수직응력식 전자기 구동기의 최적설계와 검증에 관한 연구

Abstract

최근, 항공 우주 분야에서 장거리 통신 및 무선주파수를 이용해 데이터를 송수신하는 기술은 광범위하게 요구되고 있으며 빛이나 전파를 원하는 방향으로 보내기 위한 고속틸팅장치는 주목박고 있다. 고속틸팅장치를 위한 구동기는 크기가 작아야 하며, 전력 소비가 낮아야 한다. 또한, 체적과 무게 대비 큰 구동력을 가지면서 열 상승 문제에서 큰 제약을 받으면 안 된다. 압전형 구동기의 경우 고분해능을 가지며 분진과 마찰이 없고 큰 구동력을 갖지만 행정거리가 짧으며 구동 시 고전압을 요한다. 또한, 짧은 구동 영역과 고대역폭의 특성이 있으며 변위 확대 시 동특성 저하를 갖는다. 일반적으로 쓰이는 보이스 코일 모터는 행정범위와 구조가 단순한 점에서 장점을 보이나 공진주파수가 낮고 열 상승의 폭이 비교적 커 제한된 구동력을 갖는 특성이 있다. 본 연구에서는 압전형 구동기의 큰 요구전압과 짧은 행정거리, 보이스 코일 모터의 낮은 공진주파수와 구동력을 극복하기 위해 수직응력식 전자기 구동기로 극복하였다. 수직응력식 전자기 구동기는 압전형 구동기의 최대 구동범위인 100um부터 1000um사이의 범위에서 보이코일 모터보다 큰 구동력을 갖는다. 이 범위에서 수직응력식 전자기 구동기는 압전형 구동기와 보이스 코일 모터의 한계를 극복 할 수 있다. 수직응력식 전자기 구동기(Normal Stress-type Electromagnetic Actuator : NSEA)는 솔레노이드의 원리와 유사한 구조로 간단하며 요구하는 구동력에 따라 크기 선정에 유연함을 가진다. 수직응력식 전자기 구동기의 발생 구동력을 예측하기 위한 이론모델을 제안하고, 이론모델을 기반으로 발생하는 구동력이 최대가 되는 최적화설계를 통해 허용하는 공간 내에서 최대 구동범위를 만족하는 구동기의 최적 파라미터를 도출하였고 이론모델을 유한요소해석을 통한 검증을 하였다.