KR100769047B1 - 선형전동기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동하는 전기차량 및 컨베이어 등의 선형 추진력을 발생시키는 선형전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정자와 회전자 사이의 공극의 크기를 소정의 크기로 유지하고 최소화 함으로써 효율을 극대화 할 수 있는 선형전동기에 관한 것이다. 이와 같은 본 발명에 따른 선형전동기는 부하의 이동방향을 따라 평행하게 배치되어 있는 회전자; 회전자와 소정거리 이격 되어 공극을 형성하도록 부하의 저면에 지지되며, 이동자계를 발생하는 고정자; 및 공극의 크기가 기설정된 값을 유지하도록 고정자의 위치를 제어하는 공극 제어부;를 포함한다. 이와 같은 본 발명에 따른 선형전동기는 공극의 크기를 최소화하여 유지함으로써 추진력 발생 효율을 극대화 할 수 있다.

선형전동기, 고정자, 회전자, 공극, 센서

Description

선형전동기{Linear motor}

도 1은 종래기술에 의한 선형전동기 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는 본 발명에 따른 선형전동기 구성을 개략적으로 나타낸 도면,

도 3은 도 2의 선형전동기의 측면도,

도 4는 도 3의 선형전동기의 회로 구성도, 및

도 5는 공극의 크기에 대한 추진력의 효율을 그래프로 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전자 20 : 고정자

30 : 공극제어부 40 : 부하

21 : 철심 22 : 권선

31 : 제어기 32 : 센서

35 : 변위조절기 36 : 압전모터

37 : 전력증폭기 41 : 레일

42 : 바퀴

본 발명은 이동하는 전기차량 및 컨베이어 등을 이동하기 위하여 선형 추진력을 발생시키는 선형전동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 고정자와 회전자 사이의 공극의 크기를 소정의 크기로 유지하고 최소화 함으로써 효율을 극대화 할 수 있는 선형전동기에 관한 것이다.

생산라인이나 물류산업 등에서 물품의 반송 또는 물품의 위치결정 등의 작업에 있어서, 일정 경로를 이동하는 반송차 등의 이동체를 구비한 이동시스템이 널리 이용되고 있다. 이동체를 이동하기 위한 추진력을 발생하는 방법으로는 회전형모터로부터 발생하는 회전력을 이동체의 바퀴에 전달하는 방법이 사용되어 왔으나, 그 구조가 복잡하고 소음이 심하며 고장이 잦고 추진 효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 비교적 그 구조가 단순하고 고장이 적으며 추진 효율이 좋은 선형전동기가 널리 이용되는 추세이다.

선형전동기는 크게 고정자 및 회전자의 배치구조에 따라, 선형유도전동기와 선형동기전동기로 나눌 수 있다.

선형유도전동기는 고정자(이동자계를 발생하는 철심 및 권선)가 이동하는 부하(전기차량)에 배치되며, 회전자(알루미늄 플레이트)가 레일에 배치된다. 이와 같은 선형유도전동기는 건설비가 저렴하다는 장점이 있지만 차량에 전자석 코일이 설치되므로 차체가 무거워지고 소음이 상대적으로 크며 속도도 빠르지 않다는 단점이 있다.

한편, 선형동기전동기는 고정자(전자석)가 레일에 배치되며, 회전자(영구자 석)가 이동하는 부하에 배치된다. 이와 같은 선형동기전동기는 계자와 전기자 사이에 전력의 교환이 없기 때문에 공극을 크게 할 수 있고, 단효과(ending effect)가 없기 때문에 효율이 좋으며, 선형유도전동기 방식에 비해 추진력이 매우 커서 시속 500㎞의 고속용에 적합하다. 그러나 동기를 위한 위치신호가 필요하며, 레일 전체에 걸쳐 전자석 코일을 설치해야 하므로 건설비용이 높아져 경제성이 떨어진다는 단점이 있다.

상기한 선형유도전동기 및 선형동기전동기는 이동시의 충격 및 진동으로 인하여 고정자와 회전자 사이의 공극의 크기가 약 9 ~ 15 mm 이다. 이러한 공극의 크기는 추진력의 효율 저하를 발생시키는 문제점이 있었다.

