[논문]유한요소법을 사용한 소형 로터리 초음파 모터의 설계 및 해석

김홍석; 노종석; 주현우; 정현교

유한요소법을 사용한 소형 로터리 초음파 모터의 설계 및 해석
Design and Analysis of Small Size Rotary Ultrasonic Motor Using Finite Element Method 원문보기

김홍석 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 노종석 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 주현우 (서울대학교 전기컴퓨터공학부) , 정현교 (서울대학교 전기컴퓨터공학부)

소형화 되어 가는 전기기기에 따른 소형 모터가 요구되고 있다. 소형 모터 중 높은 정지 토크 및 높은 효율 등의 장점을 가진 소형 로터리 초음파 모터는 여러 목적에 쓰이고 있다. 하지만 주로 경험적인 방법 또는 상용 해석툴이 소형 로터리 초음파 모터의 해석에 주로 사용되었다. 따라서 소형 로터리 초음파 모터의 체계적인 해석 방법이 필요하다. 본 논문에서는 우선 소형 로터리 초음파 모터의 동작 원리를 통해 진행파의 존재를 확인하였고, 유한요소법 해석법을 통해 과도 및 정상 상태의 소형 로터리 초음파모터를 설계하고 해석하였다. 이 해석결과를 이용하여 소형 로터리 초음파 모터의 동작 특성 또한 해석하였다.

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문제 정의

4개로 분극된 압전체로 인한 진행파를 알기 전에, 우선 압전체 분극에 대해 살펴보자. 압전체 분극 2에 대한 식인 식 (2)에서 일부분을 식 (5)와같이 놓으면,
로터리 초음파 모터는 그 종류에 따라 다양한 동작 원리가 존재한다. 본 논문에서는 여러개의 굴곡파(flexural wave)들이 결합해서 하나의 진행파(progressive wave) 가 만들어지는 원리를 가진 초음파 모터를 설계 및 해석하였다 굴곡파들로 진행파를 생성하기 위해 하나의 압선체에 폴링 방향이 반대인 2쌍의 분극을 생기도록 하였다. 또한 소형 로터리 초음파모터 를 구농시키기 위해 서로 90도 위상차가 나는 2개의 전압원이 사용되었다.
본 논문에서는 유한요소법 해석법을 통해 과도 및 정상 상태의 소형 로터리 초음파 모터를 체계적으로 설계 하고 해석하였다. 우선 소형 로터리 초음파 모터의 변위를 해석하였고, 진행파의 존재를 확인하였다.

제안 방법

임피던스 및 변위를 해석하기 위해 소형 로터리 초음파 모터에 대해 유한요소법 해석하였다. 40[Vp-p] 전압이 인가된 상태에서 유한요소법으로 해석하였다.
본 논문에서는 유한요소법 해석법을 통해 과도 및 정상 상태의 소형 로터리 초음파 모터를 체계적으로 설계 하고 해석하였다. 우선 소형 로터리 초음파 모터의 변위를 해석하였고, 진행파의 존재를 확인하였다. 해석 결과의 타당성은 1차로 상용 해석툴을 통해 검증하였고, 제작 중인 시제품의 실험결과를 통해 주후 논문에서 검증할 것이다.
본 논문에서는 이러한 초음파 모터의 한 종류인 소형 로터리 초음파 모터의 설계 및 해석을 하기 위해 수치해 석법인 유한요소법이 사용되었다. 유한요소법을 통해 과도 및 정상 상태에 대한 해석을 함으로써 임피던스 그래프와 변위를 구하였고, 진행파가 존재함도 확인하였다-
파장이 360。인 모드(Boi 모드)와 최대 변위량이 수마이크로 미터(4이?/叶] 기준) 이상이 되는 변위를 모두 만족하는 변위를 찾기 위해 유한요소법 해석을 하였다. 유한요소법 해석을 통해 공진주파수가 162600[Hz]일 때 파장이 360 ° 이면서 z축 방향으로의 최대 변위량이2.
임피던스 및 변위를 해석하기 위해 소형 로터리 초음파 모터에 대해 유한요소법 해석하였다. 40[Vp-p] 전압이 인가된 상태에서 유한요소법으로 해석하였다.
5[mm]로 하였다. 티스 부분은 8개로 구성되어 있으며, 최대 변위량이 수마이크로 미터(40[\bp] 기준) 이상이 되도록 티스 부분을 구성하였고, 또한 위의 사양 들은 현재의 제삭상의 한계를 염두에 두고 설계되었다.

