KR20130008725A - 전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전동기에 관한 것이다. 1차 부재 및 2차 부재를 포함하여 구성되는 전동기에서, 상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고, 각 전기자 모듈은, 자성체 코어, 상기 자성체 코어로부터 돌출하는 복수 개의 돌극 및 코일로 구성되고, 일부 또는 모든 돌극 또는 돌극 사이의 자성체 코어에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고, 복수의 영구 자석을 포함하는 상기 2차 부재에서, 각 영구 자석은 진행 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다르고 진행 방향과 수직인 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다르고, S개의 전기자 모듈과 진행 방향으로 P개의 영구 자석을 한 단위로 하여 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 이동하고, 상기 복수의 전기자 모듈은 같은 위상 또는 반전된 위상의 전원이 공급되는 전기자 모듈들이 하나로 묶여 서로 이격되는 S개의 전기자 모듈 그룹을 형성하고, 각 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격이 조절될 수 있다.

Description

전동기 {Motor}

본 발명은 코깅(Cogging) 현상을 줄이기 위한 전동기로서, 선형 전동기 원리를 이용하는 전동기에 관한 것이다.

일반적으로 선형 전동기, 즉 리니어 모터는 직선 모양으로 면하는 가동자 및 고정자 사이에 추력(推力)을 발생시키는 구조로 되어 있다. 영구 자석형 선형 전동기는 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 선형 전동기는, 회전 모터를 전개하여 직선상에 펼쳐 배치한 구조로 인하여, 전기자 코어의 돌극과 영구 자석 간에는 강력한 자기 흡인력이 발생하여 시스템의 정밀도가 떨어지고, 일정한 공극을 유지하는 안내 기구의 마모가 심하게 되고, 전기자 코어에 가동자의 진행 방향과 동일한 방향으로 자속이 흘러 모터 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수밖에 없다.

고정자와 가동자의 상대 위치 변화로 토크가 변동하는 현상을 코깅이라고 한다. 즉, 코깅은 전기자 모듈에 전류가 인가되지 않을 때 전기자 모듈의 돌극이 영구 자석과의 상대적 위치에 따라 받는 힘에 의해 결정된다. 도 1에서 도시한 바와 같이, 돌극이 A와 E위치(영구 자석과 정렬된 위치) 및 C 위치(진행 방향으로 놓인 두 영구 자석의 중간 위치)에 있을 때에는 진행 방향으로 어떠한 힘도 받지 않지만, 돌극이 A와 C의 중간인 B 위치와 C와 E의 중간인 D 위치에 있을 때에는 진행 방향으로 놓인 두 영구 자석에 의해 흡인력과 반발력이 발생하여 돌극을 진행 방향으로 또는 반대 방향으로 이동시키는 힘이 발생한다. 즉, 극을 달리하면서 나열되는 영구 자석이 N극(또는 S극)에서 다음 N극(또는 S극)까지를 한 주기라 할 때, 코깅은 영구 자석의 1/2 주기로 발생한다.

특히 선형 전동기의 경우, 복수의 전기자 모듈을 포함하는 1차 부재의 양쪽 끝 부분에 위치하는 철심(코어 또는 돌극)과 영구 자석 사이에 자기력에 의한 힘이 발생하는데 이를 단부 디텐트 힘(End detent force)이라 하고, 1차 부재의 가운데 부분에서 철심과 영구 자석 사이에 발생하는 힘을 치 디텐트 힘(Teeth detent force)이라 한다. 단부 디텐트 힘은 선형 전동기의 특수한 구조에 의한 것으로 이동자와 고정자의 길이 차이에 의해 발생하고, 전동기의 추진력에 리플의 형태로 영향을 미치는데, 전동기를 작동할 때 진동으로 나타날 수도 있고, 고속으로 동작하는 전동기에서는 운전의 안정성에 문제를 줄 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 선형 전동기 원리를 이용하면서 효율이 높은 전동기를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 코깅을 줄일 수 있는 전동기를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기는, 1차 부재 및 2차 부재를 포함하여 구성되고, 상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고, 각 전기자 모듈은, 자성체 코어, 상기 자성체 코어로부터 돌출하는 복수 개의 돌극 및 코일로 구성되고, 일부 또는 모든 돌극 또는 돌극 사이의 자성체 코어에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고, 복수의 영구 자석을 포함하는 상기 2차 부재에서, 각 영구 자석은 진행 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다르고 진행 방향과 수직인 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다르고, S개의 전기자 모듈과 진행 방향으로 P개의 영구 자석을 한 단위로 하여 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 이동하고, 상기 복수의 전기자 모듈은 같은 위상 또는 반전된 위상의 전원이 공급되는 전기자 모듈들이 하나로 묶여 서로 이격되는 S개의 전기자 모듈 그룹을 형성하고, 각 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격이 조절되는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격은, 일정할 수 있는데, 진행 방향으로 배치되는 영구 자석의 간격보다 넓거나 좁을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전동기는, 상기 전기자 모듈 그룹 내에서 상기 전기자 모듈 사이의 간격을 고정하기 위한 제 1 스페이서; 및 상기 전기자 모듈 그룹 사이의 간격을 고정하기 위한 제 2 스페이서를 더 포함하여 구성될 수 있다.

일 실시예에서, 각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감긴다.

일 실시예에서, 상기 2차 부재는 진행 방향을 따라 극을 바꿔가면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈을 하나 이상 포함하고, 각 영구 자석 모듈은 상기 자성체 코어를 향해 돌출하여 두 돌극 사이에 놓일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자석 모듈은 원반 형상 또는 원통 형상일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 영구 자석의 자화 방향은 대응되는 두 돌극을 향할 수 있다.

일 실시예에서, 자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 직사각형, 평행 사변형, 원형 또는 타원형일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 전기자 모듈에서, 둘 이상의 돌극이 상기 자성체 코어로부터 같은 방향으로 돌출하고, 상기 영구 자석 모듈의 개수는 상기 돌극의 개수보다 하나 작을 수 있다.

