KR101352824B1 - 전자력을 이용한 완충 방법 - Google Patents

전자력을 이용한 완충 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전자석을 이용하여 충격을 흡수하는 방법에 관한 것으로, 전자석에 흐르는 전압과 전류를 제어하여 스프링과 같이 완충 역할을 할 수 있도록 만든 것이다. 본 발명은 물체에 가해지는 충격을 완화하는데 전자석을 사용하고, 전자석에 복소지수함수 형태의 전압과 전류를 인가하여 전자석에서 발생하는 자속이 복소지수함수가 출력되도록 구성하였다. 영구자석에 충격이 가해졌을 때, 복소지수함수 형태로 출력되는 전자력이 충격을 시간에 대해서 분산하는 역할을 함으로써 물체가 받는 충격을 완화시킨다.
이를 위하여 본 발명에서는 전자석 앞에 센서가 부착된 영구자석을 두어 충격을 검출하고 이를 전기적 신호로 변환한다. 그리고 변환된 신호를 이용해서 복소지수함수의 파라미터를 설정하고, 설정한 파라미터를 이용해서 전원을 복소지수함수 전원으로 변환한다. 복소지수함수 형태의 전원을 전자석에 인가하면, 복소지수함수 형태의 자속이 발생하여 물체가 받는 충격을 완화시키는 완충효과를 얻을 수 있다.
본 발명에서 제안한 전자력을 이용한 충격 흡수 방법은 기존 스프링이나 탄성체에서 구현할 수 없는 다양한 제동 및 완충 효과를 얻을 수 있다. 또한 충격량에 대응하여 충격을 분산할 수 있기 때문에 물체에 가해지는 충격에너지를 조절할 수 있는 장점이 있다.

Description

전자력을 이용한 완충 방법{Method of Impact Absorption using Electromagnetic Force}
본 발명은 전자석을 이용하여 충격을 흡수하는 방법에 관한 것으로, 전자석에 흐르는 전압 또는 전류를 제어하여 스프링과 같은 역할을 할 수 있도록 만든 것이다.
물체에 가해지는 충격흡수를 위해서는 스프링과 같은 탄성체를 많이 사용한다. 완충을 위한 스프링은 크게 코일스프링(coiled spring)과 판 스프링(plate spring)으로 분류되는데, 코일 스프링은 단면이 둥글거나 각이 진 봉재를 코일 형태로 감은 것이고, 판 스프링은 길고 얇은 판으로 하중을 지지하는데, 판을 여러 장 겹친 겹판 스프링은 에너지 흡수 능력이 크고 구조용으로도 사용한다. 이와 같은 스프링은 고유의 스프링 상수를 가지고 있는데, 이것은 스프링의 형태와 재질에 따라서 고정된 값을 갖는다. 따라서 한번 제작된 스프링은 고정된 스프링상수를 갖고 이 값은 변하지 않는다.
본 발명에서는 전자석에 흐르는 전압이나 전류를 제어하여 스프링과 같은 탄성체 역할을 할 수 있게 만든 것으로 전압과 전류를 제어하여 기존 스프링이나 탄성체에서 구현하기 어려운 스프링계수나 탄성계수를 조절할 수 있다.
본 발명의 내용과 관련된 종래의 기술로는 충격흡수용 전자석스프링(출원번호 1019960045480)과 진동 제어가 가능한 전자석 가변 마그넷 유닛 및 그의 변환방법(출원번호 1020090087193) 그리고 양방향 전자석 스프링으로서의 선형 음성 코일 액튜에이터(출원번호 1020087016199) 등이 있다. 그러나 상기 발명들은 본 발명과 같이 충격흡수를 위하여 복소지수함수를 적용한 본 발명과는 명확하게 차별화 된다.
물체에 충격이 가해졌을 때, 완충작용이 없다면 물체는 충격으로 인한 최대 충격에너지를 받게 된다. 이때 물체가 받는 충격에너지는 물체가 받는 힘을 시간에 대해서 적분한 값이다. 그러므로 동일한 힘으로 더 긴 시간 충격을 받으면 물체가 받는 충격에너지는 더 커진다.
