KR20100082565A

KR20100082565A - 선박 안정화장치

Info

Publication number: KR20100082565A
Application number: KR1020090001923A
Authority: KR
Inventors: 이선호; 서현호; 용기력
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2009-01-09
Filing date: 2009-01-09
Publication date: 2010-07-19
Also published as: KR101041204B1

Abstract

본 발명은 선박의 동요를 억제하는 선박 안정화장치에 관한 것으로, 저렴하며, 부피가 작으면서도 운항 및 정지 중에 우수한 감요 성능을 제공할 수 있는 자이로스코프를 적용한 선박 안정화장치에 관한 것이다. 이를 위한 본 발명의 선박 안정화장치는, 선박의 좌우방향으로 이어진 축을 피치축, 선박의 전후방향으로 이어진 축을 롤축, 선박의 상하 방향으로 이어진 축을 요축으로 각각 정의할 때, 선박의 선체에 고정되는 베이스블록과, 상기 베이스블록에 고정되며 선박의 피치축을 중심으로 회전하는 짐벌축을 구비한 짐벌모터와, 요축을 중심으로 회전하는 스핀축을 구비하며 상기 짐벌모터의 짐벌축에 결합되어 피치축을 중심으로 회전하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 스핀모터에 의해 요축을 중심으로 회전하여 모멘트를 발생시키는 휠을 포함하여 구성되어, 선박의 롤축을 중심으로 한 동요를 억제하는 롤축 제진용 자이로스코프와; 상기 롤축 제진용 자이로스코프의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

선박, 자이로스코프, 안정기, 스태빌라이저, 안정화장치

Description

선박 안정화장치{stabilizer for a boat}

본 발명은 선박의 안정화장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자이로스코프 기술을 이용하여 선박, 특히 소형 보트의 동요를 억제하고 안정화시킬 수 있는 선박 안정화장치에 관한 것이다.

선박의 항해시에 기상상태의 악화나 해일 등의 상황이 발생하면 선박의 외형적인 구조에 따라 선박이 좌우로 흔들리는 롤링(rolling)이 발생하게 되고, 이 롤링에 의하여 승객이나 선원이 멀미하게 됨은 물론, 적재된 화물이 무너지기도 한다.

이러한 롤링 현상은 항해중인 해상의 풍속과 선박내부의 화물의 적재위치나 선박의 무게중심의 위치에 따라 더욱 악화될 수 있고, 특히 소형 보트와 같이 롤링현상이 극심한 경우에는 보트가 전복되어 침몰에 이르게 됨으로써, 귀중한 승객과 선원의 생명은 물론, 선박과 적재화물 등의 망실로 인하여 막대한 재산상의 손실이 초래되기도 한다.

이에 선박의 롤링 현상을 억제하기 위한 다양한 선박 안정화장치가 개발되어 사용되고 있다. 현재 사용되고 있는 선박 안정화장치로는 빌지키일(Bilge Keel), 앤티롤링탱크(Anti-Rolling Tank), 핀스태빌라이져(Fin Stabilizer), 자이로스코프(Gyroscope) 등이 있다.

상기 빌지키일은 경제적으로 저렴하며, 운항 중이거나 정지 중에도 유효하지만 감쇠력이 낮은 단점이 있다.

앤티롤링탱크는 구조적으로 간단하며 운항 중이거나 정지 중에도 유효하지만 선체 내부에서 많은 공간을 차지하므로 소형 보트에는 적용되기 어렵고, 자유표면 효과에 의해 복원성이 낮은 단점이 있다.

핀스태빌라이져는 횡요 주기의 변화에 따라서 최적 제어가 가능하며 큰 감쇠효과를 가지고 있는 장점이 있지만, 저속 및 정지 상태에서 감쇠 효과가 작고, 고가이며, 선체 부가물로 작용하여 운항 중 저항을 증가시키는 요인이 되는 단점이 있다.

