KR101790364B1 - 회전식 단상 전자기 액츄에이터 - Google Patents

회전식 단상 전자기 액츄에이터 Download PDF

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Abstract

공통의 중심 축을 따라 마주보게 이격된 위치에 배치되거나, 소정의 종방향 인력을 생성하기 위한 위치에 교대로 배치되고, 축을 따라 종방향으로 디스크 자석을 이동시키기 위해 임의의 인력의 공통 축에 대해 회전하도록 자화된 디스크 자석 회전자를 허용하는 단상의, 회전식 전자기 액츄에이터가 개시된다. 전체 조립체는 각 측면에서 안쪽으로 바라보는 립을 제공하는 회전식 벨트에 의해 동작 위치에 유지되고, 고정자 조립체가 있고, 디스크에 대해 이격되는 자기 공극을 결정한다. 본 발명은 자기장 에미터처럼 액츄에이터 회전자를 사용하는 각 위치 센서의 도입에 의해 서보 액츄에이터, 및 벨트 립에 배치되는, 자기장 및 그 접촉용 수신기로 구현된다.

Description

회전식 단상 전자기 액츄에이터{rotary single-phase electromagnetic actuator}
본 발명은 전자기 액츄에이터 및 서보 액츄에이터에 관한 것이다.
제한된 각도, 브러시리스(brushless) DC 회전식 액츄에이터는 잘 알려져 있고 상업적으로 이용가능하다. 이러한 액츄에이터는 1996년 4월 30일에 발행된 미국특허 제5,512,871호에 개시되어 있다. 다른 액츄에이터가 2001년 11월 6일에 발행된 미국특허 제6,313,553호에 개시되어 있다.
현재 사용 가능하고 상기 참고문헌에 의해 제공되는 액츄에이터는 상업적으로 "토크 모터(torque motor)"로 알려져 있으며, 회전 부재를 포함하는 자석에 부착되는 강자성체 요크를 포함한다. 요크는 작동을 위해 회전 부재를 충분하게 강화시키고, 부착된 자석의 자기 회로를 폐쇄하기 위해 필요한 것으로 생각된다. 그러나 요크의 존재는 높은 관성 모멘트를 갖는 구조를 야기하는데, 동적 성능을 감소시키고, 고정자(stator)를 향해 잡아당기는 회전 부재상에 불균형 자력을 발생시키는 단면 고정자 구조를 갖는다.
이러한 액츄에이터의 첫 번째 단점은 약 20% 또는 그 이상의 전력 소모가 그 자신의 관성을 제거하기 위해 사용되어 동적 성능을 감소시킨다는 것이다. 애플리케이션 듀티 싸이클(duty cycle)에 따라서, 이 낭비되는 전력 소비값이 더욱 높아질 수 있다.
두 번째 단점은 불균형한 설계 때문에, 회전자(rotor) 자석이 스테이터 구조물을 향해 자기 인력을 갖기 때문에, 회전자의 필수 회전 자유를 여전히 허용하는 축방향 정지 기능을 수행하도록 고가의 스러스트 볼 베어링(thrust ball bearing)의 사용을 유도한다는 것이다. 이러한 축방향 인력의 일부는 특정 애플리케이션에 사용될 경우의 진동을 견디도록 사용되지만, 어떤 경우에는 회전자의 회전은 회전 및 출력 토크를 생성하기 위해 사용되는 자력의 일부가 소비되는 마찰 토크의 영향을 받기 쉽다.
세 번째 단점은 전자기 플럭스 누출이다. 이것은 도1 및 도2의 종래 기술의 구조를 봄으로써 명확하게 이해될 수 있는데, 4개의 코일과 고정자 폴이 서로에 대해 매우 인접하게 반드시 배치된다. 회전자 요크 및 폴 사이의 작은 자기 공극으로도, 높은 토크 생성을 위해 필요한 고전류에서 포화가 나타날 경우, 대부분의 코일 플럭스는 자석을 통해 통과하지 않으며, 토크를 생성하지만, 대신에 이웃하는 코일 상에서 폐쇄된다.
네 번째 단점은 서보 애플리케이션에서 액츄에이터 자석이 위치 센서 수신기를 활성화하기 위해 사용되지 않고, 제 2의, 별개의 자석이 요크에 부착되도록 요국되어 회전 부재의 비용 및 무게를 증가시킨다는 것이다.
다섯 번째 단점은 고정자 및 코일의 구성 및 조립에 필요한 물리적인 공간 때문인데, 종래 기술의 4극(4-pole) 끝면 액츄에이터의 실제 사용가능한 스트로크는 이론적인 스트로크 90°에 대해 약 75°로, 대부분의 애플리케이션에서 바람직하다. 동일한 물리적 액츄에이터 크기에서 종래 기술의 2극(2-pole) 구성 사용은 90°의 사용가능한 스트로크를 생성하지만, 이 토크는 50%만큼 감소하여 이러한 액츄에이터가 많은 애플리케이션에서 바람직하지 않고 사용할 수 없도록 만든다. 그리고, 필요한 토크에 이르기 위해 액츄에이터의 크기를 증가시키는 것도 그로 인한 크기, 무게 및 비용 때문에 액츄에이터를 바람직하지 않게 한다.
하기의 정의는 문맥이 다른 것을 나타내지 않는 한 본 발명의 설명에 적용가능하고, 모터 설계의 분야의 당업자에 공지된 것이며 이해될 수 있는 것이다.
용어 "고정자(stator)"는 하나 또는 여러 조각의 높은 투자율의 강자성체 구조를 의미하며, 선형 또는 회전 운동으로 고정된다.
용어 "능동 고정자(active stator)"는 극(pole)을 갖는 "고정자"를 의미하며, 자속을 생성하기 위해 여자 코일 권선(excitation coil windings)을 수용하도록 개조된다.
용어 "수동 고정자(passive stator)"는 자속에 대한 경로를 제공하지만 어떤 여자 코일 권선도 포함하지 않는 "고정자"를 의미한다. 예를 들어 "수동 고정자"는 높은 투자율의 강자성체 판일 수 있다.
용어 "고정자 회로(stator circuit)"는 "능동 고정자" 뿐만 아니라 극(pole) 상에 위치하는 여자 코일을 의미한다.
용어 "고정자 조립체(stator assembly)"는 오버몰드된 "고정자 회로" 또는 오버몰드된 "수동 고정자"를 의미한다.
E로 표기되는 용어 "공극(airgap)" 또는 "자기 공극(magnetic airgap)"는 축 방향으로 이격된 회전자가 없는 고정자 사이의 거리를 의미한다.
용어 "폴 페어(pole pair)"는 자석의 남극 및 북극을 의미한다.
용어 "다극적인(multipolar)"은 하나 이상의 폴 페어를 갖도록 자기화된 자석을 의미한다.
용어 "회전자(rotor)" 또는 "회전자 자석(rotor magnet)" 또는 "디스크 자석 회전자(disc magnet rotor)"는 방사상의 경계 또는 전이선에 의해 규정된 폴 페어를 갖는 축 방향으로 자기화된 다극적인 디스크 자석을 의미한다.