본 발명에서는 물체가 받는 충격에너지를 시간에 대해서 분산시켜 단위시간당 충격에너지를 최소화할 수 있는 방법과 이를 위하여 전압과 전류를 제어하여 복소지수함수 전원을 전자석에 인가하여 전자력이 시간에 대해서 충격을 분산시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 물체에 가해지는 충격을 완화하는데 전자석을 사용하고, 전자석에 인가되는 전압과 코일에 흐르는 전류를 복소지수함수 형태로 가변하여 전자석에서 발생하는 전자력이 충격을 분산하도록 한다. 이를 위하여 전자석 앞에 센서가 부착된 영구자석을 두어 충격을 검출하고 이를 전기적 신호로 변환한다. 그리고 변환된 단위충격량으로 복소지수함수의 파라미터를 설정하여 전압과 전류를 복소지수함수 전원으로 변환하고, 전자석에 인가하면, 복소지수함수 형태의 전자력이 발생하여 충격이 시간에 대해 분산되는 효과를 얻을 수 있다.
산업 및 생활 전반에 걸쳐 충격 흡수 및 완충 장치는 많이 적용되고 있다. 단순한 의자의 충격 흡수에서부터 항공기나 자동차의 바퀴 및 현가장치, 또는 자동차의 범버나 교량의 진동흡수장치까지 완충 및 제동장치는 널리 적용되고 있다.
본 발명에서 제안한 전자력을 이용한 충격 흡수 방법은 기존 스프링이나 탄성체에서 구현할 수 없는 다양한 제동 및 완충 효과를 얻을 수 있다. 또한 충격량에 대응하여 충격을 시간에 대해서 분산할 수 있기 때문에 물체에 가해지는 충격에너지를 조절할 수 있다. 자동차 범퍼와 같이 충격 흡수가 목적이라면 충격량에 맞게 단위 충격 에너지가 최소가 될 수 있게, 전자석에 인가되는 복소지수함수 전원의 파라미터를 조절함으로써 운전자가 받는 충격을 분산하여 보다 안전하게 운전자를 보호할 수 있다.
도 1은 본 발명의 전체 구성도.
도 2는 본 발명의 개요도.
도 3은 제동계수가 0보다 작을 때 복소지수함수 파형.
도 4는 제동계수가 0보다 클 때 복소지수함수 파형.
도 5는 코일에 흐르는 전류와 자기력 파형.
도 6은 코일에 흐르는 전류와 자기력 파형.
도 7은 코일에 흐르는 전류와 자기력 파형.
도 8은 코일에 흐르는 전류와 자기력 파형.
도 9는 코일에 흐르는 전류와 자기력 파형.
도 10은 실시예 전체 구성도.
도 11은 실시예 1의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 12는 실시예 1의 영구자석의 변위.
도 13은 실시예 2의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 14는 실시예 2의 입력이 복소지수함수일 때, 영구자석의 변위.
도 15는 실시예 3의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 16은 실시예 3의 입력이 복소지수함수일 때, 영구자석의 변위.
도 17은 실시예 4의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 18은 실시예 4의 입력이 복소지수함수일 때, 영구자석의 변위.
도 19는 실시예 5의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 20은 실시예 5의 입력이 복소지수함수일 때, 영구자석의 변위.
도 21은 실시예 6의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 22는 실시예 6의 입력이 복소지수함수일 때, 영구자석의 변위.
도 23은 실시예 7의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 24는 실시예 7의 입력이 복소지수함수일 때, 영구자석의 변위.
도 25는 실시예 8의 전압, 전류, 토크, 자속 파형.
도 26은 실시예 8의 입력이 복소지수함수일 때, 영구자석의 변위.
도 27은 다수 전자석을 포함한 완충장치 개요도.
본 발명의 기본적인 논리는 매우 단순하지만, 이를 구현하기 위한 물리적, 수학적 기초와 전기자기적인 관계는 매우 복합적이다.
[본 발명을 수행하기 위한 하드웨어]
도 1은 본 발명을 수행하기 위한 전체적인 블록 구성도로서, 동도면을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명을 수행하기 위한 구성은, 전자석(10)과 복소전원발생부(20)와 영구자석(30)과 센서(40)와 검출부(50)와 변환부(60)와 제어부(70)와 입력전원부(80)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 전자석(10)은 복소전원발생부(20)에서 입력되는 전압과 전류를 입력으로 사용하여 전자력을 발생한다.
상기 복소전원발생부(20)는 제어부(70)에서 출력되는 파라미터로부터 복소지수함수 형태의 전원을 발생한다. 복소지수함수 전원은 마이크로컨드롤러와 전력전자소자를 사용해서 발생할 수 있다.
상기 영구자석(30)은 전자석(10)에서 전자력이 발생하였을 때, 자화될 수 있는 물체로 여기에는 센서(40)가 부착되어 충격을 검출할 수 있다.
