KR20010031761A

KR20010031761A - 캐스케이드 전자 전기자

Info

Publication number: KR20010031761A
Application number: KR1020007004826A
Authority: KR
Inventors: 그레이 에이. 재민손
Original assignee: 디이젤 엔진 리타더스, 인코포레이티드
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2001-04-16
Also published as: JP2001522140A; EP1029332A1; EP1029332A4; WO1999023674A1

Abstract

본 발명은 솔레노이드에 이용되는 두조각 이상의 캐스케이딩 아마츄어에 관한 것이다. 캐스케이딩 아마츄어는 적어도 하나의 도전성 슬리브(176)내에 활주하도록 배치된 도전성 물질로된 코어(174)를 포함하며, 상기 슬리브는 솔레노이드 하우징에 배치된다. 코어 및 슬리브는 링크되어 있다. 여러 실시예에서, 캐스케이딩 아마츄어는 여러 사이즈를 가지는 다수의 도전성 슬리브를 포함한다. 캐스케이딩 아마츄어가 도전성 하우징에 설치될 때, 슬리브 림(179) 및 코어 페이스(172)는 작동 공기갭사이의 극성 부재에 제공된다. 비작동 위치에서, 작동 공기갭은 코어 및 슬리브에 대하여 상이한데, 이는 슬리브의 림은 코어 이상으로 연장되어 있고 따라서 코어보다 극성 부재 표면에 가깝기 때문이다.

Description

캐스케이드 전자 전기자 {CASCADING ELECTROMAGNETIC ARMATURE}

압축방출형 엔진 리타더는 당업계에 공지되어 있다. 엔진 리타더는 불꽃 점화 또는 압축 점화형 내연 엔진을 공기 컴프레서로 일시적으로 전환하도록 설계되어 있다. 압축방출 리타더는 압축 스트로크에서 엔진 피스톤의 상방 운동에 대항함에 의해 엔진의 운동 에너지를 감소시킨다. 피스톤이 압축 상방 스트로크에서 상방으로 진행함에 따라, 실린더 내에 갇힌 가스가 압축된다. 압축된 가스는 피스톤의 상방 운동을 방해한다. 피스톤이 스트로크의 정점 근처에 있을 때, 배기 밸브가 개방되어 압축된 가스를 방출시킨다. 실린더로부터 압력이 방출되었기 때문에, 피스톤은 이어지는 팽창 하방 스트로크에서 압축 가스에 저장된 에너지를 탈환할 수 없다.

그렇게 함으로써, 엔진은 차량을 감속시키는 억제력(retarding power)을 발생시킨다. 이는 조작자에게 차량에 대한 증가된 제어력을 제공한다. 적절하게 설계되고 조정된 압축방출형 엔진 리타더는 엔진이 발생시킨 양의 힘의 상당한 부분에 해당하는 억제력을 발생시킬 수 있다. 이 형태의 압축방출형 리타더는 주차륜(primary vehicle wheel) 브레이크 시스템의 브레이크 성능을 보충한다. 그렇게 함으로써, 이들 리타더는 차량의 주차륜 브레이크 시스템의 수명을 상당히 연장시킬 수 있다. 압축방출형 엔진 리타딩 시스템의 기본 설계는 Cummins의 미국특허 제 3,220,392 호에 개시되어 있다. Cummins 특허에 개시된 압축방출형 엔진 리타더는 유압(hydraulic) 시스템을 사용하여 배기 밸브의 동작을 제어함으로써 압축방출을 수행한다. 유압 제어 시스템은 엔진의 기존 밸브 작동 시스템 즉, 엔진의 로커암에 결합되어 있다.

엔진이 양의 힘으로 동작할 때에는, 압축방출 리타더의 유압 제어 시스템이 밸브 제어 시스템으로부터 해제되어 어떠한 압축방출도 일어나지 않는다. 압축방출 리타딩이 필요한 때에는, 엔진에 연료 주입이 차단되고 압축방출 브레이크의 유압 제어 시스템이 엔진의 밸브 제어 시스템과 결합된다. 밸브 제어 시스템은 압축 방출 리타더를 구동하여 적절한 시점에서 압축방출을 수행한다.

압축방출 엔진 리타더의 유압 시스템들은 통상 다수의 구성요소를 가진다. 리타딩이 필요한 경우, 솔레노이드 밸브는 통상 압축방출 엔지 리타더의 유압 회로를 채우기 위해 엔진 오일을 공급하도록 작동한다. 솔레노이드는 통상 코일에 의해 인가되는 자기력에 반대되는 방향으로 바이어스된 미끄러질 수 있는 형태의 전기자 어셈블리를 포함한다. 코일이 여기되면, 바이어스를 극복하기에 충분할 때까지 전기자 어셈블리를 끌어당기도록 자기력이 생성된다.

