[논문]반발식 동전기 휠을 이용한 비접촉 반송 시스템의 변수 설계

정광석

doi:10.5762/kais.2016.17.3.310

반발식 동전기 휠을 이용한 비접촉 반송 시스템의 변수 설계
Parametric Design of Contact-Free Transportation System Using The Repulsive Electrodynamic Wheels 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.3, 2016년, pp.310 - 316

초록
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도전성 평판에 부분적으로 걸쳐 회전하는 축형 동전기 휠을 구동원으로 이용하는 비접촉 반송 시스템을 제안한다. 회전하는 동전기 휠에는 3축력이 발생되는데 이 중 중력방향 힘과 횡방향 힘은 자기안정성을 갖고 있으므로 공간상에서 반송 시스템의 동적 안정성을 확보하기 위해서는 길이 방향 힘만을 제어하는 것으로 충분하다. 동전기 휠은 원주 방향을 따라 주기적으로 반복되는 극성을 갖는 영구자석으로 구성되어있으므로 기본 극의 기하학적 형상이나 극수 등은 안정성 여유에 큰 영향을 미친다. 또한 휠과 전도판간의 중첩된 영역 역시 횡방향으로의 강성을 결정하는 주요 인자이므로 본 논문에서는 안정성을 성능 지표로 휠을 구성하는 주요 설계 변수에 대한 민감도 해석을 수행한다. 얻어진 설계 값을 이용하여 제작된 시스템으로 휠을 포함하는 이동 개체의 수동적인 안정성을 실험적으로 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a novel contact-free transportation system in which an axial electrodynamic wheel is applied as an actuator. When the electrodynamic wheel is partially overlapped by a fixed conductive plate and rotates over it, three-axis magnetic forces are generated on the wheel. Among these forces, those in the gravitational direction and the lateral direction are inherently stable. Therefore, only the force in the longitudinal direction needs to be controlled to guarantee spatial stability of the wheel. The electrodynamic wheel consists of permanent magnets that are repeated and polarized periodically along the circumferential direction. The basic geometric configuration and the pole number of the wheel influence the stability margin of a transportation system, which would include several wheels. The overlap region between the wheel and the conductive plate is a dominant factor affecting the stiffness in the lateral direction. Therefore, sensitivity analysis for the major parameters of the wheel mechanism was performed using a finite element tool. The system was manufactured based on the obtained design values, and the passive stability of a moving object with the wheels was verified experimentally.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

다음으로 분석되는 변수는 PM의 내측 반경 r이다. 단순히 자기력의 크기만이 고려된다면 PM의 단면적을 크게 가져가는 것이 전도체와의 대항 면적 증가로 유리하지만 본 연구에서와 같이 휠의 일부만이 걸쳐있는 상황에서도 마찬가지의 결과가 도출되는지 확인하였다. Fig.
본 논문에서는 동전기 휠의 자기 접합 영역의 제한이 없고 복잡한 제어기가 필요없는 새로운 방식의 반송 시스템을 제안한다. 시스템은 단위 동전기 휠에 의해 발생하는 회전 토크를 제어 가능한 선형 추력으로 변환하기 위해 Fig.
시스템은 축형 동전기 휠이 전도판 위의 일부 영역에 걸쳐 회전할 때 발생하는 3축력 발생 메커니즘을 확장하여 고품위 제어기 없이도 진행 방향을 제외한 나머지 자유도의 공간 안정성을 담보할 수 있다. 본 논문에서는 전도판과 동전기 휠간의 상대 운동에 따라 가변되는 다축력을 지배하는 주요 변수를 대상으로 변수 변화가 힘 거동 특성과 시스템의 안정성에 미치는 영향을 분석하여 반송 시스템을 구성하는 동전기 휠의 설계 방향을 제시하였다. 제한된 휠의 반경 하에서 휠과 전도판간의 중첩 영역은 클수록 부상력과 추력은 증가하지만 횡방향으로의 안정성을 담보하는 음의 강성은 대략 휠 반경의 25∼75%의 중첩 영역에서 극대화되는 것을 확인하였다.

