KR100393858B1 - 방사상 힘을 발생시키는 ｄｃ 모터 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스핀들 구성요소(자석 및 고정자 적층부)를 사용하여 스핀들 모터내에 토크(도 1a) 및 부가적인 방사상 힘(F, 도 1b)을 제공하는 다중위상 스핀들 DC 모터(도 1a, 도 1b)에 관한 것이다. 전도체를 통하여 흐르는 전류와 자석 사이의 상호작용은 시스템의 전체적인 안전성 및 효과적인 동작에 요구되는 토크 및 방사상 힘(F)을 형성한다.

Description

방사상 힘을 발생시키는 ＤＣ 모터 액추에이터 {DC MOTOR ACTUATOR TO CREATE RADIAL FORCE}

대부분의 모터, 실제로 고정축을 중심으로 회전하는 대부분의 회전 시스템은 시스템에 발생되어 시스템의 일부가 되는 진동 또는 고조파를 가지고 있어 시스템의 안정되고 부드러운 동작을 방해한다. 상기와 같은 문제는 특히 스핀들 모터가 장착되고 고속 회전용 디스크 또는 디스크 팩을 지원하는 디스크 드라이브 산업에 있어 심각하다. 디스크 드라이브 산업계에서는 쇼크 및 진동에 대하여 내항성이 요구되며 증가된 트랙 밀도로 동작할 수 있는 헤드 디스크 어셈블리(HDA)를 제공하기 위하여 계속적으로 노력했다.

HDA에 대한 동작 요구가 증가하므로써, 통상적인 HDA 시스템과 관련된 문제는 성능을 제한하는 요소가 되었는바; 예를 들어 통상적인 볼 베어링의 비반복적 흔들림(non-repetitive run-out;NRR)은 트랙 공간을 제한하였고, 따라서 HDA가 신뢰성 있게 동작할 수 있는 트랙 밀도를 댐핑시킨다. NRR은 하드 디스크 드라이브의 아주 복잡한 역학적 작용과 관련되며; 모터 및 디스크 팩의 기계적 모드는 예측된 기계적 공진에 상응하며, 이는 다시 볼 베어링 진동에 의하여 여기된다. NRR 크기를 줄이기 위하여, 드라이브의 진동 특성이 변경되어야 한다. 일부 일반적인 해결 방법은 진동을 발생시키지 않아 공진 모드를 여기시키지 않은 비접촉 베어링(자기 또는 유압식 베어링과 같은)을 이용하는 것이다.

종래 기술에서, 모터 또는 디스크 드라이브의 트랜스듀서와 관련된 진동을 전기적으로 댐핑시키기 위한 여러 가지 노력이 이루어졌다. 이동 트랜스듀서를 더욱 빠르게 트랙중심에 맞추기 위하여 이동 트랜스듀서의 진동을 댐핑시키는 종래 기술은 송의 미국 특허 4,414497; 시드맨의 미국특허 5,459,383; 및 라비자의 미국특허 4,080,636을 포함한다. 이들 각각은 이동 트랜스듀서의 진동 또는 운동을 더욱 빠르게 댐핑시키기 위하여 피드백 루프를 추가하기 위한 복잡한 회로를 포함한다. 이들 모두는 모터 또는 디스크 자체의 진동을 댐핑시키는 문제와 관련되어 있지 않으며 또한 시스템을 복잡하게 하고 비용을 증가시킨다.

그 외의 특허는 모터의 진동을 댐핑시키기 위하여 모터 자체에 기계적 또는 전기기계적 엘리먼트를 부가한다. 이들 특허는 하시가와의 미국특허 5,317,466; 바르텍의 미국특허 4,198,863; 클랜시의 미국특허 4,286,202를 포함한다. 이들 특허는 특히 진동을 검출하고 댐핑시키기 위하여 모터에 기계적 또는 전기 기계적 엘리먼트를 부가하는 것에 관련된다. 또한, 이들 종래 기술의 방법은 회전 모터, 특히 디스크 드라이브 스핀들 모터에 존재할 수 있는 공진 모드의 검출 및 상기와 같은 공진의 댐핑에 효과적이지 못하다. 또한, 이들은 모터 설계시 비용과 복잡성을 야기한다.

본 발명은 모터에 관한 것이며 모터 내에 발생되는 진동 또는 공진에 관한 것이며; 특히 디스크 드라이브 어셈블리에 이용되는 스핀들 모터에 대한 것이지만 이들 특정 예에 국한되지 않는다. 본 발명은 상기와 같은 공진을 제거하기 위한 액추에이터를 개시한다.

도 1a는 코일의 상이한 조합에 전류를 공급할 때 회전자 자석 상에 토크를 인가하는 것이 가능한 것을 도시한다.

도 1b는 코일의 상이한 조합에 전류를 공급할 때 회전자 자석 상에 방사상 힘을 인가하는 것이 가능한 것을 도시한다.

도 2a는 영구자석 무브러쉬 DC 모터의 한 슬롯에 배치된 도체를 도시한다.

도 2b는 도체가 코어와 자석사이의 공극에 직접 배치된 것을 가정하여 도시하였다.

도 3a는 공극에 배치된 하나의 도체 상에 작용하는 힘을 도시한다.

도 3b는 작용과 반작용 법칙 및 공극에 배치된 도체를 통하여 흐르는 전류에 의하여 자석에 작용하는 힘을 도시한다.

도 4는 도 3b에서 분해된 힘을 x 및 y측으로 투영한 것을 도시한다.

도 5는 두 개의 도체를 포함하는 코일이 공극에 배치될 때 자석에 작용하는 두 개의 힘을 도시한다.

도 6a는 모터 권선의 한 슬롯의 코일 개구부를 도시한다.

도 6b는 모터 권선의 두 슬롯의 코일 개구부를 도시한다.

도 7은 12개의 모터 슬롯에 배치된 12개의 동심 코일을 도시한다.

도 8은 8극의 12슬롯 모터에 토오크를 발생시키는 3상 권선을 도시한다.

도 9는 방사상 힘을 발생시키는 단상의 6코일을 도시한다.

도 10은 하나의 회전하는 방사상 힘을 도시한다.

도 11은 직교하는 두 개의 회전하는 방사상 힘을 도시한다.

도 12는 직교하는 두 개의 방사상 힘을 발생시키는 2상 권선 및 한 슬롯의 코일 개구부를 도시한다.

도 13은 직교하는 두 개의 방사상 힘을 발생시키는 2상 권선 및 두 슬롯의 코일 개구부를 도시한다.

도 14a는 직교하는 두 개의 회전하는 힘을 도시한다.

도 14b는 120°분리된 세 개의 회전하는 힘을 도시한다.

도 15는 두 개의 자기 회로를 가진 모터 구조를 도시한다.

도 16a 및 16b는 슬롯이 없는 모터 권선(공극에 배치된 실린더)의 투시도 및 단면도를 도시한다.

도 17은 직교하는 두 개의 회전하는 방사상 힘을 도시한다.

도 18은 상 1 및 상 2에 의하여 발생된 힘의 벡터에 방사상 벡터를 투영한 것을 도시한다.

도 19는 상 1에 의하여 발생된 힘의 벡터에 x 및 y 방사상 힘 성분 벡터를 투영한 것을 도시한다.

도 20은 직교하는 두 힘의 합과 120°로 분리된 방향을 가지는 세 힘의 합 사이의 관계를 도시한다.

도 21은 상 1 전류 계산(식 a.59)의 블록도이다.

도 22는 하나의 삼각함수 및 하나의 곱셈을 처리하는 수단의 블록도이다.

도 23은 회전자 위치의 함수로서 EPROM 어드레스를 발생하는 수단의 블록도이다.

도 24는 위상 지연 조정을 하며, 회전자 위치의 함수로서 EPROM 어드레스를 발생하는 수단의 블록도이다.

도 25는 도 24의 블록도에 대응하는 타이밍도이다.

도 26은 주기당 하나의 펄스를 발생시키기 위하여 모터 드라이버의 트랜지스터 명령 신호를 이용하는 회로도이다.

도 27은 주기당 하나의 펄스를 발생시키기 위하여 모터 드라이버의 트랜지스터 명령 신호를 이용하는 것을 도시하며; 타이밍도는 도 26의 회로와 관련된다.

도 28은 2상 권선을 이용하여 방사상 힘을 발생시키는 블록도이다.

도 29는 방사상 힘 방향에 대한 위상 지연 효과를 도시한다.

