KR101722493B1

KR101722493B1 - 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 구비한 진동 시스템

Info

Publication number: KR101722493B1
Application number: KR1020160089151A
Authority: KR
Inventors: 김상수; 오혁근; 백승구; 전창성; 박춘수
Original assignee: 한국철도기술연구원
Priority date: 2016-07-14
Filing date: 2016-07-14
Publication date: 2017-04-06
Anticipated expiration: 2036-07-14

Abstract

가변저항을 전자기 액추에이터에 병렬로 연결함으로써 외부 전원을 거의 투입하지 않고도 가변 감쇠력 발생이 가능하며, 또한, 전자기 액추에이터를 댐퍼로 사용함으로써 빠른 응답 특성을 갖고, 폭 넓은 주파수에서 진동 시스템의 진동 절연 및 진동 감쇠가 가능해지는, 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 구비한 진동 시스템이 제공된다.

Description

가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 구비한 진동 시스템 {DAMPER FOR GENERATING VARIABLE DAMPING FORCE USING VARIABLE RESISTOR, AND VIBRATION SYSTEM HAVING THE SAME}

본 발명은 가변 감쇠력 댐퍼에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 진동 시스템(Vibration System)의 진동 절연 또는 진동 감쇠를 위해 설치되는 전자기 액추에이터(Actuator) 댐퍼(Damper)에 있어서, 가변저항(Variable Resistor)을 사용하여 가변 감쇠력(Variable Damping Force)을 발생시킬 수 있는, 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 구비한 진동 시스템에 관한 것이다.

도로 교통 수송수단의 증가에 따른 오염 피해를 줄이고 환경을 보호하고자 하는 노력이 전 세계적으로 공감을 이루면서 철도차량을 이용한 운송수단이 점점 중요시 되고 있다. 따라서 도로 교통에 집중되어 있는 수송 분담구조를 재조정하기 위해서는 철도차량의 운행속도 향상은 필수적이다.

하지만 철도차량은 그 특성상 차량의 속도가 증가하면 시스템이 불안정해 지며, 또한 차량의 승차감도 저하되는 특성이 있다. 이러한 특성은 철도차량 설계 시 결정되는 현가장치 성능으로 결정된다.

철도차량은 크게 차체, 대차 및 윤축으로 구성되어 있으며, 특히, 이들을 연결하는 현가장치의 설계는 철도차량의 성능지수를 나타내는 승차감, 탈선계수, 윤중감소, 고속주행 안정성에 중요한 영향을 주고 있다. 철도차량의 경우, 현가장치는 윤축과 대차를 연결하는 1차 현가장치와 대차와 차체를 연결하는 2차 현가장치로 구성되며, 이들 현가장치들은 대부분 스프링 요소 및 댐핑 요소들로 구성된다. 이러한 스프링 요소 및 댐핑 요소들은 철도차량의 안전성과 승차감에 중요한 영향을 미치는 인자들이며, 철도차량의 현가장치 설계는 초기 설계 단계에서 차량의 안전성 및 승차감을 동시에 고려하여 설계되어야 한다.

하지만, 철도차량에 있어서 만족해야 하는 목표 성능지수와 설계변수가 많이 존재하기 때문에 우선적으로 차량의 고속주행 안전성을 만족시키는 변수로 현가장치 설계를 수행한다.

하지만 최근 들어 철도차량의 고속화로 인한 차량의 승차감 저하도 상당히 중요한 문제로 대두되고 있다. 이러한 문제는 차량 현가장치의 성능을 향상시키면 해결되는 문제이지만 아직까지 대부분의 철도차량에 적용되고 있는 현가장치는 수동형 현가장치로서 기본 성능이 미리 결정되어 있기 때문에 현가요소 특성을 조절하여 승차감을 향상시키기에는 한계를 보이고 있다.

그러나 만일 현가요소 특성을 시스템에 들어오는 외란에 따라서 능동적 또는 반능동적으로 조절할 수 있으면 승차감을 물론 차량의 안정성을 적절히 조절할 수 있다. 따라서 최근 들어 전세계적으로 철도차량에 능동 또는 반능동 현가장치를 적용하기 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. 특히, 진동 제어 분야에서는 반능동 현가장치가 주로 사용되고 있는데, 이것은 능동 현가장치가 가지는 안정성 문제와 에너지 소모 문제로 인해 철도차량에서 능동형 현가장치는 아직까지 적절하게 사용되지 못하고 있기 때문이다.

최근 반능동 현가장치 개발에 있어서 기존의 전자 밸브를 이용한 가변 댐퍼 시스템을 대체하여 MR 및 ER 유체가 적용된 시스템이 많이 적용되고 있다. 예를 들면, MR 유체는 자기장에 의하여 유변학적으로 상변화가 일어나는 지능 유체로서, ER 유체에 비하여 비교적 큰 항복응력을 발생시켜 보다 큰 힘을 요하는 각종 응용장치에 적용하기가 용이하다. 이로 인해 MR 댐퍼, MR 클러치를 비롯한 MR 유체 응용장치는 자동차 쇽업소버, 제진 시스템을 필두로 활발히 연구가 진행되고 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 철도차량용 대용량 반능동 댐퍼로서 MR 댐퍼가 사용되는 것을 예시하는 사진이다.

