KR20020028064A - 양측식 리니어펄스 모터 및 그 구동방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어펄스 모터에 관한 것으로, 특히 단위 면적당 큰 추력을 얻을 수 있는, 양측식 리니어펄스 모터에 관한 것으로, 상, 하 양측 평면에 복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가짐과 동시에 소정의 공극을 사이로 복수의 열을 형성하는 가동자(200)와; 복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가지며 복수의 돌출극(101A)(101A')(101)(101)(111B)(111B')(111)(111

Description

양측식 리니어펄스 모터 및 그 구동방법{Double side linear pulse motor and method for driving thereof}

본 발명은 리니어펄스 모터에 관한 것으로, 특히 단위 면적당 큰 추력을 얻을 수 있으면서 수직력이 서로 상쇄되어 지지기구에 부담을 경감시키는 양측식 리니어펄스 모터에 관한 것이다.

리니어펄스 모터는 그 구동원리에 있어 회전형 스텝핑모터를 원형으로 한 것으로, 가동자의 선형적 운동이 가능하며, 입력 펄스의 주파수로 가동자의 이송속도를 결정할 수 있으며, 입력 펄스의 수로 가동자의 이동거리를 제어할 수가 있다.

리니어펄스 모터는 단위 입력당 추력이 커서 소형 경량화가 가능하고 개루프 제어시에도 누적 오차가 발생하지 않아 정밀한 위치 제어가 가능하기 때문에 프린트의 헤드구동, 플로터의 펜 구동, 각종 리더기의 헤드 구동, 인공심장기, 각종 생산라인의 이동 및 위치제어 등과 같이 산업기기의 여러 분야에서 많이 적용되고 있다.

도 1a 내지 도 1d는 일반적인 리니어펄스 모터의 구동상태를 보여주는 도면으로써, 리니어펄스 모터의 구동원리를 보여주고 있다.

이하 도 1a 내지 도 1d를 참고하여 종래의 편측식 리니어펄스 모터의 구동원리를 설명한다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 직선운동을 하게 되는 가동자(2)와, 상기 가동자(2)가 직선운동을 할 수 있도록 가이드하는 고정자(1)로 구성되는 리니어펄스 모터에 있어서, 상기 고정자(1)는 일정한 피치(pitch) τ를 갖는 다 수의 치가 구비되며, 상기 가동자(2)는 상기 고정자(1)의 치에 대하여 서로 1/2 피치(τ) 어긋나도록 구성된 제1치(A1) 및 제2치(A2)로 구성된 제1코어(A)와, 상기 제1코어(A)의 치와 1/4 피치(τ) 어긋나도록 구성된 영구자석에 의해 결합되는 제2코어(B)로 구성되며, 상기 제2코어(B)는, 상기 제1코어(A)와 마찬가지로 서로 1/2 피치(τ) 차이를 갖는 제3치(B1) 및 제4치(B2)로 구성된다. 상기 제1코어(A)및 제2코어(B)의 각각에는 여자전류를 인가할 수 있는 권선이 감기게 된다.

이와 같이 구성된 리니어펄스 모터의 구동 동작은 다음과 같다.

도 1a을 참고하면, 제1코어(A)의 권선에 도면과 같은 방향의 전류가 인가되게 되면, 제1치(A1)의 자계는 영구자석에 의한 자계(굵은 화살표)와 전류에 의해 유도된 자계(점선 화살표)가 보강되어 증가하지만, 제2치(A2)는 영구자석에 의한 자계와 전류에 의해 유도된 자계가 상쇄되어 안정점에서 정지하게 된다. 이때 제2코어(B)는 영구자석에 의한 기자력(굵은 화살표)만 존재하므로 자기적으로 균형을유지하게 된다.

다음으로 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1코어(A)에는 전류가 인가되지 않으며 제2코어(B)에는 화살표 방향과 같이 전류가 인가되게 되면, 제3치(B1)의 자계는 영구자석에 의한 자계와 전류에 의해 유도된 자계가 상쇄되지만, 제4치(B2)의 자계는 보강되어 가동자(2)가 도면상에 오른쪽 방향으로 1/4 피치(τ)만큼 이동하게 된다.

