KR20060008922A - 전자기 밸브 액추에이터 - Google Patents

Abstract

전자기 액추에이터가 개시되며, 회전자(R, 157)가 고정자와 연동되는 적어도 하나의 권선부(130)를 통해 전류가 흐르도록 함으로써 자화될 수 있는 고정자(90, 266)에서 회전된다. 회전자(R, 157)는 적어도 2개의 안정한 안착 위치들을 갖고, 그 각각은 스프핑 및 회전자상에 작용하는 자력의 조합에 의해 규정된다. 스프링 수단(86, 226)은 회전자의 운동 부분 동안 에너지를 저장하고 그 순차적인 이동 동안 회전자를 가속시키기 위한 운동 에너지를 제공한다. 자기 토크는 안착 위치에 회전자를 유지시키는 자력을 극복하기에 충분한 적어도 하나의 권선부(130)에 전류가 흐를 때 회전자상에서 발생된다. 상기 회전자는 기계적 결합부(40, 234)에 의해 쓰러스트 부재(72, 262)에 연결되며 회전자의 회전 운동은 실질적으로 선형 운동으로 변환된다. 결합부(40)는 회전자의 회전 동안 미리 결정된 방식으로 가변되는 기계적 확대율을 갖는다. 일 실시예에서 회전자는 360°만큼 연속적으로 회전할 수 있다. 다른 실시예에서 회전자(R, 157)는 2개의 안정한 안착 위치만을 갖고 제 1 스프링(226)은 하나의 안착 위치를 향한 회전자의 이동 동안 에너지를 저장하고 제 2 스프링(236)은 다른 안착 위치를 향해 회전자가 회전함에 따라 에너지를 저장한다. 기계적 확대율 프로파일은 하나의 안착 위치 근처에서 회전자의 각 운동이 실질적으로 쓰러스트 부재(70, 262)의 선형 운동을 초래하지 않도록 한다. 이는 회전자와 쓰러스트 부재 사이의 로스트 모션 커넥션에 의해 달성되고, 상기 로스트 모션은 회전자의 회전의 일부 동안 발생된다. 액추에이터는 내부 연소 엔 진의 밸브(70, 260)를 개폐시키는데 사용될 수 있다.

Description

전자기 밸브 액추에이터{ELECTROMAGNETIC VALVE ACTUATOR}

본 발명은 자기 액추에이터들에 관한 것으로서, 특히 전자기적으로 트리거링되는 장치들에 관한 것이다. 본 발명은 특히 포핏(poppet) 밸브를 개폐하기 위한 장치에 사용된다.

포핏 밸브들은 유체들의 흐름을 제어하는데 사용되고, 예를 들어 고온 및 고압을 갖는 공세적인 유체들을 제어 및 밀봉하는 로버스트(robust) 방법을 제공하는 것으로 입증되었다. 특히 포핏 밸브들은 일반적으로 상기 밸브들을 폐쇄시키는 방식으로 작용하는 스프링들을 극복하도록 작용하는 캠(cam)들을 회전시킴으로써 동작되고, 내부 연소 엔진의 연소실들로부터 연소 제품들의 출구로의 기류 또는 공기 및 연료 혼합물들을 제어하는데 사용되어 왔다.

캠 프로파일의 주의깊은 선택에 의해, 밸브 마개(closure)가 개폐 위치들 사이에서 이동하는 방식 및 속도에서 그 반대로 상기 밸브가 실제로 개폐되는 회수와는 별개로 밸브 시트(seat)로 근접되는 방식에 있어서 작은 변화들을 줄 수 있다. 이러한 상기 마개의 운동 패턴은 밸브 운동 프로파일로서 언급될 것이다.

캠들이 엔진에 의해 회전되면, 하나의 엔진 속도 또는 부하(loading)와 다른 엔진 속도 또는 부하 사이에서 밸브 운동 프로파일을 변경하는 것은 일반적으로 불 가능하다. 그러나, 상이한 밸브 운동 프로파일이 상이한 속도들 또는 부하들에서 사용되는 경우 더 큰 효율성이 달성될 수 있다는 것이 오랜기간 인식되어 왔다. 기계적으로 구동되는 캠들이 고정된 캠 프로파일들과 연동된다면, 고정된 캠 프로파일들은 예상 범위의 엔진 속도들 및 부하들에 대해 가장 절충된 밸브 운동 프로파일을 제공하도록 선택되어야 한다.

개구상에 및 그 다른 이동 부분들에서 상기 밸브 마개의 고속 운동을 제공하면서, 상기 마개상에 밸브 안착시 충돌 스트레스를 감소시키기 위해 상기 밸브 마개의 랜딩 속도가 밸브의 최대 속도의 작은 부분임을 보장하도록 캠 프로파일을 규정하는 것이 통상 수행된다.

고속에서 엔진을 가동시킬 때, 높은 레벨들의 가속 및 감속으로 포핏 밸브들을 동작시킬 필요성이 있으며, 푸시-로드(push-rod)들, 캠들 또는 스프링들에 의해 생성되는 힘들은 엔진이 가동될 수 있는 속도를 제한하는 요소임이 발견된다.

입구의 개폐 및 내부 연소 엔진의 배기 밸브들을 보다 양호하게 제어하고 특히 상이한 동작 속도들에서 밸브 운동 프로파일을 가변시키는 시도로서, 컴퓨터 제어되는 엔진 관리 시스템으로부터의 전류에 의해 구동되는 전자기 솔레노이드 액추에이터들로 상기 캠들을 대체하는 것이 이미 제안되어 왔다. 그러나, 그 결과물들은 만족스럽지 못했다. 따라서, 고속들로 상기 밸브들을 개폐시키도록 사용될 때, 솔레노이드 액추에이터들은 높은 랜딩 속도들을 형성하는 것이 발견되었으며, 제어 시스템들은 동작 속도들이 증가됨에 따라 밸브들의 운동 에너지를 제어할 수 없다. 더욱이, 전자기 솔레노이드 엑추에이션은 고속들에서 가동되도록 설계된 내부 연소 엔진의 피스톤들을 포함하는 연소실들의 입구 및 배기 밸브들에 요구되는 밸브 동작 속도들을 달성하지 못한다.

본 발명의 목적은 내부 연소 엔진의 입구 및 배기 밸브들의 개폐를 제어하도록 양호하게 설계된 자기 액추에이터를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라 전자기 액추에이터가 제공되고, 회전자(rotor)는 고정자(stator)와 연동되는 적어도 하나의 권선부를 통해 전류가 흐르도록 함으로써 자화될 수 있는 고정자에서 회전가능하며, 상기 회전자는 스프링 및/또는 상기 회전자상에서 작용하는 자력의 조합에 의해 규정되는 안정한 안착 위치(rest position)들 사이에서 회전가능하고, 스프링 수단은 회전자의 운동의 일부 동안 에너지를 저장하며, 하나의 안착 위치에서 다른 안착 위치로의 순차적인 운동 동안 회전자를 가속시키기 위해 운동 에너지를 제공하고, 회전자가 하나의 안착 위치에서 다른 안착 위치로의 방향에서 회전하도록 하기 위해, 상기 안착 위치에서 회전자를 유지시키는 자력을 극복하기에 충분하게 적어도 하나의 권선부에 전류가 흐를 때 자기 토크가 회전자 상에 발생되며, 상기 회전자는 회전자의 회전 운동을 실질적으로 선형 운동으로 변환시키는 기계적 결합부(linkage)에 의해 추력(thrust) 부재에 연결되고, 상기 결합부는 회전자의 회전 동안 미리 결정된 방식으로 가변되는 기계적 확대율(mechanical advantage)을 갖는다.

본 발명의 다른 실시예에 따라 전술한 바와 같은 액추에이터가 제공되며, 상기 회전자는 2개의 안정한 안착 위치들만을 갖고, 그 각각의 안착 위치는 회전자 상에서 작용하는 자력 및/또는 스프링 힘들에 의해 규정되며, 제 1 스프링 수단은 하나의 안착 위치를 향해 회전자의 운동 동안 에너지를 저장하고 상기 안착 위치로부터 다른 안착 위치를 향해 떨어지도록 상기 회전자를 가속시키기 위한 운동 에너지를 제공하며, 제 2 스프링 수단은 회전자가 제 1 안착 위치를 향해 역방향으로 상기 다른 안착 위치로부터 떨어지도록 다시 이동됨에 따라 상기 회전자 상에 가속력을 제공하는 운동 에너지를 제공하기 위해 상기 회전자가 다른 안착 위치를 향해 회전할 때 에너지를 저장한다.

이러한 기계적 확대율 변동은 액추에이터의 기계적 확대율 프로파일(mechanical advantage profile)로서 언급된다. 통상, 상기 프로파일은 비-선형적이다. 하나의 장치에서, 상기 기계적 확대율 프로파일은 의사-사인형으로 회전자의 각 운동을 변경시키지만 하나의 안착 위치 근처에서 회전자의 각 운동이 실질적으로 추력 부재의 선형 운동을 초래하지 않도록 변형된다.

회전자와 추력 부재 사이에서 기계적 확대율 구동을 변화시키면 회전자 운동과 추력 부재 운동 사이의 비-선형 관계를 허용할 수 있다.

통상적으로, 상기 고정자는 짝수의 극들을 갖고, 상기 회전자는 영구 자석 수단을 포함하며 영구 자석 수단에 의해 상기 회전자 주위에서 교번으로 N극 및 S극으로 자화되는 짝수의 노드들을 갖는다.

바람직하게는, 자기 에너지 자체로 인한 임의의 안착 위치들에서 회전자를 유지시키도록 작용하는 자력은 스프링 수단에 의해 형성되는 안착 위치들과 일치한다.

바람직하게는, 상기 안착 위치들은 노드들과 극들이 정렬되는 위치들에 해당한다.

상기 고정자의 각각의 극들 주위에는 전류에 의해 자화될 때 회전자상에 기자력을 형성하는 전기 권선부가 구비된다. 상기 권선부는 회전자의 회전 위치와 요구 토크에 해당하는 전류 시간의 일련의 펄스들로 전력공급된다.

바람직하게는, 상기 고정자는 이격되어 전자기적으로 극성화될 수 있는 8개의 극들을 갖고, 상기 회전자는 이격되어 영구 자화되는 4개의 노드들을 갖는다. 바람직하게는, 상기 극들과 노드들은 동일하게 이격된다.

내부 연소 엔진의 입구 또는 배기 밸브를 개폐시키기 위해 사용시, 밸브 폐쇄 위치에 해당하는 안착 위치는 제 1 안착 위치로 지칭된다. 바람직한 기계적 프로파일은 밸브가 개방되기 시작하는 회전 위치에서 높은 기계적 확대율을 생성하도록 배치된다. 상기 밸브의 초기 개방 이후에, 상기 프로파일은 기계적 확대율이 감소된 다음 밸브가 완전히 개방될 때까지 다시 증가하는 방식이다. 상기 기계적 확대율은 최소로 다시 감소되고 회전자가 제 1 안착 위치 및 원래의 폐쇄 위치 근처의 밸브를 향해 회전됨에 따라 증가되며, 회전자는 제 1 안착 위치에 다시 위치될 때까지 밸브의 추가적인 운동 없이 계속 회전된다.

가변 기계적 확대율을 갖는 드라이브를 이용함으로써, 노이즈 뿐만 아니라 밸브 및 밸브 시트 상의 마모를 감소시키면서 마개상의 랜딩 속도를 낮은 레벨로 감소시킬 수 있다.

