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국빈 정
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직선왕복액추에이터의구조에따른설계및특성검토 Design and Characteristic Analysis of Linear Oscillating Actuator with Structure 저자 (Authors) 김해중, 이충성, 홍정표 Hae-Joong Kim, Choong-Sung Lee, Jung-Pyo Hong 출처 (Source) 전기학회논문지

4, 537-544 (8 pages) 발행처 (Publisher) 대한전기학회 The Korean Institute of Electrical Engineers URL http://www.dbpia.co.kr/article/node06241770 APA Style 김해중, 이충성, 홍정표 (2015). 직선왕복액추에이터의구조에따른설계및특성검토.

1 직선왕복액추에이터의구조에따른설계및특성검토 Design and Characteristic Analysis of Linear Oscillating Actuator with Structure 저자 (Authors) 김해중, 이충성, 홍정표 Hae-Joong Kim, Choong-Sung Lee, Jung-Pyo Hong 출처 (Source) 전기학회논문지 64(4), , (8 pages) THE TRANSACTION OF THE KOREAN INSTITUTE OF ELECTRICAL ENGINEERS 64(4), , (8 pages) 발행처 (Publisher) 대한전기학회 The Korean Institute of Electrical Engineers URL APA Style 김해중, 이충성, 홍정표 (2015). 직선왕복액추에이터의구조에따른설계및특성검토. 전기학회논문지, 64(4), 이용정보 (Accessed) 한양대학교 ( 서울 ) /06/02 19:42 (KST) 저작권안내 DBpia 에서제공되는모든저작물의저작권은원저작자에게있으며, 누리미디어는각저작물의내용을보증하거나책임을지지않습니다. 이자료를원저작자와의협의없이무단게재할경우, 저작권법및관련법령에따라민, 형사상의책임을질수있습니다. Copyright Information The copyright of all works provided by DBpia belongs to the original author(s). Nurimedia is not responsible for contents of each work. Nor does it guarantee the contents. You might take civil and criminal liabilities according to copyright and other relevant laws if you publish the contents without consultation with the original author(s).

Characteristic Analysis of Linear Oscillating Actuator with Structure 김해중 * 이충성 * 홍정표 (Hae-Joong Kim Choong-Sung Lee Jung-Pyo Hong) Abstract - This paper provided two types of design method on moving

In order to conduct parametric design process, voltage equation was used to schematize Lmin/K and L/M map, and the schematized map was used to determine Lmin, K or L, M.

