[논문]영구자석의 반발력과 코리올리 효과를 이용한 트로이덜 형 자이로의 설계

신혜웅; 주성탁; 이교범; 한만엽

doi:10.5370/kiee.2015.64.5.694

[국내논문] 영구자석의 반발력과 코리올리 효과를 이용한 트로이덜 형 자이로의 설계
Design of a Troidal Type Gyro using Repulsive Power of Permanent Magnet and Coriolis Effect 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.64 no.5, 2015년, pp.694 - 700

신혜웅 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 주성탁 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 이교범 (Dept. of Electrical and Computer Engineering, Ajou University) , 한만엽 (Dept. of Civil System Engineering, Ajou University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the design of 1-kW troidal type gyro. In general, gyro can be used as magnet bearing or flywheel energy storage device. The proposed troidal type gyro is used as a flywheel energy storage device. The gyro is capable of high-speed rotation in the air. The coriolis effect is taken into account when designing the rotor of the proposed gyro. Also the repulsive power of the permanent magnet is considered while selecting the shape and the thickness of the magnet. The neodymium is used as material of the magnets in this paper. The number of magnets are selected accordingly to reduce these torque ripples because torque ripples is an important factor while designing the gyro. The designed troidal type gyro is verified through the Finite Element Method (FEM).

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AI 본문요약
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문제 정의

트로이덜 형 자이로는 영구자석의 반발력과 코리올리 효과를 고려하여 설계한다. 또한 최대의 토크를 출력하는 회전자와 코일의 구조를 연구한다. 이론에 의해 계산된 자이로의 물리적 특성은 유한요소해석을 통해 검증한다.
본 논문에서는 영구자석의 반발력과 코리올리 효과를 고려한 트로이 덜 형태의 자이로 설계를 제안하였다. 설계 회전속도를 갖기 위한, 자석의 반발력을 고려하여 회전속도에 따른 각 변화의 저항력을 최소화한 최적의 회전자 단면형을 결정하였다, 토크 리플의 저감과 최대 토크를 출력하기 위해 영구자석의 간극에 따른 감자 특성 등을 고려하여 영구자석의 개수를 결정하였고, 다양한 시뮬레이션을 수행하고 분석하였다.

가설 설정

5가지 경우의 자석 개수를 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 결과적으로 회전자와 고정자 자석의 개수는 각각 20개와 16개 일 때 모든 방향의 힘과 자이로의 토크 리플이 가장 적었다.

제안 방법

본 논문에서는 자이로 시스템에서 기본이 되는 회전자를 트로이 덜 형태로 설계한다. 트로이덜 형 자이로는 영구자석의 반발력과 코리올리 효과를 고려하여 설계한다.
형태로 설계한다. 트로이덜 형 자이로는 영구자석의 반발력과 코리올리 효과를 고려하여 설계한다. 또한 최대의 토크를 출력하는 회전자와 코일의 구조를 연구한다.
또한 최대의 토크를 출력하는 회전자와 코일의 구조를 연구한다. 이론에 의해 계산된 자이로의 물리적 특성은 유한요소해석을 통해 검증한다.
자이로는 속도와 출력 용량을 고려하여 최대 토크를 낼 수 있도록 설계한다. 그림 2는 기초 설계를 위한 회전자 형태를 나타낸다.
그림 8은 ‘ㄷ’자 형상의 고정자와 영구자석 모델을 나타낸다.고정자 코어의 설계는 자이로가 효율적으로 구동될 수 있도록, 권선과 인가전류를 고려하여 설계한다.‘ㄷ’자 구조의 코일에 전류를 인가했을 때, 영구자석에 가해지는 힘의 특성은 유한요소해석을 이용하여 확인한다.
고정자 코어의 설계는 자이로가 효율적으로 구동될 수 있도록, 권선과 인가전류를 고려하여 설계한다.‘ㄷ’자 구조의 코일에 전류를 인가했을 때, 영구자석에 가해지는 힘의 특성은 유한요소해석을 이용하여 확인한다.
제안된 트로이덜형 자이로의 설계 결과를 확인하기 위해, 유한요소 해석을 수행한다. 유한요소 해석 툴은 Maxwell을 사용하였고, 고정자와 회전자는 s-18재질의 전기 강판을 사용하였다.
해석을 수행한다. 유한요소 해석 툴은 Maxwell을 사용하였고, 고정자와 회전자는 s-18재질의 전기 강판을 사용하였다. 구동 조건은 10, 000rpm으로 일정하게 회전 시키며, 자속과 유기전압을 확인하였다.
유한요소 해석 툴은 Maxwell을 사용하였고, 고정자와 회전자는 s-18재질의 전기 강판을 사용하였다. 구동 조건은 10, 000rpm으로 일정하게 회전 시키며, 자속과 유기전압을 확인하였다. 그림 11은 하나의 고정자 코일에 이동하는 자석의 영향을 확인하기 위한 유한요소 해석 모델이다.
형태의 자이로 설계를 제안하였다. 설계 회전속도를 갖기 위한, 자석의 반발력을 고려하여 회전속도에 따른 각 변화의 저항력을 최소화한 최적의 회전자 단면형을 결정하였다, 토크 리플의 저감과 최대 토크를 출력하기 위해 영구자석의 간극에 따른 감자 특성 등을 고려하여 영구자석의 개수를 결정하였고, 다양한 시뮬레이션을 수행하고 분석하였다. 최종적으로 완성된 자이로의 작동에 대한 유효성을 검증하기 위하여, 고정자의 영구자석과 회전자의 영구자석의 동적 상호작용에 대한 다양한 시뮬레이션을 유한요소해석을 이용하여 검증하였다.
설계 회전속도를 갖기 위한, 자석의 반발력을 고려하여 회전속도에 따른 각 변화의 저항력을 최소화한 최적의 회전자 단면형을 결정하였다, 토크 리플의 저감과 최대 토크를 출력하기 위해 영구자석의 간극에 따른 감자 특성 등을 고려하여 영구자석의 개수를 결정하였고, 다양한 시뮬레이션을 수행하고 분석하였다. 최종적으로 완성된 자이로의 작동에 대한 유효성을 검증하기 위하여, 고정자의 영구자석과 회전자의 영구자석의 동적 상호작용에 대한 다양한 시뮬레이션을 유한요소해석을 이용하여 검증하였다. 기존의 에너지 저장장치에 비하여 에너지 저장용량은 2.

