KR101423528B1 - 동요 안정화 자이로스코프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이동체 또는 부유체의 동체에 고정되어 동요축(롤축 또는 피치축)을 중심으로 회전하는 웜기어부, 웜기어부의 양측면에 구비되어, 웜기어부가 구동됨에 따라 상이한 방향으로 동시에 회전하는 한 쌍의 웜힐, 웜힐과 결합되어 모멘트를 발생하는 모멘트 발생부 및 웜기어부 및 모멘트 발생부의 구동을 제어하는 제어기를 포함함으로써, 사용되는 짐벌모터의 개수가 최소화됨에 따라 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있고, 더불어 비용을 절감할 수 있다.

Description

동요 안정화 자이로스코프{ANTI-ROLLING GYROSCOPE}

본 발명은 이동체(Vehicle)와 부유체(Floating Platform)의 동요 안정화 자이로스코프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자이로스코프 기술을 이용하여 선박, 자동차 해양플랜트 등의 동요(rolling)를 억제하고 자세를 안정화시킬 수 있는 동요 안정화 자이로스코프에 관한 것이다.

이동체 또는 부유체의 운행중 주변 환경에서 발생하는 외력으로 인해 전후 또는 좌우로 흔들리는 동요가 발생하게 되고, 이 동요에 의하여 승객이나 화물의 안정성에 영향을 미치거나 대형 전복사고를 유발할 수 있다.

자동차의 경우, 굴곡이 있는 노면 주행중 발행하는 전후방향의 피칭(Pitching)과 커브길 주행중 원심력에 의해 발생하는 좌우방향의 롤링(Rolling)을 억제하기 위해 스프링, 댐퍼(Damper)로 구성된 수동형 현가장치(Passive Suspension System) 와 유압장치로 구성된 능동형 현가장치(Active Suspension System) 등이 있다.

선박의 경우, 이러한 롤링 현상은 항해중인 해상의 풍속과 선박내부의 화물의 적재위치나 선박의 무게중심의 위치에 따라 더욱 악화될 수 있고, 특히 소형 보트와 같이 롤링현상이 극심한 경우에는 보트가 전복되어 침몰에 이르게 됨으로써, 귀중한 승객과 선원의 생명은 물론, 선박과 적재화물 등의 망실로 인하여 막대한 재산상의 손실이 초래되기도 한다. 이에 선박의 롤링 현상을 억제하기 위한 다양한 선박 안정화장치가 개발되어 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 선박 안정화장치로는 빌지키일(Bilge Keel), 앤티롤링탱크(Anti-Rolling Tank), 핀스태빌라이져(Fin Stabilizer), 자이로스코프(Gyroscope) 등이 있다.

상기 빌지키일은 경제적으로 저렴하며, 운항 중이거나 정지 중에도 유효하지만 감쇠력이 낮다는 문제점이 있다.

앤티롤링탱크는 구조적으로 간단하며 운항 중이거나 정지 중에도 유효하지만 선체 내부에서 많은 공간을 차지하므로 소형 보트에는 적용되기 어렵고, 자유표면 효과에 의해 복원성이 낮다는 문제점이 있다.

핀스태빌라이져는 횡요 주기의 변화에 따라서 최적 제어가 가능하며 큰 감쇠효과를 가지고 있는 장점이 있지만, 저속 및 정지 상태에서 감쇠 효과가 작고, 고가이며, 선체 부가물로 작용하여 운항 중 저항을 증가시키는 요인이 된다는 문제점이 있다.

또한, 기존의 자이로스코프를 이용한 선박 안정화장치는 운행 및 정지 중에도 유효하며, 감쇠 성능이 큰 장점이 있지만, 선체에서 많은 공간을 차지하며, 고가여서 많은 비용이 요구된다는 문제점이 있다.

특허문헌 1 : 대한민국 특허출원 제10-2006-7016469호(2006.08.16)

