KR20220098457A

KR20220098457A - 전동기

Info

Publication number: KR20220098457A
Application number: KR1020210000204A
Authority: KR
Inventors: 권병일; 권중우; 푸첸 싱
Original assignee: 한양대학교 에리카산학협력단
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-01-04
Publication date: 2022-07-12
Also published as: KR102497538B1

Abstract

전동기가 제공된다. 상기 전동기는, 회전 운동 자계를 생성하는 제1 코일 및 상기 회전 운동 자계와 간섭되지 않는 선형 운동 자계를 생성하는 제2 코일을 포함하는 고정자; 및 상기 회전 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 회전 운동함과 동시에 상기 선형 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 상기 고정자의 축 방향으로 선형 운동하는 회전자를 포함할 수 있다.

Description

전동기{Motor}

본 발명은 전동기에 관련된 것으로 보다 구체적으로는, 회전 운동과 선형 운동을 동시에 할 수 있는 전동기에 관련된 것이다.

전동기(electric motor)는, 전류가 흐르는 도체가 자기장 속에서 받는 힘을 이용해 전기에너지를 역학적 에너지로 바꾸는 장치이다. 그 중에서도 동기전동기(Synchronous Motor, SM)는, 고정자의 회전필드(field)에 동기하여 회전자가 일정한 속도로 회전할 수 있는 전동기를 말한다. 동기전동기의 회전자는 가변하는 전압 환경 속에서도 일정한 회전 속도를 유지할 수 있는 장점이 있다.

이러한 동기전동기에는 영구자석 동기전동기(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)와 계자권선형 동기전동기(Wound Rotor Synchronous Motor, WRSM)가 있다.

영구자석 동기전동기는, 회전자 자계(flux)를 발생시키기 위하여 영구자석을 이용할 수 있다. 영구자석 동기전동기는, 부하나 전압의 흔들림에도 불구하고 전력원의 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있으며, 높은 효율과 높은 토크 밀도의 우수한 성능을 이유로 다양한 산업 및 가정용 응용 프로그램에 널리 사용되고 있다. 특히 영구자석 동기전동기는 모터의 설계 사양에 허락하는 범위 내에서 메인 주파수에 동기하여 고정된 속도를 제공할 수 있는 점에서 유용할 수 있다. 다만 영구자석 동기전동기에 사용되는 희토류 자석의 단가가 비싸기 때문에 적용상 한계를 가지고 있다.

한편, 종래의 전동기는 단일 자유도를 가진다. 즉, 종래의 전동기는 회전 운동 또는 선형 운동 중 어느 한 동작만으로 작동할 수 있다. 이에 따라, 회전 운동과 선형 운동을 모두 필요로 하는 응용 분야의 경우, 종래의 단일 자유도 전동기의 샤프트를 축 방향으로 기계적으로 연결하였다. 그러나 이를 통해서는 낮은 토크 리플, 부드러운 선형 힘, 비 상호 작용 제어 및 간단한 모터 구조에 대한 고객 요구 사항을 더 이상 충족시킬 수 없다.

본 발명이 해결하고자 하는 일 기술적 과제는 회전 운동과 선형 운동을 동시에 할 수 있는 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술된 것에 제한되지 않는다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명은 전동기를 제공한다.

