KR101917109B1 - 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법 - Google Patents

수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법 Download PDF

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남병욱
김학인
김중곤
김광태
조시훈
김병운
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국방과학연구소
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Abstract

수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기는, 코어, 코어의 중심을 기준으로 상부 및 하부에 대칭형상으로 배치되며, 복수의 권선들이 감겨진 제1코일 및 제2코일, 코어에 배치된 이동자; 코어에 고정되며, 이동자와 적어도 하나의 공극을 형성하도록 배치된 영구자석을 포함한다. 또한, 영구자석으로부터 발생하여 이동자를 통해 제1코일 및 제2코일로 흐르는 고정된 자속량을 갖는 직류성분 자속과, 제1코일 및 제2코일에 인가되는 전류에 따라 변화하는 자속량을 갖는 교류성분 자속이 발생하는 동안, 이동자의 위치 이동에 따른 선형성이 유지되는 구조를 갖는다.

Description

수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법{ELECTROMAGNETICALLY ACTUATOR}
본 발명은 제한된 구동범위 내에서 고속으로 구동이 가능하면서 매우 정밀한 구동성능이 구현가능한 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법 에 관한 것이다.
일반적으로 초정밀 구동기 분야에는 보이스 코일 구동기 및 압전형 구동기가 주로 적용되고 있다.
이 중, 보이스 코일 구동기는 로렌츠 구동력에 의존하므로 입력전류와 발생 구동력이 매우 선형적이어서 제어가 용이하며, 적은 파워손실로 넓은 구동범위를 가지는 장점이 있다. 반면, 보이스 코일 구동기는 코일의 발열에 의한 제한때문에 구동력이 작다는 문제이다.
반면, 압전형 구동기는 전기적 신호를 세라믹물질의 역 압전효과에 의하여 직접 기계적인 힘 또는 운동으로 바꾸어 주는 원리를 이용한다. 따라서, 에너지의 소비 없이 높은 정적 부하에도 고정된 위치를 유지할 수 있고, 반응시간이 짧아 고응답 특성을 가지며, 큰 구동력을 구현할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이러한 압전형 구동기의 단점 중 하나는 히스테리시스 형태로 변형되는 과정에서 소재에서 발생되는 기계적, 전기적 에너지 손실에 따른 비선형 특성으로 인하여 구동성능이 저하되는 문제가 있다. 또한, 이 과정에는 상당부분의 에너지가 열로 변환되는 문제와, 고주파로 구동 시 유효한 구동범위가 급격하게 줄어드는 문제도 있다.
이러한, 보이스 코일 구동기와 압전형 구동기의 단점을 보완한 것이 수직응력 전자기형 구동기이다. 수직응력 전자기형 구동기는, 보이스 코일 구동기 보다 큰 구동력을 발생시키면서 이와 함께 압전형 구동기보다는 큰 구동범위를 구현할 수 있다.
하지만, 일반적인 수직응력 전자기형 구동기는 구동력이 공극의 제곱에 반비례하는 비선형 특성으로 인하여 제어가 복잡하다는 단점을 갖는다. 따라서 소프트웨어적으로 이러한 비선형성의 선형화를 시도하는 연구와 하드웨어적으로 선형화를 시도하는 연구가 병행하여 수행되고 있다.
이에, 본 발명의 일 목적은, 제한된 구동범위 내에서 고속으로 구동이 가능하며 매우 정밀한 구동성능의 구현이 유지되고 동시에 선형적 특성을 갖는 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 선형적 특성을 유지하고 구동기에서 발생되는 구동력의 예측과 제어의 복잡성이 해소된 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법을 제공하는데 있다.
이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기는 코어; 상기 코어의 중심을 기준으로 상부 및 하부에 대칭형상으로 배치되며, 복수의 권선들이 감겨진 제1코일 및 제2코일; 상기 코어에 배치된 이동자; 및 상기 코어에 고정되며, 상기 이동자와 적어도 하나의 공극을 형성하도록 배치된 영구자석을 포함하고, 상기 영구자석으로부터 발생하여 상기 이동자를 통해 상기 제1코일 및 제2코일로 흐르는 고정된 자속량을 갖는 직류성분 자속과, 상기 제1코일 및 제2코일에 인가되는 전류에 따라 변화하는 자속량을 갖는 교류성분 자속이 발생하는 동안, 상기 이동자의 위치 이동에 따른 선형성이 유지되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 제1코일 및 상기 제2코일은 상기 영구자석을 중심으로 상하 양단에 대칭형 구조로 배치되며, 상기 제1코일 및 상기 제2코일과 상기 코어의 사이에는 각각의 코일의 절연면의 보호를 위한 제1보빈 및 제2보빈이 더 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 영구자석은 상기 영구자석의 일극이 상기 이동자와 마주보도록 상기 코어의 중앙에 배치되며, 상기 영구자석은 상기 영구자석과 상기 코어의 본딩에 의한 체결력을 지지하는 영구자석 고정부에 의해 감싸지는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시 예에서, 상기 이동자와 상기 제1코일 사이에 형성되는 제1공극, 상기 이동자와 상기 제2코일 사이에 형성되는 제2공극, 상기 이동자와 상기 영구자석 사이에 형성되는 제3공극을 갖는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법은, 코어, 코어의 중심을 기준으로 상부 및 하부에 대칭형상으로 배치되고 복수의 권선들이 감겨진 제1코일 및 제2코일, 이동자, 이동자와 적어도 하나의 공극을 형성하도록 배치된 영구자석을 포함하는 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법으로서, 직류성분 자속의 공극 모델링 및 자기저항값을 산출하는 단계; 직류성분 자속의 자속량을 산출하는 단계; 직류성분 자속의 자속밀도를 산출하는 단계; 교류성분 자속의 공극 모델링 및 자기저항값을 산출하는 단계; 교류성분 자속의 자속량을 산출하는 단계; 교류성분 자속의 자속밀도를 산출하는 단계; 및 산된 총 자속 및 자속밀도를 산출하여, 구동기의 구동력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 일 실시 예에서, 자속밀도를 산출하는 단계에서, 동일한 공극길이를 갖는 자속이 흐르는 유효면적을 정의하여 자속밀도 산출에 적용하는 것을 특징으로 한다.
