KR101462713B1 - 리니어 모터 - Google Patents

Abstract

리니어 모터는, 발생 자계의 방향으로 자화된 주자극 영구 자석(202)과, 주자극 영구 자석(202)의 자극의 방향과 다르도록 자화된 부자극 영구 자석(203)을 포함하고, 주자극 영구 자석(202)의 자계 발생측의 일부를 연자성 재료(204)로 치환한 계자와, 전기자 코어(101)의 티스(102)에 전기자 권선(104)을 권회한 전기자를 구비하고, 계자의 자극 피치를 λ, 티스(102)의 피치를 τ로 했을 경우, λ＜τ로 구성한다.

Description

리니어 모터{LINEAR MOTOR}

본 발명은 리니어 모터에 관한 것이다.

테이블 이송에 이용되는 리니어 모터로서, 예를 들어, 2010년 3월 18일에 공개된 일본국 특허 공보, 일본 특허 공개 제 2010-63201 호 공보에 나타내는 바와 같이, 전기자와 갭(자기적 공극)을 거쳐서 대향 배치된 계자를 구비하고, 계자가 발생 자계의 방향으로 자화(磁化)된 주자극 영구 자석과, 주자극 영구 자석의 자극의 방향과 다르도록 자화된 부자극 영구 자석을 포함하며, 주자극 영구 자석의 자계 발생측의 일부를 연자성 재료로 치환하여, 소위 할바크(Halbach) 배열시킨 구조의 것이 제안되어 있다.

일본 특허 공개 제 2010-63201 호 공보

그렇지만, 테이블 이송을 고빈도로 실행하는 용도에서는, 리니어 모터의 추력 부족이 문제였다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 갭 자속 밀도를 향상시켜, 추력의 증대 등의 모터 특성을 양호하게 할 수 있는 리니어 모터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제 1 관점은, 리니어 모터에 있어서, 발생 자계의 방향으로 자화된 주자극 영구 자석과, 상기 주자극 영구 자석의 자극의 방향과 다르도록 자화된 부자극 영구 자석을 포함하는 계자와, 상기 계자와 갭을 거쳐서 대향 배치되는 동시에 전기자 코어의 티스에 전기자 권선을 권회하여 이루어지는 전기자를 구비하고, 상기 계자의 자극 피치를 λ, 상기 티스의 피치를 τ로 했을 경우, λ＜τ로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제 2 관점은, 리니어 모터에 있어서, 발생 자계의 방향으로 자화된 주자극 영구 자석과, 상기 주자극 영구 자석의 자극의 방향과 다르도록 자화된 부자극 영구 자석을 포함하는 계자와, 상기 계자와 갭을 거쳐서 대향 배치되는 동시에 전기자 코어의 티스에 전기자 권선을 권회하여 이루어지는 전기자를 구비하고, 갭 면에 있어서의 상기 티스의 폭을 Wt, 상기 주자극 영구 자석의 폭을 Wp로 했을 경우, Ｗｔ≤Ｗｐ로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 제 3 관점은, 리니어 모터에 있어서, 발생 자계의 방향으로 자화된 주자극 영구 자석과, 상기 주자극 영구 자석의 자극의 방향과 다르도록 자화된 부자극 영구 자석을 포함하는 계자와, 상기 계자와 갭을 거쳐서 대향 배치되는 동시에 전기자 코어의 티스에 전기자 권선을 권회하여 이루어지는 전기자를 구비하고, 상기 주자극 영구 자석의 자계 발생측에는 연자성 재료가 개재되고, 상기 계자의 자극 피치를 λ, 상기 티스의 피치를 τ로 했을 경우, λ＜τ로 하며, 갭 면에 있어서의 상기 티스의 폭을 Wt, 상기 계자를 구성하는 연자성 재료의 폭을 Wp로 했을 경우, Ｗｔ≤Ｗｐ로 하는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명의 리니어 모터의 발명에 의하면, 갭 자속 밀도를 향상시켜, 추력을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다