도 1c에서는 도 1a와는 반대방향의 전류가 제1코어(A)의 권선에 인가되게 되며, 제1치(A1)의 자계는 상쇄되고, 제2치(A2)에서는 자계가 보강되어 가동자(2)가 화살표 B방향으로 1/4 피치(τ)만큼 이동하게 된다.

도 1d에서는 도 1b와는 반대방향의 전류가 제2코어(B)의 권선에 인가된 경우로, 상술한 바와 동일한 원리에 의하여 가동자(2)는 화살표 B방향으로 1/4 피치(τ)만큼 이동하게 된다. 즉, 상기 각 코어(A)(B)의 권선에 적절한 전류 펄스를 가해줌으로써 가동자는 인가된 펄스에 대해 1/4 피치(τ)만큼 선형동작을 수행하게 된다.

리니어펄스 모터는 회전형 스텝핑모터와는 달리 기계적인 구조상의 단부효과가 존재하며, 고정자를 기준으로 하는 힘의 작용면에 발생하는 추력은 공극의 크기가 작을수록 커지지만 이와 함께 가동자와 고정자 철심사이에 작용하는 수직력도 증가하기 때문에 리니어펄스 모터의 가동자를 지지하고 있는 지지수단에 불균일한 힘을 작용하게 되므로 기기의 구동특성을 악화시키기도 한다.

본 발명은 상술한 것과 같은 편측형 리니어펄스 모터의 단점인 지지기구에 대한 부담을 보완할 수 있으며, 한정된 공간내에서 2상 8극 하이브리드형으로 구성하므로써 단위 면적당 큰 추력을 얻을 수 있는 양측식 리니어펄스 모터를 제공하고자 한다.

이러한 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터는, 상, 하 양측 평면에 복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가짐과 동시에 소정의 공극을 사이로 복수의 열을 형성하는 가동자와; 복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가지며 복수의 돌출극이 형성된 복수의 철심과, 자로를 형성하기 위한 영구자석으로 구성되어 상기 가동자의 상, 하측에 소정의 공극을 갖도록 위치하는 제1고정자 및 제2고정자와; 상기 돌출극에 감긴 코일로써 달성된다.

도 1a 내지 도 1d는 일반적인 리니어펄스 모터의 구동원리를 보여주는 도면,

도 2는 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 사시도,

도 3은 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 정면도,

도 4는 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터에 인가되는 여자전류 파형을

보여주는 도면,

도 5a 내지 도 8b는 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 구동상태를

보여주는 도면,

도 9는 각 해당 모드에서 안정점을 갖는 돌출극을 보여주는 도면,

도 10은 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 해석모델의 자기등가회로,

도 11은 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 3차원 유한요소해석에 의한

정추력 특성을 보여주는 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 제1고정자101A : 돌출극A

101A' : 돌출극A'101: 돌출극

101: 돌출극110 : 제2고정자

111B : 돌출극B111B' : 돌출극B'

111: 돌출극111: 돌출극

120 : 코일200 : 가동자

200a : 제1열(가동자)200b : 제2열(가동자)

M : 영구자석

도 2 내지 도 3는 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터에 관한 것으로, 도 2는 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 사시도이며, 도 3은 본 발명의 양측식 리니어 펄스 모터의 정면도이다.

본 발명의 실시예를 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 이하 실시예에서는 상, 하측면 각각의 고정자에 형성된 돌출극의 숫자가 4개씩이며, 가동자는 소정의 공극을 갖는 제1열 및 제2열로 구성된 것으로 설명한다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터는, 상, 하 양측 평면에 복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가짐과 동시에 소정의 공극을 사이로 복수의 열을 형성하는 가동자(200)와; 복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가지며복수의 돌출극(101A)(101A')(101)(101)(111B)(111B')(111)(111)이 형성된 복수의 철심(101)(101')(111)(111')과, 자로를 형성하기 위한 영구자석(M)으로 구성되어 상기 가동자(200)의 상, 하측에 소정의 공극을 갖도록 위치하는 제1고정자(100) 및 제2고정자(110)와; 상기 돌출극에 감긴 코일(120)로 구성된다.

