KR20110083498A - 소형 전자기계식 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 항공기 구성요소의 위치를 제어하기 위한 전자기계식 액츄에이터는 구성요소를 위치설정하기 위해 구동되는 선형 액츄에이터를 갖는다. 횡자속 모터가 선형 액츄에이터를 구동하여 직선 방향으로 움직이게 하고 구성요소의 위치를 제어하게 한다.

Description

소형 전자기계식 액츄에이터 {COMPACT ELECTROMECHANICAL ACTUATOR}
본 출원은 항공기용 전자기계식 액츄에이터 내의 횡자속 모터(transverse flux motor)의 사용에 관한 것이다.
일반적으로 항공기에는 다양한 구성요소를 위치설정하기 위한 다수의 선형 액츄에이터가 제공된다. 예를 들어, 안정익(stabilizer), 플랩(flap), 슬랫(slat), 스포일러(spoiler), 보조익(aileron), 승강키(elevator) 및 러더(rudder)는 정밀하게 위치설정되어야 하며, 비행 동안 위치가 변경된다.
종래 기술에서는, 회전 대 선형 변환을 통해 선형 액츄에이터를 구동시키는 표준 전기 모터(평행 자속 모터)를 갖는 전자기계식 액츄에이터가 사용된다. 오랫동안 사용되어 온 이 유형의 모터들로 인해, 스텝 다운 기어 박스가 또한 포함되었는데, 일반적으로 높은 속도를 제공하는 전기 모터가 실제 항공기 구성요소에서 필요하기 때문이다.
상술한 제약으로 인해, 결과적으로 전자기계식 액츄에이터는 비교적 무거웠다.
횡자속 모터가 공지되어 있다. 그러나, 이들은 상술한 응용예와 연계하여 사용되지는 않았다.
항공기 구성요소의 위치를 제어하기 위한 전자기계식 액츄에이터는 선형 액츄에이터를 갖는다. 횡자속 모터가 선형 액츄에이터를 구동시켜 직선 방향으로 움직이게 하고 구성요소의 위치를 제어하게 한다.
본 발명의 이러한 특징 및 기타 특징은 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 가장 잘 이해될 수 있으며, 다음은 도면의 간략한 설명이다.
도 1은 항공기를 도시하는 도면,
도 2는 종래 기술의 전자기계식 액츄에이터를 도시하는 도면,
도 3a는 본 발명의 액츄에이터의 제1 구성을 도시하는 도면,
도 3b는 대안적인 구성을 도시하는 도면,
도 4는 횡자속 기계의 제1 유형을 도시하는 도면,
도 5는 대안적인 횡자속 기계를 도시하는 도면,
도 6은 횡자속 기계의 또 다른 옵션을 도시하는 도면,
도 7은 횡자속 기계의 또 다른 옵션을 도시하는 도면,
도 8은 또 다른 옵션을 도시하는 도면,
도 9는 또 다른 옵션을 도시하는 도면,
도 10은 또 다른 옵션을 도시하는 도면,
도 11은 상술한 실시예들 중 어느 하나를 위한 제어 회로를 도시하는 도면,
도 12는 본원에 따른 전자기계식 액츄에이터의 사시도.
도 1은 승강키(22), 러더(24), 수평 안정익(26), 플랩(28), 슬랫(30), 스포일러(132) 및 보조익(134)과 같은 몇몇 구성요소를 포함하는 항공기(20)를 도시한다. 이들 구성요소 각각은 공기역학적 특성을 제어함으로써 적절한 비행을 보장하도록 비행 동작 동안 정밀하게 위치설정된다. 일반적으로, 구성요소들을 움직이기 위해 전자기계식 액츄에이터가 사용된다.
도 2는 종래 기술의 전자기계식 액츄에이터(40)를 도시한다. 일반적인 표준 평행 자속 모터(42)가 사용된다. 일반적으로 그러한 모터는 비교적 높은 속도를 기어 박스(44)에 전달한다. 따라서, 도시된 바와 같이, 기어 박스(44)는 아이들러 기어(43)를 구동하는 기어(39)를 포함하고, 아이들러 기어는 기어(41)를 구동한다. 이들 3개의 필요한 기어로 인해 기어 박스(44)가 비교적 크고 무거워진다. 기어(41)의 출력은 나사 샤프트(45)를 구동한다. 볼 스크루(46)가 회전방지 기구를 구비하며, 이것은 나사 부재(45)의 회전을 출력 부재(48)의 선형 이동으로 변환한다. 이러한 기계적 연결은 공지된 것과 같다. 선형 부재(48)는 클레비스(clevice)(50)에 연결되고, 클레비스는 본원에서는 승강키(22)인 구성요소를 움직인다.
