KR19980081760A - 안정화 정자기 토크를 갖는 전기 액츄에이터, 및 이러한 액츄에이터를 구비한 교축 장치 - Google Patents

안정화 정자기 토크를 갖는 전기 액츄에이터, 및 이러한 액츄에이터를 구비한 교축 장치 Download PDF

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Abstract

전기 액츄에이터(11, 85)는 투자성 고정체(13) 및 제한된 회전각(ø)을 통해 고정체(stator body, 13)에 대하여 피벗가능한 영구자석 회전체(rotor body, 17)를 포함한다. 고정체(13)는 회전체(17)에 정자기 토크(TMS)를 부여하고 회전체(17)에 전자기 토크(TEM)를 부여하기 위해 전기 에너지화 수단(29)을 포함한다. TEM은 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)에 비례하고 ø의 1차 함수에 따른 ø에 의존하고, 반면에 TMS는 ø의 2차 함수에 따른 ø에 의존한다.
본 발명에 따르면, 상기 1차 함수는 2차 함수와는 실질적으로 다르고, 회전체(17)의 각 평형 위치에 적용될 때, TEM와 TMS의 합 TR은 소정 값 I의 경우 0으로서 즉, I가 일정한 동안에 ø가 감소하면 TR은 양의 값을 갖고 ø가 증가하면 TR은 음의 값을 갖는다. 이러한 방식에서, 평형 위치는 안정하고 I의 소정 값에 의해 각각 결정된다. 그 결과, 상당히 간단한 아날로그 제어유닛이 회전체(17)의 회전각을 제어하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 특별한 실시예에서, 1차 함수는 실질적으로 cos(ø) 함수에 대응하고 2차 함수는 -sin(2ø) 함수에 대응한다.

Description

안정화 정자기 토크를 갖는 전기 액츄에이터, 및 이러한 액츄에이터를 구비한 교축 장치
본 발명은 투자성 고정체 및 제한된 회전각을 통해 회전축을 고정체에 대하여 피벗가능한 영구 자석 회전체를 포함하는 전기 액츄에이터에 관한 것이며, 고정체는 회전체에 전자기 토크를 부가하기 위한 전기 에너지화 수단을 포함하며, 상기 전자기 토크는 에너지화 수단을 통하는 전류의 값에 비례하고, 회전각의 1차 함수에 따라 고정체에 대하여 회전체의 회전각에 의존하며, 또한 고정체는 회전각의 2차 함수에 따라 회전각에 의존하는 회전체상에 전자기 토크를 부가한다.
본 발명은 또한 교축 밸브 하우징(throttle valve housing), 공기 입구에 연결가능한 공기 통로, 공기 통로내에 피벗가능하도록 교축 밸브 하우징에 저널된 교축 밸브 및 교축 밸브를 피벗하기 위한 전기 액츄에이터를 포함하며, 내연기관의 공기 입구에 사용하기 위한 교축 장치(throttle device)에 관한 것이다.
전기 액츄에이터 및 서두에서 언급한 종류의 교축 장치는 국제특허 WO-A-95/34903에 공지되었다. 공지된 교축 장치의 교축 밸브는 종래 액츄에이터에 의해 공기 통로내에서 피벗가능하다. 종래 액츄에이터의 고정체는 회전체상에 부가 정자기 토크를 부여하는 보조 영구자석을 구비한다. 부가 정자기 토크의 영향하에서, 종래 액츄에이터의 회전체 및 회전체에 결합된 교축 밸브는 전류가 에너지화 수단에 공급되지 않을 때 정지 위치로 작용한다. 전류가 에너지화 수단에 공급될 때, 회전체 및 교축 밸브는 회전축에 대해 제한된 회전각을 통해 에너지화 수단에 의해 부가되는 전자기 토크의 영향하에 동작 위치로 피벗된다. 종래 액츄에이터는 에너지화 수단을 통하는 전류를 제어하기 위한 전자 제어 유닛을 구비한다. 제어 유닛은 고정체에 대한 회전체의 회전각의 실제값을 측정하기 위한 센서를 포함한다. 또한, 제어 유닛은 회전각의 목표값에 대응하는 입력 신호를 수용하기 위한 전기 입력구를 포함한다. 제어 유닛은 회전각의 실제값이 회전각의 목표값과 같도록 에너지화 수단을 통해 전류를 제어한다.
종래 액츄에이터의 단점은 회전체가 전자기 토크의 영향하에서 피벗될 수 있 는 동작 위치가 매우 낮은 안정성을 갖는 것이다. 그 결과, 종래 액츄에이터는 예를 들어 교축 밸브에 부가되는 외부 로드의 영향하에 발생할 수 있는 회전체의 목표 회전각의 교란을 방지하기 위해 비교적 복잡한 제어 유닛, 특히 디지털 제어 유닛을 구비해야만 한다.
