KR20010040261A - 선형 전자석 기계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축을 따라 상대 운동하는 두 부재 사이에서 작용하는 힘을 발생시키기 위한 선형 전자석 기계에 관련되는데, 상기 두 부재 중 하나는 축의 방사상 방향으로 뻗어있는 부분의 방향으로 자기장을 발생시킬 수 있고 다른 하나는 코일 형태의 전도체를 포함하는데 여기에서 전류는 축과 평행하게 두 부재 사이에 힘을 발생시키도록 자기장에 대해 수직 방향으로 흐를 수 있다. 방사상 자기장은 축 방향으로 자화 배향되는 영구 자석에 의해 생성되고, 상기 극편은 코일을 통과하는 방사상 경로를 따르도록 자속을 집중시키는 역할을 한다.

Description

선형 전자석 기계{A LINEAR ELECTROMAGNETIC MACHINE}

선형 모터로 불려지는, 여러 가지 구조의 선형 전자석 작동기가 공지되어 있다. 공지된 기계의 다양한 구조는 WO93/01646에서 설명되는데, 이것은 피스톤-실린더 기계로서 형성되고 축 대칭을 이루는 선형 전자석 기계에 관련된다. 이 구조의 주요 장점은, 고정자의 자기 성분과 전기자의 자기 성분 사이의 강한 인력이 중심축 둘레에서 평형 상태를 이루어서, 선형 모터의 경우와 마찬가지로, 자기 발생력을 견딜 필요가 없다는 것이다.

축 방향으로 대칭을 이루는 구조의 장점은, 기계 내의 자기장이 강철 또는 그 밖의 적합한 강자성체 물질인 외부 케이싱 내에 포함되고 이것은 고도의 효율성을 가지고 기계의 전기 코일과 교차하도록 배치될 수 있다는 것이다. 또 실린더형의 축 방향으로 대칭을 이루는 구조에서 일정량의 유체를 함유할 수 있도록 가동 부재 또는 전기자가, 전기자의 고정자 또는, 고정 부재와 전기자 사이의 미끄럼 씨일을 보충 유체 작동기 또는 제동기로서 작동할 수 있는, 전기자의 한 면으로 운반하기에 편리하고 실용적이다.

여러 가지 목적으로 가장 적합한 기계 형태는, 전류가 흐르는 코일을 지탱하는 둘러싸고 있는 고정자와 영구-자석 전기자를 사용하는 것이다. 유리하게도 전자 제어 시스템에 의해 전류의 크기와 부호를 제어할 수 있다. 이 구조는 와인딩에서 발생되는 열이 외부로 쉽게 통과할 수 있도록 허용하고 이것은 간단하게 제어 시스템과 전기 연결할 수 있도록 한다. 이 기계의 중요한 구조 매개변수는 고정자와 전기자의 자기장이 일치하도록 해야 하고, 주어진 스트로크와 추력 정격화에 대해 가장 적합한 직경의 기계를 선택해야 한다는 것이다.

전자 기계에 의해 발생되는 추력은 수학식 1로 나타낼 수 있다.

T = B*I*L

수학식 1에서 T는 뉴턴으로 나타낸 추력이고, B는 테슬러 단위의 자속 밀도이며, I는 암페어 단위의 전류이고 L은 미터 단위의 와이어 길이이다. 이것은, 자속에 의해 교차되어야 하는 구리 체적이 수학식 2로 주어지는 관계를 따른다.

V = T/(B*d)

수학식 2에서 V는 ㎥ 단위로 나타낸 체적이고 d는 A/㎡ 단위로 나타낸 와이어에서 전류 밀도이다.

이것은, 기계가 정지 상태일 때 추력을 발생시키는데 필요한 전력이 수학식 3에 의해 주어지는 관계를 따른다.

W = T*r*d/B

수학식 3에서 W는 와트 단위로 나타낸 동력이고 r은 오옴 미터 단위로 나타낸 전기 저항이다.

따라서 작동기의 성능은, 코일과 교차하는 영역에서 가능한 한 많이 자속이 집중되도록 보장함으로써 작동기의 성능이 개선될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

본 발명은 일반적으로 선형 전자석 기계에 관련되고, 특히 직선 운동을 발생시키기 위한 장치에 관련된다.

비록 이 기계는 "선형 작동기"로 언급되지만 본 발명은 운동할 수 있고 가변력에 대해 고정된 위치에 유지하기에 적합한 기계를 포함한다.

본 발명을 좀 더 쉽게 이해할 수 있도록, 첨부 도면을 참고로 다양한 실시예가 보다 자세히 설명될 것이다:

도 1 은 선행 기술에 따른 선형 전자석 기계의 축 방향 단면도;

도 2 는 본 발명에 따라 구성된 기계의 축 방향 단면도;

도 3 은 본 발명의 제 2 실시예의 축 방향 단면도;

도 4 는 도 3에 나타낸 실시예의 변형예를 나타낸 개략도;

도 5 는 세 개의 위상 서보 구동을 위해 형성된 기계의 축 방향 단면도;

도 6 은 고리형 자석을 가지는 다른 실시예의 한 부분을 나타낸 축 방향 단면도;

도 7 은 반대로 배치된 자석과 코일 및 환상 자석을 가지는 다른 실시예를 나타낸 축 방향 단면도;

도 8 은 제어 배치를 나타낸 개략도; 및

도 9 는 고정자 구조를 나타낸 축 방향 단면도.

본 발명에 따르면, 축을 따라 상대 운동하는 두 부재 사이에 작용하는 힘을 발생시키기 위한 선형 전자석 기계를 제공하는데, 상기 부재 중 하나는 축의 방사상 방향으로 뻗어있는 부분의 방향으로 자기장을 발생시킬 수 있고 다른 하나는 경로 일부에 걸쳐 자기장에 대해 수직 방향으로 전류가 흐를 수 있는 전도체를 포함하여서, 축과 평행을 이루는 두 부재 사이에 힘을 발생시키고, 본원의 특징에 따르면 방사상으로 자기장을 발생시키는 장치는, 방사상 자기장이 뻗어있는 원주 표면으로부터 북극과 남극을 위한 극편과 결합된 축과 평행을 이루는 자화 방향으로 배향된 영구 자석을 포함한다.

