KR20010006239A - 개선된 선형 액츄에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 선형 단상 분극 전자기 액츄에이터에 관한 것이다. 코일 고정자(1)와 적어도 하나의 코일에 흐르는 전류를 지니고 전류의 신호에 따른 방향으로 움직이는 OX방향의 이동부(2) 및 연자성체로 된 계철(10)과 상기 계철에 연결된 적어도 한 개의 자석(12)을 포함한다. 상기 이동부의 자석 또는 자석들은 상기 고정자의 그 끝의 이동 계철의 공동(cavity)안에 부분적으로 끼어질 것이다. 이때, 깊이는 0.1＜e＜0.9L정도이고 E는 고정자의 극과 공동 끝단벽사이의거리로 OX에 수직으로 잰 것이다.

Description

개선된 선형 액츄에이터{IMPROVED LINEAR ACTUATOR}

액츄에이터의 일반적인 원리는 프랑스 특허 97/10585에 기술되어있다.

액츄에이터는 교대로 자성을 띠는 3개의 얇은 자석으로 구성된 마그네틱구조로 되어있다.

종래의 액츄에이터의 첫번째 문제점은 3개의 영구 자석을 필요로한다는 점이다. 영구 자석은 그 값이 비싸기 때문에, 종개 기술의 구조는 생산단가를 높이게 된다.

두 번째 문제점은, 얇은 자석들의 조립하기 전에 자화되어서 자석을 끌어당기게 되고, 그 결과 계철위에 3개의 자석이 모이게 된다.

종래의 액츄에이터의 세번째 문제점은, 운동중에 이동부를 강하게 환원시키는 경향이 있는 액츄에이터의 구조에 의하여 강자성이 제품이 생성되고, 이에 의하여 여러가지 응용이 어렵다는 것이다.

본 발명은 얇은 영구 자석을 갖는 선형 액츄에이터에 관한 것이다. 상기 선형 액츄에이터는 전기 코일에 의하여 여기된 두개의 극을 포함하는 고정자 구조와 계철과 자석부를 포함하는 이동부로 구성된다.

본 발명을 다음과 같은 첨부된 참조 그림에서 명백히 볼 수 있다.

도 1은 종래의 위치에 따른 힘과 액츄에이터의 암페어 횟수를 표로 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명의 위치에 따른 힘과 액츄에이터의 암페어 횟수의 표를 나타낸다.

도 3은 첫번째 실시예의 중앙 단면을 보여준다.

도 4는 다른 치수들을 나타낸 개략도이다.

도 5는 두번째 실시예의 절단면을 보여준다.

도 6은 세번째 실시예의 절단면을 보여준다.

도 7은 두개의 자석을 가진 이동부를 포함하는 변형된 실시를 보여준다.

도 8은 두개의 이동부를 포함하는 일실시예를 보여준다.

도 9는 두개의 이동부를 포함하는 변형된 실시예를 보여준다.

본 발명의 목적은 바람직한 암페어 횟수에 의하여 힘을 유지시켜서 상기 문제점을 제거하여 개선된 액츄에이터를 제공하는 것이다.

이를 위하여 연자성체로 된 계철속에 자석을 삽입한 이동부를 갖는 액츄에이터를 제공한다. 이러한 해결방법은 미국특허 5,175,47 또는 국제특허 WO86/05928의 도 1에 나타나있다. 상기 특허에서는 회로에 적용된 암페어 횟수의 수가 증가할 때 그 위치와 관련하여 힘이 지속적으로 유지되지 않는다고 한다.(도 1 참조)

또한, 마찬가지로 자석을 계철의 표면위에 고정시키는 해결책을 제시하기도 하였다. 이러한 해결책은 미국 특허 4,195,277에 제안되어있다. 이런 액츄에이터의 경우 힘은 필요한 운동에 따라 거의 지속적으로 이루어진다. 상기 특허에 의하면, 이러한 경우에도 효율성이 저조하고, 처음 형태의 액츄에이터 보다도 효율성이 떨어진다고 한다. (도 2 참조)

본 발명은 높은 효율성을 가지고 운동에 따라 현저하게 지속적인 힘을 보이는 액츄에이터를 제공하는 것이다. 본 발명은 액츄에이터의 특징상 계철 안에 자석을 위치시킬 경우에 미치는 영향에 대한 분석과 이러한 분석으로부터 긍정적인 효과를 나타내는 새로운 형태의 액츄에이터를 착안한 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 전기 코일에 의해 여기된 두 개의 극을 가지고 있는 고정자 구조와, 계철을 포함하는 이동부, 그리고 자석부로 구성되는 선형 전자기 액츄에이터를 제공한다. 이 때 상기 액츄에이터는 이동부가 금속판의 틈새에서 수직방향으로 자화되는 하나 또는 두개의 영구자석을 포함한는 것을 특징으로 한다. 상기 금속판의 틈은 강자성체로 된 이동 계철안에 마련된 공동(cavity) 안에 위치한다.

