KR102178178B1

KR102178178B1 - 리니어 모터

Info

Publication number: KR102178178B1
Application number: KR1020160101979A
Authority: KR
Inventors: 야스시 미사와; 히로유키 사토; 아키히코 다카하시; 사토시 스기타
Original assignee: 산요 덴키 가부시키가이샤
Priority date: 2015-08-18
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2020-11-12
Also published as: CN106469968B; US20170054354A1; EP3133724B1; JP2017041947A; CN106469968A; EP3133724A1; JP5937263B1; US10224797B2; KR20170021738A

Abstract

리니어 모터는, 계자 코어와 상기 계자 코어에 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는 고정자와, 상기 영구 자석과 자기적 공극을 사이에 두고 배치된, 전기자 권선을 갖는 전기자 코어를 구비하는 리니어 모터로서, 상기 리니어 모터의 진행 방향에서의 상기 전기자 코어의 길이를 Lc라고 하고, 상기 영구 자석의 피치를 τp라고 하고, N을 자연수라고 하면, 상기 전기자 코어의 길이(Lc)는 (N×τp-0.2×τp)≤Lc≤(N×τp+0.2×τp)로 규정된다.

Description

리니어 모터{Linear motor}

본 개시는 리니어 모터에 관한 것이다.

본원은 2015년 8월 18일자로 일본 출원된 일본특허출원 2015-161345호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

리니어 모터는, 예를 들어 고정자와 전기자 코어를 구비한다. 고정자는, 계자 코어 및 계자 코어에 배치된 복수의 영구 자석을 구비한다. 전기자 코어는, 전기자 권선을 가진다. 전기자 코어는, 영구 자석과의 사이에 자기적 공극이 마련되도록 배치된다. 리니어 모터에는 코깅 추력이 발생한다. 이 코깅 추력은, 리니어 모터를 구동할 때에 진동 및 소음의 원인이 된다. 또한 이 코깅 추력은, 위치 결정 성능 및 속도 안정성 저하의 원인이 된다. 이 때문에, 리니어 모터에서의 코깅 추력은 최대한 작은 것이 바람직하다. 이러한 리니어 모터의 코깅 추력을 저감하기 위한 기술은, 예를 들어 일본공개특허 2003-299342호 공보 및 일본공개특허 2004-364374호 공보에 개시되어 있다.

일본공개특허 2003-299342호 공보에 개시되어 있는 기술에서는, 전기자 코어의 보조 티스(auxiliary teeth; 단부 티스)의 형상을, 주 티스(main teeth)의 외측 선단부를 잘라낸 형상으로 한다. 이에 의해, 코깅 추력이 저감된다. 또한, 일본공개특허 2004-364374호 공보에 개시되어 있는 기술에서는, 전기자 코어에 있어서 권선이 장착되는 주 티스의 형상과 양단의 보조 티스의 형상이 서로 다르다. 이에 의해, 코깅 추력이 저감된다.

일본공개특허 2003-299342호 공보 및 일본공개특허 2004-364374호 공보에 개시된 기술에서는, 주 티스의 형상과 보조 티스의 형상을 다르게 하는 것에 주안을 두고 있고, 전기자 코어와 고정자의 관계에 대해서는 언급되지 않았다. 이 때문에, 코깅 추력을 저감하는 효과를 충분히 얻을 수 없다.

1. 일본공개특허 2003-299342호 공보 2. 일본공개특허 2004-364374호 공보

본 개시에서의 하나의 목적은, 코깅 추력을 보다 효과적으로 저감하기 위한 기술을 제공하는 것에 있다.

본 개시의 일 태양에 관한 리니어 모터는, 계자 코어와 상기 계자 코어에 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는 고정자와, 상기 영구 자석과 자기적 공극을 사이에 두고 배치된, 전기자 권선을 갖는 전기자 코어를 구비하고 있다. 여기서, 리니어 모터의 진행 방향에서의 전기자 코어의 길이를 Lc라고 하고, 영구 자석의 피치를 τp라고 하고, N을 자연수라고 하면, 전기자 코어의 길이(Lc)는 (N×τp-0.2×τp)≤Lc≤(N×τp+0.2×τp)로 규정된다.

본 개시에 관련된 추가적인 특징은, 본 명세서의 기술(記述) 및 첨부 도면으로부터 명확해진다. 또한, 본 개시의 태양은 요소 및 다양한 요소의 조합, 이후에 나타내는 상세한 기술 및 첨부되는 청구범위의 형태에 의해 달성 및 실현된다.

본 명세서의 기술은 전형적인 예시에 불과하다. 본 명세서의 기술은, 본 개시의 청구범위 및 적용예를 어떠한 의미에서도 한정하지 않는다.

본 개시의 태양에 의하면, 리니어 모터에서의 코깅 추력을 보다 효과적으로 저감할 수 있다.

