KR20210054730A - 선형 전동기 및 선형 전동기를 이용한 반송 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 선형 전동기는, 1차 부재와 2차 부재를 포함하여 구성되고, 1차 부재는 복수의 전기자 모듈들을 포함하고, 각 전기자 모듈은 2개 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 2차 부재는 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구자석을 포함하는 자석 모듈을 하나 이상 포함하고, 자석 모듈은 이웃하는 2개의 돌출부 사이에 놓일 수 있다. 2의 배수인 P개의 영구자석과 진행 방향으로 P개의 영구자석이 정렬된 제1 길이에 대응하는 구간에 배치된 전기자 모듈들을 한 단위로 하여 이동 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 1차 부재가 고정되고 생성되는 추력에 의해 2차 부재로 구성되는 가동자가 이동할 수 있다. 진행 방향을 기준으로 제1 구간에 배치된 제1 전기자 모듈들 사이의 제1 간격이 제1 구간 이후의 제2 구간에 배치된 제2 전기자 모듈들 사이의 제2 간격과 다를 수 있다.

Description

선형 전동기 및 선형 전동기를 이용한 반송 시스템{LINEAR MOTOR AND TRANSFER SYSTEM USING THE SAME}

본 발명은 직선 운동을 발생시키는 선형 전동기를 이용한 반송 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 선형 전동기, 즉 리니어 모터는 직선 모양으로 면하는 가동자 및 고정자 사이에 추력(推力)을 발생하는 구조로 되어 있다. 영구자석형 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.

이와 같은 선형 전동기를 이용하여 반송 시스템에 적용한 것으로, 일본공개특허 特開 2006-166537(P2006-166537A) "자석 가동형 리니어 모터"(이하 '선행 기술')와 같은 것을 들 수 있다.

선행 기술에 의한 선형 전동기는, 회전 모터를 전개하여 직선상에 펼쳐 배치한 구조로 인하여, 전기자 코어의 돌극과 영구자석 사이에는 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 수 밖에 없다. 또한, 이와 같은 자기 흡인력을 보완하기 위해서 기계적 구조가 복잡해지고 장비 전체가 무거워지는 문제점이 많다.

본 발명은 이러한 상황을 감안한 것으로, 본 발명의 목적은 주행 속도 변화가 작은 반송 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 작은 개수의 전기자 모듈을 사용하면서 장거리 이송이 가능한 영구자석 가동형 반송 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선형 전동기는, 1차 부재와 2차 부재를 포함하여 구성되고, 1차 부재는 복수의 전기자 모듈들을 포함하고, 각 전기자 모듈은 2개 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 2차 부재는 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구자석을 포함하는 자석 모듈을 하나 이상 포함하고, 자석 모듈은 이웃하는 2개의 돌출부 사이에 놓일 수 있고, 2의 배수인 P개의 영구자석과 진행 방향으로 P개의 영구자석이 정렬된 제1 길이에 대응하는 구간에 배치된 전기자 모듈들을 한 단위로 하여 이동 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 1차 부재가 고정되고 생성되는 추력에 의해 2차 부재로 구성되는 가동자가 이동하고, 진행 방향을 기준으로 제1 구간에 배치된 제1 전기자 모듈들 사이의 제1 간격이 제1 구간 이후의 제2 구간에 배치된 제2 전기자 모듈들 사이의 제2 간격과 다른 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 반송 시스템은, 선형 전동기; 1차 부재를 고정하고 레일이 설치되는 지상 베이스; 2차 부재가 고정되는 가동자 베이스; 및 가동자 베이스에 탑재되어 레일과 결합하는 가이드를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

다양한 종류로 구성한 1차 부재를 용도에 맞게 배치하여 반송 시스템 전체의 전기자 모듈 개수를 최적화하고 시스템 전체 구성을 경량화할 수 있게 된다.

또한, 작은 크기로 큰 용량의 추력과 빠른 이송 속도를 얻을 수 있게 되고, 또한 각 요소가 모듈화되어 있기 때문에 조립이 용이하고, 여러 형태로 변형이 가능하다.