종래의 기술에 따른 철도차량에는, 도면부호 A로 도시된 바와 같이, 반능동 댐퍼인 MR 댐퍼가 설치되며, 구체적으로, 이러한 MR 댐퍼의 구조는 실린더 바디(Cylinder body), 자석 코어(Magnetic Core), 피스톤 로드(Piston Rod) 등으로 구성되며, 실린더 바디 내부에 MR 유체가 들어 있다. 여기서, 자석 코어는 플럭스 리터너(Flux Returner), 보빈 코어(Bobbin Core) 및 코일(Coil)을 통틀어 칭하며, 알루미늄 캡(Aluminum Cap)으로 플럭스 리터너와 보빈 코어를 연결하여 동시에 움직일 수 있도록 제작된다.

이러한 MR 댐퍼는 외부에서 힘을 가했을 때 피스톤 로드와 자석 코어가 같이 움직인다. 이때, MR 유체는 자석 코어 내부의 오리피스(Orifice)를 통해 흐르면서 자기장의 영향으로 MR 유체의 감쇠력을 조절한다.

외부로부터 전기가 인가되면 코일에 의해 자기장이 형성되며, 이때, 방출되는 자기장은 보빈 코어를 통해 오리피스 갭(Orifice Gap)을 통과하여 플럭스 리터너와 보빈 코어로 다시 들어가는 자기장 분포를 가진다. 자기장에 의해 플럭스 리터너와 보빈 코어 사이의 오리피스 내부에 존재하는 MR 유체의 겉보기 점도가 증가하여 자기장이 존재하지 않을 때와는 달리 유체 유동 구조가 달라지면서 그 영향으로 자기 감쇠력이 발생하게 된다.

한편, 진동이 존재하는 산업계에서 댐퍼(Damper)의 사용은 필수적이다. 이러한 댐퍼는 속도에 비례하는 감쇠력(Damping Force)을 발생하며, 감쇠력의 방향은 속도의 방향과 반대로 작용한다.

도 2는 종래의 기술에 따른 스프링 및 댐퍼를 구비하는 진동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 종래의 기술에 따른 댐퍼의 감쇠력과 속도 관계를 나타내는 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 대부분의 진동 시스템은, 질량(11), 스프링계수(K)를 갖는 스프링(12) 및 감쇠계수(C)를 갖는 댐퍼(13)로 구성되며, 일반적으로, 종래의 기술에 따른 진동계에서 댐퍼(13)를 선정하거나 또는 설계할 때, 진동계를 분석하여 다음의 수학식 1과 같이 주어지는 댐퍼(13)의 감쇠력(

)에 따라 댐퍼(13)를 선정하거나 또는 설계할 수 있다.

여기서,

는 감쇠계수를 나타내고,

는 속도를 나타낸다.

종래의 기술에 따른 댐퍼(13)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 감쇠계수(Damping Coefficient)가 고정되어 속도에 선형으로 비례하는 감쇠력만을 발생시킬 수 있다. 그러나 일반적인 진동 시스템이 적용되는 환경의 경우, 외부 입력조건에 따라서 적은 감쇠력 또는 높은 감쇠력이 필요한 경우가 있다. 또한, 종래의 기술에 따른 댐퍼의 설계시 여러 조건을 검토하여 고정된 최적의 감쇠계수를 설계하거나 또는 가변 유압식 댐퍼를 사용하는 경우도 있다.

한편, 대한민국 등록특허번호 제10-1300893호에는 "철도차량의 진동 억제 장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 4a 및 도 4b를 참조하여 설명한다.

도 4a 및 도 4b는 종래의 기술에 따른 철도차량의 진동 억제 장치 및 감쇠력 가변 댐퍼를 각각 나타내는 도면이다.

도 4a 및 도 4b를 참조하면, 종래의 기술에 따른 철도차량의 진동 억제 장치에서, 철도차량(20)은 레일(22) 위를 주행하는 대차(23) 및 사람이나 짐을 적재하는 차체(30)를 구비한다.

대차(23)는 좌우의 레일(22) 위를 구름 이동하는 좌우의 차륜(24), 각 차륜(24)을 회전 가능하게 지지하는 차축(25), 상기 차축(25)과 대차 프레임(26)과의 사이에 설치되는 좌우의 현가 스프링(27)을 구비한다. 이때, 각 현가 스프링(27)은 대차 프레임(26)에 대해 차축(25)을 지지하고, 차축(25)의 상하 방향의 움직임을 흡수한다.

차륜(24)은 레일(22)에 구름 접촉하는 답면(24a)을 갖는다. 답면(24a)에는 차륜(24)의 회전 중심선에 대해 경사지는 구배가 마련된다. 좌우의 차륜(24)에 마련되는 답면(24a)의 구배는 서로 배반하도록 레일(22)의 외측을 향하고 있고, 중력에 의해 좌우의 차륜(24)이 좌우의 레일(22)의 내측을 향하도록 되어 있다.

대차(23)와 차체(30) 사이에 좌우의 에어 스프링(28)이 설치된다. 각 에어 스프링(28)은 대차(23)에 대해 차체(30)를 지지하고, 대차(23)의 상하 방향의 움직임을 흡수한다.