도 1은, 실시형태에 관한 리니어 모터의 외관을 나타낸다.
도 2는, 도 1에 도시된 리니어 모터의 A-A'선에서의 단면의 구성을 나타낸다.
도 3은, 도 1에 도시된 리니어 모터의 B-B'선에서의 단면의 구성을 나타낸다.
도 4는, 상판에 장착되는 단열판을 갖는 변형예에 관한 리니어 모터의 B-B'선(도 1 참조)에서의 단면의 구성을 나타낸다.
도 5는, 도 4의 변형예에 관한 리니어 모터를 상판의 방향으로부터 나타낸다.
도 6은, 실시형태에 관한 리니어 모터의 전기자 코어와 고정자의 관계 및 전기자 코어의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 및 도 7b는, 실시형태에 관한 리니어 모터의 전기자 코어의 단부 티스 폭과 주 티스 폭의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는, 단부 티스에서의 볼록부 유무에 따른 코깅 추력의 크기의 비교 결과를 나타낸다.
도 9a는 전기자 코어의 단부 티스에 마련되는 볼록부의 근방을 나타내고, 도 9b 및 도 9c는 전기자 코어의 단부 티스에 마련되는 볼록부의 코깅 추력을 저감하기 위해 유효한 크기를 고찰하기 위한 도면(실험 결과)이다.
도 10은, 주 티스의 선단이 직선 형상(스트레이트 티스)으로 되어 있는 것의 이점을 설명하기 위한 도면이다.

이하의 상세한 설명에서, 개시된 실시예들의 완전한 이해를 제공하기 위하여 많은 구체적인 사례들이 설명될 것이다. 그러나, 하나 또는 그 이상의 실시예들이 그러한 구체적인 사례들이 적용되지 않은 상태로 실시될 수도 있는 것임은 분명하다. 다른 예에서, 잘 알려진 구조나 장치는 도면의 단순화를 위하여 개략적으로 도시된다.

리니어 모터의 추력 특성을 향상시키기 위해서는, 전기자 코어와 계자 마그넷 사이의 갭 자속 밀도를 크게 하는 것 및 전기자 권선을 고밀도화하는 것이 효과적이다. 갭 자속 밀도를 크게 하기 위해서는, 전기자 코어 형상에 관해 일반적으로 마그넷과 대향하는 티스 선단이 쌍방 볼록 형상이 된다. 이 코어 형상은 추력 특성의 향상에 효과적이다. 그러나, 이 형상에서 전기자 코어의 슬롯 내의 권선을 고밀도화하기 위해서는, 예를 들어 전기자 코어가 티스마다 분할되어 개별로 권선된다(일본공개특허 2003-299342호 공보 참조). 또한, 코어는 정밀도 높게 나열되어 고정되고 일체화된다. 따라서, 이 방법에서는 모터의 부품수가 늘어남과 아울러 전기자 코어의 강성이 낮아진다(관점 A).

또한, 리니어 모터에서는 마그넷과 전기자 코어의 사이에 자기 흡인력이 작용한다. 이 자기 흡인력은 리니어 모터의 최대 추력에 대해 4~5배의 크기가 된다. 그 때문에, 리니어 모터가 장착되는 장치에는 자기 흡인력을 보유하는 고강성의 구조체가 이용된다(관점 B).

본 실시형태는, 코깅 추력을 저감시키는 리니어 모터의 구성을 실현한다. 또한 상기 관점 A 및 B에 대한 기술도 개시한다.

따라서, 본 실시형태에 관한 리니어 모터(리니어 모터의 구조)는, 리니어 모터의 코깅 추력 저감, 추력 특성 향상, 자기 흡인력 저감, 리니어 모터 자신의 기계 강성 향상 및 조립성 개선 중 적어도 하나를 달성할 수 있다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 실시형태에 대해 설명한다. 첨부 도면에서는, 기능적으로 동일한 요소는 동일한 번호로 표시되는 경우도 있다. 또, 첨부 도면은 본 개시의 기술 원리에 준거한 구체적인 실시형태 및 실장예를 나타내고 있다. 이들은 본 개시의 기술의 이해를 위해 나타나 있고, 결코 본 개시의 기술을 한정적으로 해석하기 위해서는 이용되지 않는다.

본 실시형태에서는, 통상의 기술자가 본 개시의 기술을 실시하기 위해 충분히 상세하게 그 설명이 행해져 있다. 단, 다른 실장 및 형태도 가능하다. 본 개시의 기술적 사상의 범위 및 정신을 벗어나지 않고 구성 및 구조의 변경 및 다양한 요소의 치환이 가능하다. 따라서, 이후의 기술을 이것으로 한정하여 해석해서는 안 된다.

<리니어 모터의 구성>

도 1은, 본 실시형태에 관한 리니어 모터(1)의 외관의 개략 구성을 나타낸다. 리니어 모터(1)는, 2개의 전기자 코어(10_1 및 10_2)(이하에서는, 단지 전기자 코어(10)라고 부르는 경우도 있음)와, 이들을 연결하는 상판(연결판이라고도 함)(30)과, 고정자(20)를 포함한다. 고정자(20)는, 계자 코어(201)와 복수의 마그넷(영구 자석)(202)을 포함한다. 복수의 영구 자석(202)은, 계자 코어(201)에 예를 들어 나사에 의해 고정되어 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시형태에 관한 리니어 모터(1)에서는, 상하 2개의 전기자 코어(10_1 및 10_2)에 의해 고정자(20)를 끼워넣는 구조가 채용되어 있다. 즉, 2개의 전기자 코어(10_1 및 10_2) 및 상판(30)이 "ㄷ"자를 형성하고 있다. 리니어 모터(1)에서는, 고정자(20)가 피고정면(예를 들어, 벽 혹은 플로어)에 고정되어 있다. 전기자 코어(10_1 및 10_2)가 고정자(20)를 따라 이동(진행) 방향(MD)으로 이동하도록 구성되어 있다.

