KR102658108B1 - 개선된 자기 안정성 및 스트리핑력을 구비한 선형 액추에이터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 행정의 말단 중 하나에서 적어도 하나의 안정 위치를 구비한 행정(c)을 갖는 선형 전자기 액추에이터이며, 연자성 재료로 제조된 전기자(6), 및 연자성 재료로 제조되고 또한 적어도 하나의 전기 코일(2)을 보유하는 고정형 고정자 요크(1)를 포함하며, 상기 전기자(6)는 축방향(Y)으로 이동할 수 있고 또한 상기 방향(Y)으로 길이(Hm)를 가지며, 상기 전기자(6)는 상기 축선(Y)에서 대칭 형상을 갖는다. 또한, 상기 액추에이터는 상기 방향(Y)과 직교하는 횡방향 축선(X)을 따라 자화되는 적어도 하나의 고정형 영구자석(4)을 포함한다. 상기 자석(4)은 가동형 전기자(6)와 전기 코일(2) 사이에서 횡방향으로 위치된다. 상기 자석은 상기 방향(Y)으로 길이(Ha)를 갖는다. 상기 고정형 요크(1) 및 상기 가동형 전기자(6)는 그 사이에 적어도 하나의 축방향 에어 갭을 형성한다. Ha + c 는 Hm 과 동일한 크기를 갖는다. 상기 길이(Hm)는 0.9 × (Ha + c) < Hm < 1.1 × (Ha + c) 이므로, 상기 가동형 전기자(6)가 그 말단 안정 위치에 있을 때, 상기 가동형 전기자(6)의 2개의 축방향 단부 중 하나가 상기 영구 자석(4)의 2개의 축방향 단부 중 하나에 인접하게 된다.

Description

개선된 자기 안정성 및 스트리핑력을 구비한 선형 액추에이터

본 발명은, 소비되는 에너지 없이, 적어도 하나의 영구자석에 의해 달성되는 하나 또는 2개의 안정된 위치를 갖는 선형 전자기 액추에이터에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 전류에 의해 상기 안정 위치 또는 위치들을 벗어날 수 있는 능력을 갖는 액추에이터를 제안하며, 스트리핑력(stripping force)은 종래 기술에 비해 개선되는 방식으로 알려질 것이다. 또한, 본 발명은 주어진 안정력(stability force)을 위해 사용되는 자석 질량에 대한 절약뿐만 아니라, 종래 기술의 해결책에 대해 허용된 것보다 더 큰 선형 이동(linear travel)을 할 수 있는 능력을 갖는 액추에이터를 제안한다.

비제한적으로 그리고 예로서, 이 액추에이터는 예를 들어 공기 입구 또는 배기 밸브용 액추에이터와 같은 임의의 타입의 자동차 유체 순환 밸브를 위한 적용, 및 변속기 요소를 이동시키기 위한 적용을 발견할 것이다. 전체적으로, 전류 없이 하나 또는 그 이상의 안정 위치의 유지를 요구하고 또한 전기적 지령에 의해 상기 위치를 벗어날 수 있는 임의의 기능은, 본 발명에 의해 기재된 바와 같이 액추에이터에 대한 해결책을 발견할 수 있다.

그 안정성 또는 안정성들이 하나 또는 그 이상의 자석에 의해 제공되는 액추에이터는, 종래의 특허 분야에 알려져 있다.

예를 들어, 미국 특허 제4779582호는 자동차 밸브를 이동시키기 위해, 특히 액추에이터의 2개의 극단 위치(extreme position)의 유지 보수에 능동적으로 참여하는 고정형(고정자) 부분에 자석을 사용하는, 액추에이터의 토폴로지(topology)를 제안하고 있다. 이들 자석은 제1 또는 제2 코일의 둘레에 자속의 루핑(looping)을 허용하기 위해, 2개의 분리된 전기 코일 사이에 위치된다.

동일한 타입의 액추에이터 토폴로지는 문헌 EP 0157632호 또는 보다 최근의 문헌 WO 2014/023326호에서 찾아볼 수 있다.

이들 장치의 목적은, 스프링과 같은 임의의 기계적 도움 없이, 단안정(mono-stability) 또는 쌍안정(bi-stability)을 제공하는 일반적인 문제를 해결하는 것이며, 이는 영구자석의 사용에 의한 전기 에너지의 소비가 없다.

그러나 이들 장치는 상기 안정 위치를 쉽게 벗어나는 것을 가능하게 하지 않는다. 이는 상기 안정 위치의 용이한 벗어남이나 또는 스트리핑을 허용하기 위해 스프링이 사용되기 때문이다. 특권형(privileged) 공기 순환 방향에서는, 코일의 전류가 스트리핑을 보조할 수는 있지만, 그러나 자석에 의해 발생된 유지력을 완전히 소거할 수 없거나, 또는 가동 부분에 인가된 임의의 마찰이나 부하를 극복하기에 충분한 스트리핑력을 허용하지 않는다.

