KR20180030553A - 높은 전력 밀도의 솔레노이드 액추에이터 - Google Patents

Abstract

솔레노이드 액추에이터가 제공되고, 솔레노이드 액추에이터는 플럭스 복귀 튜브, 자극편 션트를 갖는 자극편, 및 자기 부분과 비-자성 스페이서를 갖는 전기자 조립체를 포함한다. 솔레노이드 액추에이터는 또한 전기자 조립체를 위한 2개의 비-자성 베어링 스트립을 포함하고, 베어링 스트립 중 하나는 플럭스 복귀 튜브 상에서 슬라이딩하고, 제2 베어링 스트립은 자극편 션트 상에서 슬라이딩한다.

Description

높은 전력 밀도의 솔레노이드 액추에이터

본 발명은 솔레노이드 액추에이터에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명의 분야는 자동차 차량 응용에 유용한 솔레노이드 액추에이터에 관한 것이다.

솔레노이드 액추에이터 설계의 연대기에서, 솔레노이드 액추에이터의 중량을 감소시킴으로써, 또는 솔레노이드 액추에이터의 힘 출력을 최대화함으로써, 또는 솔레노이드 액추에이터에 전력을 공급하는 데 요구된 전류를 최소화함으로써, 효율(종종 전력 밀도로 지칭됨)을 최대화하기 위한 일정한 탐구가 존재한다. 솔레노이드 액추에이터는 통상적으로 케이싱(casing), 케이싱에 자기적으로 결합된 플럭스 복귀부(return)(종종 플럭스 튜브로 지칭됨), 및 플럭스 초크에 의해 플럭스 복귀부로부터 자기적으로 분리된 자극편을 갖는다. 플럭스 복귀부 및 자극편 내부에 슬라이딩 가능하게 장착된 것은 자성 전기자이다. 이상적으로, 전기자, 플럭스 초크, 및 자극편 사이의 반경 방향 간극은, 전기자가 자기 효율을 최대화하기 위해 자유롭게 이동하지만 가능한 한 작게 이동하도록 할 정도로 충분히 커야 한다.

솔레노이드 밸브에서 이용된 솔레노이드 액추에이터의 실시예는 미국 특허 공보 제2015/0144820호로서 2015년 5월 28일에 공개된 미국 특허 출원 일련 번호 제14/408,044호[밀스(Mills) 등, 이하 "밀스]에 도시되어 있고, 이 특허 개시는 본원에 참고용으로 병합된다.

밀스는 강자성 케이싱(10)을 갖고 가질 수 있는 솔레노이드 밸브(7)를 개시한다. 하부 단부를 따르는 케이싱(10)은 일련의 슬롯(미도시)을 가져, 유압 바디(16)의 경사진 부분(14)과 접촉하는 탭(12)을 구부리는 데 도움을 주어, 이와 동일한 것을 케이싱(10) 및 플럭스 와셔 또는 자극편(18)에 포획한다. 케이싱(10)은 일반적으로 하부 단부를 따라 개방되고, 상부 단부(20) 상에서 폐쇄된다. 케이싱(10)은 일반적으로 관형 외피(envelope)를 형성한다. 케이싱(10)은 딥 드로잉(deep drawing) 또는 단조(forging) 가공될 수 있다. 케이싱 내에 위치되고 그 안에 일반적으로 축방향으로 연장되어 위치된 것은 플러스 복귀부 또는 플럭스 튜브(22)로 일반적으로 지칭된 제1 강자성 고리형 부재이다. 플럭스 튜브(22)는 자극편 션트(26)로서 일반적으로 지칭된 제2 강자성 고리형 자기 부재와 비-자성 정렬 튜브(24)에 의해 반경 방향으로 정렬된다. 자극편 션트(26)는 일체형 자극편(18)에 의해 케이싱과 자기적으로 연결된다. 자극편(18)은 축방향 인터페이스(80)를 따라 유압 바디와 접촉한다. 자극편 션트(26)로부터 플럭스 튜브(22)를 축방향으로 자기적으로 분리시키는 것은 갭(28)이다. 케이싱(10)으로부터 플럭스 튜브(22) 및 자극편 션트(26)를 방사상으로 병치시키는 것은 코일 및 보빈 조립체(30)이다. 코일 및 보빈 조립체는 구리 코일 번들(34)에 의해 래핑된 비-자성 통상적으로 중합체 보빈(32)을 포함한다. 코일(34)은 강자성 전기자(36)의 이동을 활성화하기 위해 전기적으로 작동된다. 전기 커넥터(35)는 전류를 코일(34)에 제공하도록 제공된다.