도 2는, 도 1에 도시된 리니어 모터(1)의 A-A'선에서의 단면(A-A' 절단면)의 구성을 나타낸다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전기자 코어(10_1 및 10_2)는 각각 고정자(20)의 영구 자석(202)의 설치면에 대향하도록 자기적 공극을 사이에 두고 설치된다.

각 전기자 코어(10_1 및 10_2)는 주 티스(101)와, 단부 티스(102)와, 주 티스에 장착된 전기자 권선(공심 코일)(103)을 포함한다.

또한, 고정자(20)는 계자 코어(201)와 복수의 영구 자석(202)을 포함한다. 복수의 영구 자석(202)은, 계자 코어(201)의 양면에 이동 방향(MD)을 따라 극성(N 및 S)이 교대로 다르게 나열되어 있다. 고정자(20)는, 영구 자석(계자 마그넷)(202)의 피치(τp)의 N(N은 정수)배의 길이 혹은 영구 자석(202)의 피치(τp)의 2배(2×τp)의 길이를 가지도록 모듈화되어도 된다. 즉, 고정자(20)는 상기와 같은 길이를 갖는 계자 모듈(혹은 이러한 계자 모듈의 조합)이어도 된다. 계자 모듈(고정자 모듈)은, 계자 코어(201) 및 영구 자석(202)을 포함한다. 예를 들어, 도 1에 도시되어 있는 고정자(20)가, 복수 세트의 영구 자석(202)을 갖는 하나의 계자 모듈(고정자 모듈)이어도 된다.

이 경우, 복수의 상기 계자 모듈이 전기자 코어(10_1 및 10_2)의 이동 방향(MD)을 따라 나열된다. 이에 의해, 고정자(20)의 길이를 용이하게 변경할 수 있다. 계자 코어(201)에는, 복수의 고정 나사용 관통공(고정용 구멍)(203)이 형성되어 있다. 고정 나사(고정 부재)(204)가 고정 나사용 관통공(203)에 삽입되고, 피고정면(예를 들어, 벽 혹은 플로어)에 설치된 나사공에 체결됨으로써, 계자 모듈이 피고정면에 고정된다. 즉, 복수의 계자 모듈을 마련하는 것, 및 각 계자 모듈을 각 계자 모듈이 이동 방향(MD)을 따라 직선 형상으로 서로 연결되도록 고정 나사용 관통공(203) 및 고정 나사(204)에 의해 피고정면에 고정하는 것에 의해, 하나의 고정자(20)가 구성된다.

전기자 코어 길이(Lc)(도 6 참조)는 고정자(20)의 총길이보다 짧다. 전기자 코어(10) 및 전기자 권선(103)의 모든 부위(혹은 거의 모든 부위)가 영구 자석(202)과 대향된다. 이러한 구조를 채용함으로써, 전기자 권선(103)으로부터 발생하는 모든 자속(혹은 거의 모든 자속)을 추력으로 사용할 수 있다. 이 때문에, 필요 최소한의 전기자 전류로 리니어 모터(1)를 구동할 수 있다. 그 결과, 동손(銅損) 저감 및 전력 절약화를 실현할 수 있다.

도 3은, 도 1에 도시된 리니어 모터(1)의 B-B'선에서의 단면(B-B' 절단면)의 구성을 나타낸다. 도 3에서도 알 수 있는 바와 같이, 고정자(20)의 양측에 배치된 2개의 전기자 코어(10_1 및 10_2)는, 상판(연결판)(30)에 의해 연결되어 있다. 이 때문에, 전기자 코어(10_1), 전기자 코어(10_2) 및 상판(30)이 일체화되어 있다. 또, 각 전기자 코어(10_1 및 10_2)와 상판(30)은 예를 들어 나사에 의해 서로 고정된다.

즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 리니어 모터(1)에는 상판(30)을 관통하는 나사공(301) 및 전기자 코어(10)를 관통하는 관통공(혹은 나사공)이 마련되어 있다. 피고정면 측(도 4의 좌측)으로부터 전기자 코어(10)의 관통공을 통해 상판(30)의 나사공(301)에 나사를 삽입 및 체결함으로써, 전기자 코어(10_1), 전기자 코어(10_2) 및 상판(30)이 일체화된다. 또, 이 나사(제1 나사)는 상판(30)의 나사공(301)을 관통하지 않는다. 제1 나사의 선단은 나사공(301)의 내부에 배치된다.

도 4는, 변형예에 관한 리니어 모터(1)의 B-B'선(도 1 참조)에서의 단면(B-B' 절단면)의 구성을 나타낸다. 도 4에 도시된 리니어 모터(1)에서는, 상판(30)에 단열판(40)이 장착되어 있다. 또한, 도 5는 이 리니어 모터(1)를 상판(30)의 방향으로부터 나타낸다.

상기와 같이, 본 실시형태에 관한 리니어 모터(1)에서는, 상판(30)의 나사공(301)에 피고정면 측으로부터 상판(30)과 전기자 코어(10_1 및 10_2)를 서로 고정하기 위한 제1 나사가 체결된다. 변형예에 관한 리니어 모터(1)에서는, 상판(30)에서 나사공(301)이 배치되어 있는 개소(일례로서 상판(30)의 단부)에 단열판(단열 부재)(40)이 더 배치되어 있다.

