본 연구에서는 직구동방식의 보이스 코일 모터를 이용한 유도무기 날개 작동기의 최적 설계를 진행하였다. ANSYS Maxwell 상용프로그램으로 전자기장 해석을 수행하여 토크 성능 및 보이스 코일 모터의 특성을 예측하였으며, 운용 각도 범위에서 날개에 작용하는 공력부하가 가장 큰 구간인 양끝단에 해당되는 각도에서 최적화 설계를 수행하였다. 또한, 작동기의 주요 설계 변수를 선정하고, 최적화 설계를 위하여 반응면 기법(Response Surface Method)을 사용하였다. 반응면은 2차 함수로 구성하였고 2차 반응면 구성에 널리 쓰이는 중심합성법을 바탕으로 수치실험점들을 선정하였다. 구성된 반응면의 적합성은 수정결정계수로 판단하였으며, 최종적으로 최적화로 구해진 토크값은 전자기장 해석을 통한 토크값과 거의 동일함을 확인하였다.
본 연구에서는 직구동방식의 보이스 코일 모터를 이용한 유도무기 날개 작동기의 최적 설계를 진행하였다. ANSYS Maxwell 상용프로그램으로 전자기장 해석을 수행하여 토크 성능 및 보이스 코일 모터의 특성을 예측하였으며, 운용 각도 범위에서 날개에 작용하는 공력부하가 가장 큰 구간인 양끝단에 해당되는 각도에서 최적화 설계를 수행하였다. 또한, 작동기의 주요 설계 변수를 선정하고, 최적화 설계를 위하여 반응면 기법(Response Surface Method)을 사용하였다. 반응면은 2차 함수로 구성하였고 2차 반응면 구성에 널리 쓰이는 중심합성법을 바탕으로 수치실험점들을 선정하였다. 구성된 반응면의 적합성은 수정결정계수로 판단하였으며, 최종적으로 최적화로 구해진 토크값은 전자기장 해석을 통한 토크값과 거의 동일함을 확인하였다.
In this study, optimal design of direct-drive VCMs (Voice Coil Motor) for a missile fin actuator is carried out. The torque performance and the characteristics of the VCM are predicted by commercial electromagnetic analysis software, ANSYS Maxwell. The optimal design is obtained at the minimum and m...
In this study, optimal design of direct-drive VCMs (Voice Coil Motor) for a missile fin actuator is carried out. The torque performance and the characteristics of the VCM are predicted by commercial electromagnetic analysis software, ANSYS Maxwell. The optimal design is obtained at the minimum and maximum actuating angles where the aerodynamic load acting on the fin is the largest in the operating range. The critical variables of the actuator is designed and the RSM (Response Surface Method) is used for the optimization. The response surface model consists of second-order functions and its experimental points are selected by a central composite design. This design is widely used for fitting a second-order response surface. The adjustment regression coefficients is computed for adequacy checking of the response surface model. Finally, the torque values obtained by the RSM and the ANSYS Maxwell are shown in good agreement.
In this study, optimal design of direct-drive VCMs (Voice Coil Motor) for a missile fin actuator is carried out. The torque performance and the characteristics of the VCM are predicted by commercial electromagnetic analysis software, ANSYS Maxwell. The optimal design is obtained at the minimum and maximum actuating angles where the aerodynamic load acting on the fin is the largest in the operating range. The critical variables of the actuator is designed and the RSM (Response Surface Method) is used for the optimization. The response surface model consists of second-order functions and its experimental points are selected by a central composite design. This design is widely used for fitting a second-order response surface. The adjustment regression coefficients is computed for adequacy checking of the response surface model. Finally, the torque values obtained by the RSM and the ANSYS Maxwell are shown in good agreement.
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문제 정의
본 연구에서는 40mm 구경을 갖는 유도무기의 2축소형 구동장치에 적용 가능한 보이스코일 방식의 작동기에 대해 논하였다. 감속기가 없는 직구동방식으로 구성되어 있어 정적 성능에 비해 동적 성능은 매우 우수하므로 작동기의 해석 및 최적화 설계는 정적 해석을 주로 수행하였다.