제안 방법

그러나 기존에 제안된 시스템에서는 전도판 위에서 회전하는 휠에 의해 발생하는 반발력만을 이용하거나[2] 또는 휠에 의한 자기장을 부분적으로 차폐하여 개방된 영역에서의 부상력과 접선 추력을 구동력으로 이용하였다[3,4].
2에서 이웃하는 PM간의 경계 영역 중 y방향 요소가 결국 y축력을 생성하므로 이러한 y방향 인자를 휠의 단위 회전당 최대로 확보할 수 있는 형상이 y축력을 더욱 크게 만들 수 있다. 기준 형상은 Fig. 5에 제시된 사례 외에도 다양하게 설정될 수 있으나 본 연구에서는 이러한 네 가지경우를 대상으로 3축력 분석을 수행하였다.
동전기 휠을 구성하는 주요 변수에 대한 민감도 분석을 통해 얻어진 설계 값에 기초하여 전도성레일 위에서 부상되어 이동하는 반송시스템을 제작하였다. 시스템의 실제 외관은 Fig.
이러한 속도 그래프를 참고하면 동전기 휠의 구동 속도 범위는 1000rpm 이내에서 조절되어야만 속도 변화에 따른 응답 특성이 현저해 짐을 예상할 수 있으며 특히 과도한 회전 속도는 대항하는 전도판의 국소 발열 문제를 일으키므로 가급적 저속에서 운용하는 것이 유리하다. 본 연구에서는 동전기 휠의 공칭 속도가 750rpm 수준이 되도록 부상체의 관성 값을 결정하였다.
또한 전도성 레일을 따라 이동하는 형태를 취하며 일반적인 반송 시스템과 달리 곡면 레일 선택이 가능하므로 임의의 방향 전환이 가능한 메커니즘이다. 본 장에서는 이러한 부상 시스템의 단위 동전기 휠의 자기력 해석을 통해 구성 인자의 영향력을 분석하고 바람직한 설계 방향을 도출한다.
본 논문에서는 이러한 반송 시스템을 구성하는 동전기 휠의 다축력 특성을 분석하고 시스템의 안정 영역을 극대화할 수 있도록 주요 인자에 대한 민감도 분석을 수행한다.
15에 나타내었다. 시험은 모두 부상체의 초기 위치를 변경하여 자유단으로 놓았을 때 공칭 위치로 되돌아가는 과도 응답 특성을 측정하는 형태로 진행하였다. 면내, 외 운동을 대표하는 축으로 y, z축을 각각 선정하여 결과를 제시했으며 나머지 회전 축의 경우 얻어진 시험 결과와 유사한 경향을 나타낸다.
본 논문에서는 이러한 반송 시스템을 구성하는 동전기 휠의 다축력 특성을 분석하고 시스템의 안정 영역을 극대화할 수 있도록 주요 인자에 대한 민감도 분석을 수행한다. 이를 토대로 동전기 휠의 설계 방향을 제시한다. 부상 개체의 안정성은 실 제작된 시스템을 대상으로 실험적으로 검증된다.
축형 동전기 휠을 구동원으로 이용하는 새로운 구조의 반송 시스템을 제안하였다. 시스템은 축형 동전기 휠이 전도판 위의 일부 영역에 걸쳐 회전할 때 발생하는 3축력 발생 메커니즘을 확장하여 고품위 제어기 없이도 진행 방향을 제외한 나머지 자유도의 공간 안정성을 담보할 수 있다.
특히 휠의 y축 방향 거동 특성은 공칭 안정성에 큰 영향을 미치므로 휠의 중심과 전도판 모서리 간의 y축 방향 사이 거리 ρ를 변화시켜가며 해석을 수행하였다.

