KR20020067863A - 셀프 베어링 스텝모터 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 회전기계의 일종인 셀프베어링 스텝모터(Self-bearing step motor)에 관한 것이다. 셀프베어링은 자기부상 기술을 이용하여 모터의 액추에이터 자체가 모터역할뿐만 아니라 베어링역할까지 동시에 수행한다는 의미로 베어링리스모터(Bearingless motor)라고 부르기도 한다. 이러한 셀프베어링 모터는 베어링을 위한 부분이 필요 없게 되므로 모터 자체의 부피와 무게를 줄일 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 일반적인 스텝모터 액추에이터의 형상을 그대로 유지한 채 추가적인 코일이 없이 스텝모터의 각 코일에 흐르는 전류를 각 전자석의 원주방향으로의 기하학적인 관계를 이용하여 제어 공급함으로써 스텝모터 자체가 베어링역할을 동시에 수행하게 할수 있는 셀프베어링 스텝모터에 관한 것이다.

본 발명의 셀프베어링 스텝모터는 회전자가 아무런 기계적인 접촉이 없이 작동하기 때문에 마찰 마모의 문제를 제거할 수 있을 뿐만 아니라 별도의 윤활장치도 필요 없다. 또한, 센서를 이용하여 지속적으로 회전자의 위치를 감지하기 때문에 회전자 자체에 의해 발생하는 진동문제나 외부로부터 가해지는 외란의 영향을 어느 정도 제거할 수 있다. 그리고 본 발명의 셀프베어링 모터는 베어링작용을 위한 전력손실이 없다는 것이 특징이다.

본 발명은 정밀 디지털 액추에이터, 컴퓨터의 데이터 저장장치 및 출력시스템, 프린터, 복사기 등 사무기기, 로봇의 액추에이터, 정밀 테이블 제어용 액추에이터 등 산업체에서 사용하는 모터의 60% 이상을 점유하고 있는 스텝모터에 대한 응용이기 때문에 모터산업 전반에 파급효과가 클 것으로 기대된다. 특히, 정밀 각도조정이 필수적인 미사일 추적용 액추에이터나 반도체 제조장비, 진공 등 위성체에서 사용되는 모터, 인공심장 등 특수 작업환경에서 사용되는 모터 등에도 유지보수가 필요 없이 반영구적으로 사용이 가능하다.

Description

셀프 베어링 스텝모터 및 그 제어방법 {Self-bearing step motor and its control method}

본 발명에서는 일반적인 구조를 가지는 스텝모터에 베어링작용을 위한 코일의 추가나 구조변경을 하지 않고도, 베어링작용을 위한 전력손실이 없이 스텝모터 자체가 모터역할 및 베어링역할을 동시에 수행할 수 있는 셀프베어링 스텝모터를 개발하는 것이 목적이다.

본 발명은 모터의 일종인 셀프베어링 스텝모터에 관한 것이다. 셀프베어링 모터는 모터에 베어링을 위한 부분이 필요 없게 되므로 모터 자체의 부피와 무게를 줄일 수 있으며, 자기부상 기술을 이용하므로 마찰, 마모 및 윤활에 관한 문제가 없으므로 유지보수가 필요 없이 반영구적으로 사용이 가능하다.

도 1은 1987년 Higuchi(U.S. Patent No. 4683391)가 발명한 기존의 셀프베어링 스텝모터의 개략도 이다. 이 발명의 특징은 도 1에 나타난 바와 같이 기존의 스텝모터의 전자석의 토크코일에 베어링역할을 위한 베어링코일을 추가함으로써 하나의 액추에이터를 이용하여 모터역할과 베어링역할을 동시에 수행할 수 있게 하였다는 점이다. 또한, 고정자를 4개의 큰 부분으로 나누어 X와 Y 축을 제어하는데 사용하였다. 이 고안의 경우 베어링역할을 위해 고정자의 구조를 용도에 맞게 설계해야하고, 추가적인 코일과 함께 이를 제어하기 위한 부수장비가 모두 필요하게되므로실질적으로 그 부피와 무게는 그다지 줄어들지 않을 뿐 더러 상하좌우로 대칭인 구조에만 한정되어 적용이 가능하다.

