KR20010080034A - 전자 밸브 액추에이터 - Google Patents

Abstract

전자 밸브 액추에이터는 밸브의 스템에 고정된 강자성체 재료로 된 아마추어(22)를 구비하며, 완전 개방 위치 및 폐쇄 위치 사이의 중간 위치인 휴지 위치에서 밸브를 고정하기 위한 스프링이 제공되며, 단일 코일(38)이 강자성체 회로 상에 장착된다. 아마추어와 결합하며, 자기 회로는 작은 크기의 공기 갭에 대응하는 두 개의 안정된 자속 경로를 제공한다.

Description

전자 밸브 액추에이터{ELECTROMAGNETIC VALVE ACTUATOR}

현재, 대부분의 내연기관에 사용되고 있는 밸브는 엔진에 의해 구동되는 캠 샤프트에 의해 작동된다. 엔진이 서서히 움직이고 있을 때, 특히 엔진이 시동 상태에 있을 때에는, 캠 샤프트에 의해 제어되는 밸브의 개방 및 폐쇄 속도가 낮다. 이는 연소실을 채우는데 있어서는 유리하지 않다.

상기한 결점을 줄일 수 있는 전자 액추에이터가 제안된 바 있다 (US-A-4 614 170). 개시된 전자 액추에이터는 밸브의 스템에 고정된 강자성 아마추어와, 완전 개방 및 폐쇄 위치 사이의 중간 위치인 휴지 위치에서 밸브를 고정하는 탄성 복귀 수단과, 밸브를 양쪽 방향으로 교대로 이동시키는 전자(電磁) 수단을 갖추고 있다. US-A-4 614 170에 개시된 전자 수단은 아마추어의 한쪽에 배치되어 여자되었을 때 아마추어를 끌어당겨서 밸브를 폐쇄하는 제 1 강자성 코어와, 아마추어의 다른 한쪽에 배치되어 여자되었을 때 밸브를 완전 개방 위치로 이동시키는 제 2 전자석을 구비한다.

밸브 및 스프링 어셈블리는 주기적으로 여자되어 교대로 전자석에 전기를 공급하는 발진 시스템을 구성한다. 밸브를 개방하는 방향으로 아마추어에 작용하는 전자석은 아마추어가 전자석의 코어에 달라붙는 위치에 접근할 때 전기를 공급받는다.

본 발명은 개방 위치 및 폐쇄 위치에 교대로 놓일 수 있도록 밸브를 병진 운동시키는 전가 액추에이터에 관한 것이다. 본 발명은 주로 불꽃 점화 또는 압축 점화를 하는 내연기관의 밸브를 제어하는데 사용된다.

도 1은 밸브의 축을 포함하는 면을 따라 취한 본 발명의 일 실시예를 구성하는 밸브 액추에이터의 단면도이다.

도 2 및 도 3은 II-II 선 및 III-III 선을 따라 취한 전자 부분의 일부 단면도이다.

도 4 및 도 5는 도 1 내지 도 3의 변형예를 보인 도면이다.

도 6은 장치의 가동이 시작될 때 아마추어 발진이 어떻게 변하는지를 보여주는 선도이다.

본 발명은 종래의 액추에이터와 비교하여 실제적인 요건을 더욱 양호하게 충족시킬 수 있고, 특히 크기가 줄어들고 연결 수단이 그다지 필요하지 않은 전자 액추에이터를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 전자 수단은 아마추어와 결합하였을 때 각각 작은 크기의 공기 갭 (일반적으로는 0의 공기 갭)에 대응하는 두 개의 안정된 자속 경로를 제공하는 구조로 된 강자성체 회로 상에 장착된 단일 코일로 이루어진다.

구성 중 하나는 완전 개방된 밸브에 대응하고 다른 하나는 폐쇄된 밸브에 대응한다.

