KR20160034322A - 터보 압축기용 릴리프 밸브를 구동하기 위한 전자기 액추에이터 - Google Patents

터보 압축기용 릴리프 밸브를 구동하기 위한 전자기 액추에이터 Download PDF

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KR20160034322A
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세드릭 멜레레
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송스보즈 오토모티브 에쓰아
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Abstract

본 발명은 터보 압축기용 릴리프 밸브를 구동하기 위한 전자기 액추에이터에 관한 것으로서, 상기 액추에이터는 하나 이상의 자극 코일에 의해 활성화되도록 고 투자율을 가지는 재료로 제조된 제1 자성 스테이터 회로부에 의해 형성되는 고정 부재, 및 고 투자율을 가지는 재료로 제조된 제2 자성 회로 및 상기 제2 자성 회로와 나란하게 배치되는 자화된 박형 부품으로 구성되는 가동 부재를 포함하고, 상기 가동 부재에는 결합 축이 제공되고, 상기 고정 부재와 가동 부재는 자화된 박형 부품과 자극 코일의 복합 자력 하에서 서로 끌어당기고, 상기 고정 부재와 가동 부재는 슬라이딩 유형의 마찰식 기계적 연결 장치에 의해 서로 연결되고, 상기 연결 장치는 밸브에서 적용되는 외부 요인들을 기계적으로 감소시키기 위하여, 액추에이터 내에 포함된 시스템이고, 상기 연결 장치는 가동 부재와 고정 부재의 상대 위치와 코일 내에 흐르는 전류에 따라 미끄럼 고착 방식의 마찰식 기계적 특성을 구비한다.

Description

터보 압축기용 릴리프 밸브를 구동하기 위한 전자기 액추에이터{ELECTROMAGNETIC ACTUATOR IN PARTICULAR INTENDED TO DRIVE A TURBOCOMPRESSOR RELIEF VALVE}
본 발명은 일반적으로 "웨이스트 게이트(waste gate)"라고 명명되는 내연 기관의 터보 압축기용 릴리프 밸브를 구동하기 위한 회전식 전자기 액추에이터에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 터보 압축기 터빈 내의 가스 압력을 제어함으로써 상기 릴리프 밸브를 구동하도록 사용되는 전자기 액추에이터에 관한 것이다.
열 기관(예를 들어, 차량용, 트럭용, 빌딩 등에 사용되는 기계용 히트 엔진)은 실린더의 연소실 내에서 공기/연료 혼합물을 폭발시키는 방식으로 작동된다.
엔진으로 유입되는 공기를 순환, 처리 및 배출하기 위하여, 모터의 공기 루프(이동 경로)는 다양한 밸브들을 사용함으로써 동작이 이루어진다. 열 기관의 성능을 향상시키기 위하여, 몇몇 차량들에는 연소실의 공기를 과급하기 위한 터보 압축기가 구비된다.
일반적으로, 이러한 과급 장치들은 엔진 속도 및 감지된 부하에 따른 터보 압축기들의 작동과 이에 따른 영향력을 제어하기 위한 가동 부재들(예를 들어, 회전 블레이드들과 크라운을 구비하는 가변 형상 구조물, 회전 밸브 웨이스트 게이트 등)을 구비하고 있다. 이동 가능한 기계식 부재들은 차량에 탑재된 컴퓨터에 의해 구동되는 액추에이터들에 의해(주로 공압식 및 전기식 제품이 사용됨) 이동된다.
기계식 부재들을 이동시키는 터보 압축기는 연소실을 빠져나오는 배기가스의 이동 흐름 상에 위치하기 때문에, 열 기관의 작동 속도에 따른 합력, 진폭 및 주파수를 유도하는 압력 변화에 영향을 받게 된다.
컴퓨터에 의해 구동되는 액추에이터는 차량에 탑재되고 이동 가능하도록 설정되며, 가동 부재들은 다음과 같은 기준에 따라 규격화된다.
- 상기 가동 부재를, 아무 때나, 바람직한 위치로 이동시키기 위한 규격(어떠한 경우에도 극복 가능한 온도와 부하에 대응하는 규격)
- 터보의 최적 작동 상태를 보장하기 위해 일반적으로 매우 짧은 시간(약 100ms) 내에 목표 위치에 도달할 수 있는 규격
- 최저 동력 소비량으로도 바람직한 위치를 안정적으로 유지할 수 있는 규격
독일 특허공보 DE 10 2011 051560호 문헌에는 종래 기술에 따른 터보 압축기용 릴리프 밸브의 예가 개시되어 있다.
