KR100370281B1 - 복동식 전자기 액츄에이터 - Google Patents

복동식 전자기 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제한된 길이의 행정을 가진 빠른 선형 운동을 하는 전자기 액츄에이터에 관한 것이다. 전자기 액츄에이터는 제 1 고정 코일(1, 6) 및 제 2 가동 코일(2)을 포함하는데, 고정 코일은 제어 가능한 전원(7)에 결합되며 가동 코일은 외부 전원과의 갈바니식 결합없이 단락된다. 전자기 액츄에이터의 가동 코일의 단부는 정류기 엘리먼트(9) 바람직하게는, 다이오드를 통해 단락된다. 다이오드는 전류가 제 2 코일에서만 한 방향으로 발생되도록 하고, 상기 전류는 제 1 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 발생된 전자기장으로부터 유도된다. 이러한 방법으로, 경량의 복동식 전자기 액츄에이터가 제조될 수 있으며, 가동 코일에 어떠한 외부 결합없이도 이러한 전자기 액츄에이터만으로 매우 빠른 응답과 신뢰성을 가지게 된다.

Description

복동식 전자기 액츄에이터 {DOUBLE-ACTING ELECTROMAGNETIC ACTUATOR}
코일이 자기장의 영향하에 운동한다는 것은 공지된 사실이다. 이러한 예로서, 영구 자석에 의해 유도된 자기장내에 배치된 가동 보이스(voice) 코일을 가지며 고정 영구 자석을 구비하는 확성기가 있다. 보이스 코일의 권선은 외부 전원에 연결되고, 전류 제어를 통해 코일은 원하는대로 움직이게 된다. 이러한 방법의 단점은 외부 결합부가 움직일 수 있고, 전위가 중단되기 쉽다는 것이다.
미국 특허번호 제 5294850호는 미사일을 발사시킬 수 있는 전자기장 효과를 사용하는 장치에 관해 개시하고 있다. 이러한 방법에서, 고정 코일이 사용되고, 이는 발사시킬 미사일상에 배치되거나 또는 미사일과 접촉하는 코일에 영향을 미친다. 가동 코일은 어떠한 외부 결합부를 필요로 하지 않고 권선이 단락되거나 또는 선택적으로 여러 개의 코일부로 나뉘며 여기서, 전자기장은 고정 코일내 전류에 의해 제어된다.
미국 특허출원번호 제 1066801호에는 선택적인 실시예가 도 4 및 도 5에 도시되어 있는데, 이는 고정 코일과 가동 코일을 포함하는 계전기에 관한 것이다.가동 코일의 권선은 고정 회로 차단기에 결합되고, 가동 코일은 상기 회로 차단기에 의해 한 방향으로 제어되는 방식으로 영향을 받고 자기장은 고정 코일에 의해 유도된다.
복동식(double-acting) 액츄에이터를 얻기 위한 통상적인 방법은 고정 솔레노이와 가동 철코어를 사용하고 여기서, 철코어는 귀환 스프링을 사용하여 제 1 단부 위치로 힘을 받는다.
철코어가 제 2 단부 위치로 활성화될 때, 전자기장으로부터의 힘은 귀환 스프링의 반작용력을 극복하여 질량을 가진 철코어가 움직이도록 해야한다. 이는 액츄에이터의 다소 큰 질량 때문에 응답에 있어서의 감소를 초래하고 귀환 스프링으로부터의 힘을 극복해야 할 필요가 있다.
본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 적절한 길이의 행정을 가지며 빠른 선형 운동을 하는 전자기 액츄에이터에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 전자기 액츄에이터의 측면도이다.
도 2는 도 1의 전자기 액츄에이터의 평면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 각각 고정 코일을 통해 흐르는 전류, 가동 코일을 통해 흐르는 전류 및 가동 코일에 의해 유도된 힘을 도시한다.
도 4는 가동 코일의 위치를 검출하는 아날로그 회로를 도시한다.
도 5는 액츄에이터의 선택적인 실시예를 도시한다.
