KR20090061606A - 전자기적으로 최적화된 구성으로 ｖ자형으로 배열된영구자석을 갖는 전자기 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 전기자(4)와 조합된 한편 적어도 하나의 전자석의 작용을 받아 이동할 수 있는 작동 부재를 구비하는 전자기 액추에이터로서, 코일(3)과; 전기자 내에 리턴패스를 형성하도록 코일의 자속을 안내하기에 적합한 한편, 기부(10)를 구비하며, 이 기부(10)에서부터 상기 코일이 둘레에 감긴 중앙 브랜치를 비롯한 브랜치들이 연장되고 있는 코어(2)와; 코어와 조합된 2개의 영구자석(13)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 2개의 영구자석은 V자형을 형성하도록 코어의 중앙 브랜치 내에 배치되며, 상기 V자형은 중앙 브랜치를 두 부분으로 나누게 되며, 어느 하나의 영구자석의 자속이 통과할 수 있는 코어(2) 또는 전기자(4)의 임의의 섹션(S1, S2, S3)은 이들 섹션들이 영구자석의 자속에 의해 포화되는 것을 방지하기에 충분한 크기의 면적을 갖게 된다.

내연 기관, 밸브, 전자기 액추에이터, 전자석, 영구자석, 코어, 자속 포화

Description

전자기적으로 최적화된 구성으로 Ｖ자형으로 배열된 영구자석을 갖는 전자기 액추에이터{ELECTROMAGNETIC ACTUATOR HAVING PERMANENT MAGNETS PLACED IN THE FORM OF A V IN AN ELECTROMAGNETICALLY OPTIMIZED ARRANGEMENT}

본 발명은, 전자기적으로 최적화된 구성으로 V자형으로 배열된 영구자석을 갖는 전자기 액추에이터에 관한 것이다.

특허 문헌 FR 2 865 238에서는 전기자와 조합된 한편 전자석의 작용을 받아 이동할 수 있는 작동 부재를 갖는 전자기 액추에이터를 개시하고 있는 데, 이 전자석은 코일 및 이 코일의 자속을 안내하여 전기자 내에 리턴패스(return path)를 형성하는 코어를 포함하며, 코어는 기부를 구비하며, 이 기부로부터 코일이 둘레에 감겨있는 중앙 브랜치(branch)를 비롯한 브랜치가 연장하고 있다. 전자석은 2개의 영구자석을 포함하며, 이들 영구자적은 코어가 영구자석의 자속을 안내하여 전기자 내에 리턴패스를 형성하는 한편, 코일의 자속이 영구자석을 통과하게 되도록 코어에 합체되어 있다. 전술한 특허 문헌에 예시된 예 중 하나에서, 영구자석은 코어의 측부 브랜치 내에 경사지게 배치되어, 코일의 높이와 실질적으로 동일한 길이의 영구자석이 전자석의 길이의 상응하는 증가를 초래하지 않으면서 코어 내에 수용될 수 있다.

그러나, 그러한 구성은 영구자석을 삽입할 수 있도록 코어를 이루는 적층체(lamination)가 절단되어야 함을 의미하여, 적층체를 기계적으로 약화시키고 조립의 문제점을 내포하고 있다. 게다가, 적층체의 전달된 부분들을 함께 유지하기 위해 적층체에 연결부를 남겨둘 필요가 있으며, 이에 따라 그 연결부가 인접하는 영구자석의 자속에 의해 포화되는 많은 단락 회로를 형성하게 된다.

본 발명의 과제는, 경사진 영구자석을 구비하며 전자기적 효율이 높은 전자기 액추에이터를 제공하는 데에 있다.

