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문제 정의
- 본 논문에서는 자기등가회로법이라는 해석적인 방법을 통해서 모터의 특성을 해석하고 그러한 결과를 바탕으로 영구자석형 클로우 폴 스테핑 모터의 요크 형상을 설계하는 과정을 보인다. 자기 포화현상과 상당한 누설자속성분을 갖는 본 모터에 대해서는 개선된 자기등가회로법을 구성하여 적용하였다.
제안 방법
- Wl, W2, W3의 세 설계변수에 대해서 제일 윗부분인 W3에 대해서 너비를 설정한 후 등 간격으로 W1과 W2를 각각 배치하여 요크 치 형상의 기울기는 같아지도록 선정한 총 26개의 모델에 대하여 자기등가회로법을 이용한 계산과 3차원 유한요소법을 이용한 해석을 수행하였다. 계산 결과와 해석 결과에 대한 비교 그래프는 그림 7과 같다.
- 스테핑 모터의 성능은 높은 위치 유지력과 정밀한 위치분해능력으로 결정된다.[1] 본 논문에서 사용된 모터의 경우, 높은 에너지밀도를 갖는 영구자석을 회전자로 이용하여 위치결정력을 크게 하였고, 상부 스택과 하부스택의 기계적 위상차를 반극 피치만큼 두어서 극수 대비 2 배의 위치분해능력을 가지도록 하였다. 그러나 높은 에너지밀도의 영구자석을 이용함으로써 자기 포화에 매우 취약한 구조를 가지고 있다.
- 방법을 이용하였다. 계산된 자속량을 그에 따른 자 속 밀도 값에 대해 재질의 투자율 변화에 수렴하도록 하여 결과적으로 특정 위치에서의 자속량과 자속밀도, 투자율값이연관되어지도록 하였다. 자기 포화를 고려한 자기 등가회로 법의 계산과정은 그림 5에 나타내었다.
- 형상의 간략화를 위하여 요크 치와 영구자석 표면과의 유효공극을 가지는 부분에 대해서 3단계로 나누어서 각각을 분리하여 병렬 항으로 자기등가회로에 대입하였다. 따라서 요크 치부분과 영구자석이 3개의 섹션으로 분리되어 구성되었으며 요크 치 3단계 섹션에 대한 너비길이를 주요 설계변수로 선정하였다. 설계변수 선정에 관한 모터 형상은 그림 2에 나타내었다.
- 을 이용한 해석 결과와 비 교하였다. 마지 막으로, 기존의 모터와 형상설계를 수행한 모터에 대해서 무 통전 시의 역기전력과 정상상태에서의 토크를 비교하였다.
- 자기 포화현상과 상당한 누설자속성분을 갖는 본 모터에 대해서는 개선된 자기등가회로법을 구성하여 적용하였다. 모터 요크 부에서의 자기 포화에 따른 투자율의 변화와 그에 따른 누설자속의 증가를 고려할 수 있도록 반복적인 계산을 통해 자속밀도값과 재질의 B-H Curve에 대응하는 투자율값이 서로 수렴되도록 하는 반복적인 계산법을 이용하였다. 이러한 계산결과을 3차원 유한요소법을 통한 해석결과와 비교하여 오차를 가짐 에 도 불구하고 추세 값이 비슷함을 알 수 있었다.
- 결과를 제시해주지 못했다. 본 논문에서 사용된 방법은 기존의 자기등가회로법이 고려하지 못한 부분을 포함하여 계산함으로써 좀 더 정확한 결과를 보여준다. 또한 위 방법을 이용하여 요크 치의 형상을 설계한 모델과 기존 모델과의 비교를 통해서 본 논문에서 제안한 방법이 타당함을 보였다.
- 본 논문에서 사용된 영구자석형 클로우 폴 스테핑 모터의 경우, 자기 포화 면적과 누설자속성분이 상당하므로 기존의 자기 등가 회로 법으로는 신뢰할만한 계산결과를 얻을 수 없다. 본 논문에서는 기존의 자기등가회로법을 개선 시킨 자기등가회로법을 사용하여 자기 포화현상과 그로인한 투자율값의 변화를 고려하였다. [3] 또한 누설자로를 고려하여 자기등가회로를 꾸밈으로써 누설자속성분에 대한 계산항을 포함하였다.
- 본 논문에서는 자기 포화에 의한 투자율 값의 변화를 고려하기 위하여 반복계산을 통해 투자율값과 자속밀도 값을 수렴시키는 방법을 이용하였다. 계산된 자속량을 그에 따른 자 속 밀도 값에 대해 재질의 투자율 변화에 수렴하도록 하여 결과적으로 특정 위치에서의 자속량과 자속밀도, 투자율값이연관되어지도록 하였다.
- 보인다. 자기 포화현상과 상당한 누설자속성분을 갖는 본 모터에 대해서는 개선된 자기등가회로법을 구성하여 적용하였다. 모터 요크 부에서의 자기 포화에 따른 투자율의 변화와 그에 따른 누설자속의 증가를 고려할 수 있도록 반복적인 계산을 통해 자속밀도값과 재질의 B-H Curve에 대응하는 투자율값이 서로 수렴되도록 하는 반복적인 계산법을 이용하였다.