가변 기계적 확대율을 갖는 드라이브를 이용함으로써, 엔진의 점화 행정이 종료되고 연소실이 그 다음 연료와 공기를 수용할 준비가 되도록 배기된 이후, 연소실내의 잔류 가스 압력으로 인해 마개 상에 작용하는 가스 압력을 극복하는데 요구되는 밸브 상에 작용하는 힘을 극대화시킬 수도 있다.

드라이브의 기계적 확대율 프로파일이 밸브의 임의의 간접 선형 운동 없이 발생되는 제 1 안착 위치로부터의 회전자의 몇몇 회전 운동을 허용하는 경우, 밸브 상에 작용하는 추력 부재에 힘이 인가되기 이전에 작은 각도를 통해 운동에 거의 저항을 주지 않도록 회전자가 초기에 회전할 수 있게 하는 약간의 로스트 모션(lost motion: 회전정밀도)을 갖는 것이 밸브 마개에 대한 커넥션에 고려될 수 있다.

드라이브와 추력 부재 사이의 로스트 모션, 또는 추력 부재와 밸브 마개 사이의 로스트 모션은 초기 운동 동안 수행될 것이다.

4행정 엔진의 동작 사이클을 형성하는 2회 크랭크축 회전 동안, 밸브들 중 임의의 하나는 일반적으로 200°내지 290°의 크랭크축 회전 동안 개방되고, 나머지 사이클 동안 폐쇄된 상태로 유지됨으로써, 상기 밸브는 720°의 크랭크축 회전마다 한번씩 완전 개폐 시퀀스를 수행한다.

가변 기계적 확대율을 갖는 결합부를 사용하고 회전자가 이동하지 않는 동안 밸브가 폐쇄된 상태로 유지되는 드웰 또는 로스트 모션 주기를 이용함으로써, 회전자는 밸브가 개방되는 시간보다 더 긴 주기의 시간에 대해 이동할 것이다. 토크와 회전 관성을 전기적으로 구동시키는 주어진 전자기 액추에이터는 더 짧은 시간으로 벨브가 개폐되도록 하기 때문에, 크랭크축 각도를 개방하는 주어진 밸브를 위해 엔진이 더 빨리 가동될 수 있게 한다.

상기 일 실시예에 따라 구성되는 액추에이터에서, 회전자가 제 1 안착 위치에 있고 밸브가 폐쇄될 때 단일 스프링은 기계적 에너지를 저장한다. 상기 스프링은 탄성 컨틸레버식 스프링 암을 포함할 수 있으며, 그 자유 단부는 회전자로 회전되는 편심(eccentric)의 외부 둘레를 가압시키고, 이로 인해 상기 암을 편향시키며 그 내부에 에너지를 저장한다. 회전자에 대한 편심의 각 위치는 상기 밸브가 개방됨에 따라 에너지가 스프링으로부터 방출되도록 하며, 회전자가 밸브 개방을 가속시키도록 돕고, 상기 밸브가 폐쇄됨에 따라 에너지가 다시 그 내부에 저장되도록 상기 편심은 스프링 암을 편향시키며, 이는 제 1 안착 위치를 향해 회전자가 감속되도록 한다.

상기 밸브는 스프링이 가장 느슨하거나 가장 적게 편향된 위치에 있을 때 완전히 개방된다. 이러한 위치는 제 2 안착 위치로 지칭된다.

회전자가 회전함에 따라 영구 자석 수단으로부터 저장된 자기 에너지의 리플에 의해 생성되는 토크는 소위 자기 코깅 토크(magnetic cogging torque)를 형성한다. 이러한 자기 코깅 토크가 충분히 크면, 회전자 및 이에 따라 밸브에 대해 몇몇 제 2 안착 위치들이 있을 수 있다.

밸브가 내부 연소 엔진의 밸브들 중 하나이고 각각의 밸브가 전술한 액추에이터에 의해 동작되면, 보유 전류들을 권선부(들)로 주입시킴으로써 엔진의 상이한 동작 조건들을 충족시키는 상이한 각 범위들을 통해 상기 밸브들이 회전될 수 있다.

상기 스프링 수단의 동작은 에너지 재활용을 제공하며, 종래의 솔레노이드 액추에이터가 동일한 관성과 속도로 사용되었던 것보다 더 적은 전기 에너지 입력으로 고속에서 액추에이터가 동작될 수 있도록 한다.

엔진이 고속에서 동작되는 경우 밸브 마개(포핏)의 운동은 간섭되는 병진 운동에 비유할 수 있으며, 본 발명에 의해 제공되는 스프링 수단은 상기 마개의 병진 운동과 병진 회전자 운동으로부터 에너지를 흡수한다.

4행정 내부 연소 엔진에서, 밸브의 개방 동안 밸브 마개의 가스 힘들은 엔진의 부하가 변화됨에 따라 가변될 수 있다. 이는 비록 밸브가 개방되면 가스 압력이 신속히 소멸되고 상기 마개를 시트로부터 멀리 계속 이동시키기 위해 수행되어야 할 추가적인 기계적 작업량이 거의 없지만, 폐쇄 위치로부터 밸브를 초기에 해제시키기 위해 수행되어야 하는 기계적 작업량에 영향을 준다.

바람직하게는, 제어 시스템은 사이클 시에 밸브 마개상에 작용하는 힘들을 극복하도록 밸브 개폐 동안 각 시간에서 충분한 자기 토크를 생성하기 위하여, 엔진 부하의 가변에 응답하여 각각의 펄스의 위상(즉, 타이밍) 및/또는 주기를 제어하는 각각의 전류 펄스에서 요구되는 순간 전기 에너지를 제공하도록 동작되고, 부하, 크랭크 각도 및 사이클 간격을 가변시킬 수 있으며, 권선부(들)에 전기 에너지의 펄스들을 제공하기 위해 제공된다.

바람직한 실시에에서 고정자는 회전자 주위에서 동일하게 이격된 8개의 극들을 가지며, 회전자는 회전자내의 영구 자석 수단에 의해 자화되는 동일하게 이격된 4개의 노드들을 갖고, 상기 고정자의 각 극의 둘레 범위가 각 회전자 노드의 둘레 범위의 절반 크기인 경우, 상기 회전자는 일반적으로 한쌍의 인접 고정자 극들 사이에 정렬되도록 안착된다. 시스템의 최저 자기 에너지는 영구 자석 수단에 의해 유도되는 자속이 최소 저항으로 자기 회로를 통해 흐를 수 있을 때 발생한다.

초기 운동은 권선부(들)에 대한 전류 펄스에 의해 영향을 받으며, 전류가 흐르는 방향은 예를 들어, 노드들의 일측면(트레일링(trailing) 측)상에서 상기 회전자 노드들이 극들로부터 멀어지게 하고 상기 노드들의 타측면(리딩(leading) 측)상에서 상기 회전자 노드들이 극들에 의해 동시에 끌리도록 한다. 회전자 노드들이 고정자 극들과 정렬되는 지점 넘어로 이동되는 시점에 전류 흐름의 방향을 반전시킴으로써, 회전자 상에서 토크 구동이 지속적으로 수행될 수 있으며, 이에 따라 회전자를 가속시킬 수 있다.

회전자 운동을 제동시키기 위해, 권선부(들)는 단락 회로일 수 있으며, 전류의 초기 펄스로 적절한 감도에서 유도 전류가 권선부들에 흐르도록 함으로써, 고정자 극의 극성을 반전시키고 회전자, 결합 및 밸브 시스템의 운동 에너지를 분산시킨다. 이것은 권선부들에서 열로 나타난다. 또한 선택적으로, 회전자를 감소시키고 제 1 안착 위치 또는 밸브를 통한 유체 흐름을 제어하는데 요구되는 임의의 다른 안착 위치와 같은 안착 위치에 회전자가 안착되도록 토크의 방향을 반전시키기 위해, 상기 제어 시스템은 유사한(반전) 전류 흐름을 생성할 수 있다.

본 발명의 제 2 실시예에 따라 구성되는 액추에이터에서, 스프링 수단은 밸브 마개를 이동시키는데 요구되는 힘이 거의 없을 때 전기자(armature)의 운동으로부터 유도되는 에너지를 저장하고, 일반적으로 이는 상기 전기자가 이동 위치의 끝에서 빠져나오는 즉시 방출되도록 이용가능하다.

밸브가 폐쇄될 때에 해당하는 위치에 회전자가 있는 경우, 스프링 수단에 저장된 에너지는 영구 자속에 의해 생성되는 힘들에 의해 저항된다. 이러한 저항은 "코깅 토크(cogging torque)"로 지칭되고, 영구 자석이 충분히 강력하다면, 상기 위치에 회전자를 유지시키는데 전류 흐름이 요구되지 않는다. 밸브가 완전히 개방되면 회전자 이동의 다른 끝에서 동일 조건들이 적용될 수 있으며, 코깅 토크가 다시 동작되고 영구 자석의 세기에 따라 안착 위치에 회전자를 유지시키는데 전류 흐름이 불필요하다.

따라서 영구 자속과 코깅 토크를 생성하는 스프링 힘의 상호작용은 이동 위치들의 두개의 끝에서 회전자를 유지시키도록 작용함으로써 이러한 안착 위치들 중 하나에 회전자를 유지시키는데 전력이 필요하지 않을 수 있으며, 회전자 및 고정자는 2개의 위치들만을 갖는 스텝 모터에 결합될 수 있다. 영구 자속이 불충분하면, 회전자 운동 동안 전류 펄스들로 대체되는 각각의 권선부의 일정 전류에 의해 보충될 수 있다.

회전자가 2개의 대향되는 쌍들로 배치되는 4개의 극들을 갖고 상기 회전자가 영구 자석이면, 회전자는 통상 한쌍의 극들로 부분적으로 정렬되게 안착되고, 초기 운동은 회전자가 부분 정렬된 극들로부터 멀어지게 하는 전류 펄스에 의해 영향을 받으며, 회전 운동을 돕기 위해 권선부들과 회전자 사이의 인력을 형성하도록 유사한 전류 펄스가 다른 권선부(들)에 인가됨으로써, 회전자는 한 쌍의 극들로부터 멀어지는 동시에 다른 쌍의 극들로 끌린다. 권선부들에 흐르는 전류의 방향을 반전시킴으로써 회전자는 다른 쌍의 극들과 정렬되는 지점 넘어로 이동된다.

