KR20070012358A - 발진운동을 하는 아마추어 장치와 스프링을 포함하는 선형구동 유닛 - Google Patents

발진운동을 하는 아마추어 장치와 스프링을 포함하는 선형구동 유닛 Download PDF

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KR20070012358A
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귄터 리스
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베에스하 보쉬 운트 지멘스 하우스게랫테 게엠베하
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Abstract

본 발명의 구동 유닛(10)은 여기 권선(11)과, 상기 권의 자장에 의해 축 방향으로 중앙 위치 가까이에서 선형 발진 운동을 하도록 설정되는 자기 아마추어 장치(15)와, 고정점(B, B')에 고정되도록 매달리며, 진동하는 끝 부분이 상기 아마추어 장치에 연결되어 운동 방향으로 아마추어 장치에 힘을 가하는 하나 이상의 스프링을 포함한다. 상기 아마추어 장치(15)의 중앙 위치(Mp)에서, 상기 아마추어 장치와 연결된 스프링(2, 2')의 작용점(A, A')은 상기 고정점(B, B')에 대하여 지정 거리(△x)만큼 축 방향으로 오프셋(offset) 된다. 이는 정지 위치에서 상기 아마추어 장치를 오프셋 하기 위해서이다.

Description

발진운동을 하는 아마추어 장치와 스프링을 포함하는 선형 구동 유닛{LINEAR DRIVE UNIT WITH AN OSCILLATING ARMATURE PART AND A SPRING}
본 발명은 선형 구동 유닛에 관한 것으로, 선형 구동 유닛은 하나 이상의 여기 권선과, 상기 권선의 자장에 의해 축 방향으로 중앙 위치 가까이에서 선형 발진 운동을 하도록 설정되는 자기 아마추어 장치와, 고정점(B, B')에 고정되며, 진동하는 끝 부분이 상기 운동 방향으로 아마추어 장치에 작용하는 하나 이상의 스프링을 포함한다.
대응하는 구동 유닛이 일본공개 특허 JP 2002-031054 A에 기술되어 있다. 구동 유닛은 압축기의 펌프 플런저가 선형 발진 운동을 하도록 하는 데 이용된다. 이러한 압축기와 선형 구동 유닛을 포함하는 시스템은 따라서 선형 압축기라 한다( 상기 일본 공개 특허에서 최초로 언급한 내용 참조).
이러한 일반적인 선형 압축기에서, 보통 원형의 디스크 모양을 가지는 판 스프링(leaf spring, 상기 일본 공개 특허 참조)을 포함하는 아마추어 장치는 임의의 발진 주파수를 가지는 탄성체 시스템(spring-mass system)을 형성한다. 선형 압축기가 50Hz(즉, 메인 주파수에서)로 발진하는 경우에, 종래 기술에 의하면, 두 개의 판 스프링들의 스프링 상수는 아마추어 질량(mass)에 결합하도록 설계되어 탄성체 시스템의 특성 주파수는 50Hz가 된다. 또한, 스프링의 정지 위치는 바람직한 아마추어 발진의 중앙 위치에 대응한다. 따라서 동작 중에, 선형 압축기는 제한된 효율을 나타내며 상대적으로 느린 시동 동작을 보인다.
그리하여 본 발명의 목적은 상기한 특징이 있는 선형 구동력을 증진시켜 종래 기술에 비해 비교적 높은 효율을 가지도록 하고 쉽고 빠르게 시동할 수 있도록 하는 데 있다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 선형 구동 유닛은 청구항 1 항에 명시된 다음과 같은 특징을 포함한다. 아마추어 장치의 중앙 위치에서, 아마추어 장치상에 있는 스프링의 작용점이 스프링의 고정점에 대하여 소정의 거리 만큼 축 방향으로 이동된다. 아마추어 장치의 중앙 위치는, 이 경우에, 진동 과정 중 두 개의 최대 측방 편향 위치 사이에서 아마추어가 취하는 위치로 간주한다.