국제 특허공보 WO 2013 017794호 문헌에는 액추에이터의 실린더 헤드에 결합하는 액추에이터 및 센서를 포함하는 소형 위치잡이 어셈블리가 개시되어 있다.
독일 특허공보 DE 10 2011 078907호 문헌에는 배기가스의 이동 압력을 제어하는 배기 배압 밸브의 예가 개시되어 있다.
유럽 특허공보 EP 1804366호 문헌 및 미국 특허공보 US 5828151호 문헌에는 회전식 전자기 액추에이터의 다른 예가 개시되어 있다.
또한, 미국 특허공보 US 2006 244330호 문헌에는 마찰력을 가지는 전기 기계에 대한 내용이 종래 기술로 알려져 있다. 이러한 회전식 기계는 고정 부분과 가동 부분 사이에 배치되고, 환형 베어링, 마찰 베어링 또는 롤링 베어링으로 형성되는 안내 부재들을 포함한다. 본 문헌에서는 이러한 안내 부재들에 대한 내용이 구체적으로 개시되지는 않았으나, 최소 기계적 손실과 고 효율을 얻기 위해, 최저 마찰력을 가지는 기계에서 고정 부재에 대한 가동 부재의 상대 회전이 이루어지는 것을 그 목적으로 한다는 점에서 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항에 해당한다고 볼 수 있다. 다만, 이러한 안내 부재들은 가동 부재에 적용되는 외부 요인들에 대한 기계적 여과 기능은 제공하지 않는다.
또한, 미국 특허공보 US 2011 240893호 문헌에는 플라스틱 베어링을 구비하는 밸브 액추에이터에 대한 내용이 개시되어 있다. 본 문헌에 따르면, 강자성의 허브는 모터 샤프트를 수용하기 위하여, 천공된 와셔들의 형체물 내에 플라스틱을 수용하는 특정 형체물을 포함한다. 상기 와셔들에 사용되는 플라스틱은 낮은 마찰 계수를 가지는 재료로 제조되어야만 하고, 바람직하게 액추에이터의 고정 부재와 가동 부재 사이의 고착 영향을 줄이기 위해, 특히, 윤활 부재가 더 이상 이러한 기능을 제공하기가 어려울 때에, 나일론이 사용되어야만 한다. 낮은 마찰 계수를 가지는 플라스틱 와셔들은 경제적인 해결책을 사용함으로써 기계적인 손실을 줄이는 것을 그 목적으로 하고, 샤프트를 안내 및 위치 결정하는 역할을 하도록 제공된다. 이러한 해결책은 가동 부재의 위치 변화 또는 외부 장애 요인에 대한 보상 및 여과 기능을 제대로 발휘하기가 어렵다. 본 문헌에 따르면, 플라스틱 와셔들은 주로 샤프트를 유지하기 위한 방사 기능을 가질 뿐이고 축을 따라 움직이는 것은 아니다.
이와 유사하게, 유럽 특허공보 1432106호 문헌에 따른 액추에이터에 있어서, 연 자성 재료로 제조되는 베어링은 스테이터에 고정되고 로터 샤프트의 일부가 관통된다. 바람직하게, 이러한 베어링은 가능한 낮은 마찰력을 가지는 연 자성 재료로 제조된다. 상기 베어링을 제조하는 데에 사용되는 재료의 특성은, 회전 특성을 유지하고 내구성을 향상시키기 위해 스테이터와 로터 사이에서 발생되는 자력에 의해 야기되는 흡착 현상을 차단한다. 이러한 베어링들은 상기 액추에이터의 자성과 호환 가능한 재료를 사용함으로써 마모 현상 또는 기계적인 손실을 제한하고 마찰 현상을 제한하는 것을 그 목적으로 한다. 다만, 이러한 해결책은 액추에이터의 위치에 영향을 미치는 외부 요인들을 줄이거나 없애지는 못하는 문제가 있었다.
