KR100381818B1 - Magnetorheological Brake Equipped with Simple Driving Energy Source and Rotary Machine using the Brake - Google Patents
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Abstract
이 발명은 외부 에너지원과 속도 센서가 필요없는 회전기계용 반능동식 제동장치를 제공한다. 이 제동장치는 제동력생성부(210)와 에너지공급부를 포함하며, 에너지공급부는 회전기계의 회전체(202)의 회전속도에 비례하는 전기에너지를 제동력생성부(210)에 공급하게 구성된다. 에너지공급부는 회전체(202)의 회전에너지의 일부를 분배받아 전기에너지로 변환하는 제너레이터(230)를 포함하고, 이 제너레이터(230)는 회전체(202)의 측면에 밀착되어 마찰구동됨으로써 회전체의 회전속도에 비례하는 속도로 제너레이터(230)의 코어를 회전시키는 회전입력휠(231)을 포함한다. 회전입력휠(231)의 회전속도는 회전체(202)의 회전속도에 비례하며, 제너레이터(230)에서 출력되는 전기에너지의 크기는 회전입력휠(231)의 회전속도에 비례하므로, 제동력은 자전거의 기준속력과 실제속력의 차이에 비례한다.The present invention provides a semi-active braking device for rotary machines that does not require an external energy source and speed sensor. The braking device includes a braking force generating unit 210 and an energy supply unit, and the energy supply unit is configured to supply electric energy to the braking force generating unit 210 in proportion to the rotational speed of the rotating body 202 of the rotating machine. The energy supply unit includes a generator 230 that receives a portion of the rotational energy of the rotating body 202 and converts it into electrical energy, and the generator 230 is in close contact with the side surface of the rotating body 202 so as to frictionally drive the rotating body. Rotation input wheel 231 for rotating the core of the generator 230 at a speed proportional to the rotation speed of the. The rotational speed of the rotation input wheel 231 is proportional to the rotational speed of the rotating body 202, the magnitude of the electrical energy output from the generator 230 is proportional to the rotational speed of the rotation input wheel 231, the braking force is a bicycle It is proportional to the difference between the reference speed and the actual speed.
Description
이 발명은 자기유변유체(MR 유체)를 이용한 반능동브레이크(이하 MR 브레이크)에 관한 것이며, 특히, 간단한 구조의 자체적인 에너지공급부를 구비함으로써 소형기계에 용이하게 이용될 수 있는 MR 브레이크에 관한 것이다. 이 발명은 또한 그러한 MR 브레이크가 장착된 회전기계에 관한 것이기도 하다.The present invention relates to a semi-active brake (hereinafter referred to as MR brake) using a magnetorheological fluid (MR fluid), and more particularly to an MR brake which can be easily used in a small machine by providing its own energy supply unit having a simple structure. . The invention also relates to a rotary machine equipped with such an MR brake.
회전기계에서의 회전체의 위치나 속도 또는 진동을 제어하기 위한 다양한 회전댐퍼나 브레이크 등이 개발되어 있다. 이러한 제동장치들 중에서 반능동식 또는 능동식 회전댐퍼나 브레이크는 MR 유체 등을 이용한 자체적인 제동력생성부를 구비하고 있지만, 그러한 제동력생성부를 작동시켜 제동특성을 변화시키기 위해서는 외부의 에너지원이 필요하며 또한 회전체의 회전속도 등과 같은 회전특성을 알아내기 위한 센서가 필요하다.Various rotary dampers and brakes have been developed for controlling the position, speed or vibration of a rotating body in a rotating machine. Among these braking devices, the semi-active or active rotary damper or brake has its own braking force generating portion using MR fluid, but an external energy source is required to change the braking characteristics by operating the braking force generating portion. There is a need for a sensor for detecting rotational characteristics, such as the rotational speed of the rotor.
첨부된 도면의 도 3에는 종래의 MR브레이크를 제어하기 위한 에너지공급 및 제어시스템이 예시적으로 도시되어 있다.3 of the accompanying drawings shows an exemplary energy supply and control system for controlling a conventional MR brake.