이상에서와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법에 의하면, 초정밀 구동기 분야에서 고속구동이 가능하면서 정밀한 제어가 가능한 구동기 구현이 가능해진다. 또한, 자기회로 모델을 기반으로 제한된 중량 및 공간 내에서 최대 추력을 가지는 구동기의 최적화 설계가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 구동기의 선형적 특성을 유지함으로써, 구동기에서 발생되는 구동력의 안정적인 예측이 이루어지며, 제어의 복잡성이 해소된다.
도 1 내지 4b는 종래의 수직응력 전자기형 구동기의 구조와 자기회로 모델링의 예시들을 보여주는 도면들이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 예시 형상을 보여주는 도면이다.
도 6은 도 5의 수직응력 전자기형 구동기의 분해도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법의 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 선형성을 설명하기 위한 예시 구성도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 단면을 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 직류성분 자속에 대한 자기회로 모델을 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기를 단순화한 형상이다.
도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기와 관련된 원호형태를 갖는 자속에 대한 모델의 퍼미언스를 설명하기 위한 도면이다.
도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 고정자 코어와 영구자석 사이의 공극모델을 전면 및 상부면 위치에서 수행한 개략도들이다.
도 15a 및 도 15b는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 고정자 코어와 이동자 사이의 공극모델을 전면 및 측면 위치에서 수행한 개략도들이다.
도 16은 도 11의 자기회로를 재구성한 등가 자기 회로를 도시한 도면이다.
도 17a 는 공극모델의 공극 위치별로 서로 다른 자속 밀도를 설명하기 위한나 자속모델이고, 도 17b는 도 17a 의 공극모델을 재정의하여 유요한 면적을 정의한 등가 자속 모델이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 교류성분 자속에 대한 자기회로 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 교류성분의 공극모델을 설명하기 위한 개략도들이다.
도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 직류성분과 교류성분이 중첩된 전체 자기 회로 모델을 설명하기 위한 도면이다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 이동자의 자속 분포를 보여주는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법은 제한된 구동범위 내에서 고속으로 구동이 가능하면서 매우 정밀한 구동성능이 요구되는 다양한 분야에 적용될 수 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
여기서 설명되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 즉, 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구서요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항복들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 바람직한 실시 예들을 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하, 도 1 내지 4b는 종래의 수직응력 전자기형 구동기의 구조와 자기회로 모델링의 예시들을 보여주는 도면들이다.
먼저, 도 1을 참조하면, 기존의 수직응력 전자기형 구동기의 대표적인 예시로 솔레노이드의 구성을 보여준다. 도 1의 솔레노이드는, 디극자 형태의 고정자(stator)(30)와 세로방향 바 형태의 이동자(armature)(10) 사이의 공극(20)에 자속밀도가 형성되면, 형성된 자속밀도는 맥스웰 응력 텐서(Maxwell stress tensor) 원리에 의해 자속방향과 동일한 방향으로 작용하는 인력에 의해 구동력이 생성된다. 따라서, 솔레노이드는 자속방향과 동일한 방향으로 구동력이 발생되기 때문에 수직응력 전자기형 구동기로 정의될 수 있다.
도 1에 도시된 솔레노이드와 같은 일반적인 수직응력 전자기형 구동기는, 이동자(10)의 위치에 따라 공극(20)의 제곱에 반비례하는 비선형 구동력이 발생되므로, 정밀한 제어성능이 요구되는 제품에는 적합하지 않다. 따라서, 이러한 비선형을 선형화하기 위한 연구가 구조적으로 진행되고 있다. 이에, 단위 부피 당 최대 구동력을 발생시키기 위한 자기회로 모델링에 대한 기법들이 연구되었으나, 현재까지는 컴퓨터를 이용한 수치해석(상당히 많은 시간이 소요됨) 결과와 비교하였을 때, 정확도가 높은 자기회로 모델링 기법이 부재한 실정이다.
도 2a 및 도 2b는 종래 수직응력 전자기형 구동기의 또 다른 구조와 자기회로 모델링의 예시이다. 도 2b에 도시된 등가 자기회로 모델에서는 고정자 코어와 이동자의 자기 저항을 무시하였으며, 각 공극에서의 누설자속을 모두 고려하지 않았다. 따라서, 자기회로 모델의 예측 결과의 오차가 크게 발생하였다.
도 3a 및 도 3b는 종래 수직응력 전자기형 구동기 또 다른 구조와 자기회로 모델링의 예시를 보여주고 있다. 도 3a의 구동기는 도시된 바와 같이 4개의 수직응력 전자기형 구동기 구조로 되어 있으며, 특이한 점은 이동자가 자속로를 만들어 주기 위하여 원형 폐루프를 형성하고 있다. 또한, 도 3b의 등가 자기회로 모델에서는 고정자 코어와 이동자 코어의 자기 저항이 무시되었으며, 각 공극에서의 누설자속을 모두 고려하지 않았다. 따라서 전류가 인가되는 상황에서 등가 자기회로 모델로부터 예측되는 구동력은 유한요소 해석결과와 비교하여 100% 이상의 큰 오차를 발생시킨다. 이는 구동력에 기여를 하지 못하는 누설자속을 고려하지 않았기 때문이다.
도 4a 및 도 4b는 종래 수직응력 전자기형 구동기 구조와 자기회로 모델링의 또 다른 예시를 보여주고 있다. 도 4b에 도시된 등가 자기회로 모델에서도 고정자 코어 및 이동자의 자기저항을 무시하였으며, 이동자와 고정자 코어 사이의 공극에서의 누설자속을 유한요소 해석결과를 이용하여 고정값으로 반영하였다. 그에 따라, 최종적으로 발생된 구동력은 이동자가 공극의 중앙에 위치할 경우는 이론적 예측값이 유한요소 해석결과를 비교적 정확하게 예측되었다. 그러나, 이동자의 위치가 편심되어 위치할수록 공극에서의 자기저항의 비선형성으로 인하여 이론적 예측오차 값이 50% 이상으로 크게 증가하였다.