도 3a는 횡자속 모터(62)가 사용되는 본 발명의 실시예(59)를 도시한다. 횡자속 모터는 비교적 낮은 속도를 제공할 수 있는데, 그 이유는 높은 입력 주파수가 샤프트의 낮은 속도로 전자기적으로 변환되기 때문이다. 이것은 횡자속 모터의 고유하고 가장 중요한 특징이다. 횡자속 모터(62)는 제1 기어(60)를 구동하고, 제1 기어는 기어(61)를 구동하여 나사 샤프트(45)를 구동한다. 연결의 나머지 부분은 종래 기술에 공지된 것과 같다.
도 3b는 횡자속 모터(162)가 샤프트(45)를 직접 구동하는 대안적인 구성(155)을 도시한다.
도 3a 및 도 3b로부터 이해될 수 있는 바와 같이, 도 2의 종래 기술에 비해 이들 구성의 중량의 감소가 달성된다.
도 4는 단일면형 기계를 위한 제1 구성(30)을 도시하며, 폴 피스(34)와 결합된 원통형 코일(32)을 갖는 스테이터를 도시한다. 로터(38)에는 영구 자석(36)이 제공된다.
도 5는 로터(38)의 반대쪽에 추가의 코일(132) 및 폴 피스(134)가 존재하는 양면형 기계를 도시한다.
횡자속 기계의 이들 기본 장치는 이하에 설명되는 실시예들 중 어느 것에도 사용될 수 있다.
도 6은 단상(single phase)인 기계의 실시예(200)를 도시하며, 이것에는 2개의 중복 채널(204A, 204B)이 제공되어, 고장에 대한 관용성을 갖는다. 도 6의 실시예는 로터(206) 및 그것의 영구 자석(208)에 의해 둘러싸인 내부 스테이터(202)를 갖는다. 내부 스테이터 응용예는 상대적으로 더 작은 체적 포락면 및 더 적은 무게를 갖게 한다는 점에서 이 항공기 응용예에서 특히 유용하다.
도 7은 또 다른 실시예(210)를 도시하며, 여기에서는 로터(212)가 스테이터 및 그것의 중복 채널(216A, 216B)에 내부에 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 내부 스테이터(209) 및 외부 로터(212)를 갖는 3상 횡자속 모터(205)가 제공될 수 있다. 외부 스테이터(209)는 3상 관통 스테이터 코일(211)을 제공한다.
도 9는 또 다른 대안적인 기계(207)를 도시하며, 여기에서는 로터(215)가 내부에 있고 스테이터(216) 및 그것의 3개의 위상(218)이 외부에 있다.
도 10은 고장에 대한 관용성을 위한 중복 회로를 갖는 3상 기계를 도시한다. 도 8의 기계(300)에서, 스테이터(302)는 내부에 있고, 폴 피스(304A/B, 305A/B 및 306A/B) 및 외부 로터(310)를 포함한다. 물론, 외부 스테이터가 또한 유사한 실시예에서 사용될 수 있다.
제어 회로(300)가 도 11에 도시되어 있다. 전자기계식 액츄에이터(301)는 본원에 도시된 실시예들 중 어느 하나로부터 3개의 위상의 전력(302)을 공급받는다. 각도 피드백이 모터 위치 센서(303) 및 액츄에이터 위치 센서(301)로부터 다시 제어부로 연장된다. 속도 평가기(1001)가 또한 액츄에이터 명령 생성기(1002) 및 액츄에이터 위치 조절기(300)에 피드백을 제공한다. 액츄에이터 위치 명령(310)이 이들 블록 안으로 연장된다. 또한, 액츄에이터 모터 토크 및 반응 전력 조절기(1003)가 또한 피드백을 제공하여 PWM 인버터(1005)를 경유하여 3개의 위상(302)에 공급되는 전력을 제어한다.
기본적으로, 액츄에이터 제어기는 3개의 구별되는 블록, 즉 명령 생성기(1002), 액츄에이터 위치 조절기(300) 및 모터 토크 및 반응 전력 조절기(1003)를 갖는다. 명령 생성기는 액츄에이터 입력 위치 명령에 반응하여 최적의 시간-변화 속도 및 위치 기준을 생성한다. 액츄에이터 위치 조절기는 위치 루트에서 액츄에이터 속도를 폐쇄함으로써 입력 기준에 반응한다. 위치 조절기의 출력은 모터 토크 발생 전류 기준(Iq*)이다. 모터 토크 및 반응 전력 조절기는 전압 피드포워드(feedforward) 기간 중의 크로스-커플링과 함께 동기 회전 기준 프레임 제어를 활용한다. 모터 토크는 PI 제어기(1006)를 활용하여 Iq 전류 루프를 폐쇄함으로써 Iq* 전류 기준에 반응하여 제어된다. 반응 전력 기준(Q*)은 단일 역률 동작을 달성하기 위해 0으로 설정된다. 폐쇄 루프 반응 전력 제어는 PI 제어기 출력에서 음의 Id* 전류 기준을 생성한다.