일 실시 예에 따르면, 상기 전동기는, 회전 운동 자계를 생성하는 제1 코일 및 상기 회전 운동 자계와 간섭되지 않는 선형 운동 자계를 생성하는 제2 코일을 포함하는 고정자; 및 상기 회전 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 회전 운동함과 동시에 상기 선형 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 상기 고정자의 축 방향으로 선형 운동하는 회전자를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 고정자는 내경 측에서 원주 방향으로 배열된 고정자 치를 더 포함하며, 상기 제1 코일은 상기 고정자 치에 마련되되, 5 상(phase) 회전 코일로 구비될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 고정자는 내경 측의 축 방향 중심에서 원주 방향으로 형성되는 고정자 링부를 더 포함하며, 상기 제2 코일은 상기 고정자 링부에 장착되되, 선형 보이스 코일로 구비될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 회전자는 복수 개의 영구자석을 포함하며, 상기 복수 개의 영구자석은 상기 회전자의 외경면에 원주 방향으로 이격 형성될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 회전자는 영구자석 자속 브릿지(PM flux bridge)를 더 포함하며, 상기 영구자석 자속 브릿지는 원주 방향으로 서로 이웃하는 상기 영구자석 사이에 구비될 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 영구자석 자속 브릿지는, 축 방향 일측에 구비되는 제1 영구자석 자속 브릿지; 및 축 방향 타측에 구비되며 상기 제1 영구자석 자속 브릿지와 축 방향으로 이격되는 제2 영구자석 자속 브릿지를 포함할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 상기 제2 코일은, 축 방향을 기준으로 상기 제1 영구자석 자속 브릿지와 제2 영구자석 자속 브릿지 사이에 위치할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 회전 운동 자계를 생성하는 제1 코일 및 상기 회전 운동 자계와 간섭되지 않는 선형 운동 자계를 생성하는 제2 코일을 포함하는 고정자; 및 상기 회전 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 회전 운동함과 동시에 상기 선형 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 상기 고정자의 축 방향으로 선형 운동하는 회전자를 포함할 수 있다.

이에 따라, 회전 운동 자계와 선형 운동 자계 간의 상호 간섭 없이 안정적으로 회전 운동과 선형 운동을 동시에 할 수 있는 전동기가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 토크 리플(torque ripple)을 감소시킬 수 있는 전동기가 제공될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따르면, 크기를 획기적으로 줄일 수 있는 전동기가 제공될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 개략적으로 나타낸 부분 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 고정자를 개략적으로 나타낸 부분 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 회전자를 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 선형 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 회전 동작을 설명하기 위한 참고도이다.
도 6은 단순화된 등가 자기 회로 흐름을 나타낸 참고도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기에서, 축 방향 자속과 주행 거리의 상관 관계를 설명하기 위한 그래프들이다.
도 9는 무부하 상태의 코깅 토크에 대한 FEM 결과를 나타낸 그래프이다.
도 10은 다른 선형 거리에서의 회전 토크 분포에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 11은 다른 전류에서의 회전 토크 분포에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 12는 다른 회전 전기 각도에서의 linear force 분포에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 13은 다른 선형 전류에서의 linear force 분포에 대한 시뮬레이션 결과이다.
도 14는 회전 전류가 있는 경우와 없는 경우의 linear force를 비교하여 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 형상 및 크기는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기를 개략적으로 나타낸 부분 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 고정자를 개략적으로 나타낸 부분 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 회전자를 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 선형 동작을 설명하기 위한 참고도이며, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 회전 동작을 설명하기 위한 참고도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기(100)는 고정자(stator)(110) 및 회전자(rotor)(120)를 포함하여 형성될 수 있다.

고정자(110)는 회전자(120)의 일측에 마련될 수 있다. 예를 들어, 고정자(110)는 회전자(120)의 반경 방향 외측에 마련될 수 있다. 고정자(110)는 회전자(120)에 회전력을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 회전자(120)에 linear force를 제공할 수 있는데, 이에 대해서는 하기에서 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자(110)는, 내측에 중공을 포함하는 원통 형상으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 회전자(120)는 고정자(110)의 중공에 인입된 상태에서 고정자(110)로부터 제공되는 회전력 및 linear force에 의해 회전 운동과, 축 방향 선형 운동을 동시에 할 수 있다.

일 실시 예에 따르면, 고정자(110)는 고정자 치(teeth)(110a)를 포함할 수 있다. 고정자 치(110a)는 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 복수 개의 고정자 치(110a)는 고정자(110)의 내경 측 원주 방향으로 배열될 수 있다. 이때, 서로 이웃하는 고정자 치(110a) 사이는 고정자 슬롯으로 정의될 수 있다.

고정자(110)는 제1 코일(112)을 더 포함할 수 있다. 제1 코일(112)은 회전자(120)가 회전할 수 있도록 회전 운동 자계(magnetic field)를 생성할 수 있다. 이러한 제1 코일(112)은 각각의 고정자 치(110a)에 마련될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 코일(112)은 5 상(phase) 회전 코일로 구비될 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 고정자(110)는 고정자 링부(110b)를 더 포함할 수 있다. 고정자 링부(110b)는 고정자(110)의 내경 측의 축 방향 중심에서 원주 방향으로 형성될 수 있다. 고정자 링부(110b)는 링 형태의 홈 또는 트렌치 형태로 형성될 수 있다.

