KR100355758B1 - 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치를 개시한다.

본 발명은 전자석에서 발생한 자기장을 회전하는 동판에 통과하게 하여 동판위에 와전류를 발생시키고 전자석에서 발생한 자기장과 와전류의 상호작용에 의하여 비접촉식으로 부하 토크를 일으키게 하여 측정체 부하의 평형상태에서 부하 토크를 굽힘 빔에 전달하고 스트레인 게이지로부터 토크를 측정하는 것이다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 종래의 접촉식 토크측정장치를 구성하고 있는 슬립링과 구동모터와 그에 따른 제어기가 불필요해지므로 장치의 부피를 대폭적으로 줄이고 단순화시킬 수 있고 일반적인 재료를 사용하여 제조할 수 있어 결국 전체 제작비용이 기존보다도 40%이상 저렴하게 할 수 있다.

Description

와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치{NON-CONTACT TOUQUE MEASUREMENT SYSTEM}

본 발명은 회전동력장치에 임의의 부하 토크를 가하여 토크 특성이나 일률을 측정하기 위한 토크측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 전자석에서 발생한 자기장과 와전류의 상호작용에 의하여 비접촉식으로 토크를 측정하는 비접촉식 토크측정장치에 관한 것이다.

토크의 측정은 자동차 산업, 조선, 펌프, 모터 등의 거의 대부분의 분야에서 회전동력 장치의 일률 또는 효율을 측정하거나 회전 동력장치를 과부하 없이 운용하고자 할 때 필요한 기술이다.

특히 회전하고 있는 상태에서의 토크측정기술 즉, 동적 토크측정기술은 상당한 수준의 기술을 필요로 한다.

도 1은 종래의 접촉식 토크측정기술을 개념적으로 도시한 것으로, 구동모터(2)로 측정체(1)를 구동시킨 다음 측정체(1)를 일정 속도로 회전시킨다. 그런 다음 구동모터(2)의 부하 토크를 어느 한 지점에 고정하게 되면 토션바(3)에 비틀림이 생기는데 이때 이 부하 토크에 해당하는 비틀림 변위를 스트레인 게이지(4)의 전압신호로 읽어들여 측정체(1)의 토크 특성을 측정하게된다.

그런데 이와 같은 종래의 토크측정기술은 측정체(1)의 용량보다 그 이상의 구동모터(2)와 제어장치를 필요로 하기 때문에 측정 시스템의 규모가 상당히 커질 뿐만 아니라 많은 소음을 발생시키는 단점이 있다.

또한, 스트레인 게이지(6)가 부착된 토션바(3)가 측정체(1)와 같은 속도로 회전해야하기 때문에 슬립링(5)과 같은 신호전달장치를 필요로하며 슬립링(5)에서 생성되는 전기적 잡음으로 인해 노이즈를 유발할 수 있다.

한편, 이와 같은 종래의 단점을 극복하기 위해 비접촉식으로 부하를 전달하여 굽힘빔(30)에서 직접 변위를 측정하는 방법이 제안되었다.

또한, 종래의 비접촉식 토크측정 방식으로 자기탄성효과를 이용하여 엔진등과 같이 높은 토크를 측정하기 위한 방법들이 제안되어 있다.

도 2는 종래의 비접촉식 토크측정기술을 개념적으로 도시한 것으로, 기본적인 작동방식은 앞서 도 1에서 언급한 접촉식 기술과 마찬가지로 부하 환경을 설정한 뒤 부하 토크에 해당하는 비틀림 변위를 필드 센서(6;field sensor)를 이용해 비접촉으로 변위를 측정한다.

그러나 이와 같은 종래의 비접촉식 변위측정 방식은 토션바(3)에서 발생한 스트레인을 간접적으로 측정하는데 따른 측정의 비선형성 오차 문제가 발생된다. 따라서, 스트레인과 필드 센서(6) 사이에 선형화를 위한 부수적인 신호처리부가 필요하게 되어 측정장치의 전체 구성품이 늘어나게 되고, 결과적으로 비용이 상승하는 문제가 따른다.

또한, 종래의 토크 측정 방식은 구동모터(2)의 회전속도와 토크 한계로 고속영역의 측정 범위가 제한되며, 측정체(1)에 따라 구동모터(2)의 용량이 달라져야 하는 단점이 있다.