선형 전자석 기계의 초기 형태는 "비철형"으로 구성되었다. 즉, 구리 와인딩은 자기 회로의 공기 틈에 직접 배치되었다. 따라서 이 공기 틈은 받아들일 수 있는 길이에서 요구되는 추력을 발생시키는데 필요한 최소 구리 부피를 수용하도록 커야 한다. 큰 공기 틈을 가로질러 자속을 추진시키기 위해서 각각의 결합된 영구 자석의 자석 길이도 길어서, 영구 자석 재료의 부피, 중량 및 비용도 모두 상당하다. 본 발명의 실시예에서 극편의 축 방향 길이는 자속 밀도를 최대화하기 위해서 가능한 한 짧게 유지해야 한다. 그러나, 좀더 명확히 알 수 있도록, 자석의 축 방향 길이는 극편의 축방향 길이보다 짧은 것이 유리하고 길지 않아야 한다. 극편의 축 방향 길이를 최소화하기 위한 시도에서, 최대 효율성을 가지고 작동하도록 공기 틈의 방사상 두께는 자석 길이의 1/2이어야 한다. 극편의 축 방향 길이를 최소화해야 하는 필요성에 적합하고 코일이 감소될 수 있는 방사상 "두께"에 대해 제한해야 한다. 각 자석의 축 방향 길이, 각 극편의 축방향 길이와 공기 틈의 방사상 "두께"가 동일할 때 가장 효과적이다.

본 발명의 실시예에서, 선형 전자석 기계의 고정자는 전기자를 둘러싸고, 강자성체 고정자 몸체에서 원주 슬롯 안에 수용된 전도체 코일을 포함한다. 강자성체 고정자 몸체의 후우프 저항은, 적어도 하나의 축 방향으로 뻗어있는 채널에 의해 고정자 몸체 재료의 두께보다 얇은 길이로 증가된다. 유리하게도 원주 슬롯은 일정한 방사상 감소를 유지하기 위해서 축 방향으로 대칭 사이클 형태를 취한다. 상기 전기자는 고정자와 꼭 끼워맞추어지고 적절한 베어링을 구비하고 있다.

본 발명은 청구항에 따른 선형 전자석 기계를 제공하는데, 본원의 특징은 고정자가 전기자 내에 방사상으로 배치되고 상기 강자성체 슬리브가 전기자의 방사상 바깥쪽 면에 놓인다는 것이다.

코일의 축 방향 간격, 전기 연결 및 임피던스는 아래에서 자세히 설명되는 것처럼 기계가 적절한 전기 구동 유닛에 의해 제어될 수 있도록 허용한다. 방사상 자기장을 발생시키는 장치는 평면에 대해 직각 방향으로 영구 자성을 띠는 자기 재료로 이루어진 평판 또는 고리를 포함할 수도 있다. 이 고리는 대향한 자석으로부터 자속을 집중시키고 전기 코일을 향하여 바람직한 방사상 방향으로 플럭스를 전도하도록 끼워진 강자성 극편을 가지고 대향한 극을 가지는 기계의 중심축을 따라 직렬로 조립된다. 방사상으로 자성을 띠는 자기 재료의 슬리브는 원치 않는 방향으로 자속이 전달되는 것을 상쇄하기 위해서 극편과 자기 고리의 대향한 방사상 둘레에 배치되고, 강자성 슬리브는 고리와 극편에서 떨어진 면에서 방사상으로 자성을 띠는 재료에 끼워 맞추어진다.

본 발명은, 코일이 축 둘레의 원주 방향으로 고리형 또는 직사각형 축 방향 파형 경로를 따르는 것을 특징으로 하는, 청구항에 따른 선형 전자석 기계를 제공한다.

그러므로, 전자석 작동기가 고정자와 전기자의 상대 위치를 나타내는 신호를 제공하는 위치 변환기를 포함하거나 결합된다면, 고정자의 전기 코일은 코일에서 전류의 방향과 세기를 제어하기 위한 전기 구동 유닛에 연결되어서 바람직한 축방향 힘이 전기자와 고정자 사이에서 발생되도록 한다.

유리하게도 전기자와 고정자는 원형의 횡단면으로 구성되고 필요할 때 가스 스프링의 일부를 형성하도록 장치를 가압시킬 수 있는 적절한 가스 씨일을 구비한다.

선호적으로 전기 구동 유닛은 작동기에 공급되는 전류를 나타내는 신호를 발생시키고, 이 신호는 특정 용도에서 가스 스프링의 압력을 조절하는데 사용된다.

선형 전자석 기계의 가장 편리한 구조는 고정자의 실린더형 표면 내에서 축 방향으로 미끄럼 운동하도록 실린더형 바깥쪽 면을 가지는 전기자를 형성하고, 원주 방향으로 감긴 코일을 가지는 실린더로서 고정자를 형성하는 것이다. 이 구조는 일정한 자기저항 실린더형 고정자를 제공할 수 있다.

솔레노이드 또는 전자석의 경우와 마찬가지로, 전기자에서 작동하는, 코일에 의해 발생되는 인력 또는 척력 자기 효과가 있으므로 피스톤이 움직인다고 간주하는 것은 일반적인 오류이다. 전류의 벡터 합성된 각 코일에 힘이 존재하고 자속 밀도-반응력은 모든 코일 힘의 벡터 합과 일치하는 사이에서 발생된다.

순환 전류가 방사상 자속과 직교하도록 배치되므로, 힘은 축 방향으로 발생하지만 회전하지 않는다. 이 기계는 이극 회전 브러시가 없는 AC 서보 모터와 전기적으로 등가의 기계로 고려될 수 있으므로 비슷한 구동 시스템에 의해 제어될 수 있다.

본원에서 정의된 대로 선형 전자석 기계를 상기 제어기에 연결할 때 어려운 점은, 일정 범위의 직선 운동 내에서 위상 주기는 2-3초간만 반복된다는 것이다.