전술한 과제를 달성하기 위해, 본 발명은, 전기자와 조합된 한편 적어도 하나의 전자석의 작용을 받아 이동할 수 있는 작동 부재를 구비하는 전자기 액추에이터로서, 코일과; 전기자 내에 리턴패스를 형성하도록 코일의 자속을 안내하는 한편 기부를 구비하며, 이 기부에서부터 코일이 둘레에 감긴 중앙 브랜치를 비롯한 브랜치들이 연장되고 있는 코어와; 2개의 영구자석을 포함하며, 이들 영구자석은 전기자 내에 리턴패스를 형성하기 위해 코어가 영구자석의 자속을 안내하게 하는 한편, 코일의 자속이 영구자석을 통과하게 되도록 코어와 조합되어 있는, 전자기 액추에이터를 제공한다. 본 발명에 따르면, 2개의 영구자석은 V자형을 형성하도록 코어의 중앙 브랜치 내에 배치되며, 그러한 V자형은 영구자석을 지지하는 한편 기부와 일체로 된 지지 부분과, 영구자석 위에 위치하는 단부 부분으로 중앙 브랜치를 나누게 되며, 어느 하나의 영구자석의 자속이 통과할 수 있는 코어 또는 전기자의 임의의 섹션은 이들 섹션들이 영구자석의 자속에 의해 포화되는 것을 방지하기에 충분한 크기의 면적을 갖는다.

이와 같이, 코어는 영구자석의 위치 설정을 위해 완전히 자유로이 접근할 수 있는 영구자석을 위한 지지 부분이 합체된 주(主) 부분과, 지지 부분 상에 배치된 영구자석에 부착되어 영구자석 위에 위치하게 되는 단부 부분으로 분리되게 되는 데, 이 단부 부분은 영구자석에 의해 형성된 V자형 부분 상에 저절로 중심이 잡히게 되고, 지지 부분과 단부 부분 간에 단락의 위험성이 매우 낮도록 지지 부분과 접촉하지는 않는다.

코어 또는 전기자의 전술한 섹션들의 충분한 면적은 영구자석의 자속에 의한 어떠한 포화도 방지하여, 액추에이터의 전자기적 효율을 최적화하는 데에 도움이 된다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 고려한다면 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 액추에이터의 개략적인 부분 단면도이며,

도 2는 장착 동안을 나타내고 있는 도 1의 액추에이터의 개략적인 부분 단면도이고,

도 3은 본 발명에 따른 액추에이터의 개략적인 부분 단면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 전자기 액추에이터는 코어(2) 및 코일(3)을 갖는 전자석(1)을 포함한다. 이 전자석(1)은 X축을 따라 이동할 수 있는 푸쉬로드(5)와 일체로 된 전기자(4)에 제어된 방식으로 전자기력을 가한다.

그러한 액추에이터는 예를 들면 내연기관의 밸브를 작동시키는 데에 사용되는 것으로서, 푸쉬로드(5)가 밸브의 미끄럼 운동 축선을 따라 연장하게 되도록 배치된다. 공지된 바와 같이, 액추에이터는, 전기자(4)를 반대 방향으로 선택적으로 끌어당기도록 전자석(1)의 반대측에서 연장하는 다른 하나의 전자석(도시 생략)을 포함한다. 푸쉬로드(5)의 단부와 밸브의 단부는 2개의 전자석 사이의 실질적 중간 위치에서 전기자가 연장하게 되는 푸쉬로드/밸브 조립체의 평형 위치를 획정하는 서로 대향하는 스프링(도시 생략)들에 의해 서로에게로 되돌아오도록 되어 있다.

전자석(1)의 코어(2)는 기부(10)를 구비하며, 이 기부(10)로부터 2개의 측부 브랜치(11)와 코일이 둘레에 감겨진 중앙 브랜치가 연장한다. 중앙 브랜치는 기부(10)와 일체로 된 대향하는 경사면이 있는 2개의 부분(12)을 포함한다. 이들 부분(12)은 코어(2)를 지지하는 지지 부분을 형성하게 되며, 이 지지 부분은 영구자석(13)이 X축에 대해 경사지게 연장하여 꼭지점이 기부(10)를 향해 돌려진 V자형을 형성하도록 영구자석(13)을 수용하게 구성되어 있다. 따라서, 중앙 브랜치의 단부 부분을 형성하는 웨지(14)(wedge)는 V자형을 형성한다.

영구자석(13)에 의해 생성되어, 전기자(4) 내에 리턴패스를 형성하도록 코어(2)를 통과하게 되는 자속선의 경로가 도 1에 굵은 점선으로 도시되어 있다. 웨지(14)는 홈(17)이 영구자석(13)과 평행하게 배치되어 있는 단부면(15)을 구비한다. 홈(17)은 홈(17)의 양측을 각각 통과하는 2개의 영구자석(13) 각각의 자속선이 명확히 분리되게 된다.