본 발명의 목적은 종래 전기 액츄에이터 및 교축 장치의 단점이 방지되는 서두에 언급한 종류의 전기 액츄에이터 및 교축 밸브를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따르면, 전기 액츄에이터는 이러한 목적을 위해 회전체의 각 평형 위치에 적용되는 1차 함수는 2차 함수와 다르고, 전류는 소정값과 전자기 토크 및 정자기 토크의 합을 갖고, 만약 전류의 상기 소정값이 유지되는 동안 회전각이 증가된다면 상기 합은 음의 값을 갖고, 만약 전류의 상기 소정값이 유지되는 동안 회전각이 감소된다면 상기 합은 양의 값을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 교축 장치는 이러한 목적을 위해 사용되는 전기 액츄에이터는 본 발명에 따른 전기 액츄에이터인 것을 특징으로 한다.
전자기 토크가 회전각에 의존하는 데 따른 1차 함수와 정자기 토크가 회전각에 의존하는 데 따른 2차 함수는 다르기 때문에, 회전체의 평형 위치 즉 전자기 토크 및 정자기 토크의 합이 0인 곳에서 고정체에 대한 회전체의 회전각은 에너지화 수단을 통과하는 전류의 값에 의해 결정된다. 더욱이, 회전체의 각 평형 위치는 평형의 상기 위치를 결정하는 전류의 값이 유지되는 동안 회전각이 증가된다면 전자기 토크 및 정자기 토크의 합이 음의 값을 갖고, 전류의 값이 유지되는 동안 만약 회전각이 감소된다면 상기 합은 양의 값을 갖기 때문에, 평형 위치가 예를 들어 회전체상에 외부 로드의 영향하에 교란된다면 회전체는 전자기 토크 및 정자기 토크의 합성의 영향하에서 평형 위치쪽으로 치우친다. 그러므로, 전자기 토크 및 정자기 토크의 합성은 회전체의 각 평형 위치에서 안정성을 갖는다. 회전체의 각 평형 위치는 전류의 소정값에 의해 결정되고 전자기 토크와 정자기 토크의 합성은 각 평형 위치에서 안정성을 갖기 때문에, 본 발명에 따른 전기 액츄에이터는 예를 들어 회전체의 회전각을 제어하기 위한 단순한 아날로그 제어 유닛과 같은 비교적 간단한 제어 유닛에 의해 만족스럽게 작동될 수 있다.
본 발명에 따른 특별한 실시예는 고정체가 회전체상에 부가 정자기 토크를 부여하기 위한 보조 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 한다. 회전체상에 고정체에 의해 부가되는 정자기 토크는 만약 전류가 에너지화 수단에 공급되지 않는다면 회전체를 정지 위치로 작용시킨다. 상기 정지 위치에서, 회전체는 예를 들어 상기 정지 위치내 회전체에 부가되는 정자기 토크에 의해 결정되는 힘을 갖는 기계적 멈추개(mechanical stop)에 놓여진다. 회전체가 정지 위치로 치우치고 정지 위치내 기계적 멈추개에 놓여지는 힘이 보조 자석의 부가 정자기 토크에 의해 증가되기 때문에, 외부 로드의 영향하에 회전체에 발생할 수도 있는, 회전체의 정지 위치의 교란은 가능한 한 많이 방지된다. 보조 자석의 부가 정자기 토크는 전자기 토크 및 정자기 토크의 합성의 안정성으로부터 떨어지지 않는다.
본 발명에 따른 전기 액츄에이터의 특별한 실시예는 회전체가 직경 방향으로 자화된 원통형 영구 자석을 포함하고, 반면에 고정체는 회전체의 어느 한쪽에 직경방향으로 대향되는 2개의 극편(pole shoe)을 포함하며, ø가 고정체에 대한 회전체의 회전각일 때 cos(ø) 함수는 1차 함수에 대응하고 sin(2ø)함수는 2차 함수에 대응하는 것을 특징으로 한다. cos(ø) 함수는 직경방향으로 자화된 원통형 영구 자석을 구비한 회전체 및 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향하는 2개의 극편을 구비한 고정체를 갖는 전기 액츄에이터의 전자기 토크의 특성이며, 이 때 ø=0。일 때 고정체의 극편들 사이에서 연장되는 가상 대칭면내에 위치한다. -sin(2ø)함수에 따른 회전각에 의존하는 정자기 토크를 갖는 전기 액츄에이터는 전자기 토크 및 정자기 토크의 합이 안정성을 갖는 회전각의 값의 비교적 넓은 영역을 제공하고, 그리하여 전기 액츄에이터는 비교적 넓은 작동 범위를 갖는다. 특히, 거의 - 90。로부터 + 90。 까지의 안정한 동작 범위는 상기 - sin(2ø) 함수에서 실현될 수 있고, 전체 작동 범위를 통해 회전체의 평형 위치 및 전류값 사이에 1 : 1 관계가 존재한다.
본 발명에 따른 전기 액츄에이터의 또다른 실시예는 극편이 각각의 극편내에 중앙에 구비되고 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향되는 제 1 슬롯 및 제 2 슬롯을 포함하고, 반면에 극편들은 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향되는 제 3 슬롯과 제 4 슬롯에 의해 상호 이격되고, 제 1, 2, 3 및 4 슬롯은 거의 동일한 폭을 갖고, 반면에 각 극편과 제 1 및 제 2 슬롯의 어느 한 쪽의 사이에 존재하는 갭의 폭은 제 3 및 제 4 슬롯의 어느 한쪽의 갭의 폭보다 크다. 극편과 회전체 사이에 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 슬롯 및 다른 갭 폭을 제공하는 것에 의해, 정자기 토크가 회전각에 의존하는 데 따른 -sin(2ø) 함수는 매우 간단하고 실제적인 방법으로 성취된다.
