KR102669537B1

KR102669537B1 - Ferrous wear sensor

Info

Publication number: KR102669537B1
Application number: KR1020230066684A
Authority: KR
Inventors: 홍성호
Original assignee: 동국대학교 와이즈캠퍼스 산학협력단
Priority date: 2023-05-24
Filing date: 2023-05-24
Publication date: 2024-05-24

Abstract

마모된 철 입자가, 철분입자 센서의 측면에 들러붙지 않고 팁에만 들러붙도록 하여, 민감도를 향상시킬 수 있는 철분입자 센서가 개시된다. 아러한 철분입자 센서는, 영구자석, 코어 및 코일을 포함한다. 상기 코어는 상기 영구자석의 단부에 부착된다. 상기 코일은 상기 코어를 감싸도록 배치된다. 이때, 상기 코어는, 상기 코일 하부에 배치되지 않도록 하여, 상기 코일은 상기 영구자석의 단부에 접한다.An iron particle sensor is disclosed that can improve sensitivity by allowing worn iron particles to stick only to the tip rather than to the sides of the iron particle sensor. This iron particle sensor includes a permanent magnet, a core, and a coil. The core is attached to the end of the permanent magnet. The coil is arranged to surround the core. At this time, the core is not disposed below the coil, so that the coil contacts the end of the permanent magnet.

Description

Iron particle sensor {FERROUS WEAR SENSOR}

본 발명은 철분입자 센서에 관한 것으로, 보다 상세히, 기어박스 등에서, 금속과 금속의 접촉에 의해 마모되는 철 마모입자의 양을 측정하여 철분의 마모량을 검출하는 철분입자 센서에 관한 것이다.The present invention relates to an iron particle sensor, and more specifically, to an iron particle sensor that detects the amount of iron wear by measuring the amount of iron wear particles worn by metal-to-metal contact in gearboxes, etc.

기계 상태 모니터링은 센서 및 측정 장치를 사용하여 결함 또는 고장을 감지하여 기계의 신뢰성을 향상시키는 것을 목표로 하는 분야이다. 데이터와 정보를 수집하고 분석함으로써 기계 상태 모니터링은 기계 고장을 예방하고 기계 시스템의 유지 보수 수준을 향상시킬 수 있다. 오일 분석을 통한 기계 상태 모니터링은 자동차, 건설 장비, 발전소 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있다. 윤활유를 분석하는 다양한 방법 중 윤활유 센서를 이용한 온라인 방법이 선호된다. 그 이유는 이 방법이 전문적인 기술 없이도 인적 오류 감소, 초기 상태에서의 중대고장 방지, 유지보수 비용 절감 등의 장점이 있기 때문이다.Machine condition monitoring is a field that aims to improve the reliability of machinery by detecting defects or failures using sensors and measuring devices. By collecting and analyzing data and information, machine condition monitoring can prevent machine failures and improve the maintenance level of mechanical systems. Machine condition monitoring through oil analysis is applied to various industrial fields such as automobiles, construction equipment, and power plants. Among various methods to analyze lubricating oil, the online method using a lubricating oil sensor is preferred. The reason is that this method has advantages such as reducing human errors, preventing major failures in the initial state, and reducing maintenance costs without requiring specialized skills.

50년 이상 동안 마모의 가장 넓은 정의는 표면에서 재료의 손실, 한 표면에서 다른 표면으로 재료의 이동 또는 단일 표면 내에서 재료의 이동이었다. 마모의 더 좁은 정의는 표면에서 상대 운동의 결과로 발생하는 부품의 작동 표면에서 물질의 점진적인 손실로 제안되었다. 관련된 엔지니어링 응용 분야의 범위를 고려할 때 마찰 공학자가 더 넓은 정의를 활용하는 것이 더 유익하다. 마모의 간단하고 효과적인 정의는 점진적인 재료 손실로 인해 발생하는 고체 표면의 손상으로, 일반적으로 표면과 접촉하는 물질 또는 물질 사이의 상대적인 움직임으로 인해 발생한다. 마모의 발생은 기계의 상태, 유지보수 및 내구성과 밀접하게 관련되어 있다. 따라서 마모의 종류나 양을 결정하는 것이 중요하다.For more than 50 years, the broadest definition of wear was the loss of material from a surface, the movement of material from one surface to another, or the movement of material within a single surface. A narrower definition of wear has been proposed as the progressive loss of material from the operating surface of a part that occurs as a result of relative motion across the surfaces. Given the range of engineering applications involved, it is more beneficial for tribologists to utilize a broader definition. A simple and effective definition of wear is damage to a solid surface resulting from gradual loss of material, usually due to relative movement between the surface and the material or substances in contact. The occurrence of wear is closely related to the condition, maintenance and durability of the machine. Therefore, it is important to determine the type and amount of wear.

