KR20110060353A - 와전류를 이용한 차량용 제동장치 - Google Patents

와전류를 이용한 차량용 제동장치 Download PDF

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Abstract

와전류(eddy current)를 이용한 차량용 제동장치에 관한 기술이 개시(disclosure)된다. 일 실시 예에 있어서, 와전류를 이용한 차량용 제동장치는 차량의 하단부에 배치되는 금속부재 및 감속이 필요한 구간의 도로 면에 배치되는 자석을 포함한다. 상기 차량이 상기 자석이 배치된 영역을 지나감에 따라 상기 금속부재에는 와전류가 생성되며, 상기 와전류에 의해 상기 차량의 속도가 감속된다.

Description

와전류를 이용한 차량용 제동장치{eddy current brake system for vehicle}
본 명세서는 대체로 차량용 제동장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 와전류를 이용한 차량용 제동장치에 관한 것이다.
차량의 감속제어는 일반적으로 도로 상황, 환경 등에 대한 운전자의 판단에 의한 차량의 속도 제어를 통하여 이루어진다. 학교 앞, 어린이 보호구역 등의 지역에서 운전자의 대응이 늦거나 감속 페달(pedal)의 부적절한 작동 등으로 인해 위험한 상황이 발생할 수 있다. 급커브길, 공사구간 등 위험구역에서도 운전자의 실수 등으로 인해 안전사고가 발생할 우려가 있다. 그리고 차량 외부에서 감속을 돕기 위한 종래의 시스템은 일반적으로 과속방지턱, 과속카메라 등을 설치하여 수동으로 차량속도를 제어하거나 단속하는 시스템이 대부분이다. 과속방지턱은 높낮이와 기울기 및 크기를 조절하여 감속 수위를 결정하고 이에 반응하여 운전자는 적절하게 속도를 줄여서 안전사고를 방지하는 시스템이다. 하지만, 이 시스템 역시 운전자의 실수로 인하여 대응이 늦는 경우 운전자 및 탑승자에게 큰 충격을 줄 수 있고, 차량에 무리를 줄 수 있기 때문에 오히려 위험한 상황을 야기할 수 있다. 과속카메라는 위험 구간 등 곳곳에 설치하여 운전자들에게 미리 주의를 주고 감속을 하도록 요구한다. 하지만, 법적 단속 및 벌금 등의 제도를 통하여 제재를 가하여 운전자가 수동적으로 따르도록 하는 것이기 때문에 근본적인 차량 능동 감속장치라고 보긴 어렵다. 따라서 본 개시에서는 전술한 문제점을 해결하기 위하여 와전류 제동방식을 이용하여 차량 외부에서 차량속도를 능동적으로 제어할 수 있는 감속장치를 제시한다.
일 실시 예에 있어서, 와전류를 이용한 차량용 제동장치가 개시된다. 상기 차량용 제동장치는 차량의 하단부에 배치되는 금속부재 및 감속이 필요한 구간의 도로 면에 배치되는 자석을 포함한다. 상기 차량이 상기 자석이 배치된 영역을 지나감에 따라 상기 금속부재에는 와전류가 생성되며, 상기 와전류에 의해 상기 차량의 속도가 감속된다.
전술한 내용은 이후 보다 자세하게 기술되는 사항에 대해 간략화된 형태로 선택적인 개념만을 제공한다. 본 내용은 특허 청구 범위의 주요 특징 또는 필수적 특징을 한정하거나, 특허청구범위의 범위를 제한할 의도로 제공되는 것은 아니다.
이하, 본 명세서에 개시된 실시 예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하고자 한다. 본문에서 달리 명시하지 않는 한, 도면의 유사한 참조번호들은 유사한 구성요소들을 나타낸다. 상세한 설명, 도면들 및 청구항들에서 상술하는 예시적인 실시 예들은 한정을 위한 것이 아니며, 다른 실시 예들이 이용될 수 있으며, 여기서 개시되는 기술의 사상이나 범주를 벗어나지 않는 한 다른 변경들도 가능하다. 당업자는 본 개시의 구성요소들, 즉 여기서 일반적으로 기술되고, 도면에 기재되는 구성요소들을 다양하게 다른 구성으로 배열, 구성, 결합, 도안할 수 있으며, 이것들의 모두는 명백하게 고안되며, 본 개시의 일부를 형성하고 있음을 용이하게 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 여러 층(또는 막), 영역 및 형상을 명확하게 표현하기 위하여 구성요소의 폭, 길이, 두께 또는 형상 등은 과장되어 표현될 수도 있다.