대상 데이터

나머지 형상은 휠의 작동 영역이 아닌 사이 거리 ρ가 작은 구간이나 큰 구간에서 거의 유사한 결과를 보인다. 따라서 실 제작시 금형 제작이 용이한 Case 2를 기준 모델로 선정하였다. Case 3, Case4의 경우 내경이 작아질 때 뿔모양의 에지와 곡률이 작은 구간에서의 소결 난이도로 선정에서 제외되었다.
이를 토대로 동전기 휠의 설계 방향을 제시한다. 부상 개체의 안정성은 실 제작된 시스템을 대상으로 실험적으로 검증된다.
0을 이용하였다. 해석에 이용된 휠을 구성하는 PM은 NdFeB 재질의 Gr35 자석이며 적절한 종횡비를 갖는 4극쌍(pol e-pairs)을 선택하였다. 구체적인 휠의 공칭 값과 운전 조건을 Table 1에 제시하였다.

데이터처리

구체적인 휠의 공칭 값과 운전 조건을 Table 1에 제시하였다. Fig. 6의 과동응답곡선에서 휠의 1회전에 소요되는 20ms의 시간 범위 내에서 4극쌍의 요동 특성을 확인할 수 있으며 이하 분석 결과는 휠이 초기 과도 상태를 지나 정상 상태에 도달하는 20ms 이후의 값을 평균하여 비교하였다.
2에 묘사된 좌표계를 이용하여 얻어진 x, y, z축으로의 자기력 값을 나타낸다. 해석은 상용 자기 해석 툴인 Maxwell v11.0을 이용하였다. 해석에 이용된 휠을 구성하는 PM은 NdFeB 재질의 Gr35 자석이며 적절한 종횡비를 갖는 4극쌍(pol e-pairs)을 선택하였다.

성능/효과

결과로부터 y축 자기 안정성을 담보하는 영역인 35∼80mm에서 FX, FZ의 경우 부채꼴 형상의 Case 1이 나머지 경우보다 대략 1.2배, 1.3배 가량 큰 것을 알 수 있다.
제한된 휠의 반경 하에서 휠과 전도판간의 중첩 영역은 클수록 부상력과 추력은 증가하지만 횡방향으로의 안정성을 담보하는 음의 강성은 대략 휠 반경의 25∼75%의 중첩 영역에서 극대화되는 것을 확인하였다. 또한 휠의 내측 반경은 작을 수록 접합 면적이 증가하여 힘의 크기뿐만 아니라 음의 강성 값 역시 커지는 것을 알 수 있었다.
면내, 외 운동을 대표하는 축으로 y, z축을 각각 선정하여 결과를 제시했으며 나머지 회전 축의 경우 얻어진 시험 결과와 유사한 경향을 나타낸다. 시험 결과와 비교된 시뮬레이션의 경우 비례 댐핑으로 가정하여(비례 상수 0.005) 전술한 강성값을 이용하여 계산된 결과이며 일반적인 저감쇠 선형 진동 시스템의 응답 특성을 보이고 있다. 그러나 측정된 y, z축 응답은 시뮬레이션 결과와 다른 경향을 보이고 있는데 첫째, 응답의 감쇠 특성이 예상보다 더욱 큰 것을 알 수 있으며 둘째 z축의 경우 공칭 위치 아래에서는 과도한 댐핑으로 마치 달라붙는 듯한 응답 특성을 나타내고 있다.
본 논문에서는 전도판과 동전기 휠간의 상대 운동에 따라 가변되는 다축력을 지배하는 주요 변수를 대상으로 변수 변화가 힘 거동 특성과 시스템의 안정성에 미치는 영향을 분석하여 반송 시스템을 구성하는 동전기 휠의 설계 방향을 제시하였다. 제한된 휠의 반경 하에서 휠과 전도판간의 중첩 영역은 클수록 부상력과 추력은 증가하지만 횡방향으로의 안정성을 담보하는 음의 강성은 대략 휠 반경의 25∼75%의 중첩 영역에서 극대화되는 것을 확인하였다. 또한 휠의 내측 반경은 작을 수록 접합 면적이 증가하여 힘의 크기뿐만 아니라 음의 강성 값 역시 커지는 것을 알 수 있었다.
그러나 y축 횡력 즉, FY의 경우 Case 1이 다른 세 가지 경우보다 크기는 10% 그리고 강성을 나타내는 구배는 5% 정도 작고 자기 안정성을 담보하는 영역도 55∼80mm에 불과한 것을 알 수 있다. 즉, 네 가지 경우 모두 FX, FZ 즉, 추력과 부상력에서는 크기와 감소율 등에 서 유의미한 차이가 없지만 y축력은 부채꼴형상만이 상대적으로 열악한 결과를 나타내고 있다. 이러한 이유는 부채꼴 형상의 경우 이웃하는 영구자석간의 경계면이 전도판의 모서리를 가로지를 때의 인입각에 의해 결정되는 y축 방향 성분이 나머지 경우보다 상대적으로 작기 때문인 것으로 판단된다.

