KR102223994B1 - 자가 발전용 베어링 모듈의 상태 진단 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 베어링의 외륜에 설치되어 상기 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동을 이용하여 전기를 발전시키는 자가발전모듈; 상기 베어링에 설치되어 상기 베어링의 거동정보를 실시간 검출하도록 이루어지는 거동검출부; 상기 거동검출부에 연결되어 실시간 검출된 베어링 거동정보를 외부로 전송 가능하도록 이루어지는 무선 송신모듈; 및 상기 무선 송신모듈로부터 전송되는 베어링 거동정보를 제공받아 베어링의 상태를 실시간으로 진단하는 상태진단부를 포함하고, 베어링 내부에 설치된 상기 거동검출부의 실시간 거동정보를 상기 자가발전모듈에서 얻은 전기를 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템을 제공한다.

Description

자가 발전용 베어링 모듈의 상태 진단 시스템{The system of condition monitoring of self power-generated Bearing Module}
본 발명은 베어링 모듈의 상태 진단 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자가 발전용 프렉탈 구조체를 가진 볼베어링의 실시간 상태진단 및 모니터링을 가능하게 하는 상태 진단 시스템에 관한 것이다.
산업의 고도화에 따라 회전기계는 점점 소형화 고속화가 되어 가고 있다. 이에 따라 베어링의 신뢰성 및 안정성은 점점 엄격하게 요구되고 있으며, 이를 위한 여러 연구가 진행되고 있다. 특히, 각 산업 분야에서 시스템의 신뢰성 및 안정화 향상과 유지보수 비용을 절감하고자 하는 방법으로 예방 정비 기술에서 예지 정비(Predictive Maintenance) 기술로의 연구 개발이 이루어지고 있다.
예지정비 기술을 하기 위해서는 많은 모듈을 필요로 하기 때문에 시스템의 부피가 커지게 된다. 또한 예지정비 기술을 실현하기 위해서는 외부에서 전력을 공급해 주어야 만한다. 위 발명에서는 베어링 자체에서 프렉탈링에 삽입된 PZT를 통하여 예지정비 기술에 필요한 전력을 자체적으로 생산하고, 부피를 줄이기 위해 센서를 베어링 외륜에 삽입하였다.
도 1에는 일반적인 볼 베어링 센서를 삽입하여, 베어링의 상태를 진단하고자 하는 선행 연구의 모델링이 도시된다. 일반적인 볼 베어링의 경우 회전하는 축에 맞물려 회전하기 때문에, 베어링의 상태를 예지하기에 어려움이 있다. 따라서 외륜의 바깥쪽에 센서를 장착하면 실시간 베어링 상태를 확인할 수 있고 이에 따라 사용자가 베어링의 상태를 파악하여 회전기의 파손을 예방할 수 있다.
도 2에는 베어링을 사용하는 모터 및 자동차 브레이크 시스템에 장착하여 운동 상태를 감지할 수 있는 센서 모듈이 도시된다. 이러한 모듈은 사용자에게 실시간 모니터링 시스템을 제공할 수 있으나, 외부에서 전력을 가져오기 때문에 전력 공급을 위한 선(Electrical wire)과 데이터 전송을 위한 선이 존재하게 된다. 이 때문에 회전 시스템의 내부에 존재하는 베어링에 장착하여 사용하기에는 시스템의 부피에 따라 적용 한계가 존재한다. 또한, 현재 존재하는 센서 모듈의 경우 운동 상태(On/ off)를 감지하는 정도에 지나지 않아 베어링의 상태에 대해 동역학적인 정보를 전달하기 위한 센서 모듈의 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 일 목적은 자가 발전용 프렉탈 구조체를 가진 볼베어링의 실시간 상태진단 및 모니터링을 가능하게 하는 시스템을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템은, 베어링의 외륜에 설치되어 상기 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동을 이용하여 전기를 발전시키는 자가발전모듈; 상기 베어링에 설치되어 상기 베어링의 거동정보를 실시간 검출하도록 이루어지는 거동검출부; 상기 거동검출부에 연결되어 실시간 검출된 베어링 거동정보를 외부로 전송 가능하도록 이루어지는 무선 송신모듈; 및 상기 무선 송신모듈로부터 전송되는 베어링 거동정보를 제공받아 베어링의 상태를 실시간으로 진단하는 상태진단부를 포함하고, 베어링 내부에 설치된 상기 거동검출부의 실시간 거동정보를 상기 자가발전모듈에서 얻은 전기를 통해 전송한다.
본 발명과 관련된 일 예에 의하면, 상기 거동검출부는 상기 베어링의 회전 및 진동에 의해 발생되는 거동정보를 검출하기 위해 상기 베어링에 설치되는 가속도계 센서이다.
