김승현
(Seung-Hyun Kim)
1iD
정태욱
(Tae-Uk Jung)
†iD
-
(Researcher, Rotec Co., Ltd., Korea)
Copyright © The Korean Institute of Illuminating and Electrical Engineers(KIIEE)
Key words
Active damper, Electro-magnetic force, Electro motive force, EM damper, Suspension
1. 서 론
1.1 연구의 배경
최근 가전제품, 자동차, 산업용 동력기기 등이 많이 개발됨에 따라 사람들의 생활수준 및 삶의 질이 개선되었다. 특히 냉장고, 세탁기, 에어컨 등의
가전제품의 안정성에 대한 관심이 커지고 있으며 가전제품 사용 시 발생하는 진동, 소음 저감에 대하여 많은 연구가 이루어지고 있다[1]. 또한, 고성능, 고효율 자동차가 개발됨에 있어서 자동차의 자체적인 진동과 소음 저감 뿐만 아니라 운전 중 노면과 타이어 사이에서 발생되는 충격을
완화시켜 운전자의 승차감을 개선시키는 현가장치에 관하여 연구되고 있다. 가전제품이나 자동차에 사용되는 현가장치 중 댐퍼는 스프링의 지속된 진동을 억제시키는
장치로 사용된다[2]. 일반적으로 저렴하고 견고한 기계식 댐퍼를 사용되어 왔으나 진동 량과 관계없이 일정한 감쇠력을 발생시키는 구조로 급격한 진동 특성 변화에 대응하기
어려운 구조로 되어있다. 이러한 문제로 인하여 최근에는 자기유변유체를 사용한 댐퍼인 MR(Magnetic-Rheological) Fluid Damper가
적용되고 있으며 자기장이 가해질 때 MR 유체가 체인을 형성하여 부하나 진동의 변화를 능동적으로 제어할 수 있는 구조이나 제조비용이 너무 높아 고가의
시스템에만 적용할 수 있다[3].
1.2 연구의 목적 및 방법
본 연구에서는 기계식 댐퍼와 비슷한 구조로 간단하고 견고하지만 능동적인 감쇠력 제어가 가능한 EM(Electro-Magnetic) 댐퍼를 제안하였다.
EM댐퍼는 로드의 플런저에 장착된 영구자석이 진동할 때 댐핑 코일을 쇄교하는 순간적인 자속변화를 통해 유도 기전력을 발생 시키고 이를 이용하여 감쇠력을
발생 시킬 수 있는 구조로 되어있다. 따라서 감쇠력을 충분히 발생 시킬 수 있는 전자계 구조를 설계가 우선시 되어야 하며, 시뮬레이션으로 EM댐퍼의
진동감쇠 성능을 확인할 필요성이 있다.
본 논문에서는 충분한 감쇠력을 발생시키기 위한 구조적 설계에 대하여 연구하였다. 영구자석, 댐핑코일을 이용한 EM댐퍼의 전자기 구조에 대하여 연구
하였으며 유한요소해석을 통하여 설정한 진동특성에 따른 댐퍼의 진동감쇠 성능을 검증하였다.
2. 댐퍼의 종류와 EM댐퍼
2.1 기계식 댐퍼
보편적으로 가전제품, 자동차 및 기계 시스템에 주로 사용되어온 기계식 댐퍼는 유체의 유동에 대한 저항을 이용한 점성 마찰력으로 감쇠력을 발생시키는
구조로 되어있다. 점성 마찰력은 유체의 각 부분이 서로 다른 속도로 운동 할 경우에 그 내부의 압력을 균일하게 유지하려는 힘에 의해 나타난다. 실린더
내부의 피스톤 밸브를 독립적으로 제어하지 않아 유체의 유동량을 변경 할 수 없으므로 진동 크기에 관계없이 일정한 감쇠력이 발생된다. 최근에는 기계식
유압 댐퍼의 단점을 보완한 스텝 모터를 적용한 액티브 컨트롤(Active-Control) 댐퍼가 개발되었으며 차량에는 전자제어 서스펜션 시스템으로
적용되고 있다. 이는 스텝 모터를 사용하여 쇼크 업쇼버의 제어봉을 회전시키고 피스톤 밸브를 제어하여 유체의 유동량을 변화시킨다. 따라서 유체 저항을
다양하게 제어 할 수 있어 감쇠력을 상황에 맞게 조절이 가능하다. 그러나 스텝 모터의 장착으로 인하여 댐퍼의 전체 시스템 구성이 복잡해지며 사용자의
설정에 의존하여 감쇠력을 가변 시킬 수 있다. 또한 전자제어 서스펜션 시스템은 차량에 주로 적용되고 있으나 최근에 가전제품의 크기 소형화가 이루어지고
있어 세탁기, 냉장고, 에어컨 등의 가전기기에는 적용되기 힘든 단점이 있다. Fig. 1은 기계식 유압 댐퍼와 스텝모터를 사용한 제어형 쇼크 업쇼버의 구조를 나타내었다.
