KR20010044157A - 브러쉬없는 코일 코어형 리니어모터 및 이 리니어모터가구비된 선형구동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 브러쉬없는 I자형 코일 코어형 교류 리니어모터를 구비한 선형 구동 시스템에 관한 것이다. 구동장치는 본체 중앙에 위치하여 양쪽에 좌우 대칭으로 위치한 베어링 가이드에 의하여 지지된다. 구동장치의 W자형 요크에는 영구자석이 고정되어 있고 영구자석 사이에서 선형 구동되는 슬라이드부가 구비한 권취코일이 위치한다. 하나의 권취코일에 구비된 종방향코일부 사이의 중심부에는 다른 코일의 종방향코일부가 위치한다. 코일의 횡방향코일부는 두 개가 겹쳐져 종방향 코일부의 2배의 두께가 된다. 이러한 구성에 의하여 선형 구동 시스템의 구조를 간단하게 할 수 있고, 높이를 최소화할 수 있으며, 두개의 베어링 가이드를 설치하여 하중이나 뒤틀림에 강하게 지지할 수 있으며, 리니어 스케일을 외부에 장착함으로서 모터에서 발생하는 열이나 전자장의 간섭을 최소화할 수 있다. 그리고 선형 구동 시스템의 구동에 따른 속도와 힘의 변화를 최소화하기 위하여 3개의 코일을 전기각으로 120°위상차를 유지하며 사인파형 전류를 인가하여 교류로 구동한다.

Description

브러쉬없는 코일 코어형 리니어모터 및 이 리니어모터가 구비된 선형구동장치 {BRUSHLESS, COIL CORE TYPE LINEAR MOTOR AND LINEAR MOTION APPARATUS HAVING THE SAME}

본 발명은 브러쉬없는(brushless) 코일 코어형 리니어모터 및 이 리니어모터가 구비된 선형 구동 시스템에 관한 것으로서, 특히 I자형 코일 코어형 권취코일을 사용한 가동자를 가지고 W자형 요크를 가지며 교류로 구동되는 리니어모터 및 이 리니어모터가 구비된 선형 구동 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 선형 구동 시스템은 반도체 장비 및 공작기계 등에 직각좌표에 따른 위치 및 속도 제어를 하기 위하여 사용된다. 이러한 시스템으로는 기존의 회전 모터를 이용하여 회전운동을 직선운동으로 전환하여 사용하거나, 리니어 모터를 사용하였다. 회전 모터를 이용한 시스템은 볼스크류, 랙피니언, 벨트 등을 이용하여 회전운동을 직선운동으로 전환하여 사용하였기 때문에 자체 관성 및 기계적인 마찰 등의 이유로 고속, 고정밀 서보 작동에는 한계가 있었기 때문에 선형 운동을 직접 구동할 수 있는 리니어 모터 또는 선형 구동 시스템을 필요로 하게 되었다.

그러나 기존의 개발된 리니어 모터 중에서 추력이나 속도의 변화가 없는 공심형(coreless type)의 리니어 모터의 경우에는 그 추력이 매우 작거나 혹은 리니어 모터의 높이가 매우 높아져서 안정성이나 위치 정밀도에 치명적인 문제점이 발생하였다. 공심형이란 코일의 중심부에 영구자석에 의하여 힘을 발생하는 매체(예를 들면, 강자성체의 코어)가 존재하지 않는 형태로써 단위 부피당 발생하는 추력이 작게 된다. 이를 극복하기 위하여 일반적으로 요크와 코일을 2세트이상 병렬로 연결하여 사용하였다. 이와 같은 경우 리니어 모터의 크기가 증가하기 때문에 크기의 증가를 최소화하고 추력을 크게 하기 위하여 코일 코어형 리니어 모터가 개발되었다. 코일을 중첩하여 배열하여 코일의 중심부에 다른 코일이 위치하게 하여 코일의 밀도를 증가시킬 수 있으나, 전체 코일의 두께가 증가하여 영구자석에 의한 자속의 손실이 발생하였다.

