KR20050074527A

KR20050074527A - 스파이럴형 리니어모터

Info

Publication number: KR20050074527A
Application number: KR1020057007867A
Authority: KR
Inventors: 야스타카 후지모토
Original assignee: 요코하마 티엘오 가부시키가이샤
Priority date: 2002-11-05
Filing date: 2003-10-24
Publication date: 2005-07-18
Also published as: US20050269893A1; CN100466426C; WO2004042902A1; EP1560320A4; JP3712073B2; EP1560320A1; JPWO2004042902A1; US7176590B2; AU2003275656A1; KR100720266B1; CN1711669A

Abstract

직진구동력을 발생하는 모터에 있어서, 소형경량, 고정밀도, 고추진력의 각 점을 동시에 구비할 수 있다. 스파이럴형 리니어모터(1)는, 회전자(3)및 고정자(2)를 모두 나선형상으로 구성하여, 양 나선형상부분을 서로 조합하는 것에 의해, 회전하면서 축방향으로 추력을 발생한다. 나선형상으로 하는 것에 의해 감속기어와 같이 높은 추력을 얻을 수 있고, 또한, 회전자와 고정자의 축방향에 대항햐는 큰 면적을 이용하는 것에 의해 높은 추력을 얻을 수 있다.

Description

스파이럴형 리니어모터{SPIRAL LINEAR MOTOR}

본 발명은, 고정자에 대해서 회전자가 축방향으로 직선운동하는 스파이럴형 리니어모터에 관한 것이다.

NC기계 등, 외력을 받으면서 정밀한 위치결정을 행하는 경우, 큰 추력(推力)과 높은 강성이 필요하게 된다. 이 큰 추력을 얻기 위해서는 기어에 의해 모터의 출력을 감속하는 방법과, 큰 자계를 이용하는 다이렉트 드라이브 방식이 알려져 있다.

기어에 의해 모터의 출력을 감속하는 것에 의해 큰 추력을 얻는 경우에는, 기어에 의해 쿨롱 마찰력이 위치결정 정밀도에 크게 영향을 준다고 하는 문제가 있어, 또한, 다이렉트 드라이브 방식에 의해 큰 추력을 얻는 경우에는, 장치가 대형이 된다고 하는 문제가 있다.

특히 직선운동형의 액츄에이터의 경우에는, 기어를 이용한 방식으로서 회전형의 모터와 볼나사를 조합한 구성이 알려져 있지만, 회전형의 모터와 볼나사를 조합하는 구성은 위치결정 정밀도의 문제 이외에, 장치가 복잡하게 된다고 하는 문제가 있다. 또한, 다이렉트 드라이브 방식에 의한 직선운동형의 액츄에이터로서는, 리니어모터를 이용한 구성이 알려져 있다.

또한, 직진구동력을 발생하는 모터로서 원통형 표면에 N극과 S극을 나선형상으로 교대로 등간격으로 착자하여 회전자로 하고, 축방향에 대해서 수직평면상에 주위를 둘러싸도록 전자코일을 배치하여 고정자로 하는 스파이럴 모터가 제안되고 있다. 예를 들면, 이러한 스파이럴 모터로서 일본국 특허공개 평성 9-56143호가 제안되고 있다.

종래의 모터구성에서는, 큰 추력을 얻기 위해서는, 장치가 복잡하게 된다고 하는 문제가 있다. 또한, 상기 문헌에 제안되는 스파이럴 모터에서는, 추력은 전자코일과 회전자의 바깥둘레면과의 대향면적에 의존하기 때문에, 큰 추력을 얻는 것이 곤란하다고 하는 개제가 있다.

따라서, 종래, 직진구동력을 발생하는 모터로서 알려진 구성에서는, 소형경량, 고정밀도, 고추력의 각 점을 동시에 구비할 수 없다고 하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하여, 직진구동력을 발생하는 모터에 대하여, 소형경량, 고정밀도, 고추력의 각 점을 동시에 구비할 수 있는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 고정자의 개략구성을 나타내는 도면이고,

도 2는 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 코일을 감아 돌린 상태의 고정자의 개략도면이고,

도 3은 본 발명의 고정자에 감겨지는 2상의 코일의 위상상태를 설명하기 위한 도면이고,

도 4는 본 발명의 고정자의 작성순서의 일례를 설명하기 위한 개략도면이고,

도 5는 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 회전자의 개략구성을 나타내는 도면이고,

도 6은 본 발명의 회전자를 축방향으로 투영한 도면이고,

도 7은 본 발명의 회전자의 작성순서의 일례를 설명하기 위한 개략도면이고,

도 8은 본 발명의 고정자에 회전자를 집어 넣은 상태를 바깥쪽으로부터 본 도면이고,

도 9는 본 발명의 고정자에 회전자를 집어 넣은 상태를 나타내는 도면이고,

도 10은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 종단면도면이고,

도 11은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 극좌표전개도이고,

도 12는 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 모드(1)의 자기회로 모델상태를 나타내는 극좌표전개도이고,