이와 같이, 종래의 수직응력 전자기형 구동기는 그 특성과 성능을 정확하게 예측하기 위한 등가 자기회로 모델의 이론모델이 정립이 되어 있지 않았다. 또한, 종래에는 자속밀도를 정의하는 과정에서 단순히 고정자 코어와 자석의 물리적인 단면적만 유효면적으로 고려하고 단순히 누설자속으로 규정하여 오차를 발생시켰다. 나아가, 이동자의 위치 이동에 따른 비선형적인 자속의 변화를 고려하지 않았기 때문에 큰 오차를 발생시켰다.
이에, 본 발명에서는, 대칭형 구조를 갖는 수직응력 전자기형 구동기에서, 자속밀도의 정의시 공극의 가장자리로 갈수록 자속밀도가 낮아지는 물리적 현상을 반영하고, 이동자의 위치 이동에 따른 비선형적인 자속의 변화를 함께 고려함으로써, 보다 정밀한 구동력의 예측이 가능한 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법을 구현하였다.
이를 위해, 본 발명의 구성은 크게, 1) 대칭형 구조를 갖는 수직응력 전자기형 구동기의 구조와, 2) 그러한 구동기에 대한 자기회로 모델링 기법으로 나누어 기술할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 예시 형상을 보여주는 도면이고, 도 6은 도 5의 수직응력 전자기형 구동기의 분해도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기는, 이동자(130), 영구자석(150), 2개의 권선다발(코일)(110a, 110b), 코어(Core)(101)로 구성된다. 또한, 도 6의 분해도를 참조하면, 세부적인 조립을 위해, 보빈(120a, 120b), 영구자석 고정부(160), 및 구동기 고정부(190)가 추가로 구성되어 있다.
또한, 코어(101)는 일체형 구조일 수도 있고, 조립의 편의를 위해 삼등분의 조립체형 구조일 수도 있다.
코어(101)를 중심으로 두 개의 코일들(110a, 110b)이 코어의 위쪽과 아래쪽에 대칭형으로 조립된다. 이때, 코일(110a, 110b)의 절연면을 보호하고 코일의 위치를 구속하기 위하여 코일(110a, 110b)과 코어(101) 사이에 각각 보빈(120a, 120b)이 위치한다.
영구자석(150)은 영구자석(150)과 코어(101) 사이의 본딩에 의해 고정되며, 영구자석의 위치를 정밀하게 결정하고 본딩에 의한 체결력을 보조하기 위해 영구자석 고정부(160)가 적용될 수 있다.
구동기 고정부(190)는 조립상태의 구동기를 조립체가 소요되는 곳에 고정시키기 위해 조립상태의 구동기의 하부면에 배치될 수 있다.
다음으로, 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법의 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서 자속의 소스는 두 가지가 존재한다. 하나는 영구자석에서 발생되는 자속이고, 나머지 하나는 코일에 전류가 흐를 때 발생되는 자속이다. 영구자석에서 발생하는 자속은 이동자를 통해 상하단의 고정자 코어로 균일하게 분할되어 흐르게 되며, 자속량은 고정된 값을 갖게 된다. 반면, 상하단의 코일에 동일한 방향으로 전류가 인가될 경우 발생되는 자속은 코일에 흐르는 전류의 방향 및 크기에 의에 그 크기가 결정되는 교류 성분의 값을 갖게 된다. 따라서 자기회로 모델링은 크게 직류성분 자속에 대한 자기회로 설계와 교류 성분 자속에 대한 자기회로 설계로 구분하여 모델링을 수행한다.
도 7의 S10 내지 S30의 단계들이 직류성분 자속의 공극 모델링에 관한 것이고, S40 내지 S60의 단계들이 교류성분 자속의 공극 모델링에 관한 것이다.
계속해서 도 7을 참조하면, 먼저 직류성분 자속의 공극 모델링 및 자기저항값을 산출하는 단계(S10)가 개시된다. 이 후, 직류성분 자속의 자속량을 산출하고(S20), 직류성분 자속의 지속밀도를 산출한다(S30). 그런 다음, 교류성분 자속의 공극 모델링 및 자기저항값을 산출한다(S40). 이 후, 교류성분 자속의 자속량을 산출하고(S50), 교류성분 자속의 자속밀도를 산출한다(S60). 그런 다음, 합산된 총 자속 및 자속밀도를 산출하고(S70), 그에 따라 구동기의 구동력을 산출한다(S80).
보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 7의 단계들은 자기회로 설계를 위해, 이동자와 상부 코어면 사이의 공극(102b, 도 5), 그리고 이동자와 하부 코어면 사이의 공극(102c, 도 5), 및 이동자와 영구자석 사이의 공극(102a, 도 5)에 대한 모델링을 수행하고, 자기저항을 계산하는 과정을 수행한다(S10, S40). 이어서, 자속의 공급원과 전체 자기저항을 통해 각 공극 및 코어에 흐르는 자속량을 계산하는 과정을 수행한다(S20, S50). 마지막으로, 자속이 흐르는 유효면적을 정의하여 각 공극 및 코어에 흐르는 자속밀도를 계산하는 과정을 수행한다(S30, S60). 전술한 직류성분 자속에 대한 자기회로 설계와 교류성분 자속에 대한 자기회로 설계는 순서를 바꿔서 수행되거나 동시에 수행될 수 있다.
그런 다음, 개별 자기회로 모델링을 중첩한 전체 자기회로의 총 자속과 자속밀도를 계산하고(S70), 마지막으로 최종적으로 이동자에 발생되는 구동력을 산출한다(S80).
