KR20010035213A - Brushless, coreless, ac type linear motor and linear motion apparatus having the same - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 브러쉬없는 평판형 공심형 교류식 리니어모터와 그 모터가 구비된 선형 구동 시스템에 관한 것으로, 특히, 공심형 평판형 권취코일에 서보 드라이버를 이용하여 교류식으로 사인파형 전류를 인가하여 직선 구동하는 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a brushless flat plate type AC type linear motor and a linear driving system provided with the motor. More particularly, the present invention relates to a linear driving system having a brushless flat plate type AC type linear motor, And more particularly to a system for driving a vehicle.
일반적으로 선형 구동 시스템은 반도체 장비 및 공작기계 등에 직각좌표에 따른 위치 및 속도 제어를 하기 위하여 사용된다. 공작기계용의 경우, 철심코어형 교류식 리니어모터가 주로 사용되었다. 반도체 장비용의 경우에는 공심형 직류식 또는 펄스식 리니어모터가 사용되었다. 구동 시스템은 전류앰프나 서보 드라이버 그리고 콘트롤러 등의 기기를 구비하여 이를 리니어모터와 결합하여 구동된다. 기존의 공심형 서보 모터는 직류식으로서 영구자석과 권취코일과의 상대위치에 따라 영구자석의 자속밀도 파형에 90°위상차를 유지하며 코일에 전류를 인가하기 위하여 6스텝으로 사인파형을 모사하여 구동하여 왔다.Generally, a linear drive system is used for position and speed control according to rectangular coordinates such as semiconductor equipment and machine tools. In the case of machine tools, an iron core type AC type linear motor was mainly used. In the case of semiconductor equipment, air-core direct current type or pulse type linear motor was used. The drive system includes a current amplifier, a servo driver, and a controller, and is driven by coupling with a linear motor. Conventional air-core type servomotors are DC-type, and they maintain the phase difference of 90 ° to the magnetic flux density waveform of the permanent magnet according to the relative position of the permanent magnet and the winding coil. In order to apply current to the coil, .
위와 같은 종래의 리니어모터는 6스텝으로 사인파형을 모사하여 구동하였으므로 스텝이 전환될 때 추력과 속도에 변화가 발생하였다.Since the conventional linear motor as described above is driven by simulating a sinusoidal waveform in six steps, the thrust and the speed are changed when the step is switched.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 문제점을 해결하고 슬라이드부의 이동에 따른 추력이나 속도의 변화를 최소화하기 위하여 공심형 평판형 교류식 리니어모터와 이 리니어모터가 구비된 선형 구동 시스템을 제공하는 것이다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, it is an object of the present invention to provide an air-driven flat-plate AC-type linear motor and a linear drive system equipped with the linear motor in order to solve the above-mentioned problems and minimize a change in thrust or speed due to the movement of the slide.
도1은 본 발명에 따른 선형 구동 시스템의 사시도1 is a perspective view of a linear drive system according to the present invention;
도2는 도1의 구동 시스템에서 구동부와 제어부의 연결관계를 도시한 도면Fig. 2 is a diagram showing the connection relationship between the driving unit and the control unit in the driving system of Fig. 1
도3은 도1의 구동 시스템의 단면도Figure 3 is a cross-sectional view of the drive system of Figure 1;
도4의 (a) 및 (b)은 도1의 구동 시스템에 구비된 리니어모터의 사시도 및 정면도4 (a) and 4 (b) are a perspective view and a front view of a linear motor provided in the drive system of Fig. 1
도5는 도1의 구동 시스템의 리니어모터에 구비된 가동자의 정면도5 is a front view of the mover provided in the linear motor of the drive system of Fig.
