KR102612375B1 - 전동기 - Google Patents

Abstract

선형 전동기는, 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재; 및 원주를 따라 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 자석 모듈로 구성되는 2차 부재를 포함하여 구성되고, 각 전기자 모듈은 2개의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 자석 모듈은 2개의 돌출부 사이에 놓이고, 2의 배수인 P개의 영구자석과 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 1차 부재 또는 2차 부재 중 어느 하나가 회전자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고, 복수의 전기자 모듈은 같은 위상의 전원이 공급되는 하나 이상이 하나로 묶여 2xS개의 제1 전기자 모듈 그룹을 형성하고, 제1 전기자 모듈 그룹은 해당 제1 전기자 모듈 그룹과 같은 위상의 전원이 공급되는 다른 제1 전기자 모듈 그룹과 자석 모듈이 형성하는 원의 중심을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다.

Description

전동기 {Motor}

이 명세서는 선형 전동기 원리를 이용하는 회전 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 선형 전동기, 즉 리니어 모터는 직선 모양으로 면하는 가동자 및 고정자 사이에 추력을 발생하는 구조로 되어 있다. 영구자석형 선형 전동기는 가동자 및 고정자 중 어느 한 쪽에 고정 자석을 놓고 나머지 한 쪽에 교번하는 다상 전력을 보내 양자 사이에 전자력이 작용하여 일정 방향으로 추력이 발생하도록 한다.

종래의 선형 전동기는, 회전 모터를 전개하여 직선상에 펼쳐 배치한 구조로 인하여, 전기자 코어의 돌극과 영구 자석 간에는 강력한 자기 흡인력이 발생하여 시스템의 정밀도가 떨어지고, 일정한 공극을 유지하는 안내 기구의 마모가 심하게 되고, 전기자 코어에 가동자의 진행 방향과 동일한 방향으로 자속이 흘러 모터 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수밖에 없다.

종래 회전 전동기의 경우에도 자기 흡입력 문제가 발생하는데, 이는 회전체나 고정체를 정확한 원으로 구현하지 못하여 발생하는 불균형(또는 언밸런스)이나 편심에 따른 것으로, 전동기 직경이 커질수록 대칭 구조를 정확하게 구현하기 어려워 흡입력 문제가 더 잘 드러난다.

디스플레이나 반도체 공정에 X 방향과 Y 방향으로 각각 이동 가능한 선형 전동기를 채용한 선형 XY 스테이지가 사용되고 있고, 또한 XY 스테이지 위에 놓이는 기판의 각도를 조절하기 위해 회전 전동기도 함께 사용되고 있다.

한 번의 공정으로 생성하는 기판의 크기가 커짐에 따라, XY 스테이지도 커지게 되고, XY 스테이지에 놓이는 기판의 각도를 조절하기 위한 회전 전동기도 더 무거워지는 기판을 고려하여 직경이 커지게 된다.

하지만, 회전 전동기의 직경이 커지면 전동기에 내재된 언밸런스나 편심에 의해 자기 흡입력 문제가 커지고, 회전 전동기에 연결된 물체, 예를 들어 XY 스테이지 위에 놓인 기판을 원하는 각도로 조절하기가 어려워지고, 또한 자기 흡입력에 의해 내부 부품에 마모가 더 발생하여 회전 전동기의 수명이 짧아지게 된다.

이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 자기 흡입력과 코깅을 줄이는 회전 전동기를 제공하는 데 있다.

이 명세서의 다른 목적은 선형 전동기 원리를 이용하여 효율이 높고 수명이 긴 회전 전동기를 제공하는 데 있다.

이 명세서의 일 실시예에 따른 전동기는, 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재; 및 원주를 따라 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 자석 모듈로 구성되는 2차 부재를 포함하여 구성되고, 각 전기자 모듈은 둘 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 자석 모듈은 전기자 모듈의 2개의 돌출부 사이에 놓이고, 2의 배수인 P개의 영구자석과 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 1차 부재 또는 2차 부재 중 어느 하나가 회전자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고, 복수의 전기자 모듈은 같은 위상의 전원이 공급되는 하나 이상이 하나로 묶여 2xS개의 제1 전기자 모듈 그룹을 형성하고, 제1 전기자 모듈 그룹은 해당 제1 전기자 모듈 그룹과 같은 위상의 전원이 공급되는 다른 제1 전기자 모듈 그룹과 자석 모듈이 형성하는 원의 중심을 기준으로 대칭으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

따라서, 코깅을 줄여 회전 전동기의 회전 속도와 회전 각도를 정밀하게 조절할 수 있게 된다.

또한, 회전 전동기의 직경을 키우더라도 언밸런스와 편심을 줄일 수 있어서 자기 흡입력에 의해 내부 부품이 마모되는 것을 방지하고 전동기 수명을 연장할 수 있게 된다.

또한, 회전 전동기의 가속 구간, 등속 구간, 감속 구간에 맞추어 구동하는 전기자 모듈의 개수를 조절함으로써, 적은 에너지로 회전자의 위치나 속도를 더 정밀하게 조절할 수 있게 된다.

도 1은 이 명세서의 출원인이 출원한 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 개방형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 2는 이 명세서의 출원인이 출원한 출원 번호 KR 10-2011-0020599에 기재된 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 3은 도 1과 도 2의 선형 전동기에서 3개의 전기자 모듈로 구성한 1차 부재와 복수의 영구자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 동작 원리를 도시한 것이고,
도 4는 전기자 모듈의 돌극과 영구 자석의 상대적 위치에 따라 발생하는 코깅을 설명하는 것이고,
도 5는 1차 부재를 구성하는 9개의 전기자 모듈을 분산시켜 배치한 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 6은 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w와 영구 자석과의 상대적 위치 및 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w를 같은 방향으로 이동시키기 위해 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w에 인가되는 3상 전류를 도시한 것이고,
도 7은 이 명세서의 일 실시예에 따른 회전 전동기의 평면도를 도시한 것이고,
도 8a와 도 8b는 도 7의 회전 전동기를 구성하는 납작한 반지 형상의 영구 자석 모듈을 도시한 것이고,
도 9a 내지 도 9c는 도 7의 회전 전동기를 구성하는 전기자 모듈 그룹의 평면도와 2개의 측면도를 도시한 것이고,
도 10a 내지 도 10c는 도 7의 회전 전동기를 구성하는 전기자 모듈 그룹을 제조하는 과정을 도시한 것이고,
도 11은 직경이 다른 2개의 납작한 반지 형상의 영구 자석 모듈을 채용한 회전 전동기를 도시한 것이고,
도 12는 원반 형상의 영구 자석 모듈을 채용한 회전 전동기를 도시한 것이고,
도 13은 1차 부재에서 9개의 전기자 모듈을 분산시켜 배치하고 전기자 모듈 사이의 간격을 변화시키는 실시예를 도시한 것이고
도 14는 이 명세서의 다른 실시예에 따른 회전 전동기의 평면도를 도시한 것이고,
도 15는 도 7이나 도 14의 회전 전동기의 3상 전기자 모듈에 연결되는 코일의 결선 상태를 도시한 것이고,
도 16은 가속, 등속, 감속의 서로 다른 속도 변화 구간에 필요한 추력의 상대적 크기를 도시한 것이고,
도 17은 회전 전동기의 전기자 모듈에 연결되는 코일의 다른 결선 상태를 도시한 것이고,
도 18은 도 17 결선 상태의 코일을 구동하는 인버터의 연결을 도시한 것이고,
도 19는 UVW 전기자 모듈과 RST 전기자 모듈의 위상 관계를 도시한 것이고,
도 20은 이 명세서의 또다른 실시예에 따른 회전 전동기의 평면도를 도시한 것이고,
도 21a와 도 21b는 각각 도 20의 회전 전동기를 구성하는 전기자 모듈에 연결되는 코일의 결선 상태를 도시한 것이고,
도 22는 전기자 모듈 그룹에 포함된 전기자 모듈을 서로 분리하여 다른 인버터로 구동하는 예를 도시한 것이고,
도 23은 이 명세서에 따른 회전 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 이 명세서에 따른 전동기에 대한 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

이 명세서의 출원인은, 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구자석을 포함하는 영구자석 모듈을 복수 개 포함하는 2차 부재를 포함하는 밀폐형과 개방형 선형 전동기에 대해서, 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947을 통해 출원하였다.

