KR20090004468A - 직선 또는 회전 운동 시스템을 위한 저소음, 고속, 고정밀,고추력 자속 역전식 전동기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영구자석의 사용량을 줄일 수 있고 동일 극성의 영구자석들을 사용하여 착자를 용이하게 하며, 추력을 향상시켜 고속 운동이 가능하고 추력과 수직력의 맥동을 저감하여 저소음/저진동, 고정밀 위치 제어가 가능한 선형 전동기, 및 상기 선형 전동기의 개념을 회전형 전동기로 확장하고 회전자에 영구자석을 포함시켜 열화를 방지하거나 고정자에 영구자석을 포함시켜 비산을 방지하며 고정자 또는 회전자에 분할 철심을 적용하여 효과적으로 제작이 가능한 회전형 전동기에 관한 것이다. 본 발명에 따른 자속 역전 선형 전동기는, 이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하고, 이동자 치형의 단부는 중앙 돌기의 좌우에 각각 배치되는 동일 극성의 영구자석을 포함한다. 이외에도 중앙 돌기를 홀수 개의 영구 자석으로 대체하는 방법 등 다양한 실시가 가능하다.
선형 전동기, 회전형 전동기, 내전, 외전, 이동자, 고정자, 회전자

Description

직선 또는 회전 운동 시스템을 위한 저소음, 고속, 고정밀, 고추력 자속 역전식 전동기{Silent, Fast, Precise and High Force Density Flux Reversal motor For Linear or Rotary Motion System}
본 발명은 자속 역전식 전동기에 관한 것으로서, 영구자석의 사용량을 줄일 수 있고 동일 극성의 영구자석들을 사용하여 착자를 용이하게 하며, 추력을 향상시켜 고속 운동이 가능하고 추력과 수직력의 맥동을 저감하여 저소음/저진동, 고정밀 위치 제어가 가능한 선형 전동기, 및 상기 선형 전동기의 개념을 회전형 전동기로 확장하고 회전자에 영구자석을 포함시켜 열화를 방지하거나 고정자에 영구자석을 포함시켜 비산을 방지하며 고정자 또는 회전자에 분할 철심을 적용하여 효과적으로 제작이 가능한 회전형 전동기에 관한 것이다.
종래의 선형 전동기는 영구자석 동기 선형 전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor)로 대표 되며, 고속, 고가감속, 고정밀의 위치 제어용으로 널리 사용되고 있다. 그러나 종래의 영구자석 동기 선형 전동기는 고정자에 영구자석이 위치하는 가동 코일 형태를 취하고 있어서, 이동 거리가 길어짐에 따라 영구자석 사용량이 증가하여 비용의 증가가 불가피하며, 이동자의 입구와 출구의 단부에서 발생하는 단부 효과로 인해 추력 및 수직력의 맥동을 발생시키는 단점이 있다. 아울러 고정자에 부착된 영구자석의 누설 자속이 주변에 미치는 영향으로 인해 일부 응용에서는 적용이 제한되기도 한다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은, 영구자석의 사용량을 줄여서 제조비용을 절감하고 착자를 용이하게 하기 위하여 이동자에 이동 형태의 영구자석을 동일 극성으로 구비하고, 이러한 이동 형태의 영구자석의 적절한 배치에 의하여 누설 자속 등 단부 효과를 배제하여 추력 및 수직력의 맥동을 저감시키고 이동자 또는 고정자 철심에 적당한 스큐(skew)적용으로 디텐트력(detent force)도 저감시킴으로써 저소음/저진동, 고속, 고정밀, 고추력 운동을 확보할 수 있는 자속 역전 선형 전동기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 응용 시스템의 다양한 요구를 만족시키기 위하여 위와 같은 자속 역전 선형 전동기의 이동자 치형이나 고정자 치형을 다양하게 변경하여 실시할 수 있도록 하고, 경우에 따라서는 이동자 치형의 중앙 돌기 위치에 홀수 개의 영구자석을 사용하는 방법과 영구자석을 고정자 또는 이동자 치형에 배치하는 것이 가능한 자속 역전 선형 전동기를 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기 선형 전동기의 개념을 회전형 전동기로 확장하여 영구자석의 사용량을 절감하며 착자가 용이하고 토크의 향상 및 토크의 맥동 저감이 가능하며, 회전자에 영구자석을 포함시켜 고정자 권선에서 발생하 는 열로 인한 영구자석의 열화를 방지하거나 고정자에 영구자석을 포함시켜 비산을 방지하며, 고정자 또는 회전자에 분할 철심을 적용하여 경제적이고 용이하게 제작이 가능한 회전형 자속 역전 전동기를 제공하는 데 있다.
그리고, 본 발명의 또 다른 목적은, 응용 시스템의 다양한 요구를 만족시키기 위하여 위와 같은 회전형 자속 역전 전동기의 회전자 치형이나 고정자 치형을 다양하게 변경하여 실시할 수 있도록 하고, 경우에 따라서는 영구자석이 부착되는 부분을 선택적으로 철심 치형으로 대체하여 영구자석 사용량을 절감할 수 있으며, 고정자 또는 회전자에 복수의 돌기를 두고 대향하는 회전자 또는 고정자에 3개 이상 홀수 개의 영구자석을 배치하는 것이 가능한 회전형 자속 역전 전동기를 제공하는 데 있다.
