KR101552573B1

KR101552573B1 - 고속 솔레노이드

Info

Publication number: KR101552573B1
Application number: KR1020140073000A
Authority: KR
Inventors: 신동규; 이진섭; 조동진
Original assignee: 현대중공업 주식회사
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2015-09-15

Abstract

응답특성이 향상된 고속 솔레노이드가 개시된다.
개시되는 고속 솔레노이드는 축방향으로 직선이동 가능한 가동축, 상기 가동축에 결합된 가동코일부, 및 상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 자계형성부를 포함하고, 상기 가동코일부는 적어도 두 개의 코일을 포함하며, 상기 자계형성부는 각각의 상기 코일들에 대해 자계를 제공할 수 있다.
이러한 고속 솔레노이드에 의하면, 가동부의 구동력이 증가하여 솔레노이드의 응답속도를 향상시킬 수 있다.

Description

고속 솔레노이드 {HIGH SPEED SOLENOID}

본 발명은 고속 솔레노이드에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응답특성이 향상된 고속 솔레노이드에 관한 것이다.

일반적으로 솔레노이드는 코일에 흐르는 전류를 이용하여 전자기에너지를 운동에너지로 변환하는 장치로, 전력기기, 자동차, 유압시스템 등 여러 분야의 산업에 활용되고 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 솔레노이드의 단면도이다.

도 1을 보면, 종래의 기술에 의한 솔레노이드는 외부 고정 철심(10), 내부 고정 철심(30), 가동 철심(40) 및 코일(20)로 구성된다.

이러한 종래의 기술에 의한 솔레노이드는 코일(20)에 전류가 인가되면 코일(20)에 흐르는 전류에 의해 가동 철심(40)과 내부 고정 철심(30) 사이에 인력이 발생하여 가동 철심(40)이 내부 고정 철심(30) 방향으로 이동하게 된다.

그러나, 종래의 기술에 의한 솔레노이드는 가동 철심(40)이 이동하는 구조이나, 가동부의 질량이 비교적 커서 반응속도 즉, 응답속도가 느리다는 단점이 있다.

또한, 코일(20) 주변에 가동 철심(40), 내부 고정철심(30) 및 외부 고정 철심(10)과 같은 철심이 위치하기 때문에 전기적인 시정수(인덕턴스/저항)가 커서 전압 인가시 전류가 천천히 증가한다. 그리고 이에 따라, 빠른 응답특성을 기대하기 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 빠른 응답특성을 가지는 고속 솔레노이드를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 고속 솔레노이드는, 축방향으로 직선이동 가능한 가동축, 상기 가동축에 결합된 가동코일부, 및 상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 자계형성부를 포함하고, 상기 가동코일부는 적어도 두 개의 코일을 포함하며, 상기 자계형성부는 각각의 상기 코일들에 대해 자계를 제공할 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 가동코일부는, 다수의 코일, 상기 코일들이 서로 이격되어 권취된 보빈, 및 상기 보빈을 상기 가동축에 고정결합시키는 가동지지대 를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 자계형성부는, 상기 가동코일부의 내측 또는 외측에 배치되며, 상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 다수의 영구자석, 상기 영구자석들에 연결되며, 상기 가동코일부의 내측과 외측 각각에 배치되어, 상기 영구자석들에 의해 형성된 자계를 상기 가동코일부에 제공하는 요크부를 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 영구자석들은, 자화 방향이 서로 반대방향이 되도록 적층되며, 상기 영구자석들 사이와 상부 및 하부에는 상기 요크부가 배치될 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 가동축의 둘레를 감싸도록 구성되어, 상기 가동축의 직선이동을 가이드하는 가이드부를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서, 상기 가동축을 지지하고, 상기 가동코일부의 이동공간을 구성하는 커버를 더 포함할 수 있다.

본 실시예에 있어서 상기 코일은, 다층으로 상기 보빈에 권취되며, 상기 코일들 사이에는 판형의 절연체가 적어도 하나 개재될 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 다수의 코일과, 그에 대응하는 다수의 자속 경로를 포함한다. 이에 따라 가동축을 이동시키는 구동력을 높일 수 있으므로, 보다 빠른 응답특성을 구현할 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 솔레노이드의 단면도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도.
도 3은 도 2에 도시된 고속 솔레노이드의 가동코일부가 가동된 상태를 나타내는 단면도.
도 4는 도 2에 도시된 보빈과 코일을 확대하여 도시한 단면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보빈과 코일을 확대하여 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도.
도 7은 도 6에 도시된 고속 솔레노이드의 가동코일부가 가동된 상태를 나타내는 단면도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 더하여 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 고속 솔레노이드의 가동코일부가 가동된 상태를 나타내는 단면도이다.

도 2 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 커버(110), 가동축(120), 가이드부(180), 가동코일부 및 자계형성부를 포함할 수 있다.

