[논문]비접촉 이송 시스템의 구동원으로서 동전기 휠의 응용

정광석

doi:10.22710/jict.2016.6.2.001

비접촉 이송 시스템의 구동원으로서 동전기 휠의 응용
Application of the electrodynamic wheel as a driving principle of noncontact transfer system 원문보기

융ㆍ복합기술연구소 논문집 = Journal of institute of convergence technology, v.6 no.2, 2016년, pp.1 - 7

Abstract ▼ AI-Helper

The rotating electrodynamic wheels can produce three-axial forces on the conductive target. The forces are linked strongly each other, and their magnitudes depend on the rotating speed of the wheel. However, the wheels can be used effectively as an actuating principle for transfer system of conductive material. The conductive material is a pipe with a constant cross-section or a conductive plate. In this paper, a few applications using the electrodynamic wheels as transferring means are introduced including the full description of the real hardware implementation.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

동전기 휠은 다상 코일에 의한 이동 자장에 의해 발생되는 유도력보다 상대적으로 큰 자기력 밀도로 실제적인 응용이 용이한 자기 요소이다. 본 논문에서는 동전기 휠의 형상이나 자기 배치 구조 등을 변형시켜 전도성 평판과 환봉을 공간상에서 안정되게 부상시켜 이송시킬 수 있는 다양한 메커니즘을 그 원리와 함께 제시하였다. 특히 도전체와 대항하는 동전기 휠 자체는 반발력과 휠의 회전 방향으로의 견인 토크만을 생성시키지만 이러한 힘을 이송 시스템에 유용한 힘으로 전환하기 위한 다양한 방법을 고안하여 실제 타겟 이송에 활용하였다.
본 논문에서는 저자가 소속되어있는 연구실에서 수행되어온 동전기 휠을 이용한 다양한 형상을 갖는 도전체의 비접촉 이송에 관한 시스템을 리뷰하고 각 시스템의 주요한 이슈와 이의 해결 방법을 논의한다. 대상이 되는 도전체는 연속 공정에 의해 생산되는 시트 혹은 평판과 가늘고 긴 세장 부재 즉, 원형 파이프를 대상으로 하였다.