따라서 본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전자석에서 발생한 자기장을 회전하는 동판에 통과하게 하여 동판위에 와전류를 발생시키고 전자석에서 발생한 자기장과 와전류의 상호작용에 의하여 비접촉식으로 부하 토크를 일으키게 하여 측정체 부하의 평형상태에서 부하 토크를 굽힘 빔에 전달하고 스트레인 게이지로부터 토크를 측정하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 회전동력장치에 임의의 부하 토크를 가하여 토크 특성이나 일률을 측정하기 위한 토크측정장치에 있어서, 측정하려는 측정체에 의해 회전될 수 있도록 설치된 회전자, 회전하는 회전자의 일단을 통과하게 자기장을 형성시켜 비접촉식으로 부하 토크를 일으키도록 설치되는 고정자, 측정체 부하와 평형상태를 유지하게 고정자에 인가된 부하 토크에 의해 굽힘 변형될 수 있도록 고정자의 회전축 하단에 고정 설치되는 굽힘 빔 및 굽힘 빔의 일단에 설치되어 굽힘 변형 정도를 감지하여 토크를 측정하는 스트레인 게이지를 포함하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치를 제공한다.

본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

도 1은 종래의 접촉식 토크측정기술을 개념적으로 도시한 도면,

도 2는 종래의 비접촉식 토크측정기술을 개념적으로 도시한 도면,

도 3은 본 발명에 따른 토크측정장치의 전체 시스템을 도시한 개략도,

도 4는 본 발명에 따른 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치를 도시한 사시도,

도 5는 본 발명에 따른 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치를 분해 도시한 분해 사시도,

도 6은 본 발명에 따른 요크 사이의 공극(D)에서 자속밀도를 측정한 그래프,

도 7은 본 발명에 따른 부하 선도를 나타낸 그래프,

도 8은 본 발명에 따른 토크측정장치의 측정 범위를 설명하기 위한 그래프,도 9는 본 발명에 따른 도 5의 A-A'선 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 ; 측정체 10 ; 회전자

11 ; 동판 가이드 12 ; 동판

13 ; 엔코더 플레이트 14 ; 포토 커플러

15 ; 홈 20 ; 고정자

21 ; 코어 22 ; 요크

23 ; 코일 24 ; 회전축(고정자의)30 ; 굽힘 빔 40 ; 스트레인 게이지

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 토크측정장치의 전체 시스템을 도시한 개략도이며, 도 4는 본 발명에 따른 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치를 도시한 사시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치를 분해 도시한 분해 사시도이며, 도 9는 본 발명에 따른 도 5의 A-A'선 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명은 측정하려는 측정체(1)에 의해 회전될 수 있도록 설치된 회전자(10), 회전하는 회전자(10)를 통과하는 자기장을 형성시켜 비접촉식으로 부하 토크를 일으키도록 설치되는 고정자(20), 측정체(1) 부하와 평형상태를 유지하게 고정자(20)에 인가된 부하 토크에 의해 굽힘 변형될 수 있도록 굽힘 빔(30)의 상단이 고정자(20)의 회전축(24) 하단에 고정 설치되며,스트레인 게이지(40)가 굽힘 빔(30)의 일단에 설치되어 굽힘 변형 정도를 감지하여 토크를 측정한다.

상술한 회전자(10)는 측정체(1)에 의해 회전하는 동판 가이드(11)와 동판(12)으로 구성되어 전자석에서 발생한 자기장이 동판(12)을 통과하면서 동판(12)에 와전류를 발생시킨다.

여기서, 회전자(10)의 동판 가이드(11)의 재질은 비자성체인 알루미늄으로 하여 무게를 덜고, 표면에서 45도 경사지게 다수의 홈(15)을 가공하여 송풍이 잘 되도록 함으로써 동판(12)에서 발생하는 열을 냉각시키는 것이 바람직하다.

한편, 굽힘 빔(30)의 스트레인 교정을 위해서는 한 쌍의 고정자(20)의 요철부분이 서로 마주보도록 조립한 상태에서 회전자(10)의 운동을 그대로 고정자(20)에 전달해야 하는데 이를 위해서 동판 가이드(11)와 동판 가이드(11) 쪽의 요크(22)에 서로 일치하는 볼트 구멍을 기계가공 하여 고정자(20)와 회전자(10)를 체결할 수 있도록 한다.

