KR100446999B1 - 제어부재의선형작동장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제어 부재(1), 특히 가스 또는 액체 도관(2)의 밸브 태핏(1)용 선형 작동 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 암나사(10)를 갖는 회전자(7)를 포함하며, 그 경우 암나사의 회전 운동은 회전에 대항하여 제동되고 내측 나사산(10)과 맞물림 할 수 있는 나사식 스핀들(5)의 선형 운동으로 전환될 수 있다. 상기 장치에 있어서 간편화, 저 비용화 및, 제어 부재의 선형 운동에 대한 높은 성취도를 실현하기 위하여, 상기 회전자(7)는 단일 스트랜드 전기 에너지화 고정자(13)와 함께 작용하는 자화 회전체(8)를 포함하며, 상기 회전자(7)의 각위치는 고정자 전류에 의해 조절될 수 있으며 상기 회전자(7)의 최대 회전각은 180°이하가 된다.

Description

제어 부재의 선형 작동 장치

본 발명은 제어 부재, 특히 가스 또는 액체 도관의 밸브 태핏용 선형 작동 장치에 관한 것으로서, 상기 장치는 내측 나사산을 갖는 회전자를 포함하며, 그 경우 내측 나사산의 회전 운동은 회전에 대항하여 제동되고 내측 나사산과 맞물림 할수 있는 나사식 스핀들의 선형 운동으로 전환될 수 있다.

상기와 같은 장치에 대하여는 독일 특허 제 44 23 313 A1 에 공지되어 있다. 이와 같이 공지된 장치는 제어 부재의 선형 작동용 2중 스트랜드 클로 폴 스테퍼 모터(claw pole stepper motor)를 포함한다. 상기와 같은 클로 폴 스테퍼 모터에 있어서 회전당 스텝의 수는 기하학에 의해 한정된다. 상기 고정자 클러 및 자기 회전자 폴은 둘 다 최소 치수를 가져야만 한다. 제어 부재의 선형 운동에 대한 높은 성취도 및 고정밀 작동을 실현하기 위하여, 큰 원주 길이, 예를 들면 큰 직경을 갖는 모터를 사용할 수 있었다. 그러나, 그와 같은 모터는 큰 모터 치수, 큰 질량 관성 운동 및 그에 따른 비교적 열악한 동적 성취도를 갖는다. 상기와 같이 공지된 장치에 있어서, 선형 운동에 대한 높은 성취도는 나사식 스핀들이 비교적 미세한 피치를 갖는 나사산을 구비하고 있다는 점에서 성취된다. 그것은 고장의 경우, 예를 들면 동력 장애의 경우 상기 제어 부재가 자동적으로 초기 위치로 복귀된다는 장점을 갖는다. 나사식 스핀들이 비교적 미세한 피치를 갖는 나사를 구비하는 상기 공지된 장치에 있어서는, 나사식 스핀들이 에너지화 될 때 아마츄어 소자 및 로드와 함께 작동하는 전자석을 운반할 수 있는 매우 큰 복귀력을 요하며, 그와 같은 구조는 매우 복잡하고 비용이 많이 든다.

본 발명의 목적은 간단하고 비용이 적게 들며 제어 부재의 선형 운동에 대한 높은 성취도를 이룰 수 있는 서두에 한정된 형상의 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 회전자가 단일 스트랜드 전기 에너지화 고정자와 함께 작용하는 자화 회전체를 포함하며, 상기 회전자의 각위치는 고정자 전류에 의해 조절될 수 있으며 상기 회전자의 최대 회전각은 180°이하가 되도록 실행된다.

자화 회전체는 영구 자석 또는 전기 자화 회전부를 의미하는 것으로 이해될 수 있다.

상기와 같은 장치는 오직 고정자 코일만을 요하므로서, 클로 폴 스테퍼 모터와 비교하여 복잡한 전자력 제어 및 접속 단자의 수를 현격히 감소시킨다. 상기 회전자의 각위치 및 그에 따른 나사식 스핀들의 선형 운동은 모터 전류에 의해 연속적으로 제어될 수 있다. 그 결과, 제어 부재의 선형 운동에 대한 성취도가 클로 폴 스테퍼 모터에서와 같이 불연속 단계로 한정되지 않는다. 그와 같은 장치는 회전자의 각위치에 대해 실제로 사인 형상으로 변화하는 토크를 발생시키므로, 상기 회전자의 최대 회전각은 180°이하의 값으로 한정된다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 장점은 센서 수단이 회전자의 각위치 또는 나사식 스핀들의 선형 위치에 기초하여 센서 신호를 발생시키기 위해 제공된다는 점과, 제어 수단이 센서 신호에 기초하여 회전자의 각위치를 제어하기 위해 제공된다는 점이다.

상기 센서 수단은 회전자의 순간적인 위치를 검출하고 회전자의 각위치에 기초하여 센서 신호를 발생시킨다. 상기 센서 신호는 제어 수단에 가하여지며, 제어 수단은 센서 신호에 기초하여 회전자의 각위치를 제어한다. 상기 회전자의 순간적인 각위치는 상기 장치에 의해 매우 정확하게 제어될 수 있다. 센서 수단 및 제어수단의 적합한 선택으로 0.1 각도 이하의 정확성에 도달할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 측정 수단이 고정자의 전류 및 전압을 측정하기 위해 제공되며, 상기 측정 수단은 회전자의 각위치에 기초하여 측정 신호를 발생시키는 것과, 상기 제어 수단은 측정 신호에 기초하여 회전자의 각위치를 제어하기 위해 제공된다는 점을 특징으로 한다.