도 1을 참조하여 종래기술의 선형전동기의 동작을 간략히 설명한다. 도 1은 종래기술에 의한 선형전동기의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 회전자(10)는 일반적으로 알루미늄 재질의 플레이트로서 차량이 주행하는 궤도 또는 도로에 설치되어 있다. 회전자(10)와 소정의 거리를 두고 부하(40)의 저면에 설치되는 고정자(20)는 여러 겹의 철심(21)과, 철심(21)에 코일이 감겨진 권선(22)으로 구성된다. 고정자(20)에 소정 주파수의 교류전력이 공급되면서 발생하는 이동자계가 회전자(10)에 유도되어, 고정자(20)와의 사이에 추진력이 발생하게 된다.

하지만 이와 같은 종래의 선형전동기는 선로의 굴곡 등으로 인하여 부하(40)의 이동에 지장을 주지 않을 만큼 충분한 크기의 공극(S)을 확보해야 하므로 추진력의 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 노면의 변화 및 이동하는 부하의 고주파 진동에 실시간 반응하여 공극을 일정 크기로 유지 및 최소화함으로써 추진력의 효율을 극대화할 수 있는 선형전동기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 선형전동기는

부하에 선형 추진력을 공급하는 선형전동기에 있어서, 상기 부하의 이동방향을 따라 평행하게 배치되어 있는 회전자; 상기 회전자와 대향하여 소정의 공극을 형성하도록 상기 부하의 저면에 지지되어 이동자계를 발생하는 고정자; 및 상기 공극의 크기가 기설정된 값을 유지하도록 상기 고정자의 위치를 제어하는 공극 제어부;를 포함한다.

바람직하게 상기 공극 제어부는 상기 공극의 크기정보를 검출하여 출력하는 센서; 상기 센서로부터 상기 공극의 크기정보를 입력받아 기설정된 크기정보와 비교하고, 상기 공극이 기설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 제어기로부터 입력되는 상기 제어신호에 근거하여 상기 부하에 지지되어 있는 상기 고정자의 위치를 상하로 가변하는 변위조절기;를 구비한다.

그리고, 상기 센서는 초음파센서 및 광센서 중 어느 하나인 것이 바람직하다.

바람직하게 상기 변위조절기는 상기 부하에 대한 상기 고정자의 변위를 가변 하는 압전모터; 및 상기 제어기로부터 입력되는 제어신호에 근거하여 상기 압전모터에 전력을 공급하는 전력증폭기;를 구비한다.

바람직하게 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 위치는 상기 압전모터의 반응시간 동안 상기 부하가 최대로 이동할 수 있는 거리만큼 상기 부하의 진행방향에 대하여 전방으로 이격 되어 배치되는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 제어기는 상기 부하가 이동하는 속도정보를 입력받고 이에 근거하여 상기 전력증폭기로 출력하는 동작제어신호를 가변적으로 지연시켜 출력하되, 상기 지연시간은 부하의 이동속도에 반비례하도록 하는 것이 바람직하다.

바람직하게 상기 제어기는 상기 부하가 이동하는 속도정보를 입력받고 이에 근거하여, 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 위치를 상기 부하의 진행 방향으로 가변하기 위한 제어신호를 상기 센서로 출력하되, 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 이격 거리가 상기 부하의 속도에 비례하도록 한다.

또한, 상기 센서는 상기 제어기로부터 입력되는 제어신호에 근거하여 상기 센서의 위치를 상기 부하의 진행방향에 대하여 전후로 가변하기 위한 이송용 모터를 구비하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 하나의 고정자는 상기 다수의 센서 및 변위조절기를 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 실시예로서의 선형전동기는 부하에 선형 추진력을 공급하는 선형전동기에 있어서, 상기 부하의 이동방향을 따라 평행하게 배치되어 이동자계를 발생하는 고정자; 상기 고정자와 대향하여 소정의 공극을 형성하도록 상기 부하의 저면에 지지되어 자계를 발생하는 회전자; 및 상기 공극의 크기가 기설정된 값을 유지하도록 상기 회전자의 위치를 제어하는 공극 제어부;를 포함한다.

바람직하게 상기 공극 제어부는 상기 공극의 크기정보를 검출하여 출력하는 센서; 상기 센서로부터 상기 공극의 크기정보를 입력받아 기설정된 크기정보와 비교하고, 상기 공극이 기설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하는 제어기; 및 상기 제어기로부터 입력되는 상기 제어신호에 근거하여 상기 부하에 지지되어 있는 상기 회전자의 위치를 상하로 가변하는 변위조절기;를 구비한다.

