[논문]영구자석 오버행 구조를 가진 소형 BLDC 모터의 2차원 해석 접근 방법

김회천; 정태욱

doi:10.5207/jieie.2012.26.7.039

영구자석 오버행 구조를 가진 소형 BLDC 모터의 2차원 해석 접근 방법
2D Analysis Approach Method of a Small BLDC Motor Having Permanent Magnet Overhang Structure 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.26 no.7, 2012년, pp.39 - 44

김회천 (경남대학교 공대 전기공학과) , 정태욱 (경남대학교 공대 전기공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper deals with the characteristic analysis of small power brushless DC (BLDC) motor considering the rotor magnet overhang flux. In the driving characteristics analysis using 2D FEA (Finite Element Analysis), the rotor magnet overhang effect can't be considered and it should be neglected. To consider rotor magnet overhang effect, 3D FEA should be required. But 3D FEA requires very long calculation time even though the high specification computer is used. In this paper, the 3D electromagnetic model of BLDC motor is approximated as the 2D electromagnetic model considering overhang effect. In this paper, the concept of overhang coefficient is applied, and the coefficient according to load torque variance is deduced.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 영구자석 오버행 구조를 가지는 BLDC 모터의 특성해석을 3차원 FEA를 활용하지 않고 2차원 FEA로 수행할 수 있는 기법을 제안하였다. 영구자석 오버행구조의 모터 특성상 3차원 해석을 수행되어져야 하지만 시간적 문제 등의 단점들을 보완하기 위해 2차원 해석수행 기법을 제안하였다.
본 논문에서는 유한요소 특성해석에 있어 3차원 방식의 단점과 2차원 방식에서 영구자석 오버행의 구조적 해석 단점을 개선하고, 오버행 구조의 특성해석을 쉽게 접근하여 적용 및 활용할 수 있는 기법을 제안하였다.

가설 설정

오버행계수를 산출하기 위해서 실험적 결과와 2차원 해석결과를 비교하였다. 또한 해석상의 편의를 위하여 자기회로의 자속밀도 및 자계가 균일하고, 그 단면적 및 길이도 일정하며 자성체의 자기특성도 선형적이다고 가정하였다. 그림 4에서 비교결과 영구자석오버행에 따른 유효자속량의 차이만큼의 오차가 발생한다.

제안 방법

이와 같이 영구자석 오버행 구조는 동일한 축방향 길이의 단부권선에 의한 유효 자속량을 보다 더 확보 할 수 있으므로 출력 향상이 가능하다[3]. 2차원 등가화 모델로 표현하기 위해 영구자석 오버행에 따른 유효 자속량의 비를 산출하여 해석을 가능하게 하였다.
그림 4에서 비교결과 영구자석오버행에 따른 유효자속량의 차이만큼의 오차가 발생한다. 그리고 2차원 해석에서의 유효공극 자속 결과특성을 확보하여 특성곡선을 그렸다. 그 결과를 그림 5에서 확인할 수 있다.
본 논문에서는 영구자석 오버행 구조를 가지는 BLDC 모터의 특성해석을 3차원 FEA를 활용하지 않고 2차원 FEA로 수행할 수 있는 기법을 제안하였다. 영구자석 오버행구조의 모터 특성상 3차원 해석을 수행되어져야 하지만 시간적 문제 등의 단점들을 보완하기 위해 2차원 해석수행 기법을 제안하였다. 2차원 해석을 수행하기 위해서 부하토크에 따른 오버행 계수를 산출하였으며, 이에 의해 오버행영향의 유효 자속분이 고려되어 2차원 해석 수행이 가능해졌다.
오버행 계수에 의해 원래의 영구자석 자속밀도의 값을 각 부하토크에 따라 영구자석 자속밀도 B_m으로 설정하여 2차원 유한요소해석을 하였다. 그리고 제안된 오버행 계수의 타당성을 입증하기 위해 무부하 및 부하에 따라 실험치와 해석결과를 비교검증하였다.
이 기법은 최적화 설계를 위한 많은 특성계산 해석시간을 단축하기 위하여 2차원 해석을 사용 하였으며, 오버행에 따른 유효자속량을 고려하여 오버행계수를 산정하고 3차원 해석모델을 2차원 등가화를 가능하게 하여 실험하였다.
그 결과를 그림 5에서 확인할 수 있다. 이 유효공극 자속을 근거로 측정치와 해석치의 오차 원인인 오버행 L_oh에 따른 프린징 효과 (Fringing effect) 등의 유효자속량 값을 유추하였다. 이 유추방법은 토크 오차 성분만큼의 자속량을 추출하였으며, 그 결과 선형적인 특성으로 그림 6과 같은 유효자석 성분의 오버행 계수가 산출되었다.
그러나 2차원 유한요소해석의 경우 단면의 수직방향으로 기하학적, 물리적 양이 일정하다는 조건이 필요하고, 영구자석 오버행을 가진 BLDC 모터는 구조적 특징으로 2차원 유한요소해석에 어려움이 존재하기 때문에 3차원 유한요소해석 기법이 사용되어진다[4-5]. 하지만 3차원 유한요소해석 기법은 해석시간이 많이 걸리므로 오버행 계수를 산정하여 2차원 유한요소해석 기법을 사용하여 실험하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 BLDC 모터는 구조적으로 영구자석이 고정자의 적층길이 보다 긴 오버행 구조를 가지고 있다. BLDC 모터의 설계시 보통 오버행 길이는 계자의 유효자속을 증가와 엔드턴에 의한 모터 내부구조의 공간 활용을 극대화하기 위해 1차측 코어 적층길이의 1.
그림 1은 본 연구에서 사용된 BLDC 모터의 실제모델과 3D 모델링 형상을 보여준다. 사용된 BLDC 모터의 영구자석은 링형 Ferrite로 자극 전체가 원주방향으로 균일하게 위치되어 있으나, 영구자석 내측에는 비자성체 재질로 구성되어 있다. 또한 회전자 영구자석의 축의 길이는 8[mm], 고정자는 5[mm]로 구성되어 있다.
오버행 구조의 BLDC 전동기의 3차원 모델을 2차원 등가화 모델로 표현하기 위해 적층 구조에 따라 인자를 선정하였으며, 그림 3과 같이 표현하였다.