일 구성요소가 다른 구성요소 "에 배치" 이라고 언급되는 경우, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접 배치되는 경우는 물론, 이들 사이에 추가적인 구성요소가 개재되는 경우도 포함할 수 있다. 또한, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소에 매설 또는 부착되는 경우도 포함할 수 있다.
도 1은 와전류를 이용한 차량용 제동장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 1의 (a) 및 (b)는 각각 감속이 필요한 구간의 도로 면을 주행하는 차량의 측면 및 정면을 나타내는 도면이다. 도 1을 참조하면, 와전류를 이용한 차량용 제동장치는 금속부재(110) 및 자석(120)을 포함한다.
금속부재(110)는 차량(130)의 하단부(132)에 배치된다. 금속부재(110)로서 외부 자기장에 반응하여 와전류를 생성할 수 있는 다양한 금속구조물이 사용될 수 있다. 도면에는 금속부재(110)로서 금속판이 예로서 표현되어 있다. 상기 금속판은 반자성체 금속판을 포함할 수 있다. 금속부재(110)의 재료는 구리, 철, 주석, 아연 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 금속을 포함할 수 있다. 또한, 도면에는 차량(130)으로서 화석연료를 사용하는 자동차가 예로서 표현되어 있다. 다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리, 차량(130)으로서 전기자동차 또는 하이브리드 차가 사용될 수 있다. 상기 전기자동차 또는 상기 하이브리드 차는 예로서 차량 하부에 집전장치(미도시)를 장착한 전기자동차 또는 하이브리드 차일 수 있다. 이 경우, 금속부재(110)는 상기 집전장치를 포함할 수 있다. 상기 집전장치는 급전장치로부터 차량에 전기에너지를 충전하기 위하여 사용된다. 상기 집전장치는 코일(미도시) 및 전도체(미도시)를 포함할 수 있다.
자석(120)은 감속이 필요한 구간의 도로 면(140)에 배치된다. 도면에는 도로 면(140) 아래에 매설된 자석(120)이 예로서 표현되어 있다. 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 자석(120)의 적어도 일부 표면은 도로면(140) 밖으로 노출될 수도 있다. 자석(120)으로서 다양한 자석이 사용될 수 있다. 일례로, 자석(120)은 할바크(halbach) 배열로 자화된 자석을 포함할 수 있다. 상기 할바크 배열로 자화된 자석은 자화벡터의 방향을 축에 따라 연속적으로 회전시키는 형태로 연속자화시켜 얻을 수 있다. 할바크 배열로 자화된 자석은 특정 영역에서 높은 자속밀도를 가질 수 있다. 다른 예로, 자석(120)은 자극의 방향이 교번되도록 정렬된 복수의 N극 및 S극 영구자석들을 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 자석(120)은 자극의 방향이 교번되도록 정렬된 복수의 N극 및 S극 영구자석들을 포함하되, 상기 N극 및 상기 S극 영구자석 사이에 도체를 더 포함할 수 있다. 또 다른 예로, 자석(120)은 전자석을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 전자석에 유도되는 자기력은 전자석 구동 및 제어부(미도시)에 의하여 제어될 수 있다. 이를 통하여 차량(130)의 감속 속도를 제어할 수 있다.
