[논문]함정용 능동 마운트의 개발을 위한 전자기식 작동기의 개념 설계

조혜영; 신윤호; 문석준; 정우진; 원문철

문제 정의

본 연구에서는 구조기인 소음을 발생시키는 함정 탑재 장비의 진동 저감을 목표로 능동형 하이브리드 마운트용 전자기식 작동기의 개념 설계안을 제안한다. 전자기식 작동기의 목표 요구 작동력을 비롯한 설계인자들을 고려하여 전자기식 작동기를 개념 설계하고, 상용 전자기장 해석 프로그램을 이용하여 형상 및 배치 등에 대한 설계안을 제안·검토한다.
본 연구에서는 저주파수 대역의 진동 저감을 목표로 하는 능동형 하이브리드 마운트의 전자기식 작동기에 대한 개념 설계를 수행하였다. 수동 마운트와 작동기의 배치 형식을 결정하였으며, 가동 코일형과 가동 영구자석형 전자기식 작동기의 개념 설계안을 제안하였다.

제안 방법

1차 개념 설계안에 대한 해석 결과를 기준으로 누설 자속을 최소화하고, 경량화를 목표로 2차 개념 설계를 수행하였다. 그리고 모터의 회전 시 발생되는 코깅 토크(Cogging Torque)와 유사한 개념을 지니는 디텐트 력(Detent Force)에 대한 해석을 통해 1차 개념 설계안의 유효성을 검토하였다.
수동 마운트와 작동기의 배치 형식을 결정하였으며, 가동 코일형과 가동 영구자석형 전자기식 작동기의 개념 설계안을 제안하였다. 2 단계에 걸쳐 수행된 개념 설계에서 초기 설계안을 바탕으로 누설 자속을 감소시키고 작동기를 소형화, 경량화시키는 방향으로 설계 변경을 수행하였으며, 공극 자속밀도, 역기전력, 디텐트 력 등에 대한 검토를 통해 각 개념 설계안의 장단점을 논의하였다.
가동 코일형 작동기는 1차 개념 설계안과 비교하여 고정자의 외부에 위치시킨 영구자석을 고정자의 내부로 이동시켜 외부로 손실되는 누설 자속을 감소시켰다. 가동 영구자석형 작동기Ⅰ, Ⅱ는 고정자의 외측에 감긴 코일을 내부로 이동시켜 경량화를 시도하였다. 이에 대하여 1차 개념설계와 동일하게 자속밀도, 역기전력에 대한 해석을 수행하였으며, 디텐트력에 대한 해석을 추가로 수행하였다.
가동 영구자석형 작동기Ⅰ은 1차 설계안과 비교하여 영구자석의 폭을 줄여 공극 자속 밀도의 세기를 감소시켰으며 보다 고른 자속밀도를 가지도록 공극 부위를 설계 변경하였다. 3가지 형태의 작동기 중 가장 큰 정적 힘 특성 나타내지만, 영구자석의 위치 불평형 시 무여자 상태에서도 큰 힘을 발생시킨다.
가동 영구자석형 작동기Ⅱ는 1차 설계안과 목표 요구 작동력을 기준으로 영구자석의 폭을 줄였으며, 불필요한 내외측 부위를 제거하여 경량화를 시도하였다. 가동 영구자석형 작동기Ⅱ에 대한 디텐트 력 검토 결과, 그 힘이 상대적으로 작아 가장 우수한 성능을 가진다.
1차 개념 설계안에 대한 해석 결과를 기준으로 누설 자속을 최소화하고, 경량화를 목표로 2차 개념 설계를 수행하였다. 그리고 모터의 회전 시 발생되는 코깅 토크(Cogging Torque)와 유사한 개념을 지니는 디텐트 력(Detent Force)에 대한 해석을 통해 1차 개념 설계안의 유효성을 검토하였다.
능동형 하이브리드 마운트는 점탄성 재료로 제작되는 수동 요소와 관심 주파수 구간에 대한 능동 제어 이론 적용을 위한 전자기식 작동기의 결합 형태로 구성된다. 배치형식에 따른 하이브리드 마운트의 동특성에 대한 비교 연구 결과를 바탕으로, 전자기식 작동기를 적용할 경우 지반으로 전달되는 전달력 감소 측면에서 비-접촉식 병렬형 마운트와 관성 질량형 마운트가 적절하다고 판단하였으며, 추가적인 중량이 요구되어 공간 제약 측면에서 한계를 가지는 관성 질량형 마운트를 배제하여 상대적으로 큰 힘을 발생시킬 수 있는 비-접촉식 병렬형 마운트를 하이브리드 마운트의 배치 형식으로 선정하였다.
본 연구에서의 전자기식 작동기 설계는 코일부가 움직이는 가동 코일형과 영구자석부가 움직이는 가동 영구자석형을 고려하여 총 3가지 형태의 작동기를 설계하였다.
본 연구에서는 저주파수 대역의 진동 저감을 목표로 하는 능동형 하이브리드 마운트의 전자기식 작동기에 대한 개념 설계를 수행하였다. 수동 마운트와 작동기의 배치 형식을 결정하였으며, 가동 코일형과 가동 영구자석형 전자기식 작동기의 개념 설계안을 제안하였다. 2 단계에 걸쳐 수행된 개념 설계에서 초기 설계안을 바탕으로 누설 자속을 감소시키고 작동기를 소형화, 경량화시키는 방향으로 설계 변경을 수행하였으며, 공극 자속밀도, 역기전력, 디텐트 력 등에 대한 검토를 통해 각 개념 설계안의 장단점을 논의하였다.
가동 영구자석형 작동기Ⅰ, Ⅱ는 고정자의 외측에 감긴 코일을 내부로 이동시켜 경량화를 시도하였다. 이에 대하여 1차 개념설계와 동일하게 자속밀도, 역기전력에 대한 해석을 수행하였으며, 디텐트력에 대한 해석을 추가로 수행하였다.
전자기식 작동기의 목표 요구 작동력을 비롯한 설계인자들을 고려하여 전자기식 작동기를 개념 설계하고, 상용 전자기장 해석 프로그램을 이용하여 형상 및 배치 등에 대한 설계안을 제안·검토한다.

성능/효과

가동 영구자석형 작동기Ⅱ는 1차 설계안과 목표 요구 작동력을 기준으로 영구자석의 폭을 줄였으며, 불필요한 내외측 부위를 제거하여 경량화를 시도하였다. 가동 영구자석형 작동기Ⅱ에 대한 디텐트 력 검토 결과, 그 힘이 상대적으로 작아 가장 우수한 성능을 가진다. 그러나 전류로 인하여 유도된 자기장을 사용하므로 가동 코일형에 비하여 응답 속도 측면에서 단점을 가질 것으로 예상된다.
가동 코일 형 작동기는 1차 설계안과 비교하여 영구자석의 부피가 줄어 공극 자속 밀도의 세기와 역기전력이 감소하였고 3가지 작동기 설계안 중 여전히 상대적으로 가장 약한 힘 특성을 가진다. 하지만 가장 작은 디텐트 력을 가지며 전류 입력에 의한 철심 포화 등의 우려가 없어 선형적 힘 변화를 예상할 수 있다.

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