영구자석 리니어 동기모터의 단부코깅력 저감에 관한 연구

2 01 2 年

2 月 碩 士 學 位 論 文

영구 자석

리니 어 동기 모터 의 단부 코깅 력 저감 에 관한 연구

李 奎

2012年 2月 碩士學位論文

영구자석 리니어 동기모터의 단부코깅력 저감에 관한 연구

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

李 奎 明

2012年 2月 24日

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

李 奎 明

영구자석 리니어 동기모터의 단부코깅력 저감에 관한 연구

A Study on the Reduction ofOutletEdge Cogging Force forPermanentMagnetLinearSynchronousMotor

영구자석 리니어 동기모터의 단부코깅력 저감에 관한 연구

指導敎授 金 容 載

이 論文을 工學 碩士學位 論文으로 提出함.

2011年 10月

朝鮮大學校 大學院

電 氣 工 學 科

李 奎 明

李奎明의 碩士學位 論文을 認准함.

2011年 11 月

朝鮮大學校 大學院

委員長 朝 鮮 大 學 校 敎授 李 愚 宣 印

委 員 朝 鮮 大 學 校 敎授 曺 錦 培 印

委 員 朝 鮮 大 學 校 敎授 金 容 載 印

목 차

ABSTRACT

Ⅰ.서 론

Ⅱ.이론적 배경

A.리니어 모터의 적용···3

B.분산배치 방식의 리니어 동기모터와 코깅력···5

1.전기자 분산배치 리니어 동기 모터의 사양···5

2.단부에서 발생하는 힘···6

C.기본모델의 2차원 수치해석 ···8

Ⅲ.코깅력 저감법에 의한 실험 및 고찰

A.가동자에 설치한 보조극···10

1.가동자 끝단에 보조극 설치···10

2.가동자 끝단 및 영구자석 사이에 보조극 설치··14 B.전기자 치의 윗부분에 홈을 판 모델···20

C.전기자의 끝단에 설치한 보조치···24

1.보조치의 Y길이 조정···24

2.보조치의 D길이 조정···26

3.보조치의 X길이 조정···28

D.전기자 끝단에 설치한 계단형 보조치 ···30

1.계단형 보조치의 Y길이 조정···30

2.계단형 보조치의 D길이 조정···32

3.계단형 보조치의 단수 조정···34

4.계단형 보조치의 Z길이 조정···36

5.계단형 보조치의 X길이 조정···38

Ⅳ.결 론

참고문헌

표 목차

Table1Applicationfieldsoflinearmotor···4 Table2Specificationsofpermanentmagnetlinearsynchronousmotor···6

그림 목차

Fig.1Thelinearsynchronousmotorwiththesecondarymover···4

Fig.2Permanentmagnetlinearsynchronousmotorwithstationary discontinuousarmature ···5

Fig.3Forcesexertedinthemoverattheoutletedge:···6

Fig.4Basicmodel···9

Fig.5Outletedgecoggingforcewaveform ···9

Fig.6Auxiliarypoleinstalledmodels···10

Fig.7ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch···11

Fig.8Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth···12

Fig.9ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingY-length···12

Fig.10Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting Y-lengthofauxiliaryteeth···13

Fig.11ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch···15

Fig.12Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth···16

Fig.13ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch···16

Fig.14Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth···17 Fig.15ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch···17 Fig.16Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

X-pitchofauxiliaryteeth···18 Fig.17ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingY-length···18 Fig.18Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

Y-lengthofauxiliaryteeth···19 Fig.19Digaholeinteethofproposedmodel···20 Fig.20Holeadjustofdistanceandnumberofproposedmodel···21 Fig.21Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

distanceandnumberofhole···22 Fig.22Holeadjustindeepofproposedmodel···22 Fig.23Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

deepofhole···23 Fig.24Auxiliaryteethinstalledmodels···24 Fig.25ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingY-length···25 Fig.26Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

Y-lengthofauxiliaryteeth···25

Fig.27ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingD-length···26 Fig.28Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

D-lengthofauxiliaryteeth···27 Fig.29ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch···28 Fig.30Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

X-pitchofauxiliaryteeth···29 Fig.31Stairshapeauxiliaryteethinstalledmodels···30 Fig.32ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting

Y-length···31 Fig.33Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

Y-lengthofStairshapeauxiliaryteeth···31 Fig.34ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting

D-length···32 Fig.35Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

D-lengthofStairshapeauxiliaryteeth···33 Fig.36ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting

stair-stepnumber···34 Fig.37Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

stair-stepnumberofStairshapeauxiliaryteeth···35 Fig.38ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting

Z-length···36 Fig.39Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

Z-lengthofStairshapeauxiliaryteeth···37 Fig.40ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting

X-pitch···38 Fig.41Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting

X-pitchofauxiliaryteeth···39

ABSTRACT

A StudyontheReductionofOutletEdgeCogging ForceforPermanentMagnetLinearSynchronousMotor

KyuMyungLee

Advisor:Prof.Yong-JaeKim,Ph.D.