도 30은 하드 드라이브 스핀들 모터의 수직 단면을 도시한다.

도 31은 회전하는 방사상 힘 여기에 대한 응답을 특정하는 회로의 블록도이다.

도 32는 회전축 각 위치의 한정을 도시한다.

도 33은 일회전당 하나의 펄스를 제공하는 신호에 대하여 인가된, α 및 β의 NRR 성분의 측정, 순방향 회전 모드의 여기상태를 도시한 도면.

도 34는 순방향 회전 모드이 여기상태와, α 및 β의 NRR 성분의 리사주 선도(Lissajou figure)를 도시한 도면.

도 35는 역방향 회전 모드의 여기상태, α 및 β의 NRR 성분의 측정, 및 일회전당 일 펄스를 제공하는 신호를 도시한 도면.

도 36은 역방향 회전 모드의 여기상태, 및 α 및 β의 NRR 성분의 리사주 선도를 도시한 도면.

도 37은 xz 평면에서 회전자 이동을 도시한 도면.

도 38은 α파 위상 크기의 보드 선도.

도 39는 α파 위상 지연의 보드 선도.

도 40은 동기 멀티플라이어 위상 지연의 효과를 포함하는 α파 위상 지연의 보드 선도.

도 41은 전류 증폭기 및 측정 시스템에 의해 유도된 일시적 지연을 포함하는 α파 위상 지연의 보드 선도.

도 42는 동기 멀티플라이어 위상 지연으로 역방향 회전 모드의 일시적 지연의 정정을 도시한 도면.

따라서, 본 발명의 목적은 디스크 드라이브 스핀들 모터와 같은 회전 시스템에 발생하는 공진을 댐핑시키기 위한것이다.

관련된 목적은 소정 위치에서 회전 시스템의 회전축을 안정화시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 회전 시스템의 댐핑되지 않은 운동을 정확하게 시뮬레이팅하고 회전 시스템에 다른 이상(異相) 힘을 제공하여 공진 운동을 댐핑하도록 하는 것이다.

본 발명의 관련 목적은 공진 운동을 정확하고 반복적으로 감쇠 또는 감퇴시켜 시스템을 안정화시키는 이상 힘을 출력시키는 것이다.

본 발명에서, 용어 "감쇠"는 인가된 힘이 시스템내의 공진 운동과 이상(異相)이라는 사실과 직접 관련된다. 이는 시스템 내에 발생하는 공진과 반대되고 시스템에 뻑뻑함을 제공하고 종래 기술에 채용된 방법을 구성하는 힘을 부가한다는 개념과 반대이다. 이는 시스템에 부가되는 전자기 베어링과 같은 것을 이용한다.

본 발명의 목적은 그러한 댐핑되지 않은 운동이 감지되고 이러한 운동을 댐핑시키기 위하여 회로를 통하여 적당한 힘이 인가되는 것을 설명하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 댐핑 액추에이터가 회전 시스템을 지원하는 모터의 권선을 포함하는 것을 설명하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 운동을 댐핑시키는 액추에이터가 선택된 크기 및 위상의 전류를 가진 회전 시스템을 지원하는 모터의 특정 권선을 포함하도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 효율적인 댐핑 액추에이터를 제공하도록 모터의 권선, 권선에 흐르는 전류의 방향과 크기를 선택하는 방법을 설명하는 것이다.

따라서, 본 발명에서, 공진 운동이 먼저 시뮬레이팅되고, 이로부터 파생된 것으로부터 위상이 늦은 댐핑 신호가 정의되며, 이는 시스템내의 공진을 댐핑시키기 위하여 시스템에 인가되는 힘을 제어한다. 따라서, 본 발명의 댐핑 방법은 적시에 시스템 운동을 측정하는 단계, 상기 힘을 90도 뒤지게 하는 단계 및 상기 운동의 발생을 교정하도록 댐핑 힘을 인가하는 단계를 포함한다. 따라서, 본 발명에 따르면, 소정 속도에서의 운동은 소정 속도의 대항 운동에 의하여 대항되어, 고주파수에서의 운동은 성공적으로 댐핑된다. 이러한 방법의 성공은 적어도 부분적으로 운동 표시 유도체가 회전 시스템의 공진 운동 표시의 요소로서 속도를 가진다는 사실을 기초로 한다. 따라서, 고주파수 운동일수록, 이러한 댐핑 방법은 시스템에 뻑뻑함을 주는 것보다 더욱 효과적이다.

다음의 상세한 설명에서, 고응답 방식으로 공진 운동을 댐핑시키도록 방사상 힘은 예를 들어, 회전 시스템으로서 이용되는 스핀들 모터내의 추가 권선을 이용함으로써 발생될 수 있다는 것을 설명하기 위한 식이 만들어질 것이다. 코일은 동상으로 그룹핑되며 요구되는 방사상 힘을 발생시키도록 전력이 공급된다. 바람직하지 않은 운동을 제거하고 추가적인 권선에 전류를 인가함로써 댐핑시키는 힘을 발생하기 위한 적절한 회로가 개시된다.

이러한 상세한 설명은 예를 들어 단지 원리를 설명하고자 하는 것일 뿐이며 본 발명은 모터에 이미 존재하는 권선을 이용할 수 있다. 예를 들어, 권선은 탭핑될 수 있으며 안정된 방사상 힘을 발생시키는데 필요한 전류는 정상 모터 구동 전류에 부가될 수 있다. 선택적으로, 정상 구동 전류는 매우 짧은 주기동안 턴오프될 수 있으며, 방사상 힘을 발생시키기 위하여 계산된 전류는 동일 권선에 인가될 수 있다; 두 개의 전류가 빠르게 교번되어 모터의 추진력은 이들 구동 전류에 의하여 유지되도록 하고 방사상 힘은 계산된 전류에 의하여 발생되도록 한다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명을 설명한다.

스핀들 모터의 표준 설계는 회전자를 회전시키는 토크를 생성하도록 의도되었다. 본 작업의 목적은 스핀들 구성요소(자석 및 스택과 같은) 및 코일이나 권선에 인가된 특수하게 계산된 전류를 이용하여 스핀들 모터내에 부가적인 방사상 힘을 생성하는 것이다. 도 1a 및 도 1b는 코일의 상이한 조합을 제공함으로써, 코일이 어떻게 감겨졌는지와 코일에 흐르는 전류 흐름 방향에 따라, 토크(도 1a)나 방사상 힘(도 1b)을 회전자 자석상에 인가할 수 있다는 것을 도시한다. 이 예에서는 별도 세트의 코일이 모터에 인가된다는 것을 가정한다. 상세한 설명은 단지 예일 뿐이다; 분석 및 발명의 원리는 모터에 이미 존재하는 권선을 이용하여 적용될 수 있다. 예를 들면, 권선은 감겨질 수 있으며, 안정한 방사상 힘을 발생하는데 필요한 전류는 정상 모터 구동전류에 부가된다. 택일적으로, 규칙적인 구동전류는 아주 짧은 기간동안 턴오프되고, 방사상 힘을 생성하기 위한 계산된 전류는 동일한 권선에 부가된다. 두 전류는 방사상 힘이 계산된 전류에 의해 생성되는 동안 모터의 운동량(momentum)이 이들 구동전류에 의해 유지될 수 있도록 급속하게 변경된다.

영구자석 무브러쉬 DC 모터는 힘을 생성하는 도체를 통하여 흐르는 전류 및 자석 사이의 상호작용으로 작동한다. 이러한 모터를 설계하는 것은 회전자 위치 함수인 전류를 가지는 권선 위상을 공급하는데 있어서 토크를 생성하는 권선을 형성하기 위해 동상으로 코일에서의 도체를 그룹화하는 것이 요구되며, 토크는 회전자에 대해 작용하거나, 본 발명에서 원하는 경우에 방사상 힘을 생성하기 위하여 모터를 회전시킨다. 이 설계는 자석의 극수, 및 슬롯 모터에 대해서는 스택내의 있어서의 슬롯수와 같은 파라미터에 의존한다. 분석 장치는 상이한 모터 구성에 대하여 방사상 힘을 생성하는 권선의 설계를 허용하도록 여기에 제안되었다.

이 분석 장치는 하나의 도체에 따른 자석에 작용하는 힘과 하나의 코일에 따른 자석에 작용하는 힘을 분석하는데 있어서 우선 사용된다. 이 분석의 결론은 토크나 방사상 힘을 생성하기 위하여 코일을 어떻게 결합하는지를 보여준다.

