WO2011037360A2 - 선형 전동기 - Google Patents

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WO2011037360A2
WO2011037360A2 PCT/KR2010/006340 KR2010006340W WO2011037360A2 WO 2011037360 A2 WO2011037360 A2 WO 2011037360A2 KR 2010006340 W KR2010006340 W KR 2010006340W WO 2011037360 A2 WO2011037360 A2 WO 2011037360A2
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modules
pole
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김홍중
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주식회사 성진로얄모션
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    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/2713—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being axial, e.g. claw-pole type

Definitions

  • the present invention relates to a linear motor that generates a linear motion.
  • a linear motor that is, a linear motor
  • a linear motor has a structure in which thrust is generated between a mover and a stator facing in a straight line shape.
  • Permanent magnet type linear motors have a fixed magnet on either the mover or the stator and send alternating polyphase power to the other side so that electromagnetic forces act between them to generate thrust in a certain direction.
  • an object of the present invention is to solve the magnetic attraction force problem of a flat plate linear motor, and to form a space between the pole of the armature core generating thrust and the permanent magnet opposed thereto. By increasing the effective area of the, to provide a high efficiency linear motor.
  • Linear motor for achieving the above object, comprises a primary member including a plurality of armature module, a secondary member including a plurality of permanent magnet module and a support mechanism
  • Each armature module has four or more salient poles protruding from the ring-shaped magnetic body toward the secondary member, and coils carrying current of the same phase are wound around the salient poles, and each permanent magnet module includes salient poles included in each armature module.
  • the permanent magnets having the same number of poles are arranged, and have a predetermined phase difference such that thrust due to the traveling magnetic field is generated by using S armature modules arranged in the direction of travel and P permanent magnet modules that are multiples of 2 as one unit. Power is applied to each armature module and either one of the primary member or the secondary member is moved by the generated thrust with the mover. The other is that the stator is fixed to the support mechanism.
  • a linear motor includes a primary member including a plurality of armature modules, a secondary member including a plurality of magnetic body modules, and a support mechanism, and each armature module includes a ring-shaped magnetic body.
  • each magnetic module has the same number of second salient poles as the salient poles included in each armature module;
  • the armature module having a predetermined phase difference is applied to the armature module so that thrust due to the traveling magnetic field is generated by using the S armature modules and the P magnetic modules arranged in the advancing direction as one unit, and the respective poles and the corresponding first poles are applied to the armature module. 2 the said support mechanism so that either one of the said primary member or the said secondary member may move, with the 2 poles maintaining a constant gap Characterized in that the fixing.
  • the coil may be wound such that neighboring poles in each armature module have different polarities.
  • each permanent magnet in each permanent magnet module may be arranged to be a different pole from the neighboring permanent magnets.
  • each permanent magnet in each permanent magnet module may be fixed to the magnetic surface or embedded within the magnetic body.
  • neighboring permanent magnet modules may be spaced at regular intervals or nonmagnetic materials may be installed therebetween.
  • the cross section of the armature module is advantageously symmetrical structure
  • the magnetic body of the armature module may be a circular ring shape or polygonal ring shape.
  • the salient pole of the armature module may be disposed on the magnetic material in point symmetry or line symmetry.
  • the secondary member may be disposed inside the primary member or outside of the primary member, wherein the armature module is disposed when the secondary member is disposed inside the primary member.
  • the protrusion of the armature module is formed inside the magnetic body and the secondary member is disposed outside of the primary member may be formed outside the magnetic body.
  • the secondary member may be assembled by fitting the permanent magnet module in the form of a pipe having a length in the advancing direction.
  • each permanent magnet in each permanent magnet module is different in polarity from neighboring permanent magnets in the travel direction.
  • the length of the primary member or the secondary member is longer than the length of one unit consisting of the S armature module and the P permanent magnet module.
  • S may be determined as one of multiples of a constant that determines the predetermined phase difference, and the multiple may be an odd number of three or more.
  • the constant is 3 and the (S, P) may be any one of (3, 2), (3, 4), (9, 8), (9, 10).
  • the constant is 3 and S is 9, when three currents having a phase difference of 120 degrees are U, V, and W, respectively, nine consecutive armature modules are supplied with a current of UVWUVWUVW or a current of UuUVvVWwW. Can be supplied, where the lowercase letter is in reverse with the uppercase letter.
  • the magnetic material of the armature module may be formed in a stratified form.
  • Linear motor according to an embodiment of the present invention can solve the problem of the wear of the guide by the magnetic attraction force commonly generated in the flat plate linear motor, it is possible to obtain a large capacity thrust or a high feed speed with a small size, Since each element is modular, there is an advantage that it is easy to assemble and can be modified in various forms.
  • FIG. 1 shows an embodiment of an armature module of an inner magnet type linear electric motor according to the present invention
  • Figure 2 shows an embodiment of a permanent magnet module of the inner magnet linear motor according to the present invention
  • FIG. 3 illustrates the principle of generating linear thrust by a combination of the armature module and the permanent magnet module of FIGS. 1 and 2;
  • Figure 4 shows another embodiment of the armature module of the inner magnet linear motor according to the present invention
  • Figure 5 shows another embodiment of a permanent magnet of the inner magnet type linear electric motor according to the present invention
  • Figure 6 shows a method of assembling the permanent magnet module of the inner magnet linear motor according to the present invention
  • FIG. 11 shows a configuration of a servo system for driving a linear motor according to the present invention.
  • the linear motor according to the present invention may comprise a primary member, a secondary member and a support mechanism.
  • FIG. 1 and 2 illustrate an armature and a permanent magnet of an inner magnet linear motor according to an embodiment of the present invention.
  • the primary member is composed of a plurality of armature modules 10 arranged in a line in the advancing direction, as shown in Figure 1, each armature module 10 in a radial direction to the ring-shaped magnetic core (1)
  • the coil 3 may be wound around four or more protrusions 2 protruding from each other.
  • the ring shape is not limited to the circular ring, and may be used as a rectangular ring, an octagonal ring, or the like, such as a rectangular shape, an octagonal shape, etc. forming a closed circuit.
  • the secondary member is composed of a plurality of permanent magnet modules 20 arranged at predetermined intervals in the advancing direction, and each permanent magnet module 20 includes a protrusion 2 wound around the coil 3.
  • the permanent magnets 4 can be formed in the circumferential direction with the same number of poles as the number of poles.
