[논문]원통형 Halbach 배열 영구자석을 갖는 가동자석형 LOA의 동특성 해석

장석명; 최장영; 조한욱

원통형 Halbach 배열 영구자석을 갖는 가동자석형 LOA의 동특성 해석
Analysis on Dynamic Characteristics for Moving-Magnet Linear Oscillatory Actuator with Cylindrical Halbach Array 원문보기

전기학회논문지. The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. B, 전기기기 및 에너지변환시스템부문, v.54 no.11, 2005년, pp.533 - 539

장석명 (충남대 공대 전기공학과) , 최장영 (충남대 공대 전기공학과) , 조한욱 (충남대 공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the previous work, we performed the analysis of a tubular type moving-magnet linear oscillatory actuator (LOA) with cylindrical Halbach array by using 2-d analytical formulas and confirmed validity of analytical results by comparison of those with both finite element (FE) computation and experimental results. This paper deals with the dynamic characteristic analysis of the moving-magnet LOA with cylindrical Halbach array. Control parameters such as the thrust constant, the back-emf constant, resistance and inductance are obtained from both analytical and experimental results. And then, the dynamic simulation algorithm is established by the state and output equation obtained from voltage and motion equation. Finally, for various values of frequency, the dynamic simulation and experimental results for the characteristics of the voltage, current and displacement of moving-magnet LOA are presented. The simulation results are validated extensively by experiments. The experimental and simulation results for the variation of stroke according to control voltage are also presented for various values of frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

우리는 이미[7]에서 원통형 디albach 배열을 갖는 가동 자석형 LOA의 특성해석을 수행함으로써 자계, 쇄교자속, 역 기전력 및 추력 특성식을 도출하였다. 따라서 본 논문에서는 도줄된 특성식으로부터 둥가회로 제어정수를 도출하고자 한 다. 먼저 영구자석 및 고정자 권선에 의한 공극영역에서의 반경방향 성분 자계특성식은 식 (1)로 주어진다.
본 논문은 '가동자석형 LOA의 동특성 해석 및 실험에 대 하여 다루었다. 우선 자기 벡터 자위와 원통 좌표계로부터 얻어진 가동자석형 LOA의 해석해로부터 추력상수, 역기전 력 상수, 인덕턴스와 같은 제어정수를 도출하였고, 도출된 제어정수는 유한요소 해석과 실험적 방법에 의해 얻어진 제 어정수와의 비교로부터 타당성이 입증 되었다.

제안 방법

우선 자기 벡터 자위와 원통 좌표계로부터 얻어진 가동자석형 LOA의 해석해로부터 추력상수, 역기전 력 상수, 인덕턴스와 같은 제어정수를 도출하였고, 도출된 제어정수는 유한요소 해석과 실험적 방법에 의해 얻어진 제 어정수와의 비교로부터 타당성이 입증 되었다. 그 다음 운동 방정식 및 전압 방정식으로부터 상태방정식을 도출한 후 도 출된 상태방정식을 사용하여 동특성 시뮬레이션 알고리즘을 세웠다. 도출된 제어정수를 시뮬레이션알고리즘에 적용하여 가동자석형 LOA의 변위와 전류와 같은 동특성을 다양한 주 파수에 대하여 예측하였고, 예측된 동특성은 실험을 통하여 검 증되 었다.
그 다음 운동 방정식 및 전압 방정식으로부터 상태방정식을 도출한 후 도 출된 상태방정식을 사용하여 동특성 시뮬레이션 알고리즘을 세웠다. 도출된 제어정수를 시뮬레이션알고리즘에 적용하여 가동자석형 LOA의 변위와 전류와 같은 동특성을 다양한 주 파수에 대하여 예측하였고, 예측된 동특성은 실험을 통하여 검 증되 었다. 마지 막으로, DSP 혹은 마이 크로프로세서 (80196X 사용하여 양방향 전압구동을 실행하고 스프링이 있는 경우의 공진 주파수가 가동자석형 LOA의 동특성에 미 치는 영향에 대한 연구를 향후 수행할 것이다.
slotless 구조에 의한 추 력밀도의 감소 문제는 현재 고 에너지 rare earth 영구자석 의 출현과 앞에서 언급한 Halbach 배열 가동자를 사용함으 로써 해결되어 질 수 있다. 따라서 이러한 이유로 본 논문은 고정자구조를 slotless 구조로 선택하였다
우리는 이미[7]에서 원통형 디albach 배열을 갖는 가동 자석형 LOA의 특성해석을 수행함으로써 자계, 쇄교자속, 역 기전력 및 추력 특성식을 도출하였다. 따라서 본 논문에서는 도줄된 특성식으로부터 둥가회로 제어정수를 도출하고자 한 다.
역기전력 상수. 저항 및 인덕 턴스와 같은 제어정수를 도출한 후, 전압 및 운동방정식으로 부터 동특성 시뮬레이션 알고리즘을 유도하였다. 마지막으로 전류 및 변위와 같은 동특성에 대한 실험결과와 시뮬레이션 결과를 다양한 주파수에 대하여 제시하였고, 시뮬레이션 결 과는 실험결과와 잘 일치함을 보였다.
이러한 이유로 본 논문에서는 가 동자 영구자석 배열로 Halbach 배열을 선택하였으며. 특히 그림 1(b)에 보이는 6개의 평행방향 자화된 자석 편으로 구 성된 링 형 영구자석을 사용하여 Halbach 배열 영구자석을 구성하였다. 이 구성에 대한 자세한 설명은[7]에 자세히 언 급되어 있으므로 중복을 피하기 위하여 생략되었다.