이것은, 모터 샤프트의 회전에 대응하여 사이클이 무한정 반복될 수 있으므로, 등가의 회전 기계와 대비되어야 한다. 이 어려움은, 항상 동일한 회전량을 가지지 않는 선형 장치이어야 하는, 변환기로부터 출력 신호와 관련된다. 상기 선형 위치 신호는 최적의 추력을 발생시키기 위해서 적절히 오프셋 되는 사이클 위상 명령으로 변환되어야 한다.

또 본 발명은 동일 축을 따라 정렬된 다수의 코일을 가지는 고정자, 축의 방사상으로 뻗어있는 자기장을 발생시키기 위한 장치를 가지는 전기자 및 코일에 전류를 적용하기 위한 제어 장치로 구성되고 이 전류의 세기와 방향은 축과 평행을 이루며 고정자와 전기자 사이에 힘을 발생시키는, 3위상 공급원과 함께 사용하기에 적합한 선형 전자석 기계를 포함하며, 본원의 특징은, 전기자에 의해 발생된 자기장이 자기장 주기를 정의하는 반대의 극성을 가지는 적어도 두 개의 영역을 포함하고 각 코일의 축 방향 크기는 전기자의 자기 주기의 1/6이라는 것이다.

본원 실시예의 특징은 다음과 같이 요약될 수 있다:

ㆍ 전기자는 축 방향으로 교대로 반복되는 극성을 가지는 방사상 자속을 발생시키는 축 방향으로 교대 반복되는 영구 자석으로 구성된다.

ㆍ 전기자에서 극 중심 사이의 축 방향 거리는 기계의 자기 주기로서 언급된다.

ㆍ 고정자 코일은 일련의 동일한 유닛으로서 적재되고, 각각은 자기 주기의 1/6에 해당하는 축 방향 크기를 가진다.

ㆍ 고정자 코일은 세 개의 전기-절연 위상으로서 배선된다.

ㆍ 이 위상은 축방향으로 모든 제 3 코일을 동일한 위상에 배치하고 동일한 평면의 모든 코일을 직렬로, 전류 방향과 반대로 연결함으로써 구성된다.

ㆍ 3개의 인접한 코일의 각 세트에서 제 2 코일은 이웃하여 반대 방향으로 연결된다.

ㆍ 3개의 위상은 입력 단자로부터 이격된 단부에서, 별점에서 함께 결합된다.

ㆍ 제어 장치로부터 출력 단계의 기능은, 전기자의 모든 위치에 대해, 3개의 유사-dc 구동 전류 -세 개는 연속적이지 않고- 교류를 발생시키는 것이다.

ㆍ 이 구동 전류는 서로에 대해 120。씩 위상이 차이가 나는 세 개의 파형 신호와 동일한 관계에 따라, 항상 합계가 제로가 되도록 배치된다.

ㆍ 구동 전류의 절대 위상 기준은 외부 제어 하에 변할 수 있다.

ㆍ 전기자의 위치는 코일 전류의 절대 위상으로 고정되지 않는다. 즉, 피스톤의 위치는 일정한 구동 전류 진폭에서 위상 명령 신호를 따르지 않을 것이다.

ㆍ 코일 스택에 대해 전기자의 모든 위치에서 최대 추력을 위한 코일 전류의 최적 절대 위상이 있다. 이런 최적 위상은 피스톤 위치의 직선 함수이고 이것은 자기 주기를 통하여 전기자의 모든 변화에 대해 반복한다.

ㆍ 180°로 코일 전류의 절대 위상을 바꾸면 전기자에 의해 발생되는 추력의 방향이 역전된다.

ㆍ 피스톤의 실제 위치는 전류 구동 위상을 결정한다.

구동 전류의 값은 수학식 4에 의해 정의된다:

I(1) = A*sin(x + offset)

I(2) = A*sin(x + offset + 2π/3)

I(3) = A*sin(x + offset + 4π/3)

수학식 4에서 A는 전류 구동 신호이고, x는 하나의 기준 위치로부터 피스톤의 변위에 대응하여 절대 위상 명령이고 오프셋은 기준점에 관련된 기설정된 위상 매개변수이다.

구동 전류 요구 신호 값은, 서보-제어기 모듈에 의해 구해질 수 있는 것처럼, 오류의 시 도함수, 오류의 시 적분, 전기자 위치의 실제 값과 명령 값 사이의 오류 함수이다.

램 코일(ram coil)은 특정 모선 전압을 위해 설계된다. 즉, 코일 임피던스는 요구되는 최고 속도를 고려해, 최대 추력을 발생시키는데 필요한 전류에 의해 결정된다. 고속으로 작동하는데 필요한 램은 정지 상태에서 최대 전류로 작동할 수 있고 더 큰 동력 정격을 가지는 동력 모듈을 필요로 한다. (고속 램은 저속 램에 비해 더 큰 동력 출력을 가진다.)

램의 기능은 설정된 운동 속도 또는 위치를 유지하기보다는, 추력을 발생시키는 것이다. 상기 기계는 필요할 때 "자유회전"할 수 있다. 추력을 제동하거나 가속하지 않으면서 계속 움직일 수 있다. 이런 장치는, 관성 하중이 놓일 때 상당량의 에너지를 저장하기 때문에 중요하다.

종래의 PWM 제어는 하중에 대해 바뀌는 마크:공간 비율을 가지는 일정한 주파수의 파형을 적용하므로, 가변 전압의 저임피던스원으로 작동한다는 것을 알 수 있다. 그러나 영구-자석 전기자가 움직이기 때문에, 백-전자펄스(back-emp)가 하중 코일에 의해 발생된다면, 전기자가 힘의 방향으로 움직일 때 전류 출력은 작아지고 힘과 이동 방향이 반대일 때 증가된다. 램의 전기자에 직접 결합되는 관성은 아주 클 수 있고 제동 상태에서 코일 구동 모듈로 옮겨지는 동력도 상당하다.

