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문제 정의
- . 본 논문은 이러한 하드웨어적인 시스템 셋엎과 관련하여 하드웨어 구성에 따른 편의성을 대폭 향상시키면서 동시에 전달 토크 밀도 또한 감소되지 않도록 하는 새로운 방식의 모듈레이터 제시와 구성 요소의 설계 제변수 변화에 따른 시스템의 거동 특성에 관해 논의한다.
제안 방법
- 2도가 된다. open-ratio는 0.3에서 0.8까지 변화시켜가며 시뮬레이션을 진행하였으며, Fig. 6에서 볼 수 있듯이 open-ratio가 0.5가 될 시 종속축에 출력으로 적용되는 하모닉 성분이 제일 큰 것을 알 수 있으며,구동축에 부하로 작용하는 하모닉성분도 작다는 것을 알 수 있다, 따라서 모듈레이터의 open-ratio는 0.5로 적용하여 추후 시뮬레이션을 진행하였다.
- 종속축은 마그네틱 감속기의 외형 커버(일반적으로 자기 폐회로 구성을 위한 back-yoke)에에폭시를 사용하여 영구 결합 되어있다. 강자성체의 극수(Pole number)는 구동축과 종속축의 PM 극수의 합으로 이루어지며, 본 연구에서는 3극의 구동축, 25극의 강자성체, 22극의 종속축을 갖도록 하였으며 이를 기반으로 전산모의 시험을 실시하였다. 상기 구조의 사시도를 3D Tool로 설계하여 Fig.
- 구동측 PM의 반경 방향 두께를 12mm로 고정한 후 고조파 모듈레이터의 두께를 변화시켜가며 시뮬레이션을 진행하였다. 모듈레이터의 두께는 3∼7mm의 범위에서 가변 시켜가며 실시하였다.
- 5를 통해서 확인할 수 있다. 따라서 모듈레이터의 두께는 4mm로 고정하였으며 이후 전상모의실험을 실행하였다.
- 3은 앞서 말한바와 같이 종속축 22극에 적용되는 모둘레이터를 통과한 구동축 3극의 하모닉 성분을 나타낸다. 또한 이와 마찬가지로 구동축 3극에 적용되는 모듈레이터를 통과한 종속축 22극의 하모닉 성분을 구한후 두 값을 계산하여 제변수 변화에 따라 종속축과 동력축에 적용되는 하모닉 성분을 도출하였다.
- 마그네틱 기어의 영구자석(PM)의 반경축 두께에 따른 변화를 전산모의 실험하였으며, 구동축과 종속축의 영구자석(PM) 두께를 동시에 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 하모닉 즉 고조파 성분이 제일 커지는 자석의 반경축 두께는 자석의 외경이 중요한 요소로 작용하게 되지만 초기 설계 시 외경의 크기를 100mm로 고정하였기 때문에 시뮬레이션도 이를 적용하여 진행하였다.
- 최적설계를 위하여 전자기 상업용 툴인 Maxwell을 이용하여 전산모의실험을 수행하였다. 먼저 마그네틱 기어 외경의 두께는 120mm로 고정시켰으며, PM의 길이도 60mm로 고정하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시스템의 성능에 영향을 미치는 주요 요소로 사전 모의 시험을 통해 자석의 두께, 모듈레이터의 형상, 모듈레이터 두께, 모듈레이터의 공극 비율 등을 선정하였다.
- 자석과 모듈레이터 사이에 기계적인 isolation을 위한 최소한의 1mm 공극이 존재해야 하므로 모듈레이터의 외경은 74mm로 고정시킨 상태에서 내경을 변화시켜가며 시뮬레이션을 진행하였다. 모둘레이터의 내경이 변화함에 따라 종속축 자석 외경 또한 동시에 변화시켜가며 설계 조건을 구성하였다. 모의시험 수행 결과 모듈레이터의 두께가 4mm일 경우 종속축에 작용하는 고조파 하모닉 성분이 제일 크며, 종속축에 부하로 작용될 하모닉 성분 즉, 구동축의 일차 고조파 성분은 적어지는 것을 Fig.
- 모듈레이터의 공극비율에 따른 전산모의실험을 실시하였다. 모듈레이터는 ANSI 1010계열의 포화이력을 갖는 전기철로 설정하였으며 구동축과의 자기 결합을 위해 25pair-pole로 구성되어 있으며 따라서 1pair-pole이 점유하는 각도는 14.4˚이다. Fig.
- 모듈레이터의 공극비율에 따른 전산모의실험을 실시하였다. 모듈레이터는 ANSI 1010계열의 포화이력을 갖는 전기철로 설정하였으며 구동축과의 자기 결합을 위해 25pair-pole로 구성되어 있으며 따라서 1pair-pole이 점유하는 각도는 14.
