KR102560239B1 - 자기 이력 곡선의 측정을 통한 전기자 행정 결정 - Google Patents

자기 이력 곡선의 측정을 통한 전기자 행정 결정 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 전자석(2, 2a, 2b)과; 전자석(2, 2a, 2b)을 통해 이동 가능한 전기자(3)와; 전기자(3)의 이동을 밸브(1)의 개방 또는 폐쇄로 전환하기 위한 수단들(4, 4a, 4b, 4c)을 포함한 밸브 몸체(5);로 구성되는 전자기 작동식 밸브(1)를 제조하기 위한 방법에 관한 것이며, 전자석(2, 2a, 2b) 및 전기자(3)는 밸브 몸체(5) 내로 삽입되되, 밸브 몸체(5) 내로 전자석(2, 2a, 2b)을 삽입하기 전에, 상기 전자석(2, 2a, 2b) 상에 안착되는 시험 전기자(3a)를 포함하는 전자석(2, 2a, 2b)의 조합부(6)의 자기 이력 곡선(10)이 기록되고, 불포화 상태에서 이력 곡선(10)의 실질적으로 선형인 제1 곡선 섹션(11)의 기울기(m1)가 결정되며, 이 기울기(m1)로부터는, 전자석(2, 2a, 2b) 상에 지속적으로 안착되는 전기자(3)를 포함하여 최종 조립된 밸브(1)의 이력 곡선(30)의 곡선 섹션(31)이면서 제1 곡선 섹션(11)에 부합하는 상기 곡선 섹션(31)의 기울기(m1 *)가 결정된다. 또한, 본 발명은 전기자 행정(AH)을 결정하기 위한 방법에도 관한 것이며, 제1 기울기(m0)와 제2 기울기(m1 *) 간의 차이로부터 전기자(3)와 전자석(2, 2a, 2b) 사이에 형성된 에어갭(9) 내의 자기 에너지(ΔE)가 평가된다.

Description

자기 이력 곡선의 측정을 통한 전기자 행정 결정
본 발명은 전자기 작동식 밸브(electromagnetically-operable valve)에서 전기자 행정을 결정하기 위한 방법, 및 상기 밸브를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
예컨대 디젤 분사 밸브들 내에서 이용되는 오늘날의 퀵 스위칭 전자기 밸브들(quck-switching electromagnetic valve)의 경우, 밸브의 최적의 기능성을 위해 전기자 행정의 정확한 정보 또는 설정이 필요하다. 전기자 행정은 하한 임계값과 상한 임계값 사이에 위치해야 한다. 전기자 행정이 너무 작다면, 밸브의 스로틀링(throttling)이 발생한다. 전기자 행정이 너무 크다면, 강화되는 방식으로 폐쇄 바운스(closing bounce)가 발생할 수 있다.
DE 10 2012 206 484 A1호 및 DE 10 2013 223 121 A1호로부터는 전기자 행정용 측정 시스템들을 포함하는 전자기 연료 인젝터들이 공지되어 있다. 상기 측정 시스템들은 각각 추가 전달 부재들을 통해 전기자의 행정 이동을 측정 장치로 전달한다.
본 발명의 범위에서, 전자석과; 전자석을 통해 이동 가능한 전기자와; 밸브 몸체;로 구성되는 전자기 작동식 밸브의 제조를 위한 방법이 개발되었다. 밸브 몸체는 전기자의 이동을 밸브의 개방 또는 폐쇄로 전환하기 위한 수단들을 포함한다. 전자석과 전기자는 밸브 몸체 내로 삽입된다.
본 발명에 따라서, 전자석을 밸브 몸체 내로 삽입하기 전에, 상기 전자석 상에 안착되는 시험 전기자(test armature)를 포함하는 전자석의 조합부(combination)의 자기 이력 곡선이 기록된다. 불포화 상태에서 이력 곡선의 실질적으로 선형인 제1 곡선 섹션의 기울기(m1)가 결정된다. 이 경우, 시험 전기자는 바람직하게는 밸브의 전기자와 동일한 치수들과 동일한 자기 특성들을 보유한다.
기울기(m1)로부터는, 전자석 상에 지속적으로 안착되는 전기자를 포함하여 최종 조립된 밸브의 이력 곡선의 곡선 섹션이면서 제1 곡선 섹션에 부합하는 상기 곡선 섹션의 기울기(m1 *)가 결정된다.
전자석과 전기자는 함께 자속(Ψ)을 갖는 하나의 자기 회로를 형성하며, 상기 자속은 예컨대 직접적으로 추가 측정 코일(measuring coil)을 통해, 또는 간접적으로 전자석 내에서 유도되는 전압의 시간 적분(Uind = UK - I·R)을 통해 결정될 수 있다. 상기 공식에서, UK는 전자석을 경유하는 단자 전압이고, I는 전자석을 통해 흐르는 전류이며, R은 전자석의 오옴 저항이다. 전자석의 오옴 저항(R)은 예컨대 정전류(I)(constant current)의 위상에서 R = UK/I에 따라서 결정될 수 있다.
전자석을 통해 흐르는 전류(I)에 대한 자속(Ψ)의 의존성[Ψ(I)]은 전형적인 강자성 이력 루프(ferromagnetic hysteresis loop)를 나타내는데, 그 이유는 적어도 전자석의 강자성 코어 내에, 그리고 마찬가지로 강자성인 전기자 내에 각각 자기 에너지가 저장되기 때문이다. 전자석으로부터 휴지 위치(rest position)로의 전기자의 이탈을 통해 에어갭이 전기자와 전자석 사이에 형성된다면, 상기 에어갭 역시도 에어갭의 폭 및 그에 따라 요구되는 전기자 행정(AH)에 따라 결정되는 자기 에너지량(ΔE)을 포함한다. 상기 에너지량(ΔE)은 강자성 이력 곡선의 변동에서 나타나며, 그리고 그에 따라 에어갭이 없을 때 측정된 이력 곡선과 에어갭이 있을 때 측정된 이력 곡선의 비교에서 평가된다.