대상 데이터

그림 6은 가동자석형 LOA의 변위 및 전류에 대한 동특성 측정을 위한 실험구성도를 보여준다. 실험장치는 스프링을 갖는 LOA, 변위측정을 위한 위치 센서, 전압 및 전류 측정 을 위한 센싱 부, DC 전원 공급 장치로부터 공급 받은 DC 전압을 펄스 파로 만들어 주는 게이트 드라이버 와 DC 전압 을 공급하는 DC power supply로 구성되어 있다. 한편.

이론/모형

또한 Halbach 자화의 공극자속밀도 기본파 성분은 반경방향 자 화의 그것보다 沔배 크며 결과적으로 전동기의 전력 효율 은 2배가 커질 뿐만 아니라, Halbach 자화의 공극자속밀도 파형은 다른 두 가지에 비해 매우 정현적이서 결과적으로 제 어 구조가 간단해진다 (8J. 이러한 이유로 본 논문에서는 가 동자 영구자석 배열로 Halbach 배열을 선택하였으며. 특히 그림 1(b)에 보이는 6개의 평행방향 자화된 자석 편으로 구 성된 링 형 영구자석을 사용하여 Halbach 배열 영구자석을 구성하였다.

성능/효과

그림 8은 다양한 주파수에 대한 인가전압에 따른 스트로크의 변화를 보여준 다. 그림에서 알 수 있듯이, 본 논문에서 제시된 가동자석형 LOA의 스트로크는 인가전압에 대하여 우수한 선형성 즉 인 가전압이 증가함에 따라 스트로크가 커짐을 알 수 있다.
저항 및 인덕 턴스와 같은 제어정수를 도출한 후, 전압 및 운동방정식으로 부터 동특성 시뮬레이션 알고리즘을 유도하였다. 마지막으로 전류 및 변위와 같은 동특성에 대한 실험결과와 시뮬레이션 결과를 다양한 주파수에 대하여 제시하였고, 시뮬레이션 결 과는 실험결과와 잘 일치함을 보였다.
우리는 [7]에서 공간고조파법을 이용하여 원통형 Halbach 배열 영구자석을 갖는 가동자석형 LOA의 전자기 적 특성해석을 수행함으로써, 영구자석 및 고정자 권선에 의 한 자계. 쇄교자속, 역기전력 및 추력 특성식을 도출하고 해 석적결과는 유한요소 해석결과 및 실험에 의해 매우 잘 일치 함을 확인하였다. 따라서 본 논문은[7]에서 얻어진 특성 식 및 실험으로부터 추력상수.
시뮬레이션 에서의 전압은 그림 4의 시뮬레이션 알고리즘에 보이는 reference voltage와 동일하고 실험에서의 전압은 LOA에 걸리는 전압을 보여준다. 실험 결과는 시뮬레이션 결과와 대 체적으로 잘 일치함을 보이며, 전압 및 전류 파형의 실험결 과에 대한 고찰 및 스트로크가 입력 전압에 비해 뒤지는 이 유는 다음 장에서 자세하게 다룰 것이다. 그림 8은 다양한 주파수에 대한 인가전압에 따른 스트로크의 변화를 보여준 다.
본 논문은 '가동자석형 LOA의 동특성 해석 및 실험에 대 하여 다루었다. 우선 자기 벡터 자위와 원통 좌표계로부터 얻어진 가동자석형 LOA의 해석해로부터 추력상수, 역기전 력 상수, 인덕턴스와 같은 제어정수를 도출하였고, 도출된 제어정수는 유한요소 해석과 실험적 방법에 의해 얻어진 제 어정수와의 비교로부터 타당성이 입증 되었다. 그 다음 운동 방정식 및 전압 방정식으로부터 상태방정식을 도출한 후 도 출된 상태방정식을 사용하여 동특성 시뮬레이션 알고리즘을 세웠다.

후속연구

그러나 본 논문에서 제시 된 가동자석형 LOA는 표1에서 보는 바와 같이 매우 작은 시정수를 갖고 있기 때문에 양방향 구동을 위해서는 DSP와 같이 고속 스위칭으로 PWM을 만들어주는 장치를 필요로 하므로 상대적으로 본 논문에서 제시된 구동방식에 비해 드 라이브 시스템 가격 측면에서 비싼 것이 사실이다. 게다가, 비록 본 논문에서 제시된 드라이브 시스템은 공진 주파수를 이용할 수 없을지라도, 변위 및 전류와 같은 기본적인 동특 성 및 도출된 제어정수의 타당성을 검증하기에는 충분할 뿐 만 아니라, 단순히 일정 변위의 왕복운동을 요구하는 시스템 에 적용하기에는 무리가 없을 것으로 사료된다.
도출된 제어정수를 시뮬레이션알고리즘에 적용하여 가동자석형 LOA의 변위와 전류와 같은 동특성을 다양한 주 파수에 대하여 예측하였고, 예측된 동특성은 실험을 통하여 검 증되 었다. 마지 막으로, DSP 혹은 마이 크로프로세서 (80196X 사용하여 양방향 전압구동을 실행하고 스프링이 있는 경우의 공진 주파수가 가동자석형 LOA의 동특성에 미 치는 영향에 대한 연구를 향후 수행할 것이다..
표 1은 공간고조파법, 유한요소법 및 실험에 의해 얻어진 가동자석형 LOA의 제어정수를 보여준다. 해석적 결과에 의 해 얻어진 제어정수는 실험으로부터 얻어진 그것과 매우 잘 일치함을 볼 수 있고, 다음 절에서 공간고조파법 및 실험을 이용한 제어정수 도출 과정을 상세하게 다룰 것이다.

참고문헌 (15)

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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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