본 발명에 따른 전기 액츄에이터의 또다른 실시예는 극편이 각 극편내에 중앙에 구비되고 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향되는 제 1 슬롯 및 제 2 슬롯을 각각 포함하고, 반면에 극편은 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향되는 제 3 및 제 4 슬롯에 의해 상호 이격되고, 제 1 및 제 2 슬롯의 폭은 제 3 및 제 4의 폭보다 크다. 다른 슬롯 폭을 갖는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 슬롯을 갖는 고정체를 제공하는 것에 의해, 정자기 토크가 회전각에 의존하는 데 따른 -sin(2ø) 함수는 매우 간단하고 실제적인 방법으로 성취된다.
본 발명에 따른 전기 액츄에이터의 특별한 실시예는 제 1 보조 영구자석이 제 1 슬롯내에 수용되고 제 2 보조 영구자석이 제 2 슬롯내에 수용되고, 제 1 및 제 2 보조 영구 자석이 같은 방향으로 자화되고, 부가 정자기 토크가 -cos(ø) 함수에 따른 회전각에 의존하게 된다. 제 1 슬롯 및 제 2 슬롯내에 보조 자석을 수용하는 것에 의해, 보조 자석들은 간단하고 실제적인 방법으로 고정체내에 수용된다. -sin(2ø) 함수에 따른 정자기 토크는 만일 전류가 에너지화 수단에 공급되지 않는다면 ø=0。 가 회전체의 평형 위치가 될 것이다. -cos(ø) 함수에 따른 부가 정자기 토크를 갖는 상기 정자기 토크를 증가시키는 것에 의해 에너지화 수단에 전류가 공급되지 않을 때 발생하는 회전체의 평형 위치는 ø= - 90。와 ø=0。 사이에 위치한다. 만약, 보조 자석이 적당한 강도로 주어진다면, 기계적 멈추개는 ø= - 90。와 ø=0。 사이에 제공될 수 있고, 이것은 에너지화 수단에 전류가 공급되지 않을 때 확실하게 치우치는 회전체에 대하여 회전체의 정지 위치를 규정한다. 전류가 소정의 문턱값보다 큰 값을 갖는 에너지화 수단에 공급될 때, 회전체는 정지 위치로부터 작동 위치로 회전되고, 또한 회전체의 회전각은 전류의 값이 증가함에 따라 증가하고 전자기 토크, 정자기 토크 및 부가 정자기 토크의 합에서 전류값과 회전각 사이에 존재하는 1 : 1 관계는 액츄에이터의 전체 작동 범위에 걸쳐 0이다.
도 1은 내연기관의 공기 흡입에 사용하는 본 발명에 따른 교축 장치를 개략적으로 도시한 도면.
도 2a는 비에너지화 조건하에서 도 1의 교축 장치에 응용되는 본 발명에 따른 전기 액츄에이터의 제 1 실시예의 단면도.
도 2b는 에너지화 조건하의 도 2a의 전기 액츄에이터를 도시한 도면.
도 3a은 도 2a의 전기 액츄에이터의 평형 위치와 전류 사이에 관계를 도시한 도면.
도 3b는 전류, 회전각 및 전자기 토크, 정자기 토크의 합 및 도 2a의 전기 액츄에이터내에 부가 정자기 토크의 관계를 도시한 도면.
도 4는 도 1의 교축 장치에 응용되는 본 발명에 따른 전기 액츄에이터의 제 2 실시예의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 교축 밸브 하우징 3 : 공기 통로
5 : 플랜지 7 : 디스크형 교축 밸브
9 : 샤프트 11 : 전기 액츄에이터
13 : 고정체 17 : 회전체
도 1에 도시된 본 발명에 따른 교축 장치는 관형 공기 통로(3) 및 플랜지(5)를 구비한 교축 밸브 하우징(1)을 포함하며, 이것에 의해 교축 장치는 도면에 도시되지 않은 내연기관의 매니폴드 또는 공기 입구에 연결될 수 있다. 또한, 교축 장치는 공기 통로(3)를 통해 직경방향으로 연장되는 샤프트(9)상에 부착되는 디스크형 교축 밸브(7)를 포함한다. 샤프트(9)는 교축 밸브 하우징(1)의 플랜지(5)에 피벗가능하게 저널되고, 그리하여 교축 밸브(7)는 공기 통로(3)내에서 피벗가능하다. 교축 밸브(7)가 피벗될 때, 공기 통로(3)의 개구 및 내연 기관의 연소실로 흐르는 공기 흐름이 변경된다.
