[논문]스테이터 모듈의 열해석을 고려한 이동체의 구조설계

이정명; 한동섭; 이성욱; 한근조; 이권순

스테이터 모듈의 열해석을 고려한 이동체의 구조설계
Structural Design of a Mover considering the Thermal Analysis of a Stator Module 원문보기

이정명 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 한동섭 (동아대학교 BK21 총괄사업단) , 이성욱 (동아대학교 대학원 기계공학과) , 한근조 (동아대학교 기계공학부) , 이권순 (동아대학교 전기공학과)

선형모터의 설계에 있어서 열적 거동의 파악은 모터의 연속 추력 및 열변형과 관련하여 중요한 고려요소 중의 하나이다. 본 연구에서는 항만자동화를 위한 차세대 컨테이너의 수평이송시스템인 LMTT(Linear Motor-based Transfer Technology)용 선형모터의 설계를 위해 고정자의 코일에서 발생되는 열에 의한 이동체의 온도분포를 분석하여 고정자 모듈의 열해석을 고려한 이동체의 구조설계에 관한 연구를 수행하였다. 먼저, 선형모터의 주요부품의 치수를 설계하고, 다음으로 고정자 모듈의 발열을 고려한 이동체의 온도분포를 분석하여 열-구조 연성해석을 수행하였다.

When we design a linear motor, the thermal behavior investigation is one of great important considerations with respect to uniform thrust force and thermal deformation of a linear motor. In this study, we conduct the research for the structural design of the linear motor for LMTT(Linear Motor-based Transfer Technology) which is the next generation of container horizontal transfer system in order to automate a container terminal. After the dimensions of main parts for a linear motor were set up, we carried out the thermal-structural analysis of the linear motor considering the thermal analysis of the stator module.

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문제 정의

LMTT용 동기식 리니어모터의 설계를 위해 고정자 모듈의 발열이 이동체에 미치는 영향을 분석해보았다. 해석과정에서 전류가 흐르면 구리 권선의 저항에 의해서 전압강하가 일어나고 전기에너지의 손실이 발생되는데 손실된 전기에너지는 열로 변환되며 이것을 Joule 발열량 또는 I2R 발열량이라고 부르며 아래 식과 같이 나타낼 수 있다.

