KR101563320B1 - 고속 솔레노이드 - Google Patents

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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 자계형성부;를 포함하고, 상기 가동코일부에 전류가 인가되면, 상기 가동코일부는 상기 자계형성부에 의해 형성된 자계에 의해 이동되어 상기 가동축을 이동시키고, 상기 가동코일부는 코일과, 상기 코일이 권취되며, 복수의 프리프레그(prepreg)가 적층되어 이루어진 권취부재와, 상기 권취부재를 상기 가동축에고정결합시키는 가동지지대를 포함하며, 상기 권취부재는적층된 복수의 프리프레그 사이에 간격이 형성되도록 구성되고, 상기 코일은 상기 복수의 프리프레그 사이의 간격에 권취되며, 상기 권취부재는 서로 적층된 복수의 메인 프리프레그와, 상기 복수의 메인 프리프레그 각각의 사이에 상기 코일이 권취되는 간격이 형성되도록 메인 프리프레그와 메인 프리프레그 사이에 적층된 복수의 보조 프리프레그로 구성될 수 있다.
이러한 고속 솔레노이드에 의하면, 가동부의 무게가 현저히 감소되고, 전기적인 시정수가 작아서 솔레노이드의 응답속도가 향상되는 효과를 얻을 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 전류에 의해 가동 철심이 직선운동 함으로써 자기에너지를 운동에너지로 변환하는 장치로서 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 흡인력이 작용하여 가동철심이 내부 고정 철심(30) 방향으로 이동하게 된다.
그러나, 종래의 기술에 의한 솔레노이드는 가동 철심(40)이 이동하는 구조이기 때문에 가동부의 질량이 비교적 커서 반응속도 즉, 응답속도가 느리다는 단점이 있다.
또한, 코일(20) 주변에 가동 철심(40), 내부 고정철심 및 외부 고정 철심(10)과 같은 철심이 위치하기 때문에 전기적인 시정수(인덕턴스/저항)가 커서 전압 인가시 전류가 천천히 증가한다.
이때, 솔레노이드의 구동력은 전류의 크기와 밀접한 관계가 있는데 전류가 천천히 증가하기 때문에 종래의 기술에 의한 솔레노이드의 경우는 빠른 응답특성을 기대하기 어렵다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점 중 적어도 일부를 해결하고자 안출된 것으로, 일 측면으로서, 빠른 응답특성을 가지는 고속 솔레노이드를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 축방향으로 직선이동 가능한 가동축; 상기 가동축에 결합된 가동코일부; 및 상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 자계형성부;를 포함하고, 상기 가동코일부에 전류가 인가되면, 상기 가동코일부는 상기 자계형성부에 의해 형성된 자계에 의해 이동되어 상기 가동축을 이동시키고, 상기 가동코일부는 코일과, 상기 코일이 권취되며, 복수의 프리프레그(prepreg)가 적층되어 이루어진 권취부재와, 상기 권취부재를 상기 가동축에고정결합시키는 가동지지대를 포함하며, 상기 권취부재는적층된 복수의 프리프레그 사이에 간격이 형성되도록 구성되고, 상기 코일은 상기 복수의 프리프레그 사이의 간격에 권취되며, 상기 권취부재는 서로 적층된 복수의 메인 프리프레그와, 상기 복수의 메인 프리프레그 각각의 사이에 상기 코일이 권취되는 간격이 형성되도록 메인 프리프레그와 메인 프리프레그 사이에 적층된 복수의 보조 프리프레그로 구성되는 고속 솔레노이드를 제공한다.
삭제
또한, 일 실시예에서, 상기 자계형성부는 상기 가동코일부의 내측 또는 외측에 배치되며, 상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 영구자석; 상기 영구자석에 연결되며, 상기 가동코일부의 내측과 외측 각각에 배치되어, 상기 영구자석에 의해 형성된 자계의 자속을 상기 가동코일부에 집중시키는 제1 요크 및 제2 요크;를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 요크 및 제2 요크는 상기 영구자석의 일측과 타측에 각각 연결되어, 자속경로를 구성하는 자성체로 구성될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 상기 가동축의 둘레를 감싸도록 구성되어, 상기 가동축의 직선이동을 가이드하는 가이드부가 더 포함될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 상기 가동축을 지지하고, 상기 가동코일부의 이동공간을 구성하는 커버가 더 포함될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 가동부의 무게가 현저히 감소되고, 전기적인 시정수가 작아서 솔레노이드의 응답속도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 자계에 배치되는 가동부의 두께를 얇게 구성할 수 있어, 구동력이 증가하여 응답속도가 향상되는 효과를 얻을 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 고속 솔레노이드에 포함된 권취부재의 부분 단면 사시도.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도.
