KR20230015281A - 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 골재생산장치에 적용되는 진동스크린에 모터동력원 대신 전자석식 액추에이터를 적용한 진동스크린 장치에 관한 것이다. 본 발명은 전자석식 액추에이터를 이용하기 때문에 진동과 소음이 작고, 전력 소비량이 적으며 또한 베어링과 같은 부품에 대한 고장을 현저하게 줄일 수 있다.
Description
본 발명은 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 골재생산장치에 적용되는 진동스크린에 모터동력원 대신 전자석식 액추에이터를 적용한 진동스크린 장치에 관한 것이다.
종래에는 건설용 인공 건/습식 모래 생산을 위한 골재생산장치에 매우 큰 모터 동력원을 필요로 하는 편심가진기가 구비된 진동스크린을 구비하여 골재를 선별하여 골재를 생산한다.
그러나 이러한 종래의 모터동력원 기반의 진동스크린은 매우 큰 소음이 발생되어 주변 거주자들의 소음에 대한 민원이 많았고, 따라서 실내에 배치될 수 있는 소형화된 진동스크린에 대한 요구가 대두되었다.
또한 종래의 편심가진기가 구비된 진동스크린은 편심가진기를 구동하기 위하여 매우 큰 전력을 소비하고, 베어링과 같은 소모품에 대한 잦은 교체를 야기하는 문제가 있다.
골재선별 진동스크린에 대한 종래기술로는 한국등록실용신안 제20-0403390호(고안의 명칭: 그리즈리스크린이 장착된 골재선별기)가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 골재생산장치를 구성하는 하나의 장비로서 골재선별에 사용되는 진동스크린에 있어서, 저전력을 소비하며 소음과 진동을 현저하게 감소시킬 수 있는 전자석식 액추에이터를 적용한 진동스크린을 제공하는 것으 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치는 바닥에 고정되는 지지프레임과, 상기 지지프레임의 상부 일측에 설치되어 자기장을 발생시키는 전자석식 액추에이터와, 상기 지지프레임과 완충부재를 통해 연결되어 상기 지지프레임에 대하여 상하방향으로 진동하는 진동스크린 및 상기 전자석식 액추에이터를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 진동스크린은 골재선별을 위한 스크린부를 구비하며 상기 진동스크린에는 상기 전자석식 액추에이터에 의해 생성된 자기장에 의해 진동이 수행되어 골재를 스크리닝하기 위한 강자성체가 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 모래 선별 및 이송을 위한 진동스크린장치는 전자석식 액추에이터를 이용하기 때문에 저전력으로 큰 진폭의 진동을 발생시킬 수 있다.
또한 본 발명의 진동스크린장치는 전자석식 액추에이터를 이용하기 때문에 진동과 소음이 작고, 또한 편심가진기를 이용하여 모래를 선별하는 방식에 비해서 전력 소비량이 적으며, 또한 베어링과 같은 부품에 대한 고장을 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.
더불어 장치의 크기가 소형화되기 때문에 실내에 배치하는 것이 가능하다.
본 발명의 진동스크린장치는 진동으 효과적으로 발생시키기 위하여, 특정 제어 입력(편향 정현파 전류 입력, Biased Sinusoidal Input)을 이용하며, 진동의 크기는 인가 전류와 인가 전류 주파수의 독립적인 제어를 통해 효율적으로 조절할 수 있다.
도 1은 종래의 편심가진기가 구비된 진동스크린 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치에 사용되는 편향된 사인파 입력을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치에서 전자석식 가진기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 Linearized Model 분석을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 FEM 분석을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 기술적 원리를 적용한 소형화된 진동발생장치를 도시한 사진이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치에 사용되는 편향된 사인파 입력을 설명하기 위한 도면이다.
도 4 내지 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치에서 전자석식 가진기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 Linearized Model 분석을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 FEM 분석을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 기술적 원리를 적용한 소형화된 진동발생장치를 도시한 사진이다.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.
도 1은 종래의 편심가진기가 구비된 진동스크린 장치의 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 편심가진기를 갖는 진동스크린 장치는 진동스크린 유닛의 일측에 편심가진기가 형성되고 진동스크린 유닛은 스프링코일을 통해서 지지프레임에 고정된다.
편심가진기는 모터에서 생성된 회전력을 이용하여 편심된 질량체를 회전시키는 것으로서, 편심질량체를 회전시킴으로써 수직 방향의 회전 가진력을 발생시키고, 상기 회전 가진력을 이용하여 진동 스크린을 진동시켜 모래 입자를 크기별로 스크리닝한다.