DepartmentofElectricalEngineering GraduateSchoolofChosunUniversity

Attends home automate ofrecentyears,improved performance of Linear Motor is more required.Control is excellent among Linear Motor,and thePM-LSM ofhigh efficiency driveisbeing applied as operatingsource.

In orderto resolve the problem ofhigh cost,we have proposed the stationary discontinuous armature PM-LSM in which the armature is engagedonly when acceleratedanddecelerated operationsarenecessary, when PM-LSM is used with long-distance transportation systems in factories However, the stationary discontinuous armature PM-LSM contains the outlet edges which always exist as a result of the discontinuousarrangementofthearmature.Forthisreason,coggingforce generated between the“entranceend”and the“exitend”hasbecomea problem.Therefore,wehaveexaminedtheoutletedgecogging forceby installingtheauxiliaryapparatusatthearmature’soutletedgeinorderto minimize the cogging force generated when the armature is arranged discontinuously.Thispaperpresentstheresultsof2-D numericalanalysis byFEM ofthecoggingforceexertedbytheoutletedge.

Ⅰ.서 론

1800년대 중반 선형기기(LinearMachine)가 최초로 선보인 이후 비약적 인 발전을 거듭하여,현재 산업현장에서 직선구동을 요하는 액츄에이터로 는 대부분 선형기기를 사용하고 있다. 일반적인 회전기기(Rotary Machine)에서 직선운동변환을 위하여 사용하는 기어,볼스크류,랙엔드피 니언 등이 불필요하므로 발열,관성,강성저하,백래쉬(Backllash)등의 문 제로부터 자유로워 고속성과 정밀성이 보장된다.이와 더불어,스트로크의 무제한,빠른 응답성,적은 소음,빠른 정지시간 등도 선형 기기의 응용을 확대시키는 장점이 된다 [1-5].

최근 반송분야 등에 적용되는 직선 구동장치는 고속,대추력 구동뿐만 아니라 고가감속도 구동,고정밀도 위치결정의 성능과 기기의 클린성이나 저보수화에 대해서도 사용자의 요구가 높아지고 있다 [6].

하지만 현재 사용하고 있는 회전기와 볼나사,기어 등의 직선운동 변환 기구와 직선 구동장치는 이러한 요구사항을 만족하지 못하고 있다.이로 인하여 새로운 직선 구동장치의 구동용으로 리니어 모터(LinearMotor)의 응용이 활발해지고 있다.리니어 모터는 Directdrive기술에 의한 비접촉 구동이 가능하며 고속성,클린성,고가감속도성,저보수․저소음에 대해 뛰어난 특징을 가지고 있다 [7-9].

반송장치 분야는 반송물이나 요구 성능에 맞춰 리니어모터의 종류와 사 양이 결정되고 있다.현재 리니어 동기모터(LinearSynchronousMotor)는 반송장치,생산기계를 시작으로 폭넓게 적용되고 있다.그러나 추진자계를 발생시키는 전기자를 반송경로 전장에 설치해야 하기 때문에 반송경로가 길어지면 길어질 수록 초기 코스트가 상승하는 문제점이 발생한다.이러 한 초기 코스트 상승의 문제점을 해결하기 위해 분산배치 방식의 전기자

가 제시되고 있다.분산배치 방식의 전기자는 구조상 필연적으로 단부가 존재하고,단부에 의해 코깅력이 발생하게 된다.이러한 코깅력은 기기의 소음과 진동을 발생시키는 문제점을 가지고 있다 [10,11].

따라서 본 논문에서는 영구자석형 리니어 동기모터의 자석 끝단과 전기 자의 치에서 발생하는 단부코깅력을 저감하기 위하여 리니어 동기모터의 가동자 및 전기자의 끝단에 보조구를 설치하고 유한요소법을 이용한 2차 원 수치 해석을 통해 분석하고 검토하였다.이를 바탕으로 기본모델의 단 부코깅력과 보조구를 설치한 제안모델의 단부코깅력을 비교하고 단부코깅 력이 최소가 되는 모델을 해석을 통해 본 논문에서 제안한 모델의 타당성 을 입증하고자 한다.

Ⅱ.이론적 배경

A.리니어 모터의 적용

장거리 반송용 분야에서는 고속,대추력 구동의 성능이 요구되고 있다.

현재 이러한 요구사항을 만족하기 위해서 리니어 유도모터(Linear Induction Motor)및 리니어 동기모터(LinearSynchronous Motor)가 적 용이 되고 있다.표 1에 리니어 모터가 적용되고 있는 분야와 대표적인 장치,사용 목적을 나타내었다 [12].리니어 유도모터의 이점으로는 구조 가 간단하고 염가,견뢰하다는 것이 있지만,구동 시 발생하는 2차 전류에 의해 발열이 생겨 구동 효율이 저하되는 문제점이 존재한다.이에 반해 근년 희토류 자석의 생산기술 발달에 수반하여 2차측 가동자에 자속밀도 가 큰 영구자석을 사용해 고가감 속도의 구동,뛰어난 제어성을 지닌 리 니어 동기모터가 새롭게 적용되고 있다.

