KR20010048118A - 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터에 관한 것으로, 고속 이송 중에 발생하는 진동의 억제 및 무게감소로 보다 효과적인 구동과 기계적 특성을 갖기 위한 이송부의 설계 및 제조에 대한 새로운 접근방법으로써 이송부를 고강성, 고감쇠 복합재료로 대체하여 기계적 동특성을 향상시키며, 자속밀도의 효과적인 분배로 전자기장의 효율을 극대화시킬 수 있도록 함에 그 목적이 있다. 이를 위해 구성되는 본 발명의 리니어 모터는 이송부가 평면의 고정부 상면에 발생하는 자장의 변화에 의해서 평면상을 직선적으로 이동하는 구조의 리니어 모터에 있어서, 박판의 전도성 복합재료 사이에 코일을 배열거나, 전도성 복합재료를 다수 적층·경화시킨 복합재료 평판을 이송부의 상·하부면 중 일면에 부착하여 이루어진다.

Description

전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터{ELECTROCONDUCTIVE COMPOSITE MATERIALS USING LINEAR MOTER}

본 발명은 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 종래 강철구조의 리니어 모터 이송장치를 고강성, 고감쇠 복합재료로 대체하여 기계적 동특성을 향상시키는 한편 자속밀도의 효과적인 분배로 전기장의 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터에 관한 것이다.

현대 산업사회의 발전과 더불어 제품의 생산성 향상 및 공정 작업의 효율을 높이기 위한 고속·고강성 이송장치 개발에 대한 관심이 증대되고 있다. 리니어 모터 이송장치는 전자기장 효과를 응용한 구동장치로, 고속·고강성 특성을 가지며 여러 안내면의 동시 구동이 가능하기 때문에 사용의 범위가 점차 확대되고 있다.

일반적으로 공작기계는 가공하고자 하는 공작물을, 소정의 절삭공구를 사용하여 원하는 형상으로 가공하는 것으로, 최근들어 공작기계의 이송부가 점점 고속화되는 추세에 따라 이송부의 구동부로써 기존의 볼 스크류와 회전형 모터 대신에 리니어 모터를 사용하는 연구가 활발히 진행되고 있다.

전술한 공작기계는 이송부에 리니어 모터를 사용할 경우 이송방향의 추력에 수직한 방향으로 발생하는 수직 자기흡인력을 서로 상쇄시켜 레일에 작용하는 마찰력을 감소시키고 고속 이송이 가능하도록 최소 두 개의 리니어 모터{Linear Moter; 입체적인 구조의 일반 모터의 자장을 평탄한 모양으로 한 모터이다. 이러한 구조의 리니어 모터는 평탄한 형태로 된 이송부(Armature)가 평면의 고정부(Stator) 위에 만들어지는 자장의 변화에 의해서 평면상을 직선적으로 움직인다.}가 이송부의 양측면에 서로 마주하여 대칭적으로 배치되는 것이 일반적이다. 전술한 리니어 모터의 일반적인 구동원리를 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 일반적인 리니어 모터 이송장치의 구동 원리를 보인 구성도이다.

도 1 에 도시된 바와 같이 리니어 모터 이송장치의 구동원리는 영구자석(10)의 N극과 S극을 고정축에 순차적으로 나열하고, 이송축의 3상 1차 코일(20)에 대응하는 자극(Magnetic Poil)의 위치에 따라 펄스 폭 변조{PWM(Pluse Wide Method), 직류전동기의 정역전(正逆轉) 회전수를 제어하는 방식}시켜줌으로써 정류위상을 이동시킨다.

한편, 전술한 바와 같이 정류위상을 이동시켜 줌으로써 플레밍의 왼손법칙{Fleming's left-hand rule;F(힘)=B(자계)×I(전류), 자계 중에 전류가 흘렀을 때 작용하는 힘의 방향을 나타내는 법칙}에 따라 추진력이 연속적으로 발생하여 이송계의 구동 및 제어가 가능하다. 이 경우 코일(20)을 페라이트 강철 등과 같은 자성이 높은 재료의 코어에 감아주며, 감긴 코일(20)의 회전수, 코일(20)의 직경, 인가 전류의 세기에 따라서 원하는 추력을 얻을 수 있다.