고정자(20)는 코일(23)이 감겨 있는 코어(21), 코어(21)에서 발생한 자속이 흐를 수 있는 원형 요크(22)로 이루어지는 전자석으로 구성되며, 이 전자석에서 발생한 자기장과 동판(12)에서 발생된 와전류의 상호작용에 의해 비접촉식으로 부하 토크를 일으킨다.

특히, 본 발명은 스트레인 게이지의(40) 선형성과 분해능을 높여 변형 신호 대 토크 신호의 정확도를 높일 수 있도록 고정자(20)의 일단에 굽힘 빔(30)이 설치되며, 이와 같은 굽힘 빔(30)은 종래의 길이가 긴 토션바에 비해 장치의 전체 부피를 크게 줄일 수 있게 한다.

부가적으로 회전자(10)의 일단에 회전자(10)와 함께 회전할 수 있는 엔코더 플레이트(13)를 설치하고, 이 엔코더 플레이트(13)의 펄스 신호를 감지할 수 있도록 포토 커플러(14)를 설치하여 어느 한 회전속도에서 측정체(1)의 토크-속도 관계를 얻을 수 있게 한다.

이와 같은 구조로 이루어진 본 발명에 따른 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치의 측정 원리는 다음과 같다.

측정체(1)로부터 받은 토크는 동판 가이드(11)를 회전시키며, 동판 가이드(11)에 장착된 동판(12)은 고정자(20) 부분의 요크(22) 사이를 지나게 된다. 이때 코어(21)에 감긴 코일(23)에 전류를 흘려 보내면 요크(22) 사이에는 도 6에 도시된 바와 같이, 입력 전류에 해당하는 강한 자기장이 형성되는데 이 사이를 도체인 동판(12)이 지나면 전자기 유도 작용에 의해 전자기력이 발생한다. 그리고 이전자기력에 의해 유도된 와전류는 동판(12) 상에 로렌츠힘을 발생시키며, 이 로렌쯔힘은 자속(B)과 속도(w)에 비례하는 특성이 있으므로 자속(B)이 일정할 때 속도(w)에 비례하는 부하로 작용된다. 따라서, 도 7에 나타난 바와 같이, 부하 선도는 원점을 지나는 직선으로 근사화 할 수 있고 그 기울기는 자속(B)의 세기를 조절함으로써 조정이 가능하며, 이는 다음과 같은 수학식 1로 나타낼 수 있다.

(여기서, K는 입력 전류가 일정할 때 기하학적인 정보를 담고 있는 상수값이다.)

즉, 자속의 세기가 커지면 커질수록 기울기는 커지고 자속의 세기가 작아질수록 작아지게 된다. 이와 같은 특성은 도 8에 나타난 바와 같이, 측정체(1)의 용량이 다양하더라도 부하 토크 측정이 가능함을 알 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치의 측정방법을 설명하면 다음과 같다.

먼저 측정하려고 하는 측정체(1)인 시험모터를 일정한 전압이나 전류로 회전시켜 일정한 회전속도를 발생시킨 다음 전자석에 일정한 전류를 흘려 부하 토크를 걸어준다. 이때 발생한 부하 토크는 시험모터(1)의 토크와 고정자(20)의 부하 토크가 일치하는 곳에서 일정속도로 회전하게 된다. 그리고 부하 토크는 다시 스트레인 게이지(40)가 부착된 굽힘 빔(30)에 전달되고, 스트레인 게이지(40)로부터 받은 전기적 신호와 굽힘 빔(30)과의 관계로 부하에 해당하는 전달 토크를 측정할 수 있다.

또한, 엔코더 플레이트(13)의 펄스 신호를 포토 커플러(14)로 읽어서 속도 정보로 변환할 수 있기 때문에 결국 어느 한 회전속도에서 측정체(1)의 토크-속도 관계를 얻을 수 있다. 그리고, 전자석에 전류를 증감하여 부하 선도를 옮겨가면서 위 과정을 반복하여 시험모터(1)의 전 구간에 대한 토크-속도 관계를 구할 수 있다.

한편, 본 발명은 토크 전달 특성에 따른 스트레인 게이지(40)의 선형성과 분해능 등을 해석하여 최적 설계를 수행하고 토크 측정 범위에 따른 굽힘 빔(30)의 폭과 길이에 대한 보정이 선행되어야 함은 주지의 사실이다.

