KR20150144131A - 저전력 솔레노이드 구조 및 이의 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에서 솔레노이드 전력을 최소화할 수 있는 저전력 솔레노이드 구조를 개시한다.
본 발명에 따른 솔레노이드 구조는, 저전력 솔레노이드 구조에 있어서, 그 내부에 한쪽 면이 개방된 홀이 형성되는 프레임; 상기 프레임 홀의 내부로 유동하며 자력을 가자는 가동철심; 상기 프레임의 외측으로 권취되어 상기 가동철심은 인력으로 유동시키기 위한 2차 코일 및 상기 가동철심을 척력으로 유동시키기 위한 1차 코일로 이루어진 솔레노이드; 및 상기 가동철심 및 프레임의 홀 내부에 위치하여 상기 가동철심을 외향으로 탄지하기 위한 스프링으로 이루진 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명은 하나의 코일을 통해 가동철심을 유동 제어하여 래치(Latch) 기능을 수행하며, 다른 하나의 코일을 제어하여 가동철심의 자화를 상쇄시켜 가동철심의 동작 유지를 트리거 신호로 제어함으로써 솔레노이드 제어 시 소비전력이 저하되는 효과를 제공한다.

Description

저전력 솔레노이드 구조 및 이의 제어 방법{STRUCTURE FOR LOW POWER SOLENODE AND MEHTOD FOR CONTROLLING THEREOF}

본 발명은 솔레노이드에 관한 것으로, 더욱이 솔레노이드를 구성하는 코일을 두 개로 분류하고, 가동철심을 자화시켜 영구 자석으로 구현한 후, 하나의 코일을 통해 가동철심을 유동 제어하여 래치(Latch) 기능을 수행하며, 다른 하나의 코일을 제어하여 가동철심의 자화를 상쇄시켜 가동철심의 동작 유지를 트리거 신호로 제어함으로써 극히 소전력에 의한 솔레노이드 제어가 구현될 수 있는 저전력 솔레노이드 구조 및 이의 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 솔레노이드와 자성체를 사용하면 솔레노이드에의 전류의 인가 여부에 따라 자성체가 직선 이동을 하는 구동 장치를 만들 수 있다. 이러한 솔레노이드 구동 장치는 도어락 등에서 사용될 수 있다. 도 1은 솔레노이드 구동 장치를 사용하는 도어락의 개략적인 구성도이다.

도 1에 도시된 도어락은, 한쪽 면이 개방된 홀을 포함하는 프레임(100), 프레임(100)에 형성된 홀의 외측을 나선의 형태로 밀집해 돌려 감은 코일인 솔레노이드(solenoid), 솔레노이드 코일(110)에의 전류 인가 여부에 따라 직선 이동을 하는 가동 철심(plunger)(120), 가동철심(120)에 탄성력을 가하는 스프링(130)을 포함하도록 구성된다. 도 1의 가동철심이 자성체에 해당한다. 프레임(100)으로는 철이 사용되고, 가동철심(120)으로는 상자성체 물질이 사용된다.

도 1과 같은 구성의 도어락에서는, 솔레노이드(110)에 전류가 인가되면 가동철심(120)이 솔레노이드(110)가 형성된 홀의 내부에 삽입되는 방향으로 이동하며, 솔레노이드(110)에의 전류의 인가가 중단되면 가동철심(120)은 홀에 삽입되기 전의, 원래의 위치로 이동하게 된다. 즉, 가동철심(120)은 솔레노이드(110)에의 전류의 인가 여부에 따라 피스톤 운동의 형태를 가지는 직선이동을 하게 된다.

도 2a 및 도 2b는 솔레노이드에의 전류 인가 여부에 따른 가동철심의 이동을 도시하는 도면이다. 특히, 도 2a는 솔레노이드에 전류가 인가되었을 때의 가동철심의 이동을 도시하는 도면이고, 도 2b는 솔레노이드에의 전류 인가가 중단되었을 때의 가동철심의 이동을 도시하는 도면이다.

