KR102121914B1 - 발전 댐퍼링 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 베어링의 외륜에 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 수용되고, 상기 베어링의 휘돌림 운동에 의한 힘을 전달받도록 상기 베어링의 외륜에 접촉되게 배치되는 패드; 일 단부가 상기 패드에 접촉되어 상기 패드로부터 전달된 힘에 의해 반경 방향으로 운동하는 핀; 및 상기 핀의 타 단부에 배치되어, 상기 핀의 운동에 의해 압축 변형되어 전기 에너지를 생산 가능하게 하는 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 발전 댐퍼링 장치를 제공한다.

Description

발전 댐퍼링 장치{Generator Dampering Apparatus}
본 발명은 회전계에서 버려지는 에너지인 베어링의 반경방향 진동을 이용하여 자가 발전이 가능하고, 자체 감쇠력을 가지는 발전 댐퍼링 장치에 관한 것이다.
볼 베어링은 일반적으로 적용이 용이하고 높은 강성을 기대할 수 있기 때문에 일반적인 회전기기를 사용하는 산업현장에서 많이 사용되고 있다. 특히, 산업의 고도화에 따라 회전기계는 점점 소형화 및 고속화되어 가며, 이에 따라 베어링의 신뢰성 및 안정성이 점점 엄격하게 요구된다.
하지만, 볼 베어링은 높은 강성에 비해 낮은 감쇠력으로 인해 소음 발생이 심하고 마찰에 의한 열적 불안정성을 가진다.
볼 베어링에 감쇠력을 제공하기 위해 다양한 방법이 사용되고 있지만 구조적 문제점으로 소성변형의 발생이 쉬우며, 제작이 용이하지 않아 쓰임이 제한적이고 아직 개발 초기 단계이다.
종래의 댐퍼 구조는, 진동링의 내측, 외측링이 볼트를 이용하여 조립되어 있다. 따라서, 하중의 크기에 따라 비틀림 모션이 생길 수 있기 때문에 반경방향 힘은 온전히 PZT에 제공될 수 없다. 또한, 반경방향의 증가에 따라 PZT에 가해지는 압축변위가 계속적으로 증가하는 구조이며, PZT가 감당할 수 있는 힘을 넘어서게 될 경우 PZT의 파손을 야기한다.
한국 공개 특허 제10-2016-0078412호
본 발명은, 상기의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 소성 변형 또는 비틀림 모션의 발생을 최소화하며 자가 발전이 가능하면서도 자체 감쇠력을 가지는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 발전 댐퍼링 장치는, 베어링의 외륜에 설치되는 하우징; 상기 하우징의 내부에 수용되고, 상기 베어링의 휘돌림 운동에 의한 힘을 전달받도록 상기 베어링의 외륜에 접촉되게 배치되는 패드; 일 단부가 상기 패드에 접촉되어 상기 패드로부터 전달된 힘에 의해 반경 방향으로 운동하는 핀; 및 상기 핀의 타 단부에 배치되어, 상기 핀의 운동에 의해 압축 변형되어 전기 에너지를 생산 가능하게 하는 압전 소자를 포함한다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 하우징은, 상기 베어링의 외륜에 설치되고, 상기 패드의 반경 방향의 이동을 제한하도록 상기 패드를 수용하는 제1하우징을 포함한다.
상기 제1하우징의 외면은, 상기 핀의 운동을 가이드하는 가이드 홀을 구비할 수 있다.
상기 하우징은, 상기 제1하우징의 외주에 배치되고, 상기 압전 소자를 탄성 변형 가능하도록 수용하는 제2하우징을 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제2하우징의 내부에는, 상기 압전 소자에 탄성적으로 연결되어 상기 압전 소자를 탄성 지지하도록 이루어지는 탄성부; 및 상기 탄성부를 결합시키도록 상기 제2하우징의 내부에 결합되는 결합부가 설치될 수 있다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 패드, 상기 핀 및 상기 압전 소자는 각각 상기 베어링의 외륜에서 원주 방향을 따라서 이격되도록 복수 개로 배치된다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 베어링의 휘돌림 운동에 의해 상기 베어링의 반경 및 접선 방향으로 운동에 의한 힘을 전달받도록 상기 패드는 상기 베어링의 외륜의 외주에 면접촉하도록 배치된다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 핀은 상기 패드의 외면에 면접촉 가능하여 상기 베어링의 반경 방향 미세 휘돌림 운동을 반경 방향 운동으로 변환 가능하도록, 상기 핀의 일 단부는 곡면을 구비하도록 이루어지고, 상기 패드는 외주에 상기 핀의 일 단부를 수용하는 수용부를 구비한다.