이와 같이 압전구동기, 전자기력 구동기, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 구동기 등의 초소형 구동장치도 개발되고 있지만[4] 압전 방식은 구동력 또는 구동각이 작고 전자기력 방식은 bang-bang 제어만 가능하다는 한계가 있다. 이러한 상황을 극복하기 위해 본 논문에서는 회전형 보이스 코일 방식의 전기식 구동기를 제시하였다. 회전형 보이스 코일 방식은 피드백 제어(feedback control)가 가능하여, 컴퓨터용 하드디스크 헤드 섹터 모터의 정밀 각도제어용으로도 널리 사용되고 있다[5,6].
가설 설정
)으로 정하였으며, 일반적으로 사용하는 구동각을 ±10°로 가정하여 구동각 10°를 기준으로 설계변수를 최적화하였다. 보이스코일의 외경(Cd)과 구동축에서 코일중심까지의 거리(R)는 모두 클수록 유리하지만, 구동시 기구학적으로 작동기 본체와 간섭을 일으킬 수 있다. 따라서 간섭이 발생하지 않도록 코일 외경(Cd)은 20mm, 구동축에서 코일중심까지의 거리(R)는 25mm로 각각 선정하였다.
제안 방법
본 연구에서는 40mm 구경을 갖는 유도무기의 2축소형 구동장치에 적용 가능한 보이스코일 방식의 작동기에 대해 논하였다. 감속기가 없는 직구동방식으로 구성되어 있어 정적 성능에 비해 동적 성능은 매우 우수하므로 작동기의 해석 및 최적화 설계는 정적 해석을 주로 수행하였다.
구동기에서 최적화 대상 설계변수는 외측 영구자석두께(M1), 내측 영구자석두께(M2), 코일의 폭(Cw)으로 정하였으며, 일반적으로 사용하는 구동각을 ±10°로 가정하여 구동각 10°를 기준으로 설계변수를 최적화하였다. 보이스코일의 외경(Cd)과 구동축에서 코일중심까지의 거리(R)는 모두 클수록 유리하지만, 구동시 기구학적으로 작동기 본체와 간섭을 일으킬 수 있다.
보이스코일방식 구동기를 –15° ~ +15°까지 1° 단위로 정자계 해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 40mm 구경의 유도무기에 내장 가능한 2축 회전형 보이스코일 작동기를 설계하였으며, 전자기장 유한 요소 해석을 수행하여 토크값을 예측하였다. 해석 결과 토크값은 0°에서 토크값이 가장 크며, 구동각이 클수록 토크값은 작아지는 경향을 보였다.
본 최적화 연구에서는 코일권선의 전류밀도를 10 A/mm2으로 설정하였고, 코일의 절연체 두께와 권선방식을 고려하여 도체의 점적율은 60%로 설정하였다. 따라서, NI항은 식 (4)에 의해 코일단면적(mm2)의 6배를 한 값이 된다.
외측 영구자석 두께(M1), 내측 영구자석 두께(M2), 코일의 폭(Cw)을 설계 변수로 최적화를 진행하였으며, 반응면 기법을 통한 최적화 결과 영구자석 두께와 코일의 폭에 따른 토크 그래프는 Fig. 10과 같다.
해석 결과 토크값은 0°에서 토크값이 가장 크며, 구동각이 클수록 토크값은 작아지는 경향을 보였다. 작동기의 주요설계변수로서 영구자석 두께, 코일의 폭을 선정하였으며 반응면 기법을 통해 구동각 10°에서 토크값에 대한 설계 최적화를 수행하였다. 또한, 최적 설계된 작동기는 이론적인 주파수 응답 특성을 분석하여 유도무기 작동기로서의 활용 가능성을 보였다.
대상 데이터
본 연구에서는 40mm에 탑재 가능한 작동기로 해석모델을 설계하였으며, Fig. 1과 같이 카나드형 소형 유도무기의 작동기에 적용 가능하다.
9이상이면 우수하다고 볼 수 있다. 반응면기법의 신뢰도를 재차 확인하기 위하여 Table 3의 M1, M2, Cw 변수값을 경계조건으로 설정하여 전자기장 해석 (ANSYS Maxwell)을 수행하였고, 토크값은 45.57mNm로 계산되었다. 이 결과값은15개의 수치실험점을 기반으로 반응면 기법으로 도출된 통계적 계산값인 45.
보이스코일방식 구동기의 토크특성을 분석하기 위해 범용 전자기장 해석툴인 ANSYS Maxwell 19.0을 이용하여 정자계 해석을 하였다[7].
