KR20120049168A

KR20120049168A - 작은 증분을 발생시킬 수 있는 스테핑 모터

Info

Publication number: KR20120049168A
Application number: KR1020117017484A
Authority: KR
Inventors: 스티븐 종-핑 자오
Original assignee: 무그 인코포레이티드
Priority date: 2009-09-08
Filing date: 2009-09-08
Publication date: 2012-05-16
Also published as: CA2743942C; CN102239626A; WO2011031250A2; KR101623079B1; EP2345141B1; WO2011031250A3; US20110198950A1; JP2012521742A; CN102239626B; EP2345141A1; CA2743942A1; US8970083B2; JP5653997B2

Abstract

향상된 모터(90)는 서로에 대하여 상대적인 움직임이 가능하도록 장착된 제1 부재(30) 및 제2 부재(20)를 포함한다. 제1 부재는 실질적으로 등간격으로 배치된 다수의 자극(32)들을 구비한다. 제2 부재는 다수의 암(22)들을 구비한다. 각각의 암은 다수의 핑거(27)들, 하나의 영구 자석(29), 그리고 하나의 코일(25)을 포함한다. 핑거들은 해당 핑거의 원위 단부가 일반적으로 제1 부재의 자극들을 향하도록 배열된다. 각각의 영구 자석은 자극 간격보다 큰 폭을 갖는다. 각각의 암은 다수의 위상들 중 하나와 연계된다. 제1 부재 및 제2 부재가 서로에 대하여 상대적으로 하나의 위치에 놓여있을 때, 하나의 특정 위상에 속하는 암들 위의 핑거들은 대응하는 자극들과 동시에 정렬되도록 배열된다.

Description

작은 증분을 발생시킬 수 있는 스테핑 모터{STEPPING MOTOR ABLE TO CREATE SMALL INCREMENTS}

본 발명은 일반적으로 전기 모터들에 관한 것으로, 더욱 자세하게는, 스텝 간격 또는 증분이 아주 작은 향상된 스테핑 모터에 관한 것이다.

일반적으로 세 가지 종류의 스테핑 모터, 즉 가변 자기저항형(variable reluctance-type), 복합형(hybrid-type), 그리고 영구 자석형(permanent magnet-type) 스테핑 모터들이 존재한다. 적절한 전자식 모터 드라이버(즉, 제어기)와 함께 사용될 때, 상기 세 가지 방식 모두 넓은 범위의 각 회전 스테핑이나 인덱싱 동작 및 특성을 제공한다. 스테핑 모터의 제어에 관한 일반적인 참고 문헌은 미국 아이오와 대학(University of Iowa)의 더글라스 존스(Douglas W. Jones)의 http://www.cs.uiowa.edu/~jones/step/ 에서 찾을 수 있다.

가변 자기저항형("VR형") 모터들은 전통적으로 회전자 돌출극(salient pole)들과 고정자 돌출 핑거들(또는 치부들)을 갖지만, 자석을 사용하지 않고 만들어진다. VR형 모터들은 정지 토크의 부재 및 낮은 토크 밀도를 갖는 것으로 알려져 있다. 토크 밀도를 향상하기 위하여, 복합형 및 영구 자석형 스테핑 모터 모두는 구동부(예를 들어 회전자) 및/또는 고정부(예를 들어 고정자)에 영구자석(들)을 사용한다. 이 모터들은 모터 드라이버의 관점에서는 구별되지 않는다. 전통적으로, 복합형 스테핑 모터의 회전자는 두 개의 회전자 원판들 중앙에 있는 도넛 모양의 자석으로 이루어지고, 자석으로부터 두 개의 회전자 원판들에 이르는 실질적으로 축 방향의 자속 흐름(axial flux flow)을 만들어 낸다.

복합형 스테핑 모터들의 스테핑 간격은 통상적으로 스텝 당 약 0.9˚(회전자 원판 당 100개의 회전자 자극들을 갖는 모터의 경우), 또는 스텝 당 약 1.8˚(회전자 원판 당 50개의 회전자 자극들을 갖는 모터의 경우), 또는 더 큰 간격을 갖는다. 스텝 이동과 관련된 고유의 기계적 공진은 스텝 간격 및 회전자 관성과 함께 증가한다. 스텝 간격이 작은 경우, 필요한 회전자 자극들의 증가된 개수에 순응하기 위하여 회전자 크기가 증가되어야 한다. 이는 증가된 모터 크기, 무게 및 비용을 유발한다. 복합형의 회전자를 위한 큰 도넛 모양 자석의 사용 및 취급은 강한 자기력 및 자석의 취약성으로 인해 문제를 발생시킬 수 있다. 작은 스텝 간격 및 부드러운 스텝 이동을 위한 전통적인 해결책은 완전한 기본 스텝에서 기본 스텝의 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 또는 더 작은 분수로 스텝 간격을 줄이기 위하여 마이크로스텝 모터 드라이버(microstep motor controller)를 사용하는 것이다. 그러나 마이크로 스테핑(microstepping)은 스텝 간격이 균일하지 않으며 회전자 동작이 불규칙하게 움직인다고 알려져 있다. 마이크로 스테핑에 대한 완전한 리뷰는 미국 특허 출원 공보 US 2007/0013237 A1을 참조할 수 있다.

영구 자석을 포함한 스테핑 모터에 대한 다양한 설계가 자극들 및 자석들의 자기적 회로 조작을 통해 이루어진다. 이러한 향상된 모터와 관련 있는 모터 설계들 중에서 마스트로마티(Mastromattei)의 특허(미국 특허 제4,713,570호), 호버(Horber)의 특허(미국 특허 제4,712,028호), 및 겜블(Gamble)의 특허(미국 특허 제4,728,830호)는 영구 자석이 고정자 핑거들 사이에 끼워 넣어진 자기적으로 향상된 가변 자기저항형 모터 설계들을 보여준다. 시바야마(Shibayama)등의 특허(미국 특허 제6,262,508호)는 자석을 회전자 및 고정자 모두에 사용하여 모터 토크를 증가시킨다. 호스트(Horst)의 특허(미국 특허 제6,777,842호)는 고정자 암(stator arm)들 내측에 자석을 사용함으로써 사용되는 자석 소재와 제조비용을 최소화하였다.

그러나 참조된 기존 기술의 모든 설계들에서 영구 자석은 고정자 암 위에 있는 고정자 핑거(들)와 연계되고, 각각의 고정자 핑거는 하나의 회전자 자극과 연계된다. 작은 자석들로 구성된 설계에 있어서의 여러 제약들로 인하여, 많은 수의 회전자 자극들 및 고정자 핑거들을 통상적으로 필요로 하는, 매우 작은 스텝 간격을 갖는 모터들을 설계하는 데 있어서, 상기 기존 특허에서 제시된 모터 설계를 이용하는 것은 실용적이지 못하다.

쉐퍼(Schaeffer)의 특허(미국 특허 제4,190,779호 및 제4,315,171호) 및 본 출원인(예를 들어, 국제 특허 출원 PCT/US08/010246)에 의하여 발명된 스테핑 모터들은, 작은 스텝 간격을 제공하기 위하여 많은 수의 교대로 자화된 자석들을 회전자 위에 갖는다. 스테핑 간격은, 통상적으로, 2상, 3상 및 4상 모터의 경우 스텝 당 1.0˚, 스텝 당 1.5˚, 또는 그 이상의 값을 갖는다. 이러한 모터들은 높은 무동력 정지 토크 및 동력 정지 토크, 작은 크기와 중량에 적합한 비교적 짧은 축 방향 모터 길이, 작은 회전자 관성, 그리고 회전자를 통과하는 큰 중공부(through-hole)를 갖는다. 이러한 모터들은 지난 30년 동안 태양 전지 배열(solar array)의 구동기의 작동, 안테나 방향 제어 메커니즘과 같은 우주 항공 분야의 응용 사례 및 다른 조향, 운용 및 위치 제어 시스템들에서 큰 성공을 거두었다.