또한, 기존의 자이로스코프를 이용한 선박 안정화장치는 운행 및 정지 중에도 유효하며, 감쇠 성능이 큰 장점이 있지만, 선체에서 많은 공간을 차지하며, 고가여서 많은 비용이 요구되는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 저렴하며, 부피가 작으면서도 운항 및 정지 중에 우수한 감요 성능을 제공할 수 있는 자이로스코프를 적용한 선박 안정화장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 선박의 롤링(rolling) 뿐만 아니라, 선박의 피 칭(pitching) 및 요잉(yawing)에 의한 동요도 용이하게 감쇠시킬 수 있는 선박 안정화장치를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 한 형태에 따르면, 선박의 동요를 억제하는 선박 안정화장치에 있어서, 선박의 좌우방향으로 이어진 축을 피치축, 선박의 전후방향으로 이어진 축을 롤축, 선박의 상하 방향으로 이어진 축을 요축으로 각각 정의할 때, 선박의 선체에 고정되는 베이스블록과, 상기 베이스블록에 고정되며 선박의 피치축을 중심으로 회전하는 짐벌축을 구비한 짐벌모터와, 요축을 중심으로 회전하는 스핀축을 구비하며 상기 짐벌모터의 짐벌축에 결합되어 피치축을 중심으로 회전하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 스핀모터에 의해 요축을 중심으로 회전하여 모멘트를 발생시키는 휠을 포함하여 구성되어, 선박의 롤축을 중심으로 한 동요를 억제하는 롤축 제진용 자이로스코프와; 상기 롤축 제진용 자이로스코프의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치가 제공된다.

본 발명의 다른 한 형태에 따르면, 선박의 동요를 억제하는 선박 안정화장치에 있어서, 선박의 좌우방향으로 이어진 축을 피치축, 선박의 전후방향으로 이어진 축을 롤축, 선박의 상하 방향으로 이어진 축을 요축으로 각각 정의할 때, 선박의 선체에 고정되는 베이스블록과, 일단이 상기 베이스블록에 자유 회전 가능하게 설치되며 선박의 피치축을 중심으로 회전하는 짐벌축과, 요축을 중심으로 회전하는 스핀축을 구비하며 상기 짐벌축의 다른 일단부에 결합되어 피치축을 중심으로 회전 하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 스핀모터에 의해 요축을 중심으로 회전하여 모멘트를 발생시키는 휠을 포함하는 롤축 제진용 자이로스코프와; 상기 롤축 제진용 자이로스코프의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치가 제공된다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 스핀모터와 짐벌모터가 휠 사이에 배치된 구조로 이루어지므로 전체 크기를 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 휠이 전체 크기를 결정하는 가장 큰 요인이되므로 휠의 크기에 비례하여 관성모멘트를 증대시킬 수 있으며, 동요 제진 성능을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

또한, 롤축 제진용 자이로스코프와 동일한 구조의 자이로스코프들을 짐벌축과 스핀축의 배치 방향을 달리하여 설치함으로써 피치축 및 요축에 대한 동요도 적절하게 억제할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 선박 안정화장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 선박 안정화장치의 일 실시예의 구성을 나타낸 선박의 평면도로, 본 발명의 선박 안정화장치는 롤축(X)을 중심으로 하는 동요, 즉 횡동요를 억제하기 위한 롤축 제진용 자이로스코프(1)와, 피치축(Y) 동요를 억제하기 위한 피치축 제진용 자이로스코프(2)와, 요축(Z) 동요를 억제하기 위한 요축 제진 용 자이로스코프(3)와, 상기 각각의 동요 제진용 자이로스코프(1, 2, 3)들의 작동을 제어하는 제어기(미도시)로 구성된다.

상기 롤축 제진용 자이로스코프(1)와 피치축 제진용 자이로스코프(2) 및 요축 제진용 자이로스코프(3)는 모두 동일한 구성으로 이루어지지만, 각각이 서로 다른 방향으로 모멘트를 발생시키도록 배치되어 있다.

도 2 내지 도 4는 상기 롤축 제진용 자이로스코프(1)의 구조를 나타낸 것으로, 이 롤축 제진용 자이로스코프(1)는 선박의 선체에 고정되는 베이스블록(10)과, 상기 베이스블록(10)에 고정되며 선박의 피치축(Y)을 중심으로 회전하는 짐벌축(30)(gimbal shaft)을 구비한 짐벌모터(20)(gimbal motor)와, 요축(Z)을 중심으로 회전하는 스핀축(45)을 구비하며 상기 짐벌모터(20)의 짐벌축(30)에 결합되어 피치축(Y)을 중심으로 회전하는 스핀모터(40)와, 상기 스핀축(45)에 결합되어 스핀모터(40)에 의해 요축(Z)을 중심으로 회전하는 휠(60)과, 상기 스핀모터(40)에 상기 짐벌축(30)과 반대방향으로 연장되게 형성된 서포트축(50)과, 상기 짐벌모터(20)의 반대편에서 상기 서포트축(50)과 결합하여 짐벌모터(20)의 회전각을 감지하는 센싱부(70) 및, 롤축 제진용 자이로스코프(1)를 내부에 수용하는 커버(90)로 구성된다.

