KR19990039850A - 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치 - Google Patents

자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작동축의 영구자석을 반자화시키지 않게 가변 자기장을 발생시킬 수 있도록 배치된 솔레노이드부로 감쇠장치의 전체 감쇠력을 임의로 크게 하거나 작게 할 수 있는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 외부에서 전달된 회전력을 감쇠시키기 위해 자기장의 인가시 점성이 변하는 상자성 입자를 갖는 자기유변유체(20 ; magnetorheological fluid)와, 상기 자기유변유체(20)의 점성을 변화시키기 위한 영구자석(31)과, 솔레노이드부(32)를 포함하여 외부에서 전달된 회전력을 감쇠시키는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 있어서, 상기 자기유변유체(20)가 채워져 있으며 외부에 배치된 전원컨버터(40)로 부터 전류를 공급받아 가변 자기장(g,h,h')을 발생시키는 솔레노이드부(320,320')를 구비한 본체부(100)와, 상기 본체부(100)의 내부에 배치되어 상기 영구자석(310)을 구비한 회전축(300)과, 상기 회전축(300)이 회전이 가능하게 결합된 베어링부(200)를 포함하며, 상기 솔레노이드부(320,320')의 상기 가변 자기장(g,h,h')은 상기 영구자석(310)이 반자화되지 않게 상기 영구자석(310)의 자기장(f)을 유도하여 상기 자기유변유체(20)에 감쇠력이 발생되는 부위(B,C)를 효율적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치가 제공된다.

Description

자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치
본 발명은 자기유변유체(magnetorheological fluid)와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 관한 것이며, 특히, 영구자석의 자기장과 외부의 전류에 의해 상기 영구자석의 자기장을 조정할 수 있는 가변 자기장을 발생시키는 솔레노이드부로 자기유변유체의 점성을 변화시켜 자동차의 스티어링휠의 감속장치나 자동차 엔진마운트 및 로봇팔에 배치된 회전모터의 정밀 위치 제어에 사용되는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 관한 것이다.
일반적인 감쇠장치는 기계장치에서 발생되는 에너지를 발산시키는 역할을 한다. 이런 감쇠장치에는 자동차의 현가 장치 및 엔진 마운트와 같은 선형 운동을 하는 시스템에 쓰이는 선형 감쇠기와 같은 선형 감쇠장치와 회전 운동을 하는 기계 장치에 사용하는 회전 감쇠장치 등이 있다. 또한, 이런 선형 감쇠장치와 회전 감쇠장치는 지능형 재료(smart material)중에서 가제어성 유체인 자기유변유체와 전자석 및 영구자석을 이용한다.
여기에서, 자기유변유체는 10-4∼10-3㎝크기의 상자성 입자를 포함하는 비콜로이드 용액으로 자기장을 인가하지 않을 경우 상온에서 0.20∼0.30Pa-sec의 점성을 가지고 150∼250㎄/m(2∼3kOe)의 자기장이 가해지면 50∼100㎪의 높은 항복응력을 갖는다. 또한, 자기유변유체는 빠른 응답시간[1∼2msec(msec ; 10-3sec)]으로 자기 포화(magnetic saturation)에 의해 최대 항복 응력이 제한되며, 또한 -40∼150℃의 작동 범위와 유입되는 불순물에 대해서 상당히 둔감한 특성을 갖는다.
이런 특성을 갖는 자기유변유체는 자기장이 가해질 경우에 유체에 포함된 입자가 체인을 형성하게 되어 유체의 전단 항복 응력이 변화하게 된다. 따라서, 자기장 비인가 시에 뉴토니안 유체(newtonian fluid)의 거동을 나타내지만 자기장 인가 시에는 유체중에 분산된 입자가 체인을 형성하게 되어 전단 변형률이 발생하지 않은 상태에서도 항복 응력을 가지며 각속도의 증가에 따라서 소산되는 토크가 증가하는 빙햄 유체(bingham fluid)의 거동을 나타낸다. 즉, 자기유변유체는 자기장 비인가시 액체 상태이던 것이 자기장 인가시 젤 상태로 변하게 된다.
또한, 이런 자기유변유체를 효과적으로 감쇠장치에 적용하기 위해서 사용되는 설계 방법들은 직접전단모드(direct shear mode)와 밸브모드(valve mode) 및 압착필름모드(squeeze film mode)의 세가지로 나뉘어 진다. 먼저, 직접전단모드는 자기유변유체와 면접하는 기계 부품이 이동하고 수직방향으로 자기장을 인가시켜 감쇠력이 발생되게 하는 것이다. 또한, 이런 직접전단모드보다 더욱 효율적이고 강력한 저항력을 발생시키는 밸브모드는 기계 부품의 접촉면의 사이에서 자기유변유체를 가압유동시키고 수직방향으로 자기장을 인가시켜 감쇠력이 발생되게 하는 것이다. 또한, 압착필림모드는 기계 부품의 접촉면이 자기유변유체가 동일한 방향으로 유동하고 이와 수평한 방향으로 자기장을 인가시켜 감쇠력이 발생되게 하는 것이다.