종래의 가동자는 코일의 전체 두께가 두꺼웠다. 그 예가 도10에 도시되어 있다. 제 10도(a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 종래의 권취코일(22)은 횡방향부(22a, 22b)와 종방향부(22c, 22d)가 가동자(13)의 직선 운동방향(L)으로 엇갈리게 위치되어, 전체 가동자(13)의 폭(g)은 권취 코일(22)의 2배 이상으로 증가하게 된다. 한편, 도11에 도시한 종래 코일 코어형 가동자의 코일의 경우에는 권취코일의 절곡된 부분(33a, 33b)이 권취 코일의 영구자석사이에 끼워지는 코일부에 대하여 d만큼의 단을 형성하고 있어 겹쳐서 배열할 경우 절곡된 부분(33a, 33b)의 두께가 3d가 되어 결국 코일이 가지는 기본적인 두께가 커지게 되고 요크 사이를 멀리 떨어뜨리는 요인이 된다.

종래의 리니어모터는 요크의 크기가 크거나 가동자를 형성하는 코일의 두께가 두꺼워져서 리니어모터 및 이것을 이용한 선형 구동 시스템의 크기가 커질 수밖에 없으며, 추력이 떨어진다.

이러한 문제점을 극복하기 위한 본 발명의 목적은 보다 작은 크기에서 고속, 고가속, 고출력의 성능을 달성하고 위치 및 속도, 힘의 제어 등을 정확하게 수행할 수 있는 브러쉬없는 I자형 코일 코어형 교류 리니어모터와 선형 구동 시스템을 제공하는 것이다.

제 1도는 본 발명의 실시예에 의한 브러쉬없는 I자형 코일 코어형 교류 리니어모터가 구비된 선형 구동 시스템의 사시도

제 2도는 도1의 선형구동장치의 정면도

제 3도는 도1의 브러쉬없는 I자형 코일 코어형 교류 리니어모터를 도시한 도면

제 4도는 도1의 리니어모터의 W자형 요크와 영구자석의 구조도

제 5도는 도1의 리니어모터의 W자형 요크와 영구자석의 자속 흐름도

제 6도의 (a)및 (b)는 각각 도1의 리니어모터의 I자형 코일 코어형 가동자 내의 코일의 형상 및 그 배치 방법을 도시한 사시도 및 측면도

제 7도는 제 6도(a)의 선(A-A)에 따라 절단한 단면도

제 8도는 영구자석사이에 위치한 I자형 코일 코어형 코일 세트를 도시한 배치도

제 9도의 (a)는 I자형 코일 코어형 교류 선형 구동 제어 시스템의 영구자석의 자속파형에 대한 3개의 코일에 인가되는 전류파형도이며, (b)는 영구자석의 자속파형도

제 10도의 (a)및 (b)는 종래 기술에 의한 공심형 가동자 내의 코일의 형상과 그 배치방법을 도시한 평면도 및 B-B를 따라 절단한 단면도

제 11도의 (a) 및 (b)는 종래 기술에 의한 코일 코어형 가동자 내의 코일의 형상 및 그 배치방법을 도시한 측면도 및 단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

1: 선형 구동 시스템 2: 본체 3: 구동리니어모터

4: 리니어 스케일 5: 슬라이드부 6: 베어링 가이드 11: 요크

12: 영구자석 13: 가동자 14: 권취코일 15: 고정부재

본 발명의 일측면에 따르면, W자형 요크가 구비되고, I자형의 가동자 코일이 구비된 리니어모터가 제공된다. 본 발명의 다른 측면에 따르면, 그러한 리니어모터가 구비된 선형 구동 시스템이 구비된다. 본 발명의 선형 구동장치에서는 본체에 대하여 슬라이드 부를 직선 구동시키기 위한 구동장치(리니어모터)와 슬라이드 부의 이동을 제어하도록 그 위치를 측정하기 위한 리니어 스케일과 슬라이드부를 본체에 대하여 베어링 지지하는 직선형 베어링 가이드를 포함하는 브러쉬없는 교류식 선형 구동 시스템에 있어서 한개의 구동장치를 본체의 중앙에 위치시키고 좌우에 리니어 가이드를 설치함으로써 충돌이나 외부의 충격에 강하게 설계하였다.

이하 본 발명을 첨부한 도면과 함께 구현예를 들어 상세히 설명한다.