윤활 시스템 내에서 마모로 인해 발생하는 입자를 식별하는 것도 중요하다. 이러한 입자는 일반적으로 세라믹 및 폴리머와 같은 철, 비철 및 비금속 파편을 포함한다. 마모 입자를 측정하기 위해 철분입자 센서는 일반적으로 인덕턴스 및 커패시턴스 기반 방법, 초음파 변환기 기반 음향 방법, 광학 방법, 자기 방법을 사용한다. 영구 자석과 인덕턴스의 조합에 기초한 방법. 그 중 기계는 철을 주성분으로 하기 때문에 기계의 상태를 진단하기 위해 철입자 센서가 널리 사용되고 있다.It is also important to identify particles resulting from wear within the lubrication system. These particles typically include ferrous, non-ferrous and non-metallic fragments such as ceramics and polymers. To measure wear particles, iron particle sensors generally use inductance and capacitance-based methods, ultrasonic transducer-based acoustic methods, optical methods, and magnetic methods. Method based on a combination of permanent magnets and inductance. Among them, since machines are mainly made of iron, iron particle sensors are widely used to diagnose the condition of machines.

도 1은 영구 자석이 있는 철분입자 센서(Gill Sensor)의 개략도를 보여준다. 철분입자 센서는 인덕턴스가 있는 감지 코일과 팁에서 철 파편을 끌어들이는 영구 자석을 포함하는 두 개의 장치로 구성된다. 이러한 철분입자 센서는 미세한 파편과 거친 파편을 구별할 수 있다. 영구 자석의 철 입자 축적으로 인한 마모 및 손상을 방지할 수 있다. 이러한 장점으로 인해 철계 입자 센서 중에서 그 활용도가 높아지고 있다.Figure 1 shows a schematic diagram of an iron particle sensor (Gill Sensor) with a permanent magnet. The iron particle sensor consists of two devices, including a sensing coil with inductance and a permanent magnet that attracts iron fragments at the tip. These iron particle sensors can distinguish between fine and coarse fragments. It can prevent wear and damage caused by iron particle accumulation in permanent magnets. Due to these advantages, its utilization among iron-based particle sensors is increasing.

개발 과정에서 마모 입자 센서의 민감도에 대한 연구는 많이 있었지만, 철분 마모 센서의 민감도에 대한 연구는 거의 없었다. 철분입자 센서의 원통형 영구 자석 모양으로 인해 철 입자가 센서의 팁뿐만 아니라 센서 측면에도 수집된다. 따라서 철분입자 센서에 부착된 철 입자의 양 변화를 정확히 반영하기는 어려운 문제가 있다. Although there have been many studies on the sensitivity of wear particle sensors during the development process, there has been little research on the sensitivity of iron wear sensors. Due to the cylindrical permanent magnet shape of the iron particle sensor, iron particles are collected not only at the tip of the sensor but also on the sides of the sensor. Therefore, it is difficult to accurately reflect the change in the amount of iron particles attached to the iron particle sensor.

그에 따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 마모된 철 입자가, 철분입자 센서의 측면에 들러붙지 않고 팁에만 들러붙도록 하여, 민감도를 향상시킬 수 있는 철분입자 센서를 제공하는 것이다.Accordingly, the problem to be solved by the present invention is to provide an iron particle sensor that can improve sensitivity by allowing worn iron particles to stick only to the tip rather than to the side of the iron particle sensor.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 철분입자 센서는, 영구자석, 코어 및 코일을 포함한다. 상기 코어는 상기 영구자석의 단부에 부착된다. 상기 코일은 상기 코어를 감싸도록 배치된다. 이때, 상기 코어는, 상기 코일 하부에 배치되지 않도록 하여, 상기 코일은 상기 영구자석의 단부에 접한다.The iron particle sensor according to an exemplary embodiment of the present invention for solving this problem includes a permanent magnet, a core, and a coil. The core is attached to the end of the permanent magnet. The coil is arranged to surround the core. At this time, the core is not disposed below the coil, so that the coil contacts the end of the permanent magnet.

일 실시예로서, 상기 코어는 상기 코일의 내측면에 접할 수 있다.In one embodiment, the core may be in contact with the inner surface of the coil.

일 실시예로서, 상기 코어는, 상기 영구자석의 중앙부에서의 두께가 상기 코일과 접하는 부분에서의 두께보다 크게 형성될 수 있다.In one embodiment, the core may be formed so that the thickness at the center of the permanent magnet is greater than the thickness at the portion in contact with the coil.

일 실시예로서, 상기 코어는, 상기 영구자석의 중앙부에서 상기 코일과 접하는 부분까지 두께가 선형으로 감소하도록 형성되어, 중앙부가 뾰족한 원뿔 형상을 갖도록 형성될 수 있다.In one embodiment, the core may be formed so that the thickness decreases linearly from the central part of the permanent magnet to the part in contact with the coil, so that the central part has a sharp cone shape.

일 실시예로서, 상기 코어는, 상기 영구자석의 중앙부에서 설정된 반지름까지는 종형상으로 형성되고, 설정된 반지름 외측으로는 일정한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.In one embodiment, the core may be formed in a bell shape from the center of the permanent magnet to a set radius, and may be formed to have a constant thickness outside the set radius.

일 실시예로서, 상기 영구자석은 원통형상을 가질 수 있다.As an example, the permanent magnet may have a cylindrical shape.

