KR102019372B1 - 에너지 하베스팅이 가능한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 포함한 진동 제어 시스템 - Google Patents

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Abstract

에너지 하베스팅이 가능한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 포함한 진동 제어 시스템에서, 상기 가변 감쇠력 댐퍼는 전자기 액츄에이터, 정류 회로부 및 제어부를 포함한다. 상기 전자기 액츄에이터는 고정자 및 가동자를 포함하여 고유저항(R)을 갖고, 소정의 감쇠력을 갖는다. 상기 정류 회로부는 상기 전자기 액츄에이터에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력(e)과 전원부의 전압(Eb)을 바탕으로, 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하거나 상기 전자기 액츄에이터에의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 흡수한다. 상기 제어부는 상기 가변 저항의 저항값(Rv)을 가변 제어한다.

Description

에너지 하베스팅이 가능한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 포함한 진동 제어 시스템{ENERGY HARVESTING DAMPER WITH VARIABLE DAMPING COEFFICIENT AND VIBRATION CONTROL SYSTEM HAVING THE SAME}
본 발명은 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 포함한 진동 제어 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자식 액츄에이터를 댐퍼로 사용하며, 진동 에너지를 하베스팅하여 가변 감쇠력의 발생이 가능한 에너지 하베스팅이 가능한 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 포함한 제어 시스템에 관한 것이다.
최근 철도차량의 고속화로 인한 차량의 승차감 향상을 위한 철도차량의 능동 또는 반능동 현가장치에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이에 따라 우수한 성능의 가변 댐퍼 시스템에 대한 기술적 요구가 증대되고 있다.
한편, 도 1에 도시된 바와 같이, 종래 일반적인 진동 시스템에서는, 질량(11), 스프링계수(K)를 갖는 스프링 및 감쇠계수(C)를 갖는 댐퍼(13)를 포함하며, 이러한 진동계에서 댐퍼(13)를 선정하거나 설계하는 경우, 하기 식 (1)로 주어지는 댐퍼(13)의 감쇠력(f)(v: 속도)에 따라 댐퍼(13)를 선정 또는 설계하게 된다.
Figure 112017121159540-pat00001
식 (1)
그러나, 상기 종래 기술에 따라 선정 또는 설계되는 댐퍼(13)는 도 2에 도시된 바와 같이, 감쇠계수(damping coefficient)가 고정되어 속도에 선형으로 비례하는 감쇠력만 발생시킬 수 있을 뿐이다. 하지만, 실제 진동 시스템이 적용되는 환경에서는 외부 입력조건에 따라 적은 감쇠력 또는 높은 감쇠력이 필요한 경우가 있으므로 이의 적용만으로는 한계가 있다.
또한, 종래 댐퍼의 설계시에 고정된 최적의 감쇠계수를 설계하거나, 가변 유압식 댐퍼를 사용하는 경우도 있으나, 가변 유압식 댐퍼의 경우 유압의 양을 조절하는 경우에는 구조가 복잡하고 유체의 보관을 위한 탱크 등의 구조가 증가하는 문제가 있고, MR 등의 특수 유체를 사용하는 경우 가격이 비싸고 자기장 변화를 인가하기 위한 장치나 외부 전력이 소요되는 등의 문제가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1722493호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 전자기 액츄에이터를 사용하여 빠른 응답 특성을 가지며, 가변 저항을 이용한 가변 감쇠력 발생이 가능하고, 진동 절연 및 진동 감쇠를 상대적으로 폭 넓은 주파수에서 효과를 가져올 수 있는 가변 감쇠력 댐퍼에 관한 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 가변 감쇠력 댐퍼를 포함한 진동 제어 시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 가변 감쇠력 댐퍼는 전자기 액츄에이터, 정류 회로부 및 제어부를 포함한다. 상기 전자기 액츄에이터는 고정자 및 가동자를 포함하여 고유저항(R)을 갖고, 소정의 감쇠력을 갖는다. 상기 정류 회로부는 상기 전자기 액츄에이터에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력(e)과 전원부의 전압(Eb)을 바탕으로, 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하거나 상기 전자기 액츄에이터에의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 흡수한다. 상기 제어부는 상기 가변 저항의 저항값(Rv)을 가변 제어한다.
