KR102626072B1 - 베어링리스 모터 - Google Patents

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KR102626072B1
KR102626072B1 KR1020220043901A KR20220043901A KR102626072B1 KR 102626072 B1 KR102626072 B1 KR 102626072B1 KR 1020220043901 A KR1020220043901 A KR 1020220043901A KR 20220043901 A KR20220043901 A KR 20220043901A KR 102626072 B1 KR102626072 B1 KR 102626072B1
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조한욱
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Abstract

중심에 샤프트가 결합되는 회전자; 및 고정자 모듈의 결합으로 형성되고, 상기 회전자와 동일한 중심축을 가지고, 집중권 형태를 구비하는 고정자;를 포함하고, 상기 고정자 모듈은, 상기 회전자의 외부를 둘러싸는 형상으로 결합되되, 상 기준으로 분할된 고정자 조립체와, 상기 고정자 조립체가 내측면에 결합되는 전자석 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터를 제공한다.

Description

베어링리스 모터{The bearingless motor}
본 발명은 베어링리스 모터에 관한 것으로, 모터의 상(phase) 기준으로 분리가 가능하며 베어링리스 모터의 생산성과 유지보수 성능을 향상시키고 설계의 확장성이 용이한 베어링리스 모터에 관한 것이다.
베어링리스 모터는 회전자와 고정자로 이루어진 자성 구조물을 통해 회전력과 부상력을 동시에 얻음으로써 자기부상된 회전을 가능하게 하는 장치이다. 즉, 베어링리스 모터는 기계식 베어링에 의한 회전자의 지지 없이도 기계장치의 회전이 가능하도록 한다.
따라서, 기계식 모터와 달리 베어링리스 모터는 기계적 접촉이 없으므로 분진 또는 소음ㅇ진동 발생을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 그로 인해 다양한 형태의 기계시스템에서 베어링리스 모터가 응용되고 있으며, 반도체 제조 공정이나 의료 분야에 있어서 사용되는 각종 펌프, 인공위성으로 내장되는 리액션 휠, 및 냉각팬 등으로의 응용이 기대되고 있다.
그러나 자기베어링과 모터가 일체형 구조인 베어링리스 모터의 경우 구조가 매우 복잡하여 부상 또는 회전을 위한 코일 중 1-상 또는 1-코일만 소손되더라도 베어링리스 모터 전체를 교체해야 하는 단점이 있다.
한국공개특허 제10-2022-0000036 호(공개일: 2022년 01월 03일) 한국공개특허 제10-2011-0113417호(공개일: 2011년 10월 17일) 일본등록특허 제6628388호(등록일: 2019년 12월 13일)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 모터의 상 기준으로 분리 및 결합이 가능한 고정자를 구비하는 베어링리스 모터를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 생산성과 유지보수 성능이 개선되고 설계의 확장성이 용이한 베어링리스 모터를 제공하는 것에 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 문제를 해결하기 위하여 본 발명은 중심에 샤프트가 결합되는 회전자; 및 고정자 모듈의 결합으로 형성되고, 상기 회전자와 동일한 중심축을 가지고, 집중권 형태를 구비하는 고정자;를 포함하고, 상기 고정자 모듈은, 상기 회전자의 외부를 둘러싸는 형상으로 결합되되, 상 기준으로 분할된 고정자 조립체와, 상기 고정자 조립체가 내측면에 결합되는 전자석 조립체를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터를 제공할 수 있다.
상기 회전자는, 회전축 방향으로 자화된 영구자석과, 상기 고정자 조립체와 대향되는 영역에 위치하는 회전용 자석과, 상기 회전용 자석과 영구자석 사이에 개재되는 제1 비자성체를 구비하는 것일 수 있다.
이 경우, 상기 전자석 조립체는, 일단부가 상기 회전자에 근접하는 상부편 및 하부편과 상기 상부편과 하부편의 타단부에서 그들 사이를 수직으로 연결하는 수직편을 포함하는 조립 몸체와, 상기 수직편을 감싸며 결합되는 부상코일 한쌍을 포함하는 것일 수 있다.
상기 회전자는, 상기 고정자 조립체와 대향되는 영역에 위치하는 회전용 자석을 구비하는 것일 수 있다.
이 경우, 상기 전자석 조립체는, 일단부가 상기 회전자에 근접하는 상부편 및 하부편과 상기 상부편과 하부편의 타단부에서 그들 사이를 수직으로 연결하는 수직편을 포함하는 조립 몸체와, 상기 수직편을 감싸며 결합되는 부상코일 한쌍과, 상기 조립몸체의 수직편 중심영역에 구비되되 회전축 방향으로 자화된 영구자석을 포함하는 것일 수 있다.