  • each armature module 10 a current is supplied to the coil 3 so that a traveling magnetic field is formed in each of the salient poles 2 on which the coils 3 are wound.
  • the coil 3 of the at least one armature module 10 includes a current having a phase difference from that of the other armature module 10 so that the thrust is generated by the suction force and the repulsive force between the corresponding permanent magnets 4. Can be supplied.
  • the support mechanism is connected to the stator using either the primary member or the secondary member as the stator and the rest as the mover so that the movable member maintains a constant gap between the pole 2 of the armature module 10 and the permanent magnet 4. Proceed relative to the stator.
  • 1 and 2 are embodiments in which the secondary member, ie the permanent magnet module 20, is inside and the armature module 10 of the primary member is outside.
  • the magnetic poles of neighboring poles 2 in the armature module 10 are different from each other so that magnetic flux of high density flows smoothly between the pole poles 2 of the armature module and the corresponding permanent magnets 4.
  • the polarity of the first salient pole and the third salient pole is the same in the clockwise direction from the predetermined reference position, and the second salient pole and the fourth salient pole are the same.
  • Each pole 2 can be wound by the coil 3 so that the polarity of the same is the same.
  • the permanent magnet yoke and the second permanent magnet and the fourth permanent magnet to which the magnetic flux from the first or third salient pole corresponds
  • the cores can then reenter the first and third salient poles to form a flux closure loop.
  • the core 1 can be manufactured in an unstructured form, thereby reducing the production cost. In addition, mass production is possible with a more durable structure.
  • the core 1 manufactured in the laminated form is used to reduce the eddy current loss and hysteresis loss generated in the core 1. Can be reduced.
  • each permanent magnet module 20 has the same number as the salient poles 2 of the armature module 10, that is, four or more even number of permanent magnets 4 are arranged in the circumferential direction to form a ferromagnetic material. It is fixed to the yoke 5 and is arranged to be another pole between neighboring permanent magnets 3. At this time, each of the permanent magnets 3 enters the yoke 5 or passes through the corresponding permanent magnet 4 to which the magnetic flux from the salient pole 2 on which the coil 3 is wound corresponds.
  • the center direction that is, the radial direction, that is, magnetized in the outer circumference N pole / inner circumference S pole or the outer circumference S pole / inner circumference N pole. Since the direction of the permanent magnet magnetic field is formed in the circumferential center direction, and becomes perpendicular to the direction in which thrust is generated (moving direction of the actuator), the efficiency of the magnetic circuit is high.
  • Neighboring permanent magnet modules 20A and 20B are spaced apart at regular intervals or arranged with a non-magnetic spacer 6 interposed therebetween, so as to be a different pole between the two permanent magnets 4 positioned at corresponding positions in the circumferential direction. Is placed.
  • the permanent magnet module A 20A is formed with a permanent magnet 4 in the order of NSNS from a reference position in the circumferential direction, and the permanent magnet module adjacent to the permanent magnet module A 20A.
  • the permanent magnets 4 are formed in the B 20B in the SNSN order of opposite polarity. End stators 7 may be disposed at both ends of the secondary member.
  • FIG. 3 illustrates a principle in which thrust in a linear direction is generated by a combination of two or more armature modules 10 and two or more permanent magnet modules 20 described in FIGS. 1 and 2. Part of the cut section.
  • U, V, and W represent the poles 2 positioned at the same position with respect to the circumferential direction in the armature modules 10U, 10V, and 10W of FIG. 1, and S / N is the protrusions U, It lists the permanent magnets 3 placed at positions opposite to V and W).
  • a single phase current may be supplied to a coil of each armature module 10, and three phase currents may be applied using one arm of three armature modules 10U, 10V, and 10W. . That is, in the three-phase case, a current having a phase difference of 120 degrees from a neighboring module is supplied to the coils of the armature modules 10U, 10V, and 10W.
  • the dolpoles U and W which have become S poles with smaller magnetic force than the N pole of the dolpole V, exert repulsive and suction forces on the permanent magnet S pole and the permanent magnet N pole, respectively, but cancel each other and do not affect the traveling direction.
  • the permanent magnet moves by 2/3 pole intervals, and this time, the pole pole W is positioned between the poles S and N of the permanent magnets.
  • a current of 120 degrees in phase is applied to the coil of each pole pole.
  • the alternating current of the peak value (P) flows to the wound coil in the (+) direction so that the protrusion W becomes the N pole, and the coil wound around the protrusions U and V has a peak value (P) / square root (2) magnitude in the (-) direction.
  • the alternating current flows through and U and V become S poles.
  • the N pole pole W moves the permanent magnet to the right by applying suction to the permanent magnet S pole and a repulsive force to the permanent magnet N pole.
  • the pole pole U which is smaller than the N pole of the pole pole W, becomes a S pole with a magnetic force smaller than the N pole.
  • V applies suction and repulsive force to the permanent magnet N pole and the permanent magnet S pole, respectively, but cancel each other out.
  • the permanent magnet moves to the right. That is, the three-phase current applied to each armature module generates a moving magnetic field in the salient poles U, V, and W, thereby generating a thrust moving to the right in the moving magnet.
  • the protrusions U, V, and W assume that the coils are wound in the same direction, but the coils may be wound in the opposite direction to the protrusions placed at the corresponding positions of the neighboring armature modules. That is, U and W may be wound in the same direction, and V may be wound in a direction opposite to U and W. In this case, power having a phase difference may be supplied to generate a thrust for moving the permanent magnet in the same direction. .
  • the thrust for moving the permanent magnets is increased in proportion to the sum of the surface areas of the protrusions and the permanent magnets, and in proportion to the number of armature modules 10 arranged in the traveling direction, and applied to the coil. It also has a proportional relationship with the magnitude of the current, the number of turns of the coil winding the pole, and the magnitude of the magnetic force of the permanent magnet.
  • the first example of FIG. 3 is an example of the basic combination of the armature module three phase and the permanent magnet two poles
  • the second example of FIG. 3 is an example of the armature module three phase and the permanent magnet four pole combination which is an extension of the first combination.
  • the principle of generating thrust is the same, and a combination of three-phase and eight-poles is also possible.
  • thrust occurs based on a combination of the number S of armature modules that are multiples of the motor constant and the number P of permanent magnet modules that are multiples of 2 (N pole and S pole), where the motor constant is a three-phase power source.
  • driving an armature in case of driving with a three- or five-phase power source, it is generally set to an odd number of three or more, and the phase difference of the current applied to the coil of each armature module is determined by the motor constant.