또한, 중심 위치에서 이들 자석의 양측 상에 2개의 개별 코일을 사용하면, 액추에이터가 비효율적으로 되고, 상기 가동 부분이 액추에이터의 한쪽 단부 또는 다른 쪽 단부에 있을 때, 전체 권선의 절반이 자기적으로 활성화되지 않는다.

액추에이터의 가동 부분에 의해 지지되는 자석의 동작에 의해 이들 안정 위치를 유지할 수 있게 하는 다른 타입의 단안정 또는 이중-안정 액추에이터가, WO 2004/066476호에 개시되어 있다.

이 액추에이터는, 이동에 대한 상기 가동 부분의 그 어떤 위치라도, 전기 코일의 전체가 힘 발생에 참여한다는 점에서, 전술한 액추에이터를 부분적으로 개선시킨다. 또한, 개발된 토폴로지는 상기 문헌에 개시된 수학 방정식에 의해 안내된, 상기 가동 부분 상에서의 자석의 매립에 작용함으로써 최대로 될 수 있는 스트리핑력을 발생시키는 것을 가능하게 한다.

다른 한편으로, 이 액추에이터는 요구되는 이동이 커질 때 더욱더 커질 수 있는 축방향 공간 요구사항(이동 방향으로)을 요구하는 본래의 토폴로지를 갖는다. 이는 액추에이터의 축방향 공간 요구사항이 이 문헌의 도 6에서 인식될 수 있는 바와 같이, 상기 고정자 상에 전기 코일 및 강자성 자극을 설치하는 데 필요한 값과 상기 이동을 더한 값의 최소 2배와 동일할 것이기 때문이다. 또한, 장기간에 걸쳐 시스템의 서비스 수명에 해로울 수 있는, 상기 가동 부분의 극단 위치로의 도달 중 충격으로 인해 높은 가속도를 받을 가동형 자석은, 아마도 비판받을 수 있다.

마지막으로, 두 작동 방향으로 기능하기 위해 오직 하나의 전기 코일만을 요구하는 자기 구조물에 자석이 고정되고, 또한 WO 9427303호 또는 WO 2015/114261호의 출원서에 개시된 바와 같이 상기 가동 부분이 강자성 부재로만 구성되는, 쌍안정 특성을 가질 수 있는 액추에이터 토폴로지가 알려져 있다. 이들 토폴로지가 그 성질상 매우 높은 스트리핑력으로부터는 이득을 얻지 않기 때문에, 상기 자극 부재의 사용에 의해 이 힘의 증가를 허용하도록 요약 표시(summary indication)가 제공된다.

이러한 타입의 구조가 전술한 문제점을 부분적으로 해결할 수는 있더라도(고정 자석의 사용 및 자극 부재의 사용을 통해), 자극 부재의 사용에 관해서는 정확한 교시가 주어지지 않는다. 또한, 이들 문헌 및 특히 문헌 EP 0713604호에 주어진 치수 규칙(dimensional rule)은, 그 서문에 기재된 바와 같이, 상기 액추에이터를 약 +/- 1 mm 의 작은 진폭의 이동을 위한 것으로 한다.

따라서 수 밀리미터의 이동 및 전형적으로 15 내지 20 밀리미터까지의 범위를 가질 수 있는 액추에이터의 제조와 관련하여, 종래 기술에 의해 해결되지 않은, 자석 질량을 최소화하고, 안정적인 유지력 및 상기 액추에이터의 가동 부분에 가해지는 마찰과 임의의 외부 부하를 극복하기에 충분한 순수 자기 스트리핑력을 제공하고, 상기 액추에이터의 이동에 대해 상당한 작동 힘을 제공할 필요성이 요망되고 있다.

따라서 본 발명은, 개선된 스트리핑력으로부터 이익을 얻고 또한 제한된 축방향 공간 요구사항을 보존하면서, 전류 없이 액추에이터가 적어도 하나의 안정 위치를 가지며 또한 수 밀리미터의 이동에 대해 실행될 수 있는 액추에이터를 제안함으로써, 종래 기술의 결점을 극복하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 주어진 안정력을 달성하기 위해, 종래 기술의 실시예에 비해 자석 질량을 감소시키는 것을 가능하게 하는 것이다.

이를 실행하기 위해, 본 발명은 첫째로, 종래 기술 및 특히 문헌 EP 0713604호의 교시를 벗어나서, 가동 질량의 높이와 상기 자석의 높이 사이에 매우 상이한 상대치수를 제공할 것을 제안하고 있다. 이 때문에, 본 기술분야의 숙련자는 본 문헌에 의해 권장하는 치수 비율로부터의 이탈로 인도되지 않을 것이다.