스텝 간격을 작게 하고 운동과 관련한 교란을 낮출 필요가 있는 경우, 필요한 회전자 자극 수는 급격히 증가한다. 예를 들어, 3상, 스텝 당 1.5˚, 바이폴라 스테핑 모터는 80개 자극을 가진 회전자를 구비할 수 있다. 그러나 3상, 스텝 당 1.0˚, 바이폴라 모터는 120개 자극을 가진 회전자를 필요로 할 수 있다. 항공 우주 분야, 반도체, 출력 장치, 그리고 다른 자동화 분야에서의 진보된 응용 사례들은 감소된 크기와 중량을 가지면서도 더 작은 스텝 간격, 낮은 회전자 관성, 부드러운 스텝 동작, 더 높은 분해능(resolution), 그리고 더 큰 스텝 안정성을 갖춘 첨단의 스테핑 모터 설계를 필요로 할 수 있다. 스텝 간격을 더욱 감소시키기 위해서는 매우 얇은 자석들이 필요한데, 이러한 얇은 자석들은 쉽게 부서질 수 있어서 제조비용을 높이고 제조를 어렵게 한다.

본 발명은 가변 자기저항형 스테핑 모터들 및 영구 자석형 스테핑 모터들로부터 얻어진 특징 및 성질들을 갖는 향상된 모터들을 포괄적으로 제공한다.

괄호 안에 표시된 도면 부호를 이용한, 제한적인 의미에서가 아닌 단지 도시하는 목적으로 개시된 실시예의 해당 부재, 부분 또는 표면의 참조를 통하여, 본 발명은 향상된 전기 모터를 포괄적으로 제공하고 있다. 향상된 모터(90)는, 서로에 대하여 상대적인 움직임이 가능하도록 장착된 제1 부재(30) 및 제2 부재(20)를 포괄적으로 포함한다. 제1 부재는, 제1 부재를 따라 실질적으로 등간격으로 배치된 다수의 자극들(31, 32, 33, 34, 37, 38)을 구비한다. 제2 부재(20)는 다수의 암들(21, 22, 24)을 구비한다. 상기 암 각각은 다수의 핑거들(27, 28), 하나의 영구 자석(29), 및 코일(25)을 포함한다. 상기 핑거들(27, 28)은, 핑거들의 원위 단부가 제1 부재의 자극들(37, 38)을 일반적으로 향하도록 배열된다. 각 영구 자석은 자극 간격 보다 큰 폭을 갖는다. 각 암은 다수의 위상 중 하나와 연계된다. 특정 위상에 해당하는 암들 위에 있는 핑거들은, 제1 부재 및 제2 부재가 서로에 대하여 상대적으로 일정 위치에 존재할 때, 해당 자극들에 동시에 정렬되도록 배치된다.

암들 위의 핑거들은, 하나의 위상 그룹의 핑거들이 상기 해당 자극들과 정렬될 때, 다른 위상 그룹에 속하는 핑거들은 상기 해당 자극들과는 정렬되지 않도록 구성될 수 있다. 각각의 영구 자석은 영구 자석이 연계되는 암 위의 특정 핑거들의 중간에 배치될 수 있다.

코일들은 공통의 단자(terminal)를 공유할 수 있다. 하나의 위상에 해당하는 코일들은 다른 위상에 해당하는 코일들과 연결되지 않도록 구성될 수 있다. 각각의 영구 자석은 제1 부재에 대하여 동일한 방향으로 자화될 수 있다. 주어진 암에 있는 각각의 영구 자석은 인접한 암에 있는 영구 자석과는 반대 방향으로 자화될 수 있다.

위상의 개수는 2개, 3개, 4개, 5개 또는 그 이상일 수 있다. 3상 모터에서, 코일들은 Y자형, 델타형, 또는 6개의 도선을 가진 구성으로 연결될 수 있다. 3상 모터는 6상 여자 시퀀스(excitation sequence)를 따르도록 구성될 수 있다.

각각의 암은 성형된 철분 복합체(iron powder composite), 고형 연자성강(solid soft magnetic steel), 또는 전기적 적층재(electrical lamination material)로 형성된 부분을 포함할 수 있다. 각 핑거는 하나의 돌출극(salient pole)으로서 기능하도록 구성될 수 있다. 각 암은 다수의 영구 자석들을 구비할 수 있다. 자극들의 개수는 최소 250개일 수 있다. 암들은 후면 아이언(back iron)(23)에 의해 연결될 수 있다.

제1 부재 및 제2 부재는 하나의 축을 중심으로 서로에 대하여 상대적으로 회전하도록 구성될 수 있다. 제1 부재는 제2 부재에 대하여 상대적으로 선형으로 움직일 수 있다.

암들은 제2 부재를 따라 실질적으로 등간격으로 배치될 수 있다. 각각의 위상은 그 위상과 연계된 동일한 개수의 암들을 가질 수 있다. 각각의 코일은, 제1 부재에 대하여 동일한 방향으로, 해당 암 주변에 감길 수 있다. 제1 부재 또는 제2 부재는 성형된 철분 복합체, 연자성강, 또는 전기적 적층재를 포함할 수 있다. 모터는 바이폴라 모터 드라이버에 의해 구동되도록 구성될 수 있다.

3상 모터의 구성에서는, 첫 번째 위상의 핑거들의 중앙이 해당 자극들의 주앙과 정렬될 때, 두 번째 위상의 핑거들의 중앙은 실질적으로 해당 자극들의 선행 가장자리로부터 일정한 오프셋을 가지고 정렬되고, 세 번째 위상의 핑거들의 중앙은 실질적으로 해당 자극들의 후행 가장자리로부터 일정한 오프셋을 가지고 정렬되도록 핑거들이 배치될 수 있는데, 이때 상기 오프셋은 자극 간격보다 작을 수 있다.

제1 부재 자극들의 개수는 홀수의 정수일 수 있다.

본 발명의 한 태양에 따르면, 기존 기술에서 필요하다고 여겨져 왔던 바와는 달리, 제2 부재의 서로 인접한 핑거들이 제1 부재의 서로 인접하는 돌출극들과 연계되지 않는다. 향상된 모터의 일부 실시예에서, 제2 부재의 두 개의 서로 인접하는 핑거들은 여러 제1 부재 자극들에 의하여 분리된 두 개의 제1 부재 자극들과 연계된다. 이는 많은 수(예를 들어 250, 300, 또는 그 이상)의 회전자 자극들을 가지면서도 서로 인접하는 제2 부재 핑거들 사이에 합리적인 크기의 영구 자석을 사용하는 모터 설계를 가능하게 한다. 이러한 설계를 통해, 제2 부재에서 하나의 핑거 피치보다 자석의 크기를 더 크게 할 수 있다.

본 발명의 다른 태양에 따르면, 기존 기술에서 요구되었던 교대로 반전된 자화와는 달리, 모든 제2 부재 자석들의 자화 방향은 제1 부재에 대하여 동일한 방향일 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 의하면, 마이크로 스텝 드라이버를 사용하지 않고도 기본 스텝 간격(cardinal step interval)의 절반으로 스텝 구동할 수 있는 모터가 제공된다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 본 발명의 설계 개념들, 즉 (a) 전체 360˚ 회전자 및 고정자의 일부만이 사용되는, 섹셔널(sectional) 또는 프랙셔널(fractional) 스테핑 모터들; (b) 뒤바뀐 회전 및 고정 부재(즉, 내부 고정 부재가 고정자이고, 외부 회전 부재가 회전자)를 갖는 스테핑 모터들; (c) 회전자와 고정자가 모두 평면 형태로 구성되어 공통 축에 나란히 정렬되고, 축 방향 공극(axial air gap)을 갖는 스테핑 모터들을 포함하는 설계 개념들을 이용하는 다른 모터들도 역시 가능하다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 본 발명의 개념에서 벗어나지 않으면서도 이중 권선(bifilar winding) 또는 중복 권선(redundant winding)을 쉽게 구현할 수 있다. 나란히 두 개의 모터들을 사용하는 대신에 모터의 절반은 주 권선을 위하여 사용하고 다른 절반은 중복 권선을 위하여 사용함으로써 크기 및 중량을 줄일 수 있게 되어 모터 설계에 있어서 추가적인 이중 설계(redundancy)가 달성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 태양에 따르면, 고형 연자성강을 이용하여 하나의 부품으로 이루어진 고형 고정자 스택(solid stator stack)을 가공하는 방식, 또는 하나의 부품으로 이루어진 고정자 하우징 및 스택을 가공하여 제조비용을 절감하는 방식을 낮은 스테핑율이 낮은 응용기기용으로 구현시킬 수 있는데, 이런 경우에서의 히스테리시스(hysteresis) 및 와상 전류(eddy current) 효과는 최소이다.

