KR20240123394A

KR20240123394A - 3상 코일 구조체 및 리니어 모터

Info

Publication number: KR20240123394A
Application number: KR1020247025523A
Authority: KR
Inventors: 오사무 카쿠타니; 세이키 타케도미; 타츠야 나카노; 미노루 요시다
Original assignee: 가부시키가이샤 프로테리아루; 가부시키가이샤 신가와
Priority date: 2022-01-21
Filing date: 2023-01-13
Publication date: 2024-08-13
Also published as: WO2023140179A1; TW202343938A; CN118541905A; JPWO2023140179A1

Abstract

컴팩트화를 도모하면서, 양호한 성능을 얻을 수 있는 3상 코일 구조체 및 리니어 모터를 제공한다. 이웃하도록 동일면 내에 병설된 복수의 직사각형의 공심 코일을 포함한 2상용 코일 세트(32)를 구비하는 3상 코일 구조체(30)로서, 양단측에서 구부러지고, 2상용 코일 세트(32)가 이웃하는 장변부끼리를 넘도록 배치된, 크기 및 굽힘각이 다른 2개의 공심 코일을 포함한 1상용 코일 세트(31)를 구비하고, 1상용 코일 세트(31)의 공심 코일은 2상용 코일 세트(32)의 공심 코일보다 권수가 많다.

Description

3상 코일 구조체 및 리니어 모터

본 발명은 3상 코일 구조체 및 리니어 모터에 관한 것이다.

근년, 편평한 공심(空芯, air-core) 코일을 이용하는 리니어 모터가 보급되고 있다. 예를 들면, 특허문헌 1에서는, 각 상에 따른 공심 코일이 대소의2 종류이고, 일 상(相)에 따른 공심 코일의 단부를 굴곡시키고, 타 상(相)에 따른 공심 코일과 중첩시킴으로써, 3상 코일 구조체의 두께를 억제한 리니어 모터가 개시되어 있다.

일본 특허 공보 제5508362호

특허문헌 1에서는, 1상에 따른 공심 코일과 타상에 따른 공심 코일 사이에 임피던스 및 추력(推力)의 차이가 발생하는 것을 방지할 수 있도록, 모든 상에 대해서 공심 코일을 대소의 2 종류로 하고, 또한 동일한 권수(捲數)로 하고 있다. 이로 인해, 특허문헌 1의 리니어 모터에서는, 쇄교(鎖交, linkage) 길이의 감소에 따른 추력의 감소 등에 의해 공심 코일의 구성면적에 대해서 양호한 효율 성능을 획득하지 못하고 있다.

본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 컴팩트화를 도모하면서, 양호한 성능을 얻을 수 있는 3상 코일 구조체 및 리니어 모터를 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 3상 코일 구조체는 이웃하도록 동일면 내에 병설된 복수의 직사각형의 공심 코일을 포함한 2상용 코일 세트를 구비하는 3상 코일 구조체로서, 양단측에서 구부러지고, 상기 2상용 코일 세트가 이웃하는 장변부끼리를 넘도록 배치된, 크기 및 굽힘각이 다른 2개의 공심 코일을 포함한 1상용 코일 세트를 구비하고, 상기 1상용 코일 세트의 공심 코일은 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일보다 권수가 많다.

본 발명에서는, 크기와 양단측의 굽힘각이 다른 상기 1상용 코일 세트의 2개의 공심 코일을 적절히 조합하여 배치함으로써 3상 코일 구조체의 컴팩트화를 도모하면서, 상기 1상용 코일 세트의 공심 코일의 권수를 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일보다 많게 함으로써, 쇄교 길이의 감소에 따른 추력의 감소 등의 성능 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 3상 코일 구조체는, 상기 1상용 코일 세트는 길이 방향의 치수가 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일과 동일한 대(大) 공심 코일과, 길이 방향의 치수가 상기 대 공심 코일보다 작은 소(小) 공심 코일을 포함하고, 상기 대 공심 코일 및 상기 소 공심 코일의 적어도 일방의 권수가 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일보다 많다.

본 발명에서는, 상기 소 공심 코일의 길이 방향의 치수가 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일보다 작기 때문에, 3상 코일 구조체의 컴팩트화를 도모하면서, 상기 대 공심 코일 및 상기 소 공심 코일의 적어도 일방의 권수를 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일보다 많이 함으로써, 쇄교 길이의 감소에 따른 추력의 감소 등의 성능 저하를 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 3상 코일 구조체는 상기 대 공심 코일 및 상기 소 공심 코일은 동일 축심 상에 배치되어 있고, 각각의 양단측이 축심 방향에서 일측으로 크랭크 형상으로 굴곡되어 있으며, 상기 대 공심 코일은 양단부가 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일의 단부와 각각 중첩한다.

본 발명에서는, 상기 대 공심 코일의 양단부가 크랭크 형상으로 굴곡되어 있고, 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일의 단부와 각각 중첩하므로, 3상 코일 구조체의 컴팩트화를 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 3상 코일 구조체는 상기 대 공심 코일은 양단부가 30° ~ 44.5° 굴곡되어 있고, 상기 소 공심 코일은 상기 양단부가 10° ~ 31° 굴곡되어 있다.