고정자(110)는 제2 코일(113)을 더 포함할 수 있다. 제2 코일(113)은 회전자(120)가 고정자(110)의 축 방향으로 선형 운동할 수 있도록 선형 운동 자계를 생성할 수 있다. 이때, 제2 코일(113)은 회전 운동 자계와 간섭되지 않는 선형 운동 자계를 생성할 수 있다. 이러한 제2 코일(113)은 고정자 링부(110b)에 장착될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제2 코일(113)은 보이스 코일(voice coil)로 구비될 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 회전자(120)는, 고정자(110)가 생성한 회전 운동 자계에 의하여 고정자(110)에 대하여 회전 운동할 수 있다. 이와 동시에, 회전자(120)는, 고정자(110)가 생성한 선형 운동 자계에 의하여 고정자(110)의 축 방향으로 선형 운동할 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자(120)는, 고정자(110)에 대하여 회전 운동과 선형 운동을 동시에 할 수 있다. 이때, 회전자(120)가 생성한 회전 운동 자계와 선형 운동 자계는 서로 간섭되지 않으므로, 회전자(120)은 회전 운동과 선형 운동을 안정적으로 동시에 할 수 있으며, 이에 따라, 토크 리플(torque ripple)을 감소시킬 수 있다.

종래의 경우, 회전자의 회전 운동과 선형 운동을 동시에 구현하기 위해서는 각각의 샤프트를 기계적으로 연결하여 사용하였는데, 이로 인해, 전동기의 크기가 증가되었다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 이에 반해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기(100)는 고정자(110)의 제1 코일(112) 및 제2 코일(113)에 의해 생성되며 상호 간섭되지 않는 회전 운동 자계와 선형 운동 자계에 의하여 회전자(120)가 회전 운동과 선형 운동을 동시에 할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전 운동과 선형 운동을 동시에 할 수 있되, 크기가 획기적으로 줄어든 전동기(100)가 제공될 수 있다.

한편, 회전자(120)는 고정자(110)의 반경 방향 내측에 마련될 수 있다. 회전자(120)는 고정자(110)의 내부 중공에 인입될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 회전자(120)는 영구자석(121)을 포함할 수 있다.

영구자석(121)은 복수 개로 구비될 수 있다. 이러한 복수 개의 영구자석(121)은 회전자(120)의 외경 측 표면에 원주 방향으로 이격되는 형태로 형성될 수 있다. 이에 따라, 영구자석(121)은 5 상 회전 코일로 이루어진 제1 코일(112)과 마주하게 된다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전자(120)는 영구자석 자속 브릿지(PM flux bridge)(122)를 더 포함할 수 있다.

영구자석 자속 브릿지(122)는 원주 방향으로 서로 이웃하는 영구자석(121) 사이에 구비될 수 있다. 즉, 영구자석 자속 브릿지(122)는 영구자석(121)과 마찬가지로, 복수 개 구비되며, 회전자(120)의 외경 측 표면에 원주 방향으로 이격되는 형태로 형성될 수 있다.

영구자석 자속 브릿지(122)는 원주 방향으로 서로 이웃하는 영구자석(121) 사이에 구비되어, 이들 영구자석(121)을 연결할 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시 예에 따른 영구자석 자속 브릿지(122)는 제1 영구자석 자속 브릿지(122a) 및 제2 영구자석 자속 브릿지(122b)를 포함할 수 있다.

즉, 원주 방향으로 서로 이웃하는 영구자석(121) 사이에는 제1 영구자석 자속 브릿지(122a)와 제2 영구자석 자속 브릿지(122b)로 이루어진 영구자석 자속 브릿지(122)가 각각 구비될 수 있다.

여기서, 제1 영구자석 자속 브릿지(122a)는 축 방향 일측에 구비될 수 있다. 구체적으로, 제1 영구자석 자속 브릿지(122a)는 서로 이웃하는 영구자석(122)의 축 방향 일측 단부 사이에 구비되어, 이들을 원주 방향으로 연결할 수 있다.