미국 특허공보 US 3242365호 문헌에는 이동 가능한 스테이터 시스템의 진동을 줄이기 위한 시스템으로서 전압 발생 제어 시스템에 대한 내용이 개시된다. 이러한 감쇠(damping) 시스템은 마찰 링과 스테이터 사이에 속박되는 접시형(벨르빌 스프링 와셔) 스프링을 통해 마찰력을 안내한다. 상기 감쇠 시스템은 스테이터 또는 끈적한 그리스나 마찰 패드와 같은 감쇠 장치와 접촉하는 판 스프링일 수 있다. 상기 감쇠 시스템은 마찰력에 기초하는 시스템이지만 바람직한 감쇠 효과를 달성하기 위한 탄성이 있는 속박 장치를 구비하는 것이 요구된다. 따라서, 고 비용이 소요되고, 부피가 크며, 거의 제어가 불가능한 부재들은 탄성 부재들을 통해 작동 또는 속박되는 "벨르빌 와셔" 형 스프링들, 전기 마찰 판들 또는 패드들과 같은 부재들에, 감쇠 효과를 달성하기 위해 통합되어야만 한다. 또한, 감쇠 효과가 장애 요인들의 속도에 따라 달라지게 되고(속도가 느린 장애 요인은 그리스와 같은 유체에 의해 제거되지 않음), 그리스는 접촉면의 마찰을 줄이거나 제거하기 위해 표면에 윤활유를 바르는 효과를 제공하는 것에 불과하므로, 끈적한 그리스를 사용하는 것이 마찰 감쇠 효과를 줄이는 현상과는 무관하다고 볼 수 있다.
열 기관 과급 시스템들은 연소실 내로 유입되는 공기의 압력을 증가시키는 것에 의해 그 성능이 향상될 수 있다.
도 1은, 종래 기술에 따른 "웨이스트 게이트"형 터보 압축기의 일반적인 작동 상태를 도시한 도면으로서, 상기 터보 압축기는,
- 배기 가스의 통로를 통해 회전되는 터빈(1)
- 배기 터빈에 의해 기계적으로 회전되고(양측이 일 샤프트에 연결됨), 연소실 내로 공기를 과급하는 압축기(2)
- 구동시 터빈의 회전 속도를 제어하고(압축기의 작동 레벨을 제어), 배기 가스의 일부가 회전 작동 없이 터빈을 바이패스 하는 가동 부재(5)
- 터빈의 가동 부재의 위치를 제어하는 액추에이터(3)
- 액추에이터(3)의 이동 변수(위치 및 힘)를 가동 부재(5)에 전달하는 동적 연결체(4)로 구성된다.
도 2에 도시된 것처럼, 상기 가동 부재(5)는 가스의 동작에 따라 다음과 같은 두 가지 형태의 힘을 받게 된다.
- 화살표(7)에 도시된 것과 같은 연속적인 작용력: 진폭은 개방도 및 가동 부재에 작용하는 가스의 압축 레벨에 따라 달라지지만, 이러한 작용력에 의해 상기 진폭이 지속적으로 유지된다. 그 규모는 약 2 바이다.
- 사인 곡선형의 화살표(6)에 도시된 것과 같은 가변하는 작용력의 주파수는 엔진 속도(최대 압력을 유도하는 배기 밸브의 개방 사이클)에 따라 달라진다. 그 규모는 주파수 범위(20Hz; 200Hz)를 초과하도록 ±0.45바 이다.
이러한 힘들은 종래 기술에 따른 액추에이터의 동작, 특히 폐쇄 루프에서의 위치 제어가 이루어지는 동작을 방해한다.
이와 같이, 본 기술 분야의 현재 상태에서는 액추에이터의 동작에 대한 많은 해결책이 제시되고 있다. 구체적으로, 가동 부재는 마찰 시스템에 의해 고정 부재에 대해 안내 및 이동된다. 이러한 해결책 중 하나는 특정 재료 및 형상의 사용을 통해 마찰 손실을 최소화하는 것을 최대 목표로 한다. 마찰 진동 감쇠와 관련되는 몇몇 해결책들은 성능의 결함과는 무관하게, 액추에이터의 설치 공간과 같은 좁은 공간 내에서 작동하는 것이 복잡하고 어렵다고 볼 수 있다.
종래 기술에 따른 액추에이터(선형 액추에이터 또는 토크 모터)는, 특히, 과급 터보 압축기와 같은 제품들에 대한 해결책이 되고 있다. 이러한 제품들의 주요 특성은 소형이고, 강도가 우수하며, 높은 동적 관계를 가진다는 점이다.