이때 사용되는 구동 동력은 일반적으로 1,700~1,900rpm, 3상 유도 전동기(20~100HP)를 사용하며, 이는 소비전력이 매우 크며 베어링과 같은 소모품에 대한 고장이 잦아 잦은 교체가 요구되며, 매우 큰 소음을 발생시킨다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치(이하 '진동스크린(20) 장치'라고 함)는 크게 지지프레임(10)과 지지프레임(10)의 위쪽에 형성되어 지지프레임(10)에 대하여 진동하는 진동스크린(20), 액추에이터(11)로 전원을 공급하며 진동스크린 장치의 전반적인 구성들을 제어하는 제어부(미도시)으로 구성된다.
지지프레임(10)은 지면에 움직이지 않고 고정되게 설치된다.
지지프레임(10)에는 전자석식 액추에이터(11)(Electromagnet actuator)가 형성된다. 전자석식 액추에이터(11)(Electromagnet actuator)는 전류를 인가하면 자기장을 발생시키는 일종의 전자석으로 볼 수 있다. 전자석식 액추에이터(11)는 제어부에 연결되어 있으며, 제어부는 액추에이터(11)를 구동하는 전원으로서 교류전류입력 및 직류전류입력이 가능하며 및 교류전류의 전류의 크기 및 교류전류의 주파수를 제어하는 것이 가능하다.
진동스크린(20)은 지면에 경사지게 설치되는 것으로서, 경사진 진동스크린(20)이 진동함에 따라 선별대상인 골재는 진동스크린(20) 상부로부터 아래로 이동하면서 진동스크린(20)의 스크린부(25)의 틈새의 크기보다 작은 규격골재는 통과시켜 하부에 안착되도록 하고, 틈새의 크기보다 큰 골재는 진동스크린(20)을 통과하지 못하고 그대로 하부로 이동하게되는 방식으로 골재를 규격크기로 선별한다. 즉, 골재가 진동스크린(20)의 진동에 의해 하부로 밀려 내려오면서 골재의 스크리닝이 진행된다.
따라서 스크린을 통과하지 못하고 밀려내려온 골재는 규격 골재 이상의 크기를 갖는 것이므로, 순환벨트컨베이어(미도시)로 다시 이송되어 파쇄공정을 재수행하도록 한다. 또한 진동스크린(20)을 통과하여 진동스크린(20)의 하부로 배출된 골재는 규격골재(모래)이므로 적재장소로 이송하게 된다.
진동스크린(20)에는 액추에이터(11)에 대응되는 지점에 강자성체 모듈(22)이 형성된다. 강자성체 모듈(22)은 액추에이터(11)에서 발생된 자력에 의해 인력을 발생시키는 것이며 액추에이터(11)의 수직상방에 배치되어 액추에이터(11)가 작동시 진동스크린(20)을 아래로 당겨지게 한다. 강자성체 모듈(22)은 액추에이터(11)가 설치된 상방향에 다수개가 구비될 수 있다. 강자성체 모듈(22)은 강자성체로 이루어진 블록형상이며 진동스크린(20)에 견고하게 고정된다. 강자성체 모듈(22)의 재료인 강자성체는 철, 니켈, 코발트, 산화철, 산화크롬, 페라이트 등이 사용될 수 있다.
진동스크린(20)은 지지프레임(10)에 탄성부재를 통해 연결되어 있다. 탄성부재는 코일스프링 등이 될 수 있다.
앞서 설명한 전자식 액추에이터(11) 및 강자성체 모듈(22)의 개수 및 위치는 필요에 따라 자유롭게 선택될 수 있다.
제어부는 전원부(미도시)를 포함하고 있어서 전자석식 엑추에이터로 작동을 위한 전원을 공급한다. 전원부는 교류전원 및 직류전원을 중첩하여 편향된 정현파 전원 입력을 전자석식 엑추에이터로 공급할 수 있도록 형성된다. 전원부는 전자석식 엑추에이터로 공급되는 전류의 세기 및 전류의 주파수를 조절하는 것이 가능하다. 또한 제어부(미도시)는 액추에이터(11)를 포함하는 장치의 전반적인 구성을 제어한다.
이하 본 발명에 따른 진동스크린 장치의 작동을 설명한다.
액추에이터(11)에 편향된 정현파 전류가 입력되면, 액추에이터(11)는 시간에 따라 크기가 정현파 형태로 변화되는 자기력을 발생시킨다.
액추에이터(11)에서 발생되는 정현파 형태의 자기력은 진동스크린(20)에 설치된 강자성체 모듈(22)에 정현파의 형태로 크기가 변하는 인력을 발생시킨다.
인력이 작용하는 진동스크린(20)은 스프링의 탄성을 이겨내고 진동스크린(20)을 아랫방향으로 끌어당겨서 하강시킨다.