출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 선형 전동기 중에서 도 1과 같은 개방형 선형 전동기에서, 전기자 모듈의 코어는 2차 부재인 영구자석 모듈을 둘러싸기 위한 C자 형상이 아니라, 예를 들어 직선 형태이고, 복수의 돌극은 코어로부터 같은 방향으로, 예를 들어 직각으로 돌출한 형태이고, 2차 부재의 복수의 영구자석 모듈도 나란히 놓인 각 돌극 사이로 코어를 향해 돌출한 형태를 하고 있다.

출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 다른 선형 전동기는 전기자 모듈의 코어에서 돌극의 돌출 각도가 서로 달라 금형 제작에 비용이 많이 들고 정밀도를 올리는 데 한계가 있다. 하지만, 도 1의 선형 전동기에서, 각 전기자 모듈에서 모든 돌극은 코어와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이루고, 각 영구자석 모듈도 베이스와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이룬 상태로 고정되고 있으므로, 제조 정밀도를 올릴 수 있고 금형 비용도 절감할 수 있다.

이 명세서에 따른 선형 전동기는, 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 선형 전동기 중에서 도 1의 개방형 선형 전동기를 영구자석 가동형으로 변형한 것이다. 영구자석 가동형 선형 전동기를 이용하는 이 명세서에서는, 반송 시스템이 요구하는 속도 구간에 대응하도록 전기자 모듈 사이의 간격으로 조절하여 장거리 이송을 가능하게 하고, 또한 실제 주행 속도와 목표 속도의 차이를 최소로 할 수 있다.

도 2는 이 명세서의 출원인의 의해 출원된 출원 번호 KR 10-2011-0020599에 기재된 선형 전동기를 도시한 것으로, 자속을 발생시키는 코일을 포함하는 1차 부재와 자속을 가로지르는 영구자석을 포함하는 2차 부재를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1의 선형 전동기와 비교하여, 돌극의 개수와 영구자석 모듈의 개수가 각각 2개와 1개로 준 것을 제외하고는 동작 원리는 동일하다.

도 3은 도 1과 도 2의 선형 전동기에서 3개의 전기자 모듈로 구성한 1차 부재와 복수의 영구자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 동작 원리를 도시한 것으로, 2 이상의 전기자 모듈과 영구자석 모듈의 조합에 의해 진행 방향으로 추력이 발생하는 원리를 도 3이 도시하고 있다. 예를 들어 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)에 2개의 영구자석(21)을 대응시키는 경우, 도 3의 위쪽 그림과 같은 전기자 모듈 3상과 영구자석 2극의 조합이 된다.

도 3에서, U, V, W는, 도 1과 도 2의 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)의 각 돌극(12) 중에서 한 쪽 돌극(12)을 진행 방향으로 나열한 것이고, S/N은 돌극 U, V, W에 대치되는 위치에 놓인 영구자석(21)을 나열한 것이다.

각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 단일 위상의 전류를 공급하되, 3상인 경우 이웃하는 모듈과 120도의 위상차를 갖는 전류를 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 인가할 수 있다.

또한, 도 3의 위 그림에 도시한 것과 같이, 진행 방향으로 번갈아 배치된 영구자석 S 또는 N의 극 간격을 (1/2 주기 180도)로 할 때, 3개의 전기자 모듈(10)이 2/3(120도)에 해당하는 간격으로 배치될 수 있다.

영구자석 S극과 N극 사이에 위치하는 돌극 V를 감은 코일에 (+) 방향으로 피크 값(P)의 교류 전류를 흘려 돌극 V가 N극이 될 때, 돌극 U와 W를 감은 코일에는 (-) 방향으로 피크 값(P)/제곱근(2) 크기의 교류 전류를 흘려 돌극 U와 W가 S극이 되므로, N극인 돌극 V가 영구자석 S극에는 흡인력을 영구자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구자석을 오른쪽으로 이동시킨다. 돌극 V의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 W는 각각 영구자석 S극과 영구자석 N극에 반발력과 흡인력을 작용하지만 서로 상쇄되어 진행 방향으로 영향을 미치지 않게 된다.

영구자석(21)이 2/3만큼 이동하여 이번에는 돌극 W가 영구자석 S극과 N극 사이에 위치하게 되고, 이 순간에는 각 돌극(12)의 코일(13)에 위상이 120도 진행한 전류를 흘리고, 돌극 W를 감은 코일에 (+) 방향으로 피크 값(P)의 교류 전류가 흘러 돌극 W가 N극이 되고, 돌극 U와 V를 감은 코일에는 (-) 방향으로 피크 값(P)/제곱근(2) 크기의 교류 전류가 흘러 돌극 U와 V가 S극이 된다. N극이 된 돌극 W가 영구자석 S극에는 흡인력을 영구자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구자석(21)을 오른쪽으로 이동시키는데, 마찬가지로 돌극 W의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 V는 각각 영구자석 N극과 영구자석 S극에 흡인력과 반발력을 작용하지만 서로 상쇄된다.

이와 같은 과정을 반복하여 영구자석(21)은 오른쪽으로 이동하게 된다. 즉, 각 전기자 모듈(10)에 인가되는 3상의 전류가 돌극 U, V, W에 이동 자계를 발생시키고 이에 따라 영구자석(21)에는 오른쪽으로 이동하는 추력이 발생한다.

이상적인 모델인 경우, 영구자석(21)을 이동시키는 추력은, 돌극(12)과 영구자석(21)이 접하는 표면적의 합에 비례하고, 또한 진행 방향으로 배치되는 전기자 모듈(10)의 개수에도 비례하여 커지게 되고, 코일(13)에 인가되는 전류의 크기, 돌극(12)을 감는 코일(13)의 권선 수, 영구자석(21)의 자력 크기 등에도 비례 관계를 갖는다.

도 3의 첫 번째 예(위 그림)는 전기자 모듈 3상과 영구자석 2극의 기본 조합에 대한 예이고, 도 3의 두 번째 예(아래 그림)는 첫 번째 조합의 확장인 전기자 모듈 3상과 영구자석 4극 조합에 대한 예로 추력이 발생하는 원리는 동일하고, 3상 8극, 10극 등의 조합도 가능하다.

일반화하면, 모터 상수의 배수가 되는 전기자 모듈(10)의 개수 S와 2(N극과 S극)의 배수인 영구자석(21)의 개수 P의 조합을 기본으로 추력이 발생하는데, 여기서 모터 상수는 3상 전원으로 전기자를 구동하는 경우 3, 5상 전원으로 구동하는 경우 5로서, 3 이상의 홀수로 하는 것이 일반적이고, 모터 상수에 의해 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 인가되는 전류의 위상차가 결정된다.

물론, S개의 전기자 모듈과 P개의 영구자석이 공극을 통해 대치하는 부분의 길이(이동 방향으로의 길이)를 1차 부재의 단위 길이라고 할 때, 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는 1차 부재 또는 다수의 영구자석(21)으로 구성되는 2차 부재 중 어느 한쪽은 단위 길이보다는 길게 구성해야 가동자를 이동시키는 추력을 발생시킬 수 있는 유효 거리를 확보할 수 있게 된다.

즉, 1차 부재와 2차 부재가 겹치는 길이를 단위 길이보다 길게(전기자 모듈의 개수를 S개 이상 또는 영구자석의 개수를 P개 이상) 구성해야 추력 발생을 위한 유효 거리를 확보하게 되고, 서로 겹치는 1차 부재와 2차 부재 사이에 형성되는 공극의 면적에 비례하여 추력이 증가할 수 있다.

1차 부재의 각 전기자 모듈(10)에 진행 방향으로 UuU(또는 uUu)(U상군), VvV(또는 vVv)(V상군), WwW(또는 wWw)(W상군) 순서로 3상 전류를 인가하고, 여기서 소문자는 대문자와 반대 위상의 전류가 공급되는 것을 의미한다.