다만, 이러한 해결책은 직통 구동 시스템(기어형 또는 로터와 액추에이터의 출력 샤프트 사이의 이동 감소가 아닌 시스템)이기 때문에, 그 속도가 매우 빠르지만, 그 대신에, 구동시 부하의 모든 요인에 노출되어 있다는 문제가 있다. 따라서, 낮은 강성을 가진 부재들이 "폐쇄 루프" 내에서 잠재적으로 불안전한 구동 상태에 노출되고, 특히 고 주파 자극에서 이러한 문제점이 더욱 두드러지게 된다.
개선된 해결책은, 토크 모터에 의해 실행된 고 주파 자극을 걸러낼 수 있는 기계적 감쇠 시스템이 액추에이터 내에 직접 결합하도록 구성된다. 따라서, 이러한 유형의 액추에이터의 우수한 효과(소형화, 우수한 강도, 동적 구동)가 유지됨과 동시에, 액추에이터에 강성이 추가됨으로써 불안정성에 대한 위험이 제거된다.
본 발명에 따른 전자기 액추에이터는 터보 압축기의 가동 부재를 구동시 액추에이터의 감소된 동력 소비로도 안정적인 정 위치 유지가 보장되도록 구동 가능하다는 것이다. 본 발명에 따르면, 액추에이터에 의해 감지될 수 있는 고 주파 자극을 걸러내는 부재가 액추에이터 내에 배치된다.
본 발명에 따른 감쇠 시스템은 가동 시스템을 안내하는 것은 아니지만, 도면에 도시된 회전식 작동 실시 예에 따르면, 축 방향 위치 유지가 가능하고 회전 구동이 이루어지지 않게 하는 것을 그 목적으로 한다. 이에 따라, 가동 부재와 고정 부재 사이의 자력에 의해, 감쇠 시스템은 작용력 및 축 방향 압축 부하를 받게 되므로, 크리프와 같은 문제점이 해결되어야만 한다. 상기 감쇠 시스템에 사용되는 재료 및 규모는 본 발명에 따른 액추에이터의 특성 및 성능에 영향을 미치는 소형화의 위험(특히, 작동 온도 및 기계적 응력에 대한 위험)을 피하기 위해 주의 깊게 선택되어야만 한다. 종래 기술에 개시되는 플라스틱 재료들 및 종래의 통합 구조는 이러한 문제점을 해결하는 데에 충분하지 않다.
회전식 구동 실시 예의 경우에, 토크 모터를 줄이기 위해 사용되는 교대 와셔의 조합은 액추에이터의 작동 및 통합될 위치에 대한 선택과 크게 관련이 있고, 탄성이 있는 속박 장치가 따로 필요하지 않게 된다. 그 이유는, 위치 유지 토크가 "미끄럼 고착(stick-slip)" 효과 및 액추에이터의 특성(코일의 전계 효과에 따른 스트로크의 시작점에서의 최소 작용력, 따라서 이동이 용이하게 이루어짐) 덕분에 충격 토크에 비해 더 크게 형성되기 때문이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위해, 넓은 의미에서 볼 때, 본 발명은 터보 압축기용 릴리프 밸브를 구동하기 위한 전자기 액추에이터와 관련이 있고, 상기 액추에이터는, 하나 이상의 자극 코일에 의해 활성화되고 고 투자율을 가지는 재료로 제조된 제1 자성 스테이터 회로부에 의해 형성되는 고정 부재, 및 박형 부품으로 구성되는 가동 부재를 포함하고, 자화된 박형 부품은 고 투자율을 가지는 재료로 제조된 제2 자성 회로부와 나란하게 배치되며, 상기 가동 부재에는 결합 축이 제공되고, 상기 고정 부재와 가동 부재는 자화된 부분과 자극 코일의 혼합 자력 하에 서로 끌어당기게 되며, 상기 고정 부재와 가동 부재는 순수 미끄럼 방식의 마찰식 기계적 연결 장치에 의해 서로 연결되고, 상기 연결 장치는 외부 요인의 기계적인 감쇠가 이루어지도록 액추에이터 내에 직접 포함되는 시스템으로서, 가동 부재와 고정 부재의 상대적인 위치, 및 코일 내에 흐르는 전류에 따라 미끄럼 고착형의 기계적 마찰 특성을 가진다.