중간 위치인 초기 상태에서, 코일에 먼저 전기가 공급될 때 끌어당겨지는 방향이 사전에 결정되어 있기 때문에, 아마추어는 위치 또는 자기 회로의 불평형을 제공한다. 이러한 불평형은 의도적으로 야기될 수 있다. 예를 들어, 탄성 복귀 수단이 아마추어의 양쪽에 배치된 두 개의 스프링으로 구성되는 경우, 두 개의 스프링은 코일에 전기가 공급됨으로써 얻어지는 힘이 결정된 방향으로 작용하는 위치를 휴지 위치에 놓인 아마추어에 제공할 수 있도록 구성됨으로써, 폐쇄 위치 및 완전개방 위치의 양쪽에서 압축 시에 동일한 잠재 에너지를 제공한다.

위아래로 작용하는 자력을 불평형 상태로 하는 바람직한 방식은 적층 노치 프로파일 및/또는 아마추어 프로파일 위에 작용함으로써 중앙 위치에서의 자속을 비대칭 상태로 하는 것이다.

비대칭을 제공하기 위하여, 아마추어는 축방향 돌기를 구비할 수도 있다. 비대칭을 생성하는 또 다른 방식은 양쪽의 안정된 경로에서의 접촉면이 각기 다른 형상을 강자성체 회로의 극 및 아마추어에 제공하는 것이다.

단일 코일만을 구비하기 때문에, 액추에이터는 종래의 액추에이터와 비교하여 더욱 소형으로 구성될 수 있다. 그 전기 회로 및 제어 구조는 더욱 간단하고 비용이 적게 들어간다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3에 도시한 액추에이터(10)는 엔진의 실린더 헤드(12)에 장착되는 어셈블리로 구성된다. 액추에이터는 적층되고, 도시되지 않은 수단, 예를 들어 스크루에 의해 함께 조립되는 다수의 부품(14)(16)으로 이루어진 하우징을 포함하고 있다. 이들 부품은 비자성체 재료, 예컨대 가벼운 합금으로 만들어진다. 하우징은 비자성체 재료로 만들어지는 쐐기(20)에 의해 실린더 헤드(12) 위에 고정될 수 있다.

액추에이터는 손실을 줄이기 위하여 적층되는 것이 바람직하며 밸브(25)를 구동하기 위한 봉(24) 위에 고정되는 자성체 재료로 된 아마추어(22)를 구비하고 있다. 일반적으로, 다수의 밸브는 나란히 장착되며, 도 1의 평면에 직교하는 방향으로 각각의 액추에이터에 대해 극히 제한된 폭만이 제공된다. 그 결과, 아마추어는 직사각형 형태를 취하게 된다. 아마추어는 부품(16) 내에서는 회전이 불가능하다. 로드(24)는 용접에 의해 아마추어에 고정될 수 있으며, 부품(16)의 환상 연장부에 고정된 링(26)에 의해 안내될 수 있다.

도시한 실시예에 있어서, 밸브(25)의 스템은 로드(24)에서 분리되어 있다. 이것은 실린더 헤드에 고정되어 있는 링에 의해 안내되며, 안에서 자유로이 회전할 수 있다.

폐쇄 위치 및 완전 개방 위치의 중간에 해당하는 휴지 위치에 밸브를 두기 위하여 두 개의 복귀 스프링(28a)(28b)이 제공되어 있다. 이들 가운데 하나의 스프링(28a)은 봉(24)에 고정된 판(30) 사이에서 압축되고, 부품(16)에서 멀리 떨어져 있다. 다른 하나의 스프링(28b)은 밸브 스템에 고정된 판(31)과 실린더 헤드 내에형성된 밸브 웰(well)의 하부 사이에서 압축된다. 상승된 로드 및 폐쇄된 밸브 사이의 간격에 의해 밀봉이 보장된다. 프랑스 특허 제 98/11670 호에 개시된 바와 같이, 액추에이터는 단일 스프링과 함께 사용되어 견인 및 압축 작용을 수행할 수 있고, 밸브가 폐쇄되었을 때 밀봉을 보장하는 탄성 댐퍼가 또한 제공될 수 있다. 그러면 로드는 밸브와 일체로 형성될 수 있다.