강자성 전기자(36)는 플럭스 튜브(22) 및 자극편(26) 내에 슬라이딩 가능하게 장착된다. 케이싱의 상부 단부(20)는 케이싱(10)으로 전기자(36)의 자기 래칭의 방지에 도움을 주기 위해 딤플(42)로부터 내부로 하향 연장되었다. 전기자(36) 또는 대안적으로 플럭스 튜브(22) 및 자극편(26)은 측면 래칭의 방지에 도움을 주기 위해 니켈 또는 다른 비-자성 화합물과 같은 비-자성 물질의 얇은 라이닝(lining)을 가질 수 있다. 전기자(36)는 또한 일련의 축방향 통로(46)를 가져, 솔레노이드 밸브(7) 내의 유체가 전기자(36)의 축방향 측부 사이에서 이동하도록 한다. 전기자(36)는 전기자(36)와 연결된 볼(52)을 통해 밸브 부재(50)에 이동을 부여한다.

유압 바디(16)는 크로스 보어(56)에 의해 제공된 배기 유입구/유출구 통로를 갖는다. 크로스 보어(58)는 공급 압력과 연결된다. 축방향 보어(60)는 제어 압력과 연결된다. 도시된 바와 같이, 솔레노이드(7)는 통상적으로 저-제어 압력 솔레노이드 밸브이다. 유압 바디(16)는 금속 내부 라이너 또는 슬리브(64)를 갖는 중합체 부재이다. 슬리브 내에 슬라이딩 가능하게 장착된 것은 스풀 부분(66)을 갖는 밸브 부재(50)이다. 스풀 부분(66)은 와셔(70)와 맞물리는 스프링(68)에 의해 스프링 바이어싱된다. 스풀(66)은 일련의 크로스 보어(74)를 교차시키는 제어 압력과 연결되는 내부 통로(72)를 갖는다. 크로스 보어(74)는 통상적으로 배기부와 연통하는 제어 압력을 가져오는 크로스 보어(56)와 유체 연통하도록 위치된다. 제어 압력이 공급 압력과 연결되도록 하기 위해, 코일(34)이 작동되어 전기자(36)가 스프링(68)의 바이어싱에 대해 이동하도록 하여, 크로스 보어(74)가 시스템에서 유압 압력을 증가시키기 위해 유체 공급부과 연결되는 유압 바디 크로스 보어(58)와 유체 연통하게 되도록 한다. 코일(34)의 활성화는 자극편, 케이싱 및 플럭스 튜브에서 플럭스 루프를 생성한다. 갭(28)으로 인해, 플럭스 루프는 전기자(36)를 건너뛰게 될 것이고, 그런 후에 전기자를 통해 자극편 션트(26)로 빠져나가서 전기자(36)가 최소 저항점에 도달하도록 하여, 이를 통해 전기자(36)가 하향 이동하도록 한다.

이전에 언급된 바와 같이, 전기자는 솔레노이드 효율을 개선하고 솔레노이드 전력 밀도를 증가시키기 위해 솔레노이드 자석 설계의 비-작용 공기-갭을 최소화하도록 니켈 도금될 수 있다. 자극편 션트에 대한 전기자의 편심을 최소화하기 위해 자극편 및 플럭스 튜브의 중심선을 정렬하기 위한 설계 및 제조시 많은 노력이 이루어진다. 임의의 편심은 솔레노이드의 슬라이딩 마찰에 부정적으로 기여하는데, 이는 자기 측면 부하가 편심에 매우 민감하기 때문이다. 더욱이, 전기자와 자극편 션트 사이의 공칭 반경 방향 간극은 완벽한 정렬 및 편심보다 적다는 점을 고려한 제어 하에서 자기 측면 부하를 유지할 정도로 크게 설계된다.

솔레노이드 액추에이터(17)(도 2)의 후속 생성에서, 일체형 코어 설계가 제공되며, 여기서 플럭스 복귀 튜브(19) 및 자극편 션트(21)는 2개를 연결하는 얇은 "플럭스 브리지"(25)를 가지고 강철로 이루어진 단일 부재(23)로서 제조된다. 이와 같은 방식으로 구성 요소를 제조함으로써, 거의 완벽한 편심이 달성되고, 전기자(37)와 자극편 션트(21) 사이의 공칭 간극은 솔레노이드 액추에이터(17)의 자기 효율을 개선하도록 감소된다. 하지만, 이와 같은 개선된 효율의 일부는 도입된 "플럭스 브리지"를 통하는 자기 단락으로 인해 효율의 손실에 의해 오프셋된다.