본 발명에 따른 액추에이터는 회전식 액추에이터 또는 선형 액추에이터일 수 있다. 첫 번째 경우에, 자석은 축 방향으로 자화된 디스크의 형상을 가진다. 선형 액추에이터의 경우에, 상기 자석은 두께 방향으로 자화된 가늠형 직사각형으로 구성된다.
바람직하게, 상기 마찰식 기계적 연결 장치는 상기 가동 부재와 상기 고정 부재 사이에 삽입되는 박형 부품으로 구성된다.
바람직하게, 상기 마찰식 기계적 연결 장치는 동적 마찰력에 비해 더 큰 정지 마찰력을 가진다.
바람직하게, 상기 기계적 연결 장치는 토크 모터에 의해 감지된 최대 가변 충격 토크 이상의 마찰 토크를 가해지도록 구성된다.
바람직한 실시 예에 따르면, 상기 마찰식 기계적 연결 장치는 메탈/폴리머 유형의 복합 재료로 구성된다.
바람직하게, 상기 마찰식 기계적 연결 장치는 섬유의 혼합체를 포함하는 스틸로 코팅된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)로 제조되는 강성 지지부를 포함한다.
바람직하게, 상기 강성 지지부는 슬라이딩 층으로 주입 및 코팅되는 다공성 청동 층으로 소결된다.
바람직하게, 본 발명은, 상기 액추에이터가 밸브를 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동시킬 때, 추후에 부하의 방향을 따라 목표 위치로 되돌리게 이동시키기 위하여, 목표 위치를 초과하여(설정 위치를 지나쳐서) 이동하도록 폐쇄 루프 내에서 액추에이터를 구동하도록 제어하는 규제기를 더 포함하고, 상기 규제기는 상기 액추에이터가 상기 밸브를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동시킬 때, 추후에 부하의 방향을 따라 목표 위치에 도달하게 하기 위하여, 설정 위치의 앞에서 정지함으로써 목표 위치 앞에서 안정화되도록 폐쇄 루프 내에서 액추에이터를 구동하도록 제어한다.
이하의 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시 예에 대한 것으로서, 본 실시 예에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니다.
본 발명은 후술하는 설명 및 첨부된 도면을 참조하여 더욱 명확하게 설명될 것이다.
도 1 및 도 2는 종래 기술에 따른 터보 압축기의 전체적인 모습을 보여주는 도면이다.
도 3a는 본 발명에 따른 액추에이터의 부분 단면도이다.
도 3b는 본 발명에 따른 액추에이터의 분해도이다.
도 4는 액추에이터의 로터의 각 위치 및 자극 코일들에서 제공되는 전류에 따라 마찰식 기계적 연결 장치에서 작동하는 축 방향 힘의 변화를 보여주는 도면이다.
도 5는 마찰 장치를 구비하는 액추에이터의 준 정적 토크 측정치들의 예시를 보여주는 도면이다.
도 6은 12V 지표에서 반응 시간 곡선을 보여주는 도면이다.
도 7은 규제기를 구비하는 액추에이터의 동작을 보여주는 도면으로서, 그 위치가 유지될 때 전류 소비량이 감소할 수 있게 하는 구동 전략을 보여주는 도면이다.
액추에이터(3)는, 코일(15)에 의해 일부 이상이 둘러싸인 스테이터 티스(16)를 구비하는 스테이터를 포함한다.
로터(10)는 일면에 영구 디스크형 자석(13)이 고정되는 스틸 디스크(9)로 구성된다. 프린트 회로부(8)는 로터(10)가 배치되는 각도를 지시하는 위치 센서로부터 전달된 신호를 처리하기 위한 전자 부재들을 이송시킨다. 상기 스테이터(11)는 스틸의 코어 및/또는 플라스틱으로 형성되는 캐비티(14)를 구비하고, 상기 캐비티는 상기 마찰식 기계적 연결 장치를 형성하는 마찰 링(12)을 수용하도록 구성된다. 이러한 마찰 와셔(12)는 로터(10)를 구비하는 마찰면(슬립)과 스테이터(11)를 구비하는 마찰면(스틱) 사이에 연결되고, 양 부재들(스테이터(11) 및 로터(10))은 로터(10)에 고정되는 영구 모터 자석(13)의 자력과 스테이터(11)에 고정되는 자극 코일(15)의 자력의 합력 하에 서로를 끌어당기게 된다. 이러한 와셔(12)는 순수 단일 축 상의 압축력을 받게 된다.