- 시스템의 성능에 영향을 미치는 주요 요소로 사전 모의 시험을 통해 자석의 두께, 모듈레이터의 형상, 모듈레이터 두께, 모듈레이터의 공극 비율 등을 선정하였다. 시뮬레이션은 위에서 나열한 순서로 진행을 하였으며, 시뮬레이션을 진행한 후 국부 최적값으로 결정된 값을 다음 시뮬레이션의 기준 공칭값으로 설정하여 진행 하였다. 이러한 과정을 통하여 시스템의 최종 설계값을 도출하였다.
- 먼저 마그네틱 기어 외경의 두께는 120mm로 고정시켰으며, PM의 길이도 60mm로 고정하여 시뮬레이션을 실시하였다. 시스템의 성능에 영향을 미치는 주요 요소로 사전 모의 시험을 통해 자석의 두께, 모듈레이터의 형상, 모듈레이터 두께, 모듈레이터의 공극 비율 등을 선정하였다. 시뮬레이션은 위에서 나열한 순서로 진행을 하였으며, 시뮬레이션을 진행한 후 국부 최적값으로 결정된 값을 다음 시뮬레이션의 기준 공칭값으로 설정하여 진행 하였다.
- 이러한 문제를 해결하기 위하여 Fig. 7의 Type2와 같이 모듈레이터의 전⋅후단을 링모양으로 설계하여 하드웨어적 강성(Axial & torsional stiffness)의 강화와 체결의 편의성을 향상시켰다.
- 7의 Type2와 같이 모듈레이터의 전⋅후단을 링모양으로 설계하여 하드웨어적 강성(Axial & torsional stiffness)의 강화와 체결의 편의성을 향상시켰다. 이러한 변화를 반영한 모듈레이터 모델에 대해 구동축과 종속축에 작용하는 하모닉 성분에 대하여 전산모의실험을 실시하였다. 시뮬레이션 결과는 Fig.
- 4에서 볼 수 있는 바와 같이 전산모의실험의 결과를 통하여 외경이 100mm일 경우 반경축에 대한 영구자석의 두께가 12mm일 경우 22극의 자기 강도가 제일 커짐을 알 수 있으며, 상기 두께를 전후로 해서는 22극 성분이 오히려 감소함을 알 수 있다. 이를 통하여 자석의 두께를 12mm이상으로 설정하는 것은 비효율적이라는 것을 알 수 있으며 자석 두께는 12mm로 고정하여 이후 전산모의실험을 실행하였다.
- 모듈레이터의 두께는 3∼7mm의 범위에서 가변 시켜가며 실시하였다. 자석과 모듈레이터 사이에 기계적인 isolation을 위한 최소한의 1mm 공극이 존재해야 하므로 모듈레이터의 외경은 74mm로 고정시킨 상태에서 내경을 변화시켜가며 시뮬레이션을 진행하였다. 모둘레이터의 내경이 변화함에 따라 종속축 자석 외경 또한 동시에 변화시켜가며 설계 조건을 구성하였다.
- 마그네틱 기어의 영구자석(PM)의 반경축 두께에 따른 변화를 전산모의 실험하였으며, 구동축과 종속축의 영구자석(PM) 두께를 동시에 변화시켜가며 실험을 진행하였다. 하모닉 즉 고조파 성분이 제일 커지는 자석의 반경축 두께는 자석의 외경이 중요한 요소로 작용하게 되지만 초기 설계 시 외경의 크기를 100mm로 고정하였기 때문에 시뮬레이션도 이를 적용하여 진행하였다. 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 Fig.
데이터처리
- 최적설계를 위하여 전자기 상업용 툴인 Maxwell을 이용하여 전산모의실험을 수행하였다. 먼저 마그네틱 기어 외경의 두께는 120mm로 고정시켰으며, PM의 길이도 60mm로 고정하여 시뮬레이션을 실시하였다.
성능/효과
- 반대로 일체형 타입의 모델의 경우 비록 출력축에 작용하는 하모닉 성분은 분리형보다 작지만 구동축에 작용하는 하모닉 성분은 분리형에 비해 현저히 작은 것을 볼 수 있다. 결론적으로 하드웨어적 강성의 강화와 체결의 간략화의 장점을 가지며 구동축의 출력은 거의 차이가 없고 동력축에 부하는 적다는 장점을 갖는 Type 2가 고조파 모듈레이터로 적합한 것을 알 수 있다.
