KR20040003930A - 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 단위 체적당 유효 권선수를 많게 하여 고효율을 구현함과 동시에, 냉각효율을 극대화한 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터에 관한 것이다.

Description

고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터{Coreless type linear motor with high efficiency moving part}

본 발명은 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터에 관한 것이며, 더욱 상세하게는 단위 체적당 유효 권선수를 많게 하여 고효율을 구현함과 동시에 냉각효율을 극대화할 수 있는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터에 관한 것이다.

리니어모터는 통상의 회전형 모터와 달리 직선형의 구동력을 직접 발생시켜 물체의 이송 및 위치를 제어하는 수단인 바, 이러한 리니어모터는 철심의 유무에 따라 철심형 리니어모터와 무철심형 리니어모터로 분류되는데, 본 발명이 속하는 무철심형 리니어모터는 1000N이하의 저추력용에 주로 적용된다.

한편, 종래의 무철심형 리니어모터는 코일과 고정블럭으로 구성된 가동자와 영구자석과 영구자석을 고정하는 요크를 구비한 고동자로 구성되는데, 코일배열에 있어서, 코일을 적층하지 않고 편평한 코일을 직렬로 배열하는 구조로 되어 있어 코일 내부에 유효권선이 없는 빈공간이 생성되므로 단위체적당 추력의 크기를 높이지 못하는 문제점을 가진다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해, 상기 무철심형 리니어모터의 가동자의 구조와 관련하여 미국특허 제 4,758,750호 공보와 대한민국특허 공고 제1990-5760호 공보에서 "가동 코일형 리니어모터"가 제시된 바 있다.

이들 발명들은, 절곡하여 성형한 코일 2종과 편평한 코일 1종을 고정틀 구조에 나란히 겹쳐 배치하고, 양단에 별도의 냉각핀을 구비함으로써 가동자를 구성함과 동시에 냉각구조를 구성한 것이다.

그러나, 상기와 같은 구조에 있어서는 코일의 유지강도가 고정틀에 의존하게 되므로, 큰 추력을 얻기 위해 코일 수를 증가시키게 되면 가동자의 길이가 길어져 고정틀의 강도가 약해지게 되는 문제점을 발생시킨다. 이러한 문제를 보완하기 위해 고정틀을 보강하게 되면 가동자의 관성이 커져 정밀도 및 안정성을 유지할 수 없다는 또 다른 문제점이 발생한다.

또한, 이들 발명에서는 3가지 형태의 코일을 사용하기 때문에 3종의 코일을 재고로 가지고 있을 필요가 있고, 절곡된 코일이 3중으로 적층되므로 양단의 두께는 코어 두께의 3배가 되는 문제점을 지니고 있다.

한편, 그 가동자의 냉각구조는 코일 내부에 알루미늄과 같은 열전도율이 우수한 재료를 내장시켜 외측으로 열을 방출하고, 상기 방열구조에서 전도된 열은 다시 외측에 구비된 냉각구멍을 통해 유체냉각을 하는 방식을 사용하고 있다.

그러나, 상기 냉각방식의 경우, 1차로 내부의 열을 방출하기 위한 방열체와 2차로 열을 방출하기 위한 유체 냉각유닛을 별도로 구비하여야 하기 때문에 가동자의 냉각을 위한 부대비용이 상승되는 문제점이 있다. 또, 2차 냉각구조에 있어서도, 냉각 경로상으로의 냉각 유체의 순환(자연대류)을 통한 것이어서, 발열부위에서의 높은 냉각 효율을 기할 수 없었다.

본 발명의 목적은 단위 체적당 유효 권선수를 많게 하여 고효율을 구현함과 동시에, 냉각효율을 극대화할 수 있는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터의 고정자와 가동자의 전체구조도이고,

도 2는 본 발명에 따른 단위코일의 조립상태를 보여주는 사시도이며,

도 3은 본 발명에 따른 단위코일의 코일간의 적층구조를 나타낸 측단면도이며,

도 4는 본 발명에 따른 고정자와 가동자의 결합상태를 보여주는 조립상태도이며,

도 5는 본 발명에 따른 무철심형 리니어모터의 냉각구조를 나타낸 가동자의 사시도이고,

도 6은 본 발명에 따른 무철심형 리니어모터의 단면구조도이고,

도 7은 본 발명에 따른 무철심형 리니어모터에 있어서 코일의 냉각구조의 전체 흐름을 나타낸 블럭도이다.

