KR20140109932A - 선형 동기 모터 - Google Patents

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KR20140109932A
KR20140109932A KR1020147018774A KR20147018774A KR20140109932A KR 20140109932 A KR20140109932 A KR 20140109932A KR 1020147018774 A KR1020147018774 A KR 1020147018774A KR 20147018774 A KR20147018774 A KR 20147018774A KR 20140109932 A KR20140109932 A KR 20140109932A
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linear synchronous
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KR1020147018774A
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프리드리히 뢰제르
칭화 쩡
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티센크루프 엘리베이터 에이지
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Abstract

본 발명은 코일 권선부들(S)을 구비한 긴 고정자(1)와 로터(2)를 포함하는 선형 동기 모터에 관한 것으로서, 로터는 선형 동기 모터의 길이방향(x)으로 복수의 연속적인 자석들(3)을 구비하고, 긴 고정자(1)는 복수의 긴 고정자 세그먼트들(4)로 형성되고, 복수의 긴 고정자 세그먼트들은 각각 길이방향으로 연속적으로 배열된 복수의 코일 권선부들(S)을 구비하고 틈들(5, 5’)에 의해 서로 분리된다. 본 발명에 따르면, 각각의 경우에 하나의 긴 고정자 세그먼트(4) 및 인접한 틈(5)의 총 길이(LG)는 복수의 연속적인 긴 고정자 세그먼트들(4)에 걸쳐서 일정하고, 로터(2)의 모든 자석들(3)에 걸쳐서 길이방향(x)으로 측정된 길이(LL)는 총 길이(LG)의 정수배이다.

Description

선형 동기 모터{LINEAR SYNCHRONOUS MOTOR}
본 발명은 코일 권선부들을 갖는 긴 고정자와 선형 동기 모터의 길이방향으로 복수의 연속적인 자석들을 갖는 러너(runner)를 구비한 선형 동기 모터에 관한 것으로서, 여기서 긴 고정자는, 각각이 길이방향으로 연속적으로 배열된 복수의 코일 권선부들을 구비하고 틈들에 의해 서로 분리되어 있는 복수의 긴 고정자 섹션들로 형성된다. 본 발명은 또한 선형 동기 모터의 바람직한 용도들에 관한 것이다.
선형 동기 모터들은 실제로 매우 다양한 적용들을 위한 구동원들로서 사용되고 넓은 범위의 서로 다른 크기들로 사용된다. 기계 공구들 또는 위치결정 시스템들의 선형적으로 구동되는 이송 장치들(linearly driven advancing devices) 이외에도, 선형 동기 모터들은 또한 자기 부상 철도와 같은 운송 시스템에 사용된다.
특히, 단거리 이동의 경우에는, 위치가 고정된 부품으로서의 이동 경로에 교번 극성의 자석들이 구비되는 짧은 고정자형 선형 모터들이 사용된다. 그리고 모터의 1차 부분은 이동 부품, 예를 들면 이동 경로를 따라 이동하는 차량의 구동 권선들(drive windings)에 의해 형성된다. 짧은 고정자형 선형 모터들은 보통 기계 공구들의 선형적인 구동원들로 이용되고, 여기서 추진을 가능하게 하는 교번 자장은 예를 들면 이동 케이블을 통해 이동 부품에 제공된다. 짧은 고정자형 선형 모터들은 예를 들면 EP 1 056 187 A1에 공지되어 있다. 단지 단거리 이동만을 갖는 짧은 고정자형 선형 모터들의 경우, 자석들을 구비한, 위치가 고정된 부품은 보통 일체의 부품으로 제조된다.