둘째로, 자극 부재의 사용은 한편으로는 이들 부재를 액추에이터의 자석에 가깝게 배치하고, 다른 한편으로는 상기 안정 위치에 가동 질량을 제공함으로써 바람직하게 실행된다.

셋째로, 그리고 본 기술분야의 숙련자에게는 놀랍게도, 자석과 상기 액추에이터의 코일 사이에 배치되는 고정형 자기 심(shim)의 사용은, 전기 코일에 의해 발생된 스트리핑력에 해를 끼치지 않고, 상기 액추에이터의 안정력을 개선하는 것을 가능하게 하며, 상기 심은 코일의 높이와 실질적으로 동일한 높이를 갖는다.

보다 구체적으로, 본 발명은 행정(stroke)(c), 상기 행정의 말단 중 하나에 적어도 하나의 안정 위치를 가지며, 또한 연자성 재료로 생산되고 또한 축방향(Y)으로 이동 가능하고 상기 방향(Y)으로 길이(Hm)를 갖는 전기자, 및 연자성 재료로 생산되고 또한 적어도 하나의 전기 코일을 지지하는 고정형 고정자 요크(yoke)를 포함하는 선형 전자기 액추에이터로서, 상기 액추에이터는 상기 방향(Y)과 직교하는 횡방향 축선(X) 상에 자화되는 적어도 하나의 고정형 영구자석을 포함하고, 상기 자석은 가동형 전기자와 전기 코일 사이에 횡방향으로 위치되며, 상기 자석은 상기 방향(Y)으로 길이(Ha)를 갖고, 상기 고정형 요크와 상기 가동형 전기자는 적어도 하나의 축방향 에어 갭(air gap)을 형성하는, 선형 전자기 액추에이터에 있어서, Ha + c 는 Hm 과 동일한 크기를 가지며, 상기 길이(Hm)는 0.9 × (Ha + c) < Hm < 1.1 x (Ha + c) 인 것을 특징으로 한다. 따라서 상기 가동형 전기자가 그 극단 안정 위치에 있을 때, 상기 가동형 전기자의 2개의 축방향 단부 중 하나는 상기 영구자석의 2개의 축방향 단부 중 하나의 근방에 있다.

본 발명의 의미 내에서의 "행정"은, 상기 가동형 전기자의 이동을 제한하는 2개의 축방향 정지부 사이에서, 상기 가동형 전기자의 축선(X)을 따른 이동 길이를 의미한다. 이들 정지부는 기계적일 수 있으며, 또한 쌍안정 액추에이터를 위한 자기 기능을 수행하며, 또는 단안정 액추에이터를 위해 상기 정지부 중 하나는 비자성이고, 다른 정지부는 자성이다.

특히 수 밀리미터의 긴 행정을 위해 상기 스트리핑력을 실질적으로 개선시키기 위해, 상기 액추에이터는, 요크에 고정되고 그리고 상기 자석의 양측에 위치되며 또한 각각의 높이(Hph, Hpb)에 대해 자석을 향해 축방향으로 연장하는, 2개의 자극 부재를 갖는다.

유리하게는, Hpb는 c 에 가깝고 Hpb ≥ Hph 이다.

상기 스트리핑력과 자기 안정력 모두에 대해, 개선된 힘으로부터 이익을 얻으면서 자석 용적을 절감시키기 위해, 상기 액추에이터는 영구자석과 전기 코일 사이에 횡방향으로 개재된 연질의 강자성 재료로 제조된 심을 포함한다.

상기 강자성 심은 상기 방향(Y)으로 영구자석의 길이(Ha)에 가까울 수 있는 길이를 갖지만, 그러나 요크에 근접하도록 상기 전기 코일의 높이에 가까운 길이를 우선적으로 가질 것이다.

일반적으로, 상기 액추에이터는 하나 또는 2개의 안정 위치를 가질 수 있다.

본 발명의 다른 특징 및 이점은 첨부한 도면을 참조하여, 이하의 상세한 실시예의 판독으로부터 각각 나타날 것이다 :

