KR101619969B1 - 병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용한 코어리스 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자와 이동자를 지니고 직선운동하는 코어리스 리니어 모터에 있어서: 고정자(11)의 내면으로 대향하여 형성되는 매입홈(25)에 각각 고정되는 영구자석(20); 및 상기 고정자(11) 상으로 이동 가능하도록 이동자(12)에 설치되고, 역기전력을 축소하도록 각각 복층의 병렬회로로 구성되는 코일부재(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 리니어 모터로서 직선 운동의 정밀성과 높은 속도를 구현함에 병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용하여 경박단소 설계에 유리하면서 역기전력을 축소하여 출력의 증대를 도모할 수 있는 효과가 있다.

Description

병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용한 코어리스 리니어 모터{Coreless Linear Motor using Parallel Coil and Interior Permanent Magnet}

본 발명은 코어리스 리니어 모터에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 직선 운동의 정밀성과 높은 속도 구현을 위한 용도로 적용되는 병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용한 코어리스 리니어 모터에 관한 것이다.

통상적으로 코어리스 리니어 모터는 코일이 코어(철심)에 권취되어 있지 않은 방식으로서 영구자석과 철심에 의한 자기장 간섭을 유발하지 않아 코깅과 추력 변동이 작은 편이고 정밀 제어가 용이하여 반도체 제조 장치, 우주항공, 공작기계 등의 분야에 적용된다.

다만, 여타의 모터와 마찬가지로 경박단소의 구조를 기반으로 높은 출력을 발생하기 위한 다양한 시도가 이어지고 있다.

이와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2014-0096403호(선행문헌 1), 한국 등록특허공보 제0844759호(선행문헌 2) 등을 참조할 수 있다.

선행문헌 1은 복수의 코일열이 겹쳐진 단위 코일열을 갖는 전기자 권선과, 상기 전기자 권선을 감싸는 몰딩부를 포함하고; 상기 각 코일열은 권선 방향이 상호 반대인 제1, 2 코일부를 포함하며; 제 1코일부들이 순차적으로 배열되고 제2 코일부들이 순차적으로 배열되도록 겹쳐진다. 이에, 내부에 코일열을 겹쳐 제작함으로써 동일한 사이즈에서도 더 높은 출력을 얻는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 요크의 길이 방향으로 대향하는 제1, 2영구 자석군의 자극이 동일하고, 코일 결합체는 자석군 사이에 요크의 길이 방향을 따라서 제1, 2 영구 자석군과 상대적으로 이동 가능하게 배치되고, 중공형으로, 다층으로 정렬되게 권취된 적어도 3개의 코일을 갖는다. 이에, 추력과 역방향의 힘을 크게 억제하고, 와전류 손실 회피로 효율 저하를 방지하는 효과를 기대한다.

상기한 선행문헌 1의 단순하게 코일열을 겹치는 방식이나 선행문헌 2의 자석군 배치와 다층 권선된 코일 방식에 의하여 출력 증대의 효과를 어느 정도 기대할 수 있기는 하지만 여전히 개선의 여지가 크다.

1. 한국 공개특허공보 제2014-0096403호 "코어리스 리니어 모터의 전기자 및 이를 이용한 코어리스 리니어 모터" (공개일자 : 2014.08.06.) 2. 한국 등록특허공보 제0844759호 "코어리스 리니어 모터" (공개일자 : 2004.12.09.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 직선 운동의 정밀성과 높은 속도를 구현함에 경박단소 설계에 유리하면서 역기전력을 축소하여 출력의 증대를 도모할 수 있는 병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용한 코어리스 리니어 모터를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 고정자와 이동자를 지니고 직선운동하는 코어리스 리니어 모터에 있어서: 고정자의 내면으로 대향하여 형성되는 매입홈에 각각 고정되는 영구자석; 및 상기 고정자 상으로 이동 가능하도록 이동자에 설치되고, 역기전력을 축소하도록 각각 복층의 병렬회로로 구성되는 코일부재;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 영구자석 및 매입홈의 사이에는 결합력 증대를 위한 맞물림 요철을 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 코일부재는 복층의 U상코일, V상코일, W상코일을 각각의 직선부 상에 수지몰딩을 개재하여 밀착시켜 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 코일부재는 U상코일의 복층 코일을 병렬회로로 연결하고, V상코일의 복층 코일을 병렬회로로 연결하고, W상코일의 복층 코일을 병렬회로로 연결하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 이동자는 코일부재의 열을 발산하기 위한 전열체 상에 통기공을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 리니어 모터로서 직선 운동의 정밀성과 높은 속도를 구현함에 병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용하여 경박단소 설계에 유리하면서 역기전력을 축소하여 출력의 증대를 도모할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 리니어 모터의 주요부를 단면으로 나타내는 구성도
도 2는 본 발명에 따른 영구자석의 배치와 자속분포를 나타내는 예시도
도 3은 본 발명에 따른 코일부재의 복층화 과정을 나타내는 사진
도 4는 본 발명에 따른 코일부재의 직선부를 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 코일부재의 곡선부를 나타내는 모식도
도 6은 본 발명에 따른 코일부재의 병렬회로를 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 고정자와 이동자를 지니고 직선운동하는 코어리스 리니어 모터에 관하여 제안한다. 반도체 제조와 관련된 검사장치에 설치되는 리니어 모터를 예로 들면 고정자와 이동자는 각각 검사장치의 LM가이드로 지지되고 상호 일정한 틈새를 유지한 상태로 이동자의 직선운동을 유발한다.