그러나, 비교적 긴 거리를 고속으로 이동하는 것을 다루고자 하는 경우에, 실제로 긴 고정자형 동기 모터들이 사용된다. 예를 들면, 코일 권선부들을 갖는 긴 고정자와 러너를 구비한 선형 동기 모터는 정기 간행물인 ZEVrail의 2003년 10월 특별판 10 ~ 16 페이지에 공지되어 있다. 상기한 유형의 긴 고정자형 동기 모터의 경우, 위치가 고정된 부품인 긴 고정자는 부품으로 제조되어 설치된다. 상기 긴 고정자 섹션들의 배치는 매우 높은 정밀도로 수행됨에도 불구하고, 전체 모터 거리에 걸쳐서 국부적인 불연속점들을 피할 수 없다. 따라서, 길이방향으로 연속적으로 배열된 긴 고정자 섹션들 사이에 틈들이 생기고, 긴 고정자 섹션들의 설치, 유지 및 교체를 위해 그리고 예를 들면 길이에 있어서의 열변화 또는 지지 구조물의 이동에 기인할 수 있는 팽창 및 변형을 보상할 수 있도록 하기 위해 이 틈들이 필요하다. 이 틈들은 긴 고정자의 코일 권선부들의 다른 등간격 배치에 관하여 편차가 생기게 하고, 이 편차는 선형 동기 모터의 작동 중에 파동(undulation)이라고도 불리는 힘의 변동들을 초래한다. 충격(shocks) 또는 진동(vibrations)의 형태인 상기한 힘의 변동들은 쉽게 상당한 손실을 초래하고, 또한 모터의 증가된 기계적 및 전기적 부하가 발생한다.
이러한 폐해들을 최소화하기 위해, 구조물의 최적화를 통해 연속적인 긴 고정자 섹션들 사이의 틈들을 가능한 한 작게 유지하기 위한 시도가 있었다. 그러나 전술한 힘의 변동들은 설계에 대한 비교적 많은 노력에도 불구하고 완전히 제거될 수 없었다.
WO 2009/146821 A1은 선형 동기 모터의 힘의 변동들을 줄이는 것에 관한 것으로서, 보상을 위해 전자식 제어를 제안한다. 상기한 전자식 보상을 통해, 선형 동기 모터의 구조(geometry)에 기초한 힘의 변동들이 억제되고, 그 결과 구조가 변하지 않고 유지될 수 있다.
US 3 712 240 A는 간단한 도전성 플레이트들, 예를 들면 알루미늄 플레이트들이 2차 요소로 제공되는 다른 일반적인 유형의 동기 모터를 기술한다. 균일한 구동 작용을 허용하기 위해, 1차 요소들과 2차 요소들 사이의 중첩 정도가 항상 일정하게 되도록 의도된다. US 3 712 240에서, 개별 자석들에 의한 힘의 강하 문제가 발생하지 않도록 자석들은 제공되지 않는다.
이러한 배경으로, 본 발명은 코일 권선부들을 갖는 긴 고정자 및 러너를 구비하고, 연속적인 긴 고정자 섹션들 사이에 틈들이 남아있고, 이와 동시에 틈들로 인한 과도한 힘의 변동들을 방지할 수 있는 선형 동기 모터를 특정하는 것을 목적으로 한다.
시작점으로서 도입부에 기술된 특징들을 갖는 선형 동기 모터를 이용한다면, 상기 목적은, 복수의 연속적인 긴 고정자 섹션들에 걸쳐서, 바람직하게는 전체의 긴 고정자에 걸쳐서, 각각의 경우에 하나의 긴 고정자 섹션과 하나의 인접한 틈의 전체 길이(LG)는 일정하고, 여기서 러너의 모든 자석들에 걸쳐서 길이방향으로 측정된 길이(LL)는 전체 길이(LG)의 정수배인, 본 발명에 따라 달성된다. 따라서, 다음의 관계가 적용된다:
LL = n * LG = n * (LA + d)
여기서, n은 자연수, 즉 0보다 큰 정수이며, 여기서 LA는 긴 고정자 섹션의 길이이고, d는 해당 틈의 폭이다.
