KR102176577B1

KR102176577B1 - 능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 개선된 원형 힘 발생기 장치들, 시스템들, 및 방법들

Info

Publication number: KR102176577B1
Application number: KR1020157017914A
Authority: KR
Inventors: 폴 알. 블랙; 도그 에이. 스완슨; 아스카리 배드레-알램; 마이클 디. 자노위스키; 러쎌 이. 알티에리; 앤드류 디. 메이어스; 지한 류
Original assignee: 로오드 코포레이션
Priority date: 2012-12-12
Filing date: 2013-11-22
Publication date: 2020-11-09
Also published as: EP3597537A1; WO2014092975A1; EP2931602B1; KR20150127569A; EP2931602A1; US20150321753A1

Abstract

능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 개선된 원형 힘 발생기 장치(100)들, 시스템들, 및 방법들이 개시된다. 본 요지는 중심 샤프트(120)가 구성요소 하우징(114)에 대해서 고정된 관계로 위치되는 개선된 회전 액츄에이터 장치들, 시스템들, 및 방법들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 가동체가 구성요소 하우징에 위치될 수 있고 래디얼 베어링(130)에 의해 중심 샤프트에 회전가능하게 커플링될 수 있으며, 하나 이상의 가동체는 모터(110) 및 하나 이상의 편심체(150)을 포함한다. 이러한 구성에 의해, 모터가 제어가능한 회전력 크기 및 제어가능한 회전력 위상을 갖는 회전력을 생성하기 위해 중심 샤프트를 중심으로 한 가동체의 회전을 유발시키도록 구성될 수 있다.

Description

능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 개선된 원형 힘 발생기 장치들, 시스템들, 및 방법들 {IMPROVED CIRCULAR FORCE GENERATOR DEVICES, SYSTEMS, AND METHODS FOR USE IN AN ACTIVE VIBRATION CONTROL SYSTEM}

본 출원은 2012년 12월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 일련 번호 61/173,148호의 이득을 주장하며, 이의 개시는 본원에 그 전체가 인용에 의해 포함된다.

본원에 개시되는 요지는 문제가 있는 운송 수단 진동들을 제어하는 장치들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본원에서 개시되는 요지는 헬리콥터 및/또는 고정익 운송 수단 진동들 및/또는 소음을 제어하는 방법들 및 시스템들, 특히 문제가 있는 회전 헬리콥터 진동들을 상쇄(cancel)시키는 방법들 및 시스템들에 관한 것이다.

헬리콥터 진동들은 이들이 항공기의 설비 및 탑승자들에 피로 및 마모를 유발시킬 수 있다는 점에서 특히 문제이다. 헬리콥터들과 같은 운송 수단들에서, 진동들은 특히, 이들이 운송 수단의 화물(content)들 뿐만 아니라 운송 수단을 구성하는 실제 구조물 및 구성요소들을 손상시킬 수 있다는 점에서 문제가 있다.

회전 운송 수단 진동들을 정확하고 경제적으로 상쇄시키고, 중량 효율적 방식으로 회전익 진동들을 정확하게 제어하고, 진동들이 효율적으로 최소화되도록 헬리콥터 허브(hub) 내의 진동들을 제어하고/하거나, 문제가 있는 헬리콥터 진동들을 제어하는 시스템 및 방법에 대한 필요가 존재한다.

이러한 개시에 따라서, 중심 샤프트가 구성요소 하우징에 대해서 고정된 관계로 위치되는 개선된 회전 액추에이터(actuator) 장치들, 시스템들, 및 방법들이 제공된다. 하나 이상의 가동체가 구성요소 하우징에 위치될 수 있고 베어링에 의해 중심 샤프트에 회전가능하게 커플링될 수 있으며, 하나 이상의 가동체는 모터 회전자 및 하나 이상의 편심체(eccentric mass)를 포함한다. 이러한 구성에 의해, 모터가 회전력 크기 및 제어가능한 회전력 위상을 갖는 회전력을 생성하기 위해 중심 샤프트를 중심으로 한 가동체의 회전을 유발시키도록 구성될 수 있다.