본 발명과 관련된 다른 일 예에 의하면, 상기 자가발전모듈은, 상기 베어링의 외륜에 접촉되어 상기 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동을 전달받으며, 내부에 수용 공간을 구비하는 하우징; 상기 하우징의 내주에 접촉되도록 상기 수용 공간에 배치되어 상기 진동을 반경방향으로 전환시키는 유연 구조물; 및 상기 수용 공간에 인접하도록 상기 하우징 및 상기 유연 구조물 사이에 설치되고, 상기 반경방향으로 전환된 진동을 상기 유연 구조물로부터 전달받아 변형됨으로써 전기를 발생시키도록 이루어지는 압전 소자를 포함한다.
상기 유연 구조물은, 원호 형상으로 이루어지고, 양 단이 상기 하우징의 일 면에 연결되도록 상기 압전 소자에 설치되는 제1부재; 및 원호 형상으로 이루어지고, 상기 제1부재 및 상기 하우징의 다른 일 면 사이에 접촉되도록 배치되는 제2부재를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 압전 소자는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 압전 소자는 상기 하우징에 서로 이격되도록 배치되며, 상기 제1부재는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 제1부재는 서로 이격되도록 배치되며 양 단이 각각 상기 복수의 압전 소자에 설치되며, 상기 제2부재는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 제2부재는 양 단이 서로 인접한 상기 제1부재에 접촉될 수 있다.
상기 상태진단부는, 상기 가속도계 센서에서 검출된 베어링의 거동정보를 상기 무선 송신모듈로부터 제공받도록 이루어지며, 상기 베어링의 거동정보에 근거하여 주파수 분석 알고리즘을 통해 베어링의 파손을 진단하는 파손진단모듈과 보수를 예측하는 예지보수진단모듈이 탑재될 수 있다.
상기 파손진단모듈은, BPFO(Ball Pass Frequency of the Outer race), BPFI(Ball Pass Frequency of the Inner race), FTF(Fundamental Train Frequency) 및 BSF(Ball Spin Frequency)을 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 수행할 수 있다.
본 발명과 관련된 또 다른 일 예에 의하면, 상기 상태진단부는, 이동 단말기를 통해 구현되며, 상기 무선 송신모듈은 상기 이동 단말기와의 무선 통신을 수행 가능하게 하는 무선 인터넷 모듈 또는 근거리 통신 모듈이다.
바람직하게는, 상기 이동 단말기는 상기 상태진단부를 포함하는 어플리케이션이 탑재된 스마트폰이고, 상기 어플리케이션에는 상기 무선 송신모듈로부터 전송된 베어링 거동정보에 근거하여 주파수 분석 알고리즘을 통해 베어링의 파손을 진단하는 파손진단모듈과 보수를 예측하는 예지보수진단모듈이 탑재될 수 있다.
본 발명은 기존 대비 간단한 알고리즘과 자가발전 방식에 의해, 빅데이터를 구성할 필요가 없으며 사용자에게 회전체의 상태진단 및 유지보수를 유용하게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 베어링에 삽입되어 자가 발전을 통해 구동되는 센서와, 주파수 분석 결과를 무선으로 통신하여 원격으로 베어링의 파손진단이 가능하게 하는 상태 진단 시스템으로서, 후처리 된 데이터를 무선으로 여러 사용자들이 어디서든 베어링의 상태진단 및 예지 보전이 가능하게 하여 회전체의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 베어링의 외륜 및 면 접촉해있는 링 내부에 자가발전 모듈이 베어링의 미세 진동의 반경 및 접선 방향 힘을 그대로 압전 소자에 전달하여 소산되는 에너지를 최소화하고 발전 효율을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명은 상태진단부에는 거동검출부에서 도출되는 데이터를 상태진단이 가능하게 하는 데이터로 바꿔주는 알고리즘이 구축되며, 이로 인해 베어링 주파수 특성을 통해 상태진단을 가능하게 한다.
도 1은 종래의 베어링에 센서가 삽입된 개념도.
도 2는 종래의 센서 베어링을 도시하는 사시도.
도 3a는 본 발명의 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템을 도시하는 블록도.
도 3b는 볼 베어링에 설치된 본 발명의 자가발전 모듈 및 거동 검출부의 예를 도시하는 개념도.
도 3c는 자가발전 모듈에 탄성 요소, 감쇠 요소 및 배터리를 연결시켜 도시한 개념도.
도 3d는 압전 소자에 회로 및 배터리가 연결된 개념도.
도 3e는 볼 베어링에 설치된 본 발명의 거동 검출부 및 상태진단부의 예를 도시하는 개념도.
도 4a는 압전 소자의 변형 전 상태를 도시하는 개념도.
