KR20120102435A - 선형 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 전동기에 관한 것이다. 1차 부재 및 2차 부재를 포함하여 구성되는 선형 전동기에서, 상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고, 각 전기자 모듈은 2개의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 상기 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 상기 2차 부재는 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하고 상기 2개의 돌출부 사이에 놓이고, 상기 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 가동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 상기 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동할 수 있다.

Description

선형 전동기 {Linear motor}

본 발명은 직선 운동을 발생시키는 선형 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 선형 전동기, 즉 리니어 모터는 직선 모양으로 면하는 가동자 및 고정자 사이에 추력(推力)을 발생하는 구조로 되어 있다. 영구 자석형 선형 전동기는 가동자 및 고정자 중 어느 한 쪽에 고정 자석을 놓고 나머지 한 쪽에 교번하는 다상 전력을 보내 양자 사이에 전자력이 작용하여 일정 방향으로 추력이 발생하도록 한다.

종래의 선형 전동기는, 회전 모터를 전개하여 직선상에 펼쳐 배치한 구조로 인하여, 전기자 코어의 돌극과 영구 자석 간에는 강력한 자기 흡인력이 발생하여 시스템의 정밀도가 떨어지고, 일정한 공극을 유지하는 안내 기구의 마모가 심하게 되고, 전기자 코어에 가동자의 진행 방향과 동일한 방향으로 자속이 흘러 모터 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수밖에 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은, 평판형 선형 전동기의 자기 흡인력 문제를 해소하고, 추력을 발생시키는 전기자 코어의 돌극과 이에 대치하는 영구 자석 사이 공극의 유효 면적을 넓힘으로써, 높은 효율의 선형 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 2차 부재인 영구 자석 자체의 하중으로 인한 처짐을 해결하여, 장거리 이송이 가능한 선형 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 영구 자석을 포함하는 2차 부재의 조립을 용이하게 할 수 있는 선형 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 리플을 줄일 수 있는 선형 전동기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 전동기는, 1차 부재와 2차 부재를 포함하여 구성되고, 상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고, 각 전기자 모듈은 2개의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 상기 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 상기 2차 부재는 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하고 상기 2개의 돌출부 사이에 놓이고, 상기 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 가동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 상기 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석의 자화 방향은 상기 2개의 돌출부를 향한다.

일 실시예에서, 자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 직사각형, 평행 사변형, 원형 또는 타원형일 수 있다.

일 실시예에서, 자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 상기 진행 방향과 나란한 한 쌍의 대변을 갖는 평행 사변형일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 1차 부재는 양쪽 끝에 비자성체 재질의 브라켓을 더 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 코일은 상기 돌출부와 상기 영구 자석이 마주보지 않는 위치에 좌우 대칭 형상으로 권선될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌출부는 코일이 권선되는 위치에 단차가 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자성체 코어는 'ㄷ' 형상으로 상기 돌출부가 말단으로 진행하면서 단면 모양이 변하지 않을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자성체 코어는 다른 모양의 철심을 적층하여 순차적으로 단차가 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재의 길이는 상기 S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석으로 이루어지는 한 단위의 길이보다 길다.

일 실시예에서, 상기 S는 상기 소정의 위상차를 결정하는 상수의 배수 중 하나로 결정되고, 상기 상수는 3 이상의 홀수일 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 작은 크기로 큰 용량의 추력 또는 빠른 이송 속도를 얻을 수 있고, 또한 각 요소가 모듈화되어 있기 때문에 조립이 용이하고, 여러 형태로 변형이 가능하게 되는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 2차 부재의 하중으로 인한 처짐 문제를 해결하고, 장거리 이송에도 사용 가능하게 되는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 2차 부재의 무게를 줄이고 조립 효율을 높이 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 추진력의 리플을 줄이는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 제조 정밀도를 올릴 수 있고 금형 비용도 절감하도록 하는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 출원인의 의해 출원된 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 개방형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 전기자 모듈의 자성체 코어에 코일이 다양한 형태로 감긴 것을 도시한 것이고,
도 4는 성층된 형태의 자성체 코어와 성층되지 않은 형태의 자성체 코어를 도시한 것이고,
도 5는 도 1의 선형 전동기에서 3개 상의 전기자 모듈과 복수의 영구 자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 원리를 도시한 것이고,
도 6은 도 1의 선형 전동기에서 자속이 지나가는 영구 자석의 단면이 직사각형인 예와 평행 사변형인 예를 도시한 것이고,
도 7은 관통 볼트와 스페이서를 이용하여 전기자 모듈 사이의 간격을 일정하게 유지하면서 결합하는 실시예를 도시한 것이고,
도 8은 맨 앞 전기자 모듈과 맨 뒤 전기자 모듈에 브라켓이 결합되는 실시예를 도시한 것이고,
도 9는 도 8의 브라켓을 상세히 도시한 것이고,
도 10은 영구 자석 모듈이 베이스와 결합하는 다양한 실시예를 도시한 것이고,
도 11은 영구 자석 모듈이 한 방향 또는 양 방향에서 베이스와 고정 볼트를 통해 결합하는 실시예를 도시한 것이고,
도 12는 영구 자석 모듈과 베이스가 일체화되는 실시예를 도시한 것이고,
도 13은 영구 자석 모듈과 베이스가 끼움 형태로 결합하는 실시예를 도시한 것이고,
도 14와 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따라 변형된 자성체 코어의 형상과 코일이 다양한 형태로 감긴 것을 도시한 것이고,
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 변형된 전기자 모듈과 영구 자석 모듈이 결합된 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 17은 도 16의 자성체 코어에 코일이 다양한 형태로 감긴 실시예를 도시한 것이고,
도 18은 다른 모양의 철심을 적층하여 생성되는 전기자 모듈의 코어를 도시한 것이고,
도 19는 본 발명에 따른 선형 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 선형 전동기에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

