KR101585625B1 - 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 ac 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기 및 이를 이용한 개별 난방 제어 시스템 - Google Patents

단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 ac 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기 및 이를 이용한 개별 난방 제어 시스템 Download PDF

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단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기는 다수개의 전자석 고정자 중 일부 고정자가 대응되는 회전자의 N극 또는 S극 영역에 비해 상대적으로 작고 중심선에서 편심되도록 배치됨으로써 인해 최초 발생하는 자기력에 의해 어느 특정방향으로 회전하도록 유도함으로써 단권형 싱크로너스 모터에 의해 양방향 구동이 가능한 모터를 이용하여 캠을 회전시키고 리미트 스위치와 캠이 회전함에 따라 눌러지는 유량 조절편을 포함하고, 유량 조절편의 가압 정도에 따라 난방수 유량을 제어하는 유량 조절 밸브 및 푸시 가이드를 포함한다.이와 같이 구성되는 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기에 의하면, 단권형 AC 모터임에도 불구하고 양방향으로 회전할 수 있으므로 동일한 크기 대비 회전토크가 약 2배로 형성되고, 단권형 AC 모터이기 때문에 구성을 간단히 할 수 있으므로 제조단가가 절감되어 가격경쟁력이 발생하는 이점이 있다.

Description

단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기 및 이를 이용한 개별 난방 제어 시스템{DRIVER USING SMALL AC SYNCHRONOUS MOTOR ENABLING BIDERECTIONAL ROTATION BY SINGLE-COILED MOTOR WHICH USED IN HEATING SYSTEM}
본 발명은 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기를 이를 이용한 개별 난방 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단권으로 형성된 코일에 의해 양방향 회전이 가능하도록 구성된 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용하여 전기구동기를 구동하여 난방 배관의 유량을 조절하는 유량 조절 밸브를 제어함으로써 사용자가 설정한 온도로 실내를 난방하는 개별 난방 제어 시스템에 관한 것이다.
교류 모터는 단일/멀티 상(single/multiphase) 모터, 유니버셜(universal) 모터, 서보(servo) 모터, 유도(induction) 모터, 싱크로너스(synchronous) 모터, 기어(gear motor) 모터 등의 여러 가지를 포함한다.
이러한 교류 모터에 의하여 유도된 자기장은 모터 코일에서와 같은 교류 전압에 의한 전자석에 의하여도 만들어질 수 있다. 자기장을 형성하는 코일은 전통적으로 계자 코일(field coil)이라 불리며, 반면에 회전하는 코일과 코일 코어는 전기자 코일(armature coil)이라 불린다.
교류 모터 중 AC 싱크로너스 모터(Synchronous Motor)는 간단한 회전면을 갖는 고정자부에 직권된 권선으로 구성되는 것으로서, 교류 모터의 일종이며 전원 주파수에 동기하여 회전하는 모터를 의미한다.
전류는 코일을 통과하여, 코일에 토크를 발생한다. 전류는 교류이기 때문에, 모터는 전형적으로 사인파의 주파수에 대응되도록 부드럽게 회전한다. 이에 따라 부하가 있고 없음에 관계없이 미끄러짐 없이 일정한 속도를 갖게 된다.
소형 AC 싱크로너스 모터는 단권형으로 회전 방향이 고정된 CW(CLOCKWISE: 시계 방향)형과 CCW(COUNTER-CLOCKWISE : 반시계 방향)형으로 구분되고, 방향이 고정되지 아니한 것이 있는데 이를 FREE 형(자유형) 모터라 한다. 이와 같은 단권형 모터는 전기 배선이 2선으로 구성되어 있다.
반면에, 소형 AC 싱크로너스 모터에 복권형 양방향 모터가 있는데, 이는 3선으로 연결되며 모터의 코일이 두벌 감겨져 있고 각기 CW용과 CCW용이 있어서 3선 중 공통선과 CW 선에 전원을 가하면 시계 방향으로 회전하고 공통선과 CCW 선에 전원을 가하면 반시계 방향으로 회전하도록 구성된다.
최근에는 모터를 사용하는 여러 응용 분야에서 모터를 어느 한 방향으로만 회전시키는 구성 뿐만 아니라 양방향으로 회전하여 효용이 증대되는 응용분야가 많이 존재한다. 그럴 경우 종래에는 양방향 모타를 사용하였으나, 이러한 양방향 모터에는 여러 가지 문제점이 있었다.
도 1에는 종래기술에 의한 양방향 모터의 일 예가 국내공개특허공보 제2006-0013562호로 개시되어 있다. 도시된 바와 같이, 양방향 모터는 코일을 두 번 감아서 사용하기 때문에 동일한 크기에서 회전력이 부족하여 원하고자 하는 토크를 얻기가 어렵다. 따라서, 모터 외부에 추가로 기어를 설치해야 하거나 최소한 기어비를 높게 해야 하므로 기어가 커져야 하는 문제점이 있다.
그리고, 두 벌의 코일에 AC 전원을 가해야 하기 때문에 전원 공급 회로가 이중으로 구비되어야 하고 동시에 연결 배선도 3선으로 구성되어야 하기 때문에 제품 단가가 상승하는 문제점이 있다.
더구나, 코일을 두 벌 감아서 사용하기 때문에 동일한 토크를 구현함에 있어서 모터의 크기가 2배 정도 커져야 하는 문제점이 있다.