적은 자원으로 장거리 이송이 가능하고 주행 속도와 목표 속도와의 차이가 작은 선형 전동기를 이용한 반송 시스템을 제공할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 출원인이 출원한 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 개방형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 2은 본 발명의 출원인이 출원한 출원 번호 KR 10-2011-0020599에 기재된 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차 부재를 베이스에 고정하고 영구자석을 포함한 가동자가 이동하는 반송 시스템을 도시한 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 선형 전동기가 적용될 반송 시스템의 구성을 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 1차 부재를 연속으로 배치한 A model 과 전기자 모듈을 간헐적으로 배치한 B model을 도시한 것이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 1차 부재를 연속으로 배치하고 각각의 전기자 모듈에 인버터를 하나씩 결선하고 인버터 전체를 상위 컨트롤러가 제어 하는 반송 시스템을 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 1차 부재를 간헐적으로 배치하고 각각의 1차 부재에 릴레이를 하나씩 결선하고 인버터 하나로 복수의 1차 부재를 상위 컨트롤러가 제어하는 반송 시스템을 도시한 것이고,
도 8은 3상 동기 전동기의 전기자 모듈 개수와 영구자석 극수의 조합 관계를 도시한 것이고,
도 9는 선형 전동기에서 3개의 전기자 모듈로 구성한 1차 부재와 복수의 영구자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 동작 원리를 도시한 것이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 같은 구조의 영구자석 10극 유닛에 대해서, 전기자 모듈 9개로 구성된 제1 전기자 그룹, 전기자 모듈 6개로 구성된 제2 전기자 그룹 및 전기자 모듈 3개로 구성된 제3 전기자 그룹을 각각 도시한 것이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 동일한 전기자 그룹을 연속 배치한 예를 도시한 것이고,
도 12는 가속, 등속, 감속의 속도 구간에 따라서 필요한 추력의 상대적 크기 및 본 발명의 일 실시예에 따라 속도 구간별로 1차 부재의 배치 형태를 달리할 때 속도 변화를 도시한 것이고,
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 12의 B Model을 제1 부재로 채택할 때 가동자의 길이를 늘려 속도 오차를 줄이는 것을 도시한 것이고,
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 속도 구간별로 구동할 수 있는 영구 자석 모듈의 개수를 조절하도록 1차 부재의 배치 형태를 다르게 하는 것을 도시한 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선형 전동기를 이용한 반송 시스템에 대한 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

본 발명의 출원인은, 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구자석을 포함하는 영구자석 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 영구자석 모듈을 둘러싸기 위한 C자 형상이 아니라, 예를 들어 직선 형태이고, 복수의 돌극은 코어로부터 같은 방향으로, 예를 들어 직각으로 돌출한 형태이고, 2차 부재의 복수의 영구자석 모듈도 나란히 놓인 각 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 있다. 하지만, 도 1의 선형 전동기에서, 각 전기자 모듈에서 모든 돌극은 코어와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이루고, 각 영구자석 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 영구자석 가동형으로 변형한 것이다. 영구자석 가동형 선형 전동기를 이용하는 본 발명에서는, 반송 시스템이 요구하는 속도 구간에 대응하도록 전기자 모듈 사이의 간격으로 조절하여 장거리 이송을 가능하게 하고, 또한 실제 주행 속도와 목표 속도의 차이를 최소로 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 출원인의 의해 출원된 출원 번호 KR 10-2011-0020599에 기재된 선형 전동기를 도시한 것으로, 자속을 발생시키는 코일을 포함하는 1차 부재와 자속을 가로지르는 영구자석을 포함하는 2차 부재를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1의 선형 전동기와 비교하여, 돌극의 개수와 영구자석 모듈의 개수가 각각 2개와 1개로 준 것을 제외하고는 동작 원리는 동일하다.

도 3은 본 발명에 따른 선형 전동기를 도시한 것이다.

본 발명에 따른 선형 전동기는 전기자 모듈이 베이스에 고정되고 영구자석을 포함한 가동자가 이동하는 영구자석 가동형으로, 자속을 발생시키는 코일을 포함하는 1차 부재와 자속을 가로지르는 영구자석을 포함하는 2차 부재를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1과 도 2의 선형 전동기와 비교하여, 돌극의 개수와 영구자석 모듈의 개수가 각각 3개와 2개로 표시되어 있지만, 기본적인 동작 원리는 동일하다.

1차 부재(30)는 분리된 상태로 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는데, 각 전기자 모듈(10)은 자성체 코어(11), 3개의 돌극(12) 및 코일(13)로 구성되고, 자성체 코어(11)는 각 돌극(12)을 연결하고, 각 돌극(12)에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(13)이 감기게 된다. 도 3에서 돌극(12)의 개수는 3개이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 2개 이상 복수 개가 가능하다.

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

2차 부재는, 복수의 영구자석(21)을 포함하는 영구자석 모듈(20)로 구성되는데, 영구자석 모듈(20)은 전기자 모듈(10)의 코어(11)를 향해 돌출하여 각 돌극(12) 사이에 놓이고, 전동기의 진행 방향으로 복수의 영구자석(21)이 극을 바꿔 가면서 배치될 수 있다. 영구자석 모듈(20)은 가동자 베이스(22)에 고정될 수 있다. 1차 부재를 고정하는 지상 베이스(41)에는 안내 레일(42)이 설치되고, 2차 부재를 탑재한 가동자 베이스(22)에는 안내 가이드(43)를 설치하여, 전기자 모듈(10)의 돌극(12)과 영구자석 모듈(20)의 영구자석(21) 사이에 일정한 공극이 유지되면서 1차 부재와 2차 부재가 상호간에 기계적 간섭을 받지 않고 자유롭게 주행할 수 있는 구조를 형성한다.