가설 설정

4. LMTT 용 리니어모터의의 설계 시 구조해석과 더불어 고정자모듈의 발열을 고려한 열해석도 필요하다는 것을. 알 수 있었다.

제안 방법

1. 고정자 모듈의 열 해석 결과 고정자 모듈에 발생하는 온도분포를 분석할. 수 있었고 이때 고정자 모듈의 최고온도는 92.
하지만 리니어모터의 설계 시 고정자 모듈의 발열은 균일한 추력의 발생과 이동체의 열변형에큰 영향을 주고 있고 실제로 고정자 모듈의 발열문제가 리니어모터의 실용화에 가장 큰 걸림돌이 되고 있는 실정이다 보니 리니어모터의 고정자 모듈의 발열이 이동체에 미치는 영향에 대한연구가 필수적으로 이루어져야 한다. 그러므로, 본 연구에서는 LMTT용 동기식 리니어모터의 설계를 위해 리니어모터의 주요부품의 치수를 설정하고, 다음으로 고정자 모듈의 발열을 고려한 이동체의 온도를 해석하여 리니어모터에 대한 열-구조 연성해석을 수행하여 고정자 모듈의 발열이 LMTT용 리니어모터의이동체에 미치는 영향을 분석하였다.
또한 이동체에 외부 공기의 열전달 계수 5e-5W/mm2°C, 외부 공기의 온도 TO °C 그리고 고정자 모듈의 열 해석 결과로 얻은 온도 중 최고온도인 92.74 °C를 적용하여 이동체에 대해 열해석을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 LMTT용 동기식 리니어모터의 설계를 위해 리니어모터의 주요부품의 치수를 설정하고, , 다음으로 고정자 코일의 발열을 고려한 이동체의 온도를 해석하여 리니어모터에 대한 열-구조 연성 해석을 수행하여 고정자 모듈의. 발열이 LMTT용’리니어모터의 이동체에 미치는'영향을 분석한■결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
3과 같고 치수는 Table 2에 나타내었다. 이동체는 형상과 하중 조건 및 경계조 건이 대칭으로 되어있기 때문에 전체 모델의 1/2만 모델링하여 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 요소는 프리즘 요소이며 수렴해석을 통하여 요소의 크기는 50mm로 설정하였고, 이때 요소 수는 22,615개, 절점 수는 50,739개이다.
이동체에 대한 구조해석과 열-구조 연성 해석을 수행하여 고정자 모듈의 발열량이 LMTT 용 리니어모터의의 이동체에 미치는 영향을 분석하였다. Fig.
7은 이동체의 연성 해석을 위한 하중 조건과 경계조건을 나타낸것이다. 이동체의 구조해석을 먼저 수행하였고 열해석의 경계조건 및 하중 조건을 더해서 열-구조 연성 해석을 수행한 후 이동체에 발생하는 상당 응력과 -Y 방향 변위값을 비교하였다.
된다. 이동체의 열-구조 연성 해석을 위해 다음과 같이세 가지로 나누어 구조해석의 하중 조건으로 적용하였고 휠 (Wheel)에 의해 이동체의 두 부분이 단순지지되므로 Y 방향의 변위만 구속하였으며 전체 모델의 1/2만 모델링하였기 때문에축대칭 조건을 구조해석의 경계조건으로 적용하였다.
이와 더불어 앞의 2장의 열해석에서 적용한 하중 조건 및 경계조건을 동일하게 연성 해석의 경계조건으로 적용하였다. Fig.

대상 데이터

이동체는 가로빔 (LB, Longitudinal Beam), 세로 빔 (TB, Transverse Beam), 휠 빔 (WB, Wheel Beam)으로 구성되어 있으며 이동체의 경량화를 위해 각 빔은 사각의 중공 빔으로 되어있다. 이동체및 고정자 모듈에 사용된 재료는 구조용 강으로 Table 1에기계적 성질을 나타내었다.
이동체는 형상과 하중 조건 및 경계조 건이 대칭으로 되어있기 때문에 전체 모델의 1/2만 모델링하여 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된 요소는 프리즘 요소이며 수렴해석을 통하여 요소의 크기는 50mm로 설정하였고, 이때 요소 수는 22,615개, 절점 수는 50,739개이다. '：g.

성능/효과

2. 이동체의 열 해석 결과 이동체에 발생하는 온도분포를 분석할 수 있었고 이때 이동체의 최고 온도는 72.95 °C였다.
3. 고정자 모듈의 발열을 고려한 이동체의 연성 해석에서 최대 상당 응력은 프레임과 컨테이너 하중과 흡입력이 작용하는 경우였으며 이 값은 구조해석에서최대 상당 응력보다보다 120.78 MPa 더 크게 나왔다.
본 연구에서 발열원인 고정자 모듈의 구리 권선으로부터 발생한 열은 대류나 복사에 의해 외부 공기로 방출되는데 공기로 방출되는 대류의 형태는 리니어모터의 정지 시에는 자연대류에 의해서 그리고 직선 구동 시에는 강제대류에 의해서 일어난다. 따라서, 본 연구에서는 고정자 모듈의열해석에 강제대류일 때 공기의 열전달계수인 5e-5W/mm2°C 의 값을 적용하였으며 LMTT 용 리니어모터는는 일반적으로 항만 자동화에서 컨테이너를 이송시키기 위해 사용되기 때문에 기상청의 기후자료인 부산의 2005년 일평균 기온을 조사하여 그 중 가장 낮은 때인 12월의 기온 -10°C를 외부공기의 온도로 적용하였는데 그 이유는 외부 공기의 온도가 가장 낮을 때고 정자 모듈의 구리 권선이 발열하기 가장 힘들다고 판단되었기 때문이다.
해석 결과 이동체는 전체적으로 -9.1 〜 7295 °C의 온도분포를보였다. 하지만 이동체의 하부평판은 63.

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