본 발명의 출원인은, 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈을 복수 개 포함하는 2차 부재를 포함하는 밀폐형과 개방형 선형 전동기에 대해서, 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947을 통해 출원하였다.

출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 선형 전동기 중에서 도 1과 같은 개방형 선형 전동기에서, 전기자 모듈의 코어는 2차 부재인 영구 자석 모듈을 둘러싸기 위한 C자 형상이 아니라, 예를 들어 직선 형태이고, 복수의 돌극은 코어로부터 같은 방향으로, 예를 들어 직각으로 돌출한 형태이고, 2차 부재의 복수의 영구 자석 모듈도 나란히 놓인 두 돌극 사이로 코어를 향해 돌출한 형태를 하고 있다.

출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 다른 선형 전동기는 전기자 모듈의 코어에서 돌극의 돌출 각도가 서로 달라 금형 제작에 비용이 많이 들고 정밀도를 올리는 데 한계가 있지만, 도 1의 선형 전동기는 각 전기자 모듈에서 모든 돌극이 코어와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이루고, 각 영구 자석 모듈도 베이스와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이룬 상태로 고정되고 있으므로, 제조 정밀도를 올릴 수 있고 금형 비용도 절감할 수 있다.

본 발명에 따른 선형 전동기는, 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 선형 전동기 중에서 도 1의 개방형 선형 전동기를 변형한 예로, 큰 힘이 필요하지 않고 작은 힘으로도 충분한 경우에 전동기의 크기를 줄이고 제작을 용이하게 한 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 선형 전동기를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 선형 전동기는 자속을 발생시키는 코일을 포함하는 1차 부재와 자속을 가로지르는 영구 자석을 포함하는 2차 부재를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1의 선형 전동기와 비교하여, 돌극의 개수와 영구 자석 모듈의 개수가 각각 2개와 1개로 준 것을 제외하고는 동작 원리는 동일하다.

1차 부재는 분리된 상태로 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는데, 각 전기자 모듈(10)은 자성체 코어(11), 2개의 돌극(12) 및 코일(13)로 구성되고, 자성체 코어(11)는 각 돌극(12)을 연결하고, 두 돌극(12)에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(13)이 감기게 된다.

자성체 코어(11)로부터 같은 방향으로 돌출되는 두 돌극(12)은 자성체 코어(11)와 같은 재질이므로, 자성체 코어(11)와 두 돌극(12)은 하나의 자성체 코어(11)로 부를 수 있고, 두 돌극(12)을 자성체 (11)의 돌출부(12)라고 칭할 수도 있다.

도 2에서, 돌출부(12)는 코어(11)로부터 직각으로 돌출하고 또한 서로 좌우 대칭 형상으로 돌출하고 있는데, 돌출부(12)는 코어(11)와 가까운 부분에서의 90도가 아닌 다른 각도로 돌출할 수 있고, 또한 돌출부(12)의 일부분은 코어(11)와 직각이 아닐 수 있고, 또한 두 돌출부(12)는 부분적으로 좌우 대칭이 아닐 수도 있다. 하지만, 자속 누설을 줄이기 위해서는 돌극과 영구 자석이 간격을 일정하게 유지하는 것이 유리하기 때문에 영구 자석과 접하는 부분에서는 두 돌극(12)이 서로 나란해야 하고, 따라서 영구 자석과 접하는 부분에서는 두 돌극(12)은 코어(11)와 직각이라고 할 수 있다.

2차 부재는, 복수의 영구 자석(21)을 포함하는 영구 자석 모듈(20)로 구성되는데, 영구 자석 모듈(20)은 전기자 모듈(10)의 코어(11)를 향해 돌출하여 두 돌극(12) 사이에 놓이고, 전동기의 진행 방향으로 복수의 영구 자석(21)이 극을 바꿔 가면서 배치될 수 있다. 영구 자석 모듈(20)은 베이스(22)에 고정될 수 있다.

