KR100701550B1

KR100701550B1 - 베어링리스 스텝모터

Info

Publication number: KR100701550B1
Application number: KR1020050043454A
Authority: KR
Inventors: 김승종; 백두진; 공호성
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2005-05-24
Filing date: 2005-05-24
Publication date: 2007-03-30
Anticipated expiration: 2025-05-24
Also published as: US7847453B2; KR20060121355A; WO2006126788A1; US20080211354A1

Abstract

본 발명은 회전축이 자기력에 의해 부상된 채 회전하는 베어링리스 스텝모터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 베어링리스 스텝모터는 권선부를 갖는 복수개의 고정자 코어들을 구비한 고정자와, 회전축과 복수개의 회전자 코어를 구비하고, 회전자 코어와 고정자 코어들 사이의 상호작용에 의해서 회전하는 회전자와, 회전자에 설치되는 제1 영구자석부와, 고정자에 설치되는 제2 영구자석부를 포함하며, 제1 영구자석부와 제2 영구자석부가 상호 반발력을 나타내도록 자극이 배치되어 있다. 본 발명에 따르면, 모터 자체의 부피와 무게를 줄일 수 있고, 회전축의 부상 제어를 위한 전력의 손실이 없고, 이를 위한 복잡한 제어나 부수장치들이 필요 없으므로 소형으로 제작이 가능하다.

베어링리스 스텝모터, 자기베어링, 영구자석부, 자기부상, 호모폴라 스텝모터

Description

베어링리스 스텝모터{BEARINGLESS STEP MOTOR}

도1은 본 발명의 실시예에 따른 스텝모터의 구조도,

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝모터에서, 접촉식 축 방향 지지를 도시하는 개략도,

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝모터에서, 능동 자기 베어링을 사용한 비접촉식 축방향 지지를 도시하는 개략도,

도4는 종래기술에 따른 능동 제어형 베어링리스 스텝모터의 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 회전자 12 : 회전축

16 : 제1 영구자석부 14 : 회전자코어

18 : 고정자 20 : 고정자코어

24 : 권선부 26 : 요크

22 : 제2 영구자석부

[문헌1] 대한민국 공개특허공보 특2002-0067863호

본 발명은 전류 인가 시 자화되는 고정자와의 자기 상호작용에 의해 회전자가 회전하는 스텝모터에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기계적 베어링에 의한 지지 없이 회전축이 자기력에 의해 본체로부터 부상된 채 회전하는 베어링리스 스텝모터에 관한 것이다.

종래의 스텝모터에서는 회전축이 구름요소 베어링과 같은 고전적 형태의 베어링 요소에 의해서 반경방향으로 지지되고 있으므로 마찰, 마모, 별도의 윤활장치의 필요 등의 문제가 있었다. 이를 해결하기 위해 기계적 베어링 없이 자력을 이용하여 회전축을 지지함으로써 회전시의 마찰을 없애고 축의 회전 궤적을 능동적으로 제어하는 형태의 베어링리스 스텝모터가 개발되었다.

도4는 대한민국 공개특허공보 특2002-0067863호에 개시된 종래의 베어링리스 스텝모터의 개략도이다. 이 스텝모터는 일반적인 스텝모터의 구조에서 자기베어링 작용을 위한 코일의 추가 없이도 회전축을 부상시킬 수 있다. 즉, 이 스텝모터는 고정자의 각 전자석 코일들의 연결을 단락시켜 각 전자석을 따로 구동시켜 각 전자석의 자기력으로 회전축이 부상하고, 센서를 이용해 측정된 회전축의 위치를 보상하기 위해 각 전자석에 서로 다른 크기의 자기력이 발생되도록 하는 구성으로 되어있다. 이러한 장치는 베어링 작용을 위해 별도의 코일을 요구하고 있지는 않지만, 코일의 연결을 단락시켜 고정자의 각 전자석을 따로 구동해야 하며, 로터의 위치에 따라 서로 다른 크기의 전류를 각 전자석에 공급해 주어야 하기 때문에 이를 제어하기 위한 제어기 및 부수 장치가 복잡해져서, 그로 인한 고장률이 높다. 또한 비 회전 시에도 축의 부상을 위해서는 제어 전류가 지속적으로 인가되어야 한다.

