[논문]미진동 저감을 위한 복합형 전자기식 작동기의 개발에 대한 연구

문석준; 박수홍; 정종안; 허영철; 김철호; 최상민

doi:10.5050/ksnve.2011.21.5.475

미진동 저감을 위한 복합형 전자기식 작동기의 개발에 대한 연구
A Study on the Development of a Hybrid Electromagnetic Actuator Against Microvibration 원문보기 논문타임라인

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.21 no.5, 2011년, pp.475 - 483

문석준 (한국기계연구원) , 박수홍 (한국산업기술시험원) , 정종안 (한국기계연구원) , 허영철 (한국기계연구원) , 김철호 (한국생산기술연구원) , 최상민 ((주)수퍼센츄리)

Abstract ▼ AI-Helper

A hybrid electromagnetic actuator with an air mount is designed so as to achieve the desired isolation reduce the vibration efficiency on the floor vibration. The performance specification of the hybrid electromagnetic actuator is determined based on the vibration criterion for vibration-sensitive equipment. In the design stage of the electromagnetic actuator, the simple reluctance method is adapted to analyze magnetic circuits. The result is verified by finite element analysis using ANSYS Emag. Finally, in order to confirm the design performance, a dynamic characteristic test is carried out for the prototype of a hybrid electromagnetic actuator.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

고정자와 가동자 사이에는 약간의 갭(air gap, g)이 있으며, 이 부부분에서 전자기력이 발생한다. 갭은 진동수준에 따라 변경될 수 있으며, 기본설계 단계에서는 진동이 없는 상태에서의 해석을 수행하고자 하였다. 또한 자기 흐름을 고려하여 고정자와 가동자의 폭(w)은 동일한 것으로 가정하였으며, 상부 고정자와 하부 고정자는 동일하므로 상부 고정자만을 해석에 고려하였다.
고정밀 장비에 대한 통합 진동제어시스템에서의 전자기식작동기는 공기 마운트와 같은 수동형 제진장치와 함께 사용하는 것을 전제로 한다. 모든 정하중은 수동형 장치가 지지하고, 전자기식 작동기는 내/외부 가진원에 의한 동하중에 의해 유발되는 진동만을 제어하는 것을 목표로 하고 있다. 내부 가진원 중 큰 과도진동은 MR 댐퍼 등 다른 진동제어장치가 담당을 하고, 전자기식 작동기는 정상상태(steady state)에서의 진동제어만을 고려한다.
이 논문에서는 능동형 진동제어장치 중 전자기식작동기의 개발에 대한 연구를 다루고 있다. 고정밀 장비에 대한 통합 진동제어시스템에서의 전자기식작동기는 공기 마운트와 같은 수동형 제진장치와 함께 사용하는 것을 전제로 한다.
이 연구에서는 Fig. 2와 같은 자기 베어링 형태의 전자기식 작동기를 제안하며, 설계·제작하고자 한다.
이 연구에서는 고정밀을 요구하는 첨단 가공/생산설비의 통합 제진시스템에 필요한 복합형 전자기식 작동기를 개발하였다. 이를 위하여 먼저 설계절차를 정립하고, 정립된 절차에 따라 제작된 작동기에 대해 일련의 성능실험을 수행하였다.
이 연구에서는 기본설계단계에서 효과적으로 활용할 수 있는 암페어(Ampere) 법칙을 이용한 자기저항(reluctance) 방법을 채용하여 제어력과 응답성을 산정하고자 하였다. 이 방법은 식 (1), (2)로부터 출발한다.
내부 가진원 중 큰 과도진동은 MR 댐퍼 등 다른 진동제어장치가 담당을 하고, 전자기식 작동기는 정상상태(steady state)에서의 진동제어만을 고려한다. 이 연구에서는 미진동용 전자기식 작동기를 간편하고 효과적으로 설계하기 위해 검증된 방법을 통해 설계절차를 정립하고, 정립된 절차에 따라 복합형 방진마운트를 개발하고자 한다. 이 논문에서 다루고 있는 전자기식 작동기는 자기 베어링 타입이며, 설치 편의 및 공간문제 등을 고려하여 공기 마운트와 결합된 형태이다.