먼저, 본 발명의 주요 특징을 요약하면, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하고, 이동자 치형의 단부는 돌기의 좌우에 각각 배치되는 동일 극성의 영구자석을 포함한다.
상기 영구자석의 형태는 삼각형, 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 오각형, 및 원형 중 어느 하나를 포함하고, 상기 영구자석의 형태가 상기 삼각형, 상기 직사각형, 상기 정사각형, 상기 사다리꼴, 및 상기 오각형 중 어느 하나인 경우에, 상기 영구자석의 적어도 한 모서리가 둥근형일 수 있다. 상기 돌기의 단부 형태가 직선형, 둥근형, 각진형, 및 모딴형 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 상기 고정자 치형 의 단부 형태는 직선형, 둥근형, 각진형, 및 모딴형 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
상기 영구자석은 상기 이동자의 나머지 구성들이 완성되면, 해당 위치에 소정 자성체를 부착한 후 착자시켜 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 고정자 치형과 상기 이동자 치형이 서로 일정 스큐 형태로 대향하도록 상기 고정자 또는 상기 이동자의 철심들이 적층될 수 있다.
상기 고정자는 상기 이동자의 운동을 위한 곡선 경로를 포함할 수 있다.
상기 이동자는 운동 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 이동자 치형들을 포함할 수 있고, 상기 이동자 치형들 각각은 단부가 운동 방향으로 상기 영구자석의 극간격의 3배 이상의 홀수배(3, 5, 7...배) 길이일 수 있다.
본 발명의 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하고, 상기 고정자의 단부가 운동 방향으로 반복되는 치형들 사이마다 동일 극성의 영구자석을 포함한다. 상기 이동자의 치형 단부는 2개 이상의 돌기들을 포함하고 상기 돌기들 사이가 함몰된 요철 형태일 수 있다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하고, 이동자 치형의 단부는 좌우 양 끝에 동일 극성의 영구자석들을 포함하고, 상기 영구자석들 사이에 상기 영구자석들과 반대 극성의 적어도 하나의 영구자석을 포함하는 홀수개의 영구자석을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 회전자가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고, 고정자 치형의 단부는 적어도 하나의 돌기의 좌우에 각각 배치된 동일 극성의 영구자석을 포함하거나 복수의 돌기들 사이마다 동일 극성의 영구자석을 포함한다. 상기 고정자는 원주 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 고정자 치형들을 포함할 수 있다. 상기 고정자 또는 상기 회전자의 적층 철심은 적어도 2 이상 분할된 철심들의 결합 형태일 수 있다. 상기 자속 역전 전동기는 차량 휠의 구동에 이용될 수 있다.
상기 차량은 자동차, 전철, 기차, 등등의 바퀴를 이용한 구동 기구를 가지는 모든 것을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 회전자가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고, 상기 회전자의 단부가 원주 방향으로 반복되는 치형들 사이마다 동일 극성의 영구자석을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 회전자가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고, 고정자 치형의 단부가 좌우 양 끝에 동일 극성의 영구자석들을 포함하고, 상기 영구자석들 사이에 상기 영구자석들과 반대 극성의 적어도 하나의 영구자석을 포함한 홀수개의 영구자석을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하는 이동자를 포함하고, 이동자 치형의 단부는 복수의 돌기들 각각의 좌우로 하나씩 동일 극성의 영구자석을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하는 이동자를 포함하고, 이동자 치형의 단부는 돌기의 좌우에 각각 적어도 하나 이상의 영구자석 쌍을 포함하고, 상기 영구자석 쌍은 서로 극성이 반대인 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따른 자속 역전 전동기는, 고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하고, 3의 배수의 이동자 치형들의 주위에 각각 감긴 코일들에 의하여 형성된 상권선들을 가지고, 극 간격 만큼 이격되어 배치된 적어도 2개 이상의 복수의 이동자들을 포함하고, 인접 이동자들의 상권선들의 권선 방향은 서로 반대이며, 고정자 치형 단부 또는 상기 복수의 이동자들의 이동자 치형 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가지는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 자속 역전 선형 전동기에서는, 이동자에 이동 형태의 영구자석을 동일 극성으로 구비하여 영구자석의 사용량을 줄여 제조비용을 절감할 수 있으며, 이러한 이동 형태의 영구자석의 적절한 배치에 의하여 누설 자속 등 단부 효과를 배제하여 추력 및 수직력의 맥동을 저감시킬 수 있을 뿐만아니라, 이동자 또는 고정자 철심에 적당한 스큐(skew)적용으로 디텐트력(detent force)도 저감시킴으로써 저소음/저진동, 고속, 고정밀, 고추력 운동을 확보할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 자속 역전 선형 전동기에서는, 이동자 치형의 중앙 돌기(A) 위치에 홀수 개의 영구자석을 사용하는 방법과 영구자석을 고정자 또는 이동자 치형에 배치하는 것이 가능하며, 기타 이동자 치형이나 고정자 치형을 응용 시스템의 다양한 요구에 맞도록 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 회전형 자속 역전 전동기에서는, 회전자에 영구자석을 포함시켜 고정자 권선에서 발생하는 열로 인한 영구자석의 열화를 방지하거나 고정자에 영구자석을 포함시켜 비산을 방지하며, 고정자 또는 회전자에 분할 철심을 적용하여 경제적이고 용이하게 제작이 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 회전형 자속 역전 전동기에서는, 영구자석이 부착되는 부분을 선택적으로 철심 치형으로 대체하여 영구자석 사용량을 절감할 수 있으며, 고정자 또는 회전자에 복수의 돌기를 두고 대향하는 회전자 또는 고정자에 3개 이상 홀수 개의 영구자석을 배치하는 것이 가능하며, 기타 회전자 치형이나 고정자 치형을 응용 시스템의 다양한 요구에 맞도록 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 선형 또는 회전형 자속 역전 전동기는, 위와 같은 저소음/저진동, 고속, 고정밀, 고추력 운동이 확보되므로, 저속 직접 구동 또는 정밀 위치 제어가 요구되는 분야나, 차량의 휠을 직접 구동하는 분야 등 고속 운전이 필요한 응용 분야뿐만 아니라, 압축기, 가공기, 산업용 전기기기 등 선형 또는 회전 운동이 요구되는 다양한 응용기기에 사용될 수 있다.