- 마그네틱 기어의 설계 변수 변화에 따른 민감도 해석을 전산모의실험(maxwell)을 통하여 수행하였으며 해석 결과 자석의 두께와, 모듈레이터의 두께, 모듈레이터의 개방비(open-ratio)의 국부 최적값을 구할 수 있었다. 또한 일체형 모듈레이터와 분리형 모듈레이터에 대하여 마찬가지로 고조파 하모닉 성분의 비교를 통해 민감도 해석을 실시하였는데 해석 결과 분리형 모듈레이터의 경우에는 출력에 해당하는 구동축에 작용하는 하모닉 성분이 일체형 모듈레이터보다 크지만 모터에 작용하는 부하가 크고 하드웨어적 강성이 아주 약하며 체결의 문제점이 있는 것을 알 수 있었다. 반대로 일체형 강자성체는 출력에 해당하는 구동축에 작용하는 하모닉 성분을 조금 적지만 모터에 작용하는 부하는 분리형에 비해 작으며, 하드웨어적 강성을 확보할 수 있고, 체결의 간편함이라는 강점 또한 가지고 있어 일체형 강자성체 가 많은 강점을 자지고 있다는 것을 알 수 있다.
- 마그네틱 기어의 설계 변수 변화에 따른 민감도 해석을 전산모의실험(maxwell)을 통하여 수행하였으며 해석 결과 자석의 두께와, 모듈레이터의 두께, 모듈레이터의 개방비(open-ratio)의 국부 최적값을 구할 수 있었다. 또한 일체형 모듈레이터와 분리형 모듈레이터에 대하여 마찬가지로 고조파 하모닉 성분의 비교를 통해 민감도 해석을 실시하였는데 해석 결과 분리형 모듈레이터의 경우에는 출력에 해당하는 구동축에 작용하는 하모닉 성분이 일체형 모듈레이터보다 크지만 모터에 작용하는 부하가 크고 하드웨어적 강성이 아주 약하며 체결의 문제점이 있는 것을 알 수 있었다.
- 모둘레이터의 내경이 변화함에 따라 종속축 자석 외경 또한 동시에 변화시켜가며 설계 조건을 구성하였다. 모의시험 수행 결과 모듈레이터의 두께가 4mm일 경우 종속축에 작용하는 고조파 하모닉 성분이 제일 크며, 종속축에 부하로 작용될 하모닉 성분 즉, 구동축의 일차 고조파 성분은 적어지는 것을 Fig. 5를 통해서 확인할 수 있다. 따라서 모듈레이터의 두께는 4mm로 고정하였으며 이후 전상모의실험을 실행하였다.
- 하모닉 즉 고조파 성분이 제일 커지는 자석의 반경축 두께는 자석의 외경이 중요한 요소로 작용하게 되지만 초기 설계 시 외경의 크기를 100mm로 고정하였기 때문에 시뮬레이션도 이를 적용하여 진행하였다. 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타낸 Fig. 4에서 볼 수 있는 바와 같이 전산모의실험의 결과를 통하여 외경이 100mm일 경우 반경축에 대한 영구자석의 두께가 12mm일 경우 22극의 자기 강도가 제일 커짐을 알 수 있으며, 상기 두께를 전후로 해서는 22극 성분이 오히려 감소함을 알 수 있다. 이를 통하여 자석의 두께를 12mm이상으로 설정하는 것은 비효율적이라는 것을 알 수 있으며 자석 두께는 12mm로 고정하여 이후 전산모의실험을 실행하였다.
후속연구
- 도출된 설계 변수의 전역 최적화 여부는 다대한 후속 모의 시험을 통해 검증되어야 할 것으로 판단된다. 또한 상대적으로 박형화된 고조파 모듈레이터의 마그네트 흡인력과 고속 회전에 따른 구조적 안정성 여부에 대한 해석이 추가되어야 한다.
- 도출된 설계 변수의 전역 최적화 여부는 다대한 후속 모의 시험을 통해 검증되어야 할 것으로 판단된다. 또한 상대적으로 박형화된 고조파 모듈레이터의 마그네트 흡인력과 고속 회전에 따른 구조적 안정성 여부에 대한 해석이 추가되어야 한다.
- 반대로 일체형 강자성체는 출력에 해당하는 구동축에 작용하는 하모닉 성분을 조금 적지만 모터에 작용하는 부하는 분리형에 비해 작으며, 하드웨어적 강성을 확보할 수 있고, 체결의 간편함이라는 강점 또한 가지고 있어 일체형 강자성체 가 많은 강점을 자지고 있다는 것을 알 수 있다. 이러한 해석 결과를 기반으로 Fig.9에 나타낸 것과 같은 마그네트 기반의 감속 시스템을 제작하였으며, 추후 동적부하 가변 시스템을 통해 동적 부하에 따른 동력 전달의 효율성 및 구동축 제어기의 강건성 등의 시험을 수행할 예정이다.
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