KR20130114579A - 전자기식으로 작동되는 스위칭 장치들 및 이들의 동작 방법들 - Google Patents

Abstract

전자기식으로 작동되는 스위칭 장치가 자화 가능하고 2 개의 안정적으로 놓이는 위치들 사이의 변위를 위한 이동 가능한 부분(82b, 102b)을 갖는 전기자(82, 102)를 포함한다. 2 개의 자극 편들(60, 62)은 전기자의 대향 측들 상에 배치된다. 자극 편들은 전기자에 인접하여 반대 극성의 자극들을 형성하고, 전기자는 각각의 그의 안정적으로 놓이는 위치들에서 각각의 자극 편에 자기적으로 인력을 받는다. 코일(54)에 에너지가 공급될 때 전기자의 이동 가능한 부분에 극성을 주도록 코일이 배열되어, 전기자의 이동 가능한 부분은 인접한 자극 편에 반대 극성으로 이 부분에 극성을 주도록 코일에 에너지가 공급되는 것에 의해 하나의 안정적으로 놓이는 위치에서 다른 위치로 변위되게 된다. 각각의 자극 편(60, 62)은 영구 자석(68, 70)을 포함하고 이 영구 자석들은 전기자(82, 102)의 이동 가능한 부분(82b, 102b)의 대향 측들 상에 배치된다. 장치는 유체들의 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다.

Description

전자기식으로 작동되는 스위칭 장치들 및 이들의 동작 방법들{ELECTROMAGNETICALLY OPERATED SWICHING DEVICES AND METHODS OF ACTUATION THEREOF}

본 발명은 전자기식으로 작동되는 스위칭 장치들 및 이러한 장치들의 작동 방법들에 관한 것이다. 더 특별하게는, 이러한 장치들의 자기 구조의 개선에 관한 것이다. 본 발명은 또한 밀봉된 빠른 흐름 스위칭 장치들의 제공에 관한 것이다.

EP-A-1303719(본 출원인에 의해 출원됨)는 본 도 1 에 나타낸 형태의 전자기식으로 작동되는 장치를 설명한다.

선형 전기자(10)가 2 개의 영구 자석들(16, 18) 사이에 자체가 끼여있는 2 개의 내부 자극 편들(12, 14) 사이에 끼여있다. 2 개의 외부 부재들(20, 22)이 자석들의 끼인 부분의 단부를 넘어서 연장하고 이들의 원격 단부들에서 2 개의 내방으로 향하는 자극들(24, 26)을 제공한다.

2 개의 내부 자극 편들(12, 14)은 영구 자석들(16, 18)을 넘어서 연장하고 이 내부 자극 편들은 코일(32)이 감기는 코일 형성부(30)에 의해 둘러싸인다. 2 개의 원통형 인서트들(34, 36)이 자극들(24, 26) 내에 끼워지고 인서트들의 대향하는 내부 단부들은 오리피스들(38, 40)을 형성한다.

전기자는 편향될 수 있고 자기장은 코일(32) 내에 흐르는 전류에 의해 유도될 수 있다. 코일 내의 전류 흐름의 방향에 의존하여, 도 1 에서 실선 아웃라인으로 나타낸 것과 같이, 전기자는 자극(26) 및 인서트(36)로 인력을 받거나, 또는 파선 아웃라인으로 나타낸 것과 같이, 다른 자극(24) 및 인서트(34)를 향하여 인력을 받을 것이다.

도 1 에 나타낸 공지된 구성에서, 장치의 외부 치수들을 넘어서는 상당한 자속 누출 구역들(40, 42)이 있다. 이러한 구역들은 도면의 평면 위 및 아래에서 장치 주위에 수평으로 또한 연장한다. 이는 장치가 유체에 의해 둘러싸이는 적용들에서 문제가 될 수 있는데, 잠재적으로 흐름 장애 또는 심지어 차단들을 유도하는 이러한 구역들에서의 자기 잔해의 생성의 위험이 있기 때문이다. 또한, 자속 누출은 다른 인접한 장치들의 작동을 방해할 수 있다. 유사하게, 장치는 외부 자기장들의 영향에 민감할 수 있다.

