KR20230074592A - 전자기 시스템들에서 힘을 생성하기 위한 장치, 시스템들 및 방법들 - Google Patents

전자기 시스템들에서 힘을 생성하기 위한 장치, 시스템들 및 방법들 Download PDF

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KR20230074592A
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토마스 알렉산더 존슨
게리 씨. 버코위츠
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토마스 알렉산더 존슨
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Abstract

비대칭 전자기장 분포들을 겪는 이동 강자성 또는 영구 자석들의 이용에 의해 선형 및 회전 움직임, 가속, 및 작동을 생성하는데 이용되는 장치, 시스템들 및 방법들이 본 명세서에 개시된다. 고정 및 이동 자석들 모두, 전기장들 및 자기장들을 포함하고 허용하기 위해 상이한 코일 및 액추에이터 기하 구조들을 포함하는 다양한 예시적인 실시예들 및 응용들이 설명된다.

Description

전자기 시스템들에서 힘을 생성하기 위한 장치, 시스템들 및 방법들
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2020년 10월 2일자로 출원된 미국 가특허 출원 제63/086,737호의 이익을 주장하며, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 개시내용은 일반적으로 전자기 기계들에 관한 것이며, 더 구체적으로는 전자기 액추에이터들(electromagnetic actuators)에 관한 것이다.
일반적인 전자기력 생성 시스템에서, 에르스텟의 법칙(Oersted's Law)에 의해 (비오-사바르(Biot-Savart)에 의해 주어지는) 자기장을 생성하는 전류 운반 전도체가 외부 자기장과 상호작용하고, 따라서 전도체 및 외부 자기장의 소스 둘 다에 대한 힘이 생성된다. 잘 확립된 전기역학 법칙들에 따르면, 이 상호작용은, 비대칭일 때, 움직임을 생성한다.
예를 들어, (도 1a 및 도 1b에 도시되고 도 1a 및 도 1b를 참조하여 이하에서 논의되는 솔레노이드 디바이스와 같은) 일반적인 솔레노이드 디바이스에서, 플런저(plunger) 또는 코어(또는 때때로 전기 기술에서 전기자(armature)의 이용과 혼동되지 않는 전기자로서, 코일 권선들의 프레임워크를 의미함)라고 흔히 불리는 강성 자기 또는 강자성(비영구적) 물체가 (코일이라고도 지칭될 수 있는) 원통형 전류 운반 솔레노이드 부근에 또는 그 내부에 부분적으로 매달려 있다. 코일에서의 전류의 인가는 항상 플런저를 코일의 중간점을 향해 당기는 방식으로 코일의 축을 따라 물체를 추진시키는 자기력을 생성한다. 이 예에서, 플런저가 겪는 힘은 솔레노이드 자기장의 축을 따른 플런저의 위치에 의존한다. 플런저에 대한 최대 힘은 플런저의 한쪽 단부가 코일의 종단점에 있을 때 발생한다(도 1a). 제로 순 힘의 평형점은 플런저의 중간점이 코일의 중간점과 정렬될 때 발생한다(도 1b). 이는, 코일의 중간점에 있을 때, 동일하고 반대인 자기력들이 플런저의 N 및 S 단부들에 동시에 작용하기 때문이다. 솔레노이드의 단부 밖에서 액션이 발생하게 하기 위해 플런저의 비자기 확장이 이용될 때, 시스템은 일반적으로 비례, 축 또는 선형 액추에이터라고 지칭된다. 최대 움직임 범위가 플런저의 길이의 절반인 움직임 범위는 솔레노이드 선형 액추에이터의 스트로크를 정의한다.
기존의 솔레노이드 선형 액추에이터들에서, 움직이고 있는 물체(플런저), 통상적으로 강자성 막대 또는 영구 자석에 작용하는 순 자기력은 코일의 반대쪽 단부들에서를 제외하고는 전체 스트로크를 따라 대체로 선형이다. 따라서, 전술한 바와 같이, 최대 스트로크는 코일 길이의 절반으로 제한된다. 그러나, 선형 힘들은 선형 액추에이터 응용들에서 항상 이상적인 것은 아니다. 따라서, 비선형 힘들을 제공하도록 구성된 것들, 특히 동일한 코일 길이에 대해 더 긴 스트로크를 위해 구성된 것들을 포함하는 개선된 선형 액추에이터들에 대한 지속적인 요구가 있다.
전자기 액추에이터 시스템들에서 비선형 힘을 생성하기 위한 장치 및 방법들이 본 명세서에 개시된다. 본 명세서에 개시된 장치 및 방법들은 불균일한(비대칭) 장 분포를 제공하도록 배열된 하나 이상의 코일로 구성되어, 알려진 솔레노이드 선형 액추에이터들로 이전에 달성가능한 것보다 더 긴 스트로크를 낳는다. 일부 실시예들에서, 개시된 장치 및 방법들은 선형 액추에이터들에 관한 것이다. 이러한 실시예들 중 일부에서, 선형 액추에이터들은 비선형 가속을 제공하도록 구성된다.
(본 명세서에 설명된 것들과 같은) 이러한 선형 액추에이터들은 다양한 응용들에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 개시된 기술은 고성능, 긴 스트로크 선형, 및/또는 회전 액추에이터들에 이용될 수 있다. 개시된 선형 액추에이터들은 또한, 예를 들어, 응용이 타겟을 크러싱(crushing)하거나 신장시키는 것을 수반할 때 이용될 수 있다. 종종, 물체에 대한 힘들은, 물체를 크러싱하거나 신장시키는데 필요한 힘이 스트로크의 길이에 걸쳐 변하기 때문에(즉, 필요한 힘이 비선형이기 때문에), 이러한 경우들에서 이들이 선형이 아닌 경우 더 적합할 수 있다. 또 다른 예로서, 승객 열차 또는 자동차를 가속시키는 것과 같이, 움직이고 있는 물체의 속도의 매끄러운 전이가 요망되는 상황들에서 비선형 가속을 갖는 것이 유리할 수 있다.
개시된 선형 액추에이터들의 일반적인 개요로서, 강자성 물체는, 전류 운반 코일에 축 방향으로 삽입된 후에, 강자성 물체를 코일의 중심을 향해 투사하는 힘을 경험할 것이고, 여기서 극들 각각으로부터의 이동하는 강자성 물체에 대한 힘들은 평형을 찾는다. 더 짧은 코일들은 더 큰 코일들보다 중간점까지의 더 짧은 거리를 가지며, 따라서 스트로크는 더 큰 코일에 비해 더 짧은 코일에서 더 짧다는 것을 알 것이다. 코일의 길이를 증가시키지 않고 스트로크를 증가시키기 위해, (도 2a에 예시되고 도 2a를 참조하여 이하에서 논의되는 바와 같이) 1차 코일의 외측 및 한쪽 단부쪽에 약간 더 짧은 2차 권선을 추가한다. 이제, 강자성 물체는 물체가 그에 작용하는 2개의 코일 내에서 평형 상태가 됨에 따라 코일의 중심으로부터 약간 변위된 위치로 이동될 수 있다. 따라서, 강자성 물체는 코일의 중심을 지나 2차 권선의 단부를 향해 변위될 수 있다. 반경이 증가하는 점점 더 짧은 코일들이 솔레노이드의 주변부에 추가되고, 그 한쪽 단부를 향해 변위되거나 오프셋됨에 따라, 평형점은 (도 2b에 도시되고 도 2b를 참조하여 이하에서 논의되는 바와 같이) 가장 안쪽의 솔레노이드 코일의 한쪽 극을 향해 추가로 변위될 수 있다. 평형 및/또는 강자성 물체가 한쪽 극을 향해 얼마나 가깝게 이동하거나 시프트할 수 있는지에 대한 제한이 있을 수 있다. 그러나, 그 목적은, 이 시스템을 이용하는 물체가 알려진 솔레노이드 코일 권선 기하 구조에 비해 훨씬 더 긴 작동 범위의 이점을 달성한다는 것일 수 있다.
본 명세서에 개시된 선형 액추에이터들의 하나의 예시적인 목적은 동일한 길이의 단일-코일 솔레노이드 액추에이터로 이전에 달성가능한 것보다 더 긴 스트로크를 생성하는 것이다. 사실상, 비대칭 층상-코일 기하 구조는 솔레노이드를 따라 비선형 자기장 밀도를 생성할 수 있고, 이것은 그 한쪽 단부를 향해 전치(preponderate)하므로, 더 넓은 범위의 움직임을 가능케 한다. 이러한 종류의 시스템을 이용하면, 선형 액추에이터에서 움직이고 있는 자기 물체가, 반대쪽 힘들이 자기 물체를 정지(평형)시키기 시작하는 지점에 도달하기 전에 코일의 거의 전체 길이를 따라 자기 물체를 추진하는 힘을 겪는 것이 가능할 수 있다. (도 3a 및 도 3b에 도시되고 도 3a 및 도 3b를 참조하여 이하에서 논의되는 바와 같이) 힘이 하나의 코일로부터 다음 코일로 전치하도록 상이한 레벨들의 전류를 갖는 복수의 코일을 이용하는 것은 이 효과를 달성하는 대안적인 방식일 수 있다. 본 발명의 어느 실시예이든, 자기장 분포가 불균일한 한, 스트로크의 길이는 균일한 자기장 분포를 갖는 비교가능한 코일의 것보다 증가될 수 있다. 솔레노이드에 공급되는 극성을 항상 반전시켜, 예를 들어, 그 길이 전체에 걸쳐 자화되는 영구 자석이었을 수 있는 플런저에 대한 힘들의 방향을 반전시킬 수 있도록, 플런저가 플런저의 스트로크의 한계를 넘어서는 것을 정지시키기 위해 액추에이터 내에 기계적 정지부들이 있는 것이 유리하다.
본 개시내용의 이들 및 다른 특징들, 양태들, 및/또는 이점들은 다음의 상세한 설명 및 청구항들을 참조하여 더 잘 이해될 것이다. 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성하는 첨부 도면들은 개시된 기술의 실시예들을 예시하고, 설명과 함께, 본 개시내용의 원리들을 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 최대 힘 구성과 제로 순 힘 구성에서 단일 코일과 강자성 플런저를 가진 알려진 솔레노이드의 개략도들이다.
도 2a 및 도 2b는 본 개시내용에 따른, 1차 코일의 한쪽 단부를 향해 변위된 복수의 층상 코일을 갖는 솔레노이드를 포함하는 선형 액추에이터의 하나의 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시내용에 따른, 선형 구성으로 배열된 복수의 개별 코일을 포함하는 선형 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 4a 및 도 4b는 본 개시내용에 따른, 불균일한 전기장들의 이용이 작동 플런저를 최고 전위점을 향해 끌어당기는 경향이 있는 비대칭 전자기력들을 생성하는 선형 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 개시내용에 따른, 회전 액추에이터를 생성하기 위해 장 분포 경사가 곡선 루트를 따라 발생하는 선형 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 6은 본 개시내용에 따른, 상이한 턴 카운트들을 갖는 복수의 개별 코일이 비대칭 자속 밀도를 생성하는데 이용되는 선형 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 개시내용에 따른, 증가하는 장 강도의 연결된 영구 자석들을 이용하여 비대칭 플럭스 밀도를 생성하고, 전류가 인가되어 영구 자석들 또는 코일 자체의 움직임을 생성하도록 코일이 구성되는 선형 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 8a 및 도 8b는 본 개시내용에 따른, 두 세트의 코일 기하 구조들이 액추에이터 축의 반대쪽 단부들 상에 배열되고, 각각의 세트가 푸시-풀 효과, 및 자속 밀도의 최대 가변 축방향 프로파일을 생성하도록 구성되는 별개의 전압원 및 전위차계에 연결되는 선형 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 개략도들이다.
도 9는 도 8a 및 도 8b의 예시적인 액추에이터를 이용하도록 구성된 예시적인 플런저의 개략도이다.
도 10은 본 명세서에 개시된 예시적인 액추에이터들과 조합하여 이용될 수 있는 예시적인 코일 코어의 개략도이다.
도 11은 본 개시내용에 따른 선형 액추에이터의 다른 예시적인 실시예의 개략도이다.
도 12는 본 명세서에 개시된 액추에이터들에 대한 역제곱 함수에 의한 거리를 예시하는 예시적인 곡선이다.
도 13은 본 개시내용에 따른, 비균질 전기장으로 인한 더 넓은 길이에 걸친 이온화된 입자들의 가속을 도시하는 개략도이다.
도 14는 본 개시내용에 따른 예시적인 액추에이터 및 제어기 시스템의 논리적 블록도이다.
일반적인 고려사항들
본 명세서에 설명된 시스템들 및 방법들, 및 그 개별 구성요소들은 임의의 방식으로 본 명세서에 설명된 특정 용도들 또는 시스템들로 제한되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 대신에, 본 개시내용은 다양한 개시된 실시예들의 모든 신규하고 자명하지 않은 특징들 및 양태들을 단독으로 그리고 서로 다양한 조합들 및 하위 조합들로 지향한다. 예를 들어, 개시된 실시예들의 임의의 특징들 또는 양태들은 본 명세서에 개시된 정보를 고려하여 관련 분야(들)의 통상의 기술자에 의해 인식되는 바와 같이, 서로 다양한 조합들 및 하위 조합들로 이용될 수 있다. 또한, 개시된 시스템들, 방법들, 및 그 구성요소들은 임의의 특정 양태 또는 특징 또는 그 조합들로 제한되지 않으며, 개시된 것들 및 방법들은 임의의 하나 이상의 특정 이점이 존재하거나 문제들이 해결될 것을 요구하지도 않는다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태들("a", "an" 및 "the")은 문맥이 명백하게 달리 지시하지 않는 한 복수 형태들을 포함한다. 추가로, 용어 "포함한다(includes)"는 "포함한다(comprises)"를 의미한다. 또한, 용어들 "결합된" 또는 "보안화된"은 기계적 및 화학적 결합들뿐만 아니라, 아이템들을 함께 결합하거나 링크하는 다른 실용적인 방식들을 포함하고, "직접" 결합되거나 보안화되는 요소들 또는 그 표면들을 언급하는 것과 같이, 달리 표시되지 않는 한, 결합된 아이템들 사이의 중간 요소들의 존재를 배제하지 않는다. 더구나, 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "및/또는"은 문구 내의 임의의 하나의 아이템 또는 아이템들의 조합을 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "예시적인"이라는 용어는 비제한적인 예, 사례, 또는 예시로서 역할하는 것을 의미한다. 본 명세서에서 사용될 때, "예를 들어(e.g.)" 및 "예를 들어(for example)"라는 용어들은 하나 이상의 비제한적인 실시예, 예, 사례 및/또는 예시의 리스트를 소개한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "비선형(non-linear)" 및 "비균질(nonhomogeneous)"이라는 용어들은 전기 또는 자속선들이 장의 소스의 한쪽 단부로부터 다른 쪽 단부까지 강도가 변하는 방식으로 생성될 때 전기 또는 자속선들의 불규칙한 형상을 설명하는데 일반적으로 사용된다.
개시된 방법들 중 일부의 동작들이 편리한 제시를 위해 특정의 순차적 순서로 설명되어 있지만, 이 설명 방식은, 이하에서 제시되는 특정의 언어에 의해 특정의 순서가 요구되지 않는 한, 재배열을 포함한다. 예를 들어, 순차적으로 설명된 동작들은 일부 경우들에서 재배열되거나 동시에 수행될 수 있다. 더욱이, 단순화를 위해, 첨부 도면들은 개시된 것들 및 방법들이 다른 것들 및 방법들과 함께 이용될 수 있는 다양한 방식들을 도시하지 않을 수 있다. 또한, 본 설명은 때때로 개시된 방법들을 설명하기 위해 "제공" 및 "생성"과 같은 용어들을 사용한다. 이러한 용어들은 수행되는 실제 동작들의 상위 레벨 설명들이다. 이러한 용어들에 대응하는 실제 동작들은 특정 구현에 따라 변할 것이며, 본 개시내용의 혜택을 받는 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 쉽게 인식될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "부착된(attached)" 및 "결합된(coupled)"이라는 용어들은, 구체적으로 달리 언급되지 않는 한, 직접 부착/결합되는 아이템들 및 부착/결합된 아이템들 사이의 중간 요소들과 부착/결합되는 아이템들을 포함하는, 물리적으로 연결되거나 링크되는 것을 일반적으로 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어들 "솔레노이드 코일", "솔레노이드", 및 "코일"은 일반적으로 선형 액추에이터의 코일 권선 부분을 말한다. 용어 "솔레노이드 액추에이터"는 일반적으로 전체 액추에이터를 말하며, 유압, 전동, 및 공압 액추에이터들 등의 다른 형태들의 선형 액추에이터들과 구별될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "고정적으로 부착된(fixedly attached)" 및 "고정적으로 결합된(fixedly coupled)"이라는 용어들은 하나의 또는 양쪽 구성요소를 파괴 및/또는 손상시키지 않고 구성요소들이 서로 용이하게 분리되지 않을 수 있는 방식으로 결합되는 2개의 구성요소를 지칭한다. 고정 부착의 예시적인 양식들은 영구 접착제, 스티치들, 용접 또는 다른 열 본딩, 및/또는 다른 결합 기법들을 이용한 결합을 포함할 수 있다. 또한, 2개의 구성요소는, 예를 들어, 몰딩 프로세스에서 일체로 형성되는 것에 의해 "고정적으로 부착" 또는 "고정적으로 결합"될 수 있다. 대조적으로, 용어들 "제거가능하게 부착된" 또는 "제거가능하게 결합된"은 어느 하나의 구성요소를 파괴 및/또는 손상시키지 않고 구성요소들이 그 별개의 개별적인 형태들로 복귀하기 위해 서로 쉽게 분리될 수 있는 방식으로 결합된 2개의 구성요소를 말한다. 임시 부착의 예시적인 양식들은 메이팅-유형 연결들, 해제가능한 패스너들, 제거가능한 스티치들, 및/또는 다른 임시 결합 기법들을 포함할 수 있다.