도면을 다시 참조하면, 와전류를 이용한 차량용 제동장치는 금속부재(110) 및 자석(120)을 포함한다. 금속부재(110)가 하단부(132)에 배치된 차량(130)이 자석(120)이 배치된 영역을 지나감에 따라 금속부재(110)에는 와전류가 생성되며, 상기 와전류에 의하여 차량(130)의 속도가 감속된다. 즉, 본 개시에서는 금속부재(110)와 자석(120) 사이에서 발생하는 자기력을 이용하여 차량 외부에서 능동적인 감속제어를 할 수 있는 제동장치를 제시한다. 본 개시의 제동장치는 기존의 수 동적인 차량 외부 감속 시스템과는 달리 자기 댐핑효과에 의하여 감속제어를 하므로 차와 운전자에게 전해지는 충격을 최소화할 수 있다. 감속이 필요한 위험구간, 학교 앞, 급커브길 등 특정 위험 지역에 본 개시의 제동장치를 미리 설치할 수 있다. 이를 통하여 운전자가 브레이크 작동을 하기 전에 먼저 차량 외부에서 1차 감속을 수행할 수 있으며, 이후 운전자가 위험구간임을 판단하고 적절한 2차 감속을 함으로써 보다 안전하고 신속한 감속을 수행할 수 있다. 또한, 본 개시의 제동장치는 전원장치와 제어시스템 없이 자체적으로 제동력을 발생시킬 수 있으므로 에너지 절감할 수 있다는 장점을 갖는다. 또한, 본 개시에 의한 와전류를 이용한 차량용 제동장치는 별도의 전원이나 추가제어장치가 필요하지 않고, 고장 등의 우려가 실질적으로 거의 없으므로 안전성 및 신뢰성이 보장되는 장점이 있다. 와전류를 이용한 차량용 제동장치의 구조 및 구체적인 동작원리는 이하 도 2 내지 도 4에서 상술하기로 한다.
도 2는 일 실시 예에 따른 와전류를 이용한 차량용 제동장치를 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 (b) 중 금속부재(110) 및 자석(120) 부분을 확대한 도면이다. 도면에는 금속부재(110)로서 차량의 하단부(132)에 배치된 반자성체 금속판이 예로서 표현되어 있다. 또한, 도면에는 도로 면(140) 아래에 매설된 자석(120)이 예로서 표현되어 있다. 자석(120)으로서 블록화된 할바크 배열을 가지는 자석이 예로서 표현되어 있다. 일례로, 블록화된 할바크 배열을 가지는 자석(120)은 영구자석을 몇 개의 영구자석편으로 블록화하여 도면에 표시된 바와 같은 방향으로 자화시킨 후 이를 조립하여 얻어질 수 있다. 자석(120)으로서 블록화된 할바크 배열을 가지 는 자석을 사용하는 경우 금속부재(110) 방향으로 자계를 집중할 수 있다. 차량이 자석(120)이 매설된 영역을 지나가는 경우, 금속판(110)은 자석(120)에 의하여 생성되는 자속(122)을 끊으면서 이동하게 된다. 이 경우, 금속판(110)에는 전자유도 현상에 의하여 유도 기전력이 발생하며, 상기 유도 기전력의 방향은 플레밍의 오른손 법칙에 의하여 정해진다. 상기 유도 기전력에 의하여 금속판(110)에는 와전류(112)가 생성된다. 금속판(110)에 와전류(112)가 흐르게 되면 차량의 이동방향과 반대방향으로 전자력이 발생한다. 상기 전자력은 차량의 제동력으로 작용하며, 이를 통하여 차량이 제동되게 된다. 상기 제동력은 금속부재(110)와 자석(120) 사이의 거리인 G, 자석(120)의 자력의 세기, 자석(120)의 면적, 자석(120)의 배열 등을 조절하여 결정될 수 있다. 또한, 상기 제동력의 크기는 금속판(110)이 자속(122)을 끊으면서 이동하는 속도가 커질수록 증가한다. 따라서, 차량의 진행속도가 클수록 큰 제동력을 얻을 수 있고, 차량의 진행속도가 작을수록 작은 제동력을 얻을 수 있다. 이를 통하여 상기 제동력에 의하여 최종 감속된 차량의 속도를 일정 수준에서 제어할 수 있다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 와전류를 이용한 차량용 제동장치를 나타내는 도면이다. 도 3의 (a) 및 (b)는 각각 감속이 필요한 구간의 도로 면을 주행하는 전기자동차의 측면 및 차량용 제동장치를 나타내는 도면이다.
