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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 서울대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수10
이 논문의 연구 히스토리 (6)
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본 논문에서는 로봇 관절용 전동기의 성능 개선을 위해 기존에 사용되던 Surface-mounted permanent magnet synchronous motor(SPMSM)를 Vernier permanent magnet synchronous motor(VPMSM)로 대체하는 것을 제안하였고, 버니어 영구자석 전동기를 설계하는데 필요한 가이드 라인을 제안하였다. 가이드 라인을 통해 설계한 로봇 관절용 VPMSM과 기존 로봇 관절용 SPMSM의 성능을 비교 분석함으로 로봇 관절용 전동기에 VPMSM 적용 타당성을 검증하였다.
작은 크기에 제어 정밀성을 요구하는 로봇 관절용 전동기의 효율을 개선하기 위해서 구조가 간단하고 제어 정밀성이 높으면서 높은 토크 특성을 가지는 전동기가 필요하다. 본 논문에서는 자계변조 효과를 통해 간단한 구조와 높은 토크 성능을 가지는 VPMSM이 적합하다고 판단하였다.
자계변조 효과를 사용하는 VPMSM은 일반 전동기와 다른 특성을 가져 설계 시 차이점이 발생한다. 특히 권선계수는 전동기의 기전력을 예측할 수 있게 해주는 계수인데, 자계변조 효과에 의해 기전력 특성이 달라지는 VPMSM은 기존 권선계수 계산법을 적용하는 것이 부적합하다. 그러므로 자계변조 효과를 고려하기 위해 본 논문에서는 VPMSM의 원리에 기반하여 해석적 기법을 적용해 VPMSM에 적합한 권선계수를 제안하였다. 제안한 권선계수는 서로 다른 극 슬롯 조합의 전동기의 유한요소법(Finite element method : FEM)과 해석 결과를 통해 검증하였다. 본 논문에서는 VPMSM의 종류에 따른 특성, 극 슬롯 조합에 따른 권선계수 및 적정 슬롯 폭, 극 슬롯 조합에 따른 손실 특성을 통해 VPMSM의 설계 가이드 라인을 제안하였다.
다음으로 최적 설계를 위해 높은 정확성과 수렴 속도를 가지는 최적화 알고리즘(Social insect optimization algorithm : SIOA)을 제안하였다. 제안한 알고리즘의 정확성 및 수렴 속도는 여러 시험함수에 대한 탐색 결과를 기존에 널리 사용되고 있는 알고리즘들의 결과와 비교를 통해 검증하였고 그 우수성을 확인하였다.
제안한 VPMSM 설계 가이드 라인을 통하여 로봇 관절용 전동기의 요구 사항을 만족하는 VPMSM의 상세 설계안을 도출하였고, 제안한 최적화 알고리즘을 통하여 다양한 설계 변수에서도 요구 조건을 만족시키는 최적 설계 안을 도출하였다.
마지막으로, 본 연구에서 설계한 로봇 관절용 VPMSM의 설계 결과를 검증하고 기존 로봇 관절용 SPMSM보다 효율이 개선되는 것을 확인하기 위하여 시험용 전동기를 제작하였고 설계 결과 및 효율 개선을 시험적으로 검증하였다. 이를 통하여 향후 저속 고 토크 어플리케이션에 사용되고 있는 전동기를 VPMSM으로 대체하여 설계하는데 도움을 주고자 한다.
작은 크기에 제어 정밀성을 요구하는 로봇 관절용 전동기의 효율을 개선하기 위해서 구조가 간단하고 제어 정밀성이 높으면서 높은 토크 특성을 가지는 전동기가 필요하다. 본 논문에서는 자계변조 효과를 통해 간단한 구조와 높은 토크 성능을 가지는 VPMSM이 적합하다고 판단하였다.
