KR101800318B1 - 리니어 액추에이터 및 철도차량용 요동제어장치 - Google Patents

리니어 액추에이터 및 철도차량용 요동제어장치 Download PDF

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무그 재팬 리미티드
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Abstract

백 드라이브 포스가 작은 소형의 리니어 액추에이터를 제공한다. 리니어 액추에이터는, 외주면의 일부에 자석이 고정되고, 개구단과 폐색단을 가지는 중공의 로터와, 개구단과 폐색단을 가지는 중공 구조를 가지며, 중공 구조 내에서 로터를 회전 가능하게 수용하고, 자석과 대향하여 스테이터 권선이 고정된 본체와, 로터의 중공부에 배치되며, 로터의 회전에 의하여 축방향으로 직동하는 직동변환부와, 일단이 직동변환부에 고정되고, 타단이 본체의 개구단으로부터 연장되며, 외주에 본체의 개구부의 직동씰에 대하여 축방향으로 슬라이딩 운동하는 슬라이딩 운동부를 가지는 직동 로드와, 로터의 폐색단면으로부터 개구단측에서, 외주면으로부터 반경방향 바깥측에 고정된 회전자와, 회전자의 보다 반경방향 바깥측의 일부의 각도 범위에 있어서 본체에 고정된 고정자로 구성되는 리졸버를 가지고, 로터는 자석과 스테이터 권선으로부터 개구측 및 폐색단에 있어서 본체에, 축둘레로 회전 가능하게 지지되며, 중공 로터는 전체가 밀폐공간 내에 수용된다.

Description

리니어 액추에이터 및 철도차량용 요동제어장치{Linear Actuator and Rocking Control Device for Railroad Car}
본 발명은 리니어 액추에이터, 특히 철도차량 등의 차량에 장착되고, 전자력에 의하여 차량의 진동이나 요동을 제진하는 중공 모터를 사용한 리니어 액추에이터, 및 그 리니어 액추에이터를 가지는 철도차량용 요동제어장치에 관한 것이다.
철도차량 등의 차량의 주행 중에 발생하는 진동이나 요동을 억제하기 위하여, 리니어 액추에이터가 사용되고 있다. 차량의 진행방향에 대하여 가로방향의 진동, 요동을 억제하는 것은, 승객의 승차감을 쾌적하게 하고, 안전한 주행조건을 유지하기 위하여 중요한 역할을 다한다. 최근, 특히 고속주행시에 있어서의 공력(空力) 특성의 영향에 의한 요동이나 진동을 액티브 제어로 억제하여 차량 자세를 안정 유지시키는 연구가 진행되고 있다. 또한, 일반적으로, 철도차량의 요동 방지를 위하여 사용되는 리니어 액추에이터는, 번잡한 교환 등의 메인터넌스가 실행되기 어려운 조건 하에서 사용된다. 그럼에도 불구하고, 설치되는 사용 환경의 온도 변화가 크다(예를 들어, -20℃~60℃)는 가혹한 온도 조건에서 사용되므로, 리니어 액추에이터의 기능을 안정적으로 유지하는 것이 요구된다. 또한, 철도차량의 주행 중에 발생하는 진동이나 요동을 억제하기 위한 리니어 액추에이터는, 철도차량의 대차와 차체 사이의 한정된 공간에 설치될 필요가 있으므로, 요구되는 스트로크를 유지하면서 소형화하는 것이 요구되고 있다.
특허문헌 1은 리니어 액추에이터를 개시하고 있다. 그 리니어 액추에이터는, 개구단부와 폐색단부를 가지는 중공 구조의 본체와, 본체 내의 폐색단부측에 고정되고, 개구단부측에 개구단을 가지는 실린더와, 한쪽 단부가 그 본체의 개구단부로부터 연장되어 다른 쪽 단부의 외주부에 웨어링을 가지며 축방향으로 슬라이딩 운동 가능하게 실린더 내에 수용된 직동 로드와, 회전 가능하게 본체 내에 지지된 중공 샤프트를 가진다. 중공 샤프트는 외주면의 일부에 영구자석을 가지며, 본체 내 표면의 일부에 가지는 권선부와 영구자석은 중공 모터를 구성하고, 중공 샤프트에 동축으로 고정된 너트부와 직동 로드의 외주면의 나사부는 계합하여 회전직동 변환기구를 구성하며, 너트부의 축방향의 양측에 있어서 중공 샤프트와 본체 사이를 밀봉하는 회전 오일씰부를 가진다. 백 드라이브 포스가 작아 마모가루 등에 의한 녹물이 발생하기 어려운 콤팩트한 리니어 액추에이터가 개시되어 있다.
특허문헌 2는 전기기계식 리니어 액추에이터를 개시하고 있다. 프레임 내에 회전 가능하게 수용되어 너트를 가지고, 그 너트의 외주에 고정된 마그네트와 프레임 내주에 고정된 코일에 의하여 중공 모터를 구성하며, 너트 내 스크류가 배치되고, 스크류와 너트 및 그 안에 장전된 볼 경로를 형성하는 협동적 볼홈을 따라서 순환하는 복수의 볼과 함께 역이송 시스템·볼스크류를 구성하며, 그 스크류에 고정된 로드가 중공 모터의 회전에 의하여 축방향으로 구동하는 구성이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본공개특허공보 2012-019661호 특허문헌 2: 일본공개특허공보 2008-505289호
인용문헌 1에 리니어 액추에이터에 있어서는, 회전직동 변환부가 본체에 대하여 고정되고, 그 안에서 회전직동 변환부 내에서 계합하고 있는 로드가 회전직동 변환부(본체)에 대하여 전후진하는 직동하는 동작을 한다. 회전직동 변환부와 계합하는 로드부의 외표면에는 스트로크 길이에 대응하기 위한 나사산을 가지므로, 액추에이터 내를 기밀하게 유지하기 위하여는, 회전직동기구의 전후에 스트로크 길이와 같은 길이보다 앞 부분에서 기밀을 유지하는 구성을 필요로 하며, 그 때문에 장치의 전체 길이의 단축에 제약이 있었다.