실린더형 솔레노이드는 통상 연철(soft iron) 또는 저탄소강 전기자가 미끄러질 수 있도록 위치한 중앙 공동(hollow) 코어를 둘러싸는 코일 또는 권선으로 구성된다. 도 1은 단부가 평평한(flat ended) 전기자(170)를 가지는 단 스트로크(short stroke) 솔레노이드 액츄에이터(10)의 예를 도시하고 있다. 솔레노이드(10)는 도전성 프레임(110), 도전성 코일(120), 도전성 플럭스 부재(130), 엔드 캡(end cap)(140)을 포함하며 이들은 모두 솔레노이드 내의 중앙 보어(150)를 정의한다. 보어(150) 내에는 전기자(170)와 극 부재(180)가 위치한다. 미끄러질 수 있는 플런저(plunger)(190)가 극 부재(180)를 통해 중앙 보어에 제공된다. 도전성 프레임(110), 도전성 플럭스 부재(130), 극 부재(180)는 바람직하게는 연철 또는 완전히 어닐링된 저탄소강으로 만들어진다.

전기자(170)는 보어에 미끄러질 수 있도록 배치된 도전성 재료의 고체 플러그를 포함한다. 전기자(170)는 실린더 형상일 수 있으며, 원하는 작용 스트로크에 따라 원추형 또는 평평한 단부(172)를 가질 수 있다. 평평한 단부의 전기자는 일반적으로 단 스트로크 적용례에 사용된다. 원추형 단부의 전기자는 중간 스트로크 유니트에 대해서는 90。 원추를, 그리고 더 긴 스트로크 장치에 대해서는 60。 원추를 가질 수 있다. 극 부재(180)를 향한 전기자(170)의 운동은 극 부재와의 접촉에 의해 제한된다. 해제 위치(deactivated position)에서, 전기자와 극 부재(180) 사이에 공기 갭(200)이 제공된다.

코일(120)이 여기되어 솔레노이드(10)를 작동시킨다. 솔레노이드(10)가 작동되면, 전기자(170)는 극 부재(180)로 끌어당겨져서 그 쪽으로 미끄러지게 된다. 극 부재(180) 쪽으로의 전기자(170)의 운동은 플런저(190)를 하방으로 옮기게 된다. 코일(120)이 여기되면, 솔레노이드의 도전성 요소들 내에 자기 플럭스가 발생한다.

도1로부터 명확한 바와 같이, 플런저(plunger; 190)의 스트로크를 증가시키기 위해서, 공기 갭(200)은 증가되어야 한다. 그러나 공기 갭(200)을 증가시키는 것은 역제곱 법칙에 따라 솔레노이드의 유효한 하방 힘을 감소시키는 바람직하지 않은 효과를 갖게 된다. 이와 같이, 스트로크는 자성력을 희생하여야만 증가될 수 있다. 스트로크의 증가가 자성력에 대해 부정적 영향을 덜 갖게 되는 솔레노이드에 대한 요구(즉, 향상된 기계적 이점을 갖는 솔레노이드)가 존재하게 된다.

솔레노이드에 의해 발생하는 힘이 전압의 함수이기 때문에, 도1에 도시된 바와 같은 솔레노이드에 의해 요구되는 낮은 전압으로 주어진 힘을 발생시키는 솔레노이드에 대한 필요가 또한 존재하게 된다.

도전 플럭스 부재(130)와 전기자(170)간의 비교적 작은 지름 공차(에어 갭)은 역제곱 법칙의 결과로 전기자 상에 매우 높은 측면 힘을 발생시킨다. 이 측면 힘은 구멍(150) 내의 전기자(170)의 미끄럼 운동에 대향하는 원치않는 마찰력을 만든다. 전기자(170)와 전기자가 배치된 구멍(150)의 측벽 사이의 마찰 계수를 최소화함에 의해 이 측면 힘의 효과를 감소시키는 것이 바람직하다. 이것은 전기자(170)를 가이드하고 전기자와 도전 플럭스 부재(130) 사이의 실제 접촉을 방지하는 플라스틱 또는 황동의 라이너 물질을 선택함에 의해 달성된다. 전기자(170)와 도전 플럭스 부재(130) 사이에 윤활제가 둘 간의 마찰을 감소시키기 위해서 또한 사용될 수 있다.

솔레노이드(10)에서와 같은 자성 회로는 포화로 알려져 있는 현상을 나타낼 수 있다. 회로의 도전성 물질은 단위 면적당 다량의 자속선으로 가시화되는 제한된 플럭스 밀도(Maxwells/sq.cm)만을 수용할 수 있다. 코일에 의해 가해진 자속강도(amp-turns/cm.)에도 불구하고, 폴 부재와 전기자를 끄는 주어진 면적은 포화되고 이 면적을 통과하는 자속이 그 값 미만으로 제한되며, 그 결과 당겨지는 엘리먼트의 자성 ″냉각(freeze-up)″이 일어난다. 본 발명의 목적은 자성 ″냉각″의 가능성을 감소시키는 것이다.

솔레노이드는 전기자를 동작시키기 위해서 코일 주위에 필요한 자기장을 만드는 일정 횟수의 ″amp turns″을 필요로 한다. 전류 엔진 전자 제어 모듈은 이러한 요구되는 ″amp turns″ 또는 솔레노이드에 기반한 전류 기술을 동작시키기는데 필요한 전압을 발생시키지 못한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 전압 또는 솔레노이드의 기계적 개선의 하나가 증가되어야 한다.

