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High performance vibration isolation strategies with magnetorheological elastomer (MRE) = Magnetorheological elastomer를 사용한 고성능 진동 절연 방법
서명 / 저자 High performance vibration isolation strategies with magnetorheological elastomer (MRE) = Magnetorheological elastomer를 사용한 고성능 진동 절연 방법 / Young-Keun Kim.
저자명 Kim, Young-Keun ; 김영근
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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초록정보

This research studies a vibration isolating system for a miniature linear compressor. A passive vibration method with and without an absorber and a tunable vibration absorber (TVA) are designed and their experimental performances are compared. For the tunable vibration absorber, magnetorheological elastomer (MRE), a type of smart material, is used to design a robust and remote controlled vibration isolation system. For this purpose, MRE samples are prepared and properties are tested to validate its use in the system. Frequency responses and acceleration of the compressor with the designed isolation system under different magnetic flux are measured and processed. Experiments have been conducted on the designed MRE TVA to obtain the frequency response functions under different magnetic flux. It has shown that the TVA is tunable from 33Hz to 60Hz in 240mT. Because of this tunable property, it has a wide band frequency suppression performance as well as adaptive vibration suppressing performance. To show the process of the adaptive suppression, the acceleration of the compressor was obtained under different magnetic flux and different compressor operation rate. From the results, it is concluded that with a feedback loop, the MRE TVA has potential to be used as a real time adaptive vibration suppressor. Through the experimental results comparison of the mentioned three isolation methods, the designed MRE TVA is validated to be a suitable vibration isolating system for a miniature compressor in terms of robustness, remote controlled tuning and real time adaptive suppression.

측정용 위성에서 사용하고 있는 적외선 센서는 저온을 유지하기 위한 목적으로 극저온 쿨러에 부착이 된다. 쿨러와 센서는 같은 베이스에 부착이 되어 있고, 쿨러의 선형 컴프레서가 작동 시에 발생되는 자체 외란 진동이 센서에 전달된다. 이는 이미지 센서가 취득하는 영상 품질을 저하시키는 문제점을 준다. 따라서 극저온 선형 구동기의 자체 진동을 절연하는 장치를 개발해야 한다. 진동절연 방법으로 우선적으로 안정적이고 보편적으로 사용이 되고 있는 수동적 방법(SDOF)으로 연구를 시작하였다. 하지만 이 시스템은 저주파수 대역에서 진동 절감 성능의 한계를 보이고 있다. 선형 구동기가 일정한 주파수로 작동한다고 가정을 하고 그리고 더 높은 성능의 수동 진동 절연 시스템으로 구성하기 위해서 동조질량 흡수기를 연구하였다. 구동기의 작동이 일정한 주파수이면 자체 발생 외란 진동도 일정한 하모닉 성분이 되기에 여기에 흡수기를 외란 주파수에 정확하게 튜닝하면 높은 진동 절연을 얻는 것이다. 이러한 시스템을 passive vibration absorber(PVA)라고 정의를 하였고 설계와 제작을 하여서 실험적으로 성능을 검토하였다. 낮은 댐핑 값의 질량 흡수기를 사용하면, 튜닝 지점에서는 높은 진동 절연 성능을 보여주지만, 전후로 높은 공진이 발생하는 단점이 생겼다. 외부 환경에 의해서나 기계적인 문제로 튜닝이 벗어나거나 외란 주파수가 변경이 되면, 시스템 진동 절연 성능이 오히려 더 감소가 되거나 진동이 더 증폭이 될 수 있다. 이를 해결하기 위해서 흡수기 튜닝 주파수가 가변이 되는 적응 동조 질량 흡수기(tunable vibration absorber)의 설계를 연구하였다. 기존 적응 동조 질량 흡수기 연구에서는 흡수기의 강성과 댐핑 값을 변경하기 위해서 DC 모터와 같은 액추에이터를 사용하였지만, 최근 연구 동향은 더 컴팩트하고 간단한 설계를 위해서 SMA 나 piezo actuator 와 같은 스마트 재료들을 사용하고 있다. 본 연구에서는 가변 고무 스프링으로 알려져 있는 magnetorheological elastomer(MRE)을 사용하여서 TVA 설계를 제안하였다. 기존 MRE 연구에서도 적응 동조질량 흡수기로 실험한 결과들이 나왔지만 큰 사이즈의 전자석으로 실험을 하였고, 극저온 쿨러와 같은 시스템에 적용을 하지는 않았다. 본 연구에서는 작은 사이즈의 MRE 를 사용하고, 에너지 소모가 큰 전자석이 아니라 영구자석으로 대체를 하였다. MRE 는 실리콘 엘라스토머와 같은 베이스 물질에 철분말가루(carbonyl iron powder)를 혼합한 것이고 외부 자기장 세기에 따라서 성질이 변하는 스마트 재질이다. 외부 자기장이 가해지면, 내부의 철 성분들이 각각 자화가 되어서 서로에게 자기력을 가해주게 된다. 이에 따라서 내부적인 스트레스가 증가하게 되고, 이는 엘라스토머의 강성을 증가하는 결과로 나온다. MRE 의 강성 변화와 성질이 TVA 사용에 적합한지 검증하기 위해서 실험들을 실행하였다. 전단 탄성계수(shear modulus)의 변화를 측정하기 위해서는 동적 하중(dynamic loading) 을 가하면서 전단 응력과 전단 변형 곡선을 측정하였다. 또한 철 가루 체인 형성 방향을 다르게 함으로써 탄성 변화율의 증가도 측정하였다. 결론으로 철 가루 부피 30% 비율과 체인 형성이 자기장 방향과 같을 때에 제일 높은 강성 가변을 얻을 수 있다고 결론이 나왔다. 위와 같은 MRE 을 사용한 tunable vibration absorber 를 제작하고 실험하였다. 240mT 안에서 튜닝이 33Hz 에서 60Hz 로 가변되는 것을 확인하였다. PVA 와 비교를 하면 절연주파수 영역이 30Hz 이상으로 더 넓기에MRE TVA 가 더 강성을 가지는 절연방법이다. 또한 흡수기의 강성을 원격으로 재 튜닝을 할 수 있는 장점도 가지고 있다. 여기에 피드백 시스템이 추가가 되면 실시간으로 튜닝이 되는 적응절연 방법으로 사용이 가능하다. 이를 뒷받침 하기 위해서 적응절연 과정을 실험적으로 보여주었다. MRE TVA 는 강성을 가지는 절연장치이고, 원격으로 흡수기 재 튜닝과 실시간 적응절연 성능을 가지고 있다는 것을 실험적으로 검증하였다. 그러나 MRE 가 실제 위성에 사용되기 위해서는 에너지 소모, 재료적인 실험들을 추가로 해야 한다. 또한 피드백 시스템과 외란 관측기를 설계해야 하고 컨트롤 설계도 연구, 그리고 자기장을 효율적으로 제어하는 시스템도 추후 연구로 필요하다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MME 10066
형태사항 viii, 70 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김영근
지도교수의 영문표기 : Kyung-Soo kim
지도교수의 한글표기 : 김경수
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 기계공학전공,
서지주기 References: p. 64-66
주제 MRE
vibration
isolation
cryogenic
TVA
극저온
자기장
엘라스토머
진동절연
흡수기
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