도 4b는 압전 소자의 압축 변형되는 예를 도시하는 개념도.
도 4c는 압전 소자의 인장 변형되는 예를 도시하는 개념도.
도 5a 및 5b는 베어링의 주파수 특성 분석으로 베어링 상태 진단하는 예를 도시하는 그래프.
도 6a은 베어링의 상태를 진단하는 알고리즘.
도 6b는 도 6a의 알고리즘에서 사용되는 베어링의 파라미터를 도시하는 개념도.
도 7a는 QR 코드를 인식하여 시스템 내부의 베어링의 거동정보를 전달하는 예를 도시하는 개념도.
도 7b는 베어링이 삽입된 시스템 선택 시에 베어링의 거동정보를 전달하는 예를 도시하는 개념도.
도 8은 본 발명의 자가발전 모듈이 볼 베어링에 설치된 예를 도시하는 사시도.
도 9는 본 발명의 자가발전 모듈이 볼 베어링에 설치된 예를 도시하는 정면도.
도 10은 본 발명의 자가발전 모듈의 유연 구조물 및 압전 소자의 일부를 도시한 단면도.
도 11a는 하우징의 외륜의 일례를 도시하는 사시도.
도 11b는 유연 구조물의 제1 및 제2부재의 일례를 도시하는 사시도.
도 12a는 하우징의 외륜에 유연 구조물이 설치되는 예를 도시하는 개념도.
도 12b는 하우징의 외륜에 유연 구조물이 설치된 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.
도 3a는 본 발명의 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템(100)을 도시하는 블록도이고, 도 3b는 볼 베어링에 설치된 본 발명의 자가발전 모듈(10) 및 거동 검출부(20)의 예를 도시하는 개념도이고, 도 3c는 자가발전 모듈(10)에 탄성 요소(17a), 감쇠 요소(17b) 및 배터리(17c)를 연결시켜 도시한 개념도이며, 도 3d는 압전 소자(17)에 회로(18) 및 배터리(17c)가 연결된 개념도이다. 또한, 도 3e는 볼 베어링에 설치된 본 발명의 거동 검출부(20) 및 상태진단부(40)의 예를 도시하는 개념도이다.
우선, 도 3a 내지 3e를 참조하여, 본 발명의 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템(100)에 대하여 서술한다.
도 3a를 참조하면, 본 발명의 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템(100)은 자가발전 모듈(10), 거동 검출부(20), 무선 송신모듈(30) 및 상태진단부(40)를 포함한다.
자가발전 모듈(10)은 베어링(5, 도 3b)의 외륜(5a)에 설치되어 베어링(5)의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동을 이용하여 발전하는 베어링(5) 회전 진동 발전용 구성이다.
본 발명의 자가발전 모듈(10)은 베어링의 반경 및 접선 방향 진동을 이용하여 발생진 진동을 이용하여 전기가 발생되며 자체적으로 거동 검출부(20)를 구동하게 된다.
본 발명에서 베어링은 일례로, 볼 베어링(5)일 수 있다. 볼 베어링(5)은 회전축에 연결되어 전달되는 동력에 의해 미소 휘돌림 운동을 하게 된다.
자가발전 모듈(10)은 베어링(5)으로부터 전달된 진동을 반경방향의 힘으로 전환시키도록 한다.
자가발전 모듈(10)은 프랙탈 구조체일 수 있다. 또한, 자가발전 모듈(10)는 하우징(11), 유연 구조물(14) 및 압전 소자(17)를 포함할 수 있다. 자가발전 모듈(10)의 상세 구조에 대해서는 도 8 내지 12b의 설명 부분에서 후술하기로 한다.
거동 검출부(20)는 베어링의 내부에 설치되어 상기 베어링의 거동정보를 실시간 검출하도록 이루어진다.
거동 검출부(20)는 상기 베어링의 회전 및 진동에 의해 발생되는 거동정보를 검출하기 위해 상기 베어링에 설치되는 가속도계 센서일 수 있다. 도 3b를 참조하면, 거동 검출부(20)는 베어링의 외륜(5a)의 내부에 설치되는 예가 도시되나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
거동 검출부(20)는 자가발전 모듈(10)에 의해 발전된 전기에 의해 구동되게 되어 베어링의 거동정보를 검출하게 된다. 도 3e를 참조하면, 이러한 정보는 무선 송신모듈(30)에 의해 전송되어 상태진단부(40)에 의해 진단되며, 랩탑 컴퓨터(50) 또는 스마토 폰(60)을 통해 진단된 베어링의 거동정보가 사용자에게 도시되게 된다.
무선 송신모듈(30)은, 도면에 명확하게 도시되지는 않았지만, 거동 검출부(20)에 연결되어 실시간 검출된 베어링 거동정보를 외부로 전송 가능하도록 이루어진다.
