KR20030064410A - 이동 가능한 코일 장치에 의해 작동하는 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기 도전성 하우징 내에서 순차적으로 배치된 영구 자석 및 극판을 포함하는 자석 실린더 상에서 자기장하를 통해 변위되는 코일 지지체를 포함하는 액츄에이터에 관한 것이다. 본 발명은, 영구 자석(16) 및 극판(17)의 치수가 영구 자석(16)의 단부측 횡단면이 적어도 인접한 극판(17)의 원주면에 상응하고 극판(17)에 속하는 코일(23)의 폭이 코일 지지체(19)의 행정 진폭만큼 극판(17)의 폭에 중첩되도록 서로에 대해 조정되며, 코일 지지체(19)가 유체 매질 내에서 이동 가능하고, 영구 자석(16) 및 해당 극판(17)을 감싸는 자석 실린더 관(15)과 코일 지지체(19) 사이에 존재하는 에어갭(24)의 최대 폭이, 둘레에 존재하는 유체가 변위되지 않고 부품들(15, 19) 사이에 적층형 윤활막이 형성되도록 결정되는 것을 특징으로 한다.

Description

이동 가능한 코일 장치에 의해 작동하는 액츄에이터 {ACTUATOR THAT FUNCTIONS BY MEANS OF A MOVABLE COIL ARRANGEMENT}

전술된 특징으로 갖는 액츄에이터는 미국 특허 제5 345 206호에 개시된다. 이 공지된 액츄에이터는 일측면이 밀폐되고, 전체가 자기 도전성 재료로 이루어진 하우징을 포함하고, 이 하우징 내에는 동작부와 함께 하우징에서 외측으로 이동 가능한 코일 지지체가 움직인다. 공지된 액츄에이터는, 극판이 인접하게 배치된 영구 자석에 비해 좁게 형성되고 코일 지지체 상에 감겨진 코일은 좁은 해당 극판에 비해 그 폭이 현저히 넓다는 것을 특징으로 한다.

이러한 구조에 의해, 공지된 액츄에이터에서는 좁은 극판의 자기 포화로 인해 영구 자석으로부터 이 영구 자석에 중첩되는 코일로 작용하는 누설 영역이 의도적으로 발생되어야 한다. 이로 인해 영구 자석에 의해 제공되는 자속이 코일 지지체의 동작을 발생시키는 유효 자속으로 완전하게 전환될 수 없고, 자계선의 대부분이 에어갭 내에서 극 구간 측방의 더 긴 구간을 통과해야 하며, 이로 인해 더 많은 양의 자석 재료가 요구되는 단점을 감수해야 한다. 누설 자속의 측정을 위해 코일이 해당 극판의 폭을 거의 감싸는 치수로 설계되므로, 상대적으로 많은 양의 코일 재료가 코일 지지체 상에 존재한다. 이로 인해 액츄에이터 작동 시 이동되어야 하는 코일 지지체의 중량이 증가될 뿐만 아니라, 상응하는 권선으로 형성된 코일에 전류가 공급될 때 코일에서 상응하는 강한 열이 발생하는 단점이 존재한다. 코일에서 발생되는 이런 열은 액츄에이터의 열평형을 교란시키고 각 코일 몸체를 상응하게 팽창시키므로, 에어갭의 치수가 변경되고 최대로 가능한 에너지 밀도가 제한되는 결과를 초래한다.

본 발명은, 자기 도전성의 재료로 이루어진 하우징 외피와, 에어갭을 형성하면서 하우징 외피 내에서 이동 가능하고 그 둘레에 감겨 전류가 흐르는 적어도 하나의 코일을 구비하는 코일 지지체와, 에어갭을 형성하면서 코일 지지체에 의해 감싸지고 그 내부에서 축방향으로 순차적으로 배치된 영구 자석 및 자기 도전성 재료로 된 극판을 구비하는 자석 실린더를 포함하며, 코일의 축방향 폭이 이 코일에 속하는 극판의 축방향 길이보다 큰 액츄에이터에 관한 것이다.

도면에는 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예가 도시된다.

도1은 중앙에 배치된 영구 자석 및 외측에 배치된 극판으로 이루어진 자석 모듈을 포함하는 액츄에이터에 대한 개략적 종단면도이다.

도2는 복수의 자석 모듈을 포함하는 도1에 상응하는 액츄에이터의 도면이다.

도3은 추가적으로 배치된 가장자리 자석을 포함하는 도1에 따른 액츄에이터의 종단면도이다.

도4는 도3의 선(IV-IV)을 따른 단면도이다.

도5는 복수의 자석 모듈이 배치된 도3에 따른 액츄에이터의 도면이다.

도6은 양측 개방형 하우징 및 상응하게 배치된 자극편 및 중앙의 극판 및 외측에 배치된 주자석을 포함하는 도3에 따른 액츄에이터의 실시예의 도면이다.

도7은 복수의 주자석 및 극판이 배치된 도6에 따른 액츄에이터의 도면이다.

도8은 코일 지지체에 대한 부분 단면도이다.

이런 단점들로 인해 공지된 액츄에이터는 유체로 충전된 공간에서 사용될 수 없고, 따라서 본 발명의 목적은 유체 공학적 시스템에 사용 가능한 서두에 언급된 특징을 갖는 액츄에이터를 제공하는 것이다. 여기에서 유체 공학적 시스템이란 액츄에이터의 내부 공간이 유체 매질로 충전된 것을 의미한다. 이는 이런 종류의 액츄에이터를 예를 들면 펌핑 매질 내에서 펌프를 직접 구동시키거나 또는 엔진 내에서 인입 밸브 또는 배출 밸브를 직접 제어하도록 사용하기 위한 전제 조건이다.