그리고, 이러한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용하여 구동기를 구동하여 유량 조절 밸브의 조절편을 열림 혹은 닫힘의 위치 중 어느 하나로 움직이게 하여 평균적인 유량을 조절하는 방법과 유량 조절 밸브의 조절편을 어떤 위치에서라도 세워 두어서 설정 온도와 현재 온도와의 차이에 비례하여 열리는 정도를 조절하는 비례 제어 방식이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 단권형 AC 싱크로너스 모터를 이용하여 복권형 모터와 같이 선택적으로 양방향 구동이 가능하도록 하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 단권형 AC 싱크로너스 모터의 부피를 감소시키고 제조단가를 절감하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 오차 누적에 따른 제어의 정밀성이 감소되는 문제점을 해결하고 사용자에게 청각적 스트레스를 가하지 않으면서 온도 센서에서의 난방수 누수를 해결하기 위한 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기는 제어부; 상기 제어부에 의해 제어되는 모터; 상기 모터로부터 회전력을 인가받아 회전하는 캠(cam); 상기 캠과 마주보며, 상기 캠의 회전에 의해 가압되는 유량 조절편을 포함하고, 상기 유량 조절편의 가압 정도에 따라 난방수 유량을 제어하는 유량 조절 밸브; 상기 캠과 상기 유량 조절편에 의하여 정의되는 위치로 이동하는 푸시 가이드;및 상기 푸시가이드에 의하여 적어도 한번 이상 두 접점이 전기적으로 연결되고, 상기 제어부에 제어 기준 신호를 제공하는 리미트 스위치(limit switch)를 포함하고, 상기 모터는 교류 싱크로너스 다극 모터에 있어서, 외부 케이스; 상기 외부 케이스의 일면에 연결되는 상부 덮개; 상기 외부 케이스에 구비되고, 교류 입력에 의해 극성이 변경되는 다수개의 하부 고정자; 상기 상부 덮개에 구비되고, 상기 하부 고정자와 교번하여 배치되고 교류 입력에 의해 극성이 변경되는 다수개의 상부 고정자; 상기 외부 케이스에 연결되고, 상기 하부 고정자 및 상기 상부 고정자와 대응하는 다수개의 N극 및 S극이 교번하여 배치되는 회전자;및 상기 외부 케이스와 상기 상부 덮개 사이에 연결되고, 교류 입력에 의해 상기 상부 고정자 또는 하부 고정자에 극성을 인가하는 코일 어셈블리를 포함하고, 상기 하부 고정자 또는 상기 상부 고정자 중 적어도 어느 하나는 상기 회전자에 형성된 대응되는 N극 또는 S극 영역보다 상대적으로 작게 형성되고, 상기 회전자의 N극 또는 S극 영역의 중심선에서 한쪽으로 치우쳐 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기는 난방배관의 온도를 측정하여 상기 제어부에 전송하는 온도 센서를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 온도 센서는 온도에 따라 전기 저항(electrical resistance)값이 변화하는 센서로, 상기 리미트 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 온도 센서와 상기 리미트 스위치가 전기적으로 연결된 일 노드는 소정의 전압으로 풀-업(pull up)되고, 상기 온도 센서와 상기 리미트 스위치가 전기적으로 연결된 타 노드는 상기 제어부의 영 전위(ground)와 연결되는 것이 바람직하다.
본 발명의 모터의 회전력을 상기 캠에 전달하는 적어도 두 개 이상의 기어 부(gear unit)를 포함하고, 상기 캠과 상기 기어 부가 손잡이의 조작으로 분리되어 비상시에 상기 유량 조절편을 수동으로 조작 가능하도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 푸시 가이드는 푸시 가이드 하우징; 상기 캠과 접촉하여 상기 캠과의 접촉 마찰을 감소시키는 롤러; 상기 푸시 가이드 하우징 내에 수납되어 상기 유량 조절편과 접촉하는 제1 돌기; 상기 푸시 가이드 하우징 내에 수납되어 상기 제1 돌기에 탄성력을 제공하는 스프링; 및 상기 리미트 스위치와 연동하는 제2 돌기를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 리미트 스위치는 상기 유량 조절 밸브의 최대 개방위치 또는 최소 개방 위치 중 어느 하나에서 회전 원점 신호를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제어부는 상기 캠을 적어도 1회전 이상 구동하여 상기 유량 조절편의 고착 상태를 파악하는 것이 바람직하다.
본 발명의 하부 고정자 또는 상기 상부 고정자는 상기 회전자의 N극 또는 S극 영역과 대응되도록 형성되는 기준 고정자와, 상기 기준 고정자와 교번하여 배치되고, 상기 회전자에 형성된 N극 또는 S극 영역보다 상대적으로 작게 형성되고, 상기 회전자의 N극 또는 S극 영역의 중심선에서 한쪽으로 치우쳐 배치되는 변위 고정자를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 변위 고정자는 상기 변위 고정자의 영역의 적어도 1/2을 초과하는 영역이 상기 회전자의 N극 또는 S극 영역으로부터 연장되는 가상의 부채꼴 영역을 양분하는 Ⅰ영역 또는 Ⅱ영역에 속하도록 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 코일 어셈블리는 상기 코일 어셈블리에 가해지는 AC 전원이 영전위 점(ZERO CROSSING)에서 시작되고 끝나도록 제어되는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 코일 어셈블리는 상기 변위 고정자와 대향하는 상기 회전자가 N극 혹은 S극일 경우에 대해 상기 코일 어셈블리에 AC 전원을 가해 상기 변위 고정자에 N극 혹은 S극이 유기되는 정현파를 공급하여 척력 혹은 인력을 발생시켜 원하는 방향으로 상기 회전자의 회전이 개시되도록 하여 AC 전원에 의해 원하는 방향으로 회전을 하도록 구성되는 것이 바람직하다.
도 1은 종래 기술에 의한 AC 모터의 구조를 보인 단면 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 외부를 보인 사시도.