금속부재(310)는 전기자동차(330)의 하단부(332)에 배치된다. 도면에는 금속부재(310)로서 전기자동차(330)의 하단부(332)에 배치된 집전장치가 예로서 표현되어 있다. 전기자동차(330)는 예로서 온라인(on-line) 전기자동차일 수 있다. 상기 온라인 전기자동차는 충전을 위한 급전장치가 매설된 도로의 일정 영역을 주행하면서 충전이 가능한 자동차이다. 상기 온라인 전기자동차는 하단부에 집전장치를 포함하며, 상기 집전장치는 도로의 상기 일정 영역에 매설된 상기 급전장치로부터 충전될 수 있다. 다르게는, 전기자동차(330)는 충전을 위한 충전부가 바닥에 배치된 전기자동차일 수 있다. 집전장치(310)는 코일(312) 및 마그네틱 코어로서의 전도체(314)를 포함할 수 있다. 또한, 집전장치(310)는 주행 중에 코일(312) 및 전도체(314)를 보호하기 위한 하우징(316)을 포함할 수 있다.
전기자동차(330)가 도로 면(340) 아래에 자석(320)이 매설된 영역을 지나가는 경우, 집전장치(310)는 자석(320)에 의하여 생성되는 자속(322)을 끊으면서 이동하게 된다. 이 경우, 집전장치(310)에는 도 2와 관련하여 상술한 바와 같이 전자유도 현상에 의하여 유도 기전력이 발생한다. 상기 유도 기전력에 의해 집전장치(310)에는 와전류(미도시)가 생성된다. 상기 와전류에 의하여 전기자동차(330)의 이동방향과 반대방향으로 전자력이 발생하며, 상기 전자력에 의하여 전기자동차(330)가 제동되게 된다. 한편, 전기자동차(330)가 자석(320)이 매설된 영역을 지나가는 경우, 집전장치(310)는 코일(312)을 포함하므로 집전장치(310)로부터 자석(320) 방향으로 자계가 생성될 수 있다. 상기 자계는 자석(320) 내부에 와전류(324)를 생성한다. 와전류(324)는 전기자동차(330) 방향으로 집중되는 자계를 형성하며, 상기 자계를 전기자동차(330)를 제동하는 데에 기여하게 된다. 도면에는 자석(320)으로서 집전장치(310) 방향으로 자계를 집중하는 영구자석이 예로서 표현되어 있다. 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 자석(320)으로서 도 1과 관련하여 상술한 자석(120) 이 사용될 수도 있다.
도 4는 도 2의 일 실시 예에 따른 와전류를 이용한 차량용 제동장치의 변형 예를 나타내는 도면이다. 도 4의 (a), (b) 및 (c)는 각각 도 2의 자석(120)의 변형 예인 자석(120A), 자석(120B) 및 자석(120C)을 보여준다. 도면에는 도로 면(140) 아래에 매설된 자석(120A, 120B, 120C)이 예로서 표현되어 있다. 다른 예로, 도면에 도시된 바와 달리, 자석(120A, 120B, 120C)의 적어도 일부 표면은 도로면(140) 밖으로 노출될 수도 있다.
도 4의 (a) 및 (b)를 참조하면, 자석(120A)은 자극의 방향이 교번되도록 정렬된 복수의 N극 및 S극 영구자석들을 포함할 수 있다. 자석(120B)은 자극의 방향이 교번되도록 정렬된 복수의 N극 및 S극 영구자석들을 포함하되, 상기 N극 및 상기 S극 영구자석 사이에 도체를 더 포함할 수 있다. 자석(120A) 또는 자석(120B)은 도 2와 관련하여 상술한 블록화된 할바크 배열을 가지는 자석(120)에 준하는 특성을 가지는 자속을 금속부재(110)에 제공할 수 있다. 이를 통하여 와전류를 이용한 차량용 제동장치의 설치비용 절감, 설치의 편의성을 얻을 수 있다.
도 4의 (c)를 참조하면, 자석(120C)은 전자석을 포함할 수 있다. 전자석(120C)에 유도되는 자기력은 전자석 구동 및 제어부(150)에 의하여 제어될 수 있다. 이를 통하여 차량의 감속속도를 제어할 수 있다. 일례로, 전자석 구동 및 제어부(150)는 자석(120C)과 함께 도로 면(140) 아래에 매설되거나, 도로 면(140) 위에 설치될 수 있다. 도로 면(140) 아래에 매설되는 경우, 전자석 구동 및 제어부(150)는 유선 또는 무선으로 외부와 통신할 수 있다. 전자석(120C)에 유도되는 자기력은 상기 통신을 통하여 제어될 수 있다.