다음, 도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 선형성을 설명하기 위한 예시 구성도이다.
본 발명의 실시 예에 따른 구동기는 이동자만이 실제 움직임이 발생하는 구성품으로 구현되었다. 그에 따라, 이동자와 상부 및 하부 고정자 코어 사이의 공극 범위 이내에서 구동기의 동작범위가 결정된다. 전술한 도 5에서, 영구자석(150, 도 5)은 이동자(130)와 마주보도록 고정자 코어(101)의 정 중앙에 위치하며, 권선다발(110a, 110b)은 영구자석(150)을 중심으로 상하 양단에 대칭형상으로 배치된다.이와 같은 구조에 의하여, 종래의 솔레노이드가 이동자의 위치에 따라 발생 추력이 강한 비선형성을 가짐에 따라 고정밀 제어가 어려웠던 단점이 해소될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 구동기는, 이동자의 위치 및 인가전류에 따라 발생되는 추력의 관계가 선형성을 가지게 함으로서 고정밀 제어가 가능하도록 구현되었다.
이하의 표 1은, 도 8에 도시된 본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 변수명을 기술한 것이다.
Figure 112018006908680-pat00001
다음, 도 9 및 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 단면을 도시한 도면이다.
도 9에서, 이동자의 위치가, 이동자와 마주보고 있는 상하단 고정자 코어면의 중심에 위치해 있을 때의 양단의 공극길이를 Z0라고 정의한다. 도 9에서, 이동자가 아래로 이동하는 방향을 양의 방향으로 정의하면, 이동자의 위치가 Za로 이동 시 상하단의 공극은 각각 Z0+Za,Z0-Za로 편차가 발생하게 된다.
본 발명에 따른 전자기형 구동기는 영구자석에 의해 발생되는 직류성분의 자속밀도(B1_dc, B2_dc)와 권선다발에 흐르는 전류의 크기와 방향에 의해 발생되는 교류성분의 자속밀도(B1_ac, B2_ac)가 이동자 상하부의 공극에서 중첩 및 상쇄되어서 자속밀도의 편차를 발생시키게 된다. 그에 따라, 최종적으로 맥스웰 응력 텐서(Maxwell stress tensor) 이론에 의해 이동자에 추력이 생성되는 것이다.
이때에, 직류성분의 자속밀도인 B(B1_dc, B2_dc)는 이동자를 기준으로 상하의 바깥으로 향하는 방향을 양의 방향으로 정의하고, 교류성분의 자속밀도인 B(B1_ac, B2_ac)는 반시계방향의 자속을 양의방향으로 정의한다.
도 10은 본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기 구조에서 직류성분의 자속을 발생시키는 부분만 포함하여 간략화한 도면이다. 영구자석에서 발생된 자속의 대부분은 도 10에 도시된 바와 같이 이동자를 통해 상하단의 고정자 코어로 흐르게 된다. 이때에, 영구자석에서 발생된 자속의 일부는 이동자를 통하지 못하고 바로 고정자 코어로 흐르게 되는데, 이동자의 추력을 발생시키는데 유효하게 작용하지 않으므로 누설 자속밀도 BL _dc라고 정의할 수 있다.
이동자와 고정자 코어 사이의 공극을 통과한 자속과 누설자속은 고정자 코어에서 합류되어 고정자 코어를 통해 영구자석으로 회귀하게 된다. 또한, 영구자석 및 권선다발에서 외부로 발생되는 자속의 총 량은 영구자석의 재질특성, 권선다발의 턴수 및 입력전류와 자계회로의 자기저항(Reluctance)에 의해 결정된다.
따라서, 본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기 구조에서 이동자에 발생되는 추력을 정확하게 예측하기 위해서는, 영구자석, 이동자, 고정자 코어 및 공극에서의 자속을 정확하게 알아야 하며, 이를 위해 누설자속의 영향까지 포함하는 정밀한 자속모델이 필요하다.
이러한 필요성에 따라, 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 직류성분 자속에 대한 자기회로 모델을 보여주고 있다. 도 11에서, 영구자석은 내부 자기저항 Rpm을 갖는 상수의 자속원 Φpm으로 모델링 하였다. 여기에서, Φpm는 내부 자기장(magnetic field)이 없을 때 발생되는 총 자속량으로서, 자속이 발생되는 영구자석 단면적인 Apm과 잔류자기(remanence) Br의 곱으로 아래의 수학식 1로 나타내질 수 있다.
[수학식 1]
Φpm=ApmBr
여기에서, 영구자석과 이동자 사이 공극은 자기저항 Rr로 모델링 하였으며, 이동자 하부와 상부의 공극은 각각 자기저항 R1,R2로 모델링 하였다. 그리고, 고정자 코어는 상 하부 구간을 각각 자기저항 Rs로 모델링 하였다. 단, 이동자의 자기저항은 공극 및 고정자 코어의 자기저항 대비 무시 가능한 정도의 크기이므로 고려하지 않았다.
모든 전자기형 구동기에서 자속은 고정자와 이동자 사이의 공극을 관통하여 지나며, 자기에너지의 대부분이 공극에 저장되므로 공극의 퍼미언스 또는 자기저항에 대한 모델링은 매우 중요하다. 또한, 투과성이 높은 두 블록의 마주보는 면을 자속이 지나갈 때에, 이에 대한 공극 모델링은 복잡하다. 이는, 공극 사이의 공기는 모든 방향으로 동일한 투자율을 가지므로, 자속은 마주보는 두 면 사이에서 수직으로만 발생되는 것이 아니라 블록의 가장자리에서 측면으로도 발생되기 때문이다.
따라서, 본 발명에서는 공극에서의 정확한 자기저항을 구하기 위하여 3차원 퍼미언스 기반의 공극모델링을 제안하며, 누설자속에 대한 모델링도 포함하였다. 이와 관련하여, 도 12는 이후에 도시되는 본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 전면, 측면, 상부면 위치에서의 공극모델과 관련된 설명의 편의를 위해, 본 발명에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 공극을 포함한 주요 부위의 구성품만을 개략적으로 도시한 것이다.