2 ISSN (Print) / ISSN (Online) The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers Vol. 64, No. 4, pp. 537~544, 직선왕복액추에이터의구조에따른설계및특성검토 Design and Characteristic Analysis of Linear Oscillating Actuator with Structure 김해중 * 이충성 * 홍정표 (Hae-Joong Kim Choong-Sung Lee Jung-Pyo Hong) Abstract - This paper provided two types of design method on moving core type LOA and one type of design method on moving coil type LOA, and compared and examined each of its characteristics. In order to conduct parametric design process, voltage equation was used to schematize Lmin/K and L/M map, and the schematized map was used to determine Lmin, K or L, M. In order to meet requirements such as thrust force and input voltage and to satisfy the target values of Lmin, K or L, M, the types and sizes of each type were designed using geometry design process. 2-FEA was conducted for each of the designed model. After examining thrust force based on the location of the mover, Type-1 showed radical change in thrust force as movers moved, and Type-2 and Type-3 showed constant appearance of thrust force. The total volume of the designed LOA model was compared to select the model with highest thrust force density. Also, the weight of the mover for each model was compared in order to select the model that was predicted to have highest mechanical responsiveness and stroke characteristics. Key Words : Oscillating, Linear motor, Moving core, Moving coil, actuator 1. 서론오늘날압축펌프, 진동기, 로봇등과같은많은산업분야에서구조가간단하고, 출력밀도및효율이높은단상리니어진동액추에이터 (Linear Oscillatory Actuator, LOA) 의사용이점점더늘어나고있다 [1-4]. 직선왕복운동이필요한분야에일반적으로사용되는회전형액추에이터를사용할경우회전운동을직선운동으로변환하기위해각종기어, 벨트나체인, 캠등의기계적변환기구가필요하고, 이것은시스템의부피증가로이어진다. 그러나리니어진동액추에이터는이러한추가장치가필요하기않기때문에시스템부피가감소하고, 기어나캠등에서발생하는기계손이없기때문에시스템효율을증가시킬수있다. 또한기계적소음을줄일수있고, 운전속도에서도제한을받지않는장점을갖는다 [5-8]. 리니어진동액추에이터는가동자의구성에따라가동철심형, 가동코일형, 가동자석형등으로나눌수있다 [9]. 본논문에서는가동철심형과가동코일형 LOA에대한설계및검토를수행하였다. 두가지타입의가동철심형액추에이터와한가지타입의가동코일형 액추에이터에대해등가자기회로를적용하여역기전력및인덕턴스를산정하고, 전압방정식을이용하여 L/K 파라미터맵을작성하였으며, 이것을통하여액추에이터설계를진행하였다. 설계된모델에대해특성을확인하기위해 2D-FEA를이용하여자속밀도분포및추력을계산하였으며, 각타입의무게및추력특성을비교하였다. 2. Stator Equivalent Magnetic Circuit를이용한 tooth폭 /yoke폭결정본논문에서는가동철심형과가동코일형 LOA에대해설계및검토를진행하였다. 가동철심형 LOA는가동자에리 Stator Type-1 Moving core type Stator Type-2 Corresponding Author : Dept. of Automotive Engineering, Hanyang Univerity, Korea. hongjp@hanyang.ac.kr * Dept. of Automotive Engineering, Hanyang Univerity, Korea. Received : January 16, 2015; Accepted : March 30, 2015 Moving coil type 그림 1 직선왕복액추에이터의검토모델 Fig. 1 Examination model of LOA Stator Copyright c The Korean Institute of Electrical Engineers 537 This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License ( licenses/by-nc/3.0/)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 Stator 루어진여러개의고정자로이루어진다. 그러므로고정자와가동자에감기는코일은토로이드 (toroid) 형태를이룬다. 그림 3은각타입에대한가동자위치에따른자속분포도를보여준다.

2 Lateral and cross-sectional view of LOA Coil2 의인덕턴스최소 드선이필요하지않고, 구조가간단하다.

또한고정자의권선수가많고, 인덕턴스가높기때문에전기적시정수가크고, 역률이나쁜단점을갖는다. 가동코일형 LOA는가동자에리드선이필요하기때문에리드선의피로로인한유지보수가필요하다.

그림 1은본논문에서검토한두가지타입의가동철심형 LOA 와한가지타입의가동코일형 LOA를보여주고있다. Type-1은가동철심형 LOA이다.

고정자에형성되어있는두개의슬롯은 DC 코일이위치하는데, 한쪽코일이 on일때다른쪽코일은 off상태가된다. Type-2 역시가동철심형 LOA이다.

Type-2의가동자위치에따른인덕턴스변화양상은 Type-1과다르며, 그러므로가동자위치에따른토크파형이다를것으로예상할수있다. Type-3은가동코일형 LOA이다.