상기 목적은 본 발명의 바람직한 형태 및 변형을 포함하여, 본 설명에 이어지는 청구범위의 내용을 통해 달성된다.

본 발명의 근본 사상은, 영구 자석 및 극판의 치수가, 영구 자석의 단부측 횡단면이 적어도 인접한 극판의 원주면에 상응하고 극판에 속하는 코일의 폭이 코일 지지체의 행정 진폭만큼 극판의 폭에 중첩되도록 서로에 대해 조정되고, 코일 지지체가 유체 매질 내에서 이동 가능하고, 코일 지지체와 영구 자석 및 해당 극판을 감싸는 자석 실린더 관 사이에 존재하는 에어갭의 최대 폭이, 둘레에 존재하는 유체가 변위되지 않고 부품들 사이에 적층형 윤활막이 조절되도록 결정되는 것이다.

본 발명의 장점은, 극판 구간에서 전제 자속이 기하학적으로 가장 짧은 경로 상에서 방사상으로 자석 실린더 관과 하우징 또는 하우징 외피 사이의 에어갭을 통해 안내됨으로써, 코일 지지체로 힘을 작용하도록 제공되지 않는 누설 자속이 적게 유지되어, 모든 코일 도체에는 최대 자기장하(magnetic loading)가 제공된다. 이는 코일 지지체가 고정된 자석 실린더 관에 대해 축방향 이동하는 전체 과정 중 보장되도록 하기 위해, 본 발명에 따르면, 극판에 속하는 코일의 폭이 코일 지지체의 행정 진폭만큼 극판의 폭에 중첩되는 것이 제안된다. 이를 통해 코일의 팽창이 필요한 정도로 제한되는 한, 바람직한 방식으로 최소한의 자기 인덕턴스 및 낮은 권선 중량을 갖는 코일 장치가 제작될 수 있다.

본 발명에 따라 지양되는 누설 자속은 코일 지지체와 자석 실린더 관 사이의 에어갭의 치수와 밀접한 관계가 있으므로, 유체 매질 내에서 이동 가능한 코일 지지체와 자석 실린더 관 사이에 존재하는 에어갭의 최대 폭이, 둘레에 존재하는 유체가 변위되지 않고 부품들 사이에 적층형 윤활막이 조절되도록 결정되는 것을 통해, 본 발명은 최소한의 에어갭 설정을 제안한다. 따라서 코일 지지체의 자석 실린더 관 상에서의 활주 지지의 형태가 최소한의 마찰 손실을 가지면서 조절되므로, 액츄에이터가 유체 공학적 시스템 내에 특별한 방식으로 투입된다는 점을 참작해야 하며, 유체 내에서 코일 지지체의 축방향 이동을 통해 발생되는, 코일 지지체를 감싸는 유체의 변위가 코일 지지체의 외측면에서 이루어진다. 예를 들면 엔진 내에서 인입 밸브 또는 배출 밸브의 직접 제어 시 본 발명에 따른 액츄에이터가 사용되는 경우, 둘레에 존재하는 연료 오일 혼합물은 윤활막을 형성시킨다. 본 발명에 따른 액츄에이터를 펌프의 직접 구동에 사용하는 경우에도 동일한 사항이 적용되고, 액츄에이터는 윤활막 형성을 일으키는 펌핑 매질 내에 직접 배치될 수 있다. 그러나 펌프 구동 시 액츄에이터가 펌핑 매질로부터 분리되어야 하는 경우, 액츄에이터가 예를 들어 물과 같이 자체의 내부에 충전되는 매질을 통해 운전될 수 있다.

또한 슬리브 형태의 코일 지지체는 방사상 내측으로 돌출되는 스포크(spoke)를 포함하는 말단벽을 갖는 유성형 지지체(star support)를 포함하는 것이 제안될 수 있다.

본 발명에 따른 제1 실시예에서는 유성형 지지체의 중앙에 하우징으로부터 돌출되는 플런저가 동작부로서 연결되는 것이 제안될 수 있다. 이런 종류의 해결 방안은 예를 들어 엔진의 인입 밸브 및 배출 밸브 제어 시 밸브 플런저를 액츄에이터의 플런저와 연결하기 위해 적합할 수 있다. 또한 액츄에이터의 형태와 관련하여, 하우징 외피는 이동 가능한 밀폐형 코일 지지체의 부품 및 자석 실린더 관을 수용하는 하우징이고, 플런저는 개구에서 하우징의 해당 말단벽을 관통하는 것이제안될 수 있다.

본 발명에 따른 액츄에이터가 펌프의 직접 구동에 사용되는 경우, 하우징 외피가 일측 개방형의 이동식 코일 지지체의 부품이고 자석 실린더 관을 수용하는 하우징이며, 하우징의 개방된 말단 측면은 가요성 멤브레인을 통해 차단되고 플런저는 멤브레인을 대항하여 작동하는 것이 제안될 수 있다.

대안으로, 하우징 외피가 일측 개방형의 이동식 코일 지지체의 부품이고 자석 실린더 관을 수용하는 하우징이며, 하우징의 개방된 말단벽은 가요성 멤브레인을 통해 차단되고, 코일 지지체의 해당 말단 측면에는 하우징의 단부측 멤브레인에 대항하여 작동하는 유성형 지지체로서 플레이트가 장착되는 것이 제안될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서는 하우징 외피가 일측 개방형의 이동식 코일 지지체의 부품이고 자석 실린더 관을 수용하는 하우징이며, 하우징의 개방된 양측 말단벽은 가요성 멤브레인을 통해 차단되고, 코일 지지체의 해당 말단벽에는 하우징의 단부측 멤브레인에 대항하여 작동하는 유성형 지지체 및 왕복 운동성 피스톤으로서 플레이트가 장착되는 것이 제안될 수 있다.

