[논문]인덕턴스 변화 모델을 이용한 EMGF 출력 분석

김태신; 성인모; 양지혁; 유천열; 권오규

doi:10.4283/jkms.2009.19.1.005

초록
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Explosive Magnetic Generator of Frequency(EMGF)는 고폭화약의 폭발을 이용하여 화약의 폭발 에너지를 전자기 에너지로 변환 시키면서 초고주파의 강한 전자파를 발생시키는 효율적인 방법으로 연구되고 있다. 이 때 발생하는 전자파의 물리적 원인은 현재까지 명확하게 규명되어 있지 않은데, 단순한 시변 등가회로 해석만으로는 이러한 고주파 발진을 설명하기 어려운 것으로 알려져 있다. 이 논문에서는 기존에 널리 받아 들여 지고 있는 지수 감소적인 시변 인덕턴스 변화 모델에 대해서 자장압축효과를 고려한 유한요소 해석을 통해 문제점을 분석하고 보다 정확한 인덕턴스 변화 모델의 경향성에 대해서 제시하고자 한다. 그리고 이렇게 제시된 새로운 인덕턴스 변화 모델을 사용한 EMGF 출력 시뮬레이션을 통해 새로운 인덕턴스 변화 모델이 출력에 미치는 영향을 분석한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Explosive Magnetic Generator of Frequency (EMGF) has been studied as a method to generate a strong microwave effectively through converting the explosion powder energy into the electromagnetic energy. However, the generated high frequency electromagnetic wave has not been explained clearly yet, ...

The Explosive Magnetic Generator of Frequency (EMGF) has been studied as a method to generate a strong microwave effectively through converting the explosion powder energy into the electromagnetic energy. However, the generated high frequency electromagnetic wave has not been explained clearly yet, for it is known to be difficult to analyze the high frequency electromagnetic wave oscillation using a simple time-varying equivalent circuit model. In this paper, we analyze the problems of the widely used inductance model with an exponential decreasing pattern and investigate the tendency of a more accurate inductance variation model using the finite element method of EMGF inductance by considering the magnetic compression effect. And we have shown via an EMGF output simulation that the new inductance variation model proposed here has an negative effect on EMGF output.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그런데 기존의 연구에서는 고주파 발진에 관심을 집중한 나머지 출력증대에 대한 연구는 많이 진행되지 못한 실정이다. 본 연구에서는 출력증대에 대한 연구를 하기 위한 초기단계로 출력에 영향을 미치는 각 요소를 상세히 분석하기 위한 초기 연구를 수행하였다. 대부분의 기존 회로해석에서는 인덕턴스와 저항 변화 묘사에 지수감소 형태의 모델이 널리 사용되어 왔다.
특히 지수 함수적 표현식이 널리 이용되는 가장 큰 이유는 지수 함수적 표현의 수학적 편의성으로 해석적인 해를 얻을 수 있기 때문이다. 이 논문에서는 기존에 널리 받아들여지고 있는 지수 감소적인 인덕턴스와 저항변화 모델 중에 인덕턴스 변화 모델에 대해서 유한요소 해석을 통해 자장압축효과를 정량적으로 고려하여 기존의 모델의 문제점을 분석하고 보다 정확한 인덕턴스 변화 모델의 경향성에 대해서 알아보고자 한다. 또한 새로운 모델을 사용한 시뮬레이션을 통해 출력에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.

제안 방법

5와 같은 기하구조의 EMGF에서 각각의 영역에서 고려한 변수는 아래 Table II와 같다. 고려된 변수 중 물질의 특성은 구리(copper)로 만들어진 라이너와 솔레노이드의 전자기학적 특성을 포함하고 있으며, 그 외에 솔레노이드 내부와 외부영역은 자유공간(free space)으로 설정하였다. 그리고 기하구조에서 반원 모양(3)의 가장 바깥 영역은 자기절연(magnetic insulation)으로 하였다.
그리고 라이너의 r방향(지름 방향)의 팽창속도와 솔레노이드 반지름으로부터 시상수 τL을 결정했다.
이 논문에서는 기존에 널리 받아들여지고 있는 지수 감소적인 인덕턴스와 저항변화 모델 중에 인덕턴스 변화 모델에 대해서 유한요소 해석을 통해 자장압축효과를 정량적으로 고려하여 기존의 모델의 문제점을 분석하고 보다 정확한 인덕턴스 변화 모델의 경향성에 대해서 알아보고자 한다. 또한 새로운 모델을 사용한 시뮬레이션을 통해 출력에 어떤 영향을 미치는지 분석한다.
본 연구에서는 계산상의 부담을 최소화하기 위해 2차원 평면에서 r = 0인 축을 중심으로 대칭성을 두어 계산 후 3차원 공간으로 확대하였다.
5와 같이 대칭성을 이용해서 2차원 상에서 솔레노이드를 링 형태의 코일(1)로 근사시키고, 그 안에 직사각형 형태의 라이너(2)를 모델링하였다. 시뮬레이션 수행에 있어 솔레노이드의 코일 감은 수는 75 turns 이지만, 실제 그림으로 나타내면 링 형태의 코일이 너무 조밀하여 2차원 상에서 나타낼 수가 없기 때문에 편의상 15 turns으로만 나타내고, 코일과 코일 사이의 자세한 정보를 표시하기 위해 2개의 코일만 확대하여 구성요소를 나타내었다. 자세한 기하구조 사양은 아래 Table I과 같다.

