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문제 정의
- 본 논문은 단부 코깅력을 감소시키기 위해 보조극을 제안하였으며 보조극의 형태를 조정함에 따라 발생되는 단부 코깅력 값을 취득하기 위하여 유한요소법을 이용한 2D 수치해석을 통해 단부 코깅력의 해석을 행하였다. 그 결과 기본 모델의 경우 최대 단부 코깅력은 12.
- 우리는 보조극을 이용하여 영구자석 끝단을 변형시켜 단부 코깅력을 저감 시키고자 한다. 본 논문은 단부에서 발생하는 코깅력을 저감시키기 위하여 영구자석 리니어 동기모터의 가동자에 보조극을 설치하고 유한요소법을 이용한 2차원 수치해석을 통해 단부 코깅력 값을 취득한다. 기본 모델의 단부 코깅력과 보조극의 길이, 높이를 조절한 제안 모델의 단부 코깅력을 비교하고 단부 코깅력이 최소가 되는 보조극의 형태를 해석을 통해 산출한다.
제안 방법
- 그림 8에 가동자의 끝단과 영구자석과 영구자석 사이에 설치한 보조극의 형태를 나타낸다. 가동자의 끝단의 보조극은 단부 코깅력이 가장 저감된 10[mm], 3[mm]로 고정하고 해석을 수행하였다. (a)는 영구자석 사이에 설치한 보조극의 길이를 4[mm], 높이를 3[mm]로 조절하고 가동자의 진행방향을 기준으로 각 영구자석의 끝단에 설치한 경우이며, (b)는 가동자의 진행방향을 기준으로 각 영구자석의 시작단에 설치한 경우이다.
- 각 단부에서 발생하는 코깅력은 전자계 해석 소프트웨어 JMAG-Studio를 이용한 해석 결과를 가지고 검토를 행하였다. 그림 3에 기본 모델을 나타낸다.
- 본 논문은 단부에서 발생하는 코깅력을 저감시키기 위하여 영구자석 리니어 동기모터의 가동자에 보조극을 설치하고 유한요소법을 이용한 2차원 수치해석을 통해 단부 코깅력 값을 취득한다. 기본 모델의 단부 코깅력과 보조극의 길이, 높이를 조절한 제안 모델의 단부 코깅력을 비교하고 단부 코깅력이 최소가 되는 보조극의 형태를 해석을 통해 산출한다.
- 해석범위는 가동자가 전기자를 완전하게 대항하고 있는 구간에서, 가동자가 전기자를 벗어나는 구간까지이다. 기본 모델의 코깅력 값을 기준으로 정하고 보조극의 변수 길이를 조절하여 취득한 단부 코깅력 값을 비교하였다.
- 그림 5에 제안 모델을 나타낸다. 단부 코깅력을 저감하기 위하여 가동자에 설치한 보조극을 조절하여 단부에서 발생하는 코깅력의 검토를 유한요소법을 이용한 2D 수치해석을 통해 수행하였다. 해석범위는 가동자가 전기자를 완전하게 대항하고 있는 구간에서, 가동자가 전기자를 벗어나는 구간까지이다.
- 우리는 단부에서 발생하는 코깅력에 의한 에너지를 평가하기 위하여, 에너지 변환 방법을 이용하여 분석하였다. 기본모델과 본 논문에서 제시한 제안모델 중 단부 코깅력이 가장 저감된 제안모델#7의 결과를 바탕으로 반출부에서 발생하는 단부 코깅력이 가지고 있는 에너지를 식(1)을 이용하여 산출하였다.
- 그림 3에 기본 모델을 나타낸다. 전기자와 가동자의 공극을 5[mm]로 하고, 전기자와 가동자가 대항하고 있지 않은 상태부터 가동자를 전기자측에 진입시켜, 가동자가 전기자를 완전하게 벗어나는 구간까지 해석을 수행하였다. 이 때의 요소수는 61200, 절점수는 31314이며, 1Step당 0.
대상 데이터
- 전기자 분산배치 영구자석 리니어 동기 모터의 가동자는 총길이 135[mm]로, Nd-Fe-B 타입 영구자석 4극을 자로강판에 배치하였다. 영구자석 길이는 25[mm], 극 간격은 30[mm]이다. 또한, 전기자의 길이는 175[mm]이고 권선법은 분포권으로서 한상당 코일수는 100[turns]이다.
