KR20020041261A - 스마트 하이브리드 진동저감장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 갑작스런 외부 충격이나 진동으로부터 구조물이나 기계를 보호하고 진동을 감쇠시킬 수 있는 다목적 진동저감장치(damper)로서 유압식(hydraulic)·공기압식(pneumatic) 등 기존의 충격흡수장치에 비해 훨씬 더 신뢰성과 안전도가 뛰어난 지능형 진동저감장치 설계에 관한 것이다.
본 발명의 스마트 하이브리드 진동저감장치(smart hybrid damper)는 전자기계식(electro-mechanical) 충격흡수장치로서 원반형 관성질량(inertia mass)(2)을 제외하면, 변위나 속도제어를 위한 능동제어용 전기 실린더(electric cylinder)와 구조상 일견 유사하나 그 기능과 작동원리는 근본적으로 다르다.
본 발명에서 진동저감장치(smart hybrid damper)는 구조면에서 다음의 네 가지 주요 부품으로 구성된다. 첫째, 수동제어, 준 능동제어 및 능동제어를 위한 영구자석식 모터(motor) 또는 발전기(1), 둘째, 원반형 회전식 관성질량(inertia mass)(2), 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류(ball screw)(4)·볼 너트(ball nut)(5) 또는 유사기능의 부품(Acme screw) 구조의 결합인 텔리스코핑(telescoping) 메커니즘(mechanism)(6, 7), 넷째, 모터(motor) 또는 발전기(1)에 연결되는 다목적용 전자회로(load resistive variable circuit, semi-active control circuit, active control circuit)(3)로 구성되어 있다.
본 발명은 충격흡수(damping mode) 또는 능동제어(active control) 중 한 가지 목적에만 쓸 수 있는 기존의 진동저감장치들과는 달리, 하나의 장치로 충격흡수(damping mode)와 준 능동제어(semi-active control) 및 능동제어(active control)의 복합기능을 갖춘 다목적 진동저감장치로서 간단한 전자회로(3)를 이용 저렴한 비용으로 다양한 기능을 쉽게 수행할 수 있도록 고안되었으며 기능적 우월성 외에도 기존의 유압식이나 공기압식 진동저감장치 또는 충격흡수장치가 안고 있는 보수유지 및 관리의 문제점을 근본적으로 배제할 수 있는 친환경적 진동저감장치이다.

Description

스마트 하이브리드 진동저감장치{Smart hybrid damper}
본 발명은 구조 설계상 볼 스크류·너트 메커니즘을 이용한 볼 스크류 액추에이터(actuator)식 진동저감장치이다. 기존의 진동저감장치나 충격흡수장치는 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류·너트 메커니즘을 결합한 와류형 댐퍼(eddy current damper), 전자기식 액추에이터(actuator), 또는 관성형 충격흡수장치(inertia damper)의 형태로 각각 설계되어 왔다. 이에 관련된 종래의 기술로는 미국특허공고 제 5,775,469호, 미국특허공고 제 5,348,124호, 독일특허공고 제 3,522,221호에서 공개된 것이 있다.
본 발명은 전기 실린더형 충격흡수장치와 관성형 충격흡수장치가 가지고 있는 각각의 다른 진동·충격 흡수 방식을 하나의 장치로 간단하게 결합하여 관성력 토크(inertia torque)와 역기전력 토크(back e.m.f. torque)를 동시에 이용하는 혼합형(hybrid) 진동저감장치를 구현하는 것이다.
본 발명은 충격흡수 또는 능동제어 중 한 가지 목적에만 쓸 수 있는 기존의 장치들과는 달리 하나의 장치로 충격흡수(수동제어), 준 능동제어 및 능동제어 등 복합기능을 갖춘 다목적 전자기계장치로서 응용 특성 및 방법에 따라 전자회로를 이용 저렴한 비용으로 다양한 기능을 쉽게 수행할 수 있도록 설계된 것이 특징이다.
본 발명은 외부로부터의 충격이나 진동에 의한 진동저감장치의 선형운동이 볼 스크류(4)·너트(5)를 통해 원반형 회전식 관성질량(2)과 모터 또는 발전기(1)를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬 때 관성질량(2)의 회전에 의해 발생된 회전 관성력(inertia force)과 모터 또는 발전기(2)에서 발생되는 역기전력 (back e.m.f.)이 동시에 진동·충격 흡수력으로 작용하여 외부 진동·충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
본 발명에 있어서, 스마트 하이브리드 진동저감장치는 구조면에서 다음의 네 가지 주요 부품으로 구성된다. 첫째, 수동제어(passive control) 및 능동제어(active control)를 위한 영구자석식 모터(motor) 또는 발전기(1), 둘째, 원반형 회전식 관성질량(inertia mass)(2), 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼스크류(ball screw) (4)·볼 너트(ball nut)(5) 또는 유사기능의 부품(Acme screw) 구조의 결합인 텔리스코핑(telescoping) 메커니즘(mechanism)(6, 7), 넷째, 모터 또는 발전기(1)에 연결되는 다목적용 전자회로 (load resistive variable circuit, semi-active control circuit, active control circuit)(3)로 구성되어 있다.
