KR100622075B1

KR100622075B1 - 유변유체를 이용한 제동장치

Info

Publication number: KR100622075B1
Application number: KR1020040082593A
Authority: KR
Inventors: 황창순; 조창현; 김승종
Original assignee: 한국과학기술연구원
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-09-19
Also published as: KR20060033465A

Abstract

본 발명은 유변유체를 이용한 제동장치에 관한 것으로서, 전단면 사이의 간극을 줄이고 복수 개의 챔버를 형성하여 출력을 증가시키면서도 소형화할 수 있게 구성한 유변유체를 이용한 제동장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복수의 고정자(120, 130) 사이에 위치하여 이동하는 이동자(110)와, 고정자(120, 130)의 사이에 채워진 유변유체(150) 및, 자기장을 형성하는 코일(180)을 포함하는 제동장치에 있어서, 다수 개의 회전체(140)들이 케이싱(143)에 회전 가능하게 장착된 상태로, 상기 복수의 고정자(120, 130) 사이에 위치하는 것을 기술적 특징으로 한다.

이와 같이 구성된 본 발명의 유변유체를 이용한 제동장치는 고정자의 사이에 롤러들을 위치함으로써, 롤러와 롤러의 사이에 챔버를 형성하고 롤러와 고정자 사이 간극을 좁게 함으로써, 제동장치의 출력을 크게 증가시킨다.

제동장치, 자기유변유체, 자기장, 간극, 회전체

Description

유변유체를 이용한 제동장치{Breaker using Rheological Fluid}

도 1은 자기유변유체에 대한 개념도이고,

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유변유체를 이용한 제동장치의 개략도이고,

도 3은 도 2에 도시된 자기유변유체의 동작 모드를 설명하기 위한 개념도이고,

도 4는 도 3에 도시된 제동장치의 동작 모드를 설명하기 위한 개략도이고,

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유변유체를 이용한 제동장치의 개략도이며,

도 6은 도 5에 도시된 제동장치의 동작 모드를 설명하기 위한 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 제동장치 110 : 로터

111 : 출력축 120, 130, 220, 230 : 고정자

121, 131, 221, 231 : 간극 133 : 폐쇄판

140 : 롤러 150, 250 : 자기유변유체

160, 260 : 공차 180 : 코일

270 : 챔버

본 발명은 유변유체를 이용한 제동장치에 관한 것으로서, 특히, 전단면 사이의 간극을 줄이고 복수 개의 챔버를 형성하여 출력을 증가시키면서도 소형화할 수 있게 구성한 것이다.

유변유체로서, 자기유변유체(MRF; Magneto Rheological Fluid)와 가변전성유체(ERF; Electro Rheological Fluid)가 있다. 자기유변유체는 실리콘 오일 또는 미네랄 오일 등의 비전도성 용매 속에 미크론(μ)크기의 자성을 가지는 입자들을 분산시킨 비콜로이드 용액으로서, 자기장이 부하되지 않은 경우에는 자성입자가 분산되어 뉴턴유체성질을 띠지만, 자기장이 부하되면 분산된 자성입자들이 분극화를 일으켜 부하된 자기장과 평행방향으로 자성입자가 연결되어 전단력이나 유동력에 대한 저항력을 갖는 빙햄유체상태가 된다.

한편, 자기유변유체를 가변전성유체(ERF; Electro Rheological Fluid)와 비교하였을 때에, 자기유변유체는 가변전성유체의 빠른 응답속도의 장점을 갖고 있으면서, 가변전성유체가 갖고 있는 낮은 항복응력과 좁은 사용온도범위 및 불순물에 대한 민감성 저하 등의 단점을 극복한 유체이다.

이러한 자기유변유체의 장점 때문에, 대부분 자기유변유체가 상용화되고 있다.

도면에서, 도 1은 자기유변유체에 대한 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 자기유변유체는 두 전단면 사이에 자기유변유체가 채워지고, 자기유변유체의 상태 변환 즉, 뉴턴상태와 빙햄상태에 따른 각각의 다른 전단력을 이용하여 제동장치의 출력을 제어한다.

제동장치의 출력을 증가시키기 위해서는, 전단면을 넓히거나 자력을 증폭시키거나 또는 전단면의 간격을 줄이는 방법이 있다.

