KR100978523B1 - 전기식 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 토로이드형의 자기장을 발생시키는 코일들 간의 인력과 척력을 이용한 액추에이터의 구조와 원리에 관한 것이다.

일정부분 포개어진 두 개의 솔레노이드 코일들은 두 코일 간의 전류회전 방향에 따라 로렌츠 힘을 받으며, 이 힘의 방향은 두 코일에 흐르는 전류의 방향에 따라 방향이 일치하면 겹침이 늘어 자기장이 중첩 보강되는 영역이 늘어나는 방향인 인력으로, 전류 회전 방향이 반대이면 겹쳐짐이 줄어 자기장이 상쇄되는 영역이 줄어드는 방향인 척력으로 작용한다. 이때 겹침이 풀리면 두 코일간의 전류 방향에 따른 인력과 척력 관계는 반대로 변하며 지나치게 겹쳐질 때에는 이용하기에 유효한 힘이 작용하지않게 된다. 따라서 본 발명에서는 일정 부분만 적당히 겹쳐진 경우에 두 코일 간에 작용하는 힘을 이용한다.

상기한 겹쳐진 솔레노이드 간의 힘을 이용하여 직선방향의 안정적인 구동력을 얻기 위해서는 균일한 내부 자기장 강도 분포를 가진 긴 솔레노이드 코일이 필요한데, 이는 코일들을 운동 축 주위로 방사상으로 배치하여 토로이드형의 자기장을 생성시키는 구조를 이용하면 작은 공간 내에서도 축 방향으로는 적당한 자기장 균일성을 얻을 수 있으며, 이러한 토로이드 코일 두 개를 일정부분 겹쳐서 배치한 구조를 이용하여 축 방향의 힘을 발생시키는 전기식 액추에이터를 만들 수 있다.

액추에이터, 전기식, 토로이드, 근육, actuator, electrical, torid, toroidal, muscle

Description

전기식 액추에이터 {Electrical Actuator}

본 발명은 전기에너지를 이용하여 직선 왕복운동을 하는 새로운 구조의 액추에이터에 관한 것이다.

액추에이터는 전기식, 공압식, 유압식, 압전 소자를 이용한 방식 등이 사용되고 있으며, 이중 전기식의 경우 전기모터의 회전력을 직선운동으로 바꾸어주는 방식과 직접 직선 운동을 하는 방식으로 구분될 수 있다. 본 발명도 직접 직선운동을 하는 방식의 액추에이터로 분류된다.

상기한 배경기술에서 언급한 각 방식의 액추에이터 중 전기모터의 회전력을 직선 운동으로 바꾸어주는 방식은 그러한 변환방식에서 사용하는 기계적인 구조에 따라 다양한 특성을 나타내므로 다른 방식과의 직접비교에서 제외하고 직접 직선 운동하는 전기식 액추에이터와 나머지 세 방식을 구동력, 구동거리, 구동속도의 세 가지 측면에서 비교하면. 현재 일반적으로 구현 가능한 구동력이 큰 순서대로 나열하면 "유압식 => 압전소자식 > 공압식 => 전기식" 의 순서이며, 구동거리의 측면에서는 "공압식 = 유압식 > 전기식 > 압전소자식" 의 순서, 구동속도의 측면에서는 "압전소자식 > 전기식 > 공압식 > 유압식" 의 관계를 갖는다. 여기에 유압식과 공압식은 따로 유체압축기가 부가되어야 한다는 단점이 있다. 이러한 비교에서 볼 수 있는 각 방식의 단점을 보완하여, 구동력의 측면에서 유압식보다 강하고, 구동거리의 측면에서는 공압식/유압식과 비슷하고, 구동속도의 측면에서는 전기식의 고유한 속도를 유지하는 새로운 전기식 액추에이터를 구현하는 것이 본 발명의 과제이다.

상기한 세 가지 해결하고자하는 과제 중 기존의 전기식 액추에이터에서 개선하여야할 점은 구동력과 구동거리인데, 본 발명에서 제시하는 도면의 순서대로 구동거리 부분부터 해결수단을 제시하기로 한다.

