WO2023224144A1 - 선형 전동기 - Google Patents

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WO2023224144A1
WO2023224144A1 PCT/KR2022/007089 KR2022007089W WO2023224144A1 WO 2023224144 A1 WO2023224144 A1 WO 2023224144A1 KR 2022007089 W KR2022007089 W KR 2022007089W WO 2023224144 A1 WO2023224144 A1 WO 2023224144A1
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WO
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armature
modules
module
hole
electric motor
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PCT/KR2022/007089
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김홍중
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주식회사 코베리
김홍중
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Definitions

  • This specification relates to linear electric motors.
  • a linear electric motor or linear motor, has a structure that generates thrust between a mover and a stator that face in a straight line.
  • a permanent magnet linear electric motor places a permanent magnet on either the mover or stator and sends alternating multi-phase power to the other side, causing electromagnetic force to act between the two to generate thrust in the desired direction.
  • the applicant of this specification is a primary member consisting of a plurality of armature modules arranged in a row in the direction of travel, and a secondary member comprising a plurality of permanent magnet modules including a plurality of permanent magnets arranged while changing poles in the direction of movement.
  • armature modules arranged in a row in the direction of travel
  • secondary member comprising a plurality of permanent magnet modules including a plurality of permanent magnets arranged while changing poles in the direction of movement.
  • the magnetic core around which the coil is wound in the armature module is formed by layering ferromagnetic iron plates, but the thickness of the steel plates supplied from steel companies is not constant, so the thickness of the magnetic core made up of multiple iron plates is not constant.
  • each armature module is not constant, the spacing between the armature modules varies, which means that the phase difference between the armature modules deviates from the phase difference of the supplied current.
  • the physical gap between armature modules must be adjusted. To do this, the thickness of each armature module must be measured and the thickness of the spacer must be adjusted accordingly.
  • This specification takes this situation into consideration, and the purpose of this specification is to improve the assembly of the primary member composed of the armature module in a linear electric motor in which a plurality of armature modules are arranged in a row in the traveling direction.
  • Another object of this specification is to provide a linear electric motor that reduces the risk of coil disconnection.
  • a linear electric motor includes a primary member including a plurality of armature modules, and a secondary member including a permanent magnet module including a plurality of permanent magnets arranged while changing poles in the traveling direction.
  • each armature module includes a magnetic core including two or more protrusions and a coil wound around the magnetic core and carrying a current of the same phase, and the P permanent magnets and S armature modules are predetermined to generate thrust as a unit.
  • the plurality of armature modules include three or more armature blocks that are adjacent to each other in the direction in which two or more armature modules with currents of the same phase flowing in the coil, and in each armature block, each armature A first bar penetrates one or more first holes formed in the magnetic core of the module, both ends of the first bar are fixed to the armature modules at both ends of the corresponding armature block, and one or more first bars are formed in the magnetic core of each armature module.
  • a second bar penetrates the hole, and at least one of both ends of the second bar is fixed with a fastening means, thereby combining three or more armature blocks.
  • Figure 2 shows a linear electric motor described in application number KR 10-2011-0020599 filed by the applicant of this specification
  • Figure 3 shows the operating principle of generating linear thrust by the combination of a primary member composed of three armature modules and a plurality of permanent magnets in the linear electric motor of Figures 1 and 2,
  • Figure 4 shows a linear electric motor in which nine armature modules constituting the primary member are distributed and arranged;
  • Figure 5a shows a top view of the armature module viewed from the direction of travel of the linear motor
  • Figure 5b shows an example of passing a first bar through a first hole formed in a plurality of armature modules
  • Figure 5c shows a state in which the armature block is assembled by passing the first bar through the first hole formed in the plurality of armature modules and the spacer;
  • Figure 6 shows a state in which the armature block is coupled to the base in a slide manner
  • Figure 7 shows a state in which the armature block is coupled to the base, the first wall, and the second wall;
  • Figure 8 shows a plan view of the first wall viewed from the direction of travel of the linear motor compared with the plan view of the armature module.
  • Figure 9 shows the primary member of a linear electric motor whose armature block is composed of five armature modules composed of two salient poles.
  • a linear electric motor includes a primary member including a plurality of armature modules, and a secondary member including a permanent magnet module including a plurality of permanent magnets arranged while changing poles in the traveling direction, each The armature module includes a magnetic core containing two or more protrusions and a coil wound around the magnetic core to carry a current of the same phase, and uses P permanent magnets and S armature modules as a unit to generate thrust by a predetermined phase difference. A power having is applied to the coil of each armature module, and the permanent magnet module is placed between the two protrusions of the armature module. Thrust generated by either the primary member or the secondary member becomes a mover and the other becomes a stator.
  • the plurality of armature modules include three or more armature blocks that are adjacent to each other in the direction in which two or more armature modules flow with currents of the same phase in the coil, and in each armature block, the magnetic body of each armature module
  • a first bar penetrates one or more first holes formed in the core, both ends of the first bar are fixed to the armature modules at both ends of the corresponding armature block, and one or more second bars are formed in the magnetic core of each armature module.
  • a second bar penetrates, and at least one of both ends of the second bar is fixed with a fastening means, so that three or more armature blocks can be coupled.
  • At least one end of the first bar may be formed with a rivet and joined to the armature module.
  • three or more armature blocks may be coupled by fastening a nut to a thread formed on at least one end of the second bar.
  • the linear motor may further include a base that secures the armature block.
  • the magnetic core of the armature module includes a second protrusion protruding in a direction opposite to the direction in which the protrusion protrudes, and the second protrusion of the armature module and the groove formed in the base are coupled in a sliding manner so that the armature block is connected to the base. can be fixed to
  • the base includes two first walls erected parallel to the armature module and two second walls erected parallel to each other along the direction of travel, the first walls communicating with the second hole of the magnetic core. It includes a third hole through which the second bar passes, and a nut is fastened to a thread formed on at least one end of the second bar, so that the two first walls and three or more armature blocks can be coupled to each other.
  • the coil is wound around the protrusion closer to the connection connecting the protrusion than to the end of the protrusion, the first wall and the second wall being raised from the bottom of the base above a first height to cover the coil, It may be molded with resin from the bottom of the base to the first height.
  • a fourth hole for extracting the coil may be formed in one of the two first walls at a position lower than the first height.
  • a linear electric motor includes a first spacer inserted between two armature modules; And it may further include a second spacer inserted between the two armature blocks.
  • the first hole and the second hole may be formed in each protrusion and a connection connecting the protrusions in the magnetic core.
  • the first and second holes of the protrusion may be formed closer to the distal end of the protrusion than the connection portion.
  • first hole and the second hole of the connection part may be formed at positions corresponding to each protrusion, or only one hole may be formed in the center of the connection part.
  • connection portion 11 of the magnetic core of the armature module 10 is a permanent magnet module as a secondary member. It is not C-shaped to surround (20), but is, for example, straight, and the plurality of salient poles 12, which are part of the magnetic core, protrude from the connecting portion 11 in the same direction, for example at a right angle,
  • the plurality of permanent magnet modules 20 of the secondary member also protrude toward the connection portion 11 between each salient pole 12 placed side by side.
  • each salient pole 12 When the coil 13 is wound around each salient pole 12, it can be wound at a location closer to the connection portion 11 than the end of the salient pole 12 (a position not reached by the permanent magnet 21 protruding toward the connection portion 11). , or it may be wound around the connection portion 11 between the two salient poles 12.
  • the linear motor according to this specification is a modification of the open type linear motor of FIG. 1 into a permanent magnet movable type among the linear motors described in application numbers KR 10-2010-0081522 and KR 10-2010-0129947.
  • Figure 2 shows a linear electric motor described in application number KR 10-2011-0020599 invented by the inventor of this specification, comprising a primary member including a coil 13 that generates a magnetic flux and a permanent magnet ( It may be configured to include a secondary member including 21).
  • the operating principle is the same except that the number of salient poles 12 and the number of permanent magnet modules 20 are set to 2 and 1, respectively.
  • Figure 3 shows the operating principle of generating linear thrust by the combination of a primary member composed of three armature modules and a plurality of permanent magnets in the linear electric motor of Figures 1 and 2, which consists of two or more armature modules and a permanent magnet.