일 실시예에서, 상기 정류 회로부는, 상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력이 상기 전원부의 전압보다 낮으면 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하고, 상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력이 상기 전원부의 전압보다 높으면 상기 전자기 액츄에이터의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 상기 전원부에 충전시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정류 회로부는, 상기 전자기 액츄에이터의 감쇠계수를 가변시켜 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하는 가변 저항을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가변 저항의 저항(Rv)을, 가진 주파수, 외란, 진동계의 변위 및 속도를 포함하는 환경 요소를 바탕으로 가변 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정류 회로부는, 상기 전자기 액츄에이터를 상기 가변 저항과 상기 전원부에 선택적으로 연결하는 스위치부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 스위치부는, 상기 기전력(e)이 상기 전원부의 전압(Eb)보다 소정값 이상으로 큰 경우 상기 전자기 액츄에이터가 상기 전원부와 연결되도록 동작할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전자기 액츄에이터가 상기 전원부와 연결되도록 상기 스위칭부가 동작하는 경우, 상기 전자기 액츄에이터의 진동 속도(Vs)는,
Figure 112017121159540-pat00002
식 (6)
{Rt은 전자기 액츄에이터의 고유저항(R)과 정류 회로부 저항의 합, Rnt는 전자기 액츄에이터의 고유저항(R)과 가변저항(Rv)의 합, Ψ는 액츄에이터 계수}
상기 식 (6)으로 정의될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정류 회로부는, 상기 전자기 액츄에이터의 일단에 연결되는 제1 노드, 상기 전자기 액츄에이터의 타단에 연결되는 제2 노드, 상기 제2 노드로부터 상기 제1 노드의 사이에 위치하는 제3 노드, 상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되는 상기 전원부의 제1 전원, 상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되는 상기 전원부의 제2 전원, 상기 제1 전원과 상기 제3 노드 사이에 연결되는 제1 다이오드, 및 상기 제1 노드와 상기 제2 전원 사이에 연결되는 제2 다이오드를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 정류 회로부는, 상기 제2 노드와 상기 전자기 액츄에이터의 타단 사이에 연결되는 상기 스위치부의 제1 스위치, 상기 제1 노드와 상기 제2 다이오드 사이에 위치하는 제4 노드, 및 상기 제4 노드와 상기 제2 다이오드 사이에 위치하는 상기 스위치부의 제2 스위치를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가변 저항은, 상기 제1 스위치와 상기 제4 노드 사이에 연결될 수 있다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 진동 제어 시스템은 진동 시스템, 상기 진동 시스템에 연결되는 탄성부, 및 상기 탄성부와 병렬로 상기 진동 시스템에 연결되는 가변 감쇠력 댐퍼를 포함한다. 상기 가변 감쇠력 댐퍼는 전자기 액츄에이터, 정류 회로부 및 제어부를 포함한다. 상기 전자기 액츄에이터는 고정자 및 가동자를 포함하여 고유저항(R)을 갖고, 소정의 감쇠력을 갖는다. 상기 정류 회로부는 상기 전자기 액츄에이터에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력(e)과 전원부의 전압(Eb)을 바탕으로, 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하거나 상기 전자기 액츄에이터에의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 흡수한다. 상기 제어부는 상기 가변 저항의 저항값(Rv)을 가변 제어한다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 가변 감쇠력 댐퍼에 있어서, 전자기 액츄에이터를 사용하여 빠른 응답 특성을 가지는 것은 물론이며 발생되는 기전력을 바탕으로 가변 감쇠력을 제공하거나 전기 에너지의 흡수를 선택적으로 수행할 수 있어, 에너지 하베스팅을 동시에 구현할 수 있는 효과가 있다.
이 경우, 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력에 대한 정확한 계측과 스위치부를 포함하는 회로를 통해 상기 가변 감쇠력 제공 및 전기 에너지 흡수를 선택적으로 수행할 수 있다.