각 전기자 모듈(10)에서 두 돌극(12)에 진행 자계가 형성되도록 코일(13)에 전류가 공급되는데, 돌극(12) 끝에 형성되는 전자극 및 이에 대응되는 영구 자석(21) 사이에 흡인력과 반발력에 의해 진행 추력이 발생하도록 적어도 하나의 전기자 모듈(10)의 코일(13)에는 다른 전기자 모듈(10)의 코일(13)과는 위상차를 갖는 전류가 공급될 수 있다.

1차 부재와 2차 부재 중 어느 하나는 고정자가 되어 고정되고 나머지는 가동자가 되는데, 전기자 모듈(10)의 돌극(12)과 영구 자석 모듈(20)의 영구 자석(21) 사이에 일정한 공극이 유지되면서 가동자가 고정자와 상대적으로 진행한다.

각 전기자 모듈(10) 내에서 두 돌극(12)의 전자석 극성을 서로 다르게 하여 자속 폐 루프가 형성되도록 함으로써, 전기자 모듈(10)의 두 돌극(12)과 영구 자석(21) 사이에 높은 밀도의 자속이 원활하게 흐를 수 있도록 한다. 이를 위해, 도 2에서와 같이, 각 전기자 모듈(10)마다 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(13)을 두 돌극(12)에 감되 두 돌극(12)의 전자석 극성이 서로 다르게 되도록 권선 방향을 바꿔 가면서 감을 수 있는데, 이때 무게 등을 고려하여 좌우 대칭으로 코일(13)을 감는 것이 유리하다. 또는, 도 3에 도시한 바와 같이, 코일(13)을 두 돌극(12) 사이 코어(11)에만 감을 수 있는데, 역시 좌우 대칭으로 코일(13)을 감을 수도 있지만, 이 경우는 좌우 대칭이 아니어도 큰 문제는 없다. 또는, 코일(13)을 두 돌극(12) 사이 코어(11), 및 두 돌극(12)에 감을 수 있는데, 이 경우 두 돌극(12)의 전자석 극성이 서로 다르게 되도록 코일(13)의 권선 방향을 조절해야 한다.

코일(13)을 돌극(12)에 감는 경우, 돌극(12)와 대응하는 영구 자석(21)이 접하는 면적이 넓어지도록, 코어(11)에서 돌출되는 돌극(12)에서 코어(11)에 가까운 부분(코어(11)를 향해 돌출한 영구 자석(21)이 미치지 않은 위치)에 코일(13)을 감을 수 있다. 또한, 도 2에서와 같이, 돌극(12)에서 코어(11)과 가까운(코일(13)이 감기는) 부분과 코어(11)에서 먼(영구 자석(21)과 마주 보는) 부분의 높이를 달리 하는 단차를 돌극(12)의 안쪽에 형성하여, 필요에 따라 코일(13)을 많이 감을 수 있게 하고, 코일(13)과 영구 자석 모듈(20)이 닿지 않도록 하고, 또한 돌극(12)과 영구 자석(21)이 충분히 가깝게 대향하게 할 수 있다.

한 돌극(12)에서 나온 자속이 영구 자석(21)을 거쳐 다른 돌극(12)으로 바로 들어가기 때문에, 영구 자석(21)은 자속이 흐르는 두 돌극(12) 사이로 돌출되어야 하고 영구 자석(21)의 자화 방향은 두 돌극(12)을 향해야 한다.

돌극(12)과 영구 자석(21) 사이에 자속이 흐를 때, 돌극(12)과 영구 자석(21) 사이 간격이 좁고, 자속이 돌극(12)과 영구 자석(21) 표면에 직각으로 흐르고, 돌극(12)과 영구 자석(21) 사이 간격이 돌극(12)과 영구 자석(21)이 접하는 표면 전체에서 일정해야 자속 누설을 줄일 수 있다. 돌극(12)과 영구 자석(21) 사이의 간격은 선형 전동기의 정밀도, 속도, 하중 등을 고려하여 결정될 수 있고, 자속이 표면에 직각으로 흐를 수 있도록 영구 자석(21)의 자화 방향이 결정될 수 있다.

영구 자석(21)을 고정하는 영구 자석 모듈(20)은 비자성체로 이루어지고, 진행 방향으로 영구 자석(21)을 고정할 수 있는 복수의 개구가 형성된다. 영구 자석(21)을 영구 자석 모듈(20)의 개구에 고정하는 데에는 종래의 어떠한 방법을 사용해도 무방하다.