용어 "애플리케이션(application)"은 액츄에이터가 부착되고 액츄에이터에 의해 동작하는 디바이스를 의미한다.
용어 "2극 구조(2 pole configuration)" 또는 "2극 액츄에이터(2 pole actuator)" 등은 적어도 단일 2극 능동 고정자가 회전자의 일 측면에 존재하고 회전자가 2 폴 페어를 갖는 일 실시예를 의미한다.
용어 "4극 구조(4 pole configuration)" 또는 "4극 액츄에이터(4 pole actuator)" 등은 적어도 단일 4극 능동 고정자가 회전자의 일 측면에 존재하고 회전자가 4 폴 페어를 갖는 일 실시예를 의미한다.
용어 "관성 조립체(inertia assembly)"는 성능지수(AK)를 계산하기 위한 관성 계산에 기여하는 모든 액츄에이터 부품을 의미한다.
일 실시예에서 본 발명은 대체로 일정한 토크 및 전류에 비례하는 토크를 유용 스트로크(useful stroke)로 알려진 제한된 각도의 이동 상에 생성할 수 있는 로터리 단상 액츄에이터를 포함하는 전자기 액츄에이터에 관한 것으로, 유용 스트로크는 일반적으로 60°및 110°사이이다. 액츄에이터는 축 방향으로 이격되고, 서로 마주보며, 그들 사이의 공간은 공극을 형성하고, 회전자는 공극 안의 2 또는 4 폴 페어의 자기화된 다극 디스크 자석으로 구성되는 2극 또는 4극을 포함하는 고정자를 포함한다. 다른 특징 및 실시예가 하기에 개시될 것이다.
다른 실시예에서, 회전자의 일 측면 상에는 능동 고정자가 존재하고 회전자의 다른 측면 상에는 수동 고정자가 존재한다.
본 발명이 접속된 애플리케이션 이동의 종점은, 회전식이든지 선형이든지, 액츄에이터의 유용 스트로크의 거의 시작점 또는 종점에 기계적으로 접속된다. 액츄에이터의 회전도 내부 정지에 의해 유용 스트로크로 제한될 수 있다. 액츄에이터의 애플리케이션은 그 출력 토크를 사용하여 직접적인 회전 동작을 제공하거나 캠 및 종동절(follower) 또는 크랭크 및 슬라이더와 같은 회전-선형 메커니즘을 사용하여 회전 동작 토크를 선형 동작 힘으로 변환할 수도 있다.
본 발명은 종래 기술의 액츄에이터와 대체로 동일한 크기로, 동일하거나 더 높은 토크 및 더 빠른 동적 응답 시간을 갖는 유용 스트로크에 관한 전류에 비례하는 토크 및 일전한 토크를 생성한다. 일 실시예에서 전류에 비례하는 90°의 일정한 토크를 갖는 일 실시예에서, 90°의 유용 스트로크가 사용가능하다. 다른 실시예에서 일정한 토크를 갖는 더 짧은 스트로크가 사용가능하다.
본 발명은 공기 조절 및 배기가스 재순환 밸브, 및 터보과급기 베인(turbocharger vane) 및 배출 게이트와 같은, 다양한 자동차의 애플리케이션을 제어하는 특정 애플리케이션을 알려준다,
본 발명은 실현에 기반한 것이다. 회전자의 맞은편에서 고정자 사용은 동일한 크기 및 공간에서 종래 기술보다 더욱 큰 동적 효과가 가능하게 하고 종래 기술에서 보이는 문제점을 피할 수 있다. 본 발명의 원리에 따르면, 회전하는 자석을 강자성체 요크에 부착하는 대신에, 요크를 제거한다. 두 개의 정지된, 회전자의 양면에서 마주 보는, 높은 투자율의 강자성체 자기 고정자 조립체가 사용된다. 디스크 자석 회전자의 각 면 상에서의 고정자 조립체 사용은 종래 기술에서 활용되는 강자성체 요크를 제거한다.
적어도 하나의 고정자 조립체에 동력이 공급되면, 회전자 자기장과 고정자 조립체의 상호작용의 영향 때문에 액츄에이터 토크가 달성된다. 일실시예에서 고정자 조립체는 유사하지만, 하기에 개시된 바와 같이 유사하지 않은 고정자 조립체도 사용가능하다.
본 발명은 디스크 자석 회전자의 양면 상에 간격 e1 및 e2를 규정하는 공극안에서 디스크 자석 회전자와 축 방향으로 이격되어 마주보는 고정자 조립체의 가장 인접한 표면 사이의 공극E를 활용한다. 일 실시예에서, e1 = e2이다. 그러나, 하기에 보여지는 것처럼, e1≠e2와 같이 동일하지 않은 간격을 갖는 것이 유용할 때가 있다.
본 발명과 같은 자기 구조에서, 회전자 여자에 전류가 인가되지 않고 코일에 활성화될 경우, 각각의 면 상의 고정자에 회전자 자석을 잡아당기는 "정적인" 축방향 자기력이 존재한다. 전류가 코일에 인가될 경우, 코일은 활성화되어 자기장을 생성하고, 회전자 자석의 자기장과의 상호작용은 토크를 생성하여 샤프트를 회전시키고 애플리케이션을 구동한다.
각 면 상의 회전자 자석 및 인접한 고정자 조립체 사이의 축 방향 힘의 관리가 본 발명의 특징이다. 회전자 자석 및 고정자 조립체 사이에서 작용하는 정적인 축방향 자기력은 회전자의 각 면 상에서 사용되는 고정자 조립체의 유형 및/또는 공극 E 안의 회전자의 축 방향 위치에 의해 결정된다. 자동차 애플리케이션과 같은 일부 애플리케이션에서, 축방향 진동을 상쇄시키는 것을 돕기 위해 샤프트 상에 축 방향 "프리-로드(free-load)"힘을 도입하는 것이 바람직할 수도 있다. 이러한 바이어스 힘의 도입은 하나의 고정자 조립체에 더욱 인접하게 회전자를 배치하거나, 하나의 고정자 조립체를 향해 회전자가 기울어지게 하기 위해 불균형한 축 방향 힘을 가하도록 어느 정도 다른 두 개의 고정자를 사용하여 본 발명에서 용이하게 달성된다. 이처럼 편향력(biasing force)의 도입은 본 발명의 출력 토크를 감소시키지 않는다.
본 발명의 일실시예에서, 회전자의 각각의 면상의 고정자 조립체의 위치는, 안쪽을 향하는 립(lip)을 갖고, 연속적이거나 비연속적일 수도 있는, 자기 공극 E와 동일한 폭을 갖는 비자성 원형 랩핑 벨트(wrapping belt)에 의해 제공된다. 립은 고정자 조립체가 있어 낮은 생산 비용뿐만 아니라, 액츄에이터를 쉽게 조립할 수 있게 하고 높은 차원의 정확성을 이뤄내는 베어링 표면을 갖는다. 따라서, 자기 공극 E는 벨트의 안쪽을 향하는 립의 폭에 의해 규정된다.
