KR101034582B1 - 리니어 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명에 따른 리니어 액츄에이터는 내부에 수용부가 형성되어 있는 하우징, 하우징의 내측 하부에 고정되는 영구자석, 환형으로 형성되어 영구자석과 하우징의 내주면 사이에 설치되는 이동부재 및 영구자석에 의하여 형성되는 자속 경로와 수직한 방향으로 전류가 흐르도록 이동부재에 권취되는 코일을 구비하여 코일에 전류가 흐르면 영구자석과의 상호 작용에 의하여 로렌쯔의 힘이 발생됨으로써, 코일이 권취되어 있는 이동부재는 전류의 방향에 따라 하우징의 상면과 영구자석 사이에서 왕복이동되는 것에 특징이 있다.

Description

리니어 액츄에이터{Linear actuator}

본 발명은 리니어 액츄에이터에 관한 것으로서, 특히 왕복이동에 의하여 압력밥솥의 증기 배출관을 개폐함으로써 압력밥솥 내부의 증기압을 조절하는 밸브 역할을 하는 리니어 액츄에이터에 관한 것이다.

압력밥솥은 통상의 조리기구에 비하여 밥솥 내부의 압력을 고압으로 형성하여 음식을 조리하는 것이므로 밥솥 내부의 압력을 조절하는 것이 매우 중요하다. 압력밥솥의 압력은 내부의 증기압을 조절함으로써 이루어지는데, 보다 상세하게는 압력밥솥에 형성되어 있는 증기배출구에 결합되어 있는 압력조절장치가 증기배출구를 완전히 막거나 일부 개방하여 증기를 배출시킴에 따라 압력밥솥 내부의 압력을 조절한다.

종래의 압력밥솥에 마련되어 있는 압력조절장치는 2가지 형태로 이루어진다. 하나는 증기배출구에 일정 무게 이상의 압력추를 결합시켜 압력추의 무게만으로 압력밥솥의 내압을 조절하는 형태이다. 이러한 형태의 압력조절장치가 마련된 압력밥솥에서는 밥솥 내부의 압력을 가변시킬 수 없고 정해진 크기로만 유지되므로, 입맛이나 음식의 종류에 따라 다양한 방식으로 요리를 할 수 없다는 문제점이 있었 다.

상기한 압력추 이외에 다른 압력조절장치로 널리 사용되는 on/off 밸브는 전자석이 자성체에 붙는 흡인력과 스프링의 탄성력을 이용하여 밸브를 개폐하는 방식인 바, 밸브의 개폐시간이 길어져서 밥솥 내부의 압력 변화량이 커지므로 압력을 정확하게 조절할 수 없는 문제점이 있었다.

이에 음식의 종류와 사용자의 입맛에 맞는 조리방법을 위하여 정밀한 압력조절이 가능한 압력조절장치의 개발이 요구되고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 구성이 간단하면서도 선형 왕복이동되는 플런저의 추력이 용이하게 조절됨으로써 특히 압력밥솥에 적용시 압력밥솥 내부의 압력을 자유롭게 가변할 수 있는 리니어 액츄에이터를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 리니어 액츄에이터는 내부에 수용부가 형성되어 있는 하우징, 상기 하우징의 내측 하부에 고정되는 영구자석, 환형으로 형성되어 상기 영구자석과 하우징의 내주면 사이에 설치되는 이동부재 및 상기 영구자석에 의하여 형성되는 자속 경로와 수직한 방향으로 전류가 흐르도록 상기 이동부재에 권취되는 코일을 구비하여, 상기 코일에 전류가 흐르면 상기 영구자석과의 상호 작용에 의하여 로렌쯔의 힘이 발생됨으로써, 상기 코일이 권취되어 있는 이동부재는 상기 전류의 방향에 따라 상기 하우징의 상면과 상기 영구자석 사이에서 왕복이동되는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 하우징의 상면에는 삽입공이 관통 형성되며, 상기 이동부재에 대하여 돌출되게 형성되어 상기 삽입공에 끼워지며, 상기 이동부재의 왕복이동에 따라 상기 하우징의 상면에 대하여 돌출되는 방향 및 몰입되는 방향으로 이동되는 플런저를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따르면, 상기 영구자석과 상기 이동부재의 상면 사이에 간격 이 형성되도록, 상기 영구자석의 상부에 결합되는 간격유지부재를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따르면, 상기 코일에 흐르는 전류의 세기는 가변되는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 리니어 액츄에이터는 구성이 간단하면서도 압력밥솥 내부의 압력을 자유롭게 조절할 수 있다는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리니어 액츄에이터를 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 리니어 액츄에이터가 압력밥솥용 밸브로 사용된 실시예의 개략적 일부 절개 사시도이며, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 개략적 단면도이고, 도 3은 로렌쯔의 힘이 작용하는 방향을 설명하기 위한 개략적 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 리니어 액츄에이터(100)는 하우징(10), 영구자석(20), 이동부재(30) 및 코일(40)을 구비한다.

