KR20180117231A

KR20180117231A - 엠알 유체 브레이크

Info

Publication number: KR20180117231A
Application number: KR1020170049478A
Authority: KR
Inventors: 이은준; 강경호
Original assignee: 현대로템 주식회사
Priority date: 2017-04-18
Filing date: 2017-04-18
Publication date: 2018-10-29

Abstract

본 발명은 MR 유체 브레이크에 관한 것으로, 특히 고정자와 회전자 사이에 축방향으로 자속을 발생시키는 코일을 구비하여 전단 변형이 발생하는 전 구간에 자속 밀도가 높게 형성되도록 함으로써, MR 유체의 입자 응집력을 향상시키고 스퀴즈 모드의 전단력을 높여 제동 효율을 향상하는 MR 유체 브레이크에 관한 것이다. 구성은 하우징과 회전자 및 회전축과 고정자를 포함하는 MR 유체 브레이크에 있어서, 상기 고정자는 회전자를 기준으로 상호 마주하도록 한 쌍으로 형성되거나 또는 어느 일 측에 1개로 형성되고, 상기 고정자에는 원주 전체로 단위(unit) 형태의 코일이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

엠알 유체 브레이크{Brake of Magneto-rheological Fluid}

본 발명은 MR 유체 브레이크에 관한 것으로, 특히 고정자와 회전자 사이에 축방향으로 자속을 발생시키는 코일을 구비하여 전단 변형이 발생하는 전 구간에 자속 밀도가 높게 형성되도록 함으로써, MR 유체의 입자 응집력을 향상시키고 스퀴즈 모드의 전단력을 높여 제동 효율을 향상하는 MR 유체 브레이크에 관한 것이다.

일반적으로 여러 가지 형태로 운동하고 있는 기계 장치, 예컨대, 운송수단의 하나인 자동차의 속도를 줄이거나 정지시키기 위해 제동 장치인 브레이크(Brake)가 사용된다.

이러한 브레이크는 고속으로 회전하는 장치의 응답성에 고정밀도로 추종하기 위해 파우더 브레이크보다 인가되는 자기장에 의해 수 ms 단위로 점성변화를 제어할 수 있는 기능성 유체 예컨대, ER 유체(Electro-rheological Fluid)에 비해 MR 유체(Magneto-rheological Fluid)를 이용한 브레이크를 많이 사용하고 있다.

그 한 예로, 도 1에 도시된 바와 같이 MR 유체를 사용하는 브레이크(100)는 하우징(120)과, 상기 하우징(120) 내에 위치하여 회전축(1)에 연동하는 디스크 형태의 회전자(110)와, 상기 회전자(110)와 하우징(120) 사이에 형성되는 유체 공간부(126)에 채워지는 MR 유체(130) 및 상기 회전자(110)의 상, 하 측에 마주하여 배치되는 제1,2,3,4 코일(140), (150), (160), (170)과 상기 제1,2,3,4 코일(140), (150), (160), (170)와 유체 공간부(126) 사이에 설치되는 제1,2,3,4 보호 플레이트(181), (182), 183), (184) 및 실링부재(2)를 포함하여 이루어진다.

이와 같은 구성의 브레이크(100)는 상기 각 코일(140), (150), (160), (170)에 전류가 인가되면 코일 주위에 자기장이 형성되며, 자기장의 영향을 받아 MR 유체(130) 내의 포함되는 철과 같은 자성체 입자(미도시)가 무리를 이루도록 집중된다.

이에 따라, 상기 자성체 입자가 집중되는 위치에 점성이 증가하여 전단 응력이 발생하며, 이러한 전단 응력에 의한 마찰 토크로 인해 회전축(1)은 정지할 수 있다.

그러나 상기와 같은 종래의 MR 유체를 이용한 브레이크(100)는, 회전자(110)의 측면과 하우징(120)의 내 측면 사이에 형성되는 유체 공간부(126) 전체에 자성체 입자가 고르게 집중되지 않고, 회전자(110)와 각 코일(140), (150), (160), (170)이 위치하는 유체 공간부(126)에만 자성체 입자가 집중됨으로써, 마찰 토크가 크지 않은 문제점이 있다.