일 실시예로서, 이러한 철분입자 센서는, 상기 영구자석, 상기 코어 및 상기 코일을 둘러쌓는 케이스를 더 포함할 수 있다.As an example, this iron particle sensor may further include a case surrounding the permanent magnet, the core, and the coil.

이와 같이 본 발명에 의한 철분입자 센서에 의하면, 마모된 철 입자가, 철분입자 센서의 측면에 들러붙지 않고 팁에만 들러붙도록 하여, 민감도를 향상시킬 수 있다.In this way, according to the iron particle sensor according to the present invention, the sensitivity can be improved by allowing worn iron particles to stick only to the tip and not to the side of the iron particle sensor.

도 1은 Gill Sensors에서 제조한, 종래 철분입자 센서의 개략도이다.
도 2는 도 1에서 도시된 종래 철분입자 센서에 대한 수치 모델(도 5의 D-model)의 축대칭 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 저탄소강 M-50의 B-H 곡선을 도시한 그래프이다.
도 4는 수치모델의 메쉬를 도시한 도면이다.
도 5는 종래기술(A-model), 비교예(B-model) 및 본 발명의 실시예(C-model, D-model)의 축대칭 단면을 도시한 단면도이다.
도 6은 도 5의 4개 모델의 자속 밀도 분도의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다.
도 7은 철분입자 센서의 감도 평가에 사용되는 수치 모델로서, (a)는 대조 부피이고, (b)는 A-모델과 D-모델의 메쉬이다.
도 8은 시간에 따른 입자 궤적으로서, (a)는 v = 0.002m/s인 A-모델이고, (b)는 v = 0.002m/s인 D-모델이다.
도 9는 시간 경과에 따른, A-모델 및 D-모델의 센서 상단에 수집된 입자 수를 도시한 그래프이다.
도 10은 A-모델과 D-모델에서 유체 속도의 변화에 따라 센서에 의해 수집된 입자 수를 나타낸 그래프로서, (a)는 v = 0.002m/s인 경우이고, (b)는 v = 0.02m/s인 경우이고, (c)는 v = 0.04m/s인 경우이고, (d)는 v = 0.1m/s인 경우이다.Figure 1 is a schematic diagram of a conventional iron particle sensor manufactured by Gill Sensors.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an axisymmetric cross-section of a numerical model (D-model in FIG. 5) for the conventional iron particle sensor shown in FIG. 1.
Figure 3 is a graph showing the BH curve of low carbon steel M-50.
Figure 4 is a diagram showing the mesh of the numerical model.
Figure 5 is a cross-sectional view showing an axisymmetric cross-section of the prior art (A-model), comparative example (B-model), and embodiments of the present invention (C-model, D-model).
FIG. 6 is a diagram showing simulation results of the magnetic flux density diagram of the four models in FIG. 5.
Figure 7 is a numerical model used to evaluate the sensitivity of the iron particle sensor, where (a) is the control volume and (b) is the mesh of the A-model and D-model.
Figure 8 shows particle trajectories over time, where (a) is the A-model with v = 0.002 m/s and (b) is the D-model with v = 0.002 m/s.
Figure 9 is a graph showing the number of particles collected on top of the sensors of the A-model and D-model over time.
Figure 10 is a graph showing the number of particles collected by the sensor according to the change in fluid velocity in the A-model and D-model, (a) for v = 0.002m/s, and (b) for v = 0.02. m/s, (c) is the case of v = 0.04m/s, and (d) is the case of v = 0.1m/s.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성 요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 과장하여 도시한 것일 수 있다. Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components. In the attached drawings, the dimensions of the structures may be exaggerated compared to the actual size for clarity of the present invention.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다. Terms such as first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another. For example, a first component may be referred to as a second component, and similarly, the second component may also be referred to as a first component without departing from the scope of the present invention.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 또한, A와 B가'연결된다', '결합된다'라는 의미는 A와 B가 직접적으로 연결되거나 결합하는 것 이외에 다른 구성요소 C가 A와 B 사이에 포함되어 A와 B가 연결되거나 결합되는 것을 포함하는 것이다.The terms used in this application are merely used to describe specific embodiments and are not intended to limit the invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. In addition, the meaning of A and B being 'connected' or 'combined' means that in addition to A and B being directly connected or combined, another component C is included between A and B and A and B are connected or combined. It includes

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 또한, 방법 발명에 대한 특허청구범위에서, 각 단계가 명확하게 순서에 구속되지 않는 한, 각 단계들은 그 순서가 서로 바뀔 수도 있다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as generally understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having meanings consistent with the meanings they have in the context of the related technology, and unless clearly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No. Additionally, in the scope of the patent claims for the method invention, the order of each step may be changed unless each step is clearly bound to the order.

또한, 각 실시예들에서 개별적으로 설명된 구성들은, 다른 실시예들에서 적용될 수도 있다.Additionally, configurations individually described in each embodiment may be applied to other embodiments.