  • Table 1 lists the combination of armature modules and permanent magnet modules for three-phase motors, where nine armature modules and eight or ten permanent magnet modules are advantageous in terms of efficiency or ripple.
  • the primary member or the plurality of armature modules composed of a plurality of armature modules
  • One of the secondary members of the permanent magnet module must be configured to be longer than the unit length to secure an effective distance capable of generating a thrust for moving the mover.
  • the length of the overlap between the primary member and the secondary member is longer than the unit length (the number of armature modules or the number of permanent magnet modules is P or more) to ensure the effective distance for generating thrust.
  • the thrust may increase in proportion to the overlap length.
  • the core 1 of the armature module 10 is circular, but a polygon of point symmetry or line symmetry, for example, hexagonal, octagonal, or pentagonal, is possible.
  • the outer shape of the core 1 may be in a quadrangular shape for a safe posture, and at the corners of the square core 1 to facilitate coupling with the neighboring armature module 10.
  • the through hole may be formed.
  • the four slot type motor has four protrusions formed in the circumferential direction in the embodiments of FIGS. 1 to 3, when a large amount of magnetic flux is required such as high capacity and high speed to increase the cross-sectional area of the motor, as shown in FIG. 4. It can be transformed into 8 slot type electric motor by forming 8 salient poles. Increasing the cross-sectional area of the salient pole in order to increase the amount of magnetic flux flowing through the armature module in proportion to this the core through which the magnetic flux flows also increases in the radial direction, the larger the cross-sectional area of the motor. In this case, if the number of protrusions is increased instead of raising the cross-sectional area of the poles, the amount of magnetic flux can be increased while maintaining the thickness of the core, which is advantageous for miniaturization of the motor or improvement of thrust.
  • the primary member is composed of independent armature modules (not ferromagnetic material, which is the same material as the core of the primary member), they are independent of each armature module if the same size of power is provided to each armature module. This flow causes less variation in thrust generated through each armature module, resulting in less ripple in thrust. Since the magnetic flux is distributed evenly through each salient pole without being biased to a specific salient pole, even though the cross-sectional area of the core of the armature module is small, many fluxes can flow.
  • the magnetic flux flows between the armature modules by independent magnetic circuits, there is no magnetic flux flowing in the same direction as the moving direction of the mover, so that the magnetic flux flows only in the direction perpendicular to the traveling direction, so that leakage is independent of thrust.
  • the magnetic flux is small and the motor efficiency can be improved.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the embedded permanent magnet.
  • the permanent magnet module 20 of FIG. 2 is assembled to fix the permanent magnet 4 magnetized in the direction of the center of the circle to the surface of the yoke 5, the permanent magnet 4 is yoke as shown in FIG. 5.
  • the yoke 5 may be magnetized to a desired shape to form the permanent magnet module 20.
  • a predetermined length is greater than the inner diameter of the yoke 5 of the permanent magnet module 20 so as to facilitate the assembly of the secondary member in which the plurality of permanent magnet modules 20 are arranged.
  • the secondary member may be assembled in the form of fitting the permanent magnet module 20 into a long pipe having a small diameter.
  • the inner shape of the yoke 5 may be modified to a shape other than circular and the permanent magnet module 20 may be fitted to a pipe having a cross section of a shape corresponding thereto. In this case, it may be advantageous to fix the circumferential position of the permanent magnet module 20.
  • 7 and 8 are examples of implementing the transfer means in various forms using a linear motor according to the present invention.
  • Conveying means (moving coil type) which uses a primary member as a set of armature modules as a mover and a secondary member as a set of permanent magnet modules as a stator, and a conveying means where the primary member as a stator and a secondary member as a mover Both means (movable magnets) are possible.
  • the secondary member which is the stator
  • the primary member which is the movable member
  • the primary member which is the stator
  • the secondary member mover to which the tool 62 is connected at the end, is connected with the protrusion of the armature module by the support mechanism 63.
  • Permanent magnets maintain a constant void.
  • thrust can be improved by integrating two or more movable members as primary members in parallel, and two or more movable members are independent while sharing stators which are secondary members. Can move.
  • FIG. 1 to 8 show an embodiment of the inner magnet type in which the primary member of the armature module is located outside the secondary member of the permanent magnet module, but FIG. 9 shows that the armature module has a permanent magnet module inside thereof. An embodiment of an outer permanent magnet linear motor located outside is illustrated.
  • the operation principle is the same as that of the inner magnet type, except that the salient pole is formed to protrude from the core in the radial direction (radiation) and the permanent magnet opposed to the salient pole is fixed inside the ring-shaped yoke.
  • FIG. 1 and 9 illustrate an embodiment in which a three-phase current is applied to each armature module 10 and 30 of the primary member in the order of UVW, UVW, and UVW, but in the order of UuU, VvV, and WwW. It is also possible to apply a phase current, in which the lower case means that the current in phase opposite to the upper case is supplied.
  • FIG. 10 uses a non-magnetic module (or a magnetic module) in which magnetic poles are formed in a position opposite to each pole of the armature module as a secondary member instead of the permanent magnet module, and is similar to the secondary member of the previous embodiment.
  • the magnet module may be spaced apart or a spacer of nonmagnetic material may be inserted.
  • a moving magnetic field generated at the poles by a power source applied to the armature module, for example, a three-phase power source, may generate thrust for moving the magnetless module.
  • a power source applied to the armature module for example, a three-phase power source
  • the three armature modules are spaced t + 2 / 3t when both the length in the direction of travel of the magnetless module and the pole spacing between the magnetless modules are t.
  • three-phase currents with a phase difference of 120 degrees are applied to each armature module, magnetic flux is generated at the poles of each armature module, and this is to reduce the magnetic resistance between the poles of the armature module and the magnetic material of the non-magnetic module.
  • Fig. 11 shows a simplified configuration of a servo system for driving a linear motor according to the present invention. 11 except for the linear motor, other elements can be used as they are applied to the conventional linear motor.
  • the servo system includes a drive amplifier for generating a current to be applied to the motor, a current sensor for detecting a current applied to the motor from the drive amplifier, a linear sensor for detecting a position or moving speed of the linear motor mover, a current sensor and / or a linear sensor. It may be configured to include a controller for controlling the driving amplifier according to the control command based on the signal detected by the.
  • the driving amplifier may include a converter (not shown) for converting an AC power source into a direct current (DC) and an inverter (not shown) for generating a current required for driving the motor.
