KR20040023918A - 선형 왕복운동 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고정자에 공극구간과 보극구간을 두고 가동자에 마그네트를 삽입한 선형 왕복운동 기기에 관한 것이다.

본 발명의 구성은 고정자, 가동자 및 복귀수단으로 이루어진 통상의 선형 왕복운동 기기에 있어서, 고정자는 가동자를 사이에 두고 상호 대향하여 배치되는 한 쌍으로 구성되어 각각, 외주면에 감겨지는 코일 및 가동자와 마주하는 면에 가동자의 운동방향으로 번갈아 가며 배열되는 공극구간과 보극구간을 갖고, 일측 고정자의 공극구간이 상호 대향하여 배치되는 고정자의 보극구간과 마주보도록 구성되며; 가동자는 사각의 막대형상으로 길이방향과 직각 방향으로 내설되는 적어도 하나의 마그네트를 가지며; 복귀수단은 가동자의 어느 일측 또는 양측에 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 기기의 크기를 얇고 작게 만들 수 있을 뿐 아니라, 가동자의 전체적인 질량이 작아져 가동자의 왕복 주파수를 크게 할 수 있어서 효율이 높고 제조가 간편하다는 장점이 있다.

Description

선형 왕복운동 기기{Linear Reciprocating Flux Reversal PM Machine}

본 발명은 선형 왕복운동기기(Linear Reciprocating Flux Reversal PM Machine)에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 고정자에 공극구간과 보극구간을 두고 가동자에 마그네트를 삽입함으로써 효율이 높고 간편하게 제조할 수 있는 선형 왕복운동 기기에 관한 것이다.

일반적으로 선형 왕복운동 액추에이터(LOA : Linear Oscillatory Actuator)는 일정한 크기의 스트로크를 특정한 주파수로 선형 왕복운동을 하는 모터를 말하며 가역적으로 선형 발전기로도 쓰인다.

전자기력 LOA의 종류는 가동체 및 여자 코일의 수에 따라 분류될 수 있는데 가동체에 따라서 가동 코일형, 가동 철심형, 가동 자석형, 가동 계자형 등이 있다. 한편 전자기력 LOA 시스템이 높은 성능을 갖도록 하기 위해서는 실린더의 구조, 높은 에너지 밀도의 자석, 공진 조건에서의 압축 및 수축을 갖는 스프링, 일정한 제어 주파수의 단상전원이 필요하다.

낮은 속도 범위에서 긴 스트로크가 요구되는 응용에서는 액추에이터를 가속-등속-감속의 과정을 갖는 운전이 적합하지만 5 cm 이하의 짧은 스트로크를 갖는 응용에서는 왕복운동하는 동안에 단지 가속과 속도의 역전 주기만 있으면 되므로 구형파 전압으로 운전이 가능하다. 그러나 출력 전원의 고조파를 줄이면서 시스템에서 요구되는 주파수와 스트로크로 운전하기 위해서는 가변 주파수 가변 전압을 출력하는 PWM 인버터로 운전해야만 한다.

가동 자석형 LOA는 도 1과 같이 고정자를 전류로 여자하는 전자석으로 하고 가동자는 마그네트로 구성한다. 도 1에서 코일에 전류를 흘리게 되면 고정자의 양쪽 자극은 각각 S와 N극으로 자화되어 마그네트는 반발력과 흡인력을 받게 되어 추력이 발생한다.

최근 들어 이들 장치의 효율은 100와트이상 수백 와트급 출력범위 내에서 약 85∼93%대로 증가되었으며, 기계적 공진주파수가 상용전원주파수와 일치될 때 가장 잘 동작한다.

가동자의 왕복운동을 위해 사용되는 기계적 스프링(다중 플렉스쳐;Multiple Flexure)은 전기적 주파수와 기계적 주파수가 같아지는 것이 가능하도록 만들어주며, 스트로크의 끝 쪽에서 베어링의 역할과 에너지 저장장치로서의 역할을 수행한다.