이러한 시스템은 회전체(102)의 회전축(101)에 부착되어 회전속도를 측정하는 회전속도센서(121)를 포함한다. 회전속도센서(121)는 회전체(102)의 회전속도에 비례하는 강도의 전압을 발생시킨다. 또한, 이 시스템은 전압-전류 변환기(122)를 포함하며, 이 전압-전류 변환기(122)는 회전속도센서(121)에서 출력되는 전압을 전류로 변환하여 증폭한 후에 MR브레이크(110)에 공급한다. 전류증폭에 사용되는 전기에너지는 배터리 등과 같은 외부전원을 이용한다.This system includes a rotational speed sensor 121 attached to the rotational shaft 101 of the rotating body 102 to measure the rotational speed. The rotation speed sensor 121 generates a voltage having an intensity proportional to the rotation speed of the rotating body 102. In addition, the system includes a voltage-to-current converter 122, which converts the voltage output from the rotational speed sensor 121 into a current, amplifies the voltage, and then supplies the MR brake 110 to the MR brake 110. do. Electric energy used for current amplification uses an external power source such as a battery.
한편, 전압-전류 변환기(122)의 상류 또는 하류에는 제어기(123)가 제공되어 MR브레이크(110)로 공급되는 전기에너지의 강도를 제어한다. 이러한 제어기(123)는 용도에 따라 PID(proportional integral derivation) 제어기 등과 같은 자동제어기나 수동제어기가 채택된다. 제어기(123)에 대한 입력신호는 회전속도센서(121)의 출력신호 뿐만 아니라, 적절한 기준신호를 설정하기 위한 기준속도설정부(124)의 출력신호도 포함한다.On the other hand, the controller 123 is provided upstream or downstream of the voltage-to-current converter 122 to control the strength of the electrical energy supplied to the MR brake 110. The controller 123 may be an automatic controller or manual controller such as a PID (proportional integral derivation) controller or the like depending on the application. The input signal to the controller 123 includes not only an output signal of the rotational speed sensor 121 but also an output signal of the reference speed setting unit 124 for setting an appropriate reference signal.
위에서 설명한 구성요소들은 MR브레이크의 제어를 위해 필수적으로 요구되는것이며, 따라서 부피 및 중량이 크고, 구조가 복잡하며, 제조비용이 고가이다.The components described above are indispensable for the control of the MR brakes, and thus are large in volume and weight, complicated in structure, and expensive in manufacturing.
그러므로, 이러한 제동장치는 그 제어성능의 우수함에도 불구하고 외부에너지원과 센서의 필요성으로 인해 장치가 복잡하고 고가이기 때문에 상대적으로 널리 쓰이지 못하고 있으며, 자전거 등과 같은 소형 회전기계에서는 아직도 수동브레이크가 주로 사용되고 있으며, 그 불편함이 크다. 특히, 아동용 자전거 등과 같이 사용자가 상황에 적절히 대처할 능력이 미비된 경우에는 불측의 위험에 직면하곤 한다.Therefore, the braking device is not widely used because of the complicated and expensive device due to the necessity of external energy sources and sensors, despite the excellent control performance. Manual brakes are still mainly used in small rotating machines such as bicycles. And the inconvenience is great. In particular, when the user is inadequate in the ability to cope with the situation, such as children's bicycles are often faced with an unavoidable risk.
이 발명은 반능동식 제동장치가 갖는 위와 같은 문제를 해결하기, 회전체의 회전속도에 비례하는 전기에너지를 제동력생성부에 공급하는 간단한 구조의 구동에너지공급부를 구비한 반능동식 제동장치를 제안하려는 것이다.The present invention proposes a semi-active braking device having a simple driving energy supply unit for supplying the braking force generating unit with electric energy proportional to the rotational speed of the rotating body to solve the above problems of the semi-active braking device. I will.
