KR20030006165A

KR20030006165A - 브러시리스 리니어모터의 요크 구조

Info

Publication number: KR20030006165A
Application number: KR1020010041739A
Authority: KR
Inventors: 조성훈
Original assignee: 주식회사 져스텍
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2003-01-23
Also published as: CN1396693A; DE10231190A1; CN1305209C; KR100377783B1

Abstract

리니어모터는 권취코일을 구비한 가동부와, 상기 가동부의 이동방향을 따라 길다랗게 연장되는 고정부를 구비한다. 상기 고정부는 베이스와 베이스로부터 돌출되는 지지대를 구비한 지지체와, 상기 지지대의 일측에 고정되며 길이방향을 따라 연장되는 제1 요크와, 상기 제1 요크와 마주보도록 지지체에 고정된 제2 요크와, 상기 제1 요크와 상기 제2 요크의 서로 마주보는 면에 부착되며 반대의 극이 마주보도록 배치되고 길이방향을 따라 가면서 극성이 바뀌도록 배치된 영구자석을 구비한다. 제1 요크와 상기 제2 요크는 서로 분리되어 각각이 지지체에 고정된다. 상기 제1 요크는 상기 길이 방향에 수직인 방향의 너비가 영구자석의 상기 길이 방향에 수직인 방향의 너비와 대체로 일치한다. 제1 요크는 사다리꼴이며, 상기 지지대에는 상기 사다리꼴 요크가 끼워지는 도브테일 끼워맞춤 홈이 마련된다. 지지체는 상기 지지대의 단부에 고정되는 고정피스를 더 구비하며, 상기 고정피스의 결합에 의해 상기 제1 요크가 고정된다.

Description

브러시리스 리니어모터의 요크 구조 {YOKE STRUCTURE OF BRUSHLESS LINEAR MOTOR}

본 발명은 브러시 없는(brushless) 리니어모터의 요크 구조에 관한 것이다.

선형구동을 위해 모터의 회전운동을 직선운동으로 변환하여 사용하여 왔다. 최근 변환기구 없이 직접 직선구동을 할 수 있는 선형모터가 개발되었다. 리니어모터(선형모터)는 빠른 속도와 강한 추력, 정확한 위치 제어를 제공하므로 그 사용 영역을 넓혀가고 있다.

리니어모터 중의 브러시 없는 리니어모터(BRUSHLESS LINEAR MOTOR)이다. 브러시리스 리니어모터는 영구자석을 서로 마주보도록 배치하여 자속이 흐르도록 하고 그 자속에 수직방향의 전류가 흐르도록 영구자석 사이에 코일을 배치한 것이 보통이다.

도1 및 도2는 그 예를 나타낸 것이다. 도1 및 도2를 참조하면, 리니어모터(10)는 지지대(12)와 U 자형의 요크(14)를 구비한다. 요크(14)는 지지대(12)의 일측에 고정된다. 요크(14) 상부의 서로 마주보는 면에 영구자석(16)이 고정된다. 요크(14)와 영구자석(16)은 고정부(17)를 구성한다. 가동부(22)는 고리형으로 감은 코일(18)을 구비한다. 영구자석(16) 사이에 코일(18)이 끼워진다. 코일(18)은 가동부(22)에 구비된 코일 고정대(20)에 고정된다. 고정부(17)와 가동부(22) 사이에는 리니어 모션 가이드(리니어베어링 등 직선운동 안내장치를 가리킴)(24)가 설치된다. 도1의 리니어모터는 중앙의 지지대 양쪽에 U자형의 요크가 배치되는 구조이다. 상부 및 측면에는 케이스(26)가 씌워진다.

도2의 리니어모터(10')의 구조에서는 지지대(12')의 양 측벽(13')과 중앙벽 사이에 요크(14')가 설치된다. 요크(14')의 상부의 서로 마주보는 면에 영구자석(16')이 고정된다. 도2의 리니어모터(10')는 도1의 리니어모터(10)와는 고정자와 리니어모션 가이드(24')의 상대적인 위치에서 차이가 있으나, 구동 원리면에서는 동일하다.

최근의 기술 발전 추세는 동일한 추력이나 제어 성능을 보장하나 더 작은 리니어모터를 요구한다. 특히, 폭에 비해 높이가 높아지면 안정성이 떨어져 위치 정밀도에서 문제가 발생할 수 있다. 이렇듯, 다른 성능은 그대로 유지하면서도 크기를 작게 하는 것이 필요하다.