그 중에서 전단면을 넓히는 방법은 전단면에 다단의 단차를 형성하여 전단면적을 넓혀 출력을 증가시키는 방법이다. 하지만, 이와 같이 전단면을 넓히기 위해서는 제동장치의 구조가 복잡해지고, 제동장치의 크기가 커진다는 단점이 있다.

또한 자력을 증폭시키는 방법으로서, 영구자석과 전자석을 조합하여 자력을 증폭하는 제동장치가 개발되었으나, 무부하(뉴턴상태) 운전을 위해서는 전자석의 극성을 바꿔줘야 한다는 단점이 있다.

한편, 인가되는 자기장의 세기는 두 전단면 사이의 간극에 반비례한다. 즉 간극이 넓으면 간극에 형성된 자기장 세기는 약하며, 반대로 간극이 좁으면 간극에 형성된 자기장 세기는 상대적으로 강해진다. 따라서 고출력을 얻기 위해서는 두 전단면의 간극이 좁은 것이 바람직하다. 하지만, 이와 같이 간극을 좁히게 되면, 무부하 운전 시에 유체유동에 의한 저항이 증가된다는 단점이 있다.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 두 전단면 사이의 간극을 좁혀 출력을 증가시키면서 무부하 운전시에 유체유동에 의한 저항을 감소시킬 수 있게 구성한 유변유체를 이용한 제동장치 를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 복수의 고정자 사이에 위치하여 이동하는 이동자와, 상기 고정자의 사이에 채워진 유변유체를 포함하는 제동장치에 있어서, 다수 개의 회전체들이 케이싱에 회전 가능하게 장착된 상태로, 상기 두 개의 고정자의 사이에 위치하도록 구성한 것을 기술적 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 상기 케이싱에 장착된 상기 다수 개의 회전체들은 상기 이동자와 상기 고정자의 사이에 형성된 각각의 간극 또는 어느 한 쪽의 간극에 위치한다.

또한, 본 발명의 상기 케이싱은 상기 이동자로서, 상기 이동자에 형성된 다수 개의 관통공에 상기 회전체가 회전 가능하다.

또한, 본 발명의 상기 회전체는 볼 또는 롤러 중에 어느 하나이다.

또한, 본 발명의 상기 유변유체는 자기유변유체이다.

또한, 본 발명의 상기 이동자는 일측이 폐쇄되고 타측이 개방된 원통형 구조의 로터로서, 상기 이동자는 원통형 외측 고정자에 수용되고, 상기 로터의 내부에는 원통형의 내측 고정자가 상기 외측 고정자의 안쪽면에 고정된 상태로 위치하며, 상기 케이싱은 원통형 구조로서, 상기 케이스의 원주를 따라 형성된 다수 개의 관통공에 상기 회전체들이 장착된다.

또한, 본 발명의 상기 이동자는 일측이 폐쇄되고 타측이 개방된 원통형 구조의 로터로서, 상기 이동자는 원통형 외측 고정자에 수용되고, 상기 로터의 내부에 는 원통형의 내측 고정자가 상기 외측 고정자의 안쪽면에 고정된 상태로 위치하며, 상기 이동자의 원주를 따라 형성된 다수 개의 관통공에 상기 회전체들이 장착된다.

또한, 본 발명의 상기 로터의 일측에는 출력축이 고정되어 상기 외측 고정자를 관통해 상기 외측 고정자 외측으로 돌출되어 위치하며, 상기 출력축의 둘레에는 베어링 및 실링부재가 장착된다.

아래에서, 본 발명에 따른 유변유체를 이용한 제동장치의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.

도면에서, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 유변유체를 이용한 제동장치의 개략도이고, 도 3은 도 2에 도시된 자기유변유체의 동작 모드를 설명하기 위한 개념도이고, 도 4는 도 3에 도시된 제동장치의 동작 모드를 설명하기 위한 개략도이고, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유변유체를 이용한 제동장치의 개략도이며, 도 6은 도 5에 도시된 제동장치의 동작 모드를 설명하기 위한 개략도이다.

