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문제 정의
- 이 논문에서는 기존의 접촉식 베어링의 마찰, 마모로 인한 분진 발생 문제와 기존의 실차형 자기부상 시스템의 손 실 및 발열 문제를 동시에 해결하기 위하여 저손실 자기부 상 시스템을 제안하였다. 제안된 하이브리드 자기부상 시스템은 모듈 형태로 제작되어 부상 및 추진이 가능하며, 영구 자석을 사용하여 정상상태에서 소비전력이 거의0이 된다.
- 이 논문에서는 비접촉 지지 및 저손실의 요구 사항을 만 족하는 1톤급의 영구자석 및 코일 혼용 형태의 하이브리드 자기부상 시스템을 제안하며, 그 시스템의 설계, 해석 및 실험결과를 보인다. 자기부상.
제안 방법
- 1은 제작된 CMAG 모듈 시스템을 보여 주고, 전체 모듈의 무게는 1000kg이다. 또한, 모듈의한 쪽 변 마그네트의 움직임으로 인해 다른 쪽 변 마그네트 가 기계적으로 영향을 받지 않도록 하기 위해 안티-롤 빔을 설치하였다. 전체 시스템은 마그네트와 레일, 선형 모터, 센 서, 부상제어기 및 초퍼로 구성된다.
- 즉, 디커플링이 되어야만 서로 간섭을 일으키지 않게 되어 진동이 발생하지 않게 된다. 모드 해석은 부상체인 모듈과 고정체인 트랙 부 분으로 나누어 별도로 하였다.
- 전원장치는 디지털 제어기용, 갭 센서용 및 가속도 센서용으로 나뉘어져 있다. 베이스 및 모듈 프레임은 진동이 일어나지 않도록 강성을 크게 하여 제작하였다.
- 연구 결과로서, 먼저 이 시스템에 대한 설계와 해석 및 제작 결과를 보였다, 마그네트 설계를 위하여 FEM 툴을 사용하였고, 모듈 진동모드 해석을 위하여 ANSYS를 이용 하였다. 부상실험은 초기 부상, 스텝 응답 및 외란 응답 실험을 주로 하였다. 초기 부상실험에서는 모듈의 네 코너가 모두 안정적으로 부상을 하였고, 정상상태에서 마그네트 전류는 약 0.
- 앞 절에서 언급한 하이브리드 방식의 기본 동역학 방정식 을 통하여 이 시스템의 전기 및 기계 운동을 확인하였고, 이 절에서는 저손실 자기부상 시스템에 대한 기본 설계를 한다. 자기부상 시스템은 그 구성 요소로서, 마그네트, 모듈 프레임, 레일, 부상제어기, 초퍼 및 센서로 이루어져 있다.
- 그 외란의 원인은 리니어 모터로부터의 수직 력, 부하의 변화 등을 들 수 있다. 여기서는 부하를 한 쪽 코너에 가함으로써 힘 외란의 효과를 살펴보았다.
- 또한, 반도체 및 LCD 공정 장비에 적용되는 자기부상 시스템은 설계 때 낮은 소비전력을 요구한다. 이 논문에서는 이러한 점을 고려하여 정상상태 소비전력을 가급적 작게 하기 위하여 영구자석과 코일을 겸용하는 하이브리드 방식 을 채택한다. 이 방식은 정상상태에서 부상체의 무게를 지 지하기 위해서 코일 전류가 거의 0A이고, 외란이 발생할 때만 이것을 제어하기 위하여 코일 전류가 변한다.
- 이와 반대로 초기 위치가 바닥 쪽이면 초기 부상 위해 플러스 전류가 흘러야 한다. 이 논문에서는 초기 위치는 레일 쪽으로 하였으며, 마그네트와 레일 사이에 의 갭을 유지시키기 위해 가이드 롤러를 설치했다. 따라서 갭의 최소값은 1.
- 마그네트에 큰 전류가 흐르 면 발열 문제가 발생하므로 정상상태에서는 가능한 한 전류 를 최소한으로 유지시켜야만 한다. 이러한 소비전력 증가와 발열 문제를 해결하기 위해 이 논문에서는 마그네트에 코일 외에 영구자석을 추가한다.
