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문제 정의
- 본 논문에서는 희토류 영구자석의 자원 수급문제를 해결하기 위해 희토류 영구자석을 사용하고 있는 펌프용 BLDC 모터의 회전자를 링형 본디드 페라이트 영구자석으로 대체하는 연구을 진행하였다. 희토류 영구자석에서 페라이트 영구자석을 채용한 회전자로 대체하기 위한 주요설계 조건인 출력특성과 영구자석의 감자 안정성을 만족하며, 대체 가능한 설계결과를 도출하였다.
- 하지만 새로운 소재가 개발되기 전까지의 기간은 알 수 없다[2][3]. 본 연구에서는 희토류 영구자석을 사용한 펌프용 BLDC 모터를 경제성이 우수한 페라이트(Ferrite) 영구자석으로 대체하여 동일한 성능을 가지는 펌프용 BLDC 모터를 개발하고자 한다[4]. 페라이트 자석은 희토류 자석에 비해 잔류자속밀도가 낮으나 보자력 특성이 우수하다.
제안 방법
- 이와 같은, 설계 진행은 신뢰성이 우수한 유한요소해석법 (FEA : finite element analysis)을 활용하여 실험계획법 (DOE : design of experiments)과 표면반응기법 (RSM : response surface analysis)을 이용한 최적화 방법에 관한 연구를 진행하였다. DOE 결과에서 추출된 실험점으로 RSM을 구하는 수행을 FEA를 통하여 설계변수들의 조합을 찾아내고 최적화된 모델의 최종적인 결과를 도출하였다. 도출된 BLDC 모터는 기존의 BLDC 모터와 출력특성 결과를 비교분석하였으며, 영구자석 감자안정성 판별해석을 진행하여 모터의 신뢰성을 검증하였다.
- 하지만 역기전력과 출력특성을 고려한 최적두께를 결정하여야 한다. 그러므로 페라이트 영구자석의 최소두께를 3.5[mm]로 정하였으며, 최대 두께를 5[mm]로 정하여 최적화 설계를 진행하였다.
- 희토류 영구자석에서 페라이트 영구자석으로 대체한 SPM 형태의 회전자 설계가 특징을 가진다. 그림 2와 같은 설계순서로 본 논문에서 제안한 펌프용 BLDC 모터 설계를 진행하였다. 그리고 제안한 회전자 설계에서 기존에 사용된 희토류 영구자석을 대체한 페라이트 영구자석 재질을 선정하였다.
- 또한 기존의 모터보다 점적율의 사용을 높일 수 있으므로 코일의 선경을 증가시켰다. 또한 FEA로 도출된 자계분포특성 해석결과에 의해 역기전력 상수, 인덕턴스, 저항 등 파라메터를 산출하였다. 표 4는 기존의 모터와 제안된 BLDC 모터의 파라메터 결과를 나타냈다.
- 5mm를 더 활용할 수 있게 되었다. 또한 기존의 모터보다 점적율의 사용을 높일 수 있으므로 코일의 선경을 증가시켰다. 또한 FEA로 도출된 자계분포특성 해석결과에 의해 역기전력 상수, 인덕턴스, 저항 등 파라메터를 산출하였다.
- 그림 7은 역기전력 결과를 보여주고 있다. 또한 역기전력의 전고조파 왜율 (THD)를 분석하였다.
- 이와 같은 단점의 개선을 통하여 대체 가능한 BLDC 모터 설계를 진행하였다. 또한 페라이트 영구자석의 감자에 대한 안전을 고려하여 최소두께를 산정하였으며, 주요 설계인자로 정의하였다. 이와 같은, 설계 진행은 신뢰성이 우수한 유한요소해석법 (FEA : finite element analysis)을 활용하여 실험계획법 (DOE : design of experiments)과 표면반응기법 (RSM : response surface analysis)을 이용한 최적화 방법에 관한 연구를 진행하였다.