액츄에이터의 하우징이 하나 또는 두 개의 멤브레인을 통해 차단되고 펌핑 매질이 이동 가능한 멤브레인에 의해 공급되는 경우, 액츄에이터의 운전에 필요한 유체를 펌핑 매질로부터 분리하기 위해, 하우징 외피 및 단부측 멤브레인에 의해 형성된 하우징의 내부 공간이 물로 충전되는 것이 제안될 수 있다.

특히 코일 지지체의 유성형 지지체 반대측의 하우징 말단벽에 인접한 영구 자석 또는 극편에서 원하지 않는 누설 자속이 설정되면, 전체가 자기 도전성 재료로 이루어진 하우징의 경우, 자석 실린더 관의 단부와 하우징의 말단벽 사이에 자기 비도전성 재료로 된 스페이서가 배치되는 것이 제안된다. 대안으로, 자기 비도전성 재료로 된 하우징 말단벽이 사용되는 것이 제안될 수 있다.

코일 지지체 및 자석 실린더의 기본 모델과 관련하여, 본 발명은 자석 실린더의 중앙에 배치된 영구 자석 및 외측에 배치된 두 개의 극판에 의해 형성된 자석 모듈을 제안하며, 코일 지지체 상의 각 극판의 자석 모듈 내에는 하나의 코일 단편이 배치되고, 자석 모듈의 코일 단편은 서로 역방향으로 감겨지고 서로 기계적 그리고 전기적으로 연결되어, 상호 인덕턴스도 방지된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 액츄에이터의 하우징 외피 내에 단 하나의 자석 모듈이 배치되는 것이 제안된다. 이에 따른 자석 모듈의 컴팩트하고 대칭적인 구조를 통해 본 발명에 따르면 상대적으로 작은 자기 누설 손실로 인해 상대적으로 큰 자속 밀도가 발생되며, 이 자속 밀도는 위에 권취된 코일을 포함하는 코일 지지체의 낮은 관성력으로 인해 신속한 교체 동작 또는 코일 지지체의 신속한 일측 편향을 허용한다. 여기서 코일 단편의 자기 인덕턴스가 약하게 유지되어, 예를 들어 수 천분의 일초만에 몇 밀리미터를 통한 행정 조절이 달성될 수 있도록 신속한 전류 변화가 가능하다.

특히 본 발명에 따른 액츄에이터를 작은 치수로 제작하고자 하는 경우 한편으로는 영구 자석과 극판 다른 한편으로는 극편과 코일 권선의 크기 비율에 대한 본 발명에 따른 치수 관계로 인해 축방향 자석의 길이가 매우 짧을 경우, 사용 목적에 따라 각각의 영구 자석에서 발생되는 인덕턴스가 코일 지지체의 의도하는 동작에 충분하지 않을 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예에서는, 하우징 외피 내에서 복수의 자석 모듈을 축방향으로 직렬로 배치하고, 각 자석 모듈의 영구 자석의 동일한 극이 축방향으로 서로 대향하게 배치되는 것이 제안된다. 또한 각 자석 모듈의 외측에 존재하는 극판이 일체형의 결합 극판과 결합되는 것이 제안될 수 있다.

외측 단부에 존재하는 극판의 구간에서 영구 자석과 극판을 자석 실린더 관 내에 교호식으로 배치하는 경우 내측에 존재하는 영구 자석에서 발생하는 자속이 극판 내에서 극판을 덮는 코일 방향으로 완전하게 편향되지 않음으로써 누설 손실이 발생되면, 본 발명의 실시예에 따르면 외측에 존재하는 자석 모듈 또는 자석 모듈들의 극판을 통해 형성된 자석 실린더 관 단부에는 각각 자체의 강도로 자석 실린더 관의 단부에서 발생하는 자기 누설 자속을 보상하도록 조정된 가장자리 자석이 각각 배치되며, 자기 도전성의 재료로 이루어진 하우징 외피와 결합되어, 가장자리 자석에서 발생하는 자속은 가장자리 자석과 결합된 하우징을 통해 폐쇄되는 것이 제안된다. 가장자리 자석은 해당 극판의 구간에서만 누설 손실을 보상하기 때문에, 이 가장자리 자석은 자석 지지체 내에 각각 배치된 주자석 또는 주자석들과 동일한 축방향 치수를 가질 필요가 없다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 모든 동일 유형의 액츄에이터에 대한 가장자리 자석 및 자극편(claw pole)의 배치 방법이 자석 실린더의 구조와는 무관하게, 즉 자석 실린더 관의 장착 여부와는 무관하게 제안된다.

본 발명의 한 실시예에 따라 밀폐된 하우징 측에서 자석 실린더 관의 내측가장자리 자석이 자기 도전성 재질로 이루어진 하우징 말단벽에 접하는 경우, 플런저의 구간에서 일측으로 개방된 하우징이 제공된다.

플런저 구간에서 개방된 하우징 측에서도 이러한 누설 손실을 보상할 수 있도록, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 하우징이 자체의 개방된 말단 측면에서, 방사상 내측으로 돌출되고 코일 지지체의 유성형 지지체의 스포크 사이에서 축방향으로 고정하고 자석 실린더 또는 자석 실린더 관의 해당 가장자리 자석과 자기적으로 부착 결합되는 자기 도전성 재료의 자극편을 포함하는 것이 제안된다. 이로써 자기 도전성의 하우징 또는 자극편과 자석 실린더의 가장자리 자석 사이에 설정되는 자석 실린더 또는 자석 실린더 관의 자속으로 인해 하우징에는 고정 부재가 견고하게 고정되는 바람직한 장점을 얻을 수 있다. 여기서 큰 외부 힘에 의해 하우징 내에서 자석 실린더 또는 자석 실린더 관의 위치가 거의 변경되지 않을 정도의 자석 고정력이 발생한다.