각 전기자 모듈(10)에서 각 돌극(12)에 이동 자계가 형성되도록 코일(13)에 전류가 공급되는데, 돌극(12) 끝에 형성되는 전자극 및 이에 대응되는 영구자석(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.

각 전기자 모듈(10) 내에서 각 돌극(12)의 전자석 극성을 서로 다르게 하여 자속 폐 루프가 형성되도록 함으로써, 전기자 모듈(10)의 각 돌극(12)과 영구자석(21) 사이에 높은 밀도의 자속이 원활하게 흐를 수 있도록 한다. 이를 위해, 각 전기자 모듈(10)마다 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(13)을 각 돌극(12)에 감되, 각 돌극(12)의 전자석 극성이 서로 다르게 되도록 권선 방향을 설정해서 감는다.

도 4는 본 발명에 따른 선형 전동기가 적용될 반송 시스템의 구성을 도시한 것이다.

선형 전동기의 고정자가 가동자(Mover)가 지나갈 통로(Runway)를 닫혀진 루프로 형성하고, 가동자가 지나가는 복수 위치에 작업 영역(Work area)이 형성된다. 가동자가 작업 영역과 작업 영역 사이에 일정한 속도로 이동할 수도 있다. 또는, 이동 속도를 높이기 위해, 가동자가 현재 작업 영역에서 다음 작업 영역으로 이동을 시작할 때 가속되고, 다음 작업 영역에 도달할 즈음에 감속될 수 있다. 즉, 작업 영역과 작업 영역 사이에 가속, 등속, 감속 구간을 가질 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 1차 부재를 연속으로 배치한 A model 과 전기자 모듈을 간헐적으로 배치한 B model을 도시한 것이다.

선형 전동기 가동자의 진행 방향으로 소정 간격으로 배치되는 복수 개의 전기자 모듈을 묶어서 하나의 전기자 그룹을 형성시키고, 복수 개의 전기자 그룹을 연속으로 또는 간헐적으로 배치하여 반송 시스템의 궤도를 형성할 수 있다. 영구자석의 N극과 S극의 영구자석 피치를 τ라고 할 때, 하나의 전기자 그룹의 전장(또는 길이)은 τ의 짝수 배가 이상적이지만, 전기자 모듈의 각 상간의 절대적인 위상차와 이동 자계의 방향이 일치하도록 제작한다면 홀수 배도 가능하다.

이때 각 전기자 그룹을 배치할 때 각 상의 유도 기전력(역기전력)이 동위상이 되도록 배치하여야 하고, 이를 위해 진행 방향으로 복수 개의 전기자 그룹을 배치할 때, 각 전기자 그룹의 제1 전기자 모듈 사이의 간격(또는 같은 상의 전기자 모듈 사이의 간격)은 2*τ의 n배(n은 1 이상의 정수)로 해야 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 1차 부재를 연속으로 배치하고 각각의 전기자 모듈에 인버터(51)를 하나씩 결선하고 인버터 전체를 상위 컨트롤러(50)가 제어 하는 반송 시스템을 도시한 것이다.

도 6에서는 각 전기자 그룹마다 해당 전기자 그룹에 속하는 각 전기자 모듈의 코일을 구동할 인버터를 따로 구비하고 있다. 하지만, 복수의 전기자 모듈끼리 서로 동위상이 될 수 있기 때문에, 전기자 모듈의 단자선을 직렬, 병렬 또는 직병렬 결선을 해서 인버터의 사용 대수를 줄일 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따라 1차 부재를 간헐적으로 배치하고 각각의 1차 부재에 릴레이를 하나씩 결선하고 인버터 하나로 복수의 1차 부재를 상위 컨트롤러가 제어하는 반송 시스템을 도시한 것이다. 물론, 경우에 따라서는 릴레이 대신에 각 전기자 그룹마다 인버터를 따로 연결해서 사용할 수도 있다.

1차 부재가 배치되지 않은 구간에는 홀 센서(53)를 배치하여, 제어부(Controller)(50)가, 영구 자석 가동자(Mover)의 위치를 파악하여, 릴레이를 통해 가동자가 이동할 다음 1차 부재를 연결하고 해당 1차 부재를 제어할 수 있도록 한다.

도 8은 3상 동기 전동기의 전기자 모듈 개수와 영구자석 극수의 조합 관계를 도시한 것이다.

도 8의 표에서, 영구자석 극수 8의 경우에는 전기자 모듈을 3개, 6개, 9개 모두 공용으로 사용할 수가 있다. 마찬가지로, 영구자석 극수 10의 경우에도 전기자 모듈을 3개, 6개, 9개 모두 공용으로 사용할 수 있다.

도 9는 선형 전동기에서 3개의 전기자 모듈로 구성한 1차 부재와 복수의 영구자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 동작 원리를 도시한 것으로, 2 이상의 전기자 모듈과 영구자석 모듈의 조합에 의해 진행 방향으로 추력이 발생하는 원리를 도 9가 도시하고 있다. 예를 들어 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)에 2개의 영구자석(21)을 대응시키는 경우, 도 9의 위쪽 그림과 같은 전기자 모듈 3상과 영구자석 2극의 조합이 된다.