이동 중에, 러너의 후방 단부, 즉 이동방향으로 마지막 자석이 틈의 영역을 빠져나가면, 러너의 전방 단부, 즉 이동방향으로 러너의 첫 번째 자석은 다음 틈의 영역으로 이동한다. 따라서, n 값은 또한 러너의 바로 아래에 위치된 틈들의 수와 대응된다. 틈들은, 반드시 그럴 필요는 없지만, 공극들(air gaps)일 수 있다. 본 발명의 상황에서, 틈은 일반적으로 코일 권선부들로부터 자유로운 섹션을 나타내고, 여기서 긴 고정자 섹션의 연속적인 코일 권선부들은 그 중심에 대해서 또는 일부 다른 기준 점에 대해서 보통 등간격으로 배열된다. 개개의 긴 고정자 섹션들이 서로 분리된, 개별적으로 설치 가능한 모듈들로 형성되는 경우, 틈들은 예를 들면 가요성 실(flexible seal)과 같은 소재로 채워지지 않은 공극들이다. 그러나, 비교적 긴 모듈들이 전체의 긴 고정자, 즉 전체 이동 경로의 특정 섹션들에 이용되는 것이 또한 가능하다. 따라서, 긴 고정자는 또한 서로 분리된, 개별적으로 설치 가능한 모듈들을 구비할 수 있고, 이 모듈들은 중간에 틈이 배열된 적어도 2개의 긴 고정자 섹션들을 구비한다. 그리고 이러한 틈은 단지 코일 권선부들로부터 자유로운 영역이고, 모듈 자체는 여기서 중절되지 않는다. 본 발명의 상황에서 상술한 길이 비들(length ratios)이 지켜지는 것이 중요하다.
전술한 길이 비들은 전체의 긴 고정자를 따라 실현되는 것이 바람직하다. 특히 매우 긴 길이의 경우에, 예를 들면 자기 부상 철도와 같은 실시예인 경우에, 그러나 예를 들면 구부러진 영역, 접합 영역 또는 다른 전이 영역에서, 상기 조건들이 항상 지켜질 수 없는 특정 상황들에 놓인 경우가 있을 수 있다. 따라서 상기한 영역들에서 각각의 경우에 하나의 긴 고정자 섹션 및 하나의 인접한 틈의 균일한 전체 길이(LG)로부터 벗어날 필요가 있는 경우, 선형 동기 모터의 하중은 필요하다면 일부 다른 방식으로 낮게 유지될 수 있다. 예를 들면, 구동 속도는 상기 영역들에서 감소될 수 있다.
본 발명의 상황에서, 선형 동기 모터의 작동 중에 과도한 힘의 변동들을 초래하지 않고 긴 고정자 섹션들 사이에 틈들이 제공될 수 있다. 상기 틈들은 쉬운, 무-재밍 설치(jamming-free installation) 및 열의 작용 하에서 긴 고정자 섹션들의 팽창을 허용한다. 긴 고정자 섹션들의 길이(LA)의 변화에 따라서, 긴 고정자 섹션들 사이에 남아있는 틈들의 길이는 본 발명에 따라 전체 길이(LG)가 일정하게 되도록 변한다. 그러나, 본 발명의 상황에서 틈들의 길이(d)는 특히 무-재밍 설치 및 분해 그리고 길이 변화의 보상을 허용하는데 필요한 치수로 제한되어야 한다. 본 발명에 따른 길이 조정에도 불구하고, 특히 증가하는 틈의 폭에 의해 또한 증가하는 약간의 잔류 장애(a slight residual disturbance)가 존재한다. 연속적인 긴 고정자 섹션들 사이의 틈들의, 길이방향으로 측정된 길이는 연속적인 자석들 사이의 간격의 절반보다 작고, 상기 간격은 각각의 자석들의 중심에 대해서 결정된다. 따라서, 발생한 변동들이 보통 대략 하나의 자석의 길이 또는 2개의 연속적인 자석들의 돌출량으로 제한된다는 것이 보장될 수 있다.
