KR101732636B1 - 선형 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 전동기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 전동기는, 1차 부재, 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성되고, 상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고, 각 전기자 모듈은, 자성체 코어, 상기 자성체 코어로부터 돌출하는 복수의 돌극 및 코일로 구성되고, 각 돌극 또는 돌극 사이의 자성체 코어에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고, 상기 2차 부재는 복수의 영구 자석 모듈 및 상기 복수의 영구 자석 모듈을 연결하는 연결부를 포함하고, 각 영구 자석 모듈은, 상기 자성체 코어를 향해 돌출하여 두 돌극 사이에 놓이고, 선형 전동기의 진행 방향으로 복수의 영구 자석이 극을 바꿔 가면서 배치되고, 상기 2차 부재에서 진행 방향으로 실질적으로 같은 위치에 있는 영구 자석들을 영구 자석 세트라 할 때, 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석 세트를 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 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 효율이 높고, 장거리 이송이 가능하고, 추진력의 리플을 줄일 수 있는 전동기를 제공할 수 있다.

Description

선형 전동기 {Linear motor}

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 자석 간에는 강력한 자기 흡인력이 발생하여 시스템의 정밀도가 떨어지고, 일정한 공극을 유지하는 지지 기구의 마모가 심하게 되는 문제가 발생할 수밖에 없다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은, 평판형 리니어 모터의 자기 흡인력 문제를 해소하고, 추력을 발생시키는 전기자 코어의 돌극과 이에 대치하는 영구 자석 사이 공극의 유효 면적을 넓힘으로써, 높은 효율의 선형 전동기를 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 2차 부재인 영구 자석 자체의 하중으로 인한 처짐을 해결하여, 장거리 이송이 가능한 선형 전동기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 전동기는, 1차 부재, 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성되고, 상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고, 각 전기자 모듈은, 자성체 코어, 상기 자성체 코어로부터 돌출하는 복수의 돌극 및 코일로 구성되고, 각 돌극 또는 돌극 사이의 자성체 코어에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고, 상기 2차 부재는 복수의 영구 자석 모듈 및 상기 복수의 영구 자석 모듈을 연결하는 연결부를 포함하고, 각 영구 자석 모듈은, 상기 자성체 코어를 향해 돌출하여 두 돌극 사이에 놓이고, 선형 전동기의 진행 방향으로 복수의 영구 자석이 극을 바꿔 가면서 배치되고, 상기 2차 부재에서 진행 방향으로 실질적으로 같은 위치에 있는 영구 자석들을 영구 자석 세트라 할 때, 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 2의 배수인 P개의 영구 자석 세트를 한 단위로 하여 진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 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.

일 실시예에서, 각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감기고, 각 영구 자석 세트에서 각 영구 자석은 이웃하는 영구 자석과 서로 다른 극으로 배치된다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석 모듈에서 영구 자석의 자화 방향은 대응되는 두 돌극을 향한다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석 모듈에서 자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 직사각형 또는 평행 사변형일 수 있다.

일 실시예에서, 적어도 하나 이상의 영구 자석 모듈의 영구 자석의 진행 방향으로의 위치 오프셋이 다른 영구 자석 모듈의 위치 오프셋과 다르되, 상기 영구 자석의 진행 방향으로의 폭보다 작은 소정 범위에서 다를 수 있다.

일 실시예에서, 상기 연결부에는 영구 자석 모듈을 고정하기 위한 복수의 홈부가 진행 방향으로 길게 형성되고, 각 영구 자석 모듈에는 연결부의 홈부에 끼우기 위한 돌출부가 진행 방향으로 길게 형성되어, 상기 영구 자석 모듈의 돌출부와 상기 연결부의 홈부가 슬라이딩 방식으로 결합될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석 모듈의 개수는 상기 돌극의 개수와 같거나 작을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자성체 코어는 원형 링 또는 다각형 링 형상이고, 4개 이상 짝수 개의 돌극이 점대칭 또는 선대칭으로 상기 자성체 코어로부터 돌출하고, 상기 영구 자석 모듈의 개수는 상기 돌극의 개수와 같을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자성체 코어는 상기 2차 부재를 감싸는 형태의 호 형상으로 선대칭이고, 3개 이상의 돌극이 선대칭으로 상기 자성체 코어로부터 돌출하고, 상기 영구 자석 모듈의 개수는 상기 돌극의 개수보다 하나 작을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 돌극과 이에 대응되는 영구 자석 사이 간격이 돌극과 영구 자석이 접하는 표면 전체에서 일정할 수 있도록, 돌극의 단부에서 진행 방향과 수직인 단면이 부채꼴 형상일 수 있는데, 상기 코일은 상기 돌극의 단부와 자성체 코어 사이에 권선될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자성체 코어는 직선 형상이고, 3개 이상의 돌극이 상기 자성체 코어로부터 수직으로 돌출하고, 상기 영구 자석 모듈의 개수는 상기 돌극의 개수보다 하나 작을 수 있는데, 이때 상기 연결부와 지지 기구는 일체화될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재의 길이는 상기 S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석 세트로 이루어지는 한 단위의 길이보다 길다. 그리고, 상기 S는 상기 소정의 위상차를 결정하는 상수의 배수 중 하나로 결정되고, 상기 상수는 3 이상의 홀수일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전기자 모듈의 자성체는 성층되는 형태일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 선형 전동기는, 상기 돌극과 이에 대응되는 영구 자석이 일정한 공극을 유지한 상태로 상기 가동자가 이동하도록 하는 안내 기구를 더 포함하여 구성될 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.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 2차 부재의 하중으로 인한 처짐 문제를 해결하고, 장거리 이송에도 사용 가능하게 되는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 2차 부재의 무게를 줄이고 조립 효율을 높이 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 추진력의 리플을 줄이는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 선형 전동기는, 제조 정밀도를 올릴 수 있고 금형 비용도 절감하도록 하는 장점이 있다.

