[논문]환풍기용 외전형 단상 브러시리스 직류전동기 개발

박용운; 정학균; 조주희; 소지영; 정동화; 김대경

doi:10.5207/jieie.2013.27.8.036

환풍기용 외전형 단상 브러시리스 직류전동기 개발
Development of Single-phase Brushless DC Motor with Outer Rotor for Ventilation Fan 원문보기

照明·電氣設備學會論文誌 = Journal of the Korean Institute of Illuminating and Electrical Installation Engineers, v.27 no.8, 2013년, pp.36 - 41

박용운 (순천대학교 전기공학과) , 정학균 (순천대학교 대학원 전기공학과) , 조주희 (전자부품연구원 디지털컨버전스연구센터) , 소지영 (순천대학교 전기제어공학과) , 정동화 (순천대학교 전기제어공학과) , 김대경 (순천대학교 전기제어공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is development of single-phase brushless DC motor with outer rotor for ventilation fan. Cogging torque causes the noise vibration to greatest impact on ventilation fan. Asymmetric notches are applied to tapered-teeth for cogging torque reduction of single-phase brushless DC motor. Initial model is notchless and proposed model is applied 2 asymmetric notches. The proposed method is proved motor characteristic through finite element analysis(FEA). Also, experimental results verify that the proposed model considerably reduces cogging torque and have the good sound quality in ventilation system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 환풍기용 외전형 단상 브러시리스 직류전동기 개발에 관한 것으로 고정자 치에 2개의 노치를 비대칭으로 구성하여 코깅토크를 저감하였다. 노치가 없는 초기모델과 비대칭 노치를 적용한 제안모델의 유한요소해석을 통한 특성비교를 하여 제안한 방법의 타당성을 검증하였고, 제안모델을 제작하여 특성 및 소음시험을 통해 본 논문의 타당성을 입증하였다.
본 논문은 환풍기용 외전형 단상 브러시리스 직류전동기 개발에 관한 것으로, 비대칭 공극을 가지는 전동기에 비대칭 노치를 적용하였다. 코깅토크를 최소화 하기 위해서 비대칭 노치의 위치와 크기를 유한요소해석을 통해 찾았다.

제안 방법

개발된 단상 브러시리스 직류전동기는 극수와 슬롯 수가 1:1이 되어야 하고 권선공간의 확보와 효율성을 고려하여 8극 8슬롯의 구조를 채택하였다. 환풍 시스템을 고려하여 외경을 94mm로 하고, 회전자와 고정자 사이의 공극을 0.
그림 10은 조립된 환풍 시스템의 소음 시험을 보여주고 있다. 소음시험의 경우 팬에 대한 규정에 따라 암소음이 20dB 이하인 무향실에서 흡입측으로부터 1m 떨어진 지점에서 정격 풍량으로 10분간 예열 운전 후 100초 동안 소음시험을 진행하였다. 그림 10 (b) 평균 소음 측정결과를 보여주고 있으며 49.
실험은 제안한 모델을 실제로 제작하여 특성시험을 하였다. 그림 7은 전동기특성 측정을 위한 실험장비 구성을 보여준다.
유한요소해석을 위해 1/8 모델링 하고 주기경계조건을 적용하여 코깅토크를 계산하였다. 효율적인 코깅토크 저감을 위해 그림 3의 노치 (a)와 노치 (b)의 위치를 5°～15°까지 5°씩 변경해가며 코깅토크를 계산하였다.
비대칭 공극을 사용하는 단상 브러시리스 직류전동기의 경우 공극의 변화에 따라 자기저항의 변화량이 달라져 코깅토크에 큰 영향을 끼치게 되므로 코깅토크의 저감이 필수적이다. 이러한 코깅토크 저감 방법중 적용이 쉽고, 간단하며 제작 비용면에서 비교적 저렴한 회전자, 고정자의 형상변화를 이용하는 방법이 가장 널리 사용되고 있으며, 본 논문에서도 고정자 치에 노치를 적용한 고정자 형상변화 방법을 사용하였다.
본 논문은 환풍기용 외전형 단상 브러시리스 직류전동기 개발에 관한 것으로, 비대칭 공극을 가지는 전동기에 비대칭 노치를 적용하였다. 코깅토크를 최소화 하기 위해서 비대칭 노치의 위치와 크기를 유한요소해석을 통해 찾았다. 유한요소 해석을 통해 초기모델과 제안모델의 특성을 비교하였고, 제작된 제안모델 특성시험을 통해 비교 분석하여 제안한 모델의 타당성을 입증하였다.
환풍 시스템에 적용하기 위한 단상 브러시리스 직류 전동기 개발을 위해 표 1과 같이 모터의 설계 사양 및 제원을 설정하였다.
개발된 단상 브러시리스 직류전동기는 극수와 슬롯 수가 1:1이 되어야 하고 권선공간의 확보와 효율성을 고려하여 8극 8슬롯의 구조를 채택하였다. 환풍 시스템을 고려하여 외경을 94mm로 하고, 회전자와 고정자 사이의 공극을 0.7mm로 하였다. 그림 2는 이러한 설계사양과 제원을 바탕으로 제작된 단상 브러시리스 직류전동기를 보여주고 있다.

데이터처리

코깅토크를 최소화 하기 위해서 비대칭 노치의 위치와 크기를 유한요소해석을 통해 찾았다. 유한요소 해석을 통해 초기모델과 제안모델의 특성을 비교하였고, 제작된 제안모델 특성시험을 통해 비교 분석하여 제안한 모델의 타당성을 입증하였다.