제 1도에는 본 발명에 의한 브러쉬없는 I자형 코일 코어형 교류 리니어모터가 구비된 선형 구동 시스템의 사시도가 도시되어 있다. 제 2도에는 정면도가 도시되어 있다. 도1 및 도2를 참조하면, 구동 제어 시스템(1)은 본체(2)와, 이 본체(2)의 중심부에 위치한 구동장치(리니어모터)(3)와, 본체의 양쪽에 위치하여 구동장치에 의해 직선으로 구동되는 슬라이드부(5)와, 슬라이드부를 본체에 대하여 베어링 지지하는 직선형 베어링 가이드(리니어베어링 또는 리니어 모션 가이드)(6)를 포함한다.

제 1도와 제 2도로부터 알 수 있는 바와 같이, 구동장치(3)는 전체 시스템 구조상 중심부에 위치시키고, 베어링가이드(6)를 구동장치(3)의 좌우에 대칭으로 배치하였다. 따라서, 슬라이브부(5)에 작용하는 구동장치의 추력 및 이동 대상의 하중뿐만 아니라, 충돌이나 외부에서 작용하는 힘에 의한 회전력이나 비틀림까지 지지할 수 있다. 위치 측정기로써 사용되는 리니어 스케일(4)은 베어링가이드(6)의 외부에 배치된다. 결국, 리니어 스케일(4)의 힘에 의한 변형을 최소화된다. 그리고, 리니어 스케일(4)과 구동장치(3)가 일정한 간격을 유지함으로써 구동장치에서 발생하는 열이나 전자기적인 노이즈의 영향을 배제시킬 수 있다.

리니어 스케일(4)은 공지된 것을 사용할 수 있으며, 구동장치(3) 또는 선형 구동 시스템(1)의 위치를 측정 제어하기 위한 것이다. 슬라이드부(5)와 직선형 베어링 가이드(6) 또한 공지된 것을 사용할 수 있으므로 본 명세서에서는 상세히 설명하지 않는다.

제 3도에는 구동장치(3)이 상세하게 도시되어 있다. 도1, 도2, 도3을 참조하면, 리니어모터(3)은 고정자와 가동자를 구비한다. 고정자는 W자형 요크(11)('E'자형 요크라고 할 수도 있다)와, 다수의 영구자석(12)을 구비한다. 도1부터 도4까지 참조하면, 요크(11)는 기초연결부(11d)와 기초부로부터 평행을 유지하며 연장된 3개의 날개부(11a,11b,11c)를 구비한다. 영구자석(12)은 각 날개부가 마주보는 쪽에 서로 마주보도록 날개부에 부착된다. 영구자석은 일정한 간격을 두고 N극과 S극이 번갈아 가며 착자되어 있다. 영구자석은 서로 다른 극끼리 마주보도록 배치된다. 아울러 중앙 날개부(11a)의 양쪽에 배치되는 영구자석도 서로 극성이 마주보도록 배치된다.

종래에는 고정자로서 자석을 고정하기 위하여 U자형 요크를 사용하였다. 추력을 내기 위해서 이 U자형 요크를 병렬로 연결하여 고정자를 형성하는 것을 고려할 수 있다. 그러나, U자형 고정자를 병렬로 연결할 경우에 자속의 흐름이 각각의 U자 요크에서 형성된다. 그렇지만 제 4도, 제 5도와 같이 W자로 구성하게 되면 마주보는 영구자석(12a)뿐만이 아니라 중앙 날개부(11a)를 중심으로 반대편에 위치한 영구자석(12b)까지 자속의 흐름(도5의 화살표 참조)이 연장되어 영구자석의 효율을 최대화하여 영구자석의 두께를 최소화할 수 있다. 또한 W자 요크(11)의 가운데 날개부분(11a)의 두께도 최소화할 수 있다. U자형 고정자 대신 W자형 고정자를 사용하면 요크의 크기를 같은 성능대비 약 50%까지 줄일 수 있다.

가동자(13)는 영구자석 사이에 개재되는 다수의 사각 고리모양의 권취코일(14)를 구비한다. 가동자(13) 상부에는 슬라이드부가 고정 지지되어 있다. 도6을 참조하면, 가동자(13)의 내부의 대체로 사각고리 형의 권취 코일(14)은 영구자석의 자력선을 수직으로 가로지르며 마주보는 영구자석 사이에 위치하게 되며 화살표(F)방향으로 연장되는 종방향부(구동 직선코일부)(14c,14d)와, 양측 종방향부를 연결하며 영구자석 사이로부터 비껴난 부분에 위치하게 되는 횡방향부(연결코일부)(14a,14b)를 구비한다.