즉, 기존의 전형적인 베어링리스 모터는 회전자의 자기 부상을 위해 다수의 전자석을 사용하고, 능동 부상 제어와 모터 회전 제어를 동시에 수행하기 위한 복잡한 제어기와 센서 및 다수의 증폭기 사용이 불가피하여, 시스템이 복잡하고, 전력 소모가 큰 단점이 있어 소형 시스템에는 적용이 부적합하다. 아울러, 복잡성에 비례하는 고장 가능성이 존재하고, 이로 인한 신뢰성 확보가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 종래기술의 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제어가 간단하고 전력 손실이 적어 효율이 높고, 안전성과 신뢰성이 개선되어 소형화가 가능한 베어링리스 스텝모터를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 베어링리스 스텝모터는 권선부를 갖는 복수개의 고정자 코어들을 구비한 고정자와, 회전축과 복수개의 회전자 코어를 구비하고, 회전자 코어와 고정자 코어들 사이의 상호작용에 의해서 회전하는 회전자와, 회전자에 설치되는 제1 영구자석부와, 고정자에 설치되는 제2 영구자석부를 포함하며, 제1 영구자석부와 제2 영구자석부가 상호 반발력을 나타내도록 자극이 배치되어 있다.

이 때 자속이 회전자와 고정자 사이의 공간에 집중되도록 하여 상호 반발력을 증가시키기 위해서, 제1 영구자석부와 제2 영구자석부 중의 적어도 하나는 회전자와 고정자 사이의 공극 방향으로 갈수록 폭이 점점 좁아질 수 있다.

또한 회전자의 회전축의 일단부를 상기 스텝모터의 하우징의 일면에서 회전가능하게 지지하기 위한 스러스트 베어링요소를 더 포함할 수 있다. 이 스러스트 베어링요소는 회전축에 점접촉되는 수단이거나, 하우징의 일면에 설치된 전자기 코일일 수도 있다. 후자의 전자기 코일의 경우 코일에 전류를 인가함에 따라 회전축이 하우징의 일면으로부터 일정 거리만큼 자기부양될 수 있다.

또한 권선부에 감겨 있는 코일 중 같은 상에 위치한 코일들은 서로 연결되어 전자기력이 상하좌우로 대칭하게 될 수 있다. 또는 권선부에 감겨 있는 코일 중 같은 상에 위치한 코일들이 서로 단락되어 전자기력이 상하좌우로 비대칭하게 되어 반경 방향의 제어를 가능하게 할 수도 있다.

이하, 본 발명에 따른 베어링리스 스텝모터의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 실시예에 따른 스텝모터의 구조도이다.

베어링리스 스텝모터는 회전자(10)와, 고정자(18)와, 회전자와 고정자의 외부에 존재하는 하우징(도시않음)을 포함한다. 회전자(10)는 회전축(12)과, 제1 영구자석부(16)와, 각각 복수의 이(teeth)들, 예컨대 각각 6개의 이(teeth)들을 갖는 제1 회전자코어(14a) 및 제2 회전자코어(14b)를 가진다. 제1 영구자석부(16)는 회전축(12)을 감싸며 축방향으로 N-S극이 놓이도록 배치되는 환형 영구자석이다. 제1 회전자코어(14a) 및 제2 회전자코어(14b)는 회전축(12)을 감싸며 제1 영구자석부(16)의 축방향 좌우에 각각 배치된다.

고정자(18)는 하우징 내부에 배치되는 요크(26)와, 제1 고정자코어(20a) 및 제2 고정자코어(20b)들과, 제2 영구자석부(22)와, 권선부(24)들을 가진다. 제1 고정자코어들(20a)은 요크(26)의 내벽에서 원주방향으로 일정한 간격을 두고 8개가 형성되어 있으며, 제2 고정자코어(20b)들은 제1 고정자코어들(20a)에서 축방향으로 일정거리 평행이동한 지점에 8개가 형성된다. 제2 영구자석부(22)는 제1 고정자코어(20a)들과 그에 대응하는 제2 고정자코어(20b)들 사이에 축방향으로 생기는 공간에서 각각 제1 영구자석부(16)의 N-S극방향과 동일방향으로 놓여진다. 권선부(24)들은 제1 고정자코어(20a)와, 제2 고정자코어(20b)의 각각에 존재한다.

이러한 구조를 통해서 회전자(10)에 부착된 환형 제1 영구자석부(16)와 고정자 사이에 삽입된 8개의 제2 영구자석부(22)는 서로 극성이 마주보게 되어 반발력이 발생되며, 이로 인해 반경방향으로 회전자가 안정되게 자기부상한다.

