KR100865635B1 - 비례 솔레노이드형 특성을 갖는 긴 스트로크 선형 음성 코일 작동기 - Google Patents
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Abstract
비례 솔레노이드형 특징을 제공하는 음성 코일 작동기가 기재되어 있으며, 제 1 및 제 2 자석들이 제 1 연자극편의 다른 단들에 위치되고, 반대 방향들로 자화되며, 상기 제 1 연자극편은 제 1 자석의 길이 및 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는다. 제 1 연자극편의 길이보다 짧은 길이를 갖는 코일이 제 1 연자극편 및 제 1 및 제 2 자석들에 공통인 축을 따라 이동하도록 위치되며, 구조체는 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들 간의 자기 경로를 제공한다.
비례 솔레노이드형 특징, 음성 코일 작동기, 연자극편, 자유단
Description
본 발명은 일반적으로 긴 스트로크 원통형 음성 코일 작동기들에 관한 것이며, 특히 비례 솔레노이드의 특성과 유사한 특성들을 갖는 긴 스트로크 원통형의 음성 코일 작동기에 관한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 통상적인 긴 스트로크 원통형 선형 음성 코일 작동기(10)가 외부의 쉘(shell)(12)과, 긴 축 방향으로 자화된 자석(14)과, 짧은 연자극(16)과 긴 무거운 코일(18)로 이루어져 있다. 도 1은 개방단(open end)을 갖는 이러한 종래의 원통형 작동기의 종축 횡단면도의 1/2을 제공한다. 가장 아래의 수평 라인은 작동기의 중심 라인이다. 도 1의 작동기는 일반적으로 도 2에 도시된 바와 같이, 종(bell) 모양의 힘 대 스트로크(Force vs. Stroke) 곡선을 갖는다. 그러나, 가장 높은 힘이 이동의 초기에 요구되는 응용들에서, 다른 설계가 요구된다. 그러한 작동기에 대한 힘 대 스트로크 곡선은 비례 솔레노이드의 곡선과 유사한 직선이 될 수 있다. 그러나, 비례 솔레노이드의 힘 대 스트로크 특성의 기울기는 스프링에 의해 결정되고, 더구나, 비례 솔레노이드들은 단방향의 장치들이다. 그러므로, 선형 힘 대 스트로크 특성을 갖고, 스프링에 의존하지 않으며, 양방향으로 동작하는 선형 음성 코일 작동기 설계에 대한 필요성이 존재한다.
발명의 요약
본 발명은, 제 1 및 제 2 자석들과, 제 1 자석의 길이 및 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는 제 1 연자극편(soft magnet pole piece)으로서, 제 1 및 제 2 자석들은 제 1 연자극편의 다른 단들에 위치되고, 반대방향들로 자화되는, 상기 제 1 연자극편과, 제 1 연자극편의 길이보다 더 짧은 길이를 가지며, 그 제 1 연자극편 및 제 1 및 제 2 자석들에 공통인 축을 따라 이동하도록 위치되는 코일과, 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들 간의 자기 경로를 제공하는 구조체를 포함하는 음성 코일 작동기의 상기 요구조건을 만족시킨다.
본 발명의 폐쇄단(closed-end) 실시예에서, 자기 투과성 재료의 쉘은 제 1 및 제 2 자석들 및 그 제 1 연자극편 주위에 위치되고, 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들에 결합된다. 슬롯들은 쉘에 제공되어 쉘을 통하여 코일 어셈블리가 부하에 연결될 수 있다. 폐쇄단 실시예에서, 제 1 및 제 2 자석들은 실질적으로 동일한 길이를 가질 수 있다.
본 발명의 단부가 개방된(open-ended) 실시예에서, 개방된 단부(opened-end)가 제 2 연자극편에 제공되고, 쉘은 제 2 자석의 자유단과 접촉하도록, 제 2 연자극편이 제 1 자석의 자유단에 위치되고, 자기 투과성 재료의 쉘이 제 1 및 제 2 자석들, 및 제 1 및 제 2 연자극편들 주위에 위치된다.
이하에 설명되는 바와 같이, 주 응용(subject application)의 선형 음성 코일 작동기는 솔레노이드와 음성 코일 작동기 기술들 간의 브릿지로 고려될 수 있다. 그러한 작동기의 힘 대 스트로크 특성(Force vs. Stroke characteristic)은 운동 방향을 향한 기울기를 갖는 직선이다. 그러나, 어떠한 스프링도 없으며, 운동 방향은 코일에 인가되는 전압의 극성의 간단한 변화에 의해 변화될 수 있다. 솔레노이드와는 달리, 작동기의 이동 부분은 어떠한 자기적인 재료도 가지고 있지 않기 때문에, 어떠한 히스테리시스(hysteresis)도 없다.
