이종수님의 글
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울트라(주)에근무하는이종수입니다
적층코아에 코일을 감고 전류를 흘렸을때 적층코아의 변화량을 알려고하는데 코아는 순수니켈(0.5T)이고 ,전압은 220V,권수는 28,코일경 1.0,입니다적용하는 공식을 아시면 알려주시면 감사하겠읍니다
제가 기계를 전공해서 잘몰라서 그럽니다

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안녕하십니까?

니켈(Nickel)은 자기왜형(Magnetostriction)을 지닌 강자성체로서 자장안에 놓이면 자장의 방향으로 길이의 변화가 일어나고 반대로 기계적 압력이나 인장력을 가하면 투자율이 변하는 성질을 가지고 있습니다. 이와 같은 현상을 "자기 왜형 현상"이라 합니다. 문의 하신 니켈코아의 경우 흔히 초음파 진동자로 사용하는 경우가 있으며 자장의 방향으로 줄어드는 경향이 있습니다.

그러므로 교번 자장을 가하게되면 자장의 방향으로 진동하는 특성을 지니고 있습니다. 질문의 경우 초음파진동자의 적층 코아인지를 알수 없으므로 일반적인 답변을 드리겠습니다.

니켈 적층코아는 자기에너지를 기계적에너지로 변환 시키는 역할을 하며 이때 에너지 변환효율이 문제가 됩니다.
k^2 = {Energy~output} over {Energy~input}로 정의되는 k를 에너지 결합계수라 하며, 자왜변환기의 경우 k^2 = E_Y over {mu_o mu_r} d^2로 정의되며 d = de over dH ,~~e={Delta l} over L 입니다. 여기서 e는 기계적 변형율(strain)이고 Ey는 니켈의 영률(20.1×10e11 N/m^2), μ는 투자율(μr=60 정도이고, μo(공기의 투자율)=4π×10e-7H/m), d는 모터계수로서 일정한 응력하에서 가해진 자장(dH)에 대한 변환기의 변형율미분값(de)을 의미합니다. 그리고 질문하신 전류의 경우 권선수(N)과 곱해져 자속, 즉 자기장의 세기(H)를 결정하게 됩니다.
즉, 주어진 니켈 적층 코아의 모터계수(d)나 결합계수(k)를 알면 변형량을 구할수는 있으나 이는 주어진 코어 형상의 구속조건(응력 및 형상조건)에 의존하며 니켈의 경우 자기장의 세기에따라 투자율이 변하므로, 주어진 코아는 비선형성을 지닌 시스템의 전기-기계적 변형을 해석하는 것이 됩니다.

손으로 각종 특성을 가정하여 계산하는 방법은 대략의 값을 구하기에는 적당하나 제품 설계의 근거로 삼기에는 부족한 면이 많습니다. 그러므로 전자기장의 해석과 기계적변형해석이 가능한 상용Package를 사용하시는 것이 좋을 것(Ideas 등)으로 사료됩니다.

조금은 부족한 답변이라 죄송합니다.

p.s 전자기장해석에 전문가가 계시면 답변 부탁드립니다.

감사합니다
응답을해주셔서요
초음파진동자 입니다
자문을 구할분을 몰라서 질문 올렸읍니다
전문가가 계시면 소개 부탁드립니다

안녕하십니까?

초음파 진동자라면 제가 전문가는 아니지만 약간의 경험을 가지고 있습니다. 예전에 초음파 진동테이블 및 가공기를 설계해본적이 있습니다.

조금 오래되고 지금은 전혀 다른 일(광반도체 소자관련)을 하므로 조언을 해 드릴 정도는 아니지만 몇가지만 말씀드리겠습니다.

초음파는 물질의 진동으로 생기는 탄성파이며 기체나 액체 또는 고체를 매질로하여 전파됩니다. 기체나 액체 중에서는 파동의 전파방향으로 입자가 진동하는 `종파`뿐이나 고체중에서는 종파이외에도 전파방향에 수직으로 입자기 진동하는 `횡파`가 존재하게 됩니다. 또 초음파의 세기는 단위면적을 지나는 파워(Power)로 진폭의 제곱에비례합니다.

수식으로는 I=rho c V^2이 되고 여기서 I는 초음파의 세기이고 ρ는 매질의 밀도 c는 전파속도를 의미합니다. 특히 "밀도×전파속도"를 특성 임피던스(Impedance)라하는데 진동자설계에 중요한 역할을 합니다. 속도가 진동수(f)×진폭(A)에 비례하므로 초음파의 세기는 진폭의 제곱에 비례하는 것입니다.
초음파는 매질속을 지날때 감쇄하는 특성이 있으며 감쇄율은 일반적으로 기체가 가장크고 액체, 고체 순으로 작이집니다. 즉, 고체매질을 통한 진동이 가장 감쇄가 작으며 초음파의 진동수가 클수록 감쇄율이 커지고 지향성(보내는 방향으로의 예리한 정도)이 커지는 경향이 있습니다.

특히 니켈진동자의 경우 보통 50KHz이하에서 주로 사용되고 상온에서 초음파의 전파속도는 약 6040 m/sec입니다.
또한 전기입력(자기에너지)에 대한 기계에너지(변형)의 효율은 약 60~70%정도이며 특성임피던스는 4.95 ×10e7Pa/(m/sec)입니다. 그리고 자기적 성질에의해 Imax가 정해지는데 200Kw/m^2정도입니다. 특히 경험적으로 초음파의 공진주파수는 진동자의 길이에 반비례하므로 설계시 이를 고려하시는 것도 좋을듯 싶습니다.

진동자에서 발생한 초음파를 효율적으로 증폭(보통 가공기의 경우 수십㎛)시키기위해 보통 혼이나 콘센트레이터를 사용하게 되는데 이때 재질및 형상이 진동자의 특성임피던스와 잘 매칭이 되도록 설계하는 것이 기술입니다. 저의 경우 초음파 진동자는 PZT(지르콘 티탄산 납)을 사용하였고 테이블의 임피던스와 mode를 Ideas를 이용하여 구했 었습니다. 초음파 특성및 설계에 관한 서적은 주변에 많이 있으니 이를 참조하시는 것도 좋을듯 싶습니다.

실제적인 답변보다는 전반적인 내용을 소개했는데 현재 초음파진동자설계업무를 하신는 분이 계시면 보충 답변을 드릴것으로 사료됩니다.

감사합니다.