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문제 정의
- 전자기성형 장비 운용 및 성형 조건의 중요 인자인 전자기성형 장비 전체 시스템이 가지는 인덕턴스, 저항, 최대전류, 성형 코일에 인가되는 초기 입력전류(Primary input current)를 도출하기 위해 본 연구에서는 개발된 전자기성형 장치의 시스템 변수와 성형 코일에 인가되는 초기 입력전류를 이론적으로 예측하였다. 전자기 성형 장비는 인덕턴스(L), 저항(R), 커패시터(C)로 구성된 RLC 회로라고 할 수 있다.
가설 설정
- Fig. 3과 같이 해석 모델은 2-D 축 대칭으로 가정하였고, 시스템 전체의 저항값은 0.01Ωm, 인덕턴스의 값은 2.4μH이며 코일의 저항값을 1.72e-08Ωm 주고 유한요소 해석을 수행하였다.
제안 방법
- 1) 이론적으로 계산한 시스템 입력 전류 값과 해석으로 도출한 입력전류 값을 실제 로고스키 코일을 이용하여 측정한 입력전류 값과 비교하였다. 초기의 최대 입력전류 값은 이론적/해석적으로 도출 값과 로고스키코일을 이용하여 측정한 값과 다소 차이가 났으나 실험과 거의 유사한 것을 확인하였다.
- 2) 전자기성형 해석의 입력 전류의 최대값이 190kA로 같은 경우 각 Case 별로 입력 전압값과 요구되는 커패시터 용량을 달리하여 해석을 수행하였다. 이를 통하여 각 Case 별로 입력값에 따라서 입력전류의 주기가 달라지는 것을 확인하였고, 특히 커패시터값이 증가할수록 주기가 길어지는 것을 확인하였다.
- 또한, 장비의 용량 한계 때문에 해석을 통해 구한 입력전류를 이용하여 성형력 도출하는 것이 가능하다.3,4 본 연구에서는 전자기성형의 공정변수가 성형력에 미치는 영향을 평가하기 위해서 고려되어야 하는 입력전압(V), 커패시터(C), 저항(R), 인덕턴스(L) 파라미터를 정하고 각각의 파라미터를 변화시켜 Case 별로 전자기장 해석을 수행하였다. 이때 전자기 성형 장비의 인덕턴스 값과 저항값은 장비를 제작할 때 고유의 값이기 때문에 변화되는 변수는 입력전압과 커패시터의 용량이다.
- 유한요소 해석 모델은 RLC회로를 구성하였고 코일에 하나의 절점을 선택하여 요소를 연결한다. ANSYS/Multi-Physics를 사용하였고 CIRCU124 요소를 사용하여 RLC회로를 구성하였다. 유한요소해석에서는 입력전압(V)과 커패시터(C) 용량을 변수로 하여 각 Case 별로 유한요소 해석을 수행하였다.
- 72e-08Ωm 주고 유한요소 해석을 수행하였다. 가공물과 주위 공기는 Z 축 자기 벡터 포텐셜(Magnetic vector potential, AZ) 자유도를 가지는 ANSYS의PLANE53 요소를 사용했으며 INFIN110 요소를 사용하여 무한 공간영역을 고려하여 해석을 수행하였다. 코일은 회로-연성 전도체(Circuit-coupled massive conductor) 특성과 자기 벡터 포텐셜(AZ), 전류(CURR), 기전력(EMF) 자유도를 가지는 PLANE53요소를 사용하였다.
- 각각 입력 전압은 5kV, 10kV, 15kV, 20kV, 30kV의 입력 전압값(V)을 넣었고 그때의 커패시터(C)의 용량이 각각 7400μF, 1280μF, 500μF, 280μF, 130μF의 용량을 가지도록 하였다.
- 전자기 성형 장비의 공정변수가 성형력에 미치는 영향을 평가 하기 위해서 유한요소 해석을 아래의 Table 1과 같이 나누어 해석을 수행하였다. 같은 입력전류 값을 가질 때 공정변수에 따라서 성형력의 차이를 보기 위해 각각의 최대 입력 전류값(Peak Current)이 약 190kA가 나올 수 있도록 입력전압 값과 커패시터 용량 값을 조정하여 해석을 수행하였다. 각각 입력 전압은 5kV, 10kV, 15kV, 20kV, 30kV의 입력 전압값(V)을 넣었고 그때의 커패시터(C)의 용량이 각각 7400μF, 1280μF, 500μF, 280μF, 130μF의 용량을 가지도록 하였다.