다른 사람들에 의해 ″플로핑(flopping) 전기자″를 도입함에 의해 증가된 기계적 개선을 얻으려는 시도(미국특허번호 4,251,051호, Quenneville)가 있었으나, 이 Quenneville의 발명의 개선점들도 전기자 스트로크, 충전, 및 솔레노이드의 전반적인 성능에 대해서 문제점을 갖고 있다. 본 발명은 더 적은 성능 저하에 대해 중점을 두었으며 전압이 제한되는 솔레노이드 응용에서 사용될 수 있다. 본 발명은 또한 최초 작업 공기 갭 보다 더긴 전기자용 작업 스트로크를 제공한다. 전류 솔레노이드가 온 또는 오프될 수 있으며, 중간 제어 또는 변수 제어되지 않을 수 있다. 본 발명의 캐스케이딩 전기자는 솔레노이드가 온, 오프되거나 중간 레벨 동작에서 작동하는 것을 가능하게 한다.

본 발명은 솔레노이드에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 압축방출형(compression release-type) 엔진 리타더(engine retarders)의 동작에 사용될 수 있는 솔레노이드용 캐스케이드 전자 전기자의 개선된 구조에 관한 것이다.

도1은 전자기 솔레노이드의 단면도.

도2는 본 발명의 캐스케이딩 전자기 아마츄어의 제1 실시예의 단면도.

도3은 본 발명의 캐스케이딩 전자기 아마츄어의 제2 실시예의 단면도.

도4는 본 발명의 캐스케이딩 전자기 아마츄어의 제3 실시예의 단면도.

도5는 본 발명의 캐스케이딩 전자기 아마츄어의 제4 실시예의 단면도.

따라서, 본 발명의 목적은 증가된 기계적 이점을 갖는 솔레노이드를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 낮은 전압을 갖는 솔레노이드 밸브를 동작시키는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 초기 동작 공기 갭 보다 길며 따라서 주어진 솔레노이드 전압보다 더 긴 전기자용 동작 스트로크를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 솔레노이드에서 자성 ″냉각″의 가능성을 감소시키는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 솔레노이드 전압을 조절함에 의해 솔레노이드 전기자의 위치를 제어하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 동작 갭, 스트로크 또는 왕복 메커니즘에 대한 희생없이 솔레노이드 동작에 대해 요구되는 전류의 양을 감소시키는 것이다.

본 발명의 부가적인 목적 및 이점들은 상세한 설명에 부분적으로 개시되어 있으며 본 발명의 설명 및 실시로부터 당업자들에게 명백할 것이다.

발명의 요약

상기 의도에 응답하여, 출원인은 솔레노이드에 사용하기 위해 혁신적이고 경제적인 캐스케이딩 전자기 아마츄어(전기자)를 개발하였다. 가동 아마츄어를 에워싸는 도전성 하우징을 갖는 전자기 솔레노이드에서, 아마츄어는 극 부재 쪽으로 서로에 대하여 독립적으로 변위되도록 되어있는 두 부재를 포함한다. 아마츄어의 두 부재는 도전성 코어와 이 도전성 코어를 에워싸는 적어도 하나의 슬리브를 포함할 수 있다. 도전성 코어는 도전성 슬리브 내에 활주가능하게 배치될 수 있으며, 도전성 슬리브는 도전성 하우징에 활주가능하게 배치될 수 있다. 본 발명은 복수의 도전성 슬리브를 포함할 수 있으며, 내부 도전성 슬리브는 도전성 코어를 에워싸며, 외부 도전성 슬리브는 내부 도전성 슬리브를 에워싼다. 복수의 도전성 슬리브를 포함하는 본 발명의 실시예에서, 내부 도전성 슬리브는 외부 도전성 슬리브 내에 리세스되며 외부 도전성 슬리브에 대하여 독립적으로 활주가능하다. 도전성 코어 및 도전성 슬리브는 원통형일 수 있으며, 또는 그 형상이 변호될 수 도 있다.

도전성 코어는 극 부재로부터 간격진 편평하거나 원추형의 단부를 포함할 수 있다. 도전성 코어는 내부 공극을 포함할 수 있다. 도전성 슬리브는 도전성 슬리브의 변위시에 도전성 코어와 결합하기 위한 수단을 포함한다. 결합 수단은 비도전성 또는 도전성 재료로 이루어진 와셔를 포함할 수 있다. 와셔는 볼록하거나 다른 형태의 스프링 메커니즘일 수 있다.

본 발명의 전자기 솔레노이드는 도전성 슬리브와 극 부재 사이의 외부 에어 갭과, 도전성 코어와 극 부재 사이의 내부 에어 갭을 가질 수 있다. 도전성 코어는 솔레노이드가 통전되지 않을 경우에 도전성 슬리브보다는 극 부재로부터 더 멀어지도록 도전성 슬리브 내에 리세스된다. 외부 에어 갭은 0.01 내지 0.05 인치의 범위일 수 있으며, 내부 에어 갭은 어떤 적용에 대해 0.02 내지 0.10 인치의 범위일 수 있으나, 본원 발명은 이들 범위에 한정되지는 않는다.