이하 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 선형전동기의 동작에 대하여 보다 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 선형전동기 구성을 개략적으로 나타낸 도면, 도 3은 도 2의 선형전동기의 측면도, 도 4는 도 3의 선형전동기의 회로 구성도, 및 도 5는 공극의 크기에 대한 추진력의 효율을 그래프로 나타낸 도면이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 본 발명의 일실시예는 지정된 괘도를 운행하는 산업용 컨베이어 등과 같은 부하(차량)를 이동시키기 위한 선형유도전동기에 대한 실시예이다.

본 발명의 구성요소는 크게 레일(41) 내측에 배치되어 있는 회전자(10), 부하(40)의 저면에 지지되어 회전자(10)로부터 소정 간격의 공극을 두고 이동자계를 발생하는 고정자(20), 회전자(10)와 고정자(20) 사이의 공극을 일정간격으로 제어하는 공극제어부(30)로 구성된다.

회전자(10)는 레일(41)의 내측에 배치되어 있는 알루미늄 재질의 평판(플레 이트)이다. 부하(40)는 통상의 컨베이어나 전기차량으로서 레일(41)에 의해 경로가 가이드 되고 하단부에 설치된 바퀴(42)에 의해 레일(41)을 따라 이동한다. 부하(40)의 저면에는 회전자(10)와 소정의 공극을 두고 상호 대향하도록 배치된 고정자(20)가 지지되어 있다. 고정자(20)는 다수의 얇은 철편으로 구성된 철심(21)과 철심(21)에 이동자계를 발생시키는 권선(22)으로 구성된다.

상기한 고정자(20)는 부하(40)의 저면에 지지되어 있어, 회전자(10)와 소정의 공극을 형성한 상태로 고정자(20)에 전력이 공급되어 이동자계가 발생하면, 회전자(10)에 유도되어 발생하는 자계와의 반발력을 추진력으로 부하(40)와 함께 이동된다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이, 공극제어부(30)는 고정자(20)의 저면과 회전자(10) 간의 공극을 측정하여 공극(S)의 크기정보를 출력하는 센서(32), 센서(32)로부터 출력되는 공극의 크기정보를 기설정된 크기정보와 비교하여 측정된 공극의 크기가 기설정된 값을 유지하도록 하기 위한 제어신호를 출력하는 제어기(31), 제어기(31)로부터 출력되는 제어신호에 근거하여 고정자(20)를 상하로 이동함으로써 고정자(20)의 상하 변위를 조절하는 변위조절기(35)를 구비한다. 변위조절기(35)는 철심(21)의 상면과 부하(40)의 저면을 상호 연결하도록 고정되어 있고, 상기한 센서(32)와 한 조로 구성된다. 변위조절기(35) 및 센서(32)는 부하(40)의 진행방향에 대하여 전면의 좌/우측단 및 후면의 좌/우측단에 각각 하나씩 총 4개를 구비한다. 상기한 변위조절기(35)는 도 4에 도시된 바와 같이, 압전모터(32)와 이를 구동하는 전력증폭기(37)를 사용하는 것이 바람직하다. 압전모터는 전압이 인 가되면 압전세라믹 소자로부터 발생되는 초음파 진동으로부터 선형 구동력 및 회전력을 얻을 수 있는 구동원이다. 따라서 변위조절기(35)는 선형(Linear)구동형 압전모터를 사용하는 것이 바람직하다. 선형 구동형 압전모터의 동작범위는 수 Cm에 이를 뿐만 아니라 반응속도가 매우 빨라 레일(41)을 따라 이동하는 부하(40)의 고주파 진동뿐 아니라 레일(41)상의 이물질로 인한 차체의 상하 진동에도 실시간으로 반응하여 동작할 수 있다.

노면을 운행하는 전기 자동차와 달리 지정된 괘도를 운행하는 산업용 이송장치나 전기차량의 공극(S)의 크기는 일반적으로 9mm 내외의 크기를 갖는다. 이는 이송장치의 운행에 수반되는 상하 진동 및 선로의 평탄도 등을 고려한 최소한의 크기이다.