또한, 제2 영구자석 자속 브릿지(122b)는 서로 이웃하는 영구자석(122)의 축 방향 타측 단부 사이에 구비되어, 이들을 원주 방향으로 연결할 수 있다. 이때, 제2 영구자석 자속 브릿지(122b)는 제1 영구자석 자속 브릿지(122a)와 축 방향으로 이격될 수 있다.

고정자(110)의 내부 중공에 회전자(120)가 인입된 상태에서, 고정자(110)에 구비되는 보이스 코일인 제2 코일(113)은, 축 방향을 기준으로 제 영구자석 자속 브릿지(122a)와 제2 영구자석 자속 브릿지(122b) 사이에 위치할 수 있다.

한편, 도 6을 참조하면, Λ_σ는 누설 자속 Ⅰ 및 Ⅱ의 투과율이고, Φ_σ는 누설 자속 Ⅰ 및 Ⅱ이며, Φ_δ는 에어 갭의 자속이다. Λ_L1및Λ_L2는 고정자 및 회전자 축 강판 투과율의 왼쪽 부분이고, Λ_R1및Λ_R2는 고정자 및 회전자 축 강판 투과율의 오른쪽 부분이며, Λ_δ1및Λ_δ2는 에어 갭 Ⅰ 및 Ⅱ의 투과율이다.

전동기가 선형 동작 하에서 작동될 때, 직사각형 자기 회로 구조는 변경되지 않는다. 그러므로, 쉬운 계산을 위해, 하기의 방정식 1이 사용된다.

[방정식 1]

그러므로, 구조적 투과율 Λ는 하기의 방정식 2에 의해 정의될 수 있다.

[방정식 2]

그러므로, 방정식 1과 2가 결합될 때, 도 6은 단순화된 등가 자기 회로 흐름을 보여준다.

또한, 도 4를 참조하면, 하기의 방정식 3이 얻어진다.

[방정식 3]

여기서, F_c는 영구자석의 자기 원동력이고, Λ₀는 영구자석의 투과율이다.

에어 갭의 자속은 하기의 방정식 4 및 5와 같이 주어질 수 있다.

[방정식 4]

[방정식 5]

여기서, μ₀는 진공의 투과성이고, μ_r은 영구자석의 상대 투자율이며, A_m은 영구자석에 의해 여기되는 자속의 단면 영역이고, h_m은 선형 단면에서 영구자석의 자화 길이이며, A_δ1은 에어 갭의 단면 영역이고, δl은 선형 단면에서 기계적 에어 갭의 길이이며, H_c는 영구자석의 보자력이고, B_δ는 선형 단면 에어 갭 Ⅰ의 자속 밀도이며, N_L은 보이스 코일의 회전수이고, I_L은 컨덕터의 전류이며, L_r은 코일의 평균 원주이다.

그러므로, Lorenz 힘은 하기의 방정식 6과 같이 계산된다.

[방정식 6]

방정식 5와 6에서, A_δ1과 다른 파라미터들은 일정하기 때문에, 선형 Lorenz 힘 Fl은 등가 구조 투과율 Λ, 누설 자속 투과율 Λ_σ의 영향을 받는다.

방정식 1과 2에서, 등가 구조 투과율 Λ는 축 강판 투과율 Λ_L1, Λ_L2, Λ_R1, Λ_R2 및 에어 갭 Ⅱ 투과율 A_δ2로 이루어진다. 실리콘 강판이 축 방향으로 라미네이트되기 때문에, Λ_L1, Λ_L2, Λ_R1, Λ_R2의 값은 상대적으로 작고 무시할 수 없다.

또한, Λ_C는 하기의 방정식 7로 정의할 수 있다.

[방정식 7]

여기서, 1/Λ_C는 1/Λ_L과 1/Λ_R의 합이고, k는 투과율이며, L_s는 회전자의 축 길이이다. 따라서, Λ_C는 선형 동작의 축 위치에 영향을 받지 않는다. 방정식 2와 7을 결합하면, 도 7과 같은 Λ와 Λ_L 간의 포물선 함수가 만들어지며, 이는 하기의 방정식 8과 같다.