가설 설정

코일의 직경을 감소시킨다. → 허용 전류 밀도가 감소한다.
예제의 각 파라미터 값은 Table 2에 정리하였다. 고정자와 가동자의 재료는 일반 강재로 가정하였으며, 갭은 5 mm로 고정하였다.
3에서의 화살표는 자기회로가 형성되는 폐 경로(closed path)를 나타내고 있다. 단, 외부로 방출되는 누설(leakage) 및 프린징 플럭스(fringing flux) 는 없는 것으로 가정하였다.
갭은 진동수준에 따라 변경될 수 있으며, 기본설계 단계에서는 진동이 없는 상태에서의 해석을 수행하고자 하였다. 또한 자기 흐름을 고려하여 고정자와 가동자의 폭(w)은 동일한 것으로 가정하였으며, 상부 고정자와 하부 고정자는 동일하므로 상부 고정자만을 해석에 고려하였다. Fig.
위에서 기술한 바와 같은 내용을 고려하여 전자기식 작동기의 제어력은 (4~20) Hz 주파수 범위 안에서 최대 150 N으로 결정하였다. 복합형 전자기식작동기에서 채용한 공기 마운트는 상용제품을 수정 없이 사용하는 것을 가정하였다.
일반적으로 코일은 직경이 클수록 많은 전류를 흐를 수 있으나, 과다한 전류가 흐를 경우 발열 문제로 인하여 장시간 사용할 경우 성능의 저하가 발생할 수 있어 제한조건에 포함시켰다. 중요 설계변수 중 갭(g)와 고정자/가동자의 폭(w)은 최적화 문제에서는 설계변수로 고려하지 않고 일정한 수치를 가정하였다. 또한 코일이 감기는 공간에 대한 중요변수는 포장계수는 0.