일례로, 무선 송신모듈(30)은, 거동 검출부(20)와 통신 교환 가능하도록 연결될 수 있다.
상태진단부(40)는 무선 송신모듈(30)로부터 전송되는 베어링 거동정보를 제공받아 베어링의 상태를 실시간으로 진단한다.
일례로, 상태진단부(40)는 마이크로 컨트롤러 유닛(Micro Controller Unit, MCU)일 수 있다.
상태진단부(40)는 가속도계 센서에서 검출된 베어링의 거동정보를 상기 무선 송신모듈(30)로부터 제공받을 수 있다. 상태진단부(40)에는 베어링의 거동정보에 근거하여 주파수 분석 알고리즘을 통해 베어링의 파손을 진단하는 파손진단모듈과 보수를 예측하는 예지보수진단모듈이 탑재될 수 있다.
파손진단모듈은 주파수 분석 알고리즘인 BPFO(Ball Pass Frequency of the Outer race), BPFI(Ball Pass Frequency of the Inner race), FTF(Fundamental Train Frequency) 및 BSF(Ball Spin Frequency)을 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 수행할 수 있다.
BPFO는 0.5 * RPM * Z * {1-(D/dm) * cos(α°)}, BPFI는 0.5 * RPM * Z * {1+(D/α°) * cos(α°)}, FTF는 0.5 * RPM * {1-(D/dm) * cos(α°)}, BSF는 0.5 * RPM * (dm/D) * {1-(D/dm) * cos(α°)}^2의 수식으로 도출된다. 도 6b를 참조하면, 상기 수식들에서 RPM은 베어링의 RPM, Z는 볼 베어링 내의 볼의 개수, α°는 볼 베어링과 자가발전 모듈(10) 사이의 접촉각, D는 볼의 직경, dm은 볼 베어링의 직경이다.
일례로, 본 발명의 상태진단부(40)는 이동 단말기를 통해 구현될 수 있으며, 무선 송신모듈(30)은 상기 이동 단말기와의 무선 통신을 수행 가능하게 하는 무선 인터넷 모듈 또는 근거리 통신 모듈일 수 있다.
도 7a에는 QR 코드를 인식하여 시스템 내부의 베어링의 거동정보를 전달하는 예가 도시되며, 도 7b에는 베어링이 삽입된 시스템 선택 시에 베어링의 거동정보를 전달하는 예가 도시된다.
한편, 본 발명에서 설명되는 이동 단말기에는 휴대폰, 스마트 폰(smart phone), 노트북 컴퓨터(laptop computer), 디지털방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), PMP(portable multimedia player), 네비게이션, 슬레이트 PC(slate PC), 태블릿 PC(tablet PC), 울트라북(ultrabook), 웨어러블 디바이스(wearable device, 예를 들어, 워치형 단말기(smartwatch), 글래스형 단말기(smart glass), HMD(head mounted display)) 등이 포함될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 이동 단말기는 상태진단부(40)를 포함하는 어플리케이션이 탑재된 스마트폰일 수 있다. 또한, 스마트폰에 탑재된 어플리케이션에는 파손진단모듈 및 예지보수진단모듈이 탑재될 수 있는데, 판손진단모듈은 베어링 거동정보에 근거하여 주파수 분석 알고리즘을 통해 베어링의 파손을 진단하게 하는 모듈이며, 예지보수진단모듈은 베어링이 파손되는 경우 보수를 예측하게 하는 모듈이다.
또한, 본 발명에서 설명되는 무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, 이동 단말기에 내장되거나 외장될 수 있다. 무선 인터넷 모듈은 무선 인터넷 기술들에 따른 통신망에서 무선 신호를 송수신하도록 이루어진다. 무선 인터넷 기술로는, 예를 들어 WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi(Wireless Fidelity) Direct, DLNA(Digital Living Network Alliance), WiBro(Wireless Broadband), WiMAX(World Interoperability for Microwave Access), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), HSUPA(High Speed Uplink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A(Long Term Evolution-Advanced) 등이 있으며, 무선 인터넷 모듈은 상기에서 나열되지 않은 인터넷 기술까지 포함한 범위에서 적어도 하나의 무선 인터넷 기술에 따라 데이터를 송수신하게 된다.
바람직하게는, 본 발명에서, 무선 인터넷 모듈은 Wi-Fi일 수 있다.
또한, 본 발명에서 설명되는 근거리 통신 모듈은 근거리 통신(Short range communication)을 위한 것으로서, 블루투스(Bluetooth™), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association; IrDA), UWB(Ultra Wideband), ZigBee, NFC(Near Field Communication), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), Wi-Fi Direct, Wireless USB(Wireless Universal Serial Bus) 기술 중 적어도 하나를 이용하여, 근거리 통신을 지원할 수 있다.
