KR100302908B1 - 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터에 관한 것으로서, 동일 축 상에서 상호 소정 거리 이격 구비된 다수의 U자(字)형 철심(10); 상기 다수의 U자형 철심(10)의 동일 끝단에 각각 권취된 권선(20); 및 상기 다수의 U자형 철심(10)의 양 끝단 사이에 형성되는 내부 공간에 소정 공극만큼 이격구비된 이동자(30)를 포함하여 구성되되, 상기 이동자(30)는, 소정 거리(τ_p)만큼 경사지게 형성되되, 동일 자극끼리 같은 방향이 되도록 상호 이격 배치되는 다수의 영구자석(31); 및 상기 인접 영구자석(31)에 의해 형성되는 이격 공간에 삽입구비되는 철심(32)을 포함하여 구성되어, 단위 무게 당의 출력을 향상시킴으로써, 종래의 액츄에이터와 비교할 때 동일 출력 대비 소형화를 이룰 수 있는 것은 물론, 보다 간단한 구조로서 제어방법이 간단하여 고장율도 낮은 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터 { A permant magnet excited linear actuator }

본 발명은 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 경사지게 형성된 다수의 영구자석으로 이루어진 이동자를, 코일이 권취된 U자형 철심 내측에 구비하여 생성 자속밀도를 높임으로써, 단위 무게 당의 출력을 향상시켜 에너지 및 재료를 절감할 수 있도록 한 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터에 관한 것이다.

액츄에이터(Actuator)란 차단기, 냉장고 콤프레셔, ABS 시스템 등의 기계 장치에 있어서, 선형운동을 제공하거나 접점의 개폐가 이루어지는 부위에서 개폐 동작을 제어하기 위해 사용되는 장치로서, 개폐 동작의 제어방법에 따라 일반적으로 기계식과 전자식 등으로 구분되데, 종래의 전자석 액츄에이터는 도 1에 도시된 바와 같이, 외부에 코일(1)이 권취된 철심(2); 상기 철심(2)으로부터 소정 거리 이격구비되되, 스프링(3)에 의해 상호 연결된 이동자(4)를 포함하여 구성되어 있었다.

상기와 같이 구성된 종래의 전자석 액츄에이터에서는, 상기 코일(1)에 전류를 인가하면 상기 철심(2)이 자화되면서 자속이 발생하여 상기 이동자(4)와의 사이에 자력에 의한 인력이 발생하는 바, 이에 따라 상기 이동자(4)가 상기 인력에 의해 상기 스프링(3)의 탄성력을 극복하면서 상기 철심(2)에 밀착된다.

또한, 만일 더 이상의 전류 인가를 중단하면 상기 철심(2)으로부터 더 이상자속이 발생하지 않게 되고, 이에 따라 자속에 의한 인력 또한 없어지게 되는 바, 상기 이동자(4)는 상기 스프링(3)의 복원력에 의해 다시 상기 철심(2)으로부터 이격위치하게 됨으로써, 이에 의해 선형 동작을 수행하게 되는 것이었다.

그러나, 상기와 같이 구성되어 동작하는 종래의 전자석 액츄에이터에서는, 상기 장착되는 스프링(3)의 복원력을 고려하여 자속의 크기 및 이를 위한 인가전류 크기 등을 적합하게 설계하여야 하는 바, 구조가 복잡하여 제작비용이 많이 들고 제작에 장시간이 소요된다는 문제점이 있는 것은 물론, 제작된 액츄에이터의 단위 무게당 출력이 작아서 보다 큰 선형 운동력을 얻기 위해서는 상기 코일(1)의 크기를 크게 하여야 하는 등 여러 가지 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창작된 것으로서, 구조가 간단하면서도 단위 무게당의 출력이 향상될 수 있도록 하는 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터를 제공하는 데 그 목적이 있는 것이다.

도 1은 종래의 전자석 액츄에이터의 개괄적 구성을 도시한 것이고,

도 2는 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터의 사시도이고,

도 3은 도 2의 각 구성요소를 도시한 것이고,

도 4는 도 2의 코일에 전류를 인가하는 전원공급 회로도이고,

도 5 내지 도 6은 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터의 동작시 작용되는 힘의 관계를 도시한 것이고,

도 7은 경사형 대신 직선형 영구자석을 사용한 경우에 있어서의 힘의 관계를 도시한 것이고,

도 8은 이동거리에 따른 외력의 변화 및 그에 따른 이동자의 최대 이동거리 관계를 도시한 것이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1,20 : 코일 2,10,32 : 철심(Iron Core)