  • the inverter generates a power source suitable for the driving method of the linear motor according to the present invention, for example, two-phase alternating current, three-phase alternating current, two-phase rectified current, three-phase rectified current, and the like to be applied to the armature module of the linear motor.
  • a power source suitable for the driving method of the linear motor according to the present invention, for example, two-phase alternating current, three-phase alternating current, two-phase rectified current, three-phase rectified current, and the like to be applied to the armature module of the linear motor.
  • the amplitude of the current, frequency, etc. can be changed to adjust the position of the mover, the speed, the magnitude of the thrust for moving the mover, and the like.

Abstract

본 발명은 선형 전동기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, 선형 전동기는 복수의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재, 복수의 영구 자석 모듈을 포함하는 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성되고, 각 전기자 모듈은 링 형상의 자성체로부터 4개 이상의 돌극이 상기 2차 부재를 향한 방향으로 돌출하고 각 돌극에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고, 각 영구 자석 모듈에는 각 전기자 모듈에 포함된 돌극의 개수와 동일한 극수의 영구 자석이 배치되고, 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석 모듈을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈에 인가되고, 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 가동자로 상기 생성되는 추력에 의해 이동하도록 다른 하나인 고정자가 상기 지지 기구에 고정될 수 있다. 따라서, 자기 흡인력에 의해 발생하는 문제를 해결하고, 조립이 용이하고 높은 효율의 전동기를 제공할 수 있게 된다.

Description

선형 전동기
본 발명은 직선 운동을 발생시키는 선형 전동기에 관한 것이다.
일반적으로 선형 전동기, 즉 리니어 모터는 직선 모양으로 면하는 가동자 및 고정자 사이에 추력(推力)을 발생하는 구조로 되어 있다. 영구 자석형 리니어 모터는 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.
종래의 리니어 모터는, 회전 모터를 전개하여 직선상에 펼쳐 배치한 구조로 인하여, 전기자 코어의 돌극과 영구 자석간에는 강력한 자기 흡인력이 발생하여 시스템의 정밀도가 떨어지고, 일정한 공극을 유지하는 지지 기구의 마모가 심하게 되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 평판형 리니어 모터의 자기 흡인력 문제를 해소하고, 추력을 발생하는 전기자 코어의 돌극과 이에 대치하는 영구 자석 사이 공극의 유효 면적을 넓힘으로써, 높은 효율의 선형 전동기를 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 전동기는, 복수의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재, 복수의 영구 자석 모듈을 포함하는 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성되고, 각 전기자 모듈은 링 형상의 자성체로부터 4개 이상의 돌극이 상기 2차 부재를 향한 방향으로 돌출하고 각 돌극에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고, 각 영구 자석 모듈에는 각 전기자 모듈에 포함된 돌극의 개수와 동일한 극수의 영구 자석이 배치되고, 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석 모듈을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈에 인가되고, 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 가동자로 상기 생성되는 추력에 의해 이동하도록 다른 하나인 고정자가 상기 지지 기구에 고정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 선형 전동기는, 복수의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재, 복수의 자성체 모듈을 포함하는 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성되고, 각 전기자 모듈은 링 형상의 자성체로부터 4개 이상의 돌극이 상기 2차 부재를 향한 방향으로 돌출하고 각 돌극에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고, 각 자성체 모듈에는 각 전기자 모듈에 포함된 돌극과 동일한 개수의 제 2 돌극이 배치되고, 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 P개의 자성체 모듈을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 상기 전기자 모듈에 인가되고, 각 돌극과 이에 대응되는 제 2 돌극이 일정한 공극을 유지한 상태로 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 이동하도록 다른 하나가 상기 지지 기구에 고정되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감길 수 있다.
일 실시예에서, 각 영구 자석 모듈에서 각 영구 자석은 이웃하는 영구 자석과 서로 다른 극이 되도록 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 각 영구 자석 모듈에서 각 영구 자석은 자성체 표면에 고정되거나 자성체 내부에 매립될 수 있다.
일 실시예에서, 이웃하는 영구 자석 모듈은 일정한 간격으로 이격되거나 비자성체가 그 사이에 설치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전기자 모듈의 단면은 대칭 구조가 유리한데, 상기 전기자 모듈의 자성체는 원형 링 형상이거나 또는 다각형 링 형상이 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전기자 모듈의 돌극은 점대칭 또는 선대칭으로 상기 자성체에 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2차 부재는 상기 1차 부재의 내부에 배치되거나 또는 상기 1차 부재의 외부에 배치될 수 있는데, 상기 2차 부재가 상기 1차 부재의 내부에 배치되는 경우 상기 전기자 모듈의 돌극은 상기 자성체의 내측에 형성되고 상기 2차 부재가 상기 1차 부재의 외부에 배치되는 경우 상기 전기자 모듈의 돌극은 상기 자성체의 외측에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 2차 부재는 상기 영구 자석 모듈을 진행 방향으로 길이가 형성되는 파이프 형태에 끼워 조립할 수 있다.
일 실시예에서, 각 영구 자석 모듈 내의 각 영구 자석은 진행 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다르다.
일 실시예에서, 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재의 길이는 상기 S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석 모듈로 이루어지는 한 단위의 길이보다 길게 된다.
상기 실시예에서, 상기 S는 상기 소정의 위상 차를 결정하는 상수의 배수 중 하나로 결정되고, 상기 배수는 3 이상의 홀수일 수 있다. 또한, 상기 상수는 3이고 상기 (S, P)는 (3, 2), (3, 4), (9, 8), (9, 10) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 상수가 3이고 상기 S가 9인 경우, 120도의 위상 차를 갖는 3개의 전류를 각각 U, V, W라 할 때, 연속되는 9개의 전기자 모듈에는 UVWUVWUVW의 전류가 공급되거나 UuUVvVWwW의 전류가 공급될 수 있는데, 여기서 소문자는 대문자와 위상이 반대이다.