- 먼저, BLDC 모터의 최대운전온도 및 최대전류를 선정해야한다. 본 논문에서 감자 특성은 펌프 시스템상 내부 온도가 100℃ 이하이고 100℃ 이상 상승하지 않기 때문에 최고 사용온도를 100℃로 최대전류는 12 [A]로 선정하였다. 그림 13에서 제시된 바와 같이, 유한요소법에 의해 계산된 무부하시 공극자속밀도로부터 공극선을 그리고, 전기자 전류에 의한 외부자계도 계산 후 공극선에 평행한 부하선을 표시한다.
- 본 논문에서 제안된 모터는 페라이트를 사용한 SPM 형태의 BLDC 모터이며, 기존의 펌프용 IPM 형태의 모터와 달리 릴럭턴스 토크를 사용하지 않고 마그네틱 토크만을 사용하는 모터이다. 희토류 영구자석에서 페라이트 영구자석으로 대체한 SPM 형태의 회전자 설계가 특징을 가진다.
- 본 논문에서 제안한 BLDC 모터는 기존의 BLDC 모터를 대체하여 사용하기 위해서 동일한 출력 능력을 가지는 모터 성능을 만족해야한다. 이러한 특성을 확인하기 위해 제안된 BLDC 모터의 출력 S-T 커브특성을 도출하였으며, 기존의 모터와 비교하여 특성결과를 그림 8에 나타냈다.
- 본 논문에서 제안한 BLDC 모터의 원가절감 효과는 기존에 제작된 IPM BLDC 모터의 생산비용을 기준으로 사용된 코일, 코어, 영구자석에 대한 백분율로 환산하여 효과를 비교하였다. 표 6에 원자재 비용별 효과예상 결과를 나타냈다.
- 본 논문에서 제안한 모터는 기존의 모터와 동일한 결선구조와 슬롯/극수 조합을 가지지만, 공극, 턴수 및 선경, 점적율과 같은 설계 파라메터들은 변경되었다. 제안한 회전자는 본디드 페라이트 사용으로 방수 인슐레이터가 제거됨에 따라 공극구조의 활용성이 증가하였으며 0.
- 또한 SPM (Surface permanent magnet) 형태는 속도제어 및 위치제어에 악영향을 미치고 진동 및 소음의 원인을 발생시키는 코깅토크의 측면에서 IPM 형태의 모터보다 작게 발생되는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 페라이트 영구자석을 사용한 SPM 형태의 BLDC 모터를 설계하였으며, 기존의 펌프용 BLDC 모터의 고정자 형상은 동일한 조건으로 설계를 진행하였다. 하지만 희토류 대신 페라이트 사용은 모터의 역기전력 감소, 최대출력 저하, 영구자석의 불가역감자 등 모터의 성능을 저하시키는 현상이 발생하게 된다[4][5].
- BLDC 모터의 설계 진행을 위해 FEA를 이용하였으며, FEA에서 도출된 특성결과는 그 해의 오차가 크지 않다고 하여 설계의 근거자료로 이용되고 있다. 이러한 FEA을 활용으로 기존의 IPM 모델의 전자기 구조를 분석하였으며, 제안한 BLDC 모터의 설계를 진행하였다. 그림 3은 FEA를 시행하기 위해 기존의 IPM 모터와 제안한 SPM 모터의 모델링 형상을 나타낸 것이다.
- 그림 3은 FEA를 시행하기 위해 기존의 IPM 모터와 제안한 SPM 모터의 모델링 형상을 나타낸 것이다. 이와 같이 구성된 FEA 모델링을 활용하여 DOE에 따라 해석 진행과 결과를 도출하였다.
- 제안한 BLDC 모터를 최적화 설계를 진행하기 위해 실험 계획법을 이용하였으며, 표 3은 기존의 BLDC 모터의 성능에 대응하기 위한 중요한 설계 변수의 인자를 나타내고 있다. 그리고 인자들을 4개의 수준으로 정하였다.
