KR19980063699A - 브레이크 기구 및 동력 엑추에이터 - Google Patents
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Abstract
브레이크 기구는 감속 기어 열, 모터 구조물 및 제동 수단을 포함한다. 감속 기어 열은 적어도 제1 회전 방향으로 구동원으로 부터 공급된 회전력을 전달한다. 감속 기어 열은 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향으로 복귀하려는 경향이 제공된다. 모터 구조물은 감속 기어 열에 회전 가능하게 연결된 출력 샤프트를 가진다. 제동 수단은 전계 자석부, 전기자 코일, 제동 회로, 그리고 고정 저항기, 가변 저항기, 정류 다이오드, 제너 다이오드, 배리스터, 정전류 다이오드, 발광 다이오드 및 램프 벌브 중 어느 하나를 가진다. 제동 수단은 구동원과 접속이 끊겼을 때, 복귀하려는 경향에 따라 감속 기어 열을 통해서 제2 회전 방향으로 돌아가기 위해 회전하는 출력 샤프트에 대해 제1 회전 방향으로 토크를 발생시켜, 그에 따라 감속 기어 열의 복귀 회전 속도를 억제한다. 또한 동력 엑추에이터도 개시된다.
Description
본 발명은 복귀 스프링(a return spring)이 설치된 밸브 또는 댐퍼와 같은 작동단의 작업 속도를 억제하기 위한 브레이크 기구 및 이러한 브레이크 기구를 가진 동력 엑추에이터에 관한 것이다.
종래의 동력 엑추에이터로는, 작동단으로써 밸브 또는 댐퍼를 가진 스프링 복귀형 엑추에이터가 사용된다. 이러한 스프링 복귀형 엑추에이터에서는, 구동 모터의 회전력이 감속 기구를 통해 작동단에 전달되어 토크를 증가시키고, 그에 따라 작동단을 이루고 있는 밸브 또는 댐퍼를 여/닫는다. 밸브 또는 댐퍼에는 복귀 스프링이 설치된다. 정전 등으로 인하여 전력이 구동 모터에 공급되지 않을 때, 밸브 또는 댐퍼는 복귀 스프링의 힘(복원력)에 의해 강제적으로 완전히 닫히거나 열리게 된다. 밸브 또는 댐퍼가 강제적으로 완전히 닫히거나 열리게 되는 복귀 작업이 진행되는 동안, 제동력(브레이크 토크)이 초래되어 완전 닫힘 또는 완전 열림 작업 동안에 발생한 충격을 완화시킨다. 이러한 복귀 작업이 진행되는 동안의 제동 방법에 관한 예는 하기와 같은 방법 등이 포함된다.
Ⅰ. 웨이트를 사용하는 관성 제동 방법.
Ⅱ. 마찰을 활용하는 거버너 방법.
Ⅲ. 공기 저항을 활용하는 임펠러 방법.
Ⅰ. 웨이트를 사용하는 관성 제동 방법(Inertia Braking Method).
이 방법에 관해서 살펴보면, 도 16a에 도시된 바와 같이, 디스크(1-1)를 가진 브레이크 기구(1)는 작동단에 접속된 동력 전달 라인을 따라 가운데에 회전되도록 연결된다. 웨이트(1-2A)(1-2B)는 디스크(1-1)위에 설치되고 스프링(1-3A) (1-3B)을 통해 회전 중심에 연결된다. 이는 복귀 작업이 진행되는 동안 관성 모멘트를 증가시키고 작동단의 작업 속도가 증가하는 것을 억제한다. 이 경우에, 관성 모멘트는 원심력, 다시 말해서, 회전 속도에 따라 바뀔 수 있고, 도 16b에 도시된 바와 같이, 브레이크 토크(TB)는 회전 속도(N)에 대해 대체로 일정하다고 판단된다. 따라서, 복귀 시작부터 복귀 끝까지 작동단의 작업 속도(복귀 속도)는 도 16c에 도시된 것과 같은 특성을 보여줄 것이다.
도 16c에 도시된 특성은 다음과 같이 표시된다:
dω/dt=(TS-TB)/J
관성 모멘트(J)는 두 번째 속력에 비례하여 증가하고, 브레이크 토크(TB)는 회전 속도와 무관하게 일정하다.
Ⅱ. 마찰을 활용하는 거버너 방법(Governor Method).
이 방법에 관해서 살펴보면, 도 17a에 도시된 바와 같이, 케이스(2-1)를 가진 브레이크 기구(2)는 작동단에 접속된 동력 전달 라인을 따라 가운데에 회전되도록 연결된다. 드럼(2-2A)(2-2B)은 케이스(2-1)내에 설치되고, 스프링(2-3A)(2-3B)을 통해 회전 중심에 연결된다. 복귀 작업이 진행되는 동안, 드럼(2-2A)(2-2B)은 원심력에 의해 방사상으로 바깥 방향으로 밀려나가 드럼과 케이스(2-1)사이에 마찰을 발생시키고, 그에 따라 작동단의 작업 속도의 증가를 억제한다. 이 경우에, 브레이크 토크(TB)는 도 17b에서 도시된 바와 같이, 회전 속도(N)에 대체로 비례하여 드럼(2-2A)(2-2B)과 케이스(2-1)와의 마찰 발생이 시작되는 회전 속도(N0)에서 부터 증가한다고 판단된다. 따라서, 복귀 시작에서 복귀 끝까지 작동단의 복귀 속도는 도 17c에 도시된 것과 같은 특징을 보여줄 것이다.