상기 센서(40)는 영구자석(30)에 부착되어 충격이나 속도를 검출하여 검출부(50)에 입력한다.
상기 검출부(50)에서는 센서(40)에서 입력한 신호를 검출하여 변환부(60)로 입력한다.
상기 변환부(60)에서는 검출부(50)에서 검출한 신호를 전기적인 신호로 변환하여 제어부(70)로 입력한다.
상기 제어부(70)에서는 변환부(60)에서 출력한 신호를 입력받아 복소지수함수의 파라미터를 계산하여 이를 복소전원발생부(20)에 입력한다.
본 발명은 전자력을 이용한 완충 방법에 관한 것으로 복소지수함수 형태로 전원을 만들어서 전자석(10)에 인가함으로써 영구자석(30)에 가해지는 충격을 완화한다. 복소지수함수 전원을 인가하였을 때, 영구자석의 변위(움직임)는 복소지수함수 형태가 되므로 전자석과 영구자석 사이에는 스프링이 있는 것과 같은 효과를 발생한다.
먼저 본 발명에 구현하는데 필요한 기초적인 이론에 대해서 기술한다.
후크의 법칙(Hooke's law)은 물체가 탄성한계 이내에서 힘을 받아 생기는 변위 x는 작용하는 외력 F의 크기에 정비례한다는 것이다. 이를 수식으로 표현하면 수학식 1과 같다.
Figure 112012068474893-pat00001
이것을 정량화하면 수학식 2와 같다.
Figure 112012068474893-pat00002
여기서 비례상수 k는 스프링상수(spring constant)라 하며, 힘을 변형량으로 나눈 값으로 힘-변위 곡선에서 기울기이다. 그리고 스프링상수의 단위는 [N/m]이다. 수학식 2는 탄성체에 외력이 가해졌을 때, 변위와 힘의 관계를 나타낸 것으로 선형적인 관계가 성립한다.
일반적으로 솔레노이드는 코일에 전류를 인가시켜 자기에너지를 변환시킨 다음 기계적인 에너지의 형태로 사용할 수 있는 장치를 말한다. 솔레노이드는 자동차 연료밸브와 같은 유압밸브나 공압 밸브에서부터 전기기계적인 스위치나 제어기등 산업전분야에 걸쳐 사용되고 있다. 본 발명에서는 솔레노이드와 같이 전자력을 발생할 수 있는 전자석을 이용해서 스프링과 같은 역할을 할 수 있도록 하는데 그 독창성이 있다. 다만 솔레노이드는 주로 흡입력을 이용하는 반면 본 발명은 흡입력과 반발력을 동시에 이용한다는 점에서 큰 차이가 있다.
도 2는 철심(S20)에 감긴 코일(S10)에 전압을 인가할 때, 자력(S30)을 발생하고 있는 전자석을 나타낸 것이다. 전자석의 전자력 Fm은 복소전원발생부와 제어부에 의해서 제어되는데, 거리 x만큼 떨어진 곳에 있는 영구자석(S40)이 위치해 있고, 영구자석에 붙은 센서(S50)에서 외부에서 작용하는 외력 FL을 검출하여 복소전원발생부에 입력하는 구조이다. 복소전원발생부(S60)에서는 제어부에서 입력받은 파라미터를 이용하여 복소지수함수 전원를 발생하는데, 센서(S40)에서 검출한 외력에 비례하여 전자력을 발생하는 역할을 한다. 따라서 전자석은 전자력을 발생하여 스프링과 같은 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 복소지수함수 전원의 파라미터를 조절하여 다양한 형태의 전자력을 발생할 수 있다.
도 2에 나타나 있는 전자석 회로에 전압 v(t)를 인가 할 때, 키르히호프 전압법칙을 적용하면 수학식 3과 같다.
Figure 112012068474893-pat00003
양변을 미분하면 전류변화는 수학식 4와 같다.
Figure 112012068474893-pat00004
여기에서 x는 영구자석의 변위이고 L은 전기코일의 인덕턴스이다. 그리고 R은 전기코일의 저항이며 i, v는 각각 코일에 흐르는 전류와 전압이다.
전자석 코일의 인덕턴스 L(x)는 영구자석의 위치에 따라서 비선형적으로 가변하는데, 코일의 권선수를 N이라 할 때, 인덕턴스를 릴럭턴스 R(x)로 나타낼 수 있다.
Figure 112012068474893-pat00005
일반적으로 릴럭턴스는 수학식 6과 같이 나타낸다.