도 1은 3상, 바이폴라, 스텝 당 0.20˚의 모터 설계의 첫 번째 실시예로서, 300개의 회전자 자극들과 18개의 고정자 암들과 18개의 영구 자석들을 갖는 경우를 보여주는 개략적인 횡단면도이다.
도 2a는 3상, 스텝 당 0.20˚의 모터 설계의 다른 실시예로서, 300개의 회전자 자극들과 36개의 고정자 암들과 36개의 영구 자석들을 갖는 경우를 보여주는 개략적인 횡단면도이다.
도 2b는 3상, 스텝 당 0.20˚의 모터 설계의 또 다른 실시예로서, 300개의 회전자 자극들과 9개의 고정자 암들과 9개의 영구 자석들을 갖는 경우를 보여주는 개략적인 횡단면도이다.
도 3은 도 1에 보인 모터 설계의 고정자 암에서 물리적 권선 다이어그램을 보여주는 개략적인 도면이다.
도 4a는 도 3의 일부에 대한 상세한 도면으로서, 회전자 자극들, 물리적 권선들, 고정자 자석들, 그리고 고정자 핑거들 및 회전자 자극들의 정렬을 보여주는 확대도이다.
도 4b는 회전자 자극들 및 고정자 핑거들을 보여주는, 도 4a의 일부에 대한 확대도이다.
도 5는 도 3에서 보인 실시예를 위한 전기적 권선 다이아그램을 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 도 1 내지 도 5에 보인 스테핑 모터 설계들을 위한 직각 여자 파형들(square excitation waveforms), 여자 시퀀스들(excitation sequences), 동력 공급 상태(energization states), 및 회전 방향들을 보여주는 도면이다.
도 7a는 도 2a에서 보인 스테핑 모터 설계의 유한 요소 분석법(finite element analysis) 모델에 근거하여, 권선이 존재하지 않거나 전력이 공급되지 않는 경우 자속 분포의 일부를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 7b는 도 2a에서 보인 스테핑 모터 설계의 유한 요소 분석법 모델에 근거하여, 권선에 전력이 공급되는 경우 자속 분포의 일부를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 8은 회전각도(가로축)에 대한 토크(세로축)값의 실례를 이용한 그래프를 보여주는데, 도 1 내지 도 5에서 보인 스테핑 모터 설계가 도 6에 나타난 바와 같이 동력이 공급되는 경우, 개략적인 무동력 및 동력 정지 토크의 프로파일을 묘사하는 도면이다.
도 9a 내지 도 9f는 고정자 암 설계의 두 번째 실시예를 상세히 보여주는 확대도이다.
도 10은 3상, 바이폴라, 스텝 당 0.24˚의 모터 설계의 제3 실시예로서, 250개의 회전자 자극들과 30개의 고정자 암들과 30개의 영구 자석들을 갖는 경우를 보여주는 개략적인 횡단면도이다.
도 11은 도 10에서 보인 스테핑 모터 설계를 위한 개략적인 물리적 권선 다이어그램을 보여주는 도면이다.
도 12는 도 11에서 보인 구조의 일부를 상세히 보여주는 도면으로서, 회전자 자극들, 물리적 권선들, 고정자 자석들, 그리고 고정자 핑거들 및 회전자 자극들의 정렬을 보여주는 도면이다.
도 13은 교대로 반복되는 방향으로 놓인 자석들을 구비한 향상된 모터의 또 다른 실시예를 보여주는 개략적인 횡단면도이다.
도 14는 회전각도(가로축)에 대한 토크(세로축)값의 실례를 이용한 그래프를 보여주는데, 도 13에서 보인 스테핑 모터 설계가 3상 드라이버에 의해 동력을 공급 받는 경우, 개략적인 무동력 및 동력 정지 토크의 프로파일을 묘사하는 도면이다.

먼저, 본 명세서에서 사용된 동일한 참조 번호들은 여러 도면들에 걸쳐 동일한 구조적 요소, 부분 또는 표면을 일관되게 지칭하도록 사용되었으며, 그러한 요소, 부분 또는 표면들은 하기 구체적 내용과 이를 통합된 일부분으로 하는 전체 명세서를 통해서도 추가로 더 묘사되고 설명되고 있음을 주지할 필요가 있다. 달리 명시하지 않는 한, 도면들은 명세서와 함께 파악할 수 있도록 했는데(예, 단면표시, 부품의 배열, 비율, 각도 등), 이 도면들은 본 발명의 전체 문서의 일부로서 고려되어야 한다. 후술하는 설명에서 사용되듯이, "수평", "수직", "좌", "우", "상향", "하향"과 같은 형용사들과 형용사형 파생어들(예, "수평적", "우향의", "상향의" 등)은 해당 도면이 독자를 마주하는 상태에서의 묘사되는 구조물의 방향을 지칭할 뿐이다. 마찬가지로, '안쪽'그리고 '바깥쪽'과 같은 용어는, 필요에 따라 연장축 또는 회전축에 대한 표면의 방향을 일반적으로 지칭한다.

향상된 모터는 서로에 대하여 상대적인 움직임이 가능하도록 장착된 두 개의 부재들을 포괄적으로 포함한다. 제1 부재(30) 및 제2 부재(20)을 구비한 제1 실시예(90)를 보여주는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 두 개의 부재들은 회전 운동을 하도록 구성될 수 있다. 제1 실시예(90)에서, 고정자로 설정된 제2 부재(20)는 움직이지 않는다. 제1 부재(30)는 회전자로 구성되고, 도면 부호 72로 표시된 중앙 축 상에서 회전하도록 장착된다. 두 개의 부재들은 선형 운동과 같은 다른 종류의 상대적 운동을 발생시키기 위하여 다른 구성으로 배치될 수도 있다. 제2 부재는, 추가적인 지지 구조를 갖추거나 갖추지 않은, 성형된 철분 복합체, 고형 연자성강, 전기적 강 적층재료, 또는 상기 재료들의 조합으로 형성될 수 있다. 제2 부재(20)는, 암(22) 및 암(24)과 같이, 내부 표면에 배열된 다수의 암들을 구비한다. 향상된 모터는 도 2a 및 도 2b의 실시예들에서 도시된 바와 같이 다른 개수의 암들을 갖도록 설계될 수 있다. 암들의 개수를 변화시킴으로써, 모터 구동 토크와 모터 정지 토크의 비율이 조절될 수 있다. 도 2a에 보인 모터는 36개의 고정자 암들 및 36개의 영구 자석들을 구비한 반면, 도 2b에 보인 모터는 오직 9개의 고정자 암들과 9개의 영구 자석들을 구비한다. 도 2a에서 보인 실시예는 도 1의 실시예에 비해 권선을 위한 더 작은 공간을 갖지만, 도 1의 실시예보다 더 많은 영구 자석들을 갖는다. 그러나 도 2b의 실시예는 도 1의 실시예에 비하여 권선을 위한 더 넓은 공간을 갖지만, 도 1의 실시예보다 더 적은 영구 자석들을 갖는다. 제2 부재 암들은 제2 부재 주변에 실질적으로 동일한 간격으로 배치되는 것이 바람직하다.