3 전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 Stator 루어진여러개의고정자로이루어진다. 그러므로고정자와가동자에감기는코일은토로이드 (toroid) 형태를이룬다. 그림 3은각타입에대한가동자위치에따른자속분포도를보여준다. Coil1 Off Center Tooth Coil2 On (a) 측면도 (b) 단면도그림 2 직선왕복액추에이터의측면도및단면도 Fig. 2 Lateral and cross-sectional view of LOA Coil2 의인덕턴스최소 드선이필요하지않고, 구조가간단하다. 또한튼튼하기때문에유지보수가싶고, 고장에강한장점을갖으며, 제작이쉽기때문에제작비용이저렴하다. 그러나고정자와가동자사이의강한흡입력을고려해지지에유의하여야한다. 또한고정자의권선수가많고, 인덕턴스가높기때문에전기적시정수가크고, 역률이나쁜단점을갖는다. 가동코일형 LOA는가동자에리드선이필요하기때문에리드선의피로로인한유지보수가필요하다. 또한가동자에코일이감기기때문에가동철심형 LOA에비해가동자의무게가증가하고, 기계적시정수가나쁜단점을갖는다. 그러나고정자의권선수가가동철심형 LOA에비해적기때문에전기적시정수가작고, 역률이좋은장점을갖는다. 그림 1은본논문에서검토한두가지타입의가동철심형 LOA 와한가지타입의가동코일형 LOA를보여주고있다. Type-1은가동철심형 LOA이다. 가동철심형 LOA는가동자위치에따른자기인덕턴스변화가커야하기때문에 tooth tip이제거되며, 오픈슬롯형태를갖는다. Type-1은 3개의 tooth로고정자가이루어져있고, 가동자는원통형으로이루어져있다. 고정자에형성되어있는두개의슬롯은 DC 코일이위치하는데, 한쪽코일이 on일때다른쪽코일은 off상태가된다. Type-2 역시가동철심형 LOA이다. Type-2는 2개의 tooth를갖는 2개의고정자로이루어져있고, 가동자는 4개의 tooth를갖는다. 독립된두개의고정자에감겨있는 DC코일은한쪽코일이 on상태일때다른쪽코일은 off상태가된다. Type-2의가동자위치에따른인덕턴스변화양상은 Type-1과다르며, 그러므로가동자위치에따른토크파형이다를것으로예상할수있다. Type-3은가동코일형 LOA이다. 3개의 tooth로고정자가이루어져있고, 2개의 tooth로가동자가이루어져있다. 가동자에감겨있는 DC 코일에는가동자의위치에따라 +, -전류가흐른다. 고정자에는서로반대방향의 DC 전류가흐르는코일이감겨있다. Type-3은자기인덕턴스의변화보다는고정자코일과가동자코일의상호인덕턴스변화가추력을발생시키는주요인이기때문에추력의리플을줄이기위해슬롯은 semi-closed slots형태를갖는다. 고정자코일은 Type-1, 2와마찬가지로한쪽코일이 on상태일때다른쪽코일은 off상태가된다. 그림 2는 LOA의측면도와단면도를보여주고있다. 그림에서알수있듯이가동자는원통형태이고고정자는적층철심으로이 이동방향 (a) Type-1 Coil1 Off Coil2 On Coil2의인덕턴스최소 이동방향 (b) Type-2 Coil2 On Coil1 On 이동방향 (c) Type-3 그림 3 직선왕복액추에이터의동작원리 Fig. 3 Operating principle of LOA 538

4 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 4, APR, 2015 Type-1, Type-2는그림에서오른쪽코일이 on 되었을경우가동자가왼쪽에위치할때가장낮은인덕턴스를갖게되고, 자기인덕턴스가증가하는방향인오른쪽방향으로이동하게된다. Type-2는가동자위치에따른추력의파형을개선한형태이고뒤에서자세히다룬다. Type-3은가동자가오른쪽에위치할경우가장낮은상호인덕턴스를갖게되고, 왼쪽으로이동함에따라상호인덕턴스가증가한다. position 1 w 3. stator tooth/yoke 폭에따른유한요소해석 본논문에서 LOA의수학적모델링은정상상태에서의전압방정식과선형조건을가정한등가자기회로법을이용하게되는데, 등가자기회로법을통하여공극자속밀도및인덕턴스등의파라미터와코일의턴수및목표파라미터를만족하는액추에이터의 size가결정된다. 등가자기회로는 main flux path와 fringing flux path을이용하여구성할수있다. 그림 4는 Type-1의각부분에서의 flux path를보여준다. 각부분의 flux path에대한 permeance는그림과같이 4가지형태로나눌수있다. pearmeance 1은다음과같이표현될수있다. <Permeance 1> <Permeance 2> position 2 (1) 여기서은 l 고정자의적층길이이고, μ 0 는진공의투자율이다. pearmeance 2는다음과같이표현될수있다. (2) 여기서 W는고정자의 tooth 폭이고, δ는공극의길이이다. pearmeance 3는다음과같이표현될수있다. (3) Pearmeance 3의길이는 pearmeance 2의절반이기때문에 pearmeance의크기는두배가된다. <Permeance 3> <Permeance 4> 그림 4 Fringing flux path에대한 permeance Fig. 4 Permeance on fringing flux path 여기서 V는입력전압이고, R은권선저항, 는 i 입력전류, L은자기인덕턴스, v는가동자속도이다. 식 (5) 을이용하여다음과같은입력전류수식을유도할수있다. max min min (6) 제한된전압과전류조건과요구되는출력조건을만족하는파라미터를산정하기위해전압방정식을이용한입력전류와출력, 추력등의수학적모델링이필요하다. 가동철심형 LOA의수학적모델링을위한전압방정식은다음식과같이표현될수있다. (4) (5) 여기서 L max 는자기인덕턴스의최대치이고, L min 은자기인덕턴스의최소치이고, K는자기인덕턴스는최대치와최소치의비율이다. LOA의추력은다음과같은식으로표현될수있다. min max (7) 여기서 X max 는가동자의최대변위이다. LOA의추력은자기인덕턴스의최대치와최소치의비율을이용하여산정하였다. LOA 의출력과가동자의속도는다음과같이표현된다. 직선왕복액추에이터의구조에따른설계및특성검토 539