이 분석 장치는 슬롯 모터의 가장 공통적인 구성을 연구하는데 사용된다. 표는 토크 및/또는 방사상 힘을 발생하는 권선의 변화와 일치하는 구성을 도시한다.

권선 토크 및/또는 방사상 힘과 일치하는 모터 구성을 나타내는 관련표과 함께 무슬롯 모터가 도시된다.

하나의 도체에 의한 힘

자계에 놓인 한 도체의 힘 생성은 플레밍의 왼손법칙에 근거한다.

도체는 자계내에 놓인다; 전류가 도체를 통하여 흐를 경우, 힘이 도체에 작용할 것이다. 힘의 방향은 동일한 도면에 도시된 왼손법칙에 의해 주어지며, 힘의 크기는 다음 방정식에 의해 주어진다:

F = B·I·L (a.1)

B는 자속밀도[TI], I는 전류[A], L은 도체의 유효 길이[m], F는 힘[N]이다.

영구자석 무브러쉬 DC 모터(도 A.3a)의 한 슬롯내에 놓인 한 도체의 힘 생성을 결정하는 것은 도체가 코어와 자석사이의 공극(도 A.3b)내에 직접 놓인다고 가정할 경우의 관계를 기초로한다. 공극 자계의 크기는 각도 위치의 사인함수로 가정한다. 그 방향은 방사상이며 그 크기는 자석으로부터 코어로 진행할 때 양이라고 가정한다. 다음 방정식은 도 A.3b에 도시된 각도 위치에 대한 자속밀도를 제공한다:

p는 쌍극수이고, α는 자석의 각 위치인데, 이 값은 북극이 기준 위치와 정렬일 경우 제로이며, β는 자속밀도가 계산되는 각 위치이고,은 자속밀도의 피크값으로 이 값은 공극 길이, 자석의 종류, 스택 스틸의 종류, 치형의 기하, 자석 자화 등을 고려하며, 이 값으로부터 실제 슬롯 모터의 공극에서 자속밀도 분포의 첫번째 조파로서 계산되고, 정확한 토크값의 결정을 따르지만, 코일 결합에 있어서 권선 설계에 영향을 미치지 않는다.

상기한 가정을 기초로하여, 도 3a에 도시된 바와 같이 공극내에 놓인 한 도체에 작용하는 힘을 결정할 수 있다. 자속밀도가 방정식(a.2)에 의해 주어지면, 힘의 크기는 다음과 같다:

여기서 1_act는 도체의 유효 길이[m]이며, α는 자석의 각 위치로 이값은 북극이 기준 위치와 정렬될 경우 제로이며, β는 도체의 각 위치이다.

도 3b에서 예시된 바와 같이 작용 및 반작용을 이용하여, 도체를 통해 흐르는 전류에 따른 자석에 작용하는 힘은 크기가 동일하고 방향은 반대이다.

플레밍의 법칙과 공극에서 가정된 방사 자속으로부터, 자석에 작용하는 힘은 접선에 따라 작용한다. 자석에 작용하는 토크를 계산하는 것이 가능하다:

여기서 r은 자석의 반경[m]이다.

여러개의 도체에 기인한 상이함 힘을 부가하는 것이 가능하도록 하기 위하여, 자석에 작용하는 힘의 직교 성분이 결정되어야 한다. 도 4는 x축 및 y축에 힘의 투영을 도시한다.

다음 식은 한 도체에 따르고 자석에 작용하는 힘의 x 및 y 성분을 나타낸다:

하나의 코일에 의한 힘

도 5는 두개의 도체로 이루어진 코일(52)이 공극내에 놓일 때 자석(50)에 작용하는 두개의 힘을 도시한다. 이들 도체를 통해 흐르는 전류가 동일한 코일을 통해 흐를 때, 그 크기는 동일하지만 부호는 반대이다.

다음 파라미터는 코일을 한정한다:

s는 라디안으로 코일 개구부이며 두 도체사이의 각을 제공하며, β는 중간코일 각 위치이고, α는 회전자 위치이다.

식(a.3)을 이용하여, 자석(50)에 작용하는 두 힘의 크기를 결정할 수 있다:

자석(50)에 작용하는 전체 토크가 결정될 수 있다:

삼각 항등식(a.11)을 이용하여, 토크 식은 코일 및 회전자 위치 α 및 β로부터 코일 개구부의 영향을 분리하는 방법으로 기록될 수 있다.

방정식(a. 12)은 토크를 최대로하기 위하여 코일 개구부가 선택될 수 있는 것을 나타낸다. 자석(50)에 의해 작용하는 결과적인 힘의 직교 성분 F_x및 F_y이 결정될 수 있다.

직교 성분 F_x및 F_y(a. 14) 및 (a. 16)은 토오크 방정식(a. 10)이 코일 및 회전자 위치 α 및 β로부터의 코일 개구부의 영향을 차단하기 위하여 (a. 12)로 변환되는 것과 동일한 방식으로 변환될 수 있다.

F _x 성분 조작

삼각 항등식(a. 17)을 사용하면, F_x성분 방정식(a. 14)은 코일 및 회전자 위치 α 및 β로부터 코일 개구부의 영향을 차단하도록 기술될 수 있다.

(P+1) 항 및 (P-1) 항의 그룹에서 :

코일 개구부의 항 함수로부터 각 위치(α 및 β)의 항 함수를 분리할때 :

sin(-x) = -sin(x)를 사용하여 :

최종적으로, 삼각 항등식(a. 23)을 사용하면, 방정식(a. 22)은 방정식(a.25)이 된다.

F _y 성분 조작

삼각 항등식(a. 26)을 사용하면, F_y성분 방정식(a. 16)은 코일 및 회전자위치 α 및 β로부터 코일 개구부의 영향을 차단하도록 기술될 수 잇다.

(p+1)의 항과 (p-1)의 항을 그룹화하면, 다음과 같이 된다.

코일 개구부의 함수인 항으로부터 각도 위치 α 및 β의 항 함수를 분리하면, 다음과 같이 된다.

항등식 cos(-x) = cos(x)를 사용하면 다음과 같이 된다.

최종적으로, 삼각 항등식(a. 32)을 사용하면, 방정식(a. 31)이 (a. 34)가 된다.

직교 성분 F _x 및 F _y

다음과 같은 최종 방정식은 일회 감긴 코일에 전류 I가 공급될 때 자석상에 작용하여 그 결과 생기는 힘의 두 개의 직교 성분 F_x및 F_y를 제공한다.

토오크를 발생시키기 위한 코일 결합

토오크를 발생시키는 권선을 설계하기 위한 방법은 방사상 힘을 발생시키는 권선을 설계하는 방식을 찾기 위한 근원이다. 이 섹션은 8극 12 슬롯 구성(도 5)을 사용하는 실시예를 기술한다. 도 6A 및 도 6B는 컨덕터(60)가 코일을 형성하기 위하여 자석(66)을 포함하는 모터(64)의 슬롯(62)에 배치될 수 있는 방법을 기술한다. 도 6A는 코일(68)이 치부(tooth)(69)에 대해 동심원을 이루는 것을 기술한다. 슬롯내에서의 정확한 컨덕터의 위치는 대응하는 코일 개구부(61)를 계산하는데 중요하지 않다. 코일 개구부(61)는 코일 컨덕터를 포함하는 두 개의 슬롯의 중간지점 사이에 각도로서 한정된다. 도 6B는 두 개의 슬롯 코일 개구부(63)를 가진 코일을 도시한다.

방정식(a. 12)으로 기술된 바와같이, 코일 개구부(61 또는 63)는 토오크 크기에만 영향을 미친다. 방정식 (a. 37)은 코일(68)의 유효성을 기술하는 계수 k_s를 한정한다. 그다음에, 도 6A 및 도 6B의 코일(68)에 의해 발생되는 토오크는 (a.38)에 의해 주어진다.

여기서, α₀= 중간 코일 각 위치, α = 회전자 위치

코일 개구부(s)(61 또는 63)는 토크 크기를 최대화하고 쉽게 형성되는 권선을 제공하기 위해 선택된다. 아래 표 1은 슬롯 코일 개구부가 하나이면 권선은 동심적(concentric)이며, 따라서 토크를 잃지 않고도 이루어질 수 있음을 보여준다.