도 13은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 모드(1)의 자기회로모델 상태를 나타내는 등가자기회로도이고,

도 14는 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 모드(2)의 자기회로 모델상태를 나타내는 극좌표전개도이고,

도 15는 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 모드(2)의 자기회로 모델상태를 나타내는 등가자기회로도이고,

도 16은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 전기자회로도이고,

도 17은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터에 적용하는 추력·토크-전류변환기를 나타내는 도면이고,

도 18은 스파이럴면에 있어서의 회전방향에 가해진 힘 δfθ와 진행방향으로 작용하는 힘 δf의 관계를 설명하기 위한 도면이고,

도 19는 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 추력 제어계의 블럭도이고,

도 20은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 추력 제어계의 상세블럭도이고,

도 21은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 위치제어계의 블럭도이고,

도 22는 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 위치제어계의 상세블럭도이다.

본 발명은, 회전운동을 병진운동으로 변환하는 나사의 기구와 전자력에 의한 동력기구를 일체화하는 것에 의해, 소형경량, 고정밀도, 고추력의 각 점을 동시에 구비하는 직선운동모터를 구성하는 것이다.

본 발명은, 나사기구를 전자력에 의해 비접촉으로 함으로써 마찰에 의한 영향을 배제하여, 이것에 의해 고정밀도의 위치결정 제어가 가능하게 된다. 또한, 전자력을 작용시키는 나사기구부분의 면적을 크게 잡을 수 있기 때문에 자속을 유효하게 이용할 수 있어, 동일부피, 동일중량의 종래의 리니어모터보다 큰 추력을 얻을 수 있다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터는, 회전자 및 고정자를 모두 나선형상으로 구성하여, 양 나선형상부분을 서로 조합함으로써, 나선형상으로 회전하면서 축방향으로 추력을 발생하는 것으로, 나선형상으로 함으로써 감속기어와 같이 고추력을 얻을 수 있다. 또한, 회전자와 고정자의 축방향으로 대향하는 큰 면적을 이용함으로써 고추력을 얻을 수 있다.

또한, 회전자 및 고정자의 피치를 작게 함으로써 고회전형이 되어, 소형경량으로 할 수 있다.

또한, 회전자와 고정자와의 사이는 비접촉이기 때문에, 마찰에 의한 영향을 줄여 고정밀도의 위치결정이 가능하게 된다.

본 발명의 스파이럴 모터는, 중심축과 이 중심축의 바깥둘레에 설치한 나선형상부를 구비하는 회전자와, 회전자와 동일피치의 나선형상의 중공자극을 구비하는 고정자를 구비한 구성으로 하여, 회전자의 중심축을 고정자의 중공자극내에 배치한다. 그리고, 회전자의 나선형상부를 고정자의 중공자극의 나선형상의 홈안에서 나선형상으로 회전을 자유롭게 하여, 회전자를 고정자에 대해서 나선형상으로 회전하면서 축방향으로 직선운동시킨다.

이 구성에 의한 스파이럴형 리니어모터에서는, 나선형상으로 형성된 고정자의 홈안을, 마찬가지로 나선형상으로 형성된 회전자의 나선형상부가 나선형상으로 회전하면서, 나사기구와 같이 축방향으로 직선운동한다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 회전자는, 회전자의 나선형상부의 나선측면에 영구자석을 구비한다. 또한, 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 고정자는, 중공자극의 나선형상의 양 측면에 서로 90도 위상을 조정한 2상의 코일을 축방향으로 감아 돌린다. 또한, 고정자는, 중공자극의 나선형상의 양 측면에 요철부를 구비하여, 이 요철부에 코일을 감아 돌린다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 토크 및 추력은, 회전자와 고정자가 서로 대향하는 자극의 나선형상 측면사이에서 교차하는 전자력에 의해 발생하여, 각각 독립하여 제어할 수 있다.

이하, 도면을 이용하여 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태에 있어서의 스파이럴형 리니어모터를 설명한다.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 도 1~도 4를 이용하여 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 고정자에 대해서, 도 5~도 7을 이용하여 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 회전자에 대해서, 도 8~도 10을 이용하여 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 회전자와 고정자의 조합의 각 구조에 대해서 설명한다. 또한, 도 11~도 15를 이용하여 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 추력 발생의 원리에 대해 설명하고, 도 16을 이용하여 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 전기자회로에 대해 설명하고, 도 17~도 22를 이용하여 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 제어에 대해 설명한다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터(1)는 고정자(2)와 회전자(3)을 포함하고, 회전자(3)은 고정자(2)에 대해서 나선형상의 회전하면서 축방향으로 직선운동한다.