도 17c에 도시된 특징은 다음과 같이 표시된다:
dω/dt=(TS-TB)/J
브레이크 토크(TB)는 회전 속도가 소정의 값과 같거나 작을 때엔 일정하고, 회전 속도가 소정의 값을 초과할 때엔 변할 수 있다.
Ⅲ. 공기 저항을 활용하는 임펠러 방법.
이 방법에 관해서 살펴보면, 도 18a에 도시된 바와 같이, 임펠러(3-1)를 가진 브레이크 기구(3)는 작동단에 접속된 동력 전달 라인을 따라 가운데에 회전하도록 연결된다. 복귀 작업이 진행되는 동안, 임펠러(3-1)를 회전시켜 공기 저항에 의해 생긴 제동력이 발생되고, 그에 따라, 작동단의 작업 속도가 증가하는 것이 억제된다. 이 경우에, 브레이크 토크(TB)는 도 18b에 도시된 바와 같이, 회전 속도(N)에 대체로 비례하여 증가한다고 판단된다. 따라서, 복귀 시작에서 복귀 끝까지 작동단의 복귀 속도는 도 18c에 도시된 바와 같은 특성을 보여줄 것이다.
도 18c에 도시된 특성은 다음과 같이 표시된다:
dω/dt=(TS-TB)/J
브레이크 토크(TB)는 회전 속도에 따라 달라질 수 있다.
하지만, 이런한 유형의 종래 스프링 복귀형 엑추에이터에 따르면, 관성 제동 방법Ⅰ에서는 회전 속도(N)에 비례하는 제동력을 얻을 수 없기 때문에, 작동단의 복귀 작업에서 적절한 작동 속도를 얻을 수 없다. 거버너 방법Ⅱ에서는 제동력을 발생시키는 부분이 마찰을 야기시키기 때문에, 마찰로 인한 성능 감퇴가 일어난다. 임펠러 방법Ⅲ에서는 형태에 대해 제동력이 한계가 있기 때문에, 커다란 제동력을 얻을 수 없고, 커다란 제동력을 얻기 위해서는 큰 형태가 필요하다. 어떠한 방법에서도, 작동단의 복귀 시간을 변화시키기 위해서는 구조가 복잡해진다.
본 발명의 목적은 회전 속도에 비레하는 적절한 제동력을 얻을 수 있는 브레이크 기구 및 동력 엑추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 소형 구조로 커다란 제동력을 얻을 수 있는 브레이크 기구 및 동력 엑추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 작동단의 복귀 시간을 변화시킬 수 있는 브레이크 기구 및 동력 엑추에이터를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 것으로, 적어도 제1 회전 방향으로 구동원에서 공급된 회전력을 전달하고, 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향으로 복귀하려는 경향이 제공된 회전 전달 기구(a rotation transmitting mechanism)와, 상기 회전 전달 기구에 회전가능하게 연결된 출력 샤프트를 가진 모터 구조물(a motor structure)과, 그리고 구동원과 접속이 끊겼을 때, 복귀 경향에 따라 회전 전달 기구를 통해 제2 회전 방향으로 복귀하기 위해 회전하는 출력 샤프트에 대해 제1 회전 방향으로 토크를 발생시키고, 그에 따라 회전 전달 기구의 복귀 회전 속도를 억제하는 제동 수단(braking means)을 구비한 브레이크 기구를 제공한다.
도 1a는 도 2에 도시된 스프링 복귀형 엑추에이터에서 사용된 DC 모터 구조물의 기본 구조를 나타내는 도면이고, 도 1b 및 1c는 도 1a에 도시된 DC 모터 구조물의 특징을 보여주는 그래프이고, 도 1d는 도 2에 도시된 엑추에이터의 특징을 보여주는 그래프이고;
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스프링 복귀형 엑추에이터의 부분 단면도이고;
도 3은 도 2에 도시된 스프링 복귀형 엑추에이터의 전기 회로도이고;
도 4a 내지 4d는 도 2와 3에 도시된 스프링 복귀형 엑추에이터의 작동을 설명하기 위한 타이밍 선도이고;
도 5a 및 도 5b와 5c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기 위한 저항 소자 방법을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 6a 및 도 6b와 6c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기 위한 가변 저항 소자 방법을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 7a 및 도 7b와 7c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기위한 정류 소자 방법을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 8a 및 도 8b와 8c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기 위한 제1정전압 소자 방법을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 9a 및 도 9b와 9c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기 위한 제2정전압 소자 방법을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 10a 및 도 10b와 10c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기 위한 정전류 소자 방법(전류 억제 소자 방법)을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 11a 및 도 11b와 11c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기 위한 제1발광 소자 방법을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 12a 및 도 12b와 12c는 각각 브레이크 토크(TB)를 얻기 위한 제2발광 소자 방법을 설명하기 위한 회로도 및 그래프이고;
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 스프링 복귀형 엑추에이터의 부분 단면도이고;
도 14는 도 13에 도시된 스프링 복귀형 엑추에이터의 전기 회로도이고;
도 15a 내지 15c는 도 13과 14에 도시된 스프링 복귀형 엑추에이터의 작동을 설명하기 위한 타이밍 선도이고;
도 16a 및 도 16b와 16c는 각각 웨이트를 활용하는 종래의 관성 제동 방법을 설명하기 위한 구조도 및 그래프이고;
도 17a 및 도 17b와 17c는 각각 마찰을 활용하는 종래의 거버너 방법을 설명하기 위한 구조도 및 그래프이고; 그리고
도 18a 및 도 18b와 18c는 각각 공기 저항을 활용하는 종래의 임펠러 방법을 설명하기 위한 구조도 및 그래프이다.