전기식 액추에이터가 공기식이나 유압식 같은 유체의 압력을 실린더와 피스 톤을 이용하여 직선 구동력으로 바꾸는 방식보다 구동거리가 짧은 이유는 유체를 이용할경우 압력이 균일하게 분포하며, 피스톤의 이동거리에 따른 압력감소가 없다. 반면, 기존의 NS 극간의 인력 및 반발력을 이용하는 전기식 액추에이터는 유체와는 달리 자석의 NS극간에 작용하는 균일하지않은 자기장에서 자석이 받는 힘을 이용하기 때문이다. 이는 비유하자면 작동거리가 멀어짐에 따라 압력이 감소하는 가상의 유체를 사용한 것과 같은 효과이다. 좀더 자세히 설명하자면

두 자석 간에 작용하는 힘은 균일하지않은 자기장 내에서 자석이 받는 힘이라는 것은 공인된 사실이며, 국소적으로 거의 균일한 지구 자기장과 상호작용하여 힘을 받는 자석 나침반이 남북극을 가리키는 회전력은 강하나 북반구의 경우 미약하게 자기장이 더 강한 북쪽으로 자석 전체가 끌려가는 힘은 거의 무시할만하다는 사실로 쉽게 알 수 있는데, 이는 솔레노이드를 기반으로 하여 NS극간의 인력과 반발력을 이용하는 경우도 마찬가지이다. 즉 균일한 자기장내에서는 자석의 양쪽 극이 받는 힘이 상쇄된다고도 묘사될 수 있고, 이는 솔레노이드 모델을 이용하여 축 방향에서 자기 선속 량이 변화하는 만큼 솔레노이드의 축 방향에 수직으로 발산 또는 수렴하는 자기장성분이 생기며 그 성분에 대하여 솔레노이드의 각 도선이 로렌츠 힘을 받게 된다는 좀더 정밀한 설명과도 완전히 동일한 결과이다. 따라서, 균일하지않은 자기장에서 기인하는 자석의 NS극간의 힘 보다는 균일한 자기장에서 전류가 흐르는 도선이 받는 로렌츠 힘을 직접 분석하여 효율적인 구조를 고안하는 것이 바람직하다.

그러한 힘을 발생시키는 기본구조로서 직사각형 코일 간에 작용하는 힘을 도 1을 이용하여 분석하면, 도 1은 두 개의 직사각형 코일들이 좌우방향을 x축 상하방향을 y축, 그림을 보는 시점을 z축 방향이라 한다면, x축 방향으로는 완전히 일치하고, y축 방향으로는 일부 겹치고, z축 방향으로는 둘 다 무한히 긴 솔레노이드 코일이 겹친 것으로 가정한다. 이 경우 도 1 그림 상하의 각각의 직사각형 영역 안에는 균일한 자기장이 형성되며 영역 밖에는 자기장이 0이 된다. 이때 도 1 그림 왼쪽 위의 코일에 표시 1,5,6,9 방향으로 순환 전류가 흐르고 아래쪽 코일에 표시 3,7,8,10 방향으로 순환 전류가 흐르면, 표시 4의 영역에서는 자기장이 중첩되어 강화되고 표시 2, 11의 영역에서는 자기장이 상쇄된다. 이때 표시 9 의 전류가 흐르는 도선은 아래쪽 방향으로 로렌츠 힘을 받게 되고, 표시 3의 전류가 흐르는 도선은 위쪽으로 로렌츠 힘을 받게 되어, 두 코일은 수축하는 방향으로 힘을 받게 된다. 한편 도 1의 오른쪽 위의 코일에 표시 12,16,17,20 방향으로 순환 전류가 흐르고, 아래쪽 코일에 표시 15,18,19,22 방향으로 순환 전류가 흐르면 표시 13, 21의 영역에서는 자기장이 중첩되어 강화되고 14의 영역에서는 상쇄된다. 이때 표시 20의 전류가 흐르는 도선은 위쪽으로 힘을 받게 되고, 표시 15의 전류가 흐르는 도선은 아래쪽으로 힘을 받게 되어, 두 코일은 신장하는 방향으로 힘을 받게 된다. 상기한 수축방향의 힘과 신장 방향의 힘의 관계와 전류회전 방향의 관계는 두 코일의 자기장이 중첩되어 강화되는 영역이 늘어나고 상쇄되는 영역이 줄어드는 방향으로 힘이 작용한다고 간편하게 묘사될 수 있다.

