KR101497216B1

KR101497216B1 - 리니어 모터

Info

Publication number: KR101497216B1
Application number: KR20130070334A
Authority: KR
Inventors: 게이지 야나기; 다츠히코 고바
Original assignee: 가부시키가이샤 야스카와덴키
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-06-19
Publication date: 2015-02-27
Also published as: KR20140095408A; US20140203668A1; JP2014143847A; US9318943B2; JP5648873B2; CN103973072A

Abstract

리니어 모터에 있어서, 계자 및 전기자 중 하나는 가동자로서 구성되고, 다른 하나는 고정자로서 구성된다. 상기 계자는 전기자에 대해 상대적으로 이동한다. 계자는 서로 대향하여 배치된 2개의 요크판과, 상기 2개의 요크판의 한쪽 단부를 고정하는 요크 베이스와, 상기 2개의 요크판의 대향면에 각각 고정되고, 상기 가동자의 이동방향을 따라 배열된 복수의 영구자석과, 상기 2개의 요크판의 다른쪽 단부가 서로 멀어지는 방향으로 상기 2개의 요크판의 대향면에 힘을 인가하도록 구성된 탄성 부재를 포함한다.

Description

리니어 모터{LINEAR MOTOR}

개시된 실시형태는 리니어 모터에 관한 것이다.

종래 기술에서는, 코어리스형의 리니어 모터(coreless linear motor)가 알려져 있다.
[선행기술문헌]
일본 특허 공개 제 2001-086726 호 공보

본 명세서의 일 관점은 소형화 및 경량화를 증진시키면서 고출력을 얻을 수 있는 리니어 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 명세서의 일 관점에 따르면, 리니어 모터가 제공된다. 리니어 모터에 있어서, 계자(field system) 및 전기자 중 하나는 가동자(mover)로서 구성되고, 다른 하나는 고정자(stator)로서 구성된다. 상기 계자는 전기자에 대해 상대적으로 이동한다. 계자는 서로 대향하여 배치된 2개의 요크판(yoke board)과, 상기 2개의 요크판의 한쪽 단부를 고정하는 요크 베이스와, 상기 2개의 요크판의 대향면에 각각 고정되고, 상기 가동자의 이동방향을 따라 배열된 복수의 영구자석과, 상기 2개의 요크판의 다른쪽 단부가 서로 멀어지는 방향으로 상기 2개의 요크판의 대향면에 힘을 인가하도록 구성된 탄성 부재를 포함한다.

도 1은 일 실시형태에 따른 리니어 모터의 외관의 일례를 도시하는 사시도,
도 2는 리니어 모터의 정면도,
도 3은 리니어 모터의 자속의 흐름의 일례를 도시하는 설명도,
도 4는 가동자를 도시하는 분해 사시도,
도 5a는 판 스프링을 요크판에 부착하기 전의 주요부의 정단면도,
도 5b는 판 스프링을 요크판에 부착한 상태의 주요부의 정단면도,
도 5c는 판 스프링을 요크판에 부착한 상태의 주요부의 측단면도,
도 6a는 판 스프링이 폴 슈로서의 기능을 겸비하는 하나의 변형예에 있어서의 자속의 흐름을 도시하는 설명도,
도 6b는 영구자석이 할바흐 배열로 배열된 다른 변형예의 자속의 흐름을 도시하는 설명도.

이하, 본 명세서에 개시된 실시형태에 대해서 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 또한, 하기의 설명에서는, 리니어 모터의 길이방향(도 1에 있어서의 좌측 배면 및 우측 정면을 따르는 방향)을 "길이방향"으로 지칭하고, 리니어 모터의 폭방향(도 1에 있어서의 좌측 정면 및 우측 배면을 따르는 방향, 도 2에서의 좌우방향)을 "폭방향"으로 지칭하며, 리니어 모터의 높이방향(도 1에서의 상하방향, 도 2에서의 상하방향)을 "상하방향"으로 지칭한다.

