스마트폰의 슬림화를 위한 방법으로 스마트폰의 두께 방향이 아닌 너비 방향으로 진동하는 수평 선형 진동 모터를 여러 회사에서 현재 개발 중이다. 진동 모터 개발과정 중 수학적 모델링을 이용한 방법은 진동을 예측하기 위한 효율적인 방법 중 하나이다. 하지만 실제 수평 선형 진동모터에서는 Lorentz Force에 의한 수평 힘과 진동자 내의 자석과 브라켓 사이에 작용하는 자력에 인한 인력과 진동자 중력에 의한 수직 힘이 발생하여 진동자는 수평 선형 운동이 아닌 비틀림 운동을 하게 된다. 즉, 진동자에 수평 힘만 고려되어져 이상적인 운동으로 가정하는 수학적 모델링은 해석 오차의 발생 원인 중 하나이다. 따라서, 본 논문은 상용 동역학 해석 프로그램인 "DAFUL"을 이용한 진동 모터의 동적해석을 제시한다. 이 해석 프로그램은 진동자에 작용하는 수평, 수직 힘을 모두 고려할 수 있어 실제 진동모터의 움직임에 가까운 운동을 구현하여 수학적 모델링이 가지는 한계를 극복할 수 있다. 또한 "DAFUL"을 이용하여 해석 결과를 검증하기 위해 실험을 행하였고, 각각의 데이터를 비교 및 분석하여 결과를 확인하였다.
스마트폰의 슬림화를 위한 방법으로 스마트폰의 두께 방향이 아닌 너비 방향으로 진동하는 수평 선형 진동 모터를 여러 회사에서 현재 개발 중이다. 진동 모터 개발과정 중 수학적 모델링을 이용한 방법은 진동을 예측하기 위한 효율적인 방법 중 하나이다. 하지만 실제 수평 선형 진동모터에서는 Lorentz Force에 의한 수평 힘과 진동자 내의 자석과 브라켓 사이에 작용하는 자력에 인한 인력과 진동자 중력에 의한 수직 힘이 발생하여 진동자는 수평 선형 운동이 아닌 비틀림 운동을 하게 된다. 즉, 진동자에 수평 힘만 고려되어져 이상적인 운동으로 가정하는 수학적 모델링은 해석 오차의 발생 원인 중 하나이다. 따라서, 본 논문은 상용 동역학 해석 프로그램인 "DAFUL"을 이용한 진동 모터의 동적해석을 제시한다. 이 해석 프로그램은 진동자에 작용하는 수평, 수직 힘을 모두 고려할 수 있어 실제 진동모터의 움직임에 가까운 운동을 구현하여 수학적 모델링이 가지는 한계를 극복할 수 있다. 또한 "DAFUL"을 이용하여 해석 결과를 검증하기 위해 실험을 행하였고, 각각의 데이터를 비교 및 분석하여 결과를 확인하였다.
Many companies have tried to develop the horizontally vibrating linear motor, for sliming the smart phone. Mathematical modeling and analysis is one of method to simulate the dynamic performance of the horizonatally vibrating linear motor. However, the horizontally vibrating linear motor vibrates in...
Many companies have tried to develop the horizontally vibrating linear motor, for sliming the smart phone. Mathematical modeling and analysis is one of method to simulate the dynamic performance of the horizonatally vibrating linear motor. However, the horizontally vibrating linear motor vibrates in twisting mode because there are two kinds of force acting on the vibrating part. One is are the horizontal force by Lorentz force. The other is the vertical force by attraction force between magnet of vibrating part and bracket and the gravity force of vibrating part. However, those are very difficult to be included in mathematical modeling which generate the simulation errors. In this paper, we perform MFBD (multi flexible body dynamics) simulation using commercial dynamic analysis program "DAFUL". In our new model, the force effects those are neglected in mathematical model, are included. For the verification, the simulation results are compared with the experiment results with manufactured prototype.