본 발명의 일 실시예에서 원한다면 회전자는 동일 방향으로 연속적으로 회전할 수 있으며, 액추에이터는,

a) 원형으로 배치되고 내부 방사상으로 향하는 8개의 극들의 고정자 - 각각의 극은 각 극에서 전자석 수단을 형성하는 절연된 전도체로 권선됨 -,

b) 직경상으로 대향되는 두 쌍의 영구 자석 극들을 포함하는 회전자 - 적정 인력으로 상기 회전자가 일 방향으로 회전할 수 있도록 상기 회전자는 회전자 주위에서 N-S-N-S극을 교번하는 자기 감도를 가짐 -,

c) 상기 회전자가 제 1 안착 위치로 회전함에 따라 기계적 에너지를 저장하는 스프링 엘리먼트,

d) 관형 휠 엘리먼트에 의해 둘러싸이고 상기 회전자의 회전 축으로부터 측방향으로 평행하게 오프셋되도록 연장되는 핀,

e) 상기 회전자 축에 평행한 축 주위에 피봇 장착되는 제 1 레버,

f) 상기 휠과 핀이 내부에 수용되는 상기 제 1 레버의 아치형 슬롯 - 상기 휠은, 상기 슬롯에 대해 롤링 또는 슬라이딩될 수 있고, 상기 핀과 휠의 각 운동이 상기 슬롯의 형상에 의해 결정되는 상기 레버의 각 운동을 형성하는 정도로 상기 회전자의 각 위치를 가변시키는 기계적 확대율로 회전 운동을 상기 레버에 전달할 수 있음 -,

g) 상기 액추에이터의 외부로 추력을 전달하기 위한 크로스-핀 접합부를 갖는 상기 제 1 레버,

h) 제 2 레버와 접촉되고 상기 회전자로부터 연장되는 슬리브,

i) 상기 스프링 변위가 상기 회전자 각 위치의 함수가 되도록, 슬라이딩 구형 베이링 수단을통해 상기 스프링을 이동시키기 위해 아치형 접촉 표면을 갖도록 형성되는 상기 제 2 레버,

j) 상기 제 1 안착 위치의 일 측에서 상기 회전자의 작은 각 변위로 인해 상기 스프링의 운동 또는 상기 스프링의 다소간의 부가적인 변형을 초래하지 않도록 , 및 상기 스프링의 더 큰 운동들로 인해 상기 회전자가 제 1 안착 위치로부터 실질적으로 180°이동될 때까지 점진적으로 언로딩되는 상기 스프링을 형성하도록, 제 1 안착 위치를 제공하기 위한 상기 제 2 레버의 아치형 표면, 및

k) 상기 고정자, 권선부들, 회전자 레버 및 스프링이 그 내부에 위치되는 하우징을 포함하고,

l) 상기 하우징은 상기 회전자, 제 1 레버 및 제 2 레버를 위한 베어링 수단을 제공한다.

바람직하게는 각각의 권선부에 제어되는 크기, 방향 및 타이밍의 전류 펄스들을 제공하기 위한 전류 제어 시스템이 제공된다.

먼저 회전자가 한방향으로 180°회전된 다음 동일한 정도만큼 반대 방향으로 회전한 이후, 또는 360°의 총 사이클 동안 회전한 이후, 적어도 제 1 안착 위치로부터 상기 회전자의 회전 시작 동안 및 제 1 안착 위치로 리턴되기 이전에 회전의 마지막 부분 동안, 상기 핀과 휠 및 제 1 레버 슬롯 커넥션은 부분적으로 상기 회전자와 상기 레버 사이의 로스트 모션 커넥션을 제공할 수 있다.

상기 핀은 회전자 축에 대해 회전하도록 적응되는 허브로부터 연장되는 크랭크 암의 선외(outboard) 단부와 일체로 부착 또는 형성될 수 있으며 상기 허브는 축상으로 연장되고 상기 하우징의 인접 단부에서 제 1 베어링내에 회전되게 지지된다. 회전자의 다른 단부는 그 외부 레이스를 맞물리게 하는 편심 위치되는 베어링의 형태로 활차바퀴(sheave)를 형성하도록 동축상으로 연장될 수 있으며, 스프링 힘이 접촉되게 가압됨으로써 제 2 레버의 접촉력을 견딘다. 상기 활차바퀴 넘어로의 회전자의 축 연장은 제 1 베어링과 유사하게 제 2 베어링에서 연장되고, 두개의 베어링들은 회전자가 인가된 토크들에 응답하여 회전 이동될 정도로만 강압되도록 회전자를 위한 지지를 제공한다. 제 2 베어링은 다른 하우징내에 위치될 수 있다.

바람직하게, 레버는 강성 링크(rigid link)에 피봇식으로 부착되며, 강성 링크는 내부 연소 엔진의 연소 챔버속으로 연소가능한 가스의 주입 또는 내부 연소 엔지의 연소 챔버로부터 소모된 가스의 배기를 제어하는 포핏(poppet) 밸브 마개 부재의 스템(stem)에 자체적으로 부착된다.

바람직하게, 이러한 장치(arrangement)는 밸브가 완전히 폐쇄되었을 때, 회전자(rotor)가 안착(rest) 위치에 있어 임의의 전류가 고정자 권선부(stator winding)를 거쳐 흐를 필요가 없는 위치에서 유지되도록 조절된다.

회전자, 2개의 레버, 스프링 및 밸브를 포함하는 시스템의 관성(inertia)은 메인 스프링으로부터의 힘에 의해 영향을 받는다. 이러한 관성-스프링 시스템은 2개의 안착 위치를 가지는 진동(oscillatory) 시스템을 형성하며, 2개의 안착 위치중 하나의 안착 위치는 회전자가 제 1 안착 위치에 있는 경우, 밸브가 폐쇄된 경우이며, 또다른 안착 위치는 상기 안착 위치로부터 약 180 도 떨어져 있으며, 밸브가 개방된 경우이다. 제 2 레버의 아치형(arcuate) 표면과 동작하는 스프링은, 회전자가 제 1 안착 위치로부터 작은 각도에 거쳐 이동하는 경우 복원력(restoring force)이 인가된다. 큰 각도의 이동은 회전자가 스프링내에 저장된 에너지의 영향력 하에 제 2 안착 위치로 이동되게 한다. 스프링은 회전자가 상기 제 2 안착 위치의 한쪽 측면에서 이동함에 따라 상당한 관성력을 발생시킨다. 2개의 회전자 위치에서, 스프링력은 진동 모션을 생성하도록 관성에 영향을 미친다. 스프링 에너지는 진동 시간을 최소화시키고 요구되는 시간에서 회전자를 이동시키기 위해 전자기적으로 유도되는 토크의 피크를 감소시키도록 선택된다.

본 발명의 또다른 면에 대한 일 실시예에서, 액추에이터는

a) 원형으로 배열되고, 안쪽 방향으로 방사상 향하는 4개의 극(pole)을 가지는 고정자 ,

b) 한 쌍의 정반대의 영구 자극(magnet pole)을 포함하며, 2개의 이동 말단부에서 하나의 안착 위치로부터 또다른 안착 위치로 180도로 4개의 고정자 자극내에서 회전할 수 있는 회전자,

c) 회전자가 2개의 이동 말단부 각각으로 회전됨에 따라 기계적 에너지를 저장하는 제 1 스프링 엘리먼트,

d) 회전자의 회전축으로부터 방사상 연장되고 회전자의 회전축으로부터 오프셋되나 평행한 핀,

e) 핀에 링크되며 액추에이터를 외부적으로 밀어넣기 위해, 회전자 축에 평행한 축 부근에서 회전 운동을 위해 피봇식으로 장착된 레버,

f) 슬롯에 대해 슬라이딩 가능하고 레버에 회전 운동을 전달할 수 있는 핀을 수용하는 레버내의 환형(arcuate) 슬롯 - 상기 핀의 각 운동 범위는 슬롯의 형상에 의해 결정되는 레버의 각 운동을 형성함 - ,

g) 레버가 2개의 이동 말단부 각각으로 회전됨에 따라 기계적 에너지를 저장하는 제 2 스프링 엘리먼트,

h) 내부에 전류가 흐를경우, 4개의 고정자 극 둘레에서 교번하는(alternate) 북극 및 남극을 형성하는 적어도 하나의 권선부,

i) 내부에 고정자, 권선부(들), 회전자, 레버 및 스프링이 위치하고, 마주하는 단부에 회전식 부품에 대한 베어링을 제공하는 하우징을 포함하며,

j) 상기 슬롯의 형상은, 초기 회전자 운동 동안의 기계적 확대율이 회전자 이동의 나머지보다 실질적으로 큰 기계적 확대율이 되도록, 연속적된 회전자의 회전이 핀을 통해 레버로 전달되는 회전 구동(drive)의 증가가 야기되기 이전에, 회전자 이동의 한쪽 말단부 위치에서 다른쪽 말단부를 향하는 위치로부터 회전자의 초기 회전이 핀과 슬롯 사이에 상대 슬라이딩 운동을 야기시키도록 선택된다.

바람직하게, 전류 제어 시스템은 제어된 크기의 전류 펄스, 및/또는 방향 및/또는 위상(즉, 타이밍)을 각각의 권선부 또는 각각의 코일에 제공한다.

핀과 슬롯의 커넥션은 적어도 회전자의 회전을 시작하는 동안, 회전자와 레버 사이에 로스트 모션 커넥션(lost motion connection)을 제공한다.

핀은 회전자 축 부근에서 회전하도록 조작된 허브로부터 연장되는 클랭크 암 외부와 일체식으로 부착 또는 형성되며, 상기 허브는 하우징 단부에 인접하게 베어링 내에서 지지되도록 축방향으로 연장된다. 회전자가 2개의 베어링에 의해 한정되는 축 부근에서의 회전은 없으나 제한되도록, 회전자의 다른쪽 단부는 하우징의 대향 단부면에 있으나 제 1 베어링과 동축인 유사한 베어링에 수용되게 동축으로 연장될 수 있다.

바람직하게, 레버는 내부 연소 엔진의 연소 챔버속으로 가스의 진입, 또는 상기 연소 챔버로부터의 가스이 배기를 제어하는 포핏 밸브 마개 부재의 스템에 자체적으로 부착되는 강성의 링크에 피봇식으로 부착된다.

바람직하게, 이러한 장치(arrangement)는 밸브가 완전히 개방되었을 때 또는 완전히 폐쇄되었을 때, 회전자가 안착(rest) 위치에 있어 임의의 전류가 권선부를 거쳐 흐를 필요가 없는 정지상태를 유지하도록 조절된다. 이는 2개의 스프링 엘리먼트에 의해 회전자에 인가되는 토크가 안착 위치에 있는 회전자 자극들과 고정자 자극들 사이의 자력(magentic attraction)에 의해 발생되는 토크에 의해 균형을 이룸으로써 달성된다.

통상적으로 각각의 권선부는 2개의 개별 코일, 즉, 각각의 고정자 자극에 대한 코일을 포함하여, 밸브 개방 및 폐쇄는 각각의 코일에 인가되는 적절한 전류 펄스의 시퀀스에 의해 달성될 수 있다.

바람직하게 전류 펄스가 완벽하게 극복되도록 4개의 코일 각각에 인가되며 안착 위치에서 전기자(armature)를 보유하는 영구 자속에 대해 상반되는 자속을 생성하여 회전자상에서 현재 작용하는 전자기력에 의해 발생되는 스프링으로 인한 토크력의 조합하에 또다른 안착 위치를 향해 회전자가 회전할 수 있다.

일반적으로, 2개의 안착 위치는 쌍의 고정자 극중 한쪽과는 정렬되지 않아, 회전자의 초기 이동은 전기 모터의 방식으로, 2개의 극이 다른 쌍의 고정자 극과 정렬되는 위치를 향해 하나의 쌍의 고정자 극과의 정렬로부터 추가적으로 이동하는 방향에 있게 된다. 일단 회전자가 이러한 다른 쌍의 극과의 정렬 위치를 지나 이동하면, 4개의 코일에서의 전류 반전(reversing)은 회전자가 약 180도에 거쳐 또다른 안착 위치속으로 회전될 때까지, 동일한 방향(sense)에서 회전을 지속하는 경향이 있는 회전자상에 모터 토크를 형성한다.

포인트는 각각의 스프링 토크가 제로로 감소되고 회전자 회전을 더이상 보조하지 않는 경우 회전자의 회전시 도달된다. 관성 및 자기 모터 토크로 인한 회전자의 지속적인 회전은 반대 방향임에도 불구하고 에너지를 저장하기 시작하여, 회전자는 감속되고 결국 또다른 안착 위치에 안착되게 된다. 이러한 에너지는 이전의 위치를 향해 회전자가 다시 회전하기 시작함에 따라 회전자 가속을 보조하도록 리턴 사이클상에서 이용가능한다.