본 발명의 목적은 적절한 길이의 행정을 가지며 복동식으로 동작하고 빠른 운동이 요구되는 대부분의 상황에서 유용한 전자기 액츄에이터를 제공하는 것이다.
다른 목적은 빠른 응답을 가진 전자기 액츄에이터를 제공하는 것이다.
또다른 목적은 전자기 액츄에이터의 가동 부품에 결합되는 어떠한 접속부도 가지지 않은 전자기 액츄에이터를 제공하는 것이다.
개선된 추가의 실시예의 목적은 액츄에이터의 위치에 대한 피드백 신호를 제공하여 액츄에이터의 운동을 더욱 정확하게 제어하는 것이다.
본 발명의 전자기 액츄에이터는 청구항 1의 특징부에 의해 특징지어 진다.
본 발명의 전자기 액츄에이터에 의해 모든 가동 부품이 더 적은 사하중을 갖고 빠른 응답을 하는 복동식 전자기 액츄에이터가 구현된다. 전자기 액츄에이터는 가동 부품과의 어떠한 접속부도 가지지 않고, 이에 의해 더 높은 신뢰성을 가진다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 다른 청구항에 의한 특징을 가지며 이하의 설명을 통해 이해될 것이다. 이하의 설명은 도면을 참조로 하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 액츄에이터를 도시한다. 고정 코일(1, 6)은 코어(5) 바람직하게는, 페라이트-코어에 감긴다. 이러한 실시예에서, 고정 코일은 직렬로 결합된 두 개의 코일부로 나뉘고, 각각은 평행한 두 개의 다리를 가진 코어의 하나의 다리에 감긴다. 선택적인 실시예에서, 코어는 라미네이팅(laminating)된 금속판으로 제조된다. 비록 고가이긴 하지만 페라이트-코어가 바람직하다.
제어 가능 전원(7)이 고정 코일에 결합되어, 고정 코일을 통해 흐르는 전류(Ip)를 제어한다.
고정 코일과 관련하여 움직일 수 있는 코일(2)이 코일 형성부(3)에 감긴다.코일 형성부는 바람직하게는 코어(5)의 세번째 다리에 의해 인도되는데, 이러한 세번째 다리는 고정 코일이 감기는 곳에 평행하게 위치하고 상기 두 개의 다리 사이에 위치한다.
코일 형성부 및 코일 형성부상에 감긴 코일은 고정 코일의 두 개의 다리 사이의 에어갭(4)내에 위치한다.
가동 코일을 코어의 코일 인도 다리상에 유지시키기 위해, 도 1에 도시된 바와 같이 코일 형성부(3)는 하부에 플랜지(10)를 구비한다. 플랜지(10)의 상부 및 하부 표면은 제 1 및 제 2 정지 러그와 같은 역할을 하고, 각각은 코어의 제 1 및 제 2 정지 러그와 상호 작용을 한다. 코어의 제 1 정지 러그(11)는 코어 다리의 두 개의 방사형으로 내부로 향하는 돌출부에 의해 형성되고, 제 1 정지 러그상에 코어부가 감긴다. 제 1 정지 러그(11)는 제 1 돌출 위치로 가동 코일의 운동을 제한한다.
코어의 제 2 정지 러그(12)는 고정 코일(1, 6)과 관련하여 가동 코일(2)의 제 2 함몰된 단부 위치로의 가동 코일의 운동을 제한한다.도시된 실시예에서, 코일 형성부는 도 2에서 알 수 있듯이 원추형이고, 일체형 액츄에이터 암(8)을 가진다. 코일 형성부는 선택적으로 본 발명의 범위를 벗어남없이 예를 들면, 직사각 또는 다각형 단면과 같은 다른 모양으로 형성된다.
가동 코일 형성부에 감긴 코일은 다이오드(9)를 통해 단락되고, 이러한 다이오드는 한 방향으로만 전류를 흐르게 한다. 이러한 다이오드는 다른 형태의 소자로 대체될 수 있으며, 이러한 소자는 제 2 가동 코일에서 한 방향으로만 전류를 흐르게 하고, 전류는 제 1 및 고정 코일을 통해 흐르는 전류에 의해 발생된 전자기장으로부터 유도된다.