또한, 대차(23)와 차체(30) 사이에 댐퍼(29)가 설치된다. 이러한 댐퍼(29)는 철도차량(20)의 진행 방향에 대해 수평 횡방향에 대해 신축하고, 차체(30)의 횡방향의 진동을 억제한다.

구체적으로, 이러한 댐퍼(29)는 그 신축에 수반하여 흐르는 작동 유체에 부여하는 저항을 가변으로 하는 감쇠력 가변 댐퍼이고, 세미 액티브 서스펜션을 구성한다. 이때, 컨트롤러(40)로부터 보내지는 신호에 의해 댐퍼(29)의 감쇠력이 절환된다.

도 4b는 종래의 기술에 따른 감쇠력 가변 댐퍼의 구성도로서, 도 4b에 도시하는 바와 같이, 댐퍼(29)는, 실린더(62) 내에 미끄럼 이동 가능하게 수납되는 피스톤(64)과, 상기 피스톤(64)에 결합되는 피스톤 로드(63)를 구비한다. 대차(23)와 차체(30) 중 한쪽에 실린더(62)가 연결되고, 다른 쪽에 피스톤 로드(63)가 연결되고, 대차(23)에 대해 차체(30)가 횡방향으로 상대 변위함으로써, 실린더(62)에 대해 피스톤(64)과 피스톤 로드(63)가 미끄럼 이동한다.

실린더(62) 내는 피스톤(64)에 의해 로드측 압력실(65)과 엔드측 압력실(66)로 구획된다. 이때, 상기 실린더(62)의 외측에 탱크실(67)이 마련된다.

이러한 댐퍼(29)는, 작동유를 로드측 압력실(65)로부터 탱크실(67)로 유도하는 유니 플로우 통로(71)와, 탱크실(67)로부터 엔드측 압력실(66)을 향하는 작동유의 흐름에 대해 밸브 개방하는 압축측 체크 밸브(81)와, 엔드측 압력실(66)로부터 로드측 압력실(65)을 향하는 작동유의 흐름에 대해 밸브 개방하는 신장측 체크 밸브(82)를 구비한다.

이러한 댐퍼(29)가 수축 작동하는 압축측 행정에서, 압축측 체크 밸브(81)가 폐쇄되고, 신장측 체크 밸브(82)가 개방되어, 피스톤 로드(63)의 침입 체적분의 작동유가 오리피스(83)와 유니 플로우 통로(71)를 통해 로드측 압력실(65)로부터 탱크실(67)로 흐른다. 또한, 이러한 댐퍼(29)가 신장 작동하는 신장측 행정에서, 신장측 체크 밸브(82)가 폐쇄되고, 압축측 체크 밸브(81)가 개방되어, 작동유가 오리피스(83)와 유니 플로우 통로(71)를 통해 로드측 압력실(65)로부터 탱크실(67)로 흐른다.

피스톤(64)과 피스톤 로드(63)는 그 단면적비가 2:1로 되어 있고, 댐퍼(29)의 압축측 행정과 신장측 행정에서, 오리피스(83)와 유니 플로우 통로(71)를 흐르는 작동유의 유량이 동등하고, 동일한 감쇠 특성이 얻어진다.

유니 플로우 통로(71)에는 비례 전자기 릴리프 밸브(72)와 감쇠 밸브(73)가 병렬로 개재 장착되는 동시에, 비례 전자기 릴리프 밸브(72) 또는 감쇠 밸브(73)에 작동유를 선택적으로 유도하는 전자기 절환 밸브(74)가 개재 장착된다. 비례 전자기 릴리프 밸브(72)는 컨트롤러(40)로부터의 신호에 의해 밸브 개방압을 바꿀 수 있다. 감쇠 밸브(73)는 댐퍼(29)의 속도에 비례하여 감쇠력을 높이는 것이다. 컨트롤러(40)의 이상시 등에 전자기 절환 밸브(74)가 작동유를 감쇠 밸브(73)로 유도하는 위치로 절환되면, 댐퍼(29)가 감쇠 계수를 일정하게 하는 패시브 댐퍼로서 기능한다.

또한, 이러한 댐퍼(29)는, 로드측 압력실(65)과 엔드측 압력실(66)을 연통하는 연통로(75)를 구비하고, 이 연통로(75)에 신장측 언로드 밸브(76)가 개재 장착된다. 또한, 이러한 댐퍼(29)는, 엔드측 압력실(66)과 탱크실(67)을 연통하는 연통로(77)를 구비하고, 이 연통로(77)에 압축측 언로드 밸브(78)가 개재 장착된다. 전자기 절환 밸브(74), 비례 전자기 릴리프 밸브(72), 신장측 언로드 밸브(76), 압축측 언로드 밸브(78)는, 컨트롤러(40)로부터의 신호에 의해 개폐 작동한다.

컨트롤러(40)는 스카이훅 세미 액티브 제어시에 신장측 언로드 밸브(76)와 압축측 언로드 밸브(78)의 한쪽을 온(On)으로 하여 밸브 개방시키고, 다른 쪽을 오프(Off)로 하여 밸브 폐쇄시키고, 전자기 절환 밸브(74)를 비례 전자기 릴리프 밸브(72)로 작동유를 유도하는 위치로 절환하는 동시에, 비례 전자기 릴리프 밸브(72)의 밸브 개방압을 제어한다.

