KR20070049789A - 코일건 방식의 왕복 액추에이터 및 이의 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 왕복 액추에이터에 관한 것으로, 특히 종래보다 간단한 구성을 가지면서도 가동부재의 왕복 이동 거리를 길게 할 수 있으며, 또한 시간이 지남에 따른 왕복 운동의 성능저하가 없는 코일건 방식의 왕복 액추에이터에 관한 것이다.
본 발명은 각각 커패시터 및 스위치에 연결되고, 해당 스위치의 폐쇄 시 흐르는 전류에 의해 자장을 발생시키도록 나란히 형성된 복수 개의 솔레노이드 코일, 및 상기 솔레노이드 코일에 의하여 생성된 자장에 의하여 유도 전류가 발생되는 도전체가 하나 이상 형성된 가동 부재를 포함하며, 상기 가동 부재는, 상기 솔레노이드 코일에 의한 자장과 상기 도전체의 상기 유도 전류에 의하여 상기 코일 부재의 중심을 지나는 공간의 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 변위되며, 상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류가 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 제 1 방향으로 순차적으로 인가되어 상기 제 1 방향으로 변위되고, 상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류가 상기 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치까지의 제 2 방향으로 순차적으로 인가되어 상기 제 2 방향으로 변위되는 것을 특징으로 한다.
코일건, 왕복 액추에이터

Description

코일건 방식의 왕복 액추에이터 및 이의 구동 방법{Coil Gun Type Oscillatory Actuator and Driving Method}
도 1은 종래 기술에 의한 코일건 액추에이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 영구자석의 반발력을 이용하는 종래 기술에 의한 왕복 액추에이터의 일례를 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 코일건 방식의 왕복 액추에이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 코일건 방식의 왕복 액추에이터의 작동 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명은 코일건 방식의 왕복 액추에이터에 관한 것으로, 특히 가동 부재에 포함된 도전체와 솔레노이드 코일의 상호 작용에 의하여 가동 부재가 왕복 운동할 수 있는 코일건 방식의 왕복 액추에이터에 관한 것이다.
일반적인 코일건 방식의 액추에이터의 구성이 도 1에 도시된다. 도 1에 도시 된 코일건 방식의 액추에이터의 경우에는 스위치(11) 및 커패시터 뱅크 또는 전류원(12)이 원통형의 솔레노이드 코일(14)에 직렬로 연결되고, 실린더형의 도전체(13)가 솔레노이드 코일(14)의 중심부에 동축으로 그리고 도면에 도시된 바와 같이 솔레노이드 코일(14)로부터 약간 변위된 위치에 배치되는 구성을 갖는다. 이러한 코일건 액추에이터의 기본적인 동작 원리는, 먼저 커패시터 뱅크(12)를 충전시킨 상태에서 스위치(11)를 폐쇄시키면, 커패시터 뱅크(12)와 솔레노이드 코일(14)의 상호작용에 의하여 L-C 공진이 발생하면서 솔레노이드 코일(14)에 진동하는 전류가 흐르게 된다. 이 경우 솔레노이드 코일(14)에 흐르게 되는 진동 전류에 의해 솔레노이드 코일(14) 주위에 진동하는 자장이 형성되고, 이 진동하는 자장에 의하여 상기 솔레노이드 코일(14)의 중심부분에 배치된 도전체(13)에 와전류가 유도된다. 결과적으로 상기 솔레노이드 코일(14) 주위에 형성된 자장 및 상기 도전체(13)에 유도된 와전류와의 사이에 작용하는 로렌츠력에 의한 반발력에 의해 상기 도전체(13)는 솔레노이드 코일(14)에서부터 멀어지는 방향(즉, 솔레노이드 코일(14)로부터 변위된 방향)으로 움직이게 된다.
상기한 바와 같은 코일건 액추에이터를 이용한 직선 운동 방법은 다른 직선 운동 방법에 비하여 효율은 낮지만 연속적인 동작이 아닌 짧은 시간에 도전체에 큰 힘을 가하는 목적에 적합한 방법이다. 그러나 이러한 코일건 방식의 액추에이터는 도전체에 순간적으로 큰 힘을 1회 발생시키기 때문에 도전체의 이동 거리가 길거나 도전체가 왕복 운동을 하여야 하는 경우에 사용되기에는 부적합한 방법이다.