하우징 내에서 자석 실린더 또는 자석 실린더 관을 이런 방식으로 고정함으로써 본 발명에 따른 한 실시예에서는 하우징 외피의 양측 단부에 형성된 자극편을 포함하는 양측 개방형 하우징 외피를 형성하는 것이 가능하며, 하우징 외피 내에서 이동 가능한 코일 지지체가 양측 말단 측면에서 유성형 지지체에서 돌출되는 플런저를 포함하는 각각 하나의 유성형 지지체를 포함할 수 있다.

더욱 상세하게 설명하면, 자극편은 유성형 지지체의 스포크 사이에 존재하는 틈새 형태에 맞게 형성되는 것이 제안될 수 있다.

하우징 내에서 자석 실린더 또는 자석 실린더 관을 고정함으로써, 밸브 기동시 유체 공학적 시스템 내에 장착된 밸브와 액츄에이터가 연동할 때 비틀림 응력이 플런저 상으로 그리고 이에 따라 유성형 지지체를 통해 코일 지지체 상으로 전달될 수 있는 경우, 자극편이 유성형 지지체와 플런저 사이에서 비틀림 방지 기능을 하는 방법이 제안된다. 고정된 자극편과 코일 지지체 사이의 표면 접촉 마찰이 코일 지지체 이동 시 방지되도록, 본 발명의 한 실시예에서는, 적어도 하나의 자극편이 유성형 지지체의 해당 스포크에 대항하여 예를 들어 라인형 또는 융기부 형태로 접촉하는 돌기부를 포함하여, 표면 마찰이 방지되고 단지 점마찰 또는 선형 마찰만이 허용되는 것이 제안될 수 있다. 이에 상응하게 돌기부는 스포크에 형성될 수 있고 자극편에 접촉할 수도 있다.

또한, 자극편 및/또는 자극편과 하우징 사이 또는 양측 자극편 사이에 고정된 자석 실린더 또는 자석 실린더 관이 위치 측정 시스템의 센서를 하우징에 고정하기 위한 홀더를 형성하여, 위치 측정 시스템의 측정 결과가 센서의 지지체의 왜곡적 이동으로 인해 왜곡되는 것이 방지된다.

본 발명의 한 실시예에서는, 자석 모듈이 자석 실린더 관 내에서 중앙에 배치된 극판 및 외부에 각각 배치된 두 개의 영구 자석에 의해 형성되도록 자석 모듈 또는 복수의 자석 모듈들의 구조가 설계될 수 있고, 영구 자석의 동일한 극이 축방향으로 대향되고 코일 지지체에는 중앙에 배치된 극판에 속하는 코일이 감긴다. 이를 통해, 자석 실린더 관의 외측 단부에 배치된 영구 자석은 동시에 가장자리 자석으로서 작용하고 이에 따라 자석 실린더 관을 자극편과 하우징 사이 또는 하우징에 고정된 양측 자극편 사이에 직접 고정하는 것이 가능하게 되는 장점이 주어진다. 또한 이런 구조는 가장자리 자석을 추가적으로 배치하는 형태와 비교하여, 동일한 자력을 기준으로 자석의 수를 감소시킬 수 있다는 유리한 방법을 제공한다. 본 발명의 한 실시예에서는 외측에 배치된 두 개의 영구 자석 사이에도 교호식으로 배치되는 복수의 극판 및 영구 자석이 배치될 수도 있다.

본 발명의 한 실시예에서는, 코일 지지체의 유성형 지지체와 자석 실린더 관의 말단측 단부 사이에 초기 응력이 가해진 스프링이 플런저가 액츄에이터와 연결된 밸브와 연결된 위치에서 플런저를 이동시키기 위해 배치되는 것이 제안될 수 있다.

코일 지지체와 이 상부에 감겨진 코일의 형성과 관련하여, 예를 들어 합성수지, 직물 적층물 또는 세라믹과 같은 전기 비전도성 재료로 이루어진 코일 지지체는 각 코일이 감기는 코일 수용을 위한 홈을 포함하는 것이 제안될 수 있다. 또한 본 발명의 한 실시예에서는, 코일 지지체의 홈에 감긴 코일에 보호층이 적층되어, 코일이 제공된 코일 지지체는 각각 매끄러운 표면을 갖는 것이 제안된다. 코일 지지체를 이런 형태로 형성함으로써 한편으로는 코일 지지체와 자석 실린더 관 사이 다른 한편으로는 코일 지지체와 하우징 외피 사이에서 매우 작은 에어갭이 구현될 수 있다.

마지막으로 본 발명의 한 실시예에서는, 하우징 외피의 내측 상에서 그 종방향으로 진행되는 홈이 하우징 외피 내에서 코일 지지체가 축방향으로 이동할 때 압착되는 유체를 통과시키기 위해 배치되는 것이 제안된다. 이를 통해 코일 지지체가 자체를 둘러싼 유체 내에서 이동할 때 이 유체에서 압착력이 발생함에도 불구하고 코일 지지체와 하우징 외피 사이에서 작은 에어갭이 구현될 수 있다. 경우에 따라 상응하는 홈이 코일 지지체의 외측 원주에도 제공될 수 있다.