도 3에서 보인 바와 같이, 제2 부재 암들 각각은, 암(22) 상의 코일(25)과 같이, 코일 또는 물리적 권선을 구비한다. 이 실시예에서, 각각 "A", "B", 또는 "C"로 표시된 세 가지 그룹의 암들이 존재한다. 개개의 암들의 그룹들은 위상들 또는 위상 그룹들이라 일컬어진다. 각 위상을 위한 암들의 개수는 동일한 것이 바람직한데, 이는 위상 간 전기적 균형 및 성능상의 균형을 얻기 위해서이다. 하나의 위상에 속하는 모든 코일들은 동시에 전력을 공급받을 수 있도록 전기적으로 연결되어 있다. 예를 들어 상기 실시예(90)에서, A 코일들은 모두 직렬 연결되어 있다. 위상 A의 권선(41)은 전기적 도선(A1)에서 시작하고 암(21) 주변에 감긴다. 이후 위상 A의 권선(41)은 암(22) 및 암(24)를 건너뛰어 위상 A의 다음 암, 즉 암(26)에 계속해서 감기게 된다. 권선(41)은 계속해서 세 개의 암들마다 하나씩, 제1 부재(30)에 대하여 시계 방향인 동일한 권선 방향으로 감기게 된다. 다른 실시예들에서는, 교대로 반복되는 방향으로 코일들이 감길 수 있다. 코일들은 먼저 맨드럴(mandrel) 위에 감긴 후 암으로 옮겨질 수 있다. 각 위상을 위한 권선들은 하나의 공통 도선을 공유하기 위하여 전기적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 도 3에 보인 실시예에서, A2, B2, 및 C2는 서로 연결된다(도 5에서 3개 도선 "Y"자형 연결로 도시됨). 대안으로서, 하나의 3상 실시예의 위상 그룹들은 3개 도선 델타-연결(delta-connection)로 연결될 수 있다. 위상 그룹들은 위상 그룹 간에 어떤 연결도 갖지 않도록 배치될 수 있으며, 이 경우 3상 실시예를 위하여 6개의 도선이 구성되는 것처럼, 각 위상 당 두 개의 도선을 갖는다.

도 4a는 도 1에서 보인 모터의 오른쪽 아래 부분의 사분원호의 확대된 도면을 보여준다. 도 4b는 도 4a에 도시된 하나의 고정자 암 및 회전자 자극들을 더욱 확대한 도면이다. 다수의 자극들, 일례로 자극(32, 34, 37, 및 38)이 제1 부재(30)의 한 표면을 따라 배열된다. 자극은 일반적으로 자기 투과율(magnetic permeability)이 1보다 큰 영역으로 정의된다. 제1 부재 자극들은 동일한 간격으로 배치되며 동일한 모양을 갖는다. 상기 실시예(90)에서, 자극들은 일반적으로 제1 부재 위에서 제2 부재를 향하여 연장된 사각형의 돌출부들이며, 인접한 자극들 사이에 하나의 슬롯을 갖는다. 자속 흐름에 더 도움이 될 수도 있는 대안적인 슬롯 모양들(예를 들어 사다리꼴, 정사각형, 원형, 타원형 등)은 본 명세서에서 도시되지 않았는데, 이는 본 발명의 향상된 모터와 관련된 분야의 당업자라면 쉽게 떠올릴 수 있는 것들이기 때문이다. 도 2a 및 도 2b에서는 각각의 고정자 암 위에 두 개의 귀들이 존재한다. 상기 귀들은 슬롯 안에서 권선을 고정시키기 위한 기계적 특징부위를 제공한다.

제1 부재는, 추가적인 지지 구조를 갖추거나 갖추지 않은, 성형된 철분 복합체, 고형 연자성강, 전기적 적층 재료, 또는 상기 재료들의 조합으로 형성될 수 있다. 제1 부재는 상기 재료로 이루어진 하나의 부품으로 만들어질 수도 있다. 제1 부재는 또한 제1 부재의 중량 및 관성을 줄이기 위하여 경량 프레임으로 지지되는 상기 재료들의 슬리브를 이용하여 만들어질 수도 있다.

각각의 암은 회전자 자극들을 향하도록 배열된 다수의 핑거들을 갖는다. 핑거의 '원위 단부'는 제1 부재에서 가장 가까운 핑거의 단부로 정의된다. 핑거들은 1보다 큰 자기적 투사율을 갖는 암 위의 돌출부로 포괄적으로 정의된다. 예를 들어, 도 4a에 보인 실시예(90)에서, 암(26)이 제1 부재 자극(37) 및 자극(38)을 각각 향하는 핑거(27) 및 핑거(28)를 갖는 것처럼, 각각의 암은 두 개의 핑거들을 갖는다. 각각의 암은 또한 자신과 연계된 적어도 하나의 영구 자석을 구비한다. 도 4a 및 도 4b에서 보인 실시예(90)에서, 각각의 암은, 영구 자석(29)과 같이, 두 개의 핑거들 사이에 위치한 하나의 영구 자석을 갖는다.

핑거들은, 해당 암 위에 있는 각 핑거의 중앙이 각기 대응하는 회전자 자극의 중앙과 동시에 정렬되도록, 암 위에 일정 간격으로 배치된다. 예를 들어, 핑거(51)가 자극(31)과 정렬되는 것과 동시에 핑거(53)는 자극(33)과 정렬된다. 추가적으로, 특정 위상에 속하는 모든 암들 위의 핑거들은, 그 핑거들 모두가 각자 대응하는 제1 부재 자극과 동시에 정렬되도록 배치된다. 예를 들어, 도 4a에서, 위상 A의 암(26)의 핑거들이 자극(37) 및 자극(38)과 정렬될 때, 위상 A의 암(21)의 핑거들도 자극(31) 및 자극(33)과 정렬된다.

하나의 위상에 속하는 암들은 통상적으로 자신들의 핑거들이 다른 위상에 속하는 핑거들과는 다른 정렬 오프셋에 위치하도록 한다. 제1 부재가 제2 부재에 상대적으로 움직임에 따라, 각 위상의 핑거들은 대응하는 자극들과 순차적으로 정렬된다.

예를 들어, 도 4a에 보인 3상 실시예에서 보인 바와 같이, 위상 A의 핑거들이 자극들과 정렬될 때, 위상 B 및 위상 C의 각 핑거는 대응하는 자극과 정렬되지 않는다. 위상 B 핑거들이 가장 가까운 제1 부재 자극에 대하여 상대적으로 반시계방향 오프셋을 갖는 반면, 위상 C 핑거들은 가장 가까운 자극에 대하여 상대적으로 시계방향 오프셋을 갖는다. 제1 부재(30)가 스텝에 있어서 시계방향으로 회전함에 따라, 위상 C의 핑거들은 두 번의 스텝이 지난 후에 대응하는 자극들과 정렬되고, 위상 B의 핑거들은 두 번의 스텝이 더 지난 후에 대응하는 자극들과 정렬된다.

제2 부재 암들의 개수, 영구 자석들의 개수, 및 각 암 위의 핑거들의 개수는 모터의 정지 토크, 모터의 구동 토크, 및 권선 저항에 영향을 미친다.

자극 및 핑거의 간격은 '피치'를 이용하여 정의될 수 있다. 회전식 모터의 경우, 제1 부재 자극의 피치는 두 개의 이웃하는 제1 부재 자극들의 중심 간 거리를 제1 부재의 바깥 직경에 위치한 표면상에서 측정한 폭이다. 선형 스테핑 모터의 경우에, 제1 부재 자극의 피치는 두 개의 인접한 회전자 자극들의 중심 간의 직선 길이이다. 자극들은 제1 부재를 따라 자극 피치의 정수배의 위치에 각각 순차적으로 배치된다.

선형 스테핑 모터의 경우, 고정자 핑거 피치는 회전자 자극 피치와 동일하다. 회전식 모터의 경우, 핑거 피치는 자극들과 핑거들이 정렬되도록, 자극 피치에 선형 비례하는 값을 갖는다. 핑거 피치는 제1 부재의 자극 피치를 모터 공극(air gap)에서 제1 부재(회전자) 외부 직경에 대한 제2 부재(고정자) 내부 직경의 비율로 곱한 결과 값이다.