상기 실시예는 어떠한 센서도 필요로 하지 않는다. 상기 회전자의 각위치는 고정자 전류 및 전압의 측정값으로부터 유래되며, 따라서 제어에 영향을 미친다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 회전자의 암나사 및 나사식 스핀들의 나사는 30°이상의 피치각을 갖는 조동 피치 나사라는 점이다. 상기 피치각(α )은

로서 한정된다. 여기서, h 는 나사의 선형 길이(단위 회전당 선형 이동 거리)이고, r 은 나사의 반경이다. 본 발명에 따른 장치는 매우 높은 토크를 얻을 수 있게 한다. 그 결과, 상기 나사식 스핀들은 조동 피치 나사를 가질 수 있으며, 이는 주어진 저항력을 위한 미세 피치 나사 보다 높은 구동 토크를 요한다. 이와 같은 미세 피치는 높은 모터 토크를 요하나, 고정자 여자가 결손될 때 나사식 스핀들이 초기 위치로 복귀하기 위한 복귀력은 감소된다는 장점을 갖는다.

상기와 같은 조동 피치 나사에 의하면, 회전자의 회전각이 180°이하로 한정된다는 사실에도 불구하고 나사식 스핀들의 선형 이동거리는 비교적 크게될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 교정 수단이 제어 부재의 기준 위치에 있어서 제어 부재의 선형 위치 및 회전자의 각위치 사이의 관계를 교정하기 위해 제공된다는 점에 있다.

다양한 주변의 영향, 특히 온도 변동으로 인해, 상기 회전자의 각위치 및 제어 부재의 선형 위치 사이의 관계는 상기 장치가 작동하는 동안 변할 수 있다. 예를 들어, 만약 나사식 스핀들 및 제어 부재가 노출되는 온도가 증가할 경우, 상기 나사식 스핀들은 팽창되며, 상기 회전자의 각위치 및 제어 부재의 선형 위치 사이의 관계는 변한다. 다음에 상기 회전자의 각위치 및 제어 부재의 선형 위치 사이의 관계는 기준 위치에서 적합한 교정에 의해 실행될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 상기 제어 부재는 밸브의 밸브 태핏이며, 기준 위치는 밸브의 차단 위치에 대응한다는 점에 있다.

특히, 가스 또는 액체 도관에 있어서의 밸브 태핏은 가끔 매우 높은 온도에 노출된다. 이와 같이 높은 온도는 나사식 스핀들을 팽창시켜 회전자의 각위치 및 밸브 태핏의 선형 위치 사이의 관계를 변화시키는 원인이 된다. 그러한 기준 위치로서 상기 밸브의 차단 위치를 사용하는 것은 장점이 될 수 있다. 상기 밸브 태핏이 차단 위치에 있을 때 명백히 그의 선형 위치를 한정하며, 상기 회전자의 각위치 및 밸브 태핏의 차단 위치 사이의 관계는 태핏이 차단 위치에 위치하는 각각의 시간을 추정하도록 정지된다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 회전자와 고정자 사이의 간극은 고정자에 에너지가 가해지지 않을 때 회전자가 적합한 각위치를 취하는 비균일 형상을 갖는다는 점이다.

수회 반복 사용을 위하여, 상기 제어 부재는 정시 상태나 또는 고정자 전류가 중지될 때 기존 위치를 취한다. 이것은 고정자 및 자화 회전자 사이의 간극의 비 균일 형상에 의해 성취된다는 장점을 갖는다. 고정자 코일에 에너지가 가해지지 않을 때, 상기 고정자는 고정자를 위한 최소 자기 저항을 갖는 각위치에 대응하는 적합한 각위치를 취한다. 그와 같은 공기 갭의 비균일 형상은 단순하며 낮은 비용으로 실현될 수 있다. 이것은 예를 들어 어떠한 복귀 스프링과 같은 복잡한 기계적 복귀 수단도 기타 다른 전자 복귀 수단도 필요로 하지 않는다. 상기 공기 갭의 비 균일 형상의 결과로서의 자기 복귀력은 이미 상술된 바와 같이 나사식 스핀들의 나사가 조동 피치 나사를 가질 경우 특히 장점으로 이용된다. 상기와 같은 조동 피치 나사로 인해, 주어진 저항력에 대한 스핀들의 선형 운동을 위해 장치에 의해 가하여질 구동 토크는 증가되나, 다른 한편으로 고정자에 에너지가 가해지지 않을 때 회전자를 예정 각위치로 복귀시키기 위해 필요한 복귀력은 감소한다. 이와 같이 비교적 작은 복귀력으로 인해, 상기 힘은 고정자와 자화 회전자 사이의 공기 갭의 비 균일 형상에 의해 매우 간단히 얻어질 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 상기 실시예에 있어서, 적합한 각위치는 각 개시 또는 종말 위치와 일치할 필요가 없게된다. 따라서, 회전자의 적합한 각위치에 있어서 제어 부재에 의해 채용된 적합한 선형 위치는 제어 부재의 선형 운동 괘도의 개시 또는 종말 위치와 일치할 필요가 없다. 예를 들어, 만약 상기 제어 부재가 밸브 태핏일 경우, 전류 공급이 차단될 경우 상기 밸브는 완전히 폐쇄되거나 개방되지 않고 비상 작동이 가능한 기존 중간 위치를 취한다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 고정자에 에너지가 가해지지 않을 때 회전자를 적합한 각위치로 이동시키는 하나 이상의 보조 자석이 제공된다는 점에 있다.

