KR930006648B1

KR930006648B1 - Spindle motor for ultra-high speed

Info

Publication number: KR930006648B1
Application number: KR1019910003953A
Authority: KR
Inventors: 장만영
Original assignee: 장만영
Priority date: 1991-03-12
Filing date: 1991-03-12
Publication date: 1993-07-22
Also published as: KR920019046A

Abstract

The high speed spindle motor generates a very high rotational force by use of an overlappled structure of field coils and a very strong magnet, and varies the high speed from 20,000 RPM to 60,000 RPM. The spindle motor comprises bearings (13A,13B) having a diameter approximate to the diameter of a rotor body (14); a pair of assembly covers (11A,11B) having a ring groove (11a) and a step ring (11b) for assembling the bearings (13A,13B); a stator (12) having a coil bobbin (12b) and a plurality of field coils (12a1-12an) overlapped with adjacent coils; the rotor (14) having a cylindrical body (14A) including a plurality of fan-shaped cylindrical magnets (14a), and steel core plate (14b).

Description

Ultra High Speed Spindle Motor

제1도는 본 발명에 의한 초고속 스핀들 모터의 분해 사시도.1 is an exploded perspective view of an ultra-high speed spindle motor according to the present invention.

제2도는 제1도가 조립된 상태의 종단면 구조도.2 is a longitudinal cross-sectional view of the assembly state of FIG.

제3도는 제1도에서 회전자 구조를 A-A선으로 잘라본 참고도.3 is a reference diagram taken along the line A-A of the rotor structure in FIG.

제4도는 제1도와 곤련된 가변속 제어 회로의 일예도.4 is an example of the variable speed control circuit described with FIG.

제5도는 제1도에서 모터 권선 형태를 나타내는 참고도.5 is a reference diagram showing the shape of the motor windings in FIG.

제6도는 제1도에서 자동적 기능을 갖는 회전축 구조의 참고도.6 is a reference diagram of a rotating shaft structure having an automatic function in FIG.

제7도는 스핀들 모터의 일반적 구동 시스템을 나타내는 참고도.7 is a reference diagram showing a general drive system of a spindle motor.

제8도는 종래 스핀들 모터의 참고도.8 is a reference diagram of a conventional spindle motor.

제9도a 및 b는 종래의 스핀들 모터에서 회전자 구조를 나타내는 참고도.9A and 9B are reference diagrams showing a rotor structure in a conventional spindle motor.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

1 : 스핀들 모터 11A,11B : 조립덥개1: Spindle motor 11A, 11B: Assembly cover

12 : 고정자 13A,13B : 고속베어링12: Stator 13A, 13B: High speed bearing

14 : 회전자 14A : 회전자몸체14: rotor 14A: rotor body

14a : 부채꼴 영구자석 14b : 철십판재14a: fan-shaped permanent magnet 14b: iron crossboard

14d : 외피부재 14D : 축14d: shell member 14D: shaft

15a,15b : 좌우고정스크류15a, 15b: Left and right fixing screw

본 발명은 스핀들 모터와 관련된 것으로서, 이는 특히 회전자의 영구자석체가 강한 자기력을 발생시키도록 되면서 전체적으로 고속 가변 RPM(20000~60000RPM)을 가질 수 있도록 설계된 초고속 스핀들 모터에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to a spindle motor, and more particularly, to an ultra-high speed spindle motor designed to have a high-speed variable RPM (20000 to 60000 RPM) as a whole while the rotor's permanent magnet generates strong magnetic force.

스핀들 모터는 영구자석으로 분할된 복수극을 가진 회전자에 대해 고정자의 계자 코일에 펄스 전류를 가하므로서 회전제어가 이뤄지고 있고 일예로, 이러한 스핀들모터의 구동시스템은 제7도와 같은 형태가 일반적인 유형이다.Spindle motor is controlled by applying a pulse current to the field coil of the stator for a rotor having a plurality of poles divided into permanent magnets. For example, the drive system of such a spindle motor is a general type as shown in FIG.