아마추어 장치가 정지 위치에 있을 때, 스프링을 사전 가압을 한 결과로 아마추어 장치는 중앙 위치에 대하여 일 측으로 이동된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구동 장치는 낮은 전기적 손실, 높은 효율 그리고 아마추어 운동을 제어 및 조절하기 쉽다는 장점이 있다. 더구나, 구동 유닛의 시동 특성이 향상된다.
본 발명에 따른 구동 유닛의 실시예들의 유리한 특징이 종속항에 기술된다. 동시에, 제 1 항의 실시예는 하나의 종속항에 결합되거나 다수의 종속항에 결합될수 있다. 따라서, 다음의 특징이 구동 유닛에 추가적으로 포함될 수 있다.
- 하나 이상의 스프링 (2, 2')은 아마추어 장치(15)의 운동 방향을 가로지르는 방향으로(transverse to) 고정되는 판 스프링으로 구현될 수 있다.
- 또한, 복수의 스프링들은 중앙 위치의 양측에 위치할 수 있다. 특히, 판 스프링을 사용하는 때에는, 아마추어 장치를 유지하고 가이드 하도록 할 수 있다.
- 아마추어 장치는 압축기의 하나 이상의 펌프 플런저에 연결될 수 있으며, 여기서 아마추어 장치상의 하나 이상의 스프링의 작용점은 압축기로부터 멀어지는 쪽으로 축 방향 이동을 한다. 이는 아마추어 장치 및 플런저를 포함하는 시스템의 시동 특성을 개선한다.
- 작은 스프링 상수 또는 낮은 강성(stifness)을 가지는 스프링이 사용될 수 있다. 이러한 스프링은 본 발명에 따라 아마추어 장치상의 작용점의 변위에 특히 적합하다.
- 하나 이상의 스프링의 작용점의 축 방향 변위는 스프링 상수에 따라 결정된다.
- 또한, 하나 이상의 스프링의 스프링 상수가 선택되며, 전체 발진 질량에 의한 구동 유닛의 특징적 주파수는 구동 자기력의 주파수보다 낮다.
본 발명에 따른 구동 유닛의 다른 실시예들이 상술하지 않은 청구항들이나 도면으로부터 도출될 수 있다.
본 발명은 이하 첨부되는 도면을 참조하여 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따라 구동 유닛 단면의 대칭 축에 대한 상부(upper part) 를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 구동 유닛의 아마추어 운동 및 전기적으로 영향을 받는 힘( force)을 나타내는 도면이다.
도 3은 스프링의 시뮬레이션 구조를 나타내는 도면이다.
* 참조 부호*
2, 2' 판 스프링 9a, 9b 영구 자석
10 구동 유닛 11 여기 권선
12 요크 장치 13 채널 형태의 개구부
15 아마츄어 16 확장부(extension part)
M1 중앙 라인(center line) Mp 중앙 위치
S 대칭 축 A, A' 작용점
m1, m2 자화 방향 x 축 방향 확장
△x 변위 L1, L2 편향
x0 초기 위치 B, B' 고정점
V 압축기 K1, K2 곡선
Fel 포스(force) Ru 방향 반전 위치
아마츄어(armature) 장치의 발진/운동 방향으로 작용하는 일반적인 스프링(탄성체)은 본 발명에 따른 구동 유닛에 이용될 수 있다. 하나 이상의 스프링, 바 람직하게는 두 개의 판 스프링(leaf spring)들을 이용하는 것이 적합하다. 이러한 판 스프링들은 다음의 실시예에서 선택된다. 판 스프링들은 충분히 좋은 측면 안정성을 가지며, 낮은 강성(stifness) 또는 스프링 상수 k를 가지는 운동의 방향에 수직인 발진하는 아마추어 장치가 스프링의 평면에 수직인 발진/운동 방향을 유지하도록 한다. 자연히, 나선형의 또는 코일 스프링과 같은 다른 타입의 스프링들도 사용될 수 있다. 베어링(bearings)이 측면 유도(lateral guidance)를 위해 일반적인 방법으로 제공될 수 있다.
