피로내구 시험용 전자기식 선형 액추에이터의 추력 최적화 연구

Abstract

본 논문은 피로내구 시험용 전자기식 선형 액추에이터의 추력을 증가시키기 위한 최적설계를 연구한 논문이다. 현재 피로내구 시험용 액추에이터에 사용되는 기기는 유압식 액추에이터가 대부분이다. 하지만 유압식 액추에이터는 누유(漏油)에 의한 환경오염이 발생하는 단점이 있고, 다단계로 이루어진 동력전달 메커니즘으로 인한 저 효율성 문제를 지니고 있다. 그래서 피로내구 시험용 기기로 전자기식 선형 액추에이터에 대한 연구가 이루어지고 있다. 전자기식 선형 액추에이터는 누유에 의한 환경오염이 없고, 단순한 동력전달 구조로 고효율성의 장점을 가지고 있다. 하지만 유압식 액추에이터에 비하여 추력이 작은 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 추력을 증가시키기 위하여 전자기식 선형 액추에이터 초기모델을 최적설계 하였다. 초기모델에 비하여 최적모델의 추력이 크게 증가하였지만, 피로내구 시험용에 적용하기 위하여, 추력을 더 증가시키기 위해 전자기식 선형 액추에이터의 초기모델 이동자의 영구자석 구조를 Halbach array 구조로 바꾸어 추력을 증가시켰다. 그리고 추력을 극대화 시키기 위해, Halbach array 모델을 최적화 하는 연구를 수행하였다. 전자기식 선형 액추에이터의 특성해석을 위하여 기계계의 운동방정식을 결합시킨 동특성 유한요소해석이 사용되었다. 동특성 유한요소해석을 위하여 회로방정식 및 운동방정식을 결합하였으며 후퇴차분법을 적용하여 시간미분항을 처리하였다. 최적설계를 위하여 사용된 프로세스는 실험계획 점들이 겹치지 않도록 라틴 방격 추출법을 이용하여 Sampling point를 추출하여 동특성 유한요소해석을 수행하였고, 최적설계 결과의 정확성을 높이기 위하여 해석 결과로부터 방사 기저 함수를 이용하여 근사모델링을 생성하였다. 그리고 생성된 근사모델링으로부터 유전 알고리즘을 이용하여 최적설계를 수행하였다. 설계검증을 위하여 제작되어진 전자기식 선형 액추에이터의 초기모델과 Halbach array 모델의 실험결과와 동특성 유한요소 해석 결과를 비교하였다. 본 논문에서 수행한 최적설계 연구를 통하여, 피로내구 시험용 전자기식 선형 액추에이터를 경량화를 시키면서 추력을 극대화 시킬 수 있음을 보였다.