이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기의 이동자와 고정자를 설명하 기 위한 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기의 이동자는 이동자 철심(1), 이동자 치형(2), 영구자석(3), 및 이동자 상권선(4)을 포함하고, 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기의 고정자는 고정자 철심(5) 및 고정자 치형(6)을 포함한다.
도 1과 같이 이동자 치형(2) 주위로 코일을 감아(X:들어가는 방향, ⊙: 나오는 방향) 형성한 이동자 상권선(4)에 적절한 전류를 인가하면 이동자와 고정자 간의 상대적인 위치 변화에 따라 영구자석(3)에서 발생한 자속의 흐름이 변화되면서 추력을 발생시키고, 이에 따라 선형 이동체인 이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하게 된다.
본 발명에서는 특히, 도 1과 같이, 이동자 치형(2)의 단부가 중앙 돌기(A)의 좌우에 각각 배치되는 동일 극성의 영구자석(3)을 포함하는 구조이다. 이때 이동자 상권선(4)에 의한 3상 유도 기전력으로 추력을 발생시키기 위하여 이동자에는 운동 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 이동자 치형들(2)을 포함한다. 이때, 이동자 치형(2)은 γ 간격으로 배치되고, 이는 전기적으로 120도 간격이 되어 영구자석(3)이 움직이는 효과로 인하여 선형 운동을 위한 적절한 유도 기전력을 발생시킬 수 있다. 영구자석(3)의 폭(Wp)과 고정자 치형(6)의 폭(Wt)은 중앙 돌기(A)의 폭인 영구자석(3)의 극간격(τp) 보다 크거나 작게 할 수 있는데, 예를 들어, 고정자 치형(6)은 2τp 간격으로 배치하고, 영구자석(3)의 폭(Wp)과 고정자 치형(6)의 폭(Wt)을 τp 정도로 하여, 각 이동자 치형(2)의 단부는 운동 방향으로 상기 영구자 석(3)의 극간격의 3배로 할 수 있다. 이외에도 아래 도 5에서도 기술하는 바와 같이 다양한 변형 실시의 경우에 각 이동자 치형(2)의 단부는 운동 방향으로 상기 영구자석(3)의 극간격(τp)의 5배 등 홀수배(5, 7,9,11..배)로 필요한 만큼 확장될 수 있다.
도 2는 이동자 치형(2)의 중앙 돌기 모양(A), 영구자석 모양(B), 및 고정자 치형 모양(C)의 다양한 실시예들을 설명하기 위한 도면이다. 도 2와 같이, 두 영구자석(3) 사이에 위치한 중앙 돌기(A)의 단부 형태는 직선형, 둥근형, 각진형, 및 모딴형 등 다양한 형태가 가능하다. 또한, 영구자석(3)의 형태는 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 및 오각형 등일 수 있고, 이외에도 필요에 따라 삼각형, 원형 등으로 할 수도 있으며, 영구자석(3)의 형태가 삼각형, 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 및 오각형 등 각진 형태인 경우에는 도 2와 같이 적어도 한 모서리를 둥근형으로 할 수 있다. 고정자 치형(6)의 단부 형태(C)도, 도 2와 같이, 직선형, 둥근형, 각진형, 및 모딴형 등 다양한 형태가 가능하다.
이와 같은 구조의 본 발명에 따른 선형 전동기에서는, 이동자에 이동 형태의 영구자석(3)이 구비되므로, 기존에 고정자에 이송 거리 만큼 영구자석을 구비할 때 보다 영구자석의 사용량을 줄여 제조비용을 절감할 수 있다. 또한, 위와 같은 이동 형태의 영구자석(3)과 이동자 치형(2), 고정자 치형(6) 등의 적절한 모양과 배치에 의하여 릴럭턴스(reluctance)의 급격한 변화를 억제하고 누설 자속의 저감 및 단부 효과를 배제하여 추력 및 수직력의 맥동을 저감시킬 수 있게 된다.