성능/효과

(b) 15°에서 코깅토크가 43.6mNm으로 최소화됨을 보였고, 초기모델과 비교하였을 때 약 29.5% 저감되었다.
본 논문은 환풍기용 외전형 단상 브러시리스 직류전동기 개발에 관한 것으로 고정자 치에 2개의 노치를 비대칭으로 구성하여 코깅토크를 저감하였다. 노치가 없는 초기모델과 비대칭 노치를 적용한 제안모델의 유한요소해석을 통한 특성비교를 하여 제안한 방법의 타당성을 검증하였고, 제안모델을 제작하여 특성 및 소음시험을 통해 본 논문의 타당성을 입증하였다.
초기모델에 비하여 제안한 모델이 코깅토크가 약 29.5%가 저감됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	코깅토크 저감 방법 중 고정자의 형상변화를 이용하는 방법을 널리 사용하는 이유는?	비대칭 공극을 사용하는 단상 브러시리스 직류전동기의 경우 공극의 변화에 따라 자기저항의 변화량이 달라져 코깅토크에 큰 영향을 끼치게 되므로 코깅토크의 저감이 필수적이다. 이러한 코깅토크 저감 방법중 적용이 쉽고, 간단하며 제작 비용면에서 비교적 저렴한 회전자, 고정자의 형상변화를 이용하는 방법이 가장 널리 사용되고 있으며, 본 논문에서도 고정자 치에 노치를 적용한 고정자 형상변화 방법을 사용하였다.
	코깅토크를 저감하기 위한 방법에는 어떤 것들이 있는가?	이러한 고정자 비대칭 구성은 환풍기의 중요한 요인중 하나인 소음․진동의 원인중 하나인 코깅토크에도 큰 영향을 주게되므로 코깅토크저감이 필수적이다. 코깅토크를 저감하기 위한 방법에는 공극의 길이 증가, 슬롯이나 극의 수 증가, 회전자 또는 고정자치에 노치 적용, 회전자 또는 고정자에 스큐 등의 방법들이 있다[6-10].
	단상 브러시리스 직류전동기는 회전자의 위치가 토크가 발생하지 않는 구간에 정렬되어 초기기동에 실패할 수 있다, 이에 대한 해결책은?	일반적인 단상 브러시리스 직류전동기(Single-phase Brushless DC Motor, Single-phase BLDCM)는 회전자의 위치가 토크가 발생하지 않는 구간에 정렬되어 초기기동에 실패할 수 있다. 이를 해결하기 위해 고정자의 형상을 비대칭으로 구성하며, 비대칭으로 구성하는 방법도 많은 연구가 되어지고 있으며[4-5], 그림 1은 현재 많이 사용되어지는 고정자의 비대칭을 적용한 일반적인 단상 브러시리스 직류전동기의 형상을 보여주고 있다. 이러한 고정자 비대칭 구성은 환풍기의 중요한 요인중 하나인 소음․진동의 원인중 하나인 코깅토크에도 큰 영향을 주게되므로 코깅토크저감이 필수적이다.

참고문헌 (10)

Mohammed Fazil and K. R. Rajagopal "A novel air-gap profile of single-phase permanent-magnet brushless DC motor for starting torque improvement and cogging torque reduction," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 46, no. 11, pp. 3928-3932, Nov 2010.

상세보기
Ahmed, S., Lefley, P. "Study of the impact of Asymmetrical stator pole arc on the cogging torque for single phase Permanent Magnet BLDC Motor,", Electric Power and Energy Conversion Systems, EPECS'09. International Conference, pp.1-4, 2009.
Chun-Lung Chiu, Yie-Tone Chen and Wun-Siang Jhang "Optimal Driving Efficiency Design for the Single-Phase Brushless DC Fan Motor," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 46, no. 04, pp. 1123-1130, Apr. 2010.

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K. Bung-Il, Y. Byoung-Yull, P. Seung-Chan, and J. Young-Sun "Novel topology of unequal air gap in a single-phase brushless DC motor," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 37, no. 5, pp. 3723-3726, Sep 2001.

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Weizi Wang, Zhigan Wu, Wanbing Jin and Jianping Ying "Starting Methods for Hall-less Single Phase BLDC Motor,"IECON conference of IEEE, 2005.
Y. Chen, S. Chen, Z. Q. Zhu, D. Howe, and Y. Y. Ye "Starting torque of single-phase flux-switching permanent magnet motors," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 42, no. 10, pp. 3416-3418, Oct 2006.

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Chun-Lung Chiu, Yie-Tone Chen and Wun-Siang Jhang "Properties of cogging torque, starting torque, and electrical circuits for the single-phase brushless DC motor," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 44, no. 10, pp. 2317-2323, Oct 2008.

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Der-Ray Huang, Tai-Fa Ying, Shyh-Jier Wang, and Chi-mou Zhou "COGGING TORQUE REDUCTION OF A SINGLE-PHASE BRUSHLESS DC MOTOR," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 34, no. 4, pp. 2075-2077, July 1998.

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D. R. Huang, C. Y. Fan, S. J. Wang, H.P. Pan. T. F. Ying, C.M. Chao and Eric G. Lean "A New type single-phase spindle Motor for HDD and DVD," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 35, no. 2, pp. 839-844, Mar 1999.

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Anton Hamler, Bozidar Hribernik "Impact of Shape of Stator Pole of One Phase Brushless Motor on Cogging Torque," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 32, no. 3, pp. 1545-1548, May 1996.

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