5 전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 max (8) Design Start 여기서는 f 입력전압의주파수이다. 가동코일형리니어액추에이터의전압방정식을이용한수학적모델링을위해자기인덕턴스는일정하고, 상호인덕턴스는선형적으로변화하고, 역기전력과입력전류는동상이라고가정한다. 가동코일형리니어엑추에이터의수학적모델링을위한전압방정식은다음과같은수식으로표현된다. 목표 Lmin/K(L/M) 설정 철심자속밀도설정 코일의권선수및직경결정 (9) 공극및 tooth, yoke 폭결정 여기서 R 1 은가동자코일의권선저항, L 11 은가동자코일의자기인덕턴스, e는역기전력이다. 식 (10) 의전압방정식을이용한입력전류는다음식과같다. ± (10) No FEA를통한검증성능만족? Yes Design End 여기서 w는전기각가속도이다. 그림 5와 6은가동철심형과가동코일형 LOA의설계과정을보여주고있다. 그림 5는 parametric design process를보여주는데, 이단계를수행함으로서 Lmin/K 혹은 L/M map을도식화할수있다. 가동철심형 LOA에대해서는 Lmin/K map을도식화하 No START Lmin/K(L/M) 범위설정 R, 전압, 전류, 최소 Lmin/K(L/M) 입력 특성계산, 저장 K(M) 증가 K(M) > 최대? Yes Lmin(L) 증가 Lmin(L) > 최대? Yes Lmin/K(L/M) 결정 그림 5 Parametric design process Fig. 5 Parametric design process No 그림 6 Geometry design process Fig. 6 Geometry design process 고, 가동코일형 LOA에대해서는 L/M을도식화한다. Lmin/K map을도식화하기위해서는우선 Lmin, K의범위를선정하고, 제한전압과, 전한전류를입력한다. 그리고최소 Lmin과 K에대해액추에이터특성해석을수행하고추력이나, 전류등의데이터를저장한다. Lmin과 K을증가시켜가며반복수행한다. 이와같은과정을거치게되면 Lmin과 K의변화에따른추력이나입력전류등의 characteristic map을도식화할수있다. 마지막으로도식화된 characteristic map을이용하여사양을만족하는 Lmin과 K를결정하게된다. 앞에서 Lmin/K 혹은 L/M map을도식화하여액추에이터의특성을확인하고, 사양을만족하는 Lmin, K 혹은 L, M를결정한후에는결정된 Lmin, K 혹은 L, M를만족하는액추에이터형상설계를수행한다. 그림 6은액추에이터의 geometry design process를보여주고있다. 우선 Lmin, K 혹은 L, M를결정과철심에서의자속밀도의결정이필요하다. 철심에서의자속밀도는높게설정할경우실제제작시에철심의포화로인하여출력특성이설계결과에미치지못할수있으므로철심자속밀도의적절한선택이중요하다. 목표인덕턴스를결정했기때문에필요한권선수와공극및 tooth, yoke폭등을결정할수있다. 액추에이터의연속정격운전을위해서코일의전류밀도는약 5A/mm2 정도에서결정되어야한다. 코일의전류밀도가결정되면코일직경을결정할수있고, 권선수와권선직경이결정되었으므로슬롯면적을결정할수있다. 이와같은과정을통하여액추에이터의형상 / 치수및권선수등이결정되면목표인덕턴스및목표성능을만족하는지확인하기위해 FEA를수행한다. 본논문에서는 2D-FEA를수행하였다. 540

Trans. KIEE. Vol. 64, No. 4, APR, 2015 4.