바람직하게 제로 토크 위치는 회전자 각각의 회전 동안 동일한 포인트에서 모든 베어링에 대해 발생된다.

제 1 안착 위치에 따라, 회전자가 제 2 안착 위치에 있는 경우, 영구 자속에 의해 그의 상부에 형성되는 토크는 반대 방향에서 동작함에도 불구하고, 2개의 스프링에 저장된 에너지에 의해 발생되는 토크에 의해 다시 균형이 잡혀진다. 따라서, 이전처럼, 영구 자석이 필요한 모든 인력을 제공할 수 있는 경우, 코일로 흐르는 전류를 보유할 필요가 없다.

이러한 균형을 깨트리리고, "보유되는" 자속이 압도하여, 회전자 상에 상반되는 자기 토크를 가하기 위해 코일에 적절한 전류 펄스를 인가함으로써 스프링에 저장된 에너지와 결합되어 상기 제 2 안착 위치로부터 제 1 안착 위치로 다시 향하게 회전자를 회전시키는 순수 토크가 발생된다.

회전자 극이 중간 고정자 극과 정렬 위치 너머로 통과됨에 따라, 일단 적절한 크기의 전류 펄스 및 위상이 반대 방향으로 코일에 인가되면 회전자에 추가의 전자기(모터) 구동 토크가 인가된다. 이전처럼, 다시 제 1 안착 위치 속으로의 회전자 회전은 스프링에 의해 방해되어, 회전자의 리턴 운동의 일부 동안 방출(releasing) 에너지 대신 다시 한번 저장된다.

회전자 운동이 가변적인 기계적 확대율 메커니즘을 통해, 후자를 이동시키기 위해 밸브 마개(예를 들어, 포핏 밸브 스템)에 전달된다. 이러한 메커니즘은 회전자의 중대한 초기 회전 동안 추력 부재의 최소 이동(즉, 매우 높은 기계적 확대율)을 제공하도록 구성된다. 그러나, 일단 밸브가 시트를 제거하면, 기계적 확대율은 극적으로 감소될 수 있으며, 이는 일단 밸브가 제거되고 가스 압력이 감소되면 포핏 밸브 마개의 이동에 대한 저항성이 상당히 떨어지기 때문이다. 또다른 안착 위치에 대한 회전의 나머지 동안 회전자 상에 작용하는 모터 토크는 대체로 밸브가 폐쇄되는 경우 반대로 회전자를 회전시키기 위해 스프링에 저장되도록 이용가능하다.

회전자가 밸브를 폐쇄시키도록 다시 회전함에 따라, 메커니즘의 기계적 확대율은 하부 레벨에서 시작되고 회전자가 회전자의 반대 방향이 아닌 회전자의 원래 안착 위치로 진입함에 따라 증가한다. 따라서 회전자 및 밸브 마개는 감속되어, 회전자에 잔류하는 상당한 관성 에너지, 밸브 마개 시트가 완화됨에 따른 충격력에도 불구하고 보증되는 낮은 "랜딩 속도(landing speed)"가 야기되며, 랜딩 상에 형성되는 잡음은 감소되며 마개 또는 시팅에서의 손상이 덜해진다.

핀 및 슬롯 체결부(engagement)의 설계는 회전자의 안착 위치속으로 회전자의 회전이 완료되기 이전에 밸브 폐쇄가 발생된다는 것을 의미한다. 회전자가 회전자의 원래 안착 위치(밸브가 폐쇄된 채로)를 향해 연속적으로 회전됨에 따라, 회전자 스프링은 회전자의 나머지 운동 에너지 저장을 지속한다. 일단 안착에서, 회전자에 링크되는 영구 자속에 의해 유도되는 코깅 토크(cogging torque)는 상기 위치로부터 회전자를 회전시키는 경향이 있는 회전자 스프링에 저장된 상당한 에너지 및 상기 회전자 스프링에 의해 가해지는 반대 방향의 토크에도 불구하고, 안착 위치에서 회전자를 보유한다. 또한, 회전자 자극이 고정자 자극과 완전히 정렬됨에 따라, 자기 회로의 자기저항(reluctance)은 이들이 정렬될 때 최대로 극적으로 증가된다. 이는 회전자 상에서 작용하는 자기력을 강화시킨다.

바람직하게 핀은 실린더형 롤러에 의해 둘러싸이며, 롤링 베어링이 핀과 롤러 사이에 삽입된다.

2개의 스프링은 밸브의 작동 시간 감소를 보조하는 질량-스프링(mass-spring) 진동 기계적 시스템을 제공한다. 회전자 스프링은 등가(안착) 위치로부터 회전자가 이동함에 따라 복원 토크(restoring torque)를 인가하기 위해 회전자에 토크를 제공한다. 레버상에서 작동하는 또다른 스프링은 등가(안착) 위치로부터 이동함에 따라 복원력을 제공한다. 이들 2개의 스프링의 상대 세기는 진동 시간을 감소시키고 전자계 드라이브의 요구되는 피크 자계 토크를 감소시키도록 선택된다.

본 발명은 첨부되는 도면을 참조한 실시예로 설명된다.

도 1은 크랭크 단부(crank end)로부터 본 회전자의 등가도;

도 2는 편심 단부(eccentric end)로부터 본 회전자 및 하나의 하우징의 확대도;

도 3은 크랭크 단부로부터 본 회전자, 레버, 밸브 및 또다른 하우징의 확대도;

도 4는 제 2 레버 및 메인 스프링을 완화시키는 스프링이 제거된 액추에이터의 편심 단부도;

도 5는 회전자 축에 대해 수직인 평면으로 회전자를 관통하는 단면도로서, 고정자 폴 및 회전자 노드를 보여준다.

도 6은 도 5와 동일한 단면도이나 권선부를 참조한다.

도 7은 어셈블리된 액추에이터의 투시도이다.

도 8은 확대된 스케일로 액추에이터를 도시한 단부도이다.

도 9는 포핏 밸브(poppet valve)에 연결된 것으로 도시된 액추에이터를 관통하는 단면도이다.

도 10은 도 9와 유사한 도면으로서, 도 9에 부가하여 더 높은 속도의 회전을 허용하기 위해 회전자를 강화(stiffen)하도록 부가적인 베어링이 포함된 도면이다.

도 11은 전류 펄스가 여러 센서 및 엔진 관리 컴퓨터로부터 어떻게 생성되는지를 보여주는 블록도이다.

도 12는 포핏 밸브에 연결되어 본 발명을 구현하는 쌍안정(bistable) 액추에이터에 대한 수직 단면도로서, 회전자의 회전축을 따라 관찰한 것이고, 포핏 밸브 폐쇄부 및 포핏 밸브 폐쇄부를 액추에이터의 레버에 연결하는 링크를 관통한 단면을 포함한다.

도 13은 고정자 단부가 제거된 회전자 축을 따르는 도 12의 액추에이터의 도식적 단부도이다.

도 14는 도 13과 유사한 도면으로서, 하나의 안정 위치(rest position)에 근접한 회전자를 보여준다.

도 15는 도 13과 유사한 도면으로서, 상기 하나의 안정 위치를 떠나는 회전자를 보여준다.

도 16은 다른 안정 위치에 접근하는 회전자를 도시한다.

도 17은 상기 다른 안정 위치에 있는 회전자를 도시한다.

도 18은 나선형 스프링 및 토션 바 스프링(torsion bar spring)을 도시하는 다른 단면도이다.

도 1을 참조하면, 영구 자석(10 및 12)은 회전자의 3개의 강자성(전형적으로 연철(soft iron)) 자극편(14, 16 및 18) 사이에 샌드위치된다. 이러한 자기 어셈 블리는 2개의 비자기 엔드-캡(20, 22) 사이에 위치된다.

도 2를 참조하면, 회전자의 엔드 캡(20)은 편심 저널(eccentric journal)(24)의 위치를 정하고, 편심 저널(24)로부터 스터브 축(stub axle)은 하우징(28)에 배치된 베어링(26)을 통해 돌출한다. 베어링(32)에 의해 지지되는 중공 원통형 타이어(30)는 편심 저널(24) 둘레에서 동작한다.

도 3을 참조하면, 회전자(22)의 엔드 캡은 테이퍼링된 홀(34)를 구비하고, 테이퍼링된 홀(34)은 크랭크 핀(36)의 테이퍼링된 단부가 홀(34)에 단단히 보유되도록 한다. 원통형 크랭크 핀(36)의 원통형 영역은 제 1 레버(40)의 아치형(arcuate) 슬롯에 수용되는 롤러(38)를 적재한다. 레버(40) 너머로, 크랭크 핀(36)은 아웃보드 단부에서 원통형 스터브 축 섹션을 갖는 크랭크 암을 적재하고, 원통형 스터브 축 섹션은 제 2 하우징(50)에 보유된 베어링(42)에서 회전가능하게 지지된다. 레버(40)는 스터브 축(52)에 고정되고, 스터브 축(52)은 2개의 베어링(54 및 56) 내에서 회전되며 2개의 쓰러스트 링(thrust ring)(58 및62)에 의해 축 방향으로 제한된다. 레버(40)는 경질 링크(rigid link)(72)를 경유하여 포핏 밸브의 스템(70)에 연결된다.

포핏 밸브가 폐쇄될 때, 헤드(150)는 환형대(annular seat)(152)에 수용되고 환형대(152)로부터 이격된 액추에이터에 의해 하방으로 푸시됨으로써 개방된다. 경질 링크(72)와 레버(40) 사이의 피봇 연결 및 경질 링크(72)와 포핏 밸브 스템(70) 사이의 피봇 연결은 액추에이터 및 밸브의 개방 및 폐쇄 운동 중에 여러 부분들의 상대적 회전 운동을 제공한다.

도 4를 참조하면, 제 2 레버(80)는 컵형 슬라이딩 베어링(cupped sliding bearing)(82) 및 구형 헤드 핀(84)에 의해 원통형 타이어(30) 상에 푸시된다. 핀(84)은 메인 스프링(86)에 배치되고, 메인 스피링(86)은 클램프 빔(clamp beam)(88)에 의해 하우징(50)에 클램핑된다.

도 5를 참조하면, 회전자는 일반적으로 90으로 표시된 고정자 내에 회전가능하게 배치된다. 고정자는 회전자 자극편(pole piece)(14, 16 및 18)을 둘러싸는 8개의 극(100, 102, 104, 106, 108, 112, 114)을 갖는다. 중심 회전자 자극편은 2개의 자기 노드(120 및 122)를 갖는다.

도 6을 참조하면, 고정자의 각 극의 둘레에 권선부(130, 132, 134, 136, 138, 140, 142, 144)가 존재하고, 전류는 상기 권선부를 통해 회전자에 대향하는 극을 북극 및 남극으로 교대로 자화시키기 위해 흐를 수 있다.

하우징(28, 50)은 고정부(fixing)를 경유하여 엔진에 고정되고, 고정부는 소정의 로스트 모션(lost motion)이 밸브가 폐쇄될 때 발현되는 임의의 큰 힘을 방지하도록 한다. 이러한 모션은 레버(40)의 초기 회전 동안에 수행된다.

내부 연소 엔진을 개방 및 폐쇄하기 위한 액추에이터에 대한 요구조건들을 고려할 때, 이하의 것들이 기본적인 요구조건으로 고려될 수 있다.

- 긴 스트로크(stroke)

- 빠른 작동

- 느린 랜딩(landing) 속도

- 상당한 압력에 대한 큰 밸브 개방

부가적으로 바람직한 특징들은 이하와 같다.