<리니어 모터의 전체 구성>

도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 실시형태에 따른 리니어 모터(1)는 계자가 되도록 구성된 고정자(10)와, 전기자(21)를 갖는 가동자(20)를 포함하고 있다.

<고정자(10)의 구성>

고정자(10)는 서로 대향하여 배치된 2개의 요크판(11, 11), 요크 베이스(12), 복수의 영구자석(13) 및 판 스프링(15)을 포함한다. 영구자석(13)은 각 요크판(11)의 대향면(내측면)에, 한쌍의 대향 자석이 하나의 세트가 되는 상태로 배치되어 있다. 이러한 경우에 있어서, 고정자(10)의 길이방향을 따라 서로 인접하는 각각의 2개의 영구자석(13, 13) 사이에 각각의 간극(14)이 형성되어 있고, 각 간극(14)에는 판 스프링(15)이 배치된다.

2개의 요크판(11)은 서로 동일한 기다란 대략 장방형 형상의 평판이다. 요크판(11)은 폭방향으로 서로 이격되어 대향하고, 또한 고정자(10)의 길이방향에 걸쳐서 배치되어 있다.

요크 베이스(12)는 대략 평판 형상을 갖고, 고정자(10)의 길이방향 전체에 걸쳐서 배치되어 있다. 요크 베이스(12)는 2개의 요크판(11, 11)의 한쪽(이 예에서는 하방측)의 단부들을 연결하여, 요크판(11, 11)을 캔틸레버 형태(cantileverd form)로 지지하고 있다. 또한, 판 스프링(15)을 안정적으로 지지하기 위해서, 요크 베이스(12)의 상면에는, 복수의 오목부(12b)가 길이방향으로 이산적으로 형성되어 있다. 각각의 오목부(12b)는 폭방향으로 연장되어 있다. 대안적으로, 2개의 요크판(11, 11) 및 요크 베이스(12)는 U자형 형태로 일체화될 수도 있다.

복수의 영구자석(13) 각각은 길이방향을 따르는 폭을 갖는 대략 장방형 평판의 형태로 형성되어 있다. 이러한 복수 그룹의 영구자석(13)은 고정자(10)의 길이방향(가동자의 이동방향에 상당함)을 따라 소정의 간극(14)을 두고서 평행하게 배열되어 있다. 따라서, 각 요크판(11)의 내측면 상에는, 길이방향을 따라 연장되는 영구자석 열(16)이 형성되어 있다.

이러한 경우에, 영구자석(13)은, 도 3에 도시하는 바와 같이, 하나의 쌍(영구자석 쌍)이 하나의 그룹으로서 각 그룹에서 대향하도록 각 요크판(11)의 각각의 대향면에 배치되어 있다. 각각의 영구자석(13)은 폭방향으로 자화되어 있다. 이 경우에, 폭방향으로 대향하는 2개의 영구자석(13, 13)의 쌍은, 폭방향으로 대향하는 각 영구자석(13)이 자극(N극 또는 S극)의 배치 방향이 서로 반대로 되도록 배치되고, 또한 길이방향으로 인접하는 각 영구자석(13)이 자극(N극 또는 S극)의 배치 방향이 서로 반대로 되도록 배치되는 구성을 갖는다.

<가동자(20)의 구성>

가동자(20)는, 도 4 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 전기자 베이스(22) 및 전술한 전기자(21)를 포함한다. 전기자(21)는 프린트 기판(23) 및 복수의 전기자 코일(25)을 구비한다. 전기자 베이스(22)는 대략 직방체 형상을 갖는다. 길이방향에서의 전기자 베이스(22)의 길이는 길이방향에서의 고정자(10)의 길이보다 짧다. 프린트 기판(23)은 대략 장방형의 박판이며, 이 프린트 기판(23) 상에는, 복수의 전기자 코일(25)에 각각 전력을 공급하기 위한 배선(도시하지 않음)이 인쇄되어 있다.