다음, 도 13은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기와 관련된 원호형태를 갖는 자속에 대한 모델의 퍼미언스를 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 원호형태를 갖는 자속에 대한 기본적인 공극모델을 보여준다. 도시된 모델의 퍼미언스는 마주보는 두 면 사이의 직선형 퍼미언스 P1과 좌우측면의 원호-직선형태의 자속에 대한 퍼미언스 P2를 모두 고려하여 전체 공극에 대한 퍼미언스를 중첩의 원리에 의하여 산출할 수 있다.
여기에서, 마주보는 두 면의 넓이를 A, 지면방향의 길이를 L, 공극 길이를 g 라고 할 경우, 각 퍼미언스는 아래의 수학식 2 및 수학식 3 과 같이 표현된다. 이때에, 일반적으로 공극에서 자속의 길이가 길어질수록 영향이 반비례하여 줄어들게 되므로 자속이 영향을 미치는 구간 X는 공극의 20배 수준으로 적용해도 좋다.
Figure 112018006908680-pat00002
Figure 112018006908680-pat00003
다음으로, 도 14a 및 도 14b는 도 12에 도시된 수직응력 전자기형 구동기에서, 고정자 코어와 영구자석 사이의 공극모델을 전면 및 상부면 위치에서 수행한 개략도들이다.
즉, 도 14a 및 도 14b는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기의 단순화된 구조인 도 12를 전면과 상부면 방향 공극모델을 통하여 영구자석과 이동자 사이의 공극과 영구자석과 고정자 코어 사이의 공극에 대한 퍼미언스를 구하여 도시한 것이다. 도 14a는 도 12의 전면 위치에서 공극모델을 보인 것이고, 도 14b는 도 12의 상부면 위치에서의 공극모델을 보인 것이다. 이때, 위치별 공극모델은 직선형, 원호-직선형 및 원호-직선-원호형 등 다양하게 나타나며, 적분범위는 Xi로 동일한 공극모델 구간을 구분하였다.
이때에, 영구자석과 이동자 사이의 공극모델로부터 동일한 공극모델을 갖는 요소별 퍼미언스를 구하면 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018006908680-pat00004
또한, 도 14a에서 고정자 코어와 영구자석 사이의 공극에서 발생되는 누설자속에 대한 퍼미언스를 구하면 다음의 수학식 5와 같이 표현될 수 있을 것이다.
Figure 112018006908680-pat00005
또한, 위의 수학식 4 내지 수학식 5에서 동일한 공극모델을 구분하는 Xi(i=1~6)은 다음과 같다
Figure 112018006908680-pat00006
이하, 도 15a 및 도 15b는 도 12에 도시된 수직응력 전자기형 구동기에서, 고정자 코어와 이동자 사이의 공극모델을 전면 및 측면 위치에서 수행한 개략도들이다. 구체적으로, 도 15a는 도 12의 전면 위치에 대한 이동자와 고정자 코어 사이의 공극모델을 도시한 것이고, 도 15b는 도 12의 측면 위치에 대한 이동자와 고정자 코어 사이의 공극모델을 도시한 것이다.
도 15a 및 도 15b의 하부 고정자 코어와 이동자 사이의 공극에 대한 퍼미언스를 구하면 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112018006908680-pat00007
수학식 7에서 동일한 공극모델을 구분하는 Xi(i=7~10)은 다음과 같다.
Figure 112018006908680-pat00008
또한, 도 15a 및 도 15b에서 이동자의 좌우 공극은 대칭형태로 나타나므로 이동자와 상부 고정자 코어 사이의 퍼미언스는 다음의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018006908680-pat00009
마지막으로 영구자석 역시 자기회로에서는 공기와 같이 취급되므로, 영구자석의 퍼미언스는 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018006908680-pat00010
따라서, 각 요소별 자기저항은 위의 수학식에서 계산된 퍼미언스의 역수로 다음의 수학식 11과 같이 계산될 수 있다. 여기서
Figure 112018056003119-pat00062
은 영구자석과 이동자 사이의 공극의 자기 저항값을,
Figure 112018056003119-pat00063
는 하부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값을,
Figure 112018056003119-pat00064
는 상부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값을,
Figure 112018056003119-pat00065
은 상부코어 측면과 영구자석 상부 측면 사이 공극의 자기 저항값을,
Figure 112018056003119-pat00066
는 하부코어 측면과 영구자석 하부 측면 사이 공극의 자기 저항값을,
Figure 112018056003119-pat00067
은 영구자석의 자기 저항값을,
Figure 112018056003119-pat00068
는 코어 내부의 자기 저항값을 의미한다.
Figure 112018056003119-pat00011
여기서, 상기
Figure 112018056003119-pat00069
은 영구자석과 이동자 사이의 공극의 퍼미언스이고, 상기
Figure 112018056003119-pat00070
는 직류 성분의 자속만을 고려한 하부 코어와 상기 이동자 사이의 공극에 대한 퍼미언스이며, 상기
Figure 112018056003119-pat00071
는 직류 성분의 자속만을 고려한 상기 이동자와 상부 코어 사이의 공극에 대한 퍼미언스이고, 상기
Figure 112018056003119-pat00072
과
Figure 112018056003119-pat00073
는 각각 상부코어 측면과 영구자석 상부 측면 상이 공극의 퍼미언스 및 하부코어 측면과 영구자석 하부 측면 사이 공극의 퍼미언스이며, 상기
Figure 112018056003119-pat00074
은 영구자석의 퍼미언스이고,
Figure 112018056003119-pat00075
는 C자 형태로 구부러진 코어 전체의 길이,
Figure 112018056003119-pat00076
는 고정자의 단면적이며,
Figure 112018056003119-pat00077
은 각각 자유공간 상태에서의 투자율,
Figure 112018056003119-pat00078
는 무차원 상대 투자율로서 자유공간 상태에서의 투자율값과 특정 재질의 투자율과의 비율이다.