따라서, 상기와 같은 높은 항복 응력과 낮은 점성과 넓은 온도 범위에서의 안정성 및 불순물에 대한 강인성을 갖는 자기유변유체의 특성을 이용한 기계시스템에 대한 관심이 모아지고 있다. 또한, 이런 기계시스템은 일부에 고장이나 잘못된 조작이 있더라도 안전한 방법이 자동적으로 취해질 수 있는 구조로 설계되어 있는 페일 세이프 능력(fail safe capacity)을 갖는다. 더욱 구체적으로 설명하면, 이런 자기유변유체를 이용한 기계시스템은 영구자석의 일정한 자기장에 의해 자기유변유체의 점성을 일정하게 변화시키므로써 시스템의 안정성을 잃지 않게 설계되어 있다. 따라서, 외부에서 공급되는 전원의 갑작스런 단절에 따른 시스템 전체의 파괴를 막을 수 있게 된다.
종래기술에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 원리를 설명하기 위해 도 1a 및 도 1b에는 자기장을 발생시킬 수 있는 자기극(1,2)과, 이런 자기극(1,2)이 부착된 밀폐공간(3)과, 이런 밀폐공간(3)에 내부에 채워진 상자성의 비콜로이드입자(6)들로 이루어진 자기유변유체(20)가 배치되어 있다. 또한, 이런 자기극(1,2)에 전원을 공급할 수 있게 전기적으로 접속된 스위치(4)와 전원(5)이 배치되어 있다.
이렇게 배치된 자기유변유체(20)에는 스위치(4)가 ON될 경우에 전원(5)에서 소정크기의 전류가 자기극(1',2')에 전달되어 소정방향(a)의 자기장(7)이 형성된다. 이런 자기장(7)에 의해 자기유변유체(20)는 각각의 상자성의 비콜로이드입자(6')가 자기장(7)의 방향(a)으로 섬유질 모양의 체인을 형성하여 젤 상태의 빙햄유체(20')로 변하게 된다. 따라서 이렇게 자기장(7)이 발생된 자기유변유체(20')는 점성이 변화되므로써 감쇠력을 크게 증가시키게 된다.
현재 이런 자기유변유체의 특성을 이용하여 실제 기계적인 요소에 효율적으로 적용한 예는 통상적인 운동기계와 같은 직선운동을 하는 부위에 다수의 영구자석과 솔레노이드와 같은 전자석을 구비한 선형 감쇠장치나 회전축의 토크를 감쇠시키는 회전 감쇠장치가 사용되고 있다.
도 2a 및 도 2b에 보이듯이, 종래의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 축방향을 기준으로 좌우대칭을 이루고 있기 때문에, 아래에서는 어느 한쪽을 기준으로 구성과 작동방법을 설명하겠다.
종래의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 선형운동을 유도하는 실린더부(10)와, 이런 실린더부(10)에 채워진 자기유변유체(20)와, 이런 자기유변유체(20)에 일정한 크기의 감쇠력을 작용시키기 위해 점성을 변화시키는 원판형의 영구자석(31)과, 이런 영구자석(31)의 감쇠력을 증가 시켜 가변 감쇠력을 부가하기 위한 중공축형상의 솔레노이드부(32)를 구비한 피스톤부(30)로 구성되어 있다.
이렇게 구성된 실린더부(10)의 내경에는 통상적인 감쇠기와 같은 역할을 할 수 있게 길이방향으로 소정간극을 유지하며 피스톤부(30)가 삽입되어 있다. 또한, 이런 피스톤부(30)에는 소정방향(b)으로 자기장(71)을 발생시킬 수 있게 배치된 영구자석(31)이 결합되어 있다. 또한, 이런 영구자석(31)의 하부에는 외부로부터 전류를 공급받아 가변 자기장(72)을 발생시킬 수 있는 중공축형상의 솔레노이드부(32)가 길이방향으로 결합되어 있다. 이런 솔레노이드부(32)는 공급되는 전류량을 조절하여 자기력선의 세기를 가변시킬 수 있는 전원공급장치(도시안됨)와 전기적으로 접속되어 있다.