슬롯의 s	sin(p·2s)
1	0.866
2	0.866

표 1 : 코일 개구부(s)의 함수에서 계수(k_s)의 값

도 7은 12개의 동심 코일(70)이 모터(73)의 12개의 슬롯(72)에 위치될 수 있음을 보여주고 있다.

아래의 표 2는 도 7의 12개 코일에 대해, 각 위치 α_i와 토크의 위상 편이각(phase shift angle)(p, α_i)을 나타내고 있는데, 이들은 자석 위치의 사인 함수이다.(식 a.38)

코일	α1	p·α1
1+	0	0
2	30	120
3	60	240
4+	90	0
5	120	120
6	150	240
7+	180	0
8	210	120
9	240	240
10+	270	0
11	300	120
12	330	240

표 2 : 12개 코일의 각 위치와 발생한 토크 위상 편이각

위상 편이각 p·α₁을 분석하면 도 7에 도시된 4개의 코일(1, 4, 7, 10)과 다른 두 그룹의 코일(2, 5, 8, 11), (3, 6, 9, 12)이 동위상의 토크를 발생시킨다는 것을 알 수 있다. 또한 이들 3개 코일 그룹에 의해 발생되는 토크는 120°씩 지연된다는 것도 알 수 있다. 코일들을 내측에서 연결하면, 동일 그룹이 도 8에 도시된 3상 권선을 형성하게 된다.

하나의 코일에 의해 발생되는 힘의 두 직교좌표 성분을 나타내는 식 a.35와 a.36을 이용하면, 이 권선의 하나의 상을 공급하는 것이 방사상 힘도 발생시키는지를 검사할 수 있다. 이 성분들은 코일 각 위치와 (p+1) 또는 (p-1)의 곱인 두 개의 위상 편이각을 가진 회전자 위치의 두 사인 함수를 더함에 의해 주어진다.

아래의 표는 도 8의 12개 코일에 대해, 각 위치α_i와 토크의 위상 편이각(p·α_i), 그리고 이들 코일에 의해 발생되는 힘의 직교좌표 성분의 위상 편이각 (p+1)α_i과 (p-1)α_i를 나타내고 있다. 제 1 상(코일 1, 4, 7, 10)을 검사하면, 상응하는 (p-1)α_i위상 편이각이 (0, 270, 180, 90)이며, 이들 4개의 사인 성분의 합은 0이라는 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 상응하는 (p+1)α_i위상 편이각은 (0, 90, 180, 270)이며, 이들 4개의 사인 성분의 합도 0이다.

코일	αi	p·αi	(p-1)αi	(p+1)αi
1+	0	0	0	0
2	30	120	90	150
3	60	240	180	300
4+	90	0	270	90
5	120	120	0	240
6	150	240	90	30
7+	180	0	180	180
8	210	120	270	330
9	240	240	0	120
10+	270	0	90	270
11	300	120	180	60
12	330	240	270	210

표 3 : 12 코일의 각 위치α_i, 발생 토크의 위상 편이각 p·α_i, 발생 힘의 직교 성분 위상 편이각 (p-1)α_i,(p+1)α_i

따라서, 도 8의 3상 권선은 방사상 힘을 발생시킴이 없이 토크를 발생시킨다.

방사상 힘을 발생시키기 위한 코일 결합

이 섹션에서는, 이하에서 전개되는 분석 장치가 방사상 힘을 발생시킴이 없이 토크를 발생시키는 권선 설계를 가져오는 이전 섹션에서 이용된 모터 형태(8개의 극과 12개의 슬롯)와 동일한 모터 형태로 방사상 힘을 발생시키는 권선을 설계하는데 사용된다.

방법은 이전 섹션에서와 유사하다. 12개 코일이 스택(도 7)의 12개 슬롯에 배치될 수 있으며, 아래 표가 채워진다. 아래 표는 12개 코일에 대해, 각 위치α_i와 토크의 위상 편이각(p·α_i), 그리고 이들 코일에 의해 발생되는 힘의 직교좌표 성분의 위상 편이각 (p-1)α_i과 (p+1)α_i를 나타내고 있다.

아래 표를 분석하면 코일들(1, -3, 5, -7, 9, -11)이 (p-1)에 동상인 직교좌표 성분을 가진 힘을 발생시킨다는 것을 알 수 있습니다. 음의 부호가 부가된 코일 번호는 음의 전류가 공급되는 코일이라고 가정하면, 위상 편이각이 180°지연됩니다.

이 코일 그룹(1, -3, 5, -7, 9, -11)에 대해, (p+1)α_i의 직교좌표 성분의 합이 0임을 알 수 있습니다(이는 위상 편이각이 (1. 120, 240)인 3개 사인파의 합이 0이기 때문입니다). 마찬가지로, p·α_i의 토크의 합도 0입니다.

코일	αi	p·αi	(p-1)αi	(p+1)αi
1+	0	0	0	0
2	30	120	90	150
3-	60	240	180	300
4	90	0	270	90
5+	120	120	0	240
6	150	240	90	30
7-	180	0	180	180
8	210	120	270	330
9+	240	240	0	120
10	270	0	90	270
11-	300	120	180	60
12	330	240	270	210

표 4 : 12개 코일의 12 코일의 각 위치α_i, 발생 토크의 위상 편이각 p·α_i, 발생 힘의 직교좌표 성분 위상 편이각 (p-1)α_i,(p+1)α_i

따라서, 코일들(1, -3, 5, -7, 9, -11)을 직렬로 연결하면, 방사상 힘을 발생시키는 위상이 얻어진다.

도 9의 위상에 일정 전류 I가 흐르면, 아래의 두 직교좌표 성분을 가진 방사상 힘이 발생될 것이다.

이 방사상 힘의 크기는 일정하며, 그 방향은 회전자 위치에 따라 결정된다. 회전자가 일정 속도 Ω로 회전하면, 이 방사상 힘은 도 10에 도시된 바와 같이 회전할 것이다.

따라서, 전류 I를 변경함에 의해 이 힘의 크기를 변경할 수 있다. 그러나, 회전자 위치에만 의존하는 힘의 방향은 변경시킬 수 없다.

표 4를 분석하면, 제 2 위상의 코일들(2, -4, 6, -8, 10, -12)에 양의 전류 I를 공급하면 제 1 위상(코일 1, -3, 5, -7, 9, -11)에 의해 발생되는 것과 직교하는 방사상 힘이 발생됨을 알 수 있다. 도 11은 2개의 위상에 일정 전류 I를 공급하면, 직교하는 두 개의 회전하는 방사상 힘이 발생됨을 나타내고 있습니다.

따라서, 어떤 회전자 위치에 대해, 단지 두 개 위상을 흐르는 전류를 변경시킴에 의해 모든 어떤 방향, 어떤 크기로도 방사상 힘을 발생시키는 것이 가능합니다. 아래 식은 이들 직교하는 두 힘의 직교좌표 성분을 위상 전류 i_ph1과 i_ph2의 함수로 나타내고 있습니다.

위상 1(코일 1,-3,5,-7,9,-11):

위상 2(코일 2,-4,6,-8,10,-12):

식 (a.46)는 힘의 크기가 코일 개구부(s)의 함수임을 도시한다. 이러한 파라미터는 방사상 힘을 최대화하고 또한 권선을 용이하게 감을 수 있도록 선택된다. 이하의 표는 가장 큰 힘이 2 슬롯 코일 개구부를 통해 얻어지는 것을 보여준다.

표 5 : 코일 개구부가 방사상 힘의 크기에 영향을 준다

도 12와 도 13은 직각을 이루는 두 개의 방사상 힘을 발생시키는 두 개의 "2 위상 권선" 설계를 도시한다. 1 슬롯 코일 개구부를 가진 권선(도 12를 참조)은감기에 용이하지만 2 슬롯 코일 개구부(도 13을 참조)에서 발생된 힘의 크기와 동일한 힘의 크기를 발생시키기 위해 42% 이상의 전류를 필요로 한다.

직각을 이루는 2개의 방사상 힘을 발생시키는 2 위상 권선에 적합한 다른 모터 구성

이상에서 8극 12-슬롯 모터구성에 대해 직각을 이루는 2개의 방사상 힘을 발생시키는 권선을 설계하는 방법에 관해 설명하였다. 이러한 권선을 실현하는데 사용할 수 있는 다른 모터 구성은 식 (a.47)과 (a.48)에 의해 요약된다: 이들은 각각의 쌍극 수(pair pole number) p에 대한 2 슬롯 수(Z₁과 Z₂)를 제공한다.

