KR20030054753A - 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직선 동력을 얻기 위해 유압 혹은 공압을 사용하거나 회전형 전동기와 동력전달장치를 사용하는 시스템에 비하여 구조가 간단하고 또한 기존의 선형 전동기에 비하여 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기를 제공한다. 본 발명의 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기는, 고정자 철심과 이 고정자 철심을 감고 전류가 흐르는 권선으로 이루어진 고정자와, 이동자 철심과 영구자석으로 이루어져 상기 고정자의 중앙에 배치되는 이동자를 포함하여 구성된다. 상기 이동자는 이동자 철심 사이에 영구자석을 마주보게 배치하여 구성한다. 상기 고정자 철심은 소정 간격 이격된 한쌍의 기둥부를 포함하여 이루어지고, 상기 권선은 소정 간격으로 나란히 배열된 고정자 철심들의 일측 기둥부들의 하부와 타측 기둥부들의 하부를 각각 둘러싸는 한 쌍의 권선으로 이루어진다.

Description

2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 {A 2-phase Transverse Flux Linear Motor With Permanent Magnet Excitation}

본 발명은 고출력 고효율의 선형 동력 발생 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비교적 간단한 구조이면서 고출력으로 동력 발생효율을 높일 수 있는 2상횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 직선 동력을 얻기 위해서는 유압 혹은 공압을 사용하거나 회전형 전동기와 볼 스크루 등 동력전달장치를 사용하고 있다. 그런데 이러한 시스템들은그 구조가 복잡하여 제조 단가가 높고 또한 유지보수의 비용도 높다는 단점이 있다.

한편, 기존의 선형 전동기는 직선운동을 직접 발생시키기 때문에 동력전달장치가 필요 없으며 구조도 간단하지만, 발생 추력이 적고 효율이 낮은 단점이 있다. 예를 들면 철도 차량용 선형 유도전동기는 회전형 유도전동기에 비하여 공극이 수배이상 크고 단부 효과 때문에 단위 무게당 발생 출력과 효율이 낮다.

본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 직선 동력을 얻기 위해 유압 혹은 공압을 사용하거나 회전형 전동기와 동력전달장치를 사용하는 시스템에 비하여 구조가 간단하고 또한 기존의 선형 전동기에 비하여 고출력으로 동력 발생 효율을 높일 수 있는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기는, 고정자 철심과 이 고정자 철심을 감고 전류가 흐르는 권선으로 이루어진 고정자와, 이동자 철심과 영구자석으로 이루어져 상기 고정자의 중앙에 배치되는 이동자를 포함하여 구성된다. 상기 이동자는 이동자 철심 사이에 영구자석을 마주보게 배치하여 구성한다. 상기 고정자 철심은 소정 간격 이격된 한쌍의 기둥부를 포함하여 이루어지고, 상기 권선은 소정 간격으로 나란히 배열된 고정자 철심들의 일측 기둥부들의 하부와 타측 기둥부들의 하부를 각각 둘러싸는 한 쌍의 권선으로 이루어진다.

또한 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기는, 상기한 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 한 쌍을 각각의 이동자측이 서로 마주보게 배치하고 그 중간에 비자성체를 설치하여 구성한다. 상기 한 쌍의 전동기중 일측 전동기의 고정자와 타측 전동기의 고정자를 각각 상기 극간극의 1/2만큼 위치가 어긋나게 배치하여 구성한다.

도 1은 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 1상 기본 도면,

도 2는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 1상 이동자 도면,

도 3은 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 철심 도면,

도 4는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 권선 도면,

도 5a 및 도 5b는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 힘 발생 원리도,

도 6a는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 1상의 이동자 위치-전류 특성도,

도 6b는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 1상의 이동자 위치-발생힘 특성도,

도 7은 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 1상의 전원 공급회로도,

도 8은 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 기본 도면,

도 9는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 이동자 도면,

도 10a 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 각 상 이동자 위치-전류 특성도,

도 10b는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 각 상 이동자 위치-발생힘 특성도,

도 10c는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 이동자 위치-발생힘 특성도,

도 11은 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 전원 공급회로도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 이동자 철심 2 : 이동자 영구자석

