KR20020067440A - 무전원 볼 스크류 mr 감쇄기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 갑작스런 외부 충격이나 진동으로부터 구조물이나 기계를 보호하고 진동을 감쇄시킬 수 있는 볼 스크류(ball screw)를 결합한 MR(magnetorheological) 진동저감장치(damper)로서 유압식ㆍ공압식 등 기존의 진동저감장치에 비해 훨씬 더 제어가 용이한 무전원(power free) 준 능동형(semi-active) 진동저감장치 설계에 관한 것이다.
본 발명에서, 무전원 볼 스크류 MR 진동저감장치는 구조적으로 회전식 MR 장치(damper, brake)와 모터/발전기를 이용하여 볼 스크류를 결합한 설계방식을 고안하였으며, 진동으로 인한 볼 스크류의 선형운동에 의하여 회전식 MR 장치와 모터/발전기가 동시에 회전하여 작동된다.
본 발명에서 결합된 회전식 MR 장치와 모터/발전기는 공개된 일반 구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태를 갖는 것으로, 충격 및 진동으로 모터/발전기의 작동 시 발생된 전원이 MR 장치의 전원으로 사용되어 외부의 전원공급 없이 독립적으로 MR 장치가 작동한다.
본 발명은 외부로부터의 충격이나 진동에 의한 진동저감장치의 선형운동이 볼 스크류를 통해 MR 장치와 모터/발전기를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬 때 MR 장치의 회전에 의해 발생된 유체 전단력 토르크와 모터/발전기에서 발생되는 역기전력(back e.m.f.)이 동시에 진동ㆍ충격 흡수력으로 작용하여 외부 진동ㆍ충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
본 장치가 작동하는 동안 모터/발전기는 역기전력(back e.m.f.)을 발생시키며, 회전식 MR 장치는 진동의 세기에 비례하여 모터/발전기에서 발생된 전류로 MR유체에 다양한 세기의 전자기장을 형성시켜 전자기장의 세기에 따른 높은 유체 전단력 토르크를 발생시킨다.
이것은 MR 유체 속에 섞여 있는 작은 철분 입자가 자기장에 의해 순간적으로 일렬로 체인처럼 정렬되어 고착화되는 성질을 이용한 것으로 작은 전류의 양으로 큰 충격ㆍ진동 흡수력을 얻을 수 있으며, 준 능동형(semi-active) 방식으로서 수백 헤르츠(Hz)의 전자기장 제어가 가능하기 때문에 실시간 제어를 구현할 수 있다.
본 발명에서 구현하고자 하는 무전원 볼 스크류 MR 진동저감장치는(power free ball screw magnetorheological damper) 구조면에서 다음의 네 가지 주요 부품으로 구성된다. 첫째, 결합된 MR 장치에 전류를 공급하기 위한 전원발전용 모터/발전기, 둘째, 준 능동제어를 위한 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크, 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류(ball screw)ㆍ볼 너트(ball nut) 또는 유사기능의 부품(Acme screw) 구조의 결합인 텔리스코핑(telescoping) 메커니즘(mechanism), 넷째, 모터/발전기와 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크에 연결되는 제어회로(control circuit)로 구성되어 있다.

Description

무전원 볼 스크류 MR 감쇄기{power free ball screw magnetorheological damper}
본 발명은 설계구조상 볼 스크류ㆍ너트 메커니즘을 이용한 볼 스크류 액추에이터(actuator)식 진동저감장치이다. 기존의 진동저감 장치나 충격흡수 장치는 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류ㆍ너트 메커니즘을 결합한 와류형 댐퍼(eddy current damper), 전자기식 액추에이터(actuator), 또는 관성형 충격흡수 장치(inertia damper)의 형태로 각각 설계되어 왔다. 이에 관련된 종래의 기술로는 미국특허공고 제 5,775,469호, 미국특허공고 제 5,348,124호, 독일특허공고 제 3,522,221호에서 공개된 것이 있다. 또한 회전식 MR 진동저감장치 기술로는 미국특허공고 제 6,186,290호, 제 5,896,964호 등에서 공개된 것이 있다.
본 발명은 공개된 일반구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태를 갖는 회전식 자기유변유체 감쇄기(rotary MR damper)(2) 또는 회전식 자기유변유체 브레이크(rotary MR brake)(2)와 모터/발전기(1)를 볼 스크류(3)와 직접(in-line) 결합하여 외부로부터 전원공급 없이도 독립적으로 작동할 수 있는 무전원 볼 스크류 MR 감쇄기를 구현하는 것으로, 충격 및 진동으로 모터/발전기의 작동 시 발생된 전원이 MR 장치의 전원으로 사용되어 외부의 전원공급 없이 독립적으로 MR 장치가 작동한다.