특히, 하베스팅 회로로만 구성된 경우 액츄에이터의 진동 속도가 일정값 이상 또는 이하인 경우에만 에너지 하베스팅을 수행하지만, 본 실시예에서는 가변 저항회로가 추가됨으로써 진동 속도의 범위에 따라, 가변 감쇠력을 통한 진동 제어와 에너지 하베스팅을 선택적으로 수행할 수 있다.
즉, 스위치부의 작동에 있어, 전자기 액츄에이터의 기전력이 전원부의 전압보다 소정값 이상으로 큰 경우 동작하도록 제어하여, 채터링(chattering)의 영향을 줄일 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 진동 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 진동 시스템에서의 댐퍼의 감쇠력과 속도의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 종래기술에 의한 진동 에너지 하베스팅 댐퍼를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 3의 진동 에너지 하베스팅 댐퍼의 감쇠력 특성을 도시한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 감쇠력 댐퍼를 도시한 모식도이다.
도 6은 도 5의 가변 감쇠력 댐퍼의 감쇠력 특성을 도시한 그래프이다.
도 7은 도 5의 가변 감쇠력 댐퍼를 포함한 진동 제어 시스템을 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 3은 종래기술에 의한 진동 에너지 하베스팅 댐퍼를 도시한 모식도이다. 도 4는 도 3의 진동 에너지 하베스팅 댐퍼의 감쇠력 특성을 도시한 그래프이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 종래기술에 의한 진동 에너지 하베스팅 댐퍼(100)의 경우, 전자기 액츄에이터(110)를 댐퍼로 사용하며, 전자기 액츄에이터(110)의 진동에 의해 발생되는 기전력을 전기 에너지로 흡수하고, 댐퍼의 감쇠력을 가변하는 것을 특징으로 한다.
보다 구체적으로, 상기 진동 에너지 하베스팅 댐퍼(100)는 상기 전자기 액츄에이터(110)와 정류회로부(190)를 포함한다.
또한, 상기 전자식 액츄에이터(110)는 고정자(111), 가동자(112) 및 코일(113)을 포함하고, 상기 정류회로부(190)는 전원부(120) 및 정류부(130)를 포함한다.
이 경우, 상기 전자기 액츄에이터(110)의 가동자(112)는 상기 코일(113)에 의해 권선되어 상기 고정자(111)의 사이에 배치되며, 이에 따라 진동에 대응하여 속도(v)로 움직이게 된다. 그리하여, 상기 전자기 액츄에이터(110)는 기전력(e)을 발생하게 된다.
한편, 상기 정류회로부(190)는 상기 코일(113)의 양단에 각각 연결되며, 상기 전원부(120)와 상기 정류부(130)를 포함하여 상기 전자기 액츄에이터(110)로부터 발생되는 기전력(e)에 의한 전기에너지를 흡수하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 정류회로부(190)의 제1 노드(141) 및 제2 노드(142)는 각각 상기 코일(113)의 양단에 각각 연결되며, 상기 제1 노드(141)로부터 상기 제2 노드(142) 사이에 상기 정류부(130)의 제2 다이오드(132) 및 상기 전원부(120)의 제2 전원(122)이 순차적으로 연결된다.
또한, 상기 제2 노드(142)에서 분기된 회로는 상기 제1 노드(141)와 연결되며, 상기 제2 노드(142)로부터 상기 제1 노드(141)의 사이에 제3 노드(143)가 위치한다. 그리하여, 상기 제2 노드(142)와 상기 제3 노드(143)의 사이에 상기 전원부(120)의 제1 전원(121) 및 상기 정류부(130)의 제1 다이오드(131)가 순차적으로 연결된다.
그리하여, 상기 전자기 액츄에이터(110)에서 발생되는 기전력(e)가 상기 전원부(120)의 전압(Eb)보다 큰 경우, 상기 전자기 액츄에이터(110)의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지가 상기 전원부(120)로 충전된다.
보다 구체적으로, 상기 전자기 액츄에이터(110) 계수를 Ψ라고 정의하면, 속도와 기전력은 하기 식 (2)로 정의된다.
Figure 112017121159540-pat00003
식 (2)
또한, 상기 전자기 액츄에이터(110)가 발생하는 힘(f)은 상기 코일(113)에 흐르는 전류(i)에 비례하며 그 관계는 하기 식 (3)으로 정의된다.