여기서는 스핀들 모터(2)의 고정자 코일에 회전자의 회전을 위한 전류 제어의 제어부(3)와, 상기 스핀들 모터(2)의 회전축에 배치되어 회전 속도와 위치를 검출하여 제어부(3)로 검출신호를 제공하는 속도위치 검출기(4)가 구비되어져 있다.Here, the control unit 3 of the current control for the rotation of the rotor in the stator coil of the spindle motor 2 and the rotation shaft of the spindle motor 2 are disposed on the rotational speed and position to detect the detection signal to the control unit 3 A speed position detector 4 is provided.

또, 상기와 같은 스핀들 모터(2)와, 고정자 코일의 전류 변화로 회전되는 종래 회전자의 구성은 제8도 및 제9도와 같이 나타내었다.The configuration of the spindle motor 2 as described above and the conventional rotor rotated by the change of the current of the stator coil are shown in FIG. 8 and FIG.

여기서의 스핀들 모터(2)는 회전축(23)에 축방향으로 동심원상 고정된 원통 회전자(22)와, 이 원통회전자(22)의 외표층에 적층 배치된 영구자석과 대응 작용하는 고정자(21)가 밀폐된 케이스내에 속도위치검출기(4)와 일체로 배치되어 있으며, 한편으론 제9도a 및 b와 같이, 상기 회전자(22)는 회전축(23)에 동심상으로 원통 적층 철심(22b)이 고정되어있고, 이 적층 철심(22b)의 외표층엔 접착제(22c)를 기재하여 분할된 극을 갖는 영구자석편(22a)이 부착된 구성으로 되어 있다.Here, the spindle motor 2 has a cylindrical rotor 22 which is axially concentrically fixed to the rotating shaft 23, and a stator that corresponds to a permanent magnet which is stacked and disposed on the outer surface layer of the cylindrical rotor 22 ( 21 is disposed integrally with the speed position detector 4 in a sealed case, and as shown in FIGS. 9A and 9B, the rotor 22 is concentrically formed with a cylindrical laminated iron core on the rotating shaft 23 ( 22b) is being fixed, and the outer surface layer of this laminated iron core 22b has the structure by which the permanent magnet piece 22a which has the pole divided by describing the adhesive agent 22c was attached.

그러나, 이러한 종래의 스핀들 모터는 상기 회전자(22)의 구조에서 다수 분할극인 영구자석편(22a)이 원통철심(22b)의 외표층에 얇은 두께로 접착제(22c)로 피착되어져 있으므로 비록 얇은 두께이지만 접착제로 인한 영구자석의 발생 자력 에너지가 약화되므로 이를 커버 하기위한 영구자석 체적을 크게 하여야 하는데에 설계적 제약성이 있어서 부후하시의 RPM을 초고속으로 높이는데 불리한 문제점으로 남아있었다(일예로,3000~30000RPM 정도).However, such a conventional spindle motor has a thin thickness because the permanent magnet piece 22a, which is a plurality of divided poles, is deposited on the outer layer of the cylindrical core 22b with an adhesive 22c at a thin thickness in the structure of the rotor 22. However, the magnetic energy generated by the permanent magnets due to the adhesive is weakened, so the volume of the permanent magnets to cover them has to be increased. Therefore, the design constraints remain a disadvantageous problem in increasing the RPM at the high speed (for example, 3000 ~). About 30000RPM).

또, 상기 영구자석편(22a)은 단지 접착제(22c)에 의하여 원통적층설심(22b)의 외표층에 부착되므로서 회전자(22) 조립기체의 내구성이 저하되어 초고속 RPM을 유지시키는 용도로서 적합하지 않은 것이었다.In addition, since the permanent magnet piece 22a is attached to the outer surface layer of the cylindrical lamination core 22b only by the adhesive 22c, the durability of the assembly body of the rotor 22 is lowered, so that it is suitable for maintaining the high speed RPM. It was not.

이외에도 케이스 부재와 회전축(23) 사이에 매개되는 베어링은 축방향 접촉면적이 작아 초고속 회전에 따른 견딤 특성이 저하되고 회전의 안정도가 저하되는 것이었다.In addition, the bearing mediated between the case member and the rotating shaft 23 had a small axial contact area, which resulted in lower endurance characteristics due to ultra-high speed rotation and lowered stability of rotation.