이 단열판(40)은, 판형 부재인 상판(30)보다 낮은 열전달률을 갖는 재질로 구성된다. 구동 대상 장치가 상판(30)에 장착된 경우, 상판(30)과의 접촉면으로부터 구동 대상 장치에 열이 전달되고, 이 열이 상기 장치에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 또한, 나사공(301)에 피고정면 측으로부터 삽입되는 제1 나사는, 통상적으로 금속으로 구성된다(제1 나사는 수지제이어도 된다. 단, 제1 나사는 강도면에서 금속제인 것이 바람직하다). 이 때문에, 전기자 코어(10_1 및 10_2)로부터 제1 나사 및 상판(30)을 통해 구동 대상 장치(도시생략)에 열이 전달되고, 이 열이 상기 장치에 악영향을 미칠 가능성이 있다. 그 때문에, 변형예에서는 상판(30)에서 구동 대상 장치와의 접촉면을 덮도록 단열판(40)이 배치되어 있다. 또, 상판(30)의 전체를 덮도록 단열판이 배치되어도 된다. 이에 의해, 상판(30)의 전체에 관해, 상판(30)으로부터 구동 대상 장치로 전달되는 열을 차단하는 것이 가능해진다.

또, 단열판(40)은 상판(30)의 나사공(301)에 대응하는 부분에 관통공을 가지고 있다(즉, 나사공(301)이 노출되어 있다). 이 나사공(301)에 단열판(40) 측(도 4의 우측)으로부터 예를 들어 리니어 모터(1)에 의해 구동되는 대상 장치에 마련된 관통공을 통해 나사(제2 나사)가 삽입 및 체결된다. 이에 의해, 상판(30)이 대상 장치에 고정된다. 즉, 나사공(301)은 리니어 모터(1)에 의해 구동되는 대상 장치에 리니어 모터(1)를 고정하기 위한 고정부로서의 기능을 가진다.

<전기자 코어와 고정자의 관계 및 전기자 코어의 특징>

도 6은, 본 실시형태에 관한 리니어 모터(1)의 전기자 코어(10)와 고정자(20)의 관계 및 전기자 코어(10)의 특징을 설명하기 위한 도면이다.

(i) 전기자 코어 길이와 고정자 길이의 관계

리니어 모터(1)의 코깅 추력의 주 요인은, 전기자 코어(10)의 단부에 영구 자석(202)에 의한 자속이 작용하는 것에 의한 "에지 효과"이다. 즉, 전기자 코어(10)의 우측 단부의 티스(우단부 티스)가 고정자(20)에 설치된 영구 자석(202)에 흡인되는 힘(흡인력)과, 전기자 코어(10)의 좌측 단부의 티스(좌단부 티스)가 영구 자석(202)으로부터 떨어지는 힘(반발력)이 상대적으로 다르면, 코깅 추력이 발생한다. 이 흡인력과 반발력을 상대적으로 동일하게 하면, 코깅 추력은 이론적으로 "0"이 된다. 흡인력과 반발력을 상대적으로 동일하게 함으로써 에지 효과를 저감하기 위해서는, 전기자 코어(10)의 전체 길이(Lc)를 영구 자석(202)의 피치(τp)의 정수배에 근접한 길이로 하는 것이 효과적이다. 에지 효과는, 전기자 코어(10)에 작용하는, 영구 자석(202)(계자 마그넷)으로부터의 자속에 의한 흡인력 및 반발력에 기인한다. 이 때문에, Lc를 τp의 정수배에 근접한 길이로 함(즉, Lc를 최적화함)으로써, 전기자 코어(10)의 한쪽 단부에 작용하는 자기 흡인력과, 다른 쪽 단부에 작용하는 자기 반발력을 실질적으로 동일하게 할 수 있다.

또한, 전기자 코어(10)의 주 티스(101)의 슬롯 폭(As)은, 전기자 코어(10)의 단부 티스(102)의 슬롯 폭(Bs) 이상인 것이 바람직하다. 이에 의해, 단부 티스(102)의 테이퍼 형상부(만곡면 형상부)(2021)의 R(Rb)을 크게 할 수 있다. 또한 단부 티스(102)의 폭(By)을 크게 취할 수 있다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 전기자 코어 길이(Lc)가 N×τp과 동일할 때에 코깅 추력을 작게 할 수 있다.

(ii) 단부 티스 폭과 주 티스 폭의 관계

도 7a 및 도 7b는, 본 실시형태에 관한 리니어 모터(1)의 전기자 코어(10)의 단부 티스 폭과 주 티스 폭의 관계를 설명하기 위한 도면이다. 여기서는, 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이 주 티스 폭(Ay)이 단부 티스 폭(By)보다 큰 경우의 코깅 추력과, 단부 티스 폭(By)이 주 티스 폭(Ay)보다 큰 경우의 코깅 추력이 비교되어 있다.

주 티스 폭(Ay)이 단부 티스 폭(By)보다 큰 경우와 단부 티스 폭(By)이 주 티스 폭(Ay)보다 큰 경우(도 7a 참조)에 코깅 추력을 측정하는 실험을 행하였다. 그 결과, 도 7b에 도시된 바와 같이, 전기자 코어 길이(Lc)가 N×τp-0.5×τp~N×τp+0.5×τp까지의 길이에 있는 모든 경우에서 단부 티스 폭(By)이 주 티스 폭(Ay)보다 큰 경우에 코깅 추력이 작게 되어 있다.

또한, 실용상 코깅 추력의 저감에 효과적인 Lc의 범위는 N×τp-0.2×τp~N×τp+0.2×τp이다.

따라서, 코깅 추력을 저감하기 위해 효과적인 Lc의 길이 및 티스 폭의 조건은 이하와 같이 된다.