무한히 긴 솔레노이드에서 내부의 자기장은 균일하므로 구동거리는 직 사각 솔레노이드 코일의 y축 방향의 폭 만큼이 되며, 이는 공압식이나 유압식에서 피스 톤을 이용하여 직선 운동을 얻는 경우와 같은 신장시 2, 수축시 1의 크기에서 1의 액추에이터 구동 거리를 얻게 된다.

그러나, 상기한 솔레노이드를 균일한 자기장을 얻기 위해 사용한다면, 도 1 의 z축 방향으로 상당한 길이를 가진 솔레노이드 코일이 필요하게 되며, 구동 거리는 신장시와 수축시의 비의 측면과 액추에이터의 폭과 구동거리의 비의 두 가지 측면에서 평가할 수 있는데, 이중 폭과 구동거리의 비 측면에서 솔레노이드는 적합하지않다. 다행히 그러한 측면을 개선할 수 있는 토폴로지가 존재하는데 그것은 토로이드 이다. 토로이드 형의 자기장을 발생시키는 코일을 이용한 액추에이터가 본 발명에서 제시하는 기본형이며, 이를 도 2와 도 3을 통하여 설명하면, 도 2와 도 3은 도 1의 y축 방향을 높이 방향 h축으로 규정하고, 도 1의 x축 방향을 r 방향으로 규정하며, 여기에 각도 θ를 추가하여, 도 1의 2차원 표현을 3차원 실 공간으로 확장하여 실제 액추에이터 구조를 구성한 것이다. 그 중 도 2는 그러한 구조를 h축 방향에서 내려다 본 모양이다. 도 3은 그러한 구성을 입체적으로 표시한 그림으로서, 본 발명의 액추에이터의 기본구조는 도 3 표시 38의 이동자가 도 3 표시 39의 고정자에 삽입되어, 도 3 표시 40의 액추에이터를 구성하는 구조이다. 이 중 도 3 표시 38의 이동자의 구조를 도 2를 통하여 살펴보면, 도 2의 가장 왼쪽 그림은 표시 38 이동자를 h축 방향에서 내려다 본 모양이다. 도 1의 위쪽 솔레노이드를 구성하는 직사각형 코일을 도 2 표시 29 중심 지지 원통 주위에 방사상으로 표시 23, 24, 25, 26, 27, 28의 6 엽을 고정 배치하여 중심지지 원통 주위로 토로이드형의 자기장을 형성하도록 한 구조를 묘사하였다. 물론 각각의 코일은 단일이 아닌 여러 번 감은 코일이 실제 주로 이용될 것이다. 이러한 방사상으로 배치된 코일들은 r축 방향으로는 토로이드 코일 내부에서 급격한 자기장 강도 증가와 완만한 감소를 나타내는 좋지않은 균일성을 보이지만 액추에이터 구동 방향인 h축 방향으로는 상당히 양호한 자기장 강도의 균일성을 보여주며, 이는 그 자기장 강도가 유지되는 거리만큼 구동거리를 보장해 준다. 이는 애초에 목표하였던 피스톤 구동방식의 공압식이나 유압식과 비슷한 정도로 기존의 전기식 액추에이터의 짧은 구동거리의 단점을 개선한다. 또한 토로이드형 자기장의 이용은 자기력을 이용한 전기식 모터나 액추에이터에서 종종 문제시되는 자기장의 누설을 줄이는 효과도 부수적으로 얻게 된다. 본 명세서의 도면들은 6엽의 방사상으로 배치된 코일들을 다루고 있으나 방사상 배치되는 엽 수는 2 이상의 임의의 자연수라면 무엇이든 가능하며, 그 수가 증가할수록 h축 방향의 자기장 분포의 균일성과 액추에이터 외부로의 자기장 누설을 극소화시키는 바람직한 효과를 얻게 된다. 통상 배치하기 편리한 6엽 정도면 충분히 쓸만한 특성을 얻을 수 있으며,좀더 나은 특성이 필요한 경우 제작상의 수고를 더하여 더 많은 엽 수를 선택할 수 있다. 비슷한 방법으로 도 3 표시 39의 고정자도 구성되며, 이때 고정자의 직사각형 코일들 도 2 표시 30, 31, 32, 33, 34, 35의 6 엽은 도 2 표시 36의 외부 지지 원통에 고정되며, 외부 고정자의 코일들과 중심 이동자의 코일들은 도 2 표시 37 두 부품이 결합 된 액추에이터의 상부 표시 그림에서처럼, 쌍방 코일 사이의 빈 공간 사이로 미끄러지며 운동할 수 있도록 배치된다. 표시 37은 중심 이동자와 외부 고정자 사이의 공간이 여유있도록 표시되었으나, 실제 응용시는 그러한 공간에서 미끄러질 수 있는 최소한의 공간만을 남겨두고 도선을 더 많이 감는 공간으로 활용될 것이다. 또한, 본 명세서의 도면에는 가독성을 위하여 생략하였는데, 중심 지지 원통과 외부 지지 원통에는 쌍방의 코일들이 미끄러질 홈 같은 수단이 필요함도 자명하다. 상기한 구조는 도 3에서 입체적으로 표현 하였다. 도 3 표시 38이 중심 이동자의 기본 모양이 되며 이는 도 3 표시 39의 외부 고정자에 도 3 표시 40에서 보여지는 것처럼 삽입되어 전류 방향의 조절에 따라 상하 방향의 구동력을 발생하게 되며 이것이 본 발명에서 제시하는 액추에이터의 기본 단위 구조가 된다.

