동적 부하특성을 고려한 로봇용 표면 부착형 영구자석 전동기 설계

Abstract

본 논문은 로봇의 관절구동을 위한 영구자석 전동기의 설계사양 결정방법과, 결정된 사양에 부합하는 전동기의 설계 및 해석방법에 대하여 기술한다. 로봇 시스템의 전동기와 감속기 선정기법에 관한 기존 연구의 특징과 문제점을 분석하여, 시스템에 보다 최적화된 전동기 적용을 위한 설계사양 결정방법과 성능지표를 제안하고, 개선된 설계 및 해석기법을 통하여 실제 양팔형 협업로봇의 요구사양에 부합하는 전동기를 설계, 제작, 평가함으로써 제안된 방법의 유용성과 타당성을 나타내었다. 본 논문에서는 다음과 같은 내용을 다루고자 한다.

첫째, 다관절 로봇의 작업조건을 바탕으로 동역학 해석을 수행하여 각 관절의 부하특성을 도출하고, 부하 구동에 필요한 전동기의 토크를 전동기와 감속기의 관성모멘트 및 감속비의 조합에 따라 계산한다. 이후 구동 에너지를 최소화하기 위한 관성모멘트와 감속비의 상관관계를 제시하고, 부하의 최대속도와 인버터의 스위칭 특성, 상용 감속기의 입출력 특성 등을 고려하여, 시스템에 최적화된 감속비와 전동기의 관성모멘트 및 필요토크를 결정하였다. 결정된 전동기의 관성모멘트와 필요토크를 만족하는 다양한 설계 안을 비교/분석하기 위하여, 로봇에 특화된 성능지표를 제안하고 로봇 시스템에서 각 지표가 갖는 의미와 중요성에 대하여 기술하였다.

둘째, 설계사양에 부합하는 전동기의 특성분석과 설계를 위하여 등가회로 모델을 이용한 해석기법을 제안한다. 자기등가회로를 구성하여 공극자속밀도의 분포를 비롯한 쇄교자속과 역기전압 등을 계산하고, 회전자의 비대칭 오버행 구조를 효과적으로 분석하기 위한 유효 오버행 길이와 개선된 등가 모델을 제안하였다. 전기강판의 철손 데이터로부터 손실계수를 산정하고, 자속밀도의 고조파 성분과 세부형상에 따른 추가적인 와전류 손실을 포함하는 철손 계산기법을 제시하였다. 또한, 간략화된 전동기의 형상을 이용하여 열등가회로를 구성한 후, 열손실과 부분별 열저항을 계산하여 코일과 주변부의 온도를 예측하였다.

셋째, 제안된 설계 및 해석방법의 검증을 위하여 7자유도를 갖는 양팔형 협업로봇을 대상으로 관절구동용 전동기의 설계를 진행하였다. 관절모듈의 동특성 분석을 통하여 부하특성을 도출하고, 부하에 최적화된 전동기의 설계사양을 결정하였다. 설계변수에 따른 전동기의 특성해석을 완료하고 제안된 성능지표에 의한 비교분석을 거쳐 최종 모델을 선정하였다. 끝으로, 설계된 전동기를 제작하여 전동기 단품과 구동모듈에 대한 다양한 특성시험을 진행함으로써, 본 논문에서 제안한 설계 및 해석 방법의 타당성을 확인하였다.