선형 전동기가 가동자의 진행 속도가 빠르지 않는 곳에 적용되는 경우, 코일(13)에 인가되는 전원의 주파수가 높지 않기 때문에, 도 4의 오른쪽 그림과 같이, 코어(11)가 성층(또는 적층)되지 않은 형태로 제조될 수 있고, 이에 따라 생산비가 절감되고 보다 내구성이 높은 구조로 양산이 가능하게 된다. 반면에, 선형 전동기에 빠른 이송 속도가 요구되는 경우에는, 인가되는 전원의 주파수가 높기 때문에, 성층된 형태로 제조된 코어(11)가 사용되어 코어(11)에서 발생하는 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 줄일 수 있게 된다.

2 이상의 전기자 모듈과 영구 자석 모듈의 조합에 의해 진행 방향으로 추력이 발생하는 원리는 도 5에 도시되어 있다. 예를 들어 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)에 2개의 영구 자석(21)을 대응시키는 경우, 도 5의 위쪽 그림과 같은 전기자 모듈 3상과 영구 자석 2극의 조합이 된다.

도 5에서, U, V, W는, 도 2의 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)의 두 돌극(12) 중에서 한 쪽 돌극(12)을 진행 방향으로 나열한 것이고, S/N은 상기 돌극 U, V, W에 대치되는 위치에 놓인 영구 자석(21)을 나열한 것이다.

각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 단일 위상의 전류를 공급하되, 3상인 경우 이웃하는 모듈과 120도의 위상차를 갖는 전류를 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 각각에 각각 소정의 위상차를 갖는 3상의 전류를 인가할 수 있다.

또한, 도 5에 도시한 바와 같이, 진행 방향으로 번갈아 배치된 영구 자석 S 또는 N의 극 간격을 (1/2 주기 180도)로 할 때, 3개의 전기자 모듈(10)이 2/3(120도)에 해당하는 간격으로 배치되어 있다.

영구 자석 S극과 N극 사이에 위치하는 돌극 V를 감은 코일에 (+) 방향으로 피크 값(P)의 교류 전류를 흘려 돌극 V가 N극이 될 때, 돌극 U와 W를 감은 코일에는 (-) 방향으로 피크 값(P)/제곱근(2) 크기의 교류 전류를 흘려 돌극 U와 W가 S극이 되므로, N극인 돌극 V가 영구 자석 S극에는 흡인력을 영구 자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구 자석을 오른쪽으로 이동시킨다. 돌극 V의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 W는 각각 영구 자석 S극과 영구 자석 N극에 반발력과 흡인력을 작용하지만 서로 상쇄되어 진행 방향으로 영향을 미치지 않게 된다.

영구 자석(21)이 2/3 극 간격만큼 이동하여 이번에는 돌극 W가 영구 자석 S극과 N극 사이에 위치하게 되고, 이 순간에는 각 돌극(12)의 코일(13)에 위상이 120도 진행한 전류를 흘리고, 돌극 W를 감은 코일에 (+) 방향으로 피크 값(P)의 교류 전류가 흘러 돌극 W가 N극이 되고, 돌극 U와 V를 감은 코일에는 (-) 방향으로 피크 값(P)/제곱근(2) 크기의 교류 전류가 흘러 돌극 U와 V가 S극이 된다. N극이 된 돌극 W가 영구 자석 S극에는 흡인력을 영구 자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구 자석(21)을 오른쪽으로 이동시키는데, 마찬가지로 돌극 W의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 V는 각각 영구 자석 N극과 영구 자석 S극에 흡인력과 반발력을 작용하지만 서로 상쇄된다.

이와 같은 과정을 반복하여 영구 자석(21)은 오른쪽으로 이동하게 된다. 즉, 각 전기자 모듈(10)에 인가되는 3상의 전류가 돌극 U, V, W에 이동 자계를 발생시키고 이에 따라 영구 자석(21)에는 오른쪽으로 이동하는 추력이 발생한다.

도 5의 돌극 U, V, W에는 코일(13)이 같은 형태로 감긴 것으로 가정하고 있어서, 이웃하는 전기자 모듈(10)의 대응되는 위치에 놓인 돌극(12)에 같은 방향으로 코일(13)이 감길 수 있다. 하지만, 이웃하는 전기자 모듈(10)의 대응되는 위치에 놓인 돌극(12)에 반대 방향으로 코일(13)이 감길 수도 있다. 즉, U와 W는 같은 방향으로 코일(13)이 감기고 V는 U, W와 반대 방향으로 코일(13)이 감길 수 있는데, 이 경우에도 영구 자석(21)을 같은 방향으로 이동시키는 추력을 발생하도록 위상차를 갖는 전원을 공급할 수 있다.