제2 영구자석부(22)는 회전자(10) 쪽으로 갈수록 폭이 점점 좁아지게 하여 하우징의 외부로 흐르는 누설 자속을 최소화하고 회전자(10)와 고정자(18) 사이의 공극으로 영구자석의 자속(flux)이 집중되도록 할 수도 있다. 이 때, 그 단면을 도1의 제2 영구자석부(22)와 같이 2층으로 배열하되 회전자와 가까운 쪽의 영구자석의 폭보다 먼 쪽의 영구자석의 폭을 크게 할 수 있다. 또는, 회전자 쪽의 영구자석을 사다리꼴 모양으로 할 수 있다.

도2 및 도3을 참조하면, 자기 부상을 위한 반경 방향의 자기력이 안정하게 작용하도록 하기 위해, 회전축(12)에 부착된 제1 영구자석부(16)와 고정자(18)에 부착된 제2 영구자석부(22)가 서로 일치하여 마주보지 않도록 축 방향으로 일정 거 리만큼 어긋나게 배치된다. 이 경우 발생하는 축 방향의 자기력(F_PM)을 지지하기 위한 스러스트 베어링요소가 구비된다.

도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스텝모터에서, 접촉식 축 방향 지지를 도시하는 개략도이다.

회전축(12)의 일단(28)의 형상을 뾰족하게 하여, 하우징에 고정되어 있는 오목한 형상(30)의 내면에 점접촉이 되도록 하며, 회전축의 일단(28)과 오목한 형상(30)이 스러스트 베어링요소를 이루게 된다.

도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스텝모터에서, 능동 자기베어링을 사용한 비접촉식 축방향 지지를 도시하는 개략도이다.

축방향 스러스트 베어링요소는 하우징의 일면에 설치된 전자기 코일을 사용하는 능동 자기베어링(Active Magnetic Bearing, AMB)(32)이다. 이 전자기 코일에 전류를 인가함에 따라 회전축이 하우징의 일면으로부터 일정 거리만큼 자기부양된다.

본 발명에 따른 베어링리스 스텝모터의 작동을 도1 내지 도3을 참조하여 설명한다.

먼저 도1을 참조하여 베어링리스 스텝모터의 회전자의 회전 원리를 설명한다.

회전자의 회전 원리는 기존의 호모폴라형 스텝모터와 유사하다. 회전축(12)에 6개의 이(teeth)를 갖는 회전자코어(14)를 장착한다. 한편, 8개의 고정자코어 상에 형성되는 전자석들 중, 서로 90도 간격으로 배치된 4개의 전자석의 코일들(도1에서 "2개의 α와 2개의 -α" 또는 2개의 β와 2개의 -β)을 원주 방향으로 순서대로 N, S, N, S극성을 띄도록 연결하면, 2상 4극 모터의 형태를 갖는다. 그러나 회전축(12)과 고정자(18)에 각각 부착된 제1 및 제2 영구자석부들(16, 22)에 의해 회전자(10)와 고정자(18) 사이에 존재하는 각각의 공극에서는 단극(homopole) 형태의 자속이 형성된다. 따라서 전자석에 의한 공극에서의 자속 밀도(flux density)가 영구자석에 의해 형성된 자속 밀도보다 작은 값을 갖도록 전류를 인가하면, 각 전자석에서의 극성은 영구자석에 의한 극성을 유지하게 되어 호모폴라 스텝모터(homopolar step motor)의 형태가 된다.