도 7은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 도 2 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드의 단면도, 도 3은 고속 솔레노이드의 가동코일부가 가동된 상태를 나타내는 단면도, 도 4는 권취부재의 부분 단면 사시도이다.
도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 커버(110), 가동축(120), 가동코일부 및 자계형성부를 포함하고, 상기 가동축(120)의 직선이동을 가이드하는 가이드부(180)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 커버(110)는 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)의 외관 일부를 구성할 수 있고, 중공에 후술할 가동축(120)이 삽입되는 구조를 통해 가동축(120)을 지지할 수 있다.
일 실시예에서, 커버(110)는 후술할 자계형성부와 합형되어 내부에 가동코일부가 이동할 수 있는 이동공간을 구성할 수 있다.
또한, 상기 가동축(120)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 커버(110)와 후술할 자계형성부의 중공에 지지되며 축방향으로 직선이동 가능하다.
이러한 가동축(120)은 직선이동하며 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)의 가동에 의한 운동에너지를 외부요소에 전달할 수 있다.
또한, 상기 가동코일부는 커버(110)의 내부공간에서 직선이동 가능하도록 구성되며, 가동축(120)에 결합되어 직선이동시 가동축(120)을 이동시킬 수 있다.
일 실시예에서, 가동코일부는 코일(140), 권취부재(145) 및 가동지지대(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 코일(140)은 후술할 권취부재(145)에 권취되어 전류가 흐를 수 있는 도선으로 구성된다.
또한, 상기 권취부재(145)는 코일(140)이 권취되는 절연체로 구성될 수 있다.
일 실시예에서, 권취부재(145)는 중심에 상기 가동축(120)이 배치되는 원통형태의 부재로 구성될 수 있다.
또한, 일 실시예에서, 권취부재(145)는 복수의 프리프레그(prepreg)가 적층되어 이루어질 수 있다.
여기서, 프리프레그는 강화섬유에 매트릭스 수지를 예비 함침한 성형 재료로서, 복수개가 접합되어 고강도 경량 성형품을 구성할 수 있는 부재이다.
일 실시예에서, 권취부재(145)는 도 4에 도시된 바와 같이 서로 적층된 복수의 프리프레그(145a, 145b) 사이에 간격이 형성되도록 구성될 수 있으며, 코일(140)은 복수의 프리프레그(145a) 사이의 간격에 권취될 수 있다.
즉, 코일(140)은 원통형태의 권취부재(145)의 중심에서 외측 방향으로 다수번에 걸쳐 권취되어 다층으로 권취될 수 있으며, 이때, 코일(140)의 각각의 권취층은 복수의 프리프레그(145a) 사이에 배치될 수 있다.
이러한 구조를 위해, 일 실시예에서, 권취부재(145)는 서로 적층된 복수의 메인 프리프레그(145a)와, 상기 메인 프리프레그(145a)와 메인 프리프레그(145a) 사이에 적층되는 보조 프리프레그(145b)로 구성될 수 있다.
여기서, 보조 프리프레그(145b)는 도 4에 도시된 바와 같이, 메인 프리프레그(145a)보다 길이가 짤게 구성되어, 메인 프리프레그(145a)와 메인 프리프레그(145a) 사이에 코일(140)의 두께에 대응하는 간격이 형성되도록 할 수 있다.
메인 프리프레그(145a)가 코일(140)의 복수의 권취층을 층별로 양측면에서 지지하는 구조는 권취부재(145)와 코일(140)의 결합 구조가 안정되면서 동시에, 가동코일부가 얇고 가볍게 구현될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 코일(140)이 각각의 권취층 별로 프리프레그(145a, 145b) 사이에 견고하게 끼워져 있는 구조를 통해, 코일(140)과 권취부재(145)의 거동이 일치될 수 있게 된다.