제안 방법

본 장에서는 전술한 동전기 휠을 이용한 이송 시스템의 첫 번째 응용 사례로 전도성 평판 반송에 관해 논의한다. 동 반송 시스템에는 축형 동전기 휠이 이용되는데 이러한 휠의 회전에 따라 발생되는 강한 견인 토크를 추력으로 이용하기 위한 흥미로운 방법론을 두가지 제시하였다.
환봉의 좌우 이송 제어를 위해 환봉의 동축 방향 위치를 레이저 센서로 트래킹하고 동시에 근접 센서로 부상 위치를 모니터링 하였다. 실제 시스템 입력은 좌우 동전기 휠의 회전 속도 2개이지만 환봉은 공간상의 거동을 하기 때문에 일견 가제어성이 없는 시스템으로 보이지만 이동 방향을 제외한 나머지 자유도는 휠의 내재된 자기 안정성 특성으로 인해 제어기 없이도 안정성을 담보하기 때문에 오직 제어의 초점은 좌우 운동과 롤링 운동 등의 2자유도에 국한되어 실험적으로 검증하였다.
우선, 구리 평판 반송을 위한 추력 확보를 위해 견인 토크를 부분적으로 자기 차폐하여 커트된 선형력으로 변환하는 방법을 제안하였다. 이러한 선형 추력제어는 차폐각을 제어하는 방법외에 차폐각 자체의 크기를 제어하여 결국 추력의 절대 크기를 제어하는 방법도 활용될 수 있음을 보였다.
본 논문에서는 동전기 휠의 형상이나 자기 배치 구조 등을 변형시켜 전도성 평판과 환봉을 공간상에서 안정되게 부상시켜 이송시킬 수 있는 다양한 메커니즘을 그 원리와 함께 제시하였다. 특히 도전체와 대항하는 동전기 휠 자체는 반발력과 휠의 회전 방향으로의 견인 토크만을 생성시키지만 이러한 힘을 이송 시스템에 유용한 힘으로 전환하기 위한 다양한 방법을 고안하여 실제 타겟 이송에 활용하였다.
환봉 반송을 위해 고전적인 코일 메커니즘을 동전기 휠로 구현하기 위해 축방향 옵셋을 갖는 레디알 휠을 제시하였으며 휠의 회전에 따른 환봉의 회전 유기를 제거하기 위해 회전량을 보상할 수 있는 3열 방식 시스템 방법론을 제시하였다. 환봉 반송은 레디알 휠 외에 중첩된 축형 휠에 의해 가능함을 보였고 이 때 환봉의 공간 이동을 위해 시소 형태의 제어 방법론을 제시하여 휠의 회전 속도 제어만으로도 환봉이 안정되게 부상, 이송 가능함을 보였다.
평판과 달리 가늘고 긴 세장 부재의 경우 2장에서 소개한 동전기 휠을 변형없이 그대로 이용하기에는 발생되는 자기력의 크기나 특성에 제약이 있다. 환봉을 공간상에서 안정하게 부상시켜 반송하기 위해레디알 휠을 변형시켜 이용하는 경우와 축형 동전기 휠을 샌드위치 형태로 중첩시켜 이용하는 경우 등 두가지 방법론을 제안하고 타당성을 실험적으로 검증하였다.
16의 시스템을 구축하였다. 환봉의 좌우 이송 제어를 위해 환봉의 동축 방향 위치를 레이저 센서로 트래킹하고 동시에 근접 센서로 부상 위치를 모니터링 하였다. 실제 시스템 입력은 좌우 동전기 휠의 회전 속도 2개이지만 환봉은 공간상의 거동을 하기 때문에 일견 가제어성이 없는 시스템으로 보이지만 이동 방향을 제외한 나머지 자유도는 휠의 내재된 자기 안정성 특성으로 인해 제어기 없이도 안정성을 담보하기 때문에 오직 제어의 초점은 좌우 운동과 롤링 운동 등의 2자유도에 국한되어 실험적으로 검증하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 저자가 소속되어있는 연구실에서 수행되어온 동전기 휠을 이용한 다양한 형상을 갖는 도전체의 비접촉 이송에 관한 시스템을 리뷰하고 각 시스템의 주요한 이슈와 이의 해결 방법을 논의한다. 대상이 되는 도전체는 연속 공정에 의해 생산되는 시트 혹은 평판과 가늘고 긴 세장 부재 즉, 원형 파이프를 대상으로 하였다. 각각의 응용 사례는 축형 또는 레디알형 휠을 도전체와 대항하여 고속으로 회전시킬 때 발생하는 다축 자기력을 이용하고 있으며 이러한 자기력이 휠의 회전속도와 강하게 연성되어있기 때문에 대상 개체의 형상에 따라 다축 자기력을 독립적으로 제어하는 방법론이 상세하게 묘사된다.

성능/효과

12에 제시된 것과 같이 축 방향으로 옵셋을 갖는 스크류 형태를 갖는 레디알 휠을 회전시켜 구현하면 환봉을 공간상에 부상시켜 이동시킬 수 있다.¹⁾ 환봉 주변에서 레디알 휠을 회전시키면 축 방향으로의 자기 옵셋이 있기 때문에 자기장은 축 방향을 따라 이동하고 동시에 환봉 외피에는 유도 전류가 생성되어 환봉의 중심 방향으로의 반발력이 작용하기 때문에 환봉은 레디알 휠의 내측과 분리되어 중심 부근에서 기계적인 접촉없이 부상될 수 있다.
14와 같은 메커니즘을 고안하였다.^5,9) 샌드위치 형태로 중첩되어있는 한 쌍의 휠 사이에 환봉을 위치시키면 환봉은 이동하고 동시에 레디알 방향으로 수직력이 발생하는데 항상 수직력이 발생하는 것은 아니고 축형 휠 내에서 환봉의 위치에 따라 중력을 보상할 수 있는 방향으로 수직력이 생성되는 구간이 있다. 동시에 환봉을 중심으로 휠이 서로 마주하는 형태이므로 환봉은 휠 사이에서 어느 쪽으로도 안정되게 위치를 유지할 수 있다.
환봉 반송을 위해 고전적인 코일 메커니즘을 동전기 휠로 구현하기 위해 축방향 옵셋을 갖는 레디알 휠을 제시하였으며 휠의 회전에 따른 환봉의 회전 유기를 제거하기 위해 회전량을 보상할 수 있는 3열 방식 시스템 방법론을 제시하였다. 환봉 반송은 레디알 휠 외에 중첩된 축형 휠에 의해 가능함을 보였고 이 때 환봉의 공간 이동을 위해 시소 형태의 제어 방법론을 제시하여 휠의 회전 속도 제어만으로도 환봉이 안정되게 부상, 이송 가능함을 보였다.