상기한 방법으로 구동 거리에 관한 과제는 해결되며, 이어서 유압식보다 강한 구동력의 구현이란 측면에서 살펴보기로 한다. 전기식 액추에이터의 구동력은 사용되는 자기장의 강도에 의하여 결정되며, 이는 코일에 흘릴 수 있는 전류에 결정된다. 코일에 흐르는 전류는 코일을 감는 도선의 저항에 의해 열을 발생하게 되며, 이 열에 의한 온도 상승은 도선의 저항을 증가시키는 것으로 특성을 악화시키고, 지나친 고온은 도선 간의 절연 물질을 손상하게 되며, 더 심한 경우 코일이나 주위 기계적인 지지구조를 녹이는 식으로 액추에이터의 구동력을 제한하게 된다. 도 3의 구조를 기존의 구리선을 도선으로 구현할 경우 외부 지지 원통의 지름이 동일할 경우 공압식 액추에이터 정도의 구동력은 쉽게 얻을 것이나 건설 공사현장 등에서 사용되는 중장비용의 유압식 액추에이터의 구동력은 구리 도선으로는 구현이 어렵다. 이러한 문제의 해결은 구리보다 전기전도성이 좋은 재질로 된 도선의 사용이나 코일의 냉각등의 방법으로도 해결될 수 있으나, 본 발명의 기본 구조를 확장 응용하여도 해결할 수 있다. 도 3의 구조를 살펴보면 기계적인 힘을 지지하는 것은 중심지지 원통과 외부지지 원통이라는 단순한 구조이고 상면과 하면에 칸막이가 필수가 아닌 구조이므로, 도 3의 단위 액추에이터를 직결하는 방식으로 액추에이터 지름의 증가 없이 구동력을 키울 수 있다. 다만 도 3의 단위 구조를 직접 포갤 수는 없으며, 도 4에서 제시하는 구조가 직결하여 구동력을 키우는 응용에서의 단위 구조이다. 도 4를 살펴보면, 도 3과는 달리 이동자와 고정자가 단 층 구조가 아닌 복층 구조임을 볼수있다. 도 3의 구조를 직접 직결하면 고정자에서 빠져나오는 이동자의 코일이 반대방향의 힘을 받게 된다. 이를 피하기 위해 도 4 표시 41의 이동자와 표시 42 이동자는 서로 반대 방향으로 회전하는 자기장을 형성하도록 전류를 흘리며, 마찬가지로 도 4 표시 43의 고정자와 44의 고정자 역시 서로 반대방향의 회전 자기장을 형성하도록 전류를 흘린다. 이러한 구조는 한 쌍을 단위로 계속 반복될 수 있으므로 도 4의 표시 45가 여러 층을 직결하여 구동력을 키우는 기본 단위 구조가 된다.