이와 같은 구성의 권취부재(145)는 일반적인 코일보빈(coil bobbin)보다 가볍게 구현될 수 있으므로, 구동부가 경량화되어 솔레노이드의 응답속도가 크게 향상될 수 있다.
특히, 권취부재(145)가 얇은 복수의 프리프레그(145a, 145b)가 적층되어 구성된 구조를 통해, 권취부재(145)의 전체 두께가 얇게 구현될 수 있으므로, 후술할 제1 요크(160)와 제2 요크(170) 사이의 간격이 좁아질 수 있게 되고, 제1 요크(160)와 제2 요크(170) 사이의 간격이 좁아지면 코일(140)에 가해지는 자계가 증대되어 솔레노이드의 구동력이 증대되고 결과적으로, 솔레노이드의 동작속도가 향상되게 된다.
그리고, 상기 가동지지대(130)는 권취부재(145)을 가동축(120)에 고정결합시키는 부재이다. 일 실시예에서, 가동지지대(130)는 외곽이 권취부재(145)의 일단에 연결되고, 중공에 가동축(120)이 결합된 형태의 부재로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 자계형성부는 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시킬 수 있다.
일 실시예에서, 자계형성부는 영구자석(150), 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 영구자석(150)은 가동코일부의 내측 또는 외측에 배치되며, 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시킬 수 있다.
일 실시예에서, 영구자석(150)은 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 가동코일부에 구비된 코일(140)의 내측에 구비될 수 있다.
또한, 상기 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)는 영구자석(150)에 연결되며, 가동코일부의 내측과 외측 각각에 배치되어, 영구자석(150)에 의해 형성된 자계의 자속을 가동코일부에 집중시킬 수 있다.
일 실시예에서, 제1 요크(160)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 영구자석(150)의 일측에 연결되어 코일(140)의 내측에 배치될 수 있으며, 일단이 코일(140)을 향해 돌출된 형태로 구성될 수 있다.
그리고, 제2 요크(170)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 영구자석(150)의 타측에 연결되어 코일(140)의 외측에 배치될 수 있으며, 일단이 코일(140)을 향해 돌출된 형태로 구성될 수 있다.
이러한 구성을 통해, 제1 요크(160) 및 제2 요크(170) 사이에는 코일(140)이 배치될 수 있게 된다.
여기서, 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)는 자성체로 구성되어, 영구자석(150)에 의해 발생된 자속의 자속경로를 구성할 수 있다.
이와 같은 구성에서, 영구자석(150), 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)는 코일(140)에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시킬 수 있게 된다.
즉, 도 2 및 도 3에 화살표로 표시된 바와 같이, 영구자석(150), 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)는 코일(140)의 내측에서 외측 방향으로 코일(140)에 대해 자기력을 작용할 수 있다.
이때, 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)의 코일(140) 측으로 돌출된 구조를 통해, 자속이 코일(140)에 집중될 수 있게 되어, 코일(140)에는 강한 자기력이 작용할 수 있게 된다.
이와 같은 구성에서, 가동코일부의 코일(140)에 전류가 인가되면, 가동코일부는 자계형성부에 의해 형성된 자계에 의해 이동되어 가동축(120)을 이동시킬 수 있게 된다.
다시 말해, 코일(140)에 전류가 인가되면, 영구자석(150), 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)에 의해 형성된 자계 내에서 코일(140)에 흐르는 전류가 수직방향으로 흐르게 되고, 코일(140)은 로렌츠 힘에 의해 직선이동 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 위쪽으로 이동할 수 있게 된다.
한편, 도시되지는 않았지만, 일 실시예에서 코일(140)에 대한 전류공급이 해제된 경우에 가동코일부가 원위치되는 동작은 스프링과 같은 탄성체(미도시)로 구현될 수 있다.