여기서, 반대 위상의 전류를 공급하는 의미는, 다른 돌극에 감긴 권선에 각각 위상 차이가 180도인 서로 다른 전류를 공급하는 것을 의미할 수 있고, 또는 권선에는 같은 위상의 전류를 공급하되 돌극에 권선을 감는 방향을 서로 다르게 하는 것을 의미할 수도 있는데, 전동기를 구동하는 입장에서는 하나의 라인을 통해 전류를 공급하면서도 180도 위상 차이가 나는 2개의 전류를 동시에 공급하는 것이 되기 때문에 후자가 훨씬 유리하다.

1차 부재는 (1차 부재의 코어(11)와 같은 재질인 강자성체로) 서로 연결되지 않고 독립된 전기자 모듈(10)로 구성되기 때문에, 같은 크기의 전원이 각 전기자 모듈(10)에 제공된다면 각 전기자 모듈(10)에는 독립되고 같은 크기의 자속이 흐르게 되어 각 전기자 모듈(10)을 통해 생성되는 추진력에 편차가 적어 추력에 리플이 적게 된다.

돌극(12)과 영구자석(21)을 통과하는 자속의 양은, 돌극(12)에서 나오거나 돌극(12)로 들어가는 자속의 분포가 일정하다고 할 때, 돌극(12)의 표면과 영구자석(21)의 표면이 서로 겹치는 부분의 면적에 비례하게 된다.

전기자 모듈(10)의 돌극(12)에서 나온 자속 또는 돌극(12)으로 들어가는 자속이 지나가는 영구자석(21)의 단면은 직사각형이나 평행 사변형에 한정되지 않고, 마름모, 원형 또는 타원형도 가능하고, 직사각형이나 평행 사변형의 네 귀퉁이를 자른 팔각형 모양도 가능하다.

도 4는 전기자 모듈의 돌극과 영구 자석의 상대적 위치에 따라 발생하는 코깅을 설명하는 것이다.

고정자와 가동자의 상대 위치 변화로 토크가 변동하는 현상을 코깅이라고 한다. 코깅은 전기자 모듈에 전류가 인가되지 않을 때 전기자 모듈의 돌극이 영구 자석과의 상대적 위치에 따라 받는 힘에 의해 결정된다.

도 4에서 도시한 것과 같이, 돌극이 A와 E위치(영구 자석과 정렬된 위치) 및 C 위치(진행 방향으로 놓인 두 영구 자석의 중간 위치)에 있을 때에는 진행 방향으로 어떠한 힘도 받지 않지만, 돌극이 A와 C의 중간인 B 위치와 C와 E의 중간인 D 위치에 있을 때에는 진행 방향으로 놓인 두 영구 자석에 의해 흡인력과 반발력이 발생하여 돌극을 진행 방향으로 또는 반대 방향으로 이동시키는 힘이 발생한다. 즉, 극을 달리하면서 나열되는 영구 자석이 N극(또는 S극)에서 다음 N극(또는 S극)까지를 한 주기라 할 때, 코깅은 영구 자석 배치 간격의 1/2 주기로 발생한다.

특히 선형 전동기의 경우, 복수의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재의 양쪽 끝 부분에 위치하는 철심(코어 또는 돌극)과 영구 자석 사이에 자기력에 의한 힘이 발생하는데, 이를 단부 디텐트 힘(End detent force)이라 한다. 1차 부재의 가운데 부분에서 철심과 영구 자석 사이에 발생하는 힘을 치 디텐트 힘(Teeth detent force)이라 한다. 단부 디텐트 힘은 선형 전동기의 특수한 구조에 의한 것으로 이동자와 고정자의 길이 차이에 의해 발생하고, 전동기의 추진력에 리플의 형태로 영향을 미치는데, 전동기를 작동할 때 진동으로 나타날 수도 있고, 고속으로 동작하는 전동기에서는 운전의 안정성에 문제를 줄 수 있다.

도 5는 1차 부재를 구성하는 9개의 전기자 모듈을 분산시켜 배치한 선형 전동기를 도시한 것으로, 도 1에 도시된 선형 전동기와 같은 원리를 적용하여 돌극이 3개인 전기자 모듈 9개를 사용하는 전동기를 도시한 것이다.

기본 단위 (S, P)=(9, 8)인 전동기에서, 9개의 전기자 모듈이 연속으로 배치되어 uUuvVvwWw(또는 UuUVvVWwW) 순서로 3상 전류가 인가될 수 있다. 선형 전동기에서 자기 회로의 대칭 효율을 높이고 추력을 올리기 위하여, 모터의 기본 단위에서 전기자 모듈의 수 S에 큰 값을 사용하고 영구 자석의 수 P에 S와 가까운 값을 사용하고, 또한 기본 단위를 복수 개 연결하여 사용할 수 있다. 1차 부재에 많은 수의 전기자 모듈이 연속으로 배치되는 경우, 전기자 모듈이 밀집된 1차 부재에 많은 전류가 공급되어 열에 의해 코어나 돌극에 변형이 발생할 수 있어서 정밀도가 떨어지고, 코깅의 원인이 될 수 있다.

열에 의한 변형, 코깅 등의 문제를 해결하고 정밀도를 향상시키기 위하여, 도 5에 도시한 것과 같이, 1차 부재에서 복수의 전기자 모듈을 분산시켜 배치할 수 있는데, 같거나 180도 위상(또는 반대 위상)의 전류가 공급되는 전기자 모듈끼리 묶고, 다른 위상(120도 위상)의 전류가 공급되는 전기자 모듈과 분리할 수 있다.

도 5에서, 예를 들어 uUu 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹(U상군, U group), vVv 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹(V상군, V group), 및 wWw 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹(W상군, W group)이 서로 분리되어 분산 배치되어 있다.

도 6은 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w와 영구 자석과의 상대적 위치 및 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w를 같은 방향으로 이동시키기 위해 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w에 인가되는 3상 전류를 도시한 것으로, 기본 단위 (S, P)=(3, 2)인 전동기에서 전기자 모듈과 영구 자석과의 상대적 위치에 해당한다.

도 6에서 전기자 모듈 U가 영구 자석 S극의 가운데 위치할 때 전기자 모듈 V는 영구 자석 N극의 왼쪽 끝에 위치하고 전기자 모듈 W는 영구 자석 N극의 오른쪽 끝에 위치한다. 비슷하게 전기자 모듈 u가 영구 자석 N극의 가운데 위치할 때 전기자 모듈 v는 영구 자석 S극의 왼쪽 끝에 위치하고 전기자 모듈 W는 영구 자석 N극의 오른쪽 끝에 위치한다.

앞서 도 1 내지 도 6을 참조하여 설명한 전동기는 직선 방향을 따라 복수 개의 전기자 모듈을 나란히 배치하고 복수 개의 영구 자석이 직선으로 나열되는 영구 자석 모듈을 채용하여 직진 운동을 일으킨다.

이러한 선형 전동기의 원리를 회전 운동에도 이용할 수 있는데, 복수 개의 전기자 모듈을 원을 따라 나열하고 원을 따라 복수 개의 영구 자석이 배열된 반지 또는 원반 형태의 영구 자석 모듈을 마련하고 전기자 모듈을 구동하면, 영구 자석 모듈을 전기자 모듈 대비 회전 운동이 가능하다.

이때, 복수 개의 전기자 모듈을 원주에 모두 배치하는 것이 아니라, 도 5와 같이 복수의 전기자 모듈을 분산 배치하더라도 영구 자석 모듈을 계속 회전시킬 수 있다.

도 7은 이 명세서의 일 실시예에 따른 회전 전동기의 평면도를 도시한 것이고, 도 8a와 도 8b는 도 7 회전 전동기를 구성하는 납작한 반지 형상의 영구 자석 모듈을 도시한 것이고, 도 9a 내지 도 9c는 도 7의 회전 전동기를 구성하는 전기자 모듈 그룹의 평면도와 2개의 측면도를 도시한 것이다.

