[논문]액시얼 마그네틱 하모닉 기어의 특성 해석

원훈희; 정광석

doi:10.22710/jict.2020.10.1.025

액시얼 마그네틱 하모닉 기어의 특성 해석
Characteristic Analysis of Axial Magnetic Harmonic Gear 원문보기

융ㆍ복합기술연구소 논문집 = Journal of institute of convergence technology, v.10 no.1, 2020년, pp.25 - 29

원훈희 (한국교통대학교 기계자동차항공공학부 기계공학전공) , 정광석 (한국교통대학교 기계자동차항공공학부 기계공학전공)

Abstract ▼ AI-Helper

Magnetic gears of non-contact power type have great advantages in terms of maintenance and repair than mechanical gears, and are used in various ways. Harmonic gears can derive a higher gear ratio than conventional gears through power transmission through a unique rotation mechanism. Magnetic harmonic gears, in which the gear teeth of the harmonic gears are replaced with magnets, have the advantages of both gears, but are difficult to implement and practical, so many studies are being conducted. In this study, we check whether the results of various types of magnetic gears can be applied to harmonic gears. By applying the axial type magnetic gear to the harmonic gear, the characteristic analysis is conducted to see if the result comparable to the existing radial type magnetic harmonic gear is obtained.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1 Various driving methods of MG (a) Linear type (b) Radial type (c) Axial type
그림 Fig. 2 Air gaping motion of the axial eccentric rotor by its rotation
그림 Fig. 3 Operation mode of the axial HG according to rotation
그림 Fig. 4 Axial magnetic field at the air-gap 'A' by stator and comparison with 18Hz sine curve
그림 Fig. 5 Area harmonic analysis of magnetic density distribution Shown in figure 4
그림 Fig. 6 Harmonic analysis result for the air-gap magnetic field at outside of low speed rotor in the radial HG
표 Table 1 Specifications of magnetic harmonic gear used in simulation
그림 Fig. 7 Variation of maximum torque on low-speed rotor with maximum air-gap length change
그림 Fig. 8 Variation of maximum torque with high speed rotor rotation

AI 본문요약
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문제 정의

래디알 타입 HG는 이전의 연구에서 기계식 하모닉 기어의 특성에 필적하는 성능을 갖는 것으로 알려졌으므로 본 논문에서는 액시얼 타입 HG에 대한 가능성을 확인해보고 시뮬레이션을 통해 특성해석을 진행하려한다. Fig.
본 논문에서는 3가지의 마그네틱 기어를 소개하고, 그중 액시얼 타입을 하모닉 기어의 구동 방식으로 적용할 수 있는지에 관한 연구를 진행하였다. 우선, 기존의 래디알형 HG의 연구와 다른 점을 자기 밀도 분포와 영역 주파수 분석 결과를 통해서 제시하였다.
본 논문에서는 여러 토폴러지를 갖는 MG의 방법론 중에서 이전 연구에서는 전혀 고려되지 않았던 액시얼(Axial) HG에 대해 유한요소해석을 통한 자기 밀도 분석과 토크 분석을 통해 해당 모델의 HG로서의 응용 가능성을 논의한다.
본 논문에서는 3가지의 마그네틱 기어를 소개하고, 그중 액시얼 타입을 하모닉 기어의 구동 방식으로 적용할 수 있는지에 관한 연구를 진행하였다. 우선, 기존의 래디알형 HG의 연구와 다른 점을 자기 밀도 분포와 영역 주파수 분석 결과를 통해서 제시하였다. 또한 4가지 기어비를 갖는 축형 모델에 대해 최대 공극 길이의 변화에 따른 최대 토크와 고속로터의 회전에 따른 전달 토크의 리플 특성을 유한 요소 해석을 통해 확인하였다.

