최근 FA, OA 및 공작기계 등의 메카트로닉스 분야와 첨단산업의 눈부신 성장에 따라 그 요소 부품인 소형 모터의 중요성이 점차 강조되고 있다. 특히, 성력화와 시스템의 고성능화 및 경박단소화의 필요성으로 인해 그 구동원인 모터의 고효율화 및 소형경량화가 요구되고 있다. 또한, 근래의 영구자석 재료를 비롯한 소재분야의 발전과 정밀가공 및 제작기술의 발달로 인해 과거보다 우수한 성능을 갖는 정밀 소형 모터의 제작이 가능해지면서 이를 뒷받침하기 위한 보다 정확한 모터특성 해석 및 최적설계의 필요성이 절실하게 요구되고 있다. 본고에서는 소형모터의 해석 및 설계에 대한 비전문가들의 이해를 돕기 위하여 자기 등가회로를 이용 한 해석적인 방법과 수치해석적인 방법에 의한 모터 자기장 해석방법을 소개한다. 그리고 기존의 모터설 계 및 최적설계에 대한 현재까지의 연구결과 및 동향과 앞으로의 전개방향에 대해서 고찰하도록 한다.
자성유체에 60Hz의 교류자기장을 인가할 때 발생되는 냉각효과를 해석하기 위해 유한요소법을 결합하였다. 열원으로는 전류가 코일에 흐를 때 생성되는 줄열과 닐운동과 브라운운동으로 야기되는 전력손실에 의한 발열이 있다. 교류자기장은 주파수가 낮기 때문에 줄열이 주요한 열원이 된다. 그러므로 코일에서 자성유체로 일어나는 열전달과 자연대류현상은 코일의 표면에서 일어난다. 자연대류현상을 해석하기 위해서는 자성유체의 부력밀도를 고려해야 한다. 부가적으로 자계의 세기와 온도에 관한 함수인 자화와 자기체적력밀도로 인해 자기대류현상과 같은 강제대류가 일어난다. 이러한 두 가지 대류현상으로 인해 교류자기장을 인가한 자성유체에서 냉각효과가 일어난다. 자기체적력밀도는 유한요소법으로 보간된 가상공극개념을 이용하여 켈빈전자기력밀도를 이끌어 낸 후 이를 수치적으로 이용하여 구하였다. 랑제방함수는 켈빈전자기력밀도와 전력손실을 계산하는데 필요한 비선형 자화율을 고려하기 위해 사용하였다.
ELF 전자파의 생물학적인 영향 평가를 위한 in vitro 세포 실험에서 노출장치의 설계는 코일내피 유도기전력(E)과 전류밀도(J) 해석과 함께 이루어져야 한다. 균일 자기장 속에서 세포를 배양할 경우애도 배양기내의 전도성 매질로 인해 균일한 E와 J가 분포하지 않는다. 따라서 균일한 ELF 자기장 노출장치로부터 발생되는 샘플 매질 내에서의 E나 J를 정확히 예측하는 것은 in vitro 세포실험의 성공여부를 가늠 할 정도로 매우 중요한 정보가 된다. 이에 본 논문에서는 in vitro 실험에 적합한 ELF in vitro 노출 장치를 설계하고 노출 장치에 대한 전자기학적 평가를 수행하였다. 코일 내에서 샘플 매질의 유무와 샘플 내에서도 세포가 놓여질 임의의 위치에 따라 E와 J를 예측하고 검증을 위한 측정과 시뮬레이션을 시도하였다. 노출장치는 헬름 홀쯔 코일로 제작되었고 자기장의 세기는 1-2OG 범위 내에서 가변이 가능하다. 또한 코일내의 자기장의 분포가 균일(uniform), 비균일(nonuniform)만 두 가지모드를 각각 제작하여 보았다.