본 발명은 전자기식으로 작동되는 장치를 제공하고 이 장치는:

자화 가능하고 2 개의 안정적으로 놓이는 위치들 사이에서의 변위를 위해 이동 가능한 부분을 포함하는 전기자;

전기자의 대향하는 측들 상에 배치되는 2 개의 자극 편들로서, 자극 편들은 전기자에 인접하여 반대 극성의 자극들을 형성하고, 전기자는 각각의 그의 안정적으로 놓이는 위치들에서 각각의 자극 편에 자기적으로 인력을 받는, 2 개의 자극 편들; 및

코일에 에너지가 공급될 때 전기자의 이동 가능한 부분에 극성을 주도록 배열되어, 인접한 자극 편에 반대 극성으로 이 이동 가능한 부분에 극성을 주도록 코일에 에너지를 공급함으로써 전기자의 이동 가능한 부분이 하나의 안정적으로 놓이는 위치에서 다른 위치로 변위되게 하는, 코일을 포함하고,

각각의 자극 편은 영구 자석을 포함하고 이 영구 자석들은 전기자의 이동 가능한 부분의 대향하는 측들 상에 배치된다.

따라서 컨테이너는 코일 축선에 대하여 반경 방향들에서 자속 누출을 제한하고, 장치 내에서 발생되는 자속을 보유하고 있고 외부 자속으로부터 내부를 보호한다.

영구 자석들은 전기자의 이동 가능한 부분과 정렬된다. 이들은 전기자의 이동 가능한 부분의 운동 방향을 따라 배치된다. 이러한 구성은 상기 설명된 공지된 장치에 대하여 더 콤팩트한 배열을 제공하는데, 영구 자석들이, 코일의 대향하는 측 상에 추가적인 공간을 차지하는 대신, 전기자의 이동 가능한 부분의 대향하는 측들 상의 자극 편들에 통합되기 때문이다.

이러한 자석 위치는 전기자와 자석들로부터의 자속의 연결을 또한 개선한다. 하나의 영구 자석으로부터 다른 영구 자석으로의 자속의 선들은 이들 사이에 실질적으로 직선의 경로들로 형성되고, 전기자의 이동 가능한 부분은 이러한 경로들 내에 위치된다.

각각의 영구 자석은 전기자의 각각의 안정적으로 놓이는 위치에 인접하여 위치될 수 있다. 이러한 구성에서, 영구 자석들은 이들이 전기자로서 코일의 동일한 측 상에 제공될 때(코일의 축선에 대하여) 전기자 상에 더 강한 자기 유지력을 가할 수 있다. 이는, 영구 자석들이 전기자의 운동 방향으로부터 원격으로 그리고 가로로 이격되어 제공되는 상기 논의된 공지된 배열과 대조적이다. 이 영구 자석들의 자속은 내방으로 연장하는 자극들(24, 26) 및 외부 부재들(20, 22)을 통하여 연장된 자기 경로를 따라 전기자에 연결된다. 본 배열에서, 영구 자석들에 의해 발생되는 자속의 더 많은 비율이 전기자의 이동 가능한 부분이 위치되는 갭에 걸쳐 연결되어, 영구 자석들의 자속은 전기자의 이동 가능한 부분을 보유하는 구역 내에서 더 효율적으로 집중되게 된다.

장치는 코일의 축선에 대하여 코일 및 영구 자석들 주위 둘레로 연장하는 자속 컨테이너를 포함할 수 있으며, 전기자의 이동 가능한 부분이 각각의 그의 안정적으로 놓이는 위치들에 있을 때 전기자, 컨테이너 및 자극 편을 포함하는 자기 회로가 형성된다.

바람직하게는, 자속 컨테이너는, 코일의 축선에 대하여, 장치의 하나 또는 양단부들에 걸쳐 또한 실질적으로 연장하다. 이러한 배열은 최소의 자속 누출을 갖는 실질적으로 자기적으로 밀봉된 장치를 제공한다. 컨테이너의 보호 효과들은 또한 장치의 성능이 외부 자기장들에 의해 영향을 받는 것을 회피하는 역할을 한다. 바람직한 구성에서, 장치의 구성요소들은 자속 누출을 회피하기 위해 장치의 내부를 실질적으로 에워싸는 자속 컨테이너를 제공한다.

컨테이너는 바람직하게는 그 안에 구성요소들을 지지하는 장치의 하우징을 형성하고, 이는 콤팩트한 구성을 제공한다. 이는 장치 주위에 추가적인 하우징을 요구하지 않으면서 강하고, 잘 보호된 기계적 구조를 초래한다.