- 각각 완전히 독립적인 구동 메커니즘

- 양 방향으로의 프로그래밍가능 타이밍(가변 각 비율(angular ratio))

- 가변 스트로크

지금까지 상기 밸브는 캠샤프트를 사용하여 개방되어 있었고, 스프링들은 밸브를 폐쇄하기 위하여 채택되었다. 상기 메커니즘은 이하의 제한 사항들로 문제가 된다.

- 고정된 각 비율

- 고정된 스트로크

액추에이터 드라이브 내의 하나 이상의 스프링들에 에너지 저장을 포함하는 본 발명에 따라 구성되고 동작되는 액추에이터를 채택하여 소위 에너지 재활용을 채택함으로써, 이하의 이점들이 달성된다.

- 양 방향으로 능동적으로 구동되는 밸브 (데스모드로믹 밸브 시스템(desmodromic valve system), 종래의 강한 밸브 폐쇄 스프링이 요구되지 않음)

- 타이밍에서의 완전히 유연성(양 방향)

- 소정의 엔진 사이클 내내 폐쇄된 상태로 유지되는 밸브를 포함하는 스트로크에서의 소정의 유연성

- 바람직스럽지 못한 연소 부산물 방출 감소를 달성하기 위하여 느린 엔진 속도에서조차 빠른 공기 유입

- 개별적인 밸브 구동 메커니즘 (바람직하다면 각각의 엔진 사이클 동안 모 든 밸브가 개방될 필요가 없도록 각각의 밸브는 완전히 독립적인 드라이버를 구비함)

- 모든 실린더 또는 소정의 실린더에서 전체가 아닌 소정의 밸브가 활성화되게 하는 엔진 관리의 완전한 유연성

- 선택가능한 엔진 동작 모드: 낮은 방출이 유지되는 동안 출력 파워를 최대화될 수 있게 하는 4 스트로크 또는 2 스트로크

- 앞서 언급된 모드 선택은 소정의 또는 모든 실린더에 적용될 수 있고, 사실 점차적인 전이 프로세스가 예견될 수 있다.

액추에이터는 필수적으로 전기 모터의 형태를 포함하고, 영구 자석으로 자기적으로 극성화되는 회전자 및 다극 원형 고정자를 구비한 소위 스테퍼 모터로 비유될 수 있다. 전형적으로 고정자는 적어도 회전자의 2배 개수의 극을 구비한다. 설명될 쌍안정 액추에이터에서, 회전자는 2개의 극을 갖고, 고정자는 4개의 극을 갖는 반면, 360°로 회전될 수 있는 액추에이터에서는 회전자에 4개의 극이 존재하고 고정자에 8개의 극이 존재한다. 한 쌍의 고정자 극은 에너지 관리의 완전한 유연성을 허용하는 개별 코일에 의해 자기적으로 에너지를 받는다. 전류는 어느 한 방향으로 모터를 구동하기 위하여 코일레 전달될 수 있다. 에너지는 역기전력 효과(back e.m.f effect)의 관점에서 회전자의 임의의 위치에서 제거될 수 있다. 구동 절차를 단순화하기 위하여, 코일들은 쌍으로 링크된다. 하나 이상의 스프링은 에너지 재활용/저장을 제공한다.

쌍안정 장치에서, 회전자 운동은 180° 이하로 제한되고, 회전자는 소위 스 윙액션(swing action)을 그리며 움직인다. 이후에서 설명되는 것처럼, 이러한 배치는 에너지 저장 메커니즘으로서 2개의 스프링 작용을 갖고, 2극 회전자는 밸브가 폐쇄되는 경우 및 밸브가 개방하는 경우의 2개의 안정 위치에 남아있도록 하기에 충분한 잠금 힘(locking force)을 가지며, 이러한 장치에서 외부 에너지는 하나의 안정 위치로부터 다른 위치로 변화시키기 위하여 요구된다.

도 1 내지 도 10에 도시된 실시예에서, 회전자의 이동은 제한되지 않고, 스프링 메커니즘은 완전한 360° 회전을 허용한다. 회전자를 멈추게 하는 것이 불필요하고 포핏 밸브가 개방되는 동안의 시간에서 회전자의 이동 방향을 반전시키는 것이 불필요하기 때문에, 이것은 높은 엔진 속도에서 이점이 있다. 밸브-개방 상태의 지속기간은 그것의 회전의 적절한 부분 동안 회전자를 느리게 하거나 빠르게 함으로써 제어될 수 있다. 이것은 속도 및 에너지 보전에 있어서 상당한 이점을 야기한다.

중간 및 낮은 엔진 속도 동안, 2가지 유형의 이동(완전 회전 및 스윙)이 도 1 내지 도 10에 도시된 액추에이터의 경우에 사용될 수 있고, 이것은 엔진 관리에 부가적인 자유도를 제공한다. 이러한 구성에서, 에너지 재활용은 강력한 평면(flat) 스프링(도 4의 86)을 사용하여 달성된다. 스프링은 부작된 편심 바퀴 상에 작용하고 회전자를 사용하여 회전하며, 이러한 스프링은 회전자의 완전한 회전을 방해하지 않는다. 스프링의 최대 편향은 회전자의 "정지된" 상부 위치에서 발생한다. 이러한 방식으로, 운동 에너지는 위치 에너지로 변환되고, 회전자가 어느 한 방향으로부터 그것의 상부 위치로 올 때 스프링에 저장된다. 따라서, 이러한 구성 은 완전한 회전 모드 및 스윙 모드에서 똑같이 유효하다.

점화 스트로크(firing stroke)의 단부에 존재하는 상당한 실린더 압력에 대항하여 배기 밸브를 개방하기에 충분히 강한 푸싱 힘을 전달하기 위하여, 그리고 적당한 랜딩 속도를 확보하기 위하여, 그것의 포핏 밸브가 사용될 때 가변 기계적 이점 구동 전달 메커니즘이 사용된다. 개방 사이클 동안 3개의 위상이 존재하고 폐쇄 사이클 동안 3개의 위상이 존재한다.

개방 사이클 위상은:

1. 초기 회전자 가속 및 에너지 축적 위상- 선형 이동이 발생하지 않고 쓰러스트도 발생하지 않음. 이는 회전자의 상기 부분과 관련한 굴곡부의 반경에서 거의 변화가 없거나 전혀 변화하지 않는 캠 표면을 사용하여 달성된다.

2. 강한 척력에 의해 발생되는, 완만한 선형 이동인, 초기 개방 위상. 이는 굴곡부를 적절히 변화시켜 달성된다. 도 1 내지 10의 액추에이터에서, 이러한 동작은 평면 스프링에 의해 지원된다.

3. 단지 적절한 척력만을 필요로하는 빠른 선형 이동에 연결되고 캠 표면 굴곡부의 보다 빠른 변화에 의해 달성되는 완전 개방 위상으로의 빠른 개방.

폐쇄 사이클 위상은:

1. 밸브 폐쇄 상태에서의 적절한 척력과 빠른 선형 이동에 연결되고, 캠 굴곡부의 급격한 변화에 의해 달성되는 빠른 주 폐쇄 위상. 이러한 위상 동안 동적 에너지 리사이클링이 개시된다.

2. 부드러운 선형 이동을 발생시키는 회전자의 감속에 연결되고 캠 표면 굴 곡부의 보다 적절한 변화에 의해 얻어지며 회전자가 평면 스프링을 밀어내기 시작하는 최종 폐쇄 위상인 부드러운 랜딩.

3. 밸브 폐쇄 상태에서 수직 움직임이 없고 인력이 없는, 최종 나머지 위치로의 회전자의 최종 느린 이동. 이는 일정한 반경의 캠 표면에 의해 달성되고 이러한 위상은 반동이 없는(bounce-free) 밸브 폐쇄 시퀀스를 달성할 수 있게 한다. 회전자 정지 프로세스 동안 약간의 불안정이 발생할 수 있지만, 이러한 위상 동안 선형 이동이 전달되지 않기 때문에 이러한 불안정성은 밸브 폐쇄에 전달되지 않는다.

회전자의 일시적인 각 위치를 아는 것이 중요하며 이를 위해 정밀한 위치 센서가 제공된다. 이러한 위치 센서는 도 7과 도8에서 액추에이터의 회전부에 부착된 (153)으로 도시되었다. 센서는 디지털 또는 아날로그 형태의 신호를 발생시킬 수 있다. 영구 자석(154)이 홀 이펙트 센서(156)에 인접하게 회전자 샤프트에 고정된 편심 디스크(155a, 155b)의 두 개의 절반에 부착된 아날로그 기술이 도시되었다. 이러한 센서는 회전자의 각위치의 절대적이고 정확한 판독을 제공한다.

구동 방법

도 1 내지 10에 도시된 액추에이터는 정밀한 각 위치 센서가 장착된 영구 자석 기반 스테퍼 모터를 포함하는 것으로 고려될 수 있으며 도 11에 도시된 엔진 관리 시스템과 조합하여 다양한 밸브 개방 및 폐쇄 방법을 구현하는데 사용될 수 있다. 이는 하기 예를 이용하여 설명된다:

1. 하프 사이클 작동

● 개방 클럭 펄스, 회전자 시작 이동에 의해 트리거링되고, 센서는 가장 효과적인 코일 구동 전류 시퀀스를 고정시키기 위해 현재의 회전자 위치에 대한 연속적인 정보를 제공하며 이로써 전기 정류기를 구성하며, 초기 이동은 스프링에 저장된 에너지에 의해 보조 지지된다. 전자기 토크와 스프링 힘의 결합된 효과는 실제 내부 실린더 압력에 대해 포핏 밸브가 개방될 수 있게 한다.

● 회전자가 밸브가 완전히 개방되는 180° 위치에 접근할 때 구동 전류는 감쇄되고(withdraw) 전기 브레이킹 과정은 코일을 단축시키거나 전류 흐름을 반전시킴으로써 유발되어, 전기 모터는 순간적으로 전기 발생기로 변환된다.

이러한 작동은 회전자의 회전을 반전시킴으로써 완료되어 시작 위치로 되돌아간다.

2. 부분 사이클 작동

여기서, 회전자가 180° 위치에 도달하기 전에 정지하여 반전된다면, 회전자의 속도는 밸브를 동작시키기 위해 필요한 전체 시간 간격을 확보하도록 조절된다.

3. 추가 정지를 갖는 전체 사이클 작동

여기서 만약 회전자가 일정한 속도로 계속 회전하는 경우보다는 더 오랫 동안 밸브 개방이 필요한 경우 회전자는 완전히 360°를 완료하지만 180° 지점에서와 그 부근에서는 정지하거나 느려진다.

4. 추가의 정지가 없는 전체 사이클 작동

여기서 전체 360°회전은 어떠한 정지 없이 수행된다.

구조 변화

회전자(157), 크랭크(158), 편심휠(32), 위치 센서 디스크 및 자석(153)의 전체 회전 어셈블리가 단지 두 개의 베어링(26,42)에 의해 지지되는 기본 구성이 도 9에 도시되어 있다. 회전 어셈블리는 편심휠의 회전 동안 발생한 원심력에 의해 유발되는 실질적인 스트레스에 영향을 받으며 가변하는 스프링 힘은 휠에 작용하며 실린더 압력에 대해 밸브를 개방시킨다. 이러한 이유로 인해 회전하는 어셈블리는 이러한 힘들을 릴리스트(relist)시키기 위해 가능한 견고해야 한다. 견고함을 증가시키기 위해 직경을 증가시키는 것은 유용하지 않은데 이는 그 결과로 각 가속도가 낮아지기 때문이다. 각 관성을 감소시키기 위해 회전자는 직경이 작아야 한다. 두 개의 조건(낮은 관성 및 기계적 강도)를 충족시키기 위해, 도 10에 (160,161,162,163)에 도시된 것처럼 제 개의 베어링이 제시된다.

