KR102796367B1 - 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치에 있어서: 베이스(12)와 커버(15)를 갖춘 원통형의 하우징(10); 상기 하우징(10)의 내부에서 지지축(21) 상에 질량체(22)와 탄성체(25)를 구비하는 흡진수단(20); 및 상기 하우징(10) 상의 동판(31)과 질량체(22) 상의 영구자석(32)을 연계하거나 상기 하우징(10) 상의 영구자석(32)과 질량체(22) 상의 동판(31)을 연계하여 와전류 댐핑을 유발하는 댐핑수단(30);을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에, 선박에서 와전류 댐핑을 기반으로 TMD의 진동 제어 주파수 대역의 확장과 진동 억제 성능의 향상을 유발하여 장비나 구조물의 과도 진동을 감쇠하며, 특히 저온환경에서 비접촉식 감쇠를 구현하므로 실효성을 높이는 효과가 있다.

Description

와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치 {Vibration control apparatus using eddy current damping}

본 발명은 와전류 선박의 진동제어 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 선박에 탑재된 장비나 구조물에서 발생하는 진동에 대응하기 위한 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치에 관한 것이다.

최근 선박에 설치된 장비나 구조물에서 과도한 진동 발생하는 경우 진동 보강을 위해 보강재를 구조물이나 배관에 용접하여 진동을 감쇠한다. 진동 저감을 위해 보강재를 용접할 경우 인건비, 도장 손상, 공기 지연 및 작업으로 인한 장비 가동 중단 등의 문제가 발생한다. 이외에 스프링-질량(spring-mass) 구조의 동흡진기를 사용하기도 하지만 일반적인 동흡진기 설치시 감쇠력이 없어 다른 주파수에서 문제가 발생할 우려가 있다.

이와 관련하여 참고할 수 있는 선행기술문헌으로서 한국 공개특허공보 제2004-0021087호(선행문헌 1), 한국 공개특허공보 제2012-0068119호(선행문헌 2) 등이 알려져 있다.

선행문헌 1은 베이스가 되는 받침판에 고정 설치되어 판스프링 역할을 하는 지지판과, 지지판에 부착되어 진동을 흡수하고 억제하는 제진재와, 중량의 가변이 용이하도록 여러 개의 세트로 형성되어 제진재가 부착된 지지판에 구비된 중량세트로 구성된다. 이에, 넓은 주파수 영역에서 구조물이 기진원과 공진하는 과도한 진동을 제어하는 효과를 기대한다.

선행문헌 2는 적어도 한 개 이상의 가이드 샤프트와, 가이드 샤프트에 따라 수평 방향으로 가동하도록 설치된 질량체와, 수평 방향의 강성을 제공하도록 가이드 샤프트에 설치된 코일 스프링을 포함하며, 공진 주파수와 동일한 작동 주파수를 갖는다. 이에, 질량체와 바닥판 사이의 상대 운동과 실리콘 오일의 점성에 의해 고감쇠 성능을 기대한다.

그러나, 선행문헌 1의 중량 가변 구조 및 선행문헌 2의 오일 점성 구조에 의하여 동흡진기의 방진 주파수 범위를 용이하게 확대하기 미흡하며, 선행문헌 1에서 사용하는 점탄제와 선행문헌 2의 오일 점성 구조는 극지 운항선박이나 저온탱크 등의 저온 환경에서 감쇠 성능을 발휘할 수 없어 사용이 어렵다.

한국 공개특허공보 제2004-0021087호 "동흡진기" (공개일자 : 2004.03.10.) 한국 공개특허공보 제2012-0068119호 "고감쇠 수평형 동흡진기" (공개일자 : 2012.06.27.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 저온 환경에서 운항하는 선박이나 탱크에 선박에 탑재된 장비나 구조물에서 발생하는 진동에 대응함에 와전류 댐핑을 기반으로 TMD의 진동 제어 주파수 대역의 확장과 진동 억제 성능의 향상을 도모하기 위한 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 TMD에 비 접촉식 자석에 의한 와전류 댐핑을 접목하여 사용환경의 온도와 관계없이 사용할 수 있고, 오히려 온도가 낮을수록 댐핑이 증가하는 특성에 의해 저온환경에서 진동 감쇠를 구현하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치에 있어서: 베이스와 커버를 갖춘 원통형의 하우징; 상기 하우징의 내부에서 지지축 상에 질량체와 탄성체를 구비하는 흡진수단; 및 상기 하우징(10) 상의 동판(31)과 질량체(22) 상의 영구자석(32)을 연계하거나 상기 하우징(10) 상의 영구자석(32)과 질량체(22) 상의 동판(31)을 연계하여 와전류 댐핑을 유발하는 댐핑수단;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 흡진수단은 질량체의 질량을 변동하기 위한 조절부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 댐핑수단은 강자성체를 개재하여 영구자석을 복층으로 결합한 구조 또는 영구자석의 외주면에 환형의 요홈을 갖춘 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 변형예로서, 상기 댐핑수단은 댐핑수단은 영구자석의 하측에서 대향하는 위치에 보조자석을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 하우징의 외면에서 영구자석과 대향하는 위치에 코일부를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 선박에서 와전류 댐핑을 기반으로 TMD의 진동 제어 주파수 대역의 확장과 진동 억제 성능의 향상을 유발하여 장비나 구조물의 과도 진동을 감쇠하며, 특히 저온환경에서 비접촉식 감쇠를 구현하므로 실효성을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1실시예를 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제2실시예를 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 변형예를 나타내는 모식도