전자기 액츄에이터의 함수는 시간의 함수로서 도 3a 내지 도 3c에 도시된 전류 및 힘 그래프를 참조하여 상세히 설명된다. 이러한 원리적인 그래프는 도 1에 도시된 실시예에 따른 실질적인 실험이후에 얻어진다. 도 3a에서, 고정 코일(1, 6)을 통해 흐르는 전류 Ip가 도시되어 있고, 이러한 전류는 결합된 전원(7)을 통해 통상적인 방식으로 제어된다.
도 3b에서, 가동 코일(3)을 통해 전류가 흐르는 것이 도시되어 있고, 이러한 전류는 고정 코일에 의해 발생된 전자기장에 의해 유도된다. 도 3c에서, 가동 코일(2)이 에어갭(4)내의 자기장에 의해 영향을 받을 때, 액츄에이터 암(8)에서 얻어지는 힘(F)이 도시되어 있다．　도시된　실시예에서　제　１　＂인력　사이클＂은 내부 즉, 도 1의 아래쪽으로의　가동　코일의　운동에 해당한다. 인력 사이클의 시작점에서 전류(Ip)가 고정 코일(1, 6)에서 시작되고, 가동 코일(4)내에 전류(Id)를 유도할 자기장을 발생시킨다. 고정 코일내의 전류는 시간 A에서 최대값을 가지며, 이러한 시간은 또한 가동 코일내의 전류 및 액츄에이터 암(8)으로부터 얻어진 힘이 각각 최대값에 이르도록 한다. 시간 A가 약간 지난후 고정 코일을 통과하는 전류(Ip)가 감소하기 시작한다. 이러한 감소는 가동 코일을 통과하는 전류 또한 감소시킨다. 발생된 힘(F)은 다음의 식을 따른다;
여기서, B는 자기장의 세기이며, L은 자기장내에 위치하는 도전체의 길이이고, 힘은 전체 사이클을 통해 발생된다.
함몰된 위치에도 힘이 계속적으로 적용되도록 하기 위해, 이러한 시퀀스가 계속적으로 반복된다. 하지만, 도면에서는 인력 사이클의 두 개의 시퀀스만이 도시된다.
"척력 사이클"에서, 가동 코일의 외부로의 움직임 즉, 도 1의 위쪽 방향으로의 움직임에 해당하는 전류가 역전된 방향으로 고정 코일내에서 발생된다. 이러한 전류는 인력 사이클에 대해 반대 방향을 가진 자기장을 발생시키고, 이러한 자기장 또한 자기장과 전류가 감소할 때 가동 코일내에 전류를 유도한다. 시간 B에서 고정 코일을 통과하는 전류가 유도되고, 이에 의해 자기장은 인력 사이클에서 유도된 전류와 같은 방향으로 가동 코일을 통해 전류를 유도하기 시작한다. 앞에서 언급한 것과 동일한 식()에 따라 힘(F)이 얻어지는데, B의 신호 변화 때문에 인력 사이클과는 반대 방향으로 유도된다. 하지만, 도면에서는 척력 사이클 동안의 두 시퀀스만이 도시된다.
가동 코일의 위치 결정이 ＠방향(도 3 참조)에 의해 결정될 수 있고, 이러한 ＠는즉, 고정 코일을 통과하는 전류의 1차 미분값에 해당한다. 파라미터 ＠는 자기장내에 가동 코일의 노출이 감소함에 따라 감소한다. 이러한 위치 결정은 바람직하게는 통상적인 아날로그 회로에 의해 수행된다.
도 4에서, 이러한 기초적인 아날로그 회로의 원리가 도시된다. 이러한 실시예에서, 간단한 동작 증폭기(OP)가 사용되고, 입력 신호 Ip가 출력 신호를 발생시키도록 저항(R)과 커패시터(C)를 통해 결합된다. 실제적인 사용에서, 회로는 신호에 대한 정확한 분석과 샘플링을 위해 추가의 논리 소자를 필요로 한다.