달리 설명되지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 개시내용이 속하는 기술분야의 통상의 기술자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에 설명된 것들과 유사하거나 등가인 방법들 및 재료들이 본 개시내용의 실시 또는 테스트에 이용될 수 있지만, 적합한 방법들 및 재료들이 아래에 설명된다. 재료들, 방법들, 및 예들은 단지 예시적이고 제한하려는 것이 아니다. 본 개시내용의 다른 특징들은 상세한 설명, 요약서, 및 도면들로부터 명백하다.
예시적인 실시예들
참조를 위해, 도 1a 및 도 1b는 알려진 솔레노이드 또는 선형 액추에이터(100)의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 선형 액추에이터(100)는 코일(101) 및 플런저(108)를 포함하는데, 플런저(108)는 플런저(108)의 N극(109)이 솔레노이드의 N극(106)으로부터 멀어지도록 조준한 상태에서 그 길이를 통해 자화된 자석 또는 자화 물체이다. 이 위치에서, 플런저(108)는 전류원(103)에 의해 생성된 자기력(105)으로 인해 플런저(108)를 코일(101) 내로 끌어당길 수 있는 순 힘(112)을 겪는다. 회로(102)를 통한 그리고 코일(101)의 권선들을 통한 전류 흐름(104)의 방향은 코일의 극성(즉, N극(106) 및 S극(107)의 배향)을 결정한다. 이 경우, 플런저(108)는 코일(101)의 권선들의 제1 턴(111) 내에 놓인다. 권선(104a)은 코일(101)의 권선 방향을 나타내기 위해 코일의 다른 부분과 중첩된다. 스위치(116)는 코일을 통한 전류 흐름이 없다는 것을 보여주기 위해 개방 위치(116a)에 도시되어 있다. 플런저(108)의 중간점(110)은 전류가 흐를 때 플런저에 힘(112)이 가해지도록 하는 위치에 있다.
전술한 바와 같이, 스위치(117)를 닫으면 전류가 코일(101)로 흐를 수 있으며, 이는 플런저가 코일(108)의 중간점을 향해 당겨지도록 코일의 축을 따라 플런저(108)를 추진시키는 자기력을 생성한다. 이 예에서, 플런저(108)가 겪는 힘(112)은 솔레노이드의 자기장의 축을 따른 플런저의 위치에 의존한다. 플런저(108)에 대한 최대 힘은 플런저의 한쪽 단부가 (도 1a에 도시된 바와 같이) 코일(101)의 종단점에 있을 때 발생한다. 제로 순 힘의 평형점은 플런저(108)의 중간점(110)이 (도 1b에 도시된 바와 같이) 코일(101)의 중간점과 정렬될 때 발생한다. 이는 코일(101)의 중간점에 있을 때 플런저(108)의 N단과 S단에 동일한 반대의 자기력들이 동시에 작용하기 때문이다. 거리(115)는 코일(113)의 중심에서 끝나는 솔레노이드 액추에이터의 스트로크에 대응하며, 플런저(108)의 중심(110)의 원래 위치(110a)와 플런저(108)의 중심(110)의 최종 위치(113)에 의해 정의된다. 플런저가 위치(113)에 있을 때, 플런저(114)에 대한 힘은 거의 제로와 동일할 수 있다.
본 개시내용에 따른 솔레노이드 선형 액추에이터(200)의 하나의 예시적인 실시예가 도 2a 및 도 2b에 도시되어 있다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 솔레노이드 액추에이터(200)는 복수의 코일을 포함하고, 복수의 코일은, 자기력이 하나의 극을 향해 전치하게 할 수 있는 기하 구조로 배열된 그 권선들을 가지며, 직선/선형 이동 축을 따라 플런저(즉, 자화된 물체)(208)에 작용하도록 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 코일 기하 구조는 솔레노이드 액추에이터(200)의 한쪽 단부를 향해 그 반대쪽 단부에 비해 더 많은 권선들 또는 코일들(코일들(201, 202, 203))을 포함한다. 플런저 또는 자화된 물체(208)는 임시 또는 영구 자석, 강자성 재료, 또는 전기 소스에 연결된 다른 전자기 코일일 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 플런저(208)가 비선형 자기장 밀도에 의해 작용되어, 피크 자기장 밀도가 코일(101)의 중심에(즉, 코일의 경계들의 중심에) 위치되는, 도 1a 및 도 1b의 종래의 선형 액추에이터(100)에 비해 더 긴 작동 스트로크를 생성할 수 있는 한, 플런저(208)는 코일들의 상단에, 코일들 내에, 또는 이들의 조합에 위치될 수 있음을 이해할 것이다.
일부 실시예들에서, 자화된 물체(208)에 고정된 탄성 밴드 또는 스프링은 또한, 예를 들어 스트로크에 걸쳐 더 선형적인 힘들이 요구되는 경우와 같이, 유리한 것으로 간주되는 경우들 또는 조건들에서 플런저(208)에 추가적인 힘 소스를 생성하는데 이용될 수 있다. 다른 예에서, 추가적인 힘 또는 장력 소스는 플런저(208)가 전체 움직임 스트로크로 이동된 후에 전력이 후속하여 턴 오프되는 경우에 시작 위치로 복귀하게 할 수 있다. 이것은, 예를 들어, 응용이 극성을 반전시키는 옵션 없이 DC 소스에 연결되도록 설계되어 있는 선형 액추에이터를 필요로 하거나 구현하는 경우에 유리할 수 있는데, 그 이유는 이것이 시스템 내의 플런저가 (전력이 턴 오프되어 있을 때의 자기장으로 인한) 전방 이동들 및 (전력이 턴 오프되어 있을 때의 반대 방향으로 작용하는 장력으로 인한) 후방 이동들을 겪게 할 수 있기 때문이다. 더구나, 이러한 실시예들은 장력을 완전히는 아니지만 부분적으로 극복하여 솔레노이드 코일을 따르는 플런저의 위치를 제어 또는 변경할 수 있게 하기 위해 가변 전원이 이용될 때 유리할 수 있다.
도 2a를 다시 참조하면, 솔레노이드 액추에이터(100) 내의 플런저(208)는 비대칭 자속 밀도(B-필드(207)의 테이퍼링으로 도시됨)를 갖는다. 이 경우, 플런저(208)는 그 N극(209)이 코일의 반대 방향을 향하도록(즉, 코일로부터 멀어지도록) 배향된다. 코일(201)의 권선들은 선형 액추에이터(100)의 한쪽 단부(제1 단부)로부터 액추에이터의 반대쪽(제2) 단부까지 걸쳐 있다. 반대쪽 단부에서, 코일(201)은 제1 연결 와이어(201a)를 통해 제2 코일(202)의 권선들에 연결되는 곳에 연결될 수 있다. 그 다음, 제2 코일(202)은 제2 연결 와이어(202a)를 통해 제3 코일(203)의 권선들에 연결된다. 제2 코일(202)의 권선들은, 솔레노이드 액추에이터(200)의 한쪽 단부(예를 들어, 우측)를 향해 전치되는 자기장 밀도를 생성하도록 제1 코일(201)의 권선들의 일부 위에 감길 수 있다. 제3 코일(203)은 솔레노이드 액추에이터(200)의 한쪽 단부(예를 들어, 우측)를 향해 추가로 전치되는 자기장 밀도를 생성하도록 제2 코일(202)의 권선들의 일부 위에 감겨진다. 도 2a는 구체적으로, 전기 회로 상의 스위치(219)가 개방 위치(216)로부터 폐쇄를 향해 이동하여, 전류(204)가 지정된 방향(205)으로 솔레노이드 액추에이터(200) 내로 흐르게 하는 순간을 도시한다. 권선(203a)은 코일(201)의 권선 방향을 예시하기 위해 코일의 다른 부분과 중첩된다.
도 2b는 스위치(219)가 폐쇄 위치(217)로 이동된 후의 솔레노이드 액추에이터(200)를 도시한다. 스위치(219)가 폐쇄 위치(217)에 있을 때, 플런저(208)는 거리(215)의 스트로크를 이동시켰는데, 이 거리(215)는 코일들(101 및 201)이 동일하거나 유사한 길이를 가질 때의 도 1b에 도시된 솔레노이드 액추에이터(100)의 스트로크 거리(115)보다 크다. 도 2b에 도시된 이 스트로크 거리(215)는 플런저(208)의 중간점이 초기 위치(210a)로부터 정지 위치(210)로 이동하는 것을 나타내고, 정지 위치는 솔레노이드 액추에이터(200)의 코일들(201, 202, 203)을 따른 피크 자속 밀도와 밀접하게 대응한다. 전위 B 장(207)은 스위치(207)가 폐쇄될 때 생성되거나 나타날 수 있다.
플런저(208)가 정지 상태로 유지될 때, 코일들(201, 202, 203)은 솔레노이드 액추에이터(200) 시스템에서 힘을 겪을 수 있다. 코일들(201, 202, 203) 중 하나 이상의 극성이 반전될 때, 솔레노이드 액추에이터 내의 다른 구성요소들에 대한 반전된 코일의 작용에 의해 생성된 힘들은 반전될 수 있다. 각각의 제각기의 코일(201, 202, 203) 내의 권선들의 수 및 각각의 코일(201, 202, 203)로의 전력 흐름은 솔레노이드 액추에이터(200) 내의 플런저(208)의 위치를 결정할 수 있다. 따라서, 이 실시예는, 특히 코일들이 (후술하는 도 6의 실시예에서와 같이) 하나의 회로에서 함께 결합되기 보다는 개별적으로 전력이 공급될 때, 예를 들어, (도 14를 참조하여 후술하는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 같은) 제어기 장치 등을 이용하여 플런저(208)의 가변 또는 조절가능한 위치 제어를 가능하게 할 수 있다. 스위치(216b)의 폐쇄에 의해 발생되는 생성된 B 장(207a)이 도 2b에 도시되어 있다.
도 2a 및 도 2b에 도시된 것들과 같은 코일들의 구성은 코일의 권선들의 수에서의 계조를 변경함으로써 달성될 수 있다. 권선들의 하나의 층의 계조는 이전 층보다 적어도 3개 더 적은(-3) 권선들을 가질 수 있다. 즉, 각각의 연속적인 층의 권선 카운트는 이전 층보다 적어도 3개 더 적은 턴들을 가질 수 있다. 각각의 연속적인 층은 코일의 프로파일이 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 유사하도록 한쪽 단부를 향해 변위될 수 있으며, 즉 솔레노이드의 프로파일은 대부분의 권선이 솔레노이드의 한쪽 단부에 집결되거나 그를 향해 분포되고 다른 쪽 단부 상에는 비교적 적다는 것을 나타낸다. 대안적인 실시예들에서, 코일 또는 권선은 와이어의 개별 스풀을 가질 수 있고, 각각의 스풀은 상이한 턴 카운트를 갖고, 여기서 더 많은 수의 턴 카운트는 한쪽 단부를 향해 전치하고, 권선들의 프로파일이 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 유사한 형태를 취하는 방식으로 와이어의 다음 스풀에 전기적으로 연결된다. 와이어의 스풀들은 이들 사이에 최소 거리(예를 들어, 와이어의 스풀들 사이에 1mm 간격)를 두고 이격될 수 있다. 전술한 바와 같이, 와이어의 각각의 인접한 스풀 사이에 권선들의 3개의 턴의 최소 차이가 있을 수 있다.
비대칭 플럭스 밀도를 선형 액추에이터에 가하는 것은, 코일 내의 권선들의 수 및/또는 그들 각각의 회로를 통한 전력 흐름에 기반하여 플런저의 정지점의 예측 또는 제어를 가능하게 할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예컨대, 솔레노이드 액추에이터의 스트로크를 따른 플런저에 대한 힘 및/또는 플런저의 정지 위치는 시스템 내의 하나 이상의 파라미터(예컨대, 전력 흐름 등)가 변경됨에 따라 추가적인 예측가능성 및 정밀화를 가능하게 하는 수학적 분석을 이용하여 계산될 수 있다. 또한, (회로의 브랜치의 전력과 플런저에 작용하는 코일의 극성에서의 차이들의 제어를 통한) 가변 위치 제어로 솔레노이드 액추에이터에 전력을 공급하기 위한 본 명세서에 개시된 장치 및 방법들은, 오퍼레이터 또는 제어 보드가 (종래의 솔레노이드 액추에이터를 이용하여) 이전에, 예를 들어, 유압, 공압, 및/또는 3상 선형 모터를 포함한 다소 복잡한 제어기를 요구했던 액션들을 수행하는 것을 허용하거나 가능하게 한다. 또한, 종래의 솔레노이드 액추에이터는 통상적으로 단일 액션(예를 들어, 제1 방향으로의 플런저의 이동)만을 수행할 수 있고, 모든 후속 액션(예를 들어, 반대쪽 제2 방향으로의 플런저의 이동)은 플런저를 최고 힘 생성 지점으로 복귀시키기 위해 복귀 스프링 또는 다른 메커니즘을 요구할 수 있다. 이 실시예는 플런저의 스트로크를 따라 (예컨대, 도 2a에 도시된 테이퍼링 B-장(207)과 같은) 비대칭 자기장 밀도를 포함시킴으로써 플런저의 위치의 완전한 전기 제어를 가능하게 할 수 있는 하나의 구성 또는 전략을 도시한다.
일부 실시예들에서, 액추에이터는 자유로이 턴 온 또는 턴 오프될 수 있는 복수의 중첩하는 코일을 포함할 수 있다. 이와 같이, 코일은 비선형 방식으로 시스템에 힘을 도입할 수 있고, 이에 의해 액추에이터를 이용하는 주어진 장치가 복수의 힘 프로파일을 생성할 수 있게 하고, 복수의 힘 프로파일 각각은 선택된 위치에서 움직이고 있는 물체 또는 플런저의 중심을 맞추는 경향이 있을 수 있고 물체 또는 플런저에 작용하는 상이한 힘을 발생시킬 수 있다. 복수의 코일이 존재하고 개별적으로 작동되는 경우, 도 6에 도시되고 이하에서 논의되는 바와 같이, 힘들에 대한 다양한 프로파일들이 이용가능할 수 있다.
도 6은 솔레노이드 액추에이터(600)가 자기장 비대칭의 생성을 돕기 위해 상이한 턴 카운트와 직경의 코일들로 구성되어, 플런저의 스트로크를 길게 할 수 있는 다른 실시예를 보여준다. 솔레노이드 액추에이터(600)와는 달리, 이 실시예의 코일들(601a, 602a, 603a) 각각은 별개의 전력 스위치(610, 611, 612)를 각각 갖는 별개의 회로들(601, 602, 603) 상의 별개의 전원들에 각각 연결된다. 최내측 코일(601a)은 솔레노이드 액추에이터(600)의 전체 길이를 신장시키고, 격리되어 턴 온될 때, 코일(601a)은 플런저(608)를 코일(601a)의 중심점으로 끌어당길 수 있다. 더 짧은 제2 코일(602a)은 제1 코일(601a)의 부분 또는 섹션의 상단 위에 감겨질 수 있어서, 액추에이터(600)의 한쪽 측면 또는 단부(예를 들어, 우측)를 향해 변위되거나 위치된다. 제3 코일(603a)은 제2 코일(602a) 위에 감기고, 액추에이터의 한쪽 측면 또는 단부(예를 들어, 우측)를 향해 유사하게 변위되거나 위치된다. 전류들(I1, I2, I3)이 각각 코일들(601a, 602a, 603a) 각각에 인가될 수 있다. 전류들(I1, I2, I3)이 동일하고, 각각의 회로가 코일들(601a, 602a, 603a)을 통해 흐르는 전력을 가질 때, 피크 자기장 밀도가 예를 들어 코일(601a)의 중심으로부터 솔레노이드 액추에이터의 한쪽 단부를 향해 변위되게 할 수 있는 방식으로 자기장이 생성되며, 따라서 플런저(608)는 (예를 들어, 도 1에 도시된 솔레노이드 액추에이터(100)와 같은) 종래의 솔레노이드 액추에이터에 비해 솔레노이드 액추에이터의 단부를 향해 더 가까운 위치로 이동될 수 있다. 또한, 전원들(601, 602, 603) 중 하나 이상을 통한 극성이 반전되면, 플런저(608)는 솔레노이드 액추에이터(600)의 반대쪽 단부에서 평형이 될 수 있다.
추가적인 또는 대안적인 실시예들에서, 불균일한 자기장 경사를 생성하도록 구성된 솔레노이드 액추에이터 또는 선형 모터는 (도 6의 실시예에서와 같이) 상이한 회로들에 의해 공급되는 복수의 공선형의 코일들을 포함할 수 있으며, 위치 센서는 플런저를 뒤로 움직이게 당기는 힘을 감소시키기 위해 물체가 그것들을 통과할 때 회로들이 스위치 오프되는 것을 허용할 수 있다. 또한, 회로는 예컨대 가중 물체가 플런저에 연결되고 그 위치가 일정하게 유지되도록 의도될 때와 같이 플런저가 그렇게 하는 것이 바람직한 상황 하에서 플런저의 후방 이동에 저항하기 위해 이들의 극성을 변경하도록 (예컨대, 도 14를 참조하여 후술하는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 같은 제어기 장치를 이용하여) 제어될 수 있다. 구현들에서, 교번 극성으로 변경되는 코일은 이들 각각의 자기장에서 상쇄 간섭을 제한하기 위해 플런저에 여전히 작용하고 있는 코일에 바로 이웃하지 않는 코일일 수 있다.
다른 예시적인 실시예에서, 솔레노이드 액추에이터(300)가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 솔레노이드 액추에이터(300)는 코일들 각각 사이에 배치된 갭을 갖는 공통 중심 축(309)을 따라 종단간 선형으로 배열된 복수의 코일(301, 302, 303)을 포함한다. 즉, 솔레노이드 액추에이터(300)는 공통 축을 따라 배열된 복수의 비중첩 코일(코일들(301, 302, 303))을 포함한다. 일부 예들에서, 코일들(301, 302, 303)은 서로 아주 근접해 있고, 예를 들어, 선형 축을 따라 1mm의 거리만큼 분리되어 있다. 일부 예들에서, 코일들(301, 302, 303) 각각은 코일에서의 상이한 턴 카운트들 및/또는 코일의 상이한 직경들을 가질 수 있지만, 다른 예들에서, 코일들은 유사하거나 동일한 수의 턴들 및/또는 유사하거나 동일한 직경들을 가질 수 있다.