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 와전류 댐핑을 이용하여 진동제어를 수행하는 장치에 관하여 제안한다. 선박에 설치된 장비나 구조물에서 탑재되어 진동을 감쇠하는 동흡진기(Tuned Mass Damper; TMD)를 대상으로 하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. TMD의 진동 제어 주파수 대역의 확장과 더불어 진동 억제 성능을 향상시키기 위한 감쇠력 증가를 요체로 한다.

본 발명에 따르면 원통형의 하우징(10)에 베이스(12)와 커버(15)를 갖추고 있다. 하우징(10)은 베이스(12)의 상면에 지지되는 동시에 상면에 결합된 커버(15)를 구비한다. 하우징(10), 베이스(12), 커버(15)는 모두 알루미늄 합금으로 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 흡진수단(20)이 상기 하우징(10)의 내부에서 지지축(21) 상에 질량체(22)와 탄성체(25)를 구비하는 구조이다. 흡진수단(20)은 TMD의 필수 구성으로서 도 1의 제1실시예 또는 도 2의 제2실시예를 적용할 수 있다. 도 1은 질량체(22)를 탑재한 지지축(21)의 하단에 판형의 탄성체(25)를 구비하는 구조이다. 도 2는 질량체(22)를 탑재한 지지축(21)의 상측과 하측에 코일형의 탄성체(25)를 구비하는 구조이다. 도 2의 경우 질량체(22)는 라이너(23)를 개재하여 지지축(21) 상에 상하운동 가능하게 지지된다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 흡진수단(20)은 질량체(22)의 질량을 변동하기 위한 조절부(27)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 1 및 도 2에서, 흡진수단(20)의 질량체(22)에 조절부(27)가 설치된 상태를 예시한다. 조절부(27)는 선박의 장비나 구조물과 같은 대상체의 진동 패턴(스펙트럼)에 대응한 질량체(22)의 질량 증감으로 고유진동수 변동을 구현한다. 특히 동일한 대상체에 TMD를 복수로 설치하는 경우 조절부(27)의 활용성이 높아진다. 조절부(27)는 분할 구조의 질량체(22)를 동심으로 증감하는 수단으로 표준품인 볼트, 후크 등에서 선택할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 댐핑수단(30)이 상기 하우징(10) 상의 동판(31)과 질량체(22) 상의 영구자석(32)을 연계하거나 상기 하우징(10) 상의 영구자석(32)과 질량체(22) 상의 동판(31)을 연계하여 와전류 댐핑을 유발하는 구조이다. 보편적인 댐핑수단으로 오일을 사용하는 경우 시간의 경과로 오일 성능 저감, 오일 변화, 오염, 누유ㆍ보충, 컨택 등의 문제가 발생할 우려가 있다. 동판(31)과 영구자석(32)에 의한 와전류 댐핑은 이러한 문제를 해결할 수 있다. 댐핑이 와전류에 의해 발생하므로 온도가 낮은 환경조건에서도 사용이 가능하다. 비접촉 댐핑이므로 컨택으로 인한 문제도 배제할 수 있다.

도 1(a)를 기준으로 하면, 동판(31)은 하우징(10)의 내면에서 커버(15) 및 탄성체(25) 사이에 원통형으로 배치된다. 도 2를 기준으로 하면, 동판(31)은 하우징(10)의 내면에서 베이스(12)와 커버(15) 사이에 원통형으로 배치된다. 영구자석(32)은 질량체(22)의 하측에 동심으로 설치된다. 이와 같은 구성에 의하면 댐핑수단(30)은 와전류 댐핑(Eddy current damping)을 유발하여 궁극적으로 TMD의 감쇠력을 높인다.

이때, 도 3을 참고하면, 하우징(10)의 내면에서 링형 영구자석(32)을 배치하고 질량체(22)의 외면에 원통형 동판(31)을 배치하는 구성도 가능하다. 링형 영구자석(32)은 복수로 적층시켜 원통형으로 배치할 수 있다. 동판(31)은 질량체(22)보다 상하 높이를 길게 유지할 수 있다.