이 때 작용하는 인력의 크기가 변화하는데, 인력이 최대치에서는 진동스크린(20)은 최저점까지 하강하며, 인력의 크기가 작아지면 진동스크린(20)은 다시 위로 상승하며 인력의 크기가 최소값이 되는 지점에서는 진동스크린(20)은 최고점에 도달한다.
즉 엑추에이터에 의한 인력이 점진적으로 증가하여 진동스크린(20)이 최저점에 도달하는 과정에서 스프링에 의한 복원력은 점진적으로 증가하므로, 인력(중력과 인력을 합친 힘)의 크기보다 스프링의 복원력의 크기가 큰 시간구간에서는 진동스크린(20)은 위로 상승하고, 이와 반대로 인력(중력과 인력을 합친 힘)의 크기가 스프링의 복원력의 크기보다 큰 시간구간에서는 진동스크린(20)은 하강하는 것이다.
위와 같이 엑추에이터에 편향된 정현파 전류가 공급되면, 진동스크린(20)은 상하방향으로 진동을 하게 되는 것이다.
여기서 엑추에이터에 공급되는 전원으로서 비편향 정현파 전류가 아닌, 편향 정현파 전류를 공급하는 이유는 다음과 같다.
도 3(a)는 교류파형의 가장 기본적인 형태인 비편향 정현파(Unbiased Sinusoidal Input)를 나타낸 것이고, 도 3(b)는 본 발명에서 사용되는 직류+교류 전압 형태의 편향된 사인파 입력(biased Sinusoidal Input)을 나타낸 도면이다. 본 발명에서는 전압의 방향(극성)이 변하지 않도록 도 3(b)와 같은 편향된 정현파 전류(전원) 입력을 사용한다.
편향 정현파 전류는 통상적인 정현파 교류 전원에 직류전원을 중첩시킨 것이다. (편향 정현파 전류 = 정현파 교류 전원+직류전원)
즉 정현파 교류 전원에 중첩적으로 입력하는 직류전원은 정현파 교류 전원의 피크치 전압과 동일한 전압 또는 그 이상의 전압으로 전압의 극성을 어느 한쪽으로 쉬프트(shift)시키는 직류전원을 중첩적으로 공급하는 것이다.
이렇게 정현파 교류전원이 피크치 전압 이상으로 전압을 쉬프트 시키는 직류전원을 중첩적으로 입력함으로써 본 발명에서 사용되는 편향된 정현파 전원 입력을 만들어낼 수 있으며, 편향된 정형파 전원 입력에 의해 발생하는 전압은 극성은 변하지 않고 다만 크기만 정현파 형태로 변하게 된다.
즉 편향된 정현파 전원을 전자석식 액추에이터(11)에 공급하면, 액츄에이터가 발생시키는 시간에 따른 인력도 도3(b)의 아래쪽 도면과 같이 정현파 형태를 나타낸다. 즉 본 발명은 액추에이터(11)에 편향된 정현파 전원을 공급하는 것에 의해 액추에이터(11)가 정현파 형태의 인력(가진력(=진동을 발생시키는 힘))을 발생시키는 것이다.
이와 달리 비편향된 정현파 입력을 주게 되면 액추에이터(11)(전자석)가 발생시키는 인력은 도3(a)와 같이 전압의 극성이 바뀌는 시점이 전후 구간에서 급격하게 인력이 감소하다가 다시 급격히 인력이 증가하는 형태를 보이게 된다.
즉 비편향된 정현파 입력을 주었을 때의 액추에이터(11)가 발생시키는 가진력은 도3(a)의 아래쪽 도면과 같이 인력크기가 0가 되는 지점에서 급격한 변동을 보여주게 된다(정현파 형태 아님). 이러한 형태의 가진력은 스프링으로 지지되는 진동스크린(20)의 진동의 크기를 크게 형성하는데에는 비효율적이다.
본 발명은 액추에이터(11)에 편향된 정현파 입력을 제공하기 때문에, 정현파 형태의 가진력을 발생시킴으로써 최소한의 에너지로 진동의 크기를 크게 유지할 수 있다. 즉 자기력을 발생시키는 전자식 액추에이터(11) 및 액추에이터(11)에 대하여 인력을 발생시키는 강자성체 모듈(22)을 이용하여 진동스크린(20)의 진동을 발생시키는데에는 편향된 정현파 전원을 입력하는 것이 진동 발생에 적합한 것이다.
여기서 진동스크린의 진동의 크기는 전자식 액추에이터에 인가되는 전류의 크기와 인가 전류 주파수에 의해 조절된다.
이 때, 인가되는 전류의 세기가 커질수록 진동의 크기가 커지며, 진동스크린의 공진주파수와 액추에이터에 인가(공급)되는 편향 정현파 전원의 전류 주파수가 근접할수록 발생되는 진동의 세기가 커진다.
