전자기 엑츄에이터는 모터와 더불어 전기 에너지를 기계 에너지로 변환해주는 전기기기로 리니어컴프레서, 펌프, 휴대폰 진동 모터, 엔진 마운트 등 다양한 산업분야에 널리 적용이 되고 있고 ...
전자기 엑츄에이터는 모터와 더불어 전기 에너지를 기계 에너지로 변환해주는 전기기기로 리니어컴프레서, 펌프, 휴대폰 진동 모터, 엔진 마운트 등 다양한 산업분야에 널리 적용이 되고 있고 응답 속도가 빠르고 다양한 범위의 주파수 영역에서 작동이 가능하고 가진력이 크다는 특징을 가지고 있다. 이 중 엔진 마운트는 차량에서 엔진으로부터 전달되는 진동을 절연하여 승차감을 향상시키는 역할을 하는 자동차 부품으로 최근 전자기 엑츄에이터를 사용한 능동 마운트가 다양하게 연구·개발되고 있다. 전자기 엑츄에이터는 기본적으로 영구자석과 코일에 인가된 전류 사이의 관계인 로렌츠 힘에 의해 동작이 되며 영구자석은 둥근 모양, 링 모양 그리고 사각형 모양의 자석이 사용되고 있다. 하지만 둥근 모양의 영구자석을 사용한 엑츄에이터는 그 구조상 영구자석의 자속이 요크를 통해 코일이 위치한 공극으로 흐르게 되어 영구자석의 자속이 자석으로부터 공극으로 직접 흐르는 경우에 비해 일반적으로 공극에서의 자속 밀도가 낮다. 또한 링 모양의 영구자석을 사용한 경우에는 영구자석의 착자가 어렵고 착자를 한다 하더라도 자석이 약하고 공극에서의 자속밀도는 둥근 모양의 자석보다 낮게 된다. 따라서 본 논문에서는 공극에서 영구자석의 자속 밀도를 높여 전자기 엑츄에이터의 성능을 향상시키기 위해 사각형 모양의 자석을 사용하여 안쪽·바깥쪽의 이중 구조로 영구자석을 배치한 사각형 전자기 엑츄에이터를 제안하고 동적 성능에 관한 연구를 수행하였다. 전자기 엑츄에이터의 성능을 검증할 수 있는 방법으로 상용 전자기 해석 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션이 있다. 둥근 모양의 영구자석을 사용한 원통형 엑츄에이터는 어느 한 축을 중심으로 한 축 대칭 모델로 원통형 엑츄에이터의 단면을 이용하여 짧은 시간에 2D 시뮬레이션이 가능하다. 하지만 사각형 엑츄에이터는 사각형 구조로 인해 2D 시뮬레이션이 불가능하다. 따라서 3D 시뮬레이션을 수행하여야 한다. 하지만 3D 시뮬레이션은 2D 시뮬레이션에 비해 격자(mesh)수가 기하급수적으로 증가하게 되고 이로 인해 시뮬레이션 시간 또한 급격하게 길어지게 된다. 또한 시뮬레이션을 위해서는 고성능·고사양의 컴퓨터가 필요하게 된다. 이런 문제점을 극복하기 위해 사각형 엑츄에이터의 단면을 이용한 2D 시뮬레이션이 가능하도록 하는 등가 모델이 필요하게 된다. 본 논문에서는 사각형 전자기 엑츄에이터의 안쪽 영구자석의 자속 밀도에 초점을 맞추어 자기력 발생에 필요한 유효 코일 길이를 계산하였고, 유효 코일 길이를 계산하는 과정을 통해 등가 모델을 생성하는 방법에 관해 기술하였다. 등가 모델의 단면을 이용하여 이론적 해석을 선행하여 사각형 전자기 엑츄에이터의 전자기적 특성을 파악하였고, 등가 모델을 이용한 2D 시뮬레이션으로 엑츄에이터의 동적 성능을 파악하였다. 또한 3D 모델 시뮬레이션을 통해 등가 모델의 시뮬레이션 결과를 비교·분석 하였다. 최종적으로 사각형 엑츄에이터와의 비교 대상이 되는 원통형 전자기 엑츄에이터의 동적 성능에 관한 해석도 병행하여 사각형 전자기 엑츄에이터의 해석 결과와 비교하였고 본 논문에서 제안한 사각형 전자기 엑츄에이터의 향상된 성능을 검증하였다.