도 1은 본 발명의 고정자(2)의 개략구성을 나타내는 도면이다. 고정자(2)는, 축방향으로 중공구멍(2b)을 갖는 동시에, 축방향을 향하여 소정의 피치로 형성된 나선형상의 자극(2a)을 구비한다. 나선형상으로 형성되는 자극(2a)은 축방향으로 측면(2A)과 측면(2B)을 갖고, 축방향에서 이웃하는 자극(2a)의 측면(2A)과 측면(2B)의 사이에는, 동일피치의 나선형상의 홈(2C)이 형성된다. 이 나선형상의 홈(2C)에는, 본 발명의 회전자(1)의 나선형상부가 나선형상으로 회전 가능하게 설치된다.

또한, 자극(2a)의 측면(2A), 측면(2B)에는, 축방향의 오목부를 갖는 슬롯(2c)이 나선방향에 따라서 형성된다. 이 슬롯(2c)에는 자계를 형성하기 위한 코일이 감아 돌려진다.

도 2는, 코일을 슬롯(2c)에 감아 돌린 고정자를 나타내고 있다. 고정자(2)에는 2상의 코일(4)이 감겨진다. 한 쪽 상의 코일(4a)은, 예를 들면 자극(2a)의 측면(2A)에 형성된 슬롯(2c)에 축방향으로 감겨지고, 다른 쪽의 상의 코일(4b)은, 예를 들면 자극(2a)의 측면(2B)에 형성된 슬롯(2c)에 축방향으로 감겨지고, 측면(2A)에 감아 돌려지는 코일(4a)과 측면(2B)에 감아 돌려지는 코일(4b)은, 각각 90도 위상을 조정하여 감겨진다.

도 3은, 고정자(2)에 감겨지는 2상의 코일의 위상상태를 설명하기 위한 도면이다. 도 3(a)은, 고정자를 축방향으로 투영한 상태를 나타내고 있다. 또한, 여기에서는, 4극의 경우에 대해 나타내고 있다. 코일을 감아 돌리는 슬롯(2c)을 원둘레방향으로 각도 α의 간격으로 형성하여, 각 상의 코일을 2개의 슬롯에 대해서 감아 돌린다. 이에 따라, 각 상의 코일은 각도 2α를 단위로서 감아 돌려진다.

또한, 각 상을 a상 및 b상으로 했을 때, a상과 b상은 각도 α만큼 어긋나 감겨진다. 도 3(b)은 예를 들면 a상의 코일에 의해 전류의 흐름을 나타내고, 도 3(c)은 예를 들면 b상의 코일에 의해 전류의 흐름을 나타내고 있다. a상의 전류와 b상의 전류는, 서로 각도 α만큼 위상이 어긋나 있다.

도 4는, 고정자의 작성순서의 일례를 설명하기 위한 개략도이다. 또한, 도 4(a)~(c)중의 2개의 도면은, 동일상태의 고정자를 다른 각도에서 본 상태를 나타내고 있다.

처음에, 원반형상의 전자강판을 적층하여 원통형상의 부재를 형성한다. 전자강판은 규소강판으로 할 수 있다. 도 4 (a)는, 이 적층한 전자강판의 외형을 나타내고 있다. 다음에, 적층한 전자강판을, 도 4(b)에 나타내는 바와 같이 스파이럴 형상으로 절삭하여, 스파이럴형상의 자극부분을 형성한다. 게다가, 스파이럴형상의 자극부분을 절삭하고, 코일을 감기 위한 슬롯을 형성한다. 또한, 고조파 비동기토크의 이상토크를 방지하기 위해서, 비스듬하게 절삭하여 스큐(skew)를 설치하도록 하더라도 좋다.

도 5는 본 발명의 회전자(3)의 개략구성을 나타내는 도면이다. 회전자(3)는, 중심축(3b)과, 상기 중심축(3b)의 축방향을 향하여 소정의 피치로 나선형상으로 형성된 나선형상부(3a)를 구비한다. 나선형상부(3a)는 축방향으로 측면(3A)과 측면(3B)을 갖고, 축방향에서 이웃하는 나선형상부(3a)의 측면(3A)과 측면(3B)의 사이에는, 동일피치의 나선형상의 홈(3C)이 형성된다. 또한, 나선형상부(3a)의 측면(3A)과 측면(3B)의 면에는 영구자석(3c)이 부착된다.

도 6은 회전자를 축방향으로 투영한 도면이다. 도 6은 4극의 예를 나타내고 있고, 90도 간격으로 N극 및 S극의 영구자석(3c)이 교대로 부착된다. 영구자석(3c)은 측면(3A) 및 측면(3B)에 접착에 의해 부착할 수 있다.