일 실시예에서, 상기 전기자 모듈의 자성체는 성층되는 형태로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 평판형 리니어 모터에서 흔히 발생하는 자기 흡인력에 의해 가이드가 마모되는 문제를 해결할 수 있고, 작은 크기로 큰 용량의 추력 또는 빠른 이송 속도를 얻을 수 있고, 또한 각 요소가 모듈화되어 있기 때문에 조립이 용이하고, 여러 형태로 변형이 가능하게 되는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 이너 자석형 선형 전동기의 전기자 모듈의 일 실시예를 도시한 것이고,
도 2는 본 발명에 따른 이너 자석형 선형 전동기의 영구 자석 모듈의 일 실시예를 도시한 것이고,
도 3은 도 1과 도 2의 전기자 모듈과 영구 자석 모듈의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 원리를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 이너 자석형 선형 전동기의 전기자 모듈의 다른 실시예를 도시한 것이고,
도 5는 본 발명에 따른 이너 자석형 선형 전동기의 영구 자석의 다른 실시예를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명에 따른 이너 자석형 선형 전동기의 영구 자석 모듈을 조립하는 방법을 도시한 것이고,
도 7과 도 8은 본 발명에 따른 선형 전동기를 이용하여 이송 수단을 다양한 형태로 구현한 예를 도시한 것이고,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 아우터 자석형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 무자석 모듈형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 11은 본 발명에 따른 선형 전동기를 구동하는 서보 시스템의 구성을 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 선형 전동기에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 선형 전동기는 1차 부재, 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성될 수 있다.
도 1과 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이너(Inner) 자석형 선형 전동기의 전기자와 영구 자석을 도시한 것이다.
1차 부재는, 도 1에 도시한 바와 같이, 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈(10)으로 구성되는데, 각 전기자 모듈(10)은 링 형상의 자성체 코어(1)에 반경 방향으로 돌출되는 4개 이상의 돌극(2)에 코일(3)이 감긴 형태가 될 수 있다. 여기서, 링 형상은 원형 링에 한정되지 않고 폐 회로를 이루는 사각형 모양, 팔각형 모양 등의 사각 링, 팔각 링 등으로 사용이 가능하다.
2차 부재는, 도 2에 도시한 바와 같이, 진행 방향으로 소정 간격으로 배치된 다수의 영구 자석 모듈(20)으로 구성되는데, 각 영구 자석 모듈(20)은 코일(3)이 감긴 돌극(2)의 개수와 동일한 극수로 원주 방향으로 영구 자석(4)이 형성될 수 있다.
각 전기자 모듈(10)에서 코일(3)이 감긴 각 돌극(2)에 진행 자계가 형성되도록 코일(3)에 전류가 공급되는데, 코일(3)이 감긴 돌극(2) 끝에 형성되는 전자극 및 이에 대응되는 영구 자석(4) 사이에 흡인력과 반발력에 의해 진행 추력이 발생하도록 적어도 하나의 전기자 모듈(10)의 코일(3)에는 다른 전기자 모듈(10)의 코일과는 위상 차를 갖는 전류가 공급될 수 있다.
지지 기구는 1차 부재와 2차 부재 중 어느 하나를 고정자로 나머지를 가동자로 하여 고정자에 연결되어 전기자 모듈(10)의 돌극(2)과 영구 자석(4) 사이에 일정한 공극을 유지하면서 가동자가 고정자와 상대적으로 진행하도록 한다.
도 1과 도 2는 2차 부재, 즉 영구 자석 모듈(20)이 내부에 있고 1차 부재의 전기자 모듈(10)이 바깥에 있는 형태의 실시예이다.
각 전기자 모듈(10) 내에서 이웃하는 돌극(2)의 전자석 극성이 서로 다르게 되도록 하여 전기자 모듈의 돌극(2)과 이에 대응되는 영구 자석(4) 사이에 높은 밀도의 자속이 원활하게 흐르게 하는데, 예를 들어 4개의 돌극(2)이 형성된 경우 코일(3)에 같은 위상의 전류를 흘릴 때 소정의 기준 위치로부터 시계 방향으로 첫 번째 돌극과 세 번째 돌극의 극성이 같고 두 번째 돌극과 네 번째 돌극의 극성이 같도록 각 돌극(2)을 코일(3)로 감을 수 있다.
예를 들어 도 1에 도시한 바와 같이, 첫 번째 돌극 또는 세 번째 돌극에서 나온 자속이 대응되는 첫 번째 영구 자석 또는 세 번째 영구 자석, 영구 자석 요크 및 두 번째 영구 자석과 네 번째 영구 자석을 거쳐, 두 번째 돌극과 네 번째 돌극으로 들어온 후, 코어를 거쳐 다시 첫 번째 돌극과 세 번째 돌극으로 다시 들어와서, 자속 폐 루프가 형성되도록 할 수 있다. 또한, 각 전기자 모듈(10)마다 각 돌극(2)에 대해서 권선 방향을 바꿔 가면서 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(3)로 감아서 전기자 모듈(10)의 조립 효율을 향상시킬 수 있다.
선형 전동기가 가동자의 진행 속도가 빠르지 않는 곳에 적용되는 경우, 코일(3)에 인가되는 전원의 주파수가 높지 않기 때문에, 코어(1)가 성층되지 않은 형태로 제조될 수 있고, 이에 따라 생산비가 절감되고 보다 내구성이 높은 구조로 양산이 가능하게 된다. 반면에, 선형 전동기에 빠른 이송 속도가 요구되는 경우에는, 인가되는 전원의 주파수가 높기 때문에, 성층된 형태로 제조된 코어(1)가 사용되어 코어(1)에서 발생하는 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 줄일 수 있게 된다.
각 영구 자석 모듈(20)은, 도 2에 도시한 바와 같이, 전기자 모듈(10)의 돌극(2)과 같은 개수, 즉 4개 이상 짝수 개의 영구 자석(4)이 원주 방향으로 배치되어 강자성체인 요크(5)에 고정되는데, 이웃하는 영구 자석(3) 사이에는 다른 극이 되도록 배치된다. 이때, 각 영구 자석(3)은, 코일(3)이 감긴 돌극(2)에서 나온 자속이 대응되는 해당 영구 자석(4)을 거쳐 요크(5)로 들어가거나 영구 자석(4)으로부터 나온 자속이 대응하는 돌극(2)으로 들어갈 수 있도록, 중심 방향, 즉 래디얼 방향으로 자화되는데, 즉 외주 N극/내주 S극 또는 외주 S극/내주 N극으로 자화된다. 영구 자석 자계 방향이 원주 중심 방향으로 형성되어 추력이 발생하는 방향(가동자의 진행 방향)과 직각이 되므로 자기 회로의 효율이 높게 된다.