회전 전동기(100)는, 예를 들어 3개의 다른 위상(U상, V상, W상)으로 구동할 때, 3개의 위상 각각에 대해 위상이 같거나 반대 위상의 전류가 흐르도록 코일이 감긴 복수 개의 전기자 모듈을 모은 전기자 모듈 그룹(110_U, 110_V, 110_W) 및 원주 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극이 다르도록 나열된 복수 개(짝수 개)의 영구 자석을 포함하는 반지 형상 또는 원통형의 영구 자석 모듈(120)을 포함하여 구성될 수 있다.

U상, V상 및 W상의 3개의 전기자 모듈 그룹(110_U, 110_V, 110_W)은, 영구 자석 모듈(120)을 회전시키는 회전력을 발생시키는 최소 단위가 되므로, 하나의 전동기(Motor) 역할을 한다.

도 7에서, U상 전기자 모듈 그룹(110_U), V상 전기자 모듈 그룹(110_V), 및 W상 전기자 모듈 그룹(110_W)이 각각 2개씩 원주를 따라 서로 이격된 상태로 분산 배치되어 있어서, 2개의 전동기가 있다고 생각할 수 있다.

같은 상의 전기자 모듈 그룹은 서로 회전 전동기(100)의 중심을 기준으로 대칭으로 배치되어 있고, 이에 따라 같은 위상의 한 쌍의 전기자 모듈 그룹(110)이 영구 자석 모듈(120)에 회전력을 서로 대칭 형태로 전달하게 되어, 회전력의 언밸런스를 줄이고 회전 운동에 발생하는 편심을 줄일 수 있다.

한편, U상 전기자 모듈 그룹(110_U), V상 전기자 모듈 그룹(110_V), 및 W상 전기자 모듈 그룹(110_W)을 각각 4개 이상의 4의 배수(2xN, N은 짝수) 개씩 원주를 따라 서로 이격된 상태로 분산 배치하면(N개의 전동기를 배치하면), 언밸런스와 편심을 더 줄일 수도 있다.

하지만, 도 4를 참조하여 설명한 코깅 관점에서 보면, 전동기 개수가 증가하면 코깅이 더 커질 수 있다. 각 전동기에 공급되는 전류는 서로 동기되므로, 코깅이 발생하는 주기와 위상(또는 시점)도 서로 같아서, 전동기의 개수만큼 코깅이 증가할 수 있다.

따라서, 언밸런스와 편심을 최소화하기 위해 짝수 개의 전동기를 배치하여 대칭 구조를 형성시키되, 전동기 개수가 늘수록 커지는 코깅을 고려하여 2개의 전동기만을 배치하고, 같은 위상의 전류가 흐르는 전기자 모듈 그룹을 중심을 기준으로 서로 대칭으로 배치하는 것이 유리하다.

납작한 반지 형상의 영구 자석 모듈(120)은, 도 8a와 도 8b에 도시한 것과 같이, 반지가 형성하는 원주를 따라 극을 달리하여 배열되는 복수 개의 영구 자석(121) 및 영구 자석(121)을 끼워 고정시키고 영구 자석 모듈의 형태를 유지하기 위한 자석 프레임(122)을 포함하여 구성될 수 있다. 자석 프레임(122)의 개구에 끼워지는 영구 자석(121)은 영구 자석 모듈(120)이 형성하는 원의 중심을 향하는 방향으로 자기 흐름을 형성할 수 있다.

비자성체, 예를 들어 몰딩을 통해 영구 자석(121)을 끼우기 위한 복수 개의 개구를 포함하는 자석 프레임(122)을 반지 형상으로 만들고, 자석 프레임(122)의 내경에 대응하는 외경을 갖고 약한 자성을 갖는 자성체 원통을 자석 프레임(122)에 끼운 상태로 영구 자석(121)을 자석 프레임(122)에 형성된 개구에 끼우면 영구 자석(121)이 자력에 의해 자성체 원통에 붙게 된다. 이때 접착제를 이용하여 영구 자석(121)을 자석 프레임(122)에 고정시킨다. 원주를 따라 극을 번갈아가면서 영구 자석(121)을 자석 프레임(122)에 고정시킨 후, 자성체 원통을 뽑으면 영구 자석(121)이 고정된 영구 자석 모듈(120)을 조립할 수 있다.

도 9a 내지 도 9c는 각각 U상, u상, U상의 전원이 공급되는 3개의 전기자 모듈로 구성되는 U상의 전기자 모듈 그룹(110_U)을 도시하고 있는데, 전기자 모듈 그룹에 포함되는 전기자 모듈의 개수는 3개에 한정되지 않고, 1개의 전기자 모듈만으로도 구성될 수 있고, 2개 또는 4개 이상의 전기자 모듈로도 구성될 수 있다.

전기자 모듈 그룹(110)은, 자성체 코어(111), 2개 이상의 돌극(112) 및 코어 또는 돌극에 감기는 코일(113)로 구성되는 전기자 모듈, 정렬 홀(114), 고정 홀(115) 및 전기자 모듈 베이스(116)를 포함하여 구성될 수 있다.

도 9에서는 돌극(112)이 2개 형성되어 있고 위를 향해 돌출되어, 두 돌극(112) 사이에 영구 자석 모듈(120)이 위로부터 아래로 끼워지는데, 돌극(112)의 돌출 방향은 회전 전동기(100)의 동작 환경에 따라 달라질 수 있다.

정렬 홀(114)과 고정 홀(115)은 전기자 모듈 베이스(116)에 형성되어 전기자 모듈 그룹(110)을 영구 자석 모듈(120)이 형성하는 원주에 정렬시키면서 회전 전동기(100)의 베이스에 고정시킬 수 있도록 한다.

도 9에서는 3개의 전기자 모듈이 x 방향을 따라 직선으로 나란히 배치되어 있지만, 영구 자석 모듈(120)이 형성하는 원주의 일부 구간 원호에 대응하여 그 위치가 변경될 수 있다.

도 10a 내지 도 10c는 도 7의 회전 전동기를 구성하는 전기자 모듈 그룹을 제조하는 과정을 도시한 것이다.

전기자 모듈 그룹(110)을 구성하는 전기자 모듈을 영구 자석 모듈(120)이 형성하는 원주를 따라 일일이 배치할 수 있지만, 각 전기자 모듈을 구성하는 돌극과 코일이 외부에 노출되어 보기에 깔끔하지 않고 외부 환경에 영향을 받을 수 있고, 또한 전기자 모듈들을 개별적으로 위치를 고정하는 것도 쉽지 않다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 전기자 모듈 그룹(110)을 하나의 덩어리로 몰딩 처리할 수 있다.

먼저, 도 10a와 같이 전기자 모듈 그룹(110)을 구성하는 복수 개의 전기자 모듈을 동작의 기본 단위에 대응하는 간격으로 배치하되, 코일(113)을 돌극(112)에 감은 상태로 한다.

다음으로, 도 10b와 같이, 예를 들어 에폭시로 몰딩 처리하여 전기자 모듈 그룹(110)을 하나의 덩어리로 형성하되, 도 9에 설명한 정렬 홀(114)과 고정 홀(115)을 형성할 수 있다. 또한, 코일(113)의 배선이 외부에 노출되도록 하는데, 전기자 모듈 그룹(110)에는 같은 위상의 전류가 흐르므로(예를 들어 U상과 u상은 같은 위상의 전류가 흐르는 전선에 연결되지만 돌극에 감기는 방향만 다름), 코일(113)에서 연장되는 2개의 라인만 노출될 수 있다.

이후, 도 10c와 같이, 돌극(112) 사이에 형성된 에폭시 몰딩을 깎아서 영구 자석 모듈(120)이 끼워질 공간을 형성하는데, 림 또는 반지 형상의 영구 자석 모듈(120)의 원주의 일부 구간 원호에 대응하도록 한다.

또는, 몰딩을 깎는 공정을 빼고 몰딩 처리할 때 돌극 사이에 영구 자석 모듈(120)의 원호를 미리 형성할 수도 있다.

