KR100550952B1 - 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치에 관한 것으로, 자동차의 구동 휠과 함께 회전하는 요크의 내부 원주상에 원둘레 방향으로 접촉 형성되어 있는 영구자석과 상기 요크 주위에 위치한 디스크 플레이트에 철심을 형성하고 상기 철심에 코일을 감으며 상기 코일에 일정한 전류를 흘려준 경우 형성되는 전자석을 설치하여 영구자석과 전자석간의 상호작용을 통하여 기존의 접촉식 브레이크 방식에서 비접촉식 브레이크 방식으로 전환함으로써 반영구적이고 안정된 제동력을 제공하는 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치에 관한 것이다.

브레이크, 전자석, 전류

Description

전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치{Device for non-contact brake consisting of an electromagnet and a permanent magnet}

도 1은 종래의 자동차용 디스크 브레이크를 개략적으로 나타낸 사시도,

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치를 개략적으로 나타낸 블록 회로도,

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치의 배면도,

도 4a는 각각의 차량 운전 조건을 나타낸 그래프,

도 4b는 각각의 차량 운전 조건에 따른 전자제어유니트의 전류 제어를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 설명>

10: 구동축, 15: 연결부재,

18: 조향너클, 20: 요크,

25: 영구자석, 30: 코일,

40: 디스크 플레이트, 42: 철심,

45: 홀센서, 50: 전자제어유니트,

60: 브레이크 폐달, 65: 작동감지센서,

70: 차속센서, 80: 휠스피드센서,

90: 전원공급부.

본 발명은 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자동차의 구동 휠과 함께 회전하는 요크의 내부 원주상에 원둘레 방향으로 접촉 형성되어 있는 영구자석과 상기 요크 주위에 위치한 디스크 플레이트에 철심을 형성하고 상기 철심에 코일을 감으며 상기 코일에 일정한 전류를 흘려준 경우 형성되는 전자석을 설치하여 영구자석과 전자석간의 상호작용을 통하여 기존의 접촉식 브레이크 방식에서 비접촉식 브레이크 방식으로 전환함으로써 반영구적이고 안정된 제동력을 제공하는 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치에 관한 것이다.

일반적으로 브레이크 장치는 자동차 주행중에 사용하느 주브레이크(일명 '풋브레이크'라고도 한다)와 자동차 주차시에 사용하는 주차브레이크(일명 '핸드브레이크'라고도한다)로 구분된다. 브레이크 장치의 조작기구로는 와이어(wire)를 이용하는 기계식 브레이크, 유압을 이용하는 유압식 브레이크, 압축공기를 이용한 공압식 브레이크 등이 있다. 현재 주로 사용되고 있는 브레이크 장치는 유압을 이용하 여 브레이크 드럼이나 디스크에 마찰패드를 압착시키는 유압식 브레이크 장치이다.

일반적으로 디스크 브레이크는 휠과 함께 회전하는 강주철제 원판의 디스크를 장치하여 그 양쪽의 바깥쪽 가까운 부분에 유압 피스톤으로 작용하는 브레이크 패드를 밀어붙여 브레이크 패드의 마찰력에 의해 제동하는 것이다. 브레이크 장치(Brake System)는 주행하는 자동차를 감속 또는 정지시킴과 동시에 차량의 주차상태를 유지하기 위해 사용하는 중요한 장치이다. 이러한 브레이크 장치에는 일반적으로 마찰력을 이용하여 자동차의 운동에너지를 열에너지로 바꾼 뒤 열을 대기 속으로 방출시켜 브레이크 작용을 하는 마찰식 브레이크를 사용하고 있다.

종래의 디스크 브레이크를 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 대한민국 실용신안 공개공보(공개번호 실 1998-030481)에 공개된 내용이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 실린더(5)내로 유압이 유입 또는 유출될 시 상기 실린더(5)의 양끝단에 형성된 가이드핀(9)에 의해 실린더(5)가 좌,우로 이동가능하게 된다. 이 실린더(5)의 일측에는 유압관(미도시)이 연결되어 구비된다.

상기 실린더(5)의 내측에는 피스톤(1)이 구비되어 실린더(5)내에 유압이 유입될 시 상기 유압이 피스톤(1)과 실린더(5)를 양측으로 밀어 내므로 디스크(3)의 양측에 구비된 마찰패드(7)가 상기 디스크(3)를 양방향에서 압착하여 그 마찰력으로 디스크(3)의 회전을 저지하게 된다.