한편, 차단기와 같이 1회의 이동(open) 또는 왕복 후 1회 이동(open-close- open) 등의 동작을 하여야 하는 경우에는 일반적으로 가동부재에 부착되어 가동부재가 일정 거리만큼 이동한 후에 상기 가동 부재에 가해지는 힘을 변경하기 위한 탄성에너지를 저장하는 스프링 부재가 이용되거나, 철심 또는 영구자석이 이용되는 방법이 주로 사용된다. 영구자석을 이용하는 종래 기술의 일례로서, 예를 들어 도 2에 도시된 바와 같이, 영구자석(22) 및 가동로드(23)가 부착되어 이동가이드(24)를 따라서 일정 방향으로 이동되는 가동부재(21), 이동가이드(24)의 외부에 배치된 전자석(25), 기준위치(27)에 대하여 고정되도록 구성된 고정 영구자석(26) 등을 포함하여, 영구자석(22)과 고정 영구자석(26)의 자기적인 반발력(F)에 의해 가동부재(21)를 왕복 이동시킬 수 있는 한편, 전자석(25)에 흐르는 전류의 방향에 따라 상기 가동부재(21)에 영향을 미치는 반발력이 조절될 수 있도록 하는 방법을 들 수 있다.
그러나 상술한 바와 같은 스프링이나 철심 또는 영구자석을 이용하여 가동부재를 왕복운동시키는 구성은 그 구조가 복잡하다는 문제점과, 스프링을 이용하는 방법의 경우에는 시간이 지나면서 스프링의 탄성이 줄어든다는 문제점 및 철심이나 영구자석을 이용하는 방법의 경우에는 가동부재가 이동될 수 있는 거리를 길게 하기 어렵다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래의 기술의 문제점을 해결하여, 그 구조가 간단하면서도 가동부재의 왕복 이동 거리를 길게 할 수 있으며, 시간에 따른 왕복 운동의 성능저하가 없는 코일건 방식의 왕복 액추에이터를 제공함을 그 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 코일건 방식의 왕복 액추에이터는, 각각 커패시터 및 스위치에 연결되고, 해당 스위치의 폐쇄 시 흐르는 전류에 의해 자장을 발생시키도록 나란히 형성된 복수 개의 솔레노이드 코일, 및 상기 솔레노이드 코일에 의하여 생성된 자장에 의하여 유도 전류가 발생되는 도전체가 하나 이상 형성된 가동 부재를 포함하여 이루어지고, 상기 가동 부재는 상기 솔레노이드 코일에 의한 자장과 상기 도전체의 상기 유도 전류에 의하여 상기 코일 부재의 중심을 지나는 공간의 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 변위되며, 또한 상기 가동 부재는, 상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류가 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 제 1 방향으로 순차적으로 인가되어 상기 제 1 방향으로 변위되고, 상기 복수의 솔레노이드 코일에 상기 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치까지의 제 2 방향으로 전류가 순차적으로 인가되어 상기 제 2 방향으로 변위되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 가동 부재는 복수의 도전체를 포함하며, 상기 복수의 도전체는 비자성 절연물질에 의하여 서로 분리되도록 구성되며, 상기 복수의 솔레노이드 코일들 중 하나와 상기 복수의 도전체들 중 하나에 유도되는 유도전류에 의하여 상기 가동 부재가 전체적으로 변위되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코일건 방식의 액추에이터는 상기 가동 부재를 상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치에서 정지시키는 정지부들을 더욱 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게는 상기 복수의 솔레노이드 코일들의 간격 및 전류들을 인가시키기 위한 상기 스위치의 순차적인 폐쇄속도는 상기 복수의 솔레노이드 코일들에 의해 실질적으로 연속적인 시간적 및 공간적 자장이 형성되도록 정해지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 코일건 방식의 왕복 액추에이터의 구동방법은, 상술한 코일건 방식의 왕복 액추에이터를 이용하여, 상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류를 