후속연구

우선, 구리 평판 반송을 위한 추력 확보를 위해 견인 토크를 부분적으로 자기 차폐하여 커트된 선형력으로 변환하는 방법을 제안하였다. 이러한 선형 추력제어는 차폐각을 제어하는 방법외에 차폐각 자체의 크기를 제어하여 결국 추력의 절대 크기를 제어하는 방법도 활용될 수 있음을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	레디알 휠의 한계점은 무엇인가?	레디알 휠은 축형 휠과 달리 대항하는 전도체와 인터랙션 하는 영역이 상대적으로 작아 실질적인 활용도 측면에서 불리하다. 레디알 휠 역시 Fig.
	축형 동전기 휠의 회전 속도에 따라 수직력과 견인토크는 어떤 특성을 보이는가?	속도에 따라 뚜렷하게 대별되는 형태를 보인다. 수직력의 경우 일반적으로 6000rpm에 도달할 때 까지증가하다가 수렴하는 특성을 갖으나 견인 토크의 경우 저속 구간에서는 수직력보다 더 빨리 상승하지만 일정 영역을 지나면 점차 감소하는 경향을 갖는다.6) 전술한 바와 같이 이러한 두 힘은 회전 속도와 강하게 연성되어있기 때문에 견인 토크를 유의미하게 이용하기 위해서는 후술하는 바와 같이 회전 토크를 중간에서 커트하여 선형력으로 변환하는 방법이 필요하다.
	동전기 휠은 무엇인가?	1과 Fig. 2에 개념도로 묘사된 것과 같이 원주 방향을 따라 주기적으로 반복되어 정렬된 영구자석 어레이를 일컫는다. 이러한 휠은 Fig.

참고문헌 (9)

K. S. Jung, "Screw motion and control of conductive rod by rotating a spiral electrodynamic wheel", J. of Control, Robotics and Systems 17 (9), p.882-887, 2011.

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J. Bird and T. A. Lipo, "Calculating the forces created by an electrodynamic wheel using a 2-D steady state finite element method", IEEE Trans. Magn. 44, p.365-372, 2008.

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J. H. Park and Y. S. Baek, "Parametric design of the levitation mechanism for maglev planar transportation vehicle", IEEE Trans. Magn. 40, p.3069-3072, 2004.

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K. S. Jung, "A novel method transferring the copper rod without contact by axial magnet wheels", Int. J. Applied Electromagnetics and Mechanics, p.187-197, 2015.
K. S. Jung, "Spatial transfer of conductive plate through decoupling of two axial electrodynamic forces generated by magnet wheel", Mechatronics 20, p.1044-1050, 2013.
K. S. Jung, "Control of conductive plate through varying the open area size of the partially, magnetically isolated electrodynamic wheel", J. of Control, Robotics and Systems 18 (3), p.230-236, 2012.

원문보기 상세보기
K. S. Jung, "Contactless conveyance of conductive rod by rotating the radial electrodynamic wheel with a spiral structure", Int. J. Applied Electromagnetics and Mechanics, p.569-582, 2014.
K. S. Jung, "Non-contact manipulation of conductive rod using axial magnet wheels", J. of Control, Robotics and Systems 19 (7), p.626-632, 2013.

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저자의 다른 논문 :

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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