전기자 코일(25)은 예를 들어 집중 권선을 갖는 공심형의 코어리스 코일이다. 각각의 전기자 코일(25)은 몰딩 수지(24)에 의해 프린트 기판(23)의 한쪽 표면에 고정된다. 그 결과, 몰딩된 복수의 전기자 코일(25) 및 프린트 기판(23) 전체는 대략 판형상의 전기자(21)로서 조립된다. 대략 판형상의 전기자(21)의 상변은 전기자 베이스(22)의 하면에 형성된 홈부(22a) 내로 삽입되어 고정된다. 결과적으로, 전체 전기자(21) 및 전기자 베이스(22)가 가동자(20)로서 조립된다. 이어서, 가동자(20)의 하측에 배치된 전기자(21)는 상기 고정자(10)의 2개의 영구자석 열(16, 16) 사이에 삽입되는 것에 의해, 코어리스형의 리니어 모터(1)가 구성된다. 또한, 전기자(21)의 구성은 이것들에 한정되지 않는다. 예를 들면, 전기자 코일(25)이 프린트 기판(23)의 두께방향 양측에 각각 배치될 수도 있다.

<판 스프링>

본 실시형태에서는, 도 3 및 도 1에 도시하는 바와 같이, 영구자석 열(16)에 있어서 길이방향(이동방향에 상당함)으로 서로 인접하는 2개의 영구자석의 쌍 사이[즉, 간극(14)]에, 판 스프링(15)(탄성 부재에 상당함)이 배치되어 있다. 보다 상세하게 설명하면, 판 스프링(15)은 각 영구자석 쌍의 2개의 영구자석과 접촉하도록 배치되어 있다. 도 5a 내지 도 5c 및 전술한 도 1에 도시하는 바와 같이, 각각의 판 스프링(15)은, 2개의 힘 인가부(force-applying part)(15A, 15A), 요크 베이스(12)에 탑재되는 베이스부(15B), 선단측이 서로 멀어지도록 확개(擴開)하는 2개의 확개부(15C)를 구비한다. 2개의 힘 인가부(15A, 15A)는 2개의 요크판(11, 11)에 힘을 각각 인가한다. 베이스부(15B)는 2개의 힘 인가부(15A, 15A)를 서로 접속한다.

오목부(12b)는 요크 베이스(12)의 상면에 있어서의 각 간극(14)의 위치와 일치하는 길이방향 위치[즉, 인접하는 영구자석(13, 13) 사이의 길이방향 위치]에 형성되어 있다. 도 5c에 도시하는 바와 같이, 베이스부(15B)는 오목부(12b) 내로 삽입된다. 이러한 경우에, 도 5b에 도시하는 바와 같이, 베이스부(15B)의 외측 폭(W)은 2개의 요크판(11, 11)의 대향면의 폭(W1)(도 5a 참조)과 동일하거나 폭(W1)보다 좁다. 또한, 베이스부(15B)의 내측 폭(W4)은 프린트 기판(23)을 포함하는 몰드 수지(24)의 두께(W5)보다 넓다.

힘 인가부(15A, 15A)는 베이스부(15B)의 양측부로부터 상방으로 세워져 있다. 도 5a에 도시하는 바와 같이, 확개부(15C)의 적어도 일부는 2개의 요크판(11, 11)의 대향면의 폭(W1)보다 넓은 폭(W2)을 갖는다. 그 결과, 판 스프링(15)을 오목부(12b)에 끼워맞춤으로써, 2개의 요크판(11, 11)의 다른쪽(이 예에서는 상방측)의 단부에 멀어지는 방향으로 힘이 인가된다.

또한, 판 스프링(15)은 판형상 또는 봉형상의 금속 부재를 굴곡하여 형성되어 있다. 구체적으로는, 판 스프링(15)은 예를 들어 요크판(11)과는 다른 종류의 금속으로 제조된 플레이트(또는 봉)를 절곡하여 형성된다. 이러한 경우에, 판 스프링의 재료는 고강도인 것이 바람직하고, 요구되는 스프링 특성에 따라서는, 자성 재료 또는 비자성 재료를 적절하게 사용하는 것이 필요하다.