- 이것은, 입력전류의 주기가 짧아야 같은 코일을 통하여 인가되는 성형력의 손실이 적어지기 때문에 전자기 성형에서 매우 중요한 성형 인자이다. 따라서 각각의 입력전압과 커패시터값에 따라서 입력전류 값과 주기를 비교하였고 그때 코일을 통하여 인가되는 성형력을 비교 분석하였다. Fig.
- 특히, 이론적으로 계산한 입력전류와 해석을 통하여 도출한 입력전류를 비교할 때 전자기성형 코일 고유의 저항 값으로 인해서 입력전류의 주기와 값에 영향을 미치는 것을 확인하였고 해석을 통하여 도출한 입력전류 값이 실험으로 측정한 결과와 유사한 것을 확인 하였다. 또한, 장비의 용량 한계로 인해 각 Case 별로 입력전류의 측정이 불가능하기 때문에 유한요소 해석을 통해 도출한 입력전류 값을 이용하여 코일을 통하여 인가되는 성형력을 도출하였다.
- 본 논문에서는 전자기 성형 장비를 RLC 회로를 구성하여 유한요소해석을 통하여 전자기성형 장비 제작 시 고려되어야 하는 커패시터와 입력전압의 관계를 이용하여 유한요소해석 Case를 나누고 각 Case 별로 유한요소해석을 통하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 앞서 언급 하였듯이 전자기성형 장비 전체 시스템의 인덕턴스와 시스템 저항은 각각 0.01Ωm와 2.4μH로 고정 인자로 두고 입력 전압과 커패시터 용량을 변화시켰고, 이러한 공정변수가 성형력에 미치는 영향을 고려하였다.
- 유한요소 해석 모델은 RLC회로를 구성하였고 코일에 하나의 절점을 선택하여 요소를 연결한다. ANSYS/Multi-Physics를 사용하였고 CIRCU124 요소를 사용하여 RLC회로를 구성하였다.
- ANSYS/Multi-Physics를 사용하였고 CIRCU124 요소를 사용하여 RLC회로를 구성하였다. 유한요소해석에서는 입력전압(V)과 커패시터(C) 용량을 변수로 하여 각 Case 별로 유한요소 해석을 수행하였다. Fig.
- 전자기 성형 장비의 공정변수가 성형력에 미치는 영향을 평가 하기 위해서 유한요소 해석을 아래의 Table 1과 같이 나누어 해석을 수행하였다. 같은 입력전류 값을 가질 때 공정변수에 따라서 성형력의 차이를 보기 위해 각각의 최대 입력 전류값(Peak Current)이 약 190kA가 나올 수 있도록 입력전압 값과 커패시터 용량 값을 조정하여 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 가공물과 주위 공기는 Z 축 자기 벡터 포텐셜(Magnetic vector potential, AZ) 자유도를 가지는 ANSYS의PLANE53 요소를 사용했으며 INFIN110 요소를 사용하여 무한 공간영역을 고려하여 해석을 수행하였다. 코일은 회로-연성 전도체(Circuit-coupled massive conductor) 특성과 자기 벡터 포텐셜(AZ), 전류(CURR), 기전력(EMF) 자유도를 가지는 PLANE53요소를 사용하였다.8,9
성능/효과
- 3) 전자기성형의 입력 전류의 주기가 다를 때 코일을 통하여 인가되는 전류밀도와 자속밀도의 크기와 주기의 차이가 났고 이 때문에 전자기성형 시 코일과 가공재 사이의 자속밀도와 전류밀도의 최대값 차이가 발생함을 확인하였으며, 이것은 전류밀도와 자속밀도의 차이가 조밀할수록 성형력이 크게 발생함을 알 수 있다. 따라서 입력 전류의 주기가 짧고 입력 전압의 크기가 클수록 코일을 통하여 인가되는 성형력이 큰 것을 확인 하였다.