Fig. 1. Structure of mechanical damper (a) Mechanical hydraulic damper (b) Controlled
shock absorber using step motor
2.2 MR 유체 댐퍼
최근에는 능동적인 감쇠력 제어를 위하여 MR유체(Magnetic-Rheological Fluid) 댐퍼가 연구 및 적용되고 있다. Fig. 2는 MR 유체 댐퍼의 구조를 보여준다. 자기장이 인가되면 자속 체인을 형성할 수 있는 자기유변유체를 댐퍼에 적용하여 하중이나 진동의 변화를 능동적으로
제어할 수 있는 댐퍼이다. 그러나 자기유변유체의 높은 비용으로 인해 고급 응용 분야에 적용되며 기계식 유압 댐퍼와 같이 광범위한 적용에 어려움이 있다.
따라서 적용 분야가 제한적이지 않고 구조가 간단하고 비용이 저렴한 능동형 댐퍼 개발이 필요하다[4].
Fig. 2. Structure of MR Fluid damper
2.3 EM댐퍼
기존 EM댐퍼는 충격흡수기, 유압회로 및 기타 유압 부품들을 여결한 후 표준 자동 폐쇄 커플링을 사용하며 충격 흡수를 하며, 실린더의 두 부문에서의
양방향 이동을 유압회로의 네 개의 체크벨브에 의해 한 방향 회전으로 향하게 구성되었다. Fig. 3에서는 기존의 EM댐퍼 구조를 보여주고 있다[5].
위에서 언급한 기존의 em댐퍼는 복잡한 구조와 유압 부품을 사용하여 비용이 높아져서 적용 분야가 제한된다는 문제점이 있다. 본 논문에서는 기계식 댐퍼와
MR 유체 댐퍼의 문제점을 모두 해결해 줄 수 있는 전자기 댐퍼인 EM(Electro-Magnetic) 댐퍼를 제안한다. 기계식 유압 댐퍼의 구조와
유사한 구조로 로드(Rod)의 플런저(Plunger)에 영구자석을 삽입하고 실린더 외벽에 댐핑코일을 매입한 구조로 되어있다. Fig. 4에서는 본 논문에서 제안한 EM댐퍼의 구조를 나타내었다.
로드의 플런저가 진동하게 되면 영구자석 또한 움직이게 되며 실린더 외부에 매입되어있는 코일에 순간적인 쇄교자속의 변화를 일으키고 식 (1)과 같은 페러데이의 법칙에 의해 쇄교자속의 변화를 억제하는 방향으로 유도기전력이 발생된다.
N은 코일 권선 턴수, Φm는 영구자석의 자속으로 코일에 유기되는 유도 기전력은 코일에 대한 쇄교자속변화량에 비례하게 되며 이는 플런저의 순시적인
진동량에 비례한다. 또한 EM댐퍼의 발생 감쇠력은 식 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
Bm은 영구자석에 의한 공극의 자속밀도, I는 코일의 유도전류, D는 플런저와 코일 사이의 공극 거리, N은 코일의 권선 턴수로 정의 하였으며 감쇠력
F는 공극 자속밀도와 유도전류의 크기에 의해 직결된다. 결국 플런저의 변위에 따른 코일과 영구자석의 구조적 위치 설계는 EM댐퍼의 감쇠력 확보에 매우
중요한 설계 요인이 된다[6].