이런 종래의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 피스톤부(30)가 외부힘에 의해 상방향 또는 하방향으로 이동할 경우 통상적인 감쇠기와 같이 내부에 채워진 자기유변유체(20)가 실린더부(10)의 내경과 상기 피스톤부(30)의 외원주면의 사이에 형성된 A부위에서 압력을 받게 된다. 이와 동시에, 이렇게 압력을 받은 자기유변유체(20)는 밸브모드형태의 유동으로 상기 피스톤부(30)의 방향과 반대방향으로 각각 이동하게 된다.
이때, 영구자석(31)의 자기장(71)은 A부위에서 소정방향(b)으로 자기유변유체(20)를 통과하여 점성을 변화시키는 동시에 실린더부(10)와 피스톤부(30)에 감쇠력을 작용시킨다. 또한, 솔레노이드부(32)는 외부에서 공급되는 전류에 의해 상부에 배치된 영구자석(31)의 자기장(71)의 방향과 동일한 방향(c)으로 자기력선이 뻗어나가는 튜브형의 가변 자기장(72)을 발생시킨다. 이런 솔레노이드부(32)의 가변 자기장(72)은 영구자석(31)의 자기장(71)과 합쳐져서 더 큰 감쇠력을 상기 실린더부(10)와 피스톤부(30)에 작용시킨다.
그러나, 종래의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 영구자석의 자기장을 증폭시킬 수 있는 솔레노이드부로 구성되어 있기 때문에 감쇠시스템의 최적 성능을 내기 위해서 피스톤부의 전체 감쇠력을 영구자석에 의한 감쇠력의 이하로 줄이기 어려운 단점이 있다.
또한, 피스톤부의 전체 감쇠력을 줄이기 위해서 영구자석의 반대 방향으로 자기장을 인가하게 될 경우에 솔레노이드부에 의한 자속이 영구자석을 반대 방향으로 통과하면서 영구자석의 반자화 현상(demagnetization)을 일으켜 영구자석의 자성을 잃어버리게 하는 단점이 있다.
따라서, 종래의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 영구자석의 반자화 현상을 일으키지 않게 하면서, 동시에 영구자석의 감쇠력 이하로 발생시기 어렵기 때문에 정밀 위치 제어가 필요한 기계 장치의 최적 성능을 발휘할 수 없는 단점이 있다.
또한, 상기와 같이 반자화 현상을 일으키는 종래의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 무리하게 영구자석의 감쇠력을 작게하기 위해서 대용량의 전류를 솔레노이드부에 공급하여야 하기 때문에 부수적인 전류공급증폭기가 필요한 단점 있으며, 또한 이런 시스템을 이용함에 있어서 상대적으로 경제적인 단점이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 중심에 배치된 영구자석과 이런 영구자석을 반자화시키지 않게 자기장을 발생시킬 수 있도록 구성된 솔레노이드부로 감쇠장치의 전체 감쇠력을 안정적으로 크게 하거나 작게 할수 있는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치를 제공하려는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 통상적인 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 작동원리를 설명하기 위한 개략도.
도 2는 종래 기술에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 구성을 설명하기 위한 단면도.
도 4는 도 3에 도시된 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 중요부위의 형상을 설명하기 위한 조립도.
도 5a 및 도 5b는 도 3에 도시된 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 중요부위의 작동방법을 설명한 사시도.
도 6a 내지 도 6c는 도 3에 도시된 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 작동방법을 설명한 단면도.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 2실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 구성을 설명하기 위한 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10a : 실린더부 20 : 자기유변유체
30a : 피스톤부 40 : 전류컨버터
100 : 본체부 110,111 : 오일링
200 : 베어링부 220 : 알루미늄링
300 : 원형축 310 : 영구자석
320,320' : 솔레노이드부
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 자기장의 인가시 점성이 변하는 상자성 입자를 갖는 자기유변유체(magnetorheological fluid)와, 상기 자기유변유체의 점성을 변화시키기 위한 영구자석과, 솔레노이드부를 포함하여 외부에서 전달된 회전 운동력을 감쇠시키는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 있어서, 상기 자기유변유체가 채워져 있으며 외부에 배치된 전원컨버터로 부터 전류를 공급받아 가변 자기장을 발생시키는 솔레노이드부를 구비한 본체부와, 상기 본체부의 내부에 배치되어 상기 영구자석을 구비한 회전축과, 상기 회전축이 회전이 가능하게 결합된 베어링부를 포함하며, 상기 솔레노이드부의 상기 가변 자기장은 상기 영구자석이 반자화되지 않게 상기 영구자석의 자기장을 유도하여 