[공압지식] 히스테리시스란 무엇인가? 공압 비례제어 밸브로 알아보는 HYSTERESIS

 

 

 

 

 

 

 

[히스테리스시 정의 in Pneumatic]

 

HYSTERESIS : 
사전적 의미 : 이력현상
공압 비례제어에서의 히스테리시스 : 사용자가 설정하고자 하는 FLOW에  달성하는데 필요한 전류의 간극

 

전기기기 분야에서 손실이라는 개념이 있습니다.

 

이 손실에는 히스테리시스 손실과 와류손이라는 것이 있으며, 히스테리시스가 대부분의 손실을 차지합니다.

 

이에 전류의 양을 조절하여 유체를 제어하는 비례제어 밸브와 같은 전자 공압 밸브들의 경우 스펙을 보면 히스테리시스를 확인할 수 있습니다. 히스테리시스를 얼마나 줄일 수 있는가는 제조사들의 기술력이기도 합니다.

 

그렇다면 이 히스테리시스는 무엇이기에 중요한 스펙 중 하나일까요? 어려운 개념 설명 전 이해를 돕기 위해 간략하게 먼저 설명드리자면, 자력의 세기를 0에서 10만큼 증가시킬 때 자력 10의 힘을 내기 위해 전달한 힘의 크기와 자력의 세기를 20에서 10만큼 감소시킬 때 전달하는 힘의 크기가 다름으로써 나타나는 현상을 히스테리시스라고 합니다.

 

단순하게 생각하면 자력을 증가시키고 감소시킴에 있어 비례적으로 제어할 수 있다고 생각할 수 있지만 실제로는 자력이 증가하고 감소함에 있어 그 힘의 간극이 존재합니다.

 

아래의 그래프를 보면 좀 더 이해하기 쉬운데요, 전류의 크기(자계의 세기)에 따른 자속 밀도(자력)를 나타내고 있습니다.

 

  

 

 

 

 

위의 그래프처럼 동일한 자속밀도를 갖기 위해 필요한 자계의 세기의 간극을 히스테리시스라고 하며, 이 간극을 중여야 보다 정확한 유량 및 압력제어가 가능합니다. 

 

중요한 스펙 중 하나이니 앞으로 더욱 자세히 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

[히스테리시스는 왜 발생하는가?]

 

히스테리시스는 자계의 세기에 따른 자속 밀도(자력)의 관계이므로 이 관계에 대한 이해로부터 시작해 보겠습니다.

자계의 세기는 전류로 자속 밀도는 자력으로 치환하여 설명드리겠습니다.

 

 

 

▶ 전류와 자력의 관계

 

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위의 그림과 같이 코일에 전류의 세기를 점차 높이면 한 방향으로 자력이 강해지게 됩니다. 

 

이 자력은 무한대로 커지지 않을 뿐더러 위에서 설명드린 듯이 비례적으로 증가하지 않습니다. 위의 히스테리시스 곡선과 같이 자력의 강도는 전류의 세기에 따라 점차 강해지며 어느 순간에 도달하면 일정한 수준을 넘어서지 못하게 되며, 이 지점은 코일에 낼 수 있는 최대 자력이 됩니다. 아래의 그래프에서 a 지점이 포화지점으로 최대 자력 부분입니다.

최대 자력에 도달한 이후 전류의 세기를 낮추면 자력의 크기는 점차 줄어들게 됩니다.

 

 

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▶ 자력의 특성 - 잔류자기(b)

 

단순하게 생각하면 전류의 세기를 0으로 만들면 자력의 크기도 0이 되어야 하는데 자력의 특성으로 인해 0으로 수렴하지 못하게 됩니다. 자력이 원점으로 돌아오지 못하고 자력이 전류가 0이 되었을 때 남아있는 정도를 잔류자기라고 합니다. 

그렇다면 잔류 자기를 없애기 위해서는 어떻게 해야 할까요?

 

 

▶ 보자력(c)

코일의 양 끝 두 부분 중 처음에 전류를 흘렸던 부분의 반대편에 전류를 전달하면 기존 자력의 방향과 반대되는 방향으로 자력이 발생하게 됩니다. 이 반대되는 자력의 힘으로 인해 자력은 0에 도달하게 됩니다. 이때 0으로 도달하는데 사용되는 반대 전류의 힘을 보자력이라고 합니다. 