상기 베이스블록(10)은 선체 내부의 기계실에 수직하게 설치되는 수직판(미도시)에 고정된다. 상기 베이스블록(10)의 내측에는 상기 짐벌모터(20)와 스핀모터(40)와 전기적으로 연결되는 회로기판(80)이 설치된다. 상기 회로기판(80)에는 상기 제어기(미도시)가 탑재되어 짐벌모터(20)와 스핀모터(40)의 작동을 제어한다.

상기 짐벌모터(20)는 짐벌모터 하우징(22) 내에 수용되며, 짐벌모터(20)의 짐벌축(30)은 짐벌모터 하우징(22)의 상부에 설치되는 베어링(24)에 의해 회전 가능한 상태로 지지된다. 상기 짐벌모터(20)는 센싱부(70)에 의해 감지된 짐벌축(30)의 회전각 정보를 기반으로 짐벌축(30)을 일정 각도 회전시켜 동요 제진 과정에서 스핀축(45)이 요축(Z)과 대체로 일치하도록 함으로써 롤축 제진용 자이로스코프(1)가 원하는 기능을 원활하게 수행하도록 한다.

또한, 스핀모터(40)는 스핀모터 하우징(42) 내부에 설치된다. 스핀모터 하우징(42)의 하단부에는 상기 짐벌축(30)이 삽입되어 결합되는 축결합부(44)가 형성되어 있으며, 스핀모터 하우징(42)의 상단부에는 상기 서포트축(50)이 일체로 형성된다. 상기 스핀모터(40)의 스핀축(45)은 양측면부에서 외측방향으로 연장되어 각각이 한 쌍의 휠(60)의 중심부와 체결된다.

상기 휠(60)은 원반형의 금속으로 이루어지며, 스핀축(45)과 함께 고속으로 회전하면서 관성모멘트를 발생시킨다.

상기 센싱부(70)는 커버(90)에 고정되는 센서하우징(71)과, 상기 서포트축(50)의 말단부에 고정되어 함께 회전하면서 회전각을 측정하는 회전각센서(72)와, 센서하우징(71)에 대해 서포트축(50)을 회전 가능하게 지지하는 베어링(78)을 포함한다.

또한, 상기 센싱부(70) 내부에는 스핀모터(40)를 상기 회로기판(80)과 전기적으로 연결시키기 위한 회전컨넥터(73)가 설치된다. 상기 회전컨넥터(73)는 서포트축(50)의 고속 회전시 전선의 꼬임 현상이 발생하지 않고 전기를 흐르게 하는 기 능을 하는데, 이 실시예에서 상기 회전컨넥터(73)는 상기 서포트축(50)에 고정되어 함께 회전하며 외주면에 복수개의 접속단자(74a)들이 형성되어 있는 슬립링(74)과, 상기 슬립링(74)의 외주면에 상기 센서하우징(71)과 고정되게 설치되며 상기 슬립링(74)의 접속단자(74a)들과 개별적으로 접촉하는 복수개의 브러쉬(76)를 구비한 브러쉬하우징(75)으로 구성된다. 상기 슬립링(74)의 접속단자(74a)들은 서포트축(50)을 통해 상기 스핀모터(40)와 연결되는 전선(미도시)과 연결된다. 그리고, 상기 브러쉬(76)들은 상기 커버(90)의 내주면을 통해서 상기 회로기판(80)과 연결되는 전선(미도시)과 연결된다.

물론, 이 실시예에서는 스핀모터(40)와 회로기판(80)의 전기적 연결을 위해 회전컨넥터(73)를 이용하였지만, 짐벌축(30)의 회전 범위가 일정 각도(예를 들어 180도) 이내로 제한될 경우 회전컨넥터(73)를 구성하지 않고 전선의 길이를 충분히 길게 연장시켜 스핀모터(40)와 회로기판(80)을 직접 연결할 수도 있을 것이다.