이론/모형
수치실험점(해석점)은 Fig. 9와 같이 중심합성법(Central Composite Designs)으로 선정하였다. 설계변수가 총 3개이므로 Fig.
성능/효과
4Hz로 계산된다. 구동날개의 관성은 제외하고 계산된 결과이며, 볼스크류나 크랭크암방식의 감속기가 적용된 전기식 구동장치에 비해 주파수 특성은 우수하다.
작동기의 주요설계변수로서 영구자석 두께, 코일의 폭을 선정하였으며 반응면 기법을 통해 구동각 10°에서 토크값에 대한 설계 최적화를 수행하였다. 또한, 최적 설계된 작동기는 이론적인 주파수 응답 특성을 분석하여 유도무기 작동기로서의 활용 가능성을 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반응면기법이란 무엇입니까?
본 연구의 최적화 설계에 사용한 반응면기법(Response Surface Method)은 수학적, 통계학적 기법으로 한정된 수의 수치실험점을 통하여 반응면을 구성하고 최적 설계를 수행하는 기법이다[8]. 많은 시간이 소요되는 실험이나 수치해석에서 효율적으로 최적값을 찾기 위해 다방면으로 사용된다[9-11].
반응면기법의 특징 및 사용목적은 무엇입니까?
본 연구의 최적화 설계에 사용한 반응면기법(Response Surface Method)은 수학적, 통계학적 기법으로 한정된 수의 수치실험점을 통하여 반응면을 구성하고 최적 설계를 수행하는 기법이다[8]. 많은 시간이 소요되는 실험이나 수치해석에서 효율적으로 최적값을 찾기 위해 다방면으로 사용된다[9-11]. 식(6)은 반응면 모델을 표현하는 2차 다항식이다.
현대전의 특징은 무엇입니까?
과거의 전장은 무차별적 사격이나 다수의 인적 물적 자원으로 이루어졌다. 하지만, 유도무기가 보편화되고 초정밀 센서 및 전자장비들이 개발되면서 현대전은 원거리 정밀 타격을 통하여 아군이나 민간인의 피해를 줄이고, 효율적으로 전장을 장악하는 것으로 바뀌고 있다. 초소형 스마트탄이나 소형 유도무기는 이러한 추세를 발맞춰 다양하게 개발되고 있으며, 탑재되는 각종 센서류나 제어장치도 소형화되고 있다[1].
참고문헌 (11)
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Lee, C. S., Park, C. K., Kim, S. W., and Kim, H. J., "Design of Reduction ratio for Electro-mechanical Fin Actuator System," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference, April 2017, pp.506-507.
Larry S., "Rough Sketch : Self-Guided Bullet," Popular Science, June 2012, http://www.popsci.com/technology/article/2012-05/rough-sketch-self-guided-bullet.
Wang, Q. M., and Eric, C. L., "Constitutive Equations of Symmetrical Triple Layer Piezoelectric Benders," IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol. 46, No. 6, Nov. 1999, pp.1343-1351.
Ratliff, R. T., and Pagilla, P. R., "Design, Modeling, and Seek Control of a Voice-Coil Motor Actuator With Nonlinear Magnetic Bias," IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 41, No. 6, June 2005, pp.2180-2188.
Jintai, C., "A Design of the VCM Coil Diameter of a Rotary Actuator in a Computer Hard Disk Drive," The Korean Society of Mechanical Engineers Journal, Vol. 10, No. 1, 1996, pp.22-30.
Getting Started with Maxwell : Designing a Rotational Actuator, ANSYS Electromagnetics suite Release 19.0, ANSYS, Inc., 2017.
Myers, R. H., and Montgomery, D. C., Response Surface Methodology: Process and Product Optimization Using Designed Experiments, 3rd Ed., John Wiley & Sons, 1995, pp.13-71, 113.
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Hwang, I. S., Kim, M. K., Hwang, C. S., Min, S. Y., and Kim, S. J., "Optimal Design of Cyclocopter Rotor System using RSM," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Spring Conference. April 2005, pp.34-37.
Park, Y. M., Kim, Y. S., Chung J. D., and Lee, J. Y., "Aerodynamic Shape Optimization of Airfoils Using Response Surface Method," Aerospace Engineering and Technology, Korea Aerospace Research Institute, Vol. 3, No. 2, November 2004, pp.248-255.
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