도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 코일들(301, 302, 303) 각각은 각각의 코일에 대한 전류가 개별적으로 제어될 수 있고 전류들(I1, I2, I3)이 코일들 사이에서 선택적으로 상이할 수 있도록 (각각) 별개의 회로들(304, 305, 306)에 연결될 수 있다. 따라서, 공통 축(309)을 따른 플럭스 밀도들은 플런저(308)에 대한 원하는 이동 방향을 생성하도록 바이어싱되는(즉, 솔레노이드 액추에이터(300)의 제1 단부 또는 제2 반대쪽 단부를 향해 바이어싱되는) 전치된 자속 밀도로 축을 따라 불연속적으로(즉, 가변적으로) 될 수 있다. 코일들(301, 302, 303)의 근접성으로 인해, 자기장은 공통 축에 걸쳐 있고, 코일들(301, 302, 303)은, 예를 들어, 복수의 더 작은 영구 자석들이 더 큰 영구 자석의 장과 유사한 장을 생성하도록 적층될 수 있는 방식과 유사한 방식으로, 단일 전자석으로서 작용할 수 있다. 각각의 코일(301, 302, 303)로의 전력 흐름은 펄스 폭 변조의 적용을 통해 변경될 수 있다. 도 3a에서, 스위치들은 개방 위치(311a, 311b, 311c)에 있고, 따라서 전위 B 장(309)은 아직 활성이 아니다.
솔레노이드 액추에이터(300)를 이용하면, 공통 축을 따라 배열된 코일들(301, 302, 303)은, 예를 들어, 플런저와 동일한 위치에서 비교적 약한 자기장을 생성하고 플런저가 축(309)을 따라 이동함에 따라 플런저의 전방에서 비교적 강한 자기장을 생성함으로써 플런저(308)가 움직이게 하는 힘을 유지하는 방식으로 선택적으로 스위치 온 및 오프될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 일부 예들에서, 플런저에 추가적인 가속력을 제공하기 위해 뒤에서부터 이동하는 플런저(308)에 척력이 작용하도록 자기장이 생성될 수 있다. 이는 또한, 플런저가 최대 가속력을 경험하고 있는 경우, 스폿으로부터 미끄러져 나오거나 오정렬되도록 가속할 때 플런저의 경향을 감소시키는데 효과적일 수 있다. 또한, 축을 따라 플런저의 위치를 검출하도록 구성된 센서는 코일들(301, 302, 303)에 대한 회로들(304, 305, 306)을 스위칭하는 적절한 타이밍에 이용될 수 있다. 각각의 개별 코일로의 전력 흐름을 제어함으로써, 다른 코일들에 비해 더 많은 권선 및/또는 더 많은 전력을 갖는 코일에 의해 플런저가 가장 강하게 작용되는 축을 따른 위치 제어의 조건을 생성하는 것이 가능하다. 즉, 코일들(301, 302, 303) 중 개별 코일들을 선택적으로 턴 온 및 턴 오프함으로써, 활성 전력 흐름을 갖는 코일들만이 플런저(308)에 작용하여, 예를 들어, 제어기 장치(예를 들어, 도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410))를 이용하여 위치 제어의 미세 조율을 허용한다. 코일들(301, 302, 303)은 플런저(308)가 권선들 내에 배치되고 (도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이) 공통 축(309)과 정렬되는 동안 플런저(308)에 작용할 수 있거나, 또는 플런저(물체)가 자화되거나 또는 자화될 수 있는 한, 솔레노이드 액추에이터(300)는 코일들 밖에서(예를 들어, 코일의 상단을 따라) 이동하고 있는 플런저와 유사하게 기능할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
도 3a는 각각의 회로 상의 스위치들(312, 313, 314)이 개방 위치(311)로부터 폐쇄 위치를 향해 이동하는 순간에 코일들(301, 302, 303)(각각은 별개의 회로 상에 있음)에 의해 플런저(308)가 작용되고 있는 실시예를 구체적으로 도시한다. 전류(307)는 각각의 회로들(304, 305, 306)을 통해 흐르므로 코일들(301, 302, 303)을 통해 흐른다. 3개의 코일(301, 302, 303)은 갭(309)에 의해 분리되고, 그 각각은 (예를 들어, 회로(306)에서 흐르는 전류(I1)가 회로(305)에서 흐르는 전류(I2)보다 크고, 전류(I2)가 회로(304)에서 흐르는 전류(I3)보다 크도록) 상이한 전류 레벨들을 가질 수 있다. 이러한 상이한 전류 레벨들은 비대칭 플럭스 밀도(316)를 생성할 수 있고, 이에 의해 솔레노이드 액추에이터(100)와 같은 종래의 솔레노이드 액추에이터들에 비해 솔레노이드 액추에이터(300)의 스트로크를 길게 한다.
도 3b는 각각의 회로들(304, 305, 306) 상의 스위치들(312, 313, 314)이 폐쇄 위치(312)로 이동된 후의 솔레노이드 액추에이터(300)를 도시한다. 위치(310a)는 스위치들의 폐쇄 전의 플런저의 중간점의 위치에 대응하는 반면, 위치(310)는 스트로크 거리(315)를 정의하는, 스위치들의 폐쇄 후의 플런저(308)의 중간점의 위치에 대응한다. 위에서 언급한 바와 같이, 스트로크 거리(315)는, 예를 들어, 솔레노이드 액추에이터(300)의 우측을 향해 전치하는 비대칭 자속 밀도에 의해 (솔레노이드 액추에이터(100)와 같은) 종래의 솔레노이드 선형 액추에이터의 것보다 크다. 권선(307a)은 코일(301)의 권선 방향을 예시하기 위해 코일의 일부와 중첩된다. 스위치들은 도 3b에서 폐쇄 위치(312a, 312b, 312c)로 도시되어 있으며, 따라서 활성 B 장(309)이 생성되어 플런저(308)에 작용할 수 있다.
3개의 코일 및 회로가 도 3a 및 도 3b의 실시예에 예시되지만, 대안적인 실시예들에서, 솔레노이드 액추에이터는 더 많거나 더 적은 코일들 및 회로들(예를 들어, 2개 또는 4개 이상의 코일 및 회로)을 포함할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 추가적으로, 실시예들에서, 회로들은 예를 들어 회로 제어기, 또는 각각의 회로들 사이에서 상이한 장 경사들을 생성하고, 따라서 B-장의 플럭스 밀도에서의 경사를 상이하게 하거나 생성하기 위한 다른 메커니즘에 연결될 수 있다.
실시예들에서, (도 6a 및 도 6b의 실시예들에서와 같이) 복수의 코일 및 회로를 포함하는 솔레노이드 액추에이터들뿐만 아니라 불균일한 자기장들을 도입하기 위한 연관된 방법들은, 플런저 뒤에 있는 코일들이 플런저가 코일들을 지나 이동함에 따라 턴 오프된다면 더욱 효율적으로 될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 플런저 앞의 코일을 통해 플런저 앞에 불균일한 자기장이 생성될 수 있지만, 플런저가 이미 통과한 장은 주어진 코일 또는 코일 세트에 대해 훨씬 더 큰 이동 스트로크를 낳도록 더 이상 활성이 아니다. 복수의 코일이 이용되고 단일 축을 따라 스위치 온 및 오프되는 경우, 코일들은 이동하는 플런저가 주어진 코일의 장 내로 들어갈 때 전력 흐름을 능동적으로 감소시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 플런저가 축을 따라 이동함에 따라 각각의 연속적인 회로에서의 전력 레벨이 연속적으로 증가할 필요가 없다. 오히려, 플런저 바로 앞의 코일의 전력 레벨이 이동하는 플런저 바로 뒤의 코일보다 높은 플럭스를 유지함으로써 이동 방향에서 양의 플럭스 경사를 유지하는 한, 플런저의 이동이 계속될 수 있다. 구현들에서, 불균일한 장은 작동이 발생하는 축이 원통형 물체 주위에 나사와 같은 형태의 방식으로 배향될 수 있다. 이 구현은 작동 길이를 희생하여 원통의 중심 축을 따라 더 많은 토크가 전개되는 것을 허용할 수 있다.
실시예들에서, 플런저의 중단 또는 감속을 위해, 이동하는 플런저 뒤에 위치한 코일들 각각은 플런저가 코일들을 지나 이동함에 따라 턴 온될 수 있으며, 이로써 플런저를 그 운동량의 반대 방향으로 끌어당기고 플런저가 감속하거나 그 이동을 정지시키게 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 액추에이터의 한쪽 단부를 향해 전치하는 불균일한 자기장 분포를 생성하도록 구성된 솔레노이드 액추에이터의 이동 축을 따른 움직임에 대한 저항을 위한 요소들을 포함하거나 그 전략들 및 방법들을 이용할 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시예들은 주어진 전력 입력 또는 전력 입력의 시간 기간 동안 저항에 대해 작용하는 이동들을 발생시키는 방법을 가능하게 할 수 있으며, 이는 플런저의 위치의 작은 또는 특정한 변화가 요구될 때 유리할 수 있다. 예컨대, 저항의 소스가 플런저와 시스템 내의 고정 물체 사이의 장력 또는 압축의 소스일 때, 이동하는 플런저는 전력 입력 또는 전력 입력의 지속기간에 대한 변위를 가질 수 있다. 또한, 플런저는 코일 및 회로에 대한 전력이 턴 오프될 때 통상의 탄성 수단을 통해 장력 또는 압축을 최소화하는 위치로 복귀할 수 있다. 다른 예에서, 이동하는데 전력이 필요한 질량 또는 물체를 가진 하중이 플런저에 부착될 수 있다. 이어서, 플런저 이동의 저항 손실을 극복하면, 질량이 첨부된 플런저가 고유하게 움직임에 대한 그 자신의 관성 및 기계적 저항을 생성할 수 있기 때문에, (이전 예에서와 같이) 의도적으로 채용된 기계적 또는 탄성 저항을 대신할 수 있다. 이것은 도식적으로 도 2a 및 도 2b의 실시예들에서와 동일한 형태를 취할 수 있다.
실시예들에서, 불균일한 자기장을 갖는 솔레노이드 액추에이터(또는 선형 모터) 내의 2개 이상의 코일은, 하나 이상의 코일에 대한 전력 입력의 레벨 또는 전력 입력의 시간 간격의 작은 변화가 액추에이터 또는 모터의 플런저의 위치의 대응하는 변화를 야기할 수 있도록, (예를 들어, 입력 전력의 반대 극성 및/또는 반대로 감긴 코일 방향을 가짐으로써) 이러한 예들에서 플런저를 반대 방향으로 가속시키도록 작용할 수 있다. 이것의 예가 도 8a 및 도 8b의 실시예들에서 예시된다.
실시예들에서, 본 명세서에 개시된 예시적인 솔레노이드 액추에이터들은 한쪽 단부 액추에이터를 향해 전치하는 불균일한 자기장 분포 내의 이동 코일 시스템, 이동 자석 시스템, 또는 이들의 조합 중 임의의 것을 가질 수 있다. 예를 들어, 코일은 통상의 장 분포를 가질 수 있거나, 플런저 내의 영구 자석 소스에 작용할 때 불균일한 자기장을 생성하도록 설계될 수 있으며, 그 자체는 예를 들어 영구 자석이 도 7a 및 도 7b의 실시예들에서 그러할 때 불균일한 자기장을 생성한다. 대안적으로, 이러한 영구 자석 또는 전자기 코일 중 2개는, 이들이 플런저에 대해 생성하는 힘이 반대일 수 있거나(즉, 도 8의 실시예에서 발생할 수 있는 것과 유사한 푸시 풀 토폴로지(push pull topology)) 또는 힘이 가산적일 수 있는(즉, 동일한 방향으로 작용하는) 방식으로 시스템에서 플런저에 작용할 수 있다. 하나의 구성요소가 정지 상태로 유지될 때, 다른 구성요소는 각각의 제각기의 극성들에 따라 최고 플럭스 밀도의 지점을 향해 또는 그로부터 멀어지도록 이동하게 된다. 작은 코일은, 예를 들어, 큰 영구 자석 세트에 작용하여 그 내부에서 이동하는 영구 자기 플런저의 길이에 대해 넓은 스트로크를 생성할 수 있다. 이 스트로크는 그것에 작용하는 전자기 코일의 길이의 여러 배(예를 들어, 2-5배)일 수 있다. 이 예에서, 플런저 내의 영구 자석들은 다양한 길이의 자석들 사이에 분리가 있도록 배열 또는 부착될 수 있다.
이러한 실시예들은 또한, 예를 들어, 자석들의 계속적인 가속이 가능한 선형 모터의 생성을 가능하게 할 수 있다. 이런 형태의 선형 모터가 플런저에 부착된 하중을 운반하고 있을 때, 하중과 플런저는 일련의 정렬된 코일 아래로 가속될 수 있다. 하중 및 플런저가 원하는 위치에 도달할 때, 불균일한 자기장 경사는 하중 및 플런저에 작용하는 코일의 극성을 반전시킴으로써 움직이고 있는 플런저를 점차적으로 감속시키는데 이용될 수 있다. 실시예들에서, 그들 자체가 그 중심 축을 따라 불균일한 자기장 경사를 갖는 코일들을 이용하여 더 매끄러운 감속이 달성될 수 있다. 실시예들에서, 현재 이동 방향에 대해 반대 방향으로 움직이고 있는 플런저의 피크 자기장 밀도를 끌어당기도록 한 번에 코일들이 턴 온될 때 감속이 또한 달성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 실시예들에서, 플런저에 대한 척력 작용 또는 힘은 플런저 앞의 코일로부터 플런저의 이동 방향으로 움직인다. 따라서, 이러한 형태의 선형 솔레노이드 액추에이터 또는 모터로 가속 및 감속 양쪽 모두의 방법이 가능해질 수 있다. 선택적으로, 솔레노이드 액추에이터는 위치 피드백 메커니즘 또는 위치 센서(들) 및 플런저의 위치에 기반하여 각각의 코일로의 전력 흐름을 턴 온 및 턴 오프하여 (도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 것들과 같이) 그 가속 또는 감속을 선택적으로 발생시킬 수 있는 제어기를 추가로 포함하거나, 또는 이들과 통신하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 위치 유지 또는 제어는 플런저에 작용하는 코일이 턴 오프되지 않고 대신에 지속적인 전력 흐름을 낮게 유지할 때 가능할 수 있다. 도식적으로, 이러한 셋업은 도 2a 및 도 2b에 도시된 실시예들과 유사한 형태를 취할 수 있으며, 여기서 유사한 구성의 복수의 액추에이터가 각각의 제각기의 액추에이터 사이에 예를 들어 1mm의 간격을 갖는 단일 이동 축 상에 있을 수 있다.
불균일한 자기장을 갖는 공선형 솔레노이드 액추에이터 또는 선형 모터에 의해 작용되는 2개 이상의 플런저는 강성 또는 반강성 부재를 이용하여 연결될 수 있으며, 이는 도 9의 실시예에 예시된 바와 같이 더 높은 총 힘 생성을 낳을 수 있다. 솔레노이드 액추에이터들을 구동하는 불균일한 자기장들의 소스들 각각 사이의 거리는 생성된 자기장들에 최소의 간섭이 존재하도록 될 수 있다. 공선형 액추에이터들 또는 모터들 중 하나 이상은 극성의 반전을 위해 구성될 수 있고, 그에 대한 전력 흐름을 조정하기 위한 메커니즘을 포함할 수 있다. 이는 솔레노이드 액추에이터의 플런저를 연결하는 강성 또는 반강성 부재 상의 반작용력의 생성을 가능하게 하고, 플런저의 스트로크 경로를 따른 다양한 위치가 도달되고 유지되게 할 수 있다. 구체적으로, 도 9의 예시적인 실시예에서, 강성 또는 반강성 부재(901)는 솔레노이드 액추에이터(900) 내의 플런저들로서 작용할 수 있는 2개의 영구 자석(903)을 연결하기 위해 2개의 엘보우(elbow)(902)로 분할된다. 2개의 코일(904 및 905)은, 코일(904)이 코일(905)에 대해 반대 방향을 향하고 있는 것으로 예시된 바와 같이, 반대쪽 단부들을 향해 전치하는 비균질 자기장을 생성하도록 구성된다. 이들 2개의 코일(904 및 905)에 동시에 전력이 인가되면, 플런저(903)는 모두 반대 방향으로 작용할 수 있는 힘을 받는다. 코일들 각각에서의 평균 전력이 변경됨에 따라, 2개의 플런저의 위치가 변경되거나 바뀔 수 있다. 2개의 코일(904 및 905)이 동일한 방향으로 작용하는 플런저(903)에 힘을 가할 때 주어진 방향에서의 최대 힘이 달성된다. 또한, 임의의 수의 코일 및 플런저가 이러한 방식으로 작동 전력을 증가시키는 추가 이점과 함께 연결될 수 있다. 이는 예컨대 추가적인 솔레노이드 코일(들)과 플런저(들)가 시스템 내의 다른 코일과 플런저에 대해 코일이나 플런저의 변위된 위치를 갖는 시스템에 추가될 때 넓은 스트로크에 대해 정밀한 제어가 요구되는 실시예 또는 응용에서 특히 유리할 수 있다. 이들 추가적인 구성요소들은 플런저들이 이들에 작용하는 힘들이 무시될 수 있는 그 스트로크의 단부에 있는 동안 이들의 연결 부재(예를 들어, 강성 또는 반강성 부재(901))를 통해 플런저들에 힘들이 가해지도록 할 수 있다.