이러한, 근거리 통신 모듈은, 근거리 무선 통신망(Wireless Area Networks)을 통해 이동 단말기와 무선 통신 시스템 사이, 이동 단말기와 다른 이동 단말기 사이, 또는 이동 단말기와 다른 이동 단말기(또는 외부서버)가 위치한 네트워크 사이의 무선 통신을 지원할 수 있다. 상기 근거리 무선 통신망은 근거리 무선 개인 통신망(Wireless Personal Area Networks)일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에서, 근거리 통신 모듈은 블루투스일 수 있다.
본 발명의 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템(100)은 베어링 내부에 설치된 상기 거동 검출부(20)의 실시간 거동정보를 상기 자가발전 모듈(10)에서 얻은 전기를 통해 전송한다.
도 3b 내지 3d을 참조하면, 베어링에서 생산되는 진동을 하우징(11, 도 8 이하)에 전달하고 하우징(11)에서 전달받은 진동을 활용하여 자가발전 모듈(10)을 이용하여 압전 소자(17)에 집중 응력을 가해 전력을 생산하도록 하고, 압전 소자(17)에 의해 생산되는 전력을 정류회로(18)를 통해 배터리(17c) 형태로 전력을 저장하거나 베어링의 외륜(5a)에 삽입된 거동 검출부(20)를 구동시킨다. 자가발전 모듈(10)에서 생성되는 전력은 거동 검출부(20)를 구동시키는데 충분해야 하며 구조체를 통한 1개 압전 소자(17)의 발전량은 최대 1.0~1.2V로 베어링의 상태진단을 위한 거동 검출부(20)를 구동할 수 있는 전압량인 1.68~1.83V에 근접한다.
도 5에는 베어링에서 수집한 데이터를 통해 베어링 손상진단을 하기 위해 수집된 데이터를 후처리하여 베어링의 손상진단을 수행한 그래프가 도시된다. 도 5의 그래프는 베어링에 손상이 없을 경우를 신호분석을 통해 나타내었다. 신호분석은 베어링 손상 주파수를 분석하면 되기 때문에 무선 베어링 모듈에 알고리즘을 탑재하여 추후 사용자가 베어링의 상태진단 및 유지보수를 가능하게 한다.
이하, 도 8 내지 12b를 참조하여, 자가발전 모듈(10)의 구조에 대하여 보다 상세히 서술한다.
하우징(11)은 베어링의 외륜(5a)에 접촉되어 상기 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동을 전달받으며, 내부에 후술하는 유연 구조물(14)이 배치되는 수용 공간(11c)을 구비할 수 있다. 하우징(11)은 일례로, 바이브레이션 링(Vibration ring)일 수 있다.
도 8을 참조하면, 하우징(11)은 베어링(5)의 외륜(5a)에 접촉되는 예가 도시된다.
도 10에 도시되는 바와 같이, 하우징(11)은, 외륜(11a) 및 내륜(11b)을 포함할 수 있는데, 외륜(11a) 및 내륜(11b) 사이에는 후술하는 유연 구조물(14)이 설치되는 수용 공간(11c)이 구비되는 예가 도시된다.
또한, 도 8 및 9에 도시되는 바와 같이, 하우징(11)은 링(ring) 구조일 수 있어서, 베어링(5)의 외륜(5a)에 삽입이 용이한 구조로 이루어지는 것이 바람직하다. 하우징(11)이 링 구조인 경우, 수용 공간(11c)은 베어링(5)의 원주 방향으로 형성될 수 있다.
한편, 하우징(11)은 베어링(5)의 미소 휘돌림 운동에 발생된 진동에 의해 파손되지 않으며 동시에 진동을 전달할 수 있도록 탄성력을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
유연 구조물(14)은 상기 하우징(11)의 내주에 접촉되도록 상기 수용 공간(11c)에 배치되어 상기 진동을 반경방향으로 전환시킬 수 있다.
보다 상세하게는, 유연 구조물(14)은 하우징(11)의 내주에 접촉되도록 하우징(11)의 수용 공간(11c)에 배치되는데, 베어링(5)의 미소 휘돌림 운동에 의해 발생된 진동을 전달받아서 도 10에서 도시되는 반경방향의 힘(FT, FR)으로 전환시킨다. 또한, 유연 구조물(14)은 전환된 반경방향의 힘을 감쇠시킨다.
유연 구조물(14)은 제1 및 제2부재(15, 16)를 포함할 수 있다.
제1부재(15)는 이루어지고, 양 단(15a)이 상기 하우징(11)의 일 면에 연결되도록 상기 압전 소자(17)에 설치될 수 있다.
