다양한 선형 액추에이터 전자기장 해석을 해보자

 

전기기기 해석 어플리케이션에 큰 카테고리 중 하나인 액추에이터는 다양한 기기에 탑재되어 특정 매체를 이동 시키거나 진동하는데 사용된다. 스피커, 카메라, 정밀 이송기기에는 주로 보이스 코일 모터(VCM, Voice Coil Motor) 타입으로 사용되며, 진동 기기는 영구자석형 액추에이터(PMA,Permanent Magnet Actuator)가 많이 사용된다. 또한 유공압밸브에 솔레노이드 타입에 액추에이터가 사용된다. 사용 분야에 따라 주로 사용되는 타입을 말한 것이며, 사용 용도와 요구되는 성능 특성에 따라 다양한 액추에이터가 사용된다. 이번호에서는 크게 3가지 타입의 다양한 액추에이터 모델 중 VCM를 소개하고, Ansys Maxwell를 가지고 해석 절차와 성능 해석에 대해 알아보고자 한다.

 

서론

우리 주변에는 다양한 액추에이터가 숨겨져 있다. 늘 휴대하고 있는 스마트폰이나 이어폰에도 소리를 전달하는 마이크로 스피커, 진동 기기가 있으며 이들도 액추에이터 분류에 속한다. 이러한 액추에이터는 구동자, 즉 움직이는 매체가 어떤 역할을 하는지에 따라 거동 특성을 확인할 지표가 다르다. 가령 촉감을 전달하는 진동 기기인 경우, 구동자가 공진 주파수에서 발생하는 진동력을 확인하는 것이 중요하며, 소리를 전달하는 스피커인 경우 가청 주파수 대역 내 SPL(Sound Pressure Level)수준을 확인하는 것이 중요하다. 때문에 제품 개발자들은 구동자에서 발생하는 힘의 원리를 이해하고 해석을 통해서 성능을 확인할 필요가 있다. 

또한 제품의 원가 절감 활동이나 성능 개선, 또는 변경된 환경 조건에서 정격 사양이 만족되는지 판단할 수 있는 근거로 전자기장 해석 결과가 사용된다. 가령 솔레노이드 같은 경우 외관 케이스 두께에 따라 자속 포화 정도가 달라지며 고정된 전류 사양으로는 원하는 자기력 성능이 도출되지 않아 동작이 안 될 우려도 있다. 사용 온도 조건이 높아져 코일의 저항 값이 올라감에 따라 정전압으로 구동 시 인가되는 전류도 감소가 되기 때문에 코일이나 입력 전원 설계 조건을 변경할 필요가 있다. 이러한 성능에 직접적인 문제가 되는 조건들을 해석으로 미리 대처할 수 있으며, 가상의 시험 조건으로 다양한 거동 특성들이 도출될 수 있다.

 

Actuator 분류

저자가 해당 용어를 학술적으로 정확하게 분류하기 어렵지만, 일상에서 접한 액추에이터를 간단하게 정리해 보고자 한다. 전자기 에너지가 기계 운동 에너지로 변환되는 과정에서 움직이는 대상이 힘의 합력 방향과 평행하게 이동하는 VCM, Solenoid, Linear Motor 등이 있다. 다른 유형으로 움직이는 대상이 힘의 방향과 평행이 아닌, 특정 방향 벡터, 모멘트로 거동하는 회전 모터가 있다.

자동차 부품 업체에서는 [그림 1]처럼 회전 모터와 랙 및 피니언(Rack and Pinion) 모듈을 통해 회전 운동을 직선 운동으로 변환하는 기기를 같이 액추에이터로 부른다.

 

 

[그림 1] 와이퍼 액추에이터 구동부(랙&피니언 방식)

  

모바일 부품 업체에서는 [그림 2]의 VCM, PMA 등을 액추에이터라 부른다.

 

[그림 2] 액추에이터

 

VCM(Voice Coil Motor) 자기력 해석

VCM은 코일에 인가된 전류로 발생한 자기 에너지를 기계 운동 에너지로 변환하는 구조이다. 아래와 같은 수식으로 코일에서 발생하는 로렌츠 힘(Lorentz Force)을 정의 할 수 있다. 

 

 

자기장 영역을 생성하는 동시에 자성체 내부로 제한을 두기 위해서는 자기 회로와 코일 설계가 요구된다. 아래 수식처럼 자기 회로 내 자기 저항을 산출할 수 있다.

 

자기 저항은 길이에 비례하고 면적에 반비례 하며, 자성체가 자화 정도를 나타내는 상수인 투자율(permeability)에 의해 표현할 수 있다.

 

  

 

내용을 정리하자면, VCM 설계 고려 사항은 권선 설계를 통해 기자력을 높이고, 자기 회로 내 자기 저항을 낮춤으로써, 로렌츠 힘을 증가시키는 방향으로 설계된다. 물론 단순 로렌츠 힘을 증가시키는 것도 중요하며 사용 목적에 따라 구동 영역(Stroke) 내 자기력 분포도 함께 고려되야 사용 환경 및 조건에 맞출 수 있다.

