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문제 정의
- 리니어 모터의 경우, 위치 정밀성을 높이기 위하여 고정자를 정밀연삭가공으로 제작하여, 모터가격이 매우 높아지기 때문이다. 이에 본 연구에서는 적층코어 구조로 고정자를구성, 저 가격 형을 목표로 영 구자석을 사용한 하이 브리드형 리니어펄스모터(LPM)의 시제품을 개발하였다. 완성된 시제품의 정추력을 수치모델 해석 값과 실험치를 비교했으며 정특성 및 동특성을 실험으로 측정하였다.
- LPM의 경 우 추력 의 측정 시 험 방법 이 아직 정 착되어 있지 않다. 이에 본 연구에서는특성시험 장비를고안하여 시 작품 LPM의 추력 정 특성 과 동특성을 측정 하였다.
제안 방법
- 이에 본 연구에서는 적층코어 구조로 고정자를구성, 저 가격 형을 목표로 영 구자석을 사용한 하이 브리드형 리니어펄스모터(LPM)의 시제품을 개발하였다. 완성된 시제품의 정추력을 수치모델 해석 값과 실험치를 비교했으며 정특성 및 동특성을 실험으로 측정하였다. 구동시험으로 구형파 제어에 의한 구동과 마이크로컴퓨터 제어에 의한 마이크로 스텝구동에서 추력의 변화를 관찰 하였다.
- 완성된 시제품의 정추력을 수치모델 해석 값과 실험치를 비교했으며 정특성 및 동특성을 실험으로 측정하였다. 구동시험으로 구형파 제어에 의한 구동과 마이크로컴퓨터 제어에 의한 마이크로 스텝구동에서 추력의 변화를 관찰 하였다.
- 적층 코어의 저가격형 LPM설계 및 제작을 목표로 하고 시제품은 하이브리드형으로 설계를 하였다. 전 가동구간에서 지지기구에 의하여 공극을0.
- 시제품은 하이브리드형으로 설계를 하였다. 전 가동구간에서 지지기구에 의하여 공극을0.1mm로 균등하게유지될 수 있도록 하였다. 다음 그림 1은 제작한 하이브리드 형 LPM의 설계 단면도를 나타낸다.
- LPM의 고정 자, 가동자의 치 와 공극의 폭과 깊이는 모두 1mm, 가동자 이 동방향에서 수평 법 선 방향으로 가동자와 고정자의 폭은 50mm, 이 동방향으로 가동자 길이는 69mm, 가동자의 자극의 수직길 이는 22mm, 가동자의극당 치수는 8개, 가동자의 극간거 리 는 22.5mm로 설계하였다. 코일의 턴수는 120으로 하였다.
- 코일의 턴수는 120으로 하였다. 가동자와 고정자의 공극은, 가동자와 고정부를 각각 다른 비자성 체의틀에 고정시킨 후 휠에 의한지지기구를사용하여 두틀간의 공극간격을 일정하게 유지하였다.
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3.1 정특성 측정
정특성측정으로 LPM의 정추력 값을 확인하였다. 그림 4에 본 연구에서 개발한 정추력 측정장치를 보여 준다.
- 틀은 LPM 의 고정 자에 고정 시 킨다. load cell의 본체 가 부착된 중앙가동 철편부를 틀의 다른 쪽면에 고정된 마이크로 메타를 사용하여 밀면 load cell의 센서 부에 부착된 강철봉이가동자를 밀어 가동자의 미세 변위를 마이크로미터로, 가동자에 서 발생 하는 추력 의 변화 값을 load cell에 서 읽을 수 있도록 하였다. 가동자가 여 자 혹은 여 자되 지 않은두 상태에서 각각 가동자의 변위와 추력의 관계를 측정할수있다.
- 직류전류 1A, L5A로 각각 여자된 상태에서 정추력의변화를 측정하였다. 여자된 가동자에 마이크로 메타를사용하여 가동자를 밀어서 미소변위를 주었다.
- 측정하였다. 여자된 가동자에 마이크로 메타를사용하여 가동자를 밀어서 미소변위를 주었다. 이 때 가동철편에 고정되어있는 load cell로 정추력의 일부인 holding force를 측정 하였다.
- 여자된 가동자에 마이크로 메타를사용하여 가동자를 밀어서 미소변위를 주었다. 이 때 가동철편에 고정되어있는 load cell로 정추력의 일부인 holding force를 측정 하였다. LPM의 반 피 치 에 서 추력 의변화는 대칭을 이루므로 가동자 변위의 최대치는 LPM 의 반 피치에 해당하는 1皿로 하였다.
- 이 때 가동철편에 고정되어있는 load cell로 정추력의 일부인 holding force를 측정 하였다. LPM의 반 피 치 에 서 추력 의변화는 대칭을 이루므로 가동자 변위의 최대치는 LPM 의 반 피치에 해당하는 1皿로 하였다. 그림 5에 실험결과를 나타낸다.
- 가속시간은 1초로 slew!理 주파수까지 일정 한 가속도로 가속하도록 하였다. 가속 후 일정속도로 구동되는 slewing주파수로 100, 150, 200, 250, 500 pps로 하였다. 여자전류를 변수로 하여 1.
- 가속 후 일정속도로 구동되는 slewing주파수로 100, 150, 200, 250, 500 pps로 하였다. 여자전류를 변수로 하여 1.5~2.5A까지 전류의 크기 를 바꿔 주며 각각 pull out특성 을 확인하였다. 측정 은 가동자 가속 후, 속도가 slewing 주파수에 도달한순간의 추력을측정하였다.