Many companies have tried to develop the horizontally vibrating linear motor, for sliming the smart phone. Mathematical modeling and analysis is one of method to simulate the dynamic performance of the horizonatally vibrating linear motor. However, the horizontally vibrating linear motor vibrates in twisting mode because there are two kinds of force acting on the vibrating part. One is are the horizontal force by Lorentz force. The other is the vertical force by attraction force between magnet of vibrating part and bracket and the gravity force of vibrating part. However, those are very difficult to be included in mathematical modeling which generate the simulation errors. In this paper, we perform MFBD (multi flexible body dynamics) simulation using commercial dynamic analysis program "DAFUL". In our new model, the force effects those are neglected in mathematical model, are included. For the verification, the simulation results are compared with the experiment results with manufactured prototype.
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문제 정의
이를 보완하기 위한 방법으로 다물체 유연체 동역학 (Multi Flexible Body Dynamics) 상용 해석 프로그램인 “DAFUL"을 이용한 수평진동 모터의 진동 특성을 예측한다. 이 프로그램은 기존의 다 물체 동역학 해석 엔진에 FEM기술을 하나의 솔버로 통합하여 시스템의 동적 거동과 유연체의 변형 사이의 상호 작용이 매우 중요한 기계 시스템의 동적 거동 해석에 매우 정확한해석결과를 제시해 주는 프로그램이다. 우리는 이 프로그램을 이용하여 진동자에 미치는 수평, 수직 힘을 모두 다 고려하여 진동 모터의 동적 거동을 예측하였다.
가설 설정
1과 같이 복잡한 모델링을 진동자, 2개의 판스프링, 지그로 단순화하였다. 텅스텐으로 제작된 진동자와 아크릴지그의 경우 변형이 일어나지 않는다고 가정하여 강체(Rigid body)로 모델링하였다. 스프링은 수평, 수직 힘에 의해 변형이 일어나기 때문에 Fig.
제안 방법
DAFUL에서 중력을 설정하여 시스템 전체에 적용하였다. Fig.
실험 절차로는 수평 선형 진동 모터를 지그에 설치 후 진동을 측정하기 위한 가속도 센서를 지그 측면에 부착하였다. 그 후 vibration-tester를 이용하여 160~190Hz의 0.08A 정현파를 진동모터에 인가 후 고유 진동수를 확인하였다. 그리고 확인된 고유진동수를 진동모터에 인가 시 발생한 지그의 가속도가 센서로 전달되며 전달된 가속도는 PC를 통해 시간에 대한 가속도로 확인하였다.
08A 정현파를 진동모터에 인가 후 고유 진동수를 확인하였다. 그리고 확인된 고유진동수를 진동모터에 인가 시 발생한 지그의 가속도가 센서로 전달되며 전달된 가속도는 PC를 통해 시간에 대한 가속도로 확인하였다. 실험 결과는 가속도 2.
우리는 이 프로그램을 이용하여 진동자에 미치는 수평, 수직 힘을 모두 다 고려하여 진동 모터의 동적 거동을 예측하였다. 또한 이 분석 결과를 검증 하기위해 DAFUL해석 시 사용하였던 모델링의 시제품을 만들어 실험을 하여, 기존의 방법인 수학적 모델링과 DAFUL을 이용한 방법을 비교 및 분석하였다.
본 논문에서는 수평 진동모터의 시제품 설계 및 제작을 위한 동적 성능의 시뮬레이션을 동역학 해석 프로그램 "DAFUL"을 이용한 MFBD (Multi Flexible Body Dynamic) 모델을 생성하고 해석을 수행하였다.
수학적 모델링과 동역학해석 프로그램의 결과를 검증하기 위해 수평 진동모터의 시제품과 시중 판매되고 있는 휴대폰의 평균질량에 상응하는 0.1kg의 지그를 제작하였다. 그림 Fig.