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 작동 부재 11 : 복귀 스프링
12 : 구동 모터 12-1 : 출력 샤프트
12-4 : 클러치 구동 수단 13 : 회전 전달 기구(감속 기어 열)
14 : 모터 구조물 14-1∼14-3 : 제동 수단
15 : 단락 16 : 작동 셀렉터 스위치
20, 20-1, 20-2 : 스위치
Rs : 저항 소자 Rv : 가변 저항 소자
Dl : 정류 소자 Dz, Va : 정전압 소자
Di : 정전류 소자 Dp, Lm : 발광 소자
본 발명은 첨부 도면을 참고하여 상세히 설명될 것이다.
[제1 실시예]
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 동력 엑추에이터(스프링 복귀형 엑추에이터)를 도시한다. 도 2를 참고해 보면, 참조번호 (10)은 작동단으로 쓰이는 밸브; (11)은 밸브(10)에 설치된 복귀 스프링; (12)는 구동 모터; (13)은 감속 기어 열(a reduction gear train); (14)는 DC 모터 구조물; (15)는 제동 회로를 나타낸다.
구동 모터(12)로는 클러치를 가진 싱크로 모터(a synchro motor)가 사용된다. 클러치가 접속되어 있는 동안, 구동 모터(12)의 출력 샤프트(12-1)는 감속 기어 열(13)을 통해 밸브(10)에 회전가능하게 연결된다. 감속 기어 열(13)은 구동 모터(12)의 출력 샤프트(12-1)상에 압력으로 끼워맞추어진 피니언(12-2)과 맞물리는 1단 감속 기어(13-1), 감속 기어(13-1)과 맞물리는 2단 감속 기어(13-2), 감속 기어(13-2)와 맞물리는 3단 감속 기어(13-3) 및 감속 기어(13-3)와 맞물리는 4단 감속 기어(13-4)로 구성되어 있다. 클러치를 내장하고 있지 않은 구동 모터가 구동 모터(12)로 사용될 때, 클러치는 외부에 설치된다.
도 1a는 DC 모터 구조물(14)의 기본 구조를 도시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, DC 모터 구조물(14)은 전계 자석부(field magnets)(14-1)(14-2), 전기자 코일(a armature coil)(14-3) 및 브러시(a brush)(14-4)를 가진다. 도 2에 도시된 바와 같이, 피니언(14-6)은 전기자 코일(14-3)이 감겨있는 전기자(도시되지 않음)의 회전 샤프트(출력 샤프트)(14-5)상에 압력으로 끼워맞추어지고, 피니언(14-6)은 감속 기어(13-1)와 맞물린다. 더욱 상세하게는, DC 모터 구조물(14)의 출력 샤프트(14-5)는 감속 기어 열(13)을 통해 구동 모터(12)에서 밸브(10)까지 동력이 전달되는 전달 라인을 따라 가운데에 회전가능하게 연결된다. 도 1a에 도시된 바와 같이, DC 모터 구조물(14)의 브러시(14-4)에 접속된 단자(14-7a)(14-7b)는 제동 회로(15)에 단락(短絡)된다.
도 3은 도 2에 도시된 스프링 복귀형 엑추에이터를 도시한다. 도 3을 참고해 보면, 참조번호 (12-3)은 구동 모터(12)의 모터 코일; (12-4)는 구동 모터(12)에 내장된 클러치 코일; (16)은 구동 모터(12)의 회전 방향을 스위칭하기 위한 작동 셀렉터 스위치(an operation selector switch); 그리고 (17)은 분권 입력(a shunt input)으로써 구동 모터(12)에 공급될 전력(AC 전력)을 받아 클러치 코일(12-4)에 공급될 DC 전력을 발생시키는 정류 회로를 나타낸다. 정류 회로(17) 및 클러치 코일(12-4)은 클러치 구동 회로를 구성한다.
위에서 설명한 스프링 복귀형 엑추에이터의 작동은 도 4a 내지 4d에 도시된 타이밍 선도를 참고로 설명될 것이다. 밸브(10)로써 비례 밸브(a proportional valve)가 들어있는 케이스가 설명될 것이다. 구동 모터(12)로는, 클러치가 접속되어 있는 동안 전력이 모터에 공급되지 않을 때에도, 모터 자체의 홀딩 토크로 밸브(10)의 위치를 보장할 수 있는 것이 사용된다. 작동 셀렉터 스위치(16)로는, 중립 위치(뉴트랄)(C)와 또한 A쪽(닫힌 쪽)과 B쪽(열린 쪽)에 스위칭될 수 있는 것이 사용된다.
도 4b에 도시된 바와 같이, t0 지점에서, 작동 셀렉터 스위치(16)를 중립위치에 위치시키면, AC 전력 공급은 전력 공급 상태(도 4a)이고, 밸브(10)의 개방도는 50%(도 4c)이다. 이 경우에, DC 전력은 정류 회로(17)를 통해 클러치 코일(12-4)에 공급된다. 구동 모터(12)에 내장된 클러치가 접속되기 때문에, 밸브(10)의 개방도는 모터 자체의 홀딩 토크에 의해 50%에서 유지된다.