대상 데이터

가까울수록 반발력의 크기가 커지기 때문에 HGAP=2mm일 때, 반발력은 350N이 된다. 본 논문에서는 350N의 반발력을 사용한다.

이론/모형

자이로의 제어는 기존의 영구자석형 브러시리스 DC모터와 같은 제어 방식을 사용한다[6]. 또한 교류 전류를 사용하는 자이로 구동기는 센서로부터 검출된 교류전류의 크기와 위상을 직접 제어하기가 어려우므로, 벡터제어 법을 사용한다[7-8]. 이러한 제어 방식을 사용한 자이로는 강직성이나 섭동성의 원리가 적용된 자세 안정기에 적용가능하다.

성능/효과

그림 3은 회전속도와 각변화율의 그래프를 나타낸다. 설계 기준 값으로 예상한 _R=450mm,_=100,000rpm에서 각변화율 =0.9deg/sec이고,_=200, 000rpm에서 각변화율 =0.45deg/sec로서, 회전속도에 반비례로 줄어든다.
5가지 경우의 자석 개수를 가정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 결과적으로 회전자와 고정자 자석의 개수는 각각 20개와 16개 일 때 모든 방향의 힘과 자이로의 토크 리플이 가장 적었다.
그림 10(b)는 그림 10(a)의 인가전류 사이의 힘의 차를 다시 나타낸다. 결과적으로 회전력은 30mm ∼ 70 mm사이에서 권선에 전류를 인가하면 효율적인 전력을 발생시킬 수 있다.
기존의 에너지 저장장치는 한국기계연구원에서 연구한 결과이다[10]. 트로이덜 자이로 에너지 저장장치의 질량과 전체 부피는 기존의 저장장치의 16%에 불과하지만, 동일한 회전수 60, 000rpm으로 구동 시, 에너지 저장용량이 500Wh에서 1224Wh로 245% 증가하여, 저장효율은 기존에너지 저장장치보다 15배에 달하는 것을 알 수 있다.
최종적으로 완성된 자이로의 작동에 대한 유효성을 검증하기 위하여, 고정자의 영구자석과 회전자의 영구자석의 동적 상호작용에 대한 다양한 시뮬레이션을 유한요소해석을 이용하여 검증하였다. 기존의 에너지 저장장치에 비하여 에너지 저장용량은 2.5배, 저장효율은 15배에 달하는 고효율의 트로이덜형 자이로 에너지 저장장치의 타당성을 확인하였다.

참고문헌 (10)

E. C. Kim and H. H. Lee, "The Design of Path Length Controller in Ring Laser Gyroscope for Attitude Control in the LEO satellite," The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 57, No. 9, pp. 1584-1588, Sep. 2008.
J. P. Lee, Y. H. Han, S. Y. Jung, S. C. Han, N. H. Jeong and T. H. Sung, "Rotational loss assessment of flywheel energy storage system by Motor/Generator core," The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, Vol. 56, No. 10, pp. 1775-1781, Oct. 2007.
S. Merhav, "Aerospace Sensor Systems and Applications," Springer Science &Business Media, pp. 186-394, Jan. 1996.
K. H. Chong, J. C. Do, M. S. Jo, and K. W. Song, "Deadzone Elimination of Closed-Loop Fiber Optic Gyro using Pulse Dithering," Journal of The Koran Society for Aeronautical & Space Sciences, Vol. 37, No. 8, pp. 789-797, Aug. 2009.

원문보기 상세보기
S. W. Lloyd, F. Shanhui, and M. J. F. Digonnet, "Experimental Observation of Low Noise and Low Drift in a Laser-Driven Fiber Optic Gyroscope," Journal of Lightwave Technology, Vol. 31, Issue. 13, pp. 2079-2085, May. 2013.

상세보기
H. W. Sim, J. S. Lee, and K. B. Lee, "A Simple Strategy for Sensorless Speed Control for an IPMSM During Startup and Over Wide Speed Range," Journal of Electrical Engineering &Technology, Vol. 9, No. 5, pp. 1582-1591, Sep. 2014.

원문보기 상세보기
S. H. Kim, W. Choi, S. Choi, and K. B Lee, "Combined Dithered Sigma-Delta Modulation based Random PWM Switching Scheme," Journal of Power Electronics, Vol. 9, No. 5, pp. 667-678, Sep. 2009.

원문보기 상세보기
Y. J. Ko and K. B. Lee, "Fault Diagnosis of a Voltage-Fed PWM Inverter for a Three-Parallel Power Conversion System in a Wind Turbine," Journal of Power Electronics, Vol. 10, No. 6, pp. 686-693, Nov. 2010.

원문보기 상세보기
E. Hecht, "Physics: Calculus-2/E," Thomson, Mar. 2007.
S. K. Choi, Y. C. Kim, and J. H. Kyung, “Rotordynamic Design and Analysis of the Rotor-Bearing System of a 500Wh Flywheel Energy Storage Device,” The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 8, No. 1, pp. 81-86, 1998.

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