본 발명에서는, 상기 대 공심 코일의 양단부의 굴곡 각도를 30° ~ 44.5°로 하고, 상기 소 공심 코일의 양단부의 굴곡 각도를 10° ~ 31°로 함으로써, 굴곡 각도가 너무 큰 경우 휨가공 시 공심 코일에 흠집 등의 불량이 발생하는 것, 및 굴곡 각도가 너무 작은 경우 소 공심 코일의 쇄교 길이 감소에 따른 추력 저하를 사전에 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 3상 코일 구조체는, 상기 소 공심 코일은 상기 대 공심 코일에 대해서 상기 축심 방향의 상기 일측에 배치되고, 일면이 상기 대 공심 코일의 일면과 접촉하고 있으며, 상기 대 공심 코일에서 상기 일면 및 상기 양단부의 상기 2상용 코일 세트와의 대향면과 반대측면 사이의 간격은 상기 소 공심 코일에서, 상기 일면 및 상기 양단부의 상기 대 공심 코일과의 대향면과 반대측면 사이의 간격 이상이다.

본 발명에서는, 상기 소 공심 코일의 일면이 상기 대 공심 코일의 일면과 접촉하고 있고, 상기 대 공심 코일에서 상기 일면 및 상기 양단부의 상기 2상용 코일 세트와의 대향면과 반대측면 사이의 간격은 상기 소 공심 코일에서 상기 일면 및 상기 양단부의 상기 대 공심 코일과의 대향면과 반대측면 사이의 간격 이상이다. 따라서, 상기 축심 방향에서 상기 소 공심 코일이 상기 대 공심 코일보다 상기 일측으로 돌출하지 않아 3상 코일 구조체의 컴팩트화를 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 3상 코일 구조체는 상기 2상용 코일 세트는 2개이고, 일 방향으로 적층되어 있으며, 상기 일 방향에서 적층된 2개의 상기 2상용 코일 세트의 양측에 상기 1상용 코일 세트가 동일 축심 상에 각각 설치되고, 2개의 상기 1상용 코일 세트는 각각의 양단측이 서로 반대 방향으로 굴곡하고 있다.

본 발명에서는, 일 방향으로 적층된 2개의 상기 2상용 코일 세트의 양측에 상기 1상용 코일 세트가 각각 설치되어 있고, 2개의 상기 1상용 코일 세트의 양단측의 굴곡 방향은 서로 반대 방향이다. 각 1상용 코일 세트에서 상기 소 공심 코일이 상기 대 공심 코일보다 상기 일 방향으로 돌출하지 않아 3상 코일 구조체의 컴팩트화를 도모할 수 있다.

본 발명에 따른 리니어 모터는 상술한 어느 하나의 3상 코일 구조체와, 상기 1상용 코일 세트의 축심 방향에서 대향하도록 상기 3상 코일 구조체의 양측에 배치된 자석을 구비한다.

본 발명에서는 상술한 바와 같이, 컴팩트하고 쇄교 길이의 감소에 따른 추력 감소 등의 성능 저하를 방지할 수 있는 3상 코일 구조체를 이용하므로, 리니어 모터의 컴팩트화 및 양호한 성능을 얻을 수 있다.

본 발명에 따르면, 컴팩트화를 도모하면서 양호한 성능을 얻을 수 있는 3상 코일 구조체 및 리니어 모터를 제공할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 리니어 모터의 외관을 나타내는 사시도이다.
도 2는, 도 1의 II-II선에 따른 모식적 단면도이다.
도 3은, 본 실시형태의 리니어 모터의 가동자를 나타내는 사시도이다.
도 4는, 본 실시형태의 리니어 모터의 3상 코일 구조체를 나타내는 정면도이다.
도 5는, 도 4의 V-V선에 따른 화살표 방향에서 본(失視) 도면이다.
도 6은, 도 4의 VI-VI선에 따른 단면도이다.
도 7은, 본 실시형태의 리니어 모터의 2상용 코일 세트를 나타내는 사시도이다.
도 8은, 본 실시형태의 리니어 모터의 1상용 코일 세트를 나타내는 사시도이다.
도 9는, 도 8의 IX-IX선에 따른 화살표 방향으로 본 도면이다.
도 10은, 대 공심 코일의 굴곡 각도를 설명하는 설명도이다.
도 11은, 본 실시형태의 리니어 모터의 추력 및 코일 임피던스를 선행기술과 비교한 그래프이다.
도 12는, 본 실시형태의 리니어 모터의 발열량을 선행기술과 비교한 그래프이다.
도 13은, 본 실시형태의 리니어 모터의 단위 면적당 발열량을 선행기술과 비교한 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시형태에 따른 3상 코일 구조체 및 리니어 모터를 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 리니어 모터(100)의 외관을 나타내는 사시도이다. 리니어 모터(100)는 예를 들면, 코일 가동형의 리니어 모터이며, 고정자(10) 및 가동자(20)를 구비하고 있다. 가동자(20)는 전원장치(도시하지 않음)에 접속되어 있다.

고정자(10)는 직사각형(矩形)의 평판 형상을 이루는 한 쌍의 요크(11)와, 이 한 쌍의 요크(11) 사이에 개재하여 요크(11)끼리의 양단부를 연결하는 개재부(12)를 갖고 있다. 개재부(12)는 요크(11)의 단변측에 배치되어 있다. 개재부(12)에 의해서 서로의 요크(11)는 소정 간격 이격하여 대향 배치되어 있으며, 한 쌍의 요크(11) 사이에 가동자(20)가 개재되어 있다. 가동자(20)는 요크(11)의 양 장변의 대향 방향(도 1의 화살표 방향)으로 이동 가능하다. 즉, 도 1의 화살표는 가동자(20)의 이동 방향을 나타내고 있다.

각 요크(11)는 직사각형의 평판 형상을 이루고 있으며, 예를 들면, 철 등의 자성체로 구성된다. 개재부(12)는 수지 등의 비자성체 또는 철 등의 자성체로 구성되어 있다. 개재부(12)는 예를 들면, 요크(11)에 나사 고정되어 있다.

도 2는, 도 1의 II-II선에 따른 모식적 단면도이다. 도 2에서 편의 상 가동자(20)의 표시를 생략한다.