먼저, 솔레노이드(110)에 전류가 인가되는 경우의 가동철심(120)의 이동을 설명하도록 한다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 솔레노이드(110)에 전류가 인가되면, 솔레노이드(110)는 프레임(100)에 형성된 홀의 개방된 면 측을 "S"극으로 하고, 그 반대 측을 "N"극으로 하는 자기장을 형성한다. 이하, 프레임(100)에 형성된 홀의 개방된 면 측을 "프레임의 개구면"이라 칭하고, 그 반대 측을 "프레임의 폐구면"이라 칭하기로 한다. 프레임(100)과 가동철심(120)은 솔레노이드(110)의 자기장에 의해 자화된다. 이때, 가동철심(120)은 프레임의 폐구면 측에 가까운 쪽이 "S"극이 되고, 그 반대 측이 "N"극이 되도록 자화된다. 그 결과, 프레임의 폐구면 측과 가동철심(120) 사이에는 서로 끌어당기는 힘인 인력이 발생하게 되고, 가동철심(120)은 프레임의 폐구면 측, 즉 홀의 안쪽으로 이동하게 된다.

다음으로, 솔레노이드(110)에의 전류 인가가 중단되는 경우의 가동철심(120)의 이동을 설명하도록 한다. 솔레노이드(110)에의 전류 인가가 중단되면, 솔레노이드(110)에 의해 형성되었던 자기장이 소멸된다. 따라서, 가동철심(120)에 작용하던, 홀의 안쪽으로 끌어당기던 기전력이 사라지게 되며, 가동철심(120)에는 홀의 바깥쪽으로 작용하는 스프링(130)의 탄성력만이 작용하게 된다. 그로 인해 가동철심(120)이 도 2b와 같이 홀의 바깥쪽으로 이동하게 된다.

종래기술에서는 강자성체가 아닌 상자성체를 가동철심(120)으로 사용했다. 여기서, 상자성체는 물질 내에 자력을 부여하면 자화가 되었다가 자력이 없어지면 자화도 사라지는 물질을 의미하며, 강자성체는 한번 부여된 자력에 의한 자화가 자력이 사라진 후에도 남아 있는 물질을 의미한다.

상자성체를 가동철심(120)으로 사용한 이유는, 상자성체는 자기장이 존재할 때만 자화되고 자기장이 존재하지 않으면 자화가 사라지지만 강자성체는 자기장이 사라져도 자화가 남기 때문이다. 즉, 강자성체가 가동철심(120)으로 사용되는 경우, 가동철심(120)은 솔레노이드(110)의 자기장이 사라진 후에도 자석의 성질을 갖게 되며, 철로 된 프레임(100)이나 스프링(130)과의 사이에서 발생하는 인력으로 인해 홀의 바깥쪽으로의 이동력이 약화되게 된다.

그런데, 상자성체를 가동철심(120)으로 사용하는 경우, 가동철심(120)은 솔레노이드(110)에 전류가 인가될 때마다 자화되어야 한다. 이러한 자화는 전력의 소모를 요구하게 된다. 즉, 상자성체는 가동철심(120)으로 이용하게 되면, 솔레노이드(110)에 전류가 인가될 때마다 가동철심(120)의 자화를 위한 전력이 필요하게 되어 솔레노이드 구동 장치의 전력소모가 커지게 된다.

이러한 큰 전력소모는 특히 건전지로 구동하는 도어락에 사용되는 솔레노이드 구동 장치의 사용 효율을 저하시킬 수 있게 된다.

대한민국 등록실용신안 20-0433845, 등록일자 2006년 12월 07일, 고안의 명칭 '도어락을 위한 저전력 솔레노이드 구동 장치'