제안 방법

우선, 기존의 래디알형 HG의 연구와 다른 점을 자기 밀도 분포와 영역 주파수 분석 결과를 통해서 제시하였다. 또한 4가지 기어비를 갖는 축형 모델에 대해 최대 공극 길이의 변화에 따른 최대 토크와 고속로터의 회전에 따른 전달 토크의 리플 특성을 유한 요소 해석을 통해 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 통해서 PM 로터의 편심 회전에 따라 공극 조화운동에 기인하는 주극의 차분극이 정상적으로 생성되어 감속 기능이 구현됨을 확인하였으며 발생한 토크의 품질 특성 역시 래디얼 타입과 크게 다르지 않는 등 액시얼 타입 HG의 하모닉 기어로서의 응용 가능성을 확인 할 수 있었으며, 래디알 타입 편심 회전량 추출 메커니즘 등의 제약을 극복할 수 있는 방법의 하나로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

데이터처리

본 장에서는 특정 모델에 대한 유한 요소 해석 결과를 통해 모델의 토폴러지 검증 과정을 논의한다. 유한 요소 해석은 상업용 툴인 Maxwell 18.0의 3차원 해석 모듈을 통해 수행하였다. 해석에 사용된 액시얼 타입 HG의 주요 제원을 Table 1에 나타내었다.

성능/효과

Fig. 5에서 저속 로터와 고정자 PM 레이어 사이의 자기장을 공간 고조파 분석을 통해 확인한 결과 고정자의 극수에 해당하는 18극 외에 18 ± 1극이 현저한 것을 확인할 수 있다.
고속로터가 0°∼15° 범위에서 회전함에 따라 저속로터는 각 기어 비에 따라 –0/G°∼-15/G°(G는 기어 비)의 범위로 회전하며, 회전각에 따른 최대 전달 토크의 리플은 전혀 없다는 것을 확인할 수 있다.
상기 해석을 통해 액시얼 타입 HG에서는 기어비와 상관없이 전 구간에서 고품질의 토크 특성을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 기어비에 따라 다소 가변되는 특성을 갖지만 축방향으로 편심된 회전체의 정현파 공극 운동으로 감속 기능이 있는 액시얼 MG의 HG 응용을 위한 토폴러지로서의 가능성을 확인할 수 있다.
당연한 결과이지만 최대 공극이 1mm로 최소 공극과 같을 때는 HG의 기능을 잃어 토크가 0으로 나오며, 기어 비에 따라 조금씩 차이는 있지만 최대 공극이 2∼4mm일 때 최대 토크가 나오고 이후 공극의 증가에 따라 토크의 값이 점차 줄어드는 양상을 확인할 수 있다.
또한 4가지 기어비를 갖는 축형 모델에 대해 최대 공극 길이의 변화에 따른 최대 토크와 고속로터의 회전에 따른 전달 토크의 리플 특성을 유한 요소 해석을 통해 확인하였다. 시뮬레이션 결과를 통해서 PM 로터의 편심 회전에 따라 공극 조화운동에 기인하는 주극의 차분극이 정상적으로 생성되어 감속 기능이 구현됨을 확인하였으며 발생한 토크의 품질 특성 역시 래디얼 타입과 크게 다르지 않는 등 액시얼 타입 HG의 하모닉 기어로서의 응용 가능성을 확인 할 수 있었으며, 래디알 타입 편심 회전량 추출 메커니즘 등의 제약을 극복할 수 있는 방법의 하나로 적용이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌 (6)

Atallah, K., Calverley, S. D., Howe, D., "Design, analysis and realization of a high performance magnetic gear", IEE Proc.-Electr. Power Appl., 151:2 135-143. 2004.

상세보기
Rasmussen, P., Andersen, T., Jorgensen, F., Nielsen, O., "Development of a high-performance magnetic gear", IEEE Trans. on Industry Applications 41:3 764-770., 2005.

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Jung, K. S., "Analysis of pole ratio effect of magnetic reducer", J. of the Korea Academia-Industrial cooperation Society 21:1 277-283., 2020.
Jorgensen, F., Andersen, T., Rasmussen, P., "The cycloid permanent magnetic gear", IEEE Trans. on Industry Applications 44:6 1659-1665., 2008.

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Rens, J., Atallah, K., Calverley, S., Howe, D., "A novel magnetic harmonic gear", IEEE Trans. on Industry Applications 46:1 206-212., 2010.

상세보기
Park G. S., Kim, S. J., Jung, S. Y., Kim, Y. J., "Characteristic Comparative Analysis of Transfer Torque and Power Density for Radial-type and Axial-type Magnetic Gear", Proceedings of the Korean Institute of Electrical Engineers 161-163, 2015.

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