도 1은 제 1 실시 형태를 도시하는 리니어 모터의 측단면도,
도 2는 비교예와 제 1 실시 형태의 유기 전압/속도를 비교한 도면,
도 3은 제 2 실시 형태를 도시하는 리니어 모터의 측단면도,
도 4는 제 3 실시 형태를 도시하는 리니어 모터의 측단면도,
도 5a는 비교예에 있어서의 리니어 모터의 자석 자속선을 나타내는 모식도,
도 5b는 제 4 실시 형태에 있어서의 리니어 모터의 자석 자속선을 나타내는 모식도,
도 6은 제 5 실시 형태에 있어서의 계자측의 조립 방법을 설명하기 위한 측단면에서 본 모식도.

이하, 본 발명의 실시의 형태에 대해서 도면을 참조해서 설명한다

실시예 1

도 1은 본 발명의 제 1 실시예를 도시하는 리니어 모터의 측단면도이다.

도 1에 있어서, 도면부호 100은 가동자, 도면부호 101은 전기자 코어, 도면부호 102는 티스(teeth), 도면부호 103은 슬롯, 도면부호 104는 전기자 권선, 도면부호 200은 고정자, 도면부호 201은 요크, 도면부호 202는 주자극 영구 자석, 도면부호 203은 부자극 영구 자석, 도면부호 204는 연자성 재료, 도면부호 210은 주자극이다.

제 1 실시예의 리니어 모터는 전기자(armature)를 가동자(100), 계자를 고정자(200)로 하고 있다. 가동자(100)는 고정자(200)와 갭을 거쳐서 대향 배치되는 동시에 고정자(200)의 길이 방향(지면 좌우 방향)을 따라 이동한다.

가동자(100)는 전기자 코어(101)와 전기자 권선(104)으로 구성되어 있다. 전기자 코어(101)에는 갭측으로 돌출한 3개의 티스(102)가 형성되어 있다. 각 티스(102) 사이에는 전기자 권선(104)을 수납하기 위한 슬롯(103)이 형성되어 있다. 또한, 각 티스(102)에는 3상(三相)의 전기자 권선(104)이 집중적으로 권회되어 있다.

고정자(200)는 요크(201)와 주자극 영구 자석(202), 부자극 영구 자석(203), 연자성 재료(204)로 구성되어 있다. 요크(201) 상에는 주자극 영구 자석(202)과 해당 주자극 영구 자석(202)의 자극의 방향과 다르도록 자화된 부자극 영구 자석(203)이 갭측에 자계를 발생하도록 배치되어 있고, 소위 할바크 배열시킨 구조로 되어 있다. 또한, 주자극 영구 자석(202)의 갭측에는 연자성 재료(204)가 배치되어 있다. 여기서, 주자극 영구 자석(202)과 부자극 영구 자석(203)에는 고에너지 적층 네오디뮴(neodymium) 자석을 이용하고 있다. 연자성 재료(204)에는 적층 규소 강판이나 SMC(soft magnetic composites) 코어(미세 철분을 압축 성형한 코어), 3% Si철 등을 이용하고 있다. 또한, 규소 강판은 무방향, 방향성 어느 쪽이라도 좋다.

여기서, 가동자(100)의 티스 수를 Nt, 가동자(100)에 대향한 고정자(200)의 자극 수를 Np라고 했을 경우, (Nt, Np)의 조합은 (3, 4)로 되어 있다. 즉, 제 1 실시예에 있어서의 리니어 모터는 3상, 3티스, 4극을 기본 구성으로 하고 있다. 그 결과, 고정자(200)의 자극 피치(λ)와 가동자(100)의 티스(102)의 피치(τ)의 관계는 λ<τ가 된다. 예를 들어, 고정자(200)의 티스(102)의 피치를 τ=24mm로 했을 경우, 자극 피치는 λ=18mm가 된다.