3 : 이동자 4 : 권선

5 : 고정자 철심 6 : 전원

7,S₁∼S₈: 전동기 전원공급 소자 8 : 비자성체

9 : 고정자

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 1상 구조에 대하여 첨부된 도1 내지 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도1은 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 1상 기본 도면이다. 동 도면에 도시되어 있는 바와 같이, 이동자(3)는 이동자 철심(1)과 에너지 밀도가 높은 이동자 영구자석(2)으로 구성되어 고정자(9)의 중앙에 배치되어 있고, 상기 고정자(9)는 고정자 철심(5)과 고정자에 전류를 흐르게 하는 권선(4)으로 구성되어 있다.

상기 이동자(3)는 도2에 도시한 바와 같이 사각형 형태의 이동자 철심(1) 사이에 영구자석(2)을 마주보게 배치하여 높은 공극 자속을 만들 수 있는 구조로 구성하였다. 도면에서 화살표는 영구자석(2)에서 발생하는 자속의 방향을 나타내고 있다. 여기서, 이동자 철심(1)들은 서로 동일한 치수로 구성되며 또한 영구자석(2)들도 서로 동일한 치수로 구성되는 것이 바람직하다. 상기 이동자 철심(1)을 사이에 두고 서로 이웃하는 영구자석(2)들은 서로 다른 방향의 자속을 발생시키도록 배치되어 있다.

상기 고정자 철심(5)은 도3에 도시한 바와 같이 기둥부(5a,5b)와 받침부(5c)로 이루어진 U자 형상의 철심으로 이루어지고, 이들 철심들은 이동자 자속과 고정자 자속에 의해서 양측의 공극에서 같은 방향으로 힘을 발생시키기 위해서 극간격 τ_p만큼 비틀어지게 배치되어 있다. 즉, 각각의 고정자 철심의 기둥부(5a,5b)는 서로 극간격 τ_p만큼 비틀어져 있고, 이러한 고정자 철심들은 2τ_p간격으로 나란히 배치되어 있다.

상기 권선(4)은 도4에 도시한 바와 같이 두 개의 기다란 환형 원통형상으로 구성되고, 이 두 개의 환형 권선(4)은 연접하여 나란히 배열되어 있다. 도1에 도시한 바와 같이 한쪽 환형 권선(4)의 내측 구멍에는 나란히 배열된 복수의 고정자 철심(5)의 한쪽 방향의 기둥부(도3에서 예를 들면 5a)들이 삽입되고, 다른 쪽 환형 권선(4)의 내측 구멍에는 나란히 배열된 복수의 고정자 철심(5)의 다른 쪽 방향의 기둥부(도3에서 예를 들면 5b)들이 삽입된다.

이와 같이 환형 권선(4)의 중앙부에 고정자 철심(5)의 기둥부(5a,5b)가 삽입·설치되면 도1에 도시한 바와 같이 두 개의 환형 권선(4)의 서로 연접하는 부분이 고정자 철심(5)의 받침부(5c)에 의하여 지지되는 구조가 되고, 상기 이동자(3)는 상기 환형 권선(4)의 연접부분 위에서 고정자 철심(5)의 기둥부(5a,5b)사이에 위치한다. 여기서, 나란히 배열된 고정자 철심(5)의 1피치는 두 개의 이동자 철심(1)과 두 개의 영구자석(2)의 길이와 대응하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 힘 발생 원리에대하여 도5a 및 도5b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도5a에 도시한 바와 같이 고정자 권선(4)에 I₁방향의 전류를 흘리면 암페어의 주회법칙에 의하여 도면에서 고정자 철심(5)의 위쪽 기둥부에는 S극, 도면에서 아래쪽 기둥부에는 N극의 자속이 발생한다. 따라서, 고정자의 자극과 이동자의 자극 상호 작용에 의하여 자극의 방향이 같으면 반발력, 자극의 방향이 다르면 흡인력이 발생하여 도면에서와 같이 힘 F₁, F₂, F₃, F₄가 생겨 우측 방향의 합성된 힘 F가 발생한다.