... 식 (1)

제1 부재 자극들과는 달리, 하나의 암 위에 있는 핑거들은 핑거 피치의 정수 배의 순차적인 위치에 배치되지 않을 수 있고, 대신 자석의 폭을 고려하여 다수 개의 위치들을 건너 뛸 수 있다. 예를 들어, 도 4b에서, 핑거 51 및 핑거 53은 핑거 피치의 세 배에 해당하는 간격을 가지고 배치되었다. 자석의 크기는 하나의 핑거 피치보다 크지만, 세 개의 핑거 피치보다는 작다. 그러나 도 12에서는, 자석의 폭은 두 개의 핑거 피치에 대응하도록 설계되었다. 이는 본 발명에 따른 향상된 모터를 하나의 핑거 피치보다 작은 자석 크기를 필요로 하는 기존 기술로부터 구별 짓는 특징이다.

제1 부재 자극들의 개수는 특정 상수, 위상 수, 그리고 원하는 스텝 간격의 함수로서 설계된다. 바이폴라 드라이버를 위한 제1 부재 자극들의 수는 아래 수식으로 계산되는 온전한 짝수 또는 온전한 홀수이어야 한다.

... 식 (2)

여기서 기본 스텝 각도(cardinal step angle)는 두 개의 이웃하는 기본 정지 위치들 사이의 각도로 정의된다. 제1 부재 자극들을 짝수 개의 구성 또는 홀수 개의 구성 어느 쪽으로도 사용할 수 있는 점은, 본 발명에 따른 향상된 모터를 짝수의 회전자 자극들을 필요로 하는 기존 기술로부터 구별 짓는 또 다른 특징이다.

표 1은 바이폴라 모터의 경우에 식 (2)에 따라 계산된, 제1 부재 자극들의 몇 가지 선택된 개수들, 기본 스텝 각도, 및 위상의 관계를 보여준다. 계산 상 분수 값을 갖는 기본 스텝 각도는 피할 수 없지만, 분수 값을 갖는 각도의 가공 또는 기술적 정확도와 같은 현실적인 이유 때문에 사용되지 않을 수 있다.

도면 부호 90 내지 도면 부호 93의 실시예들에서, 각각의 영구 자석은 중앙의 회전축에서 방사상 바깥쪽을 향한 방향으로 정렬된다. 대안으로서, 각각의 영구 자석은 중앙의 회전축에서 방사상 안쪽을 향한 방향으로 정렬될 수 있다. 모든 영구 자석을 동일한 방향으로 정렬할 수 있는 점은 기존 기술과 다른데, 기존 기술은 교대로 반복되는 자석 방향을 필요로 하였다. 고정자 암들의 개수는 온전한 짝수의 정수 또는 온전한 홀수의 정수일 수 있다. 바이폴라 멀티스테이트(multistate) 드라이버를 사용하는 경우, 스텝 각도는 식 (3)으로 계산된 기본 스텝 각도의 절반이 된다.

... 식 (3)

상기 스텝 각도는 본 발명에 따른 향상된 모터를 기존 기술로부터 구별 짓는 또 다른 특징이다. 향상된 모터는 마이크로 스텝 드라이버를 사용하지 않고 기본 스텝 각도의 절반으로 마이크로 스테핑을 가능하게 한다.

도면 부호 94의 실시예에서, 인접하는 고정자 암들 위에 있는 고정자 자석들은 교대로 반복되는 방향들, 즉 중앙의 회전축에 대하여 안쪽 및 바깥쪽 방향들로 자화된다. 동일한 수의 안쪽 자화 방향 및 바깥쪽 자화 방향 암들을 갖고자 하는 명백한 이유로, 고정자 암들의 개수는 온전한 짝수의 정수이어야 한다. 도면 부호 94의 실시예는 스텝 각도가 기본 스텝 각도와 동일하도록 바이폴라 멀티스테이트 드라이버로부터 얻어질 수 있다.

... 식 (4)

본 명세서에서는 작은 스텝 간격을 갖는 스테핑 모터의 네 가지 다른 실시예들이 개시된다. 제1 실시예는 도 1 내지 도 8에 도시되어 있고, 제2 실시예는 도 9, 제3 실시예는 도 10 내지 도 12, 그리고 제4 실시예는 도 13 내지 도 14에 도시되어 있다.

상기 다양한 실시예들은, 두 개 또는 세 개의 핑거들 사이에 끼워져 있는 하나 이상의 영구 자석들을 가진 암들을 구비한 3상의 구현 방식들을 보여준다. 상기 실시예들은 또한 가변 자기저항형, 복합형, 및 영구 자석형 스테핑 모터들에서 공통적으로 사용되는 3개 도선의 구성들에 있어서 모터 여자 시퀀스들 및 권선들을 보여준다.

비록 3상 스테핑 모터를 위한 300개 및 250개의 자극들을 가진 회전자들만이 본 명세서에 설명되었지만, 다른 개수의 자극들 및 위상들을 가진 모터들(예를 들어 표 1에 열거된 구성들)도 본 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 이해할 수 있다.

제1 실시예 (도 1 내지 도 8)

도 1은, 300개의 동일한 회전자 자극들, 등간격으로 배치된 18개의 고정자 암들, 및 각 고정자 암 위의 두 개의 고정자 핑거 사이에 위치한 18개의 영구 자석들을 구비한, 3상, 스텝 당 0.20˚(즉, 0.40˚ 기본 스텝 크기), 바이폴라 스테핑 모터의 단면도를 보여준다. 고정자 위의 일반 장착 플렌지 및 일반 장착용 구멍들과 회전자 상의 축은 본 명세서에서 설명되는 모든 모터에 공통된다. 본 명세서에 개시된 모든 다른 모터들에 공통되는 고정자 및 장착 플렌지는, 낮은 스테핑 속도의 응용을 위하여, 성형된 철분 복합체 또는 고형 연자성강을 이용하여 하나의 부품으로 만들어질 수 있다. 또한 높은 스테핑 속도의 응용을 위하여, 전기적 강재 적층 재료로 적층되고 그리고/또는 구조적 하우징 내부에 장착될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 동일한 스테핑 모터를 위한 두 개의 변형된 설계들을 보여준다. 도 2a에 보인 모터는 36개의 고정자 암들 및 36개의 영구 자석들을 구비한 반면, 도 2b에 보인 모터는 오직 9개의 고정자 암들 및 9개의 영구 자석들을 구비하고 있다. 도 3은, 도 5에 보인 바와 같이, "Y"자형 연결을 가진 고정자 암들의 코일들을 위한 물리적 권선 다이어그램을 보여준다. 18개의 고정자 암들과 3개의 위상들이 존재하므로, 각각의 위상은 6개의 직렬 연결된 코일들을 갖는다.

도 4a는 도 3의 일부를 확대한 것으로서, 회전자 자극들, 물리적 권선들, 고정자 자석들, 그리고 고정자 핑거 및 회전자 자극들 간의 정렬을 보여주고 있다. 도 4b는 고정자 암(21)의 일부를 그와 연계된 회전자 자극들과 함께 더욱 확대하여 보여주는 도면이다. 도 4a 및 도 4b에서 도시된 자석의 폭은 하나의 고정자 핑거 피치보다 크지만, 세 개의 고정자 핑거 피치들보다는 작다.

상기 향상된 모터는 몇 가지 종류의 드라이버들을 이용하여 구동될 수 있다. 예를 들어, 향상된 모터는 바이폴라 멀티스테이트 드라이버를 이용하여 구동될 수 있다. 도 6은, 도 1 내지 도 5에서 보인 3상 스텝 모터 설계를 위한 6개 상태의 바이폴라 드라이버를 위한 직각 여자 파형들, 여자 시퀀스들, 및 회전 방향들을 보여준다. 도 1 내지 도 5의 실시예들의 경우, 1번 상태에서 6번 상태로의 순서에 따른 여자는 시계방향에서의 회전자 회전을 유발한다. 유사하게, 각 고정자 암 상에서 반대의 방향으로 권선 방향을 역전시키는 것은 회전자 회전 방향의 역전을 유발한다.