다른 실시예에서, 회전자의 일면상의 고정자 조립체는 자기 회로를 폐쇄하기 위해 선택되는 두께의 적합한 고투과성 강자성체 판(수동형 고정자)일 수도 있다. 고투과성 강자성체 판이 사용되는 경우, 액츄에이터 토크의 양은 판상에 추가적인 자속을 생성하기 위한 코일이 없기 때문에 회전자의 각 면상에 능동형 고정자를 갖는 실시예에 의해 제공된 것보다 감소한다.
전술된 바와 같이 고정자 회로는 고정자 조립체를 만들기 위해 비자성체 물질안에 비슷하게 오버몰드되고, 회전자 및 샤프트를 따라, 전술된 비자성 원형 립핑 벨트에 의해 연결되고 조립된다.
그러나, 다른 실시예에서, 통합된 고정자 조립체를 생성하기 위해, 제 1 고정자 회로의 오버몰딩도 고정자 회로의 기저면상에 보통 표준 오버몰딩으로 몰드되는, 다른 고정자 조립체의 부착 및 간격을 허용하도록 하는 벨트 부분을 포함한다. 장착 이어(mounting ear)와 함께 벨트 및 립 베어링 표면은 보통 통합된 고정자 조립체를 규정하기 위해 고정자 회로의 자극면(pole face) 면상에 오버몰딩으로 몰드된다. 소정의 벨트의 다른 특징뿐만 아니라 일반 몰딩의 부분으로서 180°, 120°또는 90°에서 서로 이격된, 2, 3, 또는 4 장착 이어 일수 있다. 이 실시예에서, 회전자 및 샤프트를 통합된 고정자 조립체로 조립한 후, 두 번째로 별도로 오버몰드된 고정자 조립체가 자기 공극 E를 규정하기 위해 벨트의 립 베어링 표면에 대해 위치하여, 용이한 조립, 높은 차원의 정확성, 및 낮은 생산 비용을 다시 허용한다.
비자성 랩핑 벨트 및 이격 립은 액츄에이터 회전자의 자속을 이용하는 가변 자기장 정보를 수신하기 위해, 액츄에이터의 자기 공극 E 에 인접하게 센서를 배치하는, 임베디드 회전자 위치 센서 수신기를 포함할 수도 있다. 이 실시예에서, 액츄에이터 회전자 자석은 가변 공극을 제공하여 센서에 대한 자기장을 변화시키기 위해 비원형 횡단면, 예를 들어, 타원형을 갖거나 그 테두리에 특정한 자화 패턴을 갖는다. 이 실시예는 액츄에이터 샤프트의 일 단부에, 발생 비용 및 공간 불이익을 갖는, 제 2 에미터 자석 및 센서 수신기에 대한 필요를 제거한다.
앞서 주어진, 본 발명에 따르는 두 개의 능동형 고정자를 갖는 2-폴 로터리 액츄에이터의 기본 설명이 제공된다. 액츄에이터의 출력 토크는 모터 설계 분야의 당업자에게 알려진, 로렌츠 힘 법칙의 원리를 적용함으로써 개발된다. 회전자 자석은 그 두께를 따라 축방향으로 자화된다. 자화는 자화 헤드에 의해 실현된다. 고정자 폴은 구리 또는 알루미늄 자철선(magnet wire)으로 감기지만, 반대 권선 방향에서, 에너지가 공급되면, 다른 극성의 폴들이 각각의 고정자 조립체 안에 유도될 것이다. 에너지가 공급된 코일에 의해 생성된 자속은 회전자 자석의 자속과 상호작용하여 액츄에이터의 출력 토크를 생성한다.
2극 디자인으로, 본 발명은 180°의 전체 스트로크를 가질 것이며, 이 스트로크 안에서 토크가 일정하고 인가된 전류에 비례하는 90° 주기가 될 것이다. 이것은 자동차의 공기 제어 밸브, 배기 가스 재순환 밸브, 및 자동차의 가변 기하학 터보과급기 및 배출 게이트와 같은 다양한 애플리케이션의 제어를 위해 유용한 공간이다.
본 발명은 다른 극성 및 다른 극성의 회전자의 4폴 페어를 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체 상에 4극을 갖는 4극 구성에서도 구현할 수 있다. 4극 디자인으로, 전체 스트로크는 일정한 유용 토크 및 50°의 비례 주기를 갖는 90°일 것이다.
회전자 자석은 쇼크 및 진동 힘을 견디기 위한 높은 강도를 갖지만, 강자성체 요크를 이용하는 종래의 디자인에 대해 낮은 관성을 갖는다. 회전자와 상호작용하기 위해 집중된 자속을 제공하는 회전자의 각 면상에 고정자 조립체를 사용하는 것은 높은 출력 토크를 제공한다. 따라서, 본 발명의 동적 성능은 종래 기술의 디자인보다 우수하고 더 많은 토크와 함께 인가되는 애플리케이션의 더욱 정확한 제어를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 공극 거리를 확립하기 위해 립을 구비한 벨트 형태의 수단을 제공한다.
본 발명의 다른 특징 및 실시예는 하기에 기재된다.
본 발명에 따르는 회전식 전자기 액츄에이터는,
두 개의 고정자를 포함하는 고정자부로서, 적어도 하나의 상기 고정자를 구비한 회전자의 각 측면상의 하나는 활성 고정자이고, 활성 고정자는 2N 고정자 폴을 갖고, N은 1 또는 2와 동일하고, 상기 두 개의 고정자는 공극 치수(E)를 규정하는 사전결정된 거리만큼 축방향으로 이격되는, 고정자부;
축을 규정하는 샤프트와, 샤프트를 회전시키기 위해 샤프트 상에 장착되는 높은 투자율의 자기 물질의 요크가 없는 디스크 자석 회전자를 포함하는 관성 조립체로서 회전자 자석은 서로 다른 극성의 2N 폴 페어로 축방향으로 자화되는, 관성 조립체;
사전 설정된 거리에 의해 각각의 고정자로부터 이격되고 공극에 존재하는 회전자를 포함하고,
자기 회로가 고정자 폴 및 회전자를 따라 두 개의 고정자 사이에 규정되고, 회전자의 자기장 및 고정자의 자기장 사이의 상호작용이 샤프트에 의해 전달되는 토크의 생성을 야기하는 것을 구성적 특징으로 한다.
본 발명은 다른 극성 및 다른 극성의 회전자의 4폴 페어를 갖는 적어도 하나의 고정자 조립체 상에 4극을 갖는 4극 구성에서도 구현할 수 있다.
본 발명의 동적 성능은 종래 기술의 디자인보다 우수하고 더 많은 토크와 함께 인가되는 애플리케이션의 더욱 정확한 제어를 제공한다.
도1은 종래 기술의 액츄에이터의 단면도를 예시한다.
도2는 종래 기술의 고정자, 폴 및 코일 구조이다.