상기 고정자의 슬롯에 적절히 매몰되어 있는 보조 자석에 의해, 회전자는 적합한 각위치를 취할 수 있으며, 그 결과 제어 부재는 고정자에 에너지가 가해지지 않을 때 적합한 선형 위치를 취한다. 다음에 예정 복귀 토크는 보조 자석 단독으로나 또는 적합한 비 균일 형상을 갖는 에어 갭과의 결합에 의해 얻어질 수 있다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 상기 회전자의 각위치를 제어하기 위한 센서 수단은 회전자의 자장 또는 하나 이상의 센서에 의해 구동된다는 점에 있다.

상기와 같은 센서 수단은 예를 들면 자기저항 센서에 의해 형성될 수 있다. 상기 센서 수단이 회전자의 자장에 의해 작동되므로, 회전자 자체는 어떠한 부가의 신호 발생 수단도 제공할 필요가 없게된다.

본 발명에 따른 실시예가 갖는 또 다른 장점은 회전자의 각위치가 제어되는 정확성은 제어 부재의 작용 범위에 걸쳐 비 균일하게 변화된다는 점에 있다.

그 결과, 상기 장치는 적절한 응용에 의해 부과되는 요구에 개별적으로 적응될 수 있다. 만약, 예를 들어 상기 제어 부재가 액체 또는 가스 도관의 밸브 태핏일 경우, 고도의 정확성을 갖는 상기 태핏의 선형 위치 결정은 밸브 태핏의 작은변위를 가질 경우, 즉, 상기 밸브가 약간 개방될 때가 바람직하며, 덜 정확한 상기 밸브 태핏의 선형 위치 결정은 상기 밸브가 넓게 개방될 때, 즉, 큰 선형 변위를 가질 때 허용된다. 결과적으로, 상기 각 범위의 초기 위치에 있어서 회전자의 각 위치 제어에 대한 정확성은 각위치의 종말 위치에 있어서 보다 크며, 그 결과 작은 변위에 대한 제어 부재의 선형 위치 결정의 정확성은 큰 변위에 대한 경우 보다 크다.

상기 회전자의 최대 회전각이 180°이하이므로, 본 발명에 따른 장치는 선형 구동용으로는 적합하지 않은 것처럼 보인다. 그러나, 조동 피치 스핀들이 사용될 때, 약 30 mm 이하의 위치 결정 범위에 도달할 수 있다. 상기와 같은 조동 피치 스핀들을 구동하기 위해 필요한 매우 높은 모터 토크는 본 발명에 따른 장치에 의해 제공될 수 있다. 상기 조동 피치 스핀들을 사용하므로써, 고정자 여기가 드롭 아웃 될 때 회전자를 적합한 각위치 내로 복귀시키기 위해 요구되는 복귀 토크는 감소된다. 결과적으로, 복귀 기구는 에어 갭의 비대칭 형상 및/또는 보조 자석에 의해 실현될 수 있다. 상기 회전자의 각위치는 연속 제어될 수 있으며, 0.1 이하의 각도로 위치결정될 수 있는 정확성이 실현될 수 있다. 따라서, 30 mm 이하의 선형 운동에 대하여, 본 발명에 따른 장치는 공지된 클러 폴 스테퍼 모터를 구비한 장치와 비교하여 매우 우수한 장점을 갖는다.

본 발명에 따른 장치에 의하면 개시 위치로부터 종말 위치로 제어 부재를 이동시키기 위한 0.1 m/s 이상의 평균 속도에 도달될 수 있다. 그와 같은 선형 운동의 높은 평균 속도는 상기 장치의 양호한 동적 특성으로 인해 본 발명에 따른 장치에 의해 단순하고 저 비용으로 성취될 수 있다. 상기와 같은 높은 평균 속도는 클러 폴 스테퍼 모터에 의하여는 거의 도달할 수 없다.

본 발명에 따른 장치에 의하면 15N 이상의 힘이 가하여질 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 특히 상기와 같은 큰 최대 힘을 요할 때 장점을 가진다. 상기와 같은 최대 힘이 요구될 때, 상기 장치는 클러 폴 스테퍼 모터를 구비한 시스템과 비교하여 제조와 비용면에서 현격한 장점을 갖는다. 클러 폴 스테퍼 모터에 의한 최대 힘을 달성하기 위하여 그의 치수는 본 발명에 따른 장치의 경우 보다 훨씬 크게 된다.

