안녕하십니까 ?
Linear Solenoid ?
질문하신 의도는 솔레노이드에 공급되는 입력 Power(전압, 전류)의 변화에 따라 솔레노이드 출력(Force, Displacement)이 비례(선형?)적으로 변하는 경우를 의미 하시는 듯 합니다.
유공압쪽에 질문을 올리셨으니 유공압과 관련하여 답변드리면 일반적으로 유공압에 사용하는 밸브는 대부분 솔레노이드를 이용하여 제어하게 됩니다.
여기서 솔레노이드의 역할은 전기적인 힘을 자기장으로 변환하여 이 자기력에 의해 발생되는 기계적인 힘과 변위를 제공하게 됩니다.
이러한 힘과 변위에 의해 밸브스풀을 여닫고, 제어하게 되죠.
이상 밸브에 대한 자세한 이야기는 유공압 책을 참고하시고, 여기서는 질문하신 솔레노이드에 관하여 좀더 심도있게 이야기 해 볼까 합니다.
먼저 솔레노이드의 작동원리는 보빈에 감긴 코일(DC는 수백~수천Turn, AC는 수천~수만Turn)에 의해 자장이 발생되고, 이 자장은 주변의 자성체로 이루어진 경로를 통해 고정자(일반적으로 코어라고 칭함)와 가동자(Plunger)로 자장이 흐르게 되는데, 이때 고정자와 플런저 사이에는 자장의 흐름이 끊기는 자성체로 연결되지 않은 공극이 존재하게 되는데 이를 자기공극이라 합니다. 결국 솔레노이드의 힘과 변위는 여기서 발생하게 되는 것으로 이해할 수 있겠습니다.
그런데 이러한 솔레노이드의 자기공극과 기계적인 힘과의 관계는 어떻게 될까요 ? 궁금하시죠 ?
그렇습니다. 솔레노이드 Force는 자기공극 거리의 제곱에 반비례하죠.
그러면 턴수나 전류와의 관계는 ?
예 ! 솔레노이드 Force는 암페어 턴(턴수X전류)에 비례합니다.
그러면 코어나 플런저의 형상은 ?
물론 중요 하죠
왜냐하면 솔레노이드 Force 면적과 자속밀도(자장/단면적)에 비례하기 때문이죠. 또한 힘은 벡터이기 때문에 힘이 지향하는 방향도 형상에 의해 결정되죠.
이것으로 끝이냐 ?
그러면 얼마나 좋겠습니까 ?
마지막으로 재질이 남아 있습니다.
자장의 경로로사용되는 자성체는 자장을 무한정 흘려 보낼 수 있는게 아니라 재질마다 포화 자속밀도라는게 있어서 일정한 자장 이상이 흐르면 자기적 저항(Reluctance)에 의해 더이상 자속밀도가 증가하지 않는 것이죠.
따라서 좋은 재질을 선택하는 것은 매우 중요합니다.
일반적으로는 순철계통을 많이 사용하나, 경우에 따라서 50% Ni, 또는 코발트계 합금을 사용하게 됩니다. 자성재질 분야만 해도 방대한 바다와 같습니다.
그러면 이러한 솔레노이드를 어떻게 제어하느냐?
그냥 ON/OFF로 켤때는 플런저와 코어가 붙을 때 까지 전원을 공급하고, 끌때는 전원을 제거하여 스프링에 의해 복귀시키는 타입을 일반적으로 많이 쓰죠. 이 경우는 밸브를 제어하는 데 켜지거나 꺼지는것 왜 중간이 없는 경우죠.
그런데 ON/OFF밸브를 사용해서 비례적으로 압력이나 유량을 제어하고자 한다면 못할건 없지만(PWM) 경우에 따라서는 조금 더티하죠.
이런경우 비례제어밸브를 사용하는데 이것은 비례제어 솔레노이드에 의해 구동되고 비례솔레노이드는 공급전원에 비례하게 힘 또는 변위를 발생시키는 엑츄에이터라고 볼 수 있습니다. 위에서 언급한 중간 영역을 사용한다는 뜻입니다. 여기서 한가지 확실히 해두고 싶은것은선형 솔레노이드라는 질문에 대해 왜 비례솔레노이드로 응수하는가 하는 이야기 입니다. 일반적으로 Linear 솔레노이드 ? 이런용어 잘 안씀니다. (Linear Motor는 있습니다)
그렇지만 비례 솔레노이드의 선형성에 대해서는 많은 이들이 연구하였고, 자료도 많습니다. 그리고 위에서 언급한데로 솔레노이드는 입력vs출력이 선형적이지 않습니다.
보통은 성형구간을 찾아서 사용하거나. 제 경험으로는 상기 열거한 인자들을 잘 조합하면 우수한 선형성을 이끌어 낼 수는 있습니다.
이상 긴 글 읽어 주심을 감사드리고, 더 깊은 내용은 Mail로 부탁드립니다.
msdq@kimm.re.kr