전기자는 전기자의 나머지부에 대한 이동 가능한 부분의 운동을 용이하게 하기 위해 가요성 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로는, 전기자는 강성일 수 있고 전기자의 전체가 장치의 작동 시에 이동하거나 피봇한다. 바람직하게는, 전기자는 그의 안정적으로 놓이는 위치들 사이의 위치를 향하여 탄력적으로 편향된다. 이는 하나의 놓인 위치로부터 다른 위치를 향하는 전기자의 가속을 돕는 역할을 하고, 이에 의해 하나의 위치로부터 다른 위치로 전기자를 옮기기 위해 요구되는 전기적 에너지를 줄인다. 이를 달성하기 위해, 전기자는 탄력적 재료를 포함할 수 있다.

몇몇의 실시예들에서, 이동 가능한 부분이 탄력적으로 편향되는 위치는 다른 자극 편보다 하나의 자극 편에 더 가까울 수 있고, 이는 비대칭적 쌍안정(bistable) 작동을 제공한다. 이는 다른 안정적인 위치에 대하여 하나의 안정적인 위치에 더 강한 유지력을 가능하게 하고, 이는 몇몇의 적용들에서 유익할 수 있다.

장치는 제 1 및 제 2 유체 포트들을 형성할 수 있고, 전기자의 이동 가능한 부분이 각각의 그의 안정적으로 놓이는 위치들에 있을 때 각각의 포트는 폐쇄된다. 따라서, 장치는 유체 흐름 제어 장치로서 작동하도록 구성될 수 있다.

바람직하게는, 각각의 제 1 및 제 2 포트들은 각각의 자극 편에 의해 형성되는 유체 경로와 유체 연통한다. 이러한 방식으로의 포트들로의 유체 경로의 형성은 장치에 대한 더 콤팩트한 구성을 달성한다.

장치는 제 3 유체 포트를 형성할 수 있고, 제 1 및 제 2 포트들 중 다른 것이 폐쇄될 때 제 3 포트와 제 1 및 제 2 포트들 중 하나 사이의 유체 경로가 형성된다.

전기자의 이동 가능한 부분의 적어도 일부는 코일 내로 연장할 수 있다. 이는 이동 가능한 부분의 길이가 그렇지 않은 경우의 길이보다 더 길어지는 것을 가능하게 한다. 이는 그의 말단부의 이동의 범위가 더 클 수 있는 것을 의미한다. 따라서 각각의 제 1 및 제 2 포트들로부터의 더 큰 유량이 다른 포트에 더 가까운 안정적으로 놓이는 위치일 때 개방 포트로부터 더 큰 거리에 놓이는 전기자의 결과 허락될 수 있다.

다른 실시예에서, 전기자의 이동 가능한 부분이 가요성 커플링에 의해 장치 내의 지지부에 피봇 가능하게 결합된다. 전기자의 이동 가능한 부분은 커플링에 인접한 지지부에 걸쳐 가로로 연장하도록 배열된다. 이는 전기자와 지지부 사이에 자속의 연결을 위한 추가적인 표면적을 제공한다. 이러한 더 넓은 자기 경로는 자기 포화를 회피하기 위해 몇몇의 구성들에서 바람직할 수 있다.

바람직하게는, 전기자는 지지부 안으로 연장하고 전기자 그 자체는 이동 가능한 부분과 지지부에 의해 유지되는 고정된 부분 사이에 가요성 커플링을 형성한다. 이는 예컨대 힌지의 제공에 대하여 더 간단한 구조를 제공한다.

지지부는 장치의 코일의 자기 코어에 의해 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들은 첨부된 개략적인 도면들을 참조하여 실시예로서 이제 설명될 것이다.

도 1 은 공지된 전자기식으로 작동되는 장치의 횡단면도이고;
도 2 는 본 발명에 따른 전자기식으로 작동되는 장치의 횡단면 사시 측면도이고;
도 3a 및 도 3b 는 그 전기자가 그의 안정적으로 놓이는 위치들인, 도 2 의 액츄에이터의 횡단면 측면도들이고;
도 4 는 장치의 단부 캡이 제고된 도 2 에 나타낸 장치의 횡단면 사시도이고;
도 5a 및 도 5b 는 전기자의 이동 범위 내의 전기자의 위치에 대하여 곡선으로 나타낸(plotted) 장치 전기자 상에 가해지는 것과 같은, 자기력, 및 조합된 자기력과 휨력들의 그래프들이고;
도 6 은 본 발명에 따른 장치의 다른 실시예의 사시도이고; 및
도 7 및 도 8 은 본 발명의 다른 실시예의, 각각의 횡단면 측면도 및 사시도들이다.