추가적인 또는 대안적인 실시예들에서, 불균일한 자기장 경사를 생성하도록 구성된 솔레노이드 액추에이터 또는 선형 모터는 반대 방향들로 작용하도록 구성된 적어도 2개의 코일을 가질 수 있고, 코일들 중 적어도 하나는 위치 제어용 전력 완화를 위한 메커니즘을 갖는 회로에 연결된다. 추가적으로, 실시예들에서, 전력 흐름을 선택적으로 턴 오프하고 액추에이터의 다른 코일(들)이 플런저에 작용하는 것을 인계받을 수 있게 하기 위해 전자기 코일들에 연결된 회로들 각각에 온/오프 스위치가 포함될 수 있다. 2개 이상의 반작용 코일이 솔레노이드 액추에이터에서 이용될 때, 이러한 스위치들은 (예를 들어, 개별 회로들을 턴 오프시키는 것을 통해) 선형 경로를 따른 각각의 방향으로의 이동의 전체 스트로크 또는 거의 전체 스트로크를 허용할 수 있을 뿐만 아니라, (예를 들어, 도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410) 등의 제어기에 의해 제어되는 개별 회로들에 대한 전력 흐름 제어를 통해) 작은 증분적 이동들의 별개의 액션들을 수행하는 능력을 가능하게 할 수 있다. 이것의 예가 도 8a 및 도 8b의 실시예에 도시된다.
추가적인 또는 대안적인 실시예들에서, 전자기 스프링은 코일이 그 각각의 단부에서 더 많은 수의 권선을 가질 때 형성될 수 있다. 이러한 코일 기하 구조는 양극성 불균일한 자기장을 생성할 수 있으며, 이는 플런저가 코일의 중간점으로부터 벗어날 때 더 강한 자기력이 플런저에 작용하게 할 수 있다. 종단점들 중 어느 하나에 있을 때, (자기, 강자성 또는 전자기 물체일 수 있는) 움직이고 있는 플런저는 강제로 방향을 바꿀 수 있다. 플런저는 그 운동량을 저지한 다음 플런저를 중간점으로 복귀시키는 힘을 받을 수 있다. 솔레노이드 액추에이터 내의 코일의 단부들을 향한 장착력들은 이것이 종래의 솔레노이드 액추에이터에 비해 더 효과적인 방식으로 수행되게 할 수 있다. 플런저는 자신을 존재하는 자기 평형으로부터 코일의 중간점을 향해 끌어당기는 복귀력을 경험할 수 있을 뿐만 아니라, 플런저는 불균일한 자기장에 의해서도 작용될 수 있으며, 그 자체가 전자기 시스템에서 움직임을 야기할 수 있다. 복수의 코일의 반대쪽 단부들에서 코일들에 더 큰 전류 밀도가 인가될 때 (도 3a 및 도 3b에 도시된 솔레노이드 액추에이터(300)와 같이) 유사한 축 상에 정렬된 복수의 코일을 포함하는 액추에이터 실시예를 통해 유사한 결과가 달성될 수 있다는 것을 알 것이다. 이것의 예시적인 실시예는, 2개의 회로가 양쪽 코일 세트에 의해 생성된 장이 가산되도록 하나의 전원에 의해 결합될 수 있다는 것을 제외하고는, 도 8a 및 도 8b의 실시예와 거의 동일할 수 있다.
전술한 바와 같이, 실시예들에서, 코일은 하나 이상의 인접한 코일을 가질 수 있으며, 이 코일은 또한 상이한 전력 레벨을 코일에 인가함으로써 플런저(예컨대, 자기 또는 상자성 물체 또는 물체들)에 대한 그 각각의 영향을 변경할 수 있는 그를 통한 전력 흐름을 갖는다. 그러나, 대안적인 실시예들에서, 복수의 코일을 갖는 선형 모터 또는 솔레노이드 액추에이터 내의 플런저의 위치를 제어하는 더욱 잠재적으로 보다 비용-효과적인 방법은 솔레노이드 액추에이터의 한쪽 단부를 향해 증가하는 수의 권선 및/또는 코일을 갖거나 솔레노이드 액추에이터의 한쪽 단부를 향해 증가하는 전력 흐름을 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 예를 들어 배터리 및 전위차계와 같은 가변 전력 소스들은 시스템 내의 플런저가 가변 양의 인력 또는 척력을 갖게 할 수 있으며, 이는 새로운 위치로의 이동을 구동할 수 있다. 솔레노이드 액추에이터의 자동화된 제어는, 예를 들어, 전위차계에 모터를 부착하고 모터의 위치의 증분적 변화를 야기할 수 있는 (도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 같은) 컴퓨터화된 제어기로부터 모터를 구동함으로써 이루어질 수 있다. 구현들에서, 상이한 정격 전력의 별개의 배터리들이, 컴퓨터화된 제어기를 이용하여 제어될 수 있는 스위치들로 회로(들)에 연결될 수 있다. 펄스 폭 변조와 같은 다른 유형들의 가변 전원들 및 방법들이 본 명세서에 개시된 액추에이터들과 조합하여 이용될 수 있으며, 본 개시내용은 위의 예들에 제한되지 않는다는 것이 이해될 것이다. 이러한 유형의 액추에이터의 예가 도 8a 및 도 8b의 실시예에 도시되어 있다.
실시예들에서, 자속 분포에 비선형성을 추가하기 위해, 코일의 코어의 재료가 변경될 수 있다. 코일의 코어는 코일의 인덕턴스를 증가시키는 재료를 포함할 수 있다. 이 재료는 다른 것들보다 더 많이 코일 내의 일부 권선들의 인덕턴스에 영향을 주는데 이용될 수 있다. 예를 들어, 스트로크를 따라 불균일한 자기장을 포함하는 솔레노이드 액추에이터가 서로 작용하는 2개 이상의 전자기 코일로 구성될 때, 그 코일은 종래의 솔레노이드 액추에이터 내의 코일과 구성이 유사하지만, 권선의 다른 것에 비해 몇몇 권선의 인덕턴스를 증가시키기 위해 재료(이는 예를 들어, 강자성일 수 있음)를 포함하는 권선의 섹션 내에 코어 조성을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 코일은 코일의 반대쪽 단부에서의 권선들에 비해 코일의 한쪽 단부에서의 권선들에서 더 많은 유도성 재료를 갖도록 구성될 수 있다. 이러한 구성은 코일의 스트로크 길이를 증가시키기 위해 코일의 한쪽 측면(즉, 유도성 코어를 갖는 코일의 측면)을 향한 비선형성을 증가시킬 수 있다.
예시적인 예에서, 원통형 장부촉은 반대쪽 단부에 비해 한쪽 단부에 더 많은 볼륨을 남기는 방식으로 중공화될 수 있다. 중공형 공간은, 예를 들어 페라이트 분말 등의, 근처의 권선의 인덕턴스에 영향을 줄 수 있는 재료로 채워질 수 있다. 이어서, 코일이 장부촉의 상단에 감길 수 있다. 따라서, 코일은 상이한 코일 기하 구조들 또는 복수의 회로의 이용 없이 그 길이를 따라 비대칭 플럭스 밀도를 유지하도록 구성될 수 있다. 실시예들에서, 이러한 구성을 갖는 코어들을 갖춘 1차 코일은, 1차 코일이 정지 상태로 유지되는 동안 (1차 코일의 상단과 같은) 그들 외부로 이동하는 별개의 2차 코일을 가질 수 있다. 이러한 코일들은 또한 솔레노이드 액추에이터의 스트로크 거리를 추가로 증가시키기 위해 비대칭 플럭스 밀도를 갖는 자기장을 생성할 수 있다. 또한, 실시예들에서, 그 길이에 걸쳐 변하는 플럭스 밀도를 생성하거나 생성하지 않을 수 있는 코일 및/또는 자석은, 솔레노이드 액추에이터를 통한 움직이고 있는 물체(플런저)의 이동의 스트로크를 증가시키기 위하여 그 자체가 불균일한 자기장 밀도를 생성하는 다른 코일 또는 자석에 의해 작용될 수 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 원통형 코일 코어(1001)는 볼륨이 중공화된 그 일부(1002)를 갖고 코어의 나머지와 상이한 자기 투자율의 재료로 채워진다(빗금으로 도시된다). 이어서, 전체 코어(1000)를 이용하여 코일을 감을 수 있다. 실시예들에서, 코일은 원통(1000)의 길이에 걸쳐 변화하는 자기 투자율로 인해 비균질 자기장을 생성할 수 있다. 이 자기장은 이어서, 코어(1000) 상에 감싸지는 코일의 길이를 따라 이동하도록 링 형상일 수 있는, 영구 자석에 의해 작용될 수 있다. 코일 및 코어는 또한 그에 작용하는 다른 자기장 소스가 정지 상태로 유지될 때의 액추에이터 시스템 내의 플런저일 수 있다. 따라서, 이와 같은 코어에 감싸진 코일은 도 2a에 도시된 것과 같은 다른 실시예들로부터 생성된 자기장과 같은 많은 방식으로 작용한다.
다른 실시예에서, 솔레노이드 액추에이터는 자동변압기와 유사하게 그 길이를 따라 복수의 탭을 가질 수 있다. 전술한 솔레노이드 액추에이터는, (도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 같은) 제어기 및 전원과 함께 이용되어 솔레노이드 액추에이터의 하나 이상의 코일에서의 스트로크를 증가시킬 목적으로 불균일한 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 코일의 제1 단부는 제1 배터리의 음극 단자에 연결될 수 있고, 코일의 제2 반대쪽 단부는 배터리가 코일의 길이에 전력을 공급하도록 제1 배터리의 양극 단자에 연결될 수 있다. 제1 탭, 예를 들어, 제1 탭으로부터 코일의 길이를 따라 아래로 1/3의 탭은 제2 배터리의 양극 단자에 연결될 수 있고, 제2 배터리의 음극 단자는 제1 배터리의 음극 단자에 연결될 수 있다. 따라서, 제2 배터리는 코일의 대응하는 1/3을 통해 전력 흐름을 제공하고, 이는 제1 배터리에 의해 제공되는 내부의 전력 흐름에 추가된다. 제2 탭은, 예를 들어, 제1 단부로부터 코일을 내려가는 경로의 2/3일 수 있다. 제2 탭은 제3 배터리의 양극 단자에 연결될 수 있다. 제3 배터리의 음극 단자는 다른 배터리들이 접지되는 동일한 단자에 연결될 수 있으므로, 제3 배터리의 전력 흐름은 솔레노이드 길이의 2/3 내에 포함된다. 따라서, 솔레노이드 액추에이터의 이 실시예는, 3개의 배터리 각각이 그것이 연결되는 코일의 각각의 부분에 걸쳐 상응하는 방식으로 동작함에 따라, 코일에 걸쳐 3개의 별개의 전류 흐름을 포함할 수 있다. 이 예시적인 실시예에서, 단일 층 코일은 전원(예를 들어, 3개의 배터리)을 이용하여 불균일한 자기장 분포를 생성하도록 구성될 수 있다. 일부 구현들에서, 플런저에 작용하는 시스템 내의 힘을 반전시키기 위해 각각의 배터리의 극성을 스위칭하도록 추가의 스위치가 구성될 수 있다. 또한, 추가적인 또는 대안적인 구현들에서, (예를 들어, 전위차계 및 다른 온/오프 스위치를 통한 연결을 통해) 각각의 배터리로부터의 전력 흐름을 제어하는 방법들을 포함시킴으로써, 플런저의 위치의 미세 조율이 가능할 수 있다. 예를 들어, 도 11은 그 길이를 따라 비균질 자기장을 생성하도록 구성될 수 있는 것을 제외하고 자동변압기의 것과 매우 유사한 구성을 갖는 코일을 갖춘 솔레노이드 액추에이터(1100)를 도시한다. 코일(1104)은 그 길이(1103a, 1103b, 및 1103c)를 따라 복수의 탭을 가질 수 있고, 이들 사이에서 전력이 비선형 방식으로 분배된다. 전원들(1101 및 1102)은 1003a와 1103b 사이에 전력이 흐르는 것보다 더 많은 전력이 탭들(1103b 및 1103c) 사이에 흐르게 하도록 구성되는 상이한 수의 전력 셀들을 가질 수 있다. 이것은 코일(1104)의 길이를 따라 변하는 자기장 밀도를 생성한다. 대안적인 실시예들에서, 더 많은 수의 탭들은 이 코일의 길이를 따라 존재하는 자기장 밀도 경사의 더 미세한 조정을 허용할 수 있다. 주어진 섹션을 통해 평균 전력을 변경하는 가변 전원은, 특히 플런저 위치가 (도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 같은) 제어기를 통해 모니터링 및/또는 제어되고, 데이터가 코일(1104) 상의 다양한 탭을 통해 평균 전력을 제어 또는 변경하는데 이용되는 경우, 코일 내의 플런저 위치를 변경하는 메커니즘을 제공할 수 있다.
또한, 추가적인 또는 대안적인 구현들에서, 전술한 솔레노이드 액추에이터의 실시예는, 코일의 길이를 따라 코일로부터 코어까지의 변화하거나 가변적인 자기 투자율 및/또는 거리를 가능하게 하도록 구성된 코일 내의 코어를 포함할 수 있다. 이것은 단일 코일이 코일의 길이를 따르는 다양한 지점들에서 코일의 인덕턴스에 대한 코어의 영향을 증대시킴으로써 코일의 표면 상에 비대칭 자기장 밀도를 생성하는 것을 허용할 수 있다. 따라서, 플런저는 다른 실시예들에서 플런저의 움직임과 유사한 방식으로 코일의 표면 위에서(예를 들어, 코일의 상단 위에서) 이동할 수 있으며, 플런저는 플런저와 코일의 극성에 따라 가장 높은 자속 밀도의 지점을 향해 또는 그 지점으로부터 멀어지게 플런저를 구동하는 힘을 받는다. 이 예에서의 비대칭성은 인덕턴스가 코일의 한쪽 단부로부터 반대쪽 단부로 전치하기만 하면, 솔레노이드 액추에이터의 스트로크를 또한 증가시킬 수 있다. 이러한 실시예는, 코일이 선형으로 감길 수 있고 하나의 회로를 가질 수 있기 때문에 플런저가 솔레노이드의 상단 위로 이동하는 응용에서 유용할 수 있으며, 따라서, 플런저와 코일 사이의 거리가 최소화될 수 있고, 솔레노이드 액추에이터의 구성을 단순화한다.
이제 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 원뿔형 물체(401)를 포함하는 선형 액추에이터(400)가 도시되어 있다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 원뿔형 물체(410)는 금속으로 구성될 수 있고, 그 안에 배치되고 원뿔의 중심 축과 정렬되는 중공형 금속 튜브(402)를 포함할 수 있다. 도 4b는 원뿔형 물체(401)가 원뿔형 물체(401)에 대해 반대의 전기 극성을 가질 수 있는 복수의 절연된 대전 링(409)을 향해 대전 레일(408)과 접촉하여 그를 따라 슬라이딩할 때의 원뿔형 물체(401)를 도시한다. 절연된 대전 링들(409)은 각각의 링이 상이한 전압 전위를 가질 수 있게 하는 방식으로 전압원(403)에 연결될 수 있다. 전압 전위들은, 예를 들어, 선형 액추에이터(400)에 연결된 배터리들(예컨대, 배터리들(V1-Vn))의 수 및/또는 그 각각의 특성들에 의존할 수 있다. 링들(403)이, 예를 들어, 그 각각의 전압 전위들 및/또는 원뿔형 물체(401)가 레일(408)을 따라 이동함에 따른 원뿔형 물체(401)까지의 그 거리들에 기반하여 비선형 함수의 힘들을 생성할 때, 불균일한 자기장 또는 전기장이 생성될 수 있다. 용량성 속성 또는 관계가 링들(403) 사이에 존재할 수 있고, 그에 의해 원뿔형 물체(401)가 링들에 접근함에 따라, 아킹이 제한되고, 각각의 링(403)과 원뿔형 물체(401) 사이에 전위 차이가 존재한다. 배터리와 같은 DC 전원이 이용될 때, 전위는 전원의 일 측(404)에서는 양이고 다른(반대) 측(405)에서는 음이다. 회로(406)는 움직임이 스위치(407)의 폐쇄를 야기할 때 형성될 수 있다. 이러한 움직임은 원뿔형 물체(401)의 원뿔 형상 및 그 절연된 링들(403)로의 인력에 의해 생성되는 불균일한 장들의 결과일 수 있다. 에너지는 이 예시적인 실시예에서, 배터리들로부터 인출될 수 있고, 원뿔형 물체(401)의 원뿔 형상으로 인해 그것에 작용하는 힘들의 불균형을 갖는 커패시터를 통해 소비될 수 있다. 움직임 에너지는 전위의 고전압원들의 이용에 의해 추가로 도움을 받을 수 있다.
하나의 예시적인 응용에서, 힘들의 갑작스런 변화들이 바람직하지 않은 임펄스들을 생성하는 섬세한 물체를 이동시키는 선형 액추에이터와 같이 증분적으로 가속하도록 의도된 물체는 선형 액추에이터(400)와 유사한 구성(또는 본 명세서에 개시된 다른 선형 액추에이터들과 유사한 구성들)을 이용하여 구현될 수 있는데, 그 이유는 그 안의 힘이 스트로크를 따르는 주어진 지점에서의 장 밀도 및 전류와 같은 인자들의 곱일 수 있기 때문이다. 이들 인자가 비대칭 분포에 따라 변하도록 만들어질 수 있기 때문에, 자연스럽게 증분하는 속도가 가능하다. 시스템 내의 물체들의 가속 곡선들은 응용에 맞춰질 수 있으며, 예를 들어 역제곱 곡선이 이용될 수 있고 효율적인 결과들이 얻어질 수 있다. 예시적인 곡선(1200)이 도 12에 도시되며, 여기서 (실시예에 따른) 전기장 또는 자기장은 역제곱 함수로 거리에 대해 변한다.