커버(110)는 본 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)의 외형 일부를 구성할 수 있고, 중심에 형성되는 중공에 후술할 가동축(120)이 삽입되는 구조를 통해 가동축(120)을 지지할 수 있다.

커버(110)는 후술할 자계형성부와 합형되어 내부에 가동코일부가 이동할 수 있는 이동공간을 구성할 수 있다.

가동축(120)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 커버(110)와 후술할 자계형성부의 중공 내에 삽입 배치되어 축방향으로 직선이동 가능하도록 결합된다.

따라서, 가동축(120)은 커버(110)와 자계형성부를 일직선으로 관통하여 직선이동하며, 본 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)의 가동에 의한 운동에너지를 외부요소에 전달할 수 있다.

가이드부(180)는 가동축(120)의 둘레를 축방향으로 감싸도록 구성되어, 가동축(120)의 직선이동을 가이드한다. 본 실시예에 따른 가이드부(180)는 슬리브(sleeve)와 같은 원통의 관 형상으로 형성되며 내부의 중공에 가동축(120)이 삽입되고, 외주면에는 상기 영구자석(150)과 제1, 제2, 제3 요크(161, 162, 163)가 고정 체결된다.

가동코일부는 커버(110)의 내부공간에서 직선이동 가능하도록 구성되며, 가동축(120)에 결합되어 코일(140)에 전류가 인가되면 구동력에 의해 가동축(120)을 이동시킨다.

가동코일부는 보빈(145), 코일(140), 및 가동지지대(130)를 포함하여 구성될 수 있다.

보빈(145)은 절연 재질의 구조물로 형성되며, 원통의 파이프 형상으로 형성될 수 있다.

보빈(145)에는 코일(140)이 권취될 수 있다. 본 실시예에서는 보빈(145)에 권취된 코일(140)이 보빈(145) 내에 완전히 매립되는 경우를 예로 들고 있으나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 필요에 따라 코일(140)이 보빈(145)의 외부로 노출되도록 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.

코일(140)은 보빈(145)에 권취되며 전류가 흐를 수 있는 도선으로 구성될 수 있다.

또한 본 실시예에 있어서 코일(140)은 2개가 구비되며, 보빈(145)의 길이 방향을 따라 서로 일정거리 이격되어 권취된다. 이때, 2개의 코일(141, 142)은 서로 반대 반향으로 전류가 흐르도록 구성된다. 이는 후술되는 자속 경로의 방향에 대응하여 설정될 수 있다.

예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이 자속 경로(M1, M2)가 형성되는 경우, 하부에 배치된 제1 코일(141)은 도 2의 우측 단면에서 들어가는 방향(ⓧ)으로 전류가 흐르도록 설정되고, 상부에 배치된 제2 코일(142)은 나오는 방향(⊙)을 전류가 흐르도록 설정될 수 있다. 즉, 제1 코일(141)과 제2 코일(142)은 서로 반대 방향으로 전류가 흐르도록 설정된다.

또한 본 실시예에 따른 코일(140)은 다양한 형태로 보빈(145)에 권취될 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 보빈(145)과 코일(140)을 확대하여 도시한 단면도이다.

도 4를 참조하면, 코일(140)은 보빈(145) 내에 삽입되는 형태로 보빈(145)에 권취된다. 여기서 보빈(145)은 플라스틱과 같은 수지 재질로 형성될 수 있으나, 이에 한정되지 않으며 필요에 따라 금속 재질로 형성될 수도 있다.

또한 제1 코일(141)은 보빈(145)에 형성된 제1 권선 공간(144a) 내에 권취되고, 제2 코일(142)은 제2 권선 공간(144b) 내에 권취된다. 따라서 본 실시예의 경우, 보빈(145) 내에는 2개의 권선 공간(144a, 144b)이 구비된다.

그러나 본 발명의 구성이 이에 한정되는 것은 아니다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 보빈과 코일을 확대하여 도시한 단면도로, 도 4와 대응하는 단면을 도시하고 있다

도 5를 참조하면, 보빈(145) 내의 권선 공간은 절연체(147)에 의해 다수의 공간으로 구획될 수 있으며, 코일(140)은 구획된 각각의 세부 공간에 권선될 수 있다. 여기서 절연체(147)는 판상의 프리프레그(prepreg)가 이용될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

본 실시예와 같이 절연체(147)를 코일(140) 사이에 배치하는 경우, 보빈(145)의 기계적인 강도를 높일 수 있다.

다시 도 2 및 도 3을 참조하면, 가동지지대(130)는 보빈(145)을 가동축(120)에 고정결합시키는 부재이다. 본 실시예에서, 가동지지대(130)는 외주연에 보빈(145)의 일단에 연결되고, 중심에 형성되는 중공에는 가동축(120)이 고정 체결되는 원반 형상의 부재로 구성될 수 있다.

