마그네트론의 설계와 전자레인지의 설계에 대한 전반적인 워크플로우에 대한 소개를 드리겠습니다.

전체 설계 시, 마그네트론은 CST MWS의 Eigenmode Solver를 이용하여 전자 빔이 없을 때의 공진 모드를 분석하고, CST PS의 PIC Solver를 이용하여 전자 빔을 포함한 해석을 진행합니다.

또한 CST EMS의 Electrostatic Solver와 Magnetostatic Solver를 이용하여 전극과 자석을 포함한 해석 또한 진행합니다. 이후 방열판에 대한 열해석 및 구조해석은 CST MPS를 이용하여

연계 해석을 진행하고 전자레인지의 전자파 적합성은 CST MWS를 활용하여 외부로 방출되는 전자기장 분포를 가시적으로 확인합니다.

이러한 워크플로우는 CST Studio Suite을 통해 하나의 사용자 환경에서 구성 가능하며 마그네트론의 설계 과정에서 다중 물리 분석을 효율적으로 진행할 수 있습니다.

 

 

 

마그네트론 및 전자레인지 설계를 위한 다중 물리 해석

다쏘시스템

 

 

 

마그네트론은 적은 비용과 높은 에너지 변환 효율(대략 75%)을 가지기 때문에 다양한 분야에서 많이 사용되는 고주파 파워 소스 원 중 하나입니다. 마그네트론은 자동화 생산 및 기술 개발로 인해

대량 생산이 가능해지면서 전자레인지와 같은 가전제품의 고주파 소스 원으로 사용되게 되었습니다. 그런데 Wi-Fi와 블루투스와 같이 마그네트론이 사용하는 주파수 대역과 동일한 주파수 대역에서

동작하는 근거리 무선통신 시스템이 각광받게 되면서 전자레인지는 컴퓨터 네트워크와 모바일 통신상에 방해가 될 수 있는 잠재적인 소스 원이 되어버렸습니다.

<그림1. 마그네트론 형상>

 

전자레인지의 전자파 간섭 문제는 마그네트론 설계 시 간섭을 줄이도록 설계하면 측파대(sideband) 노이즈를 감쇠 시킬 수 있지만, 실제 마그네트론의 동작 모드에서의 방사를 줄이기는 어렵습니다.

이에 대한 대안 중 하나는 마그네트론의 공진 주파수를 변경하여 설계하는 것이지만 이는 전기적으로 주요 요인이 변경되는 것이기 때문에 전자기적, 열적, 기계적 그리고 전자파간섭적으로

얼마나 큰 영향이 있을지를 확인해야 합니다.

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전자빔이 없을 때의 공진 주파수 분석

<그림 2. 마그네트론의 공진모드>

 

그림 2는 마그네트론의 공진모드를 나타내며 베인(Vane)이 교차적으로 결선(strapping) 되어 있기 때문에 인접한 베인 간의 위상 차이가 180° 발생하는 π 모드에서 동작하는 것을 확인해

볼 수 있습니다. 마그네트론은 전자의 회전에 의해 생성된 전자 바퀴(Wheel of Electrons)가 양극(Anode)에서 전자파를 생성합니다. 양극의 구조를 변경하면 공진주파수를 변경할 수 있기 때문에

정확한 공진 주파수를 찾기 위해서 CST MWS (CST MICROWAVE STUDIO®)의 Eigenmode Solver를 활용하여 양극과 결선 사이에 간격을 변수로 지정하여 해석 전체 구조상의 커패시턴스를 변경하였습니다.

 

 

전자기장 분석

전자를 주입하기 전에 마그네트론의 주변의 전자기장 분포를 확인하기 위해 CST EMS(CST EM STUDIO®) Electrostatic Solver, Magnetostatic Solver를 이용한 해석을 진행하였습니다.