도 1은 2차 부재인 영구 자석이 내부에 있고 1차 부재인 전기자가 바깥에 있는 이너 자석형 선형 전동기의 전기자 모듈의 일 실시예를 도시한 것이고,
도 2는 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 아우터 자석형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 5는 개방형 선형 전동기의 단면을 도시한 것이고,
도 6은 전기자 모듈에 인가되는 전원의 연결 방법에 대한 예를 도시한 것이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 밀폐형 선형 전동기의 단면과 영구 자석을 포함한 2차 부재를 도시한 것이고,
도 8은 자속이 지나가는 영구 자석의 단면이 직사각형인 예와 평행 사변형인 예를 도시하고 있고,
도 9는 각 영구 자석 모듈에서 영구 자석의 위치 오프셋이 서로 다른 예를 도시한 것이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 11은 본 발명에 따른 개방형 선형 전동기에서 돌극과 영구 자석 모듈의 개수를 변형한 예를 도시한 것이고,
도 12와 13은 스페이서를 이용하여 전기자 모듈 사이의 간격을 일정하게 유지시키는 예를 도시한 것이고,
도 14는 영구 자석 모듈을 안정하게 고정하기 위한 단부 고정자를 도시한 것이고,
도 15와 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 개방형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 17은 본 발명에 따른 선형 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다.

이하, 본 발명에 따른 선형 전동기에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 선형 전동기는, 구동 원리가 출원 번호 10-2009-0090806(등록 번호 10-0964538)에 기재된 선형 전동기의 구동 원리와 거의 동일하므로, 먼저 10-2009-0090806에 기재된 원통형 선형 전동기의 구조와 구동 원리에 대해서 설명한다.

10-2009-0090806에 기재된 원통형 선형 전동기는 1차 부재, 2차 부재 및 지지 기구를 포함하여 구성될 수 있다. 도 1과 도 2는 2차 부재인 영구 자석이 내부에 있고 1차 부재인 전기자가 바깥에 있는 이너(Inner) 자석형 선형 전동기의 전기자와 영구 자석을 각각 도시한 것이다.

1차 부재는, 도 1에 도시한 바와 같이, 진행 방향으로 소정 간격으로 배치되는 다수의 전기자 모듈(10)로 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 폐회로를 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)로 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 위상차를 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.

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 흐르도록 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(4) 사이에는 다른 극이 되도록 배치된다. 이때, 각 영구 자석(4)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, W에 대치되는 위치에 놓인 영구 자석(4)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 (1/2 주기 180도)로 할 때, 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)이 2/3(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.

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(/2)만큼 이격시킨 상태에서 90도 위상 차이가 나는 2상의 전류를 2개의 전기자 모듈에 흘리는 경우에도, 영구 자석을 한쪽으로 이동시키는 추력을 발생시킬 수 있다.

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.

도 1에서 전기자 모듈(10)의 코어(1)가 원형이지만 점대칭 또는 선대칭 형태의 다각형, 예를 들어 6각형, 8각형, 10각형 등이 가능하고, 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, 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.

도 1 내지 도 3은 전기자 모듈의 1차 부재가 외부에 영구 자석 모듈의 2차 부재가 내부에 위치하는 이너 자석형에 대한 실시예를 제시했지만, 도 4는 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 4에는 1차 부재의 각 전기자 모듈(10)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.

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.

10-2009-0090806에 기재된 선형 전동기는, 전기자 모듈이 링 형상으로 영구 자석 모듈을 둘러싸고 있는 밀폐형(Closed type) 구조로, 가동 코일형 전동기에서 영구 자석의 2차 부재가 양끝에서만 고정되므로, 짧은 구간에서 높은 정밀도가 요구되는 이송 장치에는 큰 문제가 없지만, 2차 부재의 길이가 긴 장거리 이송 장치에 적용되는 경우에는 영구 자석 자체의 하중으로 처짐 현상이 발생하여 문제가 될 수 있다.

출원 번호 10-2009-0099828(등록 번호 10-0964539)에서는, 10-2009-0090806에 기재된 선형 전동기의 동작 원리를 이용하되, 2차 부재를 진행 방향으로 전부 접지하거나 또는 일정한 간격으로 바닥에 지지할 수 있도록 전동기의 단면(진행 방향에 수직인 평면을 기준으로 하는 단면), 즉 전기자 모듈과 영구 자석 모듈의 단면 모양을 변형하는 개방형(Open type) 전동기의 실시예를 제시한다.

도 5는 10-2009-0099828에 기재된 개방형 선형 전동기의 일 실시예를 도시한 것이다.

도 5의 선형 전동기도, 도 1 내지 도 3의 선형 전동기와 같이, 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재, 진행 방향으로 소정 간격으로 배치된 다수의 영구 자석 모듈로 구성되는 2차 부재, 및 지지 기구를 포함하여 구성될 수 있는데, 2차 부재와 지지 기구는 하나로 결합될 수도 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 전기자 모듈은, 링 모양으로 폐회로를 이루는 도 1의 전기자 모듈과는 달리, 도 1의 전기자 모듈에서 자성체 링의 일부 원주 구간이 빠진 호(弧, Arc) 형상 또는 C자 형상의 자성체 코어에 적어도 선대칭(좌우 대칭)이 되도록 복수 개의 돌극이 영구 자석 모듈을 향해 돌출되고 각 돌극에 코일이 감긴 형태이다.