도 1a 및 1b는 제2 실시예와 유사한 전형적인 실시예에 따른 쌍안정 액추에이터의 전체 사시도 및 단면도이다.
도 2a 및 2b는 각각의 행정 말단 위치에서, 제1 실시예에서 본 발명에 따른 쌍안정 액추에이터의 축방향 절단면을 따른 2개의 도면이다.
도 3은 제2 실시예에서 본 발명에 따른 쌍안정 액추에이터의 축방향 절단면을 따른 도면이다.
도 4는 제3 실시예에서 본 발명에 따른 쌍안정 액추에이터의 축방향 절단면을 따른 도면이다.
도 5는 주어진 선형 행정에 대해 본 발명에 따른 쌍안정 액추에이터에 의해 발생된 전형적인 힘을 도시한 그래프이다.
도 6a 및 6b는 각각 본 발명에 따른 단안정 액추에이터의 원근 및 축방향 절단면을 따른 2개의 도면이다.
도 7은 제4 실시예에서 본 발명에 따른 쌍안정 액추에이터의 축방향 절단면을 따른 도면이다.
도 8은 대안적인 실시예에서 본 발명에 따른 쌍안정 액추에이터의 축방향 절단면을 따른 도면이다.
도 9는 자극 부재의 두께의 영향을 도시하는 그래프이다.
도 10은 자극 부재의 높이의 영향을 나타내는 그래프이다.
도 11은 가동형 전기자의 자석 높이, 행정, 및 높이 사이의 관련의 중요성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같은 비대칭을 갖는 액추에이터에 대한 전형적인 힘 변화를 나타내는 그래프이다.
도 13은 도 4의 제3 실시예에 따른 실행의 이점을 도시하는 그래프이다.
도 14는 자극 부재로서 자기 심을 사용하는 대안적인 실시예이다.

도 1a는 본 발명의 특별한 실시예에 따른 액추에이터의 사시도를 도시하고 있다. 일반적인 실시예에 있어서, 바람직한 형태는 축선(A)에 대해 축대칭성을 가지며, 상기 액추에이터는 관형 형상을 갖는다. 그러나 본 발명은, 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이 평행육면체 형태의 실시예가 가능하기 때문에, 이 축대칭 형태의 실시예에 제한되지 않는다. 마찬가지로, 도면에 있어서, 상기 요크(1)가 2개의 부분으로 생산된 것처럼 보이더라도, 이는 단지 상기 외부 요크(1)를 생산하는 방법의 비제한적인 예일 뿐이다.

실시예의 세부사항을 더욱 잘 이해하기 위해 액추에이터의 1/4 이 생략된 도 1b의 절단된 모습은, 바람직한 실시예에서 액추에이터의 모든 구성 요소를 갖는다. 따라서 고정자에서는, 연질의 강자성 재료로 제조되고 여기에서는 원통형의 외부 형상을 갖는 요크(1), 상기 요크(1)에 형성된 공동(3)에 수용되는 전기 코일(2), 및 상기 요크(1)의 중심에서 축방향으로 위치된 영구자석(4)을, 액추에이터의 고정된 부분과 함께 그룹화하는 것이 발견된다. 하나의 이동 방향으로 또는 다른 방향으로 상기 액추에이터의 기능의 비대칭을 우선하기 위해, 자석을 중심에 위치시키지 않고 축방향으로 중첩시키는 것을 고려할 수 있다. 이 바람직한 실시예에 있어서, 상기 요크(1)는 전기 코일(2)에 의해, 자석(4)의 근방에 있는 자극 부재(5b, 5h)에 의해, 형성된 용적의 내측에서 축방향으로 연장된다. 고정자에 대해 축방향으로 병진 이동할 수 있는 부분은, 상기 자석(4)과 자극 부재(5b, 5h)에 의해 형성된 용적의 내측에서 이동하는 연질의 강자성 재료로 제조된 관형 전기자(6)로 구성된다. 이 전기자(6)는 요크(1)에 고정된 베어링(8)에서 미끄러지고 또한 상기 액추에이터에 의해 이동될 외부 부재(도시 않음)를 고정하도록 동작하는 샤프트(7)에 고정된다.

자극 부재(5b, 5h)의 사용은, 도 2a 및 2b에서 발견되는 바와 같이, 본 발명에 기본적으로 필요한 것은 아니다. 이는, 이들 도면에 제시된 쌍안정 액추에이터의 제1 실시예에서, 상기 액추에이터를 구성하고 또한 선형 행정을 종래 기술의 실시예에서 가능한 것보다 더 크게 할 가능성을 제공하는 다양한 요소에 주어지는 치수가 특별하게 인식될 수 있기 때문이다. 따라서 자석(4)의 축방향 높이(Ha), 가동형 전기자(6)의 축방향 높이(Hm), 액추에이터의 행정(c)의 표기 시, Hm = Ha + c 인 사실이 인식될 수 있다. 균등함(equality)이 엄격하게 고려되지 않을 때라도, 인식될 수 있는 이런 일반적인 치수 규칙은, Ha 보다 훨씬 큰 행정(c)을 갖는 액추에이터를 생산하는 것을 가능하게 한다. 또한, 액추에이터의 높이(Ht)는 따라서 거의 2 x c + Ha 보다 크며, 즉 이는 요크(1)에 고정된 연질의 강자성 재료에 형성된 축방향 정지부(9)의 두께를 더하는 것이다. 이런 사이징(sizing)의 하나의 결과는, 전기자가 그 극단의 위치에 있을 때, 자석(4)의 단부가 전기자(6)의 단부와 축방향으로 정렬되거나 또는 그 근방에 정렬된다는 점이다. 이는 도 3의 제2 실시예의 이점을 취한 특징이다.

