KR20230113391A - 전자 액추에이터 장치 및 이것을 구비한 서스펜션 장치 - Google Patents

전자 액추에이터 장치 및 이것을 구비한 서스펜션 장치 Download PDF

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KR20230113391A
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료스께 호시
야스아끼 아오야마
노부유끼 이찌마루
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히다치 아스테모 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 맥동의 저감과 추력을 향상시킬 수 있는 전자 액추에이터 장치를 제공한다. 본 발명의 전자 액추에이터 장치는, 자석부(20)와, 자석부(20)와 상대 이동하는 전기자(10)를 구비한다. 전기자(10)에는, 상대 이동 방향을 따라서 형성된 복수의 티스(12)와, 복수의 티스(12)간에 형성된 복수의 슬롯(15)과, 복수의 티스(12)를 연결하는 요크(14)와, 복수의 슬롯(15)에 감기는 권선(13)을 구비한다. 자석부(20)에는, 공극을 통해 복수의 티스(12)와 대향하고, 또한 상대 이동 방향을 따라서 배치된 복수의 자석(21)을 구비한다. 전기자(10)의 한쪽의 티스 단부(12c)의 최소 단면적 Sc1과, 다른 쪽의 티스 단부(12b)의 최소 단면적 Sc2의 관계를 Sc1>Sc2로 하고, 또한 다른 쪽의 티스 단부(12b)의 최소 단면적 Sc2와, 상대 이동 방향을 가로지르는 방향의 요크(14)의 단면적 Sy의 관계를 Sc2≥Sy로 하였다.

Description

전자 액추에이터 장치 및 이것을 구비한 서스펜션 장치
본 발명은, 리니어 모터를 사용한 전자 액추에이터 장치 및 이것을 구비한 서스펜션 장치에 관한 것이다.
리니어 모터는, 단부가 존재함으로써, 각각의 권선에 쇄교하는 자속량이 언밸런스하여 추력 맥동이 발생된다. 맥동의 저감에는, 단부의 영향을 받는 상의 권취수를 다른 상으로 변화시키거나, 티스의 형상을 변경하는 등의 방법이 알려져 있다. 그 방법으로서 예를 들어 특허문헌 1이 있다.
특허문헌 1에 기재된 기술에 있어서는, 한쪽의 단부에 위치하는 티스의 단면적에 대해, 다른 한쪽의 단부에 위치하는 티스의 단면적을 축소하여, 맥동을 작게 하도록 하고 있다.
일본 특허 공개 제2016-92842호 공보
그러나, 특허문헌 1에 기재된 기술에 있어서는, 단부에 위치하는 티스의 단면적을 과도하게 축소한 경우, 자기 포화에 의해 각각의 권선에 쇄교하는 자속의 언밸런스가 발생하여, 추력 맥동이 증대된다고 하는 과제가 있었다. 또한, 자기 포화되기 쉬움으로써 누설 자속이 증가되어, 추력에 기여하는 자속이 감소된다고 하는 과제가 있었다.
본 발명의 목적은, 맥동의 저감과 추력을 향상시킬 수 있는 리니어 모터를 사용한 전자 액추에이터 장치 및 이것을 구비한 서스펜션 장치를 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 자석부와, 상기 자석부와 상대 이동하는 전기자를 구비하고, 상기 전기자에는, 상대 이동 방향을 따라서 형성된 복수의 티스와, 상기 복수의 티스간에 형성된 복수의 슬롯과, 상기 복수의 티스를 연결하는 요크와, 상기 복수의 슬롯에 감기는 권선을 구비하고, 상기 자석부에는, 공극을 통해 상기 복수의 티스와 대향하고, 또한 상대 이동 방향을 따라서 배치된 복수의 자석을 구비한 전자 액추에이터 장치이며, 상기 전기자의 한쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc1과, 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2의 관계를 Sc1>Sc2로 하고, 또한 상기 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2와, 상대 이동 방향을 가로지르는 방향의 상기 요크의 단면적 Sy의 관계를 Sc2≥Sy로 한 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 추력 맥동이 작고, 추력이 큰 전자 액추에이터 장치 및 이것을 구비한 서스펜션 장치를 제공할 수 있다. 상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시예의 설명에 의해 명백해진다.
도 1a는 전자 액추에이터 장치에 있어서의 리니어 모터부를 발출한 외관 사시도이다.
도 1b는 도 1a를 IB-IB선(YZ 평면)으로 절단한 단면도이다.