본 발명의 예시적인 일 실시예에 의한 철분입자 센서(도 5의 C-모델 및 D-모델)는, 영구자석, 코어 및 코일(도 2참조)을 포함한다. 일 실시예로서, 이러한 철분입자 센서는, 상기 영구자석, 상기 코어 및 상기 코일을 둘러쌓는 케이스를 더 포함할 수 있다.The iron particle sensor (C-model and D-model in FIG. 5) according to an exemplary embodiment of the present invention includes a permanent magnet, a core, and a coil (see FIG. 2). As an example, this iron particle sensor may further include a case surrounding the permanent magnet, the core, and the coil.

상기 코어는 상기 영구자석의 단부에 부착된다. 상기 코일은 상기 코어를 감싸도록 배치된다. 외부의 철분입자가 상기 영구자석에 이끌려, 도 1에 도시된 바와 같이 케이스 외부에 들러붙으면, 이로 인해서, 자기장에 변화가 발생하고, 상기 코일은 이러한 자기장의 변화를 전류로 변환하여, 전류를 측정함으로써, 철분입자를 센싱하게 된다.The core is attached to the end of the permanent magnet. The coil is arranged to surround the core. When external iron particles are attracted to the permanent magnet and stick to the outside of the case as shown in Figure 1, this causes a change in the magnetic field, and the coil converts this change in the magnetic field into a current and measures the current. By doing so, iron particles are sensed.

이때, 상기 코어는, 도 5의 C-모델 및 D-모델에서와 같이, 상기 코일 하부에 배치되지 않도록 하여, 상기 코일은 상기 영구자석의 단부에 접한다. 즉, 코일 하부에 코어가 배치된 도 5의 A-모델과 B-모델의 경우, 도 6과 같이, 센서의 측면에 들러붙게 되어 민감도를 저하시킬 수 있다. At this time, the core is not disposed below the coil, as in the C-model and D-model of FIG. 5, so that the coil contacts the end of the permanent magnet. That is, in the case of the A-model and B-model of FIG. 5 in which the core is disposed at the bottom of the coil, as shown in FIG. 6, it may stick to the side of the sensor and reduce sensitivity.

일 실시예로서, 상기 코어는, 도 5의 C-모델과 같이, 상기 영구자석의 중앙부에서 상기 코일과 접하는 부분까지 두께가 선형으로 감소하도록 형성되어, 중앙부가 뾰족한 원뿔 형상을 갖도록 형성될 수 있다 .In one embodiment, the core may be formed such that the thickness of the core decreases linearly from the central portion of the permanent magnet to the portion in contact with the coil, as shown in the C-model of FIG. 5, so that the central portion may have a sharp cone shape. .

일 실시예로서, 상기 코어는, 도 5의 D-모델과 같이, 상기 영구자석의 중앙부에서 설정된 반지름까지는 종형상으로 형성되고, 설정된 반지름 외측으로는 일정한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.In one embodiment, the core may be formed in a bell shape from the center of the permanent magnet to a set radius, as shown in the D-model of FIG. 5, and may be formed to have a constant thickness outside the set radius.

이하, 이러한 철분입자 센서의 효과를 종래 기술 및 비교예와 대비하여 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the effect of this iron particle sensor will be described in more detail in comparison with the prior art and comparative examples.

수치모형 및 해석Numerical model and analysis

수치해석은 크게 철분입자 센서의 코어 형상에 따른 자속밀도의 변화에 대한 해석과 유동에 철분입자가 포집되는 영향을 평가하는 해석으로 구성되었다. 철분입자 센서의 성능향상을 통해 흐름에서 철분입자 센서의 포집효과를 향상시켜 감도의 향상 여부를 수치적으로 나타내려는 것이다. 이러한 철분입자 센서는 철분입자를, 철분입자 센서에 영구자석으로 부착한 후, 철분입자의 양을 측정하기 때문에 포집 효과가 중요하다.The numerical analysis largely consisted of an analysis of the change in magnetic flux density according to the core shape of the iron particle sensor and an analysis to evaluate the effect of iron particles being collected in the flow. The purpose is to numerically indicate whether sensitivity is improved by improving the collection effect of the iron particle sensor in the flow by improving the performance of the iron particle sensor. The collection effect is important because these iron particle sensors measure the amount of iron particles after attaching them to the iron particle sensor with a permanent magnet.

(1) 센서 내부 설계 파라미터 변화에 따른 자속밀도 분석(1) Magnetic flux density analysis according to changes in sensor internal design parameters

먼저 종래 철분입자 센서의 성능을 분석하기 위한 수치모델을 개발하였다. 도 2는 영구자석을 이용한 종래 철분입자 센서의 수치 모델을 보여준다. 철분입자 센서의 재료를 포함하여 정확한 설계 매개변수를 얻기는 어렵다. 따라서 1차 설계변수는 종래 철분입자 센서를 해체하여 대략적으로 추정하였다. 이러한 근사치를 분석에 사용하였다. 또한 자기 코어는 저탄소강 M-50으로 제작되었다. 자속 밀도(B)-자기장 강도(H) 곡선은 도 3과 같이 분석 프로그램에서 제공된 데이터로부터 도출되었다. 코일의 권수는 300회이고 인가 전류는 0.1A이다.First, a numerical model was developed to analyze the performance of a conventional iron particle sensor. Figure 2 shows a numerical model of a conventional iron particle sensor using a permanent magnet. It is difficult to obtain accurate design parameters, including the material of the iron particle sensor. Therefore, the first design variable was roughly estimated by disassembling the conventional iron particle sensor. This approximation was used in the analysis. Additionally, the magnetic core was made of low carbon steel M-50. The magnetic flux density (B)-magnetic field strength (H) curve was derived from data provided by the analysis program, as shown in Figure 3. The number of turns of the coil is 300 and the applied current is 0.1A.