또한, 모터/발전기(1)를 MR 장치의 발전 전원용으로 사용함과 동시에 발전 시 생성되는 역기전력을 MR장치에서 발생되는 회전력과 함께 충격 및 진동의 흡수력으로 사용하는 복합식 진동저감장치를 구현하는 것이다.
이 때, 모터/발전기(1)의 역기전력, 즉 전류는 진동의 세기에 따라 연결된 제어회로(7)의 저항을 가변함으로써 다양하게 조정되며, 그 결과로 얻어진 전류는 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크를 실시간으로 작동시킨다.
본 발명에서, 볼 스크류(3)는 회전운동을 선형운동으로 또는 선형운동을 회전운동으로 변환할 뿐만 아니라, 기계식 증폭기(mechanical amplifier) 역할을 하기 때문에 작은 용량의 진동 흡수력이 이를 통하여 크게 증폭된다.
또한 제어회로의 저항을 조정하지 않고 독립적으로 볼 스크류리드(lead)의 크기를 조정함으로써 다양한 진동 흡수력을 얻을 수 있는 장점이 있다.
본 발명에서 구현하고자 하는 무전원 볼 스크류 MR 감쇄기는 구조면에서 다음의 네 가지 주요 부품으로 구성된다. 첫째, 결합된 MR 장치에 전류를 공급하기 위한 전원발전용 모터/발전기(1), 둘째, 준 능동제어를 위한 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크(2), 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류(ball screw)(3)ㆍ볼 너트(ball nut)(4) 또는 유사기능의 부품 (Acme screw) 구조의 결합인 텔리스코핑 (telescoping) 메커니즘 (mechanism)(5, 6), 넷째, 모터/발전기와 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크에 연결되는 제어회로(control circuit)(7)로 구성되어 있다.
본 발명에서, 볼 스크류에 결합되는 모터/발전기(1)와 회전식 MR 장치(2)는 공개된 일반 구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태를 가지며, 모터/발전기(1)의 전류는 진동의 세기에 따라 연결된 제어회로의 저항을 가변함으로써 다양하게 조정되며, 그 결과로 얻어진 전류는 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크(2)의 전원으로 쓰여진다.
따라서, 외부로부터의 충격이나 진동에 의한 진동저감장치의 선형운동이 볼 스크류(3)를 통해 MR 장치와 모터/발전기(1)를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬때 MR 장치(2)의 회전에 의해 발생된 유체 전단력 토르크와 모터/발전기(1)에서 발생되는 역기전력(back e.m.f.)이 동시에 진동ㆍ충격 흡수력으로 작용하여 외부 진동ㆍ충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
본 발명에서 구현하고자 하는 무전원 볼 스크류 MR 감쇄기는 구조면에서 다음의 네 가지 주요 부품으로 구성된다. 첫째, 결합된 MR 장치에 전류를 공급하기 위한 전원발전용 모터/발전기(1), 둘째, 준 능동제어를 위한 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크(2), 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류(ball screw)(3)ㆍ볼 너트(ballnut)(4) 또는 유사기능의 부품 (Acme screw) 구조의 결합인 텔리스코핑 (telescoping) 메커니즘 (mechanism)(5, 6), 넷째, 모터/발전기와 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크에 연결되는 제어회로(control circuit)(7)로 구성되어 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, 볼 너트(ball nut)(4)는 텔리스코핑 축(telescoping rod)(5)에 부착되어 볼 스크류(3)의 홈을 따라 좌우로 선형운동을 하며, 바깥 고정용 지지 실린더(support cylinder)(6)안에 자리잡고 있다.
볼 너트(ball nut)(4)의 선형운동에 의해 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 볼 스크류(ball screw)(3)는 한쪽 부분이 베어링 (thrust hearing)(8)에 의해 지지되고 지지된 볼 스크류(ball screw)(3)의 하단 부분은 회전형 MR 장치(damper, brake)(2)와 결합되어 MR 장치(damper, brake)(2)의 회전축을 이루며 그 끝 부분은 모터/발전기(1)의 회전축에 직접 직선으로(in-line) 연결되거나 커플링 또는 유사부품에 의해 연결되어 볼 스크류(ball screw)(3)의 회전 시 모터/발전기(1)와 MR 감쇄기/MR 브레이크(2)를 동시에 빠른 속도로 회전시킨다.