이 상태로 부터, 도 4b에 도시된 바와 같이, t1지점에서, 작동 셀렉터 스위치(16)가 A쪽에 스위칭되면, 구동 모터(12)는 역 방향으로 회전된다. 이 역 회전력은 감속 기어 열(13)을 통해 밸브(10)에 전달되어 밸브를 닫히는 방향으로 이동시킨다. 구동 모터(12)로 부터의 역 회전력은 감속 기어 열(13)을 통해 DC 모터 구조물(14)에 전달되어 구조물의 출력 샤프트(14-5)를 회전시킨다.
DC 모터 구조물(14)의 출력 샤프트(14-5)가 외부 힘(F)에 의해 회전될 때, DC 모터 구조물(14)은 발전기(a generator)로 작용하여 카운터 기전력을 야기시킨다. 이 경우에, 단자(14-7a)(14-7b)가 제동 회로(15)에서 단락되기 때문에, DC 모터 구조물(14)의 전기자 코일(14-3)에서 발생된 전류(I)는 전기자 코일(14-3)로 흐르게 된다. 플래밍의 왼손 법칙이 적용되고, 외부 힘(F)에 의해 야기된 회전 방향과 반대 방향에서 토크(브레이크 토크)(TB)가 발생한다.
DC 모터 구조물(14)의 출력 샤프트(14-5)가 외부 힘(F)으로써 구동 모터(12)의 역 회전력을 받아 회전할 때, 도 4d에 도시된 바와 같이, 회전 방향과 반대 방향에서 외부 힘(F)에 의해 생긴 브레이크 토크(TB)는 t1에서 t2의 기간동안 발생된다. 이 브레이크 토크(TB)는 도 1b에 도시된 바와 같이, 회전 속도(N)에 비례한다. 이 때 회전 속도(N)는 느리기 때문에, 브레이크 토크(TB)는 많이 커지지 않는다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 작동 셀렉터 스위치(16)가 t2 지점에서 중립 위치(C)에 다시 놓이게 되면, 구동 모터(12)의 역회전은 멈춘다. 이 경우에, 밸브(10)는 개방도 20%에서 멈추고, 개방도 20%의 이 상태는 구동 모터(12)의 홀딩 토크에 의해 유지된다. 구동 모터(12)가 멈추기 때문에, DC 모터 구조물(14)에서 발생된 카운터 기전력은 사라지고, 브레이크 토크(TB)도 사라진다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 작동 셀렉터 스위치(16)가 t3 지점에서 B쪽에 스위칭되면, 구동 모터(12)는 순방향(forward direction)으로 회전하고 이 순방향 회전력은 감속 기어 열(13)을 통해 밸브(10)에 전달되어 열리는 방향으로 밸브(10)를 작동시킨다. 이 때, 구동 모터(12)로 부터의 순방향 회전력은 감속 기어(13-1)를 통해 DC 모터 구조물(14)에 전달되어 구조물의 출력 샤프트(14-5)를 회전시킨다.
따라서, 외부 힘(F)으로써 구동 모터(12)의 순방향 회전력에 대해 살펴보면, 플래밍의 왼손 법칙이 구동 모터(12)의 역방향에서와 같은 방식으로 적용된다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 회전 방향과 반대 방향에서 외부 힘(F)에 의해 생긴 브레이크 토크(TB)는 t3에서 t4 기간동안 발생된다. 도 1c에 도시된 것과 같이, 이 브레이크 토크(TB)는 회전 속도(N)에 비례한다. 이 때 회전 속도(N)는 느리기 때문에, 브레이크 토크(TB)는 아주 크지 않다.
도 4b에 도시된 바와 같이, 작동 셀렉터 스위치(16)가 t4 지점에서 중립 위치(C)에 스위칭될 때, 구동 모터(12)의 순방향 회전은 멈춘다. 이 경우에, 밸브(10)은 개방도 80%에서 멈추고, 개방도 80%의 이 상태는 구동 모터(12)의 홀딩 토크에 의해 유지된다. 구동 모터(12)가 멈추기 때문에, DC 모터 구조물(14)에서 발생된 카운터 기전력은 사라지고 브레이크 토크(TB)도 사라진다.
도 4a에서 도시된 것과 같이, t5 지점에서 정전이 발생하여, 구동 모터(12)에 AC 전력 공급이 끊겼다고 가정해 보자. 이 경우, 비록 작동 셀렉터 스위치(16)가 중립 위치(C)에 놓이기 때문에 구동 모터(12)가 멈추더라도, 전원이 오프상태이기 때문에, 클러치 코일(12-4)에 DC 전력 공급은 끊기고 클러치는 접속되지 않는다. 따라서, 구동 모터(12)에 의해 생긴 홀딩 토크는 사라지고, 밸브(10)는 복귀 스프링(11)의 회복력에 따라 닫히는 방향으로 고속으로 돌아가려고 한다.
하지만, 이 때, 복귀 스프링(11)의 회복력이 감속 기어 열(13)을 통해 DC 모터 구조물(14)에 전달되고, DC 모터 구조물(14)의 출력 샤프트(14-5)는 회전하기 시작한다. 이 때, t5에서 t6의 기간동안, 회전 방향과 반대 방향에서 복귀 스프링(11)에서 공급된 회복력(F)에 의해 생긴 브레이크 토크(TB)는 도 4d에 도시된 바와 같이, DC 모터 구조물(14)에서 발생된다. 이 브레이크 토크(TB)는 도 1b에 도시된 바와 같이 회전 속도(N)에 비례한다. 이 때 회전 속도(N)가 높기 때문에, 브레이크 토크(TB)는 크고, 밸브(10)의 복귀 속도는 크게 완화된다.
