출력의 최대화를 위해 ‘E’형상의 고정자와 복수의 곡선형 영구자석을 갖는 Spherical Voice Coil Motor의 설계 :Design of Spherical Voice Coil Motor with ‘E’ Shaped Stator and Curved Permanent Magnets for Improving Thrust

양재영

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자료유형: 학위논문

저자정보: 양재영 (아주대학교 )

지도교수: 이문구

발행연도: 2023

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이용수16

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2023

출력의 최대화를 위해 ‘E’형상의 고정자와 복수의 곡선형 영구자석을 갖는 Spherical Voice Coil Motor의 설계

양재영 기계공학과 2023.01 학위논문

2022

E 형상의 요크를 갖는 Spherical Voice Coil Motor의 모델링

양재영 , 이문구 , 전용호 대한기계학회 춘추학술대회 2022.11 학술대회자료

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적응형 광학(Adaptive Optics) 분야의 고속 조향 거울 (Fast Steering Mirror) 은 자유 공간 광통신 체계나 레이저 무기체계에 사용된다. 레이저 빔이 대기 중에 조사되면 대기의 불균일한 습도 및 온도 분포로 인해 레이저빔의 굴절로 인한 tip/tilt 오차가 발생한다. 통신 거리에 따라 다르지만, 대기 난류에 의한 tip/tilt 오차의 주파수 대역은 수백에서 수 kHz 수준으로 이를 보상하기 위해 고속 조향 거울은 고대역폭을 달성해야 한다. 또한, 레이저 빔의 정밀한 지향성을 위해 구동 범위는 수 deg 수준, 구동 정밀도는 수 μrad 이하의 수준을 달성해야 한다. 한편, 고속 조향 거울의 표면 오차는 레이저 파장의 1/10 이하를 유지해야 하는데, 열원인 구동기와 직,간접적으로 연결되어 열관리 또한 중요하다. 따라서 고속 조향 거울에 적용하기 위한 구동기는 큰 구동 범위와 낮은 발열량 및 높은 추력 세 가지를 동시에 만족해야 한다.
이에 본 논문에서는 고속 조향 거울에 적용하기 위한 새로운 구동기를 제안한다. 큰 구동 범위와 선형적인 출력 토크를 만족하기 위해 구동기의 종류는 회전자와 고정자가 구 형상이며 입력대비 출력이 선형적인 Spherical Voice Coil Motor로 채택한다. 본 논문에서 제안하는 Spherical Voice Coil Motor는 낮은 발열량과 높은 출력 토크를 동시에 만족하기 위해 권선의 한 턴당 길이 대비 유효길이가 길도록 ‘E’ 형상의 고정자를 갖는다. 추가로 출력 토크의 최대화를 위해 구동기의 자기 등가 회로와 열 등가 회로를 모델링하고, 최적 설계를 수행하였다. 설계 결과의 출력 토크 상수에 대해 유한요소 해석과 실험결과를 비교하여 검증하였다. 구동 범위는 기존 원통형 Voice Coil Motor를 적용한 고속 조향 거울의 통상적인 구동 범위인 ±10 mrad의 약 13.9배인 ±8 deg를 달성하였으며 발열량 대비 출력은 선행연구 사례 2개에 대해 각각 약 16.6배, 3.27배 개선하였다. 선행연구 사례와의 비교를 통해 본 논문에서 제안하는 Spherical Voice Coil Motor의 실효성을 입증하였다.

Fast steering mirrors in the field of adaptive optics are used in free-space optical communication systems or laser weapon systems. When a laser beam is irradiated into the atmosphere, a tip/tilt error occurs due to refraction of the laser beam due to nonuniform humidity and temperature distribution of the atmosphere. Although it depends on the distance of communication, the frequency band of tip/tilt error due to atmospheric turbulence is hundreds to several kHz, and high-speed steering mirrors must achieve high bandwidth to compensate for this. In addition, for precise orientation of the laser beam, the driving range must be several deg levels and the driving precision must be several μrad or less. On the other hand, the surface error of the high-speed steering mirror should be maintained at less than 1/10 of the laser wavelength, and thermal management is also important as it is directly or indirectly connected to the driver, which is a heat source. Therefore, the actuator for application to the high-speed steering mirror must simultaneously satisfy three things: a large driving range, a low calorific value, and a high thrust.
Therefore, in this paper, we propose a new actuator for application to high-speed steering mirrors. For a large driving range and linear power torque, the type of driver is adopted as a Spherical Voice Coil Motor with rotor and stator and linear power compared to input. The Spherical Voice Coil Motor proposed in this paper has an "E" shape fixture so that an effective length is longer than a length per turn of a winding to satisfy low heating value and high power torque at the same time. In addition, for maximizing the output torque, the magnetic equivalent circuit and the thermal equivalent circuit of the actuator were modeled, and an optimal design was performed. The output torque constant of the design result was verified by comparing the finite element analysis and the experimental results. The driving range achieved ±8 deg, which is about 13.9 times the normal driving range of ±10 mrad of the high-speed steering mirror using the existing cylindrical voice coil motor, and the power compared to the calorific value was improved by about 16.6 times and 3.27 times for the two previous studies, respectively. Through comparison with previous research cases, the effectiveness of the Spherical Voice Coil Motor proposed in this paper was proved.

#VCM #Spherical Actuator #Optimization

제 1 장 서론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 선행연구사례 4
1.3 연구 목표 8
제 2 장 Spherical Voice Coil Motor의 모델링 14
2.1 Spherical Voice Coil Motor의 구조 14
2.2 자기 등가 회로의 모델링 20
2.3 열 등가 회로의 모델링 35
2.4 유효길이의 모델링 41
제 3 장 Spherical Voice Coil Motor의 최적 설계 43
3.1 최적 설계 문제 정의 43
3.2 설계 변수 선정 46
3.3 최적 설계 결과 53
3.4 유한요소 해석을 통한 검증 58
제 4 장 Spherical Voice Coil Motor의 제작 및 실험 61
4.1 출력 토크 측정 실험 61
4.2 Spherical Voice Coil Motor 변위 제어 실험 67
4.2.1 Sensor Kinematic 69
4.2.2 변위 제어 74
제 5 장 결론 및 향후 계획 85
참고문헌 87

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