KR102654615B1 - 페일 세이프 동작 모드를 갖는 전기 액추에이터 - Google Patents

페일 세이프 동작 모드를 갖는 전기 액추에이터 Download PDF

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Abstract

본 개시내용의 양태는 변속기에 의해 생성된 제1 경로를 통해 출력부에 결합된 제1 구동원; 전기 액추에이터가 전기 액추에이터로의 전력을 손실할 때, 출력부가 페일 세이프 위치에 위치설정되게 하는 변속기에 의해 생성된 제2 경로를 통해 출력부에 결합된 제2 구동원; 제1 구동원으로부터의 에너지를 제2 구동원 내에 저장하기 위해 변속기에 의해 생성된 제3 경로를 통해 제1 구동원 및 제2 구동원에 결합된 차동 장치; 및 제1 경로, 제2 경로, 및 제3 경로 사이에서 변속기를 스위칭하는 것을 제어하도록 구성된 스위칭 제어기를 포함하는 전기 액추에이터를 제공한다.

Description

페일 세이프 동작 모드를 갖는 전기 액추에이터{ELECTRIC ACTUATOR WITH A FAIL-SAFE MODE OF OPERATION}
본 출원은 일반적으로 유동 제어 액추에이터의 개량에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 개시내용은 전력의 손실시에 페일 세이프(fail-safe) 위치로 출력부를 구동할 수 있는 전기 액추에이터에 관한 개량에 관한 것이다.
통상적으로, 전기 액추에이터가 밸브, 게이트 등과 같은 디바이스의 위치설정을 제어하기 위해 산업 용례에서 사용된다. 화학, 석유, 가스 및 관련 산업에서, 액추에이터는 일 장소로부터 다른 장소로 액체의 유동을 제어하기 위해 이용된다. 예를 들어, 보일러 관련 용례에서, 터빈으로의 증기 유동은 유동 제어 밸브를 통해 제어될 수도 있다. 특정 상황에서, 일 장소로부터 다른 장소로의 유해 화학물의 유동이 제어될 수도 있다. 이러한 용례에서, 연료의 손실 및/또는 오염(contamination) 또는 공해(pollution)의 바람직하지 않은 효과를 방지하기 위해, 전력의 손실과 같은 긴급 상황에서 유체 유동을 종료할 필요가 있을 수도 있다.
액추에이터 기술은 전력 손실시에 페일 세이프 특징부를 갖도록 설계될 수 있다. 액추에이터 내의 페일 세이프 특징부는, 외부 전력의 이익 없이, 전력 손실 또는 다른 외부 고장 조건이 액추에이터가 밸브를 사전결정된 위치로 이동시키게 할 때 활성화될 수 있다. 페일 세이프 작동은 다수의 방식으로 접근되어 왔다. 몇몇 접근법은 밸브 또는 완충기(damper)를 폐쇄 위치와 같은 특정의 사전결정된 위치로 이동시키는 데 사용되는 스프링과 같은, 에너지 저장 기술을 수반한다. 예를 들어, 미국 특허 제6,431,317호에서, 페일 세이프 작동 접근법은 원하는 출력을 성취하기 위해 스프링 내에 저장된 위치 에너지를 전달하는 데 사용되는 변속 및 캠-클러치 시스템을 포함한다. 그러나, 이러한 변속 시스템은 큰 체적을 점유하고, 높은 토크를 필요로 하고, 복잡하며, 고장이 쉽다.
본 개시내용의 실시예에 따르면, 페일 세이프 동작 모드를 갖는 전기 액추에이터가 제공된다. 전기 액추에이터는 변속기에 의해 생성된 제1 경로를 통해 출력부에 결합된 제1 구동원, 전기 액추에이터로의 전력의 손실시에, 출력부가 페일 세이프 위치에 위치설정되게 하는 변속기에 의해 생성된 제2 경로를 통해 출력부에 결합된 제2 구동원을 포함한다. 변속기에 의해 생성된 제3 경로를 통해 제1 구동원 및 제2 구동원에 결합된 차동 장치가 제1 구동원으로부터의 에너지를 제2 구동원 내에 저장하는 데 사용된다. 다음에, 전기 액추에이터는 제1 경로, 제2 경로, 및 제3 경로 사이에서 변속기를 스위칭하는 것을 제어하도록 구성된 스위칭 제어기를 또한 포함할 수 있다.
또한, 본 개시내용의 실시예에 따르면, 전기 액추에이터를 구동하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 출력부 또는 제2 구동원에 결합된 변속기를 구동하는 차동 장치에 결합된 제1 구동원에 전력을 공급하는 단계, 제1 구동원이 차동 장치를 구동하게 하여 변속기가 출력부를 구동하게 하는 제1 경로를 설정하기 위해 전기 액추에이터의 제1 브레이크를 결합해제하고 제2 브레이크를 결합하는 단계를 포함한다. 방법은 제2 구동원이 차동 장치를 구동하게 하여 변속기가 출력부를 구동하게 하는 제2 경로를 설정하기 위해, 전기 액추에이터로의 전력의 손실시에, 전기 액추에이터의 제1 브레이크 및 제2 브레이크를 결합해제하는 단계, 및 제1 구동원이 차동 장치를 구동하게 하여 변속기가 제2 구동원을 구동하게 하는 제3 경로를 설정하기 위해 제1 브레이크를 결합하고 제2 브레이크를 결합해제하는 단계를 더 포함할 수 있다.