즉, 상기 회전자(110)의 측면과 하우징(120)의 내 측면 사이에 설치된 각 코일(140), (150), (160), (170)이 위치하는 유체 공간부(126) 주변으로만 자성체 입자가 집중되므로 자속이 효율적으로 고르게 분포되지 못해 마찰 토크가 상대적으로 줄어드는 등의 문제점이 있었다.

또한, 종래에는 자속 밀도를 높이기 위해 브레이크 고정자와 회전자 사이에 반지름 방향으로 코일을 설치하여 위치를 조절하고 있으나, 코일 설치와 위치 조절을 위한 구성이 복잡할 뿐 아니라 제작 비용이 증가하는 반면, 자속이 효율적으로 분포되지 못해 코일 설치에 많이 공간이 필요하여 제품의 크기가 커지게 되므로 사이즈 크기에 한계가 있는 자동차와 같은 운송수단에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.

등록특허 제10-1713109호

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고정자에 축 방향으로 자속을 발생시킬 수 있는 코일을 형성함으로써, 회전자의 원주면 전체에 자속 밀도가 균일하게 분포되도록 하여 MR 유체의 자성체 입자 응집력을 향상시키고 스퀴즈 모드(Squeeze mode)의 전단력을 높여 제동 효율을 향상하는 MR 유체 브레이크를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하우징과 회전자 및 회전축과 고정자를 포함하는 MR 유체 브레이크에 있어서, 상기 고정자는 회전자를 기준으로 상호 마주하도록 한 쌍으로 형성되거나 또는 어느 일 측에 1개로 형성되고, 상기 고정자에는 원주 전체로 단위(unit) 형태의 코일이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 코일은 고정자의 중심에서 바깥쪽으로 우산살 모양으로 뻗은 모양의 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 코일은 고정자의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 형성되거나, 필요에 따라 겹층 구조로 형성되는 것 중, 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 하우징은 외면에 냉각 면을 확장하여 냉각 작용을 증대시키도록 냉각 핀(cooling fin)을 부가하는 것을 특징으로 한다.

상기 고정자는 회전자를 기준으로 양측에 마주하도록 한 쌍으로 형성할 경우, 어느 일 측 고정자의 코일 권취부에는 N극만을 배치하고, 다른 일 측 고정자의 코일 권취부에는 S극만을 배치하는 것을 특징으로 한다.

상기 고정자는 회전자를 기준으로 어느 일 측에만 형성할 경우, 고정자의 코일 권취부에는 N극과 S극을 번갈아 반복 배치하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 회전축 방향으로 자속을 발생토록 하는 코일을 고정자에 설치하여 회전자의 원주면 전체에 자속밀도가 균일하게 분포되도록 함으로써, 전단력과 전단효율을 높여 마찰 토크를 월등히 향상시켜 제동효율과 안전성을 향상하고, 제작성이 우수하며, 설치 공간을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 MR 유체 브레이크를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MR 유체 브레이크의 분해 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 고정자와 코일을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 4는 도 2의 결합 상태를 나타낸 도면이다.
도 5는 도 4의 A-A선 확대 단면도이다.
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 MR 유체 브레이크의 동작시 MR 유체가 젤 형태로 변형된 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전자의 양측으로 한 쌍의 고정자를 배치하고, 어느 일 측의 고정자에는 N극의 코일만 권취하고, 다른 일 측의 고정자에는 S극의 코일만 권취한 경우, 자기 회로 형성 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 회전자의 일 측으로 1개의 고정자를 배치하고, 고정자에는 N극의 코일과 S극의 코일을 번갈아 권취한 경우, 자기 회로 형성 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 MR 유체 브레이크의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 2 내지, 도 8에 도시된 바와 같이 본 발명은 하우징(210)과 회전자(220) 및 회전축(230)과 고정자(240)를 포함하는 자속형 브레이크(200)에 있어서, 상기 고정자(240)는 회전자(220)를 기준으로 상호 마주하도록 한 쌍으로 형성되고, 각 고정자(240)에는 원주 전체로 단위(unit) 형태의 코일(250)이 형성된다.