상기 고정자 모듈은, 상기 고정자 조립체와 전자석 조립체 사이에 개재되는 제2 비자성체를 포함하는 것일 수 있다.
상기 고정자 조립체는 상기 전자석 조립체로부터 회전자 방향으로 돌출되며 복수개의 슬롯을 포함하는 슬롯부와, 각각의 슬롯에 결합되는 고정자 코일을 포함하는 것일 수 있다.
상기 고정자는, 6의 배수로 슬롯을 구비하는 것일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터는, 모터의 상 기준으로 분리된 고정자 모듈의 결합으로 분리 및 결합이 가능한 고정자를 구비할 수 있으며, 그로 인해 생산성과 유지보수 성능이 개선되고 설계의 확장성이 용이한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터를 나타낸 사시도,
도 2는 도 1의 I-I'에 따른 베어링리스 모터의 수직단면을 나타낸 사시도,
도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 베어링리스 모터의 수평단면을 나타낸 사시도,
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 베어링리스 모터의 수직단면 중 일측을 나타낸 단면도,
도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 베어링리스 모터의 수직단면 중 일측을 나타낸 단면도,
도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베어링리스 모터의 수직단면 중 일측을 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 고정자 모듈을 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 고정자 조립체가 연결된 상태를 나타낸 사시도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 부상 전자석을 나타낸 사시도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 사진,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 배리어 영역을 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되어지는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 그리고, 도면들에 있어서, 층 및 영역의 길이, 두께 등은 편의를 위하여 과장되어 표현될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 I-I'에 따른 베어링리스 모터의 수직단면을 나타낸 사시도이고, 도 3은 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'에 따른 베어링리스 모터의 수평단면을 나타낸 사시도이고, 도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 베어링리스 모터의 수직단면 중 일측을 나타낸 단면도이고, 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 베어링리스 모터의 수직단면 중 일측을 나타낸 단면도이고, 도 4c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 베어링리스 모터의 수직단면 중 일측을 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 고정자 모듈을 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 고정자 조립체가 연결된 상태를 나타낸 사시도이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 부상 전자석을 나타낸 사시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 사진이고, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터의 배리어 영역을 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터(10)는 중심에 샤프트가 결합되는 회전자(100); 및 고정자 모듈(200M)의 결합으로 형성되고, 상기 회전자(100)와 동일한 중심축을 가지고, 집중권 형태를 구비하는 고정자(200);를 포함하고, 상기 고정자 모듈(200M)은, 상기 회전자(100)의 외부를 둘러싸는 형상으로 결합되되, 상(Phase) 기준으로 분할된 고정자 조립체(210)와, 상기 고정자 조립체(210)가 내측면에 결합되는 전자석 조립체(220)를 포함하는 것일 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터(10)는 모터(10)의 상 기준으로 분리된 고정자 모듈(200M)의 결합으로 분리 및 결합이 가능한 고정자(200)를 구비할 수 있으며, 그로 인해 소손된 1-상 또는 1-코일이 발생하는 경우 해당 고정자 모듈(200M)만 교체하면 유지보수가 가능한 장점이 있다. 따라서, 생산성과 유지보수 성능이 개선되고 설계의 확장성이 용이한 효과가 있다.
상세히 설명하면, 본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터(10)는 중심에 샤프트가 결합되는 회전자(100)와 상기 회전자(100) 외부에 위치하는 고정자(200)를 포함할 수 있다.
상기 회전자(100)를 부상 또는 회전을 구동시키는 고정자(200)는 고정자 모듈(200M)의 결합으로 형성될 수 있으며, 상기 회전자(100)와 동일한 중심축을 가지고, 집중권 형태를 구비할 수 있다. 집중권(Concentrated Winding) 형태는 단일 고정자 치에 권선을 집중하여 감는 방식으로, 분포권(DIstributed Winding) 방식에 비해 짧은 와인딩 길이 및 높은 점적률로 동손이 저감될 수 있으며, 권선 작업이 간단하여 생산비 저감의 효과도 있다.
상기 고정자 모듈(200M)은, 상기 회전자(100)의 외부를 둘러싸는 형상으로 결합되되, 상 기준으로 분할된 고정자 조립체(210)와, 상기 고정자 조립체(210)가 내측면에 결합되는 전자석 조립체(220)를 포함할 수 있다. 따라서, 베어링리스 모터(10)의 구동부(Motor part) 역할을 수행하는 고정자(200)의 각 상을 구성하는 철심을 분할하고, 회전자(100)를 회전구동하는 고정자 조립체(210)와 회전자(100)를 부상시키는 전자석 조립체(220)를 포함하여 모듈형으로 구성함으로써, 1-상 또는 1-코일 소손 시 하나의 고정자 모듈(200M)만 교체하면 되므로, 종래와 달리 유지보수가 용이하고 비용이 저감되는 장점이 있다.