상기 구동 회로는 고-임피던스 전류 구동부이어야 하고, 이것은 두 가지 방식으로 배치될 수 있다. 첫 번째 배치에서 펄스 너비 변조기는 종래의 형태로 구성되지만 신속 제어 루우프에 전류-감지 성분을 포함하다. 이 수단에 의해 변조기의 전압 출력은 코일의 백 전자펄스를 따르고 전류 구동 명령이 영(0)일 때 구동요소 또는 제동 요소로서 작동하지 않는다.

두 번째 배치에서 브릿지의 두 부분은 따로따로 펄스를 보낸다. 즉, 양의 전류 구동에 대해 브릿지의 상반부만 펄스를 보내는 반면에 하반부는 정지 상태로 유지된다. 제로 전류에 대해 브릿지의 두 부분은 작동하지 않고 전기자가 움직일 때 어떠한 의사 전류도 존재하지 않는다. 이런 시스템은 고임피던스 전류 구동부이다. 이것은, 전류 센서가 반응성 전압-구동 시스템에 대해 가능한 한 빨리 작동할 필요가 없을지라도, 제어 루우프에서 전류-감지 요소를 포함하도록 배치되어야 한다.

유체 동력 램과는 달리, 램으로 형성된 선형 전자석 기계는 관성 하중을 움직일 수 있고, 단지 가속 및 감속을 위해 동력을 필요로 한다. 특정 조건에서 대부분의 감속 에너지는 DC 모선으로 되돌아갈 수 있다. 관성 하중을 움직일 때 램 효율성은 출원인의 대응하는 출원 PCT/GB98/02823에서 충분히 설명되고, 이하 간략하게 나타낸 가스 스프링 제어를 이용함으로써 증대될 수 있다.

만일 선형 전자석 기계가 다른 기계에 연결된다면, 전기자에 의해 위치 설정된 기계 요소는 적합한 모든 종류의 변환기와 끼워 맞추어질 수 있다. 그럼에도 불구하고 램 안에 끼워 맞추어지거나 램을 따라 장착되는, 자체 변환기를 램이 가지도록 배치된다는 점에서 유리하다.

램의 주요 장점 중 하나는, 역회전이 없고 제어 수송 지연이 없으므로 아주 정확하게 위치 설정할 수 있다는 것이다. 전체 기계 스트로크는 미터로 나타낼 수 있지만, 위치는 미크론, 20비트의 해상도로 나타낼 수 있다. 이것은 아날로그 장치의 소음 속에 있으므로, 정확하게 적용하기 위해 변환기로부터 디지털 출력 신호가 요구된다.

오락 및 훈련 목적의 운동 베이스와 같은, 정밀성이 떨어지는 기구에 대해, 위치 설정 정확성은 밀리미터로 나타낼 필요가 있고(12비트) 아날로그 변환기의 성능은 적절하다. 선형 전위차계는 오일 속에서 작동하도록 설계되지만, 전자석 램은 건조한 상태이므로, 다른 비접촉형 변환기가 선호된다.

고정자의 코일 조립체는 외부 실린더 내에 장착되어야 하므로, 이것은 한쪽 단부에서 실린더 안으로 적재되고 실린더는 나누어지며 두 부분은 코일 조립체의 바깥쪽에 고정된다. 각 경우에 슬롯이 있는 고정자를 구성하는 강철의 바깥쪽 면과 실린더의 안쪽 면 사이의 모든 곳에서 금속-금속이 단단히 결합하는 것은 아주 어렵다는 것을 이해할 것이다.

또 주위의 코일에 압력을 가할 때 코일로부터 외부 강철 실린더로 큰 축 방향 힘을 전달할 필요가 있다. 전체 코일 조립체는 이것을 달성하기 위해서 애럴다이트 수지에서 주조되지만 코일에서 오류는 완성된 조립체를 파괴할 수도 있다.

고정자에서 자속 경로의 축 방향 강자성체 요소와 방사상 방향 강자성체 요소 사이에 단단한 금속-금속 접촉부를 제공하고 필요하다면 각 코일 모듈을 따로따로 제작하여, 점검하고 작동하도록 허용하는 것이 바람직하다.

이 실시예에서 슬롯이 있는 강철 코일 조립체를 가지는 전자석 램의 고정자는 실린더형 대칭을 이루는 모듈의 스택으로 구조되고 각 모듈은 와셔의 내부 직경과 일치하는 내부 직경을 가지는 와이어의 코일과 축 방향으로 인접하는 강자성체 와셔 또는 링을 포함하고, 축 방향으로 와셔와 접하여 코일을 둘러싸는 강자성체 스페이서 링이 배치되는데 상기 코일의 외부 직경은 강자성체 와셔의 외부 직경과 일치하고 축 방향 크기는 정확하게 결정되며 코일의 축 방향 크기와 거의 같다.

유리하게도 고정자를 형성하는 코일 모듈의 스택은 램 고정자 조립체의 극편 사이의 램 바깥쪽에서 타이 로드에 의해 축 방향으로 고정된다.

선호적으로 방사상으로 향한 전기자 자석 회로로 일정한 자기 저항을 부여하기 위해서 단일 램프 또는 반복되는 램프에 적합한 형태로 와셔가 구성된다.

유리하게도 와셔는 방사상 방향으로 슬롯이 있어서 가장 안쪽 코일 와이어가 고정자 조립체의 바깥쪽 면에 놓이도록 허용한다.

유리하게도 스페이서 링은 노치가 있어서 가장 바깥쪽 코일 층의 단부가 고정자 조립체의 표면에 놓이도록 허용한다.

선호적으로 고리와 와셔는 바깥쪽 면에 디텐트(detent) 또는 정렬 장치를 가져서 코일 모듈 스택의 정확한 조립을 용이하게 할 수 있다.

