[논문]유한요소법을 이용한 초음파 모터의 설계 해석

정현호; 박태곤; 김명호

유한요소법을 이용한 초음파 모터의 설계 해석
Design and Analysis of Ultrasonic Motor Using Finite Element Method 원문보기

정현호 (창원대학교) , 박태곤 (창원대학교) , 김명호 (창원대학교)

This paper presents design and analysis of stator which is vibration source of ring-type ultrasonic motor. The stator were designed for 9th flexural vibration mode. Designed stator was simulated by FEA for changing its materials. As results, the resonance frequencies of stators were changed by Poisson's ratio and density. And higher displacement were obtained by using the materials of low Young's modulus. Using the results, can easily design and manufacture the stator of ring type ultrasonic motor. And we suppose that it can save the time and finances.

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문제 정의

본 논문에서는 ring-type 초음파 모터에 주요 동력원인 스테이터의 재질에 따른 특성을 유한요소해석법을 통하여 살펴보았으며, 그 특성은 다음과같다.
스테이터의 각각의 재질에 따른 변위는 영률에 반비례하고 프와송비에 비례하여 증가함을 알 수 있다. 본 논문에서는 단지 스테이터의 재질만을 변화 시켜 나타난 변위 특성을 살펴보았고 로터와의 접촉은 고려하지 않았으므로 로터에서의 출력 특성은 해석하지 못하였다. 단순히 영률과 프와송비만을고려하여 재질을 선택할 경우 재질의 연성이 높아 로터와 스테이터의 마찰손실이 크게 되므로 모터의 수명이 짧아지고 효율이 감소하게 될 것이라 예상된다.
본 논문에서는 이러한 ring-type 초음파 모터의진동원 인 스테이터를 설계하여 유한요소 해석법을 이용하여 재질의 변화에 따른 진동특성을 살펴보았다. 먼저 범용화된 유한요소 해 석 프로그램인 ANSYS 5.

제안 방법

먼저 범용화된 유한요소 해 석 프로그램인 ANSYS 5.5.1을 통해 스테이터의 세라믹 배치에따른 직당한 굴곡 진동 모드의 주파수를 mode 해석을 통해 찾아내고, 그 주파수에서의 입력에 따른출력특성을 harmonic 해석을 통해 알아보았다.
본 논문에서 설계한 초음파 모터의 스테이터에서 발생하는 굴곡진동모드 역시 9차의 굴곡 진동 모드를 이용하였다.
설계된 스테이터의 9차 굴곡 진동 모드의 주파수를 얻기 위해 압전세라믹에 전압을 인가하지 않은 무부하 상태에서 modal 해석을 시행하였다. 일반적으로 연결된 링에 진동을 가할 때 양쪽 방향으로 발생하는 정재파는 다음 식으로 표현 할 수 있으
여기에서 사용된 압전 세라믹은 Tokin 사의 NEPEC 6을사용하였으며 스테이터의 재질은 알루미늄, 철, 티타늄, 베릴륨동(BeCu)을 사용하였고 각각의 물성치는 표 1, 2와 같다. 스테이터의 각각의 재질의변화에 대한 변위 특성을 비교하여 보았다.
초음파모터의 진동원인 스테이터를 해석하기 위해 먼저 전처리 과정으로 지름 50[mm]이고 폭이 10[mm], 두께 5[mm]의 스테이터 링의 아랫부분에 0.5[mm]두께의 압전세라믹을 그림 3과 같은 형태로 부착되어 있는 스테이터를 설계하였다. 여기에서 사용된 압전 세라믹은 Tokin 사의 NEPEC 6을사용하였으며 스테이터의 재질은 알루미늄, 철, 티타늄, 베릴륨동(BeCu)을 사용하였고 각각의 물성치는 표 1, 2와 같다.

대상 데이터

5[mm]두께의 압전세라믹을 그림 3과 같은 형태로 부착되어 있는 스테이터를 설계하였다. 여기에서 사용된 압전 세라믹은 Tokin 사의 NEPEC 6을사용하였으며 스테이터의 재질은 알루미늄, 철, 티타늄, 베릴륨동(BeCu)을 사용하였고 각각의 물성치는 표 1, 2와 같다. 스테이터의 각각의 재질의변화에 대한 변위 특성을 비교하여 보았다.

성능/효과

1) 재료의 밀도가 낮고 프와송비가 높은 재료일수록 높은 공진주파수를 나타내었으며 각각의 n 번째 공진주파수에서 그 증가량이 일정한 크기로 증가하는 양상을 보였다.
2) 스테이터의 변위는 재료의 영률에 반비례하고프와송비에 비례하여 증가하였다. 그러나 이것은 단순히 스테이터의 특성만을 살펴본 것으로이러한 특성을 실제 모터에 적용하기 위해서는로터와의 접촉을 고려하여 해석하는 것이 필요할 것이라 사료된다.

후속연구

Cinie형제가 전기석에서 압전효과발명하면서 그 역사가 시작되었다. 그 후 다양한 압전재료에 대한 연구가 진행되었으며 초음파 모터, 압전변압기, 초음파 센서 등 그 적용 분야가 계속 확대되어 가 고였다다⑴
유한요소해석법을 통해 스테이터에 사용될 수 있는 재료의 주파수 특성, 변위특성 등을 살펴볼 수 있었으며 로터와의 접촉까지 고려하여 해석을 수행할 경우보다 다양한 초음파 모터의 출력 특성을 얻을 수 있을 것이며 보다 손쉽게 초음파 모터를 설계 제작할 수 있을 것이라 사료된다.

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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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