도 4의 구조는 여러 층을 직결할수록 구동력이 강해지나 그만큼 수축시 길이와 구동거리의 비는 나빠진다. 여러 층을 직결하여 구동력을 강화하면서도 도 3의 기본 구조만큼의 구동 거리를 얻기 위해서는 좀더 정교한 구조가 필요하다. 도 4의 구조가 여러 층을 직결할수록 수축시 길이와 구동력의 비가 나빠지는 이유는 도 3의 단위 구조 이상의 거리를 중심 이동자가 움직이기 위해서는 중간에 이동자와 고정자의 코일들이 지나치게 겹쳐져 구동력이 발생하지 않는 장벽구간을 통과하여야 하기 때문이다. 이러한 장벽구간은 각 코일의 층마다 한번 씩 나타나며, 그러한 장벽구간의 폭은 회전하는 자기장의 분포에 달려있다. 도 5를 통하여 그러한 장벽구 간을 극복하는 방법을 살펴 보기로 한다.

도 5의 표시 51은 상기한 구동력 직결 구조를 위하여 외부 고정자들을 적층한 모양이다. 이때 각각의 층에서 자기장의 회전방향은 서로 반대방향으로의 반전이 반복되고 있다. 이러한 자기장의 강도를 높이 h축 방향에 따라 묘사하면, 각각의 층에서 자기장 강도가 균일하게 유지되다가 층간의 경계를 기점으로 토로이드 자기장의 회전 방향이 반전되면, 이는 구형파 형태의 자기장 강도 분포로 묘사된다. 각각의 층에서 연속적으로 변화하는 경우 이는 사인파 형태의 강도 분포로 묘사된다. 실제의 강도 분포는 코일의 높이 중심 지지 원통의 직경, 외부 지지 원통의 직경, 그리고 외부 고정자의 코일 엽 수 등 다양한 요인에 영향을 받는 복잡한 함수이나 대략 구형파와 사인파의 중간쯤의 꼴을 하고 있는 분포이다. 각각의 코일의 높이 방향의 길이가 폭에 비해 길면 길수록, 코일의 엽 수가 많으면 많을수록 높이 방향의 자기장 강도 분포는 구형파에 가까워지고, 반대의 경우에는 사인파에 가까워지는 것을 볼 수 있다. 이를 상기한 장벽구간의 개념을 이용하여 정리하면 각 코일의 높이 1에 대해 완전한 구형파일 경우 장벽구간의 폭은 0, 사인파의 경우 장벽구간의 폭은 0.5로 정의할 수 있다. 따라서, 장벽구간의 가능한 범위는 0 < 장벽구간 <= 0.5의 범위를 갖는다고 규정할 수 있다.

상기한 장벽구간의 성질을 이용하여 단위 액추에이터를 직결하여 구동력을 키우면서도 장벽구간을 극복하여 기존의 단위 액추에이터의 구동거리를 유지하는 방식을 도 5의 예를 이용하여 설명하기로 한다. 표시 51은 구동력을 키우기 위해 자기장 회전 방향이 서로 반대 되도록 쌓인 고정자의 표시이다. 표시 50은 이에 삽 입될 중심 이동자의 표시이다. 장벽구간을 극복하기 위하여 각각의 코일 층 표시 46, 47, 48, 49는 연속되지않고 장벽구간의 거리만큼 간격을 두고 배치된다. 이러한 여유 간격에 의해 하나의 이동자 코일이 장벽구간에 들어서서 구동력을 잃게 되더라도 인근의 이동자 코일은 여전히 구동력을 유지할 수 있다.