상기 하우징(210)은 중앙에 회전축(230)을 수용하기 위한 결합구멍(211)이 형성되고, 일 측으로는 내부에 상기 회전자(220)와 고정자(240)를 수용한 후 밀폐하기 위한 커버(212)가 형성된다.

또, 상기 하우징(210)에는 MR 유체 브레이크의 냉각을 위해 필요에 따라 냉각핀(미도시)을 설치할 수도 있다.

예컨대, 상기 하우징(210)의 외면에 냉각 면을 확장하여 냉각 작용을 증대시키도록 하는 냉각 핀(cooling fin)(미도시)을 설치할 수도 있다.

상기 회전자(220)는 원판 형태로 이루어지고, 하우징(210)의 내부 중앙에 위치하도록 결합 되며, 중앙에는 회전축(230)과 결합을 위한 결합구멍(221)이 형성된다.

그리고 상기 회전자(220)는 결합구멍(221)을 통해 회전축(230)과 일체로 결합 되거나 분리 가능하도록 결합될 수 있다.

여기서, 상기 회전자(220)는 회전축(230)의 회전동작에 연동하여 회전에너지를 생산하는 역할을 한다.

상기 회전축(230)은 일단이 예컨대, 자동차의 바퀴와 같은 별도의 회전체(미도시)와 연결되어 회전에너지를 발생시키는 역할을 한다.

상기 고정자(stator, 固定子)(240)는 원판형태의 금속으로 이루어지고, 상기 하우징(210)의 내부 중앙에 설치되는 회전자(220)를 기준으로 양측에 마주하도록 형성되며, 일 측면에는 원주 전체로 상기 각 단위 형태의 코일(250)을 권취, 수용하기 위한 요(凹)부 형태의 코일 권취부(241)가 복수 개 형성된다.

여기서, 상기 고정자(240)는 회전자(220)를 기준으로 양측에 위치하도록 한 쌍으로 형성하거나, 어느 일 측에 위치하도록 1개로 형성할 수 있다.

이때, 상기 고정자(240)의 코일 권취부(241)에 N극 또는 S극과 같이 동일 자극을 배치하거나, N극과 S극을 번갈아 교차 반복 배치할 수 있다.

예컨대, 상기 회전자(220)를 기준으로 고정자(240)를 양측에 마주하도록 한 쌍으로 형성할 경우, 어느 일 측 고정자(240)의 코일 권취부(241)에는 N극만을 배치하고, 다른 일 측 고정자(240)의 코일 권취부(241)에는 S극만을 배치한다.

그리고 상기 회전자(220)를 기준으로 고정자(240)를 어느 일 측에만 형성할 경우, 상기 고정자(240)의 코일 권취부(241)에는 N극과 S극을 번갈아 반복 배치한다.

상기 코일 권취부(241)는 원주 전체를 따라 균등한 간격을 이루도록 방사상(radial)으로 형성되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 하우징(210)의 내부에 설치되는 회전자(220)와 고정자(240) 사이에는 유체 저장공간(260)이 형성된다.

여기서, 상기 회전자(220)와 고정자(240)는 코일(250)에 전류를 공급하고 회전자(220)가 회전동작시 자기장의 세기를 향상시킴과 동시에 유체 저장공간(260)을 형성하도록 상호 간격을 두고 떨어져 설치된다.

이때, 상기 회전자(220)와 고정자(240)는 간격이 넓어지게 되면 자극으로부터 멀어져 자기장 즉, 자기력선(lines of magnetic force)의 밀도가 낮아지므로 좁게 형성되는 것이 바람직하다.

또, 상기 유체 저장공간(260)에는 자기장을 형성하기 위해 철 입자를 포함하는 MR 유체(Magneto-rheological Fluid)(280)가 채워진다.

여기서, 상기 MR 유체(280)는 일반적으로 기름과 자성체인 나노형태의 미세한 철 입자로 이루어진다.