도 2에 도시된 바와 같이 제동장치(100)는, 일측 단부는 폐쇄되고 타측 단부는 개방된 원통 구조의 로터(110)와, 상기 로터(110)의 내부에 수용되는 내측 고정자(120)와, 일측 단부는 폐쇄되고 타측 단부는 개방된 원통 구조이며 상기 로터(110)를 수용하는 외측 고정자(130)를 포함한다. 상기 로터(110)의 내측면과 내측 고정자(120)의 외측면 사이의 내측 간극(121), 그리고 로터(110)의 외측면과 상기 외측 고정자(130)의 내측면 사이의 외측 간극(131)에는 롤러(140)들이 각각의 간극(121, 131)을 따라 배치되고, 상기 롤러(140)의 단부는 원형의 롤러 케이싱(143)에 체결되어 회전 가능하게 지지된다.

그리고 코일(180)이 상기 외측 고정자(130)의 안쪽에 위치하며, 전류가 흐르면 자기장을 형성한다.

이와 같이 구성된 제동장치(100)에 있어서, 외측 고정자(130)의 내부에 자기유변유체(150)가 채워지고, 외측 고정자(130)의 개방부에 폐쇄판(133)이 체결된다.

한편 로터(110)의 중심에는 출력축(111)이 고정되고, 상기 출력축(111)은 폐쇄판(133)을 관통해 외부로 돌출되어 위치한다. 이와 같이 출력축(111)이 폐쇄판(133)을 관통하기 위해서는 폐쇄판(133)의 중심에 관통공이 형성되고, 상기 관통공을 관통한 출력축(111)은 자유롭게 회전할 수 있도록 폐쇄판(133)에 장착된 베어링(113)에 의해 지지된다. 또한 출력축(111)과 폐쇄판(133)의 사이로 자기유변유체(150)가 새는 것을 방지하기 위해, 폐쇄판(133)에는 실링부재(135)가 고정된다.

또한 내측 고정자(120)는 외측 고정자(130)의 안쪽면에 접한 상태에서, 외측 고정자(130)를 관통한 볼트(139)가 내측 고정자(120)에 체결되면서 고정된다.

아래에서는 이와 같이 구성된 제동장치의 작동관계를 설명하기에 앞서, 평판 구조의 전단면을 갖는 두 고정자(120, 130)와 그 사이에 이동자(210)가 위치한 상태에서 자기유변유체(150)의 전단모드 및 밸브모드를 설명하여 자기유변유체(150)의 특성을 이해한다.

도 3에서 (a)와 (b)는 전단모드를 나타내며, (c)와 (d)는 밸브모드를 나타내고 있다.

도 3의 (a)와 (b)에 도시된 바와 같이, N극 고정자(220)와 S극 고정자(230) 사이에 이동자(210)가 위치하여 전단면을 형성한다. 그리고 N극 고정자(220)와 S극 고정자(230) 사이에 자기유변유체(250)가 채워진 상태에서, 자기력선이 N극에서 S극으로 향하면, 자기유변유체(250)의 자성입자들이 자기력선을 따라 체인(252)을 형성한다. 이와 같은 상태에서 (b)와 같이 이동자(210)를 F의 힘으로 밀게 되면, 체인(252)의 형상이 변형되고, 체인(252)이 끊어질 때까지 저항력을 발생한다. 즉, 이동자(210)가 자력이 가해지는 상태에서 계속 움직이게 된다면, 체인(252)은 생성되었다 끊어짐을 반복하게 된다.

한편, 도 3의 (c)와 (d)와 같이, N극 고정자(220)와 S극 고정자(230) 사이에 자기유변유체(250)만 채워진 상태에서, 자력이 가해지면, 체인(252)이 형성된다. 이때 (d)와 같이, 자기유변유체(250)에 압력 P가 가하면, 체인(252)이 휘어지면서 자기유변유체(250)의 흐름을 방해한다.

이와 같은 자기유변유체(250)의 특성에 있어서, 아래에서는 본 발명에 따른 제동장치의 구성과 같이, 이동자(210)의 상하면을 따라 다수 개의 롤러(240)가 위치한다. 이들 롤러(240)의 직경은 이동자(210)와 N극 고정자(220)의 내측면 그리고 이동자(210)와 S극 고정자(230) 사이의 간극(221, 231)보다 작다. 따라서 이들 롤러(240)가 이동자(210)와 N극 고정자(220)의 사이, 그리고 이동자(210)와 S극 고정자(230) 사이에 위치함으로써, 롤러(240)와 이동자(210) 및 롤러(240)와 N/S극 고정자(220, 230)의 사이에는 공차(260)가 형성된다.

