[논문]철심형 이동자와 고정자의 형상에 따른 영구자석 선형 동기전동기의 전자기력 특성 비교 및 피칭 모멘트 실험

이승한; 조한욱; 김경호; 오정석

doi:10.5370/kiee.2015.64.12.1695

철심형 이동자와 고정자의 형상에 따른 영구자석 선형 동기전동기의 전자기력 특성 비교 및 피칭 모멘트 실험
Comparison of Electromagnetic Force Characteristics and Experiment of Pitching Moment in Permanent Magnet Linear Synchronous Motor According to the Moving Iron Core and Stator Topology 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.12, 2015년, pp.1695 - 1702

이승한 (Dept. of Electric, Electronic and Comm. Eng. Edu. Chungnam National University) , 조한욱 (Dept. of Electric, Electronic and Comm. Eng. Edu. Chungnam National University) , 김경호 (Korea Institute of Machinery and Materials) , 오정석 (Korea Institute of Machinery and Materials)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the characteristic analysis and experiment of force characteristics in permanent magnet linear synchronous motor for accuracy prediction of linear motion machine tools. In particular, the pitching moment resulting from attraction force ripple has been analysed and tested. Firstly, we analysed the characteristics of detent force, attraction force, and pitching moment in permanent magnet linear synchronous motor according to the design techniques such as auxiliary teeth, chamfering, and permanent magnet skewing. In addition, we suggested the experimental set for measurement of pitching moment. Finally, the results from measurement shows the good agreement with those obtained from finite element analysis results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 영구자석 선형 동기전동기가 적용되는 직선 이송계의 전자기력 특성을 분석하기 위하여, 영구자석 선형 동기전동기의 철심형 이동자 형상 및 고정자 형상에 따른 힘 특성해석을 수행하였다. 특히, 수직력 맥동에 의한 피칭 모멘트 특성을 분석하기 위하여 피칭 모멘트 측정 실험 장치를 제안하고, 실험결과를 제시하였다.
본 논문에서는 초정밀 공작기계에서 영구자석 선형 동기전동기를 이용한 직선 이송계의 수직력 맥동에 의한 피칭 모멘트 특성을 분석하고자 한다. 특히, 영구자석 선형 동기전동기의 디텐트력(Detent force) 저감을 위해 적용되는 설계법인 보조치(auxiliary teeth), 단부 치 챔퍼링(chamfering), 스큐(skew) 등이 피칭 모멘트 특성에 미치는 영향을 유한요소해석을 통하여 분석하고 결과를 제시하고자 한다.
본 논문에서는 초정밀 공작기계에서 영구자석 선형 동기전동기를 이용한 직선 이송계의 수직력 맥동에 의한 피칭 모멘트 특성을 분석하고자 한다. 특히, 영구자석 선형 동기전동기의 디텐트력(Detent force) 저감을 위해 적용되는 설계법인 보조치(auxiliary teeth), 단부 치 챔퍼링(chamfering), 스큐(skew) 등이 피칭 모멘트 특성에 미치는 영향을 유한요소해석을 통하여 분석하고 결과를 제시하고자 한다. 앞서 언급된 바와 같이, 피칭 모멘트는 수직력의 맥동성분이 주원인이기 때문에, 영구자석 선형 동기전동기의 피칭 모멘트 해석을 수행하기 위해서는 수직력 성분의 정밀한 해석이 요구된다.