또 다른 양태에서, 능동형 진동 제어의 방법은 구성요소 하우징에 대해서 고정된 관계로 위치되는 중심 샤프트를 중심으로 하나 이상의 가동체를 회전시키는 단계를 포함할 수 있으며, 하나 이상의 가동체가 베어링에 의해 중심 샤프트에 회전가능하게 커플링되며, 하나 이상의 가동체가 하나 이상의 편심체를 포함하며, 여기서 하나 이상의 가동체를 회전시키는 단계는 회전력을 생성한다. 본 방법은 회전력의 회전력 크기 및 회전력 위상 중 하나 이상을 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본원에서 개시된 양태들의 일부가 위에서 언급되었고, 이들 양태가 본원에서 개시된 요지에 의해 전체적으로 또는 부분적으로 달성되지만, 이후에 가장 잘 설명되는 첨부 도면들과 연관하여 설명이 진행됨에 따라서 다른 양태들도 자명해질 것이다.

도 1a는 원형 힘 발생기의 베어링의 보어 직경과 원형 힘 발생기의 작동에 요구되는 전력 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 1b는 원형 힘 발생기의 작동의 진동수와 작동을 위해 요구되는 전력 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 2는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기를 예시하는 측단면도이다.
도 3은 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기를 예시하는 분해사시도이다.
도 4는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기의 모터를 예시하는 부분 분해사시도이다.
도 5a는 인코더(encoder)를 사용하는 통상적인 원형 힘 발생기의 위치 제어 오류를 예시하는 그래프이다.
도 5b는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 홀-효과 서보 제어 시스템(Hall-effect servo control system)을 사용하는 원형 힘 발생기의 위치 제어 오류를 예시하는 그래프이다.
도 6a 내지 도 6d는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기들을 위한 다양한 형태 요소들을 예시하는 사시도들이다.
도 7은 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 일체형 제어 전자장치를 가지는 원형 힘 발생기를 예시하는 측단면도이다.
도 8은 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 능동형 진동 제어 시스템을 예시하는 개략도이다.
도 9는 공동 축선을 중심으로 회전하는 두 개의 회전체들을 예시하는 개략적인 모델이다.
도 10은 두 개의 원형 힘 발생기들(예를 들어, 4 개의 회전체들)의 2 축의 힘 출력(bi-axial force output)을 예시하는 그래프이다.
도 11a 및 도 11b는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따라 두 개의 회전체들을 가지는 원형 힘 발생기들을 위한 힘 다이어그램들이다.
도 12는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따라 복수의 회전체들을 가지는 원형 힘 발생기를 위한 힘 출력과 모멘트 출력 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 13a는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기를 위한 최대 N/rev 힘과 최대 제 2 조화력(maximum 2nd harmonic force) 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 13b는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기를 위한 최대 N/rev 힘과 최대 잔류 모멘트 사이의 관계를 예시하는 그래프이다.
도 14a 내지 도 14c는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기를 위한 중량-최적화된 회전체에 대한 도면들이다.
도 15 a 내지 도 15 c는 본원에 개시된 요지의 실시예에 따른 원형 힘 발생기를 위한 모멘트-최적화된 회전체에 대한 도면들이다.
도 16은 본원에 개시된 요지의 실시예에 따라 제 2 조화에서의 힘 왜곡을 감소시키기 위해 원형 힘 발생기의 기저부(base)에서 수직 가속도를 사용하는 모터 제어 중력 보상의 블록 다이어그램을 도시한다.

본 요지는 능동형 진동 제어 시스템에서의 사용하기 위한, 예컨대 헬리콥터에서 진동을 제어하는데 사용되는 원형 힘 발생기(CFG)들에서의 개선을 제공한다. 개시된 장치들, 시스템들, 및 방법들은 CFG를 제어하고/제어하거나 CFG에 의해 생성되는 힘 왜곡을 최소화시키도록 소프트웨어(software) 또는 하드웨어(hardware) 모두에 대한 수정들을 수반한다. 이러한 장치들, 시스템들 및 방법들은 CFG에서 실시될 수 있고 CFG에 의해 생성된 잔류 진동이 헬리콥터의 주 회전자(main rotor)에 의해 생성되는 진동보다 더 클 수 있는, 사용자가 원치 않을 수 있는 낮은 힘 작동 조건들 하에서 특히 유용할 수 있다. 낮은 힘은 통상적으로 CFG의 최대 힘 출력의 30%보다 더 작고, 헬리콥터 능동형 진동 제어 시스템 상의 상기 낮은 힘은 하버(hover)와 같은 상태들 동안 또는 중속(mid-speed) 비행 범위들(예를 들어, 80 내지 100 kias)에서 발생될 수 있다.