도 11은 직경이 다른 2개의 납작한 반지 형상의 영구 자석 모듈을 채용한 회전 전동기를 도시한 것이다.

도 7 내지 도 10의 회전 전동기에서는, 전기자 모듈이 2개의 돌극으로만 구성되어 있어서, 전기자 모듈의 두 돌극 사이에 끼워지는 영구 자석 모듈은 하나만 필요하다. 하지만, 전기자 모듈이 셋 이상의 돌극을 갖는 경우, 회전 전동기는 돌극의 개수보다 1개 작은 개수의 영구 자석 모듈을 가질 수 있다.

전기자 모듈의 돌극들이 원의 중심을 향하도록 일렬로 배치되므로, 원의 중심에서 가까운 돌극들 사이에 끼워질 영구 자석 모듈과 원의 중심에서 먼 돌극들 사이에 끼워질 영구 자석 모듈은 원의 직경이 서로 다르게 된다.

납작한 반지 형상의 영구 자석 모듈에 끼워질 영구 자석의 개수는 영구 자석 모듈의 직경과 무관하게 같아야 하므로, 직경이 작은 제1 영구 자석 모듈에 끼워질 영구 자석은 직경이 큰 제2 영구 자석 모듈에 끼워질 영구 자석보다 원주 방향으로 폭이 작을 수 있다.

또한, 제1 영구 자석 모듈과 제2 영구 자석 모듈은 래디얼 방향으로 서로 정렬해야 한다. 즉 제1 영구 자석 모듈에 포함된 제1 영구 자석과 제2 영구 자석 모듈에 포함된 제2 영구 자석은 그 중심이 소정의 기준 각도로부터 원주 방향으로 같은 각도에 배치될 수 있다. 또한, 제1 영구 자석 모듈의 제1 영구 자석과 이에 정렬하여 배치되는 제2 영구 자석 모듈의 제2 영구 자석은 서로 반대 극성이어야 한다.

도 11에서는 돌극이 아래를 향하도록 설치되는 것으로 도시되어 있지만, 회전 전동기를 사용하는 상황에 따라 도 9나 도 10과 같이 돌극이 위를 향하도록 설치되는 것으로 바뀔 수도 있다.

도 12는 원반 형상의 영구 자석 모듈을 채용한 회전 전동기를 도시한 것이다.

도 7 내지 도 11의 회전 전동기에서 영구 자석 모듈은 납작한 반지 형상이지만, 도 12의 회전 전동기는 원반 형상 또는 디스크 형상의 영구 자석 모듈을 채용하고 있다.

원반 형상의 영구 자석 모듈에서 영구 자석은 원반의 외주 영역에 원주를 따라 배치되는데, 영구 자석은 원반이 형성하는 평면에 수직 방향으로 자기 흐름을 형성할 수 있다.

전기자 모듈은, 돌극들이 영구 자석 모듈의 중심을 향해 돌출하고 또한 돌극들이 영구 자석 모듈의 원반 평면에 수직한 방향으로 나란하도록, 배치될 수 있다.

전기자 모듈이 3개 이상의 돌극을 포함하는 경우 2개 이상의 원반 형상의 영구 자석 모듈을 채용할 수 있다.

도 13은 1차 부재에서 9개의 전기자 모듈을 분산시켜 배치하고 전기자 모듈 사이의 간격을 변화시키는 실시예를 도시한 것이다.

도 13에서, 전기자 모듈 U는 왼쪽으로부터 첫 번째 S극 가운데 위치하고, 전기자 모듈 W는 왼쪽으로부터 3번째 N극의 오른쪽 끝에 위치하고, 전기자 모듈 V는 왼쪽으로부터 5번째 N극의 왼쪽 끝에 위치한다. 도 6에 도시한 3상 전류를 전기자 모듈 U, V, W에 흐르게 하면 도 13의 전기자 모듈 U, V, W는 소정의 방향으로 진행한다.

또한, 전기자 모듈 u는 왼쪽으로부터 첫 번째와 두 번째 N극 가운데 위치하고, 전기자 모듈 w는 왼쪽으로부터 두 번째와 세 번째 S극의 오른쪽 끝에 위치하고, 전기자 모듈 v는 왼쪽으로부터 네 번째와 다섯 번째 S극의 왼쪽 끝에 위치한다. 도 6에 도시한 3상 전류를 전기자 모듈 u, v, w에 흐르게 하면 도 13의 전기자 모듈 u, v, w는 전기자 모듈 U, V, W와 같은 방향으로 진행한다.

도 13에 도시한 바와 같이, 9개의 전기자 모듈은 같은 위상 또는 반전된 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈(예를 들어 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u) 3개가 하나의 그룹으로 묶이고, 하나로 묶인 전기자 모듈 그룹은 다른 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹과는 이격된 상태로 배치된다.

전동기를 구동하기 위한 다수 개의 전기자 모듈이 소정 개수의 전기자 모듈 그룹으로 묶여 분산되기 때문에, 다수 개의 전기자 모듈이 연속으로 밀집된 상태로 배치되어 1차 모듈의 가운데 부분에서 열에 의한 변형이 발생하는 것을 막을 수 있다.

또한, 같은 전기자 모듈 그룹에는 같은 위상 또는 반전된 위상의 전류만이 공급되기 때문에, 입력 전원을 관리하는 것이 간편해진다.

도 13의 가운데 부분, 즉 전기자 모듈과 영구 자석이 겹쳐 그려진 부분에서, 전기자 모듈 3개가 묶인 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격은 영구 자석의 간격과 같은 것으로 되어 있다.

이 경우, 같은 전기자 모듈 그룹(전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u를 포함하는 전기자 모듈 그룹) 내에서 전기자 모듈 U와 2개의 전기자 모듈 u는 영구 자석과의 상대적 위치가 같은데(영구 자석 N극과 S극 사이를 한 주기라 할 때 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u는 한 주기만큼 이격된 상태이기 때문에), 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅이 같은 위상과 같은 크기로 발생하므로, 코깅의 크기가 3배로 증폭될 수 있다.

하지만, 도 13의 위 부분의 전기자 모듈에서, 전기자 모듈 U, V, W를 중심으로 좌우에 배치되는 전기자 모듈 u, v, w는 각각 해당 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격이 넓어져(영구 자석 N극과 S극 사이 간격보다 넓게) 전기자 모듈 U, V, W로부터 멀어진 상태로 배치되어 있다.

또한, 도 13의 아래 부분의 전기자 모듈에서, 전기자 모듈 u, v, w는 각각 해당 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격이 좁아져(영구 자석 N극과 S극 사이 간격보다 좁게) 전기자 모듈 U, V, W로부터 가까운 상태로 배치되어 있다.

이 경우, 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u를 포함하는 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u 사이의 간격은 고정되어 있지만 영구 자석과의 상대적 위치가 서로 달라, 영구 자석 N극과 S극 사이 간격이 d0이고 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u 사이 간격이 d1일 때, 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u는 360도를 기준 각도로 환산하면 360*(d0-d1)/d0도만큼 이격되어 있다.

전기자 모듈 U와 2개의 전기자 모듈 u가 각각 일정한 간격인 d1을 유지한 상태로 진행하는 경우, 두 전기자 모듈 u 중 하나와 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅은 전기자 모듈 U와 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅보다 360*(d0-d1)/d0도 뒤지고, 두 전기자 모듈 u 중 다른 하나와 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅은 전기자 모듈 U와 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅보다 360*(d0-d1)/d0도 앞선다. 물론, 각 전기자 모듈과 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅의 크기는 동일하다.

따라서, 전기자 모듈 U 및 두 전기자 모듈 u가 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅의 합은, 서로 위상이 달라서 일부 증폭되기도 하고 일부 감쇠되기도 하여 크게 증폭되지는 않는다. 또한, 전기자 모듈 U 및 두 전기자 모듈 u의 간격을 조절함으로써 코깅의 크기도 조절할 수 있다.

또한, 전기자 모듈을 분산 배치하고 전기자 모듈 사이의 간격을 조절함으로써, 전동기의 기본 단위를 높일 때 발생하는 열 변형, 코깅 증가 등을 감소시키고 전동기의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 전기자 모듈에 입력되는 입력 전원 관리를 손쉽게 할 수 있다.

