KR20170103621A - 온도 보상형 솔레노이드 및 상기 솔레노이드를 구비한 액추에이터 - Google Patents

온도 보상형 솔레노이드 및 상기 솔레노이드를 구비한 액추에이터 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도에 따라 코일의 전기 저항이 증가하는 솔레노이드에 관한 것으로서, 이 경우 온도 보상 회로(3)가 제공되어 있으며, 상기 온도 보상 회로는 상기 코일과 전기적으로 연결되어 있고, 그리고 온도가 증가함에 따라 전기 저항이 감소하는 적어도 하나의 부품을 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

온도 보상형 솔레노이드 및 상기 솔레노이드를 구비한 액추에이터{TEMPERATURE COMPENSATED SOLENOID AND ACTUATOR PROVIDED THEREWITH}
본 발명은 솔레노이드, 예컨대 액추에이터에 사용하기 위한 솔레노이드에 관한 것이다.
액추에이터 또는 작동 부재는 예를 들면 부품의 위치를 설정하거나 밸브를 작동시키기 위해 다수의 기술 분야에서 사용된다. 이러한 액추에이터 또는 작동 부재 사용은 자동차 공학 분야에서, 특히 밸브와 관련되며, 이러한 밸브는 광범위한 온도 변동 상황에 놓일 수 있고, 또한 상기와 같은 온도 변동은 액추에이터에도 영향을 준다.
이 점에 있어서 기술된 액추에이터는 솔레노이드에 의해 운동 가능한 전기자(armature)를 구비하며, 이 경우 솔레노이드 코일의 전기 저항은 전형적으로 온도에 따라 증가한다. 이러한 상황은, 상기 전기자에 영향을 줄 수 있는 작동력이 보다 높은 온도에서는 점점 더 낮아지는 결과를 초래하는데, 그 이유는 상기 작동력이 코일 전류에 종속되어 있기 때문이다. 언급한 바와 같이, 코일의 전기 저항은 온도가 상승함에 따라 증가하기 때문에, 유동 전류, 그리고 이러한 유동 전류에 의해 전기자에 작용하는 힘이 점점 더 낮아진다. 이러한 현상은 지금까지는, 코일에 더 큰 와이어 지름이 사용되는 방식으로 상쇄되고 있으나, 이러한 해결책은 비교적 낮은 온도에서조차 높은 전류를 야기하고, 이는 재차 코일의 지나친 가열을 초래할 수 있다.
다른 해결책들은 온도 보상을 위해 보조 코일(예: DE 19646986호)을 사용하며, 그러나 이러한 보조 코일 사용은 많은 비용을 야기한다.
이러한 이유로, 본 발명은 전류 소비뿐만 아니라 자기력이 넓은 온도 범위에 걸쳐 일정한, 솔레노이드를 제공하는 것을 기본 과제로 삼는다.
상기 과제는 청구항 1에 기술된 솔레노이드에 의해서 해결된다.
이에 따라 상기 솔레노이드는 온도 보상 회로(온도 보상 스위칭 회로)를 구비하며, 이때 상기 온도 보상 회로는 코일과 전기적으로 연결되어 있고, 그리고 상기 코일의 전기 저항은 온도가 상승함에 따라 감소한다. 바꾸어 말하면, 상기 코일은 정온도 계수(PTC, Positive Temperature Coefficient)를 가지며, 그 결과 전술한 바와 같이, 온도가 상승함에 따라 전류가 감소한다. 이와 달리 상기 온도 보상 회로는 부온도 계수(NTC, Negative Temperature Coefficient)를 가지며, 그 결과 온도가 상승함에 따라 저항이 감소한다. 다시 말해, 상기 온도 보상 회로는 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 적어도 하나의 부품을 포함한다. 이와 같은 부품은 예를 들어 NTC 서미스터(Negative Temperature Coefficient Thermistor)일 수 있다.
이 때문에 전체적으로 솔레노이드를 구비한 액추에이터의 거동(behavior), 예를 들면 특히 제공되는 힘이 일정해질 수 있는데, 그 이유는 상기 NTC-거동에 의해 비교적 낮은 온도에서 유동 전류가 점점 더 적어지기 때문이다. 온도가 상승하고, 그리고 보상 회로의 저항이 감소되면, 코일의 저항은 증가하며, 그 결과 계속해서 비슷한 수준의 전류가 흐르는데, 예를 들면 제공되는 힘에서 언급할 만한 정도의 변동이 일어나지 않는다.