도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이(코어가 도 1에 대해 아래위로 뒤집혀 도시되어 있음), 액추에이터는 다음과 같이 장착된다. 기부(10), 측부 브랜치(11) 및 지지 부분(12)을 형성하는 적층체를 조립함으로써 코어(2)를 형성한 후에, 영구자석(13)이 지지 부분(12) 상의 제위치에 배치된다. 이와 관련하여, 지지 부분(12)은 영구자석(13)의 위치 설정을 보다 용이하게 하는 단차부(5)를 구비한다. 대응 적층체를 조립하여 웨지(14)를 형성한 후에, 이 웨지(14)가 화살표로 표시한 바와 같이 영구자석(13)에 부착된다. 이어서, 웨지(14)가 영구자석(13) 위에 배치되어, 영구자석(13)에 의해 형성된 V자형에 의해 저절로 중심이 잡히게 된다.

전체 조립체를 적절히 유지하기 위해, 비자성의 클램프(18)가 사용되는 데, 이 비자성 클램프(18)는 각각 한편에서는 웨지(14)의 작용면(15)의 홈(17) 내에 수용되는 긴 부분(도 1의 단면도에서 확인 가능)과, 다른 한편에서는 웨지(14)를 관통하는 구멍 안으로 연장하여 영구자석(13)들의 사이를 지나 마지막으로 코어(2)의 구멍 내로 연장하여, 예를 들면 나사 결합 또는 리벳팅에 의해 코어에 고정되는 브레이스(brace)(확인 불가능)를 구비한다[변형예로서, 브레이스는 코어(2)를 통과하여 본체(100)에 직접 고정될 수도 있다].

클램프는 한편으로는 지지 부분(12)과 영구자석(13) 간의 제조 공차로 인해, 다른 한편으로는 영구자석(13)과 웨지(14) 간의 제조 공차로 인해 남겨질 수 있는 잔여 간극을 감소시키거나 심지어 제거하도록 압축력을 가할 수 있다. 이러한 간극의 감소는 액추에이터의 자기적 효율을 증가시킬 수 있다.

도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 코어(2)의 기하학적 형상은 코어의 중 앙 브랜치에 영구자석(13)의 자속선을 위한 중요 통로 섹션을 갖게 한다. 제1 중요 섹션(S1)은 웨지(14)에서 영구자석(13)의 단부 중 하나와 중앙 축선(X) 사이에 연장한다. 제2 중요 섹션(S2)들은 각각 지지 부분(12) 중 하나에서 해당 영구자석(13)의 단부 중 하나와, 기부(1) 및 지지 부분(12)에 의해 형성된 모서리부 사이에 연장한다. 마지막으로, 제3 중요 섹션(S3)은 웨지(14)에서 외면과 홈(17) 사이에 연장한다.

이들 중요 섹션(S1, S2, S3)은 각각 하나의 영구자석(13)의 전체 자속이 통과하게 되는 최소 면적을 갖고 있다.

게다가, 전기자(4)가 또한 어느 하나의 영구자석(13)의 전체 자속이 통과하게 되는 제4 중요 섹션(S4)을 갖고 있다.

코어(2) 및 전기자(4)를 구성하는 강자성 재료는 포화 한계를 가져, 이 한계 이상에서는 추가적인 자속이 주어진 통로 섹션을 통과하게 하기에는 점점 어려워지게 된다. 영구자석(13)에 의해 생성된 자속만의 경우에 코어(2) 및 전기자(4)의 구성 재료가 중요 섹션(S1, S2, S3, S4)에서 포화 한계 아래에서 작동하여 코일에 의해 생성된 자속이 그들을 통과할 가능성을 유지함으로써, 코일에 허용 가능한 효율을 제공하는 것이 중요하다. 이를 위해, 중요 섹션(S1, S2, S3, S4)은 충분히 큰 면적을 가져야 할 것이다.

섹션(S1, S2, S3)에서 코어(2)의 폭은 각각 d1, d2, d3이다. 코어의 길이(지면에 수직한 방향으로 측정)를 L이라 하면, 중요 섹션(S1, S2, S3)은 각각 아래와 같은 면적을 갖는다.

A1 = L × d1, A2 = L × d2 및 A3 = L × d3.

