KR20000063652A - 선형 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 모터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 상호 작용하는 자계 영역을 구조적으로 개선하여 가동자와 코일이 상호 중첩되는 체적 대비 추력이 크게 개선되는 선형 모터에 관한 것이다.

본 발명은 자장이 작용하는 체적 대비 추력이 큰 선형 모터를 제공하고, 이동자의 자계 반발 면적을 증대시켜 추력을 극대화한 선형 모터를 제공하며, 이동자로 영구자석을 사용하여 전원 케이블로 인한 구동 상의 외란을 최소화한 선형 모터를 제공하고, 고정자 코일을 일체형의 U자 형태로 구성하여 두 개의 코일을 독립적으로 사용하여 같은 방향으로 힘을 발생하기 위해 전류를 공급하였을 때 발생할 수 있는 힘의 불균형을 해소 할 수 있도록 이루어진 선형 모터를 제공하고자, 코일을 고정자로 형성하고 영구자석을 이동자로 형성하여 이루되, 상기 코일은 단면 형상을 "Ｕ"자 형태로 꺽어서 형성하고, 상기 코일과 상호 작용하도록 "Ｍ"자 형태의 이동자를 이루어 상기 이동자의 양측 내면과 중심 양면에 각각 영구 자석을 결합하여 상기 코일에 대향 되도록 결합하고, 상기 "Ｕ"자 형의 코일은 3개의 코일을 하나의 단위로 형성하여 3상 전원으로 구동 가능하도록 이루되 상호 중첩되도록 형성하고 중심의 개방부가 상부를 향하도록 고정자 하우징에 직선으로 나열 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

선형 모터{Linear motor}

본 발명은 선형 모터에 관한 것으로서 보다 상세하게는 상호 작용하는 자계 영역을 구조적으로 개선하여 가동자와 코일이 상호 중첩되는 체적 대비 추력이 크게 개선되는 선형 모터에 관한 것이다.

일반적으로 모터는 스테이터와 아마튜어를 포함하며 스테이터와 아마튜어의 자계 반발에 의하여 동력을 발생하는 것으로 회전 구동되는 방식의 모터와 직선 구동되는 방식의 선형 모터가 주지된 바와 같다.

상기 선형 모터는 여러 기계 요소에 적용되고 있다.

선형 모터가 적용되는 일례로서의 직선 이송 장치는 그 구현 방식이 주로 회전 구동되는 모터를 이용하여 볼스크류나 타이밍 벨트 등의 직선운동 변환장치를 이용해 회전 운동을 선형으로 변환하여 이루고 있다.

그러나 직선 운동을 직접 구동하는 방법이 아니고 회전 운동을 변환하므로 마찰로 인한 동력의 손실, 소음 및 열 발생으로 인한 효율의 감소가 발생하고 구조의 복잡함, 장비의 신뢰도 저하, 백래쉬에 따른 정밀도 유지의 어려움 등 여러 단점이 있다.

반면에 선형 모터를 이용한 직접 구동 방식은 이러한 단점을 극복하여 고강성에 의한 높은 운동 정밀도, 구조의 단순화, 고속 이동 등의 특성을 갖고 있으며 또한 유지비용이 아주 적게 들고, 운동거리의 한계가 없으며, 여러 안내면을 동시에 작동시킬 수 있고 윤활유 등을 사용하지 않기 때문에 청결하고, 진공된 장소에 적합한 등의 여러 우수한 장점을 갖고 있다.

상기 선형 모터는 근본적으로 영구자석에 의해서 발생하는 자기장과 그 내부에서 전류가 흐르는 코일에 발생하는 힘으로 구동하는데 이러한 힘의 근원이 되는 영구자석과 코일의 성능 및 배치가 선형 모터의 성능을 결정하는 중요한 요소가 된다.

그리고 최적화 된 제어 방법의 선택은 모터의 정밀한 위치 및 속도 제어 등 성능을 위한 필수적인 조건이 된다. 따라서 선형 모터의 사용 용도에 따라서 요구되는 성능을 만족시키기 위한 요소들의 선택과 배치, 그리고 제어 방법이 우선적으로 고려되어야한다.

도 1에 종래의 선형 모터를 케이스가 배제된 상태에서 요부 구성을 도시하였다.