각 요크(11)는 내측면에 자석 유닛(13)이 장착(取付)되어 있다. 자석 유닛(13)은 요크(11)와 가동자(20) 사이에 배치되어 있다. 환언하면, 가동자(20)는 한 쌍의 자석 유닛(13) 사이에 개재되어 있다.

자석 유닛(13)은 복수의 영구자석(131)을 갖는다. 각 영구자석(131)은 요크(11)의 길이 방향으로 연장되는 각봉(角棒) 형상을 이루고, 복수의 영구자석(131)은 가동자(20)의 이동 방향으로 등간격으로 병설되어 있다.

한 쌍의 자석 유닛(13)은 교번 자계를 형성하고 있다. 상세하게는, 각 영구자석(131)은 한 쌍의 자석 유닛(13)의 대향 방향으로 자극을 향하여 있고, 상기 대향 방향에서 영구자석(131)끼리의 자극은 역전하고 있으며, 이웃하는 영구자석(131)끼리의 자극도 역전하고 있다.

도 3은, 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 가동자(20)를 나타내는 사시도이다.

가동자(20)는 적층된 복수의 공심(空芯, air-core) 코일로 이루어지는 3상 코일 구조체(30)와, 3상 코일 구조체(30)를 끼우는(挾持) 협지부재(挾持部材, clamping member)(40)를 포함한다. 협지부재(40)는 3상 코일 구조체(30)의 공심 코일 축심 방향의 양측에서 3상 코일 구조체(30)를 끼우고 있다.

협지부재(40)는 직사각형의 평판 형상을 이루고 있으며, 대향 배치된 한 쌍의 맞댐부(當部, abutting portion)(41)와, 한 쌍의 맞댐부(41)를 연결하는 거싯(gusset)(42)을 갖고 있다. 즉, 한 쌍의 맞댐부(41)가 이웃하는 일방의 단변끼리가 거싯(42)에 의해 연결되어 있다. 거싯(42)은 맞댐부(41)의 폭치수와 대략 같은 길이를 갖는 세장(細長) 직사각형 판형상을 이루고 있다. 한 쌍의 맞댐부(41) 및 거싯(42)은 일체 형성되어 있으며, 예를 들면, 탄소섬유 강화 플라스틱(CFRP)으로 구성되어 있다.

또한, 한 쌍의 맞댐부(41) 사이에는 맞댐부(41)의 길이 방향의 대략 중간에서부터 타방의 단변부에 걸쳐 간격 유지부(43)가 설치되어 있다. 간격 유지부(43)는 거싯(42)의 폭치수와 대략 같은 두께를 갖는 직사각형의 판형상을 이루고, 나사 또는 접착제에 의해 맞댐부(41)에 장착되고, 맞댐부(41)끼리 사이의 간격을 유지하고 있다. 간격 유지부(43)는 예를 들면, 유리 섬유 강화 플라스틱(GFRP)으로 구성되어 있다.

이상과 같은 구성에 의해 협지부재(40)에서는 맞댐부(41)끼리의 사이로, 거싯(42) 및 간격 유지부(43) 사이에 틈새가 형성되어 있고, 이러한 틈새에 3상 코일 구조체(30)가 개재되어 있다. 거싯(42)은 3상 코일 구조체(30)의 누락을 방지하고, 맞댐부(41)와 3상 코일 구조체(30) 사이에는 예를 들면, GFRP 등으로 이루어지는 미도시의 절연 시트가 개재되어도 좋다.

도 4는 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 3상 코일 구조체(30)를 나타내는 정면도이고, 도 5는 도 4의 V-V선에 따른 화살표 방향에서 본 도면이며, 도 6은 도 4의 VI-VI선에 따른 단면도이다.

3상 코일 구조체(30)는 V상을 위한 1상용 코일 세트(31)와, U상 및 W상을 위한 2상용 코일 세트(32)를 구비한다. 즉, 3상 코일 구조체(30)는 1개의 1상용 코일 세트(31)와, 2개의 2상용 코일 세트(32)를 갖는다. 1상용 코일 세트(31) 및 2상용 코일 세트(32)는 어떠한 것도 대략 직사각형의 공심 코일로 구성되어 있다. 또한, 도 5에서는 편의 상 1상용 코일 세트(31) 및 2상용 코일 세트(32)의 인출선의 도시를 생략한다.

각 2상용 코일 세트(32)는 동일 축심 상에 배치된 길이 방향 및 폭 방향의 치수가 동일한 2개의 공심 코일을 포함한다. 2개의 2상용 코일 세트(32)는 각각의 축심 방향이 평행이 되도록 설치되어 있다. 즉, 2개의 2상용 코일 세트(32)는 동일면 내에서 이웃하도록 병설되어 있고, 일방의 2상용 코일 세트(32)의 공심 코일의 장변부가, 타방의 2상용 코일 세트(32)의 공심 코일의 장변부와 접하고 있다. 또한, 각 2상용 코일 세트(32)에는 축심 방향으로, 다른 2상용 코일 세트(32)가 더 적층되어 있다(도 5 참조). 2개의 2상용 코일 세트(32)는 동일한 형상이며, 이하에서는 1개의 2상용 코일 세트(32)에 대해서만 설명한다.