이상적인 모델인 경우, 영구 자석(21)을 이동시키는 추력은, 돌극(12)과 영구 자석(21)이 접하는 표면적의 합에 비례하고, 또한 진행 방향으로 배치되는 전기자 모듈(10)의 개수에도 비례하여 커지게 되고, 코일(13)에 인가되는 전류의 크기, 돌극(12)을 감는 코일(13)의 권선 수, 영구 자석(21)의 자력 크기 등에도 비례 관계를 갖는다.

도 5의 첫 번째 예는 전기자 모듈 3상과 영구 자석 2극의 기본 조합에 대한 예이고, 도 5의 두 번째 예는 첫 번째 조합의 확장인 전기자 모듈 3상과 영구 자석 4극 조합에 대한 예로 추력이 발생하는 원리는 동일하고, 3상 8극 등의 조합도 가능하다.

일반화하면, 모터 상수의 배수가 되는 전기자 모듈(10)의 수 S와 2(N극과 S극)의 배수인 영구 자석(21)의 수 P의 조합을 기본으로 추력이 발생하는데, 여기서 모터 상수는 3상 전원으로 전기자를 구동하는 경우 3, 5상 전원으로 구동하는 경우 5로서, 3 이상의 홀수로 하는 것이 일반적이고, 모터 상수에 의해 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 인가되는 전류의 위상차가 결정된다.

이때, S와 P의 최소 공배수가 커질수록 추력의 리플(ripple)이 줄게 된다. 또한, S와 P의 비를 권선 계수라 하는데 1에 가까울수록 자기 회로의 대칭 효율이 높아서 유리하다. 표 1에 3상 모터의 경우 전기자 모듈(11)과 영구 자석(21)의 조합 관계가 나열되어 있는데, 9개의 전기자 모듈과 8개 또는 10개의 영구 자석의 조합이 효율이나 리플 관점에서 유리하다.

전기자 모듈 개수	영구 자석 개수
3	2	4
6	4	8
9	6	8	10	12
12	8	10	14	16

물론, S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석이 공극을 통해 대치하는 부분의 길이(이동 방향으로의 길이)를 모터의 단위 길이라고 할 때, 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는 1차 부재 또는 다수의 영구 자석(21)으로 구성되는 2차 부재 중 어느 한쪽은 단위 길이보다는 길게 구성해야 가동자를 이동시키는 추력을 발생시킬 수 있는 유효 거리를 확보할 수 있게 된다. 즉, 1차 부재와 2차 부재가 겹치는 길이를 단위 길이보다 길게(전기자 모듈의 개수를 S개 이상 또는 영구 자석의 개수를 P개 이상) 구성해야 추력 발생을 위한 유효 거리를 확보하게 되고, 겹치는 길이에 비례하여 추력이 증가할 수 있다.

또한, 2상의 전원으로 전동기를 구동시킬 수도 있는데, 이 경우 각 전기자 모듈(10)을 영구 자석(21)의 극 간격의 절반(/2)만큼 이격시킨 상태에서 90도 위상차가 나는 2상의 전류를 2개의 전기자 모듈(10)에 흘리는 경우에도, 영구 자석(21)을 한쪽으로 이동시키는 추력을 발생시킬 수 있다.

1차 부재의 각 전기자 모듈(10)에 진행 방향으로 UVW, UVW, UVW 순서로 3상 전류가 인가될 수도 있고, 대신 UuU, VvV, WwW 순서로 3상 전류를 인가하는 것도 가능한데, 여기서 소문자는 대문자와 반대 위상의 전류가 공급되는 것을 의미한다.

1차 부재는 (1차 부재의 코어(11)와 같은 재질인 강자성체로) 서로 연결되지 않고 독립된 전기자 모듈(10)로 구성되기 때문에, 같은 크기의 전원이 각 전기자 모듈(10)에 제공된다면 각 전기자 모듈(10)에는 독립되고 같은 크기의 자속이 흐르게 되어 각 전기자 모듈(10)을 통해 생성되는 추진력에 편차가 적어 추력에 리플이 적게 된다. 또한, 각 전기자 모듈(10) 사이에는 서로 독립된 자기 회로에 의한 자속이 흐르게 되므로, 가동자의 진행 방향과 동일한 방향으로 흐르는 자속이 없게 되어 진행 방향과 수직인 방향으로만 자속의 흐름이 발생하여 추력과 무관한 누설 자속이 적고, 모터 효율을 향상시킬 수 있다.

도 6은 진행 방향으로 극을 바꿔가면서 복수의 영구 자석(21)이 장착된 영구 자석 모듈(20)을 도시한 것으로, 전기자 모듈(10)의 돌극(12)에서 나온 자속 또는 돌극(12)으로 들어가는 자속이 지나가는 영구 자석(21)의 단면이 직사각형인 예와 평행 사변형인 예를 도시하고 있다.