회전자와 밸브 구동 연장부가 도 10에서 두 개의 부분으로 도시되어 있으며, 회전 드라이브는 커플링(164)을 통해 전달된다.

본 발명의 액추에이터는 디스모드로믹(desmodromic) 작동 시스템이 내연 엔진에 사용될 수 있게 한다.

이러한 시스템에서 밸브는 실제로 두 개의 방향(개방 및 폐쇄)으로 구동되며 종래 밸브 폐쇄 스프링에 원치않는 높은 스트레스를 가하지 않고 개방 및 폐쇄를 위한 최소 시간을 달성한다. 실제로 강한 밸브 폐쇄 스프링을 전혀 가질 필요가 없으며 안정한 폐쇄 위치에서 이미 폐쇄된 포핏 밸브를 유지시키기에 충분한 힘을 제공하는 매우 적절한(modest) 스프링으로 대체될 수 있다. 이러한 방법에서 잠재적인 반동 효과가 크게 감소된다. 이러한 "적절한" 스프링은 도면의 그림 중 하나 에에서만 도시되어 있다.

도 11에서 도면 항목이 도시되어 있다.

R은 위치 센서(PS)에 기계적으로 결합된 회전자이다.

P는 마이크로프로세서이다.

PS는 아날로그 또는 디지털 형태인 위치 데이터를 제공하는 위치 센서이다.

EM은 엔진 관리 컴퓨터-기반 유닛이다.

C는 엔진 관리 유닛으로부터의 제어 데이터 공급을 도시한다.

D0-D7은 마이크로프로세서와 드라이버 간의 디지털 링크이다.

A1과 B1은 한 쌍의 스테이터 코일이다.

A2와 B2는 제 2 쌍의 스테이터 코일이다.

A3과 B3은 제 3 쌍의 스테이터 코일이다.

A4 및 B4는 제 4 고정자 코일 쌍이다. PS는 마이크로프로세서(P)에게 회전자(R)의 현재 위치(Current Position) 표시 정보를 제공한다. 이러한 정보는 디지털 형식 또는 아날로그 형식일 수 있다. 링크는 항상 회전자의 일정한 정확한 절대 위치를 제공한다.

밸브의 개폐 동작은 엔진 관리 장치(EM)로부터 수신된 명령에 의해 개시된다.

마이크로프로세서는 이러한 정보를 타겟으로 변환하여 현재 위치와 비교한다. 그 결과에 기초하여 특정 구동 방식이 선택되고, 적합한 구동 데이터(Driving Data)를 양방향 브리지 드라이버들(Bi directional Bridge Drivers)(H1-H4)에 입력 함으로써 실행된다. 상기 드라이버들은 매우 낮은 저항의 스위칭 장치들로써, 배터리(B)에 의해 표시되는 전기 전류원과 코일들 사이에 시간적 직접 연결을 제공한다.

하나의 드라이버는 전형적으로는 하나의 코일쌍(병렬 또는 직렬 연결됨)으로써의 역할을 한다.

네 개의 동작 모드들이 존재한다; 패스트 포워드, 패스트 백워드, 브레이크, 런 프리.

마이크로프로세서는 현재 위치에 대한 타겟을 계속 모니터링하고, 적합한 구동 방식을 전개한다. 이러한 방식으로, 인텔리전트 브러시리스 개시 프로세스가 구현되고, 액추에이터 드라이브가 인텔리전트 브러시리스 전기 모터를 포함하는 것처럼 느껴질 수 있다.

액추에이터는 회전자 관성, 스프링력, 압축력, 밸브 관성 및 온도의 광범위로 인한 일정하게 변하는 부하에 영향을 받는다. 또한, 급격히 변화하는 타겟의 영향 하에 있다. 그러므로, 엔진 속도 및/또는 부하 등의 변화로 인해, 밸브는 부분적으로 개방되거나 완전히 개방 또는 폐쇄될 필요가 있을 수 있다. 그러므로, 매우 잦은 시작-중지 명령이 쓰이고 있다. 이는, 마이크로프로세서를 인텔리전트 프로그램 가능 결정 장치로써 채용할 필요가 있기 때문이다.

도 12 내지 도 17은 스윙 모드 밸브 액추에이터를 도시하는 도면들이다.

이러한 도면들에서, 영구자석(210)은 두 개의 강자성(전형적으로 연철) 폴 피스들(212, 214) 사이에 위치된다. 상기 자석 및 폴들은 자기 엘리먼트들과 엔드 캡들 사이에 위치된 비-자기 심(shim)들(216, 218)을 갖는 두 개의 엔드 캡들(220, 222) 사이에 위치된다. 상기 자석 폴 피스들과 엔드 캡들은 함께 회전자를 형성한다. 엔드-캡(220)은 스터브 축(221)을 포함하는데, 상기 서터브 축은 하우징 엔드(225)에 고정된 롤링 베어링(224) 내에 수용되어 와셔(227)와 볼트(229)에 의해 유지된다.

나선형 스프링(226)의 하나의 단부는 상기 스터브 축(221)에 부착되고, 나머지 단부는 하우징 단부(225)에 부착된다.

엔드-캡(222)은 테이퍼형 홀(223)을 구비하는데, 상기 홀은 핀(228)의 페이퍼형 단부가 상기 홀에 단단히 고정되도록 한다.

핀(228)의 원통형 영역은 레버(234)의 아치형 슬롯 또는 그루브 내에 수용된 롤러(230)를 운반한다. 상기 레버 위쪽으로, 핀(228)은 원통 축 섹션을 갖는 크랭크 아암의 선외 단부에서 수행되는데, 상기 크랭크 아암은 제 2 하우징 단부(250)에 고정되는 니들 롤러 베어링(232)에 회전 가능하게 지지된다.

레버(234)는 토오션 바 스프링(236)에 고정되는데, 그렇지 않으면 롤러(230)에 의해 맞물려진다. 스프링(236)은 고정자 단부(250)의 브러시(238) 내의 하나의 단부에 회전 가능하게 위치되어, 고정자 단부(248)의 반대편 단부에 단단하게 유지된다. 레버(234)의 토오션 바(236)의 축을 중심으로 한 회전은 상기 레버가 뒤틀림에 따라 상기 토오션 바에 에너지를 저장한다.

도 13에서 가장 잘 나타나 있는 바와 같이, 고정자는 일반적으로 266으로 표시되는 고정자 내에 회전 가능하게 위치되는데, 상기 고정자는 연장시키는 네 개의 폴들(268, 270, 272,274)과 둘러싸는 회전자 폴들(212, 214) 사이(작은 공기 갭)의 두 개의 단부들(248, 250)에 의해 형성된다. 각각의 폴 근처에는 코일(276, 278, 280, 282)가 각각 존재하고, 상기 코일을 통해 상기 폴들을 N 방향 폴과 S 방향 폴로서 교대로 회전자와 마주보도록 자화시키기 위해 전류를 흐르게 할 수 있다.

레버(234)는 단단한 링크(262)를 통해 포핏밸브의 스템(260)에 연결된다. 상기 닫혀진 상기 밸브의 헤드(263)가 환형 밸브 시트(264)에 놓일 때, 상기 헤드는 상기 환형 시트(264)로부터 하향으로 떨어져 푸싱됨으로써 개방된다. 상기 링크(262)와 레버(234) 사이의 연결부들을 피봇팅함으로써, 링크 및 스템(260)은 액추에이터와 밸브 마개의 개폐 이동 동안에 다양한 부품들의 임의의 비-선형 상대적 이동을 수용한다. 상기 링크 및 스템은 또한, 만일 레버의 초기 회전 이동 동안에 실행되길 바랄 때, 작은 양의 이동 손실을 유도할 수 있다.

도 14 내지 도 17은 도 13에 도시된 액추에이터의 개략도로서, 회전자의 이동이 캠-레버 및 포핏 밸브의 이동과 어떻게 연관되는지를 도시한다. 편의를 위해, 동일한 참조 번호들이 도 13 내지 도 17에 이용된다. 특정하게는, 고정자 코일들 및 폴들은 도 14에 도시되지 않는다(이하 참조).

도 14는 도 13과 실질적으로 대응하고, 이때 회전자(215)는 최대 시계방향 위치이고, 롤러(230)는 최상부 위치에 존재한다.

도 15에서, 회전자는 몇도 정도(전형적으로 10-15°) 반시계 방향으로 회전된다고 가정된다. 회전자의 그러한 회전에 대해 롤러(230)에 의해 맞물려진 레버(234)의 곡률 반경은 필수적으로 일정하고 롤러(230)의 축의 궤적과 평행하다. 그 러므로, 그러한 초기 이동 동안에, 회전자의 회전 이동은 링크(262) 또는 포핏 밸브(263)의 스템(260)으로 변환되지 않는다.

회전자와 링크(262) 사이의 이러한 손실된 이동은 상기 회전자의 반시계 방향 회전의 제 1 부분 동안에 방해되지 않는 방식으로 회전자를 가속시킨다. 그 후, 레버(234)의 캠 표면(235) 및 반대편 핑거(237)의 형상은 회전자(215)의 반시계방향 회전을 계속하고, 회전자(230)의 235 및 237과의 결합으로 인해 레버(230)는 토오션 바 스프링(236)에 의해 정의된 축을 중심으로 피봇팅되고, 이러한 프로세스에서 상기 스프링이 뒤틀리며 동시에 하향으로 링크(262)에 힘을 가하는 방식으로 형성된다. 그 후, 밸브를 개방시키기 위해, 밸브 시트(264)로부터 하향으로 떨어져 밸브 헤드(263)에 힘을 가한다.

도 16은 회전자가 완전한 반시계방향 위치(도 17에 도시됨)에 도달하기 직전의 회전자를 도시하는 것으로서, 도 16 및 도 17에서 밸브 헤드(263)는 시트(264) 없이 위치되도록 도시된다.

도 13에만 도시되어 있을지라도, 나선형 스프링(284)은 밸브 스템(260)에 부착된 정지부(286)와 시트(264) 사이에 트랩된다. 이러한 스프링은 내부 연소 엔진의 원통 헤드의 상부에서 대개 볼 수 있는 각각의 스프링들과 유사하고, 상기 스프링들 각각은 상기 밸브들 중 가까운 밸브 옆에 유지된다.

그러나, 본 발명의 액추에이터는 개방 및 폐쇄 방향 모두에서 밸브에 대한 포지티브 드라이브를 제공하고, 이때 스프링(284)은 없어도 된다.

그럼에도 불구하고, 시트에 대한 밸브 헤드의 신뢰할만한 폐쇄를 보장하기 위해, 스프링을 압축하기 위한 적절한 힘만을 필요로 하는 압축 스프링이 도시된 바와 같이 제공될 수 있다.

고정자 코일들에 공급되는 전류들을 반전시킴으로써 회전자는 시계방향으로 회전되고 밸브 헤드(263)를 리프팅시켜 시트(264)와 접촉하게 함으로써, 밸브를 폐쇄시키게 되고, 회전자는 도 14에 도시된 위치로 돌아가게 된다.

도 18은 도 12에 선(YY)의 횡단면도이고, 내부 단부가 클램프(286)에 의해 회전자(215)의 엔드 캡(226)에 클램핑되고 외부 단부가 클램프(288)에 의해 고정자 하우징 엔드(225)에 클램핑된 나선형 스프링(266)이 도시된다. 레버(234)에 대해 피봇 축을 제공하고 제 2 스프링으로써의 역할을 하는 토오션 바(236) 역시 도시된다.