도 7은, 회전자의 작성순서의 일례를 설명하기 위한 개략도이다. 또한, 도 7(a), (b)중의 2개의 도면은, 동일상태의 회전자를 다른 각도에서 본 상태를 나타내고 있다. 처음에, 원기둥형상의 부재를 절삭가공하여 중심축(3b) 및 나선형상부(3a)를 형성한다. 도 7(a)은, 절삭가공에 의해 형성한 중심축(3b) 및 나선형상부(3a)의 외형을 나타내고 있다. 회전자(3)의 나선형상부(3a)의 피치는, 고정자(2)의 나선형상의 홈(2C)의 피치와 동일피치에 형성된다. 다음에, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 형성한 나선형상부(3a)의 축방향의 양 측면(3A, 3B)에 영구자석(3c)을 접착한다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터(1)는, 고정자(2)에 회전자(3)를 집어 넣어, 회전자(3)의 중심축(3b)의 양 끝단을 축지지함과 동시에, 고정자(2)를 프레임으로 지지함으로써 구성할 수 있다. 또한, 프레임은 알루미늄재 등으로 형성할 수 있다.

도 8은 고정자(2)에 회전자(3)을 집어 넣은 상태를 바깥쪽에서 본 도면이고, 도 9는 같이 고정자(2)에 회전자(3)을 집어 넣은 상태의 일부를 잘라내어 내부상태를 나타낸 도면이다.

회전자(3)의 나선형상부(3a)는, 고정자(2)의 나선형상의 홈(2C)안에 나선형상으로 회전이 자유롭도록 집어 넣어지고, 또한, 회전자(3)의 나선형상의 홈(3C)에는, 고정자(2)의 나선형상의 자극(2a)이 나선형상으로 회전이 자유롭게 되도록 집어 넣어져서 부착된다.

또한, 고정자(2)의 자극(2a)의 측면(2A), 측면(2B)에는, 축방향의 오목부를 형성하여 이루어지는 슬롯(2c)이 나선방향에 따라서 형성된다. 이 슬롯(2c)에는 자계를 형성하기 위한 코일(4)이 감아 돌려진다. 코일(4)에 전류를 공급함으로써 자극(2a)에는 자계가 형성되고, 이 고정자(2)측에 형성되는 자계와, 회전자(3)의 영구자석(3c)에 의한 자계와의 상호작용에 의해 축방향의 추력 및 회전토크가 형성된다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터는, 고정자(2)로 회전자(3)의 축방향의 갭을 일정치로 제어하면서 회전력을 제어한다. 회전자(3)는, 고정자(2)에 대해서 나선형상으로 진행하여, 출력축인 회전자(3)의 중심축(3b)은 직선운동기구로서 동작한다.

도 10은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 종단면도이다. 본 발명의 스파이럴형 리니어모터(1)는, 그 바깥둘레부분에 모터프레임(5)을 구비하여, 이것에 의해 고정자(2)를 지지한다. 도 10에서는, 고정자(2)의 자극(2a)의 바깥둘레면을 모터프레임(5)의 안둘레면에 고착함으로써 고정자(2)의 지지를 행하고 있다. 또한, 이 고착은, 나사로 행하는 것 외에 접착재를 이용하도록 하더라도 좋다.

또한, 회전자(3)는 모터프레임(5)에 대해서, 리니어베어링(6)에 의해 회전 자유롭게 지지된다. 리니어베어링(6)은 모터프레임(5)의 양 끝단에 설치한 지지부재에 의해 부착되어, 회전자(3)의 중심축(3b)의 양 끝단부분을 회전지지한다.

또한, 고정자(2)의 측면부분에는, 회전자(3)의 측면과의 갭을 검출하기 위해서 갭센서(7)가 부착된다. 또한, 회전자(3)의 회전속도를 검출하기 위해서 로터리엔코더(8)가 부착된다.

다음에, 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 추력발생의 원리에 대하여 설명한다.

도 11은 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 극좌표전개도이다. 극좌표전개도에 있어서, 회전자(3)에서 보면, 회전자(3)는 2개의 고정자(2)의 자극에 의해 끼워진다. 이 자극에 설치한 인접하는 코일에 대해서, 위상이 90도 어긋난 전류 I_a 및 I_b를 공급함으로써 회전자(3)를 끼우는 폐(閉)자로가 형성되고, 회전자(3)에 설치되는 영구자석(3)은 이 폐자로에 의한 자계의 작용을 받는다.

여기서, 이 극좌표전개도에 있어서, 고정자(2)측의 슬롯에 감아 돌려지는 코일의 각도를 2α로 하고, 회전자(3)측의 영구자석의 각도를 2β로 하고, 고정자(2)에 대한 회전자(3)의 회전각도를 θ로 한다. 또한, 고정자(2)와 회전자(3)의 측면사이의 갭을 1_g로 하고, 영구자석의 두께를 1_m로 하고, 회전자(3)의 고정자(2)의 홈안에 있어서의 기울기를 x로 하고, 고정자 및 회전자의 피치를 1_p로 하고, 영구자석의 중심축으로부터 지름방향의 끝단부까지의 거리를 각각 r₁, r₂(r₁< r₂)로 하고 있다.

또한, 여기서 이용하는 파라미터는, 이하의 표 1로 나타낸다.