이하의 표 6은 6개의 쌍극 수에 대한 가능한 모든 모터 구성을 요약한 것이다.

표 6 : 2개의 직각을 이루는 방사상 힘을 발생시키는 2 위상 권선에 적합한 모터 구성(극수 2p와 슬롯수 Z)

슬롯수 Z₁은 동위상인 (p-1) 직교 성분 항을 가진 힘을 발생시키는 2 그룹의 코일에 해당하는 반면, 슬롯수 Z₂는 동위상인 (p+1) 직교 성분 항을 가진 힘을 발생시키는 2 그룹의 코일에 해당한다(식 (a.35)와 (a.36)을 참조). 발생된 토크는 효력이 없다.

"3 위상 토크 권선" 및 "2 위상 방사상 힘 권선"에 적합한 구성

본 실시예의 주된 생각은 표준 스핀들의 성분을 선택하고 제 2 권선을 추가함으로써 추가의 방사상 힘을 발생시키는 것이었다. 상술된 바와 같이, 일반적인 모터 권선 또한 사용되었다. 이러한 생각을 실현하기 위해, 토크 및 방사상 힘에 적합한 구성이 선택되어야만 한다. 3 위상 스핀들 모터에 가장 일반적인 방법은 표 7에 요약된다.

표 7 : 토크를 발생시키는 3 위상 권선에 적합한 모터 구성(극수 2p, 극 및 위상 당 슬롯수 q의 함수에서의 슬롯수)

표 6과 7 사이의 교차부분은 토크를 발생시키는 3 위상 권선과 2개의 직각을 이루는 방사상 힘을 발생시키는 2 위상 권선에 적합한 두 개의 구성(4극 12 슬롯 및 8극 12 슬롯)을 제공한다.

토크를 발생시키는 권선에 대한 다른 위상수에 대한 고려

토크와 방사상 힘 권선에 적합한 방법의 수를 증가시키기 위해, 이러한 권선의 위상수는 변화될 수 있다. 토크를 발생시키는 권선의 위상수는 일반적으로 3이지만, 2 또는 5일 수 있다. 5 위상 스핀들 모터에 대해 가장 일반적인 방법은 표 8에 요약된다.

표 8 : 토크를 발생시키는 5 위상 권선에 적합한 모터 구성(극수 2p, 극 및 위상 당 슬롯수 q의 함수에서의 슬롯수)

표 6과 8 사이의 교차부분은 토크를 발생시키는 5 위상 권선 및 2개의 직각을 이루는 방사상 힘을 발생시키는 2 위상 권선에 적합한 하나의 구성(8 극 20 슬롯)을 제공한다.

토크를 발생시키는 2 위상 권선을 위한 방법은 더욱 제한되어 있다. 대칭 권선에 대해, 극과 위상당 1 슬롯 이하를 가지는 것은 불가능하다(q≥1).

표 9는 6개의 쌍극수 p와 극과 위상 1, 2당 슬롯수에 대한 모터 구성을 요약한다

표 9 : 토크를 발생시키는 23 위상 권선에 적합한 모터 구성(극수 2p와 극과 위상당 슬롯수 q의 함수에서의 슬롯수)

표 6과 9 사이의 교점은 토크를 발생시키는 2 위상 권선 및 2개의 직각을 이루는 방사상 힘을 발생시키는 2 위상 권선에 적합한 하나의 구성(2 극 8 슬롯)을 제공한다.

방사상 힘을 발생시키는 권선을 위한 다른 위상수에 대한 고려

2 위상 권선이 2개의 직각을 이루는 회전 방사상 힘을 발생시켰듯이(도 14a 참조), 3 위상 권선 또한 3개의 120°씩 분리된 방향을 가진 회전 방사상 힘을 발생시키는데 사용될 수 있다. 이러한 권선을 실현하는데 사용할 수 있는 모터 구성은 식 (a.49)와 (a.50)에 의해 요약된다: 이들은 각각의 쌍극 수 p에 대해 2 슬롯수 (Z₁및 Z₂)를 제공한다.

이하의 표는 6개의 쌍극 수에 대해 이러한 모든 가능한 모터 구성을 요약한것이다.

표 10 : 120도 씩 분리된 방향을 지닌 3 방사상 힘을 발생시키는 3 위상 권선에 적합한 모터 구성(2p는 극수, Z는 슬롯수)

슬롯 번호 Z₂가 일치하는 직교 성분 기간 (p+1)에서 힘을 발생하는 코일 3 그룹에 대응하는 경우에, 슬롯 번호 Z₁은 일치하는 직교 성분 기간 (p-1)에서 힘을 발생하는 코일 3 그룹에 대응된다(식 ( a.35) 및 (a.36)). 생성된 토크는 0 이 될 것이다. 첨자 2는 위의 표에 대응되는 모든 3 상 권선을 나타낸다.

표 7 및 표 10 사이의 교차부분은 각각 120°분리된 방향의 3 방사상 힘을 생성하는 3 상 권선과 토크를 생성하는 3 상 권선에 적합한 두 개의 모터 구성(4 극 6 슬롯 및 8 극 18 슬롯)을 제공한다.

표 8 및 표 10 사이의 교차부분은 토크를 생성하는 5 상 권선과 120°떨어진 방향의 3 방사상 힘을 생성하는 3상 권선에 적합한 모터 구성(8 극 30 슬롯)을 제공한다.

표 9 및 표 10 사이의 교차부분은 토크를 생성하는 2상 권선과 120°떨어진 방향의 3방사 방향 힘을 생성하는 3상 권선과 호환될 수 있는 모터 구성(6 극 12 슬롯 및 6 극 24 슬롯)을 제공한다. 이들 모든 해는 표 11에 나타나 있다.

슬롯 모터에 대한 해 요약

이 연구는 토크와 방사상 힘 양자를 생성하는 스핀들 모터를 제조하는데 서로 다른 가능성이 존재한다는 것을 보여준다. 표 11에 요약된 해들에 대하여, 토크 및 방사상 힘 권선 양자는 동일한 스택의 슬롯을 공유할 수 있다. 이는 부피 제한이 큰것을 위한 응용에 대해서는 중요한 이점을 가질 수 있다. 그러나, 다른 모터 구성들이 덜 중요하다는 것을 의미하지는 않는데, 이는 이들이 여전히 동일한 스택의 슬롯을 공유하기 위해서 토크와 방사상 힘 권선을 필요로 하지 않는 응용에 대해 사용되고 있기 때문이다. 이들 다른 응용에 대해서, 해의 갯수는 모든 토크 권선 해(표 7, 표 8 및 표 9에서 주어짐)와 모든 방사상 힘 권선 해(표 6 및 10에서 주어짐)의 조합에 의해 주어진다.

도 15는 모든 토크 권선 및 방사상 힘 권선 해들의 조합의 이용을 허용하는 모터 구조를 나타낸다. 이들 예들에서, 내부 및 외부 자기 회로는 동일한 구성(동일 극 및 슬롯 개수)을 가지나, 각기 다른 구성을 가질 수도 있다. 내부 및 외부 자기링(200, 202)은 중앙 링(206)의 일측상에 형성된 슬롯(204)과 동작하는 동일한 갯수의 교번 극을 갖는다.

무슬롯 모터의 특정 예

무슬롯 모터에 대해, 권선이 회전자 자석과 고정자 요크 사이의 공극에 직접 위치하기 때문에, 토크와 방사상 힘 권선 사이의 더 이상의 적합성 문제가 존재하지 않는다.

도 16A 및 16B는 무슬롯 권선을 갖는 모터의 일실시예를 도시하고 있으며, 이는 본 발명을 이용하기 위해 개조될 수 있다. 상기 권선이 공극내에 위치한 실린더이므로, 동심 실린더에서와 같이 동일한 공극에 2 권선을 위치시키는 것이 용이하다.

무슬롯 모터에 대한 일반적인 토크 권선 해

토크 생성 3 상 권선을 제조하기 위해서, 통상 사용되는 위상 당 코일 숫자는 식(a.51)에 주어지며, 대응 코일 개구부(s)는 식 (a. 52)으로 주어진다.

이러한 권선에서, 식 (a.37)에 의해 주어지는 계수 k_s는 항상 1이 된다. 표 12는 6까지의 한 쌍의 극 갯수에 대한 통상의 구성을 제공한다.