하지만, 본 발명을 지정된 괘도를 운행하는 산업용 이송장치나 전기차량에 이용할 경우, 공극(S)의 크기를 최소 3mm 로 유지할 수 있어 추진력 발생 효율을 극대화 할 수 있다.

도 5를 참조하여 추진력 발생 효율의 특성에 대하여 간략히 설명한다. 도 5는 공극(S)의 크기에 대한 효율의 변화를 그래프로 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 종래기술에 의한 선형전동기를 추진력으로 이용한 산업용 이송장치에서 9mm의 공극을 유지할 경우 효율이 약 50% 이지만, 본 발명의 선형전동기를 이용하여 3mm의 공극을 유지할 경우 효율을 약 70% 까지 높일 수 있어 약 20% 정도 효율이 상승하게 된다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예로서, 압전모터(36)의 반응시간 및 부하(40)의 최대 이동속도를 고려하여 센서(32)를 부하(40)의 진행방향에 대하여 압전모터(36)의 위치보다 적당한 거리만큼 전면에 배치할 수도 있다. 즉, 압전모터(36)의 최장 반응시간 동안 부하(40)가 이동할 수 있는 최대 이동 거리 이상으로 압전모터(36)의 위치와 센서(32)의 위치를 부하(40)의 진행방향으로 이격시킨다. 이 경우, 제어기(31)는 부하(40)의 속도를 고려하여 압전모터(36)의 동작제어신호를 가변적으로 지연시키되, 지연시간을 부하(40)의 속도에 반비례하도록 하여 출력함으로써 센서(32)가 감지한 공극(S)의 변화에 미리 대응할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예로서, 압전모터(36)의 위치에 대한 센서(32)의 위치를 부하(40)의 이동 방향에 대하여 전후로 가변적으로 이동할 수도 있다. 즉, 평면상에서 보았을 때 부하(40)의 이동 선상에서 압전모터(36)의 위치에 대한 센서(32)의 이격 거리가 부하(40)의 속도에 비례하도록 제어기(31)가 센서(32)의 위치를 제어한다. 이 경우, 센서(32)는 센서(32)의 위치를 이송하기 위한 이송용 모터(미도시)를 구비한다. 제어기(31)는 부하(40)가 이동하는 속도정보를 외부(또는 속도계(미도시))로부터 입력받고, 이를 고려하여 부하(40)의 진행방향에 대하여 압전모터(36)의 위치보다 센서(32)가 전면에 위치하도록 이송모터로 제어신호를 출력한다.

상기한 본 발명의 실시예는 선형유도전동기의 공극을 제어하는 과정에 한하여 설명하였지만, 선형동기전동기의 경우도 상술한 바와 동일한 과정으로 본 발명이 적용될 수 있다. 선형동기전동기의 공극 제어과정은 회전자(10) 및 고정자(20)의 배치가 상호 바뀌는 구조에서 회전자(10)와 고정자(20) 사이의 공극을 제어하는 과정은 상기한 바와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.

본 발명의 기술적 사상은 노면을 주행하는 전기 자동차 및 그 밖의 선형전동기가 활용되는 분야에 다양하게 적용할 수 있는 것이다.

첨부된 도면에 도시되어 설명된 특정의 실시 예들은 단지 본 발명의 예로서 이해되어 지고, 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 본 발명에 기술된 기술적 사상의 범위에서도 다양한 다른 변경이 발생될 수 있으므로, 본 발명은 보여지거나 기술된 특정의 구성 및 배열로 제한되지 않는 것은 자명하다.

이상에서 기술한 바와 같이, 본 발명은 노면의 변화 및 이동하는 부하의 고주파 진동에 실시간 반응하여 공극을 일정 크기로 유지 및 최소화함으로써 발생되는 추진력을 극대화할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (18)

1. 부하에 선형 추진력을 공급하는 선형전동기에 있어서,

   상기 부하의 이동방향을 따라 평행하게 배치되어 있는 회전자;

   상기 회전자와 대향하여 소정의 공극을 형성하도록 상기 부하의 저면에 지지되어 이동자계를 발생하는 고정자; 및

   상기 공극의 크기가 기설정된 값을 유지하도록 상기 고정자의 위치를 제어하는 공극 제어부; 를 포함하되,

   상기 공극 제어부는

   상기 공극의 크기정보를 검출하여 출력하는 센서;