도1에서 개략적으로 도시된 액츄에이터는 외측 하우징 외피(11)가 자기 도전성 재질로 이루어진 하우징(10)을 포함한다. 하우징(10)의 밀폐된 말단 측면(12)은 차후에 설명되는 바와 같이 다른 재질, 즉 자기 비도전성의 재료로 이루어지고, 대향측 말단 측면(13)은 자기 도전성 재료로 이루어지고 중앙 홈(14)을 포함한다.

하우징(10)의 내부에는 원통형의 자석 실린더 관(15)이 배치되며, 일측면에서 하우징(10)의 밀폐된 말단 측면(12)과 결합된다. 자석 실린더 관(15)은 자기 비도전성 재질로 이루어진다. 이 자석 실린더 관의 내측 중앙에는 영구 자석(16)이 배치되며, 이 영구 자석의 양측 말단 측면에는 각각 하나의 극판(17)이 위치된다. 하우징(10)의 밀폐된 말단 측면(12)에 인접한 극판(17)과 상술된 말단 측면(12) 사이에는 추가적으로 자기 비도전성 재료의 스페이서(18)가 배치되고, 이 스페이서는 영구 자석(16) 및 극판(17)에 대한 아직 설명되지 않은 기하학적 형태를 고려하여 아직 설명되지 않은 코일 지지체에 충분한 동작 여유 공간을 제공하는 목적을 갖는다.

자석 실린더 관(15)과 외측 하우징 외피(11) 사이에 존재하는 환형 공간에는 예를 들어 합성 수지, 직물 적층물 또는 세라믹과 같은 자기 및 전기 비전도성의 재료로 이루어진 슬리브 형태의 코일 지지체(19)가 축방향으로 이동 가능하게 배치되고, 자석 실린더 관(15)과 코일 지지체(19) 사이에는 에어갭(24)이 배치되고 코일 지지체(19)와 외측 하우징 외피(11) 사이에는 에어갭(25)이 배치된다. 하우징의 밀폐된 말단 측면(12)의 반대측에는 방사상 내측으로 돌출되는 스포크(21)로 형성된 유성형 지지체(20)를 포함하는 코일 지지체가 제공되며, 유성형 지지체(20)의 중앙에는 하우징(10)의 말단 측면(13)의 홈(14)을 통해 돌출된 플런저(22)가 축방향으로 배치되고 유성형 지지체(20)와 결합된다.

도1에는 단지 개략적으로 도시되고 도8에는 더욱 명확하게 도시된 바와 같이, 도1에 도시된 실시예에서는 코일 지지체(19) 상에 바람직하게는 구리 와이어또는 알루미늄 와이어와 같은 적합한 재료로 이루어진 두 개의 코일(23)이 감기며, 코일(23)은 축방향에서 극판(17)을 각각 피개하고 서로 역방향으로 감겨져 있다.

본 발명에 따른 액츄에이터에서 요구되는 높은 활동성(dynamic)을 위해, 한편으로는 코일(23)이 가능한 한 작은 자기 인덕턴스 및 작은 권선 중량을 가져야 하고, 다른 한편으로는 영구 자석(16)에서 시작되는 자속이 극판(17)의 구간에서 자석 실린더 관(15)과 코일 지지체(19) 사이의 에어갭(24)을 통해 가능한 한 방사상으로 안내되어, 코일 지지체의 전체 축방향 동작 기간 중 코일 지지체(19) 상에 위치되는 코일(23)에 최대 자기장하가 제공되는 것이 중요하다. 자력 형성에 기여하지 않는 누설 자속을 가능한 한 작게 유지하기 위해, 짧은 자석 길이 및 좁은 에어갭이 달성되어야 한다. 개략적으로 도시된 도1에서는 인식할 수 없는 이런 이유로 인해, 영구 자석(16)과 극판(17)의 치수는, 영구 자석의 말단측 횡단면이 적어도 각 극판의 원주면과 일치하도록 서로에 대해 조정된다. 축방향의 자석 길이 및 극판(17)의 축방향 길이가 영구 자석(16)의 직경의 대략 절반에 해당하는 경우, 이런 상호적 치수 조절이 이루어진 것으로 간주된다. 본 발명의 사상 범위 내에서 보다 더 긴 극판도 허용된다. 또한 양측 코일(23) 각각은 코일 지지체(19)의 행정 진폭만큼 해당 극판(17)의 폭에 중첩되고, 이에 따라 코일 지지체(19)의 전체 동작 진행 중 가능한 최대 자력이 구현된다. 양측 코일(23)은 코일 지지체(19)의 비도전성 이격부(30)를 통해 축방향에서 공간적으로 서로 분리되지만, 권선 와이어를 통해 서로 전기적으로 연결된다. 양측 코일(23)이 서로 역방향으로 감겨져 있기 때문에, 상호 인덕턴스가 방지된다.

활용할 수 없는 누설 자속을 방지하고 자석 실린더 관(15)과 코일 지지체(19) 사이에 형성되는 에어갭(24)을 작게 유지하기 위해, 에어갭(24)의 최대 폭은, 부품(15, 19)들 사이에는 코일 지지체(19) 또는 자석 실린더 관을 둘러싸는 유체가 침투하지 않고 적층형 윤활막이 설정되도록 결정되어야 한다.

