KR20210042900A - 특히, 차량용 액추에이터 시스템 - Google Patents

특히, 차량용 액추에이터 시스템 Download PDF

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지몬 회어
마르쿠스 디트리히
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섀플러 테크놀로지스 아게 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 전기 모터(2)의 회전 운동을 나사산 스핀들(7)의 병진 운동으로 변환하기 위한 나사산 스핀들(7)과 맞물리는 전기 모터(2)를 포함하는, 특히 차량용 액추에이터 시스템에 관한 것이다.
단순한 수단들을 이용하여 매우 정확한 토크 측정이 가능한 액추에이터 시스템의 경우, 회전 운동에 의해 작동되고, 내부에서 폐쇄된 자계선(9)들에 의해 자화된 부품(8, 14)에 자기장 센서(10)가 마주 놓여 있고, 상기 자기장 센서의 민감한 표면이 상기 부품(8)의 폐쇄된 자계선(9)들에 대해 방사 방향으로 배치되어 있으며, 이 경우 상기 자기장 센서(10)는 자기장 변화로부터 토크를 결정하기 위한 평가 유닛과 연결되어 있다.

Description

특히, 차량용 액추에이터 시스템
본 발명은, 전기 모터의 회전 운동을 나사산 스핀들(threaded spindle)의 병진 운동으로 변환하기 위해 나사산 스핀들과 기능적으로 연결된 전기 모터를 포함하는, 특히 차량용 액추에이터 시스템에 관한 것이다.
WO 2014/198268 A1호에는 기계 부재 상에서 힘 또는 토크를 측정하기 위한 장치가 공지되어 있으며, 이 경우 상기 기계 부재는 일 축으로 연장되고, 상기 힘 또는 토크의 측정은 역 자기변형 효과(inverse magnetostrictive effect)를 이용하여 이루어진다. 이 경우 기계 부재는 상기 축으로 정렬된 영구 자화부를 갖는다. 그 밖에도 상기 장치는 하나 이상의 자기장 센서를 포함하고, 이 자기장 센서는 힘 및/또는 토크에 의해 야기되는 자기장의 하나 이상의 벡터 성분을 측정하기 위해 형성되었다.
예컨대 클러치 및 변속기 액추에이터 시스템을 위해, 또는 하이브리드 영역에서 트랙션 모터의 경우 적용되는 것과 같은 자동차용 액추에이터 시스템들에서는 보통 너무 고가이거나 기술적으로 통합될 수 없는, 예컨대 스트레인 게이지(strain gauge)와 같은 별도의 토크 센서들이 장착된다. 간접적인 방법에서는 토크가 액추에이터의 모터 전류를 통해 계산되는데, 이는 온도에 따라 변하는 토크 특성으로 인해 매우 부정확하다.
본 발명의 과제는, 정확한 토크 측정이 비용 효율적으로 구현될 수 있는 액추에이터 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면 상기 과제는, 회전 운동에 의해 작동되고, 내부에서 폐쇄된 자계선들에 의해 자화된 부품에 자기장 센서가 마주 놓여 있고, 이러한 자기장 센서의 민감한 표면은 상기 부품의 폐쇄된 자계선들에 대해 방사 방향으로 배치되어 있으며, 이 경우 상기 자기장 센서는 자기장 변화로부터 토크를 결정하기 위한 평가 유닛과 연결되어 있다. 자기변형(magnetostriction) 원리를 이용함으로써 액추에이터 시스템의 신뢰할 수 있는 토크 결정을 구현할 수 있으며, 이 경우 사용되는 장치가 비용 효율적으로 형성될 수 있다.
하중을 받은 상태에서 부품 재료 내 응력이 부품 재료 내부에서 외부 영역으로 폐쇄된 자계선들의 변위를 야기하는 자기변형 원리의 경우, 상기 부품을 원하는 대로 단단하게 형성할 수 있다.