도 1은 실질적으로 본 발명에 따라 두 부분으로 구분되는 선형 구동 장치 10의 단면 상부를 개략적으로 나타내는 도면이다. 즉, 도 1은 발진의 축 방향으로 확장되는 대칭 축 S의 일 측에 위치하는 유닛의 일부를 상세히 나타낸다. 대칭적으로 구성된 구동 장치가 예를 들면 미국특허 US 6,323,568 B1에 설명되어 있다. 본 발명에 따른 구동 장치 10은 하나 이상의 자속 운반 요크 장치(magnetic-flux-carrying yoke body) 12와 연결되는 하나 이상의 여기 권선(exiter winding) 11을 포함한다. 자기 아마추어 또는 아마추어 장치 15는 중앙의 채널 형태 개구부 내에 또는 요크 장치의 슬릿 모양의 갭 영역 13 내에 위치한다. 이러한 아마추어는 축 방향으로 하나 뒤에 다른 하나가 배열되는 두 개의 영구 자석들 9a 및 9b를 포함한다. 영구 자석들 9a 및 9b의 반대로 자화된 방향이 화살표 m1 및 m2로 표시된다. 이러한 아마추어는 권선 11의 가변 자장에서 축 방향으로 발진 운동을 하며, 중앙 위치 Mp 가까이에서 발진(진동)한다. 이러한 중앙 위치로부터 축 방향으로 이루어지는 최대 변이 x (즉, 발진 진폭)은 +L 또는 -L2로 표시된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 두 개의 판 스프링들 2 및 2'은 고정되어 아마추어 15의 중앙 위치로부터 x-방향으로 힘을 작용한다. 여기서, 판 스프링들 2 및 2'은 중앙 위치 Mp의 양측에 A 위치한 작용점 A 또는 A'에서 아마추어 15의 확장부에 작용한다. x0 및 - x0는 사전-압축(pre-stressing)된 조건에서 스프링 2 및 2'의 작용점 A 및 A'의 (초기) 위치를 나타낸다. 작용점은 두 개의 자석들 9a 및 9b을 가지는 아마추어 장치 15의 중앙 위치 Mp에 대한 대칭적으로 배열된다. 하나 이상의 스프링의 스프링 상수 k는, 전체 발진 질량 m 에 따른 구동 유닛의 특성 주파수 f0 =
Figure 112006063326370-PCT00001
가 여기 권선에 의해 발생하는 구동 자기력(driving magnetic force)의 주파수보다 작아지도록 결정된다(dimension). k의 값은 산술적인 방법에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 구동 장치에서, 탄성력(spring force)이 제거되는 아마추어의 정지 위치는 한 방향의 지정 거리 △x에 의해 대체된다. 관계된 사전-장력(pre-tensioning force)은 x- 방향(압축기 V 또는 압축기의 펌프 플런저(pump plunger)가 위치하는)으로 측면으로 작용하여야 한다. 이러한 이유로, 적어도 일 측에 아마추어 15가 측면 확장부 16 내로 축 방향 이동을 한다. 측면 확장부 16는 상세히 도시되지는 않으나 압축기 V의 펌프 플런저에 고정적으로 연결된다. 선형 구동 유닛들에 연결되는 선형 압축기들 중 대응하는 압축기와 이러한 압축기의 개별적인 부분들은 종래기술(예, JP 2002-031054 A 또는 US 6,323,568 B1 참조)에 포함된다. 따라서, 이에 대하여는 설명하지 않는다.
도 1은 아마추어 15가 발진 운동을 하는 동안에 중앙 위치 Mp에 대하여 정확히 대칭적이 되도록 위치하는 시점에서의 아마추어 15를 나타낸다. 따라서, 이 위치에서, 고정점 B 또는 B'에 안정적으로 고정된 스프링들 2 및 2'는 작용점 A 또는 A'에서 압축기의 측면으로부터 먼 쪽으로 거리 △x 만큼 구부러진다. 따라서, 탄성력(spring force)이 작용하지 않는 정지 위치(rest position)에서, 아마추어는 중앙 위치(center position)로부터 압축기 V를 향하여 변위 된다.