하우징은 강자성체 재료(36)로 된 코어를 포함한다. 이 코어는 적층 구조로 된 것이 바람직하고 아마추어 및 강자성 회로를 한정하기 위하여 코어 내에 배치되는 코일(38)과 공동 작용한다. 도시된 코어는 평면(40)(도 2)에서 상호 맞대어지는 두 개의 보완형 부분으로 만들어질 수 있으며, 단일 구조로 구성될 수도 있다. 각각 절반의 코어를 형성하는 적층 구조는 E 형태를 취한다(도 2 및 도 3). 상부 분기 부분(42)은 포머(44)를 통해서 지지되는 코일(36) 내에 결합되어 있다. 각각 절반의 코어의 다른 두 개의 분기 부분은 아마추어의 이동 체적을 한정한다. 아마추어가 체적의 바닥(46)에 놓여 있을 때, 이것은 밸브의 완전 개방 위치를 한정한다. 체적의 꼭대기(48)는 밸브가 폐쇄되었을 때 공기 갭이 사실상 없는 밸브의 시트에 대한 위치에 놓인다. 아마추어(22)의 휴지 위치에 해당하는 중간 노치(49)는 체임버의 안쪽에 제공될 수 있다. 체임버의 길이는 아미추어 두께보다 약간 더 크다. 노치의 위아래에는, 이동 체적의 벽에는 오직 이동에 필요한 간격만이 주어진다. 코어는 단일 구조로 이루어질 수 있고, 자동 기계에 의해 그 둘레에 코일이 감길 수 있어서, 공기 갭의 존재를 피할 수 있고, 노치(49)의 정확도가 보장된다.

도 4에 도시한 변형예에 있어서는, (적층되거나 전기 저항성이 매우 높은 재료로 만들어지는 것이 바람직한) 아마추어(22)가 코어(36)(도 4)의 극에 나란하게 모따기가 된 가장자리를 제공한다. 이러한 배열을 취하게 되면, 아마추어가 그 동작 범위에서는 자기적으로 포화되지 않으며, 코어의 극편의 형상에 따라, 자속은 주로 아마추어를 통과함으로써 폐쇄된다. 휴지 위치에서 시작하여 아마추어(22)가 움직이는 초기 방향을 결정하기 때문에 바람직한 또 다른 변형예에 있어서는, 하부 자속 회로에 대한 상부 자속 회로의 비대칭성이 코어의 상부 및 하부 극 표면(80)(82)에 대한 각기 다른 경사를 제공함으로써 강조된다. 극과 마주보는 아마추어의 표면 각각은 그 극과 나란하게 위치한다.

도 5에 도시한 또 다른 변형예에 있어서, 아마추어(84)는 자기 회로의 비대칭성을 증가시키는 봉의 형태를 취하는 중앙 돌기를 구비한다. 아마추어(22)가 도 5에 도시한 휴지 위치에 있을 때 그리고 자속이 코일(38)에 의해 발생될 때, 자속은 화살표f로 나타낸 바와 같이 돌기(84)를 통과함으로써 폐쇄됨으로써, 공기 갭의 크기가 감소한다. 아마추어가 가장 높은 위치에서 코어에 부착되면, 이 돌기는 단락되어서 부착력을 약화시키지 않는다. 이러한 배열은 휴지 위치에서의 릴럭턴스를 크게 감소시키며, 장치를 쉽게 작동 상태로 설정할 수 있는 용이성을 증가시킨다.

아마추어, 밸브 및 스프링으로 이루어지는 어셈블리는 공명 주파수를 갖는 발진 시스템을 구성한다. 초기 동작 단계에서, 밸브 및 아마추어에 의해 구성되는 이동 장치는 시스템의 공명 주파수에 가까운 주파수에서 코일의 전기 펄스를 인가함으로써 교대로 위아래로 견인된다. 코일(38)은 초기에 공명 주기의 견인에 대응하는 기간 동안 전기를 공급받음으로써 아마추어가 작은 진폭을 통해 움직일 수 있게 된다. 시스템이 비대칭인 경우, 다음의 결과를 얻을 수 있다.

- 노치(49)의 형상이 비대칭이다.

- 아마추어가 비대칭이다.

- 돌기가 존재한다 (도 5).

