KR20100134568A - 양축 전자기 엑추에이터 - Google Patents

양축 전자기 엑추에이터 Download PDF

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Abstract

물질 테스트 장치용 양축 전자기 엑추에이터는 선형력을 출력 샤프트에 가하기 위한 제 1 전자기 엑추에이터와, 회전력을 샤프트에 가하기 위한 제 2의 직접 구동 전자기 엑추에이터를 포함한다. 샤프트는 2개의 조합 베어링에 장착되는데, 상기 2개의 조합 베어링은 샤프트가 축방향 및 회전 방향으로 이동하도록 한다. 베어링들 중 하나는 컴팩트하고 대칭적인 배치를 제공하기 위해 직접 구동 엑추에이터의 전기자를 구성하는 중공 실린더 부재 내에 위치된다.

Description

양축 전자기 엑추에이터{BI-AXIAL ELECTROMAGNETIC ACTUATOR}
본 발명은 엑추에이터(actuators)에 관한 것으로, 구체적으로 2개의 상이한 축에 대해 힘을 테스트 샘플에 가하는 것을 요구하는 테스트 기기에 사용하기 위한 전자기 엑추에이터의 구성에 관한 것이다.
선형 모터와 같은 전자기 엑추에이터는 많이 이용되지만, 최근의 고려는 수력 램(hydraulic rams)을 대체하기 위해 피스톤 및 실린더형 디바이스로서 선형 모터를 사용하는 것에 초점이 맞추어 있다. 그러한 한가지 용도는, 모터의 전기자가 힘을 테스트 견본에 가하도록 하는 배향으로 전자기 램의 형태로 선형 모터를 장착하도록 제안되는 테스트 기기의 영역에 있다. 정상적으로, 램의 배향은 수직이다.
본 발명은 하나의 목적으로서, 편리하고 비용에 효과적인 방식으로 2개의 상이한 축에 대해 힘이 테스트 견본에 가해지도록 하는 전자기 엑추에이터의 구성의 제공을 갖는다. 축은 선형 축, 및 바람직하게 동시적인(coincident) 회전축이다.
따라서, 본 발명은 높은 축방향 힘을 제공하기 위한 전기적으로 구동된 양축(biaxial) 엑추에이터를 제공하는 것으로서, 상기 양방향 엑추에이터는 각각 별도의 전기자를 갖는 제 1 및 제 2 전기 모터를 포함하고, 제 1 모터는 출력 샤프트의 축방향 이동을 제공하도록 배치된 선형 전기 모터이고, 제 2 모터는 출력 샤프트의 회전 운동을 제공하도록 배치된다.
엑추에이터의 바람직한 용도는, 엑추에이터가 수직 배향으로, 즉 공통 샤프트의 축이 수직인 상태로 장착되는 물질 테스트 기기에 있다. 양축 엑추에이터는 2개의 개별적인 모터가 테스트 하에 견본의 상이한 단부에 제공되어야 하는 것을 피하고, 이와 연관된 결점을 피하고, 더 간단한 구성이 되게 한다. 하나의 특정한 장점은 쓰러스트 베어링(thrust bearings)이 엑추에이터와 함께 사용될 필요가 없다는 것이다.
본 발명이 더 쉽게 이해되기 위해, 본 발명의 실시예는 이제 첨부 도면을 참조하여 예로서 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 전자기 엑추에이터의 단면을 도시한 사시도.
도 2는 도 1에 도시된 엑추에이터와 병합하는 물질 테스트 장치를 도시한 도면.
하나의 모터가 선형력을 테스트 견본의 일단부에 가하는 한편, 개별적인 전기 모터가 회전력을 테스트 견본의 타단부에 가하는데 물질 테스트 장치에서의 전기 모터를 이용하는 것이 가능하였다. 그러나, 이것은 개별적인 전기 모터를 위한 쓰러스트 베어링 또는 테스트 견본을 위한 특수한 장착 장치(arrangement)의 존재를 요구하는 복잡한 장치이다.
본 발명의 바람직한 실시예는 선형력 및 회전력 모두를 샤프트에 전달할 수 있는 전자기 엑추에이터이다. 물질 테스트 장치에 사용될 때, 엑추에이터는 통상적으로 수직 배향으로 샤프트에 장착되고, 테스트 견본은 샤프트의 일단부에 결합된다. 그 결과, 선형력 또는 회전력 또는 이 둘의 조합은 테스트 견본에 인가될 수 있다. 그러한 테스트 장치에서, 일반적으로 높은 축방향 힘이 필요하다.
이제 도면을 참조하면, 도면은 엑추에이터의 바람직한 형태를 도식적으로 도시하는데, 이러한 엑추에이터는 일반적으로 참조 번호(10)로 표시되고, 선형 구동부(11), 회전 구동부(12), 및 선형 및 회전 구동부 모두를 통해 연장하고 출력 단부(14)를 갖는 공통 샤프트(13)를 포함한다. 샤프트(13)의 타단부(15)는 또한 엑추에이터 뒤에 돌출하고, 원하는 경우 브레이크가 제공될 수 있다. 브레이크는 바람직하게 공동-계류중인 출원 번호 GB 0618209.1에 기재된 형태이다. 회전 구동부(12)는 선형 구동부(11)의 일단부에 장착되어, 샤프트의 출력 단부(14)로부터 멀리 떨어져 있다는 것이 주지될 것이다.
선형 구동부의 구성은 이제 더 구체적으로 설명될 것이다. 상기 선형 구동부는 일반적으로 참조 번호(21)로 표시된 복수의 고정자 코일을 둘러싸는 원통형 하우징(20)으로 형성된 선형 전기 모터를 포함한다. 고정자 코일은 전기자(22)상에서 작동하며, 이러한 전기자(22)는 이 실시예에서 자기 물질로 만들어진 중공의 원통형 부재의 형태이고, 종래의 선형 모터 원리에 따라 구동부(11) 내에서 선형으로 이동하도록 배치된다. 전기자(22)는 참조 번호(24)로 표시된 임의의 종래의 방식으로 샤프트(13)에 고정된다. 선형 구동부(11) 내에서 샤프트의 위치 지정(positioning)은 단부 플랜지(26a 및 26b) 상에 제공된 선형 베어링(25a 및 25b)에 의해 달성된다. 바람직하게, 베어링은 볼스플라인(ballspline) 베어링이다. 선형 직접 구동부는 축방향 이동을 가능하게 하기 위해 리드 나사 및 쓰러스트 베어링(또는 다른 쓰러스트 베어링 장치)에 따라, 회전 모터가 조합되는 대안적인 시스템에 비해 유리하다. 본 명세서에 기재된 바람직한 실시예는 직접 구동 메커니즘을 제공할 수 있다.