제안 방법

본 논문의 해석 모델은 철심형 이동자를 갖는 영구자석 선형 동기전동기로서 이동자 철심에 보조치가 적용된 모델, 단부 치 챔퍼링이 적용된 모델, 고정자 영구자석에 스큐가 적용된 모델을 각각 선정하고, 유한요소해석을 통해 각각의 특수한 형상이 영구자석 선형 동기전동기의 수직력 맥동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 영구자석 선형 동기전동기의 수직력 맥동 및 피칭 모멘트를 실험적으로 검증하기 위한 실험 장치를 제안하고, 실험을 통해 본 논문에서 수행된 다양한 해석결과들에 대한 타당성을 검증하였다.
특히, 수직력 맥동에 의한 피칭 모멘트 특성을 분석하기 위하여 피칭 모멘트 측정 실험 장치를 제안하고, 실험결과를 제시하였다. 먼저, 보조치, 단부치의 챔퍼링, 스큐가 적용되었을 때, 디텐트력, 수직력 특성을 분석하고, 피칭 모멘트 특성을 분석함으로써, 다양한 철심형 이동자의 형상설계 법 및 고정자 설계법이 전동기의 전자기력 특성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 정량적 분석을 실시하였다. 더하여, 제안된 피칭 모멘트 측정 장치를 이용하여 본 논문에서 제시한 전자기력 특성 해석 결과들에 대한 검증을 하고, 피칭 모멘트의 계산 및 실험적 검증에 대한 타당성을 제시하였다.
영구자석 선형 동기전동기의 디텐트력을 저감하는 가장 유효한 방법은 영구자석 또는 적층 규소강판의 스큐인 것으로 잘 알려져 있다. 본 논문에서 제시하는 철심형 이동자를 갖는 영구자석 동기 전동기에서는 고정되어 있는 영구자석의 스큐 배치가 제작이 용이하고 간단하기 때문에, 고정자 영구자석의 스큐만을 고려하였다. 그림 11은 스큐가 적용된 영구자석 선형 동기전동기의 3차원 형상을 나타낸다.
본 논문의 해석 모델은 철심형 이동자를 갖는 영구자석 선형 동기전동기로서 이동자 철심에 보조치가 적용된 모델, 단부 치 챔퍼링이 적용된 모델, 고정자 영구자석에 스큐가 적용된 모델을 각각 선정하고, 유한요소해석을 통해 각각의 특수한 형상이 영구자석 선형 동기전동기의 수직력 맥동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 영구자석 선형 동기전동기의 수직력 맥동 및 피칭 모멘트를 실험적으로 검증하기 위한 실험 장치를 제안하고, 실험을 통해 본 논문에서 수행된 다양한 해석결과들에 대한 타당성을 검증하였다.
그림에서 보여지는 바와 같이 영구자석 선형 동기전동기의 디텐트력은 치 디텐트력과 단부 디텐트력의 중첩으로 나타낼 수 있으며, 회전형 전기기기에서 나타나지 않는 단부 디텐트력의 효과가 상대적으로 매우 큰 것을 확인 할 수 있다. 수직력과 모멘트는 설계 형상에 따른 해석 결과와 함께 비교하였다.
앞서 제시된 영구자석 선형 동기전동기의 전자기력 특성에 관한 해석 및 분석결과를 검증하기 위하여, 피칭 모멘트 실험을 수행하였다. 그림 13은 영구자석 선형 동기전동기의 피칭 모멘트 측정 실험장비의 구성도를 나타낸다.
그림 13은 영구자석 선형 동기전동기의 피칭 모멘트 측정 실험장비의 구성도를 나타낸다. 영구자석 선형 동기전동기의 이동자를 로드셀을 이용하여 실험 바닥면에 고정하고, 영구자석이 취부되어 있는 고정자를 LM가이드를 이용하여 직선 이동이 가능하도록 하였다. 힘의 측정은 영구자석이 취부되어 있는 고정자를 LM가이드를 통해 이동하면서 로드셀 측정값을 기록하여 시행되었으며, 이동 가능거리는 영구자석 극 간격(pole-pitch)의 3배로 설계 되었다.
힘의 측정은 영구자석이 취부되어 있는 고정자를 LM가이드를 통해 이동하면서 로드셀 측정값을 기록하여 시행되었으며, 이동 가능거리는 영구자석 극 간격(pole-pitch)의 3배로 설계 되었다. 측정된 수직력에 대한 피칭 모멘트 환산을 위하여 철심형 이동자를 2-등분하여 힘 측정을 수행하였다.
본 논문에서는 영구자석 선형 동기전동기가 적용되는 직선 이송계의 전자기력 특성을 분석하기 위하여, 영구자석 선형 동기전동기의 철심형 이동자 형상 및 고정자 형상에 따른 힘 특성해석을 수행하였다. 특히, 수직력 맥동에 의한 피칭 모멘트 특성을 분석하기 위하여 피칭 모멘트 측정 실험 장치를 제안하고, 실험결과를 제시하였다. 먼저, 보조치, 단부치의 챔퍼링, 스큐가 적용되었을 때, 디텐트력, 수직력 특성을 분석하고, 피칭 모멘트 특성을 분석함으로써, 다양한 철심형 이동자의 형상설계 법 및 고정자 설계법이 전동기의 전자기력 특성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 정량적 분석을 실시하였다.
영구자석 선형 동기전동기의 이동자를 로드셀을 이용하여 실험 바닥면에 고정하고, 영구자석이 취부되어 있는 고정자를 LM가이드를 이용하여 직선 이동이 가능하도록 하였다. 힘의 측정은 영구자석이 취부되어 있는 고정자를 LM가이드를 통해 이동하면서 로드셀 측정값을 기록하여 시행되었으며, 이동 가능거리는 영구자석 극 간격(pole-pitch)의 3배로 설계 되었다. 측정된 수직력에 대한 피칭 모멘트 환산을 위하여 철심형 이동자를 2-등분하여 힘 측정을 수행하였다.