도 7a 및 도 7b는 도 2a의 일부분에 대하여 유한 요소 분석 모델에 근거한 두 가지 경우의 자속 분포를 보여주고 있다. 도 7a에 보인 바와 같이, 권선이 존재하지 않거나 권선에 전력이 공급되지 않고 열려있을 때에는, 암들과 고정자 후편 철재(back iron)는 최소한의 자속 선(magnetic flux line)들을 갖는다. 대부분의 자속 선들은 독립적이고, 고정자 핑거들, 고정자 자석들 및 고정자 자극들 가운데서 닫힌 루프를 형성한다. 그러나 권선에 전원이 공급되면, 권선에 의해 생성되는 자속 선들은, 여자 상태에 따라, 고정자 자석에 의해 생성되는 자속 선들을 증가시키거나 상쇄시킨다. 순수 회전 토크(net rotational torque)는 모터 위치 및 여자 상태에 의거하여 생성된다. 각 여자 상태에 의하여 회전 각도의 함수로서 발생된 토크는, 각 여자 상태를 위한 수많은 각도에서의 자속에 대한 유한 요소 분석을 수행함으로써 평가된다. 예를 들어, 도 7b는 주어진 회전자 각도에서 하나의 여자 상태에 대한 자속의 분포를 보여준다. 도 7b에서 추가로 보인 것처럼, 각 핑거의 기하학적 모양은 자속이 핑거로부터 제1 부재 자극들에게로 방향을 바꾸게 하는 데 도움을 준다. 핑거의 모양 및 자속 분포를 제어하기 위하여 도면 부호 75 및 도면 부호 76과 같은 절단부(cut-out)들이 핑거들 옆에 배치될 수 있다.

도 8은, 도 1 내지 도 4와 같은 3상 회전식 설계에서 각 상태별 회전자 회전의 함수로서의 무동력 및 동력 토크를 보여주고 있다. 무동력 정지 토크는 모든 모터 권선들에 전력이 공급되지 않고 회로가 열려있는 경우의 토크이다. 무동력 정지 토크 및 동력 정지 토크에 대한 파형들은 예시적인 것으로서, 토크 개발에 있어서 특성상 제한적이지 않다. 실제 파형들은 사인 곡선(sinusoidal) 파형과 겹쳐진 고차 하모닉(high-order harmonic) 형태를 가질 수도 있다. 도 8에는 총 7개의 동력 정지 위치들(0점을 지나는 점들)이 존재하는데, 네 개는 세로축 상에 큰 원으로 표시("0", "2", "4", "6"으로 표시)되어 있고, 세 개는 표시되어 있지 않다("1", "3", "5"로 표시). 네 개의 원으로 표시된 위치들은 또한 스텝 당 0.40˚ 간격을 갖는 기본 정지 위치(cardinal detent position)들이다. 기본 정지 위치는 모터가 정지 상태로 유지될 수 있는 위치이다. 각 상태의 동력 토크는 회전 각도의 함수로 그려진다. 플롯의 위쪽(가로좌표 위쪽)에 있는 빗금 친 영역들은 회전자가 시계방향(CW)으로 회전함에 따른 1번 상태에서 6번 상태까지 여섯 개 상태의 토크를 보여준다. 플롯의 아래쪽(가로좌표 아래쪽)에 있는 이중 빗금 친 영역들은 회전자가 반시계방향(CCW)으로 회전할 때 6번 상태에서 1번 상태까지 반대의 회전 방향에서 여섯 개의 상태의 토크를 보여준다.

모터가 작동 중 갑작스럽게 전원이 끊기는 경우, 모터는 원으로 표시된 기본 정지 위치들("0", "2", "4", 및 "6"으로 표시된 위치들) 중 하나에서 멈춰서 움직이지 않을 뿐이다. 모터 하중 토크(motor load torque) 또는 회전자, 고정자 또는 그 둘 모두로부터의 히스테레시스로 인하여, 모터는 세 개의 표시되지 않은 정지 위치들(동력 정지 위치들; 즉 "1", "3", "5"로 표시된 위치들) 중 하나로부터 뒤로 끌어당겨져 표시된 정지 위치들 중 하나에서 멈춰지게 된다. 또한 큰 하중 관성(load inertia)이 모터를 앞으로 움직여서, 세 개의 표시되지 않은 정지 위치들 중 하나로부터 표시된 정지 위치들 중 하나로 이동하여 정지하고 움직이지 않도록 할 수도 있다. 따라서 시작 위치가 스텝 번호 "0"이라고 하면, 짝수의 스텝 번호들이 모터의 기본 정지 위치들, 즉 멈춰 서는 위치들이 된다. 반면에, 홀수의 번호들은 동력 정지 위치들이 된다.

모터 설계의 제1 실시예는 한 번의 완전한 회전에서 900개의 기본 정지 위치들을 갖지만, 한 번의 전체 회전을 마치기 위해 1800개의 스텝들을 필요로 한다.

제2 실시예 (도 9)

향상된 모터의 제2 실시예는 제1 실시예와 동일한 회전자를 공유하고, 따라서 한 번의 완전한 회전에서 900개의 기본 정지 위치들을 갖지만, 한 번의 전체 회전을 마치기 위해 1800개의 스텝들을 필요로 한다.

도 9a 내지 도 9f는, 도 4b에서 원으로 표시된 본 발명의 제1 실시예의 고정자 암과 비교하여, 고정자 암 설계들의 개략적이고 확대된 단면도들의 여섯 가지 예들을 보여준다. 각각의 예는 고정자 암, 고정자 자석(들), 고정자 핑거들의 다른 형태와, 회전자 자극들 및 고정자 핑거들의 정렬을 보여준다. 도 9a는 두 개의 고정자 자석을 가진 고정자 암을 보여준다. 각 자석의 폭은 하나의 핑거 피치보다는 크지만, 세 개의 핑거 피치들보다는 작다. 두 개의 자석들은 사이에 슬롯을 가진 두 개의 고정자 핑거들에 의해 분리되어 있다. 자속 흐름을 더 잘 보조할 수 있는 대안적인 슬롯 모양들(예를 들어, 사다리꼴, 정사각형, 원형, 타원형 등)은 여기서 도시되지 않았는데, 상기 슬롯 모양들은 향상된 모터의 관련 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 쉽게 떠올릴 수 있기 때문이다. 각각의 고정자 핑거들은, 보다 나은 정렬을 위하여 고정자 핑거들 및 회전자 자극들 간의 겹침을 방지하기 위한 절단부들을 갖는다. 도 9b는 두 개의 자석들을 분리하는 세 개의 고정자 핑거들을 보여준다. 도 9c는 도 9a에 보인 고정자 자석의 개수를 세 개로 늘린 것이고, 도 9e는 고정자 자석의 개수를 네 개로 늘린 것이다. 도 9d는 도 9a 및 도 9b에 보인 것보다 더 많은 고정자 핑거들을 자석의 양쪽에 구비하고 있다. 유사하게 도 9f는, 도 9a보인 것과 비교하여, 각 자석의 양편에 추가적인 핑거를 구비하고 있다.

상기 예들은 그 성격에 있어서 예시적일 뿐이고, 한정적이지 않다. 상기 예들은 향상된 모터의 제1 실시예가 고정자 암 당 하나 이상의 고정자 자석을 사용하도록 어떻게 확장될 수 있는지를 보여준다. 고정자 자석을 분리하거나 또는 양쪽에서 에워싸는 하나 이상의 고정자 핑거들이 존재할 수 있다. 각각의 영구 자석은 중앙의 회전축으로부터 방사상 바깥쪽을 가리키는 방향으로 정렬된다. 대안으로서, 각 자석은 중앙의 회전축으로부터 방사상 안쪽을 가리키는 방향으로 정렬될 수 있다. 자석의 개수, 고정자 핑거들의 개수, 및 고정자 암들의 개수의 조합은, 제1 실시예 및 제2 실시예의 원리에서 벗어나지 않으면서, 도 9에서 보인 경우들보다 많을 수 있다. 제2 실시예의 요소들은 아래에 설명하는 실시예들에도 적용될 수 있다.

동일한 모터 크기일 때, 고정자 자석들의 개수는 모터 구동 토크 및 모터 정지 토크 간 비율을 변화시킨다. 높은 모터 구동 토크가 필요한 응용분야에서는 고정자 자석들의 개수 또는 자성 재료의 양(자석의 크기)을 줄일 필요가 있다. 반대로, 높은 정지 토크가 필요한 응용분야에서는, 고정자 암 설계에 있어서 고정자 자석의 개수 또는 자성 재료의 양을 증가시킬 필요가 있다.

