[논문]자기 차폐를 이용한 전방향 자기차륜

심기본; 이상헌; 정광석

자기 차폐를 이용한 전방향 자기차륜
Omni-Directional Magnet Wheel using Magnetic Shield 원문보기

한국정밀공학회지 = Journal of the Korean Society for Precision Engineering, v.26 no.9 = no.222, 2009년, pp.72 - 80

심기본 (충주대학교 기계공학과 대학원) , 이상헌 (안동대학교 기계공학부) , 정광석 (충주대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

When the magnet wheel rotates over a conducting plate, it generates the traction torque as well as the repulsive force on the conducting plate. Partially-cut traction torque results in the linear force into the tangential direction. To cut the traction torque, the concept of magnetic shield is introduced. The direction change of the linear force is realized varying the shielded area of magnetic field. That is, the tangential direction of non-shielded open area becomes the direction of the linear thrust force. Specially a shape of permanent magnets composing the magnet wheel leads to various pattern of magnetic forces. So, to enlarge the resulting force density and compensate its servo property a few simulations are performed under various conditions such as repeated pattern, pole number, radial width of permanent magnets, including shape of open area. The theoretical model of the magnet wheel is derived using air-gap field analysis of linear induction motor, compared with test result and the sensitivity analysis for its parameter change is performed using common tool; MAXWELL. Using two-axial wheel set-up, the tracking motion is tested for a copper plate with its normal motion constrained and its result is given. In conclusion, it is estimated that the magnet wheel using partial shield can be applied to a noncontact conveyance of the conducting plate.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이러한 특성은 결국 마그네트휠의 적용 분야를 크게 확대시킬 수 있음을 의미한다. 본 논문에서는 이러한 전방향 추력 조절 특성을 갖는 제안된 모델을 대상으로 이론적 모델 전개와 이에 추가하여 여러 제변수 변화에 따른 자기력 변화 특성에 대한 전산모의시험 결과를 소개하고 이를 검증하기 위해 구축된 전도판의 2축 이송시스템을 대상으로 수행된 시험 결과를 소개한다.
에서는 힘 밀도가 상대적으로 월등하다. 본 논문에서는 이러한마그네트 휠에 자기 차폐 개념을 도입하여 회전 자기장을 중간에서 단락시키고 이를 이용하여 선형추력을 얻는 동시에 차폐되지 않고 개방된 영역을 가변 시켜 이러한 추력의 방향을 조절할 수 있는 전 방향 마그네트휠을 소개하였다.
즉, 시변(time-variant) 자기장에 의해 전도판에 발생되는 와전류와 자기장 간의 자기결합을 이용하여 구동력을 발생시키는 방법이 유도 원리인데 이러 한시 변 자기장이 AC 전원에 의해 생성되는지 아니면 기계적 거동을 하는 교번영구자석에 의한 것인지에 따라 일반적인 유도기와 마그네트휠이 대별된다. 본장에서는 마그네트휠을 이용하여 선형 추력을 얻는 기존 방법에 대한 소개와 함께 전 방향 추력특성을 갖는 유도기의 개념을 응용한, 제안된 자기차폐를 이용한 마그네트휠의 추력 발생 방법에 대해 논의한다.
7 과 같은 등가 모델로 단순화시켜 해석할 수 있다. 본장에서는 차폐판에 의한 자기 왜곡에 대한고려 없이 단순히 마그네트휠에 의해 발생하는 자기력을 분산 변수 해석 방법에 의해 정량화하는 과정을 논의한다.7,8

가설 설정

또한 자기 차폐된 부분과 영구 자석 간의 강한 흡인력으로 인해 이처럼 과도한 개방 영역으로 인한 불균형은 구조적인 측면에서도 바람직하지 못하다. 따라서 본 모델의 경우 10mm 로설정하였다.