도 3은 도 2의 분해 사시도.
도 4는 본 발명에 의한 전기구동기에 포함되는 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 회전자의 정지 상태를 보인 개념도.
도 5는 본 발명에 의한 전기구동기에 포함되는 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 척력 발생상태를 보인 구성도.
도 6은 본 발명에 의한 전기구동기에 포함되는 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 인력 발생상태를 보인 구성도.
도 7은 본 발명에 의한 전기구동기에 포함되는 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 변위 고정자의 위치결정 구조를 보인 구성도.
도 8은 본 발명에 의한 전기구동기에 포함되는 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 구동상태를 보인 구성도.
도 9는 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기의 실시예를 보인 구성도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기의 리미트 스위치의 동작을 보인 구성도.
도 11은 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기의 유량 조절편이 어느 한 상태에서 고착된 상태를 도시한 구성도.
도 12는 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기의 푸시가이드를 보인 구성도.
도 13은 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기의 온도센서와 리미트 스위치 및 제어부의 연결 관계를 나타낸 회로도.
도 14는 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기의 룸 콘트롤러를 보인 정면도.
본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.
설명에 앞서, 본 발명은 하기에서 설명되는 실시예(들)에 한정된 바와 같이 구성되어야만 하는 것은 아니며 이와 다른 여러가지 형태로 구체화될 수 있을 것이다. 하기의 실시 예(들)은 본 발명이 온전히 완성될 수 있도록 하기 위하여 제공된다기보다는 본 발명의 기술 분야에서 숙련된 당업자들에게 본 발명의 범위를 충분히 전달하기 위하여 제공된다.
하나의 요소가 다른 하나의 요소 또는 층 상에 배치되는 또는 연결되는 것으로서 설명되는 경우 상기 요소는 상기 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결될 수도 있으며, 다른 요소들 또는 층들이 이들 사이에 게재될 수도 있다. 이와 다르게, 하나의 요소가 다른 하나의 요소 상에 직접적으로 배치되거나 연결되는 것으로서 설명되는 경우, 그들 사이에는 또 다른 요소가 있을 수 없다. 다양한 요소들, 조성들, 영역들, 층들 및/또는 부분들과 같은 다양한 항목들을 설명하기 위하여 제1, 제2, 제3 등의 용어들이 사용될 수 있으나, 상기 항목들은 이들 용어들에 의하여 한정되지는 않는다.
하기에서 사용된 전문 용어는 단지 특정 실시 예(들)을 설명하기 위한 목적으로 사용되는 것이며, 본 발명을 한정하기 위한 것은 아니다. 또한, 달리 한정되지 않는 이상, 기술 및 과학 용어들을 포함하는 모든 용어들은 본 발명의 기술 분야에서 통상적인 지식을 갖는 당업자에게 이해될 수 있는 동일한 의미를 갖는다.
통상적인 사전들에서 한정되는 것들과 같은 상기 용어들은 관련 기술과 본 발명의 설명의 문맥에서 그들의 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석될 것이며, 명확히 한정되지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 외형적인 직감으로 해석되지는 않을 것이다.
본 발명의 실시 예(들)은 본 발명의 이상적인 실시 예(들)의 개략적인 도해들인 단면 도해들을 참조하여 설명된다. 이에 따라, 상기 도해들의 형상들로부터의 변화들, 예를 들면, 제조 방법들 및/또는 허용 오차들의 변화들은 예상될 수 있는 것들이다. 따라서, 본 발명의 실시 예(들)은 도해로서 설명된 영역들의 특정 형상들에 한정된 바대로 설명되는 것은 아니라 형상들에서의 편차들을 포함하는 것이며, 도면들에 설명된 영역들은 전적으로 개략적인 것이며 이들의 형상들은 영역의 정확한 형상을 설명하기 위한 것이 아니며 또한 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것도 아니다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 8에는 본 발명에 의한 전기구동기에 포함되는 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 소형 AC 싱크로너스 모터(100)는 외부 케이스(101)가 구비되고, 상기 외부 케이스(101)에는 전자석과 같이 외부입력에 따라 극이 변화하는 하부 고정자(110)가 구비된다.
상기 하부 고정자(110)는 상기 하부 고정자(110)와 마주보는 회전자(200)에 구획된 극성 범위에 대응되도록 형성되는 기준 고정자(111)와, 회전자(200)에 구획된 극성 범위보다 작게 형성되는 변위 고정자(113)를 포함한다. 상기 기준 고정자(111)와 변위 고정자(113)는 모두 4개로 구성될 수 있으며, 상기 변위 고정자(113)에 대해서는 이하에서 보다 자세하게 설명한다.
상기 외부 케이스(101)의 중심에는 회전자(200)가 결합되는 회전축(120)이 구비되고, 상기 회전축(120)에 회전자(200)가 결합하여 회전함으로써 동력을 발생시킨다.
상기 회전자(200)는, 도 3에 도시된 바와 같이 원판을 부채살 형태로 일정하게 구획하여 N극과 S극을 교번하여 배치한다. 그리고, 상기 회전자(200)는 영구자석과 같이 극성이 변하지 않는 자성체로 형성된다.
도 4에는 상기 회전자(200)가 8개의 구획으로 구분된 상태가 도시되어 있다. 도 4에는 회전자(200)가 8개로 구분된 상태로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고 조건에 따라 8개 이상 또는 이하로 형성될 수 있다. 상기 회전자(200)는 N극과 S극이 부채살 형태로 배치되어 회전한 이후에 N극 또는 S극이 기준이 되는 고정자와 대응하여 정지할 수 있다.