주 응용의 선형 음성 코일 작동기 설계는 영구 자석 물질의 비교적 작은 양을 사용하기 때문에, 그 비용은 동일한 스트로크에 대해 설계되는 종래의 작동기(종래 기술)의 비용보다 낮다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들 및 이점들은 본 발명의 다음 상세한 설명 및 첨부 도면들을 고려할 때 보다 쉽게 이해될 것이다.
도 1은 개방단을 갖는 종래의 원통형 작동기의 간략화된 1/2의 종축 횡단면도를 도시한 도면.
도 2는 도 1의 작동기에 대한 통상적인 힘 대 스트로크 곡선을 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 단부가 폐쇄된 원통형 작동기의 간략화된 1/2의 종축 횡단면도를 도시한 도면.
도 4는 좌에서 우 및 우에서 좌의 이동에 대한 도 3의 단부가 개방된 원통형 작동기에 대한 곡선들을 도시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 단부가 개방된 원통형 작동기의 간략화된 종축 횡단면도를 도시한 도면.
도 6은 코일을 위한 다른 수의 암페어-횟수들에 대한 도 5의 단부가 개방된 원통형 작동기에 대한 힘 대 스트로크 곡선들을 도시한 도면.
발명의 상세한 설명
본 발명에 따르면, 비례 솔레노이드형 특성을 갖는 긴 스트로크 음성 코일 작동기의 두가지 다른 구성들, 단부가 폐쇄된 설계, 및 단부가 개방된 설계가 기술된다.
본 발명에 따른 단부가 폐쇄된 구성(20)은 도 3에 1/2의 종축의 횡단면에 도시된다. 이러한 구성은 코일 어셈블리(도시되지 않음)로부터 부하(도시되지 않음)로의 기계적인 연결들을 도출하기 위해 두 개의 종축의 슬롯들(도시되지 않음)을 갖는 외부 쉘(22)과, 동일한 길이이고 반대 방향들로 자화된 두 개의 영구 자석들(24, 26)과, 긴 연자극편(28), 및 서보 응용들에 대해 적절한 짧고 비교적 가벼운 코일(30)을 포함한다. 도 3에서, 두 자석들의 길이는 작동기의 종축에 평행하게 취해지고, 두 자석들의 자화 극성들은 화살표와 문자 "N"으로 표시된다. 그러한 작동기의 에어 갭(air gap)에서 플럭스 밀도(flux density)의 평균 성분(normal component)은 이동의 시작과 끝에서 약간 감소하는 것을 제외하고는 전체 스트로크에서 일정하다. 두 운동 방향들에 대한 이러한 작동기의 힘 대 스트로크 특성들은 도 4에 도시된다.
그러므로, 도 3로부터 알 수 있는 바와 같이, 연자극편(28)의 길이는 자석들(24 또는 26) 중 하나의 길이보다 수 배 더 길다. 자석(24)은 극편(28)의 한쪽 단에 위치되고, 자석(26)은 극편(28)의 다른 쪽 단에 위치된다. 도 4에 도시된 실시예에서, 자석들(24, 26)의 북극들(N)은 극편(28)에 의해 분리된 다른 자석을 행한다. 다른 자극 방위(orientation)들이 사용될 수 있는데, 예를 들어, 자석들(24, 26)이 그들의 남극들(S)이 극편(28)에 의해 분리된 다른 자석을 향하도록 위치될 수 있음을 이해할 수 있다.
외부 쉘(22)은 자기 투과성 재료로 형성되고, 코일(30), 영구 자석들(24, 26), 및 극편(28)을 싸고 있다. 외부 쉘(22)의 한쪽 단(32)은 자석(24)의 자유단에 인접하게 위치되는 반면, 외부 쉘(22)의 다른 단(34)은 자석(26)의 자유 단에 인접하게 위치된다. 바람직한 실시예에서, 영구 자석들(24, 26)은 외부 쉘(22)의 단들(32, 34)과 각각 직접적으로 접촉한다. 그러나 본 발명의 범위 내에서 자석들(24, 26)과 외부 쉘(22) 사이에서 다른 결합 구성들이 사용될 수 있음이 또한 이해되어야 한다. 또한, 작동기 단들(32 또는 34)을 통해, 홀들 또는 슬롯들과 같은 코일 어셈블리로부터 부하로의 다른 기계적 연결들이 사용될 수 있음을 이해해야 한다.
단부가 폐쇄된 설계에서, 부하에 대한 코일 어셈블리의 접속이 때때로 어려울 수 있기 때문에, 단부가 개방된 설계가 바람직할 수 있다. 단부가 개방된 장치의 에어 갭에서 플럭스 밀도의 평균 성분 또한 이동 대부분에서 일정해야 한다. 그러한 설계는 도 5에 도시되며, 본 발명에 따른 단부가 개방된 설계의 횡단면을 제공한다.