마찰력 손실을 최소화하는 동안, 축 상의 자력을 받는 스러스트 볼 베어링은 와셔(12) 대신에 종래 기술에서 사용되는 일반적인 제품이 사용될 수도 있다.
본 발명에 따르면, 상기 와셔(12)는 특정 레벨의 마찰력을 안내하여, 종래 기술의 문제점 중 하나인 강성 문제를 해결할 수 있다.
따라서, 순수 롤링 연결은 액추에이터(3)의 로터(10)와 스테이터(11) 사이에서의 순수 미끄럼 연결로 대체될 수 있다.
일 예에 따르면(예를 들어, 25℃에서 3.5A를 공급하는 액추에이터의 경우), 스트로크의 시작점에서, 모터 토크는 90N의 축 방향 힘에 대하여 480mNm이 발생하게 되고, 스트로크의 종결점에서, 모터 토크는 305N의 축 방향 힘에 대하여 310mNm이 발생하게 된다. 전류가 없는 축 방향의 힘은 195N이다.
와셔(12)가 구비되면, 마찰 계수는 0.075의 값을 가지게 되고, 외경은 17mm이고 내경은 7mm이며, 이에 따라 다음과 같은 수치값이 형성된다.
스트로크의 종결점에서 마찰 와셔(12)의 최대 응력은 sigma=N/s=1.8MPa이다.
스트로크의 시작점에서 마찰 토크는,
C=F.Ravg.tan(α)=37.125mNm이다.
스트로크의 종결점에서 마찰 토크는,
C=F.Ravg.tan(α)=125.8mNm이다.
전류가 없는 경우 마찰 토크는,
C=F.Ravg.tan(α)=80.5mNm이다.
상기 와셔(12)의 재료 선택은 매우 중요하다. 와셔는 정지 마찰력을 보유하기 위하여 "미끄럼-고착(stick-slip)" 특성을 가져야만 한다. 상기 "미끄럼-고착" 현상은 두 가지 물체들의 상대적인 미끄럼 이동이 이루어지는 동안에 여러 가지 동작이 수행되는 것으로 확인될 수 있다.
이러한 현상은 마찰과 관련된 쿨롱의 법칙으로 설명될 수 있다. 이 법칙은 정지 마찰 계수 또는 점착 계수(fo), 및 동적 마찰 계수 또는 미끄럼 마찰 계수(f)와 관계가 있다.
첫 번째 계수(정지 계수)는 두 개의 면들 사이의 미끄럼 속도가 0일 때에 작용하는 것으로, 물체가 초기에 움직이지 않는 경우에 적용될 수 있다. 두 번째 계수는 두 개의 면들 사이의 미끄럼 속도가 0이 아닐 때에 발현하는 것으로, 예를 들어 가압된 물체가 이동할 때 작용할 수 있다.
주어진 물체를 이동하는 데에 가해져야만 하는 힘은 물체가 정지 또는 동작 상태인지 여부에 따라 고려된 정지 계수 또는 동적 계수에 비례하게 된다. 만약, fo 값이 f값에 비해 크다고 하면, 본 발명과 같이, 이동 유지 상태에 비해 초기 정지 상태에서 더 큰 작용력이 로터(10)를 이동하는 데에 요구될 것이다.
이러한 특성은 정 위치에서 우수한 위치 유지가 이루어지도록 고 주파 교란 요인을 제거하게 하고, 이동이 이루어지는 동안에 액추에이터 성능(3)에 영향을 미치지 않게 하기 위해 저 동적 마찰(이동에 대한 저항이 거의 없는 상태)이 이루어지게 한다.
도 4는 스트로크에 대한 축 방향 힘의 증가 상태를 보여주는 도면이다.
축 방향의 힘이 스트로크의 종결점(70°)에 비해 스트로크의 시작점(0°)에서 더 작을 때, 후술하는 효과가 나타나게 된다. 먼저, 로터(10)가 이동(스트로크의 시작점으로부터 종결점으로 이동)할 때, 스테이터(11)의 자극 코일(15)에는 동력이 가해지고, 마찰 와셔(12)가 풀리게 되어(스테이터(11)의 자속이 모터 자석(13)의 자속에 대응하므로 축 방향의 힘이 감소) 용이한 초기 이동이 가능해지고 높은 정지 마찰력으로부터 낮은 동적 마찰력으로 변환하게 되며, 와셔(12)에 의해 유도되는 마찰 토크는 축 방향 응력에 직접적으로 비례하게 된다.