신장측 언로드 밸브(76)를 온(On)으로 하여 밸브 개방시키고, 압축측 언로드 밸브(78)를 오프로 하여 밸브 폐쇄시키는 스카이훅 세미 액티브 제어시, 댐퍼(29)가 신장 작동하는 신장측 행정에서는, 로드측 압력실(65)로부터 엔드측 압력실(66)을 향하는 작동유가 신장측 언로드 밸브(76)를 통해 흘러 통로 압력 손실에 의한 매우 낮은 감쇠력이 발생한다. 한편, 댐퍼(29)가 수축 작동하는 압축측 행정에서는, 로드측 압력실(65)로부터 탱크실(67)을 향하는 작동유가 유니 플로우 통로(71)를 통해 흐르고, 제어 지령을 기초로 한 감쇠력이 비례 전자기 릴리프 밸브(72)에 의해 발생한다.

신장측 언로드 밸브(76)를 오프로 하여 밸브 폐쇄시키고, 압축측 언로드 밸브(78)를 온(On)으로 하여 밸브 개방시키는 스카이훅 세미 액티브 제어시, 댐퍼(29)가 신장 작동하는 신장측 행정에서는, 로드측 압력실(65)로부터 엔드측 압력실(66)을 향하는 작동유가 유니 플로우 통로(71)를 통해 흐르고, 비례 전자기 릴리프 밸브(72)에 의해 제어 지령을 기초로 한 감쇠력이 발생한다. 한편, 댐퍼(29)가 수축 작동하는 압축측 행정에서는, 엔드측 압력실(66)로부터 탱크실(67)을 향하는 작동유가, 압축측 언로드 밸브(78)를 통해 흘러 통로 압력 손실에 의한 매우 낮은 감쇠력이 발생한다.

종래의 기술에 따른 철도차량의 진동 억제 장치에 따르면, 통상 주행시에는, 댐퍼의 감쇠력이 스카이훅 세미 액티브 제어됨으로써 차체의 횡방향 요동이 억제되어, 승차감이 양호하게 유지된다. 또한, 대차가 사행하는 것에 의해 대차에 고주파의 횡방향 요동 진동이 발생했을 때에는, 댐퍼의 작동이 절환됨으로써, 대차의 고주파의 횡방향 요동 진동이 억제되어, 철도차량의 주행 안정성을 높일 수 있다.

전술한 바와 같이, 종래의 기술에 따른 가변 유압식 댐퍼는 대체로 유압의 양을 조절하거나, MR(Magneto-Rheological) 유체를 사용한다. 예를 들면, 유압의 양을 조절하는 가변 유압식 댐퍼의 경우, 그 구조가 복잡하고, 일정 양의 유체를 보관하는 탱크 및 유체 흐름을 조절하는 밸브가 필하므로 크기가 커질 수 있다. 또한, MR 등 특수 유체를 사용하는 가변 유압식 댐퍼의 경우, 가격이 비싸고 자기장 변화를 주기 위한 장치 및 외부 전원이 소요되는 등의 문제점이 있다.

대한민국 등록특허번호 제10-1300893호(출원일: 2007년 7월 30일), 발명의 명칭: "철도차량의 진동 억제 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-1270352호(출원일: 2009년 2월 23일), 발명의 명칭: "감쇠력 제어 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-936822호(출원일: 2007년 12월 6일), 발명의 명칭: "가변댐퍼가 구비된 철도차량용 반능동 조향대차" 대한민국 등록특허번호 제10-1138167호(출원일: 2008년 12월 5일), 발명의 명칭: "철도차량의 차체 경사 장치" 대한민국 공개특허번호 제2010-27368호(공개일: 2010년 3월 11일), 발명의 명칭: "MR 댐퍼를 이용한 지능형 궤도레일 방진시스템"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 가변저항을 전자기 액추에이터에 병렬로 연결함으로써 외부 전원을 거의 투입하지 않고도 가변 감쇠력 발생이 가능한, 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 구비한 진동 시스템을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 전자기 액추에이터를 댐퍼로 사용함으로써 빠른 응답 특성을 갖고, 폭 넓은 주파수에서 진동 시스템의 진동 절연 및 진동 감쇠가 가능한, 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 구비한 진동 시스템을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼는, 고정자 및 가동자를 포함하며 고유저항(

)을 갖고, 진동 시스템에 연결되어 소정의 감쇠력을 갖는 댐퍼 역할을 하는 전자기 액추에이터; 상기 고유저항(

)을 갖는 전자기 액추에이터에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액추에이터가 발생하는 힘(

)에 대응하는 감쇠력이 가변되어 상기 진동 시스템의 진동 절연 또는 진동 감쇠가 가능하도록 상기 전자기 액추에이터의 감쇠계수(

)를 가변시키는 가변저항(

); 가진 주파수 및 외란, 진동계의 변위 및 속도를 포함하는 환경요소를 감안하여 최적의 수치를 산출하여 상기 가변저항의 저항값(

)을 가변 제어하는 가변저항 제어기; 및 상기 가변저항(320)에 전원을 인가하는 가변저항 전원(340)을 포함하되, 상기 전자기 액추에이터는, 영구자석을 구비하고, 진동 시스템의 프레임에 고정되는 고정자; 코일을 감싸서 형성되어 상기 고정자 사이에 배치되고, 억제해야 할 진동 방향과 동일 방향의 왕복운동을 하면서 진동에 대응하여 속도(