제2부재(16)는 제1부재(15)와 마찬가지로, 원호 형상으로 이루어지고, 제1부재(15) 및 상기 하우징(11)의 다른 일 면 사이에 접촉되도록 배치될 수 있다.
이하, 유연 구조물(14)에 대해 보다 상세히 서술하기로 한다.
제1부재(15)는 원호 형상으로 이루어지고, 양 단(15a)이 하우징(11)의 일 면에 연결되도록 압전 소자(17)에 설치될 수 있다. 일례로, 제1부재(15)는 압전 소자(17)에 면 접촉되도록 결합될 수 있다.
또한, 제2부재(16)는 원호 형상으로 이루어지고, 상기 제1부재(15) 및 상기 하우징(11)의 다른 일 면 사이에 접촉되도록 배치될 수 있다.
제2부재(16)의 양 단(16a)은 상기 제1부재(15)의 양 단(15a) 사이의 일 부분에 접촉되고, 상기 제2부재(16)의 양 단(16a) 사이의 일 부분은 상기 하우징(11)의 다른 일 면에 접촉될 수 있다.
한편, 도 10에는 하우징(11) 내부에 제1 및 제2부재(15, 16)가 각각 2개 및 1개 도시되어 있으나 이는 발명의 이해를 위해 단순히 도시한 것이며, 도 8 및 도 9에서와 같이, 제1 및 제2부재(15, 16)는 형상이 원호 방향을 따라 제1 및 제2부재(15, 16)가 반복 배치되는 구조일 수 있다.
도 10을 참조하면, 하우징(11)의 수용 공간(11c)에서 복수 개의 제1부재(15)가 서로 이격되도록 배치되는데, 제1부재(15)의 양 단(15a)은 복수 개의 압전 소자(17)에 접촉 배치되어 하우징(11)의 외륜(11a)에 연결되는 예가 도시된다. 또한, 제2부재(16)의 양 단(16a)은 인접한 제1부재(15)에 접촉되는 예가 또한 도 10에 도시된다.
도 10을 참조하면, 제2부재(16)도 복수 개로 이루어지며, 복수 개의 제2부재(16)는 양 단(16a)이 서로 인접한 상기 제1부재(15)에 접촉될 수 있다. 또한, 제2부재(16)는 양 단(16a) 사이의 부분이 하우징(11)의 내륜(11b)에 접촉될 수 있다.
제1부재(15)와 압전 소자(17), 제1부재(15)와 제2부재(16), 제2부재(16)와 하우징(11)의 내륜(11b)은 일례로 접합 결합을 통해서 연결될 수 있다.
제1 및 제2부재(15, 16)는, 하우징(11)의 수용 공간(11c)이 원주 방향으로 형성되는 경우, 수용 공간 내에서 원주 방향으로 반복 배치될 수 있다.
또한, 제1 및 제2부재(15, 16)는, 하우징(11)의 수용 공간(11c)이 원주 방향으로 형성되는 경우, 수용 공간(11c) 내에서 원주 방향 및 원주 방향에 교차하는 방향으로 배치될 수도 있다.
도 8 및 9를 참조하면, 제1 및 제2부재(15, 16)가, 하우징(11)의 수용 공간(11c)에서 원주 방향 및 원주 방향에 교차하는 방향으로 배치되어 있는 예가 도시된다.
한편, 제1 및 제2부재(15, 16)는 각각 베어링(5)으로부터 전달되는 휘돌림 운동 힘의 세기 및 방향 등을 고려하여 두께, 길이 및 반복되는 개수 등이 정해짐으로써 본 발명의 자가발전 모듈(10)과 베어링(5)을 포함하는 전체 시스템에 구조 안정성을 보장하도록 하는 것이 바람직하다.
압전 소자(17)는 반경방향으로 전환된 진동을 상기 유연 구조물(14)로부터 전달받아 변형됨으로써 전기를 발생시키도록 이루어질 수 있다. 또한, 도 10에 도시되는 바와 같이, 압전 소자(17)는 수용 공간(11c)에 인접하도록 상기 하우징(11) 및 상기 유연 구조물(14) 사이에 설치될 수 있다.
보다 상세하게는, 압전 소자(17)는 수용 공간(11c)에 인접하도록 상기 하우징(11) 및 상기 유연 구조물(14) 사이에 설치된다. 일례로, 압전 소자(17)는 유연 구조물(14)에 면 접촉될 수 있다.
또한, 압전 소자(17)는 유연 구조물(14)로부터 반경방향으로 전환된 진동을 전달받아 변형됨으로써 전기를 발생시키도록 이루어진다.
도 10을 참조하면, 압전 소자(17)는 하우징(11) 외륜의 내주 및 제1부재(15) 사이에 설치되는 예가 도시된다.