리니어 동기모터의 구체적인 구조는 1차인 코일측이 고정자가 되며,2 차인 영구자석측이 가동자가 되는 경우가 일반적이다 [13].이 구조를 지 상 1차측 리니어 동기모터라고 한다.지상 1차측 리니어 동기모터는 가동 자에 급전라인이 필요하지 않아 구조를 간단하게 구현할 수 있으며 동시 에 1차측의 길이를 증가시켜 장거리 범위를 실현할 수 있고 설치비용이 저렴한 특징을 가지고 있다.그림 2에 2차측을 가동자로 할 경우 리니어 동기모터를 나타내었다.이 구조가 가장 잘 적용된 예는 Yamanashi리니 어 모터 카의 실험을 들 수 있으며 물류분야의 컨베이어 장치에도 적용되 고 있다 [14].

Table1Applicationfieldsoflinearmotor

크린룸 내 반송 LSM,LIM 클린,고속 병원내 반송 LSM,LIM 클린,고속 반송․물류분야 부품 반송 LSM,LIM 고속

콘베이어 장치 LSM Soft구동, 고속 보수용이 분류 장치 LSM 저소음,보수용이

공작기계 LSM 고정밀 위치결정 반도체 제조장치 LSM 고정밀 위치결정,클린 생산․기계분야

전자부품실장치 LSM 고정밀 위치결정 검사장치 LSM 고정밀 위치결정,

보수용이 자동 도어

자동 커텐 LDM Soft구동, 보수용이 주거환경 분야 엘리베이터 LSM,LIM Soft구동,

보수용이 가전(면도기등) LOA 고성능,보수용이

Secondary mover Back yoke

Back yoke Permanent magnet

Coil

Primary side

Fig.1Thelinearsynchronousmotorwiththesecondarymover

B.분산배치 방식의 리니어 동기 모터와 코깅력

1.전기자 분산배치 리니어 동기모터의 사양

그림 1에 전기자 분산배치 방식의 리니어 동기모터를,표1에 사양을 나 타낸다.가동자의 총길이는 268[mm]로,Nd-Fe-B 타입 영구자석 8극을 자로강판에 배치하였다.영구자석 길이는 26[mm],극 간격은 30[mm]이 다.또한,전기자의 길이는 360[mm]이고,권선법은 집중권으로서 한상당 코일수는 75[turns]이다.슬롯 간격은 40[mm]이며 9슬롯으로 구성한다.

Decelerator Re-accelerator

Accelerator

Armature

2000

Mover with PM 300

6500

Freewheeling

Units: (mm)

2000 Freew heeling

Fig.2Permanentmagnetlinearsynchronousmotorwithstationary discontinuousarmature

Table2Specificationsofpermanentmagnetlinearsynchronousmotor Items Value

Mover (PermanentMagnet)

Pole 8[Pole] HeightofPM 3[mm]

LengthofPM 26[mm]

Polepitch 30[mm]

Armature

TurnsperPhase 75[turns] Slotpitch 40[mm]

Widthofteeth 16[mm]

Heightofteeth 20[mm]

Mechanicalair-gap 5[mm]

2.단부에서 발생하는 힘

리니어 동기모터를 반송장치의 구동원으로 적용할 경우 추진자계를 발 생시키는 전기자를 반송경로 전장에 설치해야 하기 때문에 반송경로가 길 어질수록 초기 코스트가 상승하는 문제점이 발생하게 된다.이러한 초기 코스트 상승의 문제점을 해결하기위해 분산배치 방식의 전기자가 제시 된 다.하지만,분산배치 방식의 전기자는 구조상 필연적으로 단부가 존재하 고 단부에 의해 코깅력이 발생하게 된다.영구자석형 리니어 동기모터의 코깅력을 저감하기 위한 방법으로는 영구자석의 폭 조정,영구자석의 스 큐,슬롯폭 조정 또는 치폭조정,반폐슬롯 및 보조구 설치등 많은 연구가 진행되고 있다 [15-18].