6개의 코일 모듈을 가지는 스택을 나타내는 도 9에서, 코일(1)은 스페이서 링(53)에 의해 바깥쪽 면에서 에워싸여 있고 와셔(52) 사이에서 샌드위치형으로 끼워져 있다. 상기 모듈은 와셔(2) 내에서 움직이는 영구-자석 전기자로부터 방사상으로 향한 자기장에 일정한 자기 저항을 부여하고 이런 이유 때문에 모듈은 도시된 대로 하나의 코일 축방향 길이에 의해 구부려진다. 상기 모듈의 제작을 용이하게 하기 위해서 와셔는 두 층 이상의 스탬프가 있는 재료로 조립될 수 있고 코일과 스페이서는 필요하다면 축 방향으로 세분될 수도 있다.

도면에서 도 1은 선행 기술을 나타내는데 여기에서 실린더로 나타낸 전기자는 비자기 스페이서(2)에 의해 분리되고 그 길이를 따라 배치된 자기 재료(1)로 이루어진 띠를 포함한다. 이 자기 재료는 방사상 방향으로 극성이 교대하며 자화되고 각 극 쌍의 자기 회로는 외부 강철 케이스(3) 내에서 한 방향으로 축방향 횡단부를 포함하고 강철 자기장 코어(4) 내에서 반대 방향으로 제 2 축방향 횡단부를 포함한다. 자석의 각 편의 방사상 두께(자석 길이)는 관련된 공기 틈의 두께와 거의 같고, 이것은 고정자 코일의 구리 와인딩(5)을 포함한다. 또, 각 분리기(2)의 축 방향 길이는 자기 재료로 이루어진 두 개의 반대 자성을 띠는 표면 사이에서 축방향 자속 누손을 최소화하도록 공기 틈의 방사상 길이의 2배보다 커야 한다. 이런 누손 축방향 자속은 구리 코일을 우회하거나 방사상 방향 이외의 방향으로 가로지르고 램의 성능에 악영향을 끼친다. 비록 도시되지 않았지만, 피스톤 막대는 힘 또는 운동을 로드에 전달하도록 전기자에 부착된다.

자속은 방사상 바깥쪽을 향하므로, 코일에서 선속 밀도는 자기 재료로 이루어진 표면을 떠날 때보다 작다. 이것은, 구리 와인딩에서 큰 선속 밀도를 달성하도록 자석의 표면에 보다 큰 선속 밀도가 존재해야 한다. 이것은, 기계가 값비싼, 고성능 자기 재료를 사용하도록 한다. 불행히도, 성능이 가장 좋은 자기 재료는 깨지기 쉽다. 내외 실린더형 표면 또는 부분 실린더형 표면 사이의 크기인 구부려진 형태의 방사상 "두께"는 내부 표면적보다 큰 외부 표면적을 가지므로, 재료에 자성을 띠게 하는 시도는 방사상으로 배향된 영역 사이에 높은 응력을 부여하는데, 이것은 금이 생기도록 할 수 있다. 이것은, 플라스틱 또는 수지 매체로 분산되지 않는다면 최고의 자기 재료가 전술한 방식으로 사용되지 못하도록 방지한다. 예상되는 것처럼, 이런 분산 기술은 비용 증가와 더불어 재료의 성능을 떨어뜨린다.

방사상으로 자성을 띠는 재료로 이루어진 외면을 떠난 전체 자속이 제한된 선속 밀도로 내면에서 재료로 재유입하는 전체 선속을 초과할 수 없으므로, 방사상 자화 공정은 상당한 곡률과 두께 성형에 비효율적이다.

도 2에 나타낸 본 발명의 실시예는 축 방향으로 자성을 띠고, 철 디스크 극편(10)에 끼워 맞추어진, 자기 재료(1)로 구성된 평판을 이용함으로써 전술한 단점을 극복할 수 있다. 자극은, 도시된 대로 대향한 쌍으로 배치된다. 따라서 축 방향으로 각 자석을 떠난 자속은 방사상 방향으로 전기자 조립체를 떠나지 못하도록 구속되고 외부 케이스 스틸(3)을 가로지르고 각 디스크 자석의 대향한 극편으로 들어가도록 코일을 통과하여 되돌아가기 전에 코일(5)과 교차하도록 구속된다. 하나의 자석에 의해 구동된 자속은 두 배의 공기 틈을 횡단하기 때문에 자석 디스크의 축 방향 두께는 공기 틈의 방사상 크기의 2배이다.

이 구조에서 코일 체적에서 높은 선속 밀도를 발생시키도록 저비용의 자기 재료를 사용할 수 있다. 이것은 극편에서 자속 밀도가 자석 자체의 밀도로 더 이상 제한되지 않기 때문이다. 왜냐하면 축 방향으로 자석 디스크의 전체 영역을 벗어난 선속은 방사상 방향으로 극편의 실린더형 외주를 통과하기 때문이다.

자기 재료 자체는 평평한 요소이므로, 필요하다면 전자석 작동기 형태의 고성능 자석을 사용할 수 있다. 실제로, 소결된 자석 재료의 제조에 이용할 수 있는 프레스는 적절히 이용될 수 있는 전체 힘으로 제한되기 때문에, 상업적으로 생산될 수 있는 최대 직경의 일체형 디스크에서 약 100mm의 한계가 있다. 보다 긴 직경의 디스크는 미리 가공되고 자성을 띤 보다 작은 영역의 모양을 가지는 조립체에 의해 구조될 수 있지만, 이것은 실용적이거나 경제적인 것으로 간주되지 않는다. 저성능 자기 재료의 사용과 관련된 어떠한 문제점도 없고, 통용되는 재료는 큰 추력 램의 구조를 위해 사용될 수 있다. 요구되는 추력과 최소 구리 체적 사이의 관계는, 이것이 전기자의 길이를 연장하거나 직경을 증가시키는데 필요하므로, 작동 구리의 체적은 대응하여 증가될 수 있다.