한편, 이러한 스핀들 모터에 있어서는 RPM이 일률적으로 정해져있고 이러한 종래구조에 의해 가장 높는 RPM은 30000RPM 이상 얻이가 어려울 뿐만아니라 가변 특성을 전혀 가질 수 없다는 문제점도 있었다.On the other hand, in such a spindle motor, RPM is uniformly determined, and by the conventional structure, the highest RPM is difficult to obtain more than 30000 RPM, and there is also a problem in that it cannot have any variable characteristics.

그러므로, 컴퓨터 시스템과 함께 결합되어 조각등을 행할 수 있는 공구 또는 치과용 치료공구등을 제작코져 할때는 이러한 스핀들모터의 회전속도가 제한적이므로 조각등의 면처리를 면밀하고 세밀하게 이루기가 어렵고 그 조각 작업등의 신속성과 정밀성을 보장하기가 어려운 것이었다.Therefore, when manufacturing tools or dental treatment tools that can be combined with a computer system to produce engravings, the rotational speed of these spindle motors is limited, making it difficult to achieve detailed and detailed surface treatment of engravings. It was difficult to ensure the speed and precision of the system.

본 발명의 목적은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하고져 개발되어진 것으로서, 이는 특히 단면이 부채꼴인 복수의 영구자석 부재가 반경방향으로 삽입되는 철심 판재 및 외표피 부재와 함께 회전축에 고정되어진 회전자 유니트와 ; 이 회전자 유니트의 외표층에서 일정한 에어 갭을 가지고 중첩 대응하는 계자 권선이 매립되어진 고정자 몸체 및, 이 고정자 몸체의 좌우측에서 비교적 넓은 폭의 베어링을 수납하는 링홈과 맞춤턱을 가진 좌우조립 덮개와의 관련구성으로 되는 초고속 스핀들 모터와 이의 가변속 제어회로를 제공코져 한 것이다.An object of the present invention has been developed to improve the problems of the prior art as described above, which is a rotor which is fixed to the rotating shaft together with the iron core plate and the outer skin member in which a plurality of permanent magnet members having a fan-shaped cross section radially inserted Unit and; A stator body having a constant air gap in the outer layer of the rotor unit and having a corresponding field winding superimposed thereon, and a left and right assembly cover having a ring groove and a fitting jaw for receiving a relatively wide bearing on the left and right sides of the stator body. The high speed spindle motor and its variable speed control circuit are provided.

이하에서 이를 좀더 상세히 살펴보면 다음과 같다.Looking at this in more detail below.

즉, 제1도 내지 제3도는 본 발명에 의한 초고속 스핀들모터(1)를 나타내었다.That is, FIGS. 1 to 3 show the ultrafast spindle motor 1 according to the present invention.

여기서는 회전자 원통몸체(14A)의 직경과 거의 동일한 직경의 고속 베어링(13A,13B)이 내삽되어질 수 있는 축공부의 링홈(11a)과 이 링홈(11a)에 인접한 맞춤턱링(11b)을 장방몸체(11c)로 부터 갖는 한쌍의 좌조립 덥개(11A) 및 우조립덮개(11B)와, 장방몸체(11C) 바깥쪽에 축설된 센서기구(15) 및, 각 계자극간에 상호 중첩된 권선구조를 갖는 고정자 코일(12a)이 고정보빈(12b)과 함께 몰딩되어 설치된 고정자(12) 및, 베어링(13B) 이격부(14B)를 원통몸체(14A)에 갖는 회전자(14)로 되어 있고, 상기 회전자(14)는 제2도 및 제3도와 같이 축(14D)과 함께 철심판재(14b)가 매개부재로 삽입고정되어 축방향 ℓ 길이를 갖는 원통체를 이루면서 그 외표층에는 전체가 외표피 부재(14d)로 피복된 구성으로 되어 있다.Here, the ring groove 11a of the shaft hole in which the high-speed bearings 13A and 13B having a diameter substantially equal to the diameter of the rotor cylindrical body 14A can be inserted, and the dowel ring 11b adjacent to the ring groove 11a is rectangular. A pair of left assembling lids 11A and right assembling covers 11B from 11c, a sensor mechanism 15 arranged outside the rectangular body 11C, and a winding structure superimposed between each field stimulus The stator coil 12a is formed of a stator 12 formed by molding together with the high information bin 12b, and a rotor 14 having the bearing 13B spaced portion 14B in the cylindrical body 14A. As for the former 14, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, the iron core plate 14b together with the shaft 14D is inserted into and fixed as an intermediate member to form a cylindrical body having an axial length of L, and the outer surface of the former 14 has an outer skin member. It is a structure covered with 14d.