1상용 코일 세트(31)는 2개의 2상용 코일 세트(32)의 장변부끼리를 넘도록 배치되어 있고, 크기가 다른 2개의 공심 코일을 포함한다. 이하, 크기가 작은 쪽의 공심 코일을 소 공심 코일(31A)로 칭하고, 크기가 큰 쪽의 공심 코일을 대 공심 코일(31B)로 칭한다. 소 공심 코일(31A)은 대 공심 코일(31B)에 비해 길이 방향의 치수가 작고, 폭 방향의 치수는 동일하다. 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)은 동일 축심 상에 배치되어 있다. 1상용 코일 세트(31)의 축심 방향은 각 2상용 코일 세트(32)의 축심 방향과 평행을 이루고 있으며, 1상용 코일 세트(31)는 2개의 2상용 코일 세트(32)에 대해서 축심 방향의 양측에 각각 배치되어 있다(도 5 참조).

각 2상용 코일 세트(32)는 정면 시 중공의 직사각형이며, 2개의 장변부(321, 322)와 2개의 단변부(323, 324)를 구비한다. 2상용 코일 세트(32)에서, 2개의 장변부(321, 322)는 폭 방향의 치수가 같고, 장변부(321, 322)의 폭 방향의 치수의 합에 상당하는 거리만큼 이격하여 형성되어 있다. 또한, 일방의 2상용 코일 세트(32)의 장변부(321)는 타방의 2상용 코일 세트(32)의 장변부(321)와 장변측이 인접하고 있다.

1상용 코일 세트(31)도 2상용 코일 세트(32)와 마찬가지로, 정면시 중공의 직사각형이다. 소 공심 코일(31A)은 대 공심 코일(31B)에 대해서 축심 방향의 일측에 배치되어 있다. 소 공심 코일(31A)은 2개의 장변부(311A, 312A)와, 2개의 단변부(313A, 314A)를 구비한다. 또한, 대 공심 코일(31B)은 2개의 장변부(311B, 312B)와, 2개의 단변부(313B, 314B)(단부)를 구비한다.

소 공심 코일(31A)에서, 2개의 장변부(311A, 312A)는 폭 방향의 치수가 동일하고, 장변부(311A, 312A)의 폭 방향의 치수의 합에 상당하는 거리를 이격하여 형성되어 있다. 또한, 대 공심 코일(31B)에서, 2개의 장변부(311B, 312B)는 폭 방향의 치수가 동일하고, 장변부(311B, 312B)의 폭 방향 치수의 합에 상당하는 거리를 이격하여 형성되어 있다. 즉, 축심 방향에서, 소 공심 코일(31A)의 장변부(311A, 312A)는 각각 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B)와 맞닿고(當接) 있다(도 6 참조). 이하, 소 공심 코일(31A)의 장변부(311A, 312A)에서 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B)와 접촉하는 면을 접촉면(310A)(일면)이라 칭하고, 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B)에서 소 공심 코일(31A)의 장변부(311A, 312A)와 접촉하는 면을 접촉면(310B)(일면)이라 칭한다.

1상용 코일 세트(31)와 2개의 2상용 코일 세트(32)는 길이 방향이 평행이 되도록 배치되어 있으며, 1상용 코일 세트(31)는 2개의 2상용 코일 세트(32)와 부분적으로 중첩하고 있다.

즉, 상술한 바와 같이, 1상용 코일 세트(31)는 이웃하는 2개의 2상용 코일 세트(32)의 장변부(321)를 넘도록 배치되어 있다. 상세하게는, 소 공심 코일(31A)의 장변부(311A, 312A)끼리의 사이 및 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B)끼리의 사이에 2개의 2상용 코일 세트(32)의 2개의 장변부(321)가 개재되어 있다.

또한, 대 공심 코일(31B)의 단변부(313B, 314B)의 일면(319B)(대향면)은 2상용 코일 세트(32)의 단변부(323, 324)와 맞닿고, 소 공심 코일(31A)의 단변부(313A, 314A)의 일면(319A)(대향면)은 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B) 및 2상용 코일 세트(32)의 장변부(321)와 대향하고 있다(도 4 및 도 6 참조).

도 7은, 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 2상용 코일 세트(32)를 나타내는 사시도이다. 2상용 코일 세트(32)는 상술한 바와 같이, 동일 축심 상에 배치된 2개의 직사각형의 공심 코일(300)로 이루어지며, 편평하다. 즉, 2상용 코일 세트(32)는 장변부(321, 322)와 단변부(323, 324)는 동일 평면상에 설치되어 있다.

또한, 2상용 코일 세트(32)는 감김 방향이 일치하도록, 상기 2개의 공심 코일(300)을 축심 방향으로 적층시킴으로써 형성된다.

각 공심 코일(300)은, 예를 들면, 띠형상 1.1×0.54mm의 도체의 평각선을 축심 방향과 직교하는 방향으로, 예를 들면 15회 감아 형성되어 있다. 서로의 평각선이 (평각선의) 두께 방향으로 중첩하도록 감겨져 있다. 즉, 공심 코일(300)은 축심 방향으로는 단층이고, 축심 방향과 직교하는 방향으로 복층이며, 축심 방향의 양단면이 대략 평평하다. 이러한 평각선은 에폭시 수지 등의 열강화성 수지의 접착제가 외주면에 도포된 상태에서 권회된다. 접착제는 실온에서 또는 가열에 의해 경화한다. 이로 인해, 공심 코일(300)의 형상이 유지되고 2상용 코일 세트(32)에서는 축심 방향으로 적층된 공심 코일(300)끼리가 고정된다. 도 3, 도 4, 도 7에서는, 편의 상 공심 코일(300)의 축심 방향의 단면(복층형상의 코일)을 대략적으로 도시하고 있다.

그리고, 공심 코일(300)은 감기 시작하는 인출선(325B) 및 감기 종료되는 인출선(326B)을 갖는다. 2상용 코일 세트(32)는 이른바 알파권(alpha winding)에 의해 형성된다.