상기 자기유변유체에 감쇠력이 발생되는 부위를 효율적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 본체부와 상기 베어링부의 사이에는 상기 영구자석의 자기장과 상기 솔레노이드부의 상기 가변 자기장이 상기 베어링부의 베어링에 유도되는 것을 억제시키기 위해 상대 투자율이 큰 링부재가 결합되어 있는 것이 바람직한다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 회전축에는 상기 본체부의 내원주면에 대응한 서로 다른 반지름을 갖는 대원주부와 소원주부가 일체형으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 솔레노이드부는 상기 원형축의 소원주부가 상기 솔레노이드부의 내경에 배치될 수 있게 본체부에 결합되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 자기장의 인가시 점성이 변하는 상자성 입자를 갖는 자기유변유체와, 상기 자기유변유체의 점성을 변화시키기 위한 영구자석과 솔레노이드부를 구비한 피스톤부와, 상기 피스톤부를 감싸는 실린더부를 포함하여 외부에서 전달된 선형 운동력을 감쇠시키는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 있어서, 상기 피스톤부의 중심에는 상기 자기유변유체의 점성을 변화시켜 감쇠력을 발생시키는 자기장이 형성된 영구자석이 배치되어 있고, 상기 솔레노이드부는 상기 영구자석의 상하 방향의 상기 피스톤부에 배치되고 외부로부터 전원을 공급받아 가변 자기장을 발생시키며, 상기 솔레노이드부의 상기 가변 자기장은 상기 영구자석이 반자화되지 않게 상기 영구자석의 자기장을 유도하여 상기 자기유변유체에 감쇠력이 발생되는 부위를 효율적으로 변화시키는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 실린더부에는 상기 피스톤부의 축이 외부로 돌출되는 부위의 상기 자기유변유체가 직접전단모드(direct shear mode)로 점성을 변화시킬 수 있는 접촉면적을 갖는 입구가 일체형으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 피스톤부는 상기 직접전단모드와 상기 피스톤부의 원주면에서 상기 자기유변유체의 점성을 변화시키는 밸브모드(valve mode)를 형성시킬 수 있게 상기 실린더부의 내부에 결합되어 있는 것이 바람직하다.
아래에서, 본 발명에 따른 자기유변유체를 이용한 각도제한 회전감쇠기의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
<제 1실시예>
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 구성을 설명하기 위한 측면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 중요부위의 형상을 설명하기 위한 조립도이며, 도 5a 및 도 5b는 도 3에 도시된 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 중요부위의 작동방법을 설명한 사시도이고, 도 6a 내지 도 6c는 도 3에 도시된 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 작동방법을 설명한 단면도이다.
도 3 및 도 4에 있어서, 본 발명의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 본체부(100)의 내부에는 서로 다른 내경을 갖는 공간이 형성되어 있다. 또한, 본체부(100)의 내부 공간에는 자기유변유체(20)가 채워져 있고, 내부 공간의 서로 다른 내경에 대응한 반지름으로 중심에 영구자석(310)을 구비한 원형축(300)이 배치되어 있다. 이런 본체부(100)에는 원형축(300)의 소원주부(302)를 감싸게 형성된 링형상의 두 개의 솔레노이드부(320,320')가 배치되어 있다. 이런 솔레노이드부(320,320')가 배치된 본체부(100)에는 내부에 채워진 자기유변유체(20)가 외부로 누출되지 않도록 오일링(110,111)이 본체부(100)에 배치되어 있다. 또한, 본체부(100)의 커버(113)에는 자기유변유체(20)의 누출을 막기 위해 원형축(300)의 동력전달축(301)에 삽입된 리테이너(120)가 부착되어 있다.
이렇게 리테이너(120)가 배치된 본체부(100)의 커버(113)의 외면에는 원형축(300)의 회전을 원활하게 하는 베어링(210)을 구비한 베어링부(200)가 각각 배치되어 있다. 또한, 이런 베어링부(200)와 본체부(100)의 커버(113)의 사이에는 원형축(300)의 영구자석(310)에 의해 생성된 자기장이 베어링부(200)의 베어링(210)을 통하여 흐르는 현상을 제거하기 위해 상대 투자율이 큰 알루미늄 링(220)이 배치되어 있다. 또한, 본체부(100)의 외부에는 이런 솔레노이드부(320,320')들이 어느 한 방향으로 자기장을 발생시킬 수 있도록 전류의 방향을 180°전환시킬 수 있는 통상적인 스피커 보이스 코일을 이용한 파워 앰프용 전류컨버터(40)가 배치되어 있다.
아래에서 앞서 상세히 설명한 바와 같이 배치된 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 결합관계에 대해서 설명하겠다.
도 3 및 도 4에 보이듯이, 원형축(300)은 동일형상으로 형성된 제1유니트(305)와 제2유니트(306)로 분해결합이 가능하게 형성되어 있다.