공동(cavity)의 깊이 e는 e가 없는 경우(e=0)와 비교하여 액츄에이터에 의해서 제공되는 힘을 필요한 운동(이동)동안 현저하게 지속적인 힘을 유지하면서 그 힘을 증가시킬 수 있도록 정확한 판단하에 선택되어진다.

상기 액츄에이터가 채워지지 않을 때, 이동부의 자유로운 각도의 OX방향으로 발생된 힘은 세개의 구성부로 나누어 질 수 있다. 전자기의 힘 F₀(전류없음), 필요한 운동 X_C에서 아주 적은 암페어 횟수 nI와 비례관계인 분극된 힘 F_nI기간, 그리고 공동에 의해 야기된 여러 자기저항에 의한 암페어 횟수의 제곱에 비례하는 힘기간(도 1과 2 참조)

주어진 암페어 횟수 nI 값은 자석이 위치한 공동(cavity)의 두께 e를 크게 할 때 힘의 기간이 증가한다(도 4 참조).

공동(cavity)가 없을 때,

힘 F_nI의 한계는 e의 수치가 무엇이건 간에 필요한 운동동안 거의 변화가 없다. 반대로의 한계는 위치에 따라 직선으로 변한다. 전체 운동에서 거의 지속적인 힘을 얻기 위해서는, 주어진 암페어 횟수의 경우,의 비율을 상대적으로 약하게, 예를 들어 15% 이하로 유지해야 한다. 상기 비율은 다음과 같은 관계로, 첫 근사치 값으로 나타내질 수 있을 것이다

여기서 X = e/E 는 삽입 계수를 나타내는데 E는 자석이 위치한 공동(cavity)의 안과 고정자 극의 표면으로 통하는 면 사이의, 자석의 두께를 포함하는 금속판의 틈을 지칭한다.

nI는 하나 또는 여러 코일을 통과하는 전류에 의해 자기장 안에 생성된 전위 자력이다 ;

Hc.L은 자석의 전위 자력으로 Hc는 보자력장이고 L은 자화의 의미에서 두께를 나타낸다.

의 비는 공동(cavity)의 깊이 e 와 함께 정확히 증가한다.

자석과 임의의 암페어 횟수 수치의 경우, 운동을 따라 지속적인 힘을 얻을수 있게의 비를 상대적으로 약하게, 예를 들어 0.15 이하로 유지하면서 힘을 증가시키기 위해서 공동(cavity)의 높이 e는 가능한 한 큰 것으로 선택되어진다.

액츄에이터에 의해 제공된 힘을 최적규모로 산출할 수 있도록 공동(cavity) 깊이 e 는 계산되고/또는 적합한 모의실험에 의해 정확한 (0.1L ＜ e ＜ 0.9L) 방식으로 선택되어진다.

암페어 횟수의 수치가 매우 약할 경우에는(ni ＜ 100At) 공동(cavity)의 깊이는 되도록 자석 두께의 50 % 보다 큰, 약 80%가 바람직하다.

암페어 횟수의 수치가 클 경우, 공동(cavity)의 깊이는 되도록이면 자석 두께의 50%이하인, 약 40%가 가장 바람직하다.

의 비율을 결정하는데 있어서, 철에 관한 투자율과 방출을 계산하면서 정확하게 정의되어질 수 있다.

첫번째 실시예에서, 같은 방향으로 자화되고 부분적으로 두개의 공동(cavity)안에 박혀있는 두개의 자석을 사용하는데 이 때 상기 두 공동(cavity)은 각각 강자성의 계철 끝에 위치한다.

첫번째 실시예에 있어서, 고정자 구조는 각각 전기 코일로 감싸여진 두 부분을 가진다.

두번째 실시예에 따르면, 고정자 구조는 관모양을 띄며 환형의 내부설치가 되어있는데 그 안에 환형의 코일이 위치한다. 이동부는 관모양을 띄는 강한 자성의 내부 계철로 형성되며 이 계철은 깊이 e라는 환형 공간을 가지고 있는데 이 안에 자화된 환형 자석이 방사선 모양으로 위치한다.