- 이 논문에서는 기존의 접촉식 베어링의 마찰, 마모로 인한 분진 발생 문제와 기존의 실차형 자기부상 시스템의 손 실 및 발열 문제를 동시에 해결하기 위하여 저손실 자기부 상 시스템을 제안하였다. 제안된 하이브리드 자기부상 시스템은 모듈 형태로 제작되어 부상 및 추진이 가능하며, 영구 자석을 사용하여 정상상태에서 소비전력이 거의0이 된다.
- 마그네트 설계는 FEM 전자장 해석 소프트 웨어 툴인 MaxwelKll]을 사용하였고, 모듈 프레임 및 트랙 의 진동 모드 해석은 기계 해석용 소프트웨어 툴인 ANSYSH2]로 하였다. 제어 대상인 자기부상 시스템의 설계 및 제작 후, 초기 부상, 스텝 응답 및 외란 응답 등의 부상 실험을 통하여 제어 성능에 대한 설계 사양을 만족하는 가 를 확인하여 시스템의 성능을 검증하였다.
- 제작된 하이브리드 자기부상 시스템의 부상특성을 검증하기 위하여 부상실험을 한다. 자기부상열차는 운행 중에 부 상, 추진 및 착지의 동작을 연속적으로 한다.
- 하이브리드 마그네트를 설계하기 위하여 MAXWELL 소 프트웨어를 사용하였고, 중요 설계 결과는 전류 및 갭에 따른 흡인력과 코어에서의 자속 포화 여부이다.
대상 데이터
- 또한 시스템에 외란이 들어오면 제어성능이 나빠지므로 외 란 제거 성능이 부상 제어시스템에서는 가장 중요한 기준이 된다. 레일과 마그네트 코어의 재료는 S20C이고, 영구자석 의 재료는 NdFeB이며 잔류 자속밀도 BF은 1.17T이다. θp 는 #과 같다
- 자기부상 모듈은 마그네트를 감싸며 기계적으로 진동이 일어나지 않도록 해야 하고, 구조적으로 부상 메카니즘에 문제가 없도록 설계가 되어야 한다. 모듈 프레임의 재료는 알 루미늄이고, 부상체 모듈과 상판 사이에 스프링과 댐퍼를 설 치했다. 전체 모듈 무게인 1000kg 중 상판 위에 얹은 부하는 560kg이고, 모듈의 자체 무게는 440kg이다.
- 시스템은 마그네트, 부상제 어기, 초퍼, 모듈, 센서 등으로 이루어져 있기 때문에 각 요 소에 대한 설계 규격이 필요하다. 설계 사양으로서, 전체 부 상체의 무게는 1000kg이고, 마그네트와 레일 사이의 갭은 3 mm 이다. 따라서 제작 오차가 없다면, 갭 3mm에서 부상력 은 부상체의 무게와 같고, 이때 코일 전류는 0A가 되어, 영구자석의 기자력에 의해서 부상체 자중이 지지된다.
- 초퍼의 직류 입력 전압은 120V, 초퍼 게인은 24이다. 스위칭 소자는 600V, 1004급의 IGBT(insulated gate bipolar transistor)를 사용하였고, 스위 칭 주파수는 12㎑이다.
- 부상제어기는 불안정한 하이브리드 자기부상 시스템을 안 정화시키는 동시에 외란으로부터 시스템의 제어 성능을 일 정 기준 내에서 유지시키는 역할을 한다. 이 논문에서는 부 상제어기로서, 실시간 운영체제인 VxWorks[13]와 VME 버스 기반의 PowerPC[14] 를 사용하였고, 클럭 주파수는 300MHz 이다. 제어 알고리즘은 C 언어로 작성되며, VxWorks 개발 환경인 Tomado[15]를 사용하여 PC에서 개발 및 컴파일 후, 디지털 제어 보드로 다운로드 된다.
- 모듈 프레임의 재료는 알 루미늄이고, 부상체 모듈과 상판 사이에 스프링과 댐퍼를 설 치했다. 전체 모듈 무게인 1000kg 중 상판 위에 얹은 부하는 560kg이고, 모듈의 자체 무게는 440kg이다. 모듈은 좌, 우변이 안티롤 빔으로 연결되어 있어 한 쪽 변의 마그네트 가 다른 변에 기계적으로 영향을 주지 않게 된다.
