KR20170056970A - 톰슨 코일 액츄에이터 - Google Patents

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Abstract

톰슨 코일 액츄에이터가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터는, 톰슨 코일 액츄에이터로서, 제1 톰슨 코일; 상기 제1 톰슨 코일과 소정 간격 이격되어 형성되는 제2 톰슨 코일; 및 상기 제1 톰슨 코일 또는 상기 제2 톰슨 코일에 전원이 인가됨에 따라 상기 제1 톰슨 코일 또는 상기 제2 톰슨 코일과의 전자기적인 반발력에 의해 상기 제2 톰슨 코일 측으로 하강하거나 상기 제1 톰슨 코일 측으로 상승하는 전기자를 포함하며, 상기 톰슨 코일 액츄에이터는, 상기 제1 톰슨 코일, 상기 제2 톰슨 코일 및 상기 전기자 각각을 복수 개 포함하며, 복수 개의 상기 제1 톰슨 코일, 복수 개의 상기 제2 톰슨 코일 및 복수 개의 상기 전기자는 다단(多段) 구조를 이룬다.

Description

톰슨 코일 액츄에이터 {THOMSON COIL ACTUATOR}
본 발명의 실시예들은 톰슨 코일 액츄에이터에 관한 것이다.
일반적으로, 전력 계통에서 과부하(Over Current) 및 단락 사고(Short Circuit) 발생시 정격 전류의 몇십 배에 달하는 고장 전류가 순간적으로 흐르게 되며, 차단기(또는 개폐기)는 이러한 고장 전류를 신속하게 차단하거나 이를 최소화함으로써 부하단의 기기 손상을 최소화한다. 상기 차단기 또는 개폐기를 구동하기 위해서는 액츄에이터(actuator)가 필요하며, 액츄에이터는 구동 방식에 따라 여러 종류가 존재한다. 이 중 톰슨 코일 액츄에이터(Thomson Coil Actuator)는 코일과 이동자 사이의 전자기적인 반발력을 이용하여 구동하는 액츄에이터로서, 일반적인 액츄에이터에 비해 빠른 동작 특성을 갖는다. 즉, 일반적인 액츄에이터의 경우 동작 시간이 20~30 ms 인 반면, 톰슨 코일 액츄에이터는 수 ms 내에 동작을 완료한다.
이러한 톰슨 코일 액츄에이터의 동작 성능을 향상시키기 위해서는 코일에 더 큰 전원을 인가하여야 한다. 그러나, 코일에 인가하는 전원의 크기를 증가시킬 경우(즉, 전류 밀도를 증가시킬 경우) 열적 스트레스로 인해 코일이 손상될 수 있다. 또한, 코일에 인가하는 전원의 크기를 증가시키기 위해 더 큰 단면적을 갖는 코일을 사용할 수 있으나 이는 저항과 인덕턴스에 영향을 주게 되어 예상치 못한 동작 특성이 유발될 수 있다. 또한, 이동자에 의한 응력 때문에 이동자의 무게를 줄이는 데에도 한계가 있다.
한국등록특허공보 제10-1410780호(2014.07.17)
본 발명의 실시예들은 향상된 동작 성능을 갖는 톰슨 코일 액츄에이터를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 톰슨 코일 액츄에이터로서, 제1 톰슨 코일; 상기 제1 톰슨 코일과 소정 간격 이격되어 형성되는 제2 톰슨 코일; 및 상기 제1 톰슨 코일 또는 상기 제2 톰슨 코일에 전원이 인가됨에 따라 상기 제1 톰슨 코일 또는 상기 제2 톰슨 코일과의 전자기적인 반발력에 의해 상기 제2 톰슨 코일 측으로 하강하거나 상기 제1 톰슨 코일 측으로 상승하는 전기자를 포함하며, 상기 톰슨 코일 액츄에이터는, 상기 제1 톰슨 코일, 상기 제2 톰슨 코일 및 상기 전기자 각각을 복수 개 포함하며, 복수 개의 상기 제1 톰슨 코일, 복수 개의 상기 전기자 및 복수 개의 상기 제2 톰슨 코일은 다단(多段) 구조를 이루는, 톰슨 코일 액츄에이터가 제공된다.