도 1d에 도시된 바와 같이, 복귀가 끝나 가면 갈수록, 복귀 시작에서 복귀 끝까지 밸브(10)의 복귀 속도는 더욱 일정하게 된다. 도 1d에 도시된 특징은 다음과 같이 나타낸다:
dω/dt=(TS(θ)-TB)/J
브레이크 토크(TB)는 회전속도에 따라 달라질 수 있다.
복귀가 끝나면, 도 4c에 도시된 바와 같이 밸브(10)는 t6 지점에서 개방도 0%의 위치에 멈춘다. 밸브(10)가 멈추기 때문에, DC 모터 구조물(14)에서 발생한 카운터 기전력은 사라지고 브레이크 토크(TB)도 사라진다.
위에서 설명한 바와같이, 이 실시예에 따르면, 작업 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)를 얻을 수 있기 때문에, 밸브(10)의 복귀 작업이 진행되는 동안 안정한 작업 속도를 얻을 수 있다. 더욱 상세하게는, 부하는 밸브(10)의 정상 작동(저속 회전)이 행해지는 동안 아주 커지지 않고, 커다란 제동력은 복귀 작업이 진행되는 동안 작동하여 충분히 긴 복귀 시간을 얻게되고, 그에 따라, 완전히 닫히는 작동중에 발생하는 충격을 감소시킨다. 브레이크 토크(TB)는 거버너 방법에서와 같은 마찰을 통해서 얻는 것이 아니라, 전기적으로 얻는 것이다. 따라서, 성능이 떨어지지 않고, 회전 속도에 비례하는 브레이크 토크(TB)가 안정하게 얻어질 수 있다. 커다란 브레이크 토크(TB)는 임펠러 방법에서와 같이 크기를 증가시키지 않고도 소형 구조로 얻어질 수 있다.
비록 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)은 상기 실시예에서 제동 회로(15)에서 단락되더라도, 항상 단락되는 것이 필요한 것은 아니다. 단락됨에 따라, 저항기에 의한 어떠한 손실도 일어나지 않게 되고, 따라서 최대의 제동 효율을 얻을 수 있다. 구성 성분의 개수가 적어 비용이 줄어든다. 본 특징들은 열리는 방향과 닫히는 방향에서 모두 같고, 브레이크 토크(TB)를 회전 속도에 비례하여 얻을 수 있다. 단락 방법 이외에 하기에 설명되는 방법도 가능하다. 이들 방법은 기본적인 것들이고 단독 또한 다향한 형태의 방법들을 조합하여 사용될 수 있다.
[저항 소자 방법(Resistor Element Method)]
도 5a에 도시된 바와 같이, 고정 저항기(Rs)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 열리고 닫히는 방향으로 작동되는 동안, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)는 DC 모터 구조물(14)에서 발생되어 밸브(10)의 작동 속도를 억제한다. 이 경우에, 소정의 제동 특성(회전 속도(N)에 대한 브레이크 토크(TB)의 특성)은 고정 저항기(Rs)의 저항에 따라 얻어질 수 있다. 도 5b와 5c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법은 브레이크 토크(TB)와 회전 속도(N)의 특징을 미리 정해 놓았을 때 가장 쉽게 실현될 수 있다.
[가변 저항 소자 방법(Variable Resistor Element Method)]
도 6a에 도시된 바와 같이, 가변 저항기(Rv)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 열리고 닫히는 방향으로 작동되는 동안, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)는 DC 모터 구조물(14)에서 발생되어 밸브(10)의 작동 속도를 억제한다. 이 경우에, 소정의 제동 특성(회전 속도(N)에 대한 브레이크 토크(TB)의 특성)은 가변 저항기(Rv)의 저항을 변화시킴에 따라 얻어질 수 있다. 도 6b와 6c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법에 따르면, 구성 성분, 예를 들면, 기어, 스프링 등과 같은 성분의 품질의 다양성이 완화될 수 있고, 규격(specification)의 다양성도 처리될 수 있다.
[정류 소자 방법(Rectifying Element Method)]
도 7a에 도시된 바와 같이, 정류 다이오드(Dl)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 닫히는 방향으로 작동하는 동안, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)는 DC 모터 구조물(14)에서 발생되어 밸브(10)의 작동 속도를 억제한다. 이런 경우, 밸브(10)가 닫히는 방향으로 작동되는 동안에는, 회전 방향과 반대 방향에서 브레이크 토크(TB)는 실질적으로 발생하지 않는다. 도 7b와 7c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법은 구동 모터의 구동 토크가 마진을 가지지 않거나, 브레이크 기구가 스프링 복귀형일 때, 그리고 구동 모터로써 낮은 토크를 갖는 것, 즉, 소형의 저렴한 구동 모터가 사용될 수 있을 때, 특히 효과적이다. 정류 소자는 다이오드로 한정되는 것이 아니라, 예를 들면 트랜지스터를 포함한 정류 소자 또한 대신 사용될 수 있다.
[제1 정전압 소자 방법(First Constant-Voltage Element Method)]
도 8a에 도시된 바와 같이, 제너 다이오드(Zener diode)(Dz)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 닫히는 방향으로 작동되는 동안, 회전 속도(N)가 소정의 값을 초과할 때, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)는 DC 모터 구조물(14)에서 발생되어 밸브(10)의 작업 속도를 억제한다. 이런 경우, 밸브(10)가 닫히는 방향으로 작동되는 동안에, 만약 회전 속도(N)이 소정의 값을 초과하지 않는다면, 브레이크 토크(TB)는 실질적으로 발생하지 않는다. 밸브(10)가 열리는 방향으로 작동되는 동안, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)가 발생되어 밸브(10)의 작업 속도를 억제한다. 도 8b와 8c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법은 회전 속도가 고속 회전하는 동안 상한가를 초과할 것으로 기대되지 않을 때 또는 구성 성분, 예를 들면, 기어의 분화를 기어에 작용하는 부하를 감소시킴으로써 방지할 수 있을 때 효과적이다.
