KR100598532B1

KR100598532B1 - 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 이엠브이 구동기

Info

Publication number: KR100598532B1
Application number: KR1020040108850A
Authority: KR
Inventors: 한동철; 안형준; 장지욱; 곽상용
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-07-10
Also published as: KR20060070193A; US7255074B2; US20060130785A1

Abstract

본 발명은 엔진의 흡배기 밸브의 개폐동작을 위한 EMV 구동이 영구자석과 전자석이 혼용된 장치를 통하여 밸브의 동작이 선형적으로 이루어지도록 하므로서 밸브의 소프트 랜딩이 가능할 뿐만 아니라 밸브의 개폐량 조절이 보다 능동적으로 이루어질 수 있도록 형성된 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기에 관한 것으로,

상부 코어 및 하부 코어와, 상기한 상부 코어 및 하부 코어의 내부를 향해 밸브의 상부측에서 연장된 아마추어와, 상기한 아마추어가 상부 코어 및 하부 코어의 중립위치에 있도록 아마추어의 상하측에 각각 형성되는 액츄에이터 스프링 및 밸브 스프링과, 상기한 아마추어의 외측에 상기 상부 코어 및 하부 코어에 의해서 고정형성되는 영구자석과, 상기 영구자석의 상측 및 하측에 각각 형성되는 어퍼 코일 및 로어 코어를 포함하여 구성되어, 엔진에 장착된 흡배기 밸브의 개폐동작이 이루어지도록 하기 위한 영구자석와 전자석이 혼용된 EMV 구동기에 있어서,

상기한 어퍼 코일과 로어 코일은 서로 직렬로 연결되어 하나의 전자석을 이루며, 상기한 상부 코어의 상부측에는 아마추어의 이동량을 측정하기 위한 변위 센서가 형성되며, 상기한 변위 센서에서 인식되는 아마추어의 이동량을 제어하기 위해 상기한 어퍼 코일 및 로어 코일로 인가되는 전류량을 조절하는 포지션 콘트롤러가 형성되며, 상기한 변위 센서는 액츄에이터 스프링의 일단을 지지하는 상부 리테이너의 이동량을 감지하도록 상기 상부 리테이너의 외측에 형성된 원통형상의 외통 의 내측에 2개로 분리형성된 것을 특징으로 한다.

EMV 구동기, 영구자석, 전자석, 변위 센서

Description

영구자석과 전자석이 혼용된 선형 이엠브이 구동기{Linear EMV actuator using permanent magnet and electro magnet}

도 1은 본 발명에 의한 형성된 선형 EMV 구동기의 구성도.

도 2는 본 발명에 의한 선형 EMV에 적용되는 센서의 구성도.

도 3은 밸브 개방 동작시의 전자력의 흐름방향을 설명하기 위한 도면.

도 4는 밸브 개방 동작시의 선형 EMV 구동기의 작동상태도.

도 5는 밸브 닫힘 동작시의 전자력의 흐름방향을 설명하기 위한 도면.

도 6은 밸브 닫힘 동작시의 선형 EMV 구동기의 작동상태도.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 밸브 40 : 선형 EMV 구동기

41 : 아마추어 42 : 밸브 스프링

43 : 액츄에이터 스프링 44 : 영구자석

45 : 어퍼 코일 46 : 로어 코일

47 : 상부 코어 48 : 하부 코어

49 : 상부 케이스 50 : 캡

60 : 변위 센서 61 : 외통

62 : 제 1 센서 63 : 제 2 센서

70 : 포지션 콘트롤러 72 : 전류 콘트롤러

본 발명은 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 엔진의 흡배기 밸브의 개폐동작을 위한 EMV 구동이 영구자석과 전자석이 혼용된 장치를 통하여 밸브의 동작이 선형적으로 이루어지도록 하므로서 밸브의 소프트 랜딩이 가능할 뿐만 아니라 밸브의 개폐량 조절이 보다 능동적으로 이루어질 수 있도록 형성된 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기에 관한 것이다.

일반적으로 엔진과 같이 동력을 발생시켜 주는 동력발생장치에는 연소실 내로 혼합기가 흡입되도록 하거나 연소실 내의 배기가스가 외부로 배출되도록 하기 위한 밸브개폐장치(valve train system)가 구비된다.