양쪽 세계의 최상을 갖는 것이 바람직하다: 저-반경 방향 간극 및 플럭스 복귀부와 자극편 션트 사이의 단락이 없음.

위에서 주지된 요구 사항 및 다른 요구 사항을 명확하게 나타내기 위해, 본 발명의 발견이 개시된다. 본 발명은 솔레노이드 액추에이터의 자유도를 부여하여, 플럭스 복귀 튜브 및 자극편 션트는 축방향으로 분리되지만, 비-자성 구성 요소를 통해 직접적으로, 자기 하우징을 통해 또는 몇몇 다른 수단에 의해 정렬된다. 위에서 주지된 배열은 양호하게 달성되지만, 완벽한 정렬은 아니다. 본 발명의 자기 강철 전기자는 자극편 션트에 근접한 전기자의 단부에서 비-자성 스페이서와 조합된다. 전기자 및 스페이서는 프레스-피트(press-fit), 용접, 또는 소결 프로세스를 통해 조합될 수 있다. 비-자성 또는 반-자성 베어링 물질은 그런 후에 전기자 조립체의 각 단부에서 2개의 베어링 표면을 형성하기 위해 전기자 스페이서 조립체(본 명세서에서 이후에 전기자 조립체로서 지칭됨)에 추가된다. 바람직한 구현예에서, 비-자성 복합체 코팅은 2개의 좁은 스트립에서 직경 외부의 전기자 조립체에 도포된다. 하나의 스트립은 자극편 션트로부터 가능한 한 먼 단부에 위치되고, 직경 내부의 플럭스 복귀 튜브 상에서 슬라이딩하여, 제1 베어링으로서 작용한다. 제2 스트립은 자극편 션트에 가능한 한 가장 가까운 단부에서 전기자 조립체에 도포된다. 이와 같은 제2 비-자성 복합체 코팅 스트립은 스페이서 자체에 걸쳐 적어도 부분적으로 도포되고, 제2 베어링으로서 작용한다.

위에 주지된 구조의 장점은, 전기자 조립체의 자기 부분이 자극편 션트로부터 완전히 스트로크할 수 있는 한편, 복합체 코팅 베어링 스트립을 갖는 스페이서가 자극편 션트 내부에 남아있고, 슬라이딩 접촉 및 정렬을 유지한다. 본 발명 이전에, 자극편으로부터 스트로크될 때 전기자를 지지하기 위해 플럭스 복귀 튜브 및 "플럭스 브리지"와 일체화되지 않으면 자극편 션트를 제2 베어링으로서 사용하는 것은 가능하지 않았다.

본 발명의 이용 가능성의 추가 영역은 이후에 제공된 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 상세한 설명 및 특정한 실시예가 본 발명의 바람직한 구현예를 나타내는 동안 단지 예시의 목적을 위해 의도되고, 본 발명의 범주를 제한하도록 의도되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.

본 발명은 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더욱 완전하게 이해될 것이다:
도 1은 본 발명 이전의 솔레노이드 액추에이터의 단면도이다;
도 2는 본 발명 이전의 다른 솔레노이드 액추에이터의 단면도이다;
도 3은 본 발명에 따른 솔레노이드 액추에이터의 단면도이다;

바람직한 구현예(들)의 다음의 설명은 사실상 단지 예시적이고, 본 발명, 응용 또는 활용을 제한하도록 더 이상 의도되지 않는다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 솔레노이드 액추에이터(107)가 제공된다. 솔레노이드 액추에이터(107)는 케이싱(110)에 자기적으로 연결되는 플럭스 튜브(122)를 갖는다. 플럭스 튜브(122)는 비-자성 정렬 튜브(124)를 통해 또는 자극편(126) 션트를 갖는 몇몇 다른 수단에 의해 축방향으로 분리되고 정렬된다. 자극편 션트(126)는 플럭스 튜브(122)의 내부 직경(123)의 0.40 mm 내에서 내부 직경(125)을 갖는다. 플럭스 튜브(122) 및 자극편 션트(126)는 0.05 mm 동심 사이에 중심선을 갖도록 정렬된다.