[제2 정전압 소자 방법(Second Constant-Voltage Element Method)]
도 9a에 도시된 바와 같이, 배리스터(Va)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 닫히고 열리는 방향으로 작동되는 동안, 회전 속도(N)가 소정의 값을 초과할 때, 회전 방향과 반대 방향이고, 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)는 DC 모터 구조물(14)에서 발생하여 밸브(10)의 작동 속도를 억제한다. 이 경우, 밸브(10)가 닫히고 열리는 방향으로 작동되는 동안, 만약 회전 속도(N)가 소정의 값을 초과하지 않는다면, 브레이크 토크(TB)는 실질적으로 발생되지 않는다. 도 9b와 9c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법은 회전 속도가 고속 회전하는 동안 상한가를 초과할 거라고 기대되지 않을 때 또는 구성 성분, 예를 들면, 기어의 분화가 기어에 작용하는 부하가 감소됨으로써 방지될 수 있을 때 효과적이다.
[정전류 소자 방법(Constant-Current Element Method)(전류 억제 소자 방법)]
도 10a에 도시된 바와 같이, 정전류 다이오드(Di)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 닫히는 방향으로 작동되는 동안, 회전 속도(N)가 소정의 값을 초과하지 않을 때, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)는 DC 모터 구조물(14)에서 발생되고, 그리고 회전 속도(N)가 소정 방향을 초과할 때, 일정한 값이고 회전 방향과 반대 방향에서의 브레이크 토크(TB)가 발생되고, 그에 따라 밸브(10)의 작동 속도를 억제한다. 밸브(10)가 열리는 방향으로 작동되는 동안, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)가 발생되어 밸브(10)의 작동 속도를 억제한다. 도 10b와 10c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법에 따르면, 브레이크 토크(TB)는 어떤 값에서 일정하게 된다. 즉, DC 모터 구조물(14)에 흐르는 전류는 작은 값으로 제한될 수 있고, 그에 따라서 DC 모터 구조물(14)은 긴 시간동안 사용될 수 있다.
[제1 발광 소자 방법(First Light-Emitting Element Method)]
도 11a에 도시된 바와 같이, 발광 다이오드(Dp)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 닫히는 방향으로 작동되는 동안, 발광 다이오드(Dp)는 빛을 발하고, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)가 발생되어 밸브(10)의 작동 속도를 억제한다. 이 경우, 밸브(10)가 열리는 방향으로 작동되는 동안에, 회전 방향과 반대 방향에서 브레이크 토크(TB)는 실질적으로 발생되지 않는다. 도 11b와 11c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법에 따르면, 전류는 밸브(10)가 닫히는 작동으로 조작될 때만 흐르고, 발광 다이오드(Dp)는 빛을 발하여 밸브(10)가 복귀 작동중임을 나타낸다.
[제2 발광 소자 방법(Second Light-Emitting Element Method)]
도 12a에 도시된 바와 같이, 램프 벌브(a lamp bulb)(Lm)는 DC 모터 구조물(14)의 단자(14-7a)(14-7b)사이에 접속된다. 밸브(10)가 열리고 닫히는 방향으로 작동하는 동안, 램프 벌브(Lm)는 빛을 내고, 회전 방향과 반대 방향이고 회전 속도(N)에 비례하는 브레이크 토크(TB)가 발생되어 밸브(10)의 작업 속도를 억제한다. 도 12b와 12c는 각각 닫히고 열리는 방향에서의 제동 특성을 보여준다. 이 방법에 따르면, 밸브(10)가 닫히고 열리는 작동으로 조작되는 경우 모두 다 전류가 흐르고, 램프 벌브(Lm)는 빛을 내어 밸브(10)가 작동중임을 나타낸다.
[제2 실시예]
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스프링 복귀형 엑추에이터를 도시한다. 제2 실시예에서는, 도 2에 도시된 제1 실시예의 구동 모터(12)가 DC 구동 모터(DC 모터)(17)로 대치된다. DC 모터(17)는 두 가지 기능, 즉, 도 2에 도시된 구동 모터(12)와 DC 모터 구조물(14)의 기능을 가진다. DC 모터(17)는 기계적인 클러치를 내장하지 않고, 모터의 출력 샤프트(17-1)는 피니언(17-2)을 통해서 감속 기어 열(13)에 회전되도록 연결된다. 이를 제외하고는, 이 엑추에이터의 배열은 도 2에 도시된 것과 비슷하기 때문에, 도 2와 동일한 부분은 도 2에서와 같은 참조 번호로 나타내고 그것의 자세한 설명은 생략될 것이다.
도 14는 도 13에 도시된 스프링 복귀형 엑추에이터를 도시한다. 도 14를 참고해 보면, 참조 번호 (18)은 전력(AC 전력)을 DC 모터(17)에 공급하는 공급 라인상에 배치되어 작동을 스위칭 하는 온/오프 스위치; (19)는 온/오프 스위치(18)를 통해 AC 전력 입력으로 부터 DC 전력을 발생시키기 위한 정류 회로(19); (20)은 릴레이; 그리고 (20-1)(20-2)는 릴레이(20)의 접점을 나타낸다.
