[논문]영구 자석의 Skew 형태에 따른 선형 동기기의 특성에 관한 3D 유한 요소 해석

황인철; 이동엽; 김규탁

영구 자석의 Skew 형태에 따른 선형 동기기의 특성에 관한 3D 유한 요소 해석
The 3D Finite Element Analysis of PMLSM according to Skew shape of Permanent Magnet 원문보기

황인철 (창원대학교 전기공학과) , 이동엽 (창원대학교 전기공학과) , 김규탁 (창원대학교 전기공학과)

본 논문에서는 영구자석의 스큐형상에 따른 영구자석형 선형 동기기(PMLSM: Permanent Magnet Linear Synchronous Motor)의 제반 특성을 해석하였다. 단방향 Skew의 경우 스큐 방향과 직각 방향으로 작용하는 Lateral Force가 존재한다. 이러한 Lateral Force는 가동자와 LM 가이드 사이에 마찰력으로 작용하여 PMLSM의 제반 특성을 저하시킨다. Lateral Force의 저감을 위하여 영구자석을 V형상으로 모델링하여 단방향 착자 시의 특성과 비교하였다. V-skew 모델의 lateral force가 단방항 skew 모델의 lateral force의 11.3[%]로 감소하는 양호한 결과를 얻었다.

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문제 정의

그러나 이와 같은 현상들은 2차원 FEA로는 해석이 불가능하다. 따라서 본연구에서는 3차원 FEA 프로그램을 이용하여 영구자석의스큐가 PMLSM에 미치는 영향을 해석하였으며 이를 개선시키기 위한 마그네트 형상을 제시하였다.
본 논문에서는 스큐의 형태에 따른 PMLSM의 특성을 고찰하였다. 치-슬롯 구조를 갖는 리니어 모터의 경우디텐트력 저감을 위하여 스큐를 적용하게 되며 스큐적용시에는 기기의 제반 특성을 저하시키는 lateral force가 발생한다.

제안 방법

디텐트력은 로드셀(model: SB-20L, CAS)를 사용하여 측정하였으며, 가동자의 변위를 일정간격으로 이동시키면서 힘의 변화를 측정하였다. 가동자의 변위 측정은 리니어 스케일을 이용하여 측정 오차를 최소화하였다. 한편, mover의 속도는 리니어 스케일 1.
측정 방법은 가동 자를 고정시키고 코일에 3상 전원을 인가하였을 때 로드 셀에서 출력되는 전압파형을 힘으로 환산하였다. 디텐트력은 로드셀(model: SB-20L, CAS)를 사용하여 측정하였으며, 가동자의 변위를 일정간격으로 이동시키면서 힘의 변화를 측정하였다. 가동자의 변위 측정은 리니어 스케일을 이용하여 측정 오차를 최소화하였다.
단방향 skew의 경우 영구자석의 스큐방향과 직각으로 작용하는 Lateral force가 발생하여 PMLSM의 제반 특성을 저하시킨다. 따라서 이를 보안하기 위하여 영구자석의 형태를 V자 형상으로 함으로서 가동자에 Z-축으로 작용되는 힘을 평형하게 만들어 lateral force가 발생하지 않도록 하였다.
따라서, 로드 셀의 위치를 조금씩 이동시키면서 발생 추력을 측정하여 정추력을 실측하게 되므로 엄밀한 의미에서의 이동 시의 추력이라고 말 할 수 없다. 따라서, 본 연구에서는 PMLSM의 Stator를 슬라이딩베드 위에 고정시켰다. 이때 슬라이딩 베드는 LM 가이드 위에 장착되어 있어 마찰력을 최소화 시킴은 물론 이동이 가능하도록 하였다.
0[]로 실측하였다. 또한 동특성 측정 시스템에 별도의 양측식 리니어모터를 설치하여 부하로서 사용하도록 하였으며 이를 이용 역기전력 상수도 측정할 수 있도록 하였다.
이때 슬라이딩 베드는 LM 가이드 위에 장착되어 있어 마찰력을 최소화 시킴은 물론 이동이 가능하도록 하였다. 이 슬라이딩 베드를 로드셀로 고정시키므로서 PMLSM의 mover가 이동시에도 작용, 반작용 법칙을 이용 PMLSM의 stator에 가해지는 moving 추력을 실측할 수 있도록 하였다. 정추력은 로드셀(model: SBR-200L, CAS)를 사용하여 측정하였다.
치-슬롯 구조를 갖는 리니어 모터의 경우디텐트력 저감을 위하여 스큐를 적용하게 되며 스큐적용시에는 기기의 제반 특성을 저하시키는 lateral force가 발생한다. 이를 해결하는 방법의 하나로서 V자 모양의 영구자석 착자를 제안하였으며. 해석 결과 추력은 V-skew 모델이 단방향-skew 모델에 비하여 5.
이 슬라이딩 베드를 로드셀로 고정시키므로서 PMLSM의 mover가 이동시에도 작용, 반작용 법칙을 이용 PMLSM의 stator에 가해지는 moving 추력을 실측할 수 있도록 하였다. 정추력은 로드셀(model: SBR-200L, CAS)를 사용하여 측정하였다. 측정 방법은 가동 자를 고정시키고 코일에 3상 전원을 인가하였을 때 로드 셀에서 출력되는 전압파형을 힘으로 환산하였다.
정추력은 로드셀(model: SBR-200L, CAS)를 사용하여 측정하였다. 측정 방법은 가동 자를 고정시키고 코일에 3상 전원을 인가하였을 때 로드 셀에서 출력되는 전압파형을 힘으로 환산하였다. 디텐트력은 로드셀(model: SB-20L, CAS)를 사용하여 측정하였으며, 가동자의 변위를 일정간격으로 이동시키면서 힘의 변화를 측정하였다.

성능/효과

2D 해석에서의 디텐트력 피크치는 28.751N]이며, 3D에서의디텐트력 피크치는 23.169[N]이며 실험치의 디텐트력 피크치는 19.6[N]으로 나타났으며 3D 해석치에 리플이 다소 크게 나타났으며 이는 해석 모델를 좀 더 정교하게 나뉘면 이와 같은 오차는 크게 감소하리라 사료된다. 그림 4 (a)는 3차원 유한요소법으로 해석한 추력 특성이며, 이때의 인가 전류는 6.
51V로 실측되었다. 따라서, 역기전력 상수는 32.9[V s/m]로 실측되었으며 이론치 34.4[V . s/m]와 일치하는 만족스러운 결과를 얻었다.
33[%] 감소하지만 영구자석의 overhang 길이 조절 및 V자 형태의 자석 사이의 간격 등을 조정하면 단방향 착자와 동일한 추력을 발생시키리라 사료된다. 또한, 스큐효과가 크게 나타나 발생 출력의 왜형률은 63[%]로 단방향 스큐에 비하여 2.18[%]가 감소하였다.
이를 해결하는 방법의 하나로서 V자 모양의 영구자석 착자를 제안하였으며. 해석 결과 추력은 V-skew 모델이 단방향-skew 모델에 비하여 5.33[%] 감소하였지만, V-skew 모델의 추력 감소분은 영구자석에 오버행을 적용함으로써 보상할 수 있으리라 사료된다.

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