도3은 본 발명의 예시적인 액츄에이터의 투시도를 도시한다.
도4는 본 발명의 예시적인 부품의 도면이다.
도5는 본 발명의 예시적인 고정자 구조의 도면이다.
도6은 본 발명의 예시적인 고정자 회로의 도면이다.
도7은 본 발명의 예시적인 오버몰드된 고정자 조립체의 도면이다.
도8은 도3의 8-8을 따르는 단면도이다.
도9는 고정자 구조의 도5의 화살표 A로부터 개략적인 측면도이다.
도10a는 회전자 각 위치를 결정하기 위해 벨트안에 배치된 센서 수신기를 구비한 자기 에미터처럼 비원형 회전자를 도시하는 도면이다.
도10b는 회전자 각 위치를 결정하기 위해 결합 밸트안에 배치된 센서 수신기를 구비한 자기 에미터처럼 주변부를 따라 가변 자화를 갖는 회전자의 일부를 도시하는 개략도이다.
도11은 결합 벨트의 전개도이다.
도12는 고정자 결합 벨트의 부분적인 전개도이다.
도13은 본 발명의 일 실시예의 전개도로서, 로터리 위치 수신기는 커버의 인쇄 회로 보드 또는 리드 프레임에 장착되고 자기장 에미터는 샤프트에 장착된다.
도14a 및 도14b는 본 발명의 2극 실시예의 동작을 도시하는데, 도14a는 고정자 폴의 중심으로부터 -45°에서의 준비 위치를 도시하고, 도14b는 고정자 폴의 중심으로부터 +45°에서 코일에 에너지가 공급된 경우 최종 위치를 도시한다.
도15는 본 발명의 2극 실시예에 대한 토크 곡선의 그래프이다.
도16a 내지 도16c는 본 발명의 4극 실시예를 도시하는데, 도16a는 전개도이고, 도16b는 고정자 폴의 중심으로부터 -25°에서의 준비 위치를 도시하고, 도16c는 고정자 폴의 중심으로부터 +25°에서 코일에 에너지가 공급된 경우 최종 위치를 도시한다.
도17은 본 발명의 4극 실시예의 토크 곡선의 그래프이다.
도18a 내지 도18c는 2개의 비대칭 고정자 구조를 사용하는 본 발명의 실시예의 도면인데, 도18a는 조립된 장치의 전개도이고, 도18b는 도18a의 비대칭 고정자 구조의 전개도이고, 도18c는 도18a의 다른 비대칭 고정자 구조의 전개도이다.
도19는 자기 회로에 인접하도록 회전자의 마주보는 면 상에 단일 플레이트 형상의 수동형 고정자 및 회전자의 일 면 상에 능동형 고정자를 갖는 일 실시예의 도면이다.
도20은 액츄에이터가 회전 동작으로 공기 제어 밸브를 직접 운전하는 일 실시예의 도면이다.
도21은 통합된 고정자 조립체 실시예의 도면으로, 고정자의 오버몰딩은 보통 결합 벨트로 몰딩된다.
도22는 이격 립이 불연속적인 일 실시예의 부분도이다.
도1은 미국특허 제5,512,871호의 도6의 예시적인 종래 기술의 단면도이다. 액츄에이터는 자화 디스크(102)로 구성되는데, 자화 디스크는 강자성체 요크(112)에 부착되어 이동가능한 디바이스(100)를 구성하고, 결합 샤프트(110)에 연결된다. 정지된 부분(108)은 정지된 고정자 조립체를 포함한다. 트러스트 볼 베어링(104)은 정지된 고정자 조립체(108)를 향한 이동가능한 디바이스(100)의 축방향 이동을 제한하기 위해 필요하다. 요크가 자화 디스크와 함께 회전하여, 그 내용이 전체적으로 포함되어 있는 미국 특허 제6,313,553 및 1996년 4월 30일 공고된 미국 특허 제5,512,871호와 같은 종래 기술에 대해 전술된 문제점을 야기하는 것에 주목해야 한다.
도2는 종래 기술의 고정자 회로의 도면이고 고정자 베이스(200) 안으로 기계적으로 눌려지는 고정자 폴(206)을 도시한다. 4개의 고정자 폴(206)은 각각 90°의 이론적 이동에 가능한한 인접한 최대 각도 이동에 도달하기 위해 헤드의 높이에서 자극 편(200)을 갖는데, 종래의 경우 액츄에이터는 겨우 75°정도이다. 액츄에이터에 대한 자속을 발생시키기 위해 사용되는 전기 공급 코일(204)은 네 개의 고정자 폴(206) 각각에 배치된다. 소정의 고토크를 생성하기 위해 고전류에서 포화상태가 나타나는 경우, 대부분의 코일(204) 플럭스는 회전자 자석을 통과하지 않으며, 토크를 생성하지만, 대신에 인접 코일(204) 상에서 스스로 폐쇄한다.
도3은 본 발명의 원리에 따르는 일 실시예에서 액츄에이터(10)의 전체도를 나타낸다. 액츄에이터는 제 1 및 제 2의 유사 오버몰딩된 고정자 조립체(12) 및 결합 벨트(14) 및 도4에 추가로 기재되는 것과 같은 다른 모든 부품을 포함한다.
도4는 본 발명(10)의 예시적인 실시예의 도면이다. 액츄에이터는 제 1 및 제 2의 오버몰딩된 고정자 조립체(12), 결합 벨트(14) 및 자화된 디스크 회전자(16)를 포함한다. 디스크 회전자(16)는 결합 부재(20)에 의해 샤프트(18)에 부착되어 샤프트로 회전을 가한다. 회전자(16)는 도8, 11 및 12에 예시된 내향 립(22) 및 베어링 표면(24, 26)에 의해 결합 벨트(14)에 의해 규정된 두 개의 고정자 조립체(12) 사이의 공극에 배치된다. 두 고정자 조립체(12)가 있는 곳에 대해 제 1 및 제 2 베어링 표면(24, 26)은 공극을 규정한다. 일 실시예의 결합 벨트(14)는 충분히 견고한 환형 벨트로 구성되는데, 이하에서 더욱 명확해질 것이다. 결합 벨트는 이하 기재되는 것처럼 클립을 붙이기 위한 개구를 구비한 절취부 이어(cutout ear, 28)를 갖는다. 고정자 조립체(12)는 디스크 자석 회전자(16)에 대한 자기 공극(E)을 규정하고 베어링 표면(24, 26)에 대해 배치되는 방식으로, 도시된 바와 같이, 해당 베어링 표면(24, 26)상에 있고 반대 방향으로부터 벨트 안에 배치된다. 치수 (e1, e2)는 고정자 폴의 끝면(36)(도5 참조)으로부터 회전자의 마주보는 면까지의 거리이다. 대표적인 실시예에서, 디스크 자석 회전자(16)는 스테이터 조립체로부터 동일하게 이격된 자기 공극(E)의 중심에 위치하는데, 즉 e1은 e2와 동일하다. 샤프트(18)가 고정자 조립체(12)에 대해 축방향으로 고정되고, 회전자(16)도 샤프트(18) 상에서 축 방향으로 고정되고 결합되어, 유닛이 조립될 경우 회전자(16)가 자기 공극(E) 내에서 축 방향으로 고정된 위치에 존재하게 된다는 것을 이해할 것이다. 대표적인 애플리케이션에서, 회전자(16)는 회전자의 각각의 측면상에서 고정자 조립체 같이 동일한 간격 및 축 방향으로 대칭적으로 제공되는 자기력의 대칭성으로 인해 어떤 실질적인 축 방향의 힘이 없이도 유지될 것이다. 그러나, 본 발명의 특정 애플리케이션에서 예를 들어 진동 환경에서, 회전자(16)에 축방향력을 도입하여 일 방향의 진동을 견딤으로써 그 축방향 위치에서 애플리케이션의 하중을 유지하는 것을 돕는 것이 유리할 수도 있다. 일 방향으로의 진동을 견디기 위해, 샤프트(18) 상의 디스크 자석 회전자(16)의 위치는 두 고정자 조립체(12)를 향해, 축 방향으로 측정되어 출력 토크의 감소 없이, 회전자(16) 상의 소정의 축방향력을 제공할 수 있다. 회전자(16) 상에 축방향 힘을 유도하기 위한 다른 수단이 도18a 내지 도18c를 참고로 하여 하기에 기재된다. 회전자 상의 축방향력의 측정은 2 폴 및 4 폴 구조 모두에서 구현될 수 있다.