본 발명은 전자기계식 선형운동형 충격흡수장치로서 관성질량(inertia mass)(2)을 제외하면, 변위나 속도제어를 위한 능동제어식 전기 실린더(electric cylinder), 또는 액추에이터(linear actuator)와 구조상 일견 유사하나 그 기능과 작동 원리는 근본적으로 다르다.
본 발명은 외부로부터의 충격이나 진동에 의한 진동저감장치의 선형운동이 볼 스크류(ball screw)(4)·너트(ball nut)(5)를 통해 원반형 회전식 관성질량(inertia mass)(2)과 모터 또는 발전기(1)를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬 때 관성질량(inertia mass)(2)의 회전에 의해 발생된 회전 관성력(inertia force)과 모터(motor) 또는 발전기(1)에서 발생되는 역기전력(back e.m.f.)이 동시에 진동·충격 흡수력으로 작용하여 외부 진동·충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
특히, 충격흡수(damping mode) 또는 능동제어(active control) 중 한가지 목적에만 쓸 수 있는 기존의 장치들과는 달리, 하나의 장치로 수동제어(passive control), 준 능동제어(semi-active control) 및 능동제어(active control) 등 복합기능을 갖춘 다목적 기계장치로 간단한 전자회로(3)를 이용 저렴한 비용으로 다양한 기능을 쉽게 수행할 수 있도록 고안된 것이 그 특징이다.
본 발명의 스마트 하이브리드 진동저감장치(smart hybrid damper)는 구조면에서 다음의 네 가지 주요 부품으로 구성된다. 첫째, 수동제어 및 능동제어를 위한 영구자석식 모터(motor) 또는 발전기(1), 둘째, 원반형 회전식 관성 질량(inertiamass)(2), 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류(ball screw) (4)·볼 너트(ball nut)(5) 또는 유사기능의 부품(Acme screw)구조의 결합인 텔리스코핑(telescoping) 메커니즘으로(6, 7), 넷째, 모터 또는 발전기(1)에 연결되는 다목적용 전자회로(load resistive variable circuit, semi-active control circuit, active control circuit)(3)로 구성되어 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 볼 너트(ball nut)(5)는 텔리스코핑 축(telescoping rod)(6)에 부착되어 볼 스크류(4)의 홈을 따라 좌우로 선형운동을 하며, 바깥 고정용 지지 실린더(support cylinder)(7)안에 자리잡고 있다.
볼 너트(ball nut)(5)의 선형운동에 의해 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 볼 스크류(ball screw)(4)는 한쪽 부분이 베어링(thrust bearing}(8)에 의해 지지되고 지지된 볼 스크류(ball screw)(4)의 하단 부분은 회전형 관성질량(inertia mass)(2)과 결합되어 관성질량의 회전축을 이루며 그 끝 부분은 모터 또는 발전기(1)의 회전축에 직접 직선으로(in-line) 연결되거나 커플링 또는 유사부품에 의해 연결되어 볼 스크류(ball screw)(4)의 회전 시 관성질량(inertia mass)(2)과 모터 또는 발전기(1)를 동시에 빠른 속도로 회전시킨다.
모터 또는 발전기(1)와 회전형 관성질량(inertia mass)(2)은 케이스(case) 내에 장착되고 모터(motor) 또는 발전기(1)는 그 케이스의 지지부분에 고정·부착된다.
다목적용 전자회로(load resistive variable circuit, semi-active controlcircuit, active control circuit)(3)는 모터(motor) 또는 발전기(1)에 연결된다.
도 1에서 보는 바와 같이, 수동제어식 진동·충격흡수운전 모드(mode)에서 본 발명의 작동은 외부로부터의 충격이나 진동으로 텔리스코핑 축(telescoping rod)(6)의 선형운동이 볼 스크류(ball screw)(4)와 너트(ball nut)(5)를 통해 원반형 회전식 관성질량(inertia mass)(2)과 모터(motor) 또는 발전기(1)를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킨다.
이때 관성질량(inertia mass)(2)의 회전에 의해 발생된 회전 관성력(inertia force)과 모터(motor) 또는 발전기(1)에서 발생되는 역기전력(back e.m.f.)이 충격흡수력으로 작용하여 외부 충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 하나의 기계장치로 수동제어(충격흡수), 준 능동제어 및 능동제어 등 다양한 기능을 할 수 있는 다목적 진동저감장치이다.
수동제어식 진동·충격흡수운전 모드(mode)에서, 외부로부터의 충격이나 진동으로 관성질량(inertia mass)(2)의 회전에 의해 발생된 회전관성력(inertia force)과 모터 또는 발전기(1)에서 발생되는 역기전력(back e.m.f.)이 동시에(함께) 충격흡수력으로 작용하여 외부 충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
위에서 언급된 수동제어 모드(mode)에서, 응용시스템의 특성에 따라서 관성질량(inertia mass)(2)과 모터(motor) 또는 발전기(1)에 연결된 외부저항을 각각동시에 조정함으로써 최적의 진동제어(optimal damping control) 효과를 얻을 수 있다.