  • Figure 3 shows the principle of generating thrust in the traveling direction by combining magnet modules. For example, when two permanent magnets (N, S) are matched to three armature modules (10U, 10V, 10W), a combination of three phases of the armature module and two permanent magnet poles is obtained, as shown in the upper part of FIG. 3.
  • U, V, and W represent one salient pole 12 among the salient poles 12 of the three armature modules 10U, 10V, and 10W of FIGS. 1 and 2 in the direction of travel
  • S/ N is a list of permanent magnets 21 positioned opposite the salient poles U, V, and W.
  • a single-phase current is supplied to the coil 13 of each armature module 10, but in the case of three phases, a current with a phase difference of 120 degrees from the neighboring module can be applied to the coil 13 of each armature module 10. .
  • the three armature modules 10 are 2. It can be placed at an interval equivalent to /3t (120 degrees).
  • the salient poles U and W which became the S pole with a smaller magnetic force than the N pole of the salient pole V, exert repulsive and attractive forces on the permanent magnet S pole and the permanent magnet N pole, respectively, but they cancel each other out and do not affect the direction of travel.
  • the permanent magnet 21 moves by 2/3t, and this time the salient pole W is located between the S and N poles of the permanent magnet. At this moment, the phase in the coil 13 of each salient pole 12 is advanced by 120 degrees.
  • an alternating current with a peak value (P) flows in the (+) direction in the coil wound around the salient pole W, making the salient pole W the N pole, and in the coil wound around the salient poles U and V, the peak value (P) flows in the (-) direction.
  • )/square root (2) of alternating current flows and the salient poles U and V become the S pole.
  • the salient pole W which has become the N pole, exerts an attractive force on the S pole of the permanent magnet and a repulsive force on the N pole of the permanent magnet, moving the permanent magnet 21 to the right.
  • the salient pole W which has become the S pole, has a smaller magnetic force than the N pole of the salient pole W.
  • the salient poles U and V exert attractive and repulsive forces on the permanent magnet N pole and permanent magnet S pole, respectively, but they cancel each other out.
  • the permanent magnet 21 moves to the right. That is, the three-phase current applied to each armature module 10 generates a moving magnetic field in the salient poles U, V, and W, and accordingly, a thrust moving to the right is generated in the permanent magnet 21.
  • the thrust that moves the permanent magnet 21 is proportional to the sum of the surface areas in contact between the salient pole 12 and the permanent magnet 21, and is also proportional to the number of armature modules 10 arranged in the traveling direction. It increases in size and has a proportional relationship with the size of the current applied to the coil 13, the number of times the coil 13 is wound around the salient pole 12, and the magnitude of the magnetic force of the permanent magnet 21.
  • the first example in Figure 3 is an example of the basic combination of an armature module 3-phase and two permanent magnet poles
  • the second example in Figure 3 is an extension of the first combination, an armature module 3-phase and
  • the principle of generating thrust is the same, and combinations of 3-phase 8-pole, 10-pole, etc. are also possible.
  • thrust is generated based on the combination of the number S of the armature modules 10, which is a multiple of the motor constant, and the number P of permanent magnets 21, which is a multiple of 2 (N pole and S pole), where the motor constant is 3 when the armature is driven with a 3-phase power supply, and 5 when the armature is driven with a 5-phase power supply. It is generally an odd number of 3 or more, and is the current applied to the coil 13 of each armature module 10 by the motor constant. The phase difference is determined.
  • the length of the part where the S armature modules and the P permanent magnets face each other through the gap is considered to be the unit length of the primary member, the primary consisting of a plurality of armature modules 10
  • One of the members or the secondary member composed of a plurality of permanent magnets 21 must be longer than the unit length to ensure an effective distance capable of generating a thrust to move the mover.
  • the overlapping length of the primary member and the secondary member must be longer than the unit length (the number of armature modules is S or more or the number of permanent magnets is P or more) to secure the effective distance for generating thrust, and 1
  • the thrust may increase in proportion to the area where the primary member and the secondary member face each other.
  • Three-phase current is applied to each armature module 10 of the primary member in the following order: UuU (or uUu) (U-phase group), VvV (or vVv) (V-phase group), and WwW (or wWw) (W-phase group).
  • UuU or uUu
  • VvV or vVv
  • WwW or wWw
  • lowercase letters mean that current of the opposite phase to that of uppercase letters is supplied.
  • supplying currents of opposite phases may mean supplying different currents with a phase difference of 180 degrees to coils wound around different salient poles, or supplying currents of the same phase to the coils but connecting the coil to the salient poles.
  • This may mean different winding directions, but from the perspective of driving an electric motor, the latter is much more advantageous because it supplies current through one line and simultaneously supplies two currents with a 180-degree phase difference.
  • the primary members are not connected to each other and are composed of independent armature modules 10, if the same size of power is provided to each armature module 10, an independent and same size magnetic flux flows to each armature module 10. There is less variation in the thrust generated through the armature module 10, resulting in less ripple in the thrust.
  • the amount of magnetic flux passing through the salient pole 12 and the permanent magnet 21 is such that, assuming that the distribution of magnetic flux coming out of the salient pole 12 or entering the salient pole 12 is constant, the salient pole 12 and the permanent magnet 21 are It is proportional to the area of the parts facing each other.
  • the cross-section of the permanent magnet 21 through which the magnetic flux coming from the salient pole 12 of the armature module 10 or the magnetic flux entering the salient pole 12 passes is not limited to a rectangular or parallelogram, and may also be a rhombus, circle, or oval, and may be rectangular. Alternatively, an octagon shape can be created by cutting the four corners of a parallelogram.
  • linear electric motors other than the linear electric motor of this specification have a structure in which the armature modules constituting the primary member are connected to each other rather than separated.
  • the armature modules are separated from each other, so a gap between the armature modules must be maintained to maintain a predetermined phase difference with neighboring armature modules, and for this purpose, a spacer is inserted between the two armature modules.
  • a plurality of armature modules are formed by forming holes in the salient poles and connections of the magnetic core constituting the armature module, placing a spacer with the hole formed between the two armature modules, and inserting a stick (or rod) into the hole of the magnetic core and the spacer. can be assembled sequentially. After penetrating all of the armature modules constituting the primary member with a stick, the assembly of the armature module can be completed by fastening both sides of the stick with fastening means, for example, nuts.
  • the thickness of the iron plates is not constant, so the thickness of the magnetic core, that is, the armature module, varies, and accordingly, there is a problem that the phase difference with neighboring armature modules varies.
  • the linear electric motor according to an embodiment of this specification is independently pre-assembled into one armature group or armature block by arranging two or more armature modules of the same phase in succession, and the assembled plurality of armatures By arranging the blocks consecutively at predetermined intervals and supplying currents of different phases to the armature blocks, a predetermined phase difference that can generate a driving force can be generated between the armature blocks.
  • Figure 4 shows a linear electric motor in which nine armature modules constituting the primary member are distributed and arranged.
  • An electric motor using nine armature modules with three salient poles by applying the same principle as the linear electric motor shown in Figure 1. It shows.
  • armature modules can be distributed and arranged in the primary member, with the same or 180 degree phase (or opposite phase).
  • armature modules supplied with current can be grouped together and separated from armature modules supplied with current of a different phase (120 degree phase).
  • the armature module group (W group) is separated from each other and distributed.
  • a hole is drilled in the magnetic core of the armature module, spacers are provided between armature modules, a stick is passed through the hole, and the stick is fixed to the first magnetic core and the last magnetic core, thereby assembling a plurality of armature modules into one armature block. You can. At this time, the gap between armature modules can be stably maintained by drilling a hole in the spacer and passing a stick through it.
  • Figures 5a to 5c show an armature block in which a plurality of armature modules with currents of the same phase flowing in the coil are assembled into one block according to an embodiment of the present specification.
  • Figure 5a is a view from the direction of travel of the linear electric motor. It shows a top view of the armature module
  • Figure 5b shows an example of penetrating the first bar through the first hole formed in the plurality of armature modules
  • Figure 5c shows the first bar through the first hole formed in the plurality of armature modules and the spacer. 1 This shows the state in which the armature block is assembled by passing a stick through it.
  • the armature module 10 may be composed of magnetic cores 11, 12, and 14 and a coil 13.
  • the magnetic core includes a connection portion 11, two or more salient poles (or protrusions) 12 protruding in one direction from the connection portion 11, and a second protrusion 14 protruding in a direction opposite to the direction in which the salient poles 12 protrude. It can be included.