교축 밸브(7)는 본 발명에 따른 전기 액츄에이터(11)에 의해 공기 통로(3)내에서 피벗가능하다. 액츄에이터(11)는 교축 밸브 하우징(1)의 액츄에이터 하우징(15)내에 부착된 투자성 고정체(13)를 포함하고, 고정체(13)에 대하여 회전축(19)에 피벗가능하도록 샤프트(9)상에 부착된다. 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 회전체(17)는 직경방향으로 자화된 원통형 영구 자석(21)을 포함하고 N극 및 S극을 갖는다. 고정체(13)는 U자 형상이고 예를 들어, 소결 철 또는 자석-강 적층물과 같은 높은 투자율을 갖는 재질로 제조된다. U자 형상의 고정체(13)는 베이스(27)에 상호연결되는 2개의 림(23, 25)를 포함한다. 또한, U자 형상 고정체(13)는 고정체(13)의 주위로 감기고 베이스(27)에 의해 지지되는 전기 코일(31)를 갖는 전기 에너지화 수단(27)을 포함한다. 고정체(13)의 림(23)은 극편(33)을 구비하고, 고정체(13)의 림(25)은 극편(35)을 구비하며, 극편(33, 35)은 회전체(17)의 단면상에서 직경방향으로 대향된다.
또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 극편(33)은 회전체(17)와 접한 곡면(37)을 갖고, 반면에 극편(35)은 회전체(17)와 접한 곡면(39)을 갖고, 곡면(37, 39)는 부분적으로 회전체(17) 주위에 있다. 갭(41)은 극편(33)의 곡면(37)이고, 반면에 제 2 슬롯(47)은 극편(35)의 곡면(39)내에 중앙에 구비되고, 제 1 슬롯 및 제 2 슬롯(47)은 회전체(17)에 대하여 직경방향으로 대향된다. 더욱이, 극편(33, 35)은 에너지화 수단(29)을 향하는 회전체(17)의 한 쪽에 위치하는 제 4 슬롯(51), 제 3 슬롯(49) 및 제 4 슬롯(51)은 회전체(17)에 대하여 직경방향으로 대향된다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 제 1 슬롯(45), 제 2 슬롯(47), 제 3 슬롯(49) 및 제 4 슬롯(51)은 동일한 슬롯 폭(Ws)을 갖는다. 더욱이, 극편(33)과 회전체(17) 사이에 존재하는 갭(41)은 제 1 슬롯(45)의 어느 한 쪽에서 연장되고 갭 폭(W1)을 갖는 제 1 부분(53), 제 1 부분(53)과 제 3 슬롯(49) 사이에서 연장되고 갭 폭(W2)을 갖는 제 2 부분(55)과, 제 1 부분(53)과 제 4 슬롯(51) 사이에서 연장되고 갭 폭(W2)을 갖는 제 3 부분(57)을 갖고, 제 1 부분(53)의 갭 폭(W1)은 제 2 부분(55) 및 제 3 부분(57)의 갭 폭(W2) 보다 크다. 같은 방식으로, 편극(33)과 회전체(17) 사이에 존재하는 갭(43)은 제 2 슬롯(47)의 어느 한쪽에서 연장되고 갭 폭(W1)을 갖는 제 1 부분(53), 제 1 부분(59)과 제 3 슬롯(49) 사이에서 연장되고 갭 폭(W2)을 갖는 제 2 부분(61)과, 제 1 부분(59)과 제 4 슬롯(51)사이에서 연장되고 갭 폭(W2)을 갖는 제 3 부분(63)을 갖는다. 또한, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 제 1 영구 자석(65)은 제 1 슬롯(45)내에 수용되고, 제 2 보조 영구 자석(67)은 제 2 슬롯(47)내에 수용된다. 보조 자석(65, 67)들은 동일한 방향으로 자화되고, 제 1 보조 자석(65)은 회전체(17)와 접한 S극 및 회전체(17)로부터 떨어진N극을 갖고, 제 2 보조 자석(67)은 회전체(17)와 접한 N극 및 회전체와 떨어진 S극을 갖는다.
동작시, 기계적 토크(TR)는 회전체(17)상에 부가된다. 기계적 토크(TR)는 전류가 전기 코일(31)에 공급될 때 회전체(17)상에 에너지화 수단(29)에 의해 부가되는 전자기 토크(TEM) 및 회전체(17)상에 보조 영구 자석(65, 67)에 의해 부가되는 부가 정자기 토크(TMM)을 포함한다. 직경방향으로 자화된 회전체(17) 및 이 회전체(17)에 대해 직경방향으로 대향된 2개의 극편(33, 35)의 사용 결과, 전자기 토크(TEM)는 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)에 비례하고, 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)에 따른 고정체(13)에 대하여 회전체(17)의 회전각(ø)에 의존하고 cos(ø) 함수에 따른 고정체(13)에 대하여 회전체(17)의 회전각(ø)에 의존하며, 이 때 회전체(17)의 자극이 극편(33, 35) 사이에서 연장되는 가상 대칭면(69)내에 위치할 때 ø=0。이고, 회전체(17)의 N극이 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 극편(35)과 접할 때 ø〉0。 이다. 동일한 폭(Ws)을 갖는 4개의 슬롯(45, 47, 49, 51)과 제 1 슬롯(45) 및 제 2 슬롯(47)의 어느 한 쪽에 갭 폭(W1)을 갖는 갭(41, 43)과 제 3 슬롯(49) 및 제 4 슬롯(51)의 어느 한 쪽에 보다 작은 갭 폭(W2) 을 사용하는 결과로서, 정자기 토크(TMS)는 -sin(2ø) 함수에 따른 회전각(ø)에 의존한다. 더욱이, 부가 정자기 토크(TMM)는 보조 자석(65, 67)이 회전체(17)에 대해 직경방향으로 대향되는 제 1 슬롯(45)과 제 2 슬롯(47)내에 수용되는 사실의 결과로서 함수 -cos(ø)에 따른 회전각(ø)에 의존한다. 그러므로, 전자기 토크(TEM), 정자기 토크(TMS) 및 부가 정자기 토크(TMM)은 다음과 같다:
TR= TEM+ TMS+ TMM
= kEM·I·cos(ø) - kMS·sin(2ø) - kMM·cos(ø)
= kEM·cos(ø)·{I - kMM/kEM- 2kMS/kEM·sin(ø)}
이 때, kEM, kMS및 kMM은 회전체(17), 고정체(13), 보조 자석(65, 67) 및 에너지화 수단(29)의 형상, 크기 및 물리적, 재료적 성질에 의해 결정되는 양의 상수 인자이다.