이 극좌표전개도에 있어서, 계자코일과 영구자석의 상대위치관계에 따라서 2가지의 자기회로의 모델{모드(2)로 한다}을 생각할 수 있다.

제 1 자기회로의 모델{모드(1)}은, 영구자석이 코일을 1개 걸치는 경우이다. 도 12의 극좌표전개도 및 도 13의 등가자기회로는 이 모드(1)의 자기회로모델상태를 나타내고 있다.

이 모드(1)에서는, 회전각을 θ로 했을 때, -(α-θ)≤θ≤ (α-θ)가 성립하는 경우이고, 이 때의 파라미터는, 이하의 표 2로 나타난다.

여기서, 대칭성으로부터 영역(iii)-(A), (iv)-(A), (iii)-(B), (iv)-(B)의 자속은 각각 -Φ₁, -Φ₂, -Φ'₁, -Φ'₂가 된다. 또한, 전기자코일의 기자력도 마찬가지로, -F₁, -F₂, -F'₁, -F'₂가 된다.

또한, 제 2 자기회로의 모델{모드(2)}은, 영구자석이 코일을 두 개 걸치는 경우이다. 도 14의 극좌표전개도 및 도 15의 등가자기회로는 이 모드(2)의 자기회로모델상태를 나타내고 있다.

이 모드(2)에서는, 회전각을 θ로 했을 때, (α-θ)≤θ≤ β가 성립하는 경우이고, 이 때의 파라미터는, 이하의 표 3으로 나타난다.

여기서, 모드(1)에 있어서의 추력을 구한다. 회전각 θ가 -(α-θ)≤θ≤ (α-θ)의 범위에 있는 경우의 추력에 대해서, 도 12와 같이, 전기자코일의 각 상에 전류 I_a[A], I_b[A], I'_a [A], I'_b[A]를 흘렸을 때, 영역(i), (ii)에서의 전기자코일에 의하는 기자력 F₁, F₂, F'₁, F'₂ [A] 및 영구자석에 의한 기자력 F_m[A]는 이하의 식 (1)∼(5)로 나타난다.

단, n은 감은 수를 나타낸다. 또한, B'_r[T]는 영구자석의 잔류자속밀도를, μ'_m는 영구자석의 투자율을 나타낸다. 또한, 각 자기저항은 이하의 식(6)~(15)로 나타난다.

단, S₀ = (r₂ ²-r₁ ²), μ₀는 진공의 투자율이다.

이하, 영역(A)에 대해서 보면, 영역(A)에 있어서의 자기회로의 방정식은 도 13으로부터 이하의 식 (16)~(21)로 나타난다.

이것으로부터, 자기회로를 관통한 자속을 구하면, 이하의 식 (22) ~(27)로 나타난다.

이것으로부터, 전기자코일전류 I_a, I_b 및 등가자화전류 I_m= F_m에 쇄교하는 자속 Φ_a, Φ_b, Φ_m는, 극쌍수 및 층수를 고려하여, 이하의 식(28)~(30)에서 나타난다.

간단하게 하기 위해서, 영구자석의 투자율 μ_m가 진공의 투자율 μ₀〉와 같게 하면, 영역(A)에 있어서의 전자기에너지는 이하의 식(31), (32)로 나타난다.

마찬가지로 하여, 영역(B)에 있어서의 전자기에너지는 이하의 식(33), (34)로 나타난다.

이것으로부터, 영역(A)과 영역(B)을 합한 전자기에너지는, 이하의 식(35)에서 나타난다.

자기에너지 W를 변위 X_g와 회전각 θ로 편미분하면 추력 f와 토크 τ를 구할 수 있어, 이하의 식(36), (37)로 각각 나타난다.

다음에, 모드(2)에 있어서의 추력을 구한다. 회전각 θ가 (α-θ)≤θ≤ β의 범위에 있는 경우의 추력은, 도 14로부터 각 자기저항은 이하의 식 (38)~(44)로 나타난다.

한편, 자기회로의 방정식은 도 15로부터 이하의 식 (45)~(49)로 나타난다.

이것으로부터, 자속을 구하면, 이하의 식 (50)~(54)로 나타난다.

이것으로부터, 전기자코일전류 I_a, I_b 및 등가자화전류 I_m= F_m에 쇄교하는 자속 Φ_a, Φ_b, Φ_m는, 극쌍수 및 층수를 고려하여, 이하의 식(55)~(57)으로 나타난다.

간단하게 하기 위해서, 영구자석의 투자율 μ_m가 진공의 투자율 μ₀과 같게 하면, 영역(A)에 있어서의 전자기에너지는 이하의 식(58), (59)로 나타난다.

마찬가지로 하여, 영역(B)에 있어서의 전자기에너지는 이하의 식(60), (61)로 나타난다.

이것으로부터, 영역(A)과 영역(B)을 합한 전자기에너지는, 이하의 식(62)에서 나타난다.