그리고, 본 발명에서는 도 1과 같이 이동자에 동일 극성의 영구자석(3)을 사용하므로, 착자를 용이하게 한다. 즉, 기존과 같이 별도로 착자된 서로 다른 극성의 영구자석을 따로따로 부착하는 제작상의 어려움 없이, 본 발명에서는 도 3과 같이 이동자 철심(1), 착자 되기 전의 영구자석(3), 이동자 상권선(4)을 조립 후 함침 수지(7)를 이용한 함침을 통해 이들을 견고하게 조립한 후, 소정 착자 요크(yoke)(8)를 이용하여 착자 되기 전의 영구자석(3)이 자화되도록 영구자석(3)을 착자시킬 수 있다.
도 1에서 설명한 중앙 돌기(A)의 위치에는 도 4와 같이 이동자 치형(2)의 단부의 좌우 양끝의 영구자석들(3)과 반대 극성의 영구자석 하나로 대치할 수 있다. 또한, 도 5와 같이, 중앙 돌기(A)의 위치에 이동자 치형(2)의 단부의 좌우 양끝의 영구자석들(3)과 반대 극성의 영구자석 2개를 포함하여 3개의 영구자석으로 대치할 수 있다. 예를 들어, 도 4에서, 이동자 치형(2)의 단부에 부착된 영구자석들의 극성은 N-S-N 또는 S-N-S일 수 있다. 또한, 도 5에서, 이동자 치형(2)의 단부에 부착된 영구자석들의 극성은 N-S-N-S-N 또는 S-N-S-N-S 일 수 있다. 즉, 이동자 치형(2)의 단부를 중앙 돌기(A) 대신에 양끝의 영구자석들과 반대 극성의 적어도 하나의 영구자석을 포함하는 홀수개의 영구자석으로 대치함으로써, 좀 더 강한 추력을 확보하여 고속 응용 시스템에 적용하도록 할 수 있다.
한편, 영구자석(3)이 이동자 상권선(4)에서 발생하는 열로 인하여 특성이 열화되는 현상을 방지하기 위하여 도 6 및 고 7과 같이 고정자에 영구자석을 배치하는 형태도 경우에 따라서 사용될 수 있다.
도 6은 고정자에 영구자석을 사용하고 이동자를 요철 형태로 한 제1예를 설명하기 위한 도면이다. 도 6과 같이, 고정자의 단부가 운동 방향으로 반복되는 고정자 철심(5)의 치형들(6) 사이마다 동일 극성의 영구자석을 포함하도록 구성할 수 있다. 이때, 이동자 철심(1)의 치형 단부는 2개의 돌기들을 포함하고 상기 돌기들 사이가 함몰된 요철 형태일 수 있다.
도 7은 고정자에 영구자석을 사용하고 이동자를 요철 형태로 한 제2예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7과 같이, 고정자의 단부가 운동 방향으로 반복되는 고정자 철심(5)의 치형들(6) 사이마다 동일 극성의 영구자석을 포함하도록 구성하고, 이동자 철심(1)의 치형 단부는 3개의 돌기들을 포함하고 두 돌기들 사이마다 함몰된 요철 형태일 수 있다. 물론, 3개 이상의 돌기들을 포함하는 것도 가능하고, 이때 두 돌기들 사이마다 함몰된 요철 형태일 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 자속 역전 선형 전동기에서는, 이동자 치형(2)의 중앙 돌기(A) 위치에 홀수 개의 영구자석을 사용하는 방법이 가능하고, 영구자석을 이동자 뿐만아니라 고정자에 배치하는 것도 가능하며, 기타 이동자 치형(2)이나 고정자 치형(6)을 응용 시스템의 다양한 요구에 맞도록 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.
위와 같은 다양한 형태의 선형 전동기의 전체적인 사시도는 도 8과 같다. 이동자 상권선(4)에 3상 전류 등 적절한 전원을 공급하면, 고정자 철심(5)에 대향한 이동자 철심(1)과 영구자석(3)의 동작으로 이동자가 추력을 받아 고정자의 경로를 따라 선형 운동한다.
이때, 디텐트력(detent force)과 단부 효과에 의한 맥동을 더욱 저감하기 위하여 도 9와 같이 이동자 치형(2)과 고정자 치형(6)이 서로 일정 스큐(skew) 형태로 대향하도록 고정자 또는 이동자의 철심들을 적층할 수 있다. 도 9에서 스큐 길이는 디텐트력의 주기 정도로서, 디텐트력의 주기는 치형(2/6)의 피치 등에 따라 달라질 수 있다. 이와 같은 스큐가 적용되는 경우에, 저소음/저진동, 고속, 고정밀, 고추력이 요구되는 다양한 응용 시스템에의 적용이 가능할 것이다.
도 10은 곡선부를 가지는 고정자로 구현한 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기 사시도의 일례이다. 본 발명에 따른 이동자 및 고정자의 구조는 이동자의 운동을 위한 고정자를 도 10과 같이 곡선 경로가 포함될 때에도 적용될 수 있다.