다음, 이상과 같은 구성에 있어서의 효과에 대해서, 도 2를 이용하여 설명한다. 도 2는 비교예의 리니어 모터와 제 1 실시예의 리니어 모터의 1상(相)당에 있어서의 유기 전압/속도를 비교한 것이다. 또한, 동 도면은 시작기(試作機)의 실험 검증에 의해 얻어진 결과이며, 횡축을 자극 피치(λ)로 정규화하여 나타내고 있다. 여기서, 비교예의 리니어 모터는 특허 문헌 1의 도면에 기재되어 있는 것이며, (Nt, Np)의 조합은 (3, 2)이다. 즉, 3상, 3티스, 2극을 기본 구성으로 하고 있다. 자극 피치(λ)와 티스의 피치(τ)의 관계는 λ>τ이다. 티스의 피치를 제 1 실시예와 같은 τ=24mm로 하면, 자극 피치는 λ=36mm가 된다. 즉, 제 1 실시예의 λ=18mm에 대하여 18mm 더 길게 구성된다.

도 2를 보아 알 수 있는 것과 같이, 비교예(λ>τ)에 비하여, 제 1 실시예(λ<τ)는 유기(誘起) 전압/속도의 진폭이 1.15배 크게 되어있다. 유기 전압/속도의 진폭은 유기 전압 상수이며, 그것을 3배한 것은 추력 상수를 나타내고 있다. 즉, 제 1 실시예는 비교예의 리니어 모터에 비해 추력을 1.15배 크게 할 수 있는 것을 나타내고 있다.

일반적으로, (Nt, Np)의 조합이 (3, 2)와 (3, 4)인 리니어 모터는 양자 모두 권선 계수가 0.866이기 때문에, 추력 상수도 동일해진다고 생각할 수 있다. 일반적인 할바크 배열 구조(주자극 영구 자석의 자계 발생측에 연자성 재료를 배치하지 않는 것)라도, 갭 자속 밀도는 영구 자석의 자기 포화로 제약되기 때문에, (3, 2)와 (3, 4)인 리니어 모터는 대부분 동일한 추력 상수가 된다.

그렇지만, 제 1 실시예나 비교예의 리니어 모터와 같이, 주자극 영구 자석의 자계 발생측에 연자성 재료를 배치했을 경우, 갭 자속 밀도는 연자성 재료의 포화 자속 밀도까지 증대할 수 있다. 연자성 재료의 포화 자속 밀도는 영구 자석보다도 현격히 크기 때문에, 상기한 일반적인 할바크 배열 구조보다도 갭 자속 밀도는 커진다. 또한, 주자극 영구 자석의 폭이 작아지면, 주자극 영구 자석의 자기 포화가 발생하기 쉬워지므로, 그 증대 효과는 보다 높아지게 된다. 즉, 동일 티스의 피치(τ)라도, 제 1 실시예와 같이 자극 피치(λ)를 작게 하여 λ<τ로 함으로써, 주자극 영구 자석의 폭이 작아지게 되어, 갭 자속 밀도를 연자성 재료의 포화 자속 밀도 근방까지 증대시킬 수 있다. 이 증대 효과는 비교예의 λ>τ의 구조로 도저히 얻어지는 것이 아니고, 그 효과는 상기한 바와 같이 각별한 효과를 얻는 것이다.

실시예 2

도 3은 제 2 실시예를 도시하는 리니어 모터의 측단면도이다. 제 2 실시예가 제 1 실시예와 다른 점은, 도 3에 도시하는 바와 같이 티스수(Nt)와 자극수(Np)의 조합(Nt, Np)을 (12, 14)로 한 것이다.

제 2 실시예도 제 1 실시예와 마찬가지로 λ<τ로 되어 있다. 예를 들어, 가동자(100)의 자극 피치를 제 1 실시예와 마찬가지로 λ=18mm로 했을 경우, 고정자(200)의 티스(102)의 피치는 τ=21mm가 된다.