그러나, 기존의 볼 스크류 이송장치는 스크류와 너트 사이에 볼을 삽입하여 미끄럼(Sliding) 운동을 구름(Rolling) 운동으로 대체함으로써 마찰로 인한 에너지의 손실을 상당량 저감시켰으나, 이송속도의 증가에는 한계가 있다.

전술한 바와 같은 볼 스크류의 단점을 리니어 모터는 상당부분 해결하였으나, 모터 이송계의 낮은 감쇠 특성과 운동 중에 발생하는 과도응답(Over shoot response) 및 외란(Disturbance)은 전체 시스템의 동적 불안정뿐만 아니라 위치 오차를 유발하기 때문에 이에 대한 다각적인 대책이 요구되는 문제가 있다. 이를 효과적으로 차단하기 위해 일반적으로 제어 이득(Gain)을 조정하기도 하나 보다 근원적인 방진장치의 구비가 요구된다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 고속 이송 중에 발생하는 진동의 억제 및 무게감소로 보다 효과적인 구동과 기계적 특성을 갖기 위한 이송부의 설계 및 제조에 대한 새로운 접근방법으로써 이송부를 고강성, 고감쇠 복합재료로 대체하여 기계적 동특성을 향상시키며, 자속밀도의 효과적인 분배로 전자기장의 효율을 극대화시킬 수 있도록 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1 은 일반적인 리니어 모터 이송장치의 구동 원리를 보인 구성도.

도 2 는 본 발명에 따른 리니어 모터의 동적성능을 높이기 위해 코일의 상·하에 복합재료를 분포시켜 이송부의 1차 코일을 복합재료와 함께 동시경화(Co-cure)시키고 코일의 자속을 증가시키기 위하여 페라이트를 분말형태로 삽입한 복합재료 평판을 보인 사시도.

도 3 은 본 발명에 따른 전도성 복합재료를 다수 적층하여 경화시킨 복합재료 평판을 코일을 감기 위한 코어로 사용하는 경우를 보인 사시도.

도 4 는 본 발명에 따른 코일과 복합재료 코어와의 열적 안정성을 유지하기 위한 복합재료의 적층각을 보인 사시도.

도 5 는 본 발명에 따른 리니어 모터 이송부의 상부면 혹은 하부면에 복합재료 평판이 부착된 상태를 보인 사시도.

도 6 은 본 발명에 따른 경화가 완료된 복합재료 평판을 코일을 감기 위한 코어(Core)로 사용하는 방법을 보인 사시도.

도 7 은 본 발명에 따른 복합재료 평판에 코일의 배열을 일정하게 하기 위한 부품의 상세도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

100. 리니어 모터 110. 이송부

112. 고정부 120. 복합재료 평판

122. 전도성 복합재료(전도성 복합재료 섬유 및 기지)

124. 코일 130. 페라이트

220. 복합재료 평판 220a. 코일 안착홈

222. 코일 224. 코일 코정용 링

본 발명은 리니어 모터 이송장치에 동적·열적으로 안정한 고감쇠 복합재료를 적용하여 동적, 열적 특성을 향상시키는 방안을 제시하고자 한 것이다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하여 동적, 열적 특성이 향상된 본 발명에 따른 리니어 모터의 구성은 다음과 같다. 즉, 이송부가 고정부 상면의 자장변화에 따른 추진력에 의하여 이동되도록 된 리니어 모터에 있어서, 박판의 전도성 복합재료를 다수 적층·경화시킨 복합재료 평판을 이송부의 상·하부면 중 적어도 일면에 부착하여 이루어진다.

박판의 전도성 복합재료 적층시 리니어 모터 이송부의 코일을 함께 적층·경화시켜 복합재료 평판 내부에 코일이 삽입될 수 있다.