그러면, 아마추어가 초기에 움직이는 방향이 결정된다.

코일(38)에 의해 운반되는 전류는 장치에 내장된 위치 센서에 의해 아마추어(22)의 위치를 관찰함으로써 제어될 수 있다. 전류 펄스는 힘이 가해질 때 아마추어의 속도가 인가된 힘과 동일한 방향에 있도록 일정하게 코일에 전달된다. 초기의 힘이 비대칭성으로 인하여 주어진 사인으로 이루어지기 때문에 주기마다 한번의 펄스를 인가하는 것으로 충분하다.

도 6은 장치가 기동하는 것을 보인 선도이다. 초기에, 아마추어는 라인(L)에 대응하는 위치에 놓여 있다. 여기서 스프링(28a)(28b)에 의해 인가된 힘은 평형 상태에 놓여 있다. 이 위치는 코일(38)에 의해 생성되는 필드에 의하여 아마추어(22) 상에 가해지는 전자기력이 0이 되는 위치(L')로부터 오프셋된다. 코일(38) 내의 첫 번째 전류 펄스에 의해 아마추어는 멀리 이동하고, 후속하여 공명 주기에서 라인(L')에 의해 표시된 일반적으로 위에 있는 위치로 복귀한다. 발진 진폭은 점진적으로 증가한다. 위치 신호를 추적하면, 항상 연속하는 두 개의 제로 크로싱 사이의 가장 최근의 지속 시간(T)을 알 수 있다. 제로 크로싱 순간과 지속 시간(T)으로부터, 맨 끝의 위치(A)에 도달하는 순간을 추론할 수 있다. 센서에 의해 주어지는후속하는 (라인 L과 교차하는) 제로 크로싱 순간으로부터, 전류를 증가시키기 위하여 전압을 인가하기 위한 최적의 순간을 추론할 수 있다. 인가 시간은 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이 αT 로 주어질 수 있다. 이 주기가 종료되는 시점에서, 제어 전압이 역전되어 전류를 감소시킨다. 전압의 인가 지연 및 전압이 역전되는 순간은 전류가 코일 내에서 빨리 변동할 수 있는 능력의 함수로서 선택될 수 있다. 실제로, 전압은 종종 극값(A)을 통과할 때 직접적으로 인가될 수 있다. 시간 간격 (αT ) 이후의 전압 역전에 의해 속도가 역전되는 극값(B)에 도달하기 전에 전류가 감소될 수 있다. 이동하는 장치가 파손되는 것을 방지하기 위하여 이 순간에 전류는 0으로 복귀하여야 한다.

아미추어가 실린더 헤드에 부착될 수 있도록 이동의 진폭이 이루어질 때까지 프로세스는 계속된다. 그 순간에 이르게 되면, 정상적인 조건에서, 이동하는 장치가 반대 방향으로 이동할 수 있을 때까지 이동하는 장치를 그 극한 위치로 복귀시키고 그 후에 전류를 더욱 낮게 유지하는데 필요한 시간 동안 완전한 파워로 코일에 파워를 공급하기에 충분하다.

도 2에서, 센서(52)는 증폭기(54)를 통해 코일(38)에 공급되는 파워를 제어하는 프로세서(50)에 연결되어 있다. 센서(52)는 하우징(16)에 의해 지지되며, 판(30)의 접근을 검출하기 위하여 아래로 돌출될 수 있다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, 판은 자성체로 만들어진다. 센서(52)에서 나오는 신호에 기초하여, (엔진을 제어하는 프로세서일 수도 있는) 프로세서(50)는 이동하는 장치가 미치는 위치를 결정할 수 있다.

전달되는 신호를 변경함으로써, 센서(52)는 이동하는 장치의 발진의 진폭이 극한 위치에 이르게 되는 순간을 결정할 수 있다. 이 점에서, 본 출원인의 명의로 출원된 프랑스 특허 출원 제 98/12940 호에 개시된 유형의 수단에 의해 제어가 수행될 수 있다.