제 2 실시예는 상기 구성으로 했으므로, 제 1 실시예와 마찬가지로 갭 자속 밀도를 증대시켜, 추력을 향상시킬 수 있다. 또한, 제 2 실시예에 있어서의 권선 계수는 0.933이며, 제 1 실시예의 권선 계수 0.866에 비해 1.08배나 크다. 이와 같이, τ-λ의 값(차의 값; 제 1 실시예는 6mm, 제 2 실시예는 3mm)을 작게 할수록 권선 계수를 크게 할 수 있기 때문에, 본 발명의 효과를 더욱 높일 수 있다. 따라서, 제 1 실시예보다도 추력을 증대시킬 수 있다.

실시예 3

도 4는 제 3 실시예를 나타내는 리니어 모터의 측단면도이다.

제 3 실시예는, 도 4에 도시하는 바와 같이 티스 수(Nt)와 자극 수(Np)의 조합(Nt, Np)을 (9, 10)으로 한 것이다.

제 3 실시예도 λ<τ로 되어 있고, 예를 들어, 가동자(100)의 자극 피치를 λ=18mm로 했을 경우, 고정자(200)의 티스(102)의 피치는 τ=20mm가 된다.

제 3 실시예는 상기 구성으로 했으므로, 제 1, 제 2 실시예와 마찬가지로 갭 자속 밀도를 증대시켜, 추력을 향상시킬 수 있다. 또한, 제 3 실시예에 있어서의 권선 계수는 0.945이며, 제 1 실시예의 권선 계수 0.866에 비해 1.09배나 크다. 제 2 실시예와 같이, τ-λ의 값(차의 값)을 2mm까지 작게 하고 있으므로, 본 발명의 효과를 더욱 높일 수 있다. 따라서, 제 2 실시예와 마찬가지로, 추력을 더욱 증대시킬 수 있다.

실시예 4

도 5a는 비교예에 있어서의 리니어 모터의 자석 자속선을 나타내는 모식도, 도 5b는 제 4 실시 형태에 있어서의 리니어 모터의 자석 자속선을 나타내는 모식도이며, 모두 갭 부근을 확대하여 나타낸 것이다. 여기서, 리니어 모터의 갭 면에 있어서의 티스(102)의 폭을 Wt, 연자성 재료(204) 또는 주자극 영구자석(202)의 폭을 Wp로 했을 경우, 비교예가

Wt＞Wp

인 것에 대해, 제 4 실시예는

Wt≤Wp

로 구성하고 있다.

비교예(Wt>Wp)의 리니어 모터는 티스(102) 선단에 있어서의 좌우 단부에서 자석 자속이 누출되어 버렸다. 전기자 권선의 쇄교 자속수가 저하하여, 추력이 저하해 버렸다. 한편, 제 4 실시예(Wt≤Wp)의 리니어 모터에서는 자석 자속의 누설이 저감되어 있다. 그 결과, 전기자 권선의 쇄교 자속수가 대폭 증대하여, 비교예보다도 큰 추력을 발생 가능하게 하고 있다.

실시예 5

도 6은 제 5 실시예에 있어서의 계자측의 조립 방법을 설명하기 위한 측단면에서 본 모식도이다.

제 5 실시예는 연자성 재료(204)와 주자극 영구 자석(202)을 미리 일체로 하여 주자극(210)으로 하고, 주자극(210)과 부자극 영구 자석(203)을 조합하고, 요크(201)상에 배치하여 고정자(200)를 구성하고 있다. 여기서, 주자극(210)은 연자성 재료(204)와 주자극 영구 자석(202)을 접착, 또는 기계적인 체결에 의해 일체로 하고 있다.