이런 원형축(300)의 제1유니트(305)는 고정볼트(307)의 헤드부위가 숨겨질 수 있게 형성된 다수의 볼트구멍(304)을 갖는 대원주부(303)와 소원주부(302)가 연속하며, 상기 베어링부(200)에 결합이 가능한 동력전달축(301)이 일체형으로 형성되어 있다. 이렇게 형성된 각각의 원형축(300)의 중심에는 디스크형 영구자석(310)이 면접하게 접촉되고, 이런 영구자석(310)의 원주면을 감싸듯이 링형상의 결합구(330)가 삽입된다. 이렇게 영구자석(310)을 감싸고 있는 링형상의 결합구(330)는 제1유니트(305) 및 제2유니트(306)의 사이에서 다수의 고정볼트(307) 및 너트(308)에 의해 밀접하게 결합된다.
이렇게 결합된 원형축(300)은 본체부(100)의 서로 다른 내경을 갖는 공간에서 소정크기의 간극을 유지하면서 베어링부(200)에 결합된다. 이런 간극을 갖는 본체부(100)의 내부 공간에는 자기유변유체(20)가 채워져 있다. 이런 본체부(100)의 양 쪽의 개구부위에는 링형상의 두 개의 솔레노이드부(320,320')가 오일링(110)을 압착하게 결합되고, 또한 원형축(300)의 동력전달축(301)이 회전이 가능하게 체결될 수 있는 리테이너(120)를 구비한 커버(113)가 볼트결합된다. 또한, 이런 커버(113)의 외면에는 알루미늄 링(220)이 각각 부착되고, 돌출된 원형축(300)의 동력전달축(301)이 베어링(210)을 관통하게 삽입되게 베어링부(200)가 볼트결합된다.
아래에서, 앞서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 작동방법에 대해서 설명하겠다.
먼저, 본체부에 결합되는 링형상의 솔레노이드부와 전류컨버터의 작동방법에 대해서 설명하겠다.
도 5a 및 도 5b에 보이듯이, 솔레노이드부(320,320')들은 외부에 배치된 전류컨버터(40)에 각각 전선(41,41')으로 연결되어 솔레노이드부(320,320')들의 자기장을 서로 다른 방향으로 변환시킬 수 있게 전기적으로 접속되어 있다.
이런 전류컨버터(40)는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 전체 감쇠력을 작게 하기 위해서 솔레노이드부(320,320')들이 소정방향(d)의 가변 자기장을 발생시킬 수 있게 동일 크기의 전류를 공급한다. 이때, 솔레노이드부(320,320')들은 영구자석의 자기장과 동일한 방향과 크기를 갖는 가변 자기장을 발생시키게 된다.
또한, 전류컨버터(40)는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 전체 감쇠력을 크게 하기 위해서 솔레노이드부(320,320')들이 상기 소정방향(d)의 정 반대방향(e)의 자기장을 발생시킬 수 있게 전류를 가변적으로 공급한다. 이때, 솔레노이드부(320,320')들은 영구자석의 자기장과 반대 방향을 갖는 가변 자기장을 발생시키게 된다.
도 6a 내지 도 6c에서, 본 발명의 제 1실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 상부와 하부가 대칭이기 때문에 상부의 영구자석(310)과 솔레노이드부(320,320')에 형성된 각각의 자기장의 형태를 설명하고, 이로 인한 전체 작동방법을 설명하겠다.
도 6a에 보이듯이, 본체부(100)의 중심에 배치된 영구자석(310)에서는 소정크기의 자기장(f)이 N극에서 S극의 방향으로 형성되어 있다. 또한, 링 형상의 솔레노이드부(320,320')에는 전류컨버터(도시안됨)에서 전류가 공급되지 않아 자기장이 형성되어 있지 않다. 또한, 서로 다른 반지름을 갖는 원형회전축(300)의 회전토크는 중심으로 부터 원주면까지의 거리인 반지름의 제곱에 비례한다. 따라서, 이런 원형회전축(300)은 반지름이 가장 큰 대원주부(303)의 원주면에서 가장 큰 회전토크 값을 갖게 된다. 한편, 이런 원형회전축(300)의 대원주부(303)의 원주면이 접촉하는 자기유변유체(20)의 B부위에는 영구자석(310)의 자기장(f)이 수직으로 통과하고 있다. 또한, 이런 영구자석(310)의 자기장(f)은 자기유변유체(20)를 C부위에서 통과하고 있다. 따라서, 이런 영구자석(310)의 자기장(f)은 자기유변유체(20)의 B와 C부위의 점성을 변화시켜 감쇠력을 작용시킬 수 있게 되고, 회전토크가 가장 큰 자기유변유체(20)의 B부위에서 상대적으로 큰 감쇠력을 작용시키고 있다.