박판의 전도성 복합재료의 적층·경화시 페라이트 분말이 더 삽입될 수 있다.

코일이 접촉하는 전도성 복합재료층에 코일의 절연을 위한 절연 복합재료가 더 삽입될 수 있다.

코일은 비닐 코팅된 코일일 수 있다.

전도성 복합재료의 적층각은 코일의 길이 방향에 대해 30±5도로 유지함이 양호하다.

한편, 복합재료 평판을 이송부의 코일을 감기 위한 코어로 이용할 수도 있다.

전술한 복합재료 평판의 둘레에 일정간격의 코일 안착홈을 형성한 후 코일 안착홈에 코일을 위치시켜 복합재료 평판에 감은 것이다.

코일 안착홈에 위치되어 감긴 코일을 코일 안착홈에 고정시키는 코일 고정용 링이 복합재료 평판에 더 부착될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터에 대하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2 는 본 발명에 따른 리니어 모터의 동적성능을 높이기 위해 코일의 상·하에 복합재료를 분포시켜 이송부의 1차 코일을 복합재료와 함께 동시경화(Co-cure)시키고 코일의 자속을 증가시키기 위하여 페라이트를 분말형태로 삽입한 복합재료 평판을 보인 사시도, 도 3 은 본 발명에 따른 전도성 복합재료를 다수 적층하여 경화시킨 복합재료 평판을 코일을 감기 위한 코어로 사용하는 경우를 보인 사시도, 도 4 는 본 발명에 따른 코일과 복합재료 코어와의 열적 안정성을 유지하기 위한 복합재료의 적층각을 보인 사시도, 도 5 는 본 발명에 따른 리니어 모터 이송부의 상부면 혹은 하부면에 복합재료 평판이 부착된 상태를 보인 사시도이다.

도 2 내지 도 5 에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 리니어 모터(100)는 박판의 전도성 복합재료(122)를 다수 개 적층·경화시키고, 적층시 코일을 배치하여 내부에 코일이 삽입된 형태로 동시경화된 복합재료 평판(120)을 이송부(110; 도 5 참조)의 상·하부면 중 일면에 부착하여 이루어진다.

즉, 박판의 전도성 복합재료(122)의 일면에 소정 형태로 코일(124)을 배열한 상태에서 코일(124)이 배열된 전도성 복합재료(122)의 상·하면에 다수의 전도성 복합재료(122)를 적층한 후, 이를 경화시켜 이루어진 복합재료 평판(120)을 리니어 모터 이송부(110)의 의 상·하부면 중 적어도 일면에 부착한다. 따라서, 복합재료 평판(120)은 리니어 모터 이송부(110)의 상·하부면 양쪽에 부착될 수도 있다.

전술한 바와 같은 구성의 복합재료 평판(120)에서 코일(124)의 자속을 증가시키기 위해 페라이트(Ferrite; 130)를 분말 형태로 하여 전도성 복합재료(122)에 삽입한 후 경화할 수도 있다.

즉, 박판의 전도성 복합재료(122)의 일면에 소정 형태로 코일(124)을 배열할 때 페라이트(Ferrite; 130)를 분말 형태로 전도성 복합재료(122)에 삽입한 후 해당 전도성 복합재료(122)의 상·하면에 다수의 복합재료를 적층 후 경화시켜 복합재료 평판(120)을 만들 수 있다는 것이다. 이때, 전자기장의 경로에 따라 페라이트(130) 분말의 조도 및 분포도를 조절할 수 있고, 리니어 모터(100)의 자속밀도 및 추력의 세기는 전도성 복합재료(122)에 삽입된 페라이트(130) 분말의 분포에 의해 결정된다.

한편, 전술한 구성의 복합재료 평판(120)은 전도성을 갖는 복합재료(122)와 코일(124) 간의 절연을 위해 박판의 전도성 복합재료(122)의 일면에 소정 형태로 코일(124)을 배열할 때 유리섬유 복합재료와 같은 절연 복합재료(도시하지 않음)를 코일(124)의 상·하부면에 배열하기도 한다. 또한, 코일(114)의 절연을 위해 비닐 코팅층이 있는 코일을 사용할 수도 있다.