데이터처리

2차원 FEA를 해석을 진행하기 위해 제안한 오버행 계수를 적용하여 측정치 및 3D FEA의 역기전력 결과와 비교하였다. 그림 7은 3차원 해석모델을 보여준다.
으로 설정하여 2차원 유한요소해석을 하였다. 그리고 제안된 오버행 계수의 타당성을 입증하기 위해 무부하 및 부하에 따라 실험치와 해석결과를 비교검증하였다.
오버행계수를 산출하기 위해서 실험적 결과와 2차원 해석결과를 비교하였다. 또한 해석상의 편의를 위하여 자기회로의 자속밀도 및 자계가 균일하고, 그 단면적 및 길이도 일정하며 자성체의 자기특성도 선형적이다고 가정하였다.

이론/모형

본 논문에서는 BLDC 모터의 전자기구조 분석 및 출력특성 비교를 위하여 유한요소법을 이용하였다. 유한요소법에 의한 전동기의 특성과 결과는 그 해의 오차가 크지 않다고 하여 설계의 근거자료로 이용되고 있다.

성능/효과

그림 9는 오버행 계수의 미적용과 적용에 따른 해석결과와 측정치의 결과를 비교하여 나타냈다. 그 결과 오버행 계수를 적용한 해석결과는 측정치와 근사한 값의 결과가 비교되었으며, 이는 각 부하별 오버행영향의 유효 자속량이 고려되어 근사한 결과가 도출된 것이다.
2차원 해석을 수행하기 위해서 부하토크에 따른 오버행 계수를 산출하였으며, 이에 의해 오버행영향의 유효 자속분이 고려되어 2차원 해석 수행이 가능해졌다. 또한 오버행 계수의 적용에 따른 해석결과를 실험치와 비교하여 해석의 타당성을 입증하였다. 따라서 3차원 해석과 2차원 해석에서의 단점들을 보완하여 2차원 해석으로 영구자석 오버행 구조를 가지는 BLDC 모터의 특성해석을 효과적으로 접근할 수 있게 되었으며, 또한 본 논문에서 사용된 BLDC 모터의 전자기 구조의 개선을 위해 효율적으로 진행될 것으로 예상된다.
또한 오버행계수 곡선이 적용되지 않은 해석결과는 오버행 구조를 시행하지 않은 BLDC 모터 특성을 나타내며, 오버행의 구조의 시행 유 · 무에 대한 결과를 확인할 수 있다.
산출된 오버행 계수를 적용하여 각 부하별 특성해석을 진행하였으며, S-T 커브특성 해석결과를 실험치와 비교로 오버행 계수적용에 대한 2차원 FEA의 타당성을 입증하였다. 그림 9는 오버행 계수의 미적용과 적용에 따른 해석결과와 측정치의 결과를 비교하여 나타냈다.
이 유효공극 자속을 근거로 측정치와 해석치의 오차 원인인 오버행 L_oh에 따른 프린징 효과 (Fringing effect) 등의 유효자속량 값을 유추하였다. 이 유추방법은 토크 오차 성분만큼의 자속량을 추출하였으며, 그 결과 선형적인 특성으로 그림 6과 같은 유효자석 성분의 오버행 계수가 산출되었다.
62[V]의 값의 결과가 도출되므로 오버행영향의 유효자속이 확보되고 있음을 확인할 수 있다. 이로써, 제안된 오버행 계수를 활용하여 부하특성 실험진행이 가능해졌다.
15[V]이며, 이 값은 회전자 영구자석의 축이 고정자 적층과 동일한 축방향길이의 단부권선과 같은 해석 상태이다[6]. 하지만 오버행 계수가 적용된 2차원 FEA의 결과는 측정치 및 3D해석치와 근사한 6.62[V]의 값의 결과가 도출되므로 오버행영향의 유효자속이 확보되고 있음을 확인할 수 있다. 이로써, 제안된 오버행 계수를 활용하여 부하특성 실험진행이 가능해졌다.