상기한 밸브개폐장치는 전통적으로 크랭크 샤프트와 캠 샤프트를 통해 이루어지는 기계적인 메카니즘이 많이 이용하여 왔으나, 최근에 들어서는 기계적인 메카니즘을 대신하여 전기적인 자석작용을 이용하는 EMV(Electro-Mechanical Valve train) 구동방식이 많이 개발되고 있다.

상기한 EMV 구동방식으로는 전자석을 이용한 EMV 구동기와, 영구자석과 전자석이 혼용된 EMV 구동기가 있다.

도 7은 종래의 전자석을 이용한 EMV 구동기의 구성을 설명하기 위한 도면(대 한민국 특허청 출원번호 2002-0055972호 참조)이고, 도 8은 종래의 영구자석과 전자석을 혼용한 EMV 구동기의 구성을 설명하기 위한 도면(미국 특허번호 4,779,582호 참조)이다.

우선, 전자석을 이용한 EMV 구동기(1)는 도면에서와 같이 전자석과 스프링만으로 밸브(10)의 왕복운동이 이루어지도록 구성된다. 즉, 밸브(10)의 상부 도중은 밸브 스프링(30)으로써 지지되고, 상기 밸브(10)의 상단에는 아마추어(15)가 직선운동될 수 있도록 위치된다. 아마추어(15)의 양측에는 각각 어퍼 코일(32)과 로어 코일(33)이 배선되어 있으며, 상기 아마추어(15)의 상부측에는 스프링 리테이너(17)가 액츄에이터 스프링(28)에 의해서 탄력지지되는 채로 장착되어 있다.

상기한 전자석을 이용한 EMV 구동기(1)는 상기한 어퍼 코일(32)과 로어 코일(33)에 전류가 교대로 인가되면서 상기 아마추어(15)에 견인력이 걸리면서 밸브(10)의 상하방향 왕복운동이 이루어지게 되는 것이다.

그리고 영구자석과 전자석이 혼용된 EMV 구동기(2)는 도면에서와 같이, 밸브(10)의 강제적인 왕복운동을 위하여 밸브 스템(13)의 도중에는 아마추어(15)가 일체로 형성되어 있으며, 상기 아마추어(15)의 외측으로는 영구자석(20)이 위치되어 있으며, 상기 영구자석(20)의 상부 및 하부에는 각각 어퍼 코일(32)과 로어 코일(33)이 위치되어 있다. 한편, 상기한 아마추어(15)의 상부 및 하부에는 각각 상기 아마추어(15)를 탄력지지하기 위한 액츄에이터 스프링(28) 및 밸브 스프링(30)이 장착되어 있다.

따라서 상기한 영구자석과 전자석이 혼용된 EMV 구동기(2)는 상기한 어퍼 코일(32) 또는 로어 코일(33)에 교대로 전류가 인가될 때에 자력이 발생되어 상기한 아마추어(15)를 위치를 가변시키게 된다. 한편, 상기한 액츄에이터 스프링(28) 및 밸브 스프링(30)의 양의 강성은 영구자석(20)으로 인한 음의 강성과 비슷한 크기를 가진다. 영구자석(20)의 자속은 아마추어(15)와 상부 코어(17) 및 하부 코어(18)를 따라 흐르게 된다. 상기한 아마추어(15)의 위치에 따라서 영구자석(20)에 의한 음의 강성은 양끝단으로 갈수록 커지므로 아마추어(15)의 안정점은 중앙과 양측 끝단이다.

즉, 상기한 영구자석과 전자석이 혼용된 EMV 구동기의 작동을 위해서는 안정점인 한쪽 끝단에 아마추어(15)가 위치되었을 때에 반대쪽 코일(32 또는 33)에 전류를 인가시켜 반대쪽 위치로 이동되도록 한다. 이를 반복하여 아마추어(15)는 왕복운동을 하게 된다. 따라서 영구자석과 전자석이 혼용된 EMV 구동기는 전자석만으로 이루어진 EMV 구동기와는 달리 양측 끝단의 안정점을 벗어나는 왕복운동이 필요할 때만 전류구동이 필요하게 되는 것이다.