상기 영구자석(M)은 희토류 코발트 자석을 이용할 수가 있으며, 고정자 철심내에 진행방향에 대하여 직각으로 배치되게 된다.

도 2를 참고하면, 상기 가동자(200)의 동일평면 상에 공극을 사이로 인접한 열(200a)(200b)의 치들은 서로 1/2 피치(τ) 어긋나게 형성되게 된다.

또한, 상기 가동자(200)의 상, 하측 평면 상에 서로 대응되는 치끼리는 서로 1/4 피치(τ) 어긋나게 형성되게 된다.

상기 제1고정자(100) 및 제2고정자(110)의 동일 열에 형성된 돌출극들의 치들은 서로 1/2 피치(τ) 어긋나게 형성되게 된다. 즉, 도 5a에 도시된 바와 같이, 돌출극A(101A) 및 돌출극(101)는 서로 1/2 피치(τ) 어긋나며, 마찬가지로 돌출극B(111B) 및 돌출극(111)도 1/2 피치(τ) 어긋나도록 형성되게 된다. 또한, 상기 제1고정자(100) 및 제2고정자(110)에 서로 대향하는 돌출극, 즉 돌출극A(101A) 및 돌출극B(101B)와; 돌출극(101) 및 돌출극(101)의 치들은 서로 동일 위치에 치가 형성되게 된다.

이와 같은 치의 위치관계는 도 4b에 도시된 바와 같이 후방에 위치되는 돌출극(101A')(101)(111B')(111)도 동일하게 구성이 된다.

다음으로 상기 돌출극들을 여자시키기 위한 권선이 돌출극에 감기게 되며, 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터가 자기평형을 이루며 적절히 동작하기 위해서는 인가된 전류 펄스에 의해 돌출극들 중에서 안정점을 갖는 돌출극은 대각선방향으로 위치하는 돌출극들만이 안정점을 갖도록 구성이 된다. 즉, 한 모드의 입력펄스에 대해 서로 대각선방향으로 위치하는 돌출극만이 안정점을 갖도록 돌출극에 권선이 감기게 된다. 보다 구체적으로는 이하 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 구동방법에서 설명한다.

도 4는 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터에 인가되는 여자전류를 보여주는 도면이며, 도 5a 내지 도 8b는 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터에 인가된 구동전류에 따른 동작상태를 보여주는 도면으로, 도 2를 기준으로 도 5a, 도 6a, 도 7a, 및 도 8a는 전방에 돌출극을 도시한 도면이며, 도 5b, 도 6b, 도 7b, 및 도 8b는 후방에 돌출극을 보여주는 도면이다.

이와 같이 구성된 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 구동방법은 다음과 같다.

도 4를 참고하면, 상술한 바와 같은 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터를 구동하기 위하여 바이폴라 2상여자 방식으로 돌출극에 감긴 코일에 전류를 인가하게 된다. 도 4에 A상전류는 제1고정자에 형성된 돌출극(101A)(101A')(101)(101)에 감긴 코일에 인가되는 전류를 말하며, 돌출극A(101A), 돌출극A'(101A')과; 돌출극(101), 돌출극(101)의 전류의 방향은 서로 반대방향이 되도록 코일이 감기게 된다. B상전류는 제2고정자에 형성된 돌출극(111B)(111B')(111)(111)에 감긴 코일에 인가되는 전류를 말하며, 제1고정자의 돌출극에 감긴 코일과 마찬가지로 돌출극B(111B), 돌출극B'(111B')과; 돌출극(111), 돌출극(111)의 전류의 방향은 서로 반대방향이 되도록 코일이 감기게 된다. 이와 같이 상기 돌출극들에 감긴 코일에 인가되는 전류는 도 4와 같이 서로 90°의 위상차이를 갖는 펄스가 인가된다. 즉, 제1모드에서는 A상전류와 B상전류의 방향을 '+'로 하여 같은 방향으로 정의하면, 제2모드에서는 A상전류는 '+', B상전류는 '-'가 되며, 제3모드에서는 A상전류는 '-', B상전류는 '-'가 되며, 제4모드에서는 A상전류는 '-', B상전류는 '+'가 된다. 이와 같이 각 모드에 해당되는 펄스에 대해 가동자는 고정자에 대해서 1/4 피치(τ)씩 이동하게 되며, 4개의 모드가 한 싸이클을 이루며 가동자는 동작하게 된다. 이하 각 모드에서 가동자의 구동상태를 설명한다.