Armature unit Direction of motion

x z y

Mover Permanent magnet

Cogging force

Normal force Attractive f

orce

Cogging force

Permanent magnet

Normal force

Attractive force

Direction of motion

Mover

Armature unit

Fig.3Forcesexertedinthemoverattheoutletedge

그림 3에 전기자의 단부가 가동자에 미치는 영향을 나타내었다.코깅력 이란 1차측 철심과 2차측 영구자석 사이의 자기적 상호작용에 의해 발생 하는 힘이다.특히,철심에 슬롯이 존재하는 경우 1차측과 2차측 갭에 자 기에너지의 불균형으로 인한 추력 변동이 발생한다.전기자 불연속 배치 영구자석 리니어 동기모터는 가동자가 전기자 설치부와 비설치부의 경계

를 통과할 때에 전기자 측 철심과 가동자 영구자석 사이에서 발생하는 흡 인력이 크게 변동한다.가동자가 전기자에 진입하는 진입부에서 발생하는 흡인력은 가동자의 진행 방향과 같은 방향의 힘으로서,즉 가동자를 전기 자 측으로 끌어 들이는 힘으로 작용하여 가동자를 가속시킨다.또한,가동 자가 전기자를 벗어나는 반출부에서 발생하는 흡인력은 가동자의 진행 방 향과 역방향의 힘으로서,즉 가동자를 전기자 측에 되돌리는 힘으로 작용 하여 가동자를 감속시킨다.이러한 단부코깅력으로 인해 난조가 발생할 가능성이 있으며,특히 난조는 진동소음의 원인이 되고 최악의 경우 동기 이탈을 일으킬 수 있는 문제점을 가지고 있다.따라서,난조발생의 가능성 을 막기 위해서 단부코깅력을 저감시키는 것이 바람직하다.

C.기본모델의 2차원 수치해석

각 단부에서 발생하는 코깅력은 전자계 해석 소프트웨어 JMAG-Studio 를 이용한 해석 결과를 가지고 검토를 행하였다.그림 4에 기본모델을 나 타낸다.전기자와 가동자의 공극을 5[mm]로 하고 전기자와 가동자가 대 항하고 있지 않은 상태부터 가동자를 전기자측에 진입시켜 가동자가 전기 자를 완전하게 벗어나는 구간까지 해석을 수행하였다.이 때의 노드수는 13745,요소수는 28180,1Step당 1[mm]이동하도록 설정하였다.그림 5에 기본모델의 단부코깅력 파형을 나타낸다.가동자가 전기자에 진입하는 부 분에서 발생하는 최대 단부코깅력은 23.25[N]이고,가동자와 전기자가 완 전하게 대항하고 있는 부분에서 발생하는 코깅력은 0.4[N],가동자가 전기 자를 벗어나는 부분에서 발생하는 최대 단부코깅력은 29.81[N]이 발생 하 였다.또한,가동자와 전기자가 완전하게 대항하고 있는 부분에서 발생한 단부코깅력은 일정한 주기를 가지고 있으며 그 크기가 작다.하지만,가동 자가 전기자를 진입하는 진입부,가동자가 전기자를 벗어나는 반출부 부 분에서 발생하는 단부코깅력은 일정한 주기를 가지고 있지 않으며 그 크 기가 큼을 확인 할 수 있다.

Fig.4Basicmodel

Fig.5Outletedgecoggingforcewaveforms

Ⅲ.코깅력 저감법에 의한 실험 및 고찰

A.가동자에 설치한 보조극

1.가동자 끝단에 보조극 설치

먼저 가동자에 보조극을 설치하여 단부에서 발생하는 코깅력을 저감한 다.그림 6에 단부 코깅력을 저감하기 위해 제안한 보조극의 형태를 나타 낸다.보조극을 설치할 경우 그림 6과 같이 보조극의 X와 Y를 선정할 필 요가 있다.

Fig.6Auxiliarypoleinstalledmodels

가동자에 설치한 보조극 X길이를 조정한다.Y는 영구자석의 높이와 같 은 3[mm]로 고정하고 실험을 행하였다.그림 7에 X길이를 조정한 보조극 의 형태를 그림 8에 X길이를 조정할 경우 단부코깅력의 파형을 나타낸다.

보조극의 X길이를 조정할 경우 X길이가 10[mm]인 모델의 단부코깅력은 25.24[N]으로 가장 저감효과가 큼을 확인할 수 있다.X길이를 10[mm]로 고정하고 Y길이를 조정한다.그림 9에 Y길이를 조정한 보조극의 형태를 그림 10에 Y길이를 조정할 경우 단부코깅력의 파형을 나타낸다.Y길이의 경우 보조극의 높이가 영구자석의 높이보다 클 경우 단부에서 발생하는 코깅력의 크기가 저감되었으며,최대 단부코깅력은 25.09[N]으로 기본 모 델보다 15.83[%]감소 하였다.가동자의 끝단에 보조극을 설치할 경우 단 부코깅력이 가장 저감된 모델은 X=10[mm], Y=4[mm]의 Proposed model#5임이 확인되었다.