다음은, 위에서 구한 자기저항을 이용하여 각 공극 및 코어에 흐르는 자속량을 산출하는 구체적인 과정을 설명한다.
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먼저, 도 16은 도 11의 자기회로를 재구성한 등가 자기회로이다. 여기서는, 앞선 설명에서 유도한 각 요소별 자기저항 값과 전자기 회로이론으로부터 단일 폐루프 상의 자속량
Figure 112018006908680-pat00012
을 계산할 수 있다.
영구자석에서 생성되는 자속량 Φpm중에 유효하게 자석외부로 발생되는 자속량을 Φout _dc로 정의한다.
또한, 영구자석에서 외부로 발생된 자속량 중에서 영구자석과 이동자 사이의 공극으로 들어가는 자속량 Φdc는, 상하부 공극으로 자속량 Φ1 _dc와 Φ2 _dc으로 분배되었다가 상하부 고정자 코어로 누설되는 자속량 ΦL1 _ dc 및 ΦL2 _dc와 다시 합류되어 ΦS1_dc과 ΦS2_dc의 자속량으로 각각 고정자 권선을 통과해 영구자석으로 회귀한다.
따라서, 각 노드별 자속량은 도 16으로부터 도출된 이하의 수학식 12의 행렬 계산을 통해 구할 수 있으며, 물리적 의미가 있는 각 요소별 자속량은 수학식 13과 같다.
Figure 112018006908680-pat00013
Figure 112018006908680-pat00014
다음으로, 위에서 구한 자속량을 이용하여 자속밀도를 계산하는 구체적인 과정을 설명하겠다.
이와 관련하여, 도 17a 는 공극모델의 공극 위치별로 서로 다른 자속 밀도를 설명하기 위한 자속모델이고, 도 17b는 도 17a 의 공극모델을 재정의하여 유효한 면적을 정의한 등가 자속 모델이다.
자속밀도는 단위 면적당 흐르는 자속량으로 정의되며, 면적에 따라 자속밀도 값이 결정되므로, 유효하게 자속이 흐르는 면적에 대한 정의가 매의 중요하다. 이에, 본 발명에서는 도 17a의 공극모델에서 공극 위치별 상이한 자속밀도를 도 17b와 같이 유효한 공극모델을 재정의 함으로서 동일한 공극길이와 자속밀도를 가지는 유효한 면적을 정의하였다.
이하의 수학식 14는 도 17a의 공극모델에 대한 퍼미언스를 나타내고, 수학식 15는 도 17b의 공극모델의 퍼미언스를 나타낸 것이다. 이때, 두 퍼미언스를 동일하게 하기 위해 수학식 16과 같이 유효면적 Aeffective가 정의될 수 있다.
Figure 112018006908680-pat00015
Figure 112018006908680-pat00016
Figure 112018006908680-pat00017
따라서, 이동자의 추력계산에 필요한 이동자 상하부 공극의 자속밀도와 이동자와 영구자석 사이의 공극의 자속밀도 및 고정자 코어에서의 자속포화 상태 확인에 필요한 상부 및 하부 고정자 코어에서의 자속밀도는 다음의 수학식 17과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112018006908680-pat00018
다음으로, 도 18a 및 도 18b는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 교류성분 자속에 대한 자기회로 모델을 설명하기 위한 도면이다.
구체적으로, 도 18a는 수직응력 전자기형 구동기 구조에서 교류성분의 자속을 발생시키는 부분만 포함하여 간략화된 개략도이고, 도 18b는 등가화된 자기회로 모델이다. 도시된 바와 같이, 상부 및 하부의 권선다발은 각각 NI 암페어-턴(Ampere-turn) 크기의 기자력을 발생시키며, 생성된 자속은 누설 없이 폐루프를 따라 흐르게 된다.
여기에서, 이동자의 자기저항은 Ra로 모델링 하였으며, 이동자 하부와 상부 공극의 자기저항은 각각 R1_ ac,R2 _ac로 모델링 하였으며, 고정자 코어의 자기저항은 상하부 구간을 각각 Rs로 모델링 하였다.
이제는, 교류성분 자속에 대한 자기회로 모델에서 공극 모델링 및 자기저항을 산출하는 과정을 설명하겠다. 도 19a 및 도 19b는 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 교류성분의 공극모델을 설명하기 위한 개략도들이다.
교류성분의 자속만을 고려할 경우, 권선다발에서 생성된 모든 자속은 누설없이 폐회로를 지나가게 되므로 직류성분의 자속 경우보다 공극 모델링이 간단해진다. 도 19a는 도 12에 도시된 개략도의 전면 위치에서 이동자 및 양단 코어 사이의 공극모델링을 보인 것이고, 도 19b는 도 12에 도시된 개략도의 측면 위치에서 이동자와 양단의 코어 사이의 공극모델을 보인 것이다. 공극모델의 퍼미언스는 다음의 수학식 18 및 19와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018006908680-pat00019
Figure 112018006908680-pat00020
따라서 공극, 고정자 코어 및 이동자의 자기저항, 보다 자세하게 하부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값
Figure 112018056003119-pat00079
, 상부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값
Figure 112018056003119-pat00080
, 코어 내부의 자기 저항값
Figure 112018056003119-pat00081
, 이동자 내부의 자기 저항값
Figure 112018056003119-pat00082
은 다음의 수학식 20과 같이 구할 수 있다.