제안 방법

• 미진동 제어를 위해 자기 베어링 형태의 복합형 전자기식 작동기를 제안하였다.
따라서 전자기식 작동기에 의해 발생하는 제어력 특성만을 파악하기 위해 실험 지그를 사용하여 마운트 상·하면을 고정하였으며, 실험 지그와 마운트 사이에 3개의 로드 셀(load cell)를 설치하여 제어력을 계측하였다.
8 참조). 또한 오프셋 전압의 크기를 조정하기 위해 조절단자를 설치하여 (0~5) V까지 조정이 가능하도록 하였다. 오프셋 전압과 신호분배장치의 출력파형들이 더해져 상^·하단의 코일에 입력되는 전압차가 발생하여 입력파형을 추종하는 제어력이 발생하게 된다.
이로 인해 코일 특성의 차이가 전압-전류 관계에 영향을 미치는 것으로 판단된다. 또한 이러한 오차는 제어력 파형에 영향을 미칠 것으로 예상되며, 이를 확인하기 위해 제어력 파형을 분석하여 보았다. Fig.
코일에 전류를 투입하기 위해서는 전류공급장치(current driver)가 필요하며, 전류공급장치를 사용하기 위해서는 별도의 전원장치(power supply)가 필요하다. 또한 작동기의 응답 특성을 향상시키기 위해 오프셋(offset) 전압(Fig. 6에서는 3V로 표시되어 있음)을 투입하도록 구성하였다.
또한 코일에 전류를 투입하면, 전류의 부호(+, -) 에 상관없이 항상 당기는 방향 즉 인력만이 발생하므로, 상단과 하단의 전류투입을 부호에 따라 변경할 수 있는 장치를 개발하였다. Fig.
따라서 전자기식 작동기에 의해 발생하는 제어력 특성만을 파악하기 위해 실험 지그를 사용하여 마운트 상·하면을 고정하였으며, 실험 지그와 마운트 사이에 3개의 로드 셀(load cell)를 설치하여 제어력을 계측하였다. 또한 코일에 투입되는 전류를 계측하기 위해 전류측정기를 사용하였다. 신호발생기를 이용하여 다양한 정현파를 공급하면서 전류의 양 및 제어력의 크기 등을 계측하였다.
• 미진동 제어를 위해 자기 베어링 형태의 복합형 전자기식 작동기를 제안하였다. 설계 단계에서의 자기회로 설계를 간단하고 편리한 자기저항 방법을 통해 수행하였으며, 정확성을 검증하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 이 연구에서 사용된 자기저항 방법은 최적화 절차를 포함한 기본설계단계에서 효율적으로 적용할 수 있으나, 상세설계단계에서는 다양한 관점에서 결과를 검토하기 위해서는 유한요소해석이 필수적이다.
즉, 전력공급장치를 고려한 최소 소요 전력, 제어력을 고려한 최대 제어력, 그리고 응답속도를 고려한 최소 시정수이다. 설계변수로는 코일이 감기는 공간의 크기(Space_a, Space_b), 코일의 번호(coil AWG) 및 감는 수(coil turns), 코일에 흐르는 전류(current) 등을 선정하였다. 제한조건으로 설계사양 및 코일의 발열 등의 문제를 고려하여 Table 4에 표시한 바와 같이 3개의 조건식을 고려하였다.
또한 코일에 투입되는 전류를 계측하기 위해 전류측정기를 사용하였다. 신호발생기를 이용하여 다양한 정현파를 공급하면서 전류의 양 및 제어력의 크기 등을 계측하였다. 신호발생기로부터 발생된 1V~5V의 정현파가 1V 간격으로 입력되었을 때, 로드 셀에서 계측된 제어력을 보여주고 있다.
이 연구에서는 미진동용 전자기식 작동기를 간편하고 효과적으로 설계하기 위해 검증된 방법을 통해 설계절차를 정립하고, 정립된 절차에 따라 복합형 방진마운트를 개발하고자 한다. 이 논문에서 다루고 있는 전자기식 작동기는 자기 베어링 타입이며, 설치 편의 및 공간문제 등을 고려하여 공기 마운트와 결합된 형태이다.
이 연구에서는 고정밀을 요구하는 첨단 가공/생산설비의 통합 제진시스템에 필요한 복합형 전자기식 작동기를 개발하였다. 이를 위하여 먼저 설계절차를 정립하고, 정립된 절차에 따라 제작된 작동기에 대해 일련의 성능실험을 수행하였다. 이 연구에서 얻은 결과를 정리하면 다음과 같다.
자기저항 방법과 유한요소 해석방법의 결과를 비교하기 위해 수치해석 예제를 선택하였다. 예제의 각 파라미터 값은 Table 2에 정리하였다.
제안된 작동기는 상·하부 하우징, 코일 및 중앙에 설치된 공기 스프링 등으로 구성되어 있다.

대상 데이터

설계 대상체는 좌우 대칭 형상을 가지고 있으므로 계산시간의 절약을 위해 1/4만 모델링을 하였다. Fig. 4는 모델링에 사용된 모델을 나타내고 있으며, 약 260,000개의 노드와 140,000개의 요소가 사용되었다. 유한요소 해석방법을 통한 전자기 해석의 모델링 단계에서 중요한 것은 갭 부분에 대한 메쉬(meshing)을 조밀하게 해야 한다는 것이다.

데이터처리

3.1절에서 제시한 자기저항 방법의 유효성을 검증하기 위해 유한요소 해석방법을 활용하였다. 이 연구과제에서 고려한 해석도구는 ANSYS/Emag 11.
1절에서 제시한 자기저항 방법의 유효성을 검증하기 위해 유한요소 해석방법을 활용하였다. 이 연구과제에서 고려한 해석도구는 ANSYS/Emag 11.0이며, 해석을 통해 제어력과 시정수를 비교해 보았다. 설계 대상체는 좌우 대칭 형상을 가지고 있으므로 계산시간의 절약을 위해 1/4만 모델링을 하였다.

