Recently, the study of single-unit spherical motors that can perform multi-degree-of-freedom move-ments has increased. The spherical motor is an electric machine which is able to tilt its shaft on 3-DOF(degree-of-freedom) using electromagnetic force. Various types of spherical motors have already been developed. For the most part, the driving principle of spherical motors is the synchronous. These kinds of spherical motors have high non-linearity of the torque constant. Moreover, synchronous type spherical motors have complexity and difficulty in control and high torque constant within the small size.
In this study, a new type spherical motor using principle of VCA (voice coil actuator) is proposed. It has a large working space, high tilt torque, and uniform and decoupled torque constant by each coil within a compact diameter of 100 mm. Therefore, control of the proposed spherical motor is easier than the previous researched spherical motor. The proposed spherical motor is composed of a rotor, a gimbal guide mechanism, a stator, a sensing mechanism, and a z-axis rotation motor.
The key feature of the spherical motor is to use principle of VCA. The VCA allow linear movements over a limited range of motion. Originally, they were used in radio loud speakers, after which they are named. Voice coil actuators are direct drive devices based on a permanent magnet field and current-carrying coil windings, and produce a force, which is directly proportional to the applied current. Therefore, they are easy to understand, to build, to apply and to control. In addition, the VCA has several advantages such as zero hysteresis, high acceleration rates than servo, and stepper motors, direct drive, cost effectiveness, long life, and high force. These key features enable applying the proposed spherical motor.
In order to maximize the tilt torque within limit size, design optimization is carried out. At first, ana-lytic modeling methods based on the Maxwell equations are presented in order to calculate magnetic flux density distribution and generated forces and torque. These methods predict each directional torque. After that design optimization process is performed in order to find optimal dimensions of the spherical motor which maximize the torque considering several constraints. To verify the results of the optimal design process of the spherical motor, an FEM simulation is carried out.
The designed spherical actuator is manufactured and realized. To verify the performance, control and experiments of the spherical motor are carried out.
최근에, 하나의 조인트에서 다자유도 회전이 가능한 스피리컬 모터에 대한 연구가 증대되고 있다. 스피리컬 모터는 전자기력을 이용하여 3-자유도 회전이 가능하도록 하는 시스템이다. 기존에 다양한 형태의 스피리컬 모터들이 개발되었으며, 대부분 동기구동 방식으로 구동된다ㅏ. 이러한 스피리컬 모터들은 토크 상수가 비선형적이며, 복잡하고 어려운 제어 방식을 갖는다. 또한, 작은 사이즈에서 높은 토크를 갖기 어려운 형태이다.
본 연구에서는 보이스 코일 구동기의 원리를 이용한 새로운 형태의 스피리컬 모터를 제안하였다. 제안한 스피리컬 모터는 직경 100 mm로 매우 작은 크기에 큰 구동각을 갖고, 높은 틸트 토크를 가지며, 각 코일에 의해 발생되는 토크가 일정하고 독립적인 형태이다. 이 때문에 기존의 스피리컬 모터에 비해 제어가 매우 용이한 장점을 갖는다. 제안한 스피리컬 모터는 회전자, 짐벌 가이드 메커니즘, 고정자, 센싱 메커니즘, 그리고 Z축 회전 모터로 구성된다.
제안하는 스피리컬 모터의 가장 주안점은 보이스 코일 구동기의 원리를 이용한다는 것이다. 보이스 코일 구동기는 제한적인 구동범위에서 효과적인 성능을 나타내는 구동기이다. 보이스 코일 구동기는 영구 자석에 의한 자기장과 코일에 흐르는 전류에 의해 발생하는 로렌츠 힘을 이용한 것이다. 힘이 전류에 직접적으로 비례하고 이 때문에 제어에 매우 유리하다. 또한 히스테리시스가 없고, 높은 정밀도와 빠른 동특성을 갖는 장점이 있다. 이러한 장점을 제안하는 스피리컬 모터에 적용하였다.
제한된 크기 안에서 토크를 최대화하기 위하여 최적 설계를 수행하였다. 이를 위해 먼저, 자기선속밀도를 모델링 하였다. 또한 이를 바탕으로 힘과 토크를 모델링하였다. 이로써 각 방향의 토크를 각각 예측할 수 있다. 모델링을 바탕으로 몇 가지 제한 조건을 만족시키며 토크를 최대화 하는 최적의 설계치를 얻기 위한 최적 설계를 수행하였다. 이를 검증하기 위하여 FEM 시뮬레이션과 비교하였다.
설계된 스피리컬 모터를 제작하고 구현하였으며, 성능 확인을 위한 제어와 실험을 수행하였다.
