KR20100041372A - 선형동기전동기의 위치검출장치 - Google Patents

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Abstract

본원 발명은 외부로부터의 전류인가나 광검출 신호를 필요로 함이 없이 계자부와 전기자부만으로 선형동기전동기의 이동 경로 상에서의 정확한 위치를 검출할 수 있도록 하는 선형동기전동기의 위치검출장치에 관한 것으로서,
일정 간격을 가지는 요철이 형성되어 이동장치의 선로 상에 배치되는 전기자부의 요부 및 철부와 대응되는 요철부가 형성되고 인덕턴스검출부의 권선이 권취되어 이동장치에 장착되는 계자부와; 상기 권선의 양단이 접속되어 상기 전기자부와 계자부의 상호 공극 차이에 따라 변화되는 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스검출부;로 구성되어,
외부 전력의 제공 없이도 선형동기전동기의 정확한 위치를 측정할 수 있도록 하고, 전기자부와 계자부 사이의 공극 변동에 따른 위치검출장치의 파손이 발생함이 없도록 하여 자기부상열차 등의 이동장치의 안전성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
선형동기전동기, 계자부, 자기부상열차, 선형동기전동기 위치검출

Description

선형동기전동기의 위치검출장치{APPARATUS FOR DETECTING POSITION OF LINEAR SYNCHRONOUS MOTOR}
본원 발명은 외부로부터의 전류인가나 광검출 신호를 필요로 함이 없이 계자부와 전기자부만으로 선형동기전동기의 이동 경로 상에서의 정확한 위치를 검출할 수 있도록 하는 선형동기전동기의 위치검출장치에 관한 것이다.
일반적으로 선형동기전동기는 전동기의 선형운동을 위해 회전형 전동기를 축 방향으로 잘라서 평면적으로 펼쳐 놓은 구조를 가지도록 구성되어 볼스크류나, 로프 등의 회전운동을 선형운동으로 변환하기 위한 기계장치의 부가 없이 직접 직선운동을 위한 직선형의 구동력을 바로 발생시키므로, 구조가 간단하여 에너지 손실이나 소음이 발생하지 않는 장점을 가지므로 자동화기기, 철도 또는 자기부상열차 등의 교통수단, 산업용기기 등에서 그 적용이 선호되고 있다.
이 중 철도 또는 자기부상열차 등의 철도차량에 사용되는 선형동기전동기(LSM: Linear Synchronous Motor)는 장거리 운전에 용이하도록 계자부를 차상에 설치하고 전기자부를 지상에 설치하여 3상 전력이 공급되도록 구성된다. 이러한 선형동기전동기의 경우 부하각 및 계자부의 위치에 따른 적절한 전력의 공급이 선형동기전동기의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 효율 및 성능 향상을 위하여 선형동기전동기의 구동 및 제어를 위한 정밀한 부하각 제어 및 계자부의 정확한 위치에 따라 전기자부에 전력을 공급해 줄 것이 요구되며, 이에 따라 철도차량 등에 적용되는 선형동기전동기는 회전모터의 엔코더와 같은 위치 정보가 중요하게 되고, 특히, 자기부상열차와 같이 공극이 가변하는 시스템은 부하각에 따라 수직력 또는 부상력이 변하므로 추진시스템에 영향을 주게 되어, 열차의 운행에 필요한 위치정보뿐만 아니라 선형동기전동기의 제어를 위한 고정밀의 위치정보가 필수적이다.
따라서 종래기술의 경우 선형동기전동기의 위치정보를 정확히 검출하기 위하여 도 1과 같이 광학장치를 이용하는 리니어 스케일러(Linear Scaler) 또는 도 2와 같이 유기기전력을 이용하는 리니어 스케일러가 사용되었다.
먼저, 광학장치를 이용하는 리니어 스케일러는, 도 1에 도시된 바와 같이, 반사면(14)과 부반사면(15)을 구비하여 선형동기전동기가 구비된 이동장치가 이동되는 선로 상에 배치되는 고정측(전기자부)(11)과, 이동장치에 형성되어 고정측(11)으로 빛을 조사하여 반사면(14)과 부반사면(15)에서 반사되는 빛을 감지하는 광학검출기(18)를 구비한 가동측(계자부)(12)과, 가동측(12)의 광검출 신호를 분석한 후 가동측(12)의 위치정보를 검출하는 신호처리장치(13)로 구성된다.
그리고 유기기전력을 이용하는 리니어 스케일러는, 도 2에 도시된 바와 같 이, 요철부를 구비하여 이동장치의 선로 상에 배치되는 고정측(1)과, 선형동기전동기가 장착된 이동장치에 부착되고 전류가 흐르는 권선이 권취된 이동측(2)과, 고정측(1)과 이동측(1)의 사이에 배치되어 이동장치에 고정되어 고정측(1)과 이동측(1)의 사이의 자속밀도 변화를 검출하는 자속검출기(5)로 구성되어 자속의 최대 및 최소 값의 변화 수를 측정한 후 이를 이용하여 이동측(1)의 위치를 검출하도록 구성된다.
