대칭형 고정자를 갖는 원통형 보이스 코일 모터 설계

Abstract

보이스 코일 모터는 대표적인 로렌츠 힘을 이용하는 구동기로 영구자석과 요크에 의해 형성되는 자기장과 코일에 흐르는 전류에 의해 힘이 발생한다. 이때 힘은 영구자석과 요크의 길이, 두께, 코일의 턴 수, 공극의 길이 등의 기하학적 매개변수로부터 퍼미언스법을 이용하여 계산할 수 있다. 퍼미언스법은 자기 저항의 역수인 퍼미언스를 이용하여 전자기요소의 특징을 수학적으로 나타내는 방법이다. 수학적으로 표현된 자기 모델로부터 공극에 흐르는 자기장의 크기를 계산하고 코일에 흐르는 전류를 이용하여 모터의 힘을 계산한다. 보이스 코일 모터는 고속 구동 정밀 시스템에 작동기로 널리 사용된다. 보이스 코일 모터는 전기적인 입력과 출력 힘의 선형적인 특성, 빠른 응답 특성, 소형화 그리고 마찰과 백래쉬가 없어 높은 정밀도와 신뢰도를 갖는 장점이 있다. 이러한 장점들 때문에 하드 디스크 드라이브, 자동 초점 카메라 모듈, 정밀 구동 스테이지와 같은 높은 정밀도를 요구하는 기구들에 사용된다. 또한 최근에는 의료용 치아 스캐너, 내시경 장비에 비교적 반경이 작고 길이가 긴 형태의 정밀 구동기가 요구된다. 이러한 컴팩트한 구동기를 설계하기 위해서는 정확한 설계 모델이 필요하며, 기존 VCM의 약점을 보완할 새로운 구조가 필요하다. 본 논문에서는 원통형 보이스 코일 모터에 있어서 원통의 종횡비가 크면서도 적절한 힘을 내기 위한 대칭적인 고정자를 갖는 원통형 보이스 코일 모터를 제안하고 설계 방법을 제시한다. 대칭적인 고정자를 갖는 원통형 보이스 코일 모터의 자기 특성을 분석하고 요크와 코일의 기하학적 배치에 따라 퍼미언스법을 이용하여 전자기력 모델을 도출하고 이를 적용하여 최적설계를 수행하고자 한다. 설계변수분석을 통해 공극에 흐르는 자속밀도와 보이스 코일 모터의 힘을 분석하고 유한요소해석 결과와 비교한다. 최종적으로 최적 설계 결과를 바탕으로 실제 제작하여 모델의 타당성을 검증한다.