도 2는 고정자와 회전자는 각각 15개와 10개의 치를 가지고 있는 상하좌우 비대칭구조의 일반적인 3상 스텝모터의 단면을 나타낸다. 이와 같은 일반적인 스텝모터는 도 2의 스텝모터 제어기(Step motor controller)에서 여자방식에 따라 각 상(Phase)이 순서대로 여자되면서 회전력을 얻게 된다. 각 상이 여자될 때 도 2의 구조와 같은 스텝모터의 경우 5개의 전자석이 동시에 구동이 되기 때문에 같은 상에 위치한 전자석의 코일들은 서로 연결이 되어있다. 상하좌우 비대칭구조의 의미는 스텝모터의 하나의 상이 여자되었을 때 전자기력을 발생하는 전자석이 상하좌우로 대칭이 되지 않는 구조를 의미한다. 종래의 자기부상 기술은 도 1과 같이 대칭성을 기준으로 물체를 부상시키는 것이 특징이다. 전자석이 X와 Y 축을 중심으로 대칭되어 있으므로 베어링작용을 위하여 4개의 전자석이 필요하다. 그러나 스텝모터의 경우는 비대칭구조를 가지는 스텝모터도 많이 응용되고 있기 때문에 비대칭구조의 스텝모터를 셀프베어링으로 응용할 수 있어야 하는 것이 해결해야 할 하나의 과제이다.

일반적인 스텝모터는 회전자를 회전시키기 위하여 전자석의 여자상태를 순서대로 바꾸어 주어야 하며, 이러한 상의 변화에 따른 구동 전자석의 순차적인 이동은 스텝모터가 베어링역할을 하기 어렵다는 요인으로 지적되어왔다. 또한 축이 회전할 때 전자석과 회전자 치(teeth)의 중첩길이가 원주방향으로 스텝각에 따라서 변하기 때문에 자속이 흐르는 단면적이 일정하지 않고 이에 따른 자기력의 크기가변하게되는 것도 문제점으로 지적되고 있다.

이러한 문제점들로 인하여 스텝모터가 셀프베어링 모터로 아직 활발하게 개발되지 못하고 있는 것으로 알려져 있다.

본 발명에서는 일반적인 구조를 가지는 스텝모터에 베어링작용을 위한 코일의 추가나 구조 변경을 하지 않고도, 베어링작용을 위한 전력손실이 없이 스텝모터 자체가 모터역할 및 베어링역할을 동시에 수행할 수 있는 셀프베어링 스텝모터를 제시한다.

도 1은 종래기술인 U.S. Patent No. 4683391의 개략도

도 2는 일반적인 스텝모터의 개략도

도 3은 본 발명인 셀프베어링 스텝모터 구조도

도 4는 본 발명인 셀프베어링 스텝모터에서의 힘 발생

도 5는 본 발명인 셀프베어링 스텝모터의 상세도 및 주요 부호

도 6은 본 발명인 셀프베어링 스텝모터의 제어회로

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 고정자

2 : 회전자

3 : 고정자 전자석

4 : 회전자 치(齒)

5 : 고정자 피치

6 : 전자석의 원주방향 길이

7 : 회전자 피치

8 : 고정자 전자석과 회전자 치 사이의 중첩길이

9 : 공극

10 : 전자석의 축 방향 길이

본 발명에서는 일반적인 구조를 갖는 스텝모터를 셀프베어링 스텝모터로 개발하기 위하여, 코일 연결상태의 수정, 위치센서와 구동되는 전자석 사이의 기하학적인 관계, 상의 변화에 따른 제어전류 및 구동 전자석의 변화, 회전자의 회전에 따른 중첩길이의 변화등에 대한 문제점을 해결한다.

우선 도 2와 같은 일반적인 비대칭 구조의 스텝모터를 셀프베어링 모터로 사용하기 위하여 도 3과 같이 코일의 연결을 단락시켜 고정자의 각 전자석을 따로 구동할 수 있도록 하였다. 편의를 위하여 각 전자석을 P_jk로 이름하였으며 5개의 세그먼트로 구분하였다. 여기에서 j는 상을 구분하기 위하여, k는 세그먼트를 구분하기 위하여 사용하였다. 각 코일에 공급되는 전류의 크기는 회전자의 기하학적인 편심에 따라 다르며, 이로 인하여 각 전자석에서는 서로 다른 크기의 자기력이 발생한다. 이 자기력의 차이를 이용하여 회전자의 기하학적인 편심을 보상해 주게된다.