이를 더욱 상세히 설명한다. 회전축에 부착되어 있는 회전자코어(14)의 6개의 이(teeth) 중 서로 반대편에 위치하는 2개의 이(teeth)들이 아래 위에 하나씩 있는 2개의 α상의 전자석 위에 각각 위치할 때, β상과 -β상에 전류를 인가한다. 그러면 β상에서 제2 영구자석부(22)의 N극 쪽에 접촉하는 제1 고정자코어(20a)의 권선부에는 N극이 형성된다. 이와 동시에 제2 영구자석부(22)의 S극 쪽에 접촉하는 제2 고정자코어(20b)의 권선부에는 S극이 형성된다. 따라서 β상 전체적으로 보아서 영구자석의 N-S극의 자속과 같은 방향으로 전자석부의 자속이 합쳐진다. 이로 인해서 β상의 제1 고정자 코어(20a) 쪽은 상대적으로 강한 N극을, β상의 제2 고정자 코어(20b) 쪽은 상대적으로 강한 S극을 순간적으로 가지게 된다. 반면에 -β상에서는 제2 영구자석부의 N극 쪽에 접촉하는 제1 고정자코어(20a)의 권선부에는 S극이 형성되며, 제2 영구자석부의 S극 쪽에 접촉하는 제2 고정자코어(20b) 의 권선부에는 N극이 형성된다. 따라서 -β상 전체적으로 보아서 영구자석의 N-S극의 자속과 반대방향으로 전자석부의 자속방향이 나타난다. 이로 인해서 -β상의 제1 고정자 코어(20a) 쪽은 상대적으로 약한 N극을, -β상의 제2 고정자 코어(20b) 쪽은 상대적으로 약한 S극을 순간적으로 가지게 된다. 이 때 -β상보다 β상이 회전자코어(14)의 이(teeth)를 밀어내는 자기력이 강하게 된다. 따라서 β상의 전자석에 근접해 있는 이(teeth)는 β상의 전자석에서 밀려나게 되며, 동시에 -β상의 전자석에 근접해 있는 회전자 코어(14)의 이(teeth)가 -β상의 전자석 쪽으로 당겨진다. 이 후, α상에 전류를 인가하면 동일한 결과를 얻게 된다. 이 경우 서로 같은 상의 전자석에서 발생하는 자력의 크기가 같다. 따라서 회전자코어(14)의 6개의 이(teeth)에 발생하는 반경방향 힘은 서로 상쇄되며, 접선 방향 힘만 발생하여, 축은 시계 방향으로 15도씩 회전하게 된다.

여기서 고정자(18)에 장착된 전자석의 개수와 회전축(12)에 장착된 회전자코어(14)의 이(teeth)의 개수를 바꾸어 구성하면, 회전 각도의 분해능(resolution)을 변경시킬 수 있으므로, 고정밀 모터로 제작할 수 있다.

도3을 참조하여 축방향 스러스트 베어링요소의 작동 원리를 설명한다.

반경 방향의 자기력을 안정하게 하기 위해, 회전축(12)에 부착된 제1 영구자석부(16)와 고정자(18)에 부착된 제2 영구자석부(22)를 어긋나게 배치하면 축 방향으로 자기력(F_PM)이 발생한다. 이 자기력(F_PM)과 방향이 반대이면서 동일한 크기를 갖는 힘(F_AMB)은 도2의 실시예에서는 점접촉에 의해서 지지된다.

이하에서는 도3의 실시예에 대해서 상세히 설명한다. 스러스트 베어링 요소는 능동 자기베어링(32)에 의해 만들어진다. 이 경우, 힘(F_AMB)을 발생시키기 위한 별도의 시스템과 추가적인 제어 전류가 필요하다. 그러나 이러한 구조는 반경 방향과 축 방향 모두 완전 비접촉 부상이 가능하므로, 마찰, 마모 및 윤활이 필요 없는 장점이 있다. 또한 회전축(12)이 축방향으로 이동한 위치에 따라, 고정자(18)와 회전축(12)에 장착된 회전자코어(14) 사이의 공극에 형성되는 영구자석의 자속(flux)이 변하게 된다. 이는 스텝모터의 반경 방향 강성(stiffness)에 영향을 주게 되어 모터의 고유 진동수(natural frequency)를 변하게 한다. 따라서 능동 자기베어링(32)의 입력 전류의 크기를 조절하여, 축(12)의 축방향 위치를 조절함으로써 모터 시스템의 고유 진동수를 변하게 하여, 모터의 속도를 변화시킬 때 생길 수 있는 공진 현상을 피할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 따라 회전축의 반경 방향으로의 제어를 가능하게 하는 실시예에 대해서 설명한다.