상기한 설명 및 다음의 상세한 설명은 단지 예시적이고 설명을 위한 것이며, 청구한 본 발명을 제한하는 것은 아니라는 것을 이해하여야 한다. 상세한 설명의 일부를 이루며 참조를 위해 첨부된 도면들은 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 도2는 본 발명의 실시예의 일 예이며, 도1과 동일한 엘리먼트는 동일한 참조번호를 인용하였다. 본 발명은 텔레스코핑(캐스케이딩) 아마츄어(170)를 갖는 솔레노이드(10)를 이용한다. 솔레노이드(10)는 도전성 하우징(100)을 포함할 수 있다. 도전성 하우징(100) 내에는 두 개이상의 캐스케이딩 아마츄어(170), 및 극 부재(180)가 위치될 수 있다.

캐스케이딩 아마츄어(170)는 하우징(100)에 배치된 적어도 하나의 도전성 슬리브(176)내에 활주가능하게 배치된 도전성 재료로 이루어진 코어(174)를 포함한다. 여러 가지 실시예에서, 캐스케이딩 아마츄어는 코어(174)에 대한 다양한 사이즈 및 비율로 복수의 도전성 슬리브를 포함할 수 있다. 코어(174) 및 슬리브(176)는 원통형일 수 있다. 코어(174)는 캐스케이딩 아마츄어에 대해 원하는 작동 스트로크에 따라 원추형이거나 편평한 단부(172)를 가질 수 있다. 코어(174)는 슬리브(176) 내에 활주가능하게 배치된 솔리드 또는 중공 실린더일 있으며, 작동해제된 ″정지″ 위치에서, 코어면(172)이 슬리브(176)의 림(179)으로부터 약간 리세스되도록 배열된다.

캐스케이딩 아마추어(170)가 도전성 하우징(100)에 설치될 때, 슬리브 림(179) 및 코어 표면(172)은 작업 에어 갭(200) 양단에 걸려 있는 폴 부재 표면(182)에 제공된다. 작업 에어 갭(200)은 슬리브의 림(179)이 코어이상으로 뻗어있고 코어보다 폴 부재 표면(182)에 더 근접하게 배치되기 때문에 코어(174) 및 슬리브와 다르다.

도 3은 도 1에 도시된 엘리먼트와 동일한 참조부호로 언급되는 본 발명의 바람직한 실시예이다. 본 발명은 텔레스코핑(캐스케이딩) 아마추어(170)를 가진 솔레노이드(10)를 이용할 수 있다. 솔레노이드(10)는 도전성 하우징(100)을 포함하며, 도전성 하우징(100)은 도전성 프레임(110), 도전성 코일(120), 도전성 플럭스 부재(130) 및 단부 캡(140)을 포함할 수 있으며, 이와 같은 모든 부재는 슬레노이드내에서 중심 보어(150)를 한정한다. 보어(150)내에는 투-피스 캐스케이딩 아마추어(170) 및 폴 부재(180)가 배치된다. 슬라이딩 가능한 플런저(190)는 폴 부재(180)를 통해 중심 보어에 제공된다. 도전성 프레임(110), 도전성 플럭스 부재(130) 및 폴 부재(180)는 연철 또는 완전하게 열처리된 낮은 탄소강으로 만들어질 수 있다.

캐스케이딩 아마추어(170)는 적어도 하나의 도전성 슬리브(176)내에 슬라이딩가능하게 배치된 도전성재료의 코어(174)를 포함하며, 상기 도전성 슬리브(176)는 보어(150)내에 배치된다. 여러 실시예에서, 캐스케이딩 아마추어는 다중 도전성 슬리브를 포함한다. 코어(174) 및 슬리브(176)는 실린더 형상을 가질 수 있다. 코어(174)는 캐스케이딩 아마추어에 적합한 작업 충격에 스트로크에 따라 원뿔형 또는 평면형 단부(172)를 가질 수 있다. 단부가 평면형인 캐스케이딩 아마추어는 짧은 스트로크 응용을 위해 사용된다. 도 4에 도시된 단부가 원뿔형인 캐스케이딩 아마추어는 중간 스트로크 장치에 대해 90°일 수 있으며 긴 스트로크 장치에 대해 60°일 수 있다.