이웃하는 영구 자석 모듈(20A, 20B)은, 일정한 간격으로 이격되거나 비자성체의 스페이서(6)가 사이에 설치되고, 원주 방향으로 대응되는 위치에 놓인 두 영구 자석(4) 사이에 다른 극이 되도록 배치된다. 예를 들어 도 2에 도시한 바와 같이, 영구 자석 모듈 A(20A)에는 원주 방향의 기준 위치로부터 N-S-N-S 순서로 영구 자석(4)이 형성되고, 영구 자석 모듈 A(20A)에 이웃하는 영구 자석 모듈 B(20B)에는 반대의 극성인 S-N-S-N 순서로 영구 자석(4)이 형성된다. 2차 부재의 양끝에는 단부 고정자(7)가 배치될 수 있다.
도 3은, 도 1과 도 2에 설명한, 2 이상의 전기자 모듈(10)과 2 이상의 영구 자석 모듈(20)의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 원리를 도시하고 있는데, A-A'으로 자른 단면의 일부이다.
도 3에서, U, V, W는 도 1의 전기자 모듈 10U, 10V, 10W에서 원주 방향을 기준으로 동일 위치에 놓인 돌극(2)을 진행 방향으로 나열한 것이고, S/N은 상기 돌극(U, V, W)에 대치되는 위치에 놓인 영구 자석(3)을 나열한 것이다.
도 1에 대해서 설명한 바와 같이, 각 전기자 모듈(10)의 코일에 단일 위상의 전류를 공급하되, 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)을 하나의 세트로 하여 3상의 전류를 인가할 수 있다. 즉, 3상인 경우 이웃하는 모듈과는 120도의 위상 차이가 나는 전류를 각 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)의 코일에 공급한다.
또한, 도 3에 도시한 바와 같이, 진행 방향으로 번갈아 배치된 영구 자석 S 또는 N의 극 간격을 t(1/2 주기 180도)로 할 때, 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)이 2/3t(120도)에 해당하는 간격으로 배치되어 있다.
영구 자석 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 영구 자석 S극에는 흡인력을 영구 자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구 자석을 오른쪽으로 이동시킨다. 돌극 V의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 W는 각각 영구 자석 S극과 영구 자석 N극에 반발력과 흡인력을 작용하지만 서로 상쇄되어 진행 방향으로 영향을 미치지 않게 된다.
영구 자석이 2/3 극 간격만큼 이동하여 이번에는 돌극 W가 영구 자석 S극과 N극 사이에 위치하게 되고, 이 순간에는 각 돌극의 코일에 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 영구 자석 S극에는 흡인력을 영구 자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구 자석을 오른쪽으로 이동시키는데, 마찬가지로 돌극 W의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 V는 각각 영구 자석 N극과 영구 자석 S극에 흡인력과 반발력을 작용하지만 서로 상쇄된다.
이와 같은 과정을 반복하여 영구 자석은 오른쪽으로 이동하게 된다. 즉, 각 전기자 모듈에 인가되는 3상의 전류가 돌극 U, V, W에 이동 자계를 발생시키고 이에 따라 이동 자석에는 오른쪽으로 이동하는 추력이 발생한다.
돌극 U, V, W는 코일이 같은 방향으로 감긴 것으로 가정하고 있는데, 이웃하는 전기자 모듈의 대응되는 위치에 놓인 돌극에 반대 방향으로 코일이 감길 수도 있다. 즉, U와 W는 같은 방향으로 코일이 감기고 V는 U, W와 반대 방향으로 코일이 감길 수 있는데, 이 경우에도 영구 자석을 같은 방향으로 이동시키는 추력을 발생하도록 위상차를 갖는 전원을 공급할 수 있다.
이상적인 모델인 경우, 영구 자석을 이동시키는 추력은, 돌극과 영구 자석이 접하는 표면적의 합에 비례하고, 또한 진행 방향으로 배치되는 전기자 모듈(10)의 개수에도 비례하여 커지게 되고, 코일에 인가되는 전류의 크기, 돌극을 감는 코일의 권선 수, 영구 자석의 자력 크기 등에도 비례 관계를 갖는다.
도 3의 첫 번째 예는 전기자 모듈 3상과 영구 자석 2극의 기본 조합에 대한 예이고, 도 3의 두 번째 예는 첫 번째 조합의 확장인 전기자 모듈 3상과 영구 자석 4극 조합에 대한 예로 추력이 발생하는 원리는 동일하고, 3상 8극 등의 조합도 가능하다. 일반화하면, 모터 상수의 배수가 되는 전기자 모듈의 수 S와 2(N극과 S극)의 배수인 영구 자석 모듈의 수 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 모듈의 코일에 인가되는 전류의 위상 차이가 결정된다.
이때, S와 P의 최소 공배수가 커질수록 추력의 리플(ripple)이 줄게 된다. 또한, S와 P의 비를 권선 계수라 하는데 1에 가까울수록 자기 회로의 대칭 효율이 높아서 유리하다. 표 1에 3상 모터의 경우 전기자 모듈과 영구 자석 모듈의 조합 관계가 나열되어 있는데, 9개의 전기자 모듈과 8개 또는 10개의 영구 자석 모듈의 조합이 효율이나 리플 관점에서 유리하다.
표 1
전기자 모듈 개수 영구 자석 모듈 개수
3 2 4
6 4 8
9 6 8 10 12
12 8 10 14 16
물론, S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석 모듈이 공극을 통해 대치하는 부분의 길이(이동 방향으로의 길이)를 모터의 단위 길이라고 할 때, 다수의 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재 또는 다수의 영구 자석 모듈로 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 영구 자석 모듈의 개수를 P개 이상) 구성해야 추력 발생을 위한 유효 거리를 확보하게 되고, 겹치는 길이에 비례하여 추력이 증가할 수 있다.
또한, 2상의 전원으로 전동기를 구동시킬 수도 있는데, 이 경우 각 전기자 모듈을 영구 자석의 극 간격의 절반(t/2)만큼 이격시킨 상태에서 90도 위상 차이가 나는 2상의 전류를 2개의 전기자 모듈에 흘리는 경우에도, 영구 자석을 한쪽으로 이동시키는 추력을 발생시킬 수 있다.
본 발명은 도 1과 도 2에 도시된 선형 전동기의 단면은 각 요소가 대칭으로 배치되어 있기 때문에, 각 전기자와 영구 자석에 의해 생기는 자기 흡인력이 상쇄되고, 가동자의 직선 운동을 안내하는 가이드에 외력을 발생시키지 않아 가이드의 수명을 연장할 수 있게 된다.