도 9에서, U, V, W는, 도 2의 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)의 각 돌극(12) 중에서 한 쪽 돌극(12)을 진행 방향으로 나열한 것이고, S/N은 돌극 U, V, W에 대치되는 위치에 놓인 영구자석(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 인가할 수 있다.

또한, 도 9의 위 그림에 도시한 것과 같이, 진행 방향으로 번갈아 배치된 영구자석 S 또는 N의 극 간격을 (1/2 주기 180도)로 할 때, 3개의 전기자 모듈(10)이 2/3(120도)에 해당하는 간격으로 배치될 수 있다.

영구자석 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 영구자석 S극에는 흡인력을 영구자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구자석을 오른쪽으로 이동시킨다. 돌극 V의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 W는 각각 영구자석 S극과 영구자석 N극에 반발력과 흡인력을 작용하지만 서로 상쇄되어 진행 방향으로 영향을 미치지 않게 된다.

영구자석(21)이 2/3만큼 이동하여 이번에는 돌극 W가 영구자석 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 영구자석 S극에는 흡인력을 영구자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구자석(21)을 오른쪽으로 이동시키는데, 마찬가지로 돌극 W의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 V는 각각 영구자석 N극과 영구자석 S극에 흡인력과 반발력을 작용하지만 서로 상쇄된다.

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

이상적인 모델인 경우, 영구자석(21)을 이동시키는 추력은, 돌극(12)과 영구자석(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, 영구자석(21)의 자력 크기 등에도 비례 관계를 갖는다.

도 9의 첫 번째 예(위 그림)는 전기자 모듈 3상과 영구자석 2극의 기본 조합에 대한 예이고, 도 9의 두 번째 예(아래 그림)는 첫 번째 조합의 확장인 전기자 모듈 3상과 영구자석 4극 조합에 대한 예로 추력이 발생하는 원리는 동일하고, 3상 8극, 10극 등의 조합도 가능하다.

일반화하면, 모터 상수의 배수가 되는 전기자 모듈(10)의 개수 S와 2(N극과 S극)의 배수인 영구자석(21)의 개수 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.

물론, S개의 전기자 모듈과 P개의 영구자석이 공극을 통해 대치하는 부분의 길이(이동 방향으로의 길이)를 1차 부재의 단위 길이라고 할 때, 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는 1차 부재 또는 다수의 영구자석(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 영구자석의 개수를 P개 이상) 구성해야 추력 발생을 위한 유효 거리를 확보하게 되고, 서로 겹치는 1차 부재와 2차 부재 사이에 형성되는 공극의 면적에 비례하여 추력이 증가할 수 있다.

1차 부재의 각 전기자 모듈(10)에 진행 방향으로 UuU(U상군), VvV(V상군), WwW(W상군) 순서로 3상 전류를 인가하고, 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.

돌극(12)과 영구자석(21)을 통과하는 자속의 양은, 돌극(12)에서 나오거나 돌극(12)로 들어가는 자속의 분포가 일정하다고 할 때, 돌극(12)의 표면과 영구자석(21)의 표면이 서로 겹치는 부분의 면적에 비례하게 된다.

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

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 같은 구조의 영구자석 10극 유닛에 대해서, 전기자 모듈 9개로 구성된 제1 전기자 그룹, 전기자 모듈 6개로 구성된 제2 전기자 그룹 및 전기자 모듈 3개로 구성된 제3 전기자 그룹을 각각 도시한 것이다.

각 전기자 그룹은 영구자석 10극 유닛으로 구성한 2차 부재의 단위 길이 L(2τ*5 = 10극)과 같게 설계될 수 있다.

제1 전기자 그룹은 9개의 전기자 모듈이 2차 부재의 단위 길이 L 범위 안에서 같은 간격으로 배치되고, 제2 전기자 그룹은 2차 부재의 단위 길이 L 범위 안에서 제1 전기자 그룹에서 3개의 전기자 모듈이 빠진 형태로 6개의 전기자 모듈이 배치되고, 제3 전기자 그룹은2차 부재의 단위 길이 L 범위 안에서 제1 전기자 그룹에서 6개의 전기자 모듈이 빠진 형태로 3개의 전기자 모듈이 배치된다.

즉, 제2 전기자 그룹은, 제1 전기자 그룹에서 3개의 전기자 모듈 간격으로 제2, 제5 및 제8 전기자 모듈이 빠지고, 제1, 제3, 제4, 제6, 제7, 제9 전기자 모듈만 배치된 형태이다. 또한, 제3 전기자 그룹은, 제1 전기자 그룹에서 3개의 전기자 모듈 간격으로 제2, 제5 및 제8 전기자 모듈만 남고, 나머지 전기자 모듈이 빠진 형태이다. 따라서, 제1 전기자 그룹, 제2 전기자 그룹 및 제3 전기자 그룹에 배치되는 전기자 모듈의 개수의 비는 3:2:1이다.