본 발명의 하나의 바람직한 실시예에서, 러너의 자석들은 길이방향으로 볼 때 교번 극성을 갖는다. 선형 동기 모터의 일반적인 구성에 따르면, 자석들의 극성 방향(pole orientation)은 긴 고정자와 러너 사이의 내력 틈(load-bearing gap)과 수직이다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 따르면, 러너가 짝수의 자석들을 갖는 경우, 러너의 이동 중에 이동방향으로 첫 번째 자석과 마지막 자석은 반대 극성이다. 상기 반대 극성은 또한, 이동방향으로 볼 때 러너의 전방 단부 및 후방 단부에서, 틈들을 지나치는 결과로서 발생하는 변동들이 실질적으로 서로 상쇄된다는 점을 얻는 것을 돕는다.
적용에 따라, 러너의 자석들은 자성 재료로 구성된 영구 자석들 또는 전자석들일 수 있다. 전자석들과 같은 실시예의 경우에, 전자석들은 균일한 여자 장(excitation field)을 보장하도록 일반적으로 전자석들에 가해지는 대략 일정한 직류를 갖는다.
긴 고정자와 러너 사이의 일정한 내력 틈을 제공하기 위해, 평균 장 세기(mean field strength)로부터 일반적으로 전자석들의 코일 전류의 변화가 수행된다. 실제로, 내력 틈을 모니터링하기 위해 틈 센서들이 사용되고, 여기서 내력 틈은 일반적으로 자기 부상 철도의 경우에 대략 10mm이다.
특히 여자 장을 조절할 필요가 없는 경우, 영구 자석들이 러너에 구비될 수도 있다. 마지막으로, 영구 자석들과 전자석들의 조합이 또한 가능할 수 있고, 여기서 내력 기능에 관해서, 영구 자석들은 기초 하중을 다루고, 필요에 따라 전자석들이 조정될 수 있다.
본 발명은 또한 자기 부상 철도를 위한 전술한 선형 동기 모터의 사용 방법에 관한 것이다. 그리고 긴 고정자는 이동 경로를 형성하고, 여기서 러너는 자기 부상 차량의 일부이다.
선형 동기 모터의 대안적인 사용 방법에서, 선형 동기 모터는 빌딩의 엘리베이터 구동원으로서 이용되는 것이 제공된다. 엘리베이터는 특히 화물용 엘리베이터 또는 승객용 엘리베이터이다. 구체적으로, 고층 건물 또는 다른 빌딩 구조물의 상당한 높이를 다루고자 하는 경우, 긴 고정자는 일체가 아닌 긴 고정자 섹션들로 형성되는 것이 편리하다. 또한, 증가된 높이에 대해 엘리베이터의 비교적 빠른 속도가 또한 바람직하고, 여기서 특히 힘의 파동(force undulation)이라고도 불리는 힘의 변동들이 바람직하지 않은 경우이다. 마지막으로, 엘리베이터에 이용되는 선형 동기 모터의 경우, 개개의 자석들에서의 힘의 변동들이 상당한 장애를 초래할 수 있도록 러너는 비교적 짧다. 따라서 본 발명에 따른 긴 고정자의 길이 조정 또는 분할은 선형 동기 모터가 빌딩의 엘리베이터에 이용되는 경우에 특히 편리하다.
본 발명은 단지 예시적인 실시예를 설명하는 도면들에 기초하여 이하에 상세히 기술될 것이다.
도 1은 선형 동기 모터의 개략도를 도시하고,
도 2는 도 1에 도시된 선형 동기 모터의 변형예를 도시한다.
도 1은, 긴 고정자(1)의 단 하나의 섹션만이 도시되고 등간격의 코일 권선부들(S)을 갖는, 긴 고정자(1)를 구비한 선형 동기 모터를 개략적인 도면으로 도시한다. 긴 고정자(1)는 예를 들면 선형 동기 모터에 의해 구동되는 자기 부상 철도의 이동 경로 또는 엘리베이터의 고정된 구동 요소일 수 있다.
또한, 선형 동기 모터는 선형 동기 모터의 길이방향으로 복수의 연속적인 자석들(3)을 갖는 러너(2)를 포함한다. 따라서 긴 고정자(1)는 위치가 고정된 1차 부분을 형성하는 반면, 이동 가능한 러너(2)는 선형 동기 모터의 2차 부분을 형성한다. 자기 부상 철도의 경우에, 따라서 러너(2)는 이동 경로로서의 긴 고정자(1)를 따라 이동되는 차량의 일부이다.