그러나 밸브가 우선 최초로 최종 조립된다면, 전자석 상에 지속적으로 안착되는 전기자를 포함하는 자기 회로의 완전한 이력 곡선은 더 이상 측정될 수 없다. 특히 전자석의 불포화 상태를 나타내는 이력 곡선의 곡선 섹션이면서, 그 이내에서 자속(Ψ)이 실질적으로 선형으로 전류(I)에 따라 결정되는 것인 상기 곡선 섹션 내에서는, 예컨대 스프링 힘일 수 있는 밸브의 복원력이, 전자석으로 전기자를 끌어당기는 자기력을 능가한다. 다시 말해, 전기자는 자신의 휴지 위치로 복귀하며, 그리고 전기자가 전자석에 안착되어 있는 실질적으로 시험할 시험 대상 상태는 소실된다. 이런 상태에서 이력 곡선을 기록하기 위해, 복원력에 대항하여 전자석 상에서 기계적으로 전기자를 단단히 파지할 필요가 있을 수도 있다. 그러나 이런 경우, 전기자는 밸브의 최종 조립된 상태에서 더 이상 접근될 수 없다.
본원의 발명자는, 전기자가 전자석 상에 지속적으로 안착된 상태에서 전자석의 불포화 상태를 나타내는 이력 곡선의 곡선 섹션이면서, 그 이내에서 자속(Ψ)이 실질적으로 선형으로 전류(I)에 따라 결정되는 것인 상기 곡선 섹션이, 전자석이 밸브 내로의 조립 전에 시험 전기자 상에 안착되어 상기 시험 전기자에 의해 이력 곡선이 측정됨으로써, 적어도 근사치로 구해질 수 있다는 점을 확인하였다. 상기 곡선 섹션은 실질적으로 자신의 기울기(m1)로 특징지워진다. 상기 기울기로부터, 다양한 경로들에서, 전자석 상에 지속적으로 안착되는 전기자를 포함하여 최종 조립된 밸브의 이력 곡선의 부합하는 곡선 섹션의 기울기(m1 *)이면서 더 이상 직접적으로 측정할 수 있는 여지가 없는 상기 부합하는 곡선 섹션의 기울기(m1 *)가 결정된다. 이런 점에서, 밸브의 조립 전에 획득된 기울기(m1)는 밸브의 조립 후에 특히 간단하면서도 명료한 방식으로 밸브의 전기자 행정(AH)의 측정을 가능하게 하는 매우 중요한 기준값이다.
전자석의 불포화 상태를 나타내는 이력 곡선의 곡선 섹션이 밸브의 최종 조립된 상태에서 진행된다면, 상기 곡선 섹션은, 기울기(m1 *)보다 더 작은 기울기(m0)를 갖는다. 이에 대한 원인은, 전자석으로부터 전기자의 이탈을 통해 에어갭이 형성되었고 에너지량(ΔE)은 상기 에어갭 내에 저장되었다는 점에 있다. 기울기(m0 및 m1 *)를 각각 갖는 부합하는 곡선 섹션들 간의 면적으로부터 에너지량(ΔE)이 평가되며, 그리고 그에 따라 최종적으로 요구되는 전기자 행정(AH)이 평가된다. 에너지량(ΔE)은 하기 공식을 통해 정해지며,
Figure 112018069613750-pct00001
그리고 상기 에너지량으로부터는 하기 공식으로서의 전기자 행정(AH)이 도출된다.
Figure 112018069613750-pct00002
상기 식에서, n은 전자석의 코일의 권선수이다. μ0은 진공의 자기 투자율(magnetic permeability)이다. A1 및 A2는, 자신의 폭, 다시 말해 전기자 행정(AH)과 무관한 에어갭의 횡단면 면적이다.
그에 따라, 기준값으로서 밸브의 조립 전 m1의 보존 및 이에 후속하는 m1로부터 m1 *의 결정은, 추가 이력 곡선으로부터 m0의 결정을 통해 최종 밸브 상에서 전기자 행정(AH)의 결정을 가능하게 한다. 명확성을 위해, 하기에서, 밸브의 최종 조립된 상태에서 기록되는 자기 회로의 이력 곡선은 "밸브의 이력 곡선"으로서 지칭된다.
본 발명의 특히 바람직한 구현예에서, 기울기(m1 *)는, 기울기(m1)로부터 사전 설정된 제1 함수 관계를 통해 결정된다. 가장 단순한 근사에서는, 예컨대 m1 *은 m1과 동일하다는 점이 상정될 수 있다. 이런 근사는 복수의 적용에 대해 이미 충분히 정확하다. 한편, 예컨대 밸브 몸체, 및/또는 전기자의 이동을 밸브의 개방 또는 폐쇄로 전환을 위한 수단들이 강자성 재료들을 포함한다면, 상기 재료들은 자기 회로의 자속(Ψ)과 그에 따른 m1 *에도 역시 영향을 미치게 된다. 제1 함수 관계는, 바람직하게는 상기 영향이 고려되는 정도로 개선된다. m1 *이 더욱 정확하게 결정될수록, 그로부터 전기자 행정(AH)도 더욱더 정확하게 결정된다.
본 발명의 특히 바람직한 구현예에서, 하나 이상의 최종 조립된 밸브에서 제1 함수 관계의 결정을 위해, 전기자는 전자석 상에 고정 설치되고 이런 상태에서 이력 곡선이 기록된다. 상기 밸브는, 전기자 행정(AH)이 항상 영(0)과 같고 밸브는 스위칭될 수 없다는 점에서 대량생산되는 밸브들과는 다른 특수한 시험 표본 또는 데이터 입력 표본이다. 이런 차이를 제외하고도, 밸브는 자기적으로 정확히 대량생산되는 밸브들처럼 거동한다. 이상적인 방식으로, 조립 전에 밸브의 자기 회로에서는 제1 이력 곡선이 기록되고 이 제1 이력 곡선에서 m1이 결정되며, 그리고 밸브 내에 상기 자기 회로의 조립 후에는 제2 이력 곡선이 기록되고 이 제2 이력 곡선에서 m1 *이 결정된다.