본 발명에 따르면 영구자석(20)이 고정자(11)의 내면으로 대향하여 형성되는 매입홈(25)에 각각 고정되는 구조를 지닌다. 매입홈(25)은 고정자(11)의 대향하는 양면에 각각 절삭 또는 프레스 가공으로 형성된다. 각각의 고정자(11)의 매입홈(25)에 영구자석(20)을 부착한 다음 한 쌍의 고정자(11)를 지지대(15)를 이용하여 대향시키면 고정자(11)가 완성된다. 이러한 구조에 의하면 고정자(11)에서 대향하는 영구자석(20)의 간격이 더욱 넓어지므로 내부에 이동 가능하게 수용되는 코일부재(30)의 턴수를 증가시키기 용이하다.

하기의 수식과 같이 모터의 출력(P)은 코일턴수(N), 자속밀도(B), 전류(i), 코일길이(l)에 비례한다.

한편, 영구자석(20)은 도 2처럼 교호로 극성을 나타내도록 배치할 수 있으며, 유한요소 해석을 통한 시뮬레이션 결과 균일한 자속분포를 나타내고 있다.

이에 더하여, 코일부재(30)의 코일 선경을 증가시킬 수 있으므로 코일에서 발생하는 열손실을 줄이는데 유리하다. 모터 구동시 발생하는 부하손실 중 동손은 전류 제곱에 비례하는 동시에 코일 저항과 비례한다. 이러한 모터의 동손은 대부분 열손실과 연관되어 있다. 그러므로 코일 저항을 줄이므로 동손을 줄일 수 있고 열손실 축소도 수반된다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 영구자석(20) 및 매입홈(25)의 사이에는 결합력 증대를 위한 맞물림 요철을 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 매입형 구조에 의하면 영구자석(20)과 매입홈(25)의 결합에 접착제를 부가하지만 종래의 표면부착형 구조에 비하여 접착제 열화에 의한 내구성 저하를 방지하기에 유리하다. 일예로 영구자석(20)의 측면에 홈을 형성하고 매입홈(25)의 테두리에 돌기를 형성하면 결합력을 증대하여 접착제에 대한 의존도를 크게 낮출 수 있어 내구성을 증대할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 역기전력을 축소하도록 각각 복층의 병렬회로로 구성되는 코일부재(30)가 상기 고정자(11) 상으로 이동 가능하도록 이동자(12)에 설치되는 구조를 지닌다. 코일부재(30)는 코어리스 방식이므로 도 3(a)에 나타내는 것처럼 직선부(35)와 곡선부(36)만으로 형성되어 이동자(12)에 고정된다. 직선부(35)는 고정자(11)의 대향하는 영구자석(20) 사이에 수용되는 부분이고, 곡선부(36)는 직선부(35)에서 벤딩되어 영구자석(20)에서 벗어난 영역에 수용되는 부분이다. 이동자(12)에 설치된 코일부재(30)는 복층의 병렬회로(병렬 2층권)로 연결되어 후술하는 것처럼 역기전력 축소에 의한 출력 향상을 도모한다.