이 발명의 또다른 목적은 위와 같이 간단한 구조의 능동식 제동장치를 구비한 소형 회전기계를 제안하려는 것이다.Another object of the present invention is to propose a small rotary machine having an active braking device having a simple structure as described above.
도 1은 이 발명이 구현되는 MR 브레이크의 제동력생성부를 예시적으로 도시한 개요도이며,1 is a schematic diagram showing a braking force generating unit of an MR brake in which the present invention is implemented by way of example;
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따른 MR브레이크의 에너지공급부를 설명하기 위한 것으로서, 회전체에 부착된 MR브레이크를 도시한 개요도이고,Figure 2 is for explaining the energy supply of the MR brake according to an embodiment of the present invention, a schematic diagram showing an MR brake attached to the rotating body,
도 3은 종래의 MR브레이크의 에너지공급 및 제어시스템을 도시한 개요도이다.3 is a schematic diagram showing an energy supply and control system of a conventional MR brake.
이 발명에 의하면, 회전체를 포함하는 회전기계에서 회전체의 회전을 제동하기 위한 것이며, 전기에너지를 변환시켜 제동력을 얻는 제동력생성부 및 그러한 제동력생성부에 제동력생성을 제어하기 위한 전기에너지를 공급하는 에너지공급부를 포함하는 제동장치가 제공된다. 에너지공급부는 회전체의 회전에너지를 전기에너지로 변환하는 제너레이터를 포함한다.According to this invention, it is for braking the rotation of a rotating body in a rotating machine including a rotating body, and supplies a braking force generation unit that converts electrical energy to obtain a braking force and supplies electric energy for controlling braking force generation to such a braking force generation unit. A braking device including an energy supply unit is provided. The energy supply unit includes a generator for converting rotational energy of the rotating body into electrical energy.
제동력생성부로는 전기에너지를 자기에너지로 변환하는 전자기변환수단과,자기에너지의 강도에 비례하여 점성이 변하는 자기유변유체 및 상기 자기유변유체의 전단응력을 제동력으로 이용하는 제동수단을 포함하는 자기유변유체브레이크가 이용될 수 있다.The braking force generating unit includes a magnetorheological fluid including electromagnetic conversion means for converting electrical energy into magnetic energy, a magnetorheological fluid whose viscosity changes in proportion to the strength of the magnetic energy, and a braking means for using the shear stress of the magnetorheological fluid as a braking force. Brakes may be used.
제너레이터는 회전체에 밀착되어 마찰구동됨으로써 회전체의 회전속도에 비례하는 속도로 제너레이터의 코어를 회전시키는 회전입력휠 및, 그러한 회전입력휠을 필요에 따라 회전체에 밀착시키거나 분리시키는 스위칭레버를 포함하는 것이 양호하다.The generator includes a rotary input wheel for rotating the core of the generator at a speed proportional to the rotational speed of the rotating body by being in close contact with the rotating body and frictionally driven, and a switching lever for closely contacting or separating the rotating input wheel to the rotating body as necessary. It is good to include.
또한, 에너지공급부는 상기 제너레이터에서 상기 제동력생성부로 공급되는 전기에너지의 양을 제어하기 위한 제어부를 포함할 수 있다.In addition, the energy supply unit may include a control unit for controlling the amount of electrical energy supplied from the generator to the braking force generation unit.
제어부는 상기 제너레이터에서 기준치 이상의 전기에너지가 발생될 때에만 제동력생성부에 전기에너지를 공급하고, 기준치 이하의 전기에너지가 발생될 때에는 전기에너지의 공급을 차단하는 회로를 포함하는 것이 양호하다.The control unit preferably includes a circuit for supplying electrical energy to the braking force generation unit only when electrical energy above a reference value is generated in the generator, and cutting off the supply of electrical energy when electrical energy below the reference value is generated.
또한, 제어부는 회전체의 회전속도의 기준치를 조절하는 기준속도조절부를 포함하는 것이 양호하다.In addition, the control unit preferably includes a reference speed control unit for adjusting the reference value of the rotational speed of the rotating body.