전술한 바와 같은 구성의 리니어 모터(100)는 정적, 동적 및 열적으로 이방성을 가지므로 적층각에 따라 다른 기계적 특성을 가지므로 적층각의 선정이 중요하다. 이에 따라, 본 발명은 전도성 복합재료(122)와 코일(124)의 열적 안정성을 유지하며, 정적 및 동적으로 강인한 구조를 갖기 위한 적층각으로써 전도성 복합재료(122)의 배열에 대해 코일(124)을 30±5도로 유지시켜 구성한다.(도 4 참조)

본 발명의 구성에서 이용된 전도성 복합재료(122)는 섬유 강화 복합재료{Fiber reinforced composite material; 대표적인 것에 강화 플라스틱, 섬유 강화 금속 등이 있으며, 이것은 고무, 플라스틱, 금속, 세라믹, 콘크리트 등의 기재(基材)를 합성섬유, 유리섬유, 보론섬유, 위스커 금속선 등의 섬유로 강화시킨 재료}이다.

전술한 바와 같이 구성된 본 발명의 리니어 모터(100)는 동적 성능을 높이기 위해 전도성 복합재료(122)의 일면에 코일(124)을 배열한 후 코일(124)이 배열된 전도성 복합재료(122)의 양측면으로 동일한 전도성 복합재료(122)를 다수 적층하여 경화시킨 복합재료 평판(120)을 리니어 모터(100) 이송부(110)의 상·하부면 중 적어도 일면에 부착한 것이다.

한편, 코일(124)의 자속을 증가시키기 위해 페라이트(130)가 분말 형태로 전도성 복합재료(122)에 삽입되며, 코일(124)의 절연을 위해 비닐 코팅층이 있는 코일을 사용하거나 코일(124)이 직접 접촉하는 전도성 복합재료(122) 층에 유리섬유 등과 같은 절연 복합재료(도시하지 않음)가 삽입된다.

페라이트(130)의 경우에는 전자기장의 경로에 따라 페라이트(130) 분말의 조도 및 분포도를 조절할 수 있다.

이상에서와 같이 전도성 복합재료(122)를 코어로 하는 리니어 모터(100)의 이송부(110)는 영구자석으로 구성된 고정부(112)의 상대면에 위치하며, 3상의 전류 폭변조에 따라 추력을 연속적으로 갖게 된다. 이 경우 전도성 복합재료(122) 내에 분말 형태로 삽입된 페라이트(130)의 분포에 다라 자속 밀도 및 추력의 세기가 결정된다. 한편, 리니어 모터(100)는 코일(124) 혹은 영구자석의 배열 방향으로는 추력을 가질 수 있으나, 면에 수직한 방향과 코일(124) 방향으로는 강성을 갖지 않으므로 일반적으로 리니어 가이드(도시하지 않음)를 리니어 모터(100)와 같이 사용한다.

도 3 은 본 발명에 따른 전도성 복합재료를 다수 적층하여 경화시킨 복합재료 평판을 코일을 감기 위한 코어로 사용하는 경우를 보인 사시도, 도 6 은 및 도 7 은 본 발명에 따른 복합재료 평판에 코일의 배열을 일정하게 하기 위한 부품의 상세도이다.

도 3, 도 6 및 도 7 에 도시된 기술은 다른 예의 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터를 보인 것으로, 박판의 전도성 복합재료를 다수 적층하여 경화시킨 복합재료 평판(220)의 외주에 코일(222)을 감는 한편, 코일(222)이 감긴 복합재료 평판(220)을 이송부(도시하지 않음, 도 5 참조)의 상·하부면 중 적어도 일면에 부착시켜 이루어진다.

즉, 박판의 전도성 복합재료를 다수 적층하여 경화시킨 상태의 복합재료 평판(220)에 코일(222)을 감은 후, 이를 리니어 모터(도시하지 않음, 도 5 참조)의 이송부 상·하부면 중 어느 일면에 부착시키거나 양측면에 부착한 것이다.