도면들은 도식적이고 비율에 따라 그려지지 않은 것에 주의해야 한다. 이들 도면들의 상대적 치수들 및 비율들은, 도면들 내의 편리함 및 명쾌함을 위해 크기가 과장되거나 또는 줄어들었다. 동일한 참조 부호들은 일반적으로 수정된 및 상이한 실시예들에서 대응하는 또는 유사한 특징들을 나타내는데 사용된다.

본 발명을 구현하는 전자기식으로 작동되는 장치가 도 2, 3a, 3b 및 4 에 묘사된다. 장치는 컨테이너 본체(50) 및 단부 캡(52)에 의해 형성되는 컨테이너 내에 수납된다. 컨테이너 본체는 하나의 단부에서 개방되고 다른 단부에서 단부 부분(53)을 갖는 중공 실린더의 형태이고, 개방 단부는 단부 캡(52)에 의해 연결된다.

컨테이너 본체는 높은 투자율(magnetic permeability)을 갖는 재료로 형성된다. 이 재료는 강자성 재료를 포함할 수 있다. 단부 캡은 또한 높은 투자율 재료로 형성될 수 있어서, 자속 컨테이너가 장치의 내부를 둘러싸는 조합된 컨테이너 본체와 단부 캡에 의해 형성되게 된다. 대안적으로는, 몇몇의 적용들에서 단부 캡은, 알루미늄과 같은 비자기 재료로부터 형성될 수 있다.

코일(54)이 컨테이너 본체의 단부 부분(53) 상에, 각각의 본체에 대하여 동축으로 장착된다. 코일 코어가 코일의 권선들 내에 중앙적으로 제공된다. 코어는 2 개의 절반부들(56 및 58)로 나누어진다. 코일 코어는 컨테이너 본체의 단부 부분(53)을 통하여 연장할 수 있거나 또는 컨테이너 본체 내에 보유된다. 코어는, 어느정도는 코일을 통하여 축방향으로 내방으로 연장한다.

자극 편(60 및 62)의 쌍이 코일과 단부 캡 사이에 제공된다. 이들은 대향하는, 이격된 자극 편 면들(64, 66)을 형성하기 위해 컨테이너 본체의 원통형 벽으로부터 반경방향으로 내방으로 연장한다. 각각의 자극 편(60, 62)은 강자성 연장부(65, 67), 영구 자석(68, 70) 및 강자성 단부 부품(69, 71)을 포함한다. 각각의 강자성 연장부는 본체로부터 각각의 자석에 간격을 두기 위해 각각의 자석과 컨테이너 본체(50) 사이에서 연장하여 외부로의 자속 누출을 줄인다. 단부 부품은 각각의 자석들에 의해 동반되고 자극 편 면들을 형성한다. 각각의 영구 자석(68, 70)은 컨테이너의 중앙 길이방향 축선(73)에 대하여 반경방향으로 정렬되는 자석의 N 극 및 S 극들을 갖고, 이들은 자극 편(60)이 자극 편 면(64)에 S 극을 형성하고 자극 편(62)이 자극 편 면(66)에 N 극을 형성하도록 지향된다.

단부 부품(69, 71)은 장치의 사용 동안 기계적 마모로부터 영구 자석들(68, 70)을 보호하기 위해 제공된다. 이들은 바람직하게는 페라이트 크롬 강(예컨대 SS430 또는 XP13)과 같은 내부식성 재료로 형성된다.

비자기 단부 캡(52)이 도 2 에 나타나 있으며, 이 캡은 장치의 축방향 길이를 줄이기 위해 자석들(68, 70)에 비교적 가깝다. 캡이 자석들(68, 70)로부터 더 멀어져서 간격을 가져서, 캡으로부터 자석들까지의 거리가 자극 단부 부품들(69, 71) 사이의 에어 갭의 길이보다 실질적으로 더 커진다면, 캡은 컨테이너 본체(50)를 갖는 자속 컨테이너의 일부를 형성하기 위해 높은 투자율을 갖는 재료를 포함할 수 있다. 이러한 방식으로 자석들로부터 자기 캡에 간격을 두는 것은, 단부 캡을 통하여 하나의 자석으로부터 다른 자석으로의 내부 자속 누출을 충분히 줄이며, 그렇지 않으면 전기자의 이동하는 부분 상에 작용하는 사용 가능한 자속의 양이 줄어든다.