- 전기자와 가동자의 공극을 5[mm]로 하고, 전기자와 가동자가 대항하고 있지 않은 상태부터 가동자를 전기자측에 진입시켜, 가동자가 전기자를 완전하게 벗어나는 구간까지 해석을 수행하였다. 이 때의 요소수는 61200, 절점수는 31314이며, 1Step당 0.5[mm] 이동하도록 설정 하였다. 그림 4에 기본 모델의 단부 코깅력 파형을 나타낸다.
성능/효과
- 40[J] 발생함을 알 수 있다. 가동자에 보조극을 설치하는 것으로 단부 코깅력에 의하여 발생하는 전체 에너지가 0.19[J] 감소되어 기본모델과 비교 시 31.4[%]저감됨이 판명되었다.
- 또한, 가동자 양 끝단에만 보조극을 설치한 제안 모델과 비교해 보아도 단부 코깅력의 크기가 저감된 것을 알 수 있다. 가동자의 양 끝단과 영구자석과 영구자석 사이에 보조극을 설치한 제안 모델은 전기자와 가동자가 완전하게 대항하고 있는 부분에서 발생하는 코깅력의 크기도 감소한다. 전기자와 가동자가 완전하게 대항하고 있는 부분에서 발생하는 코깅력의 크기가 가장 저감된 모델은 단부 코깅력이 가장 저감된 모델과 동일한 제안 모델#7로 0.
- 본 논문은 단부 코깅력을 감소시키기 위해 보조극을 제안하였으며 보조극의 형태를 조정함에 따라 발생되는 단부 코깅력 값을 취득하기 위하여 유한요소법을 이용한 2D 수치해석을 통해 단부 코깅력의 해석을 행하였다. 그 결과 기본 모델의 경우 최대 단부 코깅력은 12.73[N] 발생하였으나, 본 논문에서 제시한 제안 모델을 이용한 경우 단부 코깅력은 최대 9.1[N]발생하여, 기존 모델보다 약 28.51[%]정도 단부 코깅력이 감소됨을 확인 하였다. 또한, 제안된 모델은 전기자와 가동자가 완전하게 대항하고 있는 상태에서 발생하는 코깅력의 크기도 감소하였다.
- 또한, 제안된 모델은 전기자와 가동자가 완전하게 대항하고 있는 상태에서 발생하는 코깅력의 크기도 감소하였다. 기본 모델의 완전대항시 최대 코깅력은 0.55[N] 발생하였으나, 제안 모델의 경우 완전대항시 최대 코깅력은 0.08[N] 발생하여, 기본 모델보다 약 85.45[%]정도 완전 대항시 발생하는 코깅력이 감소됨을 확인 하였다. 또한, 단부코깅력의 평가 방법으로서 에너지 변환 수법을 이용하여 단부 코깅력이 가지고 있는 에너지의 산출을 행한 결과, 기본 모델에 비해 제안 모델#7의 경우 단부 코깅력이 가지고 있는 에너지가 31.
- 08[N]이 발생하였다. 다음으로 영구자석 사이에 설치한 보조극의 높이에 대한 단부 코깅력 크기의 변화를 고찰한 결과, 영구자석의 높이 보다 영구 자석 사이에 설치한 보조극의 높이를 변화시킬 경우 단부 코깅력의 크기는 보조극의 높이가 영구자석 높이와 동일한 모델보다 증가하였다. 또한, 가동자 양끝단에 설치한 보조극 높이를 조절한 결과와 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
- 또한 제안 모델#2와 제안 모델#3에서 발생되는 단부 코깅력의 크기는 거의 같은 것을 확인 할 수 있으며, 기본 모델의 단부 코깅력 파형과 비교해 보아도 그 값이 크게 변하지 않았다. 다음으로, 영구자석 높이 보다 보조극의 높이를 증감시킨 제안 모델#4와 제안 모델#5에서 발생하는 단부 코깅력의 크기는 기본 모델의 단부 코깅력 보다 감소했지만, 보조극의 높이가 영구자석 높이와 동일한 제안 모델#1 보다 증가됨이 확인 되었다. 이상의 결과로 단부 코깅력을 저감시키기 위하여 가동자 양 끝단에 보조극을 설치한 경우 제안 모델#1이 적합함이 판명되었다.
