현가장치 응용을 위한 자기 스프링에서의 자기적 힘과 기계적 힘에 대한 연구

Abstract

자동차의 현가장치로서 사용되고 있는 가장 기본적인 현가장치로는 현재 스프링과 댐퍼의 병렬 연결을 사용하여 외부 힘이나 진동을 수동적으로 감쇠하는 수동 현가장치가 있다. 반면 복잡한 진동을 제어하기 위해 직접적으로 차체에 힘을 가함으로써 여러 상황에 맞게 최적화 하여 진동을 감쇠하는 능동 현가장치가 연구되어 왔다. 그러나 능동 현가장치는 이론적으로 상황에 맞게 감쇠 특성을 조절할 수 있는 수동 현가장치의 근본적인 문제를 해결할 수 있는 장점이 있으나 구동에 많은 에너지가 필요해 현실적으로 적은 수의 능동 현가장치 만이 현재 사용되고 있다.

이에 본 연구에서는 자성 물질로 이루어진 스프링을 사용하여 기존 스프링에 더하여 자기적 힘을 추가적으로 가할수 있고, 외부 자기장을 이용하여 자기적 힘을 조절할수 있는 새로운 개념의 능동 현가장치 모델을 제안하고 해당 구조에서 어떻게 자기적 힘이 스프링에 작용 하는지 알아보는 기초적인 연구를 진행 하였다. 먼저는 전산모사를 통해 자력으로 인해 발생하는 스프링 힘을 제만 상호작용, 정자기적 상호작용, 교환 상호작용에 대헤 구분하여 계산하였고, 이를 수식화하여 계산할수 있도록 모델링을 진행하였다.

모델링을 통해 유도한 수식을 기반으로 전사 모사의 결과를 분석한 결과, 제만 상호작용에 의해 발생되는 힘은 피치에 따른 z축으로부터의 스핀 각도의 크기 변화율과 밀접한 관련이 있으며, 또한 반자장에 의해 발생하는 힘은 막대기의 수직 방향과의 스핀 각도의 크기 변화율과 밀접한 관련이 있었다. 위 두가지 힘이 평형 스핀의 방향의 변화에 밀접하게 관련이 있었다면, 누설 자장에 의해 발생하는 힘은 그 크기가 오차범위 1% 이내에서 거의 변하지 않는 것을 보아 다른 상호작용과 다르게 피치에 따른 스핀 방향의 변화보다 현재의 스핀 방향이 가장 중요한 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.

이후 모델링을 통해 유도된 수식을 기반으로 구조와 자기장 세기를 변화시키면서 기계적 힘과 자기적 힘을 비교하면서 응용성을 검토하였다. 연구 결과, 모든 길이를 같은 비율로 변화시킬 때 기계적 힘과 자기적 힘 모두 변화시킨 값의 제곱에 비례하여 커지고 그 경향성은 변하지 않는 것을 확인하였다. 그러나 처음 제안했던 구조(d=20mm, D=100mm, p=100mm)에서는 자기적 힘이 기계적 힘보다 0.001~0.00001정도로 작았는데, 이후 와이어 지름과 코일 지름을 변화시키면서 기계적 힘과 새로운 비교해본 결과 와이어 지름은 값이 작아질수록, 코일 지름은 값이 커질수록 기계적 힘과 자기적 힘의 크기가 서로 가까워 지는 것을 확인하였다.

본 연구에서 제안한 자기 스프링은 파워 공급을 위해 추가적으로 복잡한 장치가 필요하지 않으며, 자기장을 통해 간접적으로 힘을 발생시키는 것이기 때문에 많은 에너지가 필요하지 않다는 점에서 강점이 있을 것으로 기대한다.