즉, 상기 MR 유체(280)는 자기유변유체로써, 자기장의 인가에 따라 유체의 점성이 변화하고 낮은 투자율의 용매에 자성체인 미세한 철 입자를 분산시킨 제어 가능한 스마트 재료이다.

이에 따라, 본 발명에 따른 코일(250)에 전류가 공급되어 MR 유체(280)에 자기장이 형성되면, 자기장이 형성된 부분에서 MR 유체(280) 내의 철 입자가 집중되어 자속 밀도가 높아지게 된다.

그리고 자성체인 철 입자가 집중된 위치에서 MR 유체(280)의 점성이 높아져 전단응력이 발생하고, 이러한 전단응력에 의한 마찰 토크로 인해 회전체는 정지할 수 있다.

또한, 상기 회전축(230)의 표면과 고정자(240) 사이에는 MR 유체(280)의 외부 유출(누출)을 방지하기 위한 실링 부재(270)가 형성되는 것이 바람직하다.

상기 코일(coil)(250)은 전류를 통하게 하는 도체(conductor)로 이루어진 도선(conducting wire)이 상기 한 쌍의 고정자(240)의 각 권취부(241)에 조밀하게 권취(감김) 되어 전류를 공급 또는 인가(impression)하게 되면 자속(magnetic flux : 어떤 표면을 통과하는 자기력선의 수에 비례하는 양)을 발생시키게 된다.

상기 코일(250)은 고정자(240)의 중심에서 바깥쪽으로 우산살 모양으로 뻗은 모양의 방사상으로 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 고정자(240)의 중심에서 바깥쪽으로 우산살 모양으로 뻗은 모양의 방사상으로 형성된 각 코일 권취부(241)에 조밀하게 권취되므로 전류의 공급과 상기 회전축(230)과 회전자(220)를 회전동작시키면 회전자(220)와 한 쌍의 고정자(240) 사이 전체로 회전축(230) 방향을 따라 자속을 발생시키게 된다.

이때, 상기 각 고정자(240)에 형성된 코일(250)에 의해 회전자(220)의 양쪽 원주면 전체에 자속밀도(magnetic flux density : 단위 면적을 수직으로 지나는 자기력선의 수. 자기력선속 밀도 또는 자기장의 세기라고 한다.)가 고르게 분포하게 된다.

또, 도 7과 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 고정자(240)와 코일(250)은 코일(250)의 감는 방향에 따라 전자석 극성을 변경하여 다양한 자속 형성을 구현할 수 있으며 이들 구성은 MR 유체 브레이크(200)의 용도와 설치 방향 등에 따라 달리 구성하여 사용할 수 있다.

이에 따라, 상기 회전자(220)와 고정자(240) 사이에 형성된 유체 저장공간(260)에 채워진 MR 유체(280)에 고르고 강한 자기장을 형성할 수 있다.

또, 상기 코일(250)은 고정자(240)의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 형성되거나, 또는 필요에 따라 겹층 구조로 형성될 수도 있다.

즉, 상기 코일(250)의 권취 길이를 길게 하여 한정된 공간 내에서 자기장의 세기를 향상시키는 것이 바람직하다.

그러므로 본 발명에 따른 고정자(240)의 원주를 따라 방사상으로 형성되는 코일(250)은 MR 유체(280)에 포함된 미세한 철 입자 응집력이 회전자(220)의 원주면 전체로 넓게 확장시키기 때문에 회전자(220)의 원주면 전체로 전단 응력이 발생됨으로써, 브레이크의 마찰 토크를 월등하게 높일 수 있다.

또한, 상기 코일(250)은 고정자(240)에 권취 되는 개수나 폭을 필요에 따라 가감하거나, 형상을 변경할 수도 있다.

뿐 아니라, 제작이 쉬워 제작성이 우수하고 자속밀도를 회전자(220)의 원주면 전체로 넓고 고르게 분포시킬 수 있기 때문에 소형화를 이룰 수 있어 제품의 설치공간도 축소할 수 있다.