모드(1)와 같이, 자기에너지 W를 변위 X_g와 회전각 θ로 편미분하면 추력 f와 토크 τ를 구할 수 있고, 이하의 식(63), (64)로 각각 나타난다.

여기서, 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 하나의 수치예에 대해 나타낸다.

바깥지름 60[mm], 중심축지름 10[mm], 갭길이 1[mm], 영구자석의 두께 2[mm]로 한 경우의 수치예는 이하의 식(65)~(74)로 나타난다.

여기서, 변위 X_g= 0[mm]일 때의 추력 f와 토크τ는, 이하의 식(75), (76)으로 각각 나타난다.

또한, 변위 X_g= 0.001[mm]일 때의 추력 f와 토크τ는, 이하의 식(77), (78)으로 각각 나타난다.

또한, 상기 식으로 나타나는 정수항은, 영구자석이 철심을 끌어당기는 힘이며, 회전자가 고정자의 갭의 정확히 중간에 있을 때, 즉 변위 X_g = 0[mm]일 때는, 회전자의 양측의 자석의 힘이 서로 지워져 0이 된다. 그러나, 회전자가 고정자의 한 쪽에 터치다운 한 경우, 즉 변위 X_g = 1[mm]일 때는, 터치다운한 측의 영구자석의 흡인력이 우수하여, 5740[N] 흡인력이 발생한다. 이 흡인력을 극복하고 회전자를 부상시키기 위해서는 28.5[A] 이상의 전류를 흘려야 한다.

갭이 있는 값보다 작아지지 않는 스톱퍼를 도입함으로써, 터치다운에 의한 영구자석의 파손을 막을 수 있고, 또한, 부상에 필요한 전류를 작게 할 수 있다. 예를 들면, 0.5[mm] 이상 변위하지 않는 스톱퍼를 이용한 경우, 그 최대 변위 X_g= 0.0005[m]에 있어서의 추력 f와 토크τ는, 이하의 식(79), (80)으로 각각 나타난다.

이 경우, 전류를 15.2[A] 이상 흘림으로써 부상이 가능해진다.

회전자가 고정자의 정확히 중간이 되도록 X_g = 0에 갭을 제어한 경우, 가장 추력의 나오기 어려운 회전각 θ= α/2에 있어서도, 추력정수는 122[N/A]가 되고, 가령 전류를 10[A] 흘리면, 1200[N] 이상의 힘을 발생할 수 있다.

다음에, 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 회로방정식에 대해서 설명한다. 전기자저항을 R, 각 상의 인가전압을 각각 V_a, V_b, V'_a, V'_b로 하면, 인가전압과 유기기전력의 합이 저항에 더해지기 때문에, 이하의 식(81)~(84)로 나타나는 회로방정식이 성립한다.

간단하게 하기 위해, μ_m= μ₀으로 하여, 상기 식 좌변 제 2 항의 유기기전력을 구한다.

모드(1)인 경우에는, 식(28), (29)의 양변을 시간미분함으로써, 이하의 식(85), (86)으로 나타나는 유기기전력이 구해진다.

또한, 모드(2)의 경우에는, 식(55), (56)의 양변을 시간미분함으로써, 이하의 식(87), (88)으로 나타나는 유기기전력이 구해진다.

상기 식을 정리하면, 유기기전력은 이하의 식(89), (90)으로 나타난다. 또한, 도 16은, 식(89)으로 나타나는 전기자회로를 나타내고 있다.

단, L은 전기자 인덕턴스, K_Eax, K_Eaθ는 A상의 유기전압정수, K_Ebx, K_Ebθ는 B상의 유기기 전압정수이며, 이하의 식(91)~(95)로 나타난다.

또한, 영역(B)의 코일에 대해서도 마찬가지로 하여, 유기기전력은 이하의 식(96), (97)으로 나타난다.

단, L', K'_Eax, K' E_aθ, K'_Ebx, K'_Ebθ는 이하의 식(98)~(102)으로 나타난다.

다음에, 본 발명의 스파이럴형 리니어모터의 제어에 대해 설명한다. 본 발명의 스파이럴형 리니어모터는, 추력 f와 토크τ를 독립하여 제어할 수 있다.

추력의 이론식(36), (63)에 있어서, 갭 변위 X_g가 충분히 기준 갭 1_g에 비하여 충분히 작다고 가정하여, 2차 이상의 항을 무시하고 X_g = 0의 주위에서 선형화하면, 이하의 식(103)~(106)으로 나타나는 근사식을 얻을 수 있다.

상기 식을 일반화하면, 추력정수, 토크정수를 이용하여 이하의 식(107), (108)으로 나타난다.

더욱 정리하면, 이하의 식(109)~(113)으로 나타난다.

즉,

이것으로부터, 이하의 식(114)으로 나타나는 제어규칙을 얻을 수 있다.

단, H(X_g, θ)는 K(X_g, θ)의 유사역행열이고, 이하의 식(115)에서 정의된다.