제안 방법

반송시험을 수행하였다. 개방 위치의 변경에 의해 추력은 음, 양의 값을 모두 취할 수 있기 때문에 개방 영역의 크기를 조절하는 대신 개방 영역이 고정되어 있는 차폐판(120º)을 회전시켜 추력 변화를 모색하였다. Fig.
반복되는 휠의 영구자석수는 일반 구동기에서와 같이 생성되는 자기력의 균일함에 큰 영향을 미치는데 극수 선정을 위해 2극에서 12극을 대상으로 모의 시험을 수행하였다. 예상대로 Fig.
우선, 마그네트휠은 극성이 다른 영구자석 이순 차적으로 정렬되 어 있는 형태를 가지므로 반복되는 영구자석의 형상이 자기력에 미치는 영향을 조사하였다. 반복 형상 대상 해석 모델은 Fig.
특히 절대 크기에 추가하여 부하의 편차 역시 구동기 입장에서 보면 중요한 요소인데 case 2의 전체 토크 편차가 상대적으로 작았지만, 이는 추력, 부상력 자체의 크기가 작은 것에 연유한 것으로 판단된다. 이를 기초로 회전부하가 크지만 추력, 특히 부상력의 크기가 가장 크고 상대적으로 제작이 용이한 case 1을 대상 모델의 반복 패턴으로 선택하였다.
11 에서와 같이 극수가 많아짐에 따라 크기와 편차 모두 작아지는데 8극과 12극은 거의 유사함을 알 수 있다. 이를 통해 8극 이상이 되면 자기력 특성 변화가 거의 정체되어가므로 본 연구에서는 더욱 작은 편차를 갖는 12극으로 극수를 선정하였다.
물론 실험과의 비교를 통해 알 수 있듯이 휠의 자기력 정량화를 위한 근사화된 선행분석 과정이 될 수 있지만 추가된 자기차폐판에 의한 자기력 왜곡과 기하학적 형상 변화에 따른 민감도 등까지 담아내기에는 무리가 있다. 이에 본장에서는 상용화된 자기 해석 툴인 MAXWELL vll.l 을 이용하여 얻어진, 대상 자기 차폐된 마그네트휠의 여러 변수 변화에 따른 거동 특성을 묘사하고 초기 설계 스펙을 결정한다. 모의 시험에 이용된 기준 모델의 전체 반경은 Fig.
이러한 자기력 발생 시스템을 일반적으로 마그네트 휠 (Magnet wheel) 또는 자기 차륜이라 하는데, 유사한 동전 기력 발생 원리이지만 유도 방식에 비해 힘 밀도가 월등히 높기 때문에 비교적 정밀한 응용을 필요로 하지 않는, 단순한 전도성 패널의 반송 ₁ 혹은 자기부상 열차의 부상/추진 통합 구동기로의 응용 가능성 ₂이 모색되어 왔다. 이에 저자들은마그네트 휠을 이용하여 선형 추력을 얻는 방법의 일환으로 마그네트의 회전 자기장을 차폐하여 공극 자기장을 부분적으로 단락하는 방법을 제안한다. 이러한 방법은 기존 접근 방법과는 달리 반발부상력과 추력 사이에 존재하는 강한 연성을 어느 정도 완화시킴과 동시에 차폐되지 않은 개방 영역을 변화시켜 추력의 방향을 제어할 수 있는, 즉마그네트 휠에 전방향 추력 특성을 갖게 한다.
자기차폐 판 개방 영역의 기하학적 형상에 따른 자기력 변화해석의 일환으로 개방에지까지의 반경 방향 거리(p2)를 대상으로 해석을 수행하였다. 예상대로 거리가 멀어질수록 개방 영역이 확대되는 것이므로 자기력이 계속 확대되지만 어떤 임계치를 넘어서는 추력의 경우 변화가 없지만 부상력은 오히려 감소해가는 경향을 갖는다.
14와 같다. 전도판은 우측 상단 그림에서와 같이 전도체우측 하단에 선형부쉬와 회전조인트를 결합시켜 X 방향으로 안내되면서 동시에 가이드 축을 기준으로 회전할 수 있도록 하였다. 본 장에서는 대상 시스템을 이용하여 수행된 이론 모델과의 자기력 비교시험에 대한 결과와 이축력의 독립제어 시험 결과를 소개한다.
전술한 이 축력 비연성 개념을 이용하여 구리판의 반송시험을 수행하였다. 개방 위치의 변경에 의해 추력은 음, 양의 값을 모두 취할 수 있기 때문에 개방 영역의 크기를 조절하는 대신 개방 영역이 고정되어 있는 차폐판(120º)을 회전시켜 추력 변화를 모색하였다.

대상 데이터

l 을 이용하여 얻어진, 대상 자기 차폐된 마그네트휠의 여러 변수 변화에 따른 거동 특성을 묘사하고 초기 설계 스펙을 결정한다. 모의 시험에 이용된 기준 모델의 전체 반경은 Fig. 8 좌상 측 그림에서와 같이 R60 이며 휠 회전 속도는 3000RPM이다. 또한 변수pl, p2, p3는 각각 24mm, 5mm, 120º로 초기화되어 있다.

성능/효과

마그네트휠을 구성하는 요소의 제 변수 변화에 따른 민감도 해석을 통해 영구자석의 반복 패턴, 극 수, 너비 등이 자기력에 미치는 영향을 분석하여 휠의 설계 방향을 제시하였고 또 한 차폐 판 개방 영역의 기하학적 형상 등의 구동조건에 따른 해석을 통해 특정 회전 속도 이상에서 추력이 일정해지는 특성과 함께 개방 영역의 크기를 가변 시켜 부상력과 추력의 비연성 제어 가능성을 보였다. 이를 기반으로 구리판의 반송시스템을 설계하여 차폐판의 위치조절만으로도 반송이 효율적으로 구현될 수 있음을 보였다.
비교 결과에서 휠의 회전 속도가 1200 RPM 이상이 되면 추력의 경우 더 이상 증가하지 않고 수렴하거나 그 값이 약간씩 감소해 감을 알 수 있다. 이에 반해 부상력은 시험 영역의회전 속도전 구간에서 계속 증가해가는 것을 확인할 수 있다.
보였다. 이를 기반으로 구리판의 반송시스템을 설계하여 차폐판의 위치조절만으로도 반송이 효율적으로 구현될 수 있음을 보였다. 이러한 휠의 서보 능력향상은 전도체의 비접촉 반송시스템 등에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

이를 기반으로 구리판의 반송시스템을 설계하여 차폐판의 위치조절만으로도 반송이 효율적으로 구현될 수 있음을 보였다. 이러한 휠의 서보 능력향상은 전도체의 비접촉 반송시스템 등에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

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Han, Y. H., Yoon, H. J., Jung, K. S. and Baek, Y. S.,'Compensation algorithm of couple betweenlevitation and thrust force for transverse flux linearinduction motor with imbedded bearing function,'Proc. of KSPE Spring Conference, pp. 480-483, 2004
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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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