다른 예시적인 응용에서, 이음부를 중심으로 회전하거나 피봇하는 물체들은 스트로크를 증가시키기 위해 스트로크를 따라 비대칭 장 분포를 이용할 수 있다(도 5a 및 도 5b를 참조하여 이하에서 상세히 논의된다). 이 예에서, 고정자, 회전자, 또는 양자의 자기장 밀도 또는 전류 밀도의 비대칭 분포들은 물체의 움직임을 낳을 수 있다. 종래의 액추에이터들과 달리, 예시적인 응용은 모터들 및/또는 기어들을 배제하고 대신에 솔레노이드 상호작용을 이용할 수 있으며, 이는 더 간단하고/하거나 덜 비싼 제조를 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 직류와의 회전 이음부 응용에서, 움직이고 있는 물체의 일정하지 않은 플럭스 분포를 갖는 시스템 상에 작용하는 최고 플럭스 밀도를 갖는 코일(들)이 시스템의 정지 부분 상의 최고 플럭스 밀도의 지점과 정렬될 때 움직임이 중단될 수 있다. 시스템의 정지 및 이동 부분들의 최고 플럭스 밀도의 지점이 정렬될 때, 시스템의 정지 부분, 즉, 시스템에 작용하는 코일이 (예를 들어, 정류된 DC 모터와 같은 정류된 연결로부터) 증분적으로 펄스화되거나 스위칭 오프되는 경우, 실시예는 모터에 또한 적용될 수 있다. 시스템의 정지 및 이동 부분들의 정렬이 통상적으로 이동의 중단을 야기할 수 있으므로, 회전의 이러한 부분 동안 코일들을 턴 오프함으로써 일정한 회전이 생성될 수 있다. 구현들에서, 회전 부재는 전력 레벨이 변경될 때 움직이고 있는 물체를 이전(예를 들어, 초기) 위치로 복귀시키도록 부착된 스프링들을 가질 수 있고, 그에 의해 물체가 근방의 자기장에 노출될 때 멈추기 전에 물체가 거의 1회전까지 회전할 수 있게 한다. 이들과 같은 회전 액추에이터 시스템에서, 회전 축을 따른 자기력의 비대칭 분포는 더 높은 RPM에서의 진동을 유도할 수 있다. 구현들에서, 진동은 회전체 상의 균형추들의 배치에 의해 완화될 수 있다. 추가적인 또는 대안적인 구현들에서, 진동은 코일들 또는 영구 자석들의 각각의 배열이 그 옆에 위치된 코일 또는 영구 자석과는 그 가속 곡선에서의 상이한 지점에 있는 공유된 회전체 상에서 (서로의 옆에 있는) 몇몇 유사한 배열들을 이용함으로써 완화될 수 있다.
실시예들에서, 움직임의 생성을 위한 불균일한 자기장 경사를 생성하도록 구성된 회전 솔레노이드 액추에이터들은 서로 가까이 위치하는 상이한 극성 및/또는 권선 방향의 2개의 코일을 포함할 수 있다. 이것은 영구 자석 또는 전자석이 양 자극의 동시 이용을 통한 더 효율적인 힘 생성을 위해 동시에 2개의 코일 중 하나에 작용하거나 그와 상호작용하는 각각의 극을 갖는 것을 가능하게 할 수 있다. 회전 선형 액추에이터의 직경을 따라 불균일한 자기장 경사를 생성하는 코일들에 대한 권선의 형태의 예시적인 실시예는, 예를 들어, 비자성일 수 있는, 액추에이터 밖으로 방사상으로 연장되는 복수의 코일 보빈들을 갖는 것을 통해 달성될 수 있다. 또한, 코일은 권선이 단일 보빈 주위에 감싸질 때까지, 2개 이상의 이웃 보빈이 그들 주위에 감싸진 권선을 갖고, 다음 권선이 이전 권선보다 적은 보빈 주위를 감싸도록 감길 수 있다. 실시예들에서, 단일 보빈에 도달할 때까지 더 적은 보빈들 주위를 점진적으로 감싸는 것은 동일한 와이어 또는 부착된 와이어로 1회 이상 반복될 수 있다. 이러한 코일 기하 구조는 대부분의 권선이 그 주위에 있는 코일 보빈에 접근함에 따라 점진적으로 더 큰 불균일한 자기장을 생성할 수 있으며, 영구 또는 전자기 소스의 하나의 극에 작용할 수 있다. 실시예들에서, 이러한 형태의 코일은 영구 또는 전자기 소스의 다른 극에 작용하기 위해 동일한 기하 구조의 이웃 코일을 가질 수 있으며, 이는, 앞서 논의된 바와 같이, 회전 선형 액추에이터의 증가된 효율을 낳을 수 있다. 이 기하 구조는 도 8a 및 도 8b의 실시예들뿐만 아니라 도 5a 내지 도 5c의 예시적인 회전 액추에이터들에 관련된다.
도 5a 내지 도 5c는 회전 부재(501)를 작동시키도록 설계된 회전 액추에이터 장치(500)의 예시적인 실시예를 도시한다. 회전 부재(501)는, 제1 또는 제2 자기장 중 하나 또는 둘 다가 회전 방향에서의 비선형 장 경사일 때, 회전 부재(501) 주위의 제1 자기장과 별개의 코일(507)에 의해 생성되는 제2 자기장의 상호작용을 통해 회전 중심 축(511)을 중심으로 회전하도록 구성될 수 있다. 이 실시예에서, 회전 부재(501) 주위의 자기장은 그 코일(504)의 기하 구조로 인해 불균일한 자기장의 소스일 수 있다. 구현들에서, 코일(504)은 코일(504)의 한쪽 단부를 향한 피크 자속 밀도 및 그 반대쪽 단부 상의 최소 플럭스 밀도를 생성할 수 있는 구성으로 세그먼트화된다. 코일(504)은 연결 와이어들(504 및 504a)을 통해 전원(503)에 연결될 수 있다. 위에서 설명된 회전 선형 액추에이터와 유사하게, 코일(504)은 보빈(505a) 주위의 권선들의 수가 보빈(505b) 주위의 권선들의 수보다 큰 식으로 복수의 보빈(505a-505e) 주위에 감겨진다. 또한, 각각의 후속 보빈 상의 권선들의 수는 이전 보빈보다 적다(예를 들어, 보빈(505a)은 보빈(505b)보다 많은 수의 권선들을 갖고, 보빈(505b)은 보빈(505c)보다 많은 수의 권선들을 갖고, 보빈(505c)은 보빈(505d)보다 많은 수의 권선들을 갖고, 보빈(505d)은 보빈(505e)보다 많은 수의 권선들을 갖는다). 이러한 구성은 단일 코일(즉, 코일(504))이 코일의 중심에 비해(즉, 코일(507)의 한쪽 단부를 향해) 변위되는 피크 자기장 밀도의 영역을 생성하도록 구성되게 한다. 개별 코일(507)은 스위치(509)를 통해 전원(508)에 연결된다(도 5a에서, 스위치(509)는 개방 위치(509a)에 있는 것으로 도시된다). 코일(507)은, 피크 자기장이 코일(507)의 정지 자기장과 일렬로 정렬되는 지점(예를 들어, 505a의 위치)을 향해 부재(501)를 회전시키기 위해 회전 부재(501)에 의해 생성되는 제1 자기장과의 상호작용을 위한 제2 자기장을 생성하도록 구성될 수 있다. 도 5b의 측면도는 액추에이터(502)를 포함하는 회전 액추에이터 장치(500)의 측면도를 도시한다.
도 5b는 코일(504)의 기하 구조를 예시하는 회전 부재(501)의 측면도를 도시한다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 각각의 연속적인 권선은 보빈들(505a-505e) 중 연속적인 보빈들 주위에 감싸지고, 그에 의해 각각의 권선이 제1 보빈(505a)으로부터 상이한 거리에 있게 된다. 또한, 이 구성은 보빈(505a)이 그와 접촉하는 최대 권선들(가장 많은 수의 권선들)을 갖게 하고, 따라서 가장 큰 자기장 밀도의 위치는 제1 보빈(505a)의 영역에 있다.
도 5c는 스위치가 회전가능한 부재(501)의 회전을 야기하는 폐쇄 위치(509b)로 이동된 후의 회전 액추에이터(500)를 도시한다. 구체적으로, 회전가능한 부재(501)는 (보빈(505a)에 위치되고 코일(504)의 자기 N극에 대응하는) 피크 자속 밀도가 코일(507)의 자기 S극과 정렬되도록 회전될 수 있다. 중심 축(511)을 중심으로 한 회전 방향(512)은 스위치(509)가 폐쇄 상태(509b) 이후에 또는 폐쇄 상태(509b)에 있을 때 발생한 이동을 나타낸다.
구현들에서, 이 실시예는 회전 부재(501) 내에 스프링을 포함할 수 있고, 이는 코일(507)의 극성을 스위칭하지 않고 물체를 미리 결정된 위치로 복귀시키는 작동을 가능하게 할 수 있다. 이러한 구현들에서, 회전 부재(501)의 회전 거리는, 예를 들어, 제어기 장치(예컨대, 도 14를 참조하여 아래에 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410))를 통해 선택될 수 있는 스프링의 장력을 부분적으로 극복하는 지정된 전력 레벨들을 선택함으로써 제어(및 변경)될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 액추에이터(500)는 시스템 내의 이동하는 물체일 수 있는 유연한 케이블을 포함할 수 있다. 케이블의 유연성은 액추에이터가 다양한 응용들, 특히 유연성이 필요하거나 유익한 응용들에 이용되게 한다. 유연성이 유익할 수 있는 경우의 예들은, 시스템 내의 이동하는 물체가, 예컨대, 의류 또는 일부 로봇 시스템들에서와 같이, 방향을 바꿀 필요가 있는 경우일 수 있다. 이러한 경우들에서, 유연한 케이블은 비선형 작동 중심 축을 형성할 수 있다. 이것의 예는 도 5a, 도 5b 및 도 5c의 액추에이터 장치(500)에 나선형 스프링을 추가하는 것이다. 예를 들어, 나선형 스프링은 한쪽 단부에서 고정 부재 상에 견고하게 장착되고 다른쪽 단부에서 회전 액추에이터에 부착될 수 있다. 전력을 턴 오프하거나 평균 전력을 감소시키는 것은 회전하는 물체가 미리 결정된 위치로 완전히 또는 부분적으로 복귀하는 것을 허용할 수 있다. 또한, 스프링은 회전 부재가 필요한 극성 반전 없이 코일에 의해 작용될 수 있도록 작동 스트로크의 단부로부터 처음까지 회전 부재를 취하도록 설계될 수 있다.
다른 구현들에서, 액추에이터(500)는 결합된 액추에이터에 의해 생성된 힘 및/또는 결합된 액추에이터의 신뢰성을 증가시키기 위해 유압 또는 공압 액추에이터들과 결합하여 이용될 수 있다. 예를 들어, 이용 동안, 변형은 시스템의 하나 이상의 구성요소 상에서 낮아질 수 있다. 다른 예에서, 하나의 액추에이터는 하나가 고장나는 경우에 다른 액추에이터에 대한 백업으로서 작용할 수 있다.
또 다른 구현들에서, 액추에이터(500)는 비대칭 장 밀도가 바람직할 수 있는 조건들에서 보이스 코일 액추에이터들에서 이용될 수 있다. 비대칭 장 밀도 액추에이터는, 더 간단한 전원들로부터의 DC를 이용하고 움직이고 있는 물체 또는 플런저가 전방향 및/또는 양방향 이동들과 같은 다양한 이동들을 수행하게 하는 능력으로 인해, 종래의 보이스 코일 유형보다 동작하기에 더 간단할 수 있다. 전형적인 보이스 코일보다 저비용 방식으로, 그리고/또는 내연 엔진 밸브들, 유체 펌프들, 유체 밸브들, 발진기들, 발사체들, 자동 표면 레벨링, 및/또는 서스펜션 시스템들을 포함하는, 차량들과 관련된 다른 응용들에서 비대칭 장 밀도 솔레노이드 액추에이터를 제조하는 것이 또한 가능할 수 있다. 액추에이터의 형태는 도 2a 및 도 2b의 실시예들의 형태를 취할 수 있다.
회전가능한 액추에이터(500)(뿐만 아니라 본 명세서에 개시된 다른 액추에이터들)는 종래의 액추에이터들에 비해 주어진 응용에서 이용하기에 더 콤팩트할 수 있다. 또한, 회전가능한 액추에이터(500)(뿐만 아니라 본 명세서에 개시된 다른 액추에이터들)는 단일 축을 따라 복수의 코일이 있을 때 움직이고 있는 물체가 (피크 또는 최소 자속 밀도와 일치하는 그 위치로 인해) 구동력을 거의 또는 전혀 받지 않는 시간상 갭을 감소시킬 수 있다. 대조적으로, 종래의 액추에이터들에서, 물체 또는 플런저는 한 방향으로만 이동할 수 있고, 물체가 각각의 코일의 길이를 따라 중간점에 도달함에 따라 코일이 스위칭 온 및 오프할 때 복수의 동축 코일에 의해 작용될 수 있다. 본 명세서에 개시된 액추에이터들의 비대칭 장 밀도 설계는 이러한 문제들을 해결할 수 있다. 도 5a, 도 5b, 및 도 5c의 실시예들에서, 이것은 코일(507)과 유사한 하나 이상의 추가적인 코일의 형태를 취할 것이다.
도 5a, 도 5b, 및 도 5c는 축방향 플럭스 액추에이터의 실시예를 나타낼 수 있다. 축방향 플럭스 액추에이터의 이러한 설계는 회전 축 주위에서 발생하지만, 동일한 액추에이터가 선형 움직임 응용에서도 기능할 수 있다. 이것은 플런저와 코일이 솔레노이드 권선이 플런저의 외부 둘레에 감싸지거나 플런저가 솔레노이드 권선의 상단에 위치되는 것으로 제약될 필요가 없는 응용에서 유리할 수 있다. 또한, 공간 제약이 액추에이터의 플런저와 그것에 전해지는 움직임을 필요로 하는 물체를 연결하는 강성 또는 반강성 부분의 길이를 제한할 때 이러한 형태의 선형 액추에이터를 채택하는 것이 유리할 수 있다. 이러한 감소된 공간 제약은 코일 권선들의 구성의 결과이다. 또한, 영구 자석들의 양쪽 극들은 도 5a, 도 5b, 및 도 5c의 실시예와 유사한 방식으로 감긴 코일에 의해 생성되는 자기장의 양쪽 극들에 작용하는데 이용될 수 있다.
다른 실시예들에서, 펄스형 DC는 열 관리를 위해 본 명세서에 개시되도록 구성된 액추에이터들과 조합하여 이용될 수 있다. 또한, 본 명세서에 개시된 액추에이터들은 냉각 유체가 이를 통해 펌핑되도록 구비되는, 코일(들)을 포함하는 중공형 본체들 또는 금속 날개들(metal vanes)로서 구현된 냉각 시스템들을 갖는 하우징들과 조합하여 이용될 수 있다.
액추에이터, 회전 이음부, 또는 모터는 또한 제자리에 잠금하기 위한 설비들을 가질 수 있다. 이는, 액추에이터가 미리 결정된 위치를 유지하고 있을 때 어떠한 에너지도 소비되지 않는 것을 허용한다.
본 명세서에 개시된 액추에이터들의 구성요소들은 선형 및 회전 액추에이터들 이외의 형태들로 구현될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 힘의 다른 자기 시스템들은 가해진 힘들의 지속기간뿐만 아니라 힘들의 경사의 맞춤화를 도울 수 있는 비선형성을 구현하기 위해 본 명세서에 개시된 액추에이터들의 특징들을 포함하도록 구성될 수 있다. 각각의 후속 주변 코일이 그 아래의 코일의 장에 추가되기 때문에, 결합 또는 가산력들의 함수(즉, 개별 코일의 힘들 각각의 합)가 시스템에 의해 형성될 수 있다. 더 많은 비선형성이 코일 시스템 설계에 도입됨에 따라, 생성된 자기장 및 후속 힘 프로파일들이 그에 따른다.
또한, 플럭스 전위들의 비선형성의 프로파일은 선형 액추에이터(또는 다른 액추에이터)가 요구되는 응용에 적합할 수 있다. 예를 들어, 플럭스 밀도 분포들의 특정 함수가 특히 응용에 매우 적합할 수 있고, 그 분포가 역제곱 곡선(즉, 1/d^2)의 형태를 취할 수 있다는 점이 이해될 것이다. 응용들이 움직이고 있는 물체 또는 플런저에 대한 힘들의 특정 프로파일을 원하는 경우 다양한 다른 플럭스 분포 패턴들이 이용될 수 있다. 이러한 특성이 바람직하거나 유용할 수 있는 응용의 특정 예는 물체가 작동될 때 특정 변형들에 저항하도록 만들어져야 하는 것이며, 이러한 변형들은 선형 방식으로 증가하지 않고, 대신에 작동의 스트로크에 걸쳐 지수 방식으로 변한다.
본 명세서에 개시된 다른 특징은 이동하는 물체 또는 플런저가 겪는 점진적이고 연속적으로 더 큰 가속일 수 있다. 점진적으로 쌓이는 연속적인 가속은 일정한 진폭의 강한 힘 임펄스보다 더 큰 물체 또는 플런저 상으로의 힘 전달 효율을 낳을 수 있다. 추가된 효율은 비교가능한 코일보다 더 큰 가속 함수의 적분에 의해 얻어질 수 있다. 이러한 효율의 증가에 대한 이유는, 물체 또는 플런저가 1차 코일 내에 있는 동안의 시간량의 거의 2배 동안 작용될 수 있기 때문에, 인가된 힘의 함수의 한계가 통상의 코일의 한계의 2배라는 사실에 적어도 부분적으로 기인할 수 있다.
최적의 효율이 요구되는 응용들에서, 본 명세서에 개시되는 선형 액추에이터들 또는 다른 액추에이터들은 코일들을 구비할 수 있으며, 이 코일들은 예를 들어 본 명세서에 참조로 포함되는 미국 특허 제512,340호에 설명된 바와 같이 주어진 수의 턴들에 대한 코일의 장 밀도를 증가시키는 방식으로 두 가닥 방식으로 감긴다. 이것은 더 적은 재료들이 특정의 원하는 힘의 액추에이터의 생성에 이용되게 할 수 있다. 역제곱 법칙에 대응하는 방식으로 장 밀도를 분포시킴으로써 효율의 추가적인 증가가 이루어질 수 있고, 이에 의해 영구 자석의 자연적인 자기장 분포를 모방한다.