데이터처리

시뮬레이션 결과로 얻은 자기에너지와 전류밀도 그리고 자기에너지와 전류밀도의 관계식 W = LI²/4을 이용하여 인덕턴스를 구했다. 그리고 라이너의 r방향(지름 방향)의 팽창속도와 솔레노이드 반지름으로부터 시상수 τ_L을 결정했다.

이론/모형

따라서 솔레노이드와 라이너의 기하학적 구조가 유한요소법을 이용한 EMGF 폭발의 모델링의 중심이 된다. EMGF 폭발을 유한요소법을 이용해서 모델링하기 위해서 상용 유한요소해석 소프트웨어인 COMSOL MULTIPHYSICS를 이용하였다. Fig.
하지만 기존의 단순한 인덕턴스 변화 모델은 자장압축에 의한 영향을 정확하게 다루고 있지 않다. 본 연구에서는 이러한 요소를 효율적으로 계산하기 위해서 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여, 자장압축효과를 고려한 EMGF에서의 인덕턴스 변화의 계산을 수행하였다.

성능/효과

Fig. 8과 Fig. 9에서 보는 바와 같이, 자장압축현상을 고려한 경우에 3×10−5초에서 EMGF 출력의 진폭이 약 45A로 나타나는데, 지수 함수적으로 감소하는 인덕턴스 모델을 이용한 경우의 3×10−5초에서 EMGF 출력의 진폭이 약 85A인 것에 비해 반 정도나 감소한 결과를 보여주는 것을 확인할 수 있다.
본 논문에서는 인덕턴스 변화 모델을 유도하는 데에 있어서 기존에 고려되지 않았던 자장압축으로 인한 영향을 물리적으로 고려하였고, 시뮬레이션을 하기 위해 교류전류를 도입하여 자장압축효과를 고려한 결과, 기존의 모델과 상당히 차이가 나는 것을 확인하였다. 그리고 실제 폭발상황에서는 코일의 형상변화 뿐만 아니라 자장압축 현상이 발생하므로 기존의 코일의 형상 변화만을 반영한 지수감소적인 인덕턴스 변화 모델보다 정확한 인덕턴스 변화 모델을 얻을 수 있었다.
또한 출력 주파수도 기존의 모델을 사용한 경우보다 더 낮은 대역을 보여줌을 확인 할 수 있었다. 따라서 기존의 지수감소적인 인덕턴스 변화 모델은 EMGF의 출력과 출력 주파수가 모두 실제보다 높게 나타나는 부정확한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있음을 알 수 있었다.
그리고 라이너의 r방향(지름 방향)의 팽창속도와 솔레노이드 반지름으로부터 시상수 τ_L을 결정했다. 또, 라이너의 z방향(폭발의 진행 방향)의 팽창속도와 팽창거리로부터 팽창시간을 결정하여 시간에 따른 인덕턴스변화를 구한 결과, Fig. 6을 살펴보면, 실선으로 표시된 기존의 지수감수 형태의 모델과 실선위에 삼각형 형태로 표시된 자장압축을 고려한 모델은 그 경향성이 상당히 차이가 나는 것을 알 수 있었다.
그 이유는 코일에 발생하는 유도전류는 인덕턴스의 시간에 대한 변화량과 관련되는데, 자장압축을 고려했을 때가 고려하지 않았을 때보다 폭발 초기시간에 훨씬 완만한 시간에 따른 인덕턴스 변화량을 갖기 때문으로 보인다. 또한 출력 주파수도 기존의 모델을 사용한 경우보다 더 낮은 대역을 보여줌을 확인 할 수 있었다. 따라서 기존의 지수감소적인 인덕턴스 변화 모델은 EMGF의 출력과 출력 주파수가 모두 실제보다 높게 나타나는 부정확한 시뮬레이션 결과를 보여주고 있음을 알 수 있었다.
이 중 인덕턴스는 코일의 기하학적 형상에 의존한다고 보고 인덕턴스 변화 모델이 유도되었다. 본 논문에서는 인덕턴스 변화 모델을 유도하는 데에 있어서 기존에 고려되지 않았던 자장압축으로 인한 영향을 물리적으로 고려하였고, 시뮬레이션을 하기 위해 교류전류를 도입하여 자장압축효과를 고려한 결과, 기존의 모델과 상당히 차이가 나는 것을 확인하였다. 그리고 실제 폭발상황에서는 코일의 형상변화 뿐만 아니라 자장압축 현상이 발생하므로 기존의 코일의 형상 변화만을 반영한 지수감소적인 인덕턴스 변화 모델보다 정확한 인덕턴스 변화 모델을 얻을 수 있었다.
이렇게 보다 정확한 인덕턴스 변화 모델을 사용하여 시뮬레이션 한 결과 EMGF의 출력이 기존의 지수감소적인 변화 모델을 사용한 출력보다 현저히 감소함을 확인 할 수 있었다. 그 이유는 코일에 발생하는 유도전류는 인덕턴스의 시간에 대한 변화량과 관련되는데, 자장압축을 고려했을 때가 고려하지 않았을 때보다 폭발 초기시간에 훨씬 완만한 시간에 따른 인덕턴스 변화량을 갖기 때문으로 보인다.