이론/모형

디텐트력 F_D는 이동자의 이동 방향(x-axis)으로 작용하는 힘으로, 이동자의 치와 영구자석 사이에서 발생하는 치 디텐트력과 영구자석 전동기의 구조상 제한된 길이로 인한 단부에서 자속 흐름의 불평형으로 인해 발생하는 단부 디텐트력으로 나뉘어진다. 디텐트력과 흡인력은 공극에서의 수평방향 자속밀도, 수직방향 자속밀도로부터 맥스웰 응력법(Maxwell stress tensor method)이 적용되어 계산될 수 있다.

성능/효과

그림 10은 영구자석 선형 동기전동기의 단부 치의 챔퍼링 적용에 따른 전자기력 특성 해석 결과를 나타낸다. 그림에서 보여지는 바와 같이, 디텐트력은 단부 치의 챔퍼링을 적용함으로써 5.6%정도 저감되었고, 흡인력의 맥동은 8.7% 증가, 피칭모멘트는 41% 감소하였다. 영구자석 선형 동기전동기에서 단부 치의 챔퍼링은 디텐트력 및 흡인력 맥동의 크기에는 적은 영향을 미치지만 피칭 모멘트 저감에는 상대적으로 큰 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
그림 12는 스큐 적용에 따른 영구자석 선형 동기전동기의 전자기력 특성 해석 결과를 나타낸다. 그림에서 보여지는 바와 같이, 디텐트력은 스큐를 적용함으로써 71.3% 저감되었고, 흡인력의 맥동은 62.3% 감소, 피칭 모멘트는 30.4%가 감소하였다. 즉, 영구자석 선형 동기전동기에서 스큐를 적용하는 경우, 디텐트력의 저감에는 큰 효과를 갖지만, 흡인력의 크기와 피칭모멘트 크기의 변화에는 크게 영향을 주지 않음을 알 수 있다.
먼저, 보조치, 단부치의 챔퍼링, 스큐가 적용되었을 때, 디텐트력, 수직력 특성을 분석하고, 피칭 모멘트 특성을 분석함으로써, 다양한 철심형 이동자의 형상설계 법 및 고정자 설계법이 전동기의 전자기력 특성에 어떤 영향을 미치는지에 대한 정량적 분석을 실시하였다. 더하여, 제안된 피칭 모멘트 측정 장치를 이용하여 본 논문에서 제시한 전자기력 특성 해석 결과들에 대한 검증을 하고, 피칭 모멘트의 계산 및 실험적 검증에 대한 타당성을 제시하였다. 본 논문에서 제시하는 연구 결과는 향후 기계 장비 정밀도 향상을 위한 통합 시뮬레이터를 개발하는데 기초 자료로 활용될 예정이다.
그림 7은 표 1에 나타낸 영구자석 선형 동기전동기에 보조치를 적용하였을 때 전자기력 특성 해석결과를 나타낸다. 본 연구에서 제시하는 영구자석 선형 동기전동기 해석모델이 보조치를 갖는 전체 모델을 대표하는 것은 아니지만, 전자기력 특성의 비교 결과를 통해 보조치 적용 시 Peak-to-Peak 기준의 디텐트력은 23.3% 감소, 흡인력의 맥동은 18.4% 증가, 피칭 모멘트는 55.2%가 감소함을 알 수 있다. 즉, 영구자석 선형 동기전동기에 보조치를 적용함에 따라 디텐트력 저감에 효과를 보이며, 피칭모멘트 크기의 감소에도 크게 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
7% 증가, 피칭모멘트는 41% 감소하였다. 영구자석 선형 동기전동기에서 단부 치의 챔퍼링은 디텐트력 및 흡인력 맥동의 크기에는 적은 영향을 미치지만 피칭 모멘트 저감에는 상대적으로 큰 영향을 주고 있음을 알 수 있다.
2%가 감소함을 알 수 있다. 즉, 영구자석 선형 동기전동기에 보조치를 적용함에 따라 디텐트력 저감에 효과를 보이며, 피칭모멘트 크기의 감소에도 크게 영향을 주고 있음을 알 수 있다.

