수동형 마그네틱 베어링 지지 스텝 모터의 동특성 해석 및 설계

Abstract

본 논문에서는 자기 진단 및 응급대처가 가능한 지능형 액추에이터의 개발일환으로, 영구자석형 수동형 셀프베어링 모터의 설계와 시스템 동특성에 관하여 소개한다. 그 분야에 있어서, 국외에서의 셀프-베어링 모터에 대한 연구는 스위스, 미국, 일본 등을 중심으로 수행중이며 하드디스크, 항공 우주 산업, 인공 심장이나 의료 기기와 같은 초소형 정밀 시스템에 적용을 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 국내에서는 인공심장, 항공 우주, 의료기기와 같은 분야의 지능형 액추에이터 사용이 요구되나 개발이 미비한 실정이며 KAIST, 충남대에서 지능형 액추에이터의 이전 단계인 셀프-베어링 모터에 관한 연구가 진행 중에 있으며 이는 초소형 시스템에의 적용과 내장형 센서 개발에 문제점을 지니고 있다. 즉, 기존에 대부분의 시스템으로 연구되었던 능동형 셀프베어링은 비접촉 변위센서, 전류증폭기를 사용하여 부수장치의 수가 증가하고, 또한 능동형 마그네틱 베어링의 기본원리를 이용하므로 크기가 또한 커지는 단점이 있다. 본 논문에서 소개될 수동형 마그네틱 베어링 지지 스텝모터는, 위의 능동형 마그네틱 베어링부에서 발생하는 문제들을 해결하고자 자기부상에 있어서 전류증폭기 등의 부수장치가 필요 없는, 영구자석만의 반발을 이용한 수동형 자기베어링을 채택하고자 한다. 그리고 동시에 영구자석과 모터코어의 접촉으로 인한 자속손실을 최소화 하며, 부상효율을 높이기 위한 영구자석 구조를 제안하여 소형이면서 복잡한 장치가 필요하지 않으면서도 기존 스텝모터로서의 성능이 유지되도록 하는 수동형 마그네틱 베어링 지지 스텝모터의 연구를 목적으로 한다. 그 내용으로 영구자석의 반발력을 이용하여 축을 부상시키며, 모터가 회전 시에 외부로부터의 충격 또는 로터의 공진주파수로 인한 진동 저감 등 베어링으로서의 역할을 충분히 유지하기 위해 영구자석 간에는 할바크 배열 을 사용하여 부상 효율을 증가시켰다. 또한 할바크 배열은 영구자석과 요크의 접촉으로 인한 자속 손실을 감소시켜 축의 반발특성을 향상시키며, 이러한 특성으로 모터부의 코어부와 접촉할 수 있게 되므로, 기존의 수동형 셀프베어링의 모터 코어가 베어링부(영구자석형)에 부착된 요크간의 거리를 두어야만 했던 시스템과 비교해 볼 때, 소형화의 장점이 있다. 제안된 액추에이터의 동특성 해석에 대한 방법은 맥스웰(Maxwell, ver.10) 유한요소 프로그램을 사용하였고, 수동형 마그네틱 베어링 지지 스텝모터 시스템에서의 자기부상효과로 할바크 배열에 관한 반발특성을 해석 및 측정하였으며, 모터부로서는 스텝모터의 원리를 적용하여 그 토크특성을 해석하였다. 해석 결과, 제안된 모터는 로터 지지 강성계수가 8.8N/mm 이고 토크 특성 역시 기존 스텝모터와 유사하였으며, 해석 및 실험결과로 판단할 때 할바크 배열을 사용하여 영구자석을 베어링으로 사용한 구조는 영구자석 자속 및 모터 토크특성 손실이 없음을 확인하여 수동형 자기부상 모터로써의 가능성을 입증하였다.; From the mid-1990s, self - bearing motor which lively study is achieved were combined magnetic bearing and motor functionally, and structure is united. Therefore, we have the application of bearing motor, as one's object self, to small motor system (ex: Mechanical heart) that function of magnetic bearing is required urgently mainly. That is, although self - bearing motor is excellent advantage than existent roller bearing or journal bearing, it is developed, as the alternative, to overcome shortcoming of magnetic bearing which is difficult to be materialized small size and light weight. By the way, these self - bearing motors mostly are systems that use basic of most Active Magnetic Bearing (AMB). As well as AMB needs non-contact displacement sensor and electric current amplifier, flux for levitation control and flux for rotation pass together in air gap between stator and rotor. Therefore, in AMB, control system embodiment that considers flux density distribution is complex relatively. Levitation force and rotation torque are controlled separatively by each control current theoretically, but it needs to study for stability of rotor and reliability improvement of system because coupling effect is occurred between two control currents actually at high speed system. This paper proposes a new Step Motor supported by Passive Magnetic Bearings(or passive self-bearing motor (PSBM)) which is applied Passive Magnetic Bearing (PMB). Principle does rotor axis be levitated to use levitation force between two pairs of permanent magnet, and rotate by installed additional motor in central part. In these structures, each system must keep more or less distance to avoid flux between permanent magnet and motor for levitation, so there is a limit to miniaturization of system. When designing system should be consider screening of flux by permanent magnet which is mounted on motor part offers negative stiffness to system, there is shortcoming that together both permanent magnets for levitation must be bigger for increase of torque. On the other hand, because a Step Motor supported Passive Magnetic Bearings in this paper uses flux of permanent magnet for repulsive and levitation as bias flux for rotation. There is profitable advantage to miniaturize systems because motor and PMB unit are united. For levitation force increase and flux masking, Halbach array is applied to PMB part , and motor has characteristic to get torque to use levitation force distribution change although it's structure be identical with general step motor. In this paper, we introduce the basic structure and the operating principle in detail, and show some results of FEM analysis to predict the performance of the proposed Step Motor supported by Passive Magnetic Bearings and further.