슬리브(176)는 립과 부분적으로 폐쇄되어 있는 하나의 단부를 가진 얇은 벽을 가진 실린더일 수 있다. 슬리브(176)의 동일한 단부내에는 정지 와셔(링)(178)가 배치될 수 있다. 슬리브(176)의 립은 정지 와셔(링)(178)의 에지와 맞물린다. 정지 와셔(링)(178)는 평면형일 수 있거나 또는 도 5에 도시된 바와 같이 솔레노이드의 동작에 따라 캐스케이딩 아마추어(170)의 하향 이동을 지원하기 위하여 ″스프링″ 동작에 의한 충격에 의해 약간 굽어질 수 있다. 정지 와셔(링)(178)는 캐스케이딩 아마추어(170)의 하향 이동을 지원하기 위하여 도전성 또는 비도전성 스프링 메커니즘중 하나로 구성될 수 있다. 코어(174)는 고체 실린더일 수 있으며 슬리브(176)내에 슬라이딩 가능하게 배치되며, 또한 비동작 나머지 위치에서 코어 표면(172)이 슬리브(176)의 림(179)으로부터 약간 리세스되도록 배열된다. 캐스케이딩 아마추어(170)가 솔레노이드 어셈블리 내에 설치될 때, 슬리브 림(179) 및 코어 표면(172)은 작업 에어 갭(200) 양단에 걸려 있는 폴 부재 표면(182)에 제공된다. 작업 에어 갭(200)은 슬리브의 림(179)이 코어이상으로 연장되고 코어보다 폴 부재 표면(182)에 더 근접하게 배치되기 때문에 코어(174) 및 슬리브(176)고 다르다. 예로써, 슬리브 림(179) 및 폴 부재 표면(182)사이의 0.25인치의 초기 갭과 코어 표면(172) 및 폴 부재 표면(182)사이의 0.42인치의 초기 갭으로 동작된다.

코일(120)은 전압으로 여기되어 권선에 전류흐름을 발생시키는 구리 권선을 포함할 수 있다. 자계는 권선의 전류흐름에 의해 발생된다. 자계는 전류의 흐름에 따라 경로 또는 매체를 탐색하여 솔레노이드에 자기 플럭스를 셋업한다. 플럭스는 도전성 플럭스 부재(130)를 통해 캐스케이딩 아마추어(170)에 입력되며, 캐스케이딩 아마추어 슬리브(176), 코어(174) 및 폴 부재(180)사이에 인력을 야기한다.

코일(120)이 여기되고 솔레노이드(10)에 자기 플럭스가 설정될 때, 플럭스는 슬리브 림(179) 및 폴 부재 표면(182)사이의 짧은 갭에 집중될 수 있다. 역제곱 법칙이 적용되지 않을 때, 슬리브(176) 및 폴 부재(180)사이의 인력은 슬리브 림(179)에 근접하여 폴 부재 표면(182)에서 강화된다. 이러한 인력은 슬리브(176)가 보어(150)내에서 폴 부재(180)쪽으로 슬라이딩하도록 한다. 슬리브(176)가 폴 부재(180)쪽으로 이동함에 따라, 단부 와셔(링)(178) 및 코어(174)사이의 접촉은 코어가 폴 부재쪽의 슬리브쪽으로 진행하도록 한다. 슬리브(176) 및 코어(174)는 슬리브 림(179)이 폴 부재면(182)과 접촉할 때까지 함께 진행할 수 있다.

보통, 캐스케이딩 아마추어(170) 및 폴 부재 표면(182)사이의 접촉은 폴 부재와 캐스케이딩 아마추어의 밀착 접촉이 자기 플럭스를 제거하는 자기 단락회로를 구성하기 때문에 바람직하지 않다. 만일 이러한 자기 단락회로가 발생되면, 인력을 발생시키는 조건은 만족되며 인력은 크게 감소될 수 있다.

그러나, 폴 부재 표면(182)과 접촉하는 슬리브 림(179)의 영역은 포화될 수 있는 크기를 가질 수 있어서 경로에 의해 발생된 플럭스를 제한한다. 슬리브 림(179)이 폴 부재(180)와 접촉하는 지점에서, 코어(174)는 나머지 플럭스(인력)가 캐스케이딩 아마추어(170)의 작업 하향 스트로크를 완성하기에 충분한 폴 부재(180)쪽으로 충분히 멀리 이동되어 있다. 슬리브(176)내의 자기 플럭스는 포화되고 따라서 다른 경로를 찾으며, 인접한 슬리브 또는 코어(174)로 유입되기 시작한다. 극성 부재(180)를 향하는 캐스케이딩 전기자(170)의 이동은 궁극적으로 극성 부재와의 접촉 및 플런저(190)의 전체 변위에 의해 제한된다. 불활성화 상태에서, 플런저(190)에 의해 제공된 상향 바이어스는 캐스케이딩 전기자가 불활성화된 ″휴지(resting)″ 상태로 돌아가도록 한다.