   상기 센서로부터 상기 공극의 크기정보를 입력받아 기설정된 크기정보와 비교하고, 상기 공극이 기설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하는 제어기;

   및

   상기 제어기로부터 입력되는 상기 제어신호에 근거하여 상기 부하에 지지되어 있는 상기 고정자의 위치를 가변하는 압전모터와 상기 압전모터에 전력을 공급하는 전력증폭기를 포함하는 변위조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 센서는

   초음파센서 또는 광센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선형전동기.
4. 삭제
5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 위치는 상기 압전모터의 반응시간 동안 상기 부하가 최대로 이동할 수 있는 거리만큼 상기 부하의 진행방향에 대하여 전방으로 이격 되어 배치되는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
6. 제 5항에 있어서, 상기 제어기는

   상기 부하가 이동하는 속도정보를 입력받고 이에 근거하여 상기 전력증폭기로 출력하는 동작제어신호를 가변적으로 지연시켜 출력하되, 상기 지연시간은 부하의 이동속도에 반비례하도록 하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
7. 제 1항 또는 제3항에 있어서,

   상기 제어기는 상기 부하가 이동하는 속도정보를 입력받고 이에 근거하여, 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 위치를 상기 부하의 진행 방향으로 가변하기 위한 제어신호를 상기 센서로 출력하되, 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 이격 거리가 상기 부하의 속도에 비례하도록 하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 센서는 상기 제어기로부터 입력되는 제어신호에 근거하여 상기 센서의 위치를 상기 부하의 진행방향에 대하여 전후로 가변하기 위한 이송용 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 하나의 고정자는 상기 다수의 센서 및 변위조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
10. 부하에 선형 추진력을 공급하는 선형전동기에 있어서,

    상기 부하의 이동방향을 따라 평행하게 배치되어 이동자계를 발생하는 고정자;

    상기 고정자와 대향하여 소정의 공극을 형성하도록 상기 부하의 저면에 지지되어 자계를 발생하는 회전자; 및

    상기 공극의 크기가 기설정된 값을 유지하도록 상기 회전자의 위치를 제어하는 공극 제어부; 를 포함하되,

    상기 공극 제어부는

    상기 공극의 크기정보를 검출하여 출력하는 센서;

    상기 센서로부터 상기 공극의 크기정보를 입력받아 기설정된 크기정보와 비교하고, 상기 공극이 기설정된 값을 유지하도록 하는 제어신호를 출력하는 제어기; 및

    상기 제어기로부터 입력되는 상기 제어신호에 근거하여 상기 부하에 지지되어 있는 상기 고정자의 위치를 가변하는 압전모터와 상기 압전모터에 전력을 공급하는 전력증폭기를 포함하는 변위조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형전동기
11. 삭제
12. 제 10항에 있어서, 상기 센서는

    초음파센서 또는 광센서 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 선형전동기.
13. 삭제
14. 제 10항 또는 제12항에 있어서, 상기 센서의 위치는

    상기 압전모터의 반응시간 동안 상기 부하가 최대로 이동할 수 있는 거리만큼 상기 부하의 진행방향에 대하여 전방으로 이격 되어 배치되는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
15. 제 14항에 있어서, 상기 제어기는

    상기 부하가 이동하는 속도정보를 입력받고 이에 근거하여 상기 전력증폭기로 출력하는 동작제어신호를 가변적으로 지연시켜 출력하되, 상기 지연시간은 부하의 이동속도에 반비례하도록 하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
16. 제 10항 또는 제 12항에 있어서,

    상기 제어기는 상기 부하가 이동하는 속도정보를 입력받고 이에 근거하여, 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 위치를 상기 부하의 진행 방향으로 가변하기 위한 제어신호를 상기 센서로 출력하되, 상기 압전모터의 위치에 대한 상기 센서의 이격 거리가 상기 부하의 속도에 비례하도록 하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
17. 제 16항에 있어서,

    상기 센서는 상기 제어기로부터 입력되는 제어신호에 근거하여 상기 센서의 위치를 상기 부하의 진행방향에 대하여 전후로 가변하기 위한 이송용 모터를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.
18. 제 10항에 있어서,

    상기 하나의 회전자는 상기 다수의 센서 및 변위조절기를 구비하는 것을 특징으로 하는 선형전동기.

Images