다른 실시 예로서, 도면에 도시된 바와 달리, 도로 면(140) 아래에 매설된 자석은 설치조건, 도로의 상황 등을 고려하여 다양한 배열 또는 구조를 가질 수 있다. 일례로, 도로 면(140) 아래에 매설되는 자석은 자석(120A), 자석(120B) 및 자석(120C) 중 적어도 둘 이상을 조합한 구조일 수 있다. 자석(120A, 120B, 120C)에 의한 차량의 제동원리는 도 2와 관련하여 상술한 자석(120)에 의한 차량의 제동원리와 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 와전류에 의한 감속력은 금속부재(110)와 자석(120A, 120B 또는 120C) 사이의 거리, 자석(120A, 120B 또는 120C)의 자력의 세기, 자석(120A, 120B 또는 120C)의 면적, 자석(120A, 120B 또는 120C)의 배열 등을 조절하여 결정될 수 있다. 또한, 상기 제동력의 크기는 금속판(110)이 자속(122A, 122B 또는 122C)을 끊으면서 이동하는 속도가 커질수록 증가한다. 따라서, 차량의 진행속도가 클수록 큰 제동력을 얻을 수 있고, 차량의 진행속도가 작을수록 작은 제동력을 얻을 수 있다. 이를 통하여 상기 제동력에 의하여 최종 감속된 차량의 속도를 일정 수준에서 제어할 수 있다. 본 개시에 의한 와전류를 이용한 차량용 제동장치는 차량이 위험 지역을 통과할 때, 차량 외부에서 자동으로 차량의 속도를 감속시켜 주기 때문에 위험한 상황을 미연에 방지할 수 있는 장점이 있다. 또한, 본 개시에 의한 와전류를 이용한 차량용 제동장치는 과속방지턱, 과속 방지 장애물, 과속카메라 등 인위적인 감속 유도 장치와는 달리 자기 댐핑 효과로 부드럽게 감속을 시켜줌으로 운전자에게 충격이나 심리적인 불안감 등의 부정적인 영향을 주지 않는 장점이 있다.
상기로부터, 본 개시의 다양한 실시 예들이 예시를 위해 기술되었으며, 아울러 본 개시의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 가능한 다양한 변형 예들이 존재함을 이해할 수 있을 것이다. 그리고 개시되고 있는 상기 다양한 실시 예들은 본 개시된 사상을 한정하기 위한 것이 아니며, 진정한 사상 및 범주는 하기의 청구항으로부터 제시될 것이다.
도 1은 와전류를 이용한 차량용 제동장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 일 실시 예에 따른 와전류를 이용한 차량용 제동장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 다른 실시 예에 따른 와전류를 이용한 차량용 제동장치를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 일 실시 예에 따른 와전류를 이용한 차량용 제동장치의 변형 예를 나타내는 도면이다.

Claims (7)

  1. 와전류를 이용한 차량용 제동장치에 있어서,
    차량의 하단부에 배치되는 금속부재; 및
    감속이 필요한 구간의 도로 면에 배치되는 자석을 포함하되,
    상기 차량이 상기 자석이 배치된 영역을 지나감에 따라 상기 금속부재에는 와전류가 생성되며, 상기 와전류에 의해 상기 차량의 속도가 감속되는 차량용 제동장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 차량은 전기자동차를 포함하며, 상기 금속부재는 집전장치를 포함하되,
    상기 집전장치는 코일 및 전도체를 포함하는 차량용 제동장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 금속부재의 재료는 구리, 철, 주석, 아연 및 이들의 합금 중에서 선택되는 어느 하나의 금속을 포함하는 차량용 제동장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자석은 할바크(halbach) 배열로 자화된 자석을 포함하는 차량용 제동장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 자석은 자극의 방향이 교번되도록 정렬된 복수의 N극 및 S극 영구자석들을 포함하는 차량용 제동장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자석은 상기 N극 및 상기 S극 영구자석 사이에 도체를 더 포함하는 차량용 제동장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 자석은 전자석을 포함하는 차량용 제동장치.
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