그러나 종래의 브레이크 장치는 브레이크 패드와 디스크와의 마찰력을 이용하여 자동차가 제동을 함으로써 슬립(slip)현상 즉, 제동시에 자동차가 미끄러지는 현상이 발생할 수 있다. 또한 브레이크 패드의 마모로 인하여 지속적으로 브레이크 패드를 점검/교환해 주어야 하는바 브레이크 장치의 관리가 번거로운 점이 있으며, 브레이크 패드의 편마모에 의하여 급제동시 이상 진동을 일으키며 사고의 위험이 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 자동차의 구동 휠과 함께 회전하는 요크의 내부 원주상에 원둘레 방향으로 접촉 형성되어 있는 영구자석과 상기 요크 주위에 위치한 디스크 플레이트에 철심을 형성하고 상기 철심에 코일을 감으며 상기 코일에 일정한 전류를 흘려준 경우 형성되는 전자석을 설치하여 영구자석과 전자석간의 상호작용을 통하여 기존의 접촉식 브레이크 방식에서 비접촉식 브레이크 방식으로 전환함으로써 반영구적이고 안정된 제동력을 제공하는 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 휠 구동축에 고정되어 구동축과 함께 회전하는 요크; 상기 요크상에 원주상으로 다수 개의 N 극과 S 극이 상호 교호하도록 고정 형성된 영구자석; 상기 요크에 대향하도록 조향너클에 고정형성되며, 상기 영구자석과 대향하도록 다수 개의 권선 코일이 형성되되 상기 영구자석의 N 극과 S 극에 각각 대응하도록 형성된 디스크 플레이트; 브레이크 페달의 유격을 감지하여 출력하는 작동감지센서; 차량 속도를 출력하는 차속센서; 및 상기 작동감지센서와 상기 차속센서로부터 출력되는 신호를 입력받아 상기 권선코일에 인가할 전류 세기를 결정하고, 상기 결정된 전류를 상기 권선코일에 인가하도록 제어하는 전자제어유니트로 이루어진 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치를 포함한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

영구자석이 항상 자석의 힘을 갖고 있는 것에 비하여, 전류가 흐를 때만 자석의 힘을 갖는 전자석이 있다. 코일에 전류가 흐르면 주위에 자기장이 발생한다. 이것을 이용하여 철심에 코일을 감고 전류를 흘려주면 자기장이 형성되어 철심은 자석의 성질을 갖게 된다. 전자석에서 나타나는 자석의 세기는 흐르는 전류의 세기에 비례한다. 전류의 크기가 크면 클수록 자석의 세기도 커지게 된다. 또한 전자석에서 N극의 방향은 전류의 방향과 관련이 있는데, 예를 들어 전류의 방향이 바뀌면 N극의 방향도 바뀌게 된다.

자석에는 N극과 S극이 있는데, 두 개의 자석을 서로 가까이 했을 때 같은 극끼리는 서로 밀고, 다른 극끼리는 서로 당기는 성질이 있다. 전자석과 영구자석이 동일한 극(S극과 S극 또는 N극과 N극)으로 일치될 경우에는 자석의 성질에 의하여 서로 밀어붙이려는 성질이 작용하고, 전자석과 영구자석이 서로 상이한 극(S극과 N극 또는 N극과 S극)으로 일치될 경우에는 서로 붙으려는 성질이 작용하게 된다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치 를 개략적으로 나타낸 블록 회로도, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치에서 디스크 플레이트를 배면에서 바라본 상태도이다.

구동축(10)은 자동차의 동력원으로써 회전운동을 하게 된다. 구동축(10)은 구동 휠(미도시)과 연결되어 구동 휠을 회전시키게 된다.

조향너클(knuckle)(18)은 너클암(knukle-arm)(미도시)과 연결되어 있으며 타이어(미도시)를 좌우로 이동할 수 있게 만들어 준다. 이와 같은 동작 과정을 자세히 살펴보면, 운전자가 조향 휠을 조작하여 생기는 회전운동이 기어박스(미도시)에 전달되어 랙과 피니언의 작용으로 회전운동에서 좌우운동의 동력으로 변화되어, 이 좌우운동으로 변화된 동력이 타이로드(미도시)를 거쳐 타이로드 말단에 전달된다. 이와 같이 타이로드 말단과 너클암은 연결되어 있는데 타이로드 말단에 전달된 동력이 너클암에 전달되고 너클암과 연결된 조향너클(18)에 다시 전달되어 타이어를 좌우로 이동 할 수 있게 된다.