제1 전기자 그룹에서 전기자 모듈 사이의 제1 간격은 제3 전기자 그룹에서 전기자 모듈 사이의 제3 간격보다 크다. 또한, 제2 전기자 그룹에서 전기자 모듈 사이의 간격은 제1 간격과 제2 간격 중 어느 하나가 된다.

본 발명의 선형 전동기는, 각 전기자 모듈마다 별도의 코일이 감기고 다른 전기자 모듈끼리 서로 영향을 주지 않기 때문에, 같은 간격으로 연속으로 배치되는 전기자 그룹에서 몇 개의 전기자 모듈을 빼더라도 동작에 문제가 없다.

즉, 도 10에서, 제1 전기자 그룹은 10개의 영구 자석, 즉 10극 유닛의 단위 길이 L에 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m, 7m, 8m 및 9m의 순서로 9개의 전기자 모듈들이 배치되고, 1m, 2m 및 3m에는 U상군, 4m, 5m 및 6m에는 V상군, 7m, 8m 및 9m에는 W상군의 전류가 공급되어, 2차 부재인 영구자석 모듈을 이동시키는 추력을 생성할 수 있다.

또한, 제2 전기자 그룹은 10극 유닛의 단위 길이 L에 1m, 3m, 4m, 6m, 7m 및 9m의 순서로 6개의 전기자 모듈들이 배치되고, 1m과 3m에는 U상군, 4m과 6m에는 V상군, 7m과 9m에는 W상군의 전류가 공급되어, 2차 부재인 영구자석 모듈을 이동시키는 추력을 생성할 수 있다.

비슷하게, 제3 전기자 그룹은 10극 유닛의 단위 길이 L에 2m, 5m 및 8m의 순서로 3개의 전기자 모듈들이 배치되고, 2m에는 U상, 5m에는 V상, 8m에는 W상의 전류가 공급되어, 2차 부재인 영구자석 모듈을 이동시키는 추력을 생성할 수 있다.

같은 구조의 영구자석 8극 유닛으로 구성한 2차 부재의 단위 길이 L(2τ*4=8극)에 대해서도, 9개의 전기자 모듈로 구성되는 제1 전기자 그룹, 6개의 전기자 모듈로 구성되는 제2 전기자 그룹 및 3개의 전기자 모듈로 구성되는 제3 전기자 그룹을 공통으로 사용할 수 있다.

추력을 발생시키는 단위 길이 범위 안에서, 제1 전기자 그룹에 배치되는 전기자 모듈의 개수와 영구 자석의 극 수의 비는 9:10 또는 9:8일 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 동일한 전기자 그룹을 연속 배치한 예를 도시한 것이고, 2차 부재는 어느 타입에서나 공통으로 사용할 수 있다.

9개의 전기자 모듈로 구성되는 제1 전기자 그룹을 연속으로 배치하면 동일 간격으로 전기자 모듈이 연속으로 배치된다. 6개의 전기자 모듈로 구성되는 제2 전기자 그룹을 연속으로 배치하면, 3개의 전기자 모듈을 주기로 2개의 전기자 모듈이 연속으로 배치된 이후 하나의 전기자 모듈이 빠진 형태가 반복된다. 3개의 전기자 모듈로 구성되는 제3 전기자 그룹을 연속으로 배치하면, 3개의 전기자 모듈을 주기로 하나의 전기자 모듈이 배치된 후 2개의 전기자 모듈이 빠진 형태가 반복된다.

도 12는 가속, 등속, 감속의 속도 구간에 따라서 필요한 추력의 상대적 크기 및 본 발명의 일 실시예에 따라 속도 구간별로 1차 부재의 배치 형태를 달리할 때 속도 변화를 도시한 것이다.

도 12에서, A Model은 9개 전기자 모듈의 제1 전기자 그룹을 연속 배치한 것이고, B Model은 제1 전기자 그룹을 간헐 배치한 것이고, C Model은 9개 전기자 모듈의 제1 전기자 그룹, 6개 전기자 모듈의 제2 전기자 그룹, 3개 전기자 모듈의 제3 전기자 그룹, 제2 전기자 그룹 및 제1 전기자 그룹 순서로 연속 배치한 것이다.

반송 시스템이, 전기자 모듈 9개가 같은 간격으로 배치된 제1 전기자 그룹을 연속으로 배치한 A model의 선형 전동기를 이용하면, 속도 변화가 가장 작아서 이상적이지만, 이동 거리가 길어질수록 필요로 하는 1차 부재의 원가가 상승하고 반송 시스템의 전체 무게도 무거워진다.

B Model과 같이 제1 전기자 그룹을 간헐 배치함으로써 1차 부재의 원가 상응을 줄이고 전체 무게를 줄일 수 있지만, 가동자의 주행 중 속도 변화가 심해서 용도에 따라서는 사용하는데 제약이 있다.