제3 실시예 (도 10 내지 도 12)

도 10은, 250개의 회전자 자극들, 30 개의 고정자 암들 및 30개의 고정자 자석들을 갖는, 3상, 바이폴라, 스텝 당 0.24˚(0.48˚ 기본 스텝 크기) 모터 설계의 제3 실시예를 개략적으로 보여주는 단면도이다. "Y"자형 연결로 나타낸 상기 스테핑 모터의 개략적인 물리적 권선 다이어그램이 도 11에 도시되어있다. 전기적 다이어그램은 도 5에 나타나있다. 회전자 자극들, 고정자 자석들, 고정자 암들, 고정자 암들 위의 물리적 권선들, 그리고 고정자 핑거들 및 회전자 자극들의 정렬을 보여주는, 도 11에 보인 구조의 일부를 자세히 확대한 도면이 도 12에 나타나있다. 제3 실시예는 750개의 기본 정지 위치들 가지며, 완전한 한 번의 회전을 마치기 위하여 1500개의 스텝들을 필요로 한다.

자석의 폭은, 위상 A의 각 고정자 암에 대하여 두 개의 고정자 핑거들과 정렬된 두 개의 회전자 자극들 사이에 하나의 회전자 자극이 존재하도록 결정된다. 따라서 자석의 폭은 하나의 핑거 피치보다는 크고, 두 개의 핑거 피치들보다는 작다. 이는 도 4b에서 보인 바와 같이 위상 A 고정자 핑거들과 정렬된 두 개의 회전자 자극들 사이에 두 개의 회전자 자극들이 존재하는 구성과 대비된다. 상기 도면에서, 자석의 폭은 두 개의 핑거들 사이에서 필요한 만큼이므로, 도 4a, 도 4b, 도 7 및 도 9에서 보인 바와는 달리, 고정자 핑거 상에 겹침도 발생하지 않고 절단부도 필요하지 않다.

위상 A의 고정자 핑거들이 회전자 자극들과 정렬할 때, 위상 B 또는 위상 C의 각 고정자 핑거들은 연계된 회전자 자극들과 선행 또는 후행 가장자리로부터 일정한 오프셋을 가지고 정렬된다. 따라서 회전자 자극들과 연계하여, 세 개의 독특하게 정렬되는 암 그룹들이 각 위상별로 하나씩 구성된다. 그러므로 30개의 등간격 배치된 고정자 암들은 세 개의 독특하게 정렬되는 고정자 암들을 10번 반복한 것이다.

제4 실시예 (도 13 및 도 14)

도 13은 모터의 오른쪽 아래 사분원호를 확대한 것으로서, 도 1 및 도 3의 제1 실시예서 보인 것과 유사하지만 고정자 암들 위 자석들의 자화 방향에서 차이점을 갖는 실시예를 보여준다. 인접한 고정자 암들 위의 고정자 자석들은 중앙의 회전축에 대하여 안쪽 및 바깥쪽으로 교대로 반복되는 방향으로 자화되었다. 물리적 권선은 도 3에 보인 것과 같은데, 각 위상 그룹에 속하는 모든 고정자 암들의 권선 방향이 제1 부재에 대하여 동일한 시계방향 또는 반시계방향을 가져야한다.

도 11 및 도 12에 보인 제2 실시예의 설계들은, 인접한 암들의 자석이 역전된 자화 방향을 갖도록 하면서 유사하게 구현될 수 있다. 도 9a 내지 9c, 그리고 도 9e 내지 9f의 제2 실시예에서 보인 바와 같이 고정자 암 당 둘 이상의 자석들이 사용될 때, 각 고정자 암 위의 모든 자석들은 동일하게 안쪽 또는 바깥쪽 방향으로 자화되어야 한다.

도 14는, 도 13에서 일부 보인 바와 같이, 교대로 반복되는 자화 방향을 갖춘 스테핑 모터 설계가 3상 드라이버를 사용할 때 어떻게 각 상태에서 토크를 발생시킬 수 있는지를 보여준다. 무동력 정지 및 동력 정지 프로파일들을 위한 파형들은 예시적인 것으로서, 토크 개발에 있어서 특성상 제한적이지 않다. 실제 파형들은, 도 14에서 보인 바와 같이, 사인 곡선 파형과 겹쳐져 있는 고차 하모닉 형태를 가질 수 있다.

무동력 정지 프로파일은 도 1 및 도 3의 설계를 위하여 도 8에서 보인 바와 동일하다. 스텝 당 0.40˚의 배치에서 총 네 개의 동력 정지 위치들(0을 지나는 점들)이 존재하는데, 가로축 상에 큰 원으로 표시("0", "1", "2", "3"으로 표시된 지점들)되어 있다. 상기 네 개의 동력 정지 위치들은 네 개의 기본 정지 위치들과 일치한다. 그러므로 모터는 스텝 당 0.4˚의 온전한 기본 스텝 크기로 스텝 이동한다. 900개의 기본 정지 위치들을 갖는 도 13의 설계는 한 번의 완전한 회전을 마치기 위하여 900개의 스텝들을 필요로 한다.

도 10 및 도 11의 제3 실시예에서와 유사하게, 인접한 고정자 암들 위의 고정자 자석들이 중심 회전축에 대하여 안쪽 및 바깥쪽으로 교대로 반복되는 방향으로 자화될 때, 0.48˚ 배치에서 기본 정지 위치들이 동력 정지 위치들과 일치하게 된다. 모터는 스텝 당 0.48˚의 온전한 기본 스텝 크기로 스텝 이동하게 되고, 한 번의 완전한 회전을 마치기 위하여 750개의 스텝들을 필요로 한다.

세 개의 상태를 갖는 드라이버를 사용할 때, 세 가지 여자 상태들의 반복은 모터를 연속적으로 회전시킨다. 흔히 사용되는 6개 상태 여자 시퀀스를 갖는 모터 드라이버들이, 도 6에 보인 바와 같이, 모터를 구동하기 위하여 3개 상태 드라이버로서 사용될 수 있다.

지금까지 설명한 실시예들의 모든 상기 예들은 고정자 암들이 등간격으로 배치되고, 고정자 암들의 개수가 위상 수의 정수배인 경우를 보여주고 있다. 하지만 제1 부재 자극 및 제2 부재 핑거의 정렬이 상기 설명된 바대로 이루어지만 한다면, 고정자 암들이 등간격으로 배치되지 않거나, 또는 위상 수의 정수배가 아닌 고정자 암들 개수를 갖는 스테핑 모터도 설계할 수 있다. 그러나 등간격으로 배치되지 않은 고정자 암들은 일정치 않은 순간 무동력 또는 동력 정지 토크를 유발할 수 있고, 모터 토크 밀도를 낮추며, 귀중한 권선 공간을 낭비하게 할 수 있다.

위에서 설명한 실시예들의 설계 개념들을 이용한 선형 스테핑 모터도 구현될 수 있다. 회전식 스테핑 모터를 열어서 고정자 및 회전자를 펼침으로써, 회전식 스테핑 모터는 선형 스테핑 모터가 된다. 비록 식 (1)을 선형 실시예에 적용할 수는 없지만, 제2 부재 핑거들 및 제1 부재 자극들의 정렬, 전기적 권선 다이어그램, 여자 극성 시퀀스, 그리고 식 (2) 내지 식 (4)은 회전식 스테핑 모터들을 위하여 본 명세서에 개시된 것과 동일하게 유지된다.

