2.1 기존의 기계식 댐퍼와 EM 댐퍼

기존에는 주로 점성 마찰식 또는 유압을 이용한 기계식 댐퍼가 자동차나 다른 기구 시스템에서 사용된다. 기계식 댐퍼는 진동의 크기와 무관하게 일정한 댐핑력을 주는 구조이므로 진동의 급격한 변동을 억제하기 힘들다는 단점이 있다. 진동이 큰 경우에도 동일한 댐핑력이 인가되므로 진동억제에 제한사항이 있다, 그림 1과 그림 2에서 점성마찰식 댐퍼와 유압식댐퍼의 구조를 보여준다.

기존 EM댐퍼는 충격흡수기, 유압회로 및 기타 유압 부품들을 연결한 후 표준 자동 폐쇄 커플링을 사용하며 충격 흡수를 하며, 실린더의 두 부문에서의 양방향 이동을 유압회로의 네 개의 체크벨브에 의해 한 방향 회전으로 향하게 구성되어 감쇠력을 확보한다⁽²⁾. 하지만 복잡한 구조와 유압 부품을 사용하여 비용이 높아져서 적용 분야가 제한된다는 문제점이 있다. 그림 3에 기존의 EM댐퍼의 구조를 나타내었다.

2.2 와전류형 EM댐퍼의 구조

본 논문에서는 기존의 기계식 댐퍼와 기존의 EM 댐퍼의 문제점을 해결 가능한 와전류형 EM 댐퍼를 제안한다. 와전류형 EM 댐퍼는 유압 댐퍼의 구조와 유사한 구조로 로드의 플런저에 영구자석을 삽입하고 실린더 외벽에 구리를 매입한 구조로 되어있다⁽³⁾. 영구자석에 의한 자기장내에서 움직이는 전도체에 유도되는 전류밀도 $\vec{J}$는 표면전하를 무시하면 다음과 같다.

여기서, $\vec{J}$와 $\vec{B}$는 각각, 전도판이 움직이는 속도와 자기 플럭스 밀도이며, $\vec{\nu}$×$\vec{B}$는 전류밀도 $\vec{J}$를 유도하는 기전력이다. 식(1)로부터 유도전류는 속도와 자기장의 수직성분 값에 비례함을 알 수 있다. 수직방향의 자기장에 대해 전도체가 수평방향으로 움직이기 때문에 와전류가 발생하게 된다. 와전류와 자기장에 의한 전자기력의 방향은 전도체의 운동방향과 반대이며, 다음과 같이 표현할 수 있다⁽³⁾.

자석과 전도체는 감쇠기의 역할을 하게 되며, 능동적인 감쇠력을 확보할 수 있다⁽⁴⁾. 그림 4는 와전류형 EM댐퍼의 단면 구조를 보여준다.

2.3 유한요소해석

앞서 제시한 와전류형 EM 댐퍼의 감쇠력을 검증하기 위하여 2D 유한 요소해석을 적용하여 모델링 및 해석을 진행하였다. 본 논문에서 적용한 유한 요소해석은 진동 축을 기준으로 한쪽 단면만 모델링하여 해석하는 축대칭 해석 방법을 적용하였다.

와전류형 EM댐퍼의 모델링은 앞서 설정한 표 1의 사양으로 설정하였고. 영구자석의 진동조건은 진폭을 18mm 4Hz의 빈도의 조건으로 설정하였으며, 도체 Bar의 영역을 영구자석의 진동 범위보다 넓은 범위로 설정하여 영구자석과 도체 Bar의 위치에 따라 일정한 감쇠력이 발생될 수 있도록 하였으며 정확한 해석을 위해 적절한 요소망 조건을 설정하여 해석을 진행하였다. 그림 5에 요소망 조건, 자속변화, 자속밀도 유한요소해석모델을 나타내었다.

그림 6에서는 와전류형 EM 댐퍼의 영구자석이 상하로 움직임에 의해 발생되는 감쇠력에 대한 유한 요소해석 결과를 나타내었다. 영구자석의 진동방향과 반대의 방향으로 감쇠력이 발생됨을 확인하였고 그 크기는 최대 -7.24[N], 7.53[N]으로 확인되었다.

그림 7에 18mm의 진폭에서 와전류형 댐퍼에 대한 주파수에 따른 변위-힘, 속도-힘 관계를 나타내는 히스테리시스 곡선을 나타내었다. 속도-힘 관계 일정한 진폭에서 주파수가 증가함에 따라 감쇠력이 증가했으며, 주파수가 커질수록 히스테리시스 곡선은 주축 및 부축 방향으로 거의 균일하게 확장되는 것으로 나타났다.

표 2에서는 18mm의 진폭에서 와전류형 EM 댐퍼에 대한 주파수에 따른 최대속도, 최대 감쇠력을 나타내었다.