Fig. 3. Regenerative shock absorber of dispesh in 2017, Mustafa
Fig. 4. Structure of EM damper
3. EM댐퍼의 설계
EM댐퍼의 설계를 진행하기 앞서 댐퍼에 인가되는 외부 진동특성과 영구자석 사양을 먼저 설정하였다.
EM댐퍼에 인가되는 외부진동은 0.3m/s의 속도로 위아래로 움직이는 진동특성으로 선정하였으며 영구자석의 사양은 지름 20mm, 높이 20mm,
등급 N35H의 네오디움 자석으로 설정하였다. Table 1은 본 논문에서 설정한 진동특성과 사용 영구자석 사양을 정리하여 나타내었다.
다음으로 앞서 설정한 진동특성과 영구자석 사양을 기준으로 EM댐퍼의 감쇠력을 유리하게 발생 시킬 수 있는 댐핑코일 설치위치에 관한 구조적 설계를 진행하였다.
Fig. 5에서는 감쇠력 확보에 유리한 댐핑코일형 EM댐퍼의 전체구조를 나타내었다. 영구자석의 진동에 따른 발생 감쇠력은 댐핑코일의 쇄교자속변화량의 크기에 비례하여
발생한다. 댐핑코일 영역을 진동변위와 같은 범위까지 넓게 분포하였을 경우 미소면적에 대한 감쇠력은 발생될 수 있으나 전체 댐핑코일영역의 감쇠력은 영구자석의
진동에 의한 쇄교자속변화량이 적으므로 감쇠력 확보에 불리한 구조이다. 그러나 Fig. 5와 같이 댐핑코일 영역을 좁게 설치한 경우 영구자석의 진동에 의한 쇄교자속이 각각의 댐핑코일에서 변화하며 이로 인해 더 높은 감쇠력을 발생시킬 수
있다. 따라서 댐핑코일의 단면적을 최대한 좁게 설계하여 동일한 진동특성 및 영구자석 사용 대비 높은 감쇠력을 확보할 수 있다.
Fig. 5. Structure of damping coil type EM damper
Table 1. Vibration characteristics and permanent magnet specifications of EM damper
|
Parameter
|
Unit
|
Value
|
|
Displacement
|
mm
|
20 / -20
|
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Velocity
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m/s
|
0.3
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|
P.M Grade
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-
|
N35H
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|
P.M Diameter
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mm
|
20
|
|
P.M height
|
mm
|
20
|
|
Air gap
|
mm
|
0.5
|
4. 유한요소해석
앞서 설명한 댐핑코일형 EM댐퍼의 감쇠능력을 검증하기 위하여 2D 유한요소해석을 적용하여 모델링 및 해석을 진행하였다. 본 논문에서 적용한 유한요소해석은
진동축을 기준으로 한쪽 단면만 모델링하여 해석하는 축대칭 해석방법을 적용하였으며 먼저 Fig. 6에 댐핑코일형 EM댐퍼의 모델링과 형상 및 치수를 나타내었다. 댐핑코일형 EM댐퍼의 모델링은 앞서 설정한 Table 1의 사양으로 설정하였으며 30턴의 댐핑코일 두 개를 설치하였다. 또한 두 개의 댐핑코일 사이의 간격은 영구자석의 크기와 동일하게 설치하여 댐핑코일의
쇄교자속변화량이 가장 큰 지점에서 가장 높은 감쇠력이 발생될 수 있도록 하였다.
Fig. 7에서는 댐핑코일형 EM댐퍼의 영구자석이 상하로 움직임에 의해 발생되는 유도전류와 발생 감쇠력에 대한 유한요소해석결과를 나타내었다.
영구자석과 두 개의 댐핑코일의 쇄교자속변화량이 가장 큰 지점에서 가장 큰 유도전류가 발생하였으며 각각의 댐핑코일에 유도된 전류는 영구자석의 자극에
의해 서로 반대방향의 전류가 유도되고 댐핑코일의 최대 전류 발생점을 Fig. 7에 나타내었다. 이 유도전류에 의하여 감쇠력이 발생되며 영구자석의 진동방향과 반대의 방향으로 감쇠력이 발생됨을 확인하였고 그 크기는 –15.85N,
15.86N으로 확인되었다.
