력을 보임을 확인할 수 있었다. 이를 통해 전기자로부터의 이격거리 X는 슬롯 개구폭의 절반일 때 가장 저감된 최대 단부 코깅력을 가짐을 확인할 수 있었다.

마지막으로, 단수 S를 결정하기 위해 상기의 결과들을 바탕으로 계단형 보조치 1 단의 높이 Y는 20mm로 고정하고, 계단형 보조치 1 단의 너비 D는 19mm로 고정하고, 단과 단 사이의 간격 Z는 3mm로 고정하며, 전기자로부터의 이격거리 X는 1mm로 고정하였다. 또한 표 2에서 확인할 수 있는 바와 같이 단수는 2단에서 4단까지 조절하였고 전기자로부터의 이격거리 X를 조절한 모델은 Case No. 12 내지 14이다.

그 결과, 단수 2단과 4단은 단수 3단보다 단부 코깅력이 증가하였다. 따라서 본 발명에 따른 계단 형태의 보조치에서 단수 S는 상기에서 임의 설정한 Case No. 13인 3단에서 가장 저감됨을 확인할 수 있었다.

도 8은 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터 모델의 코깅력을 이전 예와 비교하기 위한 그래프이고, 도 9는 본 발명에 따른 계단형 보조치가 적용된 리니어 모터 모델의 고조파를 이전 예와 비교하기 위한 그래프이다.

도 8을 통해 기본 모델(Basic model)이나 일반적인 보조치를 적용한 모델(Optimized model with auxilliary teeth)에 비해 본 발명에 따른 계단 형태의 보조치를 적용한 모델(Optimized model with stair shape auxilliary teeth)에서 확연하게 저감된 최대 단부 코깅력이 나타남을 확인할 수 있다.

그리고 도 9로부터, 5 고조파와 10 고조파의 성분에서 본 발명에 따른 계단 형태의 보조치를 적용한 모델(Optimized model with stair shape auxilliary teeth)이 기본 모델(Basic model)이나 일반적인 보조치를 적용한 모델(Optimized model with auxilliary teeth)에 비해 크게 감소함을 확인할 수 있었다.

본 발명에서는 전기자 분산배치 집중권 PMLSM(stationary discontinuous armature with concentrated winding)에서 추력 리플로 작용하는 단부 효과에 의한 코깅력을 저감시키기 위해 전기자 끝단에 보조치를 응용한 계단 형태의 보조치 설치법을 제안하였다. 먼저, 수치해석 방법 중 유한요소법을 이용하여 기본모델의 단부 코깅력을 분석하였고, 설치되는 계단 형태의 보조치 최적설계를 위해 설계변수를 선정하여 그에 따른 최대 단부 코깅력을 기본 모델과 비교하여 최적화를 수행하였다. 그 결과, 최적화된 계단 형태의 보조치 설계 변수는 X=1mm, Y=20mm, D=19mm, Z=3mm, S=3steps으로 결정되었다. 이는 전기자의 끝단에 계단 형태의 보조치를 설치하지 않은 기본 모델보다 단부 코깅력이 약 50%가 저감되었고, 일반 보조치를 설치한 모델보다 18.16% 더 저감할 수 있었다.

한편, 상술한 바와 같은 본 발명에 따른 전기자의 계단형 보조치가 여러 규격의 전기자에서도 적용 가능함을 확인하기 위해 상술한 바와 같이 8극 9슬롯의 모델에서 하나의 모듈(4극 3슬롯)을 제거한 4극 6슬롯에도 동일한 형태의 계단형 보조치를 설치하였다.

최적화 진행 순서는 8극 9슬롯의 모델에서와 마찬가지로 계단형 보조치 1 단의 높이 Y, 계단형 보조치 1 단의 너비 D, 단과 단 사이의 간격 Z, 전기자로부터의 이격거리 X, 단수 S의 순서로 진행하였다. 그 결과는 다음의 표 3과 같다.