모터/발전기(1)와 회전식 MR 감쇄기/MR 브레이크(2)는 공개된 일반 구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태로 케이스(case) 내에 장착되고 그 케이스의 지지 부분에 고정ㆍ부착된다.
모터/발전기(1)의 전류의 세기를 조정함으로서 다양한 크기의 역기전력을 얻기 위하여 제어회로(control circuit)(7)가 모터/발전기(1)에 연결되고, 그 회로의 출력단자는 회전식 MR 감쇄기/MR 브레이크에 연결된다.
도 1에서 보는 바와 같이, 본 발명의 작동은 외부로부터의 충격이나 진동으로 텔리스코핑 축 (telescoping rod)(5)의 선형운동이 볼 스크류(ball screw)(3)와 너트(ball nut)(4)를 통해 회전식 MR 감쇄기/MR 브레이크(2)와 모터/발전기(1)를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킨다.
즉, 선형운동이 볼 스크류(3)를 통해 MR 장치와 모터/발전기(1)를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬 때 MR 장치(2)의 회전에 의해 발생된 유체 전단력(torque)과 모터/발전기(1)에서 발생되는 역기전력(back e.m.f.)이 동시에 진동ㆍ충격 흡수력으로 작용하여 외부 진동ㆍ충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
이상에서 상술한 바와 같이, 본 발명은 갑작스런 외부 충격이나 진동으로부터 구조물이나 기계를 보호하고 진동을 감쇄시킬 수 있는 볼 스크류(ball screw)를 결합한 MR (magnetorheological) 진동저감장치(damper)로서 유압식ㆍ공압식 등 기존의 진동저감장치에 비해 훨씬 더 제어가 용이한 무전원(power free) 준 능동형 (semi-active) 진동저감장치 설계에 관한 것이다.
본 발명에서, 무전원 볼 스크류 MR 진동저감장치는 구조적으로 회전식 MR 장치(damper, brake)와 모터/발전기를 이용하여 볼 스크류를 결합한 복합식 진동저감장치로서, 진동으로 인한 볼 스크류의 선형운동에 의하여 회전식 MR 장치와 모터/발전기가 동시에 각각 다른 다양한 크기의 감쇄력을 발생시킨다.
본 발명에서 결합된 회전식 MR 장치와 모터/발전기는 공개된 일반구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태를 갖는 것으로, 충격 및 진동으로 모터/발전기의 작동 시 발생된 전원이 MR 장치의 전원으로 사용되어 외부의 전원공급 없이 독립적으로 MR 장치가 작동한다.
본 발명은 외부로부터의 충격이나 진동에 의한 진동저감장치의 선형운동이 볼 스크류를 통해 MR 장치와 모터/발전기를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬 때 MR 장치의 회전에 의해 발생된 유체 전단력과 모터/발전기에서 발생되는 역기전력(back e.m.f.)이 동시에 진동ㆍ충격 흡수력으로 작용하여 외부 진동ㆍ충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
본 장치가 작동하는 동안 모터/발전기는 역기전력(back e.m.f.)을 발생시키며, 회전식 MR 장치는 진동의 세기에 비례하여 모터/발전기에서 발생된 전류로 MR유체에 다양한 세기의 전자기장을 형성시켜 전자기장의 세기에 따른 높은 유체 전단력 토르크를 발생시키며 실시간 제어를 구현할 수 있다.
본 발명에서 볼 스크류는 회전운동을 선형운동으로 또는 선형운동을 회전운동으로 변환할 뿐만 아니라, 기계식 증폭기(mechanical amplifier) 역할을 하기 때문에 작은 용량의 진동 흡수력이 이를 통하여 크게 증폭된다.