도 13은 9개의 전기자 모듈을 사용하는 전동기에 대한 실시예이지만, 이 명세서의 실시예는 이에 한정되지 않고, 6개, 12개, 15개의 전기자 모듈을 사용하는 전동기에도 적용될 수 있다.

또한, 기본 단위 (S, P)=(2, 3)을 사용하는 전동기뿐만 아니라, 기본 단위 (S, P)=(6, 5)를 사용하는 전동기나 기본 단위 (S, P)=(12, 10)를 사용하는 전동기 등에서도 코깅을 줄이기 위해서 적용이 가능하다.

같은 상의 전류가 흐르는 둘 이상의 전기자 모듈을 포함하는 전기자 모듈 그룹을 도 10과 같은 방법으로 제조할 때, 서로 반대 방향으로 코일이 감긴 전기자 모듈 사이, 예를 들어 U상의 경우 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u 사이 간격을 영구 자석 N과 S 사이 간격과 다르게 하여 회전 전동기의 코깅 영향을 줄일 수 있다.

도 14는 이 명세서의 다른 실시예에 따른 회전 전동기의 평면도를 도시한 것이다.

도 14의 회전 전동기는, 도 7의 회전 전동기와 다르게, U상, V상 및 W상의 3개의 전기자 모듈 그룹(110_U, 110_V, 110_W)으로 구성된 전동기 2대를 대칭 형태로 배치하지 않고, 3개의 전기자 모듈 그룹으로 구성된 하나의 전동기만을 배치하되, 전기자 모듈 그룹을 영구 자석 모듈(120)의 원주를 따라 일정한 간격으로 배치하지 않고 소정 각도 범위에만 배치하고 있다.

도 14의 회전 전동기는, 다른 기계나 시설물과 간섭 등과 같이 설치 환경이나 동작 환경에 의해 전기자 모듈 그룹을 배치할 공간이 한정될 때 유리할 수 있다. 이 명세서의 전동기는 전기자 모듈 또는 전기자 모듈 그룹을 배치하는 위치에 대한 제한이 적기 때문에, 도 14와 같은 배치도 가능하다.

또한, 회전 전동기가 회전체를 1바퀴 회전하지 않고 소정 각도 범위에서만 왕복 회전하는 경우, 도 14의 회전 전동기와 같이 3개의 전기자 모듈 그룹을 한정된 각도 범위에 배치할 수 있다.

또한, 회전 전동기가 120도보다 작은 각도 범위에서만 왕복 회전하는 경우, 영구 자석 모듈(120)의 원주 모든 구간에 영구 자석을 설치하지 않을 수 있다. 예를 들어 회전 전동기가 A 각도만큼만 왕복 회전하면, A 각도 내에 3개의 전기자 모듈 그룹을 배치하고, 영구 자석 모듈(120)의 원주에도 A 각도의 3배인 3A 각도 범위에만 영구 자석을 설치할 수도 있다. 또는, 원주 형상의 영구 자석 모듈(120)의 무게 밸런스를 위하여 3A 각도 범위에만 영구 자석을 설치하고 나머지 각도에는 영구 자석과 같은 질량의 대체물로 채울 수도 있다.

도 15는 도 7이나 도 12의 회전 전동기의 3상 전기자 모듈에 연결되는 코일의 결선 상태를 도시한 것으로, U상, V상 및 W상에 전류를 공급하는 전선은 서로 120도의 위상 차이를 이루는 전류를 공급하는 Y 결선 형태로 연결된다.

도 15에서, U상의 전류는 하나의 U상 전기자 모듈과 2개의 u상 전기자 모듈에 공급되고, V상의 전류는 하나의 V상 전기자 모듈과 2개의 v상 전기자 모듈에 공급되고, W상의 전류는 하나의 W상 전기자 모듈과 2개의 w상 전기자 모듈에 공급된다.

도 16은 가속, 등속, 감속의 서로 다른 속도 변화 구간에 필요한 추력의 상대적 크기를 도시한 것이고, 도 17은 회전 전동기의 전기자 모듈에 연결되는 코일의 다른 결선 상태를 도시한 것이고, 도 18은 도 17 결선 상태의 코일을 구동하는 인버터의 연결을 도시한 것이다.

전동기가 이동 또는 회전을 시작하여 멈출 때까지 속도가 증가하는 가속 구간, 속도가 일정한 등속 구간 및 속도가 증가하는 감속 구간이 발생한다. 가속 구간과 감속 구간에서 가속도가 일정하다고 가정할 때, 가속 구간과 감속 구간에서 가속과 감속에 필요한 토크는 일정하다. 또한, 등속 구간에, 이론적으로는 토크가 필요하지 않지만, 마찰 등이 있기 때문에 등속을 유지하는 데 작은 양의 토크가 필요하고, 가속 구간과 감속 구간에 필요한 토크에 비해 훨씬 작다.

따라서, 큰 토크가 필요한 가속 구간과 감속 구간에는 전기자 모듈을 여러 개 사용하고 작은 토크로도 충분한 등속 구간에는 적은 개수의 전기자 모듈만을 사용하는 것이 유리하다.

하나의 전동기를 구성하는 9개의 전기자 모듈에 대해, 도 15와 같이 U상, V상, W상을 각각 하나의 라인으로 묶어 Y자 형태로 결선하는 경우, 가속 구간, 감속 구간, 등속 구간에 상관없이 모든 전기자 모듈이 함께 구동되므로, 토크를 조절하기 위해서는 가속/감속 구간과 등속 구간에 라인에 흘리는 전류의 양을 조절해야 한다.

하지만, 가속 구간에 필요한 토크와 등속 구간에 필요한 토크 크기의 비가 큰 경우, 고성능의 인버터를 채용하여 전류의 크기를 조절해야 하므로, 전류의 크기로 토크 비를 정교하게 맞추는 것이 쉽지 않다.

하나의 전동기를 예를 들어 9개의 전기자 모듈로 구성할 때, 도 17과 같이, 하나의 U상과 하나의 u상을 묶고, 하나의 V상과 하나의 v상을 묶어 제1 Y자 결선을 형성하고, 하나의 W상을 하나의 w상으로 묶어 Y자 형태로 결선하고, u상 대신 R상, v상 대신 S상, w상 대신 T상을 따로 묶어 제2 Y자 결선을 형성하고, 도 18과 같이 제1 Y자 결선과 제2 Y자 결선을 각각 제1 인버터(Inverter_1)와 제2 인버터(Inverter_2)의 별개 인버터로 구동할 수 있다.

큰 토크가 필요한 가속 구간과 감속 구간에는 제1 인버터와 제2 인버터를 통해 제1 Y자 결선과 제2 Y자 결선(또는 UVW 전기자 모듈과 RST 전기자 모듈)을 모두 구동하고, 작은 토크로도 충분한 낮은 속도 구간 또는 등속 구간에는 제2 인버터를 통해 제2 Y자 결선(RST 전기자 모듈)만 구동할 수 있다.

따라서, 적은 전류만이 필요한 등속 구간에 작은 개수의 전기자 모듈만을 구동해도 되어, 가속 구간과 등속 구간의 토크 크기의 비례하게 전류 해상도를 높이지 않아도 되고, 이에 전동기를 구동하기 위해 고성능의 인버터를 채용하지 않아도 되어 비용을 줄일 수 있다.

도 19는 UVW 전기자 모듈과 RST 전기자 모듈의 위상 관계를 도시한 것이다. R상, S상, T상의 전기자 모듈에는 서로 120도의 위상 차이가 있는 전류가 흐르게 된다. R상, S상, T상은 위상이 각각 u상(또는 U상), v상(또는 V상), w상(또는 W상)의 것과 같은 수도 있고 다를 수도 있는데, 도 19와 같이 UVW 전기자 모듈에 흐르는 전류는 RST 전기자 모듈에 흐르는 전류와 60도의 위상차를 가질 수 있다.