도 4는 센서의 수치 모델에 사용된 메쉬를 보여준다. 해석에서는 tri-angle과 quad mesh를 혼합하였다. 메쉬의 총 수는 11,605개이다. 분석의 정확도를 높이기 위해 센서 주변에 메쉬를 조밀하게 적용하였다.Figure 4 shows the mesh used in the numerical model of the sensor. In the analysis, tri-angle and quad mesh were mixed. The total number of meshes is 11,605. To increase the accuracy of analysis, a dense mesh was applied around the sensor.

도 5는 센서 내부의 코어 모양이 변경된 4가지 철분입자 센서 모델이다. A-모델은 도 1의 종래 철분입자 센서 모델이다. 비교예로서, B-모델은 자속밀도가 중앙에 집중되도록 코어의 형상을 비스듬히 기울였다. 본 발명의 제1 실시예에 대응하는 C-모델은 자속밀도를 센서 측면으로 줄여 B-모델에 비해 자속밀도를 상부에 집중시켰다. 본 발명의 제2 실시에에 대응하는 D-모델에서는 코일 아래 코어 부분을 제거하고 센서 상부의 자속 밀도를 더욱 향상시키기 위해 형상을 변경하였다. 철분입자 센서의 네 가지 모델에 대한 도 2의 파라미터는 아래의 표 1에 나와 있다.Figure 5 shows four iron particle sensor models in which the core shape inside the sensor has been changed. A-model is the conventional iron particle sensor model of Figure 1. As a comparative example, the B-model had the core shape tilted so that the magnetic flux density was concentrated in the center. The C-model corresponding to the first embodiment of the present invention reduced the magnetic flux density to the side of the sensor and concentrated the magnetic flux density at the top compared to the B-model. In the D-model corresponding to the second embodiment of the present invention, the core portion below the coil was removed and the shape was changed to further improve the magnetic flux density at the top of the sensor. The parameters in Figure 2 for the four models of iron particle sensors are listed in Table 1 below.

본 발명에서는 다중물리 해석 방법을 활용하였다. COMSOL 6.0은 상용 다중 물리 소프트웨어로 수치 계산에 사용되었다. 철분입자 센서의 자기장은 맥스웰 방정식을 기반으로 계산되었다. 자기장 계산에 사용되는 공식은 아래의 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]이다In the present invention, a multiphysics analysis method was utilized. COMSOL 6.0, a commercial multiphysics software, was used for numerical calculations. The magnetic field of the iron particle sensor was calculated based on Maxwell's equations. The formulas used to calculate the magnetic field are [Equation 1], [Equation 2], and [Equation 3] below.

위의 수학식 1 내지 3에서, 여기서 H, J, B 및 D는 각각 자기장 강도[A/m], 전류 밀도[A/m2], 자속 밀도 [T] 및 자기 벡터 전위[A]이다. 전기장과 자기장 E[V/m], B가 존재할 때 속도 v[m/s]로 움직이는 전하 σ[C]에 가해지는 힘을 로렌츠 힘이라고 하며 Je[A/m2]는 외부에서 생성된 전류 밀도이다.In Equations 1 to 3 above, where H, J, B, and D are magnetic field intensity [A/m], current density [A/m2], magnetic flux density [T], and magnetic vector potential [A], respectively. When electric and magnetic fields E[V/m] and B exist, the force applied to the charge σ[C] moving at speed v[m/s] is called the Lorentz force, and Je[A/m2] is the externally generated current density. am.

이 프로그램에서 AC/DC 모듈은 철 입자 센서의 자속을 계산하는 전자기장 인터페이스 모델을 포함한다. 전류와 전자기장이 천천히 변하는 경우 유도 변위 전류를 무시할 수 있다. 준정적 근사라고 하는 이 가정은 구조의 크기가 파장에 비해 작은 저주파 전자기 모델링에 널리 사용된다.In this program, the AC/DC module contains an electromagnetic field interface model that calculates the magnetic flux of the iron particle sensor. If the current and electromagnetic field change slowly, the induced displacement current can be neglected. This assumption, called the quasi-static approximation, is widely used in low-frequency electromagnetic modeling where the size of the structure is small compared to the wavelength.