또한, 압전 소자(17)는 하우징(11)의 외륜에 결합되는 홀더(미도시)에 설치될 수 있다. 도 10에 명확히 도시되지는 않았지만, 수용 공간(11c)에 인접한 하우징(11)의 외륜에는 홀더가 삽입될 수 있으며, 홀더에 압전 소자(17)가 삽입됨으로써, 압전 소자(17)는 하우징(11)에 설치될 수 있다. 압전 소자(17)가 홀더에 결합됨으로써, 압전 소자(17)는 보호되며, 하우징(11)의 수용 공간(11c)에서 접선 방향으로 미끄러짐이 방지되고 파손이 방지되게 된다.
압전 소자(17)는 복수 개로 이루어질 수 있으며, 복수 개의 압전 소자(17)는 하우징(11)에 서로 이격되도록 배치될 수 있다.
일례로, 압전 소자(17)는 베어링(5)으로부터 전달되는 진동을 전달받아 반경 방향으로 압축 및 인장 변형함으로써 전기를 생산한다.
도 4a에는 압전 소자(17)의 변형 전 상태, 도 4b는 압전 소자(17)가 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동에 의해 압축 변형된 상태, 도 4c는 압전 소자(17)가 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동에 의해 인장 변형된 상태가 도시되어 있다.
또한, 압전 소자(17)는 센서나 통신 모듈에 전기적으로 연결될 수 있어서, 발생된 전기를 센서나 통신 모듈에 공급할 수 있게 한다.
한편, 압전 소자(17)가 전기 생산이 불필요할 시에는 압전 소자(17)는 전기를 전달받음으로써 액추에이터로 이용되어 고주파의 베어링(5) 진동에 대응하여 감쇠력을 고속 전환할 수 있게 한다.
예를 들면, 압전 소자(17)는 PZT일 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 반경방향의 힘을 전달받아서 변형됨으로써 베어링(5)으로부터 발생된 진동을 감쇠시키며 전기를 발생시키는 다양한 구성일 수 있다.
압전 소자(17)에는 또한, 진동 감지 센서(미도시)가 전기적으로 연결될 수 있는데, 진동 감지 센서는 베어링의 진동을 감지하도록 이루어지는 센서이다. 진동 감지 센서는 압전 소자(17)에서 발생된 전기를 제공받으며 자체 발전을 가능하게 한다.
압전 소자(17)와 마찬가지로, 상기 제1부재(15)는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 제1부재(15)는 서로 이격되도록 배치되며 양 단이 각각 상기 복수의 압전 소자(17)에 설치될 수 있다.
또한, 제2부재(16)도 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 제2부재(16)는 양 단(16a)이 서로 인접한 상기 제1부재(15)에 접촉될 수 있다.
도 11a는 하우징(11)의 외륜(11a)의 일례를 도시하는 사시도이고, 도 11b는 유연 구조물(14)의 제1 및 제2부재(15, 16)의 일례를 도시하는 사시도이다. 또한, 도 12a는 하우징(11)의 외륜(11a)에 유연 구조물(14)이 설치되는 예를 도시하는 개념도이며, 도 12b는 하우징(11)의 외륜(11a)에 유연 구조물(14)이 설치된 예를 도시하는 개념도이다.
이하, 도 11a 내지 도 12b를 참조하여, 하우징(11)의 외륜(11a) 및 유연 구조물(14)의 구조의 다른 예와 하우징(11)의 외륜(11a)에 압전 소자(17)와 유연 구조물(14)이 설치되는 다른 예에 대하여 서술하기로 한다.
하우징(11)의 외륜(11a)은 외륜(11a)의 일 면에서 제1부재(15)가 걸림되도록 형성되는 턱부(12)를 구비할 수 있다. 또한, 턱부(12)의 내측에는 수용부(12a)가 형성되어 압전 소자(17) 및 제1부재(15)의 단부가 수용될 수 있다.
도 11b을 참조하면, 제1부재(15)의 단부는 압전 지지부(12b)가 형성될 수 있다. 압전 지지부(12b)는 접선 방향으로 형성될 수 있는데, 압전 소자(17)의 아랫면에 접촉되어 압전 소자(17)를 지지할 수 있다.
한편, 도 11a 내지 12b에서, 하우징(11)의 외륜(11a) 및 유연 구조물(14)은 원호 중에서 일부만 도시되어 있으나, 도 9에서 도시되는 하우징(11) 및 유연 구조물(14)과 마찬가지로 원주 방향을 따라서 연장되도록 형성되는 원의 형상임을 이해할 수 있다.
