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T형 자석을 이용한 할바흐 자석 배열 선형 모터의 설계와 최적화에 관한 연구

Design and Optimization of linear motor using Halbach Magnet Array with T shape magnets

초록/요약

최근 반도체 제품들이 집적화됨에 따라 웨이퍼 스테이지 또는 LCD 검사 스테이지의 위치정밀도가 계속해서 증가하고 있다. 웨이퍼의 직경이 증가하고, LCD가 대형화 됨에 따라 장행정을 구현할 수 있는 스테이지의 필요성이 높아지고 있다. 또한 반도체나 LCD 검사장비에서 생산성 향상을 위해 구동력이 높고, 나노 미터급의 정밀도 달성을 위해 정밀도가 높은 선형 위치결정 기구를 요구하고 있다. 그리고 새롭게 대두되고 있는 전기자동차의 구동부는 고속 운동을 요구하고 있으며, 구동과정에서 발생하는 리플의 최소화를 요구하고 있다. 이러한 요구를 요약하여 보면 고출력, 저리플의 모터이며 특수한 경우에 있어 모터 자체의 무게가 중요한 경우도 있다. 이러한 요구를 정리하면 단위질량당 추력이 높고, 동시에 저리플 조건을 만족시켜야 한다. 위 언급을 만족시키기 위해 이 논문에서는 HMA(Halbach Magnet Array) 원리를 이용하였다. HMA 원리는 원하는 방향으로 자속을 집중시키는 것으로써 기존 연구에서 자석의 여러 설계 변수를 조정하여 단위 부피당 추력을 향상시키려는 노력을 하였다. 또한 HMA는 자화방향이 연속적으로 분포되어 구동과정에서 발생하는 리플을 줄일 수 있게 된다. 이를 위해 해석 모델을 선정한다. 그리고 기존 모델과 비교하여 해석 모델의 타당성을 검토하였다. 모델 검증은 전자기장 해석 상용프로그램인 MAXWELLTM을 이용하였다. HMA 원리는 모터의 추력을 향상 시킬 수 있고, 리플을 줄일 수 있다는 장점이 있다. 하지만 실제로 활용되기 어려웠던 것은 제작의 어려움이 있기 때문이었다. 이를 극복하기 위해 자석 자체의 형상을 바꿈으로써 HMA 재현성을 높혔다. 기존 자석 모양과 다른 T형 자석을 도입하여 이를 해결하였으며, 일반적으로 사용되는 자석과 조금 더 높은 효율을 보이며 안정성과 조립성 면에서는 큰 향상을 보이는 것을 확인하였다. T형 자석을 이용한 HMA 모터에서 기존에 연구되었던 여러 설계 변수들을 이용하였다. 이를 표면반응분석법을 이용하여 최적 설계를 수행하였다. 마지막으로 최적 설계를 이용하여 설계된 선형 모터를 제작하고, 에어베어링 가이드, 레이져 인터페로미터를 이용하여 선형 위치결정 시스템을 구성하였다.

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초록/요약

Large-sized equipments necessary for process/transport/assembly are being required in semiconductor and LCD industry fields where continuously announcing large-scale investments and research development plans recently. A module essential on these equipments is a high precision linear stage. A linear stage plays a role of transporting semiconductor or LCD translationally in XY directions. At this time, constant velocity, a capability of moving in a constant speed, and driving force, a capability of moving to a desired location fast, are important performance indexes. In order to increase force per unit current of linear motor, generally stator yoke with slot is used. But, slot of stator generates cogging force ripple. Besides this, commutation force ripple will be generated if the waveform of coil current is not agreed with the distribution of magnetic flux. This force ripple gives a bad effect on precision positioning precision level and becomes a cause of speed ripple, and this will provoke the vibration or instability of transport system. Generally yoke without slot is used in order to overcome this force ripple. But, the motor without slot has a weak point of less force than motor with slots. In this paper, a motor is designed using HMA to make up for this weak point of conventional motor. At first, target model shall be verified by comparing it with previous commonly used motors with FE package, MAXWELLTM. For this, previous linear motor composed of yoke and coils should be modeled. The feasibility on the model will be secured by comparing the result of force change according to magnetic field and location of linear motor with the specification of the products. Based on the model, linear motor shall be designed using Halbach magnet array. The actuating force and force ripple of the design will be investigated and then design parameters are selected to increase the actuating force under a certain level of force ripple. The parameters are optimized using RSM (Response Surface analysis Method) in MinitabTM.

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목차

1. 서론
1.1 연구 배경 및 동기
1.2 연구 현황
1.3 연구 목적

2. 선형 모터의 전자기 해석 모델링
2.1 해석 모델 선정
2.2 코일 조건 선정
2.2.1 코일 권선의 감은 수 선정조건 선정
2.2.2 코일 저항 결정
2.3 선형 모터의 유한요소해석

3. 다분할 T형 자석배열 모델링
3.1 기존의 다분할 자석배열
3.2 다분할 T형 자석
3.2.1 T형 자석의 필요성
3.2.2 다분할 T형 배열

4. 다분할 T형 자석배열을 가진 선형 모터의 최적설계
4.1 표면반응분석법을 이용한 최적 설계법
4.1.1 실험 계획법과 표면반응분석법
4.1.2 중심합성법(Central Composite Design)
4.2 표면반응분석법을 이용한 THMA 선형 모터의 최적 설계
4.2.1 비용함수(cost function) 선정
4.2.2 설계 변수(design variable)
4.2.3 해석 결과
4.3 최적설계 결론

5. 위치결정 기구의 구현
5.1. 선형모터의 제작결과
5.1.1 요크(yoke) 제작
5.1.2 요크와 자석 조립
5.1.3 코일 제작
5.2. 선형 위치결정 시스템 구성

6. 결론

7. 향후 연구계획

8. 참고문헌

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