이를 도 4 내지 도 5를 참조하여 운동방정식(Equation of Motion)으로 살펴보면,
솔루션은 다음과 같다.
=
where
이다
[ 전자석(액추에이터) 분석 1 - FEM을 통한 분석 ]
FEM을 통해 전류에 따른 자기장의 세기와 인력 
을 구할 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 전류의 세기가 커질수록 
이 커지는 것을 알 수 있다.
[ 전자석(액추에이터) 분석 1 - Linearized Model을 통한 분석1 ]
또한 Linearized Model을 통하여 분석도 가능하다. 도 5를 참조하였을 때 전류가 일정한 경우의 자기장 에너지는 다음과 같다.
또한 전류가 일정한 경우의 자기력은 다음과 같다.
이 때, 
는 Air gap에서의 자기 밀도를 나타내고, 
는 공기의 Permeability(
)를 나타내고, 
는 Air gap의 단면적을 나타내고, x는 Air gap을 나타낸다.
[ 전자석(액추에이터) 분석 2 - Linearized Model을 통한 분석2 ]
또한 Linearized Model을 통하여 도 7의 분석이 가능하다.
(Gauss's law for magnetism)
또한 Magnetic Circuit 회로를 참조하면,
Reluctance 
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치의 진동성능을 시험하기 위한 소형화된 진동발생장치를 도시한 사진이다.
본 발명의 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린장치의 진동성능을 시험하기 위한 소형화된 진동발생장치는 지지프레임의 상부에 형성된 전자석식 액추에이터(Electromagnet actuator), 진동부(Moving part, 진동스크린에 해당함), 및 완충부재(spring)를 포함하여 구성되며, 이 장치에는 진동부의 위치를 감지하기 위한 레이저센서(Laser Sensor)와 힘감지센서(Force Sensor)를 구비하여 진동발생장치의 진동을 감지할 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 진동스크린장치는 전자석식 액추에이터를 이용하여 골재선별 및 이송을 위한 큰 진동을 발생시킬 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 진동스크린장치는 전자석식 액추에이터를 이용하기 때문에 진동 소음이 작아지고, 또한 편심가진기를 이용하여 모래를 선별하는 방식이 아니기 때문에 전력 소비량이 작고 이와 동시에 베어링과 같은 부품에 대한 고장이 현저하게 낮아진다, 더불어 소형화시켜 제작할 수 있기 때문에 실내에 배치될 수 있다.
본 발명의 진동스크린장치는 진동스크린의 최적화된 진동 발생을 위하여, 전원으로서 특정 제어 입력(편향된 정현파 전원 입력, Biased Sinusoidal Input)을 이용하며, 진동의 크기는 액추에이터에 대한 인가 전류 및 인가 전류 주파수의 독립적인 제어를 통해 효율적으로 조절할 수 있다.
상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
5 스프링
10 지지프레임
11 전자석식 액추에이터
20 진동스크린
22 강자성체
25 스크린부
10 지지프레임
11 전자석식 액추에이터
20 진동스크린
22 강자성체
25 스크린부
Claims (4)
- 바닥에 고정되는 지지프레임;
상기 지지프레임의 상부 일측에 설치되어 자기장을 발생시키는 전자석식 액추에이터;
상기 지지프레임과 완충부재를 통해 연결되어 상기 지지프레임에 대하여 상하방향으로 진동하는 진동스크린; 및
상기 전자석식 액추에이터를 제어하는 제어부를 포함하며,
상기 진동스크린은 골재선별을 위한 스크린부를 구비하며 상기 진동스크린에는 상기 전자석식 액추에이터에 의해 생성된 자기장에 의해 진동이 수행되어 골재를 스크리닝하기 위한 강자성체 모듈이 형성된 것을 특징으로 하는 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치. - 제1항에 있어서,
상기 제어부를 상기 전자석식 액추에이터로 편향된 정현파 전류를 공급하는 제어를 수행하는 것을 특징으로 하는 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치. - 제1항에 있어서,
상기 완충부재는 스프링인 것을 특징으로 하는 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치. - 제1항에 있어서,
상기 강자성체 모듈의 강자성체는 철, 니켈, 코발트, 산화철, 산화크롬 또는 페라이트인 것을 특징으로 하는 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR20210096390 | 2021-07-22 | ||
| KR1020210096390 | 2021-07-22 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230015281A true KR20230015281A (ko) | 2023-01-31 |
Family
ID=85109255
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020220081751A KR20230015281A (ko) | 2021-07-22 | 2022-07-04 | 전자석식 액추에이터를 갖는 진동스크린 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20230015281A (ko) |
-
2022
- 2022-07-04 KR KR1020220081751A patent/KR20230015281A/ko unknown
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