예시적인 구현예의 상기 일반적인 설명 및 이하의 그 상세한 설명은 단지 본 개시내용의 교시의 예시적인 양태이고, 한정적인 것은 아니다.
예로서 제안되는 본 개시내용의 다양한 실시예가, 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 나타내고 있는 이하의 도면을 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 예시적인 블록도이다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 전기 액추에이터의 사시도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 예시적인 차동 장치의 분해도를 도시하고 있다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 예시적인 제1 브레이크의 분해도를 도시하고 있다.
도 5a는 본 개시내용의 실시예에 따른 탈여기 상태에서 제1 브레이크를 도시하고 있다.
도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른 여기 상태에서 제1 브레이크를 도시하고 있다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 변속기에 연결된 예시적인 제2 브레이크를 도시하고 있다.
도 7은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 예시적인 에너지 저장 모드를 도시하고 있다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 예시적인 정상 동작 모드를 도시하고 있다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 예시적인 페일 세이프 모드를 도시하고 있다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 예시적인 스위칭 프로세스의 흐름도이다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 기계적 정지 부착부를 갖는 예시적인 전기 액추에이터이다.
첨부 도면과 관련하여 후술되는 설명은 개시된 요지의 다양한 실시예의 설명으로서 의도되고 반드시 유일한 실시예(들)를 표현하도록 의도된 것은 아니다. 특정 예에서, 설명은 개시된 실시예(들)의 이해를 제공하기 위한 특정 상세를 포함한다. 그러나, 개시된 실시예(들)는 이들 특정 상세 없이 실시될 수도 있다는 것이 당 기술 분야의 숙련자들에게 명백할 것이다. 몇몇 예에서, 공지의 구조체 및 구성요소는 개시된 요지의 개념을 불명료하게 하는 것을 회피하기 위해 블록도 형태로 도시되어 있을 수도 있다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터(10)의 블록도이다. 전기 액추에이터(10)는 제1 구동원(100), 차동 장치(200), 제2 구동원(400), 출력부(300), 제1 브레이크(500), 및 제2 브레이크(600)를 포함할 수 있다. 제1 구동원(100)은 차동 장치(200) 및 출력부 기어열(도 1에는 도시되어 있지 않음)을 통해 출력부(300)를 구동하는 전기 모터일 수 있다. 전기 모터는 차동 장치(200) 및 스프링 기어열(도 1에는 도시되어 있지 않음)을 통해, 스프링과 같은 제2 구동원(400)을 구동할 수 있다. 제2 구동원(400)으로서 작용하여, 스프링은 모터로의 전력이 손실될 때 출력부(300)를 구동할 수 있다. 상이한 구동원과 출력부(300) 사이의 스위칭은 요구되는 바에 따라 제1 브레이크(500) 및 제2 브레이크(600)를 활성화 및 비활성화함으로써 가능해질 수 있다.
제1 구동원(100)은 시스템을 구동하고 2차 구동원에 에너지를 공급할 수 있는 임의의 디바이스일 수 있다. 제1 구동원은 전력, 기계력, 자기장, 유압력 등에 의해 동작될 수 있다. 예를 들어, 제1 구동원(100)은 전기 구동식 직류(direct current: DC) 모터일 수 있다. 모터는 자기 고정자 내부에서 회전하는 전기자(armature)를 포함하는 영구 자석 DC 모터를 비롯하여, 다양한 유형일 수 있다는 것이 이해되어야 한다. DC 모터는 고정 속도 또는 가변 속도 모터일 수도 있다. 모터 속도 제어는 플럭스 제어, 전기자 제어, 및 전압 제어와 같은 다양한 방식으로 제어될 수 있다.
예시적인 실시예에서, 차동 장치(200)는 하우징 내에 장착된 복수의 베벨 기어를 포함한다. 예를 들어, 차동 장치(200)는 2개의 베벨 기어가 수직축 둘레로 회전하고 반면에 나머지 2개의 베벨 기어는 수평축 둘레로 회전하도록 배열된 4개의 베벨 기어를 포함할 수 있다. 베벨 기어 중 하나는 모터에 의해 회전될 수 있고, 회전은 또한 다른 베벨 기어 또는 하우징에 전달될 수 있다. 또한, 베벨 기어 중 하나는 하우징에서 회전 속도, 회전 방향, 및 토크의 상이한 조합을 얻도록 고정될 수 있다. 하우징은 하우징의 회전을 또한 전달하기 위한 외부 기어를 구비할 수 있다. 예를 들어, 외부 기어는 출력부(300)를 구동하기 위해 출력부 기어열을 통해 출력부(300)에 연결될 수 있다. 하우징의 외부 기어는 또한 스프링(400)을 압축 상태로 회전시키기 위해 스프링 기어열을 통해 스프링(400)에 연결될 수 있다.