호는, 원의 일부인 원호(圓弧)가 될 수 있고, 원이 아닌 다각형 폐루프, 예를 들어 6각, 8각, 10각 링의 일부가 될 수도 있고, 다각형 호끼리의 결합 또는 다각형 호와 원호가 결합한 형태도 가능한데, 적어도 선대칭이 되게 하는 것이 유리하다.

가능하다면 복수 개의 돌극이 영구 자석 모듈의 중심을 기준으로 점대칭으로 배치되는 것이 돌극과 영구 자석 사이에 발생하는 자기 흡입력을 상쇄하는 데에 유리하고, 점대칭이 어려운 경우 좌우 방향 선대칭과 상하 방향 선대칭이 되도록 복수 개의 돌극을 배치하는 것이 유리하다.

또한, 영구 자석 모듈은 전기자 모듈에서 코일이 감긴 돌극의 개수와 동일한 극수의 영구 자석이 각각 대응되는 돌극에 대면하는 위치에 놓인 형상이다.

복수의 영구 자석 모듈로 구성되는 2차 부재는, 진행 방향으로 전 구간에 걸쳐 지지 기구(베이스)에 고정되거나 일정한 간격으로 지지 기구에 고정될 수 있고, 2차 부재를 고정하는 지지 기구 역할을 하는 베이스는 2차 부재를 중심으로 좌우에 진행 방향으로 정렬된 다수의 고정 볼트를 통해 바닥에 고정될 수 있다.

전기자 모듈과 영구 자석 모듈은 모든 돌극에 코일이 감긴 기본형 모델에서는, C 형상의 자성체의 중심에서 원주 방향으로 가장 먼 곳에 위치하는 돌극(P1 or P4)에서는 C 형상 자성체의 중심에서 가까운 이웃하는 돌극(P2 or P3)을 향해서만 흐르는 자속이 발생하게 되므로, 즉 돌극 P1(또는 P4)에서는 한쪽 방향으로만 자속의 폐루프가 형성되므로, 많은 양의 자속이 흐르게 할 수 없다.

따라서, 도 5의 오른쪽 그림과 같이, 전기자 모듈에서 C 형상의 자성체의 양쪽 말단에 코일을 감지 않은 보조 돌극(P0, P5)을 형성하고 영구 자석 모듈에서도 보조 돌극에 대응하는 위치에 보조 영구 자석을 형성하여(보조 돌극형 모델), 코일이 감긴 돌극 중에서 C 형상의 자성체의 중심에서 원주 방향으로 가장 먼 곳에 위치하는 돌극(P1 or P4)에도 양쪽 방향으로 자속의 폐루프가 형성될 수 있도록 할 수 있다. 이때, 영구 자석 모듈의 보조 영구 자석은 생략될 수도 있다.

한편, 제 1차 부재의 돌극과 제 2차 부재의 대응되는 영구 자석이 일정한 간격을 유지하면서 1차 부재가 진행 방향으로 이동할 수 있도록 1차 부재에는 롤러(Roller)가 2차 부재에는 가이드 레일(Guide Rail)이 형성될 수 있는데, 롤러와 가이드 레일 쌍이 선대칭 형태로 복수 개 형성될 수 있다. 롤러는 전기자 모듈 내의 돌극 사이에 형성되고, 마찬가지로 가이드 레일도 영구 자석 모듈 내의 영구 자석 사이에 형성된다.

도 6은 전기자 모듈에 인가되는 전원의 연결 방법에 대한 예를 도시한 것이다.

U상 전기자 모듈은 C 형상의 자성체로 구성되고 2차 부재를 향한 방향으로 다수의 돌극(도 6에서는 4개)이 돌출되어 있고, 각 돌극에는 같은 위상의 전류가 흐르는 코일 U1, U2, U3, U4가 감겨져 있다. V상 전기자 모듈과 W상 전기자 모듈도 U상 전기자 모듈과 같은 구조이다.

각 전기자 모듈에서 코일의 결선 방법으로는 설계 사양에 따라 직렬 연결, 병렬 연결, 직병렬 연결 등이 선택될 수 있다.

전기자 모듈의 각 돌극에 코일을 감는 방법으로는, 각 전기자 모듈의 코일에 같은 위상의 전류를 흘렸을 때 이웃하는 돌극끼리는 다른 자극이 형성될 수 있도록 코일을 감을 수 있다.

예를 들어, 코일 U1, U3을 시계 방향으로 감았다면 U2, U4는 반시계 방향으로 감을 수 있다. 물론, 코일 U1, U2, U3, U4 전부를 같은 방향으로 감고 나중에 리드(Lead) 선끼리 결선할 때 이웃하는 돌극끼리는 다른 자극이 형성되도록 결선할 수도 있다.

본 발명에서는, 10-2009-0090806과 10-2009-0099828에 기재된 선형 전동기의 동작 원리를 이용하되, 영구 자석 모듈을 포함하는 2차 부재의 무게를 줄이고 조립 효율을 높이는 변형 예를 제시한다.