제 5 실시예는 상기 구성으로 했으므로, 주자극(210)을 하나의 영구 자석으로 볼 수 있고, 주자극과 부자극의 2종류의 재료로 이루어지는 일반적인 할바크 배열 구조의 조립 방법과 마찬가지로, 즉, 종래의 조립 방법과 같이 고정자를 조립할 수 있다. 따라서, 제 1 내지 제 4 실시예에서 나타낸 고정자를 용이하게 제작할 수 있으며, 추력의 증대를 실현할 수 있다.

또한, 본 실시예에 있어서, 전기자를 가동자, 계자를 고정자로서 설명했지만, 이 반대라도 상관하지 않는다.

또한, 갭 면이 한 쪽에 배치되는 구조로 설명했지만, 갭 면이 좌우에 배치되어 자기 흡인력을 상쇄하는 것과 같은 구조로 해도, 본 실시예가 성립하는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 본 실시예에 있어서 티스 수(Nt)와 자극 수(Np)의 조합(Nt, Np)을 (3, 4), (12, 14), (9, 10)로서 설명했지만, 본 실시예는, 그 이외의 (3, 5), (6, 7), (15, 16), (15, 18)이나 그들 정수 배의 조합으로 하거나, 적어도 자극 피치(λ)와 티스의 피치(τ)의 관계를 λ<τ로 한 것에 적합하다.

또한, 주자극 영구 자석, 부자극 영구 자석, 연자성 재료의 단면 형상을 직사각형으로 설명했지만, 본 실시예는, λ<τ, Wt≤Wp를 만족시키는 범위이면, 직사각형에 한하지 않고, 사다리꼴이거나, 변형상을 다각형이나 활형으로 한 것에도 적합하다.

또한, 각 티스에 전기자 권선을 집중 권회하는 구성으로서 설명했지만, 본 실시예는, 적어도 λ<τ의 관계이면, 보조 티스를 마련하거나, 전체 티스 중 부분적으로 전기자 권선을 실행하거나, 전기자 권선을 분포 권회로 한 것에도 적합하다.

본 발명의 리니어 모터에 의하면, 계자의 자극 피치를 λ, 전기자 코어의 티스의 피치를 τ로 했을 경우, λ<τ로 함으로써, 갭 자속 밀도를 향상시켜, 추력을 증대시킬 수 있으므로, 예를 들어, 반도체 제조 장치나 액정 제조 장치, 공작 기계 등의 산업 장치의 테이블 이송에 이용되는 등 모든 용도에 대하여 적용할 수 있다.

Claims (8)

1. 리니어 모터에 있어서,
   발생 자계의 방향으로 자화된 주자극 영구 자석과, 상기 주자극 영구 자석의 자극의 방향과 직교하도록 자화된 부자극 영구 자석을, 배열된 방향에 따라 자화 방향이 차례로 90°씩 회전해 나가도록 교대로 배치하고, 상기 주자극 영구 자석의 자계 발생측에는 연자성 재료가 개재되는 계자와,
   상기 계자와 갭을 거쳐서 대향 배치되는 동시에 전기자 코어의 티스에 전기자 권선을 권회하여 이루어지는 전기자를 구비하고,
   상기 계자의 자극 피치를 λ, 상기 티스의 피치를 τ로 했을 경우, λ＜τ로 하고,
   갭 면에 있어서의 상기 티스의 폭을 Ｗｔ, 상기 주자극 영구자석의 폭을 Ｗｐ로 했을 경우, Ｗｔ≤Ｗｐ로 하는
   리니어 모터.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기자의 티스 수를 Nt, 상기 계자의 자극 수를 Np로 했을 경우, (Nt, Np)의 조합을 (3, 4), (3, 5), (6, 7), (9, 10), (12, 14), (15, 16), (15, 18), 또는 상기 조합의 정수배로 한 것을 특징으로 하는
   리니어 모터.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 계자는 상기 주자극 영구 자석과 상기 연자성 재료를 미리 일체로 하여 주자극을 구성하고, 상기 주자극과 상기 부자극 영구 자석을 조합시켜서 구성한 것을 특징으로 하는
   리니어 모터.

Images