한편, 이하 위와 같은 이동자 및 고정자의 구조의 개념을 회전형 자속 역전식 전동기에 적용한 예들을 설명한다.
도 11은 영구자석(12)이 고정자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다. 도 12는 영구자석(12)이 고정자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 11 및 도 12와 같이, 본 발명에 따른 회전형 전동기의 고정자는 고정자 상권선(11), 영구자석(12), 고정자 철심(13)을 포함하고, 본 발명에 따른 회전형 전동기의 회전자는 회전자 철심(14)을 포함하고, 그 단부가 원주 방향으로 반복되는 치형들을 가진다.
고정자 상권선(11)에 적절한 3상 전류를 인가하는 경우에, 도 11에서 회전형 이동체인 회전자는 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하고, 도 12에서 회전형 이동체인 회전자는 고정자에 대향하여 원주 방향으로 외전한다.
특히, 도 11 및 도 12의 구조는 도 4 및 도 5의 개념을 확장한 형태로서, 고정자 치형의 단부(D/E 참조)가 좌우 양 끝에 동일 극성의 영구자석들을 포함하고, 상기 두 영구자석들 사이에 그 영구자석들과 반대 극성의 적어도 하나의 영구자석을 포함한 홀수개의 영구자석을 포함하는 구조이다. 도 15의 (D), (E)와 같이 고정자 치형의 단부(D/E 참조)는 다양한 변형 실시가 가능하며, 예를 들어, 고정자 치형의 단부는 하나의 돌기의 좌우에 각각 배치된 동일 극성의 영구자석을 포함하거나(도 15의 D, E에서 우측으로 두번째 그림 참조) 두 돌기들 사이에 하나의 영구자석을 포함할 수 있다(도 15의 D, E에서 우측으로 세번째 그림 참조). 또는, 회전자의 단부가 원주 방향으로 반복되는 치형들 사이마다 동일 극성의 영구자석(12)을 포함하도록 할 수도 있다(도 15의 D, E에서 가장 우측 그림 참조).
도 13은 영구자석(12)이 회전자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 영구자석(12)이 회전자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 13 및 도 14는 회전자에 영구자석(12)을 배치한 구조로서, 도 6 및 도 7의 개념을 확장한 형태로서, 회전자의 단부가(F/G 참조) 원주 방향으로 반복되는 치형들 사이마다 동일 극성의 영구자석(12)을 포함하도록 하였다. 도 15의 (F), (G)와 같이 고정자 치형의 단부(F/G 참조)는 다양한 변형 실시가 가능하며, 예를 들어, 고정자 치형의 단부는 적어도 하나의 돌기의 좌우에 각각 배치된 동일 극성의 영구자석(12)을 포함하거나(도 15의 F, G에서 우측으로 두번째 그림 참조) 복수 의 돌기들 사이마다 동일 극성의 영구자석(12)을 포함할 수 있다(도 15의 F, G에서 우측으로 세번째 그림 참조).
또한, 도 15의 (F), (G)의 첫 번째 그림처럼, 고정자 치형의 단부(F/G 참조)가 좌우 양 끝에 동일 극성의 영구자석들을 포함하고, 상기 영구자석들 사이에 상기 영구자석들과 반대 극성의 적어도 하나의 영구자석을 포함한 홀수개, 예를 들어, 1개 또는 3개의 영구자석을 포함할 수 있다. 이때, 회전자는 그 단부가 돌기 형태의 반복되는 치형들을 가진다.
위와 같은 도 11 내지 도 14의 회전형 전동기에서, 회전자 상권선(11)에 의한 3상 유도 기전력으로 추력 또는 회전력을 발생시키기 위하여, 내전형이든 외전형이든 고정자에는 회전 운동 방향, 즉, 원주 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 고정자 치형들을 포함한다. 이때, 고정자 치형들의 단부 길이는 다양하게 실시될 수 잇다.
예를 들어. 도 11 및 도 12에서는, 고정자에 9개의 고정자 치형들(3상 각 상당 3개)이 있고, 치형각 β=3τp 인 경우로서, 영구자석(12)의 극간격 τp=22.5/3=7.5도, 치형각 β=22.5도, 배치각 α=120/3=40도가 된다. 도 13 및 도 14에서는, 고정자에 12개의 고정자 치형들(3상 각 상당 4개)이 있고, 치형각 β=5τp 인 경우로서, 영구자석(12)의 극간격 τp=18/4=4.5도, 치형각 β=22.5도, 배치각 α=120/4=30도가 된다.
위에서 도 11 및 도 12와 같이, 고정자에 9개 또는 12개의 고정자 치형들인 경우를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 이외에도 고정자에는 고정자 치형들이 3의 배수개를 포함하도록 다양하게 실시될 수 있다. 이와 같은 고정자 치형들의 수에 따라, 위에서 예시한 치형각 β와 배치각 α도 유기적으로 결정되어 고정자 치형들과 영구자석들이 해당 정해진 간격으로 배치될 수 있다.
이외에도, 영구자석(12)의 폭(Wp), 회전자 치형 폭(Wt), 또는 회전자, 고정자, 영구자석(12) 등의 형상 변경 등을 통하여 토크 맥동 저감이 가능하다.