돌극(12)과 영구 자석(21)을 통과하는 자속의 양은, 돌극(12)에서 나오거나 돌극(12)로 들어가는 자속의 분포가 일정하다고 할 때, 돌극(12)의 표면과 영구 자석(21)의 표면이 서로 겹치는 부분의 면적에 비례하게 된다. 추진력은 자속의 변화에 의해 발생하는데, 예를 들어 편의상 2차 부재가 가동자로 진행 방향으로 이동하는 경우, 영구 자석(21)이 이동하는 동안 돌극(12)과 영구 자석(21)을 통과하는 자속의 양은 돌극(12)과 영구 자석(21)의 표면을 컨벌류션(convolution)한 결과가 되고, 도 6의 오른쪽에 도시되어 있다.

영구 자석(21)을 향한 돌극(12)의 표면을 한 쌍의 대변이 진행 방향과 나란한 직사각형(으로 가정할 때, 직사각형 표면의 영구 자석(21)이 진행 방향으로 이동하면서 돌극(12)의 직사각형 표면과 겹치는 부분의 면적은 도 6의 오른쪽 위 그림과 같이 사다리꼴이 되어, 두 표면이 겹치기 시작할 때, 두 표면이 완전히 겹칠 때, 완전히 겹친 두 표면이 겹치지 않는 부분이 발생하기 시작할 때, 일부 겹친 두 표면이 전혀 겹치지 않게 될 때 매끄럽지 않게 연결되는 점(두 직선이 만나는 점)이 발생한다.

즉, 추진력은 자속의 변화, 즉 돌극(12)과 영구 자석(21) 표면이 겹치는 면적의 변화에 비례하고, 돌극(12)과 영구 자석(21) 표면이 겹치는 면적을 미분한 값이 추진력과 관계가 있으므로, 도 6의 오른쪽 위 그림과 같이 매끄럽게 연결되지 않는 점이 있는 경우 그 점에서 추진력에 갑작스런 변화가 발생하고 리플(ripple)을 일으킬 수 있다.

하지만, 한 쌍의 대변이 진행 방향과 나란한 평행 사변형 표면의 영구 자석(21)이 진행 방향으로 이동하면서 돌극(12)의 직사각형 표면과 겹치는 부분의 면적은, 도 6의 오른쪽 아래 그림과 같이 전체적으로는 사다리꼴 형상이지만 선과 선이 매끄럽게 연결되어 리플의 발생을 줄일 수 있다.

전기자 모듈(10)의 돌극(12)에서 나온 자속 또는 돌극(12)으로 들어가는 자속이 지나가는 영구 자석(21)의 단면은 직사각형이나 평행 사변형에 한정되지 않고, 마름모, 원형 또는 타원형도 가능하고, 직사각형이나 평행 사변형의 네 귀퉁이를 자른 팔각형 모양도 가능하다.

도 7과 같이, 각 전기자 모듈(10)에서 코어(11) 및/또는 두 돌극(12)의 말단에 관통 구멍(14)을 뚫고, 관통 볼트(15)와 구멍이 뚫린 스페이서(16)를 이용하여 전기자 모듈(10)을 결합함으로써, 각 전기자 모듈 사이에 일정 간격을 유지하도록 할 수 있다.

도 8은 1차 부재인 전기자 모듈(10)을 보호하기 위하여 브라켓(17)이 맨 앞 전기자 모듈(10)과 맨 뒤 전기자 모듈(10)에 결합되는 예를 도시한 것이다.

브라켓(17)은 녹을 방지할 수 있도록 가벼운 비자성체 재질로 이루어질 수 있는데, 도 9에 도시한 바와 같이, 전기자 모듈(10)과 결합할 수 있도록 관통 볼트(15)이 통과할 구멍이 뚫려 있고, 전기자 모듈(10)과 가깝게 결합될 수 있도록 전기자 모듈(10)에서 코일(13)이 감겨 코어(11)보다 튀어나온 부분에 대응하도록 홈이 형성될 수도 있다.

도 10은 영구 자석 모듈(20)이 베이스(22)와 결합하는 다양한 실시예를 도시한 것이다. 영구 자석 모듈(20)은 복수의 영구 자석(21)을 고정하는 케이스 역할을 하는데, 고정자가 되는 경우 베이스(22)와 결합하여 지면에 고정되어야 한다.

도 10에서, 영구 자석 모듈(20)은 전동기가 설치될 공간을 고려하여 한쪽 방향만 베이스(22)에 연결되거나 양쪽 방향 모두에서 베이스(22)에 연결될 수도 있다. 또는, 베이스(22)에 진행 방향으로 길게 홈을 형성하고 영구 자석 모듈(20)에도 베이스(22)의 홈에 끼우기 위한 돌출부를 진행 방향으로 길게 형성하여 영구 자석 모듈(20)과 베이스(22)를 슬라이딩 방식으로 결합할 수도 있다.