제 1 양태에서, 개시된 장치들, 시스템들 및 방법들은 종래의 CFG의 직경보다 비교적 더 작을 수 있는 직경을 갖는 베어링(bearing)(예를 들어, 볼 베어링 또는 다른 롤링 요소 베어링(rolling-element bearing))을 가지는 CFG의 사용을 포함할 수 있다. 큰 직경 베어링들이 감지 기술(중심선 인코더(centerline encoder))로 인해 과거에 부분적으로 사용되었으며, 상기 감지 기술은 작은 직경 베어링을 갖는 중심 샤프트(center shaft)를 허용하지 않았다. 구체적으로는, 예를 들어 종래의 CFG들이 약 150 mm의 베어링 직경을 가지는 반면에, 본 요지에 따른 CFG는 약 15 mm의 베어링 직경을 가지도록 구성될 수 있다. 감소된 베어링 직경은 종래의 시스템들과 비교하여 주어진 회전 속도에서 작동 동안 감소된 볼 속도를 초래할 수 있으며, 이에 의해 힘 요구조건들을 낮춘다. (예를 들어 도 1a 참고) 게다가, 도 1b에서 도시되는 것처럼, 작동 진동수가 증가될 때조차, 이러한 작동을 위해 요구되는 힘은 비교적 낮은 레벨에서 유지될 수 있다.

도 2 및 도 3에서 도시되는 특정한 구성에서, 예를 들어 일반적으로 100으로 표기되는 CFG는 단부판(114)들에 장착되는 고정자(stator)(112)를 각각 가지는 모터(110)들의 쌍을 포함한다. 각각의 모터(110)의 회전자(116)가 모터(110) 내부에 장착되는 베어링(130)에 의해 정적 중심 샤프트(120)를 중심으로 한 회전을 위해 커플링된다. 샤프트(120)를 중심으로 한 회전자(116)의 회전이 "원형" 힘을 발생시킬 수 있도록 회전체(150)는 각각의 회전자(116)에 편심적으로 연결된다.

이러한 구성의 각각의 이러한 요소들은 비교적 더 낮은 형상 디자인을 허용한다. 특히, 베어링(130)의 크기는 종래의 CFG 구성들에 비해서 다수의 장점들을 제공한다. 일부 양태들에서, 이러한 새로운 베어링들이 열 팽창에서 임의의 차이(differential)를 감소시키도록 샤프트 및/또는 회전자 프레임(frame)들의 부분들 상에 또는 상기 부분들 근처에 압입(press fit)될 수 있다. 게다가, 샤프트, 회전자, 베어링들 및/또는 이의 부분들이 동일한 또는 유사한 열 팽창 계수(CTE)를 가지는 재료들 없이 제작될 수 있다. 이것은 마모를 개선하는 것 및 피로를 감소시키는 것 모두에 대해 유리할 수 있다. 이러한 구성요소들은 유사한 강 재료 또는 그 합금, 유사한 알루미늄(Al) 재료 또는 그 합금, 또는 임의의 다른 유사한 재료들 또는 유사한 CTE들을 가지는 금속들로 각각 제작될 수 있다. 강 샤프트 또는 회전자들 상에 압입이 될 수 있는 베어링들은 마모 및 피로를 개선시키고 더 작은 내부 간격(clearance)들을 허용한다. 개선된 베어링들이 중심선 샤프트에 또는 중심선 샤프트 근처에 배치될 수 있다. 이것은 낮아진 드레그 토크(drag torque)를 초래하며, 이는 감소된 힘 요구조건들 및 감소된 모터 크기를 초래한다. 예를 들어, 이러한 구성을 가지는 CFG(100)는 상기에 논의된 것처럼 매우 더 낮은 힘 레벨에서 작동된다. 또한, 베어링(130)은 결과적으로 더 작은 열을 발생시키며, 이는 CFG(100)가 확장된 온도 범위(예를 들어, 약 - 54 내지 70℃)에서 작동하는 것을 허용한다. 샤프트 상의 베어링의 압입은 또한 현재의 베어링들보다 더 작은 소음을 생성한다. 횡단면 크기에 대한 베어링(130) 내의 볼들의 크기의 증가된 비율은 전통적인 디자인들과 비교하여 CFG(100)가 더 긴 작동 수명을 추가적으로 가능하게 한다.