마찬가지로, d4가 섹션(S4)에서 전기자의 폭이고, 전기자의 길이가 대략 L이라 할 때에, 섹션(S4)의 면적은 A4 = L × d4이다.

영구자석(13)의 자속과 관련하여, 이 자속은 영구자석에서 코어와 접촉하는 표면의 면적에 비례한다. 영구자석의 높이가 H라 하면, 그 면적은 A = L × H이다.

중요 섹션이 포화되는 것을 피하기 위해, 해당 중요 섹션의 면적에 대한 자속의 비에 관한 상한을 부여하고, 이에 따라 아래와 같은 그 비를 제한할 필요가 있다.

r1 = A/A1, r2 = A/A2, r3 = A/A3, 및 r4 = A/A4

이들 비의 상한은 코어(2) 및 전가지(4)의 구성 재료에 좌우된다. 그러한 비(r1, r2, r3, r4)의 상한은 아래와 같은 것이 바람직하다.

- 실리콘-철로 이루어진 코어 또는 전기자의 경우에는 3.2

- 17/18% 코발트-철로 이루어진 코어 또는 전기자의 경우에는 3.75

- 48/50% 코발트-철로 이루어진 코어 또는 전기자의 경우에는 4.15

길이(L)는 면적(A, A1, A2, A3, 및 A4)을 위한 식 내에 포함되기 때문에, 전술한 비는 또한 r1 = H/d1, r2 = H/d2, r3 = H/d3 및 r4 = H/d4로 표현하여 그 비들을 길이의 비로 나타낼 수도 있음을 알 것이다.

도 3에서 확인할 수 있는 바와 같이, 이에 도시한 코어(2)는 대략 웨지(14)에 있어서 섹션(S1)이 취해지는 영구자석(13)의 단부의 반대측 단부에서 웨지(14) 가 점으로 끝나도록 되어 있다. 마찬가지로, 지지 부분(12)은 이 지지 부분(12)에 있어서 섹션(S2)이 취해지는 영구자석(13)의 단부의 반대측 단부에서 점으로 끝나게 된다. 이러한 구성에서, 영구자석(13)에 의해 형성된 V자형의 반각(半角)(Φ)의 탄젠트 값은 d2/H 또는 d1/H, 즉 비 r1 및 r2의 역수와 대략 동일하다.

따라서, 이는 결국 비 r1 및 r2에 대해 상한에 부여거나, V자형의 꼭지점에서의 반각(Φ)에 하한으로 부여하는 것이 된다. V자형의 꼭지점에서의 반각(Φ)의 하한은 바람직하게는 아래와 같다.

- 실리콘-철로 이루어진 코어의 경우에는 17°

- 17/18% 코발트-철로 이루어진 코어의 경우에는 13.5°

- 48/50% 코발트-철로 이루어진 코어의 경우에는 12°

이들 값은 영구자석(13)의 자속만으로 중요 섹션에서 포화되는 것을 방지할 수 있다. 어떠한 경우에도, V자형의 꼭지점에서의 반각(Φ)은 10°이상이 되도록 선택될 것이다.

그러나, 전술한 비(r1, r2, r3, r4)는 통로 섹션을 과도하게 크게 하여 영구자석(13)의 효율을 제한하게 될 만큼 너무 작아서는 안 된다. 실제로, 비(r1, r2, r3, r4)는 바람직하게는 2이상이 되도록 선택될 것이다. 이러한 조건은 각도의 측면에서 결국 V자형의 반각(Φ)을 25°이하로 제한하게 된다.

본 발명은 전술한 것에 한정되는 것이 아니라, 청구 범위에 의해 정해지는 본 발명의 범위 내에 포함되는 모든 변형예를 포괄한다.

실제로, 본 명세서에서는 영구자석이 코어의 기부를 향해 돌려진 꼭지점을 갖는 V자형을 형성하고 있는 액추에이터를 예시하였지만, 영구자석이 전기자를 향하는 꼭지점을 갖는 V자형을 형성하도록 영구자석을 배치할 수 도 있다. 이러면 기부의 영구자석 지지 부분이 더 이상 서로 대향한 경사면을 갖게 되는 것이 아니라 측부 브랜치를 향해 돌려진 경사면을 갖게 되는 한편, 중앙 브랜치의 단부 부분은 더 이상 웨지 형상을 갖게 되는 것이 아니라 모자(hat) 형상을 갖게 될 것이다.