또한, 본 발명에 따른 장치는 제어 부재가 500℃ 이상의 주위 온도에 노출되는 경우 장점으로 작용한다. 만약 제어 부재 및 그에 따른 나사식 스핀들이 그와 같은 온도에 노출될 경우, 일반적으로 열팽창은 나사식 스핀들의 신장을 초래한다. 이것은 회전자의 각위치와 제어 부재의 선형 위치 사이의 관계를 변화시키는 원인이 되며, 기준 위치에서 회전자의 각위치와 제어 부재의 선형 위치 사이의 관계를 교정할 필요가 있게 된다. 만약 그와 같은 교정이 요구될 경우, 본 발명에 따른 장치를 사용하므로써 특히 큰 장점을 갖게된다. 클로 폴 스테퍼 모터를 사용할 때와 비교하여, 본원의 경우는 예정된 교정으로 인해 클로 폴 스테퍼 모터 회전자의 최대 회전이 360°로 제한된다는 부가의 장점을 창출한다. 따라서, 클로 폴 스테퍼 모터 회전자의 대응 선형 운동은 기껏해야 회전당 스텝의 수보다 약간 작은 정확성을 갖도록 조절될 수 있다. 따라서, 상기와 같이 응용 분야에 있어서, 본 발명에 따른 장치를 사용하므로써 회전자의 회전각이 연속적으로 변하므로 클러 폴 스테퍼모터와 비교하여 훨씬 높은 정확성을 창출한다.

본 발명에 따른 장치에 의하면, 제어 부재가 10μm 이하의 정확성을 갖도록 위치 결정될 수 있다.

특히 상기와 같은 높은 위치 결정상의 정확성의 경우, 본 발명에 따른 장치는 클로 폴 스테퍼 모터와 비교하여 현격한 장점을 갖는다. 본 발명에 따른 장치에 의해, 상기와 같은 위치 결정상의 정확성은 다순화 및 저 비용화를 실현할 수 있게 된다. 클로 폴 스테퍼 모터의 경우에 있어서, 상기와 같이 높은 위치 결정상의 정확성을 얻기 위해 비교적 큰 원주 길이, 즉 매우 큰 직경을 갖는 모터를 필요로 하게 된다. 이것은 과도한 크기의 모터를 필요로 하게되어 큰 관성 및 열악한 동적 성능을 갖게된다. 그 이외에도 클로 폴 스테퍼 모터을 사용하는 경우 비교적 정교한 피치를 갖는 스핀들 나사를 필요로 하게 된다. 만약 적용상 고정자 전류가 차단될 때 기존의 적합한 위치로의 복귀가 요구될 경우, 상기 스핀들의 정교한 피치 나사로 인해, 매우 높은 복귀력 및 그와 같은 복귀력을 얻기 위한 매우 복잡한 구조가 필요하게 된다.

본 발명에 따른 장치는 내연기관의 배기가스 재순환 도관에 있어서 배기가스 재순환 밸브의 작동을 위해 사용할 수 있다는 장점을 갖는다.

이와 같은 적용을 위한 제어 부재의 선형 운동은 일반적으로 30mm 이하의 값으로 제한되며, 밸브의 차단 위치와 개방 위치 사이의 예정 평균 속도는 0.1m/s 이상이 된다. 상기 배기가스 재순환 밸브의 작동을 위해 종종 15N 이상의 최대 힘을 요구하기도 한다. 또한, 상기 배기가스 재순환 밸브 및 그의 나사식 스핀들은 작동중 600℃ 내지 800℃의 고온 가스에 노출되며, 높은 위치 결정상의 정확성을 필요로 한다.

본 발명에 따른 장치는 내연기관 또는 내연기관을 갖는 자동차에 있어서, 특히 배기가스 재순환 밸브 작동용으로 적합하게 사용될 수 있다는 장점을 갖는다.

도 1 은 암나사를 갖는 회전자, 단일 스트랜드 회전자 및 회전자의 내측 나사산과 맞물림하는 나사식 스핀들을 포함하며, 가스 또는 액체 도관의 밸브 태핏(차단 위치에서 도시됨)을 선형 이동시키기 위한 장치의 단면도.

도 2 는 회전 토크가 2 개의 보조 자석에 의하여 발생하는 제 1 실시예로서, 도 1 에 도시된 장치의 II-II 라인을 절취한 단면도.

도 3 은 회전 토크가 비균일 형상의 에어갭을 제공하므로써 발생하는 제 2 실시예로서, 도 1 에 도시된 장치의 II-II 라인을 절취한 단면도.

도 4는 내연기관의 배기가스 재순환 도관에 있어서 배기가스 재순환 밸브의 작동을 위해 본 발명에 따른 장치를 사용하므로써 얻어지는 장점을 도시한 기본 다이아그램.

본 발명의 실시예는 도 1 내지 도 4 를 참고로 구체적인 실례로서 상세히 설명된다.

도 1 은 가스 또는 액체 도관(2)에 배열된 밸브 태핏(1)을 선형 이동시키기 위한 장치를 도시하는 단면도로서, 상기 단면도는 제 1 실시예 및 제 2 실시예에 적용된다. 상기 가스 또는 액체 도관(2)은 제 1 직경을 갖는 제 1 부위(2a) 및 제 2 직경을 갖는 제 2 부위(2b)를 포함하며, 상기 제 1 직경은 제 2 직경 보다 크다. 상기 가스 또는 액체는 가스 또는 액체 도관(2)을 통해 화살표(3)가 지시하는 방향으로 유동한다. 상기 가스 또는 액체 도관(2)의 제 1 부위(2a) 및 제 2 부위(2b) 사이의 통로(2c)는 밸브 태핏(1)의 선형 운동으로 인해 상기 화살표(3)가 지시하는 반대 방향 및 화살표가 지시하는 방향으로 각각 개방 및 폐쇄 및 개방될 수 있다. 도 1 에 도시된 상황에 있어서, 밸브 태핏(1)은 차단 위치에 위치한다.