이러한 점을 고려하여 본 발명은 요크의 구조를 개선하여 크기가 줄어든 리니어모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 또한, 크기가 줄어들었으면서도 강하고 균일한 추력을 얻을 수 있는 브러시리스 리니어모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도1 및 도2는 종래의 기술에 따른 요크 구조를 갖는 리니어모터의 종단면도

도3은 본 발명의 실시예에 따른 요크 구조를 갖는 리니어모터의 종단면도

도4는 도3의 리니어모터의 자속의 방향을 도시한 사시도

도5 및 도6은 각각 본 발명의 다른 실시예에 따른 요크의 고정 구조를 갖는 리니어모터의 종단면도로서 일부분을 도시한 도면

본 발명의 일 측면에 따르면, 코일을 구비한 가동부와, 상기 가동부의 이동방향을 따라 길다랗게 연장되는 고정부를 구비한 리니어모터에 있어서,

상기 고정부는 베이스와 베이스로부터 돌출되는 지지대를 구비한 지지체와, 상기 지지대의 일측에 고정되며 길이방향을 따라 연장되는 제1 요크와, 상기 제1 요크와 마주보도록 지지체에 고정된 제2 요크와, 상기 제1 요크와 상기 제2 요크의 서로 마주보는 면 중 적어도 하나의 면에 부착되며 길이방향을 따라 가면서 극성이 바뀌도록 배치된 영구자석을 구비하며, 상기 제1 요크와 제2 요크는 각각 별도의 부재로서 지지체의 고정되는 리니어모터가 제공된다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1 요크는 상기 길이 방향에 수직인 방향의 너비가 영구자석의 상기 길이 방향에 수직인 방향의 너비와 대체로 일치한다. 상기 제1 요크는 길이 방향이 수직으로 절단한 형상이 사다리꼴이며, 상기 지지대에는 상기 사다리꼴 요크가 끼워지는 도브테일 끼워맞춤 홈이 마련된다. 상기 지지체는 상기 지지대의 단부에 고정되는 고정피스를 더 구비하며, 상기 고정피스의 결합에 의해 상기 제1 요크가 고정된다.

이하 본 발명을 첨부한 도면과 함께 구현예를 들어 상세히 설명한다.

도3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 리니어모터(30)가 도시되어 있다. 리니어모터(30)는 고정부(32)와 가동부(34)를 구비한다.

고정부(32)는 지지체(36)를 구비한다. 지지체(36)는 베이스(38)와 베이스(38)로부터 위로 연장되며 길이 방향(도면에서는 종이면에 수직인 방향)으로 나란히 연장되는 지지대(40,42)를 구비한다. 양 지지대(40,42)는 서로 마주보게 된다. 지지체(36)는 모터의 구동 시 발생하는 힘에 의해 변형이 되지 않도록 강성을 유지하는 구조로 설계하며, 그에 맞는 재료를 선택한다. 또한, 자속에 영향을 미치지 않도록 약자성체 또는 역자성체에 근접하는 성질을 갖는 재료를 선택한다.

지지체의 재료로 역자성체에 근접한 성질을 가지며 기계적인 강도 및 강성이 우수한 글래스화이버를 사용하는 것이 바람직하다. 이와는 달리 알루미늄합금과 같은 약자성체 금속을 사용할 수도 있다. 알루미늄 재료의 지지체는 압출로 만들 수 있다. 다른 지지체 재료로는 화강암과 같은 석재를 들 수 있다. 석재는 깎아서(가공하여) 사용한다. 또 지지체는 석재(예를 들면 화강암) 분말을 에폭시와 같은 수지와 섞어 몰딩하여 만들 수도 있다.

각 지지대(40,42)의 상단부 부근 서로 마주보는 위치에는 측면 요크(44)가 볼트(46)에 의해 고정된다. 요크(44)는 도4에 잘 도시된 바와 같이 길이방향으로 연장된다. 양 지지대(40,42) 사이의 공간에는 길이방향으로 길다랗고, 상하방향으로는 베이스(38)까지 연장되는 중앙 요크(48)가 위치한다. 중앙 요크(48)는 베이스(38)에서 위쪽으로 돌출되는 볼트(50)에 의해 고정된다. 중앙 요크(48)는 상단부 양쪽에 영구 자석(52)이 안착될 수 있는 턱(54)이 마련된다. 중앙 요크(48)의 하부지주(48z)(볼트가 결합된 부분)에는 자속이 주로 통과하지 않으므로 이를 생략할 수도 있다. 그 대신 중앙 요크(48)는 상부 영구자석 사이에 끼인 부분만으로 구성하고 그 하부(즉, 도3, 도4의 하부지주(48z)에 해당하는 부분)는 지지체(36)를 연장시켜 구성할 수도 있다.