상기 제1 톰슨 코일, 상기 전기자 및 상기 제2 톰슨 코일이 순차적으로 적층됨으로써 일단(一段)이 형성되며, 상기 일단(一段)이 복수 개 적층됨으로써 상기 다단(多段) 구조를 이룰 수 있다.
상기 톰슨 코일 액츄에이터에 의해 발생되는 전자력은, 적층되는 상기 일단(一段)의 개수에 비례할 수 있다.
복수의 상기 제1 톰슨 코일 중 적어도 하나는, 상기 전기자를 상승 및 하강시키는 데 모두 사용될 수 있다.
복수의 상기 제2 톰슨 코일 중 적어도 하나는, 상기 전기자를 상승 및 하강시키는 데 모두 사용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 복수의 코일과 복수의 전기자가 다단(多段) 구조를 이루도록 함으로써, 톰슨 코일 액츄에이터에 의해 발생되는 전자력의 크기를 향상시킬 수 있으며, 이에 따라 톰슨 코일 액츄에이터의 동작 성능이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터의 분해도
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 상태(open state)에서 톰슨 코일 액츄에이터의 동작을 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 상태(close state)에서 톰슨 코일 액츄에이터의 동작을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터의 분해도
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 상태(open state)에서 톰슨 코일 액츄에이터의 동작을 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 상태(close state)에서 톰슨 코일 액츄에이터의 동작을 나타낸 도면
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(100)의 분해도이다. 본 발명의 실시예들에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(100, 200)는 차단기(또는 개폐기) 등과 같은 기계 장치(미도시)를 구동하는 데 사용되는 장치로서, 기계 장치의 접점부(또는 접점 스위치)를 기계적으로 밀거나 당겨서 개폐시킴으로써 상기 기계 장치의 구동을 제어할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(100)는 제1 톰슨 코일(102), 제2 톰슨 코일(104), 이동자(106, 108, 110), 제2 금속부(112), 제3 금속부(114), 영구 자석(116), 탄성체(118), 제1 지지부(120), 제2 지지부(122), 제3 지지부(124) 및 전원부(미도시)를 포함하며, 상기 이동자(106, 108, 110)는 로드(rod ; 106), 전기자(amature ; 108) 및 제1 금속부(110)를 포함한다.
제1 톰슨 코일(open coil ; 102)은 상기 기계 장치의 접점부를 개방(open)시키는 데 사용되는 코일로서, 예를 들어 나선 형상으로 이루어질 수 있다. 제1 톰슨 코일(102)은 전원부로부터 전원을 인가 받아 자속을 발생시킬 수 있다. 상기 자속은 전기자(108)에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제2 톰슨 코일(104) 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 108, 110)는 제2 톰슨 코일(104) 측으로 하강할 수 있으며 로드(106)의 일단이 접점부를 당겨 접점부를 개방시킬 수 있다. 이 경우, 기계 장치에 과전류가 더 이상 흐르지 않게 된다.
제2 톰슨 코일(close coil ; 104)은 상기 기계 장치의 접점부를 닫히게(close) 하는 데 사용되는 코일로서, 예를 들어 나선 형상으로 이루어질 수 있다. 제2 톰슨 코일(104)은 전원부로부터 전원을 인가 받아 자속을 발생시킬 수 있다. 상기 자속은 전기자(108)에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제1 톰슨 코일(102) 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 108, 110)는 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할 수 있으며 로드(106)의 일단이 접점부를 밀어 접점부를 닫히게 할 수 있다. 이 경우, 기계 장치에 전류가 흐르게 된다.
이동자(106, 108, 110)는 톰슨 코일 액츄에이터(100) 내부에서 움직임이 발생되는 부분으로서, 로드(106), 전기자(108) 및 제1 금속부(110)를 포함한다.