도 12의 아래 그래프에서 보듯이, 제1 위치에서 출발하여 제2 위치에 도달하여 멈출 때까지 경로가 가속 구간, 등속 구간 및 감속 구간으로 구성될 수 있다. 각 구간마다 해당 구간의 속도 형태에 따라 필요한 추력이 달라지는데, 가속 구간에는 가속을 위한 추력이 상대적으로 많이 필요하고, 등속 구간에는 추력이 거의 필요하지 않고, 감속 구간에는 반대 방향으로 추력이 상대적으로 많이 필요하다. 즉, 구간에 필요한 속도에 따라 필요한 추력의 상대적인 크기가 달라진다.

도 12의 아래 그래프에서, A Model의 그래프가 시간에 따른 선형 전동기의 이상적인 속도에 해당하지만, B Model의 그래프는 가속 구간, 등속 구간 및 감속 구간에서 오버슈트(Overshoot)와 언더슈트(Undershoot)가 발생하여, 가동자가 감속할 때와 가속할 때 덜컹덜컹하게 된다.

따라서, 가속 구간과 감속 구간에는, 추력을 많이 발생시킬 수 있도록, 전기자 모듈이 빠지지 않고 동일 간격으로 배치되는 제1 전기자 그룹을 배치할 수 있다. 등속 구간에는 추력이 거의 필요 없기 때문에, 전기자 모듈 사이 간격이 가장 긴 제3 전기자 그룹을 배치하고, 가속 구간과 등속 구간 및 등속 구간과 감속 구간 사이에는 제2 전기자 그룹을 배치할 수 있다.

즉, 본 발명에서는 구간에 필요한 속도(필요한 추력)에 따라 전기자 모듈 사이의 간격이 다른 전기자 그룹들을 연속으로 배치하여, 자원을 효율적으로 사용하여 원가 상승을 줄이고 무게를 줄이면서도 목표 속도와의 오차를 줄일 수 있다.

도 12에서는 제1 전기자 그룹 -> 제2 전기자 그룹 -> 제3 전기자 그룹 -> 제2 전기자 그룹 -> 제1 전기자 그룹 순서로 배치하였지만, 제2 전기자 그룹을 삭제하고 제1 전기자 그룹 -> 제3 전기자 그룹 -> 제1 전기자 그룹 또는 제3 전기자 그룹을 삭제하고 제1 전기자 그룹 -> 제2 전기자 그룹 -> 제1 전기자 그룹 순서로 배치할 수도 있다.

도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따라 도 12의 B Model을 제1 부재로 채택할 때 가동자의 길이를 늘려 속도 오차를 줄이는 것을 도시한 것이다.

도 12의 아래 그래프는 전기자 그룹의 길이와 영구자석 모듈의 길이가 같다는 가정에서 시뮬레이션 한 것으로, B Model의 경우 이웃하는 두 전기자 그룹 사이에 추력이 발생하지 않기 때문에 속도 오차가 더 발생할 수 있다.

도 12의 B Model과 같이 9개의 전기자 모듈로 구성되는 제1 전기자 그룹을 간헐적으로 배치할 때, 도 13과 같이 2차 부재의 중심이 이웃하는 두 제1 전기자 그룹 사이를 지날 때도 2차 부재의 양쪽 일부가 두 제1 전기자 그룹에 중첩되도록, 2차 부재인 영구자석 모듈의 길이를 제1 전기자 그룹의 길이보다 길게 하여, 예를 들어 2차 부재를 영구자석 20극 유닛으로 구성하여, 목표 속도와의 차이를 줄일 수도 있다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따라 속도 구간별로 구동할 수 있는 영구 자석 모듈의 개수를 조절하도록 1차 부재의 배치 형태를 다르게 하는 것을 도시한 것이다.

본 발명의 선형 전동기는 진행 방향과 수직 방향으로 배치하는 영구자석 모듈의 개수를 자유롭게 선택해서 설계할 수 있는 특징이 있다. 예를 들면, 도 1에서는 영구자석 모듈(20)이 4개고, 도 2에서 영구자석 모듈(20)이 1개이고, 도 3에서는 영구자석 모듈(20)이 2개인데, 영구자석 모듈(20)을 3개 사용하더라도 같은 원리로 선형 전동기를 구성하는 것이 가능하다.

도 14와 같이, 큰 추력이 필요로 하는 가속 구간과 감속 구간에는 영구자석 모듈 3개를 모두 구동할 수 있도록 전기자 모듈에 4개의 돌극이 형성된 1차 부재를 배치하고, 보통 추력이 필요로 하는 구간에는 영구자석 모듈 2개를 구동할 수 있도록 전기자 모듈에 3개의 돌극이 형성된 1차 부재를 배치하고, 작은 추력이 필요한 구간은 영구자석 모듈 1개만을 구동할 수 있도록 전기자 모듈에 2개의 돌극이 형성된 1차 부재를 배치할 수 있다.