Figure 112018056003119-pat00021
여기서, 상기
Figure 112018056003119-pat00083
는 교류 성분의 자속만을 고려한 하부 코어와 상기 이동자 사이의 공극에 대한 퍼미언스이며, 상기
Figure 112018056003119-pat00084
는 교류 성분의 자속만을 고려한 상기 이동자와 상부 코어 사이의 공극에 대한 퍼미언스이고, 상기
Figure 112018056003119-pat00085
과
Figure 112018056003119-pat00086
는 각각 상부코어 측면과 영구자석 상부 측면 상이 공극의 퍼미언스 및 하부코어 측면과 영구자석 하부 측면 사이 공극의 퍼미언스이며, 상기
Figure 112018056003119-pat00087
은 영구자석의 퍼미언스이고,
Figure 112018056003119-pat00088
는 C자 형태로 구부러진 코어 전체의 길이,
Figure 112018056003119-pat00089
는 고정자의 단면적이며,
Figure 112018056003119-pat00090
는 이동자의 길이,
Figure 112018056003119-pat00091
는 이동자의 단면적이고,
Figure 112018056003119-pat00092
은 각각 자유공간 상태에서의 투자율,
Figure 112018056003119-pat00093
는 무차원 상대 투자율로서 자유공간 상태에서의 투자율값과 특정 재질의 투자율과의 비율이다.
다음으로, 위에서 구한 자기저항을 이용하여 각 공극 및 코어에 흐르는 자속량 및 자속밀도를 구하는 과정을 구체적으로 설명하겠다.
삭제
먼저, 도 19의 자기회로에서 교류자속만 고려할 경우 누설이 없고 단일 폐루프만 존재하므로, 모든 요소에서의 자속량은 권선다발에서 발생된 자속량과 동일하다. 따라서, 다음의 수학식 21과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112018006908680-pat00022
자속밀도는 직류자속과 동일하게 유효한 공극모델을 이용하여 동일한 공극길이를 가지는 유효한 면적을 정의하여 자속밀도를 계산하였다.
이동자와 고정자 코어 사이 공극의 자속밀도와 이동자와 영구자석 사이 공극의 자속밀도는 다음의 수학식 22 내지 24와 같다.
Figure 112018006908680-pat00023
Figure 112018006908680-pat00024
Figure 112018006908680-pat00025
다음으로, 도 20은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 직류성분과 교류성분이 중첩된 전체 자기 회로 모델을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 20은 직류자속과 교류자속이 중첩된 수직응력 전자기형 구동기의 전체 자기회로를 나타낸다.
최종적으로 이동자에 발생되는 추력을 계산하기 위하여, 이동자와 상하부 고정자 코어 사이의 공극의 자속밀도 B1_ eff, B2_ eff, 이동자와 영구자석 사이 공극의 자속밀도 B3_ eff 및 고정자 코어에서의 자속밀도 Bs1 _ eff, Bs2 _ eff를 계산하면 다음의 수식식 25 내지 29와 같다.
Figure 112018006908680-pat00026
Figure 112018006908680-pat00027
Figure 112018006908680-pat00028
Figure 112018006908680-pat00029
Figure 112018006908680-pat00030
마지막으로, 맥스웰 응력 텐서를 이용하여 수직응력 전자기형 구동기의 이동자에 발생하는 추력을 계산하는 과정을 설명하겠다. 맥스웰 응력 텐서는 체적의 표면에서의 견인력 정보만을 이용함으로서, 관심체적 안에 존재하는 물체에서 받는 총 자기력을 알 수 있도록 하는 것이다.
도 21은 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기에서, 이동자의 자속 분포를 보여주는 도면이다. 도 21에서는, Y 방향과 Z 방향으로 흐르는 이동자 영역의 자속을 보여주고 있다. 또한, 이동자에서 Y 방향 및 Z 방향으로 발생되는 추력은 각각 수학식 30 및 31과 같이 계산된다.
Figure 112018006908680-pat00031
Figure 112018006908680-pat00032
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에서는 초정밀 구동기 분야에서 고속구동이 가능하면서 동시에 정밀한 제어가 가능한 구동기 구현이 가능하다. 또한, 자기회로 모델을 기반으로 제한된 중량 및 공간 내에서도 최대 추력을 가지는 구동기의 최적화 설계가 가능하게 된다.
한편, 비록 도시되지는 않았지만, 도 5에 도시된 구조에서 이동자의 위치는 유지하면서 영구자석들의 위치가 코어의 상부 및 하부에 각각 배치될 수도 있다. 또한, 비록 도시되지는 않았지만, 이동자의 이동 위치와 인가절류를 고려하여 발생되는 추력의 관계가 안정적인 선형성을 이루는 또 다른 구조의 구동기로도 구현될 수도 있을 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 수직응력 전자기형 구동기 및 그것의 자기회로 모델링 방법에 의하면, 초정밀 구동기 분야에서 고속구동이 가능하면서 정밀한 제어가 가능한 구동기 구현이 가능해진다. 또한, 자기회로 모델을 기반으로 제한된 중량 및 공간 내에서 최대 추력을 가지는 구동기의 최적화 설계가 가능한 효과를 제공한다. 또한, 구동기의 선형적 특성을 유지함으로써, 구동기에서 발생되는 구동력의 안정적인 예측이 이루어지며, 제어의 복잡성이 해소된다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다. 또한, 여기에서 기술된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장매체(예, 단말내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드디스크, 등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예, 단말 내부 마이크로 프로세서)에 의해 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 포함되는 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.