[방정식 8]

여기서, Λ_L은 모터가 다른 축 위치로 작동되면 변경될 수 있다. 그러므로, 1/Λ_L = 1/Λ_R = 1/(2Λ_C)이기 때문에, 1/Λ은 최대 값에 도달할 수 있다. 계산을 단순화하기 위해, 하기의 방정식 9와 같이 정의할 수 있다.

[방정식 9]

여기서, x는 회전자과 고정자의 축 중간 점 사이의 거리이다. 따라서, 상기 방정식 9는 다른 축 위치에서, 1/Λ₁ 및 1/Λ₂의 합을 나타내는데 사용될 수 있다. 포물선의 대칭축은 도 8의 1/Λ축과 일치한다. 그러므로, 하기의 방정식 10과 같이 표현될 수 있다.

[방정식 10]

대칭 구간 내 최대 값은 하기의 방정식 11과 같다.

[방정식 11]

대칭 구간 내 최소 값은 하기의 방정식 12와 같다.

[방정식 12]

그러므로, 대칭 구간 내 평균 값은 하기의 방정식 13과 같다.

[방정식 13]

또한, 대칭 구간 내 리플은 하기의 방정식 14와 같다.

[방정식 14]

상기 방정식 13과 14는 1/Λ의 평균 값과 리플이 Λ_δ2 및 L_s 사이에서 작용하는 것을 보여준다. 만약, Λ_δ2이 동일하게 유지된다면, 하기의 관계식 1과 같은 관계가 발생된다.

[관계식 1]

이하, 도 9 내지 도 17을 참조하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기의 특성에 대하여 설명하기로 한다.

도 9는 무부하 상태의 코깅 토크에 대한 FEM 결과를 나타낸 그래프이고, 도 10은 다른 선형 거리에서의 회전 토크 분포에 대한 시뮬레이션 결과이며, 도 11은 다른 전류에서의 회전 토크 분포에 대한 시뮬레이션 결과이고, 도 12는 다른 회전 전기 각도에서의 linear force 분포에 대한 시뮬레이션 결과이며, 도 13은 다른 선형 전류에서의 linear force 분포에 대한 시뮬레이션 결과이고, 도 14는 회전 전류가 있는 경우와 없는 경우의 linear force를 비교하여 나타낸 그래프이다.

도 9는 영구자석 자속 브릿지가 있는 경우와 없는 경우를 비교하여 나타낸 그래프로, 영구자석 자속 브릿지는 코깅 토크에 영향을 주지 않는 것으로 확인되었다.

도 10은 전동기가 선형 및 회전 운동 모두에서 작동하기 때문에 서로 다른 회전 전기 각도 대비 서로 다른 선형 운동 거리에서의 회전 토크 분포를 보여준다. 이때, 회전 전류는 5 상 사인파 전류로 공급되고, 선형 보이스 코일에는 일정한 직류가 공급된다.

도 10을 참조하면, 축 방향의 선형 거리의 회전 토크 분포는 매우 작은 변동을 가지는 것으로 확인되었다. 평균 토크는 대략 2.94㎚이고, 토크 리플은 선형 경로를 따라, 다른 위치에서 항상 7.3%인 것으로 확인되었다. 즉, 전동기는 항상 낮은 토크 리플로 작동되는 것으로 확인되었다. 이는, 축 방향에서 회전자의 위치가 회전 출력 토크에 거의 영향을 미치지 않음을 보여준다.

도 11은 축 위치의 중간 점에서 서로 다른 회전 전기 각도 대비 서로 다른 선형 보이스 코일 전류에서의 회전 토크 분포를 보여준다. 이때, 회전 전류는 5 상 사인파 전류로 공급되고, 선형 보이스 코일에는 0 내지 8A의 전류가 점차 증가하는 형태로 공급된다.

도 11을 참조하면, 회전 토크가 선형 보이스 코일의 전류 변화에 영향을 미치지 않는 것으로 확인되었다. 이것은 보이스 코일 전류가 회전 운동에 영향을 미치지 않음을 보여준다.

도 10을 다시 참조하면, 토크 리플은 회전 전기 각도에서 항상 7.3%이다. 축 방향 선형 거리에 대한 회전 토크 분포의 리플은 1%이다.

또한, 도 11을 참조하면, 다른 보이스 코일 전류에서 회전 토크 리플은 0.6%이다.