실험 장비는 PC, vibration-tester, 가속도 센서로 구성되어있다. 실험 절차로는 수평 선형 진동 모터를 지그에 설치 후 진동을 측정하기 위한 가속도 센서를 지그 측면에 부착하였다. 그 후 vibration-tester를 이용하여 160~190Hz의 0.
24N이 나왔다. 우리는 Fx, Fy, 중력을 총 3가지 힘을 인가하여 진동모터가 실제에 가까운 운동을 구현하였다.
이 프로그램은 기존의 다 물체 동역학 해석 엔진에 FEM기술을 하나의 솔버로 통합하여 시스템의 동적 거동과 유연체의 변형 사이의 상호 작용이 매우 중요한 기계 시스템의 동적 거동 해석에 매우 정확한해석결과를 제시해 주는 프로그램이다. 우리는 이 프로그램을 이용하여 진동자에 미치는 수평, 수직 힘을 모두 다 고려하여 진동 모터의 동적 거동을 예측하였다. 또한 이 분석 결과를 검증 하기위해 DAFUL해석 시 사용하였던 모델링의 시제품을 만들어 실험을 하여, 기존의 방법인 수학적 모델링과 DAFUL을 이용한 방법을 비교 및 분석하였다.
이 문제점을 보완하기 위한 방법으로 다 자유도 유연체 동역학 해석 (Multi Flexible Body Dynamics Analysis)이 가능한 상용 소프트웨어 “DAFUL”을 이용하여 진동자의 중력 및 자석과 브라케사이에 작용하는 자력에 인한 인력까지 고려하여 해석을 하였다.
이 전의 수평 선형 진동모터의 동적 거동을 예측하기 위한 방법으로 수학적 모델링을 사용하였다.[3] 이 방법은 시제품을 만들어 실험을 통해 결과 값을 얻었던 방법에 비해 비교적 간단하여 개발 비용 및 시간을 줄일 수 있는 방법이다.
이를 보완하기 위한 방법으로 다물체 유연체 동역학 (Multi Flexible Body Dynamics) 상용 해석 프로그램인 “DAFUL"을 이용한 수평진동 모터의 진동 특성을 예측한다.
앞서 진행한 수학적 모델링의 경우 2가지 가정이 있었다. 첫 번째는 중력을 무시하였고, 둘째 진동자 내의 자석과 브라켓 사이의 자력에 인한 인력을 무시하였다. 이로 인해 실제 실험결과와 수학적 모델링을 비교하면 약 14%의 오차를 보인다.
대상 데이터
12 은 이번 실험에 사용한 실험 장비이다. 실험 장비는 PC, vibration-tester, 가속도 센서로 구성되어있다. 실험 절차로는 수평 선형 진동 모터를 지그에 설치 후 진동을 측정하기 위한 가속도 센서를 지그 측면에 부착하였다.
데이터처리
상용 동역학 해석프로그램인 DAFUL을 이용하여 모터의 다 자유도 진동을 해석하였다. 앞서 진행한 수학적 모델링의 경우 2가지 가정이 있었다.
본 논문에서는 수평 진동모터의 시제품 설계 및 제작을 위한 동적 성능의 시뮬레이션을 동역학 해석 프로그램 "DAFUL"을 이용한 MFBD (Multi Flexible Body Dynamic) 모델을 생성하고 해석을 수행하였다. 제안한 시뮬레이션의 해석 결과의 검증을 위해 수학적 모데링을 통한 해석 및 시제품 실험을 통한 결과값과 비교 및 분석하였다. 그 결과 기준이 되는 시제품을 이용한 실험결과는 수평진동 모터가 약 2.
성능/효과
FFT를 한 결과 이 시스템의 고유진동수는 180 Hz인 것을 확인하였다.