3 : 스프링 4,30 : 이동자

31 : 영구자석 50 : 전원

S : 스위칭 소자

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터는, 동일축선 상에 일정 간격으로 배열되어 상기 축방향의 요(凹)부를 형성하는 다수의 철심과, 상기 다수의 철심의 상기 요부 양측으로 대향 형성된 양단부에 각기 권취된 권선을 구비하는 고정자; 및 상기 요부 내의 상기 권선 상부의 상기 축선 상에 동일 자극끼리 이웃하도록 일정간격으로 배열되되, 각기 상기 철심의 상기 양단부간 대향선에 대하여 사선으로 배치된 다수의 영구자석과, 상기 다수의 영구자석 간에 각각 삽입구비된 다수의 철심을 구비하는 이동자를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터는, 권취된 코일에 인가되는 전류의 방향에 따라 자극이 반전되는 대향 자극단이 형성된 고정자; 및 상기 대향 자극단의 사이에 구비되되, 일측 자극단에 의한 대응 자력의 합력과 타측 자극단에 의한 대응 자력의 합력이 상호 동일 방향으로 작용하도록 배치된 다수의 영구자석으로 이루어진 이동자를 포함하여 구성되는 것에 그 특징이 있는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터의 일 실시예의 구성 및 동작에 대해 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터의 사시도를 도시한 것이고, 도 3의 (a),(b),(c)는 도 2의 각 부품의 구성을 도시한 것으로서, 동일 축선 상에서 상호 소정 거리 이격 배열되어 상기 축방향으로 요(凹)부를 형성하는 U자(字)형 철심(10); 상기 다수의 U자형 철심(10)의 동일 끝단에 각각 권취된 권선(20); 및 상기 다수의 U자형 철심(10)의 양 끝단 사이에 형성되는 상기 요부내에 소정 공극만큼 이격구비된 이동자(30)를 포함하여 구성되되, 상기 이동자(30)는 동일 자극끼리 이웃하여 일정 간격으로 배열되되, 각기 2차원 평면상에서 상기 철심(10)의 대응 양단의 연결선에 대하여 소정각도(θ) 경사진 사선으로 배치된 다수의 영구자석(31); 및 상기 다수의 영구자석(31) 간에 형성된 이격 공간내에 각각 삽입구비되는 다수의 철심(32)을 포함하여 구성된다.

도 4는 도 2의 상기 권선(20)에 스위칭 소자 S1-S2가 관통될 경우 전류의 방향이 I1으로, S3-S4가 관통될 경우 전류의 방향이 I2로 각각 교번하게 되는 구조를 도시한 것이며, 상기 스위칭 소자(S)로는 기계적(mechanical) 스위치나, 전자(electromagnetic) 스위치 또는 반도체 소자를 사용하는 전자(electronic) 스위치 등 여러 가지 종류의 스위치를 사용할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터의 힘 발생 원리에 대하여 설명하면 다음과 같다.

도 4의 회로도에서 스위칭 소자 S₁과 S₂를 도통시키면, 상기 권선(20)에 도 5의 (a)에 도시된 바와 같은 방향의 전류(I₁)가 흐르고, 이에 따라 상기 권선(20)이 권취된 상기 U자형 철심(10)의 대응 양단이 각각 N극 및 S극으로 자화되어, 상기 이동자(30)의 이동방향에 대해 횡(橫)으로 가로 지르는 방향의 자속이 발생된다.

그런데, 상기 이동자(30)는 항시 자속을 발생시키고 있으므로, 상기 U자형 철심(10)의 양단과 상기 이동자(30)의 자화 철심(32) 사이에, 상호 동일 극성끼리는 밀쳐내고 상이한 극성끼리는 끌어 당기는 자력(Magnetic Force)이 작용하게 되는 바, 이하 도 5의 (a)의 A부를 확대 도시한 도 5의 (b)를 참조하여, 상기 자력에 의한 상기 이동자(30)의 이동에 관하여 설명한다.

상기 철심(32)의 S극 상부에는, 반대 극성인 상기 U자형 철심(10)의 N극 자화 부위에 의해 인력(F₁)이 작용하고, 상기 S극의 우측에 위치한 상기 철심(32)의 N극 상부에는 상기와 동일한 N극 자화 부위에 의해 척력(F₂)이 작용하게 되는 바, 상기 인력(F₁)과 척력(F₂)의 합력에 해당하는 힘이 도면 우측 방향으로 작용하게 된다.

또한, 동시에 상기 철심(32)의 S극 하부에는, 동일 극성인 상기 U자형 철심(10)의 S극 자화 부위에 의해 척력(F₄)이 작용하고, 상기 S극의 좌측에 위치한 상기 철심(32)의 N극 하부에는 상기와 동일한 S극 자화 부위에 의해 인력(F₃)이 작용하게 되는 바, 상기 인력(F₃)과 척력(F₄)의 합력에 해당하는 힘이 역시 도면 우측 방향으로 작용하게 된다.