또 다른 양태에서, 개선된 CFG 장치들, 시스템들 및 방법들은 제어기(200)가 회전체(150)의 회전 위상 위치를 인지하도록 모터(110)에 의해 구동되는 회전자(116) 상의 회전체(150)의 회전 위치를 모니터링하기 위해 복수의 회전체 센서들을 사용하는 고정밀 서보 제어기(high accuracy servo controller)(200)를 포함한다. 예를 들어, 회전체 센서들은 회로판(202)을 통해 시스템 제어기에 회전체(150)의 회전 위치를 제공하기 위해 자기식 회전체 센서 타겟의 회전을 감지하도록 구성되는 홀-효과 센서들을 포함할 수 있다. 도 4에서 도시되는 한 특정 구성에서, (예를 들어, 고정자(112) 내에 매립된) 하나 또는 그 초과의 표준 정류(commutation) 홀 센서들 뿐만 아니라, (예를 들어, 고정자(112)의 상측에서 인쇄 회로 기판 위에 장착되는) 부가적인 1/rev 홀 센서(160b)들이 CFG(100)의 서보 제어에 사용될 수 있다. 구체적으로는, 1/rev 홀 센서(160b)가 하나 또는 그 초과의 타겟 자석(160a)들의 위치를 기초하여 회전자(116)의 위치를 정확히 모니터링하도록 구성될 수 있다. 하지만 도 4에서 도시되는 구성은 하나의 예시적인 배열이며, 회전체 센서들의 특정한 수 및 위치가 시스템의 다양한 디자인 고려사항들을 기초하여 수정될 수 있다.

이러한 제어 구성의 정확성은 인코더 또는 리졸버(resolver) 서보 제어기와 필적할 수 있다. 도 5a 및 도 5b에서 도시되는 것처럼, 인코더를 사용할 때(도 5a 참고) 구현되는 위치 제어 오류는 단지 홀-효과 센서 위치 제어 오류(도 5b 참고)보다 아주 조금 더 양호하다. 인코더 또는 리졸버에 대한 필요를 제거함으로써, 그러나, 위치 제어 오류에서 작은 증가가 존재하더라도, 그러한 작은 손실은 디자인 및 전자장치의 큰 간략화(예를 들어, 크기/비용을 감소시킴)에 의해 오프셋된다. 게다가, 도 4를 참조로 하여 위에서 논의된 것처럼, 이러한 구성은 단지 하나의 부가적인 홀 센서(즉, 1/rev 홀 센서(160b))를 요구하며, 상기 홀 센서는 기존 모터 전기회로(circuitry)에 내장될 수 있다.

개시되는 장치들, 시스템들 및 방법들의 추가적인 특징은 오일-윤활된(oil-lubricated) 것보다 오히려, 베어링(130)이 실질적으로 밀봉된 그리스처리된 베어링(sealed greased bearing)일 수 있다는 점이다. 이러한 특징은 윤활(lubrication) 요구조건들을 간소화시키고, CFG(100)가 임의의 배향으로 장착되는 것을 허용하며, 이에 의해 시스템의 가요성 및 최적의 방식으로 헬리콥터 내의 복합 진동 영역을 정합시키는 그의 능력을 개선시킨다. 이러한 점에서, 도 6a 내지 도 6d에서 도시되는 것처럼, 본원에서 개시된 요지에 따른 모듈형(modular) CFG가 임의의 다양한 상이한 형태의 요소들로 용이하게 실시된다. 예를 들어, 도 6a는 CFG(100) 및 시스템 제어기와의 통신을 위해 제어기(200)에 연결되는 커넥터(210) (예를 들어, D-서브(D-sub) 커넥터 또는 D38999 커넥터)와 적층형 구성으로 배열되는 제어기(200)를 도시한다. 이러한 구성에서, CFG(100)의 길이(d1)(예를 들어, 약 5.4 인치) 및 너비(d2)(예를 들어, 약 5.4 인치) 모두가 최소화된다. 이러한 작은 점유공간(footprint)은 CFG(100)의 상대적으로 증가되는 높이(d3)(예를 들어, 약 4.7 인치)에 대한 비용이 발생하지만, 이러한 배열에서조차, 통합형 패키지는 종래의 시스템들과 비교하였을 때 아직도 상대적으로 콤팩트(compact)하다.