(a)Proposedmodel#1 (b)Proposedmodel#2 (c)Proposedmodel#3

Fig.7ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch

Fig.8Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth

(d)Proposedmodel#4 (c)Proposedmodel#3 (e)Proposedmodel#5

Fig.9ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingY-length

Fig.10Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting Y-lengthofauxiliaryteeth

2.가동자 끝단 및 영구자석 사이에 보조극 설치

가동자 끝단에 설치된 보조극 제안 모델에 새롭게 영구자석 사이에 보 조극을 설치하여 단부코깅력의 변화를 살펴보았다.영구자석 사이에 설치 한 보조극의 넓이는 2[mm]로 높이는 영구자석과 동일하게 3[mm]로 고정 하였다.그리고,가동자 끝단에 설치한 보조극 Y길이는 단부코깅력이 가 장 저감되었던 4[mm]로 고정한 후 X길이를 조정하여 실험을 행하였다.

그림 11에 보조극의 X길이를 조정한 제안모델을 그림12에 X길이를 조정 할 경우 단부코깅력 파형을 나타낸다.영구자석 사이에 설치한 보조극의 넓이가 2[mm]인 경우 단부코깅력은 기본모델보다 증가함이 확인되었다.

따라서,영구자석 사이에 보조극을 설치하는 경우 넓이가 2[mm]인 보조 극은 사용하기가 부적합함이 확인되었다.다음은 영구자석 사이에 설치한 보조극의 넓이를 3[mm]로 고정하고 재차 실험을 행하였다.그림 13에 X 길이를 조정한 제안모델을 그림 14에 X길이를 조정할 경우 단부코깅력 파형을 나타낸다.영구자석 사이에 설치한 보조치를 3[mm]로 한 경우 단 부코깅력이 가장 저감된 모델은 Proposedmodel#11으로 25.09[N]이 발생 하였다.영구자석 사이에 설치한 가동자 끝단에 설치한 보조극의 Y길이를 영구자석과 동일하게 3[mm]로 고정하고 재차 실험에 임하였다.그림 15 에 X길이를 조정한 제안모델을 그림 16에 X길이를 조정할 경우 단부코깅 력 파형을 나타낸다.가동자의 끝단에 설치한 보조극의 Y길이를 3[mm]로 고정하고 X길이를 조정할 경우 X길이가 9[mm]인 모델이 가장 저감됨을 확인 하였다.X길이를 9[mm]로 고정하고 Y길이를 조정한다.그림 17에 Y길이를 조정한 제안모델을 그림 18에 Y길이를 조정할 경우 단부코깅력 파형을 나타낸다.가동자 끝단에 설치한 보조극의 Y길이는 3[mm]에서 단 부코깅력의 크기가 가장 저감됨이 확인 되었다.이때,발생하는 최대 단부

코깅력의 크기는 24.27[N]으로 기본모델 보다 18.58[%]감소하였다.영구자 석 사이에 보조극을 설치할 경우 끝단의 보조극 형태에도 영향 미치는 것 을 확인 할 수 있다.영구자석 사이에 설치한 보조극의 넓이가 3[mm]인 경우 끝단에 설치한 보조극의 X=9[mm],Y=3[mm]가 가장 적합함이 확인 되었다.

(f)Proposedmodel#6 (g)Proposedmodel#7 (h)Proposedmodel#8

Fig.11ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch

Fig.12Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth

(i)Proposedmodel#9 (j)Proposedmodel#10 (k)Proposedmodel#11

Fig.13ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch

Fig.14Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth

(l)Proposedmodel#12 (m)Proposedmodel#13 (n)Proposedmodel#14

Fig.15ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch

Fig.16Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth

(o)Proposedmodel#15 (m)Proposedmodel#13 (k)Proposedmodel#11

Fig.17ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingY-length

Fig.18Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting Y-lengthofauxiliaryteeth

B.전기자 치의 윗부분에 홈을 판 모델

다음은 단부코깅력을 저감하기 위한 방법으로 전기자 치의 윗부분에 홈 을 파고 실험을 행한다.그림 19에 홈을 판 제안모델을 나타낸다.치의 윗 부분에 홈을 판 제안모델은 홈의 간격,홈의 깊이를 조정하여야 한다.

Fig.19Digaholeinteethofproposedmode

홈의 깊이는 임의의 길이인 2[mm]로 고정하고 홈의 간격을 조정하여 간격에 따라 홈의 개수를 정한다.그림 20에 간격을 조정한 제안모델을 그림 21에 간격을 조정할 경우 발생되는 단부코깅력 파형을 나타낸다.치 의 윗부분에 홈을 내었기 때문에 완전대항시의 코깅력에도 영향을 미치는 것이 확인된다.Proposed model#3-5모델은 완전대항시 뿐만 아니라 반 출되는 부분의 코깅력이 큼을 확인하였다.그중 홈의 간격을 4[mm],홈의 개수를 5개로 한 Proposed model#2이 27.3[N]으로 가장 저감됨이 확인 되었다.다음으로 Proposed model#2을 이용하여 홈의 깊이를 조정하고 재차 실험을 행하였다.그림 22에 홈의 깊이를 조정한 제안모델,그림 23

에 홈의 깊이를 조정할 경우 발생되는 단부코깅력 파형을 나타낸다.각 제안모델을 비교한 결과 홈의 깊이가 가장 깊은 Proposedmodel#7의 단 부코깅력이 24.78[N]으로 가장 저감됨을 확인 하였다.