또, 상기 회전자 몸체(14A)의 외표피 부재(14d)는 주석과 같은 금속으로 하면 바람직하고, 또 상기 영구자석 부재(14a)는 강자성체인 란탄계열 코발트이면 좋고 바람직하게는 사마륨 코발트가 좋다.The outer skin member 14d of the rotor body 14A is preferably made of a metal such as tin, and the permanent magnet member 14a may be lanthanide cobalt, which is a ferromagnetic material, and preferably samarium cobalt.

또, 상기 부채꼴 영구자석부재(14a)는 회전자 몸체(14A)의 반경이 X라 할때 회전축(14D) 반경 X₁을 뺀 X₂의 크기로 되어 있다.Further, the fan-shaped permanent magnet member 14a has a size of X ₂ by subtracting the radius X ₁ of the rotation shaft 14D when the radius of the rotor body 14A is X.

또, 제6도는 상기 축(14D)이 파이프상으로 되고 축(14D)이 관통된 부위의 일측에는 로드 단부(14D₃)가 스프링 와셔(14D₂)와 함께 누름되어 졌을때 타측에서 현출되는 척(14D₁)을 갖는 구성으로 되어 있다.FIG. 6 also shows that the rod 14D ₃ is pushed together with the spring washer 14D _{2 on} one side of the portion through which the shaft 14D becomes a pipe and the shaft 14D penetrates. It has a structure having a (14D _1).

한편, 제4도는 본 발명과 관련된 사변속 제어회로(3)를 나타내었으며, 여기서는 컴퓨터 로직에서 제공되는 셀렉트신호(CS₁), 정역신호(F/R), 가변속데이타신호(S₁~S₃)등이 입력되는 권선순서선택로직(31)과 입력 디코더(32) 및 이네블 신호(Eb), 과전류검출신호(OC), 유효신호(VD)등이 입력되어 디코더(32)의 출력단에 이어진 출력 엔코더(33)를 제어하는 제어로직(CL)과, 출력엔코더(33)의 출력에서 이어져서 고정자 권선(12a)을 선택하여 정역구동하는 출력드라이브부(34)가 트랜시스터 및 FET회로에 의한 제1~제4출력드라이브(34a~34d)로 구성되어있다.4 shows a quadrature control circuit 3 related to the present invention, in which a select signal CS ₁ , a forward and backward signal F / R, and a variable speed data signal S ₁ to S ₃ provided by computer logic. ), The input sequence of the winding sequence selection logic 31, the input decoder 32, the enable signal Eb, the overcurrent detection signal OC, the valid signal VD, and the like are connected to the output terminal of the decoder 32. The control logic CL for controlling the output encoder 33 and the output drive section 34 which is connected to the output of the output encoder 33 and selects the stator winding 12a and drives it forward and backward are driven by the transceiver and the FET circuit. And first to fourth output drives 34a to 34d.

또, 상기 고정자 권선(12a)은 제5도와 같이 고정자 계자극 코일(12a₁~12a₃)이 각기 인접된 계자극코일(12a₁~12a₃)과 상호 일정범위 중첩되어 감이 되어져 있고, 계자극 코일(12a₁~12a₃)은 각기 N극 또는 S극의 2극 구성을 가지고 있다.Further, the stator winding (12a) may stator system stimulation coil is (12a ₁ ~ 12a ₃₎ are overlapped, each adjacent system stimulation coils (12a ₁ ~ 12a ₃₎ and cross-range been a sense as to help the fifth, based The magnetic pole coils 12a ₁ to 12a ₃ each have a two-pole configuration of an N pole or an S pole.

이러한 구성의 본 발명은 그 작용 및 효과가 다음과 같다.The present invention of such a configuration is as follows.