<실시형태의 동작 및 이점>

전술한 본 실시형태에 따른 리니어 모터(1)에 있어서, 영구자석 열(16)을 포함하는 계자는 고정자(10)측에 마련되고, 전기자(21)는 가동자(20)측에 마련된다. U상, V상 및 W상의 3상 교류 전류 중 어느 것이 가동자(20)측의 전기자(21)에 구비된 복수의 전기자 코일(25)에 적절할 위상으로 공급된다. 그 결과, 각 전기자 코일(25)은 폭방향의 양측 사이에 전기자 코일(25)을 개재하고 있는 영구자석 열(16)로부터 추진력을 받는다. 그리고, 이러한 추진력에 의해, 가동자(20) 전체가 고정자(10)에 대하여 길이방향을 따라 상대 이동한다. 이러한 경우에, 2개의 요크판(11, 11)의 상단부는 개방단이 되므로, 대향하는 영구자석(13)의 흡인력에 의해 서로 접근하려고 한다. 또한, 2개의 요크판(11, 11)의 하단부는 요크 베이스(12)에 의해 고정되어 있으므로, 이들 사이의 상대 위치 관계는 거의 변화되지 않는다.

따라서, 본 실시형태에서는, 판 스프링(15)이 고정자(10)에 마련되어 있다. 판 스프링(15)은 2개의 요크판(11, 11)의 상단부가 서로 멀어지는 방향으로 이들 2개의 요크판(11, 11)의 대향면에 힘을 인가한다. 결과적으로, 2개의 요크판(11, 11)의 대향면에 고정된 영구자석(13)의 흡인력에 의해 요크판(11)이 휘는 것을 방지하여, 2개의 요크판(11) 사이의 대향 간격을 거의 일정하게 할 수 있다. 그 결과, 강력한 자력을 갖는 영구자석(13)이 사용되는 경우에도, 얇아서 비교적 강성이 낮은 요크판(11)이 이용될 수 있다. 그 결과로서, 리니어 모터(1)의 소형화 및 경량화를 증진시키면서 고출력을 얻을 수 있다. 또한, 요크판(11) 사이의 간극을 일정하게 유지하기 위해서 영구자석(13)의 흡인력이 가해지는 방향과 반대 방향으로 만곡된 형상으로 각 요크판(11)을 성형하는 가공이 불필요해지므로, 요크판(11)의 가공 비용을 절감할 수 있는 이점도 얻어진다. 또, 탄성 부재는 판 스프링(15)에 한정되지 않는다. 즉, 전술한 바와 같이 2개의 요크판(11, 11)의 상단부에 서로 멀어지는 방향으로 힘을 인가하는 기능을 갖는다면, 다른 형태의 부재도 사용될 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 특히, 폭방향으로 서로 대향 배치되고 극성이 서로 다른 2개의 영구자석(13)을 각각 포함하는 복수의 영구자석 쌍이 길이방향으로 소정의 간격으로 배치되어 있다. 그리고, 판 스프링(15)은 길이방향으로 인접한 영구자석(13, 13) 사이[간극(14)]에 배치된다.

이러한 구성에 의해, 영구자석(13)의 배열에 영향을 미치지 않고서, 판 스프링(15)을 배치할 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이 복수의 판 스프링(15)을 길이방향으로 간격을 두고서 배치하는 것, 또는 하나의 판 스프링(15)을 요크판(11)의 길이방향 중앙부 근방에 배치하는 것(도시하지 않음) 등이 가능해진다. 그 결과, 판 스프링(15)의 배치의 자유도를 증가시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에서는, 특히, 판 스프링(15)은 길이방향 양측에 배치되는 영구자석의 인접한 2개의 쌍과 접촉하도록 배치된다. 그 결과, 고정자(10)를 조립할 때, 판 스프링(15)을 이용하여 영구자석(13)을 위치결정할 수 있다. 즉, 예를 들어 영구자석(13), 판 스프링(15), 영구자석(13), 판 스프링(15) 등의 순서로 밀착 배열함으로써 등간격으로 배치될 영구자석(13)의 위치를 설정할 수 있다. 그 결과, 영구자석의 위치결정을 위한 전용 도구가 불필요해진다.