도 7a 및 도 7b는 비대칭 플럭스 밀도를 생성하도록 구성된 (일련의 영구 자석들(701a, 701b, 701c, 701d)을 포함하는) 자석(701)을 포함하는 선형 액추에이터(700)를 나타내며, 여기서, 영구 자석들(701a, 701b, 701c, 701d) 또는 코일(703) 자체의 움직임을 생성하기 위해 전위를 갖는 코일(703)이 선형 액추에이터(700)에 인가된다. 도 7a에서 알 수 있는 바와 같이, 원통형 영구 자석들(701a, 701b, 701c, 701d)은 각각 상이한 직경을 갖고 단일 자기 쌍극자를 형성하도록 함께 연결될 수 있다. 직경의 변동은 그 길이를 따라 불균일한 자기장을 생성하는 방식으로 자석(701)으로부터 코일(703)이 겪는 자속 밀도를 증대시킬 수 있다. 전류 소스 및 스위치(706)와 통신하는 회로(705)는 영구 자석의 길이를 따른 자속 밀도의 증대된 프로파일의 결과로서 (종래의 선형 액추에이터에 비해) 더 넓은 스트로크를 갖는 선형 액추에이터를 생성하기 위해 고정 코일이 자석(701)에 작용하게 할 수 있다.
도 7a는 폐쇄 위치(706)에서의 스위치 #을 도시하는 반면, 도 7b는 스위치(706)가 개방 위치(706a)에 있고 폐쇄 위치(706b)로 이동된 상태에서의 선형 액추에이터(700)를 도시한다. 폐쇄 위치(706b)에 있을 때, 코일을 통해 흐르는 전력은 자석(701)에 작용할 수 있고, 이들이 코일(703)을 내려가는 경로의 거의 전체 길이만큼 이동하게 한다. 자석(701)의 S극(708)은 자석(701)이 그 전체 스트로크 이동된 후에 코일(703)의 단부의 정면으로부터 외측으로 연장할 수 있으며, N극(702)은 코일(703)의 후단부와 정렬될 수 있다.
본 개시내용의 범위를 벗어남이 없이, 코어를 이용할 수 있는 환상 코일이 선형 액추에이터(700)에서 이용될 수 있다. 환상형 코어는, 극성 또는 전력 레벨들의 빠른 스위칭의 성향이 있게 하는, 본질적으로 더 높은 품질 인자로 인해, 초고속 이동이 요구될 때 유익할 수 있다. 추가적으로, 또는 대안적으로, 리츠(Litz) 와이어가 또한 이를 위해 이용될 수 있다. 이것의 도식적 표현은 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예로부터 벗어나지 않을 수 있고, 여기서 코일은 보통의 솔레노이드 대신에 환상체이다.
선형 액추에이터(700)의 중량 및/또는 비용을 낮추기 위해, 자석들(701a, 701b, 701c, 701d)은 철 로드들과 연결될 수 있으며, 이는 사실상 더 긴 영구 자석을 생성하는 중공일 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 전자기 솔레노이드들이 (자화가능한 코어들을 갖거나 갖지 않는) 영구 자석들 대신에 이용될 수 있다. 예를 들어, 전자기 솔레노이드는 고전적인 구성이거나 응용의 특정한 힘 프로파일에 맞도록 비대칭적으로 구성될 수 있다. 구현들에서, 영구 자석들에서 발견되는 자기력 악화의 부족으로 인한 더 긴 수명은 EM 솔레노이드들이 액추에이터(700)에서 영구 자석들 대신에 이용될 때 전력 소비를 희생하여 제공될 수 있다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 선형 액추에이터(800)가 도시되고 설명된다. 이동의 정밀도가 요구되는 응용들에서는, 반대로 자화되는 2개의 코일이 이용될 수 있다. 이러한 구성에서, 각각의 코일의 전력은, (도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 같이) 이동의 지능적 계산과 전력의 정밀한 작동이 가능한 전기 제어 시스템을 이용하여 하나의 코일이 우세하도록 바이어싱될 수 있다. 이러한 제어 시스템들은 나사형 액추에이터들에서 이용되는 것으로 알려져 있다. 코일들은 상이한 이동 축들 상에 있을 수 있으며, 강성 또는 반강성 메커니즘을 통해 함께 연결되어 그들 각각의 장들의 왜곡을 방지할 수 있다.
도 8a에서, 선형 액추에이터(800)는 제1 회로 상의 3개의 권선 세트(801, 803, 805)를 포함하는 제1 코일(820a) 및 제2 회로 상의 3개의 권선 세트(802, 804, 806)를 포함하는 제2 코일(820b)을 포함하며, 이들 각각은 단일 축(807)을 따라 배치되고 플런저에 작용하도록 구성된다. 구체적으로, 제1 및 제2 코일들 각각은 액추에이터(800)의 전체 길이를 신장시키는 내부 권선(801, 802), 중간 권선(803, 804) 및 단부 권선(805, 806)으로 구성된다. 코일들의 반대 측들에서 그 피크 플럭스 밀도를 갖는 선형 액추에이터(800)를 이용하여 2개의 불균일한 자기장이 생성될 수 있다. 이들 각각은 코일이 플런저를 동시에 밀거나 당기는 방식으로 플런저에 작용할 수 있다.
도 8b는 전원(808, 809)에 각각 연결되고, 각각의 코일의 전력 흐름을 증대시키기 위해 액추에이터(800)에서 이용될 수 있는 전위차계(810, 811)를 각각 갖는 전술한 코일들(회로들)(820a, 820b)을 도시한다. 이는 스트로크를 따라 플런저의 정지 위치를 증대시키기 위해 플런저에 작용하는 힘들의 바이어싱을 가능하게 할 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 코일(820a, 820b)은 3개의 섹션 또는 그룹의 권선들로 구성되고, 여기서, 상이한 길이를 갖는 것 외에도, 권선들의 섹션들은 코일 내의 다른 섹션들에 비해 상이한 직경들을 갖는데, 이것은 권선들의 각각의 섹션이 이전의 권선 그룹 위에 감겨지기 때문이다. 하나 또는 어느 하나의 코일들(820a, 820b)의 전위들이 증대될 때, 이것은 움직이고 있는 플런저(들)가 2개의 코일 사이에서 생성된 플럭스 밀도의 비율에 비례하여 액추에이터(800)의 한쪽 단부 또는 반대쪽 단부로 끌려가게 할 수 있다. 가변 전원을 포함하고 이용하는 것과 같이, 코일들(820a, 820b) 중 하나 또는 양쪽 모두의 플럭스 밀도를 변경하는 다른 구성들 및/또는 방법들이 이용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예들에서, 선택된 플럭스 밀도의 비율은, 플런저(들)의 위치를 제어하는데 추가로 이용될 수 있는 (도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410) 등의) 제어기 장치를 통해 코일들(820a, 820b) 중 하나 또는 양쪽 모두로의 전력 전달을 제어하는데 이용될 수 있다. 코일들의 권선 방향 및 전위의 인가 방식은 생성되는 결과적인 움직임으로부터 벗어나지 않고 반전될 수 있다는 것이 추가로 이해될 것이다.
또한, 불균일한 장 분포들을 발생시키는 선형 액추에이터(800)(또는 본 명세서에 개시된 다른 액추에이터들) 내의 코일 또는 코일들에 의해 생성되는 열은 장 밀도들이 가장 큰 곳에서 더 클 수 있다는 점이 추가로 이해될 것이다. 따라서, 구현들에서, 냉각 유체가 흐르기 위한 인클로저들이 액추에이터에 포함될 수 있다. 유사하게, 대안적인 또는 추가적인 구현들에서, 코일(들)의 냉각을 보조하기 위해, 가장 큰 장 밀도의 지점들에서 더 길 수 있는 날개들이 이용될 수 있다. 또한, 추가적인 또는 대안적인 구현들에서, 방수 인클로저들이 주어진 응용에 이용될 수 있다. 펄스 폭 변조가 하나 또는 양쪽 회로로의 플런저의 인가를 통해 플런저의 위치를 변경하는데 이용될 수 있다.
구현들에서, 선형 액추에이터(800)(또는 본 명세서에 개시된 다른 액추에이터들)는 높은 임펄스 힘들의 점진적 흡수에 이용될 수 있다. 점진적으로 더 많거나 계층화된 권선을 포함하는 코일을 통해 이동하게 되는 영구 자석(플런저)은 증가하는 역 EMF로부터의 이동에 대해 점진적으로 증가하는 자기 저항을 경험할 수 있다. 이것은 에너지가 장력을 통해 운동학적으로 저장되지 않는다는 점 외에는 스프링의 압축과 유사할 수 있지만, 임펄스 흡수 장치의 구성에 따라 전기적으로 생성 및 저장될 수 있다. 예를 들어, 하나의 구성은 전원에 의해 생성된 전자기장을 이용하여 움직임에 능동적으로 저항하는 코일을 가질 수 있는 반면, 다른 구성은, 영구 자석이 그 한쪽 극 또는 한쪽 단부를 향하여 더 많은(또는 더 적은) 권선을 포함하는 코일의 길이를 따라 이동함에 따라 더 큰 역 EMF를 만나는 수동 코일을 가질 수 있다. 후자의 구성은 전기 생성 전위를 제공할 수 있고, 전자는 이동하는 플런저의 더 큰 힘 지연을 제공할 수 있다. 따라서, 높은 임펄스 힘은 흡수될 수 있고, 코일을 따른 권선의 밀도는 플런저의 점진적 감속을 위해 조정될 수 있으며, 그렇지 않으면 더 빠른 속도 감소를 경험할 것이고, 그에 의해 힘 임펄스를 낮출 것이다. 임펄스 감소의 다른 예는 불균일한 플럭스 밀도를 갖는 코일이 에너지를 공급받고 소프트 철 바(플런저)가 코일을 통해 이동할 때 소정의 힘을 받는 구성일 수 있다. 이 예에서, 코일은 주어진 지점에서의 장에 비례하여 철 바의 이동에 저항할 수 있다. 장이 선형이 아니므로, 힘은 바에 대한 힘의 임펄스 곡선을 낮출 수 있는 이동의 변화하는 자기 저항을 경험할 수 있다. 구현들에서, 가변 전원을 갖는 복수의 코일은 실시간으로 자화된 물체(플런저) 상에 가해지는 힘에 대한 자기 저항을 추가로 조정하기 위해 자기장의 경사를 변경하는데 이용될 수 있다. 또한, 코일들은 충격이 물리적 충격을 통해 또는 회로를 파손하고 있었던 물체의 이탈을 통해 턴 온하도록 회로를 트리거링하는 방식으로 구성될 수 있다. 복수의 이러한 물체들은 복수의 회로들에 이용될 수 있다. 이 실시예의 형태는 도 2a 및 도 2b에 도시된 형태로부터 벗어나지 않을 수 있다.
이러한 유형의 액추에이터는 시스템에 의해 액추에이터에 가해지는 힘이 일정하지 않은 응용들에 특히 적합할 수 있다. 이 응용의 예는, 예를 들어, 물체의 크러싱, 어느 정도의 탄성을 갖는 물체의 신장, 및 코일 시스템의 단일 극으로부터의 자화된 물체의 반발을 포함한다.
구현들에서, 선형 액추에이터(800)(또는 본 명세서에 개시된 다른 액추에이터들)는 공간 내의 자화된 물체들의 빠른 이동 및 부상에 이용될 수 있다. 예를 들어, 물체는, 하나 이상의 코일에 놓이는 등의, 자기장을 생성하는 액추에이터에 의해 둘러싸인 공간에 놓일 수 있다. 코일들은 물체가 그 물체의 원하는 궤적의 방향으로 더 조밀한 자기장에 끌리는 방식으로 공간 내의 물체의 위치에 대응하는 극성 및 주파수로 턴 온 및 턴 오프될 수 있다. 물체는 예를 들어 중력에 대해 부유되는 구형 자기 물체일 수 있으며, N극 및 S극은 중력의 당김에 수직이다. (예를 들어, 도 7a 및 도 7b의 예시적인 실시예에서와 같이) 장 밀도의 추가적인 미세 조율을 위해 그 자체가 하나 이상의 개별 회로로 구성될 수 있는 복수의 코일이 물체 주위에 위치된다. 구형 물체가 액추에이터의 하단을 향해 떨어짐에 따라, 일련의 코일들은 N극 및 S극 양쪽 모두를 위쪽으로 당기는 장 밀도 분포를 생성하는 장들을 발생시킬 수 있다. 물체가 상승함에 따라, 코일들은 턴 오프되어, 물체가 최고조에 달한 후 떨어지게 할 수 있다. 장 경사가 물체의 당김과 평행하지 않을 때, 구형 물체의 스피닝(spinning)이 발생할 수 있고, 물체의 축 상에서의 후속 흔들림이 발생할 것이다. 물체가 공간 내의 어디에 있는지 그리고 극들이 어디에 위치하는지를 추적하기 위한 소정의 메커니즘이 존재하는 경우, 코일들로부터의 힘들은 계속 구형 물체를 위쪽으로 유지할 수 있다. 물체는 임의의 형상을 가질 수 있으며, 상자성, 전자기일 수 있거나, 영구 자석들을 포함할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 자석들은 원하는 이동 방향을 가리키는 자속 분포로 자기장들이 생성되도록 구성된 원하는 분포를 가질 수 있다.
구현들에서, 컴퓨터는 선형 액추에이터(800)(또는 본 명세서에 개시된 다른 액추에이터들)와 조합하여, 과거 또는 현재 위치들에 기반하여 궤적을 예측하고 그에 따라 전력을 코일들로 스위칭하여 물체(또는 플런저)를 지능적인 방식으로 이동시키는데 이용될 수 있다. 또한, 구현들에서, 이동하는 물체들로부터 수집된 충분한 데이터가 있다면 하나보다 많은 물체(또는 플런저)가 이러한 방식으로 이동될 수 있다. 예측 모델이 발견될 수 있으며, 이는 컴퓨터가 물체의 이전 위치 데이터를 갖는다면 컴퓨터가 실시간 위치 중심들과 독립적으로 동작할 수 있게 한다. 예들에서, 이 구성을 이용하여 복수의 작은 물체가 중앙의 자화된 물체 주변의 궤도를 유지할 수 있다. 중앙 물체는, 예를 들어, 방사상으로 바깥쪽의 상이한 방향들로 향해 있는 복수의 코일을 포함할 수 있고, 각각의 코일은 (예컨대, 도 14를 참조하여 이하에서 논의되는 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 같은) 컴퓨터화된 제어기에 부착된 개별 회로들을 갖는다. 주변부 상의 코일은 이동하는 자화된 물체에 작용하여 공간적 배향을 유지할 수 있다. 이러한 유형의 액추에이터에서, 이동하는 자화된 물체의 타원형 궤도가, 원하는 움직임 방향에서 더 조밀한 장을 생성함으로써 물체 궤적을 변경하는 지능적으로 제어된 장 밀도를 갖는 급격한 변동의 자기장의 이용을 통해 야기되는 행성 움직임의 모델이 만들어 질 수 있다. 이러한 액추에이터에서 인력 및 척력 둘 다가 원하는 움직임을 야기하는데 이용될 수 있다. 그 목적은 이동하는 물체들의 극성을 이동 과정 전체에 걸쳐 동일한 방향을 목표로 하여 유지함으로써 각각의 궤적들의 왜곡을 최소화하는 것일 수 있다. 예를 들어, 액체 소용돌이의 모델이 컴퓨터의 궤적 알고리즘에 적용될 수 있는데, 왜냐하면 액체 소용돌이 내로 드롭된 부유하는 물체가 중심 축 주위에서 소용돌이치는 것과 동일한 방향을 지속적으로 가리키기 때문이다.
구현들에서, 물체들을 3차원으로 지능적으로 이동시키기 위해 플럭스 분포들을 생성하는 액추에이터에서 자석들을 이용하는 대신에, 이온화된 입자들 및 플라즈마가 유사하게 제어될 수 있다. 이러한 구현들에서는 전기장 분포가 증대될 수 있다. 지정된 공간 내의 주어진 지점에서 장의 강도 이외에 컬러 밀도 및/또는 이동 속도에 거의 또는 전혀 제한이 없을 수 있다. 플라즈마와 함께 이용하기 위해, 주어진 지점에서 높은 플럭스 레벨들로 전위를 동적으로 증대시키기 위한 메커니즘을 갖는 진공 용기들이 최대 조정가능성을 위해 이용될 수 있다. 이러한 구성 및 방법은 예를 들어 입자 가속기 내의 입자들의 가속에 이용될 수 있다. 음파들은 이온화된 입자 밀도에 영향을 줄 수 있는 압축 및 희박화를 생성함으로써 이러한 액추에이터들에 다른 제어 계층을 추가하기 위해 포함될 수 있다. 비균질 전기장으로 인한 더 넓은 길이에 걸친 이온화된 입자들의 가속을 보여주는 예시적인 실시예가 도 13에 도시되어 있으며, 아래에 추가로 논의된다.