동일한 엘리먼트에 대해 유사한 참조부호가 부여된 도 4와 관련하여, 캐스케이딩 전기자(170)는 수압 또는 공기압 신축(telescoping) 실린더 또는 막대와 유시한 기능을 한다. 캐스케이딩 전기자는 자기 플럭스를 전도시킬 수 있으며, 인접한 슬리브가 플러그 크기의 변화에 비례하여 응답하도록 배치된 일련의 겹쳐진(nested) 슬리브를 포함한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 선택적인 실시예는 하나 이상의 슬리브 즉, 내부 전도성슬리브(176)와 외부 전도성슬리브(173)로 구성된 캐스케이딩 전기자(170)를 가진 솔레노이드를 사용한다. 솔레노이드(10)는 전도성 하우징(100)을 구비하고, 이는 다시 전도성 프레임(110), 전도성 코일(120), 전도성 플럭스 부재(130) 및 단부 캡(140)을 구비하고, 이들 모두 솔레노이드내 중심 보어(150)를 한정한다. 보어(150) 내부에 3(또는 그 이상)-부분으로 구성된 캐스케이딩 전기자(170)와 극성 부재(180)가 위치한다. 미끄럼 플런저(190)가 극성 부재(180)를 통해 중심 보어에 제공된다. 전도성 프레임(110), 전도성 플럭스 부재(130) 및 극성 부재(180)는 연성 철 또는 전체적으로 어닐링된 저탄소 강철로 구성된다.

캐스케이딩 전기자(170)는 내부 전도성 슬리브(176) 내부에 미끄러질 수 있게 위치하는 전도성 재료로 구성된 코어(174)를 포함하고, 내부 전도성 슬리브는 외부 전도성 슬리브(173)내에 미끄러질 수 있게 위치하며, 외부 전도성 슬리브는 보어(150)내에 위치한다. 여러 실시예에서, 캐스케이딩 슬리브는 원하는 수의 슬리브를 포함한다. 코어(174), 내부 슬리브(1706) 및 외부 슬리브(173)는 실린더형이다. 코어(174)는 캐스케이딩 전기자에 대해 필요한 작동 행정(working stroke)에 따라 원뿔형 또는 평면형 단부(172)를 가진다. 평면형 단부를 가진 캐스케이딩 전기자는 일반적으로 짧은 행정 응용에 사용된다. 원뿔형 단부를 가진 캐스케이딩 전기자는 도 5에 도시된 바와 같이, 중간 행정 유니트에 대해 90° 콘을 가지거나 긴 행정 장치에 대해 60°콘을 가진다.

내부 슬리브(176)와 외부 슬리브(173)는 덮개에 의해 부분적으로 밀폐된 일 단부를 가진 얇은 벽의 실린더이다. 내부 슬리브(176)의 동일한 단부내에 불전도성 재료로 구성된 정지 와셔(링)(178)가 위치한다. 내부 슬리브(176)와 외부 슬리브(173) 사이에 정지 와셔(링)(177)가 위치할 수도 있다. 정지 와셔(178, 177)는 상술된 바와 같이 캐스케이딩 전기자(170)의 하향 이동을 보조하는 스프링으로 구성된다. 코어(174)는 내부 슬리브(176)내에 미끄러질 수 있게 위치하는 고체 실린더이고, 내부 슬리브는 외부 슬리브(173) 내부에 미끄러질 수 있게 위치하고, 불황성화된 ″휴지″상태에서 코어 표면(172)이 내부 슬리브(176)의 림(179)으로부터 약간 함몰되도록 배치되고, 내부 슬리브(176)의 림(179)은 외부 슬리브(173)의 림(175)으로부터 약간 함몰되도록 배치된다.

캐스케이딩 전기자(170)가 솔레노이드 조립체내에 설치될 때, 내부 슬리브 림(179)과 외부 슬리브 림(175) 및 코어 표면(172)은 작동 에어 갭(200)에 대한 극성 부재 표면(182)으로서 제공된다. 작동 에어 갭(200)은 코어(174) 및 내부 슬리브(176)와 다른데, 그 이유는 내부 슬리브의 림(179)이 코어의 하부로 연장하고 이에 따라 코어(174)보다 극성 부재 표면(182)에 더 인접하기 때문이다. 추가로, 작동 에어 갭(200)은 내부 슬리브(176) 및 외부 슬리브(173)와 다른데, 그 이유는 외부 슬리브의 림(175)이 내부 슬리브(176) 하부로 연장하고 이에 따라 내부 슬리브 림(179)보다 극성 부재 표면(182)에 더 인접하기 때문이다.

코일(120)은 전압 인가에 의해 통전되어 권선내에서 전류를 발생시키는 구리 권선을 포함한다. 전류가 권선을 통해 흐르는 동안 자기장이 발생된다. 자기장은 흐를 수 있는 경로 또는 매체를 찾고, 따라서 솔레노이드(10)내 자기 플럭스를 설정한다. 플럭스는 전도성 플럭스 부재(130)를 통해 캐스케이딩 전기자(17)로 유입되어 캐스케이딩 전기자 내부 슬리브(176)/외부 슬리브(173)/코어(174) 및 극성 부재(180) 사이에 인력을 발생시킨다.