우선 마그네트론 내부의 영구 자석은 전자의 가속 운동 시 의도한 방향대로 자기장을 생성하기 위해 필요한 부품입니다. 내부에 존재하는 폴 피스(Pole piece)는 양극과 음극 사이에서

균일하고 강한 자기장이 분포하게 만드는 부품으로써 주변에 분포하는 자기장에 따라 물성 값이 달라지는 비선형 물성인 자기이력곡선의 물성입니다. 해당 물성에 대한 해석은

Magnetostatic Solver를 사용해 해석을 진행하였습니다.

 

<그림3. (a) 마그네트론 내부의 자기장 분포 (b) 마그네트론의 자속 밀도>

 

그림 3(a)는 마그네트론 내부의 자기장 분포로써 자기장 결과를 벡터 형태로 보여줍니다. 그림 3(b)는 그림 3(a)에 표기한 노란 선의 위치에서 자기장의 양을 나타냅니다. 결과적으로

폴 피스 사이 공간에서 자기장이 가장 높게 나타남을 확인할 수 있습니다. 전기장과 자기장은 전자의 시선 운동(Radial motion)과 각운동(Angular motion)에 영향을 미치게 되고

결과적으로 전자의 유동 속도를 결정합니다.

 

<그림4. 전자 방출 전의 마그네트론 내부의 전기장>

 

전자 빔 해석

전자 빔에 대한 해석은 CST PS(CST PARTICLE STUDIO®)로 진행하였습니다.

 

<그림5. 전자 빔의 스포크>

 

그림 5는 전자 빔에 대한 결과로써 전자 빔은 스포크 형태를 나타내는 것을 확인할 수 있습니다.

CST PS의 PIC Solver는 전자와 전자기장의 상호작용을 고려하여 시간 영역에서 전자의 움직임을 해석합니다. 해당 과정은 전체 경로상에서 전자의 경로를 모델링 하며 장시간에 걸친 전자기장에

대한 분석이 가능합니다. 이를 통해 빔 부하에 따른 결과를 확인해 볼 수 있고, 실제 마그네트론 내의 전자 빔은 전자기장과 상호작용하여 공진 주파수를 변경하게 됩니다.

 

<그림6. (a) 마그네트론의 출력 파워 그림 (b) 마그네트론의 주파수 스펙트럼>

 

그림 6(a)는 시간에 따른 마그네트론의 출력 파워입니다. 현재 결과는 초기 40ns까지는 스포크 형태의 전자 빔이 생성되지 않아서 출력 파워가 낮은 것을 확인할 수 있으며 일정 시간이 지나면

출력은 급격하게 증가하게 되고 공진이 시작되면 일정한 신호를 출력하게 됩니다. 결과적으로 출력 파워는 1095.12W이고 이는 1000W의 정격에 가까운 결과를 나타냅니다.

그림 6(b)는 마그네트론의 주파수 스펙트럼을 나타내고 이는 푸리에 변환을 통해 얻은 결과입니다. 결과적으로 2.471GHz에서 동작을 하는 것을 확인해 볼 수 있습니다. 앞서 계산한 전자 빔이

없을 때의 공진주파수는 2.49GHz이며 전자빔이 포함된 공진 주파수와는 20MHz 정도의 차이를 나타냅니다. 이를 통해 전자 빔이 실제 공진 주파수를 계산하는 데 있어서 주요한 요소임을 확인해

볼 수 있습니다.

 

방열판의 열 해석 및 구조 해석

마그네트론은 열로 인해 입력 에너지의 30%~50% 손실이 발생하게 됩니다. 내부의 세라믹 자석은 열에 매우 민감하기 때문에 자석이 퀴리 온도 이상으로 가열되면 자성이 없어지고 마그네트론은

더 이상 안정적인 전자 바퀴를 생성할 수 없게 됩니다. 이러한 문제 상황을 방지하기 위해서는 열에 대한 해석이 필요합니다. 방열판에 대한 해석은 열 해석 및 구조 해석을 진행할 수 있는

CST MPS(CST MPHYSICS® STUDIO)를 이용하여 42%의 효율로 동작하는 마그네트론이 발생시키는 열 손실을 해석을 진행하였습니다.