구현들에서, 선형 액추에이터(800)(또는 본 명세서에 개시된 다른 액추에이터들)는 예를 들어 플라즈마 액추에이터에서와 같이 유전체 장벽 방전의 길이의 연장을 위해 이용될 수 있다. 유전체 장벽 방전은 유전체 장벽 아래에 피복된(sheathed) 하전된 전도체 상에 비선형 전압 분포들을 인가함으로써 길이가 증가될 수 있다. 예를 들어, 주변 매질의 유체 흐름에 영향을 주기 위해 유전체 장벽 방전을 이용하는 플라즈마 액추에이터들은, 이 방법에 의해, 이온화된 플라즈마가 장 비대칭의 도입에 의해 전달되게 되는 비교적 더 긴 이동 길이를 통해 유체 매질에 대한 플라즈마의 영향을 확장시킬 수 있다. 이 예에서 장의 비선형성을 생성하기 위한 구성 및 방법은 피복된 전도체 상의 2차 소스의 상호 커패시턴스의 영향을 통할 수 있다. 상호 커패시턴스는 전도체의 표면을 따른 전하 분포의 변화, 및 이에 따르는 전도체를 따른 전압 분포의 변화를 야기할 수 있다. 2차 소스는 전도체의 작은 부분에 걸쳐서만 전압 분포의 변화를 야기하는 것이 바람직할 때, 피복된 전도체의 표면의 작은 부분에 걸쳐 상호 용량성 영향을 제공할 수 있다. 유전체 장벽 방전이 방전 축을 따라 플라즈마의 특정 또는 동적 분포를 갖는 것이 요망될 때 상이한 전압 레벨들을 가질 수 있는 복수의 다른 전압원이 이용될 수 있다. 비선형 장을 생성하는 시스템 내의 상호 커패시턴스는 전압 및 표면적의 함수일 수 있으며, 따라서 장 분포를 변경하도록 증대될 수 있다는 것을 알 것이다. 이것이 도 13에 도시되어 있으며, 여기에서 플라즈마 액추에이터(1300)는 그 표면에 걸친 유체의 흐름에 노출되는 상부 전극(1301)으로 구성된다. 유전체(1303)는 그 전극, 및 제1 전극(1301)으로부터 이동하는 이온화된 입자들이 유전체의 표면 위에서 추가로 이동함에 따라 그들에게 증가하는 전기장 밀도를 제공하도록 성형되는 제2 전극(1302)을 분리한다. 이것은 플라즈마 액추에이터들의 유체 바디에 대한 영향의 범위를 넓힘으로써 유체 매질에 작용함에 있어서의 플라즈마 액추에이터의 유효성을 증가시킬 수 있다.
대안적으로, 구현들에서, 플라즈마 액추에이터 내의 전극들 중 하나는 (도 5의 예시적인 실시예와 같이) 유전체에 의해 분리된 전도체의 복수의 섹션을 가질 수 있다. 전도체들 각각은 적절한 고전압원과는 별개의 전압을 가질 수 있다. 전하는 한 방향에서 우세할 수 있다. 따라서, 유전체 장벽 방전은 더 높은 전압 전도체의 방향에 유리하도록 그 밀도를 재분포시키는 경향이 있을 수 있다. 이 구현의 이점들은 비교적 더 낮은 유체 매질 속도들에서 그리고 비교적 더 높은 효율로 유전체 장벽 방전 플라즈마 액추에이터의 기능을 포함할 수 있고, 이들 둘 다는 주어진 플라즈마 액추에이터에 대한 더 긴 장의 영향의 결과일 수 있다. 또한, 이것은 방전의 더 큰 장의 영향의 생성을 통해 그리고 플라즈마 내의 이온화된 입자들의 더 높은 밀도의 전압 전도체쪽으로의 가속을 통해 더 효과적으로 항력 계수에 영향을 주기 위해 차량들 또는 항공기의 외부에 적용될 수 있다. 플라즈마 방전의 연장은 또한 식품의 살균과 같은 산업의 다른 영역들 및 유전체 장벽 방전들이 이용되는 임의의 다른 영역에 적용될 수 있다. 이 실시예는 곡선형 전극(1302)이 전극(1301)과 평행하고 전기장 강도를 증대시켜 이온화된 입자들이 이동하는 길이를 증가시키기 위해 상이한 전위의 복수의 전도체로 구성되는 편평한 전극으로 대체될 수 있다는 점 외에는 도 13에 도시된 것과 기능이 유사하다. 이것은 또한 플라즈마 액추에이터들의 유체 바디에 대한 영향의 범위를 넓힘으로써 유체 매질에 작용함에 있어서의 플라즈마 액추에이터의 유효성을 증가시킨다.
도 14는 액추에이터 및 제어기 시스템(1400)의 예시적인 실시예를 도시한다. 여기서 알 수 있는 바와 같이, 실시예들에서, 시스템(1400)은 솔레노이드 액추에이터(1402)(이는 액추에이터 실시예들 중 임의의 것일 수 있고, 도 2a 내지 도 13에 도시되고 설명된 그 구성요소들 중 임의의 것을 포함할 수 있음)를 포함할 수 있다. 액추에이터(1402)는 하나 이상의 전원(1404)(예를 들어, 가변 전원들 등)과의 통신을 위한 하나 이상의 전기 회로 상에 있고, 여기서 전기 회로들의 폐쇄 및 개방은 하나 이상의 스위치(1406)에 의해 각각 제어된다. 시스템(1400)은 액추에이터(1402) 내의 하나 이상의 플런저(들)의 위치를 감지하거나 식별하도록 구성된 위치 센서(들)(1408)를 선택적으로 포함할 수 있다. 스위치들(1406), 전원들(1404), 및 위치 센서(1408) 각각은 하나 이상의 컴퓨터화된 제어기 장치(1410)와 통신할 수 있다. 컴퓨터화된 제어기 장치(1412)는, 예를 들어, 통신 인터페이스(1412), 메모리(또는 데이터 저장 장치)(1416)를 포함하는 하나 이상의 프로세서 또는 마이크로프로세서(1414), 및/또는 사용자 입력을 수신하고/하거나 사용자에게 데이터를 표시하도록 구성된 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)(1418)를 포함할 수 있다. 메모리(1416)는 도 2a 내지 도 13 및 본 명세서의 다른 곳을 참조하여 위에서 논의된 다양한 동작들 및 응용들을 수행하도록 액추에이터(1402)를 동작시키거나 제어하기 위한 복수의 컴퓨터 실행가능한 명령어들을 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 그 안에 저장할 수 있다.
예시적인 실시예들에서, 전술한 프로세서들 및/또는 마이크로프로세서들은 디지털 신호 프로세서들(DSP들), 축소 명령어 세트 컴퓨터들(RISC), 범용(CISC) 프로세서들, 마이크로프로세서들, 게이트 어레이들(예로서, FPGA들), PLD들, 상태 기계들, 재구성가능한 컴퓨터 패브릭들(RCF들), 어레이 프로세서들, 보안 마이크로프로세서들 및 주문형 집적 회로들(ASIC들)을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 유형들의 디지털 처리 디바이스들을 포함할 수 있다. 이러한 디지털 프로세서들은 단일의 통합된 집적 회로(IC) 다이 상에 포함되거나 복수의 구성요소에 걸쳐 분산될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예들에서, 전술한 메모리 및 저장 디바이스들은 ROM, PROM, EEPROM, DRAM, SDRAM, DDR/2 SDRAM, EDO/FPMS, RLDRAM, SRAM, "플래시" 메모리(예로서, NAND/NOR), 3D 메모리 및 PSRAM을 포함하지만 이에 제한되지 않는, 디지털 데이터를 저장하도록 적응되는 다양한 유형들의 집적 회로 또는 다른 저장 디바이스들을 포함할 수 있다. 게다가, 예시적인 실시예들에서, 전술한 통신 인터페이스는 FireWire(예컨대, FW400, FW800 등), USB(예컨대, USB 2.0, 3.0. OTG), 이더넷(예컨대, 10/100, 10/100/1000(기가비트 이더넷), 10-Gig-E 등), MoCA, LTE/LTE-A, Wi-Fi(802.11), WiMAX(802.16), Z-wave, PAN(예컨대, 802.15)/지그비, 블루투스, BLE(Bluetooth Low Energy) 또는 PLC(power line carrier) 계열들의 것들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 구성요소 또는 네트워크와의 신호 또는 데이터 인터페이스일 수 있다.
개시된 기술의 추가적인 예들이 아래에 열거된다.
1. 코일의 길이를 따라 그리고 영구 자석들을 포함하는 막대의 길이를 따라 플럭스 밀도의 비선형성의 도입을 통한 자기장들의 이용에 의한 힘 생성 시스템들의 스트로크의 길이에 대한 개선이다.
2. 장 밀도 분포를 변경함으로써 코일 또는 솔레노이드 내에서 중앙집중화된 힘의 지점을 변위시키는 방법이다.
3. 비선형 형상으로 장치의 자기장 또는 코일들을 생성함으로써 이동하는 물체의 가속의 적용을 위한 비선형 코일 기하 구조의 최적화이다.
4. 선형 움직임 생성 장치이며, 이는 선형 액추에이터들, 선형 모터들, 선형 가속기들, 기계적 발진기들 등에서의 응용을 이용하여 시스템 내의 이동하는 물체에 대해 자기력들의 균형이 달성되는 지점의 변위를 통해 더 긴 스트로크의 능력으로 동작한다.
5. 모터들, 액추에이터들 등을 포함하는 전자기 움직임 시스템들에서 힘 프로파일을 조정하는 방법이다.
6. 이동하는 물체의 정밀한 작동을 허용하기 위해 전력을 개별적으로 바이어싱할 수 있는 비대칭적으로 배향된 플럭스 밀도들의 복수의 코일을 갖는 시스템이다. 이러한 방식으로, 선형 액추에이터의 임의의 원하는 방향, 속도 또는 스트로크 거리가 제공될 수 있다.
7. 전자석 또는 다른 영구 자석이 비교적 더 긴 스트로크를 따라 이동하게 되는 가변 자기 밀도 영구 자석들을 포함하는 시스템이다.
8. 물체에 대한 힘의 조정이 비선형일 수 있어서 비선형 가속 프로파일들을 낳는, 물체의 스트로크에 대한 장 밀도의 조작을 통해 달성가능한 시스템이다. 이들 가속 프로파일들 및 자기 밀도 프로파일들은 유리하게는 역제곱 곡선, 쌍곡선, 또는 최속 강하 곡선(Brachistochrone curve)의 분포를 따르는 분포를 포함할 수 있다. 힘 분포에 대한 가장 효율적인 곡선은 자연 영구 자석의 곡선을 가장 가깝게 나타내는 곡선이며, 이는 역제곱 법칙에 의해 만들어진 곡선이다.
9. 코일 시스템 또는 영구 자석들의 자기장 밀도의 증가의 함수가 응용에 맞춰지거나 최대 효율을 위해 변경될 수 있는 시스템이다.
10. 또한, 코일 시스템, 영구 자석들, 또는 전하들의 자기장 또는 전기장 밀도에서의 증가의 함수는 응용에 맞춰지거나 최대 효율을 위해 변경될 수 있다. 동작의 최고 효율은 역제곱 법칙의 곡선의 형상에서의 장에 의해 주어질 것이다.
11. 불균일한 자기장들을 포함하는 선형 또는 회전 액추에이터의 시스템에서의 힘들의 비선형성이 장력원(예를 들어, 고무 밴드)의 도입에 의해 변경될 수 있는 시스템이다.
12. 많은 추가적인 힘 시스템들이 강성 또는 반강성 수단을 이용하여 불균일한 장 분포 액추에이터의 이동 및 고정 부재(들)에 부착될 수 있는 시스템이다.
13. 복수의 전자기 코일이 이용될 때 영구 자석들을 전혀 이용하지 않는 불균일한 장 분포들의 시스템을 포함할 수 있는 이동 시스템이다.
14. 개시된 기술의 범위를 벗어나지 않고, 하나 이상의 코일, 자석, 정전기, 또는 공기 또는 방수 인클로저 내에 캡슐화될 수 있는 비대칭적으로 분포된 플럭스 장들을 갖는 고전위의 다른 소스들을 포함하는 시스템이다.
15. 표준 원형 코일 권선들을 이용하지 않고 이루어질 수 있는 비선형 플럭스 밀도의 시스템이며, 자기장에 작용하거나 자기장에 의해 작용되는 임의의 다른 물체에 대해 움직임이 발생하도록 이루어질 수 있다.
16. 개시된 기술의 범위를 크게 벗어나지 않고, 전자기 코일들 및 영구 자석들이 정전위들에 의해, 한 방향에서 증가하는 플럭스 밀도들로 구성된 요소들로 대체될 수 있으며, 이는 일렉트릿들 및 대전된 전도체들을 포함하는 정전하 또는 바이어스를 갖는 물체에 의해 작용될 수 있다.
17. 이동 또는 작동을 제공하기 위해 인력 또는 척력으로 작용할 수 있는 비대칭적으로 조밀한 플럭스 장들을 갖는 시스템이다.
18. 선형 액추에이터 또는 선형 모터가 작동 코일의 거의 전체 길이를 이동하는 하나의 이동 부분을 가질 수 있어서, 공통 솔레노이드 또는 보이스 코일의 중복 공간을 감소시킴으로써, 복수의 이동 부분들을 제거할 수 있는 가능성을 제공하는 시스템이다.
19. 동일한 크기 및 플럭스 밀도의 복수의 영구 자석이 움직이고 있는 물체의 축에 걸쳐 이용 중인 코일까지의 영구 자석들의 거리를 변경하는 것에 의해 보통의 기하 구조의 전자기 코일에서 이용될 수 있는 시스템이다.
20. 선형 액추에이터이며, 플런저, 중심 축을 둘러싸는 하나 이상의 제1 코일 부재 - 하나 이상의 제1 코일 부재는 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -, 및 중심 축을 둘러싸는 하나 이상의 제2 코일 부재 - 하나 이상의 제2 코일 부재는 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 - 를 포함하며, 하나 이상의 제1 코일 부재 및 하나 이상의 제2 코일 부재는 제1 비대칭 플럭스 밀도 및 제2 비대칭 플럭스 밀도 각각이 하나 이상의 제1 코일 부재 및 하나 이상의 제2 코일 부재에 대해 중심 축을 따른 플런저의 움직임을 야기하도록 독립적으로 제어가능하도록 추가로 구성된다.
21. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 하나 이상의 제1 코일 부재는 제1 회로 상의 제1 코일을 포함하고, 제1 코일은 제1 권선들의 2개 이상의 섹션을 포함하고, 제1 권선들의 2개 이상의 섹션 각각은 제1 권선들의 인접 섹션과 적어도 부분적으로 방사상으로 중첩하고, 제1 권선들의 2개 이상의 섹션은 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제1 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제1 권선들이 존재하도록 구성된다.
22. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 하나 이상의 제2 코일 부재는 제2 회로 상의 제2 코일을 포함하고, 제2 코일은 제2 권선들의 2개 이상의 섹션을 포함하고, 제2 권선들의 2개 이상의 섹션 각각은 제2 권선들의 인접 섹션과 적어도 부분적으로 방사상으로 중첩하고, 제2 권선들의 2개 이상의 섹션은 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제2 권선들이 존재하도록 구성된다.
23. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 하나 이상의 제1 코일 부재는 별개의 회로 상에 각각 복수의 제1 코일 부재를 포함하고, 각각의 제1 코일 부재는 인접한 제1 코일 부재와 방사상으로 중첩하는 제1 권선들의 일부를 포함하고, 복수의 제1 코일 부재는 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제1 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제1 권선들이 존재하도록 구성된다.
24. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 하나 이상의 제2 코일 부재는 별개의 회로 상에 각각 복수의 제2 코일 부재를 포함하고, 각각의 제2 코일 부재는 인접한 제2 코일 부재와 방사상으로 중첩하는 제2 권선들의 일부를 포함하고, 복수의 제2 코일 부재는 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제2 권선들이 존재하도록 구성된다.
25. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 하나 이상의 제1 코일 부재 및 하나 이상의 제2 코일 부재는 제1 비대칭 플럭스 밀도 및 제2 비대칭 플럭스 밀도 각각이 하나 이상의 제1 코일 부재 및 하나 이상의 제2 코일 부재에 대해 중심 축을 따른 플런저의 움직임을 정지시키도록 독립적으로 제어가능하게 추가로 구성된다.
26. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 하나 이상의 제1 코일 부재와 통신하는 제1 가변 전원, 및 하나 이상의 제2 코일 부재와 통신하는 제2 가변 전원을 더 포함한다.
27. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 선형 액추에이터는 제어기와 통신하도록 구성되고, 제어기는 제1 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 제1 가변 전원으로부터 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력을 제어하고, 제2 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 제2 가변 전원으로부터 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력을 제어하도록 통신 및 구성된다.
28. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 선형 액추에이터는, 하나 이상의 제2 코일 부재에 비해 하나 이상의 제1 코일 부재에 더 많은 전력이 인가될 때, 제1 비대칭 플럭스 밀도가 플런저에 작용하여, 선형 액추에이터의 제1 단부를 향한 플런저의 이동 또는 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부를 향한 플런저의 이동 지연 중 적어도 하나를 초래하도록 제어되게 구성된다.
29. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 선형 액추에이터는, 제2 비대칭 플럭스 밀도에 대한 제1 비대칭 플럭스 밀도의 플럭스 밀도의 비율을 제어하는 것이 중심 축을 따라 이동하는 플런저의 속도, 중심 축 상에서의 플런저의 위치, 중심 축을 따른 플런저의 이동 방향, 또는 중심 축을 따른 플런저의 스트로크 길이 중 하나 이상의 제어를 초래하도록 제어되게 구성된다.
30. 선형 액추에이터이며, 중심 축을 둘러싸는 하나 이상의 제1 코일 부재, 및 하나 이상의 제1 코일 부재 내에 적어도 부분적으로 배치된 플런저를 포함하며, 하나 이상의 제1 코일 부재는 선형 액추에이터의 제1 단부를 향해 제1 피크 밀도를 갖는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성되고, 제1 비대칭 장 분포는 대칭 장 밀도 및 하나 이상의 제1 코일 부재와 동일한 길이를 갖는 코일에 대해 중심 축을 따라 플런저의 증가된 최대 스트로크 길이를 갖도록 구성된다.
31. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 하나 이상의 제1 코일 부재는 별개의 회로 상에 각각 복수의 제1 코일 부재를 포함하고, 각각의 제1 코일 부재는 인접한 제1 코일 부재와 방사상으로 중첩하는 제1 권선들의 일부를 포함하고, 복수의 제1 코일 부재는 선형 액추에이터의 제1 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제1 권선들이 존재하도록 구성된다.
32. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 선형 액추에이터는 하나 이상의 제1 코일 부재 각각의 극성이 하나 이상의 제1 코일 부재 중 다른 것들에 대해 독립적으로 제어가능하도록 구성된다.
33. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 중심 축을 둘러싸는 하나 이상의 제2 코일 부재를 더 포함하고, 하나 이상의 제2 코일 부재는 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 큰 코일 밀도를 갖도록 배열되고, 하나 이상의 제2 코일 부재는 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부를 향해 제2 피크 밀도를 갖는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성된다.
34. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 선형 액추에이터는 제어기와 통신하도록 구성되고, 제어기는 중심 축을 따라 이동하는 플런저의 속도, 중심 축 상에서의 플런저의 위치, 중심 축을 따른 플런저의 이동 방향, 또는 중심 축을 따른 플런저의 스트로크 길이 중 하나 이상을 제어하기 위해 제1 비대칭 장 분포와 제2 비대칭 장 분포 사이의 플럭스 밀도의 비율을 제어하도록 구성된다.
35. 선형 액추에이터이며, 플런저; 중심 축을 둘러싸고, 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제1 코일 부재 - 하나 이상의 제1 코일 부재는 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -; 하나 이상의 제1 코일 부재 중 적어도 하나와 통신하는 제1 가변 전원; 중심 축을 둘러싸고, 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제2 코일 부재 - 하나 이상의 제2 코일 부재는 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -; 및 하나 이상의 제1 코일 부재 중 적어도 하나와 통신하는 제2 가변 전원을 포함하며, 하나 이상의 제1 코일 부재 및 하나 이상의 제2 코일 부재는 중심 축을 따라 이동하는 플런저의 속도, 중심 축 상에서의 플런저의 위치, 중심 축을 따른 플런저의 이동 방향, 또는 중심 축을 따른 플런저의 스트로크 길이 중 하나 이상이 제1 비대칭 장 분포와 제2 비대칭 장 분포 사이의 플럭스 밀도의 비율을 통해 제어되도록 추가로 구성된다.
36. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 선형 액추에이터는 제어기와 통신하도록 구성되고, 제어기는 제1 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 제1 가변 전원으로부터 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력을 제어하고, 제2 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 제2 가변 전원으로부터 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력을 제어하도록 통신 및 구성된다.
37. 본 명세서에 개시된 예들 중 임의의 것에 따른 선형 액추에이터이며, 플런저는 각각이 연결 부재에 의해 인접한 플런저 세그먼트에 연결된 2개 이상의 플런저 세그먼트를 포함한다.
38. 선형 액추에이터를 동작시키는 방법이며 - 선형 액추에이터는 플런저, 중심 축을 둘러싸고, 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제1 코일 부재, 및 중심 축을 둘러싸고, 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제2 코일 부재를 포함함 -, 제1 가변 전원으로부터 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력을 제어하는 단계 - 하나 이상의 제1 코일 부재는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -; 및 제2 가변 전원으로부터 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력을 제어하는 단계 - 하나 이상의 제2 코일 부재는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 - 를 포함하며, 제1 가변 전원으로부터의 전력을 제어하고 제2 가변 전원으로부터의 전력을 제어하는 것은 제1 비대칭 플럭스 밀도와 제2 비대칭 플럭스 밀도 사이의 플럭스 밀도의 지정된 비율을 생성하는 것을 포함하고, 플럭스 밀도의 지정된 비율은 중심 축을 따라 이동하는 플런저의 지정된 속도, 중심 축 상에서의 플런저의 지정된 위치, 중심 축을 따른 플런저의 지정된 이동 방향, 또는 중심 축을 따른 플런저의 지정된 스트로크 길이 중 하나 이상을 초래하도록 구성된다.
39. 선형 액추에이터와의 통신을 위해 구성된 컴퓨터화된 제어기이며 - 선형 액추에이터는 플런저, 중심 축을 둘러싸고, 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제1 코일 부재, 및 중심 축을 둘러싸고, 선형 액추에이터의 중심에 비해 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제2 코일 부재를 포함하고, 하나 이상의 제1 코일 부재는 제1 비대칭 플럭스 밀도를 생성하도록 구성되고, 하나 이상의 제2 코일 부재는 제2 비대칭 플럭스 밀도를 생성하도록 구성됨 -, 하나 이상의 제1 코일 부재에 전력을 제공하기 위한 제1 가변 전원 및 하나 이상의 제2 코일 부재에 전력을 제공하기 위한 제2 가변 전원 각각과 통신하도록 구성된 통신 인터페이스; 하나 이상의 프로세서 장치; 하나 이상의 프로세서 장치와 통신하는 하나 이상의 저장 장치를 포함하며, 하나 이상의 저장 장치는 복수의 컴퓨터 판독가능한 명령어를 저장하는 비일시적 메모리를 포함하고, 복수의 컴퓨터 판독가능한 명령어는, 하나 이상의 프로세서 장치에 의해 실행될 때, 컴퓨터화된 제어기로 하여금, 제1 비대칭 플럭스 밀도와 제2 비대칭 플럭스 밀도 사이의 플럭스 밀도의 지정된 비율을 식별하게 하고; 플럭스 밀도의 지정된 비율에 적어도 부분적으로 기반하여, 제1 가변 전원으로부터 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력 흐름을 제어하게 하고; 플럭스 밀도의 지정된 비율에 적어도 부분적으로 기반하여, 제2 가변 전원으로부터 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력 흐름을 제어하게 하도록 구성되며, 제1 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어 및 제2 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어가 하나 이상의 제2 코일 부재에 비해 하나 이상의 제1 코일 부재에 더 많은 전력이 인가되게 하는 것을 포함할 때, 제1 비대칭 플럭스 밀도가 플런저에 작용하여, 선형 액추에이터의 제1 단부를 향한 플런저의 이동 또는 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부를 향한 플런저의 이동 지연 중 적어도 하나를 초래하고; 제1 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어 및 제2 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어가 하나 이상의 제1 코일 부재에 비해 하나 이상의 제2 코일 부재에 더 많은 전력이 인가되게 하는 것을 포함할 때, 제2 비대칭 플럭스 밀도가 플런저에 작용하여, 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부를 향한 플런저의 이동 또는 선형 액추에이터의 제1 단부를 향한 플런저의 이동 지연 중 적어도 하나를 초래한다.
달리 언급하지 않는 한, 본 명세서에 개시된 임의의 예(들)의 임의의 특징(들)은 본 명세서에 개시된 임의의 예(들)의 임의의 특징(들)과 조합되거나 그로부터 격리될 수 있다. 또한, 본 개시내용의 원리들이 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예들의 관점에서, 예시된 실시예들은 단지 예들일 뿐이며, 개시된 주제 또는 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 인식해야 한다.
개시된 본 발명의 원리들이 적용될 수 있는 많은 가능한 실시예들의 관점에서, 예시된 실시예들은 단지 본 발명의 바람직한 예들이고, 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 인식해야 한다. 오히려, 본 발명의 범위는 이하의 청구항들에 의해 정의된다. 따라서, 이러한 청구항들의 범위 및 사상 내에 속하는 모든 것을 본 발명으로서 청구한다.

Claims (21)

  1. 선형 액추에이터로서,
    플런저(plunger);
    중심 축을 둘러싸는(circumscribing) 하나 이상의 제1 코일 부재 - 상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -; 및
    상기 중심 축을 둘러싸는 하나 이상의 제2 코일 부재 - 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -
    를 포함하며,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재 및 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 제1 비대칭 플럭스 밀도 및 제2 비대칭 플럭스 밀도 각각이 상기 하나 이상의 제1 코일 부재 및 상기 하나 이상의 제2 코일 부재에 대해 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 움직임을 야기하도록 독립적으로 제어가능하도록 추가로 구성되는, 선형 액추에이터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 제1 회로 상의 제1 코일을 포함하고, 상기 제1 코일은 제1 권선들의 2개 이상의 섹션을 포함하고, 상기 제1 권선들의 2개 이상의 섹션 각각은 제1 권선들의 인접 섹션과 적어도 부분적으로 방사상으로 중첩하고, 상기 제1 권선들의 2개 이상의 섹션은 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제1 권선들이 존재하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 제2 회로 상의 제2 코일을 포함하고, 상기 제2 코일은 제2 권선들의 2개 이상의 섹션을 포함하고, 상기 제2 권선들의 2개 이상의 섹션 각각은 제2 권선들의 인접 섹션과 적어도 부분적으로 방사상으로 중첩하고, 상기 제2 권선들의 2개 이상의 섹션은 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제2 권선들이 존재하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 별개의 회로 상에 각각 복수의 제1 코일 부재를 포함하고, 각각의 제1 코일 부재는 인접한 제1 코일 부재와 방사상으로 중첩하는 제1 권선들의 일부를 포함하고, 상기 복수의 제1 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제1 권선들이 존재하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 별개의 회로 상에 각각 복수의 제2 코일 부재를 포함하고, 각각의 제2 코일 부재는 인접한 제2 코일 부재와 방사상으로 중첩하는 제2 권선들의 일부를 포함하고, 상기 복수의 제2 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제2 권선들이 존재하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재 및 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 제1 비대칭 플럭스 밀도 및 제2 비대칭 플럭스 밀도 각각이 상기 하나 이상의 제1 코일 부재 및 상기 하나 이상의 제2 코일 부재에 대해 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 움직임을 정지시키도록 독립적으로 제어가능하게 추가로 구성되는, 선형 액추에이터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재와 통신하는 제1 가변 전원, 및 상기 하나 이상의 제2 코일 부재와 통신하는 제2 가변 전원을 더 포함하는, 선형 액추에이터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터는 제어기와 통신하도록 구성되고, 상기 제어기는 제1 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 제1 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력을 제어하고, 제2 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 제2 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력을 제어하도록 통신 및 구성되는, 선형 액추에이터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터는, 상기 하나 이상의 제2 코일 부재에 비해 상기 하나 이상의 제1 코일 부재에 더 많은 전력이 인가될 때, 제1 비대칭 플럭스 밀도가 상기 플런저에 작용하여, 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부를 향한 상기 플런저의 이동 또는 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부를 향한 상기 플런저의 이동 지연 중 적어도 하나를 초래하도록 제어되게 구성되는, 선형 액추에이터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터는, 상기 하나 이상의 제1 코일에 비해 상기 하나 이상의 제2 코일에 더 많은 전력이 인가될 때, 제2 비대칭 플럭스 밀도가 상기 플런저에 작용하여, 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부를 향한 상기 플런저의 이동 또는 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부를 향한 상기 플런저의 이동 지연 중 적어도 하나를 초래하도록 제어되게 구성되는, 선형 액추에이터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터는, 제2 비대칭 플럭스 밀도에 대한 제1 비대칭 플럭스 밀도의 플럭스 밀도의 비율을 제어하는 것이 상기 중심 축을 따라 이동하는 상기 플런저의 속도, 상기 중심 축 상에서의 상기 플런저의 위치, 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 이동 방향, 또는 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 스트로크 길이 중 하나 이상의 제어를 초래하도록 제어되게 구성되는, 선형 액추에이터.
  12. 선형 액추에이터로서,
    중심 축을 둘러싸는 하나 이상의 제1 코일 부재; 및
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재 내에 적어도 부분적으로 배치된 플런저
    를 포함하며,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 제1 단부를 향해 제1 피크 밀도를 갖는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성되고;
    상기 제1 비대칭 장 분포는 대칭 장 밀도 및 상기 하나 이상의 제1 코일 부재와 동일한 길이를 갖는 코일에 대해 상기 중심 축을 따라 상기 플런저의 증가된 최대 스트로크 길이를 갖도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 별개의 회로 상에 각각 복수의 제1 코일 부재를 포함하고, 각각의 제1 코일 부재는 인접한 제1 코일 부재와 방사상으로 중첩하는 제1 권선들의 일부를 포함하고, 상기 복수의 제1 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부를 향해 분포된 더 많은 수의 중첩하는 제1 권선들이 존재하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터는 상기 하나 이상의 제1 코일 부재 각각의 극성이 상기 하나 이상의 제1 코일 부재 중 다른 것들에 대해 독립적으로 제어가능하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 중심 축을 둘러싸는 하나 이상의 제2 코일 부재를 더 포함하고, 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 큰 코일 밀도를 갖도록 배열되고, 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부를 향해 제2 피크 밀도를 갖는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터는 제어기와 통신하도록 구성되고, 상기 제어기는 상기 중심 축을 따라 이동하는 상기 플런저의 속도, 상기 중심 축 상에서의 상기 플런저의 위치, 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 이동 방향, 또는 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 스트로크 길이 중 하나 이상을 제어하기 위해 상기 제1 비대칭 장 분포와 상기 제2 비대칭 장 분포 사이의 플럭스 밀도의 비율을 제어하도록 구성되는, 선형 액추에이터.
  17. 선형 액추에이터로서,
    플런저;
    중심 축을 둘러싸고, 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제1 코일 부재 - 상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -;
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재 중 적어도 하나와 통신하는 제1 가변 전원;
    상기 중심 축을 둘러싸고, 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제2 코일 부재 - 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부에서 더 큰 플럭스 밀도를 갖는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -; 및
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재 중 적어도 하나와 통신하는 제2 가변 전원
    을 포함하며,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재 및 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 상기 중심 축을 따라 이동하는 상기 플런저의 속도, 상기 중심 축 상에서의 상기 플런저의 위치, 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 이동 방향, 또는 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 스트로크 길이 중 하나 이상이 상기 제1 비대칭 장 분포와 상기 제2 비대칭 장 분포 사이의 플럭스 밀도의 비율을 통해 제어되도록 추가로 구성되는, 선형 액추에이터.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 선형 액추에이터는 제어기와 통신하도록 구성되고, 상기 제어기는 제1 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 상기 제1 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력을 제어하고, 제2 비대칭 장 밀도의 생성을 위해 상기 제2 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력을 제어하도록 통신 및 구성되는, 선형 액추에이터.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 플런저는 각각이 연결 부재에 의해 인접한 플런저 세그먼트에 연결된 2개 이상의 플런저 세그먼트를 포함하는, 선형 액추에이터.
  20. 선형 액추에이터를 동작시키는 방법으로서 - 상기 선형 액추에이터는 플런저, 중심 축을 둘러싸고, 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제1 코일 부재, 및 상기 중심 축을 둘러싸고, 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제2 코일 부재를 포함함 -,
    제1 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력을 제어하는 단계 - 상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 제1 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -; 및
    제2 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력을 제어하는 단계 - 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 제2 비대칭 장 분포를 생성하도록 구성됨 -
    를 포함하며,
    상기 제1 가변 전원으로부터의 전력을 제어하고 상기 제2 가변 전원으로부터의 전력을 제어하는 것은 제1 비대칭 플럭스 밀도와 제2 비대칭 플럭스 밀도 사이의 플럭스 밀도의 지정된 비율을 생성하는 것을 포함하고, 상기 플럭스 밀도의 지정된 비율은 상기 중심 축을 따라 이동하는 상기 플런저의 지정된 속도, 상기 중심 축 상에서의 상기 플런저의 지정된 위치, 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 지정된 이동 방향, 또는 상기 중심 축을 따른 상기 플런저의 지정된 스트로크 길이 중 하나 이상을 초래하도록 구성되는, 방법.
  21. 선형 액추에이터와의 통신을 위해 구성된 컴퓨터화된 제어기로서 - 상기 선형 액추에이터는 플런저, 중심 축을 둘러싸고, 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 제1 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제1 코일 부재, 및 상기 중심 축을 둘러싸고, 상기 선형 액추에이터의 중심에 비해 상기 선형 액추에이터의 제2 반대쪽 단부에서 더 많은 수의 중첩하는 권선들을 포함하는 하나 이상의 제2 코일 부재를 포함하고, 상기 하나 이상의 제1 코일 부재는 제1 비대칭 플럭스 밀도를 생성하도록 구성되고, 상기 하나 이상의 제2 코일 부재는 제2 비대칭 플럭스 밀도를 생성하도록 구성됨 -,
    상기 하나 이상의 제1 코일 부재에 전력을 제공하기 위한 제1 가변 전원 및 상기 하나 이상의 제2 코일 부재에 전력을 제공하기 위한 제2 가변 전원 각각과 통신하도록 구성된 통신 인터페이스;
    하나 이상의 프로세서 장치;
    상기 하나 이상의 프로세서 장치와 통신하는 하나 이상의 저장 장치
    를 포함하며, 상기 하나 이상의 저장 장치는 복수의 컴퓨터 판독가능한 명령어를 저장하는 비일시적 메모리를 포함하고, 상기 복수의 컴퓨터 판독가능한 명령어는, 상기 하나 이상의 프로세서 장치에 의해 실행될 때, 상기 컴퓨터화된 제어기로 하여금,
    상기 제1 비대칭 플럭스 밀도와 상기 제2 비대칭 플럭스 밀도 사이의 플럭스 밀도의 지정된 비율을 식별하게 하고;
    상기 플럭스 밀도의 지정된 비율에 적어도 부분적으로 기반하여, 상기 제1 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제1 코일 부재로의 전력 흐름을 제어하게 하고;
    상기 플럭스 밀도의 지정된 비율에 적어도 부분적으로 기반하여, 상기 제2 가변 전원으로부터 상기 하나 이상의 제2 코일 부재로의 전력 흐름을 제어하게 하도록 구성되며,
    상기 제1 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어 및 상기 제2 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어가 상기 하나 이상의 제2 코일 부재에 비해 상기 하나 이상의 제1 코일 부재에 더 많은 전력이 인가되게 하는 것을 포함할 때, 상기 제1 비대칭 플럭스 밀도가 상기 플런저에 작용하여, 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부를 향한 상기 플런저의 이동 또는 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부를 향한 상기 플런저의 이동 지연 중 적어도 하나를 초래하고;
    상기 제1 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어 및 상기 제2 가변 전원으로부터의 전력 흐름의 제어가 상기 하나 이상의 제1 코일 부재에 비해 상기 하나 이상의 제2 코일 부재에 더 많은 전력이 인가되게 하는 것을 포함할 때, 상기 제2 비대칭 플럭스 밀도가 상기 플런저에 작용하여, 상기 선형 액추에이터의 상기 제2 반대쪽 단부를 향한 상기 플런저의 이동 또는 상기 선형 액추에이터의 상기 제1 단부를 향한 상기 플런저의 이동 지연 중 적어도 하나를 초래하는, 컴퓨터화된 제어기.
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