또한, 본 실시형태에서는, 특히, 판형상의 금속 부재를 굴곡하여 형성된 판 스프링(15)은 2개의 요크판(11)에 각각 힘을 인가하는 2개의 힘 인가부(15A)와, 2개의 힘 인가부(15A)를 접속하여 요크 베이스(12)에 탑재되는 베이스부(15B)를 포함한다. 이러한 구성에 의해, 간단한 구조로 요크판(11)에 힘을 인가할 수 있다.

<변형예>

또, 본 명세서에 개시된 실시형태는 상기의 것에 한정되지 않고, 그 취지 및 기술적 사상을 일탈하지 않는 범위내에서 다양한 방식으로 변형될 수도 있다.

(1) 판 스프링이 폴 슈(pole shoe)의 기능을 겸비할 경우

상기 실시형태에서는, 도 3에 도시한 바와 같이, 각 요크판(11)의 대향면에 배치된 영구자석(13)은 폭방향으로 자화되어 있다. 그 결과, 자기 회로가 요크판(11)을 통과하여 구성되므로, 요크판(11)의 판 두께(벽 두께)가 어느 정도 두꺼워진다.

한편, 본 변형예에서는, 도 6a에 도시하는 바와 같이, 복수의 영구자석(13)이 길이방향(가동자의 이동방향에 상당함)으로 자화되어 있다. 그리고, 자성 재료로 이루어진 판 스프링(15)이 인접하는 영구자석(13)에 대하여 폴 슈의 기능을 겸하고 있다. 이러한 경우에, 폭방향으로 서로 대향하는 2개의 영구자석(13, 13)(영구자석 쌍)과, 길이방향 양측에 배치된 자성 재료의 판 스프링(15, 15)에 의해, 자기 회로가 구성된다. 즉, 자기 회로가 요크판(11)을 통과하지 않게 구성된다. 그 결과, 요크판(11)의 두께를 기계적 강도가 보장되는 범위내에서 가능한 한 얇게 할 수 있고, 또한 요크판(11)을 비자성 재료로 구성할 수 있다. 따라서, 리니어 모터(1)의 소형화 및 경량화를 더욱더 증진시킬 수 있다.

(2) 할바흐 배열(Halbach array)을 이용했을 경우

본 변형예에서는, 도 6b에 도시하는 바와 같이, 요크판(11)에 수직한 방향(즉, 폭방향)으로 자화된 영구자석(13)[주극 자석(main pole magnet)에 상당함]과, 길이방향으로 자화된 영구자석(13A)[보극 자석(interpole magnet)에 상당함]이 마련된다. 영구 자석(13A)은 길이방향으로 인접한 영구자석(13, 13) 사이에 형성되는 간극(14)에서 비자성의 판 스프링(15)에 고정된다.

전술한 바와 같은 영구자석의 배치(소위 할바흐 배열)에서는, 영구자석(13)의 자화 방향과 영구자석(13A)의 자화 방향이 90°만큼 상이하다. 그 결과, 요크판(11)에 대하여 각 자석(13, 13A)을 고정할 때에, 자화 방향의 차이로 인해 인접하는 자석(13, 13A) 사이, 또는 자석(13, 13A)과 요크판(11) 사이에, 흡인력 및 반발력이 생긴다. 따라서, 전술한 고정 작업의 작업성이 저하하는 동시에, 접촉으로 인한 균열, 흠 등의 손상이 자석(13, 13A)에 생길 가능성이 있다.