Figure 112012068474893-pat00006
여기에서 A는 자기회로의 단면적이고 μ는 물질의 투자율이다. 최대 공극을 xm라 하면 실제 공극은 xm-x이다.
Figure 112012068474893-pat00007
여기서 Ag는 공극의 단면적이고,μ0는 공기의 투자율이다.
그러므로 인덕턴스는 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112012068474893-pat00008
그리고 인덕턴스의 미분은 수학식 9와 같다.
Figure 112012068474893-pat00009
이 식에서 코일의 인덕턴스 변화는 코일의 단면적 Ac와 투자율 uc 그리고 코일을 감은 권선수 N이 지배함을 알 수 있다. 또한 영구자석과 전자석 사이의 거리가 매우 작으면 인덕턴스 변화가 커짐을 알 수 있다. 이와 같은 인덕턴스의 변화는 전자력을 계산할 때 필요하다.
영구자석의 질량을 m, 제동계수와 스프링상수를 각각 d와 k라 할 때, 영구자석에 작용하는 자기력은 영구자석의 변위 x로 나타낼 수 있다.
Figure 112012068474893-pat00010
코일에 흐르는 전류가 영구자석에 종속적이라 할 때, 자속은 수학식 11과 같다.
Figure 112012068474893-pat00011
그리고 전체 저장된 에너지는 수학식 12와 같다.
Figure 112012068474893-pat00012
그러므로 자기력은 수학식 13과 같다.
Figure 112012068474893-pat00013
그러므로 영구자석에 작용하는 자기력으로 표현한 영구자석의 변위 x에 대한 미분방정식은 수학식 14와 같다.
Figure 112012068474893-pat00014
여기에서 m은 영구자석의 질량이고, d는 제동계수이며, k는 스프링상수이다. 그리고 x는 영구자석의 변위이며, Fm은 전자석의 자기력이다.
수학식 14에서 영구자석 변위 x는 전류 i와 인덕턴스에 따라 변화함을 알 수 있다. 만일 변위 x에 대한 코일 인덕턴스 변화가 전류 i에 비해서 크게 작으면, 코일의 전류를 변화해서 변위 x를 제어할 수 있다.
복소지수함수는 지수항에 복소수가 있는 함수로 수학식 15와 같다.
Figure 112012068474893-pat00015
실수부와 허수부에 위상을 추가하여 나타내면 다음과 같은 복소지수함수를 얻을 수 있다.
Figure 112012068474893-pat00016
Figure 112012068474893-pat00017
여기에서 A는 복소지수함수의 크기를 의미하며, α는 제동계수를 의미한다. 그리고 ω와 φ는 각각 복소지수함수의 주파수와 위상을 나타낸다.
수학식 16과 수학식 17은 사인항과 코사인항만 다르므로 두 함수는 위상차만 90도 발생한다. 따라서 본 발명에서는 두 함수를 복소지수함수로 명칭한다. 제동계수가 0보다 작은 복소지수함수의 전형적인 형태는 도 3과 같고, 제동계수가 0보다 큰 복소지수함수는 형태는 도 4와 같다.
복소지수함수에서 설정할 수 있는 파라미터는 크기(A)와 제동계수(α), 그리고 주파수(ω)와 위상(φ)이 있다. 크기는 복소지수함수의 초기 크기를 결정하고 제동계수는 시간에 따라서 감쇠하는 비율을 나타낸다. 그리고 주파수와 위상은 각각 복소지수함수의 주기와 초기 위상을 나타낸다. 본 발명에서는 이와 같은 파라미터를 조절하여 전자력을 가변함으로써 다양한 형태의 제동과 완충 효과를 구현할 수 있다. 본 발명은 이와 같은 복소지수함수 전원을 전자석에 인가하여 복소지수함수 형태의 전자력을 발생함으로써 물체에 가해지는 충격 흡수와 제동을 한다.
코일에 흐르는 전류가 인덕턴스의 변화보다 큰 값을 가지면, 자기력은 코일에 흐르는 전류의 제곱에 비례함을 알 수 있다. 그러므로 일정 위치에서 자기력과 코일에 흐르는 전류 사이에는 수학식 18이 성립한다.
Figure 112012068474893-pat00018
만일 코일에 흐르는 전류가 수학식 16과 같은 복소지수함수라면, 자기력과 코일에 흐르는 전류 사이에는 수학식 19와 같은 관계가 성립한다.
Figure 112012068474893-pat00019
그러므로 코일에 흐르는 전류가 복소지수함수 일 때, 자기력은 수학식 20과 같다.