이러한 구성(40)의 특징들은 길이가 다르며 반대 방향들로 자화된 두 개의 영구 자석들(42, 44), 자기 회로에 대한 리턴 경로의 일부로서 사용되는 짧은 연자극편(48) 및 긴 연자극편(46)을 포함한다. 코일(50)은 짧고 가벼우며, 코일 베이스(51) 주위에 위치된다. 극편(48)의 길이와 극편(46)의 길이간의 적절한 비가 결정된다. 영구 자석(42)의 길이와 영구 자석(44)의 길이 간의 적절한 비 또한 설정된다. 그러한 하나의 비는 1:2이다.
도 5로부터, 외부 쉘(52)은 폐쇄단(54) 및 개방단(56)을 가짐을 알 수 있다. 영구 자석(42)은 극들 중 하나를 갖고 긴 극편(46)의 한쪽 단에 인접하게 위치되고, 영구 자석(44)은 긴 극편(46)의 다른 단에 인접하게 배치된다. 자석(42)이 긴 극편(46)을 향하는 북극(N)을 가지면, 자석(44)도 그의 북극(N)이 긴 극편(46)을 향하도록 위치될 수 있고, 그 반대도 성립한다. 짧은 극편(48)은 자석(44)의 자유단에 인접하게 위치되므로, 그 자유단이 외부 쉘(52)의 폐쇄단(54)에 인접하게 위치된다. 자석(42)의 자유단은 외부 쉘(52)의 폐쇄단(54)에 인접하여 위치된다. 본 발명의 단부가 개방된 구성(40)의 바람직한 실시예에서, 영구 자석(42)의 자유 단은 외부 쉘(52)의 폐쇄단(54)과 직접 접촉하지만, 다른 결합 배치들이 본 발명의 범위 내에서 사용될 수 있다.
본 발명의 단부가 개방된 구성(40)의 일실시예에서, 자석(44)은 실질적으로 자석(42)의 길이의 두 배이며, 짧은 극편(48)은 자석(42)의 극편보다 더 길지는 않으며, 외부 쉘(52)은 짧은 극편(48) 근처의 지점으로부터 자석(42)의 자유단에 가까운 지점까지 연장한 부분을 갖는다. 더구나, 긴 연자극편(46)의 길이는 영구 자석들(42, 44) 중 하나의 길이보다 길고, 코일(50)의 길이는 긴 연자극편(46)의 길이보다 짧다.
도 5에 도시된 단부가 개방된 실시예에서, 짧은 극편(48)은 대략적으로 코일(50)의 극편의 1과 1/2배의 길이를 갖는다. 코일(50)은 영구 자석(42)의 길이보다 약간 짧은 길이를 갖는다. 영구 자석(44)은 영구 자석(42)의 대략적으로 두배의 길이를 갖는다. 긴 극편(46)은 영구 자석(44)의 길이의 대략적으로 네(4)배인 길이를 갖는다.
코일에서 다른 수의 암페어 회수들에서 본 발명의 단부가 개방된 설계의 힘 대 스트로크 특성들이 도 6에 도시된다. 각 라인의 기울기는 "전자기 스프링 (electromagnetic spring)" 상수로서 해석될 수 있는 코일 내의 전류에 의존함을 이해해야 한다.
작동기에 의해 개발된 힘은 다음 방정식:
F = Fconst - K(x-s/2)
으로 기재될 수 있으며, 여기서,
Fconst는 스프링 효과를 고려하지 않고, 중간-스트로크에서의 힘이고;
K는 "전자기 스프링" 상수이고;
x는 운동 방향에 따른 좌표이고;
s는 전체 스트로크이다.
"전자기 스프링" 상수는 기하구조(geometry), 자기 재료들 및 코일 내의 전류의 양에 의해 결정될 수 있다. 주어진 기하구조에 대해서는, 엄밀히 말하자면 전류의 함수이다. 이러한 상수는 예를 들어, 다음과 같이 도 6에 도시된 각각의 특징으로부터 얻어질 수 있으며:
K = 2(Fo-Fconst)/s,
여기서, Fo는 스트로크의 초기에 작동기에 의해 개발된 힘이다.
본 명세서에서 사용된 용어들 및 표현들은 제한이 아닌 설명으로 의도된 것이며, 도시되고 기재된 특징들 또는 그 부분들과 동등한 것들을 배제하는 용어들 및 표현들을 사용하는 것으로 의도된 것이 아니며, 여러가지 변경들이 청구된 발명의 범위 내에서 가능함을 인식해야 한다.