대안적으로, 도 6b 및 도 6c는 CFG(100) 및 제어기(200)가 배열될 수 있는 다양한 병립형(side-by-side) 구성들을 각각 도시한다. 이러한 높이 감소가 증가된 길이(d1)(예를 들어, 약 7.1 내지 10.5 인치)에 의해 상쇄되지만, 각각의 이러한 예시적인 구성들은 도 6a에서 도시되는 적층형 구성과 비교하여 감소된 높이(d3)(예를 들어, 약 2.5 내지 3 인치)의 상대적으로 더 낮은-프로파일 디자인을 초래한다. 당업자들은 도 6a 내지 도 6d에서 도시되는 상이한 형태의 요소들이 특정한 장착 위치의 특정 제한들(예를 들어, 크기, 배향, 접근)에 의존하여 유리하게 고려될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 게다가, 당업자들은 이러한 예시적인 구성들이 단지 4 개의 가능한 구현예들만을 예시하며, 다른 구성들이 이러한 또는 다른 특정한 디자인 고려사항들에 의존하여 사용될 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예로써, 제어기(200)는 케이블 또는 도관에 의해 CFG(100)에 멀리 떨어져 부착될 수 있다. 또한, 제어기(200) 및 CFG(100)는, 제어기(200)가 항공용 신속-연결 플러그(aviation quick-connect plug)들과 같은 플러그(plug)를 통해 CFG(100)로부터 탈착가능할 수 있는 모듈형 구성을 가질 수 있다. CFG 상의 플러그의 사용 및 포지셔닝(positioning)은 본원에서 논의된 모든 구성들과 호환가능하다.

종합하면, 본원에 개시된 CFG(100)에서의 모든 개선들은 더 간단한 기계식 조립체를 초래한다. 예를 들어, 이전 CFG 디자인들은 18 개의 기계식 부품들로 구성되는 반면에, 본원에서 개시된 개선된 CFG(100)(예를 들어 도 3 참고)는 상당히 더 적은 (예를 들어, 7 개의 부품들뿐이거나 더 적은) 기계식 부품들을 사용한다. 결과적으로, 콤팩트 디자인은 모터 장착 특징부들이 CFG(100) 내로 포함되는 것을 허용하며, 이에 의해 분리형 모터 리테이너(retainer)들 및/또는 베어링 리테이너들에 대한 필요를 제거시킨다. 게다가 이러한 점에서, 본원에 개시된 대상 CFG(100)는 이전 디자인들보다 상당히 더 낮은 제조 비용을 가진다.

도 7을 참조하면, 상기 디자인이 구동 전자장치들을 CFG(100) 내로 통합됨으로써 더 콤팩트하고 모듈형으로 만들어질 수 있으며, 이는 결과적으로 상대적으로 낮은-전력 CFG의 감소된 열 발생을 적어도 부분적으로 가능하게 할 수 있다. 예를 들어, 제어기(200)는 CFG(100)로부터 단지 작은 거리(h_e)(예를 들어, 약 1.765 인치 또는 그 미만인)만 돌출하는 전자장치 볼륨을 차지하는 신호 보드(signal board)(202) 및 전원 보드(204)를 포함하는 고-집적(highly-integrated) 마이크로(micro)-제어기일 수 있다. 이러한 구성은 제어기(200)가 완벽하게 독립형(stand-alone) 모듈로서 작동하는 것을 허용하며, 이 때 상기 모듈은 작은 중앙 제어기로부터 고-레벨의 디지털 명령들을 수신하도록 구성된다. 공동배치된 구동 전자장치의 이러한 모듈화(modularity)는 임의의 수의 CFG들이 효과적으로 실시되는 것을 가능하게 한다.