마찰 부재(12)는,
- 전체가 플라스틱 재료로 제조되는 와셔
- 마찰 계수를 제어할 수 있도록 표면 처리가 이루어지는 스틸 와셔
- 폴리머 층으로 코팅되고 통합적으로 소결된 청동 층을 지지하는 스틸 지지 베이스를 구비하는 복합 와셔
- 스틸, 플라스틱 또는 표면 처리가 되어 있는 스틸로 제조된 한 쌍으로 이루어지는 두 개의 적층 와셔로 구성된다.
도 5는 본 발명에 따른 마찰 장치(12)를 구비하는 액추에이터(3)의 준 정적 토크 측정치의 예를 보여주는 도면이다.
도 6은 스러스트 볼 베어링을 구비하는 액추에이터를 가지는 종래 기술과 비교하여 볼 때, 마찰 와셔(12)들의 재료들과 미끄럼 고착 영향을 수량화하는 동적 작동 방식에 대한, 하나의 루프에서의 반응 시간의 변화를 보여주는 도면이다.
복합형 와셔(12)는 종래의 해결책에 따른 상태에 비해 단지 1.5배의 반응 시간이 투자되고, 이에 따라 제품의 요구사항에 부합할 수 있게 된다.
도 6에 도시된 해결책에 따른 중요한 효과 중 하나는 스트로크의 종결점에서 접합 부분의 충격을 줄여줄 수 있다는 것이다. 이러한 충격은 볼 베어링을 구비하는 액추에이터에 비해 와셔(12)를 구비하는 액추에이터(3)에서 제품의 접합 부분에 훨씬 더 취약(밸브 폐쇄시)하게 적용될 수 있다. 스트로크의 종결점에 인접하게 되면, 와셔(12)에서의 축 방향 응력의 증가는 자동으로 마찰 토크의 증가를 유도한다. 개방 루프의 구동시, 스트로크의 종결점에 인접하게 될 때 로터를 느리게 작동하여 제품의 정지 동작시 관성에 따른 충격을 줄이는 것은 매우 바람직한 방법이라 할 수 있다. 따라서, 액추에이터에 의해 구동되는 시스템의 완전성은 "부드러운 동작 완료"형의 복잡한 전략 방식이 없어도 보존될 수 있게 된다.
도 7에 도시된 것처럼, 부하의 방향을 따라, 즉 개방 방향을 따라 액추에이터를 구동하는 폐쇄 루프에서의 특별한 전략은 그 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 마찰 와셔(12)에 의해 유도된 마찰 토크는 액추에이터(3)의 동작이 적절하게 이루어지도록 보장한다. 이러한 구동 방식에 따르면, 로터(10)가 정 위치에 놓이기 위해 스테이터(11)의 코일(15)에 의해 소모되는 전력을 상당히 감소시킬 수 있다. 따라서, 액추에이터(3)의 위치를 제어하는 규제기(regulator)의 소프트웨어는 고정된 위치 내에서 각 부재들의 동작이 부하의 방향을 따라 이루어지게 한다. 터보 압축기용 릴리프 밸브들은 연소실로부터 배출된 가스의 이동에 대항하도록 작동되기 때문에, 감지된 부하는 항상 동일한 방향, 즉, 개구를 향하게 된다. 따라서, 액추에이터(3)가 개방 위치의 동체(4)를 통해 터보 압축기의 가동 부재(5)를 폐쇄 위치로 이동시킬 때, 규제기는 액추에이터가 추후에 부하의 방향을 따라 목표 위치로 되돌리게 이동시키기 위하여, 목표 위치를 초과하여(설정 위치를 넘어서/지나쳐서) 이동하도록 액추에이터의 이동을 제어하고, 이에 따라 스테이터(11)의 코일(15)에 의해 소비되는 동력을 줄이도록 와셔(12)에 의해 안내되는 마찰의 효과가 발현하게 되며, 로터(10)의 위치가 정 위치에 놓이게 된다. 상기 액추에이터가 동체(4)를 통해 터보 압축기의 가동 부재(5)를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동시킬 때, 상기 규제기는 액추에이터가 추후에 부하의 방향을 따라 목표 위치에 도달하게 하기 위하여, 목표 위치 앞에서 안정화되도록(설정 위치에 못 미치게 이동하도록/설정 위치 앞에서 멈추도록) 액추에이터의 구동을 제어하고, 이에 따라 스테이터(11)의 코일(15)에 의해 소모되는 전력을 줄이도록 와셔(12)에 의해 안내되는 마찰의 효과가 발현하게 되며, 로터(10)의 위치가 정 위치에 놓이게 된다.