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 제 1 방향으로 순차적으로 인가함으로써 상기 가동부재를 상기 제 1 방향으로 변위시키는 단계, 및 상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류를 상기 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치까지의 제 2 방향으로 순차적으로 인가시킴으로써 상기 가동부재를 상기 제 2 방향으로 변위시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조하여 자세히 설명될 것이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 코일건 방식의 왕복 액추에이터의 구성을 개략적으로 나타낸다. 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 코일건 방식의 왕복 액추에이터는 복수 개의 솔레노이드 코일(31, 32, 33)과 이들의 중심에 동축으로 형성된 하나 이상의 도전체(34, 35)를 포함하는 가동 부재(36)로 이루어져 있다. 상기 복수개의 솔레노이드 코일(31, 32, 33)은 일정 간격 이격되도록 나란히 형성되며, 비자성 물질을 개재하여 하우징의 형태인 프레임 또는 수용체(39)의 일부가 되도록 구성하는 것도 가능하다. 또한 가동 부재(36)는 도전체들(34, 35)의 자기 특성과 간섭하지 않는 비자성 절연물질을 개재하여 일정 간격 이격되도록 형성된 도전체 봉인 것이 바람직하다. 상기 가동 부재(36)는 바람직하게는 프레임 또는 수용체(39)내의 정지부들(37, 38)에 의하여 그 변위가능 범위가 제한된다. 상기 복수의 솔레노이드 코일(31, 32, 33)은, 설명의 편의상 도시 생략되었으나, 도 1에 도시된 바와 같이 각각 스위치 및 전류원인 커패시터 뱅크에 연결되어 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 바람직한 실시예의 왕복 액추에이터의 구성에 의하면, 각 솔레노이드 코일에 연결되어 있는 커패시터를 충전시켜놓은 상태에서 순차적으로 각 솔레노이드 코일에 연결된 스위치를 닫으면 커패시터 및 솔레노이드 코일 쌍은 L-C 공진을 발생시키면서 각 솔레노이드 코일에 순차적으로 진동하는 전류가 흐르게 되며, 이러한 순차적으로 진동하는 전류에 의해 형성된 솔레노이드 코일 주위의 자장에 의해 도전체들(34, 35)에 유도 전류인 와전류가 흐르게 된다. 이 도전체에 흐르는 유도전류와 솔레노이드 코일에 의한 자장에 의한 반발력에 의하여 가동 부재가 일정 방향으로 이동하게 된다.
도 4는 도 3에 도시된 코일건 방식의 왕복 액추에이터의 작동 방법을 상세히 도시한 도면이며, 설명의 편의상 도면 부호는 생략되었으나, 아래의 설명은 도 3의 도면부호를 참조로 설명된다.
먼저 도 4a에 도시된 바와 같이 가동 부재(36)의 한쪽 끝이 제 1 정지부(37)인 제 1 위치에 있는 경우 제 1 솔레노이드 코일(31)에 연결된 스위치를 폐쇄시킴으로써 제 1 솔레노이드 코일(31)에 전류를 흘려주어 발생되는 자장과 이 자장에 의해 생성된 제 1 도전체(34)의 유도전류에 의한 반발력에 의해 가동 부재(36) 전 체가 화살표로 도시된 제 1 방향으로 추진되도록 한다. 이 경우 도면에 도시된 바와 같이 상기 제 1 도전체(34)가 상기 제 1 솔레노이드 코일(31)로부터 상기 제 1 방향으로 약간 이격된 위치에 놓이도록 상기 제 1 정지부로부터 떨어져 있다면, 상기 가동부재(36)는 상기 제 1 방향으로 추진될 수 있다.
다음에 가동 부재가 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 2 도전체(35)와 제 1 솔레노이드 코일(32)에 인접한 제 2 솔레노이드 코일(32)과 제 2 도전체(35)가 상호 작용할 수 있는 영향권의 위치, 즉 제 2 도전체(35)가 제 2 솔레노이드 코일(32)로부터 상기 제 1 방향으로 약간 이격된 위치에 오게 될 때, 제 2 솔레노이드 코일(32)에 연결된 스위치를 순차적으로 폐쇄시킴으로써 제 2 솔레노이드 코일(32)에 전류를 흘려주어, 이 전류에 의해 발생된 자장과 제 2 도전체(35)에 발생된 유도전류와의 반발력에 의해 상기 가동 부재(36) 전체가 제 1 방향으로 더욱 추진되도록 한다.
