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모터의 성능향상을 위한 마그네틱 센서의 3차원 전자장 해석

3D Electromagnetic Analysis of Magnetic Sensor for Improvement of Motor

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.5, 2013년, pp.2381 - 2387  

심상오 (국립한밭대학교 경영회계학과) ,  김기찬 (국립한밭대학교 전기공학과)

초록
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본 논문에서는 전동기의 속도 센서로 사용되는 마그네틱 센서의 3차원 전자장 해석 기술 및 분석 방법에 대하여 논하였다. 마그네틱 센서는 레졸버 및 엔코더와 같은 속도센서에 비해 가격이 싸고 활용성이 높은 장점이 있는 반면, 정밀도가 낮으며 외부 자기장에 대하여 간섭을 많이 받는 단점이 존재한다. 마그네틱 센서는 전동기가 회전할 때 사인과 코사인 파형이 발생된다. 그러나 홀 소자 근처에서의 자기적 노이즈로 인하여 사인 및 코사인 신호가 왜곡이 발생하여 각도 오차로 나타난다. 본 논문에서는 마그네틱 센서의 홀 소자의 적절한 위치 선정과 주위에 적절한 요크를 다꾸찌 방법에 의해 최적 설계를 수행하여 이러한 왜곡을 방지하고자 하였다. 해석방법으로는 3차원 유한요소법을 이용하여 해석의 정밀도를 높였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper deals with an optimal angle error reduction method of magnetic hall sensor using hall effect elements with yoke. The magnetic position sensor is required to generate ideal sine and cosine waveforms from its hall effect elements according to rotation angle for precise angle information. Ho...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 홀 소자의 주변에 요크를 추가하게 되면 Arctan파형이 심한 왜곡이 생기게 되므로 왜곡의 원인 파악과 이를 보완할 방안이 요구된다. 따라서 THD도 좋아지며 Arctan파형의 위상 또한 변화가 적은 모델이 요구되어 원인을 분석하고 이를 보완 방법을 연구하였다.
  • 본 논문은 마그네틱 센서를 외란에 강인하게 개선하였다. 마그네틱 센서의 단점 중 외란에 의한 파형의 왜곡을 개선하기 위하여 홀 소자의 위치와 주위에 요크를 설치하여 외란의 영향을 차폐하여 고조파의 비율을 감소시키고자 한다. 이에 따라 ‘Minitab’을 이용한 다구찌 기법을 이용하여 외란을 효과적으로 차폐하는 홀 소자의 위치와 요크 모양을 선정하였다.
  • 본 논문은 마그네틱 센서를 외란에 강인하게 개선하였다. 마그네틱 센서의 단점 중 외란에 의한 파형의 왜곡을 개선하기 위하여 홀 소자의 위치와 주위에 요크를 설치하여 외란의 영향을 차폐하여 고조파의 비율을 감소시키고자 한다.
  • 본 논문은 홀 소자의 위치를 변화 시켜 외란의 영향이 적은 곳을 선정하고, 홀 소자의 주변에 요크를 설치하여 외란이 홀 소자에 직접적으로 영향을 주지 못하고 요크의 차폐현상에 의하여 외란의 영향이 감소되어 설계하는 방안을 제시하였다.
  • 외란의 영향에 강인한 마그네틱 센서를 위해 초기모델의 홀 소자 위치 변경과 홀 소자 주변에 요크를 추가시킴으로써 외란을 차폐하여 THD를 개선시키고자 한다. 명확한 분석을 하기 위하여 3D 해석과 3가지 요인을 설정하여 다구찌 기법을 이용하였으며, 이를 통하여 효과적인 THD 개선 모델을 도출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
마그네틱 센서는 무엇으로 구성되어있는가? 마그네틱 센서는 위치 검출 센서로 센서 내부에 자석과 내부 자석에 의해 변화하는 자계를 검출하는 홀 소자로 구성되어있다. 마그네틱 센서의 회전자 위치 검출 방법은 전동기의 샤프트에 고정시킨 센서 내부의 자석을 회전자의 회전에 따라 회전한다.
회전자의 위치를 검출하는 위치 검출 센서로 널리 사용되는 것은 무엇이 있는가? 전동기의 정확한 속도 제어 및 위치제어를 하기 위해서 위치 검출 센서를 이용하여 회전자의 위치를 검출한다. 이를 위한 센서로서 엔코더 및 레졸버가 널리 사용이 된다. 엔코더는 차량의 진동 및 충격 등의 높은 내환경성을 만족하기 어려우며, 레졸버의 경우에는 내환경성과 정확성이 좋으나 가격적인 측면이 높다.
마그네틱 센서의 장점은? 본 논문에서는 전동기의 속도 센서로 사용되는 마그네틱 센서의 3차원 전자장 해석 기술 및 분석 방법에 대하여 논하였다. 마그네틱 센서는 레졸버 및 엔코더와 같은 속도센서에 비해 가격이 싸고 활용성이 높은 장점이 있는 반면, 정밀도가 낮으며 외부 자기장에 대하여 간섭을 많이 받는 단점이 존재한다. 마그네틱 센서는 전동기가 회전할 때 사인과 코사인 파형이 발생된다.
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참고문헌 (6)

  1. Schott, C., "A new twe-axis magnetic position sensor," Sensors, 2002.Proceedings of IEEE, vol. 2, pp.911-915, Jun, 2002. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/ICSENS.2002.1037230 

  2. Bretchneider, J., "Design of multi-dimensional magnetic position sensor systems based on HallinOne technology," Industrial Electronics (ISIE), 2010 IEEE International Symposium., vol. 12, pp. 422-427, July, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-23071-4_6 

  3. Kikuchi, Y., Nakamura, F., Wakiwaka, H., and Yamada, H., "Consideratinon of magnetization and detection on magnetic rotary encoder using finite element method", IEEE Transactions on Magnetics, Vol. 33, no. 2, pp. 2159-2162, Mar, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/20.582759 

  4. Seung-Ho Jeong, Se-Hyun Rhyu, Byung-Il Kwon, and Byung-Taek Kim, "Design of the Rotary Magnetic Position Sensor With the Sinusoidally Magnetized Permanent Magnet", IEEE Transactions on magnetics, Vol. 43, No. 4, pp. 1837-1840, Apr, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TMAG.2007.892617 

  5. Walid G.Morsi and M. E. El-Hawary, "Wavelet Packet Transform-Based Power Quality Indices for Balanced and Unbalanced Three-Phase Systems Under Stationary or Nonstationary Operating Conditions", IEEE Transactions on power delivery, vol. 24, no. 4, pp. 2033-2310, Oct, 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TPWRD.2009.2027496 

  6. Omekanda, A. M., "Robust torque and torqueper- inertia optimization of a switched reluctance motor using the Taguchi methods," IEEE Transactions on Industry Applications, vol, 42, no. 2, pp. 473-478, Mar, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIA.2006.870031 

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