상기 전기자(6)는 이들 축방향 정지부(9)와 접촉하거나, 또는 외부 정지부(도시되지 않음)와 접촉하거나, 또는 상기 정지부(9)와 전기자(6) 사이에 개재된 비자성 요소(도시되지 않음) 상에 접촉할 수 있음을 인식해야 한다. 유리하게도, 도 5에서 접근될 수 있는 이점인, 축방향 높이의 잔류 에어 갭(Hg)의 존재를 허용하는 것은 실제로 본 발명의 주제의 일부이기도 하다. 이는, 잔류 에어 갭이 주어진 사양의 필요성에 따라 상기 스트리핑력 및 자기 안정력이 최적화되는 행정 상의 지점에 위치되는 것을 가능하게 할 것이기 때문이다.

도 11은 관계식 Hm = Ha + c 의 중요한 특성을 인식하는 것을 가능하게 한다. 이는 도시된 그래프가 x = Hm - (Ha + c) 와 같은 인자(x)의 변화를 나타내기 때문이다. x = 0 일 때, 이 예에서는 -5 mm 위치에 가까운 최적의 스트리핑력이 명확하게 나타나며, 또한 x 가 엄격하게 음으로 되거나 또는 양으로 될 때, 이 최적값에서의 상당한 하락이 관찰된다. 일반적으로 고려된 경우에 따라, Hm 이 0.9 x (Ha + c) < Hm < 1.1 x (Ha + c) 일 때, 최적의 스트리핑력이 관찰된다는 점을 인식해야 한다. 이 범위로부터 벗어났을 때, 상기 스트리핑력의 감소가 상당한 것으로 판명된다.

도 3은 도 1에 제시된 바람직한 실시예와 유사한 제2 실시예를 도시하고 있으며, 여기에서는 도 1b에서 설명된 자극 부재(5b, 5h)뿐만 아니라 도 2a 및 2b의 요소가 발견된다. 이들 자극 부재(5b, 5h)는 액추에이터의 축선과 직교하는 액추에이터의 중간 면에 대해 축방향으로 대칭으로 배치된다. 이들 자극 부재(5b, 5h)는 여기에 기재된 예시적인 실시예에서 일정한 두께(Epc)를 가지며, 그 값은 힘 곡선(force curve)을 최적화하는 것을 가능하게 한다. 상기 자극 부재(5h, 5b)는 높이(Hph, Hpb)에 대해 축방향으로 각각 연장하므로, 그 단부(10h, 10b)는 상기 자석에 가깝다. 이를 실행함에 있어서, 이 액추에이터의 2개의 안정 위치의 각각에, 단부(10a, 10b) 중 하나와 전기자(6)의 단부 중 하나 사이에 근접(proximity)이 존재한다. 자극 부재(5b, 5h)의 축방향 단부(10h, 10b)와 자석(4)의 축방향 단부 사이에 존재하는 거리(Hch, Hcb)는, 액추에이터 상에 대칭적인 동작을 제공하기를 원하는 경우라면 동일할 수 있으며, 즉 이는 동작이 행정 말단 중 하나로부터 다른 행정 말단을 향해 실행될 때, 또는 그 반대의 경우로 실행될 때, 동일한 타입의 힘 응답을 갖는 그 능력을 의미한다. 액추에이터 상에 비대칭 특성(하나의 이동 방향과 다른 이동 방향 사이의 상이한 힘 응답)을 제공하기를 원하는 경우에, 또는 예를 들어 도 6a 및 6b에 설명된 바와 같이 단안정 액추에이터를 생산하기를 원하는 경우에, Hcb 와 Hch 사이에 상이한 값을 제공하는 것이 가능하다. 마지막으로, 이들 두 자극 부재 중 하나에만 통합하는 것이 가능하며, 또한 360°이상으로 연장하지는 않지만 그러나 상기 요크(1)가 축대칭일 때는 더 작은 각도로 연장하는 자극 부재를 생산하는 것이 가능하다. 상기 요크의 수정은 특히 필요에 따라, 발생된 힘을 조정하는 것을 가능하게 한다.

상기 자극 부재(5b, 5h)의 사용은, 특히 스트리핑력 요구사항이 높을 때 요구될 것이며, 이는 액추에이터의 행정이 증가함에 따른 특별한 경우이다. 이는 전기자(6)와 2개의 자극 부재(5b, 5h) 사이의 자기 시너지의 효과를 통해, 높은 스트리핑력이 발생되고 또한 행정 상에서 전반적으로 생성되는 기계적 일이 상당히 증가하기 때문이다.