Figure 112012068474893-pat00020
그러므로 자기력은 코일에 흐르는 전류의 주파수와 제동계수 그리고 크기와 위상에 따라서 다양한 형태로 나타낼 수 있다. 영구자석에 작용하는 자기력은 코일에 흐르는 전류가 복소지수함수일 때, 복소지수함수의 주파수의 2배 크기를 가진 주기함수가 된다.
전류의 변화에 대한 자기력 몇 가지 예는 다음과 같다.
수학식 20에 나타난 파라미터가 수학식 21과 같다고 할 때, 코일에 흐르는 전류와 자기력은 도 5와 같다. 코일에 흐르는 전류가 지수적으로 감소할 때, 자기력 크기도 지수적으로 감소함을 알 수 있다. 이 경우는 주파수가 0이므로 주기함수가 아니라 지수함수가 됨을 알 수 있다.
Figure 112012068474893-pat00021
자기력에 관한 수학식 20의 파라미터를 수학식 22와 같이 설정할 때, 코일에 흐르는 전류와 자기력은 도 6과 같다. 전류가 복소지수함수로 감쇠할 때, 전자석에서 발생하는 자기력 크기도 복수지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 앞에서 기술한 것과 같이 자기력 주파수는 코일에 흐르는 전류의 2배가 됨을 알 수 있다.
Figure 112012068474893-pat00022
자기력에 관한 수학식 20의 파라미터를 수학식 23과 같이 설정할 때, 코일에 흐르는 전류와 자기력은 도 7과 같다. 전류가 복소지수함수로 감쇠할 때, 전자석에서 발생하는 자기력 크기는 복수지수함수로 감쇠하고, 제동계수의 크기(절대값)가 커지면 보다 빠르게 감쇠함을 알 수 있다.
Figure 112012068474893-pat00023
자기력에 관한 수학식 20의 파라미터를 수학식 24와 같이 설정할 때, 코일에 흐르는 전류와 자기력은 도 8과 같다. 이 경우는 전류가 복소지수함수로 증가할 때, 전자석에서 발생하는 자기력은 복수지수함수로 증가함을 알 수 있다. 이 경우에는 제동계수가 영보다 큰 값을 가지고 있는 경우로 전자력이 점점 커진다.
Figure 112012068474893-pat00024
이상은 단일 복소지수함수의 파라미터에 따라서 전자석에서 발생하는 자기력의 변화를 기술하였다. 그러나 복소지수함수의 합으로 보다 유연한 자기력을 만들 수 있다. 예를 들면 2개의 복소지수함수를 조합하면 도 9와 같은 전류에 대한 자기력을 얻을 수 있다. 본 발명은 이와 같은 복소지수함수들의 합으로 만들어진 전압과 전류를 전자석에 인가하여 충격 흡수를 할 수 있는 전자력을 구현하는 것을 포함한다.
Figure 112012068474893-pat00025
이하는 상기한 본 발명의 정확성과 효율성을 실시예를 통하여 설명한다.
전자력을 이용한 충격 흡수 방법을 시험하기 위하여 도 10과 같이 모의 실험 장치를 구성하였다. 전자석에 입력되는 전압과 전류는 전력증폭기나 전력전자소자 및 마이크로컨트롤러를 통해 복소지수함수나 그 합으로 변환할 수 있다. 실험을 위해서 입력전압은 직류 50 V를 사용하였으며, 실험에 사용된 전자석 코일의 권선수는 1100회, 단면적은 4cm2, 비투자율μr은 4000으로 설정하였다. 실험에서 사용된 코어는 영구자석이므로, 코일에서 발생된 자계에 의한 영향을 무시하였다.
실험장치의 동작과정은 다음과 같다. 초기 외력이 영구자석 코어에 인가되면, 검출부에서 이를 검출하고, 변환기에서 전기적 신호로 변환하여 제어부에 입력한다. 제어부에서는 외력이 없을 때, 신호를 발생하지 않고 대기상태에 있다가 변환기에서 신호가 입력되거나 사용자가 스위치를 조작하면, 복소지수함수의 파라미터를 출력한다. 그리고 복소전원발생부에서는 제어부에서 출력한 파라미터를 이용하여 복소지수함수 전원을 발생하여 전자석(솔레노이드)에 전원으로 인가한다.
복소지수함수 전원이 전자석에 인가되었을 때, 영구자석은 전자석과 가까워지거나 멀어지게 된다. 영구자석이 전자석에 근접하는 속도는 크기와 주파수 및 제동계수를 통해서 조절할 수 있는데 이것은 외력에 비례해서 설정할 수 있다.