네 가지 센서 모델에 대한 자속 밀도 분포는 도 6에 개시되어 있다. B-모델은 A=모델보다 최대 자속 밀도가 더 높았다. 다만, 센서의 측면부(빨간색 점 부분)에 약간의 자속밀도가 발생하였다. 따라서 센서의 감도는 크게 향상되지 않았다. B-모델과 비교하여 C-모델은 코일 아래 코어 영역을 제거했다. 그 결과 자속밀도가 상부로 집중되고 측면부로 자속밀도가 적게 발생하였다. 따라서 D-모델은 코어의 형태를 변경하여 센서의 감도를 향상시켰다. D-모델은 종래 철분입자 센서(A-모델) 대비 최대 자속밀도를 약 210% 높이고 측면부의 자속밀도를 낮춰 감도를 높였다.The magnetic flux density distribution for the four sensor models is disclosed in Figure 6. The B-model had a higher maximum magnetic flux density than the A=model. However, some magnetic flux density occurred on the side of the sensor (red dot area). Therefore, the sensitivity of the sensor was not significantly improved. Compared to the B-model, the C-model removed the core area below the coil. As a result, the magnetic flux density was concentrated at the top and less magnetic flux density occurred at the side. Therefore, the D-model improved the sensor's sensitivity by changing the shape of the core. The D-model increases the maximum magnetic flux density by about 210% compared to the conventional iron particle sensor (A-model) and increases sensitivity by lowering the magnetic flux density on the side.

(2) 유동장에서 센서의 감도 평가(2) Evaluation of sensor sensitivity in flow field

앞선 (1)에서는 철분입자ㅏ 센서의 자속밀도를 개선하였다. 실제 철분입자 센서를 제작하여 성능을 평가하기 위한 실험을 수행하는 것이 필수적이지만 수치적 방법을 사용하여 센서의 감도가 향상되었는지 검증하는 방법을 제안한다. 철분입자 센서의 감도를 수치적으로 평가하는 것은 비용과 시간면에서 경제적이다. 그러나 테스트 장치 및 윤활 시스템에 대한 실험을 통한 검증이 반드시 필요하다. 본 발명에서는 수치적 방법으로 센서의 감도를 평가하는 방법에 초점을 맞추었다. 철분입자 센서의 4개 모델 중, A-모델과 D-모델만이 민감도를 수치적으로 평가하였다. 대비를 위한 A-모델은 종래의 철분입자 센서이고, 제안 발명의 제2 실시예인 D-모델은 센서의 자속밀도를 크게 개선한 경우이기 때문이다.In (1) above, the magnetic flux density of the iron particle sensor was improved. Although it is essential to manufacture an actual iron particle sensor and conduct experiments to evaluate its performance, we propose a method to verify whether the sensor's sensitivity has been improved using a numerical method. Numerically evaluating the sensitivity of iron particle sensors is economical in terms of cost and time. However, verification through experiments on test devices and lubrication systems is essential. In the present invention, we focused on a method of evaluating the sensitivity of a sensor using a numerical method. Among the four models of iron particle sensors, only the A-model and D-model had their sensitivity evaluated numerically. This is because the A-model for comparison is a conventional iron particle sensor, and the D-model, which is the second embodiment of the proposed invention, is a case in which the magnetic flux density of the sensor is greatly improved.

수치 해석은 네비어 스토크스(Navier-Stokes) 방정식, 전자기장 인터페이스 모델 및 입자 추적 모듈을 사용했다. AC/DC 모듈은 철 입자 센서의 자속을 계산하는 전자기장 인터페이스 모델(수학식 1 내지 수학식 3)을 포함한다. 회전 영역에 대한 네비어 스토크스(Navier-Stokes) 방정식은 다음과 같다.The numerical analysis used the Navier-Stokes equations, the electromagnetic field interface model, and the particle tracking module. The AC/DC module includes an electromagnetic field interface model (Equation 1 to Equation 3) that calculates the magnetic flux of the iron particle sensor. The Navier-Stokes equations for the rotating region are:

위의 수학식에서, Ω, I, τ 및 F는 각각 각속도[1/s], 단위 행렬, 전단 응력[N/m2], 단위 부피당의 힘 [N/m³]이다.In the above equation, Ω, I, τ and F are angular velocity [1/s], identity matrix, shear stress [N/m2], and force per unit volume [N/ ^m3 ], respectively.

입자 추적 모듈은 개별 궤적을 평가할 수 있는 시간 경과에 따른 운동 방정식을 풀어 개별 입자의 경로를 계산하는 데 사용된다.The particle tracking module is used to calculate the paths of individual particles by solving their equations of motion over time, allowing individual trajectories to be evaluated.

위의 수학식에서, m_p, v₁, F_D 및 F_ext는 각각 입자 질량[kg], 입자의 속도 벡터[m/s], 물체와 유동의 상대운동방향으로 평행하게 작용하는 힘인 항력[N] 및 자기영동력[N]이다. 또한, τ_p, d_p, r_p, ρ_p, μ, μ₀, μ_r, K는, 입자 속도 응답 시간[s], 입자 직경[m], 입자 반경[m], 입자 밀도[kg/m³], 유체의 점도 [Pa·s], 진공 투과도 [kg·m·s/A²], 상대 투과도, 비차원 매개변수이다.In the above equation, m _p , v ₁ , F _D and F _ext are particle mass [kg], particle velocity vector [m/s], and drag force [N, which is a force acting parallel to the direction of relative motion of the object and flow. ] and magnetophoresis [N]. In addition, τ _p , d _p , r _p , ρ _p , μ, μ ₀ , μ _r , K are particle velocity response time [s], particle diameter [m], particle radius [m], particle density [kg/ m ³ ], fluid viscosity [Pa·s], vacuum permeability [kg·m·s/A ² ], relative permeability, and non-dimensional parameters.