또한, 인용문헌 2에 따른 리니어 액추에이터에 있어서는, 회전직동 변환기구인 역이송 시스템·볼스크류가, 피직동부인 로드에 고정되어 있으므로, 스트로크 길이에 대응하는 나사산이 구성되는 것은, 너트부의 내주면이며 로드 부분의 외주에 나사산이 없으므로, 너트부의 단부에는 로드부의 씰부를 형성할 수 있어, 전체 길이의 단축을 도모할 수 있다. 하지만, 로드의 신축측과는 반대측 단부에는 너트부의 회전각을 검출하는 기구가 형성되어, 장치의 전체 길이의 단축에 제약이 있었다.
본 발명은 리니어 액추에이터 본체 이외에 압력발생장치와 같은 외부장치를 필요로 하지 않고, 또한 압력유체에서의 제어장치의 경우에 필요한 구동원인 가압유체의 배관의 설치를 필요로 하지 않는, 전체 길이 및 외부 직경에 있어서 콤팩트한 리니어 액추에이터를 제공한다. 그 리니어 액추에이터는, 원하는 구동력 또는 감쇄력을 주는 액추에이터로서의 기능을 제공하며, 또한 액추에이터의 기능이 필요하지 않을시에는, 외력에 대하여 큰 부하(백 드라이브 포스)를 주지 않고, 쉽게 종동할 수 있어, 번잡한 교환 등의 메인테넌스가 실행되기 어려우며, 설치되는 사용 환경에서의 온도 변화가 크다(-20℃~60℃)는 가혹한 사용 조건 하에서도 백 드라이브 포스가 낮은 상태로 안정적으로 기능하는 리니어 액추에이터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 리니어 액추에이터는, 이하의 특징을 가진다.
외주면의 일부에 마그네트가 고정되고, 내주면에는 나선홈이 형성된 개구단부와 폐색단부를 가지는 중공 구조를 가지는 중공 로터와,
개구단부와 폐색단부를 가지는 중공 구조를 가지며, 그 중공 구조 내에서 상기 중공 로터를 회전축 둘레로 회전 가능하게 지지하여 수용하고, 상기 중공 로터의 상기 마그네트와 대향하는 위치에 스테이터 권선을 가지는 본체와,
상기 중공 로터의 중공 구조 내에 배치되며, 상기 나선홈과 계합하고, 그 중공 로터의 회전에 의하여 그 중공 로터의 축방향으로 직동하는 회전직동 변환부와,
한쪽 단부는 상기 회전직동 변환부에 고정되며, 다른 쪽 단부는 상기 본체의 상기 개구단부로부터 연장되는 직동 로드로서, 외주에 상기 본체의 상기 개구단부에 배치된 직동 오일씰을 통하여 축방향으로 슬라이딩 운동하는 슬라이딩 운동부를 가지고, 그 직동 오일씰과 그 슬라이딩 운동부는 협동하여 그 본체의 내부에 밀폐공간을 형성하는 직동 로드와,
상기 중공 로터의 폐색단부의 단면으로부터 개구단부측에서, 외주면으로부터 반경방향 바깥측에 고정된 리졸버 로터와, 그 리졸버 로터의 반경방향 바깥측의 상기 중공 로터의 회전축 둘레의 일부의 각도 범위에 있어서 상기 본체에 고정된 리졸버 고정자로 구성되는 세그먼트형 리졸버를 가지며,
상기 마그네트와 상기 스테이터 권선은 중공 모터를 구성하고,
상기 중공 모터가 형성되어 있는 부분으로부터 개구단부측에 있어서, 상기 중공 로터를 상기 본체에 대하여 그 중공 로터의 회전축 둘레로 회전 가능하게 지지하는 제1 회전지지수단과, 상기 중공 로터의 폐색단부를 상기 본체의 폐색단부에 그 중공 로터의 회전축 둘레로 회전 가능하게 지지하는 제2 회전지지수단을 가지며,
상기 중공 로터는 전체가 상기 밀폐공간 내에 수용되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 철도차량용 요동제어장치는, 철도차량의 대차와 차체 사이에 설치된 상기 리니어 액추에이터와, 차체의 요동을 억제하도록 리니어 액추에이터의 구동을 액티브하게 제어하는 제어장치를 가지는 것을 특징으로 한다.
본체 이외에 외부장치를 필요로 하지 않고, 또한 압력유체에서의 제어장치의 경우에 있는 것과 같은 구동원인 가압유체의 배관의 설치를 필요로 하지 않는, 전체 길이 및 외부 직경에 있어서 콤팩트한 리니어 액추에이터로서, 원하는 구동력 또는 감쇄력을 주는 액추에이터로서의 기능을 제공하며, 또한 액추에이터로서 기능시킬 필요가 없을 때에는, 외력에 대하여 큰 부하(백 드라이브 포스)를 주지 않고, 쉽게 종동할 수 있다. 또한, 온도 등의 사용 환경에 의하지 않고 안정된 기능을 실현하는 리니어 액추에이터를 실현한다.