대상 데이터
- 그림 2와 같은 설계순서로 본 논문에서 제안한 펌프용 BLDC 모터 설계를 진행하였다. 그리고 제안한 회전자 설계에서 기존에 사용된 희토류 영구자석을 대체한 페라이트 영구자석 재질을 선정하였다. 표 2는 본 논문에서 선정한 페라이트 영구자석과 기존 모터에 사용된 희토류 영구자석을 비교한 특성을 보여주고 있다.
- 표 2는 본 논문에서 선정한 페라이트 영구자석과 기존 모터에 사용된 희토류 영구자석을 비교한 특성을 보여주고 있다. 철심 재질은 기존과 동일한 특성의 무방향성 규소강판을 사용하였다.
데이터처리
- DOE 결과에서 추출된 실험점으로 RSM을 구하는 수행을 FEA를 통하여 설계변수들의 조합을 찾아내고 최적화된 모델의 최종적인 결과를 도출하였다. 도출된 BLDC 모터는 기존의 BLDC 모터와 출력특성 결과를 비교분석하였으며, 영구자석 감자안정성 판별해석을 진행하여 모터의 신뢰성을 검증하였다.
이론/모형
- 또한 페라이트 영구자석의 감자에 대한 안전을 고려하여 최소두께를 산정하였으며, 주요 설계인자로 정의하였다. 이와 같은, 설계 진행은 신뢰성이 우수한 유한요소해석법 (FEA : finite element analysis)을 활용하여 실험계획법 (DOE : design of experiments)과 표면반응기법 (RSM : response surface analysis)을 이용한 최적화 방법에 관한 연구를 진행하였다. DOE 결과에서 추출된 실험점으로 RSM을 구하는 수행을 FEA를 통하여 설계변수들의 조합을 찾아내고 최적화된 모델의 최종적인 결과를 도출하였다.
- 그리고 인자들을 4개의 수준으로 정하였다. 정해진 설계 인자와 수준에 대한 실험계획법에 따라 FEA를 활용하여 해석을 진행하였으며, 각 해석결과를 도출하였다.
성능/효과
- 각 표면도 분석결과의 근거로 최적화 설계 결과의 도출은 MINITAB에서 지원하는 반응표면 최적화 루틴을 이용하여 그림 6과 같은 결과가 도출되었으며, 최적화 조건은 적층 6[mm], 페라이트 영구자석 두께는 5[mm]이라는 최적조건 결과가 도출되었다.
- 061 [Nm]이다. 기존에 희토류를 사용한 IPM 형태의 BLDC 모터와 같이 요구하는 부하특성 능력이 동일한 커브결과를 확인할 수 있으며, 기존의 희토류 모터를 대체 가능한 모터가 설계되었다. 또한 효율적인 측면에서도 기존의 모터와 동일한 특성을 나타남을 그림 9에서 확인할 수 있으며, FEA 해석결과에 따른 손실 특성을 그림 10에서 결과를 확인할 수 있다.
- 토크리플은 역기전력에 함유된 고조파 성분과 관련이 깊음을 알 수 있는데, 만약 n = 6q∓1 경우(여기서 q는 정수) 즉, 역기전력의 고조파 성분 n이 3의 배수가 아닌 홀수이면, 식(6)의 [1+2cos{(n±1)2π/3}]성분이 3이 되므로, 토크리플 성분이 존재하게 되며, 리플성분의 크기는 역기전력 고조파 성분의 크기에 비례하는 관계를 가진다[7][9]. 본 논문에서 제안한 모터의 역기전력 THD 성분은 기존의 모터에 비해 7.7[%] 낮으며 정현적인 역기전력 파형을 나타냄으로 토크리플 역시 3.2[%]로 저감되는 FEA 결과를 그림 11에서 확인할 수 있다.