 

<그림7. (a) 마그네트론의 온도 분포 (b) 열팽창된 마그네트론>

 

그림 7(a)는 열 해석 솔버에 의해 계산된 마그네트론 상의 온도 분포를 보여주고 있습니다. 세라믹 자석의 퀴리 온도는 약 450℃인데, 해석 결과 해당 예제에서 자석은 한계 값 이하로 유지되는 것을

확인해 볼 수 있습니다. 이후 열 해석을 통해 확인된 열 분포 결과를 통해서 구조 해석을 진행하는 Structural Mechanical Solver로 연계 해석을 진행하였습니다. 그림 7(b)의 그림은 열팽창된

마그네트론으로써 시각적인 이해를 높이기 위해 과장 시킨 형태의 그림입니다.

 

차폐 효과 및 간섭 효과 분석

전자레인지의 역할은 요리를 균일하게 익히는 것이기 때문에 설계자는 전자레인지의 케이스와 그 안에 조리되는 음식을 고려한 설계를 진행해야 합니다. 전자레인지 내부의 전기장은 균일해야

하지만 전자레인지의 구조 자체가 캐비티 구조이기 때문에 간섭 효과로 인해 복잡한 패턴의 전기장이 생성되게 됩니다. 이러한 현상 때문에 전자레인지 사용 시 열전도의 불균일성을 발생시킵니다.

해당 예제에서는 전자레인지 내부의 전기장이 균일하게 분포하는지를 확인해 보기 위해서 전자레인지 중앙에 실린더 형태의 물을 두었으며 전체 조리 과정에 대한 해석은 Time Domain Solver를

이용하였습니다.

<그림8. 전자레인지 주변의 전기장>

 

그림 8은 전자레인지 주변의 전기장을 나타낸 그림입니다. 전자레인지는 도어와 케이스 사이의 경계 부분과 도어 쪽 패널에서 전자파가 새어나가는 현상이 생기게 됩니다.

 

<그림9. (a) 문 앞의 5cm 상에서의 field 분포와 최대 파워 그림 (b) 1m 거리에서의 farfield 결과>

 

그림 9(a)는 문 앞쪽의 5cm 상의 근거리 상의 결과입니다. 해당 위치에서의 규제 확인이 필요하며 규제를 초과할 경우 반드시 전자레인지가 제작되기 전에 구조 설계 수정이 필요합니다.

그림 9(b)은 공진 주파수에서 전자레인지가 1m 거리상에 방출하는 3D farfield 결과를 나타냅니다. 이를 통해 설계자는 원거리 영역에서의 전자레인지의 차폐 효과를 확인할 수 있습니다.

 

맺음말

지금까지 마그네트론의 설계와 전자레인지의 설계에 대한 전반적인 워크플로우를 제시하였습니다. 전체 설계 시 마그네트론은 CST MWS의 Eigenmode Solver를 이용하여 전자 빔이 없을 때의

공진 모드를 분석하고, CST PS의 PIC Solver를 이용하여 전자 빔을 포함한 해석을 진행해 보았으며 CST EMS의 Electrostatic Solver와 Magnetostatic Solver를 이용하여 전극과 자석을 포함한 해석을

분석하였습니다. 이후 방열판에 대한 열해석 및 구조해석은 CST MPS를 이용하여 연계 해석을 진행하였고, 전자레인지의 전자파 적합성은 CST MWS를 활용하여 외부로 방출되는 전자기장 분포를

가시적으로 확인하였습니다.

이와 같은 워크플로우는 CST STUDIO SUITE®를 통해서 하나의 사용자 환경에서 구성 가능하며 마그네트론의 설계 과정에서 다중 물리 분석을 효율적으로 진행할 수 있습니다.

 

​본 자료는 다쏘시스템의 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

• 원본 : 다쏘시스템코리아 블로그