도 14에서는 구동할 수 있는 영구자석 모듈의 개수를 조절하도록 구간마다 전기자 모듈의 돌극의 개수를 바꾸는 예를 들고 있는데, 도 14의 실시예를 도 12의 C Model과 결합하여, 구동할 수 있는 영구자석 모듈의 개수뿐만 아니라 영구자석 모듈의 길이에 대응하는 구간에 포함된 전기자 모듈의 개수(또는 전기자 모듈 사이의 간격)를 다르게 조절할 수도 있다.

이와 같이, 다양한 종류의 1차 부재를 속도나 추력에 맞도록 연속 배치함으로써, 속도 변화를 최소화하면서 1차 부재의 원가 상승을 줄이고, 반송 시스템의 전체 무게도 경량화할 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 선형 전동기를 이용한 반송 시스템에서, 1차 부재 2차 부재는 주행을 안내하는 가이드 부분 이외에는 어느 구간에서도 불필요한 기계적 간섭이 없기 때문에, 내구성이 좋고 제품 수명이 길게 된다.

본 발명의 선형 전동기와 반송 시스템에 대한 다양한 실시예들을 간단하고 명료하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따른 선형 전동기는, 1차 부재와 2차 부재를 포함하여 구성되고, 1차 부재는 복수의 전기자 모듈들을 포함하고, 각 전기자 모듈은 2개 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, 2차 부재는 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구자석을 포함하는 자석 모듈을 하나 이상 포함하고, 자석 모듈은 이웃하는 2개의 돌출부 사이에 놓일 수 있고, 2의 배수인 P개의 영구자석과 진행 방향으로 P개의 영구자석이 정렬된 제1 길이에 대응하는 구간에 배치된 전기자 모듈들을 한 단위로 하여 이동 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 1차 부재가 고정되고 생성되는 추력에 의해 2차 부재로 구성되는 가동자가 이동하고, 진행 방향을 기준으로 제1 구간에 배치된 제1 전기자 모듈들 사이의 제1 간격이 제1 구간 이후의 제2 구간에 배치된 제2 전기자 모듈들 사이의 제2 간격과 다를 수 있다.

일 실시예에서, 제2 구간 이후의 제3 구간에 배치된 제3 전기자 모듈들 사이의 제3 간격은 제1 간격과 같을 수 있다.

일 실시예에서, 제2 간격이 제1 간격보다 클 수 있다.

일 실시예에서, 제1 구간과 제3 구간은 가동자의 속도가 바뀌는 구간이고, 제2 구간은 가동자의 속도가 일정한 구간일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 구간과 제2 구간 사이 및 제2 구간과 제3 구간 사이에 각각 제4 구간과 제5 구간이 배치되고, 제 4 구간과 제5 구간에 배치된 제4 전기자 모듈들 사이의 간격은 제1 간격과 제2 간격 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 구간에서 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제1 전기자 모듈의 개수, 제4 구간에서 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제4 전기자 모듈의 개수 및 제2 구간에서 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제2 전기자 모듈의 개수의 비는 3:2:1일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 구간에서 제1 길이에 대응하는 구간에 1-1m, 1-2m, 1-3m, 1-4m, 1-5m, 1-6m, 1-7m, 1-8m 및 1-9m의 순서로 9개의 제1 전기자 모듈들이 배치되고, 1-1m, 1-2m 및 1-3m에는 U상군, 1-4m, 1-5m 및 1-6m에는 V상군, 1-7m, 1-8m 및 1-9m에는 W상군의 전류가 공급되고, 제4 구간에서 제1 길이에 대응하는 구간에 4-1m, 4-3m, 4-4m, 4-6m, 4-7m, 및 4-9m의 순서로 6개의 제4 전기자 모듈들이 배치되고, 4-1m과 4-3m에는 U상군, 4-4m와 4-6m에는 V상군, 4-7m과 4-9m에는 W상군의 전류가 공급되고, 제2 구간에서 제1 길이에 대응하는 구간에 2-2m, 2-5m, 및 2-8m의 순서로 3개의 제2 전기자 모듈들이 배치되고, 2-2m에는 U상, 2-5m에는 V상, 2-8m에는 W상의 전류가 공급될 수 있다.

일 실시예에서, 제1 구간에서 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제1 전기자 모듈의 개수 M과 P의 관계는 M : P = 9 : (9ㅁ1)일 수 있다.

일 실시예에서, 제1 전기자 모듈들의 자성체 코어가 포함하는 돌출부의 제1 개수와 제2 전기자 모듈들의 자성체 코어가 포함하는 돌출부의 제2 개수가 서로 다를 수 있다.