바꾸어 말하면, 수동 온도 보상 회로(passive temperature compensation circuit)가 제공되고, 그리고 첨단 솔레노이드가 넓은 온도 범위에 걸쳐 그리고 전반적으로 동일한 전류 및 이와 더불어 자기력으로 사용될 수 있다. 이 경우, 수동 온도 보상 회로는 온도 변동을 보상하기 위해 외부 제어 장치가 필요 없는 온도 보상 회로를 의미한다. 더 나아가 더 두꺼운 코일 와이어 지름이 바람직한 방식으로 방지될 수 있으며, 이는 비용 절감을 가져온다.
보상 회로 설계는 바람직하게 회로 시뮬레이션 프로그램의 도움으로 이루어지며, 이렇게 함으로써 상기 회로의 특성 곡선을 코일의 특성 곡선에 적합하게 최적으로 조정할 수 있다. 바꾸어 말하면, 온도가 상승함에 따라 감소하는, 보상 회로의 저항이 코일의 온도 거동에 적합하게 조정된다.
바람직한 개선예들은 추가 청구항들에 기술되어 있다.
보상 회로는 바람직하게 저항체들의 결합으로서, 상기 저항체들 중 적어도 하나의 저항체는 NTC-거동을 갖는다.
보상 회로는 바람직하게는 코일과 직렬로 연결된다.
또한, 온도 보상 회로가 코일과 열적으로 연결된 경우에는, 상기 첨단 솔레노이드의 매우 우수한 특성이 주어지며, 결과적으로 온도 변동으로 인해 야기되는 효과가 상기 코일과 보상 회로에 동일하게 영향을 주며, 그리고 예를 들면 온도가 상승할 경우 증가하는 코일 저항이, 온도가 상승할 경우 일정하게 감소하는 보상 회로 저항에 의해 상쇄될 수 있다.
이 경우, 열적인 연결은 온도 보상 회로가 높은 열전도성을 갖는 재료에 의해 코일과 연결되어 있다는 것을 의미한다. 상기 목적에 우수하게 적합한 재료들은 예컨대 구리 또는 알루미늄과 같은 대부분의 금속이다. 이 경우, 온도가 상승함에 따라 저항이 변하는 온도 보상 회로의 부품/부품들이 열적인 연결을 수행하는 재료에 직접적으로 연결되어 있는 경우가 바람직하다. 그럼으로써 상기 부품들이 추가적인 지연 없이 온도 변동 상황을 경험하도록 보장된다. 상기 부품들이 상기 재료에 직접적으로 연결되어 있지 않은 경우에는 온도 보상이 시작될 때까지 약간의 시간이 소요될 수 있는데, 그 이유는 온도가 상승할 경우 전기 저항이 감소하는 부품들이 비교적 늦게 온도 상승 상황을 경험하기 때문이다.
또한, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 부품이 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 실질적으로 일정하게 유지되는 저항체에 병렬로 연결되어 있는 경우가 바람직하다. 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 실질적으로 일정하게 유지되는 저항체는 온도 변동시 전기 저항값이 솔레노이드의 작동 온도 범위에서 단지 저항을 위해 주어진 허용 오차 범위 안에서만 변하는 저항체를 의미한다. 이 경우, 전기 회로에서 빈번하게 사용되는 "전형적인" 옴 저항체가 고려될 수 있다.
이와 같은 실시예의 장점은 상기 부품이 상기 저항체에 병렬로 연결되어 있음으로써, 개별 구성 소자들의 저항값보다 낮은 온도 보상 회로의 합성 저항이 생성된다는 것이다. 이러한 상황은, 전류 흐름이 비교적 적은 방해를 받는다는 장점이 있다. 또한, 상기 2개의 구성 소자를 제공함으로써 설계 유연성 향상이 보장되는데, 다시 말해 저항체 및 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 부품을 위한 표준 구성 소자들을 이용하여 온도 보상을 제공하는 것이 보다 더 간편하다. 이 때문에 비용이 감소할 수 있다. 그 밖에 병렬 회로에 의해서는 코일과 직렬로 연결된 온도 보상 회로의 최댓값이, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 일정하게 유지되는 저항체의 저항값으로 제한되도록 보장될 수 있다.
위에서 언급한 바와 유사하게, 전술한 2개의 구성 소자가 직렬로 연결되는 경우도 바람직하다. 그럼으로써 보다 높은 합성 저항이 생성되는데, 이는 몇몇 적용예에서 유용하다. 이러한 경우에는 또한, 표준 구성 소자들을 이용하여 온도 보상이 보장될 수 있으며, 이는 비용을 감소시킨다. 이 때문에 또한, 온도 보상 회로가 저항에 대한 최솟값을 갖도록 보장될 수도 있는데, 말하자면 온도 보상 회로가 적어도, 온도가 상승할 경우 일정한 저항을 갖는 저항체에 의해 주어지는 값을 갖도록 보장될 수 있다.