그리고 N/S극 고정자(220, 230)의 사이에 채워진 자기유변유체(250)는 롤러(240)와 롤러(240) 사이에 형성된 공간(아래에서는 '챔버'라 함)을 채우며, 상기 공차(260)를 통해 챔버(270) 사이를 유동한다.

한편, 롤러 케이싱(243)에 의해 지지된 상기 롤러(240)들은 이동자(210)가 이동하게 됨에 따라 유동하는 자기유변유체(250)와의 마찰에 의해 회전하며, 이동하게 된다.

이와 같은 상태에서 자기장이 발생하게 되면, 자성입자들이 체인(252)을 형성하면서, 롤러(240)가 이동 및 회전함 있어 저항을 맞게 된다. 특히 간격이 좁은 공차(260)에서 발생하는 저항은 상대적으로 챔버(270)에서 형성되는 저항보다 크다.

앞에서의 도 4에 대한 설명은, 도 2에 도시된 제동장치의 내부를 평판 형태로 펼쳐 둔 것으로서, 도 2에서의 로터(110)는 도 4에서의 이동자(210)에 해당하며, N극 고정자(220)는 내측 고정자(120) 그리고, S극 고정자(230)는 외측 고정자(130)에 해당한다. 그리고 이동자(210)의 이동은 로터(110)의 회전에 해당한다.

이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 제동장치(100)는 롤러(140)와 로터(110) 사이의 공차(160) 및, 롤러(140)와 고정자(120, 130) 사이의 공차(160)가 좁게 형성됨에 따라, 로터(110)의 회전에 대한 큰 저항력이 발생하게 되고, 그로 인해 로터(110)는 감속되거나 멈추게 된다.

또한 무부하 상태에서, 로터(110)가 회전하면, 롤러(140)가 회전하면서 이동함으로써, 공차(160) 및 간극(121, 131)의 협소함에 따른 저항을 극복하고 있다.

[제2 실시예]

제2 실시예를 제1 실시예와 비교하였을 때에, 제2 실시예의 제동장치는 제1 실시예의 롤러 케이싱을 로터로 대신하여, 로터가 다수 개의 롤러를 지지하고 있다 는 것을 제외하고, 다른 구성요소는 동일하거나 유사하다. 따라서 동일하거나 유사한 구성요소에는 제1 실시예에서 부여한 도면부호와 동일하거나 유사한 도면부호를 부여하며, 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도면에서, 도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 유변유체를 이용한 제동장치의 개략도이며, 도 6은 도 5에 도시된 제동장치의 동작 모드를 설명하기 위한 개략도이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 원통형의 로터(110) 내부에는 내측 고정자(120)가 위치하고, 외측에는 외측 고정자(130)가 로터(110)를 감싸 위치한다. 그리고 로터(110)의 원주면에는 소정의 간격으로 떨어져 롤러(140)들이 장착되는데, 로터(110)의 원주면에 길이방향으로 형성된 관통공(115)에 롤러(140)가 각각 위치하며, 롤러(140)의 회전축이 로터(110)에 회전 가능하게 체결된다.

상기 롤러(140)들은 로터(110)에 회전 가능하게 장착된 상태로, 내측 고정자(120)와 외측 고정자(130) 사이에 위치하며, 롤러(140)의 직경은 내측 고정자(120)와 외측 고정자(130) 사이의 간극 보다 작다. 따라서 롤러(140)와 내측 고정자(120), 그리고 롤러(140)와 외측 고정자(130)의 사이에는 공차(160)가 형성되고, 이런 공차(160)를 통해 자기유변유체(150)가 다른 쪽 챔버(270)로 유동한다.

이와 같은 상태에서 코일(180)에 전원이 공급되면, 코일(180)의 둘레에 자기장이 형성되고, 상기 자기장에 의해 자기유변유체(150)의 자성입자들은 체인(252)을 형성하게 된다.