세번째 실시예에 따르면, 본 발명에 의한 액츄에이터는 관모양의 내부 고정자 구조를 포함하고 환형의 코일이 위치하는 환형의 공간을 갖추고 있다. 이동부는 관모양을 띄는 강한 자성의 내부 계철로 형성되며 이 계철은 깊이 e라는 환형 공간을 가지고 있는데 이 안에 자화된 환형 자석이 방사선 모양으로 위치한다.

실시예에 따르면, 본 발명에 의한 선형 액츄에이터는 두개의 이동부를 포함하는데 한 이동부의 자석들은 다른 이동부의 자석들과는 반대 방향으로 자화되고 전류의 효력으로 상기 두 이동부는 대립되는 방향으로 이동하게 된다.

바람직한 첫 번째 실시예에 따르면, 운동 전체에 걸쳐 거의 변동이 없이 지속되는 전류를 갖는 힘을 얻기 위해 고정자 극의 넓이는 Xc 보다 크거나 같고, 특히 Xc = E 와 거의 같다. 상기 운동에서 Xc는 거의 없다시피한 전류의 부재중에 남아 있는 힘의 영역 안에 있는 이동기관의 필요한 운동을 가리키며 E는 자석이 위치한 공동(cavity)안과 고정자 극의 표면으로 통하는 면 사이의, 자석의 두께를 포함한금속판의 틈을 가리킨다.

다른 이점에 따르면, 이동 계철의 크기는 3Xc+Xo 보다 크거나 같은, 특히 3Xc+Xo+3E 와 거의 같은 것이 좋다. 이때 Xo는 고정자 극들 사이의 벌어진 틈새이다.

다른 실시에 따르면, 이동 기관은 특히 강자성 계철 중앙에 OX 방향으로 공동(cavity) 안에 끼워진 단 하나의 자석을 가지고 있는데, 이때 공동(cavity)과 자석의 크기는 Xc+Xo 보다 크거나 같은, 특히 Xc+Xo+E 와 거의 같은 것이 바람직하다.

다른 실시에 따르면, 이동 기관은 각각 강자성 계철 끝에 위치하는 두 개의 공동(cavity) 안에 끼워진 두 개의 자석을 가지고 있으며 각각의 공동(cavity)과 자석은 OX 방향으로 Xc 보다 크거나 같은, 특히 Xc+E 와 거의 같다.

도 3은 첫번째 실시예의 단면을 나타낸다. 액츄에이터는 고정자 부분(1)과 이동부(2)로 형성된다.

상기 고정자(1) 일부는 각각의 크기가 거의 Xc+E와 같은 극(6, 7)을 갖는 두 부분(4,5)으로 된 강자성 재료로 형성된다.

상기 고정자의 부분(4, 5) 각각은 전기 코일(8, 9)에 의해 둘러 쌓여있다.

이동부는 사다리꼴 모양의 계철(10)로 형성된다. 강자성 재료로된 계철의 OX에 따른 크기는 3Xc+Xo+3E 와 거의 같다. 계철은 평행 육면체의 공동(cavity)(11)를 지니고 있는데 이 안에 OX 에 수직 방향으로 자화 된 얇은 영구 자석(12)이 부분적으로 끼어지게 된다. 상기 얇은 자석(12)은 Xc+Xo+E 와 거의 같은 크기를 갖는다.

계철은 자석(12)의 양쪽에서 거의 Xc+E 와 같은 크기로 강자성의 연장부(13, 14)로 연장된다.

상기 자석(12)은 계철(10) 안에 부분적으로 끼어지며, 공동(cavity)의 깊이 e는 일정한 적용을 위한 힘을 산출하는 방법으로 선택되어진다.

자석의 표면과 고정자 극 표면 사이는 10밀리미터 정도이다.

선택된 공동(cavity)의 깊이 e에 있어서 힘는 필요한 운동에서 거의 무시할 수 있다. 이 대의 힘은, 필요한 운동 Xc 에서, 두 코일의 각각 안에 있는 암페어 횟수nI의 순환에 따라 생겨난 것으로 그 수치는 :

F = 2. Br . L/(2.E-e). Z. 2. nI

여기서 Br은 자석의 잔류 유도를, L은 자석의 두께를 지칭한다.

E는 자석이 위치한 공동(cavity) 안과 고정자 극의 표면으로 통하는 면 사이의, 자석의 두께를 포함한 금속판의 틈을 가리킨다.

e는 공동(cavity)의 깊이를 가리킨다.