본 발명에서 모델로 하고있는 도 3의 셀프베어링 스텝모터의 회전자가 도 4와 같이 X와 Y축으로 각각 x와 y 만큼 있는 경우를 생각해 보자.

이때 각 전자석 P_jk와 회전자 치 사이의 공극의 크기는 다음과 같다.

여기에서 h_jk는 각 전자석의 중심위치에서의 공극의 크기이고,θ _jk는 각 전자석의 원주방향으로의 위상차이다. 이 각도는 전자석의 수(N_s)와 세그먼트의 수(N_k)와 관계되며 다음과 같은 식으로 계산 할 수 있다.

식(1)과 (2)의 일반화된 공극식을 사용하면 원주방향으로의 대칭성에 상관없이 임의 각도에 위치한 전자석에 대한 공극을 쉽게 구할 수 있게 된다. 그러므로 한번에 구동되는 전자석의 수가 세 개 이상이라면 원주방향으로의 대칭성에 상관없이 모든 스텝모터를 셀프베어링 모터로 개발할 수 있게된다.

구동되는 각 전자석의 공극의 차이는 이 차이를 보상하기 위한 제어전류의 양에도 직접적으로 영향을 미치게 되므로 각 전자석의 코일에 흐르는 공급전류를 다음과 같은 식으로 표현하였다.

여기에서 i_k는 k 전자석 코일의 공급전류, i_t는 토크전류, 그리고 i_x와 i_y는 각각 회전자의 위치를 보상하기 위하여 각 코일에 더해지는 베어링작용을 위한 제어전류이다.

즉, 도 4와 같이 상 3의 전자석이 구동이 될 차례이면 상 3에 놓인 전자석 P31, P32, P33, P34, P35가 구동된다. X와 Y 방향 센서에 의해 측정된 편심으로부터 식(1)과 같이 상 3의 각 전자석에서의 공극이 결정되며, 식(3)의 우측 두 번째와 세 번째 항과 같이 각 코일에 더해져야될 제어전류가 결정된다. 이와 같이 결정된 N_k개의 제어전류의 합은 기하학적인 관계에 의하여 0이 된다. 즉, 회전자의 위치를 보상해 주기 위하여 몇 개의 전자석에 제어전류가 더해지면 다른 나머지 전자석에는 그 크기만큼 제어전류가 감해지게 되므로 결국 전체 제어전류의 합은 0이 된다. 그러므로, 베어링작용을 위한 파워손실이 없는 셀프베어링 모터를 구현할 수 있게 된다. 물론 회전자가 스텝각 만큼 회전하면 다음 상에 위치한 전자석들이 구동되면서 공급전류의 크기도 식(3)에 따라 변하며, 상의 변화에 무관하게 베어링작용을 위한 파워손실은 나타나지 않게 된다.

중첩길이의 영향을 관찰하기 위하여 도 5와 같이 고정자의 전자석과 회전자의 치(teeth)부분을 확대하여 그렸다. 원주방향 자기력(F_n)과 반지름방향 자기력(F_t)는 전자석 및 치의 기하학적인 특성이나 자기적인 특성에 의하여 결정된다. 일반적인 스텝모터는 맥스웰힘을 사용하며 이 힘에 의하여 발생되는 원주방향 자기력은 공급전류의 자승에 비례하고 공극에 반비례하는 반면, 반지름 방향 자기력은 공급전류의 자승에 비례하고 공극의 자승에 반비례하는 특성을 가진다. X와 Y 방향의 변위와 제어전류의 크기가 각각 정상상태에서의 공극과 토크전류에 비하여 작다고 가정하면 다음과 같이 두 방향의 힘의 X와 Y 방향 성분을 선형화 할 수 있다.

여기에서 K_q와 K_qc는 시스템의 위치강성이고 K_i와 K_ic는 제어를 위한 전류강성을 나타낸다. 본 발명에서 모델로 사용한 도 3과 같은 구조를 가지는 VR 형태의 셀프베어링 모터의 경우 다음 식을 이용하여 강성을 계산할 수 있다.