본 발명에 의도한 애플리케이션에서, 가능한한 단시간에 애플리케이션을 배치하기 위해서는 높은 동적 응답 용량이 중요한 요구사항이다. 필요한 토크를 생성하고 애플리케이션을 지시된 위치에 배치하기 위한 액츄에이터의 능력 측정은 여기에 성능 지수를 사용하여 제공되고, 성능 지수(AK)는 약 1000 이상의 절대숫자값을 갖는 것으로 정의되고 모터 관성(Jm)에 의해 나눠지는 모터 스티프니스의 비에 의해 계산되는데, 모터 스티프니스는 모터 상수(Km)의 제곱과 동일하다.
Figure 112012044448663-pct00001
Km은 입력 전력에 기반한 출력 토크를 생성하기 위한 모터의 성능을 나타내고 상이한 모터를 비교하기에 유용한 고유 성능지수이다. Km은 출력 토크(T) 대 입력 전력(W) 제곱의 비에 비례하는데, 즉,
Figure 112012044448663-pct00002
이다.
Jm은 도4에서 알 수 있듯이, 회전자(16)의 관성과 샤프트(18)의 관성과 결합 부재(20)의 관성의 합이다. 모터 상수(Km), 모터 스티프니스, 모터 관성(Jm) 토크(T) 및 입력 전력(W)은 모터 디자인 분야의 당업자에게 공지된 성능지수 및 용어이다.
여기에 기재된 2 폴 구조의 예시적인 액츄에이터는 표1에서처럼 파라미터를 사용하여 구성되어 적어도 1000과 동일한 성능지수(AK)를 제공한다. 주어진 예에서,
Figure 112012044448663-pct00003
이다.
토크 모터 비교 종래 기술 본 발명
자석 잔류자기 (T) 1.2 1.2
토크 상수-Kt (Nm/A) 0.243
터미널 저항 (Ohms) 1.98
모터 상수-Km 피크 (Nm/W1 /2) 1.50E-01 1.73E-01
Rth ℃/W 2.50
연속 토크 @25℃ 및 12V (Nm) 1.221
연속 토크 @130℃ 및 12V (Nm) 0.430
피크 토크 @130℃ 및 12V (Nm) 0.906
스트로크 (°) 75 >90
전기적 시상수 (ms) 9.5 4.3
관성 (Kgm2) 6.50E-05 1.85E-05
기계적 시상수 (ms) 2.9 <1
직경 (mm) 60 60
전체 높이 (mm) 50 72
전체 무게 (g) 640 550
자석 무게 (g) 46 50
철 무게 고정자 (g) 340 360
철 무게 회전자 (g) 140 0
구리 무게(모든 코일) (g) 60 80
도5는 소결된 분말 금속 공정에 의해 제조되는 본 발명이 고정자 구조체(30)의 도면이다. 이 예시적인 형태에서, 고정자 구조체(30)는 두 개의 폴(32) 및 하나의 베이스(34)를 갖는다. 폴(32)은 끝면(36)을 갖는다. 고정자 구조체(30)는 U형 구조를 규정한다.
도6은 몰딩된 보빈(44)에 감기고 핀(46) 안에서 종료되어 전기 접속을 위한 액세스를 제공하는 코일(42)을 나타내는 본 발명의 2 폴 구조의 고정자 회로(40)의 도면이다.
도7은 2 폴 구조에 대한 본 발명의 오버몰딩된 고정자 조립체(12)의 도면이다. 이 도면에서 고정자 폴 끝 면(36) 및 코일 접속부(46)를 볼 수 있다.
오버몰딩 재료(44)는 상업적인 예로 제나이트(Zenite)인 액정 폴리머(LCP) 타입의 열가소성 폴리머, 또는 상업적으로 스태닐(Stanyl) 및 자이텔(Zytel)로 알려진 열가소성 폴리아미드 제형일 수도 있다. 오버몰딩(44)은 돌출 그리퍼 또는 클립(50)의 형태로 파스너 요소의 존재함으로써 벨트(14) 또는 커버(48)와 오버몰드된 고정자 조립체(12)의 기계적인 연결을 제공할 수 있는데, 여기에 결합 벨트(14)의 절취 이어(52) 또는 커버(48)의 절취 이어(54)의 형태로 접속하는 파스너 요소가 고정된다. 접속 파스너가 부품을 하나로 유지하는 동안, 공극(E)의 정밀한 크기를 규정하는 것은 립(22, 도11 및 도12))이다. 공극(E)은 마주하는 고정자 폴 끝면 사이 또는 하기에 더욱 상세히 기재되는 것처럼 회전자의 한쪽의 고정자 폴 끝면과 회전자의 다른쪽의 수동 고정자 사이의 거리이다. 본 실시예에서, 오버몰딩이 고정자 폴 끝면과 동일평면상에 존재하기 때문에, 크기(E)는 고정자 조립체의 오버몰딩상에서 지지하는 베어링 표면(24, 26)을 갖는 립(22)의 폭에 의해 결정된다. 어떤 구조에서는, 립의 폭은 크기(E)가 폴 끝면 또는 폴 끝면과 수동 고정자 사이의 거리라는 것을 보장하기 위해 측정될 수도 있다. 결합 벨트(14)와 고정자 조립체(12)의 기계적 연결에 덧붙여, 고정자 조립체(12)와 회전자(16) 사이에 자기 축방향 힘이 존재하는데 액츄에이터(10)를 함께 고정하고 특히 고정자 조립체(12)가 립(22)의 베어링 표면(24, 26) 상에 견고하게 배치되도록 하는데 기여한다.