아래에서는 첨부된 도면을 보면서 이 발명의 양호한 실시예에 대해 상세하게 설명하겠다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the present invention.
도 1은 이 발명이 구현되는 반능동식 제동장치의 제동력생성부의 개요도를 도시하고 있다.1 shows a schematic diagram of a braking force generation unit of a semi-active brake system in which the present invention is implemented.
도 1에 보이듯이, 반능동식 제동장치의 제동력생성부(210)는 회전축(201)에 끼워지는 허브(212)에서 연장된 원판(213) 및, 그러한 원판(213)을 회전이 가능하게 수용하고 외부의 고정체(도시 안됨)에 고정되는 하우징(211)을 포함하며, 하우징(211)과 원판(213)의 사이에는 MR유체(215)가 채워져 있다. 하우징(211)은 그 안에 매설된 코일(214)에 전기에너지를 공급하면 자화되며, 이러한 자기에너지의 세기에 비례해서 MR유체(215)의 점성이 변한다. 즉, 이 실시예의 제동력생성부(210)는 MR유체(215)의 점성이 낮은 상태에서는 회전축(201)의 회전을 허용하지만, 코일(214)에 전기에너지를 공급하여 하우징(211)을 자화시키면, 고점성유체로 변한 MR유체(215)가 원판(213)을 회전을 억제하면서 회전축(201)의 회전을 제동한다. 이 때, 제동력의 크기는 자기장의 강도에 비례하고, 자기장의 강도는 전기에너지의 강도에 비례하므로, 제동력은 코일(214)에 흐르는 전류의 세기를 조절함으로써 제어할 수 있다.As shown in FIG. 1, the braking force generating unit 210 of the semi-active brake system includes a disc 213 extending from the hub 212 fitted to the rotating shaft 201 and a disc 213 rotatably received therein. And a housing 211 fixed to an external fixture (not shown), and the MR fluid 215 is filled between the housing 211 and the disc 213. The housing 211 is magnetized by supplying electrical energy to the coil 214 embedded therein, and the viscosity of the MR fluid 215 changes in proportion to the strength of the magnetic energy. That is, the braking force generation unit 210 of this embodiment allows the rotation of the rotating shaft 201 in a state where the viscosity of the MR fluid 215 is low, but by supplying electrical energy to the coil 214 to magnetize the housing 211 The MR fluid 215 turned into a highly viscous fluid brakes the rotation of the rotating shaft 201 while suppressing the rotation of the disc 213. At this time, since the magnitude of the braking force is proportional to the strength of the magnetic field, and the strength of the magnetic field is proportional to the strength of the electric energy, the braking force can be controlled by adjusting the intensity of the current flowing through the coil 214.
도 2는 이 발명의 한 실시예에 따라 자전거의 바퀴에 부착된 반능동식 제동장치의 제동력생성부 및 에너지공급부를 도시하고 있다. 이 실시예는 자전거의 제동장치로 구현된 것이다.FIG. 2 illustrates a braking force generating portion and an energy supply portion of a semi-active braking device attached to a wheel of a bicycle according to an embodiment of the present invention. This embodiment is implemented as a brake of the bicycle.
이 실시예에 따른 에너지공급부는 자전거의 바퀴(202)의 회전에너지의 일부를 분배받아 전기에너지로 변환하는 제너레이터(230)이다.The energy supply unit according to this embodiment is a generator 230 that receives a portion of the rotational energy of the wheel 202 of the bicycle and converts it into electrical energy.
이 제너레이터(230)는 자전거의 바퀴(202)의 측면에 밀착되어 마찰구동됨으로써 회전체의 회전속도에 비례하는 속도로 제너레이터의 코어를 회전시키는 회전입력휠(231)을 포함하며 이러한 회전입력휠(231)의 회전속도에 비례하는 강도의 전기에너지를 발생시킨다.The generator 230 includes a rotational input wheel 231 for rotating the core of the generator at a speed proportional to the rotational speed of the rotating body by being in close contact with the side of the wheel 202 of the bicycle and friction driven. 231 generates electric energy of intensity proportional to the rotation speed.