보조 영구 자석(65, 67)의 사용은 다음 효과를 갖는다. 수학식 1로부터 에너지화 수단(29)에 전류가 공급되지 않는 액츄에이터(11)의 비에너지화 조건에서 만약 액츄에이터(11)가 보조 자석(65, 67)을 구비하지 않는다면, 즉 만약 kMM이 0이라면 합(TR)은 ø〉0。 의 경우에 음이 되고 ø〈0。 의 경우에 양이 될 것이다. 그러므로, 만약 kMM이 0 이라면 ø= 0。 은 액츄에이터(11)의 비에너지화 조건에서 회전체(17)의 평형 위치가 될 것이다. 보조 자석(65, 67)이 사용되기 때문에, 액츄에이터(11)의 비에너지화 조건에서 회전체(17)의 평형 위치는 회전각 ø= -sin-1(kMM/2kMS)에 대응하고 ø= -90。 와 ø= 0。 사이에 위치된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 회전체(17)는 액츄에이터 하우징(15)에 부착되는 기계적 멈추개(73)와 협력하기 위한 스터드(71)를 구비한다. 스터드(71) 및 기계적 멈추개(73)는 같은 방식으로, 즉 스터드(71)는 기계적 멈추개(7)에 놓이고, 회전각 ø0〉-sin-1(kMM/2kMS) 및 ø0은 도 2a에 도시된 바와 같이 예를 들어 - 50。에서와 같이 ø= -90。 와 ø= 0。 사이에 위치하게 회전체(17)의 정지 위치내에 상호 배열된다. 이 방식에서, 회전체(17)는 액츄에이터(11)의 비에너지화 조건에서 보조 자석(65, 67)의 부가 정자기 토크의 영향하에 상기 정지 위치(ø0)로 치우친다. 보조 자석(65, 67)은 예를 들어 kMM〉2kMS와 같이 되도록 적당한 강도로 주어진다. 이러한 방식에서 회전체(17) 및 이 회전체(17)와 결합되는 교축 밸브(7)는 전류가 에너지화 수단(29)에 공급되지 않는 정지 위치에 기계적 멈추개(73)에 대해 강하게 압축된다. 그리하여 예를 들어, 교축 밸브(7)에 부가되는 요동 흐름력의 결과로서 발생할 수 있는 정지 위치에서 회전체(17) 및 교축 밸브(7)의 진동은 가능한 크게 방지된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 회전체(17) 및 교축 밸브(7)의 정지 위치는 공기 통로(3)의 개구가 최소로 되는 교축 밸브(7)의 소위 아이들링 위치(idling position)와는 다소 다른 공기 통로(3)내 교축 밸브(7)의 소위 림프-홈 위치(limp-home position)에 대응한다. 예를 들어, 교축 밸브의 전기 에너지 공급이 끊어질 때 발생하는 교축 밸브(7)의 림프-홈 위치에서 공기 통로(3)의 개구는 내연기관의 연소실쪽으로 소량의 공기 흐름을 허용하고, 그리하여 내연기관의 비상 작동이 가능하다. 기계적 멈추개(73)는 기계적으로 조정가능하고, 그리하여 교축 밸브(7)의 림프-홈 위치내 공기 통로(3)를 통하는 공기 흐름을 조정할 수 있다.
- sin(2ø) 함수에 따른 회전각에 의존하는 정자기 토크(TMS)는 다음 효과를 갖는다. 만약, 액츄에이터(11)가 정자기 토크(TMS)를 구비하지 않는다면 즉, kMS가 0 이라면 수학식 1로부터 TR= kEM·cos(ø)·(I - kMM/kEM) 을 따른다. 그러므로, 만약 kMS가 0 이라면, TR은 I 〉kMM/kEM의 경우 양의 값이 되고 -90。와 +90。 사이에서 ø의 모든 값에 대해 음의 값이 되고, 즉 회전체(17)는 I 〉kMM/kEM의 경우 ø = +90。 로 치우치고 I 〈 kMM/kEM의 경우 정지 위치 ø0로 치우친다. 이 위치에서, ø= -90。 와 ø= 0。 사이에서 회전체(17)의 안정한 위치는 만약 액츄에이터(11)가 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)을 제어하기 위한 진보된 디지털 제어 유닛과 같은 비교적 복잡한 제어 유닛을 구비할 때만 실현될 수 있다. 본 발명에 따른 액츄에이터(11)는 - sin(2ø) 함수에 따른 회전각에 의존하는 정자기 토크(TMS)를 구비하기 때문에, 수학식 1로부터 전자기 토크(TEM), 정자기 토크(TMS) 및 부가 정자기 토크(TMM)의 합(TR)은 다음의 경우 0 이다.