(a)Proposedmodel#1 (b)Proposedmodel#2 (c)Proposedmodel#3

(d)Proposedmodel#4 (e)Proposedmodel#5

Fig.20Holeadjustofdistanceandnumberofproposedmodel

Fig.21Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting distanceandnumberofhole

(b)Proposedmodel#2 (f)Proposedmodel#6 (g)Proposedmodel#7

Fig.22Holeadjustindeepofproposedmodel

Fig.23Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting deepofhole

C.전기자 끝단에 설치한 보조치

1.보조치의 Y길이 조정

다음은 단부에서 발생하는 코깅력을 저감하기 위해 전기자의 끝단에 보 조치를 설치한다.그림 24에 보조치를 설치한 제안 모델을 나타낸다.그림 23과 같이 보조치의 X,Y,D의 길이를 선정해야 한다.

Fig.24Auxiliaryteethinstalledmodels

보조치 X,D는 임의로 5[mm]로 고정하고 Y길이를 실험을 통해 산출한 다.그림 25에 Y길이를 조정한 제안모델을,그림 25에 Y길이를 조정할 경 우 단부 코깅력 파형을 나타낸다.그림 26에 보조치를 설치함으로써 단부 코깅력의 크기가 변화함을 확인하였다.기본모델의 단부코깅력은 29.81[N]

이 발생하였으며 Y길이를 조정한 모델중 Proposed model#4모델이 기본 모델보다 약 21[%]감소하여 Y길이 모델중 가장 저감된 모델임을 확인하 였다.

(a)Proposedmodel#1 (b)Proposedmodel#2 (c)Proposedmodel#3

Fig.25ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingY-length

Fig.26Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting Y-lengthofauxiliaryteeth

2.보조치의 D길이 조정

다음으로 보조치의 D길이를 조정한다.X는 임의의 변수인 3[mm],Y는 앞의 실험을 통해 취득한 최적의 길이 17[mm]로 고정하고 실험을 행하였 다.그림 27에 보조치의 D길이를 조정한 제안모델을 그림 28에 보조치의 D길이를 조정할 경우 단부코깅력의 파형을 나타낸다.Y를 조정한 경우의 단부코깅력 파형에 비해 큰 폭의 변화가 확인된다.그중 D의 길이를 9[mm]로 조정한 모델의 단부코깅력은 기본모델보다 약 33[%]감소한 20.09[N]이 발생하여 D길이를 조정한 모델중 단부코깅력의 크기가 가장 저감됨이 확인 되었다.

(d)Proposedmodel#4 (e)Proposedmodel#5 (f)Proposedmodel#6

Fig.27ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingD-length

Fig.28Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting D-lengthofauxiliaryteeth

3.보조치의 X길이 조정

다음으로 보조치의 X길이를 조정한다.Y와 D의 길이는 전 실험을 통해 취득한 17[mm],9[mm]로 고정하고 해석을 수행하였다.그림 29에 X길이 를 조정한 제안모델을 그림 30에 X길이를 조정할 경우 단부코깅력 파형 을 나타낸다.그림 30에서 X길이를 조정할 경우 다른 변수를 조정할 경우 보다 단부코깅력 변화의 폭이 작음을 확인 하였다.X길이 조정한 제안 모 델중 X=3[mm]인 Proposed model#7이 가장 저감된 모델이며,기본모델 보다 약 33[%]감소 하였다.단부코깅력을 저감하기 위해 전기자의 끝단에 보조치를 설치하는 경우 단부코깅력이 가장 저감된 모델은 보조치의 X=3[mm],Y=17[mm],D=9[mm]인 Proposed model#7이 가장 적합함이 판명되었다.

(g)Proposedmodel#7 (e)Proposedmodel#5 (h)Proposedmodel#8

Fig.29ShapeofauxiliaryteethincaseofadjustingX-pitch

Fig.30Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth

D.전기자 끝단에 설치한 계단형 보조치

1.계단형 보조치의 Y길이 조정

다음은 단부에서 발생하는 코깅력을 저감하기 위해 기존 보조치의 형태 에서 변형된 계단형 보조치를 제안한다.그림 34에 계단형 보조치를 설치 한 제안 모델을 나타낸다.계단형 보조치는 보조치에서 조정한 X,Y,D의 길이에 추가로 Z길이를 선정해야한다.단부코깅력의 크기가 가장 저감되 는 계단형 보조치의 형태를 실험을 통해 산출하였다.