표 12 : 상이한 극수에 대한 토크를 발생시키는 3 위상 무슬롯 권선의 기술

무슬롯 모터에 대한 방사상 힘 권선 해

직각을 이루는 2 방사상 힘을 생성하는 2 상 권선을 제조하기 위해서, 한쌍의 극 개수 p 함수로서의 가능한 전체 코일 개수가 식 (a.53) 및 식(a.55)으로 주어지며, 대응 코일 개구부는 식(a.54) 또는 (a.56)으로 주어진다.

다음 표는 6까지의 한 쌍의 극 개수에 대한 가능한 이들 모든 모터 구성을 요약한다.

6 극에 대한 실시예 : 무슬롯 모터

이 실시예는 6극 무슬롯 모터에서 토크 및 방사상 힘을 생성하는 권선을 설명한다.

3 상 권선을 갖는 토크를 생성하기 위해서, 유일한 해가 6 극 모터에 대응한다(표12, 위). 이 권선은 18 코일로 구성된다. 표 12는 각 위치(α_ⅰ)를 갖는 각각의 18개 코일, 이의 토크의 위상 편이각(pα_ⅰ), 및 이들 코일에 의해 생성된 직교 성분의 위상 편이각(p+1)α_ⅰ및 (p-1)α_ⅰ을 제공한다.

표 13 : 각 위치(α_ⅰ)를 갖는 18 코일, 그들이 발생하는 토크의 위상 편이각(pα_ⅰ), 그들이 발생하는 힘의 직교성분 위상 편이각(p-1)α_ⅰ와(p+1)α_ⅰ

표 13의 분석은 3 코일 그룹, 그룹 1(+1, -4, +7, -10, +13, -16), 그룹 2(+3, -6, +9, -12, +15, -18), 및 그룹 3(-2, +5, -8, +11, -14, +17)이 동위상인 토크를 생성하는 것을 나타낸다. 동일한 그룹 내부에서 코일들을 직렬로 연결함에 의해, 120도 지연된 3 토크를 발생시키는 3사이 제공되며, 어떠한 방사상 힘도 발생되지 않는다.

2 상 권선을 갖는 직각을 이루는 2 방사상 힘을 생성하기 위해서, 2 해는 6 극 모터에 대응한다(표 14 및 표15). 이 권선은 8 또는 16 코일로 구성될 수 있다.

표 14 : 다른 극 갯수들에 대한 방사상 힘을 발생하는 2 위상 무슬롯 권선의 제 1 해법 그룹의 설명

표 15 : 다른 극 갯수들에 대한 방사상 힘을 발생하는 2 위상 무슬롯 권선의 제 2 해법 그룹의 설명

표 16 은 상기 제 1 해법의 상기 8 코일에 대한 그들의 각 위치 α_i, 토크의 위상 편이 각(p α_i) ,코일에 의해 발생된 힘의 직교 성분들의 위상 편이각 (p+l)α_i및 (p-l)α_i를 제공한다.

표 16 : 각 위치 α_i, 토크의 위상 편이 각(p α_i), 상기 코일이 발생시킨 힘의 직교 성분 위상 편이각 (p+l)α_i및 (p-l)α_i를 지니는 8 코일.

표 16는 2개의 코일 그룹들이 동위상인 직교 성분들을 가진 힘들을 발생시키는 것을 보여준다. 그룹 1:(+1,-3,+5,-7) 및 그룹 2:(+2,-4,+6,-8). 상기 동일한 그룹 내부의 코일들을 직렬로 연결하는 것은 서로 직각이고 토크가 없는 2 개의 방사상 힘을 제공하는 2 개의 위상을 제공한다.

방사상 힘을 생성하는 2 위상 권선을 공급하는 방법

본 섹션은 소정의 방사상 힘을 발생하기 위하여 상기 위상들을 통해 흘려야 하는 전류를 정의한다. 먼저 상기 방사상 힘의 극 좌표들이 알려져 있다고 가정한다. 그후 상기 방사상 힘의 직각 직교 좌표들도 알려져 있다고 가정한다.

이미 전술한 바와 같이, 도 12 및 13에 도시된 권선들의 2 위상들이 동일한 일정 전류 I로 공급된다면, 직각인 2 개의 회전하는 방사상 힘들이 발생된다(도 17). 전술한 식 (a.42) 에서 (a.45)은 각 위상에 의해 발생된 2 힘들의 직교 성분을 제공한다.

목적하는 방사상 힘의 극 좌표들이 주어질 경우, 상기 위상 전류들은 하기에 의해 결정될 수 있다.

위상 1 의 전류: 위상 1 에 의해 발생된 힘의 벡터에 상기 방사상 힘 벡터를 투영(도 18)

위상 2 의 전류: 위상 2 에 의해 발생된 힘의 벡터에 상기 방사상 힘 벡터를 투영(도 18)

상기 필요한 방사상 힘의 직교 좌표들이 주어질 경우, 위상 전류들은 하기에 위해 정해질 수 있다.

위상 1 의 전류: 위상 1 에 의해 발생된 힘의 벡터에, x 및 y 방사상 힘 성분의 벡터를 투영(도 19)

위상 2 의 전류: 위상 2 에 의해 발생된 힘의 벡터에, x 및 y 방사상 힘 성분의 벡터를 투영

2 위상내의 전류 흐름의 함수로서 총 방사상 힘의 x 및 y 성분들을 제공하는 식(a.61) 및 (a.62)를 결정하는 것이 가능하다. 식 E(a.42)에서 (a.45)까지의 식에서

를 얻는다.

방사상 힘을 발생하는 3 위상 권선을 공급하는 방법

본 섹션에서는 소정의 방사상 힘을 발생하기 위하여 3 위상 권선을 통해 흘러야만 하는 전류를 정의한다.

상기 문제를 해결하는 가장 간단한 방법은 이전 섹션내에서 계산된 2 위상 권선 전류에서 3 위상 권선 전류를 결정하는 것이다. 이것은, 힘의 합이 동일한 최종 힘을 제공할 경우 직각인 2 개의 힘의 합과 서로 120 도 떨어진 방향인 3 힘들의 합 사이의 관계를 결정하는 것과 동일하다(도 20).

복소수를 사용하여, 식(a.63)은 3개의 미지수가 있는 2 개의 등식을 제공한다. 3 위상 시스템은 대칭적이다. 조건(a.64)는 제 3 식을 유도한다.

식(a.63) 및 (a.64)에 의해 주어진 등식 관계는, 직교 좌표로된 방사상 힘에 대한 식(a.59) 및 (a.60), 및 극 좌표로 된 방사상 힘에 대한 식(a.57) 및 (a.58)에 의해 주어진 2 위상 전류에서 3 위상 전류를 결정할 수 있게 하는 변환 관계를 제공한다.

상기 조건(a.64)이 만족된다고 가정하면, 상기 역 변환은,

이다.

방사상 힘 권선을 통해 흐르는 전류의 전기적 계산

본 섹션은 방사상 힘을 발생시키는 상기 위상들을 통해 반드시 흘러야 하는 상기 전류들을 계산하는 전기적 해법을 제공한다. 상기 방사상 힘의 직각 직교 좌표들은 알고 있다고 가정한다. 2 위상 권선을 고려하면, 상기 위상 전류는 식(a.59) 및 (a.60)으로 계산될 수 있다.

도 21 은 위상 1 전류 결정(식(a.59)에 따른)의 블록 다이어그램을 도시한다. 상기 계산을 하기 위해, 입력(400),(402)는 x 및 y 방사상 힘 성분이며, 입력(404)는 회전자 위치를 나타낸다. 출력(406)은 전류 값이다. 상기 회전자 위치, 2 개의 곱셈들(414,416) 및 상기 멀티플라이어 출력의 한번의 덧셈(418)의 함수인 독립 변수를 가지는 2 개의 삼각 함수들(410,412)을 처리하기 위해 소정의 수단이 제공된다.

도 22 는 한 개의 삼각 함수 및 한개의 곱셈을 포함하여 블록(410, 414) 또는 블록(412,416)을 실행하는 전기적 해법을 나타낸다. 상기 접근법은 물론 예시적인 목적에 불과하다. EPROM 메모리(420)는 상기 삼각 함수의 독립변수로 어드레스된다. 상응하는 독립변수의 상기 함수의 메모리된 값은 EPROM 데이터 버스(424)를 통해 디지털-아날로그 변환기(D/A 변환기)(422)로 전달된다. 입력 방사상 힘 성분(400 또는 402)에 따른 상기 D/A 변환기의 전압 기준 입력(426)은 상기 곱셈을 수행하는데 사용된다.