상기 실시예들의 원칙을 기반으로 하는 여러 가지 다른 변형된 스테핑 모터 설계들은 본 명세서에서 예시하지 않는다. 이러한 예들은, (a) 고정자 및 회전자의 전체 360˚중 일부만이 사용되는 섹셔널 또는 프렉셔널 스테핑 모터; (b) 내부의 고정된 부재가 고정자이고 다른 회전하는 부재가 회전자인, 역전된 회전 부재 및 고정 부재를 갖는 스테핑 모터; (c) 회전자(들) 및 고정자(들)가 모두 평면적 형태로서 공통의 축 위에 나란히 배열되는, 축 방향 공극(들)을 갖춘 스테핑 모터; 및 (d) 마이크로스텝 드라이버로 구동되는 스테핑 모터를 포함한다. 제1 실시예 내지 제3 실시예의 원형 및 방사상의 공극과 비교하여, 축 방향 공극 설계는, 제1 실시예 내지 제3 실시예의 방사상 방향 대신에, 자석들이 축 방향의 자화 방향을 가질 것을 필요로 하고, 고정자 암들 및 핑거들이 축 방향으로 회전자 자극들을 마주하도록 배열된다. 이러한 변형된 설계에서도 권선 방법과 고정자 핑거들 및 회전자 자극들의 정렬은 앞에서 설명한 3상 모터들과 동일한 방식으로 유지된다.

이중 권선 및 중복 권선은 위에서 설명한 모든 권선 방법을 위하여 쉽게 구현될 수 있는 또 다른 특징이다. 크기 및 중량을 줄이기 위하여 두 개의 모터를 나란히 사용하지 않고, 모터의 절반은 주 권선을 위하여 사용하고 모터의 다른 절반은 중복 권선을 위하여 사용함으로써, 기계적 및 전기적으로 모터 설계에서 추가적인 중복을 얻을 수 있다.

암들 및 핑거들을 갖춘 고정자 스택을 하나의 부품으로 제작하기 위하여, 또는 더 나아가 고정자 하우징, 스택, 암들 및 핑거들을 하나의 부품으로 제작하기 위하여 고형 연자성강(들)을 사용하는 것은 본 명세서에 설명된 향상된 모터를 낮은 스텝 속도를 갖는 응용분야에 적용하는 데 있어서 구현할 수 있는 또 다른 특징이다. 고형 연자성강은 성형된 철분 복합(iron powder composite) 재료, 저 탄소강(low carbon steels)(예를 들어, 미국 철강협회(AISI) 지정 1010 강, 1015 강, 또는 1018 강 등), 고형의 마텐사이트 내식성 강재(martensitic corrosion-resistant steels)(예를 들어, 416 스테인리스강 등), 또는 고형의 고투과성(high-permeability) 니켈-철 또는 철-코발트 합금(예를 들어, 하이퍼코(Hyperco) 50호 등) 등을 비한정적으로 포함할 수 있다. 상기 고형의 연자성강들은 고주파 자기 회로 응용분야에서 흔히 사용되는 전기적 강 적층(electrical steel lamination) 재료들(예를 들어, AISI M-15, M-19 등), 또는 고투과성 니켈-철 또는 철-코발트 합금 등과는 구별된다. 상기 고형의 연자성강들은 와상 전류 및 히스테레시스 손실이 중요하지 않은 저주파 응용분야들을 위한 것으로 자기 설계자들에게 알려져 있다. 이러한 특징은 낮은 스테핑 속도를 갖는 모터 및 액추에이터들에 극히 유용한 것으로 증명되었는데, 이는 적층 공정 및 박리(delamination) 문제를 제거하고, 비용을 절감하며(특히 흔히 쓰이는 1018 저탄소강 또는 416 스테인리스강을 사용하는 경우), 제조 공정들을 단순화시키기 때문이다.

지금까지의 설명에 기초하여, 향상된 모터에서 어떻게 작은 스텝 크기를 갖고 일반적인 바이폴라 모터 드라이버를 사용하는 모터가 설계될 수 있는지를 설명하였다. 비록 작은 스텝 크기를 갖는 스테핑 모터를 위한 다수의 실시예들이 도시 및 설명되었고, 그 실시예들에 대한 몇 가지 변화 및 변경들이 논의되었지만, 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 첨부된 청구항들에서 정의되고 차별화된 본 발명의 원리에서 벗어남이 없이도, 다양한 추가적인 변화 및 변경된 형태들이 만들어질 수 있다는 사실을 쉽게 인식할 수 있을 것이다.

Claims

서로에 대하여 상대적으로 움직일 수 있게 장착된 제1 부재와 제2 부재를 포함하고;
상기 제1 부재는, 제1 부재를 따라 실질적으로 등간격으로 배치된 다수의 자극들을 구비하고;
상기 제2 부재는, 각각이 다수의 핑거들과 하나의 영구 자석과 하나의 코일을 구비하는 다수의 암들을 구비하고;
상기 핑거들은 원위 단부가 상기 자극들을 향하도록 배열되고, 상기 영구 자석 각각은 핑거 피치보다 큰 폭을 가지며;
상기 암들 각각은 다수의 위상 중 하나와 연계되고;
상기 부재들이 서로에 대하여 상대적으로 일정 위치에 있을 때, 특정 위상에 속하는 암들의 핑거들은 대응하는 자극들과 동시에 정렬되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
하나의 위상 그룹에 속하는 암들의 핑거들이 상기 대응하는 자극들 중 어느 하나와 대응할 때, 다른 위상 그룹에 속하는 암들의 핑거들은 상기 대응하는 자극들 중 어느 하나와도 대응하지 않도록 핑거들이 배열되는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 영구 자석들 각각이 암 위에서 해당 영구 자석과 연계된 일부 핑거들 사이에 배치된 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
모든 코일들은 하나의 공통된 단자를 공유하는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
하나의 위상에 속하는 코일들은 다른 위상에 속하는 코일들과 연결되지 않은 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
각각의 영구 자석이 상기 제1 부재에 대하여 동일한 방향으로 자화된 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
하나의 암에 속한 각각의 영구 자석은 인접한 암에 속한 영구 자석과는 반대의 방향으로 자화되어 있는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
위상들의 개수가 셋인 것을 특징으로 하는 모터.
제8항에 있어서,
상기 코일들은 "Y"자형, 델타형, 또는 6개 도선의 구성으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 모터.
제8항에 있어서,
상기 암들은 여섯 가지 상태의 여자 시퀀스를 따르도록 구성된 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
위상들의 개수가 둘, 넷, 또는 다섯인 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
각각의 암은 성형된 철분 복합체, 고형 연자성강, 또는 전기적 적층 재료로 형성된 일부분을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
각각의 핑거가 하나의 돌출극으로서 기능하도록 구성된 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
각각의 암이 다수의 영구 자석들을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 자극들의 개수는 최소 250개인 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 암들은 후방 철재로 연결된 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 부재 및 제2 부재는 하나의 축 상에서 서로에 대하여 상대적으로 회전하도록 배치된 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 부재는 상기 제2 부재에 대하여 상대적으로 선형으로 움직이는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 암들은 상기 제2 부재를 따라 실질적으로 등거리에(equidistantly) 위치하는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
각각의 위상은 해당 위상과 연계된 동일한 개수의 암들을 갖는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
각각의 코일은 해당 코일과 연계된 암의 주위에 상기 제1 부재에 대하여 동일한 방향으로 감겨있는 것을 특징으로 하는 모터.
제7항에 있어서,
각각의 코일은 인접한 암의 코일과는 반대의 방향으로 자화되는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 부재들은 성형된 철분 복합체, 연자성강, 또는 전기적 강재 적층을 포함하는 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 모터가 바이폴라 모터 드라이버에 의해 구동되도록 구성된 것을 특징으로 하는 모터.
제8항에 있어서,
첫 번째 위상에 속하는 핑거들의 중앙이 대응하는 자극들의 중앙과 정렬할 때, 두 번째 위상에 속하는 핑거들의 중앙은 대응하는 자극들의 선행 가장자리에서 일정한 오프셋을 가지고 실질적으로 정렬하고, 세 번째 위상에 속하는 핑거들의 중앙은 대응하는 자극들의 후행 가장자리에서 일정한 오프셋을 가지고 실질적으로 정렬하며, 이 때 상기 오프셋이 자극 간격보다 작도록 핑거들이 배열된 것을 특징으로 하는 모터.
제1항에 있어서,
상기 제1 부재 자극들의 개수는 홀수의 정수인 것을 특징으로 하는 모터.