고정자 조립체(210)는 회전자(100)를 회전 구동시키는 역할을 수행하며, 전자석 조립체(220)는 회전자(100)를 부상시키는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 고정자 조립체(210)와 전자석 조립체(220)의 구동에 서로 영향을 최소화하도록 상기 고정자 모듈(200M)은, 상기 고정자 조립체(210)와 전자석 조립체(220) 사이에 개재되는 제2 비자성체(230)를 포함할 수 있다.
일예로써, 도 4a와 같이, 상기 회전자(100)는 상단부 및 하단부가 외측으로 수직 연장된 원통형의 회전자 몸체(110)를 구비할 수 있으며, 상전도 전자석을 포함하는 것일 수 있다. 따라서 회전자(100)에 영구자석이 없어도 회전자(100)는 부상하여 동작할 수 있다.
다른 예로써, 도 4b와 같이, 상기 회전자(100)는 회전축 방향으로 자화된 영구자석(120)과, 상기 고정자 조립체(210)와 대향되는 영역에 위치하는 회전용 자석(130)과, 상기 회전용 자석(130)과 영구자석(140) 사이에 개재되는 제1 비자성체(140)를 구비하는 것일 수 있다. 예로써, 상기 회전자(100)는 상단부 및 하단부가 외측으로 수직 연장된 원통형의 회전자 몸체(110)를 구비할 수 있으며, 영구자석(120)은 회전자 몸체(110)의 내부 중심영역에 마련될 수 있다. 또한, 회전용 자석(130)과 영구자석(140) 사이, 즉, 회전자 몸체(110)의 외주면에는 제1 비자성체(140)가 위치하여 회전용 자석(130)과 영구자석(140) 각각이 형성하는 자속이 서로 영향을 주는 것을 최소화하도록 베어링리스 모터(10)는 제어될 수 있다. 회전자(100)의 부상은 영구자석(140)과 고정자(200)의 부상 코일(또는 부상 전자석; 223)의 작용으로 발생하는 자속에 의해 이루어지는데, 회전용 자석(130)이 그에 영향을 주지 않도록 제1 비자성체(140)가 위치할 수 있다.
이 경우, 상기 전자석 조립체(220)는, 일단부가 상기 회전자(100)에 근접하는 상부편(2211) 및 하부편(2213)과 상기 상부편(2211)과 하부편(2213)의 타단부에서 그들 사이를 수직으로 연결하는 수직편(2215)을 포함하는 조립 몸체(221)와, 상기 수직편(2215)을 감싸며 결합되는 부상코일(223) 한 쌍을 포함하는 것일 수 있다. 예로써, 부상코일(223)은 호모폴라 형태로 구성되어 열발생을 최소화할 수 있으며, 전자석 조립체(220)의 여자(Excitation)는 하이브리드 형태를 취하여 영구자석(140)에 의한 기본 자속과 부상코일(223)의 자속의 합으로 부상력을 유지하도록 함으로써 평형상태에서 전류의 크기를 최소화할 수 있다.
또 다른 예로써, 도 4c와 같이, 상기 회전자(100)는, 상기 고정자 조립체(210)와 대향되는 영역에 위치하는 회전용 자석(130)을 구비하는 것일 수 있으며, 이 경우, 상기 전자석 조립체(220)는, 상부편(2211) 및 하부편(2213)과 상기 상부편(2211)과 하부편(2213)의 타단부에서 그들 사이를 수직으로 연결하는 수직편(2215)을 포함하는 조립 몸체(221)와, 상기 수직편(2215)을 감싸며 결합되는 부상코일(223) 한 쌍과, 상기 조립몸체(221)의 수직편 중심영역에 구비되되 회전축 방향으로 자화된 영구자석(225)을 포함하는 것일 수 있다.
도 1내지 도 3, 도 5 내지 도 9는 도 4b의 단면을 가진 베어링리스 모터(10)의 일 실시예로써, 본 발명은 상기 예에 한정되는 것은 아니다.
상기 고정자 조립체(210)는 상기 전자석 조립체(220)로부터 회전자 방향으로 돌출되며 복수개의 슬롯을 포함하는 슬롯부(211)와, 각각의 슬롯에 결합되는 고정자 코일(213)을 포함하는 것일 수 있다. 각각의 고정자 코일(213)은 각각의 슬롯에 대해 집중권의 형태를 취하며, 마주보는 고정자 모듈(200M)은 같은 상을 가질 수 있다.