바람직하게 상기 부품은 전기 모터의 회전자 또는 나사산 스핀들의 통합형 구성 부품이다. 이러한 통합에 의해 부품이 적은 액추에이터 시스템의 변형 예가 가능하게 되고, 이러한 변형 예는 특히 비용 효율적이다.
대안 예에서, 상기 부품은 전기 모터의 회전자와 나사산 스핀들 사이에 배치된 지지 부재로서 형성되어 있다. 따라서 토크 측정은 이를 위해 별도로 제공된 지지 부재 상에서 이루어지며, 이러한 것은 액추에이터 시스템에서 자기장 센서의 조정을 간소화한다.
일 구현 예에서, 지지 부재는 실린더로서 형성되어 있으며, 이 경우 상기 실린더의 일 단부면은 자기장 센서의 민감한 표면에 마주 놓여 있다. 이와 같은 실린더는 횡단면으로 볼 때 원형으로 폐쇄되어 자화되어 있다. 인가되는 토크에 의해 지지 부재 내에서 비틀림 응력(torsional stress)이 생성되고, 이러한 비틀림 응력은 상기 지지 부재의 내부에서 외부로 자기장의 유출을 야기한다. 상기와 같은 자기장은 토크의 척도로 간주된다. 지지 부재의 단부면을 사용함으로써, 한편으로는 일반적으로 인쇄 회로 기판까지의 기존 거리, 회전자 자석까지의 거리 등으로 인해 자기장 센서의 통합이 가능해지고, 다른 한편으로는 인쇄 회로 기판, 지지 부재 및 자기장 센서가 서로 평행하게 배치될 수 있다.
일 변형 예에서, 상기 부품은 전기 모터의 하나 이상의 회전자 판(rotor sheet)에 의해 형성되어 있고, 이 경우 상기 전기 모터의 자화 회전자 판은 나사산 스핀들에 연결되어 있다. 이것은 한편으로는 추가적인 자화 구조 요소가 생략될 수 있고, 다른 한편으로는 전체 토크가 자화 회전자 판을 통해 자기장 센서에 전달된다는 장점을 갖는다.
일 실시 형태에서, 전기 모터의 복수의 자화 회전자 판이 부품으로 사용될 경우, 평가 유닛에 의해 자화 회전자 판 중 하나가 자기장에 대한 보정 부재로서 이용된다. 자기장 센서의 이와 같은 보정은 액추에이터 시스템의 조립된 상태에서 이루어지는데, 그 이유는 총 토크 중 정확히 정의되지 않은 비율만 상기 하나의 회전자 판을 통해 전달되기 때문이다.
바람직하게 지지 부재의 내부에 있는 폐쇄된 자계선들은 나사산 스핀들을 에워싼다. 이와 같은 원형 자계선들을 갖는 지지 부재는 간단히 자화할 수 있다.
대안적으로, 지지 부재의 내부에서 폐쇄된 자계선들은 부품 내에 연속 원으로 형성되어 있으며, 이 경우 상기 자계선들의 연속 원은 나사산 스핀들의 둘레에서 상기 나사산 스핀들을 에워싼다. 이 경우 부품의 자화는, 회전하는 구조 요소 위에서 경우에 따라 회전하는 자석이 연속적으로 제거된다는 취지로 이루어진다.
정밀도를 개선하기 위해, 특히 비대칭적인 하중을 제거하기 위해, 토크에 의해 영향을 받는 자기장을 측정하기 위한 2개 이상의 자기장 센서가 부품의 둘레 주위에 배치되어 있다.
본 발명은 다수의 실시 형태를 허용한다. 그중 복수의 실시 형태가 도면부에 도시된 도면들을 참고로 더 상세하게 설명된다.
도면부에서:
도 1은 본 발명에 따른 액추에이터 시스템의 제1 실시 예를 도시하고,
도 2는 도 1에 따른 지지 부재의 자화 변형 예에 대한 실시 예를 도시하며,
도 3은 본 발명에 따른 액추에이터 시스템의 추가 실시 예를 도시하고, 그리고
도 4는 본 발명에 따른 액추에이터 시스템의 추가 실시 예를 도시한다.