하우징(10)은 금속 소재로서 대략 원통형으로 이루어지며, 내부에는 후술할 영구자석(20) 및 이동부재(30)가 수용되는 수용부(11)가 형성된다. 하우징(10)의 상면(12)에는 후술할 플런저(37)가 끼워지는 삽입공(13)이 관통형성되어 있다.

영구자석(20)은 하우징(10)의 수용부(11) 하측에 고정되게 설치된다. 본 실시예에서 영구자석(20)의 하측이 S극으로 상측이 N극으로 형성되어 있는 바, 도 2 에 도시된 바와 같이, 자속의 경로는 영구자석(20) 내부에서는 S극에서 N극을 향해 형성되며, 영구자석(20)의 외부에서는 N극에서 S극을 향해 돌아 들어가도록 형성된다.

영구자석(20)과 하우징(10)의 내주면 사이에는 이동부재(30)가 설치된다. 이동부재(30)는 영구자석(20)의 둘레를 따라 원형의 고리형상으로 형성되어 영구자석(20)의 외주면 및 하우징(10)의 내주면과 각각 일정 거리 이격되게 배치된다. 이동부재(30)의 상면(35)은 수평하게 배치되며, 상부에는 상하방향으로 길게 플런저(37)가 연장형성되어 있다. 이 플런저(37)는 하우징(10)의 삽입공(13)에 끼워진다. 이동부재(30)는 영구자석(20)과 후술할 코일(40)에 의하여 발생되는 로렌쯔의 힘에 의하여 영구자석(20)과 하우징(10)의 내주면 사이에서 상하 왕복이동된다.

이동부재(30)의 외주면에는 코일(40)이 감겨지며, 이 코일(40)은 하우징(10)의 외측으로 연장되어 미도시된 전원부에 연결된다. 전원이 인가되면 전류가 원형으로 흐르게 된다.

상기한 바와 같이, 코일(40)에 전류가 흐르게 되면 영구자석(20)과의 관계에서 로렌쯔의 힘이 발생되는데, 힘이 발생되는 방향을 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 영구자석(20)의 상측 및 하측에서 자속은 영구자석(20)의 중심부에서 영구자석(20)의 반경방향을 따라 방사형으로 형성되고, 코일(40)을 따라 흐르는 전류의 특정 지점에서의 방향은 코일(40)의 접선방향으로 형성된다.

즉, 영구자석(20)에 의한 자속의 방향과 전류의 방향이 서로 직교하게 되다. 로렌쯔의 힘은 상호 수직한 자속과 전류에 모두 수직하게 형성되므로, 전류가 정방향으로 흐르면 로렌쯔의 힘은 수직 상방으로 작용하며, 전류가 역방향으로 흐르면 로렌쯔의 힘은 수직 하방으로 작용하게 된다. 로렌쯔의 힘은 코일(40)을 지나는 전류(전하)에 작용하는 것이므로, 전하가 힘을 받으면 코일(40)이 감겨져 있는 이동부재(30)가 상하방향으로 왕복이동된다.

또한, 코일(40)에 흐르는 전류의 세기를 조절함으로써 로렌쯔의 힘의 세기를 조절할 수 있다. 즉, 로렌쯔의 힘은 자속과 전류의 세기에 비례하므로, 전류의 세기를 세게하면 힘의 크기도 커진다.

영구자석(20)의 상측에는 영구자석(20)과 이동부재(30)의 상면(35) 사이의 간격을 형성하기 위한 간격유지부재(50)가 부착된다. 간격유지부재(50)는 이동부재(30)가 하방으로 이동시 그 변위를 제한하기 위한 것이다.

한편, 하우징(10)의 상측에는 압력밥솥(미도시)의 증기배출관(e)과 하우징(10)을 상호 연결하기 위한 연결부재(60)가 부착된다. 즉, 연결부재(60)의 양단에는 각각 나사산(미도시)이 형성되어 있어서, 증기배출관(e) 및 하우징(10)과 각각 나사결합된다.

상기한 구성의 리니어 액츄에이터(100)에서 코일(40)에 전원이 인가되면, 이동부재(30)가 상방향으로 이동하고 플런저(37)가 하우징(10)의 상면에 대하여 돌출되어 증기배출관(e)의 증기배출구(o)를 폐쇄함으로써, 압력밥솥 내부의 증기가 외부로 배출되지 못하게 되는 것이다. 그리고 코일(40)의 전류방향을 역으로 바꿔주 면, 로렌쯔의 힘이 하방으로 작용하여 플런저(37) 증기배출구(o)를 개방하여 압력밥솥 내부의 증기가 외부로 배출될 수 있다.