코일(120)이 통전되고 솔레노이드(10)내에 자기 플럭스가 형성됨과 동시에, 플럭스는 외부 슬리브 림(175)과 극성 부재 표면(182) 사이의 짧은 갭으로 집중된다. 제곱 반비례 법칙이 없는 상태에서, 외부 슬리브(173)와 극성 부재(180) 사이의 인력은 극성 부재 표면(182)에 대해 외부 슬리브 림(175)을 인접시킴으로써 강화된다. 이러한 인력은 외부 슬리브(173)가 보어(150)내 극성 부재(180)를 향해 미끄러지도록 한다. 외부 슬리브(173)가 극성 부재(180)를 향해 이동하는 동안, 외부 슬리브(173), 내부 슬리브(176) 및 코어(174) 사이의 접촉은 내부 슬리브(176)와 코어(174)가 극성 부재(180)를 향해 외부 슬리브(173)와 함께 전진하도록 한다. 외부 슬리브(173), 내부 슬리브(176) 및 코어(174)는 외부 슬리브(175)가 극성 부재 표면(182)과 접촉할 때까지 함께 전진한다.

일반적으로, 캐스케이딩 아마츄어(170) 및 극성 부재 표면(182)상의 접촉은 바람직하지 못한데, 이는 캐스케이딩 아마츄어와 극성 부재와의 깊은 접촉은 자속을 제거하는 자기 단락 회로를 형성할 수 있기 때문이다. 자기 단락 회로가 발생하면, 인력을 발생시키는 상황이 만족되며 인력은 상당히 감소될 것이다.

그러나, 극성 부재 표면(182)과 접촉하는 외부 슬리브 림(175)의 면적은 포화가 발생하도록 하는 크기일 수 있어 이 경로에 의하여 전달되는 플럭스를 제한한다. 외부 슬리브 림(175)이 극성 부재(180)와 접촉하는 포인트에서, 내부 슬리브(176)는 극성 부재(180)쪽으로 충분히 멀리 전진하여 나머지 플러스(인력)는 내부 슬리브(176) 및 코어(174)가 극성 부재 표면(182)쪽으로 계속 이동하기에 충분하도록 한다. 외부 슬리브(173)의 자속은 포화될 수 있으며 따라서 다른 경로를 탐색하고 내부 슬리브(176)와 코어(174)로 흐르기 시작한다. 내부 슬리브 림(179)이 극성 부재(180)와 접촉하는 포인트에서, 코어는 극성 부재(180)쪽으로 충분히 멀리 전진하여 나머지 플럭스(인력)가 캐스케이딩 아마츄어(170)의 하방향 스트로크를 완료하기에 충분하도록 한다.

전술한 바와 같이, 내부 슬리브(176)의 자속은 포화될 수 있으며 따라서 다른 경로를 탐색하고 코어(174)로 흐르기 시작한다. 캐스케이딩 아마츄어(170)의 극성 부재(180)쪽으로의 이동은 궁극적으로 극성 부재와의 접촉 및 플런저(190)의 완전 배치에 의하여 제한된다. 정지중인 ″휴지″ 위치에서, 플런저(190)에 의하여 상방향 바이어스는 캐스케이딩 아마츄어(170)가 휴지 위치로 복귀하도록 할 수 있다.

본 발명의 캐스케이딩 아마츄어는 솔레노이드에 기계적인 장점을 제 공하며 솔레노이드가 적은 전압으로 동작되도록 한다. 캐스케이딩 아마츄어는 아마츄어에 대한 작동 스트로크를 제공하는데, 이는 최초 작동 공기갭보다 길며, 따라서 소정 솔레노이드 전압에 대하여 길다. 또한, 동일한 자속 세기에서, 캐스케이딩 아마츄어는 동일한 코어 표면적을 가진 한 조각 아마츄어에 비하여 약 20%이상 솔레노이드 플런저 상에 하방향 힘을 생성할 수 있다.

선택적으로, 금속 분말(예를 들어, P45, FH000, FH008, 저카본 합금, 인코널 또는 자기 세라믹) 또는 다른 적당한 물질로된 이루어진 캐스케이딩 슬리브 또는 아마츄어의 다중 타이어를 결합시킬 수 있다. 스톱 와셔 상의 상이한 물질을 가진 화합물이 고려될 수 있다. 자속은 또한 코일 턴수 또는 암페어수를 증가시켜 증가될 수 있다. 또한, 아마츄어의 캐스케이딩 작용 때문에, 캐스케이딩 아마츄어의 위치는 전압을 정확하게 조절하여 제어될 수 있다. 통상적인 솔레노이드는 단순히 온 또는 오프 디바이스이다. 캐스케이딩 아마츄어는 솔레노이드가 온, 오프 또는 부분적인 온 또는 오프를 가능하게 한다. 가용 전압을 조절함으로써, 캐스케이딩 아마츄어는 특정 입력 전압 또는 전류에서 특정 이동을 발생시키기 위하여 증분적으로 동작하기 위하여 이용될 수 있다. 캐스케이딩 아마츄어는 솔레노이드 밸브가 저전압에서 작동하도록 하며 따라서 작동 갭, 스트로크 또는 복귀 메커니즘을 희생하지 않고도 동작에 필요한 전류량을 감소시킬 수 있다.