Fig.31Stairshapeauxiliaryteethinstalledmodels

보조치의 실험과 마찬가지로 Y길이를 선정하도록 한다.이때,X,D길이 는 보조치의 실험결과를 통해 산출된 3[mm],9[mm]로 고정,Z길이는 임 의의 변수인 2[mm],단수는 3단으로 고정하고 실험을 행하였다.그림 32 에 계단형 보조치의 Y길이를 조정한 제안모델을 그림 33은 계단형 보조 치의 Y길이를 조정한 경우 단부코깅력 파형을 나타낸다.기존 보조치의 Y길이는 17[mm]에서 단부코깅력이 가장 저감되었지만,계단형 보조치는 18[mm]에서 가장 저감됨이 확인 되었다.Y=18[mm]인 모델은 Proposed model#2로 단부에서 발생하는 코깅력은 17.22[N]이 발생하였다.

(a)Proposedmodel#1 (b)Proposedmodel#2 (c)Proposedmodel#3

Fig.32ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting Y-length

Fig.33Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting Y-lengthofStairshapeauxiliaryteeth

2.계단형 보조치의 D길이 조정

X,Y,Z 길이는 각각 3[mm],18[mm],2[mm]로 고정하고 계단형 보조 치의 D길이를 조정한다.그림 34에 D길이를 조정한 제안모델을 그림 35 에 D길이를 조정한 경우 단부코깅력 파형을 나타낸다.기존 보조치 제안 모델은 최적의 D길이가 9[mm]였다.하지만,보조치를 계단형으로 변형시 킨 경우 단부코깅력이 가장 저감된 D의 길이는 12[mm]로 변화함이 확인 되었다. D의 길이가 12[mm]인 Proposed model #5의 단부코깅력은 15.23[N]으로 기본모델에 비해 49[%]감소 하였으며,기존의 보조치 모델 보다 24[%]감소하여,계단형 보조치의 D길이를 조정한 모델중 단부코깅 력의 크기가 가장 저감됨을 확인 하였다.

(d)Proposedmodel#4 (e)Proposedmodel#5 (f)Proposedmodel#6

Fig.34ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting D-length

Fig.35Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting D-lengthofStairshapeauxiliaryteeth

3.계단형 보조치의 단수 조정

계단형 보조치의 형태로 설치하는 경우 보조치 제안모델에서 고려하지 않았던 계단의 단수를 고려할 필요가 있다.X,Y,D,Z 길이는 각각 3[mm],18[mm],12[mm],2[mm]로 고정하고 계단형 보조치의 단수를 조 정 한다.계단의 단수를 순차적으로 2,3,4단으로 조정하였다.그림 36에 단수를 조정한 제안모델을 그림 37에 단수를 조정할 경우 단부코깅력 파 형을 나타낸다.단수를 조정한 제안 모델중 단부에서 발생하는 단부코깅 력이 가장 저감된 모델은 D의 길이를 조정한 실험과 동일한 모델인 Proposedmodel#5으로 계단의 단수를 3단으로 조정할 경우 가장 저감됨 을 확인하였다.

(g)Proposedmodel#7 (e)Proposedmodel#5 (h)Proposedmodel#8

Fig.36ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting stair-stepnumber

Fig.37Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting stair-stepnumberofStairshapeauxiliaryteeth

4.계단형 보조치의 Z길이 조정

보조치 모델의 경우 치의 높이는 Y길이만 선정하면 된다.하지만,계단 형의 경우 각단수의 높이를 조정해야 하므로,Z길이를 고려하지 않으면 안된다.X,Y,D,단수는 각각,3[mm],18[mm],12[mm],3단으로 고정하 고 계단형 보조치의 Z길이를 조정한다.그림 38에 Z길이를 조정한 제안모 델을 그림 39에 Z길이를 조정한 경우 단부코깅력의 파형을 나타낸다.Z길 이를 조정한 모델중 Z=3[mm]인 제안모델의 단부코깅력이 14.97[N]으로 기본모델에 비해 50[%],보조치 모델에 비해 25.5[%]감소하였다.첫단의 보조치는 치의 높이보다 2[mm]적은 18[mm]로 선정되었다.하지만,첫단 을 제외한 나머지 단은 모두 3[mm]로 할 경우 단부코깅력의 크기가 가장 저감됨이 확인 되었다.

(e)Proposedmodel#5 (i)Proposedmodel#9 (j)Proposedmodel#10

Fig.38ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting Z-length

Fig.39Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting Z-lengthofStairshapeauxiliaryteeth

4.계단형 보조치의 X길이 조정

계단형 보조치의 X길이를 조정한다.Y,D,Z,단수는 앞의 실험을 통해 취득한 최적의 길이인 18[mm],12[mm],3[mm],3단으로 고정하고 해석을 수행하였다.그림 40에 X길이를 조정한 제안모델을 그림 41에 X길이를 조정한 경우 단부코깅력의 파형을 나타낸다.단부코깅력이 가장 저감된 모델은 X길이가 3[mm]인 Proposed model#9로 최대 단부코깅력의 크기 는 14.97[N]이 발생하였다.단부코깅력을 저감하기 위해 계단형 보조치를 설치하는 경우 X=3[mm],Y=18[mm],D=12[mm],Z=3[mm],단수는 3단인 Proposedmodel#9가 가장 저감된 모델임을 확인하였다.Proposedmodel

#9의 단부코깅력은 14.97[N]으로 기본모델에 비해 50[%],보조치 모델에 비해 25.5[%]감소하였다.이상의 결과로부터 단부코깅력의 저감 방법으 로 계단형 보조치의 유용성이 판명되었다.