종래의 선형 모터(50)는 코일을 이동자(52)로, 영구자석을 고정자(54)로 사용하는 방식과 그 반대 방식의 두 종류가 있다.

도시된 바와 같이 영구자석을 고정자(54)로 사용하고 코일을 이동자(52)로 사용하는 방식의 선형 모터가 현재까지 가장 많이 사용되는데, 이동자의 무게가 가볍고 고정자의 구조가 단순하여 확장성이 우수한 반면에 전원을 공급하기 위한 케이블이 이동자에 부착되어 있어 이동자가 급전을 할 경우 케이블로 인한 외란이 발생하여 정확한 이동자의 제어가 어렵다는 단점을 가지고 있다.

한편 종래 선형 모터에 부족한 추력을 증대시키기 위해서는 상기 선형 모터(50) 모듈을 병렬로 여러 개 결합하여 적용하는 바, 이때 같은 방향으로 추력을 발생시키기 위해서 각 이동자에 전원을 공급할 때 각 이동자가 받는 힘의 불균형으로 인하여 모멘트가 발생하여, 정확한 제어가 힘들고 따라서 전체적으로 일정한 추력을 발생하기 어렵게 된다.

반대로 영구자석을 이동자로 하고, 코일을 고정자로 사용하는 선형 모터는 고정자에 케이블을 연결함으로써 이동자에 가해지는 외란을 최소화하여 이동성을 향상시킬 수 있으며 따라서 이동자의 착탈이 용이하다는 장점이 있는 반면에 코일로의 전원공급 방법이 까다롭다는 단점을 가지고 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 선형 모터가 갖는 제반 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로서 다음과 같은 목적을 갖는다.

본 발명은 상호 자장이 작용하는 체적 대비 추력이 큰 선형 모터를 제공하는 것이다.

본 발명은 이동자의 자계 반발 면적을 증대시켜 추력을 극대화한 선형 모터를 제공하는 것이다.

본 발명은 이동자로 영구자석을 사용하여 전원 케이블로 인한 구동 상의 외란을 최소화한 선형 모터를 제공하는 것이다.

본 발명은 고정자 코일을 일체형의 U자 형태로 구성하여 두 개의 코일을 독립적으로 사용하여 같은 방향으로 힘을 발생하기 위해 전류를 공급하였을 때 발생할 수 있는 힘의 불균형을 해소 할 수 있도록 이루어진 선형 모터를 제공하는 것이다.

상기 목적을 구현하고자 본 발명은 코일을 고정자로 형성하고 영구자석을 이동자로 형성하여 이루되, 상기 코일은 단면 형상을 "Ｕ"자 형태로 꺽어서 형성하고, 상기 코일과 상호 작용하도록 "Ｍ"자 형태의 베이스를 갖는 이동자를 이루어 상기 이동자 베이스의 양측 내면과 중심 양면에 각각 영구 자석을 결합하여 상기 코일에 대향 되도록 이루어지는 것에 의한다.

상기 "Ｕ"자 형의 코일은 3개의 코일을 하나의 단위로 형성하여 3상 전원으로 구동 가능하도록 이루되 상호 중첩되도록 형성하고 중심의 개방부가 상부를 향하도록 고정자 베이스에 직선으로 나열 결합하여 이루어진다.

도 1은 종래의 선형 모터를 케이스 개방하여 도시한 요부 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 선형 모터를 도시한 개략적인 외형 구성도.

도 3은 본 발명의 선형 모터를 도시한 분해 사시도.

도 4는 본 발명의 선형 모터를 도시한 단면 상태도.

도 5는 본 발명의 선형 모터 코일을 도시한 사시도.

도 6은 모터에 인가되는 전류 입력 파형을 도시한 파형도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10 ; 고정자 11 : 코일

13 : 베이스 14 : 가이드 레일

20 : 이동자 21 : 이동자 베이스

21a: 상부부재 21b, 21c: 측면부재

21d: 중앙부재 23 : 가이드 블록

24 : 고정부재 30 ; 영구자석

100: 선형모터

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술 사상에 대하여 구체적으로 살펴 보기로 한다.

본 발명의 선형 모터를 발명하는데 있어서 다음의 몇 가지 사항이 필수적으로 요구된다.