도 8은 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 1상용 코일 세트(31)를 나타내는 사시도이고, 도 9는 도 8의 IX-IX선에 따른 화살표 방향에서 본 도면이다. 도 9의 A 및 도 9의 B는 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)의 원으로 둘러싸인 부분을 확대하여 도시한 확대도이다. 편의 상, 도 8에서는 소 공심 코일(31A)과 대 공심 코일(31B)을 분리하여 표시하고 있고, 도 9에서는 인출선의 도시를 생략하고 있다.

상술한 바와 같이, 1상용 코일 세트(31)는 동일 축심 상에 배치된 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)로 이루어지고, 소 공심 코일(31A)은 대 공심 코일(31B)에 비해 길이 방향의 치수가 작고, 폭 방향의 치수는 동일하다. 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)의 두께는 2상용 코일 세트(32)의 공심 코일(300)의 두께와 동일하다.

또한, 소 공심 코일(31A)은 2개의 장변부(311A, 312A)와 2개의 단변부(313A, 314A)를 구비한다. 또한, 대 공심 코일(31B)은 2개의 장변부(311B, 312B)와 2개의 단변부(313B, 314B)(단부)를 구비한다.

대 공심 코일(31B)은 장변부(311B, 312B)의 양단부에 프레스가공이 이루어지고, 크랭크 형상으로 굴곡되어 있다. 이로 인해, 대 공심 코일(31B)에서는 2개의 장변부(311B, 312B)의 양단측에 굴곡부(318B)가 형성되어 있다. 이러한 프레스가공 후의 대 공심 코일(31B)은 길이 방향의 길이가 2상용 코일 세트(32)의 공심 코일(300)과 동일하다.

또한, 대 공심 코일(31B)에서, 장변부(311B, 312B)의 소 공심 코일(31A)과의 접촉면(310B)과 반대측면에서부터 단변부(313B, 314B)의 일면(319B)까지의 간격은 대 공심 코일(31B) 또는 소 공심 코일(31A)의 두께(t)의 2배이다(도 9의 B참조).

도 10은, 대 공심 코일(31B)의 굴곡 각도를 설명하는 설명도이다. 도 10에서 일점쇄선은 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B)의 단부에 굴곡부(318B)를 형성하는 성형 원형봉을 나타내고 있다.

제조 실적상, R(선회 최소 반경) ＞ 3t의 조건을 만족하면, 평각선에 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 도 10은 R=3t인 경우를 나타내고, 2개의 성형 원형봉의 중심간 거리는 7t가 된다. 일방의 성형봉은 고정하고, 타방의 성형봉을 일방의 성형봉 중심을 기준으로 θ만큼 회전시켜 단차 2t가 되도록 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B)의 단부를 굴곡시킨다.

도 10 중, 실선으로 그린 크고 작은 2개의 삼각형은 서로 상사(相似)형이고, 비율은 1：4가 된다. 또한, 성형 원형봉의 중심간 거리가 7t이고, 대 공심 코일(31B)의 단차는 2t이며, 작은 삼각형의 빗변의 길이를 x로 하면, 이하의 관계가 성립한다.

sinθ=t/x

여기서, 크고 작은 삼각형의 상사비는 1：4이므로, 중심간 거리7t는 5x(x＋(4x))이며, x는 이하와 같이 정의된다.

x=(7/5)t

따라서, sinθ=5/7이고, θ는 45.5°이다. 법선과 접선은 직교하므로, 대 공심 코일(31B)의 굴곡부(318B)의 굴곡각은 44.5°(90° - 45.5°)가 된다.

이상의 계산 결과를 감안하면, 굴곡부(318B)는 축심 방향의 상기 일측으로 30° ~ 44.5°의 굴곡 각도로 굴곡되면 좋다 (도 9 참조). 즉, 각 굴곡부(318B)는 대 공심 코일(31B)의 축심 방향과 직교하는 방향에 대해서 30° ~ 44.5°의 범위에서 비스듬하게 형성되어 있다. 굴곡부(318B)의 굴곡 각도가 상기 범위의 하한 미만이 되는 경우, 추력이 저하한다.

굴곡부(318B)의 굴곡 각도가 44.5°를 넘는 경우는 프레스가공 시, 대 공심 코일(31B)에 흠집 등의 불량이 발생할 우려가 있는데다, 대 공심 코일(31B)의 단변부(313B, 314B)와 2상용 코일 세트(32)의 단변부(323, 324) 사이의 간격이 커져 3상 코일 구조체(30)의 두께가 두꺼워질 우려가 있다. 또한, 굴곡부(318B)의 굴곡 각도가 30°미만인 경우는 장변부(311B, 312B)에서 굴곡부(318B)가 차지하는 비율이 커져 평탄부가 좁아지므로, 추력의 저하를 초래할 우려가 있다.

소 공심 코일(31A)은 장변부(311A, 312A)의 양단부에 프레스가공이 이루어지고 크랭크 형상으로 굴곡되어 있다. 이로 인해, 소 공심 코일(31A)에서는 2개의 장변부(311A, 312A)의 양단측에 굴곡부(318A)가 형성되어 있다. 소 공심 코일(31A)에서, 장변부(311A, 312A)의 접촉면(310A)에서 단변부(313A, 314A)의 일면(319A)까지의 간격은 소 공심 코일(31A) 또는 대 공심 코일(31B)의 두께(t)와 동일하다 (도 9의 A 참조).

굴곡부(318A)도 상술한 계산에 기초하여 축심 방향의 상기 일측으로 10° ~ 31°의 굴곡 각도로 굴곡되면 좋다(도 9 참조). 즉, 각 굴곡부(318A)는 소 공심 코일(31A)의 축심 방향과 직교하는 방향에 대해서 10° ~ 31°의 범위에서 비스듬하게 형성되어 있다. 환언하면, 굴곡부(318A)는 대 공심 코일(31B)의 접촉면(310B)과 10° ~ 31°의 각도를 이루고 있다. 굴곡부(318A)의 굴곡 각도가 상기 범위의 하한 미만이 되는 경우 추력이 저하한다.