Z는 도 1의 표에서 자석의 필요한 트랙(흔적, 이동경로, 변화경로/piste) 넓이를 수직으로 가리킨 것이다.

nI는 각 코일 안의 암페어 수를 나타낸다.

예를 들면

E = 1,5 mm;

L = 1,2 mm;

E = 0.6mm;

바람직스럽게도, 유일한 자석(12)는 계철(10) 안에 위치한 다음에 자화 된다.

도 5는 원주형의 다양한 실시를 나타낸다. 원주형의 자석(12)은 관 모양의공동(cavity)(11) 안에 위치하게 되며 이 때 공동(cavity)의 깊이 e는 관 모양의 이동 계철(10) 안에 형성된다. 자석(12)의 양쪽에서, 이동 계철(10)은 옆쪽으로의 연장부(13, 14)를 갖는다. 이 고정자 부분은 구심 방식으로 이동 계철(10)의 외부에 놓이게 된다. 상기 고정자 부분은 관모양의 전기코일(22)을 수용하기 위한 내부(21)를 갖추고 있다.

도 6은 이동 계철(10)이 외부에 있는 다양한 실시예를 보여준다. 계철을 동축으로 만듦으로써 이동 계철 내부에 놓인 고정자 부분(30)을 둘러싼다.

도 7은 또 다른 실시예를 보여준다. 고정자(1) 부분은 강자성 재료 부분(3)으로 형성되는데 이는 넓게 퍼지는 끝(37, 38)을 가지는 두 갈래(4, 5)를 지닌다. 고정자 부분의 두 갈래(4, 5) 각각은 전기 코일(8, 9)에 의해 제각기 둘러 쌓여있다.

계철(30)은 그 끝에 두개의 공동(31, 32)를 갖는데 이 안에 OX 에 따른 크기가 Xc+E와 거의 같은 자석(34, 35)이 부분적으로 끼어진다. 두 자석(34, 35)사이에 포함된 부위 안에서 강자성의 계철은 부분적으로 돌출된 부분(36)을 보이는데 그 두께는 힘을 최대로 산출할 수 있도록 선택이 되며 그 넓이는 OX에 따라 Xo+E와 거의 같다.

도 8은 두개의 이동부(40, 41)가 있어 전류의 효력에 의해 OX 와 같은 방향으로 하지만 서로 대립되는 방향으로 이동하는 다른 실시예를 보여준다. 이동부 각각은 강한 자성의 계철(44, 45)에 끼어져 있는 각각의 자석(42, 43)을 갖는다. 두 이동부의 자석은 반대 방향으로 자화 된다.

고정자 부분 (1)은 원주형의 고정자(20) 부분으로 구성된다. 이 고정자 부분은 이동 계철(44, 45)의 외부에 위치한다. 고정자 부분은 내부 공간을 갖는데 이 안에 관 모양의 전기코일(22)이 위치한다.

도 9는 두개의 이동부(50, 51)가 있어 전류의 효력에 의해 OX 와 같은 방향으로 하지만 서로 대립되는 방향으로 이동하는 다른 실시예를 보여준다.

Claims (11)

1. 코일 고정자(1)와, OX 방향으로 이동하는 적어도 하나 이상의 이동부(2)를 포함하며,

   상기 고정자는 적어도 각각이 X_C와 넓이가 같고, Xo의 간격을 두며, OX 와 평행한 동일한 표면에 놓이거나 OX 축의 원기둥의 동일한 표면에 놓이며, 그리고 적어도 한 코일(8, 9)에 의해 반대 부호로 분극화되는 두개의 극(6, 7) 또는 극 그룹을 나타내는 연자성체로 이루어고,

   각 이동부는 전류의 신호에 따른 방향으로 코일에 공급되는 전류를 갖고, 연자성체로된 계철(10)과 상기 계철에 연결된 적어도 하나 이상의 자석(12)을 포함하며,

   상기 계철은 고정자에 비하여,

   - 고정자의 극에 평행하고,

   - 상기 극에 평행되게 이동하며,

   - 가장 근접된 부분에서 OX에 수직으로 측정된 불변의 최소한 거리 Y₀를 포함하고,

   상기 하나 이상의 자석은,

   - 고정자 극과 수평인 자체의 극과,

   - OX에 수직으로 측정된 동일한 두께L을 갖고

   유효운동 Xc 하는 분극, 선형, 단상 전자기 액츄에이터에 있어서,

   상기 이동부의 하나 이상의 자석은,

   - 고정자 극쪽의 이동 계철의 공동(cavity) 안에 부분적으로 끼어져 있고, 이 때 상기 공동의 깊이 e는 0.1L＜e＜0.9L이며, E는 OX에 수직으로 잰, 상기 공동(cavity)의 안쪽과 상기 고정자의 극 사이의 거리이고,