자계형성부는 가동코일부의 코일(140)에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성한다.

본 실시예에서 자계형성부는 영구자석(150)과 요크부(160)를 포함하여 구성될 수 있다.

영구자석(150)은 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성한다.

이를 위해, 영구자석(150)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 가동코일부에 구비된 코일(140)의 내측에 구비될 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 코일(140)의 외측에 배치하는 것도 가능하다.

본 실시예에 따른 영구자석(150)은 2개가 구비될 수 있다. 제1 영구자석(151)은 후술되는 제1 요크(161)와 제3 요크(163) 사이에 배치되며, 제2 영구자석(152)은 제1 요크(161)와 제2 요크(162) 사이에 배치된다.

이때, 제1 영구자석(151)과 제2 영구자석(152)은 그 사이에 배치되는 제1 요크(161)에 동일한 극성이 접촉하도록 배치될 수 있다. 즉 1 영구자석(151)과 제2 영구자석(152)은 자화 방향이 서로 반대방향이 되도록 배치된다. 이에 따라 자속 경로(M1, M2)는 도 2에 도시된 바와 같이 형성될 수 있다.

제1 영구자석(151)과 제2 영구자석(152)은 동일한 형상 및 크기로 형성될 수 있으며, 링 타입의 자석이 이용될 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니다. 즉 필요에 따라 각각 다른 크기로 형성하는 것도 가능하며, 다수의 영구자석들을 조합하여 제1, 제2 영구자석(151, 152)을 구성하는 등 다양한 변형이 가능하다.

요크부(160)는 영구자석(150)에서 연장되는 형태로 가동코일부의 내측과 외측 각각에 배치되어, 영구자석(150)에 의해 형성된 자계의 자속을 가동코일부에 집중시킨다.

이를 위해 본 실시예에 따른 요크부(160)는 제1 요크(161), 제2 요크(162), 및 제3 요크(163)를 포함할 수 있다.

제1 요크(161)와 제2 요크(162)는 중공을 갖는 원통 형태로 형성되고 적어도 한면에 영구자석(150)이 연결된다.

보다 구체적으로, 제1 요크(161)는 제1 영구자석(151)과 제2 영구자석(152)의 사이에 개재되는 형태로 배치되며, 제2 요크(162)는 제2 영구자석(152)의 상부에 배치된다.

또한 제1 요크(161)와 제2 요크(162)는 외주면이 코일(140)의 내측에서 코일(140)과 인접하게 배치된다.

제3 요크(163)는 용기 형태로 형성되며, 내부 바닥면에 제1 영구자석(151)이 안착된다. 이에 따라, 본 실시예에 따른 자계형성부는 제3 요크(163)의 내부 바닥면 상에 제1 영구자석(151), 제1 요크(161), 제2 영구자석(152), 제2 요크(162)가 차례대로 적층된 구조를 갖는다.

제3 요크(163)의 벽면은 코일(140)의 외측에 배치되어 내부면이 코일(140)과 대향하도록 형성된다.

이러한 요크부(160)는 자성체(예컨대, 강자성체)로 구성될 수 있다. 따라서 제1, 제2, 제3 요크(161, 162, 163)는 영구자석(150)에 의해 발생된 자속의 경로(M1, M2)를 완성하며, 코일(140)은 이러한 자속 경로(M1, M2) 내에 배치된다.

도 2 및 도 3에 도시된 자속 경로(M1, M2)를 참조하면, 본 실시예에 따른 자계형성부는 2개의 자속 경로(M1, M2)를 제공한다.

제1 자속 경로(M1)는 제1 요크(161)과 제3 요크(163), 그리고 제1 영구자석(151)에 의해 형성되며, 제2 자속 경로(M2)는 제2 요크(162), 제3 요크(163), 제1 요크(161), 그리고 제2 영구자석(152)에 의해 형성된다.

또한 제1 자속 경로(M1)와 제2 자속 경로(M2)에는 각각 가동코일부의 코일(140)이 삽입 배치된다. 이때, 제2 코일(142)은 평면상으로 볼 때 시계 방향으로 전류가 흐르도록 설정되고, 제1 코일(141)은 반시계 방향으로 전류가 흐르도록 설정된다.

따라서 가동코일부의 코일(140)에 전류가 인가되면, 코일(140)은 제1 자속 경로(M1)와 제2 자속 경로(M2) 내에서 전자기작용(예컨대, 로렌츠의 힘)에 의해 축방향 하부로 힘이 발생된다.

이로 인해 코일(140)을 포함하는 가동코일부와, 가동코일부가 체결된 가동축(120)은 도 3에 도시된 바와 같이 축방향으로 직선이동하며, 이에 본 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)가 작동하게 된다.