본 논문에서는 극저주파 전자계 장해의 공학적 평가에 있어 기본이 되는 송전선 주변의 3차원 자기장 예측기법에 대하여 기술하였다. 송전선 주변의 무한영역 극저주파 자기장 계산을 위해서는 Biot-Savart's law에 의한 3차원 자기장 해석방법을 사용하였으며 교류자계 벡터의 중요한 파라미터인 elliptical polarized 특성에 대하여도 고찰하였다.
Magnetic Inductance Tomography System은 비투자율이 공기보다 큰 대상물체를 외부에서 자기장을 인가하여 자기장의 변화를 자기센서로 측정하여 대상물체의 형상, 위치, 비투자율을 측정하고 판단하는 시스템이다. Magnetic Inductance Tomog-raphy System은 비투자율이 공기보다 큰 대상물체를 외부에서 자기장을 인가하여 자기장의 변화를 자기센서로 측정하여 대상물체의 형상, 위치, 비투자율을 측정하고 판단하는 시스템이다. Magnetic Inductance To-mography System은 대상물체의 위치, 모양, 크기에 따라 자기장의 변화가 달라게 된다. 대상물체를 실시간으로 측정하기 위하여 Magnetic Inductance To-mography System을 자기장 발생부와 신호변환부, 모니터링 부로 구분하여 구축하였다. 또한 대상물체를 위치를 이동시키거나 크기를 변경하여 대상물체의 신호를 해석, 측정하였다.
본 논문에서는 모드 변환기나 필터, 매칭 구조가 모두 연결되어 있는 개구면 안테나의 특성을 예측을 위해 급전 부분에 전이 구조가 붙어 있는 원형 개구면 안테나의 해석적인 산란 해를 제시한다. 개구면의 모양이 원형이기 때문에 길이가 짧고 반지름이 다른 원형 도파관이 연결되어 있는 구조로 모델링하여 안테나를 해석했다. 안테나의 해석에서 급전 도파관과 개구면 사이의 영역은 일반화된 산란 행렬을 이용하여 전기장과 자기장을 나타냈고, 개구면에서 복사되는 전기장과 자기장은 적분 변환을 이용하여 나타내어 전체 구조를 해석했다. 여기서 필요한 산란 행렬과 적분 변환은 모두 해석적으로 계산 가능하고, 엄밀한 해이므로 안테나의 반사 특성, 복사 특성 등을 정확하게 예측 가능하다.
본 논문에서는 1층 주거지역에 미치는 지하 분전반 모선으로부터 발생하는 극저주파 자기장을 억제하기 위한 연구의 일환으로 지하 분전반을 연구모델로 선정한 후 3차원 전자장 유한요소 해석을 이용하여 누설 자속을 분석하였다. 1층 침실에 미치는 자기장을 억제하기 위해 알루미늄 재질의 차폐판을 도입하여 차폐효과를 확인하였다.
이 전에 DC Pulse 전류로 구동하는 Magnetic Fluid Linear Pump(MFLP)를 개발하였다. 개발된 MFLP는 DC Pulse 전류에 의하여 발생하는 자기장의 분포 변화가 불연속적이게 되고, 펌핑력 또한 불연속성을 가지게 된다. 불연속적 자기장의 변화와 펌핑력의 불균일성을 저감하였다. 펌핑력을 증가시키기 위하여 AC 전류를 이용하였으며, 이에 따른 펌프의 운전 특성을 파악하기 위하여 자기장의 분포와 자성유체의 형상을 해석하였다.
경두개자기자극술(Transcranial Magnetic Sitmulation:이하 TMS)은 두뇌 외부에 설치된 코일을 이용하여 짧은 시간에 강한 임펄스형태의 자기장을 인가하여 두뇌 내부에 유도전기장을 발생시켜 특정 부위의 신경조직을 자극하는 비침습적(noninvasive)인 기술이다. 두뇌 내부에 정확한 자극 분포와 자극 세기를 알기 위해 Zubal Data에 근거한 정밀한 두뇌형상모델을 이용하여 수치해석 하였다. 수치해석 결과 복잡한 머리 내부에 유기되는 정확한 유도전기장 분포를 예측하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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