CFG(100)의 특정한 구성에도 불구하고, 하나 또는 그 초과의 CFG(100)가 능동형 진동 제어 시스템의 부품으로서 함께 작동될 수 있다. 도 8은 작은 중앙 제어기(300)에 연결되는 복수의 CFG(100)들을 가지는 이러한 능동형 진동 제어 시스템을 위한 예시적인 구성을 예시한다. 또한, 하나 또는 그 초과의 입력 장치들은 경험될 진동을 결정하는 것을 보조하기 위해 중앙 제어기(300)에 추가적으로 연결될 수 있다. 예를 들어, 타코미터(tachometer)가 사용되는 항공기의 회전자 속도를 측정하는 타코미터(310) 및 하나 또는 그 초과의 가속도계(320)들은 중앙 제어기(300)에 입력값들을 제공한다. 이러한 입력값들을 기초하여, 각각의 CFG는 시스템에 대한 측정된 진동들의 효과를 감소시키도록 제어될 수 있다.

각각의 CFG(100)을 위한 작동 전원(예를 들어, 약 28 VDC)이 비조정형(unregulated) 항공기 전원장치에 의해 제공될 수 있도록 본 시스템들은 구성될 수 있다. 이러한 저전력 디자인은 중앙 제어기(300) 및 CFG 구동 전자장치(즉, 제어기(200)) 모두가 비조정형 28 VDC 항공기 전원장치를 런오프(run off)시키는 것을 가능하게 하며, 이는, 디자인 간소화, 비용 절약 및 더 작은 항공기의 별도의 발생기에 대해 요구될 중량 및 공간 절약과 같은 다양한 장점들을 제공한다. 이러한 저-전력 성능은 힘 액츄에이터(force actuator)들의 작동에 전원공급을 위해 통상적으로 요구되는 고-전압(예를 들어, 115 VAC 또는 270 VAC) 시스템들을 위한 것이 아닌, 단지 28 VDC 항공기 전력만을 이용가능하게 하는 더 소형인 항공기용 능동형 진동 제어 시스템들에 도움이 된다.

본원에 개시된 개선된 CFG 장치들, 시스템들, 및 방법들의 더 콤팩트한 크기 및 모듈형 특성(modular nature)의 결과로써, 다수의 CFG(100)가 쌍들로/배열들로(in arrays) 배열될 수 있고 특히 CFG들에 의해 생성되는 힘 왜곡을 최소화시키거나 이와는 달리 제어할 수 있다. 예를 들어, 각각의 CFG가 변화하는 크기 및 위상의 원형 힘을 생성하도록 선택적으로 작동될 수 있다. 각각의 회전자(116)의 힘이 회전체(150)의 크기(m), 회전체(150)의 중심으로의 거리(r), 및 이의 각속도(ω)에 의해 결정될 수 있다:

F ₀ = mrω ²

도 9에서 도시되는 구성에 의하여, 공동 축선을 중심으로 회전하는 두 개의 회전체들(예를 들어, 제 1 회전체(150a) 및 제 2 회전체(150b))의 총 CFG 힘은 각각의 회전자의 힘 및 이들의 상대적인 위상 각도들에 의해 결정된다:

이러한 공지된 관계들에 기초하여, 두 개의 불균형 회전체(150a 및 150b)들이 상기 두 개의 조합이 반경방향 바깥쪽으로 작용하는 원형 힘들을 발생시키도록 함께 회전(co-rotate)하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로, 하나의 CFG가 원형 힘을 생성하는 반면에, 병립형 또는 배면형(back-to-back)으로 장착되는 두 개의 반대로-회전하는 CFG들이 두 개의 선형 힘을 생성하도록 구성된다(예를 들어, 도 10 참고). 다수의 CFG들로부터의 원형 힘들의 제어된 조합이 진동 제어의 더 큰 각도들을 달성하는데 사용된다.

도 11a를 참조하여, CFG들이 쌍으로 배열될 때, 불균형의 회전체들이 거리(예를 들어, r ₂ - r ₁)만큼 분리된 별개의 평행한 평면들에서 회전(revolve)하며, 이에 의해 반대편 힘 구성요소들은 잔류 모멘트(M _r )를 생성한다. 이러한 잔류 모멘트는 힘 출력과 반대로 변한다:

도 11b에서 예시되는 것처럼, 불균형의 회전체들이 통상적으로 장착 브라켓으로부터 일정 거리를 가지고 평면들에서 각각 회전하기 때문에, CFG들의 총 힘은 장착 브라켓에 대한 모멘트를 생성한다. 이러한 힘 모멘트는 힘 출력과 함께 선형적으로 변화한다:

잔류 모멘트와 힘 모멘트는 수직하며, CFG들의 총 모멘트는 도 12에서 도시되는 것처럼 잔류 모멘트 및 힘 모멘트의 벡터 합이다:

잔류 모멘트들은 두 개의 불균형의 회전체들의 질량 중심 사이의 거리(예를 들어, r ₂)를 감소시킴으로써 추가적으로 최소화될 수 있다. 잔류 모멘트를 감소시키는 또 다른 방법은 회전 (이동가능한) 불균형의 관성(inertia)(J)을 변화시키는 것이다. 관성(J)를 증가시킴으로써, 잔류 모멘트가 감소된다.