제2 구동원(400)은 에너지를 저장하고 요구시에 또는 전력이 손실될 때 시스템을 구동하기 위해 에너지를 공급할 수 있는 임의의 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 제2 구동원(400)은 스프링, 배터리, 압축 공기 등일 수 있다. 실시예에서, 제2 구동원(400)은 모터[제1 구동원(100)]로부터 에너지를 저장하고, 제1 구동원(100)으로의 전력이 손실될 때 변속 시스템을 구동하기 위해 에너지를 공급하는 스프링이다. 압축 스프링, 래디얼 스프링 등과 같은 다수의 유형의 스프링이 존재한다는 것이 이해되어야 한다. 스프링은 압축 상태에 있을 대 위치 에너지의 형태로 에너지를 저장한다. 대안적으로, 압축 공기, 플라이휠, 배터리 등과 같은 상이한 제2 구동원(400)이 또한 사용될 수도 있다.
스프링 및 출력부(300) 회전은 제1 브레이크(500) 및 제2 브레이크(600) 각각과 같은 브레이크를 사용하여 저지될 수 있다. 브레이크는 필요에 따라 동시에 또는 순차적으로 동작될 수 있다. 실시예에서, 브레이크는 제어기에 의해 제어될 수 있는 솔레노이드와 같은 전자기 디바이스일 수 있다. 전자기 브레이크는 전력이 온 또는 오프될 때 정지하거나 부하를 유지할 수 있다. 대안적으로, 브레이크는 스프링 동작식 또는 수동 동작식일 수 있다. 또한, 브레이크는 필요에 따라 자동으로 또는 수동으로 활성화될 수 있다.
전기 액추에이터(10)는 제1 구동원(100), 제2 구동원(400), 및 출력부(300) 사이에 생성된 경로에 따라 상이한 동작 모드를 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 동작 모드(또한 정상 동작 모드라 칭함)에서, 모터[제1 구동원(100)]은 출력부(300)를 구동할 수 있고, 반면에 스프링[제2 구동원(400)]은 제2 브레이크(600)에 의해 적소에 유지될 수 있다. 제2 동작 모드(또한 에너지 저장 모드라 칭함)에서, 모터는 스프링을 구동할 수 있고, 반면에 출력부는 제1 브레이크(500)에 의해 적소에 유지될 수 있다. 제3 동작 모드(또한 페일 세이프 모드라 칭함)에서, 전기 액추에이터(10)는 전력의 손실을 경험하고, 스프링은 출력부(300)를 구동할 수 있다.
상이한 동작 모드들은 스위칭 제어기(700)에 의해 제어될 수 있다. 스위칭 제어기(700)는 필요에 따라 제1 브레이크(500) 및 제2 브레이크(600)를 활성화 또는 비활성화할 수 있다. 또한, 스위칭 제어기(700)는 제1 구동원(100)으로의 전력 공급을 제어할 수 있다. 선택적으로, 스위칭 제어기(700)는 제2 구동원(400) 내에 저장된 에너지의 양을 계산하고 제어할 수 있다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른 예시적인 전기 액추에이터의 사시도이다. 전기 액추에이터(10)는 전기 모터(101) 속도를 원하는 레벨로 조정하기 위한 제1 변속기를 포함하는 모터 기어 박스(120)가 부착된 전기 모터(101)를 포함한다. 모터 기어 박스(120)는 스프링(401) 또는 출력부(300)에 모션을 또한 전달하기 위해 차동 장치(200)의 구동 샤프트(201)(도 3에 도시되어 있음)에 연결될 수 있다. 특정 실시예에서, 전기 모터(101)는 차동 장치(200)에 직접 연결될 수 있다.
차동 장치(200)는 외부 캐리어 기어(210)를 포함하는 캐리어(205)를 포함한다. 캐리어 기어(210)는 스프링 기어열(450)을 회전시켜 스프링 샤프트(410)가 스프링(401)을 압축하게 할 수 있다. 스프링(401)이 압축될 때, 스프링(401)은 전기 액추에이터(10)로의 전력의 손실의 경우에 출력부(300)를 구동하는 데 사용될 수 있는 위치 에너지를 저장한다.
스프링(401)은 제2 브레이크(600)를 결합해제함으로써 압축 상태로 유지될 수 있다. 제2 브레이크(600)는 스프링 기어열(450)에 연결될 수 있다. 제2 브레이크(600)는 스프링 기어열(450)의 모션을 저지할 수 있고, 따라서 스프링(401)을 압축 상태로 잠금한다. 제2 브레이크(600)가 결합해제될 때, 스프링(401)은 스프링 기어열(450)이 모션을 차동 장치(200)에 또한 전달하게 할 수 있다.
본 개시내용에 있어서, 스프링(401)은 시계방향으로 회전될 때 압축되고 반시계방향으로 회전될 때 압축해제되어 출력부(300)가 전력의 손실시에 사전결정된 페일 세이프 상태로 위치설정되게 하도록 구성될 수 있다. 페일 세이프 상태는 폐쇄 밸브 위치 또는 개방 밸브 위치일 수 있다. 상이한 실시예에서, 스프링(401)은 반시계방향으로 회전될 때 압축되고 시계방향으로 회전될 때 압축해제되도록 구성될 수 있다.