(도면의 주요부분에 대한 부호의 설명)

10. 가동자 11. 단위코일

12. 고정블럭 13. 냉각관

13a. 유입구 13b. 배출구

14. 에어 솔레로이드 밸브 15. 온도감지센서

16. 무두볼트 20. 고정자

21. 영구자석 22. 요크

상기 목적은 본 발명의 다음과 같은 구성을 통해 달성된다.

본 발명에 의한 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터는 가동자에 자기력을 제공하는 영구자석 및 상기 영구자석간을 고정하는 요크로 구성된 고정자와; 전원이 공급되는 3상 전원방식의 단위코일과 상기 코일을 고정하는 고정블럭을 구비한 가동자;를 포함하여 구성된 무철심형 리니어모터에 있어서;

상기 단위코일은 동일형상 코일 3개로 구성하되, 그 중 1상의 코일내에 형성된 공간내에 다른 2상의 코일의 일측을 각각 삽입하는 형태로 배열함으로써 단위체적당 유효 권선수를 높인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시형태에서는, 고정자에 자기력을 제공하는 영구자석 및 상기 영구자석간을 고정하는 요크로 구성된 가동자와; 전원이 공급되는 3상 전원방식의 단위코일 및 상기 코일을 고정하는 고정블럭을 구비한 고정자를 포함하여 구성된 무철심형 리니어모터에 있어서;

상기 단위코일은 동일 형상의 코일 3개로 구성하되, 그 중 1상의 코일내에형성된 공간내에 다른 2상의 코일의 일측을 각각 삽입하는 형태로 배열함으로써 단위체적당 유효 권선수를 높인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터의 바람직한 실시형태에 있어서는, 냉각구조에 있어서 냉각관의 배출구를 발열부인 코일의 양표면방향으로 경사지게 형성한 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 고효율의 가동자를 구비한 무 철심형 리니어모터를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터의 고정자와 가동자의 전체구조도이고, 도 2는 본 발명에 따른 단위코일의 조립상태를 보여주는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 단위코일의 코일간의 적층구조를 나타낸 측단면도이며, 도 4는 본 발명에 따른 고정자와 가동자의 결합상태를 보여주는 조립상태도로서, 도 1 내지 4를 참조하여 본 발명에 따른 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터를 상세히 설명한다.

본 발명에 의한 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터는 영구 자석(21)과, 상기 영구 자석(21)을 배열된 형태로 고정하는 요크(22)로 구성된 고정자(20)와, 전원이 공급되는 단위코일(11)과 상기 단위 코일(11)을 고정하는 고정블럭(12)을 구비한 가동자(10)를 구비하여 구성된다.

상기 고정자(20)는 영구자석(21)을 N, S로 순차적으로 배열하고 그 일측은 "ㄷ"형 요크(22)를 통해 영구자석이 고정된 양측식으로 구성함으로써, 그 내부에 설치된 가동자(10)에 자기장을 형성시킨다.

상기 가동자(10)는 코일 1종(A, B, C)을 앞뒷면으로 교대로 조합하여 3개의 코일이 1조가 되는 3상 전원방식의 단위코일(11)을 형성하는데, 상기 단위코일(11) 을 형성하는 각각의 코일(A,B,C) 형태는 도 2에서 보는 바와 같이, 가운데에 공간이 형성된 구조로서, 상기 단위코일(11)은 1상의 코일(B)내에 형성된 공간내에 2상의 코일(A, C)의 일측이 각각 삽입된 형태로 배열 구성된다.

그리고, 요구되는 추력의 크기에 따라, 상기와 같이 구성된 단위코일(11)을 n개 조합하여 늘려 나가게 되며, 이때, 단위코일간의 조합은 단위코일의 일측에 형성된 코일의 공간내로 조합되는 단위코일의 일측이 역상으로 삽입된 형태로 배열 구성함으로써, 추력의 크기는 정량적으로 n배 만큼 비례하여 커지게 되는 반면, 상기 단위 코일(11)과 단위 코일(11)의 조합부에 공간이 형성되지 않아 단위체적당 추력이 커지게 되는 것이다.