도 1은 본 발명의 리니어 액추에이터의 최소 스트로크시의 평면도이다.
도 2는 본 발명의 리니어 액추에이터의 최소 스트로크시의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 리니어 액추에이터의 최소 스트로크시의 도 2의 III-III 단면에서 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 리니어 액추에이터의 최대 스트로크시의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 리니어 액추에이터의 세그먼트 리졸버의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 리니어 액추에이터를 적용한 철도차량용 요동제어장치의 개략 구성도이다.
이하. 첨부하는 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 리니어 액추에이터를 설명한다.
실시예 1
본 실시예의 리니어 액추에이터의 최소 스트로크시의 평면도를 도 1에, 측면도를 도 2에 나타낸다. 본 실시예의 리니어 액추에이터는, 구동방향의 양단에 철도차량의 차체와 대차와 접속하기 위한 구면 베어링(1a, 1b)을 가진다. 직동 로드(2)가 케이싱(20, 21, 22)에 수용되어 있는 후술하는 중공 로터(너트부)(10)에 대하여 연장/수용됨으로써, 구면 베어링(1a, 1b) 사이의 간격이 변경된다. 본 액추에이터 주요부를 수용하는 케이싱(20, 21, 22)의 일부는, 측방(중공 로터의 축방향에 수직방향)으로 돌출되는 형상을 가지는 단자 박스(18)를 포함하고, 케이블 홀더부(18a)로부터 본 액추에이터로의 전원 코드 및 제어선이 장착된다.
본 실시예의 리니어 액추에이터의 최소 스트로크시의 도 2의 III-III 단면에서 본 단면도를 도 3에, 최대 스트로크시의 단면도를 도 4에 나타낸다.
본 발명의 리니어 액추에이터는, 주요 부분을 그 내부에 기밀 상태로 수용하는 케이싱(본체)(20, 21, 22)과, 케이싱(20, 21, 22) 내에 회전 가능하게 수용된 중공 로터(너트)(10)를 가진다. 더욱이, 본 발명의 리니어 액추에이터는, 중공 로터(10)의 중공부에 배치되고, 중공 로터(10)의 내주면에 형성된 나선홈과 계합하며, 중공 로터(10)의 회전에 의하여 중공 로터 내를 축방향으로 직동하는 회전직동 변환부(7)와, 그 회전직동 변환부(7)에 접속되고, 회전직동 변환부(7)의 직동에 따라서 케이싱에 대하여 기밀한 상태로 연장/수용되는 직동 로드(2)를 가진다. 더욱이, 본 발명의 리니어 액추에이터는, 직동 로드(2)의 연장측 단부와, 케이싱 뒷부(22)에는 각각 제1 구면 베어링(1a) 및 제2 구면 베어링(1b)을 가진다. 본 액추에이터가 철도차량의 요동방지 액추에이터로서 사용될 때에는, 이 구면 베어링(1a, 1b)을 통하여 철도차량의 차체와 대차에 접속된다.
이후, 설명의 간략화를 위하여, 직동 로드(2)가 중공 로터로부터 연장되는 측, 즉 도 3 중의 제1 구면 베어링(1a)측을 전측, 도 3 중의 제2 구면 베어링(1b)측을 후측으로서 기재한다.
중공 로터(10)는 전방에 개구단부를, 후방에 폐색단부를 가지고, 앵귤러 베어링(9)(제1 회전지지수단)에 의하여 케이싱에 대하여 중공 로터의 회전축 둘레로 회전 가능하게 수용되어 고정된다. 앵귤러 베어링(9)은, 베어링 고정 너트(8a)에 의하여 중공 로터(10)에 고정되고, 베어링 고정 너트(8b)에 의하여 케이싱 중앙부(21)에 고정된다. 본 리니어 액추에이터의 축방향에 걸리는 힘(제1, 제2 구면 베어링(1a, 1b)에서 받는 힘)은, 제1 구면 베어링(1a), 직동 로드(2), 회전직동 변환부(7), 중공 로터(10), 앵귤러 베어링(9), 케이싱 중앙부(21), 케이싱 뒷부(22), 제2 구면 베어링(1b)에서 받게 된다.
앵귤러 베어링(9)이 고정되어 있는 위치보다 뒷측 중공 로터(10)의 외주면의 일부에는, 마그네트(12)가 설치되고, 케이싱 중앙부(21)의 내주면의 마그네트(12)와 대향하는 위치에는, 로터 마그네트(12)와 소정의 간격을 가지고 스테이터 권선(11)이 설치되어 있다. 스테이터 권선(11)과 마그네트(12)에 의하여, 중공 로터가 구성된다.
회전직동 변환부(7)는 중공 로터(10)의 내주면에 형성된 홈부와 계합하고, 중공 로터(10)의 회전에 의하여 중공 로터(10) 내를 축방향으로 직동하는 기구를 가진다. 회전직동 변환부(7)는 회전을 직동으로 변환하는 공지의 기구를 적용할 수 있다. 예를 들어, 유성 롤러 나사로 구성하여도 좋고, 중공 로터(10) 내주면에 형성한 홈부와 회전직동 변환부(7) 외주면의 홈부와의 사이에서 볼이 순환하도록 구성된 볼나사로 구성하여도 좋다.