또한, 응용 시스템에 요구되는 총 진동·충격흡수력 설계에 있어서, 관성질량(inertia mass)(2)을 크게 또는 작게 함으로써 모터(1)의 역기전력을 가감할 수 있으며, 그 결과로 모터의 크기에 따른 설계상의 어려움을 대폭 줄일 수 있으며 진동저감장치의 제작비 또한 크게 줄일 수 있다.

Claims (6)

  1. 스마트 하이브리드 진동저감장치(smart hybrid damper)는 구조면에서 네 가지 주요 부품, 첫째, 수동제어 및 능동제어를 위한 영구자석식 모터, 또는 발전기(1), 또는 회전식 와류 댐퍼(rotary eddy current damper), 둘째, 원반형 회전식 관성질량(2), 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류(4)·볼 너트(5) 또는 유사기능의 부품(Acme screw) 구조의 결합인 텔리스코핑(telescoping) 메커니즘(mechanism)(6, 7), 넷째, 모터 또는 발전기(1)에 연결되는 다목적용 전자회로(load resistive variable circuit, semi-active control circuit, active control circuit)(3)로 구성되고 각 부품의 조립(배열)과 작용에 있어서,
    (가) 볼 너트(ball nut)(5)는 텔리스코핑 축(telescoping rod)(6)에 부착되어 볼 스크류(4)의 홈을 따라 좌우로 선형운동을 하며 바깥고정용 지지 실린더(support cylinder)(7)안에 자리잡고 있으며
    (나) 볼 너트(ball nut)(5)의 선형운동에 의해 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 볼 스크류(ball screw)(4)는 한쪽 부분이 베어링(thrust bearing}(8)에 의해 지지되고 지지된 볼 스크류(ball screw)(4)의 하단 부분은 회전형 관성질량(inertia mass)(2)과 결합되어 관성질량의 회전축을 이루며 그 끝 부분은 모터 또는 발전기(1)의 회전축에 직접 직선으로(in-line) 연결되거나 커플링 또는 유사부품에 의해 연결되어 볼 스크류(ball screw)(4) 회전 시 관성질량(inertiamass)(2)과 모터 또는 발전(1)를 동시에 빠른 속도로 회전시키며
    (다) 모터 또는 발전기(1)와 회전형 관성질량(inertia mass)(2)은 케이스(case) 내에 장착되고 모터 또는 발전기(1)는 그 케이스의 지지 부분에 고정·부착되며
    (라) 다목적용 전자회로(load resistive variable circuit, semi-active control circuit, active control circuit)(3)는 모터 또는 발전기(1)에 연결된다.
  2. 제 1항에 있어서, 수동제어식 충격흡수운전 모드에서의 스마트 하이브리드 진동저감장치의 작동은 외부로부터의 충격이나 진동에 의한 장치의 선형운동이 볼 스크류와 너트를 통해 원반형 회전식 관성질량과 모터 또는 발전기를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬 때 관성질량의 회전에 의해 발생된 회전 관성력과 모터 또는 발전기에서 발생되는 역기전력이 함께 충격흡수력으로 작용하여 외부 충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
  3. 제 2항에 있어서, 관성질량의 회전에 의한 관성력은 운동가속도(acceleration)에 비례하며 시스템의 운동가속도의 변화에 따라서 발생되는 운동저항력으로서 응용되는 시스템의 특성에 따라 관성질량의 크기는 다양하게 조정된다.
  4. 제 2항에 있어서, 모터에서 발생되는 역기전력의 특성은 점성 유체(viscousfluid)와 같이 속도에 비례하며, 그 감쇠상수(damping coefficient)는 모터 또는 발전기의 전기적 특성 계수들, 연결된 외부저항, 그리고 볼 스크류의 피치(pitch)에 의해 결정되고 충격흡수력의 크기는 감쇠상수의 크기와 시스템의 진동속도(frequency)에 달려 있으며, 구조적 설계변경 없이도 모터에 연결된 외부저항만을 조정함으로써 역기전력의 크기를 바꿀 수 있기 때문에 설계 상에 있어서 특별한 제한요소 없이 다양한 크기의 충격흡수력을 얻을 수 있다.
  5. 제 2항에 있어서, 모터의 작동원리는 모터 발전기로 사용되며, 충격 또는 진동에너지는 연결된 전자회로(3)의 가변저항(variable resistance, or resistive load)에서 열(heat)로 소멸되거나 또는 충전장치를 통해 전기적 에너지로 변환된다.
  6. 제 2항에 있어서, 수동제어 모드에서 응용시스템의 특성에 따라 관성질량(inertia mass)(2)과 모터 또는 발전기(1)에 연결된 전자회로의 외부저항을 각각 동시에 조정함으로써 최적의 진동제어(optimal damping control) 효과를 얻을 수 있으며, 응용 시스템에 요구되는 진동저감장치의 총 진동·충격흡수력 설계에 있어서 관성질량(inertia mass)(2)을 크게 또는 작게 함으로써 모터(1)의 역기전력을 가감할 수 있기 때문에 그 결과로 모터의 크기에 따른 설계상의 어려움을 대폭 줄일 수 있으며 진동저감장치의 제작비 또한 크게 줄일 수 있다.
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