이와 같은 구성의 본 발명에 따른 MR 유체 브레이크(200)의 조립관계를 개략적으로 설명하면, 상기 회전축(230)을 통해 회전자(220)를 결합, 고정하고 상기 회전자(220)를 기준으로 양측에 위치하도록 코일 권취부(241)에 코일(250)이 권취된 고정자(240)를 상기 회전축(230)에 결합한다.

그리고 상기 회전축(230)을 하우징(210)의 결합구멍(211)으로 삽입하고 회전자(220)를 기준으로 양측에 위치하는 고정자(240)가 고정되도록 한 후, 커버(212)로 고정한다.

이러한 브레이크(200)의 조립은 통상적으로 다양한 방식으로 실시되고 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 동작 관계를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 MR 유체 브레이크(200)는 예컨대 회전체인 자동차의 바퀴(미도시)를 통해 회전축(230)이 연결된다.

먼저, 자동차가 주행을 하게 되면 회전체인 바퀴에 연동하여 회전축(230)과 회전자(220)가 회전하게 되고 이에 따라 상기 고정자(240)에 방사상으로 형성된 코일(250)에 전류가 공급되면서 자기장이 발생하게 된다.

이와 동시에, 상기 회전자(220)와 고정자(240) 사이에 형성된 유체 저장공간(260)에 채워진 MR 유체(280)에 자기장이 인가된다.

이때, 상기 MR 유체(280)는 인가되는 자기장에 의해 미세한 철 입자가 체인을 형성하면서 액체 상태에서 젤 상태로 변하게 된다.

즉, 상기 MR 유체(280)에 포함된 미세한 철 입자의 응집력이 회전자(220)의 양쪽 원주면 전체로 넓고 강하게 확장되므로 회전자(220)의 원주면 전체로 강한 항복 전단 응력이 발생 됨으로써, 마찰 토크를 월등하게 높여 회전자(220)의 회전을 원활하게 제동시킬 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 MR 유체 브레이크는 이와 같은 작용을 지속적으로 반복함으로써 회전자와 고정자 사이에 위치하는 MR 유체의 점성을 넓고 강하게 하여 전단응력과 마찰토크를 향상시켜 제동효율 향상으로 안전성을 월등히 높임과 동시에 브레이크의 소형화를 이룰 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

200 : MR 유체 브레이크 210 : 하우징
211 : 결합구멍 212 : 커버
220 : 회전자 221 : 결합구멍
230 : 회전축 240 : 고정자
241 : 코일 권취부 250 : 코일
260 : 유체 저장공간 270 : 실링 부재
280 : MR 유체

Claims

하우징과 회전자 및 회전축과 고정자를 포함하는 MR 유체 브레이크에 있어서,
상기 고정자는 회전자를 기준으로 상호 마주하도록 한 쌍으로 형성되거나 또는 어느 일 측에 1개로 형성되고, 상기 고정자에는 원주 전체로 단위(unit) 형태의 코일이 형성되는 것을 특징으로 하는 MR 유체 브레이크.
제1항에 있어서,
상기 코일은 고정자의 중심에서 바깥쪽으로 우산살 모양으로 뻗은 모양의 방사상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 MR 유체 브레이크.
제1항에 있어서,
상기 코일은 고정자의 한쪽 면 또는 양쪽 면에 형성되거나, 필요에 따라 겹층 구조로 형성되는 것 중, 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 MR 유체 브레이크.
제1항에 있어서,
상기 하우징은 외면에 냉각 면을 확장하여 냉각 작용을 증대시키도록 냉각 핀(cooling fin)을 부가하는 것을 특징으로 하는 MR 유체 브레이크.
제1항에 있어서,
상기 고정자는 회전자를 기준으로 양측에 마주하도록 한 쌍으로 형성할 경우, 어느 일 측 고정자의 코일 권취부에는 N극만을 배치하고, 다른 일 측 고정자의 코일 권취부에는 S극만을 배치하는 것을 특징으로 하는 MR 유체 브레이크.
제1항에 있어서,
상기 고정자는 회전자를 기준으로 어느 일 측에만 형성할 경우, 고정자의 코일 권취부에는 N극과 S극을 번갈아 반복 배치하는 것을 특징으로 하는 MR 유체 브레이크.