굴곡부(318A)의 굴곡 각도가 31°을 넘는 경우는 프레스가공 시, 소 공심 코일(31A)에 흠집 등의 불량이 발생할 우려가 있다. 또한, 굴곡부(318A)의 굴곡 각도가 10°미만의 경우는 장변부(311A, 312A)에서 굴곡부(318A)가 차지하는 비율이 커져 평탄부가 좁아지므로, 추력의 저하를 초래할 우려가 있다.

소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)은 2상용 코일 세트(32)의 공심 코일(300)과 마찬가지로, 도체의 평각선을 축심 방향과 직교하는 방향으로 복수회 감겨져 형성되어 있다. 평각선끼리가(평각선의) 두께 방향으로 중첩하도록 권회된다. 즉, 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)은 축심 방향으로는 단층이고, 축심 방향과 직교하는 방향으로 복층이며, 축심 방향의 양단면이 대략 평평하다. 도 3 내지 도 8에서는 편의 상, 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)의 축심 방향의 단면(복층 형상의 코일)을 대략적으로 도시하고 있다.

또한, 소 공심 코일(31A)은 감기 시작하는 인출선(315A) 및 감기 종료되는 인출선(316A)을 갖는다. 대 공심 코일(31B)은 감기 시작하는 인출선(315B) 및 감기 종료되는 인출선(316B)을 갖는다. 그리고, 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)의 굴곡각에 의해서 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)의 길이 방향의 치수가 정해진다.

이상과 같이, 대 공심 코일(31B)은 장변부(311B, 312B)의 양단부가 크랭크 형상으로 굴곡되어 있고, 단변부(313B, 314B)가 2상용 코일 세트(32)의 단변부(323, 324)와 맞닿고, 장변부(311B, 312B)가 소 공심 코일(31A)의 장변부(311A, 312A)와 맞닿고 있다(도 6 참조). 또한, 2상용 코일 세트(32)는 두께가 t인 2개의 공심 코일(300)로 이루어지고, 대 공심 코일(31B)의 단변부(313B, 314B)가 장변부(311B, 312B)의 접촉면(310B)과 반대측면 사이에 2t의 간격을 가지므로(도 9의 B참조), 축심 방향에서 대 공심 코일(31B) 및 2상용 코일 세트(32)는 3t의 두께를 갖는다(도 6 참조).

또한, 대 공심 코일(31B)의 단변부(313B, 314B)가 장변부(311B, 312B)의 접촉면(310B)과 반대측면 사이에 2t의 간격을 가지므로, 단변부(313B, 314B)의 일면(319B)과 반대측의 타면(317B)(반대측면) 및 접촉면(310B)의 간격(L2)은 2t이다. 또한, 소 공심 코일(31A)에서, 단변부(313A, 314A)가 상술한 바와 같이 장변부(311A, 312A)의 접촉면(310A)과 t의 간격을 가지므로, 단변부(313A, 314A)의 일면(319A)과 반대측의 타면(317A)(반대측면) 및 접촉면(310A)의 간격(L1)도 2t이다. 그리고, 소 공심 코일(31A)의 장변부(311A, 312A)는 각각 대 공심 코일(31B)의 장변부(311B, 312B)와 맞닿고 있다.

이와 같이, 타면(317A) 및 접촉면(310A)의 간격(L1)이 타면(317B) 및 접촉면(310B)의 간격(L2)과 동일하므로, 축심 방향에서, 소 공심 코일(31A)이 대 공심 코일(31B)보다 상기 일측으로는 돌출하지 않는다(도 6 참조). 이 때, 소 공심 코일(31A)의 장변부(311A, 312A)의 접촉면(310A)과 반대측 면은 2상용 코일 세트(32)의 장변부(321)와 면일(面一)을 이루고 있다. 더욱이, 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)에 더해져, 2상용 코일 세트(32)의 2개의 공심 코일(300)이 축심 방향으로 적층하고 있음에도 불구하고 두께를 3t로 억제할 수 있다(도 6 참조).

이상에서는 타면(317A) 및 접촉면(310A)의 간격(L1)이, 타면(317B) 및 접촉면(310B)의 간격(L2)과 동일한 경우를 예로 들어 설명하였으나, 이로 한정되는 것은 아니다. 간격 L2가 간격 L1 이상이면 좋다.

상술한 바와 같이, 축심 방향으로 2개의 2상용 코일 세트(32)가 적층하고 있으며, 2상용 코일 세트(32)에 대해서 축심 방향의 타측에도 1상용 코일 세트(31)가 설치되어 있다. 축심 방향의 타측에 설치된 1상용 코일 세트(31)도 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)로 이루어지고, 대 공심 코일(31B)에 대해서 축심 방향의 상기 외측에 소 공심 코일(31A)이 배치되고, 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)의 양단부가 축심 방향의 타측에 크랭크 형상으로 굴곡되어 있다(도 5 및 도 6 참조). 그 밖에, 축심 방향의 타측에 설치된 1상용 코일 세트(31)는 이미 설명한 1상용 코일 세트(31)와 동일한 형상이며, 자세한 설명을 생략한다.

즉, 본 실시형태의 3상 코일 구조체(30)는 이웃하는 한 쌍의 2상용 코일 세트(32)가 축심 방향으로 적층되어 있고, 적층된 2상용 코일 세트(32)에 대해서 축심 방향의 양측에 각각 1상용 코일 세트(31)가 설치되어 있으며, 일방의 1상용 코일 세트(31)(소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B))의 양단부가 타방의 1상용 코일 세트(31)의 양단부와 반대측으로 굴곡되어 있다.