도 3은, 구리 코일(5)이 방사상 리브(5)에 의해 분리된 강철 고정자 몸체(3)에서 슬롯 내에 끼워진다. 비록 방사상 자속이 강철 자속 전도체 리브(11)를 통과할지라도 이 시스템은 강철과 코일의 실린더형 횡단면을 가로질러 균일하게 분포된 자속 내에 코일이 있는 것처럼 작동한다. 강철은 구리 슬롯보다 작은 축 방향 크기를 가지도록 배치될지라도, 코일 내 유효 선속 밀도는 강철에서 선속 밀도의 적당량을 차지한다. 코일 슬롯의 방사상 크기 대 축 방향 크기 비율은 2.5:1이고 이 슬롯은 조립하는 동안 코일 절연체에 손상을 최소화하도록, 점점 가늘어지고 둥글게 형성된다.

고정자 몸체(3)는 높은 전기 후우프 저항을 가지도록 배치되어서, 이것은 삽입된 코일(5)에 결합된 짧은 터언으로서 작동하지 않는다. 가능한 기계의 최고 서보 성능을 달성하도록, 고정자 코일에서 전류는 전자 구동 제어기에 감응하여 빠르게 변조시킬 필요가 있다; 이 감응은 고정자 스틸 내 유도 전류에 의해 느려진다. 루우프 저항은 축 방향으로 전체 고정자 길이를 따라 다수의 슬롯을 절삭함으로써 증가된다. 상기 슬롯은 고정자 강철의 전체 깊이를 통과하지 않고 중심 영역을 교란되지 않은 상태로 유지한다. 이것은 고정자의 내면을 정밀 가공하고 전기자의 베어링 고리를 수용하도록 경화되고 폴리싱 처리된다.

고정자(3)와 전기자 사이의 공기 틈은 코일(5)의 구리를 포함하지 않으므로낮은 레벨(1.5mm 이하)로 감소될 수 있다. 회전 모터에서 일반적인 관행과는 달리, 전기자는 고정자 금속 없이 유지시킬 필요가 없고 이것은 고정자의 내면에 대해 프레스 되는 미끄럼 베어링에서 지탱된다. 축방향 대칭은 어떠한 베어링 하중도 발생시키지 않는다.

강한 인력이 어떠한 축방향 성분도 가지지 않도록, 고정자의 강철은 전기자의 디스크 극편에 대해 효과적으로 일정한 자기 저항을 가지도록 배치될 수 있다. 이것은 도 4에 개략적으로 나타낸 것처럼, 축 방향으로 톱니 형태나 사인 곡선을 따라 각 고정자 슬롯의 경로를 바꾸어 줌으로써, 도 4에 나타낸 것처럼 달성될 수 있다. 이 시스템의 자기 저항은 고정자에서 강철에 가까운 전기자에서 강철의 전체 면적 함수이다. 극편의 한 사선을 가로지르는 상호 자기 저항의 감소를 일으키는 전기자의 축 방향 위치 변화에 대해, 대응하여 직교하는 사선을 가로질러 증가된다. 따라서 극편은 축 방향 인력의 작용, 회전 토크 및 비틀림 힘의 영향을 전혀 받지 않는다.

상기 실시예에서, 공기 틈은 작기 때문에 전기자 자석은 긴 축 방향 길이를 가질 필요는 없다. 이것은 자기 재료의 양과 작동기의 재료 비용을 감소시킨다. 또 자석의 축 방향 두께를 감소시키면 시스템의 자기 주기를 감소시킨다는 것을 알 수 있다.

이 실시예에서 전세계적으로 통용되는 형태의 3-위상 서보모터 구동 유닛에 의해 기계가 제어될 때 고정자 코일 주기의 축 방향 길이는 전기자 자기 주기의 1/6에 해당하도록 배치된다.

도 5는 두 개의 자기 주기를 가지는 전기자를 나타낸다. 실제 기계의 축 방향 길이 이상일 수 있지만, 고정자의 2와 1/3 자기 주기가 도시되어 있다. 도 5에서 위상 A가 양의 최대값의 87%이고, 위상 B가 음의 최대값의 87%이며 위상 C가 제로일 때 추력이 발생하도록 고정자에 대해 전기자가 배치된다. 이 배치에 대한 주의깊은 연구 결과에 따르면 곡률이 움직이고 전기자와 고정자의 상대 위치가 변함에 따라, 사인 곡선 구동의 최적 위상은 불연속성 없이 원활하게 바뀐다.

따라서 작동기는 아주 정확하게 제어될 수 있다. 그리고, 전기자의 위치 설정 정확성에 대한 제어의 정확성은 자기 주기 길이의 함수를 따르므로 자기 주기의 축 방향 길이를 감소시킬 수 있는 특징은 기계의 위치 설정 정확성을 높인다. 자기 주기의 축 방향 길이 감소는, 극편의 중량을 감소시키거나 축 방향으로 자속을 통과하는데 필요한 외부 강철 케이스의 두께를 감소시킴으로써 기계의 중량을 감소시킨다. 각 경우에 극의 축 방향 두께와 외부 강철 실린더의 방사상 두께는 전체 자속에 의해 결정되므로, 이것은 보다 작고, 중량도 줄일 수 있다.

도 6은 환상 자석과 극편을 가지는 실시예를 나타낸다. 이것은, 램의 직경이 증가함에 따라 전체 자속에서 증가를 제한한다. 전기자의 코어(20)는 공동을 가지고 약한 장이다. 그러나, 자기 디스크의 중심 영역이 생략된다면 자석의 표면에서 나온 자속의 상당 부분은 방사상 안쪽으로 짧은 루트를 따르고, 고정자(3)와 코일(5)을 통하여 방사상 바깥쪽으로 통과하는 대신에 중심 코어(20)에서 자기 디스크의 두께를 가로지르는 각 공기 틈을 횡단한다. 따라서 작동기의 중심부는 낮은 장 체적이 아니다. 방사상 안쪽으로 향하는 자속은 중심구를 통과하는 자속의 누손을 상쇄하기 위해서 적절한 방향으로 방사상으로 자화되고 원판 자석(1)과 동일한 자석 길이를 가지는 자석 성분(21)의 내부 코어를 도입함으로써 제한된다. 또 내부 강철 실린더 부재(22)도 생산되는데 이 기능은 방사상 자기 재료(21)로 이루어진 대향한 극을 연결하는 낮은 자기저항 경로를 제공하여서, 재료의 작용을 보강하고 의사 자기장으로부터 램의 중심부를 차단하는 것이다.