요크(20)는 중앙부에 구멍이 형성되어 있고 그 구멍을 통하여 구동축(10)과 삽입되어 있다. 요크(20)의 중앙부에서는 구동축(10)과 연결되어 있어 구동축(10)의 동작에 의하여 회전운동을 하게 된다. 요크(20)의 바깥을 향하고 있는 일 측면에는 타이어(미도시)가 연결부재(15)에 의하여 연결되어 진다. 이와 같이 요크(20)의 회전에 따라 타이어가 회전하게 되는데 , 요크(20)는 회전자(Rotor)의 역할을 하게 된다.

영구자석(25)은 요크(20)의 내부 원주상에 원둘레 방향으로 접촉 형성되어 있는데, 이와 같은 영구자석(25)은 일정한 거리를 두면서 N극-S극-N극-S극 순으로 순차적으로 형성되어 있다.

디스크 플레이트(40)는 조향너클(18)에 연결되어 있고, 고정되어 있는 고정자(Stator)의 역할을 한다. 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치에서 디스크 플레이트(40)는 비자성체의 물체로 형성하는데 이는 브레이크 작동시 이물질이 디스크 플레이트(40)에 엉겨 붙는 것을 방지하기 위함이다. 또한 자동차의 다른 구성 부분이 디스크 플레이트(40)에 의하여 자성체의 영향을 받지 않도록 하기 위함이다.

철심(42)은 디스크 플레이트(40)의 표면상에 일정한 원둘레 방향으로 다수개가 돌출 형성되어 있다. 이와 같은 철심(42)은 일정한 거리를 두면서 형성되어 있는데, 철심(42)의 위치는 요크(20)상에 형성된 영구자석(25)의 위치와 동일하게 형성 할 수 있다. 또한, 나아가 철심(42)의 위치는 영구자석(25)의 위치와 상이하게 형성 할 수도 있다.

홀센서(45)는 각각의 철심(42)으로 둘려져 있는 내부에 위치한 디스크 플레이트(40)의 표면상에 형성되어 있는데, 회전하고 있는 영구자석(25)의 회전수와 현재 홀센서(45)에 근접하게 위치해 있는 영구자석(25)의 극 종류(N극 또는 S극)를 알 수 있는 역할을 한다. 홀센서(45)는 전자제어유니트(50)와 연결되어 있으며, 회전하고 있는 영구자석(25)의 회전수에 대한 감지 신호와 근접하게 위치해 있는 영구자석(25)의 극 종류 감지 신호를 전자제어유니트(50)에 출력하게 된다.

또한 나아가 홀센서(45)를 통하여 회전함에 따라 극의 종류가 변화하는 영구 자석(25)을 카운팅하여 현재 구동 휠의 스피드도 측정할 수 있다.

코일(30)은 철심(42) 주위를 수회 감아서 형성되어 있으며, 전선을 통하여 전자제어유니트(50)와 전기적으로 연결되어 있다. 이와 같이, 전기적으로 연결되어 있는 전자제어유니트(50)로부터 인가되는 전류량에 상응하여 철심(42)을 전자석으로 바뀌게 하는 역할을 한다.

전자제어유니트(ECU: Electronical Control Unit)(50)는 각종 센서로부터 받은 차량정보를 기초로 하여 여러 가지 작동 조건을 구해 해당되는 차량의 전체적인 제어, 특히 본 발명과 관련하여 차량의 제동 시스템을 제어/담당하는 역할을 한다.

브레이크페달(60)은 운전자에 의하여 차량의 제동 동작 수행시 브레이크페달(60)의 유격 거리에 따라 적게 눌려 질수도 있으며 깊게 눌려 질수도 있는 부분이다.

작동감지센서(65)는 브레이크페달(60)과 연결되어 있는데, 이와 같이 연결되어 있는 브레이크페달(60)의 유격 거리를 판단하여 그에 대한 전압의 변화를 측정함으로써 나타나는 전압변화신호를 전자제어유니트(50)에 보내주는 역할을 한다.

차속센서(70)는 차량의 구동시 구동속도를 감지하는 센서로서 리드 스위치 형식으로 스피드 미터(미도시)속에 설치되어 있는 타입과 트랜스 액슬(미도시)의 스피드 미터 드리븐 기어(미도시)에 설치된 것이 있다.

휠스피드센서(80)는 차량 각각의 휠 마다 센서를 설치하여 휠 마다 들어오는 휠 스피드 신호를 전자제어유니트(50)에 보내주게 된다. 여기에서 나아가 본 발명의 일실시예로서 홀센서(45)를 통하여 차량 각각의 휠의 스피드를 측정할 수도 있 다.