도8은 도7의 8-8을 따르는 단면도이다. 이 도면에서, 고정자 폴(36)을 따르는 단면의 U-형상이 분명하다. 자기 공극(E)은 오버몰드된 고정자 조립체(12)와 립 측면(24, 26)의 결합에 의해 결정된다. 자속 회로(FC)는 고정자를 따라 효과적으로 흐른다.
도9는 U 형 단면을 나타내고 주요 치수 D 및 H를 규정하는 고정자 구조(30)의 도3의 화살표 A를 따른 개략적인 도면이다. 치수(D)는 폴(36)들 사이의 간격이고 자기 공극(E)의 약 2배 내지 5배 범위에 있으며, 바람직하게는 자기 공극의 약 4배로 에너지가 공급된 코일 사이의 전자기 플럭스 누출을 방지하기 위해 충분한 공간을 제공한다. 치수(H)는 베이스(34) 위의 고정자 폴(36)의 높이이고 자기 공극(E)의 8배보다는 작으며 바람직하게는 자기 공극(E)의 6배보다 작거나 같아 본 발명의 동작을 위해 충분한 구리 부피를 갖도록 코일에 에너지 공급을 허용한다.
종래 기술의 로터리 액츄에이터는 각 위치 센서를 구비하는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 유형의 구조는 종종 서보 액츄에이터라고 불린다. 이러한 센서는 회전 요크상에 장착된 추가적인 자석 및 액츄에이터 커버에 부착된 센서 수신기를 필요로 한다. 본 발명의 원리에 따르는 액츄에이터의 특징은 추가적인 자석이 없다는 점이다. 센서 수신기는 이후 논의되는 것처럼 자화 디스크 자석 회전자(16)에 에너지 결합 관계로 벨트(14)의 한 지점에 배치된다.
도10a는 회전자 각 위치를 결정하기 위해 센서 수신기(58)용 자기 에미터처럼 동작하는 비원형 자석 회전자를 도시하는 도면이다. 비원형, 예를 들어 타원 회전자의 사용은 회전자(16)와 센서 수신기(58) 사이에 가변 거리를 만들어 그 결과 만들어진 가변 자기장 세기 정보가 각 위치 정보를 결정하도록 활용된다. 비원형 구조는 치수(D2)보다 큰 치수(D1)에 의해 예시된다.
도10b는 센서(58)에 가변 자속 신호를 제공하기 위한 다른 방법이다. 이 실시예에서, 각 폴의 일부(60N, 60S)는 자기 에미터처럼 꾸준히 또는 개별적으로 변화하는 자기장 세기로 자화되어 센서(58)가 가변 신호처럼 가변 플럭스를 수신하게 되며, 점선은 변이를 개략적으로 표시한다.
도11 및 도12는 벨트(14)의 도면이다. 벨트 재료는 듀퐁 크라스틴 PBT 같은, 열가소송 폴리에스테르일 수도 있다. 중앙의 립(22)는 도8에 도시된 바와 같이 자기 공극(E)을 고정하기 위해 고정자 조립체(12)가 이격되게 배치한다. 절취 이어(52)는 고정자 조립체(30)의 그리퍼(50) 상의 클립으로 사용된다. 고정자 회로 코일 핀(46)으로의 전기 접속이 영역(62)에서 실행된다. 센서 수신기(58)가 벨트(14)에 장착되는 경우, 영역(62)은 센서 수신기의 전기 접속을 위해 사용될 수 있다. 립(24)은 연속적인 요소로서 도시되지만, 공극(E)를 유지하기 위해 표면(24, 26)의 충분한 부분이 존재하는 한 불연속적일 수 있다. 이는 도22에 예시되는데, 여기에서 립 세그먼트(64)들은 이격되어 있다.
도13은 본 발명의 다른 실시예의 전개도인데, 각 위치 수신기(58)는 커버(48)의 인쇄 회로 보드 또는 리드프레임에 장착되고 자기장 에미터(68)는 샤프트(18)의 단부에 장착된다. 절취 이어(54)는 그리퍼(50) 상에 클립핑함으로써 고정자 조립체(20)에 커버를 고정한다.
이제 액츄에이터의 동작을 설명하겠다.
도14a 및 도14b는 2폴 구조에 대한 다양한 위치에 있는 고정자(36a, 36b)의 자기 폴 및 회전자(16)의 2 폴 페어(70)의 개략적인 모양을 나타낸다. 회전자(16)의 자기 폴 페어의 경계선 또는 천이가 72로 표시된다. 도14a에서 회전자(16)는 고정자(36a, 36b)에 대해 대기위치에 있는데, 초기 대기 상태에서는 에너지가 공급되지 않는다. 대기 위치는 폴(36a)의 중심에 대해 명목상 -45°에 있다. 회전자(16)는 사용자 애플리케이션, 예를 들어 공기 밸브(완전 개방)의 한쪽 끝 위치로의 연결 때문에 유용 스트로크의 일 단부에 존재한다. 도8에 도시된 바와 같이, 액츄에이터를 동작시키기 위해 고정자(36a, 36b)에는 각각 N극 및 S극으로 에너지가 공급되고 고정자(36c, 36d)에는 각각 S극 및 N극으로 에너지가 공급될 것이다. 이는 회전자가 화살표(R) 방향으로 회전하게 할 것이다. 이는 샤프트(18)를 회전시켜 사용자 애플리케이션을 동작시킬 것이다. 도14b는 그 유용 스트로크의 다른 단부로의 회전 이후 회전자(16)의 위치를 나타내는데, 예를 들어 "완전히 닫힌" 공기 밸브와 같이 애플리케이션의 다른 최종 위치에 있는 폴(36a)의 중앙에 대해 명목상으로 +45°에 최종 위치에 있다. 코일로부터 전류가 제거될 경우, 액츄에이터가 제 1 대기 위치로 복귀하도록 하기 위해 스프링과 같은 기계적 수단이 사용될 수도 있다. 액츄에이터 안에 내장될 수도 있지만, 통상적으로는 애플리케이션 장비가 복귀 스프링을 제공할 것이다.
도15는 본 발명에 따르는 2 폴 로터리 액츄에이터, 즉 회전자의 각 측면 상의 2개의 고정자 폴 및 2 폴 페어를 갖는 회전자의 그래프이다. 그래프에서, 90°의 유용 스트로크는 대체로 일정한 토크를 가지며, 이 토크는 인가된 전류에 비례하고, 일정 토크 액츄에이터로 간주된다.
도16a 내지 도16c는 본 발명의 4 폴 구조를 예시하는데, 즉 4 폴 페어를 갖는 회전자(78) 및 회전자(78)의 각 측면상의 각각의 고정자 조립체(76a, 76b) 상의 4개의 고정자 폴이다. 벨트(14)가 이 도면에는 나타내지 않았지만, 장착될 때는 공극 공간(E)을 규정한다. 도16b는 4 폴 구조에 대한 시작 위치를 나타내는데, 명목상으로는 고정자 폴의 중앙으로부터 -25°이고, 도16c는 고정자 폴의 중앙으로부터 명목상으로 +25°에 있는 최종 위치를 나타낸다. 통상적으로 4 폴 구조는 대략 50 내지 65°의 일정한 토크를 위한 유용 스트로크를 갖는다.