선형 구동부에서의 선형 전기 모터는, 전류가 기어형 장치(geared arrangement) 없이 부하에서 직접 가해지는 자기력을 생성하는데 사용되는 브러시리스(brushless) 전기 모터로서 한정되는 직접 구동 디바이스이다. 회전식 결합 해제(de-coupled) 선형 인코더(16)는 플랜지(26a)에 부착되고, 모터 바디 또는 샤프트(13)의 열팽창과 독립적으로 샤프트의 위치 측정을 제공한다. 선형 인코더(16)로부터의 출력은 고정자 코일로의 전류 공급을 제어하여, 이를 통해 샤프트(13)의 이동을 제어하기 위한 제어 기기에 사용될 수 있다.
회전 구동부(12)는 이제 더 구체적으로 설명될 것이다. 이것은 원통형 하우징(30)을 갖는 직접 구동 전기 모터로 구성되는데, 이러한 원통형 하우징(30)은 회전 구동부의 전기자를 형성하는 고정자 코일(31)을 포함하고, 또한 중공의 원통형 부재의 형태의 로터(32)를 포함한다. 상기 구동부(12)는 플랜지(26b)에 부착되어, 샤프트(13)는 구동부(12)의 회전축을 따라 연장한다. 구동부(12) 근처의 샤프트(13)는 스플라이닝되어(splined), 바람직하게 볼스플라인 베어링의 형태로 로터(32)에 부착되는 선형 베어링(25b)에 연결된다. 볼스플라인 베어링은 샤프트(13)와 협력하여, 로터(32)가 회전될 때 샤프트(13)의 회전을 허용하지만, 또한 베어링(25b) 및 이에 따라 로터(32)의 이동 없이도 베어링 내에서 샤프트(13)의 독립적인 축방향 이동을 허용하게 된다. 추가적으로, 선형 베어링(25b)은 회전 베어링(35b)에 의해 플랜지(26b)의 단부에 장착된다. 이러한 구성의 형태를 통해, 단일 베어링 장치는 회전 구동부(12)의 영역에서 샤프트에 사용될 수 있고, 로터(32)에 대한 주 베어링을 제공한다. 원하는 경우, 추가 베어링은 단부 플레이트(36)에 병합되고 부착될 수 있다. 도 1에 도시된 장치에서, 단부 플레이트(36)와 로터(32) 사이에는 간격이 있다. 회전 구동부에 형성된 회전 모터는 물질 테스트 장치에 사용될 때 선형 전기 모터의 후방 단부에 부착되어, 선형 모터는 회전 모터보다 테스트 견본에 더 가깝다. 쓰러스트는 선형 모터의 지지부를 통과하고, 어떠한 쓰러스트 베어링도 필요하지 않다. 높은 선형력은 선형 모터 샤프트(13)로부터 직접 가해질 수 있는 한편, 또한 회전 구동부(12)에서의 베어링 장치를 통해 회전을 가능하게 한다.
로터(32)는 베어링(25b)에 결합되고, 샤프트 상의 스플라인을 통해 회전력이 샤프트(13)에 인가되도록 한다. 따라서, 샤프트(13)는 선형력 및 회전력 모두를 받아서, 샤프트의 축을 따라 작동한다. 각 구동부의 개별적인 전기자는 제어 회로를 통해 독립적으로 제어될 수 있고, 각 전기자는 공통 샤프트 상에서 작동된다. 이에 따라 샤프트를 구동하기 위한 컴팩트하고 대칭적인 장치가 형성된다.
원하는 경우, 볼스플라인 베어링이 선형 베어링(25a)으로서 사용되면, 선형 베어링(25a)은 회전 베어링(35a)을 이용하여 플랜지(26a) 상에 장착될 것이다.
회전 구동부(12)는 바람직하게 벨트 구동된 회전 인코더(37)를 구비하여, 로터(32)의 회전이 검출되도록 한다. 회전 인코더(37)로부터의 출력은 회전 구동부(12)를 구동하는데 사용되는 제어 유닛(미도시)에 사용된다.
원하는 경우, 공동-축의 선형 가변 변위 트랜스듀서는 중공의 샤프트를 통해 샤프트(13)의 단부(15)에 결합될 수 있다.
전술한 구성은, 엑추에이터가 컴팩트하고, 테스트 샘플에 결합된 샤프트가 정밀하게 제어될 수 있다는 장점을 갖는다.
이제 도 2를 참조하면, 도 2는 테스트받을 샘플이 고정되는 테이블(40)을 포함하는 물질 테스트 장치를 도시한다. "샘플"이라는 용어는 테스트가 수행될 물질, 구조, 또는 구성요소를 포함하도록 의도된다. 직립부(uprights)(41) 및 교차-헤드(42)의 형태인 프레임은 전술한 전자기 엑추에이터(10)를 지지한다. 교차-헤드(42)는 샤프트(13)가 종속하는 애퍼처를 구비한다. 샤프트의 출력 단부(14)는 테스트받을 샘플에 고정되는 그리퍼(gripper)를 구비한다. 센서(16)는, 이것이 더 정밀한 결과를 제공하기 때문에 테스트받을 샘플과 동일한 교차-헤드(42)의 측면 상의 샤프트(13)에 위치되는 것이 바람직하다. 상기 구성을 통해, 샘플은 선형 쓰러스트 베어링을 제공할 필요 없이 선형력 및 회전력 모두를 받을 수 있다. 특히, 그러한 장치는 큰 힘이 제공될 필요가 있는 물질 테스트 장치에 적합하다. 선형 엑추에이터를 갖는 전자기 엑추에이터(10)는 물질 테스트 장치에 유용한 순시적인 힘 인가 및 제거를 제공하도록 제어될 수 있다. 더욱이, 직접 구동 모터를 갖는 전자기 엑추에이터(10)의 이용은, 축방향 힘을 제공하지만 동시에 회전력을 제공할 수 있는 부품상의 최소 마모를 가지면서 수 천번의 축방향 피로(fatigue) 테스트가 수행되도록 한다.
10 : 엑추에이터 11 : 선형 구동부
12 : 회전 구동부 13 : 샤프트
22 : 전기자 32 : 로터