본 발명의 전자기 액츄에이터는 위치 제어를 개선시킬 수 있고, 위치의 처리된 신호는 위치의 피드백 신호로서 사용된다. 인력 및 척력 사이클 동안 펄스폭을 변조시킴으로써 액츄에이터는 두 단부 위치 사이의 임의의 위치에서 나누어질 수 있다.
액츄에이터로부터 미리 설정된 가장 낮은 차수의 힘을 얻기 위해, 일차 코일을 통과하는 전류(Ip)는 더 높은 절대값으로 즉, 절대값이 0으로 감소하지 않도록 제어될 수 있다. 이는 더욱 개선된 효율을 가져온다.
본 발명은 청구항의 범위내에서 여러 변형이 가능하다. 다른 형태의 코어 또한 가능하고 하나의 코일부만을 가질 수도 있다. 도 5에서, 제 1 권선(6')이 코일(5')의 중심 다리에 감기고 제 2 권선(2')과 동심원으로 제조되는 실시예가 도시된다. 이러한 실시예는 개선된 변압기 커플링을 제공하고, 여기서 코어는 축 X에 대해 축대칭적일 수 있다. 동시에 제 1 권선(6')은 개선된 보호 주위부를 가진다.
전원에 대해서, 정류기 엘리먼트를 통한 전력 손실을 감소시키기 위해 정류기 엘리먼트가 MOSFET 기술에 의해 대체될 수 있다. MOSFET 기술에 의해, 도전 방향으로의 전위 강하를 0.7볼트에서 약각 정도로 감소시킬 수 있다.

Claims (7)

  1. 제어 가능한 전원(7)에 결합된 권선을 가진 제 1 고정 코일(1, 6) 및 외부 전원과 갈바니식 접촉을 하지 않고 단락되는 권선을 가진 제 2 가동 코일(2)을 포함하며, 제한된 길이의 행정으로 빠른 선형 운동을 하는 전자기 액츄에이터에 있어서,
    상기 가동 코일의 상기 권선의 단부는 정류기 엘리먼트(9)를 통해 단락되며, 상기 정류기 엘리먼트는 상기 가동 코일의 상기 권선내에서 오로지 한 방향으로만 전류가 발생되도록 하고, 상기 가동 코일내의 상기 전류는 상기 코정 코일(1, 6)을 통해 흐르는 전류에 의해 발생된 전자기장으로부터 유도되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 정류기 엘리먼트(9)는 반도체형 다이오드인 다이오드인 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 코일은 페라이트-코어인 코어(5)에 감기며, 상기 제 2 가동 코일은 에어갭을 가지고 위치하며 상기 코어의 돌출부에 의해 인도되는 코일 형성부(3)상에 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 정류기 엘리먼트(9)는 상기 가동 코일의 상기 전류를 정류하며 코일 형성부(3) 및 상기 가동 코일의 권선과 일체형으로 위치하는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 코일 형성부(3)는 상기 제 2 가동 코일이 상부에 단단히 고정되어 위치하며 일체형 액츄에이터 암(8)을 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 코일 형성부(3)는 코어(11, 12)상의 제 1 및 제 2 정지 러그와 결합하는 제 1 및 제 2 정지 러그(10)를 구비하며, 상기 제 1 고정 코일과 관련하여 상기 가동 코일의 운동을 제 1 및 제 2 단부 위치 사이로 제한하는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
  7. 제 1 항, 제 2 항, 제 4 항, 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 액츄에이터의 상기 제 1 코일은 상기 권선을 통해 흐르는 전류(Ip)의 속도 변화에 해당하는 값을 검출하는 검출 수단(C, R, OP)에 결합되고, 상기 값인값은 액츄에이터의 상기 코일의 위치를 결정하기 위해 사용하는 것을 특징으로 하는 전자기 액츄에이터.
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