도 14에 도시된 접점(20-1)(20-2)의 상태에 따르면, 전력은 릴레이(20)에 공급되지 않는다. 다시 말하면, 온/오프 스위치(18)는 오프상태이다. 이 상태에서, 릴레이 접점(20-1)(20-2)의 가동 접점(S1)(S2)은 제동 회로(15) 측에 접속되고 DC 모터(17)의 단자(17-3a)(17-3b)는 제동 회로(15)를 통해 단락된다. 이와 반대로, 온/오프 스위치(18)가 온상태로 전환될 때, 접점(20-1)(20-2)의 가동 접점(S1)(S2)은 정류 회로(19) 측에 접속되고, DC 전력은 정류 회로(19)에서 DC 모터(17)로 공급된다. 이러한 회로 배열에서, 릴레이(20)와 릴레이 접점(20-1)(20-2)은 구동 모드와 브레이크 모드사이에서 모드 선택을 행하기 위해 모드 선택 회로를 구성한다.
이러한 스프링 복귀형 엑추에이터의 작동은 도 15a 내지 15c에 도시된 타이밍 선도를 참조로 설명될 것이다. 이 경우에, 밸브(10)는 온/오프 밸브로 사용되고 중간 개방도에 머물러 있지 않는다.
도 15a에 도시된 바와 같이, 작동 셀렉터 스위치(18)는 t0 지점에서 오프상태일 때, 밸브(10)의 개방도는 0%이다. 이 경우에, 릴레이 접점(20-1)(20-2)의 가동 접점(S1)(S2)은 제동 회로(15) 측에 접속되고 DC 모터(17)의 단자(17-3a) (17-3b)는 제동 회로(15)를 통해서 단락된다.
도 15a에 도시된 바와 같이, 작동 셀렉터 스위치(18)가 t1 지점에서 온상태로 전환될 때, 정류 회로(19)에 AC 전력 공급이 시작된다. 동시에, 릴레이(20)는 구동되고, 릴레이 접점(20-1)(20-2)의 가동 접점(S1)(S2)은 정류 회로(19) 측에 접속된다. 따라서, DC 전력은 정류 회로(19)에서 DC 모터(17)에 공급된다. DC 모터(17)는 순방향으로 회전하고, 그 순방향 회전력은 감속 기어 열(13)을 통해서 밸브(10)에 전달되어, 도 15b에 도시된 바와 같이, 밸브(10)가 열리는 방향으로 작동된다.
도 15b에 도시된 바와 같이, 밸브(10)는 t2 지점에서 완전히 열린다. 이 경우에, 작동 셀렉터 스위치(18)는 온 상태를 유지하고, DC 모터(17)는 여전히 구동 모터로 작동하여 복귀 스프링(11)의 힘에 대항하여 밸브(10)가 완전히 열린 상태를 유지하도록 한다. 밸브(10)가 열리는 방향으로 작동되는 동안, 당연히 브레이크 토크(TB)는 발생되지 않는다.
도 15a에 도시된 바와 같이, 작동 셀렉터 스위치(18)가 t3 지점에서 오프상태로 전환될 때, 정류 회로(19)에 AC 전력 공급이 중단되고, 릴레이 접점(20-1) (20-2)의 가동 접점(S1)(S2)은 제동 회로(15) 측에 접속된다. 정류 회로(19)에 AC 전력 공급이 중단될 때, DC 모터(17)에 DC 전력 공급도 또한 중단된다. 따라서, 밸브(10)는 복귀 스프링(11)의 회복력에 따라 닫히는 방향으로 고속으로 돌아가려고 한다.
이 때, 플래밍의 왼속 법칙이 DC 모터(17)에 적용된다. 도 15c에 도시된 바와 같이, 복귀 스프링(11)의 회복력(F)에 의해 야기된 회전 방향과 반대 방향에서의 브레이크 토크(TB)는 t3에서 t4 지점의 기간 동안 발생된다. 이 브레이크 토크(TB)는 회전 속도(N)에 비례한다. 이 때의 회전 속도(N)는 크기 때문에, 브레이크 토크(TB)는 크고, 밸브(10)의 복귀 속도는 크게 완화된다. 다시 말하면, 이 경우에, DC 모터(17)는 브레이크로 작동한다.
도 15b에 도시된 바와 같이, 밸브(10)는 t4 지점에서 완전히 닫히고, 브레이크 토크(TB)는 사라진다. 작동 셀렉터 스위치(18)는 오프상태로 머물러 있고, 릴레이 접점(20-1)(20-2)의 가동 접점(S1)(S2)은 여전히 제동 회로(15)측에 접속된 상태로 있다.
또한 제2 실시예에서, 제동 회로(15)는 항상 단락되는 것이 필요한 것은 아니고, 제1 실시예에서 설명된 것과 동일한 각종 형태의 방법들이 가능하다.
본 발명에서, 브레이크 토크(TB)를 얻기위한 모터 구조물로써, DC 기계형 모터(DC 서보 모터), 싱크로너스 기계형 모터(a synchronous machine type motor)(스테핑 모터(stepping motor), 브러시리스 모터(a brushless motor)), 또는 그와 유사한 것들이 사용될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따르면, 적어도 작동단의 복귀 작업이 진행되는 동안, 회전 방향과 반대 방향으로 토크가 모터 구조물에서 발생하여 작동단의 작동 속도를 억제한다. 회전 속도에 비례하는 제동력을 안정하게 얻을 수 있고, 크기를 증가시키지 않고 큰 제동력을 소형 구조로 얻을 수 있다. 만약 가변 저항 소자가 모터 구조물의 두 단자사이에 접속되어 제동 수단을 형성한다면, 작동단의 복귀 시간은 이 가변 저항 소자의 저항을 선택함으로써 변화될 수 있다.