따라서, 상기 U자형 철심(10)의 N극 자화 부위에 의한 우측 방향의 합력과, 상기 U자형 철심(10)의 S극 자화 부위에 의한 동일 방향의 합력에 의해, 전체적으로 볼 때 도 5의 (b)에 도시된 바와 같은 최종적인 힘(F_a)이 우측 방향으로 작용하게 되므로, 상기 이동자(30)가 우측으로 이동하게 되는 것이다.

상기 삽입 철심(32)은 그 양 측에 인접하는 상기 영구자석(31)의 자극에 따라 개별 철심 전체가 N극 또는 S극으로 자화되므로, 상기 U자형 철심(10)과의 이격공간에서의 자속밀도가 커지게 된다.

도 6은 상기 도 4의 회로도에서 스위칭 소자 S₃과 S₄를 도통시킴에 따라, 상기 권선(20)에 전류(I₂)가 인가되어 상기 U자형 철심(10)의 대응 끝단이 상기 도 5의 (a)와는 반대 자극을 띄게 되는 것을 도시한 것으로서, 이에 따라 상기 이동자(30)는 최종적인 합력(F_b)에 의해 좌측방향으로 이동하게 된다.

즉, 상기 도 4의 회로도를 이용한 인가 전류의 방향 변경에 의해, 상기 이동자(30)를 우측 및 좌측 방향으로 자유자재로 이동시킬 수 있게 되는 것이다.

한편, 도 7은 상기 영구자석(31)을 소정 각도(θ)만큼 경사지게 형성한 본 발명의 경우와는 달리, 일직선 형상의 영구 자석을 사용한 경우에 작용하는 자력의 관계를 도시한 것으로서, 상기 도 5의 (a)와 동일한 조건이라고 가정할 경우, 상기 도 7의 이동자(30a) 상부에는 우측방향의 합력(F₅)이 작용하고, 상기 이동자(30a)의 하부에는 좌측방향의 합력(F₆)이 작용하게 되어 상호 힘의 평형을 이루게 되는 바, 전체적으로 볼 때 전혀 외력이 작용하지 않는 상태가 되므로 상기 이동자(30a)가 이동할 수 없게 되는 것이다. 따라서, 본 발명의 도 6에서와 같이, 상기 영구자석(31)을 상기 철심(10)의 양단부간 대향선에 대하여 소정 각도(θ)만큼 경사져 사선으로 배치하여야 상기 이동자(30)를 이동시키기 위한 힘을 얻을 수 있게 되는 것이다.

상기 이동자(30)의 이동에 작용하는 힘(F_a,F_b)은 도 8에 도시된 바와 같이, 점차 증가하다가 감소하는 형태를 띄게 되고, 상기 이동자(30)의 최대 이동거리는 정방향 전류 및 역방향 전류 각각에 대해 모두 τ_p로 된다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터는, 무부하 자속밀도를 높여 단위 무게 당의 출력을 향상시킴으로써, 종래의 액츄에이터와 비교할 때 동일 출력 대비 소형화를 이룰 수 있는 것은 물론, 보다 간단한 구조로서 제어방법이 간단하여 고장율도 낮은 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (4)

1. 동일축선 상에 일정 간격으로 배열되어 상기 축방향의 요(凹)부를 형성하는 다수의 철심과, 상기 다수의 철심의 상기 요부 양측으로 대향 형성된 양단부에 각기 권취된 권선을 구비하는고정자; 및

   상기 요부 내의 상기 권선 상부의 상기 축선 상에 동일 자극끼리 이웃하도록 일정간격으로 배열되되, 각기 상기 철심의 상기 양단부간 대향선에 대하여 사선으로 배치된 다수의 영구자석과, 상기 다수의 영구자석 간에 각각 삽입구비된 다수의 철심을 구비하는이동자를 포함하여 구성되는 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 고정자의 상기 철심은U자형으로 구성된것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터.
3. 제1항에 있어서,

   상기 고정자의 상기 권선은, 상기 철심의 상기 대응 양단부에 있어서동일측 단부전체와 타측 단부전체에 대하여 교번적으로 권취된 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터.
4. 제 1항또는 제 4항에 있어서,

   상기권선의 양단은,각각한 쌍의 직렬연결된 스위칭 소자의공통연결점에 연결되고, 상기각한 쌍의 직렬연결된 스위칭 소자 양단은 인가 전원에 병렬연결되어 있는 것을 특징으로 하는 영구자석 여자 횡자속형 선형 액츄에이터.