즉, 본 발명의 회전자 몸체(14A)는 제1도 내지 제3도와 같이 반경 X₂와 같이 ℓ에 의한 체적크기로 되고 있고 이것이 강한 영구자석 물질로 되어있으므로 고정자 코일(12a)의 전류 변화에 대해 강한 반작용을 야기하므로 결과적으로 초고속 회전이 가능케 되는 것이다.That is, the rotor body 14A of the present invention has a volume size by L such as a radius X ₂ as shown in Figs. 1 to 3, and since it is made of a strong permanent magnet material, the current change of the stator coil 12a is prevented. This results in a strong reaction to the device, resulting in a very fast rotation.

또, 상기 축을 제외한 외경크기의 분할 영구자석부재(14a)는 매개부재인 철심판재(14b)를 제외한 전면적인 영구자석체로 되면서 제5도 예와 같이 이 영구자석체와 대응하는 고정자(12)의 계자극 코일(12a₁~12a₃)이 상호 일정 범위 중첩하여 감이되어 있으므로 제한된 고정자 코일(12a) 매설공간에서의 충실한 권선정착면적을 제공할 수 있어 그 초고속 특성을 보장 받을 수 있다.Further, the divided permanent magnet member 14a having an outer diameter except for the shaft becomes a full-scale permanent magnet except for the iron core plate 14b as an intermediate member, and the stator 12 corresponding to the permanent magnet as shown in FIG. Since the field stimulation coils 12a ₁ to 12a ₃ overlap each other in a predetermined range, they can provide a faithful winding fixing area in a limited stator coil 12a embedding space, thereby ensuring ultra-high speed characteristics.

또, 상기 회전자(14)는 좌, 우 덮개(11A,11B)의 링홈(11a)에 안치된 고속베어링(13A,13B)으로 비교적 넓은 접촉면적을 가지면서 축(14D)에서 지지되어 초고속 동작시의 안정성과 기구적 신뢰성을 보장할 수가 있는 것이다.In addition, the rotor 14 is a high-speed bearing (13A, 13B) placed in the ring groove (11a) of the left and right cover (11A, 11B) is supported on the shaft (14D) while having a relatively large contact area, ultra-high speed operation The stability of the city and the mechanical reliability can be guaranteed.

한편, 상기 초고속 스핀들 모터(1)는 그 가변범위가 20000RPM~60000RPM까지 성취되어질 수 있고 이는 제4도 예의 가변속제어회로(3)와 함께 이를 성취할 수 있는 것이다.On the other hand, the ultra-high speed spindle motor 1 has a variable range of 20000 RPM to 60,000 RPM, which can be achieved with the variable speed control circuit 3 of FIG.

이 가변속제어회로(3)는 컴퓨터 로직에서 제공된 권선순서 선택 로직(31)의 셀렉트신호(CS₁)와 정역신호(F/R), 가변속데이타신호(S₁~S₃)에 의해 그 임의개 계자극 코일(12a₁~12a₃)의 구동순서가 정해지면서 속도 데이타가 입력디코더(32)로 가해지면, 이 입력 디코더(32)에서 PWM 제어 방식의 출력을 내는 출력엔코더(33)에 소정 주소를 제공하고, 출력엔코더(33)는 출력드라이브부(34)의 제1~제4출력드라이브(34a~34d)를 해당 모드로 선택 제어하므로서 계자극 코일(12a₁~12a₃)을 순서적으로 여자하며, 계자극 코일(12a₁~12a₃)이 순서적으로 여자됨에 따라 전체가 거의 영구자석체인 회전자(14)는 상호 반작용의 초고속회전이 이뤄지는 것이다.The variable speed control circuit 3 is arbitrarily selected by the select signal CS ₁ , the forward and reverse signals F / R, and the variable speed data signals S ₁ to S ₃ of the winding order selection logic 31 provided by the computer logic. When speed data is applied to the input decoder 32 while the driving order of the field stimulation coils 12a ₁ to 12a ₃ is determined, a predetermined address is output to the output encoder 33 which outputs a PWM control method by the input decoder 32. The output encoder 33 sequentially controls the field stimulation coils 12a ₁ to 12a ₃ by selectively controlling the first to fourth output drives 34a to 34d of the output drive unit 34 in a corresponding mode. Excitation, as the magnetic pole coils 12a ₁ to 12a ₃ are sequentially excited, the rotor 14, which is almost a permanent magnet body, is a super fast rotation of a mutual reaction.