또한, 전류의 세기를 조절하여 플런저(37)가 증기배출구(o)를 폐쇄하는 압력을 조절할 수 있으므로, 요리의 종류에 따라 압력밥솥 내부의 압력을 변경할 수 있다.

이하, 상기한 구성으로 이루어진 리니어 액츄에이터(100)의 압력제어함수에 대하여 설명한다.

리니어 액츄에이터(100)의 추력은 식 (1)과 같이 영구자석(20)에서 발생하는 자속과 코일(40)에 흐르는 전류에 의하여 발생한다.

...(1)

즉, 추력

는 공극 자속밀도 Bg, 코일의 턴 수

과 전류의 크기

및 코일의 길이

에 의하여 결정된다. 공극 자속 밀도는 영구자석(20)에 의한 자속밀도

와 코일에 의해 발생하는 자속밀도

을 더한 값이므로, 리니어 액츄에이터의 추력

는 영구자석에 의해 발생하는 일정한 자속밀도와 코일에 의해 발생하는 자속밀도로 나누어 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.

...(2)

코일에 의한 자속밀도는 식 (3)과 같다.

...(3)

여기서 식 (3)을 식 (1)에 대입하여 식 (4)를 얻을 수 있으며, 식 (4)와 식(4)를 그래프로 표현한 도 4를 참조하면 솔레노이드(코일)가 동작함에 따라 발생하는 비선형적 특성을 알 수 있다.

...(4)

여기서

은 영구자석의 길이,

는 공극의 길이이다.

도 4는 코일(40)에서 발생하는 자속의 방향이 영구자석(20)에서 발생하는 자속의 방향과 같을 경우와 다를 경우에 대하여 밀고 당기는 힘의 크기가 서로 다르다는 것을 보여준다.

또한 리니어 액츄에이터(100)에서 발생하는 추력을 정확히 계산하기 위해서는 자속밀도에 대한 계산이 필요하다. 영구자석을 포함한 기기에서는 도 5에서 보듯이 영구자석의 동작점을 찾아 고려해 주어야 한다.

...(5)

...(6)

식 (5)의 암페어 법칙에서

이라고 가정하면, 식 (6)과 같다.

누설 자속이 거의 없다고 가정하면 즉,

인 경우,

'''(7)

라고하면,

이고,

이므로 식 (7)은 식 (8)로 나타낼 수 있다.

... (8)

여기서,

: 코일의 턴 수,

: 전류크기,

: 자기장,

: 자성체에서의 자계,

: 공극에서의 자계,

: 동작점 자계,

: 공극 길 이,

: 자석의 자속 세기

: 공극에서의 자속 세기 ,

: 퍼미언스 계수,

: 영구자석 잔류 자속밀도,

: 무부하 동 작점 자속밀도,

: 영구자석의 보자력,

: 영구자석 두께 ,

: 영구자석 단면적,

: 유효공극 단면적,

: 진공상태의 투자율 이다.

영구자석을 포함한 코일(솔레노이드)의 정특성 해석에 필요한 정자계지배방정식은 다음과 같은 Maxwell 방정식으로부터 도출된다.

...(9)

...(10)

... (10) 여기서,

: 전류밀도,

: 전속밀도 이다.

정자계에서는 식 (9)의 시간 미분 항은 ‘0’ 이므로

와

의 관계는 식 (11)과 같다.

...(11)

영구자석 영역에서의 자속밀도

는 식 (12)와 같이 정의된다.

...(12)

그러므로 위의 식을 정리하면 식 (13)과 같은 지배방정식을 얻을 수 있다.

...(13)

...(14)

여기서,

: 자기장,

: 자속밀도

: 면적,

: 투자율,

: 진공상태의 투자율,

: 잔류자속밀도,

: 자화

한편, 위에서 설명한 정특성 이외에 동특성 해석의 경우, 자성체의 비선형성을 고려하고 전자력에 의한 가동자의 위치를 계산하기 위하여 기계적인 시스템을 고려하여 해석해야 한다. 정특성과는 달리 식 (9)의 시간 미분 항이 존재하므로 자계 내에서 움직이는 도체가 발생하는 속도 기전력을 고려해야 한다. 따라서 도체 내에서의 와전류 밀도는 다음 식 (15)와 같다.

...(15)

이를 종합하면 지배방정식은 다음 식 (16)과 같이 쓸 수 있다.

..(16)

여기서,

: 이동속도이다.

리니어 액츄에이터(100)에서 발생한 추력에 의하여 이동부재(30) 및 플런저(37)가 이동할 경우, 이 때의 전압방정식은 식 (17)과 같다.