)로 움직이는 가동자; 및 상기 가동자가 왕복운동을 할 수 있도록 상기 가동자의 코일에 교류 전원을 인가하는 액추에이터 전원을 포함하며, 상기 전자기 액추에이터가 발생하는 힘(

)은 내부 코일에 흐르는 전류(

)에 비례하고, 오옴(Ohm)의 법칙(

)에 따라 상기 전자기 액추에이터가 발생하는 힘(

)은

로 주어지며, 여기서,

는 액추에이터 계수이고,

는 기전력을 나타내며,

은 액추에이터의 고유저항을 나타내고,

는 진동에 의하여 움직이는 가동자의 속도를 각각 나타내며, 감쇠계수(

)가

로 주어지는 것을 특징으로 한다.

삭제

여기서, 상기 전자기 액추에이터가 갖고 있는 고유저항(

)에 상기 가변저항(

)을 병렬로 연결하면, 감쇠계수(

)는

이 되고, 이때, 전체 저항(

)은

이 되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 가변저항(

)의 저항값을 증가시키면, 상기 감쇠계수(

)는 증가하여 감쇠력(

)이 증가하며, 상기 가변저항(

)의 저항값을 감소시키면, 상기 감쇠계수(

)가 감소하여 감쇠력(

)이 감소하는 것을 특징으로 한다.

삭제

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템은, 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템에 있어서, 소정 질량(M)을 갖고, 진동을 발생시키는 진동 시스템; 상기 진동 시스템에 설치되어 진동을 저감시키는 진동 시스템 스프링; 및 전자기 액추에이터 댐퍼로서, 가변저항을 사용하여 가변 감쇠력을 발생시킬 수 있는 가변 감쇠력 댐퍼를 포함하되, 상기 가변 감쇠력 댐퍼는, 고정자 및 가동자를 포함하며 고유저항(

)를 가변시키는 가변저항(

)은 내부 코일에 흐르는 전류(

)에 비례하고, 오옴(Ohm)의 법칙(

)에 따라 상기 전자기 액추에이터가 발생하는 힘(

)은

로 주어지며, 여기서,

는 액추에이터 계수이고,

는 기전력을 나타내며,

은 액추에이터의 고유저항을 나타내고,

)가

로 주어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 진동 시스템은 속도 및 외부 영향에 따라 감쇠계수가 변화하는 철도차량 또는 자동차일 수 있다.

본 발명에 따르면, 가변저항을 전자기 액추에이터에 병렬로 연결함으로써 외부 전원을 거의 투입하지 않고도 가변 감쇠력 발생이 가능하다.

본 발명에 따르면, 전자기 액추에이터를 댐퍼로 사용함으로써 빠른 응답 특성을 갖고, 폭 넓은 주파수에서 진동 시스템의 진동 절연 및 진동 감쇠가 가능해진다.

도 1은 종래의 기술에 따른 철도차량용 대용량 반능동 댐퍼로서 MR 댐퍼가 사용되는 것을 예시하는 사진이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 스프링 및 댐퍼를 구비하는 진동 시스템을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 댐퍼의 감쇠력과 속도 관계를 나타내는 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 종래의 기술에 따른 철도차량의 진동 억제 장치 및 감쇠력 가변 댐퍼를 각각 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템의 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼의 구조를 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

[가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템]

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템의 구성도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼의 특성을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템은, 진동시스템(100), 진동시스템 스프링(200) 및 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)를 포함하며, 전술한 도 2에 도시된 진동 시스템과 비교하면, MR 댐퍼(13) 대신에 전자기 액추에이터(310)가 댐퍼 역할을 하며, 가변저항(320)을 사용하여 가변 감쇠력을 발생시킨다.

구체적으로, 전술한 도 2에 도시된 바와 같이, 대부분의 진동계는 질량(M), 스프링(K) 및 댐퍼(C)로 구성되며, 여기서, 종래의 기술에 따른 MR 댐퍼(13)를 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)로 교체함으로써, 도 5에 도시된 바와 같이 구성할 수 있다.

이때, 가변 감쇠력의 핵심 요소인 가변저항(

)은 가변저항 제어기(330)에 의해 제어되며, 이때, 상기 가변저항 제어기(330)는 가진 주파수 및 외란, 진동계의 변위 및 속도 등의 환경요소를 감안하여 최적의 수치를 산출하여 가변저항(

)의 저항값을 제어하는 것이 바람직하다. 또한, 이러한 가변저항(

)의 변화에 들어가는 전력은 수 와트(Watt)에 불과하므로, 외부 에너지의 소요량은 무시할 수 있다.

진동 시스템(100)은 소정 질량(M)을 갖고, 진동을 발생시킨다. 이때, 상기 진동 시스템(100)은 속도 및 외부 영향에 따라 감쇠계수가 변화하는 철도차량 또는 자동차일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.

