[논문]유한요소법과 반응표면법을 이용한 터널액추에이터의 최적설계

유한요소법과 반응표면법을 이용한 터널액추에이터의 최적설계
Optimum Design of Tunnel Actuator using Finite Element Method and Response Surface Method 원문보기

고형환 (호서대학교 전기공학과) , 김창업 (호서대학교 전기공학과) , 문호영 (호서대학교 전기공학과) , 김홍중 (성진로얄모션)

본 논문에서는 기존의 리니어모터와 터널 액추에이터의 장단점을 비교하였다. 성능 향상을 위한 최적화 설계방법에 대한 연구 방법을 제시하고, 3D 유한요소법과 반응표면법을 이용하여 터널 액추에이터의 추력이 최대가 되는 최적설계를 하였다.

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본 논문에서는 TA의 형상 설계 변수에 따른 추력 특성을 분석 하였다. 최적화 설계 방법을 통한 철심의 형상을 설계하고, 최적화 설계에 따른 추력 특성 해석을 통하여 TA의 제반 특성을 저하시키는 코깅토크및 횡력의 저감과 최대 추력의 상승 결과를 얻었다.
본 논문에서는 일본 히타치연구소에서 개발한 TA(Tunnel Actuator) 를 기존의 리니어 모터와 비교하고, 액추에이터 철심의 최적 형상을 제시한다. 최적화 방법으로 유한요소법과 반응표면법을 사용하였다.

설계 변수에 따른 추력과 코깅토크, 횡력의 변화를 통해 TA의 최적 형상을 결정하고 기존 모델과 비교하여 표에 나타내었다.
영구자석의 폭, skew의 거리, 철심의 두께 세 가지의 변수 파라미터를 결정하고, 설계 파라미터 변화에 따라 추력 특성을 분석하였다. 그리고 통계적인 근사 기법으로 전기기기 설계에 있어 효과적인 반응표면법 (Response Surface Method)의 기법 중 Box-Behnken법을 사용하여 목적함수인 추력을 최대화하고 설계변수의 범위를 고려하여 최적화 계산을 진행하였다[3].
Coreless형의 경우 철심이 없는 관계로 추진력이 적고, 열이 많이 발생한다는 단점이 있다. 자기 흡인력의 문제점을 해결하기 위하여 새로운 형태의 철심구조를 가지는 TA를 설계한다[2].

영구자석의 폭, skew의 거리, 철심의 두께 세 가지의 변수 파라미터를 결정하고, 설계 파라미터 변화에 따라 추력 특성을 분석하였다. 그리고 통계적인 근사 기법으로 전기기기 설계에 있어 효과적인 반응표면법 (Response Surface Method)의 기법 중 Box-Behnken법을 사용하여 목적함수인 추력을 최대화하고 설계변수의 범위를 고려하여 최적화 계산을 진행하였다[3]. 그림<7>은 최적화 알고리즘의 흐름도이다.
본 논문에서는 일본 히타치연구소에서 개발한 TA(Tunnel Actuator) 를 기존의 리니어 모터와 비교하고, 액추에이터 철심의 최적 형상을 제시한다. 최적화 방법으로 유한요소법과 반응표면법을 사용하였다.

그림<6>는 TA 형상 각각의 설계 변수에 따른 최대 추력 특성의 변화를 나타낸다. skew의 거리에 따라 최대 추력이 떨어지는 것을 확인하였고, 철심의 두께 및 영구자석 폭의 변화에 따라 모터의 추력특성이 변화하는 것을 확인 할 수 있다.
본 논문에서는 TA의 형상 설계 변수에 따른 추력 특성을 분석 하였다. 최적화 설계 방법을 통한 철심의 형상을 설계하고, 최적화 설계에 따른 추력 특성 해석을 통하여 TA의 제반 특성을 저하시키는 코깅토크및 횡력의 저감과 최대 추력의 상승 결과를 얻었다. 위 결과를 통하여 향후 터널 액추에이터의 제작 및 성능 향상, 연구 자료로 사용할 수 있다.
47[N]으로 약간의 저감 효과를 확인하였다. 최적화 설계된 TA의 변위에 따른 추력 특성은 최대값 118.12[N]으로 추력이 상승한 것을 확인 하였다.
최적화 형상의 3D 유한유소법 해석 결과 코깅토크는 초기 모델 형상의 28.24[N]에서 26.08[N]로, 횡력은 4.51[N]에서 3.47[N]으로 약간의 저감 효과를 확인하였다. 최적화 설계된 TA의 변위에 따른 추력 특성은 최대값 118.

최적화 설계 방법을 통한 철심의 형상을 설계하고, 최적화 설계에 따른 추력 특성 해석을 통하여 TA의 제반 특성을 저하시키는 코깅토크및 횡력의 저감과 최대 추력의 상승 결과를 얻었다. 위 결과를 통하여 향후 터널 액추에이터의 제작 및 성능 향상, 연구 자료로 사용할 수 있다.

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