또한, 본 발명의 바람직한 일 실시형태로, 코일(A, B, C)의 점유율을 높이기 위해 코일의 단면은 사각형상을 가진 정렬 권선을 사용하고, 코일의 형상을 극피치(영구자석과 영구자석간의 피치) τ에 대한 코일의 폭 Wc가 4/3τ, 코일의 사각단면의 폭이 1/3τ가 되도록하고, 코일의 외형치수를 정확하게 설계하게 되면, 별도의 치구없이 조립이 용이할 뿐만 아니라, 추력을 발생시키는 유효 코일 부분은 빈틈없이 촘촘히 배열되므로 단위부피당 추력을 높일 수 있다.

이와 같이 배열된 단위 코일(11)은, 코일 상호간의 긴밀한 결합 및 절연을 위해 코일의 표면에 몰딩재로 몰딩시켜 결합하게 되는데, 이때 바람직하게는 절연성 및 고착성이 우수한 에폭지 수지를 사용하여 몰딩을 한 후, 고정 블럭(12)을 통해 최종적으로 고정하게 된다.

상기와 같이 구성된 고정자(20)와 가동자(10)를 상호 결합시켜 코일에 전류를 공급하게 되면, 가동자는 플레밍의 왼손법칙에 의해 특정 방향으로 자기장을 형성하게 되어 가동자는 직선운동을 하게 되는 것이다.

도 5는 본 발명에 따른 무철심형 리니어모터의 냉각구조를 나타낸 가동자의 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 무철심형 리니어모터의 단면구조도이고, 도 7은 본 발명에 따른 냉각구조의 전체 흐름을 나타낸 블럭도로서, 도 5 내지 7을 참조하여 본 발명에 따른 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터의 냉각구조를 설명한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 리니어모터는 그 특성상 가동자의 코일 발열량이 커짐에 따라 리니어모터의 효율성이 저하되고, 과도한 전력의 소비를 유발하며, 또한 고정밀도를 유지하기 어렵게 된다.

이를 방지하고자, 본 발명에서는 무철심 리니어모터의 발열부인 단위 코일(11)의 양표면에 직접 압축공기를 분사하는 압축공기 분사방식의 냉각방식을 제공한다.

상기 방식을 구현하기 위한 냉각구조에 있어서 고정블럭(12)을 관통하여 압축공기의 통로인 냉각관(13)을 형성하고, 상기 냉각관(13)의 유입구(13a)에는 압축공기의 유입을 제어하는 압축기와 연결된 에어솔레노이드 밸브(14)를 구비한다.

이때, 상기 냉각관(13)상에는 압축공기가 배출되는 다수 개의 배출구(13b)를 일정간격으로 배치하게 되는데, 상기 배출구(13b)는 코일의 양 표면을 향해 압축공기가 분사될 수 있도록 경사각을 두어 다수 개를 배치하게 된다. 또한, 상기 고정블럭(12) 상에 냉각관(13)을 가공하기 위해 발생시킨 구멍들은 무두볼트(16)로 폐쇄시켜 압축공기의 손실을 방지한다.

이로 인해, 무철심 리니어모터의 동작으로 단위코일(11)이 발열되면, 압축공기는 코일의 양 표면에 직접적으로 분사되어 코일을 효율적으로 냉각시킬 수 있고, 또한 상기 분사된 압축공기의 일부는 고정자(20)와 가동자(10)간의 공간내로 침투하게 되고, 또 일부는 고정자(20)의 영구자석(21)간에 형성된 공극내로 침투하여 무철심 리니어모터의 냉각효율을 극대화시키게 된다.

한편, 상기와 같이 구성된 무철심 리니어모터의 냉각구조에 있어 절전을 위해 제어기와 연결된 온도감지센서(15)를 발열부인 단위코일(11) 상에 구비하는데, 이때 단위코일의 발열을 쉽게 감지하기 위해 단위코일을 몰딩하기 이전에 온도 감지센서(15)와 코일의 표면을 열 전도율이 우수한 접착제를 사용하여 접합하게 된다.