유체 내 입자의 운동은 뉴턴의 제2 법칙을 따른다. 뉴턴의 제2 법칙에 따르면 물체에 작용하는 알짜 힘은 [수학식 6]에 표시된 것처럼 관성 기준 프레임에서 선형 운동량의 시간 도함수와 같다.The motion of particles in a fluid follows Newton's second law. According to Newton's second law, the net force acting on an object is equal to the time derivative of the linear momentum in the inertial reference frame, as shown in [Equation 6].

본 발명에 적용된 해석은 도 7과 같은 평면대칭모델을 이용하여 수행하였다. 사면체, 피라미드, 프리즘, 육면체 등 다양한 메쉬를 사용하였다. 총 요소 수는 A-모델에서 872,406개, D-모델에서 1,158,494개였습니다. 또한 분석 정확도를 보장하기 위해 센서 주변에 조밀한 메쉬를 적용했다. 유동 채널의 크기는 140mm(x) × 80mm(y) × 80mm(z)였다. 유동은 층류였다. 수치 계산을 위한 작업 조건은 표 2에 나와 있다. 분석에 사용된 입자는 구형이며 재료는 밀도가 8030kg/m³인 철이다. 계산 초기 5초 동안 입자 주입 영역(파란색 음영 영역)에서 0.5초 간격으로 1,500개의 입자가 주입되었다. 주입된 입자의 총 수는 15,000개이다. 분석에 사용된 윤활유의 밀도는 870 kg/m³, 점도는 0.04 Pa·s이다.The analysis applied to the present invention was performed using a plane symmetry model as shown in Figure 7. Various meshes were used, including tetrahedrons, pyramids, prisms, and hexahedrons. The total number of elements was 872,406 in the A-model and 1,158,494 in the D-model. Additionally, a dense mesh was applied around the sensor to ensure analysis accuracy. The size of the flow channel was 140 mm (x) × 80 mm (y) × 80 mm (z). The flow was laminar. Working conditions for numerical calculations are given in Table 2. The particles used in the analysis are spherical and the material is iron with a density of 8030 kg/m ³ . During the first 5 seconds of calculation, 1,500 particles were injected at 0.5 second intervals in the particle injection area (blue shaded area). The total number of particles injected is 15,000. The density of the lubricating oil used in the analysis was 870 kg/m ³ and the viscosity was 0.04 Pa·s.

본 분석에서는 입자의 궤적뿐만 아니라 센서가 수집한 입자의 개수도 평가하였다. 유체 속도가 0.002m/s에서 0.1m/s로 변화하는 동안 센서에 의해 수집된 입자의 수를 평가하였다. 즉, 유체 속도의 변화에 따른 센서의 포집 효과를 평가하였다. 본 철분입자 센서는 영구자석을 이용하여 철분입자를 포집한 후 자기장의 변화를 통해 철마모입자의 양을 측정하므로 센서의 포집효과가 센서감도의 가장 중요한 요소이다. 따라서 여러 유동 조건에서 얼마나 많은 철 입자가 센서에 부착되었는지를 측정하여 센서의 감도를 평가하였다.In this analysis, not only the particle trajectory but also the number of particles collected by the sensor was evaluated. The number of particles collected by the sensor was evaluated while the fluid velocity varied from 0.002 m/s to 0.1 m/s. In other words, the collection effect of the sensor according to changes in fluid velocity was evaluated. This iron particle sensor collects iron particles using a permanent magnet and then measures the amount of iron wear particles through changes in the magnetic field, so the collection effect of the sensor is the most important factor in sensor sensitivity. Therefore, the sensitivity of the sensor was evaluated by measuring how many iron particles were attached to the sensor under various flow conditions.

도 8은 유체의 속도가 0.002m/s일 때 A-모델과 D-모델에서 시간에 따른 입자 궤적을 보여준다. 총 15,000개의 철 입자가 유입구 쪽에서 배출구로 흘러갔고, 이 중 일부 입자는 A-모델을 적용한 약 30초부터 센서 상단에 부착되기 시작했다. D-모델의 경우 A-모델과 비슷한 시기에 일부 입자가 센서 상단에 부착되기 시작했다. 그러나 D-모델의 센서에 부착된 입자의 수는 A-모델의 센서에 부착된 것보다 더 많았다.Figure 8 shows particle trajectories over time in the A-model and D-model when the fluid speed is 0.002 m/s. A total of 15,000 iron particles flowed from the inlet to the outlet, and some of these particles began to attach to the top of the sensor from about 30 seconds after applying the A-model. In the case of the D-model, some particles began to attach to the top of the sensor at a similar time as the A-model. However, the number of particles attached to the sensor of the D-model was greater than those attached to the sensor of the A-model.