상기 회전자(200)의 상부에는 코일 어셈블리(300)가 연결된다. 상기 코일 어셈블리(300)는 외부 AC 전력을 이용하여 고정자의 극성을 N극 또는 S극으로 변화시키는 역할을 한다.
상기 코일 어셈블리(300)의 상부에는 상부 덮개(400)가 구비되며, 상기 상부 덮개(400)에는 상부 고정자(410)가 구비된다. 상기 상부 고정자(410)는 4개로 구성되는데, 상기에서 설명한 하부 고정자(110)의 기준 고정자(111) 형태로만 형성될 수 있다.
상기 상부 덮개(400)에는 상기 회전자(200)와 연결되어 외부로 동력을 전달하는 기어 어셈블리(500)가 연결된다.
이하에서는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터의 고정자의 배치상태와 동작상태를 보다 상세하게 설명한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 하부 고정자(110)의 기준 고정자(111)와 상부 고정자(410)는 상기 회전자(200)에 구획된 극성 범위에 대응되는 형상으로 형성되어 있다. 따라서, 상기 고정자들은 극성간의 힘에 의해 어느 한쪽으로 치우치는 힘을 받지 않는다.
그러나, 상기 하부 고정자(110)의 변위 고정자(113)는 상기 회전자(200)에 구획된 극성 범위와 대응되지 않도록 형성된다. 즉, 상기 변위 고정자(113)는 회전자(200)에 형성된 극성 범위와 대응되지 않고 상대적으로 작고 한쪽으로 치우치도록 배치되어 있다.
보다 자세하게 설명하면, 도 5에 도시된 바와 같이, 서로 마주보는 고정자와 회전자가 동일 극성이 되도록 외부입력이 가해지면, 6개의 동일한 크기의 하부 고정자(110)의 기준 고정자(111) 및 상부 고정자(410)와 회전자(200)는 동일한 척력이 발생하여 팽팽한 균형으로 이루기 때문에 회전자(200)가 어느 방향으로 회전할지를 특정할 수 없다.
그러나, 하부 고정자(110)의 변위 고정자(113)는 회전자(200)의 대응되는 위치의 극성범위의 크기와 다르게 형성되고 한쪽 방향으로 치우치게 형성되기 때문에 특정 방향으로 치우치는 힘을 받게 된다.
즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 고정자와 회전자가 동일극성을 가지게 되면 서로 척력이 발생하는데, 변위 고정자(113)의 크기가 상대적으로 작고 한쪽 방향으로 치우치도록 배치되면 척력 간의 균형이 깨지고 회전자(200)에는 반시계 방향(CCW) 보다 시계 방향(CW)으로 더 큰 척력을 받게 된다.
따라서, 도 5와 같이 배치된 상태에서는 상기 회전자(200)가 시계 방향(CW)으로 회전하도록 제어될 수 있고, 회전자(200)가 시계 방향(CW)으로 회전하도록 최초 외력이 가해지면 이후에는 관성이 발생하고 지속적으로 입력되는 AC 전원 펄스에 의해 시계 방향(CW)으로 지속적으로 회전하게 된다.
반대로, 도 6에 도시된 바와 같이 고정자와 회전자가 다른 극성을 가지게 되면 서로 인력이 발생하는데, 변위 고정자(113)의 크기가 상대적으로 작고 한쪽 방향으로 치우치도록 배치되면 인력 간의 균형이 깨지고 회전자(200)에는 시계 방향(CW)보다 반시계 방향(CCW)으로 더 큰 인력을 받게 됨으로써 지속적으로 회전하게 된다.
따라서, 외부에서 AC 전원 펄스가 입력되기 전에 고정자와 회전자의 배치상태를 어떤 위치에 설정할 것인지를 결정하면 회전자(200)를 시계 방향으로 회전시킬 것인지 반시계 방향으로 회전시킬 것인지를 설정할 수 있다.
그리고, 상기와 같이 회전자(200)의 회전 방향을 결정하기 위해서는 상기 코일 어셈블리(300)의 코일에 흐르는 AC 전류가 영전위 점(ZERO CROSSING)에서 시작하고 끝나도록 제어되어야 한다.
도 7에는 상기 변위 고정자(113)의 크기나 위치를 설정하기 위한 기본 개념이 도시되어 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 변위 고정자(113)와 마주보는 회전자(200)의 극성 범위로부터 연장되는 가상의 부채꼴 형상(A)을 절반으로 구분하여 각각 Ⅰ영역 및 Ⅱ영역이라 한다.
그리고, 상기 변위 고정자(113)가 상기에서 설명한 바와 같이 불균형되는 인력 또는 척력을 발생시키기 위해서는 상기 변위 고정자(113)의 영역의 적어도 절반을 초과하는 영역이 상기 Ⅰ영역 또는 Ⅱ영역에 속해야 한다. 즉, 상기 변위 고정자(113)의 절반을 초과하는 영역이 가상의 부채꼴 형상(A)의 Ⅰ영역 및 Ⅱ영역의 어느 한쪽으로 치우치게 배치됨으로써 인해 상호 균형을 깨트리는 척력이나 인력을 발생시킬 수 있다.
도 8에는 상기와 같이 구성되는 모터의 구동상태가 도시되어 있다. STEP 1과 같이 최초의 전류가 발생하지 않을 때는 어느 방향으로도 힘이 발생하지 않는다. 그리고, STEP 2와 같이 서로 마주보는 고정자와 회전자에 동일극성이 발생하게 되면 X성분의 전류 ix와 Y성분의 전류 iy에는 π/2의 위상차를 가지면서 입력이 발생하게 되고, 이러한 성분값에 의해 유도자기력 B가 발생한다.
이때, 상기 변위 고정자(113)에 의해 발생되는 척력간의 편심에 의해 회전자(200)는 시계방향으로 회전을 시작한다.