상기 밸브 태핏(2)은 수나사(5b)를 구비한 부위(5a)를 갖는 나사식 스핀들(5)에 부착된다. 상기 나사식 스핀들(5)은 사각 체결 부위(5c)를 갖는다. 체결 요소(6)는 나사식 스핀들(5)의 사각 체결 부위(5c)가 영역(6b)에 상호 체결되는 사각 개구부(6a)를 갖는다. 한편, 도시되지는 않았으나, 상기 체결 요소(6)는 장치의 하우징(도시되지 않음)에 부착된다. 상기 나사식 스핀들(5)은 나사식 스핀들(5)의 체결 부위(5c)와 체결 요소(6) 사이에서 함께 작용하므로써 회전에 대항하여 체결된다. 다른 형상의 체결 부위(5c)도 또한 가능하다. 자화 회전체로서 제조된 회전자(7)는 외부 원통형 영구자석(8) 및 내부 원통형 플라스틱 몸체(9)를 포함한다. 부위(9a)에 있어서, 상기 플라스틱 몸체(9)는 암나사(10)를 갖는다. 나사식 스핀들(5)의 수나사(5b)는 암나사(10)와 맞물린다. 상기 회전자(7)는 제 1 베어링(11) 및 제 2 베어링(12)에 의해 장치의 하우징(도시되지 않음)에 지지된다. 고정자(13)는 고정자 권선부(15)가 배열되는 철심 부재(14)를 갖는다. 상기 철심 부재(14)는 선별적으로 강, 소결된 철 또는 적층된 전기시트와 같은 고투자성 물질로 구성된다. 상기 철심 부재(14) 및 원통형 영구 자석(8)은 에어 갭(16)으로 인해 서로 분리된다.

상기 고정자(13) 및 회전자(7)의 작동 및 상세한 구조에 대하여는 도 1 의 II-II 라인을 절취한 단면도에 대한 제 1 실시예를 도시하는 도 2 를 참고로 설명된다. 상기 철심 부재(14)는 U-형상을 가지며, 요크(14c)에 의해 서로 접속되는 제 1 림(14a) 및 제 2 림(14b)을 갖는다. 상기 고정자 권선부(15)는 림(14a 및 14b) 사이의 요크(14c) 둘레에 권선된다. 상기 제 1 빔(14a) 및 제 2 빔(14b)은 각각 외부에서 에어 갭(16)을 한정하는 폴 아크(17,18)를 갖는 폴 슈우(pole shoes)로서 제조된다. 상기 폴 아크(17,18)는 제 1 슬롯(19) 및 제 2 슬롯(20)에 의해 중간에서 단절된다. 제 1 보조 자석(21)은 제 1 슬롯(19)에 매설되며, 제 2 보조 자석(22)은 제 2 슬롯(20)에 매설된다. 상기 원통형 영구자석(8)은 화살표(23)가지시하는 방향으로 2 개의 극을 가지도록 자화되며, 따라서 북극(N)과 남극(S)을 갖는다. 상기 제 1 보조 자석(21)은 화살표(24)가 지시하는 방향으로 2 개의 극을 갖도록 자화되며, 제 2 보조 자석(22)은 화살표(25)가 지시하는 방향으로 자화된다. 상기 에어 갭(16)은 폴 아크(17,18)의 위치에서 일정한 폭을 갖는다.