각각의 자극 편은 이들 부품을 통하는 각각의 유체 경로(72a, 72b)를 형성하고, 이 경로는 장치의 외부로부터, 컨테이너 본체 벽을 통하여, 자극 편 면들(64, 66) 내에 형성되는 제 1 및 제 2 포트들(74, 76)로 연장한다. 탄력적으로 압축 가능한 링 시일(78, 80)이 각각의 포트(74, 76) 주위의 각각의 자극 편 면(64, 66) 내에 제공된다.

강자성 연장부들(65, 67)은 컨테이너를 넘어서 유체 경로들(72a, 72b)을 규정하는 관형 부분들을 형성하기 위해 컨테이너 본체(50)를 통하여 반경방향으로 외방으로 연장할 수 있다.

층류(laminar) 전기자(82)는 장치의 축선을 따라 연장한다. 제 1 부분(82a)이 제 위치에 고정되고 코일 코어 부품들(56, 58) 사이에 끼여진다. 제 2 전기자 부분(82b)이 장치 안으로 코일 코어들로부터 멀어져, 코일(54)을 통하여 그리고 이를 넘어서 그리고 자극 편 면들(64, 66)사이로 연장한다. 전기자는 탄력적인, 자화 가능한 재료로 형성되어 부분(82b)이 자극 편 면(64)(및/또는 시일(78))과 접촉하는 부분의 이동의 한 단부와, 자극 편 면(66)(및/또는 시일(80))과 접촉하는 부분의 이동의 다른 단부 사이에서 구부러질 수 있게 된다. 영구 자석들은 전기자의 운동의 방향을 따라 위치된다. 바람직하게는 이들은 또한 전기자의 기부에 가깝다. 이러한 특징들은 자석들과 전기자 사이의 자속의 연결을 개선한다.

전기자는 스프링 강을 포함할 수 있다. 더 큰 내부식성을 위해, 페라이트 크롬 강(예컨대 SS430 또는 XP13)을 포함할 수 있다.

적절한 곳, 전기자(82)와 단부 부품들(69, 71)의 닿는 표면들 외의 내부 표면들은 부식을 방지하기 위해 장치의 내부 내에 존재하는 유체들로부터 어떠한 방식으로 코팅되거나 또는 밀봉된다.

도시된 실시예에서, 자극 편 면들은 평행한 평면들 내에 놓이고, 전기자 부분(82b)은 그의 두께가 코일 코어로부터의 거리가 증가함에 따라 감소하도록 테이퍼져서 이동 위치의 각각의 단부에서, 자극 편 면의 평면에 실질적으로 평행한 표면과 각각의 자극 편 면은 닿고, 이에 의해 각각의 포트를 폐쇄한다(도 3a 및 도 3b 참조). 대안적으로는, 전기자 부분(82b)은 평행한 측들을 가질 수 있고, 자극 편들 면들은 전기자의 이동 접촉 위치들의 각각의 단부 내의 전기자 부분의 프로파일을 보완하도록 각이 지거나 또는 형상을 갖는다.

단부 캡(52)은 제 3 유체 포트(84)를 형성하고 이는 포트(84)로부터 장치의 외부로 연장하는 단부 캡 채널(86)과 유체 연통한다.

컨테이너 본체(50)는 코일(54) 주위 둘레로 그리고 연속적으로 연장하고 또한 자석들(68, 70)을 둘레적으로 둘러싼다. 컨테이너 본체의 단부 부분(53)은, 코일(54)의 외부 단부면 위에, 컨테이너 본체의 원통형 벽의 하나의 단부로부터 반경방향으로 내방으로 연장하고, 코일 코어(56, 58)의 외부 단부와 만나거나 또는 이를 지나서 연장한다.

작동시에, 장치는 쌍안정이다. 장치의 2 개의 안정적으로 놓이는 위치들은 도 3a 및 도 3b 에 나타나 있다. 도 3a 에서 전기자 부분(82b)은 영구 자석(68)에 의해 자극 편(60)으로 인력을 받는다. 코일(54)로의 전류의 펄스의 인가가 전기자의 제 2 부분(82b)에 극성을 준다. 도 3a 의 경우에서, 코일을 통하는 전류의 방향이 전기자 부분(82b)에서 S 극을 형성한다면, 영구 자석(68)의 S 극에 의해 반발력을 받고, 자석(70)의 N 극에 의해 인력을 받는다. 따라서, 전기자 부분(82b)은 자극 편 면(64)과 닿아 있는 그의 안정적으로 놓이는 위치로부터, 도 3b 에 나타낸 것과 같은, 자극 편 면(66)과 접촉하는, 그의 다른 안정적으로 놓이는 위치로 스위치된다.