Figure 112017121159540-pat00004
식 (3)
결국, 전류와 전압의 관계인 오옴의 법칙을 적용하면, 상기 전자기 액츄에이터(110)에서 발생하는 힘(f)는 하기 식 (4)로 정의된다.
Figure 112017121159540-pat00005
식 (4)
이에 따라, 상기 진동 에너지 하베스팅 댐퍼(100)의 감쇠계수는
Figure 112017121159540-pat00006
로 정의된다.
그리하여, 상기 전자기 액츄에이터(110)에서 발생되는 힘(f)과 진동 속도(v)는 도 4에 도시된 그래프의 관계를 가지며, 이 경우, 기전력(e)이 전원부(120)의 전압(Eb)보다 작다면 상기 진동 에너지 하베스팅 댐퍼(100)의 감쇠력은 0이 되고, 결국 도 4의 비선형적 특성을 갖게 된다.
이와 같이, 종래 진동 에너지 하베스팅 댐퍼(100)의 경우, 단순히 기전력(e)이 전원부(120)의 전압(Eb)보다 큰 경우 전기 에너지의 충전만을 수행하는 것으로, 상기 전자기 액츄에이터의 감쇠계수를 가변시켜 댐핑을 제어하는 것은 어렵다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 가변 감쇠력 댐퍼를 도시한 모식도이다. 도 6은 도 5의 가변 감쇠력 댐퍼의 감쇠력 특성을 도시한 그래프이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 실시예에 의한 가변 감쇠력 댐퍼(200)는 전자기 액츄에이터(210)와 정류회로부(290)를 포함한다.
또한, 상기 전자식 액츄에이터(210)는 고정자(211), 가동자(212) 및 코일(213)을 포함하고, 상기 정류회로부(290)는 전원부(220), 정류부(230), 스위치부(250) 및 가변 저항(260)을 포함한다. 또한, 도시하지는 않았으나 제어부(270)를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 전자기 액츄에이터(210)의 가동자(212)는 상기 코일(213)에 의해 권선되어 상기 고정자(211)의 사이에 배치되며, 이에 따라 진동에 대응하여 속도(v)로 움직이게 된다. 그리하여, 상기 전자기 액츄에이터(210)는 기전력(e)을 발생하게 된다.
한편, 상기 정류회로부(290)는 상기 코일(213)의 양단에 각각 연결되며, 상기 전자기 액츄에이터(210)로부터 발생하는 기전력(e)에 의한 전기에너지를 흡수하거나, 상기 전자기 액츄에이터(210)에 가변 감쇠력을 제공한다.
즉, 상기 정류회로부(290)는 상기 전자기 액츄에이터(210)에서 발생되는 기전력(e)이 상기 전원부(220)의 전압(Eb)보다 낮으면 상기 전자기 액츄에이터(210)에 가변 감쇠력을 제공하고, 상기 전자기 액츄에이터(210)에서 발생되는 기전력(e)이 상기 전원부(220)의 전압(Eb)보다 높으면 상기 전자기 액츄에이터(210)의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 상기 전원부(220)에 충전시킨다.
보다 구체적으로, 상기 정류회로부(290)의 제1 노드(241) 및 제2 노드(242)는 각각 상기 코일(213)의 양단에 연결되고, 상기 제2 노드(242)에서 상기 코일(213)로 연결되는 회로와 분기된 회로로 상기 제1 노드(241)로 연결되는 회로에 제3 노드(243)가 위치한다. 또한, 상기 제1 노드(241)로부터 상기 제2 노드(242)를 향하는 위치에 상기 제1 노드(241)에 인접하도록 제4 노드(244)가 위치한다.
한편, 상기 전원부(220)는 제1 전원(221) 및 제2 전원(222)을 포함하고, 상기 정류부(230)는 제1 다이오드(231) 및 제2 다이오드(232)를 포함한다. 또한, 상기 스위치부(250)는 제1 및 제2 스위치들(251, 252)을 포함한다.