본 발명에서, 위와 같이, 회전자에 영구자석을 포함시키는 경우에는 고정자 상권선(11)에서 발생하는 열로 인한 영구자석의 열화를 방지할 수 있으며, 고정자에 영구자석을 포함시키는 경우에는 동작중 영구자석이 비산되는 염려를 없앨 수 있다. 또한, 회전자 또는 고정자에서 도 15와 같이 영구자석이 부착되는 부분을 선택적으로 철심 치형으로 대체하는 경우에는 영구자석 사용량을 절감할 수 있게 된다.
한편, 위와 같은 회전형 전동기의 고정자 또는 회전자의 적층 철심은 적어도 2 이상 분할된 철심들의 결합 형태일 수 있다.
도 11과 같은 내전형 전동기의 회전자는 도 16과 같이 3 분할된 철심들의 결합일 수 있다. 회전자의 분할 철심들(15) 각각은 돌기부와 함몰부를 가지고 한 분할 철심의 돌기부가 다른 분할 철심의 함몰부에 결합되어 회전 운동시에도 견고하게 결합될 수 있도록 한다.
마찬가지로, 도 11과 같은 내전형 전동기의 고정자가, 도 17 또는 도 18과 같이 9 분할 또는 3 분할된 철심들(16)의 결합일 수 있다.
이와 같은 고정자 또는 회전자는 3 또는 9 분할 이외에도 2, 4, 5, 6, 7,...등 다양하게 분할되어 결합될 수 있다.
또한, 도 12와 같은 외전형 전동기의 회전자는 도 19와 같이 3 분할된 철심들의 결합일 수 있다. 회전자의 분할 철심들(17) 각각은 돌기부와 함몰부를 가지고 한 분할 철심의 돌기부가 다른 분할 철심의 함몰부에 결합되어 회전 운동시에도 견고하게 결합될 수 있도록 한다.
마찬가지로, 도 12와 같은 외전형 전동기의 고정자가, 도 20 또는 도 21과 같이 9 분할 또는 3 분할된 철심들(18)의 결합일 수 있다.
이와 같은 고정자 또는 회전자도 역시 3 또는 9 분할 이외에도 2, 4, 5, 6, 7,...등 다양하게 분할되어 결합될 수 있다.
이와 같은 고정자 또는 회전자에 분할 철심을 적용하는 경우에 전체를 하나로 제작하는 경우보다 용이하게 제작할 수 있으며, 마모 등의 경우에 전체를 대체하지 않고 해당 일부분만의 대체가 가능하므로 사용상 경제적인 면에서도 유리하게된다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 도 12의 외전형 전동기를 차량 타이어(19)의 안쪽 휠(wheel)에 장착한 경우를 설명하기 도면이다. 이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 다양한 외전형 전동기가 차량 휠의 구동에 이용되는 경우에, 위에서도 기술한 바와 같이, 영구자석(12)이 고정자에 부착되므로 영구자석이 비산될 염려가 없다. 여기서, 차량은 자동차, 전철, 기차, 등등의 바퀴를 이용한 구동 기구를 가지는 모든 것을 포함한다.
도 23은 요철 형태의 이동자 치형에 영구자석을 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 23을 참조하면, 고정자 철심(5)에 대향하여 운동하는 이동자의 이동자 철심(1)의 치형 단부가 2개의 돌기들을 포함하도록 구성하고, 좌우 끝과 돌기들 사이의 함몰된 부분에 동일 극성, 예를 들어, N 또는 S극의 영구자석(3)을 포함하도록 구성할 수 있다.
도 24는 요철 형태의 이동자 치형에 영구자석을 사용하는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 24를 참조하면, 고정자 철심(5)에 대향하여 운동하는 이동자의 이동자 철심(1)의 치형 단부가 3개의 돌기들을 포함하도록 구성하고, 돌기들 사이의 함몰된 부분에 동일 극성, 예를 들어, N 또는 S극의 영구자석(3)을 포함하도록 구성할 수도 있다.
도 23 및 도 24와 같은 실시예 이외에도, 이동자 철심(1)의 치형 단부가 더 많은 복수의 돌기들을 가지도록 구성하고, 돌기들 각각의 좌우로 하나씩 동일 극성, 예를 들어, N 또는 S극의 영구자석(3)을 포함하도록 구성하는 것이 가능하다.
또한, 도 25와 같이 이동자의 중앙 돌기 좌우에 각각 반대 극성의 영구자석 두개를 사용하는 것도 가능하다. 즉, 고정자 철심(5)에 대향하여 운동하는 이동자의 이동자 철심(1)의 치형 단부에 하나의 중앙 돌기를 가지도록 구성하고, 중앙 돌기 좌우로 영구자석(3)의 쌍, 즉, 서로 극성이 반대인 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하도록 구성할 수도 있다. 예를 들어, N-S-돌기-S-N 또는 S-N-돌기-N-S로 구성될 수 있다. 이외에도, 도 23 및 도 24와 같은 돌기 구조에서도, 돌기들 좌우로 각각 반대 극성의 영구자석 쌍을 가지도록 구성할 수도 있으며, 더 나아가, 여기서 한쌍의 영구자석 쌍에 대하여 예시하였으나 더 많은 쌍의 영구자석들을 돌기 좌우에 배치하는 것도 가능할 것이다. 예를 들어, 도 23의 돌기 구조에 적용하면, N-S-돌기-S-N-돌기-N-S 구조나, S-N-돌기-N-S-돌기-S-N 구조 등이 가능할 것이다.