전기자 조립체(136)가 제공되며, 플럭스 튜브(122) 및 자극편 션트(126) 내에 슬라이딩 가능하게 장착된다. 전기자 조립체(136)는 소프트 자기 강철 부분(139)을 갖는다. 전기자 자기 부분의 하부 축방향 면(141) 상에 비-자성 스페이서(143)가 제공된다. 비-자성 스페이서(143)는 전기자와 자극편(118)의 축방향 평탄부(145) 사이의 자기 래칭을 방지한다. 전기자 자기 강철 부분(139) 및 비-자성 스페이서(143)는 접착, 용접, 또는 소결 프로세스를 통해 조합될 수 있다. 도시되지 않은 구현예에서, 비-자성 스페이서는 자기 부분의 축방향 보어(또는 축방향 외부 그루브) 안으로(또는 그에 걸쳐) 연장되고, 그 안에(그 위에) 프레스 피팅되는 내부 허브(또는 외부 림)를 가질 수 있다.

전기자 조립체(136)는 2개의 비-자성 베어링 스트립에 의해 제공된 상부(138) 및 하부(140) 베어링을 갖는다. 베어링 스트립(138, 140)은 통상적으로 비-자성 복합체 및 또는 비-자성 중합 물질로 제조된다. 제1 베어링 스트립(138)은 플럭스 튜브(122) 상에서 슬라이딩하고, 통상적으로 자극편 션트(126)로부터 멀리 있는 극단적으로 먼 단부에 위치된다. 제2 베어링 스트립(140)은 자극편 유닛(126)에 가능한 한 가장 가까운 전기자 조립체의 단부에서 전기자 조립체(136)에 도포된다. 제2 비-자성 복합체 베어링 스트립(140)은 비-자성 스페이서(146)에 걸쳐 적어도 부분적으로 도포된다. 도시된 바와 같이, 제2 베어링 스트립은 또한 전기자 조립체 자기 부분(139)에 결합되는 부분(152)을 갖는다. 통상적으로, 전기자 자기 부분(139) 및 비-자성 스페이서(143)가 공통 외부 직경을 갖는 것이 바람직하다. 비-자성 스페이서(143)는 통상적으로 0.6 mm 이상의 축방향 길이를 갖는다. 비-자성 스페이서 상에 연결된 베어링 스트립(140)의 부분(159)은 바람직하게 축방향 길이에서 적어도 0.5 mm이다. 전기자 조립체가 자극편 션트(126)로부터 먼 극단 위치에 있을 때(전기자 조립체(136)는 도 3에 도시된 바와 같이 그 위치로부터 약간 상향으로 변위됨), 전기자 자기 부분(139)이 자극편 션트(126)의 축방향 관통이 없는 것이 바람직하다. 위에 언급된 극단 위치에서, 비-자성 스페이서(143)에 연결된 하부 베어링 스트립(154)의 부분은 지지 조립체(136)를 위한 베어링을 제공한다.

본 발명의 설명은 사실상 단지 예시적인 것에 불과하며, 따라서, 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 변형은 본 발명의 범주 안에 있도록 의도된다. 이와 같은 변형은 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어난 것으로 간주되지 않는다.

Claims (11)