이때, 롤러(140)와 고정자(120, 130) 사이의 공차(160)는 고정자(120, 130) 사이의 간격 보다 좁기 때문에, 상대적으로 자기장의 세기가 커지면서 저항력이 증가하게 된다. 따라서 회전하던 로터(110)는 큰 저항력을 받게 되면서, 감속하거나 멈추게 된다.

한편, 제1, 제2 실시예에서는 자기유변유체(150)와의 마찰에 의해 회전하는 회전체를 롤러(140)로 설명하였으나, 롤러(140)를 대신하여 볼 또는 니들 롤러를 사용할 수 있으며, 볼 또는 니들 롤러를 사용할 경우에는 볼에 맞게 케이싱이 구성된다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 유변유체를 이용한 제동장치는 고정자 사이에 롤러들이 위치하여, 롤러와 롤러의 사이에 챔버를 형성하고 롤러와 고정자 사이 간극을 좁게 함으로써, 제동장치의 출력을 크게 증가시키면서 소형화 할 수 있다는 장점을 갖다.

또한, 무부하 상태에서 로터가 회전할 시에는, 롤러가 회전하며 이동하기 때문에 로터의 회전에 대한 저항을 감소시킬 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 본 발명의 유변유체를 이용한 제동장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

Claims

삭제
N극과 S극을 각각 띠는 복수의 고정자들 사이에 위치하여 이동하는 이동자와, 상기 고정자의 사이에 채워지는 유변유체 및 자기장을 형성하는 코일을 포함하는 제동장치에 있어서,

상기 이동자와 상기 복수의 고정자들 사이에 형성된 간극 중 어느 한 쪽 간극 또는 각각의 간극에 다수 개의 회전체들이 케이싱에 회전 가능하게 장착되어 위치하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.
N극과 S극을 각각 띠는 복수의 고정자들 사이에 위치하여 이동하는 이동자와, 상기 고정자의 사이에 채워지는 유변유체 및 자기장을 형성하는 코일을 포함하는 제동장치에 있어서,

상기 이동자에는 다수 개의 회전체들이 회전 가능하게 장착되어 상기 복수의 고정자들 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 회전체는 볼 또는 롤러 중 어느 하나로서, 상기 회전체와 상기 이동자 또는 상기 회전체와 상기 고정자의 사이에는 공차가 형성된 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 유변유체는 자기유변유체인 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.
제2항에 있어서,

상기 이동자는 일측이 폐쇄되고 타측이 개방된 원통형 구조이고, 상기 복수의 고정자는 2개로서, 하나의 고정자는 원통형으로 상기 이동자의 외측에 위치하여 상기 이동자를 수용하는 외측 고정자이고, 다른 하나의 고정자는 상기 이동자의 내측에 위치하여 상기 하나의 고정자와 고정되는 내측 고정자이며,

상기 케이싱은 원통형 구조로서, 상기 케이싱의 원주를 따라 다수 개의 관통공이 형성되고, 상기 회전체가 상기 관통공 각각에 회전 가능하게 장착된 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.
제3항에 있어서,

상기 이동자는 일측이 폐쇄되고 타측이 개방된 원통형 구조로서, 그 원주를 따라 다수 개의 관통공이 형성되고, 상기 회전체가 상기 관통공 각각에 회전 가능하게 장착되며,

상기 복수의 고정자는 2개로서, 하나의 고정자는 원통형으로 상기 이동자의 외측에 위치하여 상기 이동자를 수용하는 외측 고정자이고, 다른 하나의 고정자는 상기 이동자의 내측에 위치하여 상기 하나의 고정자와 고정되는 내측 고정자인 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.
제6항에 있어서,

상기 이동자의 일측에는 출력축이 고정되어 상기 외측 고정자를 관통해 상기 외측 고정자 외측으로 돌출되어 위치하며, 상기 출력축의 둘레에는 베어링 및 실링부재가 장착된 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.
제7항에 있어서,

상기 이동자의 일측에는 출력축이 고정되어 상기 외측 고정자를 관통해 상기 외측 고정자 외측으로 돌출되어 위치하며, 상기 출력축의 둘레에는 베어링 및 실링부재가 장착된 것을 특징으로 하는 유변유체를 이용한 제동장치.