도 1에서, 코일(3)이 감긴 돌극(2)에서 나온 자속은 대응되는 영구 자석(4)을 거쳐 요크(5)로 들어간 후 이웃하는 영구 자석(4)을 거쳐 이웃하는 돌극(2)으로 들어가는데, 자속의 흐름을 원활하게 하기 위하여 영구 자석(4)은 자성체인 요크(5)에 부착되거나 요크(5)에 매립시킬 수 있다. 하지만, 요크(5)가 자성체이므로 영구 자석 모듈의 무게를 줄이는 데에 한계가 있다.

즉, 도 1, 도 4, 및 도 5에서는, 코일이 감긴 돌극에서 나온 자속은 영구 자석, 요크, 이웃 영구 자석을 거쳐 이웃하는 돌극으로 흐르는 구조로, 자속이 흐르게 될 돌극과 이웃하는 돌극 사이에 2개의 영구 자석과 영구 자석을 고정하는 자성체인 요크가 놓이게 된다.

본 발명에 따른 선형 전동기에서는, 코일을 감은 돌극을 더 돌출시키고 영구 자석을 돌극과 돌극 사이에 배치하여, 돌극과 돌극 사이에 하나의 영구 자석만이 놓이면서도 자속의 흐름이 이어질 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 선형 전동기는 자속을 발생시키는 코일을 포함하는 1차 부재와 자속을 가로지르는 영구 자석을 포함하는 2차 부재를 포함하여 구성될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 선형 전동기의 단면과 영구 자석을 포함한 2차 부재를 도시한 것으로, 밀폐형 선형 전동기에 대한 도면이다.

1차 부재는 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈(50)로 구성되는데, 각 전기자 모듈(50)은 코어(51), 복수의 돌극(52) 및 코일(53)로 구성되고, 전기자 코어(51)는 각 돌극(52)을 연결하고, 각 돌극(52) 또는 각 돌극(52) 사이의 자성체 코어(51)에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(53)이 감기게 된다.

2차 부재는, 영구 자석(62)을 포함하는 복수의 영구 자석 모듈(61)과 각 영구 자석 모듈(61)이 연결되는 연결부(63)를 포함하여 구성되는데, 각 영구 자석 모듈(61)은, 상기 연결부(63)로부터 상기 전기자 모듈(50)의 코어(51)를 향해 돌출하여 두 돌극(52) 사이에 놓이고, 전동기의 진행 방향으로 복수의 영구 자석(62)이 극을 바꿔 가면서 배치될 수 있다.

각 전기자 모듈(50)에서 각 돌극(52)에 진행 자계가 형성되도록 코일(53)에 전류가 공급되는데, 돌극(52) 끝에 형성되는 전자극 및 이에 대응되는 영구 자석(62) 사이에 흡인력과 반발력에 의해 진행 추력이 발생하도록 적어도 하나의 전기자 모듈(50)의 코일(53)에는 다른 전기자 모듈(50)의 코일(53)과는 위상차를 갖는 전류가 공급될 수 있다.

1차 부재와 2차 부재 중 어느 하나는 고정자가 되어 지지 기구에 고정되고 나머지는 가동자가 되는데, 전기자 모듈(50)의 돌극(52)과 영구 자석 모듈(61)의 영구 자석(62) 사이에 일정한 공극이 유지되면서 가동자가 고정자와 상대적으로 진행한다.

각 전기자 모듈(50) 내에서 이웃하는 돌극(52)의 전자석 극성을 서로 다르게 하여 이웃하는 2개의 돌극(52) 쌍에 의해 자속 폐 루프가 형성되도록 함으로써, 전기자 모듈(50)의 두 돌극(52)과 이에 대응되는 영구 자석(62) 사이에 높은 밀도의 자속이 원활하게 흐를 수 있도록 한다. 도 7에서는 4개의 돌극(52)과 4개의 영구 자석(62)에 의해 4개의 자속 폐 루프가 형성되어 있다. 이를 위해, 각 전기자 모듈(50)마다 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(53)을 각 돌극(52) 또는 각 돌극(52) 사이의 코어(51)에 감되 각 전기자 모듈(50) 내에서 이웃하는 돌극(52)의 전자석 극성이 서로 다르게 되도록 권선 방향을 바꿔 가면서 감을 수 있다.

10-2009-0090806과 10-2009-0099828에 기재된 선형 전동기에서, 2차 부재는 진행 방향으로 소정 간격으로 배치된 다수의 영구 자석 모듈로 구성되고, 각 영구 자석 모듈에서 복수 개의 영구 자석이 원주 방향으로 배치되고 강자성체인 요크에 고정되고, 전기자 모듈의 돌극에서 나온 자속이 영구 자석, 요크, 이웃하는 영구 자석을 통해 흐르게 된다.

즉, 1차 부재뿐만 아니라 2차 부재도 진행 방향을 기준으로 모듈화되는데, 이는 가동자(또는 선형 전동기)의 진행 방향으로 자속이 흐르는 것을 막기 위한 것으로, 2차 부재의 영구 자석이 강자성체인 요크에 고정되기 때문이다.

본 발명은, 돌극에서 나온 자속이 하나의 영구 자석만을 거쳐 이웃하는 돌극으로 들어가는 구조로, 강자성체인 요크가 없기 때문에 2차 부재를 진행 방향을 기준으로 모듈화할 필요는 없고, 1차 부재만을 모듈화함으로써 진행 방향과 수직인 상태로 자속이 흐르는 자속 폐회로를 형성할 수 있다.