상기한 이동자에서 전류 방향 조절은 거리에 따라 능동적으로 이루어져야 한다. 장벽 거리가 1/2일 경우 첫 번째 이동자 코일이 장벽구간 내에 있다면 어느 한쪽 방향으로 작용하는 힘을 발생하기 위한 전류방향은 0,1,0,-1의 반복 패턴이 되고, 장벽거리가 1/3일경우 0,1,-1,0,1,-1의 패턴으로, 1/4의 경우 0,1,-1,1,0,-1,1,-1이 되고, 1/5일 경우 0,1,-1,1,-1,0,1,-1,1,-1 이 된다. 이러한패턴은 1과 -1의 반복 중간에 1/n의 장벽거리에 따라 0이 n번째 마다 한번 씩 삽입되는 것으로 설명된다. 이동이 진행됨에 따라 0의 위치에서 전류 방향을 반전시키게 되며 이를 장벽거리 1/4, 와 1/5의 예를 들어 표를 통해 설명하면,

1/4의 경우

0	1	-1	1	0	-1	1	-1
1	0	-1	1	-1	0	1	-1
1	-1	0	1	-1	1	0	-1
1	-1	1	0	-1	1	-1	0
0	-1	1	-1	0	1	-1	1
-1	0	1	-1	1	0	-1	1
-1	1	0	-1	1	-1	0	1
-1	1	-1	0	1	-1	1	0

1/5의 경우

0	1	-1	1	-1	0	1	-1	1	-1
1	0	-1	1	-1	1	0	-1	1	-1
1	-1	0	1	-1	1	-1	0	1	-1
1	-1	1	0	-1	1	-1	1	0	-1
1	-1	1	-1	0	1	-1	1	-1	0
0	-1	1	-1	1	0	-1	1	-1	1
-1	0	1	-1	1	-1	0	1	-1	1
-1	1	0	-1	1	-1	1	0	-1	1
-1	1	-1	0	1	-1	1	-1	0	1
-1	1	-1	1	0	-1	1	-1	1	0

으로 표시된다. 표의 수평방향의 행은 구동방향의 위치에 따른 이동자 코일들의 전류 회전 방향이고 수직방향의 열은 각각의 이동자 코일들의 시간에 따른 전류 방향 변화이다 각 열간의 시간의 차이는 이동자가 장벽 거리만큼 이동하는데 걸리는 시간이다. 각각의 이동자 코일 하나는 표의 한 열로 표시되는데, 시간이 흐름에 따라 0의 전류가 흐르는 시점을 기준으로 전류 방향이 반전됨을 볼 수 있다.

상기한 이동자의 전류 방향조절 방식은 장벽구간이 짧으면 짧을수록 이동자를 더욱 촘촘히 적층 할 수 있어 구동력을 더 크게 할 수 있는 반면, 코일의 인덕턴스에 의해 저항받는 더욱 급격한 전류반전을 요하게 되므로 빠른 이동에는 불리함을 보여준다.

혹, 장벽구간 거리는 유리수가 아닌 실수 특히 무리수가 아닌가 하는 의문이 있을 수 있으나, 고정자의 자기장이 0이 되는 구간인 완전한 장벽구간은 실제 거리 0이며, 자기장이 이용하기에는 미약한 구간이 장벽구간의 정의이므로 고정자와 이동자 코일들의 특성에 따라 적당한 유리수를 선택하여 설계하면 된다. 예를 들면 장벽구간 1/2은 어떠한 특성의 코일에도 유효한 장벽구간의 설정이다.

상기한 직결 적층 방식에 의하여 구동력을 증가시키는 경우 완전히 수축되어 고정자와 상호작용하는 이동자 코일이 많아질수록 힘이 가장 강해지고, 완전히 이 완되어 고정자와 상호작용하는 이동자 코일이 적어지면 상대적으로 힘이 약해지는 특성을 보이는데 이는 인간의 근육 섬유와 비슷한 특성이다. 로봇용의 인공근육 용도로의 사용을 예상케 한다.

이동자의 위치를 파악할 수단이 따로 구비되어야한다.

상기한 방법에 의하여 기존의 전기식 액추에이터에서 개선할 과제인 구동거리 개선문제와, 구동력 개선문제는 해결된다.