- 5A까지 전류의 크기 를 바꿔 주며 각각 pull out특성 을 확인하였다. 측정 은 가동자 가속 후, 속도가 slewing 주파수에 도달한순간의 추력을측정하였다. 그림 7에 측정결과를 나타낸다.
- 정지 상태에서 구동시작 주파수를 30pps로 하고 slewing 주파수를 각각 100, 150, 200, 250pps로 하였을 때 slewing주파수까지 도달하는데 걸리는 최소 가속시간을 측정 하였다.
- 16bit CPU(8097), 입출력부분, 메모리, 논리회로, 디지털-아나로그 변환부, 증폭기, 전류 센서 부 그리 고 LPM으로 구성 되 어 있다. 또한 소프트웨어로LPM의 이동거리, 가감속시간, 속도 등을 변화시킬 수 있게 하였다. 구형파 구동방식은 분해능이 1/4 피치인데 비하여 마이크로스텝 구동방식은 1/(수십~수백) 피치의 분해능이 가능하다.
- 실험실의 리니어 스케일의 분해능을 고려하여 한 피치 당 마이크로스텝 수를 100으로 하였다.
- 마이크로스텝과 구형파 구동 방식의 진동특성을 확인하기 위하여 동일 사양의 두 대의 LPM의 가동자에측정범위 50G의 스트레인게이지형의 가속도 센서를각각 부착하여 동시 에 같은 속도로 정속도 운전하였다. 그 결과 가속도센서에서 얻어진 추력리플에 의 한진동의 변화 파형을 그림 10에 보인다.
- 과도상태에서의 추력리플의 변화, 비교하기 위하여구동 중, 가동자의 이 동 방향을 반대로 전환하였을 때 추력의 변화값을 관찰 하였다. 측정 에는 가속도 센서를 사용하였다.
- 저 가격 을 목표로 한 LPM을 설 계 제 작하였다. 자기등가회로를 이용한 수치모델에 의한 계산치와 제작실험기의 정추력의 변화를 확인하여 설계값의 타당성을확인하였다.
- 자기등가회로를 이용한 수치모델에 의한 계산치와 제작실험기의 정추력의 변화를 확인하여 설계값의 타당성을확인하였다. 실험기의 구동성능확인을 위하여 특성시험을 하였다.
- 자기등가회로를 이용한 수치모델에 의한 계산치와 제작실험기의 정추력의 변화를 확인하여 설계값의 타당성을확인하였다. 실험기의 구동성능확인을 위하여 특성시험을 하였다. 그 결과 LPM의 정, 동특성을 여자전류, 「 가속시간의 구체적인 수치로 확정지을 수 있었다.
- LPM 구동시 발생하는 고유의 추력 리플을 저 감하기위하여 마이크로스텝 방식을 적용하여 구동실험을 하였다. 그림 9는 제작한 마이크로스텝 방식에 의한 제어기 의 블록선도를 나타낸다.
- 그 결과 LPM의 정, 동특성을 여자전류, 「 가속시간의 구체적인 수치로 확정지을 수 있었다. 또한 구형파 구동과 마이크로 스텝 구동기법을 각각 적용하여 실험 기 의 구동을 확인하고 추력 의 변화를 관찰하였다.
대상 데이터
- 그림 에 서가동자는 고정자위에서 지면에 평행한 방향으로 좌우로 이동한다. 제작한 LPM은 2상이다. 가동자의 재질은 SM23, 고정자에는 순철을 사용하였다.
- 제작한 LPM은 2상이다. 가동자의 재질은 SM23, 고정자에는 순철을 사용하였다.
- 값을 사용하였다. 영구자석은 희토류의 Afeomag —35를 사용하였으며 Br = 1.13 Wb/m2, p r=1.05로 가정 하여 사용하였다.
이론/모형
- 위의 비선형 방정식 의 해는 주어진 3 — 丑 곡선, 공극 자기 저항 값, 전류 값을 사용, NewtonRaphson 법 으로 구하였다[3]. 가동자의 변위 값마다(2)-(4)식의 해를구했으며, 수렴된 쇄교 자속값에서 구해지는 자기수반에너지의 값으로 식 (1)에 의하여 정추력을 구하였다.
성능/효과
- 이때의 여자전류의 값과 pull in 추력의 변화를측정한결과를그림 6에 나타낸다. 실험결과 두 값의 관계가 선형적인관계에 있음을 확인할 수 있었다.
- 그림 7에 측정결과를 나타낸다. pull in 특성 처 럼 여자전류의 크기 와 추력의 크기 가선형적 인 관계가 있음을 확인 하였다.
- 그 결과를 그림 8에 나타낸다. 대체로 여자전류의 크기와 가속시간의 감소 사이에는 비례관계가 있음을 확인하였으나 100, 150pps처럼 비교적 늦은 속도에서는여자전류의 변화가 가속시간의 감소에 크게 영향을 미치지 못함을 확인하였다.
- 정상구동상태에서 마이크로 스텝의 경우, 구형파에 비교하여 추력 리플이 상대적으로 작음을 확인할 수 있으나구동방향이 바뀌는 과도상태에서는 큰 차이가 없음이확인되었다.
- 실험기의 구동성능확인을 위하여 특성시험을 하였다. 그 결과 LPM의 정, 동특성을 여자전류, 「 가속시간의 구체적인 수치로 확정지을 수 있었다. 또한 구형파 구동과 마이크로 스텝 구동기법을 각각 적용하여 실험 기 의 구동을 확인하고 추력 의 변화를 관찰하였다.
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