  • a plurality of holes 15 and 16 may be formed in the magnetic core.
  • one or more first holes 15 and one or more second holes 16 may be formed in the magnetic core.
  • the first hole 15 is for inserting the first bar when assembling the armature block with a plurality of armature modules
  • the second hole 16 is for inserting the second bar when assembling the primary member with a plurality of armature blocks. It is for this purpose.
  • the first hole 15 and the second hole 16 are formed in each protruding pole 12, and are also formed in the connecting portion 11 at each position (based on the horizontal direction) where the protruding pole 12 protrudes. You can. Alternatively, the first hole 15 and the second hole 16 formed in the connecting portion 11 may be formed only at the center or between one salient pole, regardless of the number of salient poles 12.
  • the first hole 15 and the second hole 16 formed in the salient pole 12 can be formed at a position close to the end of the salient pole 12, preferably through the connection portion 11 and the salient pole 12. 12) This is because it is advantageous to form it in a location that is out of the path through which the magnetic flux flows through the magnet placed in between.
  • the first spacer 31 is inserted between the armature module 10 and the first bar 33 is inserted into the magnetic coil of the armature module 10.
  • the armature block 100 can be assembled by passing through the hole 15 and the hole formed in the first spacer 31.
  • a rivet 34 may be formed at one or both ends of the first bar 33, and at least one of the first armature module 10 and the last armature module 10 of the armature block 100 is connected to the first bar 33. It can be fixed to the rivet (34) at the end of (33).
  • the armature When the plurality of armature modules 10 are assembled at regular intervals by the first spacer 31 and the rivets 34 of the first bar 33 penetrating the first hole 15, the armature The coils 13 of the module 10 can be connected in series and drawn out to the connection wiring 113 of the corresponding armature block 100.
  • the first bar 33 may be fixed using adhesive or welding.
  • the armature block 100 can be assembled in the same operation without distinction between U-phase, V-phase, and W-phase. Simply supply power of the desired phase to the connection wiring 113, and the U-phase, V-phase, and W-phase armature blocks can be assembled. Because it becomes (100).
  • Figure 6 shows a state in which the armature block is coupled to the base in a slide manner
  • Figure 7 shows a state in which the armature block is coupled to the base, the first wall, and the second wall
  • Figure 8 shows the traveling direction of the linear electric motor.
  • the plan view of the first wall as seen from is shown by comparing it with the plan view of the armature module.
  • the second protrusion 14 protruding in the direction opposite to the direction in which the salient pole 12 protrudes from the connection portion 11 of the magnetic core of the armature module 10 moves in a direction away from the connection portion 11. As it goes on, it can protrude in a form that increases in width.
  • a groove 41 is formed in a shape corresponding to the cross section of the second protrusion 14 in the base 40 to which the armature module 10 is fixed, so that the second protrusion 14 of the armature module 10 is used to move the motor.
  • the armature module 10 can be stably fixed to the base 40 by inserting it into the groove 41 in a sliding manner.
  • the armature block supplied with U-phase power (100U), the armature block supplied with V-phase power (100V), and the armature block supplied with W-phase power (100W) are arranged in series, the distance between the armature blocks (corresponding to the phase difference) can be kept constant by inserting the second spacer 32 between the armature blocks.
  • a second spacer 32 of a desired thickness can be selected and inserted between armature blocks.
  • a hole may be formed in the second spacer 32 so that the armature block (100U, 100V, 100W) and the second spacer 32 can be fixed to each other by penetrating the second bar 35.
  • the hole formed in the second spacer 32 corresponds to the second hole 16 of the armature module 10.
  • a hole corresponding to the first hole 15 of the armature module 10 does not need to be formed in the second spacer 32.
  • a hole or groove corresponding to the first hole 15 of the armature module 10 is formed in the second spacer 32 at the end of the first bar 33 to fix the armature modules of the armature block 100.
  • the first wall 42 may be formed outside the first and last armature blocks among at least three armature blocks 100 constituting the primary member.
  • the first wall 42 may have a similar shape to the magnetic core of the armature module 10. That is, it may include a protruding part that protrudes upward in a shape corresponding to the salient pole 12 of the armature module 10 and a connection part connecting the protruding parts. There is a space between the protruding parts, so that the permanent magnet moves relatively. Collision with the module 20 can be prevented.
  • a third hole 43 is formed in the first wall 41 at a position corresponding to the second hole 16 formed in the armature module 10, through which the second bar 35 can pass.
  • a screw thread is formed on at least one of both ends of the second bar 35, and the two first walls 41 and three or more armature blocks 100 can be fixed by fastening a nut 36 to the screw thread.
  • the first wall 42 and the armature block 100 may be fixed using other known fastening means instead of threads and nuts.
  • a hole corresponding to the first hole 15 of the armature module 10 is not formed in the first wall 42 or a hole or groove corresponding to the first hole 15 of the armature module 10 is formed to form an armature.
  • a fourth hole 44 may be formed in the first wall 42 so that the connection wires 113U, 113V, 113W drawn from the armature block 100 pass through, and the fourth hole 44 is formed in the first wall ( It is formed at the connection part of 42), but can be formed further outside than the outermost protruding part.
  • the height of the highest part of the connection part connecting the protruding parts in the first wall 42 can be higher than the uppermost end of the connection part 11 of the armature module 10.
  • the height of the uppermost end of the coil 13 wound around the salient pole 12 of the armature module 10 is increased so that both the connection portion 11 and the coil 13 of the armature module 10 are It can be kept from being revealed to the outside world.
  • two second walls 45 can be formed parallel to the direction of travel of the linear motor, and the second walls 45 are connected to the first wall (45) on the upper surface of the base 40.
  • the coil 13 of the armature module 10 can be prevented from being exposed to the outside.
  • Molding can be performed by pouring a resin such as epoxy into the space formed by the base 40, the connection portion of the two first walls 42, and the two second walls 45. This molding process is intended to fix the coil 13 so that it does not move, and can prevent the coil 13 from being disconnected due to vibration that occurs when the linear motor operates.
  • a resin such as epoxy
  • Figure 9 shows the primary member of a linear electric motor whose armature block is composed of five armature modules composed of two salient poles.
  • a plurality of armature modules of the same phase are pre-assembled into one armature block, but a stick is penetrated into the armature module, the ends of the stick are riveted, welded, or glued to fix the plurality of armature modules, and the coils of the plurality of armature modules are connected.
  • the risk of coil disconnection can be reduced and the lifespan of the linear motor can be extended.

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Abstract

선형 전동기는, 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재; 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 영구자석 모듈을 포함하는 2차 부재를 포함하고, 각 전기자 모듈은 둘 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, P개의 영구자석과 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 영구자석 모듈이 전기자 모듈의 두 돌출부 사이에 놓인 상태에서 1차 부재 또는 2차 부재 중 어느 하나가 이동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고, 복수의 전기자 모듈은 코일에 같은 위상의 전류가 흐르는 둘 이상의 전기자 모듈이 진행 방향으로 서로 이웃하는 전기자 블록을 셋 이상 포함하고, 각 전기자 블록에서, 각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제1 구멍에 제1 막대기가 관통하고, 제1 막대기의 양쪽 끝이 해당 전기자 블록의 양쪽 끝에 있는 전기자 모듈에 고정되고, 각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제2 구멍에 제2 막대기가 관통하고, 제2 막대기의 양쪽 끝 중 적어도 하나 이상을 체결 수단으로 고정하여 셋 이상의 전기자 블록이 결합될 수 있다.

Description

선형 전동기
이 명세서는 선형 전동기에 관한 것이다.
일반적으로 선형 전동기, 즉 리니어 모터는 직선 모양으로 면하는 가동자 및 고정자 사이에 추력을 발생하는 구조로 되어 있다. 영구자석형 선형 전동기는 가동자 및 고정자 중 어느 한 쪽에 영구 자석을 놓고 나머지 한 쪽에 교번하는 다상 전력을 보내 양자 사이에 전자력이 작용하여 원하는 방향으로 추력이 발생하도록 한다.