그러나 기울기(m1 *)는, 수치 방법들(numeric method), 예컨대 유한 요소법(finite element method)에 의해, 전자석과 전기자로 형성되는 자기 회로에 대한 밸브 내의 추가 강자성 재료들의 영향이 계산됨으로써, 예컨대 기울기(m1)로부터도 획득될 수 있다.
또한, 그 대안으로, 또는 그와 결합되어, m1 *은 밸브의 조립 전 결정된 추가 변수들의 기준값들과 밸브의 조립 후 결정된 상기 변수들의 값들의 비교를 통해서도 개선될 수 있다.
그러므로 본 발명의 또 다른 특히 바람직한 구현예에서, 전자석을 밸브 몸체 내로 삽입하기 전에, 추가로, 포화 상태에서, 시험 전기자를 포함한 전자석의 조합부에서 기록되는 이력 곡선의 제2 선형 곡선 섹션의 기울기(m2)가 결정된다. 또한, 바람직하게는, 추가로 전류 값(I0)이 결정되며, 이 전류 값에서는 전류축(I)으로 향하는 제2 곡선 섹션의 선형 연장부가 전류축(I)과 교차한다.
또한, 두 변수는 최종 조립된 밸브에서도 측정할 수 있는 여지가 있는데, 그 이유는, 전자석의 포화 상태에서 전기자가 전자석으로 끌어당겨짐으로써 이런 점에서 자기 회로가 전자석과 시험 전기자로 이루어진 조합부에서의 기준 측정의 경우와 동일한 상태에 있기 때문이다.
밸브의 조립 후에, m2에 부합하는 비교값에 도달하기 위해, 바람직하게는, 밸브의 조립 후에 밸브의 추가 자기 이력 곡선이 기록된다. 포화 상태를 나타내는 추가 자기 이력 곡선의 실질적으로 선형인 제2 곡선 섹션의 기울기(m3)가 결정된다. 상기 제2 곡선 섹션은 밸브의 조립 전에 전자석과 시험 전기자로 이루어진 조합부에서 측정되는 자기 이력 곡선의 제2 곡선 섹션에 부합한다.
또한, 밸브의 조립 후에, I0에 부합하는 비교값에 도달하기 위해, 바람직하게는 그 밖에도, 추가로, 전류값(I1)이 결정되며, 이 전류값에서는 전류축(I)으로 향하는 제2 곡선 섹션의 선형 연장부가 전류축(I)과 교차한다. 본원의 발명자는, 전류값(I0)과 전류값(I1)의 비교가 밸브 내에서 이용되는 부품들의 자기 특성들에 대한 품질 제어의 추가 가능성을 제공한다는 점을 확인하였다. 특히, 전기자, 및/또는 전기자와 전자석 사이에 배치되는 잔여 에어갭 디스크(RLSS)가 요구되는 규격(specification)에 상응하는지 그 여부가 모니터링될 수 있다. 전류값(I0)으로부터 전류값(I1)의 큰 편차는 이와 관련한 표준 편차를 가리킬 수 있거나, 또는 전기자에 대한 그리고/또는 전자석에 대한 잔여 에어갭 디스크의 접촉면들에서의 의도치 않은 입자 형성을 가리킬 수도 있다.
그러므로 본 발명의 또 다른 특히 바람직한 구현예에서, 전류값(I1)과 전류값(I0) 간의 값에 따른 차(ΔI)가 결정되며, 그리고 상기 값에 따른 차가 사전 설정된 임계값을 상회한다면, 밸브는 결함이 있는 것으로서 분류된다.
본 발명의 또 다른 특히 바람직한 구현예에서, 기울기들(m1 및 m2)로부터, 기울기들(m1 및 m2) 간의 상관관계 및/또는 제2 함수 관계가 결정된다. 제2 함수 관계는 바람직하게는 m2/m1의 비율을 전류값(I0)에 대한 선형 관계로 설정한다. 예컨대 함수 관계에 대해 2개의 매개변수(k0 및 k1)를 포함하는 하기 공식의 매개변수화된 명제가 상정된다.
Figure 112018069613750-pct00003
본원의 발명자는, 전자석의 일련의 시험에서, 실제로 m1, m2 및 I0는 그 자체로 볼 때 표본 분산(sample variance)에 따른다는 점을 확인하였다. 그러나 공칭상 동일한 방식으로 제조된 공칭상 동일한 기하구조를 갖는 전자석들의 배치(batch) 이내에서, 충분한 근사로, 동일한 매개변수들(k0 및 k1)을 갖는 방정식 (3)에 따르는 m1, m2 및 I0 간의 상관관계가 유효하게 적용된다. 매개변수들(k0 및 k1)에 영향을 미치는 가장 중요한 제조 매개변수들은 전자석의 자기 코어의 제조를 위해 이용되는 자성 분말(magnetic powder), 자기 코어의 압축 밀도 및 경우에 따른 열처리이다.
그에 따라, 밸브의 조립 전에 결정되는 기준값(m1)이 밸브의 조립 후에도 변함없이 기울기(m1 *)로서 이용될 수 있다는, 원래의 근사의 개선을 위한 명제는, 방정식들 (1) 및 (2)에 따라서 에너지량(ΔE) 및 전기자 행정(AH)의 평가 시, 직접적으로 기준값(m1)을 이용하는 것이 아니라, m1과 m2, 및 선택적으로 I0 간의 제2 함수 관계를 이용하여 m1 *를 결정한다는 점에 있다. 이를 위해, 예컨대 명제가 방정식 (3)에 따라서 생성된다면, 함수 관계는 매개변수들(k0 및 k1)로 특징지워진다.