본 발명은, 베어링으로부터 전달되는 휘돌림 운동을 패드가 핀에 반경 방향 및 원주 방향의 힘을 전달하여 압전 소자를 변형시킨다. 이로 인해, 회전계에서 버려지는 에너지인 베어링의 반경 방향 진동을 이용하여 자가 발전을 가능하게 한다.
본 발명은, 베어링의 미세 휘돌림(Whirling) 운동에 따라 패드는 핀과 접촉해있는 구형면의 중심을 기준으로 시소 운동과 같은 회전 조화운동을 하며, 이 회전 조화운동은 패드의 외주 및 하우징 내주 사이에서 스퀴즈 필름효과(Squeeze film effect)를 통해 베어링에 감쇠력을 제공할 수 있게 한다.
한편, 본 발명은, 패드가 일정 거리 이상 이동을 제한받으며 하우징 내에 수용됨으로써, 압전 소자에 필요 이상의 힘이 인가되는 것을 방지하여 압전 소자의 내구성을 향상시킬 수다.
도 1은 본 발명의 발전 댐퍼링 장치를 도시하는 단면도.
도 2는 도 1의 A부분의 확대도.
도 3은 본 발명의 발전 댐퍼링 장치의 일 동작을 나타내는 개념도.
도 4는 본 발명의 발전 댐퍼링 장치의 다른 일 동작을 나타내는 개념도.
도 5a는 핀이 하우징의 내부에서 반경방향 운동을 하여 마찰력이 발생하는 예를 도시하는 개념도.
도 5b는 패드가 핀에 면 접촉되어 회전운동 하여 접촉면에서 시소운동과 같은 모션에 의해 마찰력이 발생하는 예를 도시하는 개념도.
도 5c는 패드(20)와 베어링의 휘돌림 운동에 의해 패드 및 베어링 사이에서 마찰력이 발생하는 예를 도시하는 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일, 유사한 도면 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 발전 댐퍼링 장치(100)의 구조에 대하여 서술한다.
본 발명의 발전 댐퍼링 장치(100)는 하우징(10), 패드(20), 핀(30) 및 압전 소자(40)를 포함한다.
하우징(10)은 베어링(5)의 외륜에 설치된다. 하우징(10)은 후술하는 패드(20), 핀(30) 및 압전 소자(40) 등의 구성을 수용하도록 이루어질 수 있다. 본 발명에서 베어링(5)은 볼 베어링일 수 있다. 도 1을 참조하면, 외륜, 내륜, 케이지 및 볼 등을 포함하여 구성된 볼 베어링의 일 예가 도시되는데, 일반적인 구성이므로 보다 상세한 설명은 생략하기로 한다.
하우징(10)은 제1하우징(13)을 포함할 수 있는데, 제1하우징(13)은 베어링(5)의 외륜에 설치되고, 패드(20)의 반경 방향의 이동을 제한하도록 패드(20)를 수용하도록 이루어진다.
제1하우징(13)은 외면에 핀(30)의 운동을 가이드하는 가이드 홀(13a)을 구비할 수 있다. 또한, 가이드 홀(13a)의 주변에는 패드(20)의 외주에 기 결정된 거리 이격되도록 배치되되 패드(20)의 반경 방향으로의 이동을 제한하는 이동제한부(13b)가 구비될 수 있다.
하우징(10)은 제1하우징(13)의 외주에 배치되어 압전 소자(40)를 탄성 변형 가능하도록 수용하는 제2하우징(15)을 더 포함할 수 있다. 도 1 및 2를 참조하면, 제2하우징(15)에는 핀(30)이 하우징(10)의 반경 방향으로 이동 가능 하도록 핀(30)을 수용할 수 있다.
제2하우징(15)의 내부에는, 탄성부(55) 및 결합부(60)가 설치될 수 있다. 탄성부(55)는 압전 소자(40)에 탄성적으로 연결되어 상기 압전 소자(40)를 탄성 지지하도록 이루어진다. 결합부(60)는 탄성부(55)를 결합시키도록 제2하우징(15)의 내부에 결합된다.
패드(20)는 하우징(10)의 내부에 수용되고, 베어링(5)의 휘돌림 운동에 의한 힘을 전달받도록 베어링(5)의 외륜에 접촉되게 배치된다. 일례로, 패드(20)는 도 2에 도시되는 바와 같이, 베어링(5)의 외륜에 접촉되면서 제1하우징(13) 내에 수용되는데, 베어링(5)의 휘돌림 운동에 의해 패드(20)도 함께 휘돌림 운동할 수 있게 된다. 패드(20)의 외주는 전술한 제1하우징(13)의 이동제한부(13b)에 소정 거리 이격되도록 배치되는데, 베어링(5)의 휘돌림 운동에 의해 반경 방향의 일정 거리 이상의 이동을 제한하도록 한다.