후속연구

본 연구에서 제시한 모델에서는 라이너가 팽창하면서 솔레노이드에 닿을 때 생기는 현상을 포함하지 않았다는 한계가 있다. 이처럼 라이너가 솔레노이드에 닿을 때 일어나는 인덕턴스변화 모델과 이에 따라 발생하는 저항변화 모델에 대한 연구를 통해 이러한 현상이 EMGF의 출력에 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석은 계속 수행해야 할 과제라 하겠다.
본 연구에서 제시한 모델에서는 라이너가 팽창하면서 솔레노이드에 닿을 때 생기는 현상을 포함하지 않았다는 한계가 있다. 이처럼 라이너가 솔레노이드에 닿을 때 일어나는 인덕턴스변화 모델과 이에 따라 발생하는 저항변화 모델에 대한 연구를 통해 이러한 현상이 EMGF의 출력에 어떤 영향을 미치는지에 대한 분석은 계속 수행해야 할 과제라 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	펄스전력은 어떤 기술인가?	전자기 펄스(EMP: Electromagnetic Pulse)에 의한 각종 전자장비 파괴효과가 확인된 후 비살상 무기로써 전자폭탄(EBomb)과 같은 비핵 전자기펄스(NNEMP: Non Nuclear Electromagnetic Pulse)무기에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 전자기펄스를 발생시키는데 필요한 구성 요소는 크게 펄스전력 공급원, 전자파 발생원, 안테나의 3가지로 나눌 수 있는 데 그중 펄스전력은 에너지를 시간상으로 빠르게 압축하여 펄스폭이 짧고(ns~µs) 강한 크기의 큰 고전압(또는 대전류)을 발생시키는 기술이다.
	전자기펄스를 발생시키는데 필요한 구성 요소는 무엇이 있는가?	전자기 펄스(EMP: Electromagnetic Pulse)에 의한 각종 전자장비 파괴효과가 확인된 후 비살상 무기로써 전자폭탄(EBomb)과 같은 비핵 전자기펄스(NNEMP: Non Nuclear Electromagnetic Pulse)무기에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 전자기펄스를 발생시키는데 필요한 구성 요소는 크게 펄스전력 공급원, 전자파 발생원, 안테나의 3가지로 나눌 수 있는 데 그중 펄스전력은 에너지를 시간상으로 빠르게 압축하여 펄스폭이 짧고(ns~µs) 강한 크기의 큰 고전압(또는 대전류)을 발생시키는 기술이다.
	나선형 자장압축 발전기의 특징은 무엇인가?	1은 이와 같은 방식의 자장 압축 발전기의 대표적인 나선형 자장압축 발전기의 구조도를 도식화한 것이다. 이 장치는 화약의 폭발에너지를 이용하므로 한 번의 동작으로 모든 장치가 파괴된다는 단점이 있는 반면에 화약의 높은 에너지 밀도 때문에 상대적으로 부피가 작고 가벼워 전자폭탄과 같은 군사적 목적에 중요한 기술로 전자기펄스 무기분야에서 활발히 연구되고 있으며, 이와 관련된 최신기술 동향은 참고문헌 [1]에서 확인할 수 있다.

참고문헌 (7)

최진수, 임동우, 전자기 펄스 발생과 응용, 물리학과 첨단기술, pp. 36-41, January/February (2006)

상세보기
Larry L. Altgilbers, et al., Magnetocumulative Generators, Springer Verlag New York Inc. (2000)
V. V. Onoochin, Analysis of the Equivalent Circuit of Explosive Magnetic Generator of Frequency, Sirius, Moscow (1999)
M. Kristiansen, A. Neuber, J. C. Dickens, A. Giesselmann, and S. Shkuratov, Compact Pulsed Power, Megagauss, July 18-23 (2004)
P. Tracy, et al., Inductive Electoromagnetic Filed Generator, MEGAGAUSS and megaampere pulse technology and applications, August 5-10 (1996)
J. P. Rayner and A. P. Whichello, IEEE Transactions on Plasma Science, 32(1), 269 (2004)

상세보기
성인모, MCG (Magnetocumulative Generator) 의 초기자속 극대화 및 인덕턴스 변화 모델링, 인하대학교 대학원 물리학과 석사학위 논문 (2008. 2)

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