N×τp-0.2×τp≤Lc≤N×τp+0.2×τp, 및, By>Ay

(iii) 단부 티스의 형상

영구 자석(202)에는, 개개의 영구 자석(202)의 자속 밀도의 차이에 따른 자속 밀도 불균일이 존재한다. 이 때문에, 단순히 Lc를 τp의 정수배에 근접한 길이로 하는 것만으로는, 모든(혹은 거의 모든) 코깅 추력을 효과적으로 억제하는 것이 어려운 경우도 있다. 그 때문에, 전기자 코어(10)의 양단의 단부 티스(102)의 선단을 길게 하여 테이퍼 형상으로 한다. 또한 단부 티스(102)의 내측에 볼록부를 마련한다. 이에 의해, 에지 효과를 억제하기 쉽게 한다. 이 테이퍼 형상이 직선적보다 원호형인 것이 보다 효과적이다.

도 8a 및 도 8b는, 단부 티스(102)에서의 볼록부 유무에 따른 코깅 추력의 크기의 비교 결과를 나타낸다. 도 8a는, 단부 티스(102)의 내측(주 티스(101)가 존재하는 측)에 볼록부를 마련한 경우의 구성예 및 단부 티스(102)의 내측에 볼록부를 마련하지 않은 경우의 구성예를 나타낸다. 도 8b는, 단부 티스(102)의 내측에 볼록부를 마련한 경우와 단부 티스(102)의 내측에 볼록부를 마련하지 않은 경우에 코깅 추력이 어느 정도 다른지를 나타낸다. 도 8b에서도 알 수 있는 바와 같이, 전기자 코어(10)의 단부 티스(102)의 내측에 볼록형상부(볼록부)를 마련함으로써 코깅 추력을 40% 정도 저감할 수 있다.

(iv) 단부 티스에서 볼록부의 크기

도 9a는, 전기자 코어(10)의 단부 티스(102)에 마련되는 볼록부의 근방을 나타낸다. 도 9b 및 도 9c는, 전기자 코어(10)의 단부 티스(102)에 마련되는 볼록부의 코깅 추력을 저감하기 위해 유효한 크기를 고찰하기 위한 도면(실험 결과)이다. 도 9b는 유효한 볼록부의 폭(Bj)을 나타낸다. 도 9c는 유효한 볼록부의 높이(Hj)를 나타낸다.

도 9b 및 도 9c에서도 알 수 있는 바와 같이, 볼록부는 크면 클수록 좋다는 것은 아니다. 예를 들어, 볼록부의 폭(Bj)이 0.07×τp일 때에 코깅 추력이 최소가 되는 것을 알 수 있었다. 또한 볼록부의 폭(Bj)이 0.06×τp~0.08×τp의 범위에 있을 때에 충분한 코깅 추력 저감 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다. 또한, 영구 자석(202)의 두께를 Hm이라고 하면, 볼록부의 높이(Hj)가 0.15×Hm일 때에 코깅 추력이 최소가 된다. 볼록부의 높이(Hj)가 0.1×Hm~0.2×Hm의 범위에 있을 때에 충분한 코깅 추력 저감 효과가 얻어지는 것을 알 수 있었다.

<추력 특성 향상, 기계 강성 향상, 조립성 개선 및 자기 흡인력 저감을 실현하는 구성>

리니어 모터(1)의 추력 특성 향상 및 리니어 모터(1)가 장착되는 구조체의 간소화를 실현하기 위해, 상술한 바와 같이 본 실시형태에서는, 영구 자석(계자 마그넷)(202)을 리니어 모터(1)의 중앙에 배치하고, 그 외측에 2개의 전기자 코어를 마련한다는 구조를 채용하고 있다.

또한, 리니어 모터(1)의 추력 특성을 향상시키기 위해, 영구 자석(계자 마그넷)(202)과 전기자 코어(10_1 및 10_2)의 사이의 갭 자속 밀도를 크게 하는 것이 효과적이다. 이 때문에, 본 실시형태에 관한 리니어 모터(1)의 구조에서는, 계자 코어(201)의 양측에 영구 자석(202)이 극성이 교대로 다르게 나열되어 있다. 또한 영구 자석(202)의 극성은 고정자(20)를 관통하는 방향을 향하고 있다. 이에 의해, 마그넷 자속의 누설을 감소시키는 것 및 마그넷 자속을 최대한 추력 발생에 활용하는 것이 가능하다.

또한 추력 특성의 향상을 위해서는, 전기자 권선(103)을, 전기자 코어(10_1 및 10_2)의 슬롯부에, 고밀도로 배치하는 것이 효과적이다. 이를 실현하기 위해, 종래의 전기자 코어에서는, 주 티스를 분할하고, 분할된 개개의 주 티스에 권선이 행해진다. 그리고, 권선후에, 분할된 주 티스가 일체화된다. 그리고, 종래의 전기자 코어에서는 일반적으로 선단에 볼록부를 갖는 티스(턱붙이 티스)를 갖는 분할 코어에 권선이 행해진다. 한편, 본 실시형태에서는, 도 10에 도시된 바와 같이 주 티스(101)의 선단(선단의 측면)이 직선 형상(스트레이트 티스)으로 되어 있다. 이에 의해, 전기자 권선(103)을 주 티스(101)의 선단으로부터 끼워넣을 수 있다. 이 때문에, 전기자 코어(10_1) 및 전기자 코어(10_2)의 각각을 분할할 필요가 없다. 따라서, 전기자 코어(10_1) 및 전기자 코어(10_2)를, 각각, 일체로 구성하는 것이 가능해진다. 이에 의해, 전기자 코어(10_1 및 10_2)의 기계 강성 저하, 조립 정밀도 악화 및 부품수 증대 등을 억제하면서 고밀도 권선을 전기자 코어(10)에 배치할 수 있다.

