자기유변 물질의 강성제어를 위한 자기 차폐 원리 기반의 자기장 발생기 설계 Design of Magnetic Field Generator based on Magnetic Shield Effect for Stiffness Control of Magnetorheological Material원문보기
본 연구는 자기유변 겔의 강성 및 댐핑 제어에 필수적으로 요구되는 자기장 제어를 위한 자기장 발생기의 설계를 제안한다. 자기유변 물질은 자기장의 세기에 따라서 동적 점 탄성 특성이 바뀌는 스마트 물질로 진동 흡수기, 자동차의 서스펜션과 같은 분야에 사용되기 위해 여러 방면으로 연구되고 있다. 자기유변 물질의 어플리케이션 적용을 위해 현재 사용되고 있는 자기장 발생기의 종류로는 전자석과 영구자석이 있으며, 대부분의 실제 산업에서는 주로 전자석을 이용하여 자기장을 발생 및 제어한다. 하지만 전자석은 발열문제 등 여러 단점으로 인해 장시간 사용에 적합하지 않으며, 영구자석의 경우 자기장 세기의 변화에 필요한 자기유변 물질과 영구자석 간의 거리 조절을 위해 여분의 공간이 요구되어 시스템 부피가 커지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 자기 차폐 원리를 기반으로 한 자기장 발생기를 제안하여 기존의 전자석과 영구자석이 가지는 단점을 해결하고 장시간 사용 및 실제 산업에서 적용이 가능하도록 하고자 한다.
본 연구는 자기유변 겔의 강성 및 댐핑 제어에 필수적으로 요구되는 자기장 제어를 위한 자기장 발생기의 설계를 제안한다. 자기유변 물질은 자기장의 세기에 따라서 동적 점 탄성 특성이 바뀌는 스마트 물질로 진동 흡수기, 자동차의 서스펜션과 같은 분야에 사용되기 위해 여러 방면으로 연구되고 있다. 자기유변 물질의 어플리케이션 적용을 위해 현재 사용되고 있는 자기장 발생기의 종류로는 전자석과 영구자석이 있으며, 대부분의 실제 산업에서는 주로 전자석을 이용하여 자기장을 발생 및 제어한다. 하지만 전자석은 발열문제 등 여러 단점으로 인해 장시간 사용에 적합하지 않으며, 영구자석의 경우 자기장 세기의 변화에 필요한 자기유변 물질과 영구자석 간의 거리 조절을 위해 여분의 공간이 요구되어 시스템 부피가 커지는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 자기 차폐 원리를 기반으로 한 자기장 발생기를 제안하여 기존의 전자석과 영구자석이 가지는 단점을 해결하고 장시간 사용 및 실제 산업에서 적용이 가능하도록 하고자 한다.
In this study, a novel magnetic field generator, using a shielding effect for controlling the dynamic stiffness and damping of magnetorheological gels, is proposed. A magnetorheological gel is a smart material that can alter its stiffness and damping, and it can be used as a vibration absorber and i...
In this study, a novel magnetic field generator, using a shielding effect for controlling the dynamic stiffness and damping of magnetorheological gels, is proposed. A magnetorheological gel is a smart material that can alter its stiffness and damping, and it can be used as a vibration absorber and in vehicle suspension. It is necessary to control the magnetic field to use magnetorheological gels in various applications. There are two types of magnet field generators, namely the electromagnet and permanent magnet, and the electromagnet is generally used in practical applications. However, owing to its limitations, the electromagnet is not suitable for long-term use. Therefore, in this paper, a novel magnetic field generator is proposed to address such problems for use in real applications.
In this study, a novel magnetic field generator, using a shielding effect for controlling the dynamic stiffness and damping of magnetorheological gels, is proposed. A magnetorheological gel is a smart material that can alter its stiffness and damping, and it can be used as a vibration absorber and in vehicle suspension. It is necessary to control the magnetic field to use magnetorheological gels in various applications. There are two types of magnet field generators, namely the electromagnet and permanent magnet, and the electromagnet is generally used in practical applications. However, owing to its limitations, the electromagnet is not suitable for long-term use. Therefore, in this paper, a novel magnetic field generator is proposed to address such problems for use in real applications.
본 연구에서는 기존 사용되던 대표적인 자기장 발생기인 전자석과 영구자석이 내재한 발열 및 크기 등의 문제들을 해결하기 위해 차폐 구조의 자기장 제어기 설계를 제안하였다.