가장 정확한 접근법은 메모리(420)를 억세스하는데 사용된 EPROM 메모리 어드레스들을 도 21 에 도시된 회전자 위치의 함수로서 발생하는 것을 필요로 한다. 분해기(resolver) 또는 광학 인코더를 사용하는 해법들도 물론 가능하다(높은 비용 발생). 주파수 멀티플라이어로 위상 고정 루프 칩(PLL)를 사용하는 방법은 입력 주파수로서 상기 모터 구동부 정류 주파수를 사용하는 또다른 한 방법이다.

단순한 해법(도 23)으로 상기 모터 속도가 매우 일정하거나 (최악의 경우) 매우 느린 변화(매우 큰 관성을 가진 시스템에 의해 달성 가능)를 가지는 것으로 가정한다. 이것은 입력 클록(442)의 하강 에지에서 증가되는 카운터(440)를 사용하는데 상기 주파수는 모터 회전 속도 Ω(p 가 모터 쌍극 갯수일때)에 비례한다. 상기 동기성을 보장하기 위해, 도시된 바와 같이, 상기 카운터는 자신의 리셋 입력(444)에 매 전기적 주기마다 한 개의 펄스를 인가함으로써 낮은 레벨로 리셋된다.

입력 클록 주파수는 하드 디스크 드라이브의 스핀들 모터와 같은 일정한 속도의 적용예에서 일정하게 유지될 수 있으므로, 상기 해법을 더욱 단순화시킨다. 상기 리셋 펄스는 상기와 같은 일정 속도 적용예에서 모터 구동부에 의해 제공될 수 있다.

느린 속도 변화를 가진 적용예에 있어서, 상기 속도를 규칙적으로 측정한 후, 상기 입력 클록 주파수(442)가 계산되어야 한다. 상기 입력 클록은 그후 주파수 변환기에 전압으로 발생될 수 있다. 상기 주기적 카운트 리셋은 그후 속도의 변화에 의해 야기된 부정확한 주파수의 영향을 주기적으로 수정한다.

모든 동기 시스템에서와 같이, 위상을 제어할 수 있는 것은 중요하다. 도 24는 도 25에 도시된 타이밍 신호들을 사용한 위상 지연 조절을 결합한 제2 해결책을 나타낸다. 상기 해결책은 입력(456 또는 458)에서 동일한 입력 클록 신호(454)로 증분되는 2개의 동일한 카운터를 사용한다. 상기 제 1카운터(450)는 도 25에 도시된 리셋(462)을 사용하여 그것의 리셋 입력(460)에 주기당 하나의 펄스를 인가함으로써 로우 레벨로 리셋된다. 상기 제2 카운터(452)는 제 1카운터 값이 도 25에 도시된 스위치 프로그래밍된 값(480)과 동일할 때마다 리셋2(466)를 사용하여 그것의 리셋 입력(464)에서 하나의 펄스를 인가함으로써 로우 레벨로 리셋된다.

크기 비교기(470)는 카운터(450)의 출력을 스위치(472)에 의한 위상 지연 값 세트와 비교한다. 상기 2개의 카운터 출력 뿐만 아니라 리셋 2(466) 펄스가 트리거링될 때의 시간이 도 25에 도시되어 있다. 펄스(466)의 타이밍 이동이 출력(452)에서의 대응하는 위상 이동을 초래한다는 것을 알 수 있다. 도 25는 도 24에 따른 실시예 실행을 위한 타이밍도를 제공한다.

도 26은 리셋 펄스가 모터 드라이버에 의해 제공될 수 있는 방법을 설명한다. 이런 보기를 위해, 모터를 대신하는 6개의 트랜지스터중 하나의 논리 명령[4]이 사용되고: 이런 신호의 모든 상승 에지에서 펄스가 발생될 것이다(도 27).

방사상 힘 권선을 통해 흐르는 전류에 대한 전자 계산의 요약

도 28은 이전 섹션에서 제공된 전자식 해결책이 완전한 시스템에 삽입될 수 있는 방법을 블록도를 통해 도시한다. 상기 블록, 소위 "동기 멀티플라이어"(600)는 아래에 설명된 바와 같이 얻을 수 있는 방사상 힘 직교 성분(F_x와 F_y)의 함수로서 2개의 전류 콘사인(i_ph1와 i_ph2)을 처리한다. 다음에 2개의 전류 증폭기(602, 604)가 모터(608)의 2개 위상 방사상 힘 권선(606)을 제공하는데 사용된다. 또한 표준 모터 권선(610)이 도시된다. 상기 블록도에 대한 다른 상세한 설명은 구체화된 응용에서 찾을 수 있다.

3개의 다른 입력이 "동기 멀티플라이어"의 동기화를 위해 제공되어야 한다:

- 모터 속도에 비례하는 주파수를 갖는 입력 클록(CK, 612): 그것은 상기 설명된 바와 같은 일정한 속도 응용을 위한 공지된 표준 디자인의 함수 발생기(614)에 의해 발생될 수 있다;

- 주기당 하나의 펄스를 갖는 리셋 신호(616); 이런 신호는 도 26과 도 27에 도시된 바와 같이 모터 드라이버(618)에 의해 제공될 수 있고 모터(608)의 한 주기에 대한 주기적 명령 신호의 리딩 에지(leading edge)(617)가 된다. 분명히 모터의 회전 위치를 나타내는 어떤 규칙적으로 반복하는 신호가 사용될 수 있다;

- 발생된 방사상 힘의 방향 조절을 허용하는 스위치 프로그래밍된 위상 지연값(620). 도 29는 방사상 힘 방향에 대한 위상 지연 효과를 도시하고 아래에서 더욱 상세히 설명된다.

위상 지연 효과

도 29는 위상 지연이 2 위상 방사상 힘 권선(606)(도 28 참조)으로 흐르는 전류에 의해 발생된 힘의 방향에 어떠한 영향을 미치는지를 도시한다. 소정 회전자와 2개의 소정 위상 전류를 위하여, 상기 얻어지는 방사상 힘의 360°회전을 제공하기 위해 위상 지연 조절이 사용될 수 있다.

대부분의 응용을 위해, 모터 탐침의 위치가 될 수 있는 어떠한 기준에 관계있는 방사상 힘 방향을 조절하는 것이 중요하다.

여기에 개시된 시스템이 위상 지연 조절을 허용할때, 상기 시스템은 어떤 조절 방법을 제공하는데 유용하다. 볼 베어링 모터의 경우에, 상기 문제는 액추에이터가 2개의 보강 베어링에 의해 지지되는 회전자상에 방사상 힘을 제공하여 얻어지는 배치의 정지방향 측정을 방해하기 때문에 곤란하다.

분명히, 여기에 개시된 방법과 장치는 볼 베어링 등과 같은 다른 형태의 베어링을 갖는 모터와 사용될 수 있다.

다음 섹션은 회전하는 방사상 힘 여기에 대한 응답을 사용하는 방법을 제시할 것이다. 이런 방법은 방사상 힘 방향을 조절하기 위해 측정을 사용하기 때문에, 위치 부정확에 덜 민감하다. 이런 방법을 사용하는 자동 알고리즘이 전개되어진다.

회전 방사상 힘 여기에 대한 응답을 사용한 위상 지연 조절

본 섹션은 하드 디스크 드라이브 응용에 사용되어지는 방사상 힘 방향 조절 방법을 제시한다. 이런 보기에서, 상기 스핀들 모터는 샤프트(705)상의 2개의 볼 베어링(702, 704)(도 30 참조)에 의해 지지되는 회전자(400)의 자이로스코프 운동을 제어하기 위한 액추에이터로서 사용된다. 상기 방법에 제시된 시스템을 사용하여, 방사상 힘은 회전자상에 지지된 디스크(708)의 어떤 원치않는 운동을 억제하기 위해 회전자의 자석(706)에 인가될 것이다.

상기 응용은 바람직하게 회전축 또는 샤프트(705)의 자이로스코프 운동을 측정하기 위해 모터(608)의 회전자(700)와 연관된 2개의 용량성 탐침(800, 802)을 사용한다. 상기 측정으로부터, 일부 피드백이 계산될 것이고 상기 보기에서 부가된 권선을 포함하는 방사상 힘 액추에이터를 통해 인가된다. 안정한 시스템을 얻기 위하여, 탐침(800, 802)의 위치에 대응하는 기준 방향과 관계되는 보정력의 방향을 조절하는 것이 매우 중요하다.