그러나 상술한 광학장치를 이용하는 리니어 스케일러의 경우에는 고정측(11)에 이물질이 부착되는 경우 빛의 반사가 검출되지 않음으로써 선형동기전동기의 위치정보를 측정할 수 없는 문제점을 가진다.
그리고 상술한 유기기전력을 이용하는 리니어 스케일러는, 인덕턴스의 변화에 따르는 자속밀도의 변화를 측정하기 위하여 이동측(2)에 감겨진 권선(4)에 전류를 흘려야 하므로 불필요한 전력소모를 유발시킨다. 또한, 상술한 유기기전력을 이용하는 리니어 스케일러는 자속밀도의 변화의 최대값 또는 최소값을 카운트하여 선형동기전동기의 위치정보를 검출함으로써 선형동기전동기의 위상각 제어 등에 필요한 정밀한 위치측정이 불가능하게 되는 문제점을 가진다. 이에 부가하여, 상술한 유기기전력을 이용하는 리니어 스케일러의 가장 중요한 문제점으로는, 자기부상열차에 적용되는 경우 자기부상열차의 자기부상 실패 시에 자속검출기(5)가 고정측(1)과 이동측(2)의 사이에서 압착되어 파손될 수 있고, 이 경우 선형동기전동기의 위치를 더 이상 측정할 수 없게 되어 자기부상열차의 안전사고 발생 등을 유발 할 수 있는 문제점을 가진다.
즉, 도 1 및 도 2의 리니어 스케일러는 단순한 공작기게 등에는 적용될 수 있으나, 철도차량, 또는 자기부상열차 등 정밀성 및 안전성을 요구하는 이동장치에는 적용할 수 없게 되는 문제점을 가지게 된다.
따라서 본원 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 별도의 전력소모가 없이 선형동기전동기의 정밀한 위치검출 및 부하각 제어를 가능하게 하고, 외부의 환경에 의한 파손 시에도 그 동작을 유지할 수 있도록 함으로써 선형동기전동기가 장착된 이동장치의 안전성을 현저히 향상시키는 선형동기전동기의 위치검출장치를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본원 발명의 선형동기전동기의 위치검출장치는, 일정 간격을 가지는 요철이 형성되어 이동장치의 선로 상에 배치되는 전기자부의 요부 및 철부와 동일한 슬롯피치의 요철부가 형성되고 인덕턴스검출부의 권선이 권취되어 이동장치에 장착되는 계자부와; 상기 권선의 양단이 접속되어 상기 전기자부와 계자부의 상호 공극차이에 따라 변화되는 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스검출부와; 상기 인덕턴스검출부에서 검출된 인덕턴스의 변화를 검출하여 선형동기 전동기의 위치 정보를 검출하는 위치정보검출부;로 구성되어,
인덕턴스검출부가 계자부에 감겨진 미세전류를 흘려 계자부의 인덕턴스 변화를 검출하는 것에 의해 전기자부와 계자부의 상호 작용에 의하여 계자부에서 변동되는 릴럭턴스의 변화를 검출하여 전기자부 상에서의 계자부의 위치를 검출한다.
이때 인덕턴스검출부는 인덕턴스를 일정 주기마다 검출하게 되는데, 인덕턴 스의 검출 주기가 짧을수록 정밀한 위치정보를 얻을 수 있으므로 인덕턴스검출부는 계자부의 인덕턴스 검출 주기를 가변시킬 수 있도록 구성되어, 사용자가 위치정보의 정밀도를 변화시킬 수 있도록 한다.
상술한 본원 발명의 선형동기전동기의 위치검출장치의 동작과정을 설명하면 다음과 같다.
이동장치가 전기자부가 설치된 선로를 이동하게 되면, 전기자부와 계자부의 요철의 일치 및 불일치에 따라 전기자부와 계자부의 릴럭턴스가 변동된다. 릴럭턴스가 변동되면 계자부의 인덕턴스도 대응되어 변화되며, 인더턴스 검출기는 계자부에서 발생하는 인덕턴스 변화를 검출하는데, 이때 검출되는 인덕턴스는 계자부의 철부와 전기자부의 철부의 겹쳐지는 영역에 따라 변화되는 준사인파의 형태로 검출된다.