도6은 도1의 구동 시스템의 가동자에 구비된 코일과 고정자에 구비된 영구자석의 상대 위치를 설명하는 도면6 is a view for explaining the relative positions of the coils provided in the mover of the drive system of Fig. 1 and the permanent magnets provided in the stator;
도7은 도1의 구동시스템의 리니어모터에 구비된 가동자의 코일과 고정자의 영구자석의 상대 위치 변화와 교류전류파형의 관계를 도시한 도면으로서 참고로 직류전류 파형과의 관계도 도시하고 있음Fig. 7 is a diagram showing the relationship between the relative positional change of the permanent magnet of the mover and the alternating current waveform of the coil of the mover provided in the linear motor of the drive system of Fig. 1, and also shows the relationship with the direct current waveform
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명DESCRIPTION OF THE REFERENCE NUMERALS
1: 선형 구동 시스템 2: 구동부 3: 제어부(서보 드라이버)1: Linear driving system 2: Driving unit 3: Control unit (Servo driver)
4: 리니어모터 5: 리니어 스케일 6: 슬라이드부4: Linear motor 5: Linear scale 6: Slide part
7: 베어링 가이드 8, 9: 케이블 10: 요크 11: 영구자석7: bearing guide 8, 9: cable 10: yoke 11: permanent magnet
12: 가동자 13: 권취코일 14: 홀센서 15: 본체12: mover 13: winding coil 14: Hall sensor 15:
본 발명은 공심형 평판형 교류식 리니어모터와 이 리니어모터가 구비된 선형 구동 시스템을 제공한다. 권취코일의 중심부에 철심대신에 공기와 투자율이 거의 같은 비자성체를 이용한다. 권취코일에는 영구자석의 자속밀도 파형과 유사한 사인파형으로 그리고, 세 개의 코일에 전기각 120°위상차를 가지는 사인파형 전류를 인가한다. 또한, 선형구동 시스템에서는 리니어모터의 중앙에 베어링 가이드를 위치시키고 좌우 대칭으로 리니어모터를 배치하여 두개의 리니어모터에서 발생하는 추력이 균형을 이루도록 하여 비틀림을 최소화하였다. 그러므로 위치측정기로 사용되는 리니어 스케일에 대하여 측면에서 작용하는 힘을 근본적으로 방지하였다.The present invention provides an air-driven flat-plate AC type linear motor and a linear drive system provided with the linear motor. Instead of an iron core at the center of the winding coil, a nonmagnetic material having almost the same magnetic permeability as air is used. A sinusoidal waveform similar to the magnetic flux density waveform of the permanent magnet is applied to the winding coil and a sinusoidal waveform current having an electrical angle of 120 degrees is applied to the three coils. Also, in the linear drive system, the bearing guide is placed at the center of the linear motor, and the linear motor is disposed symmetrically to minimize the twisting by balancing the thrust generated by the two linear motors. Therefore, the force acting on the side of the linear scale used as the position measuring device is fundamentally prevented.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도1은 본 발명의 실시예에 의한 브러쉬없는 평판형 공심형 교류식 선형 구동 시스템이 도시되어 있다. 도1을 참조하면, 선형 구동 시스템(1)은 구동부(2)와 이를 구동하기 위한 서보 드라이버(3)를 구비한다. 이들 사이를 연결하기 위한 케이블(8, 9)도 구비된다.1 shows a brushless flat plate type air-core AC type linear drive system according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the linear driving system 1 includes a driving unit 2 and a servo driver 3 for driving the driving unit 2. And cables 8 and 9 for connecting them are also provided.