추가의 장점은 윤활유 필름에 의하여 분리된 두 개의 동심형 부재를 가짐으로써 활주 마찰을 감소시킬 수 있다는 것이다. 플러스 링에 인접하게 하는 사이드 로드 중에, 슬리브와 플러그사이의 추가의 오일 필름은 짧은 작동 주기 중에 마찰이 없도록 한다.

당업자는 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 여러 가지 변형 및 변경이 가능하다. 예를 들어, 전술한 실시예에서, 여러 가지 변경이 본 발명의 사상과 범위에서 벗어나지 않고 캐스케이딩 아마츄어에 대하여 이루어질 수 있다. 도전성 슬리브의 수는 하나에서 10개 이상일 수 있다. 코어 및 도전성 슬리브는 스톱 와셔와 마찬가지로 다수의 물질로 구성될 수 있다. 또한, 코어와 도전성 슬리브는 특성 사용분야에 따라 여러 가지 형상 및 사이즈를 가질 수 있다. 코어는 완전하게 고체일 필요는 없으며 또한 하나의 균일한 물질로 구성될 필요도 없다. 작동 공기갭은 특정 범위 또는 비율로 제한되지 않으며 개별 구조 및 본 발명의 부품에 따라 변경될 수 있다. 또한, 솔레노이드 자체에 대하여 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 변경이 이루어질 수 있다. 솔레노이드 하우징은 캐스케이딩 아마츄어를 수용하기 위한 어떠한 사이즈 및 형상을 가질 수 있다. 또한, 코일은 더 많은 세분화된 전압 범위를 제공하여 솔레노이드를 정확하게 작동시키도록 변형될 수 있다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위 및 이의 등가물내에 있는 여러 가지 변형 및 변경을 포함한다.

Claims

극성 부재 쪽으로 서로 독립적으로 배치된 두 개의 부재를 포함하는 가동 아마츄어를 감싸는 도전성 하우징을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 1항에 있어서, 상기 아마츄어의 상기 두 개의 부재는 도전성 코어 및 상기 도전성 코어를 감싸는 적어도 하나의 도전성 슬리브를 포함하며, 상기 도전성 코어는 상기 도전성 슬리브 내에 활주하도록 배치되며, 상기 도전성 슬리브는 상기 도전성 하우징 내에 활주하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 코어 및 상기 도전성 슬리브는 실린더형인 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 코어 및 상기 도전성 슬리브는 실린더형이 아닌 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 코어는 상기 극성 부재로부터 일정간격을 가진 평면 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 코어는 상기 극성 단부로부터 일정 간격을 가진 콘형 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 코어는 내부 보이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 2항에 있어서, 상기 도전성 슬리브는 상기 도전성 슬리브의 배치시 상기 도전성 코어를 맞물리는 수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 8항에 있어서, 상기 맞물림 수단은 비도전성 물질로 만들어진 와셔를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 8항에 있어서, 상기 맞물림 수단은 도전성 물질로된 와셔를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 9항에 있어서, 상기 와셔는 볼록형인 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 9항에 있어서, 상기 와셔는 스프링 메커니즘인 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 10항에 있어서, 상기 와셔는 볼록형인 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 10항에 있어서, 상기 와셔는 스프링 메커니즘인 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 8항에 있어서, 상기 도전성 슬리브와 상기 극성 부재사이에 외부 공기갭이 존재하며, 상기 도전성 코어 및 상기 극성 부재사이에 내부 공기갭이 존재하는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
제 8항에 있어서, 상기 도전성 코어는 상기 솔레노이드에 전원이 공급되지 않았을 때 상기 도전성 코어가 상기 도전성 슬리브보다 멀리 상기 극성 부재로부터 멀어지도록 상기 도전성 슬리브 내에 리세스되는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
가동 아마츄어를 감싸는 도전성 하우징을 가진 전자기 솔레노이드에 있어서,

상기 아마츄어는 도전성 코어 및 상기 도전성 코어를 감싸는 적어도 하나의 도전성 슬리브를 포함하며, 상기 도전성 코어는 상기 도전성 슬리브 내에 활주하도록 배치되며, 상기 도전성 슬리브는 상기 도전성 하우징 내에 활주하도록 배치되며, 상기 도전성 코어 및 도전성 슬리브는 극성 부재쪽으로 서로 독립적으로 배치되는 것을 특징으로 하는 전자기 솔레노이드.
도전성 코어 및 상기 도전성 코어를 감싸는 적어도 하나의 도전성 슬리브를 포함하는 것을 특징으로 하는 솔레노이드에 이용되는 캐스케이딩 아마츄어 어셈블리.
제 18항에 있어서, 내부 도전성 슬리브는 상기 도전성 코어를 감싸며, 외부 도전성 슬리브는 상기 내부 도전성 슬리브를 감싸는 것을 특징으로 하는 솔레노이드에 이용되는 캐스케이딩 아마츄어 어셈블리.
제 19항에 있어서, 상기 내부 도전성 슬리브는 상기 외부 도전성 슬리브 내에 리세스되며 이에 대하여 독립적으로 활주가능한 것을 특징으로 하는 솔레노이드에 이용되는 캐스케이딩 아마츄어 어셈블리.