도 20은 이 명세서의 또다른 실시예에 따른 회전 전동기의 평면도를 도시한 것이고, 도 21a와 도 21b는 각각 도 20의 회전 전동기를 구성하는 전기자 모듈에 연결되는 코일의 결선 상태를 도시한 것이다.

회전 전동기에, 도 15와 같이 UuUVvVWwW 9개의 전기자 모듈을 하나의 Y자 결선으로 연결하는 대신, 도 17과 같이 UuVvWw 6개의 전기자 모듈과 RST 3개의 전기자 모듈을 별개의 Y자 결선으로 연결하는 실시예를, 도 7의 대칭형 구조에 적용할 수 있다.

즉, 도 20과 같이, U상과 u상으로 이루어진 U상 전기자 모듈 그룹 2개, V상과 v상으로 이루어진 V상 전기자 모듈 그룹 2개, W상과 w상으로 이루어진 W상 전기자 모듈 그룹 2개를 자석 모듈의 중심을 기준으로 대칭으로 배치하고, R상 전기자 모듈 그룹 2개, S상 전기자 모듈 그룹 2개, T상 전기자 모듈 그룹 2개도 자석 모듈의 중심을 기준으로 대칭으로 배치할 수 있다.

U1과 u1 전기자 모듈로 구성된 제1 U상 전기자 모듈 그룹, V1과 v1 전기자 모듈로 구성된 제1 V상 전기자 모듈 그룹, W1과 w1 전기자 모듈로 구성된 제1 W상 전기자 모듈 그룹, R1 전기자 모듈로 구성된 제1 R상 전기자 모듈 그룹, S1 전기자 모듈로 구성된 제1 S상 전기자 모듈 그룹, T1 전기자 모듈로 구성된 제1 T상 전기자 모듈 그룹이 제1 모터를 구성하고, 비슷하게, U2과 u2 전기자 모듈로 구성된 제2 U상 전기자 모듈 그룹, V2과 v2 전기자 모듈로 구성된 제2 V상 전기자 모듈 그룹, W2과 w2 전기자 모듈로 구성된 제2 W상 전기자 모듈 그룹, R2 전기자 모듈로 구성된 제2 R상 전기자 모듈 그룹, S2 전기자 모듈로 구성된 제2 S상 전기자 모듈 그룹, T2 전기자 모듈로 구성된 제2 T상 전기자 모듈 그룹이 제2 모터를 구성할 수 있다. 제1 모터와 제2 모터가 자석 모듈의 중심을 기준으로 대칭으로 배치되어 동작하므로, 회전력의 언밸런스를 줄이고 회전 운동에 발생하는 편심을 줄일 수 있다.

도 21a와 같이, 2개의 U상 전기자 모듈 그룹의 U1, u1, U2, u2 전기자 모듈을 하나의 U 라인으로 직렬 연결하고, 2개의 V상 전기자 모듈 그룹의 V1, v1, V2, v2 전기자 모듈을 하나의 V 라인으로 직렬 연결하고, 2개의 W상 전기자 모듈 그룹의 W1, w1, W2, w2 전기자 모듈을 하나의 W 라인으로 직렬 연결하여 U 라인, V 라인, W 라인으로 제1 Y자 결선을 형성하고, 2개의 R상 전기자 모듈 그룹의 R1, R2 전기자 모듈을 하나의 R 라인으로 연결하고, 2개의 S상 전기자 모듈 그룹의 S1, S2 전기자 모듈을 하나의 S 라인으로 연결하고, 2개의 T상 전기자 모듈 그룹의 T1, T2 전기자 모듈을 하나의 T 라인으로 연결하여 R 라인, S 라인, T 라인으로 제2 Y자 결선을 형성할 수 있다.

제1 Y자 결선에 연결된 전기자 모듈들, 즉 제1 및 제2 U상/V상/W상 전기자 모듈 그룹을 제1 인버터로 구동하고, 제2 Y자 결선에 연결된 전기자 모듈들, 즉 제1 및 제2 R상/S상/T상 전기자 모듈 그룹을 제2 인버터로 구동하여, 가속/감속 구간과 등속 구간에 다른 토크를 발생시킬 수 있다. 즉, 가속 구간과 감속 구간에는 제1 및 제2 인버터를 모두 구동하여, 즉 제1 및 제2 모터의 모든 전기자 모듈(또는 전기자 모듈 그룹)를 모두 구동하고, 등속 구간에는 제2 인버터만을 구동하여 제1 및 제2 모터의 R상/S상/T상 전기자 모듈(또는 전기자 모듈 그룹)만을 구동할 수 있다.

또는, 도 21b와 같이, 제1 U상 전기자 모듈 그룹의 U1, u1 전기자 모듈과 제2 U상 전기자 모듈 그룹의 U2, u2 전기자 모듈을 2개의 U 라인으로 병렬 연결하고, 제1 V상 전기자 모듈 그룹의 V1, v1 전기자 모듈과 제2 V상 전기자 모듈 그룹의 V2, v2 전기자 모듈을 2개의 V 라인으로 병렬 연결하고, 제1 W상 전기자 모듈 그룹의 W1, w1 전기자 모듈과 제2 W상 전기자 모듈 그룹의 W2, w2 전기자 모듈을 2개의 W 라인으로 병렬 연결하고, 각각 병렬 연결된 U 라인, V 라인, W 라인으로 제1 Y자 결선을 형성하고, 제1 R상 전기자 모듈 그룹의 R1 전기자 모듈과 제2 R상 전기자 모듈 그룹의 R2 전기자 모듈을 2개의 R 라인으로 병렬 연결하고, 제1 S상 전기자 모듈 그룹의 S1 전기자 모듈과 제2 S상 전기자 모듈 그룹의 S2 전기자 모듈을 2개의 S 라인으로 병렬 연결하고, 제1 T상 전기자 모듈 그룹의 T1 전기자 모듈과 제2 T상 전기자 모듈 그룹의 T2 전기자 모듈을 2개의 T 라인으로 병렬 연결하고, 각각 병렬 연결된 R 라인, S 라인, T 라인으로 제2 Y자 결선을 형성할 수 있다.

도 22는 전기자 모듈 그룹에 포함된 전기자 모듈을 서로 분리하여 다른 인버터로 구동하는 예를 도시한 것이다.

도 20에서 대칭으로 배치된 U상/V상/W상 전기자 모듈 그룹과 R상/S상/T상 전기자 모듈 그룹이 서로 별개로 몰딩되고 그 크기가 서로 다르다. 같은 상의 전기자 모듈 그룹이 서로 대칭으로 배치되기만 하면 되므로, 전기자 모듈 그룹을 서로 다른 크기로 형성할 필요가 없다.

도 22와 같이, 예를 들어 2개의 전기자 모듈(U1, u1)로 구성된 U상 전기자 모듈 그룹과 하나의 전기자 모듈(R)로 구성된 R상 전기자 모듈 그룹을 하나의 전기자 모듈 그룹(U1/R1 그룹과 U2/R2 그룹)으로 몰딩하고, 배선만 별개로 형성하여 다른 인버터에 연결할 수 있다.

따라서, 회전 전동기의 가속 구간, 등속 구간, 감속 구간에 맞추어 구동하는 전기자 모듈의 개수를 조절함으로써, 적은 에너지로 회전자의 위치나 속도를 더 정밀하게 조절할 수 있게 된다.

도 23은 이 명세서에 따른 회전 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다. 도 23에서 전동기를 제외하고 다른 요소는 종래의 전동기에 적용되는 그대로 사용 가능하다.

서보 시스템은, 외부에서 인가되는 전원(51)으로부터 물체(59)를 회전시킬 전동기(58)에 인가할 전류를 생성하는 구동 앰프(52), 구동 앰프(52)로부터 전동기(58)에 인가되는 전류를 감지하는 전류 센서(56), 전동기(58) 가동자의 위치(회전 각도 또는 회전 속도)를 감지하는 위치 센서(57), 전류 센서(56) 및/또는 위치 센서(57)에서 검출되는 신호를 기초로 제어 명령에 따라 구동 앰프(52)를 제어하는 제어기(55)를 포함하여 구성될 수 있다. 구동 앰프(52)는 교류 전원을 직류로 바꾸는 컨버터(53)와 전동기 구동에 필요한 전류를 생성하는 인버터(54)를 포함하여 구성될 수 있다.