도 2에서, x_=_-L2 및 x_=_+L1인 지점들 사이의 아마추어 15의 중앙점 운동(movement)은 L1 및 L2가 각각 약 10mm인 경우로 가정한다. 일 예로써, 도 2는 초(sec) 단위의 함수로써 뉴턴(N) 단위의 전기적 영향력(electrically influenced force) Fel(즉, 곡선 K1)과 밀리미터(mm) 단위의 위치 x (곡선 K2)를 나타낸다. 아마추어 방향의 반전 위치들(reversal positions)은 증가하는 점선으로 나타내며, 점선은 선 폭을 가지는 Ru 로 표시된다.
구동 유닛 및 압축기를 포함하는 시스템의 스프링 설계 원리
다음의 분석에서, 선형 구동 유닛 10의 아마추어 15는 압축기 V의 펌프 플런저에 연결되는 것을 가정한다. 간략한 설명을 위해 다음의 사항을 가정한다.
L1 = L2 = L
아마추어에 작용하는 전자기력 Fel 의 양(magnitude)은 영(zero)이거나 고정된 값을 가져야 하며, 이 힘의 부호는 운동의 방향으로 힘이 작용하도록 결정된다. 전자기력 Fel 은 거리의 분수 a 에 대하여 영(zero)가 아니다. (0<a<1; a 는 이하 에서 "듀티 사이클" 이라함). k를 운동 방향의 스프링 상수의 합(sum)으로 두고 x0를 아마추어의 중앙 위치에 대한 스프링의 정지 위치로 한다.
압축기로부터의 복귀 이동(return travel)에 대응하는
Figure 112006063326370-PCT00002
에 대하여,
아마추어에 전기적으로 공급되는 에너지는 다음과 같다
Figure 112006063326370-PCT00003
(식 1)
그리고 아마추어 사점(dead-center point)으로부터
x= +L
아마추어 사점으로
x= -L
스프링의 위치 에너지는 다음과 같이 변화한다.
△Espring=
Figure 112006063326370-PCT00004
(식 2)
상기 두 개의 에너지는 동일하여야 한다. 즉,
△Espring = Eel - (식 3)
아마추어를 향한 전진 이동(forward travel)에 대응하는
Figure 112006063326370-PCT00005
에 대하여
(순차적으로) 아마추어에 전기적으로 공급되는 에너지는 다음과 같다.
Figure 112006063326370-PCT00006
(식 4)
그리고 아마추어 사점으로부터
x = -L
아마추어 사점으로
x = +L
스프링의 위치에너지는 다음과 같이 변화한다.
- △Espring
일정한 발진 진폭 L에 대하여 발진 운동의 전체 전기 에너지는
Figure 112006063326370-PCT00007
이고,
무시할 수 있는 마찰력(friction)은 압축기에 사용되는 에너지 Ecomp .와 동일하여야 한다.
전기적인 힘(상수. 일정하다고 가정)은 따라서 다음과 같다.
Figure 112006063326370-PCT00008
(식 5)
스프링 상수 k 와 전기 에너지 Eel -(즉, 전기적인 힘 F3l, 진동 진폭 L, 그리고 듀티 사이클 a)이 주어지면, 식 1 및 식 2 를 식 3에 대입하여 필요한 스프링 정지 위치(rest position)를 계산할 수 있다.
Figure 112006063326370-PCT00009
(식 6)
식 6으로부터 다음과 같은 사실을 알 수 있다.
즉, 스프링은 항상 양(positive)의 방향으로 사전에 가압(pre-stressing)하 여야 하며 사전 가압 거리(pre-stressing distance)가 짧을수록, 스프링 상수 k는 커진다.
스프링 설계의 방법
스프링은 아마추어가 다음에 대하여 요크 장치에서 대칭적으로 발진(진동) 운동을 하도록 설계되어야 한다.
x = 0
(즉, x = -L 과 x = +L 사이에서)
여기서, 아마추어 발진의 주파수 f는 목표 값 ftarget 에 근사적으로 대응한다.
지정 값을 가지는 아마추어 질량에 대하여,
발진 진폭 L 과 압축기 특성인 발진 주파수 f 는 단지 두 개의 양(즉, 스프링 상수 k 와 듀티 사이클 a)에만 의존한다.