또한 전원공급장치의 전류를 조정하지 않고 독립적으로 볼 스크류 리드(lead)의 크기를 조정함으로써 다양한 진동 흡수력을 얻을 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

  1. 본 발명에서 구현하고자 하는 무전원 볼 스크류 MR 진동저감장치는(power free ball screw magnetorheological damper) 구조면에서 다음의 네가지 주요 부품으로 구성된다. 첫째, 결합된 MR 장치에 전류를 공급하기 위한 전원발전용 모터/발전기, 둘째, 준 능동제어를 위한 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크, 셋째, 직선운동을 회전운동으로 혹은 회전운동을 직선운동으로 효율적으로 원활하게 변환할 수 있는 볼 스크류(ball screw)ㆍ볼너트(ball nut) 또는 유사기능의 부품 (Acme screw) 구조의 결합인 텔리스코핑(telescoping) 메커니즘 (mechanism), 넷째, 모터/발전기와 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크에 연결되는 제어회로(control circuit)로 구성되고 각 부품의 조립(배열)과 작용에 있어서,
    (가) 볼 너트(ball nut)(4)는 텔리스코핑 축(telescoping rod)(5)에 부착되어 볼 스크류(3)의 홈을 따라 좌우로 선형운동을 하며 바깥 고정용 지지 실린더(support cylinder)(6)안에 자리잡고 있으며,
    (나) 볼 너트(ball nut)(4)의 선형운동에 의해 시계방향 또는 반시계 방향으로 회전하는 볼 스크류(ball screw)(3)는 한쪽 부분이 베어링(thrust beanng)(8)에 의해 지지되고 지지된 볼 스크류(ball screw) (3)의 하단 부분은 회전형 MR 장치(damper, brake)(2)와 결합되어 MR 장치 (damper, brake)(2)의 회전축을 이루며 그 끝 부분은 모터/발전기(1)의 회전축에 직접 직선으로(in-line) 연결되거나 커플링 또는 유사부품에 의해 연결되어 볼 스크류(ball screw)(3)의 회전 시 모터/발전기(1)와 MR 감쇄기/MR 브레이크(2)를 동시에 빠른 속도로 회전시키며,
    (다) 모터/발전기(1)와 회전식 MR 감쇄기/MR 브레이크(2)는 공개된 일반구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태로 케이스(case) 내에 장착되고 그 케이스의 지지 부분에 고정ㆍ부착되며,
    (라) 모터/발전기(1)의 전류의 세기를 조정함으로서 다양한 크기의 역기전력을 얻기 위하여 제어회로(control circuit)(7)가 모터/발전기(1)에 연결되고, 그 회로의 출력단자는 회전식 MR 감쇄기/MR 브레이크(2)에 연결된다.
  2. 제 1항에 있어서, 본 발명은 공개된 일반구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태를 갖는 모터/발전기와 회전식 MR 감쇄기/브레이크를 볼 스크류와 직접(in-line) 결합하여 선형운동형 복합식 진동저감장치를 구현한다.
  3. 제 1항에 있어서, 결합된 회전식 MR 장치와 모터/발전기는 공개된 일반 구조형태 또는 특별히 설계된 구조형태를 갖는 것으로, 충격 및 진동으로 모터/발전기의 작동 시 발생된 전원이 MR 장치의 전원으로 사용되어 외부의 전원공급 없이 독립적으로 MR 장치가 작동한다.
  4. 제 1항에 있어서, 외부로부터의 충격이나 진동으로 선형운동이 볼 스크류를 통해 MR 장치와 모터/발전기를 동시에 빠른 회전운동으로 구동시킬 때 MR 장치의 회전에 의해 발생된 유체 전단력 토르크와 모터/발전기에서 발생되는역기전력(back e.m.f.)이 동시에 진동ㆍ충격흡수력으로 작용하여 외부 진동ㆍ충격을 자동적으로 흡수하고 시스템의 진동을 억제한다.
  5. 제 3항에 있어서, 본 발명에서 장치가 작동하는 동안 모터/발전기는 역기전력(back e.m.f.)을 발생시키며, 회전식 MR 장치는 진동의 세기에 비례하여 모터/발전기에서 발생된 전류로 MR 유체에 다양한 세기의 전자기장을 형성시켜 전자기장의 세기에 따른 높은 유체 전단력 토르크를 발생시킨다.
  6. 제 3항에 있어서, 모터/발전기(1)의 전류는 진동의 세기에 따라 연결된 제어회로의 저항을 가변함으로써 다양하게 조정되며, 그 결과로 얻어진 전류는 회전식 MR 감쇄기 또는 MR 브레이크(2)의 전원으로 쓰여진다
  7. 제 2항에 있어서, 볼 스크류는 회전운동을 선형운동으로 또는 선형운동을 회전운동으로 변환할 뿐만 아니라, 기계식 증폭기(mechanical amplifier) 역할을 하기 때문에 작은 용량의 진동흡수력이 이를 통하여 크게 증폭되며, 또한 전원공급장치의 전류를 조정하지 않고 독립적으로 볼 스크류리드(lead)의 크기를 조정함으로써 다양한 진동 흡수력을 얻을 수 있다.
  8. 제 5항에 있어서, 회전식 MR 장치에 추가적인 전원 공급이 필요할 경우 보조 전원공급 장치가 연결된다.
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