그리하여, 상기 제4 노드(244)와 상기 제2 노드(242) 사이에는 제2 스위치(252), 제2 다이오드(232) 및 제2 전원(222)이 순차적으로 연결되고, 상기 제2 노드(242)와 제3 노드 사이에는 상기 제1 전원(221) 및 제1 다이오드(231)가 순차적으로 연결된다.
한편, 상기 제2 노드(242)와 상기 코일(213)의 타단 사이에는 상기 제1 스위치(251)가 연결되며, 상기 제1 스위치(251)와 상기 제4 노드(244) 사이에 가변 저항(244)이 연결된다.
이 경우, 도시하지는 않았으나, 상기 가변 저항(244)의 저항(Rv)은 상기 제어부(270)에 의해 제어되며, 상기 제어부(270)는, 가진 주파수, 외란, 진동계의 변위 및 속도를 포함하는 다양한 환경 요소를 바탕으로 상기 가변 저항(244)의 저항을 변화시킨다.
상기와 같이 구성된 정류 회로부(290)에서는, 도시하지는 않았으나 별도의 센서부를 통해 상기 전자기 액츄에이터(210)의 기전력(e)을 센싱하여, 상기 기전력(e)이 상기 전원부(220)의 전압(Eb)보다 낮으면 도 5에 도시된 바와 같이 상기 제1 스위치(251)는 상기 가변 저항(244)에 연결되고 상기 제2 스위치(252)는 OFF 되도록 스위칭한다.
그리하여, 상기 전자기 액츄에이터(210)는 상기 가변 저항(244)에만 연결되며, 이에 따라 상기 전자기 액츄에이터(210)에서 발생되는 전류는 상기 가변저항(244)으로만 제공되며, 이에 따라 상기 가변 저항(244)에 의해 상기 전자기 액츄에이터(210)로 가변 감쇠력이 제공된다.
즉, 상기 가변 저항(260)으로만 전류가 흐르는 경우, 상기 전자기 액츄에이터(210)의 고유 저항(R)은 상기 가변 저항의 저항(Rv)에 연결되는 것으로, 상기 가변 저항을 증가시키면 감쇠계수는 증가하게 되며 상기 가변 저항을 감소시키면 감쇠계수는 감소하게 된다. 이에 따라, 상기 가변 저항(244)을 통해 상기 전자기 액츄에이터(210)로 가변 감쇠력을 제공할 수 있다.
이와 달리, 상기 전자기 액츄에이터(210)의 기전력(e)이 상기 전원부(220)의 전압(Eb)보다 크다면, 도 5에 도시된 것과 반대로 스위칭되어, 상기 제1 스위치(251)는 상기 코일(213)의 타단과 상기 제2 노드(242)를 연결하고, 상기 제2 스위치(252)도 ON 상태가 된다.
그리하여, 상기 전자기 액츄에이터(210)에서 발생되는 기전력(e)은 상기 전원부(220)로 제공되며, 이에 따라 상기 전자기 액츄에이터(210)의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지는 상기 전원부(220)에 충전된다.
이 경우, 상기 전원부(220)는 전기 에너지의 충전이 가능한 충전식 배터리이거나 또는 커패시터일 수 있다.
도 6에는, 상기와 같은 본 실시예에서의 가변 감쇠력 댐퍼(200)의 특성이 그래프로 도시되어 있다.
한편, 상기 스위치부(250)의 동작은 상기 기전력(e)이 상기 전압(Eb)에 해당되는 경우 동작하는 것이 이론적으로는 합당하지만, 실제는 채터링(chattering)의 영향을 최소화하기 위해 상기 기전력(e)이 상기 전압(Eb)보다 소정값 이상으로 큰 경우 상기 전자기 액츄에이터(210)가 상기 전원부(220)와 연결되도록 동작한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 앞서 도 3에 도시된 상기 진동 에너지 하베스팅 댐퍼(100)에서는 하베스팅이 시작되는 속도(Vb, 즉 전원부로 충전이 시작되는 속도)는 하기 식 (5)로 설정되지만, 본 실시예에서와 같이 가변 감쇠력 댐퍼(200)에서는 에너지 하베스팅이 시작되는 속도(Vs)는 식 (6)으로 설정된다.