후속연구

더하여, 제안된 피칭 모멘트 측정 장치를 이용하여 본 논문에서 제시한 전자기력 특성 해석 결과들에 대한 검증을 하고, 피칭 모멘트의 계산 및 실험적 검증에 대한 타당성을 제시하였다. 본 논문에서 제시하는 연구 결과는 향후 기계 장비 정밀도 향상을 위한 통합 시뮬레이터를 개발하는데 기초 자료로 활용될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영구자석 선형 동기전동기의 장점은?	최근 산업이 발전함에 따라 고속 운전과 정밀 위치 제어가 가능한 영구자석 선형 동기전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor : PMLSM)의 적용 분야가 급격히 증가하였다. 영구자석 선형 동기전동기는 가동부(이동자)와 고정자가 직접 접촉하지 않아 소음 및 마찰이 적고 빠른 가감속 특성을 가지며, 높은 위치 정확도 및 낮은 주행 오차를 가지고 있어 공작기계, 자기부상열차, 반도체 생산설비, 반송 장치, 공장 자동화 설비 등의 여러 분야에 활용되고 있다[1-4].
	영구자석 선형 동기전동기가 백래쉬가 없기 때문에 나타나는 장점은?	한편, 영구자석 선형 동기전동기는 비접촉 구동시 발열, 관성, 강성저하의 원인이 되는 기계부품이 없고, 직접구동이 가능한 특징을 갖는다. 또한, 백래쉬가 없으므로 정밀 위치 제어가 가능하며, 유지보수가 용이하고, 고속/고정도 구동이 가능한 장점을 가지므로, 볼스크류로 구성된 공작기계를 대체하는 대표적 직선운동 이송시스템으로 볼 수 있다. 그러나 영구자석 선형 동기전동기는 최대추력의 3배에서 5배에 이르는 큰 수직력(또는 흡인력 : Attraction force)에 의한 이송계의 변형, 치-슬롯 형상에 의한 추력 및 수직력의 불균형 또는 맥동을 가지게 되며, 추력 맥동의 경우 등속구동 및 정밀 위치제어를 어렵게 하고, 수직력의 맥동은 이동자에서 주기적인 각 운동오차의 원인이 되는 피칭 모멘트(Pitching moment)를 발생시켜 초정밀 가공에서 표면의 불규칙 가공 결과를 초래한다.
	영구자석 선형 동기전동기가 활용되는 분야는?	최근 산업이 발전함에 따라 고속 운전과 정밀 위치 제어가 가능한 영구자석 선형 동기전동기(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor : PMLSM)의 적용 분야가 급격히 증가하였다. 영구자석 선형 동기전동기는 가동부(이동자)와 고정자가 직접 접촉하지 않아 소음 및 마찰이 적고 빠른 가감속 특성을 가지며, 높은 위치 정확도 및 낮은 주행 오차를 가지고 있어 공작기계, 자기부상열차, 반도체 생산설비, 반송 장치, 공장 자동화 설비 등의 여러 분야에 활용되고 있다[1-4].

참고문헌 (18)

David L. Trumper, Won-Jong Kim, Mark E. Williams, "Design and analysis framework for linear permanentmagnet machines," IEEE Trans. Indust. Applicat., vol.32, no.2, pp.371-379, Mar./Apr. 1996.

상세보기
Seung-Kook Ro, Jong-Kweon Park, "Development of a miniature air-bearing stage with a moving-magnet linear motor," International Journal of Precision Eng. and Manufacturing, vol.9, no.1, pp.19-24, Jan. 2008.
Roberto Leidhold, Perter Mutschler, "Speed sensorless control of a ling-stator linear synchronous motor arranged in multiple segments," IEEE Trans. Indust. Electronics, vol.54, no.6, pp.3246-3254, Dec. 2007.