이는 다음을 만족한다.
● k 가 커질수록, f가 커지며,
● a 가 작아질수록 f 가 증가한다.
스프링은 다음과 같이 설계된다:
1. 스프링의 최적 형태를 얻도록 하는 표준 조건(standard conditions) 하에서,
발진 진폭(oscillation amplitude) L 을 명시하고 압축기 에너지 Ecomp 를 결 정한다.
2. 식 5 (또는 힘에 대응하는 권선 전류를 계산함)에 따라,
듀티 사이클 a을 명시하고 및 전기적 힘 Fel 을 계산한다.
3. 식 6을 사용하여
스프링 상수 k를 명시하고 스프링 정지 위치 x0 를 계산한다.
4. 도 3 에 대하여 가정한 스프링-압축기-질량 시스템(spring-compressor-mass system)을 시뮬레이션하고 발진 주파수 f를 결정한다.
5. f 와 목표 값 ftarget 이 서로 매우 다른 경우에, 2(듀티 사이클 a 변경) 또는 3(스프링 상수 k 변경)으로 돌아간다.
계산예
계산예(example calculation)는 2L = 20mm 인 스트로크(stroke)와 표준 압력 조건(Pmax - Pmin = (7.7. - 0.6)을 가지는 일반적인 압축기에 관한 것이다.
데드 볼륨(dead volume)이 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하면, 복원력(restoring force)이 생기지 않는다. 이러한 조건에서 압축기에서 발진 동작마다 수행되는 역학적 일(mechanical work)은 0.7753J 이다. 역학적인 힘(power)이 40W 라고 하면, 발진 주파수 f는 51.6Hz 이다.
도 3 의 시뮬레이션 블럭도에서, m (질량)과 c( 마찰 계수)는 90g 및 0.336 Ns/m 의 값을 가진다.
다음의 표에서 듀티 사이클 a 와 스프링 상수 k 는 초기 값(quantities)으로 생각하여야 한다. 여기서, 전기적인 힘 Fel, 스프링 정지 위치 x0 와 발진 주파수 f 는 계산된 결과이다.
표 1
듀티사이클 스프링 상수 전기적인 힘 정지 위치 주파수
Figure 112006063326370-PCT00010

Claims (6)

  1. 하나 이상의 여기 권선과;
    상기 권선의 자장에 의해 축 방향으로 중앙 위치에 대하여 선형 발진 운동을 하도록 설정되는 자기 아마추어 장치와;
    고정점(B, B')에 고정되며, 진동하는 끝 부분이 상기 운동 방향으로 상기 아마추어 장치에 작용하는 하나 이상의 스프링을 포함하되,
    상기 아마추어 장치(15)의 중앙 위치(Mp)에서, 상기 아마추어 장치상에 위치한 스프링(2, 2')의 작용점(A, A')이 상기 고정점(B, B')에 대하여 지정 거리(△x)만큼 축 방향으로 이동되는 것을 특징으로 하는 선형 구동 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스프링 (2, 2')은 아마추어 장치(15)의 운동 방향을 가로지르는 방향(transverse to)으로 장력을 받는 판 스프링인 것을 특징으로 하는 선형 구동 장치.
  3. 제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    복수의 스프링들(2, 2')은 중앙 위치(Mp)의 양측에 위치하는 것을 특징으로 하는 선형 구동 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아마추어 장치(15)는 압축기(V)의 하나 이상의 플런저에 연결되며,
    상기 아마추어 장치(15) 상의 스프링(2, 2') 작용점(A, A')의 상기 축 방향 변위(△x)는 상기 압축기(V)로부터 멀어지는 방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는 선형 구동 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 스프링(2, 2')은 낮은 강성(stifness)을 가지는 것을 특징으로 하는 선형 구동 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스프링(2, 2') 작용점(A, A')의 상기 축 방향 변위(△x)는 상기 강성에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 선형 구동 장치.
KR1020067017743A 2004-03-05 2005-03-07 발진운동을 하는 아마추어 장치와 스프링을 포함하는 선형구동 유닛 KR20070012358A (ko)

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