일 실시예에서, 상기 2차 부재는 진행 방향과 수직인 방향으로 극을 바꿔가면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하는 복수의 영구 자석 모듈을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 자성체 코어는 폐 회로를 이루는 형상이거나 한쪽이 열린 호 형상이고, 상기 영구 자석 모듈에 포함되는 영구 자석의 개수는 상기 전기자 모듈에 포함되는 돌극의 개수와 같을 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 전동기는, 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, 전동기의 기본 단위를 높일 때 발생하는 열 변형, 코깅 증가 등을 감소시키고, 선형 전동기의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 전기자 모듈에 입력되는 입력 전원 관리를 손쉽게 할 수 있다.

도 1은 전기자 모듈의 돌극이 영구 자석과의 상대적 위치에 따라 발생하는 코깅을 설명하는 것이고,
도 2는 단부 디텐트 힘의 발생 현상을 도시한 것이고,
도 3은 본 발명의 출원인의 의해 출원된 출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 개방형 선형 전동기를 도시한 것이고,
도 4는 도 3의 선형 전동기에서 3개 상의 전기자 모듈과 복수의 영구 자석의 조합에 의해 직선 방향의 추력이 발생하는 원리를 도시한 것이고,
도 5는 도 3의 선형 전동기에서 자속이 지나가는 영구 자석의 단면이 직사각형인 예와 평행 사변형인 예를 도시한 것이고,
도 6은, 도 3에 도시된 전동기와 같은 원리를 적용하여 돌극이 3개인 전기자 모듈 9개를 사용하는 전동기를 도시한 것이고,
도 7은 기본 단위 (S, P)=(9, 8)인 전동기에서 연속으로 배치되는 전기자 모듈(돌극)과 자석과의 상대적 위치를 도시한 것이고,
도 8은 1차 부재에서 9개의 전기자 모듈을 분산시켜 배치하고 전기자 모듈 사이의 간격을 변화시키는 본 발명의 일 실시예를 도시한 것이고,
도 9는 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w와 영구 자석과의 상대적 위치 및 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w를 같은 방향으로 이동시키기 위해 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w에 인가되는 3상 전류를 도시한 것이고,
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기에서 분산 배치되는 전기자 모듈과 영구 자석의 상대적 위치를 도시한 것이고,
도 11은 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u가 영구 자석과 상대적으로 동일한 위치에 놓였을 때 발생하는 코깅의 크기를 도시한 것이고,
도 12는 전기자 모듈 u와 영구 자석과의 상대적으로 위치를 변경하여 코깅의 크기를 줄이는 것을 도시한 것이고,
도 13은 기본 단위 (S, P)=(6, 5)를 사용하는 전동기에서 연속으로 배치되는 전기자 모듈과 자석과의 상대적 위치를 도시한 것이고,
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 6개의 전기자 모듈로 구성되는 전동기에서 분산 배치되는 전기자 모듈과 영구 자석의 상대적 위치를 도시한 것이고,
도 15는 기본 단위 (S, P)=(12, 10)를 사용하는 전동기에서 연속으로 배치되는 전기자 모듈과 자석과의 상대적 위치를 도시한 것이고,
도 16과 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따라 12개의 전기자 모듈로 구성되는 전동기에서 분산 배치되는 전기자 모듈과 영구 자석의 상대적 위치를 도시한 것이고,
도 18 내지 도 20은, 도 3의 선형 전동기와 동작 원리가 동일하고 본 발명의 출원인의 의해 이미 출원된 선형 전동기의 구조를 도시한 것이고,
도 21은 영구 자석이 원주를 따라 나열되는 원반 형상의 영구 자석 모듈을 도시한 것이고,
도 22는 9개의 전기자 모듈과 2개의 원반 형상의 전기자 모듈로 구성되고 선형 전동기 원리를 이용하여 회전 운동을 발생시키는 전동기를 도시한 것이고,
도 23은 9개의 전기자 모듈과 2개의 납작한 반지 형상 또는 원통형의 전기자 모듈로 구성되고 선형 전동기 원리를 이용하여 회전 운동을 발생시키는 전동기를 도시한 것이고,
도 24는 본 발명에 따른 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다.

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

본 발명의 출원인은, 진행 방향으로 일렬로 배치되는 다수의 전기자 모듈로 구성되는 1차 부재 및 진행 방향으로 극을 바꾸면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 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 기재된 선형 전동기 중에서 도 3과 같은 개방형 선형 전동기에서, 전기자 모듈의 코어는 2차 부재인 영구 자석 모듈을 둘러싸기 위한 C자 형상이 아니라, 예를 들어 직선 형태이고, 복수의 돌극은 코어로부터 같은 방향으로, 예를 들어 직각으로 돌출한 형태이고, 2차 부재의 하나 이상의 영구 자석 모듈도 나란히 놓인 두 돌극 사이로 코어를 향해 돌출한 형태를 하고 있다.

출원 번호 KR 10-2010-0081522과 KR 10-2010-0129947에 기재된 다른 선형 전동기는 전기자 모듈의 코어에서 돌극의 돌출 각도가 서로 달라 금형 제작에 비용이 많이 들고 정밀도를 올리는 데 한계가 있지만, 도 3의 선형 전동기는 각 전기자 모듈에서 모든 돌극이 코어와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이루고, 각 영구 자석 모듈도 베이스와 같은 각도, 예를 들어 직각을 이룬 상태로 고되고 있으므로, 제조 정밀도를 올릴 수 있고 금형 비용도 절감할 수 있다.

먼저 본 발명이 적용되는 선형 전동기의 동작 원리를 설명하는데, KR 10-2010-0081522에 기재된 개방형 선형 전동기를 도 3을 참고하여 설명한다.

도 3에서 선형 전동기는 자속을 발생시키는 코일을 포함하는 1차 부재와 자속을 가로지르는 영구 자석을 포함하는 2차 부재를 포함하여 구성될 수 있다.

1차 부재는 분리된 상태로 진행 방향에 따라 배치되는 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는데, 각 전기자 모듈(10)은 자성체 코어(11), 2개 이상의 돌극(12) 및 코일(13)로 구성되고, 이웃하는 전기자 모듈(10)과의 간격을 유지하고 고정하기 위한 조립 구멍(14)이 뚫릴 수 있다. 자성체 코어(11)는 같은 방향으로 돌출하고 이웃하는 돌극(12)과 나란히 배치되는 각 돌극(12)을 연결하는 요크 역할을 하고 돌극(12)과 같은 재질이고, 각 돌극(12)에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(13)이 감기게 된다.