또 다른 예시적인 구현예에서, CFG가 수직하게 장착될 때, 중력은, 불균형 회전체들이 회전할 때 상기 회전체들을 가속시키고 감속시킨다:

중력으로 인한 속도에서의 이러한 변동(fluctuation)은 제 2 조화(second harmonic)에서 힘 왜곡을 생성하며, 상기 힘 왜곡은 각속도(ω) 및 회전자 관성(J)에 대하여 반비례하고, 불균형 영향력(authority)(mr)에 대하여 비례하고, 상대적인 위상 각도(φ)에 따라 변한다. 총 조화 왜곡(THD)이 주로 제 2 조화로 인하도록 제 2 조화 왜곡은 낮은 힘 출력들에서 훨씬 더 명백해질 수 있다.

도 13a를 참조하면, 제 2 조화력 왜곡은 또한 불균형의 회전체의 관성을 증가시킴으로써 감소될 수 있으며, 이는 게다가 잔류 모멘트의 감소를 초래한다(예를 들어, 도 13b 참고).

또 다른 실시예에서, CFG의 기저부에서의 가속의 측정이 제 2 조화 왜곡을 감소시키기 위해 모터 제어 피드백(feedback)에 사용된다. 예를 들어, 하나 또는 그 초과의 가속도계(320)들 중 하나가 (예를 들어, 제어기(200)와 함께 통합되는)공동배치되는 전자장치 상에 포함될 수 있다. 위에서 논의된 것처럼, 이러한 CFG에 위치된 가속도계가 제어될 진동을 결정하기 위해 중앙 제어기(300)에 입력값을 제공함으로써 진동을 제어하는데 또한 사용될 수 있다. 도 16은 모터 제어에서 가속도계의 블록 다이아그램을 도시한다. 모터 제어를 위한 중력 보상 항이 다음의 일반적인 방정식으로부터 계산된다:

여기서,

V _GC = 모터 제어를 위한 중력 보상

φ = 회전자 위치

F _cmd = 힘 명령

a_Z= 수직 가속도

V_GC이 해석 함수(analytical function) 또는 표 검색(look-up)으로 구현될 수 있다. 전압 모터 제어를 위한 상기 함수의 일 예시적인 형태는 다음과 같다:

A _GC 및 P _GC 는 각각 진폭 이득(amplitude gain) 및 위상이며, 모터 회로의 역학(dynamics)을 고려하기 위한 것이다. C _F (F _cmd ) 및 C _a (a _z )는 힘 명령 및 수직 가속도에 대해서 힘 중력 보상 양(gravity compensation amount)을 변화시키기 위한 가변형 계수이다. C _F (F _cmd ) 및 C _a (a _z )가 해석함수 또는 표 검색으로 구현될 수 있다. C _F (F _cmd ) 및 C _a (a _z )의 예시적인 구현이 아래에 제시된다.

여기서 A _F , B _F 및 A _a 는 튜닝(tuning) 매개변수들이다. 가속도계가 부가적인 기능을 가질 수 있다는 것에 유의한다.