스프링(401)은 비틀림력이 스프링의 일 단부에 인가될 때 비틀리는 비틀림 스프링일 수 있다. 예를 들어, 비틀림력은 스프링 샤프트(410)를 회전함으로써 인가된다. 다른 실시예에서, 상이한 유형의 스프링 및 대응 압축 기구가 위치 에너지를 저장하도록 적용될 수 있다. 예를 들어, 나선형 스프링이 볼 스크류 또는 플레이트를 나선형 스프링 상부에 배치하고 볼 스크류를 회전시키거나 또는 코드에 의해 플레이트를 잡아당김으로써 나선형 스프링의 압축을 야기함으로써 압축될 수 있다. 다른 실시예에서, 실린더 내부의 피스톤에 연결된 스프링과 같은 가스-스프링 장치가 스프링을 압축하도록 개발될 수 있다.
차동 장치(200)는 출력부(300)를 구동하기 위해 차동 피니언(250)이 장착될 수 있다. 차동 피니언(250)은 전기 모터(101) 또는 스프링(401)에 의해 구동될 수 있다. 차동 피니언(250)은 출력부 기어열(350)을 통해 출력부(300)를 구동할 수 있다. 출력부 기어열(350)은 요구될 수도 있는 바와 같이, 출력부(300)의 회전을 저지하도록 제1 브레이크(500)에 연결될 수 있다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 차동 장치의 분해도를 도시하고 있다. 차동 장치(200)는 복수의 베벨 기어(B1 내지 B4), 캐리어(205) 및 캐리어 기어(210)를 포함한다. 복수의 베벨 기어(B1 내지 B4)는 베벨 기어(B1, B4)가 수직축 둘레로 회전할 수 있고, 반면에 베벨 기어(B2, B3)는 수평축 둘레로 회전할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 베벨 기어(B1)는 차동 장치(200)로의 입력부로서 작용하는 구동 샤프트(201)에 고정될 수 있다. 베벨 기어(B4)는 차동 장치(200)의 출력부로서 작용하는 종동 샤프트(207)에 고정될 수 있다. 복수의 베벨 기어(B1 내지 B4)가 캐리어(205) 내에서 함께 맞물린다. 베벨 기어(B1 내지 B4) 중 하나 이상의 회전은 캐리어(205)의 회전을 야기하도록 저지될 수 있다. 예를 들어, 베벨 기어(B4)가 고정되고 구동 샤프트(201)가 반시계방향으로 회전하는 것으로 가정하면, 이어서 베벨 기어(B1)의 회전은 맞물린 베벨 기어(B2, B3) 상에 힘을 인가한다. 힘의 접선방향 성분은 반대 방향(즉, 시계방향)에서의 베벨 기어(B2, B3)의 회전을 야기한다. 베벨 기어(B4)는 고정되어 있기 때문에, 베벨 기어(B2, B3) 상에 작용하는 힘의 접선방향 성분은 캐리어(205)가 시계방향으로 회전하게 한다. 베벨 기어(B2, B3)가 저지될 때, 차동 장치(200)의 모든 기어는 잠금되게 된다.
캐리어(205)는 대체로 원통형 형상이고, 중공부를 포함하며, 이 중공부 내에서 복수의 베벨 기어(B1 내지 B4)가 조립될 수 있다. 캐리어(205)는 베벨 기어(B1)를 지지하고 캐리어(205)의 상부측 상의 개구를 덮기 위한 상부 플레이트(225)를 구비할 수 있다. 캐리어(205)는 베벨 기어(B2, B3)를 지지하기 위해 원주를 따른 구멍을 포함할 수 있다. 베벨 기어(B1 내지 B4)는 베벨 기어(B1 내지 B4)를 지지하고 그 자유 회전을 허용하는 베어링(231 내지 234)을 각각 구비할 수 있다. 베벨 기어(B1 내지 B4)는 캐리어(205)의 중공부 내에서 자유롭게 회전한다. 캐리어(205)는 일체형일 수 있고 또는 다월핀(dowel pin)(215, 217) 및 나사(219, 221)와 같은 체결구를 사용하여 캐리어 기어(210)에 고정될 수 있다. 캐리어 기어(210)는 캐리어(205)의 저부측 상의 개구를 포위한다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터(10)의 예시적인 제1 브레이크(500)의 분해도를 도시하고 있다. 제1 브레이크(500)는 샤프트, 기어 등과 같은 회전 구성요소의 모션을 제한하거나 방지하는 임의의 디바이스일 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 제1 브레이크(500)는 출력부 기어(301)가 회전하는 것을 방지하기 위해 결합될 수 있다. 제1 브레이크(500)는 예를 들어, 솔레노이드, 공압식, 유압식, 링크 장치 기반 및/또는 전자기 브레이크를 포함할 수 있다. 도 4에서, 제1 브레이크(500)는 솔레노이드 샤프트(503)를 갖는 제1 솔레노이드(501), 레버(505), 출력부 브레이크(520), 브레이크 하우징(530), 브래킷(535), 및 브레이크 스프링(537)을 포함한다. 제1 솔레노이드(501)는 브래킷(535) 상에 장착될 수 있다. 제1 솔레노이드(501)의 솔레노이드 샤프트(503)는 일 단부에서 레버(505)에 연결될 수 있고, 출력부 브레이크(520)는 레버(505)의 다른 단부에 연결될 수 있다. 레버(505)는 피벗 스크류(531)에 의해 브레이크 하우징(530) 내에 힌지결합될 수 있다. 이와 같이, 레버(505)는 피벗 스크류(531) 둘레로 회전할 수 있다. 또한, 나사, 스터드, 리벳 등과 같은 체결구가 상이한 구성요소를 연결하는 데 사용될 수 있다.