계속해서 위에서 언급한 병렬 회로와 직렬 회로를 결합하는 것도 가능한데, 상기 회로들의 결합은 온도 보상 회로의 저항값을 위·아래로 제한한다.
그 밖에 위에서 언급한 병렬 회로 및 직렬 회로 그리고 언급한 상기 회로들의 결합의 장점은 상기 회로들에 의해 코일의 전형적인 비선형성이 보상될 수 있다는 것이다. 온도가 상승함에 따라 코일의 전기 저항은 증가하지만, 그러나 상기 저항의 증가는 온도(T)에 있어서 비선형적이고, 심지어 T5[소위 "블로호 T5 법칙(Bloch T5 Law)"]에 비례하여 증가할 수 있다. 이와 같은 비선형성 보상은 본 발명에 따른 회로에 의해 가능하며, 이는 선행 기술의 회로들에서는 특히 전류가 높은 경우에 복잡하다. 이러한 점에 있어서 본 발명은 이와 같은 문제들을 간단한 방식으로 극복할 가능성을 제시하는데, 그 이유는 온도가 상승할 경우 일정한 저항을 갖는 부품을 제공함으로써 전체 회로의 저항에 영향을 줄 수 있기 때문이다.
계속해서 온도가 상승함에 따라 저항이 감소하는 부품에, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하고 코일과도 열적으로 연결된 부품이 병렬로 연결되거나 또는 직렬로 연결되는 경우가 바람직하다. 상기 실시예도 설계 공간이 넓어진다는 장점과 함께, 경우에 따라서는 솔레노이드 제어에 부정적인 영향들을 주지 않으면서, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 코일의 전기 저항보다 더 강하게 감소하는 부품들도 취할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 상황 또한, 회로 설계시 설계 공간이 넓어지도록 하고, 상기 회로에 표준 구성 소자들을 취할 수 있도록 하는데, 이러한 효과는 최종적으로 비용 감소 측면에서 확인할 수 있다.
계속해서 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 다수의 부품을 사용하는 경우가 바람직하다. 상기 부품들은 병렬로, 직렬로 또는 병렬 회로와 직렬 회로의 혼합 회로로 연결될 수 있고, 이 경우에서도 설계 공간이 커지도록 한다. 위에서 언급한 바와 유사하게, 이러한 상황은 표준 구성 소자들을 사용할 수 있도록 하며, 이는 비용 감소를 야기한다. 동일한 이유들로 인해 또한, 온도가 상승할 경우 일정한 저항값을 갖는 다수의 저항체 및/또는 온도가 상승할 경우 전기 저항이 증가하는 다수의 부품을 사용하는 것도 가능하다.
하기에서는 본 발명의 실시예가 도면들을 참조해서 상세하게 설명된다. 도면에 대한 설명:
도 1은 본 발명에 따른 솔레노이드를 개략적으로 도시한 도면이며,
도 2는 본 발명에 따른 솔레노이드가 설치된 액추에이터(솔레노이드 밸브)를 예로 도시한 도면이고,
도 3은 일 실시예에 따른 온도 보상 회로의 회로도를 도시한 도면이며,
도 4a는 다른 일 실시예에 따른 온도 보상 회로의 회로도를 도시한 도면이고,
도 4b는 추가 일 실시예에 따른 온도 보상 회로의 회로도를 도시한 도면이며,
도 5는 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하고, 도 3 또는 도 4a에 따른 온도 보상 회로에서 사용될 수 있는 부품의 회로도를 도시한 도면이고,
도 6은 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하고, 도 3 또는 도 4a에 따른 온도 보상 회로에서 사용될 수 있는 부품의 추가 일 회로도를 도시한 도면이다.
도 1에 개략적으로 도시된 솔레노이드(1)는 코일(2)을 구비하고, 상기 코일의 전기 저항은 온도가 상승할 경우 증가한다. 이러한 현상을 상쇄하기 위하여, NTC-거동을 갖는 수동 회로(3)는 코일과 직렬로 연결되어 있다.
도 2에 도시된 액추에이터(4)는 상기 코일(2)에 의해 작동되는 전기자(5)를 구비하고, 그리고 회로 기판상에서 온도 보상 회로(3)를 구비한다.