로드(106)는 전기자(108) 및 제1 금속부(110)가 결합되는 부분으로서, 제1 톰슨 코일(102) 및 제2 톰슨 코일(104)과 수직한 방향으로 연장 형성될 수 있다. 로드(106)의 외주면 일부에는 예를 들어, 나선형 돌기가 형성될 수 있으며, 전기자(108) 및 제1 금속부(110)의 내주면에는 상기 나선형 돌기와 치합될 수 있는 나선형 홈이 형성될 수 있다. 이에 따라, 로드(106)는 전기자(108) 및 제1 금속부(110)와 결합될 수 있으며, 전기자(108) 및 제1 금속부(110)와 연동하여 상승 또는 하강 운동할 수 있다.
또한, 로드(106)의 일단은 상기 기계 장치의 접점부와 연결될 수 있으며, 제1 톰슨 코일(102) 또는 제2 톰슨 코일(104)에 전원이 인가됨에 따라 상기 접점부를 개방시키거나 닫히게 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제1 톰슨 코일(102)에 전원이 인가되는 경우, 제1 톰슨 코일(102)과 전기자(108)와의 전자기적인 반발력에 의해 전기가(108)가 제2 톰슨 코일(104) 측으로 하강할 수 있으며, 로드(106) 또한 전기자(108)와 연동하여 제2 톰슨 코일(104) 측으로 하강할 수 있다. 이 경우, 로드(106)의 일단이 접점부를 당겨 접점부를 개방시킬 수 있다. 또한, 제2 톰슨 코일(104)에 전원이 인가되는 경우, 제2 톰슨 코일(104)과 전기자(108)와의 전자기적인 반발력에 의해 전기가(108)가 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할 수 있으며, 로드(106) 또한 전기자(108)와 연동하여 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할 수 있다. 이 경우, 로드(106)의 일단이 접점부를 밀어 접점부를 닫히게 할 수 있다.
또한, 로드(106)는 예를 들어, 비중이 낮고 강도가 우수한 섬유 강화 플라스틱(FRP : Fiber Reinforced Plastic) 재질로 이루어질 수 있으나, 상기 로드(106)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
전기자(108)는 제1 톰슨 코일(102) 및 제2 톰슨 코일(104)과의 전자기적 상호 작용에 의해 상승 또는 하강 운동하는 부분으로서, 예를 들어 원형의 판 형상으로 이루어질 수 있다. 전기자(108)의 중앙 부분에는 홀이 형성될 수 있으며, 상기 홀의 내주면에는 로드(106)와의 결합을 위한 나선형 홈이 형성될 수 있다.
전기자(108)는 제1 톰슨 코일(102)에 전원이 인가됨에 따라 발생되는 자속에 의해 와전류를 발생시키고, 상기 와전류에 의해 발생되는 자속과 제1 톰슨 코일(102)에 의해 발생되는 자속과의 전자기적인 반발력에 의해 제2 톰슨 코일(104) 측으로 전자력이 발생될 수 있다. 이에 따라, 전기자(108)는 제2 톰슨 코일(104) 측으로 하강할 수 있으며 상기 전기자(108)와 연동하여 로드(106) 및 제1 금속부(110) 또한 제2 톰슨 코일(104) 측으로 하강할 수 있다. 이 경우, 로드(106)의 일단이 접점부를 당겨 접점부를 개방시킬 수 있다.
또한, 전기자(108)는 제2 톰슨 코일(104)에 전원이 인가됨에 따라 발생되는 자속에 의해 와전류를 발생시키고, 상기 와전류에 의해 발생되는 자속과 제2 톰슨 코일(104)에 의해 발생되는 자속과의 전자기적인 반발력에 의해 제1 톰슨 코일(102) 측으로 전자력이 발생될 수 있다. 이에 따라, 전기자(108)는 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할 수 있으며 상기 전기자(108)와 연동하여 로드(106) 및 제1 금속부(110) 또한 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할 수 있다. 이 경우, 로드(106)의 일단이 접점부를 밀어 접점부를 닫히게 할 수 있다.
상기 전기자(108)는 예를 들어, 와전류 특성을 향상시키기 위해 도전율이 좋은 구리로 이루어질 수 있으나, 전기자(108)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 전기자(108)는 알루미늄, 또는 알루미늄 합금 등으로 이루어질 수도 있다.