제어부에서 설정할 수 있는 파라미터는 크기와 제동계수, 그리고 주파수와 위상이 있다. 수학식 20에서 인덕턴스 변화가 작다면 전자력은 크기(A)의 제곱에 비례한다. 그러므로 복소지수함수 크기는 계측한 신호의 크기에 비례해서 설정할 수 있다. 초기 시간 t=0이라면, 초기 전자력의 크기는 주파수와 제동계수의 영향을 받지 않는다. 주파수는 복소지수함수의 주기를 나타내므로 주파수를 크게 설정하면 전자력을 크게 할 수 있다. 또한 제동계수가 음수일 때, 크게 설정하면 감쇠를 더 오래 지연시킬 수 있다. 그리고 위상은 초기 복소지수함수의 위상을 나타내므로 초기 크기를 가변할 때, 복소지수함수 크기와 같이 적용할 수 있다.
[실시예1]
도 11은 시간 1.0초에 50V 전원을 전자석 코일에 인가하고, 5.0초에 외부에서 영구자석에 30N의 힘을 1초간 가하였을 때, 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 전원이 인가되면서 0.05A의 전류가 코일에 흐르고, 이에 비례해서 자속이 발생함을 알 수 있다. 그리고 도 12에 나타낸 영구자석의 변위는 외부에서 힘이 가해지는 순간 미세하게 변화함을 알 수 있다.
[실시예2]
도 13은 시간 1.0초에 50V 전원을 인가하고, 동시에 외부에서 영구자석에 0.1N의 힘을 1초간 가하였을 때, 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 복소전원발생부에서는 검출기에서 검출한 외력 0.1N에 대응하여 복소지수함수를 발생하였다. 발생한 복소지수함수는 크기 100, 제동계수 -0.1, 주파수 0.0Hz, 위상 0도인 전원을 발생하여 전자석 코일에 인가였다. 그 결과 전압과 전류가 지수함수로 감쇠하고 자속도 지수함수 감소한다. 그리고 도 14에는 영구자석의 변위가 나타나 있는데, 외부에서 힘이 가해지는 순간부터 영구자석의 변위는 자속과 마찬가지로 지수적으로 감쇠함을 알 수 있다.
[실시예3]
도 15는 시간 1.0초에 50V 전원을 인가하고, 동시에 외부에서 영구자석에 0.1N의 힘을 1초간 가하였을 때, 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 복소전원발생부에서는 검출기에서 검출한 외력 0.1N에 대응하여 복소지수함수를 발생하였다. 제어부에서 크기 100, 제동계수 -0.1, 주파수 0.1Hz, 위상 0도로 파라미터를 설정하고, 복소전원발생부에서 발생한 복소전원을 전자석 코일에 인가였다. 그 결과 전압과 전류가 복소지수함수로 감쇠하고 자속도 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 그리고 도 16에는 영구자석의 변위가 나타나 있는데, 외부에서 힘이 가해지는 순간부터 영구자석의 변위는 전류 주기의 2배로 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다.
[실시예4]
도 17은 실시예 3에서 주파수를 변화하였을 때, 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 복소전원발생부에서는 검출기에서 검출한 외력 0.1N에 대응하여 복소지수함수를 발생하였는데, 복소지수함수의 크기는 100, 제동계수 -0.1, 주파수 1.0Hz 전원을 만들어 전자석 코일에 인가였다. 그 결과 전압과 전류가 복소지수함수로 감쇠하고 자속도 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 그리고 도 18에는 영구자석의 변위가 나타나 있는데, 외부에서 힘이 가해지는 순간부터 영구자석의 변위는 전류 주기의 2배로 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 동일한 외력에 대해서 주기만 변화하였는데, 실시예 3에서는 영구자석의 최대변위가 3.5mm인 반면 도 18에서는 5.4mm 까지 증가함을 알 수 있다. 즉 복소지수함수의 주파수를 크게 하면 전자력이 증가함을 알 수 있다.