그런데 도 7과 같이 구성된 전자석만을 이용한 EMV 구동기의 경우에는 2개의 어퍼 코일 및 로어 코일을 각기 제어하여 1개의 밸브를 작동시키게 되므로서, 실린더 수가 많은 엔진의 경우에는 다수의 전류 제어기, 변위 제어기가 필요하게 되는 문제점이 있었다. 그리고 아마추어의 변위에 따른 코일의 인덕턴스 및 자기력이 크게 비선형적이어서 일반적인 선형 제어기가 아닌 비선형 제어기나 적응 제어기 등 의 고급 제어 기법이 적용되어야만 한다. 특히, 밸브 양단에서 충격으로 인한 문제를 피하기 위한 소프트 랜딩(soft landing)을 구현하기 위한 많은 노력이 필요할 뿐만 아니라, 밸브의 초기 구동시 스프링의 공진을 이용하여 시동하므로서 시간 지연이 발생하고 밸브의 완전한 개폐에 특화하여 밸브의 열리는 정도의 조절이 불가능한 문제점이 있었다.

한편, 도 8과 같이 영구자석과 전자석이 혼용된 EMV 구동기의 경우에는 스프링의 강성과 영구자석의 음의 강성이 비슷하게 설계가 되어 실제 엔진에 장착할만한 수준의 밸브의 왕복속도를 위해서는 많은 양의 전류가 필요하게 되는 문제점이 있었다. 또한, 전자석만을 이용한 EMV 구동기와 동일하게 1개의 밸브를 제어하기 위해서는 2개의 어퍼 코일 및 로어 코일이 필요하게 되므로서 밸브 양단의 충격으로 인한 문제가 발생하게 된다. 밸브 초기 구동시의 문제는 없지만 전자석형 EMV 구동기와 같이 밸브의 열리는 정도의 자유로운 조절의 제어가 힘이 들뿐만 아니라, 제어성 측면에서는 전자석형 EMV 구동기보다는 휠씬 낮지만 비선형성을 이용한 구동기 설계로 제어성이 좋지 못한 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 엔진의 흡배기 밸브의 개폐동작을 위한 EMV 구동이 영구자석과 전자석이 혼용된 장치를 통하여 밸브의 동작이 선형적으로 이루어지도록 하므로서 밸브의 소프트 랜딩이 가능할 뿐만 아니라 밸브의 개폐량 조절이 보다 능동적으로 이루어질 수 있도록 형성된 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기를 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로서,

상기한 어퍼 코일과 로어 코일은 서로 직렬로 연결되어 하나의 전자석을 이루며,

상기한 상부 코어의 상부측에는 아마추어의 이동량을 측정하기 위한 변위 센서가 형성되며,

상기한 변위 센서에서 인식되는 아마추어의 이동량을 제어하기 위해 상기한 어퍼 코일 및 로어 코일로 인가되는 전류량을 조절하는 포지션 콘트롤러가 형성되며,

상기한 변위 센서는 액츄에이터 스프링의 일단을 지지하는 상부 리테이너의 이동량을 감지하도록 상기 상부 리테이너의 외측에 형성된 원통형상의 외통의 내측에 2개로 분리형성된 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 의한 선형 EMV 구동기의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실 시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 형성된 선형 EMV 구동기의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 의한 선형 EMV에 적용되는 센서의 구성도이고, 도 3은 밸브 개방 동작시의 전자력의 흐름방향을 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 밸브 개방 동작시의 선형 EMV 구동기의 작동상태도이며, 도 5는 밸브 닫힘 동작시의 전자력의 흐름방향을 설명하기 위한 도면이며, 도 6은 밸브 닫힘 동작시의 선형 EMV 구동기의 작동상태도이다.

도면 중에 표시되는 도면부호 40은 본 발명에 의해 형성된 선형 EMV 구동기를 지시하는 것이고, 도면부호 60은 본 발명에 의한 선형 EMV 구동기에 적용되는 변위 센서를 지시하는 것이다.

상기한 선형 EMV 구동기(40)는 영구자석과 전자석이 혼용되어 밸브(10)가 상하방향으로 구동되도록 하기 위한 것으로서, 상기 선형 EMV 구동기(40)의 주요 구성요소는 밸브(10)의 상단에 위치되는 아마추어(41)와, 밸브 스프링(42)에 대응하여 아마추어(41)의 위치가 중립이 유지되도록 하기 위한 액츄에이터 스프링(43)과, 상기 아마추어(41)의 외주연에 고정장착되는 영구자석(44)과, 상기한 영구자석(44)의 상부 및 하부에 각각 위치되는 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)과, 상기한 아마추어(41)와 영구자석(44)과 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)을 수용하기 위한 상부 코어(47) 및 하부 코어(48)와, 상기한 상부 코어(47)의 상부측에 위치되어 상기한 아마추어(41)의 구동량을 감지하기 위한 변위 센서(60)를 포함한다.