- 표 6에 원자재 비용별 효과예상 결과를 나타냈다. 설계된 결과에서 희토류 영구자석 보다 페라이트 영구자석의 체적은 증가했지만 비용적인 측면에서는 페라이트 영구자석의 원자재 가격이 10배 이상 매우 우수하기 때문에 경제성을 확보할 수 있다. 코일 사용량은 증가하지만, 본디드 페라이트를 사용한 회전자로 인하여 코어 사용량을 약 15[%] 줄임으로 전체적인 비용의 경제성을 28.
- 그림 4는 설계 인자로 FEA에 의해 도출된 역기전력, 토크, 효율에 미치는 영향도와 그 경향을 나타내고 있다. 역기 전력, 토크, 효율은 적층 인자에 큰 영향을 미치는 경향이 나타나고 있으며, 역기전력과 효율은 적층이 높을수록 증가하는 특성을 확인할 수 있다. 영구자석의 두께는 두꺼울수록 증가하며, 5[mm]에서 역기전력과 효율이 높은 경향이 나타난다.
- 본 논문에서 제안한 모터는 기존의 모터와 동일한 결선구조와 슬롯/극수 조합을 가지지만, 공극, 턴수 및 선경, 점적율과 같은 설계 파라메터들은 변경되었다. 제안한 회전자는 본디드 페라이트 사용으로 방수 인슐레이터가 제거됨에 따라 공극구조의 활용성이 증가하였으며 0.5mm를 더 활용할 수 있게 되었다. 또한 기존의 모터보다 점적율의 사용을 높일 수 있으므로 코일의 선경을 증가시켰다.
- 설계된 결과에서 희토류 영구자석 보다 페라이트 영구자석의 체적은 증가했지만 비용적인 측면에서는 페라이트 영구자석의 원자재 가격이 10배 이상 매우 우수하기 때문에 경제성을 확보할 수 있다. 코일 사용량은 증가하지만, 본디드 페라이트를 사용한 회전자로 인하여 코어 사용량을 약 15[%] 줄임으로 전체적인 비용의 경제성을 28.8[%]를 확보할 수 있을 것으로 사료된다.
- 본 논문에서는 희토류 영구자석의 자원 수급문제를 해결하기 위해 희토류 영구자석을 사용하고 있는 펌프용 BLDC 모터의 회전자를 링형 본디드 페라이트 영구자석으로 대체하는 연구을 진행하였다. 희토류 영구자석에서 페라이트 영구자석을 채용한 회전자로 대체하기 위한 주요설계 조건인 출력특성과 영구자석의 감자 안정성을 만족하며, 대체 가능한 설계결과를 도출하였다. 본 논문의 결과로 펌프모터의 대량생산 체제에서 생산비용 절감과 원자재 공급의 안정성 확보로 경제성이 우수한 BLDC 모터를 양산할 수 있을 것으로 사료된다.
- 희토류를 사용한 기존의 BLDC 모터의 역기전력에 비해 본 논문에서 제안된 페라이트로 대체한 SPM BLDC 모터의 역기전력은 희토류 자석에 비해 잔류자속밀도가 약 3배 작기 때문에 역기전력 저하가 발생한다. 하지만 최적 영구자석 두께설계와 점적률을 변경하여 이를 개선하였다.
후속연구
- 감자에 대한 안전을 고려하고, 모터권선에 흐를 수 있는 최대전류로부터 발생하는 자계에 견딜 수 있는 이상으로 설정하여 최종적으로 결정해야 한다. 그러므로, 본 논문에서 제안한 BLDC 모터는 기존의 희토류를 사용한 모터의 감자특성 근거로 그 이상으로 설계를 진행해야한다.
- 희토류 영구자석에서 페라이트 영구자석을 채용한 회전자로 대체하기 위한 주요설계 조건인 출력특성과 영구자석의 감자 안정성을 만족하며, 대체 가능한 설계결과를 도출하였다. 본 논문의 결과로 펌프모터의 대량생산 체제에서 생산비용 절감과 원자재 공급의 안정성 확보로 경제성이 우수한 BLDC 모터를 양산할 수 있을 것으로 사료된다.
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