이와 같은 도 23, 도 24 및 도 25의 자속 역전 전동기 구조에서도, 위에서 기술한 바와 같은 스큐를 적용하여 추력을 증가시키고 추력과 흡인력의 맥동을 저감시키도록 동작할 수 있다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 이동자 모듈 2개를 사용하는 자속 역전 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 26의 자속 역전 전동기 구조는, 3개의 상권선을 가지는 2개의 3상 이동자들을 배치한 구조로서, 이동자1(Mover 1)과 이동자2(Mover 2)를 배치함에 있어서 각각의 이동자를 극 간격(τp) 만큼 이격시키고, 이동자1(Mover 1)과 이동자2(Mover 2)의 이동자 치형들의 주위에 감긴 코일들에 의하여 형성된 상권선들의 코일 권선 방향을 서로 반대로하여 구성한 구조를 예시한다. 이러한 배치를 통해 각각의 상권선들에 의해 유기되는 역기전력의 불평형을 저감할 수 있는 장점을 제공할 수 있다. 여기서, 고정자 또는 이동자 철심의 그 치형 단부에 위에서 언급한 모든 구조를 적용할 수 있다. 즉, 고정자 또는 이동자의 그 치형 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가지는 모든 구조가 가능할 것이다.
또한, 여기서, 각각의 이동자가 3개의 이동자 치형들을 가지는 것에 한정되지 않고 3상 유도 기전력을 유도하기 위한 3의 배수의 이동자 치형들과 각각에 구비된 상권선들을 가지는 형태를 포함할 수 있다. 또한, 도 26에서 예시한 바와 같이 이동자 모듈이 2개인 것에 한정되지 않고, 더 많은 수의 이동자들이 극 간격(tp) 만큼 이격되어 배치될 수 있고, 이때 인접 이동자들의 상권선들의 권선 방향이 서로 반대가 되도록 한 모든 구조가 포함될 수 있다.
위에서 도 23 내지 도 26의 자속 역전 전동기 구조는, 선형 전동기에 적용하는 것에 한정되지 않으며, 이 분야에서 평균적 지식을 가진 자라면 약간의 변형을 통하여 도 11 내지 도 22와 같은 회전형 전동기에도 쉽게 적용하여 대체되도록 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기의 이동자와 고정자를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 이동자 치형의 중앙 돌기(A), 영구자석(B), 및 고정자 치형(C)의 다양한 실시예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 이동자의 영구자석 착자 개념도이다.
도 4는 이동자에 3개의 영구자석을 사용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 이동자에 5개의 영구자석을 사용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 고정자에 영구자석을 사용하고 이동자를 요철 형태로 한 제1예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 고정자에 영구자석을 사용하고 이동자를 요철 형태로 한 제2예를 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기의 사시도의 일례이다.
도 9는 이동자 철심에 스큐(skew)를 부여한 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기 구조도의 일례이다.
도 10은 곡선부를 가지는 고정자로 구현한 본 발명의 일실시예에 따른 선형 전동기 사시도의 일례이다.
도 11은 영구자석이 고정자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 영구자석이 고정자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 영구자석이 회전자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 영구자석이 회전자에 위치한 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 또는 외전형 전동기의 고정자 또는 회전자에 다양하게 영구자석을 사용한 실시예들을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 전동기의 회전자에 3 분할 철심을 적용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 전동기의 고정자에 9 분할 철심을 적용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 본 발명의 일실시예에 따른 내전형 전동기의 고정자에 3 분할 철심을 적용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기의 회전자에 3 분할 철심을 적용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 20은 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기의 고정자에 9 분할 철심을 적용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기의 고정자에 3 분할 철심을 적용한 경우를 설명하기 위한 도면이다.
도 22는 본 발명의 일실시예에 따른 외전형 전동기를 차량 휠에 장착한 경우를 설 명하기 도면이다.