제안 방법
본 연구에서는 자기장 발생기를 설계하기 위해 구조모형, 외부 지름, 두께, 차폐 슬롯 각도(gap angle) 등을 설계변수로 선정하였으며 시스템의 부피 최소화와 자기장 가변 변위 최대화를 고려한 설계 연구를 수행하였다. 기본설계과정부터 자기장해석을 통하여 설계 사양을 확정하고 시제품 제작을 통해 성능검증 실험을 수행하였으며 MRG 진동흡수기에 적용하여 진동해석을 하였다.
따라서 본 연구에서는 자기유변 겔(MRG)의 강성제어를 위해 기존 전자석과 영구자석 기반의 자기장 발생기 설계 시 발생하는 단점을 해결 할 수 있는 새로운 개념의 자기장 발생기 설계를 제안한다. 제안하는 자기장 발생기는 전자석의 전력소비와 발열문제를 해결하기 위해 영구자석을 사용하지만 기존의 영구자석 이동 방식이 아닌 자기장 차폐원리를 이용하여 자기장을 제어한다는 특징이 있다. 고정된 영구자석 사이에 위치한 차폐 구조가 회전함으로써 자기력선의 흐름을 변경하여 자기유변 물질에 가해지는 자기장을 제어하며, 이는 차폐 구조의 회전만을 필요로 하므로 소형화 설계가 가능하고 지속적인 전류 공급이 요구되지 않으므로 장시간 사용에도 적합한 구조다.
대상 데이터
물 질량 대비 철가루 질량 비율에 따른 MR effect를 실험적으로 측정한 결과(Table 1) CIP 비율이 50wt%일 때 가장 큰 강성변화(MR effect)를 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 강성제어 범위의 스펙트럼을 보다 넓히기 위해 CIP 50wt% 의 MRG를 연구 재료로 선정하였다.
데이터처리
제작한 차폐 원리 기반의 자기장 발생기를 MRG 기반 진동 흡수기에 적용하여 진동 실험을 수행하였고 자기 유변 겔의 강성변화를 측정하였다. 진동실험은 논문(11)의 실험장비로 수행하였다.
이론/모형
본 연구에서 제안하는 자기장 발생기는 자기 차폐원리를 기반으로 하여 영구자석과 개폐형 차폐 구조를 이용한다. 위치가 고정된 영구자석 사이에 차폐 구조를 회전시켜 구조 내부에 가해지는 자기장의 세기를 조절하는 방식이며, 이는 기존의 영구자석 자체를 이동시키는 것 보다 상대적으로 가벼운 차폐구조를 회전하는 방식이기에 전력소비가 상대적으로 낮고 소형화 설계도 가능하다는 장점도 가지게 된다.
성능/효과
또한 자기장 세기에 따른 차폐 구조 내부 MRG의 강성범위는 25.4~36.7kN/m, 댐핑은 5.2~8.7Ns/m, 진동 흡수 주파수 범위는 56~67Hz를 가짐을 확인했으며 따라서 제안한 차폐구조형 자기장 제어기는 강성 및 댐핑 제어에 활용이 가능함을 확인 가능했다.
차폐 구조 프로토타입 파라미터인 구조 모형, 외경, 두께, 슬롯 각도는 자기장해석 시뮬레이션 및 현재 연구 환경조건 등을 감안하여 선정하였으며 제작된 프로토타입을 이용하여 실험한 결과 자기장 세기 가변범위는 35~145mT로 분석되었다. 실험결과가 2차원 자기장 해석의 결과와 다소 차이를 보였지만, 추후 MRG의 FEM 모델링을 유도하고 3차원적 자기장 해석을 수행하게 되면 실험 결과와 일치한 시뮬레이션 해석을 얻을 수 있을 것이라 판단된다.
후속연구
다만 FEMM 시뮬레이션 결과에서 도출된 타원형의 차폐 구조 모형, 30°의 구조 슬롯 각도가 자기장 가변범위 측면에서 더 적합한 구조임을 감안하면 현재의 프로토타입보다 보다 나은 차폐구조 설계가 가능할 것으로 사료되며, 자기장 제어기의 최종 목적인 자기장으로 강성 및 댐핑 제어를 수행하기 위해서는 자기장과 강성, 댐핑의 입출력 관계식이 도출되어야 하는 과제가 필요할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자기유변 물질이란 무엇인가
자기유변 물질(magenetorheolgical material)은 스마트 물질의 일종으로 외부 자기장의 세기에 따라 강성과 댐핑이 변하는 물질이다. 자기유변 물질은 마이크로 크기의 철가루가 첨가되는 베이스 종류에 따라 자기유변 유체(이하 MRF), 자기유변 엘라스토머(이하 MRE), 자기유변 겔(이하 MRG)로 구분된다.