후속연구

또한 오버행 계수의 적용에 따른 해석결과를 실험치와 비교하여 해석의 타당성을 입증하였다. 따라서 3차원 해석과 2차원 해석에서의 단점들을 보완하여 2차원 해석으로 영구자석 오버행 구조를 가지는 BLDC 모터의 특성해석을 효과적으로 접근할 수 있게 되었으며, 또한 본 논문에서 사용된 BLDC 모터의 전자기 구조의 개선을 위해 효율적으로 진행될 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	BLDC 모터의 장점은?	BLDC 모터는 소형모터 영역에서 비교적 큰 토크를 얻을수 있고 속도 제어등의 가변속 제어가 용이하며, 브러시가 없어 반영구적으로 사용 가능하다. 또한 고효율, 저소음의 성능적인 장점으로 인해 최근 각 분야에서 유도전동기와 직류전동기를 대체하고 있으며, 특히 가전기기 및 오토모바일 등에 다양하게 대체되어에너지효율 향상에 기여하고 있다. 현재까지 소형 모터로서는 다양한 모터들이 제시되어 있고 예전에는 구동소자의 가격 때문에 주로 상용 전원용 단상 모터적용에 대해 고민하여 왔다.
	BLDC 모터는 최근에 무엇을 대체하고 있는가?	BLDC 모터는 소형모터 영역에서 비교적 큰 토크를 얻을수 있고 속도 제어등의 가변속 제어가 용이하며, 브러시가 없어 반영구적으로 사용 가능하다. 또한 고효율, 저소음의 성능적인 장점으로 인해 최근 각 분야에서 유도전동기와 직류전동기를 대체하고 있으며, 특히 가전기기 및 오토모바일 등에 다양하게 대체되어에너지효율 향상에 기여하고 있다. 현재까지 소형 모터로서는 다양한 모터들이 제시되어 있고 예전에는 구동소자의 가격 때문에 주로 상용 전원용 단상 모터적용에 대해 고민하여 왔다.
	영구자석 오버행 특성 연구에서는 어떤 방법을 이용하여 연구를 수행하는가?	하지만 영구자석 오버행의 영향은 구조적으로 3차원 해석을 수행이 필요하다. 3차원 유한요소법, 3차원등가자기회로망법 및 3차원 공간고조파법등을 이용한 영구자석 오버행 특성을 해석한 연구는 많이 되어왔다. 이러한 이유는 비대칭적이거나 복잡한 구조를 갖는 전동기의 경우에는 2차원 방식으로는 정확하게 계산해 낼 수 없기 때문에 3차원 방식을 사용하게 된다.

참고문헌 (6)

H. Kwon, J. Lee, Y. D. Chun, S. Kim, Y. H. Kim, B. Im, H. K. Sung, "A Study on the Permanent Magnet Overhang Effect in Brushless DC Motor", Summer Conference in KIEE, pp.599-601, July 18-20, 2001.
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Su-Jin Lee, Sung-Il Kim, Jung-Pyo Hong, Byoung-Young Song, Jong-Won Park, "Characteristic Analysis of the Water Pump Motor considering Polar Anisotropic Ferrite Bonded Magnet", ICEMS, 2010 International Conference, pp1242-1245, oct. 2010.
Gyu-Hong Kang, Duck-Hyun Kim, "Characteristics of Torque and Vibration-Noise take into account Permanent Magnet Overhang of BLDC Motor for Robots", The transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, pp.346-352, 2006.
J. P. Wang and D. K. Lieu, "Influence of permanent magnet overhang on the performance of the Brushless de motor", jounal of Applied Physics, Vol. 83, pp. 6362-6364, 1998.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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