측면 요크(44) 및 중앙 요크(48)를 고정할 때에는, 볼트(46,50)를 길이방향으로 일정간격을 두고 여러 개 사용해서 요크(44,48)를 고정한다. 볼트를 사용하는 대신에 요크와 지지체 사이를 접착제로 고정할 수도 있다.

도1의 구조와는 달리, 도3의 구조에서는 지지체(36)가 리니어모터의 형태를 유지해줄 정도의 강성을 지니므로 요크에는 그러한 기계적인 성질이 요구되지 않는다. 다만 자기적인 성질이 우수한 것이 필요하다. 특히, 포화자속밀도가 큰 것이 좋다. 측면 요크 및 중앙 요크의 재료로는 탄소강, 슈퍼멀로이(supermalloy), 퍼멀로이(permalloy)를 사용할 수 있다. 그 중에서도 45% 니켈 합금강인 퍼멀로이를 사용하는 것이 소형화 및 성능향상 면에서 바람직하다.

도3 및 도4를 참조하면, 영구자석(521,522,523,524; 영구자석을 구분없이 가리킬 때는 도면 부호 52를 사용함)은 두께 방향으로 N-S 극이 착자된 것을 사용한다. 영구자석은 길이 방향으로 일정한 폭을 갖는 자석을 극이 번갈아 가면서 배치되도록 요크(441,442,48; 측면 요크를 구분없이 가리킬 때는 도면 부호 44를 사용함)에 접합된다. 영구자석은 N-S극이 착자된 단위 자석을 번갈아 가면서 붙이는 방법도 있으나, 이와는 달리 길다란 자석에 일정한 간격을 두고 N-S극을 번갈아 착자한 자석을 붙일 수도 있다. 영구자석(521 내지 524)으로는 희토류 영구자석을 사용하는 것이 바람직하다.

도4를 참조하면, 영구자석에서 나오는 대부분의 자속은 도시한 화살표 방향을 따라 자속선이 형성된다. 즉, 도4의 가장 우측 자석을 기준으로 생각하면 먼저 우측 요크(441)에 붙은 자석(521)으로부터 자속이 나와 중앙 요크에 붙어 있는 자석(552)을 통과하고 중앙 요크(48)를 통과한 후, 자석(523)(524)를 거쳐 좌측 요크(442)에서 길이 방향으로 나아가고, 그것을 이웃하는 자석을 지나, 자석, 중앙 요크(48)를 지나고 다시 2개의 자석을 통과한 후, 우측 요크(441)에서 다시 이웃하는 자석(521)으로 복귀한다. 중앙 요크(48) 중에서는 영구자석(522,523)과 접촉하는 부분만이 자속이 흘러가는 데에 실질적으로 기여한다.

이러한 구성을 도1 및 도2의 요크와 비교해본다. 도1 및 도2의 요크(14,14')에서도 실질적으로 자속이 흐르는 부분은 영구자석(16,16')과 접촉하는 부분이다. 그 외의 부분(H2,H2')에도 약간 통과하기는 하지만, 이 부분을 통과하는 자속은 코일(18,18')을 밀어내는 데에는 크게 기여하지 못한다. 따라서, 본 발명에서는 이렇게 자속의 흐름에 기여하지 못하는 부분을 제거한 것이다.

가동부(34)는 코일고정대(56)를 구비한다. 코일 고정대(56)에는 코일(58)이 고정되어 있다. 코일(58)은 도면에서는 상세히 도시되지는 않았지만, 하나의 코일은 루프(고리)형상으로서 자속 경로를 가로지르며 힘을 내도록 자속에 수직방향인 상하방향으로 연장되는 구동코일부와, 자속을 통과하지는 않는 연결코일부를 구비한다. 이러한 구성의 코일이 일렬로 나란히 배치된다. 코일의 구동코일부의 폭은자석 폭의 1/3이고, 전체 권취 코일의 폭은 4/3인 것이 바람직하다. 코일에 가하는 전류를 제어하기 위해 홀 센서가 코일의 중간 공간에 설치된다. 이러한 코일의 구성은 통상의 브러시리스 리니어모터에서 사용하는 코일을 사용할 수 있다. 상기와 같이, 코일은 공심형 코일이 사용될 수도 있고, 다른 상의 코일이 고리의 중간 부분을 지나는 코일 코어형의 코일을 사용할 수도 있다.