한편 도시되지는 않았지만, 일 실시예에서 코일(140)에 대한 전류공급이 해제된 경우에 가동코일부가 원위치되는 동작은 스프링과 같은 탄성체(미도시)를 활용하여 구현될 수 있다.

또한 본 실시예에서는 전류 인가시 가동코일부가 축방향 하부로 이동하는 경우를 예로 들었으나, 전류의 방향을 반대로 인가하여 축방향 상부로 이동하도록 구성하는 등 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.

이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드는 두 개의 코일과, 그에 대응하는 두 개의 자속 경로를 포함한다. 이에 따라 가동축을 이동시키는 구동력을 높일 수 있으므로, 보다 빠른 응답특성을 구현할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 고속 솔레노이드는 전술한 실시예에 한정되지 않으며 다양한 변형이 가능하다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도이고, 도 7은 도 6에 도시된 고속 솔레노이드의 가동코일부가 가동된 상태를 나타내는 단면도이다.

도 6 및 도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 고속 솔레노이드(200)는 제2 요크(162) 상에 제3 영구자석(153)이 배치되고, 제3 영구자석(153) 상에 제4 요크(164)가 배치된다.

그리고 제4 요크(164), 제3 요크(163), 제2 요크(162), 제3 영구자석(153)을 따라 제3 자속 경로(M3)가 형성되고, 가동코일부에는 제3 경로(M3) 내에 배치되는 제3 코일(143)이 더 구비된다.

여기서, 제3 영구자석(153)은 제1 영구자석(151)과 동일한 방향으로 자화되고, 이에 제3 자속 경로(M3)는 제1 자속 경로(M1)와 동일한 방향으로 형성된다.

따라서, 제3 코일(143)은 제1 코일(141)과 동일한 방향으로 전류가 흐르도록 설정된다.

한편, 본 실시예에 따른 가동코일부의 코일들(141, 142, 143)에는 전술한 실시예와 반대 방향으로 전류가 흐르도록 구성된다. 따라서 코일(140)에 전류가 공급되는 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 가동코일부는 축방향을 따라 상부로 직선이동하며, 이에 본 실시예에 따른 고속 솔레노이드(200)가 작동하게 된다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니며 전술한 실시예와 같이 축방향 하부로 이동하도록 구현하는 등 다양한 변형이 가능하다.

이와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 고속 솔레노이드(200)는 세 개의 코일(141, 142, 143)에서 모두 구동력이 발행하게 되므로, 응답 속도를 더욱 높일 수 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

100 : 고속 솔레노이드
110 : 커버
120 : 가동축
130 : 가동지지대
140 : 코일
145 : 보빈
150 : 영구자석
160 : 요크부
180 : 가이드부

Claims

축방향으로 직선이동 가능한 가동축;
상기 가동축에 결합된 가동코일부; 및
상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 자계형성부;를 포함하고,
상기 가동코일부는 적어도 두 개의 코일을 포함하며, 상기 자계형성부는 각각의 상기 코일들에 대해 자계를 제공하고,
상기 가동코일부는,
원통의 파이프 형상으로 형성되며 상기 적어도 두 개의 코일이 권선되는 보빈 및 상기 보빈을 상기 가동축에 고정결합시키는 가동지지대를 포함하며,
상기 보빈은,
상기 코일들이 권선되는 적어도 하나의 권선 공간을 구비하며, 상기 권선 공간은 절연체에 의해 다수의 공간으로 구획되고, 상기 적어도 두 개의 코일은 구획된 각각의 공간에 권선되는 고속 솔레노이드.
삭제
제1항에 있어서, 상기 자계형성부는,
상기 가동코일부의 내측 또는 외측에 배치되며, 상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 다수의 영구자석;
상기 영구자석들에 연결되며, 상기 가동코일부의 내측과 외측 각각에 배치되어, 상기 영구자석들에 의해 형성된 자계를 상기 가동코일부에 제공하는 요크부;
를 포함하는 고속 솔레노이드.
제3항에 있어서, 상기 영구자석들은,
자화 방향이 서로 반대방향이 되도록 적층되며, 상기 영구자석들 사이와 상부 및 하부에는 상기 요크부가 배치되는 고속 솔레노이드.
제1항에 있어서,
상기 가동축의 둘레를 감싸도록 구성되어, 상기 가동축의 직선이동을 가이드하는 가이드부를 더 포함하는 고속 솔레노이드.
제1항에 있어서,
상기 가동축을 지지하고, 상기 가동코일부의 이동공간을 구성하는 커버를 더 포함하는 고속 솔레노이드.
제1항에 있어서,
상기 코일은 다층으로 상기 보빈에 권취되며, 상기 절연체는 판형으로 형성되어 상기 코일들 사이에 개재되는 고속 솔레노이드.