도17은 본 발명에 따르는 4 폴 로터리 액츄에이터의 그래프이다. 그래프에는 일정한 토크의 50°유용 스트로크가 그려져 있다.
도18a 내지 도18c는 본 발명의 불균형한 실시예를 나타낸다. 도18b 및 도18c를 비교함으로써 도시된 바와 같이 불균형한 실시예에서, 회전자(16)의 일 측면 상의 고정자 폴(82)은 다른 측면 상의 고정자 폴(84)보다 크다. 이는 더욱 큰 고정자 폴을 향한 회전자(16) 상의 축방향 인력을 야기하여, 사용자 애플리케이션으로부터 진동을 견디는데 유용하다. 비록 2 폴 구조가 도시되었지만, 4 폴 구조에서도 비대칭성이 비슷하게 구현될 수 있다.
도19는 본 발명의 다른 실시예(90)을 나타내는데, 회전자(16)는 공극(E)의 일 측면상에 고정자 조립체(12)를 가지고 다른 측면상에 강자성체판(96)을 사용하여 예시된 수동 고정자 조립체(94)를 갖는다. 이 실시예는 낮은 토크를 갖지만 저렴한 액츄에이터를 제공한다. 수동 고정자는 능동 고정자 조립체의 끝면과 마주보는 표면을 갖는 임의의 형태로 구성될 수 있다. 예를 들어, 코일이 없는 2 폴 고정자가 사용될 수 있다. 수동 고정자를 사용하면 공극 치수(E)가 능동 고정자 폴의 끝면과 수동 고정자의 마주보는 표면 사이의 거리라는 것을 알 수 있을 것이다. 이는 도19에 도시되는데, 고정자 조립체(12)는 회전자(16)의 일 측면상에 존재하고 수동 조립체(94)는 수동 고정자처럼 작용하는 판(96)과 마주보는 측면상에 존재한다. 액츄에이터는 장치가 애플리케이션을 회전운동으로 직접 구동하거나 샤프트의 회전을 선형 움직임으로 변환하는 타입의 작동 디바이스에 부착될 수도 있다. 도20은 정지 메커니즘(106)을 따라, 작동 부품(102)이 샤프트(104)의 회전에 의해 직접 회전하는 타입의 작동 디바이스(100)에 부착되는 액츄에이터(10)를 개략적으로 나타낸다. 이는 온-오프 버터플라이 공기 밸브에 의해 예시될 수 있다.
장치의 두 형태, 회전형 또는 선형 방식은 본 발명의 서보 액츄에이터 버전과 함께 사용될 수 있는데, 장치의 회전 또는 선형 운동의 량 및 고정자의 회전량은 센서에 의해 감지되고 명령들이 제어 시스템에 의해 제공되어 회전자 및 그에 따라 동작하는 장치의 회전 위치를 변경한다.
액츄에이터의 출력 토크를 사용하는 회전식 제어 애플리케이션의 예는 공기 또는 배기 가스 재순환(EGR) 제어 밸브, 터보차저 가변 용량 베인(turbocharger variable geometry vane) 또는 불순물 배출구 제어, 또는 버터플라이 밸브 구조를 사용하는 스로틀(throttle)이다.
회전-선형 운동은 "크랭크 및 글라이더" 메커니즘을 통해 또는 선형 운동 및 힘을 생성하는 롤러 종동절을 구비한 회전 캠에 의해 달성될 수도 있다. 핀틀 타입 EGR 및 가변 용량 터보차저는 본 발명을 이용할 수 있는 자동차 애플리케이션의 예이다.
이 애플리케이션들은 통상적으로 액츄에이터에 인가된 전력이 없이 유지되고, 애플리케이션이 최대값에 있는 스트로크 위치의 끝에서 전력이 공급되어 있는 정위치(home position)를 갖는다. 본 발명은 스트로크를 따라 어디에서든 위치를 갖도록 제어되고, 지시된 대로 스트로크를 따라 전후로 신속하게 움직일 수 있을 것이다. " 페일 세이프(fail safe)" 복귀 스프링은 흔히 정전 또는 전력의 의도적인 셧다운의 경우 정위치에 액츄에이터를 복귀시키기 위해 애플리케이션에 포함된다. 복귀 스프링이 없을 경우, 전력이 입가되지 않으면, 액츄에이터는 스트로크 위치의 끝, 양끝에 고정될 수 있다.
도21은 본 발명의 통합된 형태를 예시하는데, 고정자 조립체의 오버몰딩(44)은 일반적으로 벨트(14)로 몰딩되어 통합된 부품(110), 즉 벨트 및 고정자 조립체가 통합된 구조를 생성한다. 이 실시예에서, 샤프트, 회전자 및 마주보는 고정자 조립체는 통합된 부품으로 간편하게 조립된다. 이는 용이한 조립을 가능하게 하고 공극 간격(E)을 만드는 일차원적인 저항력 변동을 제거한다.
도22는 벨트(14)의 실시예를 예시하는데, 립은 서로 이격된 립 세그먼트(64)에 의해 도시된 바와 같이 불연속적이다.
예시적이고 바람직한 실시예의 전술된 상세한 설명이 법의 요구에 따라 예시 및 개시를 목적으로 제시되었다. 이는 본 발명을 엄격한 양식 또는 기재된 양식에 한정하기 위한 것이 아니고 본 발명이 특정 용도 또는 구현을 위해 적합하다는 것을 당업자가 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐이다. 개조 및 변경의 가능성은 당업자에게는 분명하다. 어떤 제한도 공차, 기능 크기, 특정 동작 조건, 기술적 사양을 가질 수도 있고, 구현 사이에 또는 기술 상태의 변화를 사용하여 변경될 수 있는 예시적인 실시예의 설명에 의해 의도되지 않았으며, 어떤 제한도 이로부터 암시될 수 없다. 본 발명은 이 기술의 현재 상태에 대해 만들어졌지만, 발전을 의도한 것이며 미래에 적용하는 것도 고려한 것이다. 본 발명의 범주는 적용할 수 있도록 기재된 청구범위에 의해 규정되어야 한다. 청구내용에서 단수는 특정하지 않을 경우 "하나 및 오직 하나"를 의미하는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 어떤 요소, 부품 또는 방법 또는 공정 단계는 요소, 부품, 또는 단계가 명시적으로 청구범위에서 재인용되는 것과 상관없이 공공에 제공되기 위한 것이다.