유사역행열의 성질로서, E를 단위행렬로 하면 K(X_g, θ) H(X_g, θ) = E가 성립된다. 이것에 의해 얻을 수 있는 전류는, 원하는 추력과 토크를 발생시키는 조합 중, 2승합이 가장 작은 해답이 되고 있다.

또한, K(X_g, θ)의 0공간에 대응하는 전류는, 추력과 토크에 기여하지 않기 때문에, 무효전류와 기다리고 있다. 식(114)에서 얻어지는 해답은 무효분을 포함하지 않고, 무효전류와 직교하고 있다.

또한, 도 17에 나타내는 추력·토크-전류변환기를 이용함으로써, 추력과 토크의 지령치 f*, τ*로부터 각 상의 전류 I_a*, I_b*, I'_a*, I'_b*,를 구할 수 있다.

이것에 의해, 본 발명의 스파이럴형 리니어모터에서는, 추력과 토크를 각각 독립하여 제어할 수 있다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터에서는, 터치다운을 피하면서 추력을 발생시키기 위해서, 토크와 추력의 독립제어계의 상위에, 원하는 추력에 알맞은 토크목표치를 주는 목표치생성기를 설치한다.

스파이럴 곡면의 방정식은, 진행방향을 x축으로 잡으면, 이하의 식 (116)~(118)과 같이 θ를 매개변수로서 기술된다.

단, 1_p는 스파이럴의 피치이다. 즉, 한 둘레에 대해 1_p[m]나아가는 것으로 한다. 이 때, 반지름 r의 점으로의 스파이럴 곡면의 기울기 tan φ(r)는 이하의 식(119)에서 주어진다.

통상의 나사와 마찬가지로, 이 스파이럴면에 운동이 구속될 때의 추력과 토크의 관계는, 이하와 같이 하여 구할 수 있다.

마찰이 전혀 존재하지 않는 경우, 스파이럴면에 있어서, 회전방향에 가해진 힘 δfθ와, 그 힘으로부터 수직항력을 통하여 진행방향으로 작용하는 힘 δf의 관계는, 도 18로 나타나, 이하의 식(120)에서 주어진다.

이 양변을 δr로 나누어 δr→0으로 하면, 이하의 식(121)으로 나타나는 관계를 얻을 수 있다.

한편, 식(37), (64)에서 구한 토크로부터, 상기의 회전방향력의 분포를 구할 수 있어, 추력과 토크의 관계를 이끌어 낼 수 있다.

우선, 식(37), (64)에서 구한 토크는, 이하의 식(122)~(124)로 나타낼 수 있다.

즉,

반지름 r로부터 r +δr의 미소영역에 의해 발생되는 토크 δτ는, 상기 식보다 이하의 식(125)에서 나타낼 수 있다.

따라서, 반지름 r로부터 r + δr의 미소 영역에 의해 발생되는 회전 방향력은, 이하의 식(126)으로 나타난다.

이것보다 중심으로부터 거리 r의 점에서의 반지름방향에 대한 단위길이당의 회전력은 이하의 식(127)에서 주어진다.

따라서, 운동이 스파이럴면에 구속되는 경우의 추력은, 식(121), (127)에 의해 이하의 식(128), (129)이 된다.

가 된다. 즉,

이상상태에서는, 발생되는 토크와 추력의 목표치는 상기 식의 관계를 만족하도록 줄 필요가 있다.

이 관계는, 가상일의 원리(principal of virtual work)로부터도 구할 수 있다. 즉, 식(116)의 양변을 시간미분하여 얻어지는, 이하의 식(130)의 방정식

및, 순간파워가 보관유지되는 이하의 식(131)으로 나타나는 제약식을 풀어도 구할 수 있다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터에서는, 회전자가 터치다운하지 않도록, 항상 갭 X_g를 0으로 제어할 필요가 있다. 따라서, 회전자의 질량을 M으로 하면, 이하의 식(132)으로 나타나는, 2중적분형이 되는 회전자의 다이내믹스

에 대해서, 안정화보상기(레귤레이터)의 설계를 실시함으로써 제어할 수 있다.

상기 식을 전달함수 표현하면, 이하의 식(133)으로 나타난다.

안정화 보상기 C_g(S)는, 이하의 식(134)에 의해 갭 제어를 행한다.

안정화보상기 C_g(s)의 설계는, PI제어, 상태피드백 + 옵서버(observer), H∞제어 등, 여러가지 수법을 적용할 수 있다.

다음에, 추력제어에 대해 설명한다. 도 19는 추력제어계의 블럭도이고, 도 20은 추력제어계의 상세블럭도이다.

도 19에 있어서, 토크목표치발생기(10)는, 상기 식(129)에 기초하여, 추력의 지령치로부터 토크와 추력의 목표치(τ*, f*)를 구하여, 추력-전류변환기(11)에 입력한다. 또한, 추력-전류변환기(11)에는, 스파이럴형 리니어모터(1)에 설치한 갭 센서로부터 구한 갭치 X_g를 이용하여 얻은 f₀(X_g)가 부귀환된다. 또한, 갭 제어기(15)는, 상기 식(134)에 기초하여 안정화보상을 행한다.