추진력의 발생 원리는 10-2009-0090806과 10-2009-0099828에 기재된 선형 전동기와 동일하므로, 2차 부재에서 진행 방향으로 같은 변위에 있는(진행 방향과 수직으로 자를 때 같은 단면에 있는) 영구 자석들은 이웃하는 영구 자석과 극이 바뀌면서 배치되어야 하고(도 2의 영구 자석 모듈 A(20A)에서 원주 방향의 기준 위치로부터 N-S-N-S 순서로 영구 자석이 배치되듯이), 원주 방향으로 같은 각도에 있는 영구 자석들(진행 방향으로 나열된 영구 자석들)도 이웃하는 영구 자석과 극이 바뀌면서 배치되어야 한다(도 2에서 영구 자석 모듈 A(20A)에는 원주 방향의 기준 위치로부터 N-S-N-S 순서로 영구 자석(4)이 배치될 때 영구 자석 모듈 A(20A)에 이웃하는 영구 자석 모듈 B(20B)에는 반대의 극성인 S-N-S-N 순서로 영구 자석(4)이 배치되듯이). 또한, 돌극에서 나온 자속이 요크 없이 영구 자석을 거쳐 이웃하는 돌극으로 바로 들어가기 때문에, 영구 자석은 자속이 흐르는 이웃하는 두 돌극 사이로 돌출되어야 하고 영구 자석의 자화 방향은 두 돌극을 향해야 한다.

도 7의 왼쪽 전동기의 단면을 나타내는 도면에서, 이웃하는 두 돌극(52)을 향해(원주 방향으로) 자화된 영구 자석(62)이 코어(51)를 향하여 돌극(52) 사이로 돌출하고 있는데(4개의 영구 자석(62)이 방사상으로 퍼져서), 원주 방향을 기준으로 45도에서부터 반시계 방향으로 진행하면서 S/N, N/S, S/N, N/S의 자화 방향을 갖는 4개의 영구 자석(62)이 차례로 배치되어 있다. 또한, 코어(51)를 향하여 방사상으로 돌출한 4개의 영구 자석(62)은 단면이 원 형태인 연결부(63)에 연결되어 있다.

또한, 도 7의 오른쪽 2차 부재를 나타내는 도면에서, 원주 방향으로 같은 각도에 있는 영구 자석들(62)은 진행 방향을 따라 N극과 S극이 교대로 바뀌고 있고, 원주 방향으로 같은 각도에 있는 영구 자석들(62)은 하나의 영구 자석 모듈(61)에 고정된 상태로 단면이 원이고 진행 방향으로 긴 봉 형태의 연결부(63)에 연결되어 있다. 상기 연결부(63)의 단면은 원에 한정되지 않는다.

원주 방향으로 같은 각도에 있는 영구 자석들(62)은, 개별적으로 연결부(63)에 고정될 수도 있으나, 도 7의 2차 부재와 같이 하나의 영구 자석 모듈(61)에 고정되고, 영구 자석 모듈(61)은 연결부(63)에 연결될 수 있다.

도 7의 전동기 단면은, 원형 링 형상의 코어(51)를 갖는 전기자 모듈(50)에 4개의 돌극(52)이 있고 각 돌극(52) 사이에 4개의 영구 자석(62)이 돌출하고 있는 구조로, 4개의 영구 자석(62)은 각각 대응하는 4개의 영구 자석 모듈(61)에 고정된다. 도 7과 같이 밀폐형 전기 전동기에서, 코어(51)의 형상은 원형 링에 한정되지 않고 폐회로를 이루는 사각형 모양, 팔각형 모양 등의 사각 링, 팔각 링 등도 가능하고, 원형이 아닌 점대칭 또는 선대칭 형태의 다각형도 가능하고, 이웃 전기자 모듈과의 결합을 쉽게 하기 위하여 코어(51)의 귀퉁이나 돌극(52) 말단에 관통 구멍을 형성할 수도 있다.

또한, 고용량, 고속 등과 같이 많은 자속이 필요하여 전동기의 단면적을 키워야 할 경우, 돌극을 6개 또는 8개 등 2의 배수로 하고 또한 돌극과 같은 개수의 영구 자석 모듈을 갖는 전동기로 변형이 가능하다.

돌극과 영구 자석 사이에 자속이 흐를 때, 돌극과 영구 자석 사이 간격이 좁고, 자속이 돌극과 영구 자석 표면에 직각으로 흐르고, 돌극과 영구 자석 사이 간격이 돌극과 영구 자석이 접하는 표면 전체에서 일정해야 자속 누설을 줄일 수 있다. 돌극과 영구 자석 사이의 간격은 선형 전동기의 정밀도, 속도, 하중 등을 고려하여 결정될 수 있고, 자속이 표면에 직각으로 흐를 수 있도록 영구 자석의 자화 방향이 결정될 수 있다.

또한, 돌극과 영구 자석 사이 간격이 돌극과 영구 자석이 접하는 표면 전체에서 일정할 수 있도록, 도 7과 같이 원형 링 형상의 코어(51)로부터 돌출한 돌극(52)에서, 코어(51)에서 가까운 부분에 코일(53)이 감기고 코어(51)에서 먼 단부를 부채꼴 형상으로, 즉 돌극(52)의 단부에서 코어(51)에서 가까운 부분의 호(Arc)가 코어(51)에서 먼 부분의 호보다 길게 하고 영구 자석(62)과 접하는 부분은 두 호의 끝을 직선으로 연결하여 영구 자석(62)과 나란하게 하는 것이 유리하다.