Claims (13)

  1. 터보 압축기(5)용 릴리프 밸브를 구동하기 위한 전자기 액추에이터로서,
    하나 이상의 자극 코일(15)에 의해 활성화되도록 고 투자율을 가지는 재료로 제조된 제1 자성 스테이터 회로부(16)에 의해 형성되는 고정 부재(11); 및
    고 투자율을 가지는 재료로 제조된 제2 자성 회로(9) 및 상기 제2 자성 회로와 나란하게 배치되는 자화된 박형 부품(13)으로 구성되는 가동 부재(10)를 포함하고,
    상기 가동 부재(10)에는 결합 축(17)이 제공되고,
    상기 고정 부재(11)와 가동 부재(10)는 자화된 박형 부품(13)과 자극 코일(15)의 복합 자력 하에서 서로 끌어당기고,
    상기 고정 부재(11)와 가동 부재(10)는 슬라이딩 유형의 마찰식 기계적 연결 장치(12)에 의해 서로 연결되고,
    상기 연결 장치는 밸브에서 적용되는 외부 요인들을 기계적으로 감소시키기 위하여, 액추에이터 내에 포함된 시스템이고,
    상기 연결 장치는 가동 부재(10)와 고정 부재(11)의 상대 위치와 코일(15) 내에 흐르는 전류에 따라 미끄럼 고착 방식의 마찰식 기계적 특성을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 마찰식 기계적 연결 장치(12)는,
    상기 가동 부재(10)와 상기 고정 부재(11) 사이에 삽입되는 블레이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 마찰식 기계적 연결 장치(12)는,
    한 쌍으로 이루어진 두 개의 적층 블레이드로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 박형 부품(13)은 자화된 디스크로 구성되고,
    상기 액추에이터는 회전식 액추에이터인 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 박형 부품(13)은 두께 방향을 따라 자화된 직사각형 자석으로 구성되고,
    상기 액추에이터(3)는 선형 액추에이터인 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  6. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
    삽입된 상기 블레이드(12)들은 마찰 와셔들로 구성되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  7. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰식 기계적 연결 장치(12)는 동적 마찰에 비해 상대적으로 큰 정지 마찰을 가지는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰식 기계적 연결 장치(12)는 상기 액추에이터(3)에 의해 감지된 최대 변동 충격 토크 이상의 마찰 토크를 가하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  9. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 마찰식 기계적 연결 장치(12)는 메탈 폴리머 유형의 복합 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  10. 제1 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 마찰식 기계적 연결 장치(12)는 섬유의 혼합물을 구비하는 스틸로 코팅된 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 제조된 강성 지지부를 포함하는 구조체를 구비하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  11. 제1 항 내지 제10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강성 지지부는 슬라이딩 층으로 함침 및 코팅되는 다공성 청동 층으로 소결되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  12. 제8 항에 있어서,
    마찰식 연결 수단(12)은 플라스틱 재료로 일체로 제조되는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
  13. 제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액추에이터(3)가 밸브를 개방 위치로부터 폐쇄 위치로 이동시킬 때, 추후에 부하의 방향을 따라 목표 위치로 되돌리게 이동시키기 위하여, 목표 위치를 초과하여(설정 위치를 지나쳐서) 이동하도록 폐쇄 루프 내에서 액추에이터를 구동하도록 제어하는 규제기를 더 포함하고,
    상기 규제기는 상기 액추에이터(3)가 상기 밸브를 폐쇄 위치로부터 개방 위치로 이동시킬 때, 추후에 부하의 방향을 따라 목표 위치에 도달하게 하기 위하여, 설정 위치의 앞에서 정지함으로써 목표 위치 앞에서 안정화되도록 폐쇄 루프 내에서 액추에이터(3)를 구동하는 것을 특징으로 하는 전자기 액추에이터.
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