도 6b에 보이듯이, 본체부(100)의 최적 성능을 내기 위해서는 상기 영구자석(310)의 자기장(f)에 의한 B부위의 자기유변유체(20)의 점성변화를 작게 해야 한다. 먼저, 솔레노이드부(320,320')에는 영구자석(310)의 자기장(f)과 동일한 크기와 방향을 갖는 가변 자기장(g)을 발생시키기 위해서 전류컨버터의 전류가 인가된다. 이럴 경우, 솔레노이드부(320,320')의 가변 자기장(g)과 영구자석(310)의 자기장(f)은 원형회전축(300)과 솔레노이드부(320,320')와 본체부(100)의 벽면을 따라 폐회로를 구성하여 자기유변유체(20)의 C부위를 수직한 방향으로 통과하게 된다. 또한, 자기유변유체(20)의 B부위에 작용되는 영구자석(310)의 자기장(f)은 솔레노이드부(320,320')의 가변 자기장(g)으로 유도되므로써 그 크기가 감소된다. 이와 동시에, 자기유변유체(20)의 B부위는 상대적으로 자기장(g,f)의 크기가 작아져서 감쇠력이 작아진다. 따라서, 이렇게 상대적인 크기차이를 갖는 폐회로의 자기장(g,f)은 원형회전축(300)의 회전토크가 상대적으로 작은 C부위에서 자기유변유체(20)를 통과하기 때문에 본체부(100)에 작용되는 전체 감쇠력은 감소하게 된다. 또한, 솔레노이드부(320,320')의 자기장 자기장(g)은 영구자석(310)의 자기장(f)을 유도하여 동일한 방향으로 발생되기 때문에 영구자석(310)의 반자화 현상을 막을 수 있다.
도 6c에 보이듯이, 또한 본체부(100)의 전체 감쇠력을 증가시키기 위해서는 B부위의 자기유변유체(20)의 점성변화를 크게 해야 한다. 먼저, 각각의 솔레노이드부(320,320')에는 영구자석(310)의 자기장(f)과 반대 방향 및 소정크기를 갖는 가변 자기장(h,h')을 발생시키기 위해서 전류컨버터의 전류가 인가된다. 이럴 경우, 솔레노이드부(320,320')의 자기장(h,h')와 영구자석(310)의 자기장(f)은 같은 방향으로 각각 회전하여 자기유변유체(20)의 B부위를 수직으로 각각 통과한다. 또한, 솔레노이드부(320,320')의 가변 자기장(h,h')은 자기유변유체(20)의 C부위를 통과하게 된다. 이런 영구자석(310)의 자기장(f)과 솔레노이드부(320,320')의 가변 자기장(h,h')은 B부위에서 같은 방향으로 형성되며, 또한 그 크기가 증가되므로써 회전토크가 가장 큰 B부위의 자기유변유체(20)의 점성을 변화시키기 때문에, 자기유변유체(20)의 B부위에 감쇠력을 증가 시킨다. 또한, 이런 각각의 자기장(f,h,h')은 원형회전축(300)의 회전토크가 상대적으로 큰 B부위에서 자기유변유체(20)와, 또한 C부위의 자기유변유체(20)를 동시에 통과하기 때문에 본체부(100)에 작용되는 전체 감쇠력은 커지게 된다. 또한, 솔레노이드부(320,320')의 가변 자기장(h,h')은 영구자석(310)의 자기장(f)의 방향에 영향을 주지 않고 각각 동일한 방향으로 순환되기 때문에 영구자석(310)의 반자화 현상을 막을 수 있다.
<제 2실시예>
이제 본 발명의 제 2실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 대해 상세히 설명하겠다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 제 2실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 구성을 설명하기 위한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c에 보이듯이, 제 2실시예에서 본 발명의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 선형 댐퍼와 같이 감쇠력을 발생시키는 피스톤부(30a)에 영구자석(31a)이 배치되어 있고, 또한 이런 영구자석(31a)의 상부와 하부에는 두개의 솔레노이드부(32a,32a')가 배치되어 있다. 또한, 이런 솔레노이드부(32a,32a')에는 외부로 부터 전원이 공급될 수 있게 전선(도시안됨)이 전기적으로 각각 접속되어 있으며, 이런 전선은 피스톤부(30a)와 연속하는 축(33)의 중심에 형성된 축방향의 구멍(도시안됨)을 따라 외부로 돌출되어 외부에 배치된 전류컨버터(도시안됨)와 전기적으로 접속되어 있다.