Claims (16)

  1. 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터(biaxial actuator)로서,
    각각 개별적인 전기자를 갖는 제 1 및 제 2 전기 모터를 포함하고, 상기 제 1 모터는 출력 샤프트의 축방향 이동을 제공하도록 배치된 선형 전기 모터이고, 상기 제 2 모터는 출력 샤프트의 회전 운동을 제공하도록 배치되는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 모터는 직접 구동 모터인, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 2 모터는 직접 구동 모터인, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 모터는 출력 샤프트의 출력 단부로부터 멀리 떨어져 있는 제 1 모터의 단부에 배치되는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 모터의 자기장 밖에 위치한 제 1 및 제 2 선형 베어링들을 더 포함하는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 선형 베어링들 중 하나는 제 2 모터의 전기자 근처에 위치한, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 하나의 선형 베어링은 제 2 모터의 로터와 엑추에이터의 출력 샤프트 사이에 위치하는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 하나의 선형 베어링은 회전 베어링을 통해 제 1 모터에 결합되는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  9. 제 5항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나의 선형 베어링은 볼스플라인(ballspline) 베어링인, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 선형 베어링들 중 다른 하나는 회전 베어링에 의해 제 1 모터에 결합되는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  11. 제 1항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 있어서, 전력이 없을 때 상기 샤프트의 이동을 막기 위한 기계적 브레이크를 더 포함하는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 모터는 중공 실린더의 형태인 로터를 갖는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  13. 제 1항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 샤프트는 적어도 제 2 모터의 영역에서 스플라이닝(splined)되고, 상기 전기자는 스플라인을 통해 회전력을 상기 샤프트에 인가하도록 배치되는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 따른 엑추에이터를 병합하는 물질 테스트 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 수직 배향으로 엑추에이터를 장착하기 위해 직립부 및 교차 부재를 구비하는 프레임을 포함하고, 엑추에이터의 스테이지는 교차 헤드에서의 애퍼처를 통해 돌출하고, 테스트 하에 샘플에 결합되도록 배치된 출력 단부를 갖는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
  16. 제 15항에 있어서, 회전 결합 해제(de-coupled) 선형 인코더 유닛은 교차 헤드와 샤프트의 출력 단부 사이의 영역에서 샤프트에 결합되는, 전기적으로 구동된 양축 엑추에이터.
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