제1 금속부(110)은 전기자(108)의 상승 또는 하강 운동에 따라 로드(106) 및 전기자(108)와 연동하여 상승 또는 하강되는 부분으로서, 예를 들어 원형의 판 형상으로 이루어질 수 있다. 제1 금속부(110)의 중앙 부분에는 홀이 형성될 수 있으며, 상기 홀의 내주면에는 로드(106)와의 결합을 위한 나선형 홈이 형성될 수 있다.
제1 금속부(110)의 하강시, 제1 금속부(110), 제2 금속부(112), 제3 금속부(114) 및 영구 자석(116)은 자로를 형성하며, 이동자(106, 108, 110)는 상기 자로에 의한 자기력으로 그 하강 상태를 유지할 수 있다. 구체적으로, 제1 금속부(110)가 제2 금속부(112) 측으로 하강하는 경우, 제1 금속부(110)와 제2 금속부(112) 사이의 공극이 줄어들게 되므로 이들 사이의 자기 저항 또한 줄어들게 된다. 즉, 제1 금속부(110)가 제2 금속부(112) 측으로 하강할수록 더 큰 자기력이 발생되며, 상기 자기력은 탄성체(118)에 의한 탄성력보다 커지게 된다. 이동자(106, 108, 110)는 하강 운동을 완료(즉, 최대로 하강할 수 있을 때까지 이동한 후 정지)할 수 있으며, 상기 자기력에 의해 그 하강 상태를 유지할 수 있다.
제2 금속부(112), 제3 금속부(114) 및 영구 자석(116)은 제1 금속부(110)와 자로를 형성하는 부분이다. 제1 금속부(110), 제2 금속부(112) 및 제3 금속부(114)은 자기적인 포화를 고려하여 그 무게를 줄이기 위해 자기적 성질이 우수한 철(steel)로 이루어질 수 있으나, 제1 금속부(110), 제2 금속부(112) 및 제3 금속부(114)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 영구 자석(116)은 외부로부터 전기 에너지를 공급받지 않고서도 안정된 자기장을 발생, 유지하는 자석으로서, 잔류자기와 보자력이 큰 물질로 이루어질 수 있다.
탄성체(118)는 제1 금속부(110)를 탄성 지지하는 부분으로서, 예를 들어 스프링일 수 있다. 탄성체(118) 제1 금속부(110)를 제1 톰슨 코일(102) 측으로 탄성 지지할 수 있으며, 제1 금속부(110)의 상승시 이동자(106, 108, 110)는 탄성체(118)에 의해 제공되는 탄성력에 의해 그 상승 상태를 유지할 수 있다. 구체적으로, 제1 금속부(110)가 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승하는 경우, 제1 금속부(110)와 제2 금속부(112) 사이의 공극이 커지게 되므로 이들 사이의 자기 저항 또한 커지게 된다. 즉, 제1 금속부(110)가 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할수록 자기력이 감소되며, 상기 자기력은 탄성체(118)에 의한 탄성력보다 작아지게 된다. 이동자(106, 108, 110)는 상승 운동을 완료(즉, 최대로 상승할 수 있을 때까지 이동한 후 정지)할 수 있으며, 상기 탄성력에 의해 그 상승 상태를 유지할 수 있다.
제1 지지부(120)는 제1 톰슨 코일(102)을 지지하는 부분으로서, 제1 톰슨 코일(102)은 제1 지지부(120)에 고정될 수 있다.
제2 지지부(122)는 제2 톰슨 코일(104)을 지지하는 부분으로서, 제2 톰슨 코일(104)은 제2 지지부(122)에 고정될 수 있다.
제3 지지부(124)는 제1 지지부(120) 및 제2 지지부(122)와 연결되는 부분으로서, 제1 지지부(120) 및 제2 지지부(122)는 제3 지지부(124)에 고정될 수 있다. 상기 제1 지지부(120), 제2 지지부(122) 및 제3 지지부(124)는 도전율이 낮은 비자성체 또는 섬유 강화 플라스틱(FRP : Fiber Reinforced Plastic) 재질로 이루어질 수 있다.