10 : 액츄에이터 12 : 고정자 조립체
14 : 결합 벨트 16 : 디스크 회전자
18 : 샤프트 20 : 결합 부재
22 : 립 24, 26 : 베어링 표면
28 : 절취부 이어 30 : 고정자 구조체
32 : 폴 34 : 베이스
36 : 고정자 폴의 끝면 40 : 고정자 회로
42 : 코일 44 : 보빈
46 : 핀 48 : 커버
50 : 그리퍼 52 : 절취 이어
58 : 센서 수신기 64 : 립 세그먼트
76a, 76b : 고정자 조립체 78 : 회전자
82, 84 : 고정자 폴 94 : 수동 고정자 조립체
96 : 강자성체판 106 : 정지 메커니즘
104 : 샤프트

Claims (22)

  1. 회전자의 각각의 측면 상에 하나씩, 두 개의 고정자를 포함하는 고정자부로서, 두개의 고정자 중 하나는 능동 고정자이고 다른 하나의 고정자는 수동 고정자이며, 능동 고정자는 고정자는 2개 고정자 폴을 갖고, 상기 두 개의 고정자는 공극 치수(E)를 규정하는 사전결정된 거리만큼 축방향으로 이격되어 있는, 고정자부;
    축을 규정하는 샤프트와, 샤프트를 회전시키기 위해 샤프트 상에 장착되는 요크가 없는 디스크 자석 회전자를 포함하는 관성 조립체로서, 회전자 자석은 극성을 교대하는 2개의 폴 페어에 의해 축방향으로 자화되는, 관성 조립체;
    사전 설정된 거리에 의해 각각의 고정자로부터 이격되고 공극에 존재하는 회전자를 포함하고,
    자기 회로는 2개의 고정자 사이에서 능동 고정자의 제1 폴을 통해, 이어서 회전자를 통해 능동 고정자의 제1 폴에 대향하는 수동 고정자의 제1 폴에, 이어서 수동 고정자를 통해 수동 고정자의 제2 폴에, 이어서 회전자를 통해 수동 고정자의 제2 폴에 대향하는 능동 고정자의 제2 폴에, 그리고 능동 고정자의 제1 폴로 가는것으로 규정되고, 회전자의 자기장 및 고정자 조립체의 자기장 사이의 상호작용은 샤프트에 의해 전달되는 토크의 생성을 야기하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 액츄에이터는 1000 이상의 성능지수(AK)를 제공하고, 성능지수(AK)는,
    Figure 112017065127137-pct00004
    에 의해 정의되고,
    여기서, 모터 상수(Km)는 출력 토크(T) 대 입력 전력(W)의 제곱에 비례하는데, 즉
    Figure 112017065127137-pct00005
    이고, 모터 관성은 관성 조립체와 동일한
    회전식 전자기 액츄에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자는 고정자 조립체에 포함되고, 상기 고정자는 고정자 조립체가 대향하여 배치(seated)되는 베어링을 가진 내향 립(inward facing lip)을 구비한 비자기 벨트를 더 포함하고, 벨트의 내향 립의 폭은 고정자 사이의 축방향 공극의 치수(E)를 규정하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  4. 제 3 항에 있어서,
    고정자 조립체에 벨트를 부착시키기 위해 고정자 조립체 및 벨트 상에 결합(mate) 부착 부재를 추가로 포함하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 내향 립은 연속적인
    회전식 전자기 액츄에이터.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 내향 립은 불연속적인
    회전식 전자기 액츄에이터.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 결합 부착 부재는 벨트 상의 절취부 이어(cutout ears)이고 고정자 조립체에 클립을 결합하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 절취부 이어는 클립 상에서 고정되는(fastened)
    회전식 전자기 액츄에이터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자부는 상기 회전자의 일 측면상의 능동 고정자 및 상기 회전자의 다른 측면 상의 수동 고정자를 추가로 포함하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 고정자부는 상기 회전자의 일 측면상의 능동 고정자 구조를 포함하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    각각의 능동 고정자 구조는 2 개의 이격된 폴의 U형 단면을 포함하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    능동 고정자 구조의 두 개의 고정자 폴은 공극 치수의 2배 내지 5배 범위의 방사거리(D) 만큼 이격되는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 방사거리(D)는 공극 치수의 4배인
    회전식 전자기 액츄에이터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    능동 고정자 구조의 두 개의 고정자 폴은 공극 치수의 8배보다 작거나 동일한 높이(H)를 갖는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 높이(H)는 공극 치수의 6배보다 작거나 동일한
    회전식 전자기 액츄에이터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자는 회전자 각도 위치(angular position)를 결정하기 위해 자기 위치 센서 수신기에 대한 자기 에미터(magnetic emitter)로서 기능하는 비원형인 회전식 전자기 액츄에이터.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자의 일 측면 상의 고정자 폴(stator poles)은 상기 회전자의 다른 측면상의 고정자 폴 보다 큼에 따라 더 큰 고정자 폴을 향해 회전자 상의 축방향 인력이 야기되는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전자는 공극 내에서 제 2 고정자보다 제 1 고정자에 더 근접하여 편향력(biasing force)이 회전자 상에 인가되어 축방향 진동 상쇄에 기여하는
    회전식 전자기 액츄에이터.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 회전식 전자기 액츄에이터;
    사전결정된 거리에 의해 각각의 고정자로부터 이격되고 공극(E)에 존재하는 회전자; 및
    액츄에이터의 샤프트에 부착되고, 액츄에이터의 사전결정된 일정 토크 범위 내의 범위에 액츄에이터의 회전을 제한하기 위한 스톱(stop)을 갖는 애플리케이션을 포함하고,
    상기 회전식 전자기 액츄에이터는 고정자부와 관성 조립체를 포함하고,
    상기 고정자부는 회전자의 각각의 측면 상에 하나씩 두개의 고정자를 포함하되, 두개의 고정자 중 하나는 능동(active) 고정자이고, 다른 고정자는 수동(passive) 고정자이고, 능동 고정자는 2개의 고정자 폴을 갖고, 2개의 고정자는 공극 치수(E)에 의해 규정된 미리결정된 거리만큼 축방향으로 이격되어 있으며,
    상기 관성 조립체는, 축을 규정하는 샤프트; 및 샤프트를 회전시키기 위해 샤프트 상에 장착되는 요크가 없는 디스크 자석 회전자를 포함하고, 회전자 자석은 극성이 교대하는 폴 페어에 의해 축방향으로 자화되고,
    자기 회로는 2개의 고정자 사이에서 능동 고정자의 제1 폴을 통해, 이어서 회전자를 통해 능동 고정자의 제1 폴에 대향하는 수동 고정자의 제1 폴에, 이어서 수동 고정자를 통해 수동 고정자의 제2 폴에, 이어서 회전자를 통해 수동 고정자의 제2 폴에 대향하는 능동 고정자의 제2 폴에, 그리고 능동 고정자의 제1 폴로 가는것으로 규정되고, 회전자의 자기장 및 고정자 조립체의 자기장 사이의 상호작용은 샤프트에 의해 전달되는 토크의 생성을 야기하는
    제어 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 회전자는 회전자 각도 위치를 결정하기위해 자기 위치 센서 수신기에 대한 자기 에미터로서 기능하는 비원형인
    제어 시스템.
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