성능/효과

• 설계된 전자기식 작동기는 입력전압에 비례하여 제어력이 변화하고, 입력 주파수의 변화에는 무관함을 실험을 통해 확인하였으며, 이를 통해 설계가 적절하게 되었음을 증명하였다.
• 정립된 설계절차에 따라 설계된 전자기식 작동기의 성능실험을 통해 설계절차가 적절하게 정립되었음을 확인하였다.
위쪽 그림은 상단 코일, 아래쪽 그림은 하단 코일에 대한 실험 및 분석 결과이다. 상단과 하단의 코일에 대해 전압과 전류의 관계는 선형성이 강한 것을 확인할 수 있으나, 최대 7 % 정도의 차이가 있는 것을 확인할 수 있다. 제작 과정에서 코일의 턴 수는 동일하지만, 사용된 코일의 길이가 상이함에 의해 저항의 차이가 발생한다.
입력 전압의 크기가 증가할수록 제어력이 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 정현파의 주파수 변화에 따른 제어력의 변화는 없는 것을 알 수 있다.
• 정립된 설계절차에 따라 설계된 전자기식 작동기의 성능실험을 통해 설계절차가 적절하게 정립되었음을 확인하였다. 자기 베어링 형태의 전자기식작동기에 전류투입을 부호에 따라 변경할 수 있는 장치를 개발하였으며, 실험을 통해 적절히 작동함을 확인하였다.

후속연구

추후 2개 마운트가 1set 또는 4개 마운트가 1set으로 구성되는 마운트 시스템에 대한 연구를 통해보다 확실한 방진효과를 확인할 수 있을 것으로 예상된다.
이는 상^·하 단의 코일에서 발생하는 힘이 상이하기 때문이다. 추후 제어기를 구성할 때, 이러한 전자기식 작동기의 동특성을 반드시 고려 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LCD 등 디스플레이(display) 산업의 대형화, 집적화, 다기능화 등의 성능을 만족하기 위해서 필요한 것은?	LCD 등 디스플레이(display) 산업에서의 대형화, 집적화, 다기능화 등의 성능을 만족하기 위해서는 관련 가공/생산/검사장비 등이 매우 높은 정밀도를 보유하여야 한다. 불량률의 감소에 따른 수율 증대와 생산 공정의 안정화가 고도의 정밀가공이 필요한 생산제품의 경제성과 직접적인 관계를 가지고 있다.
	공기스프링과 같은 수동형 진동제어방식의 단점은?	일반적으로 널리 사용하고 있는 공기스프링과 같은 수동형 진동제어방식은 큰 정하중 용량을 보유하고 있으며, 약 20 Hz이상의 주파수 영역에서 우수한 진동차단 효과를 얻을 수 있다. 그러나 저주파수 영역의 자체 공진주파수에서는 내부 가진원에의한 변위가 크게 발생하는 단점이 있다. 예를 들면, 대용량 이동 질량을 가지고 있는 노광기와 같은 장비에는 단독으로 적용하는 데에는 한계가 있다.
	현재 디스플레이 생산 현장에서 발생하는 난 제들 중의 하나는?	불량률의 감소에 따른 수율 증대와 생산 공정의 안정화가 고도의 정밀가공이 필요한 생산제품의 경제성과 직접적인 관계를 가지고 있다. 현재 디스플레이 생산 현장에서 발생하는 난 제들 중의 하나는 여러 장비들이 주변 미세 진동들에 의해 기능저하가 됨으로써 수율이 떨어진다는 것이다. 이러한 문제들을 고려하여 디스플레이 공장건물들에 대해 진동허용 규제를 하고 있으나, 실제 운용되는 정밀 장비들의 진동 허용 규제치는 더욱 높은 조건을 요구하고 있다.