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 웜기어를 이용하여 단일의 짐벌모터만으로 쌍으로 배치된 스핀모터를 장착한 웜휠을 구동하는 구조로 이루어진 동요 안정화 자이로스코프를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프는 이동체 또는 부유체의 동체에 고정되어 동요축(롤축 또는 피치축)을 중심으로 회전하는 웜기어부, 웜기어부의 양측면에 구비되어, 웜기어부가 구동됨에 따라 상이한 방향으로 동시에 회전하는 한 쌍의 웜힐, 웜힐과 결합되어 모멘트를 발생하는 모멘트 발생부 및 웜기어부 및 모멘트 발생부의 구동을 제어하는 제어기를 포함하되, 웜기어부는 동요축을 중심으로 회전하는 짐벌축, 짐벌축의 일단에 결합되어 회전력을 발생시키는 짐벌모터, 및 짐벌축의 타단에 결합되어 회전력을 양측에 맞물려 있는 웜힐에 직접전달하는 웜기어을 포함하고, 모멘트 발생부는 웜기어에 의해 회전하는 웜휠에 결합되어 독립된 회전력을 발생시키는 스핀모터 및, 스핀모터와 스핀축으로 결합되어 스핀모터의 회전력으로 모멘트를 발생시키는 휠를 포함하여, 모멘트발생 축에 수직이 되는 제3의 축에 각각 생성된 토크의 벡터 합성에 의해서 동요축 방향으로 최종 토크가 발생하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프는 웜기어를 이용하여 단일의 짐벌모터만으로 쌍으로 배치된 스핀모터를 장착한 웜휠을 구동하는 구조로 이루어져, 사용되는 짐벌모터의 개수가 최소화됨에 따라 크기와 무게를 대폭 줄일 수 있는 효과가 있고, 더불어 비용을 절감할 수 있는 현저한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프가 이동체 또는 부유체에 장착된 상태를 도시한 평면도,
도 2는 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프의 상세한 구조를 도시한 도면, 및
도 3은 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프에 의한 토크의 발생을 도시한 도면이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프의 바람직한 실시예에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프가 이동체 또는 부유체에 장착된 상태를 도시한 평면도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프(100)는 설치되는 위치에 따라 롤축(X)을 중심으로 하는 동요, 즉 횡 동요를 억제하기 위한 롤축 제진용 자이로스코프(100`)로 사용될 수 있고, 피치축(Y)을 중심으로 하는 동요, 즉 피치축(Y) 동요를 억제하기 위한 피치축 제진용 자이로스코프(100``)로 사용될 수 있다.

한편, 상기 롤축 제진용 자이로스코프(100`)와 상기 피치축 제진용 자이로스코프(100``)는 이동체 또는 부유체의 어딘가에 구비된 제어기(300)에 의해 제어된다.

참고로, 도 1에는 상기 롤축 제진용 자이로스코프(100`)와 상기 피치축 제진용 자이로스코프(100``)가 하나씩 배치되어 있지만, 상기 이동체 또는 부유체의 크기에 따라 복수개가 배치될 수도 있다.

상기 롤축 제진용 자이로스코프(100`)와 상기 피치축 제진용 자이로스코프(100``)는 동일한 구성이며, 다만 배치되는 위치에 따라 상이한 방향으로 토크를 발생시킨다.

도 2는 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프의 상세한 구조를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프는 이동체 또는 부유체의 동체에 고정되어 동요축(롤축 또는 피치축)을 중심으로 회전하는 웜기어부(110), 상기 웜기어부(110)의 양측면에 구비된 웜휠(120a. 120b), 상기 웜힐(120a, 120b)과 결합된 모멘트 발생부(130a, 130b)를 포함한다.

상기 웜기어부(110)는 이동체 또는 부유체의 동체에 고정되어 동요축(롤축 또는 피치축)을 중심으로 회전하는 짐벌축(112)과 상기 짐벌축(112)의 일단에 결합되어 회전력을 발생시키는 짐벌모터(111), 및 양측면에 구비된 웜휠(120a, 120b)과 맞물려 한쌍의 상기 웜휠(120a, 120b)을 동시에 회전시키는 웜기어(113)를 포함한다.

한편, 상기 모멘트 발생부(130a, 130b)는 상기 웜기어(113)에 의해 회전하는 웜휠(120a, 120b)에 결합된 스핀모터(132a, 132b)와 상기 스핀모터(132a, 132b)의 스핀축에 결합되어 상기 스핀모터(132a, 132b)에 의해 회전하여 모멘트(140a, 140b)를 발생시키는 휠(131a, 131b)를 포함한다.

상술한 바와 같은 구성을 포함하는 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프에 의해 이동체 또는 부유체가 어떻게 안정화가 이루어지는지 도 1 및 도 3을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 동요 안정화 자이로스코프가 롤축(X)을 중심으로 하는 동요, 즉 횡 동요를 억제하기 위한 롤축 제진용 자이로스코프(100`)로 사용된 경우를 그 실시예로 설명한다.

상기 이동체 또는 부유체가 롤축(X)을 중심으로 하는 동요하는 경우, 상기 제어기(300)가 상기 스핀모터(132a, 132b)를 구동시켜 회전시키면, 스핀축에 장착된 휠(131a, 131b)도 고속으로 회전하면서 모멘트(140a, 140b)를 발생시킨다.