도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 제1모드에서는, A상전류와 B상전류의 방향이 '+'로 같다. 따라서, 돌출극A(101A)의 자계는 여자전류에 의한 자계(점선 화살표)와 영구자석(M)에 의한 자계(N극에서 S극방향)에 의해 증가하게 되며, 돌출극(101)는 여자전류에 의한 자계와 영구자석(M)에 의한 자계가 상쇄되어 "0"이 된다. 마찬가지로, 돌출극B(111B)는 여자전류에 의한 자계와 영구자석에 의한 자계에 의해 합성자계는 증가하게 되며, 돌출극(111)는 여자전류에 의한 자계와 영구자석에 의한 자계가 상쇄되어 "0"이 된다. 이와 같이 각 돌출극에 형성된유효자계는 돌출극A(101A)와 돌출극B(111B)을 통해 자로가 형성되게 되며, 돌출극(101)와 돌출극(111)을 통해 자로가 형성되게 된다. 즉, 제1모드에서 공극에서의 자기저항이 최소가 되는 안정점은 돌출극A(101A)와 돌출극(101)이 된다.

도 6a 및 도 6b를 참고하면, 제1모드에서 B상여자전류의 방향이 '-'로 절환되게 되면, 유효자계는 전방에 위치하는 돌출극들 중에서는 돌출극A(101A)와 돌출극(111)을 통해 형성되게 되며, 후방에 돌출극들 중에서는 돌출극(101)와 돌출극B'(111B')을 통해 형성되게 된다. 즉, 제2모드에서는 안정점이 돌출극B'(111B') 및 돌출극(111)이 된다. 따라서, 가동자는 1/4 피치(τ)만큼 오른쪽으로 이동하게 된다.

제3모드는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, A상여자전류가 '-'로 절환됨에 따라, 안정점을 갖는 돌출극은 돌출극(101)과 돌출극A'(101A')이 되며, 가동자는 1/4 피치(τ)만큼 오른쪽으로 이동하게 된다.

제4모드에서는 도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, B상여자전류가 "+'로 절환되며, 안정점을 갖는 돌출극은 돌출극B(111B)와 돌출극(111)이 되며, 가동자는 오른쪽으로 1/4 피치(τ)만큼 이동하게 된다.

도 9에 도시된 바와 같이, A상여자 전류와 B상여자 전류가 4개의 모드를 가지며 돌출극에 감긴 권선에 인가됨에 따라 한 싸이클을 이루며 가동자는 선형동작을 수행하게 된다. 이때, 각 해당 모드에서 서로 대각선방향에 위치하는 돌출극만이 안정점을 갖도록 하여 자기평형을 유지함으로써 가동자의 동작에 있어 위치결정 정도를 높일 수가 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터는, 제1고정자 및 제2고정자가 각각 4개의 돌출극을 형성하며, 두 개의 열을 갖는 가동자로 설명하였으나, 본 발명은 상술한 바와 같은 한 가지 실시예로 제한되진 않는다. 즉, 상기 제1고정자 및 제2고정자에 각각 4개 이상의 돌출극이 형성되며, 두 개의 열 이상을 갖는 가동자를 갖는 양측식 리니어펄스 모터를 구성할 수가 있으며, 그 제어방법에 있어서는 제1고정자 또는 제2고정자에 형성된 돌출극들 중에서 한 모드에 대해 대각선 방향의 돌출극들만이 안정점을 갖도록 함으로써 구동할 수가 있는 것이다.