구동 앰프(52)는 UVW상 전기자 모듈을 구동하기 위한 제1 인버터와 RST상 전기자 모듈을 구동하기 위한 제2 인버터를 포함할 수 있다.

인버터(54)는, 이 명세서의 실시예에 따른 전동기(58)의 구동 방식에 맞는 전원, 예를 들어 2상 교류 전류, 3상 교류 전류, 2상 정류 전류, 3상 정류 전류 등을 생성하여 전동기(58)의 전기자 모듈에 인가할 수 있는데, 제어기(55)의 명령에 따라 전류의 진폭, 주파수 등을 바꾸어 가동자의 위치, 속도, 가동자를 이동시키는 추력의 크기 등을 조절할 수 있다.

이 명세서의 전동기에 대한 다양한 실시예들을 간단하고 명료하게 설명하면 다음과 같다.

일 실시예에 따른 전동기는, 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재; 및 원주를 따라 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 자석 모듈로 구성되는 2차 부재를 포함하여 구성되고, 각 전기자 모듈은 둘 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 자석 모듈은 전기자 모듈의 2개의 돌출부 사이에 놓이고, 2의 배수인 P개의 영구자석과 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 1차 부재 또는 2차 부재 중 어느 하나가 회전자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고, 복수의 전기자 모듈은 같은 위상의 전원이 공급되는 하나 이상이 하나로 묶여 2xS개의 제1 전기자 모듈 그룹을 형성하고, 제1 전기자 모듈 그룹은 해당 제1 전기자 모듈 그룹과 같은 위상의 전원이 공급되는 다른 제1 전기자 모듈 그룹과 자석 모듈이 형성하는 원의 중심을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹의 각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감길 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹 사이 간격이 일정할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이 간격이 조절될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격은 영구자석의 간격보다 넓거나 좁을 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹은 해당 전기자 모듈 그룹에 포함된 전기자 모듈에 감기는 코일의 연장선이 노출된 상태로 몰딩 처리되고, 각 전기자 모듈의 2개의 돌극 사이가 노출되어 자석 모듈이 끼워질 공간을 형성하되 공간은 자석 모듈의 원주의 일부 원호 구간에 대응할 수 있다.

일 실시예에서, 같은 위상의 전원이 공급되는 2개의 제1 전기자 모듈 그룹은 서로 직렬로 연결되거나 또는 병렬로 연결될 수 있다.

일 실시예에서, 복수의 전기자 모듈 중 제1 전기자 모듈 그룹을 형성하지 않은 나머지는 같은 위상의 전원이 공급되는 하나 이상이 하나로 묶여 2xS개의 제2 전기자 모듈 그룹을 형성하고, 제2 전기자 모듈 그룹은 해당 제2 전기자 모듈 그룹과 같은 위상의 전원이 공급되는 다른 제2 전기자 모듈 그룹과 자석 모듈이 형성하는 원의 중심을 기준으로 대칭으로 배치될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹과 제2 전기자 모듈 그룹은 서로 다른 인버터에 연결될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹과 제1 전기자 모듈 그룹에 대응하는 제2 전기자 모듈 그룹에는 같은 위상의 전원이 공급되거나 소정 위상 차이의 전원이 공급될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹과 제1 전기자 모듈 그룹에 대응하는 제2 전기자 모듈 그룹이 하나의 그룹으로 몰딩 처리되고 별개의 배선을 형성할 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈 그룹에 포함되는 전기자 모듈의 개수와 제2 전기자 모듈 그룹에 포함되는 전기자 모듈의 개수가 다를 수 있다.

일 실시예에서, 가속 또는 감속 구간에 제1 및 제2 전기자 모듈 그룹이 모두 구동되고, 등속 구간 또는 상대적으로 낮은 속도 구간에 전기자 모듈의 개수가 작은 전기자 모듈 그룹만이 구동될 수 있다.

일 실시예에서, 자석 모듈은 원반 형상 또는 납작한 반지 형상일 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10: 전기자 모듈 11: 자성체 코어
12: 돌극 13: 코일
20: 영구 자석 모듈 21: 영구 자석
100: 회전 전동기 110: 전기자 모듈 그룹
111: 자성체 코어 112: 돌극
113: 코일 120: 영구 자석 모듈
121: 영구 자석 122: 자석 프레임
114: 정렬 홀 115: 고정 홀
116: 전기자 모듈 베이스

Claims (11)

1. 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재; 및
   원주를 따라 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 자석 모듈로 구성되는 2차 부재를 포함하여 구성되고,
   각 전기자 모듈은 둘 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고,
   상기 자석 모듈은 상기 전기자 모듈의 2개의 돌출부 사이에 놓이고,
   2의 배수인 P개의 영구자석과 모터 상수의 배수인 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고,
   상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 회전자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 상기 발생하는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고,
   상기 복수의 전기자 모듈은 같은 위상의 전원이 공급되는 하나 이상이 하나로 묶인 2xS개의 제1 전기자 모듈 그룹을 포함하고, 상기 제1 전기자 모듈 그룹은 해당 제1 전기자 모듈 그룹과 같은 위상의 전원이 공급되는 다른 제1 전기자 모듈 그룹과 상기 자석 모듈이 형성하는 원의 중심을 기준으로 대칭으로 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전동기.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전기자 모듈 그룹의 각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감기는 것을 특징으로 하는 전동기.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전기자 모듈 그룹 사이 간격이 일정한 것을 특징으로 하는 전동기.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 제1 전기자 모듈 그룹은 해당 전기자 모듈 그룹에 포함된 전기자 모듈에 감기는 코일의 연장선이 노출된 상태로 몰딩 처리되고, 각 전기자 모듈의 2개의 돌극 사이가 노출되어 상기 자석 모듈이 끼워질 공간을 형성하되 상기 공간은 상기 자석 모듈의 원주의 일부 원호 구간에 대응하는 것을 특징으로 하는 전동기.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 복수의 전기자 모듈은 같은 위상의 전원이 공급되는 하나 이상이 하나로 묶인 2xS개의 제2 전기자 모듈 그룹을 더 포함하고, 상기 제2 전기자 모듈 그룹은 해당 제2 전기자 모듈 그룹과 같은 위상의 전원이 공급되는 다른 제2 전기자 모듈 그룹과 상기 자석 모듈이 형성하는 원의 중심을 기준으로 대칭으로 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전동기.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제1 전기자 모듈 그룹과 상기 제2 전기자 모듈 그룹은 서로 다른 인버터에 연결되는 것을 특징으로 하는 전동기
7. 제6 항에 있어서,
   상기 제1 전기자 모듈 그룹과 상기 제1 전기자 모듈 그룹에 대응하는 제2 전기자 모듈 그룹에는 같은 위상의 전원이 공급되거나 소정 위상 차이의 전원이 공급되는 것을 특징으로 하는 전동기
8. 제6 항에 있어서,
   상기 제1 전기자 모듈 그룹과 상기 제1 전기자 모듈 그룹에 대응하는 제2 전기자 모듈 그룹이 하나의 그룹으로 몰딩 처리되고 별개의 배선을 형성하는 것을 특징으로 하는 전동기
9. 제6 항에 있어서,
   상기 제1 전기자 모듈 그룹에 포함되는 전기자 모듈의 개수와 상기 제2 전기자 모듈 그룹에 포함되는 전기자 모듈의 개수가 다른 것을 특징으로 하는 전동기
10. 제9 항에 있어서,
    가속 또는 감속 구간에 상기 제1 및 제2 전기자 모듈 그룹이 모두 구동되고, 등속 구간에 전기자 모듈의 개수가 더 작은 전기자 모듈 그룹만이 구동되는 것을 특징으로 하는 전동기.
11. 제1 항에 있어서,
    상기 자석 모듈은 원반 형상 또는 납작한 반지 형상인 것을 특징으로 하는 전동기.

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