도5a의 상태에서 이동자(3)를 τ_p만큼 이동시키고 도5b에 도시한 바와 같이 고정자 권선(4)에 I₂방향의 전류를 흘리면 도5b에서 고정자 철심(5)의 위쪽 기둥부에는 N극, 도면에서 아래쪽 기둥부에는 S극의 자속이 발생하여 힘 F₅, F₆, F₇, F₈의 합성 힘 F가 생겨 일정한 방향으로 계속 힘이 발생한다.

도6a는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 1상의 이동자 위치-전류 특성을 나타낸 도면으로, 0∼τ_p구간에서는 전류 I₁, τ_p∼2τ_p구간에서는 전류 I₁과 반대방향인 전류 I₂를 인가하면, 이동자의 위치에 따라 도6b와 같이 추력이 발생한다.

도7은 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기 1상의 전원 공급회로도로, I₁방향으로 전류를 발생시키기 위해서는 S₁과 S₃를 도통시키고 I₂방향으로 전류를 발생시키기 위해서는 S₂과 S₄를 도통시킨다. 여기서, S₁∼S₄는 반도체 소자를 사용한다.

다음으로, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기에 대하여 첨부된 도8 내지 도 11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도8은 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 기본 도면으로, 2상 즉 A상과 B상을 서로 마주보게 설치하고 A상과 B상이 서로 자기회로에 영향을 받지 않도록 중앙에 상 분리 비자성체(8)를 설치한 구조이다. 또한 전동기에서 발생하는 추력의 맥동을 감소시키기 위하여 A상 전동기의 고정자와 B상 전동기의 고정자를 각각 (1/2)τ_p만큼 위치가 어긋나게 배치한다. 도9는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 이동자 도면으로, 상하 2개의 이동자(3)사이에 상 분리 비자성체(8)를 삽입한 구성이다.

도10a 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 A상과 B상 각각의 이동자 위치-전류 특성으로, B상의 이동자 위치-전류 곡선은 (1/2)τ_p만큼 이동되어 있다. 도10b는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 A상과 B상 각각의 이동자 위치-발생힘 특성으로, B상의 이동자 위치-발생힘 곡선은 (1/2)τ_p만큼 이동되어 있다. 도10c는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 이동자 위치에 따른 2상 합성 발생힘 특성을 나타낸 도면으로, 0, (1/2)τ_p, τ_p, (3/2)τ_p, 2τ_p···에서 최소 값을 가진다.

도 11은 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 전원 공급회로도로, 도7의 회로도에서 전원(6)을 공통으로 사용하고 A상과 B상은 병렬로 연결되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기는 에너지밀도가 높은 영구자석에서 큰 무부하 공극 자속을 얻을 수 있고, 권선 전류에 의하여 발생하는 자속을 이용하기 때문에 높은 추진력을 발생시키고, 2상에서 힘을 발생시킬 경우 발생 힘의 맥동을 감소시킨다. 또한 고출력이기 때문에 사용 철심과 권선의 양을 절약하므로 자재비가 적게 요구되고, 동력 발생 효율을 높일 수 있다. 따라서 높은 추력을 요구하고 선형 추진시스템의 설치가 제한된 장소에 설치가능하고, 특히 유압에 의하여 동력을 얻을 수 있는 시스템의 많은 부분을 간단한 전기식 추진시스템으로 대체시킬 수 있다.

한편, 본 발명은 상술한 실시예에만 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 기술사상 역시 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

이상 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 직선 동력을 얻기 위하여 유압 혹은 공압을 사용하거나 회전형 전동기와 동력전달장치를 사용하는 시스템에 비하여 구조를 간단히 하여 유지보수의 비용을 줄이고, 기존의 선형 전동기에 비하여 고출력이기 때문에 사용철심과 권선의 양을 절약하므로 자재비가 적게 요구되고, 동력 발생 효율을 높일 수 있으므로 에너지를 절약할 수 있다.