직동 로드(2)는 그 전방측은 케이싱 앞부(20)의 개구단부로부터 케이싱의 바깥으로 연장되고, 한쪽 단부인 전방단부는 구면 베어링(1a)과 접속하며, 다른 쪽 단부인 후방단부는 회전직동 변환부(7)에 대하여 고정되어 있다. 직동 로드(2)는 케이싱 앞부(20)의 직동 오일씰(3)과 협동하여 기밀한 상태로 축방향으로 슬라이딩 운동하는 슬라이딩 운동부(6)를 가진다. 케이싱 앞부(20)의 개구부에 설치된 직동 오일씰(3)과 직동 로드(2)의 슬라이딩 운동부(6)에 의하여, 케이싱(20, 21, 22)으로 형성되는 중공 구조의 내부는 밀봉되어 있다. 직동 로드(2)는 케이싱 앞부(20)의 직동 베어링(4)에 의하여 축방향으로 직동 가능하게 지지되어 있다.
중공 로터(10)의 후단측에는, 로터 엔드 캡(17)이 고정되어, 후단측을 밀폐하며, 폐색단부를 구성하고 있다. 로터 엔드 캡의 뒷측은, 케이싱의 폐색단부를 구성하고 있는 케이싱 뒷부(22)의 내면(내벽)에 형성(매입)된 베어링 받이 오목부(22a)에 고정된 베어링(16)(제2 회전지지수단)에 지지된다. 이에 따라, 중공 로터(10)의 폐색단부인 후단부는, 케이싱(22)의 폐색단부에 대하여 중공 로터(10)의 회전축 둘레로 회전 가능하게 지지된다. 이러한 구성에 의하여, 중공 로터(10) 전체는, 케이싱 앞부(20)의 개구부에 설치된 직동 오일씰(3)과 직동 로드(2)의 슬라이딩 운동부(6)에 의하여, 케이싱(20, 21, 22)으로 형성된 중공 구조(밀폐공간) 내에 수용되어 구성되어 있다. 리니어 액추에이터의 작동(직동 로드(2)의 직동 및 중공 로터(10)의 회전)에 대한 슬라이딩 운동 씰구조는, 직동 오일씰(3)뿐이다. 중공 로터(10)는 케이싱(20, 21, 22), 직동 로드(2) 등의 회전하지 않는 부분과, 베어링 기구만으로 기계적으로 접속하고 있다. 즉, 중공 로터(10)는 중공 로터(10)의 회전에 대하여 비회전 부분(케이싱, 직동 로드)과의 사이에 슬라이딩 운동 씰기구를 구비하고 있지 않다. 이러한 구성에 의하여, 리니어 액추에이터의 전원을 끊은 상태에서는 가급적 외력에 대한 부하(백 드라이브 포스)를 주지 않고 종동시키는 것을 가능하게 하고 있다.
본 실시예의 리니어 액추에이터에 있어서, 세그먼트형 리졸버(13, 14)에 의하여 중공 로터(10)의 회전각을 검출한다. 도 5에 세그먼트형 리졸버(13, 14)의 일례를 나타낸다. 중공 로터(10)의 폐색단부의 단면으로부터 개구단부측으로서, 중공 로터(10)의 외주면으로부터 반경방향 바깥측에 세그먼트형 VR 리졸버(세그먼트형의 가변저항형 리졸버)의 리졸버 로터부(14)가 전체 둘레에 걸쳐 고정되어 있다. 본 실시예에 있어서는, 리졸버 로터부(14)는 중공 로터(10)의 후단부측에 고정된 로터 엔드 캡(17)에 고정되어 설치되어 있다. 또한, 세그먼트 리졸버의 리졸버 스테이터부(13)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 중공 로터(10)의 축둘레의 일부의 회전 각도 범위에만 배치되며, 보다 구체적으로는, 도 3, 4에 나타내는 바와 같이, 전원이나 신호선이 배설되는 단자 박스 내에 배치되며, 각 센서(13)에 대응하는 위치에 권선부(13a)가 구성되어 있다. 이에 따라, 중공 로터의 회전각을 검출하고, 미도시의 제어장치로 출력하여, 모터의 구동제어에 사용된다.
본 발명의 리니어 액추에이터에 있어서의 회전 각도 검출수단은, 중공 로터의 축방향 뒷부측으로 연장되는 형태로 배치되지 않고, 축방향에 있어서의 콤팩트화를 실현할 수 있다. 직경 방향에 있어서도, 리졸버 스테이터부(13)는 전체 둘레에 배치되지 않고, 소정의 일부 회전각의 위치에만 배치되므로, 직경 방향에 있어서의 콤팩트화도 동시에 실현할 수 있다. 그에 더하여, 소정의 회전 각도 범위에만 배치되는 리졸버 스테이터부(13)에 대하여도, 본 리니어 액추에이터의 케이싱 측부로 연장되어 형성되는 단자 박스(18) 내에 배치하는 구성으로 하고 있으므로, 리졸버 스테이터부(13)의 배치를 위하여 본 리니어 액추에이터를 직경 방향으로 확장할 필요를 배제하여, 장치의 회전축에 대한 반경방향에 있어서의 콤팩트화를 실현하고 있다.