2차 부재는, 복수의 영구 자석(21)을 포함하는 하나 이상의 영구 자석 모듈(20)로 구성되는데, 각 영구 자석 모듈(20)은 전기자 모듈(10)의 코어(11)를 향해 돌출하여 나란히 놓인 두 돌극(12) 사이에 놓이고, 전동기의 진행 방향으로 복수의 영구 자석(21)이 극을 바꿔가면서 배치될 수 있다. 영구 자석 모듈(20)은 일종의 지지 기구인 베이스(22)에 고정될 수 있다.

각 전기자 모듈(10)에서 각 돌극(12)에 진행 자계가 형성되도록 코일(13)에 전류가 공급되는데, 돌극(12) 끝에 형성되는 전자극 및 이에 대응되는 영구 자석(21) 사이에 흡인력과 반발력에 의해 진행 추력이 발생하도록 적어도 하나의 전기자 모듈(10)의 코일(13)에는 다른 전기자 모듈(10)의 코일(13)과는 위상 차를 갖는 전류가 공급될 수 있다.

1차 부재와 2차 부재 중 어느 하나는 고정자가 되어 고정되고 나머지는 가동자가 되는데, 전기자 모듈(10)의 돌극(12)과 영구 자석 모듈(20)의 영구 자석(21) 사이에 일정한 공극이 유지되면서 가동자가 고정자와 상대적으로 진행한다.

각 전기자 모듈(10) 내에서 이웃하는 돌극(12)의 전자석 극성을 서로 다르게 하여 2개의 돌극(12) 쌍에 의해 자속 폐 루프가 형성되도록 함으로써, 전기자 모듈(10)의 두 돌극(12)과 이에 대응되는 영구 자석(21) 사이에 높은 밀도의 자속이 원활하게 흐를 수 있도록 한다. 이를 위해, 각 전기자 모듈(10)마다 같은 위상의 전류가 흐르는 코일(13)을 각 돌극(12)에 감되 이웃하는 두 돌극(12)의 전자석 극성이 서로 다르게 되도록 권선 방향을 바꿔 가면서 감을 수 있다. 또는, 코일(13)을 각 돌극(12) 사이 코어(11)에만 감을 수 있는데, 역시 이웃하는 두 돌극(12)의 전자석 극성이 서로 다르게 되도록 권선 방향을 바꿔 가면서 감아야 한다.

코일(13)을 돌극(12)에 감는 경우, 돌극(12)과 대응하는 영구 자석(21)이 접하는 면적이 넓어지도록, 코어(11)에서 돌출되는 돌극(12)에서 코어(11)에 가까운 부분(코어(11)를 향해 돌출한 영구 자석(21)이 미치지 않은 위치)에 코일(13)을 감을 수 있다.

추진력의 발생을 위해서, 2차 부재에서 진행 방향으로 같은 변위에 있는(진행 방향과 수직으로 자를 때 같은 단면에 있는) 영구 자석(21)은 이웃하는 영구 자석(21), 즉 이웃하는 다른 영구 자석 모듈(20)에서 가장 가까운 영구 자석(21)과 극이 바뀌면서 배치되어야 하고, 영구 자석 모듈(20) 내에서도 이웃하는 영구 자석(21)끼리도 서로 극이 바뀌면서 배치되어야 한다. 한 돌극(12)에서 나온 자속이 영구 자석(21)을 거쳐 이웃하는 다른 돌극(12)으로 바로 들어가기 때문에, 영구 자석(21)은 자속이 흐르는 두 돌극(12) 사이로 돌출되어야 하고 영구 자석(21)의 자화 방향은 이웃하는 두 돌극(12)을 향해야 한다.

돌극(12)과 영구 자석(21) 사이에 자속이 흐를 때, 돌극(12)과 영구 자석(21) 사이 간격이 좁고, 자속이 돌극(12)과 영구 자석(21) 표면에 직각으로 흐르고, 돌극(12)과 영구 자석(21) 사이 간격이 돌극(12)과 영구 자석(21)이 접하는 표면 전체에서 일정해야 자속 누설을 줄일 수 있다. 돌극(12)과 영구 자석(21) 사이의 간격은 선형 전동기의 정밀도, 속도, 하중 등을 고려하여 결정될 수 있고, 자속이 표면에 직각으로 흐를 수 있도록 영구 자석(21)의 자화 방향이 결정될 수 있다.

영구 자석(21)을 고정하는 영구 자석 모듈(20)은 비자성체로 이루어지고, 진행 방향으로 영구 자석(21)을 고정할 수 있는 복수의 개구가 형성된다. 영구 자석(21)을 영구 자석 모듈(20)의 개구에 고정하는 데에는 종래의 어떠한 방법을 사용해도 무방하다.

선형 전동기가 가동자의 진행 속도가 빠르지 않는 곳에 적용되는 경우, 코일(13)에 인가되는 전원의 주파수가 높지 않기 때문에, 코어(11)가 성층(또는 적층)되지 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(11)가 사용되어 코어(11)에서 발생하는 와전류 손실과 히스테리시스 손실을 줄일 수 있게 된다.

2 이상의 전기자 모듈과 영구 자석 모듈의 조합에 의해 진행 방향으로 추력이 발생하는 원리는 도 4에 도시되어 있다. 예를 들어 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W)에 2개의 영구 자석(21)을 대응시키는 경우, 도 4의 위쪽 그림과 같은 전기자 모듈 3상과 영구 자석 2극의 조합이 된다.

도 4에서, U, V, W는, 3개의 전기자 모듈(10U, 10V, 10W) 각각의 둘 이상의 돌극(12) 중에서 같은 위치(또는 대응되는 위치)에 놓인 돌극(12)을 진행 방향으로 나열한 것이고, S/N은 상기 돌극 U, V, W에 대치되는 위치에 놓인 영구 자석(21)을 나열한 것이다.

각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 단일 위상의 전류를 공급하되, 3상인 경우 이웃하는 모듈과 120도의 위상 차를 갖는 전류를 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 인가할 수 있다. 또는, 이웃하는 모듈과 60도의 위상 차를 갖는 전류를 각 전기자 모듈(10)의 코일(13)에 인가할 수도 있는데, 예를 들어 3개의 연속되는 전기자 모듈(10)에 서로 60도의 위상 차를 갖는 전류(X상, y상, Z상)를 흘리되 y상 전류가 흐르는 코일의 결선 방향을 X상 전류와 Z상 전류가 흐르는 코일과 180도 바꾸는 방법도 가능하다.