Claims (8)

  1. 코어;
    상기 코어의 중심을 기준으로 상부 및 하부에 대칭형상으로 배치되며, 복수의 권선들이 감겨진 제1코일 및 제2코일;
    상기 코어에 배치된 이동자; 및
    상기 코어에 고정되며, 상기 이동자와 적어도 하나의 공극을 형성하도록 배치된 하나의 영구자석을 포함하고,
    상기 영구자석으로부터 발생하여 상기 이동자를 통해 상기 제1코일 및 제2코일로 흐르는 고정된 자속량을 갖는 직류성분 자속과, 상기 제1코일 및 제2코일에 인가되는 전류에 따라 변화하는 자속량을 갖는 교류성분 자속이 발생하는 동안, 상기 이동자의 위치 이동에 따른 선형성이 유지되는 구조를 가지며,
    상기 제1코일 및 상기 제2코일은,
    상기 하나의 영구자석을 중심으로, 상기 영구자석의 상하 양단에 대칭형 구조로 배치되며,
    상기 하나의 영구자석은,
    상기 이동자의 일측면을, 상기 영구자석의 일극이 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1코일 및 상기 제2코일과 상기 코어의 사이에는 각각의 코일의 절연면의 보호를 위한 제1보빈 및 제2보빈이 더 배치되는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영구자석은 상기 코어의 중앙에 배치되며,
    상기 영구자석은 상기 영구자석과 상기 코어의 본딩에 의한 체결력을 지지하는 영구자석 고정부에 의해 감싸지는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이동자와 상기 제1코일 사이에 형성되는 제1공극, 상기 이동자와 상기 제2코일 사이에 형성되는 제2공극, 상기 이동자와 상기 영구자석 사이에 형성되는 제3공극을 가지며,
    상기 제1 공극 및 제2 공극은,
    상기 이동자를 중심으로 상기 제3 공극과 수직한 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기.
  5. 제1항의 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법으로서,
    직류성분 자속의 공극 모델링 및 자기저항값을 산출하는 단계;
    직류성분 자속의 자속량을 산출하는 단계;
    직류성분 자속의 자속밀도를 산출하는 단계;
    교류성분 자속의 공극 모델링 및 자기저항값을 산출하는 단계;
    교류성분 자속의 자속량을 산출하는 단계;
    교류성분 자속의 자속밀도를 산출하는 단계; 및
    합산된 총 자속 및 자속밀도를 산출하여, 구동기의 구동력을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 자속밀도를 산출하는 단계에서, 동일한 공극길이를 갖는 자속이 흐르는 유효면적을 정의하여 자속밀도 산출에 적용하는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 직류성분 자속의 공극 모델링 및 그 모델링을 이용하여 산출되는 영구자석과 이동자 사이의 공극의 자기 저항값
    Figure 112018056003119-pat00094
    , 하부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값
    Figure 112018056003119-pat00095
    , 상부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값
    Figure 112018056003119-pat00096
    , 상부코어 측면과 영구자석 상부 측면 사이 공극의 자기 저항값
    Figure 112018056003119-pat00097
    , 하부코어 측면과 영구자석 하부 측면 사이 공극의 자기 저항값
    Figure 112018056003119-pat00098
    , 영구자석의 자기 저항값
    Figure 112018056003119-pat00099
    , 및 코어 내부의 자기 저항값
    Figure 112018056003119-pat00100
    는 하기 수학식 11에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법.
    [수학식 11]
    Figure 112018056003119-pat00101

    여기서,
    상기
    Figure 112018056003119-pat00102
    은 영구자석과 이동자 사이의 공극의 퍼미언스이고,
    상기
    Figure 112018056003119-pat00103
    는 직류 성분의 자속만을 고려한 하부 코어와 상기 이동자 사이의 공극에 대한 퍼미언스이며,
    상기
    Figure 112018056003119-pat00104
    는 직류 성분의 자속만을 고려한 상기 이동자와 상부 코어 사이의 공극에 대한 퍼미언스이고,
    상기
    Figure 112018056003119-pat00105
    과
    Figure 112018056003119-pat00106
    는 각각 상부코어 측면과 영구자석 상부 측면 상이 공극의 퍼미언스 및 하부코어 측면과 영구자석 하부 측면 사이 공극의 퍼미언스이며,
    상기
    Figure 112018056003119-pat00107
    은 영구자석의 퍼미언스이고,
    상기
    Figure 112018056003119-pat00108
    는 C자 형태로 구부러진 코어 전체의 길이, 상기
    Figure 112018056003119-pat00109
    는 고정자의 단면적이며,
    상기
    Figure 112018056003119-pat00110
    은 각각 자유공간 상태에서의 투자율, 상기
    Figure 112018056003119-pat00111
    는 무차원 상대 투자율로서 자유공간 상태에서의 투자율값과 특정 재질의 투자율과의 비율임을 특징으로 함.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 교류성분 자속의 공극 모델링 및 그 모델링을 이용하여 산출되는 하부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값
    Figure 112018098559212-pat00112
    , 상부 코어와 상기 이동자 사이 공극의 자기 저항값
    Figure 112018098559212-pat00113
    , 코어 내부의 자기 저항값
    Figure 112018098559212-pat00114
    , 이동자 내부의 자기 저항값
    Figure 112018098559212-pat00115
    는 하기 수학식 20에 근거하여 산출되는 것을 특징으로 하는 수직응력 전자기형 구동기의 자기회로 모델링 방법.
    [수학식 20]
    Figure 112018098559212-pat00116

    여기서,
    상기
    Figure 112018098559212-pat00117
    는 교류 성분의 자속만을 고려한 하부 코어와 상기 이동자 사이의 공극에 대한 퍼미언스이며,
    상기
    Figure 112018098559212-pat00118
    는 교류 성분의 자속만을 고려한 상기 이동자와 상부 코어 사이의 공극에 대한 퍼미언스이고,
    상기
    Figure 112018098559212-pat00122
    는 C자 형태로 구부러진 코어 전체의 길이, 상기
    Figure 112018098559212-pat00123
    는 고정자의 단면적이며,
    상기
    Figure 112018098559212-pat00124
    는 이동자의 길이, 상기
    Figure 112018098559212-pat00125
    는 이동자의 단면적이고,
    상기
    Figure 112018098559212-pat00126
    은 각각 자유공간 상태에서의 투자율, 상기
    Figure 112018098559212-pat00127
    는 무차원 상대 투자율로서 자유공간 상태에서의 투자율값과 특정 재질의 투자율과의 비율임을 특징으로 함.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2001351812A (ja) 2000-06-06 2001-12-21 Mikuni Corp 電磁アクチュエータ及びこれを用いた弁駆動装置並びに位置又は速度センサ
JP2004229345A (ja) 2003-01-20 2004-08-12 Daikin Ind Ltd リニアモータ

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