원주 방향으로 같은 각도에 있는 영구 자석들(62)을 고정하는 영구 자석 모듈(61)은 비자성체로 이루어지고, 진행 방향으로 영구 자석(62)을 고정할 수 있는 복수의 개구가 형성된다. 영구 자석(62)을 영구 자석 모듈(61)의 개구에 고정하는 데에는 종래의 어떠한 방법을 사용해도 무방하다.

2차 부재의 연결부(63)에는 영구 자석 모듈(61)을 연결하여 고정하기 위한 복수의 홈부가 진행 방향으로 길게 형성되고, 영구 자석 모듈(61)에도 연결부(63)의 홈부에 끼우기 위한 돌출부가 진행 방향으로 길게 형성되어, 영구 자석 모듈(61)의 돌출부를 연결부(63)의 홈부에 끼워 미는 슬라이딩 방식으로 결합할 수 있다.

진행 방향으로 추력이 발생하는 원리는 도 3에 도시한 것과 동일하다. 예를 들어 3개의 전기자 모듈(50U, 50V, 50W)에 2개의 영구 자석(62) 세트(여기서 세트는 2차 부재에서 진행 방향으로 같은 위치에 있는 영구 자석(62) 전체를 가리킴)를 대응시키는 경우, 도 3의 위쪽 그림과 같은 전기자 모듈 3상과 영구 자석 2극의 조합이 된다. 전기자 모듈의 수 S와 2(N극과 S극)의 배수인 진행 방향으로의 영구 자석의 수 P의 조합이 추력을 발생시키는 기본 단위가 되고, 이에 대해서는 도 3과 그에 대한 설명에 충분히 설명되어 있다.

도 8은 진행 방향으로 극을 바꿔가면서 복수의 영구 자석(62)이 장착된 영구 자석 모듈(61)을 도시한 것으로, 전기자 모듈(50)의 돌극(52)에서 나온 자속 또는 돌극(52)으로 들어가는 자속이 지나가는 영구 자석(62)의 단면이 직사각형인 예와 평행 사변형인 예를 도시하고 있다.

돌극(52)과 영구 자석(62)을 통과하는 자속의 양은, 돌극(52)에서 나오거나 돌극(52)로 들어가는 자속의 분포가 일정하다고 할 때, 돌극(52)의 표면과 영구 자석(50)의 표면이 서로 겹치는 부분의 면적에 비례하게 된다. 추진력은 자속의 변화에 의해 발생하는데, 예를 들어 2차 부재가 가동자로 진행 방향으로 이동하는 경우, 영구 자석(62)이 이동하는 동안 돌극(52)과 영구 자석(62)을 통과하는 자속의 양은 돌극(52)과 영구 자석(62)의 표면을 컨벌류션(convolution)한 결과가 되고, 도 8의 오른쪽에 도시되어 있다.

영구 자석(62)을 향한 돌극(52)의 표면을 직사각형(가로가 진행 방향이고 세로가 도 7의 왼쪽 단면에서 내외주 방향)으로 가정할 때, 직사각형 표면의 영구 자석(62)이 진행 방향으로 이동하면서 돌극(52)의 직사각형 표면과 겹치는 부분의 면적은 도 8의 오른쪽 위 그림과 같이 사다리꼴이 되어, 두 표면이 겹치기 시작할 때, 두 표면이 완전히 겹칠 때, 완전히 겹친 두 표면이 겹치지 않는 부분이 발생하기 시작할 때, 일부 겹친 두 표면이 전혀 겹치지 않게 될 때 매끄럽지 않게 연결되는 점(두 직선이 만나는 점)이 발생한다.

즉, 추진력은 자속의 변화, 즉 돌극(52)과 영구 자석(62) 표면이 겹치는 면적의 변화에 비례하고, 돌극(52)과 영구 자석(62) 표면이 겹치는 면적을 미분한 값이 추진력과 관계가 있으므로, 도 8의 오른쪽 위 그림과 같이 매끄럽게 연결되지 않는 점이 있는 경우 그 점에서 추진력에 갑작스런 변화가 발생하고 리플(ripple)을 일으킬 수 있다.

하지만, 평행 사변형 표면의 영구 자석(62)이 진행 방향으로 이동하면서 돌극(52)의 직사각형 표면과 겹치는 부분의 면적은, 도 8의 오른쪽 아래 그림과 같이 전체적으로는 사다리꼴 형상이지만 선과 선이 매끄럽게 연결되어 리플의 발생을 줄일 수 있다.

2차 부재에서, 각 영구 자석 모듈(61)에 고정된 영구 자석(62)은 이웃하는 영구 자석 모듈(61)에 있는 대응하는 영구 자석(62)과 그 극을 달리해야 하기 때문에 다른 영구 자석 모듈(61)에 있는 대응하는 영구 자석(62)과 진행 방향으로 동일한 위치에 놓이는 것으로 가정하고 있다. 즉, 도 9에서 영구 자석 모듈 A(61A)에서 영구 자석의 위치 오프셋(OFF_A)과 다른 영구 자석 모듈 B, C, D(61B, 61C, 61D)의 위치 오프셋(OFF _B, OFF _C, OFF _D)이 같은 값이 된다.

이 경우, 2차 부재가 진행 방향으로 이동하면서 돌극(52)과 영구 자석(62)의 표면이 겹칠 때 매끄럽게 연결되지 않는 점(도 8의 오른쪽 위 그림과 같은 점들)이 같은 시간에 발생하여 리플을 증가시킬 수 있다.