레버(505)는 하나의 레그가 다른 레그보다 더 짧은 대체로 L-형일 수 있다. 레버(505)의 기다란 레그의 제1 단부에서, 솔레노이드 슬롯(507)이 롤 핀(510)에 의해 솔레노이드 샤프트(503)를 체결하도록 제공될 수 있다. 레버(505)의 짧은 레그의 제2 단부에서, 브레이크 슬롯(511)이 롤 핀(525)을 사용하여 출력부 브레이크(520)를 체결하도록 제공될 수 있다. 레버(505)의 코너에서, 피벗 구멍(509)이 피벗 스크류(531)에 연결하도록 제공될 수 있다.
레버(505)의 L-형상은 기계적 장점을 제공한다. 힘이 솔레노이드 슬롯(507)에 인가될 때, 레버(505)는 피벗 스크류(531) 둘레로 피벗하여 브레이크 슬롯(511)에 힘을 전달한다. 힘이 레버(500)의 기다란 레그의 제1 단부[솔레노이드 슬롯(507)]에 인가될 때, 레버(505)의 짧은 레그의 제2 단부[브레이크 슬롯(511)]에 전달된 힘은 인가된 힘보다 크다.
출력부 브레이크(520)는 일 단부에 레버 슬롯(521) 및 다른 단부에 톱니(522)를 갖는 중실 직사각형 블록일 수 있다. 레버 슬롯(521)은 레버(505)의 짧은 레그의 두께보다 크거나 대체로 동일한 폭을 갖는다. 레버(505)는 레버 슬롯(501)을 통해 안내되고, 출력부 브레이크(520) 내의 구멍(523) 및 레버(505)의 브레이크 슬롯(511)을 통과하는 롤 핀(525)을 사용하여 출력부 브레이크(520)에 연결될 수 있다.
브레이크 하우징(530)은 2개의 슬롯 - 출력부 브레이크(520) 및 레버(505) 각각의 장착을 허용하기 위한 블록 슬롯(520s) 및 L-슬롯(505s)을 포함한다. 레버(505)는 브레이크 하우징(530)의 L-슬롯(505s) 내로 안내되고, 브레이크 하우징(530) 및 레버(505)의 피벗 구멍(509)을 통해 피벗 스크류(531)를 활주시킴으로써 힌지결합된다. 출력부 브레이크(520)는 레버(505)의 짧은 레그에 연결되고, 블록 슬롯(520s) 내외로 자유롭게 활주할 수 있다.
도 5a는 본 개시내용의 실시예에 따른 탈여기 상태에서 제1 브레이크(500)를 도시하고 있다. 제1 브레이크(500)는 스위칭 제어기(700)(도 5a에는 도시되어 있지 않음)에 의해 여기되고 탈여기될 수 있다. 탈여기 상태에서, 출력부 브레이크(520)는 출력부 기어(301)에 결합될 수 있는 피니언 기어 세트(550)로부터 결합해제되어, 출력부 기어(301)가 자유롭게 회전하게 할 수 있다. 피니언 기어 세트(550)는 스플라인(555) 및 제1 피니언 샤프트(565)에 고정된 제1 피니언(560)을 포함한다. 스플라인(555)은 출력부 브레이크(520)에 결합될 수 있고, 제1 피니언(560)은 출력부 기어(301)에 결합될 수 있다.
제1 솔레노이드(501)가 탈여기될 때, 솔레노이드 샤프트(503)는 신장하고, 이는 레버(505)를 압박하여 출력부 브레이크(520)가 브레이크 하우징(530) 내부에서 활주하게 하여, 따라서 스플라인(555)으로부터 출력부 브레이크(520)를 결합해제한다. 솔레노이드 샤프트(503)의 신장은 압축 상태에서 레버(505) 위에 놓여 있을 수 있는 브레이크 스프링(537)에 의해 용이해질 수 있다.
도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른 여기 상태에서 제1 브레이크(500)를 도시하고 있다. 여기 상태에서, 출력부 브레이크(520)는 피니언 기어 세트(550)의 스플라인(555)과 결합되어 출력부 기어(301)의 회전을 제한할 수 있다. 제1 솔레노이드(501)가 여기될 때, 솔레노이드 샤프트(503)는 레버(505)를 상향으로 잡아당기는 동안 후퇴하여, 출력부 브레이크(520)가 브레이크 하우징(530) 외부에서 활주하게 하여, 따라서 출력부 브레이크(520)를 스플라인(555)에 결합한다. 또한, 레버(505)의 잡아당김은 브레이크 스프링(537)이 압축하게 한다.
도 6은 본 개시내용의 실시예에 따른 스프링 기어열(450)에 결합된 예시적인 제2 브레이크(600)를 도시하고 있다. 제2 브레이크(600)는 샤프트, 기어 등과 같은 회전 구성요소의 모션을 제한하거나 방지하는 임의의 디바이스일 수 있다. 본 개시내용의 제2 브레이크(600)는 스프링 샤프트(410)의 회전을 방지한다. 제2 브레이크(600)는 예를 들어, 제2 피니언 샤프트(603)에 결합된 전기자(602) 및 허브(601)를 포함할 수 있다. 제2 피니언 샤프트(603)는 스프링 기어열(450)에 결합된 제2 피니언(605)에 부착될 수 있다. 제2 브레이크(600)는 전력이 공급될 때 부하를 유지하고 전력이 손실될 때 부하를 해제할 수 있는 파워온 브레이크(power-on brake)와 같은 전자기 브레이크일 수 있다.