	최대 단부 코깅력	계단 치수 및 결정 순서	각 기본모델 대비 계단형 모델의 감소율
8극 9슬롯 기본모델	27.73 [N]	-	-
8극 9슬롯 계단형	13.88 [N]	Y=20, D=19, Z=3, X=1, S=3	49.95 [%]
4극 6슬롯 기본모델	27.78 [N]	-	-
4극 6슬롯 계단형	14.79 [N]	Y=20, D=19, Z=3, X=1, S=3	46.76 [%]

표 3을 통해 알 수 있듯이, 계단형 보조치의 치수는 8극 9슬롯의 계단형 보조치와 동일한 수치(Y=20, D=19, Z=3, X=1)가 4극 6슬롯의 계단형 보조치에서도 도출되었다. 다음으로 최대 단부 코깅력을 분석하였다. 계단형 보조치를 설치하지 않은 기본 모델에서는 8극 9슬롯이 27.73N의 최대 단부 코깅력을 나타내고, 이와 비교해 4극 6슬롯이 27.78N으로 사실상 동일하였다. 이에 계단형 보조치를 설치한 모델에서는 8극 9슬롯이 13.88N의 최대 단부 코깅력을 나타내고, 4극 6슬롯이 14.79N의 최대 단부 코깅력으로 약 0.9N(약 3.3%)의 차이가 발생하였다. 이에 코깅력의 변동 폭이 10% 미만으로 적은 값이기 때문에 결국 본 발명에 따른 계단형 보조치의 원리는 여러 규격의 전기자에서도 동일하게 적용 가능함을 확인하였다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

10 : 가동자 11 : 영구자석
20 : 전기자 21 : 코어
22 : 판부 23 : 주치
24 : 캡 25 : 슬롯
26 : 코일 30 : 보조치
31 : 연결부 32 : 본체부

Claims (8)

1. 적어도 둘 이상의 전기자가 분산 배열되어 가동자를 이동시키는 리니어 모터에서,
   상기 전기자의 양끝단에는 상기 가동자를 향하여 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 계단 형태의 보조치가 설치되며,
   상기 전기자는 판부 상에 다수의 주치가 돌출되어 형성되고, 상기 주치의 말단에는 주치에 비해 넓은 단면적으로 갖는 캡이 형성되며, 캡과 판부의 사이에 코일을 권선시킬 수 있는 슬롯이 형성되며,
   상기 보조치는 전기자의 판부에 연결되는 연결부와, 상기 연결부에서 연장되며 상면에 다수의 단차진 외면을 가져 상면이 계단 형태로 형성되는 본체부로 구성되며, 상기 단차는 직각 형태로 형성되며,
   상기 보조치에서 계단형 보조치 1 단의 너비는 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 주치의 너비 대비 15 내지 20% 증가된 너비를 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
   
2. 적어도 둘 이상의 전기자가 분산 배열되어 가동자를 이동시키는 리니어 모터에서,
   상기 전기자의 양끝단에는 상기 가동자를 향하여 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 계단 형태의 보조치가 설치되며,
   상기 전기자는 판부 상에 다수의 주치가 돌출되어 형성되고, 상기 주치의 말단에는 주치에 비해 넓은 단면적으로 갖는 캡이 형성되며, 캡과 판부의 사이에 코일을 권선시킬 수 있는 슬롯이 형성되며,
   상기 보조치는 전기자의 판부에 연결되는 연결부와, 상기 연결부에서 연장되며 상면에 다수의 단차진 외면을 가져 상면이 계단 형태로 형성되는 본체부로 구성되며, 상기 단차는 직각 형태로 형성되며,
   상기 보조치에서 단과 단 사이의 간격은 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 슬롯 개구폭 대비 40 내지 60% 증가된 간격을 갖는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
   
3. 적어도 둘 이상의 전기자가 분산 배열되어 가동자를 이동시키는 리니어 모터에서,
   상기 전기자의 양끝단에는 상기 가동자를 향하여 적어도 하나 이상의 단차를 갖는 계단 형태의 보조치가 설치되며,
   상기 전기자는 판부 상에 다수의 주치가 돌출되어 형성되고, 상기 주치의 말단에는 주치에 비해 넓은 단면적으로 갖는 캡이 형성되며, 캡과 판부의 사이에 코일을 권선시킬 수 있는 슬롯이 형성되며,
   상기 보조치는 전기자의 판부에 연결되는 연결부와, 상기 연결부에서 연장되며 상면에 다수의 단차진 외면을 가져 상면이 계단 형태로 형성되는 본체부로 구성되며, 상기 단차는 직각 형태로 형성되며,
   상기 보조치에서 전기자로부터의 이격거리는 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 슬롯 개구폭의 절반으로 결정되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
   
4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보조치에서 계단형 보조치 1 단의 높이는 해당 보조치가 연결되는 전기자에서 주치의 높이와 캡의 높이의 합으로 결정되는 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
   
5. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 보조치에서 단수는 3단인 것을 특징으로 하는 리니어 모터.
   
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