전원공급부(90)는 차량의 내부에 구비되어 차량의 전기/전자부품들을 동작시키는 역할을 하는것으로 자동차의 주행중 즉 엔진이 회전하고 있는 상태에서 전원공급은 발전기에서 담당하게 되며 배터리(Battery)는 발전기에서 남는 전기를 저장하였다가 엔진의 시동을 걸 때 시동모터를 회전시키기 위해 이용된다.

그러나 전원공급부(90)는 이에 국한하지 않으며, 별도로 마련된 배터리의 전원을 사용할 수도 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치의 작용 및 효과를 상세히 설명한다.

운전자가 차량의 주행중에 제동상황이 발생하게 되어 브레이크 페달(60)을 밝는 경우, 브레이크 페달(60)과 연결되어 있는 작동감지 센서(65)가 이를 감지하게 된다. 이와 같이 감지된 브레이크페달 작동감지신호는 전자제어유니트(50)에 입력되게 된다.

그리고, 자동차의 디스크 플레이트(40)에 돌설된 철심(42) 내부에는 홀센서(45)가 설치되어 있는데, 홀센서(45)는 디스크 플레이트(40)에 고정되어 회전하고 있는 영구자석(25)의 극의 종류(즉, 홀센서 주위에 위치한 영구자석이 N극 또는 S극인지 여부)를 판별하게 된다. 이와 같이 홀센서(45)를 통하여 판별된 영구자석의 위치정보신호는 전자제어유니트(50)에 실시간으로 보내지게 된다.

또한, 차속센서(70)로부터의 차량의 속도 정보와 휠스피드센서(80)로부터 출력되는 차량의 휠스피드 정보등은 실시간으로 전자제어유니트(50)에 보내지게 된다.

이와 같이 자동차 상태 정보를 입력받은 전자제어유니트(50)는 자동차 상태 정보를 비교/분석하여 현재 자동차의 제동 조건에 해당하는 전류의 방향과 전류의 세기를 코일(30)에 공급하게 된다.

전자제어유니트(50)가 코일(30)에 일정 전류의 세기를 공급하는 경우 코일(30)에 의하여 감싸여져 있는 철심(42)은 전자석으로 변환된다.

전자석에서 나타나는 자석의 방향은 흐르는 전류의 방향에 따라 변화하게 된다. 이와 같은 원리를 이용하여, 전자제어유니트(50)에서는 자동차의 제동 조건에 따른 전류의 방향을 제어함으로써 자동차의 제동 여부를 조절할 수 있게 된다. 전자제어유니트(50)에서는 홀센서(45)를 통하여 입력되는 영구자석(25)의 극종류를 파악하여 서로 인접하고 있는 영구자석(25)과 전자석의 극을 상이하게 해줌으로써 요크(20)의 제동력을 줄 수 있다. 여기에서, 전자석의 극을 상이하게 해주는 것은 코일(30)에 흐르는 전류의 방향을 바꾸어 줌으로써 이루어 질 수 있다.

전자석으로 변환된 철심(42)은 주위에 자기장을 형성하게 되는데, 영구자석(25)과 함께 상호 작용을 통하여 회전운동하고 있는 요크(20)에 제동을 가하게 된다.

도 4a는 각각의 차량 운전 조건을 나타낸 그래프, 도 4b는 각각의 차량 운전 조건에 따른 전자제어유니트의 전류 제어를 나타낸 그래프이다.

도 4a에서 가로축은 차량의 하중을 나타내고, 세로축은 차량의 운전속도를 나타낸다. 차량운전 조건 A는 고속으로 주행하고 있으며 고하중을 나타낸다. 차량운전 조건 B는 저속으로 주행하고 있으며 고하중을 나타낸다. 차량운전 조건 C는 고속으로 주행하고 있으며 저하중을 나타낸다. 차량운전 조건 D는 저속으로 주행하고 있으며 저하중을 나타낸다.

도 4b는 각각의 차량 운전 조건에 따른 전자제어유니트의 전류 제어를 나타낸 그래프이다. 도 4b에서 가로축은 브레이크 작동시간을 나타내며, 세로축은 전자제어유니트가 코일에 공급하는 전류의 세기를 나타낸다.

일반적으로 F(힘) = M(질량) * V (속도) ^ 2 이다. 그러므로 힘은 질량에 비례하며 속도의 제곱에 비례하게 된다. 차량의 제동을 위하여는 이와 같은 힘에 대응하는 제동력을 주어야 하는바 전자제어유니트는 힘에 비례하는 전류를 코일에 공급해 주어야 한다.