후속연구

일반적으로 정해진 트랙을 따라 가동되는 비접촉 반송 시스템의 경우 복잡한 제어기를 내장하고 곡률 반경이 제한되어 방향 전환이 용이하지 않는 단점이 있어 그 사용이 특정 영역으로 국한되어왔지만 제안된 방법의 경우 전도성 트랙 위에서 휠의 중첩 영역만 담보되면 부상되어 추진하는 데에 제약이 없으므로 다양한 응용을 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동전기 휠은 무엇을 말하는가?	동전기 휠(Electrodynamic wheel)은 Fig. 1에서와 같이 원주 방향으로 교차되는 극성을 갖는 영구자석(Permanent magnet; 이하 PM)이 주기적으로 반복되어 정렬되어있는 자기 구조를 일컫는데 PM의 자화 방향과 대항하는 전도체와의 상대적인 자세에 따라 축형(Axial) 또는 레디알형(Radial)으로 대별될 수 있다[1]. 이중 힘 밀도 측면에서 유리한 축형 동전기 휠을 이용하여 반송 시스템에 적용하고자 하는 시도가 다수 있었다[2-6].
	비접촉 반송 시스템은 동력원으로 무엇을 이용하는가?	도전성 평판에 부분적으로 걸쳐 회전하는 축형 동전기 휠을 구동원으로 이용하는 비접촉 반송 시스템을 제안한다. 회전하는 동전기 휠에는 3축력이 발생되는데 이 중 중력방향 힘과 횡방향 힘은 자기안정성을 갖고 있으므로 공간상에서 반송 시스템의 동적 안정성을 확보하기 위해서는 길이 방향 힘만을 제어하는 것으로 충분하다.
	전도판 위에서 회전하는 휠에 의해 발생하는 반발력만을 이용한 기존의 시스템의 단점은 무엇인가?	그러나 기존에 제안된 시스템에서는 전도판 위에서 회전하는 휠에 의해 발생하는 반발력만을 이용하거나[2] 또는 휠에 의한 자기장을 부분적으로 차폐하여 개방된 영역에서의 부상력과 접선 추력을 구동력으로 이용하였다[3,4]. 전자의 경우 복수의 선형 유도 전동기를 두어 추력을 얻었으므로 시스템이 대단히 복잡해지는 단점이 있었고 후자의 경우 개방 영역을 회전시키거나[3] 개방 영역의 크기 자체를 조절하여 추력을 제어하므로[4] 시스템 제어 방법이 대단히 복잡하고 공극 자기장을 일부 차폐하므로 가반 하중 혹은 힘 밀도가 작아지는 단점이 있었다. 전도판을 레일로 이용하여 반송되는 시스템이나 전도판 자체를 반송하는 시스템과 별도로 전도성 로드를 반송하기 위해 서로 마주하는 동전기 휠의 일부 영역을 이용한 사례도 보고되었다[5,6].

참고문헌 (8)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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상세보기
K. S. Jung, "A novel method transferring the copper rod without contact by axial magnet wheels," International J. of Applied Electromagnetics and Mechanics, Vol. 47, pp. 187-197, 2015.
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K. S. Jung, K. B. Shim, S. H. Lee, “Contact-less conveyance of conductive plate by controlling permalloy sheet for magnetic shield of air-gap magnetic field from magnet wheels,” J. of Korean Society for Precision Engineering, Vol. 27, No. 7, pp. 109-116, 2010.

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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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