자계변조 효과를 사용하는 VPMSM은 일반 전동기와 다른 특성을 가져 설계 시 차이점이 발생한다. 특히 권선계수는 전동기의 기전력을 예측할 수 있게 해주는 계수인데, 자계변조 효과에 의해 기전력 특성이 달라지는 VPMSM은 기존 권선계수 계산법을 적용하는 것이 부적합하다. 그러므로 자계변조 효과를 고려하기 위해 본 논문에서는 VPMSM의 원리에 기반하여 해석적 기법을 적용해 VPMSM에 적합한 권선계수를 제안하였다. 제안한 권선계수는 서로 다른 극 슬롯 조합의 전동기의 유한요소법(Finite element method : FEM)과 해석 결과를 통해 검증하였다. 본 논문에서는 VPMSM의 종류에 따른 특성, 극 슬롯 조합에 따른 권선계수 및 적정 슬롯 폭, 극 슬롯 조합에 따른 손실 특성을 통해 VPMSM의 설계 가이드 라인을 제안하였다.
다음으로 최적 설계를 위해 높은 정확성과 수렴 속도를 가지는 최적화 알고리즘(Social insect optimization algorithm : SIOA)을 제안하였다. 제안한 알고리즘의 정확성 및 수렴 속도는 여러 시험함수에 대한 탐색 결과를 기존에 널리 사용되고 있는 알고리즘들의 결과와 비교를 통해 검증하였고 그 우수성을 확인하였다.
제안한 VPMSM 설계 가이드 라인을 통하여 로봇 관절용 전동기의 요구 사항을 만족하는 VPMSM의 상세 설계안을 도출하였고, 제안한 최적화 알고리즘을 통하여 다양한 설계 변수에서도 요구 조건을 만족시키는 최적 설계 안을 도출하였다.
마지막으로, 본 연구에서 설계한 로봇 관절용 VPMSM의 설계 결과를 검증하고 기존 로봇 관절용 SPMSM보다 효율이 개선되는 것을 확인하기 위하여 시험용 전동기를 제작하였고 설계 결과 및 효율 개선을 시험적으로 검증하였다. 이를 통하여 향후 저속 고 토크 어플리케이션에 사용되고 있는 전동기를 VPMSM으로 대체하여 설계하는데 도움을 주고자 한다.
목차
제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 및 필요성 11.2 연구 내용 및 구성 6제 2 장 로봇 관절용 전동기 및 버니어 영구자석 전동기 특성 82.1 로봇 관절용 전동기 82.2 버니어 영구자석 전동기 102.2.1 버니어 영구자석 전동기 원리 15제 3 장 버니어 영구자석 전동기 설계 고려 사항 313.1 버니어 영구자석 전동기 종류 및 특성 313.1.1 기본형 버니어 영구자석 전동기 313.1.2 자계변조 극 버니어 영구자석 전동기 333.2 극, 슬롯 조합에 따른 버니어 영구자석 전동기 특성 393.2.1 버니어 영구자석 전동기 극 슬롯 조합 393.2.2 버니어 영구자석 전동기의 권선계수 423.3 버니어 영구자석 전동기의 손실 특성 533.3.1 버니어 영구자석 전동기의 손실 특성 분석 533.3.2 버니어 영구자석 전동기 및 표면 부착형 영구자석 전동기 손실 비교 55제 4 장 버니어 영구자석 전동기의 최적 설계 684.1 최적화 알고리즘 704.2 시험 함수를 이용한 알고리즘 성능 검증 764.3 로봇 관절용 버니어 영구자석 전동기 상세 설계 814.3.1 로봇 관절용 표면 부착형 영구자석 전동기 설계 과정 814.3.2 로봇 관절용 버니어 영구자석 전동기 상세 설계 854.3.3 로봇 관절용 버니어 영구자석 전동기 최적 설계 87제 5 장 시험용 전동기의 제작 및 실험 955.1 시험용 버니어 영구자석 전동기 제작 955.2 시험용 버니어 영구자석 전동기와 표면 부착형 영구자석 전동기 시험 및 결과 비교 97제 6 장 결론 및 향후 연구 계획 1056.1 결론 1056.2 향후 연구 계획 106참고 문헌 108Abstract 117
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