도 2에서는 "1"로 코일이 표시되어 있고, "2"로 "브래킷(bracket)"이 표시되어 있는데, 상기 브래킷에는 액추에이터가 예컨대 고정될 수 있다. 단지 도 2에서만 "3"이 덮개를 표시하고, 그리고 "4"는 도면에서 실질적으로 Z형태로 형성되어 있는 밸브 몸체를 표시하며, 이때 도면에서 중간의 짧은 레그(leg)는 공급 라인 및 배출 라인에 상응하는 2개의 다른 레그에 대해 실질적으로 수직으로 연장된다. 또한, 도시된 예에서 "Z"의 중간 레그 내에는 유로를 개방 또는 폐쇄하기 위한 밸브 태핏(valve tappet)(5)이 제공되어 있다. 또한, 도시된 예에서 상기 밸브 태핏은 상기 공급 라인 및 배출 라인에 대해 실질적으로 수직으로 이동하고, 밸브 시트(valve seat)의 평면은 상기 공급 라인 및 배출 라인 내의 유동 방향에 대해 실질적으로 평행하며, 이때 밸브 태핏, 특히 도면에서 시일(seal)이 제공된 디스크를 구비한 밸브 태핏의 플레이트는 상기 밸브 시트와 상호작용한다.
도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 액추에이터 내에 전자 장치-하우징(6)이 통합되어 있고, 상기 전자 장치-하우징은 예를 들어 전자 부품들을 구비한 회로 기판(7)을 포함한다. 도면에서 상기 전자 장치 하우징(6)은 코일의 베이스 플레이트(8)와 밸브 몸체(4) 사이에 위치한다. 도면의 우측 영역에서 확인할 수 있는 바와 같이, 회로 기판(7)으로부터 소켓(플러그로도 구현 가능)으로 전압 공급 및 스위칭 입력을 위한 라인들이 가이드 되어 있다. 전자 장치 하우징(6)이 코일(1)과 밸브 몸체(4) 또는 밸브 하우징 사이에 위치하는 도 2에 도시된 구조와 관련하여, 예를 들어 회로 기판, 전자 부품들 그리고 그 밖에 본 출원서에 언급된 전체 구성 소자들과 같은 전자 장치를 그 내부에 구비하는 상기 전자 장치 하우징이 도 2에 따라서도 상기 코일 상부에, 다시 말해 상기 밸브 몸체와 다른 측면에, 또는 특정한 방식으로 코일 옆에 위치할 수 있다는 사실이 언급된다. 코일 옆에 위치하는 전자 장치의 배치는 코일을 기준으로 코일 내의 전기자의 이동 방향에 대해 수직 방향으로 전자 장치 하우징이 변위되어 있다는 것을 의미한다.
도 2에 도시되어 있는 바와 같이, 회로 기판은 밸브 태핏 및/또는 밸브 태핏을 위해 제공된 안내면(guideway)을 둘러쌀 수 있고, 상기 회로 기판은 밸브 태핏의 이동 방향에 대해 실질적으로 수직으로 조정될 수 있다. 상기 회로 기판(6)으로부터 연장되는 라인들은 우선 코일(1)로부터 멀어질 수 있고, 그런 다음 실질적으로 90°만큼 구부러져서 진행할 수 있으며, 그리고 코일 옆의 어느 정도 측면에서 70° 내지 90°의 각도로 코일 방향으로 연장될 수 있다.
도 3에는 본 발명의 일 실시 형태에 대한 온도 보상 회로(1')의 예가 도시된다. 이 경우, 코일(2)은 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 실질적으로 일정한 부품(3')(예컨대 저항체) 및 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 부품(4')과 연결되어 있다. 상기 부품(3') 및 부품(4')은 병렬로 연결되어 있다. 상기 2개의 부품이 사용되고 상기 부품들이 병렬로 연결되어 있기 때문에, 온도가 상승하는 경우 코일(2)의 저항 증가를 우수하게 상쇄할 수 있다. 특히 상기 부품(3') 및 부품(4')의 병렬 회로에 의해 상기 2개의 구성 소자의 합성 저항이 생성되는데, 상기 합성 저항은 상기 2개의 구성 소자의 저항들의 총합보다 낮다.