밸브의 조립 전에 획득된 매개변수들(k0 및 k1)은, 예컨대 최종 조립된 밸브에서 포화 상태를 나타내는 이력 곡선의 곡선 섹션의 기울기(m3)가 결정되고 방정식 (3)에서 m2로서 이용됨으로써 활용된다. 그 다음,
Figure 112018069613750-pct00004
밸브의 최종 조립된 상태에서 m1 *에 대한 개선된 근삿값이 획득될 수 있으며, 이 근삿값은 밸브의 조립 전 전자석과 시험 전기자로 이루어진 조합부에서 결정되는 기준값(m1)보다 더 이상 직접적으로 측정할 수 있는 여지가 없는 값에 더 가깝다.
최종 조립된 밸브에서 전기자가 이탈된 상태에서 획득된 m0에 대한 값과 함께, m1 *에 대한 개선된 근삿값은, 방정식들 (1) 및 (2)에 따라서 에너지량(ΔE) 및 최종적으로는 전기자 행정(AH)을 평가하기 위해 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특히 바람직한 구현예에서, 기울기(m1), 기울기(m2), 기울기(m1 *), 및/또는 기울기들(m1 및 m2) 간의 제1 함수 관계 및/또는 제2 함수 관계 및/또는 상관관계는 전자석 상에서, 그리고/또는 전자석과 연결된 기계 판독 가능한 정보 캐리어 상에서 기록되고, 그리고/또는 데이터베이스 내에서 전자석과 명백하게 연결된다. 이런 경우, 특히, 함수 관계는 방정식 (3)에 따라서 매개변수들(k0 및 k1)을 통해 표현될 수 있다. 이런 경우, 전자석의 대량생산은 특히 간단하게 전자기 작동식 밸브들의 대량생산으로부터 분리된다. 예컨대 한 공장에서 복수의 다른 공장을 위해 전자석들을 사전 생산하고, 복수의 다른 공장은 사전 생산된 자석들에서 다양한 유형들의 전자기 작동식 밸브들을 제조한다. 기계 판독 가능한 정보 캐리어는 예컨대 데이터 매트릭스 코드, 예컨대 QR 코드를 포함할 수 있다.
한편으로 전자석들과 다른 한편으로는 밸브들의 제조의 분리는, 본 발명의 또 다른 특히 바람직한 구현예에서, 복수의 전자석이 기울기들(m1 및/또는 m2)의 값에 따라서, 그리고/또는 기울기들(m1 및 m2) 간의 함수 관계 및/또는 상관관계에 따라서 분류됨으로써 간소화된다. 함수 관계는 예컨대 방정식 (3) 내의 매개변수들(k0 및 k1)에 따라서 분류될 수 있다. 분류는 전자석들을 위한 기준값들의 정밀도를 이산화하지만, 그러나 대량생산을 촉진하는데, 그 이유는 전자석들이 등급에 따라서 각각 동일한 형태로 추가 가공될 수 있고 더 이상 자석 개별적인 기준값들에 관계하지 않아도 되기 때문이다. 또한, 규격에 따르는 등급에 할당되지 않은 현저한 전자석들은 처음부터 불량품으로서 제거될 수 있다.
상술한 사항 후에, 본 발명은 전자기 작동식 밸브에서 전기자 행정(AH)의 결정을 위한 방법에도 관한 것이다.
상기 밸브는, 전자석과; 전자석을 통해 이동 가능한 전기자와; 바람직하게는 밸브 몸체를; 포함하며, 밸브 몸체의 내부에는 전자석, 전기자 및 전기자의 이동을 밸브의 개방 또는 폐쇄로 전환하기 위한 수단들이 배치된다. 전기자 행정(AH)의 결정을 위해, 밸브의 자기 이력 곡선이 기록되며, 그리고 불포화 상태에서 밸브의 이력 곡선의 제1 선형 곡선 섹션의 제1 기울기(m0)가 결정된다. 이런 상태에서, 전기자는 밸브 내에서 작용하는 복원력을 통해 전자석으로부터 이탈되며, 그럼으로써 전기자와 전자석 사이에 에어갭이 존재하게 된다.
본 발명에 따라서, 전기자 행정(AH)의 결정을 위해, 에어갭 내의 자기 에너지(ΔE)가 상기 제1 기울기(m0)와; 이력 곡선의 제1 곡선 섹션에 부합하고 실질적으로 선형인 추가 자기 이력 곡선의 제1 곡선 섹션이면서 전기자가 전자석 상에 단단히 파지될 때 밸브가 가질 수도 있는 상기 제1 곡선 섹션의 제2 기울기(m1 *); 간의 차이로부터 평가된다. 이런 경우, 제2 기울기(m1 *)의 결정을 위해, 특히 밸브 몸체 내로 전자석을 삽입하기 전에 결정되는 상기 기울기(m1 *)를 위한 하나 이상의 기준값(m1)이 고려될 수 있다. 기준값(m1)은 특히 상기에서 기재한 제조 방법의 범위에서 획득되었을 수 있다.
기준값(m1)을 고려하면서 m1 *의 결정을 위해, 예컨대 제조 방법과 관련하여 개시된 방법들이 이용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 특히 바람직한 구현예에서, 제2 기울기(m1)는, 추가 이력 곡선의 곡선 섹션들의 기울기들(m1, m2) 간의 함수 관계 및/또는 상관관계와 함께, 포화 상태에서 밸브의 자기 이력 곡선의 제2 선형 곡선 섹션의 기울기(m3)로부터 결정된다. 이 경우, 상관관계 또는 함수 관계는 마찬가지로 전자석을 밸브 몸체 내로 삽입하기 전에 결정되어 기준값으로서 보존되었을 수 있다.
예컨대 함수 관계는 방정식(3)에 따라서 매개변수들(k0 및 k1)의 형태로 보존되었을 수 있다.