도 9는 유체 속도가 0.002m/s일 때 A-모델과 D-모델의 센서 상단에 수집된 입자를 보여준다. 도 9에서와 같이 센서의 감도는 센서 상단에 포집된 입자의 수로 평가되었다. 도 9에서 입자의 색상은 자기영동력의 크기를 나타낸다. 철분입자 센서 상부 표면의 중앙 부분에 포집된 입자는 큰 자기 영동력을 받는다.Figure 9 shows particles collected on top of the sensors of the A-model and D-model when the fluid velocity is 0.002 m/s. As shown in Figure 9, the sensitivity of the sensor was evaluated by the number of particles collected at the top of the sensor. In Figure 9, the color of the particles indicates the magnitude of the magnetophoretic force. Particles collected in the central part of the upper surface of the iron particle sensor are subject to a large magnetophoretic force.

종래의 철분입자 센서(A-모델)와 비교하여 본 발명에 의한 철분입자 센서(D-모델)는 도 10과 같이 유체 속도의 변화에 따라 파티클 포집 효과가 어떻게 나타나는지 조사하였다. 유체 속도가 0.002m/s일 때, 센서에 부착된 입자의 수는 A-모델에서 3313개, D-모델에서 3470개였다. 즉 D-모델의 경우 A-모델에 비해 부착된 입자의 수가 약 4.7% 증가하였다. 유속이 0.02m/s, 0.04m/s로 증가할 때 부착된 입자의 수는 D-모델이 A-모델에 비해 각각 약 9.2%, 44% 증가한 결과를 보였다. 유체 속도가 0.1m/s일 때 D-모델에는 센서에 22개의 입자가 부착되었지만 A-모델에는 센서에 부착된 입자가 없었다. 유체의 속도가 더 빠른 조건에서는 입자를 센서에 부착하기 어렵다. 이는 유체의 속도가 증가함에 따라 유체의 관성력이 증가하기 때문이다. 이 결과는 개선된 모델의 센서가 유속이 증가하는 상황에서 뚜렷한 감도 향상을 보인다는 것을 확인시켜준다.Compared to the conventional iron particle sensor (A-model), the iron particle sensor (D-model) according to the present invention was investigated to determine how the particle collection effect appears according to changes in fluid velocity, as shown in FIG. 10. When the fluid velocity was 0.002 m/s, the number of particles attached to the sensor was 3313 in the A-model and 3470 in the D-model. That is, in the case of the D-model, the number of attached particles increased by about 4.7% compared to the A-model. When the flow speed increased to 0.02 m/s and 0.04 m/s, the number of attached particles in the D-model increased by about 9.2% and 44%, respectively, compared to the A-model. When the fluid velocity was 0.1 m/s, 22 particles were attached to the sensor in the D-model, but no particles were attached to the sensor in the A-model. In conditions where the fluid velocity is higher, it is difficult for particles to attach to the sensor. This is because the inertial force of the fluid increases as the velocity of the fluid increases. These results confirm that the improved model's sensor shows significant sensitivity improvement in situations where the flow rate increases.

도 11은 유체 속도가 0.1m/s인 유체 필드에서 센서 주변의 자속 밀도와 자기력 선을 보여준다. A-모델의 최대 자속밀도는 0.436T이지만 D-모델의 최대 자속밀도는 0.913T로 A-모델보다 약 209% 높았다. 또한, 코어 주변의 자력선을 통해 D-모델이 A-모델보다 코어 상단을 향하여 형성되어 있어 센서 내부에 파티클 포집에 유리함을 알 수 있다.Figure 11 shows the magnetic flux density and magnetic force lines around the sensor in a fluid field with a fluid velocity of 0.1 m/s. The maximum magnetic flux density of the A-model was 0.436T, but the maximum magnetic flux density of the D-model was 0.913T, which was about 209% higher than the A-model. In addition, through the magnetic force lines around the core, it can be seen that the D-model is formed toward the top of the core compared to the A-model, making it more advantageous for collecting particles inside the sensor.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the detailed description of the present invention described above has been described with reference to preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art or those skilled in the art will understand the spirit of the present invention as described in the patent claims to be described later. It will be understood that the present invention can be modified and changed in various ways without departing from the technical scope.

Claims

permanent magnet;
a core attached to an end of the permanent magnet; and
a coil arranged to surround the core;
Including,
The core is not disposed below the coil, so that the coil is in contact with an end of the permanent magnet,
The core is in contact with the inner surface of the coil,
The thickness of the core at the center of the permanent magnet is greater than the thickness at the part in contact with the coil,
The core is formed in a bell shape from the center of the permanent magnet to a set radius, and is formed to have a constant thickness outside the set radius.

delete

According to claim 1,
An iron particle sensor, wherein the permanent magnet has a cylindrical shape.

According to claim 1,
An iron particle sensor further comprising a case surrounding the permanent magnet, the core, and the coil.