전기자 부분(82b)의 탄력적 본질은 자기 인력이 전기자에 의해 발생되는 기계적 스프링 력보다 더 작아지자마자 다른 자극 편을 향하는 전기자의 신속한 벗어남을 조장한다. 이는 더 적은 전기적 에너지가 장치를 스위치하기 위해 코일 안으로 입력되어야할 필요가 있는 것을 의미한다. 1 밀리세컨드 미만의 펄스 길이가 충분할 수 있다.

각각의 안정적으로 놓이는 위치에서, 폐쇄된 자기 회로는 전기자, 코일 코어, 컨테이너 본체 및 자극 편들 중 하나에 의해 형성된다. 이는 장치로부터의 자속 누출을 최소화하는 역할을 한다.

코일 코어는 더 긴 제 2 전기자 부분(82b)을 수용하기 위해 단지 어느정도만 코일을 통하여 연장한다(도 1 에 나타낸 공지된 구성과 대조적). 이는 전기자의 안정적으로 놓이는 위치들 사이에서의 전기자의 이동 범위와 전기자가 구부러질 때 전기자에 의해 겪게되는 응력의 양 사이의 균형 유지를 개선한다. 더 긴 이동에 의해, 더 높은 유량이 포트들(74, 76)을 통하여 허락된다.

도 4 에서 컨테이너 본체 벽(50)이 원통형이고 자극 편들 사이에 뻗어있는 것을 볼 수 있다. 이는 영구 자석들(68, 70)과 컨테이너 본체 벽 사이에 상당한 공간을 유지하고 장치의 컨테이너를 통하여 하나의 자석으로부터 다른 자석으로의 자속 누출을 줄이는 역할을 한다.

장치는 코일(54)에 적절한 전류 펄스들을 인가함으로써 많은 방식들로 유체 흐름들을 제어하도록 작동될 수 있는 것이 이해될 것이다.

예컨대, 이는 단부 캡 포트(84)에 연결되는 고압 공급부를 제 1 포트(74) 또는 제 2 포트(76)로 선택적으로 스위치하기 위해 이용될 수 있다. 다른 적용에서, 포트(74)에 연결되는 고압 공급부가 전기자에 의해 제 2 포트(76)를 폐쇄함으로써 단부 캡 포트(84)에 결합될 수 있다. 단부 캡 포트(84)에 결합되는 로드는 그 이후에 전기자가 제 1 포트(74)를 폐쇄하도록 스위치된 이후 제 2 포트(76)로 유체를 배출할 수 있다. 작동의 다른 모드에서, 단부 캡 포트에 결합되는 고압 공급부가 제 1 포트(74)에 연결될 수 있거나, 또는 그 역으로, 전기자는 제 2 포트(76)를 폐쇄한다.

전기자의 이동 범위에 걸친 전기자 상에 작용하는 힘들은 도 5a 및 도 5b 에 곡선으로 나타내었다.

도 5a 는 전기자 상에 작용하는 단지 자기력들을 나타내는 그래프이다. 1.2 ㎜ 에서의 전기자의 이동의 중간 지점의 어느 한 측에서, 전기자는 그의 쌍안정 특징을 부여하는 영구 자석들(68, 70)에 의해 가해지는 알짜 힘(net force)의 결과 자극 편들 중 하나를 향하여 편향된다. 10A 펄스가 어느 한 방향으로 코일에 인가된다면(파선으로 나타낸 것과 같이), 전기자 상에 작용하는 결과적인 힘은 전기자의 이동에서의 임의의 위치에서의 영구 자석들에 의해 가해지는 힘들을 극복하고, 전기자를 2 개의 안정적으로 놓이는 위치들 중 하나로 강제하기에 충분한 것을 볼 수 있다.

도 5b 에서, 전기자의 탄력으로부터 초래하는 휨력의 효과가 고려되었다. 이 효과는 전류 펄스가 전기자를 하나의 안정적으로 놓이는 위치로부터 다른 위치로 스위치하기 위해 인가될 때 전기자에 의해 겪게되는 결과적인 힘의 크기를 증가시키는 것을 볼 수 있다.