전자기 엑츄에이터는 모터와 더불어 전기 에너지를 기계 에너지로 변환해주는 전기기기로 리니어 컴프레서, 펌프, 휴대폰 진동 모터, 엔진 마운트 등 다양한 산업분야에 널리 적용이 되고 있고 응답 속도가 빠르고 다양한 범위의 주파수 영역에서 작동이 가능하고 가진력이 크다는 특징을 가지고 있다. 이 중 엔진 마운트는 차량에서 엔진으로부터 전달되는 진동을 절연하여 승차감을 향상시키는 역할을 하는 자동차 부품으로 최근 전자기 엑츄에이터를 사용한 능동 마운트가 다양하게 연구·개발되고 있다. 전자기 엑츄에이터는 기본적으로 영구자석과 코일에 인가된 전류 사이의 관계인 로렌츠 힘에 의해 동작이 되며 영구자석은 둥근 모양, 링 모양 그리고 사각형 모양의 자석이 사용되고 있다. 하지만 둥근 모양의 영구자석을 사용한 엑츄에이터는 그 구조상 영구자석의 자속이 요크를 통해 코일이 위치한 공극으로 흐르게 되어 영구자석의 자속이 자석으로부터 공극으로 직접 흐르는 경우에 비해 일반적으로 공극에서의 자속 밀도가 낮다. 또한 링 모양의 영구자석을 사용한 경우에는 영구자석의 착자가 어렵고 착자를 한다 하더라도 자석이 약하고 공극에서의 자속밀도는 둥근 모양의 자석보다 낮게 된다. 따라서 본 논문에서는 공극에서 영구자석의 자속 밀도를 높여 전자기 엑츄에이터의 성능을 향상시키기 위해 사각형 모양의 자석을 사용하여 안쪽·바깥쪽의 이중 구조로 영구자석을 배치한 사각형 전자기 엑츄에이터를 제안하고 동적 성능에 관한 연구를 수행하였다. 전자기 엑츄에이터의 성능을 검증할 수 있는 방법으로 상용 전자기 해석 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션이 있다. 둥근 모양의 영구자석을 사용한 원통형 엑츄에이터는 어느 한 축을 중심으로 한 축 대칭 모델로 원통형 엑츄에이터의 단면을 이용하여 짧은 시간에 2D 시뮬레이션이 가능하다. 하지만 사각형 엑츄에이터는 사각형 구조로 인해 2D 시뮬레이션이 불가능하다. 따라서 3D 시뮬레이션을 수행하여야 한다. 하지만 3D 시뮬레이션은 2D 시뮬레이션에 비해 격자(mesh)수가 기하급수적으로 증가하게 되고 이로 인해 시뮬레이션 시간 또한 급격하게 길어지게 된다. 또한 시뮬레이션을 위해서는 고성능·고사양의 컴퓨터가 필요하게 된다. 이런 문제점을 극복하기 위해 사각형 엑츄에이터의 단면을 이용한 2D 시뮬레이션이 가능하도록 하는 등가 모델이 필요하게 된다. 본 논문에서는 사각형 전자기 엑츄에이터의 안쪽 영구자석의 자속 밀도에 초점을 맞추어 자기력 발생에 필요한 유효 코일 길이를 계산하였고, 유효 코일 길이를 계산하는 과정을 통해 등가 모델을 생성하는 방법에 관해 기술하였다. 등가 모델의 단면을 이용하여 이론적 해석을 선행하여 사각형 전자기 엑츄에이터의 전자기적 특성을 파악하였고, 등가 모델을 이용한 2D 시뮬레이션으로 엑츄에이터의 동적 성능을 파악하였다. 또한 3D 모델 시뮬레이션을 통해 등가 모델의 시뮬레이션 결과를 비교·분석 하였다. 최종적으로 사각형 엑츄에이터와의 비교 대상이 되는 원통형 전자기 엑츄에이터의 동적 성능에 관한 해석도 병행하여 사각형 전자기 엑츄에이터의 해석 결과와 비교하였고 본 논문에서 제안한 사각형 전자기 엑츄에이터의 향상된 성능을 검증하였다.
The purpose of this thesis is to design and simulate the quadratic electromagnetic linear actuator which has many advantages such as no need of addition energy conversion system, space-saving. To overcome the drawback of low flux density when the electromagnetic actuator used round-shape permanent m...
The purpose of this thesis is to design and simulate the quadratic electromagnetic linear actuator which has many advantages such as no need of addition energy conversion system, space-saving. To overcome the drawback of low flux density when the electromagnetic actuator used round-shape permanent magnet, a rectangle-shape permanent magnet is used to make flux density strong in the air gap for improving the dynamic performance of the electromagnetic actuator. The dynamic performance of both cylindrical actuator and quadratic actuator are performed by simulation using an electromagnetic analysis software and verify the enhanced dynamic performance of the quadratic actuator. In order to save the simulation time, equivalent model of the quadratic actuator was made and used simulation. As a result, almost same result was obtained between 3D model simulation and equivalent model simulation. Therefore, the equivalent model was successfully made by calculating effective coil length.
The purpose of this thesis is to design and simulate the quadratic electromagnetic linear actuator which has many advantages such as no need of addition energy conversion system, space-saving. To overcome the drawback of low flux density when the electromagnetic actuator used round-shape permanent magnet, a rectangle-shape permanent magnet is used to make flux density strong in the air gap for improving the dynamic performance of the electromagnetic actuator. The dynamic performance of both cylindrical actuator and quadratic actuator are performed by simulation using an electromagnetic analysis software and verify the enhanced dynamic performance of the quadratic actuator. In order to save the simulation time, equivalent model of the quadratic actuator was made and used simulation. As a result, almost same result was obtained between 3D model simulation and equivalent model simulation. Therefore, the equivalent model was successfully made by calculating effective coil length.
주제어
#Active engine mount electromagnetic linear actuator
학위논문 정보
저자
이정훈
학위수여기관
영남대학교 대학원
학위구분
국내석사
학과
기계공학
지도교수
김진호,이재원
발행연도
2011
키워드
Active engine mount electromagnetic linear actuator
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