그리고, STEP 3과 같이 회전자(200)가 이동을 시작하게 되면, ix와 iy는 위상을 달리하여 고정자에는 다른 극성이 인가되고 회전자(200)와 고정자에는 척력이 발생하여 회전자(200)의 회전을 유도한다.
이와 같이, 지속적으로 고정자의 극성을 변경시키면서 회전자(200)는 고정자와의 자기력에 의해 회전을 하게 되고, 이로 인해 동력을 발생시킬 수 있다. 반시계 방향의 경우에는 인가되는 전류의 위상을 변경시킴으로써 회전방향을 반대로 설정할 수 있다.
이와 같이 구성되는 소형 AC 싱크로너스 모터에 의해 구동되는 전기구동기에 대해 이하에서 상세하게 설명한다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 전기 구동기는 제어부와, 제어부에 의해 제어되는 소형 AC 싱크로너스 모터와, 소형 AC 싱크로너스 모터로부터 회전력을 인가받아 회전하는 캠(cam)과, 리미트 스위치(limit switch)와, 캠과 마주보며, 캠이 회전함에 따라 눌러지는 유량 조절편을 가지고, 유량 조절편이 눌러지는 정도에 따라 난방수 유량을 제어하는 유량 조절 밸브 및 캠과 유량 조절편에 의하여 정의되는 위치로 이동하여 리미트 스위치를 구동할 수 있는 푸시 가이드를 포함하며, 리미트 스위치는 제어부에 제어 기준 신호를 제공한다.
상기 소형 싱크로너스 모터(100)는 제어부(1100)가 제공하는 제어 신호에 의하여 제어된다. 제어 신호는 교류(AC) 또는 직류 펄스를 가지는 신호일 수 있다. 일반적인 양방향 AC 모터의 경우, 모터를 시계방향으로 회전시키고자 하는 경우는 CW형 코일에 전원을 인가하고, 반시계방향으로 회전시키고자 하는 경우에는 CCW형 코일에 전원을 인가한다. 또한, 로커를 포함하는 모터에 있어서는 모터가 목적하는 방향과 반대방향으로 회전하는 것을 막는 과정에서 "딱"하는 소리가 발생한다.
그러나, 상기에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의한 소형 AC 싱크로너스 모터는 시동시 랜덤하게 시계방향이거나, 반시계방향으로 회전하여도 무방하므로 로커가 필요없다. 따라서, 구동기 구동시 "딱"하는 소음이 발생하지 않는다.
일 실시예로 상기 소형 AC 싱크로너스 모터(100)는 직접 캠(1300)을 구동할 수 있으나, 회전속도 또는 토크(torque)를 조절하기 위하여 기어부(1800)를 통하여 캠(1300)을 구동할 수 있다.
일 예로 상기 기어부(1800)는 도시된 바와 같이 서로 맞물린 두 개의 기어로 구성될 수 있으며, 도시되지는 않았지만 두 개 이상의 기어들로 구성될 수 있다. 상기 캠(1300)과 상기 기어부(800)는 도시되지 않은 손잡이의 조작으로 분리될 수 있다. 따라서, 전원인가에 문제되는 비상시에 유량 조절편을 수동으로 조작할 수 있다.
상기 유량 조절 밸브(1500)는 유량 조절편(1510)을 가지며, 상기 유량 조절편(1510)은 상기 소형 AC 싱크로너스 모터(100)에 의하여 회전력을 인가받은 캠(1300)에 의하여 눌린다. 상기 유량 조절편(1510)이 눌러지는 정도에 따라 유량 조절 밸브(1500)가 열려지는 정도가 제어되므로 밸브를 통과하는 난방수 유량이 제어된다.
일 예로, 상기 유량 조절편(1510)은 유량 조절 밸브(1500)에 설치된 스프링의 작용으로 인하여 평상시 최대로 돌출된 상태에 있을 수 있으며 스프링 작용에 의하여 유량 조절편이 눌려진 상태에서 다시 최대 돌출 상태로 복원될 수 있다.
일 예로, 상기 유량 조절 밸브(1500)는 유량 조절편(1510)이 최대 돌출 상태에서 최대로 개방되어 밸브를 통과하는 난방수 유량을 최대로 제어할 수 있으며, 유량 조절 밸브(1500)는 유량 조절편(1510)이 최대 침강 상태에서 완전히 폐쇄되어 난방수가 밸브를 통과하지 못하도록 제어할 수 있다.
위에서 설명된 실시예와 반대의 예로, 상기 유량 조절 밸브(1500)는 유량 조절편(1510)이 최대 돌출 상태에서 폐쇄될 수 있으며, 상기 유량 조절편(1510)이 최대 침강 상태에서 완전히 개방되어 밸브를 통과하는 난방수 유량이 최대가 되도록 제어할 수 있다.
도 10a와 도 10b는 상기 캠(1300)과 유량 조절편(1510)에 의하여 정의되는 위치로 이동하여 리미트 스위치(1400)을 구동하는 푸시 가이드(1600) 동작을 설명하는 개요도이다.
도 10a 및 10b를 참조하면, 상기 푸시 가이드(1600)는 캠(1300)과 유량 조절편(1510)에 의하여 정의되는 위치로 이동한다. 도 10a와 같이 캠(1300)이 푸시 가이드(1600)를 통하여 유량 조절편(1510)을 누르지 않는 위치에 있는 경우에는, 유량 조절편(1510)은 위에서 설명된 바와 같이 스프링의 작용에 의하여 돌출되며, 그에 따라 푸시 가이드(1600)는 상승하므로, 리미트 스위치(1400)는 접점이 서로 전기적 연결되지 않는 브레이크(break) 상태에 있다.
