[논문]마그네틱 기어의 회전자 극수조합에 따른 전달토크 및 출력밀도 특성분석

박규상; 정상용; 김용재

마그네틱 기어의 회전자 극수조합에 따른 전달토크 및 출력밀도 특성분석
Transfer Torque and Power Density Characteristic Analysis according to Combination of Rotor Poles for Magnetic Gear 원문보기

박규상 (조선대학교) , 정상용 (성균관대학교) , 김용재 (조선대학교)

기어는 회전 기계 사이의 동력 전달을 위한 장치이며 현재 산업 전반의 통상적인 기어는 기계적 기어가 주류로서 형성되어 있다. 하지만 기계적 기어는 맞물린 톱니바퀴의 물리적 접촉에 의해 접촉 경계면의 마모 및 파손, 소음과 진동의 문제가 있으며 유지보수 비용 또한 크다. 따라서 최근 물리적 접촉이 없어 기계적 기어의 많은 문제를 해결할 수 있는 마그네틱 기어 (Magnetic Gear)에 대한 관심이 높아지고 있다. 마그네틱 기어는 영구자석에서 생성된 자계를 이용하여 비접촉 동력전달이 가능하며, 마찰손실 제거, 유지보수의 용이성, 매우 적은 소음 및 진동 등의 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 마그네틱 기어의 토크전달 방법과 형상변화에 따른 전달토크 특성을 2-D 유한요소해석법을 이용하여 해석하고 분석하고자 한다.

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문제 정의

특히, 입력 측과 출력 측의 샤프트가 분리 되어 있어 슬립을 통한 과부하에 대한 보호 능력이 뛰어나다. 본 논문에서는 이러한 마그네틱 기어의 회전자 극수조합에 따른 전달토크 및 출력밀도 분석을 수행하기 위하여 Inner 영구자석 극수가 최소 2개, Outer 영구자석 극수가 100개 이하인 경우로 범위를 제한하여 기어비가 7인 마그네틱 기어의 특성을 2-D 유한요소해석법을 이용하여 분석하였다.

제안 방법

2-D 유한요소해석법을 이용하여 마그네틱 기어의 회전자 극수조합에 따른 전달토크 및 출력밀도 분석을 수행하였으며 Inner Rotor의 극수가 2극에서 14극으로 변화할 때 기어비가 7인 경우의 극수 조합을 선정하였다. 이 때 2극인 경우의 Case 1부터 14극인 경우의 Case 7까지의 평균토크, 토크리플, 출력밀도에 관하여 분석을 하였으며, 그 결과 Case 1부터 Case 7까지 극수의 조합이 변화할 경우 Inner Rotor의 평균토크와 Outer Rotor의 평균토크 모두 Case 2에서 가장 큰 값을 보여주었으며 Case 2부터 Case 7까지 감소하는 그래프를 나타내었다.
따라서, 극수조합에 따른 출력밀도 특성은 가장 높은 평균토크를 나타낸 Case 2에서 가장 높은 출력밀도를 나타내었으며, 가장 낮은 평균토크를 나타낸 Case 7에서 가장 낮은 출력밀도 특성을 나타내었다. 본 연구는 각 모델의 최적화된 상태가 아닌 동일한 사이즈 조건하에 회전자 극수조합에 따른 특성만을 분석하였다. 따라서 마그네틱 기어의 회전자 극수조합에 따른 결과 분석을 토대로 각각 Case의 최적화를 통한 분석을 추후 과제로 삼아 진행 할 예정이다.
표 2는 기어비가 7인 마그네틱 기어의 회전자 극수조합 표이며 Inner 영구자석 극수가 최소 2개, Outer 영구자석 극수가 100개 이하인 경우로 범위를 제한하였다. 앞의 조건에 의해 Inner 영구자석의 극수와 Outer 영구자석의 극수를 2극에서 14극까지 7가지의 경우로 선정하였으며, 또한 식 (1)에 의해 Pole Piece의 개수를 설정하였다.

성능/효과

극수조합에 따른 토크리플은 Case 1부터 Case 7까지 계속 감소하는 모습을 보였다. 따라서 회전자 극수조합에 따른 전달토크 해석결과 Inner Rotor와 Outer Rotor의 극수가 많을수록 토크리플이 더 낮아지는 특성을 나타내었다.
Inner Rotor와 Outer Rotor의 토크 리플은 Case 1에서 Case 7까지 극수가 증가하였을 경우 감소하는 특성을 보였다. 따라서, 극수조합에 따른 출력밀도 특성은 가장 높은 평균토크를 나타낸 Case 2에서 가장 높은 출력밀도를 나타내었으며, 가장 낮은 평균토크를 나타낸 Case 7에서 가장 낮은 출력밀도 특성을 나타내었다. 본 연구는 각 모델의 최적화된 상태가 아닌 동일한 사이즈 조건하에 회전자 극수조합에 따른 특성만을 분석하였다.
2-D 유한요소해석법을 이용하여 마그네틱 기어의 회전자 극수조합에 따른 전달토크 및 출력밀도 분석을 수행하였으며 Inner Rotor의 극수가 2극에서 14극으로 변화할 때 기어비가 7인 경우의 극수 조합을 선정하였다. 이 때 2극인 경우의 Case 1부터 14극인 경우의 Case 7까지의 평균토크, 토크리플, 출력밀도에 관하여 분석을 하였으며, 그 결과 Case 1부터 Case 7까지 극수의 조합이 변화할 경우 Inner Rotor의 평균토크와 Outer Rotor의 평균토크 모두 Case 2에서 가장 큰 값을 보여주었으며 Case 2부터 Case 7까지 감소하는 그래프를 나타내었다. Inner Rotor와 Outer Rotor의 토크 리플은 Case 1에서 Case 7까지 극수가 증가하였을 경우 감소하는 특성을 보였다.

후속연구

본 연구는 각 모델의 최적화된 상태가 아닌 동일한 사이즈 조건하에 회전자 극수조합에 따른 특성만을 분석하였다. 따라서 마그네틱 기어의 회전자 극수조합에 따른 결과 분석을 토대로 각각 Case의 최적화를 통한 분석을 추후 과제로 삼아 진행 할 예정이다.

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