한편, 도 1에서 전기자 모듈(10)의 코어(1)가 원형이지만 점대칭 또는 선대칭 형태의 다각형, 예를 들어 6각형, 8각형, 10각형 등이 가능하다. 또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 안전한 자세를 위하여 코어(1)의 외곽 모양을 사각 형태로 할 수 있고, 이웃 전기자 모듈(10)과의 결합을 쉽게 하기 위하여 사각형 코어(1)의 귀퉁이에 관통 구멍을 형성할 수도 있다.
또한, 도 1 내지 도 3의 실시예에서는 원주 방향으로 4개의 돌극이 형성된 4 슬롯형 전동기이지만, 고용량, 고속 등과 같이 많은 자속이 필요하여 전동기의 단면적을 키워야 할 경우, 도 4에 도시한 바와 같이 8개의 돌극을 형성하여 8 슬롯형 전동기로 변형이 가능하다. 전기자 모듈에 흐르는 자속의 양을 올리기 위해 돌극의 단면적을 키우면 이에 비례하여 자속이 흐를 코어도 반경 방향으로 커지게 되어 모터의 단면적이 커지게 된다. 이 경우, 돌극의 단면적을 올리는 대신 돌극의 개수를 늘리면 코어의 두께를 그대로 유지하면서 자속의 양을 올릴 수 있어서, 모터의 소형화 또는 추력의 향상에 유리하다.
1차 부재는 (1차 부재의 코어와 같은 재질인 강자성체로) 서로 연결되지 않고 독립된 전기자 모듈로 구성되기 때문에, 같은 크기의 전원이 각 전기자 모듈에 제공된다면 각 전기자 모듈에는 독립되고 같은 크기의 자속이 흐르게 되어 각 전기자 모듈을 통해 생성되는 추진력에 편차가 적어 추력에 리플이 적게 된다. 자속이 특정 돌극에 편중되지 않고 각 돌극을 통해 균일하게 분배되어 흐르기 때문에 전기자 모듈의 코어의 단면적이 작더라도 많은 자속을 흐르게 할 수 있다. 또한, 각 전기자 모듈 사이에는 서로 독립된 자기 회로에 의한 자속이 흐르게 되므로, 가동자의 진행 방향과 동일한 방향으로 흐르는 자속이 없게 되어 진행 방향과 수직인 방향으로만 자속의 흐름이 발생하여 추력과 무관한 누설 자속이 적고, 모터 효율을 향상시킬 수 있다.
도 5는 매립형 영구 자석의 단면도이다. 도 2의 영구 자석 모듈(20)은 원의 중심 방향으로 자화된 영구 자석(4)을 요크(5) 표면에 고정시키는 형태로 조립하였으나, 도 5에 도시한 바와 같이 영구 자석(4)을 요크(5) 내부에 매립하는 형태도 가능하다. 또는, 요크(5)를 원하는 형태로 자화시켜 영구 자석 모듈(20)을 형성할 수도 있다.
또한, 다수의 영구 자석 모듈(20)이 배열된 2차 부재의 조립을 수월하게 할 수 있도록, 도 6에 도시한 바와 같이, 영구 자석 모듈(20)의 요크(5)의 내경보다 소정의 길이만큼 작은 외경을 갖는 긴 파이프에 영구 자석 모듈(20)을 끼우는 형태로 2차 부재를 조립할 수 있다. 요크(5)의 내부 형상을 원형이 아닌 다른 모양으로 변형하고 이에 대응하는 모양의 단면을 갖는 파이프에 영구 자석 모듈(20)을 끼울 수도 있다. 이 경우 영구 자석 모듈(20)의 원주 방향의 위치를 고정하기가 유리할 수 있다.
도 7과 8은 본 발명에 따른 선형 전동기를 이용하여 이송 수단을 다양한 형태로 구현한 예이다.
전기자 모듈의 집합인 1차 부재를 가동자로 하고 영구 자석 모듈의 집합인 2차 부재를 고정자로 하는 이송 수단(가동 코일형)과, 반대로 1차 부재를 고정자로 하고 2차 부재를 가동자로 하는 이송 수단(가동 자석형) 모두 가능하다.
가동 코일형의 경우, 고정자인 2차 부재는 2개의 고정 스탠드(54)에 의해 양쪽에서 고정되고, 가동자인 1차 부재는 가동 스테이지(50)에 연결되어 가이드 레일(52)과 슬라이드(53)의 안내에 따라 직선 운동을 한다.
가동 자석형의 경우, 고정자인 1차 부재는 고정 스테이지(61)에 연결되어 고정되고, 예를 들어 끝에 공구(62)가 연결된 2차 부재 이동자는 지지 기구(63)에 의해 전기자 모듈의 돌극과 영구 자석이 일정한 공극이 유지된다.
도 8에 도시한 바와 같이, 가동 코일형의 경우, 1차 부재인 가동자를 2개 이상 병렬로 통합 배치하여 추력을 향상시킬 수 있고, 또한 2개 이상의 가동자가 2차 부재인 고정자를 공유하면서 독립적으로 움직일 수 있다.
도 1 내지 도 8은 전기자 모듈의 1차 부재가 외부에 영구 자석 모듈의 2차 부재가 내부에 위치하는 이너 자석형에 대한 실시예를 제시했지만, 도 9는 전기자 모듈이 내부에 영구 자석 모듈이 외부에 위치하는 아우터(Outer) 영구 자석형 선형 전동기에 대한 실시예를 도시한 것이다.
돌극이 코어로부터 외주를 향한 반경(방사) 방향으로 돌출하여 형성되고 돌극에 대치되는 영구 자석이 링 모양의 요크의 안쪽에 고정되는 점을 제외하고는, 이너 자석형과 동작 원리는 같다.
도 1과 도 9에는 1차 부재의 각 전기자 모듈(10, 30)에 진행 방향으로 UVW, UVW, UVW 순서로 3상 전류가 인가되는 실시예가 도시되어 있지만, 대신 UuU, VvV, WwW 순서로 3상 전류를 인가하는 것도 가능한데, 여기서 소문자는 대문자와 반대 위상의 전류가 공급되는 것을 의미한다.