그러나, 모터로부터 회전력이 인가되어 캠(1300)이 회전하면 푸시 가이드(1600)가 이동하여 유량 조절편(1510)을 도면에 화살표로 도시된 방향으로 침강시킨다. 푸시 가이드(1600)는 이동하면서 리미트 스위치(1400)를 그 접점이 서로 전기적으로 연결되는 메이크 상태로 구동한다.
도 10a와 도 10b로 예시적으로 도시된 바와 같이 캠(1300)이 적어도 한 바퀴 이상 회전함에 따라 리미트 스위치(1400)은 푸시가이드(1600)에 의하여 적어도 한 번 이상 두 접점이 전기적으로 연결되는 메이크 상태로 구동된다. 따라서, 제어부(1100)는 리미트 스위치(1400)가 출력하는 신호를 모니터링하여 푸시 가이드 및 유량 조절편(1510)의 위치가 특정 위치에 있음을 판단할 수 있다.
따라서, 상기 제어부(1100)는 리미트 스위치(1400)가 제공하는 신호를 제어의 기준신호로 삼고, 제어 기준 신호가 형성되는 특정 위치를 밸브 제어 기준으로 삼아서 밸브를 제어하면 캠의 회전 구동시마다 유량 조절편 및 푸시 가이드의 위치 정보를 알 수 있어 오차가 누적되어 발생하는 오류를 방지할 수 있다.
상기 제어부(도 9 1100 참조)는 리미트 스위치(1400)의 각 접점과 연결된 선로를 통하여 스위치 접점이 전기적으로 연결된 메이크 상태 여부를 파악할 수 있다. 또한, 상기 제어부(1100)는 소형 AC 싱크로너스 모터(100)에 인가하는 교류 펄스의 인가 시간, 펄스의 개수를 조절하여 모터의 회전각을 제어할 수 있으며, 그에 따라 캠의 회전 각도 및 유량 조절편(1510)의 상승 또는 침강 정도를 제어할 수 있으며, 결과적으로 밸브의 개폐 정도가 조절되어 결국 난방수의 유량을 제어할 수 있다.
도 10a 및 10b에서 도시된 리미트 스위치(1400)는 캠(1300)이 최대로 유량 조절편(1510)을 밀어 유량 조절편(1510)이 최대로 침강되어 밸브가 완전히 닫힌 상태에서 리미트스위치(1400)의 접점이 메이크 상태로 하는 실시예를 도시하고 있으나, 도시되지 않은 실시예에 의하면 유량 조절편(1510)이 최대로 돌출되어 밸브가 완전히 개방된 상태에서 리미트 스위치(1400)를 메이크 상태로 한다. 나아가, 리미트 스위치(1400)의 빗면의 형태를 조절하여 유량 조절편 최대 침강 상태와 최대 돌출 상태의 특정한 어느 한 부분에서 리미트 스위치가 메이크 상태가 되도록 하는 실시예도 당연히 가능하다.
그러나, 상기 유량 조절편(1510)과 유량 조절편을 돌출시키는 스프링(미도시)은 난방수가 흐르는 유량 조절 밸브(1500)내에 형성되는 것으로, 난방수에 포함된 모래, 녹 등의 이물질이 스프링, 밸브 하우징 내에 퇴적될 수 있으며 그에 따라 스프링 작용이 원활하지 않아 도 11에 도시된 바와 같이 상기 유량 조절편(1510)이 어느 한 상태에서 고착될 수 있다.
상기 유량 조절편(1510)의 고착 상태는 캠이 적어도 한 바퀴 이상 회전하면서 푸시 가이드(1600)을 통하여 유량 조절편(1510)을 이동시키며, 유량 조절편(1510)은 그에 따라 최대 침강 상태로 이동하며, 최대 침강 상태에서 스프링은 복원 작용을 수행할 수 없으므로 결국 유량 조절편(1510)은 최대 침강 상태에서 고착된다.
상기 제어부(도 9 1100 참조)는 모터를 구동하는 과정에서 리미트 스위치(1400)가 제공하는 신호를 모니터링 한다. 유량 조절편(1510)이 고착 상태에 있는 경우에는 캠을 한 바퀴 이상 구동하여도 푸시 가이드(1600)는 고착된 유량 조절편(1510) 위에서 이동하지 않아 리미트 스위치(1400)는 캠의 회전 여부에 관계없이 계속 메이크 상태에 해당하는 신호를 제공한다.
상기 리미트 스위치(1400)가 최대 침강 상태에서 브레이크 상태에 해당하는 신호를 출력하는 실시예라면, 제어부는 캠이 한 바퀴 이상 회전하여도 리미트 스위치(1400)로부터 계속 브레이크 상태에 해당하는 신호를 제공받는다. 따라서, 상기 제어부(1100)는 캠을 적어도 한 바퀴 이상 회전하여 유량 조절편(1510)의 고착여부를 파악할 수 있다.
도 12는 푸시 가이드(1600) 구성을 개요적으로 도시한 도면이다. 도 12를 참조하면, 상기 푸시 가이드(1600)는 푸시 가이드 하우징(push guide housing, 1610)과, 상기 푸시 가이드 하우징(1610) 내에 수납되어 유량 조절편(1510)과 접촉하는 제1 돌기(1620)와 상기 푸시 가이드 하우징(1610) 내에 수납되어 제1 돌기(1620)에 탄성력을 제공하는 스프링(1630)과, 상기 리미트 스위치(1400)와 접촉하는 제2 돌기(1640) 및 캠(1300)과 접촉하는 롤러(1650)를 포함한다.