상술한 바와 같이, 1개의 1상용 코일 세트(31) 및 한 쌍의 2상용 코일 세트(32)가 축심 방향으로 3t의 두께를 가지므로, 2개의 1상용 코일 세트(31) 및 한 쌍의 2상용 코일 세트(32)가 2층으로 적층된 3상 코일 구조체(30)의 전체에서는 축심 방향에서 6t의 두께를 갖는다. 1상용 코일 세트(31)가 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)로 이루어지고, 2상용 코일 세트(32)가 2개의 공심 코일(300)로 이루어지므로, 3상 코일 구조체(30) 전체적으로는 8개의 공심 코일이 적층되어 있음에도 불구하고 두께를 6t로 억제하고 있어, 3상 코일 구조체(30)가 컴팩트화 된다.

이러한 구성을 갖는 리니어 모터(100)는 3상 코일 구조체(30)에 통전이 이루어진 경우, 플레밍의 왼손법칙에 기초하여 한 쌍의 자석 유닛(13) 사이에 형성된 교번 자계를 가로지르는 방향(이하, 이동 방향)으로의 추력이 발생하여 3상 코일 구조체(30)를 상기 이동 방향으로 누른다. 이로 인해, 가동자(20)가 이동한다(도 1의 화살표 참조).

한편, 3상 코일 구조체(30)에서, 소 공심 코일(31A)이 대 공심 코일(31B)에 비해 길이 방향의 치수가 작으므로, 쇄교(鎖交, linkage) 길이가 감소한다. 이러한 쇄교 길이의 감소는 코일 임피던스의 저하 및 추력의 감소를 초래할 우려가 있다.

이에 대해서, 본 실시형태의 리니어 모터(100)는 1상용 코일 세트(31)의 권수를 늘리고, 상술한 코일 임피던스의 저하 및 추력 감소의 문제에 대응하고 있다. 즉, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서, 1상용 코일 세트(31)는 2상용 코일 세트(32)보다 권수가 많다.

상세하게는, 1상용 코일 세트(31)는 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)을 가지므로, 소 공심 코일(31A)의 권수, 또는 대 공심 코일(31B)의 권수가 2상용 코일 세트(32)의 각 공심 코일(300)의 권수보다 많아도 좋고, 소 공심 코일(31A)의 권수 및 대 공심 코일(31B)의 권수가 모두 공심 코일(300)의 권수보다 많아도 좋다. 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)에서는 코일 임피던스로의 효과를 감안하여 내경을 공심 코일(300)과 동일하게 하여 축심으로부터 먼 외주측의 권수를 증가시킨다.

예를 들면, 2상용 코일 세트(32)의 각 공심 코일(300)의 권수가 15회인 경우, 소 공심 코일(31A) 또는 대 공심 코일(31B)의 권수는 16 ~ 17회이다. 보다 상세하게는, 소 공심 코일(31A)의 권수는 16회이고, 대 공심 코일(31B)의 권수는 17회인 것이 바람직하다.

또한, 이로 한정되는 것은 아니다. 코일 임피던스의 변화를 고려한 경우는 소 공심 코일(31A) 및 대 공심 코일(31B)의 어느 권수를 16회로 하는 것이 효과적이다.

이상과 같이, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 1상용 코일 세트(31)의 권수가 2상용 코일 세트(32)의 권수보다 많으므로, 코일 임피던스의 저하 및 추력의 감소를 보완할 수 있다.

도 11은 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 추력 및 코일 임피던스를 선행기술과 비교한 그래프이며, 도 12는 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 동손(銅損, copper loss)을 선행기술과 비교한 그래프이다.

도 11에서, 가로축은 3상 코일 구조체(30)의 전체 길이[mm](2상용 코일 세트(32) 및 대 공심 코일(31B)의 전체 길이와 동일하고, 코일 전체 길이로 호칭)를 나타내고, 좌측 세로축은 추력 정수[N/Arms]를 나타내고, 우측 세로축은 상(相)저항(임피던스)[Ω]을 나타낸다. 또한, 도 11에서 상방의 직선(원)이 리니어 모터(100)의 추력 정수를 나타내고 있으며, 하부의 직선(원)은 리니어 모터(100)의 상저항을 나타내고 있다. 또한, 도 11에서, 상방의 삼각형은 선행기술의 추력 정수를 나타내고, 하부의 삼각형은 선행기술의 상저항을 나타내고 있다.

또한, 도 12에서, 가로축은 3상 코일 구조체(30)의 전체 길이[mm] (2상용 코일 세트(32) 및 대 공심 코일(31B)의 전체 길이와 동일하고, 코일 전체 길이로 호칭)를 나타내고, 세로축은 발열량[W]를 나타내고 있다. 그리고, 도 11 및 도 12에서는 선행기술로서 상기 특허문헌 1의 특허 제5508362호에 따른 리니어 모터를 예로 들고 있다.

도 11에 나타내는 바와 같이, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 코일 전체 길이의 증가가 추력 정수의 증가 및 상 저항의 증가와 비례하고 있다. 선행기술의 경우, 코일 전체 길이가 180mm일 때, 달성한 추력 정수치 및 상 저항값이 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 경우는 코일 전체 길이가 165mm일 때 달성된다. 또한, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 코일 전체 길이가 선행기술과 동일하게 180mm인 경우, 추력 정수치 및 상 저항값이 선행기술의 추력 정수치 및 상 저항값을 크게 상회한다.