특히, 본 발명에 의해서 형성된 선형 EMV 구동기(40)의 어퍼 코일(45)과 로어 코일(46)은 서로 직렬로 연결되어 하나의 제어 시스템을 통해서 전류가 흐르게 된다. 즉, 상기한 전류를 제공하는 방향에 따라서 어퍼 코일(45)을 통해서 로어 코일(46)로 전류가 흐르게 되거나, 로어 코일(46)을 통해서 어퍼 코일(45)로 전류가 흐르도록 설정되므로서, 코일의 개수는 2개이지만 결국은 하나의 전자석으로 형성되는 것이다.

그리고 상기한 상부 코어(47)의 상부측으로 돌출되는 아마추어(41)의 상부 로드(51) 끝단에는 액츄에이터 스프링(43)의 하단을 지지하기 위한 상부 스프링 리테이너(53)가 형성되고, 상기한 상부 스프링 리테이너(53)와 액츄에이터 스프링(43)을 수용하기 위한 원통형상의 상부 케이스(49)가 볼트 등에 의해서 상기 상부 코어(47)의 상부측에 고정장착된다.

상부 케이스(49)의 개방된 상부는 별도의 캡(50)에 의해서 씌워지는데, 상기 캡(50)의 하부면에 액츄에이터 스프링(43)의 상부단이 탄력지지된다.

한편, 상기한 상부 케이스(49)의 내주연에는 아마추어(41)의 변위를 감지하기 위한 변위 센서(60)의 외통(61)이 장착되기 위한 홈(49a)이 단차를 두고 형성된다.

상기한 상부 케이스(49)에 장착되는 변위 센서(60)는 아마추어(41)와 일체로 동작되는 상부 스프링 리테이너(53)의 움직임을 감지하기 위하여 파이프 형상의 2개 제1 및 제2 센서(62,63)로 분리형성된다. 상기한 변위 센서(60)는 상부 스프링 리테이너(53)와 소정의 간격이 유지된 채로 장착되어 상부 스프링 리테이너(53)에서 전달되는 전류량이 변화를 기초로 아마추어(41)의 변위량을 감지하는 것으로, 산업기술분야에서 유량 등을 측정하기 위하여 시중에 일반적으로 제공되고 있는 형 식 중의 하나이므로 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고 상기한 변위 센서(60)에서 감지되는 아마추어(41)의 이동량을 제어하기 위하여 상기한 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)로 인가되는 전류량을 조절하기 위한 포지션 콘트롤러(70)가 상기한 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)로 전류가 공급되도록 하기 위한 전류 콘트롤러(72)의 전단에 형성된다.

특히, 상기한 포지션 콘트롤러(70)의 제어에 의해서 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)로 인가되는 전류의 세기를 달리하게 될 경우에는 상기한 아마추어(41)의 이동량이 조절될 수 있는 것이다.

이를 위하여 상기한 액츄에이터 스프링(43)과 밸브 스프링(42)은 아마추어(41)의 위치가 상부 코어(47) 및 하부 코어(48)의 중간 위치에 유지되도록 하는 역할을 수행한다. 그리고 영구자석(44)에서 발생되는 자력은 상기한 액츄에이터 스프링(43) 및 밸브 스프링(44)의 탄성력보다는 약하게 설정되므로서, 영구자석(44)은 아마추어(41)의 구동에는 직접적인 역할을 담당하지는 않지만 아마추어(41)가 중립의 상태가 유지되도록 하는 데에는 관여하며 전기장의 방향은 도 3 및 도 5에서와 같이 영구자석(44)의 외측에서 내측을 향하는 폐곡선상으로 형성된다.

한편, 어퍼 코일(45)과 로어 코일(46)에 발생되는 전기장의 방향은 전류가 인가되는 방향에 따라서 도 3 및 도 5와 같이 커다란 하나의 폐곡선을 이루며 형성된다. 전류의 방향이 바뀌면 전자석에 의해서 생성되는 전기장의 방향은 반대로 변화되지만, 영구자석에 의해서 생성되는 전기장의 방향은 변화되지 않고 동일하게 유지된다.