코일(604)이 여기될 때, 제2 피니언 샤프트(603)는 전기자(602) 및 허브(601) 조립체 내부에 잠금되어 제2 피니언(605)이 스프링 기어열(450)과 스프링 샤프트(410)의 회전을 제한하게 한다. 다른 한편으로, 코일(604)이 탈여기될 때, 제2 피니언 샤프트(603)는 전기자(602) 및 허브(601) 조립체로부터 잠금해제되어 제2 피니언(605)이 자유롭게 회전하게 한다. 달리 말하면, 어떠한 전력도 제2 브레이크(600)에 인가되지 않거나 제2 브레이크(600)에서의 전력 손실이 존재하지 않을 때, 제2 피니언(605)은 자유롭게 회전할 수 있다. 이와 같이, 제2 브레이크(600)의 탈여기 상태에서, 스프링 기어열(450) 및 스프링 샤프트(410)는 자유롭게 회전할 수 있다.
도 7은 최대 위치 에너지 모드에서 도시되어 있는, 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 에너지 저장 모드를 도시하고 있다. 에너지 저장 모드에서, 모터(101)는 변속기의 제3 경로를 통해 스프링(401)에 에너지를 공급할 수 있다. 제3 경로에서, 모터(101)는 모터 기어 박스(120)를 통해 차동 장치(200)를 구동하여, 캐리어 기어(210)가 스프링 기어열(450)을 구동하게 하여 스프링(401)에 연결된 스프링 샤프트(410)를 회전시킨다. 스프링 샤프트(410)가 회전할 때, 스프링(401)은 위치 에너지를 저장하도록 압축된다. 저장된 에너지의 양은 출력부(300)가 전력의 손실시에 페일 세이프 상태로 위치설정되게 하기 위해 출력부 기어열(350)을 구동하는 데 충분해야 한다.
모터(101)가 스프링(401)을 구동하는 동안, 제1 브레이크(500)는 출력부(300)에 결합된 출력부 기어열(350)의 회전을 방지하고 차동 장치(200)의 차동 피니언(250)의 회전을 방지하도록 결합될 수 있다. 게다가, 제2 브레이크(600)는 스프링 기어열(450)의 회전을 허용하도록 결합해제될 수 있다.
스프링 샤프트(410)의 회전수는 스프링(401) 내에 저장된 에너지의 양에 관련될 수 있다. 예를 들어, 스프링(401) 내에 저장된 에너지의 양은 비틀림 스프링을 위한 이하의 에너지 식 (1)을 사용하여 계산될 수 있다.
...(1)
여기서, U는 주울 단위의 저장된 에너지이고, k는 뉴턴-미터/라디안 단위의 스프링 상수이고, θ는 라디안 단위의 회전수이다.
다른 실시예에서, 스프링(401) 내에 저장되도록 요구되는 에너지의 양은 실험적으로 사전결정될 수 있다. 실험은 스프링 유형, 스프링 강성, 스프링 샤프트의 회전수 등과 같은 각종 파라미터를 변동하도록 설계될 수 있다. 실험에 기초하여, 파라미터의 최적의 조합이 적절한 스프링 및 회전수를 선택하는 데 사용될 수도 있다.
도 8은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 정상 동작 모드를 도시하고 있다. 정상 동작 모드에서, 모터(101)는 변속기의 제1 경로를 통해 출력부(300)에 에너지를 공급할 수 있다. 제1 경로에서, 모터(101)는 모터 기어 박스(120)를 통해 차동 장치(200)를 구동하여, 차동 피니언(250)이 출력부 기어열(350)을 구동하게 하여 출력부(300)를 회전시킨다. 또한, 모터(101)가 출력부(300)를 구동하는 동안, 제1 브레이크(500)는 출력부(300)에 결합된 출력부 기어열(350)의 회전을 허용하도록 결합해제되고, 제2 브레이크(600)는 스프링(401)에 결합된 스프링 기어열(450)의 회전을 방지하도록 결합된다.
도 9는 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터의 페일 세이프 모드를 도시하고 있다. 페일 세이프 모드는 전력의 손실시에 트리거링될 수 있다. 페일 세이프 모드에서, 스프링(401)은 변속기의 제2 경로를 통해 출력부(300)에 에너지를 공급할 수 있다. 제2 경로에서, 스프링(401)은 차동 장치(200)의 캐리어 기어(210)를 구동하는 데, 이 캐리어 기어는 이어서 출력부(300)에 결합된 출력부 기어열(350)을 구동하여, 출력부(300)가 사전결정된 페일 세이프 위치에 위치설정되게 한다. 사전결정된 페일 세이프 위치는 개방 또는 폐쇄일 수 있다. 또한, 스프링(401)이 출력부(300)를 구동하는 동안, 제1 브레이크(500)는 출력부 기어열(350)의 회전을 허용하도록 결합해제되고, 제2 브레이크(600)는 스프링 기어열(450)의 회전을 허용하도록 결합해제된다. 스프링 기어열(450)이 차동 장치(200)를 구동하지만, 회전은 모터(101)의 내부 제동 능력에 기인하여 모터(101)에 전달되지 않는다. 다른 실시예에서, 외부 브레이크는 제2 경로 내의 모터(101)의 회전을 방지하기 위해 모터(101)에 결합될 수 있다.