하우징(10) 내에 배치된 전술된 구조의 자석 모듈을 포함하는 도1에 도시된 액츄에이터 구조에서, 영구 자석(16)은 자석 실린더 관(15)과 하우징 외피(11) 사이에 존재하는 전체 에어갭(24, 25)의 코일(23) 구간에서 방사상을 기준으로 내측으로부터 외측으로 배향된 균일한 자기장을 발생시키고, 이 자기장은 자속 방향(31)을 따라 자기 도전성 환형 하우징 외피(11) 상에 형성될 수 있다. 직류가 흐르는 코일(23)은 균일한 자기장 내에서 양측 코일(23)의 권취수, 코일 전류 및 자기장하에 비례하는 자력에 의해 자기장 방향에 대해 횡방향으로 변위된다. 이를 위해 이동 가능한 코일 지지체(19) 상에 배치된 코일(23)에 전류가 도면에는 도시되지 않은 큰 가요성 케이블을 통해 공급된다. 코일 지지체(23)의 변위 및 이에 따른 플런저(22)의 축방향 이동은 전류가 흐르는 도체, 즉 코일(23)이 가지장 내에 존재할 때까지 진행된다. 전류의 전환이 이루어진 경우, 코일 지지체(19)의 이동 방향도 역전되어, 코일 지지체(19) 또는 이 코일 지지체에 의해 지지되는 플런저(22)가 화살표(32)에 상응하게 왕복 운동을 할 수 있다. 도1에 도시된 장치에는 자기 측력이 존재하지 않기 때문에, 추가적으로 지지하지 않고도 코일 지지체(19)의 적층형 윤활막 상에 에어갭(24)의 세팅을 통해 하우징(10)의 홈(14)에서 안내될 수 있고, 이는 특별한 운전 장점으로 평가될 수 있다.

도2에 도시된 실시예가 도1에 도시된 실시예와 다른 점으로서, 중앙의 영구 자석(16) 및 외측 극판(17)을 포함하는 도1에 따른 자석 모듈이 자석 실린더 관(15) 내에 순차적으로 배치되고, 도2에 따른 실시예에서는 각각 이격 배치된 영구 자석(16)에 속하는 양측 극판(17)이 이로 인해 더 넓은 하나의 극판으로 형성되고, 상기 더 넓은 극판(17)에 속하는 코일(23)의 치수도 코일 지지체의 행정 진폭에 상응하는 중첩 길이를 더한 폭에 상응하게 확대된다.

도3에 도시된 실시예는 구조면에서 도1의 실시예와 동일하나, 도3에 따른 실시예에서는 자석 실린더 관(15)의 외측 단부에 각각 하나의 가장자리 자석(26)이 추가적으로 배치되고, 이 가장자리 자석의 자계 강도는 자석 실린더 관(15)의 단부에서 발생하는 자기 누설 자속을 보상하도록 조정되어, 이 누설 자속이 가장자리 자석(26)의 자속을 통해 보상된다. 따라서 가장자리 자석의 설계와 관련하여 영구 자석(16)과 해당 극판(17)의 크기에 대한 비율 관계가 적용되지 않는다. 가장자리 자석(26)이 효과를 발휘하기 위해, 이 가장자리 자석이 자기 도전성의 재료로 이루어진 하우징(10)에 연결되어, 상응하는 자속이 설정될 수 있어야 한다. 이는 자석 실린더 관(15)의 플런저(22) 반대측에서, 이와 관련된 하우징(10)의 말단 측면(12) 및 상응하게 배치된 스페이서(18)를 자기 도전성 재질로 제작함으로써 구현된다.

말단벽(12)의 대향측 말단 측면(13)에는 여기에 배치된 가장자리 자석(26)에 자기 도전성으로 결합시키기 위해, 방사상의 내측으로 돌출되는 자기 도전성 홀더(27)와 이 홀더에 축방향으로 고정된 자극편(28)이 장착되며, 이 자극편(28)은 코일 지지체(19)의 유성형 지지체(20)의 스포크(21) 사이에서 고정되고 (도4) 자석실린더 관(15)의 외측 가장자리 자석(26)과 접한다. 자기 도전성 홀더(27)는, 예를 들어 하우징 외피(11)와 결합되고 둘레를 감싸고 자극편이 시작되는 원판으로 형성될 수도 있다. 따라서, 설정되는 자력으로 인해 자석 실린더(15)가 한편으로는 하우징(10)의 말단벽(12), 다른 한편으로는 하우징(10)의 부품을 형성하는 자극편(28)과 견고하게 결합되어, 더 큰 힘의 영향에 저항할 수 있는 안정적인 구조물이 형성된다. 이런 이유에서 특히 자극편(28)은 코일 지지체(19)의 유성형 지지체(20)가 플런저(22)에 대해 비틀리는 것을 방지하는 장치를 형성하거나 또는 위치 센서를 위한 홀더로서 기능하기에 적합하다.

도5에 도시된 바와 같이, 도3 및 도4에 도시된 본 발명에 따른 액츄에이터의 실시예 중 하나의 실시예에서는 자석 실린더 관(15) 내에 영구 자석(16) 및 극판(17)을 순차적으로 배치하고 상응하는 가장자리 자석(26)을 장착하는 것이 가능하다.