또한, 도 4에 도시한 바와 같이, 진행 방향으로 번갈아 배치된 영구 자석 S 또는 N의 극 간격을 (1/2 주기 180도)로 할 때, 3개의 전기자 모듈(10)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 자석(21)이 2/3 극 간격만큼 이동하여 이번에는 돌극 W가 영구 자석 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 영구 자석 S극에는 흡인력을 영구 자석 N극에는 반발력을 작용하여 영구 자석(21)을 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 자석(21)은 오른쪽으로 이동하게 된다. 즉, 각 전기자 모듈(10)에 인가되는 3상의 전류가 돌극 U, V, W에 이동 자계를 발생시키고 이에 따라 영구 자석(21)에는 오른쪽으로 이동하는 추력이 발생한다.

도 4의 돌극 U, V, W에는 코일(13)이 같은 형태로 감긴 것으로 가정하고 있어서, 이웃하는 전기자 모듈(10)의 대응되는 위치에 놓인 돌극(12)에 같은 방향으로 코일(13)이 감길 수 있다. 하지만, 이웃하는 전기자 모듈(10)의 대응되는 위치에 놓인 돌극(12)에 반대 방향으로 코일(13)이 감길 수도 있다. 즉, U와 W는 같은 방향으로 코일(13)이 감기고 V는 U, W와 반대 방향으로 코일(13)이 감길 수 있는데, 이 경우에도 영구 자석(21)을 같은 방향으로 이동시키는 추력을 발생하도록 위상 차를 갖는 전원을 공급할 수 있다.

이상적인 모델인 경우, 영구 자석(21)을 이동시키는 추력은, 돌극(12)과 영구 자석(21)이 접하는 표면적의 합에 비례하고, 또한 진행 방향으로 배치되는 전기자 모듈(10)의 개수에도 비례하여 커지게 되고, 코일(13)에 인가되는 전류의 크기, 돌극(12)을 감는 코일(13)의 권선 수, 영구 자석(21)의 자력 크기 등에도 비례 관계를 갖는다.

도 4의 첫 번째 예는 전기자 모듈 3상과 영구 자석 2극의 기본 조합에 대한 예이고, 도 4의 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 모듈(10)의 수 S와 영구 자석(21)의 수 P의 조합에 의한 자기 회로를 추력을 발생시키는 모터의 기본 단위라 하는데, 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 위상 차가 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 모듈(11)과 영구 자석(21)의 조합 관계가 나열되어 있는데, 9개의 전기자 모듈과 8개 또는 10개의 영구 자석의 조합이 효율이나 리플 관점에서 유리하다.

전기자 모듈 개수(S)	영구 자석 개수(P)
3	2	4
6	4	5	7	8
9	6	7	8	10	11	12
12	8	10	11	13	14	16

물론, S개의 전기자 모듈과 P개의 영구 자석이 공극을 통해 대치하는 부분의 길이(이동 방향으로의 길이)를 모터의 단위 길이라고 할 때, 다수의 전기자 모듈(10)로 구성되는 1차 부재 또는 다수의 영구 자석(21)으로 구성되는 2차 부재 중 어느 한쪽은 단위 길이보다는 길게 구성해야 가동자를 이동시키는 추력을 발생시킬 수 있는 유효 거리를 확보할 수 있게 된다. 또한, 1차 부재와 2차 부재가 겹치는 길이를 단위 길이의 자연수 배로 구성하여, 즉 모터의 기본 단위를 반복해서 연결하여 겹치는 길이에 비례하여 추력을 증가시킬 수 있다.

자기 회로의 기본 단위를 반복하여 연결할 때, 기본 단위를 구성하는 영구 자석의 개수인 P가 홀수인 경우, 첫 번째 기본 단위의 영구 자석이 N극(또는 S극)으로 시작하였다면 N극(또는 S극)으로 끝나고 두 번째 기본 단위의 영구 자석은 S극(또는 N극)으로 시작하기 때문에, 두 번째 기본 단위의 전기자 모듈에는 첫 번째 기본 단위의 대응되는 전기자 모듈과는 반대 위상의 전류를 공급해야 한다.

예를 들어, 기본 단위가 (S, P)=(6, 5)인 모터를 2개 연결할 때, 첫 번째 기본 단위의 6개의 전기자 모듈에 uUVvwW 순서로 3상 전류를 인가시키면 두 번째 기본 단위의 6개의 전기자 모듈에는 UuvVWw 순서로 3상 전류를 인가해야 하는데, 여기서 U, V, W(또는 u, v, w)는 서로 120 위상 차를 갖고 소문자(u, v, w)는 대문자(U, V, W)와 반대 위상의 전류가 공급되는 것을 의미한다.

1차 부재는 (1차 부재의 코어(11)와 같은 재질인 강자성체로) 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. 또한, 각 전기자 모듈(10) 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 진행 방향으로 극을 바꿔가면서 복수의 영구 자석(21)이 장착된 영구 자석 모듈(20)을 도시한 것으로, 전기자 모듈(10)의 돌극(12)에서 나온 자속 또는 돌극(12)으로 들어가는 자속이 지나가는 영구 자석(21)의 단면이 직사각형인 예와 평행 사변형인 예를 도시하고 있다.

돌극(12)과 영구 자석(21)을 통과하는 자속의 양은, 돌극(12)에서 나오거나 돌극(12)로 들어가는 자속의 분포가 일정하다고 할 때, 돌극(12)의 표면과 영구 자석(21)의 표면이 서로 겹치는 부분의 면적에 비례하게 된다. 추진력은 자속의 변화에 의해 발생하는데, 예를 들어 편의상 2차 부재가 가동자로 진행 방향으로 이동하는 경우, 영구 자석(21)이 이동하는 동안 돌극(12)과 영구 자석(21)을 통과하는 자속의 양은 돌극(12)과 영구 자석(21)의 표면을 컨벌류션(convolution)한 결과가 되고, 도 5의 오른쪽에 도시되어 있다.