Figure 112017121159540-pat00007
식 (5)
Figure 112017121159540-pat00008
식 (6)
이 때, Rt는 전자기 액츄에이터의 고유저항(R)과 정류 회로부의 저항의 합이고, Rnt는 전자기 액츄에이터의 고유저항(R)과 가변저항(Rv)의 합이다.
한편, 앞서 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 상기 전자기 액츄에이터(210)의 속도의 절대값이 Vs 보다 작은 경우 가변 감쇠력이 제공됨에 따라 상기 전자기 액츄에이터(210)에 대한 진동 제어가 수행되며, 상기 전자기 액츄에이터(210)의 속도의 절대값이 Vs 보다 큰 경우 에너지 하베스팅을 통해 상기 전원부(220)에 전기 에너지가 충전된다.
도 7은 도 5의 가변 감쇠력 댐퍼를 포함한 진동 제어 시스템을 도시한 모식도이다.
도 7을 참조하면, 일반적으로 진동계는 질량(M), 즉 진동시스템(310), 스프링(K), 즉 탄성부(320), 및 댐퍼(C)로 구성되는데, 본 실시예에서의 상기 가변 감쇠력 댐퍼(200)를 상기 댐퍼(C)를 대체하여 구성하여 상기 진동 제어 시스템(300)을 구현할 수 있다.
이 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 상기 제어부(270)가 진동 주파수 및 외란, 진동계의 변위 및 속도 등의 환경 요소를 고려하여 최적의 수치를 산출하여 가변 저항(Rv)를 제어하며, 상기 가변 감쇠력 댐퍼(200)는 기전력을 센싱하여 스위칭을 통해 가변 감쇠력을 제공하거나 에너지를 충전한다.
그리하여, 상기 진동 제어 시스템(300)은 철도 차량이나 자동차 등의 수송 차량은 물론, 다양한 진동계에 적용될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예들에 의하면, 가변 감쇠력 댐퍼에 있어서, 전자기 액츄에이터를 사용하여 빠른 응답 특성을 가지는 것은 물론이며 발생되는 기전력을 바탕으로 가변 감쇠력을 제공하거나 전기 에너지의 흡수를 선택적으로 수행할 수 있어, 에너지 하베스팅을 동시에 구현할 수 있는 효과가 있다.
이 경우, 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력에 대한 정확한 계측과 스위치부를 포함하는 회로를 통해 상기 가변 감쇠력 제공 및 전기 에너지 흡수를 선택적으로 수행할 수 있다.
특히, 하베스팅 회로로만 구성된 경우 액츄에이터의 진동 속도가 일정값 이상 또는 이하인 경우에만 에너지 하베스팅을 수행하지만, 본 실시예에서는 가변 저항회로가 추가됨으로써 진동 속도의 범위에 따라, 가변 감쇠력을 통한 진동 제어와 에너지 하베스팅을 선택적으로 수행할 수 있다.
즉, 스위치부의 작동에 있어, 전자기 액츄에이터의 기전력이 전원부의 전압보다 소정값 이상으로 큰 경우 동작하도록 제어하여, 채터링(chattering)의 영향을 줄일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 가변 감쇠력 댐퍼 및 이를 포함한 진동 제어 시스템은 철도차량이나 일반 자동차의 현가 장치에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
100 : 에너지 하베스팅 댐퍼
200 : 가변 감쇠력 댐퍼
110, 210 : 전자기 액츄에이터 111, 211 : 고정자
112, 212 : 가동자 113, 213 : 코일
120, 220 : 전원부 130, 230 : 정류부
190, 290 : 정류 회로부 250 : 스위치부
260 : 가변 저항 270 : 제어부
300 : 진동 제어시스템 310 : 진동시스템
320 : 탄성부

Claims (11)

  1. 고정자 및 가동자를 포함하여 고유저항(R)을 갖고, 소정의 감쇠력을 갖는 전자기 액츄에이터; 및
    상기 전자기 액츄에이터에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력(e)과 전원부의 전압(Eb)을 바탕으로, 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하거나 상기 전자기 액츄에이터에의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 흡수하는 정류 회로부; 및
    가변 저항의 저항값(Rv)을 가변 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 정류 회로부는,
    상기 전자기 액츄에이터의 감쇠계수를 가변시켜 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하는 상기 가변 저항; 및
    상기 전자기 액츄에이터를 상기 가변 저항과 상기 전원부에 선택적으로 연결하는 스위치부를 포함하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 정류 회로부는,