또는, 영구 자석 모듈(20)에서 전기자 모듈(10)의 두 돌극(12) 사이에 놓이는 부분의 반대쪽에 받침대 형상을 형성하여, 즉 베이스와 일체형으로 하여 별도로 베이스와 결합하지 않고 지면에 고정되게 할 수 있다.

도 11은 영구 자석 모듈(20)이 한 방향 또는 양 방향에서 베이스(22)와 고정 볼트(23)를 통해 결합하는 실시예를 도시한 것이고, 도 12는 영구 자석 모듈(20)이 베이스와 일체화되고 고정 볼트를 통해 지면에 고정되는 실시예를 도시한 것이고, 도 13은 영구 자석 모듈(20)과 끼움 형태로 결합되는 베이스(22)가 고정 볼트를 통해 지면에 고정되는 실시예를 도시한 것이다.

전기자 모듈(10)의 1차 부재는 도 10 내지 도 13의 영구 자석 모듈(20)과 베이스(22)의 결합 형태 중 어느 것과의 결합도 가능하다.

1차 부재와 2차 부재가 일정한 간격을 유지하면서 1차 부재가 진행 방향으로 이동할 수 있도록 안내 기구가 설치될 수 있는데, 1차 부재인 전기자 모듈(10)의 두 돌극(12)의 끝에 롤러 또는 슬라이드가 부착되고, 베이스(22) 또는 2차 부재인 영구 자석 모듈(20)의 받침대에 가이드 레일이 형성될 수도 있다.

한편, 도 14와 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따라 변형된 코어(11)의 형상과 코일(13)이 다양한 형태로 감긴 것을 도시한 것으로, 전동기가 적용될 환경에 따라 전기자 모듈의 코어(11)의 형상과 코일(13)의 권선 형태를 선택할 수 있다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 변형된 전기자 모듈(10)과 영구 자석 모듈(20)이 결합된 선형 전동기를 도시한 것이고, 도 17은 도 16의 코어(11)에 코일(13)이 다양한 형태로 감긴 실시예를 도시한 것이다.

도 16과 도 17에서 전기자 모듈(10)의 코어(11)와 두 돌극(12)는 'ㄷ'자 형태로, 두 돌극(또는 코어(11)의 돌출부)(12)은 코어(11)로부터 직각으로 돌출되고 코어(11)로부터 멀어지는 방향으로 돌출하면서 단차가 없이, 즉 돌극(11)의 폭 및/또는 두께가 변하지 않고 일정하다. 따라서, 돌극(12)를 포함하는 자성체 코어(11)의 제작이 쉽고 제작 비용을 줄일 수 있다.

코일(13)에 흐르는 전류의 변화 및 영구 자석(21)의 위치 변화에 따라 코어(11)과 돌극(12)에 흐르는 자속이 변화고 이에 따라 전기자 모듈(10)(또는 1차 부재) 또는 영구 자석 모듈(20)(또는 2차 부재)가 서로 상대적으로 이동한다.

특히, 도 6에 도시한 바와 같이, 영구 자석(21)의 단면 모양이 평행 사변형인 경우, N극과 S극이 동시에 돌극(12)을 지날 때, 예를 들어 N극은 코어(11)에서 가까운 쪽에서 돌극(12)와 접하게 되고 S극은 코어(11)에서 먼 쪽에서 돌극(12)와 접하게 되어, 코어(11)에서 가까운 쪽의 돌극(12)에서는 자속이 돌극(12)을 향해 흐르고 코어(11)에서 먼 쪽의 돌극(12)에서는 자속이 영구 자석(21)을 향해 흐르게 된다.

이와 같이, 돌극(12) 내부 위치에 따라 자속 방향이 달라지고 돌극(12) 내에서의 자속의 변화가 빠르게 되고 상하 방향(코어(11)에서 가까워지거나 멀어지는 방향)으로 자속량에 변화가 발생할 수 있고, 이러한 자속량의 변화는 영구 자석(21)의 극이 바뀌는 시점에서 리플을 줄이는 긍적적인 역할을 할 수 있는데, 돌극(12)의 폭이나 두께 방향으로 단차가 있으면(예를 들어 코일을 감기 위한 공간 확보를 위한 용도로) 이러한 자속량의 변화를 방해할 수도 있고, 또한 진행 방향과 다른 방향으로 진동이 발생할 수도 있다.

이와 같이 돌극(12) 내에서의 자속량의 변화를 수용할 수 있도록, 즉 자속이 원활하게 흐를 수 있도록, 코어(11)로부터 돌출하는 돌극(12)의 폭이나 두께를 일정하게 할 수 있다. 다시 말해, 돌극(12)이 코어(11)로부터 돌출하는 말단으로 진행하면서 돌극(11)의 단면을 바꾸지 않고 단면 모양을 그대로 유지하는 것이 유리하다.