영구 자석(21)을 향한 돌극(12)의 표면을 한 쌍의 대변이 진행 방향과 나란한 직사각형(으로 가정할 때, 직사각형 표면의 영구 자석(21)이 진행 방향으로 이동하면서 돌극(12)의 직사각형 표면과 겹치는 부분의 면적은 도 5의 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(12)과 영구 자석(21) 표면이 겹치는 면적의 변화에 비례하고, 돌극(12)과 영구 자석(21) 표면이 겹치는 면적을 미분한 값이 추진력과 관계가 있으므로, 도 5의 오른쪽 위 그림과 같이 매끄럽게 연결되지 않는 점이 있는 경우 그 점에서 추진력에 갑작스런 변화가 발생하고 리플(ripple)을 일으킬 수 있다.

하지만, 한 쌍의 대변이 진행 방향과 나란한 평행 사변형 표면의 영구 자석(21)이 진행 방향으로 이동하면서 돌극(12)의 직사각형 표면과 겹치는 부분의 면적은, 도 5의 오른쪽 아래 그림과 같이 전체적으로는 사다리꼴 형상이지만 선과 선이 매끄럽게 연결되어 리플의 발생을 줄일 수 있다. 자속이 지나는 영구 자석에 스큐를 적용을 함으로써, 즉 영구 자석을 뒤틀리게 배치함으로써, 영구 자석과 돌극 사이에 작용하는 디텐트 힘이 진행에 따라 약간씩 위상 차이를 발생하게 되어, 약간의 추력 저하가 있지만 추력에 리플을 발생시키는 디텐트 힘을 줄일 수 있다.

전기자 모듈(10)의 돌극(12)에서 나온 자속 또는 돌극(12)으로 들어가는 자속이 지나가는 영구 자석(21)의 단면은 직사각형이나 평행 사변형에 한정되지 않고, 직사각형을 소정 각도만큼 기울인 형태, 마름모, 원형 또는 타원형도 가능하고, 직사각형이나 평행 사변형의 네 귀퉁이를 자른 팔각형 모양도 가능하다.

도 6은, 도 3에 도시된 전동기와 같은 원리를 적용하여 돌극이 3개인 전기자 모듈 9개를 사용하는 전동기를 도시한 것이고, 도 7은 기본 단위 (S, P)=(9, 8)인 전동기에서 연속으로 배치되는 전기자 모듈(돌극)과 자석과의 상대적 위치를 도시한 것으로, 9개의 전기자 모듈에는 uUuvVvwWw 순서로 3상 전류가 인가된다.

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. 도 6과 같이 1차 부재에 많은 수의 전기자 모듈이 연속으로 배치되는 경우, 전기자 모듈이 밀집된 1차 부재에 많은 전류가 공급되어 열에 의해 코어나 돌극에 변형이 발생할 수 있어서 정밀도가 떨어지고 또 다른 코깅의 원인이 될 수 있다.

열에 의한 변형, 코깅 등의 문제를 해결하고 정밀도를 향상시키기 위하여, 본 발명에서는, 도 8에 도시한 바와 같이, 1차 부재에서 복수의 전기자 모듈을 분산시켜 배치하고 전기자 모듈 사이의 간격에 변화를 준다.

도 9는 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w와 영구 자석과의 상대적 위치 및 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w를 같은 방향으로 이동시키기 위해 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w에 인가되는 3상 전류를 도시한 것으로, 기본 단위 (S, P)=(3, 2)인 전동기에서 전기자 모듈과 영구 자석과의 상대적 위치에 해당한다.

도 9에서 전기자 모듈 U가 영구 자석 S극의 가운데 위치할 때 전기자 모듈 V는 영구 자석 N극의 왼쪽 끝에 위치하고 전기자 모듈 W는 영구 자석 N극의 오른쪽 끝에 위치한다. 비슷하게 전기자 모듈 u가 영구 자석 N극의 가운데 위치할 때 전기자 모듈 v는 영구 자석 S극의 왼쪽 끝에 위치하고 전기자 모듈 W는 영구 자석 N극의 오른쪽 끝에 위치한다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 전동기에서 분산 배치되는 전기자 모듈과 영구 자석의 상대적 위치를 도시한 것으로, 도 10에서 1차 부재는 9개의 전기자 모듈로 구성된다.

도 10에서, 전기자 모듈 U는 왼쪽으로부터 첫 번째 S극 가운데 위치하고, 전기자 모듈 W는 왼쪽으로부터 3번째 N극의 오른쪽 끝에 위치하고, 전기자 모듈 V는 왼쪽으로부터 5번째 N극의 왼쪽 끝에 위치한다. 도 9의 우상에 도시된 3상 전류를 전기자 모듈 U, V, W에 흐르게 하면 도 10의 전기자 모듈 U, V, W는 소정의 방향으로 진행한다.

즉, 도 10에서 전기자 모듈 U, V, W는, 도 9의 전기자 모듈 U, V, W와는 다르게 연속으로 배치되지 않고 분산되어 배치되지만, 영구 자석과의 상대적 위치는 도 9의 전기자 모듈 U, V, W와 영구 자석의 상대적 위치와 같다.

또한, 전기자 모듈 u는 왼쪽으로부터 첫 번째와 두 번째 N극 가운데 위치하고, 전기자 모듈 w는 왼쪽으로부터 두 번째와 세 번째 S극의 오른쪽 끝에 위치하고, 전기자 모듈 v는 왼쪽으로부터 다섯 번째와 여섯 번째 S극의 왼쪽 끝에 위치한다. 도 9의 우하에 도시된 3상 전류를 전기자 모듈 u, v, w에 흐르게 하면 도 10의 전기자 모듈 u, v, w는 전기자 모듈 U, V, W와 같은 방향으로 진행한다.

도 10에 도시한 바와 같이, 9개의 전기자 모듈은 같은 위상 또는 반전된 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈(예를 들어 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u) 3개가 하나의 그룹으로 묶이고, 하나로 묶인 전기자 모듈 그룹은 다른 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈 그룹과는 이격된 상태로 배치된다.

전동기를 구동하기 위한 다수 개의 전기자 모듈이 소정 개수의 전기자 모듈 그룹으로 묶여 분산되기 때문에, 다수 개의 전기자 모듈이 연속으로 밀집된 상태로 배치되어 1차 모듈의 가운데 부분에서 열에 의한 변형이 발생하는 것을 막을 수 있다.