- 자기등가회로법을 통한 요크 부의 형상 설계를 위하여 요크 치의 형상 치수를 설계 변수로 사용하였다. 형상의 간략화를 위하여 요크 치와 영구자석 표면과의 유효공극을 가지는 부분에 대해서 3단계로 나누어서 각각을 분리하여 병렬 항으로 자기등가회로에 대입하였다.
- 재질의 투자율 변화에 대한 테이블을 구성하기 위하여 요크와 베어링에 사용된 재질인 냉간압연강판(SPCC)의 B-H Curve데이터를 7구역으로 분할하여 투자율값을 근사적으로 산정하였다. 그림 6은 7구역으로 분할하여 간략화된 냉간압연 강판(SPCC)의 B-H Curve을 나타낸다.
- 포화와 누설을 고려한 개선된 자기등가회로법을 통해서 코일에 대한 쇄교자속을 최대로 하는 클로우 폴 형태의 요크 치부분에 대한 형상 설계를 수행하였으며, 본 논문에서 사용된 자기등가회로법에 대한 타당성 검증을 위해서 3차원 유한요소법 을 이용한 해석 결과와 비 교하였다. 마지 막으로, 기존의 모터와 형상설계를 수행한 모터에 대해서 무 통전 시의 역기전력과 정상상태에서의 토크를 비교하였다.
- 치의 형상 치수를 설계 변수로 사용하였다. 형상의 간략화를 위하여 요크 치와 영구자석 표면과의 유효공극을 가지는 부분에 대해서 3단계로 나누어서 각각을 분리하여 병렬 항으로 자기등가회로에 대입하였다. 따라서 요크 치부분과 영구자석이 3개의 섹션으로 분리되어 구성되었으며 요크 치 3단계 섹션에 대한 너비길이를 주요 설계변수로 선정하였다.
대상 데이터
- 따라서 냉간압연강판(SPCC)를 사용하였다. 냉간압연 강판(SPCC)은 전기강판에 비해서 낮은 투자율과 낮은 포화 레벨을 가지고 있고 또한 작은 모터 사이즈에 비해 고 에너지밀도를 가지는 희토류계열의 NdFeB 영구자석을 사용하므로 본 모터는 자기적인 포화에 대해서 매우 취약하다.
- 본 논문에서 적용된 모터는 휴대전화 카메라의 자동 초점 모듈에 사용되는 제품으로 적용제품의 특성 상 모터 사이즈와 출력이 매우 작다. 스테핑 모터의 성능은 높은 위치 유지력과 정밀한 위치분해능력으로 결정된다.
이론/모형
- 본 논문에서는 이러한 해석적인 계산법으로 자기 등가 회로 법을 사용하였다. 그러나 기존의 자기등가회로법은 너무 많은 가정을 전제함으로써 자기적인 포화와 자기저항의 변화, 또한 누설자속성분을 고려할 수 없다.
성능/효과
- 계산 결과와 해석 결과에 대한 비교 그래프는 그림 7과 같다. 계산 결과와 해석 결과와의 ■오차는 평균 26.08%를 보이지만 추세가 일치한다는 사실을 알 수 있다. 이러한 결과를 이용하여 설계변수의 변화에 따른 모터의 특성 변화를 예측할 수 있었다.
- 냉간압연 강판(SPCC)은 전기강판에 비해서 낮은 투자율과 낮은 포화 레벨을 가지고 있고 또한 작은 모터 사이즈에 비해 고 에너지밀도를 가지는 희토류계열의 NdFeB 영구자석을 사용하므로 본 모터는 자기적인 포화에 대해서 매우 취약하다. 기존의 연구를 통해서 이러한 원인들로 인해 요크 치부분에 심대한 자기 포화현상이 발생된다는 점과 그로 인한 요크 치부분의 투자율 감소로 인접 요크 치 간에 누설자속 성분이 증가한다는 것이 확인되었다. 따라서 본 논문에서 사용된 포화와 누설을 고려한 자기등가회로법의 경우 다음과 같은 가정을 사용하였다.
- 대칭구조를 갖지 않는 복잡한 구조의 모터나 자기 포화 현상이 구조적으로 많이 발생하여 누설자속 성분이 상당한 모터의 형상설계에 있어서 본 논문에서 제안한 방법은 효과적인 대안이 될 수 있다.
- 본 논문에서 사용된 방법은 기존의 자기등가회로법이 고려하지 못한 부분을 포함하여 계산함으로써 좀 더 정확한 결과를 보여준다. 또한 위 방법을 이용하여 요크 치의 형상을 설계한 모델과 기존 모델과의 비교를 통해서 본 논문에서 제안한 방법이 타당함을 보였다.
- 모터 요크 부에서의 자기 포화에 따른 투자율의 변화와 그에 따른 누설자속의 증가를 고려할 수 있도록 반복적인 계산을 통해 자속밀도값과 재질의 B-H Curve에 대응하는 투자율값이 서로 수렴되도록 하는 반복적인 계산법을 이용하였다. 이러한 계산결과을 3차원 유한요소법을 통한 해석결과와 비교하여 오차를 가짐 에 도 불구하고 추세 값이 비슷함을 알 수 있었다.
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