상기 유량 조절 밸브(1500)의 유량 조절편(1510)이 돌출된 높이는 밸브의 제조사 마다 상이하며, mm 이하 정도의 편차가 있다. 따라서, 스프링(1630)의 탄성력에 의하여 제1 돌기(1620)가 돌출된 길이가 유량 조절편(1510)이 돌출된 높이에 맞추어 적용되므로 유량 조절편(1510)을 충분히 침강시키지 못하는 경우를 방지할 수 있다.
다만, 스프링(1620)이 무른 경우에는 제1 돌기(1620)가 유량 조절편(1510)을 충분히 누르지 못하고 스프링(1630) 쪽으로 후퇴할 수 있다. 따라서 제1 돌기(1620)가 유량 조절편(1510)을 침강시키기에 충분하게 굳은 스프링을 사용한다.
또한, 상기 롤러(1650)는 캠(1300)과 접촉하며 자유로이 회전하여 캠과 접촉 마찰을 감소시킨다.
상기 온도 센서(1700)는 난방 배관의 온도를 측정하여 측정된 온도를 전기적 신호로 제어부(1100)에 전송한다. 상기 온도 센서(1700)는, 도 9에 도시된 바와 같이 난방 배관(1730)을 감싸는 형태로 형성된 클램프 부재(1720)에 형성되며, 상기 난방 배관(1730)의 온도를 측정하여 제어부에 전기적 신호의 형태로 전송한다. 상기 온도 센서(1700)를 난방 배관(1730)에 클램핑된 형태로 구현하여 내구성을 높혔다.
본 실시예에 따른 상기 온도 센서(1700)는 온도 센서(1700)의 온도가 상승함에 따라 전기저항값이 변화하는 센서로 구현할 수 있으며, 일 예로 온도가 상승함에 따라 전기저항값이 감소하는 음 온도지수 센서(NTC sensor,Negative Temparature Coefficient sensor)를 사용한다.
도 13은 상기 온도 센서(1700)와 리미트 스위치(1400) 및 제어부(1100)의 연결관계를 나타낸 회로도이다. 도 1과 도 5를 참조하면, 온도 센서(1700)는 일 예로 가변 저항으로 나타낼 수 있으며, 리미트 스위치(1400)는 열린 상태와 닫힌 상태를 가지는 스위치로 나타낼 수 있다.
또한, 상기 온도 센서(1700)와 리미트 스위치(1400)는 병렬로 연결되며, 온도 센서(1700)와 리미트 스위치(1400)가 연결된 일 노드는 소정의 전압(Vcc)으로 풀 업(pull up)되며, 타 노드는 기준 전위가 제공된다.
이와 같이 연결된 실시예에서, 상기 온도 센서(1700)가 온도 센서(1700)에 인가되는 온도가 증가하면 그 저항값이 감소하는 NTC 센서인 경우라면, 온도센서의 온도가 증가할수록 저항값은 감소한다. 따라서, 풀업 저항(Rp)과 온도 센서의 저항값에 의하여 전원 전압이 분압되어 제어부(1100)로 인가되는 전압은 감소한다. 따라서, 제어부(1100)는 온도 센서(1700)가 인가하는 전기적 신호를 감지하여 온도값을 검출할 수 있다.
또한, 상기 리미트 스위치(1400)의 접점이 메이크 되면 제어부(1100)가 감지하는 전압은 기준 전압에 해당한다. 따라서, 제어부(1100)는 두 선로에 형성되는 전압을 감지하여 온도 센서(1700)가 감지한 온도와 리미트 스위치(1400) 접점이 메이크 되었는지 여부를 확인할 수 있다.
이하에서는 도 9 내지 도 14를 참조하여 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기 구동기를 이용한 난방 시스템을 설명한다. 간결하고 명료한 설명을 위하여 위에서 설명된 구동기와 동일한 부분은 그 설명을 생략할 수 있다.
도 14는 본 실시예에 따른 룸 콘트롤러의 개요를 도시한 도면이다. 도 9 및 도 14를 참조하면, 본 발명에 의한 난방 시스템은 룸 콘트롤러(1900)와 제어부(1100)와 구동기 및 온도 센서(1700)를 포함할 수 있다.
상기 룸 콘트롤러(1900)는 난방되는 영역(룸)에 설치된다. 상기 룸 콘트롤러(1900)는 사용자로부터 난방 온도를 상승시키거나 하강시키는 제어 명령을 제공받을 수 있는 입력부(1910)와, 난방되는 영역의 현재 온도를 측정하는 온도 측정부(1920) 및 난방되는 영역의 현재 온도와 난방수의 현재 온도를 디스플레이할 수 있는 디스플레이부(1930)를 포함한다.
상기 룸 콘트롤러(1900)는 사용자에 의한 제어 명령을 입력받아 제어부(1100)에 전송하고, 상기 제어부(1100)는 제어 명령에 따라 유량 조절 밸브를 더 개방하거나, 더 폐쇄하도록 구동기를 제어한다.
상기 룸 콘트롤러(1900)는 온도 측정부가 측정한 온도에 상응하는 전기적 신호를 사용자의 제어 신호와 함께 제어부(1100)에 제공하며, 룸 콘트롤러(1900)의 디스플레이부는 도시된 바와 같이 사용자가 설정한 난방 온도와 측정된 온도를 사용자에게 디스플레이할 수 있으며, 나아가 현재 난방수의 온도를 더 표시할 수 있다.