즉, 고정자(200)는 각 상을 구성하는 철심을 분할하는 형태로 고정자 모듈(200M)을 구성할 수 있으며, 각각의 고정자 모듈(200M)은 부상코일(223)의 개수를 최소화하며 극수/슬롯수 조합이 상분할이 가능한 구조라 할 수 있다. 3상의 베어링리스 모터를 기준으로하여 상분할이 가능한 극수/슬롯수의 조합은 다음의 표 1과 같다.
극수 4 10 14 14 16 20 20 22 26 28 32 34 38 46 ...
슬롯수 6 12 12 24 18 18 36 24 24 30 30 36 36 48 ...
예로써, 상기 고정자(200)는, 6의 배수로 슬롯을 구비하는 것일 수 있다. 3상 모터를 기준으로 하여 상분할이 가능한 구조는 고정자 코일(213)이 6개 또는 6의 배수 개라 할 수 있으며, 도 1 내지 도 8은 극수 20, 슬롯수 18인 경우에 대한 실시예라 할 수 있다.
상기 베어링리스 모터(10)는 예로써 독성(Toxic) 공정 또는 진공이 요구되는 반도체 제조장비 및 기타 유사한 형태의 기계적 구조를 갖는 비접촉 회전 시스템에 응용될 수 있으며, 도 11과 같은 배리어(B; Barrier)를 가질 수 있다. 이 경우 베어링리스 모터(10)의 상부는 독성 또는 진공을 가지는 공정영역이며, 하부는 외부 타 장치와의 고정 영역이라 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 베어링리스 모터(10)는, 모터의 상 기준으로 분리된 고정자 모듈(200M)의 결합으로 분리 및 결합이 가능한 고정자(200)를 구비할 수 있으며, 그로 인해 소손된 1-상 또는 1-코일이 발생하는 경우 해당 고정자 모듈(200M)만 교체하면 유지보수가 가능한 장점이 있다. 따라서, 생산성과 유지보수 성능이 개선되고 설계의 확장성이 용이한 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10; 베어링리스 모터
100; 회전자
110; 회전자 몸체
120, 240; 영구자석
130; 회전용 자석
140; 제1 비자성체
200; 고정자
200M; 고정자 모듈
210; 고정자 조립체
211; 슬롯부
213; 고정자 코일
220; 전자석 조립체
221; 조립 몸체
2211; 상부편
2213; 하부편
2215; 수직편
223; 부상코일
230; 제2 비자성체

Claims (8)

  1. 중심에 샤프트가 결합되는 회전자; 및
    고정자 모듈의 결합으로 형성되고, 상기 회전자와 동일한 중심축을 가지고, 집중권 형태를 구비하는 고정자;를 포함하고,
    상기 고정자 모듈은, 상기 회전자의 외부를 둘러싸는 형상으로 결합되되, 상 기준으로 분할된 고정자 조립체와, 상기 고정자 조립체가 내측면에 결합되는 전자석 조립체를 포함하며,
    상기 회전자는, 회전축 방향으로 자화된 영구자석과, 상기 고정자 조립체와 대향되는 영역에 위치하는 회전용 자석과, 상기 회전용 자석과 영구자석 사이에 개재되는 제1 비자성체를 구비하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전자석 조립체는, 일단부가 상기 회전자에 근접하는 상부편 및 하부편과 상기 상부편과 하부편의 타단부에서 그들 사이를 수직으로 연결하는 수직편을 포함하는 조립 몸체와, 상기 수직편을 감싸며 결합되는 부상코일 한쌍을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 회전자는, 상기 고정자 조립체와 대향되는 영역에 위치하는 회전용 자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 전자석 조립체는, 일단부가 상기 회전자에 근접하는 상부편 및 하부편과 상기 상부편과 하부편의 타단부에서 그들 사이를 수직으로 연결하는 수직편을 포함하는 조립 몸체와, 상기 수직편을 감싸며 결합되는 부상코일 한쌍과, 조립몸체의 수직편 중심영역에 구비되되 회전축 방향으로 자화된 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 모듈은, 상기 고정자 조립체와 전자석 조립체 사이에 개재되는 제2 비자성체를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 고정자 조립체는 상기 전자석 조립체로부터 회전자 방향으로 돌출되며 복수개의 슬롯을 포함하는 슬롯부와, 각각의 슬롯에 결합되는 고정자 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고정자는, 6의 배수로 슬롯을 구비하는 것을 특징으로 하는 베어링리스 모터.
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