[실시예5]
도 19는 실시예4의 경우에서 제동계수만 0.1에서 0.3으로 변화하였을 때, 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 복소전원발생부에서 복소지수함수 크기 100, 제동계수 -0.3, 주파수 1.0Hz, 위상 0도인 전원을 만들어 전자석 코일에 인가였다. 그 결과 전압과 전류가 복소지수함수로 감쇠하고 자속도 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 이 경우도 실시예 4에서와 같이 외부에서 힘이 가해지는 순간부터 영구자석의 변위는 전류 주기의 2배로 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 동일한 외력에 대해서 실시예 4에서는 영구자석의 최대변위가 5.4mm인 반면, 제동계수가 0.1에서 0.3으로 변화한 도 20에서는 3.0mm로 감소함을 알 수 있다. 이로부터 제동계수가 감소하면 전자력이 감소함을 알 수 있다.
[실시예6]
도 21은 실시예 4의 경우에서 복소지수함수의 크기만 100에서 200으로 변화하였을 때, 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 복소전원발생부에서 복소지수함수 크기 200, 제동계수 -0.1, 주파수 1.0Hz인 전원을 만들어 전자석 코일에 인가였다. 그 결과 전압과 전류가 복소지수함수로 감쇠하고 자속도 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 이 경우도 실시예 4에서와 같이 외부에서 힘이 가해지는 순간부터 영구자석의 변위는 전류 주기의 2배로 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 동일한 외력에 대해서 크기를 증가하였을 때, 영구자석의 최대변위는 22.5mm까지 커짐을 알 수 있다. 그러므로 전자석에 입력되는 복소지수함수의 크기를 증가하면 전자력도 크게 증가함을 알 수 있다. 실시예 6은 외부 토크가 일정한 상태에서 크기를 100에서 200으로 증가한 경우로 영구자석의 변위가 5.4mm에서 22.5mm로 증가하였다. 그러므로 외력에 비례해서 복소지수함수의 크기를 결정하면 전자력과 영구자석의 변위를 제어할 수 있다.
[실시예7]
도 23은 앞에서 기술한 실시예들과 달리 외력 1.0N으로 크게 증가하였을 때, 전자석에 인가되는 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 시간 1.0초에 외력 1.0N이 영구자석에 인가되고, 검출기에서 이를 검출하고 변환하여 제어부에 입력된다. 제어부에서는 복소지수함수 크기 500, 제동계수 -0.1, 주파수 1.0Hz, 위상 0도인 파라미터를 설정하고 이를 복소전원발생부에 입력한다. 복소전원발생부에서는 입력된 파라미터로 복소지수함수 전원을 만들어 전자석 코일에 인가하였다. 그 결과 전압과 전류가 복소지수함수로 감쇠하고 자속도 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 그리고 도 24에는 영구자석의 변위가 나타나 있는데, 외부에서 힘이 가해지는 순간부터 영구자석의 변위는 전류 주기의 2배로 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 외력 증가에 대응해서 크기를 500으로 증가하였기 때문에 영구자석의 최대변위는 137.2mm까지 증가함을 알 수 있다.
[실시예8]
도 25는 실시예 7의 경우에서 주파수를 10Hz로 높이고 크기를 200으로 감소하였을 때, 전자석에 인가되는 전압과 전류, 외부토크 및 자속을 나타내고 있다. 제어부와 복소전원발생부에서는 복소지수함수 크기 200, 제동계수 -0.1, 주파수 10.0Hz인 전원을 만들어 전자석 코일에 인가였다. 그 결과 전압과 전류가 복소지수함수로 감쇠하고 자속도 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 그리고 도 26에는 영구자석의 변위가 나타나 있는데, 외부에서 힘이 가해지는 순간부터 영구자석의 변위는 전류 주기의 2배의 복소지수함수로 감쇠함을 알 수 있다. 동일한 외력에 대응해서 복소지수함수 크기를 감소하고, 주파수를 크게 하였을 때, 영구자석의 최대변위는 5.8mm로 크게 변화하였다. 이로부터 영구자석의 변위는 복소지수함수의 주파수보다 크기에 민감함을 알 수 있다.
전자석을 이용한 완충 방법에서 전자석 코일에 전원은 외부 신호가 없을 때는 영으로 인가할 필요성이 있다. 영구자석에서 외력이 작용했을 때, 전자석에 전원이 인가되고 점차 그 크기가 작아지게 된다. 만일 복소전원발생부(20)에서 출력한 최근 1주기 전압(전류)의 최대값이 최초 1주기 전압(전류)의 최대값의 5%(시정수 3배) 이하이면, 스위칭을 하여 전자석에 인가되는 전원을 영으로 만들 수 있다.