 

 

▶ 히스테리시스 곡선

처음에 증가되었던 자력의 힘이 0에 도달한 이후 반대되는 전류의 힘을 증가시키면 자력의 힘은 반대로 강해지게 됩니다. 이 또한 최대 자력 지점에 도달하게 되고 반대 자력의 힘을 줄이면 위에서 설명한 것과 마찬가지로 잔류자기로 인해 0에 도달하지 못한 상태가 됩니다. 

 

이후 다시 반대되는 전류의 힘을 증가시키게 되면 자력의 힘은 0에 도달하고 이후 처음 최대전류의 지점에 도달하게 됩니다. 

 

이런 순환구조가 반복되며 히스테리시스 곡선이 완성됩니다. 

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[CLIPPARD EVP & DVP 전자-유량 비례제어 밸브로 알아보는 히스테리시스]

 

 

 

 

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전자유량 비례제어 밸브는 4 ~ 20mA 사이의 전류의 크기를 조절하여 

유량을 제어하는 중요 공압부품 중 하나입니다. 참고로 0~10vdc의 전압을 활용한 제어도 가능합니다.

 

 

 

 

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위 사진을 보시면 전자-유량 비례제어 밸브 내부에는 코일과 유체가 흐르는 ORIFICE를 막고 있는 포핏(POPPET)으로 구성되어 있습니다. 

전류의 공급을 통해 포핏의 움직임을 제어하여 유량이 흐르는 orifice의 크기가 변화되면서 유량의 양을 제어하는 구조입니다.  

아래의 표는 실제 전자-유량 비례제어 밸브의 전류 대비 유량을 표시한 그래프입니다. 

 

 

 

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위에서 설명드린 히스테리시스 곡선과는 차이가 있습니다. 동일한 이력현상이 발생하지만 잔류자기로 인하여 0으로 도달하지 못하는 특성을 보이지는 않습니다. 

 

이에 대해 설명드리자면,

Normally Closed 상태의 전자-유량 비례제어 밸브의 포핏의 원래 상태는 orifice를 막고 있으려는 성질 즉, 아래로 향하려고 합니다. 전자-유량 비례제어 밸브에 전류의 힘을 증가시키면 포핏이 위로 당겨지며 orifice가 열리게 되어 유량이 증가하게 됩니다. 포핏의 하방 성질 때문에 일정 전류 이상이 되어야만 유량이 증가하는 것을 볼 수 있습니다. 

이후 최대 유량에 도달한 이후 전류의 양을 줄이면 앞서 설명드린 듯이 동일 전류에서 증가시킬 때의 자력의 힘보다 감소시킬 대의 자력의 힘이 강하기 때문에 동일 전류에서 감소시킬 때 유량이 더 많게됩니다. 

이후 전력을 최대한 낮추게 되었을 때 원래대로 라면 잔류자기에 의해 유량이 0으로 수렴하지 못하겠지만 포핏은 아래로 향하려는 성질이 있으므로 orifice는 닫히게 되고 이에 유량은 0으로 수렴할 수 있습니다.

 

 

 

 

▶드라이버 사용을 통한 제어의 편리화

 

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위에서 보신 전자-유량 비례제어 밸브의 유량 그래프는 드라이버를 사용하지 않았을 경우입니다. 제조사에서 제공하는 드라이버를 사용하게 되면 4~20mA 제어의 전자-유량 비례제어 밸브 경우 4mA부터 유량을 제어할 수 있습니다.

파란색 그래프가 드라이버를 사용했을 때 실제 제어되는 유량을 나타내고 있으며 보시다시피 0부터 시작하는 것을 볼 수 있습니다. 

 

 

 

 

 

[EVP & DVP 전자 - 유량 비례제어 밸브]

 

 

​CLIPPARD 사는 10억 싸이클의 솔레노이드 밸브, EV 마우스 밸브로 유명한 미국 유수의 공압부품 전문 제조사입니다. 

스파이더링 기술을 바탕으로 반응속도, 저전력 그리고 내구성을 강화시킨 솔레노이드를 기반으로 유량 비례제어 밸브에 이 기술을 접목시켰습니다. 

CLIPPARD는 오랜기간 자사의 기술 노하우를 바탕으로 다양한 산업과 어플리케이션에 자사의 제품을 적용하고 있으며 그만큼 신뢰도가 높은 제품입니다. 

 

 

 

 

YH INTERNATIONAL은 오랜기간 쌓아온 공압 관련 어플리케이션과 노하우를 바탕으로 고객사에 힘을 보태고 있습니다. 유량 및 압력 비례 & 서보제어와 관련하여 문의사항 있으신 분은
언제든 아래의 연락처로 연락주세요.

 

 

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