참고문헌 (10)
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Jang, H. K., Hong, S. I., Kim, H. S., Lee, D. H. and Lee, K. D., 2006, A Vibration Isolation System Design for a Vibration-sensitive Equipment, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 16, No. 3, pp. 307-312.

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따라서 장비의 내부 가진원에 의해 발생하는 과도응답을 제어하고, 외부로부터의 진동을 효과적으로 차단할 수 있는 효과적인 제진 장비의 개발이 요구되고 있다⁽¹⁾.
An, C. H., Yim, K. H., Jin, K. B. and Rim, K. H., 2007, Active Control of Vibration Isolation Table Using Air-spring, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 17, No. 7, pp. 565-571.

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이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 연구가 진행 되고 있으며, 대표적으로 능동형 공기스프링을 활용한 방법에 대한 연구가 발표되고 있다^(2~4).
Shin, Y. H., Oh, K. Y., Lee, J. H. and Kim, K. J., 2007, Performance Enhancement of Pneumatic Vibration Isolation Table in Low Frequency by Active Control, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 17, No. 1, pp. 72-79.

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이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 연구가 진행 되고 있으며, 대표적으로 능동형 공기스프링을 활용한 방법에 대한 연구가 발표되고 있다^(2~4).
Sun, J. O., Shin, Y. H. and Kim, K. J., 2007, A Study on Response Analysis of 6-DOF Pneumatic Vibration Isolation Table by Transient Movements of Carriage on It, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 17, No. 6, pp. 515-523.

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이러한 한계를 극복하기 위해 다양한 연구가 진행 되고 있으며, 대표적으로 능동형 공기스프링을 활용한 방법에 대한 연구가 발표되고 있다^(2~4).
Kim, H. T., Kim, C. H., Lee, K. W., Lee, G. S., Son, S. W. and Chun, C. K., 2009, Performance Estimation of Active Electro-magnetic Isolator for Semiconductor Manufacturing Machine, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 579-580.

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통합 진동제어시스템의 반능동형 제진장치로는 MR/ER 댐퍼, 오리피스 댐퍼, 마찰 댐퍼 등이 있으며, 능동형 제진장치로는 공압 스프링, 전자기식 작동기⁽⁵⁾, 압전작동기⁽⁶⁾, 자기변형 작동기 등을 고려할 수 있다.
Moon, S. J., Jung, H. J., Shin, Y. H., Jang, D. D., Jeong, J. A. and Moon, Y. J., 2011, Development of a Hybrid Mount System Combined Airspring with Piezostack Actuator for Microvibration, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 21, No. 1, pp. 56-65.

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통합 진동제어시스템의 반능동형 제진장치로는 MR/ER 댐퍼, 오리피스 댐퍼, 마찰 댐퍼 등이 있으며, 능동형 제진장치로는 공압 스프링, 전자기식 작동기⁽⁵⁾, 압전작동기⁽⁶⁾, 자기변형 작동기 등을 고려할 수 있다.
Gordon, C. G., 1991, Generic Criteria for Vibration-sensitive Equipment, Proceedings of SPIE Conference on Vibration Control and Metrology, pp. 71-85, San Jose, CA

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1^(7,8)을 활용할 수 있을 것이다.
http://www.newport.com

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1^(7,8)을 활용할 수 있을 것이다.
Amick, H., Gendreau, M., Busch, T. and Gordon, C. G., 2005, Evolving Criteria for Research Facilities: I - Vibration, Proceedings of SPIE Conference on Buildings for Nanoscale Research and Beyond, pp. 1-13.
Braucer, J. R., 2006, Magnetic Actuators and Sensors, IEEE Magnetic Society, Wiley-Interscience.

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일반적으로 F_p는 약 0.7 이하로 설정한다⁽¹⁰⁾.

저자의 다른 논문 :

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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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