또한, 같은 전기자 모듈 그룹에는 같은 위상 또는 반전된 위상의 전류만이 공급되기 때문에, 입력 전원을 관리하는 것이 간편해진다.

도 10의 가운데 부분, 즉 전기자 모듈과 영구 자석이 겹쳐 그려진 부분에서, 전기자 모듈 3개가 묶인 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격은 영구 자석의 간격과 같은 것으로 되어 있다. 이 경우, 같은 전기자 모듈 그룹(전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u를 포함하는 전기자 모듈 그룹) 내에서 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u(u1과 u2)는 영구 자석과의 상대적 위치가 같기 때문에(영구 자석 N극과 S극 사이를 한 주기라 할 때 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u는 한 주기만큼 이격된 상태이기 때문에), 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅이 같은 위상과 같은 크기로 발생하므로, 도 11에 도시한 것과 같이, 코깅의 크기가 3배로 증폭될 수 있다.

하지만, 도 10의 위 부분의 전기자 모듈에서, 전기자 모듈 U, V, W를 중심으로 좌우에 배치되는 전기자 모듈 u, v, w는 각각 해당 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격이 넓어져(영구 자석 N극과 S극 사이 간격보다 넓게) 전기자 모듈 U, V, W로부터 멀어진 상태로 배치되어 있다. 또한, 도 10의 아래 부분의 전기자 모듈에서, 전기자 모듈 u, v, w는 각각 해당 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격이 좁아져(영구 자석 N극과 S극 사이 간격보다 좁게) 전기자 모듈 U, V, W로부터 가까운 상태로 배치되어 있다.

이 경우, 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u를 포함하는 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u 사이의 간격은 고정되어 있지만(도 12에서 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u1(또는 u2) 사이 간격은 d1), 영구 자석과의 상대적 위치가 서로 달라, 영구 자석 N극과 S극 사이 간격이 d0일 때, 전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u1(또는 u2)은 360*(d0-d1)/d0도만큼 이격되어 있다.

전기자 모듈 U와 전기자 모듈 u1 및 전기자 모듈 u2가 일정한 간격인 d1을 유지한 상태로 진행하는 경우, 도 12에 도시한 바와 같이, 전기자 모듈 u1과 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅은 전기자 모듈 U와 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅보다 360*(d0-d1)/d0도 뒤지고, 전기자 모듈 u2와 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅은 전기자 모듈 U와 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅보다 360*(d0-d1)/d0도 앞선다. 물론, 각 전기자 모듈과 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅의 크기는 동일하다.

도 12에 도시한 것과 같이, 전기자 모듈 U 및 전기자 모듈 u1과 u2가 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅의 합은, 서로 위상이 달라서 일부 증폭되기도 하고 일부 감쇠되기도 하여 도 11과 같이 크게 증폭되지는 않는다. 또한, 전기자 모듈 U 및 전기자 모듈 u1과 u2의 간격을 조절함으로써 코깅의 크기도 조절할 수 있다.

따라서, 전기자 모듈을 분산 배치하고 전기자 모듈 사이의 간격을 조절함으로써, 전동기의 기본 단위를 높일 때 발생하는 열 변형, 코깅 증가 등을 감소시키고 선형 전동기의 정밀도를 향상시킬 수 있고, 전기자 모듈에 입력되는 입력 전원 관리를 손쉽게 할 수 있다.

도 10은 9개의 전기자 모듈을 사용하는 선형 전동기에 대한 실시예이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 6개, 12개, 15개의 전기자 모듈을 사용하는 선형 전동기에도 적용될 수 있다.

도 13은 기본 단위 (S, P)=(6, 5)를 사용하는 전동기에서 연속으로 배치되는 전기자 모듈과 자석과의 상대적 위치를 도시한 것으로, 6개의 전기자 모듈에는 uUVvwW 순서로 3상 전류가 인가되는데, 기본 단위를 구성하는 영구 자석의 개수인 P가 홀수이기 때문에, 또 다른 6개의 전기자 모듈을 연결할 때에는 추가로 연결되는 전기자 모듈에는 UuvVWw 순서로 3상 전류를 인가해야 한다.

도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따라 6개의 전기자 모듈로 구성되는 전동기에서 분산 배치되는 전기자 모듈과 영구 자석의 상대적 위치를 도시한 것으로, 도 10에서 전기자 모듈 U, W, V의 오른쪽에 위치하는 전기자 모듈 u, w, v가 없는 것을 제외하고는, 도 10의 실시예와 동일하다.

전기자 모듈 U, V, W의 왼쪽에 배치되는 전기자 모듈 u, v, w의 위치를 변경하여, 전기자 모듈 U, V, W와 전기자 모듈 u, v, w 사이의 간격을 영구 자석 N극과 S극 사이 간격보다 넓게 하거나 좁게 하여, 전기자 모듈 U 및 전기자 모듈 u가 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅의 위상이 서로 엇갈리게 하여 코깅의 크기를 줄일 수 있다.

도 15는 기본 단위 (S, P)=(12, 10)를 사용하는 전동기에서 연속으로 배치되는 전기자 모듈과 자석과의 상대적 위치를 도시한 것으로, 12개의 전기자 모듈에는 uUVvwWUuvVWw 순서로 3상 전류가 인가된다.

도 16과 도 17은 본 발명의 다른 실시예에 따라 12개의 전기자 모듈로 구성되는 전동기에서 분산 배치되는 전기자 모듈과 영구 자석의 상대적 위치를 도시한 것으로, 도 10과 도 14의 실시예와 유사하다.

도 16의 실시예에서는, 전기자 모듈 U를 포함하는 전기자 모듈 그룹 이후에 전기자 모듈 V를 포함하는 전기자 모듈 그룹과 전기자 모듈 W를 포함하는 전기자 모듈 그룹이 연속으로 배치되는 것에 반해, 도 17의 실시예에서는, 전기자 모듈 U를 포함하는 전기자 모듈 그룹 이후에 전기자 모듈 W를 포함하는 전기자 모듈 그룹과 전기자 모듈 V를 포함하는 전기자 모듈 그룹이 연속으로 배치되어, 도 16과 도 17의 전기자 모듈 그룹의 순서와 전기자 모듈 그룹 사이의 간격이 서로 다르게 된다.

