KR20060058164A - 반능동형 동흡진기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 반능동형 동흡진기는, 하우징과, 이 하우징의 내부 상하에 각각 고정되어 있는 영구자석의 고정자와, 상기 고정자 사이에 위치된 영구자석의 운동자와, 상기 고정자에 각각 감겨져 있는 제어코일과, 외란의 주파수를 검출하는 센서와, 상기 외란의 주파수에 따라 상기 제어코일로 공급되는 전류세기 및 전류방향을 조절하는 제어기를 포함하여 구성되어, 이동 질량의 위치 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 간단한 구조로 다양한 주파수의 외란에 대해 우수한 진동 저감 효과를 얻을 수 있다.

Description

반능동형 동흡진기{Semi-active type dynamic vibration absorber}

도 1은 본 발명에 따른 반능동형 동흡진기의 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 반등동형 동흡진기의 제어기의 구성도,

도 3 및 도 4는 일반적인 차체의 진동 저감 방법과 능동형 동흡진기 원리를 설명하는 개략도,

도 5는 일반적인 능동형 동흡진기를 엔진에 의한 차체 가진력을 제어하기 위해 설치한 상태를 나타내는 개략도,

도 6는 종래의 능동형 동흡진기를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

50 : 차체 60 : 하우징

61, 62 : 고정자 63 : 운동자

64 : 가이드부 65 : 직선 베어링

66, 67 : 제어코일 70 : 제어기

80 : 외란 주파수 센서

본 발명은 반능동형 동흡진기에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 엔진에 의해 발생되는 차체 진동 및 실내소음을 저감시키기 위한 것으로서 동흡진기의 공진주파수가 실시간으로 조절되어 넓은 주파수 범위에 걸친 외란에 대해 우수한 진동 저감 성능을 나타내는 반능동형 동흡진기에 관한 것이다.

일반적으로, 엔진 진동에 의한 차체 진동 및 실내 소음 발생은 엔진 진동 -> 엔진측 마운트 브라켓 -> 엔진 마운트 -> 차체측 마운트 브라켓 -> 차체 -> 차체 진동 및 실내 소음 등의 순서로 발생하게 된다.

즉, 엔진 마운트를 통한 전달력이 차체측 마운트 브라켓을 가진시켜 진동 및 소음이 발생하는 바, 도 3에 도시된 바와 같이, 엔진 마운트를 통한 전달력(Ft) 만큼의 역힘(Fc)을 차체측 마운트 브라켓에 가하게 되면 브라켓이 받는 순수한 힘(net force)이 작아지게 되어 차체 진동 및 소음을 크게 줄일 수 있다.

동흡진기가 제어력을 발생시키는 원리는 도 4에 도시된 바와 같이, 전자기력에 의해 운동하는 질량의 관성 반발력을 이용하는 것이다.

즉, 전자기 시스템으로 구성된 구동기가 질량 m에 전자기력을 가하면 질량의 관성력 F가 발생하는데, 이 관성력은 곧 구동기에 관성 반발력으로 작용해 구동기와 체결된 진동 저감 대상계에 제어력 (-)F의 힘을 가하게 된다. 상기 제어력 (-)F는 운동중 진동 저감 대상계에 작용하는 가진력(F)를 상쇄시켜 진동을 저감시키게 된다.

도 5는 엔진(10)의 진동에 의한 차체 가진력을 제어하기 위해 설치된 동흡진기를 보여주는 도면으로서, 이 경우 가진력 F는 힘센서를 이용하여 직접 측정하거나 엔진측과 차체측의 진동을 측정해 마운트 변형량을 구하여 간접적으로 추정(마운트 강성계수 ×마운트 변형량)할 수 있다. 이에, 제어기(30)는 구동기(20)에 흐르는 전류를 제어함으로써 가진력 F에 해당하는 관성 반발력을 발생시키는 것이다.

도 6은 기존의 능등형 동흡진기(200)의 주요 구성 요소를 도시한 개략도로서, 하우징(21)과, 두 개의 전자석(22, 23), 이동 질량(24; moving mass) 등을 포함하여 구성되어 있다.