회전입력휠(231)의 회전속도는 자전거의 바퀴(202)의 회전속도에 비례하며,제너레이터(230)에서 출력되는 전기에너지의 크기는 회전입력휠(231)의 회전속도에 비례하므로, 제동력은 자전거의 기준속력과 실제속력의 차이에 비례한다. 즉, 비탈길을 내려가는 자전거의 실제속력이 기준속력보다 큰 경우에는, 제너레이터(230)에서 강한 전기에너지가 발생되어 제동력생성부(210)로 공급됨으로써 큰 제동력을 발생시키고, 자전거의 실제속력이 기준속력보다 작은 경우에는, 약한 전기에너지가 발생되어 제동력생성부(210)로 공급됨으로써 제동력을 거의 발생시키지 않는다. 그러므로, 자전거가 아무리 급한 하향경사로를 주행하더라도 항상 기준속력이 유지된다.The rotational speed of the rotation input wheel 231 is proportional to the rotational speed of the wheel 202 of the bicycle, the magnitude of the electrical energy output from the generator 230 is proportional to the rotational speed of the rotation input wheel 231, the braking force is It is proportional to the difference between the standard speed and the actual speed of the bicycle. That is, when the actual speed of the bicycle going down the slope is greater than the reference speed, a strong electric energy is generated in the generator 230 is supplied to the braking force generating unit 210 to generate a large braking force, the actual speed of the bicycle is the reference speed In the smaller case, weak electric energy is generated and supplied to the braking force generation unit 210 to generate little braking force. Therefore, the reference speed is always maintained no matter how steep the downward slope.
기준속력의 설정 및 조절은 제너레이터(230)로부터 제동력생성부(210)로 공급되는 전기에너지의 양을 증감시키기 위한 다양한 수단에 의해 이루어질 수 있다.The setting and adjusting of the reference speed may be performed by various means for increasing or decreasing the amount of electric energy supplied from the generator 230 to the braking force generation unit 210.
도 2에 도시된 제어기(223)는 비례제어기이다. 이러한 비례제어기는 기준속력과 실제속력의 차이에 비례하는 제어전압을 발생시킨다. 즉, 비탈길을 내려가는 자전거의 실제속력이 기준속력보다 큰 경우에는, 강한 전류가 제동력생성부(210)로 공급되어 큰 제동력을 발생시키고, 자전의 실제속력이 기준속력보다 작은 경우에는, 약한 전류가 제동력생성부(210)로 공급되어 제동력을 거의 발생시키지 않는다. 그러므로, 자전거가 아무리 급한 하향경사로를 주행하더라도 항상 기준속력이 유지된다.The controller 223 shown in FIG. 2 is a proportional controller. Such a proportional controller generates a control voltage proportional to the difference between the reference speed and the actual speed. That is, when the actual speed of the bicycle going down the slope is greater than the reference speed, a strong current is supplied to the braking force generating unit 210 to generate a large braking force, and when the actual speed of the rotation is smaller than the reference speed, the weak current is It is supplied to the braking force generation unit 210 to generate little braking force. Therefore, the reference speed is always maintained no matter how steep the downward slope.
또한, 제너레이터(230)에서 기준치 이상의 전기에너지가 발생될 때에만 제동력생성부(210)에 전기에너지를 공급하고, 기준치 이하의 전기에너지가 발생될 때에는 전기에너지의 공급을 차단하는 전자회로를 부가적으로 포함할 수 있으며, 이러한 전자회로는 다이오드를 이용하여 구성될 수 있다.In addition, the generator 230 supplies electric energy to the braking force generating unit 210 only when electric energy above the reference value is generated, and when the electric energy below the reference value is generated, an electronic circuit that cuts off the supply of electric energy additionally. The electronic circuit may be configured using a diode.