본 발명에 따른 선형 동기 모터는 긴 길이로 설계되고, 이러한 이유로 긴 고정자(1)는, 각각 개별적인 모듈들(a, b, c)로 제조되고 설치되는 복수의 긴 고정자 섹션들(4)로 형성된다. 긴 고정자 섹션들(4)은 각각 길이방향(x)으로 연속적으로 배열된 복수의 코일 권선부들(S)을 구비하고, 여기서 상기 코일 권선부들(S)은 횡방향으로 이동하는 도체들로서의 개개의 자석들(3)을 따라 형성될 수 있고, 도체들은 교류 전압을 받을 때 긴 고정자(1)를 따라 전진하는 장(field)을 형성하여 러너(2)를 이동시킨다.
긴 고정자(1)기 복수의 긴 고정자 섹션들(4)로 조립된다는 사실로 인해, 상기 긴 고정자는 또한 매우 긴 길이를 가질 수 있다. 개개의 긴 고정자 섹션들(4)의 쉬운 설치, 유지 및 분해를 허용하기 위해, 그리고 길이 변화의 보상을 허용하기 위해, 긴 고정자 섹션들(4) 사이에 틈들(5)이 제공된다. 본 발명에 따르면, 각각의 경우에 길이(LA)를 갖는 하나의 긴 고정자 섹션(4) 및 길이(d)를 갖는 하나의 인접한 틈의 전체 길이(LG)는 복수의 긴 고정자 섹션들(4)을 따라서, 바람직하게는 전체의 긴 고정자(1)를 따라서 일정하다. 예를 들면, 긴 고정자 섹션들(4)의 길이(LA)가 열팽창에 의해 증가한다면, 틈들(5)의 길이(d)는 이에 대응하여 감소한다. 여기서 선형 동기 모터의 작동 중에 주변 온도뿐만 아니라 코일 권선부들(S)의 폐열을 위해 공차가 만들어져야 한다.
본 발명에 따르면, 또한 도 1로부터 러너(2)의 모든 자석들(3)에 걸쳐 측정된 러너의 길이(LL)는 전체 길이(LG)의 정수배라는 사실이 드러난다. 도시된 예시적인 실시예에서, 러너(2)의 길이(LL)는 전제 길이(LG)의 2배만큼 크다.
기술된 실시예의 상황에서, 2차 부분으로서의 러너(2)를 따라서 2개의 틈들(5)이 항상 배열된다는 점이 얻어진다. 이동방향(x)으로 볼 때 러너(2)의 후방에 배열된 자석(3)이 틈(5)의 영역을 빠져나가면, 러너(2)의 전방 단부, 즉 이동방향으로 볼 때 첫 번째 자석(3)은 다음 틈(5)의 영역으로 이동한다. 이런 식으로, 틈들(5)을 지나치는 결과로서 발생하는, 힘의 파동이라고도 불리는 힘의 변동들이, 본 발명에 따른 선형 동기 모터의 작동 중에 실질적으로 서로 상쇄된다는 것이 얻어진다. 이는 또한, 이동방향으로 볼 때 첫 번째 자석(3)과 이동방향으로 볼 때 마지막 자석(3)이 반대 극성을 갖는다는 사실에 기인한다. 이는 러너(2)의 자석들(3)이 길이방향(x)으로 볼 때 교번 극성을 갖고, 여기서 러너(2)는 또한 짝수의 자석들(3)을 구비한다는 점에서 달성된다.
본 발명의 상황에서, 러너의 자석들(3)은 전자석들 또는 영구 자석들일 수 있다. 마지막으로, 이 두 가지 자석 유형들의 조합이 또한 가능하고, 여기서 전자석들은 또한 예를 들면 긴 고정자(1)와 러너(2) 사이의 내력 틈이 조절될 수 있도록 장의 세기(field strength) 조절을 허용한다.