밸브의 조립 전에 하나 또는 복수의 기준값이 전자석에서 획득되어 보존되게 하는 제조 방법, 및 밸브의 조립 후에 바람직하게는 상기 기준값들의 이용하에 전기자와 전자석 사이의 에어갭 내의 자기 에너지(ΔE)를 통해 전기자 행정(AH)이 평가되게 하는 측정 방법은, 궁극적으로 전기자 행정(AH)의 정확한 결정을 가능하게 하기 위해, 밀접히 연관되어 시너지 작용 방식으로 작용한다. 모든 이용되는 전자석(자석 어셈블리)에서 이력 곡선들의 바람직하게는 중단 없는 측정, 및 상기 측정 동안 획득된 기준값들의 보존을 통해, 결정된 전기자 행정(AH)의 정밀도에 대한, 이용되는 부품들의 배치 변동(batch fluctuation)의 영향은 최소화된다. 본 발명에 따라 결정되는 전기자 행정(AH)은 특히 바람직하게는 연료 인젝터들을 위한 전자기 작동식 밸브들의 제조 동안 전기자 행정을 공장 측에서 정확하게 설정하여 작동의 진행 중에 모니터링하기 위해 피드백으로서 이용될 수 있다.
본 발명을 향상시키는 또 다른 조치들은 하기에서 본 발명의 바람직한 실시예들의 기재내용과 함께 도면들에 따라서 더 상세하게 설명된다.
도 1은 전자기 작동식 밸브(1)를 도시한 개략도(도 1a) 및 전자석(2, 2a, 2b)과 시험 전기자(3a)로 이루어진 조합부(6)를 도시한 개략도(도 1b)이다.
도 2는 조합부(6)에서 측정되는 이력 곡선(10)의 세그먼트를 나타낸 그래프이다.
도 3은 최종 조립된 밸브(1)에서 측정되는 이력 곡선(20)의 세그먼트를 나타낸 그래프이다.
도 4는 전자석들(2)의 일련의 시험에서 기울기 비율(m2/m1)과 전류값(I0) 간에 결정되는 함수 관계(8)를 나타낸 그래프이다.
도 5는 밸브(1)의 완전한 이력 곡선(20)을 나타낸 그래프이다.
도 6은 전자석(2)과 시험 전기자(3a)로 이루어진 조합부(6)의 이력 곡선(10)에 대한, 전자석들(2) 간의 표본 분산의 예시의 영향을 나타낸 그래프이다.
도 1a에 따라서, 여기서 예시로서 2/2 웨이 밸브로서 도시된 밸브(1)는 유입구(1a) 및 유출구(1b)를 구비한 밸브 몸체(5)를 포함한다. 밸브(1)는 유입구(1a)와 유출구(1b) 사이에서 매체의 관류를 스위칭한다. 이런 목적을 위해, 밸브 몸체(5)의 내부에는, 강자성 자기 코어(2a)와 이 강자성 자기 코어(2a) 상에 권선된 코일(2b)로 구성되는 전자석(2)이 배치된다. 전자석(2) 상에는, 기준값들을 보유한 바코드를 포함하는 기계 판독 가능한 정보 캐리어(7)가 장착된다. 상기 기준값들은, 전자석(2)을 밸브 몸체(5) 내로 삽입하기 전에, 시험 전기자(3a)를 포함한 전자석(2)의 조합부(6)에서 측정되었다.
밸브(1) 내에서, 전기자(3)는, 전자석(2)이 전기자(3)를 끌어당길 수 있도록, 전자석(2)에 상대적으로 배치된다. 그런 다음, 커플링 메커니즘(4a)을 통해, 밸브(1)의 작동 부재(4c)는 밸브 스프링(4b)에 의해 가해진 복원력에 대항하여 밸브(1)가 폐쇄되어 있는 도 1a에 도시된 스위칭 위치로부터 밸브(1)가 개방되어 있는 도 1a에는 미도시한 스위칭 위치로 전이된다. 커플링 메커니즘(4a), 밸브 스프링(4b) 및 작동 부재(4c)는 함께 전기자(3)의 이동을 밸브(1)의 개방 또는 폐쇄로 전환하는 수단들(4)을 형성한다.
도 1a에 도시된 밸브(1)의 폐쇄된 스위칭 위치에서, 전기자(3)와 전자석(2) 사이에 에어갭(9)이 존재한다. 이와 반대로, 전기자(3)가 전자석(2)으로 끌어당겨지면, 상기 에어갭(9)은 소멸된다. 전기자(3)가 전자석(2)으로부터 이탈되어 있는 폐쇄된 스위칭 위치에서 에어갭(9)의 폭은 밸브(1)의 전기자 행정(AH)에 상응한다.
전자석(2)과 전기자(3)는 함께 자속(Ψ)에 의해 관통되는 자기 회로를 형성한다. 상기 자속(Ψ) 중에서 도 1a에는 예시로서 2개의 자속선이 표시되어 있다.
도 1b에는, 전자석(2)과 시험 전기자(3a)로 이루어진 조합부(6)가 도시되어 있으며, 이 조합부에서는 적어도 불포화 상태에서 이력 곡선(10)의 곡선 섹션(11)의 기울기(m1)가 기준값으로서 결정된다. 시험 전기자(3a)는, 전자석(2)의 코일(2b)이 전류를 공급받지 않을 때에도, 도 1b에 미도시한 수단들에 의해 전자석(2)의 자기 코어(2a)와 접촉한 상태로 파지된다.