제 5도(b)에 잘 도시된 바와 같이 상부 및 하부의 횡방향부(14a)와 횡방향부(14b)는 그 사이의 종방향부(14c,14d)에 대하여 같은 쪽으로 절곡되어 치우쳐 있으며, 종방향부의 두께 d의 1/2 (즉, 1/2d) 만큼 단을 형성하며 치우쳐 있다. 이와 같이 구성된 각 권취 코일을 제 6도 (a) 및 (b)와 같이 겹치게 배열하면 종방향부(14c,14d)부분은 코일의 두께와 같은 d가 되며, 횡방향부(14a, 14b)부분은 2d가 된다. 제 6도의 선(A-A)에 의한 단면도를 제 7도에 나타내었으며, 코일의 상부와 하부에서 하나의 권취 코일의 횡방향부(14a,14b)가 다른 권취코일의 횡방향부와 겹치게 되어 2d의 두께를 형성하고, 하나의 권취코일의 종방향부(14c,14d)는 다른 권취코일의 종방향부와 나란히 배치됨으로써 종방향부에서는 가동자의 두께가 d로 유지되는 것을 알 수 있다.

도8은 가동자의 코일과 고정자의 영구자석의 상대위치를 도시한 종단면도로서 각각의 극에 대하여 3개의 권취코일의 하나씩의 종방향부가 대응하도록 배치되어 있음을 알 수 있다. 권취코일은 3개씩 세트를 구성하며 이를 3상 코일이라 한다. 영구자석에 의하여 발생되는 자속은 도9의 (b)에 도시한 바와 같이 정현파(사인파)형을 가진다. 여기에서 +(positive)인 부분은 N극으로 착자된 곳에 해당하고, -(negative)인 부분은 S극으로 착자된 곳에 해당하는 것으로 도시한다.

각 코일(종방향의 구동 코일부)에는 영구자석의 자속의 정현파와 전기각으로 π/2(90°) 위상차를 가지는 자속이 발생하도록 전류를 인가하여 슬라이드부를 구동하여 발생되는 추력을 최대화한다.

또한 슬라이드부의 정속이동에 따른 추력의 변화나 속도의 변화를 최소화할 수 있도록 도9의 (a)에 도시한 바와 같이, 3개의 권취 코일에 전기각으로 2/3π(120°) 위상차를 가지는 정현파(사인파)형의 전류를 인가한다. 도9의 (a)에서는 코일 A, B, C의 영구자석에 대한 위치에 따라 인가되는 전류파형을 도시한 것이다.

이상 본 발명을 상기 구현예를 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다. 당업자라면, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어나지 않고 수정, 변경을 할 수 있으며 이러한 수정과 변경 또한 본 발명에 속하는 것임을 알 수 있을 것이다.

위와 같은 본 발명의 구성에 따르면, 발명은 W자형 요크(11)를 이용하여 영구자석의 자속 흐름을 최적화하여 요크(11)의 크기를 최소화하고, 권취코일(14)을 굴절시켜 서로 중첩되도록 위치시킬 때, 그 종방향부(14c, 14,d)가 서로 끼워져서 동일 평면상에 위치함으로써 대향한 영구자석(12)간의 각격을 최소화하고 자속밀도를 증가시켜 작동 효율을 향상시킬 수 있다. 그리고 횡방향부의 두께를 최소화하여 요크의 날개부 사이의 간격을 최소화할 수 있다.

Claims (1)

1. 고정자와 가동자를 구비하는 선형 구동 시스템에 있어서,

   상기 고정자는 일측에서 연결부에 의해 서로 연결되고 서로 나란히 연장된 날개부를 구비한 요크와, 상기 날개부의 마주보는 위치에 고정된 영구자석을 구비하며,

   상기 가동자는 상기 영구자석 사이에 위치하는 다수의 고리형 권취 코일을 구비하되, 상기 권취 코일은 자속을 가로지르는 종방향 직선코일부와 상기 직선코일부 사이를 연결하는 연결코일부로 구성되면, 상기 연결부는 상기 연결코일부는 상기 직선코일부에 대하여 절곡되어 직선코일부 두께의 약 1/2만큼 치우쳐 있는 것을 특징으로 하는 선형 구동 시스템.