이러한 인덕턴스검출부는 LCR 미터가 대표적인 예이다. 인덕턴스검출부에서 검출된 준사인파의 인덕턴스 값은 이후 위치정보검출부로 입력되며, 위치정보검출부는 인덕턴스의 준사인파의 위상 변화 및 위상 값을 이용하여 선형동기전동기의 정확한 위치정보를 출력하게 된다. 이때 선형동기전동기의 정확한 위치정보의 정밀도를 향상시키고자 하는 경우에는, 준사인파의 위상변화 검출을 위한 기준 위상값의 간결을 작게 분할하여 위치정보를 검출함으로써 선형동기전동기의 위치정보의 정밀성을 향상시키고, 이에 의해 정밀한 부하각 제어를 가능하게 한다.
상술한 본원 발명은 외부 전력의 제공 없이도 선형동기전동기의 정확한 위치를 측정할 수 있도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 본원 발명의 선형동기전동기의 위치검출장치는 전기자부와 계자부 사이에 별도의 구성을 가지지 않으므로 자기부상열차와 같이 공극 변화가 발생하는 이동장치에 적용되는 경우에도 공극변화에 따른 위치검출장치의 파손이 발생하지 않게 되어 자기부상열차 등의 이동장치의 안전성을 현저히 향상시키는 효과를 제공한다.
이하, 본원 발명의 바람직한 일 실시 예를 나타내는 첨부 도면을 참조하여 본원 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 3은 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 선형동기전동기의 위치검출장치(이하 "위치검출장치"라 함)의 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이 본원 발명의 위치검출장치(100)는 지상에 설치되는 전기자부(110)와, 전기자부(110)가 설치된 상부에서 이동되는 차량(도면에 미 도시)에 설치되는 계자부(120)와, 차량의 이동에 따라 전기자부(110)와 계자부(120)의 상호작용에 의한 릴럭턴스(reluctance) 변화에 따라 변화되는 인덕턴스(inductance)를 검출하는 인덕턴스검출부(130)와, 인덕턴스검출부(130)에서 검출된 인덕턴스의 주기적 변화 회수 및 그 크기를 이용하여 전기자부(110) 상에서의 계자부(120)의 위치를 연산하여 출력하는 위치정보검출부(140)로 구성된다.
상술한 구성에서 전기자부(110)는 레크기어 형상으로 일정한 피치를 가지도록 요부(111)와 철부(112)를 가지고 차량의 이동되는 이동 경로 상에 배치되는 구조를 가진다.
그리고 계자부(120)는 전기자부(110)의 피치 간격과 동일한 간격을 가지며 전기자부(110)의 하나의 요부(111)와 요부(111)의 양측에 위치되는 철부(112)가 이루는 형상과 동일한 형상을 가지도록 하나의 요부(121)와 두 개의 철부(122)에 의해 이루어져 단면형상이 '
Figure 112008071403041-PAT00001
'의 형상의 구조를 가진다.
다음으로, 인덕턴스검출부(130)는 계자부(120)의 인던턴스 변화값을 준사인파의 형태로 출력하는 것으로서, 상술한 구조를 가지는 계자부(120)의 요부(121)에서 계자부(120)에서 발생하는 인덕턴스를 검출하기 위하여 감겨지는 권선(131)에 의해 계자부(120)와 연결된다. 이때 전기자부(110) 상에서 계자부(120)의 위치 정보에 대한 정밀성을 조절할 수 있도록 인덕턴스검출부(130)는 계자부(120)의 인덕턴스변화 값의 검출 주기를 사용자가 조절할 수 있도록 구성된다.
그리고 인덕턴스검출부(130)의 출력단에는 계자부(120)의 인덕턴스 변화의 파형을 입력받은 후 인덕턴스 변화 주기의 회수 및 위상각을 이용하여 전기자부(110) 상에서의 계자부(120)의 위치를 연산하여 출력하는 위치정보검출부(140)가 접속 구성된다.
상술한 구성에서 계자부(120)와 인덕턴스검출부(130)와 위치정보검출부(140) 는 일체형으로 형성되어 전기자부(110) 상에서 이동되는 차량(도면에 미도시)에 장착된다. 그리고 차량이 전기자부가 설치된 레일 등을 이동경로를 따라 이동되면, 계자부(120)의 요부(121)와 철부(122)가 전기자부(110)의 요부(111) 및 철부(112)와 마주하는 위치에 따라 릴럭턴스의 변화가 발생한다.
이때 인덕턴스검출부(130)가 권선(131)에 미세한 전류를 흐르게 하면 전기자부(110)에 별도의 전류를 공급하지 않아도 계자부(120)에는 인덕턴스가 발생하며, 계자부(120)에 유도되는 인덕턴스는 전기자부(110)와 계자부(120)의 위치에 따른 릴럭턴스의 변화에 따라 변화되고, 이에 의해 전기자부(110)에 별도의 전류를 인가하거나, 계자부(120)에 별도의 전류 인가를 위한 권선과 전원부 또는 종래기술에서와 같이 전기자부(110)와 계자부(120)의 사이에 별도의 자속검출기(5) 등을 구비함이 없이 전기자부(110)와 상호작용에 의해 계자부(120)에서의 릴럭턴스 변화에 따른 인덕턴스를 검출함으로써 전기자부(110) 상에서 계자부(120)의 위치를 검출할 수 있도록 한다.