하나의 코일을 U자 형태로 꺾어서 나열하여 추력을 증대시키는 것과,

추력 대 체적비를 높이는 구조로써 3개의 코일을 하나의 단위로 구성하는 것과,

고정자의 확장이 용이한 구조로써 코일들을 단위별로 결합하는 것과,

이동자의 급전에 따른 외란을 최소화하는 구조로써 이동자의 전원 케이블을 제거하여 이루는 것이 필요하다.

도 2는 본 발명에 의한 선형 모터를 도시한 개략적인 외형 구성도로서 외부 케이스는 미 도시된 상태이다.

본 발명의 선형 모터(100)는 코일을 고정자로 형성하고 영구자석을 이동자로 형성하여 이루되, 상기 코일(11)은 단면 형상을 "Ｕ"자 형태로 꺽어서 형성하고, 상기 코일(11)과 상호 작용하도록 "Ｍ"자 형태의 이동자 베이스(21)와 상기 이동자 베이스의 양측 내면과 중심 양면에 각각 영구 자석을 결합하여 이동자(20)을 이루어 상기 코일과 대향 되도록 결합하여 이루어지는 것에 의한다.

고정자(10)는 베이스(13) 상에 복수의 가이드 레일(14)를 형성하고 상기 베이스를 따라서 코일(11)을 횡설하여 이룬다.

이동자(20)는 소정의 길이를 갖은 장방형 판재로 이루어진 상부부재(21a), 상부 부재에 하향 직교되게 결합되는 측면부재(21b, 21c)와 측면부재 간의 중심을 연하여 중앙부재(21d)를 결합하여 "Ｍ"자 형상의 이동자 베이스(21)를 이룬다.

상기 측면부재(21b, 21c)의 외측으로는 가이드 레일(14)에 치합되는 홈(23a)을 형성하여 수평 이송을 지지하는 가이드 블록(23)를 형성하여 고정부재(24)로써 상기 이동자 베이스(21)의 양측단에 결합하고, 측면부재(21b, 21c)의 내측면과 중앙부재(21d)의 양면으로 다수의 영구 자석(30) 쌍을 대향 결합하여 이룬다.

상기 각각의 영구 자석은 인접한 영구 자석과 대향하는 영구 자석 간에 상호 역극성의 자극을 갖도록 이룬다.

상기 코일(11)은 "Ｕ"자 형태로 꺽어서 이루고 3개의 코일을 하나의 단위로 형성하여 3상 전원으로 구동 가능하도록 이루되 상호 중첩되도록 형성하고 중심의 개방부가 상부를 향하도록 베이스(13)에 직선으로 나열 결합하여 이루어진다.

여기서 코일(11)은 균일한 추력을 얻기 위하여 가급적 수직 측면 부분이 동일 축선 상에 연속하여 접하도록 중앙 코일을 중심으로 하나의 코일은 상부를 외측으로, 다른 하나의 코일은 상부를 내측으로 꺽어서 상호 면접되도록 구성한다.

상기 고정자(10)의 가이드 레일(14)에 이동자 (20)의 가이드 블록(23)가 끼워지며 영구 자석(30)이 결합된 베이스(21)의 측면부재(21b, 21c)는 코일(11)의 외측으로, 중앙부재(21d)는 코일(11)의 내측 공간에 위치하도록 결합하여 영구자석 사이에 코일의 수직부분이 놓이도록 결합한다.

미 설명된 부호로서 40은 이동자의 위치를 검출하기 위한 위치 검출 센서를, 42는 이동자(20)의 직선 운동을 지지하는 베어링을 각각 도시한 것이다.

상술한 바와 같은 기술 구성을 이루는 본 발명의 제 작용을 이하 좀 더 상세하게 살펴보기로 한다.

본 발명의 선형 모터(100)는 도 5에 도시한 바와 같이 3개의 "Ｕ"자형 코일을 하나의 단위로 구성하고 각 코일에 120。 의 위상차이를 갖는 전류를 걸어주게 되면 이동자(20)의 영구 자석(30)과 고정자(10)의 코일(11) 사이에서는 플레밍의 법칙에 따른 연속적인 힘이 발생하여 이동자(20)의 이동이 개시된다.