이와 같이 구성된 롤축 제진용 자이로스코프(1)는 상기 스핀모터(40)에 의해 한 쌍의 휠(60)이 고속 회전하면서 관성모멘트를 발생시키고, 이에 의해 선박이 롤축을 중심으로 좌우로 동요하더라도 롤축 제진용 자이로스코프(1)가 자세를 유지하려는 힘을 발생시키게 되므로 선박의 횡동요가 억제된다.

피치축 제진용 자이로스코프(2) 및 요축 제진용 자이로스코프(3)는 짐벌축(30)과 스핀축(45)의 배치 방향에 있어서 상술한 롤축 제진용 자이로스코프(1)의 구조와 상이할 뿐 구성은 동일하다. 따라서, 전술한 것과 같은 원리로 선박의 피치축 동요 및 요축 동요가 억제된다. 즉, 피치축 제진용 자이로스코프(2)는 짐벌 축(30)이 선박의 롤축(X)을 중심으로 회전하며, 스핀축(45)이 요축(Z)을 중심으로 회전하도록 배치된다. 또한, 요축 제진용 자이로스코프(3)는 짐벌축(30)이 선박의 피치축(Y)을 중심으로 회전하며, 스핀축(45)이 롤축(X)을 중심으로 회전하도록 배치된다.

상술한 것과 같은 동요 제진용 자이로스코프(1, 2, 3)는 짐벌모터(20)의 반대편에 센싱부(70)가 대칭 구조로 배치되며, 스핀모터(40)와 짐벌모터(20) 및 센싱부(70)가 휠(60) 사이에서 휠의 회전반경 내외측에 배치된 구조로 이루어지므로 전체 크기를 대폭 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 2개 1조로 구성된 휠(60)에 의해 관성모멘트를 발생시킬 수 있으므로 기존에 비하여 큰 관성모멘트를 발생시킬 수 있으며, 따라서 동요 제진 성능이 더욱 향상되는 이점을 제공한다.

즉, 전술한 구조의 자이로스코프(1, 2, 3)를 이용한 본 발명의 선반 안정화장치는 소형이면서도 큰 관성모멘트를 제공한다. 따라서, 대형 선박은 물론이고 소형 보트나 요트 같이 작은 선박, 또는 잠수정 등에 매우 유익한 효과를 제공할 것이다.

한편, 전술한 실시예의 동요 제진용 자이로스코프(1, 2, 3)들은 스핀모터(40)가 결합된 짐벌축(30)이 짐벌모터(20)에 결합되어 일정량 회전하면서 짐벌축(30)의 위치를 조정하도록 구성되어 있다. 하지만, 이와 다르게 짐벌모터없이 짐벌축(30)이 베이스블록(10)에 회전이 자유로운 상태로 직결되고, 서포트축(50)의 일단부에 센싱부(70)(도 2참조)가 구성되지 않고 서포트축(50)이 베이스블록(10) 반대편의 커버(90)에 회전이 자유로운 상태로 직결되어 스핀모터(40) 및 휠(60)이 짐벌축(30)과 서포트축(50)을 중심으로 자유롭게 회전하도록 구성할 수도 있을 것이다. 이 경우, 상기 짐벌축(30) 및/또는 서포트축(50)은 유동이 제거된 후 원상태로 신속하게 복귀되도록 스프링과 같은 탄성체에 의해 지지되는 것이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 선박 안정화장치의 구성을 개략적으로 나타낸 선박의 평면도

도 2는 본 발명의 선박 안정화장치를 구성하는 롤축 제진용 자이로스코프의 일 실시예의 구성을 나타낸 사시도

도 3은 도 2의 롤축 제진용 자이로스코프의 일측 부분에서 바라본 종단면도

도 4는 도 2의 롤축 제진용 자이로스코프의 다른 부분에서 바라본 종단면도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

10 : 베이스블록 20 : 짐벌모터

30 : 짐벌축 40 : 스핀모터

45 :스핀축 50 : 서포트축

60 : 휠 70 : 센싱부

80 : 회로기판 90 : 커버

Claims

선박의 동요를 억제하는 선박 안정화장치에 있어서,

선박의 좌우방향으로 이어진 축을 피치축, 선박의 전후방향으로 이어진 축을 롤축, 선박의 상하 방향으로 이어진 축을 요축으로 각각 정의할 때,

선박의 선체에 고정되는 베이스블록과, 상기 베이스블록에 고정되며 선박의 피치축을 중심으로 회전하는 짐벌축을 구비한 짐벌모터와, 요축을 중심으로 회전하는 스핀축을 구비하며 상기 짐벌모터의 짐벌축에 결합되어 피치축을 중심으로 회전하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 스핀모터에 의해 요축을 중심으로 회전하여 모멘트를 발생시키는 휠을 포함하여 구성되어, 선박의 롤축을 중심으로 한 동요를 억제하는 롤축 제진용 자이로스코프와;