본 발명의 리니어 액추에이터는, 척도차량용의 요동제어장치에 사용하는 것을 전제로 하는 것으로서, 회전력에 대한 제어를 목적으로 하므로, 엄밀한 위치 결정을 목적으로 하는 것이 아니며, 따라서 엄밀한 회전 각도의 검출을 필요로 하는 것도 아니다. 그 때문에, 본 발명과 같이, 회전각 검출수단은, 회전각의 전체 둘레에 검출단인 리졸버 스테이터부를 가지는 구성으로 할 필요는 없으며, 본 발명과 같은 일부의 회전각에만 배치된 검출부로, 회전검출수단으로서의 목적을 달성할 수 있다. 검출된 각도 오차에 기인하는 효율의 악화는, cos(오차전기각)이다. 따라서, 예를 들어 전기각 10도의 검출오차가 있는 경우에도 약 1.5%의 효율 악화가 있는 정도이므로, 위치 제어가 아니라 힘 제어를 목적으로서 사용되는 철도차량용 요동제어장치에 있어서는 검출 각도의 오차의 영향은 무시할 수 있을 정도이다.
본 실시예에 있어서는, 회전각 검출수단으로서, 세그먼트 VR형 리졸버를 예시하였는데, 본 발명은 이것으로 한정되지 않으며, 예를 들어 와전류 센서에 의하여도, 같은 각도검출수단을 구성하여, 본 발명의 효과를 누릴 수 있다. 와전류 센서를 사용하는 경우에 있어서는, 세그먼트형 VR 리졸버 대신에, 중공 로터(10)의 폐색단부의 단면으로부터 개구단부측으로서, 중공 로터(10)의 외주면으로부터 반경방향 바깥측에 둘레방향으로 회전 각도에 의하여 주기적인 와전류에 의한 인덕턴스의 변화를 발생시키는 도체 구조와, 리졸버 로터(14)의 반경방향 바깥측의 중공 로터(10)의 회전축 둘레의 일부의 각도 범위에 있어서 본체에 고정된 와전류 센서로 구성된 회전 각도 센서를 구성하여도, 본 발명의 효과를 누릴 수 있다. 즉, 직경방향, 축방향에 있어서, 콤팩트한 리니어 액추에이터를 실현할 수 있다.
마그네트(12) 및 스테이터 권선(11)은 강한 자기를 나타내므로, 밀폐 영역(5) 내의 슬라이딩 운동부(직동 오일씰(3)과 슬라이딩 운동부(6))나 전동부(앵귤러 베어링(9), 회전직동 변환부(7), 베어링(16)) 등에서 발생하는 마모가루가 마그네트(12) 및 스테이터 권선(11)에 부착되는 것을 방지할 필요가 있다.
이 때문에, 발생한 철가루 등의 마모가루가 밀폐 영역(5) 내에서 비산하는 일이 없도록, 각 전동부(앵귤러 베어링(9), 회전직동 변환부(7), 베어링(16))는 저점도 그리스로 윤활되어 있다. 또한, 앵귤러 베어링(9)과, 마그네트(12) 및 스테이터 권선(11)(중공 모터를 형성하고 있는 부분)과의 사이의 케이싱 중앙부(21)와 중공 로터(10) 사이에는, 비접촉 래버린스씰(labyrinth seal)(15)이 설치되며, 저점도 그리스가 사용되고 있다. 케이싱 앞부(20)의 개구부에 설치된 직동 오일씰(3)과 직동 로드(2)의 슬라이딩 운동부(6)에 의하여, 케이싱(20, 21, 22)으로 형성된 중공 구조(밀폐공간)는, 비접촉 래버린스씰(15)에 의하여 2개의 영역으로 분할된다. 이에 따라, 마그네트(12) 및 스테이터 권선(11)(중공 모터)은 분할된 한쪽 영역 내에 배치되며, 직동 오일씰(3), 슬라이딩 운동부(6), 회전직동 변환부(7), 앵귤러 베어링(9)은 분할된 다른 쪽 영역 내에 배치된다. 또한, 중공 로터(10)의 후단부는, 로터 엔드 캡으로 밀폐되어 있다. 이에 따라, 밀폐영역(5)은, 가장 마모가루가 많이 발생하는 것이 염려되는 회전직동 변환부(7)가 있는 영역과, 마그네트(12) 및 스테이터 권선(11)이 있는 영역이 분리되어, 마그네트(12) 및 스테이터 권선(11)으로의 철가루 등의 마모가루와의 접촉의 리스크를 저감시키고 있다.
이러한 구성에 의하여, 메인터넌스 간격이 길다는 가혹한 사용 조건 하에서도, 리니어 액추에이터의 기능을 저하시키지 않고 유지하는 것을 가능하게 하고 있다.
도 3에 나타낸 최소 스트로크시, 및 도 4에 나타낸 최대 스트로크시에 있어서의 본 실시예의 리니어 액추에이터의 단면도를 참조하면서, 본 리니어 액추에이터의 동작과 기능에 대하여 설명한다.
도 3에 나타낸 최소 스트로크의 상태에 있어서, 미도시의 제어장치에 의하여 중공 모터가 소정의 회전으로 구동되며, 마그네트(12)가 스테이터 권선(11)에 대하여 회전하면, 중공 로터(10)가 회전하여, 중공 로터(10)의 내주면의 홈부와 계합하고 있는 회전직동 변환부(7)가 축방향 전방으로 직동한다. 이에 따라, 회전직동 변환부(7)에 고정되어 있는 직동 로드(2)는 축방향 전방으로 직동한다. 여기에서, 직동 로드(2)의 앞측 단부에 고정되어 있는 제1 구면 베어링(1a) 및 케이싱 뒷부(22)에 고정되어 있는 제2 구면 베어링(1b)은, 본 리니어 액추에이터로 제어하고자 하는 구성, 예를 들어 철도차량의 차체와 대차에 접속되어 있다. 따라서, 직동 로드(2)와 케이싱 뒷부(22)와의 사이의 상대적인 자유로운 회전은 제한되며, 회전직동 변환부(7)의 케이싱에 대한 자유로운 회전이 구속된 상태로 중공 로터(10)가 회전하게 되어, 회전직동 변환부(7)와 중공 로터(10)의 상대적인 회전에 의하여 직동 로드(2)가 축방향으로 직동된다.