식(6)과 (7)의 식과 같이 위치강성과 전류강성은 중첩길이 W의 함수이다. 회전자가 회전하면 중첩길이는 스텝각에 따라 변하게되고 시스템의 강성들도 스텝각의 주파수에 따라 선형적으로 변하게된다. 그러나 중첩길이에 의한 영향은 위치강성뿐 아니라 제어신호에 직접적으로 영향을 주는 전류강성에도 영향을 미치기 때문에 어느 정도 서로 상쇄되는 효과를 가져오게 된다. 또한, 지속적인 피드백으로 인하여 중첩길이의 변화는 시스템의 성능에 그렇게 크게 영향을 미치지 않는다. 그러나 최소 중첩길이의 크기가 너무 작게 설계가 되는 경우 특히 최소 중첩길이가 0이하인 경우, 프린징효과 (fringing effect)를 무시하면 이론적으로 위치강성과 전류강성이 0이 되기 때문에 시스템의 적절한 제어가 어렵게된다. 만일 영구자석을 사용한 PM 형태의 구조를 가진 스텝모터를 셀프베어링 스텝모터로 사용하기 위해서는 식(6)과 (7)에 영구자석의 영향을 고려해주면 된다.

스텝모터는 모터를 회전시키기 위하여 자기력을 발생시키는 전자석의 여자상태를 순서대로 바꾸어 주어야하는데, 이것은 도 6의 피드백 루프의 Current divider라는 회로에서 해결할 수 있다. Current divider에서는 일반적인 스텝모터를 제어기의 스텝모터 주파수와 같은 주파수로 각 코일의 공급전류의 크기를 결정해줌으로써 상의 변화에 따른 구동전자석의 변화에 대한 문제점을 극복할 수 있다.

도 6의 셀프베어링 스텝모터의 피드백회로에 대해 자세히 설명하면, X와 Y 방향 변위센서는 회전자의 기하학적인 편심 x와 y를 측정하게되고, 기준입력신호와 비교가 되어 제어전류를 발생하게 된다. 제어전류는 Current divider 회로에서 상의 변화에 따라 크기가 조절된 후 토크전류에 더해져 각 전자석에 공급된다. 제어전류는 회전자의 기하학적인 편심에 따라 토크전류에 가하거나 감하여지며, 이로 인하여 제어전류의 합은 항상 0이라는 결론을 얻게 된다. 그러므로 본 발명의 셀프베어링 스텝모터가 모터역할에 추가적으로 베어링의 역할을 하더라도 베어링 작용을 위한 전력손실은 없게된다.

이상에서 상술한 바와 같이 베어링작용을 위한 추가적인 코일이나 구조의 변경 없이 일반적인 구조의 스텝모터 자체가 모터역할 뿐만 아니라 베어링역할도 동시에 수행할 수 있는 셀프베어링 스텝모터를 제작할 수 있다. 특히 본 발명인 셀프베어링 스텝모터는 모터가 베어링역할을 수행하더라도 베어링작용을 위한 전력손실이 발생하지 않는 것이 특징이다.

본 발명인 셀프베어링 스텝모터는 일반적인 스텝모터를 대체할 수 있으며, 특히 자기부상 기술의 장점으로 인하여 고청정, 진공 등 극악한 환경조건에서 구동되는 모터도 유지보수가 필요 없이 반영구적으로 사용할 수 있으므로 산업적으로 파급효과가 클 것으로 예상된다. 또한, 극소형 액추에이터로서도 제작이 가능하게 된다.

Claims (2)

1. 셀프베어링 스텝모터에 있어서,

   스텝모터에서 코일의 추가나 구조변경을 하지 않고, 같은 상에 위치한 전자석의 코일들의 연결을 단락시켜 고정자의 각 전자석을 따로 구동할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 셀프베어링 스텝모터
2. 셀프베어링 스텝모터의 제어방법에 있어서,

   위치센서와 구동되는 전자석 사이의 기하학적인 관계로부터 제어전류를 결정하고, 스텝모터의 회전주파수와 같은 주파수로 전류의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 셀프베어링 스텝모터