   - 상기 고장자 극에 평행하게 계철과 함께 불변의 최소 거리 거리 E-L 에 위치하며,

   - OX에 수직으로 그리고 여러 자석이 존재하면 같은 방향으로 자화되며,

   상기 계철은 OX에 따라 적어도 3Xc+Xc와 같게 측정된 길이를 갖고, E-L보다 크고 Yo=E-e와 같은 고정자와 최소 거리를 두고 위치하는 것을 특징으로하는 선형 액츄에이터
2. 제 1항에 있어서, 상기 이동 기관은, OX의 방향으로 강자성의 계철 중앙에 위치한 상기 공동(cavity) 안에 부분적으로 끼워져 있는 자석을 갖고, 이 때 상기 공동(cavity)과 상기 자석의 넓이는 OX방향으로 적어도 Xc+Xo 와 같은 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 이동 기관은, 각각 강자성의 계철 끝에 위치하는 두개의 상기 공동(cavity) 안에 박혀있는 두개의 자석을 가지고 있으며 각각의 공동(cavity)과 상기 자석은 OX방향으로 Xc보다 크거나 넓이가 같은 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 계철의 공동(cavity)의 깊이 e는, 거의 지속적인 힘을 얻기 위해서 전류에서 생긴 힘을 되도록이면 15% 이하로 전체 유효 운동동안 거의 변화가 없이 유지하면서 가능한 한 크게 선택되어져야 하며,상기 공동(cavity)의 깊이는 따라서조건을 입증하는 e의 최대 수치에 의해 결정되고, 여기서 액츄에이터에 의해 생성된 힘의 성분들인 F_nI와는 이들은 암페어 횟수 nI와 암페어 횟수 nI²제곱에 제각기 비례하는 공동(cavity)의 깊이 e 에 따라 증가하여 그 결과 채워지지 않은 필요한 운동에 있어 전자기의 힘의 기간은 아주 적으며전체 힘은 거의와 같고, 비는관계에 의해 첫 근사값으로 표현되어지며, 여기서 X = e/E 는 삽입 계수를 나타내는데 E는 자석이 위치한 공동(cavity)의 안과 고정자 극의 표면으로 통하는 면 사이의, 자석의 두께를 포함하는 금속판의 틈을 지칭하고, nI는 하나 또는 여러 코일을 통과하는 전류에 의해 자기장 안에 생성된 전위자력, Hc.L가 자석의 전위 자력으로 Hc는 보자력장이고 L은 자화의 개념에서 두께를 나타내는 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
5. 제 1항에 있어서, 상기 계철의 공동(cavity)의 깊이가 자화라는 의미에서 측정된 자석의 두께 L 의 40에서 80% 사이이며, 특히 약 60%가 이상적인 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
6. 제 1항에 있어서, 상기 고정자는, 고정자 구조가 두 갈래(4, 5)를 지니고 있으며 그 각각은 전기 코일(8, 9)에 의해 제각기 둘러 쌓여있는 것을 특징으로하는 선형 액츄에이터.
7. 제 1항에 있어서, 관모양의 외부 고정자 구조를 포함하며 환형의 코일이 위치해 있는 환형의 내부 공간을 지니고 있으며, 또한 상기 이동부는 강한 자성의 환형 내부 계철로 형성되는데 상기 계철은 환형의 공간을 가지고 있으며 그 안에 방사선 모양으로 자화된 환형의 자석이 위치하는 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
8. 제 1항에 있어서, 관모양을 띄는 내부 고정자 구조를 가지고 있으며 환형의 코일이 위치해 있는 환형의 외부 공간을 지니며, 상기 이동부는 관모양을 띄는 강자성의 외부 계철로 형성되며 이 안에 자성화된 환형 자석이 방사선 모양으로 위치하는 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
9. 제 1항에 있어서, 상기 두 개의 이동부 중 한 이동부의 자석들은 다른 이동부의 자석들과는 반대 방향으로 자화 되고 전류의 효력으로 상기 두 개의 이동부가 대립되는 방향으로 이동하게 되는 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
10. 전 항중 어느 한항에 있어서, 상기 이동 기관의 상기 자석들이 되도록이면 상기 이동 기관에 위치한 후에 자성화되는 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.
11. 전 항중 어느 한항에 있어서, 상기 자석 또는 자석들이 병렬된 여러 자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 선형 액츄에이터.