이로 인해, 패드(20)의 외주 및 제1하우징(13)의 이동제한부(13b) 사이에는 스퀴즈 필름효과(Squeeze film effect)가 발생될 수 있으며, 여기에서 베어링(5)에 제공 가능한 감쇠력이 발생된다.
핀(30)은 일 단부가 상기 패드(20)에 접촉되어 상기 패드(20)로부터 전달된 힘에 의해 반경 방향으로 운동한다. 일례로, 핀(30)은 일 단부가 패드(20)의 외면에 면접촉하도록, 일 단부가 구 형상의 곡면을 구비하도록 이루어진다. 도 2에는 핀(30)의 하단부가 곡면을 구비하고, 패드(20)의 외면에 수용 가능하여 구 형태로 면접촉하여 반경 방향 및 핀(30) 단부의 곡면 방향으로 힘을 전달받도록 이루어진 예가 도시된다.
또한, 도 2에 도시되는 바와 같이, 핀(30)의 외주는 제2하우징(15)의 내주에 면접촉 되어있기 때문에 하우징(10)의 반경방향으로 1자유도를 가진다. 패드(20)는 핀(30)의 구 형상의 단부에 접촉해 있으며 베어링(5) 외주와 면 접촉해있기 때문에 반경방향 운동 및 회전운동을 가진 2자유도를 가진다.
압전 소자(40)는 핀(30)의 타 단부에 배치되어, 상기 핀(30)의 반경방향 왕복운동에 의해 압축 변형되어 전기 에너지를 생산 가능하게 한다. 일례로, 압전 소자(40)는 핀(30)의 운동에 의해 압축력이 반복적으로 인가 또는 해제됨으로써 전기 에너지를 생산할 수 있다. 이렇게 생산된 전기 에너지는, 필요에 따라서, 센서 또는 통신모듈 등에 공급될 수 있다.
예를 들면, 압전 소자(40)는 PZT일 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 핀(30)의 운동에 의해 압축 변형되어 전기 에너지를 생산 가능하게 하는 압전 재질이라면 다른 소재도 가능하다.
또한, 압전 소자(40)는 탄성부(55)에 탄성적으로 연결되고, 탄성부(55)는 제2하우징(15) 내에 결합부(60)에 의해 결합되어 예압을 받으며 제2하우징(15) 내에 안정적으로 설치된다. 결합부(60)는 볼트일 수 있는데, 볼트의 토크를 조절함으로써 압전 소자(40)에 가하는 예압량을 조절할 수 있다. 이로 인해, 압전 소자(40)는 베어링(5)의 미소 휠돌림 운동에 의해 일 방향 압축변형을 제공받으면서, 하우징(10)에 탄성적으로 연결되게 된다. 일례로, 압전 소자(40)가 제2하우징(15)에서 탄성부(55)에 연결되어 있는 예가 도 2에서 도시된다.
한편, 패드(20)가 제1하우징(13)의 이동제한부(13b)에 의해 반경 방향의 이동이 제한되기 때문에 패드(20)에 의해 힘을 전달받는 핀(30) 역시 반경 방향의 이동이 제한됨으로써, 압전 소자(40)의 평균 간극(Nominal clearance) 이상의 변형이 방지될 수 있게 한다. 이러한, 압전 소자(40)의 평균 간극은 필요에 따라서 임의적으로 정해질 수 있다.
아울러, 압전 소자(40)는, 전기 생산이 불필요할 시에 압전 소자(40)에 전기를 인가하여 액추에이터로 이용함으로써 고주파의 베어링(5) 진동에 대응하여 감쇠력을 보다 세게하도록 할 수 있다.
이하, 도 3 및 4를 참조하여, 베어링(5)의 작동되는 동안 본 발명의 댐퍼링 장치의 동작 과정에 대하여 서술하기로 한다.
패드(20)의 외주 및 하우징(10) 내주의 간극은 쐐기 모양을 가지며 운동하는데 이 때 오일의 영향으로 인해 스퀴즈 필름(Squeeze film)이 형성됨으로써 감쇠력이 제공된다.
또한, 핀(30)은 도 3에서의 하우징(10)의 반경방향으로 운동을 하기 때문에 압전 소자(40)의 변화량과 같은 반경방향 조화운동을 하게 되며, 이에 따라 마찰이 발생하는데, 이러한 마찰은 마찰감쇠로 이어지고 에너지는 소산되게 된다.