진동 시스템 스프링(200)은 상기 진동 시스템(100)에 연결되어 진동을 저감시키는 역할을 한다.

가변 감쇠력 댐퍼(300)는 전자기 액추에이터(Actuator) 댐퍼(Damper)로서, 가변저항(Variable Resistor)을 사용하여 가변 감쇠력(Variable Damping Force)을 발생시킬 수 있다. 구체적으로, 상기 가변 감쇠력 댐퍼(300)는 전자기 액추에이터(310), 가변저항(320) 및 가변저항 제어기(330)를 포함할 수 있다.

상기 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 전자기 액추에이터(310)는 고정자 및 가동자를 포함하며 고유저항(

)을 갖고, 진동 시스템에 연결되어 소정의 감쇠력을 갖는 댐퍼 역할을 한다.

상기 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 가변저항(

: 320)은 상기 고유저항(

)을 갖는 전자기 액추에이터(310)에 병렬로 연결되어 상기 감쇠력을 가변시키는 역할을 한다. 이때, 상기 전자기 액추에이터(310)가 갖고 있는 고유저항(

)에 상기 가변저항(

)을 병렬로 연결하면, 감쇠계수(

)는, 도 6에 도시된 바와 같이,

이 되고, 상기 가변저항(

)을 변화시킴에 따라 상기 감쇠계수(

)를 가변시킬 수 있고, 이에 따라 가변 감쇠력 댐퍼를 구현할 수 있다. 이러한 가변 감쇠력 댐퍼(300)에 대한 구체적인 설명은 후술하기로 한다.

상기 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 가변저항 제어기(330)는 상기 가변저항(320)의 저항값(

)을 가변 제어한다. 이때, 상기 가변저항 제어기(330)는 가진 주파수 및 외란, 진동계의 변위 및 속도를 포함하는 환경요소를 감안하여 최적의 수치를 산출하여 가변저항(

)의 저항값을 제어하는 것이 바람직하다.

이에 따라 상기 가변저항(

)이 상기 전자기 액추에이터(310)의 감쇠계수(

)를 가변시킴으로써 상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(

)에 대응하는 감쇠력이 가변되어 상기 진동 시스템의 진동 절연 또는 진동 감쇠가 가능해진다.

이하, 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)를 구체적으로 설명하기로 한다.

[가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼]

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼의 구조를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)는, 전자기 액추에이터(310), 가변저항(320), 가변저항 제어기(330) 및 가변저항 전원(340)을 포함하고, 여기서, 상기 전자기 액추에이터(310)는 고정자(311), 가동자(312) 및 액추에이터 전원(313)을 포함할 수 있다.

전자기 액추에이터(310)는 고정자(311) 및 가동자(312)를 포함하며 고유저항(

)을 갖고, 진동 시스템에 연결되어 소정의 감쇠력(Damping Force)을 갖는 댐퍼(Damper) 역할을 한다. 여기서, 상기 전자기 액추에이터(310)는, 고정자(311), 가동자(312) 및 액추에이터 전원(313)을 포함한다.

구체적으로, 상기 전자기 액추에이터(310)의 고정자(311)는 영구자석을 구비하고, 진동 시스템의 프레임에 고정된다.

상기 전자기 액추에이터(310)의 가동자(312)는 코일을 감싸서 형성되어 상기 고정자(311) 사이에 배치되고, 억제해야 할 진동 방향과 동일 방향의 왕복운동을 하면서 진동에 대응하여 속도(

)로 움직인다.

상기 전자기 액추에이터(310)의 액추에이터 전원(313)은 상기 가동자(312)가 왕복운동을 할 수 있도록 상기 가동자(312)의 코일에 교류 전원을 인가한다.

도 7을 다시 참조하면, 가변저항(320)은 상기 고유저항(

)을 갖는 전자기 액추에이터(310)에 병렬로 연결되어 상기 감쇠력을 가변시키는 역할을 한다. 후술하는 바와 같이, 상기 가변저항(

)이 전자기 액추에이터(310)의 감쇠계수(

)에 대응하는 감쇠력이 가변되어 상기 진동 시스템의 진동 절연 또는 진동 감쇠가 가능하게 된다. 예를 들면, 상기 가변저항(

)의 저항값을 증가시키면, 상기 감쇠계수()는 증가하여 감쇠력(

)이 증가하며, 상기 가변저항(

)의 저항값을 감소시키면, 상기 감쇠계수(

)가 감소하여 감쇠력(

)이 감소하게 된다.

가변저항 제어기(330)는 상기 가변저항(320)의 저항값(

)의 저항값을 제어하는 것이 바람직하다.

가변저항 전원(340)은 상기 가변저항(320)에 전원을 인가하기 위한 것이지만, 실제로 외부 전원을 거의 투입하지 않고도 가변 감쇠력 발생이 가능하다.

이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 경우, 상기 가변저항(

)이 상기 전자기 액추에이터(310)의 감쇠계수(

)에 대응하는 감쇠력이 가변되어 상기 진동 시스템의 진동 절연 또는 진동 감쇠가 가능하게 된다.

구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼는 전자기 액추에이터(310)를 댐퍼로 활용하며, 상기 전자기 액추에이터(310)의 기전력(

)에 의해 발생한 전류의 양을 조절하여 댐퍼의 감쇠력을 가변 조절할 수 있다.