도 2a는 종래 구조를 도시하는 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 실시예 1에 관한 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 3은 한쪽의 단부의 단면적에 대한 추력과 추력 맥동의 특성을 도시하는 도면이다.
도 4a는 Wc와 Wm이 동등한 상태(Wc=Wm)에 있어서의 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4b는 본 발명의 실시예 2에 관한 Wc가 Wm보다 작은 상태(Wc<Wm)에 있어서의 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 4c는 본 발명의 실시예 2에 관한 Wc가 Wm보다 큰 상태(Wc>Wm)에 있어서의 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3에 관한 전자 액추에이터 장치를 사용한 차량용 서스펜션 장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 대하여 첨부의 도면을 참조하면서 설명한다. 마찬가지의 구성 요소에는 마찬가지의 부호를 붙이고, 동일한 설명은 반복하지 않는다.
본 발명의 각종 구성 요소는 반드시 개개에 독립된 존재일 필요는 없고, 하나의 구성 요소가 복수의 부재로 이루어지는 것, 복수의 구성 요소가 하나의 부재로 이루어지는 것, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 일부인 것, 어떤 구성 요소의 일부와 다른 구성 요소의 일부가 중복되는 것 등을 허용한다.
실시예 1
본 발명의 전자 액추에이터 장치에 대하여 도 1 내지 도 3을 사용하여 설명한다. 실시예 1에 있어서, 전기자(10)와 자석부(20)는 상대 이동한다. 실시예 1에서는, 상대 이동하는 방향을 Z 방향, 이 Z 방향과 직교하는 2개의 방향을 X 방향, Y 방향이라 한다.
도 1a는 전자 액추에이터 장치에 있어서의 리니어 모터부를 발출한 외관 사시도이며, 도 1b는 도 1a를 IB-IB선(YZ 평면)으로 절단한 단면도이다.
도 1a 및 도 1b는, 리니어 모터의 주요 부품을 기재한 것이며, 그 밖의 전자 액추에이터 장치의 기구 부품은 도시하고 있지 않다. 도 1a 및 도 1b에 있어서, 리니어 모터(1)는, 자석부(20)와, 자석부(20)와 상대 이동하는 전기자(10)를 구비하고 있다.
전기자(10)에는, Z 방향(상대 이동 방향)을 따라서 형성된 복수의 티스(12)와, 복수의 티스(12)간에 형성된 복수의 슬롯(15)과, 복수의 티스(12)를 연결하는 요크(14)와, 복수의 슬롯에 감기는 권선(13)이 구비되어 있다. 복수의 슬롯(15)은 U상 슬롯(15a), V상 슬롯(15b), W상 슬롯(15c)으로 구성되어 있다.
자석부(20)에는, 통형으로 형성된 자성체(22)(외통)와, 자성체(22)의 내주측에 배치됨과 함께, 공극을 통해 복수의 티스(12)와 대향하고, 또한 Z 방향(상대 이동 방향)을 따라서 배치된 복수의 자석(21)이 구비되어 있다. 그리고, 통형으로 형성된 자석부(20)의 내주측에 전기자(10)가 배치된다.
이 자석부(20)와 전기자(10)가 상대적으로 Z 방향으로 이동함과 함께, Z 방향의 힘 즉 추력을 발생시킨다.
본 리니어 모터의 구성은, 자석 4개분에 대하여, 티스를 구성하는 전기자(10)의 자성체(11)에 권선(13)이 3개 배치되는 4극 3슬롯 구조로 하고 있다. 이것은 리니어 모터의 구성의 일례이며, 마찬가지의 효과가 얻어지면 이 구성에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 극수나 슬롯수, 원통 형상의 리니어 모터에 한정되는 것은 아니다.
도 1에 도시한 리니어 모터는, 3개의 권선[13(13a, 13b, 13c)]에 3상 교류를 인가하는 3상 리니어 모터의 예이며, 3개의 권선(13)의 전류값을 가변시킴으로써, 임의의 위치에서 임의의 힘을 발생시키는 것이 가능하다. 추력은, 자석(21)에 의해 발생하는 자속과, 권선(13)에 의해 발생하는 자속의 상호 작용에 의해 발생하는 것이다. 리니어 모터는, 회전기와는 달리 전기자에 단부가 존재한다. 단부에 의한 영향으로 리니어 모터에는 2차의 추력 맥동이 발생하는 것이 알려져 있다. 이것은 단부에 의한 3상간의 쇄교 자속의 언밸런스에 의한 것이다.