전원부(미도시)는 제1 톰슨 코일(102) 및 제2 톰슨 코일(104)에 전원을 인가한다. 전원부는 제1 톰슨 코일(102)에 전원을 공급하는 제1 전원부 및 제2 톰슨 코일(104)에 전원을 공급하는 제2 전원부를 포함할 수 있다.
제1 전원부에서 제1 톰슨 코일(102)에 전원을 인가하는 경우, 제1 톰슨 코일(102)과 전기자(108) 사이에서 전자기적인 반발력이 발생되며 이에 따라 전기자(108)가 제2 톰슨 코일(104) 측으로 하강할 수 있다.
또한, 제2 전원부에서 제2 톰슨 코일(104)에 전원을 인가하는 경우, 제2 톰슨 코일(104)과 전기자(108) 사이에서 전자기적인 반발력이 발생되며 이에 따라 전기자(108)가 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 제1 상태(open state)에서 톰슨 코일 액츄에이터(100)의 동작을 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 전원부(126)는 제1 전원부(126-1) 및 제2 전원부(126-2)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1 전원부(126-1)는 제1 톰슨 코일(102)에 전원을 인가(즉, S1이 닫힘)할 수 있다. 이 경우, 제1 톰슨 코일(102)은 자속을 발생시킬 수 있으며, 상기 자속은 전기자(108)에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제2 톰슨 코일(104) 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 108, 110)는 제2 톰슨 코일(104) 측으로 하강할 수 있다. 이 경우, 제2 전원부(126-2)는 제2 톰슨 코일(104)에 전원을 인가하지 않을 수 있다(즉, S2는 개방).
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 제2 상태(close state)에서 톰슨 코일 액츄에이터(100)의 동작을 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제2 전원부(126-2)는 제2 톰슨 코일(104)에 전원을 인가(즉, S2가 닫힘)할 수 있다. 이 경우, 제2 톰슨 코일(104)은 자속을 발생시킬 수 있으며, 상기 자속은 전기자(108)에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제1 톰슨 코일(102) 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 108, 110)는 제1 톰슨 코일(102) 측으로 상승할 수 있다. 이 경우, 제1 전원부(126-1)는 제1 톰슨 코일(102)에 전원을 인가하지 않을 수 있다(즉, S1은 개방).
이와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(100)는 톰슨 코일(102, 104)과 전기자(108) 사이의 전자기적인 반발력을 이용하여 차단기(또는 개폐기) 등과 같은 기계 장치를 구동할 수 있다. 이러한 톰슨 코일 액츄에이터(100)의 동작 성능을 향상시키기 위해서는 톰슨 코일(102, 104)에 더 큰 전원을 인가하거나, 톰슨 코일(102, 104)의 단면적을 증가시키거나, 이동자(106, 108, 110)의 무게를 줄여야 한다. 그러나, 톰슨 코일(102, 104)에 인가하는 전원의 크기를 증가시킬 경우(즉, 전류 밀도를 증가시킬 경우) 열적 스트레스로 인해 코일이 손상될 수 있으며, 톰슨 코일(102, 104)의 단면적을 증가시킬 경우 예상치 못한 동작 특성이 유발될 수 있고, 이동자(106, 108, 110)에 의한 응력 때문에 이동자(106, 108, 110)의 무게를 줄이는 데에도 한계가 있다.
이에 따라, 본 발명의 제2 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(200)는 복수의 코일과 전기자가 다단(多段, multi-level) 구조를 이룸으로써 톰슨 코일 액츄에이터(200)에 발생되는 전자력의 크기를 향상시키고 궁극적으로는 톰슨 코일 액츄에이터(200)의 동작 성능을 향상시킬 수 있도록 하였다. 이하에서는, 본 발명의 제2 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(200)에 대해 상세히 살펴보기로 한다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(200)의 분해도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(200)는 제1 실시예에 따른 톰슨 코일 액츄에이터(100)와 달리 복수 개의 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3), 복수 개의 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 및 복수 개의 전기자(208-1, 208-2, 208-3)를 포함할 수 있다. 또한, 톰슨 코일 액츄에이터(200)는 제1 지지부(220), 제2 지지부(222), 제3 지지부(224), 제4 지지부(226), 제5 지지부(228), 제6 지지부(230) 및 제7 지지부(232)를 포함할 수 있다. 도 4 내지 도 6의 나머지 구성들은 앞서 설명한 구성과 동일하므로, 이에 대해서는 그 자세한 설명을 생략하기로 한다.