이들 자극 부재(5b, 5h)를 사용하는 모든 실시예에 대해, 값(Hch, Hcb)을 행정(c)에 대해 비교적 낮게 유지하는 것이 중요하다. 여기에서는 전기자(6)가 그 낮은 안정 위치에 있는 도 3의 예의 경우에 이들 자극 부재(5b, 5h)의 기능을 설명하고 있다. 전류의 작용 하에서, 코일(2)에 의해 생성된 자속은 하부 자극 부재(5b)를 통과할 것이며, 또한 행정에 대한 전체 이동 중 높이(Hph, Hpb)가 행정(c)에 가까울 때 이 자속의 통과가 보존되도록, 전기자(6)를 통과한다. 전기자(6)의 반경방향 두께에 비해 상대적으로 미세한 두께(Epc)는, 자속이 실제로 요크(1)에 너무 빨리 복귀하기 보다는 전기자를 통과하는 것을 보장할 것이다. 따라서 하부 자극 부재(5b)는, Hpb 가 c 와 실질적으로 동일한 것이, 즉 Hcb 가 c 또는 Hm 에 비해 작은 값을 갖는 것이, 유리할 것이다. 상부 자극 부재(5h)는 전기자(6)와 상부 자극 부재(5h) 사이의 국부적인 가변성 릴럭턴스(reluctance)의 효과를 통해, 안정 위치의 스트리핑을 돕는 견인 역할을 수행할 것이다. 이런 스트리핑력을 조정하기 위해, 예를 들어 도 9에 제시된 바와 같이 힘 곡선 상에서 Hch 의 영향을 따르는 것이 가능할 것이다. 또한, 스트리핑력 및 그 후 행정 상의 힘이 주어진 사양에 따라 조각되도록, 두께(Epc)가 부여된다. 이를 실행하기 위해, 도 10의 교시가 일반적인 지침으로서 사용될 수 있다.

따라서 일반적으로 다음과 같은 사항이 필요하다.

- 그 자기 안정 위치에서 전기자(6)와 대면하는 자극 부재(5b)는, Hcb 가 c 또는 Hm 에 비해 작도록, 즉 Hpb 가 c 에 근접하도록 형성된다.

- 전기자(6)에 대향하는 자극 부재(5b)는, 자기 안정력, 스트리핑력, 및 행정 상의 힘을 조정하기 위해, 예를 들어 잔류 에어 갭(Hg)의 사용을 선호하도록, 조각된 힘 경향을 부여하는 것을 가능하게 하는 Hch 의 증가인, Hcb ≤ Hch 가 되도록 형성된다.

- 자극 부재의 두께는, 전기자(6)의 반경방향 두께에 대해 작고 또한 반드시 일정할 필요가 없다.

전류 없이 자기 안정력을 개선하기 위해, 자석(4)과 코일(2) 사이에 반경방향으로 위치된 연질의 강자성 재료로 제조된 자기 심(11)을 위치시키는 것이 유리할 수 있다. 상기 심(11)은 도 7에 도시된 바와 같이 자석(4)의 높이와 유사한 축방향 높이를 가질 수 있거나, 또는 코일의 높이와 유사한 높이를 우선적으로 가질 수 있으므로, 도 4에 제시된 바와 같이 자석(4)과 코일(2) 사이의 자속의 통과를 선호할 수 있다. 코일(2)의 과도한 자기 침투 및 이에 따라 자석(4)과 코일(2) 사이의 유용한 자속의 단락 부분을 선호하지 않도록, 그 자기 포화를 선호함으로써 상기 심(11)의 두께를 최적화하는 것이 유리하다.

상기 심(11)은 동일한 기계적 특성(전류에 의해 또는 전류 없이 발생된 힘)을 유지하면서, 상기 자석(4)의 두께를 감소시키는 것을 가능하게 한다. 결국, 주어진 횡방향 두께의 자석(4)을 고려함으로써, 또는 등가의 횡방향 두께를 갖는 자석(4) 및 심(11)을 고려함으로써, 동일한 전체 용적 및 전기 코일(2)의 동일한 용적을 갖는 액추에이터를 얻는 것이 가능하다. 따라서 자석의 용적에 대한 절감이 선택적으로 달성될 수 있다. 이런 유리하면서도 놀라운 특성이 도 13에 도시되어 있으며, 여기서 전류에 의한 그리고 전류에 의하지 않은 힘 곡선의 변화(각각 0 At 및 100 At)는, 심(shim)을 갖지 않거나 자석 뒤에 심을 갖는 2개의 상이한 액추에이터에 대해 도시될 수 있다(각각의 경우, "0" 및 "1"). "0"의 경우, 상기 자석(4)은 2.5 mm의 두께를 갖고, "1"의 경우 상기 자석(4)은 2 mm의 두께를 가지며, 상기 심은 0.5 mm의 두께를 가지며, 즉 "0"의 경우와 유사한 총 두께를 갖는다. 전류가 있는지 또는 없는지의 여부와는 관계없이, "0"의 경우에 대해 "1"의 경우에 스트리핑력 및 자기 안정력이 개선되는 반면에(강화 효과), 자석 질량은 감소된다. 문제의 사이징 및 제시된 기자력 그리고 자기 회로의 횡단면에 따라, 심(11) 및 자석(4)의 상대 두께를 조정하여 이 효과의 최적으로부터 이득을 얻는 것이 필요할 것이다.