본 발명의 대응하는 실시예들에 따른 컨테이너 구성은 장치를 자기적으로 밀봉하기 위한 목적을 위해 별개의 하우징을 요구하지 않으면서 장치를 효과적으로 자기적으로 밀봉하는 역할을 한다. 컨테이너는 또한 공압식/유압식으로 내부를 밀봉하는 역할을 한다.

콤팩트한 자기 보유식(self-contained) 구성은, 충분한 다중 밸브 능력의 공간을 제공하는, "플러그 인" 밸브로서의 장치의 사용을 가능하게 한다.

도 6 은 본 발명에 따른 다른 전자기식으로 작동되는 스위칭 장치를 묘사한다. 장치의 구조 및 작동은 도 2 내지 도 5b 와 관련하여 상기 설명된 실시예와 유사하다. 장치의 내부를 또한 공압식으로 또는 유압식으로 밀봉하는 자기 컨테이너에 의해 둘러싸이지 않는 것이 상이하다.

도 6 의 장치는 개방된 측의 구조를 갖는다. 각각의 영구 자석을 통한 코일 코어(56, 58)로의 자기 복귀 경로가 강자성 재료로 형성된 U 형상의 지지부에 의해 제공된다. 도 6 에 나타낸 구성에서, 지지부는 2 개의 L 형상의 지지부들(90, 92)에 의해 형성되고, 하나의 지지부는 다른 지지부의 거울 상이다. U 형상의 지지부는 예컨대 대신 단일 부품으로 제작될 수 있다.

자극 편(60, 62)은 각각의 지지부들(90, 92)의 림(limb)의 일 단부에 장착된다. 각각의 지지부의 외부 림은 각각의 코일 코어(56, 58)와 코일(54)의 외부 단부면에 걸쳐 연장한다. 각각의 지지부의 횡단면은 좋은 자기 복귀 경로를 제공하고, 포화되지 않으면서 장치의 작동 동안 발생되는 자속을 실질적으로 보유하기에 충분히 크다.

장치는 별개의 유체적으로 밀봉된 컨테이너 안으로 삽입될 수 있다. 이는 주변 환경과 장치의 내부 사이의 양(positive)의 또는 음(negative)의 압력 차이를 견딜 수 있는 쌍안정 밸브를 제공한다.

도 7 및 도 8 에 묘사된 실시예는, 대안적인 전기자 구성이 포함된 것을 제외하고, 도 6 의 실시예와 유사하다. 도 6 에서, 전기자의 이동 가능한 부분(82b)은 코일 코어들(56, 58)로부터 멀어져서 연장할 때 일정한 횡단면을 갖고 그의 단부 부분은 층류 전기자의 두께가 그의 말단부를 향하여 감소하도록 테이퍼지는 것을 볼 수 있다.

몇몇의 적용들에서, 자기 포화는 코일 코어가 만나는 전기자에 의해 제공되는 자속 경로의 횡단면이 불충분한 것에 의해 장치의 작동 동안 발생할 수 있다. 이러한 문제는 도 7 및 도 8 의 실시예에서 다루어진다. 이러한 실시예에서 전기자의 이동 가능한 부분(102b)은 코일 코어들(56, 58)의 단부면들에 걸쳐 이들 면들에 가까운 기부에서 가로로 연장하도록 수정된 것을 볼 수 있다. 전기자의 이동 가능한 부분의 두께는, 전기자의 평면에 법선인 치수의 증가에 의해, 코일 코어들에 가까운 부분에서 증가된다. 따라서, 이동 가능한 부분의 가로로 연장되는 단부의 횡단면 영역은 전기자의 고정된 부분의 영역보다 상당히 더 크다. 이는 코일 코어들과 전기자 사이의 자속의 연결을 위한 더 큰 표면적을 나타낸다. 추가적인 자속 연결은 코일 코어들(56, 58)의 단부면들과 가로로 연장되는 전기자 부분(102b)의 대향되는 면들 사이의 좁은 갭(104)에 걸쳐 발생한다. 이는 전기자의 가요성을 손상시키지 않으면서 더 넓은 자속 경로를 제공하고, 이는 갭(104)에 걸쳐 연장하는 좁은 목(neck) 부분에 의해 용이하게 된다. 도면들에 나타낸 것과 같이, 이동 가능한 부분(102b)은 목 부분의 어느 한 측에서 동일한 거리로 연장한다. 결국 전기자의 두께는 각각의 자극 편 단부면의 평면에 평행하게 닿기 위한 대향하는 면들을 나타내기 위해 코일 코어들로부터 멀어지는 거리가 증가함에 따라 테이퍼진다.