도 2에는, 전자석(2)과 시험 전기자(3a)로 이루어진 조합부(6)에서 기록된 이력 곡선(10)의 일 세그먼트가 도시되어 있다. 자속(Ψ)은 전자석(2)의 코일(2b)을 통해 흐르는 전류(I)에 걸쳐서 도시되어 있다. 전자석(2)의 불포화 상태를 나타내는 제1 곡선 섹션(11)에서, 이력 곡선(10)은 기울기(m1)를 가지면서 실질적으로 선형으로 연장되며, 그럼으로써 상기 곡선 섹션(11) 내에서는 근사치로 c1이 상수인 Ψ(I) = m1·I + c1이 적용된다. 전자석(2)의 포화 상태를 나타내는 제2 곡선 섹션(12)에서는, 이력 곡선(10)은 마찬가지로 기울기(m2)를 가지면서 실질적으로 선형으로 연장되며, 그럼으로써 상기 곡선 섹션(12) 내에서는 근사치로 c2이 상수인 Ψ(I) = m2·I + c2가 적용된다. 전류축(I)으로 향해 동일한 기울기(m2)를 갖는 상기 제2 곡선 섹션(12)의 선형 연장부(13)는 전류값(I0)에서 전류축(I)과 교차한다. 도 2에 도시된 이력 곡선(10)의 세그먼트는 전자석(2)의 포화 상태에서 출발하여 기록되었다. 다시 말해 전자석(2)의 코일(2b)을 통해 흐르는 최고 전류(I)에서 출발하여 전류(I)는 연속적으로 감소하였다.
도 3에는, 최종 조립된 밸브(1)에서 기록된 이력 곡선(20)의 일 세그먼트가 도시되어 있다. 도 1과 유사하게, 전자석(2)과 전기자(3)로 형성된 밸브(1)의 자기 회로 내의 자속(Ψ)은 전자석(2)의 코일(2b)을 통해 흐르는 전류(I)에 걸쳐서 도시되어 있다. 도 1과 유사하게, 전자석(2)의 포화 상태에서 전류(I)의 최곳값에서 출발하여 전류(I)는 연속적으로 감소되었다.
이력 곡선(20) 역시도 불포화 상태에서 제1 곡선 섹션(21)을 포함하며, 이 제1 곡선 섹션 내에서 이력 곡선은 기울기(m0)를 가지면서 실질적으로 선형으로 연장된다. 그에 따라, 상기 곡선 섹션(21) 내에서는 근사치로 c0가 상수인 Ψ(I) = m0·I + c0이 적용된다. 포화 상태를 나타내는 제2 곡선 섹션(22) 내에서 이력 곡선(20)은 마찬가지로 기울기(m3)를 가지면서 마찬가지로 실질적으로 선형으로 연장된다. 상기 곡선 섹션(22) 내에서는 근사치로 c3이 상수인 Ψ(I) = m3·I + c3이 적용된다. 전류축(I)으로 향해 동일한 기울기(m3)를 갖는 곡선 섹션(22)의 선형 연장부(23)는 전류값(I1)에서 전류축(I)과 교차한다.
비교를 위해, 도 3에는, 추가로 전기자가 전자석 상에 지속적으로 안착되는 상태에서 최종 조립된 밸브가 보유할 수도 있는 도 2에 도시된 이력 곡선(30)의 곡선 섹션(31)도 표시되어 있다. 상기 곡선 섹션(31) 내에서는 근사치로 c1 *가 상수인 Ψ(I) = m1 *·I + c1 *이 적용된다.
제2 곡선 섹션(22)에서 출발하여 상대적으로 더 작은 전류값(I)까지의 이력 곡선(20)의 파형에서, 전자석(2)으로부터 전기자(3)의 이탈이 자속(Ψ)을 불연속적으로 감소시킨다는 점이 분명하게 확인된다. 이에 대한 원인은, 전기자(3)가 이탈되는 것을 통해, 전기자(3)와 전자석(2) 사이에 에어갭(9)이 형성되고 자기 에너지(ΔE)는 에어갭(9) 내에 저장된다는 점에 있다. 상기 에너지(ΔE)는 이력 곡선(20)의 제1 곡선 섹션(21)과 이력 곡선(30)의 제1 곡선 섹션(31) 사이의 면적에 상응한다. 에너지(ΔE)로부터는, 요구되는 전기자 행정(AH)이 결정될 수 있다.
도 4에는, 기울기 비율(m2/m1)과 전류값(I0) 간의 제2 함수 관계(8)가 도시되어 있으며, 이 제2 함수 관계는 전자석(2)의 일련의 시험에서 결정되었다. 제2 함수 관계(8)는 방정식 (3)에 상응한다. 심볼로서의 마름모로 식별 표시된 각각의 측정점은 제2 함수 관계(8)가 그에 근사치로 적합한 전자석(2)을 나타낸다. 심볼로서의 원으로 식별 표시된 각각의 측정점은 제2 함수 관계(8)와 분명히 다른 전자석(2)을 나타낸다. 도 4에서는, 상기 유형의 이상값들(outlier)의 2개의 그룹(8a 및 8b)을 확인할 수 있다. 이런 방식으로 이상이 있는 전자석(2)은 바람직하게는 불량품으로서 제거된다.
도 5에는, 더 나은 이해를 위해, 대칭 변조 동안 밸브(1)의 완전한 이력 곡선(20)이 도시되어 있다. 포화 상태에서 최고 전류값(I)에서 출발하여, 맨 먼저 분기(28)는 상대적으로 더 낮은 전류값들(I) 쪽으로 진행된다. 이 경우, 맨 먼저, 실질적으로 선형으로 연장되는 제2 곡선 섹션(21)이 통과된다. 이런 제2 곡선 섹션(21)에 이어서, 이탈하는 곡선 섹션(24) 내의 자속(Ψ)은 선형보다 더 빠르게 감소되며, 그런 후에 지점(27a)에서 전기자(3)는 밸브(1)의 밸브 스프링(4b)에 의해 가해진 복원력을 통해 전자석(2)으로부터 이탈되고 전기자(3)와 전자석(2) 사이에 에어갭(9)이 형성된다. 이는 자속(Ψ)의 불연속적인 강하로 나타낸다. 그에 이어서 이력 곡선(20)의 분기(28)는 불포화 상태에서의 제1 곡선 섹션(21)으로 전이된다. 여기서 자속(Ψ)은 전류(I)와 더불어 실질적으로 선형으로 연장된다.