도 12a 및 12b를 참조하면, 외륜(11a)의 수용부(12a)에 압전 소자(17)가 수용되고, 제1부재(15)의 압전 지지부(12b)가 턱부(12)에 걸림되도록 배치되며 압전 소자(17)를 지지하도록 설치된 예가 도시된다. 도 12a에서 제1부재(15)는 화살표 방향으로 결합될 수 있으며, 빗금 표시된 부분은 압전 소자(17)에 베어링(5)의 진동이 전달되는 부분으로 이해될 수 있다.
이상에서 설명한 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템(100)은 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:베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템
10:자가발전 모듈
11:하우징 11a:외륜 11b:내륜 11c:수용 공간
14:유연 구조물 15:제1부재 16:제2부재
17:압전 소자 17a:탄성 요소 17b:감쇠 요소 17c:배터리 18:회로
12:턱부 12a:수용부 12b:압전 지지부
20:거동 검출부
30:무선 송신모듈
40:상태진단부
50:랩탑 컴퓨터
60:스마트 폰
5:볼 베어링
5a:베어링의 외륜
5b:베어링의 내륜
5c:케이지
5d:볼

Claims (9)

  1. 베어링의 외륜에 설치되어 상기 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동을 이용하여 전기를 발전시키는 자가발전모듈;
    상기 베어링에 설치되어 상기 베어링의 거동정보를 실시간 검출하도록 이루어지는 거동검출부;
    상기 거동검출부에 연결되어 실시간 검출된 베어링 거동정보를 외부로 전송 가능하도록 이루어지는 무선 송신모듈; 및
    상기 무선 송신모듈로부터 전송되는 베어링 거동정보를 제공받아 베어링의 상태를 실시간으로 진단하는 상태진단부를 포함하고,
    베어링 내부에 설치된 상기 거동검출부의 실시간 거동정보를 상기 자가발전모듈에서 얻은 전기를 통해 전송하고,
    상기 자가발전모듈은,
    상기 베어링의 외륜에 접촉되어 상기 베어링의 미소 휘돌림 운동으로부터 발생된 진동을 전달받으며, 내부에 수용 공간을 구비하는 하우징;
    상기 하우징의 내주에 접촉되도록 상기 수용 공간에 배치되어 상기 진동을 반경방향으로 전환시키는 유연 구조물; 및
    상기 수용 공간에 인접하도록 상기 하우징 및 상기 유연 구조물 사이에 설치되고, 상기 반경방향으로 전환된 진동을 상기 유연 구조물로부터 전달받아 변형됨으로써 전기를 발생시키도록 이루어지는 압전 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 거동검출부는 상기 베어링의 회전 및 진동에 의해 발생되는 거동정보를 검출하기 위해 상기 베어링에 설치되는 가속도계 센서인 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유연 구조물은,
    원호 형상으로 이루어지고, 양 단이 상기 하우징의 일 면에 연결되도록 상기 압전 소자에 설치되는 제1부재; 및
    원호 형상으로 이루어지고, 상기 제1부재 및 상기 하우징의 다른 일 면 사이에 접촉되도록 배치되는 제2부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 압전 소자는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 압전 소자는 상기 하우징에 서로 이격되도록 배치되며,
    상기 제1부재는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 제1부재는 서로 이격되도록 배치되며 양 단이 각각 상기 복수의 압전 소자에 설치되며,
    상기 제2부재는 복수 개로 이루어지며, 상기 복수 개의 제2부재는 양 단이 서로 인접한 상기 제1부재에 접촉되는 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 상태진단부는,
    상기 가속도계 센서에서 검출된 베어링의 거동정보를 상기 무선 송신모듈로부터 제공받도록 이루어지며, 상기 베어링의 거동정보에 근거하여 주파수 분석 알고리즘을 통해 베어링의 파손을 진단하는 파손진단모듈과 보수를 예측하는 예지보수진단모듈이 탑재되는 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 파손진단모듈은, BPFO(Ball Pass Frequency of the Outer race), BPFI(Ball Pass Frequency of the Inner race), FTF(Fundamental Train Frequency) 및 BSF(Ball Spin Frequency)을 FFT(Fast Fourier Transform)를 통해 수행하는 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 상태진단부는, 이동 단말기를 통해 구현되며, 상기 무선 송신모듈은 상기 이동 단말기와의 무선 통신을 수행 가능하게 하는 무선 인터넷 모듈 또는 근거리 통신 모듈인 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 이동 단말기는 상기 상태진단부를 포함하는 어플리케이션이 탑재된 스마트폰이고,
    상기 어플리케이션에는 상기 무선 송신모듈로부터 전송된 베어링 거동정보에 근거하여 주파수 분석 알고리즘을 통해 베어링의 파손을 진단하는 파손진단모듈과 보수를 예측하는 예지보수진단모듈이 탑재되는 것을 특징으로 하는 베어링 모듈의 실시간 상태진단 시스템.
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