그러나, 이와 같은 종래의 선형 왕복운동 기기는 85∼93%급의 효율에 대하여 큰 중량이 요구되어 진다는 단점이 있으며, 50㎐, 20㎜의 진폭을 갖는 기기의 경우 단위전력 당 중량이 약 25∼30㎏/㎾에 까지 이를 수가 있다.

또한, 이와 같은 종래의 선형 왕복운동 기기는 가동자가 고속왕복 운동을 하므로 가동자의 마그네트 부착부분이 쉽게 떨어지거나 손상될 수 있다는 문제점이 있다.

또한, 도 1과 같은 실린더 구조로 모터를 제작할 경우 축방향과 반경방향의 공극을 가지므로 코일 자속은 바깥쪽 요크와 안쪽의 축으로 흐른다. 따라서 철손을줄이기 위해 방사형의 성층 철심을 사용해야 하므로 제작이 어렵고 제조단가가 상승하는 문제점이 있다.

또한 가동자를 견고하게 구성하기 위해 마그네트와 철심으로 구성하여야 하는데, 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이 마그네트가 철심의 외주에 감기는 구조로 구성할 경우 전체적인 질량이 커져 왕복 주파수가 수 Hz로 제한된다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 가동자를 실린더 구조 대신 직사각의 성층 철심을 사용함으로써 제작이 간단하고, 또한 가동자의 마그네트를 가동자의 내부에 위치하도록 함으로써 부착부분이 쉽게 떨어지거나 손상되지 않고 질량이 작은 선형 왕복 운동기기를 제공하는데 있다.

도 1은 종래의 가동자석형 선형 왕복운동 기기의 단면도,

도 2는 본 발명에 따른 선형 왕복운동 기기 및 가동자의 단면도,

도 3은 본 발명에 따른 선형 왕복운동 기기의 사시도,

도 4는 본 발명에 따른 선형 왕복운동 기기의 코일에 전류가 흐르지 않을 경우의 자력선의 분포상태를 보여주는 도면,

도 5a, 5b, 5c는 본 발명에 따른 선형 왕복운동 기기의 코일에 전류가 흐를 때의 자력선의 분포상태를 보여주는 도면,

도 6은 입력 사인파를 보여주는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10, 110 : 제 1고정자11 : 제 2고정자

20, 120 : 가동자30, 130 : 코일

40 : 복귀스프링50 : 중앙홈

X1 : 보극구간

X2 : 공극구간

M1, M2, M3, M4 … : 마그네트

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 고정자, 고정자 내부에서 왕복운동하는 가동자 및 가동자를 원위치로 복귀시키기 위한 복귀수단으로 이루어진 통상의 선형 왕복운동 기기에 있어서,

고정자는 가동자를 사이에 두고 상호 대향하여 배치되는 한 쌍으로 구성되어 각각, 외주면에 감겨지는 코일 및 가동자와 마주하는 면에 가동자의 운동방향으로 번갈아 가며 배열되는 공극구간과 보극구간을 갖고, 일측 고정자의 공극구간이 상호 대향하여 배치되는 고정자의 보극구간과 마주보도록 구성되며;

가동자는 사각의 막대형상으로 길이방향과 직각 방향으로 내설되는 적어도 하나의 마그네트를 가지며;

복귀수단은 가동자의 어느 일측 또는 양측에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 공극구간과 보극구간은 고정자에 요철형상의 홈을 형성함으로써 구현할 수 있다.

상기 가동자 내에 내설되는 마그네트는 같은 극끼리 서로 마주보도록 배치되는 것이 바람직하다.

상기 코일은 고정자의 중앙홈과 고정자 외주면 좌우측에 각각 감겨지며, 이들 두 코일은 각각 다른 방향으로 감겨지는 것이 바람직하다.

상기 복귀수단은 탄성력을 갖는 복귀스프링인 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 선형 왕복운동 기기의 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 선형 왕복운동 기기의 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 선형 왕복운동 기기는 제 1고정자(10), 제 2고정자(11), 가동자(20) 및 복귀스프링(40)으로 구성된다.