또한 리니어 모터(1)에서는, 영구 자석(계자 마그넷)(202)과 전기자 코어(10_1 및 10_2)의 사이에 자기 흡인력이 작용한다. 본 실시형태에서는, 2개의 전기자 코어(10_1 및 10_2)가 판형 부품인 상판(연결판)(30)에 의해 연결 및 일체화된다. 이에 의해, 리니어 모터(1)를 장착하는 구조체에 자기 흡인력이 작용하기 어려워진다. 이 때문에, 리니어 모터(1)를 장착하는 구조체를 간소화하는 것이 가능해진다.

<정리>

본 실시형태에 관한 리니어 모터에서는, 리니어 모터의 진행 방향(이동 방향(MD))에서의 전기자 코어의 길이를 Lc라고 하고, 영구 자석의 피치를 τp라고 하고, N을 자연수라고 하면, 전기자 코어의 길이(Lc)가 (N×τp-0.2×τp)≤Lc≤(N×τp+0.2×τp)로 규정된다. 이에 의해, 본 실시형태에 관한 리니어 모터는 종래의 리니어 모터에 비해 코깅 추력을 효과적으로 저감하는 것이 가능해진다.

여기서, 리니어 모터의 진행 방향에서의 단부 티스의 폭(By)은, 리니어 모터의 진행 방향에서의 하나의 주 티스의 폭(Ay)보다 큰 것이 바람직하다. 이에 의해, 코깅 추력을 더욱 저감하는 것이 가능해진다. 또한, 단부 티스의 선단은 만곡면을 갖는 형상을 갖는 것이 바람직하다. 단부 티스의 선단에 만곡면을 갖게 함으로써, 단부 티스의 선단으로서 직선적인 형상을 채용한 경우보다 코깅 추력을 저감하는 것이 가능해진다.

단부 티스는, 전기자 코어의 내측으로 돌출되는 볼록부를 가지도록 구성되어도 된다. 이 경우, 볼록부의 진행 방향의 돌출 폭을 Bj라고 하고, 볼록부의 진행 방향과 수직인 돌출 높이를 Hj라고 하고, 영구 자석의 높이를 Hm이라고 하면, 볼록부는 0.06×τp≤Bj≤0.08×τp, 0.1×Hm≤Hj≤0.2×Hm으로 규정되는 바와 같은 크기를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 돌출 폭(Bj), 돌출 높이(Hj) 및 영구 자석의 높이(Hm)는 상기 식을 만족시키도록 설정되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 보다 효과적으로 코깅 추력을 저감하는 것이 가능해진다.

또한, 전기자 코어는 주 티스의 슬롯 폭(As)이 단부 티스의 슬롯 폭(Bs) 이상이 되도록 구성되는 것이 바람직하다. 이에 의해, 단부 티스의 만곡면 형상부의 R을 크게 할 수 있음과 아울러 단부 티스 폭(By)을 보다 크게 할 수 있다. 이들은 코깅 추력 저감에 기여할 수 있다.

또한 고정자에서 복수의 영구 자석은, 리니어 모터의 진행 방향을 따라 교대로 극성이 다르도록, 또한 계자 코어의 양면에서 고정자를 관통하는 방향의 극성을 가지도록 계자 코어의 양면에 배치된다. 또한, 2개의 전기자 코어는 계자 코어의 양면에 대향하도록 배치된다. 이 경우, 2개의 전기자 코어는 판형 부재(상판)에 의해 연결 및 일체화되어도 된다. 이러한 2개의 전기자 코어 및 판형 부재는 "ㄷ"자 형상을 이루도록 구성되어도 된다.

또한, 판형 부재는 리니어 모터에 의해 구동되는 대상 장치에 리니어 모터를 고정하기 위한 고정부(예를 들어, 나사공)를 가져도 된다. 그리고, 판형 부재의 고정부(예를 들어, 나사공 부분 혹은 나사공 주위 부분)에는, 판형 부재보다 낮은 열전달률을 갖는 재질로 구성되는 단열 부재가 장착되어도 된다. 이에 의해, 리니어 모터에서 발생한 열이 구동 대상 장치로 전달되는 것을 억제할 수 있다. 또, 판형 부재(상판)의 전체에 걸쳐 단열 부재를 장착해도 된다.

고정자는, 복수의 고정자 모듈을 연결함으로써 구성되어도 된다. 구체적으로 각 고정자 모듈에 고정용 구멍(관통공, 나사공)이 마련되고, 이 고정용 구멍에 고정 부재(예를 들어, 나사)를 삽입하여 고정시킴으로써, 원하는 길이의 고정자가 구성된다.

본 실시형태에 관한 리니어 모터에 있어서, 복수의 주 티스는 종래의 주 티스에 마련되어 있던 턱부를 가지지 않는 직선 형상(혹은 원통 형상)을 가지고 있다. 즉, 복수의 주 티스는 그 기단(基端)부터 선단까지 일정(혹은 대략 일정)한 폭(티스 폭)을 가지고 있어도 된다. 이에 의해, 전기자 권선을 주 티스의 선단으로부터 끼워넣을 수 있다. 이 때문에, 전기자 코어를 분할하여 구성할 필요가 없다. 따라서, 전기자 코어를 일체로 형성할 수 있다. 그 결과, 전기자 코어의 강성을 높일 수 있다.