øTR=0= sin-1[[I·kEM- kMM]/2kMS]
수학식 2에 따르면, TR= 0인 회전각 øTR=0은 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)의 함수이다. 수학식 2에 따른 øTR=0와 I 사이에 관계는 도 3a에 도시되어 있고 회전각 ø의 값, 즉 도 3a에 도시된 I0〈I〈IMAX범위내에 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 각 소정값(I)1 : 1 관계는 전자기 토크(TEM), 정자기 토크(TMS) 및 부가 정자기 토크(TMM)의 합(TR)은 0 인 회전체(13)에 대하여 회전체(17)의 평형 위치(ø)를 규정한다.
또한, 수학식 1로부터 다음식이 유도된다.
δTR/δø=(kMM-I.kEM).sin(ø)-2kMS.{1-2.sin2(ø)}
수학식 2로부터 다음 관계식은 회전체(17)의 평형 위치에 응용된다 :
kMM-I.kEM= -2kMS.sin(ø)
수학식 3에 수학식 4를 대입한 후에, 다음 방정식은 회전체(17)의 평형 위치에 응용된다:
(δTR/δØ)TR=0= -2kMS.{1-sin2(ø)}
ø0〈 ø〈 +90。의 범위에서 1 - sin2(ø) 〉0 이기 때문에, ø0〈 ø〈 +90。의 범위에서 (δTR/δø)TR=0〈0, 즉 회전체(17)의 각 평형 위치에 적용되는 데, 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 소정값(I)에 대한 TR= 0 에서 만약 예를 들어 회전체(17)상에 부가되는 외부 로드와 상기 소정값(I)이 유지되는 결과로서 회전각(ø)이 증가된다면 TR은 음의 값을 갖게 되고, 만약 회전체(17)상에 부가되는 이러한 외부 로드와 상기 소정값(I)이 유지되는 결과로서 회전각(ø)이 감소된다면 TR은 양의 값을 갖게 된다. 그 결과, 만약 평형 위치가 외부 로드의 영향하에서 교란된다면 회전체(17)는 합(TR)의 영향하에 평형 위치로 다시 치우친다. 따라서, -sin(2ø) 함수에 따라 ø에 의존하는 정자기 토크(TMS)를 포함하는 합(TR)은 ø0〈 ø〈 +90。의 범위내에서 회전체(17)의 각 그리고 모든 평형위치에서 안정화 성질을 갖는다.
회전체(17)의 평형 위치가 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)에 의해 결정되고 합(TR)은 각 평형 위치에서 안정화 성질을 갖기 때문에, 본 발명에 따른 전기 액츄에이터(11)는 고정체(13)에 대하여 회전체(17)의 각(ø)을 제어하기 위한 간단한 아날로그 제어 유닛(75)과 같은 비교적 간단한 제어 유닛으로 만족스럽게 작동될 수 있다. 제어 유닛(75)은 도 1에 개략적으로 도시되었고 예를 들어 도 1에 도시되지 않은 내연 기관의 전기 모터 관리시스템으로 부터 회전각의 목표값에 대응하는 전기 입력 신호(uø)를 수용하기 위한 제 1 전기 입력구(77)를 포함한다. 또한 제어 유닛(75)은 샤프트(9) 및 이 샤프트(9)에 결합된 교축 밸브(7)의 실제 회전각을 측정하기 위해 교축 밸브 하우징(1)에 부착된 센서(81)로부터 회전각의 실제값에 대응하는 전기 입력 신호(uM)를 수용하기 위한 제 2 전기 입력구(79)를 포함한다. 제어 유닛(75)은 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)에 비례하고 도 1에 도시되지 않은 증폭기에 공급되는 전기 출력 신호(uI)를 공급하기 위한 전기 출력구(83)를 포함한다.
본 발명에 따른 전기 액츄에이터(11)의 동작은 다음과 같다. 만약 전류가 에너지화 수단(29)에 공급되지 않는다면, 회전체(17)는 정지 위치(ø0)에 있고 교축 밸브(7)는 상기한 바와 같이 림프-홈 위치에 있다. 도 2a 및 도 3a에 도시된 예에서, ø0= -50。 이다. 전류가 에너지화 수단(29)에 공급될 때, I 〈 I0이고, I0가 정지 위치(ø0)에서 TR= 0에 대한 문턱값일 때 정지 위치(ø0)에 남게된다. 만약 I 〉I0이라면, 회전체(17)는 수학식 2에 따른 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)에 의해 결정되는 평형 위치(øTR=0)쪽으로 제한된 회전각을 통하는 합(TR)의 영향하에 피벗된다. 평형 위치(øTR=0)의 위치는 전류의 값(I)이 증가되면 증가되고, 반면에 전류의 값(I)이 감소되면 감소된다. 도 1, 도 2a 및 도 3a에 도시된 실시예에서, 값 ø= -40。은 공기 통로(3)의 개구가 최소로 되는 교축 밸브(7)의 아이들링 위치에 대응한다. 그러므로, 값 ø= +50。은 공기 통로(3)의 개구가 최대로 되는 교축 밸브(7)의 소위 완전-교축 위치(full-throttle position)에 대응한다. 또한, I = I1에 도달하는 이 완전-교축 위치는 도 3a에 나타나 있다. 또한 교축 장치는 회전체(17)의 회전을 제한하기 위한 기계적 멈추개와 완전 교축 위치에서 교축 밸브(7)를 구비할 수 있다. 도 3b는 -50。〈ø〈+50。의 범위내에 I0〈I〈I1의 경우 회전각(ø)과 합(TR) 사이의 관계를 나타낸다.