도 1에는, 자동차에서 클러치 액추에이터 또는 변속기 액추에이터로 사용되는 것과 같은 액추에이터 시스템(1)의 개략도가 도시되어 있다. 상기 액추에이터 시스템(1)은 전기 모터(2)를 포함하고, 이 전기 모터는 회전자 적층판 패키지(3), 이러한 회전자 적층판 패키지에 대해 방사 방향으로 배치된 회전자 자석(4) 및 하우징(5)으로 구성되어 있다. 전기 모터는 유성 롤링 기어(6) 또는 볼 스크루와 같은 임의의 다른 전달 유닛을 통해 나사산 스핀들(7)과 연결되어 있으며, 이 경우 상기 유성 롤링 기어(6)에 의해 상기 전기 모터(2)의 회전 운동은 병진 운동으로 변환하기 위한 나사산 스핀들로 전달된다. 회전자 적층판 패키지(3)와 나사산 스핀들(7) 사이에는 회전 대칭으로 지지 부재(8)가 배치되어 있고, 이 지지 부재는 상기 나사산 스핀들(7)에 대해 전기 모터(2)의 회전자를 지지한다. 지지 부재(8)는 그 내부에 자체적으로 폐쇄된 자계선(9)들을 갖는 방식으로 자화되어 있다. 이 경우 상기 자계선(9)들은 나사산 스핀들(7)의 각 측면에 하나씩의 폐쇄된 자계선이 형성되도록 배치되어 있다. 자기장 센서(10)는 인쇄 회로 기판(11) 상에 고정되어 있고, 이 경우 상기 자기장 센서(10)의 민감한 표면은 지지 부재(8)의 내부에서 폐쇄된 자계선(9)에 대해 방사 방향으로 배치되어 있다.
도 2에는, 도 1에서 사용되는 것과 같은 지지 부재(8)의 연속 원형 자화(circular magnetization)에 대한 개략도가 도시되어 있다. 이와 같은 원형 자화는 지지 부재(8)가 회전하고, 이러한 회전 중에 마찬가지로 회전하는 자석이 상기 지지 부재(8)로부터 연속적으로 제거됨으로써 달성된다. 이러한 자화는 지지 부재(8)의 각도 위치와 무관한 센서 신호가 달성된다는 장점을 가지며, 이는 특히 회전자의 경우 중요하다.
도 3은 본 발명에 따른 액추에이터 시스템(12)의 추가 실시 형태를 단면도로 도시하며, 이 경우 지지 부재(8)는 폐쇄된 자계선(9)들이 그 중심에서 나사산 스핀들(7)을 에워싸는 방식으로 자화되어 있다. 이 경우 자계선(9)들은 지점 A에서 지지 부재(8)로부터 외부로 유출되고 반대쪽의 지점 B에서 지지 부재(8)로 다시 유입된다.
도 4는 본 발명에 따른 액추에이터 시스템(13)의 또 다른 실시 예를 도시한다. 이 경우에는 지지 부재(8)가 생략되고, 전기 모터(2)의 회전자 판(14)이 나사산 스핀들(7)에 대해 이격되어 지지되어 있다. 이때 회전자 판(14)은 회전 대칭 방식으로 고정자(15)에 의해 둘러싸이게 된다. 하나 또는 다수의 회전자 판(14)이 전술한 설명에 따라 자화되어 있고, 그 결과 각각의 회전자 판(14)이 폐쇄된 자계선(9)들을 포함한다. 이 경우 토크 전달을 위한 영역 C는 회전자 판(14)과 나사산 스핀들(7) 사이에 형성되어 있다.