또, 상기 회전자(14)는 부채꼴 영구자석부재(14a)가 각기 철심판재(14b)로 격리되어 있어 인접극과의 상호 자력 영향을 감쇄시킬 수 있어 자극의 발생을 정밀히 유지할 수 있고, 이에 따른 고정자(12)측의 계자극 코일(12a₁~12a₃)과의 작용 및 반작용의 상호 구동제어가 정밀하고 초고속 특성을 보장케 되는 것이다.In addition, the rotor 14, the fan-shaped permanent magnet member (14a) is each isolated by the iron core plate (14b) can attenuate the mutual magnetic influence with the adjacent poles, it is possible to precisely maintain the occurrence of the magnetic pole, accordingly The mutual drive control of the action and reaction with the field stimulation coils 12a ₁ to 12a ₃ on the stator 12 side ensures precise and ultra-high speed characteristics.

또, 좌우덮개(11A,11B)의 일측변측에는 바깥쪽에서 센서기구(15)가 배치되어져 있어 그 내부의 회전체 회전구동에 영향없이 직접 외부에서 그 회전특성을 검출할 수 있게 되어 그 회전체 자체만의 부하특성을 양호히 향상시킬 수도 있다.In addition, the sensor mechanism 15 is disposed on the one side of the left and right lids 11A and 11B from the outside so that the rotational characteristics can be directly detected from the outside without being influenced by the rotational rotational movement therein. The load characteristic of bay can also be improved favorably.

그리고, 본 발명의 초고속 스핀들 모터(1)가 컴퓨터 시스템과 결합되어 사용될 때는 각종 세밀한 조각을 요하는 경우등에 그 조각면의 면처리를 매끄럽게 유지할 수 있음과 아울러 작업의 신속성, 정밀성 등을 보장할 수 있다.In addition, when the ultra-high speed spindle motor 1 of the present invention is used in combination with a computer system, it is possible to smoothly maintain the surface treatment of the engraving surface when various fine pieces are required, and to ensure the speed and precision of work. have.

이러한 본 발명은 초고속 스핀들 모터의 회전자 몸체가 전체적 부피로 영구자석이 집적화되고 고정자의 계자극 코일은 상호 중첩된 배치구조를 가짐에 의해 이에 따른 강한 반발 및 흡인자력에 의해 초고속 회전동작을 얻을 수 있고 이러한 초고속 회전동작을 20000RPM~60000RPM까지 가변속이 가능하면서 각종 조각 작업등의 신속, 정확과 세밀성등을 양호히 확보할 수 있는 유익한 특징이 있는 것이다.In the present invention, the rotor body of the ultra-high speed spindle motor has permanent magnets integrated into the entire volume, and the stator field stimulating coils have a superimposed arrangement so that the super fast rotational motion can be obtained by strong repulsion and suction force. And it is possible to change the speed of this ultra high-speed rotation up to 20000RPM ~ 60000RPM, and it is advantageous to secure fast, accurate and fine details such as various engraving work.

Claims

A spindle motor comprising a stator having a field coil in a casing, a rotor fixed to a rotating shaft and a permanent magnet attached to a cylindrical foil, and a speed position detector on the shaft, the diameter of the rotor body being similar to that of the cylinder diameter. Bearings 13A and 13B, two assembling covers 11A and 11B provided with ring recesses 11a for accommodating these bearings 13A and 13B, and custom jaw rings 11b, and coil bobbins 12b. In addition, a plurality of field stimulation coils (12a ₁ ~ 12an) is a rotor 12 having a cylindrical body (14A) of the axial length l and the stator (12a) disposed in the inner cylinder space overlapping the mutually adjacent coils The cylindrical body 14A of the rotor 14 forms a cylindrical body with an iron core plate 14b interposed between the plurality of fan-shaped cylindrical magnets 14a perpendicularly to the rotational axis 14D. Ultra-high speed, characterized by the surface layer coated with an outer skin member 14d. Motor pins.