또한, 각 전기자 모듈 그룹 내에서, 왼쪽에서 두 번째에 위치한 전기자 모듈 U를 중심으로 전기자 모듈 사이의 간격을 넓히거나 줄임으로써, 도 10과 도 12를 참고로 설명한 바와 같이, 각 전기자 모듈과 영구 자석과의 상대적 위치에 의해 발생하는 코깅의 위상을 다르게 하여 그 합의 크기를 줄일 수 있다.

도 10에서, U상과 u상의 전류가 입력되는 전기자 모듈 그룹에서 b 위치에 있는 전기자 모듈 U를 중심으로(전기자 모듈 U의 위치를 고정하고) a 위치와 c 위치에 있는 전기자 모듈 u가 위치가 바뀌었는데, 이에 한정되지 않고 같은 그룹 내의 임의의 전기자 모듈을 중심으로 다른 전기자 모듈의 위치를 바꿀 수 있다. 또한, 같은 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격을 같게 할 수도 있고 서로 다르게 할 수도 있다.

하지만, 전기자 모듈 그룹 내에서 각 전기자 모듈 사이의 간격은 다른 전기자 모듈 그룹 내에서 각 전기자 모듈 사이의 간격과 동일하거나 매우 유사해야 한다. 즉, 도 10에서 첫 번째 전기자 모듈 그룹 내의 전기자 모듈이 위치하는 a와 b 및 b와 c의 간격은 각각, 두 번째와 세 번째 전기자 모듈 그룹 내에서 d와 e, g와 h 및 e와 f, h와 i의 간격과 같아야 한다.

전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격을 동일하게 하면, 전기자 모듈 사이의 간격을 일정하게 유지하기 위해 같은 폭의 스페이서를 사용하게 되는 장점이 있다. 또한, 전기자 모듈 그룹을 이격시킬 때도 가능하면 전기자 모듈 사이의 간격을 동일하게 하면, 전기자 모듈 그룹 사이의 간격을 고정하기 위한 스페이서를 같은 크기의 것으로 사용할 수 있어서 유리하다.

전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격을 동일하게 하고 전기자 모듈 사이의 간격을 동일하게 하면, 전기자 모듈 사이 간격을 고정하기 위해 2 종류의 스페이서만을 사용하면 된다.

도 14, 도 16 및 도 17의 실시예에서도 도 10의 실시예와 마찬가지이다.

한편, 본 발명에 따른 실시예인 도 8에서 도 3에 도시된 전기자 모듈과 영구 자석 또는 영구 자석 모듈을 적용하고 있지만, 이에 한정되지 않고, 도 3과 동작 원리가 동일한 다른 형태의 전기자 모듈과 영구 자석 또는 영구 자석 모듈을 이용한 전동기에도 본 발명을 적용할 수 있다.

도 18은 출원 번호 KR 10-2010-0081522에 기재된 밀폐형 선형 전동기의 전기자 모듈, 영구 자석 모듈, 및 조립된 상태를 도시한 것으로, 도 3의 선형 전동기와 동작 원리가 동일하다.

도 19와 도 20은 출원 번호 10-2009-0090806(등록 번호 10-0964538)과 출원 번호 10-2009-0090806(등록 번호 10-0964539)에 기재된 밀폐형 선형 전동기와 개방형 선형 전동기 단면과 조립도를 도시한 것으로, 역시 도 3의 선형 전동기와 동작 원리가 동일하다.

따라서, 도 18 내지 도 20에 도시된 구조의 선형 전동기에도 본 발명이 적용될 수 있다.

한편, 같은 위상 또는 반전된 위상의 전류가 공급되는 전기자 모듈을 하나의 그룹으로 묶어 각 전기자 모듈 그룹을 분산 배치하고 또한 전기자 모듈 사이의 간격을 조절하는 특징의 본 발명이 적용되는 전동기는, 도 3과 같이 영구 자석이 진행 방향으로 직선으로 나열되는 형태에 제한되지 않고, 도 21과 같이 영구 자석이 원주를 따라 나열되는 영구 자석 모듈에도 적용될 수 있다.

도 22는 9개의 전기자 모듈과 2개의 원반 형상의 전기자 모듈로 구성되고 선형 전동기 원리를 이용하여 회전 운동을 발생시키는 전동기를 도시한 것인데, 전기자 모듈의 돌극의 개수가 3개이기 때문에 원반형 전기자 모듈의 개수가 2개가 된다. 전기자 모듈은, 직선 형태로 나열되는 것이 아니라, 도 22에 도시한 것과 같이, 원반 또는 디스크 형태의 영구 자석 모듈의 바깥을 따라 나열되는데, 전기자 모듈 사이의 간격을 변경하는 것은 영구 자석의 배치에 맞추어 전기자 모듈 사이의 각도를 바꾸는 것에 해당하게 된다. 각 전기자 모듈 그룹을 이격시켜 배치할 때, 가능한 범위 내에서 각 전기자 모듈 그룹 사이의 간격(원주 각)이 비슷하도록 120도 각도에 가깝게 배치하는 것이 유리할 수 있다.

영구 자석 모듈에서 외주에 장착된 영구 자석은 원주 방향으로 진행하면서 극성이 바뀌어야 하므로, 영구 자석 모듈 내에는 짝수 개의 영구 자석이 배치되어야 한다. 또한, 도 3의 전동기의 동작 원리에 따라, 한 영구 자석 모듈 내의 각 영구 자석은 이웃하는 다른 영구 자석 모듈 내의 대응되는 위치에 놓인(같은 원주 각을 갖는) 영구 자석과도 극성이 달라야 한다.

또한, 영구 자석이 원주 방향으로 나열되기 때문에, 원반 형상의 영구 자석 모듈의 위에서 볼 때 영구 자석 단면은 직사각형 형태가 되거나 또는 내주 쪽이 짧고 외주 쪽이 길고 나머지 두 변은 반경 방향으로 퍼지는 사다리꼴 형태가 될 수 있다. 또한, 전기자 모듈의 돌극에서 영구 자석을 향하는 부분의 단면을 영구 자석의 단면에 맞추어 모양을 형성할 수 있는데, 원반 형상의 영구 자석 모듈 내에 사다리꼴 형태로 영구 자석이 배치되면 전기자 모듈의 돌극의 단면도 사다리꼴로 형성할 수 있다.