Claims (6)
- 음성 코일 작동기에 있어서,길이를 갖는 제 1 자석;길이를 갖는 제 2 자석;상기 제 1 자석의 길이 및 상기 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는 제 1 연자극편(soft magnetic pole piece)으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 상기 제 1 연자극편의 다른 단들에 위치되고, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 반대 방향들로 자화되는, 상기 제 1 연자극편;상기 제 1 연자극편의 길이들보다 짧은 길이를 가지며 상기 제 1 연자극편과 제 1 및 제 2 자석들에 공통인 축을 따라 이동하도록 위치되는 코일; 및상기 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들 간의 자기 경로를 제공하는 구조체를 포함하며,상기 제 1 및 제 2 자석들, 상기 제 1 연자극편, 및 상기 구조체는 상기 코일이 이동하는 스트로크 거리(stroke distance)상에서 균일한 갭(gap)을 형성하도록 배치되는, 음성 코일 작동기.
- 음성 코일 작동기에 있어서,제 1 자석;제 2 자석;공통의 축을 따라 상기 제 1 및 제 2 자석들 간에 위치된 제 1 연자극편으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 반대 방향들로 자화되고, 상기 제 1 연자극편은 상기 공통의 축을 따라 상기 제 1 자석의 길이 및 상기 제 2 자석의 길이보다 더 긴 길이를 갖는, 상기 제 1 연자극편;상기 제 1 연자극편의 길이보다 짧은 길이를 가지며, 상기 공통의 축을 따라 이동하도록 위치된 코일; 및상기 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들 간의 자기 경로를 제공하는 구조체를 포함하며,상기 제 1 및 제 2 자석들, 상기 제 1 연자극편, 및 상기 구조체는 상기 코일이 이동하는 스트로크 거리상에서 균일한 갭을 형성하도록 배치되는, 음성 코일 작동기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 자석의 상기 길이는 상기 제 2 자석의 상기 길이와 실질적으로 동일한, 음성 코일 작동기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,상기 제 1 자석의 상기 길이는 상기 제 2 자석의 상기 길이의 실질적으로 두배이고, 상기 구조체는 상기 제 1 자석의 상기 자유단에서 상기 공통의 축을 따라 위치되고 상기 제 1 자석의 상기 길이보다 더 길지 않은 길이를 갖는, 제 2 연자극편과, 상기 제 2 연자극편 부근의 지점으로부터 상기 제 2 자석의 상기 자유단으로 연장하는 쉘(shell) 부분을 더 포함하는, 음성 코일 작동기.
- 단부가 폐쇄된(closed-ended) 원통형 음성 코일 작동기에 있어서,제 1 자석;제 2 자석;공통의 축을 따라 상기 제 1 및 제 2 자석들 간에 위치된 제 1 연자극편으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 반대 방향들로 자화되고, 상기 제 1 연자극편은 상기 공통의 축을 따라 상기 제 1 자석의 길이 및 상기 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는, 상기 제 1 연자극편;상기 제 1 연자극편의 길이보다 짧은 길이를 갖고, 상기 공통의 축을 따라 이동하도록 위치된 코일;상기 제 1 및 제 2 자석들과 상기 제 1 연자극편 주위에 위치되고, 상기 제 1 및 제 2 자석들의 자유단들에 결합되며, 코일 어셈블리가 부하에 연결되는 두 개의 세로의 슬롯들을 갖는 자기 투과성 재료의 쉘을 포함하며,상기 제 1 및 제 2 자석들, 상기 제 1 연자극편, 및 상기 구조체는 상기 코일이 이동하는 스트로크 거리상에서 균일한 갭을 형성하도록 배치되는, 단부가 폐쇄된 원통형 음성 코일 작동기.
- 단부가 개방된(open-ended) 원통형 음성 코일 작동기에 있어서,자기 투과성 재료의 쉘;제 1 자석;제 2 자석;공통의 축을 따라 상기 제 1 및 제 2 자석들 간에 위치된 제 1 연자극편으로서, 상기 제 1 및 제 2 자석들은 반대 방향들로 자화되고, 상기 제 1 연자극편은 상기 공통의 축을 따라 상기 제 1 자석의 길이 및 상기 제 2 자석의 길이보다 긴 길이를 갖는, 상기 제 1 연자극편;상기 제 1 연자극편의 길이보다 짧은 길이를 갖고, 상기 공통의 축을 따라 이동하도록 위치된 코일; 및상기 제 1 자석의 자유단에 위치된 제 2 연자극편을 포함하고,상기 쉘은 상기 제 2 자극편에서 개방단을 제공하고, 상기 제 2 자석과 접촉되도록 상기 제 1 및 제 2 자석들 및 상기 제 1 및 제 2 자극편들 주위에 위치된, 단부가 개방된 원통형 음성 코일 작동기.
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