그래서, 본 변형예에서는, 비자성의 판 스프링(15)을 먼저 요크판(11)에 부착하고, 그 후에, 영구자석(13)을 요크판(11)에 부착하고 나서, 자석(13A)을 비자성의 판 스프링(15)에 접착하는 작업 순서가 채용된다. 그 결과, 영구자석의 위치결정을 위한 전용 도구를 사용하지 않고서, 자석(13, 13A)의 고정 작업의 작업성을 향상시킬 수 있고, 자석(13, 13A)의 균열, 흠 등의 손상이 회피할 수 있다.

(3) 기타

또한, 이상의 실시형태 및 변형예에서는, 리니어 모터(1)는 계자를 고정부로서 기능하게 하고 전기자(21)를 가동부로서 기능하게 하도록 구성되는 예를 들어서 설명했지만, 이것에 한정되지 않는다. 즉, 리니어 모터(1)는 계자를 가동부로서 기능하게 하고, 전기자(21)를 고정부로서 기능하게 하도록 구성될 수도 있다.

상기 실시형태 이외에, 상기 실시형태 및 변형예의 기술을 서로 적절하게 조합시켜서 이용할 수도 있다.

또한, 세세하게 설명되지는 않았지만, 본 명세서에 기재된 실시형태는 그 취지를 일탈하지 않는 범위내에서 다양한 방식으로 변형되어 실시된다.

1 : 리니어 모터 10 : 고정자
11 : 요크판 12 : 요크 베이스
13 : 영구자석(주극 자석) 13A : 영구자석(보극 자석)
14 : 간극 15 : 판 스프링(탄성 부재)
15A : 힘 인가부 15B : 베이스부
20 : 가동자 21 : 전기자

Claims

계자와 전기자 중 하나가 가동자로서 구성되고, 다른 하나가 고정자로서 구성되어, 상기 계자와 상기 전기자를 상대적으로 이동하는 리니어 모터에 있어서,
상기 계자는,
서로 대향하여 배치된 2개의 요크판과,
상기 2개의 요크판의 한쪽 단부를 고정하는 요크 베이스와,
상기 2개의 요크판의 대향면에 각각 고정되고, 상기 가동자의 이동방향을 따라 배열된 복수의 영구자석과,
상기 2개의 요크판의 다른쪽 단부가 서로 멀어지도록, 상기 이동방향과 직교하는 방향으로 상기 2개의 요크판의 대향면에 힘을 인가하도록 구성된 탄성 부재를 포함하는
리니어 모터.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 영구자석은, 서로 대향 배치되고 극성이 서로 다른 2개의 영구자석으로 각각 구성된 영구자석 쌍이 상기 이동방향을 따라 소정의 간격으로 배치되도록 구성되고,
상기 탄성 부재는 상기 이동방향으로 서로 인접하는 상기 영구자석 쌍 사이에 배치되는
리니어 모터.
제 2 항에 있어서,
상기 탄성 부재는 상기 이동방향으로 서로 인접하는 상기 영구자석 쌍의 각각과 접촉하도록 배치되는
리니어 모터.
제 3 항에 있어서,
상기 복수의 영구자석은 상기 이동방향을 따라 자화되어 있고,
상기 영구자석 쌍과, 상기 영구자석 쌍의 양측에 배치된 상기 탄성 부재가 자기 회로를 구성하는
리니어 모터.
제 3 항에 있어서,
상기 복수의 영구자석은,
상기 요크판에 수직한 방향을 따라 자화된 주극 자석(main pole magnet)과,
상기 이동방향을 따라 자화되고, 상기 이동방향으로 서로 인접하는 상기 주극 자석의 쌍 사이에서 상기 탄성 부재에 고정된 보극 자석(interpole magnet)을 구비하는
리니어 모터.
제 4 항에 있어서,
상기 탄성 부재는, 판형상의 금속 부재를 굴곡하여 형성된 판 스프링이며, 상기 2개의 요크판에 각각 힘을 인가하도록 구성된 2개의 힘 인가부와, 상기 2개의 힘 인가부를 서로 접속하고 상기 요크 베이스에 배치되도록 구성된 베이스부를 구비하는
리니어 모터.