이로 인해, 도 7에서 보는 바와 같이 단위코일이 과열되었을 경우, 온도감지센서가 이를 감지하여 과열 경보신호를 제어기로 송신함으로써 에어솔레노이드 밸브(14)를 개방시켜 발열된 단위 코일(11)를 냉각시키게 된다. 반면, 단위코일이 과열되지 않을 시에는, 에어솔레노이드 밸브(14)는 폐쇄되어 압축기의 작동을 정지시키게 되어, 코일의 냉각으로 인한 전력의 낭비를 방지할 수 있는 것이다.

한편, 이상에서는 코일을 가동자측에 구비하고, 영구자석을 고정시킨 형태로 무철심형 리니어모터를 예를 들어 설명하였지만, 그 응용분야에 따라서는 역으로상기 단위코일(11)이 구비된 가동자(10)를 고정하여 고정자로 구성하고, 상기 영구자석(21)이 구비된 고정자(20)를 가동자로 사용하는 영구자석 가동형(Moving Magnet type)으로 구성하는 것도 가능하며, 이 또한 본 발명의 기술범위로 예정하고 있는 바이다.

본 발명은 단위코일을 형성함에 있어, A, B, C간의 코일의 조합시에 공간을 제거함으로써 가동자의 단위체적당 효율을 극대화시켜 고효율의 무철심형 리니어모터를 구현할 수 있으며, 동일한 형상의 코일이 반복되는 구조로 되어 있어, 3가지 각기 다른 형상의 코일들로 단위코일을 형성한 종래의 형태에 비해 재고의 부담도 줄일 수 있고, 각기 다른 코일의 제작에 소요되는 부대경비를 절감할 수 있다.

또한, 무철심형 리니어모터의 발열부인 코일의 표면에 직접적으로 압축공기를 분사하는 효과적인 냉각구조를 제공함으로써 무철심형 리니어모터의 안정도 및 정밀도를 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (7)

1. 가동자에 자기력을 제공하는 영구자석 및 상기 영구자석간을 고정하는 요크로 구성된 고정자와; 전원이 공급되는 3상 전원방식의 단위코일 및 상기 단위코일을 고정하는 고정블럭을 구비한 가동자를 포함하여 구성된 무철심형 리니어모터에 있어서,

   상기 단위코일은 동일 형상의 코일 3개로 이루어지되, 그 중 1상의 코일내에 형성된 공간내에 다른 2상의 코일의 일측이 각각 삽입된 형태로 결합된 것을 특징으로 하는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터.
2. 고동자에 자기력을 제공하는 영구자석 및 상기 영구자석간을 고정하는 요크로 구성된 가동자와; 전원이 공급되는 3상 전원방식의 단위코일 및 상기 단위코일을 고정하는 고정블럭을 구비한 고정자를 포함하여 구성된 무철심형 리니어모터에 있어서,

   상기 단위코일은 동일 형상의 코일 3개로 이루어지되, 그 중 1상의 코일내에 형성된 공간내에 다른 2상의 코일의 일측이 각각 삽입된 형태로 결합된 것을 특징으로 하는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 코일은 사각형상의 단면을 가진 정렬 권선으로서, 극피치 τ에 대한 코일의 폭 Wc가 4/3τ, 코일의 사각단면의 폭이 1/3τ인 것을 특징으로 하는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 요구되는 추력의 크기에 따라서 상기 단위코일을 복수개 배열하여 구성하되, 상기 단위코일의 조합시, 하나의 단위코일의 일측에 형성된 코일의 공간내로 조합되는 다른 단위코일의 일측을 역상으로 삽입하여 배열 구성한 것을 특징으로 하는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 코일 또는 단위코일을 에폭지 수지를 사용하여 몰딩한 것을 특징으로 하는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터.
6. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 고정블럭을 관통하여 압축공기의 통로인 유입관을 형성하고, 상기 유입관의 입구에는 압축공기의 유입을 제어하는 압축기와 연결된 에어솔레노이드 밸브를 구비하며, 상기 유입관상에 코일 양표면을 향해 압축공기가 분사되도록 경사각을 두어 배치한 다수 개의 배출구를 일정 간격으로 구비한 것을 특징으로 하는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터.
7. 제 6항에 있어서, 상기 코일의 표면에 제어기와 연결된 온도감지 센서를 부착한 것을 특징으로 하는 고효율의 가동자를 구비한 무철심형 리니어모터.