한편, 패드(20)는 핀(30)과 구형 형태로 접촉되어 회전운동을 하기 때문에 접촉면에서 시소운동과 같은 모션이 일어날 뿐만 아니라, 패드(20)와 베어링(5) 외륜은 외륜의 미소 휘돌림성분으로 인해 미소 미끄럼 운동이 일어나게 된다. 이런 모든 미끄럼 운동은 에너지 소산으로 작용하여 마찰 감쇠력이 제공되게 된다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 발전 댐퍼링 장치(100)에서, 마찰감쇠(Coulomb damping)가 일어날 수 있는 세 부분을 도시한다.
도 5a를 참조하면, 핀(30)은 하우징(10)의 내부에서, 반경방향 운동을 하기 때문에 압전 소자(40)의 변화량과 같은 반경방향의 조화운동을 하는 예가 도시된다. 이에 따라 마찰력이 발생되며 이는 마찰감쇠로 이어지고 에너지는 소산된다.
또한, 도 5b를 참조하면, 패드(20)는 핀(30)과 구 형태로 면 접촉되어 회전운동을 하기 때문에 접촉면에서 시소운동과 같은 모션이 일어난다.
아울러, 도 5c를 참조하면, 패드(20)와 베어링(5)의 외주는 외륜의 미소 휘돌림성분으로 인해 미소 미끄럼 운동이 일어난다. 이런 5a 내지 5c에서의 모든 미끄럼 운동은 에너지 소산으로 작용하여 마찰감쇠력을 제공하게 된다.
이상에서 설명한 발전 댐퍼링 장치(100)는 위에서 설명된 실시예들의 구성과 방법에 한정되는 것이 아니라, 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100:발전 댐퍼링 장치
5:베어링
10:하우징 13:제1하우징 13a:가이드 홀
13b:이동제한부 15:제2하우징
20:패드 30:핀 40:압전 소자
55:탄성부 60:결합부

Claims (8)

  1. 베어링의 외륜에 설치되는 하우징;
    상기 하우징의 내부에 수용되고, 상기 베어링의 휘돌림 운동에 의한 힘을 전달받도록 상기 베어링의 외륜에 접촉되게 배치되는 패드;
    일 단부가 상기 패드에 접촉되어 상기 패드로부터 전달된 힘에 의해 반경 방향으로 운동하는 핀; 및
    상기 핀의 타 단부에 배치되어, 상기 핀의 운동에 의해 압축 변형되어 전기 에너지를 생산 가능하게 하는 압전 소자를 포함하고,
    상기 하우징은,
    상기 베어링의 외륜에 설치되고, 상기 패드의 반경 방향의 이동을 제한하도록 상기 패드를 수용하는 제1하우징; 및
    상기 제1하우징의 외주에 배치되고, 상기 압전 소자를 탄성 변형 가능하도록 수용하는 제2하우징을 포함하고,
    상기 제2하우징의 내부에는,
    상기 압전 소자에 탄성적으로 연결되어 상기 압전 소자를 탄성 지지하도록 이루어지는 탄성부; 및
    상기 탄성부를 결합시키도록 상기 제2하우징의 내부에 결합되는 결합부가 설치되고,
    상기 제1하우징의 외면은,
    상기 핀의 운동을 가이드하는 가이드 홀; 및
    상기 가이드 홀의 주변에 배치되고, 상기 패드의 외주에 기 결정된 거리만큼 이격되도록 배치되되 상기 패드의 반경 방향으로의 이동을 제한하는 이동제한부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전 댐퍼링 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 패드, 상기 핀 및 상기 압전 소자는 각각 상기 베어링의 외륜에서 원주 방향을 따라서 이격되도록 복수 개로 배치되는 것을 특징으로 하는 발전 댐퍼링 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 베어링의 휘돌림 운동에 의해 상기 베어링의 반경 및 접선 방향으로 운동에 의한 힘을 전달받도록 상기 패드는 상기 베어링의 외륜의 외주에 면접촉하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 발전 댐퍼링 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 핀은 상기 패드의 외면에 면접촉 가능하여 상기 베어링의 반경 방향 미세 휘돌림 운동을 반경 방향 운동으로 변환 가능하도록, 상기 핀의 일 단부는 곡면을 구비하도록 이루어지고, 상기 패드는 외주에 상기 핀의 일 단부를 수용하는 수용부를 구비하는 것을 특징으로 하는 발전 댐퍼링 장치.
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