이것은, 위치 변환기처럼, 자기장에 민감하게 작용하는 부분을 전기자의 중심부가 둘러싸도록 허용한다.

도 7에 나타낸 다른 실시예에서 배열된 영구 자석은 가동 전기자 내에 수용된 코일과 고정자에서 지지된다. 미끄럼 도어의 수평 운동을 위해 또는 수직 리프팅 장치를 위해 작동기의 스트로크가 전기자의 축 방향 길이보다 몇 배 더 길 때 장치의 전체 전기 길이보다는, 기계의 활성 부분에만 적용된다. 이 경우에 전력은 고정자 대신에 가동 전기자 부분에 적용되는 것이 적합하다. 이것은 다양한 구조의 소형 작동기에 유리한데 여기에서 자기 재료는 바깥쪽에 있는 것이 알맞다.

도 7에서 일렬의 평평한, 축 방향으로 자성을 띠는 링 자석(1)은 극편(29)에 의해 방사상 안쪽으로 집중되고 코일(5)을 수용하는 슬롯이 있는 전기자 조립체(30)를 통과하여 흐르는 축 방향으로 교대하는 선속을 발생시킨다. 이 선속은, 코일을 통하여 축 방향으로 자기를 띠는 링의 반대면까지 바깥쪽으로 복귀하기 전에 내부 강철 슬리브(31)를 통과하여 완전히 이동한다. 고정자의 자기장으로부터 외부를 차단하기 위해서 방사상 바깥쪽으로 자속이 누손되는 것을 방지하기 위해서, 링 자석(1)과 동일한 자기 길이를 가지는, 방사상으로 자기를 띠는 재료(21)의 스크린은 누손을 막도록 고정자의 바깥쪽 면에 놓인다. 얇은 외부 강철 스크린(32)은 방사상으로 자기를 띠는 재료(21)의 축 방향으로 교대하는 극을 위한 자기 회로를 완성한다.

위치 설정해야 할 때, 도 3 내지 7에 나타낸 것과 같은 선형 전자석 기계를 제어하기에 적합한 제어 시스템이 도 8에 나타나 있다.

전기자(40)(피스톤)는 개략적으로 나타나 있는데 고정자(41)를 따라 움직일 수 있고, 도 2 내지 7에 나타낸 유형의 코일 시스템(42)을 포함한다. 피스톤 변환기(43)는 고정자(42)를 따라 개략적으로 나타내었지만 이것은 전기자나 피스톤(40) 또는 그 밖의 모든 위치에 놓일 수 있으므로 이것은 전기자나 피스톤(40)의 위치를 나타내는 출력 신호를 발생시킨다. 이 출력 신호는 아날로그 또는 디지털 형태이고 신호 변환기(44)로 적용된다.

비록 빠른 갱신 속도가 필요하고 하드웨어에서 변환 작동을 실행하는데 더 우수해야 하지만, 상기 신호 변환기는 소프트웨어 모듈이다.

출력 신호가 아날로그 형태라면, 처음에 적합한 스케일과 오프셋 매개변수를 가지는 수치로 변환되어서 램이 일부분을 구성하는 기계에 대해 전기자의 실제 위치를 나타낸다. 만일 변환기가 증분 디지털 신호를 발생시킨다면, 이것은 램의 보정 위치 또는 용기 중량에서 제로로 리셋된 카운터에 의해 처리된다. 그 후에 전기자 위치 값은, 앞서 결정한 대로 전류 진폭 요구를 발생시키도록 바람직한 위치와 비교되는 서보제어기(45)로 입력된다. 이 값은 완화되고 필요한 여러 가지 목적에 맞게 전체 기계 제어 및 모니터 시스템으로 입력된다.

전기자 위치는 오프셋 값과 비교되는데 이 오프셋 값은 주기 위상 제어 시스템의 출발 위치를 정의한다. 이 오프셋 값은 등판 시퀀스에서 가변 오프셋의 함수에 따라, 일정한 전류에서 시스템의 가속을 측정하는 초기 BITE 작동의 일부로서 자동으로 결정되거나 수동으로 미리 설정될 수 있다. 전술한 대로 사이클의 선형 주기는 피스톤의 크기에 의해 정의된 고정된 값을 가지므로, 램의 모든 위치에 대한 최적의 위상 각도는 동력 구동 모듈로 통과될 수 있다.

선형 전자석 기계 또는 램의 고유 대역은 충분히 이용될 수 있으므로, 여러 가지 산업적 적용을 위해 램 제어기는 아주 짧은 사이클 타임을 가질 필요가 있다. 예를 들어, 실제-캠 시스템에서 이 기계는 0.5m/sec의 속도에서 100미크론 내로 궤도를 유지할 필요가 있다. 이것은, 모든 위치-센서 프로세스, 모든 A-D와 D-A 프로세서스 및 서보제어기 계산을 포함한 제어 루우프는 오류 기간 내에서(200μsec) 적어도 2회 반복할 수 있어야 한다.

다른 예로서, 고속 횡단은 100미크론 내에서 고정된 위치를 유지하면서 3m/sec로 움직일 필요가 있다. 이것은, 만일 정지 타깃에 대해 위치 고정이 유지된다면 1000㎑의 동력 제어기 주파수 감응과 약 15μsec의 루우프 주기 시간을 요구한다. 유리하게도 타깃은 비슷한 속도에서 움직이고 200μsec 주기가 적합하다.

속도가 0.5m/sec 이하이고 위치 공차는 1mm이므로, 운동 베이스에 대한 한계는 보다 완화된다. 따라서 200μsec의 사이클 타임은 충분하다.

본원에 참고로 설명된, PCT 출원 PCT/GB98/02823에 기술한 것과 같은 관련된 가스 스프링을 위한 제어 시스템에서 구동 전류 요구 값(특정 산업 용도에서, 순간 램 위치 값)을 사용하는 것이 유리하다.