즉, 종래 전동기와 비교하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 상대적으로 낮은 토크 리플을 갖는 것으로 확인되었다.

한편, 도 12는 선형 보이스 코일이 8A의 정 전류로 공급되는 서로 다른 선형 운동 거리 대비 서로 다른 회전 전기 각도에서의 linear force를 보여준다.

도 12를 참조하면, 전동기가 회전 전기 각도에서 작동할 때 linear force는 축 중간 점에서 최소값에 도달하는 것으로 확인되었다. 이때, 회전 전기 각도의 변화에도 불구하고 linear force 파형은 항상 동일한 것으로 확인되었다.

그러므로, 정 전류의 선형 운동은 회전 전기 각도 분포에 영향을 미치지 않음을 알 수 있다.

도 13은 서로 다른 정 전류 하에서 서로 다른 축 선형 거리에 따른 linear force 분포를 보여준다.

도 13을 참조하면, linear force는 정 전류 하에서 축 위치의 중간 지점에서 최소값에 도달하는 것으로 확인되었다. 또한, linear force는, 전류가 증가함에 따라 거의 선형으로 변하는 것으로 확인되었다.

즉, 축 위치에서의 힘의 변화는 보이스 코일 전류의 크기에 영향을 받지 않음을 알 수 있다.

도 12 및 도 13을 참조하면, linear force의 리플은 선형 거리에서 항상 6.9%이다. 또한, 회전 전기 각도에 대한 linear force의 리플은 0.03%이다.

즉, 종래 전동기와 비교하여, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전동기는 상대적으로 부드러운 linear force를 가지는 것으로 확인되었다.

한편, 도 14는 5 상 전류가 있는 경우와 없는 경우의 linear force에 대한 비교를 보여준다.

도 14를 참조하면, 5 상 전류가 있는 경우와 없는 경우는 기본적으로 linear force가 일치하며, 이들의 평균 토크는 0.1%의 차이가 있는 것으로 확인되었다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

100; 전동기
110; 고정자
110a; 고정자 치
110b; 고정자 링부
112; 제1 코일
113; 제2 코일
120; 회전자
121; 영구자석
122; 영구자석 자속 브릿지
122a; 제1 영구자석 자속 브릿지
122b; 제2 영구자석 자속 브릿지

Claims

회전 운동 자계(magnetic field)를 생성하는 제1 코일 및 상기 회전 운동 자계와 간섭되지 않는 선형 운동 자계를 생성하는 제2 코일을 포함하는 고정자; 및
상기 회전 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 회전 운동함과 동시에 상기 선형 운동 자계에 의하여 상기 고정자에 대하여 상기 고정자의 축 방향으로 선형 운동하는 회전자;를 포함하는, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 고정자는 내경 측에서 원주 방향으로 배열된 고정자 치를 더 포함하며,
상기 제1 코일은 상기 고정자 치에 마련되되, 5 상(phase) 회전 코일로 구비되는, 전동기.
제1 항에 있어서,
상기 고정자는 내경 측의 축 방향 중심에서 원주 방향으로 형성되는 고정자 링부를 더 포함하며,
상기 제2 코일은 상기 고정자 링부에 장착되되, 선형 보이스 코일로 구비되는, 전동기.
제3 항에 있어서,
상기 회전자는 복수 개의 영구자석을 포함하며,
상기 복수 개의 영구자석은 상기 회전자의 외경면에 원주 방향으로 이격 형성되는, 전동기.
제4 항에 있어서,
상기 회전자는 영구자석 자속 브릿지(PM flux bridge)를 더 포함하며,
상기 영구자석 자속 브릿지는 원주 방향으로 서로 이웃하는 상기 영구자석 사이에 구비되는, 전동기.
제5 항에 있어서,
상기 영구자석 자속 브릿지는,
축 방향 일측에 구비되는 제1 영구자석 자속 브릿지; 및
축 방향 타측에 구비되며 상기 제1 영구자석 자속 브릿지와 축 방향으로 이격되는 제2 영구자석 자속 브릿지를 포함하는, 전동기.
제6 항에 있어서,
상기 제2 코일은, 축 방향을 기준으로 상기 제1 영구자석 자속 브릿지와 제2 영구자석 자속 브릿지 사이에 위치하는, 전동기.