지금까지 전자석에 입력되는 복소지수함수 전원의 파라미터(제동계수, 주파수, 크기, 위상)와 외력의 변화에 대해서 전자석에 인가되는 전압과 전류 및 자속과 영구자석의 변위에 대해서 기술하였다. 전압이 복소지수함수 또는 그 합의 형태로 전자석에 인가되면, 전자석의 자속과 영구자석의 변위는 복소지수함수 또는 그 합의 형태로 나타남을 알 수 있다. 따라서 전자석에 인가되는 복소지수함수의 파라미터를 설정하면 스프링과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 발명은 상기 실시예와 같이 다양한 형태로 구현할 수 있으며, 실시예에 포함하지 않았으나 도 9와 같이 복소지수함수의 합을 전자석의 전원으로 인가할 수도 있다. 본 발명에서는 복소지수함수 형태의 전원을 전자석에 인가함으로써 복소지수함수 형태의 자속을 발생하였다. 그러므로 영구자석에 가해지는 외력에 대하여 영구자석의 변위가 복소지수함수로 가변됨을 알 수 있다. 영구자석의 변위는 영구자석의 움직임을 나타낸 것으로 전자석의 전자력에 의한 충격흡수 및 제동 효과를 나타낸다.
이와 같은 전자력은 실생활에 적용되고 있는 완충 및 제동을 목적으로 사용되고 있는 스프링에 적용될 수 있다. 이와 같은 전자석을 여러 개를 조합하면 탄성 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들면 자동차 범퍼는 안전성을 위해서 적절한 탄성계수를 갖고 있다. 본 발명에서 개발한 전자력 완충장치를 도 27과 같이 다수를 조합하면, 자동차 외부에서 범퍼에 가해지는 충격량에 맞추어 운전자에게 최소 충격이 전달될 수 있도록 탄성을 조절할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명은 특정 실시예를 예시하여 설명하지만 본 발명이 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지로 변형된 실시예도 가능하다.
10: 전자석 20: 복소전원발생부
30: 영구자석 40: 센서
50: 검출부 60: 변환부
70: 제어부 80: 입력전원
S10: 전자석코일 S20: 철심
S30: 자속 S40: 영구자석
S50: 센서 S60: 변위 x
S70: 대상물체 S80: 영구자석 지지대(스프링)
S90: 영구자석

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 코일을 감은 전자석(10)과 거리(S70)가 떨어진 영구자석(30) 및 영구자석에 부착된 센서(40);
    상기 센서(40)에서 신호를 계측하여 전기적신호로 변환하는 변환기(60) 및 파라미터를 설정하는 제어부(70);
    상기 제어부(70)에서 설정한 파라미터를 이용해서 복소지수함수 전원을 생성하는 복소전원발생부(20);
    상기 복소전원발생부(20)에서 출력한 1주기 전류의 최대값이 최초 1주기 최대전류의 5%이하이거나 전류의 시정수가 3배 이상 일 때, 전자석(10)에 흐르는 전류를 영으로 스위칭 하는 것을 특징으로 하는 전자력을 이용한 완충 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 복소전원발생부(20)에서 복소지수함수를 계산하는데 있어서;
    크기(A)와 지수항에 제동계수(α)가 포함된 지수함수를 곱하여 크기가 포함된 지수함수를 계산하는 스텝과;
    상기 크기가 포함된 지수함수와 주파수(ω) 및 위상(φ)을 포함하고 있는 코사인함수나 사인함수를 곱하여 복소지수함수를 계산하는 스텝과;
    상기 계산된 복소지수함수 합을 계산하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 전자력을 이용한 완충 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 복소지수함수에 포함된 제동계수는,
    전자석(10)에서 발생하는 전자력이 시간에 대해서 감소(도3)하도록 영보다 작게 설정하거나,
    전자력이 시간에 대해서 증가(도4)하도록 영보다 크게 설정하는 것을 특징으로 하는 전자력을 이용한 완충 방법.
  6. 코일을 감은 전자석(10)과 거리(S70)가 떨어진 영구자석(30) 및 영구자석에 부착된 센서(40);
    상기 센서(40)에서 신호를 계측하여 전기적신호로 변환하는 변환부(60) 및 파라미터를 설정하는 제어부(70);
    상기 제어부(70)에서 설정한 파라미터를 이용해서 복소지수함수 전원을 생성하는 복소전원발생부(20);
    상기 복소전원발생부(20)에서 출력한 1주기 전압의 최대값이 최초 1주기 최대전압의 5%이하이거나 전압의 시정수가 3배 이상 일 때, 전자석(10)에 인가되는 전압을 영으로 스위칭 하는 것을 특징으로 하는 전자력을 이용한 완충 방법.
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