종래 대부분의 리니어 모터는, 전기자 코어의 돌극에서 나온 자속이 영구 자석을 거쳐 요크를 통해서 자기 폐회로를 구성하여 인력과 척력을 발생시켜 추력이 발생하는 구조를 취하므로, 영구 자석은 돌극과 요크 사이에 놓이고 요크에 부착되는 경우가 대부분이다.
이 명세서의 출원인은, 진행 방향으로 일렬로 배치되는 복수 개의 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구자석을 포함하는 영구자석 모듈을 복수 개 포함하는 2차 부재를 포함하는 밀폐형과 개방형 선형 전동기에 대해서, 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947을 통해 출원하였다.
출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 개시된 선형 전동기에서, 전기자 모듈이 진행 방향을 기준으로 위상차에 해당하는 간격으로 서로 분리되어야 하기 때문에, 전기자 모듈 사이마다 스페이서를 끼워야 하고, 또한 같은 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈끼리 코일이 서로 연결되어야 한다.
이러한 이유로 1차 부재를 조립하는 것이 상당히 번거롭고 자동화 공정으로 전환하기가 쉽지 않다.
또한, 전기자 모듈에서 코일이 감기는 자성체 코어는 강자성체인 철판을 성층하여 형성하는데, 제철 회사에서 공급되는 철판의 두께가 일정하지 않아 다수 개의 철판을 성층한 자성체 코어의 두께가 일정하지 않게 된다.
각 전기자 모듈의 두께가 일정하지 않으면, 전기자 모듈 사이의 간격이 달라지고, 이는 전기자 모듈 사이의 위상차가 공급되는 전류의 위상차로부터 벗어나는 것을 의미하게 된다.
전기자 모듈 사이의 위상차를 일정하게 하기 위해서는 전기자 모듈 사이의 물리적 간격을 조절해야 하고, 이를 위해서는 각 전기자 모듈의 두께를 측정하고 이에 맞추어 스페이서의 두께도 조절해야 한다.
이와 같이 1차 부재의 조립에 많은 시간과 비용이 발생하고 조립 정밀도를 높이는 데 어려움이 발생할 수 있다.
이 명세서는 이러한 상황을 감안한 것으로, 이 명세서의 목적은 복수 개의 전기자 모듈이 진행 방향으로 일렬로 배치되는 선형 전동기에서 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재의 조립성을 향상시키는 데 있다.
이 명세서의 다른 목적은 코일의 단선 위험을 줄이는 선형 전동기를 제공하는 데 있다.
이 명세서의 일 실시예에 따른 선형 전동기는, 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재, 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 영구자석 모듈을 포함하는 2차 부재를 포함하고, 각 전기자 모듈은 둘 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, P개의 영구자석과 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 영구자석 모듈이 전기자 모듈의 두 돌출부 사이에 놓인 상태에서 1차 부재 또는 2차 부재 중 어느 하나가 이동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고, 복수의 전기자 모듈은 코일에 같은 위상의 전류가 흐르는 둘 이상의 전기자 모듈이 진행 방향으로 서로 이웃하는 전기자 블록을 셋 이상 포함하고, 각 전기자 블록에서, 각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제1 구멍에 제1 막대기가 관통하고, 제1 막대기의 양쪽 끝이 해당 전기자 블록의 양쪽 끝에 있는 전기자 모듈에 고정되고, 각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제2 구멍에 제2 막대기가 관통하고, 제2 막대기의 양쪽 끝 중 적어도 하나 이상을 체결 수단으로 고정하여 셋 이상의 전기자 블록이 결합되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 같은 위상의 전류가 공급되는 복수 개의 전기자 모듈을 뭉친 전기자 블록 단위로 미리 조립할 수 있게 되어, 1차 부재를 조립한 이후 같은 위상의 전기자 모듈의 코일을 일일이 연결해야 하는 작업을 줄일 수 있고, 공정 자동화가 가능해지고, 조립 작업성이 향상된다.
또한, 전기자 모듈의 자성체 코어에 감기는 코일을 몰딩 처리함으로써, 고속으로 동작할 때 진동으로 발생할 수 있는 코일의 단선 위험을 줄일 수 있게 되고, 선형 전동기의 고장 요인을 줄이고 성능을 안정적으로 유지하여 수명을 연장할 수 있게 된다.
도 1은 이 명세서의 출원인이 출원한 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 개방형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 2는 이 명세서의 출원인이 출원한 출원 번호 KR 10-2011-0020599에 기재된 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 3은 도 1과 도 2의 선형 전동기에서 3개의 전기자 모듈로 구성한 1차 부재와 복수의 영구자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 동작 원리를 도시한 것이고,
도 4는 1차 부재를 구성하는 9개의 전기자 모듈을 분산시켜 배치한 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 5a는 선형 전동기의 진행 방향에서 바라본 전기자 모듈의 평면도를 도시한 것이고,
도 5b는 복수 개의 전기자 모듈에 형성된 제1 구멍에 제1 막대기를 관통시키는 예를 도시한 것이고,
도 5c는 복수 개의 전기자 모듈과 스페이서에 형성된 제1 구멍에 제1 막대기를 관통시켜 전기자 블록을 조립한 상태를 도시한 것이고,
도 6은 전기자 블록을 슬라이드 방식으로 베이스에 결합한 상태를 도시한 것이고,
도 7은 전기자 블록이 베이스, 제1 벽 및 제2 벽에 결합된 상태를 도시한 것이고,
도 8은 선형 전동기의 진행 방향에서 바라본 제1 벽의 평면도를 전기자 모듈의 평면도와 비교하여 도시한 것이
도 9는 2개의 돌극으로 구성되는 전기자 모듈 5개로 전기자 블록을 구성한 선형 전동기의 1차 부재를 도시한 것이다.
이 명세서의 선형 전동기에 대한 다양한 실시예들을 간단하고 명료하게 설명하면 다음과 같다.
일 실시예에 따른 선형 전동기는, 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재, 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 영구자석 모듈을 포함하는 2차 부재를 포함하고, 각 전기자 모듈은 둘 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고, P개의 영구자석과 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고, 영구자석 모듈이 전기자 모듈의 두 돌출부 사이에 놓인 상태에서 1차 부재 또는 2차 부재 중 어느 하나가 이동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고, 복수의 전기자 모듈은 코일에 같은 위상의 전류가 흐르는 둘 이상의 전기자 모듈이 진행 방향으로 서로 이웃하는 전기자 블록을 셋 이상 포함하고, 각 전기자 블록에서, 각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제1 구멍에 제1 막대기가 관통하고, 제1 막대기의 양쪽 끝이 해당 전기자 블록의 양쪽 끝에 있는 전기자 모듈에 고정되고, 각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제2 구멍에 제2 막대기가 관통하고, 제2 막대기의 양쪽 끝 중 적어도 하나 이상을 체결 수단으로 고정하여 셋 이상의 전기자 블록이 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 막대기의 적어도 한쪽 끝이 리벳으로 형성되어 전기자 모듈에 접합될 수 있다.
일 실시예에서, 제2 막대기의 적어도 한쪽 끝에 형성된 나사산에 너트를 체결하여 셋 이상의 전기자 블록이 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 선형 전동기는 전기자 블록을 고정하는 베이스를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 전기자 모듈의 자성체 코어는 돌출부가 돌출하는 방향과 반대 방향으로 돌출한 제2 돌출부를 포함하고, 전기자 모듈의 제2 돌출부와 베이스에 형성된 홈부가 슬라이드 방식으로 결합되어 전기자 블록이 베이스에 고정될 수 있다.
일 실시예에서, 베이스는 전기자 모듈과 평행하게 세워지는 2개의 제1 벽과 진행 방향을 따라 서로 나란하게 세워지는 2개의 제2 벽을 포함하고, 제1 벽은 자성체 코어의 제2 구멍에 연통되어 제2 막대기가 관통하는 제3 구멍을 포함하고, 제2 막대기의 적어도 한쪽 끝에 형성된 나사산에 너트가 체결되어 2개의 제1 벽과 셋 이상의 전기자 블록이 서로 결합될 수 있다.
일 실시예에서, 코일은 돌출부에 감기되 돌출부의 말단보다 돌출부를 연결하는 연결부에 더 가깝게 감기고, 제1 벽과 제2 벽은 코일을 가릴 수 있는 제1 높이 이상으로 베이스의 바닥으로부터 세워지고, 베이스의 바닥으로부터 제1 높이까지 수지로 몰딩될 수 있다.