상기 제 1 보조 자석(21) 및 제 2 보조 자석(22)은 원통형 영구자석(8)용 복귀 기구를 형성하며, 고정자 권선부(15)에 전압이 흐르지 않을 때 원통형 영구자석(8)이 제 1 보조 자석(21) 및 제 2 보조 자석(22)의 자기 플럭스 방향으로 자체 경사질 수 있는 강도 및 방향으로 자기 플럭스를 발생시킨다. 그러나, 상기 회전자(7)는 고정자 권선부(15)에 전압이 흐르지 않을 때 제 1 및 제 2 보조 자석(21,22)에 의해 형성된 복귀 기구로 인해 고정자(13)상의 멈춤 에지(27)에 대항하여 접촉하는 멈춤 핀(26)을 운반한다. 도 2 에 도시된 회전자(7)의 각위치에 대응하는 회전자(7)의 각위치는 각 차단 위치로 언급된다. 상기 멈춤 에지(27)는 제 1 보조 자석(21) 및 제 2 보조 자석(22)의 자화 방향에 대해 10°의 각으로 연장한다. 만약, 상기 고정자 권선부(15)가 고정자 전류로 에너지화 된다면, 상기 회전자(7)는 제 1 및 제 2 보조 자석(21,22)에 의해 가하여진 복귀력에 의해 대립되는 개구 방향(28)에서 시계 방향으로 이동된다. 상기 개구 방향(28)에서의 운동에 대립되는 제 1 및 제 2 보조 자석(21,22)의 복귀 토크는 회전자(7)를 각 차단 위치로 복귀시키려는 경향을 갖는다. 기계적 복귀 스프링을 사용하지 않고도, 복귀 행위를 가하는 기구를 형성한다. 그 결과 상기 장치는 기계적으로나 전기적으로 매우 단순해진다. 그러나 기계적 스프링에 의해 복귀 기구를 형성하는 것도 예측할 수있다. 고정자 전류를 적절히 조절하므로써, 초기에 도 2 에 도시된 각 차단 위치를 형성하고 상기 회전자는 개구 방향(28)으로 약 160°이동될 수 있다. 각 개구 위치에 있어서, 상기 회전자(7)의 멈춤 핀(26)은 개구 방향(28)에서 160°만큼 제 1 멈춤 에지(27)로부터 오프셋되는 제 2 멈춤 에지(29)에 대항하여 접촉한다. 제 1 멈춤 에지(27)가 없을 경우, 상기 회전자(7)는 고정자(13)의 자화가 정지될 때 각위치가 제 1 및 제 2 보조 자석(21,22)의 자화 방향에 대응하는 각위치(0°)로 이동한다. 상기 장치는 각위치(0°)와 각위치(180°) 사이를 사인 형상으로 이동하는 토크를 발생시키며, 상기 회전자(7)는 각위치(0°)에 관해 180°만큼 회전된다. 각위치(0°)와 각위치(180°)에 있어서, 상기 토크는 거의 제로가 되며, 반면 상기 고정자 권선부(15)는 에너지를 받고 상기 회전자(7)의 신뢰성 및 완벽성이 불확실해진다. 따라서, 상기 회전자(7)의 각 차단 위치는 제 1 멈춤 에지(27)에 의해 약 10°만큼 시프트 되고, 각 개구 위치는 제 2 멈춤 에지(29)에 의해 0°의 각위치에 대해 170°만큼 시프트 된다. 또한, 제 1 및 제 2 멈춤 에지(27,29)를 각위치 0° 및 180°에 대해 비대칭으로 배열할 수 있다. 상기 각 차단 위치에 있어서, 제로와는 완전히 다른 토크는 고정자 권선부(15)에 전압이 흐를 때 회전자(7) 상에 작용하며, 상기 회전자(7)는 고정자(13)에 전압이 흐를 때 개구 방향(28)으로 이동된다. 고정자 권선부(15)에서의 전류를 적절히 조절하므로써, 상기 회전자(7)는 각 차단 위치로부터 각 개방 위치로 연속 이동될 수 있다. 따라서, 상기 제 1 및 제 2 멈춤 에지(27,29)는 상기 장치의 신뢰성 및 완벽성을 확실하게 한다.

상기 회전자(7)의 회전 운동을 나사식 스핀들(5)의 선형 운동으로 변환시키는 기술에 대하여 도 1 을 참고로 설명한다. 상기 개구 방향(28)에 있어서 회전자(7)의 회전 운동은 회전자(7)의 암나사(10)와 맞물리는 수나사(5b)에 의해 화살표(3)가 지시하는 반대 방향의 선형 운동으로 변환된다. 그 결과, 상기 밸브 태핏(1)도 또한 화살표(3)가 지시하는 반대 방향으로 이동되며, 상기 가스 또는 액체 도관(2)의 제 1 도관 부위(2a)과 제 2 도관 부위(2b) 사이의 통로(2c)는 개방된다. 상기 밸브 태핏(1)의 선형 운동은, 예를 들어 클러 폴 스테퍼 모터와 같이 분리된 불연속 단계가 아닌 매우 정확하고도 연속적으로 진행된다. 상기 밸브 태핏(1)의 선형 위치에 대한 위치 결정의 정확성을 증가시키기 위해, 상기 회전자(7)는 각위치 발생기(30)를 운반하며, 동시에 회전자(7)의 각위치는 각위치 픽업(31)으로 전달된다. 상기 각위치 발생기(30)는 예를 들면 영구 자석 및 자기 저항 센서인 각 위치 픽업으로서 제조될 수 있다. 그러나, 각위치 발생기(30) 없이 수행될 수도 있으며, 또한 영구 자석(8)의 방사상 자장으로 직접 자기 저항 센서를 구동 할 수도 있다. 또한, 각위치 픽업(31)은 전위차계나 또는 홀센서에 의해 형성될 수 있다. 상기 각위치 픽업(31)은 회전자(7)의 전류 각위치, 즉 회전자(7)의 전류 각위치의 신호 특성을 마이크로컨트롤러(32)로 전달한다. 상기 마이크로컨트롤러(32)는 제어 수단(33) 및 교정 수단(34)을 포함한다. 상기 마이크로컨트롤러(32)는 또한 제어 유니트(35) 및 동력 공급 회로(36)에 결속된다. 상기 동력 공급 회로(36)는 고정자 전류(I_s)를 고정자(13)의 고정자 권선부(15)에 공급한다. 상기 제어 유니트(35)는 제어 정보(S_s)를 마이크로컨트롤러(32)에 공급하며, 상기 정보는밸브 태핏(1)에 의해 취해질 선형 위치를 지시한다. 상기 제어 정보(S_s)에 의존하여, 특정 고정자 전류(I_s)는 마이크로컨트롤러(32)에 의해 설정된다. 이와 같은 고정자 전류(I_s)로 인해, 상기 회전자(7)는 특정 각위치를 취하고, 연속해서 상기 밸브 태핏(1)은 특정 선형 위치를 취한다. 상기 회전자(7)의 전류 각위치는 각위치 발생기(30) 및 각위치 픽업(31)에 의해 마이크로컨트롤러로 전송되고, 필요할 경우, 상기 마이크로컨트롤러는 제어 수단(33)의 도움으로 고정자 전류(I_s)를 보정한다. 각 위치 발생기(30) 및 각위치 픽업(31) 대신에, 나사식 스핀들(5)의 선형 위치를 검출하는 선형 위치 픽업 및 선형 위치 발생기를 사용하는 것도 가능하다. 상기 제어 방식에 의해, 회전자(7)의 각위치에 대한 0.1°이하의 정확성에 도달할 수 있게 되었다.