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 솔레노이드를 구성하는 코일을 두 개로 분류하고, 가동철심을 자화시켜 영구 자석으로 구현한 후, 하나의 코일을 통해 가동철심을 유동 제어하여 래치(Latch) 기능을 수행하며, 다른 하나의 코일을 제어하여 가동철심의 자화를 상쇄시켜 가동철심의 동작 유지를 트리거 신호로 제어함으로써 극히 소전력에 의한 솔레노이드 제어가 구현될 수 있는 저전력 솔레노이드 구조를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 관점에 따른 저전력 솔레노이드 구조는, 저전력 솔레노이드 구조에 있어서, 그 내부에 한쪽 면이 개방된 홀이 형성되는 프레임; 상기 프레임 홀의 내부로 유동하며 자력을 가자는 가동철심; 상기 프레임의 외측으로 권취되어 상기 가동철심은 인력으로 유동시키기 위한 2차 코일 및 상기 가동철심을 척력으로 유동시키기 위한 1차 코일로 이루어진 솔레노이드; 및 상기 가동철심 및 프레임의 홀 내부에 위치하여 상기 가동철심을 외향으로 탄지하기 위한 스프링으로 이루진 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 저전력 솔레노이드의 제어방법은, 제 1 항에 따른 저전력 솔레노이드를 동작시키기 위한 제어방법에 있어서, a) 상기 솔레노이드를 동작시키는 경우, 상기 2차 코일로 전력을 공급한 후, 상기 가동철심이 인력에 의해 솔레노이드 안측으로 인입되면 상기 2차 코일의 전력을 차단하는 단계; b) 상기 솔레노이드 동작을 오프하는 경우, 상기 1차 코일로 전력을 공급한 후, 상기 가동철심이 척력이 발생하고 상기 스프링의 복원력에 의해 외향으로 돌출될 때, 상기 1차 코일의 전력을 차단하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에서 제시하는 저전력 솔레노이드 구조 및 이의 제어방법은, 하나의 코일을 통해 가동철심을 유동 제어하여 래치(Latch) 기능을 수행하며, 다른 하나의 코일을 제어하여 가동철심의 자화를 상쇄시켜 가동철심의 동작 유지를 트리거 신호로 제어함으로써 솔레노이드 제어 시 소비전력이 저하되는 효과를 제공한다.

도 1은 종래 솔레노이드 구동 장치를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 종래 솔레노이드에 적용되는 동철심의 이동을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 솔레노이드 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 저전력 솔레노이드 구조를 설명하기 위한 구성도이다. 도시된 바와 같이, 금속 재질의 프레임(300), 1차 코일(311) 및 2차 코일(313)로 이루어진 솔레노이드(310), 자력을 보유하고 있는 가동철심(320) 및 스프링(330)을 포함하도록 구성된다. 상기 1차 코일(311) 및 2차 코일(313)은 전기적으로 분리되어 제어되며, 각 코일의 권취 방향은 상이하다.

그리고, 상기 프레임(330)은 그 내부에 한쪽 면이 개방된 홀을 포함하는 구조로 형성된다. 프레임(330)에 형성된 홀의 외측에는 코일을 나선의 형태로 밀집해 돌려 감은 제1 코일(311)과, 상기 제1 코일(311)과 반대 방향으로 권취되는 제2 코일(313)로 이루어진 솔레노이드(310)가 형성된다.

상기 가동철심(320)은 마그네트로써 상기 솔레노이드(310)의 2차 코일(313)에 의해 생성되는 자기장에 의해 프레임(330)에 형성된 홀의 내부로 진입한다. 상기 스프링(330)은 프레임(300)에 형성된 홀의 내부에 위치하며, 가동철심에 홀의 축과 평행하며 홀의 외부 방향으로 향하는 탄성력을 가하게 된다. 가동철심(320)은 스프링(320)의 탄성력으로 인해 홀의 바깥쪽으로 이동하게 된다. 여기서, 홀의 축이란, 프레임(300)에 형성된 홀의 개구면의 중심점과 폐구면의 중심점을 연결하는 선이라고 간주할 수 있다.

즉, 가동철심(320)은 솔레노이드(310)의 2차 코일(313)로부터 형성하는 자기장에 의해 발생하는 기전력으로 인해 프레임(300)에 형성된 홀의 안쪽으로 이동한다. 그리고, 가동철심(320)이 홀의 내측으로 인입되면 금속재질로 구성된 프레임(300)의 안측으로 인력이 작용하여 부착된다. 여기서, 상기 가동철심(320)의 자력은 스프링(330)의 복원력을 극복하여 이루어진다.

이후, 상기 2차 코일(313)의 전기적 신호를 차단하고, 상기 1차 코일(311)로 전기 신호를 인가하게 되면 즉, 2차 코일(313)로부터 발생하는 자력과 반대방향으로 1차 코일(311)로부터 자력이 발생하면, 가동철심(320)과 동일한 극성의 자력을 생성한다. 따라서, 상기 1차 코일(311)에 의해 자력은 프레임(300)을 자화시키되, 상기 프레임(300)의 자화 극성은 가동철심(320)의 극성과 동일하게 된다.