도 23은 요철 형태의 이동자 치형에 영구자석을 사용하는 본 발명의 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 24는 요철 형태의 이동자 치형에 영구자석을 사용하는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 25는 이동자의 중앙 돌기 좌우에 각각 반대 극성의 영구자석 두개를 사용하는 본 발명의 또 다른 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 26은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 이동자 모듈 2개를 사용하는 자속 역전 전동기를 설명하기 위한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 이동자 철심
2 : 이동자 치형
3 : 영구자석
4 : 이동자 상권선
5 : 고정자 철심
6 : 고정자 치형
7 : 함침 수지
8 : 착자 요크
9 : 이동자 조립품
10 : 곡선형 고정자
11 : 고정자 상권선
12 : 영구자석
13 : 고정자 철심
14 : 회전자 철심
15 : 내전형 전동기의 분할 철심형 회전자
16 : 내전형 전동기의 분할 철심형 고정자
17 : 외전형 전동기의 분할 철심형 회전자
18 : 외전형 전동기의 분할 철심형 고정자
19 : 차량 타이어

Claims (24)

  1. 자속 역전 전동기에 있어서,
    이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하고,
    이동자 치형의 단부는 돌기의 좌우에 각각 배치되는 동일 극성의 영구자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 영구자석의 형태는 삼각형, 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 오각형, 및 원형 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 영구자석의 형태가 상기 삼각형, 상기 직사각형, 상기 정사각형, 상기 사다리꼴, 및 상기 오각형 중 어느 하나인 경우에, 상기 영구자석의 적어도 한 모서리가 둥근형인 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 돌기의 단부 형태가 직선형, 둥근형, 각진형, 및 모딴형 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 고정자 치형의 단부 형태는 직선형, 둥근형, 각진형, 및 모딴형 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 영구자석은 상기 이동자의 나머지 구성들이 완성되면, 해당 위치에 소정 자석을 부착한 후 착자시켜 형성되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 고정자 치형과 상기 이동자 치형이 서로 일정 스큐 형태로 대향하도록 상기 고정자 또는 상기 이동자의 철심들이 적층되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 고정자는 상기 이동자의 운동을 위한 곡선 경로를 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 이동자는 운동 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 이동자 치형들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  10. 제9항에 있어서, 상기 이동자 치형들 각각은 단부가 운동 방향으로 상기 영구자석의 극간격의 3배 이상의 홀수배 길이인 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  11. 자속 역전 전동기에 있어서,
    이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하고,
    상기 고정자의 단부가 운동 방향으로 반복되는 치형들 사이마다 동일 극성의 영구 자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  12. 제11항에 있어서, 상기 이동자의 치형 단부는 2개의 돌기들을 포함하고 상기 돌기들 사이가 함몰된 요철 형태인 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 이동자의 치형 단부는 3개의 돌기들을 포함하고 두 돌기들 사이마다 함몰된 요철 형태인 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  14. 자속 역전 전동기에 있어서,
    이동자가 고정자에 대향하여 선형 운동하고,
    이동자 치형의 단부는 좌우 양 끝에 동일 극성의 영구자석들을 포함하고, 상기 영구자석들 사이에 상기 영구자석들과 반대 극성의 적어도 하나의 영구자석을 포함하는 홀수개의 영구자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  15. 자속 역전 전동기에 있어서,
    회전자가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고,
    고정자 치형의 단부는 적어도 하나의 돌기의 좌우에 각각 배치된 동일 극성의 영구 자석을 포함하거나 복수의 돌기들 사이마다 동일 극성의 영구자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  16. 제15항에 있어서, 상기 고정자는 원주 방향으로 같은 간격으로 배치되는 3의 배수의 고정자 치형들을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  17. 제15항에 있어서, 상기 고정자 또는 상기 회전자의 적층 철심은 적어도 2 이상 분할된 철심들의 결합 형태인 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  18. 제15항에 있어서, 상기 자속 역전 전동기는 차량 휠의 구동에 이용되는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  19. 자속 역전 전동기에 있어서,
    회전자가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고,
    상기 회전자의 단부가 원주 방향으로 반복되는 치형들 사이마다 동일 극성의 영구자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  20. 자속 역전 전동기에 있어서,
    회전자가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하고,
    고정자 치형의 단부가 좌우 양 끝에 동일 극성의 영구자석들을 포함하고, 상기 영구자석들 사이에 상기 영구자석들과 반대 극성의 적어도 하나의 영구자석을 포함한 홀수개의 영구자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  21. 자속 역전 전동기에 있어서,
    이동체 치형의 단부는 돌기의 좌우에 각각 배치되는 동일 극성의 영구자석을 포함하고,
    상기 이동체가 고정자에 대향하여 선형 운동하거나, 상기 이동체가 고정자에 대향하여 원주 방향으로 내전하거나 외전하는 것
    을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  22. 자속 역전 전동기에 있어서,
    고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하는 이동자를 포함하고,
    이동자 치형의 단부는 복수의 돌기들 각각의 좌우로 하나씩 동일 극성의 영구자석
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  23. 자속 역전 전동기에 있어서,
    고정자와 상기 고정자에 대향하여 운동하는 이동자를 포함하고,
    이동자 치형의 단부는 돌기의 좌우에 각각 적어도 하나 이상의 영구자석 쌍을 포함 하고,
    상기 영구자석 쌍은 서로 극성이 반대인 제1 영구자석 및 제2 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
  24. 자속 역전 전동기에 있어서,
    고정자와
    상기 고정자에 대향하여 운동하고, 3의 배수의 이동자 치형들의 주위에 각각 감긴 코일들에 의하여 형성된 상권선들을 가지며, 극 간격 만큼 이격되어 배치된 적어도 2개 이상의 복수의 이동자들을 포함하고,
    인접 이동자들의 상권선들의 권선 방향은 서로 반대이며,
    고정자 치형 단부 또는 상기 복수의 이동자들의 이동자 치형 단부에, 적어도 하나 이상의 돌기 좌우로 적어도 하나 이상의 영구자석을 가지거나, 극성이 반대로 엇갈려 배치된 복수의 영구자석들을 가지는 것을 특징으로 하는 자속 역전 전동기.
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