...(17)

추력에 의해 움직이는 가동자의 운동방정식은 식 (18)과 같이 표현된다.

...(18)

여기서 ,

: 전압,

:저항,

:자속,

:전류,

: 인덕턴스,

: 이동자의 무게,

: 공기에 의한 damping coefficient

: 플런저와 보빈의 의한 저항 계수,

: 스프링 또는 케이블에 의한 spring coefficient,

: 중력에 의한 일정한 힘,

이다.

전류에 의해 발생하는 추력과 위의 운동방정식을 결합하면 다음과 같은 식 (19)를 얻을 수 있다.

...(19)

식(19)를 행렬로 표현하면 다음 식 (20)과 같고, 이 식을 이용하여 전압 제어방식으로 리니어 액츄에이터의 위치를 결정할 수 있다. 여기서 시용된

는 DC인가 전압이며 위치 결정 방법을 간략히 표현하면 도 6과 같다. 도 6에서 ta : 전압 차단 시간, tm : 전압인가 시간이다. 이를 이용하여 전압을 인가하여 플런저(37)의 위치를 결정하여 압력밥솥 내부의 압력조절을 할 수 있다.

...(20)

즉, 본 발명에 따른 리니어 액츄에이터는 상기 (20)의 식에 의하여 플런저37)의 위치를 결정하여, 압력밥솥 내부의 압력을 자유롭게 제어할 수 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구 범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 리니어 액츄에이터가 압력밥솥용 밸브로 사용된 실시예의 개략적 일부 절개 사시도이다.

도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ선 개략적 단면도이다.

도 3은 로렌쯔의 힘이 작용하는 방향을 설명하기 위한 개략적 도면이다.

도 4는 코일에 전류가 인가되었을 때의 비선형적 특성을 보여주는 그래프이다.

도 5는 영구자석의 동작점을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 리니어 액츄에이터의 위치를 결정하는 방법을 표현한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ... 리니어 액츄에이터 10 ... 하우징

20 ... 영구자석 30 ... 이동부재

37 ... 플런저 40 ... 코일

50 ... 간격유지부재 e ... 증기배출관

Claims (5)

1. 내부에 수용부가 형성되어 있으며, 상면에는 삽입공이 관통 형성되어 있는 하우징;

   상기 하우징의 내측 하부에 고정되는 영구자석;

   환형으로 형성되어 상기 영구자석과 하우징의 내주면 사이에 설치되는 이동부재;

   상기 영구자석에 의하여 형성되는 자속 경로와 수직한 방향으로 전류가 흐르도록 상기 이동부재에 권취되는 코일; 및

   상기 이동부재에 대하여 돌출되게 형성되어 상기 삽입공에 끼워지며, 상기 이동부재의 왕복이동에 따라 상기 하우징의 상면에 대하여 돌출되는 방향 및 몰입되는 방향으로 이동되는 플런저;를 구비하여,

   상기 코일에 전류가 흐르면 상기 영구자석과의 상호 작용에 의하여 로렌쯔의 힘이 발생됨으로써, 상기 코일이 권취되어 있는 이동부재는 상기 전류의 방향에 따라 상기 하우징의 상면과 상기 영구자석 사이에서 왕복이동되되,

   아래의 수학식에 의해 상기 플런저의 위치가 제어되는 것을 특징으로 하는 리니어 액츄에이터.

   

   여기서 ,x는 상기 플런저의 위치이며,

   

   는 상기 코일에 인가되는 전압이고,

   

   은 상기 코일의 저항이며,

   

   는 상기 코일에 흐르는 전류이고,

   

   은 상기 코일의 인덕턴스,

   

   은 상기 이동부재와 상기 플런저의 질량,

   

   는 공기에 의한 damping coefficient이며,

   

   는 상기 플런저의 마찰력이고,

   

   는 코일의 spring coefficient,

   

   는 상기 이동부재와 상기 플런저의 무게이고,

   

   이고, Bg는 공극 자속밀도이며,

   

   은 상기 코일의 턴수이고,

   

   은 상기 코일의 길이이며, k_e는 역기전력 상수이다.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 하우징에는 압력밥솥의 증기배출관과 연결을 위한 연결커버가 마련되며, 상기 플런저는 왕복이동되어 상기 증기배출관을 개폐하는 것을 특징으로 하는 리니어 액츄에이터.
4. 제1항에 있어서,

   상기 영구자석과 상기 이동부재의 상면 사이에 간격이 형성되도록, 상기 영구자석의 상부에 결합되는 간격유지부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 리니어 액츄에이터.
5. 제1항에 있어서,

   상기 코일에 흐르는 전류의 세기는 가변되는 것을 특징으로 하는 리니어 액츄에이터.

Images