도 1(b)에서, 감쇠력을 높인 본 발명의 TMD의 성능 검증을 위해서 일반적인 TMD와의 실험적 비교를 나타낸다. 흑색 점선으로 도시되는 일반적 TMD는 특정 주파수에서 높은 진동을 나타내지만, 유색 점선과 실선의 TMD는 주파수 대역이 확장되면서 감쇠가 강화된 상태를 나타낸다.

본 발명의 세부 구성에 의하면, 상기 댐핑수단(30)은 강자성체를 개재하여 영구자석(32)을 복층으로 결합한 구조 또는 영구자석(32)의 외주면에 환형의 요홈을 갖춘 구조로 형성되는 것을 특징으로 한다.

도 1에서, 2개의 영구자석(32)이 복층을 이루고 있으며 그 중간에 강자성체 원판을 개재할 수 있다. 3개의 영구자석(32)으로 복층을 이루는 경우 2개의 강사성체 원판을 교호로 장착한다. 영구자석(32)의 외주면에 요홈을 형성하면 상하로 복층을 이루는 형태로 된다. 요홈은 각형단면이나 곡형단면에 한정되지 않으나 좁고 깊게 형성하는 것이 좋다. 이와 같은 구성은 와전류의 강약 변화를 유발하고 이에 따라 대상체에 대응한 댐핑 특성의 변화를 도모할 수 있다.

본 발명의 변형예로서, 상기 댐핑수단(30)은 댐핑수단(30)은 영구자석(32)의 하측에서 대향하는 위치에 보조자석(33)을 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 3을 참고하면, 하우징(10)의 내부에서 탄성체(25)의 하측으로 보조자석(33)이 배치된 상태를 나타낸다. 보조자석(33)도 영구자석을 사용하며 상측의 영구자석(32)과 동일한 극성으로 대향시킨다. 시간의 경과로 동판(31)의 부식이 진행되는 과정에서 양 자석(32)(33)의 상호 작용으로 댐핑력 약화를 지연한다.

본 발명의 또 다른 변형예로서, 상기 하우징(10)의 외면에서 영구자석(32)과 대향하는 위치에 코일부(35)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.

도 3에서, 지지축(21) 상에서 영구자석(32)이 상하운동하는 행정 거리에 걸쳐 코일부(35)를 설치한다. 코일부(35)는 외부의 제어기(40) 및 전원공급기(45)와 연결된다. 제어기(40)는 대상체의 진동 패턴을 검출하는 진동검출기(42)와 연결된다. 제어기(40)는 설정된 알고리즘에 따라 진동검출기(42)의 신호에 대응하는 출력을 전원공급기(45)에 인가한다. 제어기(40)와 전원공급기(45)는 코일부(35)에 의한 자기장 변화를 유발한다. 영구자석(32)과 코일부(35)의 연계에 의한 자속 밀도 변화로 와전류 감쇠력의 변동이 발생한다.

이때, 하우징(10)의 내면에서 링형 영구자석(32)을 배치하고 질량체(22)의 외면에 원통형 동판(31)을 배치하는 구조에 코일부(35)를 적용하면 상대적으로 추가적 감쇠에 유리하다.

어느 경우에나, 하나의 대상체에 복수의 TMD를 적용하는 경우 와전류 댐핑으로 보다 효과적인 진동 억제가 가능하며, TMD와 대상체의 고유진동수가 불일치하더라도 진동제어 성능의 유지가 가능하다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 하우징 12: 베이스
15: 커버 20: 흡진수단
21: 지지축 22: 질량체
23: 라이너 25: 탄성체
27: 조절부 30: 댐핑수단
31: 동판 32: 영구자석
33: 보조자석 35: 코일부
40: 제어기 42: 진동검출기
45: 전원공급기

Claims (5)

1. 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치에 있어서,
   베이스(12)와 커버(15)를 갖춘 원통형의 하우징(10);
   상기 하우징(10)의 내부에서 지지축(21) 상에 질량체(22)와 탄성체(25)를 구비하는 흡진수단(20); 및
   상기 하우징(10) 상의 동판(31)과 질량체(22) 상의 영구자석(32)을 연계하거나 상기 하우징(10) 상의 영구자석(32)과 질량체(22) 상의 동판(31)을 연계하여 와전류 댐핑을 유발하는 댐핑수단(30);을 포함하되,
   상기 흡진수단(20)은 질량체(22)의 질량을 변동하기 위한 조절부(27)를 더 구비하고,
   상기 댐핑수단(30)은 강자성체를 개재하여 영구자석(32)을 복층으로 결합한 구조 또는 영구자석(32)의 외주면에 환형의 요홈을 갖춘 구조로 형성되며,
   상기 댐핑수단(30)은 영구자석(32)의 하측에서 대향하는 위치에 보조자석(33)을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치.
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5. 청구항 1에 있어서,
   상기 하우징(10)의 외면에서 영구자석(32)과 대향하는 위치에 코일부(35)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 와전류 댐핑을 이용한 진동제어 장치.

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