[논문]FEM을 이용한 동기식 리니어모터 열특성의 해석

은인웅

doi:10.3795/ksme-a.2002.26.8.1461

FEM을 이용한 동기식 리니어모터 열특성의 해석
Analysis for the Thermal Behavior of Synchronous Linear Motor by EEM 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.26 no.8 = no.203, 2002년, pp.1461 - 1471

은인웅

Abstract ▼ AI-Helper

Linear motor has a lot of advantages in comparison with conventional feed mechanisms: high velocity, high acceleration, good positioning accuracy and a long lifetime. An important disadvantage of linear motor is its high power loss and heating up of motor and neighboring machine components in operation. For the application of the linear motors to precision machine tools an effective cooling method and thermal optimizing measures are required. In this paper Finite-Element-Method for the thermal behavior of synchronous linear motor is introduced, which is useful for the design and manufacturing of linear motors. By modeling the linear motor the orthotropic physical properties of the sheet metal and windings were considered and convective coefficient in the water cooler and to the surroundings was defined by analytical and experimental method. The calculated isothermal lines could analyze the heat flow in the linear motor.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

(3) FEM을 이용하면 온도 센서나 적외선카메라로 온도측정이 불가능한 모터 내부의 권선이나 철심의 온도분포를 해석 할 수 있기에 리니어모터의 설계 및 제조 시 많이 사용되는 방법이다. 본 논문에서는 고속. 고추력 동기식 리니어모터(Synchronous linear motor)의 정상 상태(Steady-state condition)에서의 열특성을 FEM을 사용하여 해석한다.

가설 설정

5 mm의 철심이 X 방향으로 수백 장이 평행하게 배열되어 있고 그 사이에 와전류에 의한 전기적인 손실을 줄이기 위해서 페놀이나 에폭시 기반의 단열재가 들어있다."3) 그리하여 철심은 배열된 방향에 따라서 열전도계수(入)의 큰 차이를 보인다. 리니 어모터 의 이송 방향 (z 방향) 그리고 수직 방향 (y 방향)으로는 상대적으로 좋은 열전도계수를 가지며, 그 값은 철심의 재질에 따라 다르나 본 모터의 경우 48 W/mK 이다.

제안 방법

마찰열은 마찰력과 속도에 의하여 결정되며, 마찰력에 직접 영향을 주는 요소는 프라이머리 파트와 세컨더리 파트 사이에 작용하는 자기력과 운동부의 질량, 사용된 리 이어 가이던스의 형상, 스크레이퍼의 부착 유무, 이송속도 그리고 사용된 윤활유의 종류 등이다."'1) 본 실험에 사용된 4개의 RUE 35 DHL은 롤러 리 이어 가이던스이고 운동 방향으로 스크레이퍼가 부착되었으며 그리이스 윤활 방식을 채택하여 약 2000 m 의 주행 후에 마찰력을 측정하였다. 본 연구에 사용된 리니어모터의 자기력은 14600 N (부록 Table 1 참조)이고 프라이머리 파트를 포함한 운동부의 중량은 172 kg (1687 N)이다.
3 ℃ 의 오차 한계를 가지고 있다.(2。)온도를 측정하는 구조물과 센서 사이의 열저항을 줄이고 열전도를 높이기 위해 열전 도제를 첨가하였다. 측정한 온도는 병렬 인터페이스를 통하여 PC에 저장되었다.
본 논문에서는 고속. 고추력 동기식 리니어모터(Synchronous linear motor)의 정상 상태(Steady-state condition)에서의 열특성을 FEM을 사용하여 해석한다.
14 에는 프라이머리 파트의 열 손실이 2600 W, 냉각기에 유입되는 수량 이 10 1/min, 유입온도 19 ℃ 일 때의, 프라이머리 파트와 테이블의 y-z 단면에서 등온곡선이다. 모 터나 구조물로부터 공기로의 열전달은 리니어모터가 1 m/s의 속도로 이송 운동할 경우에서 계산하였다. 그림에서 보여주는 바와 같이 권선의 중앙 부에서의 온도는 약 95.
위의 FEM에 의한 계산치와 온도 센서에 의한 측정값을 비교한다. 온도측정에는 플라틴(PT 100) 금 속 저항 센서가 사용되었으며, 이온도 센서는 측정 범 위 -220 ~ 750 ℃ 사이에 서 ±0.
8은 리니어모터의 전기적 열 손실을 측정하는 장치와 결과를 보여주고 있다. 위치제어 된 상태에서 이송 방향으로 힘을 가하고 로드 셀로 측정하였으며 연속추력의 최대치보다 약간 높은 약 3300N까지 힘의 변화에 따른 열 손실을 CNC 제어 기와 리니어모터 사이에 설치한 동력계(Digital power meter)로 직접 즉정 하였다.
프라이머리 파트와 세컨더리 파트 사이에 수직으로 작용하는 높은 자기력을 받고 고속 이송을 가능하게 하기 위해 롤러 리 이어 가이던스를 사용하였다.(1。) 길이 측정 장치로는 분해능 lgm 의 Heidenhein 사의 LC₁₈1 NC 제어기는 Indramat 의 DDS2.