도 4a에는 본 발명의 일 실시 형태에 대한 온도 보상 회로(1'')의 추가 예가 도시된다. 도 3과는 다르게, 본 도면에서는 부품(3'') 및 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 부품(4'')이 직렬로 연결되어 있다. 이 경우에서도 상기 2개의 구성 소자를 사용함으로써 온도가 상승하는 경우 코일의 저항 증가가 우수하게 상쇄되도록 보장될 수 있다. 이와 같은 회로에서 상기 2개의 구성 소자의 합성 저항은 개별 저항들의 총합에 상응하는데, 다시 말해 도 3과는 다르게, 이와 같은 저항은 모든 개별 구성 소자의 저항값보다 높다.
도 4b는 특정한 방식으로 도 3 및 도 4a의 온도 보상 회로의 결합을 도시한다. 이 경우, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 실질적으로 일정한 부품(3a''')이, 온도가 상승함에 따라 저항이 감소하는 부품(4''')에 병렬로 연결되어 있다. 그러나 상기 병렬 회로는 온도가 상승함에 따라 저항이 실질적으로 일정한 추가의 일 부품(3''')과 직렬로 연결되어 있다. 실질적으로 도 3 및 도 4a에 대한 상기 이론들에 따른 이유들로 인해, 본 도면의 경우 상기 회로의 합성 저항은 위·아래로 제한되어 있다.
도 5 및 도 6은 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 부품(4', 4'')이 어떻게 형성되어 있을 수 있는지 각각의 예를 도시한다. 2가지 도면에서 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 부품(5)이 사용된다. 상기 부품에는, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하는 추가의 일 부품(6)이 병렬로(도 6) 그리고 직렬로(도 5) 연결되어 있다. 이와 같은 부품을 제공함으로써, 코일(2)의 비선형성뿐만 아니라, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 부품(5)의 비선형성이 상쇄될 수 있고, 그 결과 코일 및 온도 보상 회로로 이루어진 회로의 합성 저항이 허용 범위에서 일정하게 유지되며, 결과적으로는 우수한 제어 가능성이 보장된다. 이 경우 및 일반적인 경우에서도 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하는 상기 부품(6)은 PTC 서미스터( Positive Temperature Coefficient Thermistor)에 의해 형성될 수 있다.
이러한 관점에서 일정한 전기 저항을 갖는 하나 이상의 부품(3', 3'', 3''', 3a'''), 온도가 상승함에 따라 감소하는 전기 저항을 갖는 하나 이상의 부품(4', 4'', 4'''), 그리고 온도가 상승함에 따라 증가하는 전기 저항을 갖는 하나 이상의 부품(6)을 사용하는 것도 바람직할 수 있다. 상기 구성 소자들은 각각 상기 도면들에서 개별적으로 나타나 있는 구성 소자들을 대체할 수 있다.
1: 솔레노이드
2: 코일
3: 온도 보상 회로
4: 액추에이터
5: 전기자

Claims (9)

  1. 온도에 따라 코일의 전기 저항(electrical coil-resistance)이 증가하는, 솔레노이드(solenoid coil)(2)로서,
    온도 보상 회로(3)가 제공되어 있으며, 상기 온도 보상 회로는 상기 코일과 전기적으로 연결되어 있고, 그리고 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 적어도 하나의 부품을 구비하는 것을 특징으로 하는, 솔레노이드.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 부품이 저항체인 것을 특징으로 하는, 솔레노이드.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 온도 보상 회로(3)가 코일(2)과 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 솔레노이드.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 보상 회로(3) 또는 상기 부품이 상기 코일(2)과 열적으로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는, 솔레노이드.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는, 온도 보상 회로(3)의 부품이, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 실질적으로 일정하게 유지되는 부품에 병렬로 연결되어 있는, 솔레노이드.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는, 온도 보상 회로(3)의 부품이, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 실질적으로 일정하게 유지되는 부품과 직렬로 연결되어 있는, 솔레노이드.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는, 온도 보상 회로(3)의 부품이, 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하는 부품과 병렬로 연결되어 있거나 또는 직렬로 연결되어 있고, 이때 상기 부품은 코일과 열적으로 연결되어 있는, 솔레노이드.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    온도가 상승함에 따라 전기 저항이 감소하는 다수의 부품, 및/또는 온도가 상승함에 따라 전기 저항이 증가하는 다수의 부품, 및/또는 온도가 상승함에 따라 저항이 실질적으로 일정하게 유지되는 다수의 부품이 상기 온도 보상 회로(3) 내에 제공되어 있는, 솔레노이드.
  9. 제 1 항 내지 제 8 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 솔레노이드를 구비한 액추에이터.
KR1020160178700A 2016-03-03 2016-12-26 온도 보상형 솔레노이드 및 상기 솔레노이드를 구비한 액추에이터 KR20170103621A (ko)

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