도 10은 본 개시내용의 실시예에 따른 전기 액추에이터(10)의 예시적인 스위칭 프로세스(1000)의 흐름도이다. 프로세스(1000)는 전기 액추에이터(10) 내의 상이한 경로 사이의 스위칭을 자동화하도록 스위칭 제어기(700) 내에 구현될 수 있다. 프로세스(1000)는 출력부(300)가 버터플라이 밸브와 같은 요소에 연결되고 전력 공급이 스위칭 온될 때 시작한다. 단계 S10에서, 전력이 제1 구동원(100)에 공급될 수 있다. 예를 들어, 전력은 전기 액추에이터(10)의 모터(101)에 공급될 수 있어 모터(101) 및 모터 기어 박스(120)가 회전하게 한다. 단계 S12에서, 제1 브레이크(500)는 결합되고 제2 브레이크(600)는 결합해제될 수 있다. 제1 브레이크(500)는 도 4 및 도 5b에 관하여 설명된 바와 같이, 제1 솔레노이드(501)를 활성화함으로써 결합될 수 있다. 제2 브레이크(600)는 코일(604)로의 전력 공급을 차단함으로써 결합해제될 수 있다. 제2 브레이크(600)의 결합해제는 스프링(401)이 권취되게 하여 모터(101)에 공급된 에너지를 위치 에너지의 형태로 스프링(401)[제2 구동원(400)] 내에 저장한다.
제2 구동원(400) 내에 저장된 에너지의 양은 단계 S14에서 계산될 수 있다. 예를 들어, 에너지의 양은 도 7에 관하여 설명된 바와 같이, 식 (1)을 사용하여 결정될 수 있거나 또는 실험적으로 사전결정될 수 있다. 대안적으로, 센서(475)가 스프링 샤프트(410) 상에 설치되어 스프링 샤프트(410) 상의 비틀림 부하와 같은 부하 또는 회전수를 카운팅할 수 있다. 센서(475)는 스위칭 제어기(700)에 신호를 전송할 수 있다. 회전수 또는 부하는 실험적으로 사전결정되고 스프링(401) 내에 저장된 에너지의 양에 상관될 수 있다. 대안적으로, 회전수 또는 부하는 출력부(300)를 페일 세이프 위치에 위치설정하는 데 요구되는 회전수 또는 부하에 상관될 수 있다. 예를 들어, 개방 위치로부터 밸브를 폐쇄하기 위해, 출력부(300)는 10회 회전해야 할 수도 있다. 출력부(300)의 10회 공전을 가능하게 하기 위해, 스프링 샤프트(410)는 적어도 25회 회전해야 할 수도 있다. 이와 같이, 스프링 샤프트가 적어도 25회 회전할 때, 제어기는 다음의 단계 S16을 실행할 수 있다.
단계 S16에서, 에너지 임계치가 도달되었는지의 여부에 대한 결정이 행해질 수 있다. 에너지 임계치는 적어도 출력부(300)를 페일 세이프 위치로 구동하는 데 요구되는 에너지의 양에 대응한다. 에너지 임계치가 도달되지 않으면, 모터(101)는 스프링(401)을 권취 유지하고, 단계 S14에서의 프로세스는 에너지 임계치가 도달될 때까지 수행될 수 있다.
일단 에너지 임계치가 도달되면, 제1 구동원(100)으로의 전력 공급이 턴오프될 수 있고, 제1 브레이크(500)와 제2 브레이크(600)가 결합될 수 있다. 제1 구동원(100)으로의 전력 공급이 재차 턴온될 때, 단계 S18에서, 제1 브레이크(500)는 결합해제될 수 있고 제2 브레이크(600)는 결합될 수 있다. 제1 브레이크(500)는 제1 솔레노이드(501)로의 전력 공급을 스위칭 오프함으로써 결합해제될 수 있고, 따라서 도 4 및 도 5a에 관하여 설명된 바와 같이, 출력부 기어열(350)에 결합되는 피니언 기어 세트(550)로부터 출력부 브레이크(520)가 결합해제되게 한다.
단계 S20에서, 전기 액추에이터(10)가 전력을 손실하였는지 여부에 대한 결정이 행해질 수 있다. 만일 그렇지 않으면, 제어기는 전력 손실을 계속 모니터링할 수 있다. 대안적으로, 제어기는 단계 18에서 프로세스를 계속 실행할 수 있다. 다른 한편으로, 전력이 손실되면, 단계 S22에서, 제1 브레이크(500)는 결합해제될 수 있고, 제2 브레이크(600)는 결합해제될 수 있다. 제1 솔레노이드(501)는 전술된 바와 같이, 결합해제될 수 있다. 제2 브레이크(600)는 코일(604)로의 전력 공급을 차단함으로써 결합해제될 수 있다. 제1 브레이크(500)와 제2 브레이크(600)의 결합해제는 스프링(401)[제2 구동원(400)]이 출력부(300)를 페일 세이프 위치로 구동하게 한다.