본 명세서에서는 중요 섹션들이 중앙 브랜치에서 고려되었지만, 전술한 비(r1, r2, r3, r4)에 적용되는 한계는 또한, 코어 또는 전기자의 나머지 부분에서 취해진 임의의 섹션들과 관련하여 해당 섹션의 면적에 대한 영구자석의 표면 면적의 비에 상응하는 임의의 유사한 비에도 적용된다는 것은 자명하다.

Claims (8)

1. 전기자(4)와 조합된 한편 적어도 하나의 전자석의 작용을 받아 이동할 수 있는 작동 부재를 구비하는 전자기 액추에이터로서,

   - 코일(3)과,

   - 상기 전기자 내에 리턴패스(return path)를 형성하도록 상기 코일의 자속을 안내하는 한편, 기부(10)를 구비하며, 이 기부에서부터 상기 코일이 둘레에 감긴 중앙 브랜치(branch)를 비롯한 브랜치들이 연장되고 있는 코어(2)와,

   - 2개의 영구자석(13)

   을 포함하며, 상기 영구자석은, 전기자 내에 리턴패스를 형성하기 위해 코어가 영구자석의 자속을 안내하게 되는 한편 상기 코일의 자속이 영구자석을 통과하게 되도록 상기 코어와 조합되어 있는 것인 전자기 액추에이터에 있어서,

   상기 2개의 영구자석은 V자형을 형성하도록 코어의 중앙 브랜치 내에 배치되며, 상기 V자형은 영구자석을 지지하는 한편 상기 기부에 일체로 된 지지 부분(12)과, 영구자석 위에 놓이는 단부 부분(14)으로 중앙 브랜치를 나누게 되며, 어느 하나의 영구자석의 자속이 통과할 수 있는 코어(2) 또는 전기자(4)의 임의의 섹션(S1, S2, S3, S4)은 이들 섹션들이 영구자석의 자속에 의해 포화되는 것을 방지하기에 충분한 크기의 면적을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
2. 제1항에 있어서, 상기 코어(2)의 섹션(S1, S2, S3)은 각각, 자속이 이들 섹 션을 통과하게 되는 영구자석(13)에서의 코어(2)와 접촉하는 표면의 면적(A)과, 상기 섹션의 면적(A1, A2, A3, A4) 간의 비(r1, r2, r3, r4)가,

   - 실리콘-철로 이루어진 코어 또는 전기자의 경우에는 3.2 이하,

   - 17/18% 코발트-철로 이루어진 코어 또는 전기자의 경우에는 3.75 이하,

   - 48/50% 코발트-철로 이루어진 코어 또는 전기자의 경우에는 4.15 이하

   로 되게 하는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
3. 제2항에 있어서, 상기 섹션 각각에 대해 상기 비(r1, r2, r3, r4)는 2이상인 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
4. 제1항에 있어서, 상기 코어의 부분(12, 14)들 중 적어도 하나는 영구자석(13) 중 하나의 한쪽 단부에서 점으로 끝나며, 상기 영구자석에 의해 형성된 V자형은 상기 부분들 내에서 영구자석의 반대측 단부에서 취해진 섹션(S1, S2)의 포화를 방지하기에 충분한 꼭지점 반각(Φ)을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
5. 제2항에 있어서, 상기 영구자석(13)에 의해 형성된 꼭지점 반각(Φ)은 10°이상인 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
6. 제5항에 있어서, 상기 V자형의 꼭지점 반각(Φ)은,

   - 실리콘-철로 이루어진 코어의 경우에는 17°이상,

   - 17/18% 코발트-철로 이루어진 코어의 경우에는 13.5°이상,

   - 48/50% 코발트-철로 이루어진 코어의 경우에는 12°이상

   인 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
7. 제4항에 있어서, 상기 영구자석에 의해 형성된 V자형의 꼭지점 반각(Φ)은 25°이하인 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
8. 제1항에 있어서, 상기 영구자석에 의해 형성된 V자형은 아래쪽으로 향한 점(10)을 구비하며, 단부 부분(14)은 웨지(wedge) 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.

Images