본 발명의 리니어 액추에이터를 철도차량 요동방지장치에 이용하는 경우, 특히 고속주행시의 공력 특성을 위하여 필요해지는 액티브 제어가 있다. 예를 들어, 저속주행에서는 발생하지 않지만, 고속주행에 있어서의 터널 진입시의 순간적인 차량의 가로 요동, 또는 고속주행시의 카르만 소용돌이의 영향에 의한 열차편성의 최종 차량에 있어서의 가로 요동 등을 억제하기 위한 액티브 제어가 있다. 이들 요동을 억제하기 위하여, 소정의 주행 속도 이하 등, 소정의 조건 이외에서는 액티브 제어는 불필요한 경우가 있어, 리니어 액추에이터의 전원을 끊은 상태에서, 가급적 외력에 대하여 부하(백 드라이브 포스)를 주지 않고 종동시키고 싶다는 요구가 있다. 이러한 점에 있어서는, 비접촉 래버린스씰(15)은 중공 로터(10)에 대하여 회전축으로부터 반경방향의 바깥측에 설치되므로, 씰부분의 둘레 길이는 길지만, 비접촉 씰로 저점도 그리스가 사용되고 있으므로, 외력에 대하여 작은 부하로 종동할 수 있다.
본 발명의 리니어 액추에이터에서는, 중공 로터(10) 전체가 밀폐공간 내에 수용되고, 중공 로터(10)의 회전에 대한 슬라이딩 운동씰 기구를 가지지 않으며, 리니어 액추에이터의 구동시의 슬라이딩 운동씰 기구로서, 직동 로드(2)의 직동에 대한 직동 오일씰(3)만을 구비한다. 이러한 구성도 리니어 액추에이터의 전원을 끊은 상태로 가급적 외력에 대하여 부하(백 드라이브 포스)를 주지 않고 종동시킬 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 리니어 액추에이터에 있어서는, 케이싱 앞부(20), 케이싱 중앙부(21), 케이싱 뒷부(22) 및 직동 로드(2)의 슬라이딩 운동부(6)와 직동 오일씰(3)에 의한 씰 구조에 의하여 케이싱 내부에 밀폐 영역(5)을 형성하고 있으므로, 직동 로드(2)의 스트로크 변위에 기인하는 밀폐영역(5) 내의 압력 변동에 의하여 바깥 공기를 밀폐영역(5) 내로 유출입시키는 일이 없다(에어 블리저 기능을 가지지 않는다). 이 때문에, -20도와 같은 저온의 조건 하에서 계속하여 사용하여도, 액추에이터 내에 침입한 공기 중 수분의 응고 등의 현상에 기인하는 슬라이딩 운동 기능의 저하를 초래하지 않아, 양호한 슬라이딩 운동 상태를 유지할 수 있다는 효과를 가진다. 또한, 본 발명의 리니어 액추에이터 본체는 바깥 공기에 대하여 밀봉되어 있으므로, 공기 중의 수분·먼지 등이 본체 내로 침입하는 것을 방지할 수 있어, 안정적인 기능을 유지할 수 있다.
한편, 밀폐 영역(5) 내의 기체는, 공기 또는 질소 등의 비활성 가스를 사용할 수 있다.
밀폐영역(5)은 밀폐공간이므로, 기체가 차지하는 용적과 압력의 곱은 일정하다. 따라서, 밀폐영역(5) 내의 기체가 차지하는 용적(V1에서 V2)으로 변하며, 압력이 P1에서 P2로 변한 경우, 용적 변화 후의 압력 P2는,
[수학식 1]
Figure 112016006498570-pct00001
로 나타낼 수 있다. 여기에서, △V는 기체가 차지하는 용적의 V1에서 V2로의 변화량(V2-V1)이다. 본 발명의 리니어 액추에이터는 콤팩트하게 구성되어 있으므로, 케이싱 내의 용적은 작아, V1과 V2와의 차이(비)가 커지기 쉽다. 결과적으로, 직동 로드의 전후진에 의하여 밀폐영역(5) 내의 압력 변동이 커지기 쉽다. 하지만, 밀폐영역(5) 내의 압력변동이 크면, 액티브 제어하지 않고, 외력에 대하여 작은 백 드라이브 포스로 종동시킬 필요가 있는 경우에 있어서, 자유로운 종동을 저해하게 된다. 이 때문에, 본 발명의 리니어 액추에이터의 직동 로드(2)에는, 중공 로터의 폐색단부측인 후단부에 개구부를 가지는 중공부(2a)가 축방향으로 연장되어 형성되어 있다. 이러한 구성에 의하여, 직동 로드의 전후진에 의한 기체가 차지하는 용적의 V1에서 V2로의 변화량인 △V는, 직동 로드(2)의 단면적과 최대 스트로크 길이의 곱으로 나타나는 체적으로서 같지만, 중공부(2a)의 용적만큼 V1이 커지므로, △V가 주는 P2로의 영향을 억제할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112016006498570-pct00002
이에 따라, 밀폐영역(5)의 밀폐성을 유지하는 동시에, 종동성의 저해를 억제할 수 있다.