제 1고정자(10) 및 제 2고정자(11)는 중앙영역에 코일(30)의 권선을 위한 중앙홈(50)을 가지며 중앙홈(50) 양측에는 동일한 구간길이를 갖는 보극구간(X1)과 공극구간(X2)이 교대로 형성되어 있다.

상기 중앙홈(50)에 권선되는 코일(30)은 중앙홈(50)과 고정자 외주면 좌우측에 각각 감겨지며 이들 두 코일(30)은 각각 다른 방향으로 감겨진다. 즉 좌측의 코일이 시계방향으로 감겨진 경우 우측의 코일은 반시계방향으로 감겨진다.

상기의 공극구간(X2)은 고정자 안쪽으로 일정 깊이의 홈을 파서 형성하였으며 결과적으로 공극구간(X2)과 보극구간(X1)이 요철형상을 하고 있는 것을 알 수 있다.

또한 도면에서 알 수 있는 바와 같이 제 1고정자(10)와 제 2고정자(11)는 상기 공극구간(X2)과 보극구간(X1)이 서로 엇갈리도록 배치되어 있다. 즉, 제 1고정자(10)의 공극구간(X2)은 제 2고정자(11)의 보극구간(X1)과 마주보도록 하고, 제 1고정자(10)의 보극구간(X1)은 제 2고정자(11)의 공극구간(X2)과 마주보도록 배치되어 있다.

본 발명에 의한 선형 왕복운동 기기의 가동자는 종래의 선형 왕복운동 기기들과 달리 실린더 구조가 아닌 직사각 형상으로 구현하였다. 가동자는 사각의 긴 막대 형상이며 가동자의 길이방향으로 마그네트가 일정한 간격을 두고 가동자 내에 배치되어 있다.

특히 상기의 마그네트는 N극과 N극끼리 그리고 S극과 S극끼리 서로 마주보도록 배치되어 있는 것을 볼 수 있다. N극과 S극이 서로 마주보도록 배치될 경우 자력선이 평행하게 발생하여 자속밀도의 차이에 의한 힘을 이용하려는 본 발명의 의도와 부합되지 않게 된다.

상기 제 1고정자(10), 제 2고정자(11) 및 가동자(20)는 단일의 금속체로 이루어진 것이 아니라 여러 개의 얇은 금속판을 적층하여 제조된다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 고정자의 각각의 보극구간(X1),공극구간(X2) 및 가동자의 마그네트간의 거리(X3)는 모두 같다.

상기 가동자의 일측에는 가동자의 복귀를 위한 복귀스프링(40)이 연결되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 의한 선형 왕복운동 기기의 동작을 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 따른 선형 왕복운동 기기의 코일에 전류가 흐르지 않을 경우의 자력선의 분포상태를 보여주는 도면이다.

도 4에서와 같이 코일에 전류가 흐르지 않을 때에는 마그네트에 의한 자력선은 대부분 고정자의 보극구간(X1)을 통해서 형성된다. 이는 공극구간(X2)은 철과 같은 금속이 아닌 공기가 있는 공간이고, 공기는 금속에 비하여 투자율이 매우 낮기 때문에 마그네트에 의한 자력선이 공기가 있는 공극구간(X2)이 아닌 금속부분인 보극구간(X1)으로 대부분 통과하기 때문이다.

도 4에서 일부구간을 확대한 도면을 참조하면, 코일에 전류가 흐르지 않고 있는 동안에는 가동자의 마그네트(M1)는 보극구간(X1)의 중간위치인 b지점에 위치한다.

도 5a ~ 5c는 코일에 교류전류를 인가했을 때의 자력선의 분포의 한 예를 보여주고 있는데, 도 6의 사인파가 입력전류로 사용되는 경우를 설명하면 다음과 같다.

먼저 전류 사인파의 0에서 π/2구간에서의 자력선의 변화를 보면, 코일(30)에 전류가 흐르면 자기장이 발생하여 도 5a와 같이 코일(30)이 감겨져 있는 경우 a~ c부분에서는 자력선이 제 2고정자(11)에서 제 1고정자(10)의 방향으로 형성되게 된다.