요구되는 특성을 만족하는 형상 설계가 가능하다. 가동철심형 LOA의 Lmin/K map은 전압방정식을 만족하기 위 한 파라미터인 최소인덕턴스와 인덕턴스비를 산정한다.

가동코일형 LOA의 L/M map은 전압방정식을 만족하기 위한 자기인덕턴스와 상호인 덕턴스를 산정하는데, 이것 역시 입력전류, 추력, 출력에 대해 map산정이 가능하다.

7 Lmin/K map of moving core type LOA map 항목 값 입력전압[Vrms] 200 추력[N] 50 출력[W] 120 입력주파수[Hz] 60 표 1은 Lmin/K map과 L/M map은 산정조건을 나타낸다.

6 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 4, APR, stator tooth/yoke 폭에 따른 유한요소 해석 가동철심형 LOA의 Lmin/K map과 가동코일형의 L/M map은 요구되는 전류, 전압, 출력 등의 특성을 만족하는 파라미터를 결 정하기 위한 방법으로서 이러한 map을 통하여 파라미터가 결정 되면 요구되는 특성을 만족하는 형상 설계가 가능하다. 가동철심형 LOA의 Lmin/K map은 전압방정식을 만족하기 위 한 파라미터인 최소인덕턴스와 인덕턴스비를 산정한다. 입력전류, 추력, 출력은 최소인덕턴스와 인덕턴스비의 함수이므로 이것들의 변화에 대해 각 각의 map산정이 가능하다. 가동코일형 LOA의 L/M map은 전압방정식을 만족하기 위한 자기인덕턴스와 상호인 덕턴스를 산정하는데, 이것 역시 입력전류, 추력, 출력에 대해 map산정이 가능하다. 표 (b) 입력전류 1 Lmin/K map, L/M map의 산정 조건 Table 1 Conditions for calculating Lmin/K map and L/M 그림 7 가동 철심형 LOA의 Lmin/K map Fig. 7 Lmin/K map of moving core type LOA map 항목 값 입력전압[Vrms] 200 추력[N] 50 출력[W] 120 입력주파수[Hz] 60 표 1은 Lmin/K map과 L/M map은 산정조건을 나타낸다. 설 계모델은 개별 구조가 아닌 전체 구조로 해석하고, 고정자 직류 전류는 1A를 인가하다. 추력은 50N이고, 입력전압은 200V, 입력 주파수는 상용주파수 60Hz이며, 최대 stroke는 36mm이다. 철손 과 계손은 무시한다. 가동 철심형은 가동자에 source가 없으므로 가동 코일형에 비 해 높은 입력전류가 필요하고, 동일 최소인덕턴스에서 인덕턴스 (a) 추력 비가 증가할수록 리액턴스 증가로 인해 입력전류 및 추력이 감소 한다. 그림 7은 가동철심형 LOA의 Lmin/K map을 보여준다. (b) 입력전류 그림 8 가동 코일형 LOA의 L/M map (a) 추력 Fig. 8 L/M map of moving coil type LOA 직선 왕복 액추에이터의 구조에 따른 설계 및 특성 검토 한양대학교(서울) IP: Accessed 2016/06/02 19:42(KST) 541

