출력의 최대화를 위해 ‘E’형상의 고정자와 복수의 곡선형 영구자석을 갖는 Spherical Voice Coil Motor의 설계 - 양재영 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
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.
학위논문(석사)--기계공학과,2023. 2
Keywords: Optimization; Spherical Actuator; VCM