도3 및 도4에 도시된 액츄에이터의 장점을 활용하기 위한 다른 방법은 도6에 도시되고, 이 실시예에서는 하우징(10)이 양측으로 개방되고 이에 상응하게 양측에 자극편(28)이 배치되어, 상응하게 양측 말단 측면에서 유성형 지지체(20)를 통해 양측에서 하우징(10)으로부터 돌출되는 플런저(22)가 코일 지지체(19)에 장착될 수 있다. 이로써, 연결된 장치를 하우징(10) 내의 코일 지지체(19)의 양측 동작 방향으로 작동시킬 수 있다. 자석 실린더 관(15)이 하우징의 양측에 고정된 자극편(28)을 통해 다시 견고하게 고정되기 때문에, 양측 플런저(22)를 통한 양측 작동이 방해받지 않고 자석 실린더 관(15)을 양측에서 고정하는 것이 가능하다.도6에 도시된 실시예와 도3 또는 도5에 도시된 실시예의 차이점으로, 도6에 따른 실시예에서 극판(17)이 중앙에 배치되며, 이 극판의 양측면에는 자석 실린더 관(15) 내에 각각 하나의 영구 자석(16)이 위치된다. 이 외측에 배치된 영구 자석(16)은 동시에 도3 및 도5에 따른 실시예에 장착되는 가장자리 자석의 기능을 수행하므로, 통상적으로 동일한 자력이 요구되는 경우 이 가장자리 자석을 사용할 필요가 없다. 따라서 자석 재료를 절약할 수 있다. 도7에 도시된 바와 같이, 이러한 구조는 복수의 극판(17) 및 영구 자석(16)이 순차적으로 배치된다.

마지막으로, 도8에는 코일 지지체(19)의 배치 방법이 예로서 도시된다. 여기에 도시된 실시예에서는 코일(23)을 수용하기 위해 코일 지지체(19)의 외측 표면에 홈(35)이 형성되며, 이 홈에 코일(23)이 감긴다. 그 다음 홈(35) 또는 코일(23)은 보호층(36)으로 코팅 또는 도포되므로, 코일 지지체(19)에 적합한 매끈한 외부 둘레면이 형성되고, 좁은 에어갭(24, 25)의 설정이 가능하다.

전술된 설명, 청구범위, 요약서 및 도면에 개시된 특허 대상의 특징은 개별적으로 뿐만 아니라 임의의 조합으로도 본 발명을 여러 실시예로 구현하기 위해 활용될 수 있다.

Claims (30)

1. 자기 도전성의 재료로 이루어진 하우징 외피와, 에어갭을 형성하면서 하우징 외피 내에서 이동 가능하고 그 둘레에 감겨 전류가 흐르는 적어도 하나의 코일을 구비하는 코일 지지체와, 에어갭을 형성하면서 코일 지지체에 의해 감싸지고 그 내부에서 축방향으로 순차적으로 배치된 영구 자석 및 자기 도전성 재료로 된 극판을 구비하는 자석 실린더를 포함하며, 코일의 축방향 폭이 이 코일에 속하는 극판의 축방향 연장부보다 큰 액츄에이터에 있어서,

   영구 자석(16) 및 극판(17)의 치수는 영구 자석(16)의 단부측 횡단면이 적어도 인접한 극판(17)의 원주면에 상응하고 극판(17)에 속하는 코일(23)의 폭이 코일 지지체(19)의 행정 진폭만큼 극판(17)의 폭에 중첩되도록 서로에 대해 조정되며, 코일 지지체(19)는 유체 매질 내에서 이동 가능하고, 영구 자석(16) 및 해당 극판(17)을 감싸는 자석 실린더 관(15)과 코일 지지체(19) 사이에 존재하는 에어갭(24)의 최대 폭이, 둘레에 존재하는 유체가 변위되지 않고 부품들(15, 19) 사이에 적층형 윤활막이 형성되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
2. 제1항에 있어서, 슬리브 형태의 코일 지지체(19)의 일 말단 측면에는 방사상 내측으로 돌출되는 스포크(21)를 포함하는 유성형 지지체(20)가 제공되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
3. 제2항에 있어서, 유성형 지지체(20)의 중앙에는 하우징(10)으로부터 돌출되는 플런저(22)가 동작부로서 연결되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
4. 제3항에 있어서, 하우징 외피(11)가 이동 가능한 밀폐식 코일 지지체(19)의 부품이고 자석 실린더 관(15)을 수용하는 하우징(10)이며, 플런저(22)가 홈(14)에서 하우징(10)의 해당 말단벽(13)을 관통하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
5. 제3항에 있어서, 하우징 외피(11)가 이동 가능한 일측 개방형 코일 지지체(19)의 부품이고 자석 실린더 관(15)을 수용하는 하우징(10)이며, 하우징(10)의 개방된 말단 측면은 가요성 멤브레인을 통해 차단되고 플런저(22)가 이 멤브레인을 대항하여 작동되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
6. 제2항에 있어서, 하우징 외피(11)가 이동 가능한 일측 개방형 코일 지지체(19)의 부품이고 자석 실린더 관(15)을 수용하는 하우징(10)이며, 하우징(10)의 개방된 말단 측면은 가요성 멤브레인을 통해 차단되고, 코일 지지체의 해당 말단 측면에는 하우징의 단부측 멤브레인을 대항하여 작동되는 플레이트가 유성형 지지체로서 제공되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
7. 제2항에 있어서, 하우징 외피(11)가 이동 가능한 양측 개방형 코일 지지체(19)의 부품이고 자석 실린더 관(15)을 수용하는 하우징(10)이며, 하우징의개방된 양측 말단 측면은 가요성 멤브레인을 통해 차단되고, 코일 지지체(19)의 양측 말단 측면에는 하우징(10)의 단부측 멤브레인을 대항하여 작동되는 플레이트가 유성형 지지체로서 제공되고 왕복 운동 가능한 피스톤으로 형성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 하우징 외피(11) 및 단부측 멤브레인에 의해 형성된 하우징(10) 내부 공간은 물로 충전되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(10)의 코일 지지체(19)의 유성형 지지체(20) 반대측 말단벽(12)이 자기 도전성 재료로 이루어지고, 자석 실린더 관(15)의 말단벽(12) 대향측 단부에는 자기 비도전성 재료로 이루어진 스페이서(18)가 배치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
10. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(10)의 말단벽(12)이 자기 비도전성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 자석 모듈은 자석 실린더 관(15)의 중앙에 배치된 영구 자석(16) 및 외측에 배치된 두 개의 극판(17)에 의해 형성되고, 각 극판(17)의 자석 모듈 내에서 코일 지지체(19) 상에는 코일(23)이 배치되며, 자석 모듈의 코일(23)은 서로 역방향으로 감기고 서로 기계적 그리고 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
12. 제11항에 있어서, 자석 모듈이 하우징 외피(11) 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
13. 제11항에 있어서, 복수의 자석 모듈이 하우징 외피(11) 내에 축방향으로 순차적으로 배치되며, 각 자석 모듈의 영구 자석(16)의 동일한 극이 축방향으로 대향 배치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
14. 제13항에 있어서, 각 자석 모듈의 외측 극판(17)이 일체형 결합 극판으로 결합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 자석 모듈 또는 자석 모듈들의 외측 극판(17)을 통해 형성된 자석 실린더 관(15) 단부에는 각각 자체의 강도로 자석 실린더 관(15)의 단부에서 발생되는 자기 누설 자속을 보상하도록 조정된 가장자리 자석(26)이 배치되며, 자기 도전성의 재료로 이루어진 하우징 외피(11)와 결합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
16. 자기 도전성의 재료로 이루어진 하우징 외피와, 에어갭을 형성하면서 하우징 외피 내에서 이동 가능하고 그 둘레에 감겨 전류가 흐르는 적어도 하나의 코일을구비하는 코일 지지체와, 에어갭을 형성하면서 코일 지지체에 의해 감싸지고 그 내부에서 축방향으로 순차적으로 배치된 영구 자석 및 자기 도전성 재료의 극판을 구비하는 자석 실린더를 포함하며, 코일의 축방향 폭이 이 코일에 속하는 극판의 축방향 연장부보다 큰 액츄에이터에 있어서,