직접 및 직각위상(quadrature) 피드백 전압 및 전류는 모터 로터 위치와 동기되는 abc로부터 dq로의 변환 블록의 출력부에서 유도된다. Idq 및 Vdq는 변수이며, 또한 반응 전력 피드백 신호(Q)를 연산하는데 사용된다[블록(1007)].
도 12는 전기 접속부(320) 및 히트 싱크(322)를 갖는 액츄에이터(301)를 도시한다.
본 발명은 훨씬 더 가벼운 전자기계식 액츄에이터를 제공한다. 또한, 기어 트레인이 제거되면, 모터에는 중복 경로 세트가 제공될 수 있고, 그리하여 고장에 대한 저항성이 크면서도 종래 기술에서 제공되던 것보다 더 가벼운 전자기계식 액츄에이터가 된다.
횡자속 기계의 사용은 표준적인 자속 기계에 비해 이점(높은 전력 밀도, 작은 구조, 단순한 권선, 낮은 권선 손실, 고효율, 모듈형 구조, 고장에 대한 관용성)을 제공한다.
본 발명의 실시예들이 개시되어 있지만, 당업자는 특정 변형이 본 발명의 범위 내에 포함되는 것을 인식할 것이다. 이 때문에, 본 발명의 범위 및 내용을 판단하기 위해서는 다음의 청구항들이 고찰되어야 한다.

Claims (15)

  1. 항공기 구성요소의 위치를 제어하기 위한 전자기계식 액츄에이터이며,
    구성요소를 위치설정하도록 구동되는 선형 액츄에이터와,
    상기 선형 액츄에이터를 구동하여 직선 방향으로 움직이게 하고 구성요소의 위치를 제어하게 하는 횡자속 모터를 포함하는
    전자기계식 액츄에이터.
  2. 제1항에 있어서, 볼 스크루 연결부가 상기 모터를 상기 선형 액츄에이터에 연결시키는
    전자기계식 액츄에이터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 모터는 출력 기어와 맞물려 출력 기어를 구동하는 제1 기어를 구동하고, 출력 기어가 회전 나사 부재를 구동하여 상기 볼 스크루를 움직이고 상기 선형 액츄에이터를 움직이는
    전자기계식 액츄에이터.
  4. 제2항에 있어서, 상기 모터는 나사 부재를 구동하여 상기 볼 스크루를 움직이고 상기 선형 액츄에이터를 구동하는
    전자기계식 액츄에이터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 모터는 중복 코일 세트를 지지하는 전자기계식 액츄에이터.
  6. 제5항에 있어서, 3개의 위상의 중복 코일이 존재하는 전자기계식 액츄에이터.
  7. 제1항에 있어서, 상기 모터는 적어도 하나의 코일을 갖는 내부 스테이터를 포함하는 전자기계식 액츄에이터.
  8. 제1항에 있어서, 상기 모터는 적어도 하나의 코일을 갖는 외부 스테이터를 포함하는 전자기계식 액츄에이터.
  9. 항공기 구성요소 및 구동부이며,
    항공기 구성요소의 위치를 제어하는 전자기계식 액츄에이터로서, 상기 구성요소를 위치설정하기 위한 선형 액츄에이터를 구비하는 전자기계식 액츄에이터와,
    상기 선형 액츄에이터를 구동하여 직선 방향으로 움직이게 하고 상기 구성요소의 위치를 제어하게 하는 횡자속 모터를 포함하는
    항공기 구성요소 및 구동부.
  10. 제9항에 있어서, 볼 스크루 연결부가 상기 모터를 상기 선형 액츄에이터에 연결하는 항공기 구성요소.
  11. 제9항에 있어서, 상기 모터는 중복 코일 세트를 지지하는 항공기 구성요소.
  12. 제9항에 있어서, 상기 모터는 적어도 하나의 코일을 갖는 내부 스테이터를 포함하는 항공기 구성요소.
  13. 제9항에 있어서, 상기 모터는 적어도 하나의 코일을 갖는 외부 스테이터를 갖는 항공기 구성요소.
  14. 제9항에 있어서, 상기 모터는 3상 모터인 항공기 구성요소.
  15. 제9항에 있어서, 상기 구성요소는 공기역학적 특성을 제어하는 항공기 구성요소.
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