단 하나의 자화 회전자 판(14)을 사용하는 경우, 전체 토크는 집속되어(bundled) 상기 하나의 회전자 시트(14)를 통해 전달되고, 도 2에 따라 상응하게 회전자 판(14)들에 마주 놓인 자기장 센서(10)에 의해 감지된다. 복수의 자화 회전자 판(14)을 사용하고, 상기 복수의 회전자 판을 나사산 스핀들(7)에 연결하는 경우 각각의 회전자 판(14)은 토크의 일부분만 전달할 수 있으므로 자기장 센서(10)의 보정이 필요하다. 이와 같은 보정의 경우 자화 회전자 판(14)이 측정 부재로 선택되며, 이 경우 개별 회전자 판(14)에 의해 어느 정도의 토크가 전달되는지를 검출하기 위해 자기장 센서(10)의 보정은 조립된 상태에서 수행된다.
설명한 해결책은 하이브리드 모듈의 트랙션/구동 모터 및 전기 드라이브의 경우와 같이 자동차의 모든 액추에이터에서 사용된다.
1: 액추에이터 시스템
2: 전기 모터
3: 회전자 적층 시트 패키지
4: 회전자 자석
5: 하우징
6: 유성 롤링 기어
7: 나사산 스핀들
8: 지지 부재
9: 자계선
10: 자기장 센서
11: 인쇄 회로 기판
12: 액추에이터 시스템
13: 액추에이터 시스템
14: 회전자 시트
15: 고정자

Claims (9)

  1. 전기 모터(2)의 회전 운동을 나사산 스핀들(7)의 병진 운동으로 변환하기 위해 나사산 스핀들(7)과 기능적으로 연결된 전기 모터(2)를 포함하는, 특히 차량용 액추에이터 시스템으로서,
    회전 운동에 의해 작동되고, 내부에서 폐쇄된 자계선(9)들에 의해 자화된 부품(8, 14)에 자기장 센서(10)가 마주 놓여 있고, 상기 자기장 센서의 민감한 표면은 상기 부품(8)의 폐쇄된 자계선(9)들에 대해 방사 방향으로 배치되어 있으며, 상기 자기장 센서(10)가 자기장 변화로부터 토크를 결정하기 위한 평가 유닛과 연결된 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 부품이 상기 전기 모터(2)의 회전자(3, 4, 5) 또는 나사산 스핀들(7)의 통합된 구성 부품인 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 부품이 지지 부재(8)로서 형성되어 있고, 이 지지 부재는 상기 전기 모터(2)의 회전자(3, 4, 5)와 나사산 스핀들(7) 사이에 배치된 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지지 부재(8)가 실린더로서 형성되어 있고, 이 실린더의 일 단부면이 상기 자기장 센서(10)의 민감한 표면에 마주 놓여 있는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 부품이 상기 전기 모터(2)의 하나 이상의 회전자 판(14)에 의해 형성되어 있고, 상기 전기 모터(2)의 자화된 회전자 판(14)이 상기 나사산 스핀들(7)에 자기적으로 연결된 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전기 모터(2)의 복수의 회전자 판(14)이 부품으로 사용될 경우, 평가 유닛에 의해 상기 자화된 회전자 판(14) 중 하나가 자기장에 대한 보정 요소로서 사용되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  7. 제3항 내지 제6항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재(8)의 내부에서 폐쇄된 자계선(9)들이 나사산 스핀들(7)을 에워싸는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  8. 제2항 내지 제6항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    상기 지지 부재(8)의 내부에서 폐쇄된 자계선(9)들이 연속 원으로 형성되어 있고, 상기 자계선(9)들의 연속 원이 나사산 스핀들(7)을 에워싸는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
  9. 제1항 내지 제8항 중 적어도 어느 한 항에 있어서,
    응력에 의해 영향을 받는, 상기 부품(8, 14)의 자기장을 측정하기 위해 2개 이상의 자기장 센서(10)가 사용되는 것을 특징으로 하는, 액추에이터 시스템.
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