이처럼 본 발명에 따른 굽힘 빔(30)은 고정되어 있는 반면 종래의 경우는 스트레인 게이지가 부착된 토션바가 모터와 같이 회전하기 때문에 외부의 신호 처리 회로와 연결되기 위해서는 슬립링 장치가 필요하지만 본 발명은 비접촉 방식의 측정이므로 슬립링이 불필요하다.

또한, 종래의 토크 측정 방식은 일정 속도로 시험 모터가 회전하기 위해서는 구동모터와 모터의 속도 제어기가 필요하기 때문에 토크 측정 장치의 크기가 커지고 가격이 비싸지게 되는데 본 발명은 구동모터와 그에 따른 부속품들이 불필요하여 가격이 싸다.

또한, 종래의 토크 측정 방식은 구동모터의 회전속도와 토크 한계로 고속영역의 측정 범위가 제한되는데 반해 본 발명은 입력 전류의 조작만으로 부하 선도의 위치를 바꿀 수 있기 때문에 회전속도와 토크의 제한 없이 측정할 수 있다.

또한, 종래의 토크 측정 방식은 측정체에 따라 구동모터의 용량이 달라져야하는데 본 발명에서는 부하 토크를 속도에 비례하게 얻을 수 있어 측정체(1)의 용량에 무관하게 측정이 가능하다.

또한, 종래의 히스테리시스 재료를 회전자로 사용한 토크측정장치는 제작비용이 높을 뿐만 아니라 열발생이 많아서 별도의 냉각장치가 필요했지만 본 발명의 경우는 단가가 낮을 뿐만 아니라 동판의 전도율이 일반 자성체보다 높기 때문에 열발생이 적어 공냉식으로도 충분한 냉각 효과가 있다.

이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.

이처럼 본 발명에 따르면, 종래의 접촉식 토크측정장치를 구성하고 있는 슬립링과 구동모터와 그에 따른 제어기가 불필요해지므로 장치의 부피를 대폭적으로 줄이고 단순화시킬 수 있고 일반적인 재료를 사용하여 제조할 수 있어 결국 전체 제작비용이 기존보다도 40%이상 저렴하게 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 토크 전달 특성에 따른 스트레인 게이지의 선형성과 분해능(resolution) 그리고 캘리브레이션(calibration)에 따른 정확도를 유지하여 종래의 간접적인 측정 방식으로 인한 비선형성 오차 등의 문제점을 극복할 수 있다.

Claims (8)

1. 회전동력장치에 임의의 부하 토크를 가하여 토크 특성이나 일률을 측정하기 위한 토크측정장치에 있어서,

   측정하려는 측정체에 의해 회전될 수 있도록 설치된 회전자와;

   상기 회전하는 회전자를 통과하는 자기장을 형성시켜 비접촉식으로 부하 토크를 일으키도록 설치되는 고정자와;

   상기 측정체 부하와 평형상태를 유지하게 고정자에 인가된 부하 토크에 의해 굽힘 변형될 수 있도록 고정자의 회전축 하단에 고정 설치되는 굽힘 빔과;

   상기 굽힘 빔의 일단에 설치되어 굽힘 변형 정도를 감지하여 토크를 측정하는 스트레인 게이지를 포함하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전자(10)는 측정체(1)에 의해 회전하는 동판 가이드(11)와 동판(12)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 동판 가이드(11)의 재질은 비자성체인 알루미늄으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 동판 가이드(11)의 표면에서 경사지게 홈(15) 가공을 하여 냉각 효과를 갖는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치.
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정자(20)는 코일(23)이 감겨 있는 코어(21), 코어(21)에서 발생한 자속이 흐를 수 있는 원형 요크(22)로 이루어지는 전자석으로 구성되는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 굽힘 빔(30)은 상기 스트레인 게이지의(40) 선형성과 분해능을 높여 변형 신호 대 토크 신호의 정확도를 높일 수 있도록 상기 고정자(20)의 일단에 설치되는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전자(10)의 일단에 상기 회전자(10)와 함께 회전할 수 있는 엔코더 플레이트(13)를 설치하고, 이 엔코더 플레이트(13)의 펄스 신호를 감지할 수 있도록 포토 커플러(14)를 설치하는 것을 특징으로 하는 와전류를 이용한 비접촉식 토크측정장치.