구체적으로, 선형 전동기 등의 전자기 액추에이터(310)의 양단을 진동 시스템에 연결하면, 전자기 액추에이터(310)의 가동자는 진동에 의하여 속도(

)로 움직인다. 이때, 전자기 액추에이터(310)는 기전력(

)을 발생하며, 상기 전자기 액추에이터(310)의 계수를

라 하면, 속도(

)와 기전력(

)의 관계는 다음의 수학식 2와 같이 주어진다.

또한, 상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(

)은 내부 코일에 흐르는 전류(

)에 비례하며, 다음의 수학식 3과 같이 주어진다.

따라서 전류와 전압의 관계인 오옴(Ohm)의 법칙(

)에 따라서 상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(

)은 다음의 수학식 4와 같이 주어진다.

여기서,

는 액추에이터 계수이고,

는 기전력을 나타내며,

은 액추에이터의 고유저항을 나타내고,

는 진동에 의하여 움직이는 가동자의 속도를 각각 나타낸다.

따라서 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 감쇠계수(

)는 전술한 수학식 1을 참조하면, 다음의 수학식 5와 같이 주어질 수 있다. 다시 말하면, 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼의 특성은 전술한 도 6에 도시된 바와 같다.

) 특성에 따라, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 전자기 액추에이터(310)가 갖고 있는 고유저항(

)에 가변저항(

)을 병렬로 연결하면, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 감쇠계수(

)는

이 되고, 이때, 전체 저항(

)은 다음의 수학식 6과 같이 주어진다.

따라서 전술한 수학식 5 및 수학식 6에 따라 가변저항(

)의 저항값을 증가시키면, 감쇠계수(

)는 증가하게 되고 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 감쇠력(

)이 증가하게 된다. 또한, 상기 가변저항(

)의 저항값을 감소시키면, 감쇠계수(

)는 감소하게 되고, 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 감쇠력(

)은 감소하게 된다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 경우, 가변저항(

)의 저항값을 가변시킴에 따라 이에 대응하여 감쇠계수(

)가 가변하는 가변 감쇠력 댐퍼(300)를 실현할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)의 경우, 이론상으로는 0∼∞까지의 감쇠력을 조절할 수 있으나, 코일 등 내부 저항의 존재, 가동자의 선형 이동시 마찰력 등으로 인해 제어가 불가능한 영역이 어느 정도 존재할 수 있다. 하지만 상기 전자기 액추에이터(310)의 고유저항은 보통 1Ω 이하로 작고, 또한, 상기 전자기 액추에이터(310)의 마찰력은 베어링 등을 사용함으로써 적은 값을 갖기 때문에 제어가 불가능한 영역은 무시할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)는, 산업 전반에 걸친 진동계에 적용할 수 있으며, 특히, 철도차량 및 자동차 등 수송 관련분야의 경우, 속도 및 외부 영향에 따라 감쇠계수 변화에 따른 진동 절연 효과가 높을 것으로 판단된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)는 수직댐퍼, 횡댐퍼 등 진동 방향에 따른 댐퍼의 종류와는 무관하며, 또한, 감쇠계수에는 영향을 받지 않지만, 최대 감쇠력은 전자기 액추에이터(310)의 용량 및 추진력에 제한이 있을 수 있기 때문에 이를 감안하여 가변저항(

)의 저항값을 가변시키는 것이 바람직하다.

결국, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)는 전자기 액추에이터를 댐퍼로 사용하며, 외부 전원을 거의 투입하지 않고도 가변 감쇠력 발생이 가능하며, 전자기 액추에이터를 사용함으로써 빠른 응답 특성을 가지며, 또한, 가변저항을 이용한 가변 감쇠력 발생 댐퍼로서, 폭 넓은 주파수에서 진동 시스템의 진동 절연 및 진동 감쇠가 가능해진다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼(300)는 전자기 액추에이터를 댐퍼로 사용함으로써 외부 전원을 거의 투입하지 않고도 가변 감쇠력 발생이 가능하게 된다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 진동 시스템
200: 진동 시스템 스프링
300: 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼
310: 전자기 액추에이터
311: 고정자
312: 가동자
313: 액추에이터 전원
320: 가변저항
330: 가변저항 제어기
340: 가변저항 전원