일 실시예에서, 2개의 제1 벽 중에서 하나에 코일을 인출하기 위한 제4 구멍이 제1 높이보다 낮은 위치에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 선형 전동기는, 두 전기자 모듈 사이에 삽입되는 제1 스페이서; 및 두 전기자 블록 사이에 삽입되는 제2 스페이서를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 제1 구멍과 제2 구멍은 자성체 코어에서 각 돌출부 및 돌출부를 연결하는 연결부에 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 돌출부의 제1 구멍과 제2 구멍은 연결부보다 돌출부의 말단에 더 가깝게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 연결부의 제1 구멍과 제2 구멍은 각 돌출부에 대응하는 위치에 각각 형성되거나 연결부의 중앙에 하나만 형성될 수 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 이 명세서에 따른 선형 전동기에 대한 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 선형 전동기 중에서 도 1과 같은 개방형 선형 전동기에서, 전기자 모듈(10)의 자성체 코어의 연결부(11)는 2차 부재인 영구자석 모듈(20)을 둘러싸기 위한 C자 형상이 아니라, 예를 들어 직선 형태이고, 자성체 코어의 일부인 복수의 돌극(12)은 연결부(11)로부터 같은 방향으로, 예를 들어 직각으로 돌출한 형태이고, 2차 부재의 복수의 영구자석 모듈(20)도 나란히 놓인 각 돌극(12) 사이로 연결부(11)를 향해 돌출한 형태를 하고 있다. 코일(13)은 각 돌극(12)에 감길 때 돌극(12)의 말단보다 연결부(11)에 가까운 곳(연결부(11)를 향해 돌출한 영구 자석(21)이 미치지 않은 위치)에 감길 수 있고, 또는 두 돌극(12) 사이 연결부(11)에 감길 수도 있다.
출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 다른 선형 전동기는 전기자 모듈(10)의 연결부(11)에서 돌극(12)의 돌출 각도가 서로 달라 금형 제작에 비용이 많이 들고 정밀도를 올리는 데 한계가 있다. 하지만, 도 1의 선형 전동기에서, 각 전기자 모듈(10)에서 모든 돌극(12)은 연결부(11)와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이루고, 각 영구자석 모듈(20)도 영구자석 베이스(22)와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이룬 상태로 고정되고 있으므로, 제조 정밀도를 올릴 수 있고 금형 비용도 절감할 수 있다.
이 명세서에 따른 선형 전동기는, 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 선형 전동기 중에서 도 1의 개방형 선형 전동기를 영구자석 가동형으로 변형한 것이다.
도 2는 이 명세서의 발명자에 의해 발명된 출원 번호 KR 10-2011-0020599에 기재된 선형 전동기를 도시한 것으로, 자속을 발생시키는 코일(13)을 포함하는 1차 부재와 자속을 가로지르는 영구자석(21)을 포함하는 2차 부재를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1의 선형 전동기와 비교하여, 돌극(12)의 개수와 영구자석 모듈(20)의 개수가 각각 2개와 1개로 준 것을 제외하고는 동작 원리는 동일하다.
도 3은 도 1과 도 2의 선형 전동기에서 3개의 전기자 모듈로 구성한 1차 부재와 복수의 영구자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 동작 원리를 도시한 것으로, 2 이상의 전기자 모듈과 영구자석 모듈의 조합에 의해 진행 방향으로 추력이 발생하는 원리를 도 3이 도시하고 있다. 예를 들어 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)에 2개의 영구자석(N, S)을 대응시키는 경우, 도 3의 위쪽 그림과 같은 전기자 모듈 3상과 영구자석 2극의 조합이 된다.
도 3에서, U, V, W는, 도 1과 도 2의 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)의 각 돌극(12) 중에서 한 쪽 돌극(12)을 진행 방향으로 나열한 것이고, S/N은 돌극 U, V, W에 대치되는 위치에 놓인 영구자석(21)을 나열한 것이다.
각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 단일 위상의 전류를 공급하되, 3상인 경우 이웃하는 모듈과 120도의 위상차를 갖는 전류를 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 인가할 수 있다.
또한, 도 3의 위 그림에 도시한 것과 같이, 진행 방향으로 번갈아 배치된 영구자석 S 또는 N의 극 간격을 t(1/2 주기 180도)로 할 때, 3개의 전기자 모듈(10)이 2/3t(120도)에 해당하는 간격으로 배치될 수 있다.
영구자석 S극과 N극 사이에 위치하는 돌극 V를 감은 코일에 (+) 방향으로 피크 값(P)의 교류 전류를 흘려 돌극 V가 N극이 될 때, 돌극 U와 W를 감은 코일에는 (-) 방향으로 피크 값(P)/제곱근(2) 크기의 교류 전류를 흘려 돌극 U와 W가 S극이 되므로, N극인 돌극 V가 영구자석 S극에는 흡인력을 영구자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구자석을 오른쪽으로 이동시킨다. 돌극 V의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 W는 각각 영구자석 S극과 영구자석 N극에 반발력과 흡인력을 작용하지만 서로 상쇄되어 진행 방향으로 영향을 미치지 않게 된다.
영구자석(21)이 2/3t만큼 이동하여 이번에는 돌극 W가 영구자석 S극과 N극 사이에 위치하게 되고, 이 순간에는 각 돌극(12)의 코일(13)에 위상이 120도 진행한 전류를 흘리고, 돌극 W를 감은 코일에 (+) 방향으로 피크 값(P)의 교류 전류가 흘러 돌극 W가 N극이 되고, 돌극 U와 V를 감은 코일에는 (-) 방향으로 피크 값(P)/제곱근(2) 크기의 교류 전류가 흘러 돌극 U와 V가 S극이 된다. N극이 된 돌극 W가 영구자석 S극에는 흡인력을 영구자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구자석(21)을 오른쪽으로 이동시키는데, 마찬가지로 돌극 W의 N극보다는 작은 크기의 자력으로 S극이 된 돌극 U와 V는 각각 영구자석 N극과 영구자석 S극에 흡인력과 반발력을 작용하지만 서로 상쇄된다.
이와 같은 과정을 반복하여 영구자석(21)은 오른쪽으로 이동하게 된다. 즉, 각 전기자 모듈(10)에 인가되는 3상의 전류가 돌극 U, V, W에 이동 자계를 발생시키고 이에 따라 영구자석(21)에는 오른쪽으로 이동하는 추력이 발생한다.
이상적인 모델인 경우, 영구자석(21)을 이동시키는 추력은, 돌극(12)과 영구자석(21)이 접하는 표면적의 합에 비례하고, 또한 진행 방향으로 배치되는 전기자 모듈(10)의 개수에도 비례하여 커지게 되고, 코일(13)에 인가되는 전류의 크기, 코일(13)이 돌극(12)을 감은 회수, 영구자석(21)의 자력 크기 등에도 비례 관계를 갖는다.
도 3의 첫 번째 예(위 그림)는 전기자 모듈 3상과 영구자석 2극의 기본 조합에 대한 예이고, 도 3의 두 번째 예(아래 그림)는 첫 번째 조합의 확장인 전기자 모듈 3상과 영구자석 4극 조합에 대한 예로 추력이 발생하는 원리는 동일하고, 3상 8극, 10극 등의 조합도 가능하다.
일반화하면, 모터 상수의 배수가 되는 전기자 모듈(10)의 개수 S와 2(N극과 S극)의 배수인 영구자석(21)의 개수 P의 조합을 기본으로 추력이 발생하는데, 여기서 모터 상수는 3상 전원으로 전기자를 구동하는 경우 3, 5상 전원으로 구동하는 경우 5로서, 3 이상의 홀수로 하는 것이 일반적이고, 모터 상수에 의해 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 인가되는 전류의 위상차가 결정된다.
물론, S개의 전기자 모듈과 P개의 영구자석이 공극을 통해 대치하는 부분의 길이(이동 방향으로의 길이)를 1차 부재의 단위 길이라고 할 때, 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는 1차 부재 또는 다수의 영구자석(21)으로 구성되는 2차 부재 중 어느 한쪽은 단위 길이보다는 길게 구성해야 가동자를 이동시키는 추력을 발생시킬 수 있는 유효 거리를 확보할 수 있게 된다.