도 14a 내지 도 14c 및 도 15a 내지 도 15c는 회전체(150)를 위한 다양한 구성들을 도시한다. 구체적으로는, 도 14a 내지 도 14c는, 회전체(150)의 질량 중심이 시스템 제한들의 주어진 세트들에 대한 회전 축선에 대해 가능한 가장 큰 반경으로 이격되는 "중량 최적화된" 구성의 회전체(150)를 도시한다. 이러한 구성에서, 실질적으로 동등한 관성이 상대적으로 작은 크기를 가지는 회전체(150)를 사용하여 생성된다. 반대로, 도 15a 내지 도 15c는, 인접한 CFG들이 서로에게 더 가깝게 위치되며, 이에 의해 인접한 불균형 회전체들의 질량 중심 사이의 거리(예를 들어, r ₂ )가 잔류 모멘트를 감소시키는 것을 보조하기 위해 위에서 논의된대로 최소화되는 것을 허용하도록 회전체(150)의 높이(h)가 (예를 들어, 중량 최적화된 회전체의 두께의 약 50%) 감소된 "모멘트 최적화된" 또는 "성능 최적화된" 구성의 회전체(150)를 도시한다. 비록 "모멘트 최적화된" 회전체를 갖는 CFG가 단지 "중량 최적화된" 회전체를 갖는 CFG보다 약 10% 더 무거울 수 있다 할지라도, "모멘트 최적화된" 회전체는 "중량 최적화된" 회전체의 것에 대한 대략 2 배인 관성을 가질 수 있다.

본 발명의 요지는 본 발명의 사상 및 본질적인 특징들로부터 벗어남 없이 다른 형태로 구현될 수 있다. 그러므로 설명된 구현예들은 모든 점들에 있어서 예시적이고 비제한적인 것으로서 고려될 수 있다. 본 발명의 요지가 특정 바람직한 실시예들의 측면에서 설명되었지만, 당업자들에게 명백한 다른 실시예들은 또한 본 발명의 요지의 범주 내에 있다.

Claims

능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기로서,
구성요소 하우징(component housing);
상기 구성요소 하우징에 대해서 고정된 관계로 위치되는 중심 샤프트;
회전자(rotor) 및 고정된 고정자(stator)를 갖는 적어도 하나의 모터로서, 상기 회전자는 베어링에 의해 상기 중심 샤프트에 회전가능하게 커플링되고, 상기 고정된 고정자는, 회전력 크기 및 제어가능한 회전력 위상을 갖는 회전력을 생성하기 위하여, 상기 회전자에 연결되는 편심체(eccentric mass)의 상기 중심 샤프트를 중심으로 하는 회전을 유발시키도록 구성되는, 적어도 하나의 모터;
상기 회전자의 회전력 크기 및 회전력 위상을 제어하도록 구성되며, 홀-효과 센서 서보 제어부(Hall-effect sensor servo control)를 포함하는, 고정밀 서보 제어기(high-accuracy servo controller); 및
상기 구성요소 하우징 내에 포함된 마이크로-제어기로서, 중앙 제어기로부터 고-레벨 디지털 명령들을 수신하도록 구성되는, 마이크로-제어기를 포함하는,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 있어서,
상기 베어링은 15 mm의 보어 직경을 갖는 볼 베어링인,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 있어서,
베어링은 실질적으로 밀봉된, 그리스-윤활된 베어링을 포함하는,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 있어서,
상기 편심체의 관성 및 두께가 상기 회전자의 잔류 모멘트 또는 제 2 조화력 왜곡 중 하나 이상을 최소화시키도록 선택되는,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 있어서,
상기 홀-효과 센서 서보 제어부는 복수의 표준 정류 홀 센서들 및 하나 이상의 1/rev 홀 센서를 포함하는,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 있어서,
마이크로-제어기가 상기 구성요소 하우징 내에서 상기 회전자에 대해 임의의 다양한 위치들에 선택적으로 위치되도록 구성되는,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 있어서,
마이크로-제어기 및 중앙 제어기가 28 VDC 항공기 전원 공급원에 의해 전원공급되도록 구성되는,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 있어서,
중앙 제어기는 하나 또는 그 초과의 가속도계들로부터의 입력들에 기초하여 고-레벨의 디지털 명령들을 발생시키는,
능동형 진동 제어 시스템에 사용하기 위한 원형 힘 발생기.
제 1 항에 따른 복수의 원형 힘 발생기들을 포함하는 능동형 진동 제어 시스템으로서,
복수의 원형 힘 발생기들은 복수의 원형 힘 발생기들에 의해 유발되는 힘 왜곡을 최소화시키도록 집합적으로 제어가능한,
복수의 원형 힘 발생기들을 포함하는 능동형 진동 제어 시스템.
제 9 항에 있어서,
복수의 원형 힘 발생기들 각각의 질량 중심들 사이의 거리(r)가 최소 거리가 되도록 선택되는,
복수의 원형 힘 발생기들을 포함하는 능동형 진동 제어 시스템.
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