먼저, 하우징(21)은 그 외벽이 차체 또는 차체측 마운트 브라켓(40)에 체결되며, 그 형상은 원통형으로 형성된 것으로서, 이 하우징(21)의 내부 상하에 각각의 코어(Core)에 코일(Coil)을 감아 놓은 형상을 갖는 두 개의 전자석(22, 23)이 장착된다.

상기 이동 질량(24)은 상기 두 개의 전자석(22, 23) 사이에 위치되, 두 개의 전자석(22, 23)으로부터 발생하는 전자기력의 차이에 따라 해당되는 관성력을 발생시킨다.

도 6에서 도면부호 g0는 공극을 나타내는 바, 이 공극은 이동 질량(24)의 최대 변위이므로 동흡진기가 발생시킬 수 있는 힘의 최대치를 결정하는 기능을 한다.

따라서, 전류가 상기 코일에 흐르게 되면 이동 질량(24)을 끌어들이는 흡인식 전자기력이 발생하게 되는 바, 위 아래 두 개의 전자석(22, 23)에 흐르는 전류 I1, I2가 같으면 양쪽에 발생하는 전자기력의 크기가 같아져서 이동 질량(24)이 움 직이지 않게 되지만, 전류 I1, I2를 조절하여 전자기력의 크기에 차이를 주면 이동 질량이 구동되어 임의의 파형과 주파수 특성을 가지는 관성력을 발생시킬 수 있다.

이때, 상기 동흡진기 내에 장착된 비접촉식 변위 센서로 측정된 이동 질량의 변위 신호를 기준으로 상기 전류 I1, I2를 조절 및 제어하게 된다.

그러나, 상기한 바와 같은 기존의 능동형 동흡진기는, 자석의 같은 극끼리 서로 당기는 흡인력을 이용하는데, 이러한 흡인력은 자석 사이의 거리가 가까워질수록 더욱 커지기 때문에 이동 질량의 위치의 불안정성을 유발하는 근본적인 요인으로 작용하였고, 이에 따라 귀환제어를 통해 이동 질량의 위치 안정화를 달성하기 위해 변위센서의 이용이 불가피하게 된다.

또한, 기존의 능동형 동흡진기는 외란의 크기와 주파수, 위상 등을 가속도계나 하중계 등 별도의 센서를 통해 검출하여 이를 상쇄시킬 수 있는 제어력을 발생시킴에 따라 제어력의 정확한 크기와 위상을 결정하기 위해 복잡한 제어로직과 이 제어로직을 구현할 수 있는 정밀한 제어기의 채용이 필수적이었다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 같은 극끼리 서로 밀어내는 반발력을 이용하여 이동 질량의 위치 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 동흡진기의 고유진동수를 외란의 주파수에 따라 조절하여 다수의 센서들을 포함하는 복잡한 제어로직을 사용하지 않고 간단한 구조로 다양한 주파수의 외란에 대해 우수한 진동 저감 효과를 얻을 수 있는 반능동형 동 흡진기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반능동형 동흡진기는, 하우징과, 이 하우징의 내부 상하에 각각 고정되어 있는 영구자석의 고정자와, 상기 고정자 사이에 위치된 영구자석의 운동자와, 상기 고정자에 각각 감겨져 있는 제어코일과, 외란의 주파수를 검출하는 외란 주파수 센서와, 상기 외란의 주파수에 따라 상기 제어코일로 공급되는 전류세기 및 전류방향을 조절하는 제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

상기 고정자와 운동자는, 서로 반발하도록 자극이 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 외란 주파수 센서는, 상기 운동자가 운동함에 따라 제어코일에 유도되는 유도전류의 주파수를 검출하는 센서인 것을 특징으로 한다.

상기 외란 주파수 센서는, 상기 운동자가 운동함에 따른 자기장의 변화 주기를 검출하는 홀센서인 것을 특징으로 한다.

상기 하우징내에는 운동자의 운동을 가이드하는 가이드부가 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 제어기는, 상기 외란 주파수 센서로부터 입력되는 신호를 전압신호로 변환하는 주파수-전압 컨버터와, 상기 전압신호의 제곱근을 계산하는 계산부와, 상기 제곱근에 소정의 이득을 곱한 전류를 제어코일로 공급하는 파워엠프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 반능동형 동흡진기의 구성도이다. 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 반능동형 동흡진기는, 차체(50)에 고정되어 있는 하우징(60)의 내부 상하에는 영구자석의 고정자(61, 62)가 각각 고정되어 있고, 상기 고정자(61, 62) 사이에는 영구자석의 운동자(63)가 위치되어 있다.