추력-전류변환기(11)는, 토크목표치 발생기(10)로부터의 토크목표치 τ*, 추력의 목표치 f*와 f₀(X_g), 및 갭치 X_g, 회전자의 회전각 θ를 이용하여 식(114)에 기초하여 전류 지령치(I_a*, I_b*, I'_a*, I'_b*)를 구하여, 전류제어기(12)에 입력한다.

전류 제어기(12)는, 추력-전류변환기(11)로부터의 전류지령치(I_a*, I_b*, I'_a*, I'_b*)와, 고정자의 코일에 공급되는 전류치(Ia, Ib, I'a, I'b)에 기초하여, PI제어를 행하여 전압치(V_a, V_b, V'_a, V'_b)를 형성한다. 인버터(13)는 이 전압지령치에 기초하여 전원(14)으로부터 전력을 고정자의 코일에 공급한다.

또한, 본 발명의 스파이럴형 리니어모터를 액츄에이터에 적용하여, 이 액츄에이터에 의해 위치결정을 행하는 경우에는, 상기한 추력제어계의 상위에 위치제어계를 설치한다.

이하, 위치제어계에 대해 설명한다.

갭이 0에 제어되고 있다고 가정하면, 회전자의 병진위치는 회전각에 의해서 하나로 결정된다. 따라서, 회전자의 회전각을 제어함으로써, 회전자의 병진위치를 제어할 수 있다.

회전자의 관성모멘트를 J로 하면, 회전자에 운동방정식은, 이하의 식(135)에서 주어진다.

식(116), (129)의 관계를 이용하여 식(135)을 고쳐 쓰면, 이하의 식에 있어서,

으로 나타낼 수 있다. 단, 은 등가회로이고,

으로 주어진다.

따라서, 식(136)의 2중적분 제어대상에 대해서, 서보제어계의 설계를 행하는 로버스트서보제어(robust servo control) 등이 유효하다.

도 21은 위치제어계의 블럭도이고, 도 22는 위치제어계의 상세블럭도이다.

도시하는 위치제어계에서는, 상기한 추력제어계의 상위에 위치제어기(16)를 구비한다. 위치제어기(16)는, 위치지령치 X^cmd와 회전자의 회전각 θ를 입력해 그 편차를 구하여, 구한 위치편차에 기초하여 서보제어에 의해 추력의 지령치를 구하여, 추력제어계의 토크목표치 발생기(10)에 입력한다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터에 의하면, 회전하면서 축방향으로 추력을 발생할 수 있어, 추력을 발생하는 부분을 스파이럴형으로 함으로써 감속기어와 같은 효과에 의해, 높은 추력을 얻을 수 있다.

또한, 회전자와 고정자의 피치를 작게 잡음으로써, 고회전형으로 할 수 있어, 소형화 및 경량화할 수 있다.

또한, 기어와 달리, 회전자와 고정자는 비접촉이며 마찰이 없기 때문에, 손실이나 백래시(back lash)를 제거할 수 있다.

또한, 정지마찰이 없기 때문에, 고정밀의 위치결정이 가능하고, NC기계 등의 정밀위치 결정장치에 매우 적합하다.

본 발명의 스파이럴형 리니어모터는, 소형경량, 고정밀도, 고추력을 동시에 구할 수 있는 정밀위치 결정장치에 매우 적합하다.

Claims

중심축과 상기 중심축의 바깥둘레에 설치한 나선형상부를 구비하는 회전자와,

상기 회전자와 동일피치의 나선형상의 중공자극을 구비하는 고정자를 구비하여,

상기 회전자의 중심축을 상기 고정자의 중공자극내로 하여, 상기 회전자의 나선형상부를 상기 고정자의 중공자극의 나선형상의 홈안에서 나선형상으로 회전 을 자유롭게 하고, 상기 회전자는 상기 고정자에 대해서 나선형상으로 회전하면서 축방향으로 직선운동하는 것을 특징으로 하는 스파이럴형 리니어모터.
제 1 항에 있어서,

상기 회전자는, 상기 나선형상부의 나사측면에 영구자석을 구비하는 것을 특징으로 하는 스파이럴형 리니어모터.
제 1 항에 있어서,

상기 고정자는, 상기 중공자극의 나선형상의 양측면에 서로 90도 위상을 조정한 2상의 코일을 축방향으로 감아 돌리는 것을 특징으로 하는 스파이럴형 리니어모터.
제 1 항에 있어서,

상기 고정자는, 상기 중공자극의 나선형상의 양측면에 슬롯을 구비하여, 상기 슬롯에 상기 코일을 감아 돌리는 것을 특징으로 하는 스파이럴형 리니어모터.