도 2는 티스 단부의 치수가 다른 2개의 리니어 모터의 비교 단면도이다. 도 2a는 종래 구조를 도시하는 단면도이다. Sc2a는 티스 단부(12a)의 최소 단면적이며, Sc1은 티스 단부(12c)의 최소 단면적이며, Sy는 요크(14)의 단면적이다. 실시예 1에서는, 요크(14)의 단면적은 중앙부가 도려 내어진 도넛상으로 되어 있다. 티스 단부와 요크에는, 자속(60)이 통과하고 있다. 도 2a에 있어서, 티스 단부(12a)의 최소 단면적 Sc2a와 티스 단부(12c)의 최소 단면적 Sc1의 관계는 동등하게 되어 있다(Sc2a=Sc1).
도 2b는 본 발명의 실시예 1에 관한 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이며, 티스 단부(12b)의 최소 단면적 Sc2b는, 티스 단부(12c)의 최소 단면적 Sc1보다도 작다(Sc2b<Sc1). 본 실시예의 리니어 모터는 원통 형상이기 때문에, 티스 단부(12a, 12b, 12c)의 단면적은 일정하지 않고, 내경측으로 갈수록 단면적이 작다. 따라서, 실시예 1에서는 슬롯의 저부(가장 내경측)에 위치하는 티스 단부의 단면적을 사용하여 비교를 행한다.
도 3은 한쪽의 단부의 단면적에 대한 추력과 추력 맥동의 특성을 도시하는 도면이다. 도 3의 상부 도면은 추력의 특성, 도 3의 하부 도면은 추력 맥동의 특성이다. 도 3에 있어서, Sc2=Sy를 경계로 하여 도면의 좌측이 Sc2<Sy가 되고, 우측이 Sc2>Sy가 된다. 또한, Sc2=Sc1을 경계로 하여 도면의 좌측이 Sc2>Sc1이 되고, 우측이 Sc2<Sc1이 된다.
리니어 모터에 있어서의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2, Sc1이 동등한 상태(Sc2=Sc1)로부터 한쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2를 축소하면, 추력은 상승하고, 티스 단부의 최소 단면적 Sc2와 요크의 단면적 Sy가 동등하게 되는 점(Sc2=Sy)에서 극댓값을 취한 후 감소한다.
리니어 모터에 있어서의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2, Sc1이 동등한 상태(Sc2=Sc1)로부터 한쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2를 축소하면, 추력 맥도는 티스 단부의 최소 단면적 Sc2와 요크의 단면적 Sy가 동등하게 되는 점(Sc2=Sy)까지 급격하게 감소한다.
티스 단부의 최소 단면적 Sc2가 요크의 단면적 Sy보다 작을 때(Sc2<Sy)는, 티스 단부가 요크보다 먼저 자기 포화되기 때문에 단부에 의한 맥동에 대한 영향은 작지만 추력이 현저하게 저하된다. 이때, 티스 단부의 최소 단면적 Sc2, Sc1의 관계는 Sc2>Sc1로 되어 있다.
한쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2를 축소시켜, 티스 단부의 최소 단면적 Sc2와 요크의 단면적 Sy가 동등하게 되었을 때(Sc2=Sy)는, 티스 단부와 요크에 자속(60)이 통과하기 때문에, 티스 단부 내와 요크 내에서 자속 밀도가 균등해진다. 그 때문에, 요크 또는 티스 단부 중 어느 쪽인가 한쪽이 먼저 자기 포화되는 일이 없어, 추력에 악영향을 미치지 않고 티스 단부의 최소 단면적을 축소하여 추력 맥동을 저감할 수 있다.
티스 단부의 최소 단면적 Sc2가 요크의 단면적 Sy보다 클 때(Sc2>Sy), 추력은 감소하고, 추력 맥동은 Sc2가 커짐에 따라서 우선 증가하고, 극댓값을 취하여 감소로 전환된다. 티스 단부의 최소 단면적이 증가하면 티스 단부의 자석과 대향하는 면에 있어서의 Z축 방향의 치수가 증가한다. 이에 의해 티스가 2개의 자석에 걸치는 구간이 길어져, 티스 선단과 자석간에서 루프를 그리기 때문에, 추력에 유효한 자속이 감소함과 함께 맥동도 감소한다.
이상으로부터, 리니어 모터에 있어서의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2, Sc1이 동등한 상태(Sc2=Sc1)를 기준으로 하였을 때, 추력 저하를 억제하면서 맥동을 저감시키기 위해서는, 전기자(10)의 한쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc1과, 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2의 관계를 Sc1>Sc2로 하고, 또한 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2와, 상대 이동 방향을 가로지르는 방향의 요크 단면적 Sy의 관계를 Sc2≥Sy로 하는 것이 바람직하다.