    상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력이 상기 전원부의 전압보다 낮으면 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하고,
    상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력이 상기 전원부의 전압보다 높으면 상기 전자기 액츄에이터의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 상기 전원부에 충전시키는 것을 특징으로 하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  3. 삭제
  4. 제2항에 있어서,
    상기 가변 저항의 저항(Rv)을, 가진 주파수, 외란, 진동계의 변위 및 속도를 포함하는 환경 요소를 바탕으로 가변 제어하는 제어부를 더 포함하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  5. 삭제
  6. 제2항에 있어서, 상기 스위치부는,
    상기 기전력(e)이 상기 전원부의 전압(Eb)보다 소정값 이상으로 큰 경우 상기 전자기 액츄에이터가 상기 전원부와 연결되도록 동작하는 것을 특징으로 하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 전자기 액츄에이터가 상기 전원부와 연결되도록 상기 스위치부가 동작하는 경우, 상기 전자기 액츄에이터의 진동 속도(Vs)는,


    Figure 112019047000151-pat00009
    식 (6)
    {Rt은 전자기 액츄에이터의 고유저항(R)과 정류 회로부 저항의 합, Rnt는 전자기 액츄에이터의 고유저항(R)과 가변저항(Rv)의 합, Ψ는 액츄에이터 계수}

    상기 식 (6)으로 정의되는 것을 특징으로 하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  8. 제2항에 있어서, 상기 정류 회로부는,
    상기 전자기 액츄에이터의 일단에 연결되는 제1 노드;
    상기 전자기 액츄에이터의 타단에 연결되는 제2 노드;
    상기 제2 노드로부터 상기 제1 노드의 사이에 위치하는 제3 노드;
    상기 제2 노드와 상기 제3 노드 사이에 연결되는 상기 전원부의 제1 전원;
    상기 제1 노드와 상기 제2 노드 사이에 연결되는 상기 전원부의 제2 전원;
    상기 제1 전원과 상기 제3 노드 사이에 연결되는 제1 다이오드; 및
    상기 제1 노드와 상기 제2 전원 사이에 연결되는 제2 다이오드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  9. 제8항에 있어서, 상기 정류 회로부는,
    상기 제2 노드와 상기 전자기 액츄에이터의 타단 사이에 연결되는 상기 스위치부의 제1 스위치;
    상기 제1 노드와 상기 제2 다이오드 사이에 위치하는 제4 노드; 및
    상기 제4 노드와 상기 제2 다이오드 사이에 위치하는 상기 스위치부의 제2 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가변 저항은,
    상기 제1 스위치와 상기 제4 노드 사이에 연결되는 것을 특징으로 하는 가변 감쇠력 댐퍼.
  11. 진동 시스템;
    상기 진동 시스템에 연결되는 탄성부; 및
    상기 탄성부와 병렬로 상기 진동 시스템에 연결되는 가변 감쇠력 댐퍼를 포함하고,
    상기 가변 감쇠력 댐퍼는,
    고정자 및 가동자를 포함하여 고유저항(R)을 갖고, 소정의 감쇠력을 갖는 전자기 액츄에이터; 및
    상기 전자기 액츄에이터에 병렬로 연결되며, 상기 전자기 액츄에이터에서 발생되는 기전력(e)과 전원부의 전압(Eb)을 바탕으로, 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하거나 또는 상기 전자기 액츄에이터에의 진동에 의해 발생되는 전기 에너지를 흡수하는 정류 회로부; 및
    가변 저항의 저항값(Rv)을 가변 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 정류 회로부는,
    상기 전자기 액츄에이터의 감쇠계수를 가변시켜 상기 전자기 액츄에이터에 가변 감쇠력을 제공하는 상기 가변 저항; 및
    상기 전자기 액츄에이터를 상기 가변 저항과 상기 전원부에 선택적으로 연결하는 스위치부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동 제어 시스템.
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