또, 이상의 설명에서 "모두", "수직", "같은", "동일한", "다른", "직선", "일정" 등의 표현은 엄밀하게 해석되는 것을 의도하지 않는다. 즉, 이들 표현은 설계상 및 제조상 공차 및 오차를 허용하고, 각각 "실질적으로 모두", "실질적으로 수직", "실질적으로 같은", "실질적으로 동일한", "실질적으로 다른", "실질적으로 직선", "실질적으로 일정"을 의미한다.

리니어 모터(1)의 코깅 추력의 주 요인은, 전기자 코어(10)의 단부에 계자 마그넷(202)에 의한 자속이 작용하는 "에지 효과"이다. 즉, 우측 단부의 코어(우단부 티스)가 고정자(20)에 설치된 영구 자석(202)에 흡인되는 힘과, 좌측 코어(좌단부 티스)가 영구 자석(202)으로부터 떨어지는 힘이 상대적으로 다르면 코깅 추력이 발생한다. 이 흡인되는 힘과 떨어지는 힘을 상대적으로 동일하게 하면 코깅 추력은 이론적으로 "0"이 된다. 이 흡인되는 힘과 떨어지는 힘을 상대적으로 동일하게 하여 에지 효과를 저감하기 위해서는, 전기자 코어(10)의 전체 길이(Lc)를 계자 마그넷(202)의 피치(τp)의 정수배에 근접한 길이로 하는 것이 효과적이다. 에지 효과는 전기자 코어와 계자 마그넷 자속의 흡인력에 기인하기 때문에, Lc를 τp의 정수배에 근접한 길이로 최적화함으로써 코어 양단부에 작용하는 자기 흡인력을 균형화하여 상쇄할 수 있다.

영구 자석(202)은, 고정 나사(204)에 의해 계자 코어(201)에 고정되어도 된다.

본 실시형태에서는, 리니어 모터(1)의 구조로서 고정자(20)를 관통하는 방향으로 계자 코어(201)의 양측에 배치한 영구 자석(202)의 극성을 교대로 나열함으로써 마그넷 자속의 누설을 감소시키고 마그넷 자속을 최대한 추력 발생에 활용할 수 있다.

본 실시형태에 관한 리니어 모터는 이하의 제1~제10 리니어 모터이어도 된다.

제1 리니어 모터는, 계자 코어에 복수의 영구 자석이 배치되어 구성되는 고정자와, 상기 영구 자석과 자기적 공극을 사이에 두고 배치된 전기자 권선을 갖는 전기자 코어를 구비하는 리니어 모터로서, 상기 리니어 모터의 진행 방향에서의 상기 전기자 코어의 길이를 Lc, 상기 영구 자석의 피치를 τp, N을 자연수라고 하면, 상기 전기자 코어의 길이(Lc)는 (N×τp-0.2×τp)≤Lc≤(N×τp+0.2×τp)로 규정된다.

제2 리니어 모터는 제1 리니어 모터에 있어서, 상기 전기자 코어는 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며, 상기 리니어 모터의 상기 진행 방향에서의 상기 단부 티스의 폭(By)은 상기 리니어 모터의 상기 진행 방향에서의 하나의 상기 주 티스의 폭(Ay)보다 크다.

제3 리니어 모터는 제1 또는 제2 리니어 모터에 있어서, 상기 전기자 코어는 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며, 상기 단부 티스의 선단은 만곡면을 갖는 형상을 이룬다.

제4 리니어 모터는 제1 내지 제3 중 어느 하나의 리니어 모터에 있어서, 상기 전기자 코어는 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며, 상기 단부 티스는 상기 전기자 코어의 내측으로 돌출되는 볼록부를 가지며, 상기 볼록부는 상기 진행 방향의 돌출 폭을 Bj, 상기 진행 방향과 수직 방향의 돌출 높이를 Hj, 상기 영구 자석의 높이를 Hm이라고 하면, 0.06×τp≤Bj≤0.08×τp, 0.1×Hm≤Hj≤0.2×Hm으로 규정된다.

제5 리니어 모터는 제4 리니어 모터에 있어서, 상기 전기자 코어는 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며, 상기 주 티스의 슬롯 폭(As)은 상기 단부 티스의 슬롯 폭(Bs) 이상이다.

제6 리니어 모터는 제1 내지 제5 중 어느 하나의 리니어 모터에 있어서, 상기 고정자에서 상기 복수의 영구 자석은, 상기 계자 코어의 양면에 상기 진행 방향에 대해 교대로 극성이 다르도록, 또한 상기 계자 코어의 양면에서 상기 고정자를 관통하는 방향의 극성이 되도록 상기 계자 코어의 양면에 배치되고, 상기 계자 코어의 양면에 대향하도록 2개의 상기 전기자 코어가 배치된다.

제7 리니어 모터는 제6 리니어 모터에 있어서, 상기 2개의 전기자 코어는 판형 부재에 의해 연결되어 일체화되고, 상기 2개의 전기자 코어와 상기 판형 부재에 의해 "ㄷ"자 형상을 이룬다.