도 18은 다른 모양의 철심을 적층하여 생성되는 전기자 모듈의 코어를 도시한 것이다. 도 4에서 적층된 형태의 코어는 같은 모양의 얇은 철심을 겹친 것이지만, 도 18의 코어는 순차적으로 단차가 형성되도록 다른 모양의 얇은 철심을 적층한 것이다. 다른 모양의 철심을 순차적으로 적층하여 돌극의 단면이, 예를 들어 사다리꼴 형상이 될 수 있고, 2개의 사다리꼴을 겹쳐 도 18과 같은 가운데 부분이 볼록한 육각형 형상(사다리꼴의 나란한 두 변중에서 긴 변이 서로 겹치는 형상)으로 적층하거나 또는 가운데 부분이 오목한 형상(사다리꼴의 나란한 두 변중에서 짧은 변이 서로 겹치는 형상)으로 적층할 수도 있다.

이와 같이 다른 모양의 철심을 적층하여 코어를 형성하면, 영구 자석과 접하는 부분의 면적 또는 영구 자석과의 거리가 전기자 모듈 내에서 진행 방향에 따라 달라져서, 영구 자석의 경계에서 발생하는 추진력의 리플을 줄이고 가동자를 부드럽게 이동시킬 수 있다.

도 19는 본 발명에 따른 선형 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다. 도 19에서 선형 전동기를 제외하고 다른 요소는 종래의 선형 전동기에 적용되는 그대로 사용 가능하다.

서보 시스템은, 외부에서 인가되는 전원(51)으로부터 운반 물체(59)를 이동시킬 전동기(58)에 인가할 전류를 생성하는 구동 앰프(52), 구동 앰프(52)로부터 전동기(58)에 인가되는 전류를 감지하는 전류 센서(56), 선형 전동기(58) 가동자의 위치 또는 이동 속도를 감지하는 리니어 센서(57), 전류 센서(56) 및/또는 리니어 센서(57)에서 검출되는 신호를 기초로 제어 명령에 따라 구동 앰프(52)를 제어하는 제어기(55)를 포함하여 구성될 수 있다. 구동 앰프(52)는 교류 전원을 직류로 바꾸는 컨버터(53)와 전동기 구동에 필요한 전류를 생성하는 인버터(54)를 포함하여 구성될 수 있다.

인버터(54)는, 본 발명에 따른 선형 전동기(58)의 구동 방식에 맞는 전원, 예를 들어 2상 교류 전류, 3상 교류 전류, 2상 정류 전류, 3상 정류 전류 등을 생성하여 선형 전동기(58)의 전기자 모듈에 인가할 수 있는데, 제어기(55)의 명령에 따라 전류의 진폭, 주파수 등을 바꾸어 가동자의 위치, 속도, 가동자를 이동시키는 추력의 크기 등을 조절할 수 있다.

이상 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

10, 10U, 10V, 10W: 전기자 모듈 11: 코어
12: 돌출부 13: 코일
14: 관통 구멍 15: 관통 볼트
16: 스페이서 17: 브라켓
20: 영구 자석 모듈 21: 영구 자석
22: 베이스 23: 고정 볼트
51: 전원 52: 구동 앰프
53: 컨버터 54: 인버터
55: 제어기 56: 전류 센서
57: 리니어 센서 58: 전동기
59: 운반 물체

Claims (11)

1차 부재 및 2차 부재를 포함하여 구성되는 선형 전동기에서,
상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고,
각 전기자 모듈은 2개의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 상기 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고,
상기 2차 부재는 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하고 상기 2개의 돌출부 사이에 놓이고,
상기 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고,
상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 가동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 상기 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 영구 자석의 자화 방향은 상기 2개의 돌출부를 향한 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 직사각형, 평행 사변형, 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 상기 진행 방향과 나란한 한 쌍의 대변을 갖는 평행 사변형인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 1차 부재는 양쪽 끝에 비자성체 재질의 브라켓을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 자성체 코어는 다른 모양의 철심을 적층하여 순차적으로 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 자성체 코어는 'ㄷ' 형상으로 상기 돌출부가 말단으로 진행하면서 단면 모양이 변하지 않는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 코일은 상기 돌출부와 상기 영구 자석이 마주보지 않는 위치에 좌우 대칭 형상으로 권선되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 8항에 있어서,
상기 돌출부는 코일이 권선되는 위치에 단차가 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재의 길이는 상기 S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석으로 이루어지는 한 단위의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 10항에 있어서,
상기 S는 상기 소정의 위상차를 결정하는 상수의 배수 중 하나로 결정되고, 상기 상수는 3 이상의 홀수인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

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