상술한 전기 액츄에이터(11)에서, 정자기 토크(TMS)에 따른 -sin(2ø) 함수는 제 1 슬롯(45), 제 2 슬롯(47), 제 3 슬롯(49), 제 4 슬롯(51) 및 갭(41, 43)을 갖는 고정체(13)를 구비하는 것에 의해 매우 간단하고 실제적인 방법으로 실현된다. 도 4는 -sin(2ø) 함수에 따라 회전각(ø)에 의존하는 정자기 토크(TMS)를 구비하는 본 발명에 따른 전기 액츄에이터(85)의 제 2 실시예이다. 도 4에서 상술한 액츄에이터(11)의 일부에 해당하는 전기 액츄에이터(85)의 부분은 기준 신호에 대응하는 것에 의해 표시된다. 전기 액츄에이터(85)내에 제 1 슬롯(87)은 극편(33)의 곡면(37)에 중앙에 구비되고, 제 1 슬롯(87) 및 제 2 슬롯(89)은 회전체(17)에 직경방향으로 대향하여 배치되고 동일한 폭(WS1)을 갖는다. 제 1 보조 영구자석(91)은 제 1 슬롯(87)내에 수용되고, 보조 자석(91, 93)은 상술한 액츄에이터(11)의 보조 자석(65, 67)이 자화되는 방향에 대응하는 방향으로 자화된다. 더욱이, 액츄에이터(85)의 극편(33, 35)은 에너지화 수단(29)으로부터 떨어진 회전체(17)의 한 쪽에 위치한 제 3 슬롯(95)에 의해, 에너지화 수단(29)에 접한 회전체(17)의 한쪽에 위한 제 4 슬롯(97)에 의해 상호 이격되고, 제 3 슬롯(95) 및 제 4 슬롯(97)은 회전체(17)의 단면상에서 직경방향으로 대향되고 동일한 폭(WS2)을 갖는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제 1 슬롯(87) 및 제 2 슬롯(89)의 폭(WS1)은 제 3 슬롯(95) 및 제 4 슬롯(97)의 폭(WS2)보다 크다. 곡면(37)과 회전체(17) 사이에 갭(99)은 균일한 갭 폭(WG)을 갖고, 반면에 곡면(39)과 회전체(17) 사이에 갭(101)은 갭(99)의 갭폭과 동이한 균일한 갭 폭(WG)을 갖는다. 정자기 토크(TMS)가 회전각에 의존하는 것에 따른 -sin(2ø) 함수는 전기 액츄에이터(85)의 고정체(13)가 다른 슬롯 폭(WS1,WS2)을 갖는 제 1 슬롯(87), 제 2 슬롯(89), 제 3 슬롯(95) 및 제 4 슬롯(97)을 구비하는 매우 간단하고 실제적인 방법으로 실현된다. 더욱이, 액츄에이터(85)는 액츄에이터(11)의 전자기 토크에 대응하는 전자기 토크 및 액츄에이터(11)의 부가 정자기 토크에 대응하는 부가 정자기 토크를 구비한다.
상술한 전기 액츄에이터(11, 85)에서, 전자기 토크( TEM)은 에너지화 수단(29)을 통하는 전류의 값(I)에 비례하고 cos(ø)에 따른 회전각(ø)에 의존한다. 반면에 정자기 토크(TMS)-sin(2ø) 함수에 따른 회전각(ø)에 의존한다. 또한, 본 발명은 전자기 토크가 액츄에이터의 에너지화 수단을 통하는 전류의 값에 비례하고 회전각의 제 1 함수에 따른 액츄에이터의 고정체에 대하여 회전체의 회전체의 회전각에 의존하며, 정자기 토크는 회전각의 제 2 함수에 따른 회전각에 의존하는 전기 액츄에이터를 커버한다. 본 발명에 따르면, 에너지화 수단을 통하는 전류의 소정값에 의해 각각 결정되는 고정체에 대한 회전체의 안정한 평형 위치는 만일 제 1 함수가 제 2 함수와 다르다면 이러한 액츄에이터에서 실현되고, 반면에 전자기 토크 및 정자기 토크의 합이 만약 회전값이 증가된다면 음의 값을 갖고 회전각이 감소한다면 양의 값을 갖는 각 평형 위치에 적용된다. 상기한 cos(ø) 및 -sin(2ø) 함수와 다른 이러한 제 1 및 제 2 기능은 회전체, 고정체 및 에너지화 수단의 적당한 형상, 적당한 크기 및 적당한 물리적 그리고 재료적 성질에 의해 성취될 수 있다. 이러한 제 1 및 제 2 함수의 예는 [1-{2ø/π}2] 에 대응하는 1차 함수와 -ø·[1-{2ø/π}2]에 대응하는 2차 함수이다.