레버(234)와 변형된 토오션 바 장치의 투시도가 도 18A에 도시된다. 토오션 바(236)의 대향하는 단부들은 하우징의 대향하는 단부들(225, 250)(도 12 참조)에서 베어링들에 수용된다. 클램프(290)는 제 1 바(236)에 제 2 토오션 바(292)를 크램핑하고 선외 단부에서 앵커 블록(294)에 수용된다. 레버(234)는 회전자에 의해 회전된다(도 18A에 도시되지 않음). 회전은 바(236) 상의 플랫들 및 레버(234)의 대응되는 형상의 개구부에 의해 바(236)의 왼편 단부로 전달된다.

클램프(290)는, 클램프(290)가 바(236)와 맞물리는 곳의 지점에서 바(236)가 회전하는 것을 방지하지만, 바(292)는 화살표(296)로 표시된 바와 같이 탄력성을 가질 수 있으므로, 그러한 탄력성은 레버 아암(234)의 계속적인 제한적 회전을 허용한다.

회전자가 역회전할 때, 292 및 236에 저장된 에너지는 회전 레버(234)를 보조하는데 이용가능하다.

Claims (44)

1. 회전자(rotor)는 고정자(stator)와 연동되는 적어도 하나의 권선부를 통해 전류가 흐르도록 함으로써 자화될 수 있는 고정자에서 회전가능하며, 상기 회전자는 스프링 및/또는 상기 회전자상에서 작용하는 자력들에 의해 규정되는 안정한 안착 위치(rest position)들 사이에서 회전가능하고, 스프링 수단은 상기 회전자의 운동의 일부 동안 에너지를 저장하며 하나의 안착 위치에서 다른 안착 위치로의 순차적인 상기 회전자 운동 동안 상기 회전자를 가속시키기 위해 운동 에너지를 제공하고, 상기 회전자가 하나의 안착 위치에서 다른 안착 위치로의 방향에서 회전하도록 하기 위해, 상기 안착 위치에서 상기 회전자를 유지시키는 자력을 극복하기에 충분한 전류가 적어도 하나의 권선부에 흐를 때, 상기 회전자 상에 자기 토크가 발생되며, 상기 회전자는 상기 회전자의 회전 운동을 실질적으로 선형 운동으로 변환시키는 기계적 결합부에 의해 추력(thrust) 부재에 연결되고, 상기 기계적 결합부는 상기 회전자의 회전 동안 미리 결정된 방식으로 가변되는 기계적 확대율(mechanical advantage)을 갖는, 전자기 액추에이터.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 회전자는 2개의 안정한 안착 위치들만을 갖고, 그 각각의 안착 위치는 상기 회전자 상에서 작용하는 자력 및/또는 스프링 힘들에 의해 규정되며, 제 1 스프링 수단은 하나의 안착 위치를 향한 상기 회전자의 이동 동안 에너지를 저장하고 상기 안착 위치로부터 다른 안착 위치를 향해 떨어지도록 상 기 회전자를 가속시키기 위한 운동 에너지를 제공하며, 제 2 스프링 수단은 상기 회전자가 제 1 안착 위치를 향해 역방향으로 상기 다른 안착 위치로부터 떨어지도록 다시 이동됨에 따라 상기 회전자 상에 가속력을 제공하는 운동 에너지를 제공하기 위해 상기 회전자가 상기 다른 안착 위치를 향해 회전될 때 에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 회전자의 안착 위치와 연관되는 스프링 수단에 에너지가 저장되었을 때, 상기 회전자가 안착 위치에 근접함에 따라 상기 회전자의 회전 속도(및 추력 부재와 임의의 결합부의 선형 속도)가 점진적으로 감소되도록 상기 회전자는 결과적으로 감속되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계적 확대율 프로파일은 하나의 안착 위치 근처에서 상기 회전자의 각 운동이 실질적으로 상기 추력 부재의 선형 운동을 발생시키지 않는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자는 짝수개의 극들을 가지며, 상기 회전자는 영구 자석 수단을 포함하고 상기 영구 자석 수단에 의해 상기 회전자 주위에서 교번으로 자화되는 N(North) 및 S(South)인 짝수개의 노드들을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 자기장이 자체적으로 작용하는 경우 상기 스프링 수단이 자체 작용하는 것처럼 동일한 안착 위치 또는 안착 위치들에 안착시에 상기 자기장이 상기 회전자를 유지시키도록 하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자의 각각의 극들 주위에는 전류에 의해 전력공급될 때 상기 회전자 상에 기자력을 형성하는 전기 권선부가 구비되고, 상기 권선부는 상기 회전자의 회전 위치 및 요구되는 토크에 해당하는 타이밍에서 일련의 전류 펄스들로 전력공급되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자는 이격되어 전자기적으로 자화가능한 8개의 극들을 갖고, 상기 회전자는 이격되어 영구적으로 자화되는 4개의 노드들을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
9. 제 2 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기계적 결합부는 상기 회전자와 상기 추력 부재 사이의 로스트 모션(lost motion)을 포함하고, 상기 로스트 모션은 상기 회전자의 회전 부분 동안 시작되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 로스트 모션은 안착 위치들 중 하나로부터 떨어지는 상기 회전자의 회전 운동의 제 1 부분 동안 시작되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자는 하나의 안착 위치로부터 180°이상 회전되는 것이 방지되며, 상기 회전자 운동은 상기 두 개의 안착 위치들 사이에서 병진하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
12. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자는 하나의 안착 위치로부터 360°만큼 회전할 수 있고, 상기 전류 펄스들은 사용시 상기 회전자가 상기 180°위치만큼 회전함에 따라 상기 회전자를 중지 또는 감속시키도록 제어되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
13. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자는 2개 보다 많은 안착 위치들을 가지며, 상기 전류 펄스들은 사용시 제 1 안착 위치와 다른 안착 위치들 중 하나 사이에서 상기 회전자가 병진하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 연소 엔진의 입구 또 는 배기 밸브를 개폐시키는데 사용시, 상기 밸브 폐쇄 위치에 해당하는 상기 안착 위치는 제 1 안착 위치로 지칭되고, 상기 기계적 확대율 프로파일은 상기 밸브가 개방되기 시작하는 상기 회전자의 회전 위치에서 높은 기계적 확대율을 형성하도록 선택되며, 상기 밸브의 초기 개방 이후 상기 프로파일은 상기 기계적 확대율이 점진적으로 감소된 다음 상기 밸브가 완전히 개방될 때까지 다시 점진적으로 증가하고, 상기 기계적 확대율은 다시 최소로 감소되며 상기 회전자가 제 1 안착 위치에 근접하여 상기 밸브가 원래의 폐쇄 위치에 위치될 때까지 동일한 방식으로 역회전 또는 지속적인 회전으로 원래의 제 1 안착 위치를 향해 상기 회전자가 회전함에 따라 다시 증가하며, 상기 회전자가 제 1 안착 위치에 도달할 때까지, 상기 회전자는 상기 로스트 모션 커넥션으로 인해 상기 밸브로 전달되는 운동 없이 상기 폐쇄 위치를 넘어로 지속적으로 회전되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
15. 제 14 항에 있어서, 임의의 에너지 스테이지들과 조합되어 상기 스프링 수단이 상기 밸브 및 밸브 시트상의 마모 및 노이즈를 감소시키는 낮은 레벨로 마개(closure)로의 상기 밸브의 랜딩 속도가 감소되도록 상기 프로파일이 선택되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서, 상기 프로파일은 엔진의 점화 행정 이후 연소실내의 잔류 가스 압력로 인해 상기 밸브 마개상에 작용하는 가스 압력들을 극복하는데 요구되는 상기 밸브상에 작용하는 힘을 최대화시키도록 선택되는 것을 특 징으로 하는 전자기 액추에이터.
17. 제 14 항 내지 제 16 항에 있어서, 상기 결합부의 기계적 확대율 프로파일은 상기 회전자가 자유롭게 이동되면서 상기 밸브가 폐쇄된 상태로 유지되는 동안 드웰(dwell) 또는 로스트 모션 주기를 가짐으로써 상기 회전자는 상기 밸브가 개방되는 시간 주가 보다 더 긴 시간 주기에 대해 이동되어, 주어진 전자기 액추에이터, 전기적 구동 토크 및 회전 관성에 대해, 상기 밸브는 상기 회전자의 운동 동안의 총 시간보다 더 짧은 시간 동안 개폐될 수 있음으로써 상기 엔진이 주어진 밸브 개방 크랭크축 각도로 더 신속히 가동될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자가 제 1 안착 위치에 있을 때 스프링은 기계적 에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
19. 제 18 항에 있어서, 상기 스프링은 탄성 컨틸레버식 스프링 암을 포함하고, 그 자유 단부는 상기 회전자와 함께 회전하는 편심의 외부 둘레를 가압함으로써 상기 암을 편향시키며 그 내부에 에너지를 저장하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
20. 제 14 항 내지 제 17 항에 따른 제 19 항에 있어서, 상기 회전자에 대한 편심의 각 위치는 상기 밸브가 개방됨에 따라 상기 스프링으로부터 에너지가 방출되어 상기 밸브를 개방시키도록 상기 회전자가 가속되게 하며, 상기 밸브가 폐쇄됨에 따라 상기 편심은 상기 스프링 암을 다시 편향시켜서 에너지가 그 내부에 다시 한번 저장되어 상기 회전자가 상기 제 1 안착 위치를 향해 감속되도록 하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
21. 제 20 항에 있어서, 상기 밸브는 상기 스프링 암이 느슨하거나 최소 편향된 위치에 있을 때 완전히 개방되고, 상기 위치는 1차 제 2 안착 위치로 지칭되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
22. 제 4 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자가 회전함에 따라, 상기 영구 자석 수단은 회전되고 상기 회전자 노드들이 상기 회전자에 대한 다수의 2차 제 2 안착 위치들을 규정하기 위해 고정자 극들과 정렬됨으로써 자기 코깅 토크를 형성하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
23. 제 22 항에 있어서, 상기 전류는 상기 회전자가 상기 제 1 안착 위치에서 상기 제 2 안착 위치들 중 하나로 회전하고 다시 재회전하거나, 동일한 방향으로 지속적으로 회전하면서 상기 1차 제 2 안착 위치를 통해 상기 제 1 안착 위치로 리턴되도록 제어되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
24. 제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추력 부재는 내부 연소 엔진의 밸브를 개폐시키는데 사용시, 개폐되는 양 방향들로 상기 밸브 마개 부재를 이동시키기 위해 상기 밸브 마개 부재와 결합됨으로써, 상기 밸브가 폐쇄되도록 유지하는 별도의 스프링이 필요하지 않는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
25. 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 권선부에 전기 에너지의 펄스들을 제공하기 위한 제어 시스템과 조합됨으로써, 가변하는 엔진 부하에 응답하여 상기 엔진 동작 사이클의 각 지점에서 상기 밸브 마개상에 작용하는 힘들을 극복하도록 밸브 개폐 동안의 각 순간에 충분한 자기 토크를 생성하기 위해, 요구되는 순간적인 전기 에너지를 각 전류 펄스로 제공 및/또는 각 전류 펄스의 위상(즉, 타이밍) 및/또는 주기를 제어하고, 부하, 크랭크 각도 및 사이클 주기를 가변시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
26. 제 1 항 내지 제 25 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정자는 대향되는 2개의 쌍들로 배치되는 4개의 극들을 갖고, 상기 회전자는 영구 자석을 포함하며 사용시 한 쌍의 극들과 부분적으로 정렬되게 안착되고, 상기 회전자의 초기 운동은 상기 고정자에 결합된 적어도 하나의 권선부를 통한 전류 펄스에 의해 영향을 받아서 상기 회전자가 상기 부분 정렬된 극들로부터 멀어지도록 하는 것을 특징으로 하 는 전자기 액추에이터.
27. 제 26 항에 있어서, 상기 회전자가 한 쌍의 극들로부터 멀어지는 동시에 다른 쌍의 극들에 끌리도록 하기 위해, 상기 다른 쌍의 극들과 상기 회전자 사이의 인력을 형성하도록 상기 고정자에 결합된 다른 권선부에 전류가 공급되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
28. 제 27 항에 있어서, 상기 회전자가 상기 다른 쌍의 극들과 정렬되는 지점 넘어로 이동함에 따라 상기 각 권선부에 흐르는 전류의 방향은 반전되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
29. 제 2 항에 있어서,