이때, 상기 제어기(300)가 상기 짐벌모터(111)를 구동하면, 상기 웜기어(113)와 상기 웜기어(113)의 좌우 대칭으로 배치된 웜휠(120a, 120b)이 회전함에 따라, 상기 스핀모터(132a, 132b) 쌍이 요축(150a, 150b)을 중심으로 회전하여 상기 짐벌모터(111)의 회전축(114)에 토크가 생성되고, 아울러 상기 모멘트(140a, 140b)발생 축에 동시에 수직이 되는 제3의 축에 각각 토크(160a, 160b)가 생성된다.

이때, 각각 스핀모터(132a, 132b)에 의해 발생한 토크(160a, 160b)는 벡터의 합성에 의해서 동요축(X) 방향으로 최종 토크(90)를 발생시켜 동요축(X)을 중심으로 한 횡 동요를 억제함으로써, 이동체 또는 부유체를 안정화시킨다.

피치축(Y)을 중심으로 하는 동요, 즉 피치축(Y) 동요를 억제하기 위한 피치축 제진용 자이로스코프(100``)로 사용되는 경우에 대해서는 상술한 바와 같이 롤축(X)을 중심으로 하는 동요, 즉 횡 동요를 억제하기 위한 롤축 제진용 자이로스코프(100`)로 사용원리와 동일하여 구체적인 설명은 생략한다.

다만, 상이한 방향으로 설치된 이들 피치축 제진용 자이로스코프(100``)와 롤축 제진용 자이로스코프(100`)가 동시에 구동되어 이동체 또는 부유체의 안정화를 더욱 향상시킬 수 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 하기에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

100, 100`, 100`` : 동요 안정화 자이로스코프
110 : 웜기어부 111 : 짐벌모터
112 : 짐벌축 113 : 웜기어
114 : 회전축
120a, 120b : 웜휠
130a, 130b : 모멘트 발생부
131a, 131b : 휠
132a, 132b : 스핀모터
140a, 140b : 모멘트
150a, 150b : 요축
160a, 160b : 토크
90 : 최종 토크

Claims (5)

1. 이동체 또는 부유체에 장착된 동요 안정화 자이로스코프에 있어서,
   상기 이동체 또는 부유체의 동체에 고정되어 동요축(롤축 또는 피치축)을 중심으로 회전하는 웜기어부(110);
   상기 웜기어부(110)의 양측면에 구비되어, 상기 웜기어부(110)가 구동됨에 따라 상이한 방향으로 동시에 회전하는 한 쌍의 웜힐(120a, 120b);
   상기 웜힐(120a, 120b)과 결합되어 모멘트(140a, 140b)를 발생하는 모멘트 발생부(130a, 130b); 및
   상기 웜기어부(110) 및 상기 모멘트 발생부(130a, 130b)의 구동을 제어하는 제어기(300);를 포함하는 것을 특징으로 하는 동요 안정화 자이로스코프.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 웜기어부(110)는,
   동요축을 중심으로 회전하는 짐벌축(112);
   상기 짐벌축(112)의 일단에 결합되어 회전력을 발생시키는 짐벌모터(111); 및
   상기 짐벌축(112)의 타단에 결합되어 상기 회전력을 양측에 맞물려 있는 상기 웜힐(120a, 120b)에 직접전달하는 웜기어(113);을 포함하는 것을 특징으로 하는 동요 안정화 자이로스코프.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 모멘트 발생부(130a, 130b)는,
   상기 웜기어(113)에 의해 회전하는 웜휠(120a, 120b)에 결합되어 독립된 회전력을 발생시키는 스핀모터(132a, 132b); 및,
   상기 스핀모터(132a, 132b)와 스핀축으로 결합되어 상기 스핀모터(132a, 132b)의 회전력으로 모멘트(140a, 140b)를 발생시키는 휠(131a, 131b);를 포함하는 것을 특징으로 하는 동요 안정화 자이로스코프
   
4. 제 1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 모멘트(140a, 140b)발생 축에 수직이 되는 제3의 축에 각각 토크(160a, 160b)가 생성되고, 상기 토크(160a, 160b)의 벡터 합성에 의해서 동요축 방향으로 최종 토크(90)가 발생하는 것을 특징으로 하는 동요 안정화 자이로스코프.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 제어기(300)는 상기 웜기어부(110) 및 상기 모멘트 발생부(130a, 130b)의 구동을 제어하여 동요에 따라 발생되는 최종 토크(90)의 크기를 조절하는 것을 특징으로 하는 동요 안정화 자이로 스코프.

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