현재 건축현장이나, 중공업 현장에서 사용되는 유압식 및 공압식 액추에이터들을 대체할 수 있으며, 장래의 로봇 구동용의 전기 근육으로서 이상적으로 사용될 수 있다. 우주공간 같은 진공, 저온, 고온이 상존하는 환경, 심해 같은 고압 환경, 극지방등에서 사용될 액추에이터로 유용하다.

상기한 과제해결 수단을 정리하여 발명의 실시를 위한 구체적인 방법을 제시하면, 중심 지지 원통 주위로 회전하는 토로이드형의 자기장을 형성하는 다수 엽의의 방사상으로 배치된 코일 등의 수단을 구비한 중심 이동자와, 이와 같은 엽 수의 외부 지지 원통 안쪽으로 회전하는 토로이드형의 자기장을 형성하는 방사상으로 배치된 코일 등의 수단을 구비한 외부 고정자를 갖고, 이동자를 고정자의 중심에 고정자 코일 간의 빈 공간을 이용하여 구동 축 방향에서 삽입하여 결합하여, 중심 이 동자의 토로이드형 자기장과 외부 고정자의 토로이드형 자기장이 겹쳐진 상태에서 존재하게 하며, 이러한 겹쳐진 두 회전 자기장의 상호작용에 의하여, 이동자와 고정자 각각의 전류 회전의 방향에 따라 두 자기장이 상호중첩되어 강화되는 영역이 커지도록, 그리고 자기장이 상호 상쇄되는 영역이 최소화되도록 축 방향으로 작용하는 수축력과 신장력을 이용하여 액추에이터를 구동한다.

액추에이터의 구동력을 크게 하기 위하여 상기한 액추에이터를 직결하는데, 이때 고정자는 단순 직결하되 회전 방향이 번갈아 반대가 되도록 하고, 이동자는 이동자 코일과 고정자 코일이 거의 겹치는 위치에서 모든 이동자 코일들이 구동력을 잃는 것을 방지하기 위하여 구동력이 발생하지 않는 장벽구간만큼 떨어뜨려 배치하여 항상 일부의 이동자만이 구동력을 잃는 위치에 있도록 하고, 이동자의 전류를 위치에 따라 능동적으로 제어하여 구동력이 크면서도 구동거리가 큰 액추에이터를 구성한다.

본 명세서에서는 이동자를 중심 지지 원통에 의해 지지 되도록 하고, 고정자를 외부 지지 원통에 의해 지지 되도록 하였으며, 전류의 조절을 이동자 측에서 하게 하였고, 조절되지 않는 자기장도 코일로 생성하며, 적층 시 코일 간의 이격을 이동자 측에서 실시하는 방법을 기준으로 도면으로 예시하고 설명하였으나, 이동자와 고정자의 지지 원통의 중심 외부관계, 이동자와 고정자 중 전류 조절을 담당하는 측, 전류 조절을 하지않고 정자기장을 발생하는 측에서의 코일 또는 영구자석 이용 여부, 적층 시 층간 이격을 실시하는 측, 이상의 4가지 항목에서 명세서에서 예시하지 않은 2의 4승 즉 16가지 변형과, 여기에 고정자가 중심 및 외부 지지 원 통 구조를 독점하고 이동자 코일들은 고정자 코일들의 간의 빈 공간을 개별적으로, 단지 전기적인 동기신호에만 의존하여 미끄러지는 방식을 덧붙여, 이 명세서에서 그림으로 표현한 한가지 방식 포함, 도합 32가지의 기초적인 변형들이 존재하며 이는 본 발명의 범주에 포함되는 것이 자명하다.