상기 밸브 태핏(1) 및 대부분의 나사식 스핀들(5)은 가스 또는 액체 도관(2)의 내부에 배열된다. 만약 고온 유체가 상기 가스 또는 액체 도관(2)을 관통할 경우, 상기 나사식 스핀들(5)은 열팽창에 의해 팽창된다. 그 결과, 회전자(7)의 전류 각위치와 밸브 태핏(1)의 전류 선형 위치 사이의 관계가 변한다. 상기 마이크로컨트롤러(32)의 교정 수단(34)은 나사식 스핀들(5)이 팽창하는 경우 상기 관계를 보정하기 위해 작용한다. 상기 밸브 태핏(1)이 도 1 에 도시된 차단 위치에 있을 때, 상기 밸브 태핏(1)의 선형 위치는 명백하게 한정된다. 다음에 마이크로컨트롤러(32)는 상기 밸브 태핏(1)이 차단 위치에 위치한다는 사실을 마이크로컨트롤러(32)에 지시하는 교정 신호를 수용한다. 다음에 상기 회전자(7)의 전류 각위치와 밸브 태핏(1)의 전류 선형 위치 사이의 전류 관계가 교정 수단(34)의 도움으로 교정된다. 그 결과, 나사식 스핀들이 팽창되는 경우에 있어서 밸브 태핏(1)에 대한 성형 위치 결정의 정확성은 현저히 증가된다.

도 3 은 도 1 에 도시된 장치의 II-II 라인을 절취한 단면도에 나타난 본 발명의 제 2 실시예를 설명한다. 제 2 실시예에 있어서, 제 1 실시예에 대응하는 부분에 대하여는 유사한 부호를 사용하였다. 원통형 회전자(7)는 외부 원통형 영구 자석(8) 및 내부 원통형 플라스틱 몸체(9)를 포함한다. 상기 플라스틱 몸체(9)는 암나사(10)를 가지며, 상기 암나사(10)는 나사식 스핀들(5)의 수나사(5b)와 맞물린다. 고정자(13)는 고정자 권선부(15)가 배열되는 철심 부재(14)를 갖는다. 상기 철심 부재(14)는 선택적으로 예를 들면, 강철, 소결된 철 또는 적층된 전기 시트와 같은 고투자성 물질로 구성된다. 상기 철심 부재(14)는 U-형상이며, 요크(14c)에 의해 서로 접속되는 제 1 림(14a) 및 제 2 림(14b)을 가진다. 상기 고정자 권선부(15)는 제 1 림(14a) 및 제 2 림(14b) 사이의 요크(14c) 주위에 감긴다. 상기 철심 부재(14) 및 원통형 영구 자석(8)은 에어 갭(40)에 의해 서로로부터 분리된다. 상기 철심 부재(14)는 2 개의 직경 방향으로 대향된 폴 아크부(41) 및 2 개의 직경 방향으로 대향된 폴 아크부(42)를 갖는다. 폴 아크부(41)의 위치에서 에어 갭(40)은 제 1 폭(B₁)을 가지며, 폴 아크부(42)의 위치에서 에어 갭(40)은 제 2 폭(B₂)을 가지며, 상기 제 1 폭(B₁)은 제 2 폭(B₂) 보다 크다. 원통형 영구 자석(8)은 2 개의 극을 갖도록 자화되며, 따라서 북극(N)과 남극(S)을 갖는다. 상기 고정자 권선 부재(15)에 전압이 가해지지 않을 경우, 상기 회전자(7)는 최소 자기 저항 위치에 대응하는 위치인 자화에 따른 위치를 취한다. 상기 위치는 도 3 에 도시되어 있다. 상기 고정자 권선부(15)에 전압이 가해질 때, 상기 회전자(7)는 자기 복귀력에 의해 가해지는 개구 방향(43)으로 이동된다. 상기 개구 방향(43)으로의 이동에 대립하고 비 균일 형상의 에어 갭(40)으로 인해 발생하는 멈춤 토크는 개구 방향(43)의 반대 방향으로 회전자를 후진 이동시키는 경향을 갖는다. 기계적 복귀 스프링을 사용하지 않고도, 단순한 방식으로 기계적 및 전기적 복귀력을 제공하는 기구가 형성된다. 상기 회전자(7)에 의한 실행상의 신뢰성은, 160°로 운동 범위가 제한되는 멈춤 핀 및 멈춤 에지(도시되지 않음)에 의해, 제 1 실시예와 같은 방법으로 증가될 수 있다.