일 실시예에서, 제2 구간 이후의 제3 구간에 배치된 제3 전기자 모듈들의 자성체 코어가 포함하는 돌출부의 제3 개수는 제1 개수와 같고 제2 개수보다 클 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 반송 시스템은, 앞서 설명한 선형 전동기; 1차 부재를 고정하고 레일이 설치되는 지상 베이스; 2차 부재가 고정되는 가동자 베이스; 및 가동자 베이스에 탑재되어 레일과 결합하는 가이드를 포함하여 구성될 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

10: 전기자 모듈 11: 자성체 코어
12: 돌극 13: 코일
20: 영구 자석 모듈 21: 영구 자석
22: 가동자 베이스 30: 1차 부재
41: 지상 베이스 42: 안내 레일
43: 안내 가이드 50: 제어부
51: 인버터 52: 릴레이
53: 홀 센서

Claims (11)

1차 부재와 2차 부재를 포함하여 구성되고,
상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈들을 포함하고, 각 전기자 모듈은 2개 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 상기 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고,
상기 2차 부재는 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구자석을 포함하는 자석 모듈을 하나 이상 포함하고, 상기 자석 모듈은 이웃하는 2개의 돌출부 사이에 놓이고,
2의 배수인 P개의 영구자석과 상기 진행 방향으로 상기 P개의 영구자석이 정렬된 제1 길이에 대응하는 구간에 배치된 전기자 모듈들을 한 단위로 하여 이동 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고,
상기 1차 부재가 고정되고 상기 생성되는 추력에 의해 상기 2차 부재로 구성되는 가동자가 이동하고,
상기 진행 방향을 기준으로 제1 구간에 배치된 제1 전기자 모듈들 사이의 제1 간격이 상기 제1 구간 이후의 제2 구간에 배치된 제2 전기자 모듈들 사이의 제2 간격과 다른 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제1 항에 있어서,
상기 제2 구간 이후의 제3 구간에 배치된 제3 전기자 모듈들 사이의 제3 간격은 상기 제1 간격과 같은 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제2 항에 있어서,
상기 제2 간격이 상기 제1 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제2 항에 있어서,
상기 제1 구간과 제3 구간은 상기 가동자의 속도가 바뀌는 구간이고, 상기 제2 구간은 상기 가동자의 속도가 일정한 구간인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제2 항에 있어서,
상기 제1 구간과 제2 구간 사이 및 상기 제2 구간과 제3 구간 사이에 각각 제4 구간과 제5 구간이 배치되고, 상기 제 4 구간과 제5 구간에 배치된 제4 전기자 모듈들 사이의 간격은 상기 제1 간격과 제2 간격 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제2 항에 있어서,
상기 제1 구간에서 상기 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제1 전기자 모듈의 개수, 상기 제4 구간에서 상기 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제4 전기자 모듈의 개수 및 상기 제2 구간에서 상기 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제2 전기자 모듈의 개수의 비는 3:2:1인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제5 항 또는 제6 항에 있어서,
상기 제1 구간에서 상기 제1 길이에 대응하는 구간에 1-1m, 1-2m, 1-3m, 1-4m, 1-5m, 1-6m, 1-7m, 1-8m 및 1-9m의 순서로 9개의 제1 전기자 모듈들이 배치되고, 상기 1-1m, 1-2m 및 1-3m에는 U상군, 1-4m, 1-5m 및 1-6m에는 V상군, 1-7m, 1-8m 및 1-9m에는 W상군의 전류가 공급되고,
상기 제4 구간에서 상기 제1 길이에 대응하는 구간에 4-1m, 4-3m, 4-4m, 4-6m, 4-7m, 및 4-9m의 순서로 6개의 제4 전기자 모듈들이 배치되고, 상기 4-1m과 4-3m에는 U상군, 4-4m와 4-6m에는 V상군, 4-7m과 4-9m에는 W상군의 전류가 공급되고,
상기 제2 구간에서 상기 제1 길이에 대응하는 구간에 2-2m, 2-5m, 및 2-8m의 순서로 3개의 제2 전기자 모듈들이 배치되고, 상기 2-2m에는 U상, 2-5m에는 V상, 2-8m에는 W상의 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제1 항에 있어서,
상기 제1 구간에서 상기 제1 길이에 대응하는 구간에 배치되는 제1 전기자 모듈의 개수 M과 상기 P의 관계는, M : P = 9 : (9ㅁ1)인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제1 항에 있어서,
상기 제1 전기자 모듈들의 자성체 코어가 포함하는 돌출부의 제1 개수와 상기 제2 전기자 모듈들의 자성체 코어가 포함하는 돌출부의 제2 개수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제2 항에 있어서,
상기 제2 구간 이후의 제3 구간에 배치된 제3 전기자 모듈들의 자성체 코어가 포함하는 돌출부의 제3 개수는, 상기 제1 개수와 같고 상기 제2 개수보다 큰 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항의 선형 전동기;
상기 1차 부재를 고정하고 레일이 설치되는 지상 베이스;
상기 2차 부재가 고정되는 가동자 베이스; 및
상기 가동자 베이스에 탑재되어 안내 레일과 결합하는 가이드를 포함하여 구성되는 반송 시스템.

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