Claims

고정자(311) 및 가동자(312)를 포함하며 고유저항(
)을 갖고, 진동 시스템에 연결되어 소정의 감쇠력(Damping Force)을 갖는 댐퍼(Damper) 역할을 하는 전자기 액추에이터(310);
상기 고유저항(
)을 갖는 전자기 액추에이터(310)에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(
)에 대응하는 감쇠력이 가변되어 상기 진동 시스템의 진동 절연 또는 진동 감쇠가 가능하도록 상기 전자기 액추에이터(310)의 감쇠계수(
)를 가변시키는 가변저항(
: 320);
가진 주파수 및 외란, 진동계의 변위 및 속도를 포함하는 환경요소를 감안하여 최적의 수치를 산출하여 상기 가변저항(320)의 저항값(
)을 가변 제어하는 가변저항 제어기(330); 및
상기 가변저항(320)에 전원을 인가하는 가변저항 전원(340)
을 포함하되, 상기 전자기 액추에이터(310)는,
영구자석을 구비하고, 진동 시스템의 프레임에 고정되는 고정자(311);
코일을 감싸서 형성되어 상기 고정자(311) 사이에 배치되고, 억제해야 할 진동 방향과 동일 방향의 왕복운동을 하면서 진동에 대응하여 속도(
)로 움직이는 가동자(312); 및
상기 가동자(312)가 왕복운동을 할 수 있도록 상기 가동자(312)의 코일에 교류 전원을 인가하는 액추에이터 전원(313)
을 포함하며,
상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(
)은 내부 코일에 흐르는 전류(
)에 비례하고, 오옴(Ohm)의 법칙(
)에 따라 상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(
)은
로 주어지며, 여기서,
는 액추에이터 계수이고,
는 기전력을 나타내며,
은 액추에이터의 고유저항을 나타내고,
는 진동에 의하여 움직이는 가동자(312)의 속도를 각각 나타내며, 감쇠계수(
)가
로 주어지는 것을 특징으로 하는 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼.
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제1항에 있어서,
상기 전자기 액추에이터(310)가 갖고 있는 고유저항(
)에 상기 가변저항(
)을 병렬로 연결하면, 감쇠계수(
)는
이 되고, 이때, 전체 저항(
)은
이 되는 것을 특징으로 하는 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼.
제4항에 있어서,
상기 가변저항(
)의 저항값을 증가시키면, 상기 감쇠계수(
)는 증가하여 감쇠력(
)이 증가하며, 상기 가변저항(
)의 저항값을 감소시키면, 상기 감쇠계수(
)가 감소하여 감쇠력(
)이 감소하는 것을 특징으로 하는 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼.
삭제
가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템에 있어서,
소정 질량(M)을 갖고, 진동을 발생시키는 진동 시스템(100);
상기 진동 시스템(100)에 설치되어 진동을 저감시키는 진동 시스템 스프링(200); 및
전자기 액추에이터(Actuator) 댐퍼(Damper)로서, 가변저항(Variable Resistor)을 사용하여 가변 감쇠력(Variable Damping Force)을 발생시킬 수 있는 가변 감쇠력 댐퍼(300)
를 포함하되, 상기 가변 감쇠력 댐퍼(300)는,
고정자(311) 및 가동자(312)를 포함하며 고유저항(
)을 갖고, 진동 시스템에 연결되어 소정의 감쇠력(Damping Force)을 갖는 댐퍼(Damper) 역할을 하는 전자기 액추에이터(310);
상기 고유저항(
)을 갖는 전자기 액추에이터(310)에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(
)에 대응하는 감쇠력이 가변되어 상기 진동 시스템의 진동 절연 또는 진동 감쇠가 가능하도록 상기 전자기 액추에이터(310)의 감쇠계수(
)를 가변시키는 가변저항(
: 320);
가진 주파수 및 외란, 진동계의 변위 및 속도를 포함하는 환경요소를 감안하여 최적의 수치를 산출하여 상기 가변저항(320)의 저항값(
)을 가변 제어하는 가변저항 제어기(330); 및
상기 가변저항(320)에 전원을 인가하는 가변저항 전원(340)
을 포함하되, 상기 전자기 액추에이터(310)는,
영구자석을 구비하고, 진동 시스템의 프레임에 고정되는 고정자(311);
코일을 감싸서 형성되어 상기 고정자(311) 사이에 배치되고, 억제해야 할 진동 방향과 동일 방향의 왕복운동을 하면서 진동에 대응하여 속도(
)로 움직이는 가동자(312); 및
상기 가동자(312)가 왕복운동을 할 수 있도록 상기 가동자(312)의 코일에 교류 전원을 인가하는 액추에이터 전원(313)
을 포함하며,
상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(
)은 내부 코일에 흐르는 전류(
)에 비례하고, 오옴(Ohm)의 법칙(
)에 따라 상기 전자기 액추에이터(310)가 발생하는 힘(
)은
로 주어지며, 여기서,
는 액추에이터 계수이고,
는 기전력을 나타내며,
은 액추에이터의 고유저항을 나타내고,
는 진동에 의하여 움직이는 가동자(312)의 속도를 각각 나타내며, 감쇠계수(
)가
로 주어지는 것을 특징으로 하는 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템.
제7항에 있어서,
상기 진동 시스템(100)은 속도 및 외부 영향에 따라 감쇠계수가 변화하는 철도차량 또는 자동차인 것을 특징으로 하는 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템.
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제7항에 있어서,
상기 전자기 액추에이터(310)가 갖고 있는 고유저항(
)에 상기 가변저항(
)을 병렬로 연결하면, 감쇠계수(
)는
이 되고, 이때, 전체 저항(
)은
이 되는 것을 특징으로 하는 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템.
제11항에 있어서,
상기 가변저항(
)의 저항값을 증가시키면, 상기 감쇠계수(
)는 증가하여 감쇠력(
)이 증가하며, 상기 가변저항(
)의 저항값을 감소시키면, 상기 감쇠계수(
)가 감소하여 감쇠력(
)이 감소하는 것을 특징으로 하는 가변저항을 사용한 가변 감쇠력 댐퍼를 구비한 진동 시스템.
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