또한, 도 2b의 리니어 모터에 있어서, 전기자에 대해 Z축 방향의 자석 자속을 이용하여, 전기자의 자극 위치를 검출하는 센서(50)를 두는 경우에는 도 2b에 도시한 바와 같이 최소 단면적이 큰 티스 단부(12c) 측에 두는 것이 바람직하다. 티스 단부(12b) 측에 두면, 대전류로 구동한 경우에 자기 포화로 누설 자속이 발생하여, 자극 위치의 검출에 대한 신뢰성이 저하될 가능성이 있다. 따라서, 자기 포화되기 어려운 티스 단부(12c) 측에 센서(50)를 설치함으로써 자극 위치 검출의 신뢰성을 담보할 수 있다.
실시예 1에 의하면, 추력 맥동을 억제하고, 추력 향상을 도모한 전자 액추에이터 장치를 제공할 수 있다.
실시예 2
다음으로 본 발명의 실시예 2에 대하여, 도 3 내지 도 4를 사용하여 설명한다. 실시예 1과 동일한 구성은 동일한 부호를 붙이고, 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3에 있어서, 추력 맥동이 극댓값이 되는 점은, 티스 단부(12b)에 있어서의 자석과 대향하는 면의 Z축 방향의 치수 Wc와, 자석(21)에 있어서의 티스 단부(12b)와 대향하는 면의 Z축 방향의 치수 Wm이 동등할 때이다(Wc=Wm).
또한, Wc=Wm을 경계로 하여 도면의 좌측이 Wc<Wm이 되고, 우측이 Wc>Wm이 된다. 또한, Sc2=Sc1을 경계로 하여 도면의 좌측이 Sc2>Sc1이 되고, 우측이 Sc2<Sc1이 된다.
도 4a는 Wc와 Wm이 동등한 상태(Wc=Wm)에 있어서의 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 4a에 도시한 Wc=Wm일 때, 소정의 타이밍에 자석(21)과 티스 단부(12b)가 완전 대향하기 때문에, 공간에 누설되는 자속이 최소가 되고, 티스에 들어가는 자속(60)이 최대가 된다. 이에 의해, 3상간의 자속의 언밸런스가 커져 추력 맥동이 도 3에 도시한 바와 같이 극댓값을 취한다.
도 4b는 본 발명의 실시예 2에 관한 Wc가 Wm보다 작은 상태(Wc<Wm)에 있어서의 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 4b에 도시한 Wc<Wm일 때, 티스 단부(12b)의 대향 면적이 작기 때문에 티스 단부(12b)에 침입하는 자석 자속이 감소한다. 이때, 티스 단부(12b)에 침입하는 자석 자속은 도 4a의 Wc=Wm일 때에 비해 작아진다. 이에 의해, 3상간의 자속의 언밸런스가 작아져, 도 3에 도시한 바와 같이 추력 맥동이 감소하고, 추력이 증가한다.
도 4c는 본 발명의 실시예 2에 관한 Wc가 Wm보다 큰 상태(Wc>Wm)에 있어서의 리니어 모터의 구조를 도시하는 단면도이다. 도 4c에 도시한 Wc>Wm일 때, 실시예 1에서 설명한 바와 같이 인접하는 2개의 자석(21)에 티스 단부(12b)가 대향하기 때문에, 요크를 통해 인접하는 티스를 통과하는 자속(60)이 감소하고 티스 단부(12b)의 선단을 통해 인접하는 자석(21)에 들어가는 누설 자속(61)이 증가하기 때문에, 단부에 의한 3상간의 자속량의 언밸런스는 개선되지만, 누설 자속(61)이 증가함으로써 추력이 감소한다.
이상으로부터 맥동을 저감하기 위해서는 Wm≠Wc(Wc<Wm 및 Wc>Wm)인 것이 바람직하다. 또한, 치수에 제약이 있는 경우, 전기자의 Z축 방향의 치수가 작은 쪽이 스트로크를 확보할 수 있기 때문에, Wc<Wm으로 하고, 또한 티스 단부(12b)의 최소 단면적 Sc2와 요크의 단면적 Sy의 관계를 Sc2>Sy로 함으로써, 티스 단부의 Z축 방향의 치수를 축소하여, 스트로크를 확보할 수 있다.