대상 데이터

프라이머리 파트와 세컨더리 파트 사이에 수직으로 작용하는 높은 자기력을 받고 고속 이송을 가능하게 하기 위해 롤러 리 이어 가이던스를 사용하였다.(1。) 길이 측정 장치로는 분해능 lgm 의 Heidenhein 사의 LC₁₈1 NC 제어기는 Indramat 의 DDS2.伊2)이 사용되었다.
식 (17) 에서 E는 복사계수이며 완전 흑체의 경우 그 값이 1이고 실제 물체의 경우 1보다 작다. 본 실험에 사용된 리니어모터와 구조물은 흑색으로 도장 되어 있고 이 경우 e=0.97이다.⑲ ° 는 Stefan-Bolzmann 상수로써 그 값은 5.
즉, 리니어모터 자체의 열원은 크지만 수냉을 하였을 때 테이블의 열 변위는 그다지 크지 않다. 본 연구에 사용된 고속. 중절삭용 리니어모터의 경우 모터로부터 테이블로의 단열 또는 구조변경을 통하여 테이블의 온도상승과 열변위 16um 이하로 충분히 감소시킬 수 있다.
온도 해석에 의한 결과로 테이블의 이송 방향으로의 위치 변위를 계산할 수 있다. 본 연구에 사용된 리니어모터의 길이는 650 mm(부록 Table 1 참조)이고 정격전류 하에서 10 1/min 로 수냉시에 온도상승으로 인한 테이블의 열변 위는 다음과 같이 계산된다.
"'1) 본 실험에 사용된 4개의 RUE 35 DHL은 롤러 리 이어 가이던스이고 운동 방향으로 스크레이퍼가 부착되었으며 그리이스 윤활 방식을 채택하여 약 2000 m 의 주행 후에 마찰력을 측정하였다. 본 연구에 사용된 리니어모터의 자기력은 14600 N (부록 Table 1 참조)이고 프라이머리 파트를 포함한 운동부의 중량은 172 kg (1687 N)이다. 즉 수직력은 16287 N (운동부 당 4072 N) 이 고, 이때의 생산회사에 의해 주어진 마찰계수는 속도 범위 1 ~ 2 m/s에서 0.
연구에 사용된 리니어모터의 열원은 프라이머 리 파트의 권선 내에서의 오옴저항손실로써 약 2600 W 에 이르고, 리 이어 가이던스의 마찰열은 60 m/min의 속도에서 118 W 가 되어 전기손실에 비해 무시할 수 있다. 프라이머리 파트는 수냉각에도 불구하고 권선이 가지는 정방 성의 물성으로 인하여 충분히 냉각되지 않는다.

이론/모형

본 연구는 고속. 중절삭 이송 장치로 적합한 동기식 리니어모터의 열특성을 유한요소법(FEM)을 사용하여 해석하였다.

성능/효과

구조물의 열전달 계수는 11 ~ 18 W/m2K 그리고 리니어 모터 표면에서의 열전달 계수는 13 ~ 21 W/m2K 이다. 종합적으로, 리니어모터와 운동하는 구조물로부터 공기로의 열전달 계수는 낮은 편이며, 예를 들어 리니어모터가 1.5 m/s의 고속 직선운동을 할지라도 열전달 계수는 20 W/m2K 이하가 된다. 회전 모터의 경우에는 모터가 정격전류 하에서 회전하게 되면 모터 자체 내에서 공냉효과 (Ventilation effect)가 있으나, 리니어모터의 경우는 자체 내의 냉각 효과가 없기에 공냉을 기대할 수 없고 반드시 수냉이나 유 냉을 통하여 내부에서 발생한 열을 외 부로 방출해야만 한다.

후속연구

본 연구에서 소개된 FEM 모델링은 모터의 전 기손실이 철손은 거의 없고 권선 내의 오옴저항손 실인 동기식 리니어모터의 열해석에 유용하게 사용될 수 있다.
본 연구에서 제시된 FEM 모델링은 그 대상이 철손이 거의 없고 열 손실이 권선 내의 오옴저항손 실에 국한되는 동기식 리니어모터로 제한된다. 손실동력과 수관 내의 평균 열대류 계수 am 그리고 냉각수의 온도상승 A9의 정확한 측정은 신뢰성 있는 FEM 해석의 전제조건이 된다.
이와 같은 사항을 고려하여 본 연구에서 시도된 방법은 다른 생산회사나 크기의 동기식 리니어모터 열해석을 위한 일반적인 자료로 사용될 수 있다. 본 자료는 여기에 소개된 리니어모터의 열특성의 해석뿐 아니라, 궁극적으로 냉각기의 형상, 모터의 구조변경 그리고 단열재의 사용과 같은 방법을 통하여 리니어모터의 열특성을 최적화하는 효과적인 도구로써 사용될 수 있다.(8)
권선 내의 온도는 상당히 높고 재료의 물성, 열원 그리고 냉각조건에 의해서 민감하게 변하기에 권선에 부착된 온도 센서에 의해 CNC 제어기에서 읽어지는 측정온도와 FEM에 의한 계산된 결과의 비교는 필수적이다. 이와 같은 사항을 고려하여 본 연구에서 시도된 방법은 다른 생산회사나 크기의 동기식 리니어모터 열해석을 위한 일반적인 자료로 사용될 수 있다. 본 자료는 여기에 소개된 리니어모터의 열특성의 해석뿐 아니라, 궁극적으로 냉각기의 형상, 모터의 구조변경 그리고 단열재의 사용과 같은 방법을 통하여 리니어모터의 열특성을 최적화하는 효과적인 도구로써 사용될 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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