Claims (14)
- 적어도 제1 회전 방향에서 구동원으로 부터 공급받은 회전력을 전달하고, 상기 제1 회전 방향과 반대인 제2 회전 방향으로 복귀하려는 경향이 제공된 회전 전달 기구(13)와;상기 회전 전달 기구에 회전가능하게 연결된 출력 샤프트(14-5)를 가진 모터 구조물(14)과; 그리고상기 구동원과 접속이 끊겼을 때, 복귀하려는 경향에 따라 상기 회전 전달 기구를 통해 제2 회전 방향으로 돌아가기 위해서 회전하는 상기 출력 샤프트에 대해 제1 회전 방향으로 토크를 발생시켜, 상기 회전 전달 기구의 복귀 회전 속도를 억제시키기 위한 제동 수단(14-1 - 14-3, 15, Rs, Rv, Dl, Dz, Va, Di, Dp, Lm)를 구비한 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 제동 수단은 상기 모터 구조물의 두 개의 단자를 단락시키기 위한 단락(a short circuit)(15)을 가진 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 제동 수단은 상기 모터 구조물의 두 개의 단자사이에 접속된 저항 소자(Rs)를 가진 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 제동 수단은 상기 모터 구조물의 두 개의 단자사이에 접속된 가변 저항 소자(Rv)를 가진 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 제동 수단은 상기 모터 구조물의 두 개의 단자사이에 접속된 정류 소자(Dl)를 가진 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 제동 수단은 상기 모터 구조물의 두 개의 단자사이에 접속된 정전압 소자(Dz, Va)를 가진 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 제동 수단은 상기 모터 구조물의 두 개의 단자사이에 접속된 정전류 소자(Di)를 가진 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 제동 수단은 상기 모터 구조물의 두 개의 단자사이에 접속된 발광 소자(Dp, Lm)를 가진 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,제1 또는 제2 회전 방향에서 회전력이 상기 회전 전달 방향에 공급되지 않을 경우에 상기 구동원은 홀딩 토크로 상기 회전 전달 기구를 고정(lock)시키는 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 9항에 있어서,전원이 온상태일 동안에만 상기 구동원의 회전력을 상기 회전 전달 기구에 전달하기 위한 클러치 수단(12-4, 20, 20-1, 20-2)을 추가로 포함하여 ,상기 전원이 오프상태일 동안에는, 상기 회전 전달 기구가 홀딩 토크를 가진 상기 구동원에서부터 떨어져 상기 클러치 수단과 접속이 끊기고 제2 회전 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 모터 구조물은 또한 제1 또는 제2 회전 방향에서 회전력을 상기 회전 전달 기구에 공급하는 상기 구동원으로 작동하는 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 제 1항에 있어서,상기 회전 전달 기구로 부터 전달된 제1 또는 제2 회전 방향에서 회전력을 받아 열림/닫힘 작동을 행하기 위한 작동 부재(10)와,상기 작동 부재에 상기 회전 전달 기구의 제2 회전 방향에 대향해서 복귀하려는 경향을 제공하기 위한 복귀 스프링(11)을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 브레이크 기구.
- 구동 모터(12)와;감속 기어 열(13)과 클러치를 통해서 상기 구동 모터의 출력 샤프트(12-1)에 회전 가능하게 연결된 작동 부재(10)와;상기 작동 부재에 복귀하려는 경향을 제공하기 위한 스프링(11)과;상기 구동 모터의 회전 방향을 스위칭하기 위한 작동 셀렉터 스위치(16)와;분권 입력으로써 상기 구동 모터에 공급된 전력을 받아 상기 클러치를 접속하기 위한 클러치 구동 수단(12-4)과;상기 감속 기어 열을 포함해서 상기 구동 모터에서 공급된 회전력을 상기 작동 부재로 전달하는 전달 라인을 통해 중간에 회전가능하게 연결된 출력 샤프트를 가진 모터 구조물(14)과;상기 모터 구조물의 상기 출력 샤프트에 대해 복귀하려는 방향과 반대 방향에서 토크를 발생시켜, 상기 클러치가 접속되어 있지 않는 동안 상기 작동 부재가 복귀 작업을 행할 때 상기 작동 부재의 복귀 작업 속도를 억제하기 위한 제동 수단((14-1 - 14-3, 15, Rs, Rv, Dl, Dz, Va, Di, Dp, Lm)을 포함한 것을 특징으로 하는 동력 엑추에이터.
- 모터 구조물을 가진 구동 모터(12)와;감속 기어 열(13)을 통해 상기 구동 모터의 출력 샤프트(12-1)에 회전가능하게 연결된 작동 부재(10)와;상기 작동 부재에 복귀하려는 경향을 제공하기 위한 스프링(11)과;상기 구동 모터에 전원을 온/오프시키기 위한 스위치(20, 20-1, 20-2)와;상기 스위치가 오프상태로 있을 동안 상기 구동 모터의 상기 모터 구조물에서, 상기 스프링의 복귀 경향에 따라 복귀하려는 방향과 반대 방향으로 토크를 발생시켜, 상기 작동 부재의 복귀 작업 속도를 억제하기 위한 제동 수단(14-1 - 14-3, 15, Rs, Rv, Dl, Dz, Va, Di, Dp, Lm)을 포함한 것을 특징으로 하는 동력 엑추에이터.
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