도1을 참조하면, 본 발명은 같은 상에 위치한 권선부들(24)의 코일들을 서로 연결시켜 전자기력이 상하좌우로 대칭하게 하여 회전축의 반경 방향으로의 제어력을 발생시키지 않는 수동형 베어링리스 스텝모터로 사용된다. 그러나 같은 상에 위치한 권선부의 코일들을 서로 단락시켜 전자기력이 상하좌우로 비대칭하게 만들면 회전축(12)의 반경 방향으로의 제어력을 발생시키는 능동형 베어링리스 스텝모터로 사용될 수도 있다. 즉, 축이 회전하면서 발생할 수 있는 반경 방향의 진동을 감소시키기 위해 큰 감쇠력이 요구되는 경우, 도1의 전자석들의 권선부 코일의 연결 상태를 바꾸어 주면, 추가적인 전자석을 사용하지 않고도 토크 전류의 크기만을 조절하여 감쇠기(damper) 역할을 할 수 있다. 이는 서로 90도 간격으로 배치되어 N, S, N, S 극(예, 상단α:N극, 우측-α:S극, 하단α:N극, 좌측-α상:S극)으로 형성된 4개의 전자석의 권선부들(24)을 각각 N, S 극 1쌍으로 분리(예, "상단α와 우측-α로 이루어진 1쌍" 및 "하단α와 좌측-α로 이루어진 1쌍"을 분리)하여 연결하고, 각각의 쌍의 전자석에 토크 전류의 크기를 다르게 하여 입력한다. 그러면 회전자코어(14)의 6개의 이(teeth)에 발생하는 마주보는 방향으로의 힘이 서로 상쇄되지 않게 되므로, 축의 반경 방향으로의 제어력을 발생될 수 있다. 이로 인해 수동형 베어링리스 스텝모터의 단점인 낮은 감쇠 문제를 해결할 수 있다. 즉, 부분적으로 능동형 베어링리스 스텝모터 방식으로의 전환이 가능하며, 기존의 능동형 베어링리스 스텝모터에 비해 소비전력이 현격히 작고, 높은 안정성과 신뢰성을 기대할 수 있다.

도1 내지 도3에서 도시되는 실시예들에서는 회전자가 고정자의 내부에 위치하여 회전하는 베어링리스 스텝모터를 도시한다. 그러나 도시되지는 않았지만 회전자를 고정자의 주위에 배치시키면서 상기에서 서술된 방식에 의해서 회전자를 자기부양시켜서 회전력을 부여하는 실시예도 가능하다.

전술한 본 발명의 실시예들은 예시적인 목적으로 제시된 것이며, 이러한 구체적인 절차와 형태로 발명을 제한하고자 하는 것은 아니며, 이를 바탕으로 많은 변형과 수정이 가해질 수 있다.

본 발명에 따른 베어링리스 스텝 모터는 회전축의 부상 제어를 위한 전력의 손실이 없고, 이를 위한 복잡한 제어나 부수장치들이 필요 없으므로 소형으로 제작이 가능하다. 또한 본 발명에 의하면 마찰, 마모가 없어 베어링의 소음이 없고, 윤활 걱정이 사라지며 모터의 수명이 길어지게되어, 저전력, 고청정 환경에서 구동되는, 예를 들면 인공심장용 소형 모터로의 활용이 가능하다. 또한 본 발명은 베어링 소음과 마모가 없고, 윤활이 불필요하므고 저소음 고효율 팬, 특히 진공이나 고청정 환경에서 사용되는 모터 등의 적용에 매우 유리하다.

Claims

권선부를 갖는 복수개의 고정자 코어들을 구비한 고정자와,

회전축과 복수개의 회전자 코어를 구비하고, 상기 회전자 코어와 고정자 코어들 사이의 자기상호작용에 의해서 회전하는 회전자와,

상기 회전자에 설치되는 제1 영구자석부와,

상기 고정자에 설치되는 제2 영구자석부를 포함하며,

상기 제1 영구자석부와 상기 제2 영구자석부가 상호 반발력을 나타내도록 자극이 배치되며, 제1 영구자석부와 제2 영구자석부 중 적어도 하나는 회전자와 고정자 사이의 공극 방향으로 갈수록 폭이 점점 좁아지는

베어링리스 스텝모터.
삭제
제1항에 있어서, 상기 회전자의 회전축의 일단부를 상기 스텝모터의 하우징의 일면에서 회전가능하게 지지하기 위한 스러스트 베어링요소를 더 포함하는 베어링리스 스텝모터.
제3항에 있어서, 상기 스러스트 베어링요소는 뾰족한 회전축의 일단과, 상기 회전축의 일단에 점접촉되는 하우징의 오목면으로 이루어지는 베어링리스 스텝모터.
제3항에 있어서, 상기 축방향 스러스트 베어링요소는 하우징의 일면에 설치된 전자기 코일이며, 상기 전자기 코일에 전류를 인가함에 따라 회전축이 하우징의 일면으로부터 일정 거리만큼 자기부양되는 베어링리스 스텝모터.
제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 권선부에 감겨 있는 코일 중 같은 상에 위치한 코일들은 서로 연결되어 있는 베어링리스 스텝모터.
제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 권선부에 감겨 있는 코일 중 같은 상에 위치한 코일들은 서로 단락되어 있는 베어링리스 스텝모터.