Claims (17)

1. 고정자 철심과 이 고정자 철심을 감고 전류가 흐르는 권선으로 이루어진 고정자와, 이동자 철심과 영구자석으로 이루어져 상기 고정자의 중앙에 배치되는 이동자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 이동자는 이동자 철심 사이에 영구자석을 마주보게 배치하여 구성한 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 고정자 철심은 소정 간격 이격된 한 쌍의 기둥부를 포함하여 복수 개로 구성되고, 상기 권선은 소정 간격으로 나란히 배열된 고정자 철심들의 일측 기둥부들의 하부와 타측 기둥부들의 하부를 각각 둘러싸는 한 쌍의 권선으로 이루어진 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상기 이동자 철심을 사이에 두고 서로 이웃하는 영구자석들은 서로 다른 방향의 자속을 발생시키는 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
5. 소정 간격으로 나란히 배열된 U자 형상의 고정자 철심들과, 이 고정자 철심들의 일측 기둥부들의 하부와 타측 기둥부들의 하부를 각각 둘러싸는 한 쌍의 환형 권선으로 이루어진 고정자와;

   영구자석과 이동자 철심이 번갈아 결합된 봉 형상으로, 상기 고정자 철심의 기둥부 사이의 권선 상측에서 상기 고정자 철심들의 배열방향과 같은 방향으로 배치된 이동자를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 이동자는 이동자 철심 사이에 영구자석을 마주보게 배치하여 구성한 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 이동자 철심을 사이에 두고 서로 이웃하는 영구자석들은 서로 다른 방향의 자속을 발생시키는 형태로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
8. 제 3항, 제 5항, 제 6항 및 제 7항중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자 철심의 한쌍의 기둥부는 서로 극간격 만큼 비틀어져 있고, 이들 고정자 철심은 상기극간격의 2배수 간격으로 나란히 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 나란히 배치된 고정자 철심들 사이의 1피치는 두 개의 이동자 철심과 두 개의 영구자석의 길이와 대응하는 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
10. 제 8항에 있어서,

    상기 이동자의 위치가 상기 극간격 만큼 이동할 때마다 상기 권선에 흐르는 전류방향이 바뀌도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
11. 제 1항, 제 2항, 제 4항, 제 5항, 제 6항, 제 7항 및 제 9항중 어느 한 항에서 정의한 1상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 한 쌍을 각각의 이동자측이 서로 마주보게 배치하고 그 중간에 비자성체를 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
12. 제 4항에서 정의한 1상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 한 쌍을 각각의 이동자측이 서로 마주보게 배치하고 그 중간에 비자성체를 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
13. 제 8항에서 정의한 1상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 한 쌍을 각각의 이동자측이 서로 마주보게 배치하고 그 중간에 비자성체를 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
14. 제 10항에서 정의한 1상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기의 한 쌍을 각각의 이동자측이 서로 마주보게 배치하고 그 중간에 비자성체를 설치하여 구성한 것을 특징으로 하는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
15. 제 13항에 있어서,

    상기 한 쌍의 전동기중 일측 전동기의 고정자와 타측 전동기의 고정자를 각각 상기 극간극의 1/2만큼 위치가 어긋나게 배치하여 구성한 것을 특징으로 하는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
16. 제 15항에 있어서,

    상기 한 쌍의 전동기중 일측 전동기의 이동자와 타측 전동기의 이동자 사이에 상 분리 비자성체를 삽입하고 이들 두 개의 이동자를 일체화한 것을 특징으로 하는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.
17. 제16항에 있어서, 상기 이동자의 위치가 상기 극간격 만큼 이동할 때마다 상기 권선에 흐르는 전류방향이 바뀌도록 구성되어 있고, 상기 한 쌍의 전동기중 일측 전동기의 권선에 흐르는 전류방향의 변환 타이밍은 타측 전동기의 권선에 흐르는 전류방향의 변환타이밍은 상기 극간격의 1/2배만큼 어긋나도록 구성된 것을 특징으로 하는 2상 횡자속형 영구자석 여자 선형 전동기.