상기 심(11)은 도 4 및 7에 도시된 바와 같이 자극 부재(5h, 5b)와 함께, 또는 도 14에 도시된 바와 같이 자극 부재 없이 사용될 수 있다.

단안정 액추에이터의 평행육면체형 실시예가 도 6a 및 6b에 제시되어 있다. 여기에서 중요한 특징은 액추에이터의 비대칭이며, 이는 자극 부재(5b, 5h) 상에서의 특별한 작업에 의해 두 작동 방향 모두에서 동일한 힘 응답을 갖지 않는다. 하부 부분 상에서, 상기 거리(Hcb)는 도 3에 제시된 교시에 따라, 자석(4)과 하부 자극 부재(5b) 사이의 근접을 선호하도록 최소화된다. 거리(Hch)는 도 10에 설명된 바와 같이, 스트리핑력 후에 증가하는 전류를 갖는 힘을 얻기 위해, 상기 거리(Hcb)보다 더 크다. 이 액추에이터는 액추에이터의 상부 부분에서 베어링(8)으로 동작하는 비자성 정지부를 가지므로, 상기 전기자(6)는 이 요소 상에서 접하게 되고 또한 상기 전기자(6)가 높은 위치에 있을 때 안정력이 없다. 이 정지부(8)의 지지체는 여기에서는 비자성 플레이트(12)에 의해 표시된다. 상기 낮은 위치로의 복귀는, 코일(2)에서의 전류의 작용, 또는 중력, 또는 임의의 외부 부하에 의해 달성될 수 있다. 도 12는 인가된 전류의 방향으로 이런 액추에이터의 전형적인 행동을 도시하고 있으며, 여기에서는 + 100 At에서의 힘 곡선이 -100 At에서의 힘 곡선과 대칭이 아니며, 또한 인가된 전류가 없는 곡선이 행정의 중심에 대해 대칭을 갖지 않음을 알 수 있다.

일반적인 용어로, 자석의 높이(Ha)를 증가시킴으로써, 스트리핑력 및 행정 상의 힘이 개선될 것이다. 예를 들어, 도 8은 이런 실시예를 도시하고 있으며, 여기서 전류를 갖는 힘은 도 3의 실시예에 비해 개선될 것이지만, 그러나 유사한 높이(Ht)를 유지하기를 원한다면 행정(c)이 감소될 것이다. 그러나 자석 질량의 이런 증가는 액추에이터의 정확한 기능에 필수적이지 않으며, 또한 높이(Ha)가 이동(c)보다 실질적으로 작고 또한 전기자(6)의 높이(Hm)보다 작은 높이(Ha)를 갖는 가변적 기능의 허용은, 본 발명의 목적의 부분을 형성한다.

도 5, 9, 및 10은 본 발명의 주제인 액추에이터에 의해 부여되는 이점 및 일반적인 교시를 예를 통해 제시한다.

도 5에서는, 쌍안정 액추에이터의 내용에 있어서, 도 3의 치수 기준이 존중되고 또한 자극 부재(5b, 5h)가 사용되었을 때, 코일(2)에서 순환하는 암페어-턴(ampere-turn)의 함수로서 상기 액추에이터의 행정에 대한 힘의 변화를 도시하고 있다. 여기에서는, +/- 5 mm의 행정, 즉 10 mm의 행정에 대해, Ha = 10 mm 인 경우, Hcb = hcb = 0.5 mm, Ha + c = Hm 인 경우를 취했다. 이 그래프에 있어서, FS 는 양측에서 대칭인 자기 안정력을 나타내고, FA 는 무시할 수 없는 힘으로 상기 안정 위치를 벗어날 수 있게 하는 스트리핑력을 나타내며, FC 는 아마도 액추에이터가 전체 행정 전체에 대해 부하(마찰, 반작용력, 가스의 힘, 등)를 극복할 경우 필요한 행정 상의 힘을 나타낸다. 상기 자극 부재의 두께는 약 1 내지 1.5 mm 이며, 즉 전기자(6)의 폭에 비해 작다. 전류의 방향도 물론 중요하다는 것을 인식해야 하는데, 그 이유는 양극 전류는 전기자가 -5 mm 위치에 있을 때, 주입된 레벨에 따라 스트리핑을 허용하는 전체적인 양극 힘으로 나타나는 반면에, 음극 전류는 상기 동일한 위치에서의 안정력을 보강할 것이기 때문이다. 다른 한편으로, + 5 mm 위치에 있을 때, 이는 안정 위치를 벗어나는 것을 가능하게 하는 음극 전류이다.