상기 방법은 도 31에 개시된 바와 같이 회전 방사상 힘으로 자이로스코프 운동을 여기하기 위해 액추에이터 자체를 사용한다. 다음에 상기 2개의 용량성 탐침(800, 802)이 회전축(900)(도 32 참조)의 각위치(α와 β)에 의해 제공되는 여기 응답을 측정하는데 사용된다. 상기 블록도의 시스템 동작에 대한 추가 상세한 설명은 구체화된 응용에서 드러날 것이다.

시스템의 런 아웃(Run Out)이 크기에서 측정되는 운동보다 더 높기 때문에, 코움(comb)(810) 필터가 모터 속도로 동기화되는 부품을 동기화되지않는(소위 비반복가능한 런 아웃) 부품으로부터 분리하는데 사용된다.

도 33과 도 34는 순방향 여기에 대한 응답 측정을 도시하고 도 35와 도 36으 역방향 여기에 대한 응답 측정을 도시한다. 응답하는 리사주 도형이 원에 가깝기 때문에, 회전 운동이 효과적으로 발생된다고 결론지을 수 있다. 이런 측정은 개시된 시스템이 잘 동작하고 제어가능한 방향으로의 방사상 힘 발생을 허용한다는 것을 증명한다.

방사상 힘의 방향을 조절하기 위하여, 각위치(α)와 방사상 힘(F_x)은 동일 평면(zx)(도 37 참조)에 있게 될 것이라고 가정한다. 상기 2개의 변수에 대한 임시 변화는 사인 곡선으로 이루어진다. 양자의 파형은 동일한 주파수 및 파동(ω)에 의존하는 위상 지연을 가진다. 회전 방사상 힘의 크기가 일정하게 유지되고 그것의 파동(ω')이 변화되는 경우에, 도 38은 α파의 크기 변화를 도시하고 도 39는 F_x파와 α파 사이의 위상 지연을 도시한다.

다음에 상기 방사상 힘 방향 조절이 상기 파형의 위상 보드 플롯을 사용하여 수행될 수 있다. 도 40은 이러한 보드 플롯상의 위상 지연 효과를 도시한다. α파의 위상 측정에서, 요구된 방향으로 방사상 힘을 제공하게 될, 스위치(620)(도 28과 도 31 참조)에 응답하는 동기 멀티플라이어(600)의 위상 지연을 계산하는 것이 가능하다.

임시 지연 보상

도 39는 상기 시스템 부품에 의해 유도된 지연이 무시될 수 있는 이상적 상황을 제시한다. 상기 실현은 전류 증폭기, 용량성 탐침 및 콤브 필터와 같은 부품이 자이로(gyro)주파수에 대해 약 20도에 상응하는 임시 지연을 유도하기 때문에 곤란하다.

이론적으로, 상기 동기 멀티플라이어(600) 위상 지연은 임시 지연을 보상하는데 사용될 수 있고; 도 42는 이것이 바람직하게 역방향 임시 지연으로서 실용적이지않는다는 것을 보여준다.

본 발명의 다른 특징과 장점은 당업자들에게 명백히 드러날 것이다.

Claims (66)

1. 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치로서, 상기 회전 시스템은

   관성 로드를 갖는 회전자 및 상기 회전축에 대한 상기 회전자를 지지하기 위한 베어링 수단, 그리고

   상기 회전축에 대한 상기 회전자의 회전을 발생시키는 모터를 포함하며, 상기 모터는

   자석;

   제 1 세트 권선;

   상기 권선과 상기 자석 사시의 적절한 회전을 발생시키기 위하여 상기 권선에 인가되는 구동 전류의 소스; 그리고

   상기 모터 수단에 결합되고, 액추에이터 전류의 소스를 가지며, 상기 구동 전류와 결합되며, 상기 회전축의 위치를 안정화하고 상기 회전자의 진동 또는 공진 운동을 댐핑시키기 위한 방사상 힘을 발생시키기 위해 상기 권선에 전류를 인가하는 액추에이터;

   발생된 상기 방사상 힘의 성분을 나타내는 제 1 및 제 2 입력 신호와 모터 위치를 나타내는 제 3 입력 신호;

   상기 회전자 위치에 근거한 출력에 근거하여 함수를 제공하기 위해 상기 회전자 위치에 근거한 함수의 변수가 어드레스된 메모리 수단; 그리고

   상기 액추에이터 전류를 제어하기 위하여 상기 방사상 힘의 성분을 나타내는 상기 제 1 및 제 2 입력 신호와 출력에 근거한 삼각 함수에 대응하는 멀티플라이어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 모터 수단의 권선은 상기 구동 전류에 의해 에너지가 인가되고, 상기 액추에이터 전류는 다수의 슬롯을 가지는 고정자상에 감겨지며, 상기 슬롯의 하나에 대하여 권선이 각각 감겨지는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 권선은 적어도 제 1 및 제 2 위상 권선을 포함하며, 상기 권선은 각각 감겨지고, 상기 방사상 힘의 2 방사상 성분을 발생시키기 위한 상기 제 1 및 제 2 입력 신호에 의해 제어되는 상기 액추에이터 전류에 의해 각각 에너지가 인가되는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 모터는 다수의 슬롯을 가지는 고정자를 포함하며, 상기 권선은 상기 2개의 슬롯 상에 감겨지는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
5. 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치로서, 상기 회전 시스템은

   관성 로드를 갖는 회전자 및 상기 회전축에 대한 상기 회전자를 지지하기 위한 베어링 수단, 그리고

   상기 회전축에 대한 상기 회전자의 회전을 발생시키는 모터 수단을 포함하며, 상기 모터 수단은

   자석;

   제 1 세트 권선;

   상기 권선과 상기 자석사이의 적절한 회전을 발생시키기 위한 구동 전류의 소스;

   상기 모터 수단에 결합되며, 상기 회전축의 위치를 안정화시키고 상기 회전자의 진동 또는 공진 운동을 댐핑시키는 방사상 힘을 발생시키기 위해 상기 권선에 에너지를 인가하는 액추에이터 전류의 소스를 포함하는 액추에이터; 그리고

   상기 방사상 힘의 크기와 방향을 조절하기 위하여 상기 위상의 각각에 개별적으로 에너지를 인가하기 위한 회로 수단을 포함하며,

   상기 모터 수단의 상기 권선은 상기 구동 전류에 의해 에너지가 인가되고, 상기 액추에이터 전류는 슬롯들 하나에 대하여 권선이 각각 감겨진 다수의 슬롯을 가지는 고정자상에 감겨지며;

   상기 권선은 적어도 제 1 및 제 2 위상 권선을 포함하고, 상기 권선은 각각 감겨지며, 2 방사상 힘을 발생시키기 위한 상기 액추에이터 전류에 의해 각각 에너지가 인가되며;

   상기 모터는 2개의 슬롯 상에 권선이 감겨진 다수의 슬롯을 가지는 고정자를 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 회전자에 인가된 수정된 힘의 크기를 조절하기 위해 제 1 및 제 2 위상에 인가된 상기 전류의 크기를 조정하기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
7. 제 5 항에 있어서, 상기 액추에이터 전류와 상기 구동 전류가 상기 권선에 다른 시기에 각각 인가되는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
8. 제 5 항에 있어서, 상기 액추에이터 전류와 상기 구동 전류가 상기 권선에 동시에 인가되는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
9. 제 7 항에 있어서, 상기 모터가 4 극, 12 슬롯 또는 8 극, 12 슬롯을 포함하는 구성중의 하나에서 선택되는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
10. 제 9 항에 있어서, 토크 발생 권선의 위상 수가 2 위상, 3 위상, 또는 5 위상 모터인 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 액추에이터에 의해 제공된 힘의 크기가 상기 액추에이터의 2 위상 내에 흐르는 전류의 함수이며, 상기 힘과 상기 전류와의 관계가

    로 정의되는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
12. 제 10 항에 있어서, 상기 액추에이터는 3 분리된 방사상 힘을 제공하기 위하여 전류를 제공하며, 상기 힘과 상기 전류사이의 관계가

    로 정의되는 것을 특징으로 하는 회전 시스템의 회전축을 안정화하기 위한 장치.
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