    a) 원형으로 배치되고 내부 방사상으로 향하는 4개의 극들을 갖는 고정자;

    b) 직경상으로 대향되는 한 쌍의 영구 자석 극들을 포함하는 회전자 - 상기 회전자는 그 이동 양 끝단들에서 하나의 안착 방향으로부터 다른 안착 방향으로 180°까지 상기 4개의 고정자 극들내에서 회전가능함 -;

    c) 상기 회전자가 그 이동 양 끝단들 중 각각으로 회전함에 따라 기계적 에너지를 저장하는 제 1 스프링 엘리먼트;

    d) 상기 회전자의 회전 축으로부터 측방향으로 평행하게 오프셋되도록 연장되는 핀;

    e) 상기 액추에이터 외부로 추력을 인가하기 위해, 상기 회전자 축에 평행한 축 주위의 회전 운동에 대해 피봇 장착되고 상기 핀에 결합된 레버;

    f) 상기 핀이 내부에 수용되는 상기 레버의 아치형 슬롯 - 상기 핀은 상기 슬롯에 대해 슬라이딩될 수 있고, 상기 핀의 각 운동이 상기 슬롯의 형상에 의해 결정되는 상기 레버의 각 운동을 형성하는 정도로 회전 운동을 상기 레버에 전달할 수 있음 -;

    g) 그 이동 양 끝단들 중 각각으로 상기 레버가 회전됨에 따라 기계적 에너지를 저장하는 제 2 스프링 엘리먼트;

    h) 그 내부에 전류가 흐를 때 상기 4개의 고정자 극들 주위에서 교번하는 N극 및 S극을 생성하는 적어도 하나의 권선부; 및

    i) 상기 고정자, 권선부, 회전자, 레버 및 스프링들이 그 내부에 위치되는 하우징 - 상기 하우징의 대향 단부들은 상기 회전가능한 부분들에 베어링들을 제공함 -

    을 포함하고,

    j) 상기 회전자의 초기 회전 운동 동안 상기 기계적 확대율이 상기 회전자 이동의 나머지 부분에 대한 상기 기계적 확대율 보다 실질적으로 더 크게 하기 위해, 지속되는 상기 회전자의 회전이 상기 핀을 통해 상기 레버로 전달되는 회전 구동을 증가시키기 이전에, 상기 회전자 이동의 하나의 끝단 위치에서 다른 끝단 위치로 향하는 상기 회전자의 초기 회전 또는 운동으로 인한, 상기 핀과 슬롯 사이의 상대성 슬라이딩 운동을 형성하도록 상기 슬롯의 형상이 선택되는 것을 특징으로 하는 쌍안정 액추에이터.
30. 제 1 항 내지 제 25 항에 있어서, 상기 고정자는 상기 회전자 주위에서 동일하게 이격되는 8개의 극들을 갖고, 상기 회전자는 상기 회전자 내부의 상기 영구 자석 수단에 의해 자화되는 동일하게 이격된 4개의 노드들을 가지며, 상기 회전자는 상기 고정자의 각 극의 둘레 크기가 각 회전자 노드의 둘레 크기의 절반인 경우 한 쌍의 인접 고정자 극들 사이에서 일반적으로 정렬되게 안착되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
31. 제 30 항에 있어서, 상기 권선부들로의 전류 펄스에 의해 초기 운동이 영향을 받으며, 상기 전류 흐름의 방향은 상기 노드들의 일측면(트레일링(trailing) 측)상에서 상기 회전자 노드들이 고정자 극들로부터 멀어지게 하는 동시에 상기 노드들의 타측면(리딩(leading) 측)상에서 상기 회전자 노드들이 고정자 극들에 의해 끌리도록 하고, 상기 전류 흐름의 방향은 구동 토크가 상기 회전자상에서 지속적으로 인가되어 상기 회전자를 가속시킬 수 있도록 고정자 극들과 정렬 지점 넘어로 상기 회전자 노드들이 이동함에 따라 반전되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
32. 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자 운동은 상기 권선부들을 단락시킴으로써 제동되어, 유도 전류들이 초기 전류 펄스와 반대 방향 으로 상기 권선부들에 흐르도록 함으로써, 상기 고정자 극의 극성을 반전시키고, 상기 회전자 및 임의의 연동 결합부의 운동 에너지를 분산시키는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
33. 제 1 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 회전자의 제동은 상기 회전자를 감속시키는 토크의 방향을 반전시키기 위해 상기 권선부들의 전류 흐름을 반전시킴으로써 달성되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
34. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서, 상기 제동은 제 1 안착 위치 또는 임의의 다른 안착 위치와 같은 안착 위치에서 상기 회전자를 제동시키도록 작용하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
35. 제 1 항에 있어서,

    a) 원형으로 배치되고 내부 방사상으로 향하는 8개의 극들의 고정자 - 각각의 극은 각 극에서 전자석 수단을 형성하는 절연된 전도체로 권선됨 -;

    b) 직경상으로 대향되는 두 쌍의 영구 자석 극들을 포함하는 회전자 - 적정 인력으로 상기 회전자가 360°만큼 회전가능하거나, 일 방향으로 회전한 다음 반대 방향으로 다시 회전가능하도록 상기 회전자는 회전자 주위에서 N-S-N-S극으로 교번시키는 자기 방향을 가짐 -;

    c) 상기 회전자가 제 1 안착 위치로 회전함에 따라 기계적 에너지를 저장하 는 스프링 엘리먼트;

    d) 관형 휠 엘리먼트에 의해 둘러싸이고 상기 회전자의 회전 축으로부터 측방향으로 평행하게 오프셋되도록 연장되는 핀;

    e) 상기 회전자 축에 평행한 축 주위에 피봇 장착되는 제 1 레버;

    f) 상기 휠과 핀이 내부에 수용되는 상기 제 1 레버의 아치형 슬롯 - 상기 휠은, 상기 슬롯에 대해 롤링 또는 슬라이딩될 수 있고, 상기 핀과 휠의 각 운동이 상기 슬롯의 형상에 의해 결정되는 상기 레버의 각 운동을 형성하는 정도로 상기 회전자의 각 위치를 가변시키는 상기 기계적 확대율로 회전 운동을 상기 레버에 전달할 수 있음 -;

    g) 상기 액추에이터의 외부로 추력을 전달하기 위한 크로스-핀 접합부를 갖는 상기 제 1 레버;

    h) 제 2 레버와 접촉되고 상기 회전자로부터 연장되는 슬리브;

    i) 상기 스프링 변위가 상기 회전자 각 위치의 함수가 되도록, 슬라이딩 구형 베이링 수단을통해 상기 스프링을 이동시키기 위해 아치형 접촉 표면을 갖도록 형성되는 상기 제 2 레버;

    j) 상기 제 1 안착 위치의 일 측에서 상기 회전자의 작은 각 변위로 인해 상기 스프링의 운동 또는 상기 스프링의 다소간의 부가적인 변형을 초래하지 않도록 , 및 상기 스프링의 더 큰 운동들로 인해 상기 회전자가 제 1 안착 위치로부터 실질적으로 180°이동될 때까지 점진적으로 언로딩되는 상기 스프링을 형성하도록, 제 1 안착 위치를 제공하기 위한 상기 제 2 레버의 아치형 표면; 및

    k) 상기 고정자, 권선부들, 회전자 레버 및 스프링이 그 내부에 위치되는 하우징 - 상기 하우징은 상기 회전자, 제 1 레버 및 제 2 레버를 위한 베어링 수단을 제공함 -

    을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
36. 제 29 항 또는 제 35 항에 있어서, 먼저 상기 회전자가 한 방향으로 180°까지 회전된 다음 동일한 크기만큼 반대 방향으로 회전한 이후, 또는 총 360°만큼 회전한 이후, 적어도 제 1 안착 위치로부터 상기 회전자의 회전 시작 동안 및 제 1 안착 위치로 리턴되기 이전의 상기 회전의 마지막 부분 동안, 상기 핀과 슬롯 커넥션은 상기 회전자와 상기 레버 사이에서 로스트 모션 커넥션을 제공하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
37. 제 36 항에 있어서, 상기 핀은 회전자 축에 대해 회전하도록 적응되는 허브로부터 연장되는 크랭크 암의 선외(outboard) 단부와 일체로 부착 또는 형성되고,상기 허브는 축상으로 연장되고 상기 하우징의 인접 단부에서 제 1 베어링내에서 회전되게 지지되며, 상기 회전자의 다른 단부는 그 외부 레이스를 맞물리게 하는 편심 위치되는 베어링의 형태로 활차바퀴(sheave)를 형성하도록 동축상으로 연장되고, 스프링 힘이 접촉 가압됨으로써 상기 제 2 레버의 접촉력을 견디며, 상기 활차바퀴 넘어로의 상기 회전자의 축 연장은 상기 제 1 베어링과 유사하게 제 2 베어링에서 연장되며, 상기 두개의 베어링들은 회전자가 인가된 토크들에 응답하여 회전 이동될 정도로만 강압되도록 상기 회전자에 대한 지지를 제공하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
38. 제 37 항에 있어서, 상기 제 2 베어링은 다른 하우징내에 위치되는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
39. 제 37 항 또는 제 38 항에 있어서, 상기 제 1 레버는 한 줄(stem)의 포핏 밸브 마개 부재에 자체적으로 부착된 강성 링크(rigid link)에 피봇 부착되고 연소 가스들의 유입 또는 소모된 가스들의 유출, 내부 연소 엔진의 연소실을 제어하는 것을 특징으로 하는 액추에이터.
40. 제 38 항에 있어서, 상기 밸브가 완전 폐쇄될 때, 상기 회전자는 안착 위치에 있고 고정자 권선부를 통해 흐르는 임의의 전류에 대한 필요성 없이 상기 위치에 유지되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 및 포핏 밸브의 조합물.
41. 제 14 항 내지 제 40 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 밸브 마개 부재는 상기 밸브를 개폐시키는 양 방향들로 양성 구동되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 및 포핏 밸브의 조합물.
42. 제 41 항에 있어서, 상기 밸브가 폐쇄되게 유지시키는데 통상 사용되는 상기 스프링이 생략되거나 훨씬 더 작은 스프링 힘을 갖는 스프링으로 대체되는 것을 특징으로 하는 액추에이터 및 포핏 밸브의 조합물.
43. 배기 밸브를 개폐시키기 위해 제 1 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 따른 액추에이터가 설치될 때 적어도 하나의 배기 밸브를 구비한 내부 연소 엔진.
44. 연관되는 밸브를 독립적으로 개폐시키기 위해 각각 청구항 제 1 항 내지 제 42 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 해당 액추에이터들이 설치될 때 다수의 입구 및 배기 밸브를 구비한 내부 연소 엔진.

Images