    외측에 배치된 두 개의 극판(17) 사이의 중앙에 배치된 영구 자석(16)으로 이루어진 자석 모듈 또는 복수의 자석 모듈들의 외측 극판(17)을 통해 형성된 자석 실린더 관 단부에는 각각 자체의 강도로 자석 실린더의 단부에서 발생되는 자기 누설 자속을 보상하도록 조정된 가장자리 자석(26)이 배치되며, 자기 도전성의 재료로 이루어진 하우징 외피(11)와 결합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 플런저(22)의 구간에서 일측으로 개방된 하우징(10)에서 밀폐된 하우징측에 배치된, 자석 실린더 관(15)의 내측 가장자리 자석(26)이 자기 도전성 재료로 이루어진, 하우징(10)의 말단벽(12)에 접하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징(10)은 자체의 개방된 말단 측면(13)에서, 방사상 내측으로 돌출되고 코일 지지체(19)의 유성형 지지체(20)의 스포크(21) 사이에서 축방향으로 고정되고 자석 실린더 관(15)의 해당 가장자리 자석(26)과 자기적으로 부착 결합되는 자기 도전성 재질의 자극편(28)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징 외피(11)는 자체의 양측 단부에 형성된 자극편(28)에 의해 양측에서 개방된 형태로 형성되고, 하우징 외피(11) 내에서 이동 가능한 코일 지지체(19)가 양측 말단 측면에서 각각 유성형 지지체로부터 돌출되는 플런저(22)를 구비하는 유성형 지지체(20)를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 자극편(19)이 유성형 지지체(20)의 스포크(21) 사이에 위치되는 틈새에 맞게 형성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
21. 제18항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 자극편(28)이 유성형 지지체(20)와 플런저(22) 사이에서 비틀림 방지 기능을 하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
22. 제21항에 있어서, 적어도 하나의 자극편(28)이 유성형 지지체(20)의 해당 스포크(21)에 접하는 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
23. 제21항에 있어서, 유성형 지지체(20)의 적어도 하나의 스포크(21)가 해당 자극편(28)에 접하는 돌기부를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
24. 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 자극편(28) 및/또는 자석 실린더 관(15)이 위치 측정 시스템의 센서를 위한 홀더를 형성하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 자석 모듈이 자석 실린더 관(15)의 중앙에 배치된 극판(17) 및 외측에 각각 배치된 두 개의 영구 자석(16)에 의해 형성되며, 영구 자석(16)의 동일한 극이 축방향으로 대향 배치되고 코일 지지체(19) 상에는 중앙에 배치된 극판(17)에 속하는 코일(23)이 감기는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
26. 제25항에 있어서, 외측에 배치된 두 개의 영구 자석(16) 사이에는 극판(17) 및 영구 자석(16)이 교호식으로 순차적 배치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
27. 제18항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 코일 지지체(19)의 유성형 지지체(20)와 자석 실린더 관(15)의 말단측 단부 사이에 초기 응력이 가해진 스프링이 플런저가 액츄에이터와 연결된 밸브와의 연결 위치에서 플런저(22)를 이동시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
28. 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 코일 지지체(19)가 코일(23)의수용을 위한 홈(35)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
29. 제28항에 있어서, 코일 지지체(19)의 홈(35)에 감긴 코일(23)에 보호층(36)이 중첩 형성되어, 코일(23)이 제공된 코일 지지체(19)가 매끄러운 둘레 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.
30. 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 하우징 외피(11)의 내측 상에서 그 종방향으로 진행되는 홈이 코일 지지체(19)의 축방향 이동 시 하우징 외피(11)로 압착되는 유체의 누설을 위해 배치되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터.