도 23은 9개의 전기자 모듈과 2개의 납작한 반지 형상 또는 원통형의 영구 자석 모듈로 구성되고 선형 전동기 원리를 이용하여 회전 운동을 발생시키는 전동기를 도시한 것이다.

도 23에서, 안쪽에 위치하는 영구 자석 모듈의 영구 자석과 바깥쪽에 위치하는 영구 자석 모듈의 영구 자석은 같은 원주 각에 위치해야 하고, 단면 크기가 서로 같을 수도 있고, 도 23에서와 같이 바깥쪽에 위치하는 영구 자석이 원주 방향으로 폭이 더 넓을 수 있다.

또한, 전기자 모듈의 돌극과 영구 자석 사이의 간격이 일정하게 되도록, 원통형인 영구 자석 모듈의 원호에 맞추어 전기자 모듈의 돌극의 형상을 바꿀 수 있다.

도 24는 본 발명에 따른 전동기를 구동하는 서보 시스템에 대한 간략한 구성을 도시한 것이다. 도 24에서 전동기를 제외하고 다른 요소는 종래의 선형 전동기에 적용되는 그대로 사용 가능하다.

서보 시스템은, 외부에서 인가되는 전원(51)으로부터 운반 물체(59)를 이동시킬 전동기(58)에 인가할 전류를 생성하는 구동 앰프(52), 구동 앰프(52)로부터 전동기(58)에 인가되는 전류를 감지하는 전류 센서(56), 전동기(58) 가동자의 위치 또는 이동 속도를 감지하는 리니어 센서(57), 전류 센서(56) 및/또는 리니어 센서(57)에서 검출되는 신호를 기초로 제어 명령에 따라 구동 앰프(52)를 제어하는 제어기(55)를 포함하여 구성될 수 있다. 구동 앰프(52)는 교류 전원을 직류로 바꾸는 컨버터(53)와 전동기 구동에 필요한 전류를 생성하는 인버터(54)를 포함하여 구성될 수 있다.

인버터(54)는, 본 발명에 따른 전동기(58)의 구동 방식에 맞는 전원, 예를 들어 2상 교류 전류, 3상 교류 전류, 2상 정류 전류, 3상 정류 전류 등을 생성하여 전동기(58)의 전기자 모듈에 인가할 수 있는데, 제어기(55)의 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.

10, 10U, 10V, 10W: 전기자 모듈 11: 코어
12: 돌극 13: 코일
14: 관통 구멍 20: 영구 자석 모듈
21: 영구 자석 22: 베이스
51: 전원 52: 구동 앰프
53: 컨버터 54: 인버터
55: 제어기 56: 전류 센서
57: 리니어 센서 58: 전동기
59: 운반 물체

Claims (13)

1차 부재 및 2차 부재를 포함하여 구성되는 전동기에서,
상기 1차 부재는 복수의 전기자 모듈을 포함하고,
각 전기자 모듈은, 자성체 코어, 상기 자성체 코어로부터 돌출하는 복수 개의 돌극 및 코일로 구성되고, 일부 또는 모든 돌극 또는 돌극 사이의 자성체 코어에 같은 위상의 전류가 흐르는 코일이 감기고,
복수의 영구 자석을 포함하는 상기 2차 부재에서, 각 영구 자석은 진행 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다르고 진행 방향과 수직인 방향으로 이웃하는 영구 자석과 극성이 다르고,
S개의 전기자 모듈과 진행 방향으로 P개의 영구 자석을 한 단위로 하여 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 이동하고,
상기 복수의 전기자 모듈은 같은 위상 또는 반전된 위상의 전원이 공급되는 전기자 모듈들이 하나로 묶여 서로 이격되는 S개의 전기자 모듈 그룹을 형성하고, 각 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격이 조절되는 것을 특징으로 하는 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격은 일정한 것을 특징으로 하는 전동기.

제 2항에 있어서,
상기 전기자 모듈 그룹 내에서 전기자 모듈 사이의 간격은 진행 방향으로 배치되는 영구 자석의 간격보다 넓거나 좁은 것을 특징으로 하는 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 전기자 모듈 그룹 내에서 상기 전기자 모듈 사이의 간격을 고정하기 위한 제 1 스페이서; 및
상기 전기자 모듈 그룹 사이의 간격을 고정하기 위한 제 2 스페이서를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전동기.

제 1항에 있어서,
각 전기자 모듈에서 이웃하는 돌극의 극성이 서로 다르도록 코일이 감기는 것을 특징으로 하는 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 2차 부재는 진행 방향을 따라 극을 바꿔가면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하는 영구 자석 모듈을 하나 이상 포함하고, 각 영구 자석 모듈은 상기 자성체 코어를 향해 돌출하여 두 돌극 사이에 놓이는 것을 특징으로 하는 전동기.

제 6항에 있어서,
상기 영구 자석 모듈은 원반 형상 또는 원통 형상인 것을 특징으로 하는 전동기.

제 6항에 있어서,
상기 영구 자석의 자화 방향은 대응되는 두 돌극을 향하는 것을 특징으로 하는 전동기.

제 6항에 있어서,
자속이 지나가는 영구 자석의 단면은 직사각형, 평행 사변형, 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 전동기.

제 6항에 있어서,
상기 영구 자석 모듈의 개수는 상기 돌극의 개수와 같거나 작은 것을 특징으로 하는 전동기.

제 6항에 있어서,
상기 전기자 모듈에서, 둘 이상의 돌극이 상기 자성체 코어로부터 같은 방향으로 돌출하고, 상기 영구 자석 모듈의 개수는 상기 돌극의 개수보다 하나 작은 것을 특징으로 하는 전동기.

제 1항에 있어서,
상기 2차 부재는 진행 방향과 수직인 방향으로 극을 바꿔가면서 배치되는 복수의 영구 자석을 포함하는 복수의 영구 자석 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 전동기.

제 12항에 있어서,
상기 자성체 코어는 폐 회로를 이루는 형상이거나 한쪽이 열린 호 형상이고, 상기 영구 자석 모듈에 포함되는 영구 자석의 개수는 상기 전기자 모듈에 포함되는 돌극의 개수와 같은 것을 특징으로 하는 전동기.

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