이번 호에서 다룰 VCM은 [그림 3]과 같은 정밀 이송 스테이지에 사용되는 모듈이다. VCM과 고강성 단축 이송 스테이지 그리고 위치 엔코더로 구성된 이송 스테이지는 다양한 측정 기기에 주로 사용된다.

 

[그림 3] Voice Coil Motor Assemble

  

[그림 4]는 스테이지 조립품에서 VCM 만 분해한 사진이다. 단일 코일, 즉 단방향으로 감긴 코일로 구성된 VCM 현재 모델과 서로 반대 방향으로 감겨 2개의 코일로 구성된 VCM 모델 2개를 비교한다. 제작 시 같은 방향으로 감긴 코일을 사용하되, 권선 시 시작 코일과 끝 코일을 외부에서 반대로 연결하면 된다.

 

[그림 4] VCM 2극 2개 코일 제작품

  

[그림 5]는 Ansys Maxwell 상에서 모델링한 VCM 형상이다. 축대칭 2D 모델은 3D로 변환이 가능하며, 그 반대 역시 가능하다. 

 

[그림 5] VCM 부품 형상

  

[그림 6]은 권선 타입별 VCM 형상이다. 좌측 구조는 단일 권선 구조, 우측 구조는 2개의 권선과 2개의 자석으로 구성되어 있다. 2개의 자석을 사용한 VCM 같은 경우, 같은 극(S극)을 맞닿게 배치하는 할바(Halbach) 구조이다. 

 

 [그림 6] 해석 모델((좌)단일 코일 (우)복수개 코일)

  

[그림 7]은 MagnetoStatic 솔버 상에서 각 권선에 인가되는 전류 입력 방향을 표현한다. 권선(Winding) 정보에는 코일의 권선 수(N)와 코일 선경에 입력되는 전류 값을 입력한다. 입력 소스에 전압원도 사용이 가능하나, 인덕턴스 영향도를 고려치 않을 경우 단순 기자력에 의한 자기력 해석을 위해서는 전류원을 사용하는 것을 권장한다.

 

[그림 7] 코일 전류 입력 방향

  

해당 VMC에서 사용된 재질은 [그림 8]에 나타나 있으며, 연자성체 투자율 특성은 B-H커브를 입력하여 사용했다. 

 

[그림 8] 단면도 및 재질표

  

Ansys Maxwell 에서는 자석의 착자 방향을 지정할 수 있으며, 상대 좌표를 통해 다수개의 자석이나 단일 형상 내 다극 착자 형태로 재질 특성을 변경 가능하다. [그림 9]는 해석 모델 상에서 착자된 자석 내부와 주변 자성체에 자속 밀도 벡터를 나타낸다.

 

  

[그림 9] 자속 밀도 벡터(B ?) 해석 결과

  

[그림 10]은 자속밀도의 크기를 나타내며, 우측 그림은 같은 극성이 맞닿는 S극성이 확인된다.

 

[그림 10] 자속 밀도

 

코일 선경에 입력되는 전류는 1[A], 코일 턴수는 960로 정의하여 해석한 결과를 통해 [그림 11], [그림 12]와 같은 필드 계산을 얻을 수 있다.

 

 

[그림 11] 표면 자기력

 

 

[그림 12] 선속 해석 결과

 

[그림 13]은 단일 코일은 35mm, 복수 코일은 100mm 범위 내에서 2.5mm 간격으로 이동하면서 코일에서 발생한 자기력 해석 결과이다.

 

  

[그림 13] 자기력 ((위)단일 코일, (아래)복수 코일)

 

2개 코일을 사용한 VCM 같은 경우, 전류 흐름이 반대이고 자석 주변의 자장 분포가 2개의 구획으로 나눠져 있다. 때문에 구동 영역 내에서 초기 자기력 크기와 비슷한 지점이 34mm 에서 발생하며, 단일 코일을 사용한 VCM보다 높은 자기력을 사용할 수 있는 영역이 좁다. 그에 반해 동일 체적 내에서 보다 높은 자기력을 확보할 수 있다는 장점이 있다.

 

[그림 14] 자기력 결과

  

맺음말

본 호에서는 선형 액추에이터 VCM에 대한 전자기장 해석 모델과 결과를 확인해 보았다. 권선 사양에 따른 자기력 차이와 코일 위치 별 자기력 분포를 확인하였다. 이를 통해 이송 기기에서 요구하는 스트로크 성능 사항을 확보하기 위해서는 자기력 저감을 고려해야 하며, 요크 즉 연자성체 내부에 자속 포화 정도도 함께 Ansys Maxwell 상에서 확인할 수 있었다.

VCM 설계는 자기 구조와 코일 사양을 면밀히 살펴봐야 정확한 설계 사양을 만족시킬 수 있으며, 이는 곧 설계자가 목표로 하는 설계 수준을 선행 연구 개발에서 정량화 할 필요가 있다. 

다음 호에서는 액추에이터 중 솔레노이드에 관한 전자기장 해석과 인가 전압을 Simplorer로 구현한 사례들을 살펴보도록 하겠다.