그리고, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 코일 전체 길이가 증가함에 따라, 도체(평각선)의 저항에 따른 발열량(이른바, 동손(銅損, copper loss))이 저감한다. 선행기술의 경우, 코일 전체 길이가 180mm일 때의 발열량이, 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 경우는 코일 전체 길이가 165mm일 때의 발열량에 상당한다. 또한, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 코일 전체 길이가 선행기술과 동일하게 180mm인 경우, 발열량이 선행기술의 발열량을 크게 하회하고 있다.

도 11 및 도 12에서 알 수 있듯이, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 상술과 같은 구성에 의해 3상 코일 구조체(30)의 컴팩트화를 도모하면서, 이에 따른 코일 임피던스의 저하 및 추력의 감소를 보완하여 더욱 성능이 개선된다.

또한, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 상술한 바와 같은 구성에 의해 방열성을 개선할 수 있다. 예를 들면, 방열성을 단위 면적당 발열량[W/S]이라고 정의한 경우, 발열량이 작은 만큼 코일의 온도 상승폭이 작은 것을 의미하므로, 방열성이 좋다고 말할 수 있다.

도 13은, 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 단위 면적당 발열량을 선행기술과 비교한 그래프이다. 도 13에서, 가로축은 3상 코일 구조체(30)의 전체 길이[mm] (2상용 코일 세트(32) 및 대 공심 코일(31B)의 전체 길이와 동일하고, 코일 전체 길이로 호칭)를 나타내고, 세로축은 단위 면적당 발열량[W/S]을 나타낸다. 그리고, 도 13에서도 선행기술로서 상기 특허문헌 1의 특허 제5508362호에 따른 리니어 모터를 예로 들고 있다.

본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 코일 전체 길이가 증가함에 따라 단위 면적당 발열량이 저감한다. 선행기술의 경우, 코일 전체 길이가 180mm일 때의 단위 면적당 발열량이, 본 실시형태의 리니어 모터(100)의 경우는 코일 전체 길이가 173mm일 때의 단위 면적당 발열량에 상당한다. 또한, 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 코일 전체 길이가 선행기술과 동일하게 180mm인 경우, 단위 면적당 발열량이 선행기술의 단위 면적당 발열량을 크게 하회하고 있다. 본 실시형태의 리니어 모터(100)에서는 3상 코일 구조체(30)의 컴팩트화를 도모하면서 방열성이 개선된다.

개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

13: 자석 유닛
30: 3상 코일 구조체
31: 1상용 코일 세트
31A: 소 공심 코일
31B: 대 공심 코일
32: 2상용 코일 세트
100: 리니어 모터
300: 공심 코일
310A: 접촉면(일면)
310B: 접촉면(일면)
311A, 312A, 311B, 312B, 321, 322: 장변부
313A, 314A, 313B, 314B, 323, 324: 단변부
317A: 타면(반대측면)
317B: 타면(반대측면)
319A: 일면(대향면)
319B: 일면(대향면)

Claims

이웃하도록 동일면 내에 병설된 복수의 직사각형의 공심 코일을 포함한 2상용 코일 세트를 구비하는 3상 코일 구조체로서,
양단측에서 구부러지고, 상기 2상용 코일 세트의 이웃하는 장변부끼리를 넘도록 배치된 크기 및 굽힘각이 다른 2개의 공심 코일을 포함한 1상용 코일 세트를 구비하고,
상기 1상용 코일 세트의 공심 코일은 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일보다 권수가 많은,
3상 코일 구조체.
제1항에 있어서,
상기 1상용 코일 세트는, 길이 방향의 치수가 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일과 동일한 대 공심 코일과, 길이 방향의 치수가 상기 대 공심 코일보다 작은 소 공심 코일을 포함하고,
상기 대 공심 코일 및 상기 소 공심 코일의 적어도 일방의 권수가 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일보다 많은,
3상 코일 구조체.
제2항에 있어서,
상기 대 공심 코일 및 상기 소 공심 코일은 동일 축심 상에 배치되어 있고, 각각의 양단측이 축심 방향에서 일측으로 크랭크 형상으로 굴곡되어 있고,
상기 대 공심 코일은 양단부가 상기 2상용 코일 세트의 공심 코일의 단부와 각각 중첩하는,
3상 코일 구조체.
제3항에 있어서,
상기 대 공심 코일은 양단부가 30° ~ 44.5°굴곡되어 있고,
상기 소 공심 코일은 상기 양단부가 10° ~ 31°굴곡되어 있는,
3상 코일 구조체.
제4항에 있어서,
상기 소 공심 코일은 상기 대 공심 코일에 대해서 상기 축심 방향의 상기 일측에 배치되고, 일면이 상기 대 공심 코일의 일면과 접촉하고 있고,
상기 대 공심 코일에서, 상기 일면 및 상기 양단부의 상기 2상용 코일 세트와의 대향면과 반대측면 사이의 간격은, 상기 소 공심 코일에서, 상기 일면 및 상기 양단부의 상기 대 공심 코일과의 대향면과 반대측면 사이의 간격 이상인,
3상 코일 구조체.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 2상용 코일 세트는 2개이고, 일 방향으로 적층되어 있고,
상기 일 방향에서, 적층된 2개의 상기 2상용 코일 세트의 양측에 상기 1상용 코일 세트가 동일 축심 상에 각각 설치되고,
2개의 상기 1상용 코일 세트는 각각의 양단측이 서로 반대 방향으로 굴곡되어 있는,
3상 코일 구조체.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 3상 코일 구조체와,
상기 1상용 코일 세트의 축심 방향으로 대향하도록 상기 3상 코일 구조체의 양측에 배치된 자석,
을 구비하는 리니어 모터.