이하에서 상술한 인덕턴스 검출에 대하여 더욱 상세히 설명한다.
도 4는 상술한 인덕턴스 변화를 나타내는 파형도로서, 계자부(120)의 인덕턴스 값을 시간(t)에 따라 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이 계자부(120)에서 변화되는 인덕턴스는 계자부(120)의 철부(122)가 전기자부(110)의 철부(112)와 마주하는 위치에서 최고 값(a)을 가지게 되며, 계자부(120)의 철부(122)가 전기자부(110)의 요부(111)와 마주하는 위치에서 최소 값(b)을 가지게 되고, 계자부(120)의 철부(122)가 전기자부(110)와 요 부(111)와 철부(112)의 영역에 걸쳐지는 경우에는 계자부(120)의 철부(122)와 전기자부(110)의 철부(112)가 마주하는 영역의 넓이에 따라 주기적으로 감소하여 전체적으로 준사인파의 형태의 인덕턴스 변화 파형을 출력하게 된다.
상술한 바와 같이 차량의 이동에 따라 전기자부(110)와 계자부(120)의 상호작용에 의해 발생하는 계자부(120)의 인덕턴스 변화는 인덕턴스검출부(130)에 의해 검출된 후 위치정보검출부(140)로 입력된다. 인덕턴스검출부(130)로부터 인덕턴스 변화 파형을 입력받은 위치정보검출부(140)는 인덕턴스 변화의 파형에서 주기(T) 변화의 회수와 위상각을 검출하는 것에 의해 전기자부(110) 상에서의 계자부(120)의 정확한 위치를 검출할 수 있게 된다.
상술한 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 위치정보검출기(100)에서 전기자부(110) 상에서의 계자부(120)의 위치의 검출에서 위치 검출의 정밀도를 크게 요구하지 않은 경우에는 주기만으로 위치를 검출하면 되므로, 인덕턴스검출부(130)는 최고 값(a)과 최소값(b)의 변화만을 검출하도록 구성될 수 있다. 그러나 자기부상열차와 같은 고정밀도의 위치 정보를 요구하는 경우에는 본원발명은 인덕턴스 검출을 위한 시간 간격 또는 위상간격을 작게 조절함으로써 인덕턴스의 미세 변화를 검출할 수 있도록 하고, 또한, 인덕턴스의 최대값과 최소값의 크기에 대한 각각의 위상에서의 인던턴스 변화의 비와 전기자부(110)와 계자부(120)의 철부(112, 122)의 겹쳐지는 면적의 상관관계를 이용함으로써 특정 위상(t(α))에서의 계자부(120)의 정확한 위치를 검출할 수 있도록 하고, 이에 따라, 검출된 전기자부(110) 상에서의 계자부(120)의 위치정보에 대한 정밀도를 높일 수 있게 된다.
도 1은 광학장치를 이용하는 종래기술의 리니어 스케일러의 단면도,
도 2는 유기기전력을 이용하는 종래기술의 리니어 스케일러의 단면도,
도 3은 본원 발명의 일 실시 예에 따르는 선형동기전동기의 위치검출장치,
도 4는 준사인파 형태의 인덕턴스 변화 파형을 나타내는 도면이다.
* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *
1, 11: 고정측 2, 12: 가동측
3: 요철부 4, 131: 권선
5: 자속검출기 6: 차량
13: 신호처리장치 14: 반사면
15: 부반사면 100: 위치검출장치
110: 전기자부 120: 계자부
111, 121: 요부 112, 122: 철부
130: 인덕턴스검출부 140: 위치정보검출부

Claims (3)

  1. 일정 간격을 가지는 요철이 형성되어 이동장치의 선로 상에 배치되는 전기자부의 요부 및 철부와 대응되는 요철부가 형성되고 인덕턴스검출부의 권선이 권취되어 이동장치에 장착되는 계자부와;
    상기 권선의 양단이 접속되어 상기 전기자부와 계자부의 상호 공극차이에 따라 변화되는 인덕턴스를 검출하는 인덕턴스검출부;로 구성되는 것을 특징으로 하는 선형동기전동기의 위치검출장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 인덕턴스검출부에서 검출된 인덕턴스의 변화를 검출하여 선형동기 전동기의 위치 정보를 검출하는 위치정보검출부;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선형동기전동기의 위치검출장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 인덕턴스검출부는 인덕턴스의 검출 주기를 가변시킬 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 선형동기전동기의 위치검출장치.
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