제8 리니어 모터는 제7 리니어 모터에 있어서, 상기 판형 부재는 상기 리니어 모터에 의해 구동되는 대상 장치에 상기 리니어 모터를 고정하기 위한 고정부를 가지며, 상기 판형 부재의 적어도 상기 고정부에는 상기 판형 부재보다 열전달률이 낮은 재질로 구성되는 단열 부재가 장착되어 있다.

제9 리니어 모터는 제1 내지 제8 중 어느 하나의 리니어 모터에 있어서, 상기 고정자는, 상기 영구 자석을 양면에 배치하여 구성되고, 고정용 구멍을 갖는 고정자 모듈을 복수개 마련하고, 상기 복수의 고정자 모듈을 상기 고정용 구멍에 고정 부재를 삽입함으로써 연결하여 구성된다.

제10 리니어 모터는 제1 내지 제9 중 어느 하나의 리니어 모터에 있어서, 상기 전기자 코어는 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며, 상기 복수의 주 티스는 상기 전기자 권선을 상기 주 티스의 선단으로부터 끼워넣는 것을 가능하게 하기 위해 턱부를 가지지 않는 직선 형상을 이루고 있다.

위에서 언급된 상세한 설명들은, 설명 및 이해의 편의를 위해 제공된 것이며, 많은 변형예나 수정예가 실현될 수도 있다. 위의 상세한 설명들은, 주제를 완벽하게 설명하거나 서술된 정밀한 형태로 제한하려는 의도가 있는 것이 아니다. 비록 구조적 특징 및/또는 방법론적인 행위들에 대하여 구체적인 언어로 설명되었다고 하더라도, 첨부된 청구범위에 한정된 주제는 위와 같은 구체적인 특징이나 행위들로 제한되는 것은 아니다. 위와 같은 구체적인 특징이나 행위들은 여기에 첨부된 청구범위의 주제를 실현할 수 있는 구체적인 형태의 예시로서 개시된 것이다.

1 리니어 모터
10_1 전기자 코어
10_2 전기자 코어
20 고정자
30 상판
101 주 티스
102 단부 티스
103 전기자 권선
201 계자 코어
202 영구 자석(계자 마그넷)
203 고정 나사용 관통공
204 고정 나사

Claims

계자 코어와 상기 계자 코어에 배치된 복수의 영구 자석을 포함하는 고정자와,
상기 영구 자석과 자기적 공극을 사이에 두고 배치된, 전기자 권선을 갖는 전기자 코어를 구비하는 리니어 모터로서,
상기 리니어 모터의 진행 방향에서의 상기 전기자 코어의 길이를 Lc라고 하고, 상기 영구 자석의 피치를 τp라고 하고, N을 자연수라고 하면, 상기 전기자 코어의 길이(Lc)는,
(N×τp-0.2×τp)≤Lc≤(N×τp+0.2×τp)로 규정되며,
상기 전기자 코어는, 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며,
상기 단부 티스는, 상기 전기자 코어의 내측으로 돌출되는 볼록부를 가지며,
상기 볼록부의 상기 진행 방향의 돌출 폭을 Bj라고 하고, 상기 볼록부의 상기 진행 방향과 수직 방향의 돌출 높이를 Hj라고 하고, 상기 영구 자석의 높이를 Hm이라고 하면, 0.06×τp≤Bj≤0.08×τp, 0.1×Hm≤Hj≤0.2×Hm이 만족되는 리니어 모터.
청구항 1에 있어서,
상기 전기자 코어는, 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며,
상기 리니어 모터의 상기 진행 방향에서의 상기 단부 티스의 폭(By)은, 상기 리니어 모터의 상기 진행 방향에서의 하나의 상기 주 티스의 폭(Ay)보다 큰 리니어 모터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전기자 코어는, 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며,
상기 단부 티스의 선단은, 만곡면을 갖는 형상을 갖는 리니어 모터.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 주 티스의 슬롯 폭(As)은, 상기 단부 티스의 슬롯 폭(Bs) 이상인 리니어 모터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 고정자에서, 상기 복수의 영구 자석은, 상기 진행 방향을 따라 교대로 극성이 다르도록, 또한 상기 계자 코어의 양면에서 상기 고정자를 관통하는 방향의 상기 극성을 가지도록 상기 계자 코어의 양면에 배치되고,
상기 계자 코어의 양면에 대향하도록 2개의 상기 전기자 코어가 배치되는 리니어 모터.
청구항 6에 있어서,
상기 2개의 전기자 코어를 연결 및 일체화하는 판형 부재를 더 구비하고,
상기 2개의 전기자 코어 및 상기 판형 부재가 "ㄷ"자 형상을 이루는 리니어 모터.
청구항 7에 있어서,
상기 판형 부재는, 상기 리니어 모터에 의해 구동되는 대상 장치에 상기 리니어 모터를 고정하기 위한 고정부를 가지며,
상기 판형 부재의 적어도 상기 고정부에는, 상기 판형 부재보다 낮은 열전달률을 갖는 재질로 구성되는 단열 부재가 장착되어 있는 리니어 모터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 고정자는, 복수의 상기 영구 자석을 양면에 배치하여 구성되고, 고정용 구멍을 갖는 고정자 모듈을 포함하고,
상기 복수의 고정자 모듈은, 상기 고정용 구멍에 고정 부재를 삽입함으로써 고정됨과 아울러 서로 연결되는 리니어 모터.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 전기자 코어는, 권선이 장착되는 복수의 주 티스와, 단부 티스를 가지며,
상기 복수의 주 티스는, 턱부를 가지지 않는 직선 형상을 가지고 있는 리니어 모터.