- 또한, 모듈의한 쪽 변 마그네트의 움직임으로 인해 다른 쪽 변 마그네트 가 기계적으로 영향을 받지 않도록 하기 위해 안티-롤 빔을 설치하였다. 전체 시스템은 마그네트와 레일, 선형 모터, 센 서, 부상제어기 및 초퍼로 구성된다. 추진 시스템은 이 논 문의 범위를 벗어나므로 여기서는 다루지 않기로 한다.
- 0mm로 될 때, 기준 갭, 마그네트 갭, 제어 전압 및 전류 파형이다. 정상상태에서 마그네트 갭 은 3.0mm 이고, 전류는 0/이다. 스텝 응답의 설계 사양은 오버슈트가 20% 이내, 상승 시간은 20msec 이내인 데, 결과는 기준 갭이 3.
- 모듈은 좌, 우변의 마그네트가 기계적으로 분리되어 서로 영향을 주지 않아야 한다. 트랙의 형상은 U자형이며, 길이는 3m, 재료는 S20C이다. 부상제어기는 디지털 프로세서로 구현되고, 샘플 링 주파수는 4㎑이다.
데이터처리
- 그리고 모듈의 좌, 우 그룹은 서로 기계적으로 분리되어 영향을 주지 않는다. 마그네트 설계는 FEM 전자장 해석 소프트 웨어 툴인 MaxwelKll]을 사용하였고, 모듈 프레임 및 트랙 의 진동 모드 해석은 기계 해석용 소프트웨어 툴인 ANSYSH2]로 하였다. 제어 대상인 자기부상 시스템의 설계 및 제작 후, 초기 부상, 스텝 응답 및 외란 응답 등의 부상 실험을 통하여 제어 성능에 대한 설계 사양을 만족하는 가 를 확인하여 시스템의 성능을 검증하였다.
- 모듈은 좌, 우변이 안티롤 빔으로 연결되어 있어 한 쪽 변의 마그네트 가 다른 변에 기계적으로 영향을 주지 않게 된다. 설계된 모듈의 진동 특성을 파악하기 위하여 기계 정특성 해석용 소프트웨어 툴인 ANSYS를 이용하여 진동 모드해석을 하였다. 자기부상 시스템에서 트랙을 포함한 모듈 시스템의 1차 고유주파수는 자기부상 및 추진시스템의 동작 주파수보다 높아야만 공진 현상이 일어나지 않게 된다.
- 연구 결과로서, 먼저 이 시스템에 대한 설계와 해석 및 제작 결과를 보였다, 마그네트 설계를 위하여 FEM 툴을 사용하였고, 모듈 진동모드 해석을 위하여 ANSYS를 이용 하였다. 부상실험은 초기 부상, 스텝 응답 및 외란 응답 실험을 주로 하였다.
성능/효과
- 4가 되었다. 스텝 응답에서는 갭의 오버슈트가 약 15%, 상승 시간이 약 10msec이고, 외란 응답에서는 갭 피 크값이 0.2mm가 되어 각각의 실험에서 설계 사양을 모두 만족하여 실차형 저손실 자기부상 시스템 개발의 가능성을 확인하였다
후속연구
- 따라서 저가형 센 서를 개발할 예정이다. 또한, 여기서는 자기부상 모듈과 레 일의 정특성만 해석하였으나 정확한 설계 및 해석을 위해서 차량, 2차 서스펜션, 레일, 마그네트 및 부상제어기를 포함하는 다이나믹 시뮬레이션을 해야만 하며, 다이나믹 시뮬레이션 패키지의 일종인 ADAMS/Control과 Matlab/Simulink를 이용하여 구축할 예정이다.
- 앞으로 할 일은 리니어 모터를 이용한 추진 실험을 하여 완전한 자기부상 모듈을 개발하는 것이다, 그리고 이 연구에서는 갭 센서와 가속도 센서의 전체 가격이 1000만원 정도로 고가이어서 실용화에 걸림돌이 된다. 따라서 저가형 센 서를 개발할 예정이다.
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