또한, 상기 하우징(60)내에는 가이드부(64)가 설치되어 있고, 상기 가이드부(64)와 운동자(63) 사이에는 직선 베어링(65)이 설치되어 운동자(63)가 상하 방향으로만 자유롭게 움직일 수 있도록 하고 그 외의 방향으로는 움직일 수 없도록 구속한다. 이때, 상기 가이드부(64)를 충분히 매끄럽게 만들 수 있거나 윤활성을 가지는 재질로 만든다면 직선 베어링을 생략할 수도 있다.

또, 상기 고정자(61, 62)와 운동자(363)는 서로 동일한 극성의 자극이 마주 보도록 배치되어 서로 반발하도록 되어 있으며, 상기 고정자(61, 62)에는 제어기(70)에 의해 제어되는 제어코일(66, 67)에 각각 감겨져 있다.

상기 제어기(70)는 외란 주파수 센서(80)에 의해 검출된 외란의 주파수에 따라 상기 제어코일(66, 67)로 공급되는 전류세기 및 전류방향을 조절한다.

이때, 상기 외란 주파수 센서(80)는 상기 운동자(63)가 운동함에 따라 제어코일(66, 67)에 유도되는 유도전류의 주파수를 검출하는 센서 또는 상기 운동자(63)가 운동함에 따른 자기장의 변화 주기를 검출하는 홀센서를 사용할 수 있다.

즉, 운동자(63)가 상하 운동을 할 경우 운동자와 고정자 사이의 거리 변화에 의해 자기장의 세기가 주기적으로 변화하게 되는데, 자기장이 변화하게 되면 제어코일(66, 67)에 유도 전류가 흐르게 되고 이 유도 전류의 주파수를 검출함으로써 외란의 주파수를 알아낼 수 있는 것이다.

또한, 홀 소자는 주변의 자기장의 세기에 비례하여 전압을 발생시키는 소자로서 매우 작고 저렴해서 추가되는 비용 및 공간에 거의 제약을 받지 않고 동흡진기 내에 설치될 수 있다. 이러한 홀 소자를 고정자(61, 62) 주변에 부착하여 운동자의 상하 운동에 따른 자기장의 변화 주기를 검출할 수 있는 것이다.

그리고, 상기 제어기(70)는 도 2에 도시된 바와 같이, 외란 주파수 센서(80)로부터 입력되는 운동자의 상하운동에 따른 자기장의 변화에 비례하는 신호는 필터링하는 하이패스필터(71)와, 상기 하이패스필터(71)에서 필터링된 신호를 전압신호(V)로 변환하는 주파수-전압 컨버터(72)와, 상기 전압신호(V)의 제곱근(y)을 계산하는 계산부(73)와, 상기 제곱근(y)에 소정의 이득(G)을 곱한 전류(ic)를 제어코일(66, 67)로 공급하는 파워엠프(74)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 하이패스필터(71)는 외란 주파수 센서(80)의 종류에 따라 사용하거나 사용하지 않을 수 있는데, 예를 들어, 외란 주파수 센서가 홀센서인 경우에는 하이패스필터를 사용하는 것이 바람직하며, 유도전류의 주파수를 검출하는 센서인 경우에는 하이패스필터를 사용하지 않는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 반능동형 동흡진기의 작용 및 효과를 상세히 설명하면 다음과 같다.

고정자(61, 62)와 운동자(63) 사이의 반발력은 고정자(61, 62)에 감겨진 제 어코일(66, 67)에 흐르는 전류를 이용하여 조절할 수 있다. 고정자(61, 62)에 형성된 자기장과 같은 방향의 자기장을 발생시키도록 전류를 구동하면 반발력은 더 강해지고, 다른 방향의 자기장을 발생시키도록 전류를 구동하면 (즉 전류의 방향을 바꾸면) 반발력은 약해진다.

또한, 반발력이 강해지거나 약해지는 정도는 전류의 세기를 조절함으로써 제어할 수 있는데, 반발력의 크기를 조절하면 강성이 변하는 것과 같은 효과가 발생하여 결과적으로 전자석 동흡진기의 고유진동수가 조절되게 되는 것이다.