제안한 시뮬레이션의 해석 결과의 검증을 위해 수학적 모데링을 통한 해석 및 시제품 실험을 통한 결과값과 비교 및 분석하였다. 그 결과 기준이 되는 시제품을 이용한 실험결과는 수평진동 모터가 약 2.3G의 동적성능을 가지는 것으로 확인 되었으나, 진동자의 자체 중력 및 진동자내의 자력과 브라켓사이의 자력에 인한 인력을 무시한 수학적모델링을 통한 해석 결과는 약 2.7G로 실험결과와 비교 했을 시 약 14%의 오차를 보였다. 반면 수학적 모델링에서 무시하였던 중력과 인력을 고려하여 DAFUL 프로그램을 이용하여 분석한 결과 값은 약 2.
5G로 수학적 모델링 보다 실험에 가까운 결과 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 DAFUL을 이용한 MFBD 모델링을 통한 해석은 수학적 모델링보다 더 효과적인 수평 선형 진동모터의 시뮬레이션 방법론으로 제시할 수 있다.
7G로 실험결과와 비교 했을 시 약 14%의 오차를 보였다. 반면 수학적 모델링에서 무시하였던 중력과 인력을 고려하여 DAFUL 프로그램을 이용하여 분석한 결과 값은 약 2.5G로 수학적 모델링 보다 실험에 가까운 결과 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 DAFUL을 이용한 MFBD 모델링을 통한 해석은 수학적 모델링보다 더 효과적인 수평 선형 진동모터의 시뮬레이션 방법론으로 제시할 수 있다.
13과 같다. 실험과 비교했을 시 수학적 모델링의 경우 진동자 자체중력과 진동자내 자석과 브라켓사이의 인력을 고려하지 않아 실험결과와 오차율 약 14%인 반면 위 두 조건을 고려한 DAFUL을 이용한 해석은 오차율 약 7%로 실험결과에 가까운 결과를 확인할 수 있었다.
2에서 구한 고유진동수를 이용하여 진동모터를 가진했을 때 지그의 가속도 그래프이다. 중력과 자석과 요크사이의 인력을 인가하여 해석한 결과 두 가지 조건을 고려하지 않았을 때 보다 가속도가 오차가 약 7%로 확인된 약 25m/s2의 결과 값을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
스마트폰의 슬림화를 위한 방법으로 무엇을 개발 중인가?
스마트폰의 슬림화를 위한 방법으로 스마트폰의 두께 방향이 아닌 너비 방향으로 진동하는 수평 선형 진동 모터를 여러 회사에서 현재 개발 중이다. 진동 모터 개발과정 중 수학적 모델링을 이용한 방법은 진동을 예측하기 위한 효율적인 방법 중 하나이다.
진동 모터 개발과정 중 수학적 모델링을 이용한 방법의 특징은?
스마트폰의 슬림화를 위한 방법으로 스마트폰의 두께 방향이 아닌 너비 방향으로 진동하는 수평 선형 진동 모터를 여러 회사에서 현재 개발 중이다. 진동 모터 개발과정 중 수학적 모델링을 이용한 방법은 진동을 예측하기 위한 효율적인 방법 중 하나이다. 하지만 실제 수평 선형 진동모터에서는 Lorentz Force에 의한 수평 힘과 진동자 내의 자석과 브라켓 사이에 작용하는 자력에 인한 인력과 진동자 중력에 의한 수직 힘이 발생하여 진동자는 수평 선형 운동이 아닌 비틀림 운동을 하게 된다.
참고문헌 (4)
Ki-Il Hwang and Jin-H Kim, "Single-axis Flat Electro-Magnetic motor using shorted turned for Fast initial response", Journal of the korean Magnetics society, Vol,19, No.6, pp.222-225, 2009
Jae-Hee Kim and Jin-Ho Kim, "A horizontally vibration linear actuator for slimming of smart phone", Proceedings of the ICCESSE Conference, pp. 21-23, 2011
Suk-Min Yoon, Jae-He Kim and Jin-Ho Kim, "Mathematical Modeling and Analysis of Vibration Characteristics of Smart-phone", International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, Vol,14, Issue 3, pp. 505-508, 2013 DOI: http://dx.doi.org/10.1007/s12541-013-0068-0
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