상기에서는 본 발명에 의한 단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터가 적용되는 일 예로서 유량 조절 구동기를 설명하였으나, 이에 한정되지 않으며 다양한 분야에 적용될 수 있음은 당연하다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
101 : 외부 케이스 110 : 하부 고정자
111 : 기준 고정자 113 : 변위 고정자
200 : 회전자 300 : 코일 어셈블리
400 : 상부 덮개 410 : 상부 고정자
1100 : 제어부 1300 : 캠
1400 : 리미트 스위치 1500 : 유량 조절 밸브
1600 : 푸시 가이드 1700 : 온도센서
1800 : 기어부 1900 : 룸 콘트롤러

Claims (11)

  1. 제어부;
    상기 제어부에 의해 제어되는 모터;
    상기 모터로부터 회전력을 인가받아 회전하는 캠(cam);
    상기 캠과 마주보며, 상기 캠의 회전에 의해 가압되는 유량 조절편을 포함하고, 상기 유량 조절편의 가압 정도에 따라 난방수 유량을 제어하는 유량 조절 밸브;
    상기 캠과 상기 유량 조절편에 의하여 정의되는 위치로 이동하는 푸시 가이드;및
    상기 푸시가이드에 의하여 적어도 한번 이상 두 접점이 전기적으로 연결되고, 상기 제어부에 제어 기준 신호를 제공하는 리미트 스위치(limit switch)를 포함하고,
    상기 모터는
    교류 싱크로너스 다극 모터에 있어서,
    외부 케이스;
    상기 외부 케이스의 일면에 연결되는 상부 덮개;
    상기 외부 케이스에 구비되고, 교류 입력에 의해 극성이 변경되는 다수개의 하부 고정자;
    상기 상부 덮개에 구비되고, 상기 하부 고정자와 교번하여 배치되고 교류 입력에 의해 극성이 변경되는 다수개의 상부 고정자;
    상기 외부 케이스에 연결되고, 상기 하부 고정자 및 상기 상부 고정자와 대응하는 다수개의 N극 및 S극이 교번하여 배치되는 회전자;
    상기 외부 케이스와 상기 상부 덮개 사이에 연결되고, 교류 입력에 의해 상기 상부 고정자 또는 하부 고정자에 극성을 인가하는 코일 어셈블리;및
    상기 하부 고정자 또는 상기 상부 고정자 중 적어도 어느 하나는 상기 회전자에 형성된 대응되는 N극 또는 S극 영역보다 상대적으로 작게 형성되고, 상기 회전자의 N극 또는 S극 영역의 중심선에서 한쪽으로 치우쳐 배치되는 변위 고정자를 포함하고,
    상기 하부 고정자 또는 상기 상부 고정자는
    상기 회전자의 N극 또는 S극 영역과 대응되도록 형성되는 기준 고정자와,
    상기 기준 고정자와 교번하여 배치되고, 상기 회전자에 형성된 N극 또는 S극 영역보다 상대적으로 작게 형성되고, 상기 회전자의 N극 또는 S극 영역의 중심선에서 한쪽으로 치우쳐 배치되는 변위 고정자를 포함하며,
    상기 변위 고정자는
    상기 변위 고정자의 영역의 적어도 1/2을 초과하는 영역이 상기 회전자의 N극 또는 S극 영역으로부터 연장되는 가상의 부채꼴 영역을 양분하는 Ⅰ영역 또는 Ⅱ영역에 속하도록 배치되는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  2. 제1항에 있어서,
    난방배관의 온도를 측정하여 상기 제어부에 전송하는 온도 센서를 더 포함하는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 온도 센서는
    온도에 따라 전기 저항(electrical resistance)값이 변화하는 센서로, 상기 리미트 스위치와 병렬로 연결되며, 상기 온도 센서와 상기 리미트 스위치가 전기적으로 연결된 일 노드는 소정의 전압으로 풀-업(pull up)되고, 상기 온도 센서와 상기 리미트 스위치가 전기적으로 연결된 타 노드는 상기 제어부의 영 전위(ground)와 연결되는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 모터의 회전력을 상기 캠에 전달하는 적어도 두 개 이상의 기어 부(gear unit)를 포함하고, 상기 캠과 상기 기어 부가 손잡이의 조작으로 분리되어 비상시에 상기 유량 조절편을 수동으로 조작 가능하도록 구성되는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 푸시 가이드는
    푸시 가이드 하우징;
    상기 캠과 접촉하여 상기 캠과의 접촉 마찰을 감소시키는 롤러;
    상기 푸시 가이드 하우징 내에 수납되어 상기 유량 조절편과 접촉하는 제1 돌기;
    상기 푸시 가이드 하우징 내에 수납되어 상기 제1 돌기에 탄성력을 제공하는 스프링; 및
    상기 리미트 스위치와 연동하는 제2 돌기를 포함하는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 리미트 스위치는
    상기 유량 조절 밸브의 최대 개방위치 또는 최소 개방 위치 중 어느 하나에서 회전 원점 신호를 제공하는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 캠을 적어도 1회전 이상 구동하여 상기 유량 조절편의 고착 여부를 인식하도록 구성되는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 코일 어셈블리는
    상기 코일 어셈블리에 가해지는 AC 전원이
    영전위 점(ZERO CROSSING)에서 시작되고 끝나도록 제어되는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 코일 어셈블리는
    상기 변위 고정자와 대향하는 상기 회전자가 N극 혹은 S극일 경우에 대해 상기 코일 어셈블리에 AC 전원을 가해 상기 변위 고정자에 N극 혹은 S극이 유기되는 정현파를 공급하여 척력 혹은 인력을 발생시켜 원하는 방향으로 상기 회전자의 회전이 개시되도록 하여 AC 전원에 의해 원하는 방향으로 회전을 하도록 구성되는
    단권형으로 양방향 회전이 가능한 소형 AC 싱크로너스 모터를 이용한 전기구동기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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