한편, 도시에는 생략하나 이동자(12)의 일단과 타단에는 코일부재(30)의 양단을 긴밀하게 지지하며 연동하여 직선운동하는 브라켓을 구비한다. 물론 브라켓은 코일부재(30)과 함께 영구자석(20)에 대하여 일정한 틈새를 유지한다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 코일부재(30)는 복층의 U상코일(31), V상코일(32), W상코일(33)을 각각의 직선부(35) 상에 수지몰딩을 개재하여 밀착시켜 형성되는 것을 특징으로 한다. 도 3(a)는 하나의 코일을 나타내고 있고, 도 3(b)는 U상, V상, W상의 코일(31)(32)(33)을 밀착시킨 상태로 나타낸다. 도 3(b)에서 코일부재(30)의 직선부(35)가 U+, V+, W+, U-, V-, W- 코일의 순으로 예시된다. 본 발명은 도 3의 밀착 구조를 기반으로 하면서, U상코일(31)을 U, U′로 복층화하고, V상코일(32)을 V, V′로 복층화하고, W상코일(33)을 W, W′로 복층화한다. 이에. 도 4 및 도 5에 나타내는 것처럼 U+, U′+, V+, V′+, W+, W′+, U′-, U-, V′-, V-, W′-, W- 코일의 복층 배치를 구현한다. 코일(31)(32)(33)의 상호 밀착되는 각 층간의 접촉면에는 수지몰딩이 형성되지만 영구자석(20)과 대향하는 면에는 수지몰딩을 완화 내지 생략할 수 있다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 코일부재(30)는 U상코일(31)의 복층 코일을 병렬회로로 연결하고, V상코일(32)의 복층 코일을 병렬회로로 연결하고, W상코일(33)의 복층 코일을 병렬회로로 연결하는 것을 특징으로 한다. 도 4(a)는 종래의 직선부(35)가 배치된 상태를 나타내고, 도 4(b)는 본 발명의 직선부(35)가 배치된 상태를 나타낸다. 도 5(a)는 종래의 곡선부(36)가 배치된 상태를 나타내고, 도 5(b)는 본 발명의 곡선부(36)가 배치된 상태를 나타낸다. 전술한 U+, U′+, V+, V′+, W+, W′+, U′-, U-, V′-, V-, W′-, W- 코일에서 인출되는 각 2개의 리드선 곡선부(36)를 통하여 병렬회로로 연결된다.

도 6(a)는 종래의 U상 등가 결선도이고, 도 6(b)는 복층ㆍ병렬회로를 적용한 등가 결선도이다. 도 6(a)의 역기전력(E)에 비하여 도 6(b)의 역기전력(E/2)은 크게 감소한다.

하기의 수식에서 알 수 있듯이 모터에 소요되는 전압(V)은 역기전력(E), 저항에 의한 전압강하, 인덕턴스에 의한 전압강하의 합이다.

실험에 의하면, 종래의 방식으로 구성한 모터에서 역기전력 124.2[V/m/s]가 발생하는 반면, 본 발명에서 역기전력이 59.2[V/m/s]로 축소되어 약 20%의 출력이 향상되는 것으로 나타난다.

본 발명의 세부 구성으로서, 상기 이동자(12)는 코일부재(30)의 열을 발산하기 위한 전열체 상에 통기공을 구비하는 것을 특징으로 한다. 전열체는 이동자(12)에서 코일부재(30)의 곡선부(36)에 인접하도록 설치되는 열전도성이 높은 소재이다. 통기공은 전열체의 소재 강도와 두께에 따라 결정되는 수량으로 전열체 상에 다방향 구조로 형성되어 방열 기능을 수행한다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

11: 고정자 12: 이동자
15: 지지대 20: 영구자석
25: 매입홈 30: 코일부재
31: U상코일 32: V상코일
33: W상코일 35: 직선부
36: 곡선부 40: 전열제
45: 통기공

Claims (5)

1. 고정자와 이동자를 지니고 직선운동하는 코어리스 리니어 모터에 있어서:
   고정자(11)의 내면으로 대향하여 형성되는 매입홈(25)에 각각 고정되는 영구자석(20); 및
   상기 고정자(11) 상으로 이동 가능하도록 이동자(12)에 설치되고, 역기전력을 축소하도록 각각 복층의 병렬회로로 구성되는 코일부재(30);를 포함하여 이루어지되,
   상기 매입홈(25)은 영구자석(20)의 전체적 모서리 영역에 걸쳐 접촉되고,
   상기 코일부재(30)는 복층의 U상코일(31), V상코일(32), W상코일(33)을 각각의 직선부(35) 상에 수지몰딩을 개재하여 밀착시켜 형성되면서, U+, V+, W+, U-, V-, W- 코일을 동일 직선상에서 인접하도록 배치하여 형성되며,
   상기 코일부재(30)는 U상코일(31)의 복층 코일을 병렬회로로 연결하고, V상코일(32)의 복층 코일을 병렬회로로 연결하고, W상코일(33)의 복층 코일을 병렬회로로 연결하고,
   상기 이동자(12)는 코일부재(30)의 열을 발산하기 위한 전열체 상에 통기공을 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용한 코어리스 리니어 모터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 영구자석(20) 및 매입홈(25)의 사이에는 결합력 증대를 위한 맞물림 요철을 구비하는 것을 특징으로 하는 병렬 코일과 매입형 영구자석을 활용한 코어리스 리니어 모터.
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