도2는 선형 구동 시스템의 상기 구동부(2)와 서보 드라이버(3) 사이의 관계가 도시되어 있다. 구동부(2)에서는 리니어 스케일(5)에서의 위치신호와 영구자석(11)에 대한 권취코일(13)과의 상대위치를 알려주는 홀센서의 신호, 리미트 스위치 신호 등과 같은 위치정보를 리니어 스케일 케이블(8)을 이용하여 서보 드라이버(3)로 전달한다. 서보드라이버(3)에서는 영구자석(11)과 권취코일(13)의 상대위치에 따라 이동하고자 하는 움직임을 구현하도록 전원케이블(9)을 이용하여 구동부(2)에 전류를 인가한다.Fig. 2 shows the relationship between the drive unit 2 and the servo driver 3 of the linear drive system. The driving unit 2 is provided with position information such as a signal of a hall sensor indicating a relative position between the position signal in the linear scale 5 and the winding coil 13 with respect to the permanent magnet 11 and a limit switch signal, (8) to the servo driver (3). The servo driver 3 applies a current to the driving unit 2 using the power cable 9 so as to realize a movement to move according to the relative position of the permanent magnet 11 and the winding coil 13. [
도3은 선형 구동 시스템(1)의 구동부(2)의 단면도이다. 도1 및 도3을 참조하면, 구동부(2)는 본체(15)를 구비한다. 이 본체(15)의 중심 상부에는 리니어 베어링 가이드(7)가 설치되어 있다. 리니어 가이드(7)는 슬라이드부(6)를 지지한다. 슬라이드부(6)는 직선으로 이동하는 것이다. 슬라이드부(6)는 리니어모터(4)의 가동자(13)와 고정되어 있다.3 is a sectional view of the driving unit 2 of the linear driving system 1. Fig. Referring to FIGS. 1 and 3, the driving unit 2 includes a main body 15. A linear bearing guide 7 is provided at the center of the main body 15. The linear guide 7 supports the slide portion 6. The slide portion 6 moves in a straight line. The slide portion 6 is fixed to the mover 13 of the linear motor 4.
베어링 가이드(7)를 중심으로 동일한 출력의 두개의 리니어모터(4)를 좌우 대칭으로 배열한다. 한쪽의 리니어모터(4a)와 슬라이드부(6)에는 리니어 스케일이 구비된 위치 측정기(5)가 설치된다. 리니어 스케일이 구비된 위치 측정기(5)는 통상의 것을 사용할 수 있으므로 본 명세서에서는 상세히 설명하지 않는다.Two linear motors 4 of the same output are arranged symmetrically with respect to the bearing guide 7 as a center. The linear motor 4a and the slide portion 6 are provided with a position measuring device 5 provided with a linear scale. The position measuring device 5 equipped with a linear scale can use a normal one, and thus will not be described in detail here.
위와 같이, 베어링 가이드(7) 양측에 리니어모터(4)를 설치하여 두개의 리니어모터(4)에서 발생되는 추력이 균형을 이루도록 함으로써, 베어링 가이드에 가해지는 비틀림을 제거하였다. 따라서, 위치측정기(5)로 사용되는 리니어 스케일에 대하여 측면에서 작용하는 힘을 근본적으로 방지하였고, 본체의 변형을 최소화하였다.As described above, the linear motors 4 are provided on both sides of the bearing guide 7 to balance the thrust generated by the two linear motors 4, thereby eliminating the twisting applied to the bearing guides. Therefore, the force acting on the side surface with respect to the linear scale used in the position measuring device 5 is fundamentally prevented, and the deformation of the main body is minimized.
도4의 (a) 및 (b)은 구동시스템(1)의 리니어모터(4)를 도시한다. 도1, 도3, 도4를 참조하면, 리니어모터(4)는 고정자와 가동자(13)를 구비한다. 고정자는 'ㄷ'자 형상의 요크(10)와 영구자석(11)을 구비한다. 영구자석(11)은 고정자의 길이 방향으로 N극과 S극이 번갈아 가면서 나타나도록 구성된다. 서로 마주보는 상태에서는 서로 다른 극성이 마주보도록 설치된다. 마주보는 영구자석(11) 사이에 가동자(13)의 코일세트가 위치하여 슬라이드부를 구동한다.Figs. 4 (a) and 4 (b) show the linear motor 4 of the drive system 1. Fig. 1, 3, and 4, the linear motor 4 includes a stator and a movable element 13. [ The stator has a yoke 10 and a permanent magnet 11 in the shape of a "C". The permanent magnets 11 are configured so that N poles and S poles alternately appear in the longitudinal direction of the stator. In a state in which they face each other, the polarities are set so that they face each other. The coil set of the mover 13 is positioned between the facing permanent magnets 11 to drive the slide portion.