댐핑코일형 EM댐퍼의 댐핑코일에 유도되는 최대 전류 지점과 이에 따른 최대 감쇠력 발생 지점을 확인하기 위하여 Fig. 8과 같이 댐핑코일형 EM댐퍼의 최대 유도전류 발생 지점 즉, 최대 감쇠력 발생 지점에서의 자속변화와 분포특성을 나타내었다. 외부진동에 의해 상하로
움직이는 영구자석의 자속에 의한 댐핑코일의 쇄교자속변화량이 가장 큰 지점이며 각각의 단락된 댐핑코일에 의한 발생 감쇠력이 합산되어 최대 감쇠력이 나타난다.
따라서 댐핑코일의 유도전류 파형과 발생 감쇠력 파형 그리고 최대 감쇠력 발생 지점에서의 자속분포를 확인하여 본 논문에서 제안하는 댐핑코일형 EM댐퍼의
감쇠력 확보 및 외부진동에 저항하는 감쇠능력의 신뢰성을 검증하였다.
Fig. 6. Modeling shape and dimensions of EM damper
Fig. 7. Finite element analysis result (a) Induced current waveform of damping coil
(b) Damping force waveform caused by induced current
Fig. 8. Magnetic flux distribution characteristics (a) Stop position (b) Point of
maximum damping force
5. 결 론
본 논문에서는 기존의 기계식 댐퍼와 MR유체 댐퍼를 대체하여 보다 간단한 구조와 신뢰성이 높은 감쇠능력을 발휘할 수 있는 EM댐퍼를 제안하였으며 댐핑코일과
영구자석을 이용하여 감쇠력을 확보하기 유리한 EM댐퍼의 전자기 구조에 관하여 제안하였다. EM댐퍼는 전자기 유도법칙을 기본원리로 하여 감쇠력을 발생
시킬 수 있는 구조이며 영구자석과 단락된 댐핑코일의 상대적 위치에 따른 쇄교자속변화량에 기인하여 감쇠력이 발생된다. 본 논문에서 제안한 EM댐퍼의
전자기 구조를 검증하기 위하여 축대칭 해석기법을 이용하여 2D 유한요소해석을 진행하였으며 각각의 댐핑코일에 유도되는 전류파형과 이에 따라 발생되는
감쇠력 파형을 분석하였다. 유한요소해석결과 영구자석과 두 개의 댐핑코일의 쇄교자속변화량이 가장 큰 지점에서 가장 큰 유도전류가 발생하였으며 각각의
댐핑코일에 유도된 전류는 영구자석의 자극에 의해 서로 반대방향의 전류가 유도됨을 확인하였다. 또한 유도전류에 의해 발생되는 감쇠력은 영구자석의 이동방향과
반대방향으로 발생되었으며 –15.85N, 15.86N으로 측정되어 외부진동에 저항하는 감쇠능력의 신뢰성을 검증하였다. 추후 연구로 주요 설계 요소에
대한 최적화 설계를 수행할 예정이며 시제품 제작 및 실험으로 실제 EM댐퍼의 감쇠능력을 추가 검증 할 예정이다.
Acknowledgement
이 논문은 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NO. NRF-2021R1I1A3052760).
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Kim Do-Young, Jeon Jong-Kyun, Kwon Young-Cheol, 2014, Study on the Semi-active Vibration
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Modeling, Prototyping and Experimental Validation, Applied Energy, Vol. 199, pp. 1-12
Zheng Peng, et al. , 2018, Review on the Research of Regenerative Shock Absorber,
Proceedings of the 24th International Conference on Automation & Computing, Newcastle
University, Newcastle Upon, pp. 1-12
Fow Alista, Duke Mike, 2015, Active Electromagnetic Damping for Lightweight Electric
Vehicles, Proceedings of the 6th International Conference on Automation, Robotics
and Applications, pp. 1-5
Biography
He is a Bachelor of Electrical Engineering from Kyungnam University(2019), Master
of Electrical Engineering from Kyungnam University(2022), and is currently working
as a researcher at Rotech Co., Ltd.
He received a B.S. in Electrical Engineering from Pusan National University(1993),
an M.S. in Electrical Engineering from Pusan National University(1995), Ph.D. Department
of Electrical Engineering, Pusan National University(1999). He is currently a professor
in the Department of Electrical Engineering at Kyungnam University.