- 2[N]이 발생하였다. 또한 제안 모델#2와 제안 모델#3에서 발생되는 단부 코깅력의 크기는 거의 같은 것을 확인 할 수 있으며, 기본 모델의 단부 코깅력 파형과 비교해 보아도 그 값이 크게 변하지 않았다. 다음으로, 영구자석 높이 보다 보조극의 높이를 증감시킨 제안 모델#4와 제안 모델#5에서 발생하는 단부 코깅력의 크기는 기본 모델의 단부 코깅력 보다 감소했지만, 보조극의 높이가 영구자석 높이와 동일한 제안 모델#1 보다 증가됨이 확인 되었다.
- 제안 모델#6, 제안 모델#8, 제안 모델#9에서 발생하는 단부 코깅력의 크기는 큰 차이가 없었지만, 기본 모델과 비교시 단부 코깅력의 크기가 감소됨이 확인 되었다. 또한, 가동자 양 끝단에만 보조극을 설치한 제안 모델과 비교해 보아도 단부 코깅력의 크기가 저감된 것을 알 수 있다. 가동자의 양 끝단과 영구자석과 영구자석 사이에 보조극을 설치한 제안 모델은 전기자와 가동자가 완전하게 대항하고 있는 부분에서 발생하는 코깅력의 크기도 감소한다.
- 45[%]정도 완전 대항시 발생하는 코깅력이 감소됨을 확인 하였다. 또한, 단부코깅력의 평가 방법으로서 에너지 변환 수법을 이용하여 단부 코깅력이 가지고 있는 에너지의 산출을 행한 결과, 기본 모델에 비해 제안 모델#7의 경우 단부 코깅력이 가지고 있는 에너지가 31.4[%] 저감하여, 본 논문에서 제안 한 수법의 유효성을 확인하였다. 단부 코깅력의 크기를 저감하기 위해 보조극을 설치하는 경우 가동자 양 끝단에 설치한 보조극의 길이는 10[mm], 높이는 3[mm]로 하고, 영구자석과 영구자석 사이에 설치한 보조극의 길이는 4[mm], 높이는 3[mm]로 하여 가동자 진행방향을 기준으로 각 영구자석의 시작단에 설치하는 것이 적합함이 판명 되었다
- 51[%]정도 단부 코깅력이 감소됨을 확인 하였다. 또한, 제안된 모델은 전기자와 가동자가 완전하게 대항하고 있는 상태에서 발생하는 코깅력의 크기도 감소하였다. 기본 모델의 완전대항시 최대 코깅력은 0.
- 다음으로, 영구자석 높이 보다 보조극의 높이를 증감시킨 제안 모델#4와 제안 모델#5에서 발생하는 단부 코깅력의 크기는 기본 모델의 단부 코깅력 보다 감소했지만, 보조극의 높이가 영구자석 높이와 동일한 제안 모델#1 보다 증가됨이 확인 되었다. 이상의 결과로 단부 코깅력을 저감시키기 위하여 가동자 양 끝단에 보조극을 설치한 경우 제안 모델#1이 적합함이 판명되었다.
- 또한, 가동자 양끝단에 설치한 보조극 높이를 조절한 결과와 큰 차이가 없음을 알 수 있다. 이상의 결과로 보조극을 설치하여 단부 코깅력을 저감할 경우 가동자 양 끝단에만 보조극을 설치한 모델보다 가동자 양 끝단과 영구자석 사이에 보조극을 설치한 모델의 단부 코깅력 저감에 효과적임을 확인 할 수 있다.
- 1[N] 발생하였다. 제안 모델#6, 제안 모델#8, 제안 모델#9에서 발생하는 단부 코깅력의 크기는 큰 차이가 없었지만, 기본 모델과 비교시 단부 코깅력의 크기가 감소됨이 확인 되었다. 또한, 가동자 양 끝단에만 보조극을 설치한 제안 모델과 비교해 보아도 단부 코깅력의 크기가 저감된 것을 알 수 있다.
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