따라서, 본 발명의 다른 예는 경화가 완료된 복합재료 평판(220)을 코일(222)을 감기 위한 코어(Core)로 사용하는 방법에 관한 것이라 할 수 있다.

이때, 박판의 전도성 복합재료를 다수 적층하여 경화시킨 복합재료 평판(220)의 둘레에 일정간격의 코일 안착홈(220a)을 가공하고, 코일 안착홈(220a)에 코일(222)을 위치시켜 복합재료 평판(220)에 감는다.

한편, 코일 안착홈(220a)에 위치되어 감긴 코일(222)을 코일 안착홈(220a)에 고정시키는 코일 고정용 링(224)이 복합재료 평판(220)에 더 부착된다. 이때, 코일 고정용 링(224)은 복합재료 평판(220)과 동일 재질로 이루어진 것이다.

전술한 도 6 및 도 7 에 도시된 구성에서와 같이 본 발명의 다른 예는 코일(222)과 복합재료 평판(220)과의 열적 안정성을 유지하며 정적, 동적으로 강인한 구조를 갖기 위한 복합재료의 적층각으로써 코일(222)의 길이 방향에 대해 30±5도로 유지·구성된다.

한편, 도 6 에서와 같이 복합재료의 경화시 코일(222)을 안착시키기 위한 코일 안착홈(220a)을 미리 형성시키거나 경화 후에 가공하며, 코일 고정용 링(224)을 통해 코일(222)을 코일 안착홈(220a)에 고정시키게 된다.

도 2 내지 도 5 에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 예에서도 박판의 전도성 복합재료를 적층할시 페라이트(도시하지 않음)를 삽입할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예로써 코일과 전도성 복합재료 섬유를 적절히 적층·경화할 경우 반도체 및 전자 장비의 방열판 역할을 수행할 수 있다. 이 경우 전류의 공급은 필요하지 않으나, 좀더 효과적인 냉각을 위해 코일 대신 연전도성이 우수한 재료를 사용할 수 있다.

본 발명은 전술한 실시 예에 국한되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면 리니어 모터의 취약점으로 지목된 고속 구동시에 발생하는 진동이 상당부분 감소되는 효과가 발생한다.

또한, 본 발명에 따른 리니어 모터는 경량이기 때문에 출발 및 제동시 혹은 속도의 변경 시점에서 발생하는 과도 응답(Over shoot response)을 배제할 수 있는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 이송부가 고정부 상면의 자장변화에 따른 추진력에 의하여 이동되도록 된 리니어 모터에 있어서,

   박판의 전도성 복합재료를 다수 적층·경화시킨 복합재료 평판을 상기 이송부의 상·하부면 중 적어도 일면에 부착하여 이루어진 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 박판의 전도성 복합재료 적층시 상기 리니어 모터 이송부의 코일을 함께 적층·경화시켜 상기 복합재료 평판 내부에 상기 코일이 삽입되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 코일이 접촉하는 상기 전도성 복합재료층에 상기 코일의 절연을 위한 절연 복합재료가 더 삽입된 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 코일은 비닐 코팅된 코일임을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 복합재료 평판을 상기 이송부의 코일을 감기 위한 코어로 이용하는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 복합재료 평판의 둘레에 일정간격의 코일 안착홈을 형성하고, 상기 코일 안착홈에 상기 코일을 위치시켜 상기 복합재료 평판에 감은 것임을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 코일 안착홈에 위치되어 감긴 코일을 상기 코일 안착홈에 고정시키는 코일 고정용 링이 상기 복합재료 평판에 더 부착되는 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 박판의 전도성 복합재료의 적층·경화시 페라이트 분말이 더 삽입된 것을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.
9. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 전도성 복합재료의 적층각은 상기 코일의 길이 방향에 대해 30±5도로 유지함을 특징으로 하는 전도성 복합재료를 이용한 리니어 모터.