7 전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 그림 7 (a) 는가동철심형 LOA의추력 map이고 (b) 는전류 map 이다. 추력 map에서빨간곡선으로표기된부분이목표추력이고검정색점으로표기된부분이 Type-1과 Type-2에대해 Lmin과 K가결정된값이다. 그림 7 (a) 에서알수있듯이추력은 K가감소함에따라증가하게되는데, 이것은 K가자기인덕턴스의최대치과최소치의비율이고, 입력전압이일정한상태에서 K가감소하면입력전류가증가하게되는데, 추력은입력전류의제곱에비례하기때문이다. 또한 K가일정한조건에서 Lmin이감소하면추력이증가하는데, 이것또한마찬가지로 Lmin이감소하면입력전류가증가하고추력은입력전류의제곱이비례하기때문이다. 그림 7 (b) 는입력전류의양상을나타내는데, 입력전류는추력과비슷한양상을보인다. 이것은입력전류가증가하면추력이증가하기때문이다. 그림 8은가동코일형 LOA의 L/M map을보여준다. 그림 8 (a) 는가동코일형 LOA의추력 map이고 (b) 는전류 map이다. 한 parametric design process와 geometry design process을이용하여설계된가동철심형 LOA와가동코일형 LOA의형상및치수를보여준다. Type-2는가동자에 tooth가존재하기때문에높이즉액추에이터의반경이 Type-1에비해서더크게설계된다. Type-1와 Type-2는한쪽코일이 on되어있을때다른한쪽코일은 off된다. 그러나 Type-3은모든코일은 on상태를유지한다. 이러한이요로 Type-3의권선이용률이 Type-1이나 Type-2보다높게나타나고, 결국 Type-3의체적이다른타입에비해작게설계된다. 표 2는설계된 3가지모델의치수및권선수, 인덕턴스등의설계결과를보여준다. 표에서알수있듯이적층길이는 Type-2가다른타입에비해가장작지만액추에이터의높이즉반경은가장크다. 그리고 Type-3의적층길이가다른타입에비해가장길지만액추에이터의높이는가장작다. Type-3은고정자와가동자에서권선수를나누어갖기때문에고정자의권선수가가장작다. EMC을이용하여계산한인덕턴스와 FEA을이용하여계산한인덕턴스을비교한결과큰오차를보이지않음을알수있다. 즉 EMC를이용한설계의신뢰성을확인할수있다. 표 2 검토모델의설계결과및인덕턴스 Table 2 The design result and inductance of the examined model (a) Type-1 항목 Core type Coil type Type-1 Type-2 Type-3 적층길이 [mm] 공극 [mm] 0.5 권선수 /411 점적률 ( 나선 )[%] 40 (b) Type-2 전류밀도 [A/mm 2 ] 5 자기인덕턴스 (EMC/FEA) [mh] 상호인덕턴스 (EMC/FEA) [mh] 최소치 0.28/ /0.22 최대치 1.34/ /1.2 최소치 - - 최대치 / /0.48 (c) Type-3 그림 9 설계모델의형상및치수 Fig. 9 The structure and the size of the design model 그림 8 (a) 에서알수있듯이추력은자기인덕턴스가증가함에따른빠르게감소하고, 상호인덕턴스의변화에대해서는변화양상이일정지점까지느리게나타나다가일정지점이후에는빠르게감소한다. 그림 8 (b) 에서입력전류는추력과비슷한양상을보이지만좀더완만한곡선을이룬다. 그림 9은앞에서제시 그림 10은 2D-FEA를이용하여산정한가동철심형 LOA와가동코일형 LOA에대한각모델의철심자속밀도분포를보여준다. 각모델의설계시에고정자와가동자의 tooth 및 yoke에서의자속밀도는 1.3T로가정하고설계를진행하였는데, FEA결과각모델의각부분에서가정한자속밀도와약간의오차를보임을알수있다. 오차의원인은철심의비선형을고려하지않았고, fringing flux path를정확히반영하지못하였기때문으로생각된다. 542

Trans. KIEE. Vol. 64, No. 4, APR, 2015 1.27T 80 (a) Type-1 1.45T 1.24T Thrust force [N] 60 40 20 1.22T 1.20T 0 0 4 8 12 16 20 24 Displacement [mm] (c) Type-3 (b) Type-2 1.21T 그림 11 가동자위치에따른추력 Fig.

10 Distribution of flux density in stator and mover Thrust force [N] 80 60 40 20 0 0 4 8 12 16 20 24 Displacement [mm] 80 (a) Type-1 그림 11은 2D-FEA를이용하여산정한가동철심형 LOA와가동코일형 LOA에대한각모델의가동자위치에따른추력계산결과를보여준다.