일반적으로, 제동을 제공하는 자기력을 발생시키는 것을 막기 위하여 코일에 의해 취해지는 전류를 제어하는 운동으로 아마추어를 설정하기 위한 알고리즘과 위치 측정을 연관시킴으로써 최소 시간 길이에서 기동이 이루어질 수 있다.

본 발명은 여러 가지 형태로 실시할 수 있다. 스프링(28a)(28b)은, 하우징의 크기를 줄이기 위하여, 예를 들어 하나 안에 다른 하나를 배치하는 형태로 구성할 수 있다. 각각의 코일은 병렬 상태로 파워를 공급받는 1보다 큰 (예를 들어 2 또는 3) 수(N)의 권선으로 구성될 수 있다. 이 경우, 저항이 N으로 나누어지기 때문에 최대 전체 전류가 증가하며 인덕턴스 또한 N으로 나뉘게 된다.

본 발명에 의하면, 전기 관성은 감소한다. 엔진 시스템의 동적 거동이 향상된다. 감긴 와이어가 파손되어도 장치는 동작을 멈추지 않는다. 다음과 같이 동적 거동이 향상된다. 각각의 권선의 저항이 단일 코일의 저항의 일부인 한 저항에 대한 인덕턴스의 비율은 변하지 않기 때문에 자계가 더욱 신속히 변경될 수 있으며, 최대 전류는 더욱 높아지고, 인덕턴스가 더욱 낮아지기 때문에 동적 응답은 더욱 더 빨라진다.

Claims (12)

1. 밸브의 스템을 구동하기 위한 강자성체 재료로 된 아마추어(22)와, 완전 개방 위치 및 폐쇄 위치 사이의 중간 위치인 휴지 위치에서 밸브를 고정하기 위한 탄성 복귀 수단(28a)(28b)과, 밸브를 양쪽 위치로 이동할 수 있도록 하는 전자 수단을 갖춘 전자 밸브 액추에이터에 있어서,

   전자 수단은 아마추어와 결합하였을 때 각각 작은 공기 갭 또는 0의 공기 갭에 대응하고 하나는 완전 개방된 밸브에 대응하고 다른 하나는 폐쇄된 밸브에 대응하는 두 개의 안정된 자속 경로를 제공할 수 있는 구조로 된 강자성체 회로 상에 장착된 단일 코일(38)을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 강자성체 회로는 작은 공기 갭의 값이 사실상 0이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 강자성체 회로는 상호 맞대어지는 두 부분으로 이루어진 적층 코어(36)로 구성되며, 반쪽 스트로크에서 노치(49)를 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
4. 제3항에 있어서, 코어의 두 개의 반쪽을 구성하는 적층 구조는 상부 분기 부분은 코일(36) 내에 결합되고 하부 분기 부분은 아마추어의 이동 체적을 한정하는E-형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
5. 제4항에 있어서, 체적은 아마추어의 휴지 위치에 대응하는 중간 확대 부분을 제공하는 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
6. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 아마추어 및 밸브로 구성된 장치의 위치를 전송하는 센서(52)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
7. 전술한 항중 어느 한 항에 있어서, 탄성 복귀 수단은 강자성체 회로 내에서 아마추어에 비대칭 위치를 제공할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
8. 전술한 항중 어느 한항에 있어서, 아마추어(22)는 자기 회로 내에 비대칭성을 생성하기 위한 축방향 돌기(84)를 지지하는 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
9. 전술한 항중 어느 한항에 있어서, 강자성체 회로 및 아마추어는 두 개의 안정된 자속 경로에 대한 접촉면이 다른 구조로 된 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
10. 전술한 항중 어느 한항에 있어서, 강자성체 회로는 개방 방향 또는 폐쇄 방향으로 오프셋되어 강자성체 회로를 비대칭 상태로 만들고 아마추어의 초기 이동 방향을 한정하는 중간 노치(49)를 갖춘 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 강자성체 회로는 단일 구조의 코어로 구성되며, 반쪽 스트로크에서 노치(49)를 갖는 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.
12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 코일은 나란하게 N 번 감긴 권선으로 구성되며, N은 1보다 큰 것을 특징으로 하는 전자 밸브 액추에이터.