실시예 3
다음으로 본 발명의 실시예 3에 대하여, 도 5를 사용하여 설명한다. 도 5는 본 발명의 실시예 3에 관한 전자 액추에이터 장치를 사용한 차량용 서스펜션 장치의 구성도이다.
실시예 3에서는, 4륜 자동차 등의 차량에, 차량용 서스펜션 장치를 탑재한 경우를 예로 들어 설명한다.
차체(32)는, 차량(31)의 보디를 구성하고 있다. 차체(32)의 하측에는, 좌우의 전륜과 좌우의 후륜으로 이루어지는 합계 4개의 차륜(33)이 마련되어 있다. 실시예 3에서는 주행 중의 진동을 억제하기 위해, 차체(32)와 각 차륜(33) 사이에 마련된 서스펜션 장치(34)를 4개 구비하고 있다. 실시예 3의 서스펜션 장치(34)는, 본 발명의 전자 액추에이터 장치를 사용한 전자 서스펜션 장치를 나타내고 있다. 도시는 되어 있지 않지만, 서스펜션 장치(34)에는, 전류를 전자 액추에이터에 공급하는 전원과, 전류를 제어함으로써 전자력을 가변할 수 있는 컨트롤러가 접속되어 있다. 서스펜션 장치(34)는, 리니어 모터가 발생하는 전자력을 사용하여 직접 차체에 가해지는 진동을 억제한다.
실시예 3에서는, 서스펜션 장치(34)를 구성하는 리니어 모터의 대형화를 억제할 수 있다. 그리고, 차량(31)에 있어서의 서스펜션 장치(34)의 탑재 스페이스를 작게 할 수 있어, 주행에 관계되는 기기류의 탑재 스페이스를 삭감할 수 있다.
또한, 본 발명은, 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다.
상술한 실시예는 본 발명을 알기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다.
1: 리니어 모터
10: 전기자
11: 자성체
12: 티스
12a, 12b, 12c: 티스 단부
13: 권선
14: 요크
15: 슬롯
15a: U상 슬롯
15b: V상 슬롯
15c: W상 슬롯
20: 자석부
21: 자석
22: 자성체
31: 차량
32: 차체
33: 차륜
34: 서스펜션 장치
50: 센서
60: 자속
61: 누설 자속

Claims (7)

  1. 자석부와, 상기 자석부와 상대 이동하는 전기자를 구비하고,
    상기 전기자에는, 상대 이동 방향을 따라서 형성된 복수의 티스와, 상기 복수의 티스간에 형성된 복수의 슬롯과, 상기 복수의 티스를 연결하는 요크와, 상기 복수의 슬롯에 감기는 권선을 구비하고,
    상기 자석부에는, 공극을 통해 상기 복수의 티스와 대향하고, 또한 상대 이동 방향을 따라서 배치된 복수의 자석을 구비한 전자 액추에이터 장치이며,
    상기 전기자의 한쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc1과, 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2의 관계를 Sc1>Sc2로 하고, 또한 상기 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2와, 상대 이동 방향을 가로지르는 방향의 상기 요크의 단면적 Sy의 관계를 Sc2≥Sy로 한 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전기자의 자극 위치를 검출하는 센서를 구비하고,
    상기 센서는 상기 한쪽의 티스 단부측에 배치한 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자석부는 통형으로 형성되고, 통형으로 형성된 상기 자석부의 내주측에 상기 전기자를 배치한 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 한쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc1과 상기 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2는, 상기 슬롯의 저부에 위치하는 티스의 단면적인 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다른 쪽의 티스 단부에 있어서의 상기 자석과 대향하는 면의 상대 이동 방향의 치수 Wc와, 상기 자석에 있어서의 상기 다른 쪽의 티스 단부와 대향하는 면의 상대 이동 방향의 치수 Wm의 관계를 Wc≠Wm으로 한 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다른 쪽의 티스 단부에 있어서의 상기 자석과 대향하는 면의 상대 이동 방향의 치수 Wc와, 상기 자석에 있어서의 상기 다른 쪽의 티스 단부와 대향하는 면의 상대 이동 방향의 치수 Wm의 관계를 Wc<Wm으로 하고, 또한, 상기 다른 쪽의 티스 단부의 최소 단면적 Sc2와 상기 요크의 단면적 Sy의 관계를 Sc2>Sy로 한 것을 특징으로 하는 전자 액추에이터 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 전자 액추에이터 장치를 구비한 것을 특징으로 하는 서스펜션 장치.
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