Flux path을이루는두개의 tooth는직렬관계이기때문에가동자가이동함에따라인덕턴스의변화는일정하다. 표 3 검토모델의해석결과및설계결과 Table 3 Results of analysis and design of the examined model 항목 Core type Coil type Type-1 Type-2 Type-3 축방향길이 [mm] 117.

8 Trans. KIEE. Vol. 64, No. 4, APR, T 80 (a) Type T 1.24T Thrust force [N] T 1.20T Displacement [mm] (c) Type-3 (b) Type T 그림 11 가동자위치에따른추력 Fig. 11 Thrust force wave according to the location of the mover 1.32T 1.27T 1.32T (c) Type-3 그림 10 고정자및가동자에서의자속밀도분포 Fig. 10 Distribution of flux density in stator and mover Thrust force [N] Displacement [mm] 80 (a) Type-1 그림 11은 2D-FEA를이용하여산정한가동철심형 LOA와가동코일형 LOA에대한각모델의가동자위치에따른추력계산결과를보여준다. Type-1은가동자가 e기위치일때높은추력을나타내다가인덕턴스가증가하는방향으로이동함에따라추력이선형적으로감소하는특성을보인다. 이것은고정자에서두개의 tooth가자기회로적으로병렬관계이고, 나머지한개의 tooth가직렬관계이므로나타나는양상이다. 이러한특성을개선하기위해 Type-2는 tooth의자기적병렬관계를사용하지않았다. Flux path을이루는두개의 tooth는직렬관계이기때문에가동자가이동함에따라인덕턴스의변화는일정하다. 표 3 검토모델의해석결과및설계결과 Table 3 Results of analysis and design of the examined model 항목 Core type Coil type Type-1 Type-2 Type-3 축방향길이 [mm] 적층길이 [mm] 가동자반경 [mm] 전체체적 [m 3 ] 1.75E E E-3 입력전류 [Adc] /1.2 평균추력 (FEA)[N] 가동자질량 [kg] Thrust force [N] Displacement [mm] (b) Type-2 그결과 Type-2의추력은일정한양상을보인다. Type-3은가동자가이동함에따라상호인덕턴스의변화가일정하기때문에추력역시일정한양상을보인다. 표 3은가동철심형 LOA와가동코일형 LOA의평균추력및전체체적, 가동자질량을보여준다. 평균추력이 EMC를이용하여계산한결과와오차가발생하는원인은 fringing flux path를정확히반영하지못하였기때문으로생각된다. 액추에이터전체체적은코일이용률이높은가동코일형 LOA Type-3이가장작다. 그러나응답성및 stroke와밀접한관계가있는 직선왕복액추에이터의구조에따른설계및특성검토 543

전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 가동자의질량은 Type-1이가장작은것으로나타났다. 즉엑추에이터의추력밀도는 Type-3이가장높고, 기계적응답성및 stroke 특성은 Type-1이우수할것으로판단된다. 6. 결론본논문에서는두가지타입의가동철심형LOA와한가지타입의가동코일형 LOA에대해설계방법을제시하고각각의특성을비교및검토하였다.