도 5에서 좌측 하부 4분면에서, 이력 곡선(20)의 분기(28)는 끌어당기는 곡선 섹션으로 전이된다. 지점(26b)에서 전기자(3)는 전자석(2)으로 끌어당겨지며, 이는 곡선 파형에서 작은 불연속성으로 나타난다.
그에 이어서, 포화 상태에서 전류(I)가 다시 증가된다면, 이력 곡선(20)의 분기(29)가 진행된다. 여기서 이력 곡선(20)은 다시 이탈하는 곡선 섹션(24)으로 전이되며, 지점(27b)에서 전기자(3)는 전자석(2)으로부터 이탈한다. 이력 곡선(29)의 분기(29)가 우측 상부 4분면으로 넘어가면, 다음의 끌어당기는 곡선 섹션(25)이 개시된다. 지점(26a)에서 전기자(3)는 다시 전자석(2)으로 끌어당겨진다.
도 3과 유사하게, 도 5에는, 전류축(I)으로 향하는 제2 곡선 섹션(21)의 선형 연장부(23), 및 이 연장부(23)가 그 상에서 전류축(I)과 교차하는 전류값(I1)이 표시되어 있다.
도 6에서는, 몇몇 예시에 따라서, 다양한 전자석들(2) 간의 표본 분산이 시험 전기자(3a)를 포함한 각각의 전자석(2)의 조합부(6)의 이력 곡선(10)의 파형에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 그 방법이 설명된다.
도 6a에는, 예컨대 다양한 전자석들(2)의 자기 코어들(2a)의 열처리에서의 차이를 통해, 또는 두 자기 코어(2a)를 위해 이용되는 자성 분말의 상이한 화학 조성을 통해서도 야기될 수 있는 유형의 제1 이력 곡선(10)과 제2 이력 곡선(10a) 간의 편차들이 도시되어 있다. 제2 곡선 섹션(12)을 통해 표현되는 포화 상태에서, 두 이력 곡선(10 및 10a)의 파형은 동일하다. 그에 따라, 자기 코어들(2a)의 조성에서의 편차는 제2 곡선 섹션(12)에서의 기울기(m2)뿐 아니라, 제2 곡선 섹션(12)의 선형 연장부(13)가 전류축(I)을 교차하는 곳인 전류값(I0) 역시도 변경하지 않는다. 그러나 불포화 상태에서 제1 곡선 섹션들(11 및 11a)의 파형들은 서로 상이하며, 그리고 특히 상이한 기울기들(m1)을 보유한다.
도 6b에는, 5개의 전자석(2)으로 이루어진 시리즈 이내에서 각각 시험 전기자(3a)를 포함하는 조합부(6) 내에서 측정되는 이력 곡선들(10, 10a ~ 10d)이 단지 포화 상태에서만 강하게 서로 다르며, 그에 반해 불포화 상태에서 이력 곡선들(10, 10a ~ 10d)은 실질적으로 서로 평행하게 연장되는 반전된 경우가 도시되어 있다. 다시 말해, 예컨대 포화 상태에서 이력 곡선들(10 및 10a)의 제2 곡선 섹션들(12 및 12a)은 서로 상이한 기울기들(m2)을 보유하며, 그리고 전류축(I)으로 향하는 상기 제2 곡선 섹션들(12 및 12a)의 선형 연장부들(13 및 13a)은 상이한 전류값들(I0)에서 전류축(I)과 교차한다. 이와 반대로, 불포화 상태에서 기울기(m1)는 모든 이력 곡선(10, 10a ~ 10d)에 대해 거의 동일하다.
한편, 도 6c에는, 3개의 전자석(2)으로 이루어진 시리즈 이내에서 각각 시험 전기자(3a)를 포함한 조합부(6) 내에서 측정되는 이력 곡선들(10, 10a, 10b)이 불포화 영역에서 자신들의 기울기들(m1)과 관련하여, 그리고 포화 영역에서 제2 곡선 섹션들(12, 12a)에서의 자신들의 기울기들(m2)과도 관련하여서도 분명히 서로 다른 경우가 도시되어 있다. 그에 상응하게, 전류축(I)으로 향하는 제2 곡선 섹션들(12, 12a)의 선형 연장부들(13, 13a) 역시도 상이한 전류값들(I0)에서 전류축(I)과 교차한다.
전자석들(2) 간의 표본 분산이 상관관계가 있는 방식으로 m1, m2 및 I0을 변경하는 이력 곡선(10)의 상기 변동으로만 나타나는 점에 한해, 본원의 제조 방법은 간소화된 형태로 적용될 수 있다. 이런 경우, 각각의 개별 전자석(2)에서 이력 곡선(10)을 기록하는 점이 생략될 수 있다. 그 대신, 공칭상 동일하게 치수설계되어 제조되는 전자석들(2)로 이루어진 배치(batch)에서 몇몇 소수의 전자석(2)의 무작위 추출 표본을 측정하고 그로부터 방정식 (3)에 따라서 함수 관계(8)를 결정하는 것만으로도 충분하다. 상기 무작위 추출 표본의 경우, 예컨대 전기자(3)가 시험 전기자(3a)로서 전자석(2) 상에 고정되어 있는 기준 밸브들이 이용될 수 있다. 이런 경우, m1은 해당 배치의 모든 추가 전자석(2)에 대해 방정식 (4)에 따라서 평가될 수 있다.