이와 관련하여 도 9는 두께(Epc)의 사이징에 관한 정보를 제공한다. 전술한 바와 같이, 상기 두께는 결정된 사양에 따라 최적화된 상태로 존재해야만 한다. 도 5의 예의 경우와 유사한 이 예에 있어서, 상기 값(Epc)의 과도한 증가는 확실히 스트리핑력의 최대화로 이어지지만, 그러나 행정의 제2 부분에 대한 힘의 상당한 감소로도 이어지고, 심지어 상기 힘은 음의 값을 통과하므로, 높은 외부 부하의 경우에는 동작이 보장되지 않음을 인식해야 한다. 따라서 행정과 관련하여 그리고 특히 제공된 자성 재료의 횡단면과 관련하여 낮게 유지하면서 상기 Epc의 값을 최적화하는 것이 필요할 것이다. 일정하지 않은 Epc 두께의 사용은, 위치에 따라 자기 포화에 동작함으로써 유리한 절충을 달성하는 것을 가능하게 할 것이다.

도 10은 그 부분을 위해 Hcb = 0.5 mm 이고 Hm = Ha + c + 0.5 인 경우에 사양에 따라 최적의 성능을 얻기 위해, 주어진 Hch 의 값에 대한 표시이므로, 전기자(6)의 단부는 Hch = Hcb 일 때 상기 자극 부재(5h)의 단부와 축방향으로 정렬된다.

이 연구 사례는 도 5 내지 9에 제시된 경우와 유사한 경우에 대응하지만, 그러나 여기에서 Hcb 에 대한 Hch 의 증가는 스트리핑력 및 행정 곡선 상의 힘을 시프트시키는 것을 가능하게 한다는 것을 알 수 있다. 스트리핑력을 특권화하기를 원한다면, 약 Hch = Hcb 의 값이 특권화되어야만 할 것이다. 행정의 시작 시 증가하는 힘으로부터 이득을 얻기를 원한다면, Hcb 보다 더 큰 높이(Hch)를 특권화할 필요가 있을 것이며, 즉 견인 자극 부재의 단부와 전기자(6)의 단부 사이에 축방향 중첩을 생성할 필요가 있다. Hch 및 Hcb 의 변화는, 이들 매개 변수가 서로 독립적으로 최적화될 수 있도록, 안정력에 무시할 수 있는 효과만 갖는 것을 인식해야 한다.

Claims (8)

1. 선형 전자기 액추에이터로서,
   행정(c) - 상기 행정의 말단 중 하나에서 적어도 하나의 안정 위치를 가짐 -;
   연자성 재료로 생산된 전기자(6) - 상기 전기자(6)는 축방향(Y)으로 이동 가능하고 또한 상기 축방향(Y)으로 길이(Hm)를 가지며, 상기 전기자(6)는 상기 축방향(Y)에 대칭인 형태를 가짐 -;
   연자성 재료로 생산되고 적어도 하나의 전기 코일(2)을 지지하는 고정자 요크(1);
   를 포함하고,
   상기 선형 전자기 액추에이터는 상기 축방향(Y)과 직교하는 횡방향 축선(X) 상에 자화되는 적어도 하나의 고정형의 영구자석(4)을 더 포함하며,
   상기 영구자석(4)은 상기 전기자(6)와 상기 전기 코일(2) 사이에 횡방향으로 위치되며, 상기 영구자석(4)은 상기 축방향(Y)으로 길이(Ha)를 갖고,
   상기 고정자 요크(1)와 상기 전기자(6) 사이에 상기 축방향(Y)으로 적어도 하나의 에어 갭이 제공되고,
   Ha + c 는 Hm 과 동일한 크기의 차수를 가지며, 상기 전기자(6)의 상기 길이(Hm)는 0.9 × (Ha + c) < Hm < 1.1 × (Ha + c) 이고,
   상기 영구자석(4)과 상기 전기 코일(2) 사이에 강자성 재료를 포함하는 요소가 배치되지 않은 것을 특징으로 하는 선형 전자기 액추에이터.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정자 요크(1)에 고정되고, 상기 영구자석(4)의 양측에 위치되며, 각각의 높이(Hph, Hpb)로, 상기 영구자석(4)을 향해 상기 축방향(Y)으로 각각 연장되는, 2개의 자극 부재(5h, 5b)를 포함하는 것을 특징으로 하는 선형 전자기 액추에이터.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 Hpb 는 상기 c 와 유사하고 또한 Hpb ≥ Hph 인 것을 특징으로 하는 선형 전자기 액추에이터.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1 내지 청구항 3 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 선형 전자기 액추에이터는 2개의 안정 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 선형 전자기 액추에이터.
8. 청구항 1 내지 청구항 3 중의 어느 한 항에 있어서,
   상기 선형 전자기 액추에이터는 단일의 안정 위치를 갖는 것을 특징으로 하는 선형 전자기 액추에이터.

Images