1. 솔레노이드 액추에이터로서:
   플럭스 복귀 튜브;
   직경 내부의 상기 플럭스 복귀 튜브의 0.40 mm 내의 내부 직경을 갖는 자극편 션트를 포함하는 자극편으로서, 상기 자극편 션트 및 상기 플럭스 복귀 튜브가 0.05 mm 동심 안에 중심선들을 갖도록 축방향으로 분리된 조립체 내에 정렬되어 있는, 자극편;
   소프트 자기 부분 및 비-자성 스페이서를 포함하는 전기자 조립체, 및
   상기 전기자 조립체 상에 연결된 2개의 비-자성 베어링 스트립들로서, 상기 베어링 스트립들은 0.025 내지 0.100 mm의 두께를 갖고, 상기 베어링 스트립 중 하나는 상기 플럭스 복귀 튜브 상에서 슬라이딩하며, 상기 베어링 스트립들 중 제2 베어링 스트립은 상기 자극편 션트 상에서 슬라이딩하고, 상기 비-자성 스페이서 상에 연결되는, 2개의 비-자성 베어링 스트립들을 포함하는, 솔레노이드 액추에이터.
2. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 베어링 스트립 중 적어도 하나는 중합 물질로 이루어지는, 솔레노이드 액추에이터.
3. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 제2 베어링 스트립은 또한 상기 전기자의 상기 자기 부분 상에 연결되는, 솔레노이드 액추에이터.
4. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 전기자 조립체의 상기 자기 부분은, 상기 전기자 조립체가 상기 자극편으로부터 먼 극단 위치에 있을 때에는 상기 자극편 션트를 관통하지 않는, 솔레노이드 액추에이터.
5. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 전기자 조립체 자기 부분 및 상기 전기자 조립체 비-자성 스페이서는 공통의 외부 직경을 갖는, 솔레노이드 액추에이터.
6. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 제2 베어링 스트립은 적어도 0.5 mm의 상기 비-자성 스페이서 상에서 축방향 길이를 갖는, 솔레노이드 액추에이터.
7. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 비-자성 스페이서는 적어도 0.6 mm의 축방향 길이를 갖는, 솔레노이드 액추에이터.
8. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 제1 스페이서는 상기 자극편으로부터 먼 상기 전기자 조립체의 상기 자기 부분의 극단부 상에 연결되는, 솔레노이드 액추에이터.
9. 선행 또는 후속하는 항들 중 하나 이상의 항에 있어서, 상기 전기자 조립체 자기 부분은 제조되는 경우저-탄소 강철로 제조되는, 솔레노이드 액추에이터.
10. 솔레노이드 액추에이터로서:
    플럭스 복귀 튜브;
    직경 내부의 상기 플럭스 복귀 튜브의 0.40 mm 내의 내부 직경을 갖는 자극편 션트를 포함하는 자극편으로서, 상기 자극편 션트 및 상기 플럭스 복귀 튜브가 0.05 mm 동심 안에 중심선을 갖도록 축방향으로 분리된 조립체 내에 정렬되어 있는, 자극편;
    소프트 자기 부분 및 비-자성 스페이서를 포함하는 전기자 조립체, 및
    상기 전기자 조립체 상에 연결된 2개의 비-자성 베어링 스트립들로서, 상기 베어링 스트립들은 0.025 내지 0.100 mm의 두께를 갖고, 상기 베어링 스트립 중 하나는 상기 플럭스 복귀 튜브 상에서 슬라이딩하며, 상기 베어링 스트립들 중 제2 베어링 스트립은 상기 자극편 션트 상에서 슬라이딩하고, 상기 비-자성 스페이서 및 상기 전기자 조립체 자기 부분 상에 연결되며, 상기 전기자 조립체의 상기 자기 부분은, 상기 전기자 조립체가 상기 자극편으로부터 먼 극단 위치에 있을 때에는 상기 자극편 션트를 관통하지 않는, 2개의 비-자성 베어링 스트립들을 포함하는, 솔레노이드 액추에이터.
11. 솔레노이드 액추에이터로서:
    플럭스 복귀 튜브;
    직경 내부의 상기 플럭스 복귀 튜브의 0.40 mm 내의 내부 직경을 갖는 자극편 션트를 포함하는 자극편으로서, 상기 자극편 션트 및 상기 플럭스 복귀 튜브가 0.05 mm 동심 안에 중심선을 갖도록 비-자성 정렬 튜브에 의해 축방향으로 분리된 조립체 내에 정렬되어 있는, 자극편;
    강철 소프트 자기 부분 및 비-자성 스페이서를 포함하는 전기자 조립체, 및
    상기 전기자 조립체 상에 연결된 2개의 비-자성 중합체 베어링 스트립들로서, 상기 베어링 스트립들은 0.025 내지 0.100 mm의 두께를 갖고, 상기 베어링 스트립 중 하나는 상기 플럭스 복귀 튜브 상에서 슬라이딩하며, 상기 베어링 스트립들 중 제2 베어링 스트립은 상기 자극편 션트 상에서 슬라이딩하고, 상기 비-자성 스페이서 및 상기 전기자 조립체 자기 부분 상에 연결되며, 상기 비-자성 스페이서는 적어도 0.6 mm의 축방향 길이를 갖고, 상기 제2 베어링 스트립은 적어도 0.5 mm의 상기 비-자성 스페이서 상에서 축방향 길이를 가지며, 상기 전기자 조립체의 상기 자기 부분은, 상기 전기자 조립체가 상기 자극편으로부터 먼 극단 위치에 있을 때에는 상기 자극편 션트를 관통하지 않는, 2개의 비-자성 베어링 스트립들을 포함하는, 솔레노이드 액추에이터.
    

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