이렇게 순차적으로 복수의 솔레노이드 코일에 전류를 흘려주어 가동 부재를 추진시킨 후 도 4c에 도시된 바와 같이 가동 부재의 다른 한쪽 끝이 제 2 정지부(38)인 제 2위치에 위치하게 되어 정지하는 경우에는, 상기 다른 한쪽 끝에 인접 배치된 제 3 솔레노이드 코일(33)에 연결된 스위치를 폐쇄시킴으로써, 가동 부재(36)는, 제 3 솔레노이드 코일(33)에 의해 발생되는 자장과 이 자장에 의해 생성된 제 2 도전체(35)의 유도 전류에 의한 반발력에 의해, 도 4c의 화살표로 도시된 바와 같이 상기 제 1 방향과 반대방향인 제 2 방향으로 추진되도록 한다. 이 경우에, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 제 2 도전체(35)가 상기 제 3 솔레노이드 코일 (33)로부터 상기 제 2 방향으로 약간 이격된 위치에 놓이도록 상기 제 2 정지부로부터 떨어져 있다면, 상기 가동부재(36)는 상기 제 2 방향으로 이동될 수 있다.
다음에, 예를 들면 그 동안에 제 2 솔레노이드 코일(32)의 스위치를 개방시키고 그 전류원인 커패시터 뱅크를 미리 충전시켜 둔 후에, 도 4d에 도시된 바와 같이 제 2 솔레노이드 코일(32)과 제 1 도전체(34)가 상호 작용하여 제 2 방향으로 이동될 수 있는 위치, 즉 제 1 도전체(34)가 제 2 솔레노이드 코일(32)로부터 상기 제 2 방향으로 약간 이격된 위치에 있도록 가동 부재(36)가 이동하게 되면 제 2 솔레노이드 코일(32)에 연결된 스위치를 폐쇄시킴으로써, 제 1 도전체(34)와 제 2 솔레노이드 코일(32)와의 상호작용에 의해 가동 부재(36)가 제 2 방향으로 더욱 추진되도록 한다.
마지막으로 도 4e에 도시된 바와 같이 가동 부재(36)의 한쪽 끝이 제 1 정지부(37)인 제 1 위치에 닿아 정지하면 원래의 위치로 되돌아오게 된다.
상술한 바와 같은 본 발명에 따른 코일건 방식의 왕복액추에이터의 솔레노이드 코일들의 간격은, 상기 솔레노이드 코일들에 연결된 스위치를 순차적으로 폐쇄시킴으로써 각 솔레노이드 코일에 인가되는 전류에 의해 상기 복수의 솔레노이드 코일들이 실질적으로 연속적인 공간적 자장을 발생시킬 수 있는 정도의 간격인 것이 바람직하며, 또한, 순차적으로 상기 스위치들을 폐쇄시키는 속도 또한 각 솔레노이드 코일에 순차적으로 인가되는 전류에 의해 상기 복수의 솔레노이드 코일들이 실질적으로 시간적으로 연속적인 자장을 발생시킬 수 있는 정도의 속도인 것이 바람직하다.
또한, 비록 상기 도 3 및 도 4에 도시된 실시예는 3개의 솔레노이드 코일과 2개의 도전체로 구성되는 실시예를 도시하였으나, 본 발명에 따른 코일건 방식의 왕복 액추에이터는 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자라면 본 발명의 사상 및 원리를 벗어나지 않는 다수의 변형례를 실시할 수 있다는 것은 자명하다. 예를 들어, 본 발명의 코일건 방식의 왕복 액추에이터는 필요로 하는 가동 부재의 왕복 거리나 추진력의 크기에 따라 더 많은 코일 및 도전체를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 가동 부재내의 도전체의 갯수 및 간격도 가동부재의 왕복 거리나 추진력의 크기, 그리고 상기에서 살펴본 바와 같이 솔레노이드 코일들과의 상대적 위치나 스위치의 폐쇄 속도에 따라, 예를 들어 5개의 솔레노이드 코일 및 2개의 도전체를 포함하여 하나의 도전체가 연속하는 2개의 솔레노이드 코일에의 순차적인 전류의 인가에 의해 영향을 받아 전체 가동 부재가 계속 추진될 수 있도록 구성될 수도 있다.