도 11은 본 개시내용의 실시예에 따른 기계적 정지부(20)가 부착된 예시적인 전기 액추에이터(10)이다. 도 11에서, 전기 액추에이터(10)는 커버(12) 내부에 설치된다. 전기 액추에이터(10)는 전기 액추에이터(10)의 내부 또는 외부에 하나 이상의 부착부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기계적 정지부(20) 또는 리미트 스위치는 전기 액추에이터(10)에 내부에서 또는 외부에서 부착될 수 있다.
기계적 정지부(20)는, 리미트 스위치(도시 생략) 고장의 경우에, 전기 액추에이터(10)가 과이동하여 가능하게는 전기 액추에이터(10) 또는 전기 액추에이터(10)에 연결된 밸브(도시 생략)를 손상시키는 것을 방지하도록 설계된 임의의 디바이스일 수 있다. 밸브의 과이동은 전력 실패시에 스프링(401)의 풀림에 기인하여 야기될 수 있다. 기계적 정지부(20)는 밸브 회전(또는 일반적으로 이동)을 위한 한계를 설정할 수 있다. 예를 들어, 밸브 회전(또는 이동)은 대략 0° 내지 90°(± 10°) 제한될 수 있다. 기계적 정지부(20)는 전기 액추에이터(10)와 밸브 브라켓(도시 생략) 사이에 장착될 수 있다. 상이한 실시예에서, 기계적 정지부(20)는 예를 들어, 스프링 샤프트(410)에 연결된 전기 액추에이터(10)의 내부에 설치될 수 있다.
상기 설명에서, 흐름도 내의 임의의 프로세스, 서술 또는 블록은 프로세스의 특정 논리 함수 또는 단계를 구현하기 위한 하나 이상의 실행가능 명령어를 포함하는 코드의 모듈, 세그먼트 또는 부분을 표현하는 것으로서 이해되어야 하고, 당 기술 분야의 숙련자들에 의해 이해될 수 있는 바와 같이, 수반된 기능성에 따라, 기능이 실질적으로 동시 또는 역순을 포함하여, 도시되어 있거나 설명된 것과는 다른 순서로 실행될 수 있는 대안적인 구현예가 본 발명의 진보의 예시적인 실시예의 범주 내에 포함된다.
특정 실시예가 설명되었지만, 이들 실시예는 단지 예로서만 제시된 것이고, 본 개시내용의 범주를 한정하도록 의도된 것은 아니다. 실제로, 본 명세서에 설명된 신규한 방법, 장치 및 시스템은 다양한 다른 형태로 구체화될 수 있고; 더욱이, 본 명세서에 설명된 방법, 및 장치의 형태의 다양한 생략, 치환 및 변경이 본 개시내용의 사상으로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 첨부된 청구범위 및 이들의 등가물은 본 개시내용의 범주 및 사상 내에 있을 것과 같은 이러한 형태 또는 수정을 커버하도록 의도된다. 예를 들어, 이 기술은 단일 기능이 공유되고 네트워크를 거쳐 복수의 장치 사이에서 협동으로 프로세싱되는 클라우드 컴퓨팅을 위해 구조화될 수도 있다.
10: 전기 액추에이터 100: 제1 구동원
101: 전기 모터 120: 모터 기어 박스
200: 차동 장치 201: 구동 샤프트
205: 캐리어 210: 외부 캐리어 기어
300: 출력부 400: 제2 구동원
401: 스프링 410: 스프링 샤프트
500: 제1 브레이크 600: 제2 브레이크

Claims (6)

  1. 전기 액추에이터의 변속기로서,
    캐리어, 상기 캐리어 내부에 배열된 3개 이상의 베벨 기어, 및 상기 캐리어에 고정된 캐리어 기어를 포함하는 차동 장치;
    상기 차동 장치의 제1 베벨 기어를 구동하는 모터 기어열;
    상기 차동 장치의 캐리어 기어에 결합된 스프링 기어열; 및
    상기 차동 장치의 제2 베벨 기어에 결합된 출력부 기어열
    을 포함하고,
    상기 스프링 기어열 및 상기 캐리어 기어는 상기 전기 액추에이터 내의 상기 모터 기어열, 상기 차동 장치의 3개 이상의 베벨 기어 및 상기 출력부 기어열의 회전을 허용하는 제1 경로를 발생하도록 잠금되는 것인 전기 액추에이터의 변속기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 모터 기어열 및 상기 차동 장치의 제1 베벨 기어는 상기 전기 액추에이터 내의 상기 스프링 기어열, 상기 차동 장치의 캐리어 기어, 상기 차동 장치의 제2 베벨 기어 및 상기 출력부 기어열의 회전을 허용하는 제2 경로를 발생하도록 잠금되는 것인 전기 액추에이터의 변속기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 출력부 기어열 및 상기 차동 장치의 제2 베벨 기어는 상기 전기 액추에이터 내의 상기 모터 기어열, 상기 차동 장치의 캐리어 기어, 및 상기 스프링 기어열의 회전을 허용하는 제3 경로를 발생하도록 잠금되는 것인 전기 액추에이터의 변속기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 출력부 기어열은 밸브에 결합되는 것인 전기 액추에이터의 변속기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 출력부 기어열은 상기 밸브를 페일 세이프 위치로 이동시키는 것인 전기 액추에이터의 변속기.
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