(k)Proposedmodel#11 (i)Proposedmodel#9 (l)Proposedmodel#12

Fig.40ShapeofStairshapeauxiliaryteethincaseofadjusting X-pitch

Fig.41Waveformsofoutletedgecoggingforceincaseofadjusting X-pitchofauxiliaryteeth

Ⅳ.결 론

본 연구에서는 분산배치 방식의 전기자에서 발생하는 단부코깅력을 저 감하기 위해 2차원 유한요소법을 이용한 수치해석을 통해 기본모델과 제 안모델을 비교 분석하였다.

장거리 반송장치분야에 리니어 동기모터를 적용할 경우 반송경로가 길 어질수록 초기 코스트도 상승한다.이러한 문제점을 해결하기 위해 분산 배치 방식의 전기자가 제시되고 있지만,구조상 필연적으로 단부가 존재 하고 단부코깅력이 발생하게 된다.단부코깅력은 추력 변동을 발생시켜 가동자 구동시 속도진동과 소음등이 발생된다.그러므로 이러한 단부코깅 력을 감소시키기 위해 가동자 및 전기자 끝단에 보조구를 설치하였다.

기본모델을 선정하고 기본모델에서 발생하는 단부코깅력과 제안모델에 서 발생하는 단부코깅력을 유한요소법을 이용한 2차원 수치 해석을 통해 취득한다.각각 취득한 단부코깅력을 비교하고 단부코깅력이 최소가 되는 모델을 해석을 통해 산출하였다.

기본모델의 단부코깅력은 최대29.81[N],가동자 끝단에만 보조극을 설치 한 모델은 기본모델보다 15.83[%]감소하였으며 추가로 영구자석사이에 보조극을 설치할 경우 최대 18.58[%]감소하였다.치의 윗부분에 홈을 판 경우에는 최대 16.87[%],보조치를 설치한 모델은 최대 33[%]감소하였다.

또한,보조치의 형태를 변형시킨 계단형 보조치는 최대 50[%]감소하여 제안된 모델중 계단형 보조치가 가장 적합함을 확인 하였다.

최종적으로 제안된 모델을 통해 단부에서 발생하는 코깅력을 크게 저감 하였다.최적의 모델을 통해 향후 전기자 분산배치 방식의 리니어 동기모 터 단부구조 설계시 본 연구에서 얻어진 결과를 고려하여 단부코깅력을 저감한다면 반송시스템 구조의 최적화를 꾀할 수 있을 것으로 사료된다.

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감사의 글

먼저 석사과정 동안 연구에 매진할 수 있도록 아낌없는 격려와 지도를 해 주신 김용재교수님께 진심으로 감사드립니다.그리고 바쁘신 일정에도 본 논문의 심사를 위하여 귀중한 시간을 할애해 주신 이우선교수님,조금 배교수님께 깊은 감사를 드립니다.또한,좋은 가르침을 주신 오금곤교수 님,백형래교수님,최효상교수님께 감사를 드립니다.

본 학위 논문연구를 수행할 수 있게 배경이 되어 주셨던 업체 관계자 분들께도 감사의 말씀 전합니다.

실험실의 기둥이 되어 언제나 저에게 힘이 되어주신 조경필선생님,항 상 저를 받쳐준 후배 성진에게도 감사의 말을 전합니다.

언제나 격려해 주시고 응원해 주신 한국전기학원 최규정원장님,이범규 선생님께도 감사드립니다.

저를 키워주시고 아껴주신 할머니,믿고 응원해 주신 아버지,어머니, 동생,언제나 조언과 지원을 아끼지 않으신 우리 가족들에게 이 논문을 바칩니다.사랑하는 가족들을 위해 더욱 노력하겠습니다.

언제나 용기를 주시고 믿어주며 응원해 주신 사랑하는 제일침례교회, 믿어주고 응원해 준 나의 사랑하는 친구들 대열이형,경문이,형국이,학 교에서 항상 힘이 되어준 선배 용선이형,병익이형,동기 경훈이형,국도, 수근이,승학이,인혁이,지혜,사랑하는 후배들 일일이 언급하지 못했지만 그 동안 저를 아끼고 사랑해 주신 모든분들 다시한번 진심으로 감사드립 니다.

2011년 12월