9 전기학회논문지 64 권 4 호 2015 년 4 월 가동자의질량은 Type-1이가장작은것으로나타났다. 즉엑추에이터의추력밀도는 Type-3이가장높고, 기계적응답성및 stroke 특성은 Type-1이우수할것으로판단된다. 6. 결론본논문에서는두가지타입의가동철심형LOA와한가지타입의가동코일형 LOA에대해설계방법을제시하고각각의특성을비교및검토하였다. fringing flux path을고려한등가자기회로를구성하여퍼미언스 ( 인덕턴스 ) 를산정하다. parametric design process을진행하기위해전압방정식을이용하여 Lmin/K과 L/M map을도식화하였으며, 도식화된 map을이용하여 Lmin, K 혹은 L, M을결정하였다. 추력및입력전압등의요구사양을달성하고, 목표치인 Lmin, K 혹은 L, M을만족시키기위해 geometry design process을통한각타입의형상및치수를설계하였다. 설계된각모델에대해 2-FEA을수행하고, 가동자의위치에따른추력을확인한결과 Type-1은가동자가이동함에따라추력이급격히변화하였고, Type-2와 Type-3은일정한추력양상을보였다. 액추에이터의추력밀도는전체체적이작은 Type-3 이가장높고, 기계적응답성및 stroke 특성은가동자의질량이작은 Type-1이가장우수할것으로판단된다. References [1] Z. Q. Zhu, X. Chen, Analysis of an E-Core Interior Permanent Magnet Linear Oscillating Actuator, IEEE Trans. Magn., vol. 45, no. 10, pp , Oct [2] R. Redlich, A Summary of Twenty Years Experience With Linear Motors and Alternators, Sunpower Inc., 1995 [Online]. Available: [3] K. B. Park, E. P. Hong, and H. K. Lee, Development of a linear motorfor compressors of household refrigerators, in Proc. 3rd Int. Symp. Linear Drives for Industry, pp , Japan, [4] T. Mizuno, Y. Bu, M. Ohkubo, F. Tsuchiya, and H. Yamada, Static thrust analysis of a moving magnet linear oscillatory actuator for vibration cancel system, inproc. 5th Int. Symp. Linear Drives for Industry Applications, pp , Japan, [5] Sang-Baeck Yoon, In-Soung Jung, Ki-Chan Kim, Dong-Seok Hyun, Dynamic Analysis of a Reciprocating Linear Actuator for Gas Compression Using Finite Element Method, IEEE Trans. Magn., vol. 33, no. 5, pp , Sep [6] Sung-Ho Cho, Duk-Hyun Kim, Gyu-Tak Kim, Design and Characteristic Analysis of Moving Magnet Type Linear Oscillatory Actuator with Spring Damper, Trans. KIEE, vol. 52B, no, 1, pp , Jan [7] Duk-Hyun Kim, Sang-Joon Eum, Gyu-Hong Kang, Jung-Pyo Hong, Gyu-Tak Kim, Design and Characteristic Analysis of Moving Coil type Linear Oscillatory Actuator Considering Unbalanced Magnetic Circuit, Trans. KIEE, vol. 49B, no. 6, pp , Jun [8] K. Hae-Joong, Y. Myung-Hwan, H. Jung-Pyo, Design and Performance analysis of Moving-coil type Linear Actuator, Electrical Machines and Systems (ICEMS), 2011 International Conference on, pp. 1-4, Aug [9] Daiki Ebihara, Masaya Watada, Development of A single-winding Linear Oscillatory Actuator, IEEE Trans. Magn., vol. 28, no. 5, pp , Sep 저자소개 김해중 (Hae-Joong Kim) 1979년 1월 29일생, 2008년서울산업대학교전기공학과졸업, 2010년한양대학교대학원자동차공학과졸업 ( 석사 ), 2010년 현재한양대학교자동차공학과재학 ( 박사과정 ) joong1979@hanyang.ac.kr 이충성 (Choong-Sung Lee) 1973년 3월 20일생, 2000년인하대학교자동화공학과졸업, 2002년동경 ( 일본 ) 대학교대학원기계지능공학과졸업 ( 석사 ), 2013년 현재한양대학교자동차공학과재학 ( 박사과정 ) leecstar@hanyang.ac.kr 홍정표 (Jung-Pyo Hong) 1959년 4월 17일생, 1983년한양대학교전기공학과졸업, 1985년동대학원전기공학과졸업 ( 공학석사 ), 1985년 1990년 LG 정밀 ( 주 ) 중앙연구소주임연구원, 1990년 1992년삼성전기 ( 주 ) 종합연구소선임연구원, 1995년동대학원전기공학과졸업 ( 공학박사 ), 1996년 2006년창원대학교전기공학과부교수, 2006년 2008년한양대학교기계공학부부교수, 2008년 현재한양대학교미래자동차공학과교수, 2002년 현재 IEEE Senior member hongjp@hanyang.ac.kr 544

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DBPIA-NURIMEDIA 한국소음진동공학회 2015추계학술대회논문집년 Study of Noise Pattern and Psycho-acoustics Characteristic of Household Refrigerator * * ** ** Kyung-Soo Kong, Dae-Sik Shin, Weui-Bong Jeong, Tae-Hoon Kim and Se-Jin Ahn Key Words