한편, 도 10은 2차 부재로 영구 자석 모듈 대신 전기자 모듈의 각 돌극에 대치되는 곳에 자성체로 된 돌극을 형성한 무자석 모듈(또는 자성체 모듈)을 사용하고, 앞선 실시예의 2차 부재와 마찬가지로 무자석 모듈 사이에는 일정한 간격을 띄우거나 비자성체의 스페이서를 삽입할 수도 있다. 전기자 모듈에 인가되는 전원, 예를 들어 3상 전원에 의해 돌극에서 발생하는 이동 자계가 무자석 모듈을 이동시키는 추력을 생성할 수 있다. 무자석 모듈을 사용하는 경우, 영구 자석 모듈의 돌극과 무자석 모듈의 돌극 사이의 공극이 매우 작아야 유리하다.
예를 들어 3상 모터를 구성하는 경우, 무자석 모듈의 진행 방향으로의 길이와 무자석 모듈 사이의 간격인 극 간격을 모두 t로 할 때, 3개의 전기자 모듈을 t+2/3t만큼 간격을 두고 배치하고 각 전기자 모듈에 120도 위상 차이가 나는 3상 전류를 흘리면 각 전기자 모듈의 돌극에서 자속이 발생하는데, 이때 전기자 모듈의 돌극과 무자석 모듈의 자성체 사이에 자기 저항을 줄이려고 하는 원리, 즉 무자석 모듈의 자성체와 2/3t만큼 어긋나 있는 전기자 모듈의 돌극에서 나온 자속이 수직으로 무자석 모듈의 자성체로 들어가려고 하는(전기자 모듈의 돌극과 무자석 모듈의 자성체가 정렬하려고 하는) 원리에 의해 이동자를 진행 방향으로 이동시키는 추력이 발생한다. 비슷한 원리로 2상 모터의 구성도 가능하다.
도 11은 본 발명에 따른 선형 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다. 도 11에서 선형 전동기를 제외하고 다른 요소는 종래의 선형 전동기에 적용되는 그대로 사용 가능하다.
서보 시스템은, 모터에 인가할 전류를 생성하는 구동 앰프, 구동 앰프로부터 모터에 인가되는 전류를 감지하는 전류 센서, 선형 전동기 가동자의 위치 또는 이동 속도를 감지하는 리니어 센서, 전류 센서 및/또는 리니어 센서에서 검출되는 신호를 기초로 제어 명령에 따라 구동 앰프를 제어하는 제어기를 포함하여 구성될 수 있다. 구동 앰프는 교류 전원을 직류로 바꾸는 컨버터(미도시)와 모터 구동에 필요한 전류를 생성하는 인버터(미도시)를 포함할 수도 있다.
인버터는, 본 발명에 따른 선형 전동기의 구동 방식에 맞는 전원, 예를 들어 2상 교류 전류, 3상 교류 전류, 2상 정류 전류, 3상 정류 전류 등을 생성하여 선형 전동기의 전기자 모듈에 인가할 수 있는데, 제어기의 명령에 따라 전류의 진폭, 주파수 등을 바꾸어 가동자의 위치, 속도, 가동자를 이동시키는 추력의 크기 등을 조절할 수 있다.
이상 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.

Claims (18)

  1. 복수의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재, 복수의 영구 자석 모듈을 포함하는 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성되고,
    각 전기자 모듈은 링 형상의 자성체로부터 4개 이상의 돌극이 상기 2차 부재를 향한 방향으로 돌출하고 각 돌극에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고,
    각 영구 자석 모듈에는 각 전기자 모듈에 포함된 돌극의 개수와 동일한 극수의 영구 자석이 배치되고,
    진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석 모듈을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈에 인가되고,
    상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 가동자로 상기 생성되는 추력에 의해 이동하도록 다른 하나인 고정자가 상기 지지 기구에 고정되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  2. 복수의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재, 복수의 자성체 모듈을 포함하는 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성되고,
    각 전기자 모듈은 링 형상의 자성체로부터 4개 이상의 돌극이 상기 2차 부재를 향한 방향으로 돌출하고 각 돌극에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고,
    각 자성체 모듈에는 각 전기자 모듈에 포함된 돌극과 동일한 개수의 제 2 돌극이 배치되고,
    진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 P개의 자성체 모듈을 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 상기 전기자 모듈에 인가되고,
    각 돌극과 이에 대응되는 제 2 돌극이 일정한 공극을 유지한 상태로 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 이동하도록 다른 하나가 상기 지지 기구에 고정되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감기는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  4. 제 1항에 있어서,
    각 영구 자석 모듈에서 각 영구 자석은 이웃하는 영구 자석과 서로 다른 극이 되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  5. 제 1항에 있어서,
    각 영구 자석 모듈에서 각 영구 자석은 자성체 표면에 고정되거나 자성체 내부에 매립되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  6. 제 1항에 있어서,
    이웃하는 영구 자석 모듈은 일정한 간격으로 이격되거나 비자성체가 그 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  7. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전기자 모듈의 단면은 대칭 구조인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 전기자 모듈의 자성체는 원형 링 형상이거나 또는 다각형 링 형상인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  9. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전기자 모듈의 돌극은 점대칭 또는 선대칭으로 상기 자성체에 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  10. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 2차 부재는 상기 1차 부재의 내부에 배치되거나 또는 상기 1차 부재의 외부에 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 2차 부재가 상기 1차 부재의 내부에 배치되는 경우 상기 전기자 모듈의 돌극은 상기 자성체의 내측에 형성되고, 상기 2차 부재가 상기 1차 부재의 외부에 배치되는 경우 상기 전기자 모듈의 돌극은 상기 자성체의 외측에 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 2차 부재는 상기 영구 자석 모듈을 진행 방향으로 길이가 형성되는 파이프 형태에 끼워 조립하는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  13. 제 1항에 있어서,
    각 영구 자석 모듈 내의 각 영구 자석은 진행 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다른 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재의 길이는 상기 S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석 모듈로 이루어지는 한 단위의 길이보다 긴 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 S는 상기 소정의 위상 차를 결정하는 상수의 배수 중 하나로 결정되고, 상기 배수는 3 이상의 홀수인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 상수는 3이고, 상기 (S, P)는 (3, 2), (3, 4), (9, 8), (9, 10) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  17. 제 15항에 있어서,
    상기 상수가 3이고 상기 S가 9인 경우, 120도의 위상 차를 갖는 3개의 전류를 각각 U, V, W라 할 때, 연속되는 9개의 전기자 모듈에는 UVWUVWUVW의 전류가 공급되거나 UuUVvVWwW의 전류가 공급되는데, 여기서 소문자는 대문자와 위상이 반대인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  18. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 전기자 모듈의 자성체는 성층되는 형태인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
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