상기 롤축 제진용 자이로스코프의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제1항에 있어서, 상기 롤축 제진용 자이로스코프는, 상기 스핀모터에 상기 짐벌축과 반대방향으로 연장되게 형성된 서포트축과, 상기 짐벌모터의 반대편에서 상기 서포트축과 결합하여 짐벌모터의 회전각을 감지하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제1항에 있어서, 상기 스핀모터에 스핀축이 양쪽으로 연장되게 설치되어, 스 핀모터의 양측에 휠이 2개 1조로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제1항에 있어서, 상기 롤축 제진용 자이로스코프를 내부에 수용하는 커버를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 선박의 선체에 고정되는 베이스블록과, 상기 베이스블록에 고정되며 선박의 롤축을 중심으로 회전하는 짐벌축을 구비한 짐벌모터와, 요축을 중심으로 회전하는 스핀축을 구비하며 상기 짐벌모터의 짐벌축에 결합되어 롤축을 중심으로 회전하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 스핀모터에 의해 요축을 중심으로 회전하여 모멘트를 발생시키는 휠을 포함하여 구성되어, 선박의 피치축을 중심으로 한 동요를 억제하는 피치축 제진용 자이로스코프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제5항에 있어서, 상기 피치축 제진용 자이로스코프는, 상기 스핀모터에 상기 짐벌축과 반대방향으로 연장되게 형성된 서포트축과, 상기 짐벌모터의 반대편에서 상기 서포트축과 결합하여 짐벌모터의 회전각을 감지하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 선박의 선체에 고정되는 베이스 블록과, 상기 베이스블록에 고정되며 선박의 피치축을 중심으로 회전하는 짐벌축을 구비한 짐벌모터와, 롤축을 중심으로 회전하는 스핀축을 구비하며 상기 짐벌모터의 짐벌축에 결합되어 피치축을 중심으로 회전하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 스핀모터에 의해 롤축을 중심으로 회전하여 모멘트를 발생시키는 휠을 포함하여 구성되어, 선박의 요축을 중심으로 한 동요를 억제하는 요축 제진용 자이로스코프를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제7항에 있어서, 상기 요축 제진용 자이로스코프는, 상기 스핀모터에 상기 짐벌축과 반대방향으로 연장되게 형성된 서포트축과, 상기 짐벌모터의 반대편에서 상기 서포트축과 결합하여 짐벌모터의 회전각을 감지하는 센싱부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
선박의 동요를 억제하는 선박 안정화장치에 있어서,

선박의 좌우방향으로 이어진 축을 피치축, 선박의 전후방향으로 이어진 축을 롤축, 선박의 상하 방향으로 이어진 축을 요축으로 각각 정의할 때,

선박의 선체에 고정되는 베이스블록과, 일단이 상기 베이스블록에 자유 회전 가능하게 설치되며 선박의 피치축을 중심으로 회전하는 짐벌축과, 요축을 중심으로 회전하는 스핀축을 구비하며 상기 짐벌축의 다른 일단부에 결합되어 피치축을 중심으로 회전하는 스핀모터와, 상기 스핀축에 결합되어 스핀모터에 의해 요축을 중심으로 회전하여 모멘트를 발생시키는 휠을 포함하는 롤축 제진용 자이로스코프와;

상기 롤축 제진용 자이로스코프의 작동을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제9항에 있어서, 상기 스핀모터에 스핀축이 양쪽으로 연장되게 설치되어, 스핀모터의 양측에 휠이 2개 1조로 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.
제9항에 있어서, 상기 롤축 제진용 자이로스코프를 내부에 수용하는 커버와, 상기 스핀모터에 상기 짐벌축과 반대방향으로 연장되게 형성되며 일단부가 상기 커버에 자유롭게 회전 가능하게 연결된 서포트축을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 선박 안정화장치.