따라서, 상기 프레임(300)과 가동철심(320)은 상호 동일 극성으로 자화되어 프레임(300)과 가동철심(320)은 상호 척력이 발생한다. 이러한 척력은 상기 가동철심(320)이 스프링(330)의 복원력에 따라 홀의 바깥쪽으로 이동한다.

도 4는 본 발명의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 4 (가)는 솔레노이드가 동작 개시되는 상태이고, 도 4 (나)는 솔레노이드가 동작 오프되는 상태를 도시하였다. 도 4 (가)에서 도시한 바와 같이, 2차 코일(313)로 전원이 공급되지 않은 경우에는 상기 가동철심(320)은 스프링(330)에 의해 외부로 돌출된 상태를 유지한다.

이후, 상기 2차 코일(313)로 제어신호가 인가되는 경우 상기 가동철심(320)을 안측으로 유동시키며 동시에, 상기 스프링(330)의 복원력을 극복하여 프레임(300)의 안측으로 유동한다. 이때, 상기 가동철심(320)은 자력을 보유하며, 프레임(300)은 금속(철) 재질로 이루어짐에 따라, 상기 가동철심(320)은 자력에 의해 프레임(300)의 안측으로 부착된다. 그리고, 가동철심(320)의 유동은 스프링(330)의 복원력을 극복하여 상기 프레임(300)과 부착된 상태를 유지한다. 여기서, 상기 2차 코일(313)로 공급되던 제어신호는 차단되며, 가동철심(320)은 지속적으로 프레임(300)과 부착된 상태를 유지한다.

반면, 도 4 (나)와 같이 1차 코일(311)로 전원을 인가할 경우, 상기 프레임(300)은 자화되며 이때의 자력 극성은 가동철심(320)과 반대 극성을 갖는다. 이는 전술한 바와 같이, 1차 코일(313)과 2차 코일(313)은 상호 반대 방향으로 권취됨에 따라, 2차 코일(313)에서 생성되는 자력은 1차 코일(313)에서 생성되는 자력과 반대 극성이다.

따라서, 상기 1차 코일(311)에 의해 프레임(300)이 자화될 경우, 상기 프레임(300)과 가동철심(320)은 상호 반대 극성으로 척력이 발생한다. 결국, 가동철심(320)과 프레임(300) 사이의 자력은 상쇄되며, 가동철심(320)은 스프링(330)에 의한 복원력을 전달받아 외부로 돌출하게 된다.

결국, 본 발명에서 제시하는 솔레노이드는 가동철심의 동작 과정에서만 전력이 소비됨에 따라 솔레노이드의 구동 시 저전력에 의한 동작이 가능하게 되는 것이다.

300 : 프레임 311 : 1차 코일
313 : 2차 코일 320 : 가동철심
330 : 스프링

Claims (3)

1. 저전력 솔레노이드 구조에 있어서,
   그 내부에 한쪽 면이 개방된 홀이 형성되는 프레임(300);
   상기 프레임(300) 홀의 내부로 유동하며 자력을 가자는 가동철심(320);
   상기 프레임(300)의 외측으로 권취되어 상기 가동철심(320)은 인력으로 유동시키기 위한 2차 코일(313) 및 상기 가동철심(320)을 척력으로 유동시키기 위한 1차 코일(311)로 이루어진 솔레노이드; 및
   상기 가동철심(320) 및 프레임(300)의 홀 내부에 위치하여 상기 가동철심(320)을 외향으로 탄지하기 위한 스프링(330)으로 이루진 것을 특징으로 하는 저전력 솔레노이드 구조.
2. 제 1 항에 따른 저전력 솔레노이드를 동작시키기 위한 제어방법에 있어서,
   a) 상기 솔레노이드를 동작시키는 경우, 상기 2차 코일(313)로 전력을 공급한 후, 상기 가동철심(320)이 인력에 의해 솔레노이드 안측으로 인입되면 상기 2차 코일(313)의 전력을 차단하는 단계;
   b) 상기 솔레노이드 동작을 오프하는 경우, 상기 1차 코일(311)로 전력을 공급한 후, 상기 가동철심(320)이 척력이 발생하고 상기 스프링(330)의 복원력에 의해 외향으로 돌출될 때, 상기 1차 코일(311)의 전력을 차단하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 저전력 솔레노이드 제어방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 가동철심(320)은 영구 자석인 것을 특징으로 하는 저전력 솔레노이드 구조.
   
   

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