전자석에서 나타나는 자석의 세기는 흐르는 전류의 세기에 비례 즉, 전류의 크기가 크면 클수록 자석의 세기도 커지게 된다. 이와 같은 원리를 이용하여, 전자제어유니트(50)에서는 자동차의 제동 조건에 따른 전류량을 제어하게 된다.

그러므로 도 4b에서 전자제어유니트(50)가 가장 많은 전류를 코일(30)에 공급해 주어야 하는 차량 운전 조건은 A이고, 가장 적은 전류을 코일(30)에 공급해 주어야 하는 차량 운전 조건은 D이다. 그리고 차량 운전 조건 B 와 C에 있어서는 힘에 작용하는 것은 속도의 영향이 큰 바 차량 운전 조건 C가 더욱더 많은 전류의 공급이 필요하게 된다.

각각의 차량 운전 조건에 따른 전자제어유니트(50)의 전류제어를 보이고 있는바 여기에서 처음에는 코일(30)에 공급하는 전류의 세기가 일직선으로 증가하다가 일정시간 동안은 일정하다가 그 다음에는 줄어 들게 된다. 이와 같이 전류의 세기를 조절하는 것은 전자제어유니트(50)가 제어하게 되는데, 차량의 차속센서(70), 휠스피드센서(80), 홀센서(45) 등을 통하여 들어오는 차량정보를 통하여 이를 판단하게 된다.

본 발명의 일실시예에서는 요크에 영구자석이 붙어서 회전자의 역할을 하고, 전류가 흐르는 경우 전자석을 띠는 코일은 고정자의 역할을 한다.

그러나 다른 일실시예에서는 요크에 철심을 형성하고 코일을 감음으로써 전류가 흐르는 경우 전자석이 되는 것이 회전자의 역할을 하고, 영구자석이 고정자의 역할을 하도록 할 수 있다. 여기에서 코일은 회전자의 역할을 하는바 요크 회전시에 상호 헝클어지지 않도록 브러시 등을 더 구성하여야 할 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명의 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기와 같은 본 발명인 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 유압이나 공압을 이용하지 않고 전자석의 힘을 이용하여 브레이크의 제동력을 발생함으로써, 브레이크 장치의 구성이 간단해지며 또한 자동차의 내구 수명과 함께하는 반영구적인 브레이크 시스템을 구축할 수 있다.

둘째, 브레이크 패드는 디스크식 브레이크의 제동을 위해 설치되는 부품으로 마모상태를 정기적으로 점검하여 마모량이 심할 경우 교환을 해 주어야 하는데 본 발명과 같은 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치에서는 브레이크 패드의 마모로 인한 수리 및 교환작업을 제거할 수 있다.

셋째, 브레이크 페달을 무리하게 자주 밟음으로 인하여 발생한 마찰열로 브레이크 패드가 재질이 변화되며 브레이크가 잘 듣지 않는 페이드(fade) 현상 등의 제동력 상실 현상을 제거할 수 있다.

넷째, 전자제어유니트의 연동으로 제동시 차량의 자세 제어가 가능하다. 제동력이 우수하며 브레이크 패드의 마모 및 소음발생이 없으며 최적의 제동토크를 비접촉식으로 전달함으로써 제동거리를 최소화 할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (3)

1. 삭제
2. 삭제
3. 휠 구동축에 고정되어 구동축과 함께 회전하는 요크;

   상기 요크상에 원주상으로 다수 개의 N 극과 S 극이 상호 교호하도록 고정 형성된 영구자석;

   비자성체로 이루어지고, 상기 요크에 대향하도록 조향너클에 고정형성되며, 상기 영구자석과 대향하도록 다수 개의 권선 코일이 형성되되 상기 영구자석의 N 극과 S 극에 각각 대응하도록 형성된 디스크 플레이트;

   브레이크 페달의 유격을 감지하여 출력하는 작동감지센서;

   차량 속도를 출력하는 차속센서;

   상기 영구자석의 극을 검출하도록 상기 디스크 플레이트 표면상에 형성된 홀센서 및

   상기 작동감지센서와 상기 차속센서와 상기 홀센서로부터 출력되는 신호를 입력받아 상기 권선코일에 N극과 S극이 상호 교호하여 형성되도록 상기 다수개의 권선코일에 전류를 인가하되, 이렇게 인가되는 전류의 세기를 시간의 경과 순서에 따라 증가, 유지 및 감소의 패턴으로 결정하는 전자제어유니트로 이루어진 전자석을 이용한 비접촉식 브레이크 장치.

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