따라서, 이 부분에서 코일(30)의 전류에 의한 자력선과 마그네트에 의한 자력선이 합해지며, 이때 어느 부분에서는 방향이 동일한 자력선들끼리 합해지고 나머지 부분에서는 자력선의 방향이 서로 반대인 자력선들끼리 합해지게 된다. 그리고 방향이 동일한 자력선들끼리 합해지는 곳은 자속밀도가 커지게 되고 자력선의 방향이 서로 다른 자력선들끼리 합해지는 곳은 자속밀도가 작아지게 된다.

도 5b에서 c부분은 코일(30)에 의한 자력선과 마그네트에 의한 자력선이 모두 제 2고정자(11)에서 제 1고정자(10) 방향으로 향하고 있으므로 동일방향의 자력선들이 합해져 자속밀도가 커지게 되고, a부분은 코일(30)에 의한 자력선은 제 2고정자(11)에서 제 1고정자(10) 방향으로 향하고 있고, 마그네트에 의한 자력선은 제 1고정자(10)에서 제 2고정자(11) 방향으로 향하고 있으므로 방향이 반대인 자력선들이 합해져 자속밀도가 작아지게 된다.

자속밀도의 불균형으로 인하여 가동자는 자속밀도가 큰 곳에서 자속밀도가 작은 곳으로 힘을 받게 되며 도 5b에서처럼 가동자는 자속밀도가 큰 c부분에서 자속밀도가 작은 a부분으로 힘을 받아 가동자의 마그네트 M1이 a부분으로 이동하게 된다.

가동자의 마그네트 M1이 a부분으로 이동하면 더 이상 보극구간(X1)에서의 자속밀도의 불균형은 발생하지 않게 되고 가동자도 더 이상 움직이지 않고 멈추게 된다.

다음, 전류 사인파의 π/2에서 π구간에서의 자력선의 변화를 살펴본다. 스프링의 인장력을 적당히 조절한다면 자속밀도의 불균형에 의해 왼쪽으로 이동한 가동자는 입력사인파의 π/2를 넘어선 어느 시점부터 스프링의 인장력이 자속밀도의 불균형에 의한 힘보다 커지도록 하여 가동자가 다시 오른쪽으로 이동하게 하는 것이 가능하다.

전류 사인파의 크기가 0이 되는 π지점에 입력사인파가 오게 되면 자속밀도의 불균형이 일어나지 않게 되므로 가동자는 다시 멈추어 처음의 위치인 가동자의 마그네트 M1이 b지점에 오는 위치에서 멈추게 된다.

다음, 전류 사인파의 π에서 3π/2구간에서는 코일(30)의 전류가 앞에서와 반대방향이 되고 코일(30)에 의한 자력선의 방향 역시 반대가 된다. 즉, a ~ c부분에서 코일(30)에 의한 자력선은 제 1고정자(10)에서 제 2고정자(11) 방향으로 향하게 된다.

도 5c에서 a부분은 코일(30)에 의한 자력선은 제 1고정자(10)에서 제 2고정자(11) 방향으로 향하고 있고, 마그네트에 의한 자력선 역시 제 1고정자(10)에서 제 2고정자(11) 방향으로 향하고 있으므로 방향이 같은 자력선들이 합해져 자속밀도가 커지게 된다. 그러나 c부분은 코일(30)에 의한 자력선은 제 1고정자(10)에서 제 2고정자(11) 방향으로 향하고 있는 반면 마그네트에 의한 자력선은 제 2고정자(11)에서 제 1고정자(10) 방향으로 향하고 있으므로 방향이 다른 자력선들이 합해져 자속밀도가 작아지게 된다.

자속밀도의 불균형으로 인하여 가동자는 자속밀도가 큰 곳에서 자속밀도가작은 곳으로 힘을 받게 되며 도 5c에서처럼 가동자는 자속밀도가 큰 a부분에서 자속밀도가 작은 c부분으로 힘을 받아 가동자의 마그네트 M1이 c부분으로 이동하게 된다.