즉, 1차 부재와 2차 부재가 겹치는 길이를 단위 길이보다 길게(전기자 모듈의 개수를 S개 이상 또는 영구자석의 개수를 P개 이상) 구성해야 추력 발생을 위한 유효 거리를 확보하게 되고, 1차 부재와 2차 부재가 서로 마주보는 면적에 비례하여 추력이 증가할 수 있다.
1차 부재의 각 전기자 모듈(10)에 진행 방향으로 UuU(또는 uUu)(U상군), VvV(또는 vVv)(V상군), WwW(또는 wWw)(W상군) 순서로 3상 전류를 인가하고, 여기서 소문자는 대문자와 반대 위상의 전류가 공급되는 것을 의미한다.
여기서, 반대 위상의 전류를 공급하는 의미는, 다른 돌극에 감긴 코일에 각각 위상 차이가 180도인 서로 다른 전류를 공급하는 것을 의미할 수 있고, 또는 코일에는 같은 위상의 전류를 공급하되 돌극에 코일을 감는 방향을 서로 다르게 하는 것을 의미할 수도 있는데, 전동기를 구동하는 입장에서는 하나의 라인을 통해 전류를 공급하면서도 180도 위상 차이가 나는 2개의 전류를 동시에 공급하는 것이 되기 때문에 후자가 훨씬 유리하다.
1차 부재는 서로 연결되지 않고 독립된 전기자 모듈(10)로 구성되기 때문에, 같은 크기의 전원이 각 전기자 모듈(10)에 제공된다면 각 전기자 모듈(10)에는 독립되고 같은 크기의 자속이 흐르게 되어 각 전기자 모듈(10)을 통해 생성되는 추진력에 편차가 적어 추력에 리플이 적게 된다.
돌극(12)과 영구자석(21)을 통과하는 자속의 양은, 돌극(12)에서 나오거나 돌극(12)으로 들어가는 자속의 분포가 일정하다고 할 때, 돌극(12)과 영구자석(21)이 서로 마주보는 부분의 면적에 비례하게 된다.
전기자 모듈(10)의 돌극(12)에서 나온 자속 또는 돌극(12)으로 들어가는 자속이 지나가는 영구자석(21)의 단면은 직사각형이나 평행 사변형에 한정되지 않고, 마름모, 원형 또는 타원형도 가능하고, 직사각형이나 평행 사변형의 네 귀퉁이를 자른 팔각형 모양도 가능하다.
한편, 이 명세서의 선형 전동기가 아닌 다른 대부분의 선형 전동기는 1차 부재를 구성하는 전기자 모듈이 서로 분리되지 않고 연결되는 구조를 갖는다. 하지만, 이 명세서의 선형 전동기는 전기자 모듈이 서로 분리되어 있어서, 이웃하는 전기자 모듈과 소정의 위상차를 유지하기 위해 전기자 모듈 사이 간격을 유지해야 하고 이를 위해 두 전기자 모듈 사이에 스페이서가 삽입된다.
전기자 모듈을 구성하는 자성체 코어의 돌극과 연결부에 구멍을 형성하고, 구멍이 형성된 스페이서를 두 전기자 모듈 사이에 두고, 막대기(또는 로드)를 자성체 코어와 스페이서의 구멍에 삽입하는 방식으로 복수 개의 전기자 모듈을 순차적으로 조립할 수 있다. 막대기로 1차 부재를 구성하는 모든 전기자 모듈을 관통시킨 이후 막대기 양쪽을 체결 수단, 예를 들어 너트로 고정하여 전기자 모듈의 조립을 완료할 수 있다.
전기자 모듈을 순차적으로 배치한 이후에는 같은 위상의 전기자 모듈의 코일을 일일이 직렬로 연결해야 하는 번거로움이 있다.
또한, 다수의 철판을 성층하여 자성체 코어를 형성할 때, 철판의 두께가 일정하지 않아 자성체 코어, 즉 전기자 모듈의 두께가 달라지고 이에 따라 이웃하는 전기자 모듈과의 위상차가 달라지는 문제가 있다.
정밀도가 낮은 선형 전동기에서는 이러한 차이가 큰 문제를 일으키지는 않지만, 정밀도가 요구되는 경우에는 이웃하는 전기자 모듈 사이 거리를 정확하게 맞추어야 한다. 이를 위해, 각 자성체 모듈의 두께를 측정하고 측정한 값에 맞추어 스페이서의 두께를 조절해야 하므로, 1차 부재를 조립하는 공정을 단순화하기가 쉽지 않다.
이러한 문제를 고려하여, 먼저, 이 명세서의 일 실시예에 따른 선형 전동기는 같은 위상의 둘 이상의 전기자 모듈을 연속으로 배치하여 하나의 전기자 그룹 또는 전기자 블록으로 독립적으로 미리 조립하고, 조립된 복수 개의 전기자 블록을 소정 간격으로 연속 배치하고 전기자 블록들에 다른 위상의 전류를 공급하여 전기자 블록 사이에 구동력을 발생시킬 수 있는 소정의 위상차가 발생하게 할 수 있다.
도 4는 1차 부재를 구성하는 9개의 전기자 모듈을 분산시켜 배치한 선형 전동기를 도시한 것으로, 도 1에 도시된 선형 전동기와 같은 원리를 적용하여 돌극이 3개인 전기자 모듈 9개를 사용하는 전동기를 도시한 것이다.
기본 단위 (S, P)=(9, 8)인 전동기에서, 9개의 전기자 모듈이 연속으로 배치되어 uUuvVvwWw(또는 UuUVvVWwW) 순서로 3상 전류가 인가될 수 있다. 선형 전동기에서 자기 회로의 대칭 효율을 높이고 추력을 올리기 위하여, 모터의 기본 단위에서 전기자 모듈의 수 S에 큰 값을 사용하고 영구 자석의 수 P에 S와 가까운 값을 사용하고, 또한 기본 단위를 복수 개 연결하여 사용할 수 있다.
1차 부재에 많은 수의 전기자 모듈이 연속으로 배치되는 경우, 전기자 모듈이 밀집된 1차 부재에 많은 전류가 공급되어 열에 의해 자성체 코어인 연결부나 돌극에 변형이 발생할 수 있어서 정밀도가 떨어지고, 코깅의 원인이 될 수 있다.
열에 의한 변형, 코깅 등의 문제를 해결하고 정밀도를 향상시키기 위하여, 도 4에 도시한 것과 같이, 1차 부재에서 복수의 전기자 모듈을 분산시켜 배치할 수 있는데, 같거나 180도 위상(또는 반대 위상)의 전류가 공급되는 전기자 모듈끼리 묶고, 다른 위상(120도 위상)의 전류가 공급되는 전기자 모듈과 분리할 수 있다.
도 4에서, 예를 들어 uUu 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹(U상군, U group), vVv 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹(V상군, V group), 및 wWw 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹(W상군, W group)이 서로 분리되어 분산 배치되어 있다.
같은 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈끼리 묶어 전기자 모듈 그룹으로 연속으로 배치하는 경우, 해당 그룹에 속하는 전기자 모듈의 코일을 직렬로 서로 연결할 수 있고, 이렇게 하면 해당 그룹에는 한 쌍의 배선만 연결하면 되므로, 1차 부재의 조립 및 1차 부재와 컨트롤러와의 연결에 유리하다.
이 명세서의 선형 전동기가 아닌 다른 대부분의 선형 전동기는 1차 부재를 구성하는 전기자 모듈이 서로 분리되지 않고 연결되는 구조를 갖기 때문에, 이웃하는 전기자 모듈에는 다른 위상의 전류가 흐르게 해야 한다. 따라서, 다른 구조의 선형 전동기는, 도 4와 같이 같은 위상의 전기자 모듈을 연속으로 배치하는 것이 불가능하다.
각 전기자 모듈의 코일에 같은 위상의 전류가 흐르는 전기자 블록 단위로 복수 개의 전기자 모듈을 조립하기 위해서, 전기자 블록을 구성하는 첫 전기자 모듈부터 마지막 전기자 모듈까지 고정할 필요가 있다.
이를 위해, 전기자 모듈의 자성체 코어에 구멍을 뚫고 전기자 모듈 사이마다 스페이서를 마련하고 구멍에 막대기를 통과시키고 막대기를 처음 자성체 코어와 마지막 자성체 코어에 고정하여, 복수 개의 전기자 모듈을 하나의 전기자 블록으로 조립할 수 있다. 이때, 스페이서에도 구멍을 뚫고 막대기를 통과시켜 전기자 모듈 사이의 간격을 안정적으로 유지시킬 수도 있다.