이런 피스톤부(30a)의 축(33)은 실린더부(10a)의 상하 방향의 개구된 입구(10b)에서 리테이너(12)와 결합한다. 이런 리테이너(12)가 부착된 실린더부(10a)의 개구된 입구(10b)는 D부위에서 피스톤부(30a)의 축(33)의 외경과 소정폭의 공간을 갖게 형성되어 있다. 따라서, 이런 D부위의 공간에서는 상기 축(33)과 상기 개구된 입구(10b)의 내경에 채워진 자기유변유체(20)가 직접전단모드를 갖게 된다. 또한, 상기 영구자석(31a)과 솔레노이드부(32a,32a')를 구비한 피스톤부(30a)의 외경과 실린더부(10a)의 내경에 의한 A'부위의 공간에서는 피스톤부(30a)의 상하 이동에 따라 자기유변유체(20)가 압력을 받으면서 이동하게 되므로 밸브모드를 갖게 된다.
아래에서, 제 2실시예에 따른 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치의 작동방법에 대해서 설명하겠다.
도 7a에 보이듯이, 상기와 같이 배치된 영구자석(31a)에는 A'부위의 자기유변유체(20)에 소정크기의 자기장(j)이 형성되어 있다. 또한, 솔레노이드부(32a,32a')는 외부에 배치된 전류컨버터(도시안됨)에서 전류가 공급되지 않아 가변 자기장이 발생되지 않는다. 따라서, 실린더부(10a)의 영구자석(31a)에 의해 발생된 자기장(j)이 소정크기의 감쇠력을 작용시키고 있다.
도 7b에 보이듯이, 실린더부(10a)의 전체 감쇠력을 작게 하기 위해 솔레노이드부(32a,32a')에는 상기 제 1실시예와 동일한 방법으로 영구자석(31a)의 자기장(j)과 동일한 크기와 방향을 갖는 가변 자기장(k)을 발생시킬 수 있게 전류가 외부에서 공급된다. 이럴 경우, 영구자석(31a)의 자기장(j)은 솔레노이드부(32a,32a')의 가변 자기장(k)에 유도되어 피스톤부(30a)의 축(33)을 따라 통과한다. 또한, 이런 영구자석(31a)과 솔레노이드부(32a,32a')의 자기장(j,k)은 D부위의 자기유변유체(20)를 통과하여 실린더부(10a)에 튜브형의 폐회로를 형성시킨다. 이런 폐회로는 A'부위의 자기유변유체(20)를 제외한 자기유변유체(20)의 점성을 변화시키기 때문에, A'부위의 감쇠력은 감소하게 된다. 또한, 상기 D부위의 자기유변유체(20)를 통과하는 자기장(j,k)은 직접전단모드로 점성을 변화시킨다. 여기에서 직접전단모드는 상기와 같이 밸브모드에 의한 자기유변유체(20)의 점성 변화에 의한 감쇠력보다 상대적으로 작은 감쇠력을 얻는다. 따라서, 이런 직접전단모드를 이용한 D부위의 감쇠력은 솔레노이드부(32a,32a')에 전류가 인가되기 전의 영구자석(31a)에 의한 밸브모드를 이용한 A'부위의 감쇠력보다 상대적으로 작다. 따라서, 실린더부(10a)의 전체 감쇠력은 감소하게 된다.