도5는 본 발명에 의한 브러쉬없는 평판형 공심형 교류식 선형 구동 시스템의 가동자(12)의 정면도이다. 도4에 비하여 코일의 상하 길이를 짧게 도시하였다. 가동자(12)에는 3상 코일 2세트, 즉 6개의 권취코일(13)과 3개의 홀센서(14)가 구비된다. 권취코일(13)과 홀센서(14) 및 와이어(배선)는 지지체(12a)에 의해 고정된다. 지지체는 성형된 코일 세트와 홀센서를 고정하여 휨이나 진동에 강하게 제작하는 것이 바람직하다. 지지체의 재질은 코일 내부에서 발생하는 열전달이 잘 이루어지도록 하고, 동시에 투자율이 공기와 비슷한 재질로 선정함으로써, 영구자석에 의한 흡인력이 발생하지 않도록 하는 것이 좋다. 따라서 전류가 인가되지 않을 때, 코일세트와 영구자석간의 전자기적 힘(cogging force; detent force)이 발생하지 않으므로, 가동시 슬라이드부의 구동에 따라 추력의 발생을 균일하게 제어할 수 있다. 이러한 지지체의 재료로는 예를 들면, 알루미늄이 혼합된 에폭시 등의 열전도성 에폭시(Conductive Epoxy)를 사용한다.5 is a front view of the mover 12 of the brushless flat plate type air-core type AC linear drive system according to the present invention. The upper and lower lengths of the coils are shorter than those of FIG. The mover 12 is provided with two sets of three-phase coils, that is, six winding coils 13 and three hall sensors 14. [ The winding coil 13, the hall sensor 14 and the wire (wire) are fixed by the support body 12a. It is preferable that the support is made strong against bending and vibration by fixing the molded coil set and the Hall sensor. It is desirable that the material of the support be made so that the heat generated from the inside of the coil is well formed and at the same time the permeability is selected as a material similar to the air so that the attractive force by the permanent magnet does not occur. Therefore, when no current is applied, no electromagnetic force (cogging force) is generated between the coil set and the permanent magnet, so that the generation of the thrust can be uniformly controlled according to the driving of the slide portion when the coil is operated. As a material of such a support, for example, a thermally conductive epoxy such as epoxy mixed with aluminum is used.
도6은 각 상의 코일(13a,13b,13c)과 영구자석(11)의 각 극의 폭 치수를 예를 들어 설명한 개념도이다. 도6을 참조하면, 영구자석(11)의 하나의 극성의 폭을 a라고 할 때, 어느 한 상의 코일의 전체 폭(13a, 13b 또는 13c)의 전체 폭은 4/3a이고, 자속을 가로지르며 전류가 흐르는 경로를 형성하는 코일선 폭은 1/3a이다. 홀센서(14)는 코일의 시작위치에서 홀센서의 중심까지의 거리를 5/6a만큼 떨어진 곳에 위치시켰다. 전기각으로 보면 영구자석의 두 개의 극성의 폭 2a를 360°라고 할 때, 단위 코일의 폭은 60°이다. 결국, 영구자석 4극당 코일 3개가 위치하도록 구성되어 있고, 이에 따라 세 개의 코일 및 홀센서는 각각 120°의 위상차를 가지도록 배치된다.6 is a conceptual diagram illustrating width dimensions of the poles of the coils 13a, 13b, and 13c of each phase and the permanent magnets 11, for example. 6, assuming that the width of one polarity of the permanent magnet 11 is a, the total width of the entire width 13a, 13b or 13c of the coil of any one phase is 4 / 3a, The coil line width forming the path through which the current flows is 1 / 3a. The Hall sensor 14 placed a distance of 5 / 6a from the start position of the coil to the center of the Hall sensor. In electrical angle, when the width 2a of the two polarities of the permanent magnet is 360 degrees, the width of the unit coil is 60 degrees. As a result, three permanent-magnet quadrupole coils are arranged so that the three coils and the hall sensors are arranged so as to have a phase difference of 120 °, respectively.