- 3) 전자기성형의 입력 전류의 주기가 다를 때 코일을 통하여 인가되는 전류밀도와 자속밀도의 크기와 주기의 차이가 났고 이 때문에 전자기성형 시 코일과 가공재 사이의 자속밀도와 전류밀도의 최대값 차이가 발생함을 확인하였으며, 이것은 전류밀도와 자속밀도의 차이가 조밀할수록 성형력이 크게 발생함을 알 수 있다. 따라서 입력 전류의 주기가 짧고 입력 전압의 크기가 클수록 코일을 통하여 인가되는 성형력이 큰 것을 확인 하였다.
- 10에 나타내었다. 앞서 보았듯이 입력 전류의 크기와 주기차이로 가공재와 코일 사이에 인가되는 자속밀도와 전류밀도의 값이 변화하여 성형력에 영향을 미쳤고, 뿐만 아니라 자속밀도와 전류밀도의 주기 또한 짧아지기 때문에 같은 주기 내에 인가되는 에너지의 양이 더 크게 인가되어 성형력에 영향을 주는 것을 확인할 수 있다.
- 2) 전자기성형 해석의 입력 전류의 최대값이 190kA로 같은 경우 각 Case 별로 입력 전압값과 요구되는 커패시터 용량을 달리하여 해석을 수행하였다. 이를 통하여 각 Case 별로 입력값에 따라서 입력전류의 주기가 달라지는 것을 확인하였고, 특히 커패시터값이 증가할수록 주기가 길어지는 것을 확인하였다. 전자기성형은 매우 짧은 시간에 성형이 이루어지므로 이러한 주기 변화가 성형 코일을 통하여 인가되는 성형력에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
- 이를 통하여 각 Case 별로 입력값에 따라서 입력전류의 주기가 달라지는 것을 확인하였고, 특히 커패시터값이 증가할수록 주기가 길어지는 것을 확인하였다. 전자기성형은 매우 짧은 시간에 성형이 이루어지므로 이러한 주기 변화가 성형 코일을 통하여 인가되는 성형력에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
- 1) 이론적으로 계산한 시스템 입력 전류 값과 해석으로 도출한 입력전류 값을 실제 로고스키 코일을 이용하여 측정한 입력전류 값과 비교하였다. 초기의 최대 입력전류 값은 이론적/해석적으로 도출 값과 로고스키코일을 이용하여 측정한 값과 다소 차이가 났으나 실험과 거의 유사한 것을 확인하였다. 특히, 이론적으로 계산한 입력전류와 해석을 통하여 도출한 입력전류를 비교할 때 전자기성형 코일 고유의 저항 값으로 인해서 입력전류의 주기와 값에 영향을 미치는 것을 확인하였고 해석을 통하여 도출한 입력전류 값이 실험으로 측정한 결과와 유사한 것을 확인 하였다.
- 초기의 최대 입력전류 값은 이론적/해석적으로 도출 값과 로고스키코일을 이용하여 측정한 값과 다소 차이가 났으나 실험과 거의 유사한 것을 확인하였다. 특히, 이론적으로 계산한 입력전류와 해석을 통하여 도출한 입력전류를 비교할 때 전자기성형 코일 고유의 저항 값으로 인해서 입력전류의 주기와 값에 영향을 미치는 것을 확인하였고 해석을 통하여 도출한 입력전류 값이 실험으로 측정한 결과와 유사한 것을 확인 하였다. 또한, 장비의 용량 한계로 인해 각 Case 별로 입력전류의 측정이 불가능하기 때문에 유한요소 해석을 통해 도출한 입력전류 값을 이용하여 코일을 통하여 인가되는 성형력을 도출하였다.
- 이때 전자기 성형 장비의 인덕턴스 값과 저항값은 장비를 제작할 때 고유의 값이기 때문에 변화되는 변수는 입력전압과 커패시터의 용량이다. 해석 결과를 통하여 전자기성형 시 중요시되는 입력전류의 주기와 성형력의 관계를 확인하였고 전자기성형 장비의 성형력이 전류 밀도(J)와 자속밀도(B)의 집중이 짧은 시간 내에 성형 코일과 판재 사이에 일어나는 정도에 따라서 성형력 크기에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 4) 입력 전압의 값은 최대한으로 늘리고 커패시터 용량이 최소가 될 때 입력 전류의 크기와 주기가 짧아져 전자기장비의 성형력이 최대가 될 수 있다 향후 해석 결과를 바탕으로 한 장비제작을 통하여 실제 실험을 통한 검증이 필요할 것이다.
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