Claims (21)

1. 하나는 축의 방사상 방향으로 뻗어있는 일부분의 방향을 따라 자기장을 생성할 수 있고 다른 하나는 축과 평행을 이루는 두 부재 사이에서 힘을 발생시키도록 경로의 일부분에 대해 자기장과 직각 방향으로 전류가 흐르는 전도체를 포함하는, 축을 따라 상대 운동하는 두 부재 사이에서 작용하는 힘을 발생시키기 위한 선형 전자석 기계에 있어서, 방사상 자기장을 발생시키는 장치는 방사상으로 자기장이 뻗어있는 원주면으로부터 북극과 남극을 위한 극편과 결합된 축과 평행을 이루는 자화 방향으로 배향된 영구 자석을 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
2. 제 1 항에 있어서, 전기자는 다수의 자석을 포함하고 각각의 자석은 각각의 극편을 가지고 인접한 자석은 서로 반대의 극성을 가지고 배향되는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 자석은 디스크이고 전기자와 고정자는 축 둘레에서 대칭을 이루는 원형 부분인 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
4. 제 1항 내지 3항에 있어서, 고정자는 실린더형이고 전기자는 축 방향으로 움직일 수 있고 그 안에 배치되는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 전도체는 전도성 물질로 이루어진 코일이고 전체 자석의 축방향 길이는 각 극편의 축방향 길이와 동일하고 각 코일의 방사상 두께의 두 배인 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
6. 제 1항 또는 2항에 있어서, 자석은 환상 자석이고 각 자석의 대향한 극편 사이의 자기 경로를 폐쇄하는 강자성체 슬리브는 자석의 실린더형 방사상 안쪽 면 또는 바깥쪽 면과 맞물리는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
7. 상기 청구항에 있어서, 고정자는 전기자 내에서 방사상으로 배치되고 강자성체 슬리브는 전기자의 방사상 바깥쪽 면에 놓이는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
8. 하나는 축의 방사상 방향으로 뻗어있는 방향을 따라 자기장을 발생시킬 수 있고 다른 하나는 축과 평행을 이루는 두 부재 사이에 힘을 발생시키도록 축과 방사상 자기장을 횡단하는 방향으로 전류가 흐르는 전도체를 포함하는, 축을 따라 상대 운동하는 두 부재 사이에서 작용하는 힘을 발생시키기 위한 선형 전자석 기계에 있어서, 상기 하나의 부재는 반대의 극성을 가지는 다른 영역을 포함하는 자기장을 발생시키고 다른 부재는 각각의 전류가 흐를 수 있는 다수의 전도체를 가지며, 다른 부재의 인접한 전도체의 축방향 분리점은 한 부재의 반대 극성을 가지는 인접한 장의 축방향 분리점의 1/3 위치에 있는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
9. 제 8 항에 있어서, 상기 부재 중 하나는 다수의 자석을 가지는 전기자이고 다른 하나는 다수의 코일을 가지는 고정자인 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
10. 제 8항 또는 9항에 있어서, 코일은 강자성체 고정자 몸체 내의 슬롯에 수용되는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
11. 제 8항 내지 10항에 있어서, 슬롯은 대칭 원형 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
12. 제 8항 내지 11항에 있어서, 슬롯은 일정한 방사상 자기 저항을 가지는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
13. 상기 청구항에 있어서, 강자성체 고정자 몸체는 원주 방향으로 저항을 증가시키기 위해서 길이를 따라 뻗어있는 축방향 분리점을 가지는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
14. 상기 청구항에 있어서, 코일에 적용되는 전류의 부호와 세기를 결정하기 위해서 고정자와 전기자의 상대 위치를 결정하기 위한 장치를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
15. 상기 청구항에 있어서, 고정자의 일부분은 가스 수용 용기로서 형성되고 전기자의 일부분은 고정자의 부분 안에서 미끄럼 밀폐 결합되며, 압축 가능한 유체는 한정된 챔버 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
16. 상기 청구항에 있어서, 코일의 축은 축과 일정한 각도를 이루며 기울어져 있는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
17. 상기 청구항에 있어서, 코일은 축 둘레의 원주를 따라 곡선 또는 직선 축방향 경로를 따르는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
18. 다수의 축 방향으로 정렬된 코일을 가지는 고정자를 포함하고, 전기자와 고정자 사이에 힘을 발생시키도록 코일에서 전류의 세기와 방향을 제어하기 위한 제어 장치와 방사상 자기장을 발생시키는 전기자를 포함하는 유형의 선형 전자석 기계에 있어서, 전기자는 위치, 속도 또는 가속도 중 하나를 결정하기 위한 변환기를 가지고, 제어 장치에 의해 코일에 적용되는 전류의 세기와 방향은 변환기로부터 출력에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
19. 제 18 항에 있어서, 각 코일의 축 방향 크기는 전기자 자기 주기의 1/6이고 제어 장치는 6개 코일로 이루어진 각 세트를 세 개의 위상 전류에 공급하기에 적합하며, 다른 두 코일에 의해 분리된 각 쌍의 코일은 반대 방향으로 동일 위상을 수용하는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
20. 제 18항 또는 19항에 있어서, 주어진 위상을 제공받은 코일은 극성이 교대하며 연속적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.
21. 공통 축을 따라 정렬된 다수의 코일을 가지는 고정자, 코일에 전류를 공급하기 위한 제어 장치와 축의 방사상 방향으로 뻗어있는 자기장을 발생시키기 위한 장치를 가지는 전기자로 구성되고 전류의 세기와 방향은 축과 평행을 이루는 고정자와 전기자 사이에 힘을 발생시키는, 세 개의 위상 공급부와 함께 사용하기에 적합한 선형 전자석 기계에 있어서, 전기자에 의해 생성된 자기장은 자기 주기를 정의하는 반대 극성을 가지는 두 영역을 포함하고, 각 코일의 축 방향 크기는 전기자의 자기 주기의 1/6인 것을 특징으로 하는 선형 전자석 기계.