자기유변 물질을 구분하라
자기유변 물질(magenetorheolgical material)은 스마트 물질의 일종으로 외부 자기장의 세기에 따라 강성과 댐핑이 변하는 물질이다. 자기유변 물질은 마이크로 크기의 철가루가 첨가되는 베이스 종류에 따라 자기유변 유체(이하 MRF), 자기유변 엘라스토머(이하 MRE), 자기유변 겔(이하 MRG)로 구분된다. 자기유변 물질의 구성에 필수적으로 첨가되는 철가루는 외부 자기장의 세기에 따라 체인 구조를 이루며 이에 따라 물질의 강성과 댐핑 및 동적 특성이 변한다.
MR effect란 무엇인가
자기유변 물질은 마이크로 크기의 철가루가 첨가되는 베이스 종류에 따라 자기유변 유체(이하 MRF), 자기유변 엘라스토머(이하 MRE), 자기유변 겔(이하 MRG)로 구분된다. 자기유변 물질의 구성에 필수적으로 첨가되는 철가루는 외부 자기장의 세기에 따라 체인 구조를 이루며 이에 따라 물질의 강성과 댐핑 및 동적 특성이 변한다. 이 현상을 MR effect라 부르며(1,2) 이렇게 동적인 특성이 변하는 성질을 이용하여 자동차의 서스펜션, 브레이크, 진동 흡수기 등 산업적 상용화를 위해 발표된 설계 및 연구 사례가 많다.
참고문헌 (11)
Bellan, C. and Bossis, G., 2002, "Field Dependence of Viscoelastic Properties of MR Elastomers," International Journal of Modern Physics B, Vol. 16, No. 17n18, pp. 2447-2453.
Ginder, J.M., Nichols, M.E., Elie, L.D. and Clark, S. M., 2000, "Controllable-stiffness Components Based on Magnetorheological Elastomers," In SPIE's 7th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, pp. 418-425.
Jolly, M.R., Carlson, J.D. and Munoz, B.C., 1996, "A Model of the Behaviour of Magnetorheological Materials," Smart Materials and Structures, Vol. 5, No. 5, p. 607.
Kim, Y.K., Koo, J.H., Kim, K.S. and Kim, S.H., 2011, "Suppressing Harmonic Vibrations of a Miniature Cryogenic Cooler using an Adaptive Tunable Vibration Absorber Based on Magneto-rheological Elastomers," Review of Scientific Instruments, Vol. 82, No. 3, p. 035103.
Nagaya, K., Kurusu, A., Ikai, S. and Shitani, Y., 1999, "Vibration Control of a Structure by Using a Tunable Absorber and an Optimal Vibration Absorber Under Auto-tuning Control," Journal of sound and vibration, Vol. 228, No. 4, pp. 773-792.
Ginder, J.M., Schlotter, W.F. and Nichols, M.E., 2001, "Magnetorheological Elastomers in Tunable Vibration Absorbers," In SPIE's 8th Annual International Symposium on Smart Structures and Materials, pp. 103-110.
Li, Y., Li, J., Tian, T. and Li, W., 2013, "A Highly Adjustable Magnetorheological Elastomer Base Isolator for Applications of Real-time Adaptive Control," Smart Materials and Structures, Vol. 22, No. 9, p. 095020.
Fuchs, A., Xin, M., Gordaninejad, F., Wang, X., Hitchcock, G.H., Gecol, H., Evrensel, C. and Korol, G., 2004, "Development and Characterization of Hydrocarbon Polyol Polyurethane and Silicone Magnetorheological Polymeric Gels," Journal of applied polymer science, Vol. 92, No. 2, pp. 1176-1182.
Shin, B.C., Yoon, J.H., Kim, Y.K. and Kim, K.S., 2015, "Note: Vibration Suppression Using Tunable Vibration Absorber Based on Stiffness Variable Magneto-rheological Gel," Review of Scientific Instruments, Vol. 86, No. 10, p. 106106.
Kim, H.K., Kim, H.S. and Kim, Y.K., 2016, "Stiffness Control of Magnetorheological Gels for Adaptive Tunable Vibration Absorber," Smart Materials and Structures, Vol. 26, No. 1, p. 015016.
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