도7에는 코일(13a, 13b, 13c)의 위치에 따라서, 각 상의 코일에 가해지는 전류의 파형을 도시한 것이다. 각 상의 코일(13a, 13b, 13c)에 가해지는 전류 파형은 정현파이다. 도7에 도시한 바와 같이, 각 상의 교류전류는 120°의 위상차를 가진다. 이 전류 파형은 코일(13a)의 위치를 기준으로 표시한 것이다. 위와 같은 파형의 전류를 인가하면, 정속운전이 가능하다.Fig. 7 shows waveforms of the currents applied to the coils of the respective phases in accordance with the positions of the coils 13a, 13b, and 13c. The current waveforms applied to the coils 13a, 13b, and 13c of the respective phases are sinusoidal waves. As shown in Fig. 7, the alternating current of each phase has a phase difference of 120 degrees. This current waveform is based on the position of the coil 13a. By applying the current of the above waveform, constant speed operation is possible.
홀센서는 다음과 같은 기능을 수행한다. 모터 구동시 위치측정기에서 위치를 검출하여 이 위치 정보를 가지고 영구자석과 코일의 상대 위치를 계산하며, 그 계산 결과에 따라 적절한 전류를 인가하게 된다. 이때 영구자석과 코일의 실제 상대위치와 위치 측정기의 값을 이용하여 계산된 값이 전기각으로 60°이상 차이가 나면 부적절한 전류가 코일세트에 인가되어 슬라이드부가 의도하지 않은 방향으로 매우 빠르게 진행하게 된다. 이를 방지하기 위하여 위치측정기를 이용하여 계산한 상대 위치값과 홀센서를 이용하여 측정한 상대위치값을 서로 비교하여 슬라이드부의 오작동을 방지하는 것이다.The hall sensor performs the following functions. When the motor is driven, the position detector detects the position, calculates the relative position between the permanent magnet and the coil with this position information, and applies the appropriate current according to the calculation result. At this time, if the calculated value using the actual relative position of the permanent magnet and the coil and the value of the position measuring device deviates by more than 60 degrees from the electric angle, an inappropriate current is applied to the coil set, and the slide part proceeds very quickly in the unintended direction . In order to prevent this, the relative position value calculated using the position measuring device and the relative position value measured using the hall sensor are compared with each other to prevent malfunction of the slide part.
교류를 인가하는 장점은 직류전류를 인가할 때와 비교하면 쉽게 알 수 있다. 기존의 직류식 리니어모터의 경우에는 도7에 도시한 바와 같이 홀센서를 이용하여 영구자석에 대한 권취코일의 위치를 6개의 구간으로 나누어 검출하여 이 위치에 따라 최대 추력을 발생할 수 있는 전류를 인가한다. 영구자석의 자속밀도와 90°의 위상차를 가지고 전류가 인가될 수 있도록 하되, 6개구간에 따라 스텝 모양으로 전류를 인가한다. 그러나, 종래와 같은 경우에는 각 구간에 따라 전류의 불연속점(a,b,c,d,e,f)이 발생하고 이에 따라 정속운전 시에도 추력이나 속도에 변화가 발생하게 되는 것이다.The advantage of applying an alternating current is readily apparent when compared to when applying a direct current. In the case of a conventional direct current type linear motor, as shown in FIG. 7, the position of the winding coil relative to the permanent magnet is detected by dividing the position of the winding coil into six sections using a Hall sensor, and a current do. So that current can be applied with a phase difference of 90 ° with respect to the magnetic flux density of the permanent magnet, and a current is applied stepwise according to the six sections. However, in the conventional case, the discontinuous points (a, b, c, d, e, and f) of the current are generated according to the respective sections, and accordingly, the thrust or the speed changes in the constant speed operation.
위와 같은 본 발명의 구성에 따르면, 평판형 공심형 리니어모터에 교류전류를 인가함으로써, 정속운전 시에 추력이나 속도에 변화가 발생하지 않게 된다. 공심형이므로 코깅력이 발생하지 않게 된다. 따라서, 이동시에도 균일한 추력과 속도가 보장되고, 정밀한 위치제어가 가능하므로 반도체 장비 및 정밀계측기기 등에 사용할 수 있다.According to the configuration of the present invention as described above, by applying an alternating current to the flat plate-type air-core type linear motor, no change occurs in thrust or speed during constant speed operation. Since it is air-core type, the cogging force is not generated. Therefore, uniform thrust and speed can be ensured even when moving, and precise position control can be performed, so that it can be used for semiconductor equipment and precision measuring equipment.
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