이러한 문제를 완화하기 위하여, 영구 자석의 위치 오프셋을 각 영구 자석 모듈(61)마다 서로 다르게 또는 적어도 하나 이상의 영구 자석 모듈(61)에 대해서 다르게 조절할 수 있는데, 이 경우에도 이웃하는 영구 자석 모듈(61)에 있는 대응하는 영구 자석(62)과 그 극을 달리해야 하기 때문에, 하나의 영구 자석(62)의 폭(진행 방향으로의 길이)에 비해 작은 값을 영구 자석의 위치 오프셋으로 해야 한다. 영구 자석(62)의 폭이 L이라 할 때, OFF _A, OFF _B, OFF _C, OFF _D를 예를 들어, 그 절대 값이 0.1L보다 작은 범위 내에서 적어도 하나 또는 둘 이상이 다른 값을 갖도록 하여, 도 8의 오른쪽 위 그림과 같은 매끄럽게 연결되지 않는 점이 같은 시간에 중복 발생하지 않도록 하여 리플이 커지는 것을 막을 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 개방형 선형 전동기에 대한 도면으로, 2차 부재의 길이가 긴 장거리 이송 장치에 적용하기 위해 도 7의 선형 전동기를 변형한 예이다.

도 10의 개방형 선형 전동기는 도 7의 선형 전동기와 거의 동일한데, 길이가 긴 2차 부재가 지지 기구에 연결될 수 있도록, 전기자 모듈(50)의 코어(51) 형상이 폐회로를 이루는 링 모양에서 링의 원주 구간 일부가 빠진 호(Arc) 형상 또는 C자 형상으로 바뀐 점, 코어(51)에 돌극(52)이 점대칭 형태로 배치되는 대신 좌우 선대칭을 이루도록 돌극(52)이 배치될 수 있는 것이 다르다. 따라서, 도 5 및 이에 대한 설명에 기재된 전기자 모듈의 코어와 돌극에 대한 설명은 도 10의 실시예에도 그대로 적용될 수 있다.

도 7의 밀폐형 선형 전동기에서는 전기자 모듈(50)의 돌극(52)이 4 이상의 짝수이고 영구 자석 모듈(61)의 개수가 돌극(52)의 개수와 같아야 하지만, 개방형 선형 전동기에서는 전기자 모듈(50)의 돌극(52)은 3 이상의 짝수 홀수 상관없고 영구 자석 모듈(61)의 개수가 돌극의 개수보다 작게 되는 점이 다르다. 도 10은 5개의 돌극(52)과 4개의 영구 자석 모듈(61)을 갖는 실시예이고, 도 11에는 3개의 돌극(52)과 2개의 영구 자석 모듈(61), 4개의 돌극(52)과 3개의 영구 자석 모듈(61)의 실시예가 도시되어 있다.

홀수 개의 돌극을 전기자 모듈에 배치하는 경우, 하나의 돌극을 제외하고 나머지 짝수 개의 돌극은 가능한 범위 내에서 좌우 방향 선대칭이 되도록 배치할 수 있다.

또는, 홀수 개의 돌극을 전기자 모듈에 배치하는 경우, 하나의 돌극을 제외한 나머지 짝수 개의 돌극을 좌우 방향 대칭으로 배치하여 자기 흡입력의 좌우 방향 성분이 서로 상쇄되도록 하되(상기 하나의 돌극은 좌우 방향 성분의 자기 흡입력이 발생하지 않는 위치에 배치함), 하나의 돌극을 제외한 나머지 짝수 개의 돌극에 의해 발생하는(정확히는 돌극과 이에 대응되는 영구 자석 사이에 발생하는) 자기 흡입력의 상하 방향 성분이 상기 하나의 돌극에서 발생하는 상하 방향 성분만이 있는 자기 흡입력을 최대한 상쇄할 수 있도록 하는 위치에 배치할 수도 있다.

또는, 각 돌극과 이에 대응하는 영구 자석 사이에 발생하는 자기 흡입력이 서로 상쇄될 수 있도록, 돌극들의 위치뿐만 아니라 각 돌극에 감기는 코일의 권선 수, 각 돌극에 대응되는 영구 자석의 세기 등을 조절할 수도 있다.

1차 부재에서 각 전기자 모듈 사이에 일정 간격을 유지하기 위하여, 도 12와 같이, 각 전기자 모듈에서 하나 이상 돌극(가능하면 대칭되는 위치의 돌극)의 말단에 소정 모양의 홈을 파고, 홈에 대응되는 모양의 돌출부를 갖고 전기자 모듈 사이의 거리만큼 돌출부가 이격된 스페이서를 이용하여 각 전기자 모듈을 결합할 수 있다.

또는, 도 13과 같이, 각 전기자 모듈에서 코어 및/또는 하나 이상의 돌극(가능하면 대칭되는 위치의 돌극)의 말단에 구멍을 뚫고, 구멍이 뚫린 스페이서와 관통 볼트를 이용하여 전기자 모듈들을 결합함으로써, 각 전기자 모듈 사이에 일정 간격을 유지하도록 할 수 있다.

또한, 도 14와 같이, 진행 방향에 수직으로 자른 2차 부재의 단면에 대응하도록 홈이 파인 단부 고정자 또는 브라킷을 2차 부재의 양끝에 배치하여, 영구 자석 모듈(61)이 흔들리지 않도록 안정하게 고정되게 할 수 있다.