가동자의 마그네트 M1이 c부분으로 이동하면 더 이상 보극구간(X1)에서의 자속밀도의 불균형은 발생하지 않게 되고 가동자도 더 이상 움직이지 않고 멈추게 된다.

마지막으로, 전류사인파의 3π/2에서 2π구간에서의 자력선의 변화를 살펴본다. 스프링의 인장력을 적당히 조절한다면 자속밀도의 불균형에 의해 왼쪽으로 이동한 가동자는 입력사인파의 3π/2를 넘어선 어느 시점부터 스프링의 복원력이 자속밀도의 불균형에 의한 힘보다 커지도록 하여 가동자가 다시 왼쪽으로 이동하게 하는 것이 가능하다.

전류 사인파의 크기가 0이 되는 2π지점에 입력사인파가 오게 되면 자속밀도의 불균형이 일어나지 않게 되므로 가동자는 다시 멈추어 처음의 위치인 가동자의 마그네트 M1이 b지점에 오는 위치에서 멈추게 된다.

입력전류로 사인파가 주기적으로 공급됨에 따라 자속밀도의 변화에 따라 마그네트가 이동하는 상기의 과정이 주기적으로 반복되므로 결과적으로 가동자가 주기적인 왕복운동을 하게 되는 것이다.

본 발명에 의한 선형 왕복운동 기기에 의하면, 단일의 마그네트가 아닌 다수 개의 마그네트를 가동자에 삽입하여 선형 왕복운동 기기를 구성함으로써 효과적으로 자속을 응집할 수 있다.

또한, 고정자가 실린더형 가동자의 외주를 전체적으로 둘러싸는 형태가 아니므로 기기의 크기를 얇고 작게 만들 수 있을 뿐 아니라, 종래의 단일의 실린더형 마그네트에 비하여 작은 막대형의 자석을 사용하고 있으므로 가동자의 전체적인 질량이 작아져 가동자의 왕복 주파수를 크게 할 수 있다는 장점이 있다.

또한 마그네트가 가동자의 내부에 매설되는 구조를 갖기 때문에 마그네트의 부착이 용이할 뿐만 아니라 마그네트가 가동자로부터 쉽게 떨어지지 않아 기기의 내구성이 좋아진다.

또한 고정자 및 가동자를 종래의 실린더 형태가 아닌 사각형태로 구현이 가능하므로 고정자 및 가동자의 제조시 적층이 용이하여 제조가 간편해질 뿐만 아니라 제조단가도 낮출 수 있다.

Claims (5)

1. 고정자, 고정자 내부에서 왕복운동하는 가동자 및 가동자를 원위치로 복귀시키기 위한 복귀수단으로 이루어진 통상의 선형 왕복운동 기기에 있어서,

   고정자는 가동자를 사이에 두고 상호 대향하여 배치되는 한 쌍으로 구성되어 각각, 외주면에 감겨지는 코일 및 가동자와 마주하는 면에 가동자의 운동방향으로 번갈아 가며 배열되는 공극구간과 보극구간을 갖고, 일측 고정자의 공극구간이 상호 대향하여 배치되는 고정자의 보극구간과 마주보도록 구성되며;

   가동자는 사각의 막대형상으로 길이방향과 직각 방향으로 내설되는 적어도 하나의 마그네트를 가지며;

   복귀수단은 가동자의 어느 일측 또는 양측에 연결되는 것을 특징으로 하는 선형 왕복운동 기기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 공극구간과 보극구간은 고정자에 요철형상의 홈을 형성함으로써 구현되는 것을 특징으로 하는 선형 왕복운동 기기.
3. 제 1항에 있어서, 상기 가동자 내에 내설되는 마그네트는 같은 극끼리 서로 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 왕복운동 기기.
4. 제 1항에 있어서, 상기 코일은 고정자의 중앙홈과 고정자 외주면 좌우측에 각각 감겨지며, 이들 두 코일은 각각 다른 방향으로 감겨지는 것을 특징으로 하는 선형 왕복운동 기기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 복귀수단은 탄성력을 갖는 복귀스프링인 것을 특징으로 하는 선형 왕복운동 기기.