도 5a 내지 도 5c는 이 명세서의 일 실시예에 따라 코일에 같은 위상의 전류가 흐르는 복수 개의 전기자 모듈이 하나의 블록으로 조립되는 전기자 블록을 도시한 것으로, 도 5a는 선형 전동기의 진행 방향에서 바라본 전기자 모듈의 평면도를 도시한 것이고, 도 5b는 복수 개의 전기자 모듈에 형성된 제1 구멍에 제1 막대기를 관통시키는 예를 도시한 것이고, 도 5c는 복수 개의 전기자 모듈과 스페이서에 형성된 제1 구멍에 제1 막대기를 관통시켜 전기자 블록을 조립한 상태를 도시한 것이다.
도 5a에서, 전기자 모듈(10)은 자성체 코어(11, 12, 14)와 코일(13)로 구성될 수 있다. 자성체 코어는 연결부(11), 연결부(11)에서 한 방향으로 돌출하는 둘 이상의 돌극(또는 돌출부)(12) 및 돌극(12)이 돌출하는 방향과 반대 방향으로 돌출하는 제2 돌출부(14)를 포함할 수 있다.
또한, 자성체 코어에는 복수 개의 구멍(15, 16)이 형성될 수 있는데, 복수 개의 전기자 모듈(10)로 전기자 블록을 조립하고, 복수 개의 전기자 블록으로 1차 부재를 조립할 때, 전기자 모듈들을 고정하기 위한 막대기(또는 로드)를 관통시키기 위한 것이다.
도 5a에 도시한 것과 같이, 자성체 코어에는 하나 이상의 제1 구멍(15)과 하나 이상의 제2 구멍(16)이 형성될 수 있다.
제1 구멍(15)은 복수 개의 전기자 모듈로 전기자 블록을 조립할 때 제1 막대리를 삽입하기 위한 것이고, 제2 구멍(16)은 복수 개의 전기자 블록으로 1차 부재를 조립할 때 제2 막대기를 삽입하기 위한 것이다.
도 5a에서, 제1 구멍(15)와 제2 구멍(16)은, 각 돌극(12)에 형성되고, 또한 연결부(11)에도 돌극(12)이 돌출되는 위치(수평 방향 기준)마다 형성될 수 있다. 또는 연결부(11)에 형성되는 제1 구멍(15)과 제2 구멍(16)은 돌극(12)의 개수와 무관하게 중앙에 하나만 또는 돌극과 돌극 사이에만 형성될 수도 있다.
돌극(12)에 형성되는 제1 구멍(15)과 제2 구멍(16)은 돌극(12)의 말단에 가까운 위치에 형성할 수 있는데, 가급적 연결부(11)와 돌극(12)을 거쳐 돌극(12) 사이에 놓이는 자석으로 흐르는 자속이 통과하는 경로에서 벗어난 위치에 형성하는 것이 유리하기 때문이다.
도 5b와 도 5c에서 보듯이, 전기자 모듈(10)과 전기자 모듈(10) 사이에 제1 스페이서(31)를 삽입하고, 제1 막대기(33)를 전기자 모듈(10)의 자성체 코일에 형성된 제1 구멍(15)과 제1 스페이서(31)에 형성된 구멍을 관통시켜 전기자 블록(100)을 조립할 수 있다.
제1 막대기(33)의 한쪽 말단 또는 양쪽 말단에는 리벳(34)이 형성될 수 있고, 전기자 블록(100)의 첫 전기자 모듈(10)과 마지막 전기자 모듈(10) 중 적어도 하나 이상이 제1 막대기(33)의 말단에 있는 리벳(34)에 고정될 수 있다.
복수 개의 전기자 모듈(10)이 제1 스페이서(31)와 제1 구멍(15)을 관통하는 제1 막대기(33)의 리벳(34)에 의해 간격이 일정하게 고정된 상태로 조립이 끝나면, 전기자 모듈(10)의 코일(13)을 직렬로 연결하여 해당 전기자 블록(100)의 연결 배선(113)으로 인출할 수 있다.
제1 막대기(33)를 전기자 블록(100)의 첫 전기자 모듈(10)이나 마지막 전기자 모듈(10)에 리벳(24)으로 고정하는 대신, 접착제나 용접 등으로 방법으로 고정할 수도 있다.
전기자 블록(100)의 조립은 U상, V상, W상 구분 없이 동일한 작업으로 조립할 수 있는데, 연결 배선(113)에 원하는 위상의 전원을 공급하기만 하면 U상, V상, W상의 전기자 블록(100)이 되기 때문이다.
도 6은 전기자 블록을 슬라이드 방식으로 베이스에 결합한 상태를 도시한 것이고, 도 7은 전기자 블록이 베이스, 제1 벽 및 제2 벽에 결합된 상태를 도시한 것이고, 도 8은 선형 전동기의 진행 방향에서 바라본 제1 벽의 평면도를 전기자 모듈의 평면도와 비교하여 도시한 것이다.
도 6에서 보듯이, 전기자 모듈(10)의 자성체 코어의 연결부(11)에서 돌극(12)이 돌출한 방향과 반대 방향으로 돌출한 제2 돌출부(14)는 연결부(11)에서 멀어지는 방향으로 진행할수록 폭이 증가하는 형태로 돌출될 수 있다.
전기자 모듈(10)이 고정되는 베이스(40)에는 제2 돌출부(14)의 단면에 대응하는 형태로 홈부(41)가 형성되어, 전기자 모듈(10)의 제2 돌출부(14)를 모터의 진행 방향으로 슬라이드 방식으로 홈부(41)에 끼워 전기자 모듈(10)을 베이스(40)에 안정적으로 고정할 수 있다.
예를 들어 3상 전원으로 선형 전동기를 구동하는 경우, U상 전원이 공급되는 전기자 블록(100U), V상 전원이 공급되는 전기자 블록(100V) 및 W상 전원이 공급되는 전기자 블록(100W)를 연속으로 배치하되, 전기자 블록 사이에 제2 스페이서(32)를 삽입하여, 전기자 블록 사이의 거리(위상차에 대응함)를 일정하게 유지할 수 있다.
자성체 코어를 구성하는 철판의 두께의 편차를 고려하여 전기자 블록 사이의 간격을 위상차에 대응하도록 보정하기 위해, 원하는 두께의 제2 스페이서(32)를 골라서 전기자 블록 사이에 삽입할 수 있다.
또한, 제2 막대기(35)를 관통시켜 전기자 블록(100U, 100V, 100W)과 제2 스페이서(32)를 서로 고정할 수 있도록 제2 스페이서(32)에 구멍을 형성시킬 수 있다. 제2 스페이서(32)에 형성되는 구멍은 전기자 모듈(10)의 제2 구멍(16)에 대응하는 구멍이다.
또한, 제2 스페이서(32)에는 전기자 모듈(10)의 제1 구멍(15)에 대응하는 구멍은 형성하지 않아도 뙨다. 또는 제2 스페이서(32)에도 전기자 모듈(10)의 제1 구멍(15)에 대응하는 구멍이나 홈을 형성하여, 전기자 블록(100)의 전기자 모듈들을 고정하기 위해 제1 막대기(33) 끝에 있는 리벳(34)을 처리할 때 외부로 돌출하여 발생하는 전기자 블록(100)의 두께 변화를 수용하게 할 수도 있다.
도 7에 도시한 것과 같이, 1차 부재를 구성하는 적어도 셋 이상의 전기자 블록(100) 중 첫 번째와 마지막 전기자 블록의 바깥에 제1 벽(42)을 형성할 수 있다.
제1 벽(42)은 전기자 모듈(10)의 자성체 코어와 비슷한 형상일 수 있다. 즉, 전기자 모듈(10)의 돌극(12)에 대응하는 형상으로 위쪽으로 돌출한 돌출 부분과 돌출 부분을 연결하는 연결 부분을 포함할 수 있는데, 돌출 부분 사이에 공간이 있어 상대적으로 이동하는 영구자석 모듈(20)과 충돌을 막을 수 있다.