그리고, 상기 가이드부(180)는 가동축(120)의 둘레를 축방향으로 감싸도록 구성되어, 가동축(120)의 직선이동을 가이드할 수 있다. 일 실시예에서, 가이드부(180)는 중공에 가동축(120)이 삽입되고, 외곽에 상기 영구자석(150), 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)가 고정되는 부도체로 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 도 1에 도시된 종래의 기술에 의한 솔레노이드와 달리, 가동부가 가벼운 코일(140)과 권취부재(145)으로 구성되어, 응답속도가 빠르다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 코일(140)의 인덕턴스가 작기 때문에 전기적인 시정수가 작으므로, 응답속도가 빠르다는 장점이 있다.
다음으로, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예들에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 4 내지 도 6 각각은 본 발명의 다른 실시예들을 나타내는 단면도이다.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 도 2 및 도 3을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)와 달리, 영구자석(150)과 제1 요크(160)가 코일(140)의 외측에 배치될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 도 4에 도시된 바와 같이 가동지지대(130)의 길이가 짧게 구성되고, 권취부재(145) 및 코일(140)의 직경이 작게 구성될 수 있으므로, 가동부의 무게가 더욱 감소된다는 장점이 있다.
또한, 도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 도 2 및 도 3을 참조하여 전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)와 달리, 가동축(120)이 영구자석(150), 제1 요크(160) 및 제2 요크(170)를 관통하지 않고 커버(110)만 관통하도록 짧게 구성될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 가동축(120)의 무게가 감쇠되므로, 가동부의 무게가 더욱 감소된다는 장점이 있다.
그리고, 도 6에 도시된 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 도 5에 도시된 본 발명의 또 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)와 달리, 영구자석(150)과 제1 요크(160)가 코일(140)의 외측에 배치될 수 있다.
이와 같은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 고속 솔레노이드(100)는 도 6에 도시된 바와 같이 가동지지대(130)의 길이가 짧게 구성되고, 권취부재(145) 및 코일(140)의 직경이 작게 구성될 수 있으며, 가동축(120)의 길이도 짧게 구성되므로, 가동부의 무게가 현저히 감소된다는 장점이 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
<가동코일부>
130 : 가동지지대 140 : 코일
145 : 권취부재 145a : 메인 프리프레그
145b : 보조 프리프레그
<자계형성부>
150 : 영구자석 160 : 제1 요크
170 : 제2 요크
180 : 가이드부

Claims (8)

  1. 축방향으로 직선이동 가능한 가동축;
    상기 가동축에 결합된 가동코일부; 및
    상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 자계형성부;를 포함하고,
    상기 가동코일부에 전류가 인가되면, 상기 가동코일부는 상기 자계형성부에 의해 형성된 자계에 의해 이동되어 상기 가동축을 이동시키고,
    상기 가동코일부는 코일과, 상기 코일이 권취되며, 복수의 프리프레그(prepreg)가 적층되어 이루어진 권취부재와, 상기 권취부재를 상기 가동축에고정결합시키는 가동지지대를 포함하며,
    상기 권취부재는적층된 복수의 프리프레그 사이에 간격이 형성되도록 구성되고, 상기 코일은 상기 복수의 프리프레그 사이의 간격에 권취되며,
    상기 권취부재는 서로 적층된 복수의 메인 프리프레그와, 상기 복수의 메인 프리프레그 각각의 사이에 상기 코일이 권취되는 간격이 형성되도록 메인 프리프레그와 메인 프리프레그 사이에 적층된 복수의 보조 프리프레그로 구성되는 고속 솔레노이드.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자계형성부는,
    상기 가동코일부의 내측 또는 외측에 배치되며, 상기 가동코일부에 흐르는 전류에 대해 수직방향으로 자계를 형성시키는 영구자석;
    상기 영구자석에 연결되며, 상기 가동코일부의 내측과 외측 각각에 배치되어, 상기 영구자석에 의해 형성된 자계의 자속을 상기 가동코일부에 집중시키는 제1 요크 및 제2 요크; 를 포함하는 고속 솔레노이드.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 요크 및 제2 요크는 상기 영구자석의 일측과 타측에 각각 연결되어, 자속경로를 구성하는 자성체로 구성된 고속 솔레노이드.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가동축의 둘레를 감싸도록 구성되어, 상기 가동축의 직선이동을 가이드하는 가이드부를 더 포함하는 고속 솔레노이드.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 가동축을 지지하고, 상기 가동코일부의 이동공간을 구성하는 커버를 더 포함하는 고속 솔레노이드.
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