도 10은 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 해석모델의 자기등가회로이며, 도 11은 3차원 유한요소해석 결과에 의한 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터의 정추력특성 곡선을 보여주는 그래프로써, 스티프니스 특성이 양호하게 나타나고 있음을 알 수가 있다. 이는 8개의 돌출극 모두에 대해서 해석이 이루어졌으므로 각각의 극에서의 합성 추력의 형태로 나타나기 때문이다. 상기 데이터로부터 안정점에서의 전후로 1/4 피치(τ)의 구간, 즉 -0.25∼+0.25 구간에서는 정현적인 특성를 보여주는 것을 알 수가 있으며, 본 발명의 모터를 구동시에는 1/4 피치(τ) 마다 상절환이 일어나므로 특성곡선 상에서 맥동이 발생하는 중간구간에서는 상절환을 통해 또 다른 상에서의 1/4 피치(τ)의 구간을 정현적인 특성을 갖고 운전하게 되므로 결국 전체적으로 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터는 거의 정현적인 형태의 추력 특성을 유지하고 있다는 것을 알 수가 있다. 따라서, 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터를 비례제어 밸브의 솔레노이드 장치를 대치하여 사용하게 되면, 가동자의 제어되는 위치 정밀도를 충분히 향상시킬 수가 있다.

이상과 같은 본 발명의 양측식 리니어펄스 모터 및 그 구동방법은, 편측식 리니어펄스 모터에서 발생하는 수직력을 경감하며 축수의 부담을 경감할 수가 있으며, 한정된 공간내에서 2상 8극 하이브리드형으로 구성함으로써 단위 면적당 큰 추력을 얻을 수가 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (6)

1. 상, 하 양측 평면에 복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가짐과 동시에 소정의 공극을 사이로 복수의 열을 형성하는 가동자와;

   복수의 치가 일정한 피치(τ)를 가지며 복수의 돌출극이 형성된 복수의 철심과, 자로를 형성하기 위한 영구자석으로 구성되어 상기 가동자의 상, 하측에 소정의 공극을 갖도록 위치하는 제1고정자 및 제2고정자와;

   상기 돌출극에 감긴 코일로 구성되는 것을 특징으로 하는 양측식 리니어펄스 모터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 가동자의 동일평면 상에 공극을 사이로 인접한 열의 치들는 서로 1/2 피치(τ) 어긋나게 형성된 것을 특징으로 하는 양측식 리니어펄스 모터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 가동자의 상, 하측 평면 상에 서로 대응되는 치끼리는 서로 1/4 피치(τ) 어긋나게 형성된 것을 특징으로 하는 양측식 리니어펄스 모터.
4. 제 1항에 있어서, 상기 제1고정자 및 제2고정자의 동일 열에 형성된 돌출극들의 치들은 서로 1/2 피치(τ) 어긋나게 형성된 것을 특징으로 하는 양측식 리니어펄스 모터.
5. 제 4항에 있어서, 상기 제1고정자 및 제2고정자에 서로 대향하는 돌출극의 치들은 서로 동일 위치에 치가 형성되는 것을 특징으로 하는 양측식 리니어펄스 모터.
6. 제 1항의 양측식 리니어펄스 모터를 구동하기 위한 제어방법에 있어서,

   제1고정자 및 제2고정자 중에 어느 하나의 고정자에 형성된 돌출극중에서 대각선 방향으로 위치하는 돌출극들만이 안정점을 갖도록 돌출극에 감긴 코일에 전류를 인가하는 제1단계와;

   상기 제1단계에서 안정점을 갖는 고정자의 타측 고정자에 형성된 돌출극중에서 대각선 방향으로 위치하는 돌출극들만이 안정점을 갖도록 돌출극에 감긴 코일에 전류를 인가하는 제2단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 양측식 리니어펄스 모터의 구동방법.