Claims (15)

  1. 전자석(2, 2a, 2b)과; 전자석(2, 2a, 2b)을 통해 이동 가능한 전기자(3)와; 전기자(3)의 이동을 밸브(1)의 개방 또는 폐쇄로 전환하기 위한 수단들(4, 4a, 4b, 4c)을 포함한 밸브 몸체(5);로 구성되는 전자기 작동식 밸브(1)의 이력 곡선을 결정하기 위한 방법으로서, 전자석(2, 2a, 2b)과 전기자(3)는 밸브 몸체(5) 내로 삽입되는, 상기 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법에 있어서,
    전자석(2, 2a, 2b)을 밸브 몸체(5) 내로 삽입하기 전에, 전자석(2, 2a, 2b) 상에 안착되는 시험 전기자(3a)를 포함하는 전자석(2, 2a, 2b)의 조합부(6)의 자기 이력 곡선(10)이 기록되고, 불포화 상태에서 이력 곡선(10)의 실질적으로 선형인 제1 곡선 섹션(11)의 기울기(m1)가 결정되며, 기울기(m1)로부터는, 전자석(2, 2a, 2b) 상에 지속적으로 안착되는 전기자(3)를 포함하여 최종 조립된 밸브(1)의 이력 곡선(30)의 곡선 섹션(31)이면서 제1 곡선 섹션(11)에 부합하는 곡선 섹션(31)의 기울기(m1 *)가 결정되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기울기(m1 *)는 기울기(m1)로부터 사전 설정된 제1 함수 관계를 통해 결정되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 하나 이상의 최종 조립된 밸브(1)에서 제1 함수 관계의 결정을 위해, 전기자(3)는 전자석(2, 2a, 2b) 상에 고정 설치되고 이런 상태에서 이력 곡선(30)이 기록되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 전자석(2, 2a, 2b)을 밸브 몸체(5) 내로 삽입하기 전에, 추가로, 포화 상태에서 조합부(6)의 이력 곡선(10)의 실질적으로 선형인 제2 곡선 섹션(12)의 기울기(m2)가 결정되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  5. 제4항에 있어서, 추가로 전류값(I0)이 결정되며, 상기 전류값에서는 전류축(I)으로 향하는 제2 곡선 섹션(12)의 선형 연장부(13)가 전류축(I)과 교차하는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  6. 제4항에 있어서, 밸브(1)의 조립 후에, 밸브(1)의 추가 자기 이력 곡선(20)이 기록되며, 그리고 포화 상태에서 실질적으로 선형이면서 자기 이력 곡선(10)의 제2 곡선 섹션(12)에 부합하는, 추가 자기 이력 곡선(20)의 제2 곡선 섹션(22)의 기울기(m3)가 결정되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  7. 제6항에 있어서, 추가로 전류값(I1)이 결정되며, 상기 전류값에서는 전류축(I)으로 향하는 제2 곡선 섹션(22)의 선형 연장부(23)가 전류축(I)과 교차하는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 전류값(I1)과 전류값(I0) 간의 값에 따른 차(ΔI)가 결정되며, 그리고 상기 값에 따른 차(ΔI)가 사전 설정된 임계값을 상회한다면, 밸브(1)는 결함이 있는 것으로서 분류되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  9. 제4항에 있어서, 기울기들(m1 및 m2)로부터는, 기울기들(m1 및 m2) 간의 상관관계 및/또는 제2 함수 관계(8)가 결정되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제2 함수 관계(8)는 m2/m1의 비율을 전류값(I0)에 대한 선형 관계로 설정하는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  11. 제9항에 있어서, 기울기(m1), 기울기(m2), 기울기(m1 *), 또는 기울기들(m1 및 m2) 간의 제1 함수 관계 또는 제2 함수 관계 또는 상관관계는 전자석(2, 2a, 2b)과 연결된 기계 판독 가능한 정보 캐리어(7) 상에서 기록되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  12. 제9항에 있어서, 복수의 전자석(2, 2a, 2b)은 기울기들(m1 및/또는 m2)의 값에 따라서, 그리고/또는 기울기들(m1 및 m2) 간의 제2 함수 관계(8) 및/또는 상관관계에 따라서 분류되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 이력 곡선 결정 방법.
  13. 전자석(2, 2a, 2b); 및 전자석(2, 2a, 2b)을 통해 이동 가능한 전기자(3);를 포함하는 전자기 작동식 밸브(1)에서 전기자 행정(AH)을 결정하기 위한 방법으로서, 밸브(1)의 자기 이력 곡선(20)이 기록되며, 그리고 불포화 상태에서 밸브(1)의 이력 곡선(20)의 실질적으로 선형인 제1 곡선 섹션(21)의 제1 기울기(m0)가 결정되는, 상기 전자기 작동식 밸브의 전기자 행정 결정 방법에 있어서,
    제1 기울기(m0)와; 이력 곡선(20)의 제1 곡선 섹션(21)에 부합하고 실질적으로 선형인 추가 자기 이력 곡선(10)의 제1 곡선 섹션(11)이면서 전기자(3)가 전자석(2, 2a, 2b) 상에 단단히 파지될 때 밸브(1)가 가질 수도 있는 제1 곡선 섹션(11)의 제2 기울기(m1 *); 간의 차이로부터
    전기자(3)와 전자석(2, 2a, 2b) 사이에 형성된 에어갭(9) 내의 자기 에너지(ΔE)가 평가되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 전기자 행정 결정 방법.
  14. 제13항에 있어서, 밸브(1)는 밸브 몸체(5)를 포함하며, 그리고 전자석(2, 2a, 2b), 전기자(3), 및 전기자(3)의 이동을 밸브(1)의 개방 또는 폐쇄로 전환하기 위한 수단들(4, 4a, 4b, 4c)이 밸브 몸체(5)의 내부에 배치되어 있는, 상기 전자기 작동식 밸브의 전기자 행정 결정 방법에 있어서,
    제2 기울기(m1 *)의 결정을 위해, 전자석(2, 2a, 2b)을 밸브 몸체(5) 내로 삽입하기 전에 결정된, 상기 기울기(m1 *)를 위한 하나 이상의 기준값(m1)이 고려되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 전기자 행정 결정 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 제2 기울기(m1 *)는, 추가 이력 곡선(10)의 곡선 섹션들(11, 12)의 기울기들(m1, m2) 간의 제2 함수 관계(8) 및/또는 상관관계와 함께, 포화 상태에서 밸브(1)의 자기 이력 곡선(20)의 제2 선형 곡선 섹션(22)의 기울기(m3)로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 전자기 작동식 밸브의 전기자 행정 결정 방법.
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