대상 데이터

그림 3은 해석 모델의 임피던스 해석 결과를 보여준다. 그림 3에서 보듯이 존재하는 여러 개의 공진주파수 중, 파장이 360° 인 모드(Boi 모드)를 사용하기 위해 162.6[kHz] 주파수를 동작 공진 주파수로서 선택하였다.
그림의 단위는 [mm]이다. 본 논문에서는 그림 1과 같이 외경이 9[mm], 내경이 5[mm], 티스 부분을 포함한 인청동 부분의 높이가 1.5[mm], 압전체의 두께는 0.5[mm]로 하였다. 티스 부분은 8개로 구성되어 있으며, 최대 변위량이 수마이크로 미터(40[\bp] 기준) 이상이 되도록 티스 부분을 구성하였고, 또한 위의 사양 들은 현재의 제삭상의 한계를 염두에 두고 설계되었다.
타원 운동 유무를 관찰하기 위해 7개의 샘플 노드들은 그림 5와 같이 티스 상에서 선택되었다.

데이터처리

우선 소형 로터리 초음파 모터의 변위를 해석하였고, 진행파의 존재를 확인하였다. 해석 결과의 타당성은 1차로 상용 해석툴을 통해 검증하였고, 제작 중인 시제품의 실험결과를 통해 주후 논문에서 검증할 것이다.

이론/모형

본 논문에서는 이러한 초음파 모터의 한 종류인 소형 로터리 초음파 모터의 설계 및 해석을 하기 위해 수치해 석법인 유한요소법이 사용되었다. 유한요소법을 통해 과도 및 정상 상태에 대한 해석을 함으로써 임피던스 그래프와 변위를 구하였고, 진행파가 존재함도 확인하였다-

성능/효과

파장이 360。인 모드(Boi 모드)와 최대 변위량이 수마이크로 미터(4이?/叶] 기준) 이상이 되는 변위를 모두 만족하는 변위를 찾기 위해 유한요소법 해석을 하였다. 유한요소법 해석을 통해 공진주파수가 162600[Hz]일 때 파장이 360 ° 이면서 z축 방향으로의 최대 변위량이2.08*10 6[mm]임을 확인하였다. 이 결과는 수마이크로 미 터 이상의 변위량이므로 소형 로터리 초음파 모터 를 동작시키기에 적절한 변위량임이 확인되었다.
08*10 6[mm]임을 확인하였다. 이 결과는 수마이크로 미 터 이상의 변위량이므로 소형 로터리 초음파 모터 를 동작시키기에 적절한 변위량임이 확인되었다. 그림 4는 변위 해석의 결과를 나타내며, 그래프의 단위는 [m]이다.

후속연구

본 논문의 결과는 소형 로터리 초음파 모터의 제작이 가능함을 보였고, 소형 초음파 모터의 체계적인 설계에 활용될 수 있을 것이다. 추후 논문에서는 제작중인 시제품을 통하여 이론적인 결과를 검증하고자 한다.
본 논문의 결과는 소형 초음파 모터의 제작이 가능함 을 보였고, 소형 초음파 모터의 체계적인 설계에 활용될 수 있을 것이다.
본 논문의 결과는 소형 로터리 초음파 모터의 제작이 가능함을 보였고, 소형 초음파 모터의 체계적인 설계에 활용될 수 있을 것이다. 추후 논문에서는 제작중인 시제품을 통하여 이론적인 결과를 검증하고자 한다.

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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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