도 7c에 보이듯이, 실린더부(10a)의 전체 감쇠력을 크게 하기 위해 솔레노이드부(32a,32a')에는 상기 제 1실시예와 동일한 방법으로 영구자석(31a)의 자기장(j)과 반대 방향을 갖는 가변 자기장(n,n')을 발생시키기 위해서 전류컨버터의 전류가 인가된다. 이럴 경우, 영구자석(31a)의 자기장(j)과 솔레노이드부(32a,32a')의 가변 자기장(n,n')은 각각 분리되게 발생된다. 이때, 영구자석(31a)의 자기장(j)은 자기유변유체(20)의 A'부위에서 밸브모드로 감쇠력을 작용시킨다. 이와 동시에, 솔레노이드부(32a,32a')의 가변 자기장(n,n')은 영구자석(31a)을 반자화시키지 않으면서 피스톤부(30a)와 실린더부(10a)를 따라 흘러서 상기 자기유변유체(20)의 D부위에서 직접전단모드로 감쇠력을 작용시킨다. 따라서, 실린더부(10a)의 전체 감쇠력은 증가시키게 된다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 자기유변유체의 점성을 변화시켜 실제로 감쇠력을 크게 작용시키는 A'또는 B 와 감쇠력을 작게 작용시키는 C 또는 D로 양분시키고, 영구자석의 두께방향의 전후에 두개의 솔레노이드부를 각각 배치시켜 이런 솔레노이드부에 전류를 인가하는 전류컨버터의 전류를 조정하므로써 영구자석의 반자화 현상 없이 감쇠력을 증가 또는 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 영구자석의 감쇠력보다 작은 크기의 감쇠력을 만들기 위해서는 솔레노이드부가 상기 영구자석의 자기장을 유도할 수 있는 크기의 가변 장기장을 발생시키므로써 대용량의 전류증폭기가 필요하지 않고 작은 크기의 전류만으로 시스템을 최적으로 작동시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치는 측정 잡음에 덜 민감하도록 감쇠력을 증가 또는 감소시킬 수 있기 때문에 자동차의 스티어링휠의 감속장치나 자동차 엔진마운트 및 회전모터의 정밀 위치 제어에 적용이 가능한 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (7)

  1. 자기장의 인가시 점성이 변하는 상자성 입자를 갖는 자기유변유체(20 ; magnetorheological fluid)와, 상기 자기유변유체(20)의 점성을 변화시키기 위한 영구자석(31)과, 솔레노이드부(32)를 포함하여 외부에서 전달된 회전 운동력을 감쇠시키는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 있어서,
    상기 자기유변유체(20)가 채워져 있으며 외부에 배치된 전원컨버터(40)로 부터 전류를 공급받아 가변 자기장(g,h,h')을 발생시키는 솔레노이드부(320,320')를 구비한 본체부(100)와, 상기 본체부(100)의 내부에 배치되어 상기 영구자석(310)을 구비한 회전축(300)과, 상기 회전축(300)이 회전이 가능하게 결합된 베어링부(200)를 포함하며, 상기 솔레노이드부(320,320')의 상기 가변 자기장(g,h,h')은 상기 영구자석(310)이 반자화되지 않게 상기 영구자석(310)의 자기장(f)을 유도하여 상기 자기유변유체(20)에 감쇠력이 발생되는 부위(B,C)를 효율적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 본체부(100)와 상기 베어링부(200)의 사이에는 상기 영구자석(310)의 자기장(f)과 상기 솔레노이드부(320,320')의 상기 가변 자기장(g,h,h')이 상기 베어링부(200)의 베어링(210)에 유도되는 것을 억제시키기 위해 상대 투자율이 큰 링부재(220)가 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 회전축(300)에는 상기 본체부(100)의 내원주면에 대응한 서로 다른 반지름을 갖는 대원주부(303)와 소원주부(302)가 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 솔레노이드부(320,320')는 상기 원형축(300)의 소원주부(302)가 상기 솔레노이드부(320,320')의 내경에 배치될 수 있게 본체부(100)에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치.
  5. 자기장의 인가시 점성이 변하는 상자성 입자를 갖는 자기유변유체(20 ; magnetorheological fluid)와, 상기 자기유변유체(20)의 점성을 변화시키기 위한 영구자석(31)과 솔레노이드부(32)를 구비한 피스톤부(30)와, 상기 피스톤부(30)를 감싸는 실린더부(10)를 포함하여 외부에서 전달된 선형 운동력을 감쇠시키는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치에 있어서,
    상기 피스톤부(30a)의 중심에는 상기 자기유변유체(20)의 점성을 변화시켜 감쇠력을 발생시키는 자기장(j)이 형성된 영구자석(31a)이 배치되어 있고, 상기 솔레노이드부(32a,32a')는 상기 영구자석(31a)의 상하 방향의 상기 피스톤부(30a)에 배치되고 외부로부터 전원을 공급받아 가변 자기장(k,n,n')을 발생시키며, 상기 솔레노이드부(32a,32a')의 상기 가변 자기장(k,n,n')은 상기 영구자석(31a)이 반자화되지 않게 상기 영구자석(31a)의 자기장(j)을 유도하여 상기 자기유변유체(20)에 감쇠력이 발생되는 부위(A')를 효율적으로 변화시키는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 실린더부(10a)에는 상기 피스톤부(30a)의 축(33)이 외부로 돌출되는 부위(D)의 상기 자기유변유체(20)가 직접전단모드(direct shear mode)로 점성을 변화시킬 수 있는 접촉면적을 갖는 입구(10b)가 일체형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 피스톤부(30a)는 상기 직접전단모드와 상기 피스톤부(30a)의 원주면에서 상기 자기유변유체(20)의 점성을 변화시키는 밸브모드(valve mode)를 형성시킬 수 있게 상기 실린더부(10a)의 내부에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 자기유변유체와 영구자석을 이용한 감쇠장치.
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