갭(104)은 전기자 내의 충분한 가요성을 제공하기에 충분히 넓게 구성되고, 전기자로부터 코일 코어들 안으로의 갭에 걸쳐 충분한 자속 연결을 제공하기에 충분히 좁다.

Claims (13)

1. 전자기식으로 작동되는 장치로서:
   자화 가능하고 2 개의 안정적으로 놓이는 위치들 사이에서의 변위를 위해 이동 가능한 부분을 포함하는 전기자;
   상기 전기자의 대향하는 측들 상에 배치되는 2 개의 자극 편(pole piece)들로서, 상기 자극 편들은 상기 전기자에 인접하여 반대 극성의 자극들을 형성하고, 상기 전기자는 각각의 그의 안정적으로 놓이는 위치들에서 각각의 자극 편에 자기적으로 인력을 받는, 2 개의 자극 편들; 및
   코일에 에너지가 공급될 때, 상기 전기자의 이동 가능한 부분에 극성을 주도록 배열되어, 인접한 자극 편에 반대 극성으로 상기 이동 가능한 부분에 극성을 주도록 상기 코일에 에너지를 공급함으로써 상기 전기자의 이동 가능한 부분이 하나의 안정적으로 놓이는 위치에서 다른 위치로 변위되게 하는, 코일을 포함하고,
   각각의 자극 편은 영구 자석을 포함하고 상기 영구 자석은 상기 전기자의 이동 가능한 부분의 대향하는 측들 상에 배치되는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 전기자는 그의 이동 가능한 부분의 운동을 용이하게 하기 위해 가요성 재료를 포함하는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 이동 가능한 부분은 그의 안정적으로 놓이는 위치들 사이의 위치를 향하여 탄력적으로 편향되는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 위치는 다른 자극 편보다 하나의 자극 편에 더 가까운,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 코일의 축선에 대하여 상기 코일과 상기 영구 자석들 주위 둘레로 연장하는 자속 컨테이너를 포함하며,
   상기 전기자의 이동 가능한 부분이 각각의 그의 안정적으로 놓이는 위치들에 있을 때 상기 전기자, 컨테이너 및 자극 편을 포함하는 자기 회로가 형성되는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 장치는 제 1 및 제 2 유체 포트들을 형성하고, 상기 전기자의 이동 가능한 부분이 각각의 그의 안정적으로 놓이는 위치들에 있을 때 각각의 포트가 폐쇄되는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   각각의 상기 제 1 및 제 2 포트들은 각각의 자극 편에 의해 형성되는 유체 경로와 유체 연통하는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   상기 장치는 제 3 유체 포트를 형성하고, 상기 제 1 및 제 2 포트들의 다른 하나가 폐쇄될 때 상기 제 3 유체 포트와 상기 제 1 및 제 2 포트들 중 하나 사이의 유체 경로가 상기 장치에 의해 형성되는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전기자의 이동 가능한 부분의 적어도 일부가 상기 코일 내로 연장하는,
   전자기식으로 작동되는 장치.
   
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전기자의 이동 가능한 부분은 가요성 커플링에 의해 지지부에 피봇 가능하게 결합되고, 및
    상기 전기자의 이동 가능한 부분은 상기 지지부와 상기 전기자 사이의 자속의 연결을 위한 추가적인 표면적을 제공하기 위해 상기 커플링에 인접한 상기 지지부에 걸쳐 가로로 연장하는,
    전자기식으로 작동되는 장치.
    
11. 제 2 항에 종속된 제 10 항에 있어서,
    상기 전기자는 상기 지지부 안으로 연장하고 상기 전기자 그 자체는 가요성 커플링을 형성하는,
    전자기식으로 작동되는 장치.
    
12. 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
    코일은 자기 코어를 갖고, 상기 지지부는 상기 코어에 의해 제공되는,
    전자기식으로 작동되는 장치.
    
13. 첨부된 도면들을 참조하여 실질적으로 여기서 설명되는 것과 같은 전자기식으로 작동되는 장치.
    

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