도 4 는 내연기관(46)의 배기가스 재순환 도관(45)에 있어서 배기가스 재순환 밸브(44)의 작동을 위해 본 발명에 따른 장치의 사용을 도시한 기본 다이아그램이다. 피스톤(48)은 내연기관(46)의 실린더(47) 내에서 이동될 수 있다. 상기 실린더(47)는 흡입 밸브(49), 배기 밸브(50) 및 점화 장치(51)를 갖는다. 흡입 밸브 도관(52), 배기 밸브 도관(53)이 구비되어 있다. 상기 흡입 밸브 도관(52), 배기 밸브 도관(53)은 배기가스 재순환 도관(45)에 의해 서로 접속되어 있다. 배기가스 재순환 밸브(44)는 배기가스 재순환 도관(45)을 개방 및 폐쇄시키기 위해 배기가스 재순환 도관(45)에 포함된다. 연료-공기 혼합물이 혼합 유니트(54) 및 쓰로틀 밸브(55)에 의해 흡입 밸브 도관(52)으로 공급된다. 상기 흡입 밸브(49)가 개방될 때, 상기 연료-공기 혼합물은 실린더(47)내로 유동되고, 상기 피스톤(48)에 의해압축되고, 피스톤 행정의 상사점 이전에 점화되며, 동력이 전달되는 동안 팽창한다. 연속해서, 연료-공기 혼합물은 개방 배기 밸브를 통해 플런저(48)에 의해 배기 밸브 도관 내로 강제 이동한다. 이 부분에서 상기 배기 밸브 도관의 배기 가스는 배기 가스 재순환 밸브(44)가 개방될 때 재 연소되기 위해 배기가스 재순환 도관(45)을 통해 흡입 밸브 도관(52) 내로 복귀될 수 있다. 상기 내연기관(46)은 또한 디젤 엔진일 수도 있다. 상기와 같은 배기 가스 재순환은 내연기관의 오염물질 배출을 감소시키고, 효율을 증가시키며, 연료 소모를 감소시킨다. 상기 배기 가스 재순환 밸브(44)의 밸브 태핏(도시되지 않음)은 본 발명에 따른 장치에 의해 가동된다. 작동 중 배기가스 재순환 도관(45)의 고온 가스는 600°내지 800°사이의 온도를 갖는다. 상기 배기 가스 재순환 밸브(44)의 작동은 종종 15N 이상의 최대 힘과 200ms 이하의 폐쇄 시간을 필요로 한다.

Claims (14)

1. 제어 부재(1), 특히 가스 또는 액체 도관(2)의 밸브 태핏(1)용 선형 작동 장치가 암나사(10)를 갖는 회전자(7)를 포함하며, 상기 암나사의 회전 운동은 회전에 대항하여 제동되고 암나사(10)와 맞물릴 수 있는 나사식 스핀들(5)의 선형 운동으로 전환될 수 있는 제어 부재의 선형 작동 장치에 있어서,

   상기 회전자(7)는 단일 스트랜드 전기 에너지화 고정자(13)와 함께 작용하는 자화 회전체(8)를 포함하며, 상기 회전자(7)의 각위치는 고정자 전류에 의해 조절될 수 있으며, 상기 회전자(7)의 최대 회전각은 180°이하인 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자(7)의 각위치 또는 나사식 스핀들(5)의 선형 위치에 기초하여 센서 신호를 발생시키기 위해 센서 수단(31)이 제공되며, 상기 센서 신호에 기초하여 회전자(7)의 각위치를 제어하기 위해 제어 수단(33)이 제공되는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자(13)의 전류 및 전압을 측정하기 위해 측정 수단이 제공되며, 상기 측정 수단은 회전자(7)의 각위치에 기초하여 측정 신호를 발생시키고, 상기 제어 수단(33)은 측정 신호에 기초하여 회전자(7)의 각위치를 제어하기 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자(7)의 암나사(10) 및 나사식 스핀들(5)의 나사는 30°이상의 피치각을 갖는 조동 피치 나사인 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 제어 부재(1)의 기준 위치에서 제어 부재(1)의 선형 위치 및 회전자(7)의 각위치 사이의 관계를 교정하기 위해 교정 수단(34)이 제공되는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어 부재는 밸브의 밸브 태핏(1)이며, 기준 위치는 밸브의 차단 위치에 대응하는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자(7)와 고정자(13) 사이의 간극(10)은 고정자(13)에 에너지가 가해지지 않을 때 회전자(7)가 적합한 각위치를 취하는 비균일 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자(13)에 에너지가 가해지지 않을 때 회전자(7)를 적합한 각위치로 이동시키는 하나 이상의 보조 자석(21,22)이 제공되는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
9. 제 2 항에 있어서, 상기 회전자(7)의 각위치를 제어하기 위한 센서 수단(31)은 회전자(7)의 자장 또는 하나 이상의 센서(30)에 의해 구동되는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
10. 제 2 항에 있어서, 상기 회전자(7)의 각위치가 제어되는 정확성은 제어 부재(1)의 작용 범위에 걸쳐 비균일하게 변화되는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치.
11. 내연기관(46)의 가스 또는 액체 도관(45)에서 밸브를 작동시키기 위해 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하는 방법에 있어서,

    상기 가스 또는 액체는 작동 중 400℃ 이상의 온도를 갖는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치 사용 방법.
12. 내연기관(46)의 배기가스 재순환 도관(45)에서 배기가스 재순환 밸브(44)를 작동시키기 위해 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 장치를 사용하는 것을 특징으로 하는 제어 부재의 선형 작동 장치 사용 방법.
13. 배기가스 재순환 밸브(44)가 배열되는 배기가스 재순환 도관(45)을 가지며, 상기 밸브는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 내연기관(46).
14. 내연기관(46) 및 배기가스 재순환 밸브(44)가 배열되는 배기가스 재순환 도관(45)을 가지며, 상기 밸브는 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 장치에 의해 작동될 수 있는 것을 특징으로 하는 자동차.

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