제어기(223)는 기준속도의 설정치를 용이하게 조절할 수 있는 기준속도설정레버를 포함하는 것이 양호하며, 이러한 기준속도설정레버는 종래의 브레이크핸들처럼 구현될 수도 있다.The controller 223 preferably includes a reference speed setting lever that can easily adjust the set value of the reference speed, and this reference speed setting lever may be implemented like a conventional brake handle.
한편, 양호하게는 자전거의 바퀴(202)에 대해 회전입력휠(231)을 필요에 따라 밀착시키거나 분리시키는 스위칭레버(도시 안됨)를 포함할 수 있다.On the other hand, it may preferably include a switching lever (not shown) to closely contact or separate the rotation input wheel 231 with respect to the wheel 202 of the bicycle as needed.
이 발명에 따른 제동장치가 자전거에 사용된 경우에 대해 설명한 위 실시예들은 이 발명을 제한하기 위한 것이 아니라 예시하기 위한 것이다. 이 발명에 따른 제동장치는 성인용 자전거, 아동용 자전거, 휠체어 등과 같은 운송기계를 포함한 모든 회전기계의 제동장치에서 구현될 수 있다.The above embodiments described in the case where the braking device according to the present invention is used for a bicycle are not intended to limit the present invention but to illustrate. The braking device according to the present invention can be implemented in a braking device of all rotating machines including a transport machine such as an adult bicycle, a child bicycle, a wheelchair, and the like.
이 발명에 따른 반능동식 제동장치는 회전체의 회전에너지를 이용하여 제동력생성을 제어하기 위한 전기에너지를 얻으므로, 반영구적이고 무동력적으로 사용할 수 있다. 또한, 제너레이터는 자체적으로 회전속도비례적 에너지를 제공하므로, 회전속도센서 등과 같은 별도의 감시수단이 필요 없이 간단하고 중량과 체적이 매우 작은 제동장치를 얻을 수 있다. 이러한 저중량, 저체적, 무동력적 제동장치는 소형 회전기계, 특히, 이동식 회전기계에 매우 유용하게 사용될 수 있다.The semi-active braking device according to the present invention obtains electrical energy for controlling braking force generation using the rotational energy of the rotating body, and thus can be used semi-permanently and non-dynamically. In addition, since the generator provides energy in proportion to the rotation speed by itself, a braking device having a simple weight and a very small volume can be obtained without the need for a separate monitoring means such as a rotation speed sensor. Such low weight, low volume, non-powered braking devices can be very useful for small rotary machines, in particular mobile rotary machines.
이 발명의 양호한 실시예에서 설명한 제동장치를 채택한 자전거는 아주 간단한 조작만으로 일정한 주행속도를 설정할 수 있으므로, 하향경사로주행시의 정속주행이 매우 용이하게 한다. 특히, 아동용 자전거나 환자용 휠체어에서의 이러한 정속주행특성은 경사로 등에서 조작미숙으로 인해 겪을 수 있는 불측의 위험으로부터 사용자를 보호해 준다.The bicycle adopting the braking device described in the preferred embodiment of the present invention can set a constant traveling speed with only a very simple operation, so that it is very easy to drive at constant speed when driving at a downward slope. In particular, such a constant driving characteristic in a children's bicycle or a wheelchair for a patient protects the user from inadvertent dangers that may be caused by immature operation on a ramp or the like.
또한, 이 발명에 따른 제동장치는 항상 최적의 제동력을 발생시키므로 제동소음 및 브레이크패드의 불필요한 마모를 감소시킨다.In addition, the braking device according to the present invention always generates an optimum braking force, thereby reducing braking noise and unnecessary wear of the brake pad.
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| KR102504588B1 (en) | 2020-12-31 | 2023-02-27 | 동의대학교 산학협력단 | Automatic braking system using mr fluid |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20010037298A (en) | 2001-05-07 |
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