도 1에 따른 예시적인 실시예에서, 모듈들(a, b, c)로서의 개개의 긴 고정자 섹션들(4)은 공극에 의해 서로 분리된다. 그러나, 적용에 따라 긴 모듈들 또는 다른 길이의 모듈들이 제공되는 것이 편리할 수 있다. 그리고 증가된 길이의 상기 모듈들은, 각각 틈(5)에 의해 서로 분리된 복수의 긴 고정자 섹션들(4)을 구비한다. 따라서, 도 2는 2개의 다른 모듈들(a’, b’)을 구비한 실시예를 도시하고, 여기서 제2 모듈(b’)은 도 1에 도시된 모듈들(a, b, c)과 같은 구성이다. 그러나, 도 2에 도시된 다른 모듈(a’)은 중간에 틈(5’)이 남아있는 2개의 긴 고정자 섹션들(4)에 의해 형성된다. 본 발명의 상황에서, 틈들(5, 5’)은 따라서 일반적으로 코일 권선부들(S)로부터 자유로운 영역을 나타낸다. 따라서, 도 2는 틈(5’)이 연속적인 모듈(a’)의 코일로부터 자유로운 섹션인 긴 연속적인 모듈(a’)을 도시한다. 또한, 모듈들(a’, b’) 사이에 틈(5)이 제공되고, 이 틈은 도 1의 실시예와 같은 단순한 공극이다. 본 발명에 따른 선형 동기 모터는 특히 자기 부상 철도 또는 빌딩의 엘리베이터에 이용될 수 있다.

Claims (9)

  1. 코일 권선부들(S)을 갖는 긴 고정자(1) 및 선형 동기 모터의 길이방향(x)으로 복수의 연속적인 자석들(3)을 갖는 러너(2)를 구비하고, 긴 고정자(1)는, 길이방향(x)으로 연속적으로 배열된 복수의 코일 권선부들(S)을 각각 구비하고 틈들(5, 5’)에 의해 서로 분리된 복수의 긴 고정자 섹션들(4)로 형성된 선형 동기 모터에 있어서,
    복수의 연속적인 긴 고정자 섹션들(4)에 걸쳐서, 각각의 경우에 하나의 긴 고정자 섹션(4) 및 하나의 인접한 틈(5, 5’)의 전체 길이(LG)는 일정하고, 러너(2)의 모든 자석들(3)에 걸쳐서 길이방향(x)으로 측정된 길이(LL)는 전체 길이(LG)의 정수배인 것을 특징으로 하는 선형 동기 모터.
  2. 제1항에 있어서,
    연속적인 자석들(3)은 자석들 각각의 중심에 대해서 간격(LM)을 갖고, 연속적인 긴 고정자 섹션들(4) 사이의 틈들(5, 5’)은 연속적인 자석들(3) 사이의 간격의 절반보다 작은 것을 특징으로 하는 선형 동기 모터.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    러너의 자석들(3)은 길이방향(x)으로 볼 때 교번 극성을 갖는 것을 특징으로 하는 선형 동기 모터.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    러너(2)는 짝수의 자석들(3)을 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 동기 모터.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    러너(2)의 자석들(3)은 영구 자석들인 것을 특징으로 하는 선형 동기 모터.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 일부의 긴 고정자 섹션들(4)은 서로 분리된, 개별적으로 설치 가능한 모듈들(a, b, c)로 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 동기 모터.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    긴 고정자(1)는 서로 분리된, 개별적으로 설치 가능한 모듈들(a’, b’)을 구비하고, 적어도 일부의 모듈들(a’)은 중간에 틈(5’)이 배열된 적어도 2개의 긴 고정자 섹션들(4)을 구비하는 것을 특징으로 하는 선형 동기 모터.
  8. 자기 부상 철도를 위한 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 선형 동기 모터의 용도.
  9. 빌딩의 엘리베이터를 위한 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 선형 동기 모터의 용도.
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