가동부(34)와 고정부(32) 사이에는 리니어 모션 가이드(60)가 설치되어 가동부의 직선이동을 안내한다. 지지체(36)에는 측면 케이스(62)가 고정되어 먼지 등의 이 물질이 안쪽으로 들어가지 못하게 한다. 도3에 도시한 바와 같이, 위치센서(66)가 지지대의 측벽과 가동부 사이에 설치된다. 리미트 센서(68)도 지지대와 가동부 사이에 설치된다.

도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 리니어모터(30a)는 측면 요크(44a)의 형상 및 측면 요크(44a)를 고정하는 부위 이외의 다른 부분의 구성은 도3에 도시한 리니어모터(30)와 구조가 동일하다. 지지체(36a)의 지지대(40a)에는 도브테일(dovetail) 끼워맞춤 홈(41)이 마련된다. 측면 요크(44a)는 그 단면이 사다리꼴로 형성되어 상기 도브테일 끼워맞춤 홈(41)에 끼울 수 있다. 그러면, 측면 요크(44a)가 고정될 수 있다. 이러한 형상의 지지체는 알루미늄 압출에 의해 제조할 수 있다. 그리고 압출 가공후 요크를 끼운다. 이 방법 이외에 준비된 요크를 공급하여 압출 금형을 통과하도록 알루미늄 지지체 압출속도와 일치시켜 이동시키면서 알루미늄 지지체를 압출하면 요크 끼우는 작업이 지지체 제조하는 작업과 동시에 수행될 수 있다.

도5에 도시한 실시예에서는 요크(44a)를 길이방향으로 밀어서 끼워야한다. 조립성을 개선하기 위해서, 지지체(36a)는 고정피스(43b)를 구비한다. 이 고정피스(43b) 및 고정대(40b)에는 삼각 홈이 마련된다. 고정피스(43b)를 고정대(40a)에 고정하면 도5에 도시한 바와 같은 도브테일 끼워맞춤 홈(41b)이 마련된다. 측면 요크(44b)를 고정하려면, 고정대(40b)에 먼저 측면 요크(44b)를 끼우고 그 위에 고정피스(43b)를 위치시켜 볼트로 체결한다. 이와 같이 하면 조립성이 향상된다. 화살표(431,432)로 표시하는 위치와 방향에서도 요크에 직접 볼트를 체결할 수도 있다.

이상 본 발명을 상기 구현예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

위와 같은 본 발명의 구성에 따르면, 요크의 불필요한 부분(H1,H1' 및 H2'의 일부)이 제거되므로 크기(특히, 높이)를 줄일 수 있다. 따라서, 모터의 높이가 낮아질 수 있어, 운동의 안정성이 높아진다. 요크가 모터에서 발생하는 힘을 지탱할 필요가 없으므로 요크 재료에 대한 선택의 폭이 넓어지며, 자기적인 성질이 우수한 것을 사용할 수 있다.

Claims

코일을 구비한 가동부와, 상기 가동부의 이동방향을 따라 길다랗게 연장되는 고정부를 구비한 리니어모터에 있어서,

상기 고정부는 베이스와 베이스로부터 돌출되는 지지대를 구비한 지지체와, 상기 지지대의 일측에 고정되며 길이방향을 따라 연장되는 제1 요크와, 상기 제1 요크와는 별도의 부재로서 상기 제1 요크와 마주보도록 지지체에 고정된 제2 요크와, 상기 제1 요크와 상기 제2 요크의 서로 마주보는 면 중 적어도 하나의 면에 부착되며 길이방향을 따라 가면서 극성이 바뀌도록 배치된 영구자석을 구비하는 리니어모터.
제1항에 있어서, 상기 제1 요크는 상기 길이 방향에 수직인 방향의 너비가 영구자석의 상기 길이 방향에 수직인 방향의 너비와 대체로 일치하는 리니어모터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 요크는 그 길이방향에 수직으로 절단한 단면이 사다리꼴이며, 상기 지지대에는 상기 사다리꼴 요크가 끼워지는 도브테일 끼워맞춤 홈이 마련된 리니어모터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 지지체는 상기 지지대의 단부에 고정되는 고정피스를 더 구비하며, 상기 고정피스의 결합에 의해 상기 제1 요크가 고정되는 리니어모터.