고정자(61, 62)와 운동자(63) 사이에 작용하는 자기력은 영구자석에 의한 성분과 제어코일에 의한 성분으로 구성되어 있으므로 하기의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

F = Fo + Fc

상기에서 F는 반발력의 총합이고, Fo는 영구자석에 의한 반발력이며, Fc는 제어코일에 의한 반발력이다.

상기 수학식 1은 하기의 수학식 2와 같이 강성을 매개로 힘-변위 관계식으로 변환될 수 있다.

F = (ko + kc)x

상기에서 ko는 영구자석에 의한 강성, kc는 제어코일에 의한 강성, x는 운동자의 변위이다.

제어코일에 의해 발생하는 자기력의 방향은 제어코일에 흐르는 전류의 방향과 같고 크기는 전류의 제곱에 비례하므로 제어코일에 의한 강성은 하기의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.

kc ∝ sign(ic) ×ic²

상기에서 ic는 제어코일에 흐르는 전류이고, sign(ic)는 전류의 방향에 따라 +1 또는 -1이다.

따라서, 전류의 방향과 세기를 조절함으로써 유효 강성을 임의로 키우거나 줄일 수 있다. 외란의 주파수가 높아지면 강성을 크게, 외란의 주파수가 낮아지면 강성을 작게 조절하여 전자석 동흡진기의 고유진동수가 외란의 주파수와 일치되도록 조절한다.

한편, 본 발명의 제어기(70)에서는 도 2에 도시된 바와 같이 주파수-전압 컨버터를 이용하여 외란의 주기에 비례하여 전자석 동흡진기의 고유진동수를 조절한다.

즉, 외란 주파수 센서(80)로부터 입력되는 운동자의 상하운동에 따른 자기장의 변화에 비례하는 신호를 하이패스필터(71)에서 필터링된 다음 주파수-전압 컨버터(72)에서 전압신호(V)로 변환되어 계산부(73)로 입력된다.

상기 계산부(73)는 전압신호(V)의 제곱근(y)을 계산하고, 파워앰프(74)가 상기 제곱근(y)에 소정의 이득을 곱한 전류(ic)를 제어코일(66, 67)로 공급한다.

이에 따라, 제어코일에 의한 강성(kc)은 외란의 주파수(f)에 비례하게 되어, 전자석 동흡진기의 고유진동수를 외란의 주파수에 맞추어 실시간으로 튜닝할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 같은 극끼리 서로 밀어내는 반발력을 이용하여 이동 질량의 위치 안정성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라 동흡진기의 고유진동수를 외란의 주파수에 따라 조절하여 다수의 센서들을 포함하는 복잡한 제어로직을 사용하지 않고 간단한 구조로 다양한 주파수의 외란에 대해 우수한 진동 저감 효과를 얻을 수 있다.

Claims (6)

1. 하우징과, 이 하우징의 내부 상하에 각각 고정되어 있는 영구자석의 고정자와, 상기 고정자 사이에 위치된 영구자석의 운동자와, 상기 고정자에 각각 감겨져 있는 제어코일과, 외란의 주파수를 검출하는 외란 주파수 센서와, 상기 외란의 주파수에 따라 상기 제어코일로 공급되는 전류세기 및 전류방향을 조절하는 제어기를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반능동형 동흡진기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 고정자와 운동자는, 서로 반발하도록 자극이 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반능동형 동흡진기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 외란 주파수 센서는, 상기 운동자가 운동함에 따라 제어코일에 유도되는 유도전류의 주파수를 검출하는 센서인 것을 특징으로 하는 반능동형 동흡진기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 외란 주파수 센서는, 상기 운동자가 운동함에 따른 자기장의 변화 주기를 검출하는 홀센서인 것을 특징으로 하는 반능동형 동흡진기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 하우징내에는 운동자의 운동을 가이드하는 가이드부가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 반능동형 동흡진기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 제어기는, 상기 외란 주파수 센서로부터 입력되는 신호를 전압신호로 변환하는 주파수-전압 컨버터와, 상기 전압신호의 제곱근을 계산하는 계산부와, 상기 제곱근에 소정의 이득을 곱한 전류를 제어코일로 공급하는 파워엠프를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 반능동형 동흡진기.

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