이때 본 발명은 고정자의 코일(11)이 "Ｕ"자형으로 이루어지고 이 코일과 자계 상호 작용을 일으키는 이동자 역시 반발력을 극대화 할 수 있도록 코일의 양측 단부와 중심부에 다수의 영구 자석을 배치하여 구성하므로 커다란 추력이 발생된다.

상기 추력을 높이고자 이동자의 양측에 두개의 코일을 분리 형성하여 동일 방향으로 힘을 발생케 하는 방식의 경우에는 전류를 공급 할 때의 코일의 특성에 따라 힘의 불균형이 초래될 수 있으나 본 발명은 양측에 위치하는 코일을 하나의 코일로서 "Ｕ"자형으로 꺽어서 이룸으로 힘의 불균형이 해소될 수 있다.

또한 각 코일(11)은 상호 중첩되어 반복적으로 결합 구성하므로서 가동자와 코일이 겹쳐지는 체적에 비하여 추력이 크게 향상되는 것이다.

상기 이동자의 이동은 위치 검출 센서(40)에 의하여 연속적으로 검출되고 이 검출 위치에 따라서 전원 공급이 절환되도록 제어하므로서 모터 구동이 연속적으로 이루어진다.

본 발명의 선형 모터를 설명하는 과정에서 구체적으로 서술하지는 않았으나 고정자의 외부를 감싸는 케이스가 마련되고 케이스의 일측으로 이동자와 연결된 외부 결합부재가 마련되어 기계적인 동력이 획득 될 수 있다.

이상에서 상세하게 살펴본 바와 같은 본 발명은 상호 자장이 작용하는 체적 대비 추력이 큰 선형 모터를 이룰 수 있고, 이동자의 자계 반발 면적을 증대시켜 추력을 극대화하며, 이동자로 영구자석을 사용하여 전원 케이블로 인한 구동 상의 외란이 최소되는 동시에 고정자 코일을 일체형의 U자 형태로 구성하여 두 개의 코일을 독립적으로 사용하여 같은 방향으로 힘을 발생하기 위해 전류를 공급하였을 때 발생할 수 있는 힘의 불균형을 해소하는 등의 여러 효과를 갖는 매우 우수한 발명인 것이다.

Claims (3)

1. 코일을 고정자로 형성하고 영구자석을 이동자로 형성하여 이루어지는 선형 모터에 있어서,

   상기 고정자의 코일은 단면 형상을 "Ｕ"자 형태로 꺽어서 형성하고, 상기 코일과 상호 작용하도록 "Ｍ"자 형태의 베이스를 갖는 이동자를 이루어 상기 베이스의 양측 내면과 중심 양면에 각각 영구 자석을 결합하여 상기 코일에 대향 되도록 결합하고 선형 가이드 레일에 안내되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 모터.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 선형 모터(100)의 고정자(10)는 베이스(13) 상에 복수의 가이드 레일(14)를 형성하고 상기 베이스를 따라서 코일(11)을 횡설하여 이루는 것과,

   이동자(20)는 소정의 길이를 갖은 장방형 판재로 이루어진 상부부재(21a), 상부 부재에 하향 직교되게 결합되는 측면부재(21b, 21c)와 측면부재 간의 중심을 연하여 중앙부재(21d)를 결합하여 "Ｍ"자 형상의 이동자 베이스(21)를 이루고,

   상기 측면부재(21b, 21c)의 외측으로는 가이드 레일(14)에 치합되는 홈(23a)을 형성하여 수평 이송을 지지하는 가이드 블록(23)를 형성하여 고정부재(24)로써 상기 이동자 베이스(21)의 양측단에 결합하고, 측면부재(21b, 21c)의 내측면과 중앙부재(21d)의 양면으로 다수의 영구 자석(30) 쌍을 대향 결합하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 모터.
3. 청구항 2에 있어서, 상기 코일(11)은 "Ｕ"자 형태로 꺽어서 이루고 3개의 코일을 하나의 단위로 형성하여 3상 전원으로 구동 가능하도록 이루되 상호 중첩되도록 형성하고 중심의 개방부가 상부를 향하도록 베이스(13)에 직선으로 나열 결합하여 이루되, 코일(11)은 수직 측면 부분이 동일 축선 상에 연속하여 접하도록 중앙 코일을 중심으로 하나의 코일은 상부를 외측으로, 다른 하나의 코일은 상부를 내측으로 꺽어서 상호 면접하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 선형 모터.