도 1은 구동력을 발생하는 겹쳐진 코일의 동작원리의 설명

도 2는 상기한 원리를 실제로 구현하는 코일들의 배치를 위에서 본 모양

도 3은 상기한 코일들의 배치를 이용한 액추에이터의 예

도 4는 기본 구조보다 구동력을 강화시키는 예

도 5는 기본 구조보다 구동력을 강화시키면서 구동거리를 유지하는 예

<도면의 주요부분에 대한 설명>

1,5,6,9,12,16,17,20 : 위쪽 코일의 전류회전 방향표시

3,7,8,10,15,18,19,22 : 아래쪽 코일의 전류회전 방향표시

2,11,14 : 자기장이 상쇄되는 영역표시

4,13,21 : 자기장이 보강되는 영역표시

23,24,25,26,27,28 : 중심 지지 원통 주위로 배치된 코일표시

29 : 중심 지지 원통

30,31,32,33,34,35 : 외부 지지 원통 안쪽으로 배치된 코일표시

36 : 외부 지지 원통

37 : 중심 이동자와 외부 고정자를 결합하여 구성한 액추에이터의 상면 표시

38 : 중심 이동자의 입체표시

39 : 외부 고정자의 입체표시

40 : 이동자와 고정자를 결합하여 구성한 액추에이터의 입체표시

41 : 아래쪽과 역으로 회전하는 자기장을 형성하는 위쪽 이동자의 표시

42 : 위쪽과 역으로 회전하는 자기장을 형성하는 아래쪽 이동자의 표시

43 : 아래쪽과 역으로 회전하는 자기장을 형성하는 위쪽 고정자의 표시

44 : 위쪽과 역으로 회전하는 자기장을 형성하는 아래쪽 고정자의 표시

45 : 41,42 이동자와 43,44 고정자를 결합하여 구동력을 강화한 적층 액추에이터 표시

46,47,48,49 : 구동력을 강화하면서도 구동거리를 유지하는 능동제어 적층 액추에이터 이동자의 코일 표시

50 : 능동제어 적층 액추에이터의 이동자 표시

51 : 능동제어 적층 액추에이터의 고정자 표시

52 : 50 이동자와 51 고정자를 결합한 능동제어 적층 액추에이터 표시

Claims (2)

1. 중심 지지 원통 주위로 회전하는 토로이드형의 자기장을 형성하는 2 이상의 임의의 자연수 엽의 방사상으로 배치된 자기장 발생 및 조절수단으로서의 코일 또는 자기장 발생 수단으로서의 영구자석을 구비한 중심 이동자와,

   상기 중심 이동자 엽 수와 동일한 엽 수의, 외부 지지 원통 안쪽으로 회전하는 토로이드형의 자기장을 형성하는, 방사상으로 배치된 자기장 발생 및 조절수단으로서의 코일이나 자기장 발생 수단으로서의 영구자석을 구비한 외부 고정자를 갖고,

   상기 중심 이동자를 상기 외부 고정자의 중심에 코일이나 자석 엽 간의 빈 공간을 통하여 구동 축 방향에서 삽입하여 결합하여,

   중심 이동자의 토로이드형 자기장과 외부 고정자의 토로이드형 자기장이 겹쳐진 상태에서 상호작용하게 하며, 이러한 겹쳐진 두 토로이드형 회전 자기장의 상호작용에 의하여, 중심 이동자와 외부 고정자 각각의 토로이드형 자기장의 회전 방향에 따라 두 자기장이 상호중첩되어 강화되는 영역이 커지도록, 그리고 자기장이 상호 상쇄되는 영역이 최소화되도록 축 방향으로 작용하는 힘을 이용하여

   상기 중심 이동자가 구동하는 것을 특징으로 하는 전기식 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 전기식 액추에이터의 구동력을 크게 하면서도 구동거리를 유지하기 위하여, 상기 전기식 액추에이터를 다층으로 직결하여 구성하되,

   외부 고정자는 축을 중심으로 회전하는 토로이드형 자기장의 회전 방향이 번갈아 가며 반대가 되도록 다층으로 구성하고,

   중심 이동자 층도 다층으로 직결하되, 모든 중심 이동자 층들이 동시에 외부 고정자 층들과 완전히 일치하여 겹칠 때는 구동력을 잃게 되므로, 이를 방지하기 위하여 각 층들을 외부 고정자보다 간격을 떨어트려 다층으로 직결하여 동시에 일치하지 않도록 하고,

   이러한 간격으로 인하여 각층 마다의 자기장 조절용 코일에 필요한 전류위상이 각기 달라지는 것을 대비하여 전류를 각 층마다 개별적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 전기식 액추에이터.

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