상세보기
J. F. Gieras, Z. J. Piech, "Linear synchronous motors, transportation and automation systems," CRC Press LLC, 2000.
C. H. Park, S. K. Choi, S. Y. Ham, S. H. Baek, J. S Oh, "Design of Cogging force and moment measurement system for linear motors using magnetic levitation," Proc. of KSPE Spring Conference, pp.1019-1020, 2010.
Masaya Inoue, Kenji Sato, "An approach to a suitable stator length for minimizing the detent force of permanent magnet linear synchronous motors," IEEE Trans. Magn., vol.36, no.4, pp.1890-1893, July 2000.

상세보기
Yu-Wu Zhu, Dae-Hyun Koo, Yun-Hyun Cho, "Detent force minimization of permanent magnet linear synchronous motor by means of two different methods," IEEE Trans. Magn., vol.44, no.11, pp.4345-4348, Nov. 2008.

상세보기
Chunyuan Liu, Haitao Yu, Minqiang Hu, Qiang Liu, Shigui Zhou, "Detent force reduction in permanent magnet tubular linear generator for direct-driver wave energy conversion," IEEE Trans. Magn., vol.49, no.5, pp.1913-1916, May 2013.

상세보기
Ki-Chae Lim, Joon-Keun Woo, Gyu-Hong Kang, Jung-Pyo Hong, Gyu-Tak Kim, "Detent force minimization techniques in permanent magnet linear synchronous motors," IEEE Trans. Magn., vol.38, no.2, pp.1157-1160, Mar. 2002.

상세보기
Yu-wu Zhu, Sang-Gun Lee, Koon-Seok Chung, Yun-Hyun Cho, "Investigation of Auxiliary Poles Design Criteria on Reduction of End Effect of Detent Force for PMLSM," IEEE Trans. Magn., vol.45, no.6, pp.2863-2866, June. 2009.

상세보기
Yu-Wu Zhu, Sang-Min Jin, Koon-Seok Chung, Yun-Hyun Cho, "Control-Based Reduction of Detent Force for Permanent Magnet Linear Synchronous Motor," IEEE Trans. Magn., vol.45, no.6, pp.2827-2830, June. 2009.

상세보기
Mingyi Wang, Liyi Li, Donghua Pan, "Detent Force Compensation for PMLSM Systems Based on Structural Design and Control Method Combination," IEEE Trans. Indust. Electronics, vol.62, no.11, pp.6845-6854, Nov. 2015.

상세보기
C. F. Wang, J. X. Shen, "A Method to Segregate Detent Force Components in Permanent-Magnet Flux-Switching Linear Machines," IEEE Trans. Magn., vol.48, no.5, pp.1948-1955, May. 2012.

상세보기
Seok-Myeong Jang, Sung-Ho Lee, In-Ki Yoon, "Design criteria for detent force reduction of permanentmagnet linear synchronous motors with Halbach array," IEEE Trans. Magn., vol.38, no.5, pp.3261-3263, Sep. 2002.

상세보기
Can-Fei Wang, Jian-Xin Shen, Yu Wang, Li-Li Wang, Meng-Jia Jin, "A New Method for Reduction of Detent Force in Permanent Magnet Flux-Switching Linear Motors," IEEE Trans. Magn., vol.45, no.6, pp.2843-2846, June. 2009.

상세보기
Sung-An Kim, Yu-Wu Zhu, Sang-Geon Lee, Subrato Saha, Yun-Hyun Cho, "Electromagnetic normal force characteristics of a permanent magnet linear synchronous motor with double primary side," IEEE Trans. Magn., vol.50, no.1, 4001204, Jan. 2014.
T. T. Overboom, J. P. C. Smeets, J. W. Jansen, E. A. Lomonova, "Semianalytical calculation of the torque in a linear permanent magnet motor with finite yoke length," IEEE Trans. Magn., vol.48, no.11, pp.3575-3578, Nov. 2012.

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S. Y Jung, "Characteristic Analysis and Design of Steel-Cored Permanent Magnet Linear Synchronous Motor For High Thrust Force," Ph.D. thesis, Seoul National University, 2003.

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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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