따라서 전자석에 의한 전기장의 방향과 영구자석(44)에 의한 전기장의 방향이 동일한 위치에는 아마추어(41)에 걸리는 힘이 휠씬 커지게 되어 아마추어(41)의 구동이 가능하게 되고, 전자석에 의한 전기장의 방향과 영구자석(44)에 의한 전기장의 방향이 서로 반대인 경우에는 자력이 감쇄되어 반대편의 자력에 의해 아마추어(41)의 움직임이 지배되도록 한다.

상기와 같은 방식으로 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)로 흐르는 전류의 방향이 변화되고, 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)에 인가되는 전류의 세기가 포지션 콘트롤러(70)에 의해서 제어되므로서 밸브(10)의 선형적이고 점진적인 구동이 가능하게 되는 것이다.

특히, 상기한 선형 EMV 구동기(40)는 밸브 1개당 1개의 전자석만이 사용되므로서 밸브구동장치를 구성하기 위한 전기제어장치가 간단해질 수 있으며, 밸브의 위치에 따른 인덕턴스의 변화가 거의 일어나지 않으며, 엔진의 시동시 초기구동이 가능할 수 있는 것이다.

이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면 엔진의 밸브 1개당 1개의 전자석만이 필요하게 되므로서 밸브의 구동을 위한 밸브구동장치의 전자제어부의 구성이 간단해질 수 있을 뿐만 아니라, 밸브의 구동이 선형적이고 점진적으로 이루어지므로서 밸브의 개폐량 조절이 용이하며 엔진의 운전상황에 따른 밸브의 응답성이 향상될 수 있는 커다란 장점이 있는 것이다.

Claims

상부 코어 및 하부 코어와, 상기한 상부 코어 및 하부 코어의 내부를 향해 밸브의 상부측에서 연장된 아마추어와, 상기한 아마추어가 상부 코어 및 하부 코어의 중립위치에 있도록 아마추어의 상하측에 각각 형성되는 액츄에이터 스프링 및 밸브 스프링과, 상기한 아마추어의 외측에 상기 상부 코어 및 하부 코어에 의해서 고정형성되는 영구자석과, 상기 영구자석의 상측 및 하측에 각각 형성되는 어퍼 코일 및 로어 코어를 포함하여 구성되어, 엔진에 장착된 흡배기 밸브의 개폐동작이 이루어지도록 하기 위한 영구자석와 전자석이 혼용된 EMV 구동기에 있어서,

상기한 어퍼 코일(45)과 로어 코일(46)은 서로 직렬로 연결되어 하나의 전자석을 이루며,

상기한 상부 코어(47)의 상부측에는 아마추어(41)의 이동량을 측정하기 위한 변위 센서(60)가 형성되며,

상기한 변위 센서(60)에서 인식되는 아마추어(41)의 이동량을 제어하기 위해 상기한 어퍼 코일(45) 및 로어 코일(46)로 인가되는 전류량을 조절하는 포지션 콘트롤러(70)가 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기.
제 1항에 있어서,

상기한 변위 센서(60)는 액츄에이터 스프링(43)의 일단을 지지하는 상부 스 프링 리테이너(53)의 이동량을 감지하도록 상기 상부 스프링 리테이너(53)의 외측에 형성된 원통형상의 외통(61)의 내측에 제1 센서(62) 및 제2 센서(63)으로 분리형성된 것을 특징으로 하는 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기.
제 1항 또는 제 2항에 있어서,

상기한 상부 코어(47)의 상측으로는 상부 코어(47)의 상부로 돌출된 상부 스프링 리테이너(53)와 액츄에이터 스프링(43) 및 변위 센서(60)의 수용을 위한 원통형상의 상부 케이스(49)가 장착되는 것을 특징으로 하는 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기.
제 3항에 있어서,

상기한 상부 케이스(49)의 개방된 상부에는 별도의 캡(50)이 조립가능하도록 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기.
제 3항에 있어서,

상기한 상부 케이스(49)의 내주연에는 변위 센서(60)의 외통(61)이 끼워지기 위한 홈(49a)이 단차진 상태로 형성된 것을 특징으로 하는 영구자석과 전자석이 혼용된 선형 EMV 구동기.