케이싱 앞부(21)와 제1 구면 베어링(1a) 사이에는, 미도시의 벨로스 등의 커버를 설치하고, 분진 등이 슬라이딩 운동부(6)의 외표면에 부착되는 것을 미연에 방지하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 스트로크 변화에 의하여 본체의 선단부인 케이싱 앞부(21)로부터 직동 로드(2)가 돌출되었을 때에, 직동 로드(2)의 슬라이딩 운동부(6)가 주위의 환경에 노출되어 수분이나 더스트 등이 슬라이딩 운동부(6)의 외표면에 부착되는 것을 방지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의 구성에 의하여, 리니어 액추에이터 본체 이외에 압력발생장치와 같은 외부장치를 필요로 하지 않고, 또한 압력유체에서의 제어장치의 경우에 필요한 구동원인 가압유체의 배관의 설치를 필요로 하지 않는 전체 길이 및 외부 직경에 있어서 콤팩트한 리니어 액추에이터를 제공할 수 있다. 또한, 원하는 구동력 또는 감쇄력을 주는 리니어 액추에이터로서의 기능을 제공하여, 리니어 액추에이터의 기능이 필요하지 않을시에는, 외력에 대하여 큰 부하(백 드라이브 포스)를 주지 않고, 쉽게 종동할 수 있는 리니어 액추에이터를 제공할 수 있다. 또한, 번잡한 교환 등의 메인터넌스가 실행되기 어렵고, 배치되는 사용 환경에서의 온도 변화가 크다(-20℃~60℃)고 하는 가혹한 사용 조건 하에서도, 백 드라이브 포스가 낮은 상태로 안정적으로 기능하는 리니어 액추에이터를 제공할 수 있다.
실시예 2
도 6에 본 발명의 실시예 1에 따른 리니어 액추에이터를 적용한 철도차량용 요동제어장치의 개략 구성도를 나타낸다. 본 실시예의 철도차량용 요동제어장치는, 실시예 1의 본 발명의 액추에이터를 철도차량의 대차(35)와 차체(30) 사이에 설치하고, 차체(30)의 요동을 억제하도록 리니어 액추에이터(33)의 구동을 액티브 제어하는 제어장치(32)를 구비한다.
차륜으로부터 1차 스프링(36)을 통하여 대차(35)에 진동이 전달되어, 대차(35)의 진동은 2차 스프링(34)을 통하여 차체(30)로 전달된다. 가속도계(31)는 차체(30)의 가속도를 측정하고, 제어장치(32)는 측정된 가속도에 따라서 차체(30)의 요동(진동)을 억제하도록, 리니어 액추에이터(33)를 액티브하게 제어한다. 제어장치에 의한 액티브 제어는, 공지의 다양한 제어방법을 적용할 수 있다.
철도차량에 있어서, 수평방향이며 차량의 진행방향에 대하여 수직인 방향에 대한 진동(요동)을 억제하는 것은, 철도차량의 승객의 승차감을 쾌적하게 하는 동시에, 주행시의 차량의 주행 자세를 안정시키는 데에 중요하다. 철도차량의 요동을 억제하기 위하여 리니어 액추에이터를 사용하는 경우, 리니어 액추에이터를 수평방향이며 차량의 진행방향에 대하여 수직인 방향으로 설치하는 것이 가장 효율적인 배치방법이다. 제약된 철도차량의 폭 중에 리니어 액추에이터를 수용하는 점에 있어서, 본 발명의 콤팩트화된 리니어 액추에이터는 큰 이점을 가진다. 특히 협궤(挾軌) 규격이 적용되어 있는 조건 하에 있어서는, 본 발명의 콤팩트화된 리니어 액추에이터를 철도차량에 있어서의 차체의 요동제어장치에 적용하는 것은 적합하다.
철도차량에 있어서의 차체의 요동제어장치와 같이, 번잡한 교환 등의 메인터넌스가 실행되기 어렵고, 설치되는 사용 환경에서의 온도 변화가 크다는 가혹한 사용 조건 하에서도, 본 발명의 리니어 액추에이터의 작용효과를 충분히 발휘한 철도차량용 요동제어장치를 실현할 수 있다. 즉, 리니어 액추에이터 본체 이외에 압력발생장치와 같은 외부장치를 필요로 하지 않고, 또한 압력유체에서의 제어장치의 경우에 필요한 구동원인 가압유체의 배관의 설치를 필요로 하지 않는 전체 길이 및 외부 직경에 있어서 콤팩트한 리니어 액추에이터를 가지는 철도차량용 요동제어장치를 실현할 수 있다. 또한, 원하는 구동력 또는 감쇄력을 주는 리니어 액추에이터로서의 기능을 제공하고, 리니어 액추에이터의 기능이 필요하지 않을시에는, 외력에 대하여 큰 부하(백 드라이브 포스)를 주지 않아, 쉽게 종동할 수 있는 리니어 액추에이터를 제공할 수 있다. 또한, 번잡한 교환 등의 메인터넌스가 실행되기 어렵고, 설치되는 사용 환경에서의 온도 변화가 크다(-20℃~60℃)는 가혹한 사용 조건 하에서도, 백 드라이브 포스가 낮은 상태에서 안정적으로 기능하는 리니어 액추에이터를 가지는 철도차량용 요동제어장치를 제공할 수 있다.