본 발명의 코일건 방식의 왕복 액추에이터에 의하면, 종래 기술보다 간단한 구성을 가지면서도 가동부재의 왕복 이동 거리를 길게 할 수 있으며, 또한 시간이 지남에 따른 왕복 운동의 성능저하가 없는 왕복 액추에이터를 제공할 수 있다.

Claims (7)

  1. 코일건 방식의 왕복 액추에이터에 있어서,
    각각 커패시터 및 스위치에 연결되고, 해당 스위치의 폐쇄 시 흐르는 전류에 의해 자장을 발생시키도록 나란히 형성된 복수 개의 솔레노이드 코일, 및
    상기 솔레노이드 코일에 의하여 생성된 자장에 의하여 유도 전류가 발생되는 도전체가 하나 이상 형성된 가동 부재를 포함하여 이루어지고,
    상기 가동 부재는 상기 솔레노이드 코일에 의한 자장과 상기 도전체의 상기 유도 전류에 의하여 상기 코일 부재의 중심을 지나는 공간의 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 변위되며,
    상기 가동 부재는, 상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류가 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 제 1 방향으로 순차적으로 인가되어 상기 제 1 방향으로 변위되고, 상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류가 상기 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치까지의 제 2 방향으로 순차적으로 인가되어 상기 제 2 방향으로 변위되는 것을 특징으로 하는 코일건 방식의 왕복 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동 부재는 복수의 도전체를 포함하며, 상기 복수의 도전체는 비자성 절연물질에 의하여 서로 분리되도록 구성된 것을 특징으로 하는 코일건 방식의 왕 복 액추에이터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 솔레노이드 코일들 중 하나와 상기 복수의 도전체들 중 하나에 유도되는 유도전류에 의하여 상기 가동 부재가 전체적으로 변위하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 코일건 방식의 왕복 액추에이터.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가동 부재를 상기 제 1 위치 및 상기 제 2 위치에서 정지시키는 정지부들을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 코일건 방식의 왕복 액추에이터.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 솔레노이드 코일들은, 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류가 순차적으로 인가되는 경우 실질적으로 연속적인 공간적 자장을 형성할 정도로 이격되어 있는 것을 특징으로 하는 코일건 방식의 왕복 액추에이터.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스위치들은 상기 복수의 솔레노이드 코일들에 의해 실질적으로 연속적인 시간적 자장을 형성할 정도로 순차적으로 폐쇄되는 것을 특징으로 하는 코일건 방식의 왕복 액추에이터.
  7. 각각 커패시터 및 스위치에 연결되고, 해당 스위치의 폐쇄 시 흐르는 전류에 의해 자장을 발생시키도록 나란히 형성된 복수 개의 솔레노이드 코일, 및
    상기 솔레노이드 코일에 의하여 생성된 자장에 의하여 유도 전류가 발생되는 도전체가 형성된 가동 부재를 포함하여 이루어지고, 상기 가동 부재가 상기 솔레노이드 코일에 의한 자장과 상기 도전체의 상기 유도 전류에 의하여 상기 코일 부재의 중심을 지나는 공간의 제 1 위치와 제 2 위치 사이에서 변위되는 코일건 방식의 왕복 액추에이터의 구동방법에 있어서,
    상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류를 상기 제 1 위치로부터 상기 제 2 위치까지의 제 1 방향으로 순차적으로 인가함으로써 상기 가동부재를 상기 제 1 방향으로 변위시키는 단계, 및
    상기 복수의 솔레노이드 코일에 해당 스위치의 폐쇄에 의한 전류를 상기 제 2 위치로부터 상기 제 1 위치까지의 제 2 방향으로 순차적으로 인가시킴으로써 상기 가동부재를 상기 제 2 방향으로 변위시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 코일건 방식의 왕복 액추에이터의 구동방법.
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