제1 벽(41)에는 전기자 모듈(10)에 형성된 제2 구멍(16)에 대응하는 위치에 제3 구멍(43)이 형성되어, 제2 막대기(35)가 관통할 수 있다.
제2 막대기(35)의 양쪽 말단 중에서 적어도 하나에는 나사산이 형성되고, 나사산에 너트(36)를 체결함으로써, 2개의 제1 벽(41)과 셋 이상의 전기자 블록(100)을 고정할 수 있다. 나사산과 너트 대신 다른 공지의 체결 수단을 이용하여 제1 벽(42)과 전기자 블록(100)을 고정할 수도 있다.
제1 벽(42)에도 전기자 모듈(10)의 제1 구멍(15)에 대응하는 구멍을 형성하지 않거나 또는 전기자 모듈(10)의 제1 구멍(15)에 대응하는 구멍이나 홈을 형성하여 전기자 블록(100)을 조립할 때 제1 막대기(33)의 끝에 있는 리벳(34)의 돌출을 수용하게 할 수 있다.
제1 벽(42)에 전기자 블록(100)에서 인출한 연결 배선(113U, 113V, 113W)이 통과하도록 제4 구멍(44)을 형성할 수 있는데, 제4 구멍(44)은 제1 벽(42)의 연결 부분에 형성하되 가장 바깥의 돌출 부분보다 더 바깥에 형성할 수 있다.
제1 벽(42)에서 돌출 부분을 연결하는 연결 부분에서 가장 높은 부분의 높이(베이스(40)의 하면으로부터의 높이)는 전기자 모듈(10)의 연결부(11)의 최상단보다 더 높게 할 수 있고, 특히 전기자 모듈(10)의 돌극(12)에 감은 코일(13)의 최상단의 높이(도 8에서 h)보다 더 크게 하여, 전기자 모듈(10)의 연결부(11)와 코일(13)이 모두 외부에 드러나지 않게 할 수 있다.
또한, 도 7에 도시한 것과 같이, 선형 전동기의 진행 방향과 평행하게 2개의 제2 벽(45)을 형성할 수 있는데, 제2 벽(45)을 베이스(40)의 윗면에서 제1 벽(42)의 연결 부분의 높이까지 직사각형 평판 형태로 형성하여, 전기자 모듈(10)의 코일(13)이 외부에 노출되지 않도록 할 수 있다.
베이스(40), 2개의 제1 벽(42)의 연결 부분 및 2개의 제2 벽(45)이 형성하는 공간에 에폭시와 같은 수지를 부어 몰딩할 수 있다. 이러한 몰딩 처리는 코일(13)이 움직이지 않도록 고정하기 위한 것으로, 선형 전동기가 동작할 때 발생하는 진동으로 인해 코일(13)이 단선되는 것을 막을 수 있다.
도 9는 2개의 돌극으로 구성되는 전기자 모듈 5개로 전기자 블록을 구성한 선형 전동기의 1차 부재를 도시한 것이다.
기본 단위 (S, P)=(15, 14) 또는 (15, 16)인 전동기에서, 돌극이 2개인 전기자 모듈 5개를 하나의 전기자 블록으로 미리 조립하고, U상, V상, W상의 전기자 블록을 중간에 제2 스페이서를 삽입한 채 연속으로 배치하여 1차 부재를 형성하고, 이를 베이스, 제1 벽 및 제2 벽과 결합할 수 있다. 이에 대한 구체적인 설명은 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한 것과 같아 생략한다.
이와 같이, 같은 위상의 복수 개의 전기자 모듈을 하나의 전기자 블록으로 미리 조립하되 막대기를 전기자 모듈에 관통시키고 막대기 끝을 리벳, 용접 또는 접착제 처리하여 복수 개의 전기자 모듈을 고정하고 복수 개의 전기자 모듈의 코일을 순차적으로 연결함으로써, 1차 부재를 조립한 이후 같은 위상의 전기자 모듈의 코일을 일일이 연결해야 하는 작업을 줄이고 조립 작업성이 향상된다.
또한, 전기자 모듈 사이 위상차를 맞추기 위해 전기자 모듈 사이 모든 스페이서의 두께를 조절해야 하는 번거로움을 없애고, 제2 스페이서로 전기자 블록 사이 간격만을 조절하면 되어 적은 작업량으로 정밀도를 높일 수 있게 된다.
또한, 전기자 모듈에 감긴 코일을 몰딩 처리함으로써 코일이 단선될 위험을 줄이고 선형 전동기의 수명을 길게 연장할 수 있게 된다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정해져야만 할 것이다.

Claims (12)

  1. 복수 개의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재; 및
    진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수 개의 영구자석을 포함하는 영구자석 모듈을 포함하는 2차 부재를 포함하고,
    각 전기자 모듈은 둘 이상의 돌출부를 포함하는 자성체 코어 및 자성체 코어에 감기어 같은 위상의 전류가 흐르는 코일을 포함하고,
    P개의 영구자석과 S개의 전기자 모듈을 한 단위로 하여 추력이 발생하도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고,
    상기 영구자석 모듈이 상기 전기자 모듈의 두 돌출부 사이에 놓인 상태에서 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 이동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 상기 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하고,
    상기 복수의 전기자 모듈은 상기 코일에 같은 위상의 전류가 흐르는 둘 이상의 전기자 모듈이 상기 진행 방향으로 서로 이웃하는 전기자 블록을 셋 이상 포함하고,
    각 전기자 블록에서, 각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제1 구멍에 제1 막대기가 관통하고, 상기 제1 막대기의 양쪽 끝이 해당 전기자 블록의 양쪽 끝에 있는 전기자 모듈에 고정되고,
    각 전기자 모듈의 자성체 코어에 형성된 하나 이상의 제2 구멍에 제2 막대기가 관통하고, 상기 제2 막대기의 양쪽 끝 중 적어도 하나 이상을 체결 수단으로 고정하여 상기 셋 이상의 전기자 블록이 결합되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 막대기의 적어도 한쪽 끝이 리벳으로 형성되어 상기 전기자 모듈에 접합되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 막대기의 적어도 한쪽 끝에 형성된 나사산에 너트를 체결하여 상기 셋 이상의 전기자 블록이 결합되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 전기자 블록을 고정하는 베이스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 전기자 모듈의 자성체 코어는 상기 돌출부가 돌출하는 방향과 반대 방향으로 돌출한 제2 돌출부를 포함하고,
    상기 전기자 모듈의 제2 돌출부와 상기 베이스에 형성된 홈부가 슬라이드 방식으로 결합되어 상기 전기자 블록이 상기 베이스에 고정되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  6. 제4 항에 있어서,
    상기 베이스는 상기 전기자 모듈과 평행하게 세워지는 2개의 제1 벽과 상기 진행 방향을 따라 서로 나란하게 세워지는 2개의 제2 벽을 포함하고,
    상기 제1 벽은 상기 자성체 코어의 제2 구멍에 연통되어 상기 제2 막대기가 관통하는 제3 구멍을 포함하고,
    상기 제2 막대기의 적어도 한쪽 끝에 형성된 나사산에 너트가 체결되어 상기 2개의 제1 벽과 상기 셋 이상의 전기자 블록이 서로 결합되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 코일은 상기 돌출부에 감기되 상기 돌출부의 말단보다 상기 돌출부를 연결하는 연결부에 더 가깝게 감기고,
    상기 제1 벽과 제2 벽은 상기 코일을 가릴 수 있는 제1 높이 이상으로 상기 베이스의 바닥으로부터 세워지고, 상기 베이스의 바닥으로부터 상기 제1 높이까지 수지로 몰딩되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 2개의 제1 벽 중에서 하나에 상기 코일을 인출하기 위한 제4 구멍이 상기 제1 높이보다 낮은 위치에 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  9. 제1 항에 있어서,
    두 전기자 모듈 사이에 삽입되는 제1 스페이서; 및
    두 전기자 블록 사이에 삽입되는 제2 스페이서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 전동기
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 구멍과 제2 구멍은 상기 자성체 코어에서 각 돌출부 및 상기 돌출부를 연결하는 연결부에 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 돌출부의 제1 구멍과 제2 구멍은 상기 연결부보다 상기 돌출부의 말단에 더 가깝게 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 연결부의 제1 구멍과 제2 구멍은 각 돌출부에 대응하는 위치에 각각 형성되거나 상기 연결부의 중앙에 하나만 형성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.
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