본 출원은 2013년 7월 16일에 출원된 일본특허출원 제2013-147737호로부터의 우선권을 주장하는 것으로, 그 내용을 인용하여 이 출원의 일부로 하는 것이다.
1a: 제1 구면 베어링
1b: 제2 구면 베어링
2: 직동 로드
2a: 중공부
3: 직동 오일씰
4: 직동 베어링
5: 밀폐영역
6: 슬라이딩 운동부
7: 회전직동 변환부
8a, 8b: 베어링 고정 너트
9: 앵귤러 베어링
10: 중공 로터(너트)
11: 중공 모터(스테이터 권선)
12: 중공 모터(마그네트)
13: 리졸버 스테이터부
13a: 권선부
14: 리졸버 로터부
15: 비접촉 래버린스씰
16: 베어링
17: 로터 엔드 캡
18: 케이블 홀더
20: 케이싱 앞부
21: 케이싱 중앙부
22: 케이싱 뒷부
22a: 베어링 받이 오목부
30: 차체
31: 가속도계
32: 제어장치
33: 리니어 액추에이터
34: 2차 스프링
35: 대차
36: 1차 스프링

Claims (12)

  1. 외주면의 일부에 마그네트가 고정되고, 내주면에는 나선홈이 형성된 개구단부와 폐색단부를 가지는 중공 구조를 가지는 중공 로터와,
    상기 중공 로터를 회전축 둘레로 회전 가능하게 지지하여 수용하며, 상기 중공 로터의 상기 마그네트와 대향하는 위치에 스테이터 권선을 가지는 본체와,
    상기 중공 로터 내에 배치되고, 상기 나선홈과 계합하며, 그 중공 로터의 회전에 의하여 그 중공 로터의 축방향으로 직동하는 회전직동 변환부와,
    한쪽 단부는 상기 회전직동 변환부에 고정되고, 다른 쪽 단부는 상기 본체의 개구단부로부터 연장되는 직동 로드로서, 외주에 상기 본체의 상기 개구단부에 배치된 직동 오일씰을 통하여 축방향으로 슬라이딩 운동하는 슬라이딩 운동부를 가지며, 그 직동 오일씰과 그 슬라이딩 운동부는 협동하여 그 본체의 내부에 밀폐공간을 형성하는 직동 로드와,
    상기 중공 로터의 폐색단부의 단면으로부터 개구단부측으로, 중공 로터의 외주면으로부터 반경방향 바깥측에 고정된 리졸버 로터와, 그 리졸버 로터의 반경방향 바깥측의 상기 중공 로터의 회전축 둘레의 일부의 각도 범위에 있어서 상기 본체에 고정된 리졸버 스테이터로 구성되는 상기 중공 로터의 회전 위치를 검출하는 세그먼트형 리졸버를 가지고,
    상기 마그네트와 상기 스테이터 권선은 중공 모터를 구성하며,
    상기 본체는, 상기 중공 모터가 형성되어 있는 부분으로부터 개구단부측에 있어서, 상기 중공 로터를 상기 본체에 대하여 그 중공 로터의 회전축 둘레로 회전 가능하게 지지하는 제1 회전지지수단과, 상기 중공 로터의 폐색단부를 그 중공 로터의 회전축 둘레로 회전 가능하게 지지하는 제2 회전지지수단을 가지고,
    상기 중공 로터는, 전체가 상기 밀폐공간 내에 수용되며,
    상기 본체는, 축방향에 대하여 수직방향으로 돌출된 단자 박스를 포함하고,
    상기 리졸버 스테이터는 그 단자 박스 내에 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 중공 로터는, 상기 본체 및 상기 직동 로드와의 사이에 슬라이딩 운동 씰기구를 구비하지 않는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 직동 로드의 직동 및 상기 중공 로터의 회전에 대하여, 상기 직동 오일씰만을 슬라이딩 운동 씰기구로서 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 직동 로드는, 상기 중공 로터의 폐색단부측에 개구한 중공 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전직동 변환부는, 유성 롤러 나사로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전직동 변환부는, 볼나사로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 세그먼트형 리졸버는, 세그먼트형 VR 리졸버로 구성되는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 세그먼트형 리졸버 대신에, 상기 중공 로터의 폐색단부의 단면으로부터 개구단부측으로서, 상기 중공 로터의 외주면으로부터 반경방향 바깥측에 둘레방향으로 회전 각도에 의하여 주기적인 와전류에 따른 인덕턴스의 변화를 발생시키도록 배치된 도체 구조와, 그 리졸버 로터의 반경방향 바깥측의 상기 중공 로터의 회전축 둘레의 일부의 각도 범위에 있어서 상기 본체에 고정된 와전류 센서로 구성되는 회전 센서를 가지는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 회전지지수단은, 상기 본체의 폐색단부의 내벽의 베어링 받이 오목부에 고정된 베어링인 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 본체와 상기 중공 로터와의 사이에, 상기 밀폐공간을 분할하는 비접촉 래버린스씰을 구비하고,
    상기 중공 모터는 분할된 한쪽 영역에 배치되며, 상기 제1 회전지지수단은 분할된 다른 쪽 영역에 배치되는 것을 특징으로 하는 리니어 액추에이터.
  12. 철도차량의 대차와 차체 사이에 설치된 제 1 항 내지 제 6 항 및 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 기재된 리니어 액추에이터와, 차체의 요동을 억제하도록 리니어 액추에이터의 구동을 액티브하게 제어하는 제어장치를 가지는 철도차량용 요동제어장치.
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