도 15는 도 10의 개방형 선형 전동기를 변형한 실시예이다. 도 15에서, 도 10의 C자 모양의 전기자 모듈(50) 코어(51)를 펼쳐서 직선 형태로 바꾸었고, 이에 따라 돌극(52)도 코어(51)에서 직각으로 돌출하고 이웃하는 돌극(52)과 나란히 배치되어 있다. 또한, 2차 부재의 영구 자석(62)도 나란히 놓인 두 돌극(52) 사이로 직선 형태의 코어(51)를 향해 돌출한다. 진행 방향으로 나열된 복수의 영구 자석(62)은 영구 자석 모듈(61)에 고정될 수 있는데, 돌극(52) 사이의 영구 자석 모듈들(61)이 서로 나란히 배열되기 때문에, 일종의 지지 기구인 베이스가 복수의 영구 자석 모듈(61)을 연결하기 위한 연결부(63)의 역할을 하여, 즉 베이스와 연결부(63)가 일체화되어 복수의 영구 자석 모듈(61)이 바로 베이스에 고정될 수 있다.

코일(53)은, 도 15와 같이 각 돌극(52)에서 코어(51)에 가까운 곳(코어(51)를 향해 돌출한 영구 자석(62)이 미치지 않은 위치)에 권선되거나, 도 16과 같이 두 돌극(52) 사이 코어(51)에 권선될 수도 있다.

도 10의 선형 전동기의 경우, 전기자 모듈(60)에서 돌극(52)이 돌출 각도가 돌극(52)마다 달라 금형 제작에 비용이 많이 들고 정밀도를 올리는 데 한계가 있게 된다. 하지만, 도 15와 도 16의 선형 전동기는 각 전기자 모듈(50)에서 코어(51)와 돌극(52)이 직각을 이루고, 베이스와 영구 자석 모듈(61)도 직각을 이루고 있으므로, 제조 정밀도를 올릴 수 있고 금형 비용도 절감할 수 있다.

도 17은 본 발명에 따른 선형 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다. 도 17에서 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 컨버터와 모터 구동에 필요한 전류를 생성하는 인버터를 포함하여 구성될 수 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.

1, 51: 코어 2, 52: 돌극
3, 53: 코일 4, 62: 영구 자석
5: 요크 6: 스페이서
7: 단부 고정자 10, 30, 50: 전기자 모듈
20, 40, 61: 영구 자석 모듈 63: 연결부

Claims (17)

1차 부재와 2차 부재를 포함하여 구성되는 선형 전동기에서,
상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고, 상기 2차 부재는 하나 이상의 영구 자석 모듈을 포함하고,
각 전기자 모듈은, 자성체 코어, 상기 자성체 코어로부터 같은 방향으로 돌출하고 상기 영구 자석 모듈의 개수보다 하나 많은 복수의 돌극 및 각 돌극에 감기고 같은 위상의 전류가 흐르는 코일로 구성되고,
상기 영구 자석 모듈은, 상기 자성체 코어를 향해 돌출하여 두 돌극 사이에 놓이고, 선형 전동기의 진행 방향으로 복수의 영구 자석이 극을 바꿔 가면서 배치되고,
진행 자계에 의한 추력이 생성되도록 소정의 위상 차를 갖는 전원이 각 전기자 모듈의 코일에 인가되고,
상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재 중 어느 하나가 가동자가 되고 다른 하나가 고정자가 되어 상기 생성되는 추력에 의해 서로 상대적으로 이동하는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감기고, 상기 2차 부재에서 상기 진행 방향으로 같은 위치에 있는 각 영구 자석은 이웃하는 영구 자석과 서로 다른 극으로 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 영구 자석 모듈에서 영구 자석의 자화 방향은 대응되는 두 돌극을 향한 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 영구 자석 모듈에서 자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 직사각형 또는 평행 사변형인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
적어도 하나 이상의 영구 자석 모듈의 영구 자석의 진행 방향으로의 위치 오프셋이 다른 영구 자석 모듈의 위치 오프셋과 다르되, 상기 영구 자석의 진행 방향으로의 폭보다 작은 소정 범위에서 다른 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 2차 부재는 상기 하나 이상의 영구 자석 모듈을 연결하는 연결부를 더 포함하고, 상기 연결부에는 영구 자석 모듈을 고정하기 위한 복수의 홈부가 진행 방향으로 길게 형성되고, 각 영구 자석 모듈에는 연결부의 홈부에 끼우기 위한 돌출부가 진행 방향으로 길게 형성되어, 상기 영구 자석 모듈의 돌출부와 상기 연결부의 홈부가 슬라이딩 방식으로 결합되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

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제 1항에 있어서,
상기 1차 부재 또는 상기 2차 부재의 길이는 상기 진행 방향으로 배치된 S개의 전기자 모듈과 상기 진행 방향으로 배치된 2의 배수인 P개의 영구 자석으로 이루어지는 한 단위의 길이보다 길고, 상기 S개는 상기 소정의 위상 차를 결정하는 상수의 배수 중 하나로 결정되고, 상기 상수는 3 이상의 홀수인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

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제 1항에 있어서,
상기 전기자 모듈의 자성체는 성층되는 형태인 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 돌극과 이에 대응되는 영구 자석이 일정한 공극을 유지한 상태로 상기 가동자가 이동하도록 하는 안내 기구를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 선형 전동기.

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