또한, 본 발명은 회전체에 부가 전자기 토크를 부여하기 위한 보조 자석을 구비하지 않는 전기 액츄에이터를 커버한다. 상술한 바와 같이, 보조 자석들은 액츄에이터의 비에너지화 조건에 회전체의 평형 위치를 적당화하는 데 사용되고, 전자기 토크 및 정자기 토크의 합의 안정화 성질로부터 떨어지지 않는다.
마지막으로 본 발명에 따른 전기 액츄에이터는 샤프트의 각도 위치가 상수 또는 가변성 기준값으로 제어되어야만 하는 샤프트의 각도 위치내 다른 장치에 응용될 수도 있음을 주목한다. 예를 들어, 전기 액츄에이터는 항공기의 제어면을 편향시키기 위해 장치내 또는 화학공장 및 발전소내 서보-작동식 밸브(servo-actuated valve)에 사용될 수도 있다. 이러한 액츄에이터는 상술한 본 발명의 실시예에서와 같이, 액츄에이터가 피벗될 바디를 직접 구동하는 경우에, 또는 회전 운동을 다른 회전 운동으로 또는 선 운동으로 전환하기 위해 트랜스미션과 결합하여, 바디의 선 위치가 전기 액츄에이터에 의해 정밀하게 제어될 수 있는 경우에 트랜스미션없는 소위 프라임 액츄에이터로서 사용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 투자성 고정체와, 제한된 회전각을 통해 회전축을 중심으로 상기 고정체에 대하여 피벗가능한 투자성 회전체를 포함하며, 상기 고정체는 에너지화 수단을 통하는 전류의 값에 비례하고 회전각의 1차 함수에 따라 고정체에 대하여 회전체의 회전각에 의존하는 전자기 토크를 회전체상에 부가하기 위한 에너지화 수단을 포함하고, 또한 회전각의 2차 함수에 따라 회전각에 의존하는 회전체에 정자기 토크를 부가하는 전기 액츄에이터에 있어서,
    상기 1차 함수는 2차 함수와는 실질적으로 다르고, 회전체의 각 평형 위치에서는 전류가 소정값을 갖고 전자기 토크 및 정자기 토크의 합이 0이 되고, 상기 합은 상기 전류의 소정값이 유지되면서 회전각이 증가되면 음의 값을 갖고, 반면에 상기 전류의 소정값이 유지되면서 회전각이 감소하면 상기 합은 양의 값을 갖게 되는 것을 특징으로 하는 전기 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정체는 회전체상에 부가 정자기 토크를 부가하기 위한 보조 영구자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 전기 액츄에이터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 회전체는 직경방향으로 자화된 원통형 영구 자석을 포함하고, 반면에 고정체는 회전체에 대하여 직경방향으로 대향하는 2개의 극편을 포함하며, 1차 함수는 cos(ø) 함수에 대응하고, 2차 함수는 -sin(2ø)에 대응하며, 이 때 ø는 고정체에 대한 회전체의 회전각인 것을 특징으로 하는 전기 액츄에이터.
  4. 제 3 항에 있어서, 극편은 각 극편의 중앙에 구비되어 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향하는 제 1 슬롯과 제 2 슬롯을 각각 포함하며, 반면에 극편은 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향되는 제 3 및 제 4 슬롯에 의해 상호 이격되고, 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 슬롯은 동일한 간격을 가지며, 반면에 극편 및 제 1 슬롯과 제 2 슬롯 어느 한쪽에 회전체 사이에 존재하는 갭의 폭은 제 3 및 제 4 슬롯의 어느 한쪽에 존재하는 갭의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 전기 액츄에이터.
  5. 제 3 항에 있어서, 극편은 각각 각 극편에 중앙에 구비되고 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향하는 제 1 슬롯 및 제 2 슬롯을 포함하고, 반면에 극편은 회전체의 단면상에서 직경방향으로 대향되는 제 3 슬롯과 제 4 슬롯에 의해 상호 이격되며, 제 1 및 제 2 슬롯의 폭은 제 3 슬롯 및 제 4 슬롯의 폭보다 큰 것을 특징으로 하는 전기 액츄에이터.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 보조 영구자석은 제 1 슬롯내에 수용되고 제 2 보조 영구자석은 제 2 슬롯내에 수용되며, 제 1 및 제 2 보조 자석들은 동일한 방향으로 자화되고, 부가 정자기 토크는 -cos(ø) 함수에 따른 회전각에 의존하는 것을 특징으로 하는 전기 액츄에이터.
  7. 교축 밸브 하우징, 공기 입구에 연결될 수 있는 공기 통로, 공기 통로에 피벗가능하도록 교축 밸브 하우징에 저널되는 교축 밸브 및 교축 밸브를 피벗하기 위한 전기 액츄에이터를 포함하며 내연 기관의 공기 입구에 사용하기 위한 교축 장치에 있어서,
    상기 전기 액츄에이터는 제 1 항 내지 제 6 항에 따른 전기 액츄에이터인 것을 특징으로 하는 교축 장치.
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