먼저, 톰슨 코일 액츄에이터(200)는 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3), 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 및 전기자(208-1, 208-2, 208-3) 각각을 복수 개 포함할 수 있다. 도 4 내지 도 6에서는 설명의 편의상 톰슨 코일 액츄에이터(200)가 3개의 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3), 3개의 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 및 3개의 전기자(208-1, 208-2, 208-3)를 포함하는 것으로 도시하였으나, 이는 하나의 실시예에 불과할 뿐 제1 톰슨 코일, 제2 톰슨 코일 및 전기자의 개수가 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 톰슨 코일 액츄에이터(200)는 5개의 제1 톰슨 코일, 5개의 제2 톰슨 코일 및 5개의 전기자를 포함할 수 있으며, 상기 제1 톰슨 코일, 제2 톰슨 코일 및 전기자의 개수는 톰슨 코일 액츄에이터(200)의 내부 공간의 크기에 따라 달라질 수 있다.
상기 복수의 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3), 복수의 전기자(208-1, 208-2, 208-3) 및 복수의 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3)은 다단(多段) 구조를 이룰 수 있다. 구체적으로, 제1 톰슨 코일, 전기자 및 제2 톰슨 코일이 순차적으로 적층됨으로써 일단(一段)이 형성되며, 상기 일단(一段)이 복수 개 적층됨으로써 상기 다단(多段) 구조를 이룰 수 있다. 예를 들어, 제1 톰슨 코일(202-1), 전기자(208-1) 및 제2 톰슨 코일(204-1)이 순차적으로 적층되고, 제1 톰슨 코일(202-2), 전기자(208-2) 및 제2 톰슨 코일(204-2)이 순차적으로 적층되고, 제1 톰슨 코일(202-3), 전기자(208-3) 및 제2 톰슨 코일(204-3)이 순차적으로 적층됨으로써 상기 다단 구조를 이룰 수 있다.
전원부(미도시)는 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3) 각각에 전원을 인가할 수 있으며, 이 경우 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3) 각각은 자속을 발생시킬 수 있다. 상기 자속은 전기자(208-1, 208-2, 208-3) 각각에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제1 금속부(110) 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)는 제1 금속부(110) 측으로 하강할 수 있으며 로드(106)의 일단이 접점부를 당겨 접점부를 개방시킬 수 있다. 이 경우, 기계 장치에 과전류가 더 이상 흐르지 않게 된다.
또한, 전원부는 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 각각에 전원을 인가할 수 있으며, 이 경우 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 각각은 자속을 발생시킬 수 있다. 상기 자속은 전기자(208-1, 208-2, 208-3) 각각에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제1 금속부(110)의 반대 방향 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)는 제1 금속부(110)의 반대 방향 측으로 상승할 수 있으며 로드(106)의 일단이 접점부를 밀어 접점부를 닫히게 할 수 있다. 이 경우, 기계 장치에 전류가 흐르게 된다.
이때, 톰슨 코일 액츄에이터(200)에 의해 발생되는 전자력은 적층되는 상기 일단(一段)의 개수에 비례할 수 있다. 예를 들어, 도 4 내지 도 6의 톰슨 코일 액츄에이터(200)는 제1 톰슨 코일, 전기자 및 제2 톰슨 코일이 순차적으로 적층됨으로써 형성되는 일단(一段)이 3개 적층되는 다단(多段) 구조를 가지므로, 도 1 내지 도 3의 톰슨 코일 액츄에이터(100)에 비해 3배 크기의 전자력을 발생시킬 수 있다. 이에 따라 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)는 더 빠른 속도로 상승 또는 하강 운동할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들에 따르면, 톰슨 코일 액츄에이터(200)가 다단(多段) 구조로 이루어짐으로써 일단(一段) 구조로 이루어지는 톰슨 코일 액츄에이터(100)에 비해 동작 성능이 향상될 수 있다.
제1 지지부(220)는 제1 톰슨 코일(202-1)을 지지하는 부분으로서, 제1 톰슨 코일(202-1)은 제1 지지부(220)에 고정될 수 있다.
제2 지지부(222)는 제1 톰슨 코일(202-2) 및 제2 톰슨 코일(204-1)을 지지하는 부분으로서, 제1 톰슨 코일(202-2) 및 제2 톰슨 코일(204-1)은 제2 지지부(222)에 고정될 수 있다.
제3 지지부(224)는 제1 톰슨 코일(202-3) 및 제2 톰슨 코일(204-2)을 지지하는 부분으로서, 제1 톰슨 코일(202-3) 및 제2 톰슨 코일(204-2)은 제3 지지부(224)에 고정될 수 있다.
제4 지지부(226)는 제2 톰슨 코일(204-3)을 지지하는 부분으로서, 제2 톰슨 코일(204-3)은 제4 지지부(226)에 고정될 수 있다.
제5 지지부(228)는 제1 지지부(220) 및 제2 지지부(222)와 연결되는 부분으로서, 제1 지지부(220) 및 제2 지지부(222)는 제3 지지부(228)에 고정될 수 있다.
제6 지지부(230)는 제2 지지부(222) 및 제3 지지부(224)와 연결되는 부분으로서, 제2 지지부(222) 및 제3 지지부(224)는 제6 지지부(230)에 고정될 수 있다.
제7 지지부(232)는 제3 지지부(224) 및 제4 지지부(226)와 연결되는 부분으로서, 제3 지지부(224) 및 제4 지지부(226)는 제7 지지부(232)에 고정될 수 있다. 상기 제1 지지부(220) 내지 제7 지지부(232)는 도전율이 낮은 비자성체 또는 섬유 강화 플라스틱(FRP : Fiber Reinforced Plastic) 재질로 이루어질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 제1 상태(open state)에서 톰슨 코일 액츄에이터(200)의 동작을 나타낸 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전원부(126)는 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3) 각각에 전원을 인가할 수 있다. 이 경우, 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3) 각각은 자속을 발생시킬 수 있으며, 상기 자속은 전기자(208-1, 208-2, 208-3)에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제1 금속부(110) 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)는 제1 금속부(110) 측으로 하강할 수 있다.
이때, 최하단 측의 제2 톰슨 코일(204-3)을 제외한 나머지 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2)들은 상기 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)의 하강 운동시 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3)과 동일하게 동작할 수 있다. 이를 위해, 중간의 인접한 코일들은 상호 연결될 수 있다. 예를 들어, 제2 톰슨 코일(204-1)과 제1 톰슨 코일(202-2)은 상호 연결될 수 있으며, 제2 톰슨 코일(204-2)과 제1 톰슨 코일(202-3)은 상호 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3) 각각에 전원을 인가되는 경우, 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2)은 제1 톰슨 코일(202-1, 202-2, 202-3)에서 발생되는 자속과 동일한 방향의 자속을 발생시키며, 이에 따라 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)를 제1 금속부(110) 측으로 하강시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 제2 상태(close state)에서 톰슨 코일 액츄에이터의 동작을 나타낸 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 전원부(126)는 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 각각에 전원을 인가할 수 있다. 이 경우, 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 각각은 자속을 발생시킬 수 있으며, 상기 자속은 전기자(208-1, 208-2, 208-3)에 와전류를 발생시키며, 상기 와전류에 의해 제1 금속부(110)의 반대 방향 측으로 전자력이 발생한다. 이에 따라, 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)는 제1 금속부(110)의 반대 방향 측으로 상승할 수 있다.
이때, 최상단 측의 제1 톰슨 코일(202-1)을 제외한 나머지 제1 톰슨 코일(202-2, 202-3)들은 상기 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)의 상승 운동시 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3)과 동일하게 동작할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제2 톰슨 코일(204-1)과 제1 톰슨 코일(202-2)은 상호 연결될 수 있으며, 제2 톰슨 코일(204-2)과 제1 톰슨 코일(202-3)은 상호 연결될 수 있다. 이에 따라, 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3) 각각에 전원을 인가되는 경우, 제1 톰슨 코일(202-2, 202-3)은 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2, 204-3)에서 발생되는 자속과 동일한 방향의 자속을 발생시키며, 이에 따라 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)를 제1 금속부(110)의 반대 방향 측으로 상승시킬 수 있다.
즉, 복수의 제1 톰슨 코일(202-2, 202-3) 및 복수의 제2 톰슨 코일(204-1, 204-2)은 상기 이동자(106, 208-1, 208-2, 208-3, 110)를 상승 및 하강시키는 데 모두 사용될 수 있으며, open coil 및 close coil 모두로써 기능할 수 있다.
한편, 여기서는 설명의 편의상 상호 인접한 제1 톰슨 코일(202-2)과 제2 톰슨 코일(204-1) 및 제1 톰슨 코일(202-3)과 제2 톰슨 코일(204-2)이 각각 별개의 코일인 것으로 설명하였으나, 제1 톰슨 코일(202-2)과 제2 톰슨 코일(204-1) 및 제1 톰슨 코일(202-3)과 제2 톰슨 코일(204-2)은 각각 하나의 코일로 취급하여도 무방하다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 전술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100, 200 : 톰슨 코일 액츄에이터
102, 202-1, 202-2, 202-3 : 제1 톰슨 코일
104, 204-1, 204-2, 204-3 : 제2 톰슨 코일
106 : 로드
108, 208-1, 208-2, 208-3 : 전기자
110 : 제1 금속부
112 : 제2 금속부
114 : 제3 금속부
116 : 영구 자석
118 : 탄성체
120, 220 : 제1 지지부
122, 222 : 제2 지지부
124, 224 : 제3 지지부
126: 전원부
226 : 제4 지지부
228 : 제5 지지부
230 : 제6 지지부
232 : 제7 지지부

Claims (5)

  1. 톰슨 코일 액츄에이터로서,
    제1 톰슨 코일;
    상기 제1 톰슨 코일과 소정 간격 이격되어 형성되는 제2 톰슨 코일; 및
    상기 제1 톰슨 코일 또는 상기 제2 톰슨 코일에 전원이 인가됨에 따라 상기 제1 톰슨 코일 또는 상기 제2 톰슨 코일과의 전자기적인 반발력에 의해 상기 제2 톰슨 코일 측으로 하강하거나 상기 제1 톰슨 코일 측으로 상승하는 전기자를 포함하며,
    상기 톰슨 코일 액츄에이터는, 상기 제1 톰슨 코일, 상기 제2 톰슨 코일 및 상기 전기자 각각을 복수 개 포함하며,
    복수 개의 상기 제1 톰슨 코일, 복수 개의 상기 전기자 및 복수 개의 상기 제2 톰슨 코일은 다단(多段) 구조를 이루는, 톰슨 코일 액츄에이터.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 톰슨 코일, 상기 전기자 및 상기 제2 톰슨 코일이 순차적으로 적층됨으로써 일단(一段)이 형성되며, 상기 일단(一段)이 복수 개 적층됨으로써 상기 다단(多段) 구조를 이루는, 톰슨 코일 액츄에이터.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 톰슨 코일 액츄에이터에 의해 발생되는 전자력은, 적층되는 상기 일단(一段)의 개수에 비례하는, 톰슨 코일 액츄에이터.
  4. 청구항 1에 있어서,
    복수의 상기 제1 톰슨 코일 중 적어도 하나는, 